KR102669682B1 - 중합반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 촉매와 반응물이 원료로써 투입되고 중합이 이뤄지는 중합반응기에 있어서, 내부에 공간이 마련된 반응기; 상기 반응기 내부에서 축회전하는 샤프트; 상기 샤프트가 내측 중앙에 놓이되 샤프트와 거리를 두고 둘러싸도록 길이방향을 따라 나선을 이루도록 형성되며 상기 샤프트와 같이 회전하는 제1임펠러; 및
상기 샤프트가 내측 중앙에 놓이되 상기 제1임펠러와 거리를 두고 둘러싸도록 길이방향을 따라 나선을 이루도록 형성되며 상기 샤프트와 같이 회전하는 제2임펠러;를 포함하고, 상기 제1임펠러와 제2임펠러는 샤프트에 의해 동시에 회전이 이뤄질 때, 어느 하나는 원료를 윗쪽으로 이동시키면 다른 하나는 원료를 아랫쪽으로 이동시키도록 서로 반대방향으로 나선이 형성된 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 제1임펠러와 제2임펠러 어느 하나가 원료를 아래로 이동시키면 다른 하나는 위로 이동시키며 교반하므로, 원료의 상하방향 움직임을 유발하여 반응기 내부 표면의 고착을 방지할 수 있고, 중합 반응을 더 촉진시킬 수 있다.

Description

중합반응기{POLYMERIZATION REACTOR}

본 발명은 효율적으로 중합 반응이 일어날 수 있는 중합반응기에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 반응기 내부에 퇴적물 생성을 억제하고 반응 효율을 향상시켜 생산성을 증대시킬 수 있는 중합반응기에 관한 것이다.

폴리올레핀은 에틸렌과 프로필렌 같은 올레핀을 첨가중합반응시켜 제조되며, 여러가지 다양한 방식으로 제조가 이뤄진다.

여러 제조방법 중에서 기상 중합법은 중합반응기 내부로 고체 촉매와 기체 반응물을 각각 투입시킨 후, 반응이 이뤄지도록 임펠러를 회전시켜 반응을 촉진하도록 구성된다.

그러나, 반응이 진행될 수록 반응기 상부 및 내부 벽면에는 중합물이 고착되는 파울링(fouling)이 발생하는 문제가 있었다.

즉, 종래의 중합반응기 내부의 모습이 나타난 도 1 에 도시된 바와 같이, 종래의 반응기(2) 내에서 샤프트(3)와 함께 장착되는 임펠러(1)는 앵커(anchor) 모양을 가짐에 따라 방사방향 흐름(radial flow)만 발생시킴에 따라 반응기(2) 내에서 상측 부분에는 혼합이 충분히 이뤄지지 못하고, 반응하지 않은 촉매와 반응물이 표면에 고착되는 문제가 있었다.

아울러, 이러한 촉매와 반응물로 이뤄진 고착물은 분리되지 않고 계속적으로 누적되어 크기가 점차 커지게되고, 이러한 고착물의 성장에 따라 반응기(2) 내부에서 불규칙적인 중합반응이 유발되어 생산효율이 저하되는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해소하기 위하여 반응기 내부의 고착물(특히, 반응기 천청면에 고착되는 고착물)을 제거하여 생산효율을 증대시킬 수 있는 중합반응기를 제공하는 것에 주목적이 있다.

전술한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 촉매와 반응물이 원료로써 투입되고 중합이 이뤄지는 중합반응기에 있어서, 내부에 공간이 마련된 반응기;

상기 반응기 내부에서 축회전하는 샤프트; 상기 샤프트가 내측 중앙에 놓이되 샤프트와 거리를 두고 둘러싸도록 길이방향을 따라 나선을 이루도록 형성되며 상기 샤프트와 같이 회전하는 제1임펠러; 및 상기 샤프트가 내측 중앙에 놓이되 상기 제1임펠러와 거리를 두고 둘러싸도록 길이방향을 따라 나선을 이루도록 형성되며 상기 샤프트와 같이 회전하는 제2임펠러;를 포함하고, 상기 제1임펠러와 제2임펠러는 샤프트에 의해 동시에 회전이 이뤄질 때, 어느 하나는 원료를 윗쪽으로 이동시키면 다른 하나는 원료를 아랫쪽으로 이동시키도록 서로 반대방향으로 나선이 형성된 것을 특징으로 한다.

상기 샤프트와 제1임펠러는 샤프트에서 수직방향으로 돌출된 제1연결부를 통해 연결되고, 상기 샤프트와 제2임펠러는 상기 샤프트에서 수직방향으로 돌출된 제2연결부를 통해 연결되되, 상기 제1연결부와 제2연결부는 샤프트에서 서로 다른 높이에서 형성된다.

상기 샤프트가 회전할 때, 상기 제1임펠러는 원료를 아랫쪽으로 이동시키고, 상기 제2임펠러는 원료를 윗쪽으로 이동시키도록 구성될 수 있되, 그 반대로 구성될 수도 있다.

아울러, 본 발명에서는 상기 반응기의 천정면 근방에는 샤프트와 같이 회전하는 제3임펠러가 상기 샤프트에 장착된다.

상기 반응기의 천정면은 샤프트가 연결되는 중앙이 가장 높게 솟아오르고 외각쪽으로 갈수록 낮아지는 모양으로 형성되고, 상기 제3임펠러는 반응기의 천정면에 대응하여 샤프트와 결합된 지점이 가장 높고 외각쪽으로 갈수록 낮아지는 형상을 갖는다.

상기 제3임펠러는 회전 시 반응기의 천정면을 쓸거나 긁어 내리도록 적어도 일부분이 상기 반응기의 천정면에 접촉한 상태로 회전이 이뤄진다.

상기 제3임펠러는 실리콘과 같은 가요성(flecibility)을 갖는 재질로 제조되며, 상기 제3임펠러는 상기 반응기의 천정면의 길이보다 적어도 50% 이상의 길이를 갖는다.

본 발명의 중합반응기는, 상기 제1임펠러와 제2임펠러의 최상단은 반응기 내부 천정면과 거리를 두고 이격되어 반응기 내부에서 상부공간부를 형성하고, 상기 제1임펠러와 제2임펠러의 최하단은 반응기 내부 바닥면과 거리를 두고 이격되어 반응기 내부에서 하부공간부를 형성하되, 상기 상부공간부가 하부공간부 보다 더 크게 형성된다.

그리고, 상기 반응기 내에는 온도계가 삽입되되, 상기 온도계는 제1임펠러와 제2임펠러 사이로 진입하도록 장착된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 제1임펠러와 제2임펠러 어느 하나가 원료(반응물과 촉매)를 아래로 이동시키면 다른 하나는 위로 이동시키며 교반하므로, 원료의 상하방향 움직임을 유발하여 반응기 내부 표면의 고착을 방지할 수 있고, 중합 반응을 더 촉진시킬 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 상기 반응기의 천정면 근방에는 샤프트와 같이 회전하는 제3임펠러가 제공되고, 상기 제3임펠러는 반응기 천정면을 물리적으로 쓸어내리므로 더 확실하게 고착물의 생성을 억제할 수 있다.

도 1 은 종래의 중합반응기 내부의 모습을 투시하여 도시한 도면.
도 2 는 본 발명의 제1실시예에 따른 중합반응기 내부의 모습을 투시하여 도시한 도면.
도 3 은 본 발명의 제2실시예에 따른 중합반응기 내부의 모습을 투시하여 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

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

또한, 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정하여 해석되어서는 안되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

본 발명은 반응기(50) 내부 벽면들(특히, 천장면)에 고착물이 고착되는 것을 방지할 수 있는 중합반응기에 관한 것으로써, 이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예들을 더욱 상세히 설명한다.

제1실시예

도 2 는 본 발명의 제1실시예에 따른 중합반응기 내부의 모습을 투시하여 도시한 도면이다.

이 실시예에 따른 중합반응기는 촉매와 반응물이 원료로써 투입되고 내부에서 교반이 이뤄져서 중합반응이 발생하도록 구성된다.

상기 중합반응기는 통 모양으로써 내부에 소정의 크기로 반응 공간이 마련된 반응기(50)를 구비한다. 상기 반응기(50) 상단에는 고체 촉매와 기체 반응물을 각각 투입되는 니플들(n : nipple)이 배치되고, 연속적으로 또는 필요에 따라서 상기 니플(n)을 통해 고체 촉매와 기체 반응물이 적절하게 공급된다.

그리고, 상기 반응기(50) 내부에는 축회전하도록 샤프트(40)가 장착된다. 상기 샤프트(40)는 외부장치(미도시)로부터 동력을 전달받아 축회전하며, 회전속도는 중합반응에 따라서 제어되도록 구성된다.

아울러, 상기 샤프트(40)에는 제1임펠러(10)와 제2임펠러(20)가 각각 결합되어 함께 회전하도록 구성된다. 이때, 상기 제1임펠러(10)는 상대적으로 작은 내경을 가지며 일정 거리를 두고 샤프트(40)가 내측 중앙에 놓이도록 제1연결부(11)를 통해 샤프트(40)와 결합되며, 상기 제2임펠러(20)는 상대적으로 더 큰 내경을 가지며 일정 거리를 두고 제1임펠러(10)가 중앙에 놓이도록 제2연결부(21)를 통해 샤프트(40)와 결합된다.

이때, 제1임펠러(10)와 제2임펠러(20)는 모두 나선(螺線)을 이루도록 형성된다. 단, 상기 제1임펠러(10)의 나선 방향과 제2임펠러(20)의 나선 방향은 서로 반대로 형성된다.

즉, 도 2 에 도시된 바와 같이, 샤프트(40)가 시계반대방향으로 회전하게 될 때, 상기 제1임펠러(10)는 윗쪽에서 아랫쪽으로 촉매와 반응물을 이동시키게 회전하게되고, 상기 제2임펠러(20)는 아랫쪽에서 윗쪽으로 촉매와 반응물을 이동시키도록 회전이 이뤄진다.

더 상세하게는 제1임펠러(10) 근방에서 원료가 윗쪽에서 아랫쪽으로 이동하고 제2임펠러 근방에서는 아랫쪽에서 윗쪽으로 원료가 이동함에 따라, 반응기(40) 내부의 원료는 상하방향으로 계속 유동하며 중합반응이 이뤄지게 되고 이에 따라, 제2임펠러(20) 근방에서 반응기(40) 내부의 벽면은 원료의 상하방향 유동 시 발생하는 마찰에 의해 반응물의 퇴적이 억제된다.

한편, 이 실시예에서는 제1임펠러(10)는 윗쪽의 원료를 아랫쪽으로 이동시키고, 제2임펠러는 아랫쪽의 원료를 윗쪽으로 이동시키는 것으로 설명되었으나, 반대로 나선이 형성되는 경우에도 유사한 효과를 가질 수 있다.

그리고, 이 실시예에서 상기 제1연결부(11)와 제2연결부(21)는 원료의 유동 시 간섭을 최소화하도록 가급적 얇은 두께를 갖되 회전시 제1임펠러(10)와 제2임펠러(20)의 원심력을 지탱할 수 있도록 충분한 강성을 갖도록 제조된다. 그리고, 상기 제1연결부(11)와 제2연결부(21)는 샤프트(40)에서 서로 다른 높이에서 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 이 실시예에서, 상기 제1임펠러(10)와 제2임펠러(20)의 최상단은 반응기(50) 내부 천정면과 거리를 두고 이격되어 반응기(50) 내부에서 상부공간부를 형성하고, 상기 제1임펠러(10)와 제2임펠러(20)의 최하단은 반응기 내부 바닥면과 거리를 두고 이격되어 반응기 내부에서 하부공간부를 형성하되, 상기 상부공간부가 하부공간부 보다 더 크게 형성된다.

제2실시예

본 발명의 제2실시예에 따른 중합반응기 내부의 모습이 투시되어 도시된 도 3 을 참조하면, 이 실시예에서는 상기 반응기(50)의 천정면(50a) 근방에는 샤프트(40)와 같이 회전하는 제3임펠러(30)가 추가로 장착된다.

그리고, 상기 반응기(50)의 천정면(50a)은 원료 중 액체상태의 원료가 흘러내릴 수 있도록 중앙이 솟아오른 형상을 갖는다.

즉, 이 실시예에서는 도 3 과 같이 상기 반응기(50)의 천정면(50a)은 샤프트(40)가 연결되는 중앙이 가장 높게 솟아오르고 외각쪽으로 갈수록 낮아지는 모양으로 형성된다. 더 상세하게는 상기 반응기(50)의 천정면(50a)은 원뿔(cone)이 뒤집혀진 모양을 갖는다.

그리고, 상기 제3임펠러(30)는 반응기(50)의 천정면(50a)과 같이 샤프트(40)와 결합된 지점이 가장 높고 외각쪽으로 갈수록 낮아지는 형상을 갖는다. 상기 제3임펠러(30)는 회전 시 반응기(50)의 천정면(50a)을 쓸거나 긁어 내리도록 적어도 일부분이 상기 반응기(50)의 천정면(50a)에 접촉한 상태로 회전이 이뤄진다.

이에 따라, 상기 제3임펠러(30)의 회전시 마찰에 의해 반응기(50)의 천정면(50a) 표면에 긁힘 또는 흠집 발생이 억제될 수 있도록 상기 제3임펠러(30)는 실리콘과 같은 가요성(flecibility)을 갖는 재질로 제조된다. 참고로, 이때, 상기 제3임펠러(30)는 비가요성 재질로 제조되고, 반응기(50)의 천정면(50a) 표면에 맞닿는 부분만 가요성 재질로 제조될 수도 있다. 그리고, 상기 반응기(50)의 천정면(50a) 표면에 맞닿는 부분은 잘 휘어질 수 있도록 얇게 형성되거나, 솔(brush) 또는 빗과 같은 형태를 가질 수도 있다.

아울러, 상기 제3임펠러(30)는 반응기(50) 천정면(50a)과 동일한 길이를 가질 수도 있을 것이나, 샤프트(40)에 가해지는 하중이 최소화되도록 더 짧은 길이를 가질 수도 있다. 다만, 이때, 상기 제3임펠러(30)는 상기 반응기(50)의 천정면(50a)의 길이보다 적어도 50% 이상의 길이를 갖는 것이 바람직하다.

아울러, 이 실시예에서도 상기 제1임펠러(10)와 제2임펠러(20)의 최상단은 반응기(50) 내부 천정면(50a)과 거리를 두고 이격되어 반응기(50) 내부에서 상부공간부(51)를 형성하고, 상기 제1임펠러(10)와 제2임펠러(20)의 최하단은 반응기(50) 내부 바닥면(50b)과 거리를 두고 이격되어 반응기(50) 내부에서 하부공간부(52)를 형성하되, 상기 상부공간부(51)가 하부공간부(52) 보다 더 크게 형성된다.

그리고, 상기 반응기(50) 내에는 온도계(60)가 삽입되되, 상기 온도계(60)는 제1임펠러(10)와 제2임펠러(20) 사이로 진입하도록 장착되되, 상기 온도계(60)는 제1임펠러(10), 제2임펠러(20), 제3임펠러(30)의 회전 시 간섭을 발생하지 않는 위치에 장착된다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명은, 제1임펠러(10)와 제2임펠러(20) 어느 하나가 원료를 아래로 이동시키면 다른 하나는 위로 이동시키며 교반하므로, 원료의 상하방향 움직임을 유발하여 반응기(50) 내부 표면의 고착을 방지할 수 있다.

아울러, 본 발명에서는 상기 반응기(50)의 천정면(50a) 근방에는 샤프트(40)와 같이 회전하는 제3임펠러(30)가 제공되고, 상기 제3임펠러(30)는 반응기(50) 천정면(50a)을 물리적으로 쓸어내리므로 더 확실하게 고착물의 생성을 억제할 수 있다.

이상에서 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 실시가 가능하다.

10 : 제1임펠러
11 : 제1연결부
20 : 제2임펠러
21 : 제2연결부
30 : 제3임펠러
40 : 샤프트
50 : 반응기
60 : 온도계

Claims (11)

1. 촉매와 반응물이 원료로써 투입되고 중합이 이뤄지는 중합반응기에 있어서,
   내부에 공간이 마련된 반응기;
   상기 반응기 내부에서 축회전하는 샤프트;
   상기 샤프트가 내측 중앙에 놓이되 샤프트와 거리를 두고 둘러싸도록 길이방향을 따라 나선을 이루도록 형성되며 상기 샤프트와 같이 회전하는 제1임펠러; 및
   상기 샤프트가 내측 중앙에 놓이되 상기 제1임펠러와 거리를 두고 둘러싸도록 길이방향을 따라 나선을 이루도록 형성되며 상기 샤프트와 같이 회전하는 제2임펠러;를 포함하고,
   상기 제1임펠러와 제2임펠러는 샤프트에 의해 동시에 회전이 이뤄질 때, 어느 하나는 원료를 윗쪽으로 이동시키면 다른 하나는 원료를 아랫쪽으로 이동시키도록 서로 반대방향으로 나선이 형성되며,
   상기 반응기의 천정면 근방에는 샤프트와 같이 회전하는 제3임펠러가 상기 샤프트에 장착되고,
   상기 제3임펠러는 회전 시 반응기의 천정면을 쓸거나 긁어 내리도록 적어도 일부분이 상기 반응기의 천정면에 접촉한 상태로 회전하는 것을 특징으로 하는 중합반응기.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 샤프트와 제1임펠러는 샤프트에서 수직방향으로 돌출된 제1연결부를 통해 연결되고, 상기 샤프트와 제2임펠러는 상기 샤프트에서 수직방향으로 돌출된 제2연결부를 통해 연결되되,
   상기 제1연결부와 제2연결부는 샤프트에서 서로 다른 높이에서 형성된 것을 특징으로 하는 중합반응기.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 샤프트가 회전할 때, 상기 제1임펠러는 원료를 아랫쪽으로 이동시키고, 상기 제2임펠러는 원료를 윗쪽으로 이동시키는 것을 특징으로 하는 중합반응기.
   
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응기의 천정면은 샤프트가 연결되는 중앙이 가장 높게 솟아오르고 외각쪽으로 갈수록 낮아지는 모양으로 형성되고, 상기 제3임펠러는 반응기의 천정면에 대응하여 샤프트와 결합된 지점이 가장 높고 외각쪽으로 갈수록 낮아지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 중합반응기.
   
6. 삭제
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 제3임펠러는 가요성(flecibility)을 갖는 재질로 제조된 것을 특징으로 하는 중합반응기.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 제3임펠러는 실리콘으로 제조되는 것을 특징으로 하는 중합반응기.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 제3임펠러는 상기 반응기의 천정면의 길이보다 적어도 50% 이상의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 중합반응기.
   
10. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1임펠러와 제2임펠러의 최상단은 반응기 내부 천정면과 거리를 두고 이격되어 반응기 내부에서 상부공간부를 형성하고,
    상기 제1임펠러와 제2임펠러의 최하단은 반응기 내부 바닥면과 거리를 두고 이격되어 반응기 내부에서 하부공간부를 형성하되,
    상기 상부공간부가 하부공간부 보다 더 크게 형성된 것을 특징으로 하는 중합반응기
    
11. 제 1 항 내지 제 3 항, 제 5 항, 제 7 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 내에는 온도계가 삽입되되, 상기 온도계는 제1임펠러와 제2임펠러 사이로 진입하도록 장착된 것을 특징으로 하는 중합반응기.

Images