KR100834068B1

KR100834068B1 - 튜브 열 반응기

Info

Publication number: KR100834068B1
Application number: KR1020060083258A
Authority: KR
Inventors: 박상규; 양희천; 라병열
Original assignee: 전남대학교산학협력단; 주식회사 신성플랜트
Priority date: 2006-08-31
Filing date: 2006-08-31
Publication date: 2008-06-02
Also published as: KR20080020166A

Abstract

본 발명은 튜브 열 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 내부에 열매체가 흐르는 튜브가 반응기의 내부에 교차 배치되어 열매체와 반응물 사이의 열교환이 잘 이루어지고 반응물의 혼합이 잘 이루어질 뿐만 아니라 반응기 내에서의 온도 구배가 작은 튜브 열 반응기에 관한 것이다.

본 발명에 따른 튜브 열 반응기는, 일단부에 구비된 입구에서 반응물이 유입되어 타단부에 구비된 출구로 배출되는 관형상의 하우징과, 각각 유입구로 유입된 열매체가 유출구로 배출되게 흐르고 그 열매체와 상기 하우징 내부의 반응물 사이에 열교환이 이루어지도록 상기 하우징의 내부에 배관된 수개의 튜브가 포함된 튜브 열 반응기에 있어서, 상기 하우징은 단면 형상이 중심선에 대하여 대칭이고, 상기 하우징의 일단부 또는 타단부에는 열매체 유입 헤더와 열매체 유출 헤더가 대칭되게 형성되고, 상기 튜브 각각은 유입구가 상기 열매체 유입 헤더에 연결되어 상기 하우징의 길이 방향에 대하여 일정 각도를 갖도록 경사지게 왕복으로 굽혀져 상기 하우징의 타단부까지 연장되게 배관되는 제1연장배관부와, 상기 제1연장배관부가 끝나는 상기 하우징의 타단부에서 굽혀져 방향이 전환되는 연결배관부와, 상기 제1연장배관부와 반대방향으로 경사지게 왕복으로 굽혀지고 상기 제1연장배관부와는 교차되게 상기 하우징의 타단부로부터 상기 하우징의 일단부까지 연장되게 배관되어 유출구가 상기 열매체 유출 헤더에 연결되는 제2연장배관부를 갖도록 상기 하우징의 내부에 배관되는 것을 특징으로 한다.

반응기, 열교환

Description

튜브 열 반응기{TUBE THERMAL REACTOR}

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기를 도시한 단면도

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기를 도시한 단면도

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기의 튜브를 도시한 사시도

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기의 길이 방향에 따른 온도 구배를 도시한 그래프

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기가 연결된 장치의 일례를 도시한 구성도

<주요 도면부호에 대한 간단한 설명>

R 반응기

10 하우징

11 본체

12 입구

13 출구

14a 열매체 유입 헤더

14b 열매체 유출 헤더

20 튜브

21 제1연장배관부

21a 유입구

22 열결배관부

23 제2연장배관부

23a 유출구

T1,T2 반응물 저장 탱크

P 반응물 이송 펌프

일반적으로 반응기는 내부로 유입된 반응물의 반응을 촉진시키기 위하여 반응물에 열을 가하고 믹싱하는 장치이다.

일반적으로 반응기에 열을 가하기 위하여는 통상 반응기에 열재킷으로 둘러싸거나 반응기 내부에 열매체가 지나는 튜브를 배관하여 반응기 내부에 수용된 반응물을 가열한다.

또한, 일반적으로 반응기 내부에 수용된 반응물 내에서의 온도 구배를 줄이 고 반응물끼리의 혼합을 위하여 반응기 내부에는 반응물 혼합 수단이 구비되는데, 통상 반응물이 반응기 내부를 흐르는 경우에는 반응기 내부에 반응물이 충돌되면서 혼합되도록 혼합 엘리먼트가 설치된다.

그러나, 상기와 같이 반응기 내부에 튜브를 배관하고 혼합 엘리먼트를 설치하는 경우에는 그 구조가 복잡하고 열교환이 충분히 이루어지지 않는다.

또한, 열교환으로 가열된 반응물 사이에는 반응기의 단면방향이나 길이방향으로 온도 구배가 발생되기 때문에 반응물의 반응 조건이 반응기 내부의 위치에 따라 달라지게 된다.

본 발명은 상기와 같은 점을 인식하여 안출된 것으로 본 발명의 목적은 내부에 열매체가 흐르는 튜브가 반응기의 내부에 교차 배치되어 열매체와 반응물 사이의 열교환이 잘 이루어지고 반응물의 혼합이 잘 이루어질 뿐만 아니라 반응기 내에서의 온도 구배가 작은 튜브 열 반응기를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 위하여 본 발명에 따른 튜브 열 반응기는, 일단부에 구비된 입구에서 반응물이 유입되어 타단부에 구비된 출구로 배출되는 관형상의 하우징과, 각각 유입구로 유입된 열매체가 유출구로 배출되게 흐르고 그 열매체와 상기 하우징 내부의 반응물 사이에 열교환이 이루어지도록 상기 하우징의 내부에 배관된 수개의 튜브가 포함된 튜브 열 반응기에 있어서, 상기 하우징은 단면 형상이 중심선에 대하여 대칭이고, 상기 하우징의 일단부 또는 타단부에는 열매체 유입 헤더와 열매체 유출 헤더가 대칭되게 형성되고, 상기 튜브 각각은 유입구가 상기 열매체 유입 헤더에 연결되어 상기 하우징의 길이 방향에 대하여 일정 각도를 갖도록 경사지게 왕복으로 굽혀져 상기 하우징의 타단부까지 연장되게 배관되는 제1연장배관부와, 상기 제1연장배관부가 끝나는 상기 하우징의 타단부에서 굽혀져 방향이 전환되는 연결배관부와, 상기 제1연장배관부와 반대방향으로 경사지게 왕복으로 굽혀지고 상기 제1연장배관부와는 교차되게 상기 하우징의 타단부로부터 상기 하우징의 일단부까지 연장되게 배관되어 유출구가 상기 열매체 유출 헤더에 연결되는 제2연장배관부를 갖도록 상기 하우징의 내부에 배관되는 것을 특징으로 한다.

이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 튜브 열 반응기를 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기를 도시한 단면도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기를 도시한 단면도이며, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기의 튜브를 도시한 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기의 길이 방향에 따른 온도 구배를 도시한 그래프이며, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기가 연결된 장치의 일례를 도시한 구성도이다.

상기 하우징(10)은 내부로 반응물이 유입되어 소정의 반응이 이루어진 다음 배출되기 위한 케이스로서 관형상으로 형성된다. 도면에는 상기 하우징(10)이 사각형의 관체로 형성된 본체(11)와, 상기 본체(11)의 일측 단부에 구비된 입구(12)와, 상기 본체(11)의 타측 단부에 구비된 출구(13)를 갖도록 형성된 예가 도시되어 있다. 본 발명은 상기 하우징(10)의 내부에는 튜브(20)가 구불구불하게 배관된다. 상기 하우징의 일측 단부에 구비된 입구(12)로 유입되어 타측 단부에 구비된 출구(13)로 배출되는 반응물은 튜브(20)에 충돌되면서 혼합되고, 상기 튜브(20)의 내부를 흐르는 열매체와 열교환되어 가열된다.

한편, 본 발명은 상기 하우징(10)의 내부에서 위치에 따른 온도 차이, 즉 온도 구배가 발생되지 않도록 형성되는 것이 바람직하다. 따라서 상기 하우징(10)은 원형, 사각형과 같이 단면 형상이 중심선에 대하여 대칭적으로 형성된다. 도면에는 상기 하우징(10)의 본체(11)의 단면 형상이 정사각형인 예가 도시되어 있다. 또한, 상기 하우징(10)의 내부에서 온도 구배가 발생되지 않도록 상기 튜브(20)는 상기 하우징(10)의 내부에 대칭적으로 배관되는 것이 바람직하다.

상기 하우징(10)의 일측 단부에는 상기 튜브(20) 각각으로 열매체가 고르게 분배되어 유입되도록 상기 튜브(20) 각각의 유입구(21a)가 연결되기 위한 열매체 유입 헤더(14a)가 구비되고, 그 대칭되는 위치에 상기 튜브(20)의 내부를 지난 열매체가 모여 배출되도록 상기 튜브(20) 각각의 유출구(23a)가 연결되기 위한 열매체 유출 헤더(14b)가 구비된다.

상기 튜브(20)는 각각 열매체가 유입구(21a)로 유입되어 유출구(23a)로 배출되게 흐르고 그 열매체와 상기 하우징(10) 내부의 반응물 사이에 열교환이 이루어지도록 상기 하우징(10)의 내부에 배관된다. 상기 튜브(20) 각각의 유입구(21a)와 유출구(23a)는 각각 상기 하우징(10)의 일측 단부에 구비된 열매체 유입 헤더(14a)와 열매체 유출 헤더(14b)에 연결된다. 본 발명은 상기 튜브(20)가 상기 하우 징(10)의 내부에서 길이방향으로 왕복되게 배관되어 상기 하우징(10)의 내부에서 길이방향으로의 온도 구배를 줄 일 수 있는 구조를 특징으로 한다. 즉, 상기 튜브(20)의 유입구(21a)와 유출구(23a)가 상기 하우징(10)의 길이 방향으로 일측 단부에 위치되고, 상기 튜브(20)는 상기 하우징(10)의 내부에서 그 길이방향으로 일측 단부에서 타측 단부로 제1연장배관부(21)가 연장되었다가 그 타측 단부에서 연결배관부(22)로 방향이 전환되어 다시 제2연장배관부(23)가 일측 단부로 연장되게 배관되어 상기 하우징(10)의 길이 방향으로의 온도 구배를 없애는 것을 특징으로 한다. 도 4의 그래프를 참조하면, 상기 하우징(10)의 일측 단부(P1)에서 상기 튜브(20)의 유입구(21a)로 유입되어 배출되는 열매체는 상기 하우징(10) 내부의 반응물과 열교환되면서 유입구(21a)에서의 온도(T_H), 연결배관부(22)에서의 온도(T_M) 및 유출구(23a)에서의 온도(T_L) 순서로 냉각되어 배출된다. 이에 따라 상기 하우징(10)의 내부에는 제1연장배관부(21)의 내부를 흐르는 열매체와의 열교환에 의한 온도 구배(ΔT_H)가 발생되고, 상기 제2연장배관부(23)의 내부를 흐르는 열매체와의 열교환에 의한 온도 구배(ΔT_L)가 발생된다. 그러나, 본 발명은 상기 제1연장배관부(21)와 제2연장배관부(23)가 상기 하우징(10)의 길이 방향으로 왕복으로 배관되기 때문에 상기 하우징(10)의 길이 방향의 각 위치에서의 온도는 평균 온도(T_M)으로 수렴되어 전체적으로 하우징(10)의 길이 방향으로의 온도 구배가 발생되지 않게 된다.

한편, 본 발명은 상기 튜브(20)가 상기 하우징(10)의 내부에서 구불구불하게 배관되어 상기 하우징(10)의 내부를 흐르는 반응물이 튜브(20)에 충돌되면서 혼합되도록 구성된 것을 특징으로 한다. 즉, 본 발명은 상기 튜브(20)가 반응기의 믹싱 엘리먼트의 기능을 수행하게 된다. 특히, 본 발명은 상기 튜브(20)의 내부를 흐르는 열매체와 열교환된 반응물이 열교환과 동시에 불규칙하게 유동되면서 혼합되기 때문에 열교환시 국지적으로 발생되는 온도 구배를 최소화시킬 수 있게 된다. 아울러, 본 발명은 상기 튜브(20)가 구불구불하게 배관됨으로써 배관의 길이가 길어지게 되어 열교환 면적을 최대한 확보할 수 있는 장점을 갖는다.

도면을 참조하면, 상기 튜브(20)는 각각 유입구(21a)가 상기 열매체 유입 헤더(14a)에 연결되어 상기 제1연장배관부(21)가 상기 하우징(10)의 길이 방향에 대하여 일정 각도를 갖도록 경사지게 왕복으로 굽혀져 구불구불하게 상기 하우징(10)의 타단부까지 연장되어 배관된다. 상기 제1연장배관부(21)가 끝나는 상기 하우징(10)의 타단부에서 상기 튜브(20)는 굽혀져 방향이 전환되는 연결배관부(22)를 갖는다. 상기 연결배관부(22)에 의해 방향이 전환되어 상기 제2연장배관부(23)는 상기 하우징(10)의 타측 단부에서 일측 단부까지 연장되는데 상기 제1연장배관부(21)에 의해 발생된 온도 구배를 상쇄되도록 상기 제2연장배관(23)는 상기 제1연장배관부(21)와는 대칭적인 형상으로 구불구불하게 배관된다. 즉, 상기 제2연장배관부(23)는 상기 제1연장배관부(21)와 반대방향으로 경사지게 왕복으로 굽혀져 구구불하게 상기 하우징(10)의 타단부로부터 상기 하우징(10)의 일단부까지 연장되어 배관된다. 이에 따라 상기 제1연장배관부(21)와 제2장배관부(22)는 서로 대칭적으 로 교차되게 배관되며 그에 따라 온도 구배를 최소화시킬 수 있게 된다. 물론 상기 연장배관부(21)와 제2연장배관부(22)가 동일한 공간을 점유하지 못하고 서로 교차되게 배관됨으로써 국부적인 온도 구배가 상기 하우징(10)의 단면방향으로 발생되나 이는 극히 미미하고, 상기 튜브(20)의 개수를 증가시킴으로써 상기 하우징(10)의 단면방향으로의 온도 구배를 무시할 만한 수준으로 보상할 수 있게 된다. 상기 하우징(10)의 타측 단부로부터 일측 단부까지 연장된 제2연장배관부(23)의 유출구(23a)는 상기 열매체 유출 헤더(14b)에 연결된다.

한편, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 튜브 열 반응기(R)가 연결된 장치의 일례를 도시한 구성도이다. 도면을 참조하면 본 발명에 따른 튜브 열 반응기(R)는 반응물 저장 탱크(T1,T2) 사이에 연결되어, 반응물은 반응물 이송 펌프(P)에 의해 제1반응물 저장 탱크(T1)로부터 반응기(R) 내부로 공급되어 반응을 거친 다음 제2반응물 저장 탱크(T2)로 배출된다.

상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 튜브 열 반응기는 내부에 열매체가 흐르는 튜브가 반응기의 내부에 교차 배치되어 열매체와 반응물 사이의 열교환이 잘 이루어지고 반응물의 혼합이 잘 이루어질 뿐만 아니라 반응기 내에서의 온도 구배가 작은 장점을 갖는다.

앞에서 설명되고 도면에 도시된 튜브 열 반응기는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.

Claims

일단부에 구비된 입구에서 반응물이 유입되어 타단부에 구비된 출구로 배출되는 관형상의 하우징과, 각각 유입구로 유입된 열매체가 유출구로 배출되게 흐르고 그 열매체와 상기 하우징 내부의 반응물 사이에 열교환이 이루어지도록 상기 하우징의 내부에 배관된 수개의 튜브가 포함된 튜브 열 반응기에 있어서,

상기 하우징은 단면 형상이 중심선에 대하여 대칭이고,

상기 하우징의 일단부 또는 타단부에는 열매체 유입 헤더와 열매체 유출 헤더가 대칭되게 형성되고,

상기 튜브 각각은 유입구가 상기 열매체 유입 헤더에 연결되어 상기 하우징의 길이 방향에 대하여 일정 각도를 갖도록 경사지게 왕복으로 굽혀져 상기 하우징의 타단부까지 연장되게 배관되는 제1연장배관부와, 상기 제1연장배관부가 끝나는 상기 하우징의 타단부에서 굽혀져 방향이 전환되는 연결배관부와, 상기 제1연장배관부와 반대방향으로 경사지게 왕복으로 굽혀지고 상기 제1연장배관부와는 교차되게 상기 하우징의 타단부로부터 상기 하우징의 일단부까지 연장되게 배관되어 유출구가 상기 열매체 유출 헤더에 연결되는 제2연장배관부를 갖도록 상기 하우징의 내부에 배관되는 것을 특징으로 하는 튜브 열 반응기.