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1. (WO2019066362) RAW WATER DISTRIBUTION DEVICE CONNECTED TO PRESSURE VESSEL
Document

명세서

발명의 명칭

기술분야

1  

배경기술

2   3   4   5   6   7   8   9   10   11   12   13   14  

발명의 상세한 설명

기술적 과제

15   16   17  

과제 해결 수단

18   19  

발명의 효과

20   21   22   23   24  

도면의 간단한 설명

25   26   27   28   29   30   31   32  

발명의 실시를 위한 최선의 형태

33   34   35   36   37   38  

발명의 실시를 위한 형태

39   40   41   42   43   44   45   46   47   48   49   50   51   52   53   54   55   56   57   58   59   60   61   62   63   64  

산업상 이용가능성

65  

청구범위

1   2   3   4   5  

도면

1   2   3   4   5   6   7   8  

명세서

발명의 명칭 : 압력용기 연결형 원수분배 장치

기술분야

[1]
본 발명은 해수 역삼투 기술공정에 필요한 압력용기용 원수분배장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 중앙 주입식 압력용기에 용이하게 연결이 가능하면서 압력을 견딜 수 있는 압력용기 연결형 원수분배 장치에 관한 것이다.

배경기술

[2]
일반적으로, 해수는 고농도의 무기질 용액상태로 존재하고 있어 상수도로 이용하기에는 여러 가지 제약을 가지고 있다. 이를 해결하기 위하여, 다양한 해수의 담수화 공법이 제안되고 있다. 다양한 해수 담수화 공법 중, 해수 역삼투 공법에서는 수리학적 압력과 반투과성 막을 이용하여 저농도의 생산수를 얻어낸다. 이 과정에서 해수가 가지고 있는 화학적 삼투압 이상의 압력(예를 들면, 25bar 이상)이 사용되며 이를 견딜 수 있는 고압의 압력용기와 파이프라인이 이용된다.
[3]
해수담수화 플랜트는 고압의 조건에서 운전을 요하기 때문에 높은 에너지 소요량으로 인해 생산수 단가가 비교적 높다. 따라서 생산수 단가를 낮추기 위한 제막 기술향상으로 현재는 단일 막 면적에 따른 생산수량 증대가 가능한 고 플럭스 막 적용이 필요하다. 그러나 고 플럭스 막의 적용은 에너지 저감이라는 측면에서 장점이 있으나, 비교적 수질 악화 및 파울링 증대라는 단점이 존재한다.
[4]
기존의 해수 역 삼투 공법을 이용할 경우에는 다양한 막 성능 감소 문제가 발생한다. 그중 가장 주요한 원인으로 운전 시 발생하는 파울링(Fouling)에 의해서 수 투과도와, 염 제거율이 낮아지는 현상이 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 막의 화학적, 물리적 세정작업이 필요하며 이 과정을 통해 비가역적인 막의 변형이 발생한다. 이를 해결하기 위해서는 주기적인 막 모듈의 교체가 필요하며, 소형 플랜트의 경우 유지 보수 관리에 큰 무리가 없지만 대형 플랜트의 경우, 막의 유지관리에 큰 비용이 발생한다.
[5]
이러한 단점을 극복하기 위해 ISD(Initial Stage Design)등의 설계방식이 도입되었으나, 근본적인 해결책이 될 수는 없다.
[6]
해수 역삼투 공정에서의 생산을 이루는 기본 단위는 트레인으로 명명된다. 트레인은 고압 펌프, 압력용기, 막 모듈, 파이프라인으로 구성되어 있다. 압력용기의 설치는 압력용기 내부에 실제 수 투과가 발생하는 막 모듈로 구성되어 있다.
[7]
현재 사용되고 있는 압력용기의 대부분은 여러 막 모듈 제조사에 의해서 규격화된 원통형 지름 8인치 막 모듈에 적합하게 설계되어 있으며, 시장에 의해 규격화된 압력용기의 경우 모두 단방향의 유체흐름을 가지도록 설계되어 있다. 막 모듈의 유지보수에서는 그 편의성이 다른 무엇보다 중요하다. 8인치 막의 경우 성인남성이 도구를 사용하지 않고 설치 가능하지만, 트레인의 대형화 추세에 따라서 16인 치 막의 경우 막 모듈 교체용 장비가 필요할 만큼 유지보수에 문제점이 존재하고 있다.
[8]
이를 개선하기 위해서 다양한 방식의 유체흐름을 유도하는 압력용기 설계가 제안되고 있는데, 그 중에 현재 개념적으로 제안되고 있는 중앙주입식 압력용기 설계 방식이 있다. 중앙 주입식 압력용기 설계란, 기존의 말단에서부터 말단으로 단방향의 유체흐름을 가지는 압력용기의 설계방식이 아닌 원수가 중압으로 주입되어 양 끝단 방향으로 진행해 나아가는 형태를 지니고 있다.
[9]
단방향으로 진행되는 고압의 원수의 흐름을 견디며 압력용기의 내부 움직임을 제한하기 위해서 막 모듈의 양 말단에는 고무 오링(O-ring)이 존재하고 있다. 일반적인 형태의 오링(O-ring)의 경우 막 모듈의 압력용기 내부 움직임이 제한되기 때문에 설치가 불가능하게 된다. 따라서 오링이 경사져 있는 형태를 유지하여 단 방향에 대해서는 움직임이 용의하나 반대 방향의 움직임에 대해서는 제한되도록 설계된다. 즉 막 모듈의 설치를 위해서는 단 방향 흐름 반대 방향에서 밀어 넣는 방식으로 설치된다.
[10]
미국공개특허 US2010/0133183A에는 중앙 주입식 형태의 압력용기 설계방법이 제안되고 있다. 상기 선행 기술에 의하면 중앙 주입식 설계는 기존 설계에 비하여 에너지 소비량을 감소시킬 수 있으며 동시에 트레인에 필요한 실질적인 부지를 감소시킬 수 있다는 장점을 기술하고 있다. 그러나, 상기 선행 기술의 경우 현재 개념적인 특허의 형태로 존재하고 있으며 이를 실질적으로 실행에 옮긴 pilot plant나 실제 적용 사례가 존재하고 있지 않다. 이는 중앙 주입식 압력용기 설계가 가지고 있는 실질적인 플랜트 적용의 기술적 한계점을 가지고 있기 때문이다.
[11]
특히, 상술한 바와 같이, 상용화 막 모듈의 O-ring은 경사진 구조로 구성되어 있어 단일 방향으로 막 모듈의 설치가 이루어져야 하는 바, 중앙주입식 설계방법에서는 이러한 단일 방향의 막 모듈의 설치가 적용되기 어렵다는 문제점이 있다.
[12]
상술한 바와 같이, 중앙 주입식 압력용기를 현실화하여 설치하기 위해서는 막 모듈의 유지보수 관리에 편의성에 문제가 발생하게 된다. 현재의 압력용기 설계를 이용할 경우 막 모듈의 설치는 가능하지만, 유지보수 관리를 위해서 막 모듈을 제거할 수 없는 구조를 가지고 있으며, 따라서 중앙 주입식 압력용기의 제조설치를 위해서는 현재 적용되고 있는 압력용기, 막 모듈의 새로운 설계가 필요하고 현재 상용화된 제품을 이용하여 중앙 주입식 설계가 가능하게 하는 장비가 필요하다.
[13]
또한, 십자 관을 이용할 경우 파이프에 걸리는 높은 고압에 의해서 누수가 발생할 가능성이 높으며 안정성에 있어서 문제가 발생하므로, 중앙 주입식 압력용기를 제조하기 위해서는 압력을 온전하게 견딜 수 있으며 원수를 분배할 수 있는 장치가 중간에 필요하다.
[14]

발명의 상세한 설명

기술적 과제

[15]
본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하고자 하는 것으로서, 본 발명의 목적은 막 모듈의 유지관리가 간편하고, 유지보수 관리를 위하여 막모듈을 용이하게 제거 교체할 수 있는 중앙주입식 압력용기용 원수분배장치를 제공하는 것이다.
[16]
본 발명의 다른 목적은 고압에서도 안전하게 압력을 견딜 수 있는 중앙주입식 압력용기용 연결형 원수분배장치를 제공하는 것이다.
[17]

과제 해결 수단

[18]
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 압력용기 연결형 원수분배 장치는, 중앙 주입식 압력용기에 연결되는 원수분배장치로서, 양측의 압력용기 사이에 배치되며 중앙부분에 주입되는 원수를 양측의 압력용기에 공급하며 내측에 복수의 막 모듈이 기밀하게 수용되는 본체부와, 상기 본체부의 중앙부분에 설치되어 원수가 주입되는 원수주입부와, 상기 원수주입부에 직교하는 방향에서 상기 본체부의 양측 끝단을 폐쇄하며 상기 본체부에 착탈 가능하게 설치되는 캡과, 상기 캡을 관통하여 설치되며 상기 원수주입부로부터 주입되는 원수를 상기 압력용기에 공급하는 원수공급파이프를 구비하는 것을 특징으로 한다.
[19]

발명의 효과

[20]
상술한 구성을 가지는 본 발명의 원수분배장치에 의하면, 현재 기술로는 실질 적용이 불가한 중앙 주입식 설계를 현재 존재하고 있는 장비를 이용하여 설계 가능하며, 중앙 주입식 설계 방식을 적용할 수 있어서 에너지 소비량과 설치 공간적 차이에 의해서 기존의 재래식 역 삼투 트레인 설계 방식에 비해서 소요 비용을 절감할 수 있다.
[21]
또한, 경사져 배치되되 본체부 내부에서 일 방향으로의 움직임이 가능한 오링을 적용함으로써, 단일방향의 오링을 적용하면서도 중앙 주입식 설계방식을 이용할 수 있다.
[22]
또한, 양측의 압력용기로부터 원수분배장치를 용이하게 체결 및 해체할 수 있을 뿐만 아니라, 본체부 내의 막 모듈의 유지관리가 간편하고, 유지보수 관리를 위하여 막모듈을 용이하게 제거 교체할 수 있고, 단순히 십자관을 이용하는 것이 아니라, 원수주입부와 원수공급파이프를 가지는 본체부의 구성에 의해 고압에서도 안전하게 압력을 견딜 수 있다.
[23]
또한, 원수 유입관의 관경이 증가하여 유입간의 손실수두가 줄어들어 에너지 소비량을 줄일 수 있고, 양 단의 장치를 이용하여 유입수의 운전 조건을 달리할 수 있으며, 이를 이용하여 트레인 내에서 다양한 성능의 막 모듈을 적용하여 최적화된 운전을 가능하다.
[24]

도면의 간단한 설명

[25]
도 1은 본 발명에 의한 원수분배장치를 나타내는 단면도이다.
[26]
도 2는 도 1의 A-A를 따라 본 단면도이다.
[27]
도 3은 본 발명에 의한 원수분배장치의 캡과 원수공급파이프를 나타내는 도면이다.
[28]
도 4 및 도 5는 본 발명에 의한 원수분배장치의 원수공급파이프와 인접하는 압력용기의 원수공급파이프를 결합하는 커플러를 나타내는 도면이다.
[29]
도 6은 본 발명에 의한 유량조절밸브를 나타내는 도면이다.
[30]
도 7은 본 발명에 의한 원수분배장치가 복수 개 배치된 트레인을 나타내는 도면이다.
[31]
도 8은 본 발명에 의한 원수분배장치의 O링을 나타내는 도면이다.
[32]

발명의 실시를 위한 최선의 형태

[33]
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 의한 압력용기 연결형 원수분배 장치는, 중앙 주입식 압력용기에 연결되는 원수분배장치로서, 양측의 압력용기 사이에 배치되며 중앙부분에 주입되는 원수를 양측의 압력용기에 공급하며 내측에 복수의 막 모듈이 기밀하게 수용되는 본체부와, 상기 본체부의 중앙부분에 설치되어 원수가 주입되는 원수주입부와, 상기 원수주입부에 직교하는 방향에서 상기 본체부의 양측 끝단을 폐쇄하며 상기 본체부에 착탈 가능하게 설치되는 캡과, 상기 캡을 관통하여 설치되며 상기 원수주입부로부터 주입되는 원수를 상기 압력용기에 공급하는 원수공급파이프를 구비하는 것을 특징으로 한다.
[34]
여기서, 상기 막 모듈의 외주면과 상기 본체부의 내면 사이에 배치되며, 상기 본체부에 공급되는 원수의 흐름방향에 대하여 경사져 배치되되 유동하는 상기 원수의 압력에 의해 원수흐름방향에 대하여 직교하도록 거동하여 상기 막모듈과 상기 본체부 사이를 기밀하게 밀봉하는 오링을 구비하는 것을 특징으로 한다.
[35]
여기서, 상기 본체부의 중앙부분의 좌우 양측에 설치되어 양측의 상기 압력용기에 공급되는 원수의 유량을 각각 개별적으로 조절하는 유량조절밸브를 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.
[36]
여기서, 상기 원수공급파이프의 끝단과 인접한 상기 압력용기의 파이프를 서로 체결하는 커플러를 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.
[37]
여기서, 상기 본체부는 원수주입 파이프가 상기 본체부를 관통하는 부분에서 상기 본체부의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 보강부를 더욱 구비하는 것을 특징으로 한다.
[38]

발명의 실시를 위한 형태

[39]
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 의한 압력용기 연결형 원수분배 장치에 대하여 실시예로써 상세하게 설명한다.
[40]
[41]
도 1 내지 도 7에 나타낸 바와 같이, 본 발명에 의한 압력용기 연결형 원수분배 장치는 중앙 주입식 압력용기에 연결되는 원수분배장치로서, 상용화되어 이용되고 있는 부품을 이용하여 중앙 주입식 설계의 현실화가 가능할 수 있도록 원수를 분배할 수 있는 장치에 관한 것이다.
[42]
본 발명에 의한 원수분배장치를 제조 및 설계하기 위해서는 크게 3가지의 구체적인 제한사항을 해결할 수 있는 특징을 가지고 있어야 하는데, 이는 역삼투 공정에서 필요한 고압에 대한 내구성과, 각종 내화학성 재질을 이용해야 하며, 탈부착이 용이하며 누수가 발생하지 않는 특징을 가지고 있어야 한다.
[43]
중앙 주입식 압력용기의 설계의 요지는 단일 압력용기에서 원수가 두 흐름으로 나뉘어져 양 말단 방향으로 진행되는데, 이 과정에서 발생하는 공간 부지의 절감 효과와 운영 에너지 소비량이 감소되는 효과를 얻을 수 있다. 그러나, 종래의 중앙 주입식 압력용기는 상업화된 장비를 이용하여 설계할 수 없는 기술적 제한점이 존재하는 바, 본 발명에서는 이러한 문제점을 개선하기 위해서 원수 분배 장치를 두어 기존의 압력용기와 막 모듈을 이용한 중앙 주입식 설계를 하는 것에 그 특징이 있다.
[44]
즉 본 발명에 의한 중앙 주입식 설계는 양 단에 각각 독립적인 압력용기가 존재하며 이 사이를 연결하는 원수 분배 장치가 존재하게 되며, 상기 원수 분배장치는 각각의 압력용기를 연결하여 하나의 생산단위로 결합시키게 된다.
[45]
[46]
본 발명에 의한 원수분배장치(1)는 본체부(10)와, 원수주입부(20)와, 캡(30)과, 원수공급파이프(40)를 포함하여 구성된다.
[47]
상기 본체부(10)는 양측의 2개의 압력용기(2) 사이에 배치된다. 상기 본체부(10)는 대략 원통형 형상으로 형성되며, 중앙부분에는 원수주입부(20)가 연결된다. 상기 본체부(10)는 상기 원수주입부(20)를 통해 주입되는 원수를 양측의 상기 압력용기(2)에 각각 공급하도록 구성된다. 본 실시예에 있어서, 상기 본체부(10)의 몸체(11)는 내화학성, 내식성 성질을 가지고 있는 FRP재질로 형성되는 것을 예로 한다.
[48]
상기 본체부(10)의 내측에는 복수의 막 모듈(50)이 수용된다. 상기 막 모듈(50)은 필요에 따라 복수 개가 상기 본체부의 내측에 수용될 수 있으며, 오링(O-ring; 60)을 통해 상기 본체부의 내면과 상기 막 모듈의 외주면과의 사이가 기밀하게 밀봉된다.
[49]
상기 오링(60)은 상기 막 모듈과 상기 본체부와의 사이에서 움직임이 가능하도록 배치될 수 있다. 도 8에 나타낸 바와 같이, 상기 오링(60)은 상기 본체부에 공급되는 원수의 흐름방향에 대하여 경사져 배치되어 일방향에 대해서는 움직임이 가능하지만 반대방향의 움직임에 대하여는 제한되도록 구성된다. 즉, 상기 오링(60)은 유동하는 상기 원수의 압력에 의해 원수흐름방향에 대하여 직교하도록 거동하여 상기 막모듈과 상기 본체부 사이를 기밀하게 밀봉한다. 경사져 배치되되 본체부 내부에서 일 방향으로의 움직임이 가능한 오링을 적용함으로써, 단일방향의 오링을 적용하면서도 중앙 주입식 설계방식을 이용할 수 있다.
[50]
[51]
상기 본체부(10)의 중앙부분에는 원수가 주입되는 원수주입부(20)가 설치된다. 상기 원수주입부(20)는 원수와 화학세정 약품이 주입되며, 후술하는 원수공급파이프로 유입된 원수가 분배되어 빠져나가도록 상기 본체부의 양단이 이루어져, 상기 원수주입부와 상기 원수공급파이프는 이른바 십(+)자류 흐름을 가지게 된다.
[52]
이 과정에서 발생하는 수직 압력부하에 안전을 확보하기 위해서 상기 원수주입부(20)가 형성되는 부분의 상기 본체부 몸체는 다른 부분에 비해 더 두꺼운 형태로 이루어진다. 즉, 상기 본체부(10)는 원수주입부(20)가 상기 본체부를 관통하는 부분에서 상기 본체부의 몸체(11)의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 보강부(12)를 형성하도록 구성된다.
[53]
[54]
상기 본체부(10)의 양끝단에는 캡(30)이 설치된다. 상기 캡(30)은 상기 원수주입부에 직교하는 방향에서 상기 본체부의 양측 끝단을 폐쇄하도록 구성되며, 상기 본체부(10)에 착탈 가능하게 설치된다. 착탈가능한 상기 캡과 후술하는 원수공급파이프의 커플러에 의해 양측의 압력용기로부터 원수분배장치를 용이하게 체결 및 해체할 수 있을 뿐만 아니라, 본체부 내의 막 모듈의 유지관리가 간편하고, 유지보수 관리를 위하여 막모듈을 용이하게 제거 교체할 수 있다.
[55]
[56]
상기 캡(30)을 관통하여 원수공급파이프(40)가 설치되며, 상기 원수공급파이프(40)를 통해 상기 원수주입부(20)로부터 주입되는 원수를 상기 압력용기(2)에 공급한다.
[57]
상기 원수공급파이프(40)는, 도 4, 5 및 도 7에 나타낸 바와 같이, 인접하는 압력용기(2)의 파이프(40')에 커플러(80)를 통해 체결된다.
[58]
본 실시예에 있어서, 상기 원수 분배장치(1)의 연결부는 원수공급파이프로 구성되는 파이프 라인을 통해 이루어지는 것을 예로 하였으나, 반드시 이에 한정되지 않고 본 발명에 의한 원수분배장치의 연결부를 직접 압력용기(2)에 연결시키는 구성을 통해 이루어질 수도 있다.
[59]
[60]
한편, 본 발명에 의한 원수분배장치(1)는 유량조절밸브(70)를 더욱 구비하여, 각각의 압력용기가 동일한 운전 조건이 아닌 각각 독립적인 운전이 가능 하도록 하여 트레인 설계의 최적화에 더욱 효율적으로 구성할 수 있다. 상기 유량조절밸브(70)는 상기 본체부의 중앙부분의 좌우 양측에 설치되어 양측의 상기 압력용기에 공급되는 원수의 유량을 각각 개별적으로 조절하도록 구성될 수 있다.
[61]
[62]
본 실시예는 본 발명에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타낸 것에 불과하며, 본 발명의 명세서에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형예와 구체적인 실시예는 모두 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 것은 자명하다.
[63]
[64]

산업상 이용가능성

[65]
본 발명은 해수 역삼투 기술공정에 필요한 압력용기용 원수분배장치에 적용할 수 있다.

청구범위

[청구항 1]
중앙 주입식 압력용기에 연결되는 원수분배장치로서, 양측의 압력용기 사이에 배치되며 중앙부분에 주입되는 원수를 양측의 압력용기에 공급하며 내측에 복수의 막 모듈이 기밀하게 수용되는 본체부와, 상기 본체부의 중앙부분에 설치되어 원수가 주입되는 원수주입부와, 상기 원수주입부에 직교하는 방향에서 상기 본체부의 양측 끝단을 폐쇄하며 상기 본체부에 착탈 가능하게 설치되는 캡과, 상기 캡을 관통하여 설치되며 상기 원수주입부로부터 주입되는 원수를 상기 압력용기에 공급하는 원수공급파이프를 구비하는 것을 특징으로 하는 압력용기 연결형 원수분배 장치.
[청구항 2]
제 1 항에 있어서, 상기 막 모듈의 외주면과 상기 본체부의 내면 사이에 배치되며, 상기 본체부에 공급되는 원수의 흐름방향에 대하여 경사져 배치되되 유동하는 상기 원수의 압력에 의해 원수흐름방향에 대하여 직교하도록 거동하여 상기 막모듈과 상기 본체부 사이를 기밀하게 밀봉하는 오링을 구비하는 것을 특징으로 하는 압력용기 연결형 원수분배 장치.
[청구항 3]
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 본체부의 중앙부분의 좌우 양측에 설치되어 양측의 상기 압력용기에 공급되는 원수의 유량을 각각 개별적으로 조절하는 유량조절밸브를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 압력용기 연결형 원수분배 장치.
[청구항 4]
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 원수공급파이프의 끝단과 인접한 상기 압력용기의 파이프를 서로 체결하는 커플러를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 압력용기 연결형 원수분배 장치.
[청구항 5]
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 본체부는 원수주입 파이프가 상기 본체부를 관통하는 부분에서 상기 본체부의 직경보다 더 큰 직경을 갖는 보강부를 더욱 구비하는 것을 특징으로 하는 압력용기 연결형 원수분배 장치.

도면

[도1]

[도2]

[도3]

[도4]

[도5]

[도6]

[도7]

[도8]