혼합

산업 공정공학에서 혼합(mixing)은 이질적인 물리적 시스템을 더욱 균일하게 만들려는 목적으로 조작하는 단위 조작이다. 흔한 예로는 수영장의 물을 펌핑하여 수온을 균일하게 만들거나, 팬케이크 반죽을 휘저어 덩어리를 없애는 것(탈응집)이 있다.

혼합은 하나 이상의 흐름, 구성 요소 또는 상(phase) 사이에서 열 또는 물질, 또는 둘 다의 전달이 이루어지도록 하기 위해 수행된다. 현대 산업 공정은 거의 항상 어떤 형태의 혼합을 포함한다.^[1] 일부 종류의 화학 반응기도 믹서이다.

올바른 장비를 사용하면 고체, 액체 또는 기체를 다른 고체, 액체 또는 기체에 혼합할 수 있다. 바이오 연료 발효기는 최적의 수율을 위해 미생물, 기체 및 액체 배지 혼합을 필요로 할 수 있다. 유기 나이트로화 반응은 농축된 (액체) 질산과 황산을 소수성 유기상과 혼합해야 한다. 제약 정제 생산은 고체 분말의 혼합을 필요로 한다.

혼합의 반대는 분리이다. 분리의 고전적인 예는 브라질 너트 효과이다.

러쉬턴 터빈과 배플이 있는 교반 용기의 개략도

혼합의 수학은 고도로 추상적이며, 혼돈 이론의 일부인 에르고딕 이론의 일부이다.

혼합 분류

혼합 과정에서 사용되는 조작 및 장비의 종류는 혼합되는 재료의 상태(액체, 반고체 또는 고체)와 처리되는 재료의 혼합성에 따라 달라진다. 이 맥락에서 혼합 행위는 휘젓기 또는 반죽하기 과정과 동의어일 수 있다.^[1]

액체-액체 혼합

액체의 혼합은 공정 공학에서 자주 발생한다. 혼합할 액체의 특성은 사용되는 장비를 결정한다. 단일 상 혼합은 액체 혼입을 유발하기 위해 낮은 전단력, 높은 유량의 믹서를 사용하는 경향이 있는 반면, 다상 혼합은 일반적으로 흐름의 레이놀즈 수에 따라 층류, 난류 또는 전이 흐름 체제에서 한 액체의 방울을 생성하기 위해 높은 전단력, 낮은 유량 믹서를 사용해야 한다. 난류 또는 전이 혼합은 터빈 또는 임펠러로 자주 수행된다. 층류 혼합은 나선형 리본 또는 앵커 믹서로 수행된다.^[2]

단일 상 혼합

섞이는 액체 또는 적어도 서로 용해되는 액체의 혼합은 공학 (및 일상 생활)에서 자주 발생한다. 일상적인 예로는 차나 커피에 우유나 크림을 첨가하는 것이 있다. 두 액체 모두 물을 기반으로 하므로 서로 쉽게 용해된다. 첨가되는 액체의 운동량은 두 액체의 점성도가 비교적 낮기 때문에 두 액체를 혼합하기에 충분한 난류를 유발하는 경우가 있다. 필요한 경우 숟가락이나 주걱을 사용하여 혼합 과정을 완료할 수 있다. 벌꿀과 같은 더 점성이 있는 액체에서 혼합하려면 동일한 시간에 동일한 균일성을 달성하기 위해 단위 부피당 더 많은 혼합 일률이 필요하다.

기체-기체 혼합

 이 부분의 본문은 기체 혼합입니다.

고체-고체 혼합

건식 혼합기는 여러 건조 성분을 균일하게 될 때까지 혼합하는 데 일반적으로 사용되는 산업용 믹서 유형이다. 종종 제품 배합을 변경하기 위해 건식 혼합에 소량의 액체가 첨가된다. 건식 재료를 사용한 혼합 시간은 종종 짧지만 (15~30분) 각 성분의 다양한 비율과 각 성분의 벌크 밀도 차이에 다소 의존한다. 리본, 패들, 텀블 및 수직 혼합기가 있다. 제약산업, 음식, 화학 물질, 비료, 플라스틱, 안료 및 화장품을 포함한 많은 제품이 이러한 설계로 제조된다. 건식 혼합기는 0.5입방피트 연구실 모델에서 500입방피트 생산 장치까지 다양한 용량을 가지고 있다. 위생 마감, 진공 구조, 특수 밸브 및 커버 개구부와 같은 광범위한 마력-속도 조합 및 옵션 기능이 대부분의 제조업체에서 제공된다.

분말 혼합은 고체 취급 산업에서 가장 오래된 단위 조작 중 하나이다. 수십 년 동안 분말 혼합은 단순히 벌크 재료를 균일화하는 데 사용되어 왔다. 다양한 벌크 고체 특성을 가진 재료를 처리하기 위해 많은 다른 기계가 설계되었다. 이러한 다른 기계에서 얻은 실제 경험을 바탕으로 신뢰할 수 있는 장비를 구축하고 스케일업 및 혼합 거동을 예측하기 위한 엔지니어링 지식이 개발되었다. 오늘날 동일한 혼합 기술이 제품 품질 향상, 입자 코팅, 재료 융합, 습윤, 액체 분산, 응집, 기능성 재료 특성 변경 등 더 많은 응용 분야에 사용되고 있다. 이러한 광범위한 혼합 장비의 응용 분야는 최적의 장비 및 공정 선택을 위해 높은 수준의 지식, 오랜 경험 및 광범위한 테스트 시설을 필요로 한다.

액체와 미세 분말 고체를 혼합하는 기계

고체-고체 혼합은 더 간단한 형태의 혼합인 배치 믹서에서 수행되거나, 특정 경우에는 더 복잡하지만 분리, 용량 및 검증 측면에서 흥미로운 이점을 제공하는 연속 건식 혼합에서 수행될 수 있다.^[3] 고체-고체 혼합 공정의 한 예는 주조 용범 모래를 뮬링하는 것으로, 모래, 벤토나이트 점토, 미세 석탄 먼지 및 물을 가소성, 성형 가능하며 재사용 가능한 덩어리로 혼합하여 자동차, 기계 제작, 건설 또는 기타 산업용 금속 부품인 주물을 얻기 위해 용융 금속을 성형하고 붓는 데 사용된다.

혼합 메커니즘

분말에서는 혼합 공정에서 두 가지 다른 차원을 결정할 수 있다: 대류 혼합과 집중 혼합.^[4] 대류 혼합의 경우 믹서 내의 재료는 한 위치에서 다른 위치로 운반된다. 이 유형의 혼합은 믹서 내부에서 덜 정렬된 상태를 유도하며, 혼합해야 하는 구성 요소는 다른 구성 요소 위에 분포된다. 시간이 지남에 따라 혼합물은 더욱 무작위적으로 정렬된다. 특정 혼합 시간 후에 궁극적인 무작위 상태에 도달한다. 일반적으로 이 유형의 혼합은 자유 유동성 및 거친 재료에 적용된다.

거시적 혼합 중 가능한 위협은 구성 요소의 분리인데, 이는 다른 입자의 크기, 모양 또는 밀도의 차이가 분리를 유발할 수 있기 때문이다.

응집성 재료의 경우, 예를 들어 미세 입자 및 습한 재료의 경우, 대류 혼합으로는 무작위로 정렬된 혼합물을 얻기에 더 이상 충분하지 않다. 상대적으로 강한 입자간 힘은 덩어리를 형성하며, 이는 대류 믹서의 약한 운송력으로는 분해되지 않는다. 덩어리 크기를 줄이려면 추가적인 힘이 필요하다. 즉, 더 많은 에너지를 사용하는 집중적인 혼합이 필요하다. 이러한 추가적인 힘은 충격력 또는 전단력일 수 있다.

액체-고체 혼합

액체-고체 혼합은 일반적으로 거친 자유 유동성 고체를 현탁시키거나 미세 응집된 고체의 덩어리를 부수기 위해 수행된다. 전자의 예로는 과립 설탕을 물에 혼합하는 것이 있고, 후자의 예로는 밀가루 또는 분유를 물에 혼합하는 것이 있다. 첫 번째 경우, 입자는 유체의 벌크 운동에 의해 현탁될 수 있고 (서로 분리될 수 있다). 두 번째 경우, 믹서 자체 (또는 그 근처의 높은 전단 영역)가 덩어리를 불안정하게 만들어 분해되도록 해야 한다.

산업에서 고체-액체 혼합 공정의 한 예는 콘크리트 혼합으로, 시멘트, 모래, 작은 돌 또는 자갈 및 물을 건설 산업에서 사용되는 균질한 자경화 덩어리로 혼합하는 것이다.

고체 현탁

고체를 액체에 현탁시키는 것은 고체와 액체 사이의 물질 전달 속도를 향상시키기 위해 수행된다. 예로는 고체 반응물을 용매에 용해시키거나 액체에 촉매 입자를 현탁시켜 입자로의 반응물 및 생성물 흐름을 개선하는 것이 포함된다. 관련 와류 확산은 유체 벌크 내에서 물질 전달 속도를 증가시키고, 입자로부터 멀리 떨어진 물질의 대류는 물질 전달에 대한 대부분의 저항이 발생하는 경계층의 크기를 감소시킨다. 축류 임펠러는 고체 현탁에 선호되는데, 이는 고체 현탁이 전단력보다는 운동량을 필요로 하기 때문이지만, 방사류 임펠러는 배플이 있는 탱크에서 사용할 수 있으며, 이는 회전 운동의 일부를 수직 운동으로 변환한다. 고체가 액체보다 밀도가 높아 (따라서 탱크 바닥에 침전될 때) 임펠러는 유체를 아래로 밀어내도록 회전한다. 고체가 액체보다 밀도가 낮아 (따라서 위에 뜰 때) 임펠러는 유체를 위로 밀어내도록 회전한다 (그러나 이것은 비교적 드물다). 고체 현탁에 선호되는 장비는 큰 체적 유량을 생성하지만 반드시 높은 전단력을 생성하는 것은 아니다. 수중익과 같은 높은 유량 수의 터빈 임펠러가 일반적으로 사용된다. 동일한 샤프트에 장착된 여러 터빈은 동력 소모를 줄일 수 있다.^[5]

혼합 탱크의 고체 부피 분율^[6]

고액 현탁액의 균일도는 혼합 탱크 내 고체 부피 분율 필드의 상대 표준 편차 (RSD)로 설명될 수 있다. 완벽한 현탁액은 RSD가 0%이겠지만, 실제로는 RSD가 20% 이하이면 현탁액이 균일하다고 간주하기에 충분할 수 있다.^[7] 하지만 이는 경우에 따라 달라진다. RSD는 실험 측정 또는 계산을 통해 얻을 수 있다. 측정은 전체 규모에서 수행할 수 있지만 일반적으로 비실용적이므로 소규모에서 측정을 수행하고 "스케일업" 기준을 사용하여 소규모에서 전체 규모로 RSD를 외삽하는 것이 일반적이다. 계산은 전산 유체 역학 소프트웨어를 사용하거나 이론적 개발, 실험 측정 및 전산 유체 역학 데이터를 기반으로 구축된 상관 분석을 사용하여 수행할 수 있다. 전산 유체 역학 계산은 매우 정확하며 거의 모든 탱크 및 교반기 설계를 수용할 수 있지만, 전문 지식과 긴 계산 시간이 필요하다. 상관 분석은 사용하기 쉽지만 정확도가 떨어지고 모든 가능한 설계를 다루지는 못한다. 가장 인기 있는 상관 분석은 Zwietering(1958)이 발표한 '정지 속도' 상관 분석이다.^[8] 이는 사용하기 쉬운 상관 분석이지만 균질 현탁액을 위한 것은 아니다. 이는 바닥에 입자가 1~2초 이상 남아 있지 않은 '나쁜' 품질 현탁액(부분 현탁액)에 대한 교반 속도의 대략적인 추정치만 제공한다. 또 다른 동등한 상관 분석은 Mersmann(1998)의 상관 분석이다.^[9] '좋은' 품질 현탁액의 경우, Barresi(1987),^[10] Magelli(1991),^[11] Cekinski(2010)^[12] 또는 Macqueron(2017)의 출판물에서 유용한 상관 분석의 몇 가지 예를 찾을 수 있다.^[6] 기계 학습은 또한 "고전적인" 상관 분석보다 훨씬 더 정확한 모델을 구축하는 데 사용될 수 있다.^[6][13]

고체 탈응집

이산화 타이타늄 안료와 같은 매우 미세한 분말 및 분무 건조된 물질은 운송 및 보관 중에 응집되거나 덩어리를 형성할 수 있다. 녹말 물질 또는 용매에 노출될 때 젤을 형성하는 물질은 외부가 젖고 내부는 건조한 덩어리를 형성할 수 있다. 이러한 유형의 물질은 고체 현탁에 선호되는 혼합기 유형으로는 액체에 쉽게 혼합되지 않는데, 이는 응집된 입자를 분해하려면 강한 전단력을 가해야 하기 때문이다. 어떤 면에서 고체 탈응집은 서로 섞이지 않는 액체를 혼합하는 것과 유사하지만, 합체가 일반적으로 문제가 되지 않는다는 점이 다르다. 이러한 유형의 혼합의 일상적인 예는 액체 우유와 고체 아이스크림으로 밀크셰이크를 만드는 것이다.

액체-기체 혼합

액체와 기체는 일반적으로 물질 이동이 발생하도록 혼합된다. 예를 들어, 공기 스트리핑의 경우, 기체는 액체에서 휘발성 물질을 제거하는 데 사용된다. 일반적으로 이 목적을 위해 충전탑이 사용되며, 충전물은 무동력 혼합기 역할을 하고 공기 펌프는 추진력을 제공한다. 탱크와 임펠러가 사용될 때, 목표는 일반적으로 기포가 가능한 한 오랫동안 액체와 접촉하도록 하는 것이다. 이는 기체가 순수 산소와 같이 비싸거나 액체로 느리게 확산될 때 특히 중요하다. 탱크에서의 혼합은 액체상에서 (상대적으로) 느린 화학 반응이 일어나고 있어서 기포 근처의 얇은 층에서의 농도 차이가 벌크와 유사할 때도 유용하다. 이는 물질 전달을 위한 추진력을 감소시킨다. 액체상에서 (상대적으로) 빠른 화학 반응이 있다면, 때로는 기포를 분산시키지만 재순환시키지 않아 플러그 흐름 상태를 유지하고 물질을 더 효율적으로 전달하도록 하는 것이 유리하다.

러쉬턴 터빈은 전통적으로 기체를 액체에 분산시키는 데 사용되었지만, 스미스 터빈 및 바커 터빈과 같은 새로운 옵션이 더욱 보편화되고 있다.^[14] 문제 중 하나는 기체 흐름이 증가함에 따라 더 많은 기체가 임펠러 블레이드 뒤의 저압 영역에 축적되어 혼합기의 동력 소모(따라서 효율성)를 감소시킨다는 것이다. GDX 임펠러와 같은 새로운 설계는 이 문제를 거의 제거했다.

기체-고체 혼합

 이 부분의 본문은 유동화입니다.

기체-고체 혼합은 분말 또는 작은 입자 고체를 한 장소에서 다른 장소로 운반하거나 기체 반응물을 고체 촉매 입자와 혼합하기 위해 수행될 수 있다. 어느 경우든 기체의 난류 와류는 고체 입자를 현탁시키기에 충분한 힘을 제공해야 하며, 그렇지 않으면 고체 입자는 중력의 힘으로 가라앉는다. 입자의 크기와 모양은 중요한 고려 사항인데, 다른 입자는 다른 항력 계수를 가지며, 다른 재료로 만들어진 입자는 다른 밀도를 가지기 때문이다. 공정 산업에서 기체와 고체를 분리하는 데 사용되는 일반적인 단위 조작은 사이클론으로, 이는 기체 속도를 늦추고 입자가 침전되도록 한다.

다상 혼합

다상 혼합은 고체, 액체 및 기체가 한 단계에서 결합될 때 발생한다. 이는 액체 및 기체 반응물이 고체 촉매와 결합되어야 하는 촉매 화학 공정(예: 수소화)의 일부로 발생하거나, 고체 미생물과 그들이 필요로 하는 기체가 액체 배지에 잘 분포되어야 하는 발효에서 발생할 수 있다. 사용되는 혼합기의 유형은 상의 특성에 따라 달라진다. 어떤 경우에는 기체 자체의 움직임이 액체를 통해 위로 이동하면서 거품 기둥과 함께 액체를 동반시키면서 혼합 동력을 제공한다. 이는 기둥 내부의 액체를 위로 끌어올리고 기둥 외부의 액체를 아래로 떨어뜨린다. 액체의 점성도가 너무 높아 이를 허용하지 않거나 (또는 고체 입자가 너무 무거워) 고체 입자를 현탁 상태로 유지하기 위해 임펠러가 필요할 수 있다.

유동층 반응기의 개략도

기본 명칭

액체 혼합의 경우 명칭은 상당히 표준화되어 있다.

• 임펠러 지름, "D"는 산업용 믹서의 경우 회전 축 주위를 휩쓸고 지나가는 최대 지름으로 측정된다.
• 회전 속도, "N"은 일반적으로 분당 회전수(RPM) 또는 초당 회전수(RPS)로 측정된다. 이 변수는 임펠러의 회전 속도를 나타내며, 이 숫자는 구동 트레인의 지점에 따라 다를 수 있다.
• 탱크 지름, "T"는 원통형 용기의 내부 지름이다. 산업용 믹서가 설치되는 대부분의 혼합 용기는 원통형일 것이다.
• 일률, "P"는 일반적으로 전동기 또는 공압 모터에 의해 시스템에 입력되는 에너지이다.
• 임펠러 펌핑 용량, "Q"는 임펠러 회전으로 인한 유체 운동이다.

구성 방정식

믹서의 출력을 결정하는 데 사용되는 많은 방정식은 경험적으로 유도되거나 경험적으로 유도된 상수를 포함한다. 믹서가 난류 영역에서 작동하므로 많은 방정식은 대부분의 공학적 목적에 허용되는 것으로 간주되는 근사치이다.

믹싱 임펠러가 유체에서 회전하면, 흐름과 전단력이 결합되어 생성된다. 임펠러에 의해 생성된 흐름은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있다:

${\displaystyle Q=Fl*N*D^{3}}$

임펠러의 유량 수는 North American Mixing Forum이 후원하는 Handbook of Industrial Mixing에 게시되었다.^[15]

임펠러를 회전시키는 데 필요한 동력은 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있다:

${\displaystyle P=P_{o}\rho N^{3}D^{5}}$ (난류 영역)^[16]

${\displaystyle P=K_{p}\mu N^{2}D^{3}}$ (층류 영역)

${\displaystyle P_{o}}$는 임펠러 형상의 함수인 (무차원) 동력 수이고, ${\displaystyle \rho }$는 유체의 밀도이며, ${\displaystyle N}$은 회전 속도로 일반적으로 초당 회전수이다. ${\displaystyle D}$는 임펠러의 지름이고, ${\displaystyle K_{p}}$는 층류 동력 상수이며, ${\displaystyle \mu }$는 유체의 점성도이다. 믹서 동력은 회전 속도와 임펠러 지름에 강하게 의존하며, 존재하는 유동 영역에 따라 유체의 밀도 또는 점성도에 선형적으로 의존한다. 전이 영역에서는 임펠러 근처의 유동이 난류이므로 난류 동력 방정식을 사용한다.

최종 농도의 5% 이내로 유체를 혼합하는 데 필요한 시간 ${\displaystyle {\theta _{95}}}$는 다음 상관관계를 사용하여 계산할 수 있다:

${\displaystyle {\theta _{95}}={\frac {5.40}{P_{o}^{1 \over 3}N}}({\frac {T}{D}})^{2}}$ (난류 영역)

${\displaystyle {\theta _{95}}={\frac {34596}{P_{o}{1 \over 3}N^{2}D^{2}}}({\frac {\mu }{\rho }})({\frac {T}{D}})^{2}}$ (전이 영역)

${\displaystyle {\theta _{95}}={\frac {896*10^{3}K_{p}^{-1.69}}{N}}}$ (층류 영역)

전이/난류 경계는 ${\displaystyle P_{o}^{1 \over 3}Re=6404}$에서 발생한다.

층류/전이 경계는 ${\displaystyle P_{o}^{1 \over 3}Re=186}$에서 발생한다.

실험실 혼합

교반기

실험실 규모에서는 교반기 또는 간단한 손 흔들기로 혼합이 이루어진다. 때로는 실험실 용기에서의 혼합이 산업적으로 가능한 것보다 더 철저하고 빠르게 발생한다. 교반 막대는 혼합되는 유체에서 강체 회전을 유도하는 방사류 혼합기이다. 용기가 작고 혼합이 빠르게 (짧은 혼합 시간) 발생하므로 작은 규모에서는 허용된다. 다양한 교반 막대 구성이 존재하지만, 작은 크기와 (일반적으로) 낮은 유체 점성도 때문에 거의 모든 혼합 작업에 하나의 구성을 사용할 수 있다. 원통형 교반 막대는 요오드적정에서 볼 수 있듯이 고체 현탁, 탈응집 (분말로부터 미생물 배지 준비에 유용), 및 액체-액체 혼합에 사용될 수 있다. 실험실 혼합의 또 다른 특징은 믹서가 용기 중앙 근처에 매달려 있지 않고 용기 바닥에 놓여 있다는 것이다. 또한 실험실 혼합에 사용되는 용기는 일반적으로 산업용 혼합에 사용되는 용기보다 훨씬 다양하다. 예를 들어, 더 원통형인 비커 외에도 삼각 플라스크 또는 플로렌스 플라스크가 사용될 수 있다.

미세유체학에서의 혼합

마이크로스케일로 축소되면 유체 혼합은 근본적으로 다르게 작동한다.^[17][18] 이는 일반적으로 몇 밀리미터(2~3mm)에서 나노미터 범위까지의 크기이다. 이 크기 범위에서는 수압 구배에 의해 강제되지 않는 한 일반적인 이류는 발생하지 않는다. 확산이 두 가지 다른 유체가 서로 만나는 지배적인 메커니즘이다. 확산은 상대적으로 느린 과정이다. 따라서 많은 연구자들은 두 유체를 혼합하는 방법을 고안해야 했다. 여기에는 Y자형, T자형, 3방향 교차로 및 두 유체 사이의 계면 면적을 최대화하는 설계가 포함되었다. 단순히 두 액체를 접촉시키는 것 외에도 사람들은 두 유체를 강제로 혼합하기 위해 비틀린 채널을 만들었다. 여기에는 유체가 나선형으로 움직이는 다층 장치, 유체가 장애물 주위를 흐르는 루프형 장치, 채널이 수축하고 확장되는 물결 모양 장치가 포함되었다. 또한 벽에 노치나 홈과 같은 특징이 있는 채널도 시도되었다.

혼합이 이류 또는 확산으로 인해 발생하는지 여부를 아는 한 가지 방법은 페클레 수를 찾는 것이다. 이는 이류 대 확산의 비율이다. 페클레 수가 높으면 (> 1) 이류가 지배적이다. 페클레 수가 낮으면 (< 1) 확산이 지배적이다.

산업용 혼합 장비

산업 규모에서는 효율적인 혼합을 달성하기 어려울 수 있다. 많은 엔지니어링 노력이 혼합 공정을 설계하고 개선하는 데 투입된다. 산업 규모의 혼합은 배치(동적 혼합), 인라인 또는 정적 믹서의 도움으로 수행된다. 움직이는 믹서는 표준 속도인 1800 또는 1500 RPM으로 작동하는 전동기로 구동되는데, 이는 일반적으로 필요한 것보다 훨씬 빠르다. 변속기는 속도를 줄이고 토크를 증가시키는 데 사용된다. 일부 응용 분야에서는 여러 샤프트 믹서를 사용해야 하는데, 이 경우 여러 유형의 믹서를 조합하여 제품을 완전히 혼합한다.^[19]

일반적인 배치 혼합 작업 외에도 일부 혼합은 연속적으로 수행될 수 있다. 연속 처리기와 같은 기계를 사용하면 하나 이상의 건조 재료와 하나 이상의 액체 재료를 기계에 정확하고 일관되게 투입하고, 기계 배출구에서 연속적이고 균일한 혼합물을 얻을 수 있다.^[20] 많은 산업은 여러 가지 이유로 연속 혼합으로 전환했다. 그 중 일부는 청소 용이성, 낮은 에너지 소비, 작은 면적, 다양성, 제어 등이다. 트윈 스크류 연속 처리기와 같은 연속 믹서는 매우 높은 점성도를 처리할 수도 있다.

터빈

선택된 터빈 형상 및 동력 수는 아래에 나와 있다.

선택된 터빈 형상 및 동력 수

이름	동력 수	흐름 방향	블레이드 각도 (도)	블레이드 수	블레이드 형상
러쉬턴 터빈	4.6	방사형	0	6	평평함
피치 블레이드 터빈	1.3	축류	45–60	3–6	평평함
수중익	0.3	축류	45–60	3–6	곡선형
해양 프로펠러	0.2	축류	N/A	3	곡선형

축류 임펠러(왼쪽) 및 방사류 임펠러(오른쪽).

다양한 종류의 임펠러는 다양한 작업에 사용된다. 예를 들어, 러쉬턴 터빈은 기체를 액체에 분산시키는 데 유용하지만, 침전된 고체를 액체에 분산시키는 데는 별 도움이 되지 않는다. 스미스 터빈과 바커 터빈과 같은 새로운 터빈은 기체-액체 혼합에서 러쉬턴 터빈을 크게 대체했다.^[21] 동력 수는 동일한 유체에서 단위 부피당 일정한 동력으로 다양한 임펠러를 구동하는 데 필요한 토크량에 대한 경험적 측정값이다. 동력 수가 높은 임펠러는 더 많은 토크를 필요로 하지만 동력 수가 낮은 임펠러보다 낮은 속도로 작동하며, 동력 수가 낮은 임펠러는 더 낮은 토크로 더 높은 속도로 작동한다.

유성 믹서

유성 믹서는 접착제, 의약품, 음식 (반죽 포함), 화학 물질, 고체 로켓 추진제, 일렉트로닉스, 플라스틱 및 안료를 포함한 둥근 제품을 혼합하는 데 사용되는 장치이다. 유성 믹서는 대기 또는 진공 조건에서 점성이 있는 페이스트 (최대 6백만 푸아즈)를 혼합하고 반죽하는 데 이상적이다. 용량은 0.5 미국 파인트 (0.24 l; 0.42 imp pt)에서 750 미국 갤런 (2,800 l; 620 imp gal)까지 다양하다. 가열 또는 냉각을 위한 자켓, 진공 또는 압력, 다양한 속도 구동 장치 등 많은 옵션을 사용할 수 있다. 유성 블레이드는 각각 자체 회전축을 중심으로 회전하며, 동시에 공통 축을 중심으로 회전하여 매우 짧은 시간 내에 완전한 혼합을 제공한다.^[22]

대규모 산업용 유성 믹서는 장거리 탄도 미사일용 고체 로켓 연료 생산에 사용된다. 이들은 고체 로켓 추진제 구성 요소를 혼합하고 균질화하여 연료와 산화제의 일관되고 안정적인 혼합물을 보장하는 데 사용된다.^[23][24]

공명 음향 믹서

공명 음향 혼합(RAM)은 임펠러나 블레이드가 재료에 닿지 않고도 재료를 혼합, 코팅, 밀링 및 체질할 수 있지만, 항상 기계 시스템의 공명 조건에서 작동하고 이를 찾아냄으로써 높은 수준의 에너지(최대 100g)를 생성하여 다른 기술보다 일반적으로 10배^[25]-100배^[26] 더 빠르게 작동한다.

실험실 규모에서 산업 생산 및 연속 혼합에 이르는 공명 음향 믹서는 폭발물, 추진제, 화공품과 같은 고에너지 물질뿐만 아니라 의약품, 분말 야금, 3차원 인쇄, 이차 전지 재료 및 배터리 재활용에 사용된다.^[27][28][29]

경로 믹서

경로 믹서는 전체 혼합 용기가 고주파의 사전 정의된 2차원 운동 경로, 일반적으로 리사주 곡선을 따라 내부 임펠러나 블레이드 없이 혼합을 유도하는 산업용 혼합 장치이다. 이 유형의 혼합 시스템은 용기를 직교 축을 따라 빠르게 가속하여 관성력을 생성하여 내용물이 동적으로 상호 작용하도록 한다. 혼합은 기계적 교반이 아닌 용기 내 제품 자체의 움직임으로 달성된다.^[30]

용기의 움직임은 정밀하게 제어되고 완전히 프로그래밍 가능하여 진동의 주파수, 진폭 및 위상을 조절하여 결과적인 유동 패턴에 영향을 줄 수 있다. 경로 믹서는 전체 배치를 동시에 작동시켜 혼합 시간을 단축하고 에너지 소비를 줄이며 민감한 재료에 대한 기계적 스트레스를 최소화한다.^[31]

경로 혼합은 식품 가공(예: 양념에 절인 고기 마사지)^[32][33], 기술 세라믹, 내화물 및 배터리 제조, 특히 전극 슬러리 생산에 적용되었다.^[34] 2024년에는 이 기술이 국제 FoodTec Award 금상을 수상했다.^[35]

협소 간격 믹서

협소 간격 믹서에는 앵커와 헬리컬 리본이라는 두 가지 주요 유형이 있다. 앵커 믹서는 강체 회전을 유도하며 수직 혼합을 촉진하지 않지만, 헬리컬 리본은 수직 혼합을 촉진한다. 협소 간격 믹서는 층류 영역에서 사용되는데, 유체의 점성이 흐름의 관성력을 압도하여 임펠러를 떠나는 유체가 그 옆의 유체를 끌어들이는 것을 방지하기 때문이다. 헬리컬 리본 믹서는 일반적으로 벽에 있는 물질을 아래로 밀어내도록 회전하여 유체를 순환시키고 벽의 표면을 새로 고치는 데 도움을 준다.^[36]

고전단 분산기

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고전단 분산기는 임펠러 근처에서 강한 전단력을 생성하지만, 용기 전체에서는 비교적 적은 유동을 생성한다. 이러한 장치는 일반적으로 원형 톱날과 유사하며 고속으로 회전한다. 모양 때문에 비교적 낮은 항력 계수를 가지므로 고속으로 회전하는 데 비교적 적은 토크가 필요하다. 고전단 분산기는 서로 섞이지 않는 액체의 에멀전(또는 현탁액)을 형성하고 고체 탈응집에 사용된다.^[37]

정적 믹서

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정적 믹서는 주어진 공정에서 혼합 탱크가 너무 크거나 너무 느리거나 너무 비쌀 때 사용된다.

액체 휘슬

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액체 휘슬은 고압의 유체를 오리피스를 통과시킨 다음 블레이드를 통과시키는 정적 믹서의 일종이다.^[38] 이는 유체에 높은 난류 응력을 가하고 혼합, 유화,^[39][40] 탈응집 및 살균을 유발할 수 있다.

기타

산업용 패들 믹서

산업용 패들 믹서

산업용 V 블렌더

산업용 리본 블렌더

산업용 이중 콘 블렌더

산업용 고전단 믹서/과립기

드럼 블렌더

고점도 재료용 이중 샤프트 믹서

• 리본 블렌더

  리본 블렌더는 건식 혼합 작업에 공정 산업에서 매우 일반적이다. 혼합은 샤프트에 용접된 2개의 나선(리본) 덕분에 수행된다. 두 나선은 제품을 반대 방향으로 이동시켜 혼합을 달성한다.^[41] (리본 블렌더 그림 참조).

• V 블렌더
• 트윈 스크류 연속 블렌더^[42]
• 연속 처리기
• 원뿔 스크류 블렌더
• 스크류 블렌더
• 이중 원뿔 블렌더
• 이중 유성
• 고점도 믹서
• 역회전
• 이중 및 삼중 샤프트
• 진공 믹서
• 고전단 로터 스테이터
• 충돌 믹서
• 분산 믹서
• 패들
• 제트 믹서
• 이동식 믹서
• 드럼 블렌더
• 인터믹스 믹서
• 수평 믹서
• 고온/저온 혼합 조합
• 수직 믹서
• 터보믹서
• 밴버리 믹서

  밴버리 믹서는 발명가 펀리 H. 밴버리의 이름을 딴 내부 일괄 생산 믹서의 브랜드이다. "밴버리" 상표는 패럴 코퍼레이션이 소유하고 있다. 밴버리 믹서와 같은 내부 배치 믹서는 고무 및 플라스틱 혼합 또는 복합화에 사용된다. 원래 설계는 1916년으로 거슬러 올라간다.^[43] 이 믹서는 원통형 하우징의 세그먼트 내에 두 개의 회전하는 와선 모양의 블레이드로 구성된다. 이들은 블레이드 사이에 능선이 남도록 교차한다. 블레이드는 가열 또는 냉각 순환을 위해 코어를 가질 수 있다. 그 발명은 타이어 산업에서 롤러 밀링 고무의 초기 단계를 없애면서 막대한 노동력과 자본 절감으로 이어졌다.^[44] 또한 수지 시스템에서 보강 충전재를 사용하는 데도 사용된다.

같이 보기

• 혼합 패들