KR20180034062A - 비말동반 현상 방지를 위한 분리 장치 - Google Patents

Abstract

비말동반 현상을 억제하기 위한 분리 장치가 개시된다. 분리 장치는 분리부, 확장부, 격막, 및 복수의 분산판을 포함한다. 분리부는 상측에 고분자 혼합물이 유입되는 유입부와, 하측에 액상 또는 슬러리의 고분자 중합물이 배출되는 제1 배출부를 포함한다. 확장부는 분리부의 상측에 위치하고, 분리부보다 큰 직경을 가지며, 기체 상 솔벤트가 배출되는 제2 배출부를 포함한다. 격막은 확장부에 대해 유입부를 가리도록 분리부의 내부에 위치하며, 제1 기울기를 가지는 경사부를 포함한다. 복수의 분산판은 분리부의 내부에서 격막의 아래에 배치되고, 제2 기울기를 가지며, 수직 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치한다. 격막과 복수의 분산판은 수직 방향을 따라 분리부 내벽의 일측과 타측에 하나씩 번갈아 위치한다.

Description

비말동반 현상 방지를 위한 분리 장치 {SEPARATION DEVICE FOR PREVENTING ENTRAINMENT PHENOMENON}

본 발명은 분리 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 비말동반 현상을 방지하기 위한 내부 구조를 가지는 기액 분리 장치에 관한 것이다.

일반적인 고분자 중합 공정은 원료와 솔벤트를 공급 드럼에서 혼합 후 반응기로 공급하고, 반응기에서 중합된 고분자 혼합물은 후단의 분리 장치에서 액상의 고분자 중합물과 기체 상태의 솔벤트로 분리된다. 분리 장치에서 분리된 기체 상 솔벤트는 열 교환기에서 냉각 및 응축되고, 펌프에 의해 공급 드럼으로 공급되어 재사용된다.

분리 장치 내부에서는 액체가 미소한 물방울이 되어 기체와 함께 운반되는 비말동반(entrainment) 현상이 발생할 수 있다. 비말동반 현상을 방지하기 위해, 일반적으로 기류 중의 액적을 제거하는 데미스터(demister)를 사용하거나, 유체를 선회 흐름으로 만들어 상이 다른 두 물질을 분리시키는 사이클론(cyclone) 장치를 사용하고 있다.

데미스터는 기체 상 물질이 이송되는 분리 드럼 내 상측에 설치되며, 미분의 고분자 중합물을 분리한다. 그러나 연속적인 운전으로 데미스터에 미분의 고분자가 축적되는 경우 기체 유로가 차단될 수 있다. 이 경우 분리 효율이 감소되고, 열 점이 생성되어 분리 장치의 운전 온도가 변동하는 원인으로 작용한다. 사이클론 장치는 분리 드럼 상부의 이송 라인에 별도로 설치되는데, 사이클론 추가로 인해 공정이 복잡해지고, 운전 비용이 발생하는 단점이 있다.

본 발명은 데미스터 또는 사이클론 장치의 사용을 배제하고, 분리 장치 내부에 비말동반 현상을 방지할 수 있는 구조물을 설치하여 고분자 중합물과 솔벤트의 분리 효율을 높이며, 기체 유로의 막힘을 방지할 수 있는 분리 장치를 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 분리 장치는 분리부, 확장부, 격막, 및 복수의 분산판을 포함한다. 분리부는 수직 원통 형상이고, 상측에 고분자 혼합물이 유입되는 유입부와, 하측에 액상 또는 슬러리의 고분자 중합물이 배출되는 제1 배출부를 포함한다. 확장부는 분리부의 상측에 위치하고, 분리부보다 큰 직경을 가지며, 기체 상 솔벤트가 배출되는 제2 배출부를 포함한다. 격막은 확장부에 대해 유입부를 가리도록 분리부의 내부에 위치하며, 제1 기울기를 가지는 경사부를 포함한다. 복수의 분산판은 분리부의 내부에서 격막의 아래에 배치되고, 제2 기울기를 가지며, 수직 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치한다. 격막과 복수의 분산판은 수직 방향을 따라 분리부 내벽의 일측과 타측에 하나씩 번갈아 위치한다.

격막은 경사부의 하단에 연결된 수직부를 포함할 수 있고, 수직부는 분리부의 내벽과 제1 간격을 유지할 수 있다.

복수의 분산판은 격막의 아래에 위치하는 제1 분산판과, 제1 분산판의 아래에 위치하는 제2 분산판과, 제2 분산판의 아래에 위치하는 제3 분산판을 포함할 수 있다. 제2 분산판과 제3 분산판은 복수의 미세 유로가 형성된 다공성 분산판일 수 있다.

제1 분산판은 수직 방향을 따라 수직부와 제2 간격을 유지할 수 있고, 제2 간격은 제1 간격과 같거나 이보다 클 수 있다. 제2 분산판은 수직 방향을 따라 제1 분산판과 제3 간격을 유지할 수 있고, 제3 분산판은 수직 방향을 따라 제2 분산판과 제4 간격을 유지할 수 있다. 제3 간격과 제4 간격은 제1 간격과 같거나 이보다 클 수 있다.

제1 분산판, 제2 분산판, 제3 분산판 각각의 기울기는 안식각과 같을 수 있다. 제2 분산판과 제3 분산판 각각의 길이는 제1 분산판의 길이보다 클 수 있고, 복수의 미세 유로 각각의 지름은 고분자 중합물의 지름보다 클 수 있다.

확장부는 분리부의 상단에 연결된 깔때기 형상의 제1 확장부와, 제1 확장부를 덮는 제2 확장부를 포함할 수 있으며, 제1 확장부와 제2 확장부의 경계에서 최대 직경을 가질 수 있다. 제1 확장부의 기울기는 고분자 중합물의 안식각과 같거나 이보다 클 수 있다.

본 실시예에 따르면, 고분자 혼합물로부터 액상의 고분자 중합물과 기체 상의 솔벤트를 분리하는 과정에서 비말동반 현상을 효과적으로 억제할 수 있다. 또한, 본 실시예의 분리 장치를 구비한 고분자 중합 설비는 기체 상으로 분리된 솔벤트를 냉각시키는 열 교환기(응축기)와, 응축된 솔벤트를 공급 드럼으로 이송하는 펌프와, 솔벤트 이송 배관의 정비를 생략할 수 있어 연속적인 운전이 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시한 분리 장치의 단면도이다.
도 3은 도 2에 도시한 분리 장치 중 제2 분산판의 부분 확대도이다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 도면에 나타난 각 구성의 크기 및 두께 등은 설명의 편의를 위해 임의로 나타낸 것이므로, 본 발명은 도시한 바로 한정되지 않는다.

또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분리 장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시한 분리 장치의 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시한 분리 장치 중 제2 분산판의 부분 확대도이다.

도 1 내지 도 3을 참고하면, 분리 장치(100)는 고분자 중합 공정에 사용되는 기액 분리 장치일 수 있으며, 예를 들어 유입된 고분자 혼합물로부터 액상 또는 슬러리 형태의 고분자 중합물과 기체 상태의 솔벤트를 분리시키는 장치일 수 있다. 분리 장치(100)는 분리부(10)와, 분리부(10)의 상측에 연결된 확장부(40)를 포함한다.

분리부(10)는 일정한 직경과 높이를 가진 수직 원통 형상으로 이루어진다. 분리부(10)의 상단 바로 아래에는 기액 혼합물(고분자 혼합물)이 유입되는 유입부(11)가 위치한다. 분리부(10)의 하단에는 액상 또는 슬러리 형태의 고분자 중합물이 모여 배출되는 제1 배출부(12)가 위치한다.

분리부(10) 내부에 격막(20)과 복수의 분산판(31, 32, 33)이 위치한다. 격막(20)과 복수의 분산판(31, 32, 33)은 분리부(10) 내벽에 일정 기울기로 고정되며, 수직 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치한다. 격막(20)과 복수의 분산판(31, 32, 33)은 분리부(10) 내벽의 일측과 타측에 하나씩 번갈아 위치한다.

즉, 격막(20)과 복수의 분산판(31, 32, 33)은 단면상에서 지그재그 패턴으로 배치된다. 이 경우, 기액 혼합물의 이동 거리를 늘려 충분한 물질 교환 면적을 확보할 수 있다.

격막(20)은 유입부(11)를 통해 유입된 고분자 혼합물을 아래 방향으로 유도하는 경사부(21)와, 경사부(21) 하단에 연결된 수직부(22)를 포함한다. 경사부(21)의 상단은 분리부(10)의 상단에 연결될 수 있고, 유입부(11)는 경사부(21)의 상단 아래에 위치한다. 경사부(21)는 평면상에서 반원 모양일 수 있으며, 수직부(22)는 분리부(10)의 내벽과 제1 간격(D1)을 두고 위치할 수 있다.

유입부(11)를 통해 분리부(10) 내부로 유입된 고분자 혼합물은 위로 뿜어지는 대신 경사부(21)에 부딪혀 아래로 낙하하고, 경사부(21)와 수직부(22)를 따라 수직부(22) 아래로 이동한다. 격막(20)은 고분자 혼합물의 흐름을 아래 방향으로 유도하며, 격막(20)에서 떨어진 고분자 혼합물은 복수의 분산판(31, 32, 33)을 차례로 거치면서 물질 교환에 의해 액체(또는 슬러리)와 기체로 분리된다.

복수의 분산판(31, 32, 33)은 격막(20) 아래에 위치하는 제1 분산판(31)과, 제1 분산판(31) 아래에 위치하는 제2 분산판(32) 및 제3 분산판(33)을 포함할 수 있다. 제2 분산판(32)과 제3 분산판(33)은 복수의 미세 유로(35)가 형성된 다공성 분산판일 수 있다.

제1 분산판(31)은 일정 기울기로 경사지며, 평면 상에서 반원 모양일 수 있다. 도면을 기준으로 격막(20)이 분리부(10) 내부의 좌측에 위치하는 경우, 제1 분산판(31)은 분리부(10) 내부의 우측에 위치할 수 있다. 제1 분산판(31)의 하단은 격막(20)의 수직부(22)와 수직 방향을 따라 제2 간격(D2)을 두고 위치한다. 제2 간격(D2)은 제1 간격(D1)과 같거나 이보다 클 수 있다.

제2 분산판(32)과 제3 분산판(33)은 일정 기울기로 경사지며, 평면 상에서 반원보다 큰 모양일 수 있다. 즉 평면상에서 관찰되는 제2 분산판(32)과 제3 분산판(33)의 길이는 분리부(10)의 반지름보다 클 수 있다. 제1 분산판(31)이 분리부(10) 내측의 우측에 위치하는 경우, 제2 분산판(32)은 분리부(10) 내부의 좌측에 위치할 수 있고, 제3 분산판(33)은 분리부(10) 내측의 우측에 위치할 수 있다.

제2 분산판(32)은 수직 방향을 따라 제1 분산판(31)과 제3 간격(D3)을 두고 위치하며, 제3 분산판(33)은 수직 방향을 따라 제2 분산판(32)과 제4 간격(D4)을 두고 위치한다. 제3 간격(D3)과 제4 간격(D4)은 제1 간격(D1)과 같거나 이보다 클 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제4 간격(D1, D2, D3, D4) 모두는 같은 값을 가지거나, 제2 내지 제4 간격(D2, D3, D4)은 제1 간격(D1)보다 큰 값을 가지면서 서로 같은 값을 가질 수 있다.

제2 간격(D2)과 제3 간격(D3) 및 제4 간격(D4)으로 표시되는 수직 방향에 따른 격막(20)과 복수의 분산판(31, 32, 33) 사이의 이격 공간은 유입부(11)로 공급되는 고분자 혼합물의 공간 속도를 유지하는 기능을 한다. 만일 수직 방향에 따른 격막(20)과 복수의 분산판(31, 32, 33) 사이의 이격 거리가 제1 간격(D1)보다 작은 경우를 가정하면, 유입부(11)에서의 공간 속도가 증가하여 분리부(10) 내에서 분리 효능이 감소한다.

제1 내지 제3 분산판(31, 32, 33)의 기울기는 고분자 중합물의 유동성을 확보하기 위하여 갖는 일정 기울기인 안식각(사면 위에 머무를 수 있는 최대 각도)과 같을 수 있다. 이 경우 고분자 중합물의 유동을 확보하면서 제1 내지 제3 분산판(31, 32, 33)의 표면에 고분자 중합물이 쌓이는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 제1 내지 제3 분산판(31, 32, 33)의 기울기는 40˚ 내지 70˚ 범위에서 설정될 수 있다.

제1 내지 제3 분산판(31, 32, 33)의 기울기가 안식각보다 작으면, 고분자 중합물의 유동성이 낮아지고, 고분자 중합물의 적층 현상이 발생하며, 이를 제거하기 위한 정비 시간이 요구된다. 반대로 제1 내지 제3 분산판(31, 32, 33)의 기울기가 안식각보다 크면, 분리부(10)의 높이가 매우 커지게 되며, 이에 따른 투자 비용이 증가한다.

고분자 중합체와 기체의 물질 교환 면적을 확보하기 위해, 제2 분산판(32)과 제3 분산판(33)의 길이는 제1 분산판(31)의 길이보다 클 수 있다. 그리고 제2 분산판(32)과 제3 분산판(33)에 형성된 미세 유로(35)는 고분자 중합물이 흐르는 과정에서 물질 교환 면적 확보와 이송 통로의 역할을 한다.

고분자 중합물은 고분자 혼합물 내에서 알갱이 형태로 존재할 수 있다. 미세 유로(35)의 하부 지름(D5)은 고분자 중합물의 이동이 가능하도록 고분자 중합물의 지름보다 크다. 미세 유로(35)의 상부 지름(D6)은 유동성 확보를 위해 하부 지름(D5)과 같거나 이보다 크다. 도 3에서는 미세 유로(35)의 상부 지름(D6)이 하부 지름(D5)보다 큰 경우를 예로 들어 도시하였다.

확장부(40)는 분리부(10)의 상단에 연결된 깔때기 모양의 제1 확장부(41)와, 제1 확장부(41)를 덮는 제2 확장부(42)를 포함한다. 제1 확장부(41)는 분리부(10)와 접하는 하단으로부터 위를 향해 직경이 점진적으로 커진다. 제2 확장부(42)는 대략적인 반구형으로 형성될 수 있고, 기체 상 솔벤트가 배출되는 제2 배출부(45)가 제2 확장부(42)의 중앙에 위치할 수 있다.

제1 확장부(41)의 기울기는 안식각과 같거나 이보다 클 수 있다. 이 경우 제1 확장부(41)는 고분자 중합물의 유동성을 확보하고, 적층 현상을 방지할 수 있다.

확장부(40)는 제1 확장부(41)와 제2 확장부(42)의 경계에서 최대 직경(D7)을 가지며, 기체의 공간 속도를 감소시킨다. 감소된 기체의 공간 속도로 인해 미분의 고분자 중합물은 중력에 의해 아래로 낙하하고, 기체로부터 분리되면서 비말동반 현상이 방지된다.

확장부(40)의 최대 직경(D7)이 클수록 기체의 공간 속도 감소 효과가 높아지지만 과도하게 크게 만들 이유도 없다. 따라서 고분자 중합물의 크기로부터 최소 유동화 속도를 산정하여, 최소 유동화 속도 미만의 공간 속도로 감소되는 확장부(40)의 직경을 최대 직경(D7)으로 결정할 수 있다.

이와 같이 본 실시예의 분리 장치(100)는 격막(20)과 복수의 분산판(31, 32, 33)이 고정된 분리부(10)와, 분리부(10) 상측에 위치하며 최대 직경(D7)을 가지는 확장부(40)에 의해 고분자 혼합물로부터 액상의 고분자 중합물과 기체 상의 솔벤트를 분리하는 과정에서 비말동반 현상을 효과적으로 억제할 수 있다.

또한, 본 실시예의 분리 장치(100)는 안식각에 대응하는 기울기를 가진 복수의 분산판(31, 32, 33)에 의해 점도가 높은 물질을 사용하는 공정에 적용 가능하다. 또한, 본 실시예의 분리 장치(100)를 구비한 고분자 중합 설비는 기체 상으로 분리된 솔벤트를 냉각시키는 열 교환기(응축기)와, 응축된 솔벤트를 공급 드럼으로 이송하는 펌프와, 솔벤트 이송 배관의 정비를 생략할 수 있어 연속적인 운전이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시하는 것이 가능하고 이 또한 본 발명의 범위에 속하는 것은 당연하다.

100: 분리 장치 10: 분리부
11: 유입부 12: 제1 배출부
20: 격막 21: 경사부
22: 수직부 31: 제1 분산판
32: 제2 분산판 33: 제3 분산판
35: 미세 유로 40: 확장부
41: 제1 확장부 42: 제2 확장부
45: 제2 배출부

Claims (9)

1. 수직 원통 형상이고, 상측에 고분자 혼합물이 유입되는 유입부와, 하측에 액상 또는 슬러리의 고분자 중합물이 배출되는 제1 배출부를 포함하는 분리부;
   상기 분리부의 상측에 위치하고, 상기 분리부보다 큰 직경을 가지며, 기체 상 솔벤트가 배출되는 제2 배출부를 포함하는 확장부;
   상기 확장부에 대해 상기 유입부를 가리도록 상기 분리부의 내부에 위치하며, 제1 기울기를 가지는 경사부를 포함하는 격막; 및
   상기 분리부의 내부에서 상기 격막의 아래에 배치되고, 제2 기울기를 가지며, 수직 방향을 따라 서로간 거리를 두고 위치하는 복수의 분산판
   을 포함하고,
   상기 격막과 상기 복수의 분산판은 수직 방향을 따라 상기 분리부 내벽의 일측과 타측에 하나씩 번갈아 위치하는 분리 장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 격막은 상기 경사부의 하단에 연결된 수직부를 포함하고,
   상기 수직부는 상기 분리부의 내벽과 제1 간격을 유지하는 분리 장치.
3. 제2항에 있어서,
   상기 복수의 분산판은 상기 격막의 아래에 위치하는 제1 분산판과, 상기 제1 분산판의 아래에 위치하는 제2 분산판과, 상기 제2 분산판의 아래에 위치하는 제3 분산판을 포함하고,
   상기 제2 분산판과 상기 제3 분산판은 복수의 미세 유로가 형성된 다공성 분산판인 분리 장치.
4. 제3항에 있어서,
   상기 제1 분산판은 수직 방향을 따라 상기 수직부와 제2 간격을 유지하고,
   상기 제2 간격은 상기 제1 간격과 같거나 이보다 큰 분리 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제2 분산판은 수직 방향을 따라 상기 제1 분산판과 제3 간격을 유지하고, 상기 제3 분산판은 수직 방향을 따라 상기 제2 분산판과 제4 간격을 유지하며,
   상기 제3 간격과 상기 제4 간격은 상기 제1 간격과 같거나 이보다 큰 분리 장치.
6. 제3항에 있어서,
   상기 제1 분산판, 상기 제2 분산판, 상기 제3 분산판 각각의 기울기는 안식각과 동일한 분리 장치.
7. 제3항에 있어서,
   상기 제2 분산판과 상기 제3 분산판 각각의 길이는 상기 제1 분산판의 길이보다 크고, 상기 복수의 미세 유로 각각의 지름은 고분자 중합물의 지름보다 큰 분리 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 확장부는 상기 분리부의 상단에 연결된 깔때기 형상의 제1 확장부와, 상기 제1 확장부를 덮는 제2 확장부를 포함하며, 상기 제1 확장부와 상기 제2 확장부의 경계에서 최대 직경을 가지는 분리 장치.
9. 제8항에 있어서,
   상기 제1 확장부의 기울기는 고분자 중합물의 안식각과 같거나 이보다 큰 분리 장치.

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