KR20090097898A - 교반 부재 및 가스 공급 장치를 갖는 교반 장치 - Google Patents

교반 부재 및 가스 공급 장치를 갖는 교반 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체를 휘저어 가스를 분산 시키기 위한 교반 부재(2) 및 상기 교반 부재(2)의 하측 및 측면에서 공기 같은 가스를 제공하는 가스 공급 장치(3 또는 3')를 포함하는 교반 장치에 관한 것이다. 상기 기체 공급 장치(3. 3')는 범람점을 결정하는 임계 가스량 값에 이를 때까지 하측으로부터 상기 교반 부재(2)에 가스를 공급하고, 범람점을 초과하는 경우 상기 교반 부재(2)의 측면에서 동시에 가스를 공급한다.본 발명의 목적은 상기 교반 부재(2)의 범람을 막고 상기 액체 및 가스의 분산 효과를 향상시키는 것이다. 이 목적을 위해 본 발명에 따른 상기 교반 장치에서 가스 공급은 상기 교반 부재(2)에 관하여 하측 및 측면으로부터 공급되는 가스량에 따라 수행된다.
교반 장치, 교반 부재, 기체 분산, 분산 효과, 임계 가스량, 범람점

Description

교반 부재 및 가스 공급 장치를 갖는 교반 장치 {Stirring Assembly Comprising a Stirring Element and a Gassing Device}
발명의 상세한 설명
본 발명은 액체를 교반하기 위한 교반(攪拌) 부재(stirring element) 및 상기 교반 부재 하측 또는 측면에 위치하며 상기 교반 부재에 의해 분산되는 공기 같은 가스를 공급하는 가스 공급 장치를 갖는 교반 장치(stirring assembly)에 관한 것이다.
유럽특허(EP) 제0,847,799 A1호에 특히 액체를 교반하기 위해 가스-교반 부재로 사용된 교반 부재가 개시되어 있다. 이 가스-교반 부재에서 가스는 입구가 상기 교반 부재의 교반 축 하측에 위치한 공급 파이프를 통해 공급된다.
상기 가스 공급 파이프의 대체 수단으로 링 샤워(ring shower) 라고 불리는 링 모양의 가스 분배기가 링 샤워가 주변을 따라 상기 교반 부재에 공급된 가스가 배출될 수 있는 복수 개의 배출통로를 갖는 상기 교반 부재 하측에 위치할 수 있다.
이러한 형태의 가스-교반 부재를 사용하는 경우 상기 교반 부재는 범람점(flooding point)이라고도 언급되는 임계 가스량 값(critical gas quantity value)을 초과한 때 공급된 가스의 전체 양을 더 이상 분산시키지 못한다. 상기 범 람점을 초과하는 경우 가스 공급 장치를 통해 제공된 상기 가스의 일부분은 커다란 기포 형태로 표면에 떠오르게 되고 더 이상 상기 액체의 질량으로 추가되지 못한다. 이때 상기 교반 부재가 더 이상 충분한 펌핑 작용(pumping action)을 제공하지 못하여 액체와 가스의 혼합물의 질이 나빠진다. 이러한 문제는 특히 이러한 형태의 가스-교반 부재를 사용하는 반응기의 연속적인 작동을 특히 불리하게 하고 존재하는 어떤 고체 입자는 부분적으로 바닥에 침전될 수 있다.
범람점을 초과하는 경우 발생하는 문제점은 상기 가스 공급 장치가 가스를 측면 및 상기 교반 부재의 원심방향 외측에 있는 하나의 위치로부터 제공되도록 설계되는 것에 의해 극복될 수 있다. 가스는 원주 방향(둘러싸는 형태)에 하나 또는 여러 개의 파이프를 배열하는 것에 의해 상기 측면으로부터 제공될 수 있다. 대체 수단으로 상기 교반 부재 외측에 링 샤워가 배치될 수 있다. 그것에 의해 혼합 및 서스팬딩 효과(mixing and suspending effect)를 유지하면서 상기 교반 장치의 범람은 예방될 수 있다. 그러나 이와 같은 교반 장치는 범람점 미만 범위에서 작동하는 경우 상기 교반 부재 외측으로부터 가스가 제공되는 것에 비하여 더 작은 물질 변환(mass transfer)을 가져 다소 바람직하지 못한 분산 효과를 갖는다.
본 발명의 목적은 교반 부재와 가스 공급 장치를 갖는 교반 장치를 제공하는 것이다. 본 발명의 교반 장치는 많은 가스량으로 인한 범람(flooding)을 막고 동시에 질량 변환을 최적화 시킨다.
본 발명에 따르면 액체를 교반하기 위한 교반 부재 및 상기 교반 부재 하측 또는 측면에 위치하며 상기 교반 부재에 의해 분산되는 공기 같은 가스를 공급하는 가스 공급 장치를 갖는 교반 장치가 제공된다. 상기 교반 장치는 상기 가스 공급 장치가 범람점을 결정하는 임계 가스량 값에 도달하기까지 하측에서부터 상기 교반 부재로 가스를 공급하고, 범람점을 초과하는 경우 상기 가스 공급 장치는 동시에 측면으로부터 상기 범람점을 초과하는 가스량을 공급하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 교반 장치의 설계에 의하면 상기 가스 공급 장치는 범람 한계 값에 따라 공급되는 가스량을 의도적으로 조절하는 것에 의해 작동하는데 가스량이 상기 범람 한계 값 미만에서 작동하는 경우 상기 교반 부재의 하측에서 상기 교반 부재로 공급되고 범람점을 초과하는 경우 상기 범람점을 초과하는 가스량은 상기 교반 부재의 측면에서 상기 가스 공급 장치로 추가적으로 제공되게 한다. 이를 통해 본 발명에 따른 상기 교반 장치의 설계는 범람 한계, 범람점 또는 범람 한계 값에 따라 상기 교반 부재로 공급되는 가스를 제어하게 된다. 이러한 접근은 많은 가스량(즉 범람점의 임계 가스량 값을 초과하는 량)에 대해 전반적으로 최적화된 분산효과를 수행하면서 상기 교반 부재의 범람을 막고 또한 관련된 불이익 및 문제를 제거한다.
본 발명의 바람직한 구체예에 따르면 상기 교반 부재의 하측 및 측면에서 가스를 공급하는 상기 가스 공급 장치는 적어도 하나 또는 복수 개의 파이프에 의해 형성될 수 있다. 이 구체예에서 가스는 상기 가스 부재로부터 축(axial) 및 원심(radial)방향으로 일정한 거리에 위치하는 하나 이상의 파이프에 의해 상기 가스 공급 장치를 통과해 공급된다.
상기 교반 장치의 다른 구체예에서 상기 교반 부재의 하측 및 측면에서 가스를 공급하기위한 상기 가스 공급 장치는 링 샤워에 의해 구성될 수 있다. 이 구체예에서는 상기 교반 부재로부터 축 및 원심 방향으로 일정한 거리에 위치하고 가스를 상기 회전 교반 부재로 공급하는 적당한 통로를 갖는 링 모양의 가스 분배기가 사용된다.
본 발명에 따른 또 다른 구체예에서, 추가적인 구체예는 하나 또는 복수 개의 파이프 및 링 샤워의 조합을 편의에 따라 포함할 수 있다. 이때 상기 가스 공급 장치는 전체적으로 측면에서 상기 가스 공급 장치로 가스를 공급하기 위해 상기 교반 부재로부터 원심방향으로 일정한 거리에 위치하는 하나 또는 복수 개의 파이프 또는 링 샤워가 제공되는데 반하여, 상기 교반 부재로부터 축방향으로 위치한 하나 또는 복수 개의 파이프 또는 링 샤워는 하측으로부터 가스를 공급하기 위해 제공되도록 구성된다..
상기 파이프 또는 링 샤워의 축 및/또는 원심방향으로 일정한 거리 범위 내에서 다양하게 설정될 수 있다. 이 점은 청구항 제5항 및 제6항에서 상기 교반 부재의 외측 직경 및 그 중심축에 관하여 보다 상세하게 기술했다.
요약하자면, 본 발명의 교반 장치에서 상기 가스 공급 장치가 상기 교반 장치의 교반 부재의 범람을 효과적으로 방지하고 분산과정 중 가스에서 액체로 최적의 물질 변환을 확실하게 하기 위해, 공급된 가스량에 따라 상기 가스를 분배하여 잔여 가스량은 측면으로부터 상기 교반 부재로 공급되는데 반해 전체 가스량의 일부분, 즉 범람 한계 내의 양은 하측으로부터 상기 교반 부재로 공급되는 것이 중요 하다.
본 발명의 바람직한 구체예는 본 발명의 범위를 제한하지 않고 예로서 선택된 첨부 도면과 함께 설명될 것이다.
제1도는 본 발명에 따른 교반 부재 및 가스 공급 장치를 갖는 교반 장치의 측면도를 개략적으로 도시한다.
제2도는 본 발명에 따른 교반 부재 및 가스 공급 장치를 갖는 교반 장치의 다른 구체예의 측면도를 개략적으로 도시한다.
제3도는 제1도의 구체예에서 상기 교반 부재 및 가스 공급 장치의 바람직한 범위 지정 및 그들의 결합관계를 도시한다.
제4도는 제2도의 구체예에서 상기 교반 부재 및 가스 공급 장치의 바람직한 범위 지정 및 그들의 결합관계를 도시한다.
이하 상기 바람직한 구체예의 설명에서 동일 또는 유사한 부재는 같은 참조 부호로 지정된다.
제1도는 교반 장치(1)의 제1 구체예를 도시한다. 상기 교반 장치(1)는 개략도에서 도시된 교반 부재(2)를 포함하는데 이는 유럽특허 제0,847,799 A1호에 보다 자세하게 개시된 방법으로 만들어진다. 상기 교반 장치(1)는 제1도에 도시된 예에서 축으로부터 일정한 거리를 둔 하나 또는 복수 개의 파이프(4)를 통해(제1도에 한 개만이 도시됨) 가스가 하측으로부터 상기 가스를 분산시키는 교반 부재(2)로 공급되도록 구성된 가스 공급 장치(3)를 포함한다. 또한 가스 공급 장치(3)가 하나 또는 복수 개의 파이프(5)를 통해 적어도 공급된 가스 흐름의 일부분을 원심방향으 로 일정한 거리에 위치한 측면에서 상기 교반 부재(2)로 공급하는 것을 개략적으로 도시한다.
제1도에 도시된 교반 장치는 가스 공급 장치(3)가 범람점 또는 범람한계를 나타내는 한계 가스량에 도달할 때까지 교반 부재(2)의 하측으로부터 축 방향으로 일정한 거리에 위치한 파이프(4)를 통해 공기 같은 가스를 제공하도록 구성된다. 이때 공급된 가스량은 상기 교반 부재의 분산 영역에서 물질 변환에 참여한다. 공급된 가스량이 상기 교반 부재(2)의 범람 한계를 초과하는 경우 범람한계를 초과한 가스량은 추가적으로 상기 교반부재(2)에서 원심방향으로 일정한 거리에 위치한 하나 또는 복수 개의 파이프(5)를 통해 공급된다. 이를 통해 상기 교반 장치에서 제1도에 도시된 것처럼 교반 부재(2)의 범람이 효과적으로 방지된다. 그리고 범람한계를 초과하는 가스량은 액체를 교반하는 상기 교반 부재(2)로 공급된다.
제2도는 제1도와 같이 교반 부재(2)를 포함하는 교반 엄셈블리(1')를 도시한다. 제2도에 도시된 구체예에서 가스 공급 장치(3')는 링 모양의 가스 분배기(6) 및 가스를 회전 교반 부재(2)에 공급하는 입구를 갖는 링 모양 가스 분배기(7)를 통해 가스를 상기 교반 부재(2)의 측면뿐만 아니라 상기 교반 부재(2)의 하측에서부터 공급되도록 구성된다. 이러한 링 모양의 가스 분배기(6, 7)는 또한 링 샤워라고도 언급된다.
제1도 및 제2도에서 상기 교반 부재(2)의 유출량 방향은 흰색의 굵은 화살표(double arrow)로 표시된데 반하여 교반 부재(2)의 회전 방향은 얇은 화살표로 표시된다. 제2도에 따른 상기 가스 공급 장치(3')는 범람한계까지 가스량이 축 방 향으로 일정한 거리에 위치한 링 샤워(6)를 통해 상기 교반 부재(2)로 공급되고 범람한계를 초과하는 가스량은 원심방향으로 일정한 거리에 위치한 측면에서 링 샤워(7)를 통해 상기 교반 부재(2)로 추가 공급되도록 구성된다.
자세하게 도시되지는 않았지만 각각 상기 가스 공급 장치(3) 및 (3')를 설계할 때 상기 파이프(4, 5) 및 상기 링 샤워(6, 7)는 서로 조합된 형태도 가능하다. 예컨대 파이프(4)는 하측에서부터 가스를 제공할 수 있고, 측면에 배열되고 주변을 따라 배치된 복수 개의 파이프(5)는 측면으로부터 가스를 공급하기 위해 상기 교반 부재(2)와 함께 결합 될 수 있다. 다른 대체적인 구성으로 상기 가스 공급 장치(3, 3')는 가스가 주변을 따라 배치되는 하나 또는 복수 개의 파이프(5)를 통해 측면에서 공급되는 동안 가스가 하측으로부터 부분적으로 링 샤워(6)를 통해서 공급되도록 구성될 수 있다. 또 다른 대체적인 구성으로 링 모양의 가스 분배기 또는 링 샤워(7)는 측면에서 상기 가스 공급 장치(3, 3')로부터 가스를 공급하기 위해 제공되는 반하여 하나 또는 복수 개의 파이프(4)는 하측으로부터 상기 교반 부재(2)로 가스를 공급할 수 있다. 하측 및 측면에서 상기 가스 공급 장치(3, 3') 및 대응하는 공급장치의 특이적 설계는 특정한 상황 및 특이적인 동작 환경을 고려하여 선택될 수 있다.
제1도에 따른 상기 교반 장치(1)에서 상기 가스 공급 장치(3)의 설계 기준의 바람직한 관계는 제3도와 함께 보다 자세히 설명할 것이다. 상기 교반 부재(2)의 외측 직경은 d, 상기 교반 부재(2)의 축방향 높이는 h 및 제1도의 파이프(4)의 직 경은 dRohr로 지정된다. 상기 교반 부재(2)의 중심축으로부터 거리(x)는 x=(0.1-5)dRohr의 범위를 갖고 바람직하게는 x=(0.2-1)dRohr 범위를 갖는다. 제1도에서 상기 파이프(5)의 중심축으로부터 측면의 상기 가스 공급 장치(3)에서 가스를 공급하기위한 상기 교반 부재(2)의 외측 외각까지의 측정된 거리(y)는 y=(0.03-0.5)d 범위를 갖고 바람직하게는 y=(0.05-0.2)d 범위를 갖는다. 상기 파이프(5)의 구에서 상기 교반 부재(2)의 중심축과 측면에서의 가스 공급 간의 거리(z)는 z=
Figure 112009039112100-PCT00001
(0-1)h 범위를 갖고 바람직하게는 z=
Figure 112009039112100-PCT00002
(0-0.75)h 범위를 갖는다.
제4도는 제2도의 예에서 상기 가스 공급 장치(3')와 상기 교반 부재(2)간의 기하학적인 관계를 설명한다. 제4도에서도 h는 상기 교반 부재(2)의 축 높이를 지시하고 d는 상기 교반 부재(2)의 외측 직경을 지시한다. 하측의 가스 공급을 위한 링 샤워(6)의 직경(dR1)은 바람직하게는 dR1=(0.3-1.2)d 의 범위를 갖고 보다 바람직하게는 dR1=(0.5-1)d 범위를 갖는다. 상기 교반 부재(2)의 하측에서 축 거리(x)는 x=(0.03-0.5)d 범위, 바람직하게는 x=(0.05-0.2)d 범위를 가질 수 있다. 측면에서 가스 공급 장치(3')로부터 가스를 공급하기 위한 상기 링 샤워(7)의 평균 직경(dR2)은 dR2=(1.05-2)d 범위이고 바람직하게는 dR2=(1.1-1.5)d 범위를 가질 수 있다. 제2도에서 상기 링 샤워(7)의 중심축과 상기 교반 부재(2)의 중심축 간의 거리는 z로 지시된다. 이 축 거리는 z=
Figure 112009039112100-PCT00003
(0-1)h 범위이고 바람직하게는 z=
Figure 112009039112100-PCT00004
(0-0.75)h 범위일 수 있다.
상기 예 및 범위 값은 근사 값이지 절대적인 값은 아니라고 이해되어야할 것이다.
또한 본 발명은 전술한 예 및 바람직한 구체예에 관한 상세한 설명에 제한되지 않고 필요하다면 적절한 실험을 통해 결정되는 특별한 응용을 위해 은 변경 및 수정이 가능하다. 본 발명에 따른 상기 교반 장치(1, 1')의 중요한 특성은 가스가 교반 부재(2)의 하측 및 측면에서 제공된다는 것이다. 즉, 상기 교반 부재(2)의 하측으로부터 가스가 대략 상기 교반 부재(2)의 범람한계까지 제공되고 그에 반해 상기 범람한계를 초과하는 가스량은 측면에서 가스 공급 장치(3, 3')로부터 상기 교반 부재(2)로 추가 공급된다.

Claims (6)

  1. 교반 부재(2)의 하측 또는 측면에서 공기와 같은 가스를 공급하는 가스 공급 장치(3 또는 3')내에서 액체를 교반하고 상기 가스를 분산하기 위한 상기 교반 부재(2)로 이루어지고,
    상기 가스 공급 장치(3 또는 3')는 범람점을 결정하는 임계 가스량 값에 도달할 때까지 하측으로부터 상기 교반 부재(2)로 가스를 공급하고, 범람점을 초과하는 경우, 상기 가스 공급 장치(3 또는 3')는 동시에 범람점을 초과하는 가스량을 측면으로부터 공급하도록 설치되는 것을 특징으로 하는 교반 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 교반 부재(2)의 하측 및 측면으로부터 가스를 공급하기위한 상기 가스 공급 장치(3)는 적어도 하나 또는 복수 개의 파이프(4, 5)로 구성되는 것을 특징으로 하는 교반 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 교반 부재(2)의 하측 및 측면으로부터 가스를 공급하기위한 상기 가스 공급 장치(3)는 링 모양의 가스 분배기 또는 링 샤워(6, 7)로 구성되는 것을 특징으로 하는 교반 장치.
  4. 제1항에 있어서, 상기 교반 부재(2)의 하측으로부터 가스를 공급하기위한 상기 가스 공급 장치(3)는 하나 또는 복수 개의 파이프(4) 또는 링 샤워(6)로 구성되고, 상기 가스는 상기 교반 부재(2)의 측면에서 링 샤워(7) 또는 하나 또는 복수 개의 파이프(5)를 통해 공급되는 것을 특징으로 하는 교반 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 교반 부재(2)의 외측 직경은 d, 상기 교반 부재(2)의 축 높이는 h 및 상기 파이프(4)의 직경은 dRohr로 지정되고, 상기 교반 부재(2)의 중심축으로부터 파이프(4) 입구의 축 거리(x)는 x=(0.1-5)dRohr 의 범위를 갖고 바람직하게는 x=(0.2-1)dRohr 범위이고, 상기 교반 부재(2)의 외측 외각으로부터 상기 파이프(5)의 중심축의 원심방향 거리(y)는 y=(0.03-0.5)d 범위를 갖고 바람직하게는 y=(0.05-0.2)d 범위이고, 그리고 상기 파이프(5)의 입구에서 상기 교반 부재(2)의 원심방향 중심까지 축 거리(z)는 z=
    Figure 112009039112100-PCT00005
    (0-1)h 범위이고 바람직하게는 z=
    Figure 112009039112100-PCT00006
    (0-0.75)h 범위인 것을 특징으로 하는 교반 장치.
  6. 제3항에 있어서, 상기 교반 부재(2)의 외측 직경은 d 및 상기 교반 부재의 축 높이는 h로 지정되고, 가스 공급 장치(3')의 하측 가스 공급을 위한 링 샤워(6) 의 평균 직경은 dR1=(0.3-1.2)d 범위를 갖고 바람직하게는 dR1=(0.5-1)d 범위이고, 상기 가스 공급 장치(3')의 상기 교반 부재(2)의 하측으로부터 축 거리(x)는 x=(0.03-0.5)d 범위를 갖고 바람직하게는 x=(0.05-0.2)d 범위이고, 측면에서 상기 가스 공급 장치(3')로부터 가스를 공급하기 위한 상기 링 샤워(7)의 평균 직경(dR2)은 dR2=(1.05-2)d 범위이고 바람직하게는 dR2=(1.1-1.5)d 범위이고, 그리고 상기 교반 부재(2)의 중심축과 상기 링 샤워(7)의 중심축 사이의 거리(z)는 z=
    Figure 112009039112100-PCT00007
    (0-1)h 범위이고 바람직하게는 z=
    Figure 112009039112100-PCT00008
    (0-0.75)h 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 교반 장치.
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