KR101340712B1 - 드래프트 튜브를 구비한 혼합 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 혼합 반응기, 보다 자세하게는 폴리에틸렌 생산을 위한 혼합 반응기에 관한 것으로, 혼합기 중심에 혼합기의 외벽과 일정 간격을 두고 위치되는 상하부가 개방된 드래프트 튜브, 상기 드래프트 튜브의 내측에 위치되는 내부 임펠러(impeller), 및 상기 드래프트 튜브 및 상기 내부 임펠러 각각을 회전 시키기 위한 회전축을 포함하며, 상기 드래프트 튜브와 상기 내부 임펠러는 서로 반대 방향으로 회전하는 것을 특징으로 하는 혼합 장치를 제공함으로써 상기 드래프트 튜브의 내외의 두 임펠러들의 회전 속도를 각각 조절하는 것이 가능하여 작동 유연성을 높일 수 있으며, 이러한 작동 유연성에 의하여 다양한 고점도 혼합에 활용될 수 있을 뿐만 아니라 혼합 속도 및 열전달 효율 또한 통상적인 혼합 장치에서보다 뛰어나며 특히 반응기 외벽에 부착되는 고점도 물질을 제거할 수 있어 우수한 혼합 성능 및 열전달 효과를 가져 올 수 있다.

Description

드래프트 튜브를 구비한 혼합 장치{MIX APPARATUS INCLUDING DRAFT TUBE}
본 발명의 혼합 반응기에 관한 것으로, 보다 자세하게는 폴리에틸렌 생산을 위한 혼합 반응기에 관한 것이다.
혼합은 화학 산업 또는 화학과 연관된 산업에서 가장 일반적으로 사용되는 작업으로, 주로 유체의 유동 또는 전단 속도(Shear Rate)를 제어하는 데 널리 사용된다. 특히 유동 제어는 유체간의 블렌딩(Blending), 고체 물질에 대한 부유(Suspension), 열 전달, 고체 물질의 용해, 결정화 등에 주로 사용되며, 화학 공정에 중대한 영향을 미칠 수 있다.
혼합기에서 고려되어야 할 점은 우수한 혼합 성능뿐만 아니라 운전 동력 및 투자비에 대한 고려도 포함되어야 한다.
이러한 목적 및 기능의 달성을 위하여 다양한 최적화된 혼합기들이 개발 되었는데, 주로 교반 시스템을 개선하거나 임펠러(Impeller)의 형태 또는 형상을 개선한 것들이 대부분이었다.
도 1에서는 종래의 교반 시스템에 변화를 준 혼합기를 나타내고 있다. 일예에서는 다수의 임펠러를 활용하여 보다 교반이 잘 일어나도록 하였으며, 다른 예에서는 드래프트 튜브를 활용하여 혼합기 내의 유체 방향을 조절하여 혼합되지 않는 영역을 줄이는 등으로 교반 효율을 높이고자 한 것이다.
또한 도 2는 Mixing 성능의 향상의 방법으로 종래의 Mixing Impeller Type 및 Impeller 형상 변화를 준 것을 보여주고 있다. 다양한 임펠러의 형태를 통하여 유체의 흐름 및 와류 형성 등을 통하여 혼합 성능을 개선하고자 한 것이다.
그러나, 이러한 것들만으로는 혼합기 전체의 균일한 혼합을 보장하기 어렵고, 다수의 데드존(Dead Zone)을 줄이기 어려워, 제품의 성능에 악영향을 미칠 수 있다.
일반적으로 폴리에틸렌(Polyethylene, PE) 생산을 위해 주로 Mixing 반응기를 사용하는데 PE의 높은 점도로 인해 최적의 Mixing 반응기 설계가 필요하다. 특히 균일한 제품 생산을 위해 Mixing 반응기의 Mixing 성능이 중요하다. 예를 들면 반응기 내에 Mixing 성능이 열위한 지역을 데드존(Dead Zone) 이라 부르며, 제품 성능에 악 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.
또한 고점도 물질들이 반응기 벽면에 부착되어 제거되지 않아 점점 축적(Stacking) 되는 현상이 종종 발생하며, 이는 반응기 내/외부의 열전달 성능을 저감시켜 폴리에틸렌 생산 저감과 비용의 증가를 가져올 수 있다.
따라서 보다 빠르고 균일한 혼합 성능과 뛰어난 열전달을 제공할 수 있는 혼합 장치가 요구된다.
따라서, 본 발명의 목적은 향상된 혼합 성능을 갖는 혼합기를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 혼합장치는, 혼합기 중심에 회전가능 하도록 구비된 것으로서, 혼합기의 내벽과 일정 간격을 가져 그 상하부의 직경이 동일하고, 위아래로 개방된 원통형 드래프트튜브와; 상기 혼합기의 상부에서 혼합기의 내측으로 하향 연장되며, 혼합기 내부에서 드래프트튜브와 연결된 외측회전축과; 상기 외측회전축을 축회전시키는 모터와; 상기 드래프트튜브의 내측에 구비되되, 드래프트튜브 내에서 상하로 배치되어 상호 작용하는 내부임펠러 및 피치블레이드임펠러와; 상기 혼합기의 상부에서 혼합기의 내측으로 연장되되, 상기 외측회전축과 동일한 회전중심축을 가지며, 상기 내부임펠러와 피치블레이드임펠러를 동시에 회전시키는 내측회전축과; 상기 내측회전축을 외측회전축의 반대방향으로 축회전시키는 모터를 포함하고, 상기 드래프트 튜브의 외부면에는, 혼합대상물을 혼합하며 혼합기의 내벽면측으로 가합하여 내벽면에 정체되어 있는 혼합대상물을 가압 이동시키는 나선형 또는 헬리컬형 외부임펠러가 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 내부 임펠러는 피치 나사(Screw) 및 피치 블레이드(Pitched Blade) 형태인 것을 특징으로 한다.
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본 발명의 혼합기에 의하여 드래프트 튜브 내외부의 혼합 효율의 증대를 가져올 수 있고, 상기 드래프트 튜브의 내외의 두 임펠러들의 회전 속도를 각각 조절하는 것이 가능하여 작동 유연성을 높일 수 있다. 또한 이러한 작동 유연성에 의하여 다양한 고점도 혼합에 활용될 수 있다.
뿐만 아니라, 혼합 속도 및 열전달 효율 또한 통상적인 혼합 장치에서보다 뛰어나며 특히 반응기 외벽에 부착되는 고점도 물질을 제거할 수 있어 우수한 혼합 성능 및 열전달 효과를 가져 올 수 있다.
따라서, 반응기 내에서의 열 제어가 가능하므로 운용성의 증가, 에틸렌 등의 농도 상승에 다른 생산량 증대, 및 장비의 비용을 저감하는 효과가 있다.
도 1은 통상적인 혼합 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 통상적인 혼합 장치의 임펠러를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 혼합 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 혼합 장치에 의하여 촉매 및 피드가 혼합되는 개략적인 형태를 나타낸 것이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 명확히 설명한다.
본 발명의 혼합 장치를 개략적으로 도시한 것이 도 3에 나타나 있다.
도 3에서 알 수 있듯이, 본 발명의 혼합 장치는, 혼합기 중심에 혼합기의 외벽과 일정 간격을 두고 상하부가 개방된 드래프트 튜브(31)가 위치된다. 상기 드래프트 튜브(31)는 내부와 외부의 이중 구조로 되어 있으며, 유체의 방향을 조절하는 장치를 일컫는다. 이러한 드래프트 튜브의 사용으로 저속 회전 운전에서도 혼합에 있어서 데드존(Dead Zone)을 줄일 수 있고 열전달을 용이하게 한다.
특히 혼합이 연속 공정으로 수행되는 경우, 짧은 순환(Short Circuiting)의 문제가 발생할 수 있으나, 드래프트 튜브를 사용하는 경우에는 도입부에서부터 배출부까지 입자의 진행 경로를 확장하여 도입되는 유체를 오랫동안 드래프트 튜브 내에 머물게 하여 우수한 혼합을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 혼합 장치는 상기 드래프트 튜브 내측에 위치되는 내부 임펠러(33)를 포함한다. 상기 내부 임펠러의 모양은 특별히 한정되지 않으나, 나사 형태, 피치 블레이드(Pitched Blade) 형태의 임펠러인 것이 바람직하다. 상기 내부 임펠러(33)는 상기 드래프트 튜브(31) 내에서 유체를 보다 잘 혼합시키는 기능을 한다.
상기 나사 형태의 내부 임펠러 하부에는 피치 블레이드(Pitched Blade) 형태의 임펠러(39)가 추가적으로 위치될 수 있다.
상기 드래프트 튜브(31) 및 상기 내부 임펠러(33)를 회전시키기 위한 회전축(36)이 각각 상기 드래프트 튜브(31) 및 상기 내부 임펠러(33)에 결합되어 반응기의 중심에 위치한다.
상기 회전축(36)은 상기 내부 임펠러(33)를 회전시키는 내측 회전축과 상기 드래프트 튜브를 회전시키는 외축 회전축을 포함한다.
상기와 같이 별도의 회전축에 상기 내부 임펠러(33) 및 상기 드래프트 튜브(31)가 각각 결합되며, 각각이 별도의 속도 및 방향을 가지고 회전하는 것이 가능하다. 교반기 내의 혼합 효율 및 혼합 정도에 따라 생산 제품인 폴리머의 품질이 달라질 수 있기 때문에, 상기의 임펠러들의 동일 속도 또는 다른 속도 조절을 통해 폴리머 품질을 조절할 수 있다. 이러한 작동 유연성에 의하여 다양한 고점도 혼합에 활용될 수 있다.
그러나, 본 발명에서 상기 드래프트 튜브와 내부 임펠러를 다른 방향으로 회전 가능하도록 하는 수단은 상기 이중 모터 및 회전축과 같은 특정 수단에 제한되지 않는다.
상기와 같이 상기 내부 임펠러(33) 및 상기 드래프트 튜브(31)의 별도의 회전을 위하여 상기 회전축(36)은 각각의 회전을 제어하는 하나 이상의 모터와 연결된다. 일구체예에서, 모터가 2 개 구비될 수 있다. 이 경우, 상기 회전축은 상기 내부 임펠러에 연결되는 내측 회전축, 및 상기 드래프트 튜브와 연결되는 외측 회전축을 포함하며, 상기 내측 회전축 및 외축 회전축은 회전 중심이 일치되도록 형성될 수 있다.
하나의 모터(38)는 상기 내부 임펠러(33)에 회전을 가하기 위하여 내측 회전축과 연결되며, 다른 하나의 모터(37)는 상기 드래프트 튜브(31)에 회전을 가하기 위하여 외측 회전축과 연결된다.
또한, 상기 혼합장치는 상기 드래프트 튜브의 외부면에 외부 임펠러(35)가 더 형성될 수 있다. 상기 외부 임펠러는 형태에 제한되지 않으나, 나사 또는 헬리컬 형태의 임펠러인 것이 바람직하다.
폴리머 중합 반응은 반응기 하단의 도입부에서 70 내지 80%의 반응이 이루어지므로, 촉매와 피드의 빠르고 효율적인 혼합이 매우 중요하다. 본 발명에 따른 혼합 장치에서는 내부 임펠러 및 드래프트 튜브가 서로 반대 방향으로 회전함에 따라 피드와 촉매의 혼합이 보다 빠르고 효율적으로 발생한다.
즉, 드래프트 튜브 내/외의 혼합이 증가되고, 드래프트 튜브 내/외부의 임펠러들의 각각의 회전속도를 조절이 가능하여 공정 유연성을 높일 수 있으며, 다양한 고점도 혼합에 활용될 수 있는 장점이 있다.
또한, 통상적인 반응기와 비교하여 빠른 혼합 및 우수한 열전달 효율을 가지며, 특히 반응기 외벽에 부착되는 고점도 물질의 제거가 가능함에 따라 우수한 혼합 및 열전달을 가져올 수 있다.
도 4에서는 본 발명에 따른 혼합 장치에 의하여 촉매 및 피드가 혼합되는 개략적인 형태를 도시한다.
촉매 도입부(45) 및 피드 도입부(46)를 통하여 도입된 촉매 및 피드는 본 발명에 따른 드래프트 튜브(41), 외부 임펠러(45) 및 내부 임펠러(43)을 통하여 교반되어 혼합된다.
한편 본 발명은 기재된 설명에 의하여 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들 역시 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
31, 41: 드래프트 튜브 33, 43: 내부 임펠러
35, 45: 외부 임펠러 36: 회전축
37, 38: 모터 39: 임펠러
45: 촉매 도입부 46: 피드 도입부

Claims (6)

  1. 혼합기 중심에 회전가능 하도록 구비된 것으로서, 혼합기의 내벽과 일정 간격을 가져 그 상하부의 직경이 동일하고, 위아래로 개방된 원통형 드래프트튜브(31)와;
    상기 혼합기의 상부에서 혼합기의 내측으로 하향 연장되며, 혼합기 내부에서 드래프트튜브(31)와 연결된 외측회전축과;
    상기 외측회전축을 축회전시키는 모터(37)와;
    상기 드래프트튜브(31)의 내측에 구비되되, 드래프트튜브 내에서 상하로 배치되어 상호 작용하는 내부임펠러(33) 및 피치블레이드임펠러(39)와;
    상기 혼합기의 상부에서 혼합기의 내측으로 연장되되, 상기 외측회전축과 동일한 회전중심축을 가지며, 상기 내부임펠러(33)와 피치블레이드임펠러(39)를 동시에 회전시키는 내측회전축과;
    상기 내측회전축을 외측회전축의 반대방향으로 축회전시키는 모터(38)를 포함하고,
    상기 드래프트 튜브의 외부면에는, 혼합대상물을 혼합하며 혼합기의 내벽면측으로 가합하여 내벽면에 정체되어 있는 혼합대상물을 가압 이동시키는 나선형 또는 헬리컬형 외부임펠러(35)가 구비된 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 내부 임펠러는 피치 나사(Screw) 및 피치 블레이드(Pitched Blade) 형태인 것을 특징으로 하는 혼합장치.

  5. 삭제
  6. 삭제
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