KR101920559B1 - 증발식 정제 및 농축시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 간단한 구성에 의한 순환 및 열교환 구조에 의해 에너지 소모를 최소화하면서도 장치의 열효율을 증대시킬 수 있는 증발식 정제 및 농축시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 해수를 포함한 피처리수가 공급되도록 연장 형성된 공급라인(10)과; 상기 공급라인(10)에 연결되어 일정량의 피처리수를 수용하도록 구비되고, 피처리수를 가열하여 정제증기와 농축액을 생산하도록 된 증발탱크(20)와; 상기 증발탱크(20)의 상부측에 연결되어 정제증기가 배출되도록 연장된 정제스팀라인(11)과, 상기 증발탱크(20)의 하부측에 연결되어 농축액이 배출되도록 연장된 농축액라인(12) 및 상기 증발탱크(20)의 일측에 연결되어 가열원을 공급하도록 연장된 열원스팀라인(13)과; 상기 정제스팀라인(11)이 일측에 연결되어 고온의 정제증기를 생산함과 동시에 타측에 상기 열원스팀라인(13)이 연결되어 고온의 열원증기를 생산하도록 된 터보압축기(30)와; 상기 터보압축기(30)에 의해 고온으로 포화된 정제증기를 응축시키도록 된 응축용 열교환기(40)와; 상기 응축용 열교환기(40)에 의해 응축된 정제수를 수용하도록 된 처리수조(50)와; 상기 처리수조(50) 상에 연결되어 정제수의 일부를 공급하도록 구비되어 상기 응축용 열교환기(40)를 거쳐 터보압축기(30) 측에서 상기 열원스팀라인(13)에 연결되도록 연장된 정제수라인(15)을 포함하는 증발식 정제 및 농축시스템이 제공된다.

Description

증발식 정제 및 농축시스템{Evaporative purification and concentration system}

본 발명은 증발식 정제 및 농축시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 간단한 구성에 의한 순환 및 열교환 구조에 의해 에너지 소모를 최소화하면서도 장치의 열효율을 증대시킬 수 있는 증발식 정제 및 농축시스템에 관한 것이다.

일반적으로 증발식 정제 및 농축과정은 액상의 피처리물을 증발탱크 내에서 가열하여 증기화시키도록 구비된 것으로, 해수를 담수화하는 과정에서 염분을 농축하여 소금을 부가 생산하거나 또는 식의약품 등에서 사용되는 증류수의 제조과정에서 이물질을 여과 배출하는 데에 사용될 수 있는 것이다.

이러한 증발식 정제 및 농축과정에 의한 종래의 증류수 제조시스템의 일례로는 증발탱크 내에 충전된 물을 가열하여 증기를 생산한 후에, 이 증기를 별도의 냉각탑에 의해 응축하여 증류수를 생산하게 된다. 하지만 이러한 경우에는 냉각탑에 의해 증기를 응축하는 과정에서 발생되는 열을 대기중에 방출함으로 인해 에너지가 낭비되는 문제점이 있는 것이다.

한편에서는 정제 및 농축과정에서 필요로 하는 에너지를 최소화기 위해 가열과 냉각을 따로 반복하는 기존의 증발법과는 달리 증발관에서 발생되는 증기를 응축하는 대신에 기계적 에너지로 압축 및 승온하여 자체의 가열열원으로 재이용하는 기계적 증기재압축 방식을 사용하고 있는 것이다.

하지만, 이러한 경우에도 증발관 내에 해수 등을 투입하는 과정에서 별도의 예열과정이 없이 직접적으로 투입이 이루어져 상대적으로 낮은 온도의 해수를 증기로 가열하는 데에 소요되는 열원이 소비가 큼에 따라 에너지 효율을 극대화시키는 데에는 한계가 있는 것이다.

국내 공개특허공보 특2001-0106805호(2001. 12. 07)

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명은 간단한 구조의 팽창과 압축과정을 통해 증기를 고온화하여 가열이나 열교환 효율을 증대시키고, 증발탱크의 수위를 일정하게 유지하여 정제 및 농축되는 양이나 특성 등을 일정하게 유지할 수 있는 증발식 정제 및 농축시스템을 제공하는 것이다.

본 발명의 특징에 따르면, 해수를 포함한 피처리수가 공급되도록 연장 형성된 공급라인(10)과;

상기 공급라인(10)에 연결되어 일정량의 피처리수를 수용하도록 구비되고, 피처리수를 가열하여 정제증기와 농축액을 생산하도록 된 증발탱크(20)와;

상기 증발탱크(20)의 상부측에 연결되어 정제증기가 배출되도록 연장된 정제스팀라인(11)과, 상기 증발탱크(20)의 하부측에 연결되어 농축액이 배출되도록 연장된 농축액라인(12) 및 상기 증발탱크(20)의 일측에 연결되어 가열원을 공급하도록 연장된 열원스팀라인(13)과;

상기 정제스팀라인(11)이 일측에 연결되어 상기 증발탱크(20)로부터 공급되는 정제증기를 가열하여 포화증기를 생성하도록 된 압축측 임펠러(31)와, 타측에 상기 열원스팀라인(13)이 연결되어 고온의 열원증기를 생산하여 상기 증발탱크(20) 측에 공급하도록 된 팽창측 임펠러(32)가 구비된 터보압축기(30)와;

상기 터보압축기(30)에 의해 고온으로 포화된 정제증기를 응축시키도록 된 응축용 열교환기(40)와;

상기 응축용 열교환기(40)에 의해 응축된 정제수를 수용하도록 된 처리수조(50)와;

상기 처리수조(50) 상에 연결되어 정제수의 일부를 공급하도록 구비되어 상기 응축용 열교환기(40)를 거쳐 상기 터보압축기(30)의 팽창측 임펠러(32) 측에 연결되도록 연장된 정제수라인(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 증발식 정제 및 농축시스템이 제공된다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 상기 정제수라인(15) 상에는 상기 응축용 열교환기(40)의 전단에 위치되어 정제수를 팽창시키도록 된 팽창기(70)가 구비된 것을 특징으로 하는 증발식 정제 및 농축시스템이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 공급라인(10)은 상기 증발탱크(20)의 전단에서 상기 처리수조(50)를 통과하여 피처리수의 예열이 이루어지도록 연장되고;

상기 공급라인(10) 상에는 상기 처리수조(50)와 증발탱크(20) 사이에 위치되어 상기 농축액라인(12)과의 열교환이 이루어지도록 된 예열용 열교환기(60)가 구비된 것을 특징으로 하는 증발식 정제 및 농축시스템이 제공된다.

본 발명의 또 다른 특징에 따르면, 상기 농축액라인(12)은 일정 높이로 연장되어 상기 증발탱크(20) 내의 수위를 일정하게 유지하도록 된 수위조절부(16)가 형성된 것을 특징으로 하는 증발식 정제 및 농축시스템이 제공된다.

이상에서와 같이 본 발명에 의하면, 증발탱크(20)에서 증발된 정제증기를 터보압축기(30)와 응축용 열교환기(40)를 통해 정제수를 생산하고, 정제수의 일부를 상기 응축용 열교환기(40)와 터보압축기(30) 측으로 공급하여 열원증기를 생산함에 따라, 장치에 의해 생산하고자 하는 최종적인 생산물인 정제수의 일부를 증발탱크(20)를 가열하는 열원으로 사용하여 자체적으로 가열원의 수급이 가능하고, 정제수나 열원증기를 생산하기 위한 응축이나 가열과정에서의 에너지를 회수하여 사용함에 따라 장치의 열효율과 성적계수를 개선할 수 있을 뿐만 아니라 이로 인해 우수한 성능의 시스템을 제공할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 정제수의 일부에 의해 열원증기를 생산할 때에, 팽창기(70)에 의해 정제수를 미리 팽창시킨 상태로 공급하여 정제수를 과열증기로 상변화하거나 증기를 고온으로 압축하는 작동 등을 용이하게 행하여 고온의 열원증기를 생산할 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 증발탱크(20)로 피처리수로 투입하는 공급라인(10)이 처리수조(50)를 통과하여 1차로 예열된 후에, 상기 증발탱크(20)로부터 농축액이 배출되도록 연장된 농축액라인(12)과의 열교환이 이루어지도록 예열용 열교환기(60)를 통과함에 따라, 증발탱크(20)로 공급되는 피처리수가 상기 처리수조(50)와 예열용 열교환기(60)에 의해 2차에 걸쳐 예열됨에 따라 상기 증발탱크(20)의 가열효과를 높일 수 있는 장점이 있다.

또한 본 발명은 상기 농축액라인(12) 상에 일정 높이로 연장된 수위조절부(16)가 형성됨에 따라, 상기 수위조절부(16)에 의해 상기 증발탱크(20) 내의 수위가 일정하게 유지됨에 따라 증기의 생산량이나 농축액의 농도 등을 일정하게 유지할 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예를 도시한 구성도

상술한 본 발명의 목적, 특징들 및 장점은 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해질 것이다. 이하, 본 발명의 다양한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예를 도시한 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 해수와 같은 피처리수를 증발탱크(20) 내에서 증발시켜 정제수를 생산함과 동시에 염분과 같은 농축액을 별도로 배출하여 소금과 같은 부산물을 생산할 수 있는 것으로, 이러한 본 발명의 세부적인 구성과 그 구성에 따른 작동상태를 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 피처리수를 공급하도록 된 공급라인(10)이 연장 형성되고, 상기 공급라인(10)에 의해 공급되는 피처리수를 수용하도록 된 증발탱크(20)가 구비되며, 상기 증발탱크(20)에 의해 증발되는 증기를 재가열 및 응축하여 정제수를 생산하도록 된 터보압축기(30)와 응축용 열교환기(40) 및 정제수를 수용하도록 된 처리수조(50) 등을 포함하게 된다.

구체적으로, 상기 증발탱크(20)는 일정 용량으로 구비되어 내부에 피처리수가 충전되고, 일측에 피처리수를 가열하기 위한 히터(21)가 구비되는데, 탱크의 상부측에 정제증기가 배출되도록 연장된 정제스팀라인(11)이 연결되고, 하부측에 농축액이 배출되도록 농축액라인(12)이 연결되며, 일측면에 상기 공급라인(10)이 연결되어 피처리수의 투입이 가능하도록 되어 있다.

또한 상기 정제스팀라인(11)은 터보압축기(30)와 응축용 열교환기(40)에 순차적으로 연결되어 정제수를 생산하게 되고, 상기 터보압축기(30)에는 상기 정제스팀라인(11)과는 별도로 된 열원스팀라인(13)이 연결되어 상기 증발탱크(20) 측에 가열원을 공급하게 되는데, 상기 증발탱크(20)는 상기 히터(21)와 열원스팀라인(13)에 의해 피처리수를 가열하여 증발시키게 된다.

또한 상기 처리수조(50)에는 일측에 상기 공급라인(10)이 통과되어 피처리수를 예열하게 되고, 상기 처리수조(50)를 통과한 피처리수를 예열용 열교환기(60)에 의해 2차로 추가 예열하게 되는데, 해수와 같은 피처리수의 온도가 대략 20도 정도로 공급된다면 상기 처리수조(50)를 거치면서 대략 30도 정도로 생산된 정제수와의 열교환을 통해 온도가 일부 상승하게 되고, 상기 예열용 열교환기(60)를 추가적으로 통과하는 과정에서 상기 농축액라인(12)을 통해 배출되는 고온의 농축액과의 열교환을 통해 가온된 상태로 증발탱크(20)로 투입되게 된다.

또한 상기 처리수조(50)에는 정제수를 사용하기 위한 배출라인(14)이 연결되고, 타측에 정제수의 일부를 열원으로 공급하기 위한 정제수라인(15)이 연결되는데, 상기 정제수라인(15) 상에는 물을 펌핑하기 위한 고압펌프(51)와 물을 팽창하기 위한 팽창기(70)가 구비되게 된다. 이러한 팽창기(70)에 의해서는 상기 정제수라인(15)을 통해 공급되는 정제수의 액상태를 팽창시켜 상기 응축용 열교환기(40)를 통과함에 따라 고온 저압의 팽창증기 형태로 터보압축기(30)로 공급되고, 이에 따라 상기 터보압축기(30)에서 고온 고압으로 압축하는 일량을 줄임과 동시에 과열된 증기상태로 생성하는 데에 용이하게 된다.

한편, 상기 터보압축기(30)는 일측에 상기 정제스팀라인(11)이 연결되고, 타측에 상기 열원스팀라인(13)이 연결되는데, 상기 정제스팀라인(11)은 상기 터보압축기(30)의 일측에 구비되는 압축측 임펠러(31)에 의해 정제증기를 고온 고압으로 압축하게 되고, 이에 의해 대략 100도로 공급되는 정제증기를 130도 정도의 포화증기로 생성하여 상기 응축용 열교환기(40) 측으로 공급하게 된다.

또한 상기 열원스팀라인(13)은 상기 터보압축기(30)의 타측에 구비되는 팽창측 임펠러(32)에 의해 전단에서 공급되는 팽창증기를 가열하게 되는데, 이는 상기 응축용 열교환기(40)에서 상기 정제스팀라인(11) 상의 포화증기와 상기 정제수라인(15) 상의 정제수가 상호 열교환함에 따라, 상기 정제스팀라인(11) 상의 포화증기는 정제수로 응축되어 상기 처리수조(50) 내로 수용되고, 상기 정제수라인(15) 상의 정제수는 전술된 바와 같이 대략 120도 정도의 팽창증기 상태로 상기 터보압축기(30) 측에 투입되어 상기 팽창측 임펠러(32)에 의해 130도 정도의 과열증기로 가열된 후에, 상기 열원스팀라인(13)을 통해 증발탱크(20)로 투입되게 된다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 공급라인(10) 상의 피처리수를 2차에 걸쳐 예열하여 증발탱크(20)로 공급할 때에 처리수조(50)의 정제수와 증발탱크(20)로부터 배출되는 농축액을 이용함으로 인해 폐기되는 열원을 최소화하고, 상기 처리수조(50)의 정제수를 일부 순환시켜 터보압축기(30)에 의한 과열구조로 증발탱크(20)의 가열원으로 공급하여 에너지의 회수율을 극대화시킬 수 있게 된다.

한편, 상기 농축액라인(12)은 그 일부가 상기 증발탱크(20)의 일정 높이에 대응되게 연장된 수위조절부(16)를 형성한 것으로, 이 수위조절부(16)에 의해서는 상기 증발탱크(20) 내의 수위가 높은 경우에 농축액라인(12)을 통해 오버플로우시켜 그 높이에 맞추어 상기 증발탱크(20) 내에 충전되는 수위를 일정하게 유지하게 된다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능함은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다.

10: 공급라인 11: 정제스팀라인
12: 농축액라인 13: 열원스팀라인
14: 배출라인 15: 정제수라인
16: 수위조절부 20: 증발탱크
21: 히터 30: 터보압축기
31: 압축측 임펠러 32: 팽창측 임펠러
40: 응축용 열교환기 50: 처리수조
51: 고압펌프 60: 예열용 열교환기
70: 팽창기

Claims (4)

1. 해수를 포함한 피처리수가 공급되도록 연장 형성된 공급라인(10)과;
   상기 공급라인(10)에 연결되어 일정량의 피처리수를 수용하도록 구비되고, 피처리수를 가열하여 정제증기와 농축액을 생산하도록 된 증발탱크(20)와;
   상기 증발탱크(20)의 상부측에 연결되어 정제증기가 배출되도록 연장된 정제스팀라인(11)과, 상기 증발탱크(20)의 하부측에 연결되어 농축액이 배출되도록 연장된 농축액라인(12) 및 상기 증발탱크(20)의 일측에 연결되어 가열원을 공급하도록 연장된 열원스팀라인(13)과;
   상기 정제스팀라인(11)이 일측에 연결되어 상기 증발탱크(20)로부터 공급되는 정제증기를 가열하여 포화증기를 생성하도록 된 압축측 임펠러(31)와, 타측에 상기 열원스팀라인(13)이 연결되어 고온의 열원증기를 생산하여 상기 증발탱크(20) 측에 공급하도록 된 팽창측 임펠러(32)가 구비된 터보압축기(30)와;
   상기 터보압축기(30)에 의해 고온으로 포화된 정제증기를 응축시키도록 된 응축용 열교환기(40)와;
   상기 응축용 열교환기(40)에 의해 응축된 정제수를 수용하도록 된 처리수조(50)와;
   상기 처리수조(50) 상에 연결되어 정제수의 일부를 공급하도록 구비되어 상기 응축용 열교환기(40)를 거쳐 상기 터보압축기(30)의 팽창측 임펠러(32) 측에 연결되도록 연장된 정제수라인(15)을 포함하는 것을 특징으로 하는 증발식 정제 및 농축시스템.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 정제수라인(15) 상에는 상기 응축용 열교환기(40)의 전단에 위치되어 정제수를 팽창시키도록 된 팽창기(70)가 구비된 것을 특징으로 하는 증발식 정제 및 농축시스템.
   
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 공급라인(10)은 상기 증발탱크(20)의 전단에서 상기 처리수조(50)를 통과하여 피처리수의 예열이 이루어지도록 연장되고;
   상기 공급라인(10) 상에는 상기 처리수조(50)와 증발탱크(20) 사이에 위치되어 상기 농축액라인(12)과의 열교환이 이루어지도록 된 예열용 열교환기(60)가 구비된 것을 특징으로 하는 증발식 정제 및 농축시스템.
   
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 농축액라인(12)은 일정 높이로 연장되어 상기 증발탱크(20) 내의 수위를 일정하게 유지하도록 된 수위조절부(16)가 형성된 것을 특징으로 하는 증발식 정제 및 농축시스템.

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