KR20240020889A - 반응기 - Google Patents

반응기 Download PDF

Info

Publication number
KR20240020889A
KR20240020889A KR1020220099172A KR20220099172A KR20240020889A KR 20240020889 A KR20240020889 A KR 20240020889A KR 1020220099172 A KR1020220099172 A KR 1020220099172A KR 20220099172 A KR20220099172 A KR 20220099172A KR 20240020889 A KR20240020889 A KR 20240020889A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
fin
reactor
reaction vessel
cooling
baffle
Prior art date
Application number
KR1020220099172A
Other languages
English (en)
Inventor
안우열
이신범
이혜원
김영조
한기도
Original Assignee
한화솔루션 주식회사
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한화솔루션 주식회사 filed Critical 한화솔루션 주식회사
Priority to KR1020220099172A priority Critical patent/KR20240020889A/ko
Priority to PCT/KR2023/011717 priority patent/WO2024035096A1/ko
Publication of KR20240020889A publication Critical patent/KR20240020889A/ko

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/006—Baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/0066—Stirrers
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/18—Stationary reactors having moving elements inside
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00274—Sequential or parallel reactions; Apparatus and devices for combinatorial chemistry or for making arrays; Chemical library technology
    • B01J2219/00718—Type of compounds synthesised
    • B01J2219/0072—Organic compounds
    • B01J2219/00736—Non-biologic macromolecules, e.g. polymeric compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00761—Details of the reactor
    • B01J2219/00763—Baffles
    • B01J2219/00765—Baffles attached to the reactor wall
    • B01J2219/00768—Baffles attached to the reactor wall vertical

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Polymerisation Methods In General (AREA)

Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 반응기는 반응 용기, 반응 용기 내에 회전 가능하게 설치된 회전축, 회전축과 연결되어 회전하는 교반 날개, 반응 용기의 내주면을 따라 일정한 간격으로 배치된 복수의 냉각 배플, 냉각 배플 중 적어도 하나에 형성되며, 냉각 배플의 길이 방향을 따라 길게 형성된 핀을 포함하고, 핀은 냉각 배플의 외면으로부터 회전축을 향해서 돌출된다.

Description

반응기{REACTOR}
본 발명은 반응기에 관한 것으로, 특히 PVC 중합 반응기에 관한 것이다.
PVC 품질 중 피쉬 아이(fish eye)는 제품의 결함을 야기시키며 특히 연질 PVC를 활용한 필름 등의 제품에 있어서는 매우 치명적인 품질 이슈를 야기시킨다.
피쉬 아이 생성을 억제하기 위해서는 유동에 있어 파손이 강하여 PVC 입자를 작게 형성시켜야 한다. 또한 탱크 내의 유동 흐름에 있어, 낮은 속도, 낮은 터뷸런스(turbulence), 낮은 전단속도(shear rate)를 가지는 영역의 크기가 작아야 한다.
빈약한 융합 영역(poor coalescence zone)에서는 입자들이 서로 뭉침으로 인한 성장이 이루어지지 않고, 분해되지 못한 채 큰 입자 하나에서 중합이 일어나기 때문에 공극(pore)이 없는 피쉬 아이 입자를 형성시키게 된다.
따라서, 본 발명은 피쉬 아이의 생성을 감소시켜, PVC 품질을 향상시킬 수 있는 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 반응기는 반응 용기, 반응 용기 내에 회전 가능하게 설치된 회전축, 회전축과 연결되어 회전하는 교반 날개, 반응 용기의 내주면을 따라 일정한 간격으로 배치된 복수의 냉각 배플, 냉각 배플 중 적어도 하나에 형성되며, 냉각 배플의 길이 방향을 따라 길게 형성된 핀을 포함하고, 핀은 상기 냉각 배플의 외면으로부터 회전축을 향해서 돌출될 수 있다.
상기 핀이 설치된 냉각 배플의 폭과 핀의 폭의 합은 반응 용기 직경에 대해서 0.07 내지 0.14배일 수 있다.
상기 핀은 냉각 배플로부터 멀어질수록 핀의 두께가 줄어들 수 있다.
상기 복수의 배플은 일정한 각도를 두고 배치될 수 있다.
상기 핀의 끝단은 곡면을 가질 수 있다.
상기 핀의 양면은 곡면을 가질 수 있다.
상기 교반 날개는 패들형일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서와 같이 냉각 배플에 핀을 설치하면, PVC 입자를 작게 유지시키며 FE의 생성을 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기의 개략적인 도면이다.
도 2는 도 1의 반응기에 포함된 냉각 배플의 배치도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 배플의 배치도이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발 명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타 내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다.
도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다. 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 "상에" 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 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.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기의 개략적인 도면이고, 도 2는 도 1의 반응기에 포함된 냉각 배플의 배치도이고, 도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 냉각 배플의 배치도이다.
도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기(100)는 반응물을 담는 반응 용기(10), 반응 용기(10) 내에 설치되는 냉각 배플(20), 교반기(30)를 포함한다.
반응기(100)는 예를 들어, 고분자 중합을 위한 중합 반응기일 수 있다.
반응 용기(10)는 모양에 제한이 없으나, 원통형 구조일 수 있으며, 원통형 측벽부, 바닥부 및 덮개부를 포함하여 반응 물질을 수용하기 위한 공간을 형성한다. 반응 용기(10)는 이중벽 구조(도시하지 않음)로 형성될 수 있으며, 이중벽 내부로 유체가 순환할 수 있고, 유체와 반응물 사이 열교환이 이루어질 수 있다. 즉, 반응 용기에 열교환 자켓이 설치될 수 있다.
교반기(30)는 반응 용기 내부에 설치되어 반응물을 회전시키는 교반 날개(3), 교반 날개(3)와 연결되어 교반 날개를 회전시키는 회전축(5)을 가지는 모터(7)를 포함한다. 회전축(5)은 반응 용기(3)의 중앙에 위치할 수 있다.
교반 날개(3)는 반응 용기(10)의 내부에 위치하며, 회전축(5)에 결합되어 회전축에 의해서 회전한다.
교반 날개(3)는 회전축의 일단에 복수개의 날개를 한 세트로 설치될 수 있으며, 반응물의 효과적인 교반을 위해서 회전축의 길이 방향을 따라 일정한 간격을 두고 복수의 세트로 설치될 수 있다. 한 세트의 교반 날개(3)는 적어도 2개 내지 4개의 교반 날개를 포함할 수 있다. 교반 날개는 필요에 따라서 설치 위치 및 개수는 다양하게 선택될 수 있다.
교반 날개(3)는 피치가 없는 패들(paddle) 타입일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 피치를 두고 복수로 배치된 패들일 수 있다.
배플(20)은 교반 날개(3)의 회전에 따른 반응물의 원주 방향 흐름을 상하 방향 흐름으로 바꾸어 반응물의 혼합을 양호하게 하며, 반응열을 효과적으로 제거하기 위한 것으로, 그 내부에 냉각수와 같은 열교환을 위한 유체가 흐르는 배관으로 구성될 수 있다. 배플(20)은 반응물과의 열교환을 통해 반응물의 온도를 일정하게 유지시켜 온도를 제어할 수 있는 기능, 즉 제열 기능을 담당하며, 예를 들어 중합 온도인 40도 내지 100도를 유지시킬 수 있다.
중합 반응시 발생되는 열은 배플 뿐 아니라, 자켓, RC(reflux condenser) 등을 통해서도 진행될 수 있다.
열교환을 위한 유체는 저온의 경우 대략 섭씨 4도 내지 35도의 온도를 가질 수 있으며, 고온의 경우 대략 섭씨 50도 내지 200도의 온도를 가질 수 있다.
배플(20)은 반응 용기(10)의 원주 방향을 따라 이격되어 복수로 배치될 수 있다. 복수의 배플(20)은 교반 날개(3)와 일정한 거리를 두고 반응 용기(10)의 원주 방향을 따라 설치되며, 바람직하게는 원주 방향을 따라 등간격으로 설치될 수 있으며, 예를 들어 배플은 3개 내지 24개가 배치될 수 있다.
배플은 도 2에서와 같이 1 스테이지(stage)으로 배치될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도 3에서와 같이 2 스테이지, 3스테이지(도시하지 않음)과 같이 복수로 중첩되어 형성될 수 있다. 이때, 핀은 반응 용기의 중심과 가장 인접한 배플 스테이지(stage)에 형성될 수 있다.
복수의 배플 중 적어도 하나의 배플(20)에는 핀(fin)(40)이 형성되어 있다. 핀(40)은 배플의 길이 방향을 따라 길게 형성될 수 있으며, 판형 구조물로 배플(20)의 외면으로부터 반응기의 회전축을 향해서 돌출될 수 있다.
핀(40)은 핀이 형성된 배플의 폭과 핀의 폭의 합(W)이 반응기 직경(D) 대비 0.07~0.14배가 되도록 형성될 수 있으며, 바람직하게는 0.14배일 수 있다.
핀(40)은 배플(20)로부터 멀어질수록 두께가 얇아져, 횡단면이 이등변 삼각형을 가지는 프리즘형(prism type)일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 두께가 일정한 판형(plate type)일 수 있다. 반응기의 회전축과 마주하는 핀(40)의 끝단은 반응물이 핀(40)의 모서리에 걸림없이 이동될 수 있도록 곡면 모양을 가질 수 있다.
또한, 핀(40)의 양면은 평평한 평면 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 도 4의 핀(41)에서와 같이 바깥쪽으로 볼록한 곡면 또는 도 5의 핀(42)에서와 같이 안쪽으로 오목한 곡면을 가질 수 있다.
도 2에서는 핀(40)이 120도 간격으로 3개가 형성된 것을 도시하였으나, 이에 한정되는 것은 아니며 180도, 60도와 같이 일정한 각도를 두고 더 적게 또는 더 많은 핀이 설치될 수 있으며, 배플 각각에 모두 설치될 수 있다.
[비교예 1]
반응기의 교반 날개는 패들 타입으로, 일정한 간격을 두고 회전축을 따라 2스테이지(stage)로 형성된다. 배플은 1 스테이지(stage)로 이중관(double pipe)으로 반응기 외벽에도 12개가 설치될 수 있다. 이때, 회전 속도(rpm)는 128(m/sec)이다.
[실시예 1]
도 2에 도시된 반응기로, 1 스테이지(stage) 배플 12개 중 120도 간격으로 배치된 3개의 배플에 핀이 형이 형성되어 있다. 핀이 부착된 배플의 폭과 핀의 폭의 합(W)는 0.3m로 반응기 직경(D)에 대해서 0.07인 것을 제외하고, 비교예 1과 동일하게 운전되었다.
[실시예 2]
핀이 부착된 배플의 폭과 핀의 폭의 합(W)이 0.5m로 반응기 직경(D)에 대해서 0.11인 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하다.
[실시예 3]
전체 배플 폭(total baffle width) 핀이 부착된 배플의 폭과 핀의 폭의 합(W) 핀이 부착된 배플의 폭과 핀의 폭의 합(W)이 0.66m로 반응기 직경(D)에 대해서 0.14인 것을 제외하고, 실시예 1과 동일하다.
　 비교예 실시예1 실시예2 실시예3
TBW/D(reactor) 0.05 0.07 0.11 0.14
radial (m/sec) 0.65 0.92 1.10 1.17
CFD 지표(sec2/m2) 2.48 2.63 2.71 2.24
비교예 대비 FE 증감률 0% 34% 52% -55%
열교환 면적 증가(m2) 0 1.46 5.06 7.94
표 1은 비교예 1, 실시예 1 및 2에서 측정된 CFD 값이다. 이때, 2상(phase) 오일러 모델(eulerian model)로 CFD 유동을 해석하였다.
CFD 지표는 1m2/sec3 내지 100m2/sec3 이상의 난류값을 가지는 영역의 부피 분율이 0.5/s 내지 5/s 이하 전단속도(shear rate)를 가지는 영역의 부피 분율로, CFD 지표값이 작을수록 제품의 품질이 우수한 것을 나타낸다.
표 1을 참고하면, 비교예 1에서의 속도는 0.65이고, 실시예 1, 실시예 2 및 실시예 3으로 갈수록 0.92, 1.1, 1.17로 속도가 증가함을 알 수 있다. 이는, 방울(droplet) 크기가 줄어들면서 속도가 증가하는 것을 알 수 있다.
그리고, FE(fish eye)는 비교예를 기준으로 실시예 1 및 2에서 증가하나, 실시예 3에서 FE가 -55%로 감소하는 것을 확인할 수 있다.
또한, 열교환 면적은 비교예 1을 기준으로 실시예 1, 2, 3으로 갈수록 증가하는 것을 알 수 있다.
한편, 제품의 품질을 평가하는 CFD 지표를 살펴보면, 비교예 1에서는 2.48이고, 실시예 1 및 2는 2.63, 2.71로 증가하여 제품 품질은 비교예 1보다 떨어짐을 알 수 있다. 또한, 실시예 3은 2.24로 CFD 지표가 비교예 1보다 떨어져 반응 속도 뿐 아니라, 제품 품질 또한 향상됨 알 수 있다.
실시예 3의 경우 속도(radial velocity)가 높으며 CFD 지표가 낮아 품질 향상이 있으며 또한 핀(fin)에 의한 열교환 면적이 증가하기 때문에 생산량까지 증가시킬 수 있는 장치이다.
즉, 본 발명의 일 실시예에서와 같이 핀을 설치하면 방울 크기를 줄여 반응 속도를 증가시킬 수 있으며, CFD 지표를 이용하여 FE(fish eye) 품질을 예측할 수 있어, 반응성 향상 또는 제품 품질 향상과 같이 필요에 따라서 핀의 크기를 조절할 수 있다.
이처럼, 본 발명에서와 같이 냉각 배플과 반응 용기의 직경 비율을 조절하면 FE 감소, 속도 증가, 열교환 면적 증가 등과 같이 다양한 효과를 기대할 수 있다. 따라서, 필요로 하는 공정 특성 및 품질에 따라서, 핀이 설치된 냉각 배플의 폭과 핀의 폭의 합이 반응 용기 직경에 대해서 0.07 내지 0.14배 범위 내에서 선택될 수 있다.
이상 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명하였지만, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 특허청구범위와 발명의 상세한 설명 및 첨부한 도면의 범위 안에서 여러 가지로 변형하여 실시할 수 있다.

Claims (7)

  1. 반응 용기,
    상기 반응 용기 내에 회전 가능하게 설치된 회전축,
    상기 회전축과 연결되어 회전하는 교반 날개,
    상기 반응 용기의 내주면을 따라 일정한 간격으로 배치된 복수의 냉각 배플
    상기 냉각 배플 중 적어도 하나에 형성되며, 상기 냉각 배플의 길이 방향을 따라 길게 형성된 핀
    을 포함하고,
    상기 핀은 상기 냉각 배플의 외면으로부터 상기 회전축을 향해서 돌출되어 있는 반응기.
  2. 제1항에서,
    상기 핀이 설치된 냉각 배플의 폭과 상기 핀의 폭의 합은 상기 반응 용기 직경에 대해서 0.07 내지 0.14배인 반응기.
  3. 제1항에서,
    상기 핀은 상기 냉각 배플로부터 멀어질수록 상기 핀의 두께가 줄어드는 반응기.
  4. 제1항에서,
    상기 복수의 배플은 일정한 각도를 두고 배치되어 있는 반응기.
  5. 제1항에서,
    상기 핀의 끝단은 곡면을 가지는 반응기.
  6. 제1항에서,
    상기 핀의 양면은 곡면을 가지는 반응기.
  7. 제1항에서,
    상기 교반 날개는 패들형인 반응기.
KR1020220099172A 2022-08-09 2022-08-09 반응기 KR20240020889A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220099172A KR20240020889A (ko) 2022-08-09 2022-08-09 반응기
PCT/KR2023/011717 WO2024035096A1 (ko) 2022-08-09 2023-08-09 반응기

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020220099172A KR20240020889A (ko) 2022-08-09 2022-08-09 반응기

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20240020889A true KR20240020889A (ko) 2024-02-16

Family

ID=89852089

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020220099172A KR20240020889A (ko) 2022-08-09 2022-08-09 반응기

Country Status (2)

Country Link
KR (1) KR20240020889A (ko)
WO (1) WO2024035096A1 (ko)

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101227979B1 (ko) * 2011-06-02 2013-02-01 경상대학교산학협력단 핀을 이용한 교반용기 및 이를 포함하는 교반능력이 향상된 교반기
CN205700520U (zh) * 2016-04-21 2016-11-23 台州禾欣高分子新材料有限公司 反应釜
KR102376250B1 (ko) * 2016-06-14 2022-03-21 스미토모 긴조쿠 고잔 가부시키가이샤 화학 반응 장치 및 화학 반응 장치를 이용한 입자 제조방법
CN112742323A (zh) * 2019-10-30 2021-05-04 格林美股份有限公司 一种反应釜控流装置
KR20210059512A (ko) * 2019-11-15 2021-05-25 한화솔루션 주식회사 중합 반응기

Also Published As

Publication number Publication date
WO2024035096A1 (ko) 2024-02-15

Similar Documents

Publication Publication Date Title
KR101572126B1 (ko) 배플을 구비한 회분식 반응기
JP3996646B2 (ja) 二連剪断混合装置を使用する重合方法
JP2507839B2 (ja) 攪拌装置
JP4805319B2 (ja) 撹拌装置及び撹拌槽
US8192695B2 (en) Reactor apparatus having reduced back mixing
CN1113685C (zh) 垂直搅拌装置
CN108246143B (zh) 一种穿流搅拌桨
JP2000202268A (ja) 撹拌装置
KR20240068614A (ko) 중합 반응기
KR20240020889A (ko) 반응기
JP3224498B2 (ja) 撹拌装置
CN104870082B (zh) 具有在容器内部形成的凹槽的搅拌器
KR20200078221A (ko) 회분식 반응기
TWI751686B (zh) 用於氯乙烯樹脂之批次懸浮聚合的攪拌器、以及使用彼之批次懸浮聚合方法與批次懸浮聚合反應器
JP3942411B2 (ja) 攪拌機
KR102395229B1 (ko) 배플을 구비한 회분식 반응기
US10738137B2 (en) Reactor
JPH0871395A (ja) 横型２軸を備えた高粘度液連続処理装置の使用方法
KR20240001691A (ko) 냉각 배플 및 이를 포함하는 반응기
KR101340712B1 (ko) 드래프트 튜브를 구비한 혼합 장치
CN217962475U (zh) 反应器和用于该反应器的搅拌器
JP4635149B2 (ja) 撹拌装置
KR20240060186A (ko) 이중 교반 반응기
JPH11217443A (ja) 横型反応槽
JPH03267136A (ja) 立形撹拌機