KR101452423B1

KR101452423B1 - 고속 분사를 이용한 이종 유체의 혼합반응기

Info

Publication number: KR101452423B1
Application number: KR1020130153286A
Authority: KR
Inventors: 안익진; 노경호; 박찬현
Original assignee: 금호석유화학 주식회사
Priority date: 2013-12-10
Filing date: 2013-12-10
Publication date: 2014-10-22
Anticipated expiration: 2033-12-10

Abstract

본 발명의 일 실시예는, 제1유입부; 상기 제1유입부의 하류에 동축으로(coaxially) 연결된 제1노즐; 상기 제1노즐과 동축으로 이격되어 형성되고, 제1공간부 및 상기 제1공간부보다 내경이 큰 제2공간부를 포함하는 유체챔버; 상기 유체챔버의 외주면에 방사상으로 연결된 제2유입부; 상기 제1공간부의 하류에 동축으로 연결된 제2노즐; 상기 제1노즐과 상기 제2노즐의 하류에 동축으로 연결되고, 상기 제2공간부의 내주면과 동축으로 이격되어 형성된 혼합챔버; 및 상기 제2공간부의 내주면으로부터 연장되어 상기 혼합챔버의 외주면에 방사상으로 연결된 제3노즐부;를 포함하는, 고속 분사 혼합반응기를 제공한다.

Description

고속 분사를 이용한 이종 유체의 혼합반응기{MIXING REACTOR FOR HETEROGENEOUS FLUIDS USING HIGH-SPEED EJECTING}

본 발명은 고속 분사를 이용한 이종 유체의 혼합반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이종 유체를 효과적으로 상호 충돌시킴으로써, 유체간의 혼합 균일성을 향상시키고 부반응을 감소시켜 반응 수율과 반응 속도를 향상시키기 위한 이종 유체의 혼합반응기에 관한 것이다.

종래 이종 유체를 혼합시키거나 반응시키기 위해 연속식 교반 반응기와 같은 반응기 내부에 스파저(sparger) 또는 분산기(disperser)를 이용해 왔다.

다만, 이러한 종래의 방식은 혼합 또는 반응시 유체의 동적 수준이 미약하여 혼합 균일성이 낮고, 생성물과 반응물의 재접촉에 의한 부반응이 생성되는 반응 메커니즘을 수반하는 경우 반응속도가 감소하거나 생성물의 수율이 저하될 수 있다.

또한, 상기 부반응에 의한 부산물이 고체 또는 고점도 액체인 경우, 반응기 내부에 부산물이 고착되어 반응기의 성능을 저하시킬 수 있으며, 고착된 부산물을 세척하기 위한 비용이 소모될 뿐만 아니라, 세척시 반응기의 운전 중단은 생산 효율의 저하로 이어질 수 있다.

이에 따라, 혼합 균일성, 반응속도 및 생성물의 수율을 향상시킴과 동시에 유지 보수가 간편하고 재사용이 용이한 혼합반응기에 대한 수요가 높아지고 있는 실정이다.

본 발명은 전술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 이종 유체를 효과적으로 상호 충돌시킴으로써, 유체간의 혼합 균일성을 향상시키고 부반응을 감소시켜 반응 수율과 반응 속도를 향상시킴과 동시에 유지 보수가 간편하고 재사용이 용이한 이종 유체의 혼합반응기를 제공하고자 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면은, 이종 유체의 혼합반응기에 있어서, 제1유입부; 상기 제1유입부의 하류에 동축으로(coaxially) 연결된 제1노즐; 상기 제1노즐과 동축으로 이격되어 형성되고, 제1공간부 및 상기 제1공간부보다 내경이 큰 제2공간부를 포함하는 유체챔버; 상기 유체챔버의 외주면에 방사상으로 연결된 제2유입부; 상기 제1공간부의 하류에 동축으로 연결된 제2노즐; 상기 제1노즐과 상기 제2노즐의 하류에 동축으로 연결되고, 상기 제2공간부의 내주면과 동축으로 이격되어 형성된 혼합챔버; 및 상기 제2공간부의 내주면으로부터 연장되어 상기 혼합챔버의 외주면에 방사상으로 연결된 제3노즐부;를 포함하는, 고속 분사 혼합반응기를 제공한다.

일 실시예에 있어서, 상기 혼합챔버는 단면확장부 및 단면일정부를 포함하고, 상기 단면확장부의 모선과 상기 혼합챔버의 하류측 축이 이루는 각도가 70°~90°의 범위일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2유입부는 일정한 각거리로 이격되어 형성된 2 이상의 배관을 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2유입부는 상호 대향하는 2개의 배관을 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2노즐은 상기 제1공간부의 하류측 말단면 또는 상기 제1공간부의 내주면으로부터 연장되어 형성된 고리형 유로를 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2노즐의 하류측 말단은 상기 제1노즐의 하류측 말단의 둘레를 따라 형성될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3노즐부는 일정한 각거리로 이격되어 형성된 2 이상의 노즐을 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3노즐부는 상기 혼합챔버의 축에 대해 상호 대칭인 2개의 노즐을 포함할 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 노즐 각각의 축과 상기 혼합챔버의 하류측 축이 이루는 각도가 70°~90°의 범위일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 노즐 각각의 축과 상기 혼합챔버의 축은 동일 평면상에 있을 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1노즐 및 그와 동축으로 형성된 제2노즐을 통해 각각 분사된 제1 및 제2유체가 실질적으로 수평 방향으로 충돌하여 사전 혼합된 후 혼합챔버로 분사되고, 상기 사전 혼합된 혼합물이 상기 혼합챔버의 외주면에 방사상으로 연결된 제3노즐부를 통해 분사된 유체와 실질적으로 수직 방향으로 충돌하여 최종 혼합되도록 함으로써, 이종 유체 간의 혼합 균일성을 향상시키고 부반응을 감소시켜 반응 수율과 반응 속도를 향상시킬 수 있다.

본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 특허청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 일 실시예에 의한 고속 분사 혼합반응기의 축 방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 A 영역에 대한 확대도이다.
도 3은 도 1의 B에서 바라본 고속 분사 혼합반응기의 단면도이다.
도 4는 일 실시예에 의한 고속 분사 혼합반응기에서의 유체 거동을 도식화한 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

고속 분사 혼합반응기

도 1은 일 실시예에 의한 고속 분사 혼합반응기의 축 방향 단면도이다.

본 발명의 일 측면에 의하면, 이종 유체의 혼합반응기(100)에 있어서, 제1유입부(110); 상기 제1유입부(110)의 하류에 동축으로(coaxially) 연결된 제1노즐(120); 상기 제1노즐(120)과 동축으로 이격되어 형성되고, 제1공간부(131) 및 상기 제1공간부(131)보다 내경이 큰 제2공간부(132)를 포함하는 유체챔버(130); 상기 유체챔버(130)의 외주면에 방사상으로 연결된 제2유입부(140); 상기 제1공간부(131)의 하류에 동축으로 연결된 제2노즐(150); 상기 제1노즐(120)과 상기 제2노즐(150)의 하류에 동축으로 연결되고, 상기 제2공간부(132)의 내주면(135)과 동축으로 이격되어 형성된 혼합챔버(160); 및 상기 제2공간부(132)의 내주면(135)으로부터 연장되어 상기 혼합챔버(160)의 외주면에 방사상으로 연결된 제3노즐부(170);를 포함하는, 고속 분사 혼합반응기가 제공된다.

본 명세서에 사용된 용어, "상류" 및 "하류"는 상기 고속 분사 혼합반응기에서의 유체의 흐름 방향 또는 흐름 순서를 기준으로 한 유체 또는 각각의 구성 간의 상대적인 위치관계를 의미하는 것으로서, 일반적으로 "상류"는 유체의 유입이 이루어지는 영역을, "하류"는 유체의 유출이 이루어지는 영역을 가리킨다.

상기 제1유입부(110)는 외부로부터 제1유체가 유입되어 상기 제1노즐(120)의 상류까지 이동하는 경로이다.

상기 제1유입부(110)는 원통형 관으로 형성될 수 있다.

상기 제1노즐(120)은 상기 제1유입부(110)의 하류에 실질적으로 동축으로 연결되어, 상기 제1유입부(110)를 통해 유입된 상기 제1유체를 상기 혼합챔버(160)로 이동시킬 수 있다.

또한, 상기 제1노즐(120)은 직경이 일정한 단일의 원통형 관으로 형성될 수 있고, 상기 제1노즐(120)의 직경은 상기 제1유입부(110)의 직경보다 작을 수 있다.

상기 제1유입부(110)로부터 상기 제1노즐(120)로의 직경의 감소는 연속적이거나 불연속적일 수 있고, 직경이 불연속적으로 감소하는 경우에 상기 제1노즐(120)은 상기 제1유입부(110)의 하류에서 실질적으로 오리피스를 형성할 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어, "오리피스"는 관 또는 용기를 폐쇄시키는 벽의 일부에 원형으로 구멍이 뚫린 형상의 유체의 유출구를 의미한다.

동일한 높이에서 유체가 흐르는 경우, 유속은 단면적이 좁은 통로를 흐를 때 증가하고 단면적인 넓은 통로를 흐를 때 감소하므로, 상기 제1노즐(120)을 통해 이동하는 동안 상기 제1유체의 유속은 증가하여 상기 제1노즐(120)의 하류에서 고속으로 분사될 수 있다.

상기 유체챔버(130)는 상기 제1노즐(120)과 동축으로 이격되어 형성되고, 제1공간부(131) 및 상기 제1공간부(131)보다 내경이 큰 제2공간부(132)를 포함할 수 있다.

상기 제1공간부(131)와 상기 제2공간부(132)는 각각 외경은 동일하고 내경이 상이한 고리형으로 형성될 수 있고, 상기 제2공간부의 내경은 상기 제1공간부의 내경보다 클 수 있으며, 이에 따라 상기 제2공간부의 부피는 상기 제1공간부의 부피보다 작을 수 있다.

상기 유체챔버(130)의 외주면은 외부로부터 제2유체가 유입되어 이동하는 경로인 상기 제2유입부(140)와 연결되고, 상기 유체챔버(130)의 내주면은 상기 제2유체가 상기 유체챔버(130)로부터 상기 혼합챔버(160)로 이동하는 경로인 상기 제2노즐(150) 및 상기 제3노즐부(170)와 연결되므로, 상기 유체챔버(130)는 상기 제2유체의 이동에 있어서 이동 거점이 될 수 있다.

상기 제2유입부(140)는 외부로부터 상기 제2유체가 유입되어 상기 유체챔버(130)으로 이동하는 경로로서, 상기 유체챔버(130)의 외주면에 방사상으로 연결될 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2유입부(140)는 상기 유체챔버(130)의 상기 제1공간부(131)의 외주면에 방사상으로 연결되어 상기 유체챔버(130)에서의 유체의 이동성이 향상될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2유입부(140)는 일정한 각거리(angular distance)로 이격되어 형성된 2 이상의 배관을 포함하는 것일 수 있다.

상기 배관은 2 내지 10개일 수 있고, 각각의 배관 사이의 각거리는 각각 180°, 120°, 90°, 72°, 60°, 53°, 45°, 40° 및36°일 수 있다.

상기 각각의 배관 사이의 각거리를 일정하게 형성함으로써, 각각의 상기 배관으로부터 유출되는 상기 제2유체들 사이의 유동 간섭을 최소화할 수 있으며, 이에 따라 상기 제2유체가 균일한 유량으로 상기 제2노즐(150)의 상류에 집중될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2유입부(140)는 상호 대향하는 2개의 배관을 포함하는 것일 수 있으며, 이 때 각각의 배관 사이의 각거리는 180°일 수 있다.

상기 배관 사이의 각거리가 180°인 경우, 즉, 상기 배관 사이의 각거리가 최대인 경우, 상기 배관을 통해 유입되는 상기 제2유체들 사이의 유동 간섭을 최소화할 수 있어, 상기 제2유체를 더 원활하게 이동시켜 상기 제2노즐(150)의 상류에 더욱 집중시킬 수 있다.

도 2는 도 1의 A 영역에 대한 확대도이다.

상기 제2노즐(150)은 상기 제1공간부(131)의 하류에 동축으로 연결될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2노즐(150)은 상기 제1공간부(131)의 하류측 말단면(134) 또는 상기 제1공간부의 내주면(133)으로부터 연장되어 형성된 고리형 유로를 포함할 수 있다.

바람직하게는, 상기 제2노즐(150)은 상기 제1공간부(131)의 상기 하류측 말단면(134)으로부터 상기 혼합챔버(160)의 상기 단면확장부(161)까지 연장되어 형성된 외벽(151)과 상기 제1공간부(131)의 상기 내주면(133)으로부터 상기 제1노즐(120)의 하류측 말단까지 연장되어 형성된 내벽(152)을 포함할 수 있고, 상기 제2노즐(150)의 상기 외벽(151)과 상기 내벽(152)은 상호 이격되어 상기 제2유체가 이동할 수 있는 협로를 형성할 수 있다.

또한, 상기 제2노즐(150)의 상기 외벽(151)에 의해 상기 유체챔버(130)와 상기 혼합챔버(160)는 상호 연결될 수 있으므로, 상기 제3노즐부(170)와 함께 상기 제2공간부(132)의 내주면(135)과 이격되어 있는 상기 혼합챔버(160)를 고정시키는 역할을 수행할 수도 있다.

또한, 상기 제2노즐(150)의 상기 내벽(152)의 하류측 말단은 상기 제1노즐(120)의 하류측 말단과 연결될 수 있으므로, 상기 제1공간부(131)의 상기 내주면(133)과 이격되어 있는 상기 제1노즐(120)을 고정시키는 역할을 수행할 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제2노즐(150)의 하류측 말단은 상기 제1노즐(120)의 하류측 말단의 둘레를 따라 형성될 수 있다.

상기 제2노즐(150)의 상기 외벽(151)과 상기 내벽(152)은 상호 축을 공유하는 원뿔형일 수 있고, 상기 외벽(151)과 상기 내벽(152) 각각의 단면적이 상류로부터 하류까지 감소할 수 있다.

즉, 상기 제2노즐(150)의 하류 부분의 단면적은 상류 부분의 단면적보다 작을 수 있고, 이러한 단면적의 감소는 일정 유량에 대해 유체의 유속을 증가시킬 수 있으므로, 상기 제2유체는 상기 제2노즐(150)의 하류측 말단으로부터 상기 혼합챔버(160)로 고속 분사될 수 있다.

상기 제2노즐(150)의 상기 내벽(152)은 상기 제1노즐(120)의 하류측 말단까지 연장되어 형성될 수 있고, 상기 내벽(152)의 하류측 말단은 상기 제1노즐(120)의 하류측 말단과 연결될 수 있으므로, 상기 제2노즐(150)의 하류측 말단은 상기 제1노즐(120)의 하류측 말단의 둘레를 따라 형성될 수 있다.

상기 제1노즐(120)의 하류측 말단으로부터 분사되는 상기 제1유체의 흐름 단면은 원형일 수 있고, 상기 제2노즐(150)의 하류측 말단으로부터 분사되는 상기 제2유체의 흐름 단면은 상기 제1유체의 흐름 단면의 둘레(원주)를 따라 형성된 고리형일 수 있다.

이 때, 상기 제1노즐(120)로부터 분사된 상기 제1유체의 흐름 거동과, 상기 제1유체의 둘레(원주)를 따라 분사된 상기 제2유체의 흐름 거동이 상호 간섭하면서 이종 유체 간에 충돌에 의한 혼합이 일어날 수 있다.

상기 혼합챔버(160)는 상기 제1노즐(120)과 상기 제2노즐(150)의 하류에 동축으로 연결되고, 상기 제2공간부(132)의 내주면(135)과 동축으로 이격되어 형성될 수 있다.

상기 혼합챔버(160)는 직경이 일정한 단일의 원통형 관으로 형성될 수 있고, 수요가의 요구에 따라 직경이 일정하게 증가하거나 감소하는 확장부 또는 감축부를 더 포함할 수도 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 혼합챔버(160)는 단면확장부(161) 및 단면일정부(162)를 포함할 수 있다.

상기 단면확장부(161)에서, 상기 제1노즐(120)의 하류측 말단에서 분사된 상기 제1유체의 흐름 방향과, 상기 제2노즐(150)의 하류측 말단에서 분사된 상기 제2유체의 흐름 방향은 실질적으로 같은 방향일 수 있고, 이 때, 상기 제1 및 제2유체 간에 "수평 충돌"에 의한 혼합이 일어날 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어, "수평 충돌"은, 각각의 노즐 또는 기타 설비에서 분사된 이종 유체의 흐름 방향이 상호 실질적으로 같은 방향이고, 분사 이후 각각의 유체의 흐름, 이를 테면 난류(turbulent flow)의 상호 충돌에 의한 혼합 유형을 의미한다.

상기 "수평 충돌"에 의한 혼합은, 최종 혼합 단계에 앞서 상기 제1 및 제2유체를 혼합시켜 제1혼합물을 생성시키는 사전 혼합(pre-mixing)일 수 있다.

상기 단면확장부(161)는, 상기 제1 및 제2노즐(120, 150)로부터 분사된 유체의 유속이 감소되지 않도록 적절한 길이로 형성될 수 있다.

상기 단면일정부(162)에서는, 상기 단면확장부(161)로부터 이동된 상기 제1혼합물과 상기 제3노즐부(170)로부터 분사된 제2유체가 최종적으로 혼합되어 최종 혼합물이 생성될 수 있고, 상기 최종 혼합물이 이후의 설비(미도시), 이를 테면 반응기로 이동될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 단면확장부(161)의 모선(l)과 상기 혼합챔버의 하류측 축(x)이 이루는 각도(α)가 70°~90°의 범위일 수 있다.

상기 각도(α)가 90° 초과이면 상기 단면확장부(161)와 상기 단면일정부(162) 사이의 절곡부가 예각을 이루게 되고, 이 때, 상기 절곡부에서 주된 흐름에서 이탈한 반응물 사이에 부반응이 일어날 수 있고, 상기 부반응에 의해 생성된 부산물을 제거하기가 상대적으로 어려워 반응기의 유지보수 비용이 증가할 수 있다.

상기 각도(α)가 70° 미만이면 상기 단면확장부(161)의 길이 또는 부피가 과도하게 증가하여 상기 단면확장부(161)에서의 상기 제1 및 제2유체의 체류시간이 길어질 수 있고, 이 때, 상기 제1 및 제2유체가 불균일한 상태로 완전히 혼합됨에 따라 최종 혼합물의 혼합 균일도를 저하시킬 수 있다.

도 3은 도 1의 B에서 바라본 고속 분사 혼합반응기의 단면도이다.

상기 제3노즐부(170)는 상기 제2공간부(132)의 내주면(135)으로부터 연장되어 상기 혼합챔버(160)의 외주면에 방사상으로 연결될 수 있다.

바람직하게는, 상기 혼합챔버(160)의 상기 단면확장부(161)로부터 이동된 상기 제1혼합물의 유속이 저하되기 이전에 최종적인 혼합이 이루어질 수 있도록 상기 제3노즐부(170)는 상기 혼합챔버(160)의 상기 단면일정부(162)의 외주면에 방사상으로 연결될 수 있다.

상기 제3노즐부(170)는 상기 제2유체의 이동 거점인 상기 유체챔버(130)로부터 상기 혼합챔버(160)까지 연장되어 형성되는 것으로서, 상기 제2유체는 상기 제2노즐(150) 뿐만 아니라 제3노즐부(170)를 통해서도 이동할 수 있고, 그 말단에서 상기 혼합챔버(160)로 분사될 수 있다.

이와 같이, 상기 제3노즐부(170)는 외부로부터 제2유체를 유입시키기 위한 별도의 배관 또는 이와 유사한 설비를 필요로 하지 않고 상기 유체챔버(130)로부터 연장되어 일체로 형성될 수 있으므로, 상기 고속 분사 혼합반응기(100)의 설치에 필요한 공간 또는 부피를 최소화할 수 있고, 이에 따라 설치, 해체, 및 유지가 간편하여 혼합 효율 또는 생산성이 향상될 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3노즐부(170)는 일정한 각거리(angular distance)로 이격되어 형성된 2 이상의 노즐을 포함할 수 있다.

상기 노즐은 당업계에서 일반적으로 사용되는 공지의 노즐일 수 있으며, 바람직하게는 분사구 방향으로 직경이 점진적으로 감소되어 유속을 증가시키고, 최종적으로 유체의 고속 흐름을 생성하도록 설계된 노즐일 수 있다.

상기 노즐은 2 내지 10개일 수 있고, 각각의 배관 사이의 각거리는 각각 180°, 120°, 90°, 72°, 60°, 53°, 45°, 40° 및36°일 수 있다.

상기 각각의 노즐 사이의 각거리를 일정하게 형성함으로써, 상기 제1혼합물에 대해 분사되는 상기 유체의 분포를 실질적으로 균일하게 유지할 수 있다.

즉, 상기 제1혼합물과 상기 유체의 최종 혼합시 혼합 균일도를 향상시킬 수 있고, 일부 영역에 미반응된 상기 제1혼합물이 과다하게 존재하는 것을 방지함으로써 부반응을 경감시킬 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 제3노즐부(170)는 상기 혼합챔버(160)의 축에 대해 상호 대칭인 2개의 노즐을 포함할 수 있다.

상기 제3노즐부(170)는 상기 혼합챔버(160)의 축을 기준으로 상호 선대칭인 2개의 노즐을 포함하는 것일 수 있다.

상기 각각의 노즐이 상기 혼합챔버(160)의 축을 기준으로 상호 선대칭 관계에 있지 않은 경우, 상기 각각의 노즐에서 분사되는 상기 제2유체와 상기 제1혼합물의 충돌 각도가 상이해질 수 있으며, 이에 따라 상기 제1혼합물의 분사 흐름 단면에서의 혼합도의 분포가 불균일하게 나타날 수 있으므로, 상기 각각의 노즐은 상기 혼합챔버(160)의 축을 기준으로 선대칭 관계에 있을 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 상호 대칭인 각각의 노즐의 축(n)과 상기 혼합챔버(160)의 하류측 축(x)이 이루는 각도(β)가 70°~90°의 범위일 수 있고, 바람직하게는 75°~85°의 범위일 수 있다.

상기 제3노즐부(170)의 상기 상호 대칭인 각각의 노즐의 축(n)과 상기 혼합챔버(160)의 하류측 축(x)이 이루는 각도(β)가 상기의 범위를 가지는 경우, 상기 단면확장부(161)로부터 상기 단면일정부(162)로 이동되는 상기 제1혼합물의 흐름 방향과, 상기 제3노즐부(170)를 통해 상기 혼합챔버(160)로 분사되는 상기 제2유체의 흐름 방향은 실질적으로 상호 수직일 수 있고, 이 때, 상기 제1혼합물 및 상기 유체 간에 "수직 충돌"에 의한 혼합이 일어날 수 있다.

본 명세서에 사용된 용어, "수직 충돌"은, 각각의 노즐 또는 기타 설비에서 분사된 이종 유체의 흐름 방향이 상호 실질적으로 수직이고, 분사 이후 각각의 유체의 흐름, 이를 테면 난류(turbulent flow)의 상호 충돌에 의한 혼합 유형을 의미한다.

상기 "수직 충돌"에 의한 혼합은, 상기 사전 혼합된 상기 제1혼합물과 상기 제 2유체를 혼합시켜, 반응기로 이동되는 최종 혼합물을 생성시키는 최종 혼합일 수 있다.

일 실시예에 있어서, 상기 상호 대칭인 각각의 노즐의 축과 상기 혼합챔버(160)의 축은 동일 평면상에 있는 것일 수 있다.

상기 상호 대칭인 각각의 노즐의 축과 상기 혼합챔버(160)의 축이 동일 평면상에 있지 않은 경우, 상기 제1혼합물의 분사 흐름 단면에서의 혼합도의 분포가 불균일하게 나타날 수 있다.

구체적으로는, 상기 제1혼합물의 분사 흐름 단면을 상기 혼합챔버(160)의 직경을 기준으로 2개의 영역으로 분할하였을 때, 특정 1 구역에서 혼합도가 높게 나타나는 반면에, 나머지 구역에서는 혼합도가 낮거나 혼합이 일어나지 않을 수 있으므로, 상기 상호 대칭인 각각의 노즐의 축과 상기 혼합챔버(160)의 축은 동일 평면상에 있는 것이 바람직하다.

고속 분사 혼합반응기에서의 유체 거동

도 4는 일 실시예에 의한 고속 분사 혼합반응기에서의 유체 거동을 도식화한 것이다.

상기 제1유체는 이동 방향을 따라 유로의 단면적이 점진적으로 감소하는 상기 제1유입부(110)와 상기 제1노즐(120)을 거쳐 상기 혼합챔버(160)로 고속 분사될 수 있다.

상기 제2유체는 상기 제2유입부(140)를 통해 상기 유체챔버(130)로 유입되고, 상기 유체챔버(130)로 유입된 상기 제2유체 중 일부가 흐름 방향을 따라 단면적이 점진적으로 감소하는 상기 제2노즐(150)을 통해 상기 혼합챔버(160)로 고속 분사될 수 있다.

상기 제1노즐(120)의 하류측 말단으로부터 분사된 상기 제1유체의 흐름 방향과, 상기 제2노즐(150)의 하류측 말단으로부터 분사된 상기 제2유체의 흐름 방향은 실질적으로 상호 수평이나, 상기 혼합챔버(160)의 상기 단면확장부(161)에서 상기 제1 및 제2유체 사이의 일정 수준 이상의 유동 간섭이 발생할 수 있고, 이에 따라 수평 충돌에 의한 상기 제1 및 제2유체의 사전 혼합이 일어날 수 있다.

한편, 상기 유체챔버(130)로 유입된 상기 제2유체의 나머지는 상기 유체챔버(130)의 제2공간부(132)의 상기 내주면(135)으로부터 상기 혼합챔버(160)의 외주면까지 연장되어 형성된 상기 제3노즐부(170)를 통해 상기 혼합챔버(160)로 고속 분사될 수 있다.

사전 혼합된 상기 제1 및 제2유체는 흐름 방향을 따라 상기 유체챔버(160)의 상기 단면확장부(161)에서 상기 단면일정부(160)로 이동할 수 있고, 상기 단면일정부(160)의 외주면에 방사상으로 연결된 상기 제3노즐부(170)의 말단으로부터 분사된 제2유체와 최종 혼합되어 이후의 설비, 이를 테면 반응기 등으로 전달될 수 있다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 고속 분사 혼합반응기
110: 제1유입부
120: 제1노즐
130: 유체챔버
140: 제2유입부
150: 제2노즐
160: 혼합챔버
170: 제3노즐부

Claims

이종 유체의 혼합반응기에 있어서,
제1유입부;
상기 제1유입부의 하류에 동축으로(coaxially) 연결된 제1노즐;
상기 제1노즐과 동축으로 이격되어 형성되고, 제1공간부 및 상기 제1공간부보다 내경이 큰 제2공간부를 포함하는 유체챔버;
상기 유체챔버의 외주면에 일정한 각거리로 이격되어 방사상으로 연결된 2 이상의 배관을 포함하는 제2유입부;
상기 제1공간부의 하류에 동축으로 연결된 제2노즐;
상기 제1노즐과 상기 제2노즐의 하류에 동축으로 연결되고, 상기 제2공간부의 내주면과 동축으로 이격되어 형성된 혼합챔버; 및
상기 제2공간부의 내주면으로부터 연장되어 상기 혼합챔버의 외주면에 방사상으로 연결된 제3노즐부;를 포함하는, 고속 분사 혼합반응기.
제1항에 있어서, 상기 혼합챔버는 단면확장부 및 단면일정부를 포함하고, 상기 단면확장부의 모선과 상기 혼합챔버의 하류측 축이 이루는 각도가 70°~90°의 범위인, 고속 분사 혼합반응기.
삭제
제1항에 있어서, 상기 제2유입부는 상호 대향하는 2개의 배관을 포함하는, 고속 분사 혼합반응기.
제1항에 있어서, 상기 제2노즐은 상기 제1공간부의 하류측 말단면 또는 상기 제1공간부의 내주면으로부터 연장되어 형성된 고리형 유로를 포함하는, 고속 분사 혼합반응기.
제5항에 있어서, 상기 제2노즐의 하류측 말단은 상기 제1노즐의 하류측 말단의 둘레를 따라 형성되는, 고속 분사 혼합반응기.
제1항에 있어서, 상기 제3노즐부는 일정한 각거리로 이격되어 형성된 2 이상의 노즐을 포함하는, 고속 분사 혼합반응기.
제7항에 있어서, 상기 제3노즐부는 상기 혼합챔버의 축에 대해 상호 대칭인 2개의 노즐을 포함하는, 고속 분사 혼합반응기.
제8항에 있어서, 상기 노즐 각각의 축과 상기 혼합챔버의 하류측 축이 이루는 각도가 70°~90°의 범위인, 고속 분사 혼합반응기.
제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 노즐 각각의 축과 상기 혼합챔버의 축은 동일 평면상에 있는, 고속 분사 혼합반응기.