KR20110028645A - 공기/연료 혼합을 위한 고전단 프로세스 - Google Patents

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KR20110028645A
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압바스 하산
레이포드 지. 안소니
그레고리 보르싱거
아지즈 하산
에브라힘 배그헤르자데흐
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에이치 알 디 코포레이션
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Abstract

엔진 내에서의 효율적인 연소를 위한 에어레이션된 연료(aerated fuel)를 생성하기 위한 공정에서 고전단(high shear) 기계식 장치가 이용된다. 예를 들면, 이를 위한 방법은 엔진에 제공하기 전에 고전단 장치에서 가스와 액체 연료의 에멀전을 형성하는 단계를 포함한다. 에어레이션된 연료를 생성하는 차량 시스템은 고전단 장치를 포함한다.

Description

공기/연료 혼합을 위한 고전단 프로세스{HIGH SHEAR PROCESS FOR AIR/FUEL MIXING}
연방 정부 후원 하의 연구 또는 개발에 관한 신고
해당 사항 없음
기술분야
본 발명은 전반적으로 내연 엔진에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 내연 엔진의 작동에 관한 것이다.
오일 또는 오일 증류를 위한 휘발유 시장에서는 연료의 비용이 소비자에게 직접적으로 영향을 준다. 이러한 비용의 증가는 등유, 가솔린 및 디젤의 비용을 증가시킨다. 수요와 가격이 증가함에 따라, 소비자는 자신의 내연 엔진으로부터의 효율을 향상시키고자 한다. 엔진 효율은 연료 소비와 관련되기 때문에 통상적으로 연료의 전체 화학 에너지와 이 연료로부터 운동 에너지 형태로 뽑아내지는 유용한 에너지의 비교를 포함한다. 엔진 효율의 가장 기본적인 개념은 열역학 사이클(thermodynamic cycle)에 의해 정의되는 연료로부터 에너지를 뽑아내기 위한 열역학적 한계이다. 가장 포괄적이고 경제적으로 중요한 개념은 예컨대 자동차 어플리케이션에서의 갤론당 마일과 같은 실험에 근거한 엔진의 연료 절감이다.
자동차에서 볼 수 있는 것과 같은 내연 엔진은 연료와 산화제가 연소 챔버 내에서 혼합되어 연소되는 엔진이다. 통상적으로, 이들 엔진은 4행정 엔진이다. 4행정 사이클은 흡기 행정, 압축 행정, 연소 행정 및 배기 행정을 포함한다. 연소 반응은 열과 가압 가스를 생성하며, 이 가압 가스는 팽창하도록 허용된다. 발생 가스의 팽창은 유용한 작업이 이루어지도록 엔진의 기계 부품에 작용한다. 발생 가스는 압축 연료/산화제 혼합물보다 더 많은 이용 가능한 에너지를 갖는다. 이용 가능한 에너지가 제거된 후에, 작업으로 변환되지 않은 열은 냉각 시스템에 의해 폐열(waste heat)로서 제거된다.
연소되지 않은 연료는 배기 행정 동안 엔진으로부터 배출된다. 거의 완전한 연소를 달성하기 위해서는, 엔진이 연료대 산화제의 화학량론적 비율 부근에서 작동하도록 할 필요가 있다. 이 방법은 연소되지 않은 연료의 양을 감소시키기는 하지만, 어떠한 규제 오염물의 방출을 증가시킨다. 이들 오염물은 연소 챔버에 도입되기 전의 연료와 산화제의 좋지 않은 혼합에 관련될 것이다. 또한, 화학량론적 비율 부근에서의 작동은 이상 폭발(detonation)의 위험을 증가시킨다. 이상 폭발은 연소 행정의 완료 전에 엔진 내에서 연료가 자동 점화하는 위험한 상태이다. 이상 폭발은 최악의 엔진 고장을 초래할 수도 있다. 이러한 상황을 방지하기 위해, 엔진은 연료 과잉의 상태에서 작동된다.
따라서, 본 기술의 분야에서는 연료와 산화제를 내연 엔진에 주입하기 전에 혼합하는 향상된 방법이 요구된다.
에어레이션된 연료(aerated fuel)의 생성을 위한 고전단 시스템(high shear system) 및 프로세스가 개시되어 있다. 에멀전(emulsion)을 형성하기 위한 방법은, 5 m/s 이상의 선단 속도(tip speed)를 발생하도록 구성된 하나 이상의 회전자/고정자 세트를 갖는 고전단 장치를 획득하는 단계와, 상기 고전단 장치에 가스 및 액체 연료를 제공하는 단계와, 상기 가스 및 상기 액체 연료의 에멀전을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 가스가 약 5 ㎛ 미만의 평균 직경을 갖는 버블을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 명세서에 개시된 실시예에서, 본 발명의 프로세스는 향상된 시간, 온도 및 압력 조건을 제공하여 다상 화합물(multiphase compound)의 향상된 분산을 발생시키기 위해 고전단 기계식 장치를 채용한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 고전단 연료 시스템의 개략도이다.
도 2는 에어레이션된 연료의 생성을 위한 고전단 장치의 횡단면도이다.
이러한 실시예, 특징 및 장점과 기타 실시예, 특징 및 장점은 이하의 상세한 설명 및 도면으로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 보다 구체적인 설명을 위해 첨부 도면을 참조할 것이다.
본 발명은 고전단 장치를 이용하여 액체 연료와 산화제 가스를 혼합하는 단계를 포함하는 에어레이션된 연료의 생성을 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 본 시스템 및 방법은 내연 엔진에 도입하기 전에 반응기/혼합기 장치 내의 제어된 환경에서 반응물의 신속한 접촉 및 혼합을 제공하기 위해 고전단 기계식 장치를 채용한다. 고전단 장치는 연소를 향상시키기 위해 액체 연료에 산화제 가스를 완전히 분포시킨다. 특정의 경우, 본 시스템은 운송이 가능하게 되도록 구성된다.
액체, 가스 및 고체를 수반하는 화학 반응 및 혼합물은 반응 속도 및 혼합의 완전성(thoroughness of mixing)을 규정하기 위해 시간, 온도 및 압력을 수반하는 운동 법칙에 좌우된다. 예컨대 고체와 액체, 액체와 가스, 고체와 액체와 가스 같이 상이한 상(phase)의 2개 이상의 원료를 에멀전으로 혼합하는 것이 바람직한 곳에서는, 반응 속도 및 혼합의 완전성을 제어하는 제한 요소 중의 하나는 반응물의 접촉 시간이다. 특정 이론에 의해 한정되지 않고, 에멀전 화학에서는, 액체에 분산된 1 마이크론 미만의 입자, 소구체(globule), 또는 버블이 확산 시에 주로 브라운 운동 효과를 통해 이동을 행하는 것으로 알려져 있다.
연소 전에 산화제와 연료를 혼합하는 것은 폭발의 추가 위험을 포함한다. 공기 중의 폭발 한계치(explosive limit)는 실온에서의 체적의 백분율에 의해 측정된다. 이후 UEL(Upper Explosive Limit)로 지칭되는 폭발 상한치 파라미터는 가스 또는 증기의 최대 농도를 나타내며, 이 농도 위에서는 산화제가 연료를 점화시키기에 충분한 정도로 존재하지 않기 때문에 물질이 연소하거나 폭발하지 않을 것이다. 이후 LEL로 지칭되는 폭발 하한치 파라미터는 공기 중의 가스 또는 증기의 최소 농도를 나타내며, 이 임계치 아래에서는 연료가 점화하기에는 불충분하기 때문에 물질이 연소하거나 폭발하지 않을 것이다. 연료와 산화제를 이들 임계치 사이에서 혼합하는 것은 폭발의 위험을 증가시킨다. 연소 또는 폭발이 발생하기 위해서는 연료, 산화제 및 점화 소스의 3가지 요소가 적절한 비율로 조합되어야 한다. 특정의 경우, 점화 소스는 스파크, 섬광(flame), 고압 또는 기타 소스를 포함할 수 있으며, 이에 대한 제한은 없다. 산화제/연료 혼합물, 상태 및 용기의 조정은 폭발 위험을 완화시킬 수 있는 수단을 구성한다.
가솔린의 경우, LEL은 체적의 약 1.4%이고, UEL은 체적의 약 7.6%이다. 디젤을 이용하면, 폭발 위험이 가솔린에 비하여 감소된다. 이것은 디젤의 인화점이 더 높아서 디젤이 용이하게 기화하여 연소 가능한 에어로졸을 생성하는 것을 방지하기 때문이다. 가솔린 또는 디젤과 같은 연료 혼합물을 LEL 아래와 UEL 위에서 유지하는 것은 폭발의 위험을 감소시키는데 중요하다.
고전단 연료 시스템
도 1에 예시된 바와 같이, 고전단 연료 시스템(HSFS)(100)은 베젤(50), 펌프(5), 고전단 장치(40) 및 엔진(10)을 포함한다. HSFS(100)은 차량(30)과 함께 배치된다. 차량(30)은 승용차, 트럭, 트랙터, 트레인 또는 다른 운송 수단을 포함하며, 특별한 제한은 없다. 이와 달리, 차량(30)은 발전기의 경우에는 이동 가능하거나, 휴대 가능하거나 또는 운반 가능한 엔진을 포함할 수도 있다. 차량(30)은 엔진(10)에 의해 구동되거나 동력을 받게 된다. 엔진(10)은 내연 엔진을 포함한다. 특정 실시예에서, 엔진(10)은 디젤 또는 가솔린 엔진을 포함한다. 이와 달리, 엔진(10)은 예컨대 등유 또는 프로판 엔진의 경우에는 산화제와 어떠한 연료의 연소에 의해 작동하는 어떠한 엔진도 포함할 수 있으며, 이에 대해서는 제한이 없다.
연료는 베젤(50)에 저장된다. 베젤(50)은 액체 연료의 저장, 운송 및 소모를 위해 구성된다. 베젤(50)은 적어도 2개의 개구부, 유입구(51) 및 유출구(52)를 포함한다. 베젤(50)은 유입구(51)를 통한 재충전을 위해 차량(30)의 외부로부터 액세스할 수 있다. 베젤(50)은 하나 이상의 유출구(52)를 통해 엔진(10)과 유체 소통하게 된다. 특정의 경우, 베젤(50)은 연료 탱크 또는 연료 전지를 포함한다. 특정의 경우, 베젤(50)은 가압될 수도 있다. 이와 달리, 베젤(50)은 가스 상태의 연료를 저장하도록 구성될 수도 있다.
유출구(52)는 펌프(5)를 향하고 있는 연료 라인(20)에 연결된다. 펌프(5)는 연료를 베젤(50)로부터 엔진(10)으로 이동시키도록 구성된다. 실시예에서, 펌프(5)는 베젤(50) 및 엔진(10)과 유체 소통하게 된다. 펌프(5)는 가압 연료 라인(12)을 생성하기 위해 연료 라인(20)을 가압하도록 구성된다. 펌프는 가압된 유체 라인(12)과 유체 소통된다. 또한, 펌프(5)는 HSFS(100)를 가압하고 이를 통해 연료 흐름을 제어하도록 구성될 수 있다. 펌프(5)는 당업자에게 알려진 바와 같이 연료를 연소 엔진으로 이동시키도록 구성된 어떠한 연료 펌프도 가능할 것이다. 이와 달리, 펌프(5)는 예컨대 Roper Pump Company(Commerce Georgia)의 Roper Type 1 기어 펌프 또는 Dayton Electric Co.(Niles, IL)의 Dayton Pressure Booster Pump Model 2P372E와 같은 어떠한 적합한 펌프도 포함할 수 있다. 특정의 경우, 펌프(5)는 연료에 의한 부식에 대해 저항성을 나타낸다. 이와 달리, 펌프(5)의 모든 접촉 부분은 스테인레스 스틸을 포함한다.
펌프(5)는 연료 라인(20)에서의 연료의 압력을 대기압인 대략 101 kPa(1 atm)보다 커지도록 증가시키며, 바람직하게는 펌프(5)는 압력을 203 kPa(2 atm)으로 증가시킨다. 이와 달리, 펌프는 연료의 압력을 대략 304 kPa(3 atm)보다 커지도록 증가시킨다. 펌프(5)는 압력을 증가시키고, 가압된 연료 라인(12)을 통해 고전단 장치(40)에 공급한다.
가압된 연료 라인(12)은 펌프(5)의 내용물을 받아들인다. 가압된 연료 라인(12)은 또한 산화제 공급부(22)를 포함한다. 산화제 공급부(22)는 산화제를 가압된 연료 라인(12)에 주입하도록 구성된다. 산화제 공급부(22)는 산화제를 가압된 연료 라인(12)에 주입하기 위한 압축기 또는 펌프를 포함할 수도 있다. 산화제 공급부(22)는 산소를 포함한다. 산화제 공급부(22)는 연소를 위한 또는 방출 제어를 위한 연료 첨가제 또는 연소를 다른 반응물을 포함할 수도 있다. 또한, 산화제 공급부(22)는 가압된 연료 라인(12)에 도입하기 위해 연료 첨가제를 기화하는 수단을 포함할 수도 있다. 예컨대, 산화제 공급부(22)는 물, 메탄올, 에탄올, 산소, 산화질소, 또는 연소, 방출 및 기타 엔진(10) 작동 파라미터의 효율을 향상시키기 위해 당업자에게 공지되어 있는 기타 화합물을 포함할 수 있다. 가압된 연료 라인(12)은 또한 연료와 산화제를 HSD(40)에 전달하도록 구성된다. 가압된 연료 라인(12)은 HSD(40)와 유체 소통된다. 산화제 공급부(22)는 가압된 연료 라인(12)을 통해 HSD(40)와 유체 소통된다. 이와 달리, 산화제 공급부(22)는 HSD(40)와 직접 유체 소통된다.
HSD(40)는 가압된 연료 라인(12) 내의 연료와 산화제 공급부(22)를 즉각적으로 혼합하도록 구성된다. 상세히 후술하는 바와 같이, 고전단 장치(40)는 예컨대 고정자와 회전자 사이에 고정된 갭을 갖는 고정자-회전자 혼합 헤드를 이용하는 기계 장치이다. HSD(40)에서, 산화제 가스와 연료가 혼합되어 산화제 가스의 마이크로버블 또는 나노버블을 포함하는 에멀전을 형성한다. 실시예에서, 그 결과의 분산제는 1 마이크론 미만 크기의 버블을 포함한다. 실시예에서, 그 결과의 분산제는 약 1.5 ㎛ 미만 크기의 평균 버블을 갖는다. 실시예에서, 평균 버블 크기는 약 0.1 내지 1.5 ㎛ 미만이다. 실시예에서, 평균 버블 크기는 약 400 nm 미만, 보다 바람직하게는 100 nm 미만이다.
HSD(40)는 연료 주입 라인(19) 내에서 산화제 가스 버블의 에멀전을 생성하도록 작용한다. 에멀전은 미세포말(micro-foam)을 추가로 포함할 수 있다. 특정의 경우, 에멀전은 에어레이션된 연료 또는 가스 성분으로 가득차 있는 액체 연료를 포함할 수 있다. 구체적인 방법에 의해 제한되지 않지만, 에멀전 화학에서는 액체 내에 분산된 1 마이크론 미만의 입자가 주로 브라운 운동 효과를 통해 이동을 행하는 것으로 알려져 있다. 실시예에서, 고전단 혼합은 적어도 약 15분 동안 대기압에서 분산된 상태로 잔류할 수 있는 가스 버블을 생성한다. 특정의 경우, 버블은 버블 크기에 따라서는 현저하게 더 큰 지속 기간 동안 분산된 상태로 잔류할 수 있다. HSD(40)는 연료 주입 라인(19)에 의해 엔진(10)과 유체 소통된다. 연료 주입 라인(19)은 연료를 연소를 위해 엔진(10)에 운반하도록 구성된다.
연료 주입 라인(19)은 연료 및 산화제 에멀전을 엔진(10)에 전달하도록 구성된다. 연료 주입 라인(19)은 HSD(40)와 엔진(10)에 유동적으로 연결된다. 연료 주입 라인(19)은 에멀전을 LEL 아래 및 UEL 위와 같은 연료의 폭발 한계의 외측에 유지하도록 구성된다. 연료 주입 라인(19)은 섬광, 스파크, 열, 전기 방전 또는 다른 가능한 점화 소스에 대한 절연부(insulation)를 포함할 수 있다. 특정의 경우, 연료 주입 라인(19)은 어떠한 제한 없이도 연료 주입 시스템과 관련된 예컨대 연료 압력 조정기, 연료 레일 및 연료 주입기와 같은 어떠한 구성 부품을 포함하여도 된다.
HSFS(100)의 전술한 설명에서, HSFS(100)의 구성 부품 및 작동은 보드 프로세서 또는 엔진 제어 유닛(ECU)(75)에 의해 모니터되고 제어된다. ECU(75)는 차량 내에 배치된 장치를 모니터, 감지, 저장, 변경 및 제어하도록 구성된 임의의 프로세서를 포함한다. 또한, ECU(75)는 엔진 작동 파라미터를 변경하기 위해 HSFS(100)의 동작을 조정하거나 변경하기 위한 수단과 같은 센서, 솔레노이드, 펌프, 릴레이, 스위치 또는 다른 부품과 전기적 소통될 수 있으며, 이에 대해서는 특별한 제한이 없다. ECU(75)는 예컨대 연료 내의 산화제의 안전한 에멀전을 보장하기 위해 HSD(40)의 동작을 제어할 수 있도록 구성된다.
일례의 구성에서, HSFS(100)은 디젤 차량 내에서 작동하도록 구성된다. HSFS(100)은 디젤을 UEL 아래의 레벨에서 에어레이션(aeration)한다. 에어레이션은 산화제 가스를 연료에 예컨대 매우 작은 버블로 첨가하여, 엔진 내에 주입된 후에 연료가 더욱 완전하게 연소하도록 하는 공정이다.
HSFS(100)에서, 디젤 연료가 베젤(50)에 저장된다. 디젤은 펌프(5)에 의해 베젤(50)로부터 흡인된다. 펌프(5)가 디젤을 고전단 장치(40)에 보냄에 따라, 연료 라인(20) 내의 네거티브 압력이 베젤(50)로부터 연료를 흡인한다. 펌프(5)는 액체 디젤 연료를 가압한다.
가압된 연료 라인(12)이 펌프(5)를 빠져나오고, 산화제 공급부(22)가 도입될 때, 가압된 연료 라인(12)은 점화를 위한 3가지 필수적인 성분 중의 2가지인 산화제와 연료의 혼합물을 포함하게 된다. 본 실시예에서, 산화제는 공기를 포함한다. 어떠한 이론에 의해 제한되지 않고서도, 가압된 액체는 기화하기가 거의 어렵게 된다. 그러므로, 디젤은 UEL 또는 폭발 상한치 위로 유지된다. 산화제와 가압된 연료는 HSD(40) 내에서 혼합된다. 시스템이 UEL 위의 압력 하에 있음에 따라, 자동 점화 또는 폭발이 방지된다. 또한, 산화제 가스는 마이크로버블 및 나노버블로 나누어지게 되고, 연료 전반에 걸쳐 분산된다. 연료 내의 분산된 마이크로버블 및 나노버블은 에멀전을 포함한다. 연료 주입 라인(19)은 에멀전을 연소를 위해 엔진(10)에 보낸다.
엔진(10) 내에서는, 에멀전은 대기로부터 흡인된 추가의 공기로 연소된다. 디젤이 공기의 에멀전을 포함함에 따라, 디젤은 전술한 화학량론적 양으로 엔진 내에 주입될 수 있다. 어떠한 이론에 의해 제한되지 않고서도, 디젤은 보다 완전하게 연소할 수 있으며, 예컨대 질소의 산화물과 같은 특정의 규제 오염물 에멀전을 감소시킬 것이다. 또한, 디젤 에멀전은 엔진 내의 이상 폭발을 방지할 것이다. 이상 폭발은 4 행정 사이클에서의 적절한 시점 전에 엔진 내의 연료가 점화되는 것이다. 그 결과, 디젤 에멀전은 연료를 더욱 완전하게 연소하여, 방출, 출력 및 효율을 향상시킨다. 이들 파라미터를 향상시키기 위한 고전단 연료 시스템(100)은 고전단 장치(40)의 통합에 의해 가능하게 된다.
고전단 장치
고전단 혼합기 및 고전단 밀(mill)과 같은 고전단 장치(40)는 일반적으로 유체를 혼합하는 성능을 기반으로 하는 등급(class)으로 분할된다. 혼합은 유체 내에서 비균질한 종 또는 입자(inhomogeneous species or particles)의 크기를 감소시키는 공정이다. 혼합의 정도 또는 완전성에 대한 한 가지 계측 방법은, 혼합 장치가 유체를 분쇄하기 위해 생성하는 단위 체적당의 에너지 밀도를 측정하는 것이다. 0 내지 50 ㎛ 범위의 입자 또는 버블 크기를 갖는 혼합물 또는 에멀전을 일정하게 생성하기에 충분한 에너지 밀도를 갖는 3가지 등급의 산업상 혼합기가 있다.
균질화 밸브 시스템(Homogenization valve system)은 통상적으로 하이 에너지 장치로서 분류된다. 처리될 유체는 내로우-갭 밸브(narrow-gap valve)를 통해 초고압 하에서 저압 환경 내로 펌프된다. 밸브 양단의 압력 구배 및 그 결과의 요동과 캐비테이션(cavitation)이 유체 내의 어떠한 입자를 깨뜨리도록 작용한다. 이들 밸브 시스템은 밀크 균질화(milk homogenization)에 있어서 가장 흔히 사용되며, 약 0.01 내지 1 ㎛의 평균 입경 범위를 산출할 수 있다. 스펙트럼의 다른 끝에서는 고전단 혼합기 시스템이 저에너지 장치로서 분류된다. 이들 시스템은 일반적으로 처리될 유체의 용기 내에서 고속으로 회전하는 유체 회전자 또는 패들을 가지며, 다수의 보다 일반적인 어플리케이션에서는 식료품(food product)이다. 이들 시스템은 20 ㎛보다 큰 크기의 평균 입자, 소구체 또는 버블이 처리될 유체에 받아들여질 수 있을 때에 통상적으로 사용된다.
저에너지의 고전단 혼합기와 균질화 밸브 시스템 사이에는, 유체에 전달되는 혼합 에너지 밀도의 면에서, 중간 에너지 장치로서 분류되는 콜로이드 밀(colloid mill)이 존재한다. 대표적인 콜로이드 밀 구성은 약 0.025 내지 10.0 mm의 범위에 있는 세밀하게 제어된 회전자-고정자 갭에 의해 상보형의 액체 냉각 고정자로부터 분리되는 원뿔형 또는 디스크형 회전자를 포함한다. 회전자는 직접 구동 또는 벨트 메카니즘을 통해 전기 모터에 의해 구동되는 것이 바람직할 것이다. 다수의 콜로이드 밀은, 적절한 조정으로, 처리된 유체 내에 약 0.01 내지 25 ㎛의 크기의 평균 입자 또는 버블을 달성할 수 있다. 이러한 성능은 콜로이드 밀로 하여금 화장품(cosmetics), 마요네즈(mayonnaise), 실리콘/은 아말감(silicone/silver amalgam), 및 루핑 타르 혼합물(roofing-tar mixtures)과 같은 콜로이드 및 오일/물 기반 에멀전 처리를 포함한 다양한 어플리케이션에 적합하게 한다.
도 2를 참조하면, 고전단 장치(200)의 개략도가 도시되어 있다. 고전단 장치(200)는 적어도 하나의 회전자-고정자 조합을 포함한다. 회전자-고정자 조합은 또한 제너레이터(220, 230, 240) 또는 스테이지로서 알려져 있을 것이며, 이에 대한 특별한 제한은 없다. 고전단 장치(200)는 적어도 2개의 제너레이터를 포함하며, 보다 바람직하게는 고전단 장치는 적어도 3개의 제너레이터를 포함한다.
제1 제너레이터(220)는 회전자(222) 및 고정자(227)를 포함한다. 제2 제너레이터(230)는 회전자(223) 및 고정자(228)를 포함하며, 제3 제너레이터는 회전자(224) 및 고정자(229)를 포함한다. 각각의 제너레이터(220, 230, 240)의 경우, 회전자는 입력(250)에 의해 회전 가능하게 구동된다. 제너레이터(220, 230, 240)는 축(260)을 중심으로 회전 방향(265)으로 회전하도록 구성된다. 고정자(227)는 고전단 장치 벽부(255)에 고정 가능하게 연결된다. 예컨대, 회전자(222, 223, 224)는 원뿔 형상 또는 디스크 형상으로 될 수 있으며, 상보적으로 형성된 고정자(227, 228, 229)로부터 분리될 수 있다. 실시예에서, 회전자와 고정자 양자는 상보적인 형상의 선단을 갖는 원주 방향으로 이격된 복수의 링을 포함한다. 링은 회전자 또는 고정자를 둘러싸는 단일(solitary) 표면 또는 선단을 포함할 수 있다. 실시예에서, 회전자와 고정자 양자는 2개보다 많은 원주 방향으로 이격된 링, 3개보다 많은 링, 또는 4개보다 많은 링을 포함한다. 예컨대, 실시예에서, 3개의 제너레이터의 각각은 3개의 상보적인 링을 갖는 회전자 및 고정자를 포함하며, 이에 의해 처리된 재료가 HSD(200)를 가로지를 시에 9개의 전단 갭(shear gap) 또는 스테이지를 통과한다. 이와 달리, 제너레이터(220, 230, 240)의 각각은 4개의 링을 포함할 수 있으며, 이에 의채 처리된 재료는 HSD(200)를 통과할 시에 12개의 전단 갭 또는 스테이지를 통과한다. 각각의 제너레이터(220, 230, 240)는 필수적인 회전을 제공하도록 구성된 어떠한 적합한 구동 시스템에 의해서도 구동될 수 있다.
제너레이터는 회전자와 고정 사이에 갭을 포함한다. 일부 실시예에서, 고정자는 각각의 제너레이터의 회전자와 고정자(회전자/고정자 세트) 사이에 요구된 전단 갭을 획득하도록 조정 가능하다. 제1 제너레이터(220)는 제1 갭(225)을 포함하며, 제2 제너레이터(230)는 제2 갭(235)을 포함하며, 제3 제너레이터(240)는 제3 갭(245)을 포함한다. 갭(225, 235, 245)은 약 0.025 mm(0.01 in)와 10.0 mm(0.4 in) 사이의 폭을 갖는다. 이와 달리, 본 프로세스는 갭(225, 235, 245)이 약 0.5 mm(0.02 in)와 약 2.5 mm(0.1 in) 사이인 고전단 장치(200)의 이용을 포함한다. 특정의 경우, 갭은 약 1.5 mm(0.06 in)로 유지된다. 이와 달리, 갭(225, 235, 245)은 제너레이터(220, 230, 240) 간에 상이하다. 특정의 경우, 제1 제너레이터(220)에 대한 갭(225)은 제2 제너레이터(230)에 대한 갭(235)보다 크며, 제2 제너레이터(230)에 대한 갭(235)은 제3 제너레티어(240)에 대한 갭(245)보다 크다.
추가로, 갭(225, 235, 245)의 폭은 거친, 중간, 미세 및 초미세 캐릭터라이제이션(characterization)을 포함할 수 있다. 회전자(222, 223, 224)와 고정자(227, 228, 229)는 치형(toothed) 설계로 되어도 된다. 각각의 제너레이터는 당해 기술 분야에 공지된 바와 같이 2개 이상의 세트의 회전자-고정자 치부를 포함할 수 있다. 회전자(222, 223, 224)는 각각의 회전자의 원주를 중심으로 원주 방향으로 이격된 다수의 회전자 치부를 포함할 수 있다. 고정자(227, 228, 229)는 각각의 고정자의 원주를 중심으로 원주 방향으로 이격된 다수의 고정자 치부를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서, 회전자와 고정자는 회전자의 경우에는 약 6.0 cm의 외경과 고정자에 대해서는 약 6.4 cm의 외경을 가질 수 있다. 실시예에서, 회전자의 외경은 약 11.8 cm와 약 35 cm 사이이다. 실시예에서, 고정자의 외경은 약 15.4 cm와 약 40 cm 사이이다. 이와 달리, 회전자와 고정자는 선단 속도 및 전단 압력을 변경하기 위해 다른 직경을 가질 수도 있다. 특정의 실시예에서, 3개의 스테이지의 각각은 약 0.025 mm와 약 3 mm 사이의 갭을 포함하는 초미세 제너레이터로 작동된다.
고전단 장치(200)는 공급 스트림(205)을 포함하는 반응 혼합물이 공급된다. 공급 스트림(205)은 분산 가능한 상(dispersible phase) 및 연속상(continuous phase)의 에멀전을 포함한다. 에멀전은 서로 혼합되어 용해하기가 용이하지 않은 2개의 구별 가능한 물질(또는 상)을 포함하는 액화 혼합물을 지칭한다. 대부분의 에멀전은, 다른 상 또는 물질의 불연속적인 드롭플릿, 버블 및/또는 입자를 그 안에 유지하는 연속상(또는 매트릭스)을 갖는다. 에멀전은 슬러리 또는 페이스트와 같이 점도가 높거나, 또는 작은 가스 버블이 액체 내에 부유되는 포말(foam)일 수도 있다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, "에멀전"이라는 표현은 가스 버블을 포함하는 연속상, 입자를 포함하는 연속상(예컨대, 고체 촉매), 연속상 내에 용해 가능하지 않은 유체의 드롭플릿 또는 소구체를 포함하는 연속상, 및 이들의 조합을 포괄한다.
공급 스트림(205)은 미립자상의 고체 촉매 성분을 포함할 수 있다. 공급 스트림(205)은 제너레이터(220, 230, 240)를 통해 펌프되며, 이로써 생산 분산물(product dispersion)(210)이 형성된다. 각각의 제너레이터에서, 회전자(222, 223, 224)는 고정된 고정자(227, 228, 229)에 비하여 높은 속도로 회전한다. 회전자의 회전은 공급 스트림(205)과 같은 유체를 회전자(222)의 외측면과 고정자(227)의 내측면 사이에서 펌프하여 국소적인 고전단 상태를 형성한다. 갭(225, 235, 245)은 공급 스트림(205)을 처리하는 높은 전단력을 생성한다. 회전자와 고정자 사이의 높은 전단력은 생산 분산물(210)을 생성하기 위해 공급 스트림(205)을 처리하도록 기능한다. 고전단 장치(200)의 각각의 제너레이터(220, 230, 240)는, 공급 스트림(205)이 가스를 포함하는 경우에는 요구된 버블 크기 또는 공급 스트림(205)이 액체를 포함하는 경우에는 소구체 크기의 좁은 분포를 생산 분산물(210) 내에 발생시키기 위한 교환 가능한 회전자-고정자 조합을 갖는다.
액체 내의 가스 입자, 소구체 또는 버블의 생산 분산물(210)은 에멀전을 포함한다. 실시에에서, 생산 분산물(210)은 연속상으로 사전에 혼합 가능하지 않거나 용해 가능하지 않은 가스, 액체 또는 고체의 분산물을 포함할 수 있다. 생산 분산물(210)은 약 1.5 ㎛ 미만 크기의 가스 입자, 소구체 또는 버블을 가지며, 소구체는 직경이 1 마이크론 미만인 것이 바람직하다. 특정의 경우, 평균 소구체 크기는 약 1.0 내지 약 0.1 ㎛의 범위에 있다. 이와 달리, 평균 소구체 크기는 약 400 nm(0.4 ㎛) 미만이며, 가장 바람직하게는 약 100 nm(0.1 ㎛) 미만이다.
선단 속도는 반응물에 에너지를 전달하는 하나 이상의 순환 요소의 끝과 관련된 속도(m/sec)이다. 회전 요소에 대한 선단 속도는 단위 시간당의 회전자의 선단에 의해 이동된 원주 거리이며, 일반적으로는 수식 V(m/sec) = πㆍDㆍn에 의해 정의되며, 여기서 V는 선단 속도이고, D는 미터 단위의 회전자의 직경이며, n은 회전자의 속도로 초당 회전수를 나타낸다. 그러므로, 선단 속도는 회전자 직경과 회전 속도의 함수이다.
콜로이드 밀의 경우, 대표적인 선단 속도는 23 m/sec(4500 ft/min)를 넘으며, 40 m/sec(7900 ft/min)를 초과할 것이다. 본 설명을 위해, "고전단"이라는 표현은, 선단 속도가 5 m/sec(1000 ft/min)를 초과할 수 있고, 에너지를 반응할 제품의 스트림에 전달하기 위해 외부의 기계식 구동 파워 장치를 필요로 하는 밀 또는 혼합기와 같은 기계식 회전자-고정자 장치를 지칭한다. 특정의 경우, 22.9 m/s(4500 ft/min)를 초과하는 선단 속도가 달성 가능하며, 225 m/s(44,200 ft/min)를 초과할 수 있다. 고전단 장치는 처리되는 재료 상에 커다란 마찰/전단을 발생하기 위해 매우 작은 전단 갭과 높은 선단 속도를 조합한다. 이에 따라, 약 1000 MPa(약 145,000 psi) 내지 약 1050 MPa(152,300 psi)의 범위의 국소 압력과 전단 혼합기의 선단에서의 상승 온도가 작동 동안 발생될 수 있다(전단 갭, 선단 속도 및 다른 요인에 따라). 특정 실시예에서, 국소 압력은 적어도 약 1034 MPa(약 150,000 psi)이다. 국소 압력은 또한 작동 동안의 선단 속도, 유체 점도, 및 회전자-고정자 갭에 좌우된다.
유체 내로의 에너지 입력의 근사치(kW/l/min)는 모터 에너지(kW)와 유체 출력(l/min)을 측정함으로써 얻어질 수 있다. 실시예에서, 고전단 장치의 에너지 소비(energy expenditure)는 1000 W/㎥보다 크다. 실시예에서, 에너지 소비는 약 3000 W/㎥ 내지 약 7500 W/㎥의 범위에 있다. 고전단 장치(200)는 재료 상에 커다란 전단을 생성하기 위해 매우 작은 전단 갭과 높은 선단 속도를 조합한다. 전단의 양은 통상적으로 유체의 점도에 좌우된다. 전단율(shear rate)은 선단 속도를 전단 갭 폭(회전자와 고정자 간의 최소 간극)으로 나눈 것이다. 고전단 장치(200)에서 생성된 전단율은 20,000S-1보다 클 것이다. 일부 실시예에서, 전단율은 적어도 40,000S-1이다. 일부 실시예에서, 전단율은 적어도 100,000S-1이다. 일부 실시예에서, 전단율은 적어도 500,000S-1이다. 일부 실시예에서, 전단율은 적어도 1,000,000S-1이다. 일부 실시예에서, 전단율은 적어도 1,600,000S-1이다. 일부 실시예에서, HSD(40)에 의해 생성되는 전단율은 20,000S-1이 내지 100,000S-1의 범위에 있다. 예컨대, 하나의 어플리케이션에서, 회전자 선단 속도는 약 40 m/s(7900 ft/min)이며, 전단 갭 폭은 0.0254 mm(0.001 인치)이어서, 1,600,000S-1의 전단율을 발생한다. 다른 어플리케이션에서, 회전자 선단 속도는 약 22.9 m/s(4500 ft/min)이며, 전단 갭 폭은 0.0254mm(0.001 인치)이어서, 901,600S-1의 전단율을 발생한다. 회전자가 더 큰 직경을 갖는 실시예에서, 전단율은 약 9,000,000S-1을 초과할 것이다.
고전단 장치(200)는 적어도 약 15분 동안 대기압에서 분산된 채로 유지될 수 있는 가스 에멀전을 생성한다. 이를 위해, 직경이 1.5 ㎛ 미만인 생산 분산물(210) 내의 분산된 상에서의 가스 입자, 소구체 또는 버블의 에멀전은 미세 포말(micro-foam)을 포함할 것이다. 특정 이론에 의해 제한되지 않고서도, 에멀전 화학에서는, 액체 내에 분산된 1 마이크론 미만의 입자, 소구체 또는 버블이 주로 브라운 운동 효과를 통해 이동할 것으로 알려져 있다.
고전단 장치(200)의 선택은 처리 능력(throughput requirements)과 유출 분산물(210)에서의 요구된 입자 또는 버블 크기에 좌우된다. 특정의 경우, 고전단 장치(200)는 미국 노스캐롤라이나주의 윌밍턴에 소재하는 IKA® Works, Inc. 및 미국 매사추세츠주의 윌밍턴에 소재하는 APV North America, Inc.의 Dispax Reactor®을 포함한다. 모델 DR 2000/4는 예컨대 벨트 드라이브, 4M 제너레이터, PTFE 실링 링, 인렛 플랜지 1" 새니터리 클램프, 아울렛 플랜지 3/4" 새니터리 클램프, 2HP 파워, 7900 rpm의 출력 속도, 대략 300 l/h 내지 대략 700 l/h(제너레이터에 좌우됨)의 유량 용량(물), 9.4 m/s 내지 약 41 m/s(약 1850 ft/min 내지 약 8070 ft/min)의 선단 속도를 포함한다. 그러나, 다양한 인렛/아울렛 연결부, 선단 속도, 출력 rpm, 및 유량 속도를 갖는 여러 개의 다른 모델을 이용할 수도 있다. 그 예로는 Super Dispax Reactor DRS 2000이 있다. RFB 유닛은 125,000 liter/hour의 유량 용량을 갖는 DR 2000/50 유닛 또는 40,000 liter/hour의 유량 용량을 갖는 DRS 2000/50 유닛이어도 된다.
특정 이론으로 제한되지 않고서도, 고전단 혼합의 레벨 또는 정도는 물질 전달율을 증가시키기에 충분하고, 깁스 자유 에너지 예측(Gibbs free energy predictions)에 기초하여 발생할 것으로 예상되지 않는 반응을 발생하도록 하는 국소적 비이상 상태(localized non-ideal condition)를 발생할 것으로 생각된다. 국소적 비이상 상태는 고전단 장치 내에서 발생하여 온도 및 압력의 증가를 초래할 것으로 생각되며, 이러한 온도 및 압력의 가장 커다란 증가는 국소 압력에서 이루어질 것으로 생각된다. 고전단 장치 내에서의 압력 및 온도의 증가는 일시적이고 국소적이며, 고전단 장치를 빠져나온 후에 대형 또는 평균 시스템 상태를 신속하게 반전시킨다. 일부 경우, 고전단 혼합 장치는 하나 이상의 반응물을 자유 라디컬로 해리하기에 충분한 강도의 캐비테이션을 유도하며, 이 자유 라디컬은 화학 반응을 강화시키거나 또는 반응이 요구되는 것보다 더 적은 엄격한 상태에서 발생하도록 할 수 있다. 캐비테이션은 또한 국소적 요동(local turbulence) 및 액체 미세순환(microcirculation)(어코스틱 스트리밍)을 발생함으로써 운송 공정(transport process)의 비율을 증가시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 바람직한 실시예를 제시하고 설명했지만, 당업자는 본 발명의 사상과 교시를 벗어나지 않고 본 발명을 변형시킬 수 있다. 본 명세서에 기재된 실시예는 예시적인 것일 뿐이며, 본 발명을 한정하려는 것이 아니다. 여기에 개시된 본 발명의 다양한 변경 및 변형이 가능하고, 그러한 변경 및 변형은 본 발명의 범위에 포함된다. 수치적 범위 또는 한계가 명시적으로 언급된 경우에, 그러한 명시적 범위 또는 한계는 명시적으로 언급된 범위 또는 한계 내에 들어가는 동일한 크기에 대한 반복적 범위 또는 한계를 포함하는 것으로 이해해야 한다(예: 약 1 내지 약 10은 2, 3, 4, 등을 포함하고; 0.10보다 크다는 것은 0.11, 0.12, 0.13 등을 포함한다). 청구항의 임의의 요소에 관해 "선택적으로(optionally)"라는 용어를 사용하는 것은 당해 요소가 필요하거나, 그렇지 않으면 필요하지 않다는 것을 의미한다. 두 가지 대안은 모두 청구항의 범위에 포함되는 것으로 의도된다. "포함하다", "가지다" 등과 같은 더 포괄적인 용어의 사용은 "구성되는", "본질적으로 구성되는", "실질적으로 포함하는", 등과 같은 더 좁은 용어를 뒷받침하는 것으로 이해해야 한다.
따라서, 본 발명의 보호 범위는 이상 제시된 설명에 의해 제한되지 않고, 이하의 청구항에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구항의 대상의 모든 등가물을 포함한다. 각각의 청구항은 모두 본 발명의 실시예로서 명세서 내에 포함되어 있다. 그러므로, 청구항은 추가적 설명이며, 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 부가물이다. 본 명세서에 인용된 모든 특허의 개시 내용, 특허 문헌 및 출판 문헌은, 본 명세서에 제시된 내용을 보충하는 예시적, 절차적 또는 기타 상세 사항을 제공하는 범위까지 참고로서 포함된다.

Claims (20)

  1. 에어레이션된 연료(aerated fuel)를 생성하는 방법에 있어서,
    5 m/s 이상의 선단 속도(tip speed)를 발생하도록 구성된 하나 이상의 회전자/고정자 세트를 갖는 고전단 장치(high shear device)를 제공하는 단계;
    상기 고전단 장치에 가스 및 액체 연료를 제공하는 단계; 및
    상기 가스 및 상기 액체 연료의 에멀전을 형성하는 단계
    를 포함하며,
    상기 가스가 에어레이션된 연료를 형성하기 위해 약 5 ㎛ 미만의 평균 직경을 갖는 버블을 포함하는,
    에어레이션된 연료의 생성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 에멀전을 형성하는 단계는, 상기 고전단 장치에서 약 1.5 ㎛ 미만의 평균 직경을 갖는 가스 버블을 형성하는 단계를 포함하는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 고전단 장치는 약 23 m/s보다 큰 선단 속도를 갖도록 구성되는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 고전단 장치는 선단에서 적어도 약 1000 MPa의 국소 압력을 발생하도록 구성되는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 액체 연료와 가스 버블을 약 20,000s-1보다 큰 선단율(shear rate)에 놓이도록 하는 단계를 더 포함하는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 고전단 장치는 적어도 1000 W/㎥의 에너지 소비를 위해 구성되는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 에멀전은, 상기 액체 연료와 상기 액체 연료의 폭발 상한치(UEL : Upper Explosive Limit)보다 큰 가스의 혼합물을 포함하는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 에멀전은 에어레이션된 연료의 미세포말을 포함하는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 가스 및 액체 연료를 제공하는 단계는, 액체 연료를 가압하는 단계를 포함하는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 액체 연료를 가압하는 단계는, 적어도 약 203 kPa(2 atm)의 압력을 포함하는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 에어레이션된 연료를 연소 챔버 내에 주입하는 단계; 및
    기계적인 힘을 발생시키기 위해 상기 에어레이션 연료를 연소하는 단계
    를 더 포함하는 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 에어레이션된 연료를 연소 챔버 내에 주입하는 단계는, 산화제 가스를 화학량론적 비율로 포함하는 단계를 포함하는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 에어레이션된 연료를 연소 챔버 내에 주입하는 단계는, 상기 에멀전을 화학량론을 초과하여 상기 연소 챔버에 도입하는 단계를 더 포함하는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 가스는 공기, 수증기, 메탄올, 산화질소, 프로판, 니트로메탄, 옥산산염(oxalate), 유기 질산염, 아세톤, 등유(ferosene), 톨루엔, 또는 메틸-시클로펜타디에닐 망간 트라카르복실로 이루어진 군에서 선택된 것 중의 하나 이상을 포함하는, 에어레이션된 연료의 생성 방법.
  15. 에어레이션된 연료를 생성하는 시스템에 있어서,
    고전단 장치의 상류측에 위치되고, 상기 고전단 장치의 유입구와 유동적으로 연결되는 펌프;
    연료 내에 가스의 에멀전을 생성하고, 상기 에멀전이 약 1.5 ㎛보다 작은 평균 버블 직경을 갖는, 고전단 장치; 및
    에멀전의 연소를 위해 구성된 엔진
    을 포함하는 에어레이션된 연료를 생성하는 시스템.
  16. 제15항에 있어서,
    고전단 혼합기는 23 m/s보다 큰 선단 속도를 갖는, 에어레이션된 연료를 생성하는 시스템.
  17. 제15항에 있어서,
    상기 고전단 장치는 선단에서 적어도 약 1000 MPa의 국소 압력을 발생하도록 구성되는, 에어레이션된 연료를 생성하는 시스템.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 고전단 장치는 약 20,000s-1보다 큰 선단율을 발생하도록 구성되는, 에어레이션된 연료를 생성하는 시스템.
  19. 제15항에 있어서,
    상기 에멀전은 액체 연료와 상기 액체 연료의 폭발 상한치(UEL)보다 큰 가스의 혼합물을 포함하는, 에어레이션된 연료를 생성하는 시스템.
  20. 제15항에 있어서,
    상기 가스는 공기, 수증기, 메탄올, 산화질소, 프로판, 니트로메탄, 옥산산염(oxalate), 유기 질산염, 아세톤, 등유(ferosene), 톨루엔, 또는 메틸-시클로펜타디에닐 망간 트라카르복실로 이루어진 군에서 선택된 것 중의 하나 이상을 포함하는, 에어레이션된 연료를 생성하는 시스템.
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