KR102345887B1

KR102345887B1 - 폴리올레핀 제조 장치 및 폴리올레핀 제조 방법

Info

Publication number: KR102345887B1
Application number: KR1020170113852A
Authority: KR
Inventors: 정익환; 박제훈
Original assignee: 한화솔루션 주식회사
Priority date: 2017-09-06
Filing date: 2017-09-06
Publication date: 2022-01-03
Also published as: KR20190027154A

Abstract

폴리올레핀 제조 장치 및 폴리올레핀 제조 방법이 제공된다. 폴리올레핀 제조 장치는 올레핀을 포함하는 공정 유체가 유동하기 위한 관형의 유동 통로, 상기 유동 통로 내에 배치된 믹서 부재 및 적어도 일 부분이 상기 유동 통로 내에 상기 믹서 부재와 이격되어 배치된 개시제 주입기를 포함하고, 상기 유동 통로는 인입부, 상기 인입부로부터 수평 방향으로 이격되며 상기 인입부보다 직경이 작거나 같은 배출부 및 상기 인입부와 상기 배출부를 연결하는 수축부를 포함하고, 상기 믹서 부재는 상기 인입부 또는 상기 수축부 내에 위치하며, 상기 개시제 주입기는 개시제가 상기 유동 통로 내로 토출되기 위한 개시제 출구 및 상기 개시제 출구와 연결된 개시제 주입관이 내부에 형성된 주입기 본체를 포함하고, 상기 개시제 출구는 상기 믹서 부재로부터 상기 배출부 측으로 수평 오프셋만큼 이격되고, 상기 유동 통로의 중심축으로부터 상기 유동 통로의 내벽 측으로 수직 오프셋만큼 이격된다.

Description

폴리올레핀 제조 장치 및 폴리올레핀 제조 방법{APPARATUS FOR PRODUCTING POLYOLEFIN AND PRODUCING METHOD OF POLYOLEFIN}

본 발명은 폴리올레핀 제조 장치 및 폴리올레핀 제조 방법에 관한 것이다.

관형 반응기를 사용하여 선택적으로 올레핀을 포함한 1종 이상의 단량체로부터 저밀도 올레핀 기재 중합체, 예컨대 저밀도 폴리에틸렌(LDPE)을 형성하는 방법은 본 기술분야에 주지되어 있다. 전체적인 공정은 공정 유체를 함유하는 튜브 반응기에서의 자유 라디칼 중합이며, 여기서 부분적으로 올레핀으로 구성된 공정 유체 및 올레핀은 고 발열 반응으로 올레핀 기재 중합체로 전환된다.

다양한 노즐 구성 및 다른 시스템 변화를 통해 공정 유체 스트림에 주입한 물질의 혼합을 개선하기 위한 다양한 시도가 이루어지고 있다. PCT 특허공보 제WO 2005/065818호(헴(Hem) 등)는 비원형 반응 튜브 프로파일을 기술하고 있다. 유럽 공개출원 제0449092호(쾰러(Koehler) 등)는 일반적인 주입 노즐을 기술한다.

올레핀의 중합 반응을 개시하기 위한 개시제의 주입부에서 불균일한 혼합이 발생할 경우, 지역적으로 높은 개시제 농도 및 저속구간에서 고분자량체가 발생될 가능성이 높아져 올레핀 중합 반응기의 후단부에서 파울링(fouling)을 발생시키는 원인이 된다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 올레핀을 포함하는 공정 유체와 개시제간의 혼합이 균일하게 이루어짐에 따라 파울링 발생을 저감하고, 생성물인 폴리올레핀의 생산 효율을 향상시킬 수 있는 폴리올레핀 제조 장치 및 폴리올레핀 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리올레핀 제조 장치는 올레핀을 포함하는 공정 유체가 유동하기 위한 관형의 유동 통로, 상기 유동 통로 내에 배치된 믹서 부재 및 적어도 일 부분이 상기 유동 통로 내에 상기 믹서 부재와 이격되어 배치된 개시제 주입기를 포함하고, 상기 유동 통로는 인입부, 상기 인입부로부터 수평 방향으로 이격되며 상기 인입부보다 직경이 작거나 같은 배출부 및 상기 인입부와 상기 배출부를 연결하는 수축부를 포함하고, 상기 믹서 부재는 상기 인입부 또는 상기 수축부 내에 위치하며, 상기 개시제 주입기는 개시제가 상기 유동 통로 내로 토출되기 위한 개시제 출구 및 상기 개시제 출구와 연결된 개시제 주입관이 내부에 형성된 주입기 본체를 포함하고, 상기 개시제 출구는 상기 믹서 부재로부터 상기 배출부 측으로 수평 오프셋만큼 이격되고, 상기 유동 통로의 중심축으로부터 상기 유동 통로의 내벽 측으로 수직 오프셋만큼 이격된다.

상기 수평 오프셋은 0.5Din~5Din일 수 있다. (상기 Din은 상기 인입부의 직경이다)

상기 수직 오프셋은 0~0.5Dout일 수 있다. (상기 Dout은 상기 배출부의 직경이다)

상기 믹서 부재는, 상기 배출부로부터 상기 인입부 방향에 대해 단면적이 작아지는 형상을 갖는 제1 구조체 및 상기 인입부로부터 상기 배출부 방향에 대해 단면적이 작아지는 형상을 갖는 제2 구조체 중 하나 이상을 포함할 수 있다.

상기 믹서 부재는 상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체를 모두 포함하며, 상기 제1 구조체는 상대적으로 상기 인입부 측에 배치되고 상기 제2 구조체는 상대적으로 상기 배출부 측에 배치될 수 있다.

상기 제1 및/또는 제2 구조체를 상기 유동 통로의 내벽에 고정하는 하나 이상의 지지체를 더 포함할 수 있다.

상기 믹서 부재는 제1 및/또는 제2 구조체의 최대 단면을 기준으로 수력학적 지름(Dh)이 0.5Din~0.9Din일 수 있다. (상기 Din은 상기 인입부의 직경이다)

상기 인입부의 직경과 상기 배출부의 직경의 비는 1:0.5~1일 수 있다.

상기 개시제 주입기는 상기 유동 통로 내에서 상기 공정 유체의 유동 방향에 대해 수직 방향으로 배치될 수 있다.

상기 주입기 본체는 상기 유동 통로를 가로질러 배치되고, 상기 개시제 출구는 상기 수직 오프셋이 0~0.5Dout이 되도록 배치될 수 있다. (상기 Dout은 상기 배출부의 직경이다)

상기 다른 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리올레핀 제조 방법은 올레핀을 포함하는 공정 유체가 인입부, 상기 인입부와 일단이 연결된 수축부 및 상기 수축부의 타단과 연결되며 상기 인입부보다 직경이 작거나 같은 배출부를 포함하는 유동 통로를 순차적으로 통과하되, 상기 공정 유체는 상기 인입부 또는 상기 수축부 내에 위치한 믹서 부재에 의해 혼합난류가 형성되고, 상기 믹서 부재보다 하류에서 토출되는 개시제가 합류되어 상기 올레핀의 중합이 이루어지며, 상기 개시제는 상기 믹서 부재로부터 상기 배출부 측으로 수평 오프셋만큼 이격되고, 상기 유동 통로의 중심축으로부터 상기 유동 통로의 내벽 측으로 수직 오프셋만큼 이격된 위치에서 토출된다.

상기 수평 오프셋은 상기 믹서 부재 하류에서 상기 공정 유체의 유동에 정체가 발생하는 정체 구간보다 하류로 설정될 수 있다.

상기 정체 구간은, 상기 공정 유체가 상기 믹서 부재에 의해 상기 유동 통로의 내벽 측으로 분산되었다가 다시 집결되면서 발생하는 역류(countercurrent flow)와 병류(cocurrent flow)가 이루는 경계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 효과는 이상에서 예시된 내용에 의해 제한되지 않으며, 더욱 다양한 효과들이 본 명세서 내에 포함되어 있다.

본 발명의 실시예들에 따르면, 올레핀을 포함하는 공정 유체와 개시제의 균일한 혼합에 의해 폴리올레핀 제조 장치 내에서의 파울링이 저감되고 폴리올레핀의 생산효율이 향상될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리올레핀 제조 장치의 측면도이다.
도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 믹서 부재의 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 믹서 부재의 측면도들이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 믹서 부재의 측면도들이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리올레핀 제조 장치의 측면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리올레핀 제조 장치의 측면도이다.
도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ' 선을 따라 자른 단면도이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

공간적으로 상대적인 용어인 '아래(below 또는 beneath)', '하부(lower)', '위(above)', '상부(upper)' 등은 도면에 도시되어 있는 바와 같이 하나의 소자 또는 구성 요소들과 다른 소자 또는 구성 요소들과의 상관관계를 용이하게 기술하기 위해 사용될 수 있다. 공간적으로 상대적인 용어는 도면에 도시되어 있는 방향에 더하여 사용시 소자의 서로 다른 방향을 포함하는 용어로 이해되어야 한다. 예를 들면, 도면에 도시되어 있는 소자를 뒤집을 경우, 다른 소자의 '아래(below 또는 beneath)'로 기술된 소자는 다른 소자의 '위(above)'에 놓여질 수 있다. 따라서, 예시적인 용어인 '아래'는 아래와 위의 방향을 모두 포함할 수 있다.

비록 '제1', '제2' 등이 다양한 구성요소들을 서술하기 위해서 사용되나, 이들 구성요소들은 이들 용어에 의해 제한되지 않음은 물론이다. 이들 용어들은 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소와 구별하기 위하여 사용하는 것이다. 따라서, 이하에서 언급되는 '제1 구성요소'는 본 발명의 기술적 사상 내에서 '제2 구성요소'일 수도 있음은 물론이다.

'상류' 및 '하류'는 폴리올레핀 제조 시스템, 특히 관형 유동 통로를 통과하는 공정 유체, 스트림 또는 생성물의 일반적인 유동 방향을 지칭하는 공간 상대적인 용어이다. 통상적으로, 맥락상 다른 의미임이 명확하지 않으면, '상류'는 새로운 단량체/공단량체/공급물의 공급원에서 시작하고, '하류'는 최종 중합체 저장 설비를 통해서 끝난다. 달리 언급하지 않으면 공정 유체는 상류 위치로부터 하류 위치로 유동한다. 상류 및 하류는 또한, 공정 유체, 스트림 또는 생성물이 상류의 인입부를 통해 유입되고 하류의 배출부를 통해 배출되는 설비 부품의 상대적인 위치를 기술하는데 사용될 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다.

본 명세서에서 달리 언급이 없는 한, 수평 방향(x)은 도면을 기준으로 좌측 또는 우측 방향을 의미하거나, 동일한 의미로서 공정 유체의 유동 방향 또는 그 역방향을 의미할 수 있다. 수직 방향(y)은 도면을 기준으로 상측 또는 하측을 의미하거나, 동일한 의미로서 관형 통로의 방사(radial) 방향을 의미할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 폴리올레핀 제조 장치(1)의 측면도이고, 도 2는 도 1의 Ⅱ-Ⅱ'선을 따라 자른 단면도이다.

도 1을 참조하면, 폴리올레핀 제조 장치(1)는 공정 유체가 유동하는 유동 통로(10), 유동 통로(10) 내에 배치된 믹서 부재(30) 및 개시제 주입기(20)를 포함한다.

유동 통로(10)는 공정 유체가 그 내부를 따라 유동하기 위한 것으로서, 단면이 원 형상을 갖는 관형(tubular) 통로일 수 있다. 유동 통로(10)는 파이프 형상의 관형 반응기 내부를 이루는 공간일 수 있다. 즉, 유동 통로(10)는 관형 반응기의 내벽으로 둘러싸인 공간일 수 있다. 관형 반응기의 외벽인 외주면과 유동 통로(10)의 내벽인 내주면은 그 형상이 일치할 수 있으나, 이에 제한되지는 않는다.

유동 통로(10)는 인입부(inlet portion)(IP), 인입부(IP)로부터 수평 방향(x)으로 이격된 배출부(outlet portion)(OP) 및 인입부(IP)와 배출부(OP)를 연결하는 수축부(constricting portion)(CP)를 포함한다.

인입부(IP)는 공정 유체가 유동 통로(10) 내로 유입되는 부분일 수 있고, 배출부(OP)는 공정 유체가 유동 통로(10) 외부로 토출되는 부분일 수 있다. 또한, 인입부(IP)는 공정 유체가 수축부(CP)로 유입되는 부분일 수 있고, 배출부(OP)는 공정 유체가 수축부(CP)로부터 토출되는 부분일 수 있다. 수축부(CP)는 인입부(IP)의 공정 유체가 배출부(OP)로 이동하기 위한 통로일 수 있다.

배출부(OP)의 직경(Dout)은 인입부(IP)의 직경(Din)보다 작거나 같을 수 있다. 구체적으로, 인입부(IP)의 직경(Din)과 배출부(OP)의 직경(Dout)의 비는 1:0.5~1일 수 있다. 예시적인 실시예에서, 인입부(IP)의 직경(Din)과 배출부(OP)의 직경(Dout)의 비는 1:0.625일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.

배출부(OP)의 직경(Dout)이 인입부(IP)의 직경(Din)보다 작은 경우, 인입부(IP)와 배출부(OP)를 연결하는 수축부(CP)는 인입부(IP)로부터 배출부(OP) 방향에 대해, 즉 도면에서 우측 방향에 대해 직경이 점진적으로 작아지는 형상을 가질 수 있다. 수축부(CP)의 위치에 따른 직경 변화율은 일정할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 위치에 따라 그 변화율이 달라질 수도 있다. 직경 변화율이 일정할 경우 수축부(CP)의 외측선은 도면에 도시된 바와 같이 직선 형상을 가질 수 있으며, 직경 변화율이 일정이 않은 경우에는 수축부(CP)의 외측선이 곡선의 형상을 가질 수 있다.

수축부(CP)의 길이(Lc)는 특별히 제한되지는 않으나, Din~4Din의 범위 내의 값으로 형성될 수 있다. Din은 인입부(IP)의 직경(Din)을 의미한다.

믹서 부재(30)는 유동 통로(10)의 인입부(IP) 또는 수축부(CP) 내에 배치될 수 있다. 도 1에는 믹서 부재(30)가 유동 통로(10)의 수축부(CP) 내에 위치하는 경우가 도시되나 이에 제한되지 않으며, 믹서 부재(30)는 후술하는 도 6에 도시된 바와 같이 유동 통로(10)의 인입부(IP) 내에 위치할 수도 있다.

믹서 부재(30)는 공정 유체를 혼합하기 위한 입체 형상의 구조물로 구성될 수 있다. 구체적으로, 믹서 부재(30)는 제1 구조체(30a) 및 제2 구조체(30b)가 접하여 배치된 구조물일 수 있다. 제1 구조체(30a)는 배출부(OP)로부터 인입부(IP) 방향, 즉 도면에서 좌측으로 갈수록 단면적이 점점 작아지는 형상을 가질 수 있고, 제2 구조체(30b)는 인입부(IP)로부터 배출부(OP) 방향, 즉 도면에서 우측으로 갈수록 단면적이 작아지는 형상을 가질 수 있다. 제1 및 2 구조체(30a, 30b)는 단면적이 점점 작아지는 형상으로서 다각뿔 형상을 가질 수 있으나, 이는 하나의 예시일 뿐이며 본 발명의 범위가 이에 제한되는 것은 아니다.

제1 구조체(30a)와 제2 구조체(30b)는 가장 넓은 면, 즉 밑면이 대향하도록 배치될 수 있다. 이에 따라, 제1 구조체(30a)는 상류 측에 배치되고 제2 구조체(30b)는 하류 측에 배치될 수 있다. 제1 구조체(30a)와 제2 구조체(30b)의 밑면은 서로 접하여 배치될 수 있다. 또는, 제1 구조체(30a)와 제2 구조체(30b)는 일체화된 것일 수 있다.

제1 및 2 구조체(30a, 30b)는 유동 통로(10)의 중심에 배치될 수 있다. 이에 따라, 유동 통로(10)의 중심축(CA)은 제1 및 2 구조체(30a, 30b)의 뿔에 해당하는 부분을 관통하도록 정렬될 수 있다. 유동 통로(10)의 중심축(CA)이란 유동 통로(10)의 중심들을 연결하며 공정 유체가 유동하는 방향으로 연장되는 축으로서, 유동 통로(10)의 중심이란 유동 통로(10)를 단면이 원 형상이 되도록 잘랐을 때 상기 원의 중심을 의미할 수 있다.

믹서 부재(30)는 최대 단면을 기준으로 수력학적 직경(hydraulic diameter, Dh)이 0.5Din~0.9Din일 수 있다. Din은 인입부(IP)의 직경(Din)을 의미한다. 믹서 부재(30)의 최대 단면이란 제1 및 2 구조체(30a, 30b)의 밑면을 의미할 수 있고, 수력학적 직경은 제1 및 2 구조체(30a, 30b)의 폭(Wm), 즉 수직 방향(y)에 대한 길이(Wm)를 의미할 수 있다. 믹서 부재(30)의 수력학적 직경이 0.5Din보다 작으면 믹서 부재(30)의 하류에 충분한 크기의 역류 또는 역혼합 영역이 생성되지 않을 수 있고, 0.9Din보다 크면 유체흐름 면적이 매우 줄어들어 압력강하가 매우 상승하며 믹서 부재(30)에 가해지는 부하가 커질 수 있다.

예시적인 실시예에서, 제1 및 2 구조체(30a, 30b)의 폭(Wm), 즉 수직 방향(y)에 대한 길이(Wm)는 서로 같을 수 있고, 구체적으로는 1.35 inch일 수 있다. 제1 구조체(30a)와 제2 구조체(30b)는 밑면이 서로 완전히 중첩되도록 배치될 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적인 실시예에서, 제1 및 2 구조체(30a, 30b)의 높이(Lma, Lmb), 즉 수평 방향(x)에 대한 길이(Lma, Lmb)는 각각 독립적으로 1.1~1.4 inch일 수 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.

도 1에는 믹서 부재(30)가 제1 구조체(30a)와 제2 구조체(30b)를 모두 포함하는 경우가 도시되나 이에 제한되는 것은 아니며, 믹서 부재(30)는 후술하는 바와 같이 제1 구조체(30a)와 제2 구조체(30b) 중 하나만을 포함할 수도 있다.

제1 및 제2 구조체(30b)와 유동 통로(10)의 내벽 사이에는 하나 이상의 지지체(S)가 배치될 수 있다. 지지체(S)는 제1 및 제2 구조체(30b)를 유동 통로(10)의 내벽에 고정하는 부재일 수 있다.

도 2를 참조하면, 믹서 부재(30), 즉 제1 및 2 구조체(30a, 30b)의 밑면은 사각 형상을 가질 수 있다. 복수의 지지체(S)는 일단이 제1 및 2 구조체(30a, 30b)의 밑면의 꼭지점 부분에 연결되고 타단이 유동 통로(10)의 내벽에 연결될 수 있다. 다만, 지지체(S)의 형상, 개수 및 위치가 이에 제한되는 것은 아니다.

공정 유체는 믹서 부재(30)를 통과하면서 믹서 부재(30)의 형상에 대응하여 그 유동이 달라짐으로써 혼합이 가능할 수 있다. 구체적으로, 공정 유체는 제1 구조체(30a)를 지나면서 제1 구조체(30a)의 형상에 의해 유동 통로(10)의 내벽 측으로 점점 분산되다가 제1 구조체(30a)를 지나 제2 구조체(30b)를 지나면서 다시 집결된다. 공정 유체가 집결되었다가 다시 퍼지는 과정에서 관경(radial) 방향으로 흐름이 발생하게 된다. 즉, 혼합난류가 형성되어 효과적인 공정 유체 혼합이 이루어질 수 있다.

공정 유체는 상술한 바와 같이 분산되었다가 다시 집결되면서 역류(countercurrent flow)와 병류(cocurrent flow)가 함께 발생할 수 있는데, 이러한 역류와 병류는 경계를 이룰 수 있다. 구체적으로, 병류는 유동 통로(10)의 내벽 측에 인접하여 흐를 수 있고, 역류는 병류로 둘러싸여 흐를 수 있으며, 역류와 병류가 이루는 경계는 하류 방향으로 돌출된 호 형상으로 형성될 수 있다.

이와 같은 역류와 병류의 경계가 존재하는 구간은 공정 유체의 유동에 정체가 발생하는 정체 구간(stagnation zone)(SZ)으로 정의될 수 있다. 정체 구간(SZ)은 믹서 부재(30)가 배치된 위치의 하류 측에 형성될 수 있다. 정체 구간(SZ)은 수축부(CP) 내에 위치할 수 있으나 이에 제한되는 것은 아니며, 배출부(OP)까지도 연장될 수 있다.

다시 도 1을 참조하면, 개시제 주입기(20)는 믹서 부재(30)와 이격되어 배치된다. 개시제 주입기(20)는 개시제를 유동 통로(10) 내로 토출하는 개시제 출구(20a) 및 개시제 출구(20a)와 연결된 개시제 주입관(20b2)이 내부에 형성된 주입기 본체(20b)를 포함한다. 개시제 주입관(20b2)은 본체 외벽(20b1)으로 둘러싸일 수 있다. 개시제 출구(20a)는 주입기 본체(20b)의 말단에 형성될 수 있다.

개시제 주입기(20)는 일 부분이 유동 통로(10) 내에 배치될 수 있다. 구체적으로, 주입기 본체(20b)의 일 부분과 개시제 출구(20a)가 유동 통로(10) 내에 배치될 수 있다.

개시제 주입기(20)는 주입기 본체(20b)가 공정 유체의 유동 방향에 대해 수직이 되도록 배치될 수 있다. 개시제는 공급원(미도시)으로부터 개시제 주입관(20b2)으로 공급되어 개시제 주입관(20b2)과 연결된 개시제 출구(20a)를 통해 유동 통로(10) 내로 토출될 수 있다.

개시제 주입기(20)는 개시제를 토출하는 개시제 출구(20a)가 수평 방향으로는 믹서 부재(30)로부터 배출부(OP) 측으로 수평 오프셋(HO)만큼 이격되고, 수직 방향으로는 유동 통로(10)의 중심축(CA)으로부터 유동 통로(10)의 내벽 측으로 수직 오프셋(VO)만큼 이격되도록 배치될 수 있다.

수평 오프셋(HO)과 수직 오프셋(VO)은 개시제 주입기(20)를 지나는 공정 유체가 개시제와 균일하게 혼합되면서 유동하기 위한 최적의 이격 거리 또는 개시제 출구(20a)의 최적의 위치를 의미할 수 있다.

수평 오프셋(HO)은 믹서 부재(30)의 중심, 구체적으로는 제1 및 2 구조체(30a, 30b)의 밑면으로부터 개시제 주입기(20)의 중심까지의 이격 거리를 의미한다. 수직 오프셋(VO)은 유동 통로(10)의 중심축(CA)으로부터 개시제 출구(20a)까지의 이격 거리를 의미한다.

수평 오프셋(HO)은 개시제 출구(20a)가 공정 유체의 정체 구간(SZ)보다 하류에 위치하도록 하는 값일 수 있다. 즉, 수평 오프셋(HO)은 제1 수평 오프셋(HO1)과 제2 수평 오프셋(HO2)의 합으로 나타낼 수 있는데, 제1 수평 오프셋(HO1)은 정체 구간(SZ)의 수평 방향 길이를 의미할 수 있고, 제2 수평 오프셋(HO2)은 정체 구간(SZ)으로부터 개시제 출구(20a)까지의 이격 거리를 의미할 수 있다. 제2 수평 오프셋(HO2)은 0보다 크기 때문에 개시제 출구(20a)는 정체 구간(SZ)보다 하류에 위치할 수 있다.

또한, 수평 오프셋(HO)은 개시제 출구(20a)가 배출부(OP)보다 하류에 위치하도록 하는 값일 수도 있다. 다만, 이에 제한되는 것은 아니다.

예시적인 실시예에서, 수평 오프셋(HO)의 값은 0.5Din~5Din일 수 있다. Din은 인입부(IP)의 직경(Din)을 의미한다. 다만 이에 제한되는 것은 아니며, 개시제 출구(20a)가 정체 구간(SZ)보다 하류에 위치하도록 하는 값이라면 수평 오프셋(HO)은 상기 범위 외의 값을 가질 수도 있다.

수직 오프셋(VO)은, 예시적인 실시예에서 0~0.5Dout일 수 있다. Dout은 배출부(OP)의 직경(Dout)을 의미한다. 보다 구체적으로는, 수직 오프셋(VO)은 0~0.3 inch일 수 있다. 수직 오프셋(VO)이 상기 범위 내일 때 개시제가 공정 유체에 균일하게 혼합될 수 있다.

공정 유체는 올레핀을 포함할 수 있다. 올레핀은 중합 반응이 가능한 불포화 결합을 갖는 단량체면 그 종류가 특별히 제한되지는 않으나, 구체적으로는 에틸렌일 수 있다.

개시제는 올레핀 중합 반응의 개시제로서 자유 라디칼 개시제일 수 있으며, 구체적으로는 TBPND(tert-Butyl peroxy neodecanoate), TBPP(tert-Butyl peroxy pivalate), TBPO(t-butyl peroctoate), TBPA(tert-Butyl peroxy acetate) 및 DTBP(Di(tert-butyl)peroxide)로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함할 수 있다. 다만, 개시제의 종류가 이에 제한되는 것은 아니다.

올레핀을 포함하는 공정 유체는 믹서 부재(30)를 통과한 후 개시제 출구(20a)에서 토출되는 개시제와 혼합되어 올레핀이 중합됨에 따라 폴리올레핀을 포함하게 된다. 따라서, 공정 유체는 유동 통로(10)의 전체 영역 내에서 올레핀, 개시제 및 폴리올레핀을 모두 포함할 수 있다.

이상에서와 같은 본 발명의 폴리올레핀 제조 장치(1)를 사용하여 폴리올레핀을 합성하면, 올레핀을 포함하는 공정 유체와 개시제의 균일한 혼합에 의해 올레핀의 중합이 효율적으로 이루어짐에 따라 폴리올레핀 제조 장치 내의 파울링이 저감될 수 있고, 폴리올레핀의 생산효율이 향상될 수 있다.

도 3은 본 발명의 다른 실시예들에 따른 믹서 부재(31, 32)의 단면도들이다. 도 3은 믹서 부재(31, 32)의 단면 형상이 사각형이 아닌 점을 제외하고 도 2의 설명에서 상술한 바와 같다. 이하에서는 중복되는 내용은 생략한다.

도 3의 (a)를 참조하면, 믹서 부재(31)의 단면, 즉 밑면은 원 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 믹서 부재(31)는 2개의 원뿔 구조체를 겹쳐 놓은 형상의 구조물일 수 있다. 믹서 부재(31)는 별도로 형성된 2개의 원뿔 구조체가 합쳐진 구조물일 수도 있고, 일체로 형성된 구조물일 수도 있다.

도 3의 (b)를 참조하면, 믹서 부재(32)의 단면, 즉 밑면은 삼각 형상을 가질 수 있다. 이에 따라, 믹서 부재(32)는 2개의 삼각뿔 구조체를 겹쳐 놓은 형상의 구조물일 수 있다. 믹서 부재(32)는 별도로 형성된 2개의 삼각뿔 구조체가 합쳐진 구조물일 수도 있고, 일체로 형성된 구조물일 수도 있다. 지지체(S)는 믹서 부재(32) 밑면의 각 꼭지점 부분을 지지하도록 배치될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.

이와 같이 믹서 부재(31, 32)의 단면 형상은 사각형에 제한되지 않으며, 믹서 부재(31, 32)는 그 단면이 도면에 도시된 원, 삼각형 이외에도 다양한 형상을 갖도록 형성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 믹서 부재(33, 34, 35)의 측면도들이다. 도 4는 믹서 부재(33, 34, 35)의 구성요소가 다른 점을 제외하고 도 1의 설명에서 상술한 바와 같다. 이하에서는 중복되는 내용은 생략한다.

도 4의 (a)를 참조하면, 믹서 부재(33)는 상류 측을 향하여 단면이 좁아지는 형상을 갖는 제1 구조체(33a)만을 포함할 수 있다.

도 4의 (b)를 참조하면, 믹서 부재(34)는 하류 측을 향하여 단면이 좁아지는 형상을 갖는 제2 구조체(34b)만을 포함할 수 있다.

도 4의 (c)를 참조하면, 믹서 부재(35)는 제1 구조체(35a) 및 제2 구조체(35b) 이외에, 제1 구조체(35a)와 제2 구조체(35b) 사이에 배치된 제3 구조체(35c)를 더 포함할 수 있다. 제3 구조체(35c)는 상류 또는 하류 방향에 대해 단면이 일정한 형상을 가질 수 있으며, 그 단면은 제1 구조체(35a) 및 제2 구조체(35b)의 밑면과 일치할 수 있다.

이와 같이, 믹서 부재(33, 34, 35)는 공정 유체의 혼합 정도, 혼합 양상 등을 달리하기 위해 그 구성이 다양하게 변경될 수 있다.

도 5는 본 발명의 다른 실시예들에 따른 믹서 부재(36, 37, 38)의 측면도들이다. 도 5는 믹서 부재(36, 37, 38)의 측면 형상이 다른 점을 제외하고 도 1의 설명에서 상술한 바와 같다. 이하에서는 중복되는 내용은 생략한다.

도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 믹서 부재(36, 37)의 단면 변화율은 위치에 따라 달라질 수 있다. 이에 따라, 도면에 도시된 바와 같이 믹서 부재(36, 37)의 외측선이 직선 형상이 아닌 곡선 형상을 가질 수 있다. 믹서 부재(38)는 또한, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 구 형상을 가질 수도 있다.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리올레핀 제조 장치(2)의 측면도이다. 도 6의 폴리올레핀 제조 장치(2)는 믹서 부재(30') 및 이를 고정하는 지지체(S')가 유동 통로(10)의 수축부(CP)가 아닌 인입부(IP) 내에 배치된다는 점에서 도 1의 폴리올레핀 제조 장치(1)와 차이가 있다.

이와 같이, 믹서 부재(30')의 유동 통로(10) 내 위치는 공정 유체의 혼합 정도나 개시제와의 혼합 정도 등을 조절하기 위해 변경될 수 있다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 폴리올레핀 제조 장치(3)의 측면도이다. 도 8은 도 7의 Ⅷ-Ⅷ' 선을 따라 자른 단면도이다. 도 7 및 8의 폴리올레핀 제조 장치(3)는 주입기 본체(21b)가 유동 통로(10)를 가로질러 배치된 점을 제외하고 도 1의 설명에서 상술한 바와 같다. 이하에서는 중복되는 내용은 생략한다.

도 7 및 8을 참조하면, 개시제 주입기(21)는 주입기 본체(21b)가 유동 통로(10)를 가로지르도록 배치될 수 있다. 다시 말해, 주입기 본체(21b)는 유동 통로(10)를 관통하여 배치될 수 있다.

개시제 출구(21a)는 도 1처럼 주입기 본체(21b)의 말단이 아닌, 주입기 본체(21b)의 중간 부분에 형성될 수 있다. 구체적으로, 개시제 출구(21a)는 수직 오프셋(VO)이 0이 되도록 위치할 수 있다. 이에 따라, 유동 통로(10)의 중심축(VC)은 개시제 출구(21a)를 관통하여 정렬될 수 있다.

개시제 출구(21a)가 주입기 본체(21b)의 말단이 아닌 중간 부분에 형성됨에 따라, 개시제 출구(21a)와 연결되어 개시제 출구(21a)로 개시제를 운송하는 개시제 주입관(21b2)은 개시제 본체(21b)의 일 부분 내에만 형성될 수 있다. 즉, 개시제 주입관(21b2)은 주입기 본체(21b)의 중간 부분에 형성된 개시제 출구(21a)까지만 형성될 수 있다.

이와 같이 주입기 본체(21b)가 유동 통로(10)를 가로질러 배치되고 수직 오프셋(VO)이 0으로 설정된 경우, 보다 균일한 개시제의 혼합 및 효율적인 폴리올레핀 생성이 이루어질 수 있다.

이하에서는 본 발명의 폴리올레핀 제조 장치 및 방법을 이용한 폴리올레핀의 중합 효율을 평가하기 위한 실험예들에 대하여 상세히 서술한다.

<실험예 1: 폴리올레핀 제조 장치의 중합 효율 평가 (1)>

도 1의 폴리올레핀 제조 장치와 동일한 장치로 에틸렌을 포함하는 공정 유체를 유동시키면서 개시제를 토출하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 폴리올레핀 제조 장치의 구체적인 제원은 하기 표 1과 같았다.

구분	값
인입부 직경(Din)과 배출부 직경(Dout)의 비	1:0.625
믹서부재 폭(Wm)	1.35 inch
믹서부재 높이(Lma)	1.1 inch
믹서부재 높이(Lmb)	1.1 inch
수평 오프셋(HO)	2.6 inch
수직 오프셋(VO)	0.1 inch

시뮬레이션 결과는 도 9 및 10과 같았으며, 도 9는 폴리올레핀 제조 장치 내의 폴리에틸렌 농도 분포를 나타낸 것이고, 도 10은 폴리올레핀 제조 장치 내 공정 유체의 속도 분포를 나타낸 것이다.

도 9를 참조하면, 공정 유체는 개시제가 토출되는 부분에서 폴리에틸렌의 농도가 가장 높으나, 하류 측으로 진행할수록 수평 방향이나 수직 방향(또는 방사 방향)에 대해 폴리에틸렌의 농도 분포가 균일해지는 점을 확인할 수 있다. 이로부터 에틸렌과 개시제의 혼합이 효율적으로 이루어진다는 점을 알 수 있다.

도 10을 참조하면, 믹서 부재의 하류 측에서는 유동 통로의 내측에 위치하는 역류와 역류의 외측에 위치하는 병류가 발생하여 상기 역류와 병류가 이루는 경계가 생성되는 정체 구간이 존재함을 확인할 수 있다. 또한, 개시제를 토출하는 개시제 주입기의 위치가 정체 구간보다 하류 측에 위치함에 따라 균일한 혼합 및 폴리에틸렌의 균일한 분포가 가능함을 알 수 있다.

<실험예 2: 폴리올레핀 제조 장치의 중합 효율 평가 (2)>

도 7의 폴리올레핀 제조 장치와 동일한 장치로 에틸렌을 포함하는 공정 유체를 유동시키면서 개시제를 토출하는 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에 사용된 폴리올레핀 제조 장치의 구체적인 제원은 하기 표 2와 같았다.

구분	값
인입부 직경(Din)과 배출부 직경(Dout)의 비	1:0.625
믹서부재 폭(Wm)	1.35 inch
믹서부재 높이(Lma)	1.4 inch
믹서부재 높이(Lmb)	1.4 inch
수평 오프셋(HO)	2.0 inch
수직 오프셋(VO)	0

시뮬레이션 결과는 도 11 및 12와 같았으며, 도 11은 폴리올레핀 제조 장치 내의 폴리에틸렌 농도 분포를 나타낸 것이고, 도 12는 폴리올레핀 제조 장치 내 공정 유체의 속도 분포를 나타낸 것이다.

도 11 및 12를 참조하면, 마찬가지로 공정 유체는 하류 측으로 진행할수록 수평 방향이나 수직 방향(또는 방사 방향)에 대해 폴리에틸렌의 농도 분포가 균일해지는 바 에틸렌과 개시제의 혼합이 효율적으로 이루어짐을 알 수 있고, 개시제를 토출하는 개시제 주입기의 위치가 정체 구간보다 하류 측에 위치함에 따라 균일한 혼합 및 폴리에틸렌의 균일한 분포가 가능함을 알 수 있다.

또한, 상기 실험예 1의 장치(도 1의 구조)와 달리 주입기 본체가 유동 통로를 가로질러 배치되고 수직 오프셋이 0인 구조를 통해, 상기 실험예 1 이상으로 폴리에틸렌의 분포가 균일할 수 있음을 확인할 수 있다.

<실험예 3: 믹서 부재 유무에 따른 중합 효율 평가>

상기 실험예 1의 폴리올레핀 제조 장치에서 믹서 부재의 유무만을 달리하여 시뮬레이션을 수행하였다.

시뮬레이션 결과는 도 13과 같았으며, 도 13에 나타난 바와 같이 믹서 부재가 배치되지 않는 경우 개시제가 공정 유체에 균일하게 혼합되지 않아 폴리에틸렌의 농도 분포 또한 불균일해지는 바, 폴리에틸렌의 중합 효율이 크게 떨어진다는 점을 확인할 수 있다.

<실험예 4: 수직 오프셋에 따른 중합 효율 평가>

상기 실험예 1의 폴리올레핀 제조 장치에서 수직 오프셋 값만을 달리하여 시뮬레이션을 수행하였다.

시뮬레이션 결과는 도 14와 같았으며, 도 14에 나타난 바와 같이 수직 오프셋 값이 0~0.3in 범위 내의 값을 가질 때 균일한 혼합에 의해 폴리에틸렌의 중합 효율이 향상될 수 있음을 확인할 수 있다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

1: 폴리올레핀 제조 장치
10: 유동 통로
20: 믹서 부재
30: 개시제 주입기
IP: 인입부
CP: 수축부
OP: 배출부

Claims

올레핀을 포함하는 공정 유체가 유동하기 위한 관형의 유동 통로;
상기 유동 통로 내에 배치된 믹서 부재; 및
적어도 일 부분이 상기 유동 통로 내에 상기 믹서 부재와 이격되어 배치된 개시제 주입기를 포함하고,
상기 유동 통로는 인입부, 상기 인입부로부터 수평 방향으로 이격되며 상기 인입부보다 직경이 작은 배출부 및 상기 인입부와 상기 배출부를 연결하며 상기 인입부로부터 상기 배출부로 갈수록 직경이 작아지도록 경사진 외면을 갖는 수축부를 포함하고,
상기 믹서 부재는 상기 인입부 또는 상기 수축부 내에 위치하며,
상기 개시제 주입기는 개시제가 상기 유동 통로 내로 토출되기 위한 개시제 출구 및 상기 개시제 출구와 연결된 개시제 주입관이 내부에 형성된 주입기 본체를 포함하고,
상기 개시제 출구는 상기 믹서 부재로부터 상기 배출부 측으로 수평 오프셋만큼 이격되고, 상기 유동 통로의 중심축으로부터 상기 유동 통로의 내벽 측으로 수직 오프셋만큼 이격되며,
상기 개시제 출구는 상기 수축부에 배치되되 상기 인입부보다 상기 배출부에 더 인접하여 배치되고,
상기 믹서 부재는 상기 개시제 출구보다 상기 인입부에 더 인접하여 배치되며,
상기 수평 오프셋은 상기 수축부의 길이의 절반 이상의 값을 갖는 폴리올레핀 제조 장치.
삭제
제1 항에 있어서,
상기 수직 오프셋은 0~0.5Dout인 폴리올레핀 제조 장치.
(상기 Dout은 상기 배출부의 직경이다)
제1 항에 있어서,
상기 믹서 부재는,
상기 배출부로부터 상기 인입부 방향에 대해 단면적이 작아지는 형상을 갖는 제1 구조체; 및
상기 인입부로부터 상기 배출부 방향에 대해 단면적이 작아지는 형상을 갖는 제2 구조체 중 하나 이상을 포함하는 폴리올레핀 제조 장치.
제4 항에 있어서,
상기 믹서 부재는 상기 제1 구조체 및 상기 제2 구조체를 모두 포함하며,
상기 제1 구조체는 상대적으로 상기 인입부 측에 배치되고 상기 제2 구조체는 상대적으로 상기 배출부 측에 배치된 폴리올레핀 제조 장치.
제4 항에 있어서,
상기 제1 및/또는 제2 구조체를 상기 유동 통로의 내벽에 고정하는 하나 이상의 지지체를 더 포함하는 폴리올레핀 제조 장치.
제4 항에 있어서,
상기 믹서 부재는 제1 및/또는 제2 구조체의 최대 단면을 기준으로 수력학적 지름(Dh)이 0.5Din~0.9Din인 폴리올레핀 제조 장치.
(상기 Din은 상기 인입부의 직경이다)
제1 항에 있어서,
상기 인입부의 직경과 상기 배출부의 직경의 비는 1:0.5~1인 폴리올레핀 제조 장치.
제1 항에 있어서,
상기 개시제 주입기는 상기 유동 통로 내에서 상기 공정 유체의 유동 방향에 대해 수직 방향으로 배치된 폴리올레핀 제조 장치.
제9 항에 있어서,
상기 주입기 본체는 상기 유동 통로를 가로질러 배치되고,
상기 개시제 출구는 상기 수직 오프셋이 0~0.5Dout이 되도록 배치된 폴리올레핀 제조 장치.
(상기 Dout은 상기 배출부의 직경이다)
올레핀을 포함하는 공정 유체가 인입부, 상기 인입부와 일단이 연결된 수축부 및 상기 수축부의 타단과 연결되며 상기 인입부보다 직경이 작은 배출부를 포함하는 유동 통로를 순차적으로 통과하되,
상기 공정 유체는 상기 인입부 또는 상기 수축부 내에 위치한 믹서 부재에 의해 혼합난류가 형성되고, 상기 믹서 부재보다 하류에서 토출되는 개시제가 합류되어 상기 올레핀의 중합이 이루어지며,
상기 개시제는 상기 믹서 부재로부터 상기 배출부 측으로 수평 오프셋만큼 이격되고, 상기 유동 통로의 중심축으로부터 상기 유동 통로의 내벽 측으로 수직 오프셋만큼 이격된 위치에서 토출되고,
상기 수축부는 상기 인입부로부터 상기 배출부로 갈수록 직경이 작아지도록 경사진 외면을 갖고,
상기 개시제가 토출되는 개시제 출구는 상기 수축부에 배치되지 상기 인입부보다 상기 배출부에 더 인접하여 배치되어 상기 개시제는 상기 배출부에 인접하여 토출되고,
상기 믹서 부재는 상기 개시제 출구보다 상기 인입부에 더 인접하여 배치되며,
상기 수평 오프셋은 상기 수축부의 길이의 절반 이상의 값을 갖는 폴리올레핀 제조 방법.
제11 항에 있어서,
상기 수평 오프셋은 상기 믹서 부재 하류에서 상기 공정 유체의 유동에 정체가 발생하는 정체 구간보다 하류로 설정되는 폴리올레핀 제조 방법.
삭제
제12 항에 있어서,
상기 믹서 부재는,
상기 배출부로부터 상기 인입부 방향에 대해 단면적이 작아지는 형상을 갖는 제1 구조체; 및
상기 인입부로부터 상기 배출부 방향에 대해 단면적이 작아지는 형상을 갖는 제2 구조체 중 하나 이상을 포함하는 폴리올레핀 제조 방법.
제14 항에 있어서,
상기 정체 구간은,
상기 공정 유체가 상기 믹서 부재에 의해 상기 유동 통로의 내벽 측으로 분산되었다가 다시 집결되면서 발생하는 역류(countercurrent flow)와 병류(cocurrent flow)가 이루는 경계를 포함하는 구간인 폴리올레핀 제조 방법.
제11 항에 있어서,
상기 수직 오프셋은 0~0.5Dout인 폴리올레핀 제조 방법.
(상기 Dout은 상기 배출부의 직경이다)