KR20180075814A

KR20180075814A - 증류장치

Info

Publication number: KR20180075814A
Application number: KR1020160179642A
Authority: KR
Inventors: 안우열; 양혜림; 임근식; 최성업; 장재규
Original assignee: 한화케미칼 주식회사
Priority date: 2016-12-27
Filing date: 2016-12-27
Publication date: 2018-07-05
Also published as: US20190321746A1; WO2018124558A1; CN110121381B; CN110121381A; US10981081B2

Abstract

본 발명은 증류장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열에너지와 원심력을 이용하여 증류대상물질로부터 휘발성분의 분류를 통해 고순도 제품을 회수하는 증류장치에 있어서, 구동에 따른 압력강하를 감소시켜 장치 내에서의 온도 차이를 최소화함으로써, 증류대상물질로부터 큰 손상 없이 고순도 제품을 회수할 수 있는 증류장치에 관한 것이다.

Description

증류장치{distillation}

본 발명은 증류장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 열에너지와 원심력을 이용하여 증류대상물질로부터 휘발성분의 분류를 통해 고순도 제품을 회수하는 증류장치에 관한 것이다.

스트립탑(stripping column)은 다단으로 이루어진 증류탑에 기체(가스나 증기)를 이용하여 액상의 증류대상물질로부터 휘발성 성분을 증발시켜 이에 따른 고순도 제품을 회수할 수 있는 장치이다.

이때, 상기 스트립탑은 증류대상물질로부터 고순도 제품을 회수하기 위해서는 높은 온도의 열에너지가 필요하므로, 열에 취약한 식품류나 고분자 등에서는 고순도 제품을 분류하여 회수하기 어려운 문제점이 있다.

SSC(Spinning Cone Column)는 열에너지와 더불어 원심력의 기계적 에너지를 이용하는 것으로, 이와 관련된 선행문헌으로는 일본 특허공보 제1995-022646호에 개시되었다.

상기 SSC는 상부에서 유입되는 증류대상물질과 하부에서 유입되는 기체(증기)를 통해 원심력인 기계적 에너지를 이용하여 증류대상물질로부터 고순도 제품을 회수함으로써, 증류대상물질과 열에너지와의 접촉 시간이 짧아 스트립탑에 비해 낮은 온도에서 고순도의 제품 회수가 가능하다.

이때, SSC는 압력강하 커, 이에 따른 SSC의 몸체 상하방향으로의 온도 차이가 발생하게 되며, 이는 회전콘과 고정콘에 의해 형성되는 몸체 내의 층이 많아질수록 상대적인 온도 차이는 더 커지게 된다.

즉, SSC를 구동하기 위한 온도의 조건 범위가 넓어지게 되므로, 증류대상물질로부터 고순도 제품을 일정하게 분류하기 위한 동작의 한계가 발생하는 문제점이 있다.

일본 특허공보 제1995-022646호

본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 열에너지와 원심력을 이용하여 증류대상물질로부터 휘발성분의 분류를 통해 고순도 제품을 회수하는 증류장치에 있어서, 구동에 따른 압력강하를 감소시켜 장치 내에서의 온도 차이를 최소화함으로써, 증류대상물질로부터 큰 손상 없이 고순도 제품을 회수할 수 있는 증류장치를 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 증류장치는 상부에서 증류대상물질이 유입되고, 하부에서 기체가 유입되는 몸체; 상기 몸체 내부에서 상하방향으로 형성되어 축 회전되는 회전축; 상기 회전축의 외주면에 하단이 고정되되, 상단으로 갈수록 수평방향 직경이 넓어지는 형상으로 형성되는 회전콘; 상기 회전콘으로부터 상하방향으로 이격되어 상기 몸체의 내부면에 상단이 고정되되, 하단으로 갈수록 수평방향이 직경이 작아지게 형성되는 고정콘; 및 상기 회전콘의 하부면에 상단으로부터 하단방향으로 연장되어 형성되되, 상기 회전축의 회전방향으로 상기 회전콘의 하부면과 예각을 가지도록 형성되는 핀;을 포함한다.

또한, 상기 핀은 상기 회전콘의 하부면과 30° 내지 60°의 각도를 가지도록 형성된다.

본 발명에 따른 증류장치는 상부에서 증류대상물질이 유입되고, 하부에서 기체가 유입되는 몸체; 상기 몸체 내부에서 상하방향으로 형성되어 축 회전되는 회전축; 상기 회전축의 외주면에 하단이 고정되되, 상단으로 갈수록 수평방향 직경이 넓어지는 형상으로 형성되는 회전콘; 상기 회전콘으로부터 상하방향으로 이격되어 상기 몸체의 내부면에 상단이 고정되되, 하단으로 갈수록 수평방향이 직경이 작아지게 형성되는 고정콘; 상기 회전콘의 하부면에 상단으로부터 하단방향으로 연장되어 형성되는 핀; 및 상기 회전축의 선택되는 외주면에 상하방향으로 형성되되, 하단이 상기 회전축의 회전방향으로 상기 회전축의 축과 예각을 가지도록 형성되는 팬;을 포함한다.

또한, 상기 팬은 상기 회전축의 축과 10° 내지 60°의 각도를 가지도록 형성된다.

또한, 상기 핀은 상기 회전축의 회전방향으로 상기 회전콘의 하부면과 예각을 가지도록 형성된다.

또한, 상기 몸체는 상부 일측에 형성되어 증류대상물질이 유입되는 증류대상물질유입부와, 하부 타측에 형성되어 기체가 유입되는 기체유입부와, 상부 타측에 형성되어 기체가 배출되는 기체배출부와, 하부 일측에 형성되어 고순도 제품을 회수하는 회수부를 포함한다.

본 발명에 따른 증류장치는 회전콘의 하부면에 형성되어 기체의 상승 유속을 증가시키는 핀의 형상을 변형하여 압력강하를 감소시킴으로써, 이에 따른 증류장치 내에서의 온도 차이를 최소화여 증류대상물질로부터 큰 손상 없이 고순도 제품을 회수할 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 증류장치는 축 회전되는 회전축에 일정 각도를 가지도록 형성되어, 상기 회전축과 같은 속도로 회전하며 기체를 물리적으로 상승시키는 팬을 더 포함함으로써, 팬이 설치된 부분에서의 난류운동에너지(turbulent kinetic energy)와 난류소산(turbulent dissipation)을 증가시켜 물질 전달 효율의 증가에 따른 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 증류장치를 나타낸 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 증류장치를 구성하는 핀의 형상을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명의 제1실시예, 제2실시예에 따른 증류장치를 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 증류장치를 구성하는 핀의 형상을 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 제1실시예에 따른 증류장치를 구성하는 팬의 형상을 나타낸 도면.
도 6은 본 발명에 따른 증류장치의 효과를 나타낸 도면.
도 7은 본 발명에 따른 증류장치의 효과를 나타낸 또 다른 도면.

이하, 상술한 바와 같은 본 발명의 일 실시예에 따른 증류장치를 첨부된 도면을 참조로 상세히 설명한다.

이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 증류장치(1000)는 크게 몸체(100), 회전축(200), 회전콘(300), 고정콘(400) 및 핀(500)을 포함하여 형성된다.

상기 몸체(100)는 회전축(200), 회전콘(300), 고정콘(400) 및 핀(500)을 수용 가능하게 형성되며, 상부에서 증류대상물질이 유입되고, 하부에서 기체(증기)가 유입된다.

상기 몸체(100)는 증류대상물질이 상부에서 유입되어 중력에 의해 하부방향으로 이동될 수 있도록 몸체(100) 상부 일측에 형성되어 증류대상물질이 유입되는 증류대상물질유입부(110)를 포함하며, 증류대상물질과 반대로 기체가 하부에서 유입되어 상부방향으로 상승할 수 있도록 몸체(100) 하부 형성되어 기체가 유입되는 기체유입부(120)를 포함한다.

아울러, 상기 몸체(100)는 상부에 유입된 기체 중, 남은 잔여 기체가 외부로 배출될 수 있도록 상부 타측에 형성되는 기체배출부(130)와, 상부로부터 유입된 증류대상물질로부터 휘발성 물질이 분류된 고순도 제품을 회수하기 위한 회수부(140)가 하부 타측에 형성될 수 있다.

다만, 상술된 증류대상물질유입부(110), 기체유입부(120), 기체배출부(130) 및 회수부(140)의 형성 위치는 다양한 실시예가 가능하므로 한정하지는 않는다.

상기 회전축(200)은 상기 몸체(100) 내부에 상하방향으로 형성되며, 선택되는 방향으로 축 회전 가능하게 형성된다.

이때, 상기 몸체(100)에는 회전축(200)의 회전을 위한 동력을 공급할 수 있는 회전축제어부(210) 등이 구비될 수 있다.

상기 회전콘(300)은 상기 회전축(200)의 외주면에 하단이 고정되되, 상단으로 갈수록 수평방향 직경이 넓어지는 형상으로 형성되며, 회전축(200)의 축 회전에 따라 함께 회전된다.

상기 회전콘(300)은 하단이 고정되어 회전축(200)의 회전방향으로 함께 회전되되, 상단으로 갈수록 수평방향 직경이 넓어지는 형상(상부가 넓은 그릇 형상)으로 형성됨으로써, 유입된 증류대상물질이 회전콘(300)의 회전에 따른 원심력에 의해 두께가 얇아지도록 펼쳐지게 되며, 상단으로 이동되어 하부의 고정콘(400)으로 낙하하게 된다.

상기 고정콘(400)은 상기 회전콘(300)으로부터 상하방향으로 이격되어 상기 몸체(100)의 내부면에 상단이 고정되며, 하단으로 갈수록 수평방향 직경이 작아지게 형성된다.

즉, 상기 회전콘(300)과 고정콘(400)은 상하방향으로 서로 이격되어 형성됨으로써, 몸체 내부에서 다수의 층을 형성하며, 상기 회전콘(300)은 회전축(200)의 회전에 의해 상기 고정콘(400)의 상하방향 사이에서 회전축(200)의 축 회전 방향으로 함께 회전된다.

상기 고정콘(400)은 회전콘(300)의 단면과 대응되는 형상으로 형성되며, 회전콘(300)의 상단으로부터 낙하되는 증류대상물질을 하부의 회전콘(300)으로 안내하는 역할을 할 수 있다.

아울러 상기 고정콘(400)은 상하방향으로 서로 연결하도록 형성되어 견고하게 몸체(100) 내부에 고정시킬 수 있는 고정콘연장부(410)를 더 포함할 수 있으나, 한정하지는 않는다.

상기 핀(500)은 회전콘(300)의 하부면에 상단으로부터 하단방향으로 연장되어 형성된다.

상기 핀(500)은 회전콘(300)의 하부면에 설치되어 회전콘(300)과 함께 회전됨으로써, 몸체(100) 하부에서 유입되는 기체의 상승 유속을 증가시키며, 이에 따른 증류대상물질 내 포함된 휘발성분의 분류를 촉진시킬 뿐만 아니라, 증류대상물질의 체류시간을 증가시켜 증류대상물질 내 휘발성분의 분류 효율을 증가시킨다.

상기 핀(500)은 회전콘(300)의 상단으로 갈수록 높이가 높아지는 형상으로 형성됨으로써, 상승 기류를 증가시킬 수 있다.

또한, 상기 핀(500)은 회전콘(300)의 직경 증가에 따라 대응하여 상단으로 갈수록 넓어지는 형상으로 형성될 수 있는 등 다양한 형상의 실시예가 가능하므로 한정하지는 않는다.

이때, 본 발명의 일 실시예에 따른 증류장치(1000)의 핀(500)은 도 2에 도시된 바와 같이, 회전축(200)의 회전방향으로 상기 회전콘(300)의 하부면과 예각을 가지도록 형성된다. (본 발명의 일 실시예에 따른 핀(500)과 회전콘의 하부면과의 예각은 β로 표시한다.)

상기 핀(500)은 회전콘(300)의 하부면과 30° 내지 60°의 예각을 가지도록 회전축(200)의 회전방향으로 기울어져 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 회전콘(300)의 하부면과 45°의 예각을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.

상기 핀(500)은 회전축(200)의 회전방향으로 예각을 가지도록 형성됨으로써, 중력에 의해 낙하하는 증류대상물질에 의한 압력강하를 일정 낮춰 몸체(100) 내부에서의 층간 온도 차이를 최소화할 수 있다.

표 1 및 도 6, 도 7은 상술된 핀(500)의 형상에 따른 효과를 입증하기 위한 시험 자료로서, 핀(500)이 회전축(200)의 회전방향으로 기울어진 형상을 가지는 본 발명의 일 실시예에 따른 증류장치(1000)와 종래의 SSC를 비교한 것이다.

이때, 시험을 위한 몸체의 반경은 0.17m, 회전축의 반경은 0.033m, 회전콘의 반경은 0.15m, 고정콘의 반경은 0.17m이며, 상기 핀이 회전콘의 하부면과 이루는 예각은 45°이다.

아울러, 상기 회전축의 회전속도는 52.36rad/sec이며, 상기 몸체 하부에서 유입되는 기체는 110liter/min의 유량으로 공급되어 상기 몸체 상부를 통해 외부로 빠져나가게 된다.

표 1의 비교예 1은 핀이 없는 SSC, 비교에 2는 도 4에 도시된 바와 같이, 핀이 회전콘의 하부면과 수직(α)으로 설치된 SSC이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 증류장치(1000)는 표 1, 도 6에 도시된 바와 같이, 비교예 1과 비교예 2에 비해 핀(500)의 각도 변화에 따라 압력강하가 낮아지는 것으로 나타났으며, 표 1과 도 7에 도시된 바와 같이, 난류운동에너지(turbulent kinetic energy, k)와 난류소산(turbulent dissipation, epsilon)은 핀의 구성이 없는 비교예 1에 비해 높아지는 것을 나타내었다.

	비교예1	비교예2	본 발명
pressure drop[Pa]	23.95	21.17	18.72
k[m²/sec²]	0.11	0.20	0.18
epsilon[m²/sec³]	8.60	23.15	21.36

즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 증류장치(1000)는 핀의 구성이 없는 비교예 1에 비해 난류운동에너지와 난류소산의 증가에 따라 증류장치의 구동 효율이 증가됨과 동시에, 비교예 2에 비해 압력강하가 일정 감소함에 따른 장치 내부에서의 온도 차이를 최소할 수 있다.

이는 증류대상물질로부터 큰 손상 없이 고순도 제품을 분류하여 회수하는 동작의 효율이 증가하는 장점이 있다.

<본 발명의 제1실시예에 따른 증류장치>

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제1실시예에 따른 증류장치(1000)는 크게 몸체(100), 회전축(200), 회전콘(300), 고정콘(400), 핀(500) 및 팬(600)을 포함하여 형성된다.

상기 몸체(100), 회전축(200), 회전콘(300) 및 고정콘(400)은 상기에서 설명하였으므로, 자세한 설명은 생략한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 핀(500)은 회전콘(300)의 하부면에 상단으로부터 하단방향으로 연장되어 형성되며, 도 4에 도시된 바와 같이, 회전콘(300)의 하부면과 수직(α)으로 형성된다.

도 5에 도시된 바와 같이, 상기 팬(600)은 회전축(200)의 선택되는 외주면에 상하방향으로 연장되어 형성되되, 하단이 상기 회전축(200)의 회전방향으로 상기 회전축(200)의 축과 예각을 가지도록 형성된다. (본 발명의 제1실시예에 따른 팬(600)과 회전축(200)의 축과의 예각은 γ로 표시한다.)

상기 팬(600)은 회전축(200)의 외주면에 직사각형 형상으로 돌출되도록 형성될 수 있으며, 회전축(200)과 함께 회전됨으로써, 몸체(100) 하부에서 유입되는 기체의 상승 기류를 증가시킬 수 있다.

이때, 상기 팬(600)은 하단이 상기 회전축(200)의 축과 10° 내지 60°의 예각을 가지도록 형성되는 것이 바람직하며, 더욱 바람직하게는 회전축(200)의 축과 30°의 예각을 가지도록 기울어지게 형성함으로써, 상기 몸체 내에서의 난류운동에너지와 난류소산을 증가시킬 수 있다.

표 2, 도 6, 도 7은 상술된 팬의 구성과, 회전축과 예각을 가지는 형상에 따른 효과를 입증하기 위한 자료로서, 상술된 팬을 포함하는 본 발명의 제1실시예에 따른 증류장치와 기존의 SSC를 비교하였다.

이때, 시험을 위한 몸체의 반경은 0.17m, 회전축의 반경은 0.033m, 회전콘의 반경은 0.15m, 고정콘의 반경은 0.17m이며, 상기 핀이 회전콘의 하부면과 이루는 각도는 수직(α)이며, 팬은 30°의 예각을 가지도록 형성된다.

표 2의 비교예 1은 핀과 팬의 구성을 포함하지 않은 SSC, 비교에 2는 핀의 구성은 포함하나, 팬의 구성이 포함되지 않은 SSC이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 증류장치는 표 2와 도 6에 도시된 바와 같이, 비교예 1과 비교예 2에 비해 압력강하는 거의 차이가 없는 것으로 나타났으나, 표 2, 도 7에 도시된 바와 같이, 난류운동에너지(k)와 난류소산(epsilon)은 비교예 1과 비교예 2에 비해 값이 높아진 것을 나타내었다.

	비교예1	비교예2	본 발명
pressure drop[Pa]	23.95	21.17	21.39
k[m²/sec²]	0.11	0.20	0.28
epsilon[m²/sec³]	8.60	23.15	26.96

즉, 본 발명의 제1실시예에 따른 증류장치는 난류운동에너지(k)와 난류소산(epsilon)의 값이 커지도록 함으로써, 물질의 전달 효율이 증가하는 장점이 있다.

이는 증류대상물질로부터 휘발성 물질을 분류할 수 있는 효율을 증가시킬 수 있다.

아울러, 본 발명의 제1실시예에 따른 증류장치(1000)는 상기 핀(500)이 회전축(200)의 회전방향으로 상기 회전콘(300)의 하부면과 예각을 가지도록 형성될 수 있다.

상술된 핀(500)은 회전콘의 하부면과 예각을 가지도록 형성됨으로써, 압력강하를 낮출 수 있다.

100 : 몸체
100 : 증류대상물질유입부
120 : 기체유입부
130 : 기체배출부
140 : 회수부
200 : 회전축
210 : 회전축제어부
300 : 회전콘
400 : 고정콘
410 : 고정콘연장부
500 : 핀
600 : 팬

Claims

상부에서 증류대상물질이 유입되고, 하부에서 기체가 유입되는 몸체;
상기 몸체 내부에서 상하방향으로 형성되어 축 회전되는 회전축;
상기 회전축의 외주면에 하단이 고정되되, 상단으로 갈수록 수평방향 직경이 넓어지는 형상으로 형성되는 회전콘;
상기 회전콘으로부터 상하방향으로 이격되어 상기 몸체의 내부면에 상단이 고정되되, 하단으로 갈수록 수평방향이 직경이 작아지게 형성되는 고정콘; 및
상기 회전콘의 하부면에 상단으로부터 하단방향으로 연장되어 형성되되, 상기 회전축의 회전방향으로 상기 회전콘의 하부면과 예각을 가지도록 형성되는 핀;을 포함하는 증류장치.
제 1항에 있어서,
상기 핀은
상기 회전콘의 하부면과 30° 내지 60°의 각도를 가지도록 형성되는 증류장치.
상부에서 증류대상물질이 유입되고, 하부에서 기체가 유입되는 몸체;
상기 몸체 내부에서 상하방향으로 형성되어 축 회전되는 회전축;
상기 회전축의 외주면에 하단이 고정되되, 상단으로 갈수록 수평방향 직경이 넓어지는 형상으로 형성되는 회전콘;
상기 회전콘으로부터 상하방향으로 이격되어 상기 몸체의 내부면에 상단이 고정되되, 하단으로 갈수록 수평방향이 직경이 작아지게 형성되는 고정콘;
상기 회전콘의 하부면에 상단으로부터 하단방향으로 연장되어 형성되는 핀; 및
상기 회전축의 선택되는 외주면에 상하방향으로 형성되되, 하단이 상기 회전축의 회전방향으로 상기 회전축의 축과 예각을 가지도록 형성되는 팬;을 포함하는 증류장치.
제 3항에 있어서,
상기 팬은
상기 회전축의 축과 10° 내지 60°의 각도를 가지도록 형성되는 증류장치.
제 3항 또는 제 4항에 있어서,
상기 핀은
상기 회전축의 회전방향으로 상기 회전콘의 하부면과 예각을 가지도록 형성되는 증류장치.
제 5항에 있어서,
상기 핀은
상기 회전콘의 하부면과 30° 내지 60°의 각도를 가지도록 형성되는 증류장치.
제 1항 내지 제 4항 중 선택되는 어느 한 항에 있어서,
상기 몸체는
상부 일측에 형성되어 증류대상물질이 유입되는 증류대상물질유입부와,
하부 타측에 형성되어 기체가 유입되는 기체유입부와,
상부 타측에 형성되어 기체가 배출되는 기체배출부와,
하부 일측에 형성되어 고순도 제품을 회수하는 회수부를 포함하는 증류장치.