KR20140019785A - 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐 및 스프레이 건조법 - Google Patents

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Abstract

상류 단부 및 하류 단부 사이의 축 방향으로 연장되며, 공급 액체 도관(2), 상류 단부에 위치한 공급 액체 입구(3) 및 하류 단부에 위치한 공급 오리피스(4)를 구비한 내부 공급 액체 파이프(1); 및 내부 공급 액체 파이프(1) 외부로 반경 방향으로 연장되어 하류 단부에 위치한 기체 출구 슬릿(7)을 구비한 제1 기체 파이프(5)와 내부 공급 액체 파이프(1) 사이에 제1 기체 도관(6)을 형성하는 동축 제1 기체 파이프(5)를 포함하는, 액체 압력과 기체에 의해 액체를 분무하기 위한 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐이 본원에 개시된다. 상기 외부 혼합형 2-유체 노즐은, 가압 공급 액체와 결합하여 낮은 에너지 소비 및 작은 입자 크기로 산업상 적용 가능한 용량으로 스프레이 건조 분말의 생산을 가능하게 하는 기체의 소용돌이 움직임을 제공한다.

Description

외부 혼합형 가압 2-유체 노즐 및 스프레이 건조법{EXTERNAL MIXING PRESSURIZED TWO-FLUID NOZZLE AND A SPRAY DRYING METHOD}
본 발명은, 상류 단부 및 하류 단부 사이의 축 방향으로 연장되며, 공급 액체 도관, 상류 단부에 위치한 공급 액체 입구 및 하류 단부에 위치한 공급 오리피스를 구비한 내부 공급 액체 파이프, 및 내부 공급 액체 파이프 외부로 반경 방향으로 연장되어 하류 단부에 위치한 기체 출구 슬릿을 구비한 제1 기체 파이프와 내부 공급 액체 파이프 사이에 제1 기체 도관을 형성하는 동축 제1 기체 파이프를 포함하는, 액체 압력과 기체에 의해 액체를 분무하기 위한 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐에 관한 것이다. 본 발명은 또한 액체 압력과 기체에 의해 액체의 액적을 만들기 위한 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐을 사용하여 스프레이 건조 분말을 생산하기 위한 스프레이 처리 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 스프레이 건조 분말을 생산하기 위한 상기 외부 혼합형 2-유체 노즐의 용도에 관한 것이다.
스프레이 건조는 입자 형성과 건조를 모두 포함하는 건조 과정이다. 건조과정은 스프레이 및 스프레이와 건조 매체 사이의 접촉부로 공급 원료의 분무, 일반적으로 액체 농축물의 분무를 포함한다. 스프레이(분무)의 형성과 건조 매체와 스프레이의 접촉은 노즐의 사용에 의해 달성될 수 있다.
공기 노즐 분무는 높은 속도 기체와 액체 공급 원료의 충돌을 포함한다. 높은 속도 기체는 높은 마찰력을 생성하여 액체 공급 원료를 스프레이 액적으로 분해한다. 공급 액체는 두 단계로 나뉜다고 여겨진다. 첫 번째 단계는 액체 공급 원료를 필라멘트와 큰 액적으로 분리하는 것을 포함한다. 두 번째 단계는 이러한 액체 형태를 더 작은 액적으로 쪼갬으로써 분무를 완성한다. 전체 과정은 기체 흐름의 속도와 밀도뿐만 아니라, 액체 공급 원료의 표면 장력, 밀도, 압력, 점도의 크기에 의해 영향을 받는다.
분무를 위한 액체-기체 접촉의 요구되는 조건을 생성하는데 다양한 설계 기술이 사용 가능하다. 케이스 마스터(Keith Masters)의“스프레이 건조”, 1991 판, 251 페이지에 기술된 것과 같이, 설계는 4개의 카테고리로 나눌 수 있다:
(1) 노즐 헤드 안에서 액체 공급 원료와 분무 기체가 접촉하는 내부 혼합.
(2) 노즐 헤드 밖에서 액체 공급 원료와 분무 기체가 접촉하는 외부 혼합.
(3) 노즐 헤드(3-유체 노즐) 안으로 유입되는 두 분무 기체를 사용하여 결합된 내부 및 외부 혼합.
(4) 공급 액체와 분무 기체가 회전 노즐 헤드의 가장자리에 접촉되는 압축 공기 컵 분무.
다른 디자인 기술은 다른 속성들을 제공하고 최종 분무된 제품의 다른 결과로 나타난다. 첫 번째 두 개의 카테고리에서 공급 액체 및 분무 기체가 노즐에 개별적으로 전달된다. 일반적으로 2-유체 노즐(TFN)로 표기되는 이러한 노즐은 스프레이 건조 플랜트와 유체 층 응집에서 유체의 분무화를 위해 사용된다. 액체는 용액, 분산 또는 순수 물질의 형태로 될 수 있다. 특히, 2-유체 노즐은 미세한 액적이 목적이거나 액체를 액적으로 분해하기 위하여 분무 기체의 형태로 추가 분무 에너지가 요구되는 곳에서 유체를 분무할 때, 사용된다. 세 번째와 네 번째 카테고리의 노즐 설계는 본 출원의 대상이 아니다.
내부 혼합 TFN은 외부 혼합 TFN과 비교할 때 두 유체가 건조 챔버의 주변 압력으로 들어가기 전에 기체와 액체를 혼합한다는 장점이 있다. 그러나 내부 혼합을 제공하는 노즐은 연마 공급 원료를 취급하기에 적합하지 않을 뿐만 아니라, 내부 혼합이 장비의 추가적인 마모를 일으킨다. 또한, 내부 기체/액체 혼합을 구비한 종래의 2-유체 노즐은 건조의 위험을 유발함으로써 혼합 챔버 막힘을 야기한다.
내부 혼합 노즐은 효율적인 액체-기체 반응의 가능성을 제공하지만 내부 채널과 채널 치수에 의해 용량이 제한된다. 기체-액체 혼합의 향상을 위한 노즐 내부 부품은 또한, 흐름을 방해하여, 액적 크기 분포의 범위가 상승하는 원인이 된다. 일반적으로 내부 부품은 취급, 청소를 복잡하게 만들며 마모를 일으킨다. 또한, 점성이 있는 액체 공급 원료는 처리하기 어려울 수 있다.
내부 혼합 형태의 노즐의 예는 이 기술분야에서 잘 알려져 있다. 미국 특허 번호 7,694,944(GEA Niro)는 기체가 노즐의 축 방향으로 공급되는 노즐을 개시한다. 노즐은 혼합 챔버, 하나 이상의 액체 입구 및 혼합 챔버에 대해 적어도 하나의 접선 방향의 기체 입구를 포함한다. 시판되는 내부 혼합 노즐에서 분무 기체는, 별도의 파이프에 접선 방향으로 공급되어, 노즐의 반경 방향 치수에 기여 한다. 또한 이러한 공지 노즐의 혼합 챔버는 구조적 조건으로부터 기인하는 가장자리와 장애물을 포함한다. 국제 발행된 출원 WO 00/58014는 측면 액체 입구 및 혼합 챔버에 대한 접선 방향의 기체 입구를 구비하는 노즐의 형태로 분무기를 개시한다. 이러한 노즐은 노즐의 형상으로 인한 불충분한 혼합을 겪고 있다.
2-유체 노즐의 성능을 평가하기 위한 기준은: 평균 액적 크기, 액적 크기 분포의 범위, 및 그 중에서도 액체의 주어진 양을 분무하는 데 사용되는 기체의 양, 또한 흔히 공급 대비 기체 비를 의미하는 특정 기체 소비이다. 제품의 품질에 초점을 맞춘 기준뿐만 아니라, 2-유체 노즐의 생산 용량은 또한 특히 상업적인 관점에서 매우 중요하다. 또한, 스프레이 처리에 의한 운영 및 생산 시에, 청정 기술에 대한 집중 증가뿐만 아니라 에너지 가격의 증가는 에너지 소비와 관련하여 추가적인 요구사항을 제안한다.
기체와 액체의 접촉과 혼합은 외부 혼합 TFN이 제한사항을 충족시키는 곳이다. 일반적으로 링 형상의 구멍을 통해 노즐을 통과한 후에 기체가 액체와 혼합되는 곳인 외부 혼합 TFN은, 기체 출구에서 틈이 너무 커져서 기체의 더 많은 부분이 액체와 반응하는 대신에 건조 챔버의 주변 대기로 손실될 때 한계가 있다. 외부 혼합 TFN으로, 기체의 자유로운 팽창은 액체를 분해하기 위한 에너지를 더하는 대신에 주변으로 부분적으로 손실되는 단점이 있다. 종래의 기술에서는 이러한 문제에 주의를 기울였다.
노즐의 또 다른 유형은 공급 농축액이 노즐에 대한 압력 하에서 공급되는 것을 의미하는 액체 가압을 활용한다. 압력 에너지는 운동 에너지로 변환되고, 고속 필름으로서 노즐 오리피스로부터 발생한 공급 원료는 필름이 불안정하므로 쉽게 스프레이로 분해된다. 고속 공급 속도를 취급하는 압력 노즐로부터의 스프레이는 일반적으로 덜 균질하고 정밀도가 떨어진다.
EP 408 801 B1은 작은 액적이 생산되는 시작 기간 동안 낮은 압력이 공급될 때조차 만족스럽게 기능할 수 있는 낮은 가압 액체, 내부 혼합 2-유체 노즐을 제안한다. 스프레이 노즐 장치는 소용돌이 움직임으로 공기 흐름을 배출하는 부분을 제공하기 위하여 압력 노즐과 공기 노즐 사이에 기체 슬릿을 구비한다.
본 발명은 효율적으로 분무 기체를 사용하는 높은 가압 액체 외부 혼합형 2-유체 노즐과 관계된다. 공압 노즐의 단점은 압축 공기의 높은 비용 및 낮은 노즐 효율과 관련 있다는 것은 이 기술분야에서 잘 알려져 있다. 또한, 매우 미세한 액적이 요구될 때 종래의 여러 가지 2-유체 스프레이 노즐 장치의 단점은 제한된 용량이다. 본 발명의 목적은 에너지 효율적이고, 여전히 미세한 액적을 생산하면서 높은 용량을 제공하는 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐을 제공하는 것이다.
본 발명은, 상류 단부 및 하류 단부 사이의 축 방향으로 연장되며, 공급 액체 도관, 상류 단부에 위치한 공급 액체 입구 및 하류 단부에 위치한 공급 오리피스를 구비한 내부 공급 액체 파이프, 및 내부 공급 액체 파이프 외부로 반경 방향으로 연장되어 하류 단부에 위치한 기체 출구 슬릿을 구비한 제1 기체 파이프와 내부 공급 액체 파이프 사이에 제1 기체 도관을 형성하는 동축 제1 기체 파이프를 포함하는, 액체 압력과 기체에 의해 액체를 분무하기 위한 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐에 관한 것이다. 또한 노즐은 제1 기체 파이프 외부에 반경 방향으로 연장되어 제2 기체 파이프와 제1 기체 파이프 사이에 제2 기체 도관을 형성하는 동축 제2 기체 파이프를 포함하며, 제1 기체 도관은 상류 단부에서 폐쇄되고, 제2 기체 도관은 하류 단부에서 폐쇄되되, 제1 기체 도관과 제2 기체 도관은 기체 흐름의 소용돌이 움직임을 제공하기 위해 채용되는 하나 이상의 슬롯(들)에 의해 연결된다.
위에서 언급한 설계에 따른 외부 혼합형 2-유체 노즐을 구비한 스프레이 건조 절차는 여전히 요구되는 평균 입자의 크기와 범위를 유지하면서 높은 생산 용량을 제공하는 것이 입증되었다. 종래 기술에서는 스프레이 건조 응용에서 미세한 입자의 생산을 외부 혼합하기 위한 노즐은, 증가된 액체 흐름이 기체 출구에서 차이가 더 커지는 것 또는 압력이 증가되는 것을 요구하기 때문에, 용량을 제한한다. 효과는 기체의 더 많은 부분이 액체와 반응하는 대신에 주변 대기로 손실된다는 것이다. 그러나, 본 발명에 따른 외부 혼합형 2-유체 노즐로, 출구 슬릿에서 기체 흐름 패턴은 감소된 기체 흐름을 요구하도록 설계됨으로써 공급 액체가 실질적인 압력으로 공급될 때 액체와 증가된 반응을 보장한다.
본 발명에 따르면, 가압된 기체에 의해 미세한 액적으로 연속적으로 분무되는 박막을 형성하기 위한 상승된 액체 압력에 의해 액체가 사전-분무된다. 보통의 액체 압력을 갖는 종래의 노즐에서는 이러한 사전-분무는 동일한 정도까지 형성되지 않는다. 일반적으로, 종래의 노즐에서 액적의 형성은 대부분 높은 기체 속도에서 기인하는데, 이 높은 기체 속도는 높은 용량에서 배경 섹션에서 제시된 것처럼, 더 큰 입자 크기 및 더 넓은 분포로 이어지는 불완전한 분무와 같은 제한을 받게 된다.
놀랍게도, 본 발명의 외부 혼합형 2-유체 노즐은 작은 범위로 분말을 형성한다. 범위는 입자 크기 분포가 얼마나 넓은가를 나타낸다. 특정 입자 크기를 목표하면, 좁은 분포가 요구된다. 액적 크기의 넓은 분포는 일반적으로 불리하다. (d90-d10)/d50으로 평가되는 범위는 일반적으로 본 발명의 노즐에 대해 1에서 2까지 범위에서 발견된다.
노즐의 두 개의 기체 도관 내에서 소용돌이 움직임은 두 개의 기체 도관들을 연결하는 하나 이상의 슬롯들을 통해 기체 흐름을 향하게 함으로써 생성된다. 본 발명에 따른 가압 2-유체 노즐에 의해 제공되는 분무 메커니즘의 설계와 효과는 고점성의 액체가 산업용으로 적용 가능한 공급률로 분무되는 것을 가능하게 한다. 또한, 기체의 전체 소용돌이 움직임과 결합된 액체의 사전-분무의 형성이 낮은 기체 유량으로 액체 공급 원료의 분무를 가능하게 한다.
본 발명에 따른 노즐의 또 다른 장점은 높은 전단 분무(shear atomization)가 노즐 자체 외부에서 발생하여 노즐이 연마 공급 액체를 취급하기 아주 적합하게 될 것이며, 건조의 위험과 그에 따른 노즐의 막힘을 기체와 액체 사이의 외부 접촉에 의해 방지한다는 것이다.
본 발명의 바람직한 양태에서, 기체 출구 슬릿 및 공급 오리피스는 본질적으로 동일한 수평 위치에 있다. 이 특징의 효과는 외부 혼합이 보장된다는 것, 즉, 공급 액체와 분무 기체가 노즐의 민감한 구성요소들의 외부에서 혼합된다는 것이다. 내부 공급 액체 파이프는 제1 기체 파이프의 끝부분에 상대적으로 +/- 5mm와 같이 비본질적인 정도까지, 들어가거나 돌출될 수 있다.
보통, 내부 공급 액체 파이프, 제1 기체 파이프 및 제2 기체 파이프는 동심이며 튜브형상이다. 기체 출구 슬릿을 따라 흐름 패턴이 균일하도록 동심이며 튜브형상의 설계는 분무 기체의 균일한 취급을 제공한다. 또한, 바람직한 실시예에서, 기체 출구 슬릿은 균일한 기체 분산의 형성을 위해 환상이며, 이는 건조 챔버의 제한된 용적 안에서 액적의 구름 형성을 제공한다.
본 발명의 양태에 따르면, 제1 기체 도관과 제2 기체 도관을 연결하는 하나 이상의 슬롯(들)은 내부 공급 액체 파이프의 외부 표면에 접선 방향으로 연장된다. 이 특징은, 하나 이상의 슬롯을 기체의 소용돌이 움직임을 제공하기 위해 채용하여 기체가 하나 이상의 슬롯을 통해 제2 기체 도관으로부터 제1 기체 도관으로 흐르게 한다. 노즐이 하나 이상의 슬롯을 보유하고 있는 경우에는 슬롯이 동일한 방향으로 내부 공급 액체 파이프에 접선 방향으로 연장되는 것이 중요한데, 모든 슬롯이 내부 공급 액체 파이프 주위로 동일한 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 기체가 흐르는 것을 제공하여 기체의 소용돌이 움직임을 강화하는 것을 의미한다.
본 발명에 따른 2-유체 노즐은 소용돌이 움직임을 제공하기 위해 채용되는 하나 이상의 슬롯을 통해 흐르는 전체 기체 흐름을 제공한다. 발명자는 EP 408 801에서 제안되는 것과 같은 소용돌이 움직임을 제공하기 위한 수단을 통해 흐르는 기체의 단지 일부분을 제공하는 것과 비교하면, 본 발명의 설계는 증가된 소용돌이 움직임을 부여한다는 것을 알았다. 따라서, 이것은 낮아진 노즐의 전반적인 기체 흐름으로 결과가 나타난다. 그러나, 액체 공급 원료 가압에 의한 액체의 사전-분무로 인해, 분무 기체의 요구되는 양이 더 낮은 수준이다. 기체의 소용돌이 움직임은, 그러나, 액체에 소용돌이/회전 움직임을 부여하여 액체의 개선된 분무를 제공한다.
하나 이상의 슬롯은 +/-5 °또는 이상의 수평 평면에 상대적인 상방 또는 하방 각도로 향해질 수 있다. 개별적인 슬롯은 제1 기체 파이프를 따라 다른 수평 레벨에 배치될 수 있다.
노즐의 하류 단부에서 수렴 부분을 제공함으로써 평균 액적 크기 분포와 액적 크기 분포의 범위를 모두 향상시킬 수 있다. 수렴은 수직 평면에 상대적으로 5 °에서 80 ° 또는 더욱 바람직하게 10 °에서 45 °의 각도가 될 수 있다.
본 발명의 2-유체 노즐은 모든 적합한 재료로 준비될 수 있다. 그러나, 높은 연마 공급 액체에 대해서는 적어도 내부 공급 액체 파이프 마모 부품들은 세라믹 재료와 같은 내마모성 재료로 이루어지는 것이 유리할 수 있다.
본 발명의 노즐을 다양한 처리 조건 및 공급 액체에 적용하기 위해서, 내부 공급 액체 파이프 및/또는 제1 기체 파이프는 하나 이상의 삽입 장착물을 수용하기 위해 교환 가능하고/교환 가능하거나 채용되고, 및/또는 제2 기체 파이프 외부 벽이 랜스에 장착되도록 채용된다. 설계는 동심 파이프들을 구비한 노즐 랜스와 여기에 서술된 것처럼 하류 단부에 장착된 노즐 헤드가 될 수 있다. 이러한 노즐 헤드나 부품들은 관련된 공급 용량에 적용하기 위해 교환될 수 있다.
또한, 본 발명은 스프레이 건조 분말을 생산하기 위한 스프레이 처리 방법에 관한 것이다. 본 방법은 다음의 단계를 포함한다: 공급 액체 및 분무 기체를 위한 입구를 가지는 외부 혼합형 2-유체 노즐, 건조 기체 입구를 구비하는 건조실, 및 사용된 건조 기체/분무 기체와 생산된 분말을 위한 출구를 포함하는 스프레이 건조 장치를 제공하는 단계; 액체 압력과 분무 기체에 의하여 공급 액체를 외부 혼합 2-유체 노즐을 통해 건조 챔버에서 액적으로 스프레이하는 단계; 액적을 분말로 건조시키는 단계; 분말을 생산된 분말을 위한 출구를 통해 배출하고, 사용된 기체를 사용된 기체를 위한 출구를 통해 배출하는 단계를 포함하되, 공급 액체는 8 bar(g) 이상의 압력으로 노즐에 공급되고, 분무 기체는 0.2에서 10 bar(g)의 범위의 압력으로 노즐에 공급되며, 노즐에서 분무 기체의 전체 양은 소용돌이 움직임과 함께 제공되고, 공급 액체 흐름 대비 분무 기체 흐름의 중량비는 0.1 내지 10의 범위이다.
발명자는 놀랍게도 소용돌이 움직임을 가진 분무 기체를 제공하는 2-유체 노즐에 가압 액체 공급 원료를 제공하는 것은 50㎛ 이하의 평균 입자 크기를 가진 분말의 생산을 위해 요구되는 기체 압력에서 감소를 가져온다는 것을 알았다. 기존의 2-유체 노즐에 비해, 본 발명에 따른 외부 혼합형 2-유체 노즐은 더 낮은 에너지를 소비한다. 이것은 현재, 상승된 액체 압력에 의해 제공되는 분무를 위한 에너지 입력이 상승된 기체 압력에 의해 제공되는 에너지 입력과 비교하여 더욱 효과적으로 활용되기 때문이라고 이해된다. 본 발명에 따른 외부 혼합형 2-유체 노즐은 가압 액체 및 가압 기체의 조합을 적용하는 반면 기존의 2-유체 노즐은 분무를 위한 가압 기체를 적용한다. 또한, 외부 혼합을 구비한 종래의 2-유체 노즐의 사용은 매우 미세한 액적이 요구될 때 제한된 용량을 갖는 반면 본 발명에 따른 2-유체 노즐은, 몇몇 실시예에서 예를 들어 500 kg/h까지, 증가된 액체 용량을 갖게 될 것이다.
소용돌이 움직임은, 노즐에서 분무 기체의 통로에 경사진 슬래트나, 노즐에 형성된 기체 채널을 구불거리게 하는 것 등을 포함하는 많은 수단에 의해 제공될 수 있다. 본 발명의 바람직한 양태에 따르면, 소용돌이 움직임은 제1 기체 도관 및 제2 기체 도관을 연결하는 하나 이상의 슬롯에 의해 제공되는데, 상기 제2 도관은 기체 공급 장치에 연결되고 제1 기체 파이프 및 제1 기체 파이프 외부 반경 방향으로 연장되는 제2 기체 파이프 사이에 형성되며, 제1 기체 도관은 내부 공급 액체 파이프 및 제1 기체 파이프 사이에 형성되고, 제2 기체 도관은 하류 단부에서 폐쇄되고, 제1 기체 도관은 상류 단부에서 폐쇄되고 하류 단부에서 기체 출구 슬릿에 연결된다. 특정 실시예에서, 위의 방법에 사용되는 외부 혼합형 2-유체 노즐은 첨부된 청구항에서 개시되는 바와 같은 노즐이다.
노즐에서 슬롯은 기체 흐름에 불필요한 마찰을 부과하지 않고, 요구되는 소용돌이를 분무 기체에 제공하도록 설계된다. 특정 실시예에서, 제1 기체 도관 및 제2 기체 도관을 연결하는 하나 이상의 슬롯(들)은 내부 공급 액체 파이프의 외부 표면에 접선 방향으로 연장된다. 기체의 전체 양이 하나 이상의 슬롯들을 통해 안내된다는 사실로 인해, 기체의 완전한 소용돌이 움직임이 얻어진다. 기체의 소용돌이 움직임은 소용돌이/회전 움직임을 액체에 부여함으로써 액체의 향상된 분무를 제공한다.
공급 액체는 건조 챔버로 배출하기 전에 특정 압력과 함께 제공된다. 본 발명의 이점을 얻으려면, 압력은 보통 적어도 5 bar(g)이다. 바람직한 양태에서 액체는 10-150 bar(g)의 압력으로 노즐에 공급된다. 일반적으로 고점성의 공급 액체는 저점성의 공급 액체보다 더 높은 공급 액체 압력이 요구된다.
분무 기체는 적어도 0.2 bar(g)의 압력으로 노즐에 공급된다. 압력은 일반적으로 처리 경제성으로 인해 10 bar 이상이 되지 않는다. 바람직한 양태에서, 분무 기체는 0.5 - 5 bar(g)의 압력으로, 더 바람직하게는 1-2 bar(g)의 압력으로 공급된다.
분무 기체의 충분한 소용돌이를 얻기 위해서는 노즐로부터 30 m/s 이상의 회전 속도로 배출된다. 적합하게는, 회전 속도는 500 m/s를 초과하지 않는다. 바람직한 실시예에서 분무 기체는 50 m/s에서 400 m/s의 범위의 회전속도, 일반적으로는 100-200 m/s 회전 속도로 노즐로부터 배출된다.
본 발명의 장점은 분무 기체와 공급 액체의 결합된 가압이 분무 기체의 지배적인 가압보다 에너지를 덜 소비한다는 것이다. 본 발명에 따르면, 공급 액체 흐름에 대한 분무 기체 흐름의 중량비는 0.1 내지 10의 범위에 있으며, 적합하게는 공급 액체 흐름에 대한 분무 기체 흐름의 중량비는 0.5 내지 5, 더 적합하게는 1 내지 3이다.
본 발명의 방법은 다양한 크기와 분포로 액적을 생성할 수 있다. 작은 액적이 생산될 때 본 발명은 대부분의 이점을 보여준다. 따라서 바람직한 양태에서 액적의 평균 크기는 30㎛보다 작다.
본 발명은 높은 액체 흐름 용량과 결합된 작은 크기의 입자들을 생산할 수 있는 중요한 특징을 갖고 있다. 본 발명의 특정 실시예에서, 외부 혼합형 2-유체 노즐의 액체 흐름 용량은 100 kg/h 이상이다.
본 발명의 양태에 따르면, 두 개 이상의 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐은 스프레이 건조 장치에 구비된다. 노즐을 통한 공급 액체 흐름이 상승된 액체 압력에서 제어됨에 따라, 여러 개의 노즐 사이에서 쉬운 방법으로 액체를 분배할 수 있을 것이다.
본 발명의 방법에 의해 생산된 분말은 다양한 물질로 이루어져 있다. 보통, 스프레이 건조 분말은 리튬 이온 전지 또는 다른 이차 전지에서의 사용을 위한 분말, 폴리머 분말, 전분 또는 젤라틴 분말, 커피 분말, 연마 공급 원료의 분말, 무기 분말, 경금속 분말, 약제 분말 및 응고 분말로 이루어진 군으로부터 선택된다.
본 발명의 방법은 종래의 노즐을 사용하는 처리에 비해 더 높은 건조 물질 함량으로 공급 처리를 가능하게 하는 것과 같이 점성이 있는 액체에 적합하다. 또한, 본 방법은 외부 혼합의 장점을 유지하여, 연마 공급 원료로부터 스프레이 건조 제품에 스프레이 처리 방법이 특히 적합하도록 만든다.
분무 기체는 공기, 질소, 이산화탄소, 또는 다른 적절한 기체일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에서 외부 혼합형 2-유체 노즐의 축에 따른 단면도이며,
도 2는 기체 도관 및 연결되는 슬롯이 모두 나타나는 축 방향 위치에서, 본 발명의 실시예의 외부 혼합형 2-유체 노즐의 반경 방향 단면도이다.
본 발명의 다음의 실시예에서는 도 1 및 도 2를 참조하여 세부 사항을 설명한다.
외부 혼합형 2-유체 노즐은 노즐의 상류 단부 및 하류 단부 사이 축 방향으로 연장되는 내부 공급 액체 파이프(1)를 구비한다. 내부 공급 액체 파이프(1)는 공급 액체 도관(2)을 제공하는 채널을 형성한다. 내부 공급 액체 파이프의 상류 단부에 공급 액체가 공급 액체 도관(2)으로 들어갈 수 있는 공급 액체 입구(3)가 있다. 내부 공급 액체 파이프(1)의 하류 단부에서 액체 공급 원료가 공급 액체 도관(2)을 빠져나갈 수 있는 공급 오리피스(4)가 있다. 제1 기체 파이프(5)는 내부 공급 액체 파이프(1)를 둘러싸고 있다. 제1 기체 파이프(5)는 내부 공급 액체 파이프(1) 외부로 공동 축 방향으로 연장된다. 제1 기체 파이프(5)의 반경은 내부 공급 액체 파이프(1)의 반경보다 크며, 제1 기체 파이프(5)는 내부 공급 액체 파이프(1)의 벽에서 이격된 파이프 벽을 제공하고, 따라서 내부 공급 액체 파이프(1)와 제1 기체 파이프(5) 사이에 제1 기체 도관(6)을 제공한다. 제1 기체 파이프는 노즐의 하류 단부에 기체 출구 슬릿(7)을 구비한다. 제1 기체 도관은 노즐 전체를 통과해 연장되지 않고, 노즐의 상류 단부에서 폐쇄된다. 제1 기체 파이프(5) 주위로, 제1 기체 파이프(5) 외부 반경 방향으로 연장하는 제2 기체 파이프(8)가 둘러싸고 있다. 따라서, 제 2 기체 파이프(8)의 반경은 제1 기체 파이프(5)의 반경보다 크다. 제1 및 제2 기체 파이프의 벽들은 이격되어 있으며, 따라서 제1 및 제2 기체 파이프의 파이프 벽들 사이에 제2 기체 도관(9)을 제공한다. 제2 기체 도관(9)은 노즐의 상류 단부에서 열리고 하류 단부에서 폐쇄된다. 노즐은 제1 기체 파이프(5)에서 제공하는 하나 이상의 슬롯(10)을 특징짓는다. 하나 이상의 슬롯(10)은 제1 기체 파이프(5)의 벽을 지나서 제1 및 제2 기체 도관들을 연결한다. 하나 이상의 슬롯(10)은 기체 흐름의 소용돌이 움직임을 제공하기 위해 적용된다.
외부 혼합형 2-유체 노즐의 작동 중에 액체 공급 흐름은 일반적으로 공급 액체 입구(3)에서 노즐로 들어가고 공급 액체 도관(2)에 의해 노즐을 통해 축 방향으로 흐른다. 그러므로, 공급 액체는 노즐을 통해 하류로 흐른다. 공급 액체 흐름은 공급 오리피스(4)에서 노즐을 빠져나간다. 분무 기체는 초기에 공급 액체 흐름과 평행하게 그리고 동일한 하류 방향으로 흐른다. 분무 기체는 상류 단부에 열려 있는 제2 기체 파이프(8)의 제2 기체 도관(9)으로 상류 단부에서 노즐로 들어간다. 제2 기체 도관(9)으로부터 분무 기체는 4개의 슬롯(10)을 통해 제1 기체 파이프(5)의 제1 기체 도관(6)으로 흐른다. 분무 기체가 하나 이상의 슬롯(10)을 통해 흐르면서 소용돌이 움직임을 얻는다. 소용돌이 움직임을 유지하기 위해서 분무 기체는 제1 기체 도관(6)을 통해 흘러 기체 출구 슬릿(7)을 통해 빠져나간다.
본 설명에 이어지는 청구항에서 bar(g)라는 용어는 주변 또는 대기 압력 보다 높은 bar 압력을 의미한다. 본 설명 및 청구항에서 스프레이 처리 또는 스프레이 건조를 언급하면, 그 용어에 스프레이 건조, 스프레이 응결 및 스프레이 과립을 포함하는 다양하게 다른 스프레이 방법과 처리 방법이 포함된다. 스프레이 응결이 수행될 때, 건조 기체가 냉각 기체로 대체된다는 것은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 이해될 것이다.
본 발명에 의해 생산된 리튬 이온 전지에 사용되는 분말은 재충전 전지에 사용되는 다양한 리튬 이온 염(salt)의 어느 하나일 수 있다. 단지 예로써, 본 발명의 방법에 의해 생산된 분말들은 다음 물질들과 같을 수 있다: 리튬 코발트 산화물, 리튬 철 인산염 또는 다른 폴리애니언(polyanion), LiNi02 또는 리튬 망간 산화물 또는 다른 스피넬. 또한 리튬 이온 전지에 사용되는 분말 이외의 다른 2차 전지 분말은 이 방법에 의해 생산될 수 있다. 분말 물질은 또한 LiCo1/3Ni1 /3Mm1 /302와 같은 염의 혼합물일 수 있다. 분말은 선택적으로 알루미늄, 니오븀 또는 지르코늄으로 도핑될 수 있다.
실시예
실시예 1
리튬 이온 전지 분말의 스프레이 건조
종래의 외부 혼합형 2-유체 노즐과 본 발명에 따른 GEA Niro COMBI-NOZZLE™ 을 사용하여 GEA Niro SD 6.3 파일럿 스프레이 건조기에서 리튬 이온 전지 분말이 다음의 결과로 스프레이 건조되었다.
Figure pct00001
실시예 2
e-PVC 라텍스 스프레이 건조
e-PVC 라텍스는 미세한 분말 입자를 만들기 위해 종종 스프레이 건조되며, 일반적으로 많은 수의 종래 2-유체 노즐이 이러한 목적으로 요구되는데, 약 20 마이크론의 요구되는 평균 입자 크기를 만들기 위해서는 이러한 노즐들의 최대 용량이 약 50-65 kg/h이기 때문이다. 본 발명에 따른 노즐의 응용에 의해, 상당히 더 낮은 압축 공기의 소비로 더 작은 평균 입자 크기를 달성할 수 있다. 또한, 하나의 COMBI-NOZZLE™의 액체 공급 용량은 200 ㎏/h, 500 ㎏/h 또는 이상이 될 수 있다.
Figure pct00002
실시예 3
고점성의 용융액 분무
고분자의 고점성의 용융액은 아래의 조건에서 COMBI-NOZZLE™을 사용하여 스프레이 응결되었다. 기존의 분무 기술에 의하면 용융액은 형편없는 액적의 형성에 의한 필라멘트의 형성으로 인해 만족스럽게 응결될 수 없었다.
Figure pct00003
실시예 4
액적 크기의 범위 제어
COMBI-NOZZLE™로부터 액적 크기 분포의 범위는 물 분무에 의해 검사되었고, 그 범위는 액체 주입 노즐의 이론적인 스프레이 각도 변화에 의해 영향을 받았다. 다음과 같은 결과가 맬번(Malvern) 액적 크기 측정 장치를 사용하여 달성되었다.
Figure pct00004

Claims (26)

  1. 액체 압력과 기체에 의해 액체를 분무하기 위한 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐로서,
    상류 단부 및 하류 단부 사이의 축 방향으로 연장되며, 공급 액체 도관(2), 상류 단부에 위치한 공급 액체 입구(3) 및 하류 단부에 위치한 공급 오리피스(4)를 구비한 내부 공급 액체 파이프(1); 및
    내부 공급 액체 파이프(1) 외부로 반경 방향으로 연장되어 하류 단부에 위치한 기체 출구 슬릿(7)을 구비한 제1 기체 파이프(5)와 내부 공급 액체 파이프(1) 사이에 제1 기체 도관(6)을 형성하는 동축 제1 기체 파이프(5)를 포함하되,
    동축 제2 기체 파이프(8)가 제1 기체 파이프(5) 외부에 반경 방향으로 연장되고 제2 기체 파이프(8)와 제1 기체 파이프(5) 사이에 제2 기체 도관(9)을 형성하며, 제1 기체 도관(6)은 상류 단부에서 폐쇄되고 제2 기체 도관(9)은 하류 단부에서 폐쇄되는 것을 특징으로 하며, 여기서 제1 기체 도관(6)과 제2 기체 도관(9)은 기체 흐름의 소용돌이 움직임을 제공하기 위해 채용되는 하나 이상의 슬롯(들)(10)에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는, 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    기체 출구 슬릿(7)과 공급 오리피스(4)는 본질적으로 동일한 수평 위치에 있는 노즐.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    내부 공급 액체 파이프(1), 제1 기체 파이프(5) 및 제2 기체 파이프(8)는 동심이고 튜브형상인 노즐.
  4. 제1항 내지 제3항에 있어서,
    기체 출구 슬릿(7)은 환상형인 노즐.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    제1 기체 도관(6) 및 제2 기체 도관(9)을 연결하는 하나 이상의 슬롯(들)(10)은 내부 공급 액체 파이프(1)의 외부 표면에 접선 방향으로 연장되는 노즐.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    하나 이상의 슬롯이 수평 평면에 상대적인 상방 또는 하방 각도로 향하는 노즐.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    내부 공급 액체 파이프(1)와 제1 기체 파이프(5)는 하류 단부에서 중심을 향해 반경 방향으로 수렴하는 노즐.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    내부 공급 액체 파이프(1)의 마모 부품은 내마모성 세라믹 재료로 이루어진 노즐.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    내부 공급 액체 파이프 및/또는 제1 기체 파이프는 하나 이상의 삽입 장착물을 수용할 수 있도록 교환 가능하고/교환 가능하거나 채용되고 및/또는 제2 기체 파이프 외부 벽이 랜스에 장착되도록 채용되는 노즐.
  10. 스프레이 건조 분말을 생산하기 위한 스프레이 처리 방법에 있어서,
    가. 공급 액체 및 분무 기체를 위한 입구를 가지는 외부 혼합형 가압 2-유체 노즐, 건조 기체 입구를 구비하는 건조실, 및 사용된 건조 기체/분무 기체와 생산된 분말을 위한 출구를 포함하는 스프레이 건조 장치를 제공하는 단계;
    나. 액체 압력과 분무 기체에 의하여 공급 액체를 외부 혼합 2-유체 노즐을 통해 건조 챔버에서 액적으로 스프레이하는 단계;
    다. 액적을 분말로 건조시키는 단계;
    라. 분말을 생산된 분말을 위한 출구를 통해 배출하고, 사용된 기체를 사용된 기체를 위한 출구를 통해 배출하는 단계를 포함하되,
    마. 공급 액체는 8 bar(g) 이상의 압력으로 노즐에 공급되고,
    바. 분무 기체는 0.2에서 10 bar(g)의 범위의 압력으로 노즐에 공급되며,
    사. 노즐에서 분무 기체의 전체 양은 소용돌이 움직임과 함께 제공되고,
    아. 공급 액체 흐름 대비 분무 기체 흐름의 중량비는 0.1 내지 10의 범위인, 스프레이 처리 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    소용돌이 움직임은 하나 이상의 슬롯에 의해 제공되며, 제2 기체 도관 및 제1 기체 도관을 연결하되, 상기 제2 도관은 기체 공급 장치에 연결되고 제1 기체 파이프와 제1 기체 파이프(5) 외부 반경 방향으로 연장되는 제2 기체 파이프(8) 사이에 형성되며, 상기 제1 기체 도관은 내부 공급 액체 파이프 및 제1 기체 파이프 사이에 형성되고, 상기 제2 기체 도관(9)은 하류 단부에서 폐쇄되고, 상기 제1 기체 도관(6)은 상류 단부에서 폐쇄되며 하류 단부의 기체 출구 슬릿에 연결되는 스프레이 처리 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    제1 기체 도관(6) 및 제2 기체 도관(9)을 연결하는 하나 이상의 슬롯 (들)(10)은 내부 공급 액체 파이프(1)의 외부 표면에 접선 방향으로 연장되는 스프레이 처리 방법.
  13. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    기체 흐름의 소용돌이 움직임을 제공하기 위해 채용되는 하나 이상의 슬롯을 통해, 액체를 분무하기 위한 전체 기체 양이 흐르는 스프레이 처리 방법.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    액체가 10-150 bar(g)의 압력으로 노즐에 공급되는 스프레이 처리 방법.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    기체가 0.5-5 bar(g)의 압력으로 공급되는 스프레이 처리 방법.
  16. 제10항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    분무 기체가 50-400 m/s의 회전 속도로 노즐에서 배출되는 스프레이 처리 방법.
  17. 제10항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    분무 기체가 100-200 m/s의 회전 속도로 노즐에서 배출되는 스프레이 처리 방법.
  18. 제10항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
    공급 액체 흐름에 대한 분무 기체 흐름의 중량비는 0.5 내지 5인 스프레이 처리 방법.
  19. 제10항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    액적의 평균 크기가 30㎛보다 작은 스프레이 처리 방법.
  20. 제10항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    분말 입자의 평균 크기가 25㎛보다 작은 스프레이 처리 방법.
  21. 제10항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    분말 입자의 평균 크기가 lO㎛보다 작은 스프레이 처리 방법.
  22. 제10항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    외부 혼합형 2-유체 노즐의 액체 흐름 용량은 100 kg/h 이상인 스프레이 처리 방법.
  23. 제10항 내지 제20항에 있어서,
    외부 혼합형 2-유체 노즐은 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 노즐인 스프레이 처리 방법.
  24. 제10항 내지 제21항에 있어서,
    두 개 이상의 외부 혼합형 2-유체 노즐이 스프레이 건조 장치에 구비되는 스프레이 처리 방법.
  25. 제10항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    스프레이 건조 분말은 리튬 이온 전지용 분말, 전지용 분말, 폴리머 분말, 전분 또는 젤라틴 분말, 커피 분말, 연마 공급 원료의 분말, 무기 분말, 경금속 분말, 약제 분말 및 응고 분말로 이루어진 군에서 선택되는 스프레이 처리 방법.
  26. 리튬 이온 전지용 분말, 전지용 분말, 폴리머 분말, 전분 또는 젤라틴 분말, 커피 분말, 연마 공급 원료의 분말, 무기 분말, 경금속 분말, 약제 분말과 응고 분말로 이루어진 군에서 선택되는 스프레이 건조 분말을 생산하기 위한 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 외부 혼합형 2-유체 노즐의 용도.
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