KR20150109603A - 제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치에 관한 것으로, 본 발명에 따르면 전체 장비의 크기에는 변화를 주지 않고, 회전내통과 고정외통의 구조를 개선하는 방식으로 반응유로를 확장시켜주어 제한된 공간에서도 연속 공정에 의한 대량생산이 가능하다.

Description

제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치{Couette-Taylor vortices reaction equipment for extending flow path in limit space}

본 발명은 쿠에트-테일러 와류 반응장치에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는 내통과 외통의 구조를 개선하여 제한된 공간에서도 반응유로를 확장시킬 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.

쿠에트-테일러 와류(Couette-Taylor vortex)란 두 개의 원통 사이에서 유체가 흐를 때 내통 또는 외통이 회전함으로써 특별한 유동 특성이 나타나는 것을 말한다.

도1은 종래의 쿠에트-테일러 와류 반응 장치를 설명하기 위한 도면이다. 도1을 참조하면, 종래의 쿠에트-테일러 와류 반응 장치는 투입부(5a)와 배출부(5b)를 갖는 외통(5) 내에 모터(2)에 의하여 회전하는 내통(4)이 설치되어 있다. 도1에 도시된 장치에서 내통(4)을 회전시키면 도2에 도시된 바와 같이 원심력에 의해 내통(4) 가까이 존재하고 있는 유체들은 고정된 외통(5) 방향으로 나가려는 경향이 있는데, 이로 인하여 유체는 불안정하게 되어 축 방향에 따라 규칙적이며 서로 반대 방향으로 회전하려는 고리쌍 배열의 와류가 형성되고, 이를 '테일러 와류' 또는 '쿠에트-테일러 와류'라고 한다.

이러한 두 동심 원통(4,5) 사이에서 반경방향으로 생성된 와류셀은 각각 하나의 회분식 반응(batch reaction) 공정으로, 이러한 와류를 축방향으로 균일하게 생성할 경우 여러단의 회분식 반응 공정을 연속적으로 수행하는 효과를 가진다. 이러한 테일러 와류는 내통(4)의 회전 속도가 임계값 이상일 때 나타나며 Taylor수가 640 이상이 되면 테일러 난류가 발생하고, 이 때 매우 이상적인 교반이 이루어지게 된다.

이러한 쿠에트-테일러 와류 반응장치는 생물, 물리 및 화학 분야에서 혼합, 추출, 침전(결정화), 분리, 배양을 위한 특수한 반응 환경을 제공하기 위해 교반탱크형 반응기를 대체하여 사용된다. 특히 액체에 섞인 특정한 성분을 결정화시키는 공정을 위해 필수적으로 사용된다.

쿠에트-테일러 와류를 이용한 결정화 공법으로는, 모액에 제3의 용매를 첨가하여 용질의 과포화를 유도함으로써 결정을 석출하는 Drowning-out crystallization, 모액에 제3의 물질 중 salt를 첨가하여 용질의 용해도를 변화하여 결정을 석출하는 Salting-out crystallization, 물질의 용해도가 온도에 민감한 경우 용액을 냉각하여 대상 물질이 녹아 있는 모액의 포화도를 증가시켜 결정을 석출하는 Cooling crystallization, 용융점 이상의 온도에서 물질을 녹인 후 온도를 낮추어 순수한 성분으로 분리하는 Melting crystallization, 그리고 화학반응을 통해 고체를 석출하는 Reaction crystallization 등 다양하다.

쿠에트-테일러 와류를 이용한 결정화 공정은 생산 공정의 자동화와 운전이 용이하며, 균일한 물성의 제품을 연속적으로 생산할 수가 있다. 또한 비교적 적은 공간을 사용하며 생산 비용 및 에너지 소비가 적게 든다는 장점도 있으며, 입자크기 조절 및 균일한 입도 분포의 제품 생산이 가능하고 작업시간을 단축시킬 수도 있다.

이러한 쿠에트-테일러 결정화 공법은 각종 고순도 첨가제 정제 공정, 난연제 정제 공정, 중금속 제조 공정, 단백질 제조 공정, 탈염소 제조 공정, 이차전지 원료물질 제조 공정, 고순도 발광재료 정제 공정 등과 같은 정밀화학, 제약산업, 석유화학, 환경산업, 식품산업, 전자재료 및 신소재 등 다양한 분야로의 적용이 가능하다.

한편 결정화 공정을 이용하여 특정한 성분을 결정화시켜 생산물을 얻고자 할 때에는, 얻고자 하는 최종 생산물이 무엇인지에 따라 반응시간을 늘려주어야 할 필요가 있으며, 대량 생산을 위해 연속 공정도 가능해야 한다.

하지만 도1에 도시된 바와 같은 종래의 장치에서는 투입부(5a)를 통해 유입된 물질이 테일러 와류에서 반응할 수 있는 경로가 한정되어 있다. 즉 내통(4)의 길이에 해당하는 경로 상에서만 반응이 일어난 후 즉시 배출부(5b)를 통해 빠져나가야 한다. 만약 종래의 장치를 이용하여 결정화 공정을 수행해야 한다면, 소량의 원료만 투입한 후 반응이 일어나는 긴 시간동안 대기해야 한다. 따라서 연속 공정이 불가능하여 대량생산이 힘들다는 문제점이 있다.

물론 내통(4) 및 외통(5)의 길이를 늘려주어 반응유로를 확장시키는 방법도 고려할 수 있지만, 내통(4)의 길이가 길어질수록 하중이 늘어나 모터(2)의 축에 안정적으로 지지될 수가 없으며, 전체적인 장비의 크기가 커져 설치가 어렵다는 문제점이 있다.

한편 쿠에트-테일러 반응 장치와 관련된 종래기술로는 대한민국공개특허 제10-2013-0056687호 등이 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 전체 장비의 크기에는 변화를 주지 않고, 회전내통과 고정외통의 구조를 개선하는 방식으로 반응유로를 확장시켜주어 제한된 공간에서도 연속 공정에 의한 대량생산이 가능한 쿠에트-테일러 반응 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치는, 회전동력을 발생시키는 모터; 전방은 상기 모터와 연동되고, 후방에는 동심원 상에 하나 이상의 유로확장 홈이 형성되어 있는 회전내통; 및 상기 회전내통을 감싸는 형태로 설치되며, 상기 회전내통의 유로확장 홈에 삽입되는 하나 이상의 유로확장 벽을 갖는 고정외통;을 포함함으로써, 상기 모터의 작동으로 상기 회전내통이 회전하면 상기 회전내통의 외주면 공간에서 쿠에트-테일러 와류가 형성되되, 상기 회전내통의 유로확장 홈 내에 삽입된 상기 고정외통의 유로확장 벽의 내주면 및 외주면 공간에서도 쿠에트-테일러 와류가 형성될 수 있다.

여기서, 상기 고정외통의 전방 측면에는 원료투입부가 마련되어 있고, 후방 측면에는 배출부가 마련되어 있으며, 상기 원료투입부를 통해 원료가 투입된 후 상기 쿠에트-테일러 와류에 의해 반응을 마친 반응물질이 상기 배출부를 통해 배출될 수 있다.

또한, 상기 회전내통 외주면 공간으로 첨가물을 투입할 수 있는 첨가물투입부가 상기 고정외통 측면에 일정 간격으로 복수개 마련되어 있을 수 있다.

또, 상기 고정외통에는 상기 고정외통 내부의 온도를 조절하는 온도조절공간이 마련되어 있을 수 있다.

본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응 장치에서는, 장치의 전체적인 크기에는 변화를 주지 않고 회전내통에는 유로확장 홈을 형성시키고, 이에 대응하여 고정외통에는 유로확장 홈에 삽입되는 유로확장 벽이 마련되어 있어서, 유로확장 벽에 의해 공간이 분리된 유로확장 홈 내에서도 테일러 와류가 형성될 수 있도록 함으로써, 전체적인 반응유로의 길이를 3배 이상으로 늘려줄 수가 있다. 따라서 좁은 공간에서도 반응 장치의 설치가 용이하며, 3배 이상으로 늘어난 반응유로를 통해 비교적 오랜 시간동안 결정화 반응이 일어날 수 있고, 또한 연속적으로 원료를 투입하여 공정을 수행함으로써 대량 생산이 가능하다는 이점이 있다.

도1은 종래의 쿠에트-테일러 반응 장치를 설명하기 위한 도면.
도2는 쿠에트-테일러 와류를 설명하기 위한 개념도.
도3은 본 발명의 실시예에 따른 제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치를 설명하기 위한 도면.
도4는 도3에 도시된 장치에서 회전내통과 고정외통 부분을 확대하여 도시한 도면.
도5는 도4의 A-A' 절단면을 개략적으로 도시한 도면.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명하되, 발명의 요지와 무관한 일부 구성은 생략 또는 압축할 것이나, 생략된 구성이라고 하여 반드시 본 발명에서 필요가 없는 구성은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 결합되어 사용될 수 있다.

도3은 본 발명의 실시예에 따른 제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치(이하 '쿠에트-테일러 반응 장치' 또는 '반응 장치'라고 함)를 설명하기 위한 도면이고, 도4는 도3에서 도시된 반응 장치에서 회전내통과 고정외통 부분을 확대하여 도시한 도면이다.

도3 및 도4에 도시된 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 쿠에트-테일러 반응 장치는 모터(20), 회전내통(40) 및 고정외통(50)을 포함한다.

회전동력을 발생시키는 모터(20)는 지지프레임(10)에 받쳐져 고정되어 있으며, 모터(20)의 축에는 동력전달부(30)의 전방이 결합되고, 동력전달부(30)의 후방에 회전내통(40)의 전방이 결합된다. 따라서 모터(20)에서 발생하는 회전동력이 동력전달부(30)를 통해 회전내통(40)에 전달될 수 있다. 물론 실시하기에 따라 모터(20)의 축에 회전내통(40)의 전방이 직접 연결되는 구조도 설계 가능하다.

회전내통(40)의 후방에는 회전중심으로부터 일정 거리 떨어진 지점에 유로확장 홈(41)이 전방을 향하여 일정 깊이로 형성되어 있다. 이하에서는 유로확장 홈(41)에 의해 구분되어진 회전내통(40)의 바깥쪽 부분을 편의상 외측내통(42)이라 하고, 회전중심이 되는 안쪽 부분을 내측내통(43)이라 명칭하도록 한다. 또한 유로확장 홈(41)은 동심원 상에 복수개가 형성될 수 있으나 본 실시예에서는 하나의 유로확장 홈(41)이 형성된 것을 도시하였다.

고정외통(50)은 회전내통(40)의 외주면과 소정 거리 이격되어 회전내통(40)을 감싸는 형태로 설치된다. 이러한 고정외통(50)에는 반응 대상이 되는 원료를 투입할 수 있도록 전방 측면에 원료투입부(51)가 형성되어 있고, 후방 측면에는 반응을 마친 반응물질이 배출될 수 있도록 배출부(53)가 형성되어 있다. 또한 후방 중심은 잔류물질을 빼내기 위해 개방되어 있으나, 공정 중에는 덮개(70)에 의해 막혀 있다.

또 고정외통(50)은 내측의 반응공간의 온도를 조절해 주기 위한 수단이 구비되어 있다. 즉 고정외통(50)은 회전내통(40)을 둘러싸는 내벽(57)과, 내벽(57)으로부터 일정 거리 떨어진 상태의 외벽(56)으로 구분되어 내벽(57)과 외벽(56) 사이에 온도조절공간(59)이 마련된다. 온도조절공간(59)은 회전내통(40)의 전체 둘레를 감싸는 형태로 위치하고 있기 때문에, 외벽(56) 측면에 마련된 냉온수투입부(54)를 통해 냉수 또는 온수를 유입하면 전체 반응공간의 온도를 조절해 줄 수가 있다. 또한 온도조절공간(59)에 유입된 냉수 또는 온수는 냉온수배출부(55)를 통해 빠져나올 수 있다.

한편 원료투입부(51)를 통해 투입된 원료가 회전내통(40)과 내벽(57) 사이의 공간에서 테일러 와류에 의해 반응할 시에는 수산화나트륨(NaOH) 등의 공침제나, PH 조절을 위한 암모니아(NH₄OH)가 투입될 필요가 있다. 따라서 고정외통(50)의 측면에는 일정 간격으로 첨가물투입부(52)가 마련되어 있다.

여기서 고정외통(50)의 후방에는 회전내통(40)의 유로확장 홈(41)에 대응하는 위치에 원통 형상의 유로확장 벽(58)이 전방을 향하여 돌출 형성되어 있다. 따라서 회전내통(40)이 먼저 설치된 이후 후방으로부터 고정외통(50)을 전진시켜 설치하면, 고정외통(50)의 유로확장 벽(58)이 회전내통(40)의 유로확장 홈(41)에 삽입된 상태가 된다.

이에 따라 본 실시예에 따른 쿠에트-테일러 반응 장치에서는 테일러 와류가 형성되는 반응유로가 회전내통(40)의 축 길이에 대략 3배에 해당하는 만큼 확장된다.

즉 고정외통(50)의 내벽(57)과 회전내통(40)의 외측내통(42) 사이에 제1반응유로(61)가 형성되고, 회전내통(40)의 외측내통(42)과 고정외통(50)의 유로확장 벽(58) 사이에 제2반응유로(62)가 형성되며, 고정외통(50)의 유로확장 벽(58)과 회전내통(40)의 내측내통(43) 사이에 제3반응유로(63)가 형성되는 것이다.

도4의 A-A' 절단면을 개략적으로 도시한 도5를 참조하면, 본 실시예에 따른 쿠에트-테일러 반응 장치는 가장 외부에서부터 순서대로 고정외통(50)의 외벽(56) - 고정외통(50)의 내벽(57) - 회전내통(40)의 외측내통(42) - 고정외통(50)의 유로확장 벽(58) - 회전내통(40)의 내측내통(43)이 위치하는 것을 확인할 수 있다.

즉, 고정외통(50)의 외벽(56)과 내벽(57) 사이는 온도조절공간(59)이 되며, 고정외통(50)의 내벽(57)(회전 안함)과 회전내통(40)의 외측내통(42)(회전 함) 사이는 전방에서부터 후방으로 반응물질이 이동하는 제1반응유로(61)가 되고, 회전내통(40)의 외측내통(42)(회전 함)과 고정외통(50)의 유로확장 벽(58)(회전 안함) 사이는 후방에서부터 전방으로 반응물질이 이동하는 제2반응유로(62)가 되며, 고정외통(50)의 유로확장 벽(58)(회전 안함)과 회전내통(40)의 내측내통(43)(회전 함) 사이는 다시 전방에서부터 후방으로 반응물질이 이동하는 제3반응유로(63)가 되는 것이다.

도5에서는 반응물질의 진행 방향이 'X'와 '⊙'로 표시되어 있다. 즉 A-A' 절단면을 바라본 시점을 고려하여 전방에서 후방으로 반응물질이 진행하는 제1반응유로(61)와 제3반응유로(63)에는 'X'를 표시한 것이고, 후방에서 전방으로 반응물질이 진행하는 제2반응유로(62)에는 '⊙'를 표시한 것이다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 쿠에트-테일러 반응 장치에서는, 장치의 전체적인 크기에는 변화를 주지 않고 회전내통(40)에는 유로확장 홈(41)을 형성시키고, 이에 대응하여 고정외통(50)에는 유로확장 홈(41)에 삽입되는 유로확장 벽(58)이 마련되어 있어서, 유로확장 벽(58)에 의해 공간이 분리된 유로확장 홈(41) 내에서도 테일러 와류가 형성될 수 있도록 함으로써, 전체적인 반응유로의 길이를 3배 이상으로 늘려줄 수가 있다. 따라서 좁은 공간에서도 반응 장치의 설치가 용이하며, 3배 이상으로 늘어난 반응유로를 통해 비교적 오랜 시간동안 결정화 반응이 일어날 수 있고, 또한 연속적으로 원료를 투입하여 공정을 수행함으로써 대량 생산이 가능하다는 이점이 있다.

한편 이상에서 설명한 쿠에트-테일러 반응 장치는 이차전지용 양극활물질 제조를 위한 전구체 등 각종 화학물질의 결정화 공정을 위해 사용될 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면, 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경 및 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 본 발명의 특허청구 범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

10 : 지지프레임
20 : 모터
30 : 동력전달부
40 : 회전내통
41 : 유로확장 홈
42 : 외측내통
43 : 내측내통
50 : 고정외통
51 : 원료투입부
52 : 첨가물투입부
53 : 배출부
54 : 냉온수투입부
55 : 냉온수배출부
56 : 외벽
57 : 내벽
58 : 유로확장 벽
59 : 온도조절공간
61 : 제1반응유로
62 : 제2반응유로
63 : 제3반응유로
70 : 덮개

Claims (4)

1. 회전동력을 발생시키는 모터;
   전방은 상기 모터와 연동되고, 후방에는 동심원 상에 하나 이상의 유로확장 홈이 형성되어 있는 회전내통; 및
   상기 회전내통을 감싸는 형태로 설치되며, 상기 회전내통의 유로확장 홈에 삽입되는 하나 이상의 유로확장 벽을 갖는 고정외통;을 포함함으로써,
   상기 모터의 작동으로 상기 회전내통이 회전하면 상기 회전내통의 외주면 공간에서 쿠에트-테일러 와류가 형성되되, 상기 회전내통의 유로확장 홈 내에 삽입된 상기 고정외통의 유로확장 벽의 내주면 및 외주면 공간에서도 쿠에트-테일러 와류가 형성되는 것을 특징으로 하는 제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 고정외통의 전방 측면에는 원료투입부가 마련되어 있고, 후방 측면에는 배출부가 마련되어 있으며,
   상기 원료투입부를 통해 원료가 투입된 후 상기 쿠에트-테일러 와류에 의해 반응을 마친 반응물질이 상기 배출부를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치.
   
3. 제2항에 있어서,
   상기 회전내통 외주면 공간으로 첨가물을 투입할 수 있는 첨가물투입부가 상기 고정외통 측면에 일정 간격으로 복수개 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치.
   
4. 제2항에 있어서,
   상기 고정외통에는 상기 고정외통 내부의 온도를 조절하는 온도조절공간이 마련되어 있는 것을 특징으로 하는 제한된 공간에서 반응유로를 확장시킨 쿠에트-테일러 반응 장치.
   

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