KR102097584B1 - Taylor reactor - Google Patents
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Abstract
지속적으로 테일러 유동을 유지 가능한 테일러 반응기가 개시된다. 본 발명의 구체예들에 따른 테일러 반응기는 반응물의 점도를 실시간으로 측정하고, 측정된 점도 데이터와 반응 챔버 내에서 테일러 유동이 유지되는 레이놀즈 수 범위를 기반으로 테일러 반응기의 최적 회전 속도 범위를 산출하고 이에 따라 이너 실린더의 회전 속도를 제어함으로써, 투입된 반응물의 혼합 상태나 화학 반응에 따른 상태가 변화하여도 반응기 내에서 테일러 유동을 유지할 수 있다.A Taylor reactor capable of continuously maintaining Taylor flow is disclosed. The Taylor reactor according to embodiments of the present invention measures the viscosity of a reactant in real time, and calculates an optimal rotation speed range of the Taylor reactor based on the measured viscosity data and the Reynolds number range in which Taylor flow is maintained in the reaction chamber. Accordingly, by controlling the rotational speed of the inner cylinder, it is possible to maintain the Taylor flow in the reactor even when the mixed state of the injected reactants or the state according to the chemical reaction changes.
Description
본 발명은 테일러 유동(Taylor flow)을 발생시키고 이를 이용하여 반응물을 혼합, 반응시키는 장치는 테일러 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응물이 혼합, 반응되는 동안 지속적으로 테일러 유동을 유지할 수 있는 테일러 반응기에 관한 것이다.The present invention relates to a Taylor reactor for generating a Taylor flow and mixing and reacting reactants using the Taylor flow, and more particularly, a Taylor reactor capable of continuously maintaining the Taylor flow while the reactants are mixed and reacted. It is about.
외부 실린더와 내부 실린더로 구성된 동심환형관 형태의 혼합용기에서 외부 실린더는 고정되어 있고 내부 실린더만 회전하는 경우, 회전 속도에 따라 테일러 유동(Taylor flow)이 발생한다. 그리고 테일러 유동을 이용하여 반응물을 혼합, 생산하는 장치를 테일러 반응기(Taylor Reactor)라고 한다. 테일러 반응기는 반응물들을 테일러 와류의 특성을 이용하여 균일한 생성물을 얻는데 이용된다. 혼합성이 우수하여 균일한 혼합 및 화학반응을 필요로 하는 다양한 산업분야에서 폭넓게 적용되고 있는 실정이다. When the outer cylinder is fixed and the inner cylinder is rotated in a concentric annular tube-shaped mixing container composed of an outer cylinder and an inner cylinder, Taylor flow occurs according to the rotational speed. And a device that mixes and produces reactants using a Taylor flow is called a Taylor Reactor. The Taylor reactor is used to obtain a uniform product using the properties of the Taylor vortex. Due to its excellent mixing properties, it is widely applied in various industrial fields requiring uniform mixing and chemical reaction.
테일러 반응기 내에서 생성되는 테일러 유동의 형태는 무차원 수인 테일러 수(Taylor number) 또는 레이놀즈 수(Reynolds number)에 따라 달라질 수 있다. 레이놀즈 수는 관성력, 점성력의 비를 의미하는 것으로, 주어진 유동 조건에서 두 종류의 힘의 상대적 중요도를 정량적으로 나타내는 지표다. 예를 들어 테일러 반응기에서 레이놀즈 수가 특정값보다 아래에 있는 경우 테일러 반응기 내에서는 Circular Couette Flow(CCF) 유동을 형성한다. 이어 테일러 반응기의 내부 실린더의 회전속도가 증가하고, 이에 따라 레이놀즈 수가 특정값을 넘어서면 테일러 반응기 내의 유동은 Taylor Vortex Flow(TVF)를 형성한다. 즉 두 개의 와류가 한 쌍을 이루며 역방향으로 회전하는 와류들이 반응기의 축 방향으로 연속적으로 생성되는 식이다. The shape of the Taylor flow generated in the Taylor reactor may vary depending on the Taylor number or Reynolds number, which is a dimensionless number. The Reynolds number means the ratio of inertial force and viscous force, and is an index quantitatively indicating the relative importance of two kinds of forces under a given flow condition. For example, when the Reynolds number is lower than a specific value in the Taylor reactor, a circular Couette Flow (CCF) flow is formed in the Taylor reactor. Then, the rotation speed of the inner cylinder of the Taylor reactor increases, and accordingly, when the Reynolds number exceeds a specific value, the flow in the Taylor reactor forms Taylor Vortex Flow (TVF). That is, two vortices are paired and vortices rotating in the opposite direction are continuously generated in the axial direction of the reactor.
문제는 테일러 반응기 내에서 형성되는 테일러 유동의 크기, 속도, 압력 등은 양질의 미세혼합을 위해 중요한 요소이지만, 구체적인 측정이나 평가가 어렵다는 데에 있다. 예컨대 현재 통상적으로 이용되는 테일러 반응기에서는 내부 실린더의 회전속도를 초기에 설정하도록 이루어지며, 반응기의 회전속도는 반응기의 구동의 시작점에서부터 구동이 종료될 때까지 설정된 회전속도로 유지된다. 하지만 투입된 반응물들이 테일러 반응기 내에서 혼합 내지 화학 반응을 일으키면서 전체 반응물의 밀도나 점도가 시간에 따라 변화하는 것이 일반적이므로, 초기 설정된 회전속도를 반응 내내 유지하는 것은 보다 균일한 혼합 및 화학반응을 일으키는 데 한계가 있다. 반응물의 밀도나 점도 변화에 따라 레이놀즈 수가 변화하기 때문이다. The problem is that the size, velocity, and pressure of the Taylor flow formed in the Taylor reactor are important factors for good quality micromixing, but it is difficult to measure or evaluate concretely. For example, in the currently used Taylor reactor, the rotational speed of the inner cylinder is initially set, and the rotational speed of the reactor is maintained at the set rotational speed from the starting point of the driving of the reactor to completion of the driving. However, since the injected reactants cause mixing or chemical reaction in the Taylor reactor, the density or viscosity of the entire reactant is generally changed over time, so maintaining the initially set rotational speed throughout the reaction causes more uniform mixing and chemical reaction. There is a limit. This is because the Reynolds number varies depending on the density or viscosity of the reactant.
따라서 상술한 문제점을 해결함으로써 테일러 반응기에서 보다 균일한 혼합 및 화학반응을 일으킬 필요성이 있다.Therefore, by solving the above-mentioned problems, there is a need to cause more uniform mixing and chemical reaction in the Taylor reactor.
본 발명은 투입된 반응물의 혼합 상태나 화학 반응 과정에 따라 테일러 반응기의 회전속도를 제어함으로써 반응기가 구동하는 내내 테일러 유동을 유지할 수 있는 테일러 반응기를 제공하고자 한다.The present invention is to provide a Taylor reactor capable of maintaining the Taylor flow throughout the reactor by controlling the rotational speed of the Taylor reactor according to the mixed state of the reactants or chemical reaction process.
본 발명의 일 측면에 따르면, 원형단면의 내부 공간을 가지며 1 이상의 반응물 주입포트, 1 이상의 보조포트 및 1 이상의 반응물 배출포트가 형성되는 비 회전체인 아우터 실린더와, 아우터 실린더와 동심상에 회전가능하도록 아우터 실린더 내부에 설치되는 것으로, 외주면과 아우터 실린더 내주면 사이에 반응 공간을 형성하는 이너 실린더와, 이너 실린더를 회전시키도록 아우터 실린더 일측에 배치되는 교반모터와, 보조포트 및 반응물 배출포트들 중 1 이상에 연결되어 반응물이 주입되고 난 후 기 결정된 시간이 경과한 후에 반응물의 점도를 실시간으로 측정하는 점도측정부와, 점도측정부로부터 측정된 점도 데이터를 실시간으로 수신하고, 상기 점도 데이터를 기반으로 상기 반응 공간 내에서 테일러 유동(Taylor Vortex Flow, TVF)이 유지되는 레이놀즈 수(Reynolds number) 범위 내의 레이놀즈 수 값을 갖도록 하는 이너 실린더의 최적 회전 속도 범위를 반응물의 점도 변화에 따라 산출하는 연산부와, 연산부로부터 산출된 최적 회전 속도 범위 내로 이너 실린더를 회전시키도록 제어신호를 생성하여 교반모터로 전송함으로써 이너 실린더의 회전 속도를 실시간으로 제어하는 제어부를 포함하는 테일러 반응기가 제공될 수 있다. According to one aspect of the present invention, the outer cylinder having an inner space of a circular cross section and having one or more reactant injection ports, one or more auxiliary ports, and one or more reactant discharge ports is formed, and the outer cylinder is rotatable concentrically with the outer cylinder To be installed inside the outer cylinder, the inner cylinder forming a reaction space between the outer circumferential surface and the inner circumferential surface of the outer cylinder, and the stirring motor disposed on one side of the outer cylinder to rotate the inner cylinder, auxiliary port and reactant discharge port 1 Connected to the above, after a predetermined time elapses after the reactant is injected, the viscosity measuring unit measures the viscosity of the reactant in real time, and receives the viscosity data measured from the viscosity measuring unit in real time, and based on the viscosity data. Reynolds in which Taylor Vortex Flow (TVF) is maintained in the reaction space The calculation unit calculates the optimum rotational speed range of the inner cylinder having a Reynolds number value within the Reynolds number range according to the viscosity change of the reactant, and a control signal to rotate the inner cylinder within the optimum rotational speed range calculated from the calculation unit. By creating and transmitting to the stirring motor, a Taylor reactor including a control unit for controlling the rotational speed of the inner cylinder in real time can be provided.
본 발명의 구체예들에 따른 테일러 반응기는 반응물의 점도를 실시간으로 측정하고, 측정된 점도 데이터와 반응 챔버 내에서 테일러 유동이 유지되는 레이놀즈 수 범위를 기반으로 테일러 반응기의 최적 회전 속도 범위를 산출하고 이에 따라 이너 실린더의 회전 속도를 제어함으로써, 투입된 반응물의 혼합 상태나 화학 반응에 따른 상태가 변화하여도 반응기 내에서 테일러 유동을 유지할 수 있다. 따라서 보다 균일한 혼합 및 화학반응을 일으킬 수 있다.The Taylor reactor according to embodiments of the present invention measures the viscosity of a reactant in real time, and calculates an optimal rotation speed range of the Taylor reactor based on the measured viscosity data and the Reynolds number range in which Taylor flow is maintained in the reaction chamber. Accordingly, by controlling the rotational speed of the inner cylinder, it is possible to maintain the Taylor flow in the reactor even when the mixed state of the injected reactants or the state according to the chemical reaction changes. Therefore, more uniform mixing and chemical reactions may occur.
도 1은 테일러 반응기를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 테일러 반응기의 사시도이다.
도 3은 도 2의 테일러 반응기의 주요 구성요소를 나타내는 도면이다.
도 4는 비교예와 실시예의 내부 유동 상태를 나타내는 시뮬레이션의 결과를 도시한 도면이다.1 is a view schematically showing a Taylor reactor.
2 is a perspective view of a Taylor reactor according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a view showing the main components of the Taylor reactor of FIG. 2.
4 is a view showing the results of a simulation showing the internal flow state of the comparative example and the example.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명한다. 하기의 설명은 본 발명을 구체적인 예시를 들어 기술하는 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 기술적 사상이 하기의 설명에 한정되는 것은 아니다. 그리고 첨부된 도면은 본 발명의 이해를 돕기 위해 제공되는 것으로, 본 발명의 기술적 사상은 첨부된 도면에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 각 부재의 두께나 크기 등은 설명의 편의 등을 위해 과장, 생략, 개략적으로 도시될 수 있다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. The following description should be understood as describing the present invention with specific examples, and the technical spirit of the present invention is not limited to the following description. And the accompanying drawings are provided to help the understanding of the present invention, the technical spirit of the present invention is not limited to the accompanying drawings. In addition, in the drawings, the thickness or size of each member may be exaggerated, omitted, or schematically illustrated for convenience of description.
본 명세서에 기재된 본 발명 구조에 대한 설명에서 위치관계나 방향은 특별히 언급하지 않는 한, 본 명세서에 첨부된 도면을 기준으로 한다.In the description of the structure of the present invention described in the present specification, the positional relationship or direction is based on the drawings attached to the present specification, unless otherwise specified.
본 명세서에 기재된 본 발명 구조에 대한 설명에서 공간에 대한 설명이나 위치관계에 대한 설명은 본 발명을 이루는 구성요소들 간의 상대적인 위치를 의미한다. 또한 특별히 언급하지 않는 한, 하나의 구성요소와 다른 구성요소 사이의 공간에는 또 다른 구성요소가 존재할 수 있다. 예를 들어 본 명세서에서 하나의 구성요소의 "상부에" 또는 "위에" 다른 구성요소가 위치함을 언급하는 경우, 하나의 구성요소의 바로 위에 다른 구성요소가 위치하는 경우 뿐만 아니라, 하나의 구성요소와 다른 구성요소들 사이에 또 다른 구성요소가 위치하는 경우까지를 포함한다.In the description of the structure of the present invention described in the present specification, the description of the space or the description of the positional relationship means a relative position between elements constituting the present invention. Also, unless otherwise specified, another component may exist in a space between one component and another component. For example, in the present specification, when referring to the "above" or "above" another component of one component, as well as when the other component is located directly above one component, one component Including the case where another element is located between the element and other elements.
도 1은 테일러 반응기를 개략적으로 도시한 도면이다. 도 1을 참조하여 통상의 테일러 반응기에 대하여 간략하게 설명한다. 테일러 반응기는 중심이 같은 두 개의 실린더, 아우터 실린더(10)와 이너 실린더(20)를 포함한다. 여기에서 이너 실린더(20)는 아우터 실린더(10) 내부에 설치된다. 아우터 실린더(10)는 고정 설치되고, 이너 실린더(20)는 회전 가능하도록 설치된다. 이를 위해 이너 실린더(20)의 회전축(미표기)은 테일러 반응기 외부에 위치하는 회전구동부(30)에 연결된다. 회전구동부(30)는 모터 등의 구동원을 포함할 수 있다. 회전구동부(30)의 구동에 의해 이너 실린더(20)는 회전축을 따라 회전한다. 1 is a view schematically showing a Taylor reactor. A typical Taylor reactor will be briefly described with reference to FIG. 1. The Taylor reactor includes two cylinders having the same center, the
아우터 실린더(10)에는 1 이상의 반응물 주입포트(13)와 1 이상의 반응물 배출포트(14)가 형성된다. 반응물 주입포트(13)를 통해 반응물들이 주입된다. 주입된 반응물들은 아우터 실린더(10)의 내부면과 이너 실린더(20)의 외부면 사이에 마련되는 공간에 위치된다. 이너 실린더(20)의 회전에 따라 아우터 실린더(10)와 이너 실린더(20) 사이의 공간에서는 유동이 생성되며, 생성된 유동에 의해 반응물들이 혼합되거나 화학 반응을 일으킨다. 반응이 종료된 반응물들은 반응물 배출포트(14)를 통해 배출될 수 있다. 이와 같은 테일러 반응기는 반응물질이 주입됨과 동시에 반응기가 작동되어 입구에서부터 혼합된 생성물이 출구에 도달하기까지 연속적으로 반응이 진행될 수 있다. 즉, 주입과 배출이 동시에 이루어지기 때문에 정체 영역이 생기지 않는 연속식 반응기이다. 이는 반응물질을 한꺼번에 주입하고 충분한 혼합시간이 지난 후에 생성물을 얻는 비연속식 반응기인 회분식 반응기에 비해 균일하고 양질의 생성물을 생성할 수 있을 뿐더러 공정 편의성을 제공한다는 점에서 유리하다. One or more
테일러 반응기 내의 유동특성에 대해 설명한다. 테일러 반응기 내에서의 유동의 형태는 레이놀즈 수(Reynolds number)에 따라 각기 다른 양상을 보인다. 축 방향 속도가 없는 테일러 반응기에서 레이놀즈 수가 제1 값보다 작은 경우에 유동은 Circular Couette flow(CCF)를 형성한다. 이너 실린더(20)의 회전속도가 증가함에 따라 레이놀즈 수가 제1 값을 넘어서는 경우, 테일러 반응기 내의 유동은 Taylor Vortex Flow(TVF)를 형성한다. TVF는 두 개의 와류가 한 쌍을 이루며 역방향으로 회전하는 와류들이 반응기의 축 방향으로 연속적으로 생성되는 양상이다. 구체적으로는 이너 실린더(20)의 회전에 의해 아우터 실린더(10)와 이너 실린더(20) 사이의 공간에서 회전방향으로의 흐름이 발생하며, 이러한 흐름에 의해 원심력과 코리올리힘(Coriolis force)을 받아 반응물(유체)들이 아우터 실린더(10) 방향으로 이동하려는 경향을 보이고 유체가 불안정하게 되어 회전축 방향에 따라 규칙적이면서도 서로 반대 되는 방향으로 회전하려는 고리쌍 배열의 와류(도 1 하부 도면에서 T로 표기함)가 형성되는 것이다. 한편, 레이놀즈 수가 제1 값보다 큰 제2 값을 넘어서는 경우, 반응기의 둘레를 따라 물결 모양의 유동이 형성되며 이를 Wavy Vortex Flow(WVF)라 한다. 나아가 레이놀즈 수가 제2 값보다 큰 제3 값을 넘어서는 경우 Turbulent Taylor Vortex Flow(TTVF)라 불리는 유동으로 변하게 되며 부분적으로 불규칙한 와류가 형성된다. 이렇듯 레이놀즈 수에 따라 테일러 반응기 내에서는 다양한 형태의 유동이 생성되며, 이 중 테일러 유동(TVF)은 연속적인 띠고리 회전유동을 만들어서 균일한 전단응력에 반응하는 물질들에 적용됨으로써 미세혼합공정(Micromixing), 그래핀 박리 또는 세포분리 등과 같은 공정을 수행할 수 있다. 따라서 테일러 반응기에서 반응이 진행되는 동안 테일러 유동을 균일하게 유지하는 것이 매우 중요하다. The flow characteristics in the Taylor reactor will be described. The shape of the flow in the Taylor reactor varies depending on the Reynolds number. In a Taylor reactor without axial velocity, the flow forms a circular couette flow (CCF) when the Reynolds number is less than the first value. When the Reynolds number exceeds the first value as the rotational speed of the
도 2는 본 발명의 일 구체예에 따른 테일러 반응기의 사시도이고, 도 3은 도 2의 테일러 반응기의 주요 구성요소를 나타내는 도면이다. 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 구체예들에 다른 테일러 반응기에 대하여 설명한다. Figure 2 is a perspective view of a Taylor reactor according to an embodiment of the present invention, Figure 3 is a view showing the main components of the Taylor reactor of Figure 2; Another Taylor reactor according to embodiments of the present invention will be described with reference to FIGS. 2 and 3.
본 발명의 구체예들에 따른 테일러 반응기는 반응기 몸체(100)와, 점도측정부(110)와, 연산부(120)와, 제어부(130)를 포함한다. The Taylor reactor according to embodiments of the present invention includes a
반응기 몸체(100)는 아우터 실린더(10), 이너 실린더(20), 교반모터(30)를 포함한다. 아우터 실린더(10)는 원형단면의 내부 공간을 갖는다. 이너 실린더(20, 도 1 참조)는 아우터 실린더(10)와 동심상에 회전가능하도록 아우터 실린더(10) 내부에 설치된다. 이 때, 이너 실린더(20)의 외주면과 아우터 실린더(10)의 내주면 사이에는 반응 공간이 형성된다. 교반모터(30)는 이너 실린더(20)를 회전시키도록 아우터 실린더(10) 일측에 배치된다. 일 구체예에 있어서, 교반모터(30)는 직류전압조절기 등에 의해 10~2000rpm 범위 내에서 이너 실린더(20)의 회전속도를 조절할 수 있는 변속형 교반모터이다. The
아우터 실린더(10)에는 1 이상의 반응물 주입포트(13), 1 이상의 보조포트(15), 1 이상의 반응물 배출포트(14)가 형성될 수 있다. 반응물 주입포트(13), 보조포트(15) 및 반응물 배출포트(14)는 모두 이너 실린더(20)와 아우터 실린더(10) 사이에 형성되는 반응 공간과 연통되도록 형성된다. 일 구체예에 있어서 아우터 실린더(10)의 외부에 일정간격을 두고 다수의 플랜지부(12)가 형성될 수 있으며, 이 때 반응물 주입포트(13)는 플랜지부(12)에 1 이상 형성될 수 있다. 보조포트(15)는 필요에 따라 다양한 용도로 활용되기 위한 잉여 포트에 해당한다. 예를 들어 보조포트(15)는 반응물 주입포트로 사용될 수 있고, 유량감지센서를 설치하기 위한 포트로 사용될 수 있고, 반응물의 샘플링 작업용으로도 사용될 수 있다. 물론 특별한 쓰임새가 없는 경우에는 차단판에 의해 폐쇄 처리될 수도 있다. 반응물 배출포트(14)로는 반응물 결과물이 배출되는 포트다. The
본 발명의 구체예들에 따른 반응기 몸체(100)는 한국등록특허 제10-1092337호에 개시된 결정분리장치와 동일 또는 유사하게 구성될 수 있는 바, 더 이상의 구체적인 설명은 생략하도록 한다. 한편, 도 2에서 미설명된 부호들을 개략적으로 언급하면 80은 제1 서포터, 80a는 제2 서포터로 반응기 몸체(100)를 하부에서 지지한다. 제1 서포터(80)는 서포트 패널(81)과, 서포트 패널(81)의 하부에 설치되는 구름롤러(82)를 포함하며, 이를 통해 반응기 몸체(100)를 이동시킬 수 있다. 11a는 반응물 드레인포트로 반응기를 청소할 때, 반응기 내에 있는 유체들을 외부로 배출시키는 용도로 사용될 수 있다. The
점도측정부(110)는 보조포트(15) 및 반응물 배출포트(14)들 중 1 이상에 연결되어 반응물의 점도를 실시간으로 측정한다. 점도는 유체의 유동적 성질을 지배하는 중요한 물리량으로, 흐름의 각 지점에서 유체의 속도가 다를 경우 분자끼리의 충돌이나 분자간 상호작용에 의해 운동량의 흐름이 빠른 부분에서 느린 부분으로 이동하여 속도가 같아지고자 하는데, 이 때의 에너지 손실을 수반하는 과정을 의미한다. 이하, 점도측정부(110)에서 측정된 반응물의 실시간 점도를 점도 데이터라고 명명한다. 보조포트(15) 및 반응물 배출포트(14)는 이너 실린더(20)와 아우터 실린더(10) 사이에 형성되는 반응 공간과 연통되므로, 점도측정부(110)는 보조포트(15) 또는 반응물 배출포트(14)를 통해 상기 반응 공간에 위치하는 반응물의 점도를 측정할 수 있다. 점도측정부(110)는 반응 공간에 위치하는 반응물의 점도를 측정할 수 있으면 되고, 특정 구성으로 한정되는 것은 아니다. 점도측정부(110)는 세관식 점도계, 회전식 점도계, 낙체식 점도계, 진동식 점도계 등이 이용될 수 있다. 각 점도계의 기술 원리 및 세부 기술적 사항은 당업계에 알려져 있으므로, 구체적인 설명은 생략하도록 한다. The
일 구체예에 있어서, 점도측정부(110)는 보조포트(15) 및 반응물 배출포트(14)에 착탈 가능하도록 형성되는 몸체부와, 몸체부에 배치되는 모세관과, 모세관에 인접하여 배치되는 1 이상의 센서를 포함할 수 있다. 예컨대 모세관은 유리로 형성될 수 있으며, 내경과 외경이 밀리미터급 크기를 갖도록 형성될 수 있다. 점도측정부(110)는 모세관을 통해 반응물을 흡입하고 이 때 모세관을 통과하는 체적유량과 모세관 전후의 차압을 센서들을 이용하여 측정함으로써 반응물의 점도를 실시간으로 측정할 수 있다. In one embodiment, the
점도측정부(110)는 점도 데이터를 연산부(120)로 송신하는 통신부(미도시)를 더 포함할 수 있다. 통신부는 연산부(120)와 유무선 통신이 가능한 모듈 형태로 구성될 수 있다. 무선 통신의 경우 인터넷, 무선 LAN/WAN과 같은 무선 네트워크, 블루투스, 와이파이 등을 예로 들 수 있다.The
본 발명의 구체예들에 따른 테일러 반응기에서 점도측정부(110)를 통해 반응물의 점도를 측정하는 이유는 다음과 같다. 상술한 것처럼 테일러 반응기 내에서의 유동의 형태는 레이놀즈 수에 따라 각기 다른 양상을 보인다. 레이놀즈 수는 관성력과 점성력의 비를 의미하는 것으로 보다 구체적으로는 유체의 밀도, 유동의 평균 속도, 특성길이(characteristic length)에 비례하고, 유체의 점도에 반비례하는 특성이 있다. 테일러 반응기 내에 특정 유체를 투입함에 있어, 레이놀즈 수에 영향을 미치는 변수들 중에서 유체의 밀도, 특성길이, 유체의 점도는 상기 특정 유체에 따라 정해지는 상수에 가깝다. 따라서 이너 실린더의 회전속도가 일정 범위 내에 있도록 설정하면 테일러 반응기 내에서 테일러 유동을 생성시키는 레이놀즈 수를 유지할 수 있다. 이에 따라 통상의 테일러 반응기에서는 반응기에 투입하는 유체의 초기 조건을 기준으로 이너 실린더의 회전속도를 고정하고, 이를 반응이 일어나는 내내 유지하는 방식을 택하고 있다. 문제는 반응이 진행됨에 따라 유체의 밀도나 유체의 점도가 변화한다는 데에 있다. 테일러 반응기 내로 투입된 반응물들은 미세혼합 또는 화학 반응을 일으키면서 전체 반응물의 밀도나 점도가 시간에 따라 변화한다. 따라서 유체의 초기 조건을 기준으로 이너 실린더의 회전속도를 반응이 일어나는 전체 시간에 걸쳐 고정시키는 것은 반응물의 상태에 따라 테일러 유동이 생성되는 레이놀즈 수의 범위를 벗어날 수 있게 된다. 따라서 본 발명의 구체예들에 따른 테일러 반응기에서는 점도측정부(110)를 통해 반응물의 점도를 실시간으로 측정하고, 이에 기반하여 이너 실린더(20)의 회전속도를 제어하도록 함으로써 테일러 반응기가 항상 테일러 유동이 생성되는 레이놀즈 수를 유지하도록 하는 것을 특징으로 한다. The reason for measuring the viscosity of the reactant through the
연산부(120)는 점도측정부(110)로부터 측정된 점도 데이터를 수신한다. 이를 위해 연산부(120)는 통신부를 포함할 수 있다. 그리고 연산부(120)는 점도 데이터와 미리 주어진 반응기의 반응 공간 내에서 테일러 유동이 유지되는 레이놀즈 수 범위를 기반으로 테일러 반응기의 최적 회전 속도 범위를 산출한다. The
예를 들어 테일러 유동이 유지되는 레이놀즈 수 범위를 117~167(Re)로 가정한다. 테일러 반응기 내에 투입되는 유체의 종류 등에 의해 유체의 초기 밀도, 유체의 초기 점도, 특성길이 들이 특정되고, 이에 따라 테일러 반응기가 테일러 유동이 유지되는 레이놀즈 수를 갖도록 이너 실린더의 초기속도를 결정할 수 있을 것이다. 여기까지는 기존 테일러 반응기에서의 속도 제어 방법과 동일 또는 유사하다. 하지만 본 발명의 구체예들에 따른 테일러 반응기에서는 반응이 진행되면서 점도측정부(110)를 통해 실시간으로 반응물의 점도를 측정한다. 이 때 점도가 점차 상승하는 경우, 유체의 점도에 반비례하는 레이놀즈 수는 점차 하강하게 되므로 이너 실린더(20)에 속도가 초기 결정된 값을 유지한다면 테일러 유동이 유지되는 레이놀즈 수 범위인 117~167(Re)를 벗어날 수 있다. 따라서 연산부(120)에서는 이를 방지하기 위해 유체의 점도 상승분을 고려하여 테일러 반응기가 테일러 유동이 유지되는 레이놀즈 수 범위 내의 레이놀즈 수 값을 갖도록 이너 실린더(20)의 최적 회전 속도 범위를 산출한다. 구체적으로는 레이놀즈 수를 산출하는 산식에서 결과값(테일러 유동이 유지되는 레이놀즈 수 범위)이 기 정해져 있으므로 이를 역산하여 최적 회전 속도범위를 산출하는 방식으로 이루어질 수 있다. 물론 반응물의 점도 뿐만 아니라 밀도도 변화할 수 있고 이에 따라 레이놀즈 수가 변할 수 있다. 하지만 본 발명의 발명자들이 수 많은 시뮬레이션을 거친 결과, 테일러 반응기를 이용하는 통상의 대부분의 반응물에서는 반응이 진행되는 동안의 반응물의 밀도의 변화량보다는 점도의 변화량이 보다 변동성이 커서 레이놀즈 수의 증감에 영향을 보다 크게 미침을 확인하였다. 따라서 점도의 변화에 따라 이너 실린더(20)의 회전속도를 제어하는 것만으로도 테일러 반응기에서 테일러 유동을 지속적으로 유지할 수 있음을 알 수 있었다. 그럼에도 불구하고 경우에 따라서는 반응물의 밀도를 측정하고 이를 반영할 수도 있을 것이다. For example, it is assumed that the Reynolds number range in which Taylor flow is maintained is 117 to 167 (Re). The initial density of the fluid, the initial viscosity of the fluid, and the characteristic lengths are specified by the type of fluid injected into the Taylor reactor, and accordingly, the initial speed of the inner cylinder may be determined such that the Taylor reactor has a Reynolds number at which the Taylor flow is maintained. . So far, it is the same or similar to the speed control method in the existing Taylor reactor. However, in the Taylor reactor according to embodiments of the present invention, as the reaction proceeds, the viscosity of the reactant is measured in real time through the
한편, 테일러 반응기 내에 반응물이 주입되고 난 후, 일정 시간이 지나면서 점도 등이 변화할 가능성이 높으므로 점도측정부(110)가 반응물이 주입되고 난 후에 기 결정된 시간이 경과된 후에 점도를 측정하도록 할 수 있다. On the other hand, after the reactant is injected into the Taylor reactor, the viscosity and the like are likely to change over a period of time, so that the
제어부(130)는 연산부(120)로부터 산출된 최적 회전 속도 범위 내에 상응하도록 회전 속도를 제어한다. 구체적으로는 연산부(120)로부터 산출된 최적 회전 속도 범위 내로 이너 실린더(20)의 회전축과 결합되는 교반모터(30)의 회전 속도(내지 회전수 rpm 제어)를 제어하는 제어신호를 생성하여 교반모터(30)로 전송할 수 있다. 이를 위해 제어부(130)는 교반모터(30)의 초기 회전 속도 값을 수신할 수 있다. 예를 들어 교반모터(30)의 초기 회전 속도 값이 A라고 가정할 때, 반응이 진행되고 난 후 연산부(120)로부터 산출된 최적 회전 속도 범위 내에 A가 위치하는 경우에는 테일러 유동이 생성되는 레이놀즈 수 범위를 가지는 바, 제어부(130)에서는 별도의 제어신호를 생성하지 않는다. 그러나 연산부(120)로부터 산출된 최적 회전 속도 범위 아래에 A가 위치하는 경우에는 제어부(130)에서는 교반모터(30)의 회전 속도를 높여 A가 상기 회전 속도 범위 내에 위치하도록 제어신호를 생성함으로써 교반모터(30)의 회전 속도를 조정할 수 있다. 또한 연산부(120)로부터 산출된 최적 회전 속도 범위 위에 A가 위치하는 경우에는 제어부(130)에서는 교반모터(30)의 회전 속도를 낮춰 A가 상기 회전 속도 범위 내에 위치하도록 제어신호를 생성함으로써 교반모터(30)의 회전 속도를 조정할 수 있다. The
이와 같이 연산부(120)에서 반응물의 점도 데이터를 기반으로 테일러 반응기의 최적 회전 속도 범위를 산출하고, 제어부(130)에서는 교반모터(30)의 회전 속도가 항상 최적 회전 속도 범위 내에 있도록 교반모터(30)의 회전 속도를 제어함으로써 테일러 반응기가 반응하는 동안 지속적으로 테일러 유동이 생성되는 레이놀즈 수를 갖도록 할 수 있다. 이에 따라 테일러 반응기 내로 투입되는 반응물의 혼합 상태나 화학 반응에 따른 상태가 변화하여도 테일러 반응기 내에서 테일러 유동을 유지할 수 있는 바, 보다 균일한 혼합 및 화학반응을 일으킬 수 있다. 한편, 연산부(120) 및 제어부(130)는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드 또는 프로그램으로서 구현될 수 있다. 여기에서 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함할 수 있으며, 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 저장되고 실행될 수 있다. As described above, the
도 4는 비교예와 실시예의 내부 유동 상태를 나타내는 시뮬레이션의 결과를 도시한 도면이다. 도 4a는 비교예로써 테일러 반응기의 이너 실린더의 회전 속도를 936rpm으로 고정시킨 경우의 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 도 4b는 실시예로써 테일러 반응기의 이너 실린더의 회전 속도를 반응물의 점도 변화에 따라 제어한 시뮬레이션 결과를 나타낸다. 상기 시뮬레이션은 글리세린을 반응물로 하였으며, 테일러 유동이 유지되는 레이놀즈 수(Re) 135를 기준으로 초기 이너 실린더의 회전속도를 결정하였다. 유동의 흐름은 PIV(Particle Image Velocimetry) 시스템에 사용되는 초고속 카메라로 각 RPM별로 촬영된 영상을 INSIGHT 4G Software를 사용하여 분석하였다. 4 is a view showing the results of a simulation showing the internal flow state of the comparative example and the example. 4A shows a simulation result when the rotation speed of the inner cylinder of the Taylor reactor is fixed at 936 rpm as a comparative example. Figure 4b shows a simulation result of controlling the rotational speed of the inner cylinder of the Taylor reactor according to the viscosity change of the reactant as an example. In the above simulation, glycerin was used as a reactant, and the rotation speed of the initial inner cylinder was determined based on the Reynolds number (Re) 135 at which Taylor flow was maintained. The flow of the flow is an ultra-high-speed camera used in the PIV (Particle Image Velocimetry) system, and the images captured by each RPM are analyzed using INSIGHT 4G Software.
도 4a 및 4b를 참조하면, 도 4a에서와 같이 반응 내내 이너 실린더의 회전 속도를 936rpm으로 고정시킨 경우에는 반응이 진행됨에 따라 반응물의 점도가 높아지고 이에 따라 레이놀즈 수(Re)가 점차 낮아지게 되어 시간이 경과됨에 따라 테일러 반응기 내에서 테일러 유동이 점차 사라지는 것을 확인할 수 있었다. 반면 도 4b에서와 같이 반응 내내 이너 실린더의 회전 속도를 반응물의 점도 데이터에 따라 점차 높인 경우에는 레이놀즈 수 (Re)가 대략 135를 지속적으로 유지하게 되는 바 테일러 반응기 내에서 테일러 유동이 지속적으로 유지되는 것을 확인할 수 있었다. 4A and 4B, when the rotational speed of the inner cylinder is fixed at 936 rpm throughout the reaction as in FIG. 4A, the viscosity of the reactant increases as the reaction progresses, and accordingly the Reynolds number (Re) gradually decreases. As this progressed, it was confirmed that the Taylor flow gradually disappeared in the Taylor reactor. On the other hand, if the rotational speed of the inner cylinder is gradually increased according to the viscosity data of the reactant throughout the reaction as shown in FIG. 4B, the Reynolds number (Re) is maintained at approximately 135, and the Taylor flow is continuously maintained in the Taylor reactor. I could confirm that.
이상, 본 발명의 기술적 사상을 구체적으로 설명하였다. 그러나 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 기술의 구체적 적용에 따른 단순한 설계변경, 일부 구성요소의 생략, 단순한 용도의 변경 등 본 발명을 다양하게 변형할 수 있을 것이며, 이러한 변형 역시 본 발명의 권리범위 내에 포함됨은 자명하다.In the above, the technical idea of this invention was demonstrated concretely. However, those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains include simple design changes, omission of some components, and simple use changes, etc. according to the specific application of technology within the scope of the technical spirit of the present invention as set forth in the claims. It will be apparent that various modifications may be made to the invention, and such modifications are also included within the scope of the present invention.
100: 반응기 몸체 10: 아우터 실린더
20: 이너 실린더 30: 교반모터
110: 점도측정부 120: 연산부
130: 제어부100: reactor body 10: outer cylinder
20: inner cylinder 30: stirring motor
110: viscosity measurement unit 120: operation unit
130: control unit
Claims (5)
아우터 실린더와 동심상에 회전가능하도록 아우터 실린더 내부에 설치되는 것으로, 외주면과 아우터 실린더 내주면 사이에 반응 공간을 형성하는 이너 실린더와,
이너 실린더를 회전시키도록 아우터 실린더 일측에 배치되는 교반모터와,
보조포트 및 반응물 배출포트들 중 1 이상에 연결되어 반응물이 주입되고 난 후 기 결정된 시간이 경과한 후에 반응물의 점도를 실시간으로 측정하는 점도측정부와,
점도측정부로부터 측정된 점도 데이터를 실시간으로 수신하고, 상기 점도 데이터를 기반으로 상기 반응 공간 내에서 테일러 유동(Taylor Vortex Flow, TVF)이 유지되는 레이놀즈 수(Reynolds number) 범위 내의 레이놀즈 수 값을 갖도록 하는 이너 실린더의 최적 회전 속도 범위를 반응물의 점도 변화에 따라 산출하는 연산부와,
연산부로부터 산출된 최적 회전 속도 범위 내로 이너 실린더를 회전시키도록 제어신호를 생성하여 교반모터로 전송함으로써 이너 실린더의 회전 속도를 실시간으로 제어하는 제어부를 포함하는 테일러 반응기.A non-rotating outer cylinder having an inner space of a circular cross section and having one or more reactant injection ports, one or more auxiliary ports, and one or more reactant discharge ports,
It is installed inside the outer cylinder so as to be rotatable concentrically with the outer cylinder, the inner cylinder forming a reaction space between the outer circumferential surface and the inner circumferential surface of the outer cylinder,
A stirring motor disposed on one side of the outer cylinder to rotate the inner cylinder,
A viscosity measuring unit connected to at least one of the auxiliary ports and the reactant discharge ports to measure the viscosity of the reactants in real time after a predetermined time elapses after the reactants are injected;
Receiving the viscosity data measured in real time from the viscosity measuring unit, based on the viscosity data to maintain the Taylor Vortex Flow (Taylor Vortex Flow, TVF) in the reaction space to have a Reynolds number value within the Reynolds number range Computation unit for calculating the range of the optimum rotational speed of the inner cylinder according to the viscosity change of the reactant,
Taylor reactor including a control unit for controlling the rotational speed of the inner cylinder in real time by generating a control signal to rotate the inner cylinder within the optimum rotational speed range calculated by the calculation unit and transmitting it to the stirring motor.
상기 점도측정부는 몸체부와, 몸체부에 배치되는 모세관과, 모세관에 인접하여 배치되는 1이상의 점도 센서를 포함하는 테일러 반응기.The method according to claim 1,
The viscosity measuring unit is a Taylor reactor including a body portion, a capillary disposed on the body portion, and at least one viscosity sensor disposed adjacent to the capillary.
상기 점도측정부는 측정된 점도를 연산부로 송신하는 통신부를 더 포함하는 테일러 반응기.The method according to claim 3,
The viscosity measuring unit Taylor reactor further comprises a communication unit for transmitting the measured viscosity to the calculation unit.
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