KR940007731B1 - 기체분산방법과 장치 - Google Patents

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내용 없음.

Description

기체분산방법과 장치

제 1 도는 벤투리(venturi)가 이용되는 본 발명에 따른 기체-액체 분산 시스템의 한 구현의 부분 단면도.

제 2 도는 물흐름내에서 산소의 물질전달속도에 관한 벤투리의 목으로부터 산소 주입지점의 거리의 효과를 예시하는 도표.

제 3 도는 종래의 사용과 비교한, 본 발명에 따른 벤투리를 사용할때 물내에서 산소의 물질전달속도를 예시하는 도표.

제 4 도는 기체주입지점이 제 1 도의 구현에서와 같은 이들의 수렴구역내에 있는 것보다 오히려 벤투리의 상류에 위치하는 본 발명의 기체-액체 분산 시스템의 한 구현을 나타내는 단면도.

제 5 도는 오리피스 플레이트가 흐름 압축수단으로서 사용되는 본 발명의 한 구현을 나타내는 단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 기체-액체 분산본체 2 : 벤투리의 목부분

3 : 수렴구역 4 : 확산구역

5 : 액체삽입도관 9 : 기체주입튜브

본 발명은 기체와 액체의 혼합에 관한 것이다. 더욱 상세하게, 본 발명은 액체내에 기체의 분산을 향상시키는 것에 관한 것이다.

액체내에 기체의 분산은 다방면의 공업적 조작에 있어서 중요한 부분을 차지한다. 따라서, 기체들은 다수의 기체용해, 기체-액체반응 및 용해된 기체의 스트리핑을 위해 액체에 분산된다. 매우 작은 기포의 형태로써 기체가 액체내에 더 미세하게 분산됨에 따라, 기체와 액체사이의 접촉표면은 기포의 크기가 더 클때의 기체와 액체 사이의 접촉 표면적에 비해 다소 증가된다. 그 다음에, 기체와 액체사이의 접촉표면이 증가됨으로써 기포로부터 액체내로 기체의 물질전달이 증가될 뿐만 아니라, 액체로부터 기포내로 용해된 기체의 전달이 증가된다고 알려져 있다. 따라서, 아주 높은 접촉면적을 제공함으로써, 기체용해, 기체스트리핑, 그리고 액체상내의 물질들과 기체상 사이의 반응과 같은 모든 기체-액체 공정들이 향상될 수 있다.

기체-액체 혼합물이 음속을 넘나들도록 기체-액체 혼합물의 유속을 변화시킴으로써, 이로인해 발생된 음속 충격파에 의해 액체내의 기포들은 실제로 매우 분쇄된다. 이 같은 현상은 기체-액체 혼합물의 유속이 음속이하의 속도에서 음속을 초과하는 유속으로 가속될때, 및/또는 그 유속이 초음속 이상에서 초음속 이하로 감소될때에 일어난다. 상기 충격파 효과의 결과로서, 약 0.1 내지 0.01mm 범위의 직경을 갖는 미세한 기포들이 생겨난다. 더 큰 크기의 기포, 대표적으로는 약 2mm의 기포직경을 가지는 기체-액체 혼합물의 경우에 있어서, 이와 같은 미세 기포들이 형성됨으로써 초기의 더 큰 직경을 가지는 기포들의 표면적과 비교할때 20배 내지 200배 정도로 기포 표면적이 증가하게 된다.

액체에 분산된 기포들의 크기를 감소시키기 위하여 음속충격파를 사용하는 것은 가레트(Garrett)의 미국 특허 제4,639,340호에 발표되어 있고, 이 문헌은 특히 폐수내에 산소를 용해시키는 것을 제시하고 있다. 산소를 측면 파이프로부터 가압폐수흐름내로 도입시켜, 기체-액체 혼합물내에서 음속이하의 유속으로 그 폐수흐름내에 균일하게 분산시킨다. 이것을 위하여, 가레트는 폐수흐름에 용해되는 산소는 별문제로 하고, 산소도입용 측면 파이프가 가압폐수흐름이 통과하는 도관과 만나는 지점의 바로 하류측에서 액체내에 기포들의 균일분산이 생기게 하고 그 균일분산이 유지되도록 하는 것과 같은 난류흐름 조건을 확립하기 위해서 최소한 2m/sec의 유속이 사용되어야 한다고 제시하고 있다. 대표적으로 액체내에서의 기체의 이와 같은 균일분산은 도관 직경의 최소한 약 세배의 거리내에서 난류흐름조건에서 발생될 수 있다. 그렇지만 산소도입지점과 기체-액체 혼합물의 초음속으로의 가속을 위한 수단의 위치사이의 거리는 실제 상업상 적용시에는 이거리보다 상당히 길어질 수 있음을 알 수 있다. 가레트는 아음속, 난류흐름에서 형성된 균일하게 분산된 기체-액체 혼합물을, 그 혼합물중에서 음속을 초과하는 유속으로 혼합물의 속도를 가속하기 위하여 벤두리에 통과시키는 것을 개시하고 있다. 가레트는 상기의 균일하게 분산된 기체-액체 혼합물의 속도가 최소직경을 가지는 목부분과 상류단부 사이의 벤투리 영역에서 증가하여 상기 분산액 중에서 음속을 초과하는 속도가 된다고 밝히고 있으며 또 음속충격파는 벤투리의 상기 영역내에서 발생한다고 밝히고 있다.

결과로서, 분산액중 비교적 큰 산소 기포들은 그 충격파로부터 생겨나는 난류에 의해 더 작거나 미세한 기포들로 잘려진다. 벤투리의 목을 통과한 후, 그 가압흐름은 벤투리가 넓어짐에 따라 아음속으로 돌아올때까지 감속되는데, 그럼에도 불구하고 그 아음속은 폐수흐름내에 산소기포들의 균일한 분산 및 난류흐름을 유지하는데에는 충분히 높다. 또한, 특정의 기체-액체 혼합조작을 위해 통상적으로 시도하는 바와 같이, 산소가 벤투리의 목을 통해 폐수흐름내로 도입되는 경우에 있어서는, 벤투리의 상류측의 수렴부분에서 충격파가 생겨나지 않는다고 발표했다.

액체내에 기체의 분산을 향상하기 위해서 벤투리 장치들을 사용하는 것이 이렇게 유리함에 불구하고, 액체내에 기체를 분산하기 위한 방법 및 시스템을 더욱더 향상하고자 하는 바램 및 필요성이 있어 왔다. 일반적으로 이와 같은 요구들은 기체-액체 처리조작에 속하는 것으로, 공업적 처리조작에 있어서의 개선을 위한 당업계의 지속적인 바램에 관계되는 것이다. 또한, 공업용 가스들이 당업계에서 실시되고 있는 상태를 개선하기 위해 이용되도록 하기 위한, 또는 현재 이용되고 있는 다방면의 상업적 분야에 산소, 질소 및 기타 공업용 기체들을 더 효과적으로 사용하기 위한 당업계의 일반적인 바램이 있다.

그러므로, 본 발명의 목적은 액체내에 기체를 분산하는데 있어서 개량된 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은, 기체와 액체 사이의 물질전달이 향상되도록 기체를 분산시킴에 있어서, 기체와 액체사이의 접촉표면적을 향상하기 위한 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 기체-액체 분산조작의 효율을 향상할 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.

이들 및 기타의 목적들을 염두에 두고, 본 발명을 이하에 자세히 기술하겠다.

초음속의 유속을 유발시키기 위하여 사용하는 흐름 압축수단에 아주 근접한 상태에서 액체내로 기체를 도입함으로써 기체분산을 향상시킨다. 그 압축부의 상류측의 유속은 난류흐름조건을 만들어내고 유지할 정도이면 충분하다. 액체내에서의 기체의 향상된 분산을 달성하기 위해서 초음속으로 기체-액체 혼합물을 가속하거나 또는 아음속으로 감속하기전에는 기체와 액체를 균일하게 분산시킬 필요가 없다는 사실은 놀라운 것이다.

본 발명의 목적은 초음속 이하에서 초음속 이상으로 기체-액체 혼합물의 유속을 가속시킬 수 있고 그후에는 초음속이하로 유속을 감소시킬 수 있는 압축수단에 의해 기체와 액체가 혼합되는 기체-액체 분산방법 및 시스템의 사용에 의해서 달성된다.

이와 같은 가속 이전의 혼합물의 유속은 난류흐름 조건을 달성할 정도면 충분하고 또 그와 같은 가속 이전에는 기체가 액체에 균일하게 분산될 필요도 없다. 그럼에도 불구하고 종래의 방법은 기체와 액체 사이의 물질전달속도가, 유속이 난류흐름조건을 형성하고 유지할 정도 이상으로 높게 유지되고, 그 다음에 이 혼합물을 초음속으로 가속하기 위해 사용하는 벤투리 상류로부터 비교적 멀리 떨어진 거리에서 기체를 액체에 균일하게 분산시키는 방법에 관한 것이나, 본 발명의 목적은 상기 언급한 종래의 방법을 사용할때보다 상당히 개량되고, 향상된 기체와 액체 사이의 물질전달속도를 얻었다.

본 발명의 여러 실질적인 상업적 구현에 있어서, 액체에 분산시킬 기체는, 기체-액체 혼합물의 유속을 아음속에서 초음속으로 가속하기 위해 그리고 나중에 아음속으로 감속하기 위해 사용하는 흐름 압축수단에 매우 근접한 상태에서 액체흐름이 통과할때 그 액체흐름에 주입한다. 그렇지만, 기체흐름이 그 압축수단에 아주 근접한 상태에서 통과하여 들어감에 따라 액체상이 기체흐름내로 분사되는 구현을 이용하는 것도 본 발명의 범위에 속한다. 특히 액체흐름내로 기체를 도입하는 것과 관련하여 기술한 아래의 본 발명의 설명은 편의상 일반적인 바람직한 구현에 관한 것이지, 청구의 범위에서 인용한 본 발명의 범위를 제한하려고 의도한 것이 아님을 알아야 한다.

본 발명의 목적을 위하여, 아음속에서 초음속으로 기체-액체 혼합물을 가속한것 및 나중에 아음속으로 감속하는 것은 기체-액체 분산액의 원하는 가속-감속을 달성할 수 있는 어떤 적절한 흐름 압축수단에 의하여 달성될 수 있다. 이와 같은 형태중의 한가지 흐름 압축수단은 간단한 오리피스 장치인데 이 장치에서 오리피스 플레이트는 흐름라인내에 위치하며, 그 플레이트는 기체-액체 혼합물에 대하여 결과적으로 음충격파 효과를 가지는 상기의 가속-감속을 위해 필요한 기체-액체 혼합물의 흐름이 달성되도록 해주는 크기의 오프닝(opening)을 가지고 있다. 이용될 수 있는 압축수단의 또다른 형태는 직경이 감소되는 구간을 가지는 흐름라인 또는 도관인데, 이와 같이 감소된 직경은 혼합물이 감소된 직경구역에 접근할때 아음속으로부터 기체-액체 혼합물의 유속을 가속하도록 하기 위해 사용된다. 기체-액체 혼합물이 감소직경의 구역을 떠남에 따라, 그 속도는 그 감속직경구역의 하류흐름 도관의 직경에 의해 결정된 아음속 범위내에 필요한 속도로 감소된다. 당업자는 흐름도관내의 감소된 직경구역 또는 오리피스 플레이트가 존재함으로써 유속이 원하는 만큼 증가될 뿐만 아니라 흐름 압축수단에 걸쳐서 압력손실이 증가된다는 것을 알 수 있을 것이다. 이와 같이 압력손실이 증가됨으로써 전체 기체-액체 분산조작의 동력요구를 증가시키며, 그리고 일반적으로 전체효율 및 비용의 측면에서 바람직하지 못하다.

결과로써, 테이퍼된 형태의 벤투리가 일반적으로 바람직한 흐름 압축수단인데, 이 벤투리는 주위의 압력조건에서 기체-액체 혼합물내에서의 음속이상과 이하로 원하는 가속-감속을 달성하는 한편 흐름도관내에서의 수반되는 압력손실을 최소화 할 수 있을 것이다.

기체-액체 가속 및 감속 목적을 위해 벤투리를 이용하는 본 발명의 기체-액체 분산시스템의 특정 구현을 제 1 도에 예시했는데 여기에서 숫자(1)은, 상기의 벤투리 구역을 본원에 기술한 바와 같이 사용하기 위해 구성되어 있는, 기체-액체 분산본체를 나타낸다. 벤투리를 최소 직경을 목부분(2), 상류 수렴구역(3) 및 하류확산구역(4)를 포함한다. 분산본체(1)의 상류단부에는, 분산본체(1)내로 액체흐름을 유도하기 위한 도입도관(5)가 제공되어 있다. 구현에 있어서, 상기 액체의 흐름방향은 상류 액체흐름도관(6)에 대하여 수직이며 이 도관(6)을 통해서 액체가 벤투리의 상류 수렴구역(3)까지 통과된다. 그렇지만, 당업자는 다른 형태의 액체 흐름을 사용하여 시스템내에서의 압력손실을 최소화 할 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다. 하류 확산구역(4)을 통해 벤투리로부터 방출된 기체-액체 혼합물은 하류 흐름도관(7)로 통과되어, 기체-액체 배출라인(8)을 통해 분산본체(1)로부터 배출된다.

분산본체(1)을 통과하는 액체흐름내로 기체를 도입하기 위하여 기체주입튜브(9)는 상류 액체흐름도관(6)내에 위치하며 벤투리의 상류 수렴구역(3)내까지 뻗어 있다. 기체주입첨단(10)은 벤투리의 상기 수렴구역(3)내에서 액체내로 기체를 주입하는 것을 편리하게 하기 위해서 제공된다. 기체도입관(9)의 상류단부는 액체쳄버(11)과 입구 가림 플레이트(12)를 통해 연장되어 있는데, 그 챔버내로 액체도입구(5)로부터 액체가 도입되어 상류액체 흐름도관(6)내로 방출되며, 그리고 상기의 입구 가림 플레이트(12)는 상기 기체의 공급원과 통해 있다. 가림판(12)과 분산본체(1)의 상류단부 사이에는 O자형 고리들이 위치하여, 그 사이에 유체가 샐 수 없는 밀봉을 제공한다. O자형 고리(14)는 유사하게 기체주입튜브(9)와 가림판(12) 사이의 기밀밀폐를 보장하기 위해 제공된다. 밀봉판(15) 및 (16)은 각각 O자형 고리들이 유체형 위치로 적당히 변형되도록 하기 위하여, 상기 가림판(12)의 하류단부에 제공된다. 적당한 클램프수단(17) 및 (18)이 상이 시일 플레이트(15) 및 (16)에 그리고 분산본체(1)에 그 단부판(12)를 고착하기 위해 사용된다. 당업자는 어떤 적절한 수동수단이나 기계적 수단 또는 다른 수단이 벤투리의 위치에 대하여 어떤 원하는 위치내로 기체도입관을 미끄러지게 하기 위해 사용될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

제 1 도에 예시된 바와 같은 본 발명의 구현에 있어서, 벤투리의 목부분(2)는 0.19"의 내경 및 0.36"의 길이를 가졌다. 상류 및 하류 흐름도관(6)과 (7)의 내경은 각각 0.63" 및 0.83"이었다. 수렴구역(3)은 0.72"의 길이를 가지며, 확산구역은 1"의 길이를 가졌다. 따라서, 벤투리의 수렴구역 및 확산구역은 같은 치수를 가질 필요가 없다는 것을 알 수 있을 것이다. 이같은 구현에 있어서 벤투리의 확산구역(4)의 사잇각은 34°이다. 수렴구역의 사잇각은 35°이다. 기체주입튜브(9)는 1/4"의 내경을 가지며, 기체주입첨단(10)은 1/16"의 내경을 갖는다. 상기의 기체주입첨단(10)은 벤투리의 목부분(2)의 상류 개시부로부터 벤투리의 수렴구역(3)의 상류단부까지의 거리의 약 50% 정도에 위치시켰다.

상기한 바와 같이, 대표적으로 기체를 액체흐름에 주입하는 것과 같이 하나의 유체를 다른것으로 주입하는 것은 초음속으로의 가속파 아음속으로의 감속을 유발하기 위해 사용되는 흐름 압축수단 아주 가까이에서 수행한다. 본 발명의 목적을 위하여, 흐름 압축수단에의 이러한 근접은 오리피스 플레이트, 감소된 직경구역, 벤투리 또는 다른 원하는 형의 흐름 압축수단이 위치에 있는 흐름도관의 직경에 근거하여, 길이가 약 일직경을 넘지 않는 흐름 압축수단의 상류 거리에 예컨대 액체로의 기체의 주입점이 위치해야 한다는 것을 의미하고자 하는 것이다. 흐름 압축수단의 벤투리형과 관계하여, 기체 또는 다른 주입수단은 벤투리의 흐름도관상류, 즉 제 1 도에서 상류 액체흐름도관(6)의 직경에 근거하여, 수렴구역(3)의 상류입구단부로부터 길이가 일직경 이하에 해당하는 거리에 위치해야 한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 기체주입튜브(9)는 이렇게 벤투리의 상류에, 그러나 벤투리에 근접하게 액체흐름도관(6)에 위치할 수 있지만, 기체주입튜브(9)(또는, 그렇지 않다면 액체주입튜브)가 벤투리 그 자체의 수렴구역내에 위치하는 것이 바람직하다.

제 2 도의 도표는 본질적으로 제 1 도에 나타낸 바와 같이 기체-액체 분산시스템에 있어서 물에 대해서 산소분산을 적용한 산소물질전달에 대한 기체주입투브(9)의 첨단(10)의 위치효과를 예시하고 있다. 산소물질 전달은 몰/(1-hr)로 나타냈으며, 벤투리의 목으로부터 기체주입투브(9)의 끝의 거리는 인치로 나타냈다. 따라서, 목(2)의 개시로부터 수렴부(3)의 상류단부까지의 거리는 1.81"였다. 수렴부(3)의 흐름도관 상류의 내부직경은 0.83"였다. 따라서 기체주입투브(9)의 첨단(10)의 위치는 본 발명의 실행에 있어서, 앞뒤로 이동할 수 있다. 상류 수렴부(3) 단부로부터 약 0.83"가 되는 위치는 목부분(2)의 개시부로부터 약 2.6" 상류이다. 이 0.83" 도관중에서 물흐름속도는 초당 0.73미터였다. 이 조작은 물 킬로그램당 약 320mg의 산소를 가하면서, 벤투리의 하류압력이 15psig인 상태에서 수행되었다. 제 2 도에 예시한 결과로부터, 물질전달의 관점에서 볼때, 기체주입수단을 실제로 벤투리의 목 가까이에 위치시키는 것이 바람직하다는 것을 알 수 있을 것이다. 기체주입수단을 벤투리의 수렴부내에서 목으로부터 더 머리 이동하여 위치시키되 벤투리의 수렴부내이기만 하면, 물질전달율은 감소하지만 그래도 비교적 높은 값으로 남아 있다. 목부분(2)의 개시로부터 기체주입수단의 첨단(10)의 거리는 액체흐름도관의 직경의 1배를 초과하지 않는 길이의 근접 위치내에서 벤투리의 수렴부 밖으로 이동하면 더 낮은 물질전달율이 얻어진다. 하지만, 상기한 바와 같이 종래 기술의 실행에서 처럼 기체주입수단을 더 상류로 이동하면 더 낮은 산소물질전달율 특성이 얻어진다.

때때로 원추각이라 불리는 벤투리의 수렴 및 확산부위의 사잇각은 본 발명의 실행시에 넓게 변화될 수 있다는 것을 주의하여야 한다. 당업자들은 더 작은, 즉 더 얇은 벤투리 수렴면의 사잇각은 더 큰 즉 더 넓은 사잇각이 사용될때보다 더 낮은 양의 압력손실을 초래한다는 것을 인지할 수 있을 것이다. 하지만 이런 더 작은 각을 가지는 벤투리부는 전체길이에 있어 대응되는 만큼 더 길며 따라서 이들의 제조시에 더 복잡하고 비용이 많이 든다. 더 나아가서 기체주입수단의 위치는, 기체주입수단이 벤투리목 가까이에 위치하면 벤투리목으로 향하는 유체의 흐름을 단절하거나, 또는 심각하게 감소시키는 경향이 있기 때문에, 더 작은 각을 가지는 벤투리부에 있어서, 물질전달의 관점에서 볼때 필요한 만큼 벤투리 목부위에 접근시킬 수 없다. 이런 배열은 또한 벤투리 내에서 중대한 압력손실 및 시스템의 제작비용의 상승을 초래할 것이라는 것을 인지할 수 있을 것이다. 다른 한편으로, 더 넓은 사잇각을 가지는 기체주입수단은, 벤투리 내의 유체흐름을 단절시키거나, 또는 심각하게 감소하지 않으면서 필요한 경우 벤투리 목에 더 가까이 위치시키는 것이 가능하다. 더 넓은 각을 가지는 벤투리에서 기체주입수단을 이렇게 목가까이 위치시키면 더 낮은 각을 가지는 벤투리 목에 동일한 기체주입수단을 가까이 위치시켰을때 발생하는 압력감소보다 더 적은 압력감소를 초래할 것이다.

원하는 기체-액체 혼합조작의 물질전달 특성이 기체주입주단을 벤투리 목에 더 가깝게 위치시킴으로써 점차 증가하고, 물질전달과 압력손실효과에 대한 전체적인 고려를 할때는 종종 벤투리내에, 또는 여기에 가깝게 기체주입수단을 위치시키는 반면에, 물질전달효과만을 고려할때에는 제시된 것보다 목으로부터 먼거리에 위치시킬 수 있다. 본 발명의 실행에 따른 기체주입수단의 최적위치는 혼합될 기체와 액체의 성질, 조작 온도와 내포되는 압력, 원하는 흐름속도, 벤투리 또는 원하는 다른 흐름압축형태, 기체분산조작의 성질, 주어진 기체분산조작에 속하는 전체적인 경제성 등을 포함하는 타당한 조작요인의 다양성에 좌우될 것이라는 것을 알 수 있을 것이다.

일반적으로 기체주입수단을 벤투리의 수렴부로부터의 삽입구의 거리의 약 50%에 위치시키는 것이 편리하다는 것이 발견되었다. 하지만 위와 같은 사실로부터, 기체주입수단의 위치는 본 발명의 개념내에서 벤투리내, 또는 이에 근접한 곳에서 넓게 조정될 수 있다는 것을 알 수 있을 것이다.

기체주입수단이 적절한 기체주입첨단을 가지는 기체삽입 튜브임을 예시한 반면에, 이들의 끝부위에 방출첨단 또는 노즐을 통합하지 않고 단순한 주입튜브를 사용하는 것도 본 발명의 개념에 속하는 것이다. 흐름장해 및 기체주입수단의 압력효과와 관련하여 위에서 개시한 것에 비추어, 특히 향상된 물질전달을 위해 벤투리 목에 가깝게 기체주입수단을 이동하는 것과 관련하여, 벤투리의 목에 더 가까운 위치에 기체주입수단을 위치시킴으로써 나타나는 압력효과를 감소시키기 위해 가능한한 작고 유선형으로 기체주입수단을 만드는 것이 바람직하다는 것에 주의하여야 한다. 작은 첨단을 가지는 주입 노즐을 통합함으로써, 벤투리 목가까이에 주입 노즐을 위치시키는 잇점에 의해 얻어지는 향상된 물질전달 특성에 의해 증가된 압력강하가 적당히 보상되는 결과로써, 노즐을 벤투리 목쪽으로 더 가까이 적당한 지점에 위치시키는 것이 가능하다. 주어진 기체-액체 분산조작의 적용가능한 흐름 요건의 견지에 비추어 허용할 수 있는 정도까지, 튜브의 하류에 연장된 니이들 부분을 가지는 기체주입튜브를 사용하는 것이 바람직할 수 있는데, 기체주입튜브 그 자체를 벤투리목에 인접하게 위치시키기 때문에 압력손실이 상당히 증가되는 사태를 유발하지 않으면서 벤투리목 아주 가까운 위치로 니이들 부분을 이동시키는 것이 가능하다.

당업계의 종래 방법과 비교한 본 발명의 잇점을, 본 발명과 그리고 세개의 상이한 종래 기술의 접근방법을 사용하여 공기분산을 포함하는 물에서 비교되는 일련의 산소-물 혼합조작법을 통하여 더 나타냈다. 본 발명의 실행은 벤투리 목으로부터 액체 유동도관의 1/2 직경 거리의 벤투리 수렴부에 기체주입노즐의 끝부분을 위치시킨 벤투리장치를 사용함으로써 예시했다. 종래 실행에 따라 수행된 벤투리 접근법의 사용에 있어서는, 기체주입노즐의 첨단을 벤투리의 입구로부터 액체흐름도관 직경의 상류 입곱배 거리에 위치시켰다. 또 다른 접근, 즉 T자형으로 사용하는 방법에서는, 물을 액체흐름도관내로 수직으로 주입하고, 산소를 물주입지점의 근처에서 축방향으로 액체흐름도관내로 도입했다. 소위 인-라인 스퍼저를 사용한 또다른 접근방법에서는, 물을 T자 접근법에서 처럼 액체흐름도관내로 주입하고, 또다시 산소를 축방향으로, 그러나 액체내에의 기체의 최초분산을 향상시키기 위해 가늘게 조각낸 첨단을 통해, 도관내로 주입했다. 본 발명의 실행과 종래 기술의 실행에서 사용된 벤투리장치는 산소와 물흐름의 속도를 기체-액체 혼합물에서 음속이하로부터 초음속으로 가속시키고, 그 다음에 아음속 범위로 감속시키기 위해 채택되었지만, 반면에에 형과인-라인 스퍼저는 아음속 범위의 흐름속도를 이용하면서 사용되었다는 사실에 주의하기 바란다. 각 경우에, 아음속은 기체-액체 혼합물의 상류흐름속도를, 조작압력이 약 10psig인 상태에서 초당 약 0.73미터 되도록 하기 위한 것이었다. 물/1/hr로 나타낸 산소물질전달율은 kg의 물에 대해 공급된 산소의 mg으로 나타낸 여러산소부가수준에서 측정했는데 이 결과를 제 3 도에 나타냈다.

물의 흐름중에서 산소에 대한 물질전달율은 산소화 물을 혼합하기 위한 종래의 T자관을 사용할 경우 상대적으로 낮았다는 것을 알 수 있을 것이다. 인-라인 스퍼저를 사용할 경우, 특히 더 많은 산소 부가량에서 약간 향상된 물질전달율이 얻어진 것으로 나타났다. 기체-액체 혼합물에서 음속보다 낮은 속도로부터 음속보다 높은 속도로 흐름을 가속하기 위한 벤투리장치를 사용하여 상당히 높은 산소물질전달율이 성취되었는데, 이에 의해서 초음속으로 그리고 아음속으로 회귀하는 가속-감속 순서에 수반되는 충격음파효과에 의해 산소기포가 매우 실질적으로 파괴되는 것이 가능케 된다. 본 발명의 개념밖에 있는 한가지 벤투리 구현에서, 벤투리의 상류단부로부터 흐름도관의 상류직경의 일곱배에 해당하는 거리에서 산소를 액체흐름에 가했다. 물의 속도는 초당 약 0.73미터였는데, 이것은 수중에 산소를 균일하게 분산하는데 적합한 난류조건에서 필요로 하는 것보다 훨씬 낮은 것이었다. 하지만, 이런 비교적 낮은 물의 속도는 전체적인 처리관점에서 바람직한 것이다. 본 발명의 개념내에 있는 다른 벤투리 구현에서, 물의 속도를 또한 벤투리의 상류에서 초당 약 0.73미터로 유지했다. 본 발명의 실행에 따라서, 0.16"의 직경을 가지는 벤투리목으로부터 물흐름도관의 직경에 거의 동등한 거리의 지점에서 산소를 물과 합쳤다.

이런 비교시행에서 사용된 벤투리의 수렴부는 1.81" 길이이고 물흐름도관은 0.83"의 내부직경을 가졌으며, 산소주입지점은 상류의 벤투리목 개시로부터 상류의 벤투리 수렴부 입구까지의 약 1/2 거리에 있어서, 산소가 벤투리의 수렴부에서 물과 이렇게 합쳐지는 반면에, 수중에서의 산소의 균일한 분산은 벤투리의 목부위를 통과할때 발생하는 산소-물 혼합물의 초음속으로의 가속이전에는 형성되지 않았다. 산소가 벤투리 상류의 흐름도관 직경의 일곱배의 거리에서 합쳐지는 구현에서, 수중에서 산소를 균일하게 분산시키기 위해 필요한 속도보다 더 낮은 속도로 벤투리로 들어가는 산소-물 혼합물은 본 발명의 구현에서와 같은 정도의 속도로 가속화 되었다는 것을 인지할 것이다. 하지만 제 3 도로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명을 실행함에 따라 얻어진 산소물질전달율은 산소주입은 벤투리의 상류의 일곱배의 직경지점의 물흐름도관에서 수행되었지만, 흐름속도 조건은 동일하게 하여 얻은 결과보다 상당히 증가되었다.

초음속 흐름속도를 유발하기 위해 흐름 압축수단 가까이에 기체도입수단을 위치시키면, 이와 같이 기체물질 전달율을 향상되도록 하는 것이 가능하며, 본 발명의 실행에서 상당히 유리한 물질전달/동력요구 밸런스가 얻어지는 것이 가능하다는 것을 알 수 있을 것이다. 특히 종래 기술의 방법은 기체-액체 혼합물이 초음속으로 가속되기 전에 액체에서 기체가 균일하게 분산되는 것을 제공하는 반면에, 본 발명의 실행에 있어서는, 이런 균일한 분산이 성취될 필요가 없으며 성취되지 않는 것이 일반적이라는 사실에 비추어 보았을때 본 발명의 실행에서 얻어지는 결과는 놀라운 것이다. 그럼에도 불구하고, 본 발명의 유리한 결과는 벤투리의 하류의 확산부위에서 초음속으로부터 아음속으로 감속하는 속도로, 및/또는 기체와 액체가 혼합되는 벤투리의 상류수렴부위에서의 아음속으로부터 초음속으로 가속하는 속도로 기체-액체 혼합물을 통과시킴으로써 얻어지는 초음파의 충격효과와 관련되는 것이다. 주어진 기체-액체 혼합조작에 속하는 전체조건에 따라서, 초음속의 흐름속도를 발생시키기 위해 사용된 벤투리 장치 또는 다른형의 압축수단중의 기체-액체 분산액의 감속 및 최초의 가속에 따라서, 이중음파충격효과가 실현될 수 있으며, 이런 이중충격효과는 본 발명의 개념내에 있는 것이다.

당업자들은 이하에서 특허청구된 본 발명의 개념에 입각하여 여러가지 변화 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 인지할 것이다. 예컨대, 기체-액체 혼합물중에서의 음속은 혼합물의 성분 및 그에 속하는 조작조건에 좌우될 것이라는 것을 이해할 것이다. 하지만 혼합물의 음속은 액체 또는 기체 그 자신에서의 음속보다 훨신 더 낮은 것이 일반적이다. 실질적이고, 상압적인 조작조건하에서 초음속으로의 가속 및 그 다음의 감속에 근거한 본 발명과 종래 조작을 가능케 하는 것은 음속의 이특성이다. Kieffer의, "Sound Speed in Liquid-Gas Mixtures : Water-Air and Water-Steam", Journal of Geophysical Research, Vol. 82, No.20,1977,7,10,pp 2895-2903은 본 발명의 실질적이고 상업적인 구현에서 잇점으로 사용된 이효과를 확인해 주고 있다.

사용된 특정 기체/액체 비에 따라서 공기/물 혼합물 중의 소리의 속도는 초당 약 20미터 정도일 수 있다. 상기에 제시한 가레트 특허에서 바람직한 결과를 얻기 위해 필요한, 즉 기체-액체 분산액중에 소리의 속도보다 작으나 슬럭흐름(slug flow) 즉 충화를 피하기 위해 난류에 의해 기체가 균일하게 분산, 유지되기에 충분한 상류 흐름속도는 일반적으로 초당 약 2미터 정도 이상이다. 슬럭흐름은 유리하지 못하며, 조작 및 결과에 있어 바람직하지 않은 불연속을 초래한다는 것은 이 분야의 당업자에게 명백할 것이다. 액체중에 기체를 균일하게 분산시키기에 적당한 난류흐름조건을 조성할 필요가 없는 본 발명의 실행으로 얻을 수 있는 물질 전달 및 물질 전달/압력 결과의 놀라운 개량은 초음속으로의 가속이전에 발생한다는 점에서, 벤투리 상류의 물 또는 다른 액체 흐름속도는 가레트의 공지기술에 속하는 값보다 상당히 낮게 유지하는 것이 가능하다. 높거나 또는 낮은 속도를 사용할 수도 있지만, 초당 약 0.3 내지 1미터의 물흐름속도를 사용하는 것이 편리할 수 있다. 여하튼, 기체가 벤투리의 수렴부분에서 벤투리로 주입되는 적용에 있어서나 또는 벤투리 또는 상기한 바와 같은 다른 흐름 압축수단의 가까운 상류에서 균일한 분산을 달성하기에 충분한 벤투리 상류의 난류흐름조건을 발생 및 유지하는 것은 필요하지 않다.

본 발명의 수행에서 주입은 되었지만 액체흐름속에서 충분히 분산되지 않은 기체는 큰 기포로 성장할 기회를 갖지 못하게 되는데, 이러한 큰 기포는 균일하게 분산시키기 더욱 어려운 것이다. 벤투리에서 멀리 떨어진 거리에서 액체속으로 기체를 주입할때, 특히 비교적 느린 액체흐름속도를 사용할때의 종래 기술은 이러한 기포성장을 유발하는 경향이 있었다. 당업자들은 흐름도관에 있는 액체 압력보다 더 큰 압력에서 기체가 액체내로 주입되며 이 압력은 필요한 기체 대 액체의 비율에 따라 좌우될 것이라는 것을 인식할 수 있을 것이다.

제 4 도는 기체주입튜브가 상류액체 흐름도관의 직경보다 작은 이들의 상류 말단으로부터의 거리에서 벤투리의 상류에 위치하는 한 구현예를 나타낸다. 제 4 도 구현예의 소재 및 도면부호는 기체주입튜브가(9A)로 표시되고 벤투리의 상류 수렴구역에 대해 입구의 약간 상류에 위치한 기체주입첨단(10A)를 갖는 것을 제외하고, 제 1 도의 구현예와 동일하다.

제 5 도는 제 1 도의 벤투리가 흐름 압축수단으로서 오리피스 플레이트로 대치된 다른 구현예를 나타낸다. 즉 오리피스 플레이트(2A)는 액체흐름도관내에 위치하고, 그 결과 하류흐름라인(7)로부터 상류흐름라인(6)을 분리한다. 제 1 도 구현예에서 벤투리를 구성하는 소재(2)(3) 및 (4)는 제 5 도의 구현예에 적합하지 않다. 상류 기체주입튜브(9) 및 그의 기체주입첨단(10)은 오리피스 플레이트(2A)의 상기 위치의 결과로서 기체-액체 혼합물을 초음속으로 가속하고, 계속하여 감속하기 전에 기체 및 액체의 일정한 분산을 사전에 달성하도록 상기 오리피스플레이트(2A)에 근접해 위치해야 함을 예견할 수 있다.

상류 기체주입튜브(9)의 위치는 오리피스 플레이트(2A)와 관련하여 변할 수 있고, 단 오리피스 플레이트로부터 얻어지는 가속전에 형성되는 기체와 액체의 일정한 분산을 달성할 수 있는 거리에서 상류에 위치하지 않는 것을 예측할 수 있다. 이러한 목적을 위해 기체주입튜브(a)는 바람직하게는 상기 상류흐름라인(6)의 직경을 약 1배 이상 초과하지 않도록 오리피스 플레이트(2A)와의 거리를 유지하면서 위치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 기체-액체 분산공정 및 시스템은 다양한 기체-액체 혼합조작에 사용될 수 있다. 즉, 본 발명은 상기와 관련된 물 이용분야에 산소의 용해뿐만 아니라 다양한 무기 또는 유기 액체중에 공기 또는 산소, 질소, 염소 또는 다른 산업용 기체를 용해시키는 것이 바람직할 수 있는 여러 분야에 편리하게 사용할 수 있다.

더 나아가, 본 발명은 수용액에 존재하는 철의 산화 또는 유기액체의 산화와 같은 기체-액체 반응조작을 위해 유리하게 사용할 수 있다. 또한 본 발명은 본 발명의 수행에 따라 내부에 질소를 주입함으로써 액체로부터 용해된 산소 또는 다른 휘발성분을 스트리핑 하는 것과 같은 바람직한 용해, 기체스트리핑 조작을 위해 사용될 수 있다.

즉 본 발명은 액체중에 기체를 분산시키는 분야에 매우 바람직하고 유익하게 제공되는 것을 알 수 있다. 향상시킬 분산조작에 물질전달 특성에 제공함으로서, 본 발명은 지금까지 이 분야에서 얻을 수 있는 것보다 더 충분히 실현되는 벤투리 또는 다른 형태의 흐름 압축수단을 사용할 수 있도록 하는 잇점을 제공한다. 더욱더 기체-액체 분산조작의 동력요건과 더불어 물질전달을 상당히 유리하게 개량시킴으로써, 본 발명은 어떤 특정상업분야의 실질적인 요구와 더 밀접하게 관련되도록 본 발명의 전체적인 이익을 주는 공정의 유연성을 제공함으로써 기체-액체 분산분야에 유익하다.

더욱더 압축수단의 사용과 관련하여 사용된 흐름속도는 난류 흐름조건이 요구되는 선행기술 수행에서 보다 상당히 느린 속도로 유지하는 것이 가능하므로, 본 발명의 실질적인 상업적 실현가능성은 중요한 기체-액체 분산조절의 폭넓은 범위에 이용됨으로써 보다 더 증대된다. 즉 본 발명은 본 발명의 수행으로 달성되는 향상된 분산으로 인하여 폭넓은 산업분야에 산업용 기체들을 사용할 수 있다는 가능성을 더욱 증가시킬 것이다.

Claims (20)

1. (a) 기체와 액체를 혼합하여 기포 및 액체의 균일분산이 형성되지 않도록 비난류 조건하에서 음속이하의 유속을 갖는 기포-액체 혼합물을 형성하고; (b) 비난류조건하에서 상기 비균일하게 분산된 기포-액체 혼합물을 기체와 액체가 혼합되는 지점에 아주 근접한 하류에 위치한 흐름 압축수단에 접촉 통과시키고; (c) 상기 흐름 압축수단을 통과시켜 기포-액체 혼합물의 유속을 초음속으로 가속시키고; (d) 계속적으로 초음속으로부터 아음속으로 상기 유속을 감속시킴을 특징으로 하는 액체중에 기체를 분산시키기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기의 흐름 압축수단이 오리피스 플레이트로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 흐름 압축수단이, 기체 및 액체가 통과하는 흐름도관의 줄어든 직경부분으로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 흐름 압축수단이 벤투리로 구성됨을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 흐름 압축수단은 혼합되는 유체중의 어느 하나가 통과하는 흐름도관내에 위치하고, 나머지 다른 유체는 상기 흐름도관 직경의 1배 이하의 거리에서 상기 흐름 압축수단의 상류 흐름에 가해짐을 특징으로 하는 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 액체가 흐름도관을 통과하고, 기체가 기포-액체 혼합물을 형성하기 위해 그 속에 주입됨을 특징으로 하는 방법.
7. 제 6 항에 있어서, 기체가 벤투리의 수렴구역 내에 위치한 주입지점에서 액체의 흐름속으로 주입됨을 특징으로 하는 방법.
8. 제 7 항에 있어서, 기체주입지점이 벤투리의 목으로부터 벤투리 상류 수렴구역의 단부까지 거리의 약1/2에 위치함을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7 항에 있어서, 기체주입지점이 벤투리의 목에 근접되어 있음을 특징으로 하는 방법.
10. 제 7 항에 있어서, 기체주입지점이 벤투리 상류 수렴구역의 흐름도관에 위치함을 특징으로 하는 방법.
11. 제 1 항에 있어서, 기체는 산소이고, 액체는 물임을 특징으로 하는 방법.
12. 제 1 항에 있어서, 기체-액체 분산은 기체와 액체의 반응을 위한 공정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
13. 제 1 항에 있어서, 기체-액체 분산은 기체가 액체로부터 용존 기체를 스트리핑 하는데 사용되는 공정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
14. (a) 기체와 액체를 그 안에서 혼합시킬 흐름도관; (b) 비-난류조건하에서 상기 흐름도관을 통해 혼합시킬 유체중 하나를 통과시키기 위한 흐름수단; (c) 기포 및 액체의 일정한 분산이 형성되지 않도록 상기 비-난류조건하에서 기체-액체 혼합물을 형성하기 위해 기체와 액체의 원하는 혼합을 위해 다른 유체를 상기 흐름도관내에 주입하기 위한 주입수단; 및 (d) 상기 주입수단의 하류에 있지만 주입수단과 아주 근접한 흐름도관내에 위치하는, 액체중에 매우 미세한 기체분산을 유발시키는 음충격파 효과를 발생시키는 흐름 압축수단으로 이루어지는; 기체를 액체내에 분산시키기 위한 장치.
15. 제14항에 있어서, 흐름 압축수단은 오리피스 플레이트로 이루어짐을 특징으로 하는 장치.
16. 제14항에 있어서, 흐름 압축수단은 상기 흐름도관의 감소된 직경부분으로 이루어짐을 특징으로 하는 장치.
17. 제14항에 있어서, 흐름 압축수단은 벤투리로 이루어짐을 특징으로 하는 장치.
18. 제14항에 있어서, 주입수단이, 흐름도관의 직경을 기준으로 하여 흐름 압축수단으로부터 직경의 1배 이하의 거리에서 흐름 압축수단 상류에 위치해 있음을 특징으로 하는 장치.
19. 제18항에 있어서, 흐름수단은 흐름도관을 통해 액체를 통과시키기 위한 수단으로 이루어지며, 주입수단은 흐름도관을 통과하는 액체에 기체를 주입시키기 위한 수단으로 이루어짐을 특징으로 하는 장치.
20. 제19항에 있어서, 기체주입 수단이 벤투리의 수렴구역내에 위치함을 특징으로 하는 장치.

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