KR101635679B1

KR101635679B1 - 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기

Info

Publication number: KR101635679B1
Application number: KR1020140128454A
Authority: KR
Inventors: 신상홍; 김신영; 임성수; 박영관
Original assignee: 롯데케미칼 주식회사
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-07-01
Also published as: KR20160036344A

Abstract

중합 반응물 또는 원료 수지의 증발 농축을 위한 강하막형 증발 반응기에 있어 종래 반응기 구조상 튜브를 통과한 폴리머의 적체로부터 필연적으로 생성되는 폴리머 겔 형성을 근본적으로 방지할 수 있는 구조의 강하막형 증발 반응기가 개시된다. 본 발명은 외부 자켓; 중합 반응물 또는 농축대상 원료 수지가 투입되는 상기 자켓 상단부에 위치한 투입구; 상기 반응물 또는 원료 수지가 내면에서 액체 경막을 형성하여 하방으로 흐르도록 설치된 복수의 튜브; 상기 투입구로 투입된 반응물 또는 원료 수지를 상기 복수의 튜브로 분배하기 위한 상부 분산판; 하방으로 경사진 경사부를 구비하고 상기 튜브로부터 낙하된 폴리머가 체류하도록 하는 폴리머 회수부; 및 상기 튜브에서 증발하여 형성되는 증기상을 회수하기 위한 증기 배출부;를 포함하는 강하막형 증발 반응기에 있어서, 상기 튜브로부터 낙하된 폴리머를 분산시켜 상기 경사부를 타고 흐르도록 설치된 하부 분산판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기를 제공한다.

Description

폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기{FALLING FILM EVAPORATION REACTOR FOR SUPPRESSING POLYMER GEL FORMATION}

본 발명은 강하막형 증발 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기에 관한 것이다.

현재 고점도 폴리머 중합 과정에는 강하막형 증발 반응기(Falling Film evaporation reactor)가 널리 사용되고 있다.

도 1은 종래 고점도 폴리머 중합 시 사용되는 강하막형 증발 반응기를 나타내고 있다.

도 1을 참조하면, 종래 강하막형 증발 반응기(10)는 반응기 내부에 와이어 블록, 파이프 블록 등 튜브형의 다발(13)을 설치하여 폴리머를 낙하시키며 중합 반응이 진행되도록 하는 특징을 가지고 있다. 중합된 폴리머는 반응기(10) 하부의 콘 형상의 회수부(15)에 모이게 된다. 이때 회수부(15)의 레벨은 반응기(10) 운전 조건에 따라 변하게 되는데 레벨이 높아진 다음 다시 낮아지게 되면 반응기(10) 벽면에 폴리머가 부착된 상태로 반응이 지속되게 된다. 이렇게 장기간 축적되어 반응이 진행된 폴리머는 고분자량화, 가교화되어 폴리머 겔(polymer gel)로 변화된다. 이 폴리머 겔은 반응기 벽면에서 떨어져 새롭게 반응 생성된 폴리머와 혼합되게 된다.

이렇게 폴리머와 혼합된 폴리머 겔은 최종 수지 조성물을 이용한 성형 시 피시아이(fish eye)를 형성하게 되고 이는 제품 물성에 영향을 줄 뿐만 아니라 투명 제품 혹은 성형품의 두께가 비교적 얇은 용도인 병, 필름 등의 용도로 이용했을 때, 결함품의 발생률이 높아져 생산성의 저하를 유발하게 된다. 이를 방지하기 위하여 폴리머 겔을 용융 상태에서 제거하는 필터를 설치하거나 반응기를 세정하게 된다. 하지만 필터를 통한 마이크로 크기의 폴리머 겔의 완전한 제거는 어렵고, 필터에 인한 압력강하 해소를 위해 일정 주기마다 필터 교체와 반응기 세정이 필요하게 된다. 반응기 세정 역시 일정 주기마다 조업을 멈춘 상태에서 진행해야 하기 때문에 두 방법 모두 생산성의 저하를 초래할 수 밖에 없다.

따라서 생성된 폴리머 겔을 제거하는 방법보다는 근본적으로 폴리머 겔 형성 방지를 통하여 해결할 필요가 있다.

미국 등록특허 제6,703,473호는 폴리카보네이트 제조방법에 있어 폴리카보네이트의 중합 시 강하막형 증발기를 사용할 수 있다고 제시하고 있으나, 폴리머 겔 생성 방지에 관해서는 언급하지 않고 있다.

또한 한국 공개특허 제2014-0023143호는 다발관 강하막 반응기를 이용한 락타이드 제조방법에 관해 개시하고 있으나, 역시 폴리머 겔 생성 방지를 위한 분산수단에 관해서는 언급하지 않고 있다.

또한 미국 공개특허 제2013-0206343호는 강하막형 증발기를 이용한 연속 제조에 관해 개시하고 있으나, 단순 증발기로서 중합기로의 활용 및 폴리머 겔 생성 방지에 관해서는 언급하지 않고 있다.

또한 중국 공개특허 제102657948호는 강하막형 증발기를 이용한 액체 분산 및 수직형 튜브에 관해 개시하면서 파이프 내의 부드러운 액체 흐름과 균일한 액체 필름 형성을 위한 분산판에 관해 제시하고 있으나, 증발기 상부에서의 액체 분산을 위한 기술로 하단의 폴리머 겔 생성 방지에 관해서는 언급하지 않고 있다.

따라서, 본 발명은 상기 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 중합 반응물 또는 원료 수지의 증발 농축을 위한 강하막형 증발 반응기에 있어 종래 반응기 구조상 튜브를 통과한 폴리머의 적체로부터 필연적으로 생성되는 폴리머 겔 형성을 근본적으로 방지할 수 있는 구조의 강하막형 증발 반응기를 제공하고자 한다.

상기 과제 해결을 위하여 본 발명은, 외부 자켓; 중합 반응물 또는 농축대상 원료 수지가 투입되는 상기 자켓 상단부에 위치한 투입구; 상기 반응물 또는 원료 수지가 내면에서 액체 경막을 형성하여 하방으로 흐르도록 설치된 복수의 튜브; 상기 투입구로 투입된 반응물 또는 원료 수지를 상기 복수의 튜브로 분배하기 위한 상부 분산판; 하방으로 경사진 경사부를 구비하고 상기 튜브로부터 낙하된 폴리머가 체류하도록 하는 폴리머 회수부; 및 상기 튜브에서 증발하여 형성되는 증기상을 회수하기 위한 증기 배출부;를 포함하는 강하막형 증발 반응기에 있어서, 상기 튜브로부터 낙하된 폴리머를 분산시켜 상기 경사부를 타고 흐르도록 설치된 하부 분산판;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기를 제공한다.

또한 상기 하부 분산판은 원뿔 형상의 제1 분산판을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기를 제공한다.

또한 상기 하부 분산판은 상기 제1 분산판 하부에 이격되어 설치된 원뿔대 형상의 제2 분산판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기를 제공한다.

또한 상기 제1 분산판의 높이가 상기 제2 분산판의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기를 제공한다.

또한 상기 제1 분산판의 하단 지름이 상기 제2 분산판의 상단 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기를 제공한다.

본 발명에 따르면, 중합 반응물 또는 원료 수지의 증발 농축을 위한 강하막형 증발 반응기에 있어 튜브 및 회수부 사이에 하부 분산판을 설치하여 튜브로부터 낙하된 폴리머가 회수부에 직접 낙하되지 않고 분산판을 따라 흘러내려 간 후 회수부 경사면을 씻으면서 내려가도록 하여, 경사면에 계속 잔류하여 폴리머가 겔화되는 현상을 억제하여 연속적으로 흘러 내려가는 폴리머에 의해 회수부로 밀려 내려가도록 함으로써, 폴리머의 반응기 체류시간이 극단적으로 늘어나는 것을 막아 폴리머 겔 형성을 근본적으로 방지할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한 폴리머 겔 형성을 방지함으로써 제품의 품질 향상과 함께 반응기 세정에 사용되는 비용을 절감할 수 있고, 첨가제를 사용을 배제하여 첨가제에 따른 제품의 물성 저하를 방지할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 종래 고점도 폴리머 중합 시 사용되는 강하막형 증발 반응기를 나타낸 모식도,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 강하막형 증발 반응기를 나타낸 모식도,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 강하막형 증발 반응기에서 하부 분산판을 확대하여 나타낸 단면도.

이하 바람직한 실시예를 통하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예의 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였으며, 반응기의 세부구성 방향은 도면을 기준으로 하여 설명한다. 또한 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 강하막형 증발 반응기를 나타낸 모식도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 강하막형 증발 반응기(100)는 외부 자켓(110), 투입구(120), 복수의 튜브(130), 상부 분산판(140), 폴리머 회수부(150), 증기 배출부(160) 및 하부 분산판(170)을 포함한다.

외부 자켓(110)은 직립 설치되어 대략 원통형의 용기 형상으로 내부의 중합 반응이나 수지 조성물의 농축에 적합한 재질로 제작된 것으로 일반적인 강하막형 증발 반응기에 사용되는 공지의 것이 채용될 수 있다.

투입구(120)로 자켓(110) 상단부에 위치하여 중합 반응물 또는 농축대상 원료 수지가 투입된다. 본 발명에 따른 강하막형 증발 반응기(100)에 적용될 수 있는 원료는 특히 체류시간이 늘어나게 되면서 원하지 않는 고분자화, 가교화가 일어나거나 열에 의해 분해가 일어날 수 있는 고점도 물질의 중합물 또는 증발 농축물이고, 그 중에서도 반응이 진행됨에 따라 점도가 상승하는 고분자 중합에 유용하다. 예컨대 폴리에스테르와 같이 축중합이 진행되면서 부산물을 제거해야하는 공정에서 유용하게 사용될 수 있다.

복수의 튜브(130)는 일반적인 와이어 블록 형태 또는 파이프 블록 형태로 자켓(110) 내부에 밀집하여 설치되며, 튜브(130)의 갯수는 처리용량에 따라 다를 수 있으며 예컨대 수십 내지 수백 개의 튜브로 구성될 수 있다. 튜브(130) 상단은 상부에 수평으로 설치된 플레이트(180)를 관통하여 설치될 수 있으며, 플레이트(180) 상부 공간과 튜브(130)의 내부 공간이 서로 소통될 수 있도록 설치되어 플레이트(180) 위로 공급되는 액상의 원료가 각각의 튜브(130) 내벽을 타고 흘러내리도록 설계될 수 있다. 따라서 플레이트(180) 상에 흘러든 액상 원료가 저속으로 튜브(130)로 유입되어 튜브(130) 내벽을 얇게 코팅하는 형태로 흘러내리면서 반응이 일어나거나 증발된다. 이때 튜브(130)는 증발이 잘 일어나도록 공지의 가열수단에 의해 가열될 수 있다.

상부 분산판(140)은 투입구(120)로 투입된 반응물이나 원료 수지가 복수의 튜브(130) 각각으로 고르게 분배되도록 하기 위한 것으로, 특별히 그 형상이 한정되는 것은 아니며 예컨대 복수의 구획이 형성되어 하부에 설치된 플레이트(180)에 분산되어 공급될 수 있도록 하는 구조일 수 있다.

폴리머 회수부(150)는 튜브(130)로부터 낙하된 폴리머를 취출하기 전까지 체류될 수 있도록 하는 요소로서 하방으로 경사진 경사부(151)를 구비한다. 임의의 폴리머 양이 체류된 후 기어펌프(190) 등 취출 수단을 이용하여 폴리머를 취출하게 된다.

증기 배출부(160)는 튜브(130) 하단에서 증발되지 않은 액상의 폴리머 이외에 증발된 증기상의 물질로서 수증기, 부산물 등이 배출구(161)를 통하여 배출되도록 하는 요소로서, 예컨대 진공펌프(162) 및 냉각기(163)를 이용하여 자켓(110) 외부로 연결된 배출관(164)을 통해 증기상의 물질을 액화하여 배출시키도록 할 수 있다.

하부 분산판(170)은 튜브(130) 및 회수부(150) 사이에 설치되어 튜브(130)로부터 낙하되는 폴리머가 회수부(150)의 경사부(151)에 직접 낙하되지 않고 하부 분산판(170)에 먼저 낙하되도록 하여, 하부 분산판(170)을 따라 흘러내려 간 후 회수부(150)의 경사부(151)를 타고 내려가도록 한다. 즉 경사부(151)가 씻겨지도록 하는 역할을 하여 경사부(151)에 잔류된 폴리머를 회수부(150)로 밀려 내려가도록 함으로써 폴리머의 반응기 체류시간이 장기화되는 것을 막아 폴리머 겔 형성을 방지하는 역할을 한다.

강하막형 반응기(100) 내부에서 폴리머 겔이 생성되는 가장 큰 이유는 회수부(150)의 체류된 폴리머 양의 레벨이 변하면서 과도하게 반응기에서 체류하는 폴리머가 존재하기 때문이다. 즉 회수부(150)에 폴리머가 일정량 모이게 되면 반응기(100) 외부로 취출하여 회수부(150)의 레벨이 낮아지게 되며, 이때 폴리머의 일부는 점도에 의해 배출되지 못하고 반응기(100) 벽면에 잔류한 상태로 중합이 계속되어 겔화되는 것이다. 그 후 다시 폴리머가 회수부(150)에 모이면서 회수부(150)의 레벨이 높아지면 반응기(100) 벽면의 폴리머 겔이 떨어지면서 폴리머와 혼합되어 최종 취출되게 된다.

한편 이러한 폴리머 겔 형성 방지를 위해 종래 첨가제를 주입함으로써 폴리머의 고분자량화, 가교화를 방지하는 방법이 사용되고 있으나, 이 방법은 추가적인 비용이 발생할 뿐만 아니라 첨가제에 의한 폴리머 물성 저하를 고려해야 하는 반면, 본 발명에 따라 하부 분산판(170)을 설치할 경우 첨가제 주입 없이도 반응기(100) 내부 형태 개선을 통해 폴리머 겔화를 방지할 수 있게 된다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 강하막형 증발 반응기에서 하부 분산판을 확대하여 나타낸 단면도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명에서 하부 분산판(170)은 기본적으로 원뿔 형상의 제1 분산판(171)을 포함하여 튜브(130)로부터 낙하되는 폴리머가 하부 분산판(170)을 따라 흘러내려 간 후 회수부(150)의 경사부(151)를 타고 내려가도록 설계할 수 있고, 원활한 흐름을 위해 튜브(130) 및 회수부(150) 사이의 공간(상하 간격)을 최대한 활용하여 하부 분산판(170)이 급경사의 구조가 되도록 할 수 있다. 원뿔 형상은 속이 찬 형상일 수 있으나, 속이 빈 형상일 수도 있다.

반응기(100) 벽면과 하부 분산판(170) 사이는 적어도 회수부(150)의 경사부(151)를 충분히 씻어내릴 수 있을 정도로 그 간격이 좁게 형성될 수 있는데, 이때 원뿔 형상의 제1 분산판(171)만이 설치될 경우에는, 폴리머가 제1 분산판(171)과 반응기(100) 벽면 사이로 빠져나가는 양보다 많은 양이 낙하될 경우 폴리머 흐름이 정체될 수 있다. 이는 제1 분산판(171) 경사면(171a)에 흘러내린 폴리머가 모두 반응기(100) 벽면과 하부 분산판(170) 사이의 좁은 간격으로 몰리게 되어 고점도의 폴리머 특성상 잘 빠져나가지 못하고 정체되는 것이다.

따라서 폴리머의 흐름이 정체되지 않도록 제1 분산판(171) 하부에는 제1 분산판(171)과 이격되어 원뿔대 형상의 제2 분산판(172)이 더 형성될 수 있다. 원뿔대 형상은 속이 찬 형상일 수 있으나, 속이 빈 형상일 수도 있다. 제2 분산판(172)은 제1 분산판(171)에서 낙하되는 폴리머가 제2 분산판(172)의 경사면(172a)에 낙하되도록, 즉 제1 분산판(171)의 하단 지름이 제2 분산판(172)의 상단 지름보다 크게 설치됨으로써, 제2 분산판(172)의 경사면(172a)에 흘러내린 폴리머만이 반응기(100) 벽면과 하부 분산판(170) 사이로 몰리게 하여 폴리머 정체를 해소할 수 있게 된다. 또한 제1 분산판(171)과 제2 분산판(172) 사이는 지지대(173)를 통해 소정 간격으로 이격 형성되어 폴리머가 정체되더라도 쉽게 빠져나갈 수 있도록 하는 역할을 하게 된다.

한편 제2 분산판(172)의 경사면(172a)에 낙하된 폴리머 양이 많아질수록 역시 반응기(100) 벽면과 하부 분산판(170) 사이의 정체가 일어나기 쉬우므로, 제1 분산판(171)의 높이(h1)가 제2 분산판(172)의 높이(h1)보다 크도록 설치하는 것이 바람직하다.

상기 본 발명의 일실시예에서는 제1 분산판(171) 및 제2 분산판(172)으로 구성된 구조를 예시하였으나, 더욱 원활한 폴리머 흐름을 구현하기 위해 제2 분산판(172) 하부에 유사한 원뿔대 형상의 제3 분산판, 제4 분산판 등을 추가하여 설계할 수 있음은 물론이다.

이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예컨대 제1 분산판의 원뿔 형상이나 제2 분산판의 원뿔대 형상에서 경사면을 완전한 직선 형태가 아닌 다소 완곡한 면으로도 구현할 수 있다.

따라서, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: 강하막형 증발 반응기 110: 외부 자켓
120: 투입구 130: 튜브
140: 상부 분산판 150: 폴리머 회수부
151: 경사부 160: 증기 배출부
161: 배출구 162: 진공펌프
163: 냉각기 164: 배출관
170: 하부 분산판 171: 제1 분산판
171a: 제1 분산판 경사면 172: 제2 분산판
172a: 제2 분산판 경사면 173: 지지대
180: 플레이트 190: 기어펌프
h1: 제1 분산판 높이 h2: 제2 분산판 높이

Claims

외부 자켓과, 중합 반응물 또는 농축 대상 원료 수지가 투입되는 상기 외부 자켓의 상단부에 위치한 투입구와, 상기 중합 반응물 또는 상기 농축 대상 원료 수지가 내면에서 액체 경막을 형성하여 하방으로 흐르도록 설치된 복수의 튜브와, 상기 투입구로 투입된 중합 반응물 또는 농축 대상 원료 수지를 상기 복수의 튜브로 분배하기 위한 상부 분산판과, 하방으로 경사진 경사부를 구비하고 상기 튜브로부터 낙하된 폴리머가 체류하도록 하는 폴리머 회수부 및 상기 튜브에서 증발하여 형성되는 증기상을 회수하기 위한 증기 배출부를 포함하는 강하막형 증발 반응기에 있어서,
상기 튜브로부터 낙하된 폴리머를 분산시켜 상기 폴리머 회수부의 경사부를 타고 흐르도록 설치된 하부 분산판을 더 포함하되,
상기 하부 분산판은 상기 강하막형 증발 반응기의 벽면에 대해 이격 설치되어 분산된 폴리머가 상기 강하막형 증발 반응기의 벽면을 타고 내려가는 흐름을 형성함으로써 폴리머의 과도한 정체를 방지한 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기.
제1항에 있어서,
상기 하부 분산판은 원뿔 형상의 제1 분산판을 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기.
제2항에 있어서,
상기 하부 분산판은 상기 제1 분산판 하부에 이격되어 설치된 원뿔대 형상의 제2 분산판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기.
제3항에 있어서,
상기 제1 분산판의 꼭지점으로부터 하부면 중심까지의 높이가 상기 제2 분산판의 상부면으로부터 하부면까지의 높이보다 큰 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기.
제3항에 있어서,
상기 제1 분산판의 하단 지름이 상기 제2 분산판의 상단 지름보다 큰 것을 특징으로 하는 폴리머 겔 생성 방지를 위한 강하막형 증발 반응기.