KR20160040234A - 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 시스템 및 방법 - Google Patents

액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 오일 중 물 에멀전이 준비되고 연소 시스템 내로 공급되고, a) 유기 유상, 유화제 및 수상을 제1 혼합 영역 내로 주입하는 단계; b) 고 내부상 에멀전(HIPE)을 성취하기 위해 상기 성분들을 혼합하는 단계; c) 상기 단계 b)의 고 내부상 에멀전(HIPE) 및 추가의 유기 유상을 제2 혼합 영역 내로 주입하는 단계; d) 동질의 오일 중 물 에멀전을 성취하기 위해 상기 성분들을 혼합하는 단계; 및 e) 상기 오일 중 물 에멀전을 상기 연소 시스템에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR REDUCING THE AMOUNT OF POLLUTING CONTENTS IN THE EXHAUST GAS OF A LIQUID FUELED COMBUSTION ENGINE}
본 발명은, 오일 중 물 에멀전(water-in-oil-emulsion)이 준비되어 연소 시스템 내로 공급되고, a) 유기 유상(organic oil phase), 유화제(emulsifier) 및 수상(aqueous phase)을 제1 혼합 영역 내로 주입하는 단계; b) 고 내부상 에멀전(High Internal Phase Emulsion, HIPE)을 성취하기 위해 상기 성분들을 혼합하는 단계; c) 상기 단계 b)의 고 내부상 에멀전(HIPE) 및 추가의 유기 유상을 제2 혼합 영역 내로 주입하는 단계; d) 동질의 오일 중 물 에멀전을 성취하기 위해 상기 성분들을 혼합하는 단계; 및 e) 상기 오일 중 물 에멀전을 상기 연소 시스템에 제공하는 단계를 포함하는, 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 방법 및 시스템에 관한 것이다.
현대의 연소 기관들은 여전히 만연된 상당한 양의 공기 오염에 대한 책임에 직면한다. 이는 비록 최근 몇 십년간 환경 친화적 설계 분야에 있어서 엄청난 진척이 성취되었고, 또한 최근 낮은 연료 소모로 고 효율 수준을 얻을 수 있는 엔진들이 이용가능하게 되었다 할지라도 여전히 유효하다. 그럼에도 불구하고, 연소 공정의 복잡성 때문에, 에너지 변환 동안, 미세 먼지 또는 상승된 수준의 NOx와 같은, 여전히 원치않는 "부산물들"이 발생되며, 이들은 고등 생명체에 유독성을 주는 것으로 간주되어, 그와 같은 오염물질들을 감소시키기 위한 수단이 확장된 연구개발의 대상이 되었다.
이와 같은 주제의 산업적 및 환경적 중요성으로 인해, 연소 기관의 배기 가스에 있어서 원치않는 오염물질들을 감소시키기 위한 몇가지 다른 전략들이 제안되었었다.
WO2003050402는 예를 들면 상승 압력에서 증기 희석 연료 충전물(fuel charge)을 사용하는 오토 사이클 기관(Otto cycle engine)을 포함하는 고효율 연소 기관에 대해 설명하고 있다. 공기는 압축되고, 물은 기관으로부터의 폐열을 사용하는 분압 효과를 통해 상기 압축 공기 내로 증발된다. 다음에, 결과적인 압축 공기-증기 혼합물은 바람직하게 화염면 전파(flame front propagation)를 유지하기 위해 수소를 함유하는 연료와 함께 상기 기관에서 연소된다. 상기 고압의, 증기-장전 기관 배기 가스(steam-laden engine exhaust)는 추가의 기계 동력을 제공하도록 확장기를 구동시키기 위해 사용된다. 이와 같은 배기 가스는 또한 기관 연소를 위한 수소를 제공하도록 연료를 개질하도록 사용될 수 있다. 이와 같은 기관은 유리하게도 기관으로부터의 저급 폐열을 유용한 기계 동력으로 변환시키기 위한 분압 효과를 사용한다. 상기 기관은 최소 배기 가스와 함께 높은 효율(예를 들면, ＞50%)이 가능한 것으로 알려지고 있다.
US 20120312166 Al은 중유의 연소로부터 선박용 디젤 배기 가스를 정화시키기 위한 플랜트를 개시하고 있으며, 상기 플랜트는 a) 가스의 연소 및/또는 물을 위한 하나 이상의 공급 라인을 포함하는 분무 타워, b) 상기 분무 타워에 직접 연결되고 또한 물을 위한 추가의 공급 라인을 포함하는 벤투리 스크러버(venturi scrubber), c) 사이클론 형태의 박무 제거기(mist eliminator)로서, 상기 벤투리 스크러버에 연결되고 또한 정화된 가스와 스크러빙 액체(scrubbing liquid)를 위한 하나 이상의 출구 라인을 포함하는, 상기 박무 제거기, d) 상기 스크러빙 액체를 위한 출구 라인을 통해 상기 박무 제거기에 연결되는 디스크 분리기를 포함한다.
또한, DE 198 20 682 Al은 화석 연료로 작동되는 내연 기관 또는 다른 기계들의 배기 가스를 정화하기 위한 방법을 제공한다. 그것은 먼저 비열성 정상 압력 가스 배출시 배기 가스를 예비처리하고, 이어서 유독성 산화 물질(oxidic noxious substances)의 선택적 촉매 환원이 적절한 환원 물질을 첨가하여 발생하도록 허용하거나, 또는 선택적 촉매 분해 반응이 발생하도록 허용하는 것을 제안하고 있다. 유독성 산화 물질을 제거하기 위한 장치는 가스 배출 섹션을 갖는 적어도 하나의 모듈과 촉매-변환기 섹션을 갖는 적어도 하나의 모듈로 이루어진 일련의 회로를 특징으로 하며, 특히 디젤 기관에서 사용하기에 적합하다.
또한, DE 4443260 Al은 열기관의 배기 가스에서 오염물질들을 감소시키기 위해 가능한 해법을 제공한다. 상기 유닛은 2개의 열기관으로 구성되며, 그 중 하나는 구동 에너지를 발생시키고 환경적으로 유해한 오염물질 농도를 함유하는 배기 가스를 생성한다. 제1 기관으로부터의 배기 가스 오염물질들은 상기 제2 기관에 의해 완전히 또는 부분적으로 흡수된다. 탄소 형태의 오염물질들, 즉, 그을음, 일산화탄소, 미연소 탄화수소, 상기 제1 기관으로부터의 연료 잔여물들, 및 산화 질소의 농도는 적어도 10배의 전력에 의해 적어도 2배까지 낮아지고, 상기 제2 기관은 정화된 배기 물질을 갖는다. 상기 제2 기관은 화학적으로 최적화되어, 최종 배기 가스는 이산화탄소 외에 어떠한 바람직하지 않은 농도의 환경적으로 유해한 물질들을 함유하지 않는다.
DE 4211784 Al은 배기 가스에 있어서의 오염물질들을 감소시킬 수 있는 특정 에멀전을 제공한다. 이와 같은 문헌 내에, 내연 기관에서 소비되어 실제로 생태학적으로 무해한 가스를 생성하고 배출하는 상태로의 제련소에서 생산된 유체 연료들, 예를 들면, 휘발유, 등유 및 디젤의 직접 콜로이드 결정 변환(direct colloid determined conversion)이 개시되어 있다. 연료의 탄화수소 함유량의 자가 촉매적, 운동학적 및 전기 투석적 변화를 초래하는 광천수, 불포화 식물성 오일 및 무연 휘발유를 포함하는 특정 에멀전이 사용된다. 산소가 제공되고 수소가 고리형 탄화수소에서 화학적으로 통합되고, 수소 및 산소에 의한 제2 촉매 연소는 상기 기관에서 활성화된다. 이는 배기 가스 중의 유해한 물질들을 변화시켜서, 그들은 환경적으로 무해하게 되고, 촉매 변환기에서의 납산, 시안산 및 유황 산화물의 형성을 방지한다.
비록 제안된 방법들이 효과적일지라도, 기술적 구성이 일반적으로 복잡하고 비용이 많이 들며 또한 작업 환경에 통합하기가 거의 어려우며, 그의 공간은 현대의 자동차 환경과 같이 매우 제한된다.
본 발명의 목적은 청구항 1에 따른 방법 및 청구항 10에 따른 시스템에 의해, 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키고 종래 기술에 따른 단점들을 해결하는 효율적이고 저비용의 대안적인 방식을 제공하는 것이다. 본 발명의 바람직한 실시예들은 추가의 청구항들에서 설명된다.
이와 같은 목적은 본 발명에 따라 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 방법에 있어서,
a) 유기 유상(organic oil phase), 유화제 및 수상을 제1 혼합 영역 내로 주입하는 단계;
b) 고 내부상 에멀전(High Internal Phase Emulsion; HIPE)을 성취하기 위해 상기 성분들을 혼합하는 단계;
c) 상기 단계 b)의 고 내부상 에멀전(HIPE) 및 추가의 유기 유상을 제2 혼합 영역 내로 주입하는 단계;
d) 동질의 오일 중 물 에멀전을 성취하기 위해 상기 성분들을 혼합하는 단계; 및
e) 상기 오일 중 물 에멀전을 상기 연소 시스템에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 오일 중 물 에멀전이 준비되고 연소 시스템 내로 공급되는 방법에 의해 달성된다.
놀랍게도, 그와 같은 방법은 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 크게 감소시킬 수 있다는 사실이 발견되었다. 이것은 특히 모노-질소 가스(mono-nitrogen gases)의 함유량에 대해, 그리고 배기 가스 중의 미세 먼지 입자들의 양에 대해 발견되었다. 그것은 이론에 구애됨이 없이, 액체 연료 내 수분 함유량이 그와 같은 종들과 연소하는 과정에서 상호 작용하여 더욱 효과적인 연소 공정을 초래하고 따라서 상기 오염물질의 감소를 야기한다는 사실로 추정된다. 또한, 상기 액체 연료 내 수분 함유량의 통합으로 인해, 기관의 효율과 동력 출력이 또한 최적화될 수 있다는 사실을 발견하였다. 이와 같은 발견은 연소 기관 내 최적의 압축 공정 및 물-오일 액적들의 증발 촉진을 결과일 수 있다. 물은 또한 과급 공기의 냉각에 기여할 수 있으며, 높은 공기 밀도를 야기한다. 따라서, 각도 점화 공간(angular ignition spacing)이 조절될 수 있다. 따라서, 각도 점화 공간은 냉각기 과급 공기가 핑잉(pinging)하는 경향이 적기 때문에 조절될 수 있다. 또한, 기관 자체는 내부 냉각 공정을 받아, 열적 과부하의 위험을 감소시킨다. 결론적으로, 더욱 높은 액체 연료량은 높은 동력 출력을 유발시키는 연소 공정에 사용될 수 있다.
배기 가스 중의 오염물질 내용물들은, 연소 공정 과정에서 발생되는, 환경친화적이지 않은, 주로 유독 가스 또는 입자들이다. 본 발명의 경우, 이와 같은 오염물질들은 특히 미세 먼지 및 질소 함유 가스와 같은 비 이산화탄소 가스이다. 여기에는 특히 모노-질소 가스들이 관련된다.
액체 연료 연소 기관들은 하나 이상의 탄소 소스 및 (압축) 공기 또는 산소의 연소에 의해 기계적 동력을 발생시키는 시스템이다. 본 발명과 관련된 액체 연료 연소 기관은 액체 형태의 탄소 소스를 공급함으로써 동력화된다. 상기 연료는 작업 조건들, 즉 고려되어야 할 주변의 온도와 압력에서 액체인 것이 바람직하다. 따라서, 가스 물질을 사용하고 또한 높은 압력을 인가함으로써 이들을 액화시키는 것이 또한 가능하다. 바람직한 액체 탄소 소스의 예로서는 디젤, 석유디젤, 바이오디젤, 가솔린, 프리미엄 가솔린, 경유 연료, 중유 연료, 난방유, 알콜 형 메탄올 등, 등유, 경화(식물성)유 및 유지(fats) 등을 들 수 있다.
본 발명의 의미에서 오일 중 물 에멀전은 정상적으로 혼합되지 않는 2개 이상의 액체들의 혼합물이다. 그것은 2상 체계이며, 여기서 물은 분산 또는 내부상(inner phase)을 포함하며 오일은 외부 또는 연속상(continuous phase)을 포함한다.
제1 혼합 단계 내에서 구조화된 고 내부상 에멀전(HIPE)이 성취되며, 이는 내부 수상(internal water phase), 주위의 유기 유상 및 유화제로 구성된다. 그와 같은 상은 현미경 하에서 구형 물 액적을 나타내며, 좁은 입자 크기 분포를 보여준다. 물 액적들은 적층된 점탄성 유화제 이중층에 의해 둘러싸이며, 상기 유기 오일 및 상기 수상들을 분리한다. 다중 층들은 상기 수상 주위에 또는 유방성 인버스 입방 위상(lytropic inverse cubic phase)이 형성되는 결과를 갖는 이중 연속상으로서 구형 형상으로 조직화될 수 있다. 상기 다중층들에 있는 계면활성제들은, 상기 유화제의 소수성 꼬리(hydrophobic tails)들이 안정화된 유기 유상에 위치되고 분자들의 친수성 부분들이 상기 수상과 접촉하는 방식으로 조직화된다.
상기 유기 유상은 상술된 바와 같은 액체 탄소 소스들 중 임의의 소스일 수 있다. 상기 유기 유상은 포화된 탄화수소, n-, 이소(iso)-, 및 사이클로-파라핀들을 포함하는 유사 파라핀들 또는 방향족 탄화수소를 포함할 수 있다. 바람직하게, 상기 유기 유상은 20℃ 이상 그리고 450℃ 이하의 비등점을 갖는다. 바람직하게, 상기 유기 유상의 비등점은 50℃ 이상 그리고 400℃ 이하이고, 보다 바람직하게 100℃ 이상 그리고 360℃ 이하이다.
유화제라는 용어는, 다른 극성을 나타내는 2개의 다른 솔벤트들의 혼합물을 안정화시킬 수 있는, 저분자량 화합물을 규정한다. 원칙적으로 모든 유화제, 계면활성제 또는 당업자들에게 공지된 텐사이드(tenside) 타입들은 그와 같은 에멀전 타입을 부분적으로 안정화시키기 위해 사용될 수 있으며, 주어진 온도와 압력하에서 혼합 공정 말기에 오일 중 물(water-in-oil) (유기상) 시스템을 생성할 수 있다. 유용한 비이온성 계면활성제들로서는, 예를 들어, 폴리에틸렌 글리콜 소르비탄 스테아르산 에스테르, 지방산 폴리글리콜 에스테르 또는 에틸렌옥사이드 및 프로필렌옥사이드의 폴리-응축물과 같은, 다양한 소르비탄 에스테르(sorbitan ester)들을 들 수 있으며, 이들은 예를 들면 "Pluronics®"이라는 상품명으로 시중에서 판매되고 있다. 본 발명에 따른 구성 요소들에서 사용 가능한 추가의 비이온성 계면활성제로서는 C10-C22-지방 알콜 에톡시레이트들이 있다. 적합한 비제한적 예로서는, 올레스(oleth)-2, 올레스-10, 올레스-11, 올레스-12, 올레스-15, 올레스-16, 올레스-20, 올레스-25, 올레스-30, 올레스-35, 올레스-40, 라우레스(laureth)-10, 라우레스-1, 라우레스-12, 라우레스-13, 라우레스-15, 라우레스-16, 라우레스-20, 라우레스-25, 라우레스-30, 라우레스-35, 라우레스-40, 라우레스-50, 세테스(ceteth)-10, 세테스-12, 세테스-14, 세테스-15, 세테스-16, 세테스-17, 세테스-20, 세테스-25, 세테스-30, 세테스-40, 세테스-45, 세톨레스(cetoleth)-10, 세톨레스-12, 세톨레스-14, 세톨레스-15, 세톨레스-16, 세톨레스-17, 세톨레스-20, 세톨레스-25, 세톨레스-30, 세톨레스-40, 세톨레스-45, 세테아레스(ceteareth)-10, 세테아레스-12, 세테아레스-14, 세테아레스-15, 세테아레스-16, 세테아레스-18, 세테아레스-20, 세테아레스-22, 세테아레스-25, 세테아레스-30, 세테아레스-40, 세테아레스-45, 세테아레스-50, 이소스테아레스(isosteareth)-10, 이소스테아레스-12, 이소스테아레스-15, 이소스테아레스-20, 이소스테아레스-22, 이소스테아레스-25, 이소스테아레스-50, 스테아레스(steareth)-10, 스테아레스-11 , 스테아레스-14, 스테아레스-15, 스테아레스-16, 스테아레스-20, 스테아레스-25, 스테아레스-30, 스테아레스-40, 스테아레스-50, 스테아레스-80, 스테아레스-100 및 상술된 유화제의 저 에톡시화 파생물들을 들 수 있다. 본 발명의 의미 내에서의 추가의 비 이온성 계면활성제들로서는 지방산 글리세리드 또는 적어도 30 폴리알킬렌 유닛들을 갖는 부분 글리세리드의 폴리알킬렌글리콜 에테르가 있으며, 이들은 30 내지 1000, 적합하게는 30 내지 500, 보다 바람직하게 30 내지 200 및 가장 적합하게는 40 내지 100 폴리에틸렌글리콜 유닛을 갖는다. 이러한 예로서는 PEG-30 하이드로제네이티드 캐스터 오일(hydrogenated castor oil), PEG-35 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-40 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-45 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-50 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-55 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-60 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-65 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-80 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-100 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-200 하이드로제네이티드 캐스터 오일, PEG-35 캐스터 오일, PEG-50 캐스터 오일, PEG-55 캐스터 오일, PEG- 60 캐스터 오일, PEG-80 캐스터 오일, PEG- 100 캐스터 오일, PEG-200 캐스터 오일을 들 수 있다. 추가의 적합한 비이온성 계면활성제들로는, 예를 들면, 글리세릴 스테아레이트, 글리세릴 팔미테이트, 글리세릴 미리스테이트, 글리세릴 베헤네이트와 같은 모노글리세리드를 들 수 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 유화제들은 또한, 하이드롤라이즈드 케라틴, 코코디모늄 하이드록시프로필 하이드롤라이즈드 콜라겐, 코코디모늄 하이드록시프로필 하이드롤라이즈드 카세인, 코코디모늄 하이드록시프로필 하이드롤라이즈드 콜라겐, 코코디모늄 하이드록시프로필 하이드롤라이즈드 헤어 케라틴, 코코디모늄 하이드록시프로필 하이드롤라이즈드 케라틴, 코코디모늄 하이드록시프로필 하이드롤라이즈드 벼 단백질, 코코디모늄 하이드록시프로필 하이드롤라이즈드 콩 단백질, 코코디모늄 하이드록시프로필 하이드롤라이즈드 밀 단백질, 하이드록시프로필 알지닌 라우릴/미리스틸 에테르, 하이드록시프로필트리모늄 젤라틴, 하이드록시프로필트리모늄 하이드롤라이즈드 카세인, 하이드록시프로필트리모늄 하이드롤라이즈드 콜라겐, 하이드록시프로필트리모늄 하이드롤라이즈드 콘키올린 프로테인과 같은, 프로테인 텐사이드(protein tenside)들의 그룹으로부터 선택될 수 있다. 그와 같은 유화제들은, 그들이 유화제로서 작용할 뿐만 아니라 가연성 탄소 소스들의 양을 증가시킬 수 있고 그에 따라 연소 공정에 추가적으로 기여할 수 있기 때문에, 특히 바람직하다. 그들은 재생 가능 소스들로부터 얻을 수 있다는 사실로 인해, 그들의 이산화탄소 평형은 중립이 될 수 있다.
다른 실시예에 있어서, 또한 카복실산 및 유기산 에스테르들을 구비한 아미드들 및 아미드 에스테르들도 유화제로서 사용될 수 있다. 이와 같은 그룹의 적합한 유화제로서는 코코일 아미드, 올레일 아미드 및 글루코아미드를 포함할 수 있다.
또한, 상기 본 발명에 따른 방법에 있어서는 실리콘 유화제가 사용될 수 있다. 그와 같은 실리콘 유화제는 디메치콘 크로스폴리머의 에틸렌-옥사이드 및 프로필렌-옥사이드의 폴리-응축물, 라우릴 PEG/PPG-18/18 메치콘, 세틸 PEG/PPG-10/1 디메치콘, 비스-PEG/PPG-14/14 디메치콘 및 아모디메치콘 글리세로카바메이트를 포함할 수 있다.
바람직하게, 본 발명에 따른 방법에 있어서는 또한 이온성 w/o 유화제가 사용될 수 있다. 이와 같은 그룹 내에서는 석신산 또는 이소스테아릴 디글리세릴 석시네이트와 같은 지방산들의 부분 글리세리드들이 적합한 유화제로서 작용할 수 있다.
또한, 유화제들은 적합하게도 10보다 작은 HLB(Hydrophile Lipophile Balance; 친수성-친유성 평형)-값을 포함할 수 있고 및/또는 1보다 큰 패킹 파라미터(packing parameter)를 포함할 수 있다. 적합한 비이온성 유화제로는 소르비탄-에스테르, 소르비톨-에스테르, 마니탄-에스테르, 마니톨-에스테르, 이소소르비드-에스테르, 글리세린-에스테르, 메틸-글리코시드-에스테르, 폴리글리세린-에스테르, 수크로오스-에스테르 및 그와 같은 계면활성제들의 에틸렌-옥사이드 및 프로필렌옥사이드의 폴리-응축물, 뿐만 아니라 라놀린 및 라놀린 파생물들을들 수 있다. 또한, 그와 같은 유화제들의 에톡시화 파생물들도 사용될 수 있다. 그와 같은 유화제는 높은 전단 혼합 없이도 HIPE 상들을 용이하게 형성할 수 있다. 따라서, 그와 같은 상들은 신속하고 신뢰할 수 있게 생산될 수 있다.
90 이상의 RCI(재생 가능한 탄소 지수)를 포함하는 유화제들이 가장 적합하다.
상기 수상(aqueous phase)은 주로 물을 포함할 수 있다. 수질은 특정 환경에 적응될 수 있으며, 규정되는 수질들로는 수돗물, 증류수, 주사용 증류수, 탈염수 등를 포함할 수 있다. 물에 추가하여, 또한 추가의 수용성 물질이나, 또는 알콜 또는 폴리올과 같은 소형 유기 수용성 분자들이 상기 수상에 나타나거나 또는 상기 수상에 첨가될 수 있다. 상기 추가의 알콜이나 또는 폴리올들은 냉각 환경에서 물이 결빙되는 것을 방지할 수 있으므로 상기 가연성 탄소 함유량을 추가로 증가시키고, 상기 수분 함유량의 저장을 용이하게 한다. 적합한 소형 유기 분자들은 글리세린 또는 클리콜일 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 추가 목적 내에서, 상기 단계들 c) 및 d)는 1-10개의 별도의 혼합 영역들 내에서 수행될 수 있다. 단일 교반기 유닛의 유화제량 또는 이용 가능한 혼합력이 제한되는 특정 경우에, 상기 유화 공정을 2개 이상의 별도의 혼합 단계들로 분리시키는 것이 유용할 수 있다. 이렇게 함으로써 더 큰 혼합력 또는 유화제가 이용 가능한 상황과 비교하여 동일한 결과를 성취하도록 도움을 줄 수 있다. 추가로, 특히 작은 액적 크기 또는 매우 좁은 분포의 액적 크기가 적용 내에서 필요한 경우, 분리 혼합 영역들을 더 많게 할수록 또한 유익하게 될 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 정적 혼합 파이프가 사용될 수 있다. 이 경우, 교반기들과 같은 피스들의 어떠한 이동도 필요로 하지 않기 때문에, 장점을 가질 수 있으며, 비용 감소를 초래할 수 있다. 분리 혼합 영역들이 전체 양은 입력 파이프들의 함수로서, 즉 유기 유상 입력부들의 수와 일치하는 혼합 영역들의 양의 함수로서 결정될 수 있다.
본 발명의 방법에 대한 다른 바람직한 양태에 있어서, 단계 b)에서의 수분 함유량은 ≥60 체적% 및 ≤95 체적%로 될 수 있다. 그와 같은 제1 혼합 영역 내에서의 수분 함유량의 범위는, 큰 혼합 에너지를 요구하는 높은 전단 혼합을 요구하지 않고도, HIPE의 충분히 안정된 리오트로픽 액정상을 성취하기 위해 유동할 수 있다. 이는, 상기 HIPE의 리오트로픽 액정상이 거의 자발적으로 발생되기 때문에, 성취될 수 있다. 바람직하게, 단계 b)에서의 수분 함유량은 ≥70 체적% 및 ≤90 체적% 및 보다 바람직하게 ≥75 체적% 및 ≤85 체적%로 될 수 있다.
본 발명의 방법에 대한 다른 바람직한 실시예에 있어서, 단계 e)에서의 수분 함유량은 ≥0.1 체적% 및 ≤30 체적%일 수 있다. 오일 중 물 에멀전이 연소 시스템에 제공되기 전에, 상기 수분 함유량은 지시된 범위 위에 있을 수 있다. 그와 같은 범위는 배기 가스에 있는 오염물질의 현격한 감소를 성취하기 위해 그리고 연소 기관의 성능을 증가시키기 위해 유용하다. 이와 같은 수분 함유량은 일반적으로 높은 비등 유상을 증발시키는데 도움을 줄 수 있으며, 따라서 연소 공정의 효율을 증가시킬 수 있다. 더 높은 수분 함유량은 그들이 내부 연소 시스템의 부식을 증가시키거나 또는 불확정 연소 공정을 초래하는 일조차도 발생하기 때문에 바람직하지 않다. 최악의 경우 상기 연소는 방지될 것이다. 특수한 경우, 단계 e)에서의 수분 함유량은 ≥0.5 체적% 및 ≤20 체적% 및 보다 바람직하게 ≥1.0 체적% 및 ≤10 체적%가 될 수 있다.
본 발명의 방법에 대한 추가의 특징에 있어서, 단계 b)에서의 유화제 함유량은 ≥2 체적% 및 ≤5 체적%일 수 있다. 유화제 농도의 그와 같은 범위는, 이와 같은 유화제 범위 내에서 안정된 고 내부상 에멀전(HIPE) 상들이 얻어질 수 있기 때문에 유용하다. 오일 함유량의 함수로서 어떠한 고 내부상 에멀전(HIPE) 상들도 얻을 수 없고 또한 라멜라 결정상들의 안정성도 불충분하기 때문에, 낮은 농도들은 적합하지 않다. 바람직한 실시예에 있어서, 단계 b)에서의 유화제 함유량은 ≥2.25 체적% 및 ≤4.0 체적% 및, 보다 바람직하게 단계 b)에서의 유화제 함유량은 ≥2.5 체적% 및 ≤3.5 체적%일 수 있다.
본 발명에 따른 추가의 실시예는 상기 단계 e)에서의 유화제 함유량이 ≥0.05 체적% 및 ≤1 체적%일 수 있는 방법을 포함한다. 이와 같은 유화제 농도 범위는 오직 낮은 전단력만을 사용함으로써 연소 시스템에 안정된 오일 중 물 에멀전을 제공할 수 있다. 따라서, 혼합 에너지는 낮게 유지될 수 있고, 또한 재료비로 인한 운전비가 최소화 된다. 높은 농도는 오일 중 물 에멀전의 불필요한 안정화로 인해 재료 비용을 증가시킬 수 있다. 낮은 유화제 농도들도 또한, 오일 중 물 에멀전이 파괴되고 더욱 큰 물 액적 크기가 형성되는 것으로 나타나기 때문에, 바람직하지 않다. 이는 부적절한 연소 공정을 야기할 수 있다. 바람직한 실시예에 있어서, 단계 e)에서의 유화제 함유량은 ≥0.1 체적% 및 ≤0.8 체적%, 및 보다 바람직하게 단계 e)에서의 유화제 함유량이 ≥0.2 체적% 및 ≤0.6 체적%로 될 수 있다.
본 발명의 추가의 양태는 단계 e)에서의 물 액적들의 크기가 ≥100 nm 그리고 ≤500 nm로 될 수 있는 방법을 포함한다. 이와 같은 물 액적 크기는 몇가지 이유들로 적합하다. 한편으로, 이들 액적 크기는 높은 수면을 보장하고, 안정된 연소 공정을 가능하게 하며 또한 유기 유상의 증발 공정을 용이하게 한다. 따라서, 상기 연소 공정은 최적화되고, 상기 연소 공정의 성능이 증가된다. 또한, 상기 액적들은 연소의 소멸 및 화염면의 주요 장애를 회피하기에 충분히 작다. 바람직한 실시예에 있어서, 상기 단계 e)에서의 물 액적 크기는 ≥120 nm 그리고 ≤450 nm, 보다 바람직하게 상기 단계 e)에서의 물 액적 크기가 ≥200 nm 그리고 ≤400 nm로 될 수 있다. 단계 e)에서의 상기 주어진 물 액적 크기는 평균 직경이고, 당업자들에게 공지된 바 있는 멀티 앵글 광산란 기술(multi-angle light scattering techniques)을 사용하여 상기 에멀전에서 결정될 수 있다.
본 발명에 따른 추가의 실시예에 있어서, 상기 방법은 유화제를 포함하며, 여기서 단계 a)에 첨가된 유화제의 HLB는 ≥1 및 ≤9일 수 있다. 이와 같은 HLB-값의 범위는, 이와 같은 범위를 사용하여 결함이 있는 공정에서 높은 전단 에너지를 필요로 하는 일 없이 제1 혼합 단계에서의 안정된 액정 역 입방상 및 안정된 오일 중 물 에멀전들이 용이하게 얻어질 수 있기 때문에, 바람직하다. 본 발명의 의미 내에서, 그와 같은 HLB-값의 경우, 어느 하나의 유화제만이 그와 같은 HLB-범위를 포함하는 것으로 나타나거나 또는 상이한 유화제의 혼합물이 사용되며, 그와 같은 결합물에 제안된 HLB-값을 포함한다. 단일 유화제의 HLB-값을 계산하기 위한 수학적 방법은 그리핀(Griffin)에 의해 주어진다. 단일 HLB-값의 함수로서 유화제 혼합물 및 상이한 유화제들의 양에 대한 HLB-측정도 또한 당업자에게 널리 공지된 바 있다. 바람직하게, 사용되는 유화제들은 0.5보다 크거나 같고 10.0보다 작거나 같은 HLB-값을 나타낸다. 바람직하게, HLB-값은 1.0보다 크거나 같고 9.0보다 작거나 같게 될 수 있다. 또한, 그 범위의 HLB-값을 갖는 비이온성 면활성제들의 사용은, 그와 같은 종류의 유화제가 상기 제1 혼합 단계에서 HIPE들을 용이하게 형성하고 또한 상기 에멀전에 높은 에너지 전단 응력을 첨가할 필요 없이 다음의 혼합 단계들에서 오일 중 물 에멀전으로 용이하게 변형시킬 수 있기 때문에, 바람직하다.
또한, 본 발명의 바람직한 양태에 따른 방법에 있어서, 단계 a)에서의 상기 유화제의 형상 계수는 ≥l/2 및 ≤2가 될 수 있다. 상기 유화제에 대한 형상 계수(=V/(a0*lc))는 이스라엘라츠빌리(Israelachvili)에 따라 결정되며, 체적(V)의 비와 꼬리(tail) 길이의 곱 및 상기 헤드기(head-group)(a0*lc)의 표면 영역에 의해 주어진다. 놀랍게도, 그와 같은 유화제 형상 계수들의 범위는 상기 제1 혼합 영역에서의 라멜라상(lamellar phase) 형성을 용이하게 할 수 있으며 최종 혼합 단계 후에 안정된 오일 중 물 에멀전을 유발시킨다는 사실이 발견되었다. 이와 같은 결과는 단일 혼합 영역 내로 높은 전단 혼합물을 도입시킬 필요 없이 성취될 수 있다. 이는 생산 비용과 처리 시간을 감소시킨다.
또한, 본 발명의 범위 내에서 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 시스템이 제공되며, 상기 시스템은 적어도 제1 및 제2 혼합 영역을 갖는 혼합 시스템을 포함하고, 최종 혼합 영역의 출구 라인은 연소 시스템에 연결될 수 있으며, 각각의 혼합 영역은:
- 본질적으로 회전 대칭인 혼합 챔버,
- 상기 적어도 하나의 출구 라인의 상류 또는 아래에 배열된 자유 유동 성분들을 도입하기 위한 적어도 하나의 입구 라인,
- 성분당 또는 성분 혼합물당 적어도 하나의 이송 장치,
- 상기 입구 라인 상의 난류 혼합 영역으로서, 상기 성분들은 교반기 유닛들에 의해 가해지는 전단력에 의해 난류로(turbulently) 혼합되는, 상기 난류 혼합 영역,
- 상기 성분들이 추가로 혼합되고 난류 유동이 감소하는 하류 침투 혼합 영역,
- 층류를 보장하고 교반기 샤프트 상에 고정된 교반기 요소들을 포함하는 교반기 유닛으로서, 그의 회전 축은 상기 챔버의 대칭 축을 따라 제공되고 그의 교반기 샤프트는 적어도 하나의 측부 상으로 안내되는, 상기 교반기 유닛,
- 상기 교반기 유닛을 위한 적어도 하나의 드라이브를 포함하고,
- 상기 입구 및 출구 라인들 사이의 거리와 상기 챔버의 직경 사이의 비는 ≥2:1이고,
- 상기 입구 및 출구 라인들 사이의 거리와 상기 교반기 요소들의 교반기 아암들의 길이 사이의 비는 3:1 내지 50:1이고,
- 상기 챔버의 내경에 기초한, 상기 교반기 샤프트의 직경의 비는 상기 챔버의 내경의 0.25 내지 0.75배이며,
상기 제1 혼합 영역은:
- 적어도 2개의 입구 라인들,
- 상기 출구 측부상의 층상 혼합 영역으로서, 리오트로픽인 액정 상(liquid-crystalline phase)이 상기 성분들의 혼합물에서 상기 출구 라인 방향으로 형성되는, 상기 층상 혼합 영역을 포함한다.
상기 침투 혼합 영역은 상기 혼합물의 전이 영역이며, 이는 난류 유동으로부터 층류로 변화시킨다. 난류 혼합에 이은 침투 영역에서, 액정 상의 형성에 의해 발생되는 점성이 증가하고 난류 유동은 감소한다. 임계 레이놀즈수(Reynolds number)에 도달한 후, 상기 혼합물은 층상 혼합 영역 내를 통과한다. 다음에, 혼합 공정 동안의 드롭(drop)들의 제어 및 에너지 효율적 절단 또는 액정 상의 형성이 연신 유동의 조건들 하에서 층상 혼합 영역에 발생한다.
적어도 하나의 혼합 장치의 챔버는 반드시 회전적으로 대칭이며, 적합하게도 중공형 실린더 형상을 갖는다. 그러나, 상기 챔버는 또한 원뿔대 형상, 깔때기 형상, 절두돔 형상, 또는 이와 같은 기하학적 형상들이 혼합된 형상을 가질 수 있으며, 이 경우 상기 입구 라인으로부터 상기 출구 라인에 이르는 챔버의 직경은 일정하게 유지되거나 또는 감소된다. 상기 교반기 유닛은 회전 대칭인 챔버의 형상에 따라 적응된다. 반드시 회전적으로 대칭이란 상기 챔버의 대칭이 완전한 원형 대칭으로부터 ≤10%만큼, 바람직하게 ≤5%만큼, 가장 바람직하게 ≤1%만큼 변할 수 있다는 사실을 의미한다.
상기 챔버의 내경(dk)에 대한 상기 교반기 샤프트의 직경(dss)은 0.25 내지 0.75 x dk 범위가 적절하고, 입구 및 출구 라인들 사이의 거리 및 상기 교반기 요소들의 아암들의 길이 사이의 비율은 3:1 내지 50:1의 범위, 특히 바람직하게는 5:1 내지 10:1의 범위, 특히 6:1 내지 8:1의 범위가 적합하다. 상기 챔버 직경과 비교하여 일반적으로 큰 상기 교반기의 직경은 더욱이 교반기 샤프트와 챔버 벽 사이의 거리 - 당업자들에게는 "유동 직경(flow diameter)"으로서 규정됨 -가 어떠한 혈전형(thrombi-like) 유동도 발생하지 않고 층류가 보장되도록 항상 작게 되는 결과를 갖는다.
적어도 하나의 혼합 장치의 저부에 있는 챔버의 직경에 대한 입구 및 출구 라인들 사이의 거리의 비율은 ≥2:1이다. 중공형 실린더로부터 벗어나는 회전 대칭인 챔버의 한 형태에 있어서, 상기 챔버의 직경에 대한 입구 및 출구 라인들 사이의 거리의 비율은 마찬가지로 적어도 하나의 혼합 장치의 입구 라인 영역에서 ≥2:1이다.
상기 혼합 장치는 모든 측부들 상에서 밀봉될 수 있으며 또한 공기를 배제하고 작동될 수 있다. 혼합될 성분들은 유체 스트림들로서 상기 혼합 장치의 챔버 내로 도입될 수 있고, 혼합된 성분들이 출구 라인에 도달하고 또한 상기 혼합 장치의 챔버 내로 어떠한 공기도 침투하지 않도록 제거될 수 있을 때까지, 상기 교반기에 의해 혼합된다. 여기서 상기 혼합 장치는 가능한 한 적은 사공간(dead space)이 나타나도록 설계된다. 상기 혼합 장치를 가동시키는 경우, 그 안에 포함된 공기는 짧은 시간 내에 유입되는 성분들로 완전히 대체되고, 그에 따라 유리하게도 진공의 적용은 불필요하게 된다.
상기 시스템이 공기를 배제한 채 작동할 수 있고 또한 유화될 성분들이 연속적으로 상기 혼합 장치 내로 도입되므로, 상기 혼합 장치 내에 놓여 있는 성분들은 연속적으로 상기 출구 라인 방향으로 멀리 운반된다. 상기 혼합된 성분들은 일반적으로 입구로부터 출구로 점진적으로 개시되는 상기 혼합 장치를 통해 유동한다.
본 발명에 따른 혼합 장치에서, 상기 입구 라인들을 통해 공급된 성분들은 먼저 난류 혼합 영역을 통해 상기 챔버 내로 진입된 후 이동되며, 그들은 먼저 상기 교반기 유닛들에 의해 가해진 전단력들에 의해 난류적으로 혼합된다. 이와 연관하여, 상기 혼합된 제품의 점성은 이미 충분히 증가된다. 추가로, 다음에 상기 출구 라인의 방향으로, 상기 혼합물은 "침투 영역"을 통해 이동하고, 상기 혼합물의 점성은 더욱 철저한 혼합으로 인해 추가로 증가되며 상기 시스템은 자가 조직 시스템으로 점진적으로 변환한다. 상기 혼합물을 지배하는 유동에서의 난류는 상기 침투 영역에 도달함에 따라 점진적으로 감소하고, 유속은 상기 출구 라인 방향으로 층상으로 점증된다. 그로 인해, 리오트로픽, 액정 상, HIPE이 상기 제1 혼합 영역의 출구 라인으로의 혼합물을 야기한다.
유리하게도, 본 발명에 따른 유화 장치의 전체 에너지 소모는 극단적으로 낮다. 이와 같이 낮은 전체 에너지 소모는 항상 종래의 혼합 공정들과 비교하여 작은 체적만으로 상기 혼합 장치에서 혼합되고 또한 온도가 제어될 수 있다는 사실에 기인한다. 따라서, 특히 가격 지향적이고 또한 매우 에너지 소모적인 가열 및 냉각 공정은 최소화될 수 있으며, 결정적으로 낮은 전체 에너지 소모에 기여한다. 상기 혼합 챔버 내 혼합물의 잔류 시간 또한 매우 짧다. 1000 kg/h의 생산 능력의 경우, 상기 잔류 시간은 평균 0.5 내지 10 초가 된다. 이는 상기 입구 라인들 및 펌프들도 또한 매우 작은 치수로 구성되고 따라서 펌프들의 구성도 매우 작은 에너지로 실행될 수 있다는 사실에 기초한다.
유리하게도, 입구 및 출구 라인들 사이의 거리와 상기 교반기 요소들의 아암들의 길이 사이의 바람직한 비율은 3:1 내지 50:1의 범위가 적합하며, 특히 5:1 내지 10:1의 범위가 적합하고, 6:1 내지 8:1의 범위가 특히 적합하고, 특정 와이어 파이프들과 관련하여, 적합하게도 효율적인 토크 모멘트 사용이 보장되고 따라서 동시에 상기 모터의 최소 에너지 소모로 전체 혼합을 성취할 수 있다는 사실에 기여한다.
또한, 상기 챔버 직경과 관련하여 일반적으로 큰 샤프트 직경은 온도 제어를 실행하기 위해 교반기 샤프트 자체가 사용될 수 있고 또한 그와 같은 차원에서 본 발명에 따른 유화 장치의 낮은 전체 에너지 소모에 기여한다는 사실을 가능하게 한다.
챔버의 높이에 대한 직경의 바람직한 비율 및 층류의 유지 보수를 위해 최적화된 교반기 유닛의 결과로서, 교반기 모터의 동력 흡수는 크게 낮고, 이는 결정적으로 본 발명에 따른 장치의 낮은 전체 에너지 소모에 기여한다. 따라서, 전반적으로 소형 치수 가능한 구성 요소들에 따른 결과로서, 매우 콤팩트하고 공간 절약적인 구성이 본 발명에 따른 혼합 장치의 특징이 된다.
자기 결합의 사용도 마찬가지로 전체 에너지 소모를 낮추는데 기여할 수 있다. 모터로부터 모터 샤프트로의 힘의 전달은 영구 자석들에 의해 발생되므로, 상기 모터는 오직 외부 회전자의 회전을 위해 필요한 에너지만을 인가하면 된다. 고정 교반기 샤프트를 구비한 내부 회전자는 자력에 의해 운동될 수 있다. 평면 베어링과 관련된 추가의 장점은 차단적으로 밀봉된 혼합 챔버가 구성될 수 있다는 점에 있다.
최적의 유화 결과를 위해 그리고 사공간을 회피하기 위해, 회전적으로 대칭 형상을 갖는 챔버들이 본 발명에 따른 혼합 장치에서 채택될 수 있다. 그와 같은 회전 대칭인 형상들은 적합하게도 중공형 실린더 형상, 원뿔대(frustocones) 형상, 깔때 형상, 절두돔 형상, 또는 이들을 혼합한 형상일 수 있으며, 예를 들어, 원뿔대형 영역은 중공 실린더 영역에 연결된다. 이와 관련된 혼합 장치의 직경은 입구측 단부로부터 출구측 단부에 이르기까지 일정하거나 또는 그 직경이 감소될 수도 있다.
특히 바람직하게, 중공형 실린더 형상 또는 원뿔대 형상 또는 중공형 원통 영역과 원뿔대형 영역의 혼합된 형상을 갖는 챔버가 본 발명에 따른 혼합 장치에 채택된다. 상기 원뿔대는 유리하게도 입구측 단부의 직경이 출구측 단부 상의 직경으로 연속해서 감소되는 반면, 회전 축에 대한 상기 중공형 실린더의 직경은 일정하다는 점에서 구분된다.
유리하게도, 상기 혼합 장치의 챔버들 및/또는 입구 및 출구 라인들은 함께 또는 별도로 온도 제어될 수 있다.
이러한 이유로, 상기 혼합 장치 내로의 상기 입구 라인들의 진입 각도는 상기 혼합 장치의 회전 축에 기초하여 0°내지 180°의 범위에 있게 된다. 상기 입구 라인들은 자켓 표면을 통해 측방으로 또는 저부 표면을 통해 아래로부터 챔버 내로 연장할 수 있다.
상기 입구 및 출구 라인들은 상기 자켓 표면의 임의의 바람직한 원주 상에 그리고 임의의 바람직한 높이에서 상기 챔버에 연결될 수 있다. 동시에, 공급되는 성분들의 최대 잔류 시간을 갖는 최적의 혼합을 보장하고 또한 사공간을 회피하기 위해, 상기 입구 라인들의 진입 높이는, 상기 챔버의 높이에 기초하여, 상기 챔버의 하위 1/3에, 적합하게는 하위 1/4에 위치된다. 상기 출구 라인의 출구 높이는 양호하게도, 상기 챔버 높이에 기초하여, 상기 챔버의 상위 1/3, 적합하게는 상위 1/4에 위치된다.
상기 출구 라인의 직경은 적어도 하나의 또는 제1 혼합 장치에서의 높은 점성에 기초한 압력 상승이 최소화되고, 동시에 상기 출구 라인들은 각각의 경우 상기 혼합물로 완전히 충전되도록 치수 결정된다. 상기 혼합 장치는 원하는 바와 같이 배향될 수 있어서, 상기 교반기 유닛의 회전 축은 수평으로부터 수직에 이르는 임의의 바람직한 위치에 추정될 수 있다. 그러나, 바람직하게, 상기 혼합 장치는 상기 챔버의 대칭 축이 수직으로 배열되고 또한 입구 라인들이 출구 라인들 위에 부착되도록 배열되지 않는다. 매우 특별한 경우, 바람직하게, 상기 혼합 장치는 상기 챔버의 대칭 축이 수직으로 배열되고 또한 상기 입구 라인들이 상기 출구 라인들 아래에 부착되도록 배열된다. 이와 같은 관점에서 구동 모터는 적합하게는 위로부터 상기 교반기 유닛을 구동시키나, 마찬가지로 아래로부터의 구동도 가능하다.
놀랍게도, 상기 혼합 장치의 기하학적 구성, 상기 챔버의 내경(dk)에 대한 상기 교반기 샤프트의 직경(dss), 및 입구 및 출구 라인들 사이의 거리와 상기 교반기 요소들의 아암들의 길이 사이의 비율은 공급된 상들의 최적의 혼합을 보장하기 위한 결정적인 요인이라는 사실이 판명되었다. 이와 관련해서, 상기 챔버의 내경(dk)에 기초한 상기 교반기 샤프트의 직경(dss)의 비율은 적합하게도 0.25 내지 0.75 x dk의 범위, 특히 적합하게는 0.3 내지 0.7 x dk의 범위, 특히 0.4 내지 0.6 x dk의 범위이고, 상기 입구 및 출구 라인들 사이의 거리와 상기 교반기 요소들의 아암들의 길이 사이의 비율은 적합하게는 3:1 내지 50:1의 범위, 특히 적합하게는 5:1 내지 10:1의 범위, 특히 6:1 내지 8:1의 범위인 것으로 판명되었다.
상기 챔버 직경에 대해 상기 교반기 샤프트의 이와 같이 일반적으로 큰 직경은 추가로 더욱이 교반기 샤프트와 챔버 벽 사이의 거리 - 또한, 당업자들에 의해 "유동 직경"으로 알려짐 -가 어떠한 혈전형 유동도 발생하지 않고 층류가 보장되도록 항상 작게 되는 결과를 갖는다.
추가로, 상기 혼합 장치의 기하학적 구성, 상기 혼합 장치의 챔버의 직경과 혼합될 성분들이 상기 입구로부터 상기 출구로 이동해야만 하는 거리 사이의 비율은 제공된 상들의 최적의 혼합을 보장하기 위해 중요하다는 사실이 판명되었다. 이러한 관점에서 입구와 출구 사이의 거리에 대한 직경의 비율은 1:50 내지 1:2, 적합하게는 1:30 내지 1:3, 특히 1:15 내지 1:5의 범위인 것으로 판명되었다. 본 발명의 의미에서 볼 때, 상기 챔버의 직경은 상기 챔버의 저부에서의 직경이다.
입구 및 출구로부터의 거리에 대한 직경의 비율은 혼합 장치 내의 유동을 제어하기 위한 중요한 역할을 한다. 유화의 성과는 오직 혼합물이 상기 혼합 장치의 하부 영역, 즉 성분 공급 영역에 나타나는 초기 난류 유동으로부터 상기 "침투 영역"을 통해 층상 영역 내로 진입하는 경우에만 보장된다. 상기 개별 영역들의 정확한 경계 결정은 상기 각각의 영역들 사이의 전이가 유체이므로 여기서는 가능하지 않다.
본 발명에 따른 추가의 실시예에 있어서, 상기 교반기 유닛은 완전 블레이드 교반기, 부분 블레이드 교반기, 완전 와이어 교반기, 부분 와이어 교반기 또는 그들의 결합으로 구성된 그룹으로부터 선택될 수 있다. 상기 유화 장치에서 사용된 혼합 장치는 낮은 에너지 흡수에서의 층산 연신 조건 하에서 액적 분열을 보장하는 라멜라 유동을 허용하는 상술된 교반기 유닛들과 함께 구비될 수 있다. 층상 연신 조건들 하에서의 액적 분열은 유리하게도 생성된 에멀전에서의 평균 액적 직경 근방의 극단적으로 작은 입자 크기 분포를 유발시킨다.
완전 와이어 교반기는, 샤프트에 서로 반대측에 부착되고 또한 상기 샤프트의 상부 및 하부 영역에서 상기 샤프트에 연결되는 샤프트에 대해, 편자 형상을 갖거나 또는 라운딩된 장방형 형상으로 절곡되는 적어도 2개의 와이어들로 구성된다는 특징을 갖는다. 여기서, 상기 와이어들은 적합하게도 중간 축에 수직으로 위치하며 및/또는 회전 축에 기초하여 좌측 또는 우측으로 0°내지 90°, 적합하게는 0°내지 45°, 특히 0°내지 25°의 각도로 경사지거나 및/또는 회전한다. 상기 와이어들의 상부 및 하부 길이는 동일한 또는 상이한 길이들을 가질 수 있다. 상술된 가능한 한 많은 와이어들이 상기 샤프트의 원주 상에 배열될 수 있다. 추가의 와이어들 또는 임의의 바람직한 기하학적 형상들이 샤프트와 와이어 사이의 유발 중공형 공간에 위치할 수 있다.
와이어 직경은 최대로 샤프트 직경의 범위 내에 놓이고, 최소 0.2 mm 미만으로 되지 않은 것이 바람직하며, 샤프트 직경의 최대 15% 및 최소 0.5 mm의 와이어 직경이 특히 적합하며, 특히 상기 샤프트 직경의 10%로부터 상기 샤프트 직경의 최소 1%까지의 범위가 적합하다.
부분 와이어 교반기는 적어도 2개의 U-형 또는 편자-형 절곡 와이어들로 구성되고 그들의 단부들은 임의의 바람직한 높이에서 상기 샤프트에 연결되는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 와이어들은 적합하게도 중간 축에 수직을 이루고 및/또는 회전 축에 기초하여 좌측 또는 우측으로 0°내지 90°, 적합하게는 0°내지 45°, 특히 0°내지 25°의 각도로 경사지거나 및/또는 회전된다. 상기 교반기 샤프트로부터 방사상으로 연장하는 상기 와이어들의 상부 및 하부 길이는 동일하거나 상이한 길이를 가질 수 있다. 상술된 가능한 한 많은 와이어들이 상기 샤프트의 원주 상에 배열될 수 있다. 추가의 와이어들 또는 임의의 바람직한 기하학적 형상들이 샤프트와 와이어 사이의 유발 중공형 공간에 위치할 수 있다.
와이어 직경은 최대로 상기 샤프트 직경의 범위 내에 놓이고, 최소 0.2 mm 미만으로 되지 않은 것이 바람직하며, 상기 샤프트 직경의 최대 15% 및 최소 0.5 mm의 와이어 직경이 특히 적합하며, 특히 상기 샤프트 직경의 10%로부터 상기 샤프트 직경의 적어도 1%까지의 범위가 적합하다.
상기 완전 블레이드 교반기는 적어도 2개의 정방형, 장방형, 편자-형 또는 사다리꼴형 금속 시트들로 구성되는 것을 특징으로 하며, 여기서 상기 금속 시트들의 코너들은 난류 유동의 생성을 방지하기 위해 라운딩 작업되며, 그 한 측부가 상기 샤프트에 연결되고, 상기 금속 시트들은 상기 샤프트의 상부 영역으로부터 상기 샤프트의 하부 영역까지 연속적으로 도달한다. 이와 연관하여 상기 금속 시트들은 적합하게도 중간 축에 수직을 이루고 및/또는 상기 중간 축의 좌측 또는 우측으로 0°내지 90°, 적합하게는 0°내지 45°, 특히 적합하게는 0°내지 25°의 각도로 경사지거나 및/또는 회전된다. 상기 금속 시트들의 상부 및 하부 가장자리들은 동일하거나 또는 상이한 길이를 가질 수 있다. 가능한 한 많은 소정의 금속 시트들이 상기 샤프트의 원주 상에 배열될 수 있다. 개별 블레이드들에는 보어들 또는 다이-컷(die-cut)들과 같은 추가의 기하학적 통로들이 제공될 수 있다.
상기 부분 블레이드 교반기는 적어도 2개의 정방형, 장방형, 편자-형 또는 사다리꼴형 금속 시트들로 구성되는 것을 특징으로 하며, 그 한 측부가 임의의 바람직한 높이에서 상기 샤프트에 연결된다. 이와 연관하여 상기 금속 시트들은 적합하게도 중간 축에 수직을 이루고 및/또는 상기 중간 축의 좌측 또는 우측으로 0°내지 90°, 적합하게는 0°내지 45°, 특히 적합하게는 0°내지 25°의 각도로 경사지거나 및/또는 회전된다. 상기 금속 시트들의 상부 및 하부 가장자리들은 동일하거나 또는 상이한 길이를 가질 수 있다. 가능한 한 많은 소정의 금속 시트들이 상기 샤프트의 원주 상에 배열될 수 있다. 개별 금속 시트들에는 추가의 기하학적 통로들이 제공될 수 있다.
상기 혼합 장치 자체와, 상술된 교반기 디자인들, 특히 상술된 완전 블레이드 교반기, 부분 블레이드 교반기, 완전 와이어 교반기 및 부분 와이어 교반기들 모두가 제조되는 물질들은 유화될 성분들의 화학적 특성 및 그로 인한 유발 에멀전들에 적합하다. 바람직하게, 본 발명에 따른 혼합 장치에서의 상기 교반기 유닛들은 예를 들면 스테인리스강뿐만 아니라 구조강과 같은 강들, 예를 들면 PEEK, PTFE, PVC와 같은 플라스틱 또는 플렉시글라스 또는 합성 물질 또는 강과 플라스틱의 조합물을 포함한다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 상기 시스템은, 이전 혼합 영역의 입구 라인에 연결될 수 있는, 최종 혼합 영역에 추가의 출구 라인을 포함할 수 있다. 특별한 경우에 있어서, 상기 연소 시스템에 거의 순수한 유기 오일상을 공급할 필요가 있을 수 있다. 이리한 경우는 예를 들면 연소 기관이 시동되거나 정지될 때이다. 유리하게도 이와 같은 구성은 이전 혼합 영역에 오일 중 물 에멀전을 포함시킨 최종 출구 공급물을 제공함으로써 성취되며, 오직 유기 유상만이 상기 혼합 챔버에 추가적으로 공급된다. 이와 같은 공정에 있어서는, 상기 오일 중 물 에멀전에 있는 수분 함유량을 크게 감소시키는 것이 중요하다. 따라서, 재공급이 가능할 때, 거의 순수한 유기상이 특별한 경우에 상기 연소 시스템으로 공급될 수 있다.
본 시스템의 바람직한 특징에 있어서, 적어도 하나의 센서가 상기 혼합 시스템에 있는 수분 함유량을 모니터링한다. 그와 같은 센서들은 상기 유기 유상 및 수상 또는 수상/유기 유상-혼합의 즉시 체적 공급을 조절하기 위해 도움을 줄 수 있다. 상기 센서들은 상기 혼합 영역들 또는 파이프 시스템에 설치될 수 있다. 센서 판독의 결과, 단일 혼합 영역들의 공급은 조정되어, 일정하거나 또는 적응 가능한 물-대-오일의 비율을 유발시킨다. 가능한 시나리오들로서 또한 상기 연소 기관의 생산 능력 이용률(degree of capacity utilization)의 함수로서 적응 가능한 물-대-오일의 비율을 포함할 수 있다. 따라서, 다소의 수분 함유량이 시동 공정, 정지 공정 또는 완전 가동시에 요구될 수 있다. 가능한 센서-타입들은 예를 들어 상기 혼합물의 전기 특성들, 예를 들면 센서 기반 전도성에 접근할 수 있는 센서들이 있다. 또한, 수분 함유량을 결정하기 위한 광산란 또는 광흡수 측정법과 같은, 광학적 방법들도 사용될 수 있다.
추가의 진보적 양태들로서, 1 내지 10개의 추가의 혼합 영역들이 적어도 2개의 입구 라인들을 각각 포함하는 제2 혼합 영역 다음에 설치되는 시스템이 제공되며, 여기서 하나의 라인이 앞선 혼합 영역의 출구로 공급되고, 다른 입구 라인은 추가의 유기 유상, 혼합 장치 및 출구 라인으로 공급된다. 그와 같은 혼합 캐스케이드(mixing cascade)는 상기 유상에 있어서 물의 매우 좁은 액적 크기 분포를 성취하기 위해 도움을 줄 수 있다.
또한, 본 발명의 범위 내에 있는 시스템에 있어서, 적어도 하나의 혼합 영역의 입구 라인들이 체적 구동 펌프에 의해 공급될 수 있다. 특별히 체적 구동식 펌프들이 일정한 공급 속도를 전달하며, 이는 에멀전에서의 일정한 물-대-오일 비율을 제공하기 위해 장점을 갖는다는 사실이 판명되었다.
본 발명의 범위 내에서 액체 연료 연소 기관의 배기 가스에 있어서의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 특히 진보적인 설계에 의해 액체 연료 연소 기관들의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기에 적합하다. 상기 시스템은 저 비용을 실현할 수 있으며, 또한 진보적인 혼합 구성으로 인해, 상기 시스템 내로 제공될 낮은 기계적 에너지만으로 바람직한 액적 크기 분포를 성취할 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 범위 내에서 진보적인 혼합 시스템을 포함하는 연소 기관이 제공된다. 상기 혼합 시스템은, 예를 들면, 가정용 동력 발전기, 자동차 엔진, 가열 시스템, 비행기 터빈, 선박용 엔진 및 발전소에서의 대형 연소 기관에서 시작되는, 모든 크기의 연소 시스템들과 함께 사용될 수 있다. 상기 시스템은 설치가 용이하고 또한 쉽게 확장될 수 있다.
앞에서 상술된 시스템에 대한 추가의 장점들 및 특징들과 관련하여, 상기 시스템의 진보적 사용 및 진보적인 방법에 대한 설명으로 명쾌하게 언급된다. 또한, 진보적인 방법에 대한 양태들 및 특징들이 상기 진보적인 시스템, 진보적인 기관 및 진보적인 용도에 대해 설명되고 또한 그들에 적응 가능한 것으로서 간주될 수 있다. 또한, 청구항들 및/또는 상세한 설명에 설명된 적어도 2개의 특징들에 대한 모든 결합 형태도 본 발명의 범위 내에 있게 된다.
본 발명에 따른 방법 및 시스템에 대한 기술적 원리는 다음의 도면들의 도움으로 더욱 상세하게 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 방법에서의 구성 요소들을 나타내는 도면.
도 2a 내지 도 2f는 단일 혼합 영역들의 여러 가능한 기하학적 구성들을 나타내는 도면.
도 3은 연소 기관과 결합되는 본 발명에 따른 혼합 시스템에 대한 전개도.
도 1은 액체 연료 연소 기관의 배기 가스에 있어서 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 방법을 위한 단일 구성 요소들을 나타내고 있다. 2개의 독립적인 액체들이 공급 라인들(2 및 3)을 통해 제1 혼합 영역(1) 내로 공급된다. 유기 유상 또는 수상이 어느 공급 라인들(2 또는 3)을 통해 공급될 것인지의 여부는 지정되지 않는다. 상기 혼합 영역(1) 내에서 양쪽 액체들은 HIPE을 얻기 위해 혼합된다. 이와 같은 혼합물은 출구 라인(4)을 통해 다음의 혼합 영역(7) 내로 공급된다. 상기 다음의 혼합 영역(7) 내에서, 상기 물/오일-혼합물은 공급 라인(5)을 통해 공급되며, 추가의 유상이 공급 라인(6)을 통해 공급된다. 상기 성분들은 혼합되고, 출구 라인(8)을 통해 연소 시스템으로 공급된다. 이와 같은 혼합 단계는 N-회 반복될 수 있으며, 여기서 N = l 내지 10이다. 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 상기 공급 라인(5)은 길이가 제로일 수 있는데, 즉, 이 경우는 상기 제2의 혼합 영역 또는 다음의 혼합 영역들이 이전의 영역들과 동일한 혼합 챔버에 위치되는 경우이다. 상이한 혼합 영역들의 위치는 추가의 유기상 공급 라인의 위치에 의해 규정된다.
도 2는 단일 혼합 영역들의 여러 가능한 혼합의 기하학적 구성들을 나타낸다. 최적의 유화 결과를 위해 그리고 사공간을 회피하기 위해, 반드시 회전적으로 대칭 형상을 갖는 챔버들이 상기 혼합 장치들에 채택된다. 그와 같이 반드시 회전 대칭인 형상들로는 중공 실린더 형상(도 2a), 뿐만 아니라 원뿔대 형상(도 2b), 깔때기 형상(도 2d)), 절두돔 형상(도 2f), 또는 이들을 혼합한 형상(도 2c) 및 도 2e), 예를 들면, 깔때기형 영역을 중공 실린더 영역에 연결한 형상들이 적합하다. 이와 관련하여 상기 혼합 장치들의 직경은 입구측 단부로부터 출구측 단부에 이르기까지 일정한 상태로 남게 되거나(도 2a) 또는 증가한다(도 2b 내지 도 2f). 특히 바람직하게, 중공 실린더 형상 또는 원뿔대 형상 또는 중공 실린더 영역과 원뿔대형 영역의 혼합 형상을 갖는 챔버가 본 발명에 따른 혼합 장치에 채택된다. 상기 원뿔대는 유리하게도 입구측 단부의 직경이 출구측 단부 상의 직경으로 연속적으로 감소되는 반면, 회전 축에 대한 상기 중공형 실린더의 직경은 일정하다는 점에서 구분된다.
도 3은 연소 기관(15)과 결합되는 본 발명에 따른 혼합 시스템(9)을 나타낸다. 상기 혼합 시스템(9)은 적어도 2개의 공급 라인들, 적어도 하나의 출구 라인, 다중 혼합 영역들 및 선택적으로 피드백 라인(13)을 포함한다. 상기 피드백 라인(13)은 예를 들면 밸브(14)에 의해 작동될 수 있다. 상기 피드백의 활성화는 예를 들면 센서 판독의 함수로서 제어 유닛(10)에 의해 유발될 수 있다. 상기 센서는 또한 상기 혼합 시스템(9)의 출구 라인에 포함될 수 있다. 예를 들어 상기 센서는, 예를 들면 광산란 또는 전기 특성들의 평가에 의해, 출구 공급부의 구성을 분석할 수 있다. 또한, 상기 밸브 활성화는, 제어 라인들(12)을 통해 상기 혼합 제어 유닛과 밸브(14)에 연결할 수 있는, 연소 기관의 제어 유닛(12)에 의해 촉발될 수 있다. 그와 같은 촉발은 예를 들어 상기 연소 기관의 정지 신호일 수 있다. 상기 연소 기관의 정지 동안 파이프들에 유중수형 혼합물을 유지시키는 경우 단점으로 작용할 수도 있다는 사실로 인해, 물-대-오일 비율은 피드백 루프에 의해 수정될 수 있다. 따라서, 상기 연소 기관이 정지되기 전에 수분 함유량을 거의 제로로 감소시키는 것이 가능하다. 이는 또한 상기 연소 기관의 시동 공정을 용이하게 할 수 있다. 또한, 상기 혼합 제어 유닛(10)은, 제어 라인(11)을 통해 상기 혼합 제어 유닛(10)에 연결되는, 상기 연소 기관의 배기 스트립에 있어서의 센서(16) 판독의 함수로서 상기 오일 중 물 에멀전의 구성을 변경시킬 수 있다. 따라서, 상기 혼합 시스템(9)의 출구 공급부의 구성은 상기 배기 가스 구성의 함수로서 적응될 수 있다.

Claims (15)

  1. 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 방법으로서,
    오일 중 물 에멀전(water-in-oil-emulsion)이 준비되고 연소 시스템 내로 공급되고,
    a) 유기 유상(oil phase), 유화제 및 수상(aqueous phase)(2,3)을 제1 혼합 영역(1) 내로 주입하는 단계;
    b) 고 내부상 에멀전(High Internal Phase Emulsion; HIPE)을 성취하기 위해 상기 성분들을 혼합하는 단계;
    c) 상기 단계 b)의 고 내부상 에멀전(HIPE) 및 추가의 유기 유상을 제2 혼합 영역(7) 내로 주입하는 단계;
    d) 동질의 오일 중 물 에멀전을 성취하기 위해 상기 성분들을 혼합하는 단계; 및
    e) 상기 오일 중 물 에멀전을 상기 연소 시스템(8)에 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단계 c) 및 d)는 1 내지 10개의 별도의 혼합 영역들에서 수행되는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 단계 b)에서의 수분 함유량은 ≥60 체적% 및 ≤95 체적%인 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 e)에서의 수분 함유량은 ≥0.1 체적% 및 ≤30 체적%인 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 b)에서의 유화제 함유량은 ≥2 체적% 및 ≤5 체적%인 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 e)에서의 유화제 함유량은 ≥0.05 체적% 및 ≤1 체적%인 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 e)에서의 물 액적(water droplet)들의 크기는 ≥100 nm 그리고 ≤500 nm인 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 a)에서 첨가된 유화제의 HLB는 ≥1 및 ≤9인 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 단계 a)에서 유화제의 형상 계수는 ≥l/2 그리고 ≤2인 방법.
  10. 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 시스템으로서, 적어도 제1 혼합 영역(1) 및 제2 혼합 영역(7)을 갖는 혼합 시스템을 포함하고, 최종 혼합 영역(8)의 출구 라인은 연소 시스템에 연결될 수 있고, 각각의 혼합 영역은:
    - 본질적으로 회전 대칭인 혼합 챔버(1,7),
    - 상기 적어도 하나의 출구 라인의 상류 또는 아래에 배열된 자유 유동 성분들을 도입하기 위한 적어도 하나의 입구 라인(2,3,5,6),
    - 성분당 또는 성분 혼합물당 적어도 하나의 이송 장치,
    - 상기 입구 라인 상의 난류 혼합 영역으로서, 상기 성분들은 교반기 유닛들에 의해 가해지는 전단력에 의해 난류로 혼합되는, 상기 난류 혼합 영역,
    - 상기 성분들이 추가로 혼합되고 난류 유동이 감소하는 하류 침투 혼합 영역,
    - 층류를 보장하고 교반기 샤프트 상에 고정된 교반기 요소들을 포함하며, 회전 축이 상기 챔버의 대칭 축을 따라 제공되고, 교반기 샤프트가 적어도 하나의 측부 상으로 안내되는 교반기 유닛,
    - 상기 교반기 유닛을 위한 적어도 하나의 드라이브를 포함하고,
    - 상기 입구 및 출구 라인들 사이의 거리와 상기 챔버의 직경 사이의 비는 ≥2:1이고,
    - 상기 입구 및 출구 라인들 사이의 거리와 상기 교반기 요소들의 교반기 아암들의 길이 사이의 비는 3:1 내지 50:1이고,
    - 상기 챔버의 내경에 기초한, 상기 교반기 샤프트의 직경의 비는 상기 챔버의 내경의 0.25 내지 0.75배이며,
    상기 제1 혼합 영역은:
    - 적어도 2개의 입구 라인들(2,3),
    - 리오트로픽인 액정 상이 상기 성분들의 혼합물에서 상기 출구 라인 방향으로 형성되는, 출구 측부상의 층상 혼합 영역을 포함하는 시스템.
  11. 제10항에 있어서, 상기 교반기 유닛은 완전 블레이드 교반기, 부분 블레이드 교반기, 완전 와이어 교반기, 부분 와이어 교반기 또는 그들의 혼합으로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 시스템.
  12. 제10항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 최종 혼합 영역에서의 추가의 출구 라인은 이전 혼합 영역의 입구 라인에 연결될 수 있는 시스템.
  13. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 센서가 상기 혼합 시스템에서의 수분 함유량을 모니터링하는 시스템.
  14. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 시스템의 용도로서, 액체 연료 연소 기관의 배기 가스 중의 오염물질의 함유량을 감소시키기 위한 용도.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 혼합 시스템을 포함하는 연소 기관.
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