CN110214207A - 利用超临界二氧化碳和脉冲的多级染料混合室 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室，包含：容器主体，其入口位于容器主体的顶部，允许超临界二氧化碳的流入，位于容器主体底部的出口，允许超临界二氧化碳和染料混合物流出；染料容器，位于容器体内，填充染料以与超临界二氧化碳混合；脉冲产生单元，用于向供应到容器主体的超临界二氧化碳提供脉冲流；以及位于容器主体入口处的涡流产生单元，以脉冲方式向超临界二氧化碳提供涡流。通过所述技术构成，染料容器中所含的染料完全溶解。由于混合染料的性能得到改善，利用超临界二氧化碳的染色效率提高，并且利用超临界二氧化碳的染色装置的市场性大大提高。

Description

利用超临界二氧化碳和脉冲的多级染料混合室

技术领域

相关申请的交叉引用

本申请要求2017年1月5日提交的韩国专利申请号No.10-2017-0001826的权益，其公开内容通过引用整体并入本文。

背景技术

发明领域

本发明涉及一种利用超临界二氧化碳和脉冲的多级染料混合室，更具体地说，涉及一种利用超临界二氧化碳和脉冲的多级染料混合室，其通过使用脉冲及涡流有效地混合染料和超临界二氧化碳，将混合物供应到染色浴中，并在染色制程后有效地清洁。

相关技术的描述

通常，临界点是指液相和气相无法彼此区分的温度和蒸气压。当它超出临界点，即为临界状态时，物质处于不存在清楚的液相和气相的状态，此时该物质被称为超临界流体(supercritical fluid)。

超临界流体具有与一般气体或液体不同的独特特征。

超临界流体具有介于气体和液体之间的性质。基于压力和温度的轻微变化，超临界流体的性质可快速变化。此外，超临界流体具有扩散率高及质量转移速率(masstransfer rate)大的物理特性。

超临界流体中的超临界二氧化碳(CO2)具有与气体相似的扩散性和粘度，并且具有与液体密度相近的密度，因此它已经用于各种工业制程。

例如，利用超临界二氧化碳的染色装置适当地利用超临界二氧化碳的性质。在该装置中，利用了新的染色方法，其通过混合染料和超临界二氧化碳并将混合物渗透到纤维中。该染色方法不同于主要使用水的常规染色方法。

通常，依据使用水的染色方法中，染料与水混合，染料和水的混合物渗透到纤维。然而，像水这样的液体具有低扩散性，并且染色需要相当长的时间。此外，在染色制程和染色完成后的干燥制程中引起废水处理问题。此外，当长时间用水清洗染色纤维时，会引起染料脱着(desorption)问题。

与使用水的染色相比，由于利用超临界二氧化碳的染色具有以下优点：通过利用超临界二氧化碳的热性质而不使用水而使染料渗透到纤维结构的内部，因此色牢度(colorfastness)优异。此外，由于在染色制程中不使用水，因此不必担心在干燥制程或洗涤制程中可能发生的染料脱着。

下述专利文献1公开了一种使用工业超临界流体的染色装置。

根据专利文献1的使用工业超临界流体的染色装置包含：染色浴，其中固定用于缠绕疏水性纤维的锭子；流动改变单元，用于改变超临界流体的流动，以使纤维均匀快速地染色；染料容器，染料加入其中；循环泵，用于循环超临界流体，以增加溶解在超临界流体中的染料与纤维之间的接触频率；热交换器，用于加热或冷却超临界流体；二氧化碳供应单元，用于冷却储存在储存槽中的二氧化碳，并通过使用增压泵将二氧化碳供应到染色装置；二氧化碳收集单元，用于使二氧化碳减压，完成染色制程，并通过使用收集泵将二氧化碳收集在储存槽中，其使用高压管线连接。

图1是根据本发明相关技术的利用超临界流体的染色装置的图。

利用超临界流体的染色装置10包含：液态二氧化碳储存槽11，二氧化碳冷却器12，高压二氧化碳泵13，预热器14，混合器15，染色容器16，分离器17和气态二氧化碳储存器18。

从液态二氧化碳储存槽11供应的液态二氧化碳通过二氧化碳冷却器12和高压二氧化碳泵13供应到预热器14。

预热器14将具有所需操作温度和压力的液态二氧化碳加热成超临界二氧化碳，并将超临界二氧化碳供应到混合器15。

混合器15将染料混合至超临界状态的二氧化碳中以供给至染色容器16。

染色容器16将染料和超临界二氧化碳的混合物提供给纺织物。此时，超临界二氧化碳将染料渗透到纺织物中。

在染色容器16中使用的超临界二氧化碳被供应到分离器17，并且分离器17蒸发二氧化碳以去除过量的染料和染料残余物。

在分离器17中分离的气态二氧化碳储存在气态二氧化碳储存器18中以便重复使用。

在图1中，附图标记19是循环泵。

在利用超临界二氧化碳的染色装置10中，混合器15将染料和二氧化碳混合成超临界状态，并将混合物供应到染色容器16中。在这种情况下，由于染料需要与二氧化碳混合同时保持二氧化碳的超临界状态，因此混合器15的形状对利用超临界二氧化碳的染色装置10的性能具有决定性的影响。

优选地，混合器15具有能够延长超临界二氧化碳和染料之间的接触时间并通过分散染料有效地将染料溶解在超临界二氧化碳中的结构。

优选地，混合器15具有能够使混合染料的制程中发生的压力损失最小化的结构。

此外，混合器15具有的并不复杂的结构在染色完成后减少混合器15和染色容器16中剩余染料的沉淀。混合器15的形状有利于其清洁。

目前，由于尚未开发出利用超临界二氧化碳的染色装置的任何商业产品，因此混合器的工程设计是不足的。用于在荷兰和日本等国运行的试验装置中的混合器具有的结构无法很好的溶解染料，且因此对纤维染色均匀度造成严重的不良影响。

此外，由于在染色制程完成后染料仍留在混合器中，不仅造成染料损失，而且还导致清洁制程中的许多问题。因此，改进混合器以进行有效清洁是非常重要的。

图2是根据传统技术的利用超临界二氧化碳的染色装置的混合器200的示意图。

如图2所示，混合器200包含：容器主体210，待填充位于容器主体210内部的染料的染料容器220，位于容器主体210顶部以允许超临界二氧化碳流入的入口211，以及位于容器主体210底部以允许超临界二氧化碳和染料的混合物流出的出口212。

在根据常规技术的利用超临界二氧化碳的染色装置的混合器200中，通过容器主体210的入口211进入的超临界二氧化碳溶解填充在染料容器220中的染料以彼此混合，且它们的混合物通过出口212出来以供给染色浴。

[相关技术文献]

[专利文献]

(专利文献1)韩国专利公开号10-0570333(2006年4月5日注册)

发明内容

在根据常规技术的利用超临界二氧化碳的染色装置的混合器中，染料容器中的染料被通过入口进入容器主体的超临界二氧化碳溶解。然而，由于染料不能被超临界二氧化碳很好地溶解，因此对纤维的均匀染色产生不良影响。

此外，在传统的混合器中，由于未溶解的染料残留在容器体内，染料损失高并且在染色制程结束后难以清洁容器体。

本发明的一个目的是解决上述问题，并提供一种使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室，其中供应到容器体中的超临界二氧化碳具有脉冲能并因此形成涡流，因此染料更有效率地溶解，且染色后的清洁可以顺利进行。

本发明的另一个目的是提供一种使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室，其中具有脉冲能的超临界二氧化碳与染料混合足够的时间而没有压力损失，并且将具有周期性脉冲和涡流的超临界二氧化碳提供给待分散的染料，以使染料完全溶解并使纤维均匀染色。

根据本发明的一个实施例，提供了一种使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室，其包含：容器主体，其入口位于容器主体的顶部，以允许流入超临界二氧化碳，以及位于容器主体底部的出口，以允许超临界二氧化碳和染料的混合物流出；染料容器，位于容器体内并填充染料，以与超临界二氧化碳混合；脉冲产生单元，用于向供应到容器主体的超临界二氧化碳提供脉冲流；以及位于容器主体入口处的涡流产生单元，以脉冲向超临界二氧化碳提供涡流。

容器主体包含第一级混合单元和第二级混合单元，第一级混合单元位于染料容器中，以及第二级混合单元位于第一级混合单元下方。

第一级混合单元包含在其顶部的入口，在其底部连接到第二级混合单元的连接信道，以及在其中心处的染料容器。

第二级混合单元包含位于其顶部的连接通道，允许染料和超临界二氧化碳的混合物在其底部流出的出口，以及内部具有空心头部和空心杆部的蘑菇形状的混合物引导构件。

混合物引导构件的头部位于连接通道下方，杆部的直径比头部小，且定位于头部下部和出口的上部之间，多个排出孔形成在头部和杆部接触的区域的外周。

涡流发生单元包含位于腔室内的涡流发生器。

涡流发生器包含在其外表面处形成的螺旋突起，以产生涡流。

[有益效果]

根据本发明的利用超临界二氧化碳和脉冲的多级染料混合室，通过使用具有脉冲能的超临界二氧化碳溶解染料，并且染料通过多级混合单元而有足够的时间混合。因此，染料容器中所含的染料完全溶解，促进纤维的均匀染色。

染料容器和容器体中不存在残留的染料。因此，防止了染料损失，使得清洁变得简单且和容易维持容器体。

混合染料的性能得到改善。因此，利用超临界二氧化碳的染色效率提高，并且利用超临界二氧化碳的染色装置的市场性大大提高。

附图说明

通过参考附图详细描述本发明的优选实施例，本发明的上述和其它特征和优点对于本领域普通技术人员将变得更加显而易见，其中：

图1是根据本发明相关技术的利用超临界二氧化碳的染色装置的示意图。

图2是根据现有技术的利用超临界二氧化碳的染色装置的混合器的示意图；

图3是绘示本发明中的流量随时间变化的脉冲流的概念图。

图4是根据本发明优选实施例的使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室的示意图；

图5a和图5b是分别绘示在利用超临界二氧化碳的常规染料混合器中的染料溶解度和使用根据本发明优选实施例的脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室中的染料溶解度的图。

[附图标记]

100：混合室

110：容器体

110a：第一级混合单元

110b：第二级混合单元

120：染料容器

130：涡流发生单元

具体实施方式

优选实施例的详细描述

现在将参考附图在下文中更全面地描述本发明，其中示出了本发明的优选实施例，使得本领域普通技术人员可以容易地实现本发明。

用于描述组件方向的术语或词语(例如，“向上”、“向下”、“向前”和“向后”等)是基于附图使用。

图3是表示本发明中流量随时间变化的脉冲流的概念图。

作为往复式压缩机(reciprocating compressor)的柱塞泵(plunger pump)用于周期性地增加和/或降低流速，从而引起脉冲。这样的重复供应大量和少量的超临界二氧化碳。

图4是根据本发明优选实施例的使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室100的图。

使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室100包含：容器主体110，染料容器120，脉冲产生单元和涡流产生单元130。

容器主体110是超临界二氧化碳和染料混合在一起的空间。容器主体110包含位于容器主体110的上部位置的入口111和位于容器主体110的下部位置的出口112。入口111允许超临界二氧化碳流入，出口112允许染料和超临界二氧化碳的混合物流出。

容器主体110包含染料容器120所位于的第一级混合单元110a，以及位于第一级混合单元110a下方的第二级混合单元110b。

入口111位于第一级混合单元110a的顶部，连接到第二级混合单元110b的连接信道113位于第一级混合单元110a的底部。

染料容器120位于第一级混合单元110a的中心。优选地，染料容器120的外表面和第一级混合单元110a的内表面之间的间隔形成为较窄，以在转移染料和超临界二氧化碳的混合物时使压力损失最小化。

第二级混合单元110b是用于让染料和超临界二氧化碳在第一级混合单元110a中制备的混合物被转移期间中能更好地混合的空间。

连接信道113位于第二级混合单元110b的顶部，允许染料和超临界二氧化碳的混合物流出的出口112位于第二级混合单元110b的底部下方。

混合物引导构件114定位在第二级混合单元110b中。蘑菇形状的混合物引导构件114具有中空的头部114a和中空的杆部114b。

混合物引导构件114的头部114a位于连接通道113下方，并且直径小于头部114a的杆部114b位于头部114a的下部和出口112的上部之间。多个排出孔114c形成在头部114a和杆部114b接触的区域的外周。

染料容器120填充有染料以与超临界二氧化碳混合，且定位于第一级混合单元110a中。

脉冲产生单元将脉冲施加到供应到容器主体110的入口111的超临界二氧化碳。由于脉冲产生单元的详细结构对于本领域技术人员来说是显而易见的，因此将不再给出其描述。

涡流产生单元130用以使超临界二氧化碳产生流入第一级混合单元110a的涡流，并位于第一级混合单元110a的入口111的前方。

涡流发生单元130具有涡流发生器132位于腔室131中的形状。优选地，涡流发生器132具有在涡流发生器132的外表面上形成螺旋突起132a的形状，以产生涡流。

如图3所示，当脉冲产生单元产生脉冲以便大量供应超临界二氧化碳时，大量的超临界二氧化碳沿着形成在涡流发生器132的外表面上的螺旋突起132a流动，因此涡流发生器132旋转并向上移动。当涡流发生时，超临界二氧化碳在相对高的压力下流入染料、分散染料并溶解染料。之后，在超临界二氧化碳在相对低的压力下流入时，涡流发生器132反向旋转并向下移动，重复再次产生涡流的制程并有效地溶解染料。

此外，当在染色制程结束后使用新的彩色染料之前要清洗任何残留的染料时，可以通过定期供应大量和少量的超临界二氧化碳的制程进行有效的清洁。

在使用脉冲和超临界二氧化碳的多级染料混合室100中，脉冲合涡旋冲击流动到多级混合空间中的染料容器120所位于的第一级混合单元110a中的超临界二氧化碳，所以超临界二氧化碳与染料良好地混合。

也就是说，通过脉冲产生单元给出的带有脉冲的超临界二氧化碳在通过位于第一级混合单元110a的入口111处的涡流产生单元130的制程中具有涡流。具有脉冲和涡流的超临界二氧化碳作用于填充在染料容器120中的染料，使得染料适当地溶解在超临界二氧化碳中。

在使用具有脉冲和超临界二氧化碳的多级染料混合室100中，首先在第一级混合单元110a中混合的染料和超临界二氧化碳的混合物保持超临界状态，并通过连接通道113移至第二级混合单元110b，期间没有任何压力损失，以在第二级混合单元110b中第二次更完美地混合。

也就是说，通过连接通道113进入第二级混合单元110b内部的染料和超临界二氧化碳的混合物撞击位于连接通道113下方的混合物引导构件114的头部114a，分散并朝着第二级混合单元110b的内表面向下移动，并且沿着定位于头部114a的下部和出口112的上部之间的杆部114b的外表面向上移动，然后通过排出孔114c进入杆部114b的内部，排出孔114c位于头部114a和杆部114b接触的区域的外圆周上，接着通过出口112流出。

进入第二级混合单元114b内部的染料和超临界二氧化碳的混合物在沿着混合物引导构件114的头部114a和杆部114b的外表面移动期间更完美地混合。将完全混合的染料和超临界二氧化碳的混合物供应到染色容器中。

图5a是绘示利用超临界二氧化碳的常规染料混合器中染料溶解度的图。图5b是绘示根据本发明优选实施例的使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室中染料溶解度的图。

如图5a所示，在利用超临界二氧化碳的常规染料混合器中，染料和超临界二氧化碳没有完全溶解在混合器中，并且染料在其未完全溶解的状态下流出。

结果，在对纤维的均匀染色中造成了显著的不利影响。此外，由于染料残留在混合器中，导致染料损失，并且需要相对长的时间来清洁混合器。

相比之下，在根据本发明优选实施例的使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室100中，由于在第一级混合单元110a中首先将具有脉冲能的超临界二氧化碳与染料混合，并且在通过第二级混合单元110b时，混合物被进行第二次混合，染料如图5b所示的完全溶解。

因此，由于使用具有脉冲的超临界二氧化碳的多级染料混合室100能够使染料容器120中包含的供应给染色容器的所有染料完全溶解，所以纤维被均匀地染色。此外，由于染料不残留在混合室100中，因此不存在染料损失并且易于清洁混合室100。

已经使用优选的示例性实施例描述了本发明。然而，应该理解，本发明的范围不限于所公开的实施例。相反，本发明的范围旨在包含使用目前已知或未来的技术和等同物在本领域技术人员的能力范围内的各种修改和替换布置。

Claims (7)

1.一种利用超临界二氧化碳和脉冲的多级染料混合室(100)，其特征在于，包含：

容器主体(110)，入口(111)位于所述容器主体(110)的顶部，允许超临界二氧化碳流入，出口(112)位于所述容器主体(110)的底部，允许所述超临界二氧化碳和染料的混合物流出；

染料容器(120)，位于所述容器主体(110)的内部，并填充有与所述超临界二氧化碳混合的所述染料；

脉冲产生单元，用于向供应到所述容器主体(110)的所述超临界二氧化碳提供脉冲流；以及

涡流发生单元(130)，位于所述容器主体(110)的所述入口(111)处，以脉冲方式向所述超临界二氧化碳提供涡流。

2.如权利要求1所述的多级染料混合室，其特征在于，所述容器主体(110)包含第一级混合单元(110a)和第二级混合单元(110b)，所述第一级混合单元(110a)位于所述染料容器(120)中，且所述第二级混合单元(110b)定位在所述第一级混合单元(110a)下面。

3.如权利要求2所述的多级染料混合室，其特征在于，所述第一级混合单元(110a)包含在顶部的入口(111)，在底部的连接到所述第二级混合单元(110b)的连接通道(113)，以及在中心的染料容器(120)。

4.如权利要求2所述的多级染料混合室，其中所述第二级混合单元(110b)包含在顶部连接通道(113)，在底部的所述出口(112)允许所述染料和所述超临界二氧化碳的所述混合物流出，以及在内部的蘑菇形状的混合物引导构件(114)，所述混合物引导构件(114)内部具有空心的头部(114a)和空心的杆部(114b)。

5.如权利要求4所述的多级染料混合室，其特征在于，所述混合物引导构件(114)的头部(114a)定位在所述连接通路(113)下方，所述杆部(114b)的直径比所述头部小，且定位于所述头部(114a)下部和所述出口(112)的上部之间，多个排出孔(114c)形成在所述头部(114a)和所述杆部(114b)接触的区域的外周。

6.如权利要求1所述的多级染料混合室，其中，所述涡流发生单元(130)包含定位于腔室(131)内的涡流发生器(132)。

7.如权利要求6所述的多级染料混合室，其特征在于，所述涡流发生器(132)包含在外表面形成的用以产生涡流的螺旋形突起(132a)。