KR100207346B1 - 중합 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 중합체, 특히 부틸고무등과 같은 엘라스토머의 제조에 매우 유용한 신규의 화학반응기에 관한 것이다. 이 화학반응기는 내측 또는 중앙튜브다발과 외측튜브다발로 이루어진 이중 튜브통과 시스템을 갖추고 있다. 중합성 단량체 및 촉매의 혼합물 또는 슬러리는 상기 내측 튜브다발을 통해 일방향으로 흐른 다음, 대략 균일한 흐름 분포하에 외측튜브다발을 경유해서 반대방향으로 순환한다. 한편, 상기 내측 및 외측튜브다발을 구성하는 각 튜브는 반응기의 자켓부내에 유지되고 있으며, 상기 자켓부에는 냉각제 또는 냉매가 주입되어 증발과정을 거치면서 반응열을 제거하게 된다. 튜브와 열교환을 하고 있는 상기 냉각제는 중합혼합물로부터 발열반응에 따른 열을 제거하여 중합 혼합물의 온도를 저온으로 일정하게 유지한다. 중합 혼합물의 온도를 저온으로 일정하게 유지하려면 슬러리를 균일하게 순환시켜야 하는데, 이러한 슬러리의 균일한 순환은 디퓨저와, 임펠러를 구비한 혼합흐름 펌핑시스템을 사용함으로써 가능하게 된다. 상기 혼합흐름 펌핑시스템에 의하면 내측튜브의 균일한 압력분포를 갖는 충분한 크기의 압력수두가 형성되어, 높은 순환속도하에서도 이중튜브통과 시스템내의 흐름분포를 균일하게 유지할 수 있다. 또한, 임펠러-디퓨저 조립체의 출구측에서 와류가 발생하는 일도 없고, 중앙의 흡출튜브와 축방향 흐름펌프를 채용하고 있는 단일 튜브통과시스템에서 흔히 발견되는 캐비테이션 버블도 발생하지 않는다. 이 결과, 혼합성능을 향상시키고, 유압능률을 높이고, 중합체의 엉겨붙음을 최소화하여 높은 수율을 실현할 수 있다.

Description

중합 반응기

반응기로는 여러 가지 유형의 구조가 있는 바, 그것의 형태 및 형상은 그 내로 전달되는 원리에 따라 크게 달라진다. 비등점이 낮은 탄화수소로부터 합성 고무를 제조할 때와 같이, 액체의 화학적 원료물질이 촉매반응하여 탄성중합체성 고체 또는 반고체로 변환되면서 발생되는 중합반응 또는 응축반응을 수행하는 경우에는 반응물과 촉매로 이루어진 반응혼합물이 슬러리상태로 반응기내로 분사되어 그 내에서 순환하다가 생성물의 형태로 배출된다. 예를들면, 어는점이 약 -107내지 -73와 같이 낮은 희석제내에 용해된 프리델-크라프츠(Friedel-Crafts)형 촉매, 예를들면 알루미늄 할라이드 촉매의 존재하에서 예를들면 이소부틸을 디올레핀과 중합시켜서 부틸고무를 제조하는 경우에는, 미국 특허 제2,474,592호에 개시된 단일 튜브 통과 시스템과 튜브 통과 시스템과 같은 역류 혼합식 반응기가 채용되고 있다. 그러한 반응기는 밀폐형 측벽으로 형성된 길다란 수직배향 용기를 구비하며, 이 용기내에는 비교적 직경이 큰 하나의 축방향 장착 흡출튜브와, 이 튜브를 둘러싸도록 제공된 비교적 많은 수의 소경 튜브가 제공되고, 이 흡출튜브와 소경 튜브들은 그들의 상단과 하단이 각기 종지되는 상측공통 평면으로부터 하측공통 평면까지 하향 연장되는 것을 일반적인 특징으로 하고 있다. 이 흡출튜브내로는 회전형 임펠러를 구비하는 축방향흐름 펌프가 반응기의 바닥에 부분적으로 수용되도록 배치되어서, 반응혼합물을 분포가 양호한 상태로 유지시키다가 흡출튜브로부터 상측으로 끌어올리는 바, 이 경우 희석제와 촉매 및 반응물을 함유한 반응혼합물은 반응기의 바닥으로 직접 도입되고, 흡출튜브를 통한 상향 이동후 이 반응혼합물중 일부는 흡출튜브를 둘러싸고 있는 소경 튜브를 통해 반응기의 상부로부터 하향으로 순환된다. 이 반응용기의 외벽은 자켓을 구비하는 바, 이 자켓을 통해 액체의 탄화수소 냉각제가 순환하다가 소경튜브의 외벽 및 중앙의 흡출튜브의 벽과 접촉하고 있는 열교환기를 통과하면서 발열반응에 의한 열을 제거하게 된다.

당해업계에서는 오랫동안 이러한 유형의 반응을 수행하기 위해서 상술한 반응기를 사용하여 왔지만, 이 반응기는 그 요구를 충족시키기에는 역부족이었다. 예를 들면, 임펠러 출구측에서 발생하는 와류나 임펠러측에서 발생하는 캐비테이션버블(cavitation bubble) 중 하나 또는 양자는 펌프의 유압능률을 이론적으로 가능한 선의 약 50%까지 저하시킨다. 그러면 반응기의 전체표면의 온도가 상승되어 반응기의 열적부하를 증가시키게 될 것이다. 가장 양호한 작용이 이루어지려면, 부틸 반응기의 온도가 부틸 중합공정중 고온에 대한 민감성으로 인해서 약 -90와 -98사이에서 가급적 균일하게 유지되어야 한다.

이러한 반응기에 있어서는 중합체가 엉겨붙는 것도 다른 심각한 문제로 대두되는 바, 중합체가 반응용기내의 반응용기내의 열전달표면상에 배치되어 엉겨붙는 것, 즉 상기 금속 표면상에 연속성 박막으로써, 심한 경우에는 큰 고무 덩어리로써 떨어지기 어렵게 점착되어 버리는 것이다. 이러한 현상이 일어나는 이유는 비록 완전히 이해할 수는 없지만 국부적인 과열 때문에 덩어리 엉겨붙음이 발생한다고 알려져 있다. 그런데도 이 중합체 엉겨붙음 현상은 문제가 심각해서, 이러한 유형을 갖는 반응기의 효율 뿐만 아니라 그 유용성도 크게 제한시키는 요인이 되고 있다. 예를들어, 미국 특허 제2,999,084호에는, 통상적인 경험으로 볼 때, 덩어리 엉겨붙음현상은 제3이소올레핀 중합체의 수율에 가장 큰 영향을 미치는 제한용인으로서, 적당한 냉각이 불가능하게 할 정도의 엉겨붙음이 약 10 내지 90 시간 정도의 예측불가능한 시간동안 불규칙적으로 발생할 수 있고, 이것이 발생했을 때에는 중합반응을 수행하기 전에 반응매체를 제거하고 반응기를 세척할 필요가 있다고 기술되어 있으며 이 동작을 수행하려면 통상 10 내지 20 시간이 소요될 것이다. 어쨌든 최선의 상태에서는 중합체 엉겨붙음의 결과 열전달율이 저하되고 공정동작의 효율이 손실될 것이지만, 최악의 상태에서는 반응기의 유용성이 크게 저하될 것이다.

이러한 이유 때문에, 새롭고 신규하고 개선된 반응기, 특히, 반응혼합물 구성 요소의 분포가 보다 양호하고, 반응기의 중합체 엉겨붙음이 적으며, 반응기 동작에서는 유압 능률 및 열효율이 보다 양호한 반응기가 존재할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 주목적은 상기 필요 조건을 충족시키는데 있다.

특히, 본 발명의 목적은, 혼합이 보다 양호하게 이루어지고 유압능률이 크며 엉겨붙음현상의 발생이 감소되고, 액체의 화학 원료 물질을 촉매반응에 의해 중합체성 고체 또는 반고체, 특히 엘라스토머로 변환시키는 중합반응을 실행하는데 매우 유용한 신규의 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 액화된 이소부틸을 촉매반응에 의해서 저온에서 액화된 디올레핀과 중합시킴으로써 고무류 중합체가 형성되게 하는 본래의 특징을 실행하는데 유용한 반응기를 제공하는데 있다.

본 발명의 상기 목적 및 기타 목적은, 밀폐용 측벽, 상벽, 및 하벽, 적당하게는 밀폐용 측벽, 상측 커버 및 하측 커버로 형성되는 용기를 포함하고, 이 용기에는 반응물질과 촉매를 도입하기 위한 입구와 제품을 방출하기 위한 출구가 제공되어 있으며, (1)이 용기내에는 중합체성 단량체와 촉매들이 일 방향으로 통과해 흐르는 내측의 중앙 튜브다발과, 상기 단량체와 촉매들이 대략 균일한 흐름분포하에 반대 방향으로 순환하는 외측 튜브다발로 구성된 이중튜브 통과 시스템이 수용되고, (2)상기 중앙 및 외측 튜브다발의 튜브들은 반응기의 자켓부재내에 유지되어, 이 자켓부내로 냉각제나 냉매가 주입되어 증발과정을 거치면서 반응열을 제거하도록 되어 있는 장치를 채용하는 본 발명에 의해 달성된다. 튜브와 열교환을 하고 있는 상기 냉각제나 냉매는 중합 혼합물로부터 발열반응에 따른 열을 제거하여 이 중합혼합물들의 온도를 저온으로 일정하게 유지한다. 중합혼합물의 온도를 저온으로 일정하게 유지시키려면 슬러리를 균일하게 순환시켜야 하는데, 이러한 슬러리의 균일한 순환은 (3) 디퓨저와, (4) 임펠러를 구비한 혼합 흐름 펌핑시스템을 사용함으로써 가능하게 된다. 상기 혼합 흐름 펌핑 시스템에 의하면 중앙 튜브의 입구측에 균일한 압력분포를 갖는 충분한 크기의 압력수두가 형성되어, 높은 순환속도하에서도 이중튜브 통과 시스템내의 흐름분포를 균일하게 유지할 수 있다. 또한, 임펠러-디퓨저 조립체 출구측에 와류가 발생하는 일도 없고, 하나의 중앙 흡출튜브와 축방향 흐름 펌프를 채용하고 있는 단일 튜브 통과 시스템에서 흔히 발견되는 캐비테이션 버블도 발생하지 않는다. 이 결과, 혼합성능을 향상시키고, 유압능률을 높이고, 중합체의 엉겨붙음을 최소화하여 높은 수율을 실현할 수 있다.

본 발명 및 그것의 작동원리는 바람직한 특정 실시예에 대한 이하의 상세한 설명 및 이 설명을 참조로 제작된 첨부 도면을 참조하면 더욱 완벽히 이해할 수 있을 것이다. 도면에서 각종 특징부 및 구성 요소는 참조번호를 병기하였으며, 여러도면에 걸쳐서 동일 특징부 및 구성요소는 동일한 번호로 나타내었다. 도면에는 도면부호와 첨자를 병용하였는 바, 번호는 일반적인 의미의 것이고, 첨자는 하나이상의 구성요소를 갖는 특정부재를 지칭할 때 사용하였다.

본 발명은 개선된 화학반응기, 특히 중합반응기에 관한 것이다. 특히 부틸 고무의 제조에 유용한 신규하고 개선된 역류혼합식 화학반응기(back-mixed chemical reactor)에 관한 것이다.

제1도는 중합 반응기의 측단면도이다.

제2도는 제1도의 2-2선 단면도이다.

제3도는 제1도의 3-3선 단면도이다.

제4도는 제1도의 4-4선 단면도이다.

제5도는 제1도의 5-5선 단면도이다.

제6도는 제1도의 반응기 하부의 확대 분해도이다.

제7도는 제1도의 반응기의 조립완료된 상태를 나타내는 확대도이다.

제1도를 참조하면, 밀폐형 측벽 또는 쉘(11)과 밀폐용 상측 커버(12) 및 하측 커버(13)로 형성된 용기를 갖는 중합반응기를 도시한다. 이 밀폐형 측벽(11)은 상측 및 하측 관상부(11₁, 11₂)를 서로 볼트 조임하거나 용접하여 관상 쉘(shell)이 형성되도록 한 것이고, 상기 상측 커버(12)와 하측커버(13)는 후술하는 바와같이 촉매나 화학 원료물질을 도입하기 위한 입구와 그 생성물을 배출하기 위한 출구 하나 또는 양자를 각기 구비하고 있다.

이 용기의 밀폐형 측벽(11)내에는, 즉 그 중앙에는 소정의 편리한 배열 패턴(예를들면 삼각형, 사각형 또는 도시한 원형 패턴)으로 쉘에 대해 축방향으로 배향된 다수(n개)의 튜브(20₁, 20₂,...20_n)를 포함하는 제1 또는 중앙 튜브다발(20)이 배치되며, 제1 또는 중앙 튜브다발(20)은 원형 배열(제5도)을 이루면서 쉘에 대해 축방향으로 배향된 다수(n개)의 튜브(30₁, 30₂,...30_n)를 포함하는 제2 튜브다발(30)로 둘러싸여 있다. 튜브다발(20, 30)의 튜브의 말단부는 상측 공통평면으로부터 하측 공통평면까지 하방으로 연장되는 바, 상기 상측공통 평면위에는 밀폐형 상측 반응기 공간, 반응기 헤드 또는 챔버(14)가 형성되고, 상기 하측공통 평면아래에는 하측 반응기 공간, 반응기 헤드 하측 챔버(15, 제6도)가 형성된다. 이 용기의 하측 챔버내에는 혼합 흐름 펌프 조립체(40)가 장착되는 바, 이 펌프의 임펠러 또는 펌핑단부는 상향으로 배향되어서 액체 또는 슬러리를 디퓨저(60)를 포함하는 회로형 상의 통로내로 펌핑시키며, 상기 디퓨저(60)는 이 액체 흐름을 중앙 튜브다발(20)의 튜브(20₁, 20₂,...20_n)내로 배향시킨다. 이 액체 또는 슬러리는 튜브(20₁, 20₂,...20_n)를 거쳐 상승한 후 상측챔버(14)내로 배출되며, 그 중 대부분은 재순환해서 튜브다발(30)의 튜브(30₁, 30₂,...30_n)를 통해 하강한 다음 하측 챔버(15)내로 복귀된다. 이 용기는 자켓으로 씌워져 있으며, 냉각제 또는 냉매, 적당하게는 액체 냉각제 또는 냉매의 도입용 입구와, 상기 발열반응에 따른 열을 보다 효율적으로 제거하기 위해서 상기 냉각제 또는 냉매, 적당하게는 증기-액체 혼합물의 제거용 출구를 구비한다.

열교환용 2개의 튜브 다발에 의해서 각기 제공되는 총 표면적은 일반적으로 약 23.2㎡내지 약 371.6㎡, 바람직하게는 약 139.4㎡ 내지 약 185.8㎡이다. 바람직하게는, 소정의 장치에 있어서 중앙 튜브다발에 의해서 제공되는 총열교환 용량은 외측 튜브다발에 의해 제공되는 열교환용량의 약 3 : 1 내지 약 0.33 : 1, 바람직하게는 약 1.2 : 1 내지 약 0.8 : 1이며, 가장 바람직한 것은 외측 튜브 다발의 튜브들의 수, 크기 및 구성은 외측튜브다발과 동일하거나 비슷한 것이 좋다.

중앙 튜브다발(20)은 일반적으로 25.4내지 154.4의 내경을 갖는 튜브를 약 20개 내지 약 800개 포함하고 있으며, 바람직한 것은 내경이 약 50.8내지 약 101.6인 튜브를 약 30개 내지 약 400개 포함하는 것이다. 외측 튜브다발(30)은 일반적으로 내경이 약 25.4내지 약 152.4인 튜브를 약 20개 내지 약 800개 포함하며, 바람직한 것은 내경이 약 50.8내지 약 101.6튜브를 약 30개 내지 약 400개 포함하는 것이다. 예를 들면, 약 76.2의 내경을 갖는 약 85개의 스테인레스강 튜브로 이루어진 중앙 튜브다발과 약 76.2의 내경을 갖는 약 84개의 스테인레스강 튜브로 이루어진 외측 튜브 다발로 된 장치가 상당히 만족스럽다고 알려져 있다. 액체 또는 슬러리는 현 반응장치에서 사용되는 비교적 큰 직경의 단일 흡출튜브에 의해서 가능한 것보다 높은 속도에서 중앙 튜브다발(20)의 튜브를 통하여 훨씬 더 균일하게 상측으로 흐르며, 높은 속도에서 외측 튜브다발(30)의 튜브를 통하여 훨씬 균일하게 하측으로 흐를 것이다. 더욱이, 반응기의 중앙에는 많은 수의 튜브가 위치해 있으므로, 현 반응기 장치에 채용되는 중앙 흡출 튜브보다 훨씬 더 능률적으로 반응에 따른 열을 제거할 수 있게 된다. 또한 반응 혼합물은 전체적으로 매우 균일하고 일정한 온도로 유지될 수 있다. 일반적으로, 이런 장치에 있어서, 온도 변화는 대략 0.5미만일 것이다.

편의상, 반응기(10)의 길이 때문에, 반응기의 쉘(11)은 복수의 섹션, 일반적으로 서로 볼트 조임되거나 용접되는 2개의 부분(11₁, 11₂)에 의해 조립된다. 또한, 편의상 반응기(10)의 자켓은 일반적으로 복수의 섹션, 본 실시예에서는 상측 섹션과 하측 섹션으로 이루어진다. 따라서, 쉘(11)은 서로 볼트조임되거나 용접되는 2개의 부분(11₁, 11₂)은 튜브다발(20, 30)의 튜브들이 관을 통하여 연장되는 내측 배플 또는 격벽(16)에 의해 분리된다. 이 반응기(10)의 2개의 내부 섹션의 반대 단부는 상측폐쇄 부재 또는 플레이트(4)와, 하측 폐쇄 부재 또는 플레이트(5)에 의해서 폐쇄된다. 이 반응기의 독특한 특징은, 하나의 냉각 자켓 또는 복수개의 자켓부를 채용해서 자켓내에서 냉각제가 완전히 끊을 수 있도록 함과 동시에 각 자켓내의 열전달율이 거의 동일해지도록 하여 열전달성능이 최대로 되도록 한다는 것이다.

종래의 공업용 부틸 반응기에 있어서, 반응기 자켓은 액체 에틸렌을 자켓위의 단일 헤드 드럼으로부터 각 자켓의 바닥으로 열사이펀으로 빨아올리고 증기와 액체를 자켓의 상단으로부터 헤드드럼으로 되돌림으로써 냉각된다. 이 기술은 차가운 액체의 급속한 순환속도를 헤드드럼으로부터 자켓으로 다시 그역으로 유도한다. 이 높은 액체속도의 영향은 두 개의 층을 만든다. 첫째로, 낮은 또는 비비등 영역은 열전달상수가 전 비등 열전달보다 더 낮은 한자리로 존재하는 각 자켓의 하부에 설정된다. 둘째로, 자켓으로 들어가는 상당수의 냉각된 에틸렌은 자켓내 에틸렌의 평균 비등온도를 올리기 위해서 자켓내 액체와 증기의 밀도를 증대시킨다. 바닥자켓이 상측자켓보다 높이가 훨씬 더 낮으므로(그러므로, 훨씬 더 큰 냉각된 비 비등영역을 가짐), 상당한 퍼센트의 열이 상측자켓에 의해서 전달된다.

이 상황은 냉매, 예를들면 에틸렌의 냉각 정도가 자켓의 바닥에서 본질적으로 동일하도록 2개의 헤드드럼을 다른 높이로 제공함으로써 개선될 수 있다. 그러나, 이것은 자켓을 바닥에서 비비등 영역상태로 여전히 남겨두는 보조 장치를 필요로 한다. 냉각된 에틸렌은 저 열전달 상수를 갖는 슬러리에 의해서 비등점으로 가열되어야 한다.

본 발명의 반응기에 있어서, 이런 문제점은 새로운 냉각제, 즉 새로운 에틸렌 액체가 바닥자켓 상측의 입구(8)를 경유하여 반응기 시스템으로 운송되고, 액체 유입구(17)에 의해서 단일 헤드드럼(도시되지 않음)으로부터 상측 자켓의 상단(드로틀 컨트롤 밸브에 의해서)으로 운송됨으로써 해소된다. 새로운 액체 냉각제는 이것이 자켓내 증기-액체 거품을 통하여 강하할 때, 그것의 비등점으로 가열된다. 결국 상하측 자켓은 전 비등 열전달상태에서 작동하고, 액체 속도는 상, 하측 자켓에서 동일한 거품밀도를 설정하기 위해서 상측 자켓으로 조절된다. 사실상, 이것은 최선의 전체 열전달율 및 2개의 자켓내에 가능한 한계중 최저의 평균 냉각제 온도를 제공한다.

따라서, 새로운 냉각제, 예를들면 액체 에틸렌은 하나이상의 입구들, 예를들면 입구(8)를 경유하여 반응기의 하부자켓 또는 하부 구획의 섹션으로 유입되고, 하나이상의 출구들, 예를들면 출구(7)를 경유하여 그곳으로부터 제거된다. 헤드드럼의 냉각제는 하나이상의 입구들, 예를들면 유입구(17)를 경유하여 상측 자켓으로 운송되고, 하나이상의 출구들, 예를들면 출구(18)를 경유하여 그곳으로부터 제거된다. 쉘(11)의 상측측면에 볼트 조립되는 상측 커버(12)에는 생성물 또는 슬러리 유출구(9)와, 하나이상의 열통로, 예를들면 열통로(6) 및 안정 밸브 노즐(3)이 제공된다. 상부챔버(14)의 액체 또는 슬러리중 일부는 유출구(9)를 통해 생성물로써 배출되고, 일부는 외측 튜브다발(30)의 튜브를 관통하는 통로를 경유하여 하측 챔버(15)로 재순환된다. 용기의 자켓부로 유입되는 냉각제는 반응열을 흡수하기 위해서 튜브다발(20, 30)이 튜브의 외벽과 접촉하고, 이 냉각제는 출구(7, 18)를 경유하여 자켓을 빠져나간다.

이중 튜브다발을 이용하여 만들어지는 이중 튜브 통과 시스템은 하나의 흡출튜브를 채용하는 이전의 설계구조보다 훨씬 큰 열전달 표면을 제공하며(2배 이상임), 이 추가의 표면을 이용하면 훨씬 더 낮은 열플럭스(heat flux)로 작동하는 것이 가능하게 되므로 튜브를 가로질러 발생하는 온도 경사도가 감소한다. 이것은 슬러리 온도를 더 낮고 보다 균일하게 함으로써 중합체 엉겨붙음을 감소시킨다. 혼합흐름 펌프와 디퓨저 장치에 있어서, 슬러리는 고속(흡출 튜브와 축방향 흐름 임펠러를 이용하는 종래의 반응기의 속도보다 40% 내지 50% 더 빠른 속도)으로 순환될 수도 있으며, 이것은 슬러리에 가해진 전단력을 증가시키고, 이 효과는 중합체 엉겨붙음을 감소시킨다. 중합체 슬러리는 중력 작용하에 있지 않고 얇으며 전달력이 증가하기 때문에 순환속도가 높으면 슬러리 점도가 낮아지고 슬러리 측의 열전달율이 높아진다. 고속의 순환 속도에 의해서 발생한 개선된 열전달 능력으로 인하여, 슬러리 온도가 감소되고 중합체 엉겨붙음도 상당히 저하된다.

반응기(10)에 있어서, 액체 또는 슬러리의 속력은 액체 또는 슬러리가 반응기 헤드, 즉 챔버(14, 15)내로 들어갈 때, 단지 약간 예를들면 튜브내 속력의 대략 45% 떨어질 것이다. 이것은 종래의 흡출 튜브장치에서 대략 70% 내지 75% 강하게 비교된다. 추가로, 이것은 종래 반응기의 상기 영역내에서 흔히 발견되는 덩어리 엉겨붙음을 더욱 감소시킨다.

바닥 또는 중앙 하측 챔버(15)는 완곡한 형태의 통로, 혼합식 흐름 펌프 조립체(40)와 디퓨져(60)를 수용하며, 임펠러 단부는 통로내로 상향 돌출된다. 편의상 먼저 제6도를 참조하면, 이 도면에서는 반응기(10)로부터 분리되어 있는 하측 커버(13)가 볼트 연결에 의해서 반응기에 고정된다. 중앙에 위치한 대체로 관상의 수직배향 돌출부 또는 노즐(51)이 착탈가능하게 튜브다발(30)에 볼트로 조립된다. 축방향 개구의 내특벽에 가장자리를 경유하여 부착되는 것은 디퓨저(60)를 형성하는 복수의 베인(본 실시예에서는 7개 : 60₁, 60₂, 60₃, 60₄, 60₅, 60₆, 60₇)으로서, 이들은 원주방향으로 배열된다(제4도 참조). 각 베인은 수직방향으로 경사지고 성형되며, 각각은 통로의 전 단면에 걸쳐서 서로 이격 배치되어 있다. 이러한 구조를 지닌 베인은 통로내에서 그것에 충돌하는 액체나 슬러리의 흐름방향을 수직상향으로 또는 튜브다발(20)의 튜브의 하측단면에 의해 규정된 영역위로 연장된 거의 직선방향으로 재배향시키거나 변경시킨다. 이 하측 커버(13)는 하나 이상의 서모웰 노즐(thermowell nozzle), 예를들면 서모웰 노즐(52), 하나 이상의 촉매용 입구, 예를들면 촉매용 입구(53), 및 혼합 흐름 펌프 조립체(40)의 임펠러 단부를 수용하는 대형의 하측 개구(54)와, 커버와 펌프의 양자를 적소에 볼트 고정하는데 사용되는 복수개의 플랜지 개구를 구비한다.

제6도를 계속해서 참조하면, 혼합 흐름 펌프 조립체(40)는 베어링 하우징(41)과, 연결된 구동축(42)과, 구동축의 상부단에 장착된 임펠러(43)와, 상향으로 면상에 부착된 원뿔모양의 원추형 두부(nose cone)(44)로 구성된다. 임펠러(43) 및 구동축(42)의 하부는 관형의 하우징내에 포함되고, 튜브의 상측 내부는 원형으로 내측을 향한 돌출부(45)와 안내지지부재(43₁, 43₂, 43₃, 43₄)와, 개구(49)를 제공한다. 공급물 통과 입구(47)는 반응기로 공급물의 유입을 위한 수단을 제공하며, 펌프 시일(48)은 도시되지 않은 모터와 모터 구동축을 구비한 베어링 하우징(41)을 거쳐 연결된 구동축(42)내에 위치되어 제공된다.

제3도에 잘 도시된 임펠러(43)는 본 실시예에서는 5개(43₁, 43₂, 43₃, 43₄, 43₅)인 다수의 베인으로 구성되며, 이 베인들은 상기 축(42)의 상측 단부 근처에 위치되고, 원주방향으로 서로 균일하게 이격되어 있다. 이 임펠러(43)의 블레이드는 상기 구동축(42)의 상측단위에 위치된 원추형 두부(44)의 연장된 기초부 주변에 장착 및 정렬되어 있다. 디퓨저 원추 또는 원추형 두부(44)는 그대로 두고 연장된 기초부에 부착된다. 모터(도시되지 않음)의 작동은 구동축(42), 임펠러(43), 원추형 두부(44)를 회전시킨다. 제7도에 도시된 혼합식 흐름 펌프 조립체(40)의 적당한 장소에는 임펠러(48)의 블레이드의 움직임에 의해 상향으로 슬러리, 또는 반응 혼합물을 받아 추진하는 연속 채널이 제공된다. 혼합식 펌프 조립체(40), 구체적으로 임펠러(43), 원추형 두부(44), 디퓨저(60) 및 채널의 외형의 위치 및 배열은 빈공간이 없도록 하며, 이것은 이 지역에서 중합체 오염이 제거되지 않으면 효율이 감소되기 때문이다.

제7도를 참조하면, 조작시에 촉매는 입구(53)를 거쳐 반응기로 유입된다. 탄화수소 공급물 및 희석제는 입구(47)를 거쳐 반응기(10)로 유입된다. 상기 공급물은 공급 홈(feed slot)을 통하여 반응기로 유입되고, 공급홈은 밑면 커버, 즉 흡인 커버(13)에 의한 하부와 회전 임펠러(43)의 밑면에 의한 상부로 경계지어진 지역으로 두더지 무덤(mole hill)과 같은 효과를 만들어 낸다. 냉각 후 탄화수소 반응물 및 희석제는 상기 커버(13)를 통해 중공벽 및 튜브를 거쳐 공급 홈 지역으로 들어온다. 이것은 유체가 축주위의 환상공간을 통해 홈 영역으로 흐르므로 저압강하 및 강한 냉각 작용이 일어나도록 한다. 재순환 슬러리는 주위를 돌아 튜브다발(30)의 튜브를 통해 내려가고, 그리고 나서 개구(55₁, 55₂)를 거쳐 위로 빨아올려지며, 공급 홈 영역에서 공급물과 희석제가 혼합된다. 그리고 촉매는 예를 들어 입구(53)와 같은 입구부근 또는 입구를 거쳐 반응기로 유입된다. 슬러리는 임펠러의 회전 블레이드 및 위로향하는 힘에 의해 공급 홈 영역에서 빨아올려지며, 상기 액체는 회전축으로부터 약간의 각도로 경사져 떨어져 있는 혼합 흐름 임펠러(43)에서 방출 또는 유출된다. 물론, 흐름의 각도는 종래기술에 사용된 축방향 흐름 임펠러와 분명한 차이점이 있으며, 이러한 흐름의 형식은 큰 압력 수두를 만든다. 임펠러에서 방출되는 흐름의 방향은 디퓨저(60)의 베인에 의해 역방향으로 변경되거나, 회전축 방향으로 액체의 흐름이 반대로 흐르며, 그리고 와류 또는 회전류가 중단되고, 정상적으로 임펠러 배출이 발생한다. 이와같이 최초의 혼합 흐름 펌프는 예를들어 0° 보다 더 큰 각도에서, 대체로 5°에서 75° 튜브 다발(20)의 튜브 방출점 및 임펠러 입구를 거쳐 도시된 직선에서 일정각도로 떨어져 액체를 빨아올린다. 상기 흐름은 디퓨저(60)에 의해 재배향되는데, 그 순수효과는 튜브 다발(20)의 방출부에서 축방향으로 분사되는 것이다. 상기 슬러리는 보다 일정한 흐름분포에서도 고속으로 튜브(20)를 통해 상향으로 빨아올려지며, 임펠러 베인 또는 처리상태에서 캐비테이션이 발생되지 않는다.

회전 임펠러(43)에 원추형 두부를 장착 및 합체함으로써, 정체지역이 제거되어 중합체 엉킴이 실제로 제거되는 결과를 갖는다. 이전의 설계에서, 원추형 두부는 임펠러에 장착되지 않고 오히려 디퓨저에 장착되는 경우는 상기 경우가 아니며, 정체 지역에는 중합체 오염이 발생된다. 이것은 결국 펌프가 과부하 및/또는 작동중지를 발생한 경우 임펠러 운동을 작동시키며, 순환을 제한한다. 회전하는 원추형 두부(44)의 존재로 인해 예기치 못한 놀라운 부가적 이득은 유압 능률이 증가된다는 것이며, 임펠러 지역에서 공급물과 희석제의 혼합이 증대된다. 임펠러(43)와 디퓨저(60)의 설치는 임펠러 디퓨저 출구에서 와류를 제거한다. 이것은 그 자체로 유압능률을 예를들어 약 50% 내지 약 80%로 크게 상승시킨다. 이러한 유압능률의 상승은 특히 주어진 회전 속도로 소형 펌프열이 슬러리로 유입되어 유압능률이 증가되므로 중요하며, 반응기의 열효율은 감소한다.

혼합 흐름 임펠러 설계의 사용은 높은 펌프 압력 수두를 제공하는 2개 튜브 통과 시스템과 높은 순환 속도의 개발과 함께 특히 중요하다. 개발된 순환속도는 요구된 압력 수두에서 가능한 축방향 흐름식 펌프보다 적어도 50% 이상 크다. 혼합 흐름 펌프 성능은 필요한 순환속도와 종래 반응기에 사용된 임펠러 설계와 결합되므로 임펠러에서 캐비테이션 버블이 본질적으로 완전히 제거되도록 용기의 수력학적 특징과 일치한다. 이것은 임펠러의 회전에 의해 부분적으로 이루어진다. 예를들어 약 0.3m 내지 1.22m 의 직경범위의 약 2,300 내지 약 11,600 범위의 충분한 속도 N₃일 때이며, 여기서 N=속도(rpm), Q=유량(㎥/hr), 및 H=수두(M)이다. 전형적인 속도는 약 200rpm 내지 약 1,000rpm 범위이며, 그 결과 속도 벡터 및 베인 각도가 같아지도록 임펠러 회전속도 및 유속을 임펠러의 베인각도와 조화를 이룬다. 종합적으로 임펠러에서 캐비테이션 버블을 제거하는 예기치 못한 놀라운 이득은 러버 슬러리의 점성에 의미있는 감소를 가져오며, 슬러리측 열전달율이 높기 때문에 반응기의 워밍업 속도가 느려진다. 임펠러에서 캐비테이션은 반응기에서 분리된 버블상태를 형성하기 위해 용액에서 추출된 유용성 불활성 가스가 발생한다. 상기 버블 상태는 반응기 슬러리의 점성을 증가시킨다.

여기서 설명된 용기는 액체 화학 공급물이 중합체, 준고체 또는 액체로, 특히 부틸 중합반응과정에서, 즉 이소부틸렌이 부틸 러버를 제조하기 위해 낮은 온도에서 프리델-크래프츠 촉매의 존재로 디올레핀을 갖춘 중합화되는 반응 과정에서 생성된 엘라스토머 촉매 변화시키는 중합 및 응축 반응을 수행하기 위해 임의의 과정을 실행하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 이상은 다음과 같은 것을 제공할 수 있다. 1) 공급물과 촉매를 순환 반응 혼합물로 잘 섞을 수 있음, 2) 높은 순환 유체 온도가 균일하고, 반응 혼합물 곳곳의 온도가 일정함, 3) 순환하는 유체에서 열의 제거가 잘 이루어짐, 4) 성능의 빠른 저하없이 엉겨붙은 슬러리를 취급할 수 있음, 이 효과들은 높은 제조속도에서도 잘 엉겨붙지 않도록 한다.

본 발명의 범위 및 개념에서 벗어남이 없이 다양한 수정 및 변화가 이루어질 수 있음이 명백하다.

Claims (10)

1. 액체 반응물을 촉매에 의해 중합체성 고체, 반고체, 또는 액체로 변환하기 위해 사용되며, 밀폐형 측벽과, 상측 커버 및 하측 커버와, 액체 반응물 및 촉매를 도입하기 위한 입구 및 성성물을 배출하기 위한 출구로 형성된 길다란 용기를 포함하는 반응기 장치에 있어서, 반응기의 중심축을 중심으로 배열되어 있고, 서로에 대해 수직으로 정렬되어 있는 다수의 개별 튜브로 구성된 중앙 튜브 다발과, 상기 중앙 튜브 다발 주위에 원형으로 배치되고, 서로에 대해 그리고 중앙 튜브 다발에 대해 수직으로 정렬되어 있는 다수의 개별튜브로 구성된 튜브 다발을 포함하는 이중 튜브다발로서, 상기 튜브의 길이는 튜브의 단부가 용기의 상부 커버 밑에서 끝나는 레벨에서부터 중앙 밑면 챔버를 이탈하는 용기의 밑면상의 위치까지 연장되도록 되어 있는, 상기 이중 튜브 다발과, 상기 이중 튜브다발의 튜브의 상측 말단부 아래와 하측 말단부위에 각기 위치된 격벽용 폐쇄판을 경유하여 상기 반응기의 밀폐용 측벽내에 형성되며, 액상 냉각제 도입용 입구와, 액상 냉각제, 기상 냉각제 또는 양자가 혼합된 상태의 냉각제 배출용 출구를 구비하는 반응기 자켓과, 관형돌기의 내측벽위에 에지를 거쳐 원주방향으로 부착되며 원형 개구와 이격되어 있는 완곡한 형상의 다수의 이격베인으로 구성되고, 상기 관형돌기는 상기 용기의 하측 커버위에 지지되고 상기 용기의 중앙 밑면 챔버내로 연장되어 있는 디퓨저와, 원뿔모양의 원추형 두부와, 원추형 두부의 정점이 상방을 향할 때 상기 원추형 두부 기초부의 상단부 끝에 부착된 구동축과, 원추형 두부 아래의 축위에 원주방향으로 배열되고 에지를 거쳐 부착되는 완곡한 형상의 복수의 블레이드로 구성된 임펠러와, 그리고 상기 구동축과 임펠러와 원추형 두부를 일체로 회전시키는 모터 수단을 구비한 혼합 흐름 펌프 조립체를 포함하고; 상기 혼합 흐름 펌프의 원추형 두부는 상향으로 배치되고, 일 통로를 제공하는 상기 디퓨저의 블레이드에 의해 형성된 중앙 개구내로 돌출된 반응기 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 자켓의 상부는 액체상태의 냉각제를 도입하기 위한 입구와, 상기 냉각제를 액상 및 기상의 양 상태로 배출하기 위한 출구를 구비하는 반응기 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 반응기의 자켓부가 2개 또는 그 이상의 인접부로 분할되어 있는 반응기 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 반응기의 자켓부가 2개 또는 그 이상의 인점부로 분할되고, 이 인접부 각각의 상부에는 냉각제 도입용 입구와, 냉각제 배출용 출구가 제공되는 반응기 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 중앙 튜브 다발은 내경이 약 25.4㎜ 내지 약 152.4㎜인 튜브를 약 20 내지 약 800개를 포함하고 상기 외측 튜브 다발은 내경이 약 25.4㎜ 내지 약 152.4㎜인 튜브를 약 20 내지 약 800개를 포함하며 열교환 표면적이 약 23.2㎡ 내지 약 371.6㎡인 반응기 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 중앙 튜브 다발은 내경이 약 50.8㎜ 내지 약 101.6㎜인 튜브를 약 30 내지 약 400개를 포함하고 열교환 표면적이 약 139.4㎡ 내지 약 185.8㎡ 이며, 상기 외측 튜브 다발은 내경이 약 50.8㎜ 내지 약 101.6㎜ 인 튜브를 약 30 내지 약 400개를 포함하고 열교환 표면적이 약 139.4㎡ 내지 약 185.8㎡인 반응기 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 액체 반응물이 상측은 상기 임펠러의 저면에 의해 규정되고 하측은 상기 반응기의 하측 커버에 의해 규정되는 공급 홈 영역내로 도입되고, 상기 액체반응물은 냉각후 상기 공동 및 튜브를 거쳐 상기 커버를 통해 공급 홈 영역으로 유입되고, 상기 공급 홈 영역은 상기 반응기 외부로부터 상기 임펠러 바로 아래의 위치까지 연장된 공급입구를 제공하여, 상기 유체가 상기 축둘레의 환상공간을 통해 상기 공급 홈 영역으로 흐를 때 압력저하가 적어지고 냉각이 개선될 수 있게 하는 반응기 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 반응기 자켓이 분할용 폐쇄판을 거쳐 서로 분리되어 있는 다수의 인접부로 형성되고, 각 자켓부가 액상 냉각제 공급용 상측 입구와, 액상, 기상 또는 양 상태가 혼합된 냉각제 배출용 출구를 구비하는 반응기 장치.
9. 제3항에 있어서, 상기 반응기 자켓이 상측 입구 및 출구를 각각 구비하는 2개의 인접부로 형성되는 반응기 장치.
10. 제9항에 있어서, 상기 반응기의 자켓부가 2개의 인접부로 분할되고, 이 2개의 인접부 각각의 상부에는 냉각제 도입용 입구와, 냉각제 배출용 출구가 제공되며, 상기 인접부 각각의 포말 농도를 동일하게 유지하기 위해서 상기 각 인접부의 상부로 흐르는 액체흐름을 제어하기 위한 수단이 구비되는 반응기 장치.