KR101888348B1 - 중합 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 중합 반응기에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 반응물의 공급을 위한 공급부가 마련된 하우징; 하우징 내부에 마련되고, 하우징의 높이방향을 따라 연장된 튜브; 하우징의 높이방향을 따라 나선형으로 튜브를 둘러싸는 블레이드를 포함하는 제1 임펠러; 반응물을 튜브 내부로 유동시키기 위하여 하우징의 내부에 마련된 제2 임펠러; 및 제2 임펠러를 둘레방향을 따라 둘러싸도록 마련된 격벽을 포함하는 중합 반응기가 제공된다.

Description

중합 반응기{Polymerization reactor}
본 발명은 중합 반응기에 관한 것으로, 반응기의 상하부 온도 차이를 줄일 수 있는 중합 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 고정도의 용액을 다루는 폴리머 반응기의 경우 나선형 임펠러가 사용된다. 또한, 반응기 내부의 상하 유동을 강화하기 위하여 드래프트 튜브(draft tube, 흡출관)가 사용된다. 한편, 낮은 온도로 액화된 가압 상태의 모노머(monomer)를 사용하는 경우, 공급 라인이 위치한 반응기 하부의 온도는 다른 부분의 온도보다 낮아진다.
통상 중합 반응을 활성화시키는 촉매는 공급 라인에 혼합되거나 공급 라인 인접 부위로 주입된다. 이러한 촉매는 중합이 진행된 고온 상태의 벌크 용액(bulk solution)과의 혼합을 통해 열을 받아 활성화된다.
여기서 반응기 하부의 온도가 너무 낮아 반응기 상하부 온도 차이가 커지면 중합 반응 불량으로 인한 품질 저하가 발생하고, 모노머의 전환률이 하락한다. 따라서, 반응기 상하부 온도차이를 줄여 원활한 반응 활성화가 이루어질 수 있는 중합 반응기가 요구된다.
본 발명은 반응기의 상하부 온도 차이를 줄일 수 있는 중합 반응기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 반응기 하부의 온도를 상승시킬 수 있는 중합 반응기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
또한, 본 발명은 중합 품질 및 모노머의 전환률을 향상시킬 수 있는 중합 반응기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 반응물의 공급을 위한 공급부가 마련된 하우징; 하우징 내부에 마련되고, 하우징의 높이방향을 따라 연장된 튜브; 하우징의 높이방향을 따라 나선형으로 튜브를 둘러싸는 블레이드를 포함하는 제1 임펠러; 반응물을 튜브 내부로 유동시키기 위하여 하우징의 내부에 마련된 제2 임펠러; 및 제2 임펠러를 둘레방향을 따라 둘러싸도록 마련된 격벽을 포함하는 중합 반응기가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 반응물의 공급을 위한 공급부가 마련된 하우징; 하우징 내부에 마련되고, 하우징의 높이방향을 따라 연장된 튜브; 하우징의 높이방향을 따라 나선형으로 튜브를 둘러싸는 블레이드를 포함하며, 튜브 내부에서 반응물의 상승 유동이 이루어지고, 튜브와 하우징 사이 공간에서 반응물의 하강 유동이 이루어지도록 회전하기 위한 제1 임펠러; 튜브와 하우징 사이 공간에서 하강유동을 하는 반응물을 튜브 내부로 안내하기 위하여 하우징의 하부영역에 마련된 격벽; 및 격벽 내부에 배치되고, 반응물을 튜브 내부로 유동시키기 위한 제2 임펠러를 포함하는 중합 반응기가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 반응물의 공급을 위한 공급부가 마련된 하우징; 하우징 내부에 마련되고, 하우징의 높이방향을 따라 연장된 튜브; 하우징의 높이방향을 따라 나선형으로 튜브를 둘러싸는 블레이드를 포함하며, 튜브 내부에서 반응물의 상승 유동이 이루어지고, 튜브와 하우징 사이 공간에서 반응물의 하강 유동이 이루어지도록 회전하기 위한 제1 임펠러; 튜브와 하우징 사이 공간에서 하강유동을 하는 반응물을 튜브 내부로 안내하기 위하여 하우징의 하부영역에 마련된 격벽; 및 격벽 내부에 배치되고, 격벽 내부로 유입된 반응물을 튜브의 상부로 유동시키며, 제1 임펠러의 회전속도보다 빠른 회전속도로 구동되기 위한 제2 임펠러를 포함하는 중합 반응기가 제공된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 중합 반응기는 다음과 같은 효과를 갖는다.
반응기 하부에 격벽을 마련함으로써, 낮은 온도의 반응물과 고온의 벌브 용액의 효과적인 혼합을 유도할 수 있다. 이에 따라, 반응기 하부의 온도를 상승시킴으로써, 반응기의 상하부 온도 차이를 줄일 수 있다.
또한, 중합 품질 및 모노머의 전환률을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 중합 반응기를 나타내는 모식도이다.
도 2는 도 1에 도시된 중합 반응기의 시뮬레이션 결과에 따른 그래프이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 중합 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예와 관련된 중합 반응기(100)를 나타내는 모식도이고, 도 2는 도 1에 도시된 중합 반응기의 시뮬레이션 결과에 따른 그래프이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예와 관련된 중합 반응기(100)는 하우징(110)과 튜브(120)와 제1 임펠러(130)와 제2 임펠러(140) 및 격벽(150)을 포함한다.
하우징(110)은 내부에 반응물의 반응공간을 제공한다. 또한, 하우징(110)에는 반응물의 공급을 위한 공급부(111)가 마련된다. 또한, 상기 하우징(110)은 높이방향(y축 방향)을 기준으로 상부 영역(110a)과 하부 영역(110b)으로 구분될 수 있다. 본 문서에서 상승 유동(US)이라 함은 하부 영역에서 상부 영역으로의 유동을 의미하고, 하강 유동(DS)이라 함은 상부 영역에서 하부 영역으로의 유동을 의미한다. 상기 하우징(110)에는 하나 이상의 공급부(111, F)가 마련될 수 있다. 또한, 각각의 공급부(111, F)는 하우징(110) 내부의 서로 다른 위치로 반응물 및/또는 촉매를 공급하도록 마련될 수 있다. 또한, 적어도 하나의 공급부로는 중합 반응에 필요한 다양한 물질이 공급될 수 있다. 예를 들어, 어느 한 공급부(111)는 하우징(110)의 하부영역(110b)에 마련될 수 있다. 상기 공급부(111)는 하우징(110)의 하부영역(110b)으로 반응물을 공급하도록 마련된다. 또한, 어느 한 공급부(F)는 제1 임펠러(130) 측으로 반응물 및/또는 촉매를 공급하도록 마련될 수 있다.
상기 튜브(120)는 하우징(110) 내부에 마련된다. 또한, 상기 튜브(120)는 하우징(110)의 높이방향을 따라 연장된 구조를 갖는다. 또한, 상기 튜브(120)는 흡출관(draft tube)일 수 있다. 상기 튜브(120)는 반응공간에서의 상하 유동을 강화하는 기능을 수행한다. 상기 튜브(120)는 상하방향으로 개방된 중공의 실린더일 수 있다. 상기 튜브(120)의 직경은 상기 하우징(110)의 직경보다 작게 설정된다.
상기 제1 임펠러(130)는 하우징(110)의 높이방향을 따라 나선형으로 튜브(120)를 둘러싸는 블레이드(131)를 포함한다. 제1 임펠러(130)는 헬리컬 리본(helical ribbon) 타입의 임펠러일 수 있다. 예를 들어, 제1 임펠러(130)는 튜브(120)와 평행하게 직립된 복수 개의 사이드 축을 포함할 수 있다. 상기 사이드 축은 블레이드(131)를 지지한다. 또한, 제1 임펠러(130)는 사이드 축의 상단부 및 하단부를 각각 지지하기 위한 복수 개의 연결 부재(133)를 포함할 수 있다. 상기 연결 부재(133)는 링 형상의 플레이트일 수 있고, 복수 개의 유동홀을 가질 수 있다.
또한, 제1 임펠러(130)는 튜브(120) 내부에서 반응물의 상승 유동(US)이 이루어지고, 튜브(120)와 하우징(110) 사이 공간에서 반응물의 하강 유동(DS)이 이루어지도록 회전한다. 구체적으로, 제1 임펠러(130)의 회전에 의하여, 튜브(120) 내부에서 반응물의 상승 유동(US)이 이루어지고, 튜브(120)와 하우징(110) 사이 공간에서 반응물의 하강 유동(DS)이 이루어진다. 즉, 제1 임펠러(130)는 그 회전에 의하여, 튜브(120) 내부에서 반응물의 상승 유동(US)이 이루어지고, 튜브(120)와 하우징(110) 사이 공간에서 반응물의 하강 유동(DS)이 이루어지도록 마련된다. 특히, 하우징(110) 내주면에 인접하는 있는 제1 임펠러(130)는 직경이 넓기 때문에 상하 교반력을 향상시킬 수 있고, 하우징(110) 내주면에 인접하고 있어 하우징(110)의 내주면 근처의 유동성을 향상시킬 수 있다.
또한, 제2 임펠러(140)는 반응물을 튜브(120) 내부로 유동시키기 위하여 하우징(110)의 내부에 마련된다. 제2 임펠러(140)는 혼합을 발생시킬 수 있는 다양한 임펠러로 구성될 수 있으며, 예를 들어 제2 임펠러(140)는 패들(paddle) 임펠러일 수 있다. 또한, 제2 임펠러(140)는 둘레방향을 따라 배치된 복수 개의 패들을 포함할 수 있다.
또한, 격벽(150)은 제2 임펠러(140)를 둘레방향을 따라 둘러싸도록 마련된다. 상기 격벽(150)은 중공(이하, ‘제1 공간’이라고도 함)의 실린더일 수 있다. 상기 격벽(150)으로 둘러 쌓이고, 제2 임펠러(140)가 위치하는 제1 공간은 반응물의 유동 공간을 형성하며, 제1 공간을 통해 반응물은 튜브(120)의 하부로 유입될 수 있다.
또한, 격벽(150)은 튜브(120)와 하우징(110) 사이 공간에서 하강유동(DS)을 하는 반응물(특히, 이때의 반응물을 벌크 솔루션이라고도 함)을 튜브(120) 내부로 안내하기 위하여 하우징(110)의 하부영역에 마련된다. 구체적으로, 튜브(120)와 하우징(110) 사이 공간에서 하강유동(DS)을 하는 벌크 솔루션은 격벽(150)의 제1 공간을 통해서만 튜브(120) 내부로 유입될 수 있다. 이때, 제2 임펠러(140)는 격벽(150) 내부에 배치됨으로써, 공급부(111)를 통해 하우징(110) 내부로 공급된 반응물 및 전술한 벌크 솔루션을 튜브 내부로 유동시키는 기능을 수행한다. 구체적으로, 제2 임펠러(140)는 격벽(150) 내부로 유입된 반응물을 튜브(120)의 상부로 유동시킨다.
전술한 바와 같이, 제2 임펠러(140)는 하우징(110)의 하부영역(110b)에 마련되고, 적어도 하나의 공급부(111)는 격벽(150) 내부로 반응물이 공급되도록 하우징(110)의 하부 영역(11b)에 마련된다. 상기와 같은 구조를 통해, 공급부(111)를 통해 하우징(110) 내부로 공급된 반응물은, 하우징의 하부영역(110b), 특히 격벽(150)의 제1 공간에서, 튜브(120)와 하우징(110) 사이 공간을 따라 하강유동(DS)을 하는 반응물(벌크 솔루션)과 혼합된 후, 튜브(120)를 통해 상승하게 된다. 또한, 공급부(111)로 유입된 반응물은 저온이지만, 벌크 솔루션은 고온이기 때문에, 반응기(100)의 하부 영역의 온도를 상승시킬 수 있다.
또한, 상기 제1 임펠러(130)와 제2 임펠러(140)는 하우징(110)의 높이방향을 따라 서로 다른 높이에 각각 마련된다. 또한, 상기 튜브(120)와 격벽(150)은 하우징(110)의 높이방향을 따라 서로 다른 높이에 각각 마련된다.
도 1을 참조하면, 격벽(150)은 튜브(120)로부터 멀어질수록 직경이 증가하도록 마련될 수 있다. 또한, 격벽(150)은 전술한 바와 같이, 격벽(150)은 튜브(120)로부터 멀어질수록 직경이 증가하는 중공의 실린더일 수 있다.
또한, 격벽(150)은 최대 직경을 갖는 가장자리가 하우징(110)의 내주면으로부터 이격되도록 마련될 수 있다. 또한, 격벽(150)은 최소 직경이 튜브(120)의 직경과 동일하게 마련될 수 있다. 이와는 다르게, 격벽(150)은 최소 직경이 튜브(120)의 직경보다 크게 마련될 수 있다. 또한, 격벽(150)은 그 중심이 튜브(120)의 중심과 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다. 한편, 제2 임펠러(140)의 직경은 제1 임펠러(130)의 직경보다 작게 설정될 수 있다. 또한, 격벽(150)의 최대 직경은 블레이드(131)의 직경보다 작게 설정될 수 있다. 또한, 상기 격벽(150)은 튜브(120)와 일체로 형성될 수 있다. 예를 들어, 튜브(120)의 하부 영역의 일부가 상기 격벽(150)을 형성할 수도 있다. 또한, 튜브(120)와 격벽(150)은 일체로 형성될 수도 있고, 격벽(150)은 제1 임펠러의 구동축(170)에 지지될 수도 있으며, 격벽(150)과 튜브(120)는 높이 방향을 따라 소정 간격으로 이격될 수도 있다.
또한, 제1 임펠러(130)와 제2 임펠러(140)는 각각의 회전중심이 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다. 또한, 제1 및 제2 임펠러(130, 140)의 회전 중심과 튜브(120)의 중심 및 격벽(150)의 중심은 모두 동축 상에 위치하도록 마련될 수 있다.
또한, 제1 임펠러(130)와 제2 임펠러(140)는 회전 속도가 서로 다르게 설정되도록 마련될 수 있다. 특히, 반응기(100) 하부 영역의 온도 상승은 상대적으로 저온의 반응물과 고온의 벌크 솔루션의 혼합을 통해 이루어질 수 있으며, 이러한 혼합이 효과적으로 이루어지기 위해서는 제2 임펠러(140)를 통한 교반이 중요하다. 따라서, 제2 임펠러(140)를 통한 교반력을 향상시키기 위하여, 제2 임펠러(140)의 회전속도는 제1 임펠러(130)의 회전속도보다 빠르게 설정되는 것이 바람직하다. 구체적으로, 격벽(150) 내부의 제2 임펠러(140)는 제1 임펠러(130)의 회전속도보다 빠른 회전속도로 구동된다.
한편, 제1 임펠러(130)와 제2 임펠러는 개별 구동축에 각각 장착될 수 있다. 또한, 각각의 구동축은 개별 구동부를 통해 구동될 수도 있다.
이와는 다르게, 제1 임펠러(130)와 제2 임펠러(140)는 단일 구동축(170)에 각각 장착될 수 있다. 이러한 경우, 감속부를 통해 어느 한 임펠러의 회전속도는 나머지 임펠러의 회전속도와 다르게 설정될 수 있다. 또한, 상기 구동축(170)은 모터와 같은 구동부(160)와 연결된다.
한편, 제1 임펠러(130)의 높이는 튜브(120)의 높이와 동일하게 마련될 수 있다.
도 2를 참조하면, 공급부(111)를 통해 공급된 상대적으로 저온의 반응물과 고온의 벌크 솔루션의 혼합을 통해 반응기(100) 하부 영역의 온도가 상승하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 반응기(100)의 높이방향을 따라 상하부의 온도차이가 작아지는 것을 확인할 수 있다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
100: 중합 반응기
110: 하우징
120: 튜브
130: 제1 임펠러
140: 제2 임펠러
150: 격벽
160: 구동부
170: 구동축

Claims (20)

  1. 반응물의 공급을 위한 공급부가 마련된 하우징;
    하우징 내부에 마련되고, 하우징의 높이방향을 따라 연장된 튜브;
    하우징의 높이방향을 따라 나선형으로 튜브를 둘러싸는 블레이드를 포함하는 제1 임펠러;
    반응물을 튜브 내부로 유동시키기 위하여 하우징의 내부에 마련된 제2 임펠러; 및
    제2 임펠러를 둘레방향을 따라 둘러싸도록 마련된 격벽을 포함하는 중합 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    제2 임펠러는 하우징의 하부영역에 마련되고,
    공급부는 격벽 내부로 반응물이 공급되도록 하우징의 하부 영역에 마련된 중합 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    격벽은 튜브로부터 멀어질수록 직경이 증가하도록 마련된 중합 반응기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    격벽은 최대 직경을 갖는 가장자리가 하우징의 내주면으로부터 이격되도록 마련된 중합 반응기.
  5. 제 3 항에 있어서,
    격벽은 최소 직경이 튜브의 직경과 동일하게 마련된 중합 반응기.
  6. 제 3 항에 있어서,
    격벽은 그 중심이 튜브의 중심과 동축 상에 위치하도록 마련된 중합 반응기.
  7. 제 3 항에 있어서,
    격벽은 튜브와 일체로 형성된 중합 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    제1 임펠러는 튜브 내부에서 반응물의 상승 유동이 이루어지고, 튜브와 하우징 사이 공간에서 반응물의 하강 유동이 이루어지도록 회전하는 중합 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    제2 임펠러는 패들 임펠러인 중합 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    제1 임펠러와 제2 임펠러는 각각의 회전중심이 동축 상에 위치하도록 마련된 중합 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    제1 임펠러와 제2 임펠러는 회전 속도가 서로 다르게 설정되도록 마련된 중합 반응기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    제2 임펠러의 회전속도가 제1 임펠러의 회전속도보다 빠르게 설정되는 중합 반응기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    제1 임펠러와 제2 임펠러는 개별 구동축에 각각 장착된 중합 반응기.
  14. 제 10 항에 있어서,
    제1 임펠러와 제2 임펠러는 단일 구동축에 각각 장착된 중합 반응기.
  15. 제 1 항에 있어서,
    제1 임펠러의 높이는 튜브의 높이와 동일하게 마련된 중합 반응기.
  16. 반응물의 공급을 위한 공급부가 마련된 하우징;
    하우징 내부에 마련되고, 하우징의 높이방향을 따라 연장된 튜브;
    하우징의 높이방향을 따라 나선형으로 튜브를 둘러싸는 블레이드를 포함하며, 튜브 내부에서 반응물의 상승 유동이 이루어지고, 튜브와 하우징 사이 공간에서 반응물의 하강 유동이 이루어지도록 회전하기 위한 제1 임펠러;
    튜브와 하우징 사이 공간에서 하강유동을 하는 반응물을 튜브 내부로 안내하기 위하여 하우징의 하부영역에 마련된 격벽; 및
    격벽 내부에 배치되고, 반응물을 튜브 내부로 유동시키기 위한 제2 임펠러를 포함하는 중합 반응기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    공급부는 반응물이 격벽 내부로 공급되도록 하우징의 하부 영역에 마련된 중합 반응기.
  18. 제 16 항에 있어서,
    격벽은 튜브로부터 멀어질수록 직경이 증가하는 중공의 실린더인 중합 반응기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    격벽은 최소 직경이 튜브의 직경과 동일하게 마련되고,
    격벽은 최대 직경을 갖는 가장자리가 하우징의 내주면으로부터 이격되도록 마련된 중합 반응기.
  20. 반응물의 공급을 위한 공급부가 마련된 하우징;
    하우징 내부에 마련되고, 하우징의 높이방향을 따라 연장된 튜브;
    하우징의 높이방향을 따라 나선형으로 튜브를 둘러싸는 블레이드를 포함하며, 튜브 내부에서 반응물의 상승 유동이 이루어지고, 튜브와 하우징 사이 공간에서 반응물의 하강 유동이 이루어지도록 회전하기 위한 제1 임펠러;
    튜브와 하우징 사이 공간에서 하강유동을 하는 반응물을 튜브 내부로 안내하기 위하여 하우징의 하부영역에 마련된 격벽; 및
    격벽 내부에 배치되고, 격벽 내부로 유입된 반응물을 튜브의 상부로 유동시키며, 제1 임펠러의 회전속도보다 빠른 회전속도로 구동되기 위한 제2 임펠러를 포함하는 중합 반응기.
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