KR100443827B1 - 증류수를 분리해 내는 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 감압원리를 이용하여 낮은 온도에서도 증류수가 증발되도록 함으로써 낮은 열원으로 증류수를 분리해 내서 담수를 생산하고 폐수를 처리하며 원료를 추출하는 장치에 관한 것이다.

본 발명의 장치는, 진공펌프(50)에 의해 진공상태를 유지하며 하단을 향할수록 그 상단보다 낮은 내부압력을 갖는 증발실(11 ∼ 15)이 다단으로 형성된 증발수단(10)과, 다단의 증발실(11 ∼ 15)에 각각 연통하게 대응위치에 응축실(21 ∼ 25)이 다단으로 형성된 응축수단(20)과, 응축수단(20)에 염수를 공급하는 펌프(31)와, 펌프(31)에 의해 다단의 응축실(21 ∼ 25)을 순차적으로 거쳐 제일 상단 증발실(11)에 공급되어 각 단의 증발실의 내부압력 변화에 따라 순차적으로 하단의 증발실(15)로 공급될 염수를 가열하는 열교환기(40)와, 각 단의 증발실과 응축실의 온도차에 의해 각각 생성되는 증류수를 외부로 배출하는 증류수 배출관(61 ∼ 65) 및, 증발된 증류수에 의해 농도가 진해진 침출수를 배출하기 위해 제일 하단의 증발실(15)에 형성된 침출수 배출관(70)을 포함한다.

Description

증류수를 분리해 내는 장치{Apparatus for separating distilled water}

본 발명은 증류수를 분리해 내는 장치에 관한 것이며, 특히, 해수 또는 소금 성분을 함유한 물로부터 증류수를 분리해 담수를 생산하고, 폐수에서 증류수를 분리해 폐수를 처리하며, 용액에서 증류수를 분리해 원료를 추출하는 등 증류수를 분리해 내는 장치에 관한 것이다.

물은 인간에게 없어서는 안될 매우 중요한 자연 자원이다. 그러나, 이런 물은 시간이 경과함에 따라 고갈되어 가고 있으며, 이런 문제는 대한민국 만이 아니라 전세계적인 것이다.

그래서, 종래에는 해수 또는 소금 성분을 함유한 물(이하, '염수'라 칭함)로부터 담수를 생산하기 위해, 전기이온법, 필터법 및 증발법을 이용하였다.

여기서, 전기이온법은 염수에 전기분해를 실시하여 염화나트륨(NaCl)을 결정화하여 담수를 생산하는 방법이고, 필터법은 염화나트륨을 멤브레인 필터 등으로 여과하여 담수를 생산하는 방법이며, 증발법은 염수를 증발시켜 수증기를 응집하여 담수를 생산하는 방법이다. 상기와 같은 방법을 이용한 기술로는 대한민국 특허출원 제98-704402호에 기술된 "물의 염분 제거설비 및 방법"이 있다.

그리고, 폐수는 수질오염의 주범으로서 환경을 오염시키고 있어 많은 대안들이 출원되어 사용되고 있을 뿐만 아니라 계속 연구 개발 중에 있다. 그리고, 용액에서 원료를 추출하는 기술들도 많이 출원되어 사용되고 있을 뿐만 아니라 계속 연구 개발 중에 있다.

따라서, 본 발명은 감압원리를 이용하여 낮은 온도에서도 증류수가 증발되도록 함으로써 낮은 열원으로 증류수를 분리해 내는 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 압력과 증발온도와의 관계를 나타낸 그래프이고,

도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증류수를 분리해 내는 장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이며,

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 증류수를 분리해 내는 장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이다.

♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠

11 ∼ 15 : 증발실 10a ∼ 14a : 분사노즐

21 ∼ 25 : 응축실 26 : 염수 및 원수 공급관

30 : 기포제거기 31 : 펌프

40 : 열교환기 50 : 진공펌프

51 ∼ 55, 90 : 연결관 61 ∼ 65 : 증류수 배출관

66 : 증류수 집수통 70 : 침출수 및 농축수 배출관

81 ∼ 85 : 수분제거기 91 : 순환펌프

92, 94 : 밸브 93 : 냉각기

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면,

증류수를 분리해 내는 장치에 있어서,

진공수단에 의해 진공상태를 유지하며 하단을 향할수록 그 상단보다 낮은 내부압력을 갖는 증발실이 다단으로 형성된 증발수단과, 상기 다단의 증발실에 각각 연통하게 대응위치에 응축실이 다단으로 형성된 응축수단과, 상기 응축수단에 유체를 공급하는 유체공급수단과, 상기 유체공급수단에 의해 상기 다단의 응축실을 순차적으로 거쳐 제일 상단 증발실에 공급되어 각 단의 증발실의 내부압력 변화에 따라 순차적으로 하단의 증발실로 공급될 유체를 가열하는 가열수단과, 각 단의 증발실과 응축실의 온도차에 의해 각각 생성되는 증류수를 외부로 배출하는 증류수 배출관 및, 증발된 증류수에 의해 농도가 진해진 침출수를 배출하기 위해 제일 하단의 증발실에 형성된 침출수 배출관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

일반적인 물은 100℃에서 증발되어 수증기를 형성한다. 도 1의 그래프에는 압력과 증발온도와의 관계가 나타나 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 대기압(15.6℃, 상대습도 55% 기준)에서 일반적인 물은 1,013mbar에서 증발이 일어난다. 그러나, 압력을 낮추는 감압을 하게 되면 더 낮은 온도에서 증발이 일어나므로 에너지의 필요량이 줄어들게 된다. 이 때,온도의 차이에 따른 압력의 차는 낮은 온도에서 보다 높은 온도에서 훨씬 더 크게 나타나는데, 그 차이는 선형이 아닌 y = ax²+ b 의 2차 함수로 나타난다.

그래서, 본 발명은 이와 같은 감압원리를 이용하여 낮은 온도에서도 증발시켜 증류수를 분리해 내서 담수를 생산하고 폐수를 처리하며 원료 등을 추출하려는 것이다.

아래에서, 본 발명에 따른 증류수를 분리해 내는 장치의 양호한 실시예들을 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다. 즉, 아래의 실시예에서는 염수로부터 증류수를 분리해 담수를 생산하는 장치에 관해 예시적으로 설명하겠다.

<제1 실시예>

도면에서, 도 2는 본 발명의 제1 실시예에 따른 증류수를 분리해 내는 장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이다.

본 발명의 증류수를 분리해 내는 장치는 감압원리를 이용하여 낮은 온도에서도 증발되어 증류수가 분리되도록 구성한 것으로서, 일반적으로 증발이 일어나게 되면 온도가 낮아지게 되는데, 한 단계 낮은 온도의 염수를 증발시키기 위해서는 더 낮은 진공이 필요하며, 따라서 일련의 온도와 증발에 따른 단계를 만들기 위해 다단의 증발실이 필요하다.

그래서, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 증발실(11 ∼ 15)이 다단으로 형성된 증발수단(10)을 포함한다. 이런 각각의 증발실(11 ∼ 15)은 동일형상과 동일크기를 갖고 있어 그 내부체적이 동일한 것으로서, 각 증발실(11 ∼ 14)의 제일하부에는 그 하단에 위치하는 증발실에 염수를 분사하는 분사노즐(11a ∼ 14a)이 각각 형성되어 있다. 그리고, 제일 상단에 위치하는 증발실(11)에는 또다른 분사노즐(10a)이 형성되어 있다.

이렇게 각각 구성된 증발실(11 ∼ 15)은 하단을 향할수록 그 상단보다 낮은 내부압력을 갖는데, 예를 들어, 제일 상단의 증발실(11)의 내부압력이 1,000mbar이면, 그 하부에 순차적으로 각각 위치하는 증발실(12, 13, 14, 15)의 내부압력은 900mbar, 800mbar, 700mbar 및 600mbar로 설정된다. 이렇게 각각 설정되는 증발실(11 ∼ 15)의 내부압력은 증발실(11 ∼ 14)의 하단에 각각 위치하는 분사노즐(11a ∼ 14a)의 개폐시점을 달리 함으로써 가능하다. 즉, 하부로 향할수록 점점 많은 양의 염수가 각 증발실(11 ∼ 14)에 저장될 때, 해당 분사노즐(11a ∼ 14a)이 개폐될 수 있도록 설정되어 있다.

그리고, 상기와 같이 구성된 증발수단(10)의 측면에는 다단의 증발실(11 ∼ 15)과 각각 연통하는 응축실(21 ∼ 25)이 다단으로 구성된 응축수단(20)이 설치되어 있다. 이런 각각의 응축실(21 ∼ 25)은 동일형상과 동일크기를 갖는 것으로서, 그 내부에 각각 배치되는 염수 공급관(26)을 각각 구비함으로써 형성된다. 이런 염수 공급관(26)은 제일 하단에 위치하는 응축실(25)로부터 제일 상단에 위치하는 응축실(21)까지 연속적이면서 순차적으로 배치된다.

이런 염수 공급관(26)의 한 쪽에는 염수에 포함된 기포를 제거하는 기포제거기(30)가 설치되어 있고, 이런 기포제거기(30)에는 바닷가의 염수를 공급하는 염수공급수단인 펌프(31)가 설치되어 있다. 이런 염수 공급관(26)의 다른 쪽에는펌프(31)에 의해 다단의 응축실(25 ∼ 21)을 순차적으로 거쳐 제일 상단의 증발실(11)에 공급되어 각 단의 증발실(11 ∼ 15)의 내부압력 변화에 따라 순차적으로 하단의 증발실(15)로 공급될 염수를 가열하는 가열수단인 열교환기(40)가 설치되어 있다. 이 열교환기(40)는 폐열발생기관(디젤발전기, 가스발전기)의 배기가스 폐열 또는 냉각수 폐열을 이용할 수 있다. 또한, 펌프(31) 및 열교환기(40)는 태양에너지를 전기에너지로 전환하는 태양전지(solar battery)를 통해 작동하게 구성된다.

그리고, 각 응축실(21 ∼ 25)의 상부에는 연결관(51 ∼ 55)이 각각 연결되어 있으며, 이 연결관(51 ∼ 55)은 진공펌프(50)에 연결되어 있다. 그리고, 각 연결관(51 ∼ 55)의 임의 부분에는 밸브(51a ∼ 55a)가 각각 설치되어 있다. 이렇게 설치된 진공펌프(50)와 연결관(51 ∼ 55)에 의해 각 단의 증발실(11 ∼ 15)과 응축실(21 ∼ 25)이 진공상태를 유지하게 된다.

또한, 상하단의 응축실(21 ∼ 25)은 그 사이에 위치하는 증류수 배출관(61 ∼ 64)에 의해 각각 연결되어 있으며, 제일 하단에 위치하는 응축실(25)에도 증류수 배출관(65)이 형성되어 있다. 이런 증류수 배출관(61 ∼ 65)은 각 단의 증발실(11 ∼ 15)과 응축실(21 ∼ 25)의 온도차에 의해 각각 생성되는 증류수를 외부로 배출하는 역할을 한다.

즉, 응축실(21 ∼ 25)의 염수 공급관(26)이 열교환기(40)에 연결되어 있어, 이런 열교환기(40)에 제일 근접하게 연결되어 있는 제일 상단 응축실(21)의 온도가 제일 높고 하단에 위치하는 응축실(22 ∼ 25)일수록 그 온도가 낮아지게 된다. 그리고, 열교환기(40)를 거쳐 제일 상단에 위치하는 증발실(11)에 공급되는 염수의 온도가 제일 높고, 하단에 위치하는 증발실(12 ∼ 15)일수록 그 온도가 낮아지게 된다. 이 때, 각 단의 증발실(11 ∼ 15)과 응축실(21 ∼ 25)간에는 온도차가 발생하게 된다.

예를 들어, 제일 상단에 위치하는 증발실(11)의 온도가 95℃이면, 이에 대응하는 응축실(21)의 온도는 70℃정도 된다. 이렇게 각 단의 증발실(11 ∼ 15)의 온도가 이에 대응하는 응축실(21 ∼ 25)의 온도보다 높게 되어, 그 온도차에 의해 응축실(21 ∼ 25)의 염수 공급관(26)의 표면에 증류수가 맺히면서 떨어져 각 단의 증류수 배출관(61 ∼ 65)을 통해 외부로 배출된다. 이렇게 배출되는 증류수는 증류수 집수통(66)에 집수된다.

그리고, 제일 하단의 증발실(15)에는 증발된 증류수에 의해 농도가 진해진 침출수를 다시 바닷가에 배출하는 침출수 배출관(70)이 설치되어 있다. 그리고, 각 단의 증발실(11 ∼ 15)과 응축실(21 ∼ 25)의 사이에는 수분을 제거하여 증발 기체만이 응축실(21 ∼ 25)쪽으로 이동되도록 하는 수분제거기(81 ∼ 85)가 각각 설치되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 장치는 태양에너지를 전기에너지로 전환하는 태양전지(solar battery)를 통해 작동하게 구성된다.

아래에서는, 앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 증류수를 분리해 내는 장치의 작동관계에 대해 상세히 설명하겠다.

도 2에 도시된 바와 같이, 바닷가의 염수를 펌프(31)를 가동하여기포제거기(30)를 통해 염수 공급관(26)에 공급한다. 그러면, 기포제거기(30)에 의해 염수에 포함된 기포 등이 제거되고, 염수만이 염수 공급관(26)을 통해 제일 하단의 응축실(25)로부터 제일 상단의 응축실(21)까지 순차적으로 거쳐 열교환기(40)에 공급된다. 그러면, 열교환기(40)에서 염수가 가열된 후에, 제일 상단에 위치하는 증발실(11)의 상부에 형성된 분사노즐(10a)을 통해 제일 상단의 증발실(11)에 분사된다. 이렇게 증발실(11)에 분사된 염수는 그 측면에 대응하게 위치하는 응축실(21)과의 온도차에 의해 수분제거기(81)를 통해 수분은 제거되고 증발 기체만이 응축실(21)로 이동한다. 그로 인해, 응축실(21)에 배치되는 염수 공급관(26)의 표면에 증류수가 맺히면서 하부로 떨어지면서, 증류수 배출관(61)을 통해 그 하단의 응축실(22)로 배출된다.

이런 원리로 제일 상단의 증발실(11)과 응축실(21)에서 증류수를 생성하다가, 증발실(11)에 일정량의 염수가 채워지면 증발실(11)의 하단에 형성된 분사노즐(11a)이 개방되어 바로 하단에 위치하는 증발실(12)에 염수를 분사하게 된다. 이렇게 염수를 분사하다가 일정량의 염수만이 증발실(11)에 잔류하면 더이상 분사하지 못하도록 분사노즐(11a)이 폐쇄된다. 이렇게 그 하부에 위치하는 증발실(12)로 분사되는 염수는 그 상단의 증발실(11)의 염수보다는 그 온도가 낮을 뿐만 아니라 내부압력도 낮게 된다. 그로 인해, 도 1에 도시된 원리에 의해 상기 증발실(12)에서도 제일 상단의 증발실(11)에서와 동일한 원리에 의해 증류수가 생성된다.

이와 동일한 원리에 의해 각각의 단에서 증류수가 생성되어 최종적으로 제일하단의 응축실(25)에 형성된 증류수 배출관(65)을 통해 증류수 집수통(66)에 수집하여 담수를 생산하게 된다. 그리고, 증발된 증류수에 의해 농도가 진해진 침출수는 제일 하단의 증발실(15)에 형성된 침출수 배출관(70)을 통해 바닷가로 배출된다.

이와 같이 바닷가에서 공급되는 염수는 1회 순환하면서 증류수를 생성한 후 다시 바닷가로 배출되며, 새로운 염수가 공급되는 일련의 과정을 반복함으로써, 염수로부터 증류수를 분리해 내서 담수를 생산하는 것이다.

<제2 실시예>

본 발명의 제2 실시예에 따른 장치는 본 발명의 제1 실시예에서와 같이 염수를 1회 순환시킨 후에 바닷가에 배출하는 것이 아니라 다수회 순환시키면서 증류수를 분리해 내서 담수화하는 것으로서, 일부분의 구성요소들이 추가되었다는 것을 제외하고는 제1 실시예와 동일하다. 그러므로, 동일한 구성요소들에 대해서는 동일한 도면부호가 부여될 것이며, 이것들에 대한 설명은 여기에서 생략하기로 한다.

도 3은 본 발명의 제2 실시예에 따른 증류수를 분리해 내는 장치의 구성요소들을 설명하기 위한 개략도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 장치는 제일 하단에 위치하는 증발실(15)과 염수 공급관(26)을 서로 연통하는 연결관(90)을 설치하고, 이 연결관(90)에 순환펌프(91)를 설치함으로써 염수를 다수회 순환시키도록 구성되어 있다. 그리고, 침출수 배출관(70)에는 염수의 순환시에는 염수가 배출되지 않도록 하고 다수회 순환후에는 농축된 염수를 배출하는 역할을 하는 밸브(92)가 설치되어있다.

그리고, 본 발명의 장치는 염수 공급관(26)이 제일 하단의 응축실(21)에는 배치되지 않고 그 상단에 위치하는 응축실(22)부터 순차적으로 배치되고, 제일 하단의 응축실(21)에는 냉각기(93)가 설치되어 있다. 여기서, 냉각기(93)는 순환하는 염수의 열기를 감소시키는 역할을 하는 것으로서, 순환하는 염수에서 열기를 감소시키지 않을 경우에는 하단 부위에 위치하는 증발실(14, 15)과 응축실(24, 25)의 온도차가 각각 서로 비슷하여 증류수가 생성되지 않는다. 그래서, 냉각기(93)를 통해 순환하는 열기를 감소시켜 바닷가에서 처음 공급되는 염수의 온도가 유지될 수 있도록 하는 것이다. 그리고, 본 발명의 장치에는 염수의 순환시에는 새로운 염수가 공급되지 않도록 하고 순환하는 염수가 기포제거기(30)쪽으로 역류하지 않도록 하는 또다른 밸브(94)가 설치되어 있다.

앞서 설명한 바와 같이 구성된 본 발명의 장치는 제1 실시예의 장치와 동일한 작동방법에 의해 증류수를 생성하는데, 증류수를 생성하여 조금 농축된 염수를 다수회 순환시키면서 증류수를 생성하는 것이다. 이렇게 다수회 순환시키면서 증류수를 생성한 후에는 침출수 배출관(70)의 밸브(92)를 개방하여 농축된 침출수를 바닷가에 배출하고, 새로운 염수를 공급하여 동일한 방법으로 증류수를 생성하는 것이다.

앞서 설명한 실시예들에서는 염수로부터 증류수를 분리해 내서 담수를 생산하는 과정을 예시적으로 설명했지만, 본 발명의 장치는 상기와 동일한 과정에 의해 폐수에서 증류수를 분리해 내서 폐수를 처리하고, 용액에서 증류수를 분리해 내서원료를 추출하는데 사용된다. 즉, 본 발명의 제2 실시예에 따른 장치를 사용하여 다수회 순환시키면서 증류수를 분리해 낸 후, 농축된 폐수의 슬러지 또는 원료를 침출수 배출관을 통해 배출하고 이를 수집함으로써 가능하다.

앞서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명의 증류수를 분리해 내는 장치는 감압원리를 이용하여 낮은 온도에서도 증류수가 증발되도록 함으로써 낮은 열원으로 증류수를 분리해 내서 담수를 생산하고 폐수를 처리하며 원료를 추출하는 효과가 있다.

이상에서 본 발명의 증류수를 분리해 내는 장치에 대한 기술사항을 첨부도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다.

또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

Claims (8)

1. 증류수를 분리해 내는 장치에 있어서,

   진공수단에 의해 진공상태를 유지하며 하단을 향할수록 그 상단보다 낮은 내부압력을 갖는 증발실이 다단으로 형성된 증발수단과, 상기 다단의 증발실에 각각 연통하게 대응위치에 응축실이 다단으로 형성된 응축수단과, 상기 응축수단에 유체를 공급하는 유체공급수단과, 상기 유체공급수단에 의해 상기 다단의 응축실을 순차적으로 거쳐 제일 상단 증발실에 공급되어 각 단의 증발실의 내부압력 변화에 따라 순차적으로 하단의 증발실로 공급될 유체를 가열하는 가열수단과, 각 단의 증발실과 응축실의 온도차에 의해 각각 생성되는 증류수를 외부로 배출하는 증류수 배출관 및, 증발된 증류수에 의해 농도가 진해진 침출수를 배출하기 위해 제일 하단의 증발실에 형성된 침출수 배출관을 포함하는 것을 특징으로 하는 증류수를 분리해 내는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 각 단의 증발실과 응축실의 사이에는 수분은 제거하고 증발 기체만이 상기 증발실에서 응축실로 이동가능하게 하는 수분제거기가 각각 설치되는 것을 특징으로 하는 증류수를 분리해 내는 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유체공급수단에 의해 공급되는 유체에 함유된 기포를 제거하는 기포제거기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 증류수를 분리해 내는 장치.
4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 제일 하단에 위치하는 증발실의 유체가 상기 응축실로 순환하도록 서로 연결되어 순환펌프에 의해 순환하는 것을 특징으로 하는 증류수를 분리해 내는 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 순환 유체의 열기를 감소시키기 위해 제일 하단에 위치하는 응축실에는 냉각기가 설치되는 것을 특징으로 하는 증류수를 분리해 내는 장치.
6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열수단은 폐열발생기관의 배기가스 폐열 또는 냉각수 폐열을 이용하는 것을 특징으로 하는 증류수를 분리해 내는 장치.
7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유체는 해수, 폐수 또는 용액인 것을 특징으로 하는 증류수를 분리해 내는 장치.
8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 유체공급수단 및 상기 가열수단은 태양전지(solar battery)를 통해 작동하는 것을 특징으로 하는 증류수를 분리해 내는 장치.