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KR20130140651A - 직교류 장애물을 구비한 반응성 유동 정적 혼합기 - Google Patents

직교류 장애물을 구비한 반응성 유동 정적 혼합기 Download PDF

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KR20130140651A
KR20130140651A KR1020137007752A KR20137007752A KR20130140651A KR 20130140651 A KR20130140651 A KR 20130140651A KR 1020137007752 A KR1020137007752 A KR 1020137007752A KR 20137007752 A KR20137007752 A KR 20137007752A KR 20130140651 A KR20130140651 A KR 20130140651A
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mixing conduit
conduit
spokes
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파울 에이 길리스
조이딥 무크헤르지
존 비 쿠퍼
아써 씨 플로레스
다니엘 제이 리드
Original Assignee
다우 글로벌 테크놀로지스 엘엘씨
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Abstract

본 발명의 실시형태는 혼합 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명의 실시형태는 고 반응성 화학 반응 중에 포스겐 및 아민과 같은 유체 성분을 혼합하기 위한 혼합 장치를 제공한다. 일 실시형태는 내부 체적을 한정하는 원통형 측벽(101)과 내부 체적에 배치되는 하나 이상의 유동 장애물(103)을 포함하되, 하나 이상의 제트가 원통형 측벽을 통해 형성되어 내부 체적에 연결되며, 각각의 유동 장애물은 관련 개구(102)로부터 상류에 배치되는 혼합 도관(100)을 제공한다.

Description

직교류 장애물을 구비한 반응성 유동 정적 혼합기{REACTIVE FLOW STATIC MIXER WITH CROSS-FLOW OBSTRUCTIONS}
본 발명의 실시형태는 유체 성분의 혼합을 위한 장치로서, 예컨대 반응성 화학 공정에서 포스겐과 아민을 혼합하기 위한 혼합 장치에 관한 것이다.
종래의 혼합 장치 분야는 대략 두 가지의 주요 부문, 즉 동적 또는 기계적 혼합기와 정적 혼합기로 구분될 수 있다. 동적 또는 기계적 혼합기는 성분의 바람직한 혼합 또는 철저한 혼합을 보장하기 위해 몇몇 유형의 이동 부품 또는 부품들에 의존한다. 정적 혼합기는 일반적으로 특별한 이동 부품을 구비하지 않는 대신에 혼합을 용이하게 하기 위해 혼합된 유체 내부의 유동 프로파일과 차압에 의존한다. 본 개시는 주로 정적 혼합기에 관한 것이지만 동적 혼합기와 조합하여 사용될 수도 있다.
이소시아네이트는 N=C=O 작용기를 특징으로 하는 분자이다. 가장 널리 사용되는 이소시아네이트는 방향족 화합물이다. 두 가지 방향족 화합물, 즉 톨루엔 디이소시아네이트(TDI)와 메틸렌 디페닐 디이소시아네이트(MDI)가 상업적으로 널리 생산된다. 이소시아네이트는 폴리올과 반응하여 폴리우레탄을 형성할 수 있다. 폴리우레탄의 주된 용도는 우수한 절연체로서 가전 제품, 자동차 및 건설업에 널리 사용되는 경질 발포체와, 매트리스와 가구 용도로 사용될 수 있는 신축성 발포체이다. 또한 헥사메틸렌 디이소시아네이트와 같은 지방족 이소시아네이트도 널리 생산되어 내마모성 및 내자외선(UV)성 코팅과 같은 특수 용도로 사용된다.
혼합은 이소시아네이트의 생산에 중요하다. 이소시아네이트 생산물의 품질과 산출량은 다단계 화학 반응 네트워크에 달려있다. 공정의 제1 단계에서는, 두 반응물(아민과 포스겐)의 연속 스트림이 혼합된다. 우레아와 기타 우레아 유도체를 형성하는 포스겐화 생산물과 아민 간의 반응 같은 부차적 반응은 궁극적으로 생산물 조성물의 품질을 저하시킨다. 이소시아네이트의 생산이 바람직하긴 하나, 부차적 반응은 바람직하지 않은 생산물의 생성을 초래한다. 이들 부차적 반응 중 몇몇은 우레아와, 카르보디이미드 및 우레톤이민과 같은 우레아 유도체와 같은 생산물을 생성하는 것으로 여겨진다. 전체 화학 반응은 다음과 같이 묘사될 수 있다.
아민+포스겐→이소시아네이트+염산+우레아+카르보디이미드+우레톤이민+바람직하지 않은 생산물
공지 및 미지의 많은 요인이 주요 반응의 품질을 제어하긴 하지만, 아민에 대한 포스겐 비의 증가, 용매 내에서의 아민의 희석, 또는 향상된 혼합은 바람직하지 않은 부산물의 형성을 최소화한다. 바람직하지 않은 부산물 중 몇몇은 고체일 수 있고 공정 설비의 오염과 관련될 수 있다.
결론적으로, 부적절한 혼합을 초래하는 혼합기 구성은 바람직한 생산물의 전체 산출율을 저하시킬 수 있거나 반응기 시스템을 막히게 하거나 오염시키는 생산물을 생성하여 정지 시간 및/또는 유지보수 비용의 증가를 초래할 수 있다.
도 1은 종래 기술의 정적 혼합기 내부의 포스겐 농도를 개략적으로 도시한다. 도 1은 포스겐 유동(1)은 좌측에서 우측으로 이동하고 아민 유동(2)은 원통형 도관(3)을 통해 형성되는 제트(jet)(4)로부터 포스겐 유동(1)을 향해 분사되는 원통형 도관(3)의 부분 단면도를 도시한다. 아민이 포스겐을 가로지르며 포스겐과 반응하는 동안 주요 반응과 부차적 반응이 일어난다. 아민 유동(1)이 진입하는 거리(L)에 위치하는 원(5)은 포스겐 농도가 비교적 낮은(거의 0인) 제트(4)의 하류측 영역을 도시한다. 포스겐과 아민의 반응은 발열성이기 때문에 원(5) 주위의 영역의 온도가 증가한다. 포스겐의 낮은 농도와 온도 증가는 바람직하지 않은 부차적 반응을 일으키고 부산물의 생성을 촉진한다.
포스겐과 아민의 혼합을 향상시켜 바람직하지 않은 부산물의 생성을 억제하는 정적 혼합기를 갖추는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 실시형태는 단독으로 또는 동적 혼합기와 조합하여 사용될 수 있는 정적 혼합 장치에 관한 것이다.
정적 혼합 장치의 일 실시형태는, 내부 체적을 한정하는 원통형 측벽을 포함하되, 하나 이상의 제트가 원통형 측벽을 통해 내부 체적까지 형성되며, 하나 이상의 유동 장애물이 내부 체적에 배치되며, 각각의 유동 장애물은 제트 침투에 대한 직교류(cross flow)와 제트 혼합을 향상시키고 혼합 도관 내의 역혼합(backmixing)을 저감하기 위해 관련 개구로부터 상류에 정렬되는 혼합 도관을 제공한다.
본 발명의 다른 실시형태는, 환형 챔버의 하나 이상의 외벽을 한정하는 하나 이상의 유체 수용 도관과, 환형 챔버의 적어도 내벽을 한정하기 위해 제1 도관에 배치되는 본 발명의 혼합 도관을 포함하되, 환형 챔버는 혼합 도관의 하나 이상의 제트와 유체 연통되는 정적 혼합기를 제공한다.
위에 열거된 본 발명의 특징을 상세히 이해할 수 있도록, 위에 간략히 요약된 내용보다 자세한 본 발명에 대한 설명이 그 일부가 첨부 도면에 도시되는 실시형태를 참조하여 제시될 수 있다. 그러나 본 발명은 여타의 똑같이 효과적인 실시형태를 인정할 수 있으므로, 첨부 도면은 본 발명의 전형적인 실시형태만을 도시하며 따라서 본 발명의 범위를 제한하는 것으로 간주되어서는 안 된다는 것을 주의해야 한다.
도 1은 포스겐과 아민의 혼합에 사용되는 종래 기술의 정적 혼합기 내부의 포스겐 농도를 개략적으로 도시한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정적 혼합기용 혼합 도관의 부분 단면도이다.
도 2b는 도 2a의 혼합 도관의 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정적 혼합기의 단면도이다.
도 4a 내지 도 4d는 상이한 구성으로 장착되는 장애물을 갖는 혼합 도관의 다양한 실시형태를 도시한다.
도 5a 내지 도 5g는 반경 방향으로의 장애물 형상이 본 발명의 실시형태에 따른 직교류를 더 유선형으로 만들도록 혼합 도관에 사용되는 장애물의 다양한 실시형태를 도시한다.
도 6a 내지 도 6d는 본 발명의 실시형태에 따른 혼합 도관에 장애물을 장착하기 위한 다양한 메커니즘을 개략적으로 도시한다.
도 7a 내지 도 7b는 본 발명의 실시형태에 따른 중심축 가까이에 다양한 구성을 갖는 혼합 도관을 개략적으로 도시한다.
도 7c는 어뢰 형상 중앙 장애물 상에 유동 장애물을 장착하는 것을 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시형태에 따른 직교류를 안내하는 날개 형상의 유동 장애물에 결합되는 중앙 원판을 갖는 다양한 혼합 도관을 개략적으로 도시한다.
도 9는 본 발명의 실시형태에 따른 복수의 장애물 열을 갖는 혼합 도관을 개략적으로 도시한다.
도 10a 내지 도 10d는 본 발명의 실시예에 따른 복합 제트 구성을 갖는 혼합 도관을 개략적으로 도시한다.
이해를 쉽게 하기 위해, 가능한 경우에는 동일한 참조 번호가 도면에 공통되는 동일한 요소를 표기하기 위해 사용되었다. 일 실시예에 개시되는 요소는 명시적인 인용 없이 다른 실시예에 유리하게 이용될 수 있도록 되어있다.
본 발명의 실시형태는 혼합이 비율 제한적인(rate-limiting) 단계이고 바람직하지 않은 생산물의 형성을 초래할 수 있는 화학 반응을 수반하거나 수반하지 않는 적용례에서 성분을 혼합하기 위한 정적 혼합 장치에 관한 것이다. 특히 본 발명의 실시형태는 고 반응성 화학 반응 중에 포스겐 및 아민과 같은 유체 성분을 혼합하기 위한 혼합 장치를 제공한다.
본 발명의 정적 혼합기는 MDI를 형성하기 위한 포스겐 투여 MDA 반응과 같은 공업용 반응 공정에서 신속한 혼합을 제공하도록 구성된다. 본 발명의 실시형태는 포스겐이 아민 스트림을 에워싸서 부차적 반응을 최소화할 수 있도록 하는 정적 혼합기를 제공한다. 유체를 혼합하기 위해 사용되는 에너지는 혼합 장치 내의 압력 강하에서 나온다. 본 발명의 정적 혼합기는 적정한 압력 강하를 유지하고 생산물의 품질을 향상시키면서 생산율의 증가를 가능하게 하는 제트 혼합 공정을 향상시킨다.
본 발명의 실시형태는 제1 유동이 도관을 통과하여 도관을 통해 형성되는 하나 이상의 제트에 의해 도관 내로 분사되는 제2 유동과 교차하는 동안 제1 유동, 즉 통상적으로 주 직교류의 속도 프로파일을 야기한다. 일 실시형태에서, 제1 유동의 속도 프로파일은 도관 상류에 배치되는 하나 이상의 유동 장애물에 의해 생성된다. 하나 이상의 유동 장애물은 포스겐과 같은 제1 유동을 아민과 같은 제2 유동 주위로 안내한다. 유동 장애물은 아민 제트에 인접하는 포스겐 결핍 영역을 최소화하여 포스겐이 아민 스트림을 더 잘 에워쌀 수 있도록 한다.
본 발명의 일 실시형태는 도관의 원주를 관통하여 형성되는 적어도 하나의 개구와, 적어도 하나의 개구에 대해 상류측 도관에 배치되는 적어도 하나의 장애물을 갖는 도관을 구비하는 정적 혼합기를 제공한다. 혼합 중에, 제1 유동 성분은 도관을 관류하여 적어도 하나의 장애물을 지난 후, 관련된 적어도 하나의 개구를 통해 도관으로 진입하는 제2 유동과 조우한다.
도 2a는 본 발명의 일 실시형태에 따른 정적 혼합기용 혼합 도관(100)의 부분 단면도이다. 도 2b는 도 2a의 혼합 도관(100)의 사시도이다.
혼합 도관(100)은 내부 체적(107)을 한정하는 원통형 측벽(101)을 포함한다. 제1 유동(105)은 혼합 도관(100)의 유입구 단부(108)로부터 내부 체적(107)에 진입하도록 구성된다. 혼합 도관(100)은 중심축(106)을 갖는다.
복수의 개구(102)가 혼합 도관(100)의 원주 둘레의 원통형 측벽(101)을 통해 형성된다. 복수의 개구(102)는 혼합 도관(100)의 내부 체적(107)에 제2 유동(104)을 분사하도록 구성된다. 일 실시형태에서, 복수의 개구(102)는 혼합 도관(100)의 원주 둘레에 고르게 분포한다.
도 2a는 각각의 개구(102)가 테이퍼진 형상(tapered shape)을 갖는다는 것을 도시한다. 개구(102)의 테이퍼진 형상은 제2 유동(104)이 중심축(106)에 더 가까이 침투할 수 있도록 제2 유동(104)이 혼합 도관(100)에 진입하게 되기 때문에 제2 유동(104)의 속도 프로파일을 창출한다. 그러나 다른 개구(102)의 구성도 사용될 수 있다. 적어도 일부의 공통 발명자를 가지고 테이퍼진 개구를 구비한 정적 혼합기를 지향하며, 미국공개 제2008/0087348호로 공개된 것으로, 2005년 7월 7일 출원된 미국특허출원 제11/658,193호가 본 명세서에 원용된다.
혼합 도관(100)은 복수의 개구(102)와 혼합 도관(100)의 유입구 단부(108) 사이에 배치되는 복수의 바퀴살(spoke)(103)을 추가로 포함한다. 복수의 바퀴살(103) 각각은 제1 유동이 관련 개구(102)에 도달하기 전에 제1 유동(105)에 유동 장애물을 생성하도록 관련 개구(102)와 정렬된다.
일 실시형태에서, 복수의 바퀴살(103)은 원통형 측벽(101)을 통해 혼합 도관(100)에 삽입된다. 각각의 바퀴살(103)은 내측 단부(1031)과 외측 단부(1032)를 가질 수 있다. 내측 단부(1031)가 원통형 측벽(101)을 관통하여 혼합 도관(100)에 진입한 후에 외측 단부(1032)가 개구를 막아 혼합 도관(100)을 밀봉하도록 내측 단부(1031)는 외측 단부(1032)보다 작다. 각각의 바퀴살(103)이 관련 개구(102)와 직접 정렬되기 때문에, 바퀴살(103)은 각각의 개구(102)로부터 진입하는 제2 유동(104)의 상류에서 제1 유동 속도의 감소를 야기하며, 따라서 제2 유동(104)이 내부 체적(107) 안으로 더 깊이 침투할 수 있도록 하고 혼합을 향상시킨다.
다양한 요인이 처리 조건에 따라 혼합을 향상시키기 위해 조절될 수 있다. 예컨대 개구(102)와 바퀴살(103) 간의 거리(109), 각 바퀴살(103)의 크기, 바퀴살(103)의 장착 각도, 각 바퀴살(103)의 길이, 바퀴살(103)의 형상 및 관련 개구(102)의 구성이 조절될 수 있다.
혼합 중에, 제1 유동(105)은 유입구 단부(108)로부터 혼합 도관(100)에 진입하고 복수의 바퀴살(103)과 마주친다. 복수의 바퀴살(103)은 제1 유동(105)의 직교류로부터 하류에 위치하는 제2 유동(104)을 엄폐하며, 개구(102)로부터 진입하는 제2 유동 사이에 놓인 공간에서 제1 유동(105)의 속도를 증가시킨다.
도 3은 본 발명의 일 실시형태에 따른 정적 혼합기(150)의 단면도이다. 정적 혼합기(150)는 종축(156)을 갖는 제1 유동 도관(153) 내부에 부착되는 제2 유동 도관(155)에 의해 형성되는 직교류 챔버를 한정한다. 도 2a에 도시된 바와 같은 혼합 도관(100)은 해당 혼합 도관(100)이 제1 유동 도관(153)과 동축이 되도록 제1 유동 도관(153)에 배치되며, 복수의 개구(102)는 제2 유동 도관(155)과 혼합 도관(100)의 내부 체적(107)을 유체적으로 연결한다. 혼합 도관(100)은 도관 벽(154, 155)에 의해 형성되는 환형 챔버의 적어도 내벽을 한정하되, 환형 챔버는 혼합 도관(100)의 하나 이상의 제트와 유체 연통된다. 혼합된 유동(157)은 혼합 도관(100)과 동축인 제1 유동 도관(153)의 유출구 단부(158)를 통해 배출된다.
제2 유동(104)이 혼합 도관(100)의 복수의 개구(102)를 통해서만 제1 유동(105)과 혼합될 수 있도록 혼합 도관(100)은 제2 유동 도관(155)으로부터 제1 유동 도관(153)을 격리시킨다. 제1 유동(105)은 제1 유동 도관(153)의 유입구 단부(152)로부터 혼합 도관(100)으로 진입하여 복수의 바퀴살(103)을 통과한 후, 복수의 개구(102)를 통해 제2 도관(155)으로부터 혼합 도관(100)으로 진입하는 제2 유동(104)과 혼합된다. 혼합된 유동(157)은 유출구 단부(158)를 통해 혼합 도관(100)에서 배출된다. 일 실시형태에서, 제1 유동 도관(153) 내부의 유동 영역은 예컨대 축소 및 확장 유동 프로파일을 부여하기 위해 변동될 수 있다.
물론, 혼합 도관(100)은 다른 혼합 장치와 함께 사용될 수 있다. 다양한 혼합 도관이 본 발명의 정적 혼합기와 함께 사용될 수 있다.
도 4a 내지 도 4d는 상이한 각도로 장착되는 다양한 장애물을 구비하는 혼합 도관의 다양한 실시형태를 개략적으로 도시한다.
도 4a는 도 2a의 혼합 도관(100)과 유사한 혼합 도관(100a)을 도시한다. 혼합 도관(100a)은 혼합 도관(100a)의 중심축(106)에 수직한 평면(110)에 평행하게 장착되는 복수의 바퀴살(103a)을 구비한다. 도 4b는 해당 평면(110)에 대해 소정 각도(α)로 장착되는 복수의 바퀴살(103b)을 구비하는 혼합 도관(100b)을 도시한다. 복수의 바퀴살(103b)의 단부는 하류 방향을 향해 각진다. 도 4c는 해당 평면(110)에 대해 소정 각도(β)로 장착되는 복수의 바퀴살(103c)을 구비하는 혼합 도관(100c)을 도시한다. 복수의 바퀴살(103d)의 단부는 상류 방향을 향해 경사져 있다. 도 4d는 해당 평면(110)에 대해 장착되는 복수의 만곡형 바퀴살(103d)을 구비하는 혼합 도관(100d)을 도시한다. 복수의 바퀴살(103d)은 도관(100d)의 외측 영역에서는 상류 방향을 향해 경사지고, 도관(100d)의 중심부 가까이에서는 하류 방향을 향해 경사진다. 장애물의 형상과 결부되는 경사 배향은 제1 유동과 제2 유동 간의 향상된 단면 상호작용을 추가로 제공할 수 있다.
도 5a 내지 도 5g는 본 발명의 실시형태에 따른 혼합 도관에 사용하기 위한 바퀴살의 다양한 실시형태를 도시한다. 도 5a 내지 도 5g는 각각 바퀴살의 단면도와 상면도를 포함한다. 도 5a는 원형 단면과 부분적으로 테이퍼진 단부를 갖는 바퀴살(203a)을 도시한다. 도 5b는 타원형 단면과 헤드 없이 부분적으로 테이퍼진 단부를 갖는 바퀴살(203b)을 도시한다. 도 5c는 삼각형 단면을 갖는 바퀴살(203c)을 도시한다. 도 5d는 다이아몬드형 단면을 갖는 바퀴살(203d)을 도시한다. 도 5e는 테이퍼진 단부 없이 (연(kite) 형상) 다이아몬드 단면을 갖는 바퀴살(203e)을 도시한다. 도 5f는 눈물 방울 형상 단면과 완전히 테이퍼진 형상을 갖는 바퀴살(203f)을 도시한다. 도 5g는 타원형 단면을 갖는 바퀴살(203g)을 도시하는 것으로, 바퀴살(203f)은 외측 단부보다 내측 단부에서 더 크다.
도 6a 내지 6d는 본 발명의 실시형태에 따른 혼합 도관에 장애물을 장착하는 다양한 메커니즘을 도시한다. 도 6a에서, 바퀴살(103)은 혼합 도관(100)의 측벽(101)에 간단히 삽입되어 고정된다. 바퀴살(103)은 도 2a에서 혼합 도관(100)에 부착되는 일측 단부(103b)가 혼합 도관(100) 내로 이동하는 것을 방지하기 위해 해당 단부에서 증가한 직경을 갖는다. 도 6b에서, 복수의 바퀴살(103)은 혼합 도관(100) 내부의 중앙 링(111)에 결합된다. 중앙 링(111)은 복수의 바퀴살(103)을 적소에 유지한다. 일 실시형태에서, 중앙 링(111)은 도 7b에 도시된 바와 같은 중앙 판일 수 있다. 도 6c에서는, 혼합 도관(100) 내부의 두 개의 동심형 중앙 링(111, 112)이 복수의 바퀴살(103)을 고정하기 위해 사용된다. 도 6d에서, 측벽(101) 외부에 배치되는 보유 링(113)은 바퀴살(103)이 혼합 도관(100) 외부로 튀어나오는 것을 방지하기 위해 사용된다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명의 실시형태에 따라 중심축 가까이에서 다양한 구성을 취하는 혼합 도관을 개략적으로 도시한다.
도 7a는 복수의 개구(202)에 대해 상류에 배치되는 복수의 바퀴살(203)을 구비하는 혼합 도관(200a)을 도시한다. 바퀴살(203)은 혼합 도관(200a)의 중심축(206)까지는 미치지 않아서 혼합 도관(200a)의 중심 영역 가까이에 원형 간극(210)을 남긴다. 혼합 도관(200a)의 중심부 가까이에는 직교류(205)에 대한 장애물이 존재하지 않는다.
도 7b는 혼합 도관(200b)의 중심부 가까이에서 복수의 바퀴살(203)에 고정되는 원판(211)을 구비하는 혼합 도관(200b)을 도시한다. 혼합 도관(200b)의 측면도가 도 8a에 도시되어 있다. 원판(211)은 바퀴살(203)을 고정할 뿐만 아니라 직교류(205)에 대한 추가 장애물도 제공한다. 원판(211)에 의한 장애로 인해 혼합 도관(200b)의 단면적이 감소하기 때문에 직교류(205)의 속도가 더욱 증가한다. 원판(211)은 또한 개구(202)로부터의 유동이 중심축(206)에 도달하지 못하는 상황에서의 혼합을 향상시키기 위해 중심축(206) 가까이에서 직교류(205)의 결핍을 야기한다. 일 실시형태에서는, 보유 링(213)이 바퀴살(203)을 고정하기 위해 혼합 도관(200b)의 원통형 벽(201) 외부에 배치된다.
도 7c는 혼합 도관(200c)의 중심부 가까이에서 복수의 바퀴살(203)에 고정되는 유선형 축류 장애물 또는 어뢰 형상부(torpedo)(212)를 갖는 혼합 도관(200c)을 도시한다. 어뢰 형상부(212)는 원통형 중간 섹션과 테이퍼진 단부를 가질 수 있다. 어뢰 형상부(212)는 도 7b의 원판(211)과 동일한 기능을 제공한다. 또한 어뢰 형상부(212)는 바퀴살(203)과 어뢰 형상부(212)에 의한 장애물 효과가 더 하류로 연장되도록 혼합 도관(200c)의 종방향을 따라 장애물을 제공한다. 어뢰 형상부 구성에 대한 설명은 본 명세서에 원용되는 것으로 적어도 일부의 공통 발명자에 의해 2010년 3월 16일 출원된 미국특허출원 제12/725,262에서 찾아볼 수 있다.
도 8a 내지 도 8c는 본 발명의 실시형태에 따른 장애물에 결합되는 중앙 원판을 구비하는 다양한 혼합 도관을 개략적으로 도시한다. 도 8a와 도 7b의 원판(211)과 같은 중앙 원판이 사용될 때는, 다양한 바퀴살이 맞춤형 기능을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 도 8a에서는 테이퍼진 형상을 갖는 직선형 바퀴살(2031)이 혼합 도관(200b)의 원판(211)에 결합된다. 도 8b에서는 만곡형 날개(2032)가 혼합 도관(200c)에 사용된다. 도 8c에서는 확장 및 수축 날개(2033)가 혼합 도관(200d)에 사용된다. 이들 날개는 유동 안내자(director)로서의 역할을 하며 유리한 속도 프로파일을 제공하도록 구성될 수 있다.
도 9는 본 발명의 일 실시형태에 따른 복합 장애물을 갖는 혼합 도관(300)을 도시한다. 두 개 이상의 바퀴살 세트가 혼합 도관(300)에 사용될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 두 개의 바퀴살 세트(303a, 303b)가 혼합 도관(300)의 측벽(301)을 통해 형성되는 복수의 개구(302)에 대해 상류에 배치된다. 일 실시형태에서, 각각의 바퀴살(303a, 303b)은 투시(perspective) 개구(302)와 정렬될 수 있다. 다른 실시형태에서, 바퀴살(303a, 303b)은 바퀴살이 서로에 대해 정확히 정렬되지 않도록 배열될 수 있다. 추가 실시형태에서, 바퀴살 세트는 그 형상 및/또는 치수가 다양하다.
상술한 바퀴살의 실시형태는 다양한 개구 구성과 조합하여 사용될 수 있다. 도 10a 내지 10d는 본 발명의 실시형태에 따른 복합 제트를 구비하는 혼합 도관을 개략적으로 도시한다.
도 10a는 두 개의 개구 세트(402a, 402b)에 대해 상류에 배치되는 복수의 바퀴살(403)을 구비하는 혼합 도관(400a)의 단면도를 도시한다. 개구(402a)는 개구(402b)에 대해 상류에 배치되어 용매 또는 주 유동의 성분으로 제2 유동을 냉각 및/또는 희석하기 위해 사용될 수 있다. 직교류(405)는 상이한 종방향 위치에서 개구(402a, 402b)로부터 각각 나오는 두 개의 제트 스트림 세트(411, 412)와 혼합될 것이다. 복수의 바퀴살(403)은 양측 개구 세트(402a, 402b)에 장애물을 제공한다.
도 10b는 두 개의 개구 세트(402c, 402d)에 대해 상류에 배치되는 복수의 바퀴살(403)을 구비하는 혼합 도관(400b)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 개구(402c)는 개구(402d)의 내측에 형성된다. 개구(402c)로부터의 제트 스트림(413)은 개구(402d)로부터의 제트 스트림(414)과 상이한 유속을 가질 수 있으며, 용매 또는 주 유동의 성분으로 제2 유동을 냉각 및/또는 희석하기 위해 사용될 수 있다. 직교류(405)는 실질적으로 동일한 종방향 위치에서 두 개의 제트 스트림 세트(413, 414)와 혼합될 것이다. 복수의 바퀴살(403)은 양측 개구 세트(402c, 402d)에 장애물을 제공한다.
도 10c는 혼합 도관(400c)의 중심축(406)에 수직한 평면(410)에 대해 상대적으로 경사진 복수의 개구(402e)의 상류에 배치되는 복수의 바퀴살(403)을 구비하는 혼합 도관(400c)의 단면도를 개략적으로 도시한다.
도 10d는 두 개의 개구 세트(402e, 402f)에 대해 상류에 배치되는 복수의 바퀴살(403)을 구비하는 혼합 도관(400d)의 단면도를 개략적으로 도시한다. 혼합 도관(400d)은 개구(402e, 402f)가 상이한 각도로 기울어져 있다는 것을 제외하고는 혼합 도관(400a)과 유사하다.
본 명세서에 설명된 장애물과 조합될 수 있는 다른 제트에 대한 상세한 설명은 본 명세서에 원용되는 것으로 적어도 일부의 공통 발명자에 의해 2010년 3월 16일 출원된 미국특허출원 제12/725,266호에서 찾을 수 있다.
실시예
본 발명의 실시형태는 MDI 제조 공정에서와 같이 제1 유동인 포스겐을 제2 유동인 아민과 혼합하는 데 사용된다. 정적 혼합기의 성능은 우레톤이민류와 같은 바람직하지 않은 부산물의 수준과 정적 혼합기 내의 압력 손실에 의해 결정된다. 일 실시형태에서, 제2 유동은 메틸렌 디페닐 디아민, 톨루엔 디아민 및 헥사에틸렌 디아민 중 적어도 하나를 포함한다. 본 발명의 실시형태에 따른 유동 장애물을 구비하는 혼합 도관은 형성되는 우레아, 카르보디이미드 및 우레톤이민의 양이 내부 체적에 장애물이 배치되지 않는 방법에서보다 적어지도록 제1 유동의 속도 프로파일을 변경한다. 여러 혼합기의 성능에 대한 비교가 표 1에서 제시되어 있다.
표 1에 도시되는 혼합기에 있어, 아민 제트의 개수, 크기 및 형상은 일정하게 유지되었다. 선택 1은 도 1에 도시된 바와 같은 것으로 상류 유동 장애물이 없는 종래 기술을 나타낸다. 선택 2는 도 7b에 도시된 혼합기를 나타낸다. 선택 2는 선택 1에 비해 직교 유동하는 포스겐 스트림의 압력 손실의 경미한 변화만으로 바람직하지 않은 부산물, 즉 우레톤이민을 저감한다. 선택 3은 도 7a에 도시된 구성을 나타낸다. 선택 3은 우레톤이민의 농도 면에서는 향상 정도가 덜 하지만 압력 강하의 변화 또한 더 작아진다. 선택 4는 도 2a 내지 2b에 도시된 바퀴살 혼합기이다. 선택 4는 앞의 선택 2와 선택 3에 비해 우레톤이민이 더욱 저감되도록 한다. 선택 5는 도 7c에 도시된 구성을 나타낸다. 선택 5는 우레톤이민의 양을 최저로 줄일 뿐만 아니라 중심부의 직교류에 대한 유력한 장애물로 인해 포스겐 압력 강하가 최대가 된다.
Figure pct00001
전술한 내용이 본 발명의 실시형태에 관한 것이기는 하지만, 그 밖의 본 발명의 추가 실시형태가 본 발명의 기본 범위를 벗어나지 않고 고안될 수 있다.

Claims (17)

  1. 내부 체적을 한정하는 원통형 측벽과, 상기 내부 체적에 배치되는 하나 이상의 유동 장애물을 포함하되, 하나 이상의 제트(jet)가 상기 원통형 측벽을 통해 형성되어 상기 내부 체적에 연결되며, 각각의 상기 유동 장애물은 관련 개구로부터 상류에 정렬되는 혼합 도관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 제트는 상기 원통형 측벽의 원주를 따라 형성되는 복수의 개구를 포함하며, 상기 하나 이상의 유동 장애물은 상기 원통형 측벽의 원주를 따라 상기 내부 체적에 삽입되는 복수의 바퀴살(spoke)을 포함하는 혼합 도관.
  3. 제2항에 있어서, 각각의 바퀴살은 원형, 타원형, 삼각형, 다이아몬드, 비대칭 다이아몬드 또는 눈물 방울 중 하나의 형상인 부분을 갖는 혼합 도관.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 각각의 바퀴살은 대단부가 상기 원통형 측벽에 결합되고 소단부가 상기 혼합 도관의 중심축 가까이에 위치하도록 테이퍼지는(tapered) 혼합 도관.
  5. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 바퀴살은 상기 원통형 측벽과 실질적으로 동심인 원판에 결합되는 혼합 도관.
  6. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 바퀴살은 상기 원통형 측벽과 실질적으로 동심인 하나 이상의 링에 결합되는 혼합 도관.
  7. 제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 바퀴살은 상기 혼합 도관의 중심축을 따라 배치되는 어뢰 형상부(torpedo)에 결합되는 혼합 도관.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 제트는 대개구부가 상기 혼합 도관의 외부에 위치하고 소개구부가 상기 혼합 도관 내부에 위치하는 테이퍼진 개구를 포함하는 혼합 도관.
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 추가 제트가 상기 원통형 측벽의 종축 상에서 하류에 위치하는 상기 복수의 제트 각각에 인접하게 배치되는 혼합 도관.
  10. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 제트는 동심으로 배치되는 두 개의 개구를 포함하는 혼합 도관.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 제트는 상기 혼합 도관의 종축에 수직한 평면에 대해 소정 각도로 기울어진 개구를 포함하는 혼합 도관.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 하나 이상의 장애물은 상기 혼합 도관의 종축에 수직한 평면에 대해 소정 각도로 장착되는 혼합 도관.
  13. 환형 챔버의 하나 이상의 외벽을 한정하는 하나 이상의 유체 수용 도관과,
    상기 환형 챔버의 적어도 내벽을 한정하는 제1 도관에 배치되는 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 따른 혼합 도관을 포함하되, 상기 환형 챔버는 상기 혼합 도관의 상기 하나 이상의 제트와 유체 연통되는 정적 혼합기.
  14. 하나 이상의 장애물이 혼합 도관의 하나 이상의 제트에 대해 상류에 위치하는 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 혼합 도관의 종방향을 따라 제1 유동을 유동시키는 단계와,
    제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 따른 혼합 도관의 상기 하나 이상의 제트를 통해 제2 유동을 유동시키는 단계를 포함하는 혼합 방법.
  15. 제14항에 있어서, 상기 제1 유동은 포스겐을 포함하고 상기 제2 유동은 아민을 포함하는 혼합 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 제2 유동은 메틸렌 디페닐 디아민, 톨루엔 디아민 및 헥사메틸렌 디아민 중 적어도 하나를 포함하는 혼합 방법.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 내부 체적에 배치되는 상기 하나 이상의 유동 장애물은 상기 내부 체적에 장애물이 배치되지 않는 방법에 비해 형성되는 우레아, 카르보디이미드 및 우레톤이민의 양이 적도록 상기 제1 유동의 속도 프로파일을 변경하는 혼합 방법.
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