KR101379418B1 - 스태틱 믹서 - Google Patents

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KR101379418B1
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마르셀 주흐너
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술저 켐테크 악티엔게젤샤프트
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    • B01F23/40—Mixing liquids with liquids; Emulsifying
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Abstract

유체 안내 수단(1)에 설치되는 믹싱 부재(12)에 있어서, 상기 유체 안내 수단(1)은, 입구 개구부(9)에서의 유동의 메인 방향(11)에 대하여 실질적으로 직각으로 배치되는 평면에 놓이는 제1 단면을 가지는, 2가지 이상의 성분을 위한 입구 개구부, 및 출구 개구부(10)에서의 유동의 메인 방향(11)에 대하여 실질적으로 직각으로 배치되는 평면에 놓이는 제2 단면을 가지는, 혼합물을 위한 출구 개구부(10)를 포함하고, 상기 믹싱 부재(12)는, 상기 제1 단면으로부터 상기 제2 단면 쪽으로 실질적으로 연속으로 확장되는 단면을 가지며, 상기 믹싱 부재에는, 상기 실질적으로 연속으로 확장되는 유체 안내 수단에 상기 믹싱 부재(12)를 정밀하게 끼울 수 있도록, 유동 분할 레이어(2, 3)가 배치되는 것을 특징으로 한다. 이러한 유형의 믹싱 부재(12)를 가지는 스태틱 믹서는 특히, 천연 가스 처리, 자동차 제조, 및 화학 반응 기술에 이용된다.
Figure R1020070046698
스태틱 믹서, 믹싱 부재, 유체 안내 수단, 원뿔형, 단면 확장, 성분, 유체

Description

스태틱 믹서 {A STATIC MIXER}
도 1은 평면 레이어의 믹싱 부재의 제1 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 지그재그 섹션을 가지는 레이어의 믹싱 부재의 제2 실시예를 나타내는 도면이다.
도 3은 평면 레이어와 지그재그 섹션을 가지는 레이어가 조합된 믹싱 부재의 제3 실시예를 나타내는 도면이다.
도 4a는 원뿔형 믹서 하우징 내에 지그재그 섹션을 가지는 레이어가 장치된 것을 나타내는 도면이다.
도 4b는 지그재그 섹션을 가지는 일련의 레이어의 단면을 나타내는 도면이다.
도 4c는 지그재그 섹션을 가지는 2개의 교차 레이어를 나타내는 도면이다.
도 5a는 원뿔형 중공체를 형성하는 지그재그 섹션을 가지는 제1 레이어를 나타내는 도면이다.
도 5b는 원뿔형 중공체를 형성하는 지그재그 섹션을 가지는 제2 레이어를 나타내는 도면이다.
도 6a는 원뿔형 믹서 하우징에 도 5a의 지그재그 섹션을 가지는 레이어가 장치된 것을 나타내는 도면이다.
도 6b는 흐름의 메인 방향에 대하여 경사를 이루는 지그재그 섹션을 가지는 가장자리 레이어를 나타내는 도면이다.
도 7은 원뿔형 스태틱 믹서에 대한 2개의 믹싱 부재의 배치를 나타내는 도면이다.
도 8a는 정사각형 단면을 가지는 유체 안내 수단을 나타내는 도면이다.
도 8b는 직사각형 단면을 가지는 유체 안내 수단을 나타내는 도면이다.
도 8c는 유로가 개방되게 교차되는, 믹싱 부재의 2개의 인접하는 레이어를 나타내는 도면이다.
참조부호의 설명
1 유체 안내 수단 2 레이어
3 레이어 4 레이어
5 유로 6 유로
7 홀딩 장치 8 홀딩 장치
9 입구 단면 10 출구 단면
11 화살표 12 믹싱 부재
13 섹션 표면 14 섹션 표면
15 에지 16 인터페이스
17 접촉 점 18 섹션 커브
19 중공체 20 중공체
21 측부 길이
본 발명은 청구범위 제1항의 전제부에 따른 스태틱 믹서용 믹싱 부재 및 이러한 믹싱 부재의 이용 및 이러한 유형의 믹싱 부재를 가지는 스태틱 믹서의 이용에 관한 것이다. 스태틱 믹서는 2가지 이상의 유체 성분, 특히 기체-액체 혼합물의 혼합에 이용된다. 믹싱 부재는 특히 디퓨저(diffuser) 단면으로 만들어지는 유체 안내 수단에 이용된다. 믹싱 부재는 디퓨저 내에서 적어도 균일한 믹싱 상태를 유지하도록 하여, 그 구조적인 설계에 의해 임의의 디믹싱(demixing) 영향을 방지하고/또는 디퓨저 단면을 통해 유동되는 성분의 균일한 혼합이 이루어지도록 한다. 따라서 스태틱 믹서는, 성분들을 위한 제1 직경의 입구 개구부 및 혼합물을 위한 제2 직경의 출구 개구부를 구비하며 그 직경이 제1 직경으로부터 제2 직경으로 실질적으로 연속되게 증가하고 디퓨저 단면에 믹싱 부재가 배치된다. 유체 안내 수단은 특히 실질적으로 연속되게 확장되는 라인 피스(line piece)로 만들어질 수 있다.
EP-A-918146에 따른 종래 기술에는 디퓨저로서 확장되는 믹서 하우징 내의 장치가 공지되어 있다. 이들 장치는 원뿔대 형상의 동심형 재킷 표면으로 형성된다. 원뿔의 선단은 적어도 대략 하나의 지점에 배치되고, 이들 장치의 입구 쪽 단면은 각각 그 에지가 유동 방향에 대하여 테이퍼를 이루는 형상을 가지는 표면을 형성한다. EP-A-918146의 경우에 오염물인, 디퓨저를 통해 유동되는 기체는 이들 장치에 의해 보다 균일하게 하류의 촉매로 향하게 된다.
EP-A-918146에 따른 오염물 감소를 위한 장치에서는, 채널링(channeling)이라고도 하는 소위 가장자리 효과(marginal effect)가 기체의 통로에서 일어난다. 이들 가장자리 효과는 중앙에 비해 유동의 속도가 저하되는 가장자리 유동에 의해 유발된다. 이들 가장자리 유동은 주로 디퓨저 내벽의 마찰 영향에 의해 일어난다. 원뿔이 확장됨에 따라, 전술한 마찰의 영향에 의해 발생하는 제동 효과(barking effect)로 인해 벽에 인접하는 영역에서는 속도의 감소가 일어날 수 있고, 그 결과 각각의 물방울 또는 기포 모양의 상(phase), 즉 분산 상, 특히 액체 성분이 연속적인 상의 서스펜션, 특히 기체 내에서 더 이상 그 자체로 유지될 수 없고 분리된다.
이러한 유형의 기체-액체 혼합물은, 예를 들어 LNG(liquid natural gas)의 처리에서 냉각제로 이용된다. 이 냉각제는 상이한 기체 및 액체 성분으로 이루어지며, 일부분이 휘발성이 강한 지방족탄화수소, 바람직하게는 메탄, 에탄, 프로판 및/또는 부탄을 포함한다. 냉각을 위해, 일반적으로 관속(tube bundle) 열교환기로서 설계된 열교환기에 냉각제가 투입된다. 열교환기는 냉각 능력에 맞게 설계되고 균질의 냉매 혼합물을 필요로 하며 그렇지 않으면 냉각 능력이 최적으로 이용될 수 없다. 냉매 혼합물의 분리가 일어나는 경우, 더 이상 원하는 냉각 능력에 도달할 수 없고 원하는 성능이 유지될 수 없다. 따라서 사전에 열교환기를 과도한 크기로 만들 필요가 있었다. 종래의 스태틱 믹서에서의 문제점을 해결하기 위한 방안은 실질적으로 연속되게 확장되는 라인 피스에 적용될 수 없었다.
2개의 원통형 믹싱 부재를 이용하며 그 중 하나는 공급 라인, 즉 공급관의 직경을 가지며 다른 하나의 믹싱 부재는 열교환기 입구의 직경을 갖는 스태틱 믹서를 이용하는 것이 제안되었다. 이러한 유형의 스태틱 믹서에서도, 기체 및 액체 성분들이 균일하게 분산되지 않는 것으로 확인되었다. 이러한 목적을 위한 믹싱 거리가 너무 짧고, 또한 이러한 믹서 장치에서는 공급 라인의 직경을 가지는 원통형 믹싱 부재가 열교환기 입구의 직경을 가지는 믹싱 부재에 인접하는 지점에서 급격한 천이가 일어난다. 이 경우, 2개의 믹싱 부재는 바람직하게 동일한 길이로 만들어져서 천이가 중앙에서 일어나도록 한다.
본 발명의 목적은, 다중 상(multiphase)의 유체 유동, 특히 액체 방울이 포함된 기체 유동 또는 기포가 포함된 액체 유동이 실질적으로 연속되게 확장되는 라인 피스를 통해 혼합되면서 이송되고 유체의 균일한 분산을 유지시키도록 할 수 있는 스태틱 믹서용 믹싱 부재를 제공하는 것이다.
상기 목적은 청구범위 제1항에 정의된 믹싱 부재에 의해 달성된다. 유체 안내 수단으로 설치되기 위한 것으로, 특히 하우징 또는 컨테이너 재킷으로 만들어질 수 있는 믹싱 부재는 입구 개구부 및 출구 개구부를 포함하며, 상기 입구 개구부는 그 유동의 메인 방향에 대하여 실질적으로 직각으로 놓이는 평면에 배치되는 제1 단면을 가지는 2개 이상의 성분을 위한 것이고, 상기 출구 개구부는 그 유동의 메인 방향에 대하여 실질적으로 직각으로 놓이는 평면에 배치되는 제2 단면을 가지는 혼합물을 위한 것이며, 믹싱 부재의 단면은 제1 단면으로부터 제2 단면을 향해 실 질적으로 연속되게 증가한다. 믹싱 부재에는 유동 분할 레이어가 배치되어, 믹싱 부재가 실질적으로 연속되게 확장되는 유체 안내 수단으로 정밀하게 설치될 수 있도록 한다. 믹싱 부재는 입구 개구부와 출구 개구부 사이의 영역에 적어도 부분적으로 제공된다. 정밀한 설치에 의해, 가장자리 유동은 유동의 메인 방향에서 유체 안내 수단의 내벽으로부터 편향되어 메인 유동과 함께 디퓨저를 통해 적어도 대략 동일한 속도 분포로 가이드되며, 유동 속도가 높은 유체는 균형을 이루기 위해 벽 영역의 방향으로 단면의 중앙 영역으로부터 유동됨으로써, 교차 믹싱(cross mixing)이 일어나고 따라서 유체 성분들의 믹싱이 개선된다. 유체 분할 레이어는 특히 디퓨저 방식으로 만들어지고, 예를 들어 CH 547 120에 개시되어 있는 바와 같이 개방되게 교차하는 유로를 포함한다. 이러한 유형의 믹싱 부재의 단면의 적어도 일부분에는 장착 부재 또는 레이어가 제공되며, 성분들은 이들에 의해 가이드되어, 전단 유동이 교차 유로에 의해 발생될 수 있어서, 유동에 연속적인 와류가 일어나서 혼합물의 연속적인 믹싱 및 믹서 출구의 방향으로의 동시 유동이 얻어질 수 있다.
바람직한 실시예에서, 믹싱 부재는 얇은 벽으로 된 소재의 적어도 2개의 레이어를 포함한다. 가장 간단한 경우, 이러한 유형의 레이어는 편평하고 얇은 벽의 판금으로 만들어져서 유체 안내 수단의 확장 단면에 끼워질 수 있어서, 각각의 단면의 개별 레이어가 서로 평행한 부분면으로 나타나되, 레이어의 부분면의 간격은 유동 방향으로 연속되게 증가한다. 이러한 유형의 확장형 편평 레이어는 클램핑 타이(clamping tie) 또는 플러그 커넥터에 의해 끼워지는 고정 수단의 프레임에 의 해 제자리에 유지된다. 적어도, 입구 단면, 즉 스태틱 믹서의 입구 개구부의 영역 및 출구 단면, 즉 스태틱 믹서의 출구 개구부의 영역에 있는 각각의 레이어는 고정될 수 있다. 2개의 인접하는 레이어와 유체 안내 수단 사이에 형성되는 영역은 유동의 메인 방향에 대하여 실질적으로 직각으로 배치되어서, 디퓨저의 방식으로 증가된다. 개별 레이어 사이의 혼합물 유동은 믹서의 단면 증가에 따라 확장하는 좁은 통로를 통해 유동한다.
이러한 유형의 레이어는, 하나의 평면으로 펼쳐질 수 있으며 얇은 벽의 판금으로 만들어지는 접힌 구조를 포함할 수 있고, 특히 폴딩(folding)은 리브(rib)로 만들어질 수 있다. 레이어는 개방된 통로를 형성하는 구조를 포함할 수 있으며, 특히 접혀진 파형 또는 지그재그형 구조가 제공될 수 있다. 대안적 또는 조합적으로, 벌집형 또는 튜브형 구조와 같이 폐쇄된 통로를 형성하는 구조가 이용될 수 있다. 적어도 하나의 레이어는 특히 적어도 하나의 유로를 포함할 수 있다. 금속 재료, 바람직하게는 판금 및/또는 강철 및/또는 강철 합금으로 이루어지는 구조가 이용될 수 있으며, 특히 온도, 압력 및/또는 유동 매체의 특성에 좌우된다. 이송될 매체의 온도가 요구되는 경우에는 고온에 견디는 강철이 이용될 수도 있다. 부식성 혼합물의 이송 및 믹싱은, 내식성 재료, 특히 내식성 강철은 물론, 세라믹 재료, 실리콘 화합물, 카본 및/또는 PTFE, 에폭시, 할라(halar), TNi 합금 및/또는 탄화물 레이어 및/또는 아연 도금, 특히 크롬 도금 또는 니켈 도금이 가해진 코팅을 포함하는 코팅이 사용될 필요가 있다. 혼합물이 분말과 같은 고체 성분을 포함하는 경우, 믹싱 부재의 설치에는 스크래치 방지가 필요하다. 스태틱 믹서의 수명 은 믹싱 부재 및/또는 유체 안내 수단의 레이어를 스크래치 방지 코팅함으로써 연장된다. 각각의 경우, 오물 배출 레이어를 부착하면 바람직할 수 있다. 냉각 또는 냉동 설비에 대한 응용에서, 스태틱 믹서는 재료 304 L 및/또는 SS316 및/또는 904 L 및/또는 듀플렉스(duplex) 및/또는 1.4878로 만들어질 수 있으며, 비틀림이 적고, 내식성을 가지며, 저온에서 적절한 특성을 갖는다. 고온에 노출되지 않는 스태틱 믹서에는 플라스틱, 특히 폴리프로필렌, PVDF 또는 폴리에틸렌이 사용된다. 내부에서 화학 반응이 일어날 수 있는 스태틱 믹서에는 청구범위 중 하나에 따른 또 다른 믹싱 부재의 응용이 제공될 수 있다. 서로 접촉하게 되는 유체 성분의 신속하고 균일한 믹싱은 화학 반응의 실행을 위해 이루어져야 한다. 이를 위해, 촉매 물질의 유동을 안내하는 레이어의 제조 또는 판금과 같은 불투과성 재료 또는 섬유 또는 편직 섬유 또는 적어도 일부분이 다공질인 재료로 이루어지는 것이 바람직한 레이어에 대한 촉매 물질의 코팅이 가능하다. 또 다른 응용에서, 전술한 실시예들 중 하나에 따라 만들어질 수 있는 레이어는 미생물, 특히 박테리아의 침착(deposition)을 위한 수단을 포함할 수 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 스태틱 믹서는, 부분적으로 편평한 재킷면, 특히 유체 안내 수단을 형성하는 사다리꼴 재킷면을 형성하는 직사각형 또는 정사각형 단면을 가지는 유체 안내 수단을 구비한다. 이러한 유형의 스태틱 믹서는 전술한 실시예 중 하나에 따른 적어도 하나의 믹싱 부재를 포함한다.
종속청구항인 제2항 내지 제8항은 본 발명에 따른 믹싱 부재의 바람직한 실시예에 관한 것이다. 제9항 및 제10항은 본 발명에 따른 믹싱 부재, 특히 스태틱 믹서의 이용 가능성에 관한 것이다.
적어도 하나의 믹싱 부재는 표면 확대 구조, 특히 유로를 포함한다. 이하의 설명에서, 지그재그 섹션을 가지는 레이어는 표면 확대 구조를 가지는 레이어의 대표로서 이용된다. 이러한 유형의 표면 확대 구조는, 파형(wave-like) 단면, 리브형(ribbed) 단면, 유동 방향에 대하여 임의의 원하는 형상 및/또는 각도 위치의 돌기를 가지는 단면을 포함한다. 지그재그 섹션은 통로 구조의 단면 방향에서 보았을 때 일련의 에지로 이루어진다. 각각의 이들 에지는 시점 단면으로부터 종점 단면에 걸쳐 믹싱 부재의 3방향 레이어에 라인을 형성한다. 가장 간단한 경우, 상기 라인은 직선 라인이다. 그러나 임의의 원하는 곡선 형상, 특히 주기적으로 반복되는 곡선 형상일 수도 있다. 곡선 형상의 에지를 가지는 이러한 유형의 레이어는, 예를 들어 유동의 메인 방향의 변화를 일으키는 유체 안내 수단용 믹싱 부재에 사용될 수 있으며, 이로 인해 유동 단면의 확장 외에 유동하는 혼합물의 방향이 변화된다.
지그재그 섹션과 같은 대칭 단면을 가지는 레이어에 있어서, 개방된 통로는 2개의 인접하는 에지 사이에 배치되고 그 벽들은 편평하고/또는 에지의 굴곡을 따르는 적어도 2개의 섹션 표면에 의해 형성된다. 이러한 응용에서, 통로는, 하부 경계부가 반대방향을 향하는 에지에 의해 형성되기 때문에, V자 형상의 단면을 갖는다. 이 실시예에서, 인접하는 섹션 표면은 서로에 대하여 180°미만의 예각으로 배치된다.
실시예에 따르면, 인접하는 레이어의 에지는 서로 선형으로 놓여서, 반대 방 향으로 대면하는 에지를 가지는 2개의 인접 레이어가 서로에 대하여 놓인다. 그러면, 2개의 인접 레이어 사이에는 폐쇄된 통로가 형성되어 이를 통해 유동하는 혼합물이 가이드된다. 이 실시예에 따르면, 혼합물의 성분은, 믹서에 대한 입구 개구부로부터 출구 개구부에 이르기까지, 유동의 메인 방향으로 유체 안내 수단의 확장에 따라 디퓨저와 같이 확장하는 동일한 통로 내에 유지된다. 2개의 인접하는 레이어의 간격은, 유동의 메인 방향과 직각인 유체 안내 수단의 확장에 따라 입구 개구부의 단면으로부터 출구 개구부의 단면 쪽으로 증가된다. 각각의 레이어는, 믹싱 부재, 즉 디퓨저 방식으로 만들어진 믹싱 부재의 방향으로 에지의 높이 및 2개의 인접하는 에지 사이의 간격이 확장되도록, 접혀지는 편평한 플레이트 재료로 만들어질 수 있다. 이와 관련하여, 인접하는 레이어의 에지는 서로에 대하여 놓여서 공통 에지를 따라 인접하는 레이어의 선형 접촉이 일어나도록 한다. 유로는, 전체적인 디퓨저 단면이 커버되어야 하는 경우, 입구 개구부로부터 출구 개구부까지 단면이 연속적으로 증가되는 이러한 구성으로 형성된다. 레이어는, 편평하고/또는 에지의 굴곡을 따르고/또는 특히 파형 또는 지그재그형 리브 또는 라멜라(lamella)로 만들어지고 이들 리브 또는 라멜라 사이에서 연장되는 일련의 개방된 통로를 포함할 수 있는 추가의 구성을 가지는 프로파일 표면인, 적어도 2개의 섹션 표면으로 만들어질 수 있다. 이러한 유형의 구성은 예를 들어 CH 547 120에 개시되어 있다. 또 다른 실시예에 따르면, 표면 확대 구조를 가지는 레이어를 구비하는 섹션 표면을 가지는 레이어의 조합을 위해, 표면 확대 구조를 가지는 하나의 평면 레이어 및 다른 레이어가 서로 교호될 수 있다. 폐쇄된 통로는 한편에서는 편평한 레이어에 의해 경계를 이루고, 다른 한편에서는 표면 확대 구조를 가지는 레이어에 의해 경계를 이룬다.
바람직한 실시예에 따른 믹싱 부재에서, 인접 레이어의 유로는 서로 개방되게 교차하고/또는 디퓨저 방식으로 만들어진다. 혼합될 성분의 신속하고 양호한 믹싱은 이러한 구성에 의해 이루어진다. 변형예에 따르면, 표면 확대 구조를 가지는 2개의 인접 레이어의 선형 접촉이 없고 인접하는 레이어의 에지가 서로 점 접촉만을 하며 양호한 믹싱을 하도록 할 수 있다. 이러한 점 접촉은 서로 각도를 이루어 배치되는 2개의 인접 레이어에서 이루어진다. 따라서 제1 레이어에 속하는 에지만이 인접 레이어의 다수의 대응되는 에지와 점 접촉을 하게 된다. 이러한 실시예의 실질적인 장점은, 유동하는 매체가 항상 동일한 통로를 유동하지 않고 매번 상이한 통로를 유동한다는 것이다. 즉, 통로를 계속해서 변경한다. 이 경우, 유동 매체는 전술한 실시예에서보다 실질적으로 명백하게 편향되어, 믹싱에서 추가적인 개선이 이루어진다. 대안적으로, 믹싱의 개선을 위해 0°내지 180°사이에서 서로를 향해 각도를 이루어 배치되는 상이한 단면을 가지는 2개의 인접 레이어가 서로 조합될 수도 있다.
또 다른 실시예에 따르면, 각각의 레이어는, 표면 확대 구조를 가지되 리브형, 지그재그형, 파형 표면으로 만들어지는 중공체를 형성한다. 표면 확대 구조의 에지는 따라서 원뿔 형상을 가지는 중공체로 구현될 수 있는 인터페이스를 형성한다. 표면 확대 구조는 유동 방향 쪽으로 0°내지 180°의 각도로 경사를 이룬다. 이러한 유형의 복수의 중공체는 서로 플러그 결합될 수 있다. 표면 확대 구조의 각도는 바람직하게, 중공체로 형성되는 2개의 인접 레이어와 상이하여, 표면 확대 구조에서 여러 차례 편향될 수 있다.
유로는 적어도 2개의 섹션 표면에 의해 경계를 이루며, 하나의 레이어의 각각의 2개의 섹션 표면은 공통 에지를 형성한다. 편평한 섹션 표면을 가지는 유로는 저비용으로 간단히 만들 수 있다. 인터페이스는, 편평한 형태로 만들어지고/또는 적어도 부분적으로 원뿔형인 레이어의 에지에 의해 형성된다. 레이어가, 이러한 유형의 인터페이스를 함께 형성하는 복수의 에지를 가지는 경우, 편평한 섹션 표면은 간단한 방식으로 요구 치수로 설정 및 확인되기 때문에 엄격한 허용오차로 제조될 수 있어서, 편평하거나 원뿔형인 인터페이스가 예를 들어 편평한 섹션 표면에 의해 용이하게 제조될 수 있다. 인터페이스의 형상은 예를 들어, 서로 겹쳐져 배치되고 인접 레이어의 에지가 적어도 서로 점 접촉되는 복수의 레이어가 믹싱 부재의 제조에 요구되는 경우에 특히 중요하다.
믹싱 부재에서, 인터페이스는 편평한 형태 및/또는 적어도 부분적으로 원뿔형으로 만들어지는 레이어의 에지에 의해 형성된다. 이와 관련하여, 모든 에지의 접속면을 인터페이스라고 한다. 표면 확대 구조를 가지는 레이어에 대한 대부분의 전술한 실시예는 편평한 인터페이스를 가져서, 인접 레이어 각각이 이들 편평한 인터페이스의 하나를 공통으로 가지게 된다. 표면 확대 구조를 가지지 않는 레이어에서는 인터페이스가 레이어의 표면에 의해 이루어진다. 또 다른 실시예에서, 인터페이스는 공간 내에서 임의의 원하는 방식으로 굴곡진 표면을 나타낼 수도 있다. 표면 확대 구조를 가지는 레이어에 의해, 표면 확대 구조의 에지도 마찬가지로 공 간 내에서 굴곡진 표면을 형성한다. 레이어가, 레이어 사이에서 원뿔형으로 형성되는 인터페이스를 가지도록 원뿔형 인터페이스를 가지는 레이어를 이용하는 것은 유체 안내 수단이 원뿔형으로 확장되는 스태틱 믹서에 적합하다.
바람직한 실시예에 따르면, 믹싱 부재의 하나의 레이어에 속하는 에지는 0°내지 120°, 특히 60°내지 90°범위의 각도(α)로 서로 경사를 이룰 수 있다. 인접하는 레이어의 교차하는 에지는 바람직하게 유동의 메인 방향으로 서로 동일한 각도(α/2)를 포함한다.
믹싱 부재의 단면은 제1 단면으로부터 제2 단면으로, 특히 원뿔형으로, 입구 단면의 직경에 대하여 출구 단면의 직경이 2:5의 비율로 확장된다. 따라서 단면적은 4:25의 비율로 확장된다. 바람직한 실시예에서, 믹싱 부재는 제1 단면으로부터 제2 단면으로 원뿔형으로 확장되며, 특히 입구 단면의 직경은 2:5의 비율로 확장된다. 이 실시예에서는 유체 안내 수단 또한 원뿔형으로 확장되기 때문에, 일반적으로 튜브형 라인인, 입구 개구부로 개구되는 입구 라인의 일 단면으로부터 출구 개구부의 단면으로의 급격한 천이가 회피된다. 출구 개구부는 열교환기 또는 반응기에 대한 입구 개구부로 만들어질 수 있다. 혼합물은 이 반응기에 매우 균질하게 들어가야 한다. 혼합물의 기체, 액체 및/또는 고체 성분은 특히 서스펜션으로 홀딩된다. 믹싱 상태는 디퓨저로서 디믹싱에 기여하게 되는 원뿔 내의 믹싱 부재에 의해 유지된다. 대부분의 경우, 성분들의 믹싱은 특히 교차 유로를 가지는 믹싱 부재에 의해 개선이 이루어져서, 성분들은 입구 단면 하류의 원뿔의 각각의 단면에서 균질하게 분포될 수 있다. 원뿔 형상은 또한, 유체 안내 수단의 원뿔 형상이 원뿔형 믹싱 부재의 설치를 위한 센터링 수단으로 작용하기 때문에, 레이어의 설치에 상당한 장점을 제공한다. 믹싱 부재가 원뿔형 유체 안내 수단에 끼워지기 때문에, 설치에는 최소의 용접만이 필요하다. 믹싱 부재는 바람직하게 디퓨저의 방식으로 만들어진다. 즉, 믹싱 부재는 확장되는 단면에 따르며 특히 원뿔 형상을 갖는다. 설치는 믹싱 부재를 원뿔에 위치시킴으로써 믹싱 부재의 원뿔 형상을 따라 일어나며, 이로 인해 원뿔형 유체 안내 수단 내에 믹싱 부재의 위치가 명확하게 고정된다.
가능하다면, 레이어는 유체 안내 수단, 즉 믹서의 내벽에 바로 인접해야 한다. 선형 접촉에 의해, 원뿔형 부분은, 즉 원뿔형, 타원형, 포물선, 또는 쌍곡선 경계 라인의 레이어의 경사에 따라, 편평한 레이어 또는 표면 확대 구조, 특히 원뿔형 내벽을 가지는 지그재그 구조와 같은 편평한 세그먼트로 구성되는 표면 확대 구조를 가지는 레이어의 단면 곡선을 나타낸다. 각각의 전술한 레이어는 하나의 평면에 전개될 수 있으며, 따라서 이 전개는 믹서 내의 레이어의 지정 위치로부터 전개 프로그램에 의해 이루어질 수 있다. 이들 전개는 또한 레이어의 경계 라인 외에 벤딩 라인을 포함하여, 각각의 각도가 상이하고 따라서 매우 복잡한 벤딩 과정이 필요한 경우에도 레이어의 경제적인 제조가 가능하다.
믹서의 제조를 위한 가능한 방법은, 제1 단면을 가지는 입구 개구부 및 제2 단면을 가지는 출구 개구부를 포함하며 상기 제1 단면으로부터 상기 제2 단면 쪽으로 연속적으로 증가하는 단면 형태를 가지는 유체 안내 수단을 제조하는 단계를 포함한다. 믹싱 부재는 다음과 같은 단계로 만들어진다. 믹싱 부재는 개별적으로 미리 만들어지고 연결 부재에 의해 함께 결합되어 믹싱 부재를 형성하는 복수의 레이어를 포함한다. 레이어의 표면 구조는 하나의 평면으로 전개될 수 있으며, 그 제조는 편평한 플레이트 형상의 기재로부터 각각의 레이어가 절단 수단에 의해 절단된 후 굽힘 수단에 의해 접혀져서 표면 구조를 만들기 때문에 간단하다. 이러한 제조는 특히 금속 재료의 레이어에 적합하다. 플라스틱 레이어는 압출 공정 또는 사출 공정에서 접혀진 형태로 만들어지며 후속적으로 확장형 믹싱 부재, 즉 원뿔형 믹싱 부재를 형성할 수 있는 형상으로 절단된다. 다음 단계에서, 믹싱 부재를 형성하도록 서로 결합된 레이어는 믹서 내에 위치된다. 믹싱 부재가 미리 조립된 상태로 원뿔형 유체 안내 수단에 설치되면, 최소의 용접 작업만이 필요하게 된다. 원뿔형 믹서에서, 레이어의 센터링은 원뿔을 통해 이루어져서, 전개된 상태로부터 접혀진 레이어의 어셈블리는 유체 안내 수단으로 직접 위치될 수 있으며, 그 이유는, 레이어의 포지셔닝이 유체 안내 수단 자체의 원뿔 형상을 통해 이루어지기 때문이며, 레이어는 서로에 대하여 미리 정렬된다. 대안적으로, 전체적인 믹싱 부재는 사출 성형 공정 또는 로스트 모울드(lost mould)로 제조될 수 있다.
교차 통로 구조에 대응되는 레이어의 설계가 이용되는 경우, 입구 횡단면 유동 경로에 있는 레이어가 내벽에 인접하는 레이어의 일부 각도를 이루는 정렬에 의해 차단되기 때문에 데드 스페이스(dead space)가 발생될 수 있다. 이러한 이유로, 하우징 쪽의 통로는 제조 후에 점검되고 필요에 따라 개방된다. 믹싱 부재와 하우징의 내벽 사이의 벽 간극은 각각의 단면의 2%, 바람직하게는 1%, 보다 바람직하게는 0.5%를 넘지 않아서 소위 "채널링 효과"가 일어나지 않도록 한다.
유체 안내 수단에 대한 벽 간극은 2개의 인접하는 인터페이스의 표준 간격, 특히 표면 확대 구조의 유로의 높이보다 작게 만들어져야 한다. 유로의 높이는 표면 확대 구조의 에지에 의해 형성되는 2개의 인터페이스 사이의 표준 간격으로 정의된다. 벽 간극의 최대치는 특히 유로의 높이의 절반이다.
입구 개구부의 영역에서의 디믹싱 현상에 있어서, 액체 상은 다시 소위 "라이저 플레이트(riser plate)"를 통해 중앙으로 가이드될 수 있고 믹서의 단면 전체에 분포될 수 있다. 이와 관련하여, “라이저 플레이트"는 유체 안내 수단의 내측에 고정되는, 특히 유체 안내 수단의 내측에 용접되는 설치 부재로서 정의된다. 이 설치 부재는 유체 안내 수단의 가장 깊은 지점에 모인 믹싱 부재로 성분들을 다시 가이드하는 역할을 한다. 이와 관련하여, 설치 부재는 섹션, 램프(ramp), 플레이트 등과 같은 특정 실시예에 대하여 대표적으로 의도된다.
전술한 방안의 각각에 따르면, 양호한 분배 효과 및/또는 믹싱 효과 외에, 소량의 압력 손실만이 일어난다.
바람직한 실시예에서, 믹싱 부재는 일정한 단면의 튜브 섹션에 설치되며, 전술한 실시예 중 임의의 하나에 따른 믹싱 부재는 서로 조합될 수 있다. 개선된 믹싱 효과를 얻기 위해, 종래의 믹싱 부재는 확장형 단면을 가지는 유체 안내 수단을 포함하는 스태틱 믹서에 대한 입구 전의 튜브 섹션에 위치된다. 전술한 실시예 각각에 따르면, 2개의 인접하는 믹싱 부재는 서로에 대하여 0°내지 90°, 특히 90°내지 90°회전되어 배치될 수 있다. 회전에 의해 추가의 유동 편향이 일어날 수 있으며, 이것은 특히 적어도 단면적인 통로 유동의 실시예에 바람직한 것으로 확인 되었다.
믹싱 부재의 배치는 열교환기의 상류, 특히 열교환기의 입구 영역에 이루어질 수 있다. 확장형 믹싱 부재에 의해, 유동은 유동 방향으로 평균 단면이 확장되는 확장형 단면에서 균일하게 분포되고 전체 단면에 걸쳐 유동의 균질성이 보장된다.
믹싱 부재의 이용은, 촉매 표면에서 배기의 분배를 위한 배기의 질소 제거(denitrification) 방법, 특히 열교환 장치에 대한 LNG 가스 처리용 냉각제와 같은 기체-액체 혼합물의 투입을 위한 LNG 제조 방법에서 일어난다. 열교환 장치는 특히 열교환기, 바람직하게는 관속 열교환기일 수 있다.
액체 카르바미드(carbamide)는 배기의 질소 제거를 위해 증발되어 기체 유동과 혼합된다. 증발 및 믹싱은 스태틱 믹서 내에서 동시에 일어날 수 있다. 조합된 공정 관리로 인해, 혼합된 상태에서 다음 처리 단계로 진행하기 위해 카르바미드/기체 혼합물을 공급할 필요가 있다. 또 다른 응용 가능성은 확장형 단면을 가지는 스태틱 믹서 내의 증발 및 액체의 동시 믹싱으로 이루어진다. 이러한 유형의 믹서 이용은 혼합된 상태에서 직경이 확장된 혼합물을 얻기 위해, 가용 공간이 작은 시설에 특히 유리하다.
냉각제는 천연가스 처리의 추가적인 이용을 위해 냉각되어야 한다. 냉각제는 상이한 기체 및 액체 성분으로 이루어지며, 많은 부분이 메탄 및 에탄을 포함한다. 기체 및 액체 냉각제의 혼합물은 일반적으로 튜브 라인에서 열교환기, 특히 관속 열교환기로 가이드된 후, 멀티패스(multipass) 시스템을 통해 냉각된다. 관 속 열교환기의 입구는 일반적으로 DN1500 내지 DN2400(1.5m 내지 2.4m)의 크기를 가지며, 이것은 혼합물이 원뿔을 통해 실질적으로 DN600(0.6m)으로부터 관속 열교환기의 입구로 확장되어야 하는 것을 의미한다. 열교환기가 최대 능력을 얻을 수 있도록, 기체 및 액체 성분은 단면 전체에서 균일하게 혼합되어야 하고 균등한 비율로 개별 튜브로 공급되어야 한다. 열교환기는 실질적으로 기체/액체 혼합물을 위해 설계된다. 즉, 기체/액체 혼합물은 열교환기에 대한 입구 단면 전체에서 균일하게 분포되어야 한다.
자동차 구조에서의 믹싱 부재의 또 다른 가능한 응용은, 오염물, 특히 촉매 표면에서의 촉매 반응에 의한 질소산화물(NOx) 및 그 바인딩의 촉매 분리를 위한 촉매 컨버터에 대한 엔진 배기 가스의 입구와 관련된다. 자동차, 특히 트럭에서는 배기에서 스태틱 믹서를 위한 가용 공간이 비교적 작기 때문에, 전술한 확장형 단면을 가지는 스태틱 믹서는 추가의 구조적인 공간이 필요하지 않아서 이러한 목적을 위해 매우 바람직하다. 배기 가스 및 액체 및/또는 고체 성분의 디믹싱의 문제는, 배기가 비교적 작은 배기관으로부터 커다란 촉매 컨버터 하우징으로 개방되는 배기 시스템에서도 일어난다. 촉매가 편중되게 소모되지 않도록, 완전한 증발 및 동시에 양호한 균질화가 필요하며, 이것은 압력 손실이 적은, 전술한 실시예 중 하나에 따른 스태틱 믹서를 이용하여 달성될 수 있다.
전술한 실시예 중 하나에 따른 믹싱 부재의 또 다른 가능한 이용은, 특히 단일 상(monophase) 또는 다중 상(multiphase)의 유체 혼합물의 반응기에 대한 입구가 확장형 단면인, 촉매 및/또는 유기 반응의 실행을 위한 화학 반응 기술이다. 기체 및 액체 성분은 흔히 반응기 전에 분산되어야 한다. 버블 베드(bubble bed)의 발생 및 성분의 균일한 분배 후에, 유동은 라인 직경에 대하여 확대된 직경을 가지는 촉매를 포함하는 반응기로 들어가기 때문에 대부분 팽창된다. 스태틱 믹서는 혼합물의 균질성을 유지시키도록 이용된다. 스태틱 믹서의 낮은 제동 효과는, 인피드(infeed)로부터 반응기 컨테이너에 대한 입구 단면의 천이가 급격한 것에 비해, 기포가 덜 신속하게 병합될 수 있도록 한다.
스태틱 믹서의 또 다른 이용은 기체 액화의 분야이다. 기체 액화에서, 상이한 기체 유동은 혼합된 후에 멀티튜브 시스템으로 가이드된다. 이러한 응용에서, 기체는 DN600(0.6m)의 튜브 내에서 혼합된 후 DN12000(12m)의 하우징 직경의 상이한 튜브로 균일하게 분할되어야 한다. 공지된 종래 기술에서는 이러한 목적으로 배플(baffle)이 이용되었다. 각각의 튜브가 동일한 기체 비율을 수용하도록, 전술한 실시예 중 하나에 따른 스태틱 믹서의 이용이 가능하다.
스태틱 믹서를 응용하는 또 다른 영역은, 피스톤 유동이 유지되어야 하는 반응기, 소위 플러그-유동 반응기의 분야이다. 플러그 유동 반응기에서, 믹싱 부재는 유체가 피스톤 유동으로 원통형 하우징을 통해 가이드되는 것을 보장한다. 직경이 변화되는 경우, 피스톤 유동은 믹싱 부재의 결여로 인해 원뿔형 섹션에 방해된다. 원뿔형 섹션에서의 유동 특성은 원뿔형 믹싱 부재의 이용에 의해 유지될 수 있다.
전술한 바와 같이, 이러한 구조 유형의 스태틱 믹서는 프리믹서(pre-mixer)로서 가동되며 일정한 단면으로 전개되는, 특히 중공의 원통형 단면으로 전개되는 스태틱 믹서와 조합될 수도 있다. 개별 유체 성분의 믹싱은 원통형 구조의 스태틱 믹서에서 일어나며, 확장형 단면을 가지는 스태틱 믹서는 주로 혼합물의 확장 및/또는 분배를 균일하게 하는 기능을 갖는다.
압력 손실을 줄이기 위해, 튜브 라인에서와 같이 유동 관계가 존재하는 개별 믹싱 부재 사이에 간격을 제공하는 것도 가능하다. 각각의 원뿔형 믹싱 부재 사이의 짧은 거리는 디믹싱에 어떠한 두드러진 영향도 주지 않고 추가적인 압력 손실 없이 유동을 다시 분할한다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다.
도 1에 믹싱 부재에 대한 제1 실시예를 도시하였다. 유체 안내 수단 또는 하우징(1)은 실질적으로 원뿔 형상을 갖는다. 믹싱 부재는 복수의 사다리꼴 장치 또는 레이어(2)를 포함한다. 도시한 실시예에서 각각의 레이어는 편평한 표면을 가지는 것으로 도시되었지만, 전술한 실시예 중 하나에 따른 임의의 원하는 표면 확장 구조가 적어도 일부의 레이어에 제공될 수 있다. 도시한 구성에서, 유체 혼합물의 유동은 레이어의 사이 영역에서 입구 단면(9)으로부터 출구 단면(10)을 향해 유동의 메인 방향을 나타내는 화살표(11) 방향으로 가이드된다. 유체 혼합물은 특히 기체/액체 혼합물 또는 기체의 혼합물 또는 액체의 혼합물로서 이해되어야 한다. 각각의 상은 추가적으로 고체 성분을 포함한다. 유동은 균일하게 확장되며 유체 안내 수단의 형상과 짝을 이루는 레이어(2)의 정렬에 의해 분배된다. 레이어의 개수 및 간격은 본질적으로 각각의 레이어에서의 믹싱 효과에 따른다. 이것은 다시 유동 속도, 및 특히 밀도 또는 점도와 같은 유동 성분의 특성에 의해 영향을 받는다. 레이어 및 하우징의 벽 각각에서 마찰 영향이 일어날 수 있어서, 가장자리 유동이 일어남으로써, 가장자리 영역 및 벽 영역에서 유동량이 떨어지게 되며, 그 이유는, 벽에 근접되는 유동은 마찰의 영향으로 인해 메인 유동보다 속도가 낮기 때문이다. 도시한 실시예에서, 레이어(2)는 홀딩 장치(7, 8)에 의해 간격을 가지고 함께 홀딩된다. 도시하지 않은 다른 실시예에 따르면, 레이어는 플러그 결합 또는 클램프 결합에 의해 실질적인 유체 안내 수단의 내벽에 고정될 수도 있다. 이러한 레이어의 원뿔형으로 설계된 유체 안내 수단에의 설치는, 레이어가 홀딩 장치에 의해 미리 조립된 후 사전 제작된 믹싱 부재(12)로서 하우징에 삽입되도록, 이루어질 수 있다. 따라서, 하우징(1)의 원뿔 형상은 이러한 방식으로 사전 제작된 믹싱 부재(12)의 센터링에 효과적이다.
도 2에는 지그재그 섹션을 가지는, 레이어의 믹싱 부재의 제2 실시예를 나타내었다. 도 2에서는, 도면을 명확하게 하기 위해 단지 2개의 레이어(3, 4)만을 도시하였다. 유동 혼합물은 V자 형상의 유로를 형성하는 레이어를 통해 가이드된다. 도시의 경우, 레이어(3)는 공통 에지(15)를 따라 레이어(4) 상에서 지지된다. 하나의 에지(15)는 레이어(4)에 속하며, 도면에서 상부 하우징 벽으로 나타낸 유체 안내 수단의 방향으로 화살표(11)로 나타낸, 유동의 메인 방향에 대하여 직각으로 대면한다. 하나의 에지(15)는 레이어(3)에 속하며, 따라서 레이어(4)의 에지(15)와 선 접촉한다. 각각의 레이어를 형성하는 지그재그 섹션의 섹션 표면(13, 14)은 에지에서 함께 연장되며 유로를 형성하여 이를 통과하는 성분이 혼합된 유동이 되도록 한다. 따라서, 유로는 섹션 표면(13, 14)에 의해 경계를 이룬다. 인접하는 레이어의 에지가 입구 단면(9)과 출구 단면(10) 사이의 전체 길이에서 서로 접촉하는 경우, 유로는 인접하는 레이어에 의해 폐쇄되고 각각의 2개의 개방된 유로(5, 6)로 만들어지도록 형성된다. 이러한 방식으로 폐쇄된 유로는 실질적으로 다이아몬드 형상의 단면을 갖는다. 간소화된 설치 또는 개별 부분 유동의 개선된 믹싱을 이유로, 도 1에 도시한 것과 유사한 방식으로 레이어(3, 4) 사이에 간격을 제공할 수 있다. 2개의 인접하는 레이어의 에지(15)는 서로에 대하여 접촉하지 않도록 배치되어 공통 에지(15)가 형성되지 않는다. 그리고 개방된 유로는 섹션 표면(13, 14)에 의해 형성된다.
믹싱 부재의 형성을 위한 레이어(3, 4) 및 도시하지 않은 추가의 레이어의 고정은, 도 1에 도시한 것과 동일한 고정 수단에 의해 이루어지며, 용접 결합, 특히 스폿 용접 결합 및/또는 납땜 결합 및/또는 접착 본드 결합 등이 제공될 수도 있다.
유동 편향 및 믹싱의 개선을 위한 추가의 가능성은, 통로에 유동 편향 수단(미도시)이 제공되는 것이다. 다공질 판금, 통로 벽의 돌기, 유로에 삽입되고 벌크 재료의 방식으로 분포되는 탭 또는 표면 확장 구조가 이를 위해 제공된다. 이러한 유형의 구조는 기체/액체 흡수에 이용되며, 컬럼 장치, 특히 래시그 링(Raschig ring), 베를 새들(Berl saddle), 인태록스 새들(Intalox saddle), 폴 링(Pall ring), 텔러렛 구조(Tellerette structure)일 수 있다. 다른 가능성은, 그 자체가 유동 편향 구조를 가지는 레이어, 특히 스트레칭 메탈(stretching metal)과 호환되는 구조, 및 믹싱 부재의 일반적인 설명에서 이미 언급한 구조 중 하나를 가지는 레이어를 제공하는 것이다.
도 3에 따른 제3 실시예는, 편평한 레이어(2)를 섹션 표면(13, 14), 특히 지그재그 섹션을 가지도록 조합한 믹싱 부재를 포함한다. 추가의 레이어는 도시를 명확하게 하기 위해 생략하였다. 편평한 레이어(2) 대신에, 지그재그 섹션을 가지는 섹션 표면과는 상이한 섹션 표면을 가지는 레이어가 이용될 수도 있다. 폐쇄된 유로는 레이어(4) 및 2개의 레이어(2)에 의해 형성된다. 레이어(4)의 에지(15)는 레이어(2)와 접촉하지만, 레이어(3)의 에지(15)와는 접촉하지 않는다. 따라서 유로는 실질적으로 삼각형 단면을 갖는다. 믹싱 부재의 확장형 단면과 유사하게, 유로의 단면은 인접하는 레이어(2, 3, 4)에 의해 형성되며 유동의 메인 방향으로 연속적으로 증가한다. 유로를 형성하는 레이어를 가지는 믹싱 부재의 장점은, 압력 손실이 낮으며, 간단한 구조적 설계에 의해 균질한 혼합물을 형성 및/또는 유지하는 것이다. 유동 매체는 유체 안내 수단에 의해 소정의 유동 경로를 따라야 하며, 따라서 유동하는 혼합물의 조성은 스태틱 믹서 내에서 화학 반응이 일어나지 않는 한 연속 원리에 의해 유동 경로를 통과하는 동안 일정하게 유지된다. 유동은, 유체 안내 수단이 일반적으로 직경이 작은 제1 단면으로부터 직경이 큰 제2 단면으로의 천이부로서만 역할을 하기 때문에, 단시간에 유동 안내 수단에서만 이루어진다. 따라서 경로는 유체 안내 수단을 통해 유동하는 유로를 따라 현저해지기에는 실질적인 디믹싱 효과를 위해 지나치게 짧다. 모든 부분 유동은 일반적으로 유로의 단부가 되는 출구 단면(10)에서 함께 가이드된다.
고속 유동에서, 와류는 출구 단면의 평면에 놓이는 유로의 단부에서의 카르 만의 와류 경로(Karman's eddy path)의 원리에 따라 해제될 수 있고, 이로 인해 믹싱이 보다 개선될 수 있다.
도 4a에 따른 다른 바람직한 실시예에 의하면, 도 2에 따른 2개의 인접하는 에지(15) 또는 도 3에 따른 각각의 에지(15) 중 하나와 그 사이에 배치되는 레이어(2)의 선 접촉이 아닌, 도 4c에서와 같이 지그재그 섹션을 가지는 2개의 교차하는 인접 레이어(3, 4)에서 에지(15)가 하나의 점에서만 서로 접촉하여 보다 양호한 믹싱이 되도록 제공될 수 있다. 이러한 점 접촉은 에지(150에 대하여 접촉 점(17)에서 이루어지며 따라서 2개의 인접하는 레이어(3, 4)가 서로 각도를 이루어 배치된다. 따라서, 제1 레이어(3)에 속하는 에지(15)만이 레이어(4)의 에지(15)와 하나의 접촉 점(17)을 가지게 된다. 인접하는 레이어의 2개의 에지(15) 사이의 각도(α)는 0°내지 120°, 특히 60°내지 90°사이에 놓인다. 특히 바람직한 실시예에서, 레이어(3)의 하나의 에지(15)는 일 측에 대하여 α/2의 각도로 경사를 이루고, 인접하는 레이어(4)의 하나의 에지는 유동의 메인 방향과 관련하여 타측에 대하여 α/2의 각도만큼 경사를 이룬다. 이러한 배치는 CH 547 120에 기재된 "교차 통로 구조"를 형성한다. 도 4a, 4b, 4c의 실시예의 레이어(3)의 에지는 레이어의 인터페이스(16)라고 하는 평면을 형성한다. 인터페이스는 인접하는 레이어가 공통 인터페이스를 형성하도록 배치되는 경우에 인접하는 레이어의 모든 접촉 점을 포함한다. 이러한 구성의 실질적인 장점은, 교차 통로 구조에서 밝혀진 바와 같이, 유동하는 혼합물이 전술한 변형에서와 같이 항상 동일한 유로로 유동하지 않고, 매번 상이한 유로에 위치한다. 즉, 유로를 계속적으로 바꾼다. 이 경우, 유 동하는 혼합물은 전술한 실시예에서보다 더욱 명백하게 편향되며, 이로 인해 믹싱의 추가적인 개선이 이루어진다. 도 4a는 지그재그 섹션 및 편평한 인터페이스를 가지는 레이어(3, 4)의 설치를 나타내며, 도면을 명확하게 하기 위해, 매 두 번째 레이어(3)만이 도시되었고, 인접하는 레이어(4)는 생략되었다. 레이어는, 유동의 메인 방향에 대하여 직각인 단면에서 측정된 2개의 인접하는 에지의 가능한 최소 간격이 입구 단면(9)으로부터 출구 단면(10)을 향해 연속적으로 증가하도록 만들어졌다. 또한, 유동의 메인 방향에 대하여 직각인 단면에서 측정된 2개의 인접하는 인터페이스 사이의 표준 간격은 입구 단면(9)으로부터 출구 단면(10) 쪽으로 연속적으로 증가하거나 일정하게 유지될 수 있어서, 레이어의 인터페이스가 서로 평행하게 놓이게 된다. 도 4a에 도시한 실시예에 따르면, 인접하는 인터페이스는 디퓨저의 방식으로 입구 단면(9)으로부터 출구 단면(10) 쪽으로 확장된다.
이들 접촉 점(17)의 적어도 일부는 인접하는 레이어(3, 4)가 결합되도록 스폿 용접되어 믹싱 부재를 형성하도록 할 수 있다.
또 다른 변형에 따르면, 인접하는 에지(3, 4)의 인터페이스(16)는 일치되지 않고, 서로 작은 간격을 가져서 인접하는 레이어가 서로 접촉하지 않도록 한다. 유동하는 혼합물의 일부는 이러한 방식으로 완전히 편향되어서 유동이 약간 저하된다. 믹싱의 효과는 혼합될 성분, 상이한 상의 비율, 및 디믹싱의 경향에 좌우된다. 스태틱 믹서의 압력 손실은 레이어의 간격 변화에 의해서도 영향을 받는다.
가능하다면, 레이어는 도 4a에 나타낸 바와 같이 유체 안내 수단의 내벽에 직접 결합되어, 레이어(3)와 내벽 사이에 간격이 가장 작게 유지된다. 레이어(3) 의 선 접촉에 의해, 원뿔형 섹션은, 즉 레이어의 내벽에 대한 경사에 따라, 타원형, 포물선 또는 쌍곡선 경계 라인은, 편평하거나 임의의 원하는 방식으로 접혀지고 편평한 세그먼트로 만들어지며 원뿔형인 내벽을 가지는(도 5a, 도 5b 참조) 부분 곡선을 나타낸다. 도 5a에 그 중 하나가 도시된 전술한 레이어의 각각은 하나의 평면으로 전개될 수 있으며, 이 전개는 믹서의 레이어의 원하는 위치로부터 전개 프로그램에 의해 이루어질 수 있다. 이들 전개는 또한 경계 라인 외에 벤딩 라인을 포함하여, 각각의 각도가 상이하고 복잡한 벤딩 절차가 필요한 경우에 경제적으로 레이어를 제조할 수 있다. 도 5a에는 이러한 교차 통로 구조의 단면이 도시되어 있으며, 도 4a에서와 같이 매 두 번째 레이어(3)만 도시되었다. 교차 통로 구조에 대응되는 레이어의 설계가 이용되는 경우, 입구 단면(10) 유동 경로에서의 레이어가, 내벽과 인접하는 레이어의 일부분의 각도 정렬에 의해 차단되기 때문에, 데드 스페이스가 발생한다. 이러한 이유로, 하우징 쪽, 내벽 쪽의 통로는 믹싱 부재가 형성되도록 레이어가 조립 후에 된 후에 필요에 따라 점검되고 개방된다. 믹싱 부재와 유체 안내 수단(1)의 내벽 사이의 벽 간극은, 2개의 인접하는 인터페이스(16)의 정상적인 간격보다 작으며, 특히 표면 확대 구조, 특히 지그재그 섹션의 유로(5, 6)의 높이보다 작아서, 소위 "채널링 효과"가 명백하게 일어나지 않는다.
도 5b에는 믹싱 부재의 가장자리 영역의 레이어(3)가 도시되어 있다. 레이어(3)는 유체 안내 수단의 내벽에 인접하는 섹션 커브(18)를 갖는다. 레이어의 섹션 커브(13, 14)가 내벽에 직접 인접되었다면, 유로(5)를 통한 유동은 일어나지 않게 된다. 따라서 이들 섹션 표면은 적어도 일부분이 내벽으로부터 이격되어 배치 되거나 믹싱 부재의 조립 후에 유동을 위해 개방된다.
도 6a 및 도 6b에 따른 또 다른 실시예에서, 각각의 레이어는 표면 확대 구조를 가지는 중공체(19)를 형성한다. 중공체(19), 특히 리브, 지그재그 또는 파형의 표면 확대 구조는 유동의 메인 방향에 대하여 0°내지 180°로 각도를 이룬다. 이러한 유형의 복수의 중공체는 서로 플러그 결합될 수 있도록 만들어질 수 있다. 이 경우, 중공체(19)는 중공체(20)와 완전히 통합될 수 있어서, 중공체(19)는 중공체(20)에 끼워진다. 도시한 실시예에서, 중공체(19, 20)는 지그재그 섹션을 갖는다. 외측으로 향하고 또한 내측으로 향하는 에지는 각각 원뿔형인 인터페이스를 형성한다. 중공체(19)는 중공체(2)에 대하여 초과된 치수를 가지며, 이것은 중공체(20)의 내측 인터페이스가 중공체(19)의 외측 인터페이스에 놓이는 것을 의미하며, 2개의 중공체(19, 20)는 설치 시에 기울어져서, 믹싱 부재가 설치된 상태에서 유동 매체를 통해 중공체에 힘을 가하는 경우에, 스폿 용접 또는 고정 장치와 같은 중공체의 추가적인 고정에 의해 완전히 분배될 수 있도록 한다. 클램핑 힘은 작동 시에 레이어의 위치 변화에 대하여 충분한 고정을 제공한다. 장치의 위치의 측면으로부터 가능하다면, 실질적으로 수직으로 배치되는 유동의 메인 축을 가지는 이러한 유형의 믹싱 부재는, 혼합물이 스태틱 믹서를 통해 저부로부터 상부로 유동되도록 설치될 수 있다. 레이어가 서로에 대하여 변위되거나 유동에 의해 출구 단면을 따라 이동될 위험이 있는 경우, 이들은 경금속 또는 플라스틱과 같은 경량재로 만들어지기 때문에, 출구 단면(11)의 영역에 선택적으로 리테이닝 장치가 제공될 수 있다.
도 7은 서로 직접 인접하게 배치되는, 원뿔형 스태틱 믹서용 2개의 믹싱 부재(12)를 나타낸다. 이들 믹싱 부재는 특히 전술한 실시예 중 하나에 따른 지그재그 섹션을 가지는 레이어(3)로 만들어지며, 인접하는 레이어는 서로에 대하여 0°가 아닌 각도로 경사를 이룬다. 각각의 믹싱 부재(12)는, 레이어가 서로 지지되고 유체 안내 수단의 내벽에 대하여 지지되기 때문에, 높은 안정성을 갖는다. 유동의 메인 방향은 화살표(11)로 나타내었다.
도시하지 않은 또 다른 변형에 의하면, 2개의 믹싱 부재(12)는 서로 이격되어 배치될 수도 있다. 도 8a는 정사각형 단면을 가지는 유체 안내 수단을 나타낸다. 단면 표면은 입구 단면(9)으로부터 출구 단면(10) 쪽으로 연속적으로 증가한다. 이러한 과정에서, 정사각형의 각각의 측부 길이는 연속적으로 증가한다.
도 8b는 직사각형 단면을 가지는 유체 안내 수단을 나타낸다. 단면 표면은 입구 단면(9)으로부터 출구 단면(10) 쪽으로 연속적으로 증가한다. 이러한 과정에서, 직사각형 단면의 매 두 번째 측부 길이(21)만이 연속적으로 증가한다. 도 8b에는 믹싱 부재의 레이어의 인터페이스(16)가 도시되어 있다.
도 8c는 도 8a 및 도 8b에 도시한 실시예 중 하나를 위한 지그재그 섹션을 가지는 2개의 인접하는 레이어(3, 4)의 배치를 나타낸다. 또한, 레이어는 도면의 간소화를 위해 인터페이스(16)만을 나타내었다. 이러한 변형에서, 유체 안내 수단(1)의 내벽에 인접하는 가장자리 레이어의 실행을 위한 특별한 가공 단계가 필요하지 않아서, 부분적으로 편평한 재킷 표면을 구비한 유체 안내 수단(1)을 가지는 믹싱 부재의 제조가 용이하다. 도 4a 내지 4c에 도시한 지그재그 섹션을 참조하 면, 이것은 본 명세서에서 언급된, 입구 단면(9)으로부터 출구 단면(10) 쪽으로 개별 레이어의 통로가 확장될 수 있는 모든 다른 실시예에 대하여 예시적인 것이다.
본 발명에 의해, 다중 상(multiphase)의 유체 유동, 특히 액체 방울이 포함된 기체 유동 또는 기포가 포함된 액체 유동이 실질적으로 연속되게 확장되는 라인 피스를 통해 혼합되면서 이송되고 유체의 균일한 분산을 유지시키도록 할 수 있는 스태틱 믹서용 믹싱 부재가 제공된다.

Claims (15)

  1. 유체 안내 수단(1)에 설치되는 믹싱 부재(12)에 있어서,
    상기 믹싱 부재(12)는,
    입구 개구부(9)에서의 유동의 메인 방향(11)에 대하여 직각으로 배치되는 평면에 놓이는 제1 단면을 가지는, 2가지 이상의 성분을 위한 입구 개구부(9), 및
    출구 개구부(10)에서의 유동의 메인 방향(11)에 대하여 직각으로 배치되는 평면에 놓이는 제2 단면을 가지는, 혼합물을 위한 출구 개구부(10)
    를 포함하고,
    상기 믹싱 부재(12)는, 상기 제1 단면으로부터 상기 제2 단면 쪽으로 연속으로 확장되는 단면을 가지며,
    상기 믹싱 부재에는, 연속으로 확장되는 상기 유체 안내 수단(1)에 상기 믹싱 부재(12)를 정밀하게 끼울 수 있도록, 유동 분할 레이어(2, 3, 4)가 배치되고,
    상기 유동 분할 레이어는 개방형 교차 유로(5, 6)를 포함하는,
    믹싱 부재.
  2. 제1항에 있어서,
    하나 이상의 레이어(3, 4)가 하나 이상의 유로(5, 6)를 포함하는, 믹싱 부재.
  3. 제2항에 있어서,
    인접하는 레이어(3, 4)의 유로(5, 6)는 디퓨저 방식으로 만들어지는, 믹싱 부재.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 유로는 2개 이상의 섹션 표면(13, 14)에 의해 경계를 이루며, 레이어(3, 4)의 2개의 인접하는 섹션 표면 각각은 공통 에지(15)를 형성하는, 믹싱 부재.
  5. 제4항에 있어서,
    인터페이스(16)가 레이어(3, 4)의 에지(15)에 의해 형성되며, 상기 인터페이스(16)는 편평형과 적어도 부분적으로 원뿔형 중 적어도 하나의 형상으로 만들어지는, 믹싱 부재.
  6. 제4항에 있어서,
    레이어에 속하는 상기 에지(15)는 서로 0°내지 120°의 각도(α)로 경사지도록 만들어지고, 인접하는 레이어(3, 4)의 에지는 유동의 메인 방향과 동일하며 반대인 α/2의 각도를 포함하는, 믹싱 부재.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 믹싱 부재의 단면은, 제1 단면으로부터 제2 단면 쪽으로, 원뿔형으로 확장되고, 출구 단면의 직경은 입구 단면의 직경에 대하여 2:5의 비율로 증가하는, 믹싱 부재.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 유체 안내 수단(1)에 대한 벽 간극은, 2개의 인접하는 인터페이스(16)의 정상적인 간격보다 작은, 믹싱 부재.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 원뿔형 믹싱 부재를 하나 이상 가지는 스태틱 믹서로서,
    상기 믹싱 부재가 서로에 대하여 0°내지 90°회전되어 배치되는, 스태틱 믹서.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 믹싱 부재는 열교환기의 입구 영역에서 유체 안내 부재(1)에 배치되는, 스태틱 믹서.
  11. 천연 가스 처리와 배기의 질소 제거(denitrification) 중 적어도 하나를 위해, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 믹싱 부재를 이용하는 방법.
  12. 촉매 반응과 유기 반응 중 적어도 하나를 실행하기 위해, 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 따른 믹싱 부재를 이용하는 방법.
  13. 제6항에 있어서,
    레이어에 속하는 상기 에지(15)는 서로 60°내지 90°의 각도(α)로 경사지도록 만들어지고, 인접하는 레이어(3, 4)의 교차하는 에지는 유동의 메인 방향과 동일하며 반대인 α/2의 각도를 포함하는, 믹싱 부재.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 유체 안내 수단(1)에 대한 벽 간극은, 표면 확대 구조의 유로(5, 6)의 높이보다 작은, 믹싱 부재.
  15. 제9항에 있어서,
    인접하는 믹싱 부재는 서로에 대하여 60°내지 90°회전되어 배치되는, 스태틱 믹서.
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