KR102581118B1 - 올리고머 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 올리고머 제조 장치에 관한 것으로, 단량체 스트림 및 용매 스트림을 공급받아 올리고머화 반응시켜, 기상의 제1 배출 스트림 및 액상의 제2 배출 스트림을 배출하는 반응기; 상기 반응기의 제1 배출 스트림로부터 액상 및 기상을 분리하고, 액상의 하부 배출 스트림을 반응기로 공급하는 기액 분리 장치; 상기 기액 분리 장치의 하부로부터 상기 반응기 내부의 반응 영역보다 높은 위치에 반응기 내벽과 이격되는 영역으로 연장되어 기액 분리 장치 하부 배출 스트림을 이송하는 제1 이송라인; 상기 용매 스트림을 반응기로 이송하는 용매 이송라인; 상기 용매 이송라인으로부터 분리되어 반응기 내부 제1 이송라인이 형성된 높이보다 높은 위치에 반응기 내벽과 이격되는 영역으로 용매 스트림의 일부를 이송하는 제2 이송라인; 상기 반응기 내부 제1 이송라인의 말단으로부터 연결되며, n개(n은 2 이상의 정수)의 분사 노즐이 서로 이격되어 형성된 제1 분사 노즐부; 및 상기 반응기 내부 제2 이송라인의 말단으로부터 연결되며, n-1(n은 2 이상의 정수)개의 분사 노즐이 서로 이격되어 형성된 제2 분사 노즐부를 포함하는 것인 올리고머 제조 장치를 제공한다.

Description

올리고머 제조 장치{APPARATUS FOR PREPARING OLIGOMER}
본 발명은 올리고머 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 올리고머 제조 시, 반응기 내부에서 고체 및 액체가 비말동반 되는 양을 감소시켜 전체 공정의 안정화를 향상시키기 위한 올리고머 제조 장치에 관한 것이다.
알파 올레핀(alpha-olefin)은 공단량체, 세정제, 윤활제, 가소제 등에 쓰이는 중요한 물질로 상업적으로 널리 사용되며, 특히 1-헥센과 1-옥텐은 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)의 제조 시, 폴리에틸렌의 밀도를 조절하기 위한 공단량체로 많이 사용되고 있다.
상기 1-헥센 및 1-옥텐과 같은 알파 올레핀은 대표적으로 에틸렌의 올리고머화 반응을 통해 제조되고 있다. 상기 에틸렌 올리고머화 반응은 에틸렌을 반응물로 사용하여 촉매의 존재 하에 에틸렌의 올리고머화 반응(삼량체화 반응 또는 사량체화 반응)에 의하여 수행되는 것으로, 상기 반응을 통해 생성된 생성물은 목적하는 1-헥센 및 1-옥텐을 포함하는 다성분 탄화수소 혼합물뿐 아니라 촉매 반응 중 C20+의 고분자 물질을 포함하는 부산물이 소량 생성되며, 이러한 부산물이 반응기 내벽뿐만 아니라 응축기, 배관, 밸브 등의 후단 공정 장치들에 축적되어 파울링(fouling)이 발생하는 문제가 있다. 이와 같이, 상기 반응기의 후단 공정 장치들에 파울링이 발생하는 경우 장치의 능력 저하 및 기계적인 손상을 야기하며, 최악의 경우, 전체 공정의 운전을 중단(shut down)해야 하기 때문에 운전 시간 감소에 따른 생산량 감소뿐만 아니라 세척 과정에서 소요되는 비용이 증가하는 문제가 있다.
따라서, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서는 반응기 내부에서의 고분자가 포함된 고체 및 액체가 비말동반 되는 양을 감소시키기 위한 연구가 필요한 실정이다.
KR 2015-0051190 A
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 상기 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하기 위하여, 반응기 내 제1 분사 노즐부 및 제2 분사 노즐부를 구비하여 반응 중 목적하는 생성물 외 C20+의 고분자 물질을 포함하는 부산물이 비말동반 되는 것을 방지하여 전체 공정의 안정화를 향상시키기 위한 올리고머 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 단량체 스트림 및 용매 스트림을 공급받아 올리고머화 반응시켜, 기상의 제1 배출 스트림 및 액상의 제2 배출 스트림을 배출하는 반응기; 상기 반응기의 제1 배출 스트림로부터 액상 및 기상을 분리하고, 액상의 하부 배출 스트림을 반응기로 공급하는 기액 분리 장치; 상기 기액 분리 장치의 하부로부터 상기 반응기 내부의 반응 영역보다 높은 위치에 반응기 내벽과 이격되는 영역으로 연장되어 기액 분리 장치 하부 배출 스트림을 이송하는 제1 이송라인; 상기 용매 스트림을 반응기로 이송하는 용매 이송라인; 상기 용매 이송라인으로부터 분리되어 반응기 내부 제1 이송라인이 형성된 높이보다 높은 위치에 반응기 내벽과 이격되는 영역으로 용매 스트림의 일부를 이송하는 제2 이송라인; 상기 반응기 내부 제1 이송라인의 말단으로부터 연결되며, n개(n은 2 이상의 정수)의 분사 노즐이 서로 이격되어 형성된 제1 분사 노즐부; 및 상기 반응기 내부 제2 이송라인의 말단으로부터 연결되며, n-1(n은 2 이상의 정수)개의 분사 노즐이 서로 이격되어 형성된 제2 분사 노즐부를 포함하는 것인 올리고머 제조 장치를 제공한다.
본 발명의 올리고머 제조 장치에 따르면, 반응기 내 반응 영역보다 높은 위치에 제1 분사 노즐부를 형성하고, 상기 제1 분사 노즐부를 통해 기액 분리 장치 하부 배출 스트림을 분사함으로써, 상대적으로 비중이 무거운 고분자 물질을 포함하는 고체 비증기의 비말동반을 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 제1 분사 노즐부가 형성된 높이보다 높은 위치에 제2 분사 노즐부를 형성하고, 상기 제2 분사 노즐부를 통해 용매를 분사함으로써, 제1 분사 노즐부를 통해 제거하지 못한, 상대적으로 비중이 가벼운 액체 상의 잔류 비증기를 추가적으로 제거할 수 있다.
또한, 본 발명은 반응기 내부에서 고체 및 액체 등의 비증기가 비말동반 되는 양을 감소시켜 전체 공정의 안정화를 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 올리고머 제조 장치를 나타낸 공정 흐름도이다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선을 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 용어 '스트림(stream)'은 공정 내 유체(fluid)의 흐름을 의미하는 것일 수 있고, 또한, 이동 라인(배관) 내에서 흐르는 유체 자체를 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 '스트림'은 각 장치를 연결하는 배관 내에서 흐르는 유체 자체 및 유체의 흐름을 동시에 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 유체는 기체(gas), 액체(liquid) 및 고체(solid) 중 어느 하나 이상이 포함된 것을 의미할 수 있다.
본 발명에서 '#'이 양의 정수인 'C#'란 용어는 #개 탄소 원자를 가진 모든 탄화수소를 나타내는 것이다. 따라서, 'C10'란 용어는 10개의 탄소 원자를 가진 탄화수소 화합물을 나타내는 것이다. 또한, 'C#+'란 용어는 #개 이상의 탄소 원자를 가진 모든 탄화수소 분자를 나타내는 것이다. 따라서, 'C10+'란 용어는 10개 이상의 탄소 원자를 가진 탄화수소의 혼합물을 나타내는 것이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 하기 도 1을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명에 따르면, 올리고머 제조 장치가 제공된다. 상기 올리고머 제조 장치로서, 단량체 스트림 및 용매 스트림을 공급받아 올리고머화 반응시켜, 기상의 제1 배출 스트림 및 액상의 제2 배출 스트림을 배출하는 반응기(100); 상기 반응기(100)의 제1 배출 스트림로부터 액상 및 기상을 분리하고, 액상의 하부 배출 스트림을 반응기(100)로 공급하는 기액 분리 장치(200); 상기 기액 분리 장치(200)의 하부로부터 상기 반응기(100) 내부의 반응 영역보다 높은 위치에 반응기(100) 내벽과 이격되는 영역으로 연장되어 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림을 이송하는 제1 이송라인(L1); 상기 용매 스트림을 반응기(100)로 이송하는 용매 이송라인(L3); 상기 용매 이송라인(L3)으로부터 분리되어 반응기(100) 내부 제1 이송라인(L1)이 형성된 높이보다 높은 위치에 반응기(100) 내벽과 이격되는 영역으로 용매 스트림의 일부를 이송하는 제2 이송라인(L2); 상기 반응기(100) 내부 제1 이송라인(L1)의 말단으로부터 연결되며, n개(n은 2 이상의 정수)의 분사 노즐(410)이 서로 이격되어 형성된 제1 분사 노즐부(400); 및 상기 반응기(100) 내부 제2 이송라인(L2)의 말단으로부터 연결되며, n-1(n은 2 이상의 정수)개의 분사 노즐(510)이 서로 이격되어 형성된 제2 분사 노즐부(500)를 포함하는 것인 올리고머 제조 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응기(100)는 촉매 및 용매의 존재 하에서 단량체를 올리고머화 반응시켜 올리고머 생성물을 제조하기 위한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응기(100)는 연속 공정에 적합한 반응기(100)일 수 있다. 예를 들어, 상기 반응기(100)는 연속흐름 완전혼합　반응기(100)(continuous stirred-tank reactor), 관 흐름 반응기(100)(plug flow reactor) 및 기포탑　반응기(100)(bubble column　reactor)로 이루어진 군에서 선택된 1종 이상의 반응기(100)를 포함할 수 있다. 이로 인해 연속적으로 올리고머 생성물을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단량체는 에틸렌을 포함할 수 있다. 구체적으로, 에틸렌 단량체를 포함하는 단량체 스트림이 반응기(100)로 공급되어 올리고머화 반응을 걸쳐 목적하는 알파 올레핀 생성물을 제조할 수 있다. 이 때, 상기 올리고머화 반응은 반응기(100)의 하부 내지 중부 영역에서 수행되며, 촉매 및 조촉매의 존재 하에 용매에 용해된 액체 상태의 반응 매체(RM) 내에서 단량체의 올리고머화 반응이 수행될 수 있다. 이와 같이, 단량체의 올리고머화 반응이 수행되는 반응 매체로 이루어진 영역을 반응 영역으로 정의할 수 있다. 상기 올리고머화 반응은, 단량체가 소중합되는 반응을 의미할 수 있다. 중합되는 단량체의 개수에 따라 삼량화(trimerization), 사량화(tetramerization)라고 불리며, 이를 총칭하여 다량화(multimerization)라고 한다.
상기 알파 올레핀은 공단량체, 세정제, 윤활제, 가소제 등에 쓰이는 중요한 물질로 상업 적으로 널리 사용되며, 특히 1-헥센과 1-옥텐은 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)의 제조 시, 폴리에틸렌의 밀도를 조절하기 위한 공단량체로 많이 사용된다. 상기 1-헥센 및 1-옥텐과 같은 알파 올레핀은 예를 들어, 에틸렌의 삼량체화 반응 또는 사량체화 반응을 통해 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단량체의 올리고머화 반응은, 상기 반응 시스템과 통상의 접촉 기술을 응용하여 용매의 존재 또는 부재 하에서 균질 액상 반응, 촉매가 일부 용해되지 않거나 전부 용해되지 않는 형태인 슬러리 반응, 2상 액체/액체 반응, 또는 생성물이 주 매질로 작용하는 벌크상 반응 또는 가스상 반응으로 수행될 수 있다.
상기 용매는 용매 이송라인(L3)을 통해 반응기(100) 내부로 공급될 수 있다. 이 때, 상기 용매 이송라인(L3)은 상기 반응기(100) 하부 측면에 형성될 수 있으며, 반응기(100) 내 반응 영역보다 낮은 위치에 형성될 수 있다.
상기 용매는 n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 옥탄, 시클로옥탄, 데칸, 도데칸, 벤젠, 자일렌, 1,3,5-트리메틸벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 클로로벤젠, 디클로로벤젠 및 트리클로로벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 촉매는 전이금속 공급원을 포함할 수 있다. 상기 전이금속 공급원은 예를 들어, 크로뮴(III) 아세틸아세토네이트, 크로뮴(III) 클로라이드 테트라하이드로퓨란, 크로뮴(III) 2-에틸헥사노에이트, 크로뮴(III) 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵테인디오네이트), 크로뮴(III) 벤조일아세토네이트, 크로뮴(III) 헥사플루오로-2,4-펜테인디오네이트, 크로뮴(III) 아세테이트하이드록사이드, 크로뮴(III) 아세테이트, 크로뮴(III) 부티레이트, 크로뮴(III) 펜타노에이트, 크로뮴(III) 라우레이트 및 크로뮴(III) 스테아레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 화합물일 수 있다.
상기 조촉매는 예를 들어, 트리메틸 알루미늄(trimethyl aluminium), 트리에틸 알루미늄(triethyl aluminium), 트리이소프로필 알루미늄(triisopropyl aluminium), 트리이소부틸 알루미늄(triisobutyl aluminum), 에틸알루미늄 세스퀴클로라이드(ethylaluminum sesquichloride), 디에틸알루미늄 클로라이드(diethylaluminum chloride), 에틸 알루미늄 디클로라이드(ethyl aluminium dichloride), 메틸알루미녹산(methylaluminoxane), 개질된 메틸알루미녹산(modified methylaluminoxane) 및 보레이트(Borate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단량체 스트림은 반응기(100) 하부를 통해 반응기(100) 내부로 공급될 수 있다. 예를 들어, 상기 단량체 스트림은 반응기(100) 하부로 연결된 단량체 이송라인(L4)를 통해 반응기(100) 내부로 공급될 수 있다. 이 때, 상기 단량체 스트림은 기체 상태로 반응기(100)에 공급될 수 있다.
상기 반응기(100)로 공급된 기체 상의 단량체 스트림은 용매 및 촉매가 존재하는 액체 상태의 반응 매체(RM)를 통과하면서 촉매 반응을 통해 올리고머화 반응이 진행되며, 이 경우, 기체와 액체가 반응 매체(RM)로서 서로 혼재되어 2상으로 존재하게 된다. 상기 단량체의 올리고머화 반응을 통해 생성된 올리고머 생성물은 액상의 제2 배출 스트림으로서 생성물 이송라인(L5)을 통해 배출도리 수 있고, 반응 매체(RM) 내에서 올리고머화 반응되지 않은 미반응 단량체는 기상의 제1 배출 스트림으로서 배출될 수 있다.
구체적으로, 상기 반응기(100) 제1 배출 스트림은 상기 단량체의 올리고머화 반응에 참여하지 못한 미반응 단량체 및 용매를 포함할 수 있다. 이와 같이, 미반응 단량체 및 용매를 포함하는 제1 배출 스트림은 기액 분리 장치(200)로 공급되어, 기상과 액상이 분리되고, 분리된 액상 물질은 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림으로서 배출하게 된다. 이 때, 상기 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림은 후술할 제1 이송 라인을 통해 제1 분사 노즐부(400)로 공급될 수 있다.
또한, 상기 분리된 기상 물질은 기액 분리 장치(200) 상부 배출 스트림으로서 배출될 수 있다. 상기 기액 분리 장치(200) 상부 배출 스트림은 미반응 단량체를 포함하는 스트림으로서, 상기 미반응 단량체는 기액 분리 장치(200) 상부 배출 스트림으로부터 증류와 같은 방법을 통해 고순도로 분리하여 반응기(100)로 재공급할 수 있다. 이 경우, 미반응 단량체를 재사용할 수 있어, 공정 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 상기 반응기(100) 제2 배출 스트림은 상기 단량체의 올리고머화 반응을 통해 생성된 올리고머 생성물 및 용매를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 올리고머 생성물과 용매는 추가적인 분리 장치(미도시)를 통해 분리될 수 있으며, 분리된 용매는 올리고머 제조 공정 내에서 재사용될 수 있다. 또한, 상기 단량체로서 에틸렌 단량체를 이용하여 올리고머화 반응을 수행한 경우를 예로 들면, 올리고머 생성물은 1-헥센 및 1-옥텐을 포함할 수 있다.
상기 반응기(100) 내에서는 단량체의 촉매 반응으로 인해 목적하는 올리고머 생성물 외에 고체 상태의 고분자가 부산물로서 생성되어 액상의 반응 매체(RM)에 부유하게 된다. 이 때, 상기 다량의 기상의 단량체 스트림이 유입되는 속도에 의해서 고체 상태의 고분자와 액체 상태의 용매가 기상의 미반응 단량체와 함께 비말동반(entrainment) 되어 반응기(100) 제1 배출 스트림으로서 배출하게 된다. 이 경우, 상기 고분자의 점착성으로 인해 반응기(100)의 후단 공정 장치인 응축기, 배관, 밸브 등에 파울링이 발생하게 된다.
이에 대해, 본 발명에서는, 상기 반응기(100) 내 제1 분사 노즐부(400) 및 제2 분사 노즐부(500)를 구비하여 반응 중 목적하는 올리고머 생성물 외 고분자를 포함하는 부산물이 비말동반 되는 것을 방지하여 후단 공정 장치에 파울링을 방지하여 전체 공정의 안정화를 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응기(100) 제1 배출 스트림은 상기 반응기(100) 상부로부터 배출되어 기액 분리 장치(200)로 공급될 수 있다.
상기 기액 분리 장치(200)는 상기 반응기(100) 상부로부터 배출된 제1 배출 스트림을 공급받아 액상 및 기상으로 분리할 수 있다. 상기 기액 분리 장치(200)는 예를 들어, 박막 증발기(thin film evaporator), 강하막식 증발기(falling film evaporator), 액막 유하식 증발관(falling film evaporator) 또는 플래시 드럼(flash drum)를 사용할 수 있다. 구체적인 예로서, 상기 기액 분리 장치(200)는 플래시 드럼일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 올리고머 제조 장치는 반응기(100) 상부에 구비된 응축기(300)를 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 기액 분리 장치(200)로 공급되는 반응기(100) 제1 배출 스트림은 응축기(300)를 통과한 후 기액 분리 장치(200)로 공급된 것일 수 있다.
상기 반응기(100) 제1 배출 스트림은 응축기(300)를 통과하면서 일부 액화될 수 있다. 구체적으로, 상기 반응기(100) 제1 배출 스트림은 응축기(300)를 통과하면서 액상과 기상이 혼재되어 2상으로 존재하게 된다. 이와 같이, 액상과 기상이 혼재된 반응기(100) 제1 배출 스트림은 기액 분리 장치(200)로 공급되고, 상기 기액 분리 장치(200)에서 액상 물질은 하부 배출 스트림으로서 배출되고, 기상 물질은 상부 배출 스트림으로서 배출될 수 있다.
상기 기액 분리 장치(200) 상부 배출 스트림으로서 배출되는 기상 물질은 미반응 단량체를 포함할 수 있다. 또한, 상기 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림으로서 배출되는 액상 물질은 용매를 포함할 수 있다. 이 때, 상기 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림은 제1 이송라인(L1)을 통하여 반응기(100) 내부로 재공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 이송라인(L1)은 상기 기액 분리 장치(200) 하부로부터 상기 반응기(100) 내부의 반응 영역보다 높은 위치에 반응기(100) 내벽과 이격되는 영역으로 연장되어 형성될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 이송라인(L1)의 말단은 상기 반응기(100)의 중앙부로 연장될 수 있다. 이 때, 상기 제1 이송라인(L1)은 상기 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림을 반응기(100) 내부로 재공급하기 위한 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 이송라인(L1)을 통해 이송된 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림을 반응기(100) 내부에서 분사하기 위한 제1 분사 노즐부(400)를 포함할 수 있다.
상기 제1 분사 노즐부(400)는 제1 이송라인(L1) 말단으로부터 연결되며, 서로 이격되어 형성된 n개(n은 2 이상의 정수)의 분사 노즐(410)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림은 제1 이송라인(L1)을 통하여 제1 분사 노즐부(400)로 공급되며, 상기 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 n개의 분사 노즐(410)을 통해 반응기(100) 내부로 분사될 수 있다.
이와 같이, 상기 제1 분사 노즐부(400)를 통해 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림을 분사함으로써, 와류에 의하여 불균일한 상태로 상승하는 혼합증기(증기+비증기) 중 상대적으로 비중이 무거운 고체 물질인 고분자 비증기의 비말동반을 우선적으로 제거할 수 있다.
상기 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 n개의 분사 노즐(410)에 있어서, 상기 n은 2 내지 20의 정수일 수 있다. 이는, 상기 제1 분사 노즐부(400)에 분사 노즐(410)이 2 개 내지 20 개 형성되어 있다는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 n은 2 내지 15, 2 내지 10 또는 2 내지 5일 수 있다. 이는, 반응기(100)의 직경에 따라 적절히 조절될 수 있다.
상기 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 n개의 분사 노즐(410)은 일정 간격을 두고 서로 이격되어 형성될 수 있다. 이 때, 상기 n개의 분사 노즐(410) 간의 간격은 특별히 한정하지 않으며, 상기 n개의 분사 노즐(410) 각각으로부터 분사되는 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림이 서로 겹치는 영역이 존재하도록 적절히 조절할 수 있다.
이 때, 상기 n개의 분사 노즐(410)은 동일 수평 선상에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 n개의 분사 노즐(410)은 반응기(100) 내부에서 동일한 높이에 형성될 수 있다.
상기 n개의 분사 노즐(410) 중 반응기(100) 내벽과 인접한 분사 노즐(410)들로부터 분사되는 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림은 반응기(100) 내벽에 도달하도록 할 수 있다. 예를 들어, 도 1과 같이 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 분사 노즐(410)이 2 개인 경우에 대해서 설명하면, 상기 2 개의 분사 노즐(410)은 반응기(100)의 중앙 보다는 반응기(100) 내벽과 인접하도록 형성하여 상기 분사 노즐(410)로부터 분사되는 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림이 반응기(100) 내벽에 도달하도록 형성할 수 있다.
상기 n개의 분사 노즐(410)은 반응기(100)의 하부를 향하여 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림을 분사하도록 설치될 수 있다. 이를 통해, 상기 반응기(100) 내 반응 매체(RM)를 통과하여 상승하는 혼합증기 중 비증기를 제거할 수 있다.
이와 같이, 제1 분사 노즐부(400)를 형성함으로써, 반응기(100) 내에서 와류에 의하여 불균일한 상태로 상승하는 혼합증기(증기+비증기) 중 상대적으로 비중이 무거운 고체 물질인 고분자 비증기의 비말동반을 우선적으로 제거할 수 있다.
상기 제1 분사 노즐부(400)는, 상기 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 n개의 분사 노즐(410)과 제1 이송라인(L1)을 연결시키기 위한 제1 노즐 배관(420)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제1 노즐 배관(420)은 제1 이송라인(L1)을 통해 이송되는 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림을 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 n개의 분사 노즐(410) 각각으로 분배 공급하고, 상기 n개의 분사 노즐(410) 각각을 연결시키기 위한 것일 수 있다.
상기 n개의 분사 노즐(410) 각각은 적어도 하나의 분사구를 포함할 수 있다. 또한, 상기 분사 노즐(410)은 복수 개의 분사구를 포함하는 스프레이 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 분사 노즐(410)의 분사구는 1개 내지 5개, 1개 내지 4개 또는 2개 내지 4개일 수 있다. 도 1을 예로 들면, 상기 분사 노즐(410)은 3개의 분사구를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 제1 분사 노즐부(400)에 있어서, n개의 분사 노즐(410)은 제1 노즐 배관(420)에 일정 간격을 두고 일렬로 배열될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제1 노즐 배관(420)은 직선 또는 곡선 형상일 수 있다. 이 경우, 직선 또는 곡선 형상의 제1 노즐 배관(420)에 n개의 분사 노즐(410)이 일정 간격을 두고 일렬로 배열될 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 제1 노즐 배관(420)은 삼각형 등의 다각형, 원형, 방사형 등으로 구현될 수 있다. 이 경우, 다각형, 원형, 방사형 등의 제1 노즐 배관(420)의 형상에 맞게 n개의 분사 노즐(410)의 배열을 다양하게 변경할 수 있다.
상기 제1 분사 노즐부(400)에 있어서, 상기 n개의 분사 노즐(410)을 통해 분사되는 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림의 압력은 0.01 Mpa 내지 1 Mpa, 0.1 Mpa 내지 0.5 Mpa 또는 0.1 Mpa 내지 0.3 Mpa일 수 있다. 상기 범위 내의 압력으로 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림을 분사함으로써, 반응기(100) 내 비말동반하는 비증기를 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 용매 스트림의 일부를 반응기(100) 내부로 이송하기 위한 제2 이송라인(L2)을 더 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 이송라인(L2)은 용매 스트림을 반응기(100)로 이송하는 용매 이송라인(L3)으로부터 분리되어 반응기(100) 내부 제1 이송라인(L1)이 형성된 높이보다 높은 위치에 반응기(100) 내벽과 이격되는 영역으로 연장되어 구비될 수 있다. 예를 들어, 상기 제2 이송라인(L2)의 말단은 상기 제1 이송라인(L1)의 말단이 형성된 높이보다 높은 위치의 반응기(100) 중앙부로 연장될 수 있다. 이 때, 상기 제2 이송라인(L2)은 상기 용매 스트림을 반응기(100) 내부로 공급하기 위한 것일 수 있다.
상기 용매 이송라인(L3)을 통해 공급되는 용매 스트림의 전체 유량 대비 상기 제2 이송라인(L2)을 통해 분리되는 용매 스트림의 유량은 0.01 내지 0.2일 수 있다. 예를 들어, 상기 용매 이송라인(L3)을 통해 공급되는 용매 스트림의 전체 유량 대비 상기 제2 이송라인(L2)을 통해 분리되는 용매 스트림의 유량은 0.01 내지 0.18, 0.05 내지 0.18 또는 0.05 내지 0.15일 수 있다. 구체적으로, 상기 용매 이송라인(L3)을 통해 공급되는 용매 스트림의 전체 유량의 1 중량% 내지 20 중량%는 제2 이송라인(L2)을 통해 반응기(100) 내부로 공급되고, 80 중량% 내지 99 중량%는 용매 이송라인(L3)을 통해 반응기(100)로 공급될 수 있다. 이와 같이 순수 용매의 일부를 반응기(100) 내부로 공급하고, 반응기(100) 내 비말동반을 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 이송라인(L2)을 통해 이송된 용매 스트림을 반응기(100) 내부에서 분사하기 위한 제2 분사 노즐부(500)를 포함할 수 있다.
상기 제2 분사 노즐부(500)는 제2 이송라인(L2) 말단으로부터 연결되며, 서로 이격되어 형성된 n-1개(n은 2 이상의 정수)의 분사 노즐(510)을 포함할 수 있다. 구체적으로, 상기 용매 스트림은 제2 이송라인(L2)을 통하여 제2 분사 노즐부(500)로 공급되며, 상기 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 n-1개의 분사 노즐(510)을 통해 반응기(100) 내부로 분사될 수 있다.
이와 같이, 상기 제2 분사 노즐부(500)를 통해 용매 스트림을 분사함으로써, 반응기(100) 중앙 영역으로 상승하는 제1 분사 노즐부(400)를 통해 제거되지 못한 혼합증기 중 상대적으로 비중이 가벼운 액체 방울과 같은 액체 상태의 잔류 비증기를 추가적으로 제거할 수 있다.
상기 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 n-1개의 분사 노즐(510)에 있어서, 상기 n은 2 내지 50의 정수일 수 있다. 이는, 상기 제2 분사 노즐부(500)에 분사 노즐(510)이 1 개 내지 49 개 형성되어 있다는 것을 의미할 수 있다. 예를 들어, 상기 n은 2 내지 30, 2 내지 20 또는 2 내지 10일 수 있다. 이는, 반응기(100)의 직경에 따라 적절히 조절될 수 있다.
상기 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 n-1개의 분사 노즐(510)이 2개 이상인 경우, 각각의 분사 노즐(510)은 일정 간격을 두고 서로 이격되어 형성될 수 있다. 이 때, 상기 n-1개의 분사 노즐(510) 간의 간격은 특별히 한정하지 않으며, 상기 n-1개의 분사 노즐(510) 각각으로부터 분사되는 용매 스트림이 제1 분사 노즐부(400)의 n번째 및 n-1번째 분사 노즐(410) 사이의 영역을 포함하는 영역에 분사될 수 있도록 적절히 조절할 수 있다. 구체적으로, 상기 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 n-1개의 분사 노즐(510)은 상기 제1 분사 노즐부(400)의 n번째 및 n-1번째 분사 노즐(410)이 형성된 위치의 수직 선상 사이의 영역에 각각 형성될 수 있다.
이 때, 상기 n-1개의 분사 노즐(510)은 동일 수평 선상에 형성될 수 있다. 구체적으로, 상기 n-1개의 분사 노즐(510)이 2개 이상인 경우, 반응기(100) 내부에서 동일한 높이에 형성될 수 있다.
상기 n-1개의 분사 노즐(510)은 반응기(100)의 하부를 향하여 용매 스트림을 분사하도록 설치될 수 있다. 이를 통해, 상기 반응기(100) 내 반응 매체(RM)를 통과하여 상승하는 혼합증기 중 비증기를 제거할 수 있다.
이와 같이, 제2 분사 노즐부(500)를 형성함으로써, 반응기(100)의 중앙 영역으로 상승하는 제1 분사 노즐부(400)를 통해 제거되지 못한 혼합증기 중 상대적으로 비중이 가벼운 액체 방울과 같은 액체 상태의 잔류 비증기를 추가적으로 제거할 수 있다.
상기 제2 분사 노즐부(500)는, 상기 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 n-1개의 분사 노즐(510)과 제2 이송라인(L2)을 연결시키기 위한 제2 노즐 배관(미도시)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 제2 노즐 배관(미도시)은 제2 이송라인(L2)을 통해 이송되는 용매 스트림을 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 n-1개의 분사 노즐(510)로 공급하기 위한 것일 수 있다. 예를 들어, 상기 n-1개의 분사 노즐(510)이 2개 이상인 경우, 상기 제2 노즐 배관(미도시)은 상기 n-1개의 분사 노즐(510) 각각으로 용매 스트림을 분배 공급하고, 상기 n-1개의 분사 노즐(510) 각각을 연결시키기 위한 것일 수 있다.
상기 n-1개의 분사 노즐(510) 각각은 적어도 하나의 분사구를 포함할 수 있다. 또한, 상기 분사 노즐(510)은 복수 개의 분사구를 포함하는 스프레이 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 분사 노즐(510)의 분사구는 1개 내지 5개, 1개 내지 4개 또는 2개 내지 4개일 수 있다. 도 1을 예로 들면, 상기 분사 노즐(510)은 3개의 분사구를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 제2 분사 노즐부(500)에 있어서, n-1개의 분사 노즐(510)은 제2 노즐 배관(미도시)에 일정 간격을 두고 일렬로 배열될 수 있다.
하나의 예로서, 상기 제2 노즐 배관(미도시)은 직선 또는 곡선 형상일 수 있다. 이 경우, 직선 또는 곡선 형상의 제2 노즐 배관(미도시)에 n-1개의 분사 노즐(510)이 일정 간격을 두고 일렬로 배열될 수 있다.
다른 하나의 예로서, 상기 제2 노즐 배관(미도시)은 삼각형 등의 다각형, 원형, 방사형 등으로 구현될 수 있다. 이 경우, 다각형, 원형, 방사형 등의 제2 노즐 배관(미도시)의 형상에 맞게 n-1개의 분사 노즐(510)의 배열을 다양하게 변경할 수 있다.
상기 제2 분사 노즐부(500)에 있어서, 상기 n-1개의 분사 노즐(510)을 통해 분사되는 용매 스트림의 압력은 0.01 Mpa 내지 1 Mpa, 0.1 Mpa 내지 0.5 Mpa 또는 0.1 Mpa 내지 0.3 Mpa일 수 있다. 상기 범위 내의 압력으로 용매 스트림을 분사함으로써, 반응기(100) 내 비말동반하는 비증기를 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 분사 노즐(410)로부터 분사되는 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림의 분사 각도와 상기 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 분사 노즐(510)로부터 분사되는 용매 스트림의 분사 각도는 상이할 수 있다. 이와 같이, 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 분사 노즐(410)과 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 분사 노즐(510)의 분사 각도를 상이하게 설정함으로써, 보다 효율적으로 반응기(100) 내 비말동반 되는 비증기를 제거할 수 있다. 구체적으로, 상기 제1 분사 노즐부(400)와 제2 분사 노즐부(500)를 다단으로 형성하고, 각각의 분사 노즐(410, 510)의 분사 각도를 상이하게 제어함으로써, 필요한 분사 노즐의 개수를 감축시키면서 반응기(100) 내 비말동반 되는 비증기를 효율적으로 제거할 수 있다.
상기 제1 분사 노즐부(400) 및 제2 분사 노즐부(500)에서 각각의 분사 노즐(410, 510)에서 액상 스트림이 분사되는 형태를 보면, 일정한 각도를 가지고 퍼지는 형상으로 분사되며, 이 때, 노즐의 출구에서 액체가 분사되어 나가는 각도를 분사 각도로 정의할 수 있다. 상기 분사 각도가 크면 보다 넓은 면적에 액체가 분사될 수 있고, 분사 각도가 작으면 적은 범위에서 액체가 분사될 수 있어서 특정범위에 집중적으로 분사할 수 있다. 이러한 분사 각도는 노즐의 내부의 압력이나 내부의 구조에 따라 결정되며, 목적하는 분사 각도로 액체가 분사되도록 노즐을 세팅할 수 있다.
상기 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 분사 노즐(410)로부터 분사되는 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림의 분사 각도는 30° 내지 90°, 50° 내지 90° 또는 70° 내지 90°일 수 있다. 이와 같이, 제1 분사 노즐부(400)에 형성된 분사 노즐(410)로부터 분사되는 기액 분리 장치(200) 하부 배출 스트림의 분사 각도를 상기 범위와 같이 비교적 작은 각도로 조절함으로써, 반응기(100) 내벽과 인접한 영역의 와류에 의하여 불균일한 상태로 상승하는 혼합증기(증기+비증기) 중 상대적으로 비중이 무거운 고체 물질인 고분자 비증기의 비말동반을 집중적으로 제거할 수 있다.
또한, 상기 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 분사 노즐(510)로부터 분사되는 용매 스트림의 분사 각도는 91° 내지 120°, 100° 내지 120° 또는 110° 내지 120°일 수 있다. 이와 같이, 상기 제2 분사 노즐부(500)에 형성된 분사 노즐(510)로부터 분사되는 용매 스트림의 분사 각도를 상기 범위와 같이 비교적 큰 각도로 조절함으로써, 반응기(100) 중앙 영역으로 상승하는 제1 분사 노즐부(400)를 통해 제거되지 못한 혼합증기에 대하여 넓은 면적으로 용매를 분사하여 비교적 비중이 가벼운 액체 방울과 같은 잔류 비증기를 효과적으로 제거할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 올리고머 제조 장치는 필요한 경우, 밸브(미도시), 응축기(미도시), 재비기(미도시), 펌프(미도시), 냉각 시설(미도시), 필터(미도시), 교반기(미도시), 분리 장치(미도시), 압축기(미도시) 및 혼합기(미도시) 등 올리고머 제조에 필요한 장치를 추가적으로 더 설치할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치를 기재 및 도면에 도시하였으나, 상기의 기재 및 도면의 도시는 본 발명을 이해하기 위한 핵심적인 구성만을 기재 및 도시한 것으로, 상기 기재 및 도면에 도시한 공정 및 장치 이외에, 별도로 기재 및 도시하지 않은 공정 및 장치는 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치를 실시하기 위해 적절히 응용되어 이용될 수 있다.
100: 반응기
200: 기액 분리 장치
300: 응축기
400: 제1 분사 노즐부
410: 분사 노즐
420: 제1 노즐 배관
500: 제2 분사 노즐부
510: 분사 노즐
L1: 제1 이송라인
L2: 제2 이송라인
L3: 용매 이송라인
L4: 단량체 이송라인
L5: 생성물 이송라인
RM: 반응 매체

Claims (12)

  1. 단량체 스트림 및 용매 스트림을 공급받아 올리고머화 반응시켜, 기상의 제1 배출 스트림 및 액상의 제2 배출 스트림을 배출하는 반응기;
    상기 반응기의 제1 배출 스트림로부터 액상 및 기상을 분리하고, 액상의 하부 배출 스트림을 반응기로 공급하는 기액 분리 장치;
    상기 기액 분리 장치의 하부로부터 상기 반응기 내부의 반응 영역보다 높은 위치에 반응기 내벽과 이격되는 영역으로 연장되어 기액 분리 장치 하부 배출 스트림을 이송하는 제1 이송라인;
    상기 용매 스트림을 반응기로 이송하는 용매 이송라인;
    상기 용매 이송라인으로부터 분리되어 반응기 내부 제1 이송라인이 형성된 높이보다 높은 위치에 반응기 내벽과 이격되는 영역으로 용매 스트림의 일부를 이송하는 제2 이송라인;
    상기 반응기 내부 제1 이송라인의 말단으로부터 연결되며, n개(n은 2 이상의 정수)의 분사 노즐이 서로 이격되어 형성된 제1 분사 노즐부; 및
    상기 반응기 내부 제2 이송라인의 말단으로부터 연결되며, n-1(n은 2 이상의 정수)개의 분사 노즐이 서로 이격되어 형성된 제2 분사 노즐부를 포함하고,
    상기 제1 분사 노즐부에 형성된 분사 노즐로부터 분사되는 기액 분리 장치 하부 배출 스트림의 분사 각도는 30° 내지 90°이고,
    상기 제2 분사 노즐부에 형성된 분사 노즐로부터 분사되는 용매 스트림의 분사 각도는 91° 내지 120°이고,
    상기 반응기는 상기 단량체의 올리고머화 반응이 수행되는 반응 매체로 이루어진 반응 영역을 포함하고,
    상기 제1 및 제2 분사 노즐부로부터 분사되는 상기 기액 분리 장치 하부 배출 스트림 및 상기 용매 스트림은 상기 반응 영역을 향하여 분사되는 올리고머 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 기액 분리 장치로 공급되는 반응기의 제1 배출 스트림은 응축기를 통과한 것인 올리고머 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응기의 제1 배출 스트림은 미반응 단량체 및 용매를 포함하는 것인 올리고머 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 기액 분리 장치 하부 배출 스트림은 용매를 포함하는 것인 올리고머 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 용매 이송라인을 통해 공급되는 용매 스트림의 전체 유량 대비 상기 제2 이송라인을 통해 분리되는 용매 스트림의 유량은 0.01 내지 0.2인 올리고머 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분사 노즐부에 형성된 n개의 분사 노즐은 일정 간격을 두고 서로 이격되어 형성되어 있고,
    상기 제2 분사 노즐부에 형성된 n-1개의 분사 노즐은 상기 제1 분사 노즐부의 n번째 및 n-1번째 분사 노즐이 형성된 위치의 수직 선상 사이의 영역에 각각 형성되는 것인 올리고머 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 n은 2 내지 20의 정수인 올리고머 제조 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분사 노즐부는, 상기 제1 분사 노즐부에 형성된 n개의 분사 노즐과 제1 이송라인을 연결시키기 위한 제1 노즐 배관을 포함하고,
    상기 제2 분사 노즐부는, 상기 제2 분사 노즐부에 형성된 n개의 분사 노즐과 제2 이송라인을 연결시키기 위한 제2 노즐 배관을 포함하는 것인 올리고머 제조 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 단량체는 에틸렌을 포함하고, 올리고머는 알파 올레핀을 포함하는 것인 올리고머 제조 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 용매는 n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 옥탄, 시클로옥탄, 데칸, 도데칸, 벤젠, 자일렌, 1,3,5-트리메틸벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 클로로벤젠, 디클로로벤젠 및 트리클로로벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 것인 올리고머 제조 장치.
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