KR20210030884A - 염화비닐수지 현탁 중합용 회분식 교반기 및 이를 이용한 회분식 현탁 중합반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기 및 이를 이용한 회분식 현탁 중합반응기에 관한 것이다. 보다 구체적으로는 발열 반응 챔버 내부의 온도를 제어하면서 염화비닐계 중합 반응을 수행하는 회분식 발열 반응기에 관한 것이다.
더욱 구체적으로, 반응기의 제열을 담당하는 자켓(jacket), 배플(baffle), 리플럭스 콘덴서(reflux condenser) 장치 중, 리플럭스 콘덴서(reflux condenser)의 구조를 설계함으로써, 생산성을 향상할 수 있으며, 중합효율을 향상시키고자 하는 발명에 관한 것이다.

Description

염화비닐수지 현탁 중합용 회분식 교반기 및 이를 이용한 회분식 현탁 중합반응기{Agitator for Batch Suspension Polymerization for Production of Vinyl Chloride Resin and Batch Suspension Polymerization Reactor Using the Same}
본 발명은 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기 및 이를 이용한 회분식 현탁 중합반응기에 관한 것이다.
구체적으로는 반응기 내부의 발열 온도를 제어하면서 염화비닐계 중합 반응을 수행하는 회분식 반응기에 관한 것이다.
더욱 구체적으로, 반응기의 제열을 담당하는 자켓(jacket), 배플(baffle), 리플럭스 콘덴서(reflux condenser) 장치 중, 리플럭스 콘덴서(reflux condenser)의 구조를 설계함으로써, 생산성을 향상시킬 수 있으며, 중합효율을 향상시키고자 하는 발명에 관한 것이다.
염화비닐계 중합체는 현탁중합에 의한 배치반응으로 제조되는데, 염화비닐계 중합체의 생산성을 향상시키기 위해, 중합 반응기를 대형화하거나 또는 중합온도를 높여 중합 시간을 짧게 하는 방법을 주로 채택하고 하고 있다.
그러나 중합 반응기를 대형화하는 경우 내부 농도 및 온도의 불균일이 발생하고, 중합온도는 높여 시간을 단축하면 반응열에 의해 발생하는 열을 잘 제거할 수 없어서 불량이 발생하는 등의 어느 방법을 채택하든지 열을 원할히 제거하기 어려운 문제가 있다. 상기의 문제를 해결하기 위하여 반응기에 리플럭스 콘덴서(reflux condenser)를 이용하여 제열함으로써 생산성 향상을 시도하고 있는데, 역시 반응기의 크기를 크게 함으로써 리플럭스 콘덴서의 크기를 증가하여야 하고, 반응온도를 올리는 경우도 상기 장치의 대형화를 해야하므로, 한계를 가질 수 밖에 없으며, 더구나 리플럭스 콘덴서를 사용시 콘덴서나 반응기 내부의 스케일의 발생문제 또한 심각해 질 수 밖에 없다.
상기와 같은 스케일의 발생을 방지하기 위하여 일본특허공개공보 제1991-212409호(1991.09.18) 등에는 스케일의 발생을 억제하기 위하여 반응기 상부에 소포제를 뿌리는 방법 등으로 스케일을 억제하고 있지만, 이물의 첨가에 해당하고, 제조되는 수지의 물성에 영향을 미치는 등의 문제가 있어서 이 또한 동일한 반응기에서 균일한 물성을 가지면서 생산성을 증가시키기에는 한계가 있다.
일본특허공개공보 제1991-212409호(1991.09.18)
본 발명은 종래의 회분식 현탁중합에 의한 염화비닐계 중합체 생산 시, 동일 반응기에서 생산량을 증가시킬 경우, 예를 들면 좋게는 생산량을 30 %이상 증가시키더라도 반응기의 반응열에 의해 증가하는 최대발열량을 별도의 리플럭스 콘덴서(reflux condenser, RC) 의 크기를 그대로 하면서, 제열능력을 증가시킬 수 있고 또한 스케일의 발생을 최소화하는 새로운 형태의 교반기를 가지는 반응기를 제공하고자 하는 것이다.
구체적으로는 리플럭스 콘덴서의 크기를 변경하지 않고도 단순히 일부 교반기의 형태를 변경시키고 또한 교반기의 위치를 특정함으로써, 생산성 향상, 열 제거능력 향상 및 스케일이 발생하지 않는 회분식 반응기를 제공하고자 하는 것이다.
본 발명은 종래의 기술과 달리, 동일한 반응기를 이용하여 생산량을 증가시킬 경우, 리플럭스 콘덴서의 제열용량의 열세를 해결함으로써, 제열용량의 열세로 인하여 발생하는 반응기 내부의 농도 및 온도의 불균일성을 해소할 수 있는 새로운 교반기 및 이를 포함하는 반응시스템을 제공하고자 한다.
또한 반응기 액상의 상부면에 발생하는 거품, 즉 폼(foam)을 방지하여 스케일이 발생하지 않도록 하면서 또한 이러한 발포에 의한 피쉬아이의 발생을 현저히 개선한 새로운 교반기 및 이를 포함하는 반응시스템을 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 동일한 반응기에서 생산량을 30 %이상 증가시킬 수 있는 새로운 교반기를 가지는 반응시스템을 제공하는 것이며, 그러한 반응시스템을 가능하게 하는 교반기를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 동일 반응기에서 생산량을 30 %이상 증가시킬 경우라도, 반응열의 제어가 가능하고, 균질한 입자를 얻을 수 있는 교반기를 채택한 중합반응기를 제공하고자 한다.
또한 본 발명은 현탁 중합에 의한 염화비닐계 중합체의 제조방법에 있어서, 동일한 반응에서 단량체의 농도를 높여 생산성을 증가할 경우, 리플럭스 콘덴서의 제열량이 급격히 증가로 인하여, 반응기 내부의 온도와 농도의 불균일성이 높아져 품질불량, 피쉬아이 증가 등의 문제점을 해결하는 염화비닐수지 중합용 교반기의 설계에 관한 것이다.
또한 현탁 중합에 의한 염화비닐계 중합체의 제조방법에 있어서, 동일한 반응에서 단량체의 농도를 높여 생산성을 증가할 경우, 가스상인 VCM(비닐클로라이드 단량체)의 선속도가 증가하여 폼(foam)이 반응기의 상부에 발생하여 리플럭스 콘덴서의 상부 스케일이 형성되는 등의 문제점을 해결하는 염화비닐수지(PVC) 중합 교반기의 설계에 관한 것이다.
즉, 본 발명은 동일한 중합기에서 생산량, 예를 들면 30%이상의 생산량을 증대 가능한 새로운 반응기 교반기를 갖는 현탁중합기를 제공하는 것이다.
본 발명은 교반기의 설계에 따른 반응기 효율 분석을 통하여, 상업공장 규모에서 생산량 증대에 따른 리플럭스 콘텐서(RC) 열제거 효율을 증가시킬 수 있는 교반기 및 이를 가지는 중합반응기를 제공하는 것이다.
본 발명은 복수의 단을 가지는 피치트 패틀타입(Pitched Paddle Type)의 교반기로서, 각 단을 구성하는 임펠러의 틸트 각도를 조절하고 또한 반응기내의 유체의 계면과 최상단의 임펠러의 상부의 거리 및 반응기의 직경과의 비를 조절함으로써, 생산량을 증대하고, 그에 따라 반응기의 제열양이 증가하더라도 반응기 내부의 온도와 농도의 불균일도를 해소하고, 제조되는 중합체의 입도를 균일하게 하며, 또한 반응기 내부 또는 리플럭스 콘덴서 상부의 스케일을 방지할 수 있는 새로운 중합반응기에 관한 것이다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 양태는 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁중합반응기로서, 상기 중합반응기는 2단 이상의 임펠러를 가지는 패들타입 교반기를 가지며, 상기 교반기는 최상단 임펠러의 블레이드의 각도(pitched angle)가 교반기 축에 대하여 5~20°로 형성되고, 최상단 임펠러를 제외한 하단 임펠러의 블레이드의 각도는 교반기 축에 대하여 0°로 수직방향으로 형성되고, 상기 교반기의 최상단 임펠러는 반응기 내 액상 계면 하부에 배치되어, 그 위치는 최상단 임펠러의 블레이드 상부와 반응기 내의 액상 계면과의 거리(t)가 반응기 직경(D)에 대하여 t/D가 0.22~0.3인 관계를 만족할 수 있는 위치에서 중합가능한 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합반응기에 관한 것이다.
즉, 교반기의 축에 대하여 2단 이상의 피치트패들타입 임팰러를 가지는 교반기에서 최상단 임펠러를 제외한 나머지 단부의 임펠러를 구성하는 블레이드(통상 3개의 블레이드를 가질 수 있다)의 각도를 0으로 할 때, 상기 최상단 임펠러를 구성하는 블레이드의 각도가 5~20°의 각도로 틸팅하여 형성시킨 것이다.
이때 상기 블레이드의 각도는 도 3에 도시된 바와 같이 교반기의 수직방향에 대하여 기울여지도록 형성된 각도를 의미한다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 중합반응기는 리플럭스 콘덴서를 구비하는 것이다.
일 예로 상기에서 상기 블레이드의 각도가 20°라는 의미는, 교반기축에 형성되는 패들타입의 블래이드가 수직에 대하여 20° 경사지게 형성되어 있다는 의미이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 중합반응기는 최상단의 임펠러를 형성하는 예를들면 3개의 블레이드가 교반기 축에 대하여 5~20°로 틸트되어 형성되고 나머지 단을 형성하는 임펠러의 블레이드는 교반기 축에 대하여 수직방향으로 형성되는 본 발명의 경우, 상기 블레이드가 교반기 축에 대하여 수직으로 형성된 것에 비하여 리플럭스 콘덴서의 상대 제열량비가 2배 이상의 효율을 가지는 것일 수 있다.
즉, 도 1과 같이 종래 폴리염화비닐수지의 배치형 현탁중합의 경우, 패들타입 교반기의 모든 블레이드들의 각도가 교반기의 축에 대하여 수직으로 동일한 각도로 형성된 것에 비하여, 도 2와 같이 본 발명은 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 교반기의 수직방향에 대하여 5~20° 기울여지도록 형성되도록 하면서, 동시에 상기 최상단 임펠러의 상부와 반응기 내의 액상 계면과의 거리(t)가 반응기 직경(D)에 대하여 특정한 비율로 형성되도록 함으로써, 리플럭스 콘덴서의 상대 제열량비가 2배 이상, 구체적으로 2배 내지 10배의 효율을 가지도록 할 수 있으며, 생산량을 30 % 이상 증가시키는 경우에도 반응기 상부에 폼이 형성되는 것을 방지할 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 교반기의 상기 최상부 블레이드의 각도가 5~20° 일 수 있고, 또한 5~15°인 것일 수도 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합 방법으로서, 2단 이상의 Pitched Paddle Type Agitator(이하, 피치트 패들 타입 교반기 또는 패들 타입 교반기라고 표현한다)를 가지며, 상기 교반기는 최상단 임펠러의 블레이드의 각도(pitched angle)가 5~20°로 틸트되어 형성되고, 상기 교반기의 최상부 블레이드와 반응기 내의 액상 계면과의 거리(t)가 반응기 직경(D)에 대하여 t/D가 0.22~0.3인 중합반응기에 반응 단량체를 투입하여 중합하는 단계를 포함하는 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합기 및 이의 중합방법이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 중합반응기는 리플럭스 콘덴서에서 제열하여 반응기로 순환하도록 하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 15~20°인 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 5~15°인 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태는 자켓, 배플, 리플럭스콘덴서를 구비한 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁중합에 사용하는 교반기로서, 상기 교반기는 2단 이상의 패들타입의 임펠러를 가지는 패들 타입 교반기로서, 상기 교반기는 최상단 임펠러의 블레이드의 각도(pitched angle)가 5~20°이고, 상기 최상단의 임펠러를 제외한 나머지 하단부의 임펠러의 블레이드들의 각도가 0°(즉, 축에 대하여 수직방향)인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기에 관한 것이다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드 각도가 15~20°인 것일 수 있다.
본 발명의 일 양태에서, 상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드 각도가 5~15°인 것일 수 있다.
또한 본 발명은 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁중합에 사용하는 교반기로서, 상기 교반기는 2단 이상의 임펠러를 가지는 패들타입 교반기이며, 상기 교반기는 최상단 임펠러의 블레이드 각도(pitched angle)가 교반기 축에 대하여 5~20°틸팅되고, 최상단 임펠러를 제외한 하단 임펠러의 블레이드들의 각도가 교반기 축에 대하여 0°인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기일 수 있다.
상기 교반기의 상기 최상단 임펠러 블레이드의 각도가 15~20°인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기일 수 있다.
상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 5~15°인 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기일 수 있다.
본 발명은 동일한 반응기를 이용하여 생산량을 증가시킬 경우, 리플럭스 콘덴서의 제열용량의 열세를 해결함으로써, 제열용량의 열세로 인하여 발생하는 반응기 내부의 농도 및 온도의 불균일성을 해소하고, 또한 반응기 액상의 상부면에 발생하는 폼을 방지하여 스케일이 발생하지 않도록 하면서 또한 이러한 발포에 의한 피쉬아이의 발생을 현저히 개선한 새로운 교반기 및 이를 포함하는 회분식 현탁 중합반응기를 제공할 수 있다.
또한 본 발명은 동일한 반응기에서 생산성을 30%이상 증가시킬 수 있는 새로운 교반기를 가지는 반응시스템을 제공하는 것이며, 그러한 반응시스템을 가능하게 하는 교반기를 제공할 수 있으며 이로부터 반응열의 제어 및 균질한 입자를 얻을 수 있는 특정한 형태와 반응기와의 규격이 특정한 값을 갖는 교반기를 채택한 중합시스템을 제공할 수 있다.
본 발명은 동일한 중합기에서 생산량, 예를 들면 30%이상의 생산량을 증대 가능한 새로운 반응기 교반기를 갖는 회분식 현탁 중합반응기를 제공하는 것이다.
따라서 본 발명은 복수의 단을 가지는 패들타입 교반기로서, 각 단의 틸트각도를 변경하고, 또한 반응기내의 유체의 계면과 상기 패틀타입교반기의 최상단 임펠러의 상부가 유체내에 잠기는 거리(t) 및 반응기의 직경(D)과의 비를 조절함으로써 본 발명을 완성하였다.
따라서 상기 본 발명에 의해서 동일한 반응기 및 동일한 리플럭스 컨덴서를 사용함에도 생산량을 증대하고, 그에 따른 반응기의 제열량을 증가시켜 반응기 내부의 온도와 농도의 불균일도를 해소하고, 제조되는 중합체의 입도를 균일하게 하며, 또한 반응기 내부 또는 리플럭스 콘덴서 상부의 스케일을 방지할 수 있는 새로운 회분식 현탁 중합반응기에 관한 것이다.
도 1은 종래 반응기의 교반기를 나타낸다. (t/D=0.35, 모든 임펠러의 블레이드 각도는 모두 0°)
도 2는 본 발명의 교반기의 일 양태를 나타낸다. (t/D=0.22, 최상단 임펠러의 블레이드 각도는 교반기 축방향에 대하여 15°틸트 되고, 나머지 하단부의 임펠러의 블레이드 각도는 0°)
도 3은 상이한 틸트 각도를 가지는 최상단 패들타입 임펠러의 일 양태를 도시한 것이다.
이하 첨부된 도면들을 포함한 구체예 또는 실시예를 통해 본 발명을 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 구체예 또는 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않는 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다.
본 발명에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 구체예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다.
또한 명세서 및 첨부된 특허청구범위에서 사용되는 단수 형태는 문맥에서 특별한 지시가 없는 한 복수 형태도 포함하는 것으로 의도할 수 있다.
또한 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.
상기 과제를 해결하기 위하여 많은 연구를 한 결과, 본 발명자들은 2단 이상의 임펠러를 가지는 피치드패들타입 교반기로서, 최상단 임펠러를 구성하는 블레이드의 각도(pitched angle)가 5~20°로 틸팅하여 형성하고, 나머지 하단의 임펠러의 블레이드는 교반기 축에 대하여 수직(0°)으로 형성되며, 상기 최상단 임펠러의 블레이드 상부와 반응기 내의 액상 계면과의 거리가 반응기 직경의 0.22~0.3로 액상계면 내부로 배치함으로써 상기 문제를 해결하였다.
즉, 본 발명은 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁중합반응기로서, 상기 중합반응기는 2단 이상의 임펠러를 가지는 패들타입 교반기를 가지며, 상기 교반기는 최상단 임펠러를 형성하는 통상 3개의 블레이드가 교반기 축에 대하여 각도(pitched angle)가 5~20°로 틸팅되어 형성되고, 동시에 상기 교반기의 최상단 임펠러의 블레이드 상부가 반응기 내의 액상 계면 하부에 배치하되, 배치 위치는 최상단 임펠러의 블레이드 상부와 액상 계면과의 거리(t)가 반응기 직경(D)에 대하여 t/D가 0.22~0.3인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합반응기를 제공하는 경우 상기 문제를 해결할 수 있다.
본 발명에서 상기 중합반응기는 리플럭스 콘덴서를 더 구비하는 것인 염화비닐제조용 회분식 현탁 중합반응기일 수 있다.
본 발명에서 상기 교반기의 상기 최상부 임펠러 블레이드의 각도가 15~20°이고, t/D가 0.22~0.30인 것인 염화비닐제조용 회분식 현탁 중합반응기일 수 있다.
본 발명의 상기 중합반응기는 최상부의 블레이드의 각도가 0°일 때에 비하여 리플럭스 콘덴서의 상대 제열량비가 2배 이상의 효율을 가지는 것인 염화비닐제조용 회분식 현탁 중합반응기일 수 있다.
상기 중합반응기는 리플럭스 콘덴서에서 제열하여 반응기로 순환하도록 하는 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합방법일 수 있다.
본 발명에서 상기 교반기의 상기 최상단 임펠러를 형성하는 블레이드의 각도가 15~20°이고 나머지 하단의 임펠러를 형성하는 블레이드 각도는 교반축과 수직인 0°로 교반기 축에 형성되고 , 상기에서 정의한 t/D가 0.22~0.30인 조건을 동시에 만족하는 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합 반응기 및 이를 이용한 중합방법일 수 있다.
또한 본 발명자들은 상기 규격의 교반기를 채택한 회분식 반응기를 사용함으로써, 30 %이상의 생산성의 향상을 가져올 수 있었으며, 반응기 내부의 온도편차, 농도편차를 최소화하여 균일한 현탁입자를 가지는 중합체를 제조할 수 있었다.
또한 상기 교반기를 변경하여 채택함으로써, 종래 교반기에 비하여 리플러스 콘덴서의 제열 효과를 향상시킬 수 있었으며, 중합반응기 내부의 이상온도 및 이상 농도의 분율을 최소화하였다.
또한 본 발명은 상기 교반기를 가지며, 반응물을 담는 회분식 반응기 본체와, 상기 본체 상부에 형성된 리플럭스 콘덴서 및 상기 교반기를 구동하는 구동 모터를 포함한다.
또한, 본 발명의 회분식 반응기는 반응물의 온도를 제어하기 위한 구성으로서 반응기 자켓과 배플 등을 포함할 수 있다.
또한 본 발명은 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁중합에 사용하는 교반기로서, 상기 교반기는 2단 이상의 임펠러를 가지는 패들타입 교반기이며, 상기 교반기는 최상단 임펠러의 블레이드 각도(pitched angle)가 교반기 축에 대하여 5~20°틸팅되고, 최상단 임펠러를 제외한 하단 임펠러의 블레이드들의 각도가 교반기 축에 대하여 0°인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기일 수 있다.
상기 교반기의 상기 최상단 임펠러 블레이드의 각도가 15~20°인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기일 수 있다.
상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 5~15°인 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기일 수 있다.
이하, 본 발명의 도면을 이용하여 본 발명에 대하여 구체적으로 설명한다.
도 1은 종래 반응기의 교반기로서, 다단 임펠러를 가지는 패들타입교반기로서, 각단의 임펠러의 모든 블레이드 각도는 교반기의 축과 동일하게 수직으로 형성되어 있다.(교반기 축에 대하여 블레이드가 0°로 형성되어 있다)
구체적으로 최상단 임펠러의 블레이드(10)와 하단의 나머지 임펠러의 블레이드(20)들의 각도가 균일하게 축방향으로 수직으로 형성되어 있었다.
또한, 최상부의 블레이드(10)와 반응용액의 계면에서의 거리(t)와 반응기 직경(D)의 비, 즉, t/D가 0.35정도로서, 생산량을 증가하는 경우 균일한 교반이 이루어지지 않고 따라서 반응기의 리플럭스 콘덴서의 제열효과가 충분하지 못하며, 또한 중합용액의 온도편차, 농도편차가 발생하여 균일한 입자의 중합체가 제조되기 어렵다.
또한 중합용액의 계면에서 거품이 다량발생하여 거품이 상부에 동반하게 되면, 반응기 벽면 및 리플럭스 등에 스케일이 발생하는 등의 문제점이 발생하였다.
도 2는 본 발명의 일 양태의 교반기를 도시한 것이다. 도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 일 양태에 따른 패들타입 교반기는 최상단 임펠러의 블레이드(10)의 각도가 하단의 나머지 블레이드(20)들의 각도에 비하여, 수직방향에 대해 5~20° 기울여서 형성된다.
더욱 구체적으로 도 3에서 도시된 임펠러에 형성된 블레이드가 5~20°로 기울여서 형성될 수 있다.(10°와 20°만 도시 하고 있음)
이와 같이, 최상단 임펠러의 블레이드 각도를 5~20°로 하고, 최상단 임펠러의 상부(10) 와 반응용액의 계면에서의 거리(t)와 반응기 직경(D)의 비, 즉, t/D를 0.22~0.30으로 조절하여 최상단 임펠러를 반용용액 내부로 배치함으로써, P/V(power/volume)값이 현저히 저하하고, 이상농도 부피비(%) 및 이상온도 부피비(%)가 또한 현저히 감소한다. 또한 리플럭스 콘덴서에 제열된 단량체가 반응기로 들어왔을 때, 온도나 농도의 편차가 현저히 감소하고, 또한 P/V가 저하됨에도 이상농도 및 이상온도 부피가 종래 교반기(비교예)에 비하여 우수한 효과를 나타내고 있음을 확인하였다.
즉, 본 발명은 최상단 임펠러를 형성하는 블레이드의 각도를 교반기축에 대하여 5~20°로 틸팅하여 형성 하고, 동시에 최상단 임펠러를 반응용액 내에 배치하고, 그 배치 위치는 중합용액의 계면으로부터 최상단 임펠러의 블레이드 상단부까지의 거리(t)가 반응기 직경(D)에 대하여 그 비를 0.22~0.30으로 조절하여 특정함으로써, 리플럭스(reflux) 콘덴서에 의한 제열 효율을 향상시킬 수 있으며, 염화비닐계 중합체 제조 시의 중합 공정 생산성이 향상되고, 또한 스케일의 부착을 방지할 수 있고 얻어진 염화비닐계 중합체의 피쉬아이가 개선된다.
이는 종래의 생산성향상을 좋게는 30%이상 동일 반응기를 이용하여 증가시키는 것이 거의 불가능하였지만, 본 발명에서는 교반기의 설계를 변경함으로써, 동일한 리플럭스 콘덴서를 이용하고 동일한 사이즈의 중합반응기를 사용함에도 30%이상의 생산성을 향상할 수 있음을 알게 되어 본 발명을 완성하였다.
하기 표 1은 본 발명에 따르는 최상부 블레이드의 각도를 5~20°로 변경하였을 경우의 P/V ratio의 변화, 이상농도를 갖는 부피비(%), 이상온도를 가지는 반응용액의 부피 비(%) 및 리플러스 콘덴서의 제열 효율을 나타낸 것이다
하기 표 1은 교반기블레이드 각도에 따른 단위부피당 동력비 및 농도/온도비균일도, RC제열량비를 나타낸 것이며, 이들의 측정 방법은 다음과 같이 측정하였다.
1) 이상농도 부피비 측정 방법
FLUENT, ANSYS社 소프트웨어를 사용하여 측정하였다.
반응기내 유체의 평균 농도 측정,　반응기 내 유체의 농도 구배를 예측하고 그 중 앞서 측정한 평균 농도 대비 약　2%　이상의 농도 구배를 나타내는 해당 부피비를 측정 하여 반응기 전체 부피로 나누어서 측정하였다.
2) 이상온도 부피비 측정 방법
FLUENT, ANSYS社 소프트웨어를 사용하여 측정하였다.
반응기내 유체의 평균 온도 측정,　반응기 내 유체의 온도 구배를 구간별로 예측(예를 들어, 1 ℃ 이상의 구배, 0.5 ℃ 이상의 구배, 0.2 ℃ 이상의 구배)　하고 그 중 앞서 측정한 평균 온도 대비 약　 0.5 ℃ 이상의 온도 구배를 나타내는 해당 부피비를 측정 하여 반응기 전체 부피로 나누어 측정하였다.
3)　　　RC(reflux condenser)　제열량 측정 방법
반응기 전체 발열량으로부터 제열을 담당하는 구성 요소인　Reflux condenser와　cooling baffle이 담당하는 열량비를 계산하여 산출하였다.
4)　　　P/V ratio　측정 방법
P = 2πτn (τ:토크, 예측값[Nm], n:rps,1/s), P의 단위는 Nm/s = Watt
V =반응유체가 차지하는　volume(m3)
토크는 각 단의 임펠러에 걸리는 값을 측정하게 되며,　그 합을 유체의 전체 부피로 나누어 계산하였다.
최상부
블레이드
각도(°)		 P/V ratio 이상농도
부피비(%)		 이상온도
부피비(%)		 RC 제열량비
실시예1 5 98 0.633 16.709 1
실시예2 10 97 0.631 15.912 1
실시예3 15 94 0.620 15.866 1
실시예4 20 93 0.305 16.087 1
비교예1 0 100 0.637 16.846 0.4
비교예2 25 95 0.701 17.323 0.6
(이상농도 부피비 : 반응기 내부의 평균단량체 농도 대비 2% 이상의 농도차를 가지는 단량체의 부피비,이상온도 부피비: 반응기 평균온도 대비 0.5 ℃이상 낮거나 높은 온도의 차이를 가지는 단량체 부피비)
상기 표 1에서 보듯이 교반기의 최상부의 블레이드의 각도를 5~20°로 증가하는 경우, P/V Ratio의 값이 98에서 93으로 상대적으로 감소하였으며, 비교예 1과 같이 블레이드 각도가 0°(수직으로 서 있는 경우)의 100에 비하여 교반효율이 6~7% 상승하는 우수한 특성을 나타낸다, 또한 반응기 내부에 리플럭스 콘덴서에서 응축된 단량체가 승온된 상태의 반응기로 들어올 때, 일정 시점에서 이상농도 부피분율 및 이상온도 부피비가 비교예 1 및 비교예 2에 비하여 감소하고 있어서 본 발명의 교반기를 이용하는 경우 반응기 내부의 이상 농도나 이상온도의 변화율에서 현저한 감소를 보이고, 또한 교반력에서도 우수한 특성을 보임을 나타낸다. 또한 제열 효과에서는 비교예 1에 비하여 본 발명의 제열효과는 2 배 이상의 효율을 가져 현저한 제열효과를 제공할 수 있음을 알 수 있다.
본 발명에서는 P/V비와 이상농도 부피비를 고려할 때, 15~20°의 각도가 더 선호될 수 있고, 별도로 기재하고 있지 않지만, 계면에서 폼 발생을 고려할 때, 5~15°, 더욱 바람직하게는 5~10°의 각도를 더 선호할 수 있다.
또한 도 3에서는 최상단의 블레이드의 각도를 5~20° 변경한 패들타입 교반기를 예로서 보여주고 있다.
하기 표 2는 본 발명의 상기 블레이드의 각도가 10°일 때의 계면과 최상단의 임펠러의 상부 블레이드 위치와의 거리(t) 및 반응기의 직경(D)의 비가 0.22~0.3일 때의 P/V ratio, 이상농도 부피비, 및 이상온도 부피비를 계산하여 수록한 것이다.
하기 표 2는 t/D에 따른 단위부피당 동력비 및 농도/온도 비균일도, RC제열량비를 나타낸 것이다.

 t/D P/V ratio 이상농도
부피비(%)		 이상온도
부피비(%)		 RC 제열량비
실시예 5 0.26 93 0.567 15.580 1
실시예 6 0.30 99 0.686 16.093 1
실시예 7 0.22 93 0.548 15.199 1
비교예 3 0.34 104 0.703 17.446 0.4
상기 표 2에서 보듯이 본 발명의 t/D의 값을 0.22~0.3으로 변경하여 중합하는 경우, P/V Ratio에 있어서도 교반력이 더 우수하게 나타났으며, 이상농도 및 이상온도의 발생 또한 비교예 3에 비하여 현저히 감소함을 나타내었다.본 발명에 이용되는 중합 반응기로서는 리플럭스(reflux) 콘덴서를 부설한 중합 반응기이며 중합 반응조로서는 내용적 10 m3 이상, 특히 100 m3 이상의 내용적을 가지는 회분식 반응기 일 수 있다.
또한 본 발명에서는 중합 반응기가 배플을 구비한 것이라도 좋으며, 또한 가열 냉각용 재킷을 구비하는 것도 가능하며 가열 냉각용 재킷으로서는 예를 들면 외부 재킷, 내부 재킷 등을 사용할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (12)

  1. 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁중합반응기로서, 상기 중합반응기는 2단 이상의 임펠러를 가지는 패들타입 교반기를 가지며, 상기 교반기는 최상단 임펠러의 블레이드의 각도(pitched angle)가 교반기 축에 대하여 5~20°로 형성되고, 최상단 임펠러를 제외한 하단 임펠러의 블레이드의 각도는 교반기 축에 대하여 0°로 수직방향으로 형성되고, 상기 교반기의 최상단 임펠러는 반응기 내 액상 계면 하부에 배치되어, 그 위치는 최상단 임펠러의 블레이드 상부와 반응기 내의 액상 계면과의 거리(t)가 반응기 직경(D)에 대하여 t/D가 0.22~0.3인 관계를 만족할 수 있는 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합반응기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 중합반응기는 리플럭스 콘덴서를 더 구비하는 것인 염화비닐제조용 회분식 현탁 중합반응기.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 15~20°인 염화비닐제조용 회분식 현탁 중합반응기.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 중합반응기는 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 0°일 때에 비하여 리플럭스 콘덴서의 상대 제열량비가 2배 이상의 효율을 가지는 것인 염화비닐제조용 회분식 현탁 중합반응기.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 5~15°인 염화비닐제조용 회분식 현탁 중합반응기.
  6. 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁중합반응기로서, 상기 중합반응기는 2단 이상의 임펠러를 가지는 패들타입 교반기를 가지며, 상기 교반기는 최상단 임펠러의 블레이드의 각도(pitched angle)가 교반기 축에 대하여 5~20°로 형성되고, 최상단 임펠러를 제외한 하단 임펠러의 블레이드의 각도는 교반기 축에 대하여 0°로 수직방향으로 형성되고, 상기 교반기의 최상단 임펠러는 반응기 내 액상 계면 하부에 배치되고, 그 위치는 최상단 임펠러의 블레이드 상부와 반응기 내의 액상 계면과의 거리(t)가 반응기 직경(D)에 대하여 t/D가 0.22~0.3인 관계를 만족하도록 단량체를 투입하여 반응하는 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 중합반응기는 리플럭스 콘덴서에서 제열하여 반응기로 순환하도록 하는 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합방법.
  8. 제 6항에 있어서,
    상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 15~20°인 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합방법.
  9. 제 6항에 있어서,
    상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 5~15°인 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합방법.
  10. 자켓, 배플, 리플럭스콘덴서를 구비한 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁중합에 사용하는 교반기로서, 상기 교반기는 2단 이상의 임펠러를 가지는 패들타입 교반기이며, 상기 교반기는 최상단 임펠러의 블레이드 각도(pitched angle)가 교반기 축에 대하여 5~20°틸팅되고, 최상단 임펠러를 제외한 하단 임펠러의 블레이드들의 각도가 교반기 축에 대하여 0°인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 교반기의 상기 최상단 임펠러 블레이드의 각도가 15~20°인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 교반기의 상기 최상단 임펠러의 블레이드의 각도가 5~15°인 것인 염화비닐수지 제조용 회분식 현탁 중합용 교반기.
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