KR20180034063A - 촉매 공급 장치 - Google Patents

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김재호
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Abstract

촉매 공급 장치는 파우더 촉매와 불활성 기체를 포함하는 촉매 유동층을 포함하는 촉매 공급부, 상기 촉매 공급부와 연결되며, 상기 촉매 공급부로 상기 파우더 촉매를 주입하는 파우더 촉매 주입부, 상기 촉매 공급부의 하부에 연결되며, 상기 촉매 공급부로 상기 불활성 기체를 주입하는 제1 불활성 기체 주입부, 상기 촉매 공급부와 중합 반응기 사이를 연결하는 연결 유로, 및 상기 연결 유로에 장착되어 있는 유량 컨트롤 밸브를 포함한다.

Description

촉매 공급 장치{CATALYST FEEDING APPARATUS}
본 기재는 촉매 공급 장치에 관한 것이다.
가스상 중합 반응 공정은 폴리올레핀 제조를 위해 올레핀 모노머(예를 들어 에틸렌, 프로필렌)와 촉매를 사용한다. 일례로, 지글러-나타(Ziegler-Natta), 메탈로센(metallocene) 및 크롬(chrome) 계열의 촉매가 중합 반응에 적합하다.
중합 반응은 촉매의 투입량에 민감하여 촉매 계량 및 공급 방법이 중요하다. 촉매의 불균일한 투입은 반응 활성 저하, 촉매 과량 공급에 의한 라인 막힘(plugging), 촉매 뭉침에 의한 chunk 또는 sheet 발생 등 많은 문제를 발생시킨다. 이는 균일한 품질의 폴리올레핀 제조를 어렵게 하고, 반응기 운전에 악영향을 미친다. 이러한 이유로 다양한 촉매 공급 장치와 기술이 제안되고 있다.
일 실시예는, 유동층을 이용하여 고활성 촉매의 극소량(0.1g/hr 이하) 공급이 가능한 촉매 공급 장치를 제공하고자 한다.
일 측면은 파우더 촉매와 불활성 기체를 포함하는 촉매 유동층을 포함하는 촉매 공급부, 상기 촉매 공급부와 연결되며, 상기 촉매 공급부로 상기 파우더 촉매를 주입하는 파우더 촉매 주입부, 상기 촉매 공급부의 하부에 연결되며, 상기 촉매 공급부로 상기 불활성 기체를 주입하는 제1 불활성 기체 주입부, 상기 촉매 공급부와 중합 반응기 사이를 연결하는 연결 유로, 및 상기 연결 유로에 장착되어 있는 유량 컨트롤 밸브를 포함하는 촉매 공급 장치를 제공한다.
상기 촉매 공급부의 외부에서 상기 촉매 공급부의 상부와 하부 사이를 연결하는 순환 유로, 상기 순환 유로에 연결되며, 상기 촉매 공급부의 상부로부터 배출된 상기 불활성 기체를 상기 순환 유로를 통해 상기 촉매 공급부의 하부로 순환시키는 순환 가스 압축기, 및 상기 순환 유로에 연결되며, 상기 순환 유로를 통하는 상기 불활성 기체를 열교환하는 열교환기를 더 포함할 수 있다.
상기 제1 불활성 기체 주입부는 상기 순환 유로를 통해 상기 촉매 공급부의 하부와 연결될 수 있다.
상기 촉매 공급부는, 상기 촉매 공급부의 하부에 위치하는 분산판, 및 상기 촉매 공급부의 상부에 위치하는 배플(baffle)을 포함할 수 있다.
상기 촉매 공급부 및 상기 유량 컨트롤 밸브와 연결되며, 상기 촉매 유동층의 상기 파우더 촉매의 농도를 측정하여 상기 유량 컨트롤 밸브를 개폐하는 농도 측정 시스템을 더 포함할 수 있다.
상기 촉매 공급부 내부의 압력은 상기 중합 반응기 내부의 압력 대비 낮으며, 상기 연결 유로에 연결되어 상기 연결 유로로 불활성 기체를 주입하는 제2 불활성 기체 주입부를 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 유동층을 이용하여 고활성 촉매의 극소량(0.1g/hr 이하) 공급이 가능한 촉매 공급 장치가 제공된다.
도 1은 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치를 나타낸 도면이다.
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.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
또한, 일 부분이 다른 부분 "상부에" 또는 "하부에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 또는 "바로 아래에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 도 1을 참조하여 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치를 설명한다.
도 1은 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치를 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 일 실시예에 따른 촉매 공급 장치(1000)는 촉매 유동층(FB)을 이용하여 중합 반응기(10)로 파우더 촉매(PC)를 공급한다. 여기서, 중합 반응기(10)는 폴리올레핀 제조를 위해 올레핀 모노머(예를 들어 에틸렌, 프로필렌)와 파우더 촉매(PC)를 사용할 수 있으며, 중합 반응기(10)는 가스상 중합 반응기일 수 있다. 또한, 파우더 촉매(PC)는 지글러-나타(Ziegler-Natta), 메탈로센(metallocene) 및 크롬(chrome) 계열의 촉매를 포함할 수 있다.
촉매 공급 장치(1000)는 촉매 공급부(100), 촉매 주입부(200), 제1 불활성 기체 주입부(300), 연결 유로(400), 유량 컨트롤 밸브(500), 순환 유로(600), 순환 가스 압축기(700), 열교환기(800), 농도 측정 시스템(900), 제2 불활성 기체 주입부(950)를 포함한다.
촉매 공급부(100)는 파우더 촉매(PC)와 불활성 기체(IG)를 포함하는 촉매 유동층(FB)을 포함한다. 촉매 유동층(FB)은 촉매 공급부(100)의 내부에 위치한다. 촉매 공급부(100)는 하부(101)에 위치하는 분산판(110) 및 상부(102)에 위치하는 배플(baffle)(120)을 포함한다. 분산판(110)은 촉매 공급부(100)의 하부(101)로 주입되는 불활성 기체(IG)를 촉매 공급부(100)의 내부로 고르게 분산시킨다. 분산판(110)은 불활성 기체(IG)가 통과하는 복수의 홀(hole)을 포함할 수 있으며, 이 홀은 다양한 형상을 가질 수 잇다. 배플(120)은 촉매 유동층(FB)으로부터 촉매 공급부(100)의 상부(102)로 비말동반한 촉매가 장애물인 배플(120)로 인해 촉매 유동층(FB)으로 되돌아 가게 한다. 배플(120)은 비말동반한 촉매가 접촉할 수 있다면 어떠한 형상도 가질 수 있다. 일례로 배플(120)은 판상을 가질 수 있다.
촉매 주입부(200)는 촉매 공급부(100)의 일 부분과 연결되며, 촉매 공급부(100)로 파우더 촉매(PC)를 주입한다. 촉매 주입부(200)는 촉매 공급부(100)의 분산판(110)의 상측으로 파우더 촉매(PC)를 주입한다. 파우더 촉매(PC)는 지글러-나타(Ziegler-Natta), 메탈로센(metallocene) 및 크롬(chrome) 계열의 촉매를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
제1 불활성 기체 주입부(300)는 촉매 공급부(100)의 하부(101)에 연결되며, 촉매 공급부(100)로 불활성 기체(IG)를 주입한다. 제1 불활성 기체 주입부(300)는 순환 유로(600)를 통해 촉매 공급부(100)의 하부(101)와 연결된다. 한편, 제1 불활성 기체 주입부(300)는 촉매 공급부(100)의 하부(101)와 직접 연결될 수 있다. 불활성 기체(IG)는 질소 또는 가열된 질소를 포함할 수 있으나, 이에 한정되지 않는다.
연결 유로(400)는 촉매 공급부(100)와 중합 반응기(10) 사이를 연결한다. 촉매 공급부(100)의 촉매 유동층(FB)에 포함된 파우더 촉매(PC)는 연결 유로(400)를 통해 촉매 공급부(100)로부터 중합 반응기(10)로 공급된다.
유량 컨트롤 밸브(500)는 연결 유로(400)에 장착되어 있다. 유량 컨트롤 밸브(500)는 연결 유로(400)를 통하는 촉매 유동층(FB)의 유량을 조절한다.
순환 유로(600)는 촉매 공급부(100)의 외부에서 촉매 공급부(100)의 상부(102)와 하부(101) 사이를 연결한다.
순환 가스 압축기(700)는 순환 유로(600)에 연결되며, 촉매 공급부(100)의 상부(102)로부터 배출된 불활성 기체(IG)를 순환 유로(600)를 통해 촉매 공급부(100)의 하부로 순환시킨다.
열교환기(800)는 순환 유로(600)에 연결되며, 순환 유로(600)를 통하는 불활성 기체(IG)를 열교환한다. 열교환기(800)는 불활성 기체(IG)를 가열할 수 있다.
농도 측정 시스템(900)은 촉매 공급부(100) 및 유량 컨트롤 밸브(500)와 연결된다. 농도 측정 시스템(900)은 촉매 공급부(100)의 내부에 위치하는 촉매 유동층(FB)에 포함된 파우더 촉매(PC)의 농도를 측정하고, 이를 기반으로 유량 컨트롤 밸브(500)를 개폐한다. 즉, 유량 컨트롤 밸브(500)의 개폐는 농도 측정 시스템(900)에 의해 제어된다.
제2 불활성 기체 주입부(950)는 연결 유로(400)에 연결되어 연결 유로(400)로 불활성 기체(IG)를 주입한다. 일례로, 촉매 공급부(100) 내부의 압력이 중합 반응기(10) 내부의 압력 대비 낮을 경우, 제2 불활성 기체 주입부(950)는 연결 유로(400)로 불활성 기체(IG)를 주입한다. 다른 예로, 촉매 공급부(100) 내부의 압력이 중합 반응기(10) 내부의 압력 대비 높을 경우, 제2 불활성 기체 주입부(950)는 연결 유로(400)로 불활성 기체(IG)를 주입하지 않는다.
이와 같은 촉매 공급 장치(1000)는 폴리올레핀 중합 공정에 적용 가능하다. 파우더 촉매(PC)와 불활성 기체(IG)는 촉매 주입부(200)와 제1 불활성 기체 주입부(300)를 통해 촉매 공급부(100)로 공급된다. 불활성 기체는 질소 또는 가열된 질소가 사용될 수 있다. 가열된 질소의 온도는 섭씨 0~100도 사이 또는 20~50도 사이일 수 있다.
촉매 공급부(100)는 기본적으로 batch 운전이 적합하며, 운전 초기에 충분한 양(10~1000g)의 파우더 촉매(PC)를 촉매 주입부(200)에 의해 1회 주입하여 촉매 유동층(FB)을 형성한다. 촉매 공급부(100)로부터 파우더 촉매(PC)의 배출은 semi-batch(간헐적인 배출) 형태로 운전될 수 있다(1회 배출량은 0.01~100g). 촉매 공급부(100)로부터 배출된 불활성 기체(IG)는 제1 불활성 기체 주입부(300)에서 보충한다(배출된 불활성 기체의 양만큼 새로운 불활성 기체가 투입되어 소비되는 방식으로 진행될 수 있다).
촉매 공급부(100)의 하부(101)에서 주입되는 불활성 기체(IG)는 분산판(110)에 의해 촉매 공급부(100)의 내부로 고르게 분포되며, 이 과정에서 파우더 촉매(PC)가 부유하여 촉매 유동층(FB)이 형성된다. 불활성 기체(IG)의 투입 속도는 파우더 촉매(PC)의 입자가 부유할 수 있는 최소 유동화 속도 이상일 수 있다. 불활성 기체(IG)의 투입 속도는 파우더 촉매(PC)의 크기, 모양, 불활성 기체의 밀도 등에 의해 변경될 수 있다.
촉매 공급부(100)의 상부(102)에서 불활성 기체(IG)가 배출되고, 순환 가스 압축기(700)를 통해 순환한다. 촉매 공급부(100)의 상부(102) 근처에 배플(120)이 설치되어 있다. 배플(120)은 비말 동반한 촉매가 장애물인 배플(120)로 인해 낙하하여 촉매 유동층 영역으로 되돌아 가게 한다. 이로 인해, 촉매 입자가 순환 가스 압축기(700)에 유입되어 설비에 물리적인 손상이 발생되는 것이 억제된다. 촉매 공급부(100)의 상부(102)와 순환 가스 압축기(700) 사이에는 사이클론(미도시)이 설치될 수 있으며, 이 사이클론에 의해 촉매 입자 포집이 수행될 수 있다.
중합 반응기(10)에 촉매를 주입하는 방법은 유량 컨트롤 밸브(500)를 통해 이루어 지고, 유량 컨트롤 밸브(500)의 open 시간은 농도 측정 시스템(900)에 의해 조절된다. 농도 측정 시스템(900)은 파우더 촉매 공급부(100)의 내부에 위치하는 촉매 유동층(FB)에 포함된 불활성 기체(IG) 대비 파우더 촉매(PC)의 양을 계산하고, 이를 기반으로 유량 컨트롤 밸브(500)에 open 신호를 주어 촉매를 중합 반응기(10)로 공급한다. 이때, 촉매 공급부(100)의 내부 압력이 중합 반응기(10)의 내부 압력 대비 높을 수 있다.
한편, 촉매 공급부(100)의 내부 압력이 중합 반응기(10)의 내부 압력보다 낮을 경우, 유량 컨트롤 밸브(500) open 이후에 아래와 같은 시퀀스가 추가된다.
유량 컨트롤 밸브(500) open → 유량 컨트롤 밸브(500) close → 제2 불활성 기체 주입부(950)에 의해 고압의 불활성 기체(IG)가 공급되면 파우더 촉매(PC)가 중합 반응기(10)로 이송된다.
촉매 공급부(100)는 고압(2~30KG)에서 운전 가능하며, 유동화 특성상, 촉매 공급부(100) 내부에 유속, 온도 분포가 균일하게 형성되기 때문에, 열교환기(800)에 의해 촉매의 온도 유지가 가능하다.
이상과 같이, 촉매 공급 장치(1000)는 촉매 유동층(FB)을 이용하여 파우더 촉매(PC)를 중합 반응기(10)로 공급함으로써, 중합 반응기(10)로 고활성 촉매를 극소량(0.1g/hr 수준) 공급하는 것이 용이하기 때문에, 균일한 제품 생산이 가능하다. 일례로, 촉매 공급 장치(1000)는 1회 촉매 배출량이 0.01~100g까지 가능하다.
또한, 촉매 공급 장치(1000)는 중소 규모 플랜트에 활용 가능하며, 1~1000μm(촉매 유동화가 유리한 영역) 크기의 다양한 파우더 촉매(PC)를 이용할 수 있고, 또한 고압(2~30KG)을 이용할 수 있다.
또한, 촉매 공급 장치(1000)는 슬러리 촉매 제조 공정을 생략 또는 최소화할 수 있어서 공정 효율성이 증가한다.
또한, 촉매 공급 장치(1000)는 장치 내 공급되는 불활성 기체의 분포가 균일하여 촉매 온도 유지에 용이하고, 온도에 민감한 촉매도 장시간 운전 가능하다.
또한, 촉매 공급 장치(1000)는 파우더 촉매(PC)의 유동화로 인해 중합 반응기(10)로 투입하는 촉매의 분산성을 증가시키기 때문에, 촉매 뭉침에 의한 chunk 또는 sheet 발생이 감소하여 중합 반응기(10)의 운전 안정성이 형성된다.
본 이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
파우더 촉매(PC), 불활성 기체(IG), 촉매 유동층(FB), 촉매 공급부(100), 촉매 주입부(200), 불활성 기체(IG), 제1 불활성 기체 주입부(300), 중합 반응기(10), 연결 유로(400), 유량 컨트롤 밸브(500)

Claims (6)

  1. 파우더 촉매와 불활성 기체를 포함하는 촉매 유동층을 포함하는 촉매 공급부;
    상기 촉매 공급부와 연결되며, 상기 촉매 공급부로 상기 파우더 촉매를 주입하는 파우더 촉매 주입부;
    상기 촉매 공급부의 하부에 연결되며, 상기 촉매 공급부로 상기 불활성 기체를 주입하는 제1 불활성 기체 주입부;
    상기 촉매 공급부와 중합 반응기 사이를 연결하는 연결 유로; 및
    상기 연결 유로에 장착되어 있는 유량 컨트롤 밸브
    를 포함하는 촉매 공급 장치.
  2. 제1항에서,
    상기 촉매 공급부의 외부에서 상기 촉매 공급부의 상부와 하부 사이를 연결하는 순환 유로;
    상기 순환 유로에 연결되며, 상기 촉매 공급부의 상부로부터 배출된 상기 불활성 기체를 상기 순환 유로를 통해 상기 촉매 공급부의 하부로 순환시키는 순환 가스 압축기; 및
    상기 순환 유로에 연결되며, 상기 순환 유로를 통하는 상기 불활성 기체를 열교환하는 열교환기
    를 더 포함하는 촉매 공급 장치.
  3. 제2항에서,
    상기 제1 불활성 기체 주입부는 상기 순환 유로를 통해 상기 촉매 공급부의 하부와 연결된 촉매 공급 장치.
  4. 제1항에서,
    상기 촉매 공급부는,
    상기 촉매 공급부의 하부에 위치하는 분산판; 및
    상기 촉매 공급부의 상부에 위치하는 배플(baffle)
    을 포함하는 촉매 공급 장치.
  5. 제1항에서,
    상기 촉매 공급부 및 상기 유량 컨트롤 밸브와 연결되며, 상기 촉매 유동층의 상기 파우더 촉매의 농도를 측정하여 상기 유량 컨트롤 밸브를 개폐하는 농도 측정 시스템을 더 포함하는 촉매 공급 장치.
  6. 제1항에서,
    상기 촉매 공급부 내부의 압력은 상기 중합 반응기 내부의 압력 대비 낮으며,
    상기 연결 유로에 연결되어 상기 연결 유로로 불활성 기체를 주입하는 제2 불활성 기체 주입부를 더 포함하는 촉매 공급 장치.
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