KR20130090749A - 결정화장치 및 페놀-비피에이 첨가 결정물들을 생산하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

원치 않는 결정 핵형성을 억제하면서 더욱 균일한 결정의 성장을 달성하는, 페놀-BPA 첨가 결정물의 증발식 생산을 위한 결정화장치와 방법이 제공된다. 그 결정화장치는 원통형 용기; 상기 용기와 자신 사이에 환형 공간이 마련되도록 상기 원통형 용기 내에서 동심형으로(concentrically) 배치된 흡출관; 상기 흡출관과 상기 환형 공간을 통해 상기 용기 내의 액체를 순환시키는 임펠러, 그리고 상기 원통형 용기의 내벽 둘레를 빙 돌아 장착되어 증발성 냉각수를 상기 용기 안으로 도입하는 복수 개의 노즐들을 포함한다. 상기 노즐들 각각은 상기 환형 공간의 반경방향 범위의 대략 30%에서 60% 사이에 배치된 분사 단부를 포함하고, 그리고 상기 흡출관의 상단 아래에 상기 용기의 지름의 대략 50%에서 150% 사이의 거리에 위치한다. 그와 같은 노즐 배치는 비등구역의 표면 전체에 걸쳐 냉각수의 농도가 일관되고 균일하게 해주어 상기 용기의 내부 표면상에 원치 않는 결정 핵성장을 막아주거나 적어도 감소시켜주고 상기 비등구역 내의 환형 공간 전체에 걸쳐 일관되고 균일한 과포화도를 제공함으로써 균일한 결정 성장을 촉진시켜준다.

Description

결정화장치 및 페놀-비피에이 첨가 결정물들을 생산하기 위한 방법 {CRYSTALLIZER AND METHOD FOR PRODUCING PHENOL-BPA ADDUCT CRYSTALS}

[0001]이 발명은 일반적으로 페놀-BPA 첨가 결정물들(phenol-BPA adduct crystals)의 증발식 생산에 관한 것으로, 구체적으로는 결정화장치의 용기 도처에 증발성 냉각수를 더욱 균일하게 분산시키는 노즐 배치에 의해 원치 않는 결정핵 생성을 억제하면서 더욱 균일한 결정의 성장을 담보하는 결정화장치(crystallizer) 및 방법에 관한 것이다.

[0002] 비스페놀 A를 정화하는 방법으로서 첨가 결정화(adduct crystallization)가 수년간 사용되어 오고 있다. 그 결정화의 목표는 모액(mother liquor)으로부터 쉽게 분리될 수 있고 상당한 파손 없이 세척할 수 있는 대량의 첨가 결정들을 생산하는 것이다. 페놀-BPA 첨가 결정들은 증발식 결정화 공정의 방법으로 형성될 수 있는데, 그 공정에서는 미국 특허 제4,927,978호에 기술된 것처럼 펜탄이나 헥산과 같은 휘발성 액체 지방족탄화수소가 냉각수로서 사용된다. 그 결정화 공정은 흡출관(draft tube)이 동심원 형태로 내부에 배치된 실린더형 용기로 만든 결정화장치에서 구현된다. 임펠러는 결정화장치 내용물들을 그 흡출관의 내부를 통해 아래쪽으로 통과한 후 그 흡출관의 바깥쪽과 그 실린더형 용기의 내벽 사이의 환형 공간을 통해 위로 통과하도록 순환시킨다. 고체들이 그 용기의 바닥에 쌓여 올라가는 것을 막고 하향 흐름으로부터 상향 흐름으로의 전환을 용이하게 하기 위해 원뿔형 부재가 그 흡출관 아래에 위치될 수도 있다.

[0003] 지방족 탄화수소 냉각수뿐만 아니라 결정화장치의 주요 원료공급부(feed) 및 재활용 원료공급부는, 각각 용기(vessel)의 원주 주위의 서로 다른 높이에 탑재된 별도의 노즐 세트를 통해 그 결정화장치 안으로 도입된다. 그 결정화장치의 주요 원료공급부용 노즐 세트는 세 세트 중 가장 낮은 것이며, 상기 용기의 바닥 근처에 위치해 있다. 그 결정화장치의 주요 원료공급부용 노즐들 각각은 반경방향으로 흡출관의 저부 안으로 연장된다. 재활용 원료공급부용 노즐 세트는 상기 결정화장치 주요 원료공급부용 노즐들 위에 위치하고, 상기 흡출관의 바깥쪽과 상기 실린더형 용기의 내벽들 사이로 정의되는 환형 공간 안으로 연장된다. 지방족 탄화수소 냉각수용 노즐 세트는 상기 세 세트들 중 가장 높으며, 상기 용기의 중간 부근에 위치한다.

[0004] 운전 중에, 상기 결정화장치의 주요 원료공급부는 상기 흡출관의 바닥 안으로 도입되고, 상기 재활용 원료공급부는 상기 결정화장치 용기의 아래쪽 절반의 환형 영역 안으로 진입한다. 지방족 탄화수소 냉각수는 그 환형 영역 안에서 그것의 즉각적 증기화를 억제하기에 충분한 높이, 통상적으로는 상기 용기의 중간점 부근에서 상기 결정화장치 안으로 들어간다. 상기 결정화장치 용기의 내용물들은 상기 흡출관 안쪽에 위치해 있는 임펠러를 사용하여 상기 흡출관 아래로 그리고 상기 환형 영역 위로 순환된다. 상기 용기 내용물들 속에 동반된 상기 지방족 탄화수소 냉각수는 상기 용기의 상부 단부에 있는 액체 표면에 접근함에 따라 증기화 하여 비등구역(a boiling zone)을 만들어내는데, 그 비등구역은 주변의 액체를 냉각시켜주고 페놀-BPA 첨가 결정들을 석출시킨다. 얻어지는 제품 슬러리는 하나 이상의 제품 배출 개구들 또는 배출 노즐들을 통해 그 용기의 바닥이나 바닥 근처로부터 제거되고, 증기화된 지방족 탄화수소 냉각수는 상기 용기의 상부로 빠져나온다. 페놀-BPA 첨가 결정들은 제품 슬러리로부터 분리되어 세척되고, 그 세척된 결정들로부터 분리된 액체 성분의 일부는 재활용 원료공급부를 위해 쓰인다.

[0005] 앞에서 언급한 결정화장치 디자인들과 방법들은 페놀-BPA 첨가 결정들을 생산하는 데 상당히 효율적이긴 하지만, 출원인은 비등구역 내의 그 용기의 상부에서 외피형성(encrustation)이라 불리는 원치 않는 결정 성장이 일어날 수 있고, 결정화장치 용기 벽과 흡출관을 지지하는 구조적 요소들의 표면에 결정체 덩어리(crystalline masses)들을 생성시킬 수 있음을 관찰하였다. 출원인은 이들 결정체 덩어리들의 일부가 상기 구조적 요소들을 깨져나가게 하고, 그것들이 용기의 배출구들을 통해서 용기 밖으로 제거되기에는 너무 커서 용기 바닥에 쌓이게 된다는 것을 알게 되었다. 상기 결정체 덩어리들과 용기 바닥에 쌓이는 다른 결정체 퇴적물들 모두는 세척 공정에 의해 용기로부터 주기적으로 제거되어야 하는데, 이를 위해 결정화장치 용기에 대한 원료투입 중단과 가열이나 솔벤트의 추가에 의해 외피형성된 고형물들을 분해할 필요가 있게 된다. 따라서 이와 같은 주기적인 용기 세척 공정의 필요성 및 그러한 세척에 수반되는 생산중단시간을 없애주거나 또는 적어도 줄여주기 위한 개선된 결정화장치와 방법이 필요하다.

[0006] 종래의 결정화 용기들의 상부에서 일어나는 원치 않는 결정 핵형성이 비등구역의 표면 전체에 걸쳐 냉각수 흐름의 비일관성(inconsistencies)과 불균일성에 의해 가중된다는 점을 출원인이 관찰한 것에부터 본 발명이 유래한다. 이 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 결정화장치와 방법은 비등구역의 표면 전체에 걸쳐 냉각수 흐름을 더 균일하게 제공하는 노즐 장치를 채용한다. 얻어지는 균일한 흐름은 국지적 과포화 정도를 최소화시켜 용기와 비등구역 내의 흡출관 튜브 지지부들의 표면에 원치 않는 결정 성장을 막는다. 보다 구체적으로, 본 발명의 결정화장치는, 원통형 용기; 상기 용기와 자신의 사이에 환형 공간이 마련되도록 상기 원통형 용기 안에 동심형으로(concentrically) 배치된 흡출관; 상기 흡출관과 상기 환형 공간을 통해 상기 용기 내의 액체를 순환시키는 순환기(circulator), 그리고 상기 원통형 용기의 내벽 주위에 장착되어 증발성 냉각수를 상기 용기 안으로 도입하는 복수의 노즐들을 구비하며, 각 노즐은 상기 환형 공간의 반경방향 범위(a radial extent)의 약 30% 와 60% 사이, 보다 바람직하게는 약 30%와 50% 사이에 배치된 분사 단부(discharge end)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

[0007] 상기 노즐들은 바람직하게는 상기 용기의 내벽에 실질적으로 똑같은 높이에 위치한다. 상기 복수 개의 노즐들의 분사 단부들은 상기 환형 공간의 원주 근처에서 균일한 간격으로 배치된다. 상기 복수개의 노즐들의 분사 단부들은, 비록 앞서 언급한 상기 반경방향 범위의 30%-60% 내에서 다른 거리에서 들쭉날쭉 배치될(staggered) 수도 있지만, 바람직하게는 같은 거리에서 상기 환형 공간 안으로 반경방향으로 연장된다. 상기 복수 개의 노즐들은 상기 흡출관의 위쪽 단부 아래에 상기 용기의 지름의 약 50%에서 150% 사이의 거리에, 보다 바람직하게는, 상기 용기 지름의 약 100%에서 150% 사이의 거리에 더 위치될 수도 있다. 끝으로, 노즐들의 전체 개수는 바람직하게는 8개에서 18개 사이이고, 보다 바람직하게는 12개에서 18개 사이다. 위와 같은 노즐의 간격, 거리, 그리고 개수는 상기 비등구역의 표면 전체에 걸쳐 균일한 냉각수 흐름을 보다 확실하게 보장해준다.

[0008] 본 발명의 방법에 있어서, 휘발성 냉각수가 상기결정화장치의 노즐들을 통해 약 10 내지 20m/sec의 속도로, 보다 바람직하게는 12 내지 18m/sec의 속도로 분사된다. 상기 냉각수는 미국 특허 4,209,646; 5,723,688 및 유럽특허 EP 0720976B1에 공개된 지방족 탄화수소, 지방족 카르보닐, 그리고 물로 구성된 그룹 중 하나 이상일 수 있다.

본 발명에 의하면, 본 발명이 제시하는 그와 같은 노즐 배치에 의해 비등구역의 표면 전체에 걸쳐 냉각수의 농도가 일관되고 균일하게 유지되어 용기의 내부 표면상에 원치 않는 결정 핵성장이 억제되거나 적어도 감소된다. 또한 비등구역 내의 환형 공간 전체에 걸쳐 일관되고 균일한 과포화도가 제공되어 균일한 결정 성장이 촉진된다.

[0009] 도 1은 본 발명의 결정화장치의 측방 개략도이고,
[00010] 도 2는 도 1에서 절단선 A-A를 따라서 본 상기 결정화장치의 단면도이다.
[00011] 도 3은 결정화장치 용기 내의 환형 영역에서 10%, 30%, 50%, 70%, 그리고 90% 연장된 냉각수 노즐용 흡출관의 상부 모서리에서의 냉각수 체적분율 등고선을 보여준다.
[00012] 도 4는 도 3에 예시된 냉각수 노즐용 흡출관의 상부에서의 평면도에서 냉각수 체적분율의 시뮬레이션 값들의 그래프이다.

[00013] 도 1을 참조하면, 본 발명의 결정화장치(1)는 일반적으로 수직방향으로 배치된 원통형 용기(3)와 그 안에 동심적으로(concentrically) 배치된 흡출관(5)을 구비한다. 흡출관(5)의 내부는 변형보정 바람개비(straightening vanes) 세트(8b) 위에 배치된 임펠러(8a)를 갖는 순환기 조립체(7)를 포함한다. 환형 공간(9)이 흡출관(5) 외부와 원통형 용기(3) 내부표면 사이로 정의된다.

[00014] 결정화장치(1)의 용기(3)는 증발성 냉각수 노즐(11)들의 고리, 주 결정화장치 원료공급 노즐(15)들의 고리, 그리고 재활용 원료공급 노즐들(19)의 고리로 된 3 세트의 노즐들에 의해 경계가 주어진다.

[00015] 증발성 냉각수 노즐(11)들의 고리는 용기(3)의 중간 부근에 위치한다. 그 노즐(11)들 각각은 바람직하게는 펜탄 또는 헥산과 같은 휘발성 액체 지방족 탄화수소인 가압된 증발성 냉각수 소스에 연결된다. 그렇지만 지방족 카르보닐과 같은 다른 화합물들과 심지어 물조차 이러한 목적으로 사용될 수도 있다. 이들 노즐들(11) 각각은 환형 공간(9) 안에 배치된 분사단부(13)를 갖는다. 이하에서 좀 더 구체적으로 설명되겠지만, 흡출관(5)에 대한 상기 노즐(11)들 고리의 높이, 분사단부(13)들이 반경방향으로 환형공간(9) 안으로 침투한 양, 그리고 노즐(11)들의 개수는 모두 결정화장치(1)의 중요한 면모들이다.

[00016] 결정화장치 원료공급노즐(15)들의 고리는 용기의 바닥 근처에서 그 용기(3)의 둘레를 에워싼다. 이 노즐(15)들 각각은 가압된 결정화장치 원료공급부의 소스에 연결되어 있고, 그것은 예컨대 아세톤과 같이, 비스페놀 A (BPA)를 형성하는 페놀을 갖는 카르보닐 화합물의 통상적인 응축물에 의해 형성되는 제품일 수 있다. 바람직하게는, 비스페놀 A 제품은 아세톤, 물, 그리고 과잉 페놀을 제거하기 위해 증류 처리되어 결정화장치의 주요 원료공급 스트림은 약 35% 비스페놀 A와 약 65% 페놀과 불순물을 포함한다. 이들 노즐(15) 각각은 흡출관(5)의 내부 안에 배치된 분사단부(17)를 포함하여, 순환기 조립체(7)의 임펠러(8a)가 신규의 결정화장치 투입원료가 용기(3) 안으로 도입되지 마자 그것을 즉시 순환시키기 시작하여 용기 내용물들과 혼합한다. 전체 슬러리 배출 흐름에 대한 순환 흐름의 비가 25:1에서 150:1의 범위에 있고, 바람직하게는 50:1에서 100:1의 범위에 있다.

[00017] 증발성 냉각수 노즐(11)들의 고리와 원료투입 노즐(15)들 사이에 위치해 있는 것은 재활용 원료투입 노즐(19)의 고리이고, 이 노즐(19)들 각각은 환형 공간(9) 안에 배치된 분사단부(21)를 갖는다. 재활용 원료투입 노즐(19) 각각은 가압된 재활용 원료투입원에 연결되어 있고, 그 재활용 원료투입원은 용기(3)로부터 배출되는 액체/결정 슬러리 제품으로부터 원심력으로 분리해낸 액체로 형성된다.

[00018] 용기(3) 안쪽에서 생산되는 액체/결정 슬러리 제품을 결정화장치 원료투입부의 증발성 냉각으로 배출하는 데 용기(3)의 바닥 근처에 위치한 제품 배출 노즐들(23a, 23b)이 사용된다. 용기(3)의 바닥에 위치한 콘형 부재(25)는 순환적 흐름(화살표로 표시됨)을 증진시켜 그 페놀-BPA 첨가물이 그 슬러리 안에서 서스펜션 상태를 유지하는, 그래서 상기 용기의 바닥에 원치 않는 결정체 퇴적물들이 형성되지 못하도록 한다. 용기(3)의 상부에 위치하는 냉각수 배출구 또는 노즐(27)은 증기화된 냉각수를 냉각 코일 또는 압축기(비도시) 그리고 재액화용 냉각 코일로 배기하고 냉각수 노즐(11)들로 리사이클링한다.

[00019] 이제 도 1과 도 2를 참조하면, 흡출관(5)은 원통형 중간단면(28)을 갖는다. 흡출관(5)의 지름 "d"는 바람직하게는 용기(3)의 지름 "D"의 대략 35%에서 45% 사이이고, 가장 바람직하게는 40%이다. 그 흡출관은 바깥 표면이 흡출관(5)의 회전축에 대하여 대략 35°정도인 나팔관형 상부(30)를 포함한다. 나팔관형 상부(30)의 외경 "od"는 바람직하기로는 용기(3)의 내경 "ID"의 대략 65%에서 75% 사이이다. 대략 10°정도의 각도로 배치된 바깥표면을 갖는 연계부(a transition section, 32)는 나팔관형 상부(30)를 원통형 중간부(28)와 연결시켜준다. 그와 같은 나팔관형 상부(30)와 연계부(32)를 제공하는 것은 흡출관(5)의 상부에 들어가는 제품 슬러리의 투입 손실을 최소화해주고 흡출관(5)의 상단부를 둘러싸는 환형 공간(9) 내에서 균일한 흐름 속도 프로파일을 보장해준다. 그 흐름의 이행(transition)을 돕기 위해 흡출관의 상부에 부가적인 나팔관부들을 추가할 수 있다. 흡출관(5)은 복수 개의 수직지주(vertical support struts)(보이지 않게 나타냄)와 반경지주(비도시)에 의해 용기(3) 내에 동심형으로(concentrically) 지지되어 있다.

[00020] 흡출관(5)은 나팔관형 하부(36)를 포함한다. 나팔관형 하부(36)의 바깥 표면은 흡출관(5)의 회전축에 대하여 바람직하게는 약 20°의 각도로 배치된다. 그렇게 나팔관 모양으로 만드는 것은 흡출관(5)에서 나온 액체/결정 슬러리 제품이 하향 흐름으로부터 환형 공간(9) 내에서 상향 흐름으로 이행해가는 것을 부드럽게 해주고, 또한 결정들이 붙잡혀 제품 배출부(23a, 23b)를 통해 제거될 수도 없는 사이즈로 성장할 수 있는 용기(3)의 바닥에서 소용돌이 흐름을 막거나 또는 적어도 줄여준다. 나팔관형 하부(36)의 벌어진 각도가 증가함에 따라, 형성되는 소용돌이 흐름의 전체 크기가 감소한다. 그렇지만, 벌어진 각도가 지나치게 크면, 그 흡출관의 나팔관부의 안쪽에 저속도 영역이 생긴다. 그 저속도 영역은 필요한 흐름을 유지하기 위해 더 높은 임펠러 출력을 필요로 하는 비효율 영역을 만든다. 출원인은 흡출관(5)의 20°짜리 나팔관형 하부(36)가, 콘형 부재(25)와 조합하여, 비효율적인 속도 이하로 흐름 속도가 떨어지는 것을 막아주는 것을 관찰한 적이 있다. 콘형 부재(25)는 또한 나팔관형 하부(36)와 협력하여 흐름 방향을 보다 쉽게 바꿔나가게 해주고, 흡출관(5)의 하부 주변에 형성된 소용돌이들의 크기를 줄여준다. 끝으로, 콘형 부재(25)는 결정들이 가라앉아 제거할 수 없을 정도로 크게 성장하는 용기(30)의 바닥부 내의 그 영역을 제거해준다.

[00021] 콘형 부재(25)와 용기(3)의 바닥 간의 연결은 결정들이 퇴적할 수 있는 영역을 낳는다. 이런 영역을 최소화하기 위해, 콘형 부재(25)는 3개의 콘형 섹션으로 만들어지는데, 콘형 부재(25)의 회전축으로부터 약 40°의 각으로 기울어진 상부 섹션(40), 그리고 약 55° 및 75°로 각각 기울어진 중간 섹션(42) 및 하부 섹션(44)을 포함한다. 콘형 부재(25)의 하부 섹션(44)의 기부의 지름은 용기(3) 지름의 55%에서 65% 사이여야 한다. 중간 섹션(42)의 기부의 지름은 용기 지름의 45%에서 55% 사이여야 하고, 용기 상부 섹션(40)의 기부의 지름은 용기 지름의 20%에서 30% 사이여야 한다. 나팔관형 하부 (36)에 관해 벌어짐 각도를 20° 이하로 제한하고 세 개의 콘형 섹션을 갖는 콘형 부재(25)를 제공함으로써, 상기 저속도 흐름영역이 제거될 수 있고 결정들이 쌓여 성장하기 쉬운 영역이 최소화될 수 있다.

[00022] 앞서 언급하였듯이, 본 발명의 결정화장치(1)는 원치 않는 결정핵성장이 비등구역 내의 용기(3) 상부에서 일어나는 것과 용기(3), 지주(34a, 34b), 그리고 흡출관(5)을 지지하는 다른 구성요소들의 표면에 딱딱한 외피가 생성되는 것을 막아준다. 결정화장치(1)는 운전하는 동안에 액체 표면(48) 위쪽에 더 균일한 냉각수 흐름을 가져다주는 선택된 개수의 냉각수 노즐(11)을 새로운 방식으로 배치함으로써 이러한 목적을 달성한다. 구체적으로, 도 2에 예시된 것처럼, 노즐(11)들의 분사단부(13)들이 반경방향으로 환형 공간(9) 안에 침투해 들어간 양 "r"은 바람직하게는 환형공간 반경범위 "R"의 대략 30%에서 60% 사이로 조정되고, 보다 바람직하게는 R의 약 30%에서 55% 사이로 조정된다. 덧붙이면, 도 1에 예시된 것처럼, 노즐(11)들의 고리와 흡출관(5)의 상부 모서리 간의 수직거리 "V"는 바람직하게는 용기(3)의 지름 "D"의 약 50%에서 150% 사이이고, 보다 바람직하게는 지름 D의 100%에서 150% 정도이다. 끝으로, 용기(3)를 둘러싸는 노즐(11)들의 개수는 바람직하게는 약 8개에서 18개 사이이고, 보다 바람직하기로는 약 12개에서 18개 사이이며, 가장 바람직하기로는 18개이다. 출원인은 이하의 수많은 시뮬레이션들을 통해 냉각수 노즐(11)들의 이러한 3가지 측면이 결정화장치(1)의 중요한 측면이라는 것을 알아냈다.

[00023] 첫 시뮬레이션은 원통형 벽으로부터 측정한 환형공간(9)의 반경방향 영역 R을 반경방향으로 10%, 30%, 50%, 70%, 그리고 90% 침투한 노즐(11)들에 관해 지방족 탄화수소의 행동을 모델화하였다. 도 3은 용기(3) 내 흡출관(5)의 나팔관형 상부(30)의 상부 모서리에서 5개의 노즐에 관한 냉각수 체적 분율 등고선을 보여준다. 시뮬레이션은 각 퍼센티지만큼 침투시킨 180° 떨어진 5쌍의 노즐들로 설정되어 도 3에 도시된 것처럼 그 시뮬레이션은 총 10개의 노즐을 포함하였다. 초기 시뮬레이션 시, 노즐(11)들과 흡출관(5)의 상부 사이의 거리는 용기 지름 D의 절반인 것으로 추정하였다. 노즐(11)들에 연결된 원료투입관들 속의 지방족 탄화수소 냉각수의 속도는 대략 3m/sec로 추정하였다. 노즐(11)들의 분사단부(13)들은 용기(3)에 들어가는 냉각수가 대략 15m/sec의 속도를 만들어내기 위해 테이퍼된 형태로 만든다.

[00024] 흡출관(5)의 나팔관형 상부(30)의 상부 모서리에서 커버 영역과 퍼센티지 커버리지를 계산하기 위해, 흡출관(5) 상부의 평면에서 1E-03보다 더 큰 냉각수 부피분율(volume fraction)의 시뮬레이션 값들이 도 4에 작도되어 있다. 그래프의 수직축(y)과 수평축(x)의 스케일은 결정화장치 지름 D와 일치한다. 용기 벽(3)은 그래프 상에서 양의 y-축의 끝에서부터 양의 x-축의 끝까지 그려진 호로 나타내져 있다. 이는 환형 공간(9)의 바깥지름을 나타낸다. 두 번째 호가 흡출관(5)의 나팔관형 상부(30)의 바깥지름을 나타낸다. 그래프들의 환형 영역은 동심형 호들의 디멘젼을 사용하여 계산될 수 있다. 원점은 흡출관의 중심을 나타낸다.

[00025] 작도된 영역에는 5개의 원료투입 노즐(11)들이 있다. 노즐(2와 5)의 경우처럼 (각각 30%와 50% 침투) 노즐(11)이 환형 섹션(9)의 중심 근처에 있으면, 커버 영역(covered area)의 형상은 완전한 타원형이 될 것이다. 이 경우 그 커버 영역은 π(폭/2)(높이/2)의 곱으로 계산된다. 노즐(1)의 경우처럼 (10% 침투) 만약 그 노즐이 벽에 가깝다면, 그 커버 영역의 형상은 타원형의 일부일 것이다. 그 커버 면적을 계산하기 위하여, 상기 커버 영역을 둘러싸는 원을 그린다. 그 원의 면적은 지름을 이용하여 계산될 수 있다. 그런 다음, 벽을 나타내기 위해 현을 그린다. Chemical Engineers Handbook (Perry and Chilton, 1973) 제5판의 1-22페이지에는 반경의 제곱에 대한 상기 영역(면적)의 비 (A/r²)를 반경에 대한 현의 길이 비 (현/r)와 관련하여 제공하는 테이블이 있다. 만약 그 커버 영역이 그 전체 원형 영역의 절반보다 작다면, 상기 비를 반경의 제곱에 곱하면 커버 면적이 얻어진다. 만약 그 커버 영역이 원형 영역 전체의 절반보다 더 크면, 그 전체 원형 영역에서 그 결과를 뺀 것이 상기 커버 영역이 된다. 몇몇 경우에는, 도 4의 노즐(3과 4)과 같이 (각각 약 90%와 70%를 침투), 반분 원(bisected circle)의 안쪽에 커버되지 않은 몇몇 영역이 있다. 이들 영역들은 상기 커버 영역이 남도록 상기 영역에서 제한 삼각형들 및 그 삼각형들의 면적을 이용하여 모델화할 수 있다.

[00026] 도 4에 도시된 그래프를 사용하여, 계산된 커버 면적들이 아래 표에 정리되어 있다. 그 표는 환형 영역(9)의 중심에 가장 가까운 그 노즐(11)들이 가장 넓은 커버리지를 만들어낸다는 사실을 보여준다. 그 결과들은 또한, 냉각수가 용기 벽(3)과 흡출관(5)의 벽 중 어느 하나에 접촉하였을 때, 그 커버 영역은 상당히 감소한다는 점도 보여준다.

노즐	침투	면적
1	10	0.42
2	30	0.66
3	90	0.49
4	70	0.48
5	50	0.69

[00027] 냉각수 커버리지에 관한 높이의 효과를 정하기 위해, 흡출관(5)의 상부 아래의 결정화장치 지름 D의 1/2배와 1배 높이에서 30, 40, 50, 그리고 60 퍼센트의 노즐 침투에 관해 노즐(11)들을 가지고 시뮬레이션들을 수행했다. 그 결과들은, 아래 표에 나타냈는데, 두 가지 경우에 있어서 가장 큰 커버리지는 환형 영역(9)의 중심으로 침투해 들어가는 노즐(11)로 다시 찾아짐을 보여준다. 그 결과들은 또한 그 커버리지가 냉각수 노즐(11)들과 흡출관 (5)의 상부 사이의 거리가 증가함에 따라 증가함을 보여주었다. 그 시뮬레이션들은 상기 커버리지가 30 내지 50 퍼센트 침투한 노즐(11)에 관해서는 30 내지 40 퍼센트가 증가하였고, 60 퍼센트 침투한 노즐(11)에 관해서는 거의 60 퍼센트 정도 증가하였음을 보여주었다.

침투	결정화장치 지름의 1/2배의 높이에서의 면적	결정화장치 지름의 1배의 높이에서의 면적	% 증가
30	0.66	0.86	30
40	0.64	0.88	38
50	0.69	0.98	30
60	0.52	0.82	58

[00028] 노즐(11)들의 개수가 주는 효과를 알아보기 위해, 4, 8, 12, 그리고 18개의 노즐들을 가지고 시뮬레이션을 해보았다. 총 지방족 탄화수소 공급률을 각 시뮬레이션에서 똑같이 유지하였다. 각 시뮬레이션에 관해, 냉각수가 흡출관(5)의 벽에 접촉되게 하지 않으면서 노즐(11)들이 환형 영역(9)의 중심에 가급적 가깝도록 노즐 침투 정도를 조절하였다. 4개와 8개의 노즐을 가지고 한 시뮬레이션에 있어서, 이것은 40%의 침투를 의미하였다. 반면에, 12개와 18개의 노즐들을 가지고 한 시뮬레이션들에 있어서, 상기 침투는 50%이었다.

[00029] 4개의 시뮬레이션으로부터의 결과는 아래 표에 제시되어 있다. 그 결과에 따르면, 가장 큰 면적은 18개의 노즐을 사용하였을 때 얻어진다.

노즐의 개수	노즐 당 면적	전체 면적
4	0.89	3.56
8	0.71	5.68
12	0.69	8.28
18	0.62	11.16

[00030] 시뮬레이션 결과들은 냉각수가 환대(annulus)의 30 내지 60 퍼센트 사이, 바람직하게는 30 내지 50 퍼센트 사이의 노즐 침투를 위한 최대 영역에 대해 분산되었음을 보여준다. 노즐(11)들은 그 냉각수가 흡출관(5)이나 용기 벽을 접촉하지 않도록 설계되어야 한다. 냉각수 분사점의 높이를 낮추는 것은 그 냉각수의 분산을 증가시켜준다. 흡출관(5)의 상부 아래의 바람직한 높이는 용기 지름 D의 0.5배 내지 1.5배 사이다. 마지막으로, 그 분산 영역은 노즐(11)들의 개수가 증가함에 따라 증가한다. 바람직한 노즐의 개수는 8개에서 18개 사이이고, 가장 바람직하기로는 18개이다.

[00031] 결정화장치(1)의 실제 운전 시, 약 10에서 20m/sec 사이, 보다 바람직하기로는 15m/sec의 냉각수 흐름속도로 작동하는 냉각수 노즐(11)들의 앞서 언급한 배치에 의해 생성되는 균일한 냉각수 흐름은, 페놀-BPA 첨가 결정들을 용기(3) 안에서 증발식으로 생산하며, 한편으로는 흡출관(5)을 지지하는 용기(3) 내의 구조적 구성요소들 위에 또는 액체 표면(48) 주위의 비등구역 내 상기 용기(3)의 기타 다른 구성요소들이나 표면상에 결정 덩어리들이 성장하는 것을 막는다. 결과적으로, 용기(3)를 주기적으로 세척하는 횟수는 실질적으로 줄어들며, 그에 의해 그 결정화장치의 효율적인 운전을 유지하기 위해 필요한 운전정지 시간을 그에 비례하여 줄일 수 있다.

[00032] 본 발명은 어떤 바람직한 실시예들을 참조하여 구체적으로 설명되었지만, 본 발명의 기술사항과 범위 내에서 변경 내지 수정들이 이루어질 수 있을 것이며, 이는 특허청구범위나 그와 등가물에 의해서만 한정됨을 밝혀두고자 한다.

1: 결정화장치 3: 원통형 용기(cylindrical vessel)
5: 흡출관 7: 순환기 조립체
8a: 임펠러 8b: 변형보정 바람개비
9: 환형 공간 11: 증발성 냉각수 노즐
15: 결정화장치의 주요 원료공급노즐
13, 17, 21: 분사단부 19: 재활용 원료공급노즐
23a, 23b: 제품 배출노즐 25: 콘형 부재
27: 냉각수 배출구 또는 노즐 28: 원통형 중간부
30: 나팔관형 상부 32: 연계부
34a 34b: 수직지주 36: 나팔관형 하부
48: 액체 표면

Claims (15)

1. 증발식 냉각에 의해 페놀-BPA 첨가 결정체들을 형성하도록 구성된 결정화장치로서,
   원통형 용기;
   상기 용기와 자신 사이에 환형 공간이 마련되도록 상기 원통형 용기 내에서 동심적으로(concentrically) 배치된 흡출관;
   상기 용기 내의 액체를 상기 흡출관 및 상기 환형 공간을 통하여 순환시키는 순환기; 그리고
   상기 원통형 용기의 내벽 둘레를 빙 돌아 장착되어 증발성 냉각수를 상기 용기 안으로 도입하는 복수 개의 냉각수 노즐들을 구비하며,
   각 노즐은 상기 환형 공간의 반경방향 범위의 30%에서 60% 사이에 배치된 분사 단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 냉각수 노즐들은 상기 용기의 내벽의 실질적으로 똑같은 높이에 위치하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 복수 개의 냉각수 노즐들의 분사 단부들은 상기 환형 공간의 원주를 빙 돌아 주위에 균일하게 이격 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
4. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수 개의 냉각수 노즐들의 상기 분사 단부들은 상기 환형 공간에 관하여 반경방향으로 정렬되어 있는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
5. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 복수 개의 냉각수 노즐들은 상기 흡출관의 상단 아래에 상기 용기의 지름의 50%에서 150% 사이의 거리, 바람직하게는 상기 용기의 지름과 같은 거리에 위치해 있는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
6. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 냉각수 노즐들의 전체 개수는 8에서 18 사이, 바람직하게는 적어도 12개인 것을 특징으로 하는 결정화장치.
7. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 순환기는 상기 흡출관에 위치해 있는 임펠러를 포함하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
8. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 흡출관과 정렬을 이루면서 상기 용기의 바닥에 위치해 있는 콘형 부재(a conical member)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
9. 제8항에 있어서, 상기 콘형 부재의 기부(base)는 상기 용기의 지름의 55%에서 65% 사이인 것을 특징으로 하는 결정화장치.
10. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 흡출관은 상기 원통형 용기의 35%에서 45% 사이의 지름을 갖는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
11. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 흡출관은 상단부에서는 바람직하게는 상기 흡출관의 회전축에 대하여 35°이하의 각도로 벌어져 있고, 하단부에서는 바람직하게는 상기 흡출관의 상기 회전축에 대하여 20° 이하의 각도로 벌어져 있는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
12. 선행 청구항들 중 어느 하나에 있어서, 상기 용기 안에 장착되어 BPA가 풍부한 투입원료(BPA-rich feed)를 상기 용기 안으로 도입하는 복수 개의 노즐들과, 페놀-BPA 첨가 결정물들의 슬러리를 방출하는 적어도 한 개의 상기 용기 내의 개구를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 결정화장치.
13. 선행 청구항들 중 어느 하나에서 정의된 것과 같은 결정화장치에서 증발식 냉각에 의해 페놀-BPA 첨가 결정물들을 형성하는 방법으로서, 상기 방법은,
    과포화된 BPA 용액을 상기 용기 안으로 도입하는 단계;
    상기 BPA 용액을 상기 흡출관과 환형 공간을 통하여 순환시키는 단계;
    BPA 혼합물을 형성하기 위해, 상기 냉각수를 상기 냉각수 노즐들을 통하여 반경방향으로 분사시킴으로써, 휘발성 냉각수를 과잉화된 BPA 용액의 순환하는 흐름 내에 균일하게 분산시키는 단계; 그리고
    상기 BPA 혼합물로부터 상기 휘발성 탄화수소 화합물을 증발시킴으로써 상기 용기 안에서 페놀-BPA 첨가 결정물들을 생산하는 단계를 구비하는 것을 특징으로 하는 페놀-BPA 첨가 결정물 형성 방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 휘발성 냉각수는 상기 냉각수 노즐들을 통해 10에서 20m/sec 사이의 속도, 바람직하게는 12에서 18m/sec 사이의 속도로 분사되는 것을 특징으로 하는 페놀-BPA 첨가 결정물 형성 방법.
15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 냉각수는 지방족 탄화수소, 지방족 카보닐, 그리고 물로 구성된 그룹 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 페놀-BPA 첨가 결정물 형성 방법.
    

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