KR20010051611A

KR20010051611A - 기상 유동층 생성물 제거 장치

Info

Publication number: KR20010051611A
Application number: KR1020000066812A
Authority: KR
Inventors: 로날드스티븐 아이싱어; 데이비드넌 존스; 빌리제크 가르너; 파티데이비드 후센
Original assignee: 조셉 에스. 바이크; 유니온 카바이드 케미칼즈 앤드 플라스틱스 테크날러지 코포레이션
Priority date: 1999-11-12
Filing date: 2000-11-10
Publication date: 2001-06-25
Also published as: BR0005317A; EP1099472A2; JP2001181311A; CN1316295A; EP1099472A3

Abstract

본 발명은 기상유동층 용기로부터 입상 중합체를 배출하는 중앙 받침대에서 중합체 생성물, 특히 점착성 고분자와 같은 엘라스토머의 파울링이나 응집을 막기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서,

(1) 입상 생성물 유동층의 바로 밑에 위치한 개방 실린더형 생성물 배출 받침대;

(2) 상기 생성물 배출 받침대의 바닥에 위치한 생성물 배출 밸브; 및

(3) 상기 밸브의 표면을 향하고 가압 하의 가스와 통하는 복수의 독립 노즐수단으로 구성되고, 상기 생성물 배출밸브의 일부 또는 전체 표면은 상기 밸브가 닫혀있을 때, 입상 중합체가 스위핑되는 것을 특징으로 한다.

Description

기상 유동층 생성물 제거 장치{Gas Fluidized Bed Product Removal Apparatus}

발명의 분야

본 발명은 기상 유동층 중합공정에서 입상중합체를 제조하고, 상기 중합체를 유동층에서 퍼지(purge)하여 불필요한 휘발성 물질을 제거하는 데에 사용되는 기상 유동층 용기로부터 입상 중합체를 배출하는 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 기상유동층 용기로부터 입상 중합체를 배출하는 중앙 받침대에서 중합체 생성물, 특히 점착성 고분자와 같은 엘라스토머의 파울링이나 응집을 막기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

발명의 배경

유동층 반응기는 기상 유동화 조건에서 고분자 생성물을 퍼지하는데 사용될 뿐만 아니라 기상유동층 중합반응에 사용되며, 생성물을 방출하기 위해 중앙 받침대(leg)가 설치된다. 이와 같은 장치에는 유동층 바닥 아래로부터 도입되는 단량체 가스의 분배를 고르게 하기 위해, 유동층 바로 밑에 기체 분배망(gas distributor grid)이 설치된다. 기체 분배망은 중합체 입자가 중앙 방출구로 이동을 원활히 하기 위해 오목한 것이 일반적이다. 이처럼 기체 분배망이 유동층 바닥에 설치됨으로써 중앙 받침대는 분배망 표면에 생성물을 잔존시키지 않고 반응기에서 생성물을 바람직하게 배출할 수 있는 것이다. 중앙 배출 받침대는 개구형 파이프나 도관으로 되어 있으며, 분배망의 중앙에 위치하고, 생성물을 방출하기 위해 간헐적으로 열리는 배출밸브로까지 하부로 뻗어 있다.

에틸렌 및 프로필렌의 단일중합체나 공중합체와 같은 비점착성 입상 중합체가 중앙 받침대을 통과하는 경우 별다른 문제는 발생하지 않는다. 그러나, 점착성 입상중합체가 생성물이 되거나 퍼지될 경우, 생성물 배출 밸브의 닫힌 표면에서 파울링(fouling) 현상이 나타나고 배출 받침대에서는 생성물의 응집(agglomeration)이 발생하며 이는 시스템이 폐쇄되는 심각한 문제를 낳는다. 지금까지는 이와 같은 점착성 중합체의 제조중 생성물의 응집을 막기 위한 방법으로서 코팅을 하거나 불활성 미분물질을 사용하여 처리하였다. 미국특허 제4,994,534호, 제5,086,132호, 제5,194,526호는 상기의 방법을 이용한 예이다.

만약 점착성 중합체가 상기와 같은 응집을 방지하기 위한 처리를 하지 않는다면, 점착성 중합체 생성물은 응집하여 커다란 덩어리를 형성하게 될 것이다.

본 발명자는 생성물 배출 밸브의 표면을 스위핑(sweeping)하는 가스분출구를 복수로 설치하고, 입상 중합체를 배출 받침대내에 유동상태로 유지시킴으로써 상기와 같은 유동층 반응기의 받침대와 배출밸브에서의 파울링과 중합체 응집현상을 해결하기에 이른 것이다.

본 발명의 목적은 점착성 입상중합체가 생성물이 되거나 퍼지될 경우, 생성물 배출 밸브의 닫힌 표면과 배출받침대에서 파울링(fouling)이나 응집이 발생하지 않는 기상 유동층 생성물 제거 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 목적은 배출 밸브의 표면을 스위핑(sweeping)하는 가스분출구를 복수로 설치함으로써 파울링이나 응집현상이 발생하지 않는 기상 유동층 생성물 제거 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 노즐로부터 나오는 기체 분출이 겹치지 않게 설치하여 바람직한 유동화를 유지시켜 파울링이나 응집현상이 발생하지 않는 기상 유동층 생성물 제거 장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 점착성 입상중합체가 생성물이 되거나 퍼지될 경우, 생성물 배출 밸브의 닫힌 표면과 배출받침대에서 파울링(fouling)이나 응집이 발생하지 않는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 상기 및 기타의 목적들은 하기 상세히 설명되는 본 발명에 의하여 모두 달성될 수 있다.

이하 본 발명의 내용을 하기에 상세히 설명한다.

도1은 본 발명에 따른 유동층 장치 하부의 개요도이다.

도2는 본 발명에 따른 노즐의 방향과 위치를 나타내는 유동층 반응기 하부의 단면도이다.

* 주요부호에 대한 설명 *

11: 유동층 용기 하부 13: 입상 중합체로 구성된 유동층

15: 가스 분배기 17: 생성물 배출 받침대

19 a, b: 노즐 21: 유동화 가스

23: 생성물 배출밸브 25 a, b: 가스 공급기

27 a, b: 분기관 29 a, b: 가스 분출구

본 발명은 기상유동층반응기 및 기타 유동층을 포함하는 용기에 관한 것으로서, 유입가스를 고르게 분배하는 기체분배망이 생성물을 배출하기 위한 중앙배출 받침대와 연결된 장치에 관한 것이다. 본 발명은 유동층 반응기에 있어 점착성 입상 중헙체의 제조나 퍼지에 사용되는 장치에 특히 유용하다.

노즐 및 흐름방향

본 발명에 의하면, 배출 받침대의 하부에 위치한 복수개의 노즐은 배출받침대의 내부둘레로부터 배출받침대의 출구에 위치한 생성물 배출밸브의 표면으로 입상생성물이 배출받침대에서 유동상태로 유지하도록 가스의 연속흐름을 안쪽으로 향하게 한다. 이를 위해 필요한 노즐의 수는 우선적으로 배출받침대의 직경과 노즐을 지나가는 가스의 속도에 의해 정해진다. 배출받침대의 중심축을 향하는 노즐은 몇 개의 수도 가능하지만, 최소한 몇 개의 노즐은 중심축을 벗어나도록 향하여야 하며, 이는 닫혀있을 때 중심축을 향하지 않는 노즐로부터 방사되는 기체 분출에 의해 노즐배출밸브의 표면적이 스위핑되도록 하기 위함이다. 생성물 배출밸브의 표면적의 최소한 10%, 바람직하게는 20% 혹은 그 이상이 노즐을 나가는 기체에 의해 스위핑된다.

또한 노즐은 그로부터 나오는 기체 분출이 교차되지 않게 향하여야 한다. 즉, 전혀 겹치지 않게 설치하는 것이 바람직하다. 기체분출 흐름의 충돌은 가스에 의해 스위핑되는 밸브 표면적을 감소시켜 바람직한 유동화를 방해한다.

노즐은 아래로 배출밸브를 향해 기울어져 닫힌 배출밸브 표면을 적당하게 스위핑하도록 한다. 노즐이 밸브 표면에 근접한 배출받침대의 가장 밑바닥에 위치한 경우, 각도는 매우 작게 된다. 그러나, 어떠한 이유로 노즐이 밸브표면보다 위에 위치한다면 기울어진 각은 늘어나서 노즐에서 방사되는 가스 분출은 밸브 표면을 향하게 될 것이다. 필요하다면 아래로 30도 정도의 각이 적당하다. 그런데 노즐을 밸브표면에 가깝에 위치시켜 아래로 기울어진 각을 최소화하는 것이 바람직하다. 노즐을 인접한 밸브표면 위로 2 in 이하로 설치하는 것이 바람직하다. 노즐이 아래로 기울어진 바람직한 각도는 10 내지 20도이며, 약 15도가 가장 바람직하다.

점착성 입자가 생성되고 퍼지되는 반응기의 경우, 4개의 노즐이 적당하며, 배출받침대의 직경은 6 in 이하로 한다. 4 내지 6개의 노즐은 배출받침대의 직경이 8 내지 12 in의 범위로 하는 것이 충분하다. 직경이 14-18 in의 범위인 경우, 8개의 노즐이 바람직하다. 이보다 더 큰 직경인 경우, 바람직한 노즐의 수와 방향은 실험적으로 정할 수 있다. 이는 기체흐름속도뿐만 아니라 노즐의 수와 방향의 변경에 유동성을 가진 냉흐름 시뮬레이터에 의해 용이하게 결정할 수 있다. 노즐로부터 나오는 기체 속도는 본 발명의 바람직한 실시를 위해 필요한 노즐의 수와 방향에 영향을 줄 수 있다. 상기의 예는 거의 모든 경우에 적용된다.

가스 공급

본 발명에서 사용되는 가스는 가압가스로 독립적으로 공급될 수 있으며, 또는 바람직하게는 본 발명이 기상중합공정에서 사용될 경우, 회수 가스흐름에서의 후류(slip stream)로부터 공급될 수 있다. 본 발명이 생성물이 유동상태에서 유지되는 퍼지 공정에서 실시될 경우, 노즐로 공급되는 기체는 퍼지에 사용되는 주요 가스 흐름에서의 후류가 될 수 있다. 필요하다면 후류의 압력을 증가시키기 위해 펌프로 보충할 수 있다.

노즐을 통한 전체 가스 흐름속도는 배출받침대 내부의 입자가 원활하게 유동화될 수 있도록 하여야 한다. 일반적으로 전체 가스 흐름속도는 유동층을 지나는 가스의 최소 유동화 속도의 약 3-12 배로 하는 것이 바람직하다. 배출받침대로부터 위로 흐르는 가스의 표면가스속도는 일정하게 유지하는 것이 바람직하며, 유동층 내에서 상당한 입자크기분리가 일어나는 속도 이상으로 한다.

노즐에 가스를 공급하는 것은 상기에서 언급된 하나 또는 그 이상의 공급원으로부터 나온 가스로 하나 또는 그 이상의 분기관을 공급함으로써 용이하게 할 수 있다. 복수의 분기관이 설치된 경우, 가스를 서로 다른 속도로 배출받침대에 도입하는 것이 가능하며, 이로 인해 노즐 배열로부터 방사되는 기체분출구의 길이가 용이하게 변화될 수 있는 것이다. 배출 받침대에 도입되는 가장 긴 기체분출구의 길이는 배출 받침대 직경의 50% 이상으로 배출받침대로 연장되어서는 안되고, 바람직하게는 직경의 40% 미만으로 한다. 만약 분기관이 복수인 경우, 가스를 서로 다른 속도로 주입하는 것이 가능하고, 이는 긴 분출구의 사용이 중심축으로부터 떨어져 향해 있고 둘레부분을 스위핑하는 짧은 분출구와 함께 내부 단면부를 스위핑하도록 한다. 이러한 배열은 노즐로부터 방사되는 기체분출의 방향에 있어서 상당한 융통성을 제공하므로, 2개 혹은 그 이상의 분기관을 사용하는 것이 바람직하다. 복수의 분기관은 또한 밸브 표면을 적당하게 스위핑함으로써 가스흐름의 교차를 방지하고, 배출 받침대 내에 불필요한 난류가 일어나지 않도록 한다.

생성물 배출

생성물은 배출밸브를 간단하게 여는 조작에 의해 중합반응기 또는 퍼지(purge)용기로부터 간헐적으로 배출된다. 배출밸브가 열릴 경우, 생성물은 아래로 흐르면서 배출받침대를 통과하고, 배출밸브를 지난 다음, 저장용기로 들어간다. 생성물을 배출하기 위해 노즐을 통하는 가스흐름을 정지시킬 필요가 없다. 실제로 배출밸브가 열린 경우라도 최소한의 가스는 노즐을 통과하도록 유지시키는 것이 바람직하며, 이것은 막히는 것을 방지하기 위함이다. 밸브가 열려있는 경우, 노즐을 통과하는 가스 흐름속도는 배출밸브가 닫혀있는 경우의 가스속도의 최소한 10% 정도로 하는 것이 바람직하다.

도1은 유동층 장치 하부의 개요도이다. 상기 유동층 장치는 중합반응기이거나 퍼지 용기일 수 있다. 중앙 배출 받침대는 배출되는 생성물이 도입되며, 가스 도입노즐은 생성물이 배출 받침대에서 유동화 상태로 유지시키기 위해 설치 된다. 유동층(13)은 입상 중합체로 구성되어 있다. 가스 분배망(15)는 도입되는 유동화 가스가 고르게 분배되도록 한다. 생성물 배출 받침대(17)는 입상 중합체를 유동층으로부터 방출하기 위해 사용된다. 노즐(19a)는 배출 받침대의 중심축을 향하며, 닫힌 생성물 배출 밸브(23) 표면의 약간 아래로 향한다. 노즐(19b)는 배출 받침대의 중심축으로부터 떨어진 방향으로 향하며 마찬가지로 약간 아래로 기울어져 있다. 유동화 가스(21)는 분배망(15)를 통과하면서 층을 유동화한다. 유동층으로부터 생성물은 받침대(17)을 통해 밸브(23)로 배출된다.

도2는 본 발명에 따른 노즐의 방향과 위치를 나타내는 유동층 반응기 하부의 단면도이다. 독립된 가스공급기(25 a, b)에서 노즐(19a, b)로 가스가 공급된다. 가스공급기(25a, b)에서 노즐(19a, b)로의 가스 공급은 분기관(27a, b)을 통하여 이루어 진다. 노즐(19a, b)에서부터 가스분출구(29a, b)로 가스가 방사된다.

도1 및 도2에 나타난 장치는 닫힌 배출 밸브표면과 배출 받침대의 벽에 발생하는 파울링을 방지하고, 배출 받침대내에 존재하는 입상 중합체의 응집을 방지하기 위해 사용된다.

가스는 가스공급기(25a, b)로부터 분기관(27a, b)를 거쳐 각각 노즐(19a, b)로 이동된다. 노즐(19b)로 도입되는 가스는 노즐(19a)로 도입되는 가스보다 더 낮은 흐름속도로 들어가며, 이는 노즐(19b)로부터의 가스분출구가 방사상으로 향한 노즐(19a)로부터의 가스분출구보다 배출 받침대의 내부로 보다 더 짧은 거리로 향하게 하는 것이 바람직하다. 그 결과로서 가스분출구 상호간에는 서로 교차하지 않게 되는 것이다. 닫힌 배출밸브의 표면을 스위핑하는 것은 폴리머가 밸브표면에 들러붙는 것을 방지하며, 배출 받침대내의 모든 중합체가 유동상태를 유지하도록 하여 배출받침대내의 생성물 응집뿐만 아니라 배출받침대 벽의 파울링을 방지하게 되는 것이다.

실시예

실시예1

8개의 노즐을 생성물 배출 받침대의 둘레에 설치하며, 직경을 15¹/₄in로 한다. 각각의 노즐은 배출 받침대바닥에 위치한 생성물 배출밸브표면의 1¹/₄in 위로 설치한다. 노즐은 수평면으로부터 15° 아래로 기울어져 있다. 4개의 노즐은 링에 수직이고, 둘레를 따라 90° 간격으로 떨어져 있다. 두 개의 추가노즐은 수직으로부터 30。 각으로 설치되어 있다. 이러한 노즐은 서로 반대편에(180°떨어져서) 설치되며, 두 개의 수직 노즐로부터 30°떨어져 위치된다. 상기 6개 노즐의 오리피스는 직경이 약³/₄in 이다. 나머지 2개의 노즐은 1 in 노즐 오리피스를 가지며 수직으로부터 60°로 설치된다. 이들은 서로 반대편으로 설치되며(180°떨어짐) 수직 노즐로부터 둘레로 45°떨어져 위치해 있다. 상기의 바람직한 구체예는 도2에 나타나 있다.

가스흐름은 독립적으로 4개의 수직 노즐을 공급하는 분기관과 이와 별개로 다른 4개의 노즐을 공급하는 분기관에 의해 가스흐름이 독립적으로 조절되는 것이 바람직하다. 전체 가스흐름속도는 약 2.0 ft/sec 정도의 바람직한 표면가스속도를 공급하기 위해 배출 받침대를 통해 고정된다. 가스흐름을 60/40로 분류하고, 더 높은 가스흐름을 4개의 수직노즐로 흐르게 하는 것이 최적이다. 상기의 실험은 약 60℃와 90℃사이에서 변화하는 온도에서 입상의 에틸렌-프로필렌 고무 입자로 수행되었다. 입자의 응집이나 배출 받침대 밸브의 플러깅 현상도 발견되지 않았다.

실시예2

실시예1에서 사용된 장치로 비점착성 입상 중합체로 테스트하였다. 상기 실험에서 생성물 배출 받침대는 직경을 14¹/₄in로 하며, 나머지 2개의 노즐은 수직에서 60°설치되는 대신에 90°에서 설치되며, 1 in 노즐 오리피스를 가지는 대신에³/₄in 노즐 오리피스를 갖는다. 약 2.0 ft/sec 정도의 전체 가스흐름속도와 60:40의 가스흐름비(중심축을 향해 배열된 노즐: 중심축으로부터 벗어나서 배열된 노즐), 각각의 수직노즐로부터 가스 분출구 길이는 배출 받침대의 중심축까지 달하도록 한다. 배출 받침대의 유동화는 슬러깅으로 활발하다. 가스분출구의 대부분은 닫힌 배출밸브의 표면에 달한다. 약 70-90%의 중합체 입자는 닫힌 밸브 표면에서 정체된 상태로 남아있지만 이러한 정체된 층은 매우 얇다. 따라서 입자의 응집을 유발하는 압축력은 실질적으로 제로가 된다.

본 발명은 점착성 입상중합체가 생성물이 되거나 퍼지될 경우, 배출 밸브의 표면을 스위핑(sweeping)하는 가스분출구를 복수로 설치하고, 노즐로부터 나오는 기체 분출이 겹치지 않게 설치하여 바람직한 유동화를 유지시켜 생성물 배출 밸브의 닫힌 표면과 배출받침대에서 파울링(fouling)이나 응집이 발생하지 않는 기상 유동층 생성물 제거 장치 및 방법을 제공할 수 있는 발명의 효과를 갖는다.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의하여 용이하게 실시될 수 있으며 이러한 변형이나 변경은 모두 본 발명의 영역에 포함되는 것으로 볼 수 있다.

Claims

(1) 입상 생성물 유동층의 바로 밑에 위치한 개방 실린더형 생성물 배출 받침대;

(2) 상기 생성물 배출 받침대의 바닥에 위치한 생성물 배출 밸브; 및

(3) 상기 밸브의 표면을 향하고 가압 하의 가스와 통하는 복수의 독립 노즐수단;

으로 구성되고, 상기 생성물 배출밸브의 일부 또는 전체 표면은 상기 밸브가 닫혀있을 때, 입상 중합체가 스위핑되는 것을 특징으로 하는 입상중합체의 기상 유동층을 포함하는 용기로부터 입상 중합체 생성물을 방출하는 배출 장치.
(1) 입상폴리머 생성물의 유동층 바로 아래에 설치되고, 상기 용기로 유입되는 유동화 가스의 가스 분배망의 중앙에 위치하는 개방형 실린더형 생성물 배출 받침대;

(2) 상기 받침대의 바닥에 위치하는 생성물 배출밸브;

(3) 상기 생성물 배출밸브 닫힌 표면을 향해 위치하는 복수의 독립노즐 수단; 및

(4) 상기 노즐과 통하는 가압하의 하나 또는 그 이상의 독립적인 가스공급기;

로 구성된 입상중합체의 기상 유동층을 포함하는 용기로부터 입상 중합체 생성물을 방출하는 배출 장치.
제1항에 있어서, 상기 노즐의 최소한 일부는 상기 받침대의 주변에서 중심축으로부터 벗어난 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 노즐의 일부는 상기 받침대의 주변으로부터 상기 받침대의 중심축 방향으로 있고, 최소한 상기 노즐의 일부는 상기 받침대의 주변에서 상기 받침대의 중심축으로부터 벗어난 방향으로 위치하여 있는 것을 특징으로 하는 장치.
제4항에 있어서, 상기 노즐로부터 나와 상기 받침대의 중심축 방향으로 도입되는 가스의 흐름속도는 상기 받침대의 중심축으로부터 벗어난 방향으로 도입되는 가스의 흐름속도보다 높은 것을 특징으로 하는 장치.
제4항에 있어서, 상기 노즐의 최소한 일부는 상기 닫힌 배출밸브 표면의 아래로 향해있는 것을 특징으로 하는 장치.
제2항에 있어서, 상기 기체분배망은 오목한 망인 것을 특징으로 하는 장치.
제6항에 있어서, 상기 아래로 향한 노즐은 수평 아래으로부터 10° 내지 20°로 기울어진 것을 특징으로 하는 장치.
제1항에 있어서, 상기 노즐로부터 방사되는 가스 분출구는 교차하지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
제4항에 있어서, 상기 노즐로부터 방사되는 가스 분출구는 상기 배출 받침대의 중심축을 넘지 않는 것을 특징으로 하는 장치.
입자 물질의 가스유동층 바로 아래에 위치하고, 상기 물질을 배출하는 생성물 배출밸브의 위에 위치하며, 복수의 가스 분출기의 최소한의 일부는 상기 배출받침대의 중심축을 향해 있고, 다른 가스분출기의 일부는 중심축으로부터 벗어난 방향에 있는 것을 특징으로 하는 배출밸브의 닫힌 표면을 스위핑하여 배출 받침대내에 있는 입상 중합체물질의 파울링과 응집을 방지하는 방법.