KR101171333B1 - 경사원통을 이용하는 와류 반응장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 종축을 함께 공유하는 외부통(51)과 내부통(53)으로 이루어지되 외부통(51)과 내부통(53) 사이에 유체가 흐르도록 비어 있는 이중통 구조를 하고, 상기 종축을 회전축(54)으로 하여 이루어지는 외부통(51)과 내부통(53)의 상대적 회전운동을 통하여 외부통(51)과 내부통(53) 사이의 빈 공간에서 유체가 와류형태로 흐르도록 하여 상기 유체의 상태변화에 도움을 주는 와류 반응장치에 관한 것으로서, 구체적으로 외부통(51)과 내부통(53)이 종축을 따라서 일정한 간격으로 서로 이격되도록 외부통(51)과 내부통(53)의 측벽이 같은 기울기로 경사지는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 내부통 또는 외부통이 회전할 때에 회전하는 통의 선속도가 유체의 흐름방향을 따라 일정하게 변하기 때문에 가열, 냉각, 교반, 반응, 분산, 산화, 환원, 중화, 결정화(냉각, 증발, 반응, 용석, 염석, 용융) 등의 다양한 공정에서 유체의 흐름방향에 따른 선속도의 변화를 고려하여 공정 레시피(recipe)를 다양화시킬 수 있다.

Description

경사원통을 이용하는 와류 반응장치{Vortices reaction apparatus using inclined cylinder}

본 발명은 와류 반응장치에 관한 것으로서, 특히 경사원통을 이용하여 유체의 흐름방향을 따라서 와류의 요동이 일정하게 변하도록 함으로써 유체의 가열, 냉각, 교반, 반응, 분산, 산화, 환원, 중화 뿐만 아니라 다양한 결정화 공정(냉각, 증발, 반응, 용석, 염석, 용융) 등 다양한 공정에 유리하게 적용할 수 있는 와류 반응장치에 관한 것이다.

일반적으로 생물, 물리, 및 화학반응에서 촉매, 기질 등의 균질성을 확보하기 위해 교반 탱크형(stirred tank) 반응기가 연구용뿐 아니라 산업용으로도 널리 이용되고 있다. 그러나 이들 교반 탱크형 반응기는 스케일-업(scale up)이 쉽지 않고 터빈(turbine)의 주위에서의 힘과 멀리 떨어져 있는 곳에서의 힘이 일정치 않으며, 높은 장치비용 및 에너지 소실(dissipation), 연속식 공정으로의 적용이 어려움 등의 문제점을 가지고 있다.

대한민국 특허 제721857호 및 제721868호에서는 이들 공정상의 문제를 해결하고 그 효율을 개선하고자 쿠에트-테일러 와류(Couette-Taylor vortex)를 형성하는 반응기를 이용하는 결정화공정 시스템이 제안되었다.

쿠에트-테일러 와류는 중심이 같은 두 개의 원통 사이를 유체가 흐를 때 내부원통 혹은 외부원통이 회전함에 따라 특별한 유동특성이 나타나는 것을 말하는 것으로서, 도 1은 종래의 쿠에트-테일러 와류 반응장치 설명하기 위한 개략도이고, 도 2는 도 1의 측단면도이고, 도 3은 도 1의 A-A'선에 따른 단면도이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 종래의 쿠에트-테일러 와류 반응장치는 외부 고정원통(151)과 그 내부에서 회전하는 내부 회전원통(153)을 포함하여 이루어진다. 내부 회전원통(153)은 외부 고정원통(151)의 종축과 일치하는 회전축(154)을 갖는다. 내부 회전원통(153)과 외부 고정원통(151)은 일정한 간격(d)으로 서로 이격되도록 설치되어 내부 회전원통(153)과 외부 고정원통(151) 사이에는 반응액체가 흐르는 유체통로(152)가 형성된다.

내부 회전원통(153)이 회전하면 유체통로(152)에서 내부 회전원통(153) 쪽에 위치하고 있던 유체가 원심력에 의해 외부 고정원통(151) 방향으로 나가려는 경향을 가지게 되고 이로 인하여 유체는 불안정하게 되어 회전축(154)을 따라 규칙적이며 서로 반대방향으로 회전하는 고리쌍 배열의 와류(155)가 형성된다. 이를 테일러 혹은 쿠에트-테일러 와류하고 한다.

상술한 종래의 쿠에트-테일러 와류 반응장치는, 내부 회전원통(153)과 외부 고정원통(151)의 회전축(154)에 대한 수직단면이 모두 원 형상을 하며 동심원적으로 배열되기 때문에 내부 회전원통(153)과 외부 고정원통(151) 사이의 간격(d)이 회전축(154)을 따라 일정하게 계속 유지된다. 그리고 내부 회전원통(153)의 직경이 회전축(154)을 따라 변화가 없기 때문에 도 4에 도시된 바와 같이 내부 회전원통(153)의 선속도(v)가 회전축(154)을 따라 변하지 않는다. 따라서 유체통로(152)에서의 상황이 회전축(154)을 따라 변하지 않고 일정하게 되므로, 단순히 내부 회전원통(153)과 외부 고정원통(151) 사이의 일정한 상대적인 회전에 의해서만 와류가 발생하게 되어 와류의 요동 변화에 한계를 갖는다.

본 발명이 해결하려는 과제는, 유체의 흐름방향을 따라서 와류의 요동이 일정하게 변하도록 함으로써 다양한 공정에 유리하게 적용할 수 있는 와류 반응장치를 제공하는 데 있다.

상기 과제를 달성하기 위한 본 발명은, 종축을 함께 공유하는 외부통과 내부통으로 이루어지되 상기 외부통과 내부통 사이에 유체가 흐르도록 비어 있는 이중통 구조를 하고, 상기 종축을 회전축으로 하여 이루어지는 상기 외부통과 내부통의 상대적 회전운동을 통하여 상기 외부통과 내부통 사이의 빈 공간에서 유체가 와류형태로 흐르도록 하여 상기 유체의 상태변화에 도움을 주는 와류 반응장치에 관한 것으로서, 구체적으로 상기 외부통과 내부통이 종축을 따라서 일정한 간격으로 서로 이격되도록 상기 외부통과 내부통의 측벽이 같은 기울기로 경사지는 것을 특징으로 한다.

이 때 상기 외부통은 고정되고 상기 내부통이 상기 종축을 회전축으로 하여 회전하도록 설치되는 것이 바람직하다.

상기 내부통의 내면 및 외부통의 외면 중의 어느 한 곳에 스크류 형상으로 돌출되는 나선형 돌출 스크류가 설치되는 것이 바람직하다.

상기 내부통 및 외부통 중 적어도 어느 한 곳에 가열 또는 냉각을 유도하는 온도조절수단이 설치되는 것이 바람직하다.

상기 외부통이 투명한 재질로 이루어지고, 상기 외부통의 외부에 상기 외부통의 내부로 전자기파를 조사하는 전자기파 발생장치가 설치되는 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면 내부통 또는 외부통이 회전할 때에 회전하는 통의 선속도가 유체의 흐름방향을 따라 일정하게 변하기 때문에 가열, 냉각, 교반, 반응, 분산, 산화, 환원, 중화, 결정화(냉각, 증발, 반응, 용석, 염석, 용융) 등의 다양한 공정에서 유체의 흐름방향에 따른 선속도의 변화를 고려하여 공정 레시피(recipe)를 다양화시킬 수 있다.

도 1은 종래의 쿠에트-테일러 와류 반응장치를 설명하기 위한 개략도;
도 2는 도 1의 측단면도;
도 3은 도 1의 A-A'선에 따른 단면도;
도 4는 도 1의 내부 회전원통(153)의 선속도(v)를 설명하기 위한 그래프;
도 5는 본 발명에 따른 와류 반응장치를 설명하기 위한 도면;
도 6은 도 5의 내부 경사회전원통(53)의 선속도(v)를 설명하기 위한 그래프;
도 7은 본 발명에 따른 와류 반응장치를 이용하여 반응공정을 진행하는 경우를 설명하기 위한 도면;
도 8은 본 발명에 따른 와류 반응장치에 설치되는 나선형 돌출 스크류(64)를 설명하기 위한 도면이다.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 아래의 실시예는 본 발명의 내용을 이해하기 위해 제시된 것일 뿐이며 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상 내에서 많은 변형이 가능할 것이다. 따라서 본 발명의 권리범위가 이러한 실시예에 한정되는 것으로 해석돼서는 안 된다.

도 5는 본 발명에 따른 와류 반응장치를 설명하기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 와류 반응장치는 외부 경사고정원통(51)과 그 내부에서 회전하는 내부 경사회전원통(53)을 포함하여 이루어지며, 내부 경사회전원통(53)은 외부 경사고정원통(51)의 종축과 일치하는 회전축(54)을 갖는다.

내부 경사회전원통(53)과 외부 고정회전원통(51)의 측벽은 동일한 기울기로 경사지기 때문에 내부 경사회전원통(53)과 외부 회전고정원통(51) 사이의 간격(d)은 회전축(54)을 따라 일정하다. 내부 경사회전원통(53)의 대직경부(L)와 소직경부(S)는 동일한 각속도(ω)로 회전하기 때문에 도 6에 도시된 바와 같이 대직경부(L)가 소직경부(S)보다 더 큰 선속도(v)를 가지게 된다.

선속도(v)가 크면 쿠에트-테일러 와류가 더 활발히 발생하므로 소직경부(S)보다 대직경부(L)의 유체통로(52)에서 균일한 혼합, 균일한 반응, 균일한 핵생성, 큰 전단응력에 의한 파티클 깨짐(particle breakage)이 더 활발히 발생한다.

반면에 소직경부(S)에서는 선속도(v)가 상대적으로 느리므로 응집화(aggregation) 및 핵성장(growth)이 잘 이루어지고 파티클 깨짐(particle breakage)이 덜 이루어지기 때문에 소직경부(S)에서는 큰 입자를 만드는데 유리하고, 대직경부(L)에서는 작은 입자를 만드는데 유리하다.

본 발명에 의하면 내부 경사회전원통(53)이 회전할 때에 내부 경사회전원통(53)의 선속도가 유체의 흐름방향을 따라 일정하게 변하기 때문에 가열, 냉각, 교반, 반응, 분산, 산화, 환원, 중화, 결정화(냉각, 증발, 반응, 용석, 염석, 용융) 등의 다양한 공정에서 유체의 흐름방향에 따른 선속도의 변화를 고려하여 공정 레시피(recipe)를 다양화시킬 수 있다.

도 5에서는 내부 경사회전원통(53)이 회전하고 외부 경사고정원통(51)은 고정되는 경우를 예로 들었지만 그 반대로 내부 경사회전원통(53)이 고정되고 외부 경사고정원통(51)이 회전할 수도 있다.

도 7은 본 발명에 따른 와류 반응장치를 이용하여 반응공정을 진행하는 경우의 예를 설명하기 위한 도면이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 두 개의 유입포트(61a, 61b)를 통해 반응물질 A와 B를 각각 유입시키면서 내부 경사회전원통(53)을 회전시키면 유체통로(52)에서 균일하고 활발하게 요동치는 와류가 형성되어 반응물질 A와 B 사이에 반응이 일어나 생성물질 C가 생성되고 이러한 생성물질 C는 유출포트(62)를 통해 외부로 배출된다.

유입포트(61a, 61b)에서 유출포트(62)로 갈수록 내부 경사회전원통(53)의 선속도가 균일하게 감소하기 때문에 유입포트(61a, 61b) 쪽에서 생성물(C)의 핵생성이 많이 일어나고 유출포트(62)쪽으로 갈수록 생성물(C)의 성장이 활발히 일어나게 된다. 공정 레시피(recipe)에 따라서 유입포트(61a, 61b)와 유출포트(62)의 위치를 바꾸어서 이러한 상황이 반대가 되도록 할 수도 있어 다양한 상황에 대처할 수 있게 된다.

반응의 활성화를 위해 외부 경사고정원통(51)과 내부 경사회전원통(53)에는 가열 또는 냉각을 유도하는 온도조절수단(51a, 53a)이 설치될 수 있다. 반응물질 A와 B 및 생성물질 C와의 직접적인 접촉을 피하기 위하여 외부 경사고정원통(51)의 온도조절수단(51a)은 외부 경사고정원통(51)의 외벽에 설치되는 것이 바람직하고, 내부 경사회전원통(53)의 온도조절수단(53a)은 내부 경사회전원통(53)을 봉 형태가 아닌 속이 빈 통 형태로 하여 그 내벽에 설치하는 것이 바람직하다. 내부 경사회전원통(53)과 외부 경사고정원통(51) 사이의 간격이 종축을 따라서 일정하므로 온도조절수단(51a, 53a)은 유체통로(52)를 따라 균일하게 기여한다.

외부 경사고정원통(51)을 투명한 재질로 구성하고 외부 경사고정원통(51)의 외부에 엑스선, 자외선, 감마선 등의 전자기파를 조사할 수 있는 전자기파 조사장치(71)를 설치하여 반응의 활성화를 촉진시킬 수도 있다. 또는 반응의 활성화를 위하여 외부 경사고정원통(51)에 초음파 진동장치를 설치할 수도 있다. 초음파 진동장치를 설치하는 경우에는 외부 경사고정원통(51)이 투명할 필요는 없다.

도 8은 나선형 돌출 스크류(64)를 설명하기 위한 도면이다. 도 8에 도시된 바와 같이 외부 경사고정원통(51)의 내면에 스크류 형상으로 돌출된 나선형 돌출 스크류(64)를 설치하면, 와류의 흐름을 크게 방해하지 않으면서 스크류형 와류(65)의 흐름이 별도로 더 생기기 때문에 와류의 요동이 더욱 균일하면서도 커지게 된다.

본 발명에 따른 와류 반응장치는 반응기 뿐만 아니라 분산기, 결정화기(냉각, 증발, 반응, 용석, 염석, 용융)로 활용하기에 매우 적합하다.

51: 외부 경사고정원통
52: 유체통로
53: 내부 경사회전원통
54: 회전축
61a, 61b: 유입포트
62: 유출포트
64: 나선형 돌출 스크류
65: 스크류형 와류
71: 전자기파 조사장치

Claims (6)

1. 종축을 함께 공유하는 외부통과 내부통으로 이루어지되 상기 외부통과 내부통 사이에 유체가 흐르도록 비어 있는 이중통 구조를 하고, 상기 종축을 회전축으로 하여 이루어지는 상기 외부통과 내부통의 상대적 회전운동을 통하여 상기 외부통과 내부통 사이의 빈 공간에서 유체가 와류형태로 흐르도록 하여 상기 유체의 상태변화에 도움을 주는 와류 반응장치에 있어서,
   상기 외부통과 내부통이 종축을 따라서 일정한 간격으로 서로 이격되도록 상기 외부통과 내부통의 측벽이 상기 종축을 따라 같은 기울기로 경사지며, 상기 외부통과 내부통 사이의 빈 공간은 상기 종축에 대한 수직 단면을 볼 때 단일의 링형상을 하는 것을 특징으로 하는 와류 반응장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 외부통은 고정되고 상기 내부통은 상기 종축을 회전축으로 하여 회전하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 와류 반응장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 내부통의 내면 및 외부통의 외면 중의 어느 한 곳에 스크류 형상으로 돌출되는 나선형 돌출 스크류가 설치되는 것을 특징으로 하는 와류 반응장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 내부통 및 외부통 중 적어도 어느 한 곳에 가열 또는 냉각을 유도하는 온도조절수단이 설치되는 것을 특징으로 하는 와류 반응장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 외부통이 투명한 재질로 이루어지고 상기 외부통의 외부에 상기 외부통의 내부로 전자기파를 조사하는 전자기파 조사장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 와류 반응장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 외부통에 초음파 진동장치가 설치되는 것을 특징으로 하는 와류 반응장치.

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