KR101310606B1 - 혼합 효율 및 분산성을 향상시키는 교반용 임펠러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응기 내의 유체에 균일한 크기의 운동에너지가 부여되어 전면적인 혼합효율을 증가시킨 교반기용 임펠러에 관한 것으로서, 교반 시 회전의 중심이 되는 중심축과, 중심축의 외면에 부착되어 반경 방향 외측으로 돌출되는 복수 개의 제 1 블레이드를 포함하는 교반용 임펠러에 있어서, 제 1 블레이드는 반경방향 외측 단부에 형성된 적어도 1 개의 단부홈 및 단부홈과 겹치지 않게 형성된 적어도 1 개의 제 1 몸통홈을 포함하며, 제 1 블레이드는 일측면에서 타측면을 향하여 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 사선에 대하여 연직 상방을 향하여 꺽여 있는 것을 특징으로 하는 교반용 임펠러에 관한 것이다.

Description

혼합 효율 및 분산성을 향상시키는 교반용 임펠러 {IMPELLER FOR STIRRING WITH IMPROVED MIXING EFFICIENCY AND DISPERSIBILITY}

본 발명은 혼합 효율 및 분산성을 향상시키는 교반용 임펠러에 대한 발명으로서, 더욱 상세하게는 광범위한 교반 조건에 대응하여 겔화 발생을 억제함으로써 혼합특성이 향상되는 등의 물리적 특성이 우수하면서도 혼합물질의 분자 크기를 균일하도록 하는데 효과적인 교반용 임펠러에 대한 것이다.

교반장치의 성능에 관해서는 고도화, 다양화에 따라 더욱 광범위한 교반조건에 대응할 수 있는 교반장치가 요구되고 있으며, 특히 배치 프로세스로는 균일한 혼합, 전열(傳熱), 고액교반(固液攪拌), 액액분산(液液分散) 등의 면에서 성능향상이 필요하게 된다.

예컨대, 교반조작을 필요로 하는 용액중합, 현탁중합, 유화중합 등의 중합반응에서는 중합체의 수율 향상, 폴리머 응집물 최소화, 중합체의 품질향상, 제열능력(除熱能力) 향상 등 성능향상이 이루어지는 교반장치, 교반조건 등이 필요로 되고 있다. 그 중에서도 특히 유화중합 반응계에 있어서, 터빈 날개나 파우드러 날개를 갖는 교반장치를 사용하는 경우, 겔화가 생기면 중합체의 수율은 감소하게 되고, 정상적인 중합물에 겔이 혼입됨으로써 제품의 품질 또한 저하시키게 된다. 만약 겔을 제거하지 않은 채 계속 다음 배치의 중합을 하면 반응기 내벽의 열전도율이 감소하여 생산성이 저하되는 점 등의 문제가 생긴다. 이 때문에 유화중합에 있어서 고전단장(高剪斷場)에서 라텍스 입자의 응집을 방지하고 겔화 발생을 억제하기 위해 교반용 날개의 형상과 교반조건을 필요에 따라 조절하여야 한다.

이와 관련하여 특허문헌 1 에는 내, 외축이 서로 다른 회전속도로 회전되도록 하는 교반장치를 사용하는 기술이 개시되어 있다. 특허문헌 1 에 의한 종래의 교반기를 도 1 에 도시하였다. 상기 종래의 교반기는 전동장치 (20) 의 구동축 (21) 이 축설하여 회전을 변환하도록 하는 드라이브 유니트 (30) 를 교반조 (10) 의 상부에 설치함과, 드라이브 유니트 (30) 에 의해 중심축 (32) 과 다른 회전속도를 갖는 중공축 (40) 을 동일축상으로 설치하여 교반조 (10) 의 중간 적정 위치까지 이르게 하여 그 단부에 임펠러 (41) 을 설치하고 하방까지 이르는 중심축의 단부에 임펠러 (42) 을 설치하여 상하 임펠러가 서로 다른 속도로 회전되도록 한 것을 특징으로 한다.

한국 특허공개공보 2004-0018616호

하지만 상기 특허문헌 1 에 기재된 임펠러는 점성이 높은 물질(고분자유체, 유탁액, 현탁액, 페인트, 식료품 등)의 경우 유선의 형태가 고정된 불변 유선면을 구성하여 혼합성능이 현격히 저하하게 되며, 특히 반응기 내부 또는 교반용 임펠러 날개에 부착된 겔의 제거작업을 피할 수 없는 문제가 되고 있다.

더욱이 유화반응조건에 있어서, 1) 교반용 날개의 상단부가 액면상에 나오는 경우, 2) 중합 중에 액면의 상부로부터 모노머를 적하하는 경우, 3) 적하에 따라 중합중 액면이 변하는 경우 등에서는 액면근방 부근에 겔이 부착하기 쉬운 문제점이 있다.

또한 종래의 임펠러는 임펠러가 회전할 때 반응기 내의 사각지역까지 운동에너지가 제대로 전달되지 못하여 혼합효율이 감소되는 문제점이 있었다.

따라서 본 발명은 유체에 균등한 크기의 운동에너지를 부여하면서, 동시에 겔화 발생량을 감소시켜 혼합효율을 증가시키는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 상기의 종래의 교반기가 가지는 문제점을 해결하고, 유체에 균등한 크기의 운동에너지를 부여하면서, 광범위한 교반 조건에 대응하여 겔화 발생을 억제함으로써 혼합특성이 향상되는 등의 물리적 특성이 우수하면서도 혼합물질의 분자 크기를 균일하도록 하는데 효과적인 교반용 임펠러를 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

본 발명이 이루고자 하는 목적은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 교반 시 회전의 중심이 되는 중심축과, 중심축의 외면에 부착되어, 반경 방향 외측으로 돌출되는 복수 개의 제 1 블레이드를 포함하는 교반용 임펠러에 있어서, 제 1 블레이드는 반경방향 외측 단부에 형성된 적어도 1 개의 단부홈 및 단부홈과 떨어져서 형성된 적어도 1 개의 제 1 몸통홈을 포함하며, 제 1 블레이드는 일측면에서 타측면을 향해 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 가상의 사선에 대하여 연직 상방을 향하여 꺽여 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 가상의 사선과 제 1 블레이드의 일측면이 이루는 꺽임각은 30° ~ 60° 인 것을 특징으로 한다.

또한, 제 1 블레이드의 세움각은 45 ° ~ 60° 인 것을 특징으로 한다.

또한, 단부홈은 2 - 3 개이고, 제 1 몸통홈은 2 - 3 개인 것을 특징으로 한다.

또한, 추가로 제 1 블레이드의 하부에서 중심축의 외면에 부착되어, 반경 방향 외측으로 돌출되는 제 2 블레이드를 포함하고, 제 2 블레이드의 단부는 연직 하방으로 구부러져 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 제 2 블레이드는 제 2 블레이드의 단부에서 떨어져서 형성된 적어도 1 개의 몸체홈을 포함하고 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 제 1 블레이드 및 제 2 블레이드는 일체로 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 중심축은 반경방향으로 돌출된 플랜지를 포함하고, 제 1 블레이드 및 제 2 블레이드 중 하나 이상은 플랜지에 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 교반용 임펠러를 사용하면 반응기 내의 혼합이 잘 이루어지지 않았던 사각지역으로도 유동에너지가 균일하게 전달되어 혼합효율이 향상되고 생산성 향상, 품질 향상 및 안정성이 향상된다. 특히 유화중합 반응에 사용하는 경우, 액면 근방의 전단을 억제하고 혼합물을 충분히 혼합시켜 혼합불량에 의한 겔화 발생을 억제할 수 있으며, 운동에너지가 균일하게 분포되어 작고 균일한 혼합물을 얻을 수 있다.

이로 인하여 교반기의 세척 등의 번잡한, 부착된 겔의 제거작업을 피할 수 있으며, 겔화 방지를 위한 화합물의 도포나 첨가가 불필요하게 되며, 교반기의 사용빈도를 증가시킬 수 있고 생산효율을 증가시킬 수 있다. 또한 중합체 등 생성물의 수율을 향상시키고 겔의 제품 혼입이 없어지고 균일한 운동에너지가 부여되어 균일한 크기의 혼합물을 얻는 등 제품의 품질을 향상시키는 효과가 있다.

도 1 은 종래의 임펠러의 정면도.
도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 교반용 임펠러의 평면도로서, 제 1 블레이드가 꺽이기 전의 평면도.
도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 교반용 임펠러의 평면도로서, 제 1 블레이드가 꺾인 후의 평면도.
도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 교반용 임펠러의 사시도.

이하에서는 본 발명에 의한 교반용 임펠러를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.

도 2 는 본 발명의 실시예에 따른 교반용 임펠러의 평면도로서, 제 1 블레이드가 꺽이기 전의 평면도이고, 도 3 은 본 발명의 실시예에 따른 교반용 임펠러의 평면도로서, 제 1 블레이드가 꺾인 후의 평면도이고, 도 4 는 본 발명의 실시예에 따른 교반용 임펠러의 사시도이다.

상기의 도 2 내지 도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 교반용 임펠러는 교반 시 회전의 중심이 되는 중심축 (30) 과, 중심축 (30) 의 외면에서 반경 방향 외측으로 돌출되는 복수 개의 제 1 블레이드 (10) 를 포함한다. 제 1 블레이드 (10) 는 반경방향 외측 단부에 형성된 적어도 1 개의 단부홈 (11) 및 단부홈과 겹치지 않게 형성된 적어도 1 개의 제 1 몸통홈 (12) 을 포함한다.

상기 중심축 (30) 은 교반장치의 내부에 회전가능하게 설치되는 부분으로서, 교반 시 회전의 중심이 된다. 상기 중심축 (30) 은 상부 쪽에서 도시되지 않은 구동부와 연결되도록 형성된다. 물론, 중심축 (30) 은 다른 형태로 구동부와 연결되도록 형성될 수 있다.

중심축 (30) 의 외면에는 이하에서 설명할 제 1 블레이드 (10) 및 제 2 블레이드 (20) 을 결합하기 위한 플랜지 (31) 가 형성될 수 있다.

상기 제 1 블레이드 (10) 는 중심축 (30) 의 외면에 부착되어, 반경 방향 외측으로, 예를 들면 반경 방향 외측으로 지면에 수평하게 돌출된다. 본 실시예에서는 제 1 블레이드 (10) 는 3 개인 것으로 도시하였으나, 반드시 이러한 개수로 한정되는 것은 아니고, 2 개 혹은 3 개 이상으로 형성될 수도 있다. 제 1 블레이드 (10) 는 중심축 (30) 에 형성된 플랜지 (31) 와 함께 스크류 등으로 고정될 수 있다. 또는, 제 1 블레이드 (10) 는 용접 등의 방식으로 중심축 (30) 에 고정될 수 있고, 이러한 고정 방식은 특별히 한정되지 않는다.

도 2 및 도 3 에 도시된 바와 같이, 상기 제 1 블레이드 (10) 의 단부에는 적어도 1 개의 단부홈 (11) 이 형성되어 있다. 단부홈 (11) 은 제 1 블레이드 (10) 의 단부에서 중심축 (30) 을 향해 좁아지는 형태의 마름모 형으로 형성되는 것이 바람직하다. 단부홈 (11) 의 형상은 특별히 한정되는 것이 아니고, 필요에 따라 적절히 변경할 수 있다.

또한, 단부홈 (11) 은 2 개 이상인 것이 바람직하다. 이 경우, 제 1 블레이드 (10) 의 단부의 형상은 포크와 같은 형상이 된다. 도 2 에서는 단부홈 (11) 이 2 개인 형태를 도시하고 있다.

이러한 단부홈 (11) 을 형성함으로서, 교반시 혼합 효과의 극대화 및 분산 입자의 크기를 최소화 할 수 있다.

다만, 단부홈 (11) 의 개수가 너무 많아지면 제 1 블레이드 (10) 의 기계적 물성의 저하로 인하여, 점도가 높은 혼합물에서는 역효과가 날 가능성이 있으므로, 사용되는 혼합물의 종류에 따라 적절히 선택되어야 한다. 통상적으로는 단부홈 (11) 의 개수는 2 - 3 개인 것이 바람직하다.

도 2 내지 도 4 에 도시된 바와 같이, 제 1 블레이드 (10) 는 단부홈 (11) 과 떨어져서 형성된 적어도 1 개의 제 1 몸통홈 (12) 을 포함한다. 제 1 몸통홈 (12) 은 제 1 블레이드의 내부에 형성되는 것으로서, 그 형태가 특별히 한정되지는 않으나, 단부홈 (11) 과 떨어져서 형성되어야 한다. 즉, 단부홈 (11) 과 제 1 몸통홈 (12) 는 서로 연결되지 않는다.

또한, 제 1 몸통홈 (12) 은 2 개 이상인 것이 바람직하다. 도 2 에서는 제 1 몸통홈 (12) 은 3 개인 것을 도시하고 있다.

이러한 제 1 몸통홈 (12) 을 형성함으로서, 교반시 혼합 효과의 극대화 및 분산 입자의 크기를 최소화 할 수 있다.

다만, 제 1 몸통홈 (12) 의 개수가 너무 많아지면 제 1 블레이드 (10) 의 기계적 물성의 저하로 인하여, 점도가 높은 혼합물에서는 역효과가 날 가능성이 있으므로, 사용되는 혼합물의 종류에 따라 적절히 선택되어야 한다. 통상적으로는 제 1 몸통홈 (12) 의 개수는 2 - 3 개인 것이 바람직하다.

도 3 및 도 4 에 도시된 바와 같이, 제 1 블레이드 (10) 는 일측면에서 타측면을 향해 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 가상의 사선 (L) 에 대하여 연직 상방을 향하여 꺽여서 형성된다.

도 2 및 도 3 에는 제 1 블레이드 (10) 의 일측면에서 제 1 블레이드 (10) 의 단부보다 중심축 (30) 쪽에 더 가까이 위치한 점 (A) 로부터, 타측면을 향하여 중심축 (30) 보다 제 1 블레이드 (10) 의 단부에 더 가까이 위치한 점 (B) 를 연결하는 가상의 사선 (L) 이 점선으로 도시되어 있다. 제 1 블레이드 (10) 는 이러한 가상의 사선 (L) 에 대하여 연직 상방을 향하여 꺽여서 형성된다.

점 (A) 의 위치는 특별히 한정되지는 않으나, 제 1 몸통홈 (12) 이 내부에 형성되어 있는 위치에 대응하는 제 1 블레이드 (10) 의 일측면인 것이 바람직하다.

점 (B) 의 위치는 특별히 한정되지는 않으나, 단부홈 (11) 이 형성되어 있지 않은 위치에 대응하는 제 1 블레이드 (10) 의 타측면인 것이 바람직하다.

이러한 점 (A) 및 점 (B) 의 위치의 예가 도 2 에 도시되어 있다.

이 때, 가상의 사선 (L) 과 제 1 블레이드 (10) 의 일측면에서 연장되는 점선이 이루는 꺽임각 (α) 은 30° ~ 60° 인 것이 바람직하다.

또한, 제 1 블레이드 (10) 가 연직 상방을 향하여 꺽여서 형성됨에 따라, 제 1 블레이드 (10) 의 수평으로 뻗은 부분으로부터 세워지는 정도, 즉 세움각 (β) 은 45 ° ~ 60° 인 것이 바람직하고, 도 3 에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 교반용 임펠러를 평면에서 볼 때 제 1 블레이드 (10) 의 꺽여서 세워진 부분은 그 두께만이 보일 수 있도록, 세움각 (β) 이 90 ° 인 것이 특히 바람직하다.

상기와 같이 제 1 블레이드 (10) 의 형상을 가상의 사선에 대하여 상방으로 꺽여있는 형상으로 함으로서, 교반시 혼합 효과의 극대화 및 분산 입자의 크기를 최소화 할 수 있다. 또한, 제 1 블레이드 (10) 의 꺽임각(α) 및 세움각 (β) 은 상기에 기재된 범위로 한정되는 것이 아니고, 혼합물의 특성 등을 고려하여 최적의 효과를 낼 수 있는 범위에서 적절히 선택할 수 있다.

또한, 도 4 에 도시된 바와 같이, 본 발명의 교반용 임펠러는 추가로 제 1 블레이드 (10) 의 하부에서 중심축 (30) 의 외면에 부착되어, 반경 방향 외측으로 돌출되는, 예를 들면 반경 방향 외측으로 지면에 수평하게 돌출되는 제 2 블레이드 (20) 를 포함할 수 있다. 제 2 블레이드 (20) 의 단부는 연직 하방으로 구부러져 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 제 2 블레이드 (20) 는 적어도 1 개의 제 2 몸통홈 (22) 을 포함한다. 제 2 몸통홈 (22) 은 제 2 블레이드 (20) 의 내부에 형성되는 것으로서, 그 형태가 특별히 한정되지는 않으나, 제 2 블레이드 (20) 의 단부에서 떨어지게, 즉 제 2 블레이드 (20) 가 닫힌 상태를 유지하도록 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 제 2 몸통홈 (22) 은 2 개 이상인 것이 바람직하다.

제 2 블레이드 (20) 를 추가로 구비함으로서, 사각지역으로도 유동에너지가 더욱 잘 전달되어, 혼합 효율이 더욱 향상된다.

또한, 제 2 몸통홈 (22) 을 형성함으로서, 교반시 혼합 효과의 극대화 및 분산 입자의 크기를 최소화 할 수 있다.

제 2 블레이드 (20) 는 중심축 (30) 에 형성된 플랜지 (31) 와 함께 스크류 등으로 고정될 수 있다. 또는 제 2 블레이드 (20) 는 제 1 블레이드 (10) 와 일체로 플랜지 (31) 에 스크류 등으로 고정될 수 있다. 이 경우, 제 1 블레이드 (10) 및 제 2 블레이드 (20) 를 결합하는 교반용 임펠러의 제작이 간단해 질 수 있다. 또는, 제 2 블레이드 (20) 는 용접 등의 방식으로 중심축 (30) 에 고정될 수 있고, 이러한 고정 방식은 특별히 한정되지 않는다.

이하에서는 본 발명의 실시예를 따르는 교반용 임펠러의 효과를 종래의 임펠러와 비교하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 실시예를 따르는 교반용 임펠러와 종래의 임펠러와 성능을 비교하기 위해서 입도분석기를 사용하였다.

실시예 1

Styrene-Butadiene Latex 40 중량부, Hydroxyethyl methacrylate (HEMA) 1 중량부와 개시제인 Ammonium persulfate (APS) 4.1 중량부를 배합한 것을 본 발명의 실시예를 따라, 제 1 블레이드 및 제 2 블레이드를 구비한 임펠러를 이용하여 교반하여(365rpm) 80 ℃까지 승온시키고, 또한 본 발명의 실시예를 이용하여 교반시킨 후(365rpm), APS와 HEMA를 2시간 동안 dropping funnel를 이용하여 일정 용액을 적하시켜 접착제 조성물을 얻었다. 교반 효율을 확인하기 위해 조성물에 대한 입자 크기를 입도분석기(ELS-Z1000, Photal, Japan)를 이용하여 측정하였다. 입도분석 결과를 표 1 에 나타낸다.

비교예 1

비교를 위해, 실시예 1 과 같은 조건에서 종래의 임펠러 (도 1) 를 이용하여 교반시킨 후 접착제 조성물을 얻었다. 교반 효율을 확인하기 위해 입도분석기를 측정하였다. 입도분석기의 평가 결과를 표 1 에 나타낸다.

조성물의 입자 크기

	임펠러	Run No.	평균 입자 크기 (mm)
실시예 1	본 발명에 따른 임펠러	1	156.1
		2	160.9
		3	137.1
		4	140.1
		5	144.0
		6	149.4
비교예 1	종래 임펠러	1	201.8
		2	197.8

표 1에서 나타난 것과 같이, 본 발명의 교반용 임펠러를 사용한 경우 (실시예 1), 조성물의 평균 입자 크기가 147.9nm 로서, 종래의 임펠러를 사용한 조성물의 평균 입자 크기 199.8nm 보다 작은 입자로 구성된 조성물을 얻을 수 있어서, 본 발명의 효과를 확인할 수 있었다.

10 : 제 1 블레이드
11 : 단부홈
12 : 제 1 몸통홈
20 : 제 2 블레이드
22 : 제 2 몸통홈
30 : 중심축
31 : 플랜지

Claims (8)

1. 교반 시 회전의 중심이 되는 중심축 (30) 과,
   중심축 (30) 의 외면에 부착되어, 반경 방향 외측으로 돌출되는 복수 개의 제 1 블레이드 (10) 를 포함하는 교반용 임펠러에 있어서,
   상기 복수 개의 제 1 블레이드 (10) 각각은 반경방향 외측 단부에 형성된 적어도 1 개의 단부홈 (11) 및 단부홈 (11) 과 떨어져서 형성된 적어도 1 개의 제 1 몸통홈 (12) 을 포함하며,
   상기 복수 개의 제 1 블레이드 (10) 각각은 일측면에서 타측면을 향해 중심축으로부터 멀어지는 방향으로 연장되는 가상의 사선 (L) 에 대하여 연직 상방을 향하여 꺽여 있는 것을 특징으로 하는 교반용 임펠러.
2. 제 1 항에 있어서,
   가상의 사선 (L) 과 복수 개의 제 1 블레이드 (10) 각각의 일측면이 이루는 꺽임각 (α) 은 30° ~ 60° 인 것을 특징으로 하는 교반용 임펠러.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   복수 개의 제 1 블레이드 (10) 각각의 세움각 (β) 은 45 ° ~ 60° 인 것을 특징으로 하는 교반용 임펠러.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 단부홈 (11) 은 2 - 3 개이고, 상기 제 1 몸통홈 (12) 은 2 - 3 개인 것을 특징으로 하는 교반용 임펠러.
5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 추가로 복수 개의 제 1 블레이드 (10) 의 하부에서 중심축 (30) 의 외면에 부착되어, 반경 방향 외측으로 돌출되는 복수 개의 제 2 블레이드 (20) 를 포함하고,
   상기 복수 개의 제 2 블레이드 (20) 각각의 단부는 연직 하방으로 구부러져 있는 것을 특징으로 하는 교반용 임펠러.
6. 제 5 항에 있어서, 복수 개의 제 2 블레이드 (20) 각각은 단부에서 떨어져서 형성된 적어도 1 개의 몸체홈 (22) 을 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 교반용 임펠러.
7. 제 5 항에 있어서, 복수 개의 제 1 블레이드 (10) 및 복수 개의 제 2 블레이드 (20) 는 각각 일체로 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 교반용 임펠러.
8. 제 5 항에 있어서, 중심축 (30) 은 반경방향으로 돌출된 플랜지 (31) 를 포함하고, 복수 개의 제 1 블레이드 (10) 및 복수 개의 제 2 블레이드 (20) 중 하나 이상은 플랜지 (31) 에 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 교반용 임펠러.

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