KR20170112626A - 교반장치 - Google Patents

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KR20170112626A
KR20170112626A KR1020160039907A KR20160039907A KR20170112626A KR 20170112626 A KR20170112626 A KR 20170112626A KR 1020160039907 A KR1020160039907 A KR 1020160039907A KR 20160039907 A KR20160039907 A KR 20160039907A KR 20170112626 A KR20170112626 A KR 20170112626A
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impellers
uppermost
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KR1020160039907A
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신민승
이형섭
주민철
홍성원
김인수
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주식회사 엘지화학
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Abstract

본 기재는 교반장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베셀(vessel) 및 상기 베셀에 담긴 유체를 젓는 아지테이터(agitator)를 포함하되, 상기 베셀의 내부 벽에는 유체 표면과 수직방향으로 불연속적 배플(baffle)이 복수 개가 설치되고, 상기 아지테이터는 샤프트(shaft)와 이로부터 수직방향으로 연장된 복수개의 임펠러(impeller)를 포함하며, 상기 복수개의 임펠러는 길이가 다른 2종 이상이 교대로 배치되고, 상기 배플의 최상단은 최상단에 위치한 임펠러보다 낮은 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 교반장치에 관한 것이다.
본 기재에 따르면, 배셀의 내부 벽면에 설치되는 배플의 형태를 변경하여 물질의 혼합성은 유지하면서 교반용기의 상부에서 유속을 상승시켜 슬러리의 고착현상을 방지하는 효과가 우수하다.

Description

교반장치{STIRRING APPARATUS}
본 기재는 교반장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 베셀의 내부 벽면에 설치되는 배플의 형태를 변경하여 물질의 혼합성은 유지하면서 베셀의 상부에서 유속을 상승시켜 슬러리의 고착현상을 개선한 교반장치에 관한 것이다.
교반장치는 둘 이상의 물질을 섞기 위한 장치로서, 고분자 중합, 수처리, 환경, 화학, 제지, 석유, 기계, 바이오, 제철 산업 등 다양한 산업 전반에 걸쳐 폭넓게 이용되는 유체혼합장치이다.
종래의 교반장치는 도 1과 같이, 내부에 유체 및 혼합할 물질들이 수용될 수 있도록 내부가 비어있는 베셀과; 상기 베셀의 내부 중심부에 배치되는 아지테이터와; 상기 아지테이터의 방사상으로 형성되는 하나 이상의 임펠러; 베셀 내부벽에 유체 표면과 수직방향으로 연속적으로 설치된 배플; 및 상기 아지테이터를 구동시킬 수 있도록 상기 아지테이터에 연결되는 구동수단(미도시); 을 포함하여 이루어진다.
상기 교반장치는 임펠러가 베셀의 내부에서 회전함에 따라 베셀 내의 교반대상물질에 선회류나 상하 순환류를 발생시켜 혼합대상물질을 교반, 혼합한다.
혼합대상물질이 고분자 슬러리와 물인 경우, 임펠러의 회전으로 와류가 형성되어 두 물질의 혼합이 좋지 못하고, 베셀 상부 즉, 액면에서 샤프트에 슬러리가 고착되는 현상이 발생한다. 이는 유속이 느린 상부에서 슬러리의 혼합이 용이하지 못하고, 상대적으로 느린 유속으로 인해 슬러리가 고착된 것으로 이러한 슬러리의 고착은 공정시간이 길어질수록 점점 커져서 공정 부동의 원인이 된다.
이에 따라, 종래의 교반장치는 슬러리의 고착 현상이 발생되는 문제점이 있다.
한국 등록특허 제1195892호
상기와 같은 종래기술의 문제점을 해결하고자, 본 기재는 베셀의 내부 벽면에 설치되는 배플의 형태를 변경하여 물질의 혼합성은 유지하면서 교반용기의 상부에서 유속을 상승시켜 슬러리의 고착현상을 방지하는 교반장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 기재의 상기 목적 및 기타 목적들은 하기 설명된 본 기재에 의하여 모두 달성될 수 있다.
상기의 목적을 달성하기 위하여, 본 기재는 베셀(vessel) 및 상기 베셀에 담긴 유체를 젓는 아지테이터(agitator)를 포함하되, 상기 베셀의 내부 벽에는 유체 표면과 수직방향으로 불연속적 배플(baffle)이 복수개가 설치되고, 상기 아지테이터는 샤프트(shaft)와 이로부터 수직방향으로 연장된 복수개의 임펠러(impeller)를 포함하며, 상기 복수개의 임펠러는 길이가 다른 2종 이상이 교대로 배치되고, 상기 배플의 최상단은 최상단에 위치한 임펠러보다 낮은 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 교반장치를 제공한다.
상기에서 살펴본 바와 같이, 본 기재에 따르면 베셀의 내부 벽면에 설치되는 배플의 형태를 변경하여 물질의 혼합성은 유지하면서 교반용기의 상부에서 유속을 상승시켜 슬러리의 고착현상을 방지하는 교반장치를 제공하는 효과가 있다.
도 1은 종래의 교반장치의 개략도이다.
도 2는 본 기재에 따른 교반장치의 개략도이다.
도 3은 종래 교반장치의 수평단면 1 내지 5에서 물의 흐름을 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 분석한 그래프이다.
도 4는 본 기재에 따른 교반장치의 수평단면 1 내지 5에서 물의 흐름을 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 분석한 그래프이다.
도 5는 종래의 교반장치의 수직단면 1 내지 4에서 물의 흐름을 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 분석한 그래프이다.
도 6는 본 기재에 따른 교반장치의 수직단면 1 내지 4에서 물의 흐름을 CFD(Computational Fluid Dynamics)를 분석한 그래프이다.
이하 본 기재를 상세하게 설명한다.
본 기재의 교반장치는 베셀(vessel) 및 상기 베셀에 담긴 유체를 젓는 아지테이터(agitator)를 포함하되, 상기 베셀의 내부 벽에는 유체 표면과 수직방향으로 불연속적 배플(baffle)이 복수개가 설치되고, 상기 아지테이터는 샤프트(shaft)와 이로부터 수직방향으로 연장된 복수개의 임펠러(impeller)를 포함하며, 상기 복수개의 임펠러는 길이가 다른 2종 이상이 교대로 배치되고, 상기 배플의 최상단은 최상단에 위치한 임펠러보다 낮은 위치에 설치된 것을 특징으로 하고, 이 범위 내에서 베셀의 내부 벽면에 설치되는 배플의 형태를 변경하여 물질의 혼합성은 유지하면서 교반용기의 상부에서 유속을 상승시켜 슬러리의 고착현상을 방지하는 효과가 우수하다.
상기 교반장치는 일례로 중합반응 후처리 장치, 바람직하게는 중합체 응집장치, 중합체 숙성장치, 또는 중합체 응집-숙성 병용장치일 수 있고, 이 경우에 물질의 혼합성이 우수하면서도 슬러리의 고착현상을 방지하는 효과가 우수하다.
상기 중합체는 일례로 방향족 비닐화합물-비닐시안 화합물 공중합체일 수 있다.
상기 배플의 최상단은 일례로 상기 최상단에 위치한 임펠러와 그 바로 하단에 설치된 임펠러 사이에 위치할 수 있고, 이 경우에 상부의 유속을 상승시켜 균일하게 혼합되면서 슬러리의 고착현상이 방지되는 효과가 있다.
상기 배플은 일례로 상기 샤프트를 중심으로 일례로 방사상으로 설치될 수 있고, 이 경우에 난류를 유도하여 혼합이 용이하도록 하는 효과가 있다.
상기 배플은 일례로 고체 슬러리 및 물의 혼합이 반경 방향이나 주위 방향의 흐름뿐만 아니라, 상하로도 교반되는 흐름을 발생시킬 수 있으므로, 고체 입자의 침강이 완화되고, 또한 배플을 설치함으로, 고체 슬러리와 물이, 임펠러의 회전에 따라, 함께 회전하여 접촉 계면의 갱신이 방해되는 것을 방지할 수 있다.
상기 배플은 일례로 샤프트를 기준으로 4개가 동일 각도로 이격되게 설치될 수 있고, 이 경우에 혼합물질이 상하좌우로 균일하게 혼합되는 효과가 있다.
상기 배플은 일례로 연속면의 베셀을 2등분한 상부 및 하부에 각각 위치할 수 있고, 불연속면이 상부와 하부의 경계면에 위치할 수 있으며, 이 경우에 혼합물들의 접촉시간이 길어져서 균일한 혼합이 이루어지는 효과가 있다.
상기 배플은 일례로 샤프트를 중심으로 서로 대칭으로 형성될 수 있고, 이 경우에 좌우의 물질이 균일하게 혼합되고, 슬러리가 고착되는 현상이 감소되는 효과가 있다.
상기 베셀 내부 벽에 유체 표면과 수직방향으로 설치된 배플은 일례로 배플 길이와 상기 배플 간의 간격이 1:0.8 내지 1:1.2, 또는 1:0.9 내지 1:1.1일 수 있고, 이 범위 내에서 상하의 물질이 균일하게 혼합되고, 슬러리 고착이 감소되는 효과가 있다.
상기 베셀 내부 벽에 유체 표면과 수직방향으로 설치되는 배플의 개수(한 열에 설치되는 배플의 개수)는 일례로 베셀의 길이를 3.3 내지 4.4로 나눈 값의 소수점 이하를 제외한 정수일 수 있고, 이 범위 내에서 베셀의 상부 및 하부의 유속의 차이가 감소되어 균일한 교반이 이루어지는 효과가 있다.
이에 대한 예시로, 베셀의 길이가 50cm라면 이를 4로 나누면 12.5이고, 여기에서 소수점 이하를 제외한 정수는 12로 바람직한 배플의 갯수는 12개가 될 수 있다.
상기 복수의 임펠러는 일례로 길이가 다른 2종 이상이 교대로 배치될 수 있고, 이 경우 난류 유도 효과가 커서 고체와 액체의 접촉이 증가되어 혼합이 균일하게 이루어지는 효과가 있다.
상기 복수의 임펠러는 일례로 균일한 간격으로 설치될 수 있고, 이 경우에 베셀 전체적으로 균일한 혼합이 이루어지는 효과가 있다.
상기 복수의 임펠러는 일례로 길이가 다른 2종 이상이 교대로 배치될 수 있으며 이 경우 상기 임펠러와 상기 배플 사이의 간격이 다른데, 일례로 최단간격은 배플 길이의 0.4 내지 0.5배이고 최장간격은 0.6 내지 0.7배로 설치될 수 있고, 이 범위 내에서 난류 유도 효과가 커서 고체와 액체의 접촉이 증가되어 혼합이 균일하게 이루어지는 효과가 있다.
상기 복수의 임펠러와 상기 배플 사이의 최단간격은 일례로 베셀 내부 직경의 0.08 내지 0.28배, 0.1 내지 0.25배, 또는 0.13 내지 0.23배일 수 있고, 이 범위 내에서 물질의 혼합성은 유지하면서 교반용기의 상부에서 유속을 상승시켜 슬러리의 고착현상을 방지하는 효과가 우수하다.
상기 복수의 임펠러와 상기 배플 사이의 최장간격은 일례로 베셀 내부 직경의 0.14 내지 0.34배, 0.17 내지 0.32배, 또는 0.19 내지 0.29배일 수 있고, 이 범위 내에서 물질의 혼합성은 유지하면서 교반용기의 상부에서 유속을 상승시켜 슬러리의 고착현상을 방지하는 효과가 우수하다.
상기 아지테이터는 교반장치의 상부 또는 하부에 설치한 모터로 회전 구동될 수 있으며, 아지테이터의 회전수는 베셀 내에서 혼합물들이 충분히 접촉할 수 있는 범위에서 적절히 선택될 수 있다. 상기 아지테이터의 회전수가 지나치게 크면, 고체 입자의 상하운동이 촉진되어, 혼합이 불균일해지며, 회전수가 지나치게 작으면, 고체 입자와 접촉한 액체가 그대로 장시간에 걸쳐 함께 회전하기 때문에, 고체 입자가 새로운 액체와 접촉하지 못하여 불균일한 혼합이 될 수 있다.
상기 임펠러는 일례로 패치드 패들(Pitched paddle), 프로펠러(propeller), 플랫터빈(flat turbine) 또는 디스퍼시드 터빈(dispersed tubine)일 수 있고, 이 경우에 베셀 전체적으로 균일한 혼합이 이루어지는 효과가 있다.
상기 베셀은 상단 일 측면에 유체 투입 배관이 결합되고, 하단 일 측면에 유체 배출배관이 결합될 수 있다.
본 기재의 교반장치는 일례로 숙성장치일 수 있고, 이 경우에 베셀 상부 및 샤프트에 슬러리 고착 현상이 방지되어 생산성이 향상되는 효과가 있다.
본 기재의 교반방법은 일례로 베셀(vessel) 및 상기 베셀에 담긴 유체를 젓는 아지테이터(agitator)를 포함하되, 상기 베셀의 내부 벽에는 유체 표면과 수직방향으로 불연속적 배플(baffle)이 복수 개가 설치되고, 상기 아지테이터는 샤프트(shaft)와 이로부터 수직방향으로 연장된 복수개의 임펠러(impeller)를 포함하며, 상기 복수개의 임펠러는 길이가 다른 2종 이상이 교대로 배치되고, 상기 배플 최상단은 최상단에 위치한 임펠러보다 낮은 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 교반장치를 이용하되, 중합용액의 수위가 상기 임펠러의 최상단보다 높은 상태로 교반될 수 있다.
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속하는 것도 당연한 것이다.
[실시예]
실시예 1
아크릴로니트릴 27.5 중량% 및 α-메틸스티렌이 72.5 중량%로 이루어지며, 고형분 함량이 35 중량%인 SAN 공중합체 라텍스에 23 중량%로 희석된 칼슘 클로라이드를 전체 고분자 함량 100 중량부를 기준으로 3.0 중량부로 사용하여, 고분자 라텍스 슬러리의 고형분 함량이 20 중량%인 응집 슬러리를 만들었다. 상기 응집 슬러리를 도 2의 베셀에서 120℃에서 30분간 숙성시킨 후 슬러리의 고착 정도를 계산하였다.
실시예 2
아크릴로니트릴 13 중량%, 부타디엔 60 중량% 및 스티렌 27 중량%로 이루어지며, 고형분 함량이 44 중량%인 ABS 그라프트 공중합체 라텍스에 5 중량%로 희석된 황산을 전체 고분자 100 중량부를 기준으로 2.0 중량부로 사용하여, 고분자 라텍스 슬러리의 고형분 함량이 20 중량%인 응집 슬러리를 만들었다. 상기 응집 슬러리를 도 2의 베셀에 90℃에서 30분간 숙성시킨 후 슬러리의 고착 정도를 계산하였다.
실시예 3
아크릴로니트릴 2 중량%, 부타디엔 60 중량%, 스티렌 6 중량% 및 메틸메타크릴레이트 32 중량%로 이루어지며, 고형분 함량이 41 중량%인 투명 ABS 그라프트 공중합체 라텍스에 5 중량%로 희석된 황산을 전체 고분자 100 중량부를 기준으로 2.0 중량부로 사용하여, 고분자 라텍스 슬러리의 고형분 함량이 20 중량%인 응집 슬러리를 만들었다. 상기 응집 슬러리를 도 2의 베셀에 95℃에서 30분간 숙성시킨 후 슬러리의 고착 정도를 계산하였다.
비교예 1
상기 실시예 1에서 응집 슬러리를 도 1의 배플 및 베셀을 사용한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일하게 실시하였다.
비교예 2
상기 실시예 2에서 응집 슬러리를 도 1의 배플 및 베셀을 사용한 것을 제외하고는 실시예 2와 동일하게 실시하였다.
비교예 3
상기 실시예 3에서 응집 슬러리를 도 1의 배플 및 베셀을 사용한 것을 제외하고는 실시예 3과 동일하게 실시하였다.
[시험예]
* 고착비율(%): 하기 수학식 1에 의해 계산하였다.
[수학식 1]
고착비율(%)=고착 슬러리 고형분 무게/투입 슬러리 고형분 무게*100
* CFD: FLUENT V.16.0을 이용하여 측정하였다.
구 분 실시예 1 실시예 2 실시예 3 비교예 1 비교예 2 비교예 3
임펠러 RPM 200 200 200 200 200 200
임펠러 형태 피치드
패들		 피치드
패들		 피치드
패들		 피치드
패들		 피치드
패들		 피치드
패들
고착비율(%) 11.2 6.7 3.4 23.3 12.7 8.5
상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 기재의 교반장치(실시예 1 내지 3)는 물질의 혼합성은 우수하면서도 고착비율이 낮아서 공정 부동을 야기하지 않음으로 생산성이 향상되는 효과가 있었다.
실시예 1에 따른 도 2는 배플이 베셀의 내부 벽에 유체 표면과 수직방향으로 불연속적인 2개의 배플이 베셀의 상부 및 하부에 각각 설치되되, 샤프트를 중심으로 방사상으로 4개가 동일 각도로 설치되었다.
도 4는 베셀을 수평방향의 단면 1~5 각각에서 물의 흐름을 CFD(Computational Fluid Dynamics) 통해 분석하였다.
CFD(Computational Fluid Dynamics)는 유체의 흐름에 따라 색상을 달리 표현하여 유체의 흐름을 파악한 것으로 CFD 해석에 있어 물과 슬러리의 흐름이 동일하므로, 본 기재에서는 물의 흐름을 통해 슬러리의 흐름을 파악하였다.
상기 도 4에서 베셀의 단면 1~5 전반에서 유속이 빠르면서, 베셀의 상부인 단면 4 및 5에서도 유속의 흐름이 빨라 균일한 혼합일 이루어지고 슬러리의 고착현상이 방지됨을 확인할 수 있었다.
또한, 도 6은 베셀을 샤프트를 중심으로 수직방향의 단면에서 유체의 흐름을 CFD로 분석한 것으로 단면이 1에서 4로 시계 방향으로 이동되면서 베셀의 중심부와 내벽쪽에서 유속이 차이가 거의 없으며 슬러리 고착 현상이 감소되는 효과가 있었다.
반면에, 비교예 1 내지 3은 슬러리의 고착비율이 높아서 공정이 진행됨에 따라 베셀 벽면에 고착된 슬러리가 떨어져 나와 베셀의 유체배출배관 또는 아지테이터에 걸려 공정 부동을 일으켜 공정이 자주 중단되고, 이로 인해 생산성이 저하되었다.
도 1은 종래의 기술에 따른 교반장치로 배플이 베셀 내부 벽에 유체 표면과 수직방향으로 연속적으로 설치되되, 샤프트를 중심으로 방사상으로 4개가 서로 대칭이 되도록 설치되었다. 도 3은 베셀을 수평방향의 단면 1~5 각각에서 물의 흐름을 CFD(Computational Fluid Dynamics)로 분석한 결과 베셀의 단면 1~5 각각에서 유속을 보면 베셀의 하부는 유속이 빠르지만 베셀의 상부인 단면 3, 4 및 5로 올라갈수록 유속이 느려짐으로써 혼합이 균일하지 않고 슬러리가 많이 고착됨을 확인할 수 있었다.
또한, 도 5은 베셀을 샤프트를 중심으로 수직방향의 단면에서 유체의 흐름을 CFD로 분석한 것으로 단면이 1에서 4로 시계방향으로 이동되면서 베셀의 중심부는 유속이 빠르지만 베셀의 내벽쪽으로 갈수록 유속이 느려져서 슬러리가 많이 고착됨을 알 수 있었다.

Claims (11)

  1. 베셀(vessel) 및 상기 베셀에 담긴 유체를 젓는 아지테이터(agitator)를 포함하되, 상기 베셀의 내부 벽에는 유체 표면과 수직방향으로 불연속적 배플(baffle)이 복수개가 설치되고, 상기 아지테이터는 샤프트(shaft)와 이로부터 수직방향으로 연장된 복수개의 임펠러(impeller)를 포함하며, 상기 복수개의 임펠러는 길이가 다른 2종 이상이 교대로 배치되고, 상기 배플의 최상단은 최상단에 위치한 임펠러보다 낮은 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 교반장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배플의 최상단은 상기 최상단에 위치한 임펠러와 그 바로 하단에 설치된 임펠러 사이에 위치하는 것을 특징으로 하는 교반장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 배플은 상기 샤프트를 중심으로 방사상으로 설치된 것을 특징으로 하는 교반장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 배플은 샤프트를 기준으로 4개가 동일 각도로 이격되게 설치된 것을 특징으로 하는 교반장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 배플은 연속면의 베셀을 2등분한 상부 및 하부에 각각 위치하고, 불연속면이 상부와 하부의 경계면에 위치하는 것을 특징으로 하는 교반장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 배플은 샤프트를 중심으로 서로 대칭으로 형성된 것을 특징으로 하는 교반장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 임펠러는 균일한 간격으로 설치된 것을 특징으로 하는 교반장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 임펠러는 패치드 패들(Pitched paddle), 프로펠러(propeller), 플랫터빈(flat turbine) 또는 디스퍼시드 터빈(dispersed tubine)인 것을 특징으로 하는 교반장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 베셀은 상단 일 측면에 유체 투입 배관이 결합되고, 하단 일 측면에 유체 배출배관이 결합되는 것을 특징으로 하는 교반장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 교반장치는 숙성장치인 것을 특징으로 하는 교반장치.
  11. 베셀(vessel) 및 상기 베셀에 담긴 유체를 젓는 아지테이터(agitator)를 포함하되, 상기 베셀의 내부 벽에는 유체 표면과 수직방향으로 불연속적 배플(baffle)이 복수개가 설치되고, 상기 아지테이터는 샤프트(shaft)와 이로부터 수직방향으로 연장된 복수개의 임펠러(impeller)를 포함하며, 상기 복수개의 임펠러는 길이가 다른 2종 이상이 교대로 배치되고, 상기 배플의 최상단은 최상단에 위치한 임펠러보다 낮은 위치에 설치된 것을 특징으로 하는 교반장치를 이용하되, 중합용액의 수위가 상기 임펠러의 최상단보다 높은 상태로 중합되는 것을 특징으로 하는 교반방법.
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CN108126623A (zh) * 2017-12-27 2018-06-08 潘金槐 一种自清洁的胶囊粉末混合机
CN108176279A (zh) * 2018-01-14 2018-06-19 马玉荣 一种具有除异味功能的种植业肥料混合装置

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