KR101718379B1 - 순환식 분산 시스템 및 순환식 분산 방법 - Google Patents

순환식 분산 시스템 및 순환식 분산 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 다량의 혼합물을 균일하고, 효과적이며, 반복적으로 분산하여 단시간에 처리된 혼합물을 얻는 순환식 분산 시스템(1) 및 방법을 제공하는 것이다. 슬러리 또는 액상 혼합물을 순환 및 분산하는 순환식 분산 시스템(1)은, 혼합물을 연속적으로 분산하는 연속식 분산 장치(3), 연속식 분산 장치(3)의 출구에 접속된 제 1 탱크(4), 연속식 분산 장치(3)의 입구에 접속된 제 2 탱크(5), 연속식 분산 장치(3), 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5)를 직렬로 접속하며 원형으로 형성된 파이핑(6), 및 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5) 내 혼합물의 레벨을 조절하도록, 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5) 사이의 파이핑(6)에 설치된 조절 밸브(7)를 포함한다.

Description

순환식 분산 시스템 및 순환식 분산 방법{A CIRCULATING-TYPE DISPERSING SYSTEM AND A METHOD THEREFOR}
본 발명은 슬러리 혼합물 및 액상 혼합물과 같은 혼합물을 순환함으로써, 혼합물에 물질을 분사하는 시스템 및 방법에 관한 것이다.
슬러리 또는 액상 물질 및 고상 물질의 혼합물과 같이, 액상 물질 내에 고상 물질을 분산하는데 있어서, 배치식 분산 장치 또는 연속식 분산 장치가 이용되었다. 그러나, 배치식 분산 장치를 이용하면, 분산을 위한 전단력을 발생하는 영역을 원료가 균일하게 통과하지 못할 수도 있다. 따라서, 원료의 일부가 용기 내 특정 위치에 축적될 수도 있다. 이로 인해, 전체적으로 균일하게 분산된 재료를 얻는데에는 장시간이 소요된다. 연속식 분산 장치를 이용하면, 분산을 위한 전단력을 발생하는 영역을 원료가 단 한번만 통과하기 때문에, 불충분하게 분산된 재료가 얻어질 수도 있다.
이러한 문제점을 해결하기 위하여, 연속식 분산 장치에 혼합물을 공급하는 탱크, 연속식 분산 장치에 의해 분산된 혼합물을 수용하는 탱크, 및 공급하는 탱크와 수용하는 탱크를 교대로 변경하는 다중 경로를 포함하는 시스템이 공지되어 있다(일본국 곡개특허공보 제2009-51831호). 그러나, 탱크의 경로를 변경하는 것은 용이하지 않다. 따라서, 연속식 분산 장치를 포함하는 순환식 분산 시스템이 제안되었다. 그러나, 연속식 분산 장치의 입구 및 출구가 파이핑에 의해서만 접속되어 있으면, 매우 적은 양의 혼합물만 처리될 수 있다. 따라서, 처리되는 혼합물의 양을 증가시키도록 파이핑을 따라 저장 탱크가 설치될 수도 있다(일본국 공개특허공보 제2004-267991호).
이 시스템에 있어서, 혼합물의 일부는 단시간에 저장 탱크를 통과하고, 일부는 탱크로부터 유출되기 전에 장시간 저장 탱크에 머물 수도 있다. 따라서, 연속식 분산 장치에 의해 동일한 정도로 모든 혼합물을 처리할 수는 없다. 따라서, 균일하게 처리된 혼합물을 얻는데 장시간이 소요된다. 이것이 문제점이 되었다.
본 발명의 목적은 다량의 원료를 순환함으로써 균일하고 효과적으로 분산하는 시스템 및 방법을 제공하는 것이다. 이 시스템 또는 방법에 의해, 단시간에 처리된 혼합물을 얻을 수 있다.
본 발명의 순환식 분산 시스템은, 슬러리 또는 액상 물질과 같은 혼합물을 순환함으로써 분산하는 시스템으로서, 혼합물을 분산하는 장치, 상기 장치의 출구에 접속된 제 1 탱크, 상기 장치의 입구에 접속된 제 2 탱크, 상기 장치, 상기 제 1 탱크 및 상기 제 2 탱크를 직렬로 접속하며 원형으로 형성된 파이핑, 및 상기 제 1 탱크 및 상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨을 조절하도록, 상기 제 1 탱크 및 상기 제 2 탱크 사이의 상기 파이핑에 설치된 조절 밸브를 포함한다. 상기 조절 밸브가 폐쇄되면, 상기 연속식 분산 장치에 의해 처리된 혼합물이 상기 제 1 탱크에 축적되고, 상기 제 2 탱크 내 혼합물은 상기 연속식 분산 장치로 공급된다. 상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하면, 상기 밸브가 개방되어 상기 제 1 탱크 내 혼합물을 상기 제 2 탱크로 공급한다. 본 발명의 순환에 의한 분산 방법은, 슬러리 또는 액상 물질과 같은 혼합물을 순환함으로써 분산하는 방법으로서, 연속식 분산 장치에 의해 혼합물을 분산하는 단계, 상기 연속식 분산 장치, 상기 연속식 분산 장치의 출구에 설치된 제 1 탱크, 및 상기 연속식 분산 장치의 입구에 설치된 제 2 탱크를 직렬로 접속하는 파이핑을 통해 혼합물을 순환하는 단계, 상기 연속식 분산 장치에 의해 처리된 혼합물을 상기 제 1 탱크에 축적하고, 상기 제 1 탱크 및 상기 제 2 탱크 사이에 설치된 조절 밸브를 폐쇄함으로써, 상기 제 2 탱크 내 혼합물을 상기 연속식 분산 장치로 공급하는 단계, 및 상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하면, 상기 제 1 탱크 내 혼합물을 상기 제 2 탱크로 공급하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의해, 다량의 원료가 반복적으로 균일하게 분산될 수 있다. 효과적으로 분산될 수 있다. 균질하게 처리된 혼합물을 얻는데 소요되는 시간이 단축될 수 있다.
2010년 4월 8일자로 출원된 기초 일본 특허출원 제2010-89692호의 내용 전체를 본 명세서에 참조로서 포함한다.
본 발명은 본 명세서의 하기 상세한 설명으로부터 보다 명확하게 이해될 것이다. 그러나, 상세한 설명 및 특정 실시형태는 본 발명의 바람직한 실시형태를 나타내는 것으로, 설명의 목적으로만 기재된 것이다. 당업자에게 있어서는, 상세한 설명에 근거하여 다양한 변경이나 변형이 가능함은 물론이다.
본 출원인은 개시된 어떠한 실시형태에 대해서도 공중에 헌상하고자 하는 의도는 없다. 따라서, 개시된 변경 및 변형 중, 본 청구범위 내에 문언상 포함되지 않은 것도 균등론 하에서 본 발명의 일부를 구성한다.
상세한 설명 및 청구범위에 있어서, 명사 및 동일한 지시어의 사용은, 특별히 지시되지 않은 한, 또는 문맥에 의해 명료하게 부정되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 것으로 해석해야 한다. 본 명세서 중에서 제공된 임의 및 모든 예시 또는 예시적인 용어(예를 들어, "등")의 사용도, 단지 본 발명을 용이하게 설명하려는 의도에 지나지 않으며, 특히 청구범위에 기재되지 않는 한 본 발명의 범위를 제한하려는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 순환식 분산 시스템을 도시하는 개요도이다.
도 2는 순환식 분산 시스템의 일 기능 및 동작을 도시하는 도면으로서, 도 2의 (a)는 제 2 센서가 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하였음을 검지하면 조절 밸브가 개방되는 것을 도시하고, 도 2의 (b)는 제 1 센서가 제 1 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하였음을 검지하면 조절 밸브가 폐쇄되는 것을 도시한다.
도 3은, 제 1 탱크로부터 제 2 탱크로의 혼합물의 흐름을 증가시키도록 제 1 탱크 및 제 2 탱크 사이에 펌프가 설치되어 있는, 순환식 분산 시스템의 변형예를 도시한다.
도 4는 순환식 분산 시스템을 구성하는 연속식 분산 장치의 일례를 도시하는 도면으로서, 서로 맞물리는 2개의 로터의 개략 단면도이다.
도 5는 순환식 분산 시스템을 구성하는 연속식 분산 장치의 주요부 개략도이다.
도 6은 순환식 분산 시스템을 구성하는 연속식 분산 장치에서의 유속의 분포 및 비교예의 장치의 유속의 분포를 도시하는 개요도이다.
도 7은 버퍼부의 체적이 증가된, 순환식 분산 시스템을 구성하는 연속식 분산 장치의 변형예를 도시한다.
이하, 본 발명의 순환식 분산 시스템(1)에 대해 도면을 참조하여 설명한다. 후술하는 순환식 분산 시스템(1)은 슬러리 혼합물(2)("고-액 분산" 또는 "슬러리"라고도 함)을 분산하는 것이다. 그러나, 본 발명이 이 분산 시스템에 한정된 것은 아니다. 액상 혼합물("액-액 분산" 또는 "유화"라고도 함)을 분산할 때에도 마찬가지로 효과적이다. "분산"이란, 혼합물을 분산, 즉 혼합물을 혼합하여, 모든 물질이 균일해지도록 하는 것을 의미한다.
도 1에 도시한 바와 같이, 순환식 분산 시스템(1)은, 혼합물(2)을 분산하는 연속식 분산 장치(3), 연속식 분산 장치(3)의 출구(3a)에 접속된 제 1 탱크(4), 연속식 분산 장치(3)의 입구(3b)에 접속된 제 2 탱크(5), 연속식 분산 장치(3), 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5)를 직렬로 접속하며 원형인 파이핑(6), 및 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5) 사이에 배치되어 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5) 내 혼합물의 레벨을 조절하는 조절 밸브(7)를 포함한다. 제 1 탱크는 제 2 탱크(5)보다 상위에 위치되어 있다. 그러나, 후술하는 펌프(29)가 설치되면, 이 높이 관계는 변경될 수 있다. 이 순환식 분산 시스템(1)에 있어서, 조절 밸브(7)를 폐쇄함으로써, 연속식 분산 장치(3)에 의해 처리된 혼합물이 제 1 탱크(4)에 축적되고, 제 2 탱크(5) 내 혼합물은 연속식 분산 장치(3)로 공급된다. 제 2 탱크(5) 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하면, 조절 밸브(7)가 개방되어, 제 1 탱크(4) 내 혼합물이 제 2 탱크(5)로 공급된다.
순환식 분산 시스템(1)은, 제 1 탱크(4)에 배치되어 있는 제 1 센서(8)와, 제 2 탱크(5)에 배치되어 있는 제 2 센서(9)를 포함한다. 제 1 센서(8)는 제 1 탱크(4) 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하는지의 여부를 검지한다. 제 2 센서(9)는 제 2 탱크(5) 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하는지의 여부를 검지한다. 순환식 분산 시스템(1)은 제 1 및 제 2 센서(8, 9)의 검지된 레벨에 기초하여 조절 밸브(7)를 제어하는 제어기(10)를 더 포함한다. 도 2의 (a)에 도시한 바와 같이, 제 2 센서(9)가 레벨이 하한에 도달하였음을 검지하면, 제어기(10)에 의해 조절 밸브(7)가 개방된다. 도 2의 (b)에 도시한 바와 같이, 제 1 센서(8)가 레벨이 하한에 도달하였음을 검지하면, 제어기(10)에 의해 조절 밸브(7)가 폐쇄된다.
순환식 분산 시스템(1)에 있어서, 제 1 탱크(4)의 출구 및 제 2 탱크(5)의 입구 사이의 파이핑(6)을 통한 흐름은, 제 2 탱크(5)의 출구 및 연속식 분산 장치(3)의 입구(3b) 사이의 파이핑(6)을 통한 흐름보다 크게 설계되어 있다. 이러한 설계는, 예를 들어, 제 1 탱크(4)의 출구 및 제 2 탱크(5)의 입구 사이의 파이핑(6)을 더 크게 형성함으로써 달성될 수 있다. 대안적으로는, 제 1 탱크(4)의 출구 및 제 2 탱크(5)의 입구 사이의 파이핑(6)에 펌프(29)를 설치함으로써 달성될 수도 있다.
순환식 분산 시스템(1)은, 제 1 및 제 2 탱크(4, 5) 내 혼합물을 각각 교반하는 교반기(11, 12) 및 제 1 및 제 2 탱크(4, 5)의 내부를 감압하는 펌프(13; 진공 펌프)를 더 포함한다. 연속식 분산 장치(3)를 통해 제 2 탱크(5)로부터 제 1 탱크(4)로 혼합물을 공급하는 펌프(14)를 포함한다. 첨가제(15)를 저장하는 호퍼(16) 및 파이핑(6) 내에서 순환하는 원료에 호퍼(16)로부터 첨가제를 공급하는 피더(17)를 포함한다. 피더(17)는 첨가제를 밀어넣는 기구(18)를 구비하고 있다. 순환식 분산 시스템(1)은 분산 처리가 종료된 후에 처리된 혼합물을 배출하는 밸브(19, 20) 및 혼합물이 배출될 때 이용되는 밸브(21)를 더 구비하고 있다. 순환식 분산 시스템(1)에 있어서, 배출하는 밸브(19, 20)가 폐쇄 동작되면, 밸브(21)는 개방된다. 순환식 분산 시스템(1)은, 예를 들어 제 1 탱크(4)로 원료를 공급하는 파이핑(22) 및 원료를 공급하는 밸브(23)를 포함한다. 첨가제(15)가 첨가되기 전의 재료를 '원료'라고 한다. 밸브(23)의 상류측에는, 원료 등을 공급하는 탱크가 설치되어 있다. 이들은 도면에 도시되어 있지 않다. 후술하는 바와 같이, 원료 또는 첨가제를 공급하는 위치는 이들 위치로 한정되지 않는다.
상술한 바와 같이, 순환식 분산 시스템(1)은 반복된 분산을 효과적으로 수행하는 시스템("순환 및 분산 장치")이다. 순환식 분산 시스템(1)은 연속식 분산 장치(3)의 원료(혼합물)용 출구 및 입구 사이에 파이핑(6)을 설치함으로써 순환의 이점을 갖는다. 또한, 파이핑(6)에 설치되어 있는 2개의 탱크(제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5)) 내 원료를 저장 및 배출하는 제어기를 이용한다. 도 1에 도시한 바와 같이, 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5)는 조절 밸브(7)를 통해 직렬로 접속되어 있다. 제 1 및 제 2 탱크(4, 5)는 혼합물(당초에 원료를 공급하는 파이핑(22)을 통해 공급됨)을 저장한다. 처음에 제 1 및 제 2 탱크(4, 5), 연속식 분산 장치(3) 및 파이핑(6)을 통해 순환하는 유체는 원료이다. 연속식 분산 장치(3)에 의해 각 처리가 수행된 후, 상기 원료는 첨가제(15)가 분산된 혼합물이 된다. 최종적으로, 상기 원료는 처리된 혼합물이 된다. 본 설명에 있어서, 초기의 "원료" 및 처리 중의 "혼합물"을 모두 일반적으로 "혼합물"이라고 한다. 제 2 탱크(5)로부터 유출된 혼합물은 펌프(14) 및 밸브(21)를 통해 연속식 분산 장치(3)로 유입된다. 제 2 탱크(5)로부터 연속식 분산 장치(3)로의 경로 중에, 호퍼(16)에 저장되어 있는 첨가제(15)(액상 또는 입자 형태)가 피더(17)에 의해 순환하는 혼합물(원료)에 첨가된다. 연속식 분산 장치(3)에 의해 분산된 혼합물은 제 1 탱크(4)에 저장된다. 혼합물의 편석(segregation)을 방지하도록, 제 1 및 제 2 탱크(4, 5) 내 혼합물은 교반기(11, 12)에 의해 각각 교반된다.
순환식 분산 시스템(1)에 이용되는, 연속식 분산 장치의 일례인 연속식 분산 장치(3)를 도 4 내지 도 7을 참조하여 이하에 설명한다. 그러나, 연속식 분산 장치는 이것에 한정되지 않는다. 소위 균질기(homogenizer), 또는 샌드 그라인더(sand grinder), 또는 비드 밀(bead mill), 또는 콜로이드 밀(colloid mill), 또는 2축 니더(biaxial kneader) 등이 이용될 수 있으며, 처리될 재료 및 원하는 분산도에 따라 선택될 수 있다. 스크류 피더(screw feeder), 로터리 피더(rotary feeder), 플런저 피더(plunger feeder) 등이 첨가제(15)용 피더(17)로 이용될 수 있다.
레벨 센서(8; 제 1 센서)가 제 1 탱크(4)에 설치되어 있다. 또 다른 레벨 센서(9; 제 2 센서)가 제 2 탱크(5)에 설치되어 있다. 이들 센서는 각 탱크에 저장된 혼합물의 하한을 검지한다. 하한은 혼합물이 흐름의 정지 없이 순환될 수 있는 최소 레벨이다. 하한은 펌프(14) 또는 연속식 분산 장치(3)에 의해 결정되는 혼합물의 흐름(또는, 유속)에 기초하여 설정된다. 음압(negative pressure) 하에서 혼합물을 탈포처리(defoam)하기 위하여, 진공 펌프(13; 펌프)가 제 1 및 제 2 탱크(4, 5)에 접속되어 있다.
동작 중에, 조절 밸브(7)가 개방 및 폐쇄되어, 흐름이 조절된다. 통상, 밸브(21)는 개방되어 있고, 밸브(19, 20)는 폐쇄되어 있다. 처리가 완료된 후, 밸브(21)는 폐쇄되고, 밸브(19, 20)는 개방된다. 따라서, 처리된 혼합물은 밸브(19)를 통해 배출 및 회수된다. 연속식 분산 장치(3) 및 파이핑(6) 내에 남아 있는 혼합물은 개방된 밸브(20)를 통해 배출 및 회수된다. 혼합물을 배출 및 회수하는 밸브는 임의의 위치, 예를 들어 임의의 탱크 또는 파이핑의 임의의 위치에 설치될 수도 있다.
다음으로, 상술한 순환식 분산 시스템(1)을 이용하는 순환식 분산(분산 처리) 방법에 대해 설명한다. 초기 상태에서, 펌프(14) 및 교반기(11, 12)는 정지하고 모든 밸브(조절 밸브(7) 및 밸브(19, 20, 21))는 폐쇄된다. 제 1 단계에서, 계량된 매체(액상 재료)가 원료를 공급하는 파이핑(22)으로부터 제 1 탱크(4)로 공급된다. 그런 다음, 교반기(11)가 작동된다. 공급되는 재료의 체적은 제 1 탱크(4)의 최대 체적과 동일한 것으로 가정한다. 그러나, 공급되는 재료의 체적은 이에 한정되지 않는다. 제 2 단계에서, 조절 밸브(7)가 개방되어, 제 1 센서(8)가 제 1 탱크(4) 내 혼합물의 레벨이 최소 레벨에 도달하였음을 검지할 때까지, 제 1 탱크(4) 내 혼합물을 제 2 탱크(5)로 공급한다. 모든 혼합물이 공급되면, 개시 동작이 완료된다. 그런 다음, 교반기(12)가 작동된다.
제 3 단계에서, 조절 밸브(7)가 폐쇄되고, 밸브(21)가 개방된다. 연속식 분산 장치(3) 및 펌프(14)가 작동된다. 그러면, 연속식 분산 장치(3) 및 펌프(14) 내부가 액상 재료로 채워지게 된다. 그러나, 연속식 분산 장치(3) 및 펌프(14)가 가동되지 않으면, 액상 재료로 채워지지 않을 수도 있다. 따라서, 제 2 탱크(5)에 저장된 혼합물은 펌프(14), 밸브(21) 및 연속식 분산 장치(3)를 통해 제 1 탱크(4)로 다시 흐른다. 조절 밸브(7)가 폐쇄되어 있기 때문에, 되돌아온 혼합물은 제 1 탱크(4)에 축적된다. 혼합물의 편석을 방지하기 위하여, 교반기(11)에 의해 계속해서 교반이 행해진다. 이러한 동작을, 제 2 탱크(5) 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달할 때까지 계속한다.
제 4 단계에서, 제 2 센서(9; 레벨 센서)가 제 2 탱크(5) 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하였음을 검지하면, 조절 밸브(7)가 개방되어, 제 1 탱크(4)에 축적되어 있던 혼합물이 제 2 탱크(5)로 공급된다. 혼합물의 편석을 방지하기 위하여, 제 1 및 제 2 탱크(4, 5) 내 혼합물은 교반기(11, 12)에 의해 계속해서 교반된다.
제 5 단계에서, 제 1 센서(8; 레벨 센서)가 제 1 탱크(4) 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하였음을 검지하면, 조절 밸브(7)는 폐쇄된다. 그런 다음, 제 4 단계로 동작이 되돌아간다.
제 4 및 제 5 단계 중에, 연속식 분산 장치(3)에 의해 처리된 혼합물은 일정한 유속으로, 연속식 분산 장치(3)의 출구에 접속된 제 1 탱크(4)로 공급된다. 혼합물(초기 상태에서는 원료)은 일정한 유속으로, 연속식 분산 장치(3)의 입구에 접속된 제 2 탱크로부터 연속식 분산 장치(3)로 공급된다.
통상적인 동작 중에, 제 4 및 제 5 단계가 반복되는 동안, 피더(17)에 의해 분산될 첨가제(15)가 순환하고 있는 혼합물에 첨가된다. 따라서, 다량의 혼합물이 균질하게 분산될 수 있다. 공급될 첨가제(15)의 양, 즉 Qa(㎏/s)는, 혼합물의 특성에 따라 선택될 수도 있다.
순환식 분산 시스템(1)을 이용하는 순환식 분산 방법에 있어서, 하기 식(1)-(3)이 이용된다.
V1-V1'=V2'+Vp, 바람직하게는 V1-V1'>V2'+VP, 보다 바람직하게는 V1-V1'>>V2'+VP (1)
V2>>V1 (2)
Q'>Q, 바람직하게는 Q'>>Q (3)
여기서, V1: 제 1 탱크(4)의 최대 저장 체적(m3), V1': 제 1 탱크(4)의 최소 저장 체적(m3), V2: 제 2 탱크(5)의 최대 저장 체적(m3), V2': 제 2 탱크(5)의 최소 저장 체적(m3), Vp: 연속식 분산 장치, 펌프(14) 등을 포함하는 파이핑 내 혼합물의 체적(m3), Q: 파이핑(6) 내 혼합물의 유속(㎏/s), 및 Q': 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5) 사이에 위치되어 있는 조절 밸브(7)를 통과하는 혼합물의 유속(㎏/s).
(V1-V1') 및 (V2'+Vp) 사이의 차가 작으면, 순환식 분산 시스템(1)은 연속식 분산 장치(3)의 출구 및 입구가 단지 파이핑에 의해서만 접속되어 있는 것과 거의 동일해진다. 따라서, 이러한 순환식 분산 시스템은 다량의 혼합물을 처리할 수 없다. (V1-V1') 및 (V2'+Vp) 사이의 차가 작은 순환식 분산 시스템이 구성되더라도, 이로운 효과, 즉 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5)를 구비함으로써 다량의 혼합물을 처리할 수 있다는 효과가 감소하게 된다.
체적(V1' 및 V2')은 동작에 악영향을 미치지 않는 한 최소화되는 것이 바람직하다. 체적(V1' 및 V2')이 크면, 혼합물이 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5)로부터 유출되지 않고 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5)에 축적되기 쉬워져, 혼합물을 균일하게 분산하는 효율성이 감소한다.
조절 밸브(7)를 개방하여 혼합물이 제 1 탱크(4)로부터 제 2 탱크(5)로 공급되면, 교반기가 정지될 수 있도록 교반기를 제어함으로써, 제 1 탱크로부터 혼합물이 완전하게 배출된다(V1'=0). 제 1 탱크(4) 내 혼합물을 교반할 필요가 없는 경우 또는 비어 있는 제 1 탱크(4) 내 교반기의 동작으로 문제가 발생하지 않는 경우는, 제 1 탱크 내 혼합물이 제 1 탱크(4)로부터 완전하게 배출될 수 있다. 이러한 경우, 제 1 탱크(4) 내에 남아 있는 혼합물이 줄어들기 때문에, 혼합물을 균일하게 분산하는 효율성이 증가한다. 제 2 탱크(5)의 최소 저장 체적(V2')이 '0'인 경우, 파이핑에 혼합물이 남아 있지 않은 부분이 존재하여, 연속식 분산 장치(3) 또는 펌프(14) 내 혼합물의 흐름을 방해한다. 이는 부하의 변동 또는 진동이나 소음의 문제를 유발할 수도 있다. 따라서, 바람직하지 않다.
첨가제(15)는 연속식 분산 장치, 탱크 및 파이핑 내 임의의 위치에 공급될 수 있다. 복수의 위치로 공급될 수도 있다. 대안적으로는, 매체로서의 액상 재료 및 첨가제가 미리 제 1 탱크(4)에서 혼합되어 있을 수도 있다.
상술한 바와 같이, 순환식 분산 시스템(1)을 이용하는 순환식 분산 방법은 슬러리 또는 액상 혼합물을 순환 및 분산하는 방법으로서, 상기 혼합물은 연속식 분산 장치에 의해 분산되고, 연속식 분산 장치, 연속식 분산 장치의 출구에 접속된 제 1 탱크, 및 연속식 분산 장치의 입구에 접속된 제 2 탱크를 직렬로 접속하는 파이핑에 의해 순환된다. 상기 방법은 하기 특징을 갖는다. 연속식 분산 장치(3)에 의해 처리된 혼합물은, 제 1 탱크(4) 및 제 2 탱크(5) 사이에 배치되어 있는 조절 밸브(7)를 폐쇄함으로써 제 1 탱크(4) 내에 축적된다. 동시에, 제 2 탱크(5) 내 혼합물(2)이 연속식 분산 장치(3)로 공급된다. 제 2 탱크(5) 내 혼합물(2)의 레벨이 하한에 도달하면, 조절 밸브(7)가 개방되어, 제 1 탱크(4) 내 혼합물(2)이 제 2 탱크(5)로 공급된다. 이러한 특징에 의해, 다량의 혼합물이 반복적으로 분산되어, 균질해질 수 있다. 다량의 혼합물이 효과적으로 분산될 수 있다. 완전하게 균질한 혼합물을 얻기 위해 소요되는 시간이 단축될 수 있다.
본 발명의 순환식 분산 시스템(1)은, 상술한 연속식 분산 장치(3), 제 1 및 제 2 탱크(4, 5), 파이핑(6), 및 조절 밸브(7)를 포함한다. 조절 밸브(7)를 폐쇄함으로써, 연속식 분산 장치(3)에 의해 처리된 혼합물(2)이 제 1 탱크(4)에 축적된다. 동시에, 제 2 탱크(5) 내 혼합물(2)이 연속식 분산 장치(3)로 공급된다. 제 2 탱크(5) 내 혼합물(2)의 레벨이 하한에 도달하면, 조절 밸브(7)가 개방되어, 제 1 탱크(4) 내 혼합물(2)이 제 2 탱크(5)로 공급된다. 따라서, 다량의 혼합물이 반복적으로 분산되어, 균질해질 수 있다. 따라서, 다량의 혼합물이 효과적으로 분산될 수 있다. 완전하게 균질한 혼합물을 얻기 위해 소요되는 시간이 단축될 수 있다.
순환식 분산 시스템 및 방법에 있어서, 분산 동작 시 조절 밸브(7)는, 상술한 바와 같이, 제 1 센서(8), 제 2 센서(9), 및 제어기(10)에 의해 제어된다. 따라서, 자동화되고 매우 효과적인 분산 동작이 달성되어, 균일하게 처리된 혼합물을 얻을 수 있다. 제 2 센서가 상기 레벨이 하한에 있음을 검지하면, 조절 밸브(7)를 개방하고, 제 1 센서가 상기 레벨이 하한에 있음을 검지하면, 조절 밸브(7)를 폐쇄함으로써, 탱크 내에 남아 분산에 방해가 될 수 있으며, 그로 인해 저장 탱크가 단 하나였던 종래 시스템에 있어서 문제가 되었던 혼합물의 일부가 제거된다. 따라서, 효과적이고 균일한 처리가 달성될 수 있다. 처리에 소요되는 시간도 단축될 수 있다.
다음으로, 상기 순환식 분산 시스템(1) 및 방법에 적합한 연속식 분산 장치(3)에 대해 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 도 4 등에 있어서, 연속식 분산 장치(3)는 복수의 액상 물질 또는 분말상 물질을 슬러리(분말상 물질 및 액상 물질의 혼합물)에 효과적으로 분산하는 연속식 분산 장치이다. 연속식 분산 장치(3)는 전단력에 의해 좁은 영역 내에서 분산하는 기능과 넓은 영역 내에서 분산하는 기능을 조합함으로써 효과적인 분산을 수행한다.
도 4 및 도 5에 도시한 바와 같이, 예를 들어, 연속식 분산 장치(3)는, 특히 서로 대향하는 제 1 로터(101) 및 제 2 로터(102)를 포함한다. 혼합물은 로터(101, 102) 사이를 통과하여 로터의 외주로 분산된다. 제 1 로터(101)를 제 1 방향(R1)으로 회전시키는 제 1 수단(108), 및 제 2 로터(102)를 제 1 방향(R1)에 반대되는 제 2 방향(R2)으로 회전시키는 제 2 수단(109)을 포함한다. 혼합물을 공급하는 출구(120)가 제 1 로터(101) 또는 제 2 로터(102)의 회전 중심에 설치되어 있다.
상술한 바와 같이 장치를 구성함으로써, 제 1 로터(101) 및 제 2 로터(102)가 반대 방향으로 회전한다. 따라서, 전단 에너지가 혼합물 전체에 확실하게 전달된다. 따라서, 연속식 분산 장치(3)는 혼합물을 효과적으로 분산한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들어, 연속식 분산 장치(3)에는, 제 1 로터(101)의 평탄면(121) 및 제 2 로터(102)의 평탄면(131)에 의해, 출구(120)의 외측에 공간(103)이 형성되어 있다. 제 1 및 제 2 로터 사이의 간격이 공간(103)에서의 간격보다 큰 버퍼부(106)가 상기 공간(103)의 외측에 형성되어 있다. 외주측면(132)이 버퍼부(106) 외측의 제 2 로터(102)에 형성되어 있다. 외주측면(132)에 의해 제 1 로터(101) 및 제 2 로터(102) 사이의 간격이 버퍼부(106)에서의 간격보다 작아지게 된다.
상술한 바와 같이 연속식 분산 장치를 구성함으로써, 상기 공간은 전단력에 의한 좁은 영역 내에서의 분산 기능을 가지며, 상기 버퍼부는 넓은 영역 내에서의 분산 기능을 갖는다. 따라서, 연속식 분산 장치(3)는 혼합물을 효과적으로 분산한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들어, 연속식 분산 장치(3)에 있어서, 외주측면(132)이 제 1 로터(101)의 회전 축선(108)에 평행하게, 또는 회전 중심에 경사지게 배치되어 있다.
상술한 바와 같이 연속식 분산 장치를 구성함으로써, 외주측면(132)이 제 1 로터(101)의 회전 축선에 평행하게, 또는 회전 중심에 경사지게 배치되어 있기 때문에, 혼합물의 체적이 버퍼부(106)의 체적보다 크지 않은 한 혼합물이 버퍼부(106)로부터 유출되지 않는다. 따라서, 혼합물이 버퍼부에 축적된다. 추가적인 혼합물이 공간(103)으로부터 버퍼부(106)에 축적된 혼합물을 향해 고속으로 흘러가 격렬하게 섞이기 때문에, 혼합물은 버퍼부(106)에서 균일하게 분산된다.
도 7에 도시한 바와 같이, 예를 들어, 연속식 분산 장치(3)에 있어서, 외주측면(132)의 선단은 회전 중심을 향해 연장되는 돌출부(162)로서 형성되어 있다.
상술한 바와 같이 연속식 분산 장치(3)를 구성함으로써, 외주측면(132)의 선단이 회전 중심을 향해 연장되는 돌출부(162)로서 형성되어 있기 때문에, 혼합물의 체적이 버퍼부(106)의 체적보다 크지 않은 한 혼합물이 버퍼부(106)로부터 유출되지 않는다. 따라서, 혼합물이 버퍼부에 축적된다. 추가적인 혼합물이 공간(103)으로부터 버퍼부(106)에 축적된 혼합물을 향해 고속으로 흘러가 격렬하게 섞이기 때문에, 혼합물은 버퍼부(106)에서 균일하게 분산된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들어, 연속식 분산 장치(3)에 있어서, 공간(103)은 혼합물을 공급하는 출구(120)에 인접하게 위치되어 있다.
상술한 바와 같이 연속식 분산 장치(3)를 구성함으로써, 제 1 및 제 2 로터(101, 102)의 회전에 의한 원심력이 공간(103) 내 혼합물에 인가된다. 따라서, 혼합물이 외측으로 흐름에 따라, 유속이 증가한다. 또한, 그 내측에 음압이 형성된다. 따라서, 추가적인 혼합물이 혼합물을 공급하는 출구(120)를 통해 공간(103)으로 흡인된다.
도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들어, 연속식 분산 장치(3)에 있어서, 제 1 로터(101)의 평탄면(123) 및 제 2 로터(102)의 평탄면(133)에 의해, 버퍼부(106)의 외측에 제 2 공간(104)이 형성되어 있다. 제 2 공간(104)에서의 제 1 로터(101) 및 제 2 로터(102) 사이의 간격은 공간(103)에서의 간격과 같거나 그보다 작다. 제 2 버퍼부(107)가 제 2 공간(104)의 외측에 형성되어 있다. 제 2 버퍼부(107)에서의 제 1 및 제 2 로터(1, 2) 사이의 간격은 제 2 공간(104)에서의 간격보다 크다. 제 2 외주측면(124)이 제 2 버퍼부(107) 외측의 제 1 로터(101)에 형성되어 있다. 제 2 외주측면(124)에 의해 제 1 및 제 2 로터(101, 102) 사이의 간격이 제 2 버퍼부(107)에서의 간격보다 작아진다.
상술한 바와 같이 연속식 분산 장치(3)를 구성함으로써, 공간 및 버퍼부에 추가하여, 제 2 공간(104)이 전단력에 의해 좁은 영역에서 혼합물을 분산하는 기능을 갖는다. 제 2 버퍼부(107)는 넓은 영역 내에서 분산하는 기능을 갖는다. 따라서, 연속식 분산 장치는 효과적이며 반복적으로 혼합물을 분산한다.
도 4에 도시한 바와 같이, 예를 들어, 연속식 분산 장치(3)에 있어서, 버퍼부(106)가 제 1 로터(101)를 오목하게 함으로써 형성되어 있다. 외주측면(132)은 제 2 로터(102)에 형성되어 있다. 제 2 버퍼부(107)는 제 2 로터(102)를 오목하게 함으로써 형성되어 있다. 제 2 외주측면(124)은 제 1 로터(101)에 형성되어 있다.
상술한 바와 같이 연속식 분산 장치(3)를 구성함으로써, 공간, 버퍼부, 외주측면, 제 2 공간, 제 2 버퍼부, 및 제 2 외주 측면은 모두 제 1 로터(101) 및 제 2 로터(102)를 오목하게 함으로써 형성되어, 서로 맞물린다. 따라서, 전단력에 의한 좁은 영역에서의 분산을 교대로 연속적으로 수행한 후에, 혼합물이 균질해지도록 넓은 영역에서의 혼합을 수행하는 연속식 분산 장치를 용이하게 제조할 수 있게 된다.
다음으로, 연속식 분산 장치(3)에 대해 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명한다. 연속식 분산 장치(3)에 있어서, 반대 방향으로 고속 회전하는 2개의 로터가 배열되어 있다. 로터에 의해 형성된 좁은 공간을 원심력에 의해 혼합물이 통과하게 된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 2개의 오목한 로터(101, 102)가 동일한 회전 축선에 수직 방향으로 서로 대향하여 배열되어 있다. 각각 오목부와 볼록부를 맞춤으로써, 좁은 공간(103, 104, 105) 및 넓은 공간(106, 107)이 교대로 형성되어 있다. 이하, 강한 전단력이 발생되는 좁은 공간(103, 104, 105)을 '전단력 발생부'라고 한다. 넓은 영역 내에서 혼합물을 혼합시키는 넓은 공간(106, 107)을 '버퍼부'라고 한다. 도 5에 도시한 바와 같이, 로터(101, 102)는 회전 중공 샤프트(108, 109)에 각각 접속되어 있다. 회전 샤프트(108, 109)는 베어링(115)을 통해 각각 베어링용 케이스(116)에 의해 지지되어 있다. 케이스(116)는 강고하게 고정되어 있다(케이스를 고정하는 방법은 미도시). 회전 샤프트(108, 109)는 각각 전기 모터(미도시)에 의해 벨트, 체인, 또는 기어를 통해 구동되어 반대 방향(R1, R2)으로 회전한다. 혼합물을 공급하는 포트(112, 114)에서 봤을 때 시계 방향으로 회전하는 것으로 가정한다. 샤프트의 회전 속도는 혼합물의 종류, 원하는 분산도 등에 따라 임의로 선택된다. 혼합물을 공급하는 포트(112, 114)로 공급되는 혼합물은 회전 중공 샤프트의 중공부를 통과하여, 로터(101, 102)의 회전 중심에 배치되어 있는 혼합물을 공급하는 출구(120)를 통해 2개의 로터(101, 102) 사이로 전달된다. 본 실시형태에 있어서, 회전 중공 샤프트(109)의 혼합물을 공급하는 출구는 플러그(110)에 의해 폐쇄되어 혼합물이 다시 역류하거나 유출되는 것을 방지한다.
도 4의 연속식 분산 장치(3)에 있어서, 각 로터(101, 102)의 외경(D; outside diameter)은 200㎜이고, 높이(h1, h2)는 각각 55㎜ 및 15㎜이다. 전단력 발생부(103, 104, 105)의 틈새는 0.05㎜ 내지 2㎜로 조절가능하지만, 동일할 필요는 없다. 로터(101, 102)의 형상 및 크기, 그리고 용도에 따라 임의로 변형된다. 예를 들어, 상기 틈새는 전단력 발생부(103)로부터 전단력 발생부(104), 전단력 발생부(105)의 순으로 점차 증가한다. 이와 같이 함으로써, 혼합물 내 응집 입자가 순차적으로 미립자로 용해되어 균일하게 분산된다. 버퍼부(106, 107)의 외주측면(132, 124)의 각도(α, β)는 각각 50도 및 70도이다. 그러나, 이러한 값으로 한정되는 것은 아니다. 로터(101, 102)의 형상 및 크기에 따라, 예각 또는 직각, 즉 회전 중심을 향하는 방향(회전 중공 샤프트(108, 109)를 향하는 방향)으로 경사지거나, 회전 중공 샤프트(108, 109)에 평행하도록 임의로 선택된다. 연속식 분산 장치에 있어서, 회전 속도는 인버터 제어(inverter control)에 의해 0 내지 1720rpm으로 조절된다. 전기 모터, 풀리, 기어 등을 선택함으로써 임의로 변경된다.
도 4를 참조하여, 전단력 발생부(103, 104, 105) 및 버퍼부(106, 107)의 구조에 대해 설명한다. 하부 로터(102)와 대향하는 상부 로터(101)의 표면은 출구(120)의 외측에, 회전 축선에 수직한 평탄면(121)으로서 형성되어 있다. 평탄면(121)의 외측에는, 내주측면(122), 평탄면(123), 및 외주측면(124)에 의해 오목부가 형성되어 있다. 평탄면(123)은 평탄면(121)에 평행하다. 외주측면(124)은 하부 로터(102)측을 향해 평탄면(121)을 지나 연장된다. 그 선단에, 또한 평탄면(121)에 평행한 평탄면(125)이 형성되어 있다. 상부 로터(101)와 대향하는 하부 로터(102)의 표면에는, 평탄면(121)에 평행하게 대향하는 평탄면(131)이 형성되어 있다. 평탄면(131)은 외주를 향해 내주측면(122)을 지나 연장된다. 외주측면(132)은 평탄면(131)으로부터 상부 로터(101)를 향해 형성되어 있다. 평탄면(123)에 평행한 평탄면(133)이 외주측면(132)의 선단으로부터 형성되어 있다. 평탄면(133)은 내주측면(134), 및 평탄면(125)에 평행하게 대향하는 평탄면(135)에 의해 오목부를 형성한다. 내주측면(134)은 외주측면(124)의 내측에 위치되어 있다.
상술한 바와 같은 표면을 가진 상부 로터(101) 및 하부 로터(102)를 이와 같이 배열함으로써, 전단력 발생부(103)가 평탄면(121) 및 평탄면(131)에 의해 형성된다. 전단력 발생부(104)는 평탄면(123) 및 평탄면(133)에 의해 형성된다. 전단력 발생부(105)는 평탄면(125) 및 평탄면(135)에 의해 형성된다. 버퍼부(106)는 내주측면(122), 평탄면(123), 외주측면(132), 및 평탄면(131)에 의해 둘러싸인 영역으로서 형성된다. 버퍼부(107)는 내주측면(134), 평탄면(123), 외주측면(124) 및 평탄면(135)에 의해 둘러싸인 영역으로서 형성된다. 외주측면(124)은 하부 로터(102)를 향해 평탄면(121)을 지나 연장되어, 버퍼부(107)를 형성한다. 따라서, 버퍼부(107)의 체적이 커져, 혼합물이 넓은 영역에서의 분산에 의해 균질해진다.
상술한 본 실시형태에 있어서, 외주측면(124)은 하부 로터(102)를 향해 평탄면(121)을 지나 연장되어 있지만, 외주측면(124)은 평탄면(121)과 동일한 레벨로 연장될 수도 있다. 즉, 평탄면(121)과 평탄면(125)이 동일면에 배치될 수도 있다. 이와 같은 구조에서, 3개의 전단력 발생부(103, 104, 105) 및 2개의 버퍼부(106, 107)는 상부 로터(101)에 하나의 오목부를 형성하고, 하부 로터(102)에 하나의 돌출부(외주측면(132), 평탄면(133) 및 내주측면(134)에 의해 둘러싸인 부분)를 형성함으로써, 형성될 수 있다. 따라서, 전단력에 의한 좁은 영역에서의 분산을 교대로 연속적으로 수행한 후에, 혼합물이 균질해지도록 넓은 영역에서의 혼합을 수행하는 연속식 분산 장치를 용이하게 제조할 수 있게 된다. 또한, 외주측면(124)이 평탄면(121)을 지나 연장될 필요는 없다.
평탄면(121, 123, 125, 131, 133, 135)은 회전 축선에 대해 수직하며, 서로 평행한 것으로 설명하였지만, 이와 같이 배열될 필요는 없다. 또한, 전단력 발생부(103, 104, 105)를 형성하는 평탄면이 서로 평행할 필요는 없다. 전단력 발생부(103, 104, 105)의 틈새가 외주를 향해 좁아지도록 형성함으로써, 원료 내 응집 입자가 순차적으로 미립자로 용해된다.
버퍼부(106, 107)는 액상 물질을 축적하는 영역이다. 이들 영역은 전단력 발생부(103, 104)의 좁은 영역에서 분산된 혼합물을 혼합하도록 큰 체적을 갖는다. 이러한 목적으로, 버퍼부(106)를 형성하는 평탄면(131)의 반경(L1)은, 예를 들어 평탄면(121)에 대향하여 전단력 발생부(103)를 형성하는 평탄면의 반경(L2)의 적어도 절반이지만, 일반적으로 반경(L2)과 동일하거나 그보다 크다. 버퍼부(106)의 높이(전단력 발생부(103)의 공간의 틈새와 내주측면(122)의 높이의 합계)는 전단력 발생부(103)의 공간의 틈새의 높이의 적어도 3배이지만, 일반적으로 5배 이상이다.
도 4에 있어서, 혼합물의 흐름을 화살표로 나타낸다. 간략화를 위해 하나의 화살표만 도시하였지만, 유사한 흐름이 로터(101, 102)에 의해 형성된 전 영역에서 발생된다. 또한, 다시 도 5를 참조한다. 로터(101, 102)가 회전하면, 회전 중공 샤프트(108)에 접속되어 있고 회전을 정지하는 스토퍼(미도시)를 구비하며 조여지는 조인트(111)에 혼합물을 공급하는 포트(112)를 통해 혼합물이 공급된다. 혼합물은 혼합물을 공급하는 출구(120)를 통해 로터(101, 102) 사이의 공간으로 공급된다. 모두 로터(101) 및 로터(102)에 의해 형성된 전단력 발생부(103), 버퍼부(106), 전단력 발생부(104), 버퍼부(107), 및 전단력 발생부(105)를 통해 원심력의 방향으로 흐른다. 혼합물은 혼합물 배출부(113)로부터 배출된다. 혼합물 배출부(113)는 로터의 외주에 위치되어 있다. 혼합물이 원심력에 의해 외주를 향하는 방향으로 흐르기 때문에, 유속이 증가한다. 혼합물을 공급하는 출구(120)에서의 압력은 음압이 된다. 따라서, 출구(120)로부터의 혼합물의 유속이 증가한다.
플러그(110)가 회전 중공 샤프트(109)의 출구로부터 제거되어, 혼합물을 공급하는 포트(114)로부터 다른 혼합물이 공급될 수도 있다. 따라서, 포트(114)로부터의 혼합물과 포트(112)로부터의 혼합물이 혼합될 수 있다. 그러나, 이러한 경우에, 통상 출구(120)에서의 음압이 회전 중공 샤프트(109)의 전체 길이를 따른 높이로 혼합물을 흡인할 수 있을 만큼 그렇게 크지 않기 때문에, 로터의 중심 축선과 샤프트는 반드시 수평이 되거나, 혼합물용 펌프가 반드시 설치되어야만 한다.
연속식 분산 장치에 있어서, 2개의 회전 샤프트가 개별 전기 모터에 의해 구동되는 것으로 설명하였다. 그러나, 구동력이 기어 등에 의해 분리되는 경우, 단 하나의 전기 모터에 의해 구동될 수도 있다. 이러한 전기 모터, 벨트, 체인, 기어 등은 회전 중공 샤프트(108, 109)를 회전시키는 수단을 구성한다.
도 4를 참조하여, 연속식 분산 장치(3)를 이용하여 혼합물을 분산하는 처리(방법)에 대해 설명한다. 우선, 혼합물이 전단력 발생부(103)를 통과하면 강한 전단력을 받는다. 따라서, 응집 입자가 유화 또는 용해된다. 2개의 로터(101, 102)가 동일한 속도로 회전하면, B부의 A-A선을 따른 혼합물의 분산 속도는 도 6의 (a)와 같다. 속도가 '0'인 부분은 존재하지 않는다. 반대로, 종래 시스템에서는, 로터(101, 102) 중 하나가 정지되어 있으며, 정지 로터가 하부 로터(102)인 경우, 분산 속도는 도 6의 (b)와 같다. 하부 로터(102)의 표면에서의 속도는 회전 방향, 및 원심력의 방향과 동일한 반경 방향에서 '0'이다. 따라서, 하부 로터(102)의 표면 근처의 혼합물은 제대로 분산되지 않는다. 본 발명의 연속식 분산 장치(3)에 있어서, 원심력에 의한 이동으로 인해, 회전 방향에서의 속도가 '0'인 2개의 로터(101, 102) 사이의 중심 위치에서도, 반경 방향 속도가 '0'이 되지 않는다. 즉, 중심 위치에 인접한 양측에서의 원심력에 의한 이동은 동일한 외측 방향이다. 따라서, 중심 위치에서 혼합물이 이러한 이동에 의한 전단력(점성 거동)에 의해 외측으로 끌어당겨진다. 속도가 '0'인 부분이 존재하지 않기 때문에, 전단력이 혼합물 전체에 확실하게 전달된다. 따라서, 효과적인 분산이 얻어진다. 상세하게는, 2개의 로터 사이의 중심 위치에서의 전단력은, 도 6의 (a)에서 A-A선을 따른 부분을 도시한 바와 같이 약하다. 그러나, 속도가 '0'인 정지 로터와는 달리, 고속 회전에 의해 속도의 변동이 크다. 따라서, 전단력이 효과적인 분산에 영향을 미치지 않는다. 혼합물은 전단력 발생부에서 강한 전단력을 받아, 좁은 영역에서 응집 입자의 유화 또는 용해, 또는 입자의 분산이 수행된다. 혼합물은 전단력 발생부(103)로부터 배출된 후, 제 1 버퍼부(106)로 유입된다. 버퍼부(106)에서, 외주측면(132)은 로터(101, 102) 사이의 간격이 작아지도록 형성되어 있다. 따라서, 버퍼부(106)로 유입되는 혼합물은 혼합물의 체적이 버퍼부(106)의 체적을 초과하지 않는 한 유출 없이 축적된다. 버퍼부(106) 내 혼합물은 원심력에 의해 외주측면(132)에 대해 가압된다. 도 4에 도시한 바와 같이, 버퍼부(106)의 외주측면(132)은, 혼합물의 흐름에 저항하도록 경사져 있다. 따라서, 버퍼부(106)의 체적을 초과하는 양의 혼합물이 버퍼부(106)로 유입되어야만, 버퍼부(106)로부터 혼합물이 유출되게 된다. 버퍼부(106)로 유입되어 축적된 혼합물은, 전단력 발생부(103)로부터 버퍼부(106)로 고속 유입된 혼합물과 격렬하게 혼합된다. 따라서, 좁은 영역에서 유화되거나 분산된 혼합물이 넓은 영역에서의 혼합에 의해 균질해진다. 그런 다음, 혼합물은 제 2 전단력 발생부(104) 및 제 2 버퍼부(107)를 통해 흘러, 제 1 전단력 발생부(103) 및 제 1 버퍼부(106)에서와 유사하게 분산된다. 혼합물은 마지막 전단력 발생부, 즉 제 3 전단력 발생부(105)를 통해 흘러, 더 분산된다.
연속식 분산 장치에 의해 균일하게 혼합물을 혼합하도록, 연속식 분산 장치로 공급되는 혼합물 내 입자는 전단력 발생부의 최소 틈새보다 작은 에멀전 또는 응집 입자로 용해되는 것이 바람직하다. 또한, 혼합물은 가장 작은 전단력 발생부의 체적(체적=전단력 발생부의 면적×틈새)과 적어도 동일한 체적을 갖는 단위로 균일하게 혼합된다. 이러한 처리는 전처리로서, 예비 혼합에 의해 수행된다. 전단력 발생부(103)의 틈새를 통과할 수 있는 에멀전 또는 응집 입자로 용해되지 않으면, 혼합물이 흐를 때, 전단력 발생부(103)의 공간으로 틈새보다 큰 액체 방울 또는 응입 입자가 유입될 수 없다. 따라서, 이로 인해 혼합물이 불균일하게 분산되거나 유로가 막히게 된다. 또한, 과도한 전단력에 의한 장치가 손상될 수도 있다. 가장 작은 전단력 발생부의 체적과 동일한 체적을 갖는 단위로 균일하게 혼합된다는 것은, 가장 작은 전단력 발생부의 체적과 동일한 체적을 갖는 예비 혼합된 혼합물의 일부를 혼합물로부터 취출했을 때, 각 부분 내의 복수의 혼합물의 함량이 일정함을 의미한다. 이는, 유화 또는 응집 입자를 용해하는 임의의 조건과는 무관하다. 예를 들어, 도 4에서, 가장 작은 전단력 발생부는 전단력 발생부(103) 내 공간이다. 틈새가 0.1㎜인 경우, 체적은 대략 0.3㎖이다. 그러나, 본 발명의 연속식 분산 장치를 이용하여 예비 혼합하면, 상기 요건 중 일부는 불필요해진다.
버퍼부(106, 107)의 구성은 도 4에서 외주측면(132, 124)으로서 도시한 경사진 형상에 한정되지 않는다. 도 7에 도시한 바와 같이, 회전 중심을 향해(회전 중공 샤프트(108, 109)를 향해) 연장되는 돌출부(162, 154)가 외주측면(106, 107)의 선단에 형성되어, 버퍼부(106, 107)의 체적을 증가시킬 수도 있다. 상부 로터(141)의 평탄면(123)에 대향하는 돌출부(162)의 평탄면(163)은 전단력 발생부(104)의 일부이며, 전단력 발생부(104)는 반경 방향으로 확대되어 있다. 따라서, 좁은 영역에서 보다 큰 분산이 수행된다. 유사하게는, 하부 로터(142)의 평탄면(135)에 대향하는 평탄면(155)으로 인해, 전단력 발생부(105)가 확대된다. 따라서, 좁은 영역에서 보다 큰 분산이 수행된다.
전단력 발생부의 수 및 버퍼부의 수는 각각 3개 및 2개로 특정되어 있다. 그러나, 이러한 개수로 한정되는 것은 아니며, 처리될 혼합물 및 원하는 분산도에 따라 조절될 수도 있다.
상술한 연속식 분산 장치(3)는 혼합물 전체에 전단력을 효과적으로 전달함으로써 혼합물을 효과적으로 분산한다. 연속식 분산 장치는, 서로 대향하는 제 1 로터 및 제 2 로터를 포함한다. 혼합물은 2개의 로터 사이를 통과하여 로터의 외주로 분산된다. 연속식 분산 장치는 제 1 로터를 제 1 방향으로 회전시키는 제 1 수단, 및 제 2 로터를 제 1 방향과 반대 방향인 제 2 방향으로 회전시키는 제 2 수단을 포함한다. 혼합물을 공급하는 출구가 제 1 로터의 회전 중심에 설치되어 있다.
혼합물을 공급하는 출구의 외측에, 제 1 로터의 평탄면 및 제 2 로터의 평탄면에 의해 공간이 형성되어 있다. 제 1 및 제 2 로터 사이의 간격이 상기 공간 내에서의 간격보다 큰 버퍼부가 공간 외측에 형성되어 있다. 버퍼부의 외측에, 제 1 로터 또는 제 2 로터 또는 양방에 외주측면이 형성되어 있다. 외주측면에 의해 제 1 및 제 2 로터 사이의 간격이 버퍼부 내에서의 간격보다 작아지게 된다. 따라서, 혼합물이 균질해지도록 넓은 영역에서 혼합물을 혼합하는 기능은, 전단력에 의해 좁은 영역에서 혼합물을 분산하는 기능이 발생한 후에 발생된다. 이들 기능은 혼합물을 효과적으로 분산하도록 결합된다.
상술한 바와 같이, 도 4 내지 도 7을 참조하여 설명한 연속식 분산 장치(3)는 상술한 순환식 분산 시스템(1)에 적절하게 사용된다. 연속식 분산 장치(3)에 의해 혼합물이 효과적으로 분산된다. 또한, 연속식 분산 장치(3)로 유입된 혼합물이 분산된 후 연속식 분산 장치(3)로부터 유출되기 때문에, 순환식 분산 시스템(1)에 대해 기능하도록 되어 있다. 즉, 연속식 분산 장치(3)를 포함하는 분산 시스템(1)은 하기 이유에 의해 다량의 혼합물을 반복적이며 균일하게 분산할 수 있다. 연속식 분산 장치(3)는 혼합물이 저장 또는 축적되는 부분을 갖는다. 분산된 혼합물이 이 부분에 축적되면, 혼합물의 균일한 혼합에 악영향을 미치게 된다. 그러나, 연속식 분산 장치(3)는, 좁은 영역에서의 분산이 수행되는 전단력 발생부(103, 104), 및 전단력 발생부(103, 104)의 좁은 영역에서 분산된 혼합물이 축적되어 혼합되는 버퍼부(106, 107)를 포함한다. 즉, 혼합물이 불필요하게 장시간 머무르는 부분이 없다. 따라서, 다량의 혼합물이 효과적으로 분산될 수 있다. 전체적으로 균질한 혼합물을 얻기 위해 소요되는 시간이 단축될 수 있다.

Claims (10)

  1. 슬러리상 또는 액상 혼합물을 순환시키면서 분산시키는 순환식 분산 시스템으로서,
    혼합물을 분산시키는 분산 장치;
    상기 분산 장치의 출구에 접속된 제 1 탱크;
    상기 분산 장치의 입구에 접속된 제 2 탱크;
    상기 분산 장치, 상기 제 1 탱크 및 상기 제 2 탱크를 직렬로 순환하여 접속하는 파이핑;
    상기 제 1 탱크 및 상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨을 조절하도록, 상기 제 1 탱크와 상기 제 2 탱크를 접속하는 상기 파이핑에 설치된 조절 밸브; 및
    상기 혼합물을 상기 제 2 탱크로부터 상기 분산 장치를 거쳐 상기 제 1 탱크로 인도하여 순환시키기 위한, 제 1 펌프;를 포함하고,
    상기 조절 밸브를 폐쇄함으로써, 상기 분산 장치에 의해 처리된 혼합물을 상기 제 1 탱크에 축적하고, 상기 제 2 탱크 내 혼합물을 상기 분산 장치로 공급하며,
    상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하면, 상기 조절 밸브가 개방되어 상기 제 1 탱크 내 혼합물을 상기 제 2 탱크로 공급하고,
    상기 제 1 탱크에는 상기 제 1 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하는지의 여부를 검지하는 제 1 센서가 구비되어 있고, 상기 제 2 탱크에는 상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하는지의 여부를 검지하는 제 2 센서가 구비되어 있으며,
    상기 제 1 및 제 2 센서에 의해 검지된 레벨에 기초하여 상기 조절 밸브의 동작을 제어하는 제어기를 더 포함하고,
    상기 제 2 센서가 상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하였음을 검지하면 상기 제어기에 의해 상기 조절 밸브가 개방되며, 상기 제 1 센서가 상기 제 1 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하였음을 검지하면 상기 제어기에 의해 상기 조절 밸브가 폐쇄되는, 순환식 분산 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 탱크의 출구와 상기 제 2 탱크의 입구를 접속하는 파이핑의 크기가 상기 제 2 탱크의 출구와 상기 분산 장치의 입구를 접속하는 파이핑의 크기보다 큰, 순환식 분산 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 탱크의 출구와 상기 제 2 탱크의 입구 사이에 제 2 펌프가 설치되어 있는, 순환식 분산 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 탱크가 상기 제 2 탱크보다 상위에 설치되는, 순환식 분산 시스템.
  5. 슬러리상 또는 액상 혼합물을 순환시키면서 분산시키는 순환식 분산 방법으로서,
    분산 장치에 의해 혼합물을 분산시키는 동시에, 상기 분산 장치, 상기 분산 장치의 출구에 접속된 제 1 탱크, 및 상기 분산 장치의 입구에 접속된 제 2 탱크를 직렬로 접속하는 파이핑을 통해, 제 1 펌프를 이용하여 혼합물을 상기 제 2 탱크로부터 상기 분산 장치를 거쳐 상기 제 1 탱크로 인도하여 순환시키는 단계를 포함하고,
    상기 제 1 탱크로부터 상기 제 2 탱크로의 혼합물의 흐름을 정지함으로써, 상기 분산 장치에 의해 처리된 혼합물을 상기 제 1 탱크에 축적하고, 상기 제 2 탱크 내 혼합물을 상기 분산 장치로 공급하며,
    상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하면, 상기 제 1 탱크 내 혼합물을 상기 제 2 탱크로 안내함으로써 상기 혼합물을 순환시키는, 순환식 분산 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하는지의 여부를 검지하고, 상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하는지의 여부를 검지하여, 상기 제 1 탱크로부터 상기 제 2 탱크로의 혼합물의 흐름을 조절하면서 혼합물을 분산 및 순환시키는, 순환식 분산 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 제 2 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하면 상기 제 1 탱크 내 혼합물이 상기 제 2 탱크로 흐르게 되며, 상기 제 1 탱크 내 혼합물의 레벨이 하한에 도달하면 상기 제 1 탱크로부터 상기 제 2 탱크로의 혼합물의 흐름이 정지되는, 순환식 분산 방법.
  8. 제 5 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 탱크 내 혼합물이 상기 제 2 탱크로 공급되면, 상기 제 1 탱크로부터 상기 제 2 탱크로의 혼합물의 유량이 상기 제 2 탱크로부터 상기 분산 장치로의 혼합물의 유량보다 커지게 되는, 순환식 분산 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 혼합물은 제 2 펌프에 의해 상기 제 1 탱크로부터 상기 제 2 탱크로 흐르는, 순환식 분산 방법.
  10. 제 5 항에 있어서,
    상기 제 1 탱크가 상기 제 2 탱크보다 상위에 설치되는, 순환식 분산 방법.
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