KR100438051B1 - 교반장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 액체와 기체, 액체와 액체, 액체와 고체 분말 등의 혼합 및 반응을 위한 교반장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 혼합 또는 반응시키고자 하는 액체 또는 기체 또는 이들을 혼합, 분산하기 위하여 교반함에 있어서 교반기 내 교반날개 방향으로 배치된 노즐을 통하여 분사되는 기체 또는 액체의 흐름으로부터 얻어지는 힘을 이용하여 교반기 교반날개의 회전 구동력을 얻으며, 노즐에 공급되는 유체는 반응기 외부로부터 유입 또는 반응기로부터 배출되어 펌프 등의 이송수단을 이용하여 순환되는 유체인 것을 특징으로 하는 교반장치에 관한 것이다. 본 발명의 교반기에 의하면 고가의 밀봉장치, 모터, 감속기를 사용하는 교반기의 문제점을 개선하여 구조가 간단하고 제조원가가 절감되며, 유지보수가 용이하며, 과다한 교반동력의 소모를 절약할 수 있으며, 종래의 교반기에 비하여 탁월한 혼합 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

Description

교반장치{Agitator}

본 발명은 액체와 기체, 액체와 액체, 액체와 분말 등의 혼합 및 반응을 위한 교반장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 혼합 또는 반응시키고자 하는 액체 또는 기체 또는 이들을 혼합, 분산하기 위하여 교반함에 있어서 교반기 내 교반날개 방향으로 배치된 노즐을 통하여 분사되는 기체 또는 액체의 흐름으로부터 얻어지는 힘을 이용하여 교반날개의 회전구동력을 얻으며, 노즐에 공급되는 유체는 반응기 외부로부터 유입 또는 반응기로부터 배출되어 펌프 등의 이송수단을 이용하여 순환되는 유체인 것을 특징으로 하는 교반기에 관한 것이다.

종래부터 교반기는 화학제품의 제조나 환경분야, 식품의 제조와 같이 대부분의 화학 및 의약분야에서 가장 많이 사용되고 있는 혼합기이며, 교반기 가운데 회전식 날개부착 교반기가 가장 범용으로 사용되고 있다.

도 1은 회전식 날개부착 교반기의 대표적인 방식을 나타내고 있으며, 이러한 회전식 날개부착 교반기는 교반기 외부의 모터 등으로부터 얻어진 회전동력을 교반기 내부의 회전축에 전달하여 회전축에 고정된 교반날개가 회전축과 함께 회전함으로써 혼합 교반작용이 이루어진다.

그러나, 회전식 교반기는 고압반응조건 또는 원료의 독성문제로 인하여 혼합하고자 하는 기체 또는 액체의 누출이 되어서는 안되는 경우에 외부의 회전동력전달장치와 연결된 회전축과 반응기가 맞닿는 부위의 밀봉장치가 정밀해야 할 필요가 있다. 회전축 부위의 효율적인 밀봉을 위하여 미국특허공보 4,666,676호, 미국특허공보 5,108,715호 등 다수의 특허에서 기계적 밀봉(mechanical seal)과 자기적 밀봉(magnetic seal) 등의 방법이 제안되어 사용되고 있으나 기계적 밀봉장치는 완벽한 밀봉이 어렵고, 자기적 밀봉은 밀봉효율은 좋으나, 회전력의 전달이 미흡한 편이다. 또한, 도 2에서 알 수 있는 바와 같이 양 밀봉방식 모두 관련 부품이 많고 가공이 어렵고 고가일 뿐만 아니라 유지보수도 주기적으로 그리고 정밀하게 이루어 저야 하기 때문에 이로 인한 경제적 손실이 큰 실정이며, 이러한 밀봉장치들은 크기가 커서 회전동력을 제공하는 모터, 모터의 감속기와 결합시키면 도 1에서 보는 바와 같이 그 크기가 상당하여 설치 장소에 제한이 있으며, 또한 일정크기 이상의 반응기에만 부착이 가능하다는 제한점이 있고, 교반날개 뿐만 아니라 축전체가 회전하기 때문에 교반동력의 손실이 발생하고 교반날개와 혼합물에서 발생하는 기계적 저항으로 인하여 축비틀림 현상이 발생하여 회전축과 교반날개를 주기적으로 교체해 주어야 하는 단점이 있다. 더 큰 단점은 밀봉장치는 교반기의 사용시간에 비례하여 마모되게 되므로 일정시간이 지나면 교체해야 하고 교체에 따른 비용과 공장의 가동 중단 등의 손실이 발생하게 된다는 점이다.

한편, 기체와 액체의 혼합 및 반응의 경우는 기체의 제한적인 용해도로 인하여 더욱더 어려움이 있어, 효율적인 혼합을 위해서는 교반날개를 고속으로 해주거나 다른 추가의 장치를 부가해야 한다. 한국특허공보 1992-42호, 한국공개특허공보 2003-993호, 미국특허공보 5,451,348호 등 많은 선행기술들이 교반장치의 구조의 변형 및 추가 장치의 부가를 통하여 효율적인 기체·액체 혼합을 이루고자 하였으나, 이들 역시 혼합효율의 저하문제와 비용의 상승으로 인한 문제점을 내포하고 있다.

특히 한국공개특허공보 2003-993호에 공개된 급속분사 교반기는 혼합하고자 하는 물질을 회전하는 교반날개의 수직방향으로 투입하여 투입물질의 순간분산효과를 기져오려고 하고 있으나, 앞서 언급하였듯이 교반기 외부의 모터에 의한 회전동력에 의한 교반으로 인한 단점은 극복되지 못하였다.

교반날개의 회전동력이 모터 등 혼합기 외부에 기인한 것이 아닌 경우는 일본공개실용공보 소56-148,293호에서 발견할 수 있으나, 노즐에서 발생하는 강력한 유압의 분사에 의하여 교반날개를 고속으로 회전시켜 혼합하는 것이 아닌 물의 온도에 따른 비중차이에서 기인하는 대류 흐름 정도의 약한 힘으로 날개를 회전시켜 목욕탕 물의 흐름을 유지하여 물의 온도를 균일하게 유지하는 것으로서, 상기 일본공개실용공보 소56-148,293호에 외부 동력에 의한 흐름을 가한다 하여도 교반날개에 인접하여 강한 회전력을 유도하는 압력을 발생시키는 노즐이 존재하지 않아 고속의 회전이 불가능하고, 더 나아가, 상기 고안에 고속회전을 위하여 노즐을 부착한다 하여도 교반날개가 부착된 축이 본원 발명처럼 상하로 고정이 되어 있지 않아 고속 회전시 축의 떨림 또는 축비틀림 현상이 발생하게 되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기의 문제를 해결할 수 있는 고가의 복잡한 밀봉 구조를 채택하지 아니하여도 혼합기의 밀봉이 완벽하게 이루어지며, 설치, 유지보수가 용이하며, 강력한 혼합력을 갖는 교반장치를 제공하는데 그 목적이 있으며, 액체-액체, 기체-액체의 혼합, 액체-기체-고체 분말의 혼합 특히 고온, 고압에서도 안정적인 운전이 가능한 경제적인 혼합장치의 제공과 노즐을 통하여 인입되는 유량을 시간에 따라 조절하도록 하여 시간대별 회전력 조절을 통하여 효율적인 혼합과 반응이 이루어지도록 하는 것이 또 다른 발명의 목적이다.

도 1은 모터 구동에 의한 회전동력을 얻는 종래의 회전 교반기이고,

도 2는 종래의 회전교반형 반응기에 사용하는 기계적 밀봉(mechanical seal)장치와 자기적 밀봉(magnetic seal)장치의 예이며,

도 3은 노즐에서 교반기 내 교반날개 방향으로 배치된 노즐을 통하여 분사되는 기체 또는 액체의 흐름으로부터 얻어지는 힘을 이용하여 교반기 교반날개의 회전 구동력을 얻는 본원 발명의 개략도이며,

도 4는 도 3의 A-A'의 단면으로서 교반날개와 노즐의 위치를 도시한 것이며,

도 5는 순환되는 유체가 유입되는 노즐의 위치가 교반기의 측면에 설치된 것을 도시한 것이며,

도 6은 도 3 또는 도5에 도시된 장치에 따라 교반날개들이 서로 동일한 방향으로 회전하거나 서로 반대방향으로 회전할 수 있음을 도시한 것이며,

도 7은 다수의 교반날개와 교반날개의 회전방향을 변화시킬 수 있는 다수의 노즐과 콘트롤밸브, 순환펌프를 구비한 본원 발명의 실시예를 도시한 것이고,

도 8은 펌프에 의하여 교반기 외부 순환되는 라인에 순환펌프, 열교환기, 콘트롤 밸브와 인라인 믹서 구비한 실시예이다.

♠도면의 주요 부분에 대한 설명 ♠

1 모터 2 감속기

3 밀봉장치 4 회전축

5 교반날개 6 투입구

7 배출구

11a 노즐 11b 노즐

12a 교반날개 12b 교반날개

13a 순환액 입구 13b 순환액 입구

14a 교반날개 받침 14b 교반날개 받침

15 교반날개 고정축 16 하부 고정부

17 상부 고정부 18 하부 고정축 지지대

19 유입구 20 유출구

21a 콘트롤 밸브 21b 콘트롤 밸브

22 순환펌프 23 열교환기

24 인라인 혼합기(in-line mixer) 25 이젝타(ejector)

26 필터 27 스트레이나(strainer)

28 유량조절밸브 29 냉각기

본 발명의 목적을 달성하기 위하여 외부의 회전동력에 의한 회전축과 교반날개의 회전에서 발생하는 혼합이 아닌 교반기 내 교반날개 방향으로 배치된 노즐을 통하여 분사되는 기체 또는 액체의 흐름으로부터 얻어지는 힘을 이용하여 교반날개 고정축에 조립된 교반기 교반날개가 회전동력을 얻으며, 상기 노즐에 공급되는 유체는 반응기 외부로부터 유입 또는 반응기로부터 배출되어 펌프 등의 이송수단을 이용하여 순환되는 유체인 것을 특징으로 하는 교반장치를 제공한다.

노즐에 공급되는 유체는 노즐의 분사작용으로 인하여 자체로서 혼합됨과 동시에 분사된 유체가 교반날개의 면에 충돌하며 혼합되는 작용과 교반날개가 회전하면서 혼합하는 작용을 동시에 발생시켜 혼합효과의 극대화를 이루게 된다.

상기 교반날개 고정축은 교반날개의 고속 회전 시 떨림이나 비틀림 현상을 방지하기 위하여 교반기의 상부 또는 하부에 고정하고 고정되지 않은 반대쪽은 지지대를 설치하여 교반날개가 고속으로 회전하도록 상하로 고정되며, 교반날개가 교반날개 고정축과의 마찰로 인한 동력 손실이 적도록 하는 것은 통상의 어떤 수단도 가능하지만 교반날개가 테프론, 세라믹 또는 그라파이트 베어링, 폴리카보네이트, 폴리이미드 등의 엔지니어링 플라스틱 베어링 등에 부착하는 것이 바람직하다.

노즐로 공급되는 혼합액은 교반기 내부로부터 배출되어 펌프를 통하여 가압되어 다시 교반기 내부의 노즐로 분사됨으로서 순환되는 것이 바람직하며, 특히 저온 또는 고온의 반응 시 외부 순환 경로에 열교환기를 설치하여 효율적인 반응온도 조절도 가능하다.

또한, 회전 날개의 수는 1개 이상이면 가능하며, 특히 2개 이상일 경우 노즐의 방향을 적절히 배치하여 교반날개들의 회전 방향을 동일하게 하거나 반대방향으로 회전하게 조절할 수 있다.

고체를 포함하는 용액의 순환을 통한 회전동력의 수득도 가능하지만, 필요에 따라 고체입자의 순환이 적절하지 않은 경우 펌프로 순환되기 위하여 배출되는 혼합기 내 배출구 이전에 적절한 위치에 필터 또는 바스켓을 설치하여 고체 입자는 혼합기 내에 머무르도록 할 수 있으며, 이러한 경우는 고체 촉매입자를 포함한 반응의 경우에 유용하다.

이하, 본 발명을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 예시한다.

도 3은 노즐에서 교반기 내 교반날개 방향으로 배치된 노즐을 통하여 분사되는 기체 또는 액체의 흐름으로부터 얻어지는 힘을 이용하여 교반기 교반날개의 회전 구동력을 얻는 본원 발명의 개략도이며, 도 4는 도 3의 A-A'의 단면으로서 교반날개와 노즐의 위치를 도시한 것이며, 도 5는 순환되는 유체가 유입되는 노즐의 위치가 교반기의 측면에 설치된 것을 도시한 것이며, 도 6은 본 발명에 따라 교반날개들이 서로 동일한 방향으로 회전하거나 서로 반대방향으로 회전할 수 있음을 도시한 것이며, 도 7은 다수의 교반날개와 교반날개의 회전방향을 변화시킬 수 있는 다수의 노즐과 콘트롤밸브, 순환펌프를 구비한 본원 발명의 실시예를 도시한 것이고, 도 8은 펌프에 의하여 교반기 외부 순환되는 라인에 순환펌프, 열교환기, 콘트롤 밸브와 인라인 믹서와 이젝터를 구비한 실시예이다.

도 3과 도4에 도시한 바와 같이 본 발명의 교반기는 교반기 상부에 모터가 존재하지 않고 회전 동력원으로 사용되는 노즐(11) 분사를 위하여 상부 고정부(17)와 하부 고정부(16)가 고정 또는 지지된 교반날개 고정축(15)에서 회전하게 되는 하나 이상의 교반날개(12)의 인근에 위치한 하나 이상의 분사노즐(11)이 구비된다. 교반날개 고정축(15)은 교반기의 상부 고정부(17)에 고정되고 교반기 하부 고정축 지지대(18) 위에 하부 고정부(16)로 지지되며, 교반날개(12)가 안정적으로 회전할 수 있도록 교반날개 상하에 교반날개 지지대(14)가 설치되며, 고정된 고정축(15)과 회전하는 교반날개(12)사이에는 마찰력을 최소화 하기 위하여 교반날개는 테프론 베어링, 폴리카보네이트 베어링, 세라믹 베어링이나 그라파이트 베어링 등 통상적인 회전수단에 고정되어 교반날개 고정축(15)에 설치되고, 노즐(11)로 유입되는 액체 또는 기체 혼합물은 유입구(19)로 들어와 노즐(11)에서 교반날개(12)의 회전동력을 전달한 후 다시 유출구(20)를 통하여 외부 펌프로 이송되며, 이때, 교반날개(12)의 형상 또는 노즐의 분사각도, 노즐의 모양 및 위치 등을 적절히 변형하면 혼합하고자 하는 물질의 특성에 다른 적절한 교반의 효과를 얻을 수 있다.

펌프로부터 순환된 유체가 유입되는 유입구(19)와 노즐(11)의 위치는 반듯이 교반기의 상부로부터 설치될 필요는 없으며, 도 5에 도시된 바와 같이 순환액 입구(13)와 노즐을 교반기의 측면에 설치할 수 있으며, 이러한 경우에는 순환액의 흐름-노즐의 방향-교반날개의 면이 일직선상에 위치하여 순환동력손실을 줄일 수 있을 뿐만 아니라, 교반기를 설치할 위치의 높이에 제한이 있을 경우에 공간을 절약할 수 있는 장점도 함게 얻을 수 있다.

한편, 교반날개가 서로 반대방향으로 회전할 경우 교반의 효과가 더 크게 하기 위하여 도 6에서 보는 바와 같이 복수의 교반날개와 복수의 노즐을 설치하여 별도의 추가장치 없이 복수의 교반날개가 서로 같은 방향 또는 서로 다른 방향으로 회전하도록 할 수 있으며, 반응 또는 혼합 중에도 회전방향을 전환할 수 있다.

이러한 실시양태를 도 7과 도 8을 바탕으로 설명한다.

노즐(11)로 유입되는 액체 또는 기체의 분사에너지를 얻기 위하여 교반기의 유출구(20)로부터 유출된 혼합물은 펌프(22)에 의하여 가압되어 다시 교반기의 유입구(13)로 유입되어 노즐(11)로 전달되어 교반날개(12)에 회전동력으로 전달되며, 이때, 순환펌프(22)로부터 유입되는 교반날개(12a)에 2개의 노즐(11a, 11c)를 구비하여 콘트롤밸브(21a)를 열고 콘트롤밸브(21c)를 닫아 해당 노즐(11a)을 가동하여 교반날개에 동력을 주다가 콘트롤밸브(21c)를 열고 콘트롤밸브(21a)를 닫아 반대쪽 노즐(11c)을 가동하여 교반날개(12a)의 회전방향을 교반 중에도 전환할 수 있으며, 상단의 노즐(11a, 11c)과 하단의 노즐(11b, 11d)에 연결된 콘트롤밸브(21a, 21b, 21c, 21d)를 적절히 조절하면 상단과 하단의 교반날개의 방향을 동일하게 하거나 반대로 할 수 있으며, 또한 교반의 진행에 따라 시간에 따라 시간교반날개의 회전방향, 회전 수 등을 자동으로 조절할 수도 있다.

순환펌프(22)는 통상적인 화학공정에서 사용하는 일반적인 펌프는 모두 사용할 수 있으나, 가압이 용이하고 밀봉부가 없는 펌프가 바람직하며, 특히 고온, 고압 조건 하에서 교반하고자 하는 경우는 밀봉부가 없는 펌프(non-seal pump)를 사용하는 것이 바람직하고, 고압반응의 경우는 부스터(booster)를 사용하는 것도 가능하며, 회전동력의 필요에 따라 다수의 펌프를 병렬 또는 직렬로 배치하여 사용할수 있다.

또한, 도 8에 도시한 바와 같이 교반 시 온도 조절이 필요한 경우 열교환기(23)를 순환라인에 설치하여 교반하고자 하는 혼합물의 냉각 또는 가열을 간편하게 할 수 있으며, 임의로 외부 순환경로에 인라인 혼합기(24)를 설치하여 순환되는 물질의 혼합효과를 증대시킬 수 있고, 이젝타(25)를 설치하여 외부에서 유입되는 물질과 순환물과의 혼합을 극대화시킬 수도 있다.

그리고, 교반하고자 하는 물질에 분말이 포함되어 외부 순환에 장애가 있는 경우에는 교반기 내에 필터(26) 또는 바스켓을 설치하여 순환이 효과적으로 이루어지도록 할 수 있으며, 이러한 구성은 촉매반응에 적절하다.

상술한 본 발명의 교반기에 의하면

(a) 고가의 밀봉장치를 채용하지 않아도 완벽한 밀봉효과를 가져올 수 있으므로 종래의 밀봉장치의 유지 및 보수에 따른 경제적 손실을 방지할 수 있다.

(b) 축이 회전하지 않고 교반날개만 회전하여 교반하므로 회전동력의 손실이 적고 회전축의 비틀림으로 인한 회전축의 손상을 방지할 수 있으며, 특히 교반날개를 고정하는 교반날개 고정축이 상하로 고정 또는 지지되어 축의 떨림이 없어 교반날개가 고속의 회전이 가능하다.

(c) 종래의 밀봉장치를 설치할 수 없는 소형의 반응기에도 가능하며, 외부에 열교환기를 설치하여 유체를 순환시키므로 저온 및 고온반응의 온도제어가 용이하고, 특히 온도조절을 위한 자켓(jacket) 또는 코일(coil)을 설치하기 어려운 소형반응기나, 자켓용량으로 만 온도조절이 어려운 대형 반응기에 전열면적을 확대하여온도의 제어가 효율적이다.

(d) 종래의 모터에 의한 회전동력 교반은 교반날개가 같은 방향으로만 회전하면서 교반하였으나, 본 발명의 교반기에 따르면 추가의 장치 없이 하나의 교반기에 다수의 교반날개가 서로 다른 방향으로 회전하여 혼합하는 것이 가능하여 효과적인 혼합이 이루어지며, 필요에 따라 혼합 중에도 교반날개의 방향을 전환할 수 있다.

(e) 무엇보다도 종래의 교반기에 비하여 노즐의 분사작용으로 인하여 자체로서 혼합됨과 동시에 분사된 유체가 교반날개의 면에 충돌하며 혼합되는 작용과 교반날개가 회전하면서 혼합하는 작용을 동시에 발생시켜 혼합효과가 상승한다는 장점이 있다.

본 발명의 적용분야로는 액체-기체, 액체-액체, 액체-고체의 혼합이 필요한 화학제품의 제조나 폐수처리 등 환경분야, 음료의 제조 등 식품의 제조와 같이 혼합이 필요한 대부분의 화학 및 의약분야에서 사용될 수 있다.

본 발명의 교반기에 의하면 고가의 밀봉장치, 모터, 감속기를 사용하는 교반기의 문제점을 개선하여 구조가 간단하고 제조원가가 절감되며, 유지보수가 용이하며, 과다한 교반동력의 소모를 절약할 수 있으며, 종래의 교반기에 비하여 탁월한 혼합 효과를 얻을 수 있는 장점이 있다.

본 발명은 특정한 바람직한 구현예와 함께 상세하게 설명되었으나, 본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게실시할 수 있으며, 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims (10)

1. 회전력을 제공하기 위한 유체의 흐름을 분사하는 노즐(11)과 상기 노즐(11)로부터 분사되는 유체의 흐름을 동력으로 하여 회전할 수 있도록 노즐(11)에 면하는 교반날개(12) 및 상기 교반날개(12)를 고정시켜주기 위하여 교반기 상하에 고정된 교반날개 고정축(15)과 상기 유체를 교반기로부터 외부 순환라인을 통하여 순환시키기 위한 순환펌프(22)로 구성되는 것을 특징으로 하는 교반기.
2. 제1항에 있어서, 1개 이상의 교반날개(12)를 회전시킬 수 있도록 교반날개 당 1개 이상의 노즐을 구비하는 것을 특징으로 하는 교반기.
3. 제2항에 있어서, 교반날개(12)가 테프론 베어링, 폴리카보네이트 베어링, 세라믹 베어링 및 그라파이트 베어링으로부터 선택되는 것에 고정되고, 상기 베어링이 교반날개 고정축(15)에 설치됨을 특징으로 하는 교반기.
4. 제3항에 있어서, 외부 순환라인에 열교환기(23)를 구비하는 것을 특징으로 하는 교반기.
5. 제3항에 있어서, 외부 순환라인에 콘트롤밸브(21), 인라인 믹서(24), 이젝터(25)로부터 1개 이상을 선택하여 설치함을 특징으로 하는 교반기.
6. 제2항에 있어서, 복수의 교반날개(12)가 서로 반대방향으로 회전함을 특징으로 하는 교반기
7. 제2항에 있어서, 외부 순환라인에 콘트롤 밸브(21)를 설치함을 특징으로 하는 교반기.
8. 제7항에 있어서, 교반날개(12) 하나 당 복수의 노즐(11)이 설치되며, 각각의 노즐(11)에 연결된 순환라인에 복수의 콘트롤 밸브(21)을 설치하여 교반날개(12)의 방향을 제어함을 특징으로 하는 교반기
9. 제8항에 있어서, 각각의 콘트롤밸브(21)에서의 시간에 따른 유체 흐름 제어를 통하여 시간에 따라 회전방향과 회전속도가 변환하는 것을 특징으로 하는 교반기
10. 제8항에 있어서, 복수의 교반날개(12)가 서로 반대방향으로 회전함을 특징으로 하는 교반기