KR102361504B1 - 교반기의 교반 혼합성능 평가방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 산업용 교반기 내에 혼합성능지표를 확인할 수 있도록 한 평가방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교반탱크에 액체와 액체 또는 액체와 분말의 교반물질을 투입하는 단계, 상기 투입된 교반물질을 교반기의 임펠러로 교반혼합 한 후 교반탱크 내부를 한개 이상의 가상영역으로 분할하는 단계, 상기 교반탱크늬 분할된 가상영역에서 각각 샘플링하여 성분을 처리하는 단계, 상기 샘플링된 성분에 대한 체적비를 산출하는 단계, 상기 샘플링된 성분을 산출된 체적비 대비 샘플링성분이 차지하는 체적비(Px)를 산출하는 단계, 상기 산출된 체적비(Px)는 가상영역의 혼합성능지표를 산출하는 단계, 상기 가상영역의 혼합성능지표를 산출한 후에는 가상영역의 체적을 가중하여 전체 혼합성능지표를 계산식으로 산출하여 교반기의 교반 혼합성능을 평가하는 교반기의 교반 혼합성능 평가방법에 관한 것이다.

Description

교반기의 교반 혼합성능 평가방법{METHOD FOR EVALUATING MIXING PERFORMANCE OF AGITATOR}
본 발명은 산업용 교반기 내의 혼합성능을 확인할 수 있도록 한 평가방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교반 탱크 내부 슬러리의 혼합 상태가 어느 수준인지, 임펠러의 혼합성능은 어느 정도인지 정량적으로 평가할 수 있는 혼합성능지표를 산출하여 교반기의 교반 혼합성능을 평가하는 방법에 관한 것이다.
기존에는 화학공장, 약품제조업체, 연구소 등에서는 하나 이상의 화학물질을 교반기에 넣어 혼합하고 있으나, 이러한 교반기는 교반탱크 내부의 슬러리 혼합상태가 어느 수준인지, 임펠러의 혼합성능은 어느 정도인지 정량적으로 평가할 수 있는 혼합성능지표가 없는 것이 문제점이다.
일반적으로 교반기는 액체와 액체, 액체와 고체 또는 분체 등을 휘저어 섞기 위한 기구를 의미하며, 화학 공정이나 폐수 처리 공정과 같이 대상물의 혼합이 필요한 곳에서 일반적으로 널리 사용되고 있다.
이와 같이 혼합을 위해 사용되는 교반기는 형식에 따라 탱크 교반기와 유동식 교반기로 크게 나누어지며, 산업 현장에서 일반적으로 사용하는 것은 대부분이 탱크 교반기이다.
통상 산업 현장에서 사용하는 교반 형태는 액체와 액체, 액체와 분체를 혼합 비율로 계량하여 탱크온도, RPM, 교반시간을 사전에 설정하여 교반하는 것이 일반적이므로 교반기 임펠러의 혼합성능이 어느 정도인지 정량적으로 평가할 수 없었다.
또한 종래에도 하수처리장에 설치되는 수직형 교반기를 설계함에 있어서, 수표면 속도(SV; Superficial Velocity)를 측정하여 교반기의 성능을 평가하는 방법으로 이용하였으나, 수표면 속도는 탱크 내부의 전체 교반력을 예상하는 항목으로서, 교반탱크 내부에 수직 상승속도의 지표에 해당한다. 그러나 이러한 수표면 속도는 설계치에 해당하는 것으로, 실제 교반기에서 교반 성능을 실질적으로 나타내는 데에는 많은 한계가 있는 문제점이 있다.
본 발명분야의 선행기술을 살펴보면, 등록특허공보 제10-1319855호(등록일자 2013년10월14일)의 "교반기의 교반 성능 평가방법"(이하 "선행기술 1" 이라한다)은 교반기의 교반 성능 평가방법이 개시되어 있다. 상기 선행기술 1의 교반기의 교반 성능 평가방법은, 교반기를 가동하여 조 내부를 사전 혼합하는 단계와, 조 내부의 부유물이 안정화될 때까지 방치하는 단계와, 교반기를 재가동하여 일정 시간 경과 후, 조 내부의 다수 개의 지점에서의 MLSS 및 교반기의 소요동력을 측정하는 단계와, MLSS의 평균값을 소요동력으로 나누어서 교반기의 교반 성능을 측정하는 단계로 이루어지는 평가방법이다.
상기 선행기술 1은 높이별로 다수의 지점에서 MLSS(Mixed Liquor Suspended Solids) 및 교반기의 소요동력을 측정하여 MLSS 평균값을 교반기의 소요동력으로 나누어 교반기의 교반 성능을 평가하는 방법이다.
이와 같은 MLSS 평균값은 각 지점에서의 MLSS 값이 산포가 좁거나 넓을 때와 상관없이 평균으로 표현되기 때문에 탱크 내부에서 혼합 상태가 불균일한 경우에도 목표한 혼합 상태에 도달했다고 판단하는 오류가 발생하는 문제점이 있다.
또한 등록특허 제10-1593976호(등록일자 2016년 02월 04일)의 시추선용 교반기의 성능 평가장치 및 그 방법(이하 "선행기술 2" 이라 한다)은 시추선의 머드탱크에 수용된 상기 머드를 연속적으로 섞어주는 교반유닛 및, 상기 머드탱크에 수용된 상기 머드의 물성을 연속적으로 측정하며, 상기 머드의 물성이 기설정된 오차범위 이내로 들어오는 경우, 초기 측정시점과 상기 머드의 물성오차 발생시점까지의 소요시간을 산출하는 계측유닛을 포함하되, 상기 교반유닛에는, 시추선의 머드탱크로 공급된 머드를 기설정된 시간동안 순환시키는 이송유닛이 더 구비되고, 상기 교반유닛은 상기 이송유닛의 구동 중지시 구동이 시작되는 교반기의 성능 평가장치가 개시되었다.
상기 선행기술 2의 교반기 성능 평가장치는 2개 이상의 센서를 탱크 내부에 설치하고 머드와 물과의 혼합물의 밀도를 연속적으로 측정하여 혼합 시간을 산출한다. 이 평가방법은 센서의 값이 기설정된 오차범위 이내에 들어왔을 때 소요 시간을 혼합 지표로 평가하고, 센서의 특정 위치에서의 값만 평가하기 때문에 전체 영역의 혼합 상태를 대변할 수 없는 문제점이 있다.
그 외에도 교반기 교반 성능 평가방법으로는 변동계수(Coefficient of variation, CoV) 지표 등이 활용되고 있다. 이 지표들은 한 성분에 대한 물리값 즉, 농도, 속도 등의 값과 그 평균값과의 차이로 산출된다. 이 평가방법은 두 성분 이상의 물질을 교반한다고 하더라도 한 성분에 대한 결과만을 도출하기 때문에 총괄적인 평가 지표로 활용할 수 없는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1319855호 대한민국 등록특허 제10-1593976호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 눈에 보이지 않는 교반탱크 내의 혼합 상태를 하나의 정량적인 수치로 평가함으로써 교반탱크 내의 혼합 상태를 보다 명확하게 확인할 수 있도록 함을 목적으로 하며,
또한 본 발명의 혼합성능지표의 경우 혼합 상태를 국소 영역 또는 전체 영역에 걸쳐 정량적인 지표로서 혼합성능 및 혼합 상태를 대변할 수 있는 평가 지표로 활용할 수 있고, 두 성분 이상의 물질을 교반하는 경우에도 총괄적인 평가 지표로 활용할 수 있는 교반기의 교반 혼합성능 평가방법을 제공하기 위한 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기 목적을 해결하기 위한 수단으로서,
교반탱크에 액체와 액체 또는 액체와 분말의 교반물질을 투입하는 단계;
상기 투입된 교반물질을 교반기의 임펠러로 교반혼합한 후 교반탱크 내부를 한개 이상의 가상영역으로 분할하는 단계;
상기 교반탱크의 분할된 가상영역에서 각각 샘플링하여 성분을 처리하는 단계;
상기 샘플링된 각 성분(V'x)의 체적비(
Figure 112020031777247-pat00001
)를 산출하는 단계;
상기 각 성분의 이상적인 체적비 대비 샘플링 성분이 차지하는 체적비(
Figure 112020031777247-pat00002
)를 산출하는 단계;
상기 Px의 합 대비 Px로 확률값(
Figure 112020031777247-pat00003
)을 산출하는 단계;
상기 산출된 확률값(fx)에 의해 가상영역의 혼합성능지표(
Figure 112020031777247-pat00004
)를 산출하는 단계;
상기 가상영역의 혼합성능지표(HM)를 산출한 후에는 가상영역의 체적을 가중하여 전체 혼합성능지표를 산출하여 교반기의 교반 혼합성능을 평가하는 것을 특징으로 한다.
상기 가상영역의 체적비는 축을 기준으로 도넛 형태를 가정하거나, 높이에 따라 상, 중, 하로 가정하거나, 부채꼴 형태로 가정할 수 있으며, 영역 내에서 각 물성치들이 동등한 성질을 갖는다고 간주할 수 있으면 체적의 크기나 형태에 제한을 받지 않는 것을 특징으로 한다.
상기 샘플링 성분의 체적비를 얻는 방법은 스포이드를 활용하거나, 양동이를 이용하거나, 배관을 통해 뽑는 방법, 직접 샘플링하는 방법, 해당 위치에 센서를 꽂아 물성치를 측정하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 체적비를 얻는 것을 특징으로 한다.
또한 전산시뮬레이션에 있어서는 가상영역의 임의의 점에서 체적비를 얻거나 또는 가상영역의 단면의 평균값으로 체적비를 얻거나 또는 가상영역 전체의 평균값으로 체적비를 얻는 것을 특징으로 한다.
이와 같이 된 본 발명은 교반탱크 내부 슬러리의 혼합 상태가 어느 수준인지, 임펠러의 혼합 성능은 어느 정도인지 정량적으로 평가할 수 있는 혼합성능지표를 확인할 수 있도록 한 교반기의 교반 혼합성능 평가방법을 제공할 수 있도록 한다.
본 발명은 교반탱크 내에서 액체와 액체 또는 액체와 분체로 이루어지는 교반물질을 교반 혼합시 눈에 보이지 않는 교반탱크 내의 혼합 상태를 하나의 정량적인 수치로 평가함으로써 교반탱크 내의 혼합 상태를 보다 명확하게 확인할 수 있도록 하는 효과를 가지며,
또한 본 발명은 혼합성능지표의 경우 혼합 상태를 국소 또는 전체 영역에 걸쳐 정량적인 지표로서 혼합성능 및 혼합 상태에 대한 직관적인 평가를 하고, 교반 성능 평가에서 새로운 지표로 활용토록 함으로 기존 기술의 문제점을 해결할 수 있도록 한 효과를 갖는다.
도1은 본 발명의 교반물질을 혼합시 혼합성능지표에 대한 교반기의 교반 혼합성능 평가방법에 대한 산출 흐름도이며,
도2는 본 발명의 교반탱크 내의 성분을 샘플링하는 실시예를 나타낸 것이고,
도3은 본 발명의 확률값(fx)을 적용하기 전과 후의 샘플링 성분의 구성을 비교한 도식도이며,
도4는 본 발명의 교반탱크 내의 가상영역의 임의의 지점에서 샘플링을 실시한 상태를 나타낸 예시도이고,
도5는 본 발명의 교반물질을 교반하는 탱크와 임펠러를 나타낸 것이며,
도6은 본 발명의 다른 실시예로서 교반물질을 교반하는 탱크와 임펠러를 나타낸 것이다.
이하 첨부도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 교반 성능 즉, 혼합의 상태를 평가함에 있어서, 눈에 보이지 않는 교반탱크 내부의 혼합 상태를 정량적으로 평가하기 위해 교반 평가방법을 도입하였다.
본 발명의 교반탱크 내부의 혼합 상태를 정량적으로 평가하기 위해 교반 평가방법은, ①교반탱크에 액체와 액체 또는 액체와 분말의 교반물질을 투입하는 단계, ②상기 투입된 교반물질을 교반기의 임펠러로 교반 혼합한 후 교반탱크 내부를 한개 이상의 가상영역으로 분할하는 단계, ③상기 교반탱크의 분할된 가상영역에서 각각 샘플링하여 성분을 처리하는 단계, ④상기 샘플링된 각 성분의 체적비를 산출하는 단계, ⑤상기 각 성분의 이상적인 체적비 대비 샘플링 성분이 차지하는 체적비(Px)를 산출하는 단계, ⑥상기 Px의 합 대비 Px로 확률값(fx)을 산출하는 단계 ⑦상기 산출된 확률값(fx)에 의해 가상영역의 혼합성능지표(HM)를 산출하는 단계, ⑧상기 가상영역의 혼합성능지표를 산출한 후에는 가상영역의 체적을 가중하여 전체 혼합성능지표를 계산식으로 산출하는 단계를 포함하는 교반기의 교반 혼합성능 평가방법에 관한 것이다.
이를 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도1은 본 발명의 교반물질을 혼합시 혼합성능지표에 대한 교반기의 교반 혼합성능 평가방법에 대한 산출 흐름도를 나타낸 것으로서, 먼저 혼합하고자 하는 교반물질을 교반탱크(1)에 투입한다.
이때 교반물질은 액체와 액체, 액체와 분말, 액체와 슬러지 또는 액체와 기체 등의 물질로 이루어진다.
상기 투입된 교반물질을 교반탱크(1)의 임펠러(2)로 교반혼합한 후 교반탱크(1) 내부를 한개 이상의 가상영역으로 분할한다.
상기 임펠러(2)는 원통형의 교반탱크(1) 중앙부에 수직으로 설치되며 임펠러(2)축은 교반탱크(1) 상부에 설치된 모터와 연결된다.
상기 교반탱크(1)의 분할된 가상영역에서 각각 샘플링하여 성분을 처리한다.
이때 샘플링된 성분을
Figure 112020031777247-pat00005
의 계산방식으로 체적비를 산출한다.
또한, 각 성분의 이상적인 체적비 대비 샘플링 성분이 차지하는 체적비(
Figure 112020031777247-pat00006
)를 계산식으로 산출한다.
상기 Px값을 산출한 후에는 Px의 합 대비 Px로 확률값(
Figure 112020031777247-pat00007
)을 산출한다.
상기 산출된 확률값(fx)에 의해 가상영역의 혼합성능지표(
Figure 112020031777247-pat00008
)를 산출한다.
여기서 n은 교반탱크 내의 성분의 수를 나타낸다.
상기 가상영역의 혼합성능지표(HM)를 산출한 후에는 가상영역의 체적을 가중하여 전체 혼합성능지표를 산출하여 교반기의 교반 혼합성능을 평가하는 것이다.
도2는 본 발명의 교반탱크 내의 성분을 샘플링하는 실시예를 나타낸 것이고, 도3은 본 발명의 확률값(fx)를 적용하기 전과 후의 샘플링 성분의 구성을 비교한 도식도이며, 도4는 교반탱크(1) 내의 가상영역을 1-15가지 등분하고 각각의 영역의 체적을 1번, 7번, 14번에서 샘플링한 것을 나타낸 것이다.
도4는 본 발명의 교반탱크 내의 가상영역의 임의의 지점에서 샘플링을 실시한 상태를 나타낸 예시도로서 차후 상세하게 설명하기로 한다.
도5는 본 발명의 교반물질을 교반하는 탱크와 임펠러를 나타낸 것이며, 도6은 본 발명의 다른 실시예로서 교반물질을 교반하는 교반탱크(1)(1')와 임펠러(2)(2')를 나타낸 것이다.
상기 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명은 교반탱크(1) 내에 여러 성분이 혼합되어 있을 때 각 성분이 전체 탱크 내부에 얼마나 균일하게 혼합되어 있는가를 하나의 혼합성능지표(HM : HADO MIX)로 표현하는 방법이다.
본 발명의 혼합성능지표에 대해 더욱 상세하게 설명하면, 혼합성능지표(HM)는 서로 다른 둘 이상의 성분이 혼합되는 정도를 하나의 수치로 산출한 것이다.
산출 과정은 아래의 식을 활용한다.
Figure 112020031777247-pat00009
Figure 112020031777247-pat00010
위의 식에서, I(X)는 샘플링 성분의 체적비가 알려졌을 때 얻어지는 데이터의 양, H(X)는 평균 데이터의 양으로 샘플링 성분의 체적비가 생기는 확률에 샘플링 성분의 체적비가 알려졌을 때 얻어지는 데이터의 양을 곱해서 총합을 낸 것이다. 여기서 로그가 사용되는 것은 결과가 한 번에 주어지든 몇 번에 나누어 주어지든 얻어지는 데이터에는 변화가 없어야 한다는 조건을 충족시키는 표시법이 로그함수이기 때문이다.
상기 주요 데이터는 샘플링 성분과 이의 체적비지만 체적비 외에도 중량비, 농도비 등 다양한 물성을 활용할 수 있다.
또한 산출과정은 아래 실시예를 통해 확인할 수 있다. 이 중 Vx는 각 성분의 체적, V'x는 각 샘플링 성분의 체적이고, Px는 전체 체적에서 각 성분이 차지하는 체적 대비 샘플링 체적 전체에서 각 샘플링 성분이 차지하는 체적이다.
확율값fx는 ((Px)/(Px의 합))으로 정의한다. fx는 각 성분의 서로 다른 체적을 처리하는 과정이다. 총량이 서로 다른 여러 성분이 존재하는 교반탱크(1) 내에서 각 성분의 총량을 가상적으로 동일하게 만든 후 혼합 성능을 평가하는 의미를 갖는다.
또한 샘플링하기 전의 상태, 즉 아무 정보가 없는 불확실한 상태에서 '샘플링 성분은 어떤 성분인가?'에 대한 고민을 할 때, 총량이 많은 성분이 샘플링될 확률과 총량이 적은 성분이 샘플링될 확률을 동일하게 하는 것이다. fx를 적용하기 전과 후의 샘플링 성분의 구성을 비교하면 도3과 같다.
상기 혼합성능지표(HM)는 H(X)의 최대값과 최소값 사이에서 산출되며, H(X)max는 평균 데이터량의 최대값으로 완전 혼합 상태일 때, 모든 샘플링 성분이 동일한 fx의 값을 가지는 경우에 실현되고, H(X)min은 평균 데이터량의 최소값으로 완전 분리 상태일 때, 샘플링 성분이 오직 하나의 성분인 경우 실현된다.
상기 H(X)의 최대값과 최소값을 사용하여 완전 분리 상태에서 완전 혼합 상태에 도달하는 혼합성능지표(HM)는 0-1 사이의 값으로 산출되며, 혼합성능지표(HM)의 최대값은 각 성분이 완전히 혼합된 상태로 혼합성능지표(HM)는 1로, 혼합성능지표(HM)의 최소값은 각 성분이 완전히 분리된 상태로 혼합성능지표(HM)는 0으로 나타난다.
상기 혼합성능지표(HM)는 가상영역의 경우 각 가상영역에서 샘플링한 성분을 처리하여 산출되며, 탱크 전체 영역의 혼합성능지표의 경우 가상영역의 체적비를 가중하여 나타낸다. 상기 혼합성능지표(HM)을 산출하기 위해서는 먼저 가상영역으로 분할하는 단계가 필요하다.
또한 가상영역은 탱크 내부를 적당한 크기를 갖는 체적으로 분할한 영역이다. 적당한 체적이라고 하면, 각 영역들이 같은 성질은 갖는 크기라고 할 수 있다. 혼합 상태에 따라 같은 체적의 영역이든, 상이한 체적의 영역이든 이는 크게 중요하지 않고, 전체 혼합성능지표를 얻는 과정에서 고르게 가중하여 취하는가, 아니면 영역의 크기에 따라 가중하여 취하는가가 다를 뿐이다.
일반적으로 TOP형 교반기에 방해판이 4개 있는 경우 임펠러 축을 중심으로 속도, 압력, 농도 등 물성치의 분포가 좌, 우 대칭적으로 나타나기 때문에 가상영역을 분할하는 도4와 같이 좌, 우 한 부분을 취하여 가상의 영역을 설정한다. 정면에서 바라보았을 때 축을 기준으로 좌측 또는 우측 단면을 분할한다.
여기서 나타나는 영역은 단면에서의 영역이므로, 체적으로 나타내기 위해 축을 기준으로 단면을 회전시킨다.
이때, 상부에서 내려다보면 도넛 형태의 체적을 갖는다.
교반탱크(1)는 실린더 형태에 하부가 디쉬, 콘, 플랫한 타입이 조합될 수도 있고, 사각 형태일 수도 있으며, 실린더가 누워있는 형태 등 다양한 형상이 있다.
또한 교반탱크(1) 형상에 상관없이 가상영역의 체적은 도넛 형태에 국한하지 않고, 상중하로 구분할 수도 있으며, 피자 조각과 같은 부채꼴 형태로도 구분할 수 있고, 위에서 설명했듯이 각 영역들이 같은 성질을 갖는다고 간주할 수 있다면 형태의 제한을 받지 않는다.
본 발명의 교반탱크(1)를 도4와 같이 가상영역을 나누어 이의 가상영역을 도넛 형태로 가정하였을 때 왼쪽에서부터 순서대로 정면에서 바라본 것을 도4의 왼쪽으로부터 첫번째는 가상역역을 숫자로 도식화한 것이고, 2번째 그림은 1번 영역의 체적, 3번째 그림은 7번 영역의 체적, 14번 영역의 체적을 예시로 나타낸 것이다.
상기 예시로 1번, 7번, 14번을 나타냈지만 1번에서 15번의 영역을 같은 방식으로 나타내어 합하면 탱크 전체의 체적과 동일하게 된다.
상기 각 영역의 체적이 서로 상이하므로 전체 혼합성능지표를 산출할 때 체적에 따라 가중하면 된다.
본 발명의 교반탱크(1)는 가상영역을 설정한 뒤에는 가상영역의 임의의 지점에서 샘플링을 한다.
상기 가상영역은 해당 영역 안에서의 물성 정보가 같다고 간주하는 크기이므로 샘플링 위치는 어느 지점이든 무관하다.
상기 샘플링은 실험의 경우에는 스포이드로 일정량을 취하는 방식으로 하고, 일정량을 취할 수 없는 경우에는 정확한 체적과 중량을 측정하여 샘플링 성분의 체적비를 구할 수 있다.
또한 전산시뮬레이션의 경우에는 임의의 지점에서 체적비를 취할 수도 있고, 가상영역 단면에서 평균 체적비를 취할 수도 있다.
상기 전산시뮬레이션에서는 영역의 범위와 평균값의 추출이 실험에 비해 제한이 적기 때문에 점에서의 체적비, 가상영역 단면의 평균의 체적비 등 좀 더 다양한 방식으로 샘플링 체적비를 얻을 수 있다.
상기 방식을 통해 얻은 가상영역의 샘플링 체적비는 앞의 계산식을 통해 혼합성능지표(HM)로 산출된다. 산출된 혼합성능지표는 교반 탱크 내부의 혼합 상태를 판단하는데 활용할 수 있다.
상기 교반탱크 내부에는 두 가지 이상의 물질을 혼합하기 위해 임펠러가 설치되는데 임펠러의 종류 및 구조, 조합에 따라 혼합 속도와 혼합 상태가 다르게 나타난다.
또한 각 공정에 따라 최적의 임펠러를 적용하기 위해 여러 형상의 임펠러 성능을 비교할 때 상기 지표를 활용할 수 있다.
또한, 기존의 기술로 사용하던 임펠러보다 최근 개발된 임펠러의 적용을 고려할 때에도 상기 지표를 활용할 수 있어, 그 활용 범위는 매우 넓다고 기대된다.
상기 혼합성능지표는 탱크 내부가 완전 혼합에 가까운 경우 1로 나타나고, 완전 분리 상태인 경우 0으로 나타난다.
상기 교반기의 경우 사용자의 요구에 맞춰 교반 강도의 수준을 정하므로 요구되는 혼합 상태는 사용자가 정할 수 있다.
일반적으로는 혼합성능지표가 0.8 이상일 때 혼합 상태가 양호하다고 판단하고, 균일 혼합을 목적으로 하는 공정에서는 그 이상을 요구되기도 한다.
또한 샘플링 성분의 체적비 외에도 중량비, 농도비 등 다양한 물성을 활용하여 교반탱크 내부의 혼합 상태를 판단할 수 있으며, 임펠러(2)의 혼합 성능도 평가할 수 있다. 혼합성능은 교반이 정지된 상태, 교반이 진행 중인 상태, 교반이 완료된 상태 등을 모두 평가할 수 있다.
이와 같이 이루어지는 본 발명의 실시예를 설명하면 아래와 같다.
<실시예 1>
본 발명의 혼합성능지표(HM) 산출을 통해 도5의 4-pitched paddle 임펠러(2')와 HADO Super-Mix HR206® 임펠러(2)의 혼합성능을 비교하였다.
본 실시예 1에서 전산시뮬레이션조건은 아래와 같다.
본 발명의 실시예 1에서 교반탱크(1, 1') 내의 임펠러(2, 2')는 도5에 도시한 바와 같고, 운전조건은 Tank diameter 180mm, Tank volume 46L, 4-Ful baffle, 4-Pitched paddle/Super-Mix HR206®, Rotational speed 300RPM으로 하였다. 도5에 따른 교반물질은 아래의 표1과 같다.
Figure 112020031777247-pat00011
또한 가상영역은 표2와 같이 15개의 영역으로 나누었다.
가로 방향은 탱크 중심에서부터 탱크 벽면까지 3분할하였고, 세로 방향은 액면에서부터 탱크 바닥까지 5분할하였다. 분할의 수는 교반 조건, 교반 물질의 물성, 기하학적 조건 등에 따라 달라진다.
본 실시예에서는 가로 방향과 세로 방향 모두 균등 분할하였고, 임펠러 하부는 세로 방향으로 두 영역을 병합하였다.
임펠러 하부는 실험 시 샘플링이 까다롭기도 하지만, 해당 영역을 임펠러 상부와 같이 균등 분할하여도 혼합성능지표의 차이는 크지 않다는 것을 사전에 확인하였다.
가상영역을 나눌 때에는 사전에 테스트나 전산시뮬레이션을 실시하여 경향을 파악한 후 동등한 성질을 갖는 영역을 분할하는 과정이 필요할 수도 있다.
Figure 112020031777247-pat00012
상기 표2의 가상영역은 각 영역의 중심에서 액상과 고상의 체적비를 얻었다. 분할한 각 가상영역의 체적은 도형의 체적을 구하는 공식에 의해 구할 수도 있고, 모델링 프로그램을 활용하여 구할 수도 있다.
각 가상영역의 고체의 체적비는 아래의 표3과 같다.
Figure 112020031777247-pat00013
상기 고체의 체적비는 각 임펠러(2)를 300rpm 으로 운전하고, 유동이 안정화 되었을 때의 결과이며, 고체의 체적비를 살펴보면 4-Pitched paddle의 경우 1번, 6번, 11번의 고체의 체적비가 낮게 나타난다.
그러나 체적비 자체로는 액상과 고상의 혼합상태를 알 수 없고, 앞에서 설명한 혼합성능지표[MH]의 산출 과정에 의해서 각 임펠러의 혼합상태를 산출하면 아래의 표4 및 표5와 같이 나타낸다.
Figure 112020031777247-pat00014
Figure 112020031777247-pat00015
상기 혼합성능지표[MH]의 산출 과정에 따라 각 샘플링성분의 체적비를 구하고, Px와 fx를 계산하여 각 영역의 혼합성능지표와 전체영역의 혼합성능지표를 산출하였다.
표4 및 표5를 보면, 교반탱크 내의 각 가상영역(국소 영역) 및 교반탱크 전체 영역에서 혼합상태를 정량적인 수치로 평가할 수 있다.
또한 표4 및 표5를 보면, 4-Pitched paddle의 전체 혼합성능지표는 0.90이고, Super-Mix HR206®의 전체 혼합성능지표는 0.99로 Super-Mix HR206®의 경우는 완전 혼합에 가깝다고 할 수 있다.
이로써 교반탱크(1)(1')의 혼합상태를 하나의 정량적인 수치로 표현하는 것이 가능하게 하였고, 일관된 방법론으로 두 임펠러(2)(2')의 혼합성능을 평가할 수 있었다.
<실시예 2>
상기 실시예 1에서는 전산시뮬레이션을 이용한 방법으로 혼합성능지표(HM)를 산출하였다.
본 실시예 2에서는 랩스케일의 테스트를 통해 혼합성능지표(HM)를 산출하는 과정을 설명한다. 또한 테스트조건은 앞서 설명한 전산시뮬레이션조건과 유사하며, 교반탱크 임펠러(2, 2')는 도6에 도시된 바와 같다.
또한 운전조건은 Tank diameter 180mm, Tank volume 46L, 4-Full baffle, 4-Pitched paddle/Super-Mix HS604®, Rotational speed 130RPM의 조건하에서 실시하였다.
또한 교반물질과 실험순의 가상영역은 도6과 도7과 같다.
Figure 112020031777247-pat00016
Figure 112020031777247-pat00017
상기 표7에서와 같이 가상영역은 상기 실시예 1의 조건과 같이 15개의 영역으로 나누었다. 상기 실시예 1의 전산시뮬레이션과 다른 점은 각 영역의 중심에서 스포이드를 이용해 정량을 샘플링하여 액상과 고상의 체적비를 얻었다는 것이다.
상기 표7의 우측 표에 표기된 바와 같이 Super-Mix HS604®의 5번 영역처럼 중심이 임펠러 회전 영역과 간섭이 발생하지 않는 영역에서 샘플링을 했다. 각 영역의 고체의 체적비는 아래의 표8과 같다.
Figure 112020031777247-pat00018
상기 표8의 각 영역에서 샘플링한 체적비를 이용해서 혼합성능지표(HM)를 산출하면 아래의 표9와 10과 같다.
Figure 112020031777247-pat00019
Figure 112020031777247-pat00020
상기 표9의 4-Pitched paddle의 경우 전체 혼합성능지표(HM)가 0.72, Super-Mix HS604®의 경우는 1.00이 나타났다. 또한 표10의 Super-Mix HS604®은 하부에 슬러리가 침전되어 있는 경우 슬러리분산에 탁월한 임펠러(2)로 본 발명인 혼합성능지표(HM)에 의해 4-Pitched paddle 보다 슬러리의 혼합에 더 우수한 성능이 나타나는 것을 알 수 있다. 전체 혼합성능 뿐만 아니라 국소영역에 대한 지표도 함께 확인할 수 있어서 혼합이 잘되는 영역과 잘되지 않는 영역을 확인할 수 있다.
이와 같이된 본 발명은 교반탱크(1) 내부 슬러리의 혼합 상태가 어느 수준인지, 임펠러(2)의 혼합 성능은 어느 정도인지 정량적으로 평가할 수 있는 혼합성능 지표를 확인할 수 있도록 한 교반기의 교반 혼합성능 평가방법을 제공할 수 있도록 한다.
1,1': 교반탱크 2,2':임펠러

Claims (4)

  1. 교반탱크에 액체와 액체 또는 액체와 분말의 교반물질을 투입하는 단계;
    상기 투입된 교반물질을 교반기의 임펠러로 교반혼합한 후 교반탱크 내부를 한개 이상의 가상영역으로 분할하는 단계;
    상기 교반탱크의 분할된 가상영역에서 각각 샘플링하여 성분을 처리하는 단계;
    상기 샘플링된 각 성분(V'x)의 체적비(
    Figure 112020031777247-pat00021
    )를 산출하는 단계;
    상기 각 성분의 이상적인 체적비 대비 샘플링 성분이 차지하는 체적비(
    Figure 112020031777247-pat00022
    )를 산출하는 단계;
    상기 Px의 합 대비 Px로 확률값(
    Figure 112020031777247-pat00023
    )을 산출하는 단계;
    상기 산출된 확률값(fx)에 의해 가상영역의 혼합성능지표(
    Figure 112020031777247-pat00024
    )를 산출하는 단계;
    상기 가상영역의 혼합성능지표(HM)를 산출한 후에는 가상영역의 체적을 가중하여 전체 혼합성능지표를 산출하여 교반기의 교반 혼합성능 평가를 하는 것을 특징으로 하는 교반기의 교반 혼합성능 평가방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가상영역의 체적비는 축을 기준으로 도넛 형태를 가정하거나, 높이에 따라 상, 중, 하로 가정하거나, 부채꼴 형태로 가정할 수 있는 것을 특징으로 하는 교반기의 교반 혼합성능 평가방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링 성분의 체적비를 얻는 방법은 스포이드를 활용하거나, 양동이를 이용하거나, 배관을 통해 뽑는 방법, 직접 샘플링하는 방법, 해당 위치에 센서를 꽂아 물성치를 측정하는 방법 중 어느 하나의 방법으로 체적비를 얻는 것을 특징으로 하는 교반기의 교반 혼합성능 평가방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 샘플링 성분의 체적비를 얻는 방법은 전산시뮬레이션에 있어서 가상영역의 임의의 점에서 체적비를 얻거나, 가상영역의 단면의 평균값으로 체적비를 얻거나, 가상영역 전체의 평균값으로 체적비를 얻는 것 중 어느 하나를 이용하여 체적비를 얻는 것을 특징으로 하는 교반기의 교반 혼합성능 평가방법.
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