KR100394037B1 - Air sparged hydrocyclone for effective solid-liquid separation and gas-liquid absorption and the enhancement of dissolved oxygen - Google Patents
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Abstract
본 발명은 공기분사식 원통형 하이드로 사이클론 및 그 사이클론에 의한 고액 분리, 기액 흡수 및 용존 산소 증가 방법에 관한 것이다. 본 발명의 공기분사식 원통형 하이드로 사이클론은 다공성막으로 된 원통형 내부관(1)과 이를 둘러싸고 있는 원통형 공기자켓의 외부관(2)으로 이루어지는 중앙부(3), 고액혼합물 유입구 (4)와 와류지지대(5) 및 농축된 고체 흐름 배출구(6)로 이루어지는 상부(7), 고형분이 제거된 유체 배출구(8)와 거품지지대(9)로 이루어지는 하부(10)로 구성된다. 중앙부(3)는 좌·우의 양측에 각각 공기주입구(11)를 구비하고, 상부(7)의 고액혼합물 유입구(4)는 사이클론의 축과 100°각을 이룬다.The present invention relates to an air jet cylindrical hydrocyclone and a method for solid-liquid separation, gas-liquid absorption and dissolved oxygen increase by the cyclone. The air-injection cylindrical hydrocyclone of the present invention has a central portion (3), a solid-liquid mixture inlet (4) and a vortex support (5) consisting of a cylindrical inner tube (1) made of a porous membrane and an outer tube (2) of a cylindrical air jacket surrounding it. ) And an upper portion 7 consisting of a concentrated solid flow outlet 6, a lower portion 10 consisting of a fluid outlet 8 from which solids have been removed and a foam support 9. The central portion 3 has air inlets 11 on both sides of the left and right sides, and the solid-liquid mixture inlet 4 of the upper portion 7 forms an angle of 100 ° with the axis of the cyclone.
상기와 같은 구성으로 된 본 발명의 공기분사식 원통형 하이드로 사이클론은 축산폐수, 분뇨폐수, 광촉매 부유액, 슬러지 등 고액혼합물의 고액분리효과가 종래의 기술보다 100∼300배의 효과가 있을 뿐만 아니라 공기주입구(11)에 악취가스, 휘발성 유기물 함유가스, 공정 회수가스 등을 주입하여 그들 가스를 흡수처리 할 수 있는 다목적 공기분사식 원통형 하이드로 사이클론이다.The air-injection cylindrical hydrocyclone of the present invention having the configuration as described above has a solid-liquid separation effect of a solid-liquid mixture such as livestock wastewater, manure wastewater, photocatalyst suspension liquid, sludge, and the like, as well as an air inlet ( 11) It is a multi-purpose air-injection cylindrical hydrocyclone that can absorb odor gas, volatile organic matter-containing gas, process recovery gas, etc. and absorb them.
Description
본 발명은 국내 축산폐수 및 분뇨폐수의 고액분리, 슬러지의 탈수에 의한 농축, 광촉매 부유조에서의 광촉매 분리 및 재순환, 또는 유수분리에도 적용할 수 있고 악취, 휘발성유기물(VOC), 연도가스처리 및 공정상 회수가스의 흡수, 폐수처리장의 폭기조내 용존산소 증가 등에 적용할 수 있는 공기 분사식 하이드로 사이클론 장치에 관한 것이다.The present invention can be applied to solid-liquid separation of domestic livestock wastewater and manure wastewater, concentration by dehydration of sludge, photocatalyst separation and recycling in photocatalyst flotation tank, or oil and water separation, and odor, volatile organic matter (VOC), flue gas treatment and The present invention relates to an air injection type hydrocyclone apparatus applicable to absorption of recovered gas in a process, increase of dissolved oxygen in an aeration tank of a wastewater treatment plant, and the like.
종래의 용존 공기 부상분리 방법은 폐수처리공정에서 고-액 분리를 위해서 많이 사용되는 전처리 방법이다. 이 방법은 전형적인 침전법에 의한 고-액 분리 방식에 비해 아주 효율적인 방법이다. 종래의 침전법은 중력을 이용하여 고-액 분리를 수행하기 때문에 그 분리 효율이 낮아 침전조의 용량 및 필요 부지가 커서 고정장치 설비에 비용이 많이드는 등의 큰 단점을 갖고 있다. 용존 공기 부상 분리법을 이용할 경우 기존 침전조에 비해 7배의 분리효과를 나타낼 수 있다. 그러나 현재 축산폐수나 분뇨와 같은 고형물 농도가 높은 경우 그 효과가 미미하여 후속공정의 처리에 어려움을 겪고 있는 실정이다. 따라서 본 발명에서는 용존 공기부상 분리법보다도 고-액 분리 효과가 크고 고형물의 농도가 높아 효율적인 고-액 분리가 어려운 축산 폐수 및 분뇨폐수의 전처리공정으로서 공기 분사식 하이드로 사이크론을 설계 및 제작하여 효과적인 고액 분리를 달성하였다. 공기분사식 하이드로 사이클론의 설계는 80년대부터 시작되었고 선호되는 설계방법은 상부에서 피드가 탄젠셜하게 유입되는 수직 원통형 사이클론 형태이다. 공기 분사식 하이드로 사이클론의 기본개념은 미세입자의 관성(inertia)이 원심력장에 놓여질 때 증가될 수 있다면 미세입자의 효율적인 부상분리가 성취될 수 있다는 것이다. 원심력장은 기계적으로 회전시켜 원심력을 발생시킬수도 있고 하이드로 사이클론에서 처럼 압력두를 회전운동으로 변화시켜 성취할 수도 있다. 후자의 방법이 간단하고 저렴하고 안전한 설계를 할 수 있는 접근방법이다. 종래의 공기 분사식 하이드로 사이클론 설계는 하부 배출구를 변화시키기 위하여 장치를 분리하고 다른 지름의 거품지지대를 교체하는 방법을 택했다. 그러나 이러한 방식은 최적의 거품지지대와 원통사이의 간격을 찾기 위해 계속적으로 장치를 분해해야하는 문제점이 발생된다.The conventional dissolved air flotation separation method is a pretreatment method that is widely used for solid-liquid separation in wastewater treatment. This method is very efficient compared to the solid-liquid separation method by the typical precipitation method. The conventional sedimentation method has a great disadvantage of performing solid-liquid separation using gravity, so that its separation efficiency is low, and the capacity and required site of the sedimentation tank is large, which makes the fixing device expensive. When dissolved air flotation is used, the separation effect can be 7 times higher than that of the existing sedimentation tank. However, if the solid concentration such as livestock wastewater or manure is high, the effects are insignificant, which makes it difficult to process subsequent processes. Therefore, in the present invention, the solid-liquid separation effect is higher than that of the dissolved air flotation method, and the solids concentration is higher, so that the solid-liquid separation is effective by designing and manufacturing the air-jet hydrocyclone as a pretreatment process for livestock wastewater and manure wastewater, which is difficult to efficiently separate solid-liquid. Was achieved. The design of the air-injected hydrocyclone began in the 80's and the preferred design is in the form of a vertical cylindrical cyclone with a tangential inlet of feed from the top. The basic concept of an air jet hydrocyclone is that efficient flotation of microparticles can be achieved if the inertia of the microparticles can be increased when placed in a centrifugal force field. The centrifugal force field can be mechanically rotated to generate centrifugal force, or can be achieved by changing the pressure head to rotational motion, as in hydrocyclones. The latter is a simple, inexpensive and safe approach. Conventional pneumatic hydrocyclone designs have chosen to separate the device and replace foam supports of different diameters to change the bottom outlet. However, this method has a problem of continuously dismantling the device in order to find the optimum gap between the foam support and the cylinder.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로 하이드로 사이클론의 설계를 계속해서 개선해 왔으며 개선된 설계를 기초로 장치를 제작하여 고-액 분리효과를 실험하였다. 본 발명의 공기 분사식 하이드로 사이클론은 고액분리 및 농축을 최적화할 수 있도록 와류지지대의 내경을 결정하였고 장치의 운전중에도 거품지지대를 하부에서 손잡이를 이용해 회전시킴으로써 하부흐름 간격을 간단히 변화시킬 수 있도록 하였다. 이는 공정 조작을 방해함이 없이 공기 분사식 하이드로 사이클론의 부상분리 특성을 연속적으로 조작할 수 있다는 것이다. 본 발명의 공기분사식 하이드로 사이클론의 설계 특성은 두가지 방법으로 미세입자의 부상분리력을 향상시킨다. 첫 번째로 강력한 원심력장을 만드는 것인데 그것의 크기는 고액 혼합물의 탄젠셜 속도와 사이클론의 지름에 의해 결정된다. 이 원심력장은 미세 소수성 입자의 관성을 증가시키며 공기 기포의 부착을 촉진한다.The present invention has been to improve the design of the hydrocyclone to solve the above problems and to manufacture a device based on the improved design to test the solid-liquid separation effect. The air jet hydrocyclone of the present invention determined the inner diameter of the vortex support so as to optimize the solid-liquid separation and concentration, and it was possible to simply change the lower flow interval by rotating the foam support using the handle at the bottom during the operation of the apparatus. This means that the floating separation characteristics of the air-injected hydrocyclone can be continuously manipulated without disturbing process operation. The design characteristics of the air jet hydrocyclone of the present invention improve the flotation separation force of the fine particles in two ways. The first is to create a strong centrifugal force field whose size is determined by the tangential velocity of the solid mixture and the diameter of the cyclone. This centrifugal force field increases the inertia of the fine hydrophobic particles and promotes the attachment of air bubbles.
두 번째로 높은 유속의 와류흐름은 다공벽에 상당한 전단력을 발휘하며 이는 극단적인 미세 기포(1∼140㎛)를 야기시켜 소수성 입자의 부상분리를 촉진시킨다. 더욱이 이들 미세 기포는 반경방향으로 즉 와류흐름에서 소수성입자운동 방향에 직각으로 움직이게 된다. 결과적으로 공기 기포와 소수성 입자의 충돌이 현저히 증가하며 충돌이 더 이상 율속과정이 아니게 된다. 부착후에 기포 입자 복합체는 와류층을 건너 반경방향으로 짧은 거리를 이동한다. 결국 기포와 입자의 부착시간에 근접하는 1초 이하의 체류시간으로 효율적인 분리가 성취된다.The second-highest vortex flow exerts significant shear forces on the porous wall, which causes extreme microbubbles (1 to 140 µm) to promote flotation of hydrophobic particles. Moreover, these microbubbles move radially, ie at right angles to the direction of hydrophobic particle movement in the vortex flow. As a result, the collision of air bubbles with hydrophobic particles is significantly increased and the impact is no longer a rate-limiting process. After adhesion, the bubble particle composite travels a short distance radially across the vortex layer. As a result, efficient separation is achieved with a residence time of less than one second approaching the adhesion time of bubbles and particles.
도 1은 본 발명의 공기분사식 원통형 하이드로 사이클론의 정면 단면도1 is a front cross-sectional view of an air jet cylindrical hydrocyclone of the present invention.
도 2는 본 발명의 공기분사식 원통형 하이드로 사이클론의 하부구조의 다른 실시예를 나타낸 단면도.Figure 2 is a cross-sectional view showing another embodiment of the substructure of the air jet cylindrical hydrocyclone of the present invention.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
1: 내부관 2: 외부관1: inner tube 2: outer tube
3: 중앙부 4: 고액 혼합물 유입구3: central portion 4: solid-liquid mixture inlet
5: 와류지지대 6: 고체 흐름 배출구5: Vortex Support 6: Solid Flow Outlet
7: 상부 8: 유체 배출구7: top 8: fluid outlet
9: 거품지지대 10: 하부9: foam support 10: lower part
11: 공기입구 12: 손잡이11: air inlet 12: handle
본 발명은 국내 축산폐수 및 분뇨폐수의 고액 분리, 슬러지의 탈수에 의한 농축, 광촉매 부유조에서의 광촉매 분리 및 재순환이용, 유수분리 및 악취, VOC, 연도가스 처리 및 공정상 회수가스의 흡수, 폐수처리장의 폭기조내 용존산소 증가 등에 적용 초점을 맞추어 특별히 공기 분사식 하이드로 사이클론의 개발에 착수하여 완성하였다. 본 발명의 공기 분사식 하이드로 사이클론은 상부(7)는 고액혼합물 유입구(4)와 와류지지대(5) 및 농축된 고체흐름배출구(6)로 이루어지고, 하부(10)는 거품 지지대(9)와 하부흐름배출구(8)로 구성되며, 중앙부(3)는 좌·우에 각각 공기주입구(11)와 주입된 공기가 미세기포화 될 수 있는 다공성막으로 된 원통형 내부관(1) 및 공기의 균일한 분배를 위한 공기 자켓 역할을 하는 외부관(2)으로 구성된다. 상기 다공성막의 경우 5㎛의 SUS막 뿐만 아니라 폴리에틸렌, 세라믹 등의 공극이 다른 막을 사용할 수 있다.The present invention is a solid-liquid separation of domestic livestock waste and manure wastewater, concentration by dehydration of sludge, photocatalyst separation and recycling in the photocatalyst flotation tank, oil and water separation and odor, VOC, flue gas treatment and process gas absorption, wastewater With the focus on application to increased dissolved oxygen in the aeration tank of the treatment plant, the development of air spray hydrocyclone was started. In the air-jet hydrocyclone of the present invention, the upper portion (7) is composed of a solid-liquid mixture inlet (4) and the vortex support (5) and the concentrated solid flow outlet (6), and the lower portion (10) is a foam support (9) and a lower portion. It consists of a flow outlet (8), the central portion (3) to the left and right air inlet 11 and the cylindrical inner tube (1) made of a porous membrane that can be micro-bubble the injected air and uniform distribution of air It consists of an outer tube (2) that serves as an air jacket for. In the case of the porous membrane, a membrane having different pores such as polyethylene and ceramics as well as a 5 μm SUS membrane may be used.
고액 혼합물(유수분리의 경우는 유수 혼합액)인 피드는 사이클론 헤더의 상부(7)로 탄젠셜하게 도입되고 다공벽에 근접한 반경방향으로 일정두께의 와류흐름을 만들고 사이클론 축 중심부에 빈 공기층을 남기면서 흐른다. 이러한 와류흐름이 주입공기를 고농도의 미세버블로 쪼갠다. 고액혼합물 중의 소수성 입자가 미세 공기 기포와 충돌하고 부착후 그들의 수직 방향 속도와 원심 운동량을 잃어버리고 거품상(bubble phase)이 되어 사이클론 축상으로 움직인다. 거품상은 사이클론 축상의 공기층 축의 표면에 형성된다. 거품상은 하부의 거품 지지대(9)에 의해 안정화되고 제한을 받으면서 사이클론의 와류 지지대(5)를 향해 움직이며 상부출구(6)를 통해 농축된 상태로 배출된다. 고체가 제거된 액상은 일반적으로 다공관 벽을 따라 원심회전하고 하부배출구(8)를 통해 다공성막으로 된 원통형 내부관(1)과 거품지지대(9) 사이의 원형 하부 틈새를 통해 배출된다. 본 발명의 공기분사식 하이드로 사이클론의 설계변수는 사이클론 지름, 사이클론 길이, 내부벽 다공크기, 와류지지대 지름, 내부관과 거품지지대 사이의 간격인 하부 환상형 틈새가 있고 조작변수에는 공기 유속, 고액 혼합물인 피드 유속, 고형물 함유량이 있다. 본 발명의 공기분사식 하이드로 사이클론을 국내 축산폐수 및 분뇨폐수의 고액 분리, 슬러지의 농축, 광촉매 부유조에서의 광촉매 분리 및 순환에 이용하기 위하여 설계변수 및 조작변수를 최적화하고 모델링을 통해 스케일 업 인자를 도출하였다. 이런 특성 및 장치설계를 위한 기본 실험방법에 대해 간단히 아래에 설명한다.The feed, a solid-liquid mixture (in the case of oil-water separation), is introduced tangentially into the upper part of the cyclone header (7), creating a constant vortex flow in the radial direction close to the porous wall and leaving an empty air layer at the center of the cyclone shaft. Flow. This vortex flow splits the injected air into a high concentration of fine bubbles. Hydrophobic particles in the solid-liquid mixture collide with fine air bubbles and lose their vertical velocity and centrifugal momentum after adhesion and move into the cyclone axis in a bubble phase. The foam phase is formed on the surface of the air layer shaft on the cyclone shaft. The foam phase moves towards the cyclone vortex support 5 of the cyclone while being stabilized and restricted by the lower foam support 9 and discharged in a concentrated state through the upper outlet 6. The solids-free liquid phase is generally centrifuged along the perforated tube wall and discharged through the lower outlet opening 8 through a circular lower gap between the cylindrical inner tube 1 of the porous membrane and the foam support 9. The design parameters of the air jet hydrocyclone of the present invention are cyclone diameter, cyclone length, inner wall pore size, vortex support diameter, lower annular clearance, which is the distance between the inner tube and the foam support, and the operating variables are air flow rate, solid liquid feed Flow rate and solids content. In order to use the air-injected hydrocyclone of the present invention for solid-liquid separation of domestic livestock wastewater and manure wastewater, concentration of sludge, photocatalyst separation and circulation in photocatalyst flotation tanks, design and operational variables are optimized and modeled to scale up factors. Derived. These characteristics and basic experimental methods for device design are briefly described below.
우선 내부벽을 흐르는 고액 혼합물의 회전 흐름 특성을 보기 위해 수직 아크릴 실린더에서 물의 회전흐름을 관측하여 내부벽 지름에 따른 적정 고액 혼합물 유속 및 액체층 두께를 확인하였다. 하부 배출에서 액체층 두께의 실험적인 측정이 500 mm의 실린더 높이, 62 ℓ/min 유속에서 2-3 mm 정도를 보여주었다. 이 범위의 액체층 두께는 실린더 반경의 1/10 에 해당한다. 액체층의 두께는 헤더로부터의 축방향 거리에 따라 약간 증가하였고 그 두께는 흐름속도에는 무관하다. 하부로 배출되는 액체가 공기 분사식 하이드로 사이클론에 축적되지 않도록 하부 배출구를 배출액체 회전방향의 접선 방향으로 배출 되도록 한다. 다음은 고형성분으로 농축된 상부흐름을 만들기 위해 즉 하부흐름을 제한하기 위해 실린더형 거품지지대를 설치하여 흐름을 제한하면 거품지지대 지름에 따라 흐름 형태가 변한다. 거품지지대와 내부벽 사이의 간격인 하부 틈새가 액체층 두께보다 크면 제한되지 않는 수직 실린더와 같은 자유로운 액체층 흐름 조건이 관측된다. 그러나 하부틈새 지름이 감소하여 액체층의 지름 보다 작을 경우 정확한 액체층이 보이지 않으며 실린더의 내부 부피중 많은 부분이 물로 차지된다. 이때부터 상부흐름이 증가하고 하부틈새가 더욱 작아지면 실린더 부피의 70-80%가 물로 차며 실린더 축방향으로 작은 지름의 공기 심이 실린더 축 상에 형성된다. 따라서 하부 틈새 지름이 흐름 특성을 결정하는데 중요한 변수이고 공기 분사식 하이드로사이클론의 부상분리 특성에 중요한 영향을 갖는다. 또한 하부틈새는 유입 고액혼합물로부터 농축된 고체 상승 흐름을 야기하는 중요한 인자이기 때문에 본 발명은 도 1 및 도 2에서 보인 바와같이 하부틈새 지름을 조작변수에 따라 최적화 할 수 있는 두 가지 방법을 제공하고 하부틈새 지름을 결정하였다.First, the rotational flow of water in the vertical acrylic cylinder was observed to determine the rotational flow characteristics of the solid-liquid mixture flowing through the inner wall to determine the proper solid-liquid mixture flow rate and liquid layer thickness according to the inner wall diameter. Experimental measurements of the liquid layer thickness at the bottom discharge showed a cylinder height of 500 mm and 2-3 mm at a flow rate of 62 l / min. The liquid layer thickness in this range corresponds to 1/10 of the cylinder radius. The thickness of the liquid layer increased slightly with the axial distance from the header and the thickness was independent of the flow rate. The lower outlet is discharged in the tangential direction of the discharge liquid rotation direction so that the liquid discharged to the lower side is not accumulated in the air-jet hydrocyclone. Next, if the flow is restricted by installing a cylindrical foam support in order to make the upper flow concentrated to a solid component, that is, to restrict the lower flow, the flow pattern changes according to the diameter of the foam support. If the lower gap, the gap between the foam support and the inner wall, is greater than the liquid bed thickness, free liquid bed flow conditions such as unrestricted vertical cylinders are observed. However, if the lower gap diameter is smaller than the diameter of the liquid layer, the exact liquid layer is not seen and much of the cylinder's internal volume is occupied by water. From then on, when the upper flow increases and the lower gap becomes smaller, 70-80% of the cylinder volume is filled with water, and a small diameter air core is formed on the cylinder axis in the cylinder axial direction. Therefore, the lower clearance diameter is an important parameter in determining the flow characteristics and has an important influence on the flotation characteristics of the air-injected hydrocyclone. In addition, since the lower gap is an important factor causing the solid rising stream concentrated from the inflow solid-liquid mixture, the present invention provides two methods for optimizing the lower gap diameter according to the operating variables as shown in FIGS. Lower gap diameter was determined.
하나는 본 발명에 의한 하이드로 사이클론의 하부구조 직경을 중앙부 직경과 동일하게 구성하고 하부의 손잡이를 돌리면 거품지지대 중앙에 위치한 고무 또는 플라스틱과 같은 탄력성의 확개형 튜브가 늘어나거나 줄어들어 그 간격을 조절하게 되는 방식(실시예 1)과 ; 다른 하나는 하부구조 직경을 중앙부 직경보다 크게 구성하고 원뿔형의 거품 지지대(도 2의 9참조)를 이용하여 하부 손잡이를 회전시킴으로써 하부틈새 간격을 조절하는 방식(실시예 2)이다.One is to configure the diameter of the hydrocyclone according to the present invention the same as the diameter of the central portion and by turning the handle of the lower elastic extension tube such as rubber or plastic located in the center of the foam support to increase or decrease the gap is adjusted System (Example 1); The other is to adjust the bottom clearance gap by making the diameter of the substructure larger than the diameter of the center portion and rotating the lower handle using a conical foam support (see 9 in FIG. 2) (Example 2).
본 발명에 의한 사이클론의 운전 결과, 사이클론 중앙부의 내경과 거품 지지대와 사이클론 내부벽 사이의 하부틈새 지름의 비가 1:0.04∼0.06 의 범위에서 가장 적절한 것으로 나타났다.As a result of the operation of the cyclone according to the present invention, the ratio of the inner diameter of the center of the cyclone and the lower gap diameter between the foam support and the inner wall of the cyclone was found to be most suitable in the range of 1: 0.04 to 0.06.
한편, 고액 혼합물중 고체 입자는 미세 공기 기포의 부착후에 고체 입자는 그들의 탄젠셜 속도와 원심 운동량을 잃어버리기 때문에 공기 기포와 입자 복합체는 공기심 표면상의 거품층으로 빠르게 이동한다. 거품층의 크기 및 그 운동 특성은 조작조건과 고액 혼합물의 특성에 의존한다. 공기 분사식 하이드로 사이클론내의 거품 지지대 와 와류지지대 사이의 압력구배가 생기며 이 압력구배가 상부로 거품상을 전달하는 구동력이며 이는 와류지지대 내경, 거품지지대 하부틈새, 공기 유속, 고액 혼합물의 유속에 의해 조절된다. 최적 고체성분 농축조건하에서 고체 성분 농축정도가 반경 방향으로 감소한다. 이러한 농도구배 때문에 와류지지대의 내경이 고체 성분의 농축율을 좌우하는 중요한 설계변수가 된다. 와류지지대의 내경은 상승 농축 고형물의 농축율을 결정하는 중요한 인자로서 상승 고형흐름은 그 중앙부에서 최대의 농축율을 가지고 반경방향으로 중앙부에서 멀어짐에 따라 농축율이 감소한다. 따라서 와류지지대의 내경이 너무 크면 농축 고형물의 회수량은 증가하나 농축율은 감소하고 너무 작으면 그 반대 현상이 나타난다.이에 본 발명에 의해 와류지지대의 내경은 원하는 농축정도 및 상승 흐름 유량에 따라 사이클론 장치의 내경의 0.3∼0.6 범위가 적절한 것으로 나타났다.On the other hand, since the solid particles in the solid-liquid mixture lose their tangential velocity and centrifugal momentum after the adhesion of the fine air bubbles, the air bubbles and the particle complexes move rapidly to the bubble layer on the surface of the air core. The size of the foam layer and its kinetic properties depend on the operating conditions and the properties of the solid-liquid mixture. A pressure gradient is created between the foam support and the vortex support in the air-jet hydrocyclone, and this pressure gradient is the driving force that transfers the foam phase to the top, which is controlled by the vortex support inner diameter, the lower gap of the foam support, the air flow rate, and the flow rate of the solid-liquid mixture. . Under optimal solid concentration conditions, the degree of solid component concentration decreases in the radial direction. Because of this concentration gradient, the inner diameter of the vortex support is an important design variable that determines the concentration of solid components. The inner diameter of the vortex support is an important factor in determining the concentration of the ascending solids. The ascending solid flow has the maximum concentration at its center and decreases as it moves away from the center in the radial direction. Thus, if the inside diameter of the vortex support is too large, the recovery of the concentrated solid increases but the concentration rate decreases, and if the size is too small, the opposite phenomenon occurs. A range of 0.3-0.6 of the inner diameter of the device was found to be appropriate.
또한 본 발명에 의한 사이클론의 내경과 장치 상부의 와류지지대의 외경 사이의 간격은 유입되는 고액 혼합액의 회전 흐름에 영향을 준다. 이 간격이 너무 크면 회전흐름이 빈약하고 너무 작으면 회전 흐름에 심한 경계층 분리가 발생하여 고액분리 효율을 저하시키게 된다. 이에 본 발명은 사이클론의 내경과 장치 상부의 와류지지대의 외경 사이의 간격을 사이클론 장치 내경의 가장 효율적인 0.08∼0.1범위로 하였다. 이하 본 발명의 공기분사식 하이드로 사이클론을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.The spacing between the inner diameter of the cyclone and the outer diameter of the vortex support on the top of the device also affects the rotating flow of the incoming solid-liquid mixture. If this interval is too large, the rotational flow is poor and too small, severe boundary layer separation occurs in the rotational flow, thereby degrading the solid-liquid separation efficiency. Accordingly, the present invention sets the distance between the inner diameter of the cyclone and the outer diameter of the vortex support on the upper part of the apparatus to be the most efficient range of 0.08 to 0.1 of the inner diameter of the cyclone apparatus. Hereinafter, with reference to the accompanying drawings, the air-injected hydrocyclone of the present invention.
도 1에 본 발명의 일례인 공기분사식 하이드로 사이클론의 정면 단면도를 나타내었다. 본 발명의 공기분사식 원통형 하이드로 사이클론은 세 부분으로 이루어 지는데 도 1를 참조하여 설명하면 다공성막으로 된 원통형 내부관(1)과 이를 둘러 싸고 있는 원통형 공기 자켓의 외부관(2)으로 된 중앙부(3); 고액혼합물 유입구 (4), 와류지지대(5) 및 농축된 고체흐름 배출구(6)로 이루어진 상부(7); 고체가 제거된 유체 배출구(8)와 확개형 거품지지대(9)로 이루어진 하부(10)로 구성되고, 중앙부(3)에 상·하부(7)(10)가 결합되며 동일 내경의 원통형으로 구성된다. 또한 중앙부(3)에는 좌·우에 각각 공기입구(11)가 있고 주입 공기는 다공성막으로 된 원통형 내부관(1)을 통하면서 미세 기포화된다. 이때 주입공기는 공기뿐 아니라 악취, VOC, 연도가스, 공정회수가스가 될 수도 있다. 본 발명의 공기분사식 하이드로 사이클론의 상부(7)의 고액혼합물 유입구(4)는 공기분사식 하이드로 사이클론의 축과 100°각을 이루도록 구성되어 고액혼합물이 공기분사식 하이드로 사이클론의 원통내를 일정한 두께로 회전흐름을 할 수 있도록 구성한다. 여기서 고액 혼합물은 축산폐수, 분뇨폐수, 광촉매 부유액, 슬러지가 될 수 있다. 또한 유수분리의 경우에는 기름과 물의 혼합액이 될 수 있다. 이러한 회전흐름에 의한 전단력에 의해 공기기포는 더욱 미세화된다. 미세 기포화된 공기와 함께 고액흐름은 하부(10)의 배출구(8)로 배출된다. 하부의 거품지지대(9)는 고무 또는 플라스틱과 같은 탄력성 재질로 구성하여 손잡이(10)의 회전에 의해 그 내경이 확대되거나 수축되는 확개형이어서 공기분사식 하이드로 사이클론의 중앙부(3)의 다공성막으로 된 원통형 내부관(1)과 거품지지대(9) 사이의 하부틈새 간격이 조절된다.1 is a front sectional view of an air jet hydrocyclone which is an example of the present invention. The air-injection cylindrical hydrocyclone of the present invention is composed of three parts, which will be described with reference to FIG. 1. The center portion 3 includes a cylindrical inner tube 1 made of a porous membrane and an outer tube 2 of a cylindrical air jacket surrounding the same. ); An upper portion 7 consisting of a solid-liquid mixture inlet 4, a vortex support 5, and a concentrated solid flow outlet 6; It consists of a lower portion (10) consisting of a fluid outlet (8) and an expandable foam support (9) from which solids are removed, and the upper and lower portions (7) (10) are coupled to the central portion (3) and have a cylindrical shape with the same inner diameter. do. In addition, the central portion 3 has air inlets 11 on the left and right sides thereof, and the injected air is microbubbled while passing through the cylindrical inner tube 1 made of a porous membrane. At this time, the injected air may be not only air but also odor, VOC, flue gas, and process recovery gas. The solid-liquid mixture inlet 4 of the upper portion 7 of the air-injected hydrocyclone of the present invention is configured to form an angle of 100 ° with the axis of the air-injected hydrocyclone, so that the solid-liquid mixture rotates in the cylinder of the air-injected hydrocyclone to a certain thickness. Configure to do this. Here, the solid-liquid mixture may be livestock wastewater, manure wastewater, photocatalyst suspension, sludge. In the case of oil and water separation it can also be a mixture of oil and water. The air bubbles are further refined by the shear force caused by the rotational flow. The solid-liquid flow together with the microbubble air is discharged to the outlet 8 of the lower part 10. The lower foam support 9 is made of a resilient material such as rubber or plastic, and is an expansion type in which the inner diameter thereof is expanded or contracted by the rotation of the handle 10, and thus the porous membrane of the central portion 3 of the air spray hydrocyclone. The lower clearance gap between the cylindrical inner tube 1 and the foam support 9 is adjusted.
본 발명의 다른 실시예인 도 2를 참조하여 설명하면, 본 발명의 공기 분사식 원통형 하이드로 사이클론의 상부(7)와 중앙부(3)는 도 1과 동일한 구조로 구성되고 하부(10)의 구조 직경을 중앙부 직경보다 크게 구성하고 도 2와 같은 형상의 구조로 중앙부(3)에 결합한다. 하부(10)의 거품 지지대(9)는 원뿔 형상으로서 손잡이 (12)를 회전시키면 거품 지지대(9)가 상·하로 이동되는 구조로 하여 하부틈새의 간격이 조절된다. 이하 본 발명의 장치에 의한 고액분리를 위한 실시예를 기술하였다.Referring to FIG. 2, which is another embodiment of the present invention, the upper portion 7 and the central portion 3 of the air-jet cylindrical hydrocyclone of the present invention have the same structure as that of FIG. It is configured to be larger than the diameter and coupled to the central portion 3 in a structure as shown in FIG. The foam support 9 of the lower part 10 has a conical shape, and when the handle 12 is rotated, the foam support 9 is moved upward and downward, thereby adjusting the gap between the lower gaps. Hereinafter, an embodiment for solid-liquid separation by the apparatus of the present invention has been described.
[실시예 1]Example 1
본 발명의 공기 분사식 하이드로 사이클론의 하부구조 직경을 중앙부 직경과 동일하게 제작하고 중앙부(3)의 다공성막으로 된 내부관(1)은 5㎛의 공극을 갖는 SUS막(stainless steel membrane)을 사용하였으며, 슬러지(고액혼합물)의 고형물 농도(suspended solid)가 4318 ppm인 유체를 76 ℓ/min의 유량으로 본 발명의 사이클론에 주입하고 공기 유량을 20 ℓ/min 과 60 ℓ/min으로 달리하여 고액분리실험을 실시하고 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.The inner diameter of the lower structure of the air-jet hydrocyclone of the present invention was made to be the same as the diameter of the central portion, and the inner tube 1 made of the porous membrane of the central portion 3 used a stainless steel membrane having a pore of 5 μm. , 4318 ppm of solids (suspended solid) of sludge were injected into the cyclone of the present invention at a flow rate of 76 L / min, and the air flow rate was changed to 20 L / min and 60 L / min for solid-liquid separation. The experiment was carried out and the results are shown in Table 1 below.
[실시예 2]Example 2
상기 실시예 1에서 본 발명의 공기 분사식 하이드로 사이클론의 하부구조의 직경을 중앙부 직경보다 크게하여 원뿔형의 거품지지대를 이용하여 손잡이(12)를 회전시킴으로써 하부틈새를 조절하게 설계하고 기타 구성장치 및 조작조건을 상기 실시예 1과 동일하게 하고 고액분리실험을 실시하였으며 그 결과를 다음 표 1에 나타내었다.In Example 1, the diameter of the lower structure of the air jet hydrocyclone of the present invention is larger than the diameter of the central portion, and the lower gap is designed to be adjusted by rotating the handle 12 using a conical foam support, and other components and operating conditions. Was carried out in the same manner as in Example 1 and subjected to a solid-liquid separation experiment, and the results are shown in Table 1 below.
본 발명의 공기분사식 하이드로 사이클론은 액상물 중에 함유된 입상물을 분리 제거하거나 악취, 휘발성유기물(VOC), 연도가스, 공정상의 회수가스의 흡수 또는 슬러지의 농축 및 유수분리에 적용할 수 있는 것으로서 축산폐수 및 분뇨폐수의 전처리 공정으로서 고액분리 성능을 획기적으로 개선하였고, 장치의 운전중에서도하부의 배출을 변화시키기 위해 거품지지대를 하부에서 손잡이를 이용해 회전시킴으로써 하부흐름을 간단히 변화시킬 수 있도록 하였다. 종래의 침전조의 성능인 1 ton/day-㎥ 및 용존공기 부상분리 성능인 7 ton/day-㎥에 비해 본발명은 700-2,100 ton/day-㎥ 분리 성능을 나타낸다.The air-injected hydrocyclone of the present invention is applicable to the separation and removal of particulate matter contained in a liquid, or to the absorption of odor, volatile organic matter (VOC), flue gas, process gas recovery, or concentration of sludge and separation of oil and water. As a pretreatment process for wastewater and manure wastewater, the solid-liquid separation performance has been greatly improved, and the lower flow can be easily changed by rotating the foam support with the handle at the bottom to change the discharge of the lower part during the operation of the device. Compared to the conventional 1 ton / day-m 3 and the dissolved air flotation separation performance of 7 ton / day-m 3, the present invention shows the separation performance of 700-2,100 ton / day-m 3.
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