KR960006214B1 - 인-라인 기체/액체 분산장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

내용 없음.

Description

인-라인 기체/액체 분산장치 및 방법
제 1 도는 본 발명의 기체/액체 분산장치의 바람직한 구현예를 나타내는 측면 부분 단면도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
2 : 제 1 흐름도관 3 : 벤투리
4 : 직경 수렴부분 5 : 목부분
6 : 직경 발산부분 7 : 원뿔형 혼합기
8 : 제 2 원뿔부 9 : 제 1 원뿔부
10 : 지지관 11 : 안정화부재
12 : 지지 및 조절부재 15 : 제 2 흐름도관
16 : 분사수단 18 : 환형 개구부
19 : 흐름라인
본 발명은 기체와 액체의 혼합장치 및 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명은 액체 중에 기체의 분산을 개선시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
액체 중에 기체의 분산은 광범위한 산업적 조작의 중요한 특징이다. 따라서, 대량의 기체 용해, 기체-액체 반응 및 용해된 기체의 기체 스트리핑에 응용하기 위해 액체중에 기체를 분산시킨다. 기체가 액체 중에 매우 작은 기포 형태로 좀더 미세하게 분산될수록 기체와 액체 사이의 계면적은 액체와 더 큰 기포 형태의 기체 사이의 계면적에 비해 상당히 증가된다. 또한, 기체와 액체 사이의 계면적의 증가는 기포로부터 액체내로의 기체의 물질(mass) 전달을 증가시키고, 액체로부터 기포로의 용해된 기체의 물질전달을 증가시키는것으로 공지되어 있다. 따라서, 훨씬 더 큰 계면적을 제공함으로써 기체의 용해, 기체 스트립핑 및 기체상과 액체상 물질들 사이의 기체 반응이 개선될 것이다.
액체 중에 분산된 기포의 크기를 감소시키기 위해 음속 충격파를 사용하는 것이 당분야에 공지되어 있다. 특히 가레트(Garrett)의 미합중국 특허 제4,639,340호에는, 특히 폐수 중에 산소를 용해시키기 위한 구체적인 기술이 개시되어 있다. 상기 기술에 따라 산소가 폐수흐름 중에 균일하게 분산된 후 와류조건에 노출되고 벤투리로 통과되어, 기체-액체 혼합물 중에서 음속 이상의 유속으로 가속된다. 이에 의해 음속 충격파가 발생되고 산소의 비교적 큰 기포가 음속 충격파로부티 유발되는 와류에 의해 보다 작은 기포로 전단된다.
키요나가(Kiyonaga) 등의 미합중국 특허 제4,867,918호에는 초음속 흐름속도를 발생시키고, 계속해서 음속 이하로 감속시키기 위해 사용된 벤추리 또는 다른 흐름조절수단에 근접하여 기체와 액체를 조합하는 것으로 이루어진 개량방법이 기재되어 있다. 쳉(Cheng)의 미합중국 특허 제4,861,352호에는 벤투리를 사용하고, 스트리핑 기체 또는 중기/액체 조성물 중 최소한 일부분을 조성물에 대해 초음속으로 가속화시킬 수 있는 인라인(in-line) 스트리핑법이 기재되어 있다. 또 다른 개선점으로, 챙의 미합중국 특허 제4,931,225호에는 액체 중에 기체 또는 증기를 분산시키기 위한 방법 및 장치가 기술되어 있으여, 여기에서 기체 또는 증기는 접촉시에 상기 기체 또는 증기의 최소한 일부에 대해 음속인 선속도에서 액체내로 주입되며, 액체 및상기 기체 또는 증기로 이루어진 조성물은 최소한 음속인 선속도로 흐르게 되는 조성물의 최소한 일부분과 병류로 흐르게 된다.
이러한 유용한 개선점에도 불구하고, 액체 중에서 기체의 분산을 증가시키기 위해 당분야에서는 더 이상의 개발이 여전히 필요하고 요구되고 있다. 이러한 요건은 통상적으로 기체-액체 가공처리 작업에 관한 것이며, 산업적 가공처리 작업을 개선시키기 위해 당분야에 계속되는 요구, 및 그와 관련한 장비설치 비용의 감소에 관한 것이다. 또한, 당분야에서의 현행의 실시를 개선시키기 위해 공업용 기체가 현재 사용되고 있거나 사용될 수 있는 광범위한 상업적 용도에 산소, 질소 및 다른 공업용 기체들을 보다 효과적으로 사용하는 것이 통상적으로 당분야에 요구된다. 특히, 광범위한 기체/액체 혼합 응용 및 작업조건과 더불어 사용하는데에 개선된 융통성을 갖는 인라인 기체-액체 혼합기가 당분야에서 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 액체 중에 기체를 분산시키기 위한 개선된 방법 및 장치를 제공하는 것이다
본 발명의 다른 목적은, 기체와 액체 사이의 물질전달을 향상시키기 위해 기체와 기체가 분산되는 액체사이의 계면적을 증가시키기 위한 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은, 기체-액체 분산작업의 효율을 향상시킬 수 있으며 다양한 기체/액체 혼합 응용 및 작업조건에 관해 작업 융통성을 제공할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
상기의 제반 목적을 고려하여, 본 발명을 이하에 상세히 설명하기로 하여, 본 발명의 신규한 특징은 첨부된 특허청구의 범위에 기재하였다.
액체 중에서의 기체의 개선된 분산 및 원하는 작업 융통성은 기체/액체 혼합물을 초음속으로 가속화시키기 위해 벤투리 장치와 더불어 조정가능한 원뿔형 혼합기를 사용함으로써 달성된다.
이하에서는, 본 발명의 기체/액체 분산장치의 한 구현에 따른 측면 부분 단면도를 도시한, 본 명세서에 첨부된 1개의 도면을 참조로 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
본 발명의 일면은, 다양한 기체/액체 분산조작을 위한 조작조건하에서 기포/액체 분산을 증강시키는 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 구현에 따른 바람직한 인-라인 기체/액체 분산장치는 다음과 같은 부속장치들로 구성된다.1
(a) 상기 기체 및 액체를 혼합시키는 흐름라인(19) ;
(b) 혼합시키려는 유체중 제 1 유체를 상기 흐름라인(19)을 통해 통과시키는 제 1 흐름도관(2) ;
(c) 기체/액체의 목적 혼합물을 형성시키기 위해 제 2 유체를 제 2 흐름도관(15)을 거쳐서 상기 흐름라인(19)내로 분사하여 기포/액체 혼합물을 형성시키는 분사수단(16) ;
(d) 상기 흐름라인(19)에서 상기 기포/액체 혼합물이 형성되는 지점의 하류에 위치하며, 직경 수렴부분(4), 가장 작은 직경을 갖는 목부분(5), 및 하류 방향으로 갈수록 직경이 증가하는 직경 발산부분(6)으로 이루어진 벤투리 장치(3) ;
(e) 상기 기포/액체 혼합물이 형성되는 지정의 흐름라인 하류속에 위치하고 있고, 상기 벤투리의 직경 수렴부(4)내에서 하류 방향으로 갈수록 단면이 확대되는 제 1 원뿔부(9) ; 및 확대 단면부가 상기 제 1 원뿔부의 확대 단면부에 인접하고 첨단부가 상기 벤투리의 직경 수렴부(4)의 하류에 위치하는 제 2 원뿔부(8)로 이루어진 원뿔형 인-라인 혼합기(7)로서, 혼합기의 상기 제 1 및 제 2 원뿔부(9,8)들의 확대 단면부들은 직경이 동일하고, 상기 제 2 원뿔부(8)는 벤투리 장치(3)의 직경-수렴부(4)의 벽과 함께 기포/액체 혼합물을 벤투리 장치의 목부분(5)에 통과시키기 위한 환형 개구부(18)를 형성할 수 있도록 위치하고 있고, 이러한 통과를 위한 상기 환형 개구부(18)는 상기 혼합물 중 유속이 높은 부분의 속도를 초음속으로까지 가속시킨 다음, 벤투리 장치(3)의 직경-발산부(6) 또는 목부분(5)에서 상기 유속을 초음속 이하로 감속시킬 수 있도록 되어 있으며, 상기 벤투리 장치(3)-원뿔형 인-라인 혼합기(7)의 상기 가속-감속 작용이 음속 충격파 효과를 발생시켜서 결과적으로 액체 중에 기포의 미세한 분산을 초래하도록 되어 있으며, 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7)는 벤투리(3)의 직경-수렴부(4)와 원뿔형 혼합기(7)의 제 2 원뿔부(8) 사이의 환형 개구부(18)를 조절하기 위해 상기 벤투리(3)내의 폐쇄위치로부터 원하는 거리에 위치하도록 조정할 수 있게 되어 있는, 원뿔형 인-라인 혼합기(7) ; 및
(f) 상기 흐름라인(19)내에서 상기 원뿔형 혼합기(7)의 위치를 지지 및 조절하는 수단(12).
본 발명의 상기 장치에 있어서, 상기 흐름도관(2,15)은 흐름라인(19)을 거쳐 액체를 통과시키는 수단이고, 상기 분사수단(16)은 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7) 및 이것의 하류에 있는 벤투리 장치(3)의 방향으로 상기 흐름라인(19)을 통과하는 액체(제 1 유체)내에 기체(제 2 유체)를 분사하는 수단이다.
본 발명의 다른 일면은, 기체를 액체에 분산시키는 방법에 관한 것으로서,
(a) 기체 및 액체를 조합시켜서 흐름라인(19)내에서 유속이 음속 이하인 기포/액체 혼합물을 형성하는단계 ;
(b) 상기 기포/액체 혼합물을 상기 흐름라인(19)내에 위치하고 있는 벤투리 장치(3) 및 원뿔형 인-라인혼합기(7)의 조합체와 접촉하도록 통과시키는 단계 ; 이때 본 단계를 수행하기 위한 상기 조합체에 있어서, 상기 벤투리 장치(3)는 직경 수렴부분(4), 가장 작은 직경을 갖는 목부분(5), 및 하류 방향으로 갈수록 직경이 증가하는 직경 발산부분(6)으로 이루어지고 ; 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7)는 상기 기포/액체 혼합물이 형성되는 지점의 흐름라인 하류에 위치하고 있고, 상기 벤투리 장치(3)의 직경 수렴부(4)내에서 하류 방향으로 갈수록 단면이 확대되는 제 1 원뿔부(9), 및 확대 단면부가 상기 제 1 원뿔부(9)의 확대 단면부에 인접하고 첨단부가 상기 벤투리(3)의 직경 수렴부(4)의 하류에 위치하는 제 2 원뿔부(8)로 이루어져 있으여, 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7)의 상기 제 1 및 제2 원뿔부(9,8)들의 확대 단면부들은 직경이 동일하고, 상기 제 2 원뿔부(8)는 벤투리 장치(3)의 직경-수렴부(4)의 벽과 함께 기포/액체 혼합물을 벤투리 장치(3)의 목부분(5)에 통과시키기 위한 환형 개구부(18)를 형성할 수 있도록 위치하고 있으며, 이러한 통과를 위한 상기 환형 개구부(18)는 상기 혼합물 중 유속이 높은 부분의 속도를 초음속으로까지 가속시킨 다음, 벤투리장치(3)의 직경-발산부(6) 또는 목부분(5)에서 상기 유속을 초음속 이하로 감속시킬 수 있도록 되어 있고, 상기 벤투리 장치(3)-원뿔형 인一라인 혼합기(7)의 상기 가속-감속 작용이 음속 층격파 효과를 발생시켜서 결과적으로 액체 중에 기포의 미세한 분산을 초래하도록 되어 있으며, 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7)는 벤투리(3)의 직경-수렴부(4)와 원뿔형 혼합기(7)의 제 2 원뿔부(8) 사이의 환형 개구부(18)의 크기를 조절하기 위해 상기 벤투리(3)내의 폐쇄 위치로부터 원하는 거리에 위치하도록 조정할 수 있게 되어 있다 ; 및
(c) 상기 벤투리 장치(3)의 직경 발산부분(6)의 하류에 있는 흐름라인(19)에 기포/액체 분산액을 통과시키는 단계를 수행하여, 다양한 기체/액체 분산조작을 위한 조작조건하에서 기포/액체 분산을 증강시키는 인-라인 기체/액체 분산방법에 관한 것이다.
본 발명의 상기 방법에서는, 제 1 유체내에서 제 2 유체를 음속으로 분사하여 최초의 음속 충격파를 발생시켜서, 상기 벤투리 장치(3)-원뿔형 혼합기(7)에서 상기 최초의 충격파 및 음속 충격파가 발생된 결과로서 액체내에 미세한 기포가 균질하게 분산되고, 상기 기포/액체 혼합물내의 연속적인 음속 충격파의 결과로서 매우 높은 물질전달 표면적이 형성되도록 한다.
본 발명의 목적은, 전술한 바와 같이 벤투리(venturi) 유형의 기체/액체 혼합장치를 사용함과 동시에 이와 결부하여, 속도 특성 및 압력 강하를 조절하기 위해 조정가능한 인-라인(in-line) 원뿔형 혼합기를 사용함으로써 달성된다. 이러한 속도 특성 및 압력 강하를 조절함으로써, 당해 기술분야에서 특정 기체/액체혼합 작업의 요건에 부합될 수 있도록 액체 중에 기포의 분산을 증강시킬 수 있다.
본 발명의 실시에서 얻어진 분산 증강효과는 기체/액체 혼합물의 흐름을 음속 이하로부터 초음속으로 가속시키고나서 다시 음속 이하의 수준으로 감속시킨 결과로부터 초래된다. 사용된 특정 기체/액체 비율에 따라, 예를 들어 공기/물 혼합물 중에서의 음속은 약 20미터/초의 수준일 수 있다. 벤투리 유형 인-라인 기체/액체 혼합기의 사용시에, 벤투리의 직경-감소 부분이나 목부분은 기체/액체 혼합물의 유속을 흐름도관내의 혼합물이 수렴부분 및 벤투리의 직경-감소 부분에 도달되는 지점의 음속 이하 수준으로부터 초음속으로까지 가속시키도록 되어 있다. 기체/액체 혼합물이 직경-감소 부분으로부터 배출됨에 따라, 상기 혼합물의 속도는 벤투리의 발산부분 및 흐름도관내에서 벤투리의 하류에 있는 흐름도관의 직경에 의해 결정된 음속 이하 범위의 원하는 속도로 감속된다. 벤투리의 직경감소 부분은 유속을 원하는 만큼 증가시킬 뿐만 아니라, 벤투리를 가로질러 압력손실의 증가를 수반한다. 이러한 동력손실의 증가는 전반적인 기체/액체 분산작업의 동력 요구도를 증가시키며, 전반적인 효율 및 비용의 관점에서 바람직하지 않는 것이 일반적이다. 당업자에게 분명하게 인식되는 바로는, 벤투리의 데이퍼 형상 구조는 통상적인 압력조건에서 기체/액체 혼합물내에서의 음속 이상 및 이하로의 원하는 가속-감속을 달성시킴과 동시에, 흐름도관내에 수반되는 압력손실을 최소화시키는 경향이 있다.
기체/액체 혼합율을 벤투리에 의해 상기 혼합물내에서 유속을 초음속 수준으로 가속시키고나서 음속 이하로 감속시킴으로써, 음속 충격파가 생성되어 상기 액체 중에 분산된 매우 높은 물질전달 표면적을 갖는 미세한 기포가 발생된다. 이러한 증강된 기체/액체 분산은 매우 다양한 기체 용해, 기체/액체 반응, 및 미세하게 분산된 기포가 스트리핑 기체로서 작용하는 기체 또는 액체성분 스트리핑 용도에 매우 유용하다. 상기의 모든 응용에 있어서, 상기 기체 및 상기 기체가 분산되는 상기 액체 사이의 증가된 표면적은 상기 기체와 액체 사이의 물질전달을 증강시킨다.
이렇게 해서, 벤투리 유형의 기체/액체 혼합기는 증강된 기체/액체 분산액을 생성하기 위해 매우 바람직한 수단이지만, 광범위하게 다양한 개별적 용도에 적합한 상기 벤투리 장치를 설계하는 것이 어렵다는 것을 인식할 수 있다. 따라서, 이론적 음속은 사용되는 특정 기체 및 액체의 온도, 조작압력 및 열역학적 특성에 따라 가변적인 2-상 흐름 스트림이다. 또한, 펌핑 압력의 이용은 불충분하기 때문에 기체/액체 혼합물의 최적 속도가 확보되어야 하는 것이 통상적이다. 그러나, 각각의 특징 기체/액체의 분산용도에 적합한 벤투리 장치를 경우에 따라 일일이 제조하는 시도는 시간 및 경비가 많이 소요되기 때문에 바람직하지 않거나 실질적이지 못하다.
본 발명의 벤투리-원뿔형 혼합기 조합체는 고정된 속도 특성을 갖는 전형적인 벤투리 장치의 상기 단점을 배제시킬 수 있는 작용을 한다. 본 발명의 인-라인 스트리퍼는 벤투리 장치의 수렴부분에 비교적 큰 벤투리 각도를 사용함과 동시에, 벤투리의 벽과 원뿔형 장치 사이의 환형 개구부를 조절할 수 있도록 조정가능한 원뿔형 장치를 사용하여, 소정의 기체/액체 분산 용도에 대해 유속을 최적화시키고 관련된 압력 강하를 최소화시키도록 되어 있다. 환형 개구부는 벤투리의 목부분으로부터 원뿔형 혼합기의 거리를 변화시킴으로써 조정할 수 있다.
기체/액체 혼합물내에서 음속 충격파를 발생시키기 위한 벤투리 장치의 용도에 있어서, 전개되는 초음속흐름의 속도 특성은 고도의 비-선형인 것으로 밝혀졌다. 따라서, 기체/액체는 이론적 음속 흐름보다 훨씬더 높은 평균 속도를 가지지만, 실질적으로는 속도 분포의 중심 부근의 흐름 중 적은 부분만이 초음속일 수있다. 이러한 경우에, 벤투리 벽 부근의 점성층에서는 음속 이하의 유속이 유지된다. 본 발명을 실시하는데 있어서, 인-라인 원뿔형 혼합기를 벤투리와 조합하여 사용함으로써, 상기 조합된 장치를 통과하는 속도 분포는 원뿔형 혼합기와 벤투리의 수렴부분 사이에 헝성된 상기 환형 개구부의 단면 전체에 걸쳐서 고르게 유지된다. 이는 상기 흐름 중의 대부분이 초음속 범위에 있게 한다. 기체/액체 혼합물이 초음속으로 흐르다가 벤투리의 직경 발산부분 및/또는 목부분에서 음속 이하로 유속이 감속되면, 상기 혼합물내에서 음속 층격파가 발생되어 상기 액체 중에 분산된 미세한 기포의 형성이 증강된다.
도면에 도시한 본 발명의 예시적 구현에서, 부호(1)로 도시한 제 1 유체, 즉 액체의 흐름은 흐름도관(2)을통해 수렴부분(4), 목부분(5) 및 발산부분(6)이 구비된 벤투리(3)내를 통과하게 된다. 이때, 원뿔형 혼합기(7)는 자체의 원뿔(8)이 상기 수렴부분(4)에 위치하고 있는데, 상기 원뿔의 확대 단면부는 상류 방향으로 위치하고 있고, 상기 원뿔의 첨단부는 하류 방향으로 위치하여, 벤투리의 목부분(5)으로 접근하고 그 안으로 연장된다. 원뿔형 혼합기의 다른 원뿔(9)은 상기 원뿔(8)의 확대 단면부에 인접한 확대 단면부를 하류 방향으로 위치시키고 상류 방향으로는 첨단부가 위치하도록 배치되어 있다. 원뿔(8)의 하류 단부에 있는 지지관(10)은 벤투리의 발산부분(6)을 통해 연장되어 있고, 안정화 부재(11)내에 활주(sliding) 방식으로 위치하여, 상기 안정화 부재는 편의상 상기 지지관(10)의 정위를 위한 테플론 중심 링(ring)을 구비하는 금속부재로 이루어진다.
또한, 원뿔형 혼합기(7)는 외부관(13)에 고정된 지지부재(12)에 의해 지지되고, 상기 의부관(13)은 본체부재(14)를 통해 상류 방향으로부터 연장되고 그 내부에 기체 분사관(15)을 포함하고 있으며, 상기 기체 분사관(15)의 하류 단부에 위치한 분사수단(16), 즉 분사노즐은 상기 원뿔(9)의 근처에 있게 되도록 위치한다. 상기 기체 분사관(15)은 하류 방향으로 연장되고, 부호(17)로 나타낸 기체 스트림이 연통하게 된다.
외부관(13), 그리고 벤투리(3)를 기준으로 상기 원뿔형 혼합기의 거리와 위치를 조작하는 지지 및 조절부재(12)의 배치는 수작업 또는 예컨대 나사 스크루우 부재 등과 같은 기계적 수단을 사용하여 용이하게 조정할 수 있으여, 통상의 니들밸브 방식일 수도 있다. 벤투리 수렴부분(4)의 벽은 전형적으로 벤투리의 수평중심선에 대해 약 15의 각도로 배치됨을 숙지해야 한다. 그러나, 본 발명의 실시에 있어서, 벤투리는 상기각도보다 어느 정도 더 큰 각, 극 20로 배치되고, 원뿔(8)의 표면은 상기 수평 중심선에 대해 전형적으로약 5의 각도로 배치됨으로써, 상기 벤투리의 수렴부분(4)의 벽과 원뿔(8) 사이에 약 15의 환형 개구부(18)가 제공된다. 상기 지지 및 조절부재(12)를 사용하여 상기 원뿔형 혼합기(7)를 벤투리(3)의 목부분(5)에 더 가까이 또는 더 멀리 이동시킴으로써, 본 발명의 벤투리(3)-원뿔형 혼합기(7) 조합체를 통해 상류에서 형성된 액체 스트림(1) 및 기체 스트림(16)의 혼합물의 통과와 관련된 속도 분포형 및 압력 강하를 조정하는 것은 당해 기술분야에서 특정 기체분산 용도의 요건에 부합되도록 조정할 수 있다. 벤투리의 수렴부분을 거쳐 기체/액체 혼합물을 통과시키기 위한 환형 개구부는 단순히 원뿔형 혼합기를 벤투리로부터 멀리 이동시킴으로써 용이하게 세척할 수 있다. 상기 원뿔형 혼합기는 또한 압력조질장치에 연결됨으로써 모터구동될 수 있음을 숙지해야 한다. 이러한 모터구동은, 예를 들면 폴리올 및 중합반응에서와 같이, 반응과정 중에 기체/액체 혼합물의 점도가 10 내지 수천 센티포아즈 범위에서 가변적인 특정 용도에 있어서 매우 바람직할수 있다.
전술한 바와 같이, 본 발명은 액체내에 기체의 분산을 증강시켜야 할 광범위한 조작에 사용될 수 있다.기체가 스트리핑(stripping) 기체로 사용되는 용도에 있어서, 본 발명은 액체로부터, 상기 액체 중에 함유된 기체, 그 안에 용해된 기체, 또는 특정 액체 스트림 중의 휘발성 액체성분을 스트리핑 하는데에 용이하게 사용될 수 있다. 본 발명의 예시적 실시예에서는, 본 발명의 조합형 벤투리-원뿔형 혼합기를 수돗물로부터 용존 산소를 한 번에 스트리핑 및 제거하기 위해 사용함으로써 증강된 기체/액체 분산효과가 달성된다. 스트리핑 기체는 0.65scfm의 본사속도로 사용되는 질소이다. 수돗물은 13.6 내지 14.2℃의 온도에서 10gpm의 유속으로 1.5인치 직경의 흐름라인을 통과한다. 사용되는 벤투리는 수렴부분이 15의 각도를 이루도록 구성되고, 발산부분은 이보다 작은 각도로 보다 더 길게 형성되어 본 발명의 장치중에서 압력손실을 최소화할 수 있도록 되어 있다. 원뿔형 혼합기(7)의 하류 원뿔(8)의 첨단부는 벤투리내의 폐쇄부로부터 약 0.2인치 내지 약 1.7인치의 거리에, 즉 원뿔형 혼합기가 기체/액체 혼합율이 벤투리를 통과할 수 있도록 하는데에 초과량의 펌핑 동력이 필요할 정도로까지 벤투리로 흐르는 유체의 흐름을 폐쇄시키는 지점으로부터 약 0.2인치 내지 약 1.7인치의 거리에 위치한다. 스트리핑 효율은 수돗물(tap water)내 산소 분획의 감소에 의해 측정된다. 본원에서 사용된 "분획감소"란 용어는, 본 발명의 혼합장치의 상류의 수돗물내의 산소농도로부터 상기 혼합장치의 바로 하류의 위치에서의 농도를 뺀 값을 상기 상류의 농도값으로 나눈 비를 의미한다. 원뿔형 혼합기를 상기 폐쇄위치로부터 0.2인치 거리에 위치시켰을 때 약 0.875의 최적 분획감소가 발생하여, 상기 분획감소는 상기 거리가 약 0.4인치일 때 약 0.8로 감소되고, 약 1인치 거리에서의 0.6으로 감소하여, 원뿔형 혼합기가 상기 폐쇄위치로부터 1,7인치까지 후퇴-이동하게 되면 상기 분별감소는 변화되지 않은 채로 유지된다.
본 발명에 의해 제공되는 조정성능을 요구되는 바에 따라 설명한 다른 예시적 실시예에서는, 본 발명의 조정가능한 벤투리-원뿔형 혼합장치를 사용하여 어떤 액체를 다른 것으로부터, 즉 수분을 지방 에스테르로부터 제거할 수 있다. 2인치 흐름도관내에 본 발명의 조정가능한 인-라인 스트리퍼를 사용하면, 수분이 1,000 내지 3,000ppm으로부터 200ppm 이하까지 감소될 수 있으여, 이러한 작업은 약 102℃ 내지 111℃의 온도에서 3,800갤론의 상기 에스테르를 사용하여 수행된다. 원뿔형 혼합기가 폐쇄위치로부터 1 17/32인치의 거리에 위치하고 유입압력이 49psing이며 액체의 유속이 127gpm이면, 하류의 수분농도에 대한 상류 수분농도의 비는 1.7이고 ; 상기 원뿔형 혼합기가 폐쇄위치로부터 1 11/32인치의 거리에 위치하고 유입압력이 50psing이여 액체의 유속이 141gpm이면, 상기 농도비는 2.7까지 증가한다. 원뿔형 혼합기가 25/32인치 거리에서 위치하고 유입압력이 55psing이여 액체 유속이 76gpm이면, 상기 농도비는 10.4까지 증가되여, 이는 다양한 작업의 상이한 유속, 압력 및 온도조절에서 원뿔형 혼합기를 벤투리에 좀더 근접하여 위치시켜 수분농도를 현저하게 감소시켰음을 시사하는 것이다.
이러한 실시예들로부터 기체/액체 혼합물을 초음속으로 가속시킨 다음, 벤투리의 발산부분에서 음속 이하로 감속시킬 때에 기체/액체 혼합물내에서 음속 충격파를 생성시킬 수 있도록, 환형 개구부 및 이곳을 통과하여 벤투리로 흐르는 기체/액체 혼합물의 흐름을 조절하는데 사용되는 원뿔 혼합기를 최적 상태로 정위시킬 수 있는 본 발명의 실시에 의해 특징 기체/액체의 분산작업이 증강될 수 있다는 점을 인식할 수 있을 것이다. 이와 같은 본 발명의 조정가능 특성을 사용하는 장점은 상기 구체적 실시예의 스트리핑 용도에만 국한되지 않고, 액체내에 미세한 기포의 분산을 증강시키려는 모든 용도에도 활용될 수 있다. 액체나 슬러리형태로 입수할 수 있는 유기 화합물질 또는 기타의 물질들에 산소나 수소를 첨가하는 방법, 및 양어장 또는다른 실제적 용도를 위해 물속에 산소를 용해시키는 것과 같이 액체내에 기체를 용해시키는 방법은 본 발명의 다른 원하는 용도의 예이다.
본 발명의 바람직한 구현에 있어서는, 기체 및 액체 혼합물에 2개의 연속적인 음속 충격파를 가한 결과로서 매우 높은 물질전달 표면적을 갖는 매우 미세한 기포가 생성된다. 제 1 음속 충격파는 기체/액체 혼합물내에서의 음속을 초과하는 분사속도로 기체를 액체내로 분사시켜서 발생되고, 제 2 음속 충격파는 본원에 기술되고 청구되는 바와 같이, 사용되는 원뿔형 혼합기에 의해 보완된 벤투리 장치내에서 기체/액체 혼합물이 상기 혼합물 중에서의 음속 수준보다 더 높은 속도로 가속화된 후 음속으로 감속될 때 발생된다.
지금까지는 본 발명을 특히 액체 스트림내로 기체를 분사하는 것에 관하여 설명하였으나, 흐르는 기체 스트림내로 액체를 분사하여 본 발명의 벤투리-원뿔형 혼합기를 통과하는 원하는 기체/액체 혼합율에서 액체내의 미세한 기포 분산을 증강시키는 방법도 본 발명의 범위 이내에 있음을 이해해야 할 것이다.
원뿔형 혼합기와 조합시킨 벤투리 장치를 사용하는 본 발명의 환형 흐름 초음속 인-라인 스트리퍼는 특징의 원하는 기체/액체 분산작업에 관련된 어떤 조작조건에 부합될 수 있도록 조절할 수 있으므로, 본 발명의 장치는 다양한 각종 작업에 대한 표준장치로서 용이하게 구입 및 사용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 조정가능한 혼합기는 속도 특성이 고정되어 있고, 실제 산업공정에서 직면하게 되는 여러가지 상이한 작업조건하에서의 다양한 기체/액체 분산용도에 있어서 최적 성능에 대한 요건에 부응할 수 없는 종래의 기타인-라인 혼합장치들 대신에 사용될 수 있는 것이다.

Claims (4)

  1. 기체를 액체내에 분산시키는 장치로서, (a) 상기 기체 및 액체를 혼합시키는 흐름라인(19) ; (b) 혼합시키려는 유체 중 제 1 유체를 상기 흐름라인(19)을 통해 통과시키는 제 1 흐름도관(2) ; (c) 기체/액체의 목적 혼합물을 형성시키기 위해 제 2 유체를 제 2 흐름도관(15)을 거쳐서 상기 흐름라인(19)내로 분사하여 기포/액체 혼합물을 형성시키는 분사수단(16) ; (d) 상기 흐름라인(19)에서 상기 기포/액체 혼합물이 형성되는 지점의 하류에 위치하여, 직경 수렴부분(4), 가장 작은 직경을 갖는 목부분(5), 및 하류 방향으로 갈수록직경이 증가하는 직경 발산부분(6)으로 이루어진 벤투리 장치(3) ; (e) 상기 기포/액체 혼합물이 형성되는 지점의 흐름라인 하류속 위치하고 있고, 상기 벤투리의 직경 수렴부(4)내에서 하류 방향으로 갈수록 단면이 확대되는 제 1 원뿔부(9) ; 및 확대단면부가 상기 제 1 원뿔부의 확대 단면부에 인접하고 첨단부가 상기벤투리의 직경 수렴부(4)의 하류에 위치하는 제 2 원뿔부(8)로 이루어진 원뿔형 인-라인 혼합기(7)로서, 혼합기의 상기 제 1 및 제 2 원뿔부들(9,8)의 확대 단면부들은 직경이 동일하고, 상기 제 2 원뿔부(8)는 벤투리장치(3)의 직경-수렴부(4)의 벽과 함께 기포/액체 혼합물을 벤투리 장치의 목부분(5)에 통과시키기 위한 환형 개구부(18)를 형성할 수 있도록 위치하고 있고, 이러한 통과를 위한 상기 환형 개구부(18)는 상기 혼합물 중 유속이 높은 부분의 속도를 초음속으로까지 가속시킨 다음, 벤투리 장치(3)의 직경-발산부(6) 또는 목부분(5)에서 상기 유속을 초음속 이하로 감속시킬 수 있도록 되어 있으여, 상기 벤투리 장치(3)-원뿔형 인-라인 혼합기(7)의 상기 가속-감속 작용이 음속 충격파 효과를 발생시켜서 결과적으로 액체 중에 기포의 미세한 분산을 초래하도록 되어 있으며, 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7)는 벤투리(3)의 직경-수렴부(4)와 원뿔형 혼합기(7)의 제 2 원뿔부(8) 사이의 환형 개구부(18)를 조절하기 위해 상기 벤투리(3)내의 폐쇄위치로부터 원하는 거리에 위치하도록 조정할 수 있게 되어 있는 원뿔형 인-라인 혼합기(7) ; 및 (f) 상기 흐름라인(19)내에서 상기 원뿔형 혼합기(7)의 위치를 지지 및 조절하는 수단(12)으로 구성되어, 다양한 기체/액체 분산조작을 위한 조작조건하에서 기포/액체 분산을 증강시키는 인-라인 기체/액체 분산장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 흐름도관(2,15)은 흐름라인(19)을 거쳐 액체를 통과시키는 수단이고, 상기 분사수단(16)은 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7) 및 이것의 하류에 있는 벤투리 장치(3)의 방향으로 상기 흐름라인(19)을 통과하는 액채(제 1 유체)내에 기체(제 2 유체)를 분사하는 수단인 것을 특징으로 하는 인-라인기체/액체 분산장치.
  3. 기체를 액체에 분산시키는 방법으로서, (a) 기체 및 액체를 조합시켜서 흐름라인(19)내에서 유속이 음속 이하인 기포/액체 혼합물을 형성하는 단계 ; (b) 상기 기포/액체 혼합물을 상기 흐름라인(19)내에 위치하고 있는 벤투리 장치(3) 및 원뿔형 인-라인 혼합기(7)의 조합체와 접촉하도록 통과시키는 단계 ; 이때, 본 단계를 수행하기 위한 상기 조합체에 있어서, 상기 벤투리 장치(3)는 직경 수렴부분(4), 가장 작은 직경을 갖는 목부분(5), 및 하류 방향으로 갈수록 직경이 증가하는 직경 발산부분(6)으로 이루어지고 ; 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7)는 상기 기포/액체 혼합물이 형성되는 지점의 흐름 라인 하류에 위치하고 있고, 상기 벤투리 장치(3)의 직경 수렴부(4)내에서 하류 방향으로 갈수록 단면이 확대되는 제 1 원뿔부(9), 및 확대단면부가 상기 제 1 원뿔부(9)의 확대 단면부에 인접하고 첨단부가 상기 벤투리(3)의 직경 수렴부(4)의 하류에 위치하는 제 2 원뿔부(8)로 이루어져 있으며, 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7)의 상기 제1 및 제 2 원뿔부들(9,8)의 확대 단면부들은 직경이 동일하고, 상기 제 2 원뿔부(8)는 벤투리 장치(3)의 직경-수렴부(4)의 벽과 함께 기포/액체 혼합물을 벤투리 장치(3)의 목부분(5)에 통과시키기 위한 환형 개구부(18)를 형성할 수 있도록 위치하고 있으며, 이러한 통과를 위한 상기 환형 개구부(18)는 상기 혼합물 중 유속이 높은 부분의 속도를 초음속으로까지 가속시킨 다음, 벤투리 장치(3)의 직경-발산부(6) 또는 목부분(5)에서 상기 유속을 초음속 이하로 감속시킬 수 있도록 되어 있고, 상기 벤투리 장치(3)-원뿔형 인-라인 혼합기(7)의 상기 가속-감속 작용이 음속 충격파 효과를 발생시켜서 결과적으로 액체 중에 기포의 미세한 분산을 초래하도록되어 있으여, 상기 원뿔형 인-라인 혼합기(7)는 벤투리(3)의 직경-수렴부(4)와 원뿔형 혼합기(7)의 제 2 원뿔부(8) 사이의 환형 개구부(18)의 크기를 조절하기 위해 상기 벤투리(3)내의 폐쇄 위치로부터 원하는 거리에 위치하도록 조정할 수 있게 되어 있다; 및 (c) 상기 벤투리 장치(3)의 직경 발산부분(6)의 하류에 있는 흐름라인(19)에 기포/액체 분산액을 통과시키는 단계를 수행하여, 다양한 기체/액체 분산조작을 위한 조작조건하에서 기포/액체 분산을 증강시키는 인-라인 기체/액체 분산방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 제 1 유체내에 제 2 유체를 음속으로 분사하여 최초의 음속 충격파를 발생시켜서, 상기벤투리 장치(3)-원뿔형 혼합기(7)에서 상기 최초의 충격파 및 음속충격파가 발생된 결과로서 액체내에 미세한 기포가 균질하게 분산되고, 상기 기포/액체 혼합물내의 연속적인 음속 충격파의 결과로서 매우 높은 물질전달 표면적이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 인-라인 기체/액체 분산방법.
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