[스터디 노트] 탱크, 리액터, 교반기의 설계에서 9가지 핵심 요소

 

탱크 교반기와 설계에 있어 9가지 핵심 핵심 요소

본 글은 위 내용을 요약 정리한 것입니다.

 

구체적인 내용은 위 링크를 참고하세요. (덧붙인 추가 설명은 파란색으로 표기함 / 모르는 내용은 붉은색)

교반기 또는 반응기 등 혼합 공정을 하는 모든 탱크에 고려할 수 있습니다.

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탱크 교반기 장착 유형

  1. 상단 장착형

   - 탱크 상단에 교반기(impeller) 장착된 형태

   - 일반적으로 저점도 유체에 사용

   - 고정형 또는 회전형이 가능

 

 2. 측면 장착형 교반기

  - 탱크 측면에 교반기 장착

  - 대형 탱크 또는 상단에 설치가 불가능할 때

  - 추가 전단력이 필요한 점성 또는 고밀도 유체 혼합

 

 3. 하단 장착형 교반기

  - 탱크 바닥에 장착

  - 침전된 고체나 슬러리 혼합용도

  - 현탁 상태를 유지하도록 설계 → 주로 현탁액 관련 공정에 사용

 

 

탱크 교반기의 구조

1. 모터

  - 교반기의 주요 동력원

  - 임팰러 회전력 제공

  - 전기식, 유압식, 공압식

 

2. 샤프트(shaft)

  - 모터를 임펠러에 연결하고 회전운동을 전달 (임펠러와 모터 사이의 막대 부분)

 

3. 지지대

  - 교반기는 모터, 샤프트를 고정하는 framework, 지지대가 필요함.

  - 지지대는 탱크 상단, 측면, 또는 하단에 부착

 

4. 씰링 매커니즘(sealing)

  - shaft를 따라 탱크 내용물이 누출되는 것을 방지하기 위한 밀봉재

  - 탱크 내부에서 위험물, 부식성 물질을 다루는 경우 중요함

  - packing 밀봉, 기계적 밀봉, 기타 특수 밀봉장치 등

 

5. 제어 및 계측기

  - 교반(mixing) 과정을 모니터링하고 조절하기 위한 제어 및 계측시스템

  - 교반을 최적화 하기 위한 CPP: 속도 제어(RPM 등), 온도 센서, 레벨 센서, 토크 감지

 

탱크 교반기의 임펠러 형태

https://www.researchgate.net/figure/Modern-impellers-offer-a-great-range-of-choice-to-help-meet-the-mixing-challenges_fig7_308710682

 

1. 방사형(Prop) 임펠러

 - 방사형으로 퍼지는 블레이드

 - 방사형 흐름을 촉진하여 강력한 외부 및 내부 유체 움직임

 - 높은 유속, 저점도 유체

 

2. 축류(Paddle Blade) 임펠러

 - 샤프트(shaft) 축과 평행한 각동의 블레이드

 - 유체가 샤프트와 평행하게 움직이는 축류 패턴 형성

 - 고점도 유체의 효율적인 혼합

 - 강한 축류가 필요한 경우

 

3. 혼합 흐름 임펠러

 - 방사형 + 축류형

 - 반경 방향, 축 방향 모두 각도가 있는 블레이드 

 - 광범위한 유체 점도에서 우수한 순환 및 혼합

 

4. 프로펠러 임펠러

  - 프로펠러 블레이드와 유사

  - 저점도 유체

  - 높은 유속, 상당한 량의 축류 형성

  - 혼합, 고체 현탁 또는 순환이 필요한 응용 분야에 사용

 

5. 터빈 임펠러

https://blog.naver.com/nagaja_2003/220201487629

  - 여러개의 곡선형 블레이드가 있는 넓은 디자인

  - 고점도 유체 또는 비뉴턴유체

  - 강력한 펌핑 작용과 전단력 제공

  - 점성 유체의 효과적 혼합 및 분산

 

6. 패들 임팰러

https://www.spxflow.com/lightnin/products/r200-paddle-impeller/

 - 임팰러 허브에서 방사형으로 연결되는 평면 블레이드

 - 저전단분야

 - 부드러운 혼합, 고체 현탁 또는 열 전달 공정

 

 

교반 탱크(Mixing Tank) 설계에서 고려하는 주요 측면

1. 탱크 크기 및 형상

  - 탱크의 크기 및 기하학적 구조

  - 탱크의 부피, 종횡비(높이:직경 비율), 필요한 혼합 강도 고려하여 선택

 

2. 교반 요구사항

  - 원하는 흐름 패턴, 혼합 강도, 체류 시간 등

  - 최적 혼합 성능을 위한 적절한 임펠러 유형, 임펠러 크기 및 RPM

 

3. 유체 특성

  - 교반되는 유체의 물리 화학적 특성

  - 점도, 밀도, 유변학 및 화학적 특성(부식성 등)

    → 임펠러 결정(모양) 및 재질에 영향

 

4. 전원

  - 교반기 작동에 필요한 동력

  - 모터의 크기, 기어박스 설계에 영향

  - 임펠러에 전달하는 동력의 기원

 

5. 장착 위치

  - 탱크에 교반기의 장착 위치; 상단, 측면 또는 하단

  - 안정성, 적절한 정렬, 유지관리 및 세척을 고려하여야 함

 

6. 재질

  - 유체에 호환되는 재료

  - 내식성, 기계적 강도, 위생 조건(특히 식품 및 제약 분야) 고려

 

7. 지원 설비

  - 탱크 및 교반기의 안정성, 고정(정렬)이 보장되어야 함.

  - 교반 시 발생하는 진동 및 부하를 감당할 수 있도록 견고해야 함.

 

8. 제어 및 계측(모니터링 시스템)

  - CPP 제어: 속도(RPM), 토크 감지, 온도 센서 및 레벨 센서

 

 

탱크 교반기의 기어 박스

1. 기어박스란?

  모터에서 교반기 샤프트로 동력을 전달하는 구성요소(부품 또는 장치)

 

https://www.makishinko.com/page/products_bgb.html

2. 기어박스의 구성요소

2-1. 입력 샤프트

  - 모터에 연결되어 모터로부터 회전운동을 전달받음

  - 동력을 기어박스에 전달함

 

2-2. 기어

  - 동력을 전달하고 교반기의 속도와 토크를 제어하는 주요 구성요소

  - 셀리컬 기어, 스퍼 기어, 유성 기어 등

 

2-3. 기어비

  - 모터 속도와 교반기 샤프트의 회전 속도 및 토크 출력 결정

  - 기어비(비율) 조정해 교반기 회전 속도 조절

 

2-4. 윤활시스템(윤활유, Oil seal 등)

  - 원활한 작동을 보장하고 마찰을 줄이기 위한 윤활 시스템

  - 기어박스의 수명을 연장하고 효율을 높임 

 

2-5. Box

  - 외부로부터 내부 구성요소 보호 및 지지.

  - 하우징 또는 케이싱

 

 

탱크 교반기의 씰링

1. 씰링의 기능

  - 누출 방지

  - 안전한 인클로저(밀폐)를 통해 시스템 의 무결성 보장 

 

2. 씰링의 중요한 측면

2-1. 누출 방지

  - 혼합되는 유체의 누출 방지 → 위험하거나 부식성 물질 다룰 때 특히 중요하게 고려할 것

  - 탱크와 교반기 사이 장벽 형성: 탱크 외부로 유출 방지 / 외부 물질 유입 방지

 

2-2. Shaft 보호 

  - 혼합되는 유체의 부식성 또는 마모성으로부터 교반기 샤프트 보호

  - 유체가 샤프트 영역으로 들어가는 것 방지

  - 교반기 작동 수명 연장. 유지관리 보완

 

2-3. Seal 유형

  - 기계적씰: 고압 또는 고온 환경 분야에 사용. 안정적이고 견고함.

  - 레디얼 샤프트 씰(Radial Shaft Seal) 또는 립 씰(Lip Seal) : 적당한 압력 및 온도조건

립씰 - 한팩 http://www.hanpac.co.kr/product/pro02_01.htm

- 포장씰 : 압축된 packaging material로 구성됨. 온도가 낮은 응용분야에 주로 사용 → ???

 

2-4. 유지보수 및 교체

  - 정기적으로 씰에 대한 검사, 유지관리 및 교체가 필요함

  - 시간에 따라 마모, 손상에 의해 효율이 감소할 수 있음.

  - 제조업체 권장사항을 따르고 사전에 유지관리를 통해 제대로 작동하는지 확인해야 함.

 

 

탱크 교반기 재질

1. 스테인레스 스틸(STS)

  - 내식성, 내구성이 뛰어나 탱크 교반기 소재로 널리 사용함

  - 304, 316, 316L 등 다양한 등급으로 사용

  - 등급에 따라 다양한 화학물질 및 내식성의 물질을 취급할 수 있음

  - 식품, 음료, 의약품, 화학 산업

 

2. 탄소강

  - 내식성을 고려해야 하는 상황이 아니라면 비주류 (주로 선택하지 않음)

  - 내구도는 높으나 화학적으로 부식이 발생함

  - 코팅이나 라이닝하여 내식성을 강화해 사용

 

3. 하스텔로이(Hastelloy)

  - 부식성이 높은 환경에서 뛰어난 내식성

  - 니켈 기반 합금 제품군: Hastelloy C22, Hastelloy C276 주로 사용.

  - 크리티컬한 산 및 고온을 적용하는 부분, 공격적 화학물질 다루는 경우

 

4. 폴리프로필렌(PP) 또는 폴리에틸렌(PE)

  - PE, PP 모두 열가소성 소재

  - 내식성과 화확적 불활성이 요구되는 탱크 교반기에 사용

  - 가볍고 내구성이 뛰어남

  - 용수 관련, 폐수 처리, 화학 처리 등에 사용

 

5. 유리 섬유 강화 플라스틱(FRP)

  - FRP는 고분자 매트릭스와 유리섬유강화재를 결합한 복합재료

  - 우수한 내식성, 높은 중량대비 강도, 온도 및 UV 노출에 대한 저항성

  - 내식성이 중요하고 가벼워야 하는 경우

 

6. 기타 합금

  - 강한 화학물질이거나 극한 온도 등의 경우에 Ti, 모넬, 인코넬, 지르코늄 같은 특수합금 사용

 

 

탱크 교반기의 유체 역학 및 설계

1. 흐름 패턴

  - 효과적인 혼합을 위해 탱크 내부 유체 흐름 패턴 이해 필요

  - 목적에 따라 축류(laminar flow), 방사형 흐름(tubulent Flow) 또는 두가지 조합 등

 

https://www.researchgate.net/figure/Sketch-of-flow-pattern-produced-in-turbulent-and-laminar-flow-by-axial-pumping-impellers_fig1_237389221

  - 임펠러 구성, 흐름 패턴 설계에 반영

 

2. 난류 및 전단력

  - 난류와 전단력은 탱크 내에서 입자나 물질의 혼합 및 분산을 촉진하는데 중요함

  - 임펠러 및 교반기 설계는 충분한 난류 및 전단력을 생성하기 위함

 

3. 전력 소비

  - 원하는 혼합 성능을 갖기 위해 필요한 토크와 동력

  - 유체 점도, 밀도 및 필요 유량 등을 고려하여 결정

 

4. 견고한 분산(suspension) 및 침전(precipitation)

https://www.geeksforgeeks.org/suspension/

  - 고체 현탁 및 침전 방지을 방지할 수 있는 교반기 설계

  - 입자 크기, 밀도, 유체의 특성 고려

  - 고형물을 부유시키고 탱크 바닥에 축적되거나 침전되는 것을 방지함

 

5. 추가적인 검토사항

  - 유체 역학 원리; 탱크 크기, 임펠러 치수 및 유체 특성 변화는 유체 흐름, 혼합 효율에 영향을 줌

 

 

스크레퍼 및 탱크 교반기

1. 스크래퍼란?

우원기계 http://woowon.co.kr/eng/product/custom-mixers/

  - 탱크 내 재료의 혼합 및 긁힘을 향상시키기 위해 교반기랑 함께 사용하는 장치

  - 탱크 벽, 바닥을 긁어내도록 설계

 

2. 스크래퍼 주요 사항

2-1. 혼합 효율성 향상

  - 교반기와 함께 작동해 혼합 효율 향상시킴

  - 교반기가 유체운동, 난류를 향상시킨다면 스크래퍼는 벽에 달라붙거나 침전된 물질이 main bulk에 혼합되도록 함

  - 탱크 내 데드존(Dead zone) 방지

 

2-2. 물질(재료, material) 침적(축적) 방지

  - 점성이 있거나 끈적한 물질이 탱크 벽에 달라붙어 축적되는 걸 방지함

  - 스크래퍼의 주 기능은 이를 긁어내서 탱크 표면을 깨끗하게 유지하는 것

  - 이를 통해 일관적인 혼합 성능을 유지하고, 잠재적인 오염이나 막힘을 방지함

 

2-3. 향상된 열 전달

  - 열교환기, 반응기 등 열 전달이 중요한 공정의 경우, 열 전달 효율을 향상시킬 수 있음.

  - 표면 오염이나 스케일링(침적)을 방지하여 최적의 열 교환 효율 보장

 

2-4. 균일한 제품 품질

  - 탱크 내 입자의 균일성을 향상시킬 수 있음

 

 

 

 

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보완해야 하는 부분이 있으면 댓글로 남겨주세요.