KR101147926B1

KR101147926B1 - 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치

Info

Publication number: KR101147926B1
Application number: KR1020110126638A
Authority: KR
Inventors: 이제환
Original assignee: 주식회사 제일플랜트
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2012-05-24

Abstract

본 발명은 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치에 관한 것으로, 특히 단일의 열교환매체를 이용하여 화학공정 반응기 내부의 온도를 조절할 수 있음은 물론, 가열 싸이클과 냉각 싸이클이 서로 분리되어 있어서 반응기 내부의 온도를 높이거나 낮추는 동작 변경이 신속하게 이루어지는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치에 관한 것이다.
또한, 이상과 같이 본 발명은 가열 싸이클과 냉각 싸이클이 서로 분리되어 있으므로 냉각 싸이클이 동작하고 있는 동안에도 상기 냉각 싸이클에 의해 영향을 받지 않는 가열 싸이클을 동작시켜 열교환매체를 예열시켜 놓음으로써 반응기 가열시에는 가열 시간을 단축시킬 수 있는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치에 관한 것이다.

Description

가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치{Heating and cooling cycle isolated type temperature control apparatus for chemical reactor}

본 발명은 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단일의 열교환매체를 이용하여 화학공정 반응기 내부의 온도를 조절할 수 있음은 물론, 가열 싸이클과 냉각 싸이클이 서로 분리되어 있어서 반응기 내부의 온도를 높이거나 낮추는 동작 변경이 신속하게 이루어지는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치에 관한 것이다.

또한, 이상과 같이 본 발명은 가열 싸이클과 냉각 싸이클이 서로 분리되어 있으므로 냉각 싸이클이 동작하고 있는 동안에도 상기 냉각 싸이클에 의해 영향을 받지 않는 가열 싸이클을 동작시켜 열교환매체를 예열시켜 놓음으로써 반응기 가열시에는 가열 시간을 단축시킬 수 있는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치에 관한 것이다.

일반적으로, 제약 플랜트 또는 정밀화학 플랜트 등에서의 화학적 합성반응 공정은 전체적으로 설비의 수동조작에서 반자동화를 거쳐 자동화단계로 가고 있는 추세에 있으며, 이를 통해 시험생산 및 대량생산에서 생산 효율을 증대시키고 있다.

따라서, 자동화시 화학공정 반응기(chemical reactor) 내부의 온도를 특정 화학 반응에 적합한 최적의 온도로 유지함으로써 균일한 생성물을 생산하고, 생산효율을 증대시키며, 품질의 안정을 위해서 반응 온도를 정밀하게 제어해 줄 필요가 있다.

이에, 한국등록특허 제550470호 '화학공정 반응기용 단일매체를 이용한 온도조절장치'는, 도 1에 도시된 바와 같이 유입구(1a) 및 유출구(1b)를 가지며 반응기(100)의 표면에 설치되는 자켓(1)과, 오일을 자켓(1)에 공급하는 확장용기(2)와, 자켓(1)에서 배출된 오일이 순환하여 자켓(1)으로 재유입되도록 순환 경로를 제공하는 오일 순환라인(3)을 포함하였다.

또한, 오일 순환라인(3)에 설치되어 확장용기(2)에서 공급된 오일을 송출하기 위한 모터펌프(4)와, 반응 물질의 온도 증가를 위해 오일을 가열하여 자켓(1)에 공급하는 전기 히터(5)와, 반응 물질의 온도 감소를 위해 각각 오일을 냉각시켜 자켓(1)에 공급하는 제1 및 제2 열교환기(6, 7)를 포함하였다.

또한, 전기 히터(5), 제1 및 제2 열교환기(6, 7)를 거친 오일의 이동경로를 선택적으로 제어하는 메인 3방향 밸브(8)와, 오일순환라인(3)의 유입측 라인과 배출측 라인상에 각각 설치되어 순환하는 오일의 온도를 감지하는 제1 및 제2 오일 온도센서(9, 10)와, 제1 및 제2 오일 온도센서(9, 10)로부터 감지신호를 입력받아 전기 히터(5)의 가동과 메인 3방향 밸브(8)의 개폐를 제어하는 온도 콘트롤 유니트(11)을 포함하였다.

따라서, 전기 히터(5)를 통과하면서 가열된 오일이 자켓(1) 내부를 순환하도록 공급하여 반응기(100) 내부의 온도를 높이고, 반응기(100) 내부의 온도를 낮추려면 정상속도 냉각용의 제1 열교환기(6)나 급속 냉각용의 제2 열교환기(7)를 통과하면서 냉각된 오일을 가동 중지된 전기 히터(5)를 통해 자켓(1)으로 공급하였다.

그러나, 이상과 같은 종래기술은 전기 히터(5)를 포함한 가열 싸이클과, 제1 열교환기(6)나 제2 열교환기(7)를 포함한 냉각 싸이클이 서로 독립적으로 분리되어 있지 않아서, 냉각된 오일을 자켓(1)으로 공급시 전기 히터(5)를 필수적으로 통과하므로 전기 히터(5)에 잔존하는 잠열에 의해 냉각된 오일이 다시 가열되므로 반응기(100)의 온도 조절이 어렵고, 에너지 효율이 매우 나쁘다는 문제점이 있었다.

또한, 잠열이 잔존하는 전기 히터(5)를 통과하여 냉각된 오일을 공급하면 그 냉각된 오일이 원치 않게 재가열되어 온도가 높아지므로 반응기(100) 온도를 낮추려면 시간이 오래 걸리고, 전기 히터(5)의 잠열이 완전 소실될 때까지 대기하였다가 냉각 오일을 공급하면 에너지 효율이 낮아지는 것은 방지할 수 있지만 이 경우에도 반응기(100) 온도를 낮추는데 오랜 시간이 걸린다는 문제점이 있었다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 단일의 열교환매체를 이용하여 화학공정 반응기 내부의 온도를 조절할 수 있음은 물론, 가열 싸이클과 냉각 싸이클이 서로 분리되어 있어서 반응기 내부의 온도를 높이거나 낮추는 동작 변경이 신속하게 이루어지는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치를 제공하고자 한다.

또한, 본 발명은 냉각 싸이클이 동작하고 있는 동안에도 상기 냉각 싸이클에 의해 영향을 받지 않는 가열 싸이클을 동작시켜 열교환매체를 예열시켜 놓음으로써 반응기 가열시에는 가열 시간을 단축시킬 수 있는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치를 제공하고자 한다.

이를 위해, 본 발명에 따른 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치는, 화학공정 반응기의 표면을 둘러싸도록 설치되어 상기 반응기 내부에 충전된 반응물과 내부를 순환하는 열교환매체의 열교환을 통해 상기 반응물의 온도를 조절하는 반응기용 자켓(jacket)과; 상기 반응기 내부에 충전된 반응물의 온도를 낮출 경우, 상기 자켓에 공급되는 열교환매체를 냉각시켜 공급하는 냉각장치와; 상기 반응기 내부에 충전된 반응물의 온도를 높일 경우, 상기 자켓에 공급되는 열교환매체를 가열시켜 공급하는 가열장치와; 상기 열교환매체를 순환시키는 순환 펌프와; 상기 열교환매체가 상기 냉각장치와, 순환 펌프 및 자켓만을 순환하도록 연결된 냉각 싸이클 라인과; 상기 열교환매체가 상기 가열장치와, 순환 펌프 및 자켓만을 순환하도록 연결된 가열 싸이클 라인과; 공통입력단은 상기 자켓의 열교환매체 유출구에 연결되고, 제1출력단은 상기 냉각 싸이클 라인을 통해 냉각장치에 연결되고, 제2출력단은 상기 가열 싸이클 라인을 통해 가열장치에 연결된 메인 3방향 밸브; 및 상기 순환 펌프와, 메인 3방향 밸브의 개폐 방향과, 가열장치 및 냉각장치를 제어하는 제어기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 반응기 내부의 온도를 측정하는 반응기 온도센서와 상기 자켓으로 공급되는 열교환매체의 온도를 직접 측정하는 매체 온도센서를 더 포함하되, 상기 제어기는 상기 반응기 온도센서와 매체 온도센서의 온도 검출값에 따라 상기 메인 3방향 밸브의 개폐 방향을 제어하고, 상기 메인 3방향 밸브를 통해 열교환매체를 공급받는 상기 가열장치 또는 냉각장치의 가동을 제어하는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치.

또한, 상기 가열장치와 냉각장치 중 상기 자켓으로부터 더 멀리 이격 설치된 장치에는 순환 보조 펌프가 설치되어 상기 열교환매체의 순환을 보조하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 순환 펌프의 입력측에 연결된 분기관과, 상기 분기관에 설치된 조절 밸브 및 상기 조절밸브를 통해 상기 분기관에 연결된 열교환매체 교체 펌프를 더 포함하여, 상기 조절밸브를 열고 상기 열교환매체 교체 펌프를 정방향 또는 역방향으로 구동시키면 상기 열교환매체가 외부로 배출되거나 외부로부터 공급되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 가열장치는 상기 제어기에 의해 제어되는 전기 히터이고, 상기 냉각장치는 냉각수와 상기 열교환매체의 열교환에 의해 상기 열교환매체의 온도를 낮추는 열교환기식 냉각장치인 것이 바람직하다.

또한, 공통입력단은 상기 가열장치의 열교환매체 출력단에 연결되고, 제1출력단은 상기 가열장치(130)의 열교환매체 입력단에 연결되며, 제2출력단은 상기 냉각 싸이클 라인을 통해 상기 자켓의 열교환매체 입력단에 연결된 예열용 3방향 밸브를 더 포함하는 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따른 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치는 메인 3방향 밸브에 의해 열교환매체가 가열 싸이클이나 냉각 싸이클 중 어느 하나를 따라 유동하므로 단일의 열교환매체를 이용하여 화학공정 반응기 내부의 온도를 조절할 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 가열 싸이클과 냉각 싸이클이 서로 분리되어 있어서 가열 싸이클이 냉각 싸이클에 영향을 미치지 않으므로 반응기 내부의 온도를 높이거나 낮추는 동작 변경이 신속하게 이루어지고 정밀한 제어를 가능하게 한다.

또한, 본 발명은 가열 싸이클과 냉각 싸이클이 서로 분리되어 있어서 냉각 싸이클이 동작하고 있는 동안에도 상기 냉각 싸이클에 의해 영향을 받지 않는 가열 싸이클을 동작시켜 열교환매체를 예열시켜 놓을 수 있으므로, 반응기 가열시에는 가열 시간을 단축시킬 수 있게 한다.

도 1은 종래 기술에 따른 화학공정 반응기용 단일매체를 이용한 온도조절장치를 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치의 제1 동작 상태도이다.
도 3은 본 발명에 따른 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치의 제2 동작 상태도이다.
도 4는 본 발명에 따른 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치의 제3 동작 상태도이다.
도 5는 본 발명에 따른 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치의 제4 동작 상태도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치에 대해 상세히 설명한다.

단, 이하에서 설명할 '열교환매체'로는 인체에 무해한 알킬벤젠이나 실리콘 오일 등을 사용하는 것이 바람직한데, 이러한 단일의 열교환매체를 사용하면 반응 온도범위를 기존보다 넓게 형성할 수 있어서 다양한 반응생성물을 얻을 수 있고, 음식물 제조공정이나 임상물 실험 제조공정에도 적용할 수 있다.

도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명은 화학공정 반응기(110)를 가열하거나 냉각시키는 자켓(111)과, 상기 자켓(111)에 공급될 열교환매체를 냉각시키는 냉각장치(120)와, 상기 자켓(111)에 공급될 열교환매체를 가열하는 가열장치(130)와, 열교환매체를 순환시키는 순환 펌프(140) 및 열교환매체가 가열장치(130)를 통해 자켓(111)으로 공급되도록 하거나 냉각장치(120)를 통해 자켓(111)으로 공급되도록 방향을 전환시키는 메인 3방향 밸브(150)를 포함한다.

따라서, 반응기(110)를 가열하는 경우에는 가열장치(130), 순환 펌프(140) 및 자켓(111)을 연결한 가열 싸이클(heating cycle)을 따라 열교환매체를 순환시킴으로써 가열장치(130)에 의해 가열된 열교환매체가 자켓(111)에 공급되게 한다. 반면, 반응기(110)를 냉각시키는 경우에는 냉각장치(120), 순환 펌프(140) 및 자켓(111)을 연결한 냉각 싸이클(cooling cycle)을 따라 열교환매체를 순환시킴으로써 냉각장치(120)에 의해 냉각된 열교환매체가 자켓(111)에 공급되게 한다.

특히, 본 발명은 열교환매체가 가열장치(130)와 냉각장치(120) 모두를 통과하지 않도록 가열 싸이클과 냉각 싸이클이 서로 분리되어 있어서, 냉각장치(120)에 의해 냉각된 열교환매체가 가열장치(130)를 통과하는 과정에서 가열장치(130)에 잔존하는 잠열에 의해 원치않게 재가열되는 것을 방지하므로 반응기(110)의 온도를 신속하고 정말하게 제어한다.

물론, 가열장치(130)에 의해 가열된 열교환매체가 냉각장치(120)를 통과하는 과정에서 열을 빼앗기는 일도 없게 한다.

또한, 바람직하게는 반응기(110) 내부의 온도를 측정하는 반응기 온도센서(111c)와 자켓(111)으로 공급되는 열교환매체의 온도를 직접 측정하는 매체 온도센서(111d)를 더 포함하여, 이들 온도센서(111c, 111d)에서 측정한 온도값을 이용하여 공급될 열교환매체의 온도를 정밀하게 제어한다.

또한, 바람직하게는 가열장치(130) 측에 설치된 3방향 밸브(150a)를 이용하여 냉각 싸이클이 동작하고 있는 동안에도 가열 싸이클을 독립적으로 작동시켜 열교환매체를 예열시켜 놓음으로써 반응기(110)를 가열시킬 경우 그 가열 시간을 단축시킬 수 있게 한다.

좀더 구체적으로, 반응기(110)는 그 내부에 화학 반응을 일으키는 반응 물질이 충전되어 제약 플랜트 또는 정밀화학 플랜트 등에서 화학적 합성반응 생성물을 시험생산 또는 대량생산하는 것으로, 그 내부에는 유화기 등이 설치될 수 있으며, 자켓(111)에 의해 화학반응이 최적의 상태로 일어나는 온도가 되도록 자동으로 내부의 온도가 조절된다.

자켓(jacket)(111)은 화학공정 반응기(110)의 표면을 둘러싸도록 밀착 설치되어, 반응기(110) 내부에 충전된 반응물과 당해 자켓(111) 내부를 순환하는 열교환매체 사이에 열교환이 이루어지도록 하여, 상기 반응기(110) 내부에 충전된 반응물의 화학 반응 온도를 조절한다.

이를 위해, 자켓(111)은 보통 내부에 열교환매체가 유동할 수 있는 공간부를 가지면서 반응기(110)의 표면을 덮을 수 있도록 얇은 물 주머니 형상으로 이루어지되, 일단에는 열교환매체가 유입되는 유입구(111a)가 설치되고, 타단에는 유출구(111b)가 설치된다.

또한, 유입구(111a)에는 매체 공급관(112)이 연결되고, 유출구(111b)에는 회수관(113)이 연결되어 있어서, 매체 공급관(112)을 통해 자켓(111) 내부로 공급된 열교환매체는 회수관(113)을 통해 가열장치(130)나 냉각장치(120)로 회수되어 다시 가열 또는 냉각된다.

냉각장치(120)는 반응기(110) 내부에 충전된 반응물의 온도를 낮출 경우, 상기 자켓(111)에 공급되는 열교환매체를 냉각시켜 공급하는 것으로, 일 예로 도시한 바와 같이 냉각기나 냉각탑(미도시) 등으로부터 제공되는 냉각수와 상기 열교환매체의 열교환에 의해 열교환매체의 온도를 낮추는 열교환기식 냉각장치(120)가 사용될 수 있다.

이를 위해, 냉각장치(120)는 일측에 열교환매체가 유입되는 열교환매체 유입구(121)와 유출구(122)가 각각 구비되어 있고, 타측에는 상기 냉각기나 냉각탑으로부터 공급되는 냉각수 유입구(123)와 유출구(124)가 각각 구비되어 있어서, 당해 냉각장치(120) 내부로 유입된 열교환매체와 냉각수 사이에 열교환이 이루어지도록 하여 열교환매체의 온도를 낮춘다. 열교환식 냉각장치(120)는 판형 열교환기를 비롯하여 다양한 타입의 열교환기가 사용될 수 있다.

가열장치(130)는 반응기(110) 내부에 충전된 반응물의 온도를 높일 경우, 상기 자켓(111)에 공급되는 열교환매체를 가열시켜 공급하는 것으로, 일 예로 도시한 바와 같이 온도 조절 및 감시가 비교적 용이한 전기 히터가 사용될 수 있다.

가열장치(130)로서 전기 히터를 사용하는 경우 제어기(170)의 제어하에 전원선(131)으로부터 전원을 공급받고, 제어기(170)에 의해 온도 제어기(132)를 조절하여 전기 히터의 온도를 정밀하게 조절한다.

순환 펌프(140)는 열교환매체를 순환시키는 것으로, 열교환매체가 자켓(111)과 가열장치(130)를 순환하도록 하거나, 열교환매체가 자켓(111)과 냉각장치(120)를 순환하도록 한다.

이러한 순환 펌프(140)는 입력단(141)과 출력단(142)을 각각 구비하여 작동시 입력단(141)으로 유입된 열교환매체를 펌핑하여 출력단(142)으로 배출시킴으로써 열교환매체를 강제순환시킨다.

메인 3방향 밸브(150)는 열교환매체가 냉각장치(120)를 통해 냉각된 후 자켓(111)으로 공급되도록 하거나 혹은 열교환매체가 가열장치(130)를 통해 가열된 후 자켓(111)으로 공급되도록 열교환매체의 유동 방향을 변환시키는 것이다.

이를 위해, 메인 3방향 밸브(150)의 공통입력단(Nc)은 회수관(113)을 통해 자켓(111)의 열교환매체 유출구(111b)에 연결되고, 제1출력단(N1)은 냉각 싸이클 라인(Pcool)을 통해 냉각장치(120)에 연결되고, 제2출력단(N2)은 가열 싸이클 라인(Phot)을 통해 가열장치(130)에 연결된다.

따라서, 제1출력단(N1)은 열고 제2출력단(N2)은 닫으면, 자켓(111)의 유출구(111b)를 통해 회수된 열교환매체가 제1출력단(N1)을 통해 냉각장치(120)로 공급됨으로써 열교환매체가 재냉각된 후 다시 자켓(111)으로 공급된다.

반면, 제1출력단(N1)은 닫고 제2출력단(N2)은 열면, 자켓(111)의 유출구(111b)를 통해 회수된 열교환매체가 제2출력단(N2)을 통해 가열장치(130)로 공급됨으로써 열교환매체가 재가열된 후 다시 자켓(111)으로 공급된다.

냉각 싸이클 라인(Pcool)과 가열 싸이클 라인(Phot)은 열교환매체가 순환하는 순환관(pipe)으로써, 냉각 싸이클 라인(Pcool)은 메인 3방향 밸브(150)에 의해 열교환매체가 냉각장치(120)와, 순환 펌프(140) 및 자켓(111) 만을 순환하도록 배관되고, 가열 싸이클 라인(Phot)은 메인 3방향 밸브(150)에 의해 열교환매체가 가열장치(130)와, 순환 펌프(140) 및 자켓(111) 만을 순환하도록 배관된다.

즉, 본 발명은 메인 3방향 밸브(150)에 연결된 냉각 싸이클 라인(Pcool)과 가열 싸이클 라인(Phot)이 서로 분리(isolated)되도록 각각 독립적으로 배관한다. 따라서, 종래에는 열교환매체를 냉각하여 자켓(도 1의 1 참조)에 공급하는 과정에서 가열장치(도 1의 5 참조)를 경유하도록 구성되어 있어서 상기 가열장치(5)에 잔존하는 잠열에 의해 기껏 냉각시킨 열교환매체가 다시 가열되거나, 잠열이 제거될 때까지 장시간 대기하였다가 열교환매체를 공급해야 하는 문제점 등을 해결한다.

제어기(170)는 순환 펌프(140)와, 메인 3방향 밸브(150)의 개폐 방향과, 가열장치(130) 및 냉각장치(120)의 제어를 비롯한 장치의 전반적인 제어를 담당한다. 이러한 제어기(170)는 일 예로서 연산처리 및 명령전달을 위한 마이크로프로세서와 각종 누름 버튼 등을 포함한 제어 판넬로 이루어질 수 있다.

한편, 본 발명은 이상과 같은 구성들 이외에 반응기(110) 내부의 온도를 측정하는 반응기 온도센서(111c)와 매체 공급관(112)이 연결되어 자켓(111)으로 공급되는 열교환매체의 온도를 직접 측정하는 매체 온도센서(111d)를 더 포함하는데, 이 반응기 온도센서(111c)와 매체 온도센서(111d)는 각각 반응기(110) 내부의 온도와 열교환매체의 온도를 측정하여 제어기(170)로 제공한다.

따라서, 제어기(170)는 반응기 온도센서(111c)의 온도 검출값에 따라 메인 3방향 밸브(150)의 개폐 방향을 제어하고, 아울러 메인 3방향 밸브(150)를 통해 열교환매체를 공급받는 가열장치(130) 또는 냉각장치(120)의 가동을 제어하게 된다.

예컨대, 반응기 온도센서(111c)에서 검출한 자켓(111)의 온도가 반응기(110) 내부에 충전된 반응 물질을 최적의 상태(수율 및 품질 확보 등)로 반응시키기 위해 필요한 온도보다 낮은 경우 제어기(170)는 메인 3방향 밸브(150)의 제2출력단(N2)을 개방시키고 가열장치(130)를 가동시킨다.

반면, 반응기 온도센서(111c)에서 검출한 자켓(111)의 온도가 반응기(110) 내부에 충전된 반응 물질을 최적의 상태로 반응시키기 위해 필요한 온도보다 높은 경우 제어기(170)는 메인 3방향 밸브(150)의 제1출력단(N1)을 개방시키고 냉각장치(120)를 가동시킨다.

나아가, 이상과 같이 반응기(110) 내부의 온도를 확인하면서 제어기(170)가 가열장치(130) 또는 냉각장치(120)의 가동을 제어함에 있어서, 매체 온도센서(111d)를 통해 현재 공급중인 열교환매체의 온도를 실시간으로 확인할 수 있으므로, 가열장치(130) 또는 냉각장치(120)의 동작을 더욱 정밀하게 제어하여 반응기(110) 내부의 온도를 신속하면서도 정밀하게 조절할 수 있게 한다.

또한, 본 발명에서 가열장치(130)와 냉각장치(120) 중 자켓(111)으로부터 더 멀리 이격 설치된 것에 순환 보조 펌프(133)를 추가하는 것이 바람직한데, 순환 보조 펌프(133)는 열교환매체의 순환을 보조하는 것으로 열교환매체의 유동 거리가 멀어질수록 그 유동 속도가 느려지면서 자켓(111)으로 공급되는 공급량이 줄어드는 것을 방지한다.

일 예로 도시한 바와 같이, 본 발명에서는 가열장치(130)와 자켓(111) 사이의 거리가 냉각장치(120)와 자켓(111) 사이의 거리보다 멀기 때문에 가열장치(130) 근처에 순환 보조 펌프(133)를 설치하였다.

따라서, 순환 펌프(140)에 의해 가열 싸이클 라인(Phot)을 따라 유동하다가 장거리 유동에 따른 열교환매체의 유동 속도 저하가 발생하더라도 순환 보조 펌프(133)에 다시 펌핑 동작이 일어나 이를 보상하고, 자켓(111)에는 항상 일정향 양의 열교환매체가 공급되게 한다.

특히, 본 발명은 가열장치(130) 근처에 순환 보조 펌프(133)를 구비함과 동시에 예열용 3방향 밸브(150a)를 더 포함하는데, 예열용 3방향 밸브(150a)의 공통입력단(Nc)은 가열장치(130)의 열교환매체 출력단에 연결되고, 제1출력단(N1)은 가열장치(130)의 열교환매체 입력단에 연결되며, 제2출력단(N2)은 냉각 싸이클 라인(Pcool)을 통해 자켓(111)의 열교환매체 입력단에 연결되어 있다.

따라서, 공통입력단(Nc)과 제2출력단(N2)은 열고 제1출력단(N1)은 닫은 상태에서 가열장치(130)와 순환 보조 펌프(133)의 작동은 정지시켜 대기하다가, 냉각 싸이클이 동작하고 있는 동안 가열 싸이클을 독립적으로 동작시켜 열교환매체를 예열시키고자 할 경우에는 공통입력단(Nc)과 제1출력단(N1)은 열고 제2출력단(N2)은 닫은 상태에서 가열장치(130)와 순환 보조 펌프(133)를 작동시키면 반응기(110)의 가열 시간을 단축시킬 수 있게 한다.

즉, 냉각 싸이클과는 무관하게 열교한매체가 가열장치(130), 예열용 3방향 밸브(150a) 및 순환 보조 펌프(133)에 의해 형성된 폐루프를 계속하여 도는 과정에서 예열이 되고, 이와 같이 예열된 열교환매체는 냉각 싸이클이 정지된 후 개방된 제2출력단(N2)을 통해 자켓(111)으로 공급되므로, 반응기(110)를 신속하게 가열시킬 수 있게 한다.

또한, 본 발명은 열교환매체를 장시간 사용함에 따라 성능이 저하된 열교환매를 교체할 수 있는 매체 교환장치(161, 162)를 더 포함하는데, 상기 매체 교환장치(161, 162)는 교체 펌프(161) 및 교체관(162)을 포함한다. 그리고, 순환 펌프(140)의 입력측(141)에는 분기관이 연결되어 있고, 분기관에는 조절밸브(V1)가 설치되어 있으며, 교체관(162)은 조절밸브(V1)를 통해 분기관에 연결된다.

따라서, 제어기(170)에 의해 자동으로 혹은 관리자에 의해 수동으로 조절밸브(V1)를 열고 아울러 순환 펌프(140)를 정방향으로 작동시키면 냉각 싸이클 라인(Pcool)이나 가열 싸이클 라인(Phot)을 따라 순환하던 열교환매체가 분기관, 조절밸브(V1) 및 교체관(162)을 통해 외부로 배출된다.

그와 반대로, 순환 펌프(140)를 역방향으로 작동시키면 새로운 열교환매체를 흡입되어 냉각 싸이클 라인(Pcool)이나 가열 싸이클 라인(Phot)으로 공급된다.

물론, 순환 보조 펌프(133)에도 조절밸브(V2)를 설치하여 이상과 같이 열교환매체를 교환할 수 있는데, 순환 펌프(140)와 순환 보조 펌프(133)를 통해 열교환매체를 교환하면 교체 시간을 단축시킬 수 있게 한다.

또한, 냉각 싸이클 라인(Pcool)과 가열 싸이클 라인(Phot)에 잔존하는 오래된 열교환매체를 모두 제거할 수 있으므로 새로운 열교환매체와 오래된 열교환매체가 섞이면서 새로운 열교환매체가 오염되는 것을 방지할 수 있게 한다.

한편, 위에서 설명을 생략한 팽창탱크(T)는 공지된 바와 같이 냉각 싸이클 라인(Pcool)이나 가열 싸이클 라인(Phot)을 따라 유동하는 열교환매체에 급격한 압력 변화 발생시 충격을 흡수하는 것으로 이러한 팽창탱크 자체는 공지된 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직할 실시예에 따른 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치의 동작 순서에 대해 설명한다.

도 2는 본 발명이 냉각 모드로 작동하는 것을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 제어기(170)에 의해 메인 3방향 밸브(150)의 제2출력단(N2)은 닫고(close) 제1출력단(N1)은 개방(open)시킨 상태에서 순환 펌프(140) 및 냉각장치(120)를 작동시킨다.

그러면, 자켓(111) 내부를 순환한 열교환매체가 유출구(111b) 및 회수관(113)을 통해 메인 3방향 밸브(150)의 공통입력단(Nc)으로 공급되고, 메인 3방향 밸브(150)에 의해 냉각장치(120) 측으로 경로가 전환된 열교환매체가 냉각장치(120)를 통과하는 과정에서 냉각된다.

이때, 예열용 3방향 밸브(150a)의 제2출력단(N2)은 닫혀 있어서 이를 통해서는 열교한매체가 유동하지 않게 되므로, 냉각된 열교환매체는 순환 펌프(140)에 의해 매체 공급관(112) 및 유입구(111a)를 통해 자켓(111) 내부로 공급된다.

따라서, 반응기(110)를 냉각시켜 해당 반응기(110) 내부에 채워진 반응 물질이 저온에서 화학 반응을 일으킬 수 있게 한다.

이상과 같은 냉각 싸이클 작동 중, 예열용 3방향 밸브(150a)의 공통입력단(Nc)과 제1출력단(N1)은 열고 제2출력단(N2)은 닫은 상태에서 가열장치(130)와 순환 보조 펌프(133)를 작동시키면 열교환매체를 예열시키고 반응기(110)의 가열 시간을 단축시킬 수 있게 함은 위에서 이미 설명하였다.

도 3은 본 발명이 가열 모드로 작동하는 것을 나타낸 것으로, 도시된 바와 같이 제어기(170)에 의해 메인 3방향 밸브(150)의 제1출력단(N1)은 닫고 제2출력단(N2)은 개방시킨 상태에서 순환 펌프(140), 순환 보조 펌프(133) 및 가열장치(130)를 작동시킨다.

그러면, 자켓(111) 내부를 순환한 열교환매체가 유출구(111b) 및 회수관(113)을 통해 메인 3방향 밸브(150)의 공통입력단(Nc)으로 공급되고, 메인 3방향 밸브(150)에 의해 가열장치(130) 측으로 경로가 전환된 열교환매체가 순환 보조 펌프(133)에 의해 재펌핑(pumping)된 후 가열장치(130) 측으로 전송된다.

다음, 가열장치(130)인 전기 히터를 통과하는 과정에서 열교환매체가 가열되며, 가열된 열교환매체는 순환 펌프(140)에 전송되어 매체 공급관(112) 및 유입구(111a)를 통해 자켓(111) 내부로 공급된다.

따라서, 반응기(110)를 가열시켜 해당 반응기(110) 내부에 채워진 반응 물질이 고온에서 화학 반응을 일으킬 수 있게 한다.

이상과 같이, 본 발명은 도 2에 도시된 것처럼 냉각 싸이클과 가열 싸이클이 서로 분리되어 있어서 냉각 모드로 작동시 열교환매체가 냉각장치(120)만을 순환하고 가열장치(130)는 순환하지 않게 한다. 또한, 도 3에 도시된 것처럼 가열 싸이클과 냉각 싸이클 역시 서로 분리되어 있어서 가열 모드로 작동시 열교환매체가 가열장치(130)만을 순환하고 냉각장치(120)는 순환하지 않게 한다.

도 4는 본 발명이 순환 펌프(140) 및 매체 교환장치(161, 162)를 통해 열교환매체가 배출되는 것을 도시한 것이고, 도 5는 본 발명이 순환 보조 펌프(133) 및 매체 교환장치(161, 162)를 통해 열교환매체가 배출되는 것을 도시한 것이다.

도 4와 도 5에 각각 도시한 바와 같이 열교환매체는 서로 다른 경로를 통해 배출될 수 있으므로 냉각 싸이클 라인(Pcool)은 물론, 가열 싸이클 라인(Phot)에 잔존하는 오래된 열교환매체를 모두 깨끗이 배출할 수 있게 한다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

110: 반응기 111: 자켓
111a: 유입구 111b: 유출구
111c: 온도센서 112: 매체 공급관
113: 회수관 120: 냉각장치
130: 가열장치(전기히터) 133: 순환 보조 펌프
140: 순환 펌프 150: 메인 3방향 밸브
150a: 예열용 3방향 밸브 161: 교체 펌프
162: 교체관 170: 제어기
Phot: 가열 싸이클 라인 Pcool: 냉각 싸이클 라인
T: 팽창탱크

Claims

화학공정 반응기(110)의 표면을 둘러싸도록 설치되어 상기 반응기(110) 내부에 충전된 반응물과 내부를 순환하는 열교환매체의 열교환을 통해 상기 반응물의 온도를 조절하는 반응기용 자켓(jacket)(111)과;
상기 반응기(110) 내부에 충전된 반응물의 온도를 낮출 경우, 상기 자켓(111)에 공급되는 열교환매체를 냉각시켜 공급하는 냉각장치(120)와;
상기 반응기(110) 내부에 충전된 반응물의 온도를 높일 경우, 상기 자켓(111)에 공급되는 열교환매체를 가열시켜 공급하는 가열장치(130)와;
상기 열교환매체를 순환시키는 순환 펌프(140)와;
상기 열교환매체가 상기 냉각장치(120)와, 순환 펌프(140) 및 자켓(111)만을 순환하도록 연결된 냉각 싸이클 라인(Pcool)과;
상기 열교환매체가 상기 가열장치(130)와, 순환 펌프(140) 및 자켓(111)만을 순환하도록 연결된 가열 싸이클 라인(Phot)과;
공통입력단(Nc)은 상기 자켓(111)의 열교환매체 유출구(111b)에 연결되고, 제1출력단(N1)은 상기 냉각 싸이클 라인(Pcool)을 통해 냉각장치(120)에 연결되고, 제2출력단(N2)은 상기 가열 싸이클 라인(Phot)을 통해 가열장치(130)에 연결된 메인 3방향 밸브(150)와;
상기 순환 펌프(140)와, 메인 3방향 밸브(150)의 개폐 방향과, 가열장치(130) 및 냉각장치(120)를 제어하는 제어기(170); 및
상기 반응기(110) 내부의 온도를 측정하는 반응기 온도센서(111c)와 상기 자켓(111)으로 공급되는 열교환매체의 온도를 직접 측정하는 매체 온도센서(111d)를 포함하되, 상기 제어기(170)는 상기 반응기 온도센서(111c)와 매체 온도센서(111d)의 온도 검출값에 따라 상기 메인 3방향 밸브(150)의 개폐 방향을 제어하고, 상기 메인 3방향 밸브(150)를 통해 열교환매체를 공급받는 상기 가열장치(130) 또는 냉각장치(120)의 가동을 제어하는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 가열장치(130)와 냉각장치(120) 중 상기 자켓(111)으로부터 더 멀리 이격 설치된 장치에는 순환 보조 펌프(133)가 설치되어 상기 열교환매체의 순환을 보조하는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치.
제1항에 있어서,
상기 순환 펌프(140)의 입력측에 연결된 분기관과, 상기 분기관에 설치된 조절밸브(V1) 및 상기 조절밸브(V1)를 통해 상기 분기관에 연결된 열교환매체 교체 펌프(161)를 더 포함하여,
상기 조절밸브(V1)를 열고 상기 열교환매체 교체 펌프(161)를 정방향 또는 역방향으로 구동시키면 상기 열교환매체가 외부로 배출되거나 외부로부터 공급되는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
상기 가열장치(130)는 상기 제어기(170)에 의해 제어되는 전기 히터이고,
상기 냉각장치(120)는 냉각수와 상기 열교환매체의 열교환에 의해 상기 열교환매체의 온도를 낮추는 열교환기식 냉각장치(120)인 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치.
제1항, 제3항 및 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
공통입력단(Nc)은 상기 가열장치(130)의 열교환매체 출력단에 연결되고, 제1출력단(N1)은 상기 가열장치(130)의 열교환매체 입력단에 연결되며, 제2출력단(N2)은 상기 냉각 싸이클 라인(Pcool)을 통해 상기 자켓(111)의 열교환매체 입력단에 연결된 예열용 3방향 밸브(150a)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 및 냉각 싸이클 분리식 반응기 온도 조절장치.