KR20230055663A - 교반기 및 이를 이용한 유체 혼합 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교반기 및 이를 이용한 유체 혼합 방법에 관한 것으로, 본 발명에 따르면, 회전 샤프트 하부의 유속을 빠르게 형성시킴에 따라 회전 샤프트 하부의 혼합 효율을 증가시킬 수 있다.

Description

교반기 및 이를 이용한 유체 혼합 방법{Mixer and method for mixing fluids using the same}
본 발명은 교반기 및 이를 이용한 유체 혼합 방법에 관한 것이다.
구동부가 반응기의 상부 측에 구비된 탑 드라이브(Top drive) 방식의 교반기는 반응기의 하부 형상이나 다른 구조물 때문에 회전 샤프트를 하부 아래까지 내릴 수 없는 제약을 갖는다.
특히, 밀도 또는 점성 등의 유체의 물성 차이가 큰 2종 이상의 유체 혼합 시, 회전 샤프트 하부의 혼합 효율이 감소하여, 반응에 영향을 미치게 된다.
또한, 반응기 하부에 설치된 드레인(drain)을 통해 반응물을 외부(다음 반응기 또는 순환 등)로 배출시킬 때, 혼합 유체의 혼합 비율이 달라질 수 있어, 회전 샤프트의 하부까지 모두 균일하게 혼합되는 것이 중요하다.
본 발명은 회전 샤프트 하부의 혼합 효율을 증가시킬 수 있는 교반기 및 이를 이용한 유체 혼합 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 회전 샤프트 하부의 유속을 빠르게 형성시킬 수 있는 교반기 및 이를 이용한 유체 혼합 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 유체가 혼합되는 공간부를 갖는 반응기, 반응기의 공간부 내에 배치되고, 반응기의 바닥면으로부터 소정 간격 떨어져 위치하는 제1 단부 및 제1 단부의 반대방향에 위치하고, 구동부와 연결되는 제2 단부를 갖는 회전 샤프트 및 회전 샤프트의 제1 단부에 회전 샤프트의 둘레방향을 따라 각각 장착되는 복수 개의 교반 날개를 포함하는 임펠러를 포함하는 교반기가 제공된다.
또한, 각각의 교반 날개는 제1 단부로부터 반응기의 바닥면 측으로 연장된 연결부재 및 연결부재로부터 회전 샤프트의 반경방향을 따라 연장된 블레이드를 포함한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기 교반기를 이용한 유체 혼합 방법으로서, 반응기의 공간부에 밀도 또는 점도가 상이한 2종 유체를 투입하는 단계 및 회전 샤프트를 회전시키는 단계를 포함하는, 유체 혼합 방법이 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 교반기 및 이를 이용한 유체 혼합 방법에 따르면, 회전 샤프트 하부의 유속을 빠르게 형성시킴에 따라 회전 샤프트 하부의 혼합 효율을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 교반기를 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1에 도시된 교반기의 하부 측 평면도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 교반기를 나타내는 개략도들이다.
도 5는 회전 샤프트 하부의 혼합 효율을 확인하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 교반기 및 이를 이용한 유체 혼합 방법을 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 교반기(1)를 나타내는 개략도이고, 도 2는 도 1에 도시된 교반기의 하부 측 평면도이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 교반기(1)는 반응기(100), 회전 샤프트(110) 및 임펠러(200)를 포함한다. 도 1에, y축 방향은 반응기(100)의 상하방향, 회전샤프트(110)의 회전축 방향을 나타내고, x축 방향은 반응기(110)의 반경방향을 나타낸다.
도 1을 참조하면, 교반기(1)는 유체가 혼합되는 공간부(101)를 갖는 반응기(100)를 포함한다. 상기 공간부(101)에는 밀도 또는 점도 등 물성이 다른 2종 이상의 유체가 수용될 수 있으며, 회전샤프트(100) 및 임펠러(200)의 회전에 따라 사익 공간부(101) 내에서 2종 이상의 유체가 혼합될 수 있다.
상기 반응기(100)는 바닥면(102)을 갖고, 바닥면(102) 측에는 공간부 내 온도를 측정하기 위한 온도센서(103), 및 pH를 측정하기 위한 센서(103)가 마련될 수 있다. 이때, 온도센서(103), 및 pH를 측정하기 위한 센서(103)는 반응기(100)의 바닥면(102)에 고정되고, 바닥면(102)으로부터 회전 샤프트 측으로 연장된 형태를 가질 수 있다.
또한, 교반기(1)는 반응기(100)의 공간부(101) 내에 배치되고, 반응기(100)의 바닥면(102)으로부터 소정 간격 떨어져 위치하는 제1 단부(111) 및 제1 단부(111)의 반대방향에 위치하고, 구동부(120)와 연결되는 제2 단부(112)를 갖는 회전 샤프트(110)를 포함한다.
상기 회전 샤프트(110)는 회전축(C)을 갖고, 구동부(120)에 의해 공간부(101) 내에서 회전되도록 마련된다. 상기 회전 샤프트(110)는 회전방향 및/또는 회전속도가 조절 가능하게 마련될 수 있고, 회전축(C)은 반응기의 상하방향(도 1의 y축 방향)으로 연장된 형태일 수 있다. 회전 샤프트(110)의 제1 단부(111)는 반응기(100)의 바닥면(102) 측에 인접한 단부를 의미하고, 제2 단부(112)는 반응기(100)의 상부 측에 위치하고, 구동부(120)와 연결된 단부를 의미한다.
또한, 상기 교반기(1)는 회전 샤프트(110)의 제1 단부(111)에 회전 샤프트(110)의 둘레방향을 따라 각각 장착되는 복수 개의 교반 날개(220)를 포함하는 임펠러(200)를 포함한다. 상기 임펠러(200)는 회전 샤프트(110)와 함께 회전하도록 회전 샤프트(110)에 장착되며, 임펠러(200)는 회전 샤프트(110)의 제1 단부에 분리 가능하게 장착될 수 있다. 이를 위하여, 임펠러(200)는 회전 샤프트(110)에 분리 가능하게 장착되기 위한 장착부(210)를 포함할 수 있다.
각각의 교반 날개(220)는 회전 샤프트(110)의 제1 단부(111)로부터 반응기(100)의 바닥면(102) 측으로 연장된 연결부재(221) 및 연결부재(221)로부터 회전 샤프트(110)의 반경방향(x축 방향)을 따라 연장된 블레이드(222)를 포함한다.
또한, 도 2를 참조하면, 복수 개의 교반날개(220)는 회전 샤프트(110)의 회전축(C)을 중심으로 둘레방향을 따라 동일한 간격으로 배열될 수 있으며, 예를 들어, 4개의 교반날개(220), 즉 4개의 블레이드(222)가 회전 샤프트(110)의 둘레방향을 따라 90° 간격으로 배열될 수 있다.
또한, 각각의 교반날개(220)는 연결부재(221)가 회전 샤프트(110)의 회전축 방향(C)과 평행하게 연장될 수 있다.
또한, 연결부재(221)의 직경은 회전 샤프트(110)의 직경보다 작을 수 있다.
또한, 각각의 블레이드(222)는, 회전샤프트(110)의 반경방향(x축 방향)을 따라 연장된 길이가 연장부재의 길이(y축 방향에 따른 길이)보다 클 수 있다.
또한, 블레이드(222)는 회전샤프트(110)의 둘레방향을 따라 인접하는 블레이드와 마주하는 일면(223)이 회전샤프트(110)의 축(C) 방향에 평행하게 마련될 수 있다. 블레이드(222)의 일면은 사각형상, 예를 들어 직사각형상을 가질 수 있다.
또한, 블레이드(222)는 회전샤프트(110)의 둘레방향을 따라 인접하는 블레이드와 마주하는 일면(23)의 전체 영역이 회전샤프트(110)의 축 방향에 평행하게 마련될 수 있다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 또 다른 실시예와 관련된 교반기를 나타내는 개략도들이다.
도 3을 참조하면, 상기 교반기(1)는 회전 샤프트(120)의 제1 단부에 회전 샤프트(110)의 둘레방향을 따라 각각 장착되는 복수 개의 교반 날개(320)를 포함하는 임펠러(300)를 포함한다. 상기 임펠러(300)는 회전 샤프트(110)와 함께 회전하도록 회전 샤프트(310)에 장착되며, 임펠러(300)는 회전 샤프트(110)의 제1 단부에 분리 가능하게 장착될 수 있다. 이를 위하여, 임펠러(300)는 회전 샤프트(110)에 분리 가능하게 장착되기 위한 장착부(310)를 포함할 수 있다.
각각의 교반 날개(220)는 회전 샤프트(110)의 제1 단부(111)로부터 반응기(100)의 바닥면(102) 측으로 연장된 연결부재(221) 및 연결부재(221)로부터 회전 샤프트(110)의 반경방향(x축 방향)을 따라 연장된 블레이드(222)를 포함한다.
또한, 복수 개의 교반날개(320)는 회전 샤프트(110)의 회전축(C)을 중심으로 둘레방향을 따라 동일한 간격으로 배열될 수 있으며, 예를 들어, 4개의 교반날개(320)가 회전 샤프트(110)의 둘레방향을 따라 90° 간격으로 배열될 수 있다.
또한, 각각의 교반날개(320)는 연결부재(321)가 회전 샤프트(110)의 회전축 방향(C)과 평행하게 연장될 수 있다.
또한, 연결부재(321)의 직경은 회전 샤프트(110)의 직경보다 작을 수 있다.
또한, 각각의 블레이드(322)는, 회전샤프트(110)의 반경방향(x축 방향)을 따라 연장된 길이가 연장부재의 길이(y축 방향에 따른 길이)보다 클 수 있다.
또한, 블레이드(322)는 회전샤프트(110)의 둘레방향을 따라 인접하는 블레이드와 마주하는 일면이 회전샤프트(110)의 축(C) 방향에 평행하게 마련될 수 있다. 블레이드(322)의 일면은 사각형상, 예를 들어 직사각형상을 가질 수 있다.
이때, 블레이드(322)는 인접하는 블레이드와 마주하는 일면이 회전 샤프트의 축 방향(y축 방향)을 따라 제1 영역(323) 및 제1 영역(323)과 연결되고, 바닥면 측에 인접한 제2 영역(324)으로 구분될 수 있다.
이때, 제1 영역(323)은 회전샤프트(110)의 축 방향에 평행하게 마련되고, 제2 영역(324)은 회전샤프트(110)의 축 방향을 기준으로 소정 각도도 경사질 수 있다. 즉, 제2 영역(324)은 제1 영역(323)에 대하여 소정 각도로 기울어져 연결될 수 있다.
도 3을 참조하면, 블레이드의 일면에서 제1 영역(323)은 제2 영역(324)보다 클 수 있다. 즉, 블레이드는 제1 영역(323)과 제2 영역(324)의 길이(회전샤프트(110)의 회전축을 중심으로 반경방향으로 연장된 길이)가 동일한 상태에서, 제1 영역(323)과 제2 영역(324)의 높이가 상이하게 구비될 수 있다. 즉, 제1 영역(323)의 높이(t1)는 제2 영역(324)의 높이(t2) 보다 크게 형성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 상기 교반기(1)는 회전 샤프트(110)의 제1 단부에 회전 샤프트(110)의 둘레방향을 따라 각각 장착되는 복수 개의 교반 날개(320')를 포함하는 임펠러(300')를 포함한다.
이때, 교반 날개(320')를 구성하는 블레이드는 인접하는 블레이드와 마주하는 일면이 회전 샤프트의 축 방향(y축 방향)을 따라 제1 영역(323') 및 제1 영역(323')과 연결되고, 바닥면 측에 인접한 제2 영역(324')으로 구분될 수 있다.
이때, 제1 영역(323')은 회전샤프트(110)의 축 방향에 평행하게 마련되고, 제2 영역(324')은 회전샤프트(110)의 축 방향을 기준으로 소정 각도도 경사질 수 있다. 즉, 제2 영역(324')은 제1 영역(323')에 대하여 소정 각도로 기울어져 연결될 수 있다.
도 4를 참조하면, 블레이드의 일면에서 제1 영역(323')은 제2 영역(324')과 동일하게 형성될 수 있다. 즉, 블레이드는 제1 영역(323')과 제2 영역(324')의 길이(회전샤프트(110)의 회전축을 중심으로 반경방향으로 연장된 길이)가 동일한 상태에서, 제1 영역(323')과 제2 영역(324')의 높이가 동일하게 구비될 수 있다. 즉, 제1 영역(323')의 높이(t3)는 제2 영역(324')의 높이(t4)와 동일하게 형성될 수 있다.
도 5는 회전 샤프트 하부의 혼합 효율을 확인하기 위한 시뮬레이션 결과이다.
도 5의 (a)는 비교예로서, A는 제1 유체를 나타내고, B는 제1 유체와 밀도가 상이한 제2 유체를 나타낸다. 도 5의 (b)는 도 1에 도시된 임펠러(200)가 적용된 경우 시뮬레이션 결과이고, 도 5의 (c)는 도 3에 도시된 임펠러(300)가 적용된 경우 시뮬레이션 결과이고, 도 5의 (d)는 도 4에 도시된 임펠러(300')가 적용된 경우 시뮬레이션 결과이다.
도 5를 참조하면, 회전 샤프트 하부에서 제1 유체의 비율이 줄어든 것으로 보아, 회전 샤프트 하부에서 혼합 효율이 향상됨을 확인할 수 있다.
상기와 같은 교반기를 이용한 유체 혼합 방법으로서, 본 발명의 일 실시예와 관련된 유체 혼합 방법은 반응기의 공간부에 밀도 또는 점도가 상이한 2종 유체를 투입하는 단계 및 회전 샤프트를 회전시키는 단계를 포함한다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
1: 교반기
100: 반응기
110: 회전샤프트
200, 300, 300': 임펠러

Claims (12)

  1. 유체가 혼합되는 공간부를 갖는 반응기;
    반응기의 공간부 내에 배치되고, 반응기의 바닥면으로부터 소정 간격 떨어져 위치하는 제1 단부 및 제1 단부의 반대방향에 위치하고, 구동부와 연결되는 제2 단부를 갖는 회전 샤프트; 및
    회전 샤프트의 제1 단부에 회전 샤프트의 둘레방향을 따라 각각 장착되는 복수 개의 교반 날개를 포함하는 임펠러를 포함하며,
    각각의 교반 날개는 제1 단부로부터 반응기의 바닥면 측으로 연장된 연결부재 및 연결부재로부터 회전 샤프트의 반경방향을 따라 연장된 블레이드를 포함하는, 교반기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 교반날개는 회전 샤프트의 둘레방향을 따라 동일한 간격으로 배열된 교반기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    각각의 교반날개는 연결부재가 회전 샤프트의 축 방향과 평행하게 연장된 교반기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    연결부재의 직경은 회전 샤프트의 직경보다 작은 교반기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    각각의 블레이드는, 회전샤프트의 반경방향을 따라 연장된 길이가 연장부재의 길이보다 큰 교반기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    블레이드는 인접하는 블레이드와 마주하는 일면이 회전샤프트의 축 방향에 평행하게 마련된 교반기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    블레이드는 인접하는 블레이드와 마주하는 일면의 전체 영역이 회전샤프트의 축 방향에 평행하게 마련된 교반기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    블레이드는 인접하는 블레이드와 마주하는 일면이 회전 샤프트의 축 방향을 따라 제1 영역 및 제1 영역과 연결되고, 바닥면 측에 인접한 제2 영역으로 구분되며,
    제1 영역은 회전샤프트의 축 방향에 평행하게 마련되고, 제2 영역 회전샤프트의 축 방향을 기준으로 소정 각도도 경사진 교반기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    블레이드의 일면에서 제1 영역은 제2 영역보다 큰 교반기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    블레이드의 일면에서 제1 영역은 제2 영역과 동일한 교반기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    임펠러는 회전 샤프트의 제1 단부에 분리 가능하게 장착되는 교반기.
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 교반기를 이용한 유체 혼합 방법으로서,
    반응기의 공간부에 밀도 또는 점도가 상이한 2종 유체를 투입하는 단계; 및
    회전 샤프트를 회전시키는 단계를 포함하는, 유체 혼합 방법.
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WO2024262800A1 (ko) * 2023-06-22 2024-12-26 한화솔루션 주식회사 다단 임펠러 반응기

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KR102618826B1 (ko) * 2023-05-31 2023-12-29 회명산업 주식회사 스티렌 부타디엔 고무의 유기용매 분산용액을 제조하는 방법
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