KR950011425B1 - 액체중의 기체의 인라인 분산 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

액체중의 기체의 인라인 분산
제1도는 본 발명의 원뿔형 인라인 혼합기의 구체도의 측면도.
제2도는 본 발명의 원뿔형 인라인 혼합기의 또 다른 구체도의 측면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 파이프 2 : 원뿔형 인라인 혼합기
3 : 콘 (cone) 4 : 확대 단면
5 : 혼합콘 6 : 확대 단면
7 : 확대중간부 8, 9 : 지지링
10 : 파이프 11 : 환형 오프닝
본 발명은 기체와 액체의 혼합에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 액체중의 기체 분산의 증진에 관한 것이다.
액체중의 기체 분산은 광범위한 공업적 가공의 중요한 특징이다. 따라서, 기체는 많은 기체용해, 기체-액체 반응, 및 용해된 기체 적용의 기체 스트리핑을 위해 액체 중에 분산된다. 기체가 매우 작은 기포의 형태로 액체 중에 보다 고르게 분산됨에 따라, 기체와 액체 사이의 표면적은 액체와 더 큰 기포형태의 같은 양의 기체 사이의 표면적과 비교하며 다소간 증가한다. 또한, 기체와 액체사이의 계면 표면적의 증가는 기포로 부터 액체내로의 기체의 매스 전달 뿐만아니라 액체로 부터 기포내로의 용해된 기체의 전달을 증가시키는 것으로 공지되어 있다. 따라서, 보다 더 높은 표면적을 제공함으로써, 기체용해, 기체스트리핑, 및 기체상과 액체상의 물질 사이의 기체 반응과 같은 모든 기체-액체 공정이 개선될 것이다.
액체 중에 분산된 기포의 크기를 감소시키기 위한 음속 충격파의 사용은 당분야에 공지되어 있다. 가레트(Garrett)의 미합중국 특허 제 4,639,340호에는 특히 폐수중의 산소의 용해를 조절하는 특별한 기술이 기술되어 있다. 이 기술에 따라서, 산소는 폐수흐름 중에 균일하게 분산되며, 이것은 그 다음에 난류 조건에 노출되고 기체/액체 혼합물 중에서의 음속 이상으로 유속을 가속시키기 위해 벤튜리를 통과한다. 이것에 의해 음속 충격파가 발생하고, 비교적 거친 산소 기포가 음속충격파로 부터 생성된 난류에 의해 더 작은 기포로 전단된다.
키요나가(kiyonaga)등의 미합중국 특허 제4,867,918호에는 초음속 흐름속도 및 그 결과로 일어나는 아음속 까지의 감속을 발생시키기 위해 사용되는 벤튜리 또는 다른 흐름 압축수단에 근접하여 기체와 액체의 조합으로 이루어지는 개선점이 기술되어 있다. 쳉(Cheng)의 미합중국 특허 제4,861,352호에는 벤튜리 장치를 사용하고, 스트리핑 기체 또는 증기/액체 조성물의 일부를 조성물에 대한 초음파까지 가속시킬 수 있는 인라인 스트리핑 방법이 기술되어 있다. 더 발달하여, 쳉의 미합중국 특허 제4,931,225호에는 기체 또는 증기를 액체중에 분산시키기 위한 방법 및 장치가 기술되어 있으며, 여기에서 기체 또는 증기는 접촉시에 기체 또는 증기의 일부에 대해 음속인 선속도로 액체내로 유입되며, 이때 액체 및 상기 기체 또는 증기로 구성된 조성물은 적어도 음속인 선속도로 흐르도록 유도되는 조성물의 일부와 병류하도록 유도된다.
이러한 유용한 진보에도 불구하고, 당분야에서는 액체중의 기체의 분산을 증진시키기 위한 더 나은 발달을 위한 필요 및 요구가 여전히 남아있다. 이러한 요구조건은 일반적으로 기체-액체 가공작업을 포함하고, 당분야에서 공업적 가공작업에서의 개선을 위한 계속되는 요구 및 이것과 연관된 장치 조립비용의 절감에 관한 것이다. 또한, 당분야에서는 현재 공업용 기체가 당분야에서의 현재의 실시를 개선시키기 위해 사용되거나 또는 사용될 수 있는 광범위한 공업적 응용에서 산소, 질소 및 다른 공업용 기체의 더욱 효과적인 사용에 대한 일반적 요구가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 액체중의 기체의 분산을 위한 개선된 방법 및 시스템을 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 하나의 목적은 기체와 액체 사이의 매스 전달을 증진시키기 위해 분산되는 기체와 액체 사이의 계면 표면적을 증진시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는데에 있다.
본 발명의 그밖의 목적은 기체-액체 분산 작업의 효율을 향상시키고 기체-액체 분산 시스템에 대한 조립 비용을 절감시킬 수 있는 방법 및 시스템을 제공하는 데에 있다. 상기 및 다른 목적을 염두에 두고, 본 발명은 하기에서 상세히 설명되고, 본 발명의 신규의 특징은 동봉한 청구범위에서 지적된다.
액체중의 기체의 분산은 기체/액체 혼합물 중 거의 대부분을 초음속까지 가속시키고 이어 감속시키기 위해 설치된 원뿔형 인라인 혼합기의 사용에 의해 증진되며, 이것에 의해 혼합물 내의 음속 충격파가 생성된다. 또한 초기에 기체를 음속으로 액체내에 주입함으로써, 2개의 연속 충격파가 생성되어 기체와 액체 사이의 증진된 계면 표면적 및 매우 높은 매스전달을 갖는 미세한 기포가 달성된다.
본 발명은 첨부한 도면과 관련하여 본원에서 더 설명된다.
본 발명의 목적은 파이프 또는 다른 라인에 쉽게 삽입될 수 있는 환형흐름 초음속 인라인 기체/액체 혼합기의 제공에 의해 달성되며, 여기에서 액체중의 향상된 기체 분산을 달성하는 것이 바람직하다. 이러한 인라인 혼합기는 이미 개발된 기체/액체 혼합기와 연관된 가공 제한을 극복하며, 여기에서 발전된 기체/액체 초음속 흐름의 속도 분포형은 벤튜리 장치의 직경을 가로지르는 고도의 비선형이다. 키요나가 등 및 쳉의 특허에 대해 상기 언급된 벤튜리 유형의 통상적인 인라인 스트리퍼에서는, 기체/액체 혼합물이 이 기제/액체 혼합물에서의 이론적 음속흐름 보다 훨씬 높은 평균속도를 가질 수 있다 하더라도, 벤튜리의 목부분에서 직경을 가로지르는 유속 분포형의 중심에서 흐름 중심단지 소부분만이 사실상 초음속이다. 벤튜리의 벽에 더 가까운 부분은 이음속으로 유지되는 점성층이다. 사용되는 특별한 기체/액체 비에 의존하여, 공기/물 혼합물 중의 음속은 예를 들어, 1초당 약20m 정도일 수 있다. 본 발명의 원뿔형 인라인 혼합기의 사용에 의해, 속도 분포형은 인라인 혼합기의 콘과 파이프 또는 다른 라인의 벽 사이의 얇은 층을 통해 평평해지고, 동시에 액체 흐름에 대한 전체 최소 단면적은 상기 언급된 이미 개발된 인라인스트리퍼에서와 똑같이 유지된다. 이 효과는 흐름 중 거의 대부분이 초음속 범위내에 있도록 해주며, 이것은 액체중의 바람직한 기체분산을 증진시키기 위해 필요한 기체/액체 혼합물내의 충격파를 생성하기 위해 필요하다.
대표적인 원뿔형 인라인 혼합기는 제1도에 도해되었고, 여기에서 번호(1)은 원뿔형 인라인 혼합기(2)가 쉽게 삽입될 수 있는 파이프를 나타낸다. 이러한 원뿔형 혼합기(2)는 하류방향으로 위치한 확대된 부분 (4)를 갖는 콘(3), 및 여기에 부착되고 이에 상응하여 확대된 중간부분(7)에서 콘의 확대된 부분과 접하여 위치한 확대된 단면(6)을 갖는 혼합콘(5)를 포함한다. 지지링(8)및 (9)는 파이프(1)내에 원뿔형 혼합기를 배치시키기위해 사용된다. 일반적으로 번호(10)으로 표시된 기체/액체 혼합물은 기포/액체 혼합물에서의 음속보다 낮은 유속으로 콘(3)의 방향으로 파이프를 통해 통과한다. 이러한 혼합물은 이것이 가장 큰 직경에서의 콘(3)과 파이프(1)의 벽 사이의 환형 오프닝(11)의 얇은 층을 통해 통과함에 따라 초음속으로 가속된다. 상기 기체의 분산이 증진된 액체흐름(12)는 파이프(1)의 하류 말단에서 회수된다.
환형 오프닝(11)은 비교 벤튜리형 기체/액체 혼합기에서 달성되는 것보다 더 큰 기체 스트리핑, 기체용해 또는 다른 기체/액체 혼합 속도가 달성될 수 있게 하는 것으로 발견되었다. 본 발명은 약3인치 보다 더 큰 파이프 시스템에서와 같이, 높은 액체 속도를 사용하는 대형 시스템에 사용하기에 특히 적합하다. 이러한 대형에서는 소형시스템에서와 같이, 시스템을 밀폐하려는 슬러리를 포함하는 액체의 경향이 두드러진다. 본 발명의 원뿔형 인라이너 혼합기는 또한 이러한 대형 시스템에서 조립하기에 경제적이다.
본 발명의 바람직한 구현에서, 매우 큰 매스전달 표면적으로 갖는 미세 기포는 2개의 연속 음속 충격파의 결과로 생성된다. 제1음속 충격파는 기체가 음속으로 액체 흐름에 유입되는 경우에 생성된다. 제2충격파는 기체와 액체 혼합물이 환형 오프닝(11)에서 기체/액체 혼합물에서의 음속보다 더 높은 속도로 가속된 후 이것이 전체 원뿔형 인라인 혼합기(2)의 콘(5) 부분을 통해 통과함에 따라 아음속으로 감소되는 경우 생성된다. 초기 충격파에 대해서, 흐름수단(13)은 번호(14)로 표시된 액체를 상기 혼합기(2)의 방향으로 파이프(1)을 통해 흐르게할 수 있도록 제공되며, 이때 기체 공급원(15)로 부터 기체가 상기 음속으로 기체 유입기(16)을 통해 흐름 수단에 유입되어 원하는 기포/액체 생성물이 생성된다.
첨부한 특허청구의 범위에 설명된 바와 같이 본 발명의 범위를 벗어나지 않고 본 발명의 상세한 설명으로 여러 변화 및 변형이 이루어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 하나의 다른 구현에서는, 환형 오프닝(11)은 제2도에 도해된 바와 같이 콘(3)및 (5)중의 일련의 구멍에 의해 보충되거나 또는 교체될 수있다. 이 구현에서는, 콘(3)및 (5)는 각각 확대된 부분(4)및 (6)에서 오프닝 또는 구멍(17)및 (18)을 일치시키는 것으로 나타난다. 제1도에 나타낸 매끄러운 원뿔형 혼합기의 배열 뿐만 아니라, 상기 배열은 기체/액체 혼합물에 대한 총 오프닝 영역이 이 배열을 유지하는 한은, 벤튜리형 인라인 스트리퍼에 대해 비교할 수 있는 압력 강하로 높은 매스 전달 속도를 제공할 것이다. 이에 대해서, 본 발명의 이중콘 배열이 기체/액체 혼합 작업과 관련한 압력강하를 감소 또는 최소화시키기 위해 필요하다는 것을 알아야 한다. 따라서, 기체/액체 혼합물은 콘(3)과 접촉시에 초음파속으로 가속될 수 있고 하류 콘(5)의 부재하에 빠른 팽창 및 빠른 감속으로, 그러나 과도하게 큰 압력 강하 및 에너지 손실을 가지고 환형 오프닝(11)을 통해 통과할 수 있다. 이러한 비바람직한 조건은 상기 콘(5)의 사용에 의해 발생된다. 콘(5)의 형태가 콘(3)의 형태와 같거나 또는 다를 수 있다는 것이 이해될 것이다. 확대된 부분(4)및 (6)에서 실제로 똑같은 직경을 갖는 것과는 달리, 대표적으로 하류 콘(5)가 일반적으로 콘의 끝부분 까지 상류 콘(3)에 대해 사용되는 것 보다 더 작은 각의 수렴으로, 더 길게 만들어질 것이라는 점에서 다를것이다. 이러한 배열은 공정으로 부터의 압력회수를 증진시키기 때문에 바람직하다. 비교적 짧고 더 큰 각의 콘이 하류 콘(5)를 위해 사용된다면, 원뿔형 인라인 혼합기를 가로지르면서 더 큰 압력강하가 일어날 것이다. 당업자들은 본 발명의 원뿔형 인라인 혼합기가 수행되는 특별한 기체/액체 혼합, 액체, 또는 액체가 유동기류 내로 유입되는 유사한 구현에서의 기체가 통과하는 라인의 크기, 적용할 수 있는 작업조건 등에 의존하여 변할 것이다 라는 것을 인지할 것이다.
본 발명의 실시의 설명예에서는, 본 발명의 원뿔형 인라인 혼합기는 24.5℃의 온도에서 1분당 3갈론의 유속으로 0.825" 내부 직경 라인을 통해 흐르는 물로 부터 용해된 성분, 즉 산소의 스트리핑을 위해 사용된다. 질소는 스트리핑 기체로서 사용된다. 비교를 목적으로 사용된 벤튜리형 인라인 혼합기와 실제로 똑같은 총 오프닝 면적을 갖는 환형 오프닝(11)을 갖는, 제1도에 도해된 바와 같은 원뿔형 인라인 혼합기가 사용된다. 원뿔형 혼합기는 21°의 각으로 배열되고 1.71"의 길이를 갖는 0.803"의 확대된 부분을 갖는 콘(3), 및 15°의 각으로 배열되고 2.41"의 길이를 갖는 똑같은 확대된 부분을 갖는 콘(5)및 0.191" 길이의 확대된 중간부분(7)로 이루어진다. 25% 이상 까지의 매스전달 속도의 상당한 개선은 벤튜리형 인라인 혼합기를 사용하여 얻어지는 결과와 비교하여 본 발명의 완형 유동 원뿔형 인라인 스트리퍼를 사용하여 얻어진다. 약 0.5scfm.이하의 질소흐름 속도를 사용하는 흐름에서, 산소의 부분적 감소에서의 개선은 비교 벤튜리 형의 인라인 스트리퍼를 사용하여 얻어지는 결과와 비교하여 환형 흐름인라인 스트리퍼의 사용으로 일관되게 일어나는 것으로 발견되었다. 본 원에 언급된 바와 같이, 용어 "부분적 감소"는 인라인 스트리퍼의 상류에 있는 성분의 초기농도, 이 경우에는 산소의 초기 농도에서 인라인 스트리퍼의 바로 하류 위치에서의 상기 성분의 농도를 뺀 후 상기 초기 농도로 나눈 비를 의미한다. 약 0.1scfm의 질소 흐름 속도에서, 부분적 감소는 벤튜리에 대해 약 0.3이고 본 발명의 원뿔형 스트리퍼에 대해 약 0.4이다. 약 0.2scfm 의 흐름속도에서, 부분적 감소는 벤튜리에 대해 약 0.5이고 원뿔형 스트리퍼에 대해 약 0.56이다. 약 0.3scfm 의 흐름속도에서, 부분적 감소는 벤튜리에 대해 약 0.62로 증가하고, 원뿔형 혼합기에 대해 약 0.7로 증가했다. 약 0.45scfm 의 질소에서는, 부분적 감소는 벤튜리에 대해 약 0.72에 달하고 원뿔형 혼합기에 대해 약 0.8까지 달했다. 기체/액체 분산에서의 이러한 일관된 개선 및 매스 전달속도에서 결과된 개선은 스트리핑 분야에서 매우 바람직한 향상을 나타내며, 이러한 바람직한 결과는 적합한 압력 회수 수준으로 얻어진다.
본 발명은 쉽게 조립되는 부가적 장점을 갖고, 기체/액체 분산 작업에서의 그 응용에 대해 어떠한 특별한 파이프 변형도 필요로 하지 않는다. 본 발명의 원뿔형 인라인 혼합기와 연관된 장치 비용은 실제로, 벤튜리형장치의 조립에 필요한 비용보다 적다. 상기 제시된 바와 같이, 슬러리는 특히 슬러리가 고농도의 고체를 함유하는 경우, 명명 응용에서 혼합기의 고장을 유발할 수 있다. 따라서, 이러한 이유로 원뿔형 인라인 혼합기는 슬러리 가공이 수반될때 대형 파이프 라인에서, 예를 들어 상기 제시된 바와 같이, 약 3" 이상의 직경을 갖는 라인에서 유용한 것으로 발견된다. 본 발명의 액체에 기체를 용해시키기 위해서, 뿐만 아나라 액체 또는 슬러리 형태로 이용할 수 있는 유기화학 약품 또는 다른 재료의 산화 또는 수소화와 같은 실제 기체/액체 반응을 위해, 기체 스트리핑 특성의 바람직한 기체/액체 혼합 가공에 사용될 수 있다는 것이 인지될 것이다. 모든 이러한 가공으로 그리고 바람직한 압력회수에 의해, 본 발명의 원뿔형 혼합기는 액체내로의 기체의 분산을 향상시킬 수 있고, 매우 미세한 기포와 액체 사이의 향상된 매스전달을 제공할 수 있다. 결과로서, 본 발명은 실제로 광범위한 기체/액체 분산, 공업적으로 상당한 기체/액체 용매, 또는 액체흐름에 합류하거나 용해된 기체의 바람직한 제거 또는 본 발명에 따라 처리되는 액체흐름의 휘발성 액체성분의 바람직한 제거를 포함하는 기체 스트리핑 가공을 포함하는 스트리핑 또는 반응 응용을 위한 향상된 시스템 및 방법을 제공한다.

Claims (3)

  1. (a)기체와 액체가 혼합되는 흐름라인; (b)상기 흐름라인을 통해 혼합하려는 유체 중 하나를 통과시키기 위한 흐름수단; (c)기포/액체 혼합물을 형성하기 위해 기체와 액체의 바람직한 혼합물을 위한 나머지 유체를 상기 흐름라인 내로 유입시키기 위한 유입수단;및 (d)상기 기포/액체 혼합물이 형성되는 지점의 상기 흐름라인 하류에 위치한 원뿔형 인라인 혼합기로 구성되는, 액체중에 기체를 분산시키기 위한 개선된 시스템으로서, 상기 원뿔형 인라인 혼합기는 하류 방향으로 위치한 확대된 부분을 갖는 제1콘, 및 제2콘의 확대된 부분에 인접한 확대된 부분 및 하향으로 위치한 뾰족한 끝부분을 갖는 제2콘으로 이루어지고, 상기 콘들의 확대된 단면은 실제로 똑같은 직경을 갖고 혼합기의 확대된 중간부를 형성하고, 상기 확대된 중간부는 이 확대된 중간부와 상기 흐름라인의 벽사이에 환형 오프닝을 제공할 정도이고, 상기 환영 오프닝은 기포/액체 혼합물의 유속의 높은 비율을 초음속 부근까지 가속시키고, 이어서 원뿔형 혼합기의 상기 제2콘 부분을 통해 통과할때 아음속까지 유속을 감속시키도록 개조되며, 원뿔형 혼합기의 이러한 가속-감속 작용이 액체중의 기포의 미세분산을 야기시키는 음속 충격파를 발생시키는 역할을 함을 특징으로 하는 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제2콘 부분이 상기 제1콘 부분보다 더 길고, 뽀족한 끝부분에 대해 더 작은 수렴각을 갖는 것을 특징으로 하는 시스템.
  3. (a)상기 기체와 액체를 조합시켜서 흐름라인에서 상기 기포/액체 혼합물중의 음속보다 작은 속도를 갖는 기포/액체 혼합물을 형성시키고, (b)하류방향으로 위치한 확대된 부분을 갖는 제1콘 부분 및 제1콘 부분의 확대된 부분과 인접한 확대된 부분 및 하류에 위치한 뾰족한 끝부분을 갖는 제2콘으로 구성된 원뿔형 인라인 혼합기와 접촉시키며 상기 기포/액체 혼합물을 통과시키고(혼합기의 상기 콘 부분은 실제로 똑같은 직경이고 혼합기의 확대된 중간 부분을 형성하고, 이 확대된 부분은 상기 확대된 중간 부분과 상기 흐름라인의 벽사이에 환형 오프닝을 제공할 정도이고, 상기 환형 오프닝은 기포/액체 혼합물의 유속의 높은 비율을 이것의 초음속 부근까지 가속시키고 이어서 원뿔형 혼합기의 상기 콘 부분을 통한 통과시에 아음속 범위까지 유속을 감속시키도록 개조되고, 원뿔형 혼합기의 이러한 가속-감속 작용은 액체중의 기포의 미세분산을 야기시키는 음속 충격파 효과를 발생시키기 위해 사용됨; (c)액체중의 기포의 미세분산액을 흐름라인의 하류부분으로 부터 빼내는 것으로 이루어지는, 액체중의 기체의 분산을 위한 개선된 방법.
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