WO2014182142A1 - 용기 내부에 홈이 형성된 교반기 - Google Patents

용기 내부에 홈이 형성된 교반기 Download PDF

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WO2014182142A1
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stirrer
protrusions
container
projections
propeller
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PCT/KR2014/004230
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송영수
홍유식
최준원
임예훈
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LG Chem Ltd
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LG Chem Ltd
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    • B01F27/00—Mixers with rotary stirring devices in fixed receptacles; Kneaders
    • B01F27/27—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices
    • B01F27/272—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces
    • B01F27/2722—Mixers with stator-rotor systems, e.g. with intermeshing teeth or cylinders or having orifices with means for moving the materials to be mixed axially between the surfaces of the rotor and the stator, e.g. the stator rotor system formed by conical or cylindrical surfaces provided with ribs, ridges or grooves on one surface
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    • B01F35/50—Mixing receptacles
    • B01F35/53—Mixing receptacles characterised by the configuration of the interior, e.g. baffles for facilitating the mixing of components
    • B01F35/531—Mixing receptacles characterised by the configuration of the interior, e.g. baffles for facilitating the mixing of components with baffles, plates or bars on the wall or the bottom

Definitions

  • the present invention relates to a stirrer, and more particularly, to a stirrer capable of improving up and down mixing degree by alternately forming a plurality of grooves and protrusions inside the stirrer container.
  • An agitator is a term for a device for stirring and mixing liquid and liquid, liquid and solid, or powder. Depending on the type of agitation, it can be divided into a tank stirrer and a fluid stirrer, most of which are tank stirrers at present.
  • the structure of the tank stirrer is a device for stirring in the tank, and can be classified into various types such as propeller type, orr type, turbine type, and spiral shaft type according to the type of stirring blade.
  • the propeller type is also used for low viscosity liquid stirring or liquids containing solid particles.
  • the lower form is the simplest for low viscosity applications.
  • the turbine type uses centrifugal force and is quite efficient.
  • the spiral shaft type is used for stirring a high viscosity object.
  • the movement of the liquid in the stirrer also has a great influence on the stirring effect, which has various effects depending on the shape of the container, the shape and position of the stirrer, and the presence or absence of a baffle (interference plate).
  • a baffle has a good stirring effect.
  • Household electric washing machines are also one of the agitators.
  • a mobile stirrer is used to pump and mix a fluid by a pump, which is suitable for continuous mixing of low viscosity liquids.
  • the flow generated by the stirrer is generally in the form of being strongly formed in the rotational direction of the stirrer, so that the strength of the up-down flow of the stirring vessel is weaker than that of the rotational flow. Accordingly, the mixing degree in the vertical direction of the stirring vessel shows a low result, there is a form of installing a plate-shaped baffle for improvement.
  • plate baffles there is a region in which the flow velocity is extremely low around the baffles, foreign matters are generated around the baffles, and foreign matters stick to the baffles and the inner structure or the wall of the container. This results in an inconsistent particle shape.
  • the present invention in order to achieve the above object, a plurality of protrusions formed on the inner surface of the stirrer vessel; And a plurality of grooves formed between the plurality of protrusions.
  • the plurality of protrusions may be disposed helically.
  • the cross-sectional shape of the plurality of protrusions may be each independently semi-circle, semi-ellipse or polygon.
  • the plurality of protrusions may be independently inclined based on the vertical surface of the container.
  • the angle formed by the vertical surfaces of the plurality of protrusions and the container may be 10 to 70 degrees.
  • the length of the plurality of protrusions may be 75 to 500% of the length of the container independently.
  • the heights of the plurality of protrusions may be each independently 0.5 to 20% of the diameter of the container.
  • the width of the plurality of protrusions may be independently from 0.5 to 40% of the diameter of the container.
  • the interval of the plurality of projection period may be independently 1 to 160% of the diameter of the container.
  • the width of the plurality of grooves may be 50 to 1000% of the width of the plurality of protrusions.
  • the number of the protrusions may be 2 to 100.
  • the stirrer according to the present invention includes a propeller or an impeller, and the height of the protrusion may gradually increase as the distance from the propeller or the impeller is increased based on the portion close to the propeller or the impeller.
  • the protrusion may be configured in multiple stages at predetermined intervals along the vertical, horizontal or bidirectional directions of the container.
  • the number of stages may be 2 to 10 stages.
  • At least one of the number, shape, angle, length, height, width, and spacing of the protrusions may be different for each stage.
  • the stirrer according to the present invention includes a propeller or an impeller, and the number of protrusions may gradually increase, or the interval between the protrusions may gradually decrease toward the stage away from the propeller or the impeller based on the stage adjacent to the propeller or the impeller.
  • the present invention also provides a method of mixing the materials using the above-described stirrer.
  • the inner groove and the protrusion structure of the stirring vessel proposed by the present invention can improve the degree of mixing in the vertical direction by gradually changing the rotational flow formed by the stirrer to the vertical flow.
  • Up and down mixing degree can be determined by calculating the concentration deviation inside the stirrer generated by mixing the fluid located in the upper and lower initial stirrer over time, if there is no groove in the stirring vessel as shown in FIG. Compared with the result, the concentration variation decreases rapidly, and the result of improving the mixing in the vertical direction can be confirmed.
  • FIG. 1 is a perspective view of a stirrer according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 2 is a graph comparing the concentration standard deviation with time of the grooved stirrer and the grooved stirrer.
  • FIG. 3 is a schematic diagram comparing the speed distribution of a stirrer with a baffle and a stirrer with a groove.
  • stirrer 1 is a perspective view of a stirrer according to an embodiment of the present invention, wherein the stirrer includes a stirrer vessel 10 and a plurality of protrusions 20 formed on an inner surface of the stirrer vessel 10; And a plurality of grooves 30 formed between the plurality of protrusions 20.
  • the stirrer may be provided with a mechanical mixing means including a propeller, an impeller, a turbine, and a motor for driving them, and may be provided with other conventionally installed devices or facilities, the configuration of which is illustrated for simplicity. Omitted in.
  • the stirrer vessel 10 may be made of a material such as metal, plastic, ceramic, and the like.
  • the stirrer vessel 10 may be generally cylindrical as shown, but the shape of the vessel 10 is not limited thereto and may be variously changed as necessary.
  • the protrusion 20 is formed on the inner surface of the container 10, can be manufactured integrally with the container 10, and can also be formed on the container 10 by welding or bonding.
  • the material of the protrusion 20 may be the same as or different from the container 10.
  • the number of the protrusions 20 is not particularly limited, but at least two or more, preferably eight or more may be formed. Although approximately 16 protrusions 20 are formed in the figure, the number of the protrusions 20 is not limited thereto and may be variously adjusted as necessary.
  • the number of the protrusions 20 may be, for example, 2 to 100, preferably 4 to 50, more preferably 8 to 36. If the number of the protrusions 20 is too small, the improvement effect such as up and down mixing may be lowered. On the contrary, if the number of the protrusions 20 is too large, it may not be easy to manufacture and the improvement effect such as up and down mixing may not increase or decrease. have.
  • the cross-sectional shape of the protrusion 20 may be, for example, a semi-circle or semi-ellipse, and may also be a polygon such as a triangle and a rectangle, and various other shapes are possible.
  • the shapes of the protrusions 20 may be formed independently of each other, for example, may be formed by combining a semicircle and a semi-ellipse.
  • Terms such as semi-circle, semi-ellipse, polygon, etc. used in the present invention are not limited to the terms according to the strict geometric definition, and should be interpreted to include a shape that approximates a semi-circle, semi-ellipse, and polygon.
  • the shape of the protrusion 20 is not particularly limited and can be variously formed, but to be distinguished from the existing plate-shaped baffles in shape, and to minimize the deformation of the internal flow form of the agitator, does not generate a flow stagnation zone,
  • a semicircle or semi-ellipse shape composed of a curve rather than a polygon is preferable, and a semicircle shape illustrated in the drawings is particularly preferable for the above-described effects.
  • the longitudinal shape of the protrusion 20 may be formed in a straight line or a curve, and may also be formed in a mixture of a straight line and a curved line.
  • the protrusion 20 may be disposed spirally along the inner wall of the cylindrical container 10 as shown in the figure. Thus, by arranging each protrusion 20 in a spiral, it is possible to maximize the improvement effect, such as vertical mixing.
  • the protrusion 20 may be inclined with respect to the vertical surface of the container 10.
  • the vertical plane may mean a virtual plane extending in the vertical direction (up and down direction) of the container 10. In this way, by forming the protrusions 20 inclined, it is possible to further increase the improvement effect such as improving the vertical mixing.
  • the spiral shape also corresponds to a case in which the protrusion 20 is inclined.
  • the angle formed by the vertical surface of the protrusion 20 and the container 10 may be, for example, 10 to 70 degrees, preferably 20 to 60 degrees, more preferably 30 to 50 degrees. If the angle is too small or too large, improvement effects such as vertical mixing may be lowered. In addition, the angle may be formed differently for each of the protrusions 20, and preferably, as illustrated in the drawings, the angle may be the same or similar to each of the protrusions 20 to improve the mixing ratio of the up and down. .
  • the length of the protrusions 20 may be independently selected, and the length of the protrusions 20 may be determined by the angle between the protrusions 20 and the vertical surface of the container 10 and the length of the container 10.
  • the length of the container 10 may mean the vertical (up-down direction) size of the container 10, it may also mean the height when the container 10 is cylindrical.
  • the length of the protrusion 20 may mean a length in the long direction, that is, the direction having the largest dimension. When the protrusions 20 are formed helically, the length of the protrusions 20 may be longer than the length of the container 10.
  • the length of the protrusions 20 may be 75 to 500%, preferably 80 to 400%, more preferably 85 to 300%, for example, independently of the length of the container 10, respectively. If the length of the protrusions 20 is too short, improvement effects such as mutual mixing degree may be lowered.
  • the height of the protrusions 20 may each independently be 0.5 to 20%, preferably 2 to 10% of the diameter of the container 10. If the height of the projection 20 is too low, the improvement effect such as vertical mixing may be significantly lowered. On the contrary, if the height of the protrusion 20 is too high, the improvement effect such as vertical mixing may not increase or decrease.
  • the diameter of the container 10 may mean a size in the horizontal direction, it may mean an average diameter when the container is not cylindrical.
  • the height of the protrusion 20 may mean a size protruding from the inner surface of the container 10, it may mean a maximum height based on the most protruding point from the inner surface. For example, in the case of a semicircle, the height may mean a radius.
  • the width of the protrusions 20 may each independently be 0.5 to 40%, preferably 2 to 20% of the diameter of the container 10. If the width of the protrusion 20 is too small, the improvement effect such as vertical mixing may be remarkably lowered. On the contrary, if the width of the protrusion 20 is too large, the improvement effect such as vertical mixing may not increase or decrease.
  • the width of the protrusion 20 may mean a size extending in the circumferential direction along the inner surface of the container 10.
  • the interval between the protrusions 20 may be 1 to 160%, preferably 5 to 40% of the diameter of the container 10. In addition, the interval between the protrusions 20 may be 50 to 1000%, preferably 80 to 300% of the width of the protrusions 20. If the spacing between the projections 20 is too wide, the improvement effect such as vertical mixing may be remarkably lowered. If too narrow, the improvement effect such as vertical mixing may not increase or decrease.
  • the spacing between the protrusions 20 may be different independently from each other, and as illustrated in the drawings, it is preferable that they are preferably almost the same or similar, and it is also preferable to arrange each of the protrusions 20 in parallel. That is, the arrangement of the protrusions 20 in parallel at equal intervals is advantageous in terms of production, and may be for the improvement of vertical mixing and the like.
  • the groove 30 is naturally formed between the plurality of protrusions 20, that is, a plurality of protrusions 20 are formed at predetermined intervals rather than artificially digging into the inner circumferential surface of the container 10, thereby providing a plurality of protrusions.
  • the space between the projections 20 will naturally be the groove (30).
  • the shape and dimensions of the grooves 30 are closely related to the shape and dimensions of the protrusions 20. That is, when the shape and dimensions of the protrusion 20 are specified, the shape and dimensions of the groove 30 may also be determined correspondingly.
  • the interval between the projections 20 is important, if the interval between the projections 20 is too wide, the groove can not be formed.
  • the interval between the projections is too wide for the width of the projections, so that the space between the projections cannot be regarded as a groove.
  • the width of the groove 30 may be 50 to 1000%, preferably 80 to 300% of the width of the protrusion 20. If the width of the groove 30 is too wide compared to the width of the projection 20, the improvement effect such as the vertical mixing degree can be significantly reduced, if too wide it is not considered to be a groove. On the contrary, if the width of the groove 30 is too narrow compared to the width of the protrusion 20, the improvement effect such as vertical mixing may not increase or decrease.
  • Sizes and shapes of the protrusions 20 and the grooves 30 may be formed independently of each other, for example, the height of the protrusions 20 on the lower side of the stirrer where the propeller or the impeller is located depending on the vertical position of the stirrer. Lower the, and the further away from the propeller or impeller may form a height of the projection 20 gradually higher. By such a structure, the mixing degree can be made uniform throughout the agitator.
  • the protrusion 20 and the groove 30 may be configured in multiple stages along the vertical direction and / or the horizontal direction of the container 10.
  • the number of stages may be for example 2 to 10 stages, preferably 2 to 5 stages.
  • the protrusions 20 may not be formed continuously in the longitudinal direction, but may be discontinuously formed at predetermined intervals by being cut off in the middle.
  • a set of protrusions 20 having a short length may be formed at the first end, and a next set of protrusions 20 may be formed at a second distance from the first end.
  • the number, shape, angle, length, height, width and / or spacing of the projections 20 and / or the grooves 30 may preferably be the same.
  • the number, shape, angle, length, height, width and / or spacing of the protrusions 20 and / or the grooves 30 may be configured differently in each stage.
  • the lower side of the stirrer in which the propeller or impeller is located along the vertical direction of the vessel 10 reduces or increases the number of the protrusions 20, and the number of the protrusions 20 increases as the distance from the propeller or impeller is increased.
  • effects such as uniform mixing of the stirrer throughout the stirrer according to the addition and adjustment of the number and spacing, etc. Can be obtained.
  • the heat transfer area is also increased. Therefore, when the stirrer is heated or cooled, the heat transfer may be efficient as the heat transfer area increases.
  • the present invention also provides a method of mixing the materials using the above-described stirrer.
  • the material applicable in the present invention is not particularly limited and is applicable to solids as well as fluids such as gases and liquids, and also to gas-gas mixtures, gas-liquid mixtures, gas-solid mixtures, liquid-liquid mixtures, liquid-solids It is also applicable to mixtures, solid-solid mixtures, gas-liquid-solid mixtures. In addition, it is applicable to all types of substances such as suspensions, colloids, sol, gels as well as solutions.
  • the inner groove and the protrusion structure of the stirring vessel proposed by the present invention can improve the degree of mixing in the vertical direction by gradually changing the rotational direction flow formed by the stirrer to the vertical flow.
  • the existing baffle is a plate-shaped structure perpendicular to the rotational direction, a sudden change in the internal flow occurs, in the present invention a method of modifying the shape of the inner surface of the container By devising, it is possible to increase the mixing degree while having the advantage of easy cleaning inside the container without protruding structure without sudden change in rotational flow.
  • the shape of the protrusions 20 are all made of a semicircle, the angle formed by the vertical surface of the protrusions 20 and the container 10 is about 36.5 degrees, the length of the protrusions 20 is about 103 compared to the length of the container 10 %, The height of the projection 20 is about 3% of the diameter of the container 10, the width of the projection 20 is about 6% of the diameter of the container 10, the interval between the projections 20 is the diameter of the container 10 About 20% of the width, the width of the groove 30 is designed to be about 194% of the width of the projection 20.
  • Figure 2 is a graph comparing the concentration standard deviation with time of the grooved stirrer (Comparative Example 1) and the grooved stirrer (Example).
  • the vertical mixing degree can be determined by calculating the concentration deviation inside the stirrer generated by mixing the fluid located in the upper and lower parts of the initial stirrer over time. Referring to Figure 2, it can be seen that the result of improving the mixing in the vertical direction by reducing the concentration variation faster than when there is no groove (in Example) in the stirring vessel (Comparative Example 1).
  • FIG. 3 is a schematic diagram comparing the speed distribution of a stirrer with a baffle (Comparative Example 2) and a grooved stirrer (Example).

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Abstract

본 발명은 혼합도 개선을 위해 용기 내부에 홈이 형성된 교반기에 관한 것으로, 교반기 용기의 내부면에 형성되는 복수의 돌기; 및 상기 복수의 돌기 사이에 형성되는 복수의 홈을 포함하는 교반기를 제공한다.

Description

용기 내부에 홈이 형성된 교반기
본 발명은 교반기에 관한 것으로, 특히 교반기 용기의 내부에 다수의 홈과 돌기가 교대로 형성됨으로써 상하방향 혼합도를 개선할 수 있는 교반기에 관한 것이다.
교반기(agitator)는 액체와 액체, 액체와 고체, 또는 분체 등을 휘저어 섞기 위한 기구를 가리키는 용어이다. 교반의 형식에 따라 탱크 교반기와 유동식 교반기로 구분할 수 있는데, 현재는 대부분이 탱크 교반기이다. 탱크 교반기의 구조는 탱크 속에 교반하기 위한 장치를 넣은 것으로, 교반용 날개의 형식에 따라 프로펠러형, 오어형, 터빈형, 나선축형 등 여러 종류로 분류될 수 있다.
프로펠러형은 점도가 낮은 액체 교반용 또는 고체입자를 함유하고 있는 액체에도 사용된다. 오어형은 낮은 점도용에서 제일 간단한 것이다. 터빈형은 원심력을 이용하는 것인데 상당히 능률적이다. 나선축형은 점도가 높은 대상물의 교반에 사용된다. 교반기 내의 액체의 움직임도 교반효과에 큰 영향이 있는데, 이것은 용기의 모양, 교반기의 모양과 그 위치, 배플(방해판)의 유무 등에 따라 여러 영향을 끼친다. 일반적으로 배플이 있는 것이 교반효과가 좋다. 화학공업에서는 화학반응용으로 사용되는 것이 가장 많고, 조합, 용해, 세정, 분산, 흡착이 그 다음이며, 전열용에도 사용된다. 가정용 전기세탁기도 교반기의 하나이다. 이 밖에 이동식 교반기라고 하여 펌프에 의해 유체를 압송하여 혼합시키는 것이 있는데, 저점도 액체의 연속혼합에 적합하다.
교반기에 의해 생성되는 흐름은 일반적으로 교반기의 회전방향으로 강하게 형성되는 형태이며, 따라서 교반 용기 상하방향 흐름의 세기가 회전방향 흐름에 비해 약하게 형성되게 된다. 이에 따라 교반 용기 상하방향의 혼합도가 낮은 결과를 보이며, 이의 개선을 위해 판형 배플을 설치하는 형태가 존재한다. 하지만 판형 배플의 경우 배플 주변에서 흐름의 속도가 급격히 낮은 영역이 존재하며, 배플 주변에 이물이 발생하고 배플 및 내부 구조물 혹은 용기 벽면에 이물이 달라붙게 되는 현상이 발생하며, 교반기 내부 유동의 급격한 변화로 인해 입자의 모양이 일정치 않게 되는 결과가 나타난다.
본 발명의 목적은 기존 교반기의 내부 유동 형태의 변형을 최소화하고, 유동 정체 영역을 발생시키지 않으며, 교반기의 혼합도를 향상시킬 수 있는 교반기를 제공하는 것이다.
본 발명은 상기 목적을 달성하기 위하여, 교반기 용기의 내부면에 형성되는 복수의 돌기; 및 상기 복수의 돌기 사이에 형성되는 복수의 홈을 포함하는 교반기를 제공한다.
본 발명에서 상기 복수의 돌기는 나선형으로 배치될 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 돌기의 단면 형상은 각각 독립적으로 반원, 반타원 또는 다각형일 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 돌기는 각각 독립적으로 용기의 수직면을 기준으로 경사질 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 돌기 및 용기의 수직면이 이루는 각도는 10 내지 70도일 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 돌기의 길이는 각각 독립적으로 용기 길이 대비 75 내지 500%일 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 돌기의 높이는 각각 독립적으로 용기 직경 대비 0.5 내지 20%일 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 돌기의 폭은 각각 독립적으로 용기 직경 대비 0.5 내지 40%일 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 돌기간의 간격은 각각 독립적으로 용기 직경 대비 1 내지 160%일 수 있다.
본 발명에서 상기 복수의 홈의 폭은 상기 복수의 돌기의 폭 대비 50 내지 1000%일 수 있다.
본 발명에서 상기 돌기의 수는 2 내지 100개일 수 있다.
본 발명에 따른 교반기는 프로펠러나 임펠러를 구비하고, 상기 돌기의 높이는 프로펠러나 임펠러와 근접한 부분을 기준으로 프로펠러나 임펠러와 멀어질수록 점차적으로 증가할 수 있다.
본 발명에서 상기 돌기는 용기의 수직방향, 수평방향 또는 양방향을 따라 소정 간격을 두고 다단으로 구성될 수 있다.
본 발명에서 상기 단의 수는 2 내지 10단일 수 있다.
본 발명에서 각 단마다 돌기의 개수, 형상, 각도, 길이, 높이, 폭 및 간격 중 적어도 하나가 다를 수 있다.
본 발명에 따른 교반기는 프로펠러나 임펠러를 구비하고, 프로펠러나 임펠러와 근접한 단을 기준으로 프로펠러나 임펠러와 멀어지는 단으로 갈수록 돌기의 개수가 점차적으로 증가하거나, 돌기의 간격이 점차적으로 좁아질 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 교반기를 이용하여 물질을 혼합하는 방법을 제공한다.
본 발명에서 제안하는 교반 용기의 내부 홈 및 돌기 구조는 교반기에 의해 형성된 회전방향 흐름을 점진적으로 상하방향의 흐름으로 변화시켜 줌으로써 상하방향의 혼합도를 향상시킬 수 있게 된다. 상하방향 혼합도는 초기 교반기 상하부에 위치한 유체가 시간이 지남에 따라 혼합되면서 발생하는 교반기 내부의 농도 편차를 계산하여 판단할 수 있으며, 도 2와 같이 교반 용기 내부의 홈이 있는 경우가 없는 경우에 비해 빠르게 농도 편차가 줄어들어 상하방향의 혼합을 향상시키는 결과를 확인할 수 있다. 또한, 도 3의 교반기 수평 절단면의 속도분포도에서 배플이 있는 경우는 배플 근처와 후면에서의 속도가 현저히 떨어지지만, 교반 용기 내부의 홈 주변은 속도가 유지됨을 알 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 교반기의 사시도이다.
도 2는 홈이 없는 교반기와 홈이 있는 교반기의 시간에 따른 농도 표준편차를 비교한 그래프이다.
도 3은 배플이 있는 교반기와 홈이 있는 교반기의 속도 분포를 비교한 모식도이다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시형태에 따른 교반기의 사시도로서, 교반기는 교반기 용기(10), 교반기 용기(10)의 내부면에 형성되는 복수의 돌기(20); 및 상기 복수의 돌기(20) 사이에 형성되는 복수의 홈(30)을 포함하여 이루어질 수 있다. 또한, 교반기는 프로펠러, 임펠러, 터빈 등과 이들을 구동하는 모터를 포함하는 기계적인 혼합수단을 구비할 수 있고, 그 밖에 통상적으로 설치되는 장치나 설비들을 구비할 수 있으며, 이들의 구성은 간략화를 위해 도면에서 생략하였다.
교반기 용기(10)는 금속, 플라스틱, 세라믹 등의 소재로 이루어질 수 있다. 교반기 용기(10)는 통상적으로 도시된 바와 같이 원통형으로 이루어질 수 있으나, 용기(10)의 형상은 이에 한정되지 않고 필요에 따라 다양하게 변경할 수 있다.
돌기(20)는 용기(10)의 내부면에 형성되는데, 용기(10)와 일체로 제작될 수 있고, 또한 용기(10)에 용접이나 접착 등의 방법으로 형성시킬 수 있다. 돌기(20)의 재질은 용기(10)와 같거나 다를 수 있다.
돌기(20)의 개수는 특별히 제한되지 않지만, 적어도 2개 이상, 바람직하게는 8개 이상 형성될 수 있다. 도면에는 약 16개 정도의 돌기(20)가 형성되어 있으나, 돌기(20)의 개수는 이에 한정되지 않고 필요에 따라 다양하게 조절할 수 있다. 돌기(20)의 개수는 예를 들어 2 내지 100개, 바람직하게는 4 내지 50개, 더욱 바람직하게는 8 내지 36개일 수 있다. 돌기(20)의 개수가 너무 적으면 상하 혼합도 등의 개선효과가 저하될 수 있으며, 반대로 너무 많으면 제작이 용이하지 않을 수 있고 상하 혼합도 등의 개선효과가 더 이상 증대하지 않거나 오히려 저하될 수 있다.
돌기(20)의 단면 형상은 예를 들어 반원 또는 반타원일 수 있고, 또한 삼각형과 사각형 등과 같은 다각형일 수 있으며, 그 밖에 다양한 형태가 가능하다. 또한, 돌기(20)의 형상은 각각 독립적으로 형성될 수 있는데, 예를 들어 반원과 반타원을 조합하여 형성할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 반원, 반타원, 다각형 등의 용어는 엄밀한 기하학적 정의에 따른 용어에 한정되지 않으며, 대략적으로 반원, 반타원, 다각형에 근접한 형상도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
이처럼 돌기(20)의 형상은 특별히 제한되지 않고 다양하게 형성할 수 있으나, 형상에 있어서 기존의 판상 배플과 구별되려면, 그리고 교반기의 내부 유동 형태의 변형을 최소화하고, 유동 정체 영역을 발생시키지 않으며, 교반기의 상하 혼합도를 향상시키기 위해서는, 다각형보다는 곡선으로 구성되는 반원 또는 반타원 형상이 바람직하고, 특히 도면에 예시된 반원 형상이 상술한 효과를 위해서 더욱 바람직하다.
돌기(20)의 길이방향 형상은 직선이나 곡선으로 이루어질 수 있고, 또한 직선 구간과 곡선 구간이 혼합된 형태로도 형성될 수 있다. 돌기(20)는 도면에 도시된 바와 같이 원통형 용기(10)의 내벽을 따라 나선형으로 배치될 수 있다. 이처럼 각 돌기(20)를 나선형으로 배치함으로써, 상하 혼합도 등의 개선효과를 극대화시킬 수 있다.
돌기(20)는 용기(10)의 수직면을 기준으로 경사질 수 있다. 여기서 수직면은 용기(10)의 수직방향(상하방향)으로 연장되는 가상의 평면을 의미할 수 있다. 이와 같이, 돌기(20)를 경사지게 형성함으로써 상하 혼합도 개선 등의 개선효과를 더욱 증대시킬 수 있다. 상기 나선 형태도 돌기(20)가 경사진 경우에 해당한다.
돌기(20) 및 용기(10)의 수직면이 이루는 각도는 예를 들어 10 내지 70도, 바람직하게는 20 내지 60도, 더욱 바람직하게는 30 내지 50도일 수 있다. 상기 각도가 너무 작거나 크면, 상하 혼합도 등의 개선효과가 저하될 수 있다. 또한, 상기 각도는 각각의 돌기(20)마다 다르게 형성될 수 있는데, 바람직하게는 도면에 예시된 바와 같이 상기 각도는 각각의 돌기(20)마다 같거나 유사한 것이 상하 혼합도 등의 개선을 위해 좋다.
돌기(20)의 길이는 각각 독립적으로 선택 가능하며, 돌기(20)의 길이는 돌기(20) 및 용기(10)의 수직면이 이루는 각도와 용기(10)의 길이에 의해 결정될 수 있다. 여기서, 용기(10)의 길이는 용기(10)의 수직방향(상하방향) 크기를 의미할 수 있고, 용기(10)가 원통형일 경우 높이를 의미할 수도 있다. 돌기(20)의 길이는 장방향, 즉 가장 치수가 큰 방향의 크기를 의미할 수 있다. 돌기(20)가 나선형으로 형성될 경우, 돌기(20)의 길이는 용기(10)의 길이보다 길 수 있다. 돌기(20)의 길이는 예를 들어 각각 독립적으로 용기(10)의 길이 대비 75 내지 500%, 바람직하게는 80 내지 400%, 더욱 바람직하게는 85 내지 300%일 수 있다. 돌기(20)의 길이가 너무 짧으면, 상호 혼합도 등의 개선효과가 저하될 수 있다.
돌기(20)의 높이는 각각 독립적으로 용기(10)의 직경 대비 0.5 내지 20%, 바람직하게는 2 내지 10%일 수 있다. 돌기(20)의 높이가 너무 낮으면 상하 혼합도 등의 개선효과가 현저하게 저하될 수 있으며, 반대로 너무 높으면 상하 혼합도 등의 개선효과가 더 이상 증대하지 않거나 오히려 저하될 수 있다. 여기서, 용기(10)의 직경은 수평방향의 크기를 의미할 수 있는데, 용기가 원통형이 아닐 경우 평균 직경을 의미할 수 있다. 또한, 돌기(20)의 높이는 용기(10)의 내면으로부터 돌출되는 크기를 의미할 수 있는데, 내면으로부터 가장 많이 돌출된 지점을 기준으로 하는 최대 높이를 의미할 수 있다. 예를 들어, 반원 돌기의 경우 높이는 반지름을 의미할 수 있다.
돌기(20)의 폭은 각각 독립적으로 용기(10)의 직경 대비 0.5 내지 40%, 바람직하게는 2 내지 20%일 수 있다. 돌기(20)의 폭이 너무 작으면 상하 혼합도 등의 개선효과가 현저하게 저하될 수 있으며, 반대로 너무 크면 상하 혼합도 등의 개선효과가 더 이상 증대하지 않거나 오히려 저하될 수 있다. 여기서, 돌기(20)의 폭은 용기(10)의 내면을 따라 원주방향으로 이어지는 크기를 의미할 수 있다.
돌기(20)간의 간격은 용기(10)의 직경 대비 1 내지 160%, 바람직하게는 5 내지 40%일 수 있다. 또한, 돌기(20)간의 간격은 돌기(20)의 폭 대비 50 내지 1000%, 바람직하게는 80 내지 300%일 수 있다. 돌기(20)간의 간격이 너무 넓으면 상하 혼합도 등의 개선효과가 현저하게 저하될 수 있으며, 너무 좁으면 상하 혼합도 등의 개선효과가 더 이상 증대하지 않거나 오히려 저하될 수 있다.
돌기(20)간의 간격은 각각 독립적으로 다를 수 있는데, 도면에 예시된 바와 같이 바람직하게는 거의 동일하거나 유사한 것이 좋고, 또한 각 돌기(20)들을 거의 평행하게 배치하는 것이 좋다. 즉, 각 돌기(20)들을 동일한 간격으로 평행하게 배치하는 것이 제작 측면에서도 유리하고 상하 혼합도 등의 개선을 위해서도 좋다.
홈(30)은 다수의 돌기(20) 사이에 자연스럽게 형성되며, 즉 용기(10)의 내주면을 인위적으로 파서 홈을 형성하는 것이 아니라, 다수 개의 돌기(20)가 소정 간격을 두고 형성됨으로써, 다수의 돌기(20)들 사이의 공간이 자연스럽게 홈(30)이 되는 것이다. 따라서, 홈(30)의 형상과 치수는 돌기(20)의 형상과 치수와 밀접하게 관련되어 있다. 즉, 돌기(20)의 형상과 치수가 특정되면, 그에 대응하여 홈(30)의 형상과 치수도 결정될 수 있다. 특히, 홈(30)의 형성에 있어서, 돌기(20)간의 간격이 중요한데, 돌기(20)간의 간격이 너무 넓으면 홈이 형성될 수 없다. 특히, 종래기술에서도 돌기가 형성된 경우가 있으나, 돌기의 폭에 비해 돌기간의 간격이 너무 넓어서 돌기 사이의 공간을 홈으로 간주할 수 없다.
홈(30)의 폭은 돌기(20)의 폭 대비 50 내지 1000%, 바람직하게는 80 내지 300%일 수 있다. 홈(30)의 폭이 돌기(20)의 폭 대비 너무 넓으면, 상하 혼합도 등의 개선효과가 현저하게 저하될 수 있으며, 지나치게 넓으면 홈이라고 볼 수도 없다. 반대로 홈(30)의 폭이 돌기(20)의 폭 대비 너무 좁으면 상하 혼합도 등의 개선효과가 더 이상 증대하지 않거나 오히려 저하될 수 있다.
돌기(20)와 홈(30)의 크기와 형상은 각각 독립적으로 다르게 형성할 수 있는데, 예를 들어 교반기의 상하방향 위치에 따라 프로펠러나 임펠러가 위치하는 교반기의 하부 쪽에는 돌기(20)의 높이를 낮게 하고, 프로펠러나 임펠러로부터 멀어질수록 돌기(20)의 높이를 점차적으로 높게 형성할 수도 있다. 이러한 구성에 의해 교반기 전체에 걸쳐 혼합도를 균일화할 수 있다.
또한, 돌기(20)와 홈(30)을 용기(10)의 수직방향 및/또는 수평방향을 따라 다단으로 구성할 수도 있다. 단수의 수는 예를 들어 2 내지 10단, 바람직하게는 2 내지 5단일 수 있다. 다단으로 구성할 경우, 돌기(20)는 길이방향으로 길게 연속적으로 형성되지 않고, 중간에 끊겨서 소정의 간격을 두고 불연속적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 제1단에서 길이가 짧은 한 세트의 돌기(20)들이 형성되고, 제2단에서는 제1단과 소정의 간격을 두고 다음 세트의 돌기(20)들이 형성될 수 있다. 동일한 세트(단)에서는 돌기(20) 및/또는 홈(30)의 개수, 형상, 각도, 길이, 높이, 폭 및/또는 간격이 바람직하게는 동일할 수 있다. 바람직하게는, 각 단마다 돌기(20) 및/또는 홈(30)의 개수, 형상, 각도, 길이, 높이, 폭 및/또는 간격을 다르게 구성할 수 있다. 예를 들어, 용기(10)의 수직방향을 따라 프로펠러나 임펠러가 위치하는 교반기의 하부 쪽에는 돌기(20)의 개수를 줄이거나 간격을 넓히고, 프로펠러나 임펠러로부터 멀어질수록 돌기(20)의 개수를 점차적으로 늘리거나 돌기(20)의 간격을 점차적으로 좁힐 수 있다. 이와 같이, 돌기(20) 및/또는 홈(30)의 개수, 형상과 치수를 다르게 가감하여 다단으로 구성할 경우, 개수와 간격 등의 가감 및 조절에 따라 교반기 전체에 걸친 균일한 혼합 등의 효과를 얻을 수 있다.
한편, 돌기(20)가 존재할 경우 돌기(20)가 없는 경우에 비해 교반기의 내부 표면적이 상대적으로 증가하게 되므로, 열전달 면적도 증가하게 된다. 따라서, 교반기를 가열 또는 냉각할 경우, 열전달 면적의 증가에 따라 열전달에도 효율적일 수 있다.
또한, 본 발명은 상술한 교반기를 이용하여 물질을 혼합하는 방법을 제공한다. 본 발명에서 적용 가능한 물질은 특별히 제한되지 않으며, 기체와 액체와 같은 유체뿐만 아니라 고체에도 적용 가능하고, 또한 기체-기체 혼합물, 기체-액체 혼합물, 기체-고체 혼합물, 액체-액체 혼합물, 액체-고체 혼합물, 고체-고체 혼합물, 기체-액체-고체 혼합물에도 적용 가능하다. 또한, 용액뿐만 아니라 현탁액, 콜로이드, 졸, 겔 등 모든 형태의 물질에 적용 가능하다.
이와 같이, 본 발명에서는 교반 용기 내부면에 일정한 형상과 크기를 갖는 다수의 돌기 및 홈을 형성시킴으로써, 회전방향의 흐름을 점진적으로 상하방향의 흐름으로 바꾸어 주도록 할 수 있다. 즉, 본 발명에서 제안하는 교반 용기의 내부 홈 및 돌기 구조는 교반기에 의해 형성된 회전방향 흐름을 점진적으로 상하방향의 흐름으로 변화시켜 줌으로써 상하방향의 혼합도를 향상시킬 수 있게 된다.
본 발명의 홈/돌기 구조 및 기존 배플 구조의 차이점을 살펴보면, 기존 배플은 회전방향에 수직으로 세워진 판형 구조물로서, 내부 유동의 급격한 변화가 발생하나, 본 발명에서는 용기 내부 표면의 모양을 변형하는 방법을 고안하여, 회전방향 흐름에 급격한 변화를 주지 않고 돌출된 구조물이 없이 용기 내부 청소가 용이한 장점을 가지면서 혼합도를 높일 수 있다.
[실시예]
도 1에 도시된 바와 같이, 용기(10)의 내벽을 따라 약 20여개의 돌기(20)가 나선형으로 배치되도록 하여 홈(30)이 형성된 교반기를 제작하였다. 이때, 돌기(20)의 형상은 모두 반원으로 제작하였고, 돌기(20) 및 용기(10)의 수직면이 이루는 각도는 약 36.5도, 돌기(20)의 길이는 용기(10)의 길이 대비 약 103%, 돌기(20)의 높이는 용기(10)의 직경 대비 약 3%, 돌기(20)의 폭은 용기(10)의 직경 대비 약 6%, 돌기(20)간의 간격은 용기(10)의 직경 대비 약 20%, 홈(30)의 폭은 돌기(20)의 폭 대비 약 194%가 되도록 설계하였다.
[비교예 1]
홈과 돌기가 없는 교반기
[비교예 2]
용기의 내벽에 4개의 판상 배플이 수직으로 형성된 교반기
[시험예]
도 2는 홈이 없는 교반기(비교예 1)와 홈이 있는 교반기(실시예)의 시간에 따른 농도 표준편차를 비교한 그래프이다.
상하방향 혼합도는 초기 교반기 상하부에 위치한 유체가 시간이 지남에 따라 혼합되면서 발생하는 교반기 내부의 농도 편차를 계산하여 판단할 수 있다. 도 2를 보면, 교반 용기 내부의 홈이 있는 경우(실시예)가 없는 경우(비교예 1)에 비해 빠르게 농도 편차가 줄어들어 상하방향의 혼합을 향상시키는 결과를 확인할 수 있다.
도 3은 배플이 있는 교반기(비교예 2)와 홈이 있는 교반기(실시예)의 속도 분포를 비교한 모식도이다.
도 3의 교반기 수평 절단면의 속도분포도를 보면, 배플이 있는 경우(비교예 2)는 배플 근처와 후면에서의 속도가 현저히 떨어지지만, 실시예의 교반 용기 내부의 홈 주변은 속도가 유지됨을 알 수 있다.
[부호의 설명]
10: 교반기 용기
20: 돌기
30: 홈

Claims (17)

  1. 교반기 용기의 내부면에 형성되는 복수의 돌기; 및
    상기 복수의 돌기 사이에 형성되는 복수의 홈을 포함하는 교반기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌기는 나선형으로 배치되는 것을 특징으로 하는 교반기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌기의 단면 형상은 각각 독립적으로 반원, 반타원 또는 다각형인 것을 특징으로 하는 교반기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌기는 각각 독립적으로 용기의 수직면을 기준으로 경사진 것을 특징으로 하는 교반기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 돌기 및 용기의 수직면이 이루는 각도는 10 내지 70도인 것을 특징으로 하는 교반기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌기의 길이는 각각 독립적으로 용기 길이 대비 75 내지 500%인 것을 특징으로 하는 교반기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌기의 높이는 각각 독립적으로 용기 직경 대비 0.5 내지 20%인 것을 특징으로 하는 교반기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌기의 폭은 각각 독립적으로 용기 직경 대비 0.5 내지 40%인 것을 특징으로 하는 교반기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 돌기간의 간격은 각각 독립적으로 용기 직경 대비 1 내지 160%인 것을 특징으로 하는 교반기.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 홈의 폭은 상기 복수의 돌기의 폭 대비 50 내지 1000%인 것을 특징으로 하는 교반기.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 돌기의 수는 2 내지 100개인 것을 특징으로 하는 교반기.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 교반기는 프로펠러나 임펠러를 구비하고, 상기 돌기의 높이는 프로펠러나 임펠러와 근접한 부분을 기준으로 프로펠러나 임펠러와 멀어질수록 점차적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 교반기.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 돌기는 용기의 수직방향, 수평방향 또는 양방향을 따라 소정 간격을 두고 다단으로 구성되는 것을 특징으로 하는 교반기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 단의 수는 2 내지 10단인 것을 특징으로 하는 교반기.
  15. 제13항에 있어서,
    각 단마다 돌기의 개수, 형상, 각도, 길이, 높이, 폭 및 간격 중 적어도 하나가 다른 것을 특징으로 하는 교반기.
  16. 제13항에 있어서,
    상기 교반기는 프로펠러나 임펠러를 구비하고, 프로펠러나 임펠러와 근접한 단을 기준으로 프로펠러나 임펠러와 멀어지는 단으로 갈수록 돌기의 개수가 점차적으로 증가하거나, 돌기의 간격이 점차적으로 좁아지는 것을 특징으로 하는 교반기.
  17. 제1항에 따른 교반기를 이용하여 물질을 혼합하는 방법.
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