KR20220039181A - 올리고머 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 올리고머 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 하부에 제1 기상 반응물 투입구가 구비된 기상 영역과, 상기 기상 영역의 상부에서 상기 기상 반응물과 접촉하는 반응 매체를 포함하는 반응 영역을 포함하는 반응기; 상기 기상 영역의 반응기 내벽에 구비된 제2 기상 반응물 투입구, 및 상기 제2 기상 반응물 투입구와 마주보는 반응기 내벽에 구비된 제3 기상 반응물 투입구; 및 상기 제2 기상 반응물 투입구에 연결된 제1 분사 노즐 및 제3 기상 반응물 투입구에 연결된 제2 분사 노즐을 포함하는 올리고머 제조 장치를 제공한다.

Description

올리고머 제조 장치{APPARATUS FOR PREPARING OLIGOMER}
본 발명은 올리고머 제조 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 내부에서 위핑(weeping) 현상 발생 시 공정 불안정성을 단시간에 최소화시켜 공정의 운전을 중단시키지 않고 안정적인 운전 시간을 확보하기 위한 올리고머 제조 장치에 관한 것이다.
알파 올레핀(alpha-olefin)은 공단량체, 세정제, 윤활제, 가소제 등에 쓰이는 중요한 물질로 상업적으로 널리 사용되며, 특히 1-헥센과 1-옥텐은 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)의 제조 시, 폴리에틸렌의 밀도를 조절하기 위한 공단량체로 많이 사용되고 있다.
상기 알파 올레핀은 대표적으로 에틸렌의 올리고머화 반응을 통해 제조되고 있다. 상기 에틸렌 올리고머화 반응이 수행되는 반응기 형태로서, 기상의 에틸렌을 반응물로 사용하여 촉매를 포함하는 액상의 반응 매체를 포함하는 반응 영역과 접촉을 통해 에틸렌의 올리고머화 반응(삼량체화 반응 또는 사량체화 반응)을 수행하는 기포탑 반응기(bubble column　reactor)가 사용되고 있다.
기포탑 반응기는 반응기의 하부에 설치된 다공 분산판을 통해 기상 반응물이 액상의 반응 매체를 포함하는 반응 영역으로 유입됨과 동시에 분산되고, 분산된 기체의 힘에 의해 와류(turbulence)가 발생하여 자연적인 혼합이 이루어진다.
이 때, 효율적인 혼합을 위한 가장 이상적인 기상 반응물 투입구의 위치는 반응기 하부의 중앙이나, 혼합이 이루어지는 초기 안정화 단계에서는, 반응에 따라 목적하는 올리고머 이외 촉매 반응 중 생성되는 부산물인 고분자에 의한 기상 반응물의 분산 흐름의 방해, 또는 운전자의 유량 조절 장치 조작의 실수 인한 순간적인 기상 반응물의 공급 유량의 감소 등의 문제들이 발생할 수 있다.
그 결과로써, 반응 영역 내 일부 액상의 반응 매체가 반응기 하부의 기상 영역으로 떨어지는(dropping) 현상인 위핑(weeping)이 발생할 수 있고, 이 경우 기상 영역으로 떨어진 액상의 반응 매체가 기상 반응물 투입구를 폐색(blocking)시켜 되어 지속적으로 기체의 투입 및 흐름에 방해가 될 수 있다. 이에 따라, 반응 영역 내에서의 혼합 효율이 현저히 감소하게 되어, 전체 공정의 운전을 중단(shut down)하는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 상기와 같은 문제를 해결하기 위해서는 반응기 내부에서 위핑 현상 발생 시 공정 불안정성을 단시간에 최소화시켜 공정의 운전을 중단시키지 않고, 안정적인 운전 시간을 확보하기 위한 방안이 필요한 실정이다.
KR 0509286 B1
본 발명에서 해결하고자 하는 과제는, 상기 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하기 위하여, 반응기 내부에서 위핑 현상 발생 시 공정 불안정성을 단시간에 최소화시켜 공정의 운전을 중단시키지 않고, 안정적인 운전 시간을 확보하기 위한 올리고머 제조 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명은 하부에 제1 기상 반응물 투입구가 구비된 기상 영역과, 상기 기상 영역의 상부에서 상기 기상 반응물과 접촉하는 반응 매체를 포함하는 반응 영역을 포함하는 반응기; 상기 기상 영역의 반응기 내벽에 구비된 제2 기상 반응물 투입구, 및 상기 제2 기상 반응물 투입구와 마주보는 반응기 내벽에 구비된 제3 기상 반응물 투입구; 및 상기 제2 기상 반응물 투입구에 연결된 제1 분사 노즐 및 제3 기상 반응물 투입구에 연결된 제2 분사 노즐을 포함하는 올리고머 제조 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치에 있어서, 상기 제1 기상 반응물 투입구의 폐색 시, 상기 제1 유량 조절 장치를 폐쇄(close)하고, 상기 제2 및 제3 유량 조절 장치를 개방(open)하여 상기 제2 및 제3 기상 반응물 공급라인을 통해 상기 기상 영역으로 기상 반응물을 공급하는 것인 올리고머 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 올리고머 제조 장치는, 반응기 내부에서 위핑 현상 발생 시 공정 불안정성을 단시간에 최소화시켜 공정의 운전을 중단시키지 않고, 안정적인 운전 시간을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 올리고머 제조 장치를 나타낸 모식도이다.
도 2는 종래의 올리고머 제조를 위한 기포탑 반응기의 구성을 나타낸 모식도이다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본 발명에서 용어 '스트림(stream)'은 공정 내 유체(fluid)의 흐름을 의미하는 것일 수 있고, 또한, 이동 라인(배관) 내에서 흐르는 유체 자체를 의미하는 것일 수 있다. 구체적으로, 상기 '스트림'은 각 장치를 연결하는 배관 내에서 흐르는 유체 자체 및 유체의 흐름을 동시에 의미하는 것일 수 있다. 또한, 상기 유체는 기체(gas), 액체(liquid) 및 고체(solid) 중 어느 하나 이상이 포함된 것을 의미할 수 있다.
본 발명에서 '#'이 양의 정수인 'C#'란 용어는 #개 탄소 원자를 가진 모든 탄화수소를 나타내는 것이다. 따라서, 'C10'란 용어는 10개의 탄소 원자를 가진 탄화수소 화합물을 나타내는 것이다. 또한, 'C#+'란 용어는 #개 이상의 탄소 원자를 가진 모든 탄화수소 분자를 나타내는 것이다. 따라서, 'C10+'란 용어는 10개 이상의 탄소 원자를 가진 탄화수소의 혼합물을 나타내는 것이다.
이하, 본 발명에 대한 이해를 돕기 위하여 하기 도 1 내지 2를 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 올리고머 제조 장치가 제공된다. 상기 올리고머 제조 장치는, 하부에 제1 기상 반응물 투입구(10)가 구비된 기상 영역(110)과, 상기 기상 영역의 상부에서 상기 기상 반응물과 접촉하는 반응 매체(RM)를 포함하는 반응 영역(120)을 포함하는 반응기(100); 상기 기상 영역(110)의 반응기(100) 내벽에 구비된 제2 기상 반응물 투입구(20) 및 상기 제2 기상 반응물 투입구(20)와 마주보는 반응기(100) 내벽에 구비된 제3 기상 반응물 투입구(30); 및 상기 제2 기상 반응물 투입구(20)에 연결된 제1 분사 노즐(22) 및 제3 기상 반응물 투입구(30)에 연결된 제2 분사 노즐(32)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응기(100)는 촉매 및 용매의 존재 하에서 단량체를 올리고머화 반응시켜 올리고머 생성물을 제조하기 위한 것일 수 있다.
구체적인 예로, 상기 기상 영역(110)으로 공급되는 기상 반응물은 상기 단량체를 포함할 수 있고, 상기 반응 영역(120)에 포함된 상기 반응 매체(RM)는 상기 촉매 및 용매를 포함할 수 있다. 즉, 상기 기상 영역(110)으로 공급되는 기상의 단량체를 포함하는 기상 반응물이, 상기 촉매 및 용매를 포함하는 액상의 반응 매체(RM)를 포함하는 반응 영역(120)과 접촉하여 올리고머화 반응이 수행될 수 있고, 이에 따라 올리고머 생성물을 생성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 반응기(100)는 연속 공정에 적합한 반응기(100)일 수 있다. 예를 들어, 상기 반응기(100)는 기포탑　반응기(bubble column　reactor)일 수 있고, 이로 인해 연속적으로 올리고머 생성물을 제조할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 단량체는 에틸렌 단량체를 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 에틸렌 단량체를 포함하는 기상 반응물을 반응기(100)로 공급하여 올리고머화 반응을 걸쳐 목적하는 알파 올레핀 생성물을 제조할 수 있다.
이 때, 상기 올리고머화 반응은 반응기(100) 내 기상 영역(110)의 상부 영역에서 수행되며, 촉매 및 조촉매의 존재 하에 용매가 용해된 액체 상태의 반응 매체(RM) 내에서 단량체의 올리고머화 반응이 수행될 수 있다. 이와 같이, 단량체의 올리고머화 반응이 수행되는 반응 매체(RM)로 이루어진 영역을 반응 영역(120)으로 정의할 수 있다. 상기 올리고머화 반응은, 단량체가 소중합되는 반응을 의미할 수 있다. 중합되는 단량체의 개수에 따라 삼량화(trimerization), 사량화(tetramerization)라고 불리며, 이를 총칭하여 다량화(multimerization)라고 한다.
상기 알파 올레핀은 공단량체, 세정제, 윤활제, 가소제 등에 쓰이는 중요한 물질로 상업적으로 널리 사용되며, 특히 1-헥센과 1-옥텐은 선형 저밀도 폴리에틸렌(LLDPE)의 제조 시, 폴리에틸렌의 밀도를 조절하기 위한 공단량체로 많이 사용된다. 상기 1-헥센 및 1-옥텐과 같은 알파 올레핀은 예를 들어, 에틸렌의 삼량체화 반응 또는 사량체화 반응을 통해 제조할 수 있다.
상기 반응 매체(RM)는 반응 매체 공급라인(L4)을 통해 반응 영역(120)으로 공급될 수 있다. 구체적인 예로, 상기 반응 매체 공급라인(L4)은 반응기(100)의 일 측면(side)을 통하여 반응 영역(120)과 연결된 것일 수 있다.
상기 용매는 n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, 시클로헥산, 메틸시클로헥산, 옥탄, 시클로옥탄, 데칸, 도데칸, 벤젠, 자일렌, 1,3,5-트리메틸벤젠, 톨루엔, 에틸벤젠, 클로로벤젠, 디클로로벤젠 및 트리클로로벤젠으로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
상기 촉매는 전이금속 공급원을 포함할 수 있다. 상기 전이금속 공급원은 예를 들어, 크로뮴(III) 아세틸아세토네이트, 크로뮴(III) 클로라이드 테트라하이드로퓨란, 크로뮴(III) 2-에틸헥사노에이트, 크로뮴(III) 트리스(2,2,6,6-테트라메틸-3,5-헵테인디오네이트), 크로뮴(III) 벤조일아세토네이트, 크로뮴(III) 헥사플루오로-2,4-펜테인디오네이트, 크로뮴(III) 아세테이트하이드록사이드, 크로뮴(III) 아세테이트, 크로뮴(III) 부티레이트, 크로뮴(III) 펜타노에이트, 크로뮴(III) 라우레이트 및 크로뮴(III) 스테아레이트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함하는 화합물일 수 있다.
상기 조촉매는 예를 들어, 트리메틸 알루미늄(trimethyl aluminium), 트리에틸 알루미늄(triethyl aluminium), 트리이소프로필 알루미늄(triisopropyl aluminium), 트리이소부틸 알루미늄(triisobutyl aluminum), 에틸알루미늄 세스퀴클로라이드(ethylaluminum sesquichloride), 디에틸알루미늄 클로라이드(diethylaluminum chloride), 에틸 알루미늄 디클로라이드(ethyl aluminium dichloride), 메틸알루미녹산(methylaluminoxane), 개질된 메틸알루미녹산(modified methylaluminoxane) 및 보레이트(Borate)로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이, 상기 에틸렌의 올리고머화 반응이 수행되는 반응기의 형태로서, 기상의 에틸렌 단량체를 반응물로 사용하여 촉매를 포함하는 액상의 반응 매체(RM)를 포함하는 반응 영역(120)과 접촉을 통해 에틸렌의 올리고머화 반응(삼량체화 반응 또는 사량체화 반응)을 수행하는 기포탑 반응기(bubble column　reactor)가 사용될 수 있다.
상기 기포탑 반응기는 반응기(100) 내 기상 영역(110) 및 반응 영역(120) 사이에 구비된 다공 분산판(130)을 통해 기상 반응물이 액상의 반응 매체(RM)를 포함하는 반응 영역(120)으로 유입됨과 동시에 분산되고, 분산된 기체의 힘에 의해 와류(turbulence)가 발생하여, 액상의 반응 매체(RM)와 기상 반응물의 자연적인 혼합이 이루어진다. 이 때, 다공 분산판(130)을 통해 반응 영역(120)으로 유입되는 기상 반응물의 분산력은 상기 액상의 반응 매체(RM)로부터 하방으로 작용하는 수두압에 비하여 크도록 유지됨으로써, 상기 액상의 반응 매체(RM)가 상기 반응 영역(120) 내에 머무를 수 있다.
또한, 상기 기상 반응물과 액상의 반응 매체(RM)의 효율적인 혼합을 위한 가장 이상적인 기상 반응물 투입구의 위치는 반응기 하부의 중앙일 수 있다. 그러나, 상기와 같이 혼합이 이루어지는 초기 안정화 단계에서는, 반응에 따라 목적하는 올리고머 이외 촉매 반응 중 생성되는 부산물인 고분자(구체적으로, C10+ 고분자)에 의한 기상 반응물의 분산 흐름의 방해, 또는 운전자의 유량 조절 장치 조작의 실수 인한 순간적인 기상 반응물의 공급 유량의 감소 등의 문제들이 발생할 수 있다.
그 결과로써, 반응 영역(120) 내 일부 액상의 반응 매체(RM)가 반응기 하부의 기상 영역(110)으로 떨어지는(dropping) 현상인 위핑(weeping)이 발생할 수 있고, 이 경우 기상 영역(110)으로 떨어진 액상의 반응 매체(RM)가 기상 반응물 투입구를 폐색(blocking)시켜 지속적으로 기체의 투입 및 흐름에 방해가 될 수 있다. 이에 따라, 반응 영역(110) 내에서의 혼합 효율이 현저히 감소하게 되어, 전체 공정의 운전을 중단(shut down)하는 문제가 발생하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 반응기 내부에서 위핑 현상 발생 시 공정 불안정성을 단시간에 최소화시켜 공정의 운전을 중단시키지 않고, 안정적인 운전 시간을 확보하기 위한 방안으로서, 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치를 제공하고자 한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기상 반응물은 반응기(100) 하부에 구비된 제1 기상 반응물 투입구(10)를 통하여 반응기(100) 내 기상 영역(110)으로 공급될 수 있다. 구체적인 예로, 상기 기상의 반응물은 반응기(100)의 외부로부터 제1 기상 반응물 투입구(10)와 연결된 제1 기상 반응물 공급라인(L1)을 통하여 공급된 것일 수 있다.
이와 같이 기상 영역(110)으로 공급된 기상 반응물은, 반응기(100) 내 기상 영역(110) 및 반응 영역(120) 사이에 구비된 다공 분산판(130)을 통해, 상기 기상 영역(110)의 상부에 위치하고, 액상의 반응 매체(RM)를 포함하는 반응 영역(120)으로 유입됨과 동시에 분산되고, 분산된 기체의 힘에 의해 와류(turbulence)가 발생하여 자연적인 혼합이 이루어진다.
상기 다공 분산판(130)은 기상 반응물이 통과할 수 있는 크기를 갖는 다수의 홀(hole)을 포함하며, 기상 반응물이 통과되면서 반응 영역(120)으로 분산될 수 있는 기동력을 기상 반응물에 제공하는 역할을 할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 기상 반응물이 다공 분산판(130)을 통과하여 반응 영역(120)으로 유입되면서 기상 반응물이 상승하려는 힘과 액상의 반응 매체(RM)가 누르는 힘이 복합적으로 발생된다. 이에 따라, 상승류와 하강류에 의한 와류 현상(turbulence)이 발생됨으로써 기상 반응물의 분산, 및 기상 반응물과 액상의 반응 매체(RM)의 혼합이 이루어질 수 있다.
상기 반응 영역(120) 내에서, 반응 매체(RM)와 기상 반응물의 혼합 과정에서 기상 반응물의 촉매 반응을 통한 올리고머화 반응이 진행된다. 상기 올리고머화 반응을 통해 생성된 올리고머 생성물은 액체 상태로, 반응기(100)의 타 측면(side), 즉, 전술한 반응기(100) 내 반응 매체 공급라인(L4)이 구비된 일 측면(side)과 마주보는 타 측면(side)에 구비된 생성물 배출라인(L5)을 통해 배출될 수 있다.
상기 생성물 배출라인(L5)을 통해 배출되는 생성물 배출 스트림에는 올리고머 생성물 및 용매를 포함할 수 있어, 상기 올리고머 생성물 및 용매는 추가적인 분리 장치(미도시)를 통하여 분리될 수 있으며, 분리된 용매는 반응 영역(120) 내에서 재사용될 수 있다. 상기 기상 반응물로서 에틸렌 단량체를 포함하는 경우, 예를 들면, 올리고머 생성물은 1-헥센 및 1-옥텐을 포함할 수 있다.
한편, 반응 영역(120) 내에서 올리고머화 반응되지 않은 미반응물은 기체 상태의 미반응 증기로, 반응기(100)의 상부에 구비된 미반응 증기 배출라인(L6)을 통하여 반응기(100)의 상부로 배출될 수 있다.
상기 반응 영역(120) 내에서 반응 매체(RM)와 분산된 기상 반응물의 효율적인 혼합을 위한 가장 이상적인 기상 반응물 투입구의 위치는 반응기 하부의 중앙이다. 이에 따라, 종래 기포탑 반응기에서는 반응기(100) 하부의 중앙 위치에 제1 기상 반응물 투입구(10)가 구비되었다.
그러나, 이 경우, 전술한 바와 같이, 위핑 현상으로 인하여 기상 영역(110)으로 떨어진 액상의 반응 매체(RM)가 제1 기상 반응물 투입구(10)를 폐색(blocking)시킬 경우, 반응 영역(110) 내에서의 혼합 효율이 현저히 감소하게 되어, 전체 공정의 운전을 중단(shut down)하는 문제가 발생하게 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치는 상기 기상 영역(110)의 반응기(100) 내벽에 구비된 제2 기상 반응물 투입구(20) 및 상기 제2 기상 반응물 투입구(20)와 마주보는 반응기(100) 내벽에 구비된 제3 기상 반응물 투입구(30)를 포함함으로써, 반응 중 위핑 현상에 의해 액상의 반응 매체(RM)가 제1 기상 반응물 투입구(10)아 폐색될 경우, 상기 제2 기상 반응물 투입구(20) 및 제3 기상 반응물 투입구(30)를 통해 기상 반응물을 기상 영역(110)으로 공급할 수 있다.
구체적인 예로, 상기 기상의 반응물은 반응기(100)의 외부에서, 상기 제2 기상 반응물 투입구(20)와 연결된 제2 기상 반응물 공급라인(L2), 및 상기 제3 기상 반응물 투입구(30)와 연결된 제3 기상 반응물 공급라인(L3)을 통하여 공급될 수 있다.
보다 구체적인 예로, 상기 기상의 반응물은 반응기(100)의 외부에서, 상기 제1 기상 반응물 공급라인(L1)으로부터 분기되어, 상기 제2 기상 반응물 투입구(20)와 연결된 제2 기상 반응물 공급라인(L2), 및 상기 제3 기상 반응물 투입구(30)와 연결된 제3 기상 반응물 공급라인(L3)을 통하여 공급될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치는 상기 제1, 제2, 및 제3 기상 반응물 공급라인(L1, L2, L3)에 각각 구비된 제1, 제2 및 제3 유량 조절 장치(V1, V2, V3)를 더 포함할 수 있다.
이와 같이, 상기 제1, 제2, 및 제3 기상 반응물 공급라인(L1, L2, L3)에 각각 구비된 제1, 제2 및 제3 유량 조절 장치(V1, V2, V3)는 각각의 기상 반응물 공급라인으로 공급되는 기상 반응물의 유량을 조절하는 역할을 할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 제1, 제2 및 제3 유량 조절 장치(V1, V2, V3)는 밸브 또는 펌프일 수 있고, 이에 한정되는 것은 아니며, 보다 구체적인 예로, 밸브일 수 있다.
예를 들어, 상기한 위핑 현상으로 인해 제1 기상 반응물 투입구(10)를 통한 기상 반응물의 공급이 어려워질 경우에는, 상기 제1 기상 반응물 공급라인(L1)에 구비된 제1 유량 조절 장치(V1)를 폐쇄(close)하여 제1 기상 반응물 투입구(10)으로 투입되는 기상 반응물 스트림을 차단한 후, 폐쇄되어 있던 상기 제2 및 제3 유량 조절 장치를 개방(open)하여 상기 제2 및 제3 기상 반응물 공급라인(L2, L3)을 통해 상기 기상 영역(110)으로 기상 반응물을 공급할 수 있다. 이에 따라, 위핑 현상 발생으로 인한 공정 불안정성을 단시간에 최소화하여 공정을 중단하지 않고도 안정적인 운전 시간을 확보할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치는 상기 제2 기상 반응물 투입구(20)에 연결된 제1 분사 노즐(22), 및 제3 기상 반응물 투입구(30)에 연결된 제2 분사 노즐(32)를 포함할 수 있다. 즉, 상기 제2 및 제3 기상 반응물 투입구(20, 30)를 통해 공급되는 기상 반응물을 기상 영역(110) 내부로 분사하기 위한 분사 노즐(22, 32)을 포함할 수 있다.
구체적인 예로, 상기 제1 및 제2 분사 노즐(22, 32)은 반응기(100) 내 기상 영역(110)으로, 상기 제2 및 제3 기상 반응물 투입구(20, 30) 각각에 연결될 수 있다. 이 때, 상기 제2 및 제3 기상 반응물 투입구(20, 30)는 동일 수평 선상에 위치할 수 있고, 이에 따라, 상기 제1 및 제2 분사 노즐(22, 32) 또한 동일 수평 선상에 위치할 수 있다. 즉, 상기 제1 및 제2 분사 노즐(22, 32)은 반응기(100) 내부에서 동일한 높이에 구비될 있다.
상기 올리고머 제조 장치는, 상기 제2 기상 반응물 투입구(20)로부터 제1 분사 노즐을 연결시키기 위한 제1 노즐 배관(24), 또는 상기 제3 기상 반응물 투입구(30)로부터 제2 분사 노즐(32)을 연결시키기 위한 제2 노즐 배관(34)을 더 포함할 수 있다. 구체적인 예로, 상기 제1 노즐 배관(420) 및 제2 노즐 배관(34)는 직선 형상일 수 있으며, 이에 한정되는 것은 아니다.
상기 제1 및 제2 분사 노즐(22, 32) 각각은 적어도 하나의 분사구를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 및 제2 분사 노즐(22, 33)은 각각 복수 개의 분사구를 포함하는 스프레이 형태로 구현될 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 및 제2 분사 노즐(22, 33)의 분사구는 1개 내지 5개, 1개 내지 4개 또는 2개 내지 4개일 수 있다. 구체적인 예로, 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 제1 및 제2 분사 노즐(22, 32)은 각각 3개의 분사구를 포함하는 형태로 구현될 수 있다.
상기 제1 및 제2 분사 노즐(22, 32)을 통해 분사되는 기상 반응물의 분사 압력은 액상의 반응 매체(RM)로부터 하방으로 작용하는 압력보다 0.1 내지 0.3 Mpa 높을 수 있다. 상기 범위 내의 압력으로 상기 기상 반응물이 제1 및 제2 분사 노즐(22, 32)을 통하여 분사됨으로써 기상 영역(110) 내에서 균일하게 분산될 수 있다. 이와 같이 균일하게 분산된 기상 반응물이 다공 분산판(130)을 통해 반응 영역(120)으로 유입될 경우 액상의 반응 매체(RM)와의 혼합도 균일하게 수행될 수 있어, 반응 영역(120) 내에서의 혼합 효율을 향상시키는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치는 상기 제2 기상 반응물 투입구(20) 및 제3 기상 반응물 투입구(30) 상부의 반응기(100) 내벽에 구비된 제1 디플렉터(deflector)(26) 및 제2 디플렉터(36)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 및 제2 디플렉터(26, 36)는 제2 기상 반응물 투입구(20) 및 제3 기상 반응물 투입구(30)를 통하여, 제1 및 제2 분사 노즐(22, 32)로부터 분사되어 상방으로 흐르는 기상 반응물의 흐름을 반대 방향으로 바뀌게 하는 역할을 할 수 있다.
구체적인 예로, 상기 제1 및 제2 디플렉터(24, 34)는 상기 제1 분사 노즐(22) 및 제2 분사 노즐(32)과, 상기 다공 분산판(130) 사이 영역의 반응기(100) 내벽에 구비될 수 있다. 상기 기상 영역(110)의 반응기(100) 내벽에 구비된 제1 분사 노즐(22) 및 제2 분사 노즐(32)로부터 분사되는 기상 반응물은, 상기 다공 분산판(130)의 홀(hole) 중 반응기(100)의 내벽에 인접한 홀 쪽으로 그 흐름이 편중될 수 있는데, 상기한 바와 같이 제1 및 제2 디플렉터(24, 34)를 포함할 경우, 그러한 편중 흐름을 방지하여, 다공 분산판(130)의 모든 홀로 기상 반응물의 균일한 흐름을 유도할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 분사 노즐(22) 및 제2 분사 노즐(32)로부터 투입되는 기상 반응물의 투입 각도는 반응기(100) 하부 방향으로 40 내지 50 °일 수 있다. 이 때, 상기 투입 각도는 상기 제2 기상 반응물 투입구(20)로부터 제1 분사 노즐을 연결하는 제1 노즐 배관, 또는 상기 제3 기상 반응물 투입구(30)로부터 제2 분사 노즐(32)을 연결하는 제2 노즐 배관의 각도일 수 있다.
구체적인 예로, 상기 제1 분사 노즐(22) 및 제2 분사 노즐(32)로부터 투입되는 기상 반응물의 투입 각도는 반응기(100) 하부 방향으로 40 내지 50 °, 42 내지 48 °, 44 내지 46 °일 수 있다, 이 경우, 반응기(100)의 내벽 방향에 위치한 다공 분산판(130)의 홀(hole)로 기상 반응물 유입이 편중는 현상을 최소화할 수 있어, 상기 반응 영역(120)에서의 반응 매체(RM) 및 기상 반응물의 혼합 효율이 향상시킴으로써 올리고머화 반응 효율이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 기상 영역(110)의 높이는 반응기(100)의 직경 대비 70 내지 90 %, 70 내지 85%, 75 내지 80%일 수 있다. 이 경우, 반응기(100) 내에서 기상 영역(110)이 충분한 완충 역할을 할 수 있어, 액상의 반응 매체(RM)의 불안정한 하강 편류 발생 시에도 하부에 위치한 기상 영역(110)으로의 위핑 현상의 발생을 최소화할 수 있고, 이에 따라, 기상 반응물을 기상 영역(110)의 정중앙에 위치한 제1 기상 반응물 투입구(10)를 통하여 투입하지 않더라도 안정적인 운전을 수행할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치를 이용한 올리고머 제조 방법이 제공된다.
상기 올리고머 제조 방법은, 본 발명에 따른 올리고머 제조장치에 있어서, 상기 제1 기상 반응물 투입구(10)의 폐색(blocking) 시, 상기 제1 유량 조절 장치를 폐쇄(close)하고, 상기 제2 및 제3 유량 조절 장치를 개방(open)하여 상기 제2 및 제3 기상 반응물 공급라인을 통해 상기 기상 영역으로 기상 반응물을 공급하는 것일 수 있다.
전술한 바와 같이, 예를 들어, 상기한 위핑 현상으로 인해, 상기 제1 기상 반응물 투입구(10)의 폐색(blocking)되어, 제1 기상 반응물 투입구(10)를 통한 기상 반응물의 공급이 어려워질 경우에는, 상기 제1 기상 반응물 공급라인(L1)에 구비된 제1 유량 조절 장치(V1)를 폐쇄(close)하여 제1 기상 반응물 투입구(10)으로 투입되는 기상 반응물 스트림을 차단한 후, 폐쇄되어 있던 상기 제2 및 제3 유량 조절 장치를 개방(open)하여 상기 제2 및 제3 기상 반응물 공급라인(L2, L3)을 통해 상기 기상 영역(110)으로 기상 반응물을 공급할 수 있다. 이에 따라, 위핑 현상 발생으로 인한 공정 불안정성을 단시간에 최소화하여 공정을 중단하지 않고도 안정적인 운전 시간을 확보할 수 있다.
구체적인 예로, 상기 기상 영역(110)의 온도가 급격히 상승하는 경우, 액상의 반응 매체(RM)가 기상 영역(110)으로 유입되어 제1 기상 반응물 투입구(10)가 폐색되었다고 판단할 수 있고, 이에 따라, 제1 유량 조절 장치(V1) 폐쇄하고, 제2 및 제3 유량 조절 장치(V2, V3)를 개방할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제1 유량 조절 장치(V1)를 폐쇄하여, 제1 기상 반응물 투입구(10)로 투입되는 기상 반응물 스트림을 차단한 경우에, 상기 제2 기상 반응물 공급라인(L2) 및 제3 기상 반응물 공급라인(L3)을 통해 상기 기상 영역(110)으로 공급되는 기상 반응물의 유량 비율은, 상기 제1 기상 반응물 공급라인(L1)으로 공급되는 기상 반응물의 전체 유량에 대하여 각각 40 내지 60%, 45 내지 55%, 48 내지 52 %일 수 있다.
구체적인 예로, 상기 제2 기상 반응물 공급라인(L2)를 통해 기상 영역(110)으로공급되는 기상 반응물의 유량은 상기 제1 기상 반응물 공급라인(L1)으로 공급되는 기상 반응물의 전체 유량에 대하여 40 내지 60%, 45 내지 55%, 48 내지 52 %일 수 있고, 상기 제3 기상 반응물 공급라인(L3)를 통해 기상 영역(110)으로 공급되는 기상 반응물의 유량은 상기 제1 기상 반응물 공급라인(L1)으로 공급되는 기상 반응물의 전체 유량에 대하여 40 내지 60%, 45 내지 55%, 48 내지 52 %일 수 있다. 이 범위 내에서, 상기 다공 분산판(130)을 통한 기상 반응물의 균일한 분산 효과로 인하여, 상기 반응 영역(120)에서의 반응 매체(RM) 및 기상 반응물의 혼합 효율이 향상될 수 있다.
예를 들어, 상기한 바와 같이, 상기 제2 기상 반응물 공급라인(L2) 및 제3 기상 반응물 공급라인(L3)을 통해 상기 기상 영역(110)으로 공급되는 기상 반응물의 유량의 비율을 조절하는 것은, 상기 제2 유량 조절 장치(V2) 및 제3 유량 조절 장치(V3)의 조절을 통하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 올리고머 제조 장치는 필요한 경우, 유량 조절 장치(미도시), 응축기(미도시), 재비기(미도시), 펌프(미도시), 냉각 시설(미도시), 필터(미도시), 교반기(미도시), 분리 장치(미도시), 압축기(미도시) 및 혼합기(미도시) 등 올리고머 제조에 필요한 장치를 추가적으로 더 설치할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치를 기재 및 도면에 도시하였으나, 상기의 기재 및 도면의 도시는 본 발명을 이해하기 위한 핵심적인 구성만을 기재 및 도시한 것으로, 상기 기재 및 도면에 도시한 공정 및 장치 이외에, 별도로 기재 및 도시하지 않은 공정 및 장치는 본 발명에 따른 올리고머 제조 장치를 실시하기 위해 적절히 응용되어 이용될 수 있다.
100: 반응기
110: 기상 영역
120: 반응 영역
130: 다공 분산판
10: 제1 기상 반응물 투입구
20: 제2 기상 반응물 투입구
22: 제1 분사 노즐
24: 제1 노즐 배관
26: 제1 디플렉터
30: 제3 기상 반응물 투입구
32: 제2 분사 노즐
34: 제2 노즐 배관
36: 제2 디플렉터
RM: 반응 매체
L1: 제1 기상 반응물 공급라인
L2: 제2 기상 반응물 공급라인
L3: 제3 기상 반응물 공급라인
L4: 반응 매체 공급라인
L5: 생성물 배출라인
L6: 미반응 증기 배출라인
V1: 제1 유량 조절 장치
V2: 제2 유량 조절 장치
V3: 제3 유량 조절 장치

Claims (12)

  1. 하부에 제1 기상 반응물 투입구가 구비된 기상 영역과, 상기 기상 영역의 상부에서 상기 기상 반응물과 접촉하는 반응 매체를 포함하는 반응 영역을 포함하는 반응기;
    상기 기상 영역의 반응기 내벽에 구비된 제2 기상 반응물 투입구, 및 상기 제2 기상 반응물 투입구와 마주보는 반응기 내벽에 구비된 제3 기상 반응물 투입구; 및
    상기 제2 기상 반응물 투입구에 연결된 제1 분사 노즐 및 제3 기상 반응물 투입구에 연결된 제2 분사 노즐을 포함하는 올리고머 제조 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기상 반응물 투입구와 연결된 제1 기상 반응물 공급라인;
    상기 제1 기상 반응물 공급라인으로부터 분기되어, 상기 제2 기상 반응물 투입구와 연결된 제2 기상 반응물 공급라인 및 상기 제3 기상 반응물 투입구와 연결된 제3 기상 반응물 공급라인; 및
    상기 제1, 제2, 및 제3 기상 반응물 공급라인에 각각 구비된 제1, 제2 및 제3 유량 조절 장치를 더 포함하는 올리고머 제조 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 반응 매체는 액체 상태인 올리고머 제조 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 제1 기상 반응물 투입구는 상기 반응기 하부의 중앙에 위치하는 올리고머 제조 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 기상 영역 및 반응 영역 사이에 다공 분산판을 더 포함하는 올리고머 제조 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제2 기상 반응물 투입구 및 제3 기상 반응물 투입구 상부의 반응기 내벽에 구비된 제1 디플렉터(deflector) 및 제2 디플렉터를 더 포함하는 올리고머 제조 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 제1 분사 노즐 및 제2 분사 노즐로부터 투입되는 기상 반응물의 투입 각도는 반응기 하부 방향으로 각각 40 내지 50 °인 올리고머 제조 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 기상 영역의 높이는 반응기 직경 대비 70 내지 90 %인 올리고머 제조 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 반응 영역으로 반응 매체를 공급하는 반응 매체 공급라인;
    상기 반응 영역으로부터 생성물을 배출하는 생성물 배출라인; 및
    상기 반응기로부터 미반응 증기를 배출하는 미반응 증기 배출라인을 더 포함하는 올리고머 제조 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 기상 반응물은 에틸렌을 포함하고, 상기 올리고머는 알파 올레핀을 포함하는 올리고머 제조 장치.
  11. 제2항에 따른 올리고머 제조 장치에 있어서,
    상기 제1 기상 반응물 투입구의 폐색(blocking) 시, 상기 제1 유량 조절 장치를 폐쇄(close)하고, 상기 제2 및 제3 유량 조절 장치를 개방(open)하여 상기 제2 및 제3 기상 반응물 공급라인을 통해 상기 기상 영역으로 기상 반응물을 공급하는 것인 올리고머 제조 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 제2 기상 반응물 공급라인 및 제3 기상 반응물 공급라인을 통해 상기 기상 영역으로 공급되는 기상 반응물의 유량 비율은, 상기 제1 기상 반응물 공급라인으로 공급되는 기상 반응물의 전체 유량에 대하여 각각 40 내지 60%인 올리고머 제조 방법.

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