KR101792313B1 - 혼합 노즐 및 이를 포함하는 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 혼합 노즐 및 이를 포함하는 반응기에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 유동공간과 제1 유동공간을 둘러싸는 제2 유동공간 및 제2 유동공간을 둘러싸는 제3 유동공간을 포함하고, 각각의 유동공간이 격리된 상태에서 해당 유동공간을 유동하는 물질이 축 방향을 따라 개별적으로 유동하도록 마련된 개별 유동부; 제2 유동공간을 유동하는 물질을 축 방향을 중심으로 선회시키기 위하여 제2 유동 공간에 마련된 제1 선회 유도부; 및 개별 유동부를 통과한 각각의 물질이 합류한 상태로 유동하기 위한 혼합 유동부를 포함하는 혼합 노즐이 제공된다.

Description

혼합 노즐 및 이를 포함하는 반응기{Mixing nozzle and reactor comprising the same}

본 발명은 혼합 노즐 및 이를 포함하는 반응기에 관한 것으로, 특히 액적 분사를 위한 혼합 노즐 및 이를 포함하는 반응기에 관한 것이다.

일반적으로 액적을 외부로 분사하기 위한 혼합 노즐로는 액체와 기체가 각각 유입된다. 예를 들어, 혼합 노즐의 중심부에는 액체가 주입되어, 혼합 노즐의 축 방향을 따라 유동하고, 혼합 노즐의 둘레부에는 기체가 주입되어 혼합 노즐의 축 방향을 따라 유동한다. 여기서 기체와 액체의 계면은 혼합 노즐에 형성된 속도장에 의해 불안정해지고, 이에 따라 기액 계면이 끊어져 액적이 생성된다.

한편, 혼합 노즐에서 유동 속도가 빠를수록 액적 생성에 유리하다. 이에 따라 액체와 기체 사이의 접촉 시간이 한정되고, 혼합이 효과적으로 이루어지지 않는 문제가 발생한다.

따라서, 혼합 노즐로 유입되는 2종 이상의 물질 간의 혼합이 용이하게 이루어질 수 있는 새로운 구조가 요구된다.

본 발명은 기체와 액체 또는 여러 종류의 물질 간의 혼합을 효과적으로 수행할 수 있는 혼합 노즐 및 이를 포함하는 반응기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 제1 유동공간과 제1 유동공간을 둘러싸는 제2 유동공간 및 제2 유동공간을 둘러싸는 제3 유동공간을 포함하고, 각각의 유동공간이 격리된 상태에서 해당 유동공간을 유동하는 물질이 축 방향을 따라 개별적으로 유동하도록 마련된 개별 유동부; 제2 유동공간을 유동하는 물질을 축 방향을 중심으로 선회시키기 위하여 제2 유동 공간에 마련된 제1 선회 유도부; 및 개별 유동부를 통과한 각각의 물질이 합류한 상태로 유동하기 위한 혼합 유동부를 포함하는 혼합 노즐이 제공된다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 혼합 노즐과 혼합 노즐의 제1 및 제3 유동공간으로 기체를 각각 공급하고, 제2 유동공간으로 액체를 공급하기 위한 공급부 및 혼합 노즐의 혼합 유동부를 통과한 유체가 공급되기 위한 챔버를 포함하는 반응기가 제공된다.

또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 제1 물질과 제1 물질보다 낮은 밀도를 갖는 제2 물질이 각각 다른 물질과 격리된 상태에서 축 방향을 따라 개별적으로 유동하도록 제1 및 제2 유동공간이 각각 마련된 개별 유동부; 제1 물질을 축 방향을 중심으로 선회시키기 위하여 제1 유동 공간에 마련된 제1 선회유도부; 및 개별 유동부를 통과한 제1 및 제2 물질이 합류한 상태로 유동하기 위한 혼합 유동부를 포함하는 혼합 노즐이 제공된다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 적어도 일 실시예와 관련된 혼합 노즐 및 이를 포함하는 반응기는 다음과 같은 효과를 갖는다.

2종류의 이상의 물질이 개별적으로 유동되는 과정에서 적어도 하나의 물질에 선회 방향의 속도 성분을 부여함으로써 회전하는 흐름을 생성할 수 있다. 이후, 회전하는 흐름을 갖는 물질과 나머지 물질이 혼합부에서 합류하게 된다. 또한, 합류된 이후에도 회전하는 흐름이 혼합부에서 지속적으로 유지됨에 따라 물질 간의 혼합이 개선되는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 혼합 노즐의 사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 혼합 노즐의 횡 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 혼합 노즐의 종 단면도이다.
도 4는 본 발명과 관련된 혼합 노즐의 선회 유도부들의 변형 실시예를 나타내는 개념도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 혼합 노즐의 작동상태를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 혼합 노즐 및 이를 포함하는 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.

또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 혼합 노즐의 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예와 관련된 혼합 노즐의 횡 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일 실시예와 관련된 혼합 노즐의 종 단면도이다.

본 발명의 일 실시예와 관련된 혼합 노즐(100)은 개별 유동부(110) 및 혼합 유동부(130)를 포함한다. 개별 유동부(110)에는 복수 개의 유동 공간이 마련되며, 각각의 유동공간을 통해 혼합이 이루어질 물질이 다른 물질과 격리된 상태에서 유동한다. 구체적으로, 개별 유동부(110)를 구성하는 복수 개의 유동공간은 다른 유동공간과 격리되도록 마련된다.

또한, 개별 유동부(110)를 통과한 각각의 물질은 혼합 유동부(130)에서 합류한다. 상기 혼합 유동부(130)를 통과하는 과정에서 물질 간의 혼합이 이루어지고, 혼합 유동부(130)를 통과한 물질은 반응기로 공급될 수 있다. 일 실시예로, 혼합 노즐(100)은 반응기의 원료 공급부를 구성할 수 있다.

또한, 상기 혼합 노즐(100)은 기체와 액체 같은 2종의 혼합을 위해 사용될 수 있고, 여러 종류의 물질 간의 혼합을 위해 사용될 수 있다. 또한, 개별 유동부(110)의 유동공간의 개수는 물질의 개수 및 종류에 따라 다양하게 결정될 수 있다.

일 실시예로, 상기 혼합 노즐(100)은 액적 분사를 위한 노즐일 수 있고, 상기 개별 유동부(110)로는 기체 및 액체가 각각 공급될 수 있다. 이러한 기체와 액체가 혼합 유동부(130)에서 합류하여, 혼합 유동부(130)를 유동하는 과정에서 액적이 생성될 수 있다.

구체적으로, 개별 유동부(110)는 제1 유동공간(111)과 제1 유동공간(111)을 둘러싸는 제2 유동공간(112) 및 제2 유동공간(112)을 둘러싸는 제3 유동공간(113)을 포함한다. 개별 유동부(110)는 원통 형상을 가질 수 있으며, 그 내부가 중심 축(C)을 기준으로 반경방향을 따라 측벽 등을 통해 복수 개의 유동 공간으로 구획된 구조를 갖는다. 일 실시예로, 축 방향에 수직하는 단면 형상을 살펴보면, 제1 유동공간(111)은 원형일 수 있고, 제2 및 제3 유동공간(112, 113)은 링 형상일 수 있다. 각 유동공간(111)의 직경과 단면 형상 및 유동 단면적은 유동하는 물질의 특성 및 혼합 특성을 고려하여 다양하게 결정될 수 있다.

또한, 상기 개별 유동부(110)는 각각의 유동공간(111 내지 113)이 격리된 상태에서 해당 유동공간을 유동하는 물질이 축 방향(C)을 따라 개별적으로 유동하도록 마련된다.

한편, 미설명 부호 F는 물질의 진행방향(유동방향)을 나타낸다. 여기서 각각의 유동공간(111 내지 113)을 유동하는 물질들은 축 방향(C)을 따라 개별 유동부(110)로부터 혼합 유동부(130)로 진행한다.

또한, 전술한 바와 같이, 혼합 유동부(130)는 개별 유동부(110)를 통과한 각각의 물질이 합류한 상태로 유동한다. 또한, 혼합 유동부(130)의 직경은 개별 유동부(110)의 전체 직경보다 작게 형성될 수 있다.

여기서, 중심축(C)에 수직하는 단면을 기준으로 혼합 유동부(130)를 살펴보면, 중심축(C)을 포함하는 중심부에는 제1 유동공간을 통과한 물질이 유동하고, 중심부에서 멀어지는 반경 방향을 따라 제2 및 제3 유동공간을 통과한 물질들이 차례로 축 방향(C)을 따라 유동한다. 제2 유동공간을 통과한 물질을 기준으로 살펴보면, 내측으로는 제1 유동공간을 통과한 물질이 유동하고, 외측으로는 제3 유동공간을 통과한 물질이 유동한다.

상기 혼합 노즐(100)은 제2 유동공간(112)을 유동하는 물질(L)을 축 방향(C)을 중심으로 선회시키기 위하여 제2 유동 공간(112)에 마련된 제1 선회 유도부(200)를 포함한다. 상기 제1 선회 유도부(200)는 개별 유동부(110)의 특정 영역에 마련될 수 있다.

구체적으로, 개별 유동부(110)는 혼합 유동부(130)을 향하는 방향(예를 들어, F)을 따라 적어도 하나의 유동공간(111 내지 113)의 유동 단면적이 감소하는 수렴 영역(120)을 포함할 수 있다. 여기서 제1 선회 유도부(200)는 수렴 영역(120)에 위치하도록 마련될 수 있다.

제1 선회 유도부(200)는 선회 방향 속도 성분을 부여하도록 회전 방향을 따라 비틀어진 복수 개의 유동 채널(210)을 포함할 수 있다. 여기서, 복수 개의 유동 채널(210)은 제2 유동공간(112)의 원주방향을 따라 동일한 간격으로 각각 마련될 수 있다. 또한, 각각의 유동 채널(210)은 모두 동일한 회전방향으로 비틀어질 수 있다.

도 3을 참조하면, 본 문서에서 회전 방향이라고 함은 시계 방향 또는 반시계 방향을 의미할 수 있다. 각각의 유동채널(210)은 축 방향(C)을 따라 소정의 길이만큼 연장되는 동시에 회전 방향을 따라 비틀어질 수 있다. 전술한 바와 같이, 각각의 유동 채널(210)은 수렴영역(120)에 마련되며, 이에 따라 각각의 유동 채널(210)은 중심축(C)을 향하는 방향 및 개별 유동부(110)의 원주방향을 따라 각각 비틀어질 수 있다.

이와는 다르게, 제1 선회유도부(200)는 선회 방향 속도 성분을 부여하도록 제2 유동공간(112)을 형성하는 면(둘레면)에 마련된 나선부를 포함할 수 있다.

도 4는 본 발명과 관련된 혼합 노즐(100)의 선회 유도부들(200, 300, 400)의 변형 실시예를 나타내는 개념도이다. 아래에서 설명될 제2 밀 제3 선회 유동부(300, 400)들은 제1 선회 유동부(200)와 같이 복수 개의 유동채널(210)을 포함하거나, 나선부를 포함할 수 있다.

도 3 및 도 4의 (a)를 참조하면, 혼합 노즐(100)은 제3 유동공간(113)을 유동하는 물질을 축 방향(C)을 중심으로 선회시키기 위하여 제3 유동 공간(113)에 마련된 제2 선회 유도부(300)를 추가로 포함할 수 있다.

여기서, 제1 선회 유도부(200) 및 제2 선회 유동부(300)는 제2 및 제3 유동공간(112, 113)을 유동하는 각각의 물질을 서로 반대 방향으로 회전시키도록 마련될 수 있다. 예를 들어, 제1 선회 유도부(200)는 제2 유동공간(112)을 유동하는 물질을 시계 방향으로 회전시키도록 마련될 수 있고, 제2 선회 유도부(300)는 제3 유동공간(113)을 유동하는 물질을 반시계 방향으로 회전시키도록 마련될 수 있다.

이와는 다르게, 제1 선회 유도부(200) 및 제2 선회 유동부(300)는 제2 및 제3 유동공간(112, 113)을 유동하는 각각의 물질을 동일한 방향으로 회전시키도록 마련될 수 있다.

또한, 혼합 노즐(100)은 축 방향(C)을 중심으로 선회시키기 위하여 제1 유동 공간(111)에 마련된 제3 선회 유도부(400)를 추가로 포함할 수 있다.

또한, 제1 내지 제3 선회 유도부(200, 300, 400) 중 적어도 2개의 선회 유도부는 유동하는 각각의 물질을 동일한 방향으로 회전시키도록 마련될 수 있다.

도 4의 (b)를 참조하면, 제1 선회 유도부(200) 및 제2 선회 유동부(300)는 제2 및 제3 유동공간(112, 113)을 유동하는 각각의 물질을 서로 반대 방향으로 회전시키도록 마련되고, 제2 선회 유도부(300) 및 제3 선회 유동부(400)는 제3 및 제1 유동공간(113, 111)을 유동하는 각각의 물질을 동일한 방향으로 회전시키도록 마련될 수 있다.

한편, 혼합 노즐(100)은 제1 및 제3 유동공간(111, 113)으로 기체(G1, G3)를 각각 공급하고, 제2 유동공간(112)으로 액체(L)를 공급하기 위한 공급부를 추가로 포함할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예와 관련된 혼합 노즐(100)의 작동상태를 설명하기 위한 시뮬레이션 결과이다.

도 5는 제1 및 제3 유동공간(111, 113)으로 기체(G1, G3)를 각각 공급하고, 제2 유동공간(112)으로 액체(L)를 공급된 상태에서, 액적을 생성하기 위한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 특히, 도 5의 (a)는 선회 유도부가 마련되지 않은 경우의 결과이고, 도 5의 (b)는 제1 선회 유도부(200)가 마련된 경우의 결과이다.

도 1 및 도 5를 참조하면, 진행방향(F)을 따라 진행하는 과정에서 액체 유동에 회전하는 흐름이 지속적으로 유지되고, 회전에 의한 원심력에 의해 액체와 기체 간의 접촉 확률이 높아짐에 따라 혼합이 개선되는 결과를 확인할 수 있다.

특히, 본 발명의 경우, 기체보다 밀도가 큰 액체 유동에 선회 흐름을 형성함에 따라 액적 생성에 유리한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명은 전술한 혼합 노즐(100)과 혼합 노즐(100)의 제1 및 제3 유동공간(111, 113)으로 기체를 각각 공급하고, 제2 유동공간(112)으로 액체를 공급하기 위한 공급부 및 혼합 노즐(100)의 혼합 유동부(130)를 통과한 유체가 공급되기 위한 반응기를 제공한다. 여기서, 혼합 노즐은 그 중심축(c)이 챔버의 중심 축 방향과 일치하도록 마련될 수 있다.

이와 같은 구조에서, 혼합 노즐(100)을 통과한 유체는 선회 흐름에 따른 원심력으로 챔버의 반경방향을 따라 분산되면서 공급될 수 있다.

지금까지는 3개의 유동공간을 예로 들어 설명하였으나, 본 발명은 이에 제한되지 않고, 다양하게 변형될 수 있다.

예를 들어, 혼합 노즐은 제1 물질과 제1 물질보다 낮은 밀도를 갖는 제2 물질이 각각 다른 물질과 격리된 상태에서 축 방향을 따라 개별적으로 유동하도록 제1 및 제2 유동공간이 각각 마련된 개별 유동부와 제1 물질을 축 방향을 중심으로 선회시키기 위하여 제1 유동 공간에 마련된 제1 선회 유도부 및 개별 유동부를 통과한 제1 및 제2 물질이 합류한 상태로 유동하기 위한 혼합 유동부를 포함한다.

이때 밀도가 높은 물질의 유동에 선회 흐름을 적용한다. 예를 들어, 제1 물질은 액체일 수 있고, 제2 물질은 기체일 수 있다.

또한, 전술한 바와 같이, 제1 선회 유도부는 제1 물질에 선회 방향 속도 성분을 부여하도록 회전 방향을 따라 비틀어진 복수 개의 유동 채널을 포함할 수 있다. 또한, 복수 개의 유동 채널은 제1 유동공간의 원주방향을 따라 동일한 간격으로 각각 마련될 수 있다. 이와는 다르게, 제1 선회 유도부는 제1 물질에 선회 방향 속도 성분을 부여하도록 제1 유동공간을 형성하는 면에 마련된 나선부를 포함할 수 있다.

한편, 혼합 노즐은 제2 물질을 축 방향을 중심으로 선회시키기 위하여 제2 유동 공간에 마련된 제2 선회 유도부를 추가로 포함할 수 있다.

여기서 제1 선회 유도부 및 제2 선회 유동부는 서로 반대 방향으로 제1 물질과 제2 물질을 각각 회전시키도록 마련될 수 있다.

이와는 다르게, 제1 선회 유도부 및 제2 선회 유동부는 동일한 방향으로 제1 물질과 제2 물질을 각각 회전시키도록 마련될 수 있다.

위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

100: 혼합 노즐
110: 개별 유동부
120: 수렴 영역
130: 혼합 유동부
200: 제1 선회 유도부
210: 유동 채널
300: 제2 선회 유도부
400: 제3 선회 유도부

Claims (20)

1. 제1 유동공간과 제1 유동공간을 둘러싸는 제2 유동공간 및 제2 유동공간을 둘러싸는 제3 유동공간을 포함하고, 각각의 유동공간이 격리된 상태에서 해당 유동공간을 유동하는 물질이 축 방향을 따라 개별적으로 유동하도록 마련된 개별 유동부;
   제2 유동공간을 유동하는 물질을 축 방향을 중심으로 선회시키기 위하여 제2 유동 공간에 마련된 제1 선회 유도부; 및
   개별 유동부를 통과한 각각의 물질이 합류한 상태로 유동하기 위한 혼합 유동부를 포함하며,
   개별 유동부는 혼합 유동부를 향하는 방향을 따라 적어도 하나의 유동공간의 유동 단면적이 감소하는 수렴 영역을 포함하고,
   제1 선회 유도부는 수렴 영역에 위치하도록 마련되며,
   제1 선회 유도부는 선회 방향 속도 성분을 부여하도록 회전 방향을 따라 비틀어진 복수 개의 유동 채널을 포함하고, 복수 개의 유동 채널은 제2 유동공간의 원주방향을 따라 동일한 간격으로 각각 마련된 혼합 노즐.
2. 제 1 항에 있어서,
   제3 유동공간을 유동하는 물질을 축 방향을 중심으로 선회시키기 위하여 제3 유동 공간에 마련된 제2 선회 유도부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 노즐.
3. 제 2 항에 있어서,
   제1 선회 유도부 및 제2 선회 유동부는 제2 및 제3 유동공간을 유동하는 각각의 물질을 서로 반대 방향으로 회전시키도록 마련됨을 특징으로 하는 혼합 노즐.
4. 제 2 항에 있어서,
   제1 선회 유도부 및 제2 선회 유동부는 제2 및 제3 유동공간을 유동하는 각각의 물질을 동일한 방향으로 회전시키도록 마련됨을 특징으로 하는 혼합 노즐.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제
8. 제 2 항에 있어서,
   축 방향을 중심으로 선회시키기 위하여 제1 유동 공간에 마련된 제3 선회 유도부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 노즐.
9. 제 8 항에 있어서,
   제1 내지 제3 선회 유도부 중 적어도 2개의 선회 유도부는 유동하는 각각의 물질을 동일한 방향으로 회전시키도록 마련됨을 특징으로 하는 혼합 노즐.
10. 제 8 항에 있어서,
    제1 선회 유도부 및 제2 선회 유동부는 제2 및 제3 유동공간을 유동하는 각각의 물질을 서로 반대 방향으로 회전시키도록 마련되고,
    제2 선회 유도부 및 제3 선회 유동부는 제3 및 제1 유동공간을 유동하는 각각의 물질을 동일한 방향으로 회전시키도록 마련됨을 특징으로 하는 혼합 노즐.
11. 삭제
12. 제 1 항에 있어서,
    제1 및 제3 유동공간으로 기체를 각각 공급하고, 제2 유동공간으로 액체를 공급하기 위한 공급부를 추가로 포함함을 특징으로 하는 혼합 노즐.
13. 제 1 항에 따른 혼합 노즐;
    혼합 노즐의 제1 및 제3 유동공간으로 기체를 각각 공급하고, 제2 유동공간으로 액체를 공급하기 위한 공급부; 및
    혼합 노즐의 혼합 유동부를 통과한 유체가 공급되기 위한 챔버를 포함하는 반응기.
14. 삭제
15. 삭제
16. 삭제
17. 삭제
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제

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