KR19990013451A - 반응기 열 교환 시스템 - Google Patents

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Abstract

용기와 상기 용기의 내용물을 교반시키기 위한 교반기와 상기 용기내의 열 교환 시스템을 구비한 형태의 반응기의 열 교환 시스템에 있어서, 파이프를 포함하는 제 1 환형 헤드와, 파이프를 포함하며 상기 제 1 헤드로부터 이격된 제 2 환형 헤드와, 파이프를 포함하며 상기 제 1 헤드로부터는 이격되고 제 2 환형 헤드에는 인접한 제 3 환형 헤드와, 제 1 헤드와 제 2 헤드 사이에서 연장되어 이들을 연결하는 제 1 튜브 세트와, 제 1 헤드와 제 3 헤드 사이에서 연장되어 이들을 연결하는 제 2 튜브 세트를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반응기 열 교환 시스템
본 발명은 중합 반응기와 같은 반응기에서의 열 교환 시스템에 관한 것이다.
일부 중합 반응은 상당한 양의 열을 발생시킨다. 반응기의 내용물을 냉각시키기 위해 반응기에는 열 교환 시스템이 위치되어야 한다. 종래의 열 교환 시스템은 상하부 헤드와, 상기 헤드 사이에서 연결되어 헤드와 연결되는 복수개의 튜브를 포함한다. 임펠러를 구비한 축방향 또는 부분적인 축방향 흐름 교반기는 수직의 흐름 패턴을 생산한다. 이것은 흐름 패턴이 회전하여 임페러 외측의 상향으로 흐르는 반응기 바닥을 향하게 된다. 일부 흐름은 튜브와 반응기 벽 사이에 있으며, 일부는 임펠러와 튜브 사이에 있게 된다. 튜브 사이에는 흐름이 없거나 매우 적은 데드스포트(dead spot)가 관찰될 것이다. 이것은 이러한 영역에서 반응기 내용물을 과도하게 냉각시켜 최종 제품의 일부에 바람직하지 않은 높은 점도를 부여하므로써 최종 제품의 동질성에 악영향을 미친다. 이는 또한 튜브의 냉각재와 중합액 사이의 열전달을 빈약하게 한다. 또한, 이러한 데드스포트는 반응기 내용물의 혼합을 억제하는 영역을 제공하기 때문에, 반응기내에서는 반응물의 혼합이 없게 된다.
따라서, 본 발명의 목적은 흐름 패턴과 열 전달이 개선되고 이러한 열 전달이 균일하게 되는 반응기용 열 교환 시스템을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 열 교환 튜브 주위에서의 유체 점도가 개선되고 반응물이 균일하게 분배되게 하여 반응기내에서 강화된 혼합 및 빠른 반응을 형성할 수 있는 개선된 열 교환 시스템을 갖는 반응기를 제공하는 것이다.
이러한 목적은 용기와 상기 용기의 내용물을 교반시키기 위한 교반기와 용기내의 열 교환 시스템을 구비한 형태의 반응기의 열 교환 시스템에 있어서, 파이프를 포함하는 제 1 환형 헤드와, 파이프를 포함하며 상기 제 1 헤드로부터 이격된 제 2 환형 헤드와, 파이프를 포함하며 상기 제 1 헤드로부터는 이격되고 제 2 환형 헤드에는 인접한 제 3 환형 헤드와, 제 1 헤드와 제 2 헤드 사이에서 연장되어 이들을 연결하는 제 1 튜브 세트와, 제 1 헤드와 제 3 헤드 사이에서 연장되어 이들을 연결하는 제 2 튜브 세트를 포함하는 열 교환 시스템에 의해 달성된다.
본 발명의 양호한 실시예에 따르면, 파이프를 포함하며 상기 제 1 튜브 세트와 제 2 튜브 세트 사이에 배치되고 제 2 및 제 3 헤드에 인접한 제 4 환형 헤드가 제공된다. 또한, 제 1 헤드와 제 4 헤드 사이에 연장되어 이들을 연결하는 제 3 튜브 세트도 제공된다.
본 발명은 내측 튜브와 외측 튜브 사이에서 내측 튜브 주위의 데드스포트에 관한 문제점을 제거한다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열 교환 시스템을 갖는 반응기의 단면도.
도 2 는 선 2-2 을 따라 관찰한 도 1 의 반응기의 단면도.
도 3 은 선 3-3 을 따라 관찰한 도 1 의 반응기의 단면도.
도 4 는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열 교환 시스템을 갖는 반응기의 단면도.
도 5 는 선 5-5 를 따라 관찰한 도 4 의 반응기의 단면도.
도 6 은 선 6-6 을 따라 관찰한 도 4 의 반응기의 단면도.
[도면의 주요부분에 대한 부호의 설명]
10 : 반응기 12 : 용기
14 : 교반기 18 : 축선
38 : 임펠러 40 : 모터
도 1 에 있어서, 반응기(10)는 용기(12)와, 교반기(14)와, 열 교환 시스템(16)을 포함한다. 이러한 반응기는 스티렌과 부타디엔을 중합시키기 위해 사용되는 것으로 서술되었다. 그러나, 본 발명은 열 교환 시스템에 의해 냉각이나 가열을 필요로 하는 다른 반응에도 사용될 수 있다.
상기 용기(12)는 수직의 길이방향 축선(18)을 포함한다. 또한, 용기(12)는 그 상단부에 위치된 입구(22, 24, 26, 28)와, 하단부(34)에 위치된 출구(32)를 부가로 포함한다. 솔벤트와, 연결제와, 스티렌과, 기폭제(initiator)와, 부타디엔이 입구(22, 24, 26, 28)를 통해 용기(12)내로 도입된다. 용액내의 산물인 스티렌-부타디엔 공중합체는 출구(32)를 통해 용기(12)로부터 후퇴된다.
교반기(14)는 길이방향 축선(18)과 정렬되는 축(36)과 3개의 임펠러(38)를 포함한다. 임펠러의 갯수는 이에 한정되지 않으며 필요할 경우 더 많거나 적을 수 있다. 교반기(14)는 모터(40)에 의해 30 rpm 내지 350 rpm 으로 구동되는 축방향 흐름 또는 부분적인 축방향 흐름 교반기이며, 상기 rpm 은 중합액의 점도 변화에 따라 높거나 낮을 수 있다.
열 교환 시스템(16)은 파이프를 포함하는 상부 환형 헤드(42)와, 파이프를 포함하며 상기 헤드(42)로부터 이격된 하부 환형 헤드(44)와, 파이프를 포함하며 상기 헤드(42)로부터 이격되어 있고 헤드(44)와는 인접하여 위치된 하부 환형 헤드(46)와, 파이프를 포함하며 상기 헤드(44, 46)에 인접하지만 수직으로 옵셋된 중간 헤드(48)와, 헤드(42, 44) 사이에서 연장되어 이들을 연결하는 튜브 세트(50)와, 헤드(42, 46) 사이에서 연장되어 이들을 연결하는 튜브 세트(52)와, 헤드(42, 48) 사이에서 연장되어 이들을 연결하는 튜브 세트(54)를 포함한다. 헤드(42)는 상단부 근처의 위치에서 길이방향 축선(18)을 포위하며, 헤드(44, 46, 48)는 하단부(34) 근처의 위치에서 길이방향 축선(18)을 포위한다. 튜브(50)는 2열의 튜브를 포함하며, 각 열의 튜브는 환형으로 이격되어 있다. 마찬가지로, 튜브(52)도 각 열의 튜브가 환형으로 이격된 2열의 튜브를 포함한다. 튜브(54)는 환형으로 이격된 1열의 튜브를 포함한다. 튜브(50, 52, 54)는 수직방향으로 위치되므로써 길이방향 축선(18)에 평행하게 된다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 헤드(48)는 튜브(50, 52) 사이에 위치된다.
헤드(44)는 180°이격된 2개의 입구(56)를 가지며, 마찬가지로 헤드(46)도 180°이격된 2개의 입구(도 1 에는 단지 하나만 도시되었다)(58)를 포함한다. 헤드(48)는 90°이격된 4개의 입구(도 1 개는 그중에서 단지 2 개만 도시되었다)(60)를 포함한다. 헤드(42)는 180°이격된 2개의 출구(62)를 갖는다. 따라서, 냉각제는 헤드(44, 46, 48)로부터 튜브(50, 52, 54)를 통하여 헤드(42)로 상향으로 흐른다. 적절한 냉각제는 n-펜탄과 같은 탄화수소나 물 등을 포함한다.
용기(12)내의 유체는 회전하는 임펠러(38)에 의해 하방으로 가압된다. 상기 유체는 용기(12)의 바닥으로 흐른후 회전하여 임펠러 외측으로 상향으로 흐른다. 유체는 헤드(44, 46) 사이와 헤드(48) 주위로 흐른다. 이것은 유체가 튜브(50, 52)의 튜브 열 사이와 마찬가지로 튜브(50, 52) 사이로도 흐르게 한다. 유체는 계속해서 상향으로 용기의 상부로 흐른후, 임펠러(38)의 반응에 응답하여 하방으로 역류하게 된다. 정체 지역은 최소화되며, 유체 점도는 내측 튜브중에서 최대화되므로써 상술한 바와 같이 양호한 동질의 제품을 생산할 수 있게 된다. 또한, 본 발명에 의해 혼합 시간이 최소화된다.
도 2 는 튜브(50, 52, 54)의 배치와, 특히 각 튜브 열에서 튜브의 환형 이격을 상세히 도시하고 있다. 헤드(44, 46, 48)는 환형의 형태를 취하고 있다.
도 3 은 입구(56, 58, 60)의 배치를 도시하고 있다. 물론 다른 배치도 가능하다.
도 4 에 있어서, 도시된 제 2 실시예는 대형의 중간 헤드와, 헤드(64)와, 각각의 튜브가 환형으로 이격되는 2개의 튜브 열을 갖는 튜브(66) 세트가 배치되는 점을 제외하고는 모든 면에서 도 1 의 실시예와 유사하다. 이것은 도 1 의 실시예에 비해 여분의 튜브 열을 제공하며, 따라서 일부 경우에서는 용기내의 유체를 보다 효과적으로 냉각시킬 수 있고 보다 많은 열 교환 면적을 제공하게 된다.
도 4 에 도시된 실시예의 단면도인 도 5 및 도 6 은 도 1 의 실시예에 대한 단면도인 도 1 및 도 2 와 유사하다.
본 발명은 상술한 바에 기초하여 다양한 변화가 가능하다. 예를 들면, 중간 헤드는 생략될 수 있다. 또는 상부 헤드는 복수개의 헤드로 분기될 수 있다. 마지막으로, 냉각제 입구 파이핑은 변화될 수 있다. 따라서, 본 발명은 양호한 실시예를 참조로 서술되었기에 이에 한정되지 않으며, 본 기술분야의 숙련자라면 첨부된 청구범위로부터의 일탈없이 본 발명에 다양한 변형과 수정이 가해질 수 있음을 인식해야 한다.

Claims (10)

  1. 용기와 상기 용기의 내용물을 교반시키기 위한 교반기와 상기 용기내의 열 교환 시스템을 구비한 형태의 반응기의 열 교환 시스템에 있어서,
    파이프를 포함하는 제 1 환형 헤드와,
    파이프를 포함하며 상기 제 1 헤드로부터 이격된 제 2 환형 헤드와,
    파이프를 포함하며 상기 제 1 헤드로부터는 이격되고 제 2 환형 헤드에는 인접한 제 3 환형 헤드와,
    제 1 헤드와 제 2 헤드 사이에서 연장되어 이들을 연결하는 제 1 튜브 세트와,
    제 1 헤드와 제 3 헤드 사이에서 연장되어 이들을 연결하는 제 2 튜브 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 파이프를 포함하며 상기 제 1 튜브 세트와 제 2 튜브 세트 사이에 배치되고 제 2 및 제 3 헤드에 인접한 제 4 환형 헤드와, 제 1 헤드와 제 4 헤드 사이에 연장되어 이들을 연결하는 제 3 튜브 세트를 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 용기는 수직의 길이방향 축선과 상단부 및 하단부를 가지며, 제 1 헤드는 상단부에 인접한 위치에서 상기 길이방향 축선을 포위하며, 제 2 헤드와 제 3 헤드와 제 4 헤드는 하단부 근처에서 길이방향 축선을 포위하며, 상기 제 1 튜브 세트와 제 2 튜브 세트와 제 3 튜브 세트는 길이방향 축선에 평행하게 되도록 수직한 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 4 헤드는 제 2 헤드 및 제 3 헤드위로 수직으로 옵셋된 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서, 제 1 튜브 세트는 각각의 튜브가 환형으로 이격된 2개의 튜브 열을 포함하며, 제 2 튜브 세트는 각각의 튜브가 환형으로 이격된 2개의 튜브 열을 포함하며, 제 3 튜브 세트는 환형으로 이격된 하나의 튜브 열을 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 제 3 튜브 세트는 환형으로 이격된 제 2 튜브 열을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서, 교반기는 축방향 흐름 교반기인 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 반응기는 스티렌 및 부타디엔의 중합화를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  9. 제 6 항에 있어서, 교반기는 부분적인 축방향 흐름 교반기인 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서, 반응기는 스티렌 및 부타디엔의 중합화를 위해 사용되는 것을 특징으로 하는 열 교환 시스템.
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