KR102030607B1 - 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명의 한 실시예에 따른 반응기는 제1 관부, 제1 관부를 둘러싸며 상기 제1 관부의 내부와 연통되어 있는 제2 관부, 제1 관부와 연결되어 있는 제3 관부, 제1 관부와 상기 제3 관부 사이에 위치하며 상기 제1 관부로 유입되는 제1 유체를 복수로 분할하는 분할판, 제3 관부로 노출된 상기 분할판의 일면 위에 위치하는 구조체를 포함하고, 상기 구조체의 측벽은 상기 일면에 대해서 기울어져 있다.

Description

반응기{REACTOR}

본 발명은 반응기에 관한 것으로, 특히 이소시아네이트(isocyanate)계 화합물을 생성하기 위한 반응기 이다.

이소시아네이트계 화합물을 생산하기 위해선 아민(amine)계 물질과 CDC (carbon dichloride oxide, phosgene)를 반응시키는데, 이 때 두 반응물의 혼합(mixing)효율이 낮으면 중간 생성물인 MCCS (mono carbamoyl chloride salt)와 미반응 아민이 만나 부반응을 일으켜 부산물인 우레아(urea)를 형성한다.

이 우레아는 후단 공정을 거치며 공정 내 다른 물질들과 만나 무거운 타르(tar)성 물질을 만들어 파울링(fouling), 효율 저하 등의 문제를 일으키며, 전체 공장의 간이 클리닝 및 정기보수 기간을 단축시키는 문제가 있다.

따라서, 반응물인 아민과 CDC를 빠르고 효과적으로 혼합시켜 부반응을 억제시키는 게 경제적, 환경적 측면에서 매우 중요하다.

그러나, 기존 반응기는 혼합 효율을 높이기 위해 반응기에 몇 개의 구멍을 뚫어 아민을 축방향으로 분사시키고, CDC를 관 외벽으로부터 내부로 뚫린 몇 개의 구멍을 통해 회전형으로 돌아나가도록 구성되어 있다.

이러한 구조에서는 과량으로 들어가는 CDC가 원심력에 의해서 관의 벽면쪽으로 쏠려 내부 깊숙한 곳까지 침투하지 못하고, TDA는 좁은 구멍에서 나와 확관된 공간으로 곧바로 흘러 퍼지게 된다.

따라서, 반응기 내부의 위치에 따라서 유속이 거의 0인 정체 구간(dead zone)이 발생하게 되는데 이러한 정체 구간에서 부반응이 가속화되어 타르성 물질을 생성하여 파울링, 효율 저하가 증가한다.

따라서 본 발명은 반응기 내부의 정체 구간을 줄여 부반응을 최소화하여 이로 인한 부산물의 생성을 최소화하여 생산 효율을 증가시킬 수 있는 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명의 한 실시예에 따른 반응기는 제1 관부, 제1 관부를 둘러싸며 상기 제1 관부의 내부와 연통되어 있는 제2 관부, 제1 관부와 연결되어 있는 제3 관부, 제1 관부와 상기 제3 관부 사이에 위치하며 상기 제1 관부로 유입되는 제1 유체를 복수로 분할하는 분할판, 제3 관부로 노출된 상기 분할판의 일면 위에 위치하는 구조체를 포함하고, 구조체의 측벽은 상기 일면에 대해서 기울어져 있다.

상기 일면과 접하는 상기 구조체의 바닥면의 평면 모양은 상기 제1 관부의 횡단면의 평면 모양과 동일할 수 있다.

상기 구조체를 상기 제1 유체가 흐르는 방향으로 절단할 때, 구조체의 측벽과 상기 일면이 이루는 내각은 15° 이상 82.5°미만일 수 있다.

상기 분할판은 상기 구조체 둘레를 따라서 일정한 간격으로 형성되어 있는 제1 관통 구멍을 포함할 수 있다.

상기 구조체는 상기 분할판에 나사 결합될 수 있다.

상기 제2 관부는 제2 유체가 유입되는 유입구를 포함하는 제1 부분, 상기 제1 부분의 일단과 연결되어 있으며 상기 제1 관부를 둘러싸는 제2 부분, 상기 제2 부분, 상기 제2 부분과 상기 제1 관부 사이를 연결하는 제3 부분을 포함하고, 제3 부분은 상기 제2 부분의 제2 관통 구멍 및 상기 제1 관부의 제3 관통 구멍 사이를 연결할 수 있다.

상기 제3 관통 구멍의 측벽은 상기 분할판의 일면이 확장된 가상의 면에 대해서 기울어질 수 있다.

상기 제3 관통 구멍의 측벽은 상기 구조체의 측벽과 나란한 방향으로 기울어질 수 있다.

본 발명에서와 구조체를 설치하면 반응기 내부의 정체 구간을 줄일 수 있다. 따라서, 정체 구간에서 부반응으로 인한 부산물이 생성되는 것을 최소화하여 생산 효율을 증가시킬 수 있다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 반응기의 개략적인 사시도이다.
도 2는 도 1의 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이다.
도 3은 도 1에 도시한 반응기에 포함된 분할판의 평면도이다.
도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반응기의 단면도이다.
도 6은 종래 기술에 따른 비교예에 따른 반응기를 이용하여 반응시 우레아 분포를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 실시예에 따른 반응기를 이용하여 반응시 우레아 분포를 도시한 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 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 실시예들에 한정되지 않는다.

본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.

또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.

도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.

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 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서 전체에서, "~상에"라 함은 대상 부분의 위 또는 아래에 위치함을 의미하는 것이며, 반드시 중력 방향을 기준으로 상 측에 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 반응기의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1의 II-II선을 따라 잘라 도시한 단면도이고, 도 3은 도 1에 도시한 반응기에 포함된 분할판의 평면도이고, 도 4 및 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 반응기의 단면도이다.

도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 한 실시예에 따른 반응기(1000)는 연속하여 위치하는 제1 관부(100), 제2 관부(200) 및 제3 관부(300)를 포함한다.

반응기(1000)는 제1 유체와 제2 유체를 혼합하여 반응물을 생성하는 반응기로, 제1 유체가 관을 따라서 이동하는 동안 제2 유체가 유입되면서 제1 유체와 혼합되며 반응하여 반응물을 생성할 수 있다. 예를 들어, 제1 유체는 MDI(Methylene diphenyl diisocyanate), 또는 TDA (toluene diamine)와 같은 아민(amine)계이고, 제2 유체는 CDC (carbon dichloride oxide, phosgene)이며, 이들을 혼합하여 TDI(toluene diisocyanate)와 같은 이소시아네이트(isocyanate)계를 생산하는 반응기 일 수 있다. 제1 관부(100)는 제1 유체가 지나가는 경로를 제공하며, 일방향으로 길게 형성될 수 있다. 제1 관부(100)의 단부에는 유입된 제1 유체를 복수의 유체로 나누는 분할판(400)이 설치될 수 있다.

제3 관부(300)는 제1 유체와 제2 유체와 혼합되는 관으로, 제1 관부(100)의 연장선에 위치할 수 있다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 분할판(400)은 제1 관부(100)의 배출구를 막도록 설치될 수 있으며, 제1 유체가 관통하는 복수의 제1 관통 구멍(H1)을 포함할 수 있다.

분할판(400) 위에는 구조체(45)가 설치될 수 있다. 구조체(45)는 중심으로 갈수록 횡단면의 폭이 줄어들어 측벽이 분할판(400)의 중심을 향해서 기울어질 수 있다. 따라서 구조체(45)는 원뿔 또는 다각뿔 형태를 가질 수 있다. 또한, 구조체(45)는 도 4에 도시한 바와 같이, 구조체(45)의 바닥면과 분할판(400) 사이에 기둥 형태의 기단을 더 포함할 수 있다.

구조체(45)의 횡단면 또는 분할판(400)과 접하는 바닥면의 평면 모양은 제1 관부(100)의 횡단면의 평면 모양과 동일할 수 있으며, 예를 들어, 제1 관부(100)의 횡단면 형상이 원형이면 구조체(45)의 횡단면 또는 바닥면은 원형일 수 있다.

구조체(45)의 바닥면 직경은 제1 관통 구멍(H1)의 직경보다 1.5배 이상일 수 있으며, 예를 들어 바닥면 직경이 40mm이고, 제1 관통 구멍(H1)의 직경이 5mm일 수 있다.

한편, 구조체(45)를 제1 유체가 흐르는 방향으로 절단할 때, 구조체(45)의 중심, 즉 꼭지점과 이웃하는 두 측변 사이의 각도(θ1)는 15°이상 150°이하일 수 있으며, 더 바람직하게는 30°이상 120°이하일 수 있다. 따라서, 구조체(45)를 제1 유체가 흐르는 방향으로 절단할 때, 두 측변과 분할판(400)의 일면이 이루는 내각(θ2)은 각각 15°이상 82.5°이하일 수 있으며, 더 바람직하게는 30° 이상 75°이하일 수 있다.

구조체(45)는 분할판(400)에 결합될 수 있으며, 예를 들어 분할판 또는 구조체에 나사산을 형성하여 나사 결합할 수 있다. 이처럼, 구조체(45)를 나사 결합하면 혼합하고자 하는 물질, 정도에 따라서 구조체(45)의 각도를 선택하여 설치할 수 있다.

구조체(45)의 측벽은 제1 관부(100)에 형성된 제3 관통 구멍(H3)과 마주하도록 위치할 수 있다.

한편, 복수의 관통 구멍(H1)은 구조체(45)의 외측 둘레를 따라서 일정한 간격을 두고 배치될 수 있다.

본 발명의 실시예에서와 같이, 단면의 측변이 분할판(400)의 일면에 대해서 기울어지도록 측벽을 가지는 구조체(45)를 설치하면, 제1 유체와 제2 유체가 혼합될 때 정체 구간이 발생하지 않으며, 구조체(45)로 인해서 구조체 근처의 유속이 빨라지고 유체가 방향성을 가지고 이동하기 때문에 혼합 효율이 증가한다. 따라서, 우레아와 같은 부산물의 발생을 최소화할 수 있어, 생산 효율을 증가시킬 수 있다.

제2 관부(200)는 제2 유체가 유입되는 유입구를 포함하는 제1 부분(21), 제1 부분(21)의 일단과 연결되어 있으며 제1 관부를 둘러싸는 제2 부분(22), 제2 부분(22)과 제1 관부(100) 사이를 연결하는 제3 부분(23)을 포함한다.

제2 부분(22)은 제1 관부(100)를 둘러싸는 환형으로 형성되며, 제1 관부(100)와 이격되어 위치할 수 있다. 제2 부분(22)과 제1 관부(100)는 서로 마주하는 영역에 각각 복수의 제2 관통 구멍(H2) 및 제3 관통 구멍(H3)이 형성될 수 있다. 제2 부분(22)의 제2 관통 구멍(H2)과 제1 관부(100)의 제3 관통 구멍(H3)은 제3 부분(23)으로 연결되어 제2 부분(22)의 내부와 제1 관부(100)의 내부는 연통될 수 있다.

제2 관통 구멍(H2)과 제3 관통 구멍(H3)은 서로 어긋나게 위치하여 제3 부분(23)은 제1 관부(100)의 외측에 접촉하는 접평면에 수직한 법선에 대해서 기울어질 수 있다. 따라서, 제3 부분(23)은 제1 부분(21)의 접평면에 대해서 비스듬하게 설치될 수 있다.

제3 관통 구멍(H3)의 측벽은 도 2에 도시한 바와 같이 제1 부분(21)의 접평면에 대해서 수직할 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니며, 도 5에 도시한 바와 같이 제3 관통 구멍(H3)의 측벽은 제3 부분(23)의 가상의 연장선 상에 위치하여 제1 부분(21)의 접평면에 대해서 기울어질 수 있다. 따라서, 제3 관통 구멍(H3)의 측벽은 분할판의 일면이 확장된 가상의 면에 대해서 기울어질 수 있으며, 구조체의 측벽과 나란한 방향으로 기울어질 수 있다.

이처럼, 제3 관통 구멍(H3)의 측벽을 기울어지도록 형성하면 제1 유체가 흐르는 방향으로 제2 유체가 주입되어 제2 유체가 방향성을 가지고 진입함으로써 제1 유체와 제2 유체가 용이하게 합류할 수 있다.

도 6은 종래 기술에 따른 비교예에 따른 반응기를 이용하여 반응시 우레아 분포를 도시한 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 실시예에 따른 반응기를 이용하여 반응시 우레아 분포를 도시한 도면이다.

도 6에서 종래 기술에 따른 비교예 1은 구조체를 포함하지 않고, 도 7의 본 발명에 따른 실시예 1 내지 4는 구조체를 포함하며, 실시예 1은 도 4에 도시한 구조체이며, 실시예 2 내지 4는 도 2의 구조체를 포함한다. 이때, 실시예 2 내지 4에서 구조체의 측벽은 분할판의 일면과 이루는 내각(θ2, 도 2 참조)의 각도가 각각 75°, 60° 및 30°이다.

이때, 제1 유체는 TDA와 톨루엔(Toluene)을 혼합하여 21,165kg/h의 유량으로 주입하고, 제2 유체는 CDC, 염화수소(HCl), 톨루엔 혼합액을 36,348kg/h의 유량으로 주입하였다.

도 6 및 도 7에서는 우레아 조성에 따라서 색으로 구분하였으며, 우레아 발생으로 조성이 증가할수록 붉은 색으로 표시된다. 도 6을 참조할 때, 비교예 에서는 정체 구간 및 구조체 주위에서는 우레아 조성이 높은 붉은색이 많이 분포하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 도 7을 참조할 때, 실시예 1 및 2에서는 붉은 색 부분이 비교예에 비해서 줄어든 것을 알 수 있으며, 실시예 3 및 4에서는 붉은색 부분이 발생하지 않는 것을 알 수 있다.

아래 [식 1]로부터 구해지는 우레아 선택도를 비교할 때, 우레아 선택도가 낮아질수록 우레아 발생이 적은 것으로 비교예의 우레아 선택도는 3.63%이고, 실시예 1 내지 4의 우레아 선택도는 각각 3.43%, 3.5%, 2.46%, 2.59%로 종래 기술에 따른 우레아 선택도보다 본 발명에 따른 우레아 선택도가 낮아 우레아 발생이 줄어든 것을 알 수 있다.

[식 1]

우레아 선택도(Urea selectivity) = 우레아 발생 몰수/TDA 전환 몰수(=Mole of Urea produced/Mole of TDA converted)

이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.

21: 제1 부분 22: 제2 부분
23: 제3 부분 45: 구조체
100: 제1 관부 200: 제2 관부
300: 제3 관부 400: 분할판
1000: 반응기

Claims (9)

1. 제1 관부,
   상기 제1 관부를 둘러싸며 상기 제1 관부의 내부와 연통되어 있는 제2 관부,
   상기 제1 관부와 연결되어 있는 제3 관부,
   상기 제1 관부와 상기 제3 관부 사이에 위치하며 상기 제1 관부로 유입되는 제1 유체를 복수로 분할하는 분할판,
   상기 제3 관부로 노출된 상기 분할판의 일면 위에 위치하는 구조체
   를 포함하고,
   상기 구조체의 측벽은 상기 일면에 대해서 기울어져 있으며, 상기 제2 관부는 상기 구조체의 기울어진 측벽과 대응하는 부분에서 상기 제1 관부와 연통되며,
   상기 분할판은 상기 구조체 둘레를 따라서 일정한 간격으로 형성되어 있는 원형의 제1 관통 구멍을 포함하는 반응기.
2. 제1항에서,
   상기 일면과 접하는 상기 구조체의 바닥면의 평면 모양은 상기 제1 관부의 횡단면의 평면 모양과 동일한 반응기.
3. 제1항에서,
   상기 구조체를 상기 제1 유체가 흐르는 방향으로 절단할 때, 상기 구조체의 측벽과 상기 일면이 이루는 내각은 15° 이상 82.5°미만인 반응기.
4. 제1항에서,
   상기 구조체의 바닥면 직경은 상기 제1 관통 구멍의 직경의 1.5배 이상인 반응기.
5. 제1항에서,
   상기 구조체는 상기 분할판에 나사 결합되어 있는 반응기.
6. 제1항에서,
   상기 제2 관부는 제2 유체가 유입되는 유입구를 포함하는 제1 부분, 상기 제1 부분의 일단과 연결되어 있으며 상기 제1 관부를 둘러싸는 제2 부분, 상기 제2 부분, 상기 제2 부분과 상기 제1 관부 사이를 연결하는 제3 부분을 포함하고,
   상기 제3 부분은 상기 제2 부분의 제2 관통 구멍 및 상기 제1 관부의 제3 관통 구멍 사이를 연결하는 반응기.
7. 제6항에서,
   상기 제3 관통 구멍의 측벽은 상기 분할판의 일면이 확장된 가상의 면에 대해서 기울어져 있는 반응기.
8. 제7항에서,
   상기 제3 관통 구멍의 측벽은 상기 구조체의 측벽과 나란한 방향으로 기울어져 있는 반응기.
9. 제6항에서,
   상기 제3 관통 구멍은 상기 구조체의 측벽과 마주하는 반응기.

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