KR101600066B1 - 혼합효율이 개선된 스태틱 믹서 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혼합효율이 개선된 스태틱 믹서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유로의 가장자리를 따라 형성되는 층류를 감소시켜 유로 내에서 유체의 혼합효율을 높일 수 있는 스태틱 믹서에 관한 것이다.
본 발명의 스태틱 믹서는 유체가 이동할 수 있는 유로가 내부에 형성된 하우징과, 유로상에 설치되며 상기 유로를 통과하는 적어도 2 이상의 유체를 혼합시키기 위한 혼합부재와, 유로의 가장자리에 형성되는 층류를 감소시키기 위한 층류감소수단을 구비한다.

Description

혼합효율이 개선된 스태틱 믹서{static mixer improved mixing efficiency}

본 발명은 혼합효율이 개선된 스태틱 믹서에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유로의 가장자리를 따라 형성되는 층류를 감소시켜 유로 내에서 유체의 혼합효율을 높일 수 있는 스태틱 믹서에 관한 것이다.

유체의 혼합은 자연계 및 산업 현장에서 다양하게 발생하는 현상중의 하나이다. 특히 화학공업 분야에서는 단순한 혼합으로부터 반응의 결과가 혼합 성능에 크게 의존하는 복잡한 화학 반응에 이르기까지 다양하게 발생된다. 혼합율의 저하는 요구치 이하로 반응속도를 떨어뜨려 반응이 완결되기 전에 반응을 종료시킬 수 있으며, 불필요한 반응을 야기할 수도 있다. 혼합을 위한 장치는 기계적 교반기(agitator)로부터 운동부 없이 파이프나 덕트 내에 장착되는 스태틱 믹서에 이르기까지 다양하다.

스태틱 믹서(static mixer)는 식품공장, 의약품공장, 화학공장 등의 원료 이송라인에 설치되어 각종 원료를 통과시키면서 혼합하는 역할의 용도로 사용되거나, 열교환기에 설치되어 유체가 연속적으로 튜브의 내벽에 접하도록 함으로써 열교환효율을 증대시키는 역할을 하는 용도로 사용된다.

스태틱 믹서는 1950년대부터 개발되기 시작하여 1960년대 말 Kenics 사에서 개발된 믹서가 상업적으로 이용되기 시작한 후, 30 여종 이상이 개발되었으나 산업현장에서 실제로 이용되고 있는 종류는 그다지 많지 않다.

현재 가장 널리 이용되고 있는 스태틱 믹서는 Kenics형과 Sulzer형이다. 인-라인(in-line) 구조인 스태틱 믹서는 시스템 구성요소 자체에 운동부가 없이 믹싱관 내에 고정된 일련의 혼합부재(mixing element)로 구성되며, 혼합될 유체가 관로를 통과할 때 연속적으로 유동분할, 방향전환, 재결합 등의 과정이 반복되며 혼합되는 장치로 유체의 연속 혼합 조작에 사용된다.

스태틱 믹서는 기계적 교반기와 비교하여 운동부가 없기 때문에 샤프트나 베어링과 같은 회전요소나 밀봉장치 없이 파이프라인에 설치가 가능하다. 또한 단위 용적당 전열면적이 크며, 연속 프로세스 및 고 점도액의 혼합에 적합하고, 혼합될 유체의 믹서 내 체류시간 분포를 균일화할 수 있으며, 공정관리의 용이, 생산원가의 절감, 에너지 절약 등의 장점을 갖는다. 따라서 스태틱 믹서는 산업현장에서 매우 다양하게 응용되고 있다.

유체의 혼합율은 스태틱 믹서의 성능을 평가할 수 있는 가장 중요한 변수이기 때문에 대부분의 연구들은 스태틱 믹서의 내부에 설치되어 유체를 혼합시키는 혼합부재에 치우쳐져 있다.

종래의 대표적인 스태틱 믹서인 Kenics형 스태틱 믹서를 도 1에 나타내었다.

도시된 바와 같이 혼합부재(5)는 180도로 비틀린 다수의 단위 패널(7)이 전후로 연속되게 결합되어 유체의 유동분할, 방향전환, 재결합 등의 과정을 반복시켜 유로를 통과하는 유체를 연속적으로 혼합한다.

하지만, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 내부 유로를 따라 유체의 이동시 유로의 중심부위(8)에서는 혼합부재(5)에 의해 유체의 분할, 방향전환, 재결합 등의 과정이 반복되면서 난류(B)가 형성되어 유체의 혼합이 원활하게 이루어진다. 하지만, 유로의 가장자리 부위(9)에서는 유체의 혼합이 잘 이루어지지 않는 문제점이 있다.

혼합부재(5)는 스태틱 믹서의 하우징(3) 내부로 삽입하여 설치되는 관계로 혼합부재(5)와 하우징(3)의 내주면 사이에는 미세한 틈새가 형성된다. 따라서 하우징(3)의 내주면과 접하는 유로의 가장자리 부위(9)에서는 하우징(3)의 내주면을 따라 층류(B)가 형성된다. 이러한 층류(3)의 흐름은 하우징(3)의 내주면을 따라 계속 이동하여 하우징의 외부로 배출되므로 전체적인 유체의 혼합효율을 저하시키는 문제점을 갖는다.

이러한 문제점은 등록특허 제 10-0862897호, 대한민국 공개특허 제 10-2013-0118456호, 대한민국 공개특허 제 10-2002-0097299호에 개시된 스태틱 믹서에서도 마찬가지로 가지고 있다.

1. 대한민국 등록특허 제 10-0862897호: 스태틱 믹서 엘러먼트 제조방법 2. 대한민국 공개특허 제 10-2013-0118456호: 정적 믹서를 이용한 오존 접촉 용해장치 3. 대한민국 공개특허 제 10-2002-0097299호: 정적 믹서와 초음파를 이용한 이멀션유 제조방법 및 장치

본 발명은 상기의 문제점을 개선하고자 창출된 것으로서, 유로의 가장자리를 따라 형성되는 층류를 감소시켜 유로 내에서 유체의 혼합효율을 높일 수 있는 스태틱 믹서를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 스태틱 믹서는 유체가 이동할 수 있는 유로가 내부에 형성된 하우징과; 상기 유로상에 설치되며 상기 유로를 통과하는 적어도 2 이상의 유체를 혼합시키기 위한 혼합부재와; 상기 유로의 가장자리에 형성되는 층류를 감소시키기 위한 층류감소수단;을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 층류감소수단은 상기 하우징의 내주면에서 상기 유로의 중심방향으로 돌출되는 간섭깃을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 층류감소수단은 상기 하우징의 일 부위에 형성되어 상기 유로의 단면적을 일시적으로 축소시키는 축소경부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 층류감소수단은 상기 하우징의 일 부위에 형성되어 상기 유로의 단면적을 일시적으로 확대시키는 확대경부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 층류감소수단은 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 혼합부재를 통과한 유체의 흐름을 좁히는 수렴부재와, 상기 수렴부재를 통과한 유체와 충돌하여 다수의 경로로 분산시키는 충돌부재를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 수렴부재는 상기 유로를 가로막도록 설치되며 전후방향으로 관통하는 수렴홀이 형성된 격벽과, 상기 격벽의 후면에 돌출되게 형성되며 상기 수렴홀과 연결되는 가이드관을 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 충돌부재는 상기 유로를 가로막도록 설치되는 몸체와, 상기 몸체에 형성되며 상기 가이드관을 통과한 유체가 충돌하는 충돌홈과, 상기 몸체에 전후 방향으로 관통되어 형성되며 상기 충돌홈의 주위에 다수 배치되는 분산통로와, 상기 몸체의 전면에 형성되어 상기 충돌홈과 상기 분산통로를 연결하는 연결그루브를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기 충돌홈에는 상기 충돌홈으로 유입된 유체와 충돌하면서 흐름을 방해하는 간섭부재가 설치된 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 유로의 가장자리를 따라 형성되는 층류를 감소시켜 유로 내에서 유체의 혼합효율을 효과적으로 높일 수 있다.

도 1은 종래의 스태틱 믹서를 나타내는 일부 절개 사시도이고,
도 2는 도 1의 단면도이고,
도 3은 도 1의 스태틱 믹서 내부에서 서로 다른 유체의 흐름을 형성하는 영역을 나타낸 단면도이고,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 스태틱 믹서의 요부를 발췌한 사시도이고,
도 5는 도 4가 적용된 스태틱 믹서의 단면도이고,
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 스태틱 믹서의 요부를 발췌한 단면도이고,
도 7은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스태틱 믹서의 요부를 발췌한 단면도이고,
도 8은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스태틱 믹서의 요부를 발췌한 단면도이고,
도 9는 도 8에 적용된 요부를 발췌한 사시도이고,
도 10은 도 9의 충돌부재를 나타낸 정면도이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스태틱 믹서의 요부를 발췌한 단면도이고,
도 12는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 스태틱 믹서의 요부를 발췌한 단면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 혼합효율이 개선된 스태틱 믹서에 대하여 구체적으로 설명한다.

도 4 및 도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시 예에 따른 스태틱 믹서(10)는 크게 하우징(15), 혼합부재(5), 층류감소수단(20)을 구비한다.

도시된 하우징(15)은 내부에 원형의 유로(17)가 형성된 파이프 구조를 갖는다. 하우징(15)의 내부에 형성된 유로(17)로 유체가 통과한다. 하우징(15)은 금속이나 합성수지, 유리 등의 소재로 형성될 수 있다.

하우징(15)의 일측에는 유체가 유입되는 입구가 마련되고, 하우징(15)의 타측에는 유체가 배출되는 출구가 마련된다.

혼합부재(5)는 하우징(15)의 내부에 설치되어 유로(17)를 통과하는 적어도 2 이상의 유체를 혼합시킨다. 혼합부재(5)는 도 1에 도시된 종래의 기술과 동일하다. 이러한 혼합부재(5)는 180도로 비틀린 다수의 단위패널(7)을 결합시켜 유체의 유동분할, 방향전환, 재결합 등의 과정을 반복시켜 유로(17)를 통과하는 유체를 연속적으로 혼합한다. 혼합부재(5)는 단위패널(7)의 수를 조절하여 다양한 길이로 형성될 수 있음은 물론이다.

혼합부재(5)는 하우징(15)의 내부로 삽입되어 유로(17)에 설치된다. 도시된 예에서는 2개의 혼합부재(5)가 전후로 일정 거리 분리되어 하우징(15) 내부에 설치된다. 이와 달리 2개의 혼합부재는 연결바에 의해 상호 연결될 수 있다.

본 발명의 가장 큰 특징인 층류감소수단(20)은 유로(17)의 가장자리를 따라 형성되는 층류를 감소시키기 위한 것이다.

층류감소수단의 일 예로 간섭깃(25)이 설치된다. 간섭깃(25)은 하우징(15)의 내주면에서 유로(17)의 중심방향으로 돌출되게 형성된다. 간섭깃(25)은 하우징(15)의 내주면의 둘레를 따라 원형으로 형성된다. 도시된 예에서 간섭깃(25)은 하우징(15)의 일 부위에 하나가 설치되어 있으나, 이와 달리 2개 이상이 일정 간격으로 설치될 수 있다.

바람직하게 간섭깃(25)은 유체의 흐름방향으로 경사지게 형성된다. 따라서 간섭깃(25)은 하우징(15)의 입구에서 하우징의 출구방향으로 진행할수록 단면적이 점진적으로 좁아지는 형상으로 이루어진다.

이와 같이 간섭깃(25)은 하우징(15)의 내주면에서 돌출되게 형성되어 하우징(15)의 내주면을 따라 형성되는 층류를 감소시킨다. 즉, 하우징(15)의 내주면에 인접하여 흐르는 유체의 흐름을 간섭깃(25)이 방해하여 유체의 흐름방향을 전환시키고, 유체의 흐름을 난류화시켜 전체적인 유체의 혼합효율을 증대시킨다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 층류감소수단은 하우징(15)의 일 부위에 형성되어 유로면적을 일시적으로 확대시키는 확대경부(30)를 구비한다.

도 6을 참조하면, 하우징(15)의 일 부위에 유로면적이 넓어지는 확대경부(30)가 마련된다. 확대경부(30)는 하우징(15)의 직경이 외부로 확장되는 방향으로 형성된다. 이러한 확대경부(30)에 의해 단면적이 넓어지는 확장유로(35)가 하우징(15)의 내부에 형성된다.

확대경부(30)는 유로를 통과하는 유체의 유동을 변화시켜 혼합효율을 높인다. 즉, 하우징(15)의 내주면에 인접하여 흐르는 유체의 흐름이 확대경부에서 와류를 발생시킴으로써 유로의 가장자리에 형성되는 층류를 감소시키는 기능을 한다.

상술한 확대경부는 하우징에 하나가 형성되거나, 일정 간격으로 다수가 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 층류감소수단은 하우징의 일 부위에 형성되어 상기 유로 면적을 일시적으로 축소시키는 축소경부를 구비한다.

도 7을 참조하면, 하우징(15)의 일 부위에 유로면적이 좁아지는 축소경부(40)가 마련된다.

축소경부(40)는 하우징(15) 일 부위의 두께를 크게 하여 형성할 수 있다. 도시된 예에서 하우징(15)의 내측 방향으로 돌출된 형태로 축소경부(40)가 형성된다. 이러한 축소경부(40)에 의해 단면적이 좁아지는 축소유로(45)가 하우징(15)의 내부에 형성된다.

축소경부(40)는 유로를 통과하는 유체의 흐름을 변화시켜 혼합효율을 높인다. 즉, 축소경부(40)에서 와류를 발생시킴으로써 유로의 가장자리에 형성되는 층류를 감소시키는 기능을 한다.

상술한 축소경부는 하우징에 하나가 형성되거나, 일정 간격으로 다수가 형성될 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 층류감소수단을 도 8 내지 도 10에 도시하고 있다.

도 8 내지 도 10을 참조하면, 층류감소수단은 하우징(15)의 내부에 설치된다. 가령, 2개의 혼합부재(5)의 사이에 설치된다.

도시된 층류감소수단은 하우징(15)의 내부에 설치되어 혼합부재(5)를 통과한 유체의 흐름을 좁히는 수렴부재(50)와, 수렴부재(50)를 통과한 유체와 충돌하여 다수의 경로로 분산시키는 충돌부재(60)를 구비한다.

수렴부재(50)는 유로를 가로막도록 설치되며 전후방향으로 관통하는 수렴홀(53)이 형성된 격벽(51)과, 격벽(51)의 후면에 돌출되게 형성되며 수렴홀(53)과 연결되는 가이드관(55)을 구비한다.

격벽(51)은 원형으로 이루어져 하우징(15)의 내부에 삽입되어 유로를 가로막도록 설치된다. 격벽(51)의 외주면과 하우징(15)의 내주면 사이로 유체가 흐를 수 없도록 격벽(51)의 외주면은 하우징(15)의 내주면과 밀착되도록 격벽이 설치된다.

격벽(51)의 중심에는 원형의 수렴홀(53)이 형성된다. 수렴홀(53)은 전면에서 후면방향으로 관통하여 형성된다.

가이드관(55)은 격벽(51)의 후면에 돌출되게 형성된다. 가이드관(55)은 격벽(51)의 수렴홀(53)을 통과한 유체의 흐름을 후술할 충돌홈(63)의 방향으로 안내하기 위함이다. 가이드관(55)은 내부가 비어있는 중공구조로 이루어진다. 가이드관(55)의 내부 빈 공간은 수렴홀(53)과 연결된다. 따라서 격벽의 수렴홀(53)로 유입된 유체는 가이드관(55)을 통해 격벽(51)으로 후방으로 이동한다.

도시된 예에서 가이드관(55)의 외주면에는 바깥으로 돌출된 걸림부(57)가 마련된다. 이는 후술할 충돌홈(63)에 가이드관(55)의 삽입시 가이드관(55)이 일정 깊이 이상 삽입되는 것을 방지하기 위함이다.

충돌부재(60)는 가이드관(55)의 출구를 통해 배출되는 유체와 충돌하여 유체를 분산 및 혼합시키는 역할을 한다.

충돌부재(60)는 하우징(15)의 유로를 가로막도록 설치되는 몸체(51)와, 몸체(51)에 형성되며 가이드관(55)을 통과한 유체가 충돌하는 충돌홈(63)과, 상기 몸체(51)에 전후 방향으로 관통되어 형성되며 상기 충돌홈(63)의 주위에 다수 배치되는 분산통로(65)를 구비한다.

몸체(51)는 원형으로 이루어져 하우징(15)의 내부에 삽입되어 유로를 가로막도록 설치된다. 몸체(51)의 외주면과 하우징(15)의 내주면 사이로 유체가 흐를 수 없도록 몸체(51)의 외주면은 하우징(15)의 내주면과 밀착되도록 몸체(51)가 설치된다.

충돌홈(63)은 가이드관(55)의 단부와 대응되는 위치에 형성된다. 따라서 충돌홈(63)은 몸체(61)의 중심에 형성된다. 충돌홈(63)으로 가이드관(55)의 단부가 삽입된 형태로 수렴부재(50)와 충돌부재(60)는 결합된다.

충돌홈(63)은 몸체(61)의 전면에서 후면방향으로 일정 깊이 인입된 형태로 형성된다. 충돌홈(63)은 직경은 가이드관(55)의 외경보다는 크고, 걸림부(57)의 외경보다는 작게 형성된다. 따라서 가이드관(55)의 단부가 충돌홈(63)에 삽입될 경우 걸림부(57)에 의해 가이드관(55)이 일정 깊이 이상 삽입되는 것을 방지한다.

분산통로(65)는 충돌홈(63)의 주위에 다수가 마련된다. 분산통로(65)는 몸체(61)의 전면에서 후면방향으로 관통하여 형성된다. 분산통로(65)에 의해 유체는 다수의 흐름으로 분산되어 이동한다.

몸체(61)의 전면에는 충돌홈(63)과 분산통로(65)를 연결하는 연결그루브(67)가 형성된다. 연결그루부(67)는 몸체(61)의 전면에서 후면방향으로 일정 깊이 인입되어 형성된다. 연결그루부(67)는 충돌홈(63)보다 더 깊지 않게 형성된다. 연결그루브(67)는 충돌홈(63)과 분산통로(65)를 연결하는 채널역할을 한다.

상술한 수렴부재(50)와 충돌부재(60)는 하우징(15)의 한 곳에 설치하거나, 둘 이상의 부위에 일정 간격으로 설치할 수 있음은 물론이다.

상기와 같이 수렴부재(50)를 통해 유체를 수렴홀(53)로 통과시킴으로써 유체의 흐름을 좁은 통로로 수렴시킬 수 있다. 그리고 유체를 충돌부재(60)에 충돌시킨 다음 다수의 분산통로(65)로 분산시킨다. 이와 같이 혼합부재(5)를 통과하면서 1차로 혼합된 유체를 수렴과 분산과정을 통해 다시 혼합하므로 층류를 감소시키고 혼합효율을 크게 향상시킬 수 있다.

충돌부재를 통과한 유체는 다시 혼합부재를 통과하면서 하우징의 출구를 통해 배출된다.

한편, 도 11에 도시된 바와 같이 충돌홈(63)에 간섭부재(70)가 설치될 수 있다. 이 경우 충돌홈(63)으로 유입된 유체와 충돌하면서 간섭부재(70)는 충돌홈(63) 내에서 유동한다. 유동하는 간섭부재(70)는 유체와 충돌하면서 유체의 흐름을 방해하여 유체의 혼합효율을 향상시킬 수 있다. 도시된 예에서 간섭부재(70)는 구 형상으로 이루어진다. 간섭부재(70)가 가이드관(55)의 수렴홀(53)로 유출되는 것을 방지하기 위해 간섭부재(70)의 크기를 수렴홀(53)의 크기보다 더 크게 형성하거나, 수렴홀(53)의 내부에 망을 설치할 수 있다. 또한, 간섭부재(70)를 충돌홈(63) 내에 고정된 상태로 설치할 수 있다.

그리고 유동하는 간섭부재(80)로 스프링 구조를 적용한 모습을 도 12에 나타내고 있다. 또한, 구 형상이나 스프링 형상 외에도 간섭부재로 원기둥형, 다각형, 파이프형 등 다양한 형상을 적용할 수 있음은 물론이다.

그리고 도시되지 않았지만 구형의 간섭부재 또는 스프링 구조의 간섭부재(80)를 충돌홈(63) 내에 고정된 상태로 설치할 수 있음은 물론이다.

도 13은 링 형상의 간섭부재(90)가 충돌홈(63) 내에 설치된 예를 도시하고 있다. 이 경우 간섭부재(90)는 충돌홈(63)의 입구에서부터 일정 간격으로 다수가 설치된다.

이상, 본 발명은 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 보호 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 정해져야 할 것이다.

10: 스태틱 믹서 15: 하우징
17: 유로 20: 층류감소수단
25: 간섭깃 30: 확대경부
40: 축소경부 50: 수렴부재
60: 충돌부재

Claims (8)

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6. 유체가 이동할 수 있는 유로가 내부에 형성된 하우징과;
   상기 유로상에 설치되며 상기 유로를 통과하는 적어도 2 이상의 유체를 혼합시키기 위한 혼합부재와;
   상기 유로의 가장자리에 형성되는 층류를 감소시키기 위한 층류감소수단;을 구비하고,
   상기 층류감소수단은 상기 하우징의 내부에 설치되어 상기 혼합부재를 통과한 유체의 흐름을 좁히는 수렴부재와, 상기 수렴부재를 통과한 유체와 충돌하여 다수의 경로로 분산시키는 충돌부재를 구비하며,
   상기 수렴부재는 상기 유로를 가로막도록 설치되며 전후방향으로 관통하는 수렴홀이 형성된 격벽과, 상기 격벽의 후면에 돌출되게 형성되며 상기 수렴홀과 연결되는 가이드관을 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합효율이 개선된 스태틱 믹서.
7. 제 6항에 있어서, 상기 충돌부재는 상기 유로를 가로막도록 설치되는 몸체와, 상기 몸체에 형성되며 상기 가이드관을 통과한 유체가 충돌하는 충돌홈과, 상기 몸체에 전후 방향으로 관통되어 형성되며 상기 충돌홈의 주위에 다수 배치되는 분산통로와, 상기 몸체의 전면에 형성되어 상기 충돌홈과 상기 분산통로를 연결하는 연결그루브를 구비하는 것을 특징으로 하는 혼합효율이 개선된 스태틱 믹서.
8. 제 7항에 있어서, 상기 충돌홈에는 상기 충돌홈으로 유입된 유체와 충돌하면서 흐름을 방해하는 간섭부재가 설치된 것을 특징으로 하는 혼합효율이 개선된 스태틱 믹서.
   

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