KR20210041902A - 우회 흐름이 저감된 연속식 중합반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 일 실시예는 중합반응기 본체부; 상기 본체부의 상부 또는 하부에 설치된 유입부; 상기 본체부의 하부 또는 상부에 설치된 유출부; 상기 본체부 내부에 설치된 회전축; 상기 회전축상에 이격하여 형성된 복수의 임펠러; 및 상기 임펠러의 수평 날개에 연결된 하나 이상의 수직 날개;를 포함하는, 중합반응기를 제공한다.

Description

우회 흐름이 저감된 연속식 중합반응기{A CONTINUOUS POLYMERIZATION REACTOR WITH REDUCED BYPASS FLOW}
본 발명은 연속식 중합반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 우회 흐름을 저감하여 고점성 고분자 중합체 생산에 적합한 연속식 중합반응기에 관한 것이다.
고점도 중합체를 제조하기 위한 중합반응기에 있어서, 중합반응의 생산성을 향상시키기 위해서는 우회 흐름(bypass flow)을 감소시켜 중합반응기 내부에 존재하는 반응물의 흐름을 균일하게 분포하도록 하는 것과 중합반응기 내벽에 발생하는 파울링(fouling)을 방지하는 것이 중요하다. 특히, 부타디엔 고무(Butadiene Rubber, BR), 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무(Solution Styrene Butadiene Rubber, SSBR)와 같이 음이온 중합반응을 통하여 고점도 중합체를 생성하는 경우, 우회 흐름이 발생하면 새로 유입되는 반응성 단량체가 중합기 내부에서 생성되는 중합체와 연속적으로 결합하지 못하여 유출될 수 있다. 이러한 신규 중합체의 유출이 증가할수록 저분자량 생성물의 비율이 증가하고, 분자량 분포가 넓은 저품질의 제품이 제조된다.
점도 중합체를 제조하기 위한 중합반응기에 있어서 우회 흐름을 저감하고 중합반응기 내부에 존재하는 반응물의 흐름을 균일화하며 파울링을 방지하는 중합반응기를 제조하기 위하여 다양한 시도가 이루어졌다.
예를 들어, 대한민국 등록 특허 제10-0837422호는 "중합체 제조 장치 및 그를 이용한 중합체 제조 방법"을 명칭으로 하는 중합반응기에 관한 발명을 개시하고 있다. 이러한 중합반응기는 내부 날개와 외부 날개를 갖는 임펠러를 도입함으로써 파울링을 방지할 수 있다.
예를 들어, 대한민국 공개특허 제 10-2015-0097128호는 "폴리케톤 중합 반응기"를 명칭으로 하는 중합반응기에 관한 발명을 개시하고 있다. 이러한 중합반응기는 임펠러의 단위 면적을 증가시켜 반응기 내부에 강력한 순환 흐름을 형성함으로써 파울링을 방지하거나 반응 시간을 단축시킬 수 있다.
예를 들어, 미국 특허 제5,254,647호는 "PROCESS FOR PRODUCING STYRENE-BASED POLYMERS"를 명칭으로 하는 중합반응기에 관한 발명을 개시하고 있다. 상기 중합반응기는 나선형 리본 타입(helical ribbon type) 임펠러를 구비한다. 이러한 반응기는 나선형 리본 타입 임펠러의 회전으로 상하 유동을 조성함으로써 고점도 반응물에 대한 혼합 성능이 우수한 이점이 있다.
그러나, 전술한 기술들은 연속식 중합반응에 적용되기 어렵다. 상기 중합반응기는 그 내부에 상하 순환 흐름을 발생시키기 때문에 신규 반응물의 유입과 생성물의 유출이 동시에 진행되는 연속식 중합반응에서는 생성물의 수율을 감소시키거나 제품의 품질을 저하시킬 수 있다. 특히, 미국 특허 제5,254,647호에 개시된 발명의 중합반응기는 나선형 리본 타입 임펠러의 날개 근처에 한하여 상하 유동이 발생함에 따라 우회 흐름이 강화된다는 문제가 있다.
본 발명은 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 목적은 우회 흐름을 저감하여 고점도 중합체의 제조에 적합한 연속식 중합반응기를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 반응기 내부에 균일한 유동을 형성함으로써 미반응 단량체를 저감할 수 있고, 생성물 중 저분자량 중합체의 비율을 제고함으로써 분자량이 균일하게 분포하는 중합체를 제조할 수 있는 연속식 중합반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면은 중합반응기 본체부; 상기 본체부의 상부 또는 하부에 설치된 유입부; 상기 본체부의 하부 또는 상부에 설치된 유출부; 상기 본체부 내부에 설치된 회전축; 상기 회전축상에 이격하여 형성된 복수의 임펠러; 및 상기 임펠러의 수평 날개에 연결된 하나 이상의 수직 날개;를 포함하는, 중합반응기를 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 복수의 임펠러 사이의 간격은 상기 중합반응기의 직경에 대하여 0.1~1.8일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 임펠러의 직경은 상기 중합반응기의 직경에 대하여 0.5~0.9일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수평 날개는 일정한 각거리로 이격되어 방사상으로 형성될 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수평 날개의 폭은 상기 중합반응기의 직경에 대하여 0.1~0.2일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수평 날개의 형태는 패들(paddle), 피치드 패들(pitched paddle), 러쉬톤 터빈(rushton turbine), 프로펠러(propeller), 하이드로포일(hydrofoil) 및 파우들러(pfaudler)로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수직 날개의 개수는 상기 수평 날개의 개수와 같거나 상기 수평 날개의 개수보다 적을 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수직 날개의 길이는 상기 중합반응기의 직경에 대하여 2~2.5일 수 있다.
일 실시예에 있어서, 상기 수직 날개의 폭은 상기 중합반응기의 직경에 대하여 0.05~0.15일 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면은 상기 중합반응기를 이용하여 고분자 중합체를 제조하는 방법을 제공한다.
일 실시예에 있어서, 상기 고분자 중합체의 무니 점도는 50~80일 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 우회 흐름을 저감하여 고점도 중합체의 제조에 적합한 연속식 중합반응기를 구현할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 측면에 따르면, 반응기 내부에 균일한 유동을 형성함으로써 미반응 단량체를 저감할 수 있고, 생성물 중 저분자량 중합체의 비율을 제고함으로써 분자량이 균일하게 분포하는 중합체를 제조할 수 있는 연속식 중합반응기를 구현할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 상세한 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의한 중합반응기의 단면도를 도시한 것이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 중합반응기 임펠러의 정면도를 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 중합반응기 임펠러의 측면도를 도시한 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실험예에 의한 중합반응기 내부의 유체 흐름을 도시한 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실험예에 의한 중합반응기 내부 유체의 체류시간 분포를 도시한 것이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 의한 중합반응기 임펠러의 평면도를 도시한 것이다.
도 7은 본 발명의 일 실험예에 의한 고분자 중합체의 겔 투과 크로마토그래피(Gel Permeation Chromatography, GPC) 측정 결과이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 수치적 값의 범위가 기재되었을 때, 이의 구체적인 범위가 달리 기술되지 않는 한 그 값은 유효 숫자에 대한 화학에서의 표준규칙에 따라 제공된 유효 숫자의 정밀도를 갖는다. 예를 들어, 10은 5.0 내지 14.9의 범위를 포함하며, 숫자 10.0은 9.50 내지 10.49의 범위를 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어, "다분산성 지수(Polydispersity Index, PDI)"는 중량평균 분자량을 수평균 분자량으로 나눈 값을 의미한다. 고분자 중합체의 다분산성 지수가 크다는 것은 분자량 분포가 크다는 것을 의미할 수 있으며, 다분산성 지수가 큰 고분자 중합체를 적용하여 제품을 제조하는 경우 고분자 중합체의 가공성이 떨어질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
중합반응기
도 1은 본 발명에 따른 중합반응기(1000)의 개략적인 구조를 도시한 것이다.
본 발명의 일 측면에 따른 중합반응기(1000)는, 중합반응기 본체부(100); 상기 본체부(100)의 상부 또는 하부에 설치된 유입부(110); 상기 본체부(100)의 하부 또는 상부에 설치된 유출부(120); 상기 본체부(100) 내부에 설치된 회전축(200); 상기 회전축(200)상에 이격하여 형성된 복수의 임펠러(300); 및 상기 임펠러(300)의 수평 날개(310)에 연결된 하나 이상의 수직 날개(400);를 포함할 수 있다.
상기 중합반응기(1000)는 중합반응기 본체부(100); 상기 본체부(100)의 상부 또는 하부에 설치된 유입부(110); 상기 본체부(100)의 하부 또는 상부에 설치된 유출부(120);를 포함할 수 있다. 상기 유입부(110)는 원료 물질이 연속적으로 유입되는 영역을 의미하며, 상기 유출부(120)는 생성물이 연속적으로 유출되는 영역을 의미한다. 상기 유입부(110)에서 유입된 원료 물질은 중합반응기(1000) 내부에서 중합반응을 거친 뒤 상기 유출부(120)를 통하여 유출될 수 있다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 유입부(110)가 상기 본체부(100)의 상부에 설치되고 상기 유출부(120)가 상기 본체부(100)의 하부에 설치될 수 있다. 또는 상기 유입부(110)가 상기 본체부(100)의 하부에 설치되고 상기 유출부(120)가 상기 본체부(100)의 상부에 설치될 수 있다. 이러한 유입부(110) 또는 유출부(120)의 위치는 중력을 이용하여 유체의 흐름을 가속 또는 감속시키거나 유입되는 유체의 유동성을 이용하는 등 공정을 최적화하기 위하여 조절될 수 있다.
상기 중합반응기(1000)는 상기 본체부(100) 내부에 설치된 회전축(200);을 포함할 수 있다. 상기 회전축(200)은 구동부와 연결되어 회전력을 제공하는 영역을 의미한다. 이러한 회전축(200)은 그 시작부(210)가 중합반응기(1000)의 상부 또는 하부에 위치하거나, 상부 및 하부 모두에 연결될 수 있다. 상기 회전축(200)은 임펠러(300)와 결합하고 구동부로부터 임펠러(300)에 회전력을 전달함으로써 중합반응기(1000) 내에서 반응물을 혼합할 수 있다.
상기 중합반응기(1000)는 상기 회전축(200)상에 이격하여 형성된 복수의 임펠러(300);를 포함할 수 있다. 이러한 임펠러(300)는 반응물에 회전력을 부여하여 유동을 일으킬 수 있다.
상기 복수의 임펠러(300)는 그 용도에 따라 2~8단으로 구성될 수 있다. 이 때 상기 복수의 임펠러(300)는 2단 이상, 3단 이상, 또는 4단 이상이고, 8단 이하, 7단 이하, 또는 6단 이하일 수 있다. 상기 임펠러(300)의 단수가 8단을 초과하면, 상기 임펠러(300)에 연결된 회전축(200)에 과도한 부하가 작용하여 중합반응기(1000)에 하자가 발생할 수 있다.
상기 복수의 임펠러(300) 사이의 간격은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.1~1.8일 수 있다. 이 때 상기 임펠러(300) 사이의 간격은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.1 이상, 0.3 이상, 0.5 이상, 또는 0.7 이상이고, 1.8 이하, 1.6 이하, 1.4 이하, 또는 1.2 이하일 수 있다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 임펠러(300)는 상기 회전축(200)상에 이격하여 형성된 제1 내지 제4 임펠러로 구성될 수 있다. 이 때 상기 제1 임펠러와 상기 제2 임펠러 사이의 간격은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.1~1.8이고, 상기 제2 임펠러와 상기 제3 임펠러 사이의 간격은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.1~1.3이고, 상기 제3 임펠러와 상기 제4 임펠러 사이의 간격은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.3~1일 수 있다. 상기 임펠러 사이 간격이 상기 범위를 벗어나면, 반응물의 상하 순환 흐름이 강화될 수 있고, 나아가 우회 흐름의 양이 증가할 수 있다. 이 때, 상기 제1 내지 제4 임펠러 사이의 간격은 같거나 다르게 조절될 수 있다.
상기 임펠러(300)의 직경은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.5~0.9일 수 있다. 이 때, 상기 임펠러(300)의 직경은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.5 이상, 0.55 이상, 또는 0.6 이상이고, 0.9 이하, 0.85 이하, 또는 0.8 이하일 수 있다. 상기 임펠러(300)의 직경이 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.5 미만이면, 중합반응기(1000) 내측 벽 근처를 통과하는 우회 흐름의 양이 증가할 수 있다. 상기 임펠러(300)의 직경이 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.9 초과이면, 반응물의 체류시간이 과도하게 증가하여 중합반응기(1000)의 생산성이 저하될 수 있다.
상기 임펠러(300)의 수평 날개(310)는 일정한 각거리로 이격되어 방사상으로 형성될 수 있다. 상기 수평 날개(310)는 반응물에 회전력을 부여하여 유동, 특히 반경 방향 유동을 발생시킬 수 있다. 상기 수평 날개(310)가 회전함에 따라 상기 수평 날개(310) 근처에서 반경 방향 흐름의 세기가 강화되고, 나아가 반경 방향으로 순환하는 흐름이 발생할 수 있다. 순환 흐름의 세기는 상기 수평 날개(310)에서 멀어질수록 감소할 수 있으며, 이격된 상기 임펠러(300)의 중간 지점에서는 순환 흐름 간의 충돌로 인하여 간섭 현상이 발생할 수 있다.
이와 같은 간섭 현상은 상기 회전축(200)을 따라 형성된 상기 수평 날개(310)의 위치를 중심으로 하는 복수의 반응 영역으로 반응물을 구획화할 수 있다. 이러한 구획화된 반응 영역이 발생함에 따라 반응물의 체류시간은 상기 회전축(200)과 평행한 방향으로 순차적으로 분포하도록 조절될 수 있으며, 우회 흐름을 저감할 수 있고, 미반응 반응물의 양을 감소시킬 수 있다.
상기 복수의 수평 날개(310)는 상기 회전축(200)을 중심으로 일정한 각거리(angular distance)로 이격하여 방사상으로 형성될 수 있다. 이 때 상기 수평 날개(310) 사이의 각거리는 180°, 120°, 90°, 72°, 60°, 45° 중 하나일 수 있다.
상기 수평 날개(310)의 폭은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.1~0.2일 수 있다. 이 때 상기 수평 날개(310)의 폭은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.1 이상, 0.11 이상, 또는 0.12 이상이고, 0.2 이하, 0.19 이하, 또는 0.18 이하일 수 있다. 상기 수평 날개(310)의 폭이 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.1 미만이면, 반응물의 반경 방향 흐름이 약화될 수 있고, 나아가 우회 흐름의 양이 증가할 수 있다. 상기 수평 날개(310)의 폭이 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.2 초과이면, 회전축(200)에 과도한 부하가 작용하여 중합반응기(1000)에 하자가 발생할 수 있다. 이 때, 상기 수평 날개(310)의 폭은 같거나 다르게 조절될 수 있다.
상기 수평 날개(310)의 형태는 패들(paddle), 피치드 패들(pitched paddle), 러쉬톤 터빈(rushton turbine), 프로펠러(propeller), 하이드로포일(hydrofoil) 및 파우들러(pfaudler)로 이루어진 군에서 선택된 하나일 수 있고, 바람직하게는, 패들일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 중합반응기(1000)는 상기 임펠러(300)의 수평 날개(310)에 연결된 하나 이상의 수직 날개(400);를 포함할 수 있다. 상기 수직 날개(400)는 반응물에 회전력을 부여하여 유동, 특히 반경 방향 유동을 발생시킬 수 있다. 상기 수직날개가 회전함에 따라 상기 수직 날개(400) 근처에서 반경 방향 흐름의 세기가 강화되고, 나아가 반경 방향으로 순환하는 흐름이 발생할 수 있다. 상기 수직 날개(400)는 상기 수평 날개(310)의 말단에 연결될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 수직 날개(400)의 개수는 상기 수평 날개(310)의 개수와 같거나 상기 수평 날개(310)의 개수보다 적을 수 있다.
상기 수직 날개(400)의 길이는 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 2.2~2.8일 수 있다. 이 때 상기 수직 날개(400)의 길이는 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 2.2 이상, 2.3 이상, 또는 2.4 이상이고, 2.8 이하, 2.7 이하, 또는 2.6 이하일 수 있다.
상기 수직 날개(400)의 폭은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.05~0.15일 수 있다. 이 때 상기 수직 날개(400)의 폭은 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.05 이상, 0.07 이상, 또는 0.09 이상이고, 0.15 이하, 0.13 이하, 또는 0.11 이하일 수 있다. 상기 수직 날개(400)의 폭이 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.05 미만이면, 반응물의 반경 방향 흐름이 약화될 수 있고, 나아가 우회 흐름의 양이 증가할 수 있다. 상기 수직 날개(400)의 폭이 상기 중합반응기(1000)의 직경에 대하여 0.15 초과이면, 회전축(200)에 과도한 부하가 작용하여 중합반응기(1000)에 하자가 발생할 수 있다. 이 때, 상기 수직 날개(400)의 폭은 같거나 다르게 조절될 수 있다.
중합반응기를 이용하여 고분자 중합체를 제조하는 방법
본 발명의 다른 일 측면은 상기 중합반응기(1000)를 이용하여 고분자 중합체를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 고분자 중합체의 무니 점도는 50~80일 수 있다. 이 때 상기 고분자 중합체의 무니 점도는 50 이상, 55 이상, 또는 60 이상이고, 80 이하, 75 이하, 또는 70이하일 수 있다. 상기 고분자 중합체의 무니 점도가 80을 초과하면, 회전축(200)에 과도한 부하가 작용하여 중합반응기(1000)에 하자가 발생할 수 있다.
본 발명의 비제한적인 일 예시로, 상기 중합반응기(1000)를 이용하여 무니 점도가 50~80인 부타디엔 고무(Butadiene Rubber, BR) 내지 용액 중합 스티렌-부타디엔 고무(Solution Styrene Butadiene Rubber, SSBR)를 제조하는 방법을 제공할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 관하여 더욱 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이하의 실험 결과는 상기 실시예 중 대표적인 실험 결과만을 기재한 것이며, 실시예 등에 의해 본 발명의 범위와 내용이 축소되거나 제한되어 해석될 수 없다. 아래에서 명시적으로 제시하지 않은 본 발명의 여러 구현예의 각각의 효과는 해당 부분에서 구체적으로 기재하도록 한다.
비교예
10 L의 병렬 연속식 스테인리스 스틸(stainless steel) 중합반응기에 나선형 리본 타입(helical ribbon type) 임펠러를 장착하였다. 1번 중합반응기에 부타디엔을 20 g/min 투입하고, 용매로 시클로핵산(cyclohexane)을 140 g/min 투입하였으며, 극성첨가제로 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran)을 0.028 mg/min 투입하였고, 반응 개시제로 0.02 M의 n-부틸리튬(n-butyllithium) 용액을 3.5 mg/min 투입하여 음이온 중합 반응을 진행하였다. 이 때, 중합반응기의 압력은 2.5 kgf/cm2를 유지하였으며, 중합반응기 내부 온도는 자켓 온도를 조절하여 80℃가 유지되도록 조절하였다. 반응물 및 생성물을 포함한 유체는 1번 중합반응기의 유출부를 통해 유출되어 2번 중합반응기의 유입부로 연속적으로 유입되었으며, 2번 중합반응기의 유출부를 통해 나온 유체에 메탄올을 2 mg/min 투입하여 반응을 정지시킨 뒤, 고점성 고분자 중합체를 수득하였다.
실시예
10 L의 병렬 연속식 스테인리스 스틸(stainless steel) 중합반응기(1000)에 본 발명의 일 실시예에 따른 임펠러를 장착하였다. 1번 중합반응기에 부타디엔을 20 g/min 투입하고, 용매로 시클로핵산(cyclohexane)을 140 g/min 투입하였으며, 극성첨가제로 테트라하이드로퓨란(tetrahydrofuran)을 0.028 mg/min 투입하였고, 반응 개시제로 0.02 M의 n-부틸리튬(n-butyllithium) 용액을 3.5 mg/min 투입하여 음이온 중합 반응을 진행하였다. 이 때, 중합반응기의 압력은 2.5 kgf/cm2를 유지하였으며, 중합반응기 내부 온도는 자켓 온도를 조절하여 80℃가 유지되도록 조절하였다. 반응물 및 생성물을 포함한 유체는 1번 중합반응기의 유출부를 통해 유출되어 2번 중합반응기의 유입부로 연속적으로 유입되었으며, 2번 중합반응기의 유출부를 통해 나온 유체에 메탄올을 2 mg/min 투입하여 반응을 정지시킨 뒤, 고점성 고분자 중합체를 수득하였다.
실험예
본 발명의 비교예 및 실시예에 따라 제조된 고점성 고분자 중합체의 물성을 측정하여 본 발명의 임펠러(300) 및 수직 날개(400)가 중합반응에 미치는 영향을 분석하였다. 이 때 고점성 고분자 중합체의 물성은 겔 투과 크로마토그래피를 이용하여 측정하였다.
도 4를 참고하면, 본 발명의 임펠러(300) 및 수직 날개(400)의 도입에 따른 반응물 유동의 변화를 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 4(a)는 본 발명 비교예의 나선형 리본 타입 임펠러를 적용한 경우 반응물 유동을 나타내며, 도 4(b)는 본 발명의 임펠러(300) 및 수직 날개(400)를 적용한 경우 반응물 유동을 나타낸다.
도 4(a)를 참고하면, 중합반응기(1000) 내측벽과 나선형 리본 타입 임펠러의 날개 주위에서 반응물이 상하로 순환하는 것을 확인할 수 있다.
도 4(b)를 참고하면, 나선형 리본 타입 임펠러를 적용한 경우와 달리 반경 방향으로 순환하는 유동이 발생하는 것을 확인할 수 있다. 아울러 회전축(200)을 따라 존재하는 각 임펠러(300)의 중간 지점에서 반경 방향 유동이 충돌함에 따라 간섭 현상이 발생하고, 이러한 간섭 현상으로 인하여 고리 모양의 와류가 발생한 것을 확인할 수 있다.
도 5를 참고하면, 본 발명의 임펠러(300) 및 수직 날개(400)의 도입에 따른 유체의 체류시간 분포 변화를 확인할 수 있다. 구체적으로, 도 5(a)는 본 발명 비교예의 나선형 리본 타입 임펠러를 적용한 경우 유체의 체류시간 분포를 나타내며, 도 5(b)는 본 발명의 임펠러(300) 및 수직 날개(400)를 적용한 경우 유체의 체류시간 분포를 나타낸다.
도 5(a)를 참고하면, 중합반응기(1000) 내측벽과 나선형 날개 주위에서 유체의 체류시간이 작은 반면, 중합반응기(1000) 상부 내지 하부에서 유체의 체류시간이 크기 때문에, 유출부(120)에서 유체의 체류시간 분포가 불균일한 것을 확인할 수 있다.
도 5(b)를 참고하면, 나선형 리본 타입 임펠러를 적용한 경우와 달리 회전축(200) 말단부 주위의 유체에서 시작부(210)로 향할수록 유체의 체류시간이 연속적으로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 중합반응기(1000) 내 고리 모양의 와류가 형성됨에 따라 유체의 체류시간 편차가 현저하게 적은 것을 확인할 수 있으며, 유출부(120)에서 유체의 체류시간 분포가 균일한 것을 확인할 수 있다.
도 7을 참고하면, 본발명의 비교예 및 실시예에 따라 제조된 고점성 고분자 중합체 중 분자량이 하위 10%에 속하는 고점성 고분자 중합체의 중량평균분자량을 측정한 결과, 비교예에 따라 제조된 고점성 고분자 중합체의 경우 86,000 g/mol인 반면, 실시예에 따라 제조된 고점성 고분자 중합체의 경우 120,000 g/mol인 것을 확인할 수 있었다. 이를 통해, 본 발명의 임펠러(300) 및 수직 날개(400)를 적용함에 따라 저분자량 생성물의 분자량이 전반적으로 증가한 것을 확인할 수 있다.
표 1을 참고하면, 본 발명의 임펠러(300) 및 수직 날개(400)의 도입에 따른 고점성 고분자 중합체의 물성 변화를 확인할 수 있다. 특히, 본 발명의 임펠러(300) 및 수직 날개(400)를 적용함에 따라 다분산성지수가 0.47이나 감소한 것을 확인할 수 있다. 즉, 본 발명의 임펠러(300) 및 수직 날개(400)를 적용하는 경우 분자량 분포가 더욱 균일한 고점성 고분자 중합체를 제조할 수 있다.
항목 비교예 실시예
중량평균분자량(Mw, g/mol) 398,000 385,000
수평균분자량(Mn, g/mol) 198,000 250,000
다분산성지수(PDI) 2.01 1.54
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1000 : 중합반응기
100 : 중합반응기 본체부
110 : 유입부
120 : 유출부
200 : 회전축
210 : 회전축의 시작부
300 : 임펠러
D : 임펠러의 직경
S : 임펠러 사이 간격
310 : 임펠러의 수평 날개
W1 : 임펠러의 수평 날개의 폭
400 : 수직 날개
W2 : 임펠러의 수직 날개의 폭
H : 임펠러의 수직 날개의 길이

Claims (11)

  1. 중합반응기 본체부;
    상기 본체부의 상부 또는 하부에 설치된 유입부;
    상기 본체부의 하부 또는 상부에 설치된 유출부;
    상기 본체부 내부에 설치된 회전축;
    상기 회전축상에 이격하여 형성된 복수의 임펠러; 및
    상기 임펠러의 수평 날개에 연결된 하나 이상의 수직 날개;를 포함하는, 중합반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 임펠러 사이의 간격은 상기 중합반응기의 직경에 대하여 0.1~1.8인, 중합반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 임펠러의 직경은 상기 중합반응기의 직경에 대하여 0.5~0.9인, 중합반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 수평 날개는 일정한 각거리로 이격되어 방사상으로 형성된, 중합반응기.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 수평 날개의 폭은 상기 중합반응기의 직경에 대하여 0.1~0.2인, 중합반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수평 날개의 형태는 패들(paddle), 피치드 패들(pitched paddle), 러쉬톤 터빈(rushton turbine), 프로펠러(propeller), 하이드로포일(hydrofoil) 및 파우들러(pfaudler)로 이루어진 군에서 선택된 하나인, 중합반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 수직 날개의 개수는 상기 수평 날개의 개수와 같거나 상기 수평 날개의 개수보다 적은, 중합반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 수직 날개의 길이는 상기 중합반응기의 직경에 대하여 2~2.5인, 중합반응기.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 수직 날개의 폭은 상기 중합반응기의 직경에 대하여 0.05~0.15인, 중합반응기.
  10. 제1항에 따른 중합반응기를 이용하여 고분자 중합체를 제조하는 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 고분자 중합체의 무니 점도는 50~80인, 중합반응기를 이용하여 고분자 중합체를 제조하는 방법.
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