KR101572126B1 - 배플을 구비한 회분식 반응기 - Google Patents

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Abstract

배플(baffle)의 설치 구조를 개선한 회분식 반응기를 제공한다. 회분식 반응기는 반응물을 담는 반응기 본체와, 반응기 본체의 내부에 설치되어 반응물을 교반시키는 교반 날개와, 교반 날개의 회전축에 결합되어 교반 날개를 회전시키는 모터와, 반응기 본체의 내벽과 교반 날개 사이에 위치하며 반응기 본체의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 설치되는 복수의 배플을 포함한다. 복수의 배플 각각은 반응기 본체의 반경 방향 및 원주 방향을 따라 서로 이웃하도록 배치된 복수의 배관을 포함한다.

Description

배플을 구비한 회분식 반응기 {BATCH REACTOR WITH BAFFLE}
본 발명은 회분식 반응기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 배플의 설치 구조에 관한 것이다.
통상의 회분식 반응기는 반응물을 담는 반응기 본체와, 반응기 본체의 내부에 설치되어 반응물을 교반시키는 교반 날개와, 교반 날개를 회전시키는 구동 모터를 포함한다. 또한, 회분식 반응기는 반응물의 온도를 제어하기 위한 구성으로서 반응기 자켓과 배플 및 리플럭스 콘덴서 등을 포함할 수 있다.
배플은 그 내부로 열교환을 위한 유체가 흐르는 관으로 구성되며, 교반 날개의 외측에서 반응기 본체의 내벽에 가깝게 위치한다. 배플은 교반 날개의 회전에 따른 반응물의 원주 방향 흐름을 상하 방향으로 바꾸어 반응물의 혼합을 양호하게 하고, 반응물과 열교환을 통해 반응물의 온도를 일정하게 유지시키는 온도 제어(제열) 기능을 한다.
그런데 배플의 설치 형태에 따라 교반 날개의 크기와 배플의 표면적(전열 면적) 확대에 제한이 생긴다. 예를 들어, 배플이 반응기 본체의 반경 방향을 따라 긴 영역을 차지하는 경우 교반 날개를 확대시킬 수 없으므로 반응물의 교반 성능과 반응 성능을 높이는데 제한이 생긴다. 또한, 반응기가 대형화할수록 동일 구조의 배플 형태에서는 배플의 전열 면적이 반응기 부피에 비해 작아지므로 배플의 온도 제어 기능이 저하된다.
본 발명은 배플의 설치 구조를 개선하여 교반 날개의 크기와 배플의 전열 면적 중 하나를 확대시킴으로써 반응물의 혼합 성능을 개선하거나 반응물의 제열 성능을 향상시킬 수 있는 회분식 반응기를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회분식 반응기는 반응물을 담는 반응기 본체와, 반응기 본체의 내부에 설치되어 반응물을 교반시키는 교반 날개와, 교반 날개의 회전축에 결합되어 교반 날개를 회전시키는 모터와, 반응기 본체의 내벽과 교반 날개 사이에 위치하며 반응기 본체의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 설치되는 복수의 배플(baffle)을 포함한다. 복수의 배플 각각은 반응기 본체의 반경 방향 및 원주 방향을 따라 서로 이웃하도록 배치된 복수의 배관을 포함한다.
복수의 배관은 회전축과 나란하며 유(U)자형 연결부에 의해 사행(蛇行) 패턴으로 일체로 이어질 수 있다. 복수의 배관 중 어느 하나는 반응기 본체의 바닥부를 관통할 수 있고, 다른 하나는 반응기 본체의 측벽을 관통할 수 있다.
복수의 배관은 삼각 패턴으로 배열된 적어도 세 개의 배관을 포함할 수 있다. 그리고 세 개의 배관 중 적어도 두 개의 배관은 반응기 본체의 반경 방향을 따라 배열될 수 있다.
다른 한편으로, 복수의 배관은 지그재그 패턴으로 배열될 수 있다. 복수의 배관은 두 개의 열을 이루며 지그재그 패턴으로 배열된 적어도 다섯 개의 배관을 포함할 수 있다. 두 개의 열 중 적어도 하나의 열은 반응기 본체의 반경 방향과 나란할 수 있다.
본 실시예들에 따르면 교반 날개의 크기를 확장시켜 반응물의 난류 증가 및 혼합 성능을 개선할 수 있다. 다른 한편으로, 종래와 동등 수준의 교반 능력을 유지하면서 배플의 전열 면적을 확대시켜 반응물의 제열 성능을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회분식 반응기의 개략도이다.
도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 기준으로 절개한 회분식 반응기의 개략 단면도이다.
도 3은 비교예에 따른 회분식 반응기를 나타낸 개략 단면도이다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회분식 반응기의 개략 단면도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 회분식 반응기의 개략도이고, 도 2는 도 1의 Ⅰ-Ⅰ선을 기준으로 절개한 회분식 반응기의 개략 단면도이다.
도 1과 도 2를 참고하면, 제1 실시예의 회분식 반응기(100)는 반응물(10)을 담는 반응기 본체(20)와, 반응기 본체(20)의 내부에 설치되어 반응물(10)을 회전시키는 교반 날개(31)와, 교반 날개(31)의 회전축(32)에 결합되어 교반 날개(31)를 회전시키는 모터(33)와, 반응기 본체(20)의 내벽과 교반 날개(31) 사이에 위치하는 복수의 배플(40)을 포함한다.
회분식 반응기(100)는 예를 들어 고분자 중합을 위한 중합 반응기일 수 있다. 반응기 본체(20)는 원통형의 측벽(21)과 바닥부(22) 및 덮개부(23)로 구성될 수 있다. 도시는 생략하였으나 반응기 본체(20)는 이중벽 구조로 형성되어 이중벽 내부로 열교환을 위한 유체가 순환할 수 있다. 즉 반응기 본체(20)에 열교환 자켓이 설치될 수 있다.
교반 날개(31)와 회전축(32) 및 모터(33)가 교반 장치(30)를 구성한다. 회전축(32)은 반응기 본체(20)의 중앙에서 모터(33)와 결합된다. 교반 날개(31)는 반응기 본체(20)의 내부에서 회전축(32)에 결합되며, 교반 날개(31)의 길이 방향은 반응기 본체(20)의 반경 방향과 일치한다.
회전축(32)의 하측 단부에 한 세트의 교반 날개(31)가 설치되거나, 회전축(32)의 길이 방향을 따라 서로간 거리를 두고 여러 세트의 교반 날개가 설치될 수 있다. 한 세트의 교반 날개(31)는 적어도 두 개의 교반 날개(31)로 구성된다. 도 1과 도 2에서는 회전축(32)의 하측 단부에 두 개의 교반 날개(31)가 설치된 구성을 예로 들어 도시하였으나, 교반 날개(31)의 설치 위치와 개수는 도시한 예로 한정되지 않는다.
교반 날개(31)의 교반 성능은 회분식 반응기(100)의 반응 성능에 영향을 미친다. 교반 날개(31)는 패들(paddle) 타입, 프로펠라(propeller) 타입, 및 터빈(turbine) 타입 등이 있으며, 도 1과 도 2에서는 패들 타입의 교반 날개(31)를 예로 들어 도시하였으나, 교반 날개(31)는 도시한 예로 한정되지 않는다.
배플(40)은 교반 날개(31)의 회전에 따른 반응물(10)의 원주 방향 흐름을 상하 방향 흐름으로 바꾸어 반응물(10)의 혼합을 양호하게 하는 기능을 한다. 또한, 배플(40)은 그 내부로 열교환을 위한 유체가 흐르는 배관으로 구성되므로 반응물(10)과의 열교환을 통해 반응물(10)의 온도를 일정하게 유지시키는 온도 제어(제열) 기능을 한다.
열교환을 위한 유체는 저온의 경우 대략 4℃ 내지 35℃의 온도를 가질 수 있으며, 고온의 경우 대략 50℃ 내지 200℃의 온도를 가질 수 있다.
배플(40)은 반응기 본체(20)의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 복수개로 배치된다. 즉 복수의 배플(40)은 교반 날개(31)와 일정한 거리를 두고 반응기 본체(20)의 원주 방향을 따라 설치되며, 바람직하게 원주 방향을 따라 등간격으로 설치된다.
각각의 배플(40)은 회전축(32)과 나란한 복수의 배관(41, 42, 43)이 사행(蛇行) 패턴으로 일체로 이어진 구성으로 이루어진다. 구체적으로, 배플(40)은 제1 배관(41)과, 유(U)자형 제1 연결부(44)에 의해 제1 배관(41)에 결합된 제2 배관(42)과, 유(U)자형 제2 연결부(45)에 의해 제2 배관(42)에 결합된 제3 배관(43)을 포함할 수 있다. 제1 배관(41)은 반응기 본체(20)의 바닥부(22)를 관통할 수 있고, 제3 배관(43)은 반응기 본체(20)의 측벽(21)을 관통할 수 있다. 제1 연결부(44)와 제2 연결부(45)는 유(U)자형 구조로 한정되지 않는다.
제1 실시예에서 각각의 배플(40)은 제1 내지 제3 배관(41, 42, 43)을 포함하며, 제1 내지 제3 배관(41, 42, 43)은 반응기 본체(20)의 반경 방향 및 원주 방향을 따라 서로 이웃하도록 배치된다. 즉 어느 하나의 배관에 대해 다른 한 배관의 적어도 일부가 반응기 본체(20)의 반경 방향을 따라 마주하고, 또 다른 배관의 적어도 일부가 반응기 본체(20)의 원주 방향을 따라 마주한다.
예를 들어, 제1 내지 제3 배관(41, 42, 43)은 서로간 일정한 거리를 두고 삼각 패턴으로 배열될 수 있다. 이러한 배관 구성은 반응기 본체(20)의 반경 방향을 따라 배플(40)이 차지하는 영역의 크기를 축소시켜 교반 날개(31)의 확장을 가능하게 한다. 교반 날개(31)의 확장은 반응물(10)의 교반 성능과 반응 성능의 향상으로 이어진다.
이때 제1 내지 제3 배관(41, 42, 43) 중 두 개의 배관은 반응기 본체(20)의 반경 방향을 따라 배열될 수 있다. 이 경우 교반 날개(31)에 의해 회전하는 반응물(10)과 배플(40)의 접촉성을 양호하게 하여 배플(40)의 제열 성능을 높일 수 있다.
도 3은 비교예에 따른 회분식 반응기를 나타낸 개략 단면도이다.
도 3을 참고하면, 비교예의 회분식 반응기(101)에서 복수의 배플(401) 각각은 반응기 본체(201)의 반경 방향을 따라 일렬로 배치된 제1 내지 제3 배관(411, 421, 431)으로 구성된다.
도 2와 도 3을 참고하면, 제1 실시예의 제1 내지 제3 배관(41, 42, 43)과 비교예의 제1 내지 제3 배관(411, 421, 431)이 같은 길이와 같은 직경을 가지는 경우 제1 실시예의 배플(40)과 비교예의 배플(401)은 같은 전열 면적을 가지므로 거의 동등한 제열 성능을 발휘한다.
그런데 비교예의 경우 배플(401)이 반응기 본체(201)의 반경 방향을 따라 큰 영역을 차지하므로 교반 날개(311)가 배플(401)과 충돌하지 않기 위해서는 교반 날개(311)의 크기를 작게 할 수 밖에 없다. 즉 배플(401)에 의해 교반 날개(311)의 크기 확대에 큰 제한이 생긴다.
반면 제1 실시예에서는 제1 내지 제3 배관(41, 42, 43)이 삼각 패턴으로 조밀하게 배열되므로 배플(40)은 반응기 본체(20)의 반경 방향을 따라 큰 영역을 차지하지 않는다. 따라서 제1 실시예에 따른 회분식 반응기(100)에서는 교반 날개(31)의 크기를 확장시킬 수 있으며, 반응물(10)의 난류 증가 및 혼합 성능을 개선하여 반응물(10)의 제조 품질을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 제2 실시예에 따른 회분식 반응기의 개략 단면도이다.
도 4를 참고하면, 제2 실시예에 따른 회분식 반응기(200)는 배플(50)이 다섯 개의 배관(51, 52, 53, 54, 55)으로 구성된 것을 제외하고 전술한 제1 실시예와 유사한 구조로 이루어진다. 제1 실시예와 같은 부재에 대해서는 같은 도면 부호를 사용하며, 아래에서는 제1 실시예와 같은 구성에 대해 주로 설명한다.
복수의 배플(50)은 교반 날개(31)와 일정한 거리를 두고 반응기 본체(20)의 원주 방향을 따라 등간격으로 설치되며, 각각의 배플(50)은 회전축(32)과 나란한 제1 내지 제5 배관(51, 52, 53, 54, 55)이 사행(蛇行) 패턴으로 일체로 이어진 구성으로 이루어진다.
제1 내지 제5 배관(51, 52, 53, 54, 55)은 도시하지 않은 유(U)자형 연결부에 의해 일체로 결합되어 하나의 배플(50)을 구성한다. 제1 내지 제5 배관(51, 52, 53, 54, 55) 중 어느 하나가 반응기 본체(20)의 바닥부(22)를 관통할 수 있으며, 다른 하나가 반응기 본체(20)의 측벽(21)을 관통할 수 있다.
제2 실시예에서 각각의 배플(50)은 제1 내지 제5 배관(51, 52, 53, 54, 55)을 포함하며, 제1 내지 제5 배관(51, 52, 53, 54, 55)은 반응기 본체(20)의 반경 방향 및 원주 방향을 따라 서로 이웃하도록 배치된다. 즉 어느 하나의 배관에 대해 다른 한 배관의 적어도 일부가 반응기 본체(20)의 반경 방향을 따라 마주하고, 또 다른 배관의 적어도 일부가 반응기 본체(20)의 원주 방향을 따라 마주한다.
예를 들어, 제1 내지 제5 배관(51, 52, 53, 54, 55)은 두 개의 열을 이루며 지그재그 패턴으로 배열될 수 있다. 도 4를 기준으로 가장 우측에 위치하는 배플(50)에서 제1 내지 제5 배관(51, 52, 53, 54, 55)의 중심을 연결하는 가상의 지그재그 연결선을 점선으로 나타내었다.
이때 두 개의 열 중 적어도 하나의 열은 반응기 본체(20)의 반경 방향을 따라 일렬로 배열될 수 있다. 이 경우 교반 날개(31)에 의해 반응기 본체(20)의 원주 방향을 따라 흐르는 반응물(10)과 배플(50)의 접촉 면적을 늘려 배플(50)의 제열 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4에서는 제1 내지 제3 배관(51, 52, 53)이 반응기 본체(20)의 반경 방향을 따라 하나의 열을 이루고, 제4 및 제5 배관(54, 55)이 이웃한 다른 열을 이루며 배열된 구성을 예로 들어 도시하였다.
전술한 제2 실시예에서는 도 3에 도시한 비교예 대비 교반 날개(31)의 폭은 동일하게 유지하면서 배플(50)을 구성하는 배관의 수를 늘려 배플(50)의 전열 면적을 60% 이상 확대시킬 수 있다. 따라서 제2 실시예의 회분식 반응기(200)는 비교예와 동등 수준의 교반 능력을 확보하면서 반응물(10)의 제열 성능을 효과적으로 향상시킬 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.
100, 200: 회분식 반응기 20: 반응기 본체
31: 교반 날개 32: 회전축
33: 모터 40, 401, 50: 배플

Claims (8)

  1. 반응물을 담는 반응기 본체;
    상기 반응기 본체의 내부에 설치되어 반응물을 교반시키는 교반 날개;
    상기 교반 날개의 회전축에 결합되어 상기 교반 날개를 회전시키는 모터; 및
    상기 반응기 본체의 내벽과 상기 교반 날개 사이에 위치하며, 상기 반응기 본체의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 설치되는 복수의 배플(baffle)
    을 포함하며,
    상기 복수의 배플 각각은 삼각 패턴으로 배열된 적어도 세 개의 배관을 포함하고, 상기 적어도 세 개의 배관 중 적어도 두 개의 배관은 상기 반응기 본체의 반경 방향을 따라 나란히 배열되며, 적어도 하나의 배관이 상기 적어도 두 개의 배관에 대해 상기 반응기 본체의 원주 방향을 따라 이웃하게 배치되는 회분식 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 적어도 세 개의 배관은 상기 회전축과 나란하며 유(U)자형 연결부에 의해 사행(蛇行) 패턴으로 일체로 이어진 회분식 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 적어도 세 개의 배관 중 어느 하나는 상기 반응기 본체의 바닥부를 관통하고, 다른 하나는 상기 반응기 본체의 측벽을 관통하는 회분식 반응기.
  4. 반응물을 담는 반응기 본체;
    상기 반응기 본체의 내부에 설치되어 반응물을 교반시키는 교반 날개;
    상기 교반 날개의 회전축에 결합되어 상기 교반 날개를 회전시키는 모터; 및
    상기 반응기 본체의 내벽과 상기 교반 날개 사이에 위치하며, 상기 반응기 본체의 원주 방향을 따라 서로간 거리를 두고 설치되는 복수의 배플(baffle)
    을 포함하며,
    상기 복수의 배플 각각은 두 개의 열을 이루며 지그재그 패턴으로 배열된 적어도 다섯 개의 배관을 포함하고, 상기 두 개의 열 중 적어도 하나의 열은 상기 반응기 본체의 반경 방향과 나란한 회분식 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 적어도 다섯 개의 배관은 상기 회전축과 나란하며 유(U)자형 연결부에 의해 사행(蛇行) 패턴으로 일체로 이어진 회분식 반응기.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 적어도 다섯 개의 배관 중 어느 하나는 상기 반응기 본체의 바닥부를 관통하고, 다른 하나는 상기 반응기 본체의 측벽을 관통하는 회분식 반응기.
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