KR20140072059A - 아민의 포스겐화를 위한 고도의 분리형 제트 혼합기 - Google Patents
아민의 포스겐화를 위한 고도의 분리형 제트 혼합기 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명의 실시예는 적어도 원통형 내부 표면 또는 원통형 외부 표면 및 증가된 개수의 제트 개구(102)를 갖는 혼합 도관(100)을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 혼합 도관은 혼합 속도를 개선하고, 그에 의해 구조적 보전성을 희생시키지 않으면서 바람직하지 못한 부산물의 형성을 감소시킨다. 특히, 본 발명의 실시예는 약 22개 초과의 제트 개구를 보유한 실질적으로 원형의 혼합 도관(100)을 갖는 정적 혼합기(150)를 제공한다.
Description
본 발명의 실시예는 반응성 화학 공정에서의 포스겐과 아민의 혼합 등의 유체 성분을 혼합하는 혼합 장치에 관한 것이다.
종래의 혼합 장치의 분야는 대략 2개의 주요 영역, 즉 동적 또는 기계적 혼합기 및 정적 혼합기로 분할될 수 있다. 동적 또는 기계적 혼합기는 성분의 요구된 또는 철저한 혼합을 보증하도록 어떤 형태의 가동 부품 또는 부품들에 의존한다. 정적 혼합기는 일반적으로 현저한 가동 부품을 갖지 않고, 대신에 혼합을 용이하게 하도록 혼합될 유체 내에서의 유동 프로파일 및 압력 차이에 의존한다. 본 발명은 대개 정적 혼합기에 관한 것이지만 동적 혼합기와 조합되어 또한 사용될 수도 있다.
이소시아네이트는 N=C=O 관능기를 특징으로 하는 분자이다. 가장 널리 사용되는 이소시아네이트는 방향족 화합물이다. 2개의 방향족 이소시아네이트, 즉 톨루엔 디이소시아네이트(TDI) 및 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI)가 상업적으로 널리 제조된다. 이소시아네이트는 폴리올과 반응되어 폴리우레탄을 형성할 수 있다. 주요 폴리우레탄 적용 분야는 양호한 단열재이고 가정용 기구, 자동차 및 건설 사업에서 비중 있게 사용되는 강성 폼 및 매트리스 및 가구 분야에서 사용될 수 있는 가요성 폼이다. 추가로, 헥사메틸렌 디이소시아네이트 등의 지방족 이소시아네이트가 또한 마모 및 UV 저항성 코팅 등의 특별한 분야에서 널리 제조 및 사용된다.
포스겐과 아민의 혼합은 이소시아네이트 제조 공정에서 중요한 단계이다. 이소시아네이트 생성물 품질 및 수율은 반응물 즉 아민 및 포스겐의 2개의 연속 스트림을 수반하는 혼합 및 후속의 반응 공정의 효율에 의존한다. 요소 및 다른 요소 유도체를 형성하는 포스겐화 생성물 및 아민 사이의 반응과 같은 2차 반응은 궁극적으로 제조 공정의 품질 및 수율을 감소시킨다. 이소시아네이트의 생성이 요구될 때, 2차 반응은 카르보디이미드 및 우레톤이민과 같은 요소 및 요소 유도체 등의 바람직하지 못한 생성물의 생성으로 이어진다. 전체적인 화학 반응은 다음과 같이 묘사될 수 있다:
아민 + 포스겐 → 이소시아네이트 + 염산 + 요소 + 카르보디이미드 + 우레톤이민 + 바람직하지 못한 생성물
많은 공지된 및 공지되지 않은 인자가 주요 반응의 품질을 제어하지만, 포스겐 대 아민의 비율의 상승, 용매 내에서의 아민의 희석 또는 효율적인 혼합이 바람직하지 못한 부산물의 형성을 최소화한다. 바람직하지 못한 부산물들 중 일부는 고체일 수 있고, 제조 공정에서 이용된 공정 장치의 오염과 관련된다.
결국, 부적절한 혼합을 갖는 혼합기 설계가 요구된 생성물의 더 낮은 전체적인 수율을 가져올 수 있거나, 반응로 시스템을 폐쇄하거나 오염시키는 생성물을 발생시켜 정지 시간 및/또는 상승된 보수 비용으로 이어질 수 있다.
도 1은 원통형 도관(3)의 부분 단면 사시도이고, 포스겐 유동(1)이 우측으로부터 좌측으로 이동되고, 아민 유동(2)이 원통형 도관(3)을 통해 천공되는 제트 개구(4)를 통해 포스겐 유동(1) 내로 주입된다. 전통적으로, 단지 소수의 제트 개구(4)가 도관(3) 내에 생성된다. 그러나, 전통적인 정적 혼합기는 종종 비효율적인 혼합으로 인해 바람직하지 못한 부산물을 발생시킨다.
자비(Zaby) 등의 미국 특허 제5,117,048호에 따르면, 제트 개구의 개수는 도관 및 제트 개구의 직경에 의해 제한되고, 6개 내지 12개의 제트 개구를 갖는 도관을 제공한다(청구항 제9항 및 예 1 내지 6). 샹(Shang) 등의 미국 공개 제2011/0124907호는 2개 내지 20개의 제트 개구를 갖는 원통형 도관을 교시한다(청구항 제2항).
딩(Ding) 등의 미국 공개 제2008/0159065호는 22개, 24개 또는 52개의 제트 개구를 갖는 직사각형 형상의 도관을 교시한다(도 4 내지 6, 예 1 내지 4). 딩은 단면의 하나의 치수가 다른 치수보다 실질적으로 큰, 큰 종횡비를 갖는 직사각형 형상의 도관의 사용은 위에서 언급된 개수의 제트 개구를 수납하여 제트의 혼합을 개선할 수 있음을 나타낸다. 그러나, 직사각형 형상의 도관은 포스겐 도관의 내부와 외부 사이의 높은 압력 차이 및 실질적으로 두꺼운 혼합 도관을 필요로 하는 절곡부에서의 실질적인 구조적 응력으로 인해 설치에 비실용적이다.
포스겐 및 아민 혼합을 개선하고 그에 따라 바람직하지 못한 부산물의 생성을 제한하는 정적 혼합기를 제공하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 실시예는 단독으로 또는 동적 혼합기와 조합하여 사용될 수 있는 정적 혼합기에 관한 것이다.
정적 혼합 장치의 하나의 실시예는 혼합 도관을 제공한다. 혼합 도관은 축을 포위하고 축을 따라 내부 체적부를 둘러싸는 측벽을 포함한다. 내부 체적부는 축 방향 스트림이 축을 따라 내부 체적부에 대해 진입 및 배출되게 하도록 양쪽 단부 상에 2개의 개구를 갖는다. 측벽은 내부 체적부와 대면하는 내부 표면 그리고 외부와 대면하는 외부 표면을 갖는다. 내부 표면의 단면 및 외부 표면의 단면 중 적어도 하나가 원형이다. 복수개의 제트 개구가 축에 직각인 평면 내에서 측벽을 통해 형성된다. 복수개의 제트 개구는 측면 방향 스트림이 내부 체적부 내로 유동되게 하고, 복수개의 제트 개구의 개수는 20개 초과이다.
본 발명의 또 다른 실시예는 본 발명의 실시예에 따른 혼합 도관을 포함하는 정적 혼합기를 제공한다.
본 발명의 위에서 인용된 특징이 상세하게 이해될 수 있는 방식으로, 위에서 간략하게 요약된 본 발명의 더 구체적인 설명이 그 일부가 첨부 도면에 도시되어 있는 실시예를 참조하여 수행될 수 있다. 그러나, 첨부 도면은 본 발명의 단지 전형적인 실시예를 도시하고 그에 따라 본 발명이 다른 동등하게 효과적인 실시예를 인정하기 때문에 그 범주의 제한인 것으로 간주되지 않아야 한다는 것이 주목되어야 한다.
도 1은 포스겐과 아민의 혼합에서 사용되는 종래 기술의 전형적인 정적 혼합기의 유동 배열을 개략적으로 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 정적 혼합기의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 혼합 도관의 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 혼합 도관의 측면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 정적 혼합기의 모의 실험된 혼합기 성능을 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정적 혼합기의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 정적 혼합기의 예측된 모의 실험 혼합기 성능을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 혼합 도관의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합 도관의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합 도관의 단면도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 동일한 도면 부호가 가능하면 도면에 공통적인 동일한 요소를 나타내는 데 사용되었다. 하나의 실시예에서 개시된 요소는 특정한 인용 없이도 다른 실시예에서 유리하게 이용될 수 있는 것으로 간주되어야 한다.
도 1은 포스겐과 아민의 혼합에서 사용되는 종래 기술의 전형적인 정적 혼합기의 유동 배열을 개략적으로 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 정적 혼합기의 단면도이다.
도 3a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 혼합 도관의 단면도이다.
도 3b는 도 3a의 혼합 도관의 측면도이다.
도 4는 도 2에 도시된 정적 혼합기의 모의 실험된 혼합기 성능을 도시하는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 정적 혼합기의 단면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 정적 혼합기의 예측된 모의 실험 혼합기 성능을 도시하는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 혼합 도관의 단면도이다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합 도관의 단면도이다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합 도관의 단면도이다.
이해를 용이하게 하기 위해, 동일한 도면 부호가 가능하면 도면에 공통적인 동일한 요소를 나타내는 데 사용되었다. 하나의 실시예에서 개시된 요소는 특정한 인용 없이도 다른 실시예에서 유리하게 이용될 수 있는 것으로 간주되어야 한다.
본 발명의 실시예는 화학 반응을 갖거나 갖지 않는 적용 분야에서 성분을 혼합하는 정적 혼합 장치에 관한 것이고, 혼합은 속도-제한 단계이고, 바람직하지 못한 부산물 형성을 유발할 수 있다. 본 발명의 실시예는 상당한 반응성의 화학 반응 중에 포스겐 및 아민 등의 유체 성분을 혼합하는 혼합 장치를 제공한다.
본 발명의 실시예는 제1 유동이 혼합 도관을 통과하고 혼합 도관을 통해 형성되는 1개 이상의 제트 개구에 의해 혼합 도관 내로 주입되는 제2 유동과 교차됨에 따라 제1 유동, 전형적으로는 주요 교차-유동 내에 속도 프로파일을 생성한다.
본 발명의 실시예는 적어도 원통형 내부 표면 및/또는 원통형 외부 표면 그리고 증가된 개수의 제트 개구를 갖는 혼합 도관을 제공한다. 본 발명의 실시예에 따른 혼합 도관은 혼합 속도를 개선하고, 그에 의해 구조적 보전성(integrity)을 희생시키지 않으면서 바람직하지 못한 부산물의 형성을 감소시킨다. 특히, 본 발명의 실시예는 약 20개 초과의 제트 개구를 보유한 실질적으로 원형의 혼합 도관을 갖는 정적 혼합기를 제공한다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 정적 혼합기(150)의 단면도이다. 정적 혼합기(150)는 그를 통해 길이 방향 축(156)을 따른 제1 유동(105)을 허용하는 내부 체적부(154)를 형성하는 제1 유동 도관(153)을 포함한다. 하나의 실시예에서, 제1 유동 도관(153)은 입구 단부(152) 및 출구 단부(158)를 포함한다.
혼합 도관(100)이 제1 유동 도관(153)의 입구 단부(152)와 출구 단부(158) 사이에 결합된다. 혼합 도관(100)은 중심 축(103)을 포위하는 측벽(101)을 포함한다. 혼합 도관(100)은 중심 축(103)이 제1 유동 도관(153)의 길이 방향 축(156)과 일치되도록 위치된다. 측벽(101)은 제1 유동 도관(153)의 내부 체적부(154)와 동축인 내부 체적부(107)를 형성한다. 복수개의 제트 개구(102)가 혼합 도관(100)의 외부에 혼합 도관(100)의 내부 체적부(107)를 유체 연결하도록 측벽(101)을 통해 형성된다.
제2 유동 도관(155)이 제1 유동 도관(153)에 부착된다. 제2 유동 도관(155)은 제1 유동 도관(153)의 입구 단부(152) 및 출구 단부(158)에 결합되고, 혼합 도관(100)을 포위하는 환형 챔버(159)를 형성한다. 환형 챔버(159)는 제2 유동(104)이 복수개의 제트 개구(102)를 통해 혼합 도관(100)의 내부 체적부(107) 내로 진입되어 제1 유동(105)과 혼합되게 한다.
제1 유동(105)은 입구 단부(152)로부터 정적 혼합기(150) 내로 진입되어 내부 체적부(154)를 통해 출구 단부(158)를 향해 유동된다. 제2 유동(104)은 제2 유동 도관(155)의 입구(108)에서 정적 혼합기(150) 내로 진입되어 환형 챔버(159)로 유동되고, 그 다음에 복수개의 제트 개구(102)를 통해 제1 유동(105)과 혼합되도록 혼합 도관(100)의 내부 체적부(107) 내로 진입된다. 혼합 유동(157)이 정적 혼합기(150)로부터 제1 유동 도관(153)의 출구 단부(158)를 통해 배출된다.
혼합 도관(100)은 제2 유동(104)이 단지 혼합 도관(100) 내의 복수개의 제트 개구(102)를 거쳐서만 제1 유동(105)과 혼합되도록 제2 유동 도관(155)으로부터 제1 유동 도관(153)을 격리한다. 혼합 도관(100)의 파라미터 및 구조는 바람직한 혼합 결과를 얻도록 설계될 수 있다.
도 3a는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 혼합 도관(100)의 단면도이다. 도 3b는 혼합 도관(100)의 측면도이다. 혼합 도관(100)의 측벽(101)은 중심 축(103)을 포위하여 내부 체적부(107)를 형성한다. 측벽(101)은 측벽(101)의 두께를 증가시키지 않으면서 측벽(101)의 강도를 최대화하여 동작 중에 측벽(101) 상에 가해지는 반경 방향 응력 및 축 방향 응력 예컨대 도 2의 정적 혼합기(150) 내의 제1 유동(105)과 제2 유동(104) 사이의 압력 차이에 의해 유발되는 측벽(101)에 대한 응력을 견디도록 중심 축(103)에 대해 회전-대칭이다. 하나의 실시예에서, 측벽(101)은 실질적으로 원통형의 단면을 갖고, 내부 체적부(107)는 원통형 체적부이다. 하나의 실시예에서, 내부 표면(111) 및 외부 표면(112) 중 적어도 하나가 원형 단면을 갖는다.
복수개의 제트 개구(102)는 측벽(101)을 통해 형성된다. 하나의 실시예에서, 복수개의 제트 개구(102)는 중심 축(103)에 실질적으로 직각인 평면(113) 내에서 측벽(101)을 따라 균등하게 분포된다. 각각의 제트 개구(102)는 원형, 타원형, 다각형 또는 다른 적절한 형상일 수 있다. 각각의 제트 개구(102)는 외부 표면(112) 상에 제1 단부(102a)를 그리고 내부 표면(111) 상에 제2 단부(102b)를 갖는다. 하나의 실시예에서, 각각의 제트 개구(102)의 제1 단부(102a) 및 제2 단부(102b)는 원통형 개구를 제공하도록 동일한 형상을 갖는다. 대체 실시예에서, 각각의 제트 개구(102)는 제2 단부(102b)보다 넓은 제1 단부(102a)를 갖도록 테이퍼형일 수 있다.
제트 개구(102)의 개수는 개선된 혼합 결과를 얻고 바람직하지 못한 부산물을 감소시키도록 설정된다. 제트 개구(102)의 개수는 혼합 도관(100)의 직경, 혼합 도관(100) 내로 진입되는 제1 유동(105)의 평균 속도 그리고 제1 유동(105) 및 제2 유동(104)의 유동 속도의 비율 등의 다양한 파라미터에 의해 영향을 받을 수 있다. 혼합 도관(100)이 포스겐화 공정에서 사용될 때에, 아민 유동을 위한 제트 개구(102)의 개수는 유입 포스겐을 위한 파이프의 직경, 포스겐의 평균 속도 그리고 아민/포스겐 유동 속도의 비율 등의 인자에 의해 영향을 받을 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 동일한 유동 속도 하에서, 정적 혼합기(150) 등의 정적 혼합기의 성능이 제트 개구(102)의 개수를 증가시킴으로써 개선될 수 있다. 제트 개구(102)를 통한 압력 하강은 이들 개구의 총 단면적과 강력하게 상관된다. 압력 차이는 제트 개구(102)의 개수를 증가시킬 때에 제트 개구 크기를 감소시킴으로써 유지될 수 있다. 정적 혼합기(150)의 성능은 수율 손실(또는 바람직하지 못한 부산물의 백분율)에 의해 측정된다. 이론에 의해 구속되고 싶지 않지만, 제2 스트림의 (더 많은 제트 개구에 의해 얻어지는) 더 작은 스트림이 제2 스트림의 더 큰 스트림보다 제1 스트림과 더 빠르게 혼합된다.
그러나, 기계적 보전성 및 오염 문제는 제트 개구가 합리적인 개수 내에 있도록 제한할 수 있다. 예컨대, 제트 개구(102)의 개수는 측벽(101)의 기하 형상에 의해 제한될 수 있다. 하나의 실시예에서, 각각의 제트 개구(102)의 제1 단부(102a)는 폭(115)을 갖고, 이웃한 제트 개구(102)가 서로부터 떨어진 거리(114)에 있다. 거리(114) 및 폭(115)의 비율은 제트 개구(102)의 개수가 증가됨에 따라 감소된다. 거리(114) 및 폭(115)의 비율은 혼합 도관(100)이 구조적으로 견고할 것을 보증하도록 어떤 수치 위에서 유지될 것이 필요하다. 이러한 비율은 도관(100)을 구성하는 데 사용된 재료의 강도를 기초로 하여 결정된다.
대체예에서, 제트 개구(102)의 개수는 내부 체적부(107)의 단면적 그리고 복수개의 제트 개구(102)의 총 단면적에 따라 결정될 수 있다. 복수개의 제트 개구(102)의 개수는 복수개의 제트 개구(102)의 총 단면적 및 내부 체적부(107)의 단면적의 비율을 유지하면서 최대화된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 제트 개구(102)의 개수는 약 22개이다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구(102)의 개수는 적어도 24개이다. 하나의 실시예에서, 제트 개구(102)의 개수는 약 24개 내지 약 32개이다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구의 개수는 약 28개이다. 도 4는 도 2에 도시된 정적 혼합기(150)와 유사한 정적 혼합기의 모의 실험된 혼합기 성능을 도시하는 그래프이다. 이러한 모의 실험은 실험 데이터와의 비교를 통해 인증된 컴퓨터 모델을 기초로 한다. 모의 실험된 공정은 포스겐 및 아민 혼합 공정이고, 포스겐의 유동이 제1 유동 도관(153) 내로 진입되고, 아민의 유동이 제2 유동 도관(155) 내로 진입되고, 복수개의 제트 개구(102)를 통해 포스겐의 유동과 혼합된다. 모의 실험 공정에서, 원통형 측벽 상에 형성되는 다양한 개수의 제트 개구(102)를 갖는 혼합 도관(100)을 보유한 정적 혼합기(150)의 성능이 평가된다. 모든 혼합 공정 파라미터, 포스겐 및 아민의 유동 속도, 복수개의 제트 개구(102)의 총 단면적 그리고 공정 스트림의 온도는 제트 개구(102)의 개수가 변화되는 동안에 일정하게 유지된다.
x-축은 제트 개구의 개수를 나타낸다. y-축은 바람직하지 못한 부산물의 정규화 속도 면에서의 혼합기의 모의 실험된 성능을 나타낸다. y-축의 더 낮은 수치는 더 양호한 성능을 나타낸다.
도 4에 도시된 것과 같이, 제트 개구(102)의 개수가 16개로부터 28개까지 증가됨에 따라, 정적 혼합기의 모의 실험된 성능이 개선된다. 정적 혼합기의 성능은 제트 개구(102)의 개수가 32개까지 증가됨에 따라 감소된다. 도 4의 모의 실험 결과에 따르면, 원통형 혼합 도관에 대해, 개선된 혼합 성능이 약 24개 내지 28개까지 제트 개구의 개수를 증가시킴으로써 얻어질 수 있다. 이러한 결과는 원통형 혼합 도관에 대해 2개 내지 20개의 범위 내의 제트 개구의 개수를 개시하는 종래 기술에 의해 시사되지 않는다.
도 5는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 정적 혼합기(250)의 단면도이다. 정적 혼합기(250)는 정적 혼합기(250)가 혼합 도관(100) 대신에 혼합 도관(200)을 갖는다는 점을 제외하면 도 2의 정적 혼합기(150)와 유사하다.
혼합 도관(200)은 중심 축(203)을 포위하여 내부 체적부(207)를 형성하는 실질적으로 원통형의 측벽(201)을 포함한다. 복수개의 제트 개구(202)가 중심 축(203)에 실질적으로 직각인 평면(213) 내에서 측벽(201)을 통해 형성된다. 혼합 도관(200)은 복수개의 스포크(spoke)(221)에 고정되는 유선형 축 방향 유동 방해물(220)을 추가로 포함한다. 축 방향 유동 방해물(220)은 원통형 중앙 섹션 및 테이퍼형 단부를 가질 수 있다. 하나의 실시예에서, 축 방향 유동 방해물(220)은 측벽(201)과 동축이고, 평면(213)과 교차된다.
축 방향 유동 방해물(220)은 혼합 도관(200)의 단면적을 감소시키고, 그에 의해 제2 유동이 진입되는 평면(213) 근처에서 제1 유동(105)의 속도를 상승시킨다. 축 방향 유동 방해물(220)은 제트 개구(202)로부터의 유동이 중심 축(203)에 도달될 수 없는 상황에서 혼합을 개선하도록 중심 축(203) 근처에서의 제1 유동(105)을 제거한다. 또한 추가예에서, 축 방향 유동 방해물(220)은 스포크(221) 및 축 방향 유동 방해물(220)로부터의 방해의 효과가 하류로 추가로 확장되도록 혼합 도관(200)의 길이를 따라 방해를 제공한다. 축 방향 유동 방해물 설계의 상세한 설명은 참조로 여기에 합체되어 있는 적어도 부분적인 공통의 발명자의 역할에 의해 2010년 3월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/725,262호에서 찾아볼 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따르면, 제트 개구(202)의 개수는 약 22개 내지 약 50개이다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구(202)의 개수는 적어도 24개이다. 하나의 실시예에서, 제트 개구(202)의 개수는 약 24개 내지 약 36개이다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구(202)의 개수는 약 28개이다.
도 6은 도 5에 도시된 정적 혼합기(250)의 모의 실험 성능을 도시하는 그래프이다. 모의 실험은 실험 데이터와의 비교를 통해 인증된 모델을 사용하여 만들어진다. 모의 실험된 공정은 포스겐 및 아민 혼합 공정이고, 포스겐의 유동이 제1 유동 도관(153) 내로 진입되고, 아민의 유동이 제2 유동 도관(155) 내로 진입되고, 복수개의 제트 개구(202)를 통해 포스겐의 유동과 혼합된다. 모의 실험된 공정에서, 원통형 측벽 상에 형성되는 다양한 개수의 제트 개구(202)를 갖는 혼합 도관(200)을 보유한 정적 혼합기(250)의 성능이 평가된다. 포스겐 및 아민의 유동 속도 그리고 복수개의 제트 개구(202)의 총 단면적은 제트 개구(202)의 개수가 변화되는 동안에 일정하게 유지된다.
x-축은 제트 개구의 개수를 나타낸다. y-축은 바람직하지 못한 부산물의 정규화 속도 면에서의 혼합기의 성능을 나타낸다. y-축의 더 낮은 수치는 더 양호한 성능을 나타낸다.
도 6에 도시된 것과 같이, 제트 개구(202)의 개수가 16개로부터 28개까지 증가됨에 따라, 정적 혼합기의 성능이 개선된다. 정적 혼합기의 성능은 제트 개구(202)의 개수가 36개까지 증가됨에 따라 점차로 감소된다. 도 6의 모의 실험 결과에 따르면, 축 방향 유동 장애물을 보유한 원통형 혼합 도관에 대해, 최적의 혼합 성능이 약 24개 내지 36개까지 제트 개구의 개수를 증가시킴으로써 얻어질 수 있다.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합 도관(300)의 단면도이다. 혼합 도관(300)은 정적 혼합기(150 또는 250) 내의 혼합 도관(100 또는 200) 대신에 사용될 수 있다.
혼합 도관(300)은 내부 체적부(307)를 형성하는 측벽(301)을 갖는다. 측벽(301)은 중심 축(303)에 대해 회전 대칭이다. 내부 체적부(307)는 중심 축(303)을 따라 연장된다. 복수개의 제트 개구(302)가 측벽(301)을 통해 형성된다. 복수개의 제트 개구(302)는 측벽(301)의 원주부를 따라 균등하게 분포될 수 있다. 하나의 실시예에서, 제트 개구(302)의 개수는 약 22개보다 위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구(302)의 개수는 적어도 24개이다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구(302)의 개수는 약 24개 내지 약 32개이다.
측벽(301)은 외부 표면(305) 및 내부 표면(304)을 갖는다. 외부 표면(305)은 원형 단면을 갖는 원통형 표면이다. 내부 표면(304)은 그 내로 유동을 유도하도록 중심 축(303)의 방향을 따라 홈(306)을 형성하는 비-원형 단면을 가질 수 있다. 원통형 외부 표면(305)은 원통형 측벽의 장점을 제공하고, 다각형 내부 표면(304)은 유동을 향한 효과를 제공한다. 내부 표면(304)은 유동에 요구된 효과를 얻도록 다른 형상을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합 도관(400)의 단면도이다. 혼합 도관(400)은 정적 혼합기(150 또는 250) 내의 혼합 도관(100 또는 200) 대신에 사용될 수 있다.
혼합 도관(400)은 내부 체적부(407)를 형성하는 측벽(401)을 갖는다. 측벽(401)은 중심 축(403)에 대해 회전 대칭이다. 내부 체적부(407)는 중심 축(403)을 따라 연장된다. 복수개의 제트 개구(402)가 측벽(401)을 통해 형성된다. 복수개의 제트 개구(402)는 측벽(401)의 원주부를 따라 균등하게 분포될 수 있다. 하나의 실시예에서, 제트 개구(402)의 개수는 22개보다 위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구(402)의 개수는 적어도 24개이다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구(402)의 개수는 약 24개 내지 약 32개이다.
측벽(401)은 외부 표면(405) 및 내부 표면(404)을 갖는다. 외부 표면(405)은 비-원형 단면을 갖는다. 내부 표면(404)은 원형 단면을 갖는 원통형 표면이다. 원통형 내부 표면(404)은 원통형 측벽의 장점을 제공한다.
도 9는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼합 도관(500)의 단면도이다. 혼합 도관(500)은 정적 혼합기(150 또는 250) 내의 혼합 도관(100 또는 200) 대신에 사용될 수 있다.
혼합 도관(500)은 내부 체적부(507)를 형성하는 측벽(501)을 갖는다. 측벽(501)은 중심 축(503)에 대해 회전 대칭이다. 내부 체적부(507)는 중심 축(503)을 따라 연장된다. 복수개의 제트 개구(502)가 측벽(501)을 통해 형성된다. 복수개의 제트 개구(502)는 측벽(501)의 원주부를 따라 균등하게 분포될 수 있다. 하나의 실시예에서, 각각의 제트 개구(502)는 테이퍼형일 수 있다. 하나의 실시예에서, 제트 개구(502)의 개수는 32개보다 위에 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구(502)의 개수는 적어도 24개이다. 또 다른 실시예에서, 제트 개구(502)의 개수는 약 24개 내지 약 32개이다.
측벽(501)은 외부 표면(505) 및 내부 표면(504)을 갖는다. 외부 표면(505) 및 내부 표면(504)의 양쪽 모두는 비-원형 단면을 갖는다. 예컨대, 외부 표면(505) 및 내부 표면(504)의 양쪽 모두는 정다각형의 단면을 갖는다. 정다각형 측벽(501)은 원통형 측벽과 유사한 구조적 장점을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시예는 혼합 성능을 개선하는 증가된 개수의 제트 개구를 보유한 실질적으로 원통형의 혼합 도관을 갖는 정적 혼합기를 제공한다. 증가된 개수의 제트 개구에 대한 설계는 시스템 내에 더 적은 동시 동작 혼합기를 제공하고, 그에 의해 전체적인 운전 비용을 감소시킨다.
본 발명의 실시예는 테이퍼형 제트 개구, 복잡한 제트 개구, 포스겐 스트림 다이버터를 보유한 혼합기 등의 정적 혼합기에서 다른 설계의 직접적인 확장으로서 사용될 수 있다. 예컨대, 제트 개구는 적어도 부분적인 공통의 발명자의 역할을 갖고 본원에 참조로서 포함되어 있는 2005년 7월 7일자로 출원되고 미국 공개 제2008/0087348호로서 공개되고 미국 특허 제7,901,128호로서 허여된 미국 특허 출원 제11/658,193호에 기재된 테이퍼형 구멍, 2010년 3월 16일자로 출원된 미국 특허 출원 제12/725,266호에 기재된 제트 개구 또는 2010년 9월 28일자로 출원된 미국 임시 출원 제61/387,229호에 기재된 유동 방해물과 조합될 수 있다.
위의 설명은 본 발명의 실시예에 관한 것이지만, 본 발명의 다른 실시예 및 추가적인 실시예가 그 기본 범주로부터 벗어나지 않으면서 고안될 수 있다.
Claims (17)
- 축을 포위하고 축을 따라 내부 체적부를 둘러싸는 측벽으로서, 내부 체적부는 축 방향 스트림이 축을 따라 내부 체적부에 대해 진입 및 배출되게 하도록 양쪽 단부 상에 2개의 개구를 갖고, 측벽은 내부 체적부와 대면하는 내부 표면 및 외부 체적부와 대면하는 외부 표면을 갖고, 내부 표면의 단면 및 외부 표면의 단면 중 적어도 하나가 원형이고, 복수개의 제트 개구가 축에 직각인 평면 내에서 측벽을 통해 형성되고, 복수개의 제트 개구는 측면 방향 스트림이 외부 체적부로부터 내부 체적부 내로 유동되게 하고, 복수개의 제트 개구의 개수는 22개 초과인 측벽
을 포함하는 혼합 도관. - 제1항에 있어서, 제트 개구의 개수는 약 22개 내지 약 50개인 혼합 도관.
- 제1항에 있어서, 복수개의 제트 개구의 개수는 24개 초과인 혼합 도관.
- 제1항에 있어서, 내부 표면의 단면은 원형이고, 외부 표면의 단면은 원형이 아닌 혼합 도관.
- 제1항에 있어서, 외부 표면의 단면은 원형이고, 내부 표면의 단면은 원형이 아닌 혼합 도관.
- 제1항에 있어서, 내부 표면의 단면은 원형이고, 외부 표면의 단면은 원형인, 혼합 도관.
- 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 축을 따라 내부 체적부 내에 배치되는 축 방향 유동 방해물을 추가로 포함하고, 축 방향 유동 방해물은 복수개의 제트 개구가 형성되는 평면을 통과하는, 혼합 도관.
- 제7항에 있어서, 측벽에 축 방향 유동 방해물을 고정하는 2개 이상의 스포크(spoke)를 추가로 포함하는 혼합 도관.
- 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 복수개의 제트 개구의 각각은 측벽의 외부 표면에서 큰 개구를, 측벽의 내부 표면에서 작은 개구를 갖도록 테이퍼형인 혼합 도관.
- 원통형 내부 체적부를 형성하는 원통형 측벽으로서, 내부 체적부는 제1 단면적을 갖고, 복수개의 제트 개구는 원통형 내부 체적부의 축에 직각인 평면 내에서 측벽을 통해 형성되고, 복수개의 제트 개구의 개수는 복수개의 제트 개구의 총 단면적과 제1 단면적의 비율 및 원통형 벽의 물리적 보전성(integrity)을 유지하면서 최대화되는, 원통형 측벽
을 포함하는 혼합 도관. - 제10항에 있어서, 제트 개구의 개수는 약 22개 내지 약 50개인 혼합 도관.
- 제11항에 있어서, 복수개의 제트 개구의 개수는 24개 초과인 혼합 도관.
- 제1 유동 수용 도관과;
제2 유동 수용 도관으로서, 제1 및 제2 수용 도관은 환형 챔버의 1개 이상의 외벽을 형성하는, 제2 유동 수용 도관과;
제1 도관 내에 배치되고 적어도 환형 챔버의 내벽을 형성하는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 혼합 도관으로서, 환형 챔버는 혼합 도관의 1개 이상의 제트 개구와 유체 연통(fluid communication)되는, 혼합 도관
을 포함하는 정적 혼합기. - 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 혼합 도관의 길이를 따라 제1 유동을 유동시키는 단계와;
제1항 내지 제13항 중 어느 한 항의 혼합 도관의 1개 이상의 제트를 통해 제2 유동을 유동시키는 단계
를 포함하는 혼합 방법. - 제14항에 있어서, 제1 유동은 포스겐을 포함하고, 제2 유동은 아민을 포함하는 방법.
- 제15항에 있어서, 제2 유동은 메틸렌 디페닐 디아민, 톨루엔 디아민 및 헥사메틸렌 디아민 중 적어도 하나를 포함하는 방법.
- 제14항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 체적부 내에 배치된 1개 이상의 유동 방해물은 형성되는 요소, 카르보디이미드 및 우레톤이민의 양이 방해물이 내부 체적부 내에 배치되지 않은 방법에서보다 적도록 제1 유동의 속도 프로파일을 변형시키는 방법.
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