KR0173472B1 - 교반기 - Google Patents

Abstract

본 교반기는 교반기도곤의 중심에 교반기축을 포함하고 교반기날이 교반기축에 얹혀져 있고 평판모양의 날로 구성되어 교반기과의 바닥면의 내부표면을 따라 배치되어 있고 격자모양이 날이 평판모양의 날고 계속적이고 정류판을 교반기도관의 측벽내부표면을 따라서 교반기 날 둘레를 회전하기 위해서 수직방향으로 확장되어 있으며, 정류판과 회전을 위한 조종기기는 서로가 독립적이다.

교반기 날과 정류판이 다른 속도로 회전할 때 순환적인 흐름이 관에서 형성된다.

교반기 날이 상부지역에서 격자모양이 날은 교반축내부 방사상으로 하강하는 순환적인 흐름의 일부분을 깍고, 그럼으로써 그 흐름의 일부분을 소부분으로 나눈다. 액체의 소부분을 교반기 날의 요소뒤에서 발생하는 미소한 휘저음으로 인하여 효과적으로 혼합된다.

Description

교반기

본 발명은 화학적으로 형성되는 다양한 점성의 유동체의 일련의 형성과정에서 사용되는 교반기에 관한 것이다.

제약, 식산업에서 상기의 교반기로 소규모의 양과 다양한 헝태로 제품을 생산하고 있다. 교반기의 액체의 작용, 반응, 용해 등의 과정에서 광범위항게 액체 점성도의 변화를 야기시키고, 난류에서 층류로 흐름의 변화를 야기시키는 과정에서 사용가능하다.

종래의 교반기에 관련된 기술에 대해서 설명한다.

교반조 내의 액체흐름의 특성은 저점성지역(난류지역)과 고점성지역(층류지역) 사이에서 대단히 다양하며 상기 지역 사이에서의 흐름방법이 다양하다.

특히 저점성지역에서 유체와 날이 같이 회전한다. 상기의 현상은 교반기축에 고체적 회전부의 형성을 야기시켜 혼합이 실패되므로, 교반조 내에는 정류판의 설치가 필수적인 것으로 되어 있다.

정류판의 설치는 저점성지역에서 필요불가결한 것이나 점도가 증가함에 따라 설치효과가 감소되고, 고점성지역(층류지역)에서, 정류판의 설치는 액체의 체류, 부착을 유발하는 문제를 발생시킨다.

저농도의 현탄액의 경우 정류판은 고체 미립자의 균일한 산란을 얻는데 매우 효과적이나, 현탁농도가 증가하면 정류판은 고체 미립자가 교반조의 측벽부분에서 고형화된다.

광범위한 점성변화가 생기는 공정에서, 교반조 내의 가각의 저점성도, 중점성도, 고점성도지역에 정류판이 제공될지 아닐지를 결정하고, 상기의 각각에 따라서 교반기날의 적당한 모양을 선택하는 것이 종래의 관습이다.

상술한 종래의 교반기를 대체하기 위해서 교반조의 내부를 다수단을 나누게 된다. 교반기날의 다양한 모양이 상기의 목적으로 제공되고, 제6도에서 도시하는 것과 같은 구성이 채택된다(일본국 특허공개공보 소57-45332호 참조). 상기의 구성에서 교반조(1)는 나선형리본날(12)이 배치되어 있고, 상기 나선형리본날(12)은 교반조(1)의 측변 내부 표면을 따라서 회전한다. 또한, 교반조(1)의 중심부에 설치된 교반축(2)에 상기 나선형리본날(12)과 역방향으로 회전가능한 패들날(13)을 방사상으로 설치하고 있다.

또한, 정류판을 사용하고, 교반기날의 형상에 의해 대응하는 경우에는 제7도에서 도시하는 바와 같은 구성(일본국 특허공고공보 평1-37173호 참조)이고, 상기 구성에서 평판모양날개(6)는 상기 교반조(1)으 내부 중심에 위치한 교반축(2)의 하부에 설치되고, 교반조(1)의 밑바닥의 내부표면을 따라서 배치되어 있다. 격자모양 날개(7)는 평판모양날개(6)로부터 연장되어 상기 교반축(2)의 상부에 제공되어 있다. 또한, 다수개의 정류판(14)은 교반조(1)의 측벽의 내부 표면에 서로가 일정한 간격을 두고 설치되며, 각 정류판(14)은 내부 표면의 하부에서 상부 위치까지 축방향으로 수직으로 연장되어 있다.

나선형리본날(12)과 패들날(13)을 교반기날로서 사용하는 전자의 교반기는 복잡한 교반기날에 의해 주입, 배출 그리고 이송 등의 공정이 복잡하여 문제를 일으키는 요인이 되고 있다.

또한, 교반기 내부의 바닥부분에 효과적인 교반기날이 구비되어 있지 않아 밑바닥 부분에서 액체의 유동성이 극도로 악화되고, 더욱이, 소량의 액체만을 주입한 경우에는 교반기의 운전이 불가능한 문제점이 있다.

게다가, 패들날(13)은 나선형리본날(12)의 내측에 다수단으로 설치되어 있기 때문에, 다수단 중 하나에 있는 각 패들날(13)에 의해 발생되는 순화류는 각 단간의 중간면에서 충돌하여 잔류부분이 형성되고, 그것을 경계로 하여 각단간의 혼합이 잘 이루어지지 않는다. 더욱이, 액체 레벨이 변하면 액체표면의 위치와 날의 위치 사이의 관계가 변화되고, 그럼으로써 액체레벨이 변화에 의해 혼합 상태에 차이가 생긴다. 게다가 패들날(13)에 의한 교반조의 반경방향으로의 토출류가 외측의 나선형리본날(12)에 의한 하강류를 저해하기 때문에 결과적으로 전체의 순화흐름이 저하된다는 문제점이 있다.

후자의 교반기는 평판모양날개(6)와, 격자모양날개(7) 및 정류판(14)을 포함하여 구성되어 전자의 교반기의 단점을 수반하지 않고, 교반기날이 갖는 유동특성에 의해 균일한 혼합시간의 단축, 적용되는 점도영역의 확대 등의 면에서 우수하다.

그러나, 상술한 바와 같은 정류판(14)의 설치는 액체의 점성도가 상승시에 정류판(14) 배면부에 잔류부분을 형성하는 문제와, 고점도영역에서는 유동이 불량한 원인이 되고 있는 문제, 또한 현탁농도가 증가할 때 관내부 벽부분에 고체 입자의 체류, 증착, 고형화를 유방시켜 혼합의 실패를 발생시키는 문제가 있다.

본 발명은 상기 후자의 교반기의 단점을 극복함으로써 실현되며, 교반기가 고점성지역과 고농도지역에서 효과적인 액체 혼합에 이용될 수 있도록 하며, 하나의 장치로 적용범위를 비약적으로 확대함과 동시에, 교반조 내부 측벽부분에 고형화된 입자의 체류, 증착, 고형화를 방지하는 것을 목적으로 한다.

제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 정면도.

제2a도, 제2b도, 제2c도는 본 발명에 따른 정류판의 3가지 다른 형태를 나타내는 도.

제3a도, 제3b도, 제3c도, 제3d도는 정류판의 4가지 다른 형태의 단면도.

제4도는 본 발명에 따른 교반기날과 정류판의 회전속도비와 액체의 점도 사이의 관계의 예를 나타내는 그래프.

제5도는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정면도.

제6도는 종래의 교반기의 정면도.

제7도는 종래의 또 다른 교반기의 정면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1: 교반조 2 : 내부교반축

3 : 외부교반축 2', 3' : 교반축

4, 4', 5, 5' : 구동장치 6 : 평판모양날개

7 : 격자모양날개 8 : 수평리브

9 : 수직스트립 10, 10', 10 : 정류판

11, 11' : 연결리브

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은 , 교반조와, 상기 교반조으 중심주에 회전가능하게 설치된 제1 및 제2교반축과, 상기 제1교반축에 설치되고 상기 교반조의 하부 내면을 따라 연장된 평판모양날개와 상기 평판모양날개의 상부에 연속적으로 연장된 격자모양날개로 구성된 교반기날과, 상기 상기 제2교반축에 설치되고, 상기 교반기날의 회전반경의 외측에 상기 교반조의 측벽을 따라 수직방향으로 연장된 적어도 하나의 정류판과, 상기 제1 및 제2교반축을 서로 독립적으로 회전시키기 위한 구동수단을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명은 상기 제1교반축은 상기 교반조의 상부 또는 하부로 돌출되게 설치되고, 반대로 상기 제2교반축은 상기 교반조의 하부 또는 상부로 돌출되게 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 제1 및 제2교반축은 상기 제1교반축이 내측에 상기 제2교반축이 외측에 위치하는 이중축구조인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 상기 정류판은 상기 교반조의 측벽부를 따라서 수직으로 연장된 판으로 구성됨을 특징으로 한다.

또한, 본 발명을 상기 정류판은 상기 교반기날의 수직길이에 대한 일정한 피치에 의해서 결정되는 역각을 가지며, 상기 피치는 상기 교반기날의 수직길이의 1.5배 보다 크지 않음을 특징으로 한다.

이하 도면을 참조하여 본 발명의 실시예을 상세히 설명한다.

제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 원통모양의 교반조(1)를 나타내며, 교반조(1)의 내부 중심에 내부 교반축(2)이 교반조(1)의 바닥면 부근까지 연장되고, 외부교반축(3)은 액체 표면레벨 상부의 위치까지 연장되며, 내, 외부교반축(2)(3)은 상대적으로 회전한다. 상기 내, 외부교반축(2)(3)은 교반조(1)의 상부에 설치된 각각의 구동장치(4)(5)에 의해 서로 독립적으로 회전되거나 정지될 수 있고, 각각의 회전방향 및 속도도 개별적으로 제어할 수 있도록 되어 있다.

교반기는 평판모양날개(6)를 포함하는데 상기의 평판모양날개(6)는 교반조(1)의 밑바닥의 내부표면을 따라서 배치된다. 상기의 평판모양날개(6)는 내부교반축(2)의 하부에 설치됨과 동시에 교반조(1)의 바다면과 미끄럼 접촉한 상태에 있다. 평판모양날개(6)는 통상적으로 알려진 패들날의 특성(토축특성)과 , 말발굽형 또는 닻모양날개의 특성(깍아 내고 끌거내는 특성)을 모두 갖는다. 특별히 평판모양날개(6)는 패들모양의 특성을 가짐으로써 액체를 교반조(1)의 반경방향으로 토출시키고, 말발굽모양 또는 닻모양날개의 특성을 가짐으로써 내벽표면에 부착되어 있는 물질을 긁어내고 흩어지게 하여 떠오르게 한다.

격자모양날개(7)는 상기 평판모양날개(6)의 상부에 연장되고, 평판모양날개(6)와 마찬가지로 내부 교반축(2)에 설치된다. 격자모양날개(7)는 상기 교반조(1)의 반경방향으로 연자된 다수개의 평평한 막대모양의 수평리브(8)와, 상기 수평리브(8)에 수직으로 연장된 다수개의 평판 막대모양의 수직스트립(9)으로 구성된다. 격자모양날개(7)는 그 격자모양날개(7)가 회전하는 동안 각각의 요소의 선단부분이 액체부분을 전단하여 소부분으로 나눔과 동시에 각각의 소부분이 상기 각각의 요소에 의해 발생되는 미소한 소용돌이 현상에 의해서 혼합되도록 하는 특징이 있다.

평판모양날개(6)와 격자모양날개(7)는 일체로서 형성되어 교반기날을 구성한다. 따라서 이하의 설명에서 펑판모양날개(6)와 격자모양날개(7)는 특별한 다름 설명이 없으면 교반기날로 지칭된다.

비록 상기에서 설명한 각 수직스트립(9)은 모든 수평기브(8)에 연장 설치되어 있으나, 이것은 단순한 예에 불과하고, 수평리브(8)의 다른 것에 각각 결합될 수도 있다. 수평리브(8)는 격자모양날개(7)를 강화하기 위해 설치된 것으로, 그 수는 격자모양날개(7)의 크기에 의해서 결정됨은 말할 필요도 없고, 상기 실시예와 같이 2개로 한정되는 않는다.

또한, 교반기는 외부교반축(3)에 설치된 연결리브(11)의 양 끝단부에 착탈가능하게 설치되는 다수개의 정류판(10)을 포함한다. 상기 정류판(10)은 평탄모양날개(6)와 격자모양날개(7)의 회점범위의 외측에 수직으로 연자되어 설치되고, 상기 교반조(1)의 측벽 내부표면과 미끄럼 접촉한 상태에 있다.

정류판의 예는 제2a도-제2c도에 걸쳐 도시되어 있다.

제2a도는 교반조(1)의 측벽을 따라 수직방향으로 곧게 연자된 정류판(10)을 나타낸다. 정류판(10)은 다양한 단면형상을 가질 수 있다. 일반적으로 정류판(10)은 제3a도에 도시한 바와 같이 직사각형의 단면을 가지는 평판이다. 그러나, 정류판(10)은 제3b도에 도시하는 바와 같이 삼각형의 단면, 제3c도에 도시하는 바와 같이 반원형의 단면, 제3d도에 도시하는 바와 같이 T자 모양의 단면의 가질 수도 있다.

제2b도와 제2c도는 일정한 역각(conuter angle)를 가진 정류판을 나타낸다. 제2b도는 교반기날의 수직길이의 0.5배인 피치에 의해 결정되는 역각을 갖는 스크루형 정류판(10')를 나타낸다. 제2c도는교반기날의 수직길이의 1.0배인 다른 피치에 의해 결정되는 역각을 갖는 또다른 스크루형 정류판(10)을 나타낸다.

만약 역각이 너무 커지면, 정류판은 그다지 효과적이지 않다. 그러므로, 역각을 결정하는 피치는 상기 수직길이의 1.5배 보다 크지 않은 값이 바람직하다.

상기 정류판(10)(10')(10)은 다음과 같은 특성을 가진다. 평판 모양날개(6)의 회전에 의해 반경방향으로 토출되는 흐름을 교반조의 측벽 내면을 따라서 상승하도록 하여 순환적인 흐름을 형성하고, 측벽부에 부차된 물지을 벗겨내고, 흩뜨려 부유시키며, 점도가 증가할 때 액체를 밀어주도록 작동함으로서 측벽 부분에서의 흐름속도가 떨어지는 문제을 제거한다.

상기 교반기에서는 비록 다수개의 정류판(10)(10')(10)이 사용되나,정류판의 개수는 사용상태에 따라서 적당하게 증가하거나 최소한 1개까지로 감소될 수 있다.

제5도는 본 발명의 제2실시예를 나타낸다. 제2실시예는 교반축이 내부교반축(2)과 외부교반축(3)으로 구성되는 이중축 구조를 가지는 제1도에 제1실시예와는 구별된다. 특히, 제2실시예는 상기 내부교반축(2)에 대응하는 교반기날용의 교반축(2')이 교반조(1)의 상부에 설치된 구동장치(4')에 의해 구동되고, 상기 외부교반축(3)에 대응하는 정류판용의 교반축(3')이 교반조(1)의 바닥부에 설치된 구동장치(5')에 의해 구동되도록 한 구성에 의해 구별된다. 제2실시예의 다른 구성들은 제1도에 나타낸 것과 동일하므로 그 상세한 설명을 생략한다.

도시하지 않았지만, 제1도에 나타낸 제1실시예는 이중축 구조로 이루어진 내, 외부교반축(2)(3)이 교반조(1)의 하부에 설치된 구동장치(4)(5)에 의해 구동되도록 변형될 수 있다.

또한, 제5도에서 보여주는 제2실시에는 고반기날용의 교반축(2')이 교반조(1)의 하부에 설치된 구동장치(4')에 의해 구동되고, 정류판용이 교반축(3')이 교반조(1)의 상부에 설치된 구동장치(5')에 의해 고동되도록 변형할 수 있다.

상술한 구성에서, 평판모양날개(6)와 격자모양날개(7)가 설치된 교반축(2)(2')과, 정류판(10)(10')(10)이 설치된 교반축(3)(3')은 외부구동시스템 즉, 구동장치(4)(4')와, 구동장치(5)(5')에 의해 상대적으로 다른 회전속도로 구동된다. 또한, 각각의 교반축의 회저바향은 처리되어야 액체 및 작동의 목적에 따라 적절하게 정해진다.

교반축(2)(2')과 교반축(3)(3')의 상대적인 회전속도비는 액체의 다양한 특성에 따라 설정되는 적절한 회전속도비로 변경된다. 교반축(2)(2')의 회전에 의해 평판모양날개(6)와 격자모양날개(7)가 회전하고, 교반축(3)(3')의 회전에 의해 정류판(10)(10')(10)이 회전할 때, 다음에서 설명하는 유체의 흐름이 교반조(1) 내부에서 발생된다.

제4도는 세로축은 교반된 액체의 점도를 나타내며, 가로축은 교반기날의 단위시간당 회전수의 절대값(N1)과 정류판의 단위 시간당 회전수의 절대값(N2) 사이의 비(N2/N1)를 나타내는 그래프로서, 상기 그래프는 정류판과 교반기날의 회전속도와 점성도 사이의 관계의 예를 나타낸다.

비록, 교반기날(6)(7)과 정류판(10)(10')(10)의 회전수간의 비는 교반되는 물질(액체)의 성질에 따라 다르지만, 그 비율은 일반적으로 점도에 따라서 변화되고, 저점성지역에서 교반기날과 정류판이 큰 비율로 회전한다. 상기와 같은 회전에 의해 커다란 순환흐름이 교반조(1) 내에 형성된다. 특히, 액체는 반경방향으로 평판모양날개(6)에 의해서 토추되어 교반조(1) 하부 내면에 부착되는 것이 방지된다. 토출괸 액체의 흐름은 정류판(10)(10')(10)에 의해서 순환운동이 방해되고, 교반조의 측벽 내면을 따라 교반조의 상부로 상승된다. 상부지역에서의 흐름은 측벽 가까운 지역에서 중심부로 이동하여 교반축(2)(2')을 따라 하강하여 평판모양날개(6)의 위치로 되돌아온다.

교반기의 상부에 위치한 격자모양날개(7)의 수평리브(8)와 수지스트립(9)은 교반축(2)(2')을 따라서 하강하는 순환흐름의 일부부을 전단하는 작용을 하고, 이에 의해 액체는 적은 전력을 소비하고도 작은 부분으로 나뉘어진다. 액체의 작은 부분은 수평리브(8)와 수직스트립(9)의 뒤에서 발생되는 작은 소용돌이 현상에 의해 혼합된다. 그리하여 혼합 작동이 단기간 내에 끝난다.

반면에, 고점성도지역에서 교반기날(6)(7)과 정류판(10)(10')(10)은 작은 회전수비로 회전한다. 이와 같은 회전에 의해 정류판(10)(10')(10)은 내벽면에 부착되는 물질을 벗겨내고 흩어지게 하여 부유하도록 만들고, 점도가 증가할 때 교반조 측벽부에서 액체의 흐름속도가 떨어지는 문제를 제거한다.

더욱이, 회전하는 정류판(10)(10')(10)은 어떤 잔류부분 또는 움직임이 없는 부분이 그 뒷 표면에 형성되지 않게 한다. 그럼으로써 균일한 혼합에 필수적인 순환흐름의 형성, 액체의 작은 부분으로서의 나눔 및 작은 부분이 혼합이 확실하게 가능해지므로, 내벽 표면으로부터 물질을 벗겨내어 교반조의 측벽에 교반되어야 할 물질(액체)이 잔류하여 부착되는 문제점을 확실하게 해소할 수 있다. 더욱이, 고농도의 현탁액과 같은 액체의 경우, 회전하는 정류판(10)(10')(10)은 측벽 표면에 부착되는 물질이 응고하여 고형회되기 전에 벗겨내어 순환되도록 할 수 있다.

상술한 구성으로 구비된 본 발명은 다음과 같은 효과를 가진다.

다른 회전속도로 회전하는 교반기날과 정류판을 교반조 내에서 순환흐름이 형성되도록 한다. 교반기날의 상부에 위치한 격자모양날개는 내부교반축을 따라 하강하는 순환흐름의 일부분을 전단하여 액체를 작은 부분으로 분해한다. 이 작은 부분을 격자모양날개의 구성요소 뒷부분에서 발생되는 작은 소용돌이 현상에 의해 효과적으로 혼합된다.

성공적인 혼합작동에 특별한 어려움이 있는 고점성지역, 고농도에서도 정류판은 물질의 일부분이 교반조 내부의 측벽부에 잔류, 증착, 고형화(추가적으로 현탁액이 가열될 때 융착되는 것)되는 것을 방지하고, 부차된 물질을 긁어내어 부유시킨다. 이와 같은 작용은 물질이 정류판의 뒷표면에 잔류하고 점착됨이 없어 행해진다. 따라서, 미용해된 물질의 용해를 유도하고, 교반조의 측벽부에서의 액체흐름속도의 저하를 방지하여 상술한 액체의 원활한 혼합특성을 담보하게 된다. 결과적으로 균일한 혼합 작용을 가능하게 하고, 우수한 열전달 및 열소비 작용을 가능하게 한다. 더욱이, 저점성지역(난류지역)에서 고점성지역(층류지역)에 이르기까지 전지역에서 안정된 혼합을 행하는 것이 가능하다. 이와 같은 특성은 교반기를 효과적인 반응용기로서 사용할 수 있도록 한다.

상술한 우수한 액체 혼합특성은 결정화, 에멀션중합반응, 또는 고도의 점착력이 있는 현탁액이 매우 낮은 교반기날의 회전속도와 매우 낮은 레벨의 전력소모에서도 교반작용이 가능하도록 한다.

유체의 흐름방향에 따른 적절한 역각을 갖는 스크루형을 정류판으로는 점도가 높을 때에도 순환흐름이 교반조 측벽부를 따라 상숭하는 것을 증가시킬 수 있다.

만약 정류판의 회전속도와 방향이 교반기날의 회저속도와 방향에 따라 조정된다면, 교반기 내의 액체에 따라 전단력을 조절하는 것이 가능하다.

Claims (5)

1. 교반조와, 상기 교반조의 중심부에 회전가능하게 설치된 제1 및 제2교반축과, 상기 제1교반축에 설치되고, 상기 교반조의 하부 내면을 따라 연장된 평판모양날개와, 상기 평판모양날개의 상부에 연속적으로 연장된 격자모양날개로 구성된 교반기날과, 상기 제2교반축에 설치되고, 상기 교반기날의 회전반경의 외측에 상기 교반조의 측벽을 따라 수직으로 연자된 적어도 하나의 정류판과, 상기 제1 및 제2교반축을 서로 독립적으로 회전시키기 위한 구동수단을 포함하여 구성된 교반기.
2. 제1항에 있어서, 상기 제1교반축은 상기 교반조의 상부 또는 하부로 돌출되게 설치되고, 반대로 상기 제2교반축은 상기 교반조의 하부 또는 상부로 돌출되게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 교반기.
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 및 제2교반축은 상기 제1교반축이 내측에 상기 제2교반축이 외측에 위치하는 이중축 구조인 것을 특징으로 하는 교반기.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 정류판은 상기 교반조의 측벽부를 따라서 수직으로 연장된 판으로 구성됨을 특징으로 하는 교반기.
5. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 정류판은 상기 반기날의 수직길이에 대한 일정한 피치에 의해서 결정되는 역각을 가지며, 상기 피치는 상기 교반기날의 수직길이의 1.5배 보다 크지 않음을 특징으로 하는 교반기.

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