WO2022055224A1 - 반응기 - Google Patents

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WO2022055224A1
WO2022055224A1 PCT/KR2021/012137 KR2021012137W WO2022055224A1 WO 2022055224 A1 WO2022055224 A1 WO 2022055224A1 KR 2021012137 W KR2021012137 W KR 2021012137W WO 2022055224 A1 WO2022055224 A1 WO 2022055224A1
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refrigerant
reactor
jacket
refrigerant jacket
reactor tank
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PCT/KR2021/012137
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허성범
이진
백종열
김원희
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주식회사 엘지화학
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Definitions

  • the present invention relates to a reactor.
  • polymerization A reaction in which two or more units or monomers, which are raw materials for a polymer, combine to form a compound with a large molecular weight through a chemical reaction is called polymerization.
  • polystyrene is a representative example of cationic polymerization.
  • the reactor in which polybutene polymerization takes place must be maintained at a low temperature for stable polymerization.
  • Patent Document Korean Patent Laid-Open No. 10-2019-0027623
  • One aspect of the present invention is to provide a reactor capable of uniformly performing low-temperature heat transfer.
  • a reactor according to an embodiment of the present invention includes: a reactor tank having an accommodating space in which a polymerization reaction of a reaction fluid is performed; an external refrigerant jacket located outside the reactor tank through which the refrigerant flows; and an inner refrigerant jacket located inside the reactor tank through which a refrigerant flows, and directions in which the refrigerant flows in the outer refrigerant jacket and the inner refrigerant jacket may be opposite to each other.
  • a refrigerant jacket through which a refrigerant flows is provided in a double inside and outside the reactor to enable uniform cooling of the reactants.
  • the refrigerant inlet and outlet passages are provided in the jacket located on the inner side and the jacket located on the outer side, so that the refrigerant flows in opposite directions, so that more uniform cooling of the reactant (reaction fluid) may be possible.
  • FIG. 1 is a perspective view illustrating a reactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a reactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG 3 is a perspective view illustrating an internal refrigerant jacket in a reactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view exemplarily showing a guide van in a reactor according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view exemplarily showing a reactor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a cross-sectional view exemplarily showing a reactor according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 3 is a reactor according to an embodiment of the present invention. It is a perspective view showing the inner refrigerant jacket by way of example.
  • the reactor 100 is located outside the reactor tank 110, the reactor tank 110 having a receiving space 111 therein, and the outside through which the refrigerant flows. It includes a refrigerant jacket 120 , and an inner refrigerant jacket 130 located inside the reactor tank 110 through which the refrigerant flows.
  • the reactor 100 may further include an impeller 140 and a guide van 150 .
  • the reactor tank 110 may have an accommodation space 111 in which the polymerization reaction of the reaction fluid is performed.
  • the reactor tank 110 may be provided in the form of a cylindrical vessel.
  • a monomer, a solvent, and a catalyst may be introduced into the receiving space 111 of the reactor tank 110 to cause a polymerization reaction.
  • polybutene polymerization may occur in the accommodation space 111 of the reactor tank 110 . That is, a polymerization reaction may occur inside the reactor tank 110 to prepare a polymer, for example, a polybutene polymer may be prepared.
  • the catalyst for example, boron trifluoride (BF 3 ), aluminum chloride (AlCl 3 ) Lewis acid (lewis acid) series such as may be used.
  • the external refrigerant jacket 120 is located outside the reactor tank 110 so that the refrigerant can flow.
  • the external refrigerant jacket 120 may include an external refrigerant input unit 121 through which a refrigerant is introduced into the external refrigerant jacket 120 and an external refrigerant discharge unit 122 through which the refrigerant is discharged.
  • the external refrigerant jacket 120 may be formed in the form of a tube through which the refrigerant flows.
  • the external refrigerant jacket 120 may be wound in the form of a coil (Coil). Accordingly, the external refrigerant jacket 120 may surround the outer surface of the reactor tank (110).
  • the external refrigerant jacket 120 may be provided as a tube having a rectangular cross section. That is, the cross-section may be provided as a “w”-shaped tube. Accordingly, the directionality of the refrigerant flowing inside the external refrigerant jacket 120 can be imparted.
  • the inner refrigerant jacket 130 is located inside the reactor tank 110 so that the refrigerant can flow.
  • the internal refrigerant jacket 130 may include an internal refrigerant input unit 131 into which a refrigerant is introduced into the inner refrigerant jacket 130 and an internal refrigerant discharge unit 132 through which the refrigerant is discharged.
  • the inner refrigerant jacket 130 may be formed in the form of a tube through which the refrigerant flows.
  • the inner refrigerant jacket 130 may be provided as a tube having a rectangular cross-section. That is, the cross-section may be provided as a “w”-shaped tube. Accordingly, the directionality of the refrigerant flowing inside the inner refrigerant jacket 130 can be imparted.
  • the inner refrigerant jacket 130 may be wound in the form of a coil (Coil).
  • the inner refrigerant jacket 130 may form partition walls so that flow passages are formed on the inner side 130a and the outer side 130b of the inner refrigerant jacket 130 .
  • reaction time it may be possible to secure the reaction time in a limited space by inducing the directionality of the reaction fluid.
  • the refrigerant flowing in the outer refrigerant jacket 120 and the inner refrigerant jacket 130 may be opposite to each other.
  • the external refrigerant input unit 121 and the internal refrigerant input unit 131 are positioned on opposite sides with respect to the vertical direction D1, and the external refrigerant discharge unit 122 and the internal refrigerant discharge unit 132 are disposed in the vertical direction ( D1) may be located on opposite sides of each other.
  • the external refrigerant input unit 121 and the internal refrigerant discharge unit 132 are located on one lower side of the reactor tank 110
  • the external refrigerant discharge unit 122 and the internal refrigerant input unit 131 are located at the reactor tank 110 . It may be located on the other side of the upper part.
  • the refrigerant input portion and the discharge portion of the external refrigerant jacket 120 and the inner refrigerant jacket 130 are positioned opposite to each other, and as the refrigerant flows in opposite directions to each other, even heat transfer is achieved inside the reactor tank 110 and reacts
  • the fluid can maintain an even low temperature.
  • the reaction fluid may be maintained at a cryogenic temperature through the external refrigerant jacket 120 and the internal refrigerant jacket 130 .
  • the external refrigerant jacket 120 is provided in the reactor tank 110 , even when the temperature of the refrigerant is higher than that of the reactor tank 110 .
  • the temperature of the catalyst input to the reactor 100 of the present invention in order to cause the reaction of the reaction fluid by maintaining the temperature of the reactor tank 110 at -30 to -49° C. or -10 to -20 Even if the temperature is lowered, heat transfer is well achieved, so that the reaction can be carried out smoothly. However, when only the external refrigerant jacket 120 is provided in the reactor 100, the heat transfer efficiency is lowered, and the refrigerant input temperature must be significantly lowered.
  • the reactor 100 of the present invention can efficiently transfer heat to the reaction fluid through the external refrigerant jacket 120 and the internal refrigerant jacket 130 , so that a higher temperature refrigerant is supplied to the reactor 100 for reaction As the temperature can be secured, there is a remarkably good effect of energy efficiency.
  • reaction fluid can be evenly maintained at a low temperature, so that continuous stable polymerization can occur. Accordingly, it is possible to obtain a stable molecular weight, and cationic polymerization of an isomer may be possible.
  • the impeller 140 may be installed inside the reactor tank 110 to induce the directionality of the reaction fluid.
  • the impeller 140 is located on the inner side (130a) and the outer side (130b) of the inner refrigerant jacket 130, the reaction fluid rises to the inner side (130a) of the inner refrigerant jacket 130 and the outer side of the inner refrigerant jacket 130 ( 130b) to induce the reaction fluid to descend.
  • the impeller 140 may include a rotation shaft 141 rotatably mounted on the reactor tank 110 and impeller blades 142 and 143 mounted on the rotation shaft 141 .
  • the impeller blades 142 located on the inner side 130a of the inner refrigerant jacket 130 and the impeller blades 143 located on the outer side 130b may be provided to flow the fluid in opposite directions.
  • the impeller blade 142 located on the inner side 130a of the inner refrigerant jacket 130 and the impeller blade 143 located on the outer side 130b have opposite inclinations to the rotation shaft 141, can be mounted
  • FIG. 4 is a plan view exemplarily showing a guide van in a reactor according to an embodiment of the present invention.
  • the guide van 150 (Guide vane) is to guide the flow of the reaction fluid in the same direction as the flow direction of the reaction fluid in which the impeller 140 flows inside the reactor tank 110.
  • the guide van 150 includes a support plate 152 provided on upper and lower portions inside the reactor tank 110 and a guide part 151 protruding from the support plate 152 in the inner direction of the reactor tank 110 .
  • a reactor comprising.
  • the support plate 152 may be fixed to the ceiling surface and the bottom surface of the reactor tank 110 .
  • the guide part 151 may protrude from the support plate 152 in a spiral shape.
  • the guide van 150 may guide the flow of the reaction fluid. That is, the guide van 150 facilitates the reaction fluid flowing by the impeller 140 in the receiving space 111 of the reactor tank 110 to the inner side 130a and the outer side 130b of the inner refrigerant jacket 130 . It can be guided to cycle.
  • the guide part 151 located on the upper side in the inside of the reactor tank 110 transfers the fluid rising from the inner side 130a of the inner refrigerant jacket 130 to the outer side 130b of the inner refrigerant jacket 130 ).
  • the guide part 151 located on the lower side inside the reactor tank 110 transfers the fluid falling from the outer side 130b of the inner refrigerant jacket 130 to the inner side 130a of the inner refrigerant jacket 130. ) can be guided to move.
  • the reactor 100 includes a monomer and solvent input unit 160 for introducing a monomer and a solvent into the reactor tank 110 , and a catalyst into the reactor tank 110 .
  • a catalyst input unit 170 for inputting into the interior
  • a reactant discharge unit 180 from which the reactants are discharged.
  • the monomer and solvent input part 160 and the catalyst input part 170 may be provided on the side where the external refrigerant input part 121 and the internal refrigerant input part 131 are located. Accordingly, it may be advantageous to secure a low temperature of the reaction fluid.
  • the monomer and solvent input unit 160 may be provided on the side where the internal refrigerant input unit 131 is located, and the catalyst input unit 170 may be provided on the side where the external refrigerant input unit 121 is located. .
  • the catalyst input unit 170 may be located on one lower side of the reactor tank 110
  • the monomer and solvent input unit 160 may be located on the other upper side of the reactor tank 110 .
  • a reactor was prepared in the form of a vessel having a refrigerant jacket on the outside and inside, and an impeller inside. At this time, the refrigerant of the refrigerant jacket on the outer and inner side was made to flow in opposite directions to each other.
  • a catalyst solution, a monomer (Isobutylene), and a solvent (hexane&DCM) were put into a reactor, and reacted at -40°C for 30 minutes. At this time, the concentration of the monomer was added to the reactor at 40 (wt%).
  • Comparative Examples 1 and 2 have a molecular weight (Mw) 450k yield of 0.2 to 43%, whereas Preparation Examples 1 and 2 have a molecular weight (Mw) 450k yield of 48 to 62%. It can be seen that the remarkably high In particular, when the monomer concentration is 55 (wt%), in Comparative Example 2, the yield of molecular weight (Mw) 450k required for product production was hardly obtained as 0.2%, and in Preparation Example 2, the yield of molecular weight (Mw) 450k was It can be seen that the significantly increased to 62%. Meanwhile, in Comparative Example 2, a yield of 248k of molecular weight (Mw) unnecessary for product production was found to be 62%.
  • the reactors of Preparation Examples 1 and 2 have a refrigerant jacket not only on the outside but also on the inside, so that the heat transfer area is increased to show high heat transfer efficiency, and the heat transfer rate per unit time is increased by improving the flowability of the fluid. . That is, it can be seen that it is possible to secure the reaction time in a limited space by inducing the directionality of the reaction fluid. Due to this, it is possible to design the capacity of the cooler (reactor) freely and increase the monomer concentration, which has the effect of remarkably increasing the productivity per unit time and securing physical properties.

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Abstract

본 발명은 반응기에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 반응기는 내부에 반응 유체의 중합반응이 수행되는 수용공간이 형성된 반응기 탱크; 상기 반응기 탱크의 외측에 위치되어 냉매가 흐르는 외부 냉매자켓; 및 상기 반응기 탱크의 내측에 위치되어 냉매가 흐르는 내부 냉매자켓을 포함하고, 상기 외부 냉매자켓 및 상기 내부 냉매자켓의 냉매가 흐르는 방향으로 서로 반대이다.

Description

반응기
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2020년 09월 11일자 한국특허출원 제10-2020-0117211호 및 2021년 09월 06일자 한국특허출원 제10-2021-0118408호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
본 발명은 반응기에 관한 것이다.
중합체(polymer)의 원료가 되는 단위체 또는 모노머(monomer)가 화학반응을 통해 2개 이상 결합하여 분자량이 큰 화합물을 생성하는 반응을 중합이라고 하며, 중합체는 중합도에 따라 이합체, 삼합체, 다합체라고 불린다.
중합반응이 일어나는 반응기는 내부에 모노머, 용매, 및 촉매가 투입되어 중합반응이 일어날 수 있다. 폴리부텐(polybutene)은 양이온 중합의 대표적인 사례이다. 폴리부텐(polybutene) 중합이 일어나는 반응기는 안정적인 중합을 위하여 저온을 유지시켜 주어야 한다. 종래 기술로는 섭씨 -90도 ~ -60도의 저온을 유지해 주는 것이 필요했다. 하지만, 종래에는 반응기 내부를 연속적으로 균일한 저온 상태를 유지하기 어려운 문제가 있다. 이에 따라, 안정적인 분자량 수득이 어려우며, 이성질체(isomer)의 선택적 반응이 일어나가 어렵다.
[선행기술문헌] (특허문헌) 한국 공개특허 제10-2019-0027623호
본 발명의 하나의 관점은 균일하게 저온 열전달이 이루어질 수 있는 반응기를 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 반응기는 내부에 반응 유체의 중합반응이 수행되는 수용공간이 형성된 반응기 탱크; 상기 반응기 탱크의 외측에 위치되어 냉매가 흐르는 외부 냉매자켓; 및 상기 반응기 탱크의 내측에 위치되어 냉매가 흐르는 내부 냉매자켓을 포함하고, 상기 외부 냉매자켓 및 상기 내부 냉매자켓의 냉매가 흐르는 방향으로 서로 반대일 수 있다.
본 발명에 따르면, 냉매가 흐르는 냉매 자켓을 반응기의 내부에서 내외측으로 이중으로 구비되어 균일한 반응물의 냉각이 가능할 수 있다.
또한, 상대적으로 내측에 위치한 자켓과 외측에 위치된 자켓에 냉매의 유출입 통로가 반대로 구비되어 냉매가 서로 역방향으로 흐르게 됨에 따라 보다 균일한 반응물(반응 유체)의 냉각이 가능할 수 있다.
그리고, 효율적 열교환 과정을 통해, 열 전도체의 부담이 적어지므로 냉각기(반응기)의 부하가 낮아진다. 이로서 에너지 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반응기를 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 2은 본 발명의 실시예에 따른 반응기를 예시적으로 나타낸 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반응기에서 내부 냉매자켓을 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반응기에서 가이드 밴을 예시적으로 나타낸 평면도이다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 또한, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략하도록 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반응기를 예시적으로 나타낸 사시도이고, 도 2은 본 발명의 실시예에 따른 반응기를 예시적으로 나타낸 단면도이며, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반응기에서 내부 냉매자켓을 예시적으로 나타낸 사시도이다.
도 1 내지 도 3을 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 반응기(100)는 내부에 수용공간(111)이 형성된 반응기 탱크(110), 반응기 탱크(110)의 외측에 위치되어 냉매가 흐르는 외부 냉매자켓(120), 및 반응기 탱크(110)의 내측에 위치되어 냉매가 흐르는 내부 냉매자켓(130)을 포함한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 반응기(100)는 임펠러(140) 및 가이드 밴(150)을 더 포함할 수 있다.
보다 상세히, 반응기 탱크(110)는 내부에 반응 유체의 중합반응이 수행되는 수용공간(111)이 형성될 수 있다. 이때, 반응기 탱크(110)는 원통형 베슬(vessel) 형태로 구비될 수 있다.
또한, 반응기 탱크(110)의 수용공간(111)에 모노머, 용매, 및 촉매가 투입되어 중합반응이 일어날 수 있다.
여기서, 반응기 탱크(110)의 수용공간(111)에서 폴리부텐(polybutene) 중합이 일어날 수 있다. 즉, 반응기 탱크(110) 내부에서 중합 반응이 일어나 중합체를 제조할 수 있고, 예를 들어 폴리부텐(polybutene) 중합체를 제조할 수 있다.
촉매는 예를 들어 삼불화붕소(BF3), 염화 알루미늄(AlCl3) 등의 루이스산(lewis acid) 계열이 사용될 수 있다.
외부 냉매자켓(120)은 반응기 탱크(110)의 외측에 위치되어 냉매가 흐를 수 있다.
외부 냉매자켓(120)은 외부 냉매자켓(120)의 내부로 냉매가 투입되는 외부 냉매 투입부(121) 및 냉매가 배출되는 외부 냉매 배출부(122)를 포함할 수 있다.
한편, 외부 냉매자켓(120)은 내부에 냉매가 흐르는 관 형태로 형성될 수 있다.
또한, 외부 냉매자켓(120)은 코일(Coil) 형태로 권취된 형태일 수 있다. 이에 따라, 외부 냉매자켓(120)은 반응기 탱크(110)의 외측면을 둘러쌀 수 있다.
아울러, 외부 냉매자켓(120)은 단면이 사각형인 관으로 구비될 수 있다. 즉, 단면이 "ㅁ"형태의 관으로 구비될 수 있다. 이에 따라, 외부 냉매자켓(120)의 내부에 흐르는 냉매의 방향성을 부여할 수 있다.
내부 냉매자켓(130)은 반응기 탱크(110)의 내측에 위치되어 냉매가 흐를 수 있다.
내부 냉매자켓(130)은 내부 냉매자켓(130)의 내부로 냉매가 투입되는 내부 냉매 투입부(131) 및 냉매가 배출되는 내부 냉매 배출부(132)를 포함할 수 있다.
그리고, 내부 냉매자켓(130)은 내부에 냉매가 흐르는 관 형태로 형성될 수 있다.
아울러, 내부 냉매자켓(130)은 단면이 사각형인 관으로 구비될 수 있다. 즉, 단면이 "ㅁ"형태의 관으로 구비될 수 있다. 이에 따라, 내부 냉매자켓(130)의 내부에 흐르는 냉매의 방향성을 부여할 수 있다.
또한, 내부 냉매자켓(130)은 코일(Coil) 형태로 권취된 형태일 수 있다.
여기서, 내부 냉매자켓(130)은 내부 냉매자켓(130)의 내측(130a) 및 외측(130b)에 유동통로가 형성되도록 격벽을 형성할 수 있다.
이에 따라, 반응 유체의 방향성을 유도하여 한정된 공간에서 반응시간의 확보가 가능할 수 있다.
한편, 외부 냉매자켓(120) 및 내부 냉매자켓(130)의 냉매가 흐르는 방향으로 서로 반대일 수 있다.
또한, 외부 냉매 투입부(121) 및 내부 냉매 투입부(131)는 상하방향(D1)에 대하여 서로 반대측에 위치되고, 외부 냉매 배출부(122) 및 내부 냉매 배출부(132)는 상하방향(D1)에 대하여 서로 반대측에 위치될 수 있다.
아울러, 외부 냉매 투입부(121) 및 내부 냉매 배출부(132)는 반응기 탱크(110)의 하부 일측 위치되고, 외부 냉매 배출부(122) 및 내부 냉매 투입부(131)는 반응기 탱크(110)의 상부 타측에 위치될 수 있다.
이에 따라, 외부 냉매자켓(120) 및 내부 냉매자켓(130)의 냉매 투입부분과 배출부분이 서로 반대로 위치되어, 냉매가 서로 역방향으로 흐름에 따라, 반응기 탱크(110) 내부에서 고른 열전달이 이루어져 반응 유체가 고르게 저온을 유지할 수 있다. 이때, 예를 들어 외부 냉매자켓(120) 및 내부 냉매자켓(130)을 통해 반응 유체를 극저온으로 유지시킬 수 있다. 그리고, 외부 냉매자켓(120) 및 내부 냉매자켓(130)을 통해 반응 유체에 열전달을 용이하게 함에 따라 외부 냉매자켓(120)만 반응기 탱크(110)에 구비될 때 보다 냉매 온도를 보다 높여도 반응이 원활하게 일어나게 할 수 있다. 또한, 예를 들어, 반응기 탱크(110) 온도를 -30 ~ -49℃ 로 유지시켜 반응 유체의 반응을 일으키기 위해 본 발명의 반응기(100)에 투입되는 촉매 온도를 이와 비슷하거나 -10~-20℃ 더 낮게 공급하여도 열전달이 잘 이루어져 반응이 원활하게 이루어질 수 있다. 하지만, 외부 냉매자켓(120)만 반응기(100)에 구비되면 열전달 효율이 떨어져 냉매 투입 온도를 보다 현저히 낮추어야 한다. 결국, 본 발명의 반응기(100)는 외부 냉매자켓(120) 및 내부 냉매자켓(130)을 통해 반응 유체에 효율적으로 열전달을 시킬 수 있어 보다 높은 온도의 냉매를 반응기(100)로 공급하여도 반응 온도를 확보할 수 있게 됨에 따라 에너지 효율이 현저히 좋은 효과가 있다.
또한, 반응 유체를 고르게 저온 상태로 유지할 수 있어 연속적으로 안정적인 중합이 일어날 수 있다. 따라서, 안정적인 분자량 수득이 가능하고, 이성질체(isomer)의 양이온 중합이 가능할 수 있다.
임펠러(140)는 반응기 탱크(110)의 내측부에 설치되어 반응 유체의 방향성을 유도할 수 있다.
임펠러(140)는 내부 냉매자켓(130)의 내측(130a) 및 외측(130b)에 위치되어, 내부 냉매자켓(130)의 내측(130a)으로 반응 유체 상승 및 내부 냉매자켓(130)의 외측(130b)으로 반응 유체의 하강을 유도할 수 있다.
임펠러(140)는 반응기 탱크(110)에 회전가능하게 장착된 회전축(141) 및 회전축(141)에 장착된 임펠러 날개(142,143)를 포함할 수 있다.
이때, 내부 냉매자켓(130)의 내측(130a)에 위치되는 임펠러 날개(142) 및 외측(130b)에 위치되는 임펠러 날개(143)는 서로 반대 방향으로 유체를 유동시키도록 구비될 수 있다. 여기서, 예를 들어 내부 냉매자켓(130)의 내측(130a)에 위치되는 임펠러 날개(142) 및 외측(130b)에 위치되는 임펠러 날개(143)는 회전축(141)에 서로 반대의 기울기를 갖으며 장착될 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반응기에서 가이드 밴을 예시적으로 나타낸 평면도이다.
도 2 및 도 4를 참고하면, 가이드 밴(150)(Guide vane)은 반응기 탱크(110)의 내부에 임펠러(140)가 유동하는 반응 유체의 유동 방향과 동일한 방향으로 반응 유체의 유동을 가이드 할 수 있다.
가이드 밴(150)은 반응기 탱크(110)의 내부에서 상측부 및 하측부에 구비되는 지지판(152)과, 지지판(152)에서 반응기 탱크(110)의 내측 방향으로 돌출된 가이드 부(151)를 포함하는 반응기.
지지판(152)은 반응기 탱크(110)의 천정면 및 바닥면에 고정될 수 있다.
가이드 부는(151) 지지판(152)으로부터 나선형 형태로 돌출될 수 있다.
이에 따라, 가이드 밴(150)이 반응 유체의 유동을 가이드 할 수 있다. 즉, 가이드 밴(150)은 반응기 탱크(110)의 수용공간(111)에서 임펠러(140)에 의해 유동되는 반응 유체가 내부 냉매자켓(130)의 내측(130a) 및 외측(130b)을 용이하게 순환되도록 가이드(Guide)할 수 있다. 이때, 예를 들어 반응기 탱크(110)의 내부에서 상측에 위치된 가이드 부(151)는 내부 냉매자켓(130)의 내측(130a)에서 상승되는 유체를 내부 냉매자켓(130)의 외측(130b)으로 이동되도록 가이드 하고, 반응기 탱크(110)의 내부에서 하측에 위치된 가이드 부(151)는 내부 냉매자켓(130)의 외측(130b)에서 하강되는 유체를 내부 냉매자켓(130)의 내측(130a)으로 이동되도록 가이드 할 수 있다.
결국, 내부 냉매자켓(130)의 내외측(130a,130b)에 임펠러 날개(142,143)가 구비된 임펠러(140) 및 유체의 흐름을 유도하는 가이드 밴(150)을 통해 반응기(100) 내부에서 유체의 고른 순환이 가능할 수 있다.
도 1 및 도 2를 참고하면, 본 발명의 실시예에 따른 반응기(100)는 모노머 및 용매를 반응기 탱크(110) 내부로 투입시키는 모노머 및 용매의 투입부(160), 촉매를 반응기 탱크(110) 내부로 투입시키는 촉매 투입부(170), 및 반응물이 배출되는 반응물 배출부(180)를 더 포함할 수 있다.
모노머 및 용매의 투입부(160)와, 촉매 투입부(170)가 외부 냉매 투입부(121) 및 내부 냉매 투입부(131)가 위치된 측에 구비될 수 있다. 이에 따라, 반응 유체의 저온 확보가 유리할 수 있다.
여기서, 모노머 및 용매의 투입부(160)가 내부 냉매 투입부(131)가 위치된 측에 구비되고, 촉매 투입부(170)가 외부 냉매 투입부(121)가 위치된 측에 구비될 수 있다.
이때, 촉매 투입부(170)는 반응기 탱크(110)의 하부 일측 위치되고, 모노머 및 용매의 투입부(160)는 반응기 탱크(110)의 상부 타측에 위치될 수 있다.
< 제조예 1 >
외각 및 내측에 냉매자켓이 있는 베슬(vessel) 형태로 구비되고, 내부에 임펠러가 구비된 반응기를 제조하였다. 이때, 외각 및 내측에 냉매자켓의 냉매는 서로 역방향으로 흐르게 하였다.
촉매용액과, 모노머(Isobutylene), 및 용매(hexane&DCM)를 반응기에 넣고, -40도에서 30분간 반응시켰다. 이때, 모노머의 농도는 40(wt%)로 반응기에 투입하였다.
< 제조예 2 >
반응기에 투입되는 모노머의 농도가 55(wt%)인 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.
< 비교예 1 >
반응기의 외각에만 냉매 자켓이 있는 것을 제외하고 제조예 1과 동일과정을 수행하였다.
< 비교예 2 >
모노머의 농도가 55(wt%)인 것을 제외하고 비교예 1과 동일과정을 수행하였다.
< 실험예 1>
반응기의 상하단의 온도를 체크(check)하여, 온도 분포를 확인하였다.
그리고, 반응물 용액 중 용매를 제거하여 최종제품을 수득하여 수득율을 확인하였다.
실험예 1의 실험을 통해 측정된 반응기의 상하단의 온도, 및 수득율 등을 하기 표 1에 나타내었다.
모노머농도
(wt%)		 반응기
상부온도
(℃)		 반응기
하부온도
(℃)		 냉매온도
(℃)		 반응체온도와
냉매온도차
(℃)		 분자량
(Mw)		 수득율
(%)
비교예1 40 -39.8 -55.7 -65.1 약 25 450k 43
제조예1 -40.1 -45.2 -56.4 약 15 450k 48
비교예2 55 -23.2 -31.1 -70.0 약 45 248k 45
450k 0.2
제조예2 -39.9 -46.7 -67.2 약 27 450k 62
표 1을 참고할 때, 비교예 1 및 비교예 2는 분자량(Mw) 450k의 수득율이 0.2~43%인 반면, 제조예 1 및 제조예 2는 분자량(Mw) 450k의 수득율이 48~62%로 현저히 높음을 알 수 있다. 특히, 모노머 농도가 55(wt%)일 때, 비교예 2는 제품생성에 필요한 분자량(Mw) 450k의 수득율이 0.2%로 거의 수득되지 못하였고, 제조예 2는 분자량(Mw) 450k의 수득율이 62%로 현저히 증가된 것을 알 수 있다. 한편, 비교예 2는 제품생성에 불필요한 분자량(Mw) 248k의 수득율이 62%로 나타났다.비교예 1 및 비교예 2는 반응기 상하부 온도차가 7.9~15.9℃인 반면, 제조예 1 및 제조예 2는 반응기 상하부 온도차가 5.1~6.8℃로 현저히 적음을 알 수 있다. 따라서, 제조예 1 및 제조예 2는 비교예 1 및 비교예 2 보다 현저히 균일한 열전달이 가능함을 알 수 있다.
모노머 농도가 40(wt%)일 때 반응체온도와 냉매온도차는, 비교예 1에서는 약 25℃ 인 반면, 제조예 1에서는 약 15℃로 현저히 반응체온도와 냉매온도차가 낮음을 알 수 있다. 또한, 모노머 농도가 55(wt%)일 때 반응체온도와 냉매온도차는, 비교예 2에서는 약 45℃ 인 반면, 제조예 1에서는 약 27℃로 현저히 반응체온도와 냉매온도차가 낮음을 알 수 있다. 결국, 비교예 1,2에 비해 제조예 1,2의 열전달 효율이 좋음을 알 수 있다.
결국, 비교예 1 및 비교예 2의 반응기는 외각에만 냉매 자켓이 있어 낮은 열전달 효율을 나타냄을 알 수 있다. 이로 인해 모노머 농도를 증가시키는 설계가 불가능하고, 이는 단위시간당 생산성 향상에 한계가 있다.
하지만, 제조예 1 및 제조예 2의 반응기는 외각뿐만 아니라 내측에도 냉매 자켓이 있어 열전달 면적이 증가하여 높은 열전달 효율을 나타내고, 유체의 흐름성 향상을 도모하여 단위시간당 열전달율을 증가시킴을 알 수 있다. 즉, 반응 유체의 방향성을 유도하여 한정된 공간에서 반응시간의 확보가 가능한 것을 알 수 있다. 이로 인해 냉각기(반응기)의 용량을 여유롭게하고, 모노머 농도를 증가시키는 설계가 가능하며, 이는 단위시간당 생산성을 현저히 상승시키고 물성 확보가 가능한 효과가 있다.
이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않는다. 본 발명의 기술적 사상 내에서 당해 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 실시가 가능하다고 할 것이다.
또한, 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.
[부호의 설명]
100: 반응기
110: 반응기 탱크
111: 수용공간
120: 외부 냉매자켓
121: 외부 냉매 투입부
122: 외부 냉매 배출부
130: 내부 냉매자켓
131: 내부 냉매 투입부
132: 내부 냉매 배출부
140: 임펠러
141: 회전축
142,143: 임펠러 날개
150: 가이드 밴
151: 가이드 부
152: 지지판
160: 모노머 및 용매의 투입부
170: 촉매 투입부

Claims (14)

  1. 내부에 반응 유체의 중합반응이 수행되는 수용공간이 형성된 반응기 탱크;
    상기 반응기 탱크의 외측에 위치되어 냉매가 흐르는 외부 냉매자켓; 및
    상기 반응기 탱크의 내측에 위치되어 냉매가 흐르는 내부 냉매자켓을 포함하고,
    상기 외부 냉매자켓 및 상기 내부 냉매자켓의 냉매가 흐르는 방향으로 서로 반대인 반응기.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 냉매자켓은 상기 외부 냉매자켓의 내부로 냉매가 투입되는 외부 냉매 투입부 및 냉매가 배출되는 외부 냉매 배출부를 포함하고,
    상기 내부 냉매자켓은 상기 내부 냉매자켓의 내부로 냉매가 투입되는 내부 냉매 투입부 및 냉매가 배출되는 내부 냉매 배출부를 포함하는 반응기.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 외부 냉매 투입부 및 상기 내부 냉매 투입부는 상하방향에 대하여 서로 반대측에 위치되고,
    상기 외부 냉매 배출부 및 상기 내부 냉매 배출부는 상하방향에 대하여 서로 반대측에 위치되는 반응기.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 외부 냉매 투입부 및 상기 내부 냉매 배출부는 상기 반응기 탱크의 하부 일측 위치되고, 상기 외부 냉매 배출부 및 상기 내부 냉매 투입부는 상기 반응기 탱크의 상부 타측에 위치되는 반응기.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 외부 냉매자켓 및 상기 내부 냉매자켓은 내부에 상기 냉매가 흐르는 관 형태로 형성되는 반응기.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 외부 냉매자켓 및 상기 내부 냉매자켓은 코일(Coil) 형태로 권취된 형태인 반응기.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 외부 냉매자켓 및 상기 내부 냉매자켓은 단면이 사각형인 관으로 구비된 반응기.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 내부 냉매자켓은 상기 내부 냉매자켓의 내외측에 유동통로가 형성되도록 격벽을 형성하는 반응기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 반응기 탱크의 내측부에 설치되어 상기 반응 유체의 방향성을 유도하는 임펠러를 더 포함하는 반응기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 임펠러는 상기 내부 냉매자켓의 내측 및 외측에 위치되어, 상기 내부 냉매자켓의 내측으로 상기 반응 유체 상승 및 상기 내부 냉매자켓의 외측으로 상기 반응 유체의 하강을 유도하는 반응기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 반응기 탱크의 내부에 상기 임펠러가 유동하는 상기 반응 유체의 유동 방향과 동일한 방향으로 상기 반응 유체의 유동을 가이드 하는 가이드 밴(Guide vane)이 구비되는 반응기.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 가이드 밴은 상기 반응기 탱크의 내부에서 상측부 및 하측부에 구비되는 지지판과, 상기 지지판에서 상기 반응기 탱크의 내측 방향으로 돌출된 가이드 부를 포함하는 반응기.
  13. 청구항 2 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    모노머 및 용매를 상기 반응기 탱크 내부로 투입시키는 모노머 및 용매의 투입부; 및
    촉매를 상기 반응기 탱크 내부로 투입시키는 촉매 투입부를 더 포함하고,
    모노머 및 용매의 투입부와, 촉매 투입부가 상기 외부 냉매 투입부 및 상기 내부 냉매 투입부가 위치된 측에 구비되는 반응기.
  14. 청구항 13에 있어서,
    상기 모노머 및 용매의 투입부가 상기 내부 냉매 투입부가 위치된 측에 구비되고, 상기 촉매 투입부가 상기 외부 냉매 투입부가 위치된 측에 구비되는 반응기.
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