KR20160126277A - 교반기 - Google Patents

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KR20160126277A
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Abstract

본 발명은, 반응기 내에 설치되어 반응대상물에 교반력을 가하고 혼합하는 교반기에 관한 것으로, 날개깃과 허브가 구비된 임펠러, 회전동력을 생성하는 구동부, 구동부의 회전동력을 임펠러에 전달하는 회전축 및 반응대상물을 유도하는 유도수단을 포함하여 이루어지며, 상기 유도수단은 교반력이 집중적으로 발생 및 작용될 수 있는 상기 임펠러의 후면 중심부 측으로 반응대상물을 유입시켜서 상기 반응대상물에 교반력을 가하고 균일하게 혼합시켜서 단락을 최소화하고 반응효율을 개선할 수 있다.

Description

교반기{MIXER}
본 발명은 교반기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 내에 설치되어 반응대상물에 교반력을 가하고 균일하게 혼합시키며 단락을 최소화할 수 있는 교반기에 관한 것이다.
하수종말처리장, 정수장, 생산공정 등에 설치되는 생물화학적 또는 물리화학적 반응기에는 반응기 내의 반응액과 유입되는 반응대상물에 교반력을 가하고 혼합 및 반응이 이루어지도록 하는 교반기가 설치된다.
이러한 반응대상물은 하폐수, 수질정화용 화학약품, 응집제, 가공식품용 원재료, 발효용 유기물, 반송슬러지 등일 수 있으며, 반응기 및 반응기에 구비된 교반기는 이러한 물질들에 교반력을 가하여 혼합 및 반응이 이루어지도록 작용한다.
반응기의 형태는 회분식 반응기(Batch type Reactor), 플러그흐름 반응기(PFR), 연속흐름형 완전혼합 반응기(CFSTR)등이 있다. 그 중 CFSTR을 예로 들어 설명하면, 유입된 모든 반응대상물은 반응기 유효용량(㎥)을 유입유량((㎥/hr)으로 나누어 산정된 수리학적 체류시간(HRT)동안 반응기 내에 체류한 후에 외부로 유출되며, 반응기 전체에서 반응액은 균일한 성상이고 유출액의 성상과 일치되는 것이 바람직하며, 그 과정에서 교반기는 중요한 기능을 수행하게 된다.
그러나 종래 기술에 따른 교반기가 구비된 반응기에서는 유입된 반응대상물의 일부는 유입 후 수리학적 체류시간이 경과되기 전에 제대로 교반 및 반응이 이루어지지 못한 상태에서 유출되는 단락이 발생되기도 한다. 이러한 단락(短絡: Short Circuit)발생의 주요 원인은 두 가지를 들 수 있으며, 그 중 하나는 후술하는 도 1에서와 같이, 반응기의 어느 일측에 반응대상물이 유입되는 유입구가 구비되고, 다른 일측에는 반응액이 유출되는 유출구가 구비되기 때문이다. 단락의 다른 원인은 후술하는 도 2에서와 같이, 교반기의 구조상 교반기에서 생성되는 교반력은 반응기 전체에서 균등하게 생성되지 못 하고 임펠러 측에 편중되므로, 임펠러와 거리가 있는 반응기의 외곽에서는 임펠러의 교반력이 반응액에게 직접 작용하지 못 하고 교반기에서 추진된 수류의 영향만을 받기 때문이다.
이하, 도면을 참조하여 종래 기술의 문제점에 관하여 자세히 설명한다.
도 1은 종래의 일반적인 반응기를 설명하기 위하여 도시한 개념도이다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 반응기(10)의 일측에는 반응대상물인 유입원액이 유입되는 유입구(11)가 구비되며 다른 일측에는 유출구(12)가 구비되고, 그 내부에는 임펠러(21)와 구동부(22) 및 회전축(23)으로 구성된 교반기(20)가 설치된다. 또한, 반응의 종류에 따라서는 산화제, 환원제, 응집제, 흡착제, 산, 알칼리 등과 같은 약품을 투입하게 되므로 약품 저장조(32)와 약품 주입펌프(31)가 포함되어 구성된 약품 주입장치(30)가 구비되며, 약품 유입구(13)도 상기 유입구(11) 및 유출구(12)처럼 반응기(10)의 어느 일측에 배치된다.
상기 유입구(11) 및 약품 유입구(13)를 통하여 반응기(10)에 유입된 유입원액, 화학약품 등과 같은 반응대상물들은 반응기(10) 내에 체류하면서 교반기(20)에 의해 교반력이 가해지고 혼합 및 반응이 이루어지게 되며, 유입된 모든 반응대상물들은 균등하게 수리학적 체류시간 동안 반응기 내에 머무르고, 반응기 내의 모든 위치에서 반응액의 성상은 균일하고, 유출액의 성상과 일치되는 것이 바람직하다.
그러나 거의 모든 반응기에서는 유입된 상기 반응대상물의 일부는 유입 후 수리학적 체류시간을 머무르지 못 하고 제대로 교반 및 혼합되지 못한 상태에서 유출되는 단락이 발생되며, 이러한 단락 발생의 주요 원인 중 하나는 상기 도 1에 도시된 바와 같이, 유출입구(11, 12, 13)들이 반응기의 일측에 편중 배치되기 때문이다.
도 2는 교반기에서 생성되는 교반력의 분포를 나타내는 전산유체역학(CFD)도면이다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이, 임펠러(21)가 회전하면 임펠러(21)에 와류, 난류, 전단력 등이 발생되므로 반응기(10)의 다른 부분에 비하여 임펠러(21) 측에 상대적으로 강한 교반력이 형성된다. 또한, 완전혼합 및 효과적인 반응을 위해서 반응기(10)에 유입된 모든 반응대상물은 임펠러(21)에서 생성되는 교반력의 작용을 직접 받을 수 있는 교반력의 중심 영향권을 거치는 것이 바람직하다.
그러나 종래의 반응기에서는 반응대상물들은 반응기의 어느 일측을 통하여 유입되고, 반응액도 반응기의 다른 일측을 통하여 유출되며, 교반력도 임펠러 측에 편중되므로, 유입된 반응대상물이 임펠러에 접근하지 못 하고 교반기 임펠러의 날개깃에서 생성되는 강한 와류와 전단력의 작용을 직접 받지 못 하거나, 수리학적 체류시간 동안 반응기 내부에서 체류하지 못 하게 된다. 이에 따라 반응액의 성상이 균일하지 못 하고, 혼합 및 반응이 제대로 이루어지지 못한 상태에서 유출되는 단락이 발생된다.
종래의 기술에서는 이러한 단락의 문제점을 경감하기 위하여 반응기의 체류시간을 길게 하거나 구동부의 동력이 큰 교반기를 설치하는 등 여유율을 크게 하여야 되므로 비효율적이다.
상술한 문제점의 대안으로, 화학약품, 유입원액 등과 같은 반응대상물이 임펠러에 의해 생성되는 교반력의 영향을 직접 받을 수 있도록 임펠러 측으로 유입시킬 수 있는 유입관들을 임펠러와 가깝게 배치하는 방법이 고려될 수 있다.
그러나 이러한 경우 유입관이 임펠러의 강한 교반력에 의해 원래 배치된 위치에서 이탈될 수 있고, 유입배관을 고정하기 위해 설치된 지지물과 유입배관 자체가 반응기 내에서 교반력의 전달과 순환류의 형성 및 유동을 저해하는 장애물이 될 수 있다.
따라서 반응효율을 증대시키고 단락을 최소화하기 위해서는 반응기로 유입되는 모든 반응대상물들이 임펠러의 강한 교반력의 작용을 직접 받을 수 있고, 신속하고 균등하게 혼합 및 확산되어 반응액의 성상을 균일화할 수 있으며, 유입된 모든 반응대상물들이 수리학적 체류시간 동안 반응기 내에서 균등하게 체류될 수 있도록 하는 기술이 필요하다.
본 발명은 상기한 문제점을 해소하기 위하여 안출된 것으로, 유입원수, 반송슬러지, 수처리용 약품 등과 같은 반응대상물들의 혼합 및 반응이 이루어지는 반응기에 설치되며, 반응대상물에 직접 교반력을 가하고 균일하게 혼합시켜서 단락을 최소화할 수 있는 교반기를 제공하는 데 목적이 있다.
본 발명은, 기본적으로 날개깃이 구비된 임펠러, 회전동력을 생성하는 구동부, 구동부의 회전동력을 임펠러에 전달하는 회전축 및 반응대상물의 유입을 유도하는 유도수단을 포함하며, 상기 유도수단은, 교반력이 집중적으로 발생 및 작용될 수 있는 상기 임펠러의 후면 중심부 측으로 반응대상물의 유입을 유도하고, 상기 반응대상물이 임펠러의 후면 측으로 흡입되고 날개깃과 충돌되어 임펠러의 전면 및/또는 측방향으로 추진되어 교반 및 혼합이 이루어지도록 하는 교반기를 제공한다.
일실시예로서, 상기 유도수단은 회전축이 그 내부에 포함되고 환형 유로가 구성되도록 배치된 관상의 유도관일 수 있다.
다른 실시예로서, 상기 유도수단은 중심부에 관상의 유로가 형성된 중공 회전축일 수 있다.
상기 유도수단은, 임펠러의 후면 측에 배치된 유출부와 구동부 측에 배치된 유입부를 포함하고, 상기 유입부를 통하여 유입된 반응대상물은 상기 유출부를 통하여 임펠러의 후면 중심부 측으로 유입되는 것이 바람직하다.
또 다른 실시예로서, 상기 유도수단은, 임펠러의 후면 측에 배치된 유출부와 반응액에 잠기도록 다른 측에 배치된 유입웨어를 포함하고, 상기 유입웨어를 통하여 유입된 반응액은 상기 유출부를 통하여 임펠러의 후면 중심부 측으로 유입될 수 있다.
한편, 본 발명은 회전축에 배치되는 혼합수단을 더 포함할 수 있으며, 상기 혼합수단은 상기 임펠러로 유도되는 반응대상물을 상기 유도수단의 내부에서 혼합시킬 수 있다.
전술한 바와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 교반기는, 반응기로 유입되는 모든 반응대상물들이 임펠러의 강한 교반력의 작용을 직접 균등하게 받을 수 있고, 신속하게 혼합 및 확산되어 반응액의 성상을 균일화할 수 있으며, 유입된 모든 반응대상물들이 수리학적 체류시간 동안 반응기 내에서 체류될 수 있도록 하므로, 반응효율을 증대시키고 단락을 최소화할 수 있다.
도 1은 종래의 일반적인 반응기를 설명하기 위하여 도시한 개념도.
도 2는 교반기에서 생성되는 교반력의 분포를 나타내는 전산유체역학(CFD) 도면.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 교반기를 설명하기 위한 개념도.
도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 교반기의 변형예를 설명하기 위한 개념도.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 교반기를 설명하기 위한 개념도.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 교반기를 설명하기 위한 개념도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 교반기를 상세히 설명한다.
도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 교반기를 설명하기 위한 개념도이다.
상기 도 3에 도시된 본 발명에 따른 교반기(200)의 기본적인 구조는, 날개깃과 허브가 구비된 임펠러(201)와, 회전동력을 생성하는 구동부(202)와, 구동부의 회전동력을 상기 임펠러(201)에 전달하는 회전축(203)과, 임펠러(201)의 후면 중심부 측으로 반응대상물의 유입을 유도하는 유도수단을 포함하여 이루어지고, 상기 유도수단은, 회전축(203)에 배치된 유도관(204)으로 구성되는 구조이다. 상기 유도관(204)은 회전축(203)을 그 내측에 포함하는 관상(管狀: Pipe)이며, 상기 유도관(204)에는 임펠러(201)의 후면 측에 배치된 유출부(206)와, 구동부(202)측에 배치된 유입부(207)를 포함하여 구성된다. 따라서 상기 유도관(204)과 회전축(203)의 사이에는 단면의 형상이 환형(環形: Ring type)인 유로가 형성되며, 유도관(204)의 유입부(207)를 통하여 반응대상물을 공급하면 환형 유로(204a)를 경유하고 유출부(206)를 통하여 임펠러(201)의 후면 중심부로 반응대상물이 직접 유입될 수 있는 구성이다.
그 작용을 설명하면, 반응대상물을 유입부(207)를 통하여 유도관(204)의 내부로 유입시키면 유도관(204)의 내측과 상기 회전축(203) 사이에 형성된 환형 유로(204a) 및 유출부(206)를 통하여 임펠러(201)의 후면 중심부 측으로 반응대상물이 유입된다.
임펠러(201)의 후면 중심부 측으로 유입된 반응대상물은 임펠러(201)의 회전에 의해 생성되는 부압(負壓)에 의해 임펠러(201) 측으로 흡입되고, 회전하는 임펠러(201)의 날개깃 사이를 통과하면서 날개깃과 충돌하게 되며 이어서 임펠러(201)의 전면 방향 및/또는 측 방향으로 추진되는 3단계의 과정을 거쳐서 유동하면서 교반력의 작용을 받게 되고 반응기(100) 전체에 순환 및 확산된다. 보다 상세하게 설명하면, 구동부에 의해 임펠러(201)가 회전하면, 임펠러를 중심으로 일정한 범위에는 강한 교반력이 형성되는데, 임펠러가 회전하며 이루어지는 회전 단면을 중심으로 임펠러의 후면 측과 전면 측에는 와류, 난류, 전단력 등에 의한 교반력이 집중적으로 발생된다. 이러한 교반력에 추가하여 임펠러(201)의 후면 측에서는 임펠러(201)로 향하는 흡인력이 발생되고, 임펠러(201) 측으로 흡인된 반응대상물은 임펠러(201)의 날개깃과 충돌하면서 상대적으로 강한 전단력이 발생되며, 임펠러(201)의 날개깃 사이의 틈새를 통과한 반응대상물에는 임펠러(201)의 전면 방향 및/또는 측 방향으로 유동시키는 추진력이 작용하게 된다.
이와 같이 유도관(204)을 통하여 반응대상물을 임펠러(201)의 후면 중심부에 유입시키면, 반응대상물들이 임펠러(201)에서 생성되는 교반력의 작용을 직접 받게 되므로 반응기(100) 또는 임펠러(201)의 어느 일측으로 반응대상물이 유입되는 경우보다 상대적으로 더 강하고 균등한 교반력이 가해질 수 있게 된다.
여기서 임펠러(201)의 후면 중심부로 유입된 반응대상물들이 임펠러(201)의 전면 방향 및/또는 측 방향으로 추진된다 함은 상기 임펠러(201)는 축류형, 원심류형 및 사류형 중에서 선택될 수 있고, 임펠러의 형상이 축류형인 경우 임펠러의 후면 중심부에 공급된 반응대상물은 임펠러를 통과 후 주로 회전축과 평행한 방향인 전면 방향으로 추진 및 유동되고, 원심류형 임펠러의 경우 회전축과 직교하는 방향인 측 방향으로 반응대상물이 추진 및 유동되며, 사류형 임펠러의 경우 회전축과 경사진 방향으로 반응대상물이 추진 및 유동됨을 말하는 것이다. 여기서 임펠러(201)의 후면이라 함은 임펠러(201)가 회전 시에 부압이 형성되고 흡인력이 발생되는 위치를 말하며, 임펠러(201)의 전면이라 함은 임펠러(201)를 중심으로 후면과 대응하는 위치를 말하고, 임펠러(201)의 측면이라 함은 회전축(203)과 직각 방향이고 임펠러(201)와 근접한 주변을 말한다.
여기서 반응기(100)의 내부로 유입시키는 반응대상물들은 반응의 종류 및 형태에 따라 다양한 물질일 수 있다. 예를 들면, pH조정용 반응기인 경우 상기 반응기(100) 내에 pH조정대상 원액을 유입시키고 약품 공급장치(300) 및 약품 유입구(103)를 통하여 산 또는 알칼리를 주입하여 반응기(100) 내에서 소정의 pH로 조정하게 된다. 또한, 산화환원 반응의 경우 산화 또는 환원 대상의 원액과 NaOH, H2O2, O3등과 같은 산화제 또는 NaHSO3등과 같은 환원제를 유입시키게 된다. 또한, 흡착 반응의 경우 분말 활성탄 등과 같은 흡착제를 응집 반응의 경우 Alum등과 같은 응집제를 유입하게 되고 생물학적 하폐수처리의 경우 하폐수와 반송슬러지를 상기 반응기(100)에 유입시킬 수 있다. 이와 같이 다양한 반응을 유도하기 위하여 반응기(100)에 유입시키는 유입원액과 각종 화학약품, 반응기 내의 반응액 등을 포함한 물질들을 본 발명의 설명에서는 반응대상물이라는 용어로 표현하였다.
상술한 바와 같이, 도 3에서는 유입원액의 유입구(101)와 약품 유입구(103) 등을 상기 유도관(204)에 구비된 유입부(207)와 연통시킴으로써 약품뿐만 아니라 원액을 포함한 다양한 종류의 반응대상물들을 유도관(204) 및 유출부(206)를 통하여 임펠러(201)의 후면 중심부 측으로 직접 유입시킬 수 있는 구성을 예시하였다.
그러나 이에 국한되지 않고 도 4에서와 같이 반응대상물 중 원액은 반응기(100)의 일측에 구비된 유입구(101)를 통하여 반응기(100)로 유입시키고, 약품 공급장치(300)에 의해 공급되는 약품만을 상기 유도관(204)에 구비된 유입부(207)와 연통되는 약품 유입구(103)를 통하여 유입시킬 수 있다. 또한, 유도관(204) 내측의 회전축(203)에는 나선형의 돌기, 판재, 선형의 돌기, 프로펠러 등과 같은 혼합수단(205)을 구비하고, 상기 혼합수단(205)은 유입 중인 반응대상물은 혼합할 수 있으므로 유도관(204)을 통하여 2종류 이상의 반응대상물들을 유입시킬 경우 임펠러(201)의 후면 중심부에 유입되기 전에 유도관(204) 내에서 혼합이 선행되므로 유리하다. 상기 도 3에 도시된 예에서는 혼합수단(205)을 회전축에 설치된 스크류 형태로 나타내었다. 이러한 혼합수단(205)은 다른 실시예 또는 변형예들에도 적용될 수 있다.
도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 교반기를 설명하기 위한 개념도이다.
상기 도 5에 따른 교반기(200)에 구비되며 교반력이 집중적으로 발생 및 작용될 수 있는 임펠러(201)의 후면 중심부 측으로 반응대상물의 유입을 유도시키는 유도수단은 회전축(203)의 주변에 배치된 관상의 유도관(204)이고, 상기 유도관(204)은 임펠러(201)의 후면 측에 배치된 유출부(206)와, 반응기(100)의 반응액에 잠기도록 다른 측에 배치된 월류웨어(208)를 포함하여 구성된다.
작용을 설명하면, 반응기(100) 내의 반응액이 상기 월류웨어(208)를 월류하여 상기 유도관(204) 내부로 유입되고 유도관(204) 내의 환형 유로 및 상기 유출부(206)를 통하여 임펠러(201)의 후면 중심부 측으로 유입되게 된다. 또한, 상기 월류웨어(208) 및 유도관(204)을 통하여 유입원액, 화학약품 등의 반응대상물들을 공급하여 반응액과 함께 임펠러(201)의 후면 중심부 측으로 유입시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제3실시예에 따른 교반기를 설명하기 위한 개념도이다.
상기 도 6에 따른 교반기(200)에 구비되는 유도수단은, 중심부에 관상의 유로가 형성된 중공 회전축(209)이며, 상기 중공 회전축(209)에는 구동부(202) 측과 임펠러(201) 후면 측에 각각 관통구를 형성하여 유입부(207)와 유출부(206)를 구성하는 구조이다. 반응대상물은 상기 유입부(207), 상기 중공 회전축(209) 내부의 유로, 상기 유출부(206)를 순차적으로 경유하여 임펠러(201)의 후면 중심부로 유입시킬 수 있다. 또한, 상기 중공 회전축(209)의 내부에는 나선형의 돌기 등과 같은 혼합수단(미도시)을 구비할 수 있다.
여기서 기 출시된 제품인 Air-O2 Aerator 또는 한국특허 제10-1306145호의 폭기형 수중 믹서에서와 같이 상기 중공 회전축의 끝부분인 중공 회전축 단부(209a)를 뚫어서 임펠러(201) 전면 측이 개방된 유출부를 구성할 수도 있다.
그러나 이러한 경우 유입된 반응대상물에는 임펠러의 전면 측에서 발생되는 교반력과 추진력만 작용될 수 있고, 임펠러의 후면 측과 회전 단면에서의 흡인력과 교반력, 날개깃과의 충돌에 따른 전단력과 교반력의 작용을 받지 못 하게 되므로 반응대상물에는 임펠러에서 발생하는 교반력의 일부와 추진력만 작용되므로 비효율적이다.
이상에서, 본 발명은 실시예 및 첨부도면에 기초하여 상세히 설명되었다. 그러나 이상의 실시예들 및 도면에 의해 본 발명의 범위가 제한되지는 않으며, 본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 기재된 내용에 의해서만 제한될 것이다.
100... 반응기 101...유입구
102... 유출구 103... 약품 유입구
200... 교반기 201... 임펠러
202... 구동부 203... 회전축
204... 유도관 204a... 환형 유로
205... 혼합수단 206... 유출부
207... 유입부 208... 월류웨어
209... 중공 회전축 209a... 중공 회전축 단부
300... 약품 공급장치 301... 약품 주입펌프
302... 약품 저장조

Claims (6)

  1. 날개깃이 구비된 임펠러;
    회전동력을 생성하는 구동부;
    구동부의 회전동력을 임펠러에 전달하는 회전축; 및
    반응대상물의 유입을 유도하는 유도수단;을 포함하며,
    상기 유도수단은, 교반력이 집중적으로 발생 및 작용될 수 있는 상기 임펠러의 후면 중심부 측으로 반응대상물의 유입을 유도하고, 상기 반응대상물이 임펠러의 후면 측으로 흡입되고 날개깃과 충돌되며 임펠러의 전면 및/또는 측 방향으로 추진되어 교반 및 혼합이 이루어지도록 하는 것을 특징으로 하는 교반기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유도수단은, 상기 회전축이 그 내부에 포함되고 환형의 유로가 구성되도록 배치된 관상의 유도관인 것을 특징으로 하는 교반기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유도수단은, 중심부에 관상의 유로가 형성된 중공 회전축인 것을 특징으로 하는 교반기.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 유도수단은,
    임펠러의 후면 측에 배치된 유출부;와
    구동부 측에 배치된 유입부;를 포함하고,
    상기 유입부를 통하여 유입된 반응대상물은 상기 유출부를 통하여 임펠러의 후면 중심부 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 교반기.
  5. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    상기 유도수단은,
    임펠러의 후면 측에 배치된 유출부;와
    반응액에 잠기도록 다른 측에 배치된 유입웨어;를 포함하고,
    상기 유입웨어를 통하여 유입된 반응액은 상기 유출부를 통하여 임펠러의 후면 중심부 측으로 유입되는 것을 특징으로 하는 교반기.
  6. 제2항 또는 제3항에 있어서,
    회전축에 배치되는 혼합수단;을 더 포함하며,
    상기 혼합수단은, 상기 임펠러로 유도되는 반응대상물을 상기 유도수단의 내부에서 혼합시키는 것을 특징으로 하는 교반기.
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