KR20140108175A - 혼합기 - Google Patents

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KR20140108175A
KR20140108175A KR20140024162A KR20140024162A KR20140108175A KR 20140108175 A KR20140108175 A KR 20140108175A KR 20140024162 A KR20140024162 A KR 20140024162A KR 20140024162 A KR20140024162 A KR 20140024162A KR 20140108175 A KR20140108175 A KR 20140108175A
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mixing
mixer
mixed
circulation pipe
pipe
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KR20140024162A
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최준원
임예훈
홍유식
송영수
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주식회사 엘지화학
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    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
    • B01F25/40—Static mixers
    • B01F25/42—Static mixers in which the mixing is affected by moving the components jointly in changing directions, e.g. in tubes provided with baffles or obstructions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F25/00—Flow mixers; Mixers for falling materials, e.g. solid particles
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01F—MIXING, e.g. DISSOLVING, EMULSIFYING OR DISPERSING
    • B01F33/00—Other mixers; Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/80—Mixing plants; Combinations of mixers
    • B01F33/81—Combinations of similar mixers, e.g. with rotary stirring devices in two or more receptacles
    • B01F33/811—Combinations of similar mixers, e.g. with rotary stirring devices in two or more receptacles in two or more consecutive, i.e. successive, mixing receptacles or being consecutively arranged

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Abstract

본 출원은 혼합기 및 혼합 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 비상용성 유체의 저유량 분산을 위한 배관형 혼합기에 관한 것이다. 본 출원에 따른 혼합기는 유체와 같은 혼합될 물질들을 연속 혼합 공정으로 혼합할 경우, 부족한 유속을 유체 운송 구간에 펌프(30)를 설치하여 보충할 수 있고, 순환 배관(10)에 설치된 혼합부(20)의 직경을 증가시켜 혼합될 물질의 분산에 적합한 스태틱 믹서(22)를 설치할 수 있어, 이를 사용하여 물질을 혼합할 경우 혼합된 물질에 대한 혼합도를 보다 효율적으로 증가시킬 수 있다.

Description

혼합기{MIXER}
본 출원은 혼합기 및 혼합 방법에 관한 것이다.
서로 섞이지 않는 비상용성 유체의 혼합에는 배관을 사용하는 스태틱 믹서(static mixer)가 사용될 수 있다. 특허문헌 1 및 2는 유체를 배관을 사용하여 혼합하는 기술을 개시하고 있다.
그러나, 종래의 스태틱 믹서로는 유체 간에 충분한 분산이 이루어지기 어려운 문제가 있었다.
따라서, 연속 혼합 공정에서 비상용성 유체 간에 서로 분산이 잘 이루어져 혼합도가 높은 혼합물을 만들 수 있는 혼합기에 대한 개발이 필요한 실정이다.
특허 문헌 1: 대한민국 공개특허 제2011-0054058호 특허 문헌 2: 대한민국 공개특허 제2011-0043607호
본 출원은 혼합기 및 혼합 방법을 제공한다. 보다 구체적으로, 유체를 연속 공정에 의하여 혼합하는 경우 부족한 유량으로 분산이 잘 이루어지지 않는 문제점을 개선할 수 있는 혼합기를 제공한다.
본 출원은 혼합기에 대한 것이다.
이하에서는 본 출원에 따른 상기 혼합기를 첨부된 도면을 참고하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 출원의 상기 혼합기를 하나의 예시로 나타낸 구성도이다.
도 1에서 보는 바와 같이, 상기 혼합기는 전체적으로 순환 가능한 구조를 가지는 배관형으로 구성될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 혼합기는 혼합될 물질들이 이동할 수 있는 폐루프 형태(closed loop)의 경로를 형성하고 있는 순환 배관(10); 및 상기 순환 배관(10)의 폐루프 형태의 경로에 존재하는 혼합부(20)를 포함하고, 적어도 상기 혼합될 물질들이 상기 순환 배관(10)에서 상기 혼합부(20)로 도입되는 영역에서 상기 혼합부(20)가 상기 순환 배관(10)에 비하여 큰 직경을 가지도록 설치되어 있는 혼합기일 수 있다.
상기 순환 배관(10)은 혼합될 물질들이 배관을 따라 이동할 수 있는 공간으로서, 폐루프 형태로 순환이 가능하도록 구성될 수 있다. 상기 폐루프의 길이는 약 100mm 내지 1,000mm 범위 내에서 형성되는 것이 바람직하다.
또한 상기 순환 배관(10)의 단면은 후술할 혼합부(20)의 단면과 동일하거나 상이한 형상으로 형성될 수 있고, 구체적인 형상은 특별히 제한없이 다양한 형상를 가질 수 있으나, 예를 들어 삼각 형상, 사각 형상, 원 형상, 오각 형상 또는 육각 형상으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 형상 이상을 가질 수 있다.
상기 순환 혼합기에는 복수의 혼합부(20)가 설치될 수 있다. 상기 설치되는 복수의 혼합부(20)는 순환 배관(10)의 유로를 따라 연속하여 설치될 수 있으며, 다른 예시에서 상기 혼합부(20)의 각각은 일정한 거리를 두고 순환 배관(10)의 유로를 따라 설치될 수 있다.
상기 순환 배관(10) 직경은 혼합될 물질이 이동할 수 있다면 특별히 제한되지 않으나, 예를 들어 5mm 내지 50mm, 5mm 내지 40mm, 5mm 내지 30mm 또는 5mm 내지 20mm의 범위에서 형성될 수 있다.
상기 혼합부(20)의 직경은 혼합될 물질들의 분산이 효율적으로 이루어질 수 있는 한 특별히 제한되는 것은 아니나, 예를 들어 30mm 내지 400mm, 30mm 내지 200mm, 30mm 내지 150mm, 35mm 내지 100mm 또는 40mm 내지 80mm의 범위에서 형성될 수 있다.
상기 혼합부(20)의 직경은 전체적으로 상기 순환 배관(10)의 직경보다 클 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 혼합될 물질들이 순환 배관(10)에서 혼합부(20)로 도입되는 영역에서 상기 혼합부(20)의 직경(M)과 상기 순환 배관(10)의 직경(P)의 비율(M/P)이 2 내지 10, 2 내지 9, 3 내지 8 또는 바람직하게 4 내지 8의 범위 내일 수 있다. 상기 순환 배관(10)에서 혼합부(20)로 도입되는 영역에서 상기 혼합부(20)의 직경과 상기 순환 배관(10)의 직경의 비율이 전술한 범위 내에서 형성되도록 조절하여 혼합될 물질이 혼합기 내부에 유입될 경우 유동의 변화를 일으킬 수 있고 분산이 보다 효율적으로 이루어지므로 혼합될 물질에 대한 전체적인 혼합도를 크게 증가시킬 수 있다.
또한, 다른 예시에서 상기 분산을 효율적으로 이루어지도록 하기 위하여 필요한 경우 상기 혼합될 물질이 혼합부(20)로 유입되어 혼합된 후 혼합부(20)로부터 혼합된 물질이 빠져나오는 영역의 직경은 상기 순환 배관(10)의 직경보다 크게 형성할 수 있다. 또 다른 예시에서 상기 혼합부(20)의 직경은 상기 배관(10)의 직경과 전체적으로 동일한 직경을 가질 수 있다.
상기 혼합부(20)는 스태틱 믹서(static mixer)(22)를 포함할 수 있다. 본 명세서에서 용어 「스태틱 믹서」는 유체와 같은 혼합될 물질을 혼합할 때 사용되는 부품으로서 통상적으로 사용되는 의미와 동일하며, 「혼합 노즐(mixing nozzle)」이라 지칭하기도 한다.
본 출원에 따른 혼합기는 상기 혼합부(20)의 직경을 순환 배관(10)보다 전체적으로 크게 하여 내부에 복수의 스태틱 믹서(22)가 포함될 수 있다. 상기 스태틱 믹서(22)의 형태는 혼합부(20) 내에서 분산에 적합한 형태를 가지는 한 특별히 제한되지 않으나, 혼합도를 고려할 경우 예를 들어 스크류 형태 또는 나선 형태인 것이 바람직하다. 또한, 상기 스태틱 믹서(22)는 상기 혼합부(20) 내에서 복수가 다양한 방향으로 설치되는 형식으로 포함될 수 있다. 상기 스태틱 믹서(22)는 특별한 제한 없이 공지의 재료로 제조될 수 있으며, 예를 들어 플라스틱 재질의 재료를 사용하여 금형 또는 주형의 제조 방법으로 제조될 수 있다.
본 출원의 상기 혼합기는 상기 혼합부(20)를 2개 이상 또는 3개 이상 포함할 수 있다. 상기 혼합기에 상기 혼합부(20)가 예를 들면 3개 이상, 4개 이상 또는 5개 이상 포함될 수 있으며, 상한은 특별히 제한되지 않으나, 10개 이하의 범위 내에서 적절하게 선택될 수 있다.
상기 혼합기에 혼합부(20)를 2개 이상 포함하는 경우, 예를 들어 상기 혼합부(20)간의 간격은 배관의 직경 대비 2배 내지 10배, 3배 내지 9배, 4배 내지 8배 또는 바람직하게는 4배 내지 7배의 범위 내에서 형성될 수 있다.
본 출원에 따른 상기 혼합기는 순환 배관(10)으로 혼합될 물질을 도입할 수 있도록 설치된 유입구를 추가로 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 혼합기는 상기 순환 배관(10)에 연결되고, 혼합될 물질들이 서로 다른 경로로 유입되는 유입구를 추가로 포함할 수 있다.
상기 유입구는 제 1 유입구(1); 및 상기 제 1 유입구(1)와 별도로 설치된 제 2 유입구(2)를 포함할 수 있다. 상기 제 1 유입구(1)를 통하여 제 1 물질이 유입될 수 있고, 상기 제 2 유입구(2)를 통하여 제 2 물질이 유입될 수 있다. 상기 유입구는 반드시 도 1과 같이 2개로 구성되어야 하는 것은 아니고, 순환 배관(10)의 길이, 혼합될 물질의 종류 또는 개수 및 혼합된 물질의 혼합도 등을 고려하여 필요한 경우 3개 이상, 4개 이상 또는 5개 이상을 포함할 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 혼합기는 순환 배관(10)에 설치되고, 혼합될 물질의 유속을 증가시키는 펌프(30)를 추가로 포함할 수 있다. 본 명세서에서 상기 「펌프」는 순환 배관(10)에 설피되어 혼합될 물질의 유속을 반복적으로 증가시키는 역할을 하며, 「순환 펌프」로 지칭될 수 있다. 상기 펌프(30)는 본 출원의 혼합기에 의한 연속 혼합 공정에서의 혼합될 물질들의 부족한 유속을 보충하기 위해 구비된 구성으로서, 순환 배관(10)을 흐르는 물질의 유속을 증가시켜 분산이 보다 효율적으로 이루어질 수 있도록 할 수 있다.
상기 펌프(30)는 순환 배관(10) 내에 이동하는 혼합될 물질의 유속 증가를 고려하여 적절한 위치에 설치될 수 있으며, 특별히 제한되는 것은 아니나, 도 1과 같이 순환 배관(10)을 따라 내부에 설치될 수 있고 또는 순환 배관(10) 외부에 설치되어 상기 순환 배관(10)과 파이프 등의 연결 수단에 의해 연결될 수 있다.
하나의 예시에서, 상기 혼합기는 상기 혼합부(20) 내에서 혼합된 물질을 순환 배관(10)으로부터 외부로 배출할 수 있도록 설치된 배출구(32)를 추가로 포함할 수 있다.
상기 배출구(32)는 상기 혼합부(20)의 출구 측에 연결되어 상기 혼합된 물질이 배출되도록 설치될 수 있다.
본 출원은 또한, 혼합 방법에 관한 것이다.
하나의 예시에서, 상기 혼합 방법은 상기 혼합기를 사용하여 제 1 물질과 제 2 물질을 혼합하는 방법이고, 순환 배관(10)에 의해 형성된 폐루프 형태의 경로를 통해 상기 제 1 물질 및 제 2 물질을 순환시키면서 혼합부(20)에서 상기 제 1 물질 및 제 2 물질을 혼합하는 것을 포함할 수 있다.
상기 제 1 물질 및 제 2 물질은 서로 섞이지 않는 성질을 가지는 비상용성일 수 있다. 상기 제 1 물질 및 제 2 물질의 종류는 서로 섞이지 않는 성질을 가진 물질이라면 특별히 제한되는 것은 아니나. 예를 들어 제 1 물질은 수성 유체일 수 있고, 제 2 물질은 유성 유체일 수 있다.
상기 제 1 물질 및 제 2 물질은 상기 혼합기에 포함된 혼합부(20) 이외의 부분, 즉 상기 순환 배관(10)에 의해 형성된 폐루프 형태의 경로를 이동하면서도 혼합될 수 있으며, 이 경우 제 1 물질 및 제 2 물질의 경로를 통한 이동 속도는 1m/s 내지 10m/s, 2.5m/s 내지 9m/s, 4m/s 내지 8m/s 또는 바람직하게 4m/s 내지 6m/s 내의 범위에서 형성될 수 있다.
하나의 예시에서, 본 출원에 따른 혼합 방법은 상기 제 1 물질 및 제 2 물질의 혼합을 하기 수식 1을 만족하도록 수행할 수 있다.
[수식 1]
Figure pat00001
수식 1에서 Cm은 배관의 복수의 지점에서 측정한 제 1 물질 또는 제 2 물질의 평균 면적 비율 또는 농도이고; 상기 면적 비율 또는 농도는 배관의 측정 지점의 단면에서 제 1 물질 또는 제 2 물질이 차지하는 면적 비율 또는 농도로서 상기 단면의 면적을 1로 환산한 상태에서 산출한 수치이며; N은 배관 또는 혼합부에서의 상기 면적 비율 또는 농도의 측정 지점의 개수로서 2 이상의 수이고; Ci는 배관의 소정 지점에서 측정한 제 1 물질 또는 제 2 물질의 면적 비율 또는 농도이다.
상기 수식에서의 비율은 전술한 순환 배관 또는 혼합부에서 혼합도를 측정하기 위해 설치된 센서에 의해 측정될 수 있으며, 단위 면적당 제 1 물질 또는 제 2 물질이 차지하는 부피에 대한 비율을 의미한다.
상기 혼합도를 측정하기 위해 설치된 센서는 복수일 수 있으며, 이에 따라 상기 부피에 대한 비율의 평균값을 정할 수 있다.
본 출원의 상기 혼합 방법은 상기 혼합부(20)의 직경을 상기 순환 배관(10)의 직경보다 크도록 조절하여 분산 촉진을 위한 스태틱 믹서(22)의 설치를 보다 용이하게 하고, 또한 혼합될 물질이 이동하는 구간에서 순환 펌프(30)를 설치하여 연속 혼합 공정에서의 부족한 유속을 보충하여 유입되는 비상용성의 유체에 대한 혼합도를 효율적으로 증가시킬 수 있다.
본 출원에 따른 혼합기는 유체와 같은 혼합될 물질들을 연속 혼합 공정으로 혼합할 경우, 부족한 유속을 유체 운송 구간에 펌프(30)를 설치하여 보충할 수 있고, 순환 배관(10)에 설치된 혼합부(20)의 직경을 증가시켜 혼합될 물질의 분산에 적합한 스태틱 믹서(22)를 설치할 수 있어, 이를 사용하여 물질을 혼합할 경우 혼합된 물질에 대한 혼합도를 보다 효율적으로 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 출원에 따른 혼합기를 모식적으로 나타낸 구성도이다.
도 2는 실시예 및 비교예에서 측정된 물질의 혼합도를 비교한 도면이다.
도 3은 실시예 및 비교예에서 혼합도 측정을 위해 필요한 단면에 대한 도면이다.
이하 본 출원에 따르는 실시예 및 본 출원에 따르지 않는 비교예를 통하여 본 출원을 보다 상세히 설명하나, 본 출원의 범위가 하기 제시된 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.
실시예
도 1에 나타낸 혼합기를 구성하고, 이를 사용하여 물 및 오일을 혼합하였다. 도 1의 장치 구성에서 순환 배관(10)에 의해 형성되는 전체 폐루프의 길이는 540mm였고, 상기 순환 배관(10)의 직경은 10mm 정도였다. 순환 배관(10)의 폐루프상에 존재하는 혼합부(20)는 2개 설치하였고, 각 혼합부(20)의 내부에는 스태틱 믹서(22)를 설치하였다. 혼합부(20)의 직경은 55mm 정도였으며, 길이는 110mm 정도였고, 2개의 혼합부(20)간의 간격은 52mm 정도였다. 혼합기의 제 1 유입구(1)로는 물을 도입하였고, 제 2 유입구(2)로는 오일을 도입하여 순환 배관(10)을 따라 순환시키면서 혼합 공정을 수행하였으며, 이 과정에서 펌프(30)를 사용하여 물과 오일의 유속을 약 5m/s 정도가 되도록 조절하였다.
비교예
도 1과 같은 형태의 혼합기를 사용하지 않고, 종래 비상용 유체들의 혼합에 사용되는 것으로 알려져 있는 kenics 믹서(chemineer사)를 사용하여 물과 오일을 혼합하였다.
상기 실시예 및 비교예에 따라 배출구(32)로부터 수득된 혼합 물질의 혼합도의 표준편차 값은 전산 모사를 통하여 변동 계수(Coefficient of Variation, CoV)를 계산하는 방식으로 측정하여 도 2에 나타내었다. 보다 구체적으로, 상기 혼합도의 표준편차 값은 도 3과 같이, 배관 또는 혼합부에 상기 혼합도 측정을 위해 설치한 센서에 의해 단면에서 차지하는 혼합될 물질의 면적 비율에 대한 값을 하기 수식 1에 따라 정하였다.
[수식 1]
Figure pat00002
수식 1에서 Cm은 배관의 복수의 지점에서 측정한 제 1 물질 또는 제 2 물질의 평균 면적 비율 또는 농도이고; 상기 면적 비율 또는 농도는 배관의 측정 지점의 단면에서 제 1 물질 또는 제 2 물질이 차지하는 면적 비율 또는 농도로서 상기 단면의 면적을 1로 환산한 상태에서 산출한 수치이며; N은 배관 또는 혼합부에서의 상기 면적 비율 또는 농도의 측정 지점의 개수로서 2 이상의 수이고; Ci는 배관의 소정 지점에서 측정한 제 1 물질 또는 제 2 물질의 면적 비율 또는 농도이다.
도 2로부터 확인되는 바와 같이, 실시예에서 측정된 혼합도의 표준편차의 값은 비교예에서 측정된 혼합도의 표준편차의 값 대비 약 10배 정도의 우수한 혼합 효율을 나타내었다.
1: 제 1 유입구
2: 제 2 유입구
10: 순환 배관
20: 혼합부
22: 스태틱 믹서
30: 펌프
32: 배출구
40: 제 1 물질이 차지하는 면적
50: 제 2 물질이 차지하는 면적

Claims (14)

  1. 혼합될 물질들이 이동할 수 있는 폐루프 형태의 경로를 형성하고 있는 순환 배관; 및
    상기 순환 배관의 폐루프 형태의 경로에 존재하는 혼합부를 포함하고, 적어도 상기 혼합될 물질들이 상기 순환 배관에서 상기 혼합부로 도입되는 영역에서 상기 혼합부가 상기 순환 배관에 비하여 큰 직경을 가지도록 설치되어 있는 혼합기.
  2. 제 1 항에 있어서, 혼합될 물질들이 순환 배관에서 혼합부로 도입되는 영역에서 상기 혼합부의 직경(M)과 상기 순환 배관의 직경(P)의 비율(M/P)이 2 내지 10인 혼합기.
  3. 제 1 항에 있어서, 순환 배관 또는 혼합부의 단면은 삼각 형상, 사각 형상, 원 형상, 오각 형상 및 육각 형상으로 이루어진 군으로부터 선택된 하나의 형상 이상을 가지는 혼합기.
  4. 제 1 항에 있어서, 혼합부는 스태틱 믹서를 포함하는 순환 혼합기.
  5. 제 1 항에 있어서, 혼합부를 2개 이상 또는 3개 이상 포함하는 혼합기.
  6. 제 5 항에 있어서, 혼합부간의 간격이 순환 배관 직경에 대하여 2배 내지 10배의 범위 내인 혼합기.
  7. 제 1 항에 있어서, 순환 배관으로 혼합될 물질을 도입할 수 있도록 설치된 유입구를 추가로 포함하는 혼합기.
  8. 제 7 항에 있어서, 유입구는 제 1 유입구; 및
    상기 제 1 유입구와 별도로 설치된 제 2 유입구를 포함하는 혼합기.
  9. 제 1 항에 있어서, 순환 배관에 의해 형성된 폐루프 형태의 경로로 혼합될 물질을 이동시킬 수 있도록 설치된 펌프를 추가로 포함하는 혼합기.
  10. 제 1 항에 있어서, 혼합된 물질을 순환 배관으로부터 배출할 수 있도록 설치된 배출구를 추가로 포함하는 혼합기.
  11. 제 1 항의 혼합기를 사용하여 제 1 물질과 제 2 물질을 혼합하는 방법이고, 순환 배관에 의해 형성된 폐루프 형태의 경로를 통해 상기 제 1 물질 및 제 2 물질을 순환시키면서 혼합부에서 상기 제 1 물질 및 제 2 물질을 혼합하는 것을 포함하는 혼합 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 경로를 통한 제 1 물질 및 제 2 물질의 이동 속도를 1m/s 내지 10m/s의 범위 내로 유지하는 혼합 방법.
  13. 제 11 항에 있어서, 제 1 물질은 수성 유체이고, 제 2 물질은 유성 유체인 혼합 방법.
  14. 제 11 항에 있어서, 제 1 물질 및 제 2 물질의 혼합을 하기 수식 1을 만족하도록 수행하는 혼합 방법:
    [수식 1]
    Figure pat00003

    수식 1에서 Cm은 배관의 복수의 지점에서 측정한 제 1 물질 또는 제 2 물질의 평균 면적 비율 또는 농도이고; 상기 면적 비율 또는 농도는 배관의 측정 지점의 단면에서 제 1 물질 또는 제 2 물질이 차지하는 면적 비율 또는 농도로서 상기 단면의 면적을 1로 환산한 상태에서 산출한 수치이며; N은 배관 또는 혼합부에서의 상기 면적 비율 또는 농도의 측정 지점의 개수로서 2 이상의 수이고; Ci는 배관의 소정 지점에서 측정한 제 1 물질 또는 제 2 물질의 면적 비율 또는 농도이다.
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