용액의 초음파 분리방법과 이 방법에 사용되는 초음파분리장치 document_id A220623052994

본 발명자는, 알코올로부터 고농도의 알코올을 분리하는 장치를 개발하였다.(특허 문헌 1 참조) 특허 문헌 1 : 일본 특허공개 2001-314724호 공보 이 분리장치는, 알코올 용액을 폐쇄 구조의 초음파 무화실(ultrasonic atomizing chamber)에 충전하고, 이 초음파 무화실의 알코올 용액을 초음파 진동자로 초음파 진동시켜 미스트로 무화하고, 무화된 미스트(atomized mist)를 응집시켜 회수하여 고농도의 알코올 용액을 분리한다. 이 분리장치가 목적물질로서 고농도의 알코올을 분리할 수 있는 것은, 이하의 동작에 의한 것이다. 알코올은 물보다 용액의 표면으로 이행하기 쉽고, 표면의 용액은 알코올의 농도가 높아지고 있다. 이 상태로 초음파 진동시키면, 고농도의 알코올이 초음파 진동의 에너지로 공기중에 미스트가 되어 미세한 입자로 방출된다. 공기중에 방출된 미스트는 알코올 농도가 높아지고 있다. 알코올 농도가 높은 표면의 용액이 미스트가 되기 쉽기 때문이다. 따라서, 미스트를 응집하여 회수하면, 고농도의 알코올 용액이 분리된다. 이 방법은, 용액을 가열하지 않고 고농도의 알코올 용액을 분리할 수 있다. 이 때문에, 적은 에너지 소비로 고농도로 목적물질을 분리할 수 있다. 또한, 가열하지 않기 때문에 목적물질을 변질시키지 않고 분리할 수 있는 특징도 있다. [발명의 개시] [발명이 해결하고자 하는 과제] 도 1은, 용액을 초음파 진동시키고 미스트로 하고, 이것을 회수부로 응집시켜 회수하는 장치의 블록도이다. 이 도면의 초음파 분리장치는, 초음파 무화실 (104)에서 발생하는 미스트를 회수부(105)로 응집시켜 회수한다. 이 장치를 사용하여 고농도의 알코올을 분리하는 경우, 미스트의 알코올 농도는 변화한다. 미스트의 알코올 농도는, 초음파 무화실(104)에서 발생한 직후에 높고, 그 후 점차 저하하여 회수부(105)로 이송된다. 초음파 무화실(104)로부터 회수부(105)로 이송되는 도중에, 미스트에 포함되는 알코올이 기화하여 증기가 되기 때문이다. 미스트로부터는 알코올과 물의 양쪽 모두가 기화하여 증기가 된다. 다만, 알코올은 물보다 증기가 되기 쉽다. 이 때문에, 미스트가 기화되면, 물보다 알코올이 보다 많이 기화되고, 미스트의 알코올 농도는 저하한다. 따라서, 초음파 무화실(104)에서 발생한 미스트는, 점차 알코올 농도가 저하하면서 회수부(105)로 이송된다. 이송되는 미스트의 알코올은 기화되어 증기가 되므로, 회수부(105)에 공급되는 알코올은 미세한 액적인 미스트 상태와, 기화된 증기 상태가 된다. 미스트 상태로 공급되는 알코올은, 회수부(105)에서 응집하여 회수되고, 증기의 알코올은, 반송 기체를 냉각하여, 결로시켜 회수된다. 알코올 증기는, 결로시켜 회수할 수 있지만, 결로시켜 회수할 수 있는 알코올량은 제한된다. 냉각된 반송 기체가 다소의 알코올과 물을 기체 상태로 포함할 수 있기 때문이다. 도 2는 공기가 물을 증기 상태로 포함할 수 있는 포화 수증기량 곡선이다. 바꾸어 말하면 습도 100%인 포화 상태에 있어서의 공기에 포함되는 물의 총량과 온도의 관계를 나타내는 그래프이다. 이 도면은 공기에 포함되는 물의 양을 나타내고 있지만, 공기는 물과 알코올을 합하여 포함할 수 있는 양이, 이 도면에 나타낸 바와 같이 온도에 따라서 변화하고, 온도가 높아지면 증가하고, 온도가 낮아지면 감소한다. 이 도면으로부터 명백하듯이, 반송 기체로서 사용되는 공기는, 온도가 낮아지면 포함할 수 있는 물의 양이 적어지므로, 공기를 냉각하면 과포화인 물과 알코올이 기체로부터 액체가 되어 결로한다. 다만, 이 그래프로부터 명백하듯이, 공기 온도가 비록 0℃가 되어도, 물을 증기 상태로 포함할 수 있으므로, 모든 알코올을 결로하여 회수할 수 없다. 특히 곤란한 것은, 미스트로부터 기화되어 반송 기체에 포함되는 알코올과 물은, 결로하여 회수하면, 알코올보다 물이 결로하여 회수되기 쉽다. 즉, 미스트에서는 물보다 알코올이 기화하기 쉽고, 기화한 다음에는, 물이 알코올보다 결로하기 쉽다. 이 때문에, 반송 기체에 포함되는 알코올 농도는, 반송 기체를 냉각하여 알코올과 물을 회수한 다음은, 한층 더 높아진다. 알코올이 기화하기 쉽고, 결로 하기 어렵기 때문이다. 예를 들어, 초음파 무화실에서 발생한 미스트의 알코올의 몰 농도가 30몰, 회수부에 공급된 미스트의 알코올 농도가 25몰로 저하하지만, 반송 기체에 포함되는 증기의 알코올의 몰 농도는, 회수부에 공급되는 상태에서 50몰, 회수부로부터 배출되는 상태에서는 70몰로 극히 높아진다. 이로부터, 초음파 무화실에서 고농도의 알코올을 미스트로 하면서, 이것을 유효하게 회수할 수 없는 것을 알 수 있다. 이 폐해는, 예를 들어, 반송 기체를 냉각하는 온도를 낮게 하고, 알코올과 물을 더 효율적으로 결로시켜 회수함으로써 해소할 수 있다. 다만, 반송 기체의 온도를 낮게 하면, 냉각을 위해서 소비하는 에너지가 커져 운전비용 (running cost)이 높아진다. 게다가 초음파 무화실에 저온의 반송 기체를 공급하면, 용액을 미스트로 하는 효율이 현저하게 저하하므로, 저온의 반송 기체는 가습하여 초음파 무화실에 공급할 필요가 있다. 이때, 반송 기체의 온도가 낮을수록, 가온을 위해서 큰 에너지를 필요로 하는 결점도 있다. 따라서, 종래의 초음파 분리장치는, 초음파 무화실에서 알코올 농도가 높은 미스트를 발생시키면서, 이것을 효율적으로 유효하게 회수하는 것이 어려운 결점이 있었다. 본 발명은, 이러한 결점을 해결하는 것을 목적으로 개발된 것이다. 본 발명의 제1의 중요한 목적은, 용액으로부터 발생하는 미스트에 포함되는 목적물질을 효율적으로 회수할 수 있는 용액의 초음파 분리 방법과 초음파 분리장치를 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 제2의 목적은, 미스트에 포함되는 미스트 성분을 효율적으로 흡착제에 흡착시켜 회수할 수 있는 용액의 초음파 분리 방법과 장치를 제공하는 것에 있다. 본 발명의 용액의 초음파 분리 방법은, 초음파 무화실(4)에서 용액을 초음파 진동시켜 반송 기체중에 미스트로 무화하여, 무화된 미스트를 포함한 반송 기체를 회수부(5)로 이송하고, 회수부(5)에서, 용액으로부터 미스트가 되어 무화된 미스트 성분을 반송 기체로부터 분리하여 회수한다. 초음파 분리 방법은, 회수부(5)에서, 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시키고, 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시키는 흡착 공정과, 흡착 공정으로 흡착제(15)에 흡착된 미스트 성분을 흡착제(15)로부터 분리하여 회수하는 분리 공정으로, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리함과 동시에, 분리 공정의 압력을 흡착 공정의 압력보다 낮게 하여, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리한다. 본 발명의 용액의 초음파 분리 방법은, 회수부(5)에서, 반송 기체를 냉각기 (12)로 냉각하여 미스트 성분을 분리한 후, 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시켜, 미스트 성분을 흡착제(15)로 흡착시킬 수 있다. 본 발명의 용액의 초음파 분리방법은, 분리공정에 있어서, 흡착제(15)를 밀폐실(16)에 배치하고, 이 밀폐실(16)의 반송 기체를 진공 펌프(17)로 배기하여 밀폐실(16)을 대기압보다 낮은 압력으로 감압하고, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리할 수 있다. 또한, 본 발명의 용액의 초음파 분리방법은, 흡착 공정에 있어서, 흡착제 (15)를 대기압의 밀폐실(16)에 배치하고, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시킬 수 있다. 또한, 본 발명의 용액의 초음파 분리방법은, 흡착 공정에 있어서, 흡착제 (15)를 대기압보다 고압으로 가압된 밀폐실(16)에 배치하고, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착제에 흡착시킬 수 있다. 본 발명의 용액의 초음파 분리방법은, 흡착 공정에 있어서의 흡착제(15)의 온도를, 분리 공정에 있어서의 흡착제(15)의 온도보다 낮게 할 수 있다. 본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 용액이 공급되는 초음파 무화실(4)과, 이 초음파 무화실(4)의 용액을 초음파 진동으로 반송 기체중에 미스트로 무화하여 비산시키는 초음파 진동자(2)와, 이 초음파 진동자(2)에 접속되어 초음파 진동자(2)에 고주파 전력을 공급하여 초음파 진동시키는 초음파 전원(3)과, 초음파 진동자(2)로 무화되어 반송 기체로 이송되는 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시켜 반송 기체로부터 분리하는 회수부(5)를 구비한다. 회수부(5)는, 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시키고 반송 기체에 포함되는 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시켜, 흡착한 미스트 성분을 흡착제(15)로부터 분리하고, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리하는 흡착 회수부(9)를 구비한다. 이 흡착 회수부(9)는, 반송 기체를 흡착제(15)에 접촉시켜 미스트 성분을 흡착시키는 압력보다, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리하는 압력을 낮게 하여, 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리한다. 본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 회수부(5)가, 반송 기체를 냉각하여 미스트 성분을 회수하는 전단 회수부(8)를 구비하고, 이 전단 회수부(8)로 미스트 성분이 분리된 반송 기체를 흡착 회수부(9)에 공급할 수 있다. 본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 흡착 회수부(9)가, 밀폐실(16)에 흡착제(15)를 충전하는 동시에, 이 밀폐실(16)에 진공 펌프(17)를 연결하고, 진공 펌프(17)가 밀폐실(16)로부터 배기하여, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리할 수 있다. 본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 밀폐실(16)을, 개폐밸브(18)를 통하여 초음파 무화실(4)에 연결하고, 개폐밸브(18)를 열어 초음파 무화실(4)로부터 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 밀폐실(16)에 공급하고, 미스트 성분을 흡착제(15)에 흡착시켜, 개폐밸브(18)를 닫아 밀폐실(16)을 감압하고, 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리할 수 있다. 본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 상기 밀폐실(16)은 한 쌍의 밀폐실(16A, 16B)로 구성될 수 있으며, 한 쌍의 밀폐실(16A, 16B)에 흡착제(15)를 충전하고, 한 쌍의 밀폐실(16A, 16B)을 개폐밸브(18A, 18B)를 통하여 초음파 무화실(4)에 연결할 수 있다. 이 초음파 분리장치는, 한쪽의 개폐밸브(18A)를 열어 밀폐실(16A)에 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 공급하고, 다른쪽의 개폐밸브(18B)를 닫아 밀폐실(16B)로부터 배기하여 흡착제(15)로부터 미스트 성분을 분리하고, 개폐밸브(18A, 18B)를 교대로 개폐하여 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리할 수 있다. 본 발명의 용액의 초음파 분리장치는, 흡착 회수부(9)가 온도 제어부(22)를 구비할 수 있다. 온도 제어부(22)는, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착하는 흡착제 (15)의 온도를, 미스트 성분을 분리하는 흡착제(15)의 온도보다 낮게 제어할 수 있다. 흡착제(15)는, 제올라이트, 활성탄, 산화 리튬, 실리카겔중의 어느 하나, 혹은 이들 혼합물로 할 수 있다. 본 발명은, 용액으로부터 발생하는 미스트에 포함되는 목적물질을 효율적으로 회수할 수 있는 특징이 있다. 특히, 본 발명은, 미스트에 포함되는 미스트 성분을 효율적으로 흡착제에 흡착시켜 회수할 수 있는 특징이 있다. 그것은, 본 발명이, 초음파 무화실에서 무화된 미스트 성분을 포함한 반송 기체를 회수부에서 흡착제에 흡착시켜, 흡착제에 흡착한 미스트 성분을 흡착제로부터 분리하여 반송 기체로부터 분리시키고 있으며, 반송 기체를 흡착제에 접촉시켜 미스트 성분을 흡착시키는 압력보다, 흡착제로부터 미스트 성분을 분리하는 압력을 낮게 하여 반송 기체로부터 미스트 성분을 분리하고 있기 때문이다. 흡착제는, 압력이 높아지면 미스트 성분의 흡착량이 증가하고, 압력이 낮아지면 미스트 성분의 흡착량이 감소하는 경향이 있다. 따라서, 본 발명은, 흡착제가 가진 이 특성을 유효하게 이용하여, 즉, 분리 공정에 있어서의 압력을 흡착 공정에 있어서의 압력보다 낮게 하는 것에 의해서, 흡착 공정에서는 다량의 미스트 성분을 흡착제에 효율적으로 흡착시키고, 분리 공정에서는 흡착제에 흡착할 수 있는 미스트 성분의 양을 줄여, 흡착제로부터 미스트 성분을 분리시켜 효율적으로 회수할 수 있다. 또한, 본 발명의 청구항 6의 초음파 분리방법과 청구항 12의 초음파 분리장치는, 반송 기체에 포함되는 미스트 성분을 보다 효율적으로 흡착제에 흡착시켜 회수할 수 있는 특징이 있다. 그것은, 이 방법과 장치가, 반송 기체의 미스트 성분을 흡착할 때의 흡착제의 온도를, 미스트 성분을 분리할 때의 흡착제의 온도보다 낮게 하고 있기 때문이다. 흡착제의 흡착량은, 동일한 압력하에서는, 온도가 높아지면 감소하고, 온도가 낮아지면 증가하는 경향이 있다. 따라서, 이 특성을 이용하여, 흡착제의 온도를 제어함으로써, 반송 기체에 포함되는 미스트 성분을 효율적으로 분리하여 회수할 수 있다.