KR100794950B1 - 반응기 - Google Patents

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Abstract

액 유입구와 액 유출구가 설치되고, 액의 흐름방향으로 긴 원통형상의 반응기 (4) 로서, 내부에 그 반응기 (4) 에 동축인 교반축 (6) 과 이 교반축에 대해 수직방향으로 연장된 1단 또는 복수단의 판 형상 또는 봉 형상의 교반날개가 설치되고, 또 반응기 내벽측에는 판, 봉 또는 이것들을 조합한 배플판 및/또는 코일, 튜브, 판 또는 나선 형상의 열교환기 (7) 가 설치되어 있고, 이 교반날개의 고유진동수가 반응기 내부의 용액점도, 교반날개의 회전수와 교반날개의 구조로부터 계산되는 교반날개의 진동이 시작하는 수치보다 크게 되어 있는 반응기.

Description

반응기{REACTION UNIT}
본 발명은 반응기, 특히 중합체를 제조하기 위한 반응기에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 용액 중합 또는 괴상 중합에 의해 스티렌계 중합체 또는 스티렌계 공중합체를 제조하기 위한 반응기에 관한 것이다.
중합체를 제조하는 방법으로 유화 중합방법, 현탁 중합방법, 용액 중합방법 및 괴상 중합방법은 널리 알려져 있다. 중합방법에 의해 수득된 중합체의 성질이 약간 다르기 때문에 중합방법은 원하는 중합체에 따라 적절하게 선택하여 채택된다.
특히, 용액 중합방법 및 괴상 중합방법은 자원 절약, 에너지 절약, 그리고 밀폐 공정화에 따른 공해 문제의 해결도 쉬우므로 많이 이용되고 있다.
그러나, 용액 중합방법 및 괴상 중합방법에서는 중합체가 용제에 용해되는 경우에는 균일 상계(相系)가 되므로 중합 진행과 함께 중합액의 점도는 증대된다. 또, 중합체 제조 규모의 증대와 함께 반응 용적에 대하여 제열 면적이 상대적으로 감소되는 등의 문제점이 있다.
일반적으로 고점도화된 중합액으로부터 중합반응에 의해 발생되는 열을 제거하는 것은 어렵고, 또 반응기 내에 언제까지나 움직이지 않는 부분, 이른바 이상 체류 부분이 발생하기 쉬운 상태가 된다. 이상 체류 부분이 발생하면 이 부분에서 생성되는 중합체는 열화되거나 겔화되기 쉬워져 반응기 내부에 부착되는 경우가 있다. 이와 같은 중합체가 정상적인 중합체에 혼입되면 생성 중합체의 품질을 현저히 손상시킨다.
이런 문제를 해결하기 위해서, 이상 체류 부분을 발생시키지 않는 각종 방법이 제안되어 있다. 그 하나로 최종 중합률을 올리지 않고 중합액의 점도가 낮은 상태에서 중합을 종료시키는 방법이 있다. 이 방법에 의하면, 취급하는 중합액이 저점도가 되므로 이상 체류 부분은 잘 발생하지 않게 되지만 장치의 가동률이 악화된다는 새로운 문제가 발생한다.
또 하나의 방법으로 중합액에 전단력을 가하여 전열면 근방에서의 전단율을 올려 제열 능력을 높이고 또 이상 체류 부분을 발생시키지 않는 방법이 있다. 이 방법에 의하면, 스크류타입의 교반날개를 사용한 경우에는, 반응기 내에서의 혼합이 심해져 교반 동력이 증대되는 동시에 반응기 내에서의 중합액의 체류 시간 분포가 넓어지는 문제가 발생한다.
상기 문제를 해결하기 위한 고점도화 유체를 취급하는 중합반응기로서, 체류 시간 분포가 좁아, 즉 피스톤 유동성이 높아 반응열을 균일하게 제거할 수 있는 반응기가 제안되어 있다.
예컨대, 미국 특허 제2,727,884호에 기재된 복수개 열교환용 튜브와 교반날개가 다단으로 조합된 반응기, 또는 일본 공개특허공보 평4-335001호에 기재된 간격을 두고 배치된 복수단의 교반날개와 그 사이에 배치된 열매체의 통로를 가지고 또 회전축 주위를 둘러싸며 배치된 원통 형상의 전열체를 구비한 반응기이다.
미국 특허 제2,727,884호에 기재된 반응기는 교반이 불충분한 경우에는 중합체의 흐름방향으로 격자형상의 편류나 이상 체류 부분이 발생하기 쉽다. 또, 교반날개와 열교환용 튜브의 간격이 크기 때문에, 열교환용 튜브면의 표면 갱신 속도가 느리고 중합체 부착이나 폐색 또는 전열 계수의 저하를 초래하는 등의 문제를 갖고 있다.
열교환용 튜브면의 표면 갱신 속도를 빠르게 하기 위해서 교반에 의한 전단력을 가하고자 하는 교반날개에서 발생되는 이른바 칼만 소용돌이에 의해 교반날개가 양력 방향으로 진동하여 공진에 의해 열교환용 튜브와의 접촉이 일어나 반응 파괴로 이어진다. 특히, 열교환용 튜브와 교반날개의 거리가 작은 경우에는, 이러한 교반날개의 진동 현상의 발생이 현저하다.
또, 교반날개의 진동 현상은 중합 초기단계 또는 중합 개시시나 종료시, 경우에 따라서는 용제 등에 의한 반응기의 세정시에도 발생하므로, 이러한 반응기에서는 중합 초기단계 또는 중합 개시시나 종료시, 경우에 따라서는 용제 등에 의한 반응기의 세정시에 충분한 전단력이 가해지지 않는다. 그 결과, 중합 초기단계 또는 중합 개시시나 종료시에는 중합반응의 제어성이 저하되고 용제 등에 의한 세정시에는 세정시간이 길어진다.
한편, 일본 공개특허공보 평4-335001호에 기재된 반응기는 복수단의 교반날개의 단 사이에 배치된 열매체의 통로를 갖고 있으므로, 회전축 주위를 둘러싸며 배치된 원통형상의 전열체에서 중합체의 편류가 발생하거나, 또는 전열체를 통과하 는 중합체의 속도가 느린 경우에는 전열체의 표면 갱신 속도가 느리다. 그 결과로, 이 방법은 중합체 부착이나 전열체 폐색 또는 전열 계수 저하를 초래하는 등의 문제를 안고 있다.
본 발명자들은 상기 종래 기술이 갖는 문제점을 해결하기 위해서, 일본 공개특허공보 평11-106406호에서 교반날개의 고유진동수가 40Hz 이상인 반응기를 제안하였다.
그러나, 이 제안은 교반날개 회전수나 중합체 용액의 점도에 따라서는 교반날개의 고유진동수가 40Hz 이하여도 진동 현상을 발생시키지 않고 사용할 수 있는 경우, 또한 반대로 이 반응기는 40Hz 이상의 고유진동수를 갖는 교반날개여도 중합체 용액의 점도가 낮은 경우, 회전수가 높은 경우 및 열교환용 튜브와 교반날개의 거리가 작은 경우에는 진동이 발생하는 것으로 판명되었다. 또한, 교반날개의 고유진동수를 40Hz 이상으로 한정함으로써, 교반날개의 고유진동이 40Hz 이하여도 진동 현상을 발생시키지 않는 운전 조건임에도 불구하고 교반날개는 폭에 대하여 필요 이상으로 두껍거나 직경이 큰 교반날개를 사용하게 되어, 그 결과 반응기의 유효 용적이 감소되거나 하는 문제를 안고 있는 것으로도 판명되었다.
유체 내를 이동하는 물체의 이동속도의 증가와 함께 칼만 소용돌이가 발생하고, 그 양력 방향의 가진 주파수가 물체의 고유진동수에 일치하면 공명 진동을 일으켜 양력 방향의 진폭이 비약적으로 증가하는 현상이 알려져 있다. 교반날개에 관해서도 회전수가 증가하고 양력 방향의 가진 주파수가 교반날개의 고유진동수에 일치하면 공명 진동을 일으켜 동일한 현상이 일어난다. 그러나, 교반날개는 축 중심에 가까운 부분에서는 속도가 느리고, 축 중심에서 먼 부분에서는 속도가 빠르기 때문에, 교반날개의 회전수가 어느 범위까지이면 진동을 발생시키지 않고 안전한지를 판단하기는 어려웠다. 또한, 열교환용 튜브와 교반날개의 거리, 중합체 용액의 점도에 따라서도 가진 주파수는 변화하기 때문에 이들 조건을 정식화한 안전한 반응기 설계는 제안되어 있지 않았다.
발명의 개시
본 발명의 목적은 반응기 내에 이상 반응 부분이 발생하지 않는 것, 교반날개의 진동 현상이 발생하지 않는 것, 또한 중합 초기단계 또는 중합 개시시나 종료시, 경우에 따라서는 용제 등에 의한 반응기의 세정시에도 충분한 전단력을 가할 수 있는 운전 조건을 만족시키기에 필요한 설계가 충분히 이루어진 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 하나의 목적은 앞으로 별도 목적으로 당해 반응기를 사용하는 경우에, 이를 위한 운전 조건 범위가 결정되거나, 또는 이와 반대로 필요한 운전 조건을 만족시키도록 내부 교반날개의 설계 변경을 할 수 있는 조정성이 충분한 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명자들은 상기 문제를 해결하기 위해서 예의 검토한 결과, 교반날개의 고유진동수와, 반응기 내부의 용액 점도, 교반날개의 회전수 및 교반날개의 구조에서 도출되는 교반날개가 진동을 시작하는 값 사이의 관계를 발견하여 본 발명을 완성시켰다.
본 발명의 반응기는 액 유입구와 액 유출구가 형성되고, 액의 흐름방향으로 긴 원통이면서 내부에 이 원통에 동축의 교반축과 이 교반축에 대하여 수직방향으로 연장된 1단 또는 복수단의 판 형상 또는 봉 형상의 교반날개가 설치되고, 또 반응기 내벽측에는 판, 봉 또는 이것들을 조합한 배플판 및/또는 코일, 튜브, 판 또는 나선 형상의 열교환기가 설치된 반응기로, 이 교반날개의 고유진동수가 다음 식
Figure 112002031777753-pct00001
(여기에서, n은 교반날개의 회전수(rpm), R은 교반축 중심에서 교반날개 선단까지의 길이(m), D는 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(m), H는 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개 사이에 위치하는 판, 봉 또는 이것들을 조합한 배플판 또는 코일, 튜브, 판 또는 나선형 열교환기의 교반축 방향에서의 각각의 폭 중심간의 거리(m)이고, 그리고 μ는 반응기 내부의 용액 점도(poise)임)에서 구해지는 교반날개의 진동이 시작되는 수치(K)보다 큰 것을 특징으로 한다.
본 발명의 반응기는 용액 중합 또는 괴상 중합 등의 중합 반응에 특히 스티렌계 중합체 또는 스티렌계 공중합체를 제조하기 위해서 바람직하게 사용된다.
본 발명의 반응기에서 액의 흐름방향의 길이(1)와 직경(d)의 비가 1.1∼15인 것이 바람직하다.
본 발명의 반응기에서 교반날개는 평판 패들 날개 또는 경사 패들 날개, 또 는 직사각형, 마름모형, 장방형 또는 타원형의 판 또는 상하 면을 깎은 둥근 봉 또는 단면이 삼각형 봉, 또는 이것들이 테이퍼를 갖는 것, 또는 액류 방향에 대하여 트위스트 또는 경사를 갖고 있는 것일 수도 있다. 본 발명의 반응기에서 상기 식의 D/H가 0.1∼0.6인 것이 바람직하다.
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도 1은 본 발명에서 고유진동을 측정하기 위해서 사용된 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 반응기의 일 실시예를 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 2의 화살표 A-A 방향의 단면도이다.
도 4는 본 발명에서 교반날개의 진동이 시작되는 진동수를 측정하기 위한 장치의 개략도이다.
도 5는 실시예 5 및 실시예 6에서 사용된 교반날개를 교반축에 수직인 면에서 본 개략도이다.
도 6은 실시예 5 및 실시예 6에서 사용된 교반날개를 그 선단에서 본 개략도이다.
도 7은 실시예 1의 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)에 대하여 교반날개의 진동이 시작되는 회전수를 플로팅한 도면이다.
도 8은 실시예 2의 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)에 대하여 교반날개의 진동이 시작되는 회전수를 플로팅한 도면이다.
도 9는 실시예 3의 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)에 대하여 교반날개의 진동이 시작되는 회전수를 플로팅한 도면이다.
도 10은 실시예 4의 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)과 교반날개의 진동이 시작되는 회전수를 플로팅한 도면이다.
도 11은 실시예 5의 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)과 교반날개의 진동이 시작되는 회전수를 플로팅한 도면이다.
도 12는 실시예 6의 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)과 교반날개의 진동이 시작되는 회전수를 플로팅한 도면이다.
본 발명에서 액의 흐름방향으로 긴 구조를 갖는 원통형 반응기란 반응기의 액류 방향의 길이(l)와 직경(d)의 비율 l/d가 바람직하게는 1.1∼15, 보다 바람직하게는 1.5∼10, 특히 바람직하게는 2∼8인 것이다.
또, 교반날개는 판 형상 또는 봉 형상의 배플판 또는 이것들을 조합한 배플판, 또는 코일, 튜브, 판 또는 나선 형상의 열교환기 등에 근접하고 있으나, 바람직하게는 상기 D/H가 0.1∼0.6, 보다 바람직하게는 0.2∼0.5이다.
또한, 본 발명에서 교반축과 실질적으로 수직인 교반날개는 예컨대 평판 패들 (paddle) 날개, 경사 패들 날개이거나, 직사각형, 마름모형, 장방형, 타원형 등의 판 형상, 둥근 봉의 상하 면을 깎은 둥근 봉, 삼각 단면을 갖는 봉 형상, 또는 이것들이 테이퍼를 갖는 것, 또는 액류 방향에 대하여 트위스트이나 경사를 갖고 있는 것일수도 있다.
본 발명의 바람직한 실시형태인 중합 반응기에서 용액 중합 또는 괴상 중합을 실시할 수 있는 단량체로는, 예컨대 에틸렌, 프로필렌, 스티렌, α-메틸스티렌, 벤젠고리가 알킬 치환된 스티렌, 예컨대 o-, m-, p-메틸스티렌, o-, m-, p-에틸비닐벤젠 및 벤젠고리가 할로겐화된 스티렌, 예컨대 o-, m-, p-클로르 또는 브롬스티렌 등과 같은 알케닐 방향족 화합물을 들 수 있다. 이것들은 단독으로 또는 혼합물로 단량체로써 사용할 수 있다. 또, 이 알케닐 방향족 단량체에 아크릴로니트릴, 메타크릴산에스테르 등과 같은 공중합이 가능한 단량체를 첨가할 수도 있다. 또한, 고무형상 중합체, 예컨대 폴리부다티엔, 부타디엔과 스티렌, 아크릴로니트릴, 메타크릴산메틸 등과 같은 각 공중합체, 천연고무, 폴리클로로프렌, 에틸렌-프로필렌 공중합체, 에틸렌-프로필렌-디엔단량체 공중합체 등을 상기 단량체에 용해시킨 용액도 사용할 수 있다. 그 이외에도 부가 반응을 일으키는 것 및 나일론, 폴리에스테르 등과 같은 축중합반응을 일으키는 것에도 본 발명의 반응기가 적용될 수 있다.
다음에, 본 발명을 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
교반날개의 고유진동수를 측정하기 위한 장치는 도 1에 나타낸 바와 같이 교반축에서 교반날개 선단까지의 길이와 동등한 길이의 교반날개(1)를 고정시키고, 교반날개 선단에 속도센서(2)를 장착하고, 교반날개에 손으로 초기 변위를 가하여 증폭기(3)로 측정한다.
본 발명의 반응기의 일 실시예를 도 2 및 도 3을 참조하여 설명한다. 도 3은 도 2의 화살표 A-A 방향의 단면도이다. 액류 방향으로 긴 원통형의 반응기(4)는 그 외벽에 자켓(5)이 설치되고, 반응기(4)와 동축에 교반축(6)이 삽입 장착되어 있다. 교반축(6)에는 교반축(6)에 대하여 수직방향으로 장착된 교반날개(1)가 소정 간격을 두고 다단으로 설치되어 있다.
반응기(4) 내의 액류 방향으로 인접하는 교반날개(1)와 교반날개(1) 사이에는 이 교반날개(1)와 평행하게 배치된 도 3에 나타낸 열교환기(7)와 같은 코일, 튜브, 판 또는 나선 형상의 열교환기가 도 2에 나타내는 바와 같이 소정의 간격을 두고 복수단 배치되어 있다. 열교환기(7)는 전열매체(8: 예컨대, 물 또는 상용되는 전열매체)가 흐르도록 자켓(5)과 접속되어있다.
열교환기(7)는 칸막이 효과를 가짐과 동시에 중합열을 제거할 수 있다. 열교환기(7) 대신에 칸막이 효과가 있는 판, 봉 또는 이것들을 조합한 배플판을 사용할 수도 있다.
교반축(6)에 소정의 간격을 두고 다단으로 설치되어 있는 교반날개(1)는 1단당 1개∼복수개 설치되고, 그 형상은 평판 패들 날개, 경사 패들 날개 등이거나, 직사각형, 마름모형, 장방형, 타원형 등과 같은 판 형상, 둥근 봉, 상하를 깎은 둥근 봉, 삼각 단면을 갖는 봉, 또는 이것들이 테이퍼 가공되어 있는 것, 또는 액류에 대하여 트위스트 또는 경사 가공되어 있는 것일 수도 있다.
교반날개의 일례인 테이퍼를 갖는 둥근 봉으로 액의 흐름방향의 상하를 깎은 교반날개(1)를 교반축(6)에 수직인 면에서 본 형상을 도 5에 나타낸다. 또, 상기 교반날개(1)를 그 선단에서 본 형상을 도 6에 나타낸다.
교반날개(1)와 상기 열교환기(7) 사이의 거리는 D/H를 0.1∼0.6, 특히 0.2∼0.5로 하는 것이 바람직하다. D/H가 작으면 열교환기(7)의 표면 갱신 속도가 느려져 중합체 부착이나 폐색 또는 전열 성능 저하 등이 발생한다.
교반날개의 진동을 측정하기 위한 장치는 도 4에 나타내는 바와 같이 반응기(4) 본체의 일부를 제조하여, 그 안에 교반축(6)을 배치하고 교반축(6)에 수직인 방향으로 교반날개(1)를 1∼3단 설치한다. 또한, 액류 방향으로 인접하는 교반날개(1)와 교반날개(1) 사이에 이 교반날개(1)와 평행하게 열교환기(7)를 설치하고, 소정의 점도, 소정의 교반 회전수로 회전시키고 본체 옆에 설치된 들여보기창(9)으로 교반날개의 진동상태를 고속도 카메라(10)로 촬영한다.
다음에 실시예를 기초로 본 발명을 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이들 실시예에만 한정되는 것은 아니다.
실시예 1
형상이 둥근 봉인 교반날개를 사용한다. 교반축 중심에서 교반날개 선단까지의 길이(R)가 840㎜, 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개 사이에 위치하는 코일형상 열교환기의 교반축 방향의 각각의 폭 중심간의 거리(H)가 85㎜이고, 둥근 봉의 직경(D; 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭)이 각각 25㎜, 30㎜, 35㎜인 3종류의 교반날개의 고유진동수를 구한 결과, 40Hz, 48Hz, 56Hz이다.
중합체 용액의 점도는 폴리스티렌을 제조할 때에 통상 사용되는 에틸벤젠에 폴리스티렌 펠릿을 용해시켜 조정한다. 점도는 0.02poise로 하고 교반날개의 회전수를 변화시켜 각각의 교반날개의 진동이 시작되는 수치(K)가 각각의 고유진동수와 동등해지는 교반날개의 회전수를 구한다. 결과는 표 1에 나타내는 바와 같이 31.2rpm, 40.6rpm, 49.5rpm이다.
실제로 각각의 교반날개에 대해 도 4에 나타낸 장치를 사용하여 진동이 시작되는 회전수를 관측한다. 결과는 표 1에 나타내는 바와 같이 32rpm, 42rmp, 53rmp이다.
교반날개의 직경과 진동이 시작되는 회전수를 플로팅 (plotting) 하여 도 7에 나타낸다. 파선은 본 발명에 의해 계산된 진동이 시작되는 회전수와 둥근 봉의 직경(D)의 관계를 나타내는 곡선이고, 실선은 관측된 진동이 시작된 회전수와 둥근 봉의 직경(D)의 관계를 나타내는 곡선이다. 이 곡선은 교반날개의 고유진동수(Hz)가, 진동이 시작되는 수치(K)보다 크면 안전 운전이 가능함을 나타내고 있다.
실시예 2
형상이 둥근 봉인 교반날개를 사용한다. 중합체 용액의 점도는 3.3poise로 조정한다. 그 이외에는 실시예 1과 동일한 조건에서 교반날개의 회전수를 변화시켜 각각의 교반날개의 진동이 시작되는 수치(K)가 교반날개의 고유진동수와 동등해지는 각각의 교반날개의 회전수를 구한다. 결과를 표 1에 나타낸다.
실제로 각각의 교반날개에 대해 도 4에 나타낸 장치를 사용하여 진동이 시작되는 회전수를 관측한다. 결과를 표 1에 나타낸다.
둥근 봉의 직경(D)과 진동이 시작되는 회전수를 플로팅하여 도 8에 나타낸다이 곡선은 교반날개의 고유진동수(Hz)가, 진동이 시작되는 수치(K)보다 크면 안전 운전이 가능함을 나타내고 있다.
실시예 3
형상이 둥근 봉인 교반날개를 사용한다. 교반축 중심에서 교반날개 선단까지의 길이(R)가 1300㎜, 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개 사이에 위치하는 코일형상 열교환기의 교반축 방향의 폭 중심간의 거리(H)가 95㎜이고, 둥근 봉의 직경(D)이 각각 25㎜, 30㎜, 35㎜인 3종류의 교반날개의 고유진동수를 구한다. 결과를 표 1에 나타낸다. 점도는 0.01poise로 하고 교반날개의 회전수를 변화시켜 각각의 교반날개의 진동이 시작되는 수치(K)가 각각의 고유진동수와 동등해지는 회전수를 구한다. 결과를 표 1에 나타낸다.
실제로 각각의 교반날개를 도 4에 나타낸 장치를 사용하여 진동이 시작되는 회전수를 관측한다. 결과를 표 1에 나타낸다.
둥근 봉의 직경(D)과 진동이 시작되는 회전수를 플로팅하여 도 9에 나타낸다. 이 곡선은 교반날개의 고유진동수(Hz)가, 진동이 시작되는 수치(K)보다 크면 안전 운전이 가능함을 나타내고 있다.
실시예 4
형상이 둥근 봉인 교반날개를 사용한다. 중합체액의 점도는 3.3poise로 조정한다. 그 이외에는 실시예 3과 동일한 조건에서 교반날개의 회전수를 변화시켜 각각의 교반날개의 진동이 시작되는 수치(K)가 교반날개의 고유진동수와 동등해지는 각각의 교반날개의 회전수를 구한다. 결과를 표 1에 나타낸다.
실제로 각각의 교반날개에 대해 도 4에 나타낸 장치를 사용하여 진동이 시작되는 회전수를 관측한다. 결과를 표 1에 나타낸다.
둥근 봉의 직경(D)과 진동이 시작되는 회전수를 플로팅하여 도 10에 나타낸 다. 이 곡선은 교반날개의 고유진동수(Hz)가, 진동이 시작되는 수치(K)보다 크면 안전 운전이 가능함을 나타내고 있다.
실시예 5
직경이 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)의 2배인 둥근 봉의 상하를 깎고 선단을 향하여 테이퍼를 부착한 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같은 교반날개를 사용한다. 교반축 중심에서 교반날개 선단까지의 길이(R)가 840㎜, 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개 사이에 위치하는 코일형상 열교환기의 교반축 방향의 폭 중심간의 거리(H)가 85㎜이고, 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)이 각각 25㎜, 30㎜, 35㎜인 3종류의 교반날개의 고유진동수를 구한다. 결과를 표 1에 나타낸다. 점도는 10.8poise로 하고 교반날개의 회전수를 변화시켜 각각의 교반날개의 진동이 시작되는 수치(K)가 각각의 고유진동수와 동등해지는 회전수를 구한다. 결과를 표 1에 나타낸다.
실제로 각각의 교반날개에 대해 도 4에 나타낸 장치를 사용하여 진동이 시작되는 회전수를 관측한다. 결과를 표 1에 나타낸다. 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭과 진동이 시작되는 회전수를 플로팅하여 도 11에 나타낸다. 이 곡선은 교반날개의 고유진동수(Hz)가, 진동이 시작되는 수치(K)보다 크면 안전 운전이 가능함을 나타내고 있다.
실시예 6
직경이 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)의 2배 인 둥근 봉의 상하를 깎고 선단을 향하여 테이퍼를 부착한 도 5 및 도 6에 나타낸 바와 같은 교반날개로 교반축 중심에서 교반날개 선단까지의 길이(R)가 1300㎜, 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개 사이에 위치하는 코일형상 열교환기의 교반축 방향의 폭 중심간의 거리(H)가 95㎜이고, 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(D)이 각각 25㎜, 30㎜, 35㎜인 3종류의 교반날개의 고유진동수를 구한다. 결과를 표 1에 나타낸다. 점도는 3.3poise로 하고 교반날개의 회전수를 변화시켜 각각의 교반날개의 진동이 시작되는 수치(K)가 각각의 고유진동수와 동등해지는 회전수를 구한다. 결과를 표 1에 나타낸다.
실제로 각각의 교반날개에 대해 도 4에 나타낸 장치를 사용하여 진동이 시작되는 회전수를 관측한다. 결과를 표 1에 나타낸다. 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭과 진동이 시작되는 회전수를 플로팅하여 도 12에 나타낸다.
이 곡선은 교반날개의 고유진동수(Hz)가, 진동이 시작되는 수치(K)보다 크면 안전 운전이 가능함을 나타내고 있다.
R(㎜) D(㎜) H(㎜) 점도(poise) 고유진동수(Hz) 수치(K)가 고유진동수와 동등해지는 회전수(rpm) 관측된 진동이 시작된 회전수(rpm)
실시예 1 840 25 85 0.02 40 31.2 32
840 30 85 0.02 48 40.6 42
840 35 85 0.02 56 49.5 53
실시예 2 840 25 85 3.3 40 39.6 42
840 30 85 3.3 48 51.4 53
840 35 85 3.3 56 62.8 66
실시예 3 1300 25 95 0.01 14.6 7.7 8
1300 30 95 0.01 17.6 10.3 11
1300 35 95 0.01 20.5 12.7 13
실시예 4 1300 25 95 3.3 14.6 9.8 10
1300 30 95 3.3 17.6 13.0 14
1300 35 95 3.3 20.5 16.1 17
실시예 5 840 25 85 10.8 61 74.5 77
840 30 85 10.8 73 96.6 98
840 35 85 10.8 85 117.8 122
실시예 6 1300 25 95 3.3 22 14.8 15
1300 30 95 3.3 27 20.0 21
1300 35 95 3.3 31 24.4 26
본 발명의 반응기에 의하면 이상 체류 부분을 없애기 위해서 교반에 의한 전단력을 가할 수 있다. 또, 중합체 부착이나 전열 계수 저하를 방지하기 위해서 배플판이나 열교환기의 거리를 짧게 할 수 있다. 또한, 종래의 반응기에서는 교반 회전수를 빠르게 하고자 하면, 교반날개의 진동에 의해 교반날개의 응력 파괴나 열교환용 튜브와의 접촉 등과 같은 우려가 있으나, 진동이 일어나지 않아 안전 운전이 가능해졌다.

Claims (6)

  1. 액 유입구와 액 유출구가 형성되고, 액의 흐름방향으로 긴 원통이면서 내부에 이 원통에 동축의 교반축과 이 교반축에 대하여 수직방향으로 연장된 1단 또는 복수단의 판 형상 또는 봉 형상의 교반날개가 설치되고, 또 반응기 내벽측에는 판, 봉 또는 이것들을 조합한 배플판 및/또는 코일, 튜브, 판 또는 나선 형상의 열교환기가 설치된 반응기로서,
    이 교반날개의 고유진동수가 다음 식
    Figure 112002031777753-pct00002
    (여기에서, n은 교반날개의 회전수(rpm), R은 교반축 중심에서 교반날개 선단까지의 길이(m), D는 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개의 교반축 방향의 폭(m), H는 교반축과 평행한 면에 투영된 교반날개 사이에 위치하는 판, 봉 또는 이것들을 조합한 배플판 또는 코일, 튜브, 판 또는 나선형상 열교환기의 교반축 방향에서의 각각의 폭 중심간의 거리(m)이고, 그리고 μ는 반응기 내부의 용액 점도(poise)임)에서 구해지는 교반날개의 진동이 시작되는 수치(K)보다 큰 것을 특징으로 하는 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기가 중합 반응기인 것을 특징으로 하는 반응 기.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기가 스티렌계 중합체 또는 스티렌계 공중합체를 제조하기 위한 중합 반응기인 것을 특징으로 하는 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서, 액의 흐름방향의 길이(l)와 직경(d)의 비가 1.1∼15인 것을 특징으로 하는 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 교반날개가 평판 패들 날개 또는 경사 패들 날개, 또는 직사각형, 마름모형, 장방형 또는 타원형의 판, 또는 상하 면을 깎은 둥근 봉 또는 단면이 삼각형의 봉, 또는 이것들이 트위스트, 경사 또는 테이퍼를 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 식에서의 D/H가 0.1∼0.6인 것을 특징으로 하는 반응기.
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