KR20170017370A

KR20170017370A - 초고온화학반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법

Info

Publication number: KR20170017370A
Application number: KR1020150111182A
Authority: KR
Inventors: 박용묵
Original assignee: 웰이앤씨 주식회사
Priority date: 2015-08-06
Filing date: 2015-08-06
Publication date: 2017-02-15

Abstract

본 발명은 초고온 화학반응기의 합성반응을 위해 열교환 후 유출되는 초고온 열매체를 목표온도까지 냉각시킬때 발생하는 급격한 온도편차를 단계별로 완화시킬 수 있도록 함으로써 열매체의 냉각시간을 대폭 감소할 수 있는 초고온 화학반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법에 관한 것이다.
본 발명은 화학반응기의 내용물과 합성반응을 유도하기 위한 열매체(오일)를 공급하기 위한 오일팽창탱크; 상기 오일팽창탱크로부터 공급되는 오일을 순환시키기 위한 메인순환라인; 상기 메인순환라인상에 설치되어 열매체를 공급하기 위한 제1 펌프; 상기 l제1 펌프로부터 열매체를 공급받으며, 화학반응기와 열교환하기 위한 자켓에 공급될 열매체를 소망하는 온도로 가열하기 위한 가열수단; 상기 메인순환라인에서 각각 분기되어 열매체를 단계별로 목표온도까지 냉각시키기 위한 제1 내지 제3 냉각장치; 상기 가열수단의 배출측 라인상에 설치되어 열매체의 가열온도를 감지하여 제어신호를 발생하는 열매체온도감지수단; 및 상기 메인순환라인상에 설치되어 열매체의 흐름을 가열수단 방향 또는 제1 내지 제3 냉각장치 측으로 제어하는 3웨이 밸브를 포함하되, 제1 냉각장치로부터 공급되는 냉매체를 140℃ ∼160℃ 로 하여 열매체의 목표냉각온도를 160℃로 설정하고, 제2 냉각장치로부터 공급되는 냉매체를 25℃ ∼35℃로 하여 열매체의 목표냉각온도를 60℃로 설명하며, 제3 냉각장치로부터 공급되는 냉매체를 -30℃ ∼ 20℃로 하여 열매체의 냉각온도를 -20℃ 설정하는 것을 특징으로 하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법을 제공한다.

Description

초고온화학반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법{A temperature control apparatus for ultra high temperature synthetic chemistry reactor and operating method thereof}

본 발명은 화학합성반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 화학반응기의 반응물이 초고온 상태에서 합성반응을 수행후 유출되는 열매체의 온도를 단계별로 냉각시킬 수 있도록 함으로써 급격한 온도편차에 의해 열교환기에 가해지는 열충격을 방지하여 내구성을 유지하고, 간접 열교환방식으로 열매체의 냉각시간을 대폭 단축할 수 있는 초고온 화학반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 LN2 라인을 이용하여 초저온(-90℃)에서 온도제어가 가능한 초고온 화학반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법에 관한 것이다.

일반적으로, 화학적 합성반응공정을 수행하는 화학공정 반응기들은 품질의 균일성과 안정성을 위하여 반응온도를 정밀하게 제어해줄 필요가 있다. 화학반응기들은 반응공정에 따라 다소 차이가 있으나, 통상 내부온도를 제어하기 위하여 간접 열교환방식을 취하고 있으며, 온도제어를 위한 열교환 매체로 스팀, 냉각수 염수 설비들을 기본적으로 갖추고 있다.

화학반응기는 주로 제약플랜트나 정밀화학 플랜트 등에 적용되며, 화학적 합성반응공정 장비들의 생산효율을 향상시키기 위하여 화학반응기에 온도조절장치를 설치하여 자동으로 온도를 제어할 수 있는 전자동화 추세로 나아가고 있다. 특히, 화학반응기의 온도 조절에 대한 전자동화 추세는 화학반응물의 반복생산시 결과물을 일치시킬 수 있고, 생산성을 증가시키며, 안전성을 확보하는데 중요한 설비이다.

최근들어 초저온(-90℃) 또는 초고온(300℃)에서의 합성 반응공정이 개발됨에 따라 이에 적용가능한 온도조절장치가 시급히 개발되어야 하는 실정이다.

한편, 종래에는 화학반응기의 온도조절장치들이 다수 제안되어 있다. 일예로 화학 반응기의 내부 온도를 제어하기 위한 종래의 설비로는 본원출원인에 의해 출원되어 등록된 특허 제10-0550470호의 화학공정 반응기용 단일매체를 이용한 온도조절장치 및 그 방법이 제안되어 있으며, 이밖에 특허 제10-1147926호의 가열 및 냉각 사이클 분리식 반응기 온도조절장치가 제안되어 있다.

본원출원인이 등록받은 특허 제10-0550470호는 도1에 도시한 바와 같이 화학반응기(202)에 열매체를 공급하는 오일탱크(202)와; 상기 오일탱크로부터 열매체를 공급받아 화학반응기와 열교환하기 위해 가열하는 전기히터(204)와; 상기 화학반응기(202)에 유입되는 열매체의 온도를 자동 조절할 수 있는 온도콘트롤 유닛(206) 및 화학반응기(202)와 열교환을 완료한 후 배출되는 열매체를 냉각하는 제1 및 제2 냉각장치(208, 210)를 포함한다. 상기한 특허는 온도콘트롤 유닛(206)의 작동으로 열매체의 온도를 자동 조절할 수 있도록 하여 반응기 내부온도와 열교환하는 열매체의 온도편차를 통괄적으로 제어함으로써 반응생성물의 수율을 향상시키고, 흡열 및 발열반응에 즉각적으로 대처할 수 있는 기술을 요지로 하고 있다.

특허 제10-1147926호는 도2에 도시한 바와 같이 화학 반응기(302)의 반응물과 열교환하기 위한 자켓(jacket)(304)과; 상기 반응기(302) 내부에 충전된 반응물의 온도를 낮출 경우, 상기 자켓(304)에 공급되는 열교환매체를 냉각시켜 공급하는 냉각장치(306)와; 상기 반응기(302) 내부에 충전된 반응물의 온도를 높일 경우, 상기 자켓(304)에 공급되는 열교환매체를 가열시켜 공급하는 가열장치(308)와; 상기 열교환매체를 순환시키는 순환 펌프(310)와; 상기 열교환매체가 냉각장치(306) - 순환 펌프(310) - 자켓(304)만을 순환하도록 연결된 냉각 싸이클 라인(Pcool)과; 상기 열교환매체가 상기 가열장치(308)와, 순환 펌프(310) 및 자켓(304)만을 순환하도록 연결된 가열 싸이클라인(Phot)과; 상기 순환펌프(310)를 통해 순환하는 열매체를 냉각사이클 라인과 가열사이클 라인측으로 선택하여 흐를수 있도록 제어하는 3방향 밸브(312)를 포함하는 구조로 되어 있다.

상기한 특허는 열교환매체의 가열사이클과 냉각사이클을 서로 분리되게 설치하고 개별적으로 작동되도록 하여 열매체를 미리 예열함으로써 반응기 가열시간을 단축할 수 있고, 반응기 내부 온도를 높이거나 낮추는 동작을 신속하게 수행할 수 있는 기술을 주된 요지로 하고 있다.

그러나, 선행하는 이들 특허기술에서 제시된 화학반응기들은 -20℃ ∼ 150℃ 구간에서 합성반응하는데 주로 사용되고 있으며, 이에 맞추어 열교환기의 제작도 상기의 온도구간에서 열매체를 냉각할 수 있도록 설계되어 있다. 따라서, -100℃ 정도의 극저온 또는 300℃ 정도의 초고온에서 합성반응공정을 수행하는 반응설비에서 열매체를 냉각시킬 때 급격한 온도편차에 의해 열교환기가 열충격을 받아 파손되는 문제점이 있다.

또한, 온도조절을 위해 콘트롤 유니트를 설치하여 온도제어를 수행하거나, 개별적으로 열매체를 가열하거나 냉각하는 방식을 채택하여 운전하고 있는 자동화 방식으로 운전하고 있기 때문에, 화학반응기의 온도가 갑자기 높아지거나 낮아져 온도편차가 약 200℃ 정도 차이가 나는 열매체를 냉각하거나 승온할 경우에 열교환기의 내구성에 악영향을 미치고 있다.

종래 기술의 문제점에 대하여 좀더 상세히 부연하면, 종래의 화학공정 반응기는 대략 300℃에 맞추어 설계하고 있으나 실질적으로 운전할 때에는 250℃ ~ 270℃에서 수행하고 있다. 이에 따라 열교환기의 내구성은 최대온도편차가 120℃ ~ 130℃의 구간에서 견딜 수 있는 구조로 제작하고 있는 실정이다. 따라서, 온도편차가 130℃ 이상의 열매체를 냉각할 때에는 열교환기가 열충격을 받아 손상된 우려가 존재한다.

최근들어 다양한 신제품이나, 신재료의 개발로 인하여 극저온 또는 초고온에서의 합성반응공정이 개발됨에 따라 화학반응기의 온도가 300℃ 이상으로 높아지는 사례가 많이 발생하고 있다. 따라서, 상기한 초고온합성반응하는 반응물에 대하여 열교환하는 열매체가 갖는 300℃의 온도를 열교환기를 통해 100℃이하로 냉각시키는 경우, 급격한 온도편차로 인해 열교환기가 내구성 설계기준을 초과하기 때문에 열충격에 견디지 못하고 파손되는 사례가 다발하고 있다.

급격한 온도편차를 방지하여 열교환기의 내구성을 유지시키기 위하여, 종래에는 화학반응기로부터 유출되는 초고온 열매체를 자연냉각방식으로 일정 수준의 온도까지 낮춘 다음에 열교환기를 통해 소망하는 온도로 냉각하는 운전방식을 취하고 있다. 이러한 운전방식은 열매체를 소망하는 온도까지 낮추는데 많은 시간이 소요(예를 든다면, 1000리터 기준 6~ 7시간 소요)될 뿐만 아니라 냉각속도도 느리고, 이로 인해서 생산효율이 떨어지는 문제점을 내포하고 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 제반 문제점을 해결하고자 제안된 것으로서, 초고온 화학반응기의 합성반응을 위해 열교환 후 유출되는 초고온 열매체를 목표온도까지 냉각시킬때 발생하는 급격한 온도편차를 단계별로 완화시킬 수 있도록 함으로써 열매체의 냉각시간을 대폭 감소할 수 있는 초고온 화학반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 열교환기의 단계별 냉각을 수행하여 열매체의 냉각속도를 빠르게 진행함으로써 공정시간도 대폭 단축할 수 있고, 열 충격에 의한 열교환기의 손상을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 생산효율을 증대할 수 있는 초고온 화학반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법을 제공함에 다른 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 화학반응기의 내용물과 합성반응을 유도하기 위한 열매체(오일)를 공급하기 위한 오일팽창탱크; 상기 오일팽창탱크로부터 공급되는 오일을 순환시키기 위한 메인순환라인; 상기 메인순환라인상에 설치되어 열매체를 공급하기 위한 제1 펌프; 상기 l제1 펌프로부터 열매체를 공급받으며, 화학반응기와 열교환하기 위한 자켓에 공급될 열매체를 소망하는 온도로 가열하기 위한 가열수단; 상기 메인순환라인에서 각각 분기되어 열매체를 단계별로 목표온도까지 냉각시키기 위한 제1 내지 제3 냉각장치; 상기 가열수단의 배출측 라인상에 설치되어 열매체의 가열온도를 감지하여 제어신호를 발생하는 열매체온도감지수단; 및 상기 메인순환라인상에 설치되어 열매체의 흐름을 가열수단 방향 또는 제1 내지 제3 냉각장치 측으로 제어하는 3웨이 밸브를 포함하되, 제1 냉각장치로부터 공급되는 냉매체를 140℃ ∼160℃ 로 하여 열매체의 목표냉각온도를 160℃로 설정하고, 제2 냉각장치로부터 공급되는 냉매체를 25℃ ∼35℃로 하여 열매체의 목표냉각온도를 60℃로 설명하며, 제3 냉각장치로부터 공급되는 냉매체를 -30℃ ∼ 20℃로 하여 열매체의 냉각온도를 -20℃ 설정하는 것을 특징으로 하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 온도콘트롤 유닛의 제어에 의해 제1 펌프 및 전기히터를 가동시키고, 오일팽창탱크에서 공급되는 열매체를 목표온도까지 전기히터에서 가열하여 화학반응기에 공급하는 제1 단계; 화학반응기의 내용물과 합성반응을 완료한 후 배출되는 열매체의 온도를 감지하여 가열경로로 개방되어 있는 3웨이 밸브의 경로를 냉각경로로 변환하는 제2 단계; 제1 밸브를 개방하여 초고온 열매체를 제1 열교환기로 공급하고, 제2 펌프를 가동시켜 오일탱크에 내재된 냉매유를 제1 열교환기로 공급하여 1차 목표냉각온도에 도달할 때 까지 열교환을 수행하는 제3 단계; 상기 열매체가 1차 목표냉각온도에 도달하면 제1 밸브를 차폐하고, 제1 판형 열교환기에 열매체와 냉각수를 각각 공급하기 위한 제2 및 제3 밸브를 동시에 개방하여 냉각수와 열매체가 2차 목표냉각온도에 도달할 때 까지 제1 판형 열교환기에서 열교환을 수행하는 제4 단계; 및 상기 열매체가 2차 목표냉각온도에 도달하면 제2 및 제3 밸브를 차폐하고, 제2 판형 열교환기에 열매체와 브라인(brine)을 각각 공급하기 위한 제4 및 제5 밸브를 동시에 개방하여 브라인과 열매체가 3차 목표냉각온도에 도달할 때 까지 제2 판형 열교환기에서 열교환을 수행하는 제5 단계를 포함하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치의 운전방법을 제공한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 다음과 같은 효과가 있다.

첫째, 화학반응기를 냉각시키는 기존의 열교환장치 외에 반응기로부터 배출되는 열매체의 온도편차를 줄일 수 있는 냉각시스템을 부가하여 열교환기가 열충격에 받지 않는 허용범위내에서 초고온 열매체를 3단계 간접 열교환방식으로 목표온도까지 냉각함으로써 급격한 냉각온도편차에 따른 열충격을 받지 않도록 하여 열교환기의 내구성을 유지하고 수명을 연장할 수 있다.

둘째, 초고온의 열매체가 합성반응을 유도한 후에 제1 내지 제3 냉각장치를 통한 3단계 간접 열교환 방식으로 냉각과정을 거치면서 목표온도까지 강하함으로써 냉각속도를 빠르게 진행할 수 있으므로, 자연냉각에 소요되는 시간을 대폭 단축할 수 있고, 이에 따라 생산효율을 증대시킬 수 있다.

셋째, 초고온 열매체가 제1 내지 제3 냉각장치를 통해 단계별로 냉각됨으로써 쉽고 정밀하게 온도제어가 가능하다.

넷째, 상기 오일매체를 냉각유로 하여 공급하는 오일탱크에 자동밸브를 연결하고 이 자동밸브에 LN2 라인 또는 LN2 봄베를 연결하여 초저온(-90℃)에서도 온도조절이 가능하도록 하였다. 따라서 초저온에서 합성반응을 수행하여야 할 경우에도 충분히 초저온 열매체의 공급이 가능하고, 또한 반응기와 열교환된 냉매유를 빠른 속도로 승온할 수 있어 생산효율을 향상시킬 수 있다.

도1은 종래기술에 따른 화학반응기의 온도조절장치의 일예를 나타낸 공정도,
도2는 종래기술에 따른 화학반응기의 온도조절장치의 다른 일예 구성을 나타낸 공정도,
도3은 본 발명에 따른 초고온 화학반응기의 온도조절장치의 일실시예 구성을 나타낸 공정도,
도4는 본 발명에 따른 초고온 화학반응기의 온도조절장치에서 제1 냉각장치를 통한 1차 냉각흐름을 나타낸 공정도,
도5는 본 발명에 따른 초고온 화학반응기의 온도조절장치에서 제2 냉각장치를 통한 2차 냉각흐름을 나타낸 공정도,
도6은 본 발명에 따른 초고온 화학반응기의 온도조절장치에서 제3 냉각장치를 통한 3차 냉각흐름을 나타낸 공정도,
도7은는 본 발명에 따른 초고온 화학반응기의 온도조절장치에서 제1 냉각장치를 이용하여 초저온 냉매유를 반응기에 공급하는 흐름을 나타낸 공정도이다.

이하, 첨부된 도4 내지 도7의 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 의한 초고온 화학반응기의 온도조절장치 및 그의 운전방법은 합성반응을 수행하는 초고온 상태의 열매체를 완만하게 단계별로 냉각시켜 열교환기에 가해지는 충격을 최소화하여 내구성을 유지하고, 냉각시간을 단축하여 생산수율을 제고시킬 수 있도록 구현한 것이다. 또한 상기 화학반응기가 초저온에서 합성반응을 요구할 때 초저온의 냉매체를 화학반응기에 공급하여 소망하는 반응물을 얻을 수 있도록 구현한 것이다.

도3은 본 발명에 의한 초고온 화학반응기의 온도조절장치의 일실시예 구성을 보여주기 위한 공정도이다.

본 발명의 실시예에서는 화학반응기(도시하지 않음)의 내용물과 합성반응을 유도하기 위한 열매체(오일)를 공급하기 위한 오일팽창탱크(12)와; 상기 오일팽창탱크(12)로부터 공급되는 오일을 순환시키기 위한 메인순환라인(14)과; 상기 메인순환라인(14)상에 설치되어 열매체를 공급하기 위한 제1 펌프(16)와; 상기 메인순환라인에서 각각 분기되어 열매체를 단계별로 냉각시키기 위한 제1 내지 제3 냉각장치(18, 20, 22)와; 화학반응기를 둘러싸도록 설치되어 열교환을 수행하기 위한 자켓(도시하지 않음)에 공급될 열매체를 소망하는 온도로 가열하기 위한 전기히터(24)와; 상기 전기히터(24)로부터 300℃로 가열된 열매체를 자켓으로 공급하기 위한 열매체 유입라인(26)과; 상기 유입라인(26)상에 설치되어 열매체의 가열온도를 감지하여 제어신호를 발생하는 온도센서(28)와; 상기 메인순환라인(14)상에 설치되어 열매체의 흐름을 전기히터(24) 방향 또는 제1 내지 제3 냉각장치(18, 20, 22) 측으로 제어하는 3웨이 밸브(30)를 포함한다.

상기 오일팽창탱크(12)에 내재된 열매체로서의 오일은 음식물 제조공정이나 임상물 실험 제조공정 등과 같이 다양한 반응생성물을 얻을 수 있도록 인체에 무해한 알킬벤젠이나 실리콘 오일을 단일 열매체로 사용하는 것을 제시한다.

상기 3웨이밸브(30)는 메인순환라인(14)에 연결된 공통포트(NC)와 상기 전기히터(24)측 라인과 연결되는 제1 포트(N1)과 제2 냉각장치(20)의 열교환기 라인과 연결되는 제2 포트(N2)를 갖는다. 또한 상기 3웨이밸브(26)는 온도센서(28)의 온도를 인가받는 온도콘트롤유닛(도시하지 않음)의 제어신호에 의해 자동개폐된다, 본 실시예에서 상기 3웨이밸브(30)는 공통포트(NC)와 제1 포트 또는 제2 포트 중 하나와 연통하거나, 공통포트(NC)가 차단되고 제1 포트(N1)과 제2 포트(N2)를 연통하는 개폐동작을 수행한다.

상기 제1 냉각장치(18)는 초고온상태의 열매체를 냉각할 때 열교환기가 급격한 온도편차에 따른 열 충격을 받지 않도록 1차 목표냉각온도로 냉각을 실시하기 위해 마련된 장치이다.

초고온 열매체를 1차 냉각을 수행하기 위한 상기 제1 냉각장치(18)는 냉매유(오일)를 공급하기 위한 오일탱크(40)와; 상기 메인순환라인(14)으로부터 분기된 제1 분기라인(42)과; 상기 제1 분기라인(42)상에 설치되어 열매체의 흐름을 제어하는 제1 밸브(44)와; 상기 오일탱크(40)에 내재된 냉매유를 열교환기측으로 공급하기 위한 제2 펌프(46)와; 상기 제2 펌프(46)로부터 공급되는 열매체를 1차 목표냉각온도(본 실시예에서는 300℃에서 160℃로 강하시키는 온도)으로 열교환하기 위한 한쌍의 제1 열교환기(48, 50)를 포함한다. 이때, 오일탱크(40)로부터 공급되는 냉매유를 140℃ ∼160℃ 로 하여 열매체의 목표냉각온도를 160℃로 설정한다.

본 실시예에서 상기 제1 열교환기(48, 50)는 쉘 앤드 튜브(Shell & Tube) 타입으로 이루어진 구조를 제시한다.

상기 제2 냉각장치(20)는 일반 공업용수를 냉매로 하여 제1 냉각장치(18)를 통해 160℃이하로 강하된 열매체를 2차 목표온도까지 냉각하기 위해 마련된 것으로서, 상기 메인순환라인(14)으로부터 분기된 제2 분기라인(52)과; 상기 제2 분기라인(52)상에 설치되어 열매체의 흐름을 제어하는 제2 밸브(54)와; 상기 제2 밸브(54)에 연결되어 1차 냉각장치(18)를 통해 160℃이하로 냉각된 열매체를 2차 목표냉각온도(본 실시예에서는 160℃에서 60℃로 강하시키는 온도)로 열교환하기 위한 제1 판형 열교환기(56)와; 상기 제1 판형 열교환기(56)에 연결되어 냉매의 공급을 제어하기 위한 제3 밸브(58)를 포함한다.

상기 제2 냉각장치로부터 공급되는 냉각수는 25℃ ∼35℃로 하여 열매체의 목표냉각온도를 60℃로 설정한다.

상기 제3 냉각장치(22)는 브라인(brine)을 냉매로 하여 제2 냉각장치(20)를 통해 60℃ 이하로 강하된 열매체를 3차 목표온도까지 냉각하기 위해 마련된 것으로서, 상기 메인순환라인(14)으로부터 분기된 제3 분기라인(62)과; 상기 제3 분기라인(62)상에 설치되어 열매체의 흐름을 제어하는 제4 밸브(64)와; 상기 제4 밸브(64)에 연결되어 2차 냉각장치(20)를 통해 60℃ 이하로 냉각된 열매체를 3차 목표냉각온도(본 실시예에서는 60℃에서 -20℃로 강하시키는 온도)로 열교환하기 위한 제2 판형 열교환기(66)와; 상기 제2 판형 열교환기(66)에 연결되어 냉매의 공급을 제어하기 위한 제5 밸브(68)를 포함한다.

상기 제3 냉각장치로부터 공급되는 브라인은 -30℃ ∼ 20℃로 하여 열매체의 냉각온도를 -20℃로 설정한다.

본 발명에서는 상기 브라인 공급라인과 오일탱크간을 연결하는 초저온매체 공급라인(72)과 상기 초저온매체 공급라인(72)상에 설치되어 오일탱크 내부의 온도를 초저온(본 실시예에서는 약 -100℃로 유지)으로 유지하기 위한 자동밸브(74)를 더 포함한다. 이 경우 상기 자동밸브(74)에는 LN2 봄베 또는 LN2 라인과 연결되어 외부로부터 초저온매체를 오일탱크에 공급함으로써 오일탱크를 -100℃로 유지할 수 있는 것이다. 이때, 상기 제1 열교환기(489, 50)의 냉각효율을 향상시키기 위하여 쉘 앤드 튜브 대신에 판형 열교환기로 교체하는 것이 바람직하다.

한편, 본 발명의 열매체 공급라인과 메인순환라인 사이에는 바이패스 라인(76)과 상기 바이패스라인(76)상에 설치된 제6밸브(78)를 더 포함할 수 있다. 상기 바이패스라인(76)과 제6 밸브(78)는 화학반응기의 합성반응이 완료된 후 열매체를 냉각하는 순환과정에서 열매체가 자켓을 통하지 않고 바로 바이패스라인(76)을 통해 순환되도록 마련된 것이다.

본 발명의 실시예에서 상기 오일팽창탱크(12)는 메인순환라인(14)으로 오일을 보충해줌과 동시에 오일특성에 따라 선택적으로 추가적인 압력을 공급할 수 있도록 구성되어 있다. 상기 오일은 특성에 따라 고온에서 기화하는 성향이 있으며, 이를 방지하기 위해서는 오일팽창탱크(12)를 통한 온도조절장치 전체 시스템에 대하여 내부가압장치가 필요하다. 따라서, 본 발명에서는 오일팽창탱크(12)에 질소(N2)를 충전함으로써 시스템 전체에 일정한 압력을 가할 수 있다. 이때, 질소의 압력을 일정하게 유지하기 위하여 질소 인입배관(80)에 레귤레이터(82)를 설치하여 압력을 조절하고, 또한 안전장치로써 상기 오일팽창탱크(12)에 자동압력조절밸브(PRV)(84)를 설치하여 설정 압력 이상으로 압력이 오일팽창탱크(12)에 가해질 경우 탱크내 압력을 자동 배출하여 일정한 압력을 유지할 수 있도록 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 운전방법을 설명한다.

먼저, 본 발명에서는 열매체의 온도를 감지하는 온도센서의 감지신호를 온도콘트롤 유닛이 인가받아 제1 및 제2 펌프, 전기히터의 가동과 제1 내지 제6 밸브의 개폐 및 3웨이밸브의 경로변환을 제어한다.

화학반응기의 내용물과 합성반응을 위한 초고온 열매체의 공급과정을 도4를 통해 살펴보면, 오일팽창탱크(12)로부터 제공된 열매체는 제1 펌프(16)의 작동에 의해 메인순환라인(14)을 거쳐 전기히터(16)측으로 유입된다. 이때, 상기 3웨이 밸브(26)의 공통포트(NC)와 제1포트(N1)가 연통된다. 상기 열매체는 전기히터(16)를 통해 300℃ 정도의 초고온에 다다를때까지 가열되어 자켓으로 공급된다. 이 열매체의 가열온도는 온도센서(28)에서 감지하여 온도콘트롤유닛으로 인가된다. 상기 열매체가 초고온이 된 상태에서 자켓으로 공급되면 화학반응기의 내용물과 합성반응을 수행하게 되고, 메인순환라인(14)을 거쳐 계속적으로 리사이클링한다.

상기 열매체가 합성반응을 위해 순환하는 동안에는 제1, 제2 및 제4 밸브(44, 54, 64)는 차단되어 초고온의 열매체가 제1 내지 제3 냉각장치(18, 20, 22)측으로는 유입되지 않는다.

상기 화학반응기의 합성반응이 완료된 후에는 온도콘트롤유닛의 제어신호에 의해 3웨이밸브(30)의 공통포트(NC)와 제1 포트(N1)간의 연통이 차단되고, 제1 포트(N1)와 제2 포트(N2)가 연통된다. 그리고, 도5에 도시한 바와 같은 경로(굵은 선 표시)를 통해 열매체를 냉각하기 위하여 제1 냉각장치(18)가 작동한다.

즉, 온도콘트롤 유닛의 제어신호에 의해 제2 펌프(46)가 작동하여 오일탱크(40)로부터 냉매유가 제1 열교환기(48, 50)로 유입되고, 또 제1 밸브(44) 및 제6 밸브(78)가 개방된다. 따라서, 메인순환라인(14)에서 분기된 제1 분기라인(42)을 통하여 초고온의 열매체가 제1 열교환기(48)측으로 공급된다.

상기 제1 열교환기(48, 50)에는 150℃ 정도의 냉매유가 오일탱크(40)로부터 유입되고 제1 분기라인(42)을 통해 제1 열교환기(48, 50)로 흐르는 초고온 열매체가 열교환을 수행한 후 3웨이밸브(30)의 제2 포트(N2)와 제1 포트(N1)를 통해 전기히터(24)측으로 유입된다. 그리고, 다시 바이패스라인(76)과 메인순환라인(14)을 거치는 일련의 순환사이클을 통해 300℃ 초고온의 열매체가 160℃로 강하하게 된다.

이때, 상기 전기히터(24)에 남아있던 열매체의 잠열에 의해 냉각된 열매체가 재가열되는 것을 가정할 수 있으나, 전기히터(24)에 남아있는 열매체가 극소량이기 때문에 잠열은 극히 미미하여 열매체의 냉각에는 영향을 미치지 않는다.

상기 전기히터(24)를 거친 열매체의 온도가 160℃가 다다르게 되면 이를 온도센서(28)가 감지하여 온도콘트롤 유닛으로 전송한다. 도6에 도시한 바와 같이 상기 온도센서(28)의 감지신호를 인가받은 온도콘트롤 유닛은 제1 밸브(44)를 차단하고 제2 밸브(54)를 개방하도록 제어하여 2차 냉각을 수행하게 된다. 이때에는 제1 밸브(44)와 제4 밸브(64)가 차단되고 제2 밸브(54)와 제3 밸브(58)가 동시에 개방된다. 따라서, 메인순환라인(14)으로 흐르는 1차 냉각된 열매체가 제2 밸브(54)를 통해 제1 판형 열교환기(56)로 유입된다. 그리고, 상기 제3 밸브(58)를 통해 일반용수를 냉매로 하는 냉매수가 제1 판형 열교환기(56)로 유입되어 1차 냉각된 열매체와 열교환하여 2차 냉각을 수행하고, 목표온도인 60℃에 다다를때까지 메인순환라인(14)을 통해 지속적으로 순환하게 된다.

상기 열매체가 60℃에 다다름을 온도센서(28)가 감지하게 되면 온도콘트롤 유닛은 제2 및 제3 밸브(54, 58)를 차단하는 제어를 하게 됨과 동시에 제4 및 제5밸브(64, 68)를 개방하여 3차 냉각을 실시하게 된다. 즉, 도7에 도시한 바와 같이 제2 밸브(54)가 차폐되면 2차 냉각된 열매체는 제3 냉각장치(22)의 제4 밸브(64)를 통해 제2 판형 열교환기(66)로 유입된다. 이와 동시에 브라인이 제5 밸브(68)를 통해 제2 판형 열교환기(66)로 유입되어 열교환을 수행하고 지속적인 순환과정을 통해 목표온도인 -20까지 열매체를 냉각하게 된다.

한편, 상기 화학반응기의 내용물이 초저온 상태에서 합성반응을 수행해야 하는 경우에는, 상기 자동밸브(74)를 LN2 봄베 또는 LN2 라인에 연결하여 오일탱크(40)에 내재된 냉매유의 온도를 -100℃로 강하시키게 된다. 따라서, 상기 오일팽창탱크(12)로부터 공급되는 열매체는 제1 열교환기(48, 50)를 거치면서 -90℃로 냉각된 열매체가 3웨이밸브(30), 전기히터(24)를 거쳐 화합반응기의 자켓으로 유입하여 초저온 합성반응을 수행하게 된다. 합성반응을 수행한 초저온 열매체는 상술한 초고온 열매체의 운전방식과 반대로 제3 냉각장치(22)를 통해 1차 승온하게 되고 이어서 제2 냉각장치(20)를 통해 목표하는 온도로 열매체를 승온시키게 된다. 상기 열매체의 승온은 자연대류방식으로 수행한다.

상술한 바와 같이 본 발명은 초고온의 열매체가 합성반응을 유도한 후에 제1 내지 제3 냉각장치(18, 20, 22)를 통한 3단계 간접 열교환 방식으로 냉각과정을 거치면서 목표온도까지 강하하게 된다. 이러한 운전방식에 의해 열교환기가 급격한 온도편차에 따른 열 충격을 받지 않으면서 냉각속도를 빠르게 진행하므로 공정시간을 대폭 단축할 수 있게 되며, 생산효율을 증대시킬 수 있는 것이다.

그리고, 급격한 온도편차에 따른 열충격으로부터 열교환기의 파손을 방지하여 내구성을 유지할 수 있게 되고, 제1 내지 제3 냉각장치를 통한 순차적인 냉각과정으로 운전되므로 쉬운 조작방법에 의한 온도제어가 가능하게 된다.

이상, 본 발명의 특정 실시예에 대하여 설명하였다. 그러나, 본 발명의 사상 및 범위는 이러한 특정 실시예에 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양하게 수정 및 변형이 가능함은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 당연히 이해할 것이다.

따라서, 이상에서 기술한 실시예는 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이므로, 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 하며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.

12: 오일팽창탱크 14: 메인 순환라인
16: 제1 펌프 18, 20, 22: 제1 내지 제3 냉각장치
24: 가열장치(전기히터) 26: 열매체 유입라인
28: 온도센서 30: 3웨이 밸브
40: 냉매유탱크 42: 제1 분기라인
44: 제1 밸브 46: 제2 펌프
48, 50: 제1 열교환기 52: 제2 분기라인
54, 58: 제2 및 제3 밸브 56: 제1 판형 열교환기
62: 제3 분기라인 64, 68: 제4, 제5 밸브
66: 제2 판형 열교환기 72: 초저온용 라인
74: 자동밸브지 제3 냉각장치

Claims

화학반응기의 내용물과 합성반응을 유도하기 위한 열매체(오일)를 공급하기 위한 오일팽창탱크;
상기 오일팽창탱크로부터 공급되는 오일을 순환시키기 위한 메인순환라인; 상기 메인순환라인상에 설치되어 열매체를 공급하기 위한 제1 펌프;
상기 l제1 펌프로부터 열매체를 공급받으며, 화학반응기와 열교환하기 위한 자켓에 공급될 열매체를 소망하는 온도로 가열하기 위한 가열수단;
상기 메인순환라인에서 각각 분기되어 열매체를 단계별로 목표온도까지 냉각시키기 위한 제1 내지 제3 냉각장치;
상기 가열수단의 배출측 라인상에 설치되어 열매체의 가열온도를 감지하여 제어신호를 발생하는 열매체온도감지수단; 및
상기 메인순환라인상에 설치되어 열매체의 흐름을 가열수단 방향 또는 제1 내지 제3 냉각장치 측으로 제어하는 3웨이 밸브를 포함하되,
제1 냉각장치로부터 공급되는 냉매체를 140℃ ∼160℃ 로 하여 열매체의 목표냉각온도를 160℃로 설정하고,
제2 냉각장치로부터 공급되는 냉매체를 25℃ ∼35℃로 하여 열매체의 목표냉각온도를 60℃로 설정하며,
제3 냉각장치로부터 공급되는 냉매체를 -30℃ ∼ 20℃로 하여 열매체의 냉각온도를 -20℃ 설정하는 것을 특징으로 하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제1 냉각장치는 메인순환라인으로부터 분기된 제1 분기라인상에 설치되어 열매체의 공급을 제어하는 제1 밸브와; 상기 제1 밸브를 통해 유입되는 열매체를 열교환하여 목표냉각온도로 냉각하기 위한 제1 열교환기와; 상기 제1 열교환기에 냉매유를 공급하기 위한 오일탱크 및 상기 오일탱크내의 냉매유를 제1 열교환기측으로 공급하기 위한 제2 펌프를 포함하는 것을 특징으로 하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치.
제 2 항에 있어서,
상기 제1 열교환기는 쉘 앤드 튜브 타입인 것을 특징으로 하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치.
제 1 항에 있어서,
상기 제2 냉각장치는 메인순환라인으로부터 분기된 제2 분기라인상에 설치되어 열매체의 공급을 제어하는 제2 밸브와; 상기 제2 밸브를 통해 유입되는 열매체를 열교환하여 목표냉각온도로 냉각하기 위한 제2 열교환기와; 상기 제2 열교환기측으로 냉각수의 공급을 제어하는 제3 밸브를 포함하되, 상기 제2 밸브와 제3 밸브는 동시에 개폐되며,
상기 제3 냉각장치는 메인순환라인으로부터 분기된 제3 분기라인상에 설치되어 열매체의 공급을 제어하는 제4 밸브와; 상기 제4 밸브를 통해 유입되는 열매체를 열교환하여 목표냉각온도로 냉각하기 위한 제3 열교환기와; 상기 제3 열교환기측으로 냉각수의 공급을 제어하는 제5 밸브를 포함하되, 상기 제4 밸브와 제5 밸브는 동시에 개폐되는 것을 특징으로 하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치.
제 4 항에 있어서,
제2 및 제3 열교환기는 판형으로 이루어진 것을 특징으로 하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치.
제 1 항 내지 제4 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 가열수단에 연결된 유입라인과 자켓으로부터 배출된 메인 순환라인상에 연결된 바이패스라인과, 상기 바이패스라인상에 설치된 제6 밸브를 더 포함하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치.
제 1 항 내지 제4 항중 어느 한 항에 있어서,
상기 오일팽창탱크의 내부가압을 위하여 오일팽창탱크에 질소를 주입하기 위한 질소주입라인;
상기 질소주입라인상에 설치되어 질소의 압력을 일정하게 조절하기 위한 레귤레이터; 및
상기 오일팽창탱크에 연결되며, 그의 내부에 설정 압력 이상으로 압력이 가해질 경우 개방되어 오일팽창탱크내 압력을 자동 배출하여 일정한 압력을 유지하기 위한 자동압력조절밸브
를 더 포함하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치.
온도콘트롤 유닛의 제어에 의해 제1 펌프 및 전기히터를 가동시키고, 오일팽창탱크에서 공급되는 열매체를 목표온도까지 전기히터에서 가열하여 화학반응기에 공급하는 제1 단계;
화학반응기의 내용물과 합성반응을 완료한 후 배출되는 열매체의 온도를 감지하여 가열경로로 개방되어 있는 3웨이 밸브의 경로를 냉각경로로 변환하는 제2 단계;
제1 밸브를 개방하여 초고온 열매체를 제1 열교환기로 공급하고, 제2 펌프를 가동시켜 오일탱크에 내재된 냉매유를 제1 열교환기로 공급하여 1차 목표냉각온도에 도달할 때 까지 열교환을 수행하는 제3 단계;
상기 열매체가 1차 목표냉각온도에 도달하면 제1 밸브를 차폐하고, 제1 판형 열교환기에 열매체와 냉각수를 각각 공급하기 위한 제2 및 제3 밸브를 동시에 개방하여 냉각수와 열매체가 2차 목표냉각온도에 도달할 때 까지 제1 판형 열교환기에서 열교환을 수행하는 제4 단계; 및
상기 열매체가 2차 목표냉각온도에 도달하면 제2 및 제3 밸브를 차폐하고, 제2 판형 열교환기에 열매체와 브라인(brine)을 각각 공급하기 위한 제4 및 제5 밸브를 동시에 개방하여 브라인과 열매체가 3차 목표냉각온도에 도달할 때 까지 제2 판형 열교환기에서 열교환을 수행하는 제5 단계
를 포함하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치의 운전방법.
제 8 항에 있어서,
상기 제3 단계에서 냉각을 위해 공급되는 냉매유는 140℃ ∼160℃ 로 하여 열매체의 목표냉각온도를 160℃로 설정하고,
상기 제4 단계에서 공급되는 냉각수를 25℃ ∼35℃로 하여 열매체의 목표냉각온도를 60℃로 설정하고,
상기 제5 단계에서 공급되는 브라인을 -30℃ ∼ 20℃로 하여 열매체의 냉각온도를 -20℃ 설정하는 것을 특징으로 하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치의 운전방법.
제 8 항에 있어서,
상기 제2 단계 수행후 가열라인과 메인순환라인을 연결하는 바이패스라인 상에 설치된 제6 밸브를 개방하여 냉각사이클링이 되고 있는 열매체가 자켓을 거치지 않고 바로 메인 순환라인으로 흐르도록 한 것을 특징으로 하는 초고온 화학반응기의 온도조절장치의 운전방법.