KR20240023889A - 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기 - Google Patents

Abstract

반응용기 내에 수납된 유체의 상하 혼합이 원활하도록 함과 아울러, 반응용기의 내주면 둘레에 구비된 열교환용 코일 주변의 유속을 높게 형성하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기에 관한 것이다.

Description

열교환용 코일이 구비된 중합 반응기{POLYMERIZATION REACTOR WITH HEAT EXCHANGE COIL}

본 발명은 반응용기 내에서 유체 유동 시 열교환용 코일 주변의 유속을 높게 형성하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있는 중합 반응기에 관한 것이다.

일반적으로, 석유 화학 산업분야에서 취급하는 반응기의 형상은 제품의 생산 수율과 품질에 큰 영향을 미치게 된다. 이에 따라 반응기의 설계 단계에서부터 다양한 사항에 대한 고려가 필요하다.

일례로, 단량체를 중합 반응시켜 고분자 수지를 만드는 중합 반응기에서는 통상적으로 반응이 일어남에 따라 흡열 또는 발열이 발생하게 된다. 따라서 공정 제어를 위해 반응용기의 내부 온도를 일정하게 유지할 수 있도록 열교환 시스템이 함께 구비된다.

상기 열교환 시스템으로는 반응기의 외주면을 감싸는 자켓(Jacket)을 설치하고, 자켓 안에 열매 또는 냉매를 순환시키는 방식이 주로 사용된다. 다른 예로, 반응기 내부에 열매 또는 냉매가 흐르는 열교환용 코일을 직접 설치하는 경우도 있다.

그러나 상기와 같이 반응기 내부에 열교환용 코일을 설치하는 경우 외부 자켓에 비해 효율적인 열교환이 가능하나, 반응기 내에서 유체 유동 시 간섭을 일으키는 요인이 될 수 있다. 이에 따라 반응기 내에서 유체의 균일한 혼합이 중요한 공정에서는 적절한 설치 방식이나 위치를 선택해야 한다.

대한민국 공개특허공보 제10-2015-0080774호(공개일: 2015.07.10.)

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 한 것으로, 반응용기 내에 수납된 유체의 상하 혼합이 원활하도록 함과 아울러, 반응용기의 내주면 둘레에 구비된 열교환용 코일 주변의 유속을 높게 형성하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기를 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 바와 같은 목적을 구현하기 위한 본 발명에 따른 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기는, 내부에 수용공간이 마련되며, 상하 방향으로 길게 형성되는 원통 형상의 반응용기;

상기 반응용기의 내부 중심축선 상에 동력을 전달받아 회전 가능하게 설치되는 임펠러; 및

상기 반응용기 내부에 상기 중심축선을 기준으로 방사상으로 소정각도 이격되게 설치되어, 상기 반응용기 내 유체를 소정 온도로 유지시키는 복수의 열교환용 코일;을 포함하되, 상기 열교환용 코일은, 상기 반응용기의 내부 상, 하측에 상기 중심축선의 길이방향을 따라 평행하게 이격 배치되며, 소정 길이로 형성되는 한 쌍의 수평부재; 및 상기 한 쌍의 수평부재 사이에 상기 중심축선과 평행하게 배치 고정됨과 아울러, 상기 수평부재의 길이방향을 따라 복수 개가 소정 간격 이격 배치되는 복수의 수직부재;를 포함할 수 있다.

이 경우 상기 수평부재는, 상기 반응용기의 내주면에서 상기 중심축선을 지나는 가상의 수직단면을 기준으로 60 ~ 120°의 각도로 틸팅(Tilting)된 것을 포함할 수 있다.

또한 상기 수직부재는, 상기 수평부재의 길이방향을 따라 적어도 2열로 이격 배치될 수 있다.

또한 상기 수평부재와 수직부재는, 원통형상으로 형성될 수 있다.

또한 상기 수직부재는, 상기 수평부재보다 작은 직경으로 형성될 수 있다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기는, 반응용기 내의 중심축선을 기준으로 복수의 열교환용 코일이 방사상으로 소정각도 이격되게 배치되되 소정의 틸팅 각도로 배치됨에 따라, 반응용기 내에 수납된 유체의 상하 혼합이 원활하도록 할 수 있다. 아울러 반응용기의 내주면 둘레에 구비된 열교환용 코일 주변의 유속을 높게 형성하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기의 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기의 평단면도,
도 3은 본 발명에 따른 열교환용 코일의 사시도,
도 4는 도 3의 I-I'선 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 열교환용 코일의 최적 틸팅 각도를 설정하기 위한 다양한 비교예와 실시예를 보여주는 평단면도,
도 6 및 도 7은 도 5의 다양한 비교예 및 실시예에 대한 CFD 시뮬레이션 결과 자료이다.

이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

여기서, 각 도면의 구성요소들에 대해 참조부호를 부가함에 있어서 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호로 표기되었음에 유의하여야 한다.

도 1은 본 발명에 따른 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기의 사시도이고, 도 2는 본 발명에 따른 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기의 평단면도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 중합 반응기(1)는, 반응용기(100), 임펠러(200), 열교환용 코일(300)을 포함할 수 있다.

이러한 본 발명의 구성에 대해 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

먼저, 상기 반응용기(100)는 중합 반응기(1)의 주된 본체를 이루는 것으로, 내부에 처리 대상 유체가 수납될 수 있도록 수용공간(S)이 마련되며, 상하 방향으로 길게 형성되는 원통 형상으로 이루어질 수 있다.

아울러 도면에 도시되진 않았지만 반응용기(100)에는 반응 대상 유체를 유입 또는 배출할 수 있도록 유입구와 배출구가 구비될 수 있다.

상기 임펠러(200)는 반응용기(100)의 중심축선 상에 배치될 수 있으며, 모터 등의 동력을 전달받아 회전 가능하게 설치될 수 있다. 이러한 임펠러(200)는 기존에 공지된 기술임에 따라 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

도 2를 참조하면, 상기 열교환용 코일(300)은 반응용기(100)의 내부에 중심축선을 기준으로 방사상으로 복수 개가 소정 각도 이격되게 배치될 수 있다.

상기 열교환용 코일(300)은 속이 빈 관체로 형성될 수 있다. 이러한 관체의 열교환용 코일(300) 내부에 열매 또는 냉매(이하, '냉매'인 경우로 설명함)가 흐르면서 반응용기(100) 내 유체와 열교환되어 상기 유체를 일정한 온도로 유지시킬 수 있다.

구체적으로, 도 3을 참조하면, 상기 열교환용 코일(300)은, 반응용기(100)의 내부 상, 하측에 중심축선의 길이방향을 따라 평행하게 이격 배치되며 소정 길이로 형성되는 한 쌍의 수평부재(310)와, 상기 한 쌍의 수평부재(310) 사이에 중심축선과 평행하게 배치 고정됨과 아울러 상기 수평부재(310)의 길이방향을 따라 복수 개가 소정 간격 이격 배치되는 복수의 수직부재(320)를 포함할 수 있다.

참고로, 도면에서는 본 발명을 이해하기 쉽도록 열교환용 코일(300)에 대한 배치 구조를 중점적으로 도시하였으며, 열교환용 코일(300) 내부에 냉매가 유입 배출되는 입/출구의 구조는 생략하였다.

이 경우 상기 수평부재(310)와 수직부재(320)는 원통 형상의 관체로 형성될 수 있다. 즉 상기 수평부재(310)와 수직부재(320)의 몸체를 각진 다각 기둥으로 형성하는 경우 반응용기(100) 내에서 유동하는 유체와 부딪히게 되는 면적이 늘어날 수 있다. 이러한 각진 형상은 유체 유동 시 간섭의 요인으로 작용할 수 있다. 따라서 수평부재(310)와 수직부재(320)의 몸체를 원통형으로 형성함으로써 상기 유체와 접촉 시 저항을 최소화할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 수직부재(320)는 수평부재(310)보다 작은 직경으로 형성될 수 있으며, 이에 따라 유체 유동 시 수직부재(320)의 이격된 공간 사이로 유체가 원활하게 통과할 수 있으며, 이에 따라 유체와의 접촉에 따른 저항을 최소화할 수 있다.

아울러 상기 수직부재(320)는 수평부재(310)의 길이방향을 따라 적어도 2열로 나란하게 이격 배치되어 상기 수직부재(320) 내부를 흐르는 냉매의 양을 충분하게 공급함에 따라 원활한 열교환이 이루어지도록 할 수 있다.

다시 도 2를 참조하면, 상기와 같은 구조의 열교환용 코일(300)은 반응용기(100)의 내주면에서 중심축선을 지나는 가상의 수직단면(V)을 기준으로 수평부재(310)의 틸팅(Tilting) 각도(θ)를 60 ~ 120°의 범위로 최적화할 수 있다.

즉 상기 열교환용 코일(300)이 반응용기(100) 내에 설치됨에 따라 임펠러(200) 회전에 의한 유체 유동 시 열교환용 코일(300)이 간섭 요인이 될 수 있으며, 이로 인해 유체의 균일한 혼합 효율이 떨어질 수 있다. 이를 방지할 수 있도록 열교환용 코일(300)을 구성하는 수평부재(310)와 수직부재(320)의 틸팅 각도 범위를 아래의 <실험예>에서와 같은 시뮬레이션을 통해 최적화할 수 있다. 이에 따라 상기 유체 유동 시 열교환용 코일(300)과의 간섭을 줄여 혼합 효율을 향상시킬 수 있다.

< 실험예 >

본 발명의 반응용기(100) 내부에 중심축선을 기준으로 방사상으로 복수의 열교환용 코일(300)을 소정각도 이격되게 배치하고, 유동하는 유체와의 간섭을 최소화하기 위하여 열교환용 코일(300)의 틸팅 각도(θ)(도 2 참조)를 최적화할 수 있도록 CFD 시뮬레이션을 실시하였다(난류모델, 유체밀도: 936㎏/㎥, 유체 점도: 10poise).

도 5를 참조하면, 상기 열교환용 코일(300)의 틸팅 각도(θ)는 비교예 1 내지 3의 경우 0°, 30°, 150°)로 설정하였고, 실시예 1 내지 3은 60°, 90°, 120°로 제각기 설정하였다.

참고로, 상기 열교환용 코일(300) 주변부의 유속이 빠를수록 열교환용 코일(300)과 반응용기(100) 내부 유체 사이의 열 전달 계수가 높아 열교환이 활발하게 일어날 수 있다. 아울러 평균 축 방향 유속이 높을수록 혼합 성능이 좋고, 단위 부피당 소모 동력이 낮을수록 공정 운전 비용이 감소하여 바람직하다.

상기와 같은 조건으로 CFD 시뮬레이션을 실시한 결과, 도 6에서와 같이 상기 열교환용 코일(300)의 틸팅 각도(θ)를 60 ~ 120°로 설정한 본 발명의 실시예 1 내지 3에서 열교환용 코일(300) 주변부의 유속이 높고 평균 축 방향 유속/단위 부피당 소모 동력이 높게 나온 것을 알 수 있었다.

또한 도 7에서와 같이, 상기 열교환용 코일(300) 주변부의 유속과 평균 축 방향 유속/단위 부피당 소모 동력 값을 Min-Max 스케일링을 통해 0 ~ 1 사이의 값을 갖도록 정규화하여 케이스별로 비교하였다.

그 결과 실시예 1 내지 3의 정규화 수치 합계가 비교예 1 내지 3 대비 높게 나왔으며, 특히 실시예 2(θ= 90°)의 정규화 수치 합계가 가장 높게 나타났다.

즉 중합 반응기(1)의 전체적인 혼합 성능과 열 교환 성능을 높이기 위해서는 실시예 1 내지 3과 같은 열교환용 코일(300) 배치가 효과적이며, 특히 실시예 2의 배치가 바람직한 것을 알 수 있다.

이상과 같은 구성의 본 발명에 따른 열교환용 코일이 구비된 중합 반응기(1)는, 반응용기(100) 내에 수납된 유체의 상하 혼합이 원활하면서 반응용기(100)의 내주면에 구비된 열교환용 코일(300) 주변의 유속을 높게 형성하여 열교환 효율을 향상시킬 수 있다.

이상에서는 본 발명을 특정의 구체적인 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 예에 한정되지 않으며 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변경과 수정이 가능함은 물론이다.

1 : 중합 반응기 100 : 반응용기
S : 수용공간 200 : 임펠러
300 : 열교환용 코일 310 : 수평부재
320 : 수직부재 V : 가상의 수직단면

Claims (5)

1. 내부에 수용공간이 마련되며, 상하 방향으로 길게 형성되는 원통 형상의 반응용기;
   상기 반응용기의 내부 중심축선 상에 동력을 전달받아 회전 가능하게 설치되는 임펠러; 및
   상기 반응용기 내부에 상기 중심축선을 기준으로 방사상으로 소정각도 이격되게 설치되어, 상기 반응용기 내 유체를 소정 온도로 유지시키는 복수의 열교환용 코일;을 포함하되,
   상기 열교환용 코일은,
   상기 반응용기의 내부 상, 하측에 상기 중심축선의 길이방향을 따라 평행하게 이격 배치되며, 소정 길이로 형성되는 한 쌍의 수평부재; 및
   상기 한 쌍의 수평부재 사이에 상기 중심축선과 평행하게 배치 고정됨과 아울러, 상기 수평부재의 길이방향을 따라 복수 개가 소정 간격 이격 배치되는 복수의 수직부재;를 포함하는 중합 반응기.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 수평부재는,
   상기 반응용기의 내주면에서 상기 중심축선을 지나는 가상의 수직단면을 기준으로 60 ~ 120°의 각도로 틸팅(Tilting)된 것을 포함하는 중합 반응기.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 수직부재는,
   상기 수평부재의 길이방향을 따라 적어도 2열로 이격 배치되는 것을 포함하는 중합 반응기.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 수평부재와 수직부재는,
   원통형상으로 형성되는 것인 중합 반응기.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 수직부재는,
   상기 수평부재보다 작은 직경으로 형성되는 것인 중합 반응기.

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