KR102588282B1 - 센트릭 스프레이 파이프 - Google Patents

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Abstract

센트릭 스프레이 파이프 장치가 개시된다. 상기 센트릭 스프레이 파이프는 용기에 액체 스프레이의 전체 커버리지를 제공하도록 설계된 복수의 노즐을 포함한다.

Description

센트릭 스프레이 파이프
본 발명에 개시된 구현예는 일반적으로, 측정 기구에 쉘터(shelter)를 제공할 수 있고, 또한 용기 내에 액체 분포를 제공할 수 있는 센트릭 스프레이 파이프(centric spray pipe)에 관한 것이다. 또한, 본 발명에 개시된 구현예는 일반적으로, 중합 반응기 내의 센트릭 스프레이를 이용하는 방법에 관한 것이다.
프로필렌 중합체의 제조는 알크-1-렌(alk-1-enes)의 중합에 적합한 임의의 통상적인 반응기에서 회분식 또는 바람직하게는 연속적으로, 즉 용액에서, 액체 단량체 내의 벌크 중합을 포함하는 현탁 중합 또는 가스상 중합으로서 수행될 수 있다. 적합한 반응기의 예는 연속 작동되는 교반 반응기(stirred reactors), 루프 반응기(loop reactors), 유동층 반응기(fluid bed reactors), 또는 수평 또는 수직 교반 분말층 반응기(horizontal or vertical stirred powder bed reactors)를 포함한다.
제조된 중합체의 분자량은, 수소와 같이 중합 분야에서 통상적으로 사용되는 중합체 사슬 이동제 또는 종결제를 첨가함으로써 넓은 범위에 걸쳐 제어 및 조정될 수 있다. 추가적으로, 톨루엔 또는 핵산과 같은 불활성 용매, 질소 또는 아르곤과 같은 불활성 가스, 및 소량의 분말화된 중합체, 예를 들어 폴리프로필렌 분말이 첨가될 수 있다.
수직 교반 가스-상 반응기는 바닥에 장착된 나선형 교반기를 이용하거나 또는 중앙 샤프트 상에 장착된 방사형의 곡선 블레이드로 구성된 교반 시스템을 가질 수 있다. 전술한 교반기를 이용하는 일부 반응기에 있어서, 액체 단량체에 현탁된 촉매는 상기 반응기의 정상(top) 또는 측면(side)으로 주입되고, 분말은 중력의 영향 및 중합체 입자가 성장함에 따른 이의 팽창의 영향 하에 아래 방향으로 유동한다. 상기 반응기로부터의 열은, 상기 반응기에서 증발하고 외부 응축기에서 응축되며 연속적으로 상기 반응기로 재순환되는, 재순환 가스(RG, Recycle Gas) 스트림을 통하여 제거될 수 있다. 상기 반응기 바닥의 액체 단량체가 고이는 것을 방지하기 위하여, 상기 반응기 내의 온도는 리터닝 가스(returning gas)의 이슬점보다 높게 유지될 수 있다. 액체의 고임(liquid pooling)은 통제되지 않은 중합을 유발하여, 상기 반응기의 유출구(outlet)를 막는 럼프 및 청크를 형성할 수 있다. 상기 액체 단량체는 응축 모드의 냉각을 통하여 반응열을 흡수하기 위하여 이용될 수 있다.
폴리올레핀 반응 시스템에 있어서, 고발열 반응의 열 제거는 종종 전체 공장 작동의 안정성 및 완전성을 결정하는 절차이다. 상기 액체 단량체는 하나 또는 두개의 원뿔형 스프레이 노즐을 통하여 상기 반응기의 정상으로 공급될 수 있다. 이들 노즐은 전체 분말 표면의 단지 일부에만 상기 액체 단량체를 적용한다. 냉각제(coolant) 요구 사항의 변화는 변동하는 유동을 유발하고, 이에 따라 상기 냉각제의 분배에 영향을 미칠 수 있다. 균일하지 않은 냉각제 분포는 상기 반응기 제어의 효율성을 감소시킬 수 있다.
일 양태에 있어서, 본 명세서에 개시된 구현예는 중합 반응기 내의 레벨을 측정하고, 또한 증발 냉각을 위한 액체를 제공하기 위한 장치에 관한 것이다. 다른 양태에 있어서, 본 명세서에 개시된 구현예는 중합 반응기를 냉각하기 위한 방법에 관한 것이다.
또 다른 양태에 있어서, 본 명세서에 개시된 구현예는 분배기 및 가이드 튜브를 포함하는 장치에 관한 것이다. 상기 분배기는 복수의 스프레이 노즐을 가지는 상부 제1 구역; 하부 제2 구역을 포함할 수 있다. 상기 가이드 튜브는 상기 분배기 내부에 배치되고 분배기의 길이를 가로지를 수 있다. 상기 제2 구역 내에 배치된 상기 가이드 튜브의 일부 내에 배치된 하나 이상의 측정 기구.
복수의 스프레이 노즐은 상기 상부 제1 구역을 따라 제1 높이에 있는 스프레이 노즐의 제1 레벨; 상기 상부 제1 구역을 따라 제2 높이에 있는 스프레이 노즐의 제2 레벨; 및 상기 상부 제1 구역을 따라 제3 높이에 있는 스프레이 노즐의 제3 레벨;을 포함할 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제1 레벨은, 상기 상부 제1 구역의 둘레(circumference)에 대하여 등거리(equidistant)로 이격되고, 상기 상부 제1 구역의 제1 높이에서 단일층으로 배열된 복수의 제1 노즐을 포함할 수 있다. 상기 스프레이 노즐의 제1 레벨은, 예를 들어 팬 노즐(fan nozzles)일 수 있다. 나아가, 일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제1 레벨은 상기 분배기의 종축(longitudinal axis)으로부터 약 60°내지 약 80° 범위 내의 각도를 가진다.
일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제2 레벨은 상기 상부 제1 구역의 둘레에 대하여 등거리로 이격된 복수의 제2 노즐을 포함할 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐은, 예를 들어, 상기 상부 제1 구역을 따르는 상기 제2 높이의 축방향 길이를 따라 등거리로 이격된 복수의 높이에 배열될 수 있다. 나아가, 일부 구현예에 있어서, 상기 복수의 제2 노즐은 상기 상부 제1 구역에 따른 제1 높이에서의 제2 노즐의 제1 층, 상기 상부 제1 구역에 따른 제2 높이에서의 제2 노즐의 제2 층, 및 상기 상부 제1 구역에 따른 제3 높이에서의 제2 노즐의 제3 층을 포함할 수 있다. 상기 제2 노즐의 제1 층, 상기 제2 노즐의 제2 층, 및 상기 제2 노즐의 제3층은 서로 오프셋될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제2 레벨은 스트레이트 제트 노즐을 포함한다. 나아가, 상기 제2 레벨 내의 복수의 스트레이트 제트 노즐은, 예를 들어, 상기 분배기의 종축으로부터 약 30°내지 약 60° 범위 내의 각도를 가질 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제3 레벨은 상기 상부 제1 구역의 둘레에 대하여 등거리로 이격된 복수의 제3 노즐을 포함할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 복수의 제3 노즐은 상기 상부 제1 구역에 따르는 제3 높이의 축방향 길이를 따라 등거리로 이격된 복수의 높이에서 배열될 수 있다. 나아가, 상기 복수의 제3 노즐은 상기 상부 제1 구역에 따른 제1 높이에서의 제3 노즐의 제1 층, 상기 상부 제1 구역에 따른 제2 높이에서의 제3 노즐의 제2 층, 및 상기 상부 제1 구역에 따른 제3 높이에서의 제3 노즐의 제3 층을 포함할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 제3 노즐의 제1 층, 상기 제3 노즐의 제2층, 및 상기 제3 노즐의 제3 층은 서로 오프셋될 수 있다. 상기 스프레이 노즐의 제3 레벨은 스트레이트 제트 노즐일 수 있고, 일부 구현예에 있어서, 상기 제3 레벨 내의 복수의 스트레이트 제트 노즐은 상기 분배기의 종축으로부터 약 30°내지 약 60° 범위 내의 각도를 가질 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 상기 제1 상부 구역은 상기 제2 하부 구역으로부터 유체적으로 격리(isolated)된다. 분할 플레이트가 제공될 수 있고, 이는 또한 상기 가이드 튜브의 통과를 위한 홀을 포함할 수 있다. 상부 챔버로부터 하부 챔버로의 유체 흐름을 방지하기 위하여, 하나 이상의 실(seal)이 가이드 튜브(8) 주위를 밀봉하기 위하여 제공될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 제2 구역 내에 배치된 가이드 튜브의 일부에 통기 홀(vent hole)이 제공될 수 있다.
다른 양태에 있어서, 본 명세서에 개시된 구현예는 중합 시스템에 관한 것이다. 상기 중합 시스템은 반응기 헤드 내에 센트릭 노즐을 포함하는 중합 반응기를 포함할 수 있다. 전술한 바와 같은, 분배기 및 가이드 튜브를 포함하는 장치는 상기 센트릭 노즐 내에 배치될 수 있고, 상기 중합 반응기 내로 연장될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 방사성 소스(radiometric source)는 측정 가이드 튜브(measuring guide tube) 내에 위치될 수 있다.
또 다른 양태에 있어서, 본 명세서에 개시된 구현예는 고체-증기 중합 공정 (solid-vapor polymerization process)에 관한 것이다. 상기 공정은 반응기로 단량체를 공급하는 단계, 및 상기 단량체를 반응시켜 중합체를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 공정은 전술한 바와 같은 분배기 및 가이드 튜브를 포함하는 상기 장치를 통하여 상기 반응기로 재순환 가스를 공급하는 단계를 더 포함하고, 여기서 상기 재순환 가스는 상기 중합체에 침투할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 재순환 가스는 스프레이 노즐의 제1 레벨로부터의 제1 동심 스프레이 원(concentric spray circle)을 통하여, 스프레이 노즐의 제2 레벨로부터의 제2 동심 스프레이 원을 통하여, 그리고 스프레이 노즐의 제3 레벨로부터의 제3 동심 스프레이 원을 통하여 분배될 수 있다.
다른 양태 및 이점은 하기 설명 및 첨부된 청구 범위로부터 명백해질 것이다.
도 1a는 본 명세서의 구현예에 따른 센트릭 스프레이 파이프를 포함하는 용기의 개략도이다.
도 1b는 도 1a에 따른 센트릭 스프레이 파이프를 포함하는 용기의 상세한 확대 단면도이다.
도 2a는 도 1a에 따른 센트릭 스프레이 파이프의 상세한 확대 개략도이다.
도 2b는 도 1a에 따른 제1 챔버 센트릭 스프레이 파이프의 상세한 확대 단면도이다.
도 3은 폴리프로필렌 반응기에서의 도 1a에 따른 센트릭 스프레이 파이프로부터의 유동 패턴의 개략도이다.
도 4는 본 명세서의 구현예에 따른 센트릭 스프레이 파이프를 가지는 중합체 반응기에 대한 온도 제어 플롯이다.
도 5a는 본 명세서의 구현예에 따른 센트릭 스프레이 파이프를 가지는 중합체 반응기에 대한 온도 제어 플롯이다.
도 5b는 표준 노즐을 가지는 중합체 반응기에 대한 온도 제어 플롯이다.
센트릭 스프레이 기구의 구현예는 반응기 용기의 정상(top)으로부터 액체를 분배하고, 용기의 단면에 걸쳐 전체 커버리지(full coverage)가 제공되도록 의도된다. 특히, 센트릭 스프레이 기구의 구현예는 수직 교반 가스 상 반응기의 정상으로부터 재순환 가스를 중합체 분말로 균일하게 분배할 수 있다.
일 양태에 있어서, 본 명세서에 개시된 구현예는 일반적으로 센트릭 스프레이 파이프 및 중합 반응기에서 상기 센트릭 스프레이 파이프를 이용하기 위한 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 명세서에 개시된 구현예는 일반적으로 전체 공장 반응의 안정성 및 완전성의 증가를 위하여 상기 센트릭 스프레이 파이프를 이용하여 냉각될 수 있는 중합 반응기에 관한 것이다.
도 1은 용기(100) 내에 위치한 센트릭 스프레이 파이프(4)를 가지는 상부 헤드(top head)(2)를 포함하는 용기(100)의 구현예를 도시한다. 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 상기 상부 헤드(2)의 대략적인 중심에서의 노즐(6) 내에 위치할 수 있다. 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는, 약 1.5 인치 내지 약 12 인치, 또는 4 인치 내지 약 10 인치와 같은, 약 1 인치 내지 약 18 인치의 범위 내의 내경을 가지는 파이프일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 반응기 내부에서 이동하는 분말의 힘(force)을 처리하기에 충분한 두께를 가질 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 길이는, 약 1 피트 내지 약 18 피트, 약 2 피트 내지 약 16 피트, 또는 약 4 또는 6 피트 내지 약 12 피트와 같은, 약 0.5 피트 내지 약 20 피트의 범위 내일 수 있다. 당업자는 상기 용기(100)의 크기 및 이용에 기초하여 원하는 파이프 특성을 결정할 수 있을 것이다.
가이드 튜브(8)는 센트릭 스프레이 파이프(4) 내에 배치될 수 있고, 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 길이를 따라 횡단(traverse)할 수 있다. 상기 센트릭 스프레이 파이프(4) 내에 배치되기 때문에, 상기 가이드 튜브(8)는 용기(100)의 내용물(contents)로부터 차폐된다. 가이드 튜브(8)는 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 전체 길이, 또는 단지 일부를 횡단할 수 있다. 추가적으로, 상기 가이드 튜브(8)는 스프레이 파이프(4) 내의 중심에 위치할 수 있거나, 또는 오프셋(offset)될 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 상기 가이드 튜브(8)는 측정을 위한 하나 이상의 센서(42)를 포함할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 센서(42)는 상기 용기 (100) 내의 레벨 측정, 온도 측정 또는 제품 품질의 모니터링을 위하여 사용될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 센서(42)는 복수의 방사성 소스 또는 검출기이거나, 또는 이를 포함할 수 있다. 상기 방사성 소스 또는 검출기는, 예를 들어, 광섬유에 의해 측정 시스템에 연결된 섬광 결정(scintillation crystals)과 같은 튜브 내에 배치될 수 있고, 여기서 상기 검출기 및/또는 소스는 가이드 튜브(8)의 일부를 따라 이격되어, 상기 용기의 작동 동안 상기 용기(100) 내의 고체 또는 분말의 레벨의 측정을 제공할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 가이드 튜브(8)는 상기 용기(100) 및 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)로부터 밀봉(sealed off)될 수 있다.
상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 길이 또는 선택된 일부를 따라 배치된 복수의 노즐(22, 24, 26)을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 상부 부분(upper portion)(52) 및 하부 부분(lower portion)(54)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 노즐(22, 24, 26)은 상부 및 하부 부분(52, 44)과 같은 상기 센트릭 스프레이 파이프의 일부만을 따라 위치할 수 있다. 유사하게, 센서(42)는 가이드 튜브(8) 내의 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 길이를 따라 배치될 수 있거나, 일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐(22, 24, 26)의 고도(elevation) 위 및/또는 아래와 같은, 일부만을 따라 위치할 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 정상으로부터 제1 높이에서의 복수의 스프레이 노즐(22), 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 정상으로부터 제2 높이에서의 복수의 스프레이 노즐(24), 및 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 정상으로부터 제3 높이에서의 복수의 스프레이 노즐(26)을 가질 수 있다. 응축된 재순환 가스(RG) 또는 다른 액체는, 용기(100) 내의 노즐(22, 24, 26)을 통한 분배를 위하여 상기 센트릭 파이프(4)를 통하여 용기(100) 내로 공급될 수 있다. 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 정상으로부터 제1 높이에서의 복수의 스프레이 노즐(22)은, A로 표시된, 액체의 원형 분포를 생성할 수 있다. 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 정상으로부터 제2 높이에서의 복수의 스프레이 노즐(24)은, B로 표시된, 액체의 원형 분포를 생성할 수 있다. 또한, 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 정상으로부터 제3 높이에서의 복수의 스프레이 노즐(26)은, C로 표시된, 액체의 원형 분포를 생성할 수 있다. 상기 액체의 분포 영역 또는 구역, 또는 상기 액체의 영향은 용기(100) 내의 고체 또는 분말의 레벨에 의존할 수 있다. 예를 들어, 상기 노즐 아래의 분말의 레벨이 주어지는 경우, 노즐(22, 24, 26)으로부터의 스프레이는, 도 1b에서 도시된 바와 같이, 각각 액체의 동심 링(concentric rings) A, B, C의 분포를 초래할 수 있다. 상기 노즐의 구성은 상기 동심 링이 겹치거나 겹쳐지지 않도록 할 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 상기 용기(100)은 수직 교반 가스 상 반응기(vertical stirred gas phase reactor)이다. 이러한 유형의 용기(100)는, 특히, 균질 혼합물의 제조를 위하여, 고체 및/또는 액체 및/또는 가스 물질 간의 반응을 수행하기 위하여, 가열 또는 냉각을 위하여, 입자의 코팅 및 유사한 용도를 위하여 사용될 수 있다. 이것의 간단한 구조는, 물론, 고압 또는 고온 하에서 수행되는 공정 또한 허용한다.
일부 구현예에 있어서, 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 제1 챔버(12) 및 제2 챔버(14)를 포함할 수 있다. 도 2a는 상기 제1 챔버(12) 및 제2 챔버(14)의 단면 개략도를 도시하고, 도 2b는 상기 제1 챔버(12)의 개략도를 도시한다. 일부 구현예에 있어서, 상기 제1 챔버(12) 및 상기 제2 챔버(14)는 단일 파이프로부터 형성될 수 있다. 다른 구현예에 있어서, 상기 제1 챔버(12) 및 제2 챔버(14)는 별도의 파이프일 수 있고, 임의의 연결 방법, 예를 들어, 이에 제한되는 것은 아니나, 용접, 나사형 단부, 및 도 2b에 도시된 하부 챔버(14)(도 2b에 미도시)를 제1 챔버(12)에 부착하는 바닥 커넥터(60)와 같이 당업계에 알려진 다른 방법으로 연결될 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 상기 제1 챔버(12) 및 상기 제2 챔버(14)는, 도 2a에서 도시된 바와 같이 플레이트(40)에 의하여 분리될 수 있다. 상기 제2 챔버(14)는 속이 비어 있고, 캡 또는 플러그(19)를 포함하는 것에 의하는 것과 같이, 상기 용기(100)으로부터 밀봉되어 있을 수 있다. 상기 플레이트(40) 및/또는 상기 캡 또는 플러그(19)는 유체의 흐름을 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 바닥의 외부, 즉 최소 저항 경로 보다는, 상기 노즐(22, 24 및 26)의 외부로 강제할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 통기 홀(미도시)는 상기 제2 챔버 내에 위치되어, 상기 제2 챔버(14) 및 상기 반응기 간의 압력을 균등하게 할 수 있다.
상기 제1 챔버(12)는 제1 노즐 구역(16), 제2 노즐 구역(18) 및 제3 노즐 구역(20)을 포함할 수 있다. 상기 제1 노즐 구역(16), 제2 노즐 구역(18) 및 제3 노즐 구역(20)은, 주어진 상기 용기 내의 고체 레벨에 대하여 도 1b에서 도시된 바와 같이, 상기 용기(100)의 전체 단면을 가로지르는 스프레이의 동심 원 A, B, 및 C를 제공할 수 있다.
상기 제1 노즐 구역(16)은 상기 제1 챔버(12)의 정상으로부터 제1 높이에서의 복수의 스프레이 노즐(22)를 포함할 수 있다. 상기 스프레이 노즐(22)의 중심은, 예를 들어 약 2 피트 내지 약 8 피트의 범위 내와 같은, 상기 제1 챔버(12)의 정상으로부터의 거리에 위치될 수 있고, 상기 노즐이 배치되는 용기의 크기 및 노즐의 크기에 의존할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 복수의 스프레이 노즐(22)은 단일층으로 상기 제1 챔버(12)의 둘레에 대하여 등거리로 이격될 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(22)은 당업자에 의하여 결정된 상기 제1 노즐 구역(16)의 둘레에 대하여 이격되어, 도 3에 나타나는 바와 같이 원형 스프레이 패턴 A를 제공할 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(22)은 상기 용기(100)의 단면 직경의 80 내지 100% 범위를 가지는 원형 스프레이 패턴 A를 제공하도록 설계된다. 상기 복수의 스프레이 노즐(22)은 팬 노즐 또는 당업자에 의하여 결정된 임의의 유형의 노즐일 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(22)은, 예를 들어, 약 0.05 인치 내지 약 0.5 인치의 범위 내의 직경을 가질 수 있으며, 다만 상기 노즐 직경 및 구성은 원하는 스프레이 패턴, 유속, 및 압력 강하에 의하여 결정될 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(22)은 모두 동일한 직경을 가질 수도 있고, 또는 상기 복수의 스프레이 노즐(22)의 직경은 다를 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 복수의 스프레이 노즐(22)은 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 종축으로부터 약 15도 내지 약 85도의 범위 내의 각도, 예를 들어 상기 분배기의 종축으로부터 약 60° 내지 약 80° 범위 내의 각도로 상기 상부 헤드(2)로부터 멀어지는 방향일 수 있다. 직경, 각도 및 다른 변수의 조합 및 구성은 용기(100) 내의 원하는 커버리지 및 액체 분포를 제공하도록 선택될 수 있다.
상기 제2 노즐 구역(18)은 상기 제1 챔버(12)의 둘레에 대하여 등거리로 이격된 복수의 스프레이 노즐(24)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 복수의 스프레이 노즐(24)은 복수의 레벨에서 등거리로 이격될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 레벨의 수는 3개일 수 있고, 다만 상기 레벨의 수는 당업자에 의하여 결정될 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(24)은 당업자에 의하여 결정된 상기 제2 노즐 구역(18)의 둘레에 대하여 이격되어, 도 3에 나타나는 바와 같이 원형 스프레이 패턴 B를 제공할 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(24)은 상기 용기(100)의 단면 직경의 20 내지 80% 범위를 가지는 원형 스프레이 패턴 B를 제공하도록 설계될 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(24)은, 노즐(24c) 위에서 차례로 노즐(24b) 위에 노즐(24a)가 배치되도록, 상기 스프레이 노즐의 일부(24a)가 상기 제1 챔버(12)의 정상으로부터의 제1 거리에 위치되고, 상기 스프레이 노즐의 제2 부분(24b)이 상기 제1 챔버(12)의 정상으로부터의 제2 거리에 배치될 수 있으며, 상기 스프레이 노즐의 제3 부분(24c)이 상기 제1 챔버의 정상으로부터의 제3 거리에 배치될 수 있도록, 상기 챔버의 길이를 따라 배치될 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(24)은, 원하는 스프레이 패턴, 유동, 및 압력 강하 프로파일을 제공하기 위하여, 전술한 바와 같이, 스프레이트 제트 노즐 또는 당업자에 의하여 결정된 임의의 유형의 노즐일 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(24)은, 예를 들어 약 0.05 내지 약 0.5 인치 범위 내의 직경을 가질 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(24)은 모두 동일한 직경을 가질 수 있거나, 또는 상기 복수의 스프레이 노즐(24)의 직경은 상기 스프레이 노즐(24)의 위치에 따라 다를 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제1 층(24a)은 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 종축으로부터 약 30° 내지 약 60° 범위 내의 각도로 상기 상부 헤드(2)로부터 멀어지는 방향일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제2 층(24b)은 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 종축으로부터 약 30° 내지 약 60° 범위 내의 각도로 상기 상부 헤드(2)로부터 멀어지는 방향일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제3 층(24c)은 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 종축으로부터 약 30° 내지 약 60° 범위 내의 각도로 상기 상부 헤드(2)로부터 멀어지는 방향일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 제1 층(24a), 상기 제2 층(24b) 및 상기 제3 층(24c)의 각도는 동일하거나, 상이하거나 또는 이들의 일부 조합일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 용기(100)의 완전한 커버리지를 달성될 수 있도록, 상기 제1 층(24a), 상기 제2 층(24b) 및 상기 제3 층(24c)은 원주 방향으로(circumferentially) 오프셋된다. 일부 구현예에 있어서, 상기 제1 층(24a)의 노즐 중심 및 상기 제2 층(24b)의 노즐 중심 간의 오프셋은, 예를 들어 0.35 내지 약 2 인치 범위 내일 수 있다. 또한, 상기 제2 층(24b)의 노즐 중심 및 상기 제3 층(24c)의 노즐 중심 간의 오프셋은, 예를 들어 약 0.35 내지 약 2 인치 범위 내일 수 있다.
상기 제3 노즐 구역(20)은 상기 제1 챔버(12)의 둘레에 대하여 등거리로 이격된 복수의 스프레이 노즐(26)을 포함할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 복수의 스프레이 노즐(26)은 복수의 레벨에서 등거리로 이격될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 레벨의 수는 3개일 수 있고, 다만 상기 레벨의 수는 당업자에 의하여 결정될 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(26)은 당업자에 의하여 결정된 상기 제3 노즐 구역(20)의 둘레에 대하여 이격되어, 도 3에 나타나는 바와 같이 원형 스프레이 패턴 C를 제공할 수 있다. 스프레이 노즐의 제1 층(26a)은 상기 제1 챔버(12)의 정상으로부터 약 6 피트 내지 약 12 피트 범위 내의 거리에 위치된 상기 스프레이 노즐(26a)의 중심을 가질 수 있다. 스프레이 노즐의 제2 층(26b)은 상기 제1 챔버(12)의 정상으로부터 약 6 피트 내지 약 12 피트 범위 내의 거리에 위치된 상기 스프레이 노즐(26b)의 중심을 가질 수 있다. 스프레이 노즐의 제3 층(26c)은 상기 제1 챔버(12)의 정상으로부터 약 6 피트 내지 약 12 피트 범위 내의 거리에 위치된 상기 스프레이 노즐(26c)의 중심을 가질 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(26)은 스트레이트 제트 노즐 또는 당업자에 의하여 결정된 임의의 유형의 노즐일 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(26)은, 예를 들어 약 0.05 인치 내지 약 0.5 인치 범위 내의 직경을 가질 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(26)은 모두 동일한 직경을 가질 수 있거나, 또는 상기 복수의 스프레이 노즐(26)의 직경은 다를 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(26)은 모두 동일한 직경을 가지거나, 상기 스프레이 노즐(26)의 위치에 따라 상기 복수의 스프레이 노즐(26)의 직경은 다를 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제3 층(26a)은 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 종축으로부터 약 30° 내지 약 60° 범위 내의 각도로 상기 상부 헤드(2)로부터 멀어지는 방향일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제2 층(26b)은 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 종축으로부터 약 30° 내지 약 60° 범위 내의 각도로 상기 상부 헤드(2)로부터 멀어지는 방향일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 스프레이 노즐의 제3 층(26c)은 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)의 종축으로부터 약 30° 내지 약 60° 범위 내의 각도로 상기 상부 헤드(2)로부터 멀어지는 방향일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 제1 층(26a), 상기 제2 층(26b) 및 상기 제3 층(26c)의 각도는 동일하거나, 상이하거나 또는 이들의 일부 조합일 수 있다. 일반적으로, 상기 노즐의 각도는 결과물 스트림(resulting streams)이 교차하거나 충돌하지 않도록 될 수 있고, 상기 용기 직경에 의존할 수 있다. 상기 제1 층(26a)의 노즐 중심 및 상기 제2 층(26b)의 노즐 중심 간의 오프셋은, 예를 들어 약 0.35 인치 내지 약 2 인치 범위 내일 수 있다. 상기 제2 층(26b)의 노즐 중심 및 상기 제2 층(26c)의 노즐 중심 간의 오프셋은, 예를 들어 약 0.35 인치 내지 약 2 인치 범위 내일 수 있다.
일부 구현예에 있어서, 매체가 상기 복수의 노즐(22, 24 및 26)으로부터, 도 1a에서 나타난 바와 같이, 스프레이 원 A, B 및 C로 되도록 할 때 상기 용기(100) 단면의 완전한 또는 실질적으로 완전한 커버리지가 달성되도록, 복수의 노즐(22, 24 및 26)은 센트릭 스프레이 파이프(4)에 대하여, 그리고 이를 따라 균일하게 이격된다.
상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는, 도 3에 나타낸 폴리프로필렌 반응기(100)와 같은, 폴리올레핀 반응 시스템에서 사용될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 폴리프로필렌 반응기(100)는 바닥에 교반기가 장착된 바닥을 가지는 교반층 반응기(stirred bed reactor)일 수 있다. 상기 폴리프로필렌 반응기(100)는 용기 바닥으로부터 레벨 L까지 연장되는 고체층을 포함하고, 이는 하부 구역(14)을 둘러싸는 스프레이 원 A, B 및 C 중 하나 이상에 해당될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 상기 응축된 재순환 가스를 상기 반응기의 정상으로부터 균일하게 분말로 분배할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가이드 튜브(8)는 센트릭 파이프(4) 내에 배치되고, 플레이트(40)를 관통하여 하부 제2 챔버(14) 내로 연장될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 제1 챔버(12) 및 상기 제2 챔버(14) 간의 압력을 균등하게 하기 위하여, 통기 홀(미도시)은, 플레이트(40)을 관통하는 것과 같이, 상기 제1 챔버(12)의 바닥에 위치할 수 있고, 이에 따라 일관된 레벨 측정을 위하여 상기 제2 챔버(14) 내에 정체된 액체(stagnant liquid)를 제공할 수 있다. 다른 구현예에 있어서, 실(seals)(미도시)은 가이드 튜브(8)의 주변을 밀봉하기 위하여 제공되어, 제1 챔버(12)로부터 하부 챔버(14)로의 과도한 유체 흐름을 방지할 수 있다. 예를 들어, 센서(42)는 레벨 측정을 위한 방사성 소스를 포함할 수 있고, 일관된 레벨 측정을 위하여 상기 소스는 상기 제2 챔버(14) 내의 정체된 액체에 의하여 둘러싸여 있어야 한다. 그러므로, 하부 챔버(14)로부터 밀봉된 제1 챔버(12)로의 상기 센트릭 파이프(4)의 분할은 상기 용기 내의 고체로부터 레벨 측정 장비의 보호를 허용하되, 동시에 용기(100)로의 액체의 효율적인 분배를 제공한다. 일부 구현예에 있어서, 상기 가이드 튜브(8)는 상기 용기(100) 및 상기 센트릭 파이프(4) 모두의 내용물로부터 밀봉된다. 다른 구현예에 있어서, 상기 가이드 튜브(8)는 제1 챔버(12)로부터 밀봉될 수 있지만, 하부 챔버(14) 및 가이드 튜브(8) 내의 압력의 평형을 허용하는 통기 홀(미도시)을 포함할 수 있다. 상기 통기 홀은, 예를 들어 상기 가이드 튜브(8)의 바닥에 위치될 수 있거나, 또는 가이드 튜브(8)는 하부 챔버(14) 내에서 끝나는 개방형 파이프일 수 있다.
도 1a 및 3에 나타난 바와 같이, 일부 구현예에 있어서, 상기 재순환 가스(RG)는 원형 스프레이 패턴 A, B 및 C로 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)를 통하여 공급 및 분배될 수 있다. 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 기존의 용기 노즐(6)을 이용할 수 있고, 이의 내부를 교체할 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(22, 24 및 26)은 상기 용기(100)의 중심으로부터 바깥방향으로 상기 재순환 가스를 분사하여, 상기 용기(100)의 분말층(105)에서 냉각제의 반경(R)을 가지는 원 A, B 및 C를 형성할 수 있다. 상기 냉각제 원(coolant circles)은 임펠러로부터 상기 용기(100)의 중심 영역 내로 상승 및 하강하는 최대량의 분말(105)을 "샤워" 및 냉각할 수 있다. 상기 복수의 스프레이 노즐(22, 24 및 26)은 상기 분사된 재순환 가스를 상기 층 표면으로부터 상기 표면 아래의 원하는 깊이(D)까지 분말에 침투시키고 상기 분말을 젖게하도록 설계될 수 있으므로, 순환된 분말의 더 넓은 분획에 액체 냉각 매체의 직접 접촉을 적용할 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 침투 깊이는, 100 내지 300 mm와 같은, 약 50 mm 내지 약 500 mm의 범위, 또는 다른 구현예에 있어서 약 200 mm일 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 센트릭 스프레이 파이프(4)는 일정하고 안정적인 반응기 온도 및 냉각제 흐름 제어를 제공할 수 있는 더 나은 냉각 커버리지를 제공할 수 있고, 이는 더 나은 전체 반응기 성능으로 이어질 수 있다.
실시예(Examples)
중합체 반응기 내에 센트릭 스프레이 파이프의 설치 이후, 온도에 대한 표준 편차는 약 1.6 ℃에서 약 0.7 ℃로 감소될 수 있다. 도 4는 23 t/h의 중합체 제조에서의 상용의 반응기에 대한 개선된 온도 제어를 나타낸다. 레벨 측정에 대한 변동량(variance)은 약 7.7 %에서 약 1.1 %로 감소되었다.
아래 표는, 원뿔형 노즐에 의하여 제공되는 단일 스프레이, 2개의 오프-센트릭 스프레이에 의하여 제공되는 반-대칭(semi-symmetrical) 스프레이, 및 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)에 의하여 제공되는 바와 같은 대칭 스프레이를 생성하는, 다양한 노즐에서의 온도 및 압력의 표준 편차의 비교를 나타낸다.
18 t/h 중합체 반응기에서의 표준 편차
온도 압력
단일 스프레이 1.1 ℃ 0.7 bar
반 대칭 0.2 ℃ 0.13 bar
대칭 0.2 ℃ 0.02 bar
도 5a 및 5b에서 나타난 바와 같이, 상기 용기(100) 냉각의 변동은 감소될 수 있다. 상기 센트릭 스프레이 파이프는 냉각 듀티(cooling duty)가 전체 플롯의 약 20% 범위 이내로 유지하도록 허용한다(도 5a 참조). 비대칭 냉각제 분포는 전체 냉각 용량의 약 50% 범위 내의 변동을 유발할 수 있다(도 5b 참조). 상기 일관된 냉각 듀티를 기반으로, 반응기 내의 상기 센트릭 스프레이 파이프는 약 15% 증가된 생산 속도를 가질 수 있다.
상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 분말, 액체, 또는 슬러리 표면 상으로의 액체의 원형 분배로부터 이익을 얻을 수 있는 응용처에 이용될 수 있다. 일부 구현예에 있어서, 상기 센트릭 스프레이 파이프는 용기 벽면으로 액체를 적용하도록 (흐름 및 노즐 각도가) 설계될 수 있다. 상기 센트릭 스프레이 파이프(4)는 액체 분배 및 측정 기구(예를 들어, 써모웰, 레벨 측정, 품질 센서, 등)를 통합한다.
당업자가 또한 인식하는 바와 같이, 상기 센트릭 스프레이 파이프는 상기 용기의 폭에 걸친 넓은 커버리지를 제공한다. 또한, 상기 센트릭 스프레이 파이프는, 측정 가이드 내 센서의 보호로 인하여 일정한 측정 판독값을 제공할 수 있는, 측정 가이드를 함유할 수 있다.
전술한 바와 같이, 중합에 사용되는 경우, 상기 스프레이 노즐은 상기 반응기 용기의 중심으로부터 바깥 방향으로 재순환 가스를 분사하여, 아래의 분말 층에 냉각제의 원(들)을 형성할 수 있다. 상기 냉각제 원(들)은 임펠러로부터 상기 반응기의 코어 영역으로 상승 및 하강하는 최대량의 분말을 샤워 및 냉각하기 위한 것이다. 상기 선택된 스프레이 노즐은 상기 분사된 재순환 가스를 상기 층 표면으로부터 상기 표면 아래의 원하는 깊이까지 상기 분말 층에 침투시키고 상기 분말 층을 젖게하도록 설계되므로, 순환된 분말의 더 넓은 분획에 액체 냉각 매체의 직접 접촉을 적용할 수 있다. 침투 깊이는, 예를 들어, 200 내지 500 mm 범위일 수 있다. 보다 향상된 냉각 커버리지를 수반하여, 반응기 온도 및 냉각제 흐름 제어성은 보다 일정하고 안정적이며, 이는 보다 나은 전체 반응기 성능으로 이어진다.
재순환 가스 공급 기능에 더하여, 센트릭 공급 파이프는 또한 방사성 레벨 소스(들) 및 상기 가이드 튜브(들)을 수용하고 보호할 수 있다. 상기 신규한 가이드 튜브(들)은 반응기 작동/설계 압력을 견딜 수 있을 수 있고, 상기 재순환 가스 및 반응기 내용물의 상기 가이드 튜브(들)로의 유입으로부터 밀봉될 수 있다.
유리하게, 본 발명자들은 상기 용기의 폭에 걸친 넓은 커버리지를 제공함으로써, 보다 효율적인 온도 제어와 함께 분말 층으로의 액체의 침투가 향상될 수 있다는 것을 발견하였다. 또한, 본 발명자들은 방사성 소스가 상기 센트릭 스프레이 파이프 내에 위치하는 경우 향상된 레벨 판독을 할 수 있음을 발견하였다.
본 개시 내용은 제한된 수의 구현예를 포함하지만, 본 개시 내용의 이점을 가지는 당업자는, 본 개시 내용의 범위를 벗어나지 않는 다른 실시예를 고려할 수 있음을 이해할 것이다. 이에 따라, 그 범위는 첨부된 청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (25)

  1. 생성물을 포함하는 용기 내의 중심에 설치된 분배기를 포함하고,
    상기 분배기는,
    복수의 스프레이 노즐을 포함하는 상부 제1 구역;
    상기 생성물과 접촉하여 배치되는 하부 제2 구역; 및
    상기 분배기 내부에 배치되고 상기 분배기의 길이를 가로질러 배치되는 가이드 튜브를 포함하되,
    상기 스프레이 노즐은 상기 생성물의 상부에서 상기 제1 상부 구역으로부터 상기 생성물에 유체를 분사하도록 구성되며,
    상기 하부 제2 구역 내에 배치된 상기 가이드 튜브의 일부 내에 배치된 하나 이상의 측정 기구를 포함하는, 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 복수의 스프레이 노즐은,
    상기 상부 제1 구역을 따라 제1 높이에 있는 스프레이 노즐의 제1 레벨;
    상기 상부 제1 구역을 따라 제2 높이에 있는 스프레이 노즐의 제2 레벨; 및
    상기 상부 제1 구역을 따라 제3 높이에 있는 스프레이 노즐의 제3 레벨;을 포함하는 것인, 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 스프레이 노즐의 제1 레벨은, 상기 상부 제1 구역의 둘레에 대하여 등거리로 이격되고, 상기 상부 제1 구역의 제1 높이에서 단일층으로 배열된 복수의 제1 노즐을 포함하는 것인, 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 스프레이 노즐의 제1 레벨은 팬 노즐을 포함하는 것인, 장치.
  5. 청구항 3에 있어서,
    상기 스프레이 노즐의 제1 레벨은 상기 분배기의 종축으로부터 약 60°내지 약 80° 범위 내의 각도를 가지는 것인, 장치.
  6. 청구항 2에 있어서,
    상기 스프레이 노즐의 제2 레벨은 상기 상부 제1 구역의 둘레에 대하여 등거리로 이격된 복수의 제2 노즐을 포함하는 것인, 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수의 제2 노즐은 상기 상부 제1 구역을 따르는 제2 높이의 축방향 길이를 따라 등거리로 이격된 복수의 높이에서 배열된 것인, 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 복수의 제2 노즐은 상기 상부 제1 구역에 따른 제1 높이에서의 제2 노즐의 제1 층, 상기 상부 제1 구역에 따른 제2 높이에서의 제2 노즐의 제2 층, 및 상기 상부 제1 구역에 따른 제3 높이에서의 제2 노즐의 제3 층을 포함하는 것인, 장치.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 제2 노즐의 제1 층, 상기 제2 노즐의 제2 층, 및 상기 제2 노즐의 제3층은 서로 오프셋되는 것인, 장치.
  10. 청구항 2에 있어서,
    상기 스프레이 노즐의 제2 레벨은 스트레이트 제트 노즐을 포함하는 것인, 장치.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 제2 레벨 내의 복수의 스트레이트 제트 노즐은 상기 분배기의 종축으로부터 약 30°내지 약 60° 범위 내의 각도를 가지는 것인, 장치.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 스프레이 노즐의 제3 레벨은 상기 상부 제1 구역의 둘레에 대하여 등거리로 이격된 복수의 제3 노즐을 포함하는 것인, 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 복수의 제3 노즐은 상기 상부 제1 구역에 따르는 제3 높이의 축방향 길이를 따라 등거리로 이격된 복수의 높이에서 배열된 것인, 장치.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 복수의 제3 노즐은 상기 상부 제1 구역에 따른 제1 높이에서의 제3 노즐의 제1 층, 상기 상부 제1 구역에 따른 제2 높이에서의 제3 노즐의 제2 층, 및 상기 상부 제1 구역에 따른 제3 높이에서의 제3 노즐의 제3 층을 포함하는 것인, 장치.
  15. 청구항 14에 있어서,
    상기 제3 노즐의 제1 층, 상기 제3 노즐의 제2층, 및 상기 제3 노즐의 제3 층은 서로 오프셋되는 것인, 장치.
  16. 청구항 2에 있어서,
    상기 스프레이 노즐의 제3 레벨은 스트레이트 제트 노즐을 포함하는 것인, 장치.
  17. 청구항 16에 있어서,
    상기 제3 레벨 내의 복수의 스트레이트 제트 노즐은 상기 분배기의 종축으로부터 약 30°내지 약 60° 범위 내의 각도를 가지는 것인, 장치.
  18. 청구항 1에 있어서,
    상기 상부 제1 구역은 상기 하부 제2 구역으로부터 유체적으로 격리되는 것인, 장치.
  19. 청구항 18에 있어서,
    상기 상부 제1 구역은, 상기 가이드 튜브의 통과를 위한 홀을 포함하는 분할 플레이트에 의하여, 상기 제1 상부 구역은 상기 제2 하부 구역으로부터 유체적으로 격리되는 것인, 장치.
  20. 청구항 19에 있어서,
    상부 챔버로부터 하부 챔버로의 유체 흐름을 방지하기 위하여, 상기 가이드 튜브 주위를 밀봉하기 위한 하나 이상의 실(seal)을 더 포함하는, 장치.
  21. 청구항 1에 있어서,
    상기 제2 구역 내에 배치된 가이드 튜브의 일부에 통기 홀을 더 포함하는, 장치.
  22. 청구항 1의 장치를 포함하고,
    상기 용기는 반응기 헤드 내에 센트릭 노즐을 포함하는 중합 반응기인, 시스템.
  23. 고체-증기 중합 공정으로서,
    반응기로 단량체를 공급하는 단계;
    중합체를 제조하기 위하여 상기 단량체를 반응시키는 단계; 및
    청구항 22의 시스템을 통하여 상기 반응기로 재순환 가스를 공급하는 단계;를 포함하고,
    상기 재순환 가스는 상기 중합체를 침투하는 것인, 공정.
  24. 청구항 23에 있어서,
    상기 재순환 가스는 스프레이 노즐의 제1 레벨로부터의 제1 동심 스프레이 원을 통하여, 스프레이 노즐의 제2 레벨로부터의 제2 동심 스프레이 원을 통하여, 그리고 스프레이 노즐의 제3 레벨로부터의 제3 동심 스프레이 원을 통하여 분배되는 것인, 공정.
  25. 청구항 22에 있어서,
    상기 하나 이상의 측정 기구는 방사선 소스를 포함하는, 시스템.
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