KR101570224B1 - 혼합침강조 설비의 교반기 - Google Patents

Abstract

구조를 개선하여 흡입능을 높일 수 있도록, 혼합영역과 침강영역 및 분리영역을 갖는 혼합침강조의 혼합영역 내에 설치되어 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구를 통해 용액을 흡입하여 혼합하는 혼합침강조 설비의 교반기에 있어서, 상기 교반기는 혼합영역 내부로 연장되어 회전하는 회전축과 상기 회전축 선단에 설치되는 평판을 포함하고, 상기 평판은 유입구를 향하는 밑면에 회전축의 중심을 지나 평판의 측면으로 관통되는 복수개의 트랜치홈이 평판의 원주방향을 따라 각도를 두고 배열 형성되어, 복수개의 트랜치홈이 평판의 중심에서 서로 연결되는 구조의 혼합침강조 설비의 교반기를 제공한다.

Description

혼합침강조 설비의 교반기{IMPELLER FOR MIXER-SETTLER FACILITIES}

본 발명은 용매 추출을 위한 혼합침강조에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 혼합침강조 내에 설치되어 혼합 용매를 흡입 교반하는 혼합침강조의 교반기에 관한 것이다.

일반적으로 용매추출(Solvent extraction) 공정은 크게 비누화(Saponification), 추출(Extraction), 세정(Scrubbing), 탈거(Stripping) 공정으로 구성된다.

용매추출 공정에는 대표적으로 연속다단 혼합침강조(Multi-stage mixer-settler) 설비가 사용된다.

혼합침강조 설비는 크게 혼합영역(Mixing zone), 침강영역(Settling zone), 분리영역(Separating zone)으로 이루어진다.

혼합침강조 설비는 혼합영역에 교반기(Rotating impeller)가 구비되어, 교반기의 회전운동에 의해 이웃하는 2개의 혼합침강조 분리영역으로부터 각각 유기상(Organic phase)과 수상(Aqueous phase)이 흡입(Suction)되어 혼합되는 원리로 동작한다.

상기 교반기는 혼합영역에서 유기상과 수상을 혼합함은 물론, 이웃하는 혼합침강조에서 유기상과 수상을 흡입하는 역할을 수행한다.

그런데, 종래에는 교반기의 흡입능이 부족하여 이웃하는 혼합침강조로부터 유기상 및 수상를 원활하게 흡입하지 못하는 문제가 있다.

유기상과 수상의 흡입이 제대로 이루어지지 못할 경우, 혼합침강조로 유입되는 유기상과 수상의 양이 적어 전체 용매추출 공정의 생산성이 떨어지고, 또한 충분한 반응을 위해 다수의 혼합침강조 설비가 필요함에 따라 투자비가 증가하는 문제점이 있다.

이에, 구조를 개선하여 흡입능을 높일 수 있도록 된 혼합침강조 설비의 교반기를 제공한다.

본 설비는 혼합영역과 침강영역 및 분리영역을 갖는 혼합침강조의 혼합영역 내에 설치되어 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구를 통해 용액을 흡입하여 혼합하는 혼합침강조 설비의 교반기에 있어서, 상기 교반기는 혼합영역 내부로 연장되어 회전하는 회전축과 상기 회전축 선단에 설치되는 평판을 포함하고,

상기 평판은 유입구를 향하는 밑면에 평판의 방사방향을 따라 평판의 중심에서 측면으로 관통되는 복수개의 트랜치홈이 평판의 원주방향을 따라 각도를 두고 배열 형성되어, 복수개의 트랜치홈이 평판의 중심에서 서로 연결되는 구조일 수 있다.

상기 트랜치홈의 깊이는 평판 두께의 50 ~ 90% 범위로 형성될 수 있다.

상기 트랜치홈이 평판의 중심에서 서로 연결되어 형성되는 중심부의 크기는 상기 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구의 직경에 대응되는 구조일 수 있다.

상기 트랜치홈은 직선으로 연장된 구조일 수 있다.

혼합영역과 침강영역 및 분리영역을 갖는 혼합침강조의 혼합영역 내에 설치되어 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구를 통해 용액을 흡입하여 혼합하는 혼합침강조 설비의 교반기에 있어서, 상기 교반기는 혼합영역 내부로 연장되어 회전하는 회전축과 상기 회전축 선단에 설치되는 평판을 포함하고,

상기 평판은 유입구를 향하는 밑면에 하부를 향해 돌출된 복수개의 날개판이 평판의 원주방향을 따라 각도를 두고 배열 형성되고, 상기 날개판은 평판 측단에서 중심부를 향해 방사방향으로 연장된 구조일 수 있다.

상기 평판의 중심을 사이에 두고 대향 배치되는 날개판의 내측 선단 사이에 의해 형성되는 평판의 중심부 크기는 상기 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구의 직경에 대응되는 구조일 수 있다.

상기 복수개의 날개판은 평판의 밑면에서 수직으로 돌출된 구조일 수 있다.

상기 날개판은 평판의 방사방향을 따라 평판에 대한 높이가 일정한 구조일 수 있다.

상기 날개판은 직선으로 연장된 구조일 수 있다.

이에, 교반기의 흡입능이 증대되어 용액의 유입 속도를 높임으로써, 용매 추출 공정의 생산성을 증대시킬 수 있게 된다.

또한, 동일한 흡입능을 유지하면서 혼합침강조의 혼합영역 크기를 줄일 수 있어, 설비 구축시 초기 투자비용을 절감할 수 있게 된다.

도 1은 본 실시예에 따른 교반기를 구비한 혼합침강조 설비의 개략적인 구성도이다.
도 2는 본 실시예에 따른 혼합침강조 설비의 교반기를 종래와 비교하여 도시한 사시도이다.
도 3은 종래 기술에 따른 교반기의 회전속도 변화에 따른 흡입능을 도시한 그래프이다.
도 4는 본 실시예에 따른 교반기의 흡입능을 종래 기술과 비교하여 도시한 그래프이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 붙였다.

이하에서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

이하에서 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 실시예에 따른 교반기가 구비된 혼합침강조 설비를 개략적으로 도시하고 있다.

혼합침강조 설비는 다단으로 배치되는 복수개의 혼합침강조를 포함하여, 예를 들어, 수상과 유기상의 혼합물을 분리한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 상기 혼합침강조(100)는 내부가 혼합영역(110), 침강영역(120), 분리영역(130)으로 구획된다.

상기 혼합침강조(100) 내부에 용액의 흐름방향을 따라 혼합영역과 침강영역 및 분리영역이 차례로 배치된다. 혼합영역(110)과 침강영역(120) 사이에는 상하로 배치되는 트랩(112)이 형성되어 혼합액이 트랩을 타고 넘어 안정적으로 침강영역으로 이동하도록 되어 있다.

상기 분리영역(130)은 침강영역에서 분리된 유기상 용액과 수상 용액이 각각 유입되는 유기상존(132)과 수상존(134)이 설치된다. 혼합액은 침강영역(120)을 지나면서 비중차에 의해 유기상 용액과 수상용액이 상하로 분리된다. 침강영역(120)을 지나 유기상용액은 위쪽으로 연결된 유기상존(132)으로 이동되어 출구를 통해 배출되며, 수상용액은 아래쪽으로 연결된 수상존(134)으로 이동되어 역시 출구를 통해 배출된다.

상기 혼합영역(110)은 바닥에 유입구(114)가 형성되고, 유입구(114)는 이웃하는 혼합침강조(도시되지 않음)에서 분리된 수상용액과 유기상용액이 이송되는 이송라인(116)과 결합되어, 유기상용액과 수상용액이 유입구(114)를 통해 혼합영역 내부로 유입된다.

상기 혼합영역(110)의 내부에는 유입구(114)를 통해 유기상용액과 수상용액을 흡입하고 혼합영역으로 유입된 유기상용액을 교반하여 고르게 혼합하기 위한 교반기(150)가 구비된다.

상기 교반기(150)는 예를 들어 구동모터의 구동력을 인가받아 회전하는 회전축(152)과 상기 회전축에 설치되어 유입구에 흡입력과 용액에 교반력을 가하는 평판(154)을 포함한다.

상기 회전축(152)은 유입구(114) 상에 수직으로 배치된다. 상기 평판(154)은 회전축 하단에 설치되어 유입구 위에 소정 간격을 두고 이격 배치된다.

도 2는 본 실시예에 따른 교반기의 평판 구조를 종래 기술에 따른 구조와 비교하여 도시하고 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 평판(154)은 유입구를 향하는 밑면에 회전축(152)의 중심을 지나 평판(154)의 측면으로 관통되는 복수개의 트랜치홈(156)이 평판(154)의 원주방향을 따라 각도를 두고 배열 형성된다. 이에, 상기 복수개의 트랜치홈(156)은 평판(154)의 중심에서 서로 연결되는 구조로 되어 있다.

상기 평판(154)은 소정의 두께(d)를 갖는 원형으로 이루어진다. 상기 트랜치홈(156)은 직선으로 연장되며 모두 평판(154)의 회전중심인 회전축의 중심을 지나도록 형성된다. 본 실시예에서 상기 트랜치홈(156)은 회전축을 중심으로 60도 각도로 배치된다. 상기 트랜치홈(156)은 평판(154)의 밑면에서 내측으로 깊게 파여져 형성된다. 상기 트랜치홈(156)의 형태는 사각의 단면 구조로 이루어질 수 있다. 상기 교반기를 구성하는 회전축과 평판(154)은 산 또는 염기에 충분히 견디는 재질로 제조될 수 있다.

상기한 본 실시예의 평판 구조와 비교하여, 종래 기술의 경우 평판에 형성되는 트랜치홈이 각각 분리되어 서로 연결되지 않는 구조로 되어 있다.

도 2의 실시예1의 경우 종래 기술과 비교하여 트랜치홈(156)의 폭(b)과 밑면으로부터의 깊이(a)는 종래 기술의 트랜치홈과 동일하다, 다만, 본 실시예1의 경우 트랜치홈(156)이 평판(154)의 중심을 지나도록 연장되어 각 트램치홈(156)이 평판 중심에서 서로 연결된다.

도 2의 실시예2는 실시예1의 구조와 동일하며, 다만 트랜치홈(156)의 형성 깊이(a')가 실시예1보다 커서 평판(154)에 보다 깊게 형성된 구조로 되어 있다.

실시예1과 실시예2에서, 상기 복수개의 트랜치홈(156)은 평판(154)의 중심에서 서로 연결된다. 이하 설명의 편의를 위해, 평판의 중심에서 트랜치홈이 연결된 부분을 중심부(158)라 칭한다. 본 실시예에서, 트랜치홈에 의해 평판의 중심에서 형성되는 상기 중심부(158)의 크기는 상기 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구(114)의 직경에 대응되는 구조로 되어 있다. 대응된다라 함은 동일하거나 거의 유사한 것을 의미한다.

이에, 유입구(114) 위쪽에서 상기 평판(154)이 회전하였을 때, 상기 유입구(114)에 가해지는 흡입압에 의해 빨려 올라온 용액이 중심부(158)로 유입되어 원활하게 평판 측단으로 빠져나갈 수 있게 된다.

또한, 실시예2에서 트랜치홈(156)의 형성 깊이(a')는 평판의 두께(d)의 50 ~ 90%로 형성될 수 있다. 트랜치홈의 형성 깊이가 50%보다 작으면 종래 기술과 비교하여 효과의 차이가 나타나지 않으며, 90%를 넘게 되면 트랜치홈 형성 위치에서의 평판의 두께가 너무 얇아 평판이 손상되는 문제가 있다.

상기한 구조의 평판(154)을 구비한 교반기를 구동하게 되면 회전축(152)이 회전되고 회전축에 설치된 평판(154)이 고속으로 회전하면서 혼합영역 내의 용액을 위로 밀어올림에 따라 압력차를 유발시켜 유입구(114)를 통해 용액을 흡입하게 된다. 더불어 혼합영역(110) 내부로 유입된 수상용액과 유기상용액을 교반하게 된다.

본 실시예들의 경우 교반기의 회전속도나 혼합영역의 부피 등을 증가시키지 않더라도 상기와 같은 평판 구조의 개선을 통해 혼합영역 내의 용액을 보다 원활하고 신속하게 상부로 밀어올릴 수 있게 되어 유입구를 통한 용액 흡입능을 높일 수 있게 된다.

도 2에서, 실시예 3은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 구조를 도시하고 있다.

실시예 3은 도시된 바와 같이, 상기 평판(154)은 유입구(114)를 향하는 밑면에 하부를 향해 돌출된 복수개의 날개판(200)이 평판의 원주방향을 따라 각도를 두고 배열 형성되고, 상기 날개판(200)은 평판 측단에서 중심부를 향해 방사방향으로 연장된 구조로 되어 있다.

상기 평판(154)은 소정의 두께를 갖는 원형으로 이루어진다. 상기 날개판(200)은 직선으로 연장되며, 평판(154)의 밑면에서 수직으로 돌출된 구조로 되어 있다.

본 실시예에서 상기 날개판(200)은 회전축을 중심으로 60도 각도로 배치된다. 상기 날개판(200)의 형태는 사각의 단면 구조로 이루어질 수 있다. 상기 날개판(200)은 평판에 일체로 형성될 수 있으며, 평판(154) 및 날개판(200)은 산 또는 염기에 충분히 견디는 재질로 제조될 수 있다.

또한, 상기 날개판은 평판의 방사방향을 따라 평판에 대한 높이가 일정한 구조일 수 있다.

여기서, 상기 날개판은 내측 선단이 평판의 중심까지 연장되지 않고 중심 근처까지만 형성된다. 이에, 평판의 중심을 사이에 두고 대향 배치되는 날개판의 내측 선단 사이는 이격되어 배치된다.

본 실시예에서, 상기 대향 배치되는 날개판(200)의 내측 선단 사이의 간격은 상기 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구(114)의 직경에 대응되는 구조로 되어 있다. 이에, 날개판(200)의 내측 선단에 의해 평판의 중심에 형성되는 공간은 상기 유입구(113)의 크기에 대응된다. 이하 설명의 편의를 위해, 평판의 중심에서 날개판(200)의 내측 선단 사이의 공간을 중심부(210)라 칭한다. 본 실시예에서, 날개판(200)에 의해 평판(154)의 중심에서 형성되는 상기 중심부(210)의 크기는 상기 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구(114)의 직경에 대응되는 구조로 되어 있다. 대응된다라 함은 동일하거나 거의 유사한 것을 의미한다.

이에, 유입구(114) 위쪽에서 상기 평판(154)이 회전하였을 때, 상기 유입구(114)에 가해지는 흡입압에 의해 빨려올라온 용액이 중심부(210)로 유입되어 원활하게 평판 측단으로 빠져나갈 수 있게 된다.

실험예

종래 기술의 교반기와 본 실시예의 교반기를 혼합침강조의 혼합영역 내에 유입구 바로 위에 배치하고, 교반을 실시하였다. 본 실시예와 종래기술 모두 회전축에 설치된 평판은 혼합영역 바닥면에서 10mm 이격하여 배치하고 동일한 회전속도로 회전시켰다.

이러한 조건에서 유입구를 통해 유기상용액과 수상용액이 유입되는 양을 확인하여 본 실시예와 종래기술의 흡입능을 평가하였다. 실험은 전산모사(cpmputational fluid dynamics; CFD) 기법을 이용하여 이루어졌다.

회전하는 교반기의 회전속도에 의해 생성되는 흡입능을 평라하기 위한 지표로서, 아래 식 1의 Flow Index와, 식 2의 ΔP를 정의하여 사용하였다. Flow Index는 1보다 클 경우 흡입능이 증가하는 것을 의미하며, ΔP는 상대적으로 클 경우 흡입능이 우수하다는 것을 의미한다.

Flow Index = Q/Q0 ----- 식 1

여기서, Q는 Flow Rate(kg/sec)이고, Q0는 기준 rpm에서의 Flow Rate(kg/sec)이다.

ΔP = P1 - P2(입구와 기준면에서의 압력차) ----- 식 2

여기서, P1은 유입구와 연결된 이송라인의 입구쪽에서의 압력(도 1의 P1 참조)이고, P2는 이송라인의 출구쪽에서의 압력(도 1의 P2 참조)이다.

도 3은 종래 기술에 있어서 교반기의 회전속도 변화에 따른 흡입능 평가지표(Flow index 및 ΔP)를 나타내고 있다. 실험 결과, 50~200rpm 회전속도 범위에서는 Flow index가 1을 나타내므로 이는 들어오는 용액의 양과 나가는 용액의 양이 동일하다는 것을 의미한다. 또한 ΔP의 변화가 미비한 수준으로 저속의 회전속도에서는 흡입능의 변화가 없음을 나타내고 있다. 그러나 회전속도가 200rpm 이상이 되면서 평가지표 모두가 상승함으로써 흡입능이 증대되고 있음을 알 수 있다.

도 4는 도 2에 도시된 종래기술과 실시예1 내지 실시예3의 교반기의 흡입능을 동일한 회전속도하에서 비교 실험한 결과를 나타낸다. 교반기의 회전속도는 600rpm으로 실험을 실시하였다.

도 4에 도시된 바와 같이, 실험 결과, 평판 바닥형상 조건에 따라 종래 기술과 비교하여 본 실시예들과 같이 평판의 트랜치홈의 구조를 개선하거나, 평판에 날개판을 형성한 경우 Flow Index가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 교반기 회전력에 의해 흡입되는 용액이 상부로 빠르게 이동함으로써 연이어 흡입되는 용액이 들어올 수 있는 빈 공간을 많이 확보해 주는 것을 의미한다.

또한, 동일한 회전수(600rpm) 조건에서 종래 기술과 비교하여 본 실시예들의 경우 ΔP값이 상대적으로 증가하는 것을 확인할 수 있는 데, 이는 회전하는 교반기 아래에 위치한 용액이 유입되는 이송라인의 입구와 기준면의 압력차가 커지는 것을 의미하며, 압력차가 클수록 원활한 용액의 흐름이 이뤄질 수 있음을 시사한다.

또한, 실시예1과 비교하여 실시예2의 경우 Flow Index와 ΔP가 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, 트랜치홈의 깊이를 보다 깊게 형성하였을 때 교반기의 흡입능을 보다 높일 수 있게 된다. 또한, 실시예2와 비교하여 실시예3의 경우 Flow Index와 ΔP가 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, 평판에 돌출된 날개판을 형성한 구조의 경우 교반기의 흡입능을 보다 높일 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 도면에 도시된 실시예를 참조하여 설명하였다. 그러나, 본 발명은 이에 한정되지 않고 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명과 균등한 범위에 속하는 다양한 변형예 또는 다른 실시예가 가능하다.

100 : 혼합침강조 110 : 혼합영역
114 : 유입구 116 : 이송라인
120 : 침강영역 130 : 분리영역
150 : 교반기 152 : 회전축
154 : 평판 156 : 트랜치홈
158,210 : 중심부 200 : 날개판

Claims (8)

1. 혼합영역과 침강영역 및 분리영역을 갖는 혼합침강조의 상기 혼합영역 내에 설치되어 상기 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구를 통해 용액을 흡입하여 혼합하는 혼합침강조 설비의 교반기에 있어서,
   상기 교반기는 상기 혼합영역 내부로 연장되어 회전하는 회전축, 그리고 상기 회전축의 선단에 결합하는 평판을 포함하고,
   상기 평판은, 상기 유입구와 대향하는 일면에 방사방향으로 연장되어 형성되는 복수의 트랜치홈, 그리고 상기 유입구에 대향하도록 배치되며 상기 복수의 트랜치홈이 상기 평판의 중심에서 연결되어 형성되는 공간인 중심부를 포함하고,
   상기 평판이 회전함에 따라 상기 유입구를 통해 흡입되는 용액이 상기 중심부로 유입되며, 상기 중심부로 유입되는 용액은 상기 복수의 트랜치홈에 의해 상기 중심부에서 상기 평판의 측단으로 빠져나가는 구조의 혼합침강조 설비의 교반기.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 트랜치홈의 깊이는 상기 평판의 두께의 50 ~ 90% 범위로 형성되는 혼합침강조 설비의 교반기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   상기 중심부의 크기는 상기 유입구의 직경에 대응되는 구조의 혼합침강조 설비의 교반기.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 트랜치홈은 직선으로 연장된 구조의 혼합침강조 설비의 교반기.
5. 혼합영역과 침강영역 및 분리영역을 갖는 혼합침강조의 상기 혼합영역 내에 설치되어 상기 혼합영역의 바닥에 형성된 유입구를 통해 용액을 흡입하여 혼합하는 혼합침강조 설비의 교반기에 있어서,
   상기 교반기는 상기 혼합영역 내부로 연장되어 회전하는 회전축, 그리고
   상기 회전축의 선단에 결합하는 평판을 포함하고,
   상기 평판은, 상기 유입구와 대향하는 일면에 돌출 형성되며 상기 평판의 방사방향으로 연장되는 복수의 날개판, 그리고 상기 유입구에 대향하도록 배치되며 상기 복수의 날개판 각각의 내측 선단 사이에 형성되는 공간인 중심부를 포함하고,
   상기 평판이 회전함에 따라 상기 유입구를 통해 흡입되는 용액이 상기 중심부로 유입되며, 상기 중심부로 유입되는 용액은 상기 복수의 날개판에 의해 상기 평판의 측단으로 빠져나가는 구조의 혼합침강조 설비의 교반기.
6. 제 5 항에 있어서,
   상기 중심부의 크기는 상기 유입구의 직경에 대응되는 구조의 혼합침강조 설비의 교반기.
7. 제 6 항에 있어서,
   상기 복수의 날개판은 상기 평판의 일면에서 수직으로 돌출된 구조의 혼합침강조 설비의 교반기.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 복수의 날개판은 상기 평판의 방사방향을 따라 상기 평판에 대한 높이가 일정한 구조의 혼합침강조 설비의 교반기.

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