KR0169974B1 - 화학반응을 수행하는 방법 및 그 화학반응을 사용한 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 피이드스톡이 촉매반응기를 통과하게 되는 이질의 촉매 존재하에서 화학반응을 수행하는 방법에서에 관한 것으로, 상기반응기는 촉매활성물질이 존해하는 고체반응기와 적어도 하나의 열공급 및/또는 방출반응기벽으로 이루어져 있으며 상기촉매베드는 벽의 한쪽에 함께 소결시킨 기본물질입자로 구성되어있고 반응벽의 다른 면은 소결시키지 않은 물질로 이루어져 있으며 반응기베드의 어떤 위치에서 가장 가까운 열공급 및/또는 방출벽까지의 최대거리가 (Xmax) 다음(Ⅰ)식으로 결정됨을 특징으로 하는 피이드수톡이 촉매반응기를 통과하게 되는 이질의 촉매 존재하에서 화학반응을 수행하는 방법인 것이다.

상기식에서, λ는 2내지 250의 값을 갖는 소결된 물질의 열전도도의 계수이고(W/mk), αi는 열공급 및/또는 방출반응기벽의 반응기면 위로의 열전이계수(W/m2/K)로서 εα와 같다. 여기서 ε는 1.0내지 10의 값을 가지며 물질을 소결시킴으로서 열전이의 증가를 나타내며, α는 소결되지 않은 상태에서 반응기 베드로부터의 열전이 계수이다.

△Tmax는 반응기베드를 통하여 복사단면적을 가로질러 측정되는데 상기단면적의 어떤점과 가장 가까운 열공급 및/또는 방출반응기벽 사이의 온도차의 절대값으로서 최대 허용값은 1 내지 1000K이다.

a는 반응기의 기하학적 형태에 의해 결정되는 형성인자로서 0.25 내지 0.5의 값을 갖는다.

a'는 반응기의 단면적과 Xmax에 의해 배수가 되는 상기반응기의 열교환 원주 사이의 비를 나타내는 형성인자인데, 0.5 내지 1의 값을 가지며 q는 반응기 베드에서 발생하는 최대반응열인데 (W/m3), 반응열은 복사방향으로 벽을 통하여 공급 및/또는 방출된다.

Description

화학반응을 수행하는 방법 및 그 화학반응을 사용한 반응기

제1도는 본 발명에 따른 촉매시스템이고,

제2도는 단단히 연결된 기본 본체에 촉매활성입자를 적용시키는 방법을 스케치한 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 단단히 연결된 금속입자 2 : 반응기벽

3 : 열교환보충재 4 : 촉매활성입자

5,6,7,8 : 스텁(stubs) 7,8 : 밸브

9 : 자킷 12 : 저장소

본 발명은 피이드스톡이 촉매반응기를 통과하게 되는 이질의 촉매 존재하에 화학반응을 수행시키는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 화학반응이 대단한 발열반응 또는 대단한 흡열반응인 방법에 관한 것이다.

가장 최근의촉매 반응기들에서는 고체촉매베드(bed)로 구성된 것이 사용되고 있는바, 이러한 촉매베드에서 다공성본체는 쏟아부어지거나 적층되어진다.

촉매베드를 가로지르는 바람직하지 않은 고압강하를 피하기 위하여, 사용되는 본체 또는 입자는 적어도 0.3㎜의 크기를 갖는 것이 바람직하다. 촉매본체의 상기 최소 크기는 반응물의 흐름을 기술적으로 인정할 만한 한계 이내로 촉매장치를 통과시킬 때 발생하는 압력강하를 막기 위해서는 필수적이다. 허용되는 압력강하로 지시되는 더 낮은 한계에서의 크기뿐만 아니라 촉매의 필요한 활성도는 촉매작용으로 활성인 입자의 크기에 따른 상한선을 강요하게 된다. 많은 형태의 공업적 촉매에 대해 요구되는 높은 활성도는 대부분 25내지 500㎡/㎖의 활성상의 면적에서만이 달성될 수 있다.

상기 주문의 표면적의 크기는 매우 조그만 입자를 가질 때 즉, 0.05㎛의 입자를 가질 때에만이 가능하다.

액체 또는 가스혼합물은 상기 크기의 입자를 통과해서 흐를 수 없기 때문에 미세한 주요입자는 넓은 촉매 표면적을 가질 수 있는 적어도 약 0.3㎜의 크기를 갖는 대단히 다공성인 본체를 형성시켜야만 한다. 공업용 촉매의 생산에서 중요한 목적의 하나는 요구되는 높은 다공성도와 충분히 높은 기계적 강도를 결합시키는 것이다. 촉매본체는 반응기에 채울 때 및 갑작스런 온도차를 받을때(열적충격) 분해되서는 안된다.

열적 예비처리 및/또는 촉매반응을 수행시키는 조건하에서 거의 모든 촉매활성물질은 무시할만하게작은 활성표면적을 갖는 넓은 집성체 속에서 빠르게 소결된다. 일반적으로 말하면, 활성성분이 소위 담체에 적용된다(미세하게 나뉜 형태로). 상기 담체는 바람직한 열적 안정성을 갖으며 높은 온도에서 거의 소결되지 않는다. 대부분 사용된 담체는 이산화실리콘, 산화알루미늄, 또는 활성탄소이다. 많은 공업적인 반응은 다소 크고, 양성 또는 음성, 열효과에 의해 특징되어진다. 화학반응을 바람직한 방법으로 진행시키기 위해서는, 반응열의 적절한 공급 또는 제거가 필수 불가결하다.

몇몇 발열반응에서 열역학적 평형은 온도가 증가할 때 바람직하지 않은 방향으로 이동된다. 실예로는 암모니아와 메탄올의 합성, 황산의 제조에서 이산화황에서 삼산화황으로 산화, 클라우스 제법에서 이산화황과 황화수소와의 반응, 황화수소를 황으로의 선택적 산화 및 메탄을 형성시키기 위한 일산화탄소와 수소의 반응이 있다. 이들 반응이 진행됨에 따라 열에너지가 발생하기 때문에 만일, 발생된 반응열을 반응기에서 빠르고 적절하게 제거시키지 못한다면 반응 혼합물의 온도는 상승하게 되고 열역학적 평형은 반대 방향으로 이동하게 된다.

흡열반응에서는 열에너지를 흡수하므로 열역학적 평형이 바람직하지 않은 방향으로 이동되는데 예를 들면, 메탄-증기재형성과 에틸벤젠을 시티렌으로의 탈수소화가 있다. 또한 반응 속도는 필요한 반응이 더 이상 완료되지 않도록 너무 느리게된다.

바람직하지 않는 방향으로 열역학적 평형의 이동뿐만 아니라, 온도변화는 촉매반응의 선택성에 반대로 영향을 주게 된다.

온도가 선택성에 영향을 주게 되는 반응의 예는 에틸렌에서 에틸렌옥시드의 제조(바람직하지 않은 반응은 물과 이산화탄소의 형성이다), 황화수소에서 원소 황으로의 선택적 산화(바람직하지 않은 반응은 이산화황의 형성이다) 및 피셔트로슈(Fischer Tropsch) 합성이 있다. 모든 경우에서 반응열의 발생으로 온도가 증가한다. 반응열을 빠르게 제거시켜 온도 상승을 막지 못하는 경우, 선택성은 본질적으로 감소한다. 비록, 상기 예에서 나타낸 것처럼, 촉매 반응기에서 열에너지의 빠른 공급 또는 제거가 매우 필요하며, 고체 촉매베드는 불량한 열전도성을 갖는다. 현재의 기술 상태로는, 사실상 효과적인 방법으로 고체촉매베드에 열에너지를 공급하거나 고체 촉매베드에서 에너지를 제거시키는 것은 불가능하다. 실로, 이것은 공업적인 반응을 고체 촉매베드에서 수행시키는 방법에서 명백한 것이다.

발열반응에서는 온도 상승만이 바람직하지 않는 방향으로 열역학적 평형의 이동을 선택성에서의 허용되지 않는 감소 없이 유도하는 것이 가능하다. 그와 같은 경우에 반응은 고체 촉매베드 속에서 단열적으로 진행시키는 것이 허용될 수 있는 바, 당연히 발열반응에서만이 가능하다. 반응기를 통과시킨 후에 유출된 반응물은 별도의 열교환기에서 냉각시킨다. 이제 반응물의 전환은 반응기 내에서 온도상승 때문에 열역학적으로 제한되므로, 반응물은 냉각 후에 재반응시켜야 한다. 반응생성물을 분리시킬 수 있고 반응물은 고체 촉매장치를 통하여 재순환된다. 예를 들면 이것은 암모니아 합성과 메탄올 합성에 효과적이다. 만일 반응생성물을 쉽게 분리시킬 수 없다면, 열교환기를 갖는 제2차 고체-장치 반응기가 수반되어야 한다. 예를 들면, 이것은 이산화황을 삼산황으로의 산화에서와 같은 경우이다. 때때로, 유해한 화합물의 방출을 막기 위하여, 열교환기를 갖는 제3차 반응기까지 필요하게 되는데, 만일 다수의 반응기와 열교환기의 연속-연결이 전혀 가능하지 않다면 반응생성물의 분리도 가능하지 않게 되고 반응생성물은 촉매베드를 통해서 재순환시켜야 한다. 그와 같은 경우에 반응생성물을 완전히 전환시키도록 반응기를 통과하는 순환 반응 생성물에 다른 반응물을 거의 부가시키지 않는다. 그때 온도상승이 잘 제어되어야 하므로 단지 반응기를 통과하는 반응물의 적은 양만이 전환될 수 있다. 상기 반응을 대단히 증가시킨 압력에서 수행시켜야만 할 경우에 반응열의 공급 또는 제거로 인한 문제가 훨씬 더 크게 된다. 암모니아와 메탄올 합성에서 촉매베드는 반응물이 비교적 낮은 온도에서 다른 위치에서 주입되도록 사용된다.

상기 방법의 수행에서, 가스 유출물은 복잡한 방법으로 고압 반응기를 통과하여야 하므로 당연히 많은 투자가 필요하게 된다.

상기에서 나타낸 공업적인 해결책의 어느 것도 매혹적인 것이 아님이 분명하다. 일반적으로 말하면, 값비싼 설비가 요구되며 한편 낮은 농도에서 나타나는 반응생성물의 분리 및 재순환에 많은 에너지가 요구된다. 이것이 토론된 경우에서 유동층이 종종 사용되는 이유이다. 유동층에서는 열에너지의 수송이 훨씬 쉽다. 유동층에서 사용되는 촉매는 모든 촉매로 결코 가능하지 않는 기계적 강도 및 내마모성에 관하여 매우 엄격한 요구를 만족시켜야 한다.

마지막으로, 불가피하나 마모 때문에 유동성에서 촉매 소비는 비교적 많다. 실로, 많은 경우에서 유동층을 사용하는 것은 가능하지 않다. 유동층도 단열 반응기도 사용될 수 없는 경우가 있다. 이것은 특히 대단한 흡열반응과 온도가 상승할 때 선택성이 감소되는 반응에서 사실인 것이다. 예를 들면 메탄-증기재형성과 에틸렌을 에틸렌옥시드로의 선택적 산화가 있다. 에틸렌의 선택적 산화에서 매우 넓은 열교환 표면적이 길이가 20,000관을 갖는 반응기를 사용함으로서 적용된다. 메탄-증기 재형성 과정에서 촉매본체의 크기와 모양을 채택함으로서 열의 공급을 최적화시키기 위해 노력한다. 상기 후자 반응에서도 많은 값비싼 파이프가 반응기내에서 사용되어야 한다.

어떤 경우에 있어서는, 상기 반응은 적당한 비점을 갖는 액체 속에 촉매를 현탁시켜 행해질 수 있다. 반응열은 이제 액체를 증발시킴으로서 제거시킬 수 있다 흡열반응에서 열에너지는 액체상을 통하여 반응시스템에 공급될 수 있다. 그러나 기술적으로 액체상속에 현탁시킨 촉매로 촉매반응을 행하는 것은 몇몇의 경우에서만이 가능하다.

또한, 독점적으로 반응기의 벽에 촉매를 적용시키는 것이 제안되어 왔는바, 예를 들면, 피셔트로슈 반응의 수행에서 고급 탄화수소가 수소와 일산화탄소의 혼합물에서 제조되는 경우이다. 벽에 적용된 촉매는 촉매에서 외부까지 우수한 열전이를 보장한다. 벽에 촉매를 적용하기 위하여 제안된 한가지 방법은 다음과 같은 바, 촉매가 라니(Raney)금속, 활성 금속과 알루미늄의 합금 같은 벽에 적용되며 적용 후에 촉매는 알루미늄을 잿물에 용해시킴으로서 활성화된다. 반응기의 대부분의 용적은 촉매활성표면과 반응물의접촉이 나쁘기 때문에 비어 있고 반응기를 통과하는 유출물에 대한 전환은 매우 제한되게 된다. 상기 이유 때문에 반응물은 반응기를 통해 여러번 재순환되어야 한다.

많은 기술적으로 중요한 경우에서, 촉매장치를 통하여 반응물의 수송 동안에 압력강하는 매우 적어야한다. 예를 들면 큰 공장에서 발생되는 연료가스 즉 연료가스에서 질산화물의 촉매제거 같은 것이 정화되어야 하는 반응기에 적용된다. 연료가스 유출은 일반적으로 많은 양이므로, 적당한 압력 강하에 많은 기계적인 에너지를 요구로 한다. 같은 방법이 자동차 배기가스의 정화에 적용된다. 그와 같은 경우에서도 많은 압력강하는 허용되지 않는다.

현재, 인정할 만한 압력강하를 달성시키는 것의 유일한 가능성은 촉매와의 접촉을 과도하게 감소시킴이 없이 허니콤에 적용된 촉매의 사용이다. 상기 목적을 위하여 촉매활성물질이 적용되는거의 오로지 세라믹 허니콤이 사용되는데 단일암체(monoliths)라고도 한다. 그러나 이들 세라믹 허니콤은 매우 비싸고 따라서 그들의 용도는 매혹적인 것은 아니다.

여러 가지의 방법에서 촉매는 벽에만 적용하는데, 얇은 금속판으로 구성된 단일 암체가 사용된다. 예를 들면 그러한 반응기는 주름 잡히고 평평한 얇은 금속판의 결합을 롤링시킴으로서 구성되며 계속해서 상기 조립품은 용접에 의해 고정된다. 또한, 많은 채널을 갖는 시스템을 형성시키기 위하여 평평한 판들이 적층될 수 있다. 그때 제조된 채널의 벽에 촉매가 적용된다.

다시 보통의 생산에서 반응물이 비교적 큰 비율로 미반응된 촉매를 통과하기 때문에, 또는 반응물이 충분히 높은 전환을 달성시키기 위하여 반응기 속에서 비교적 긴 잔류시간을 요구하기 때문에 전환률이 제한된다.

전에 설명한 것과 같이, 고체 촉매베드에서 열전도는 열등하나, 이것은 촉매활성물질을 유지하는 고-다공성담체의 낮은 열전도에 기인한다. 상기와 같은 이유로 촉매본체의 전도도를 증가시킴으로서 열전도를 향상시키기 위해 코바랑코, O.N.등이 제안하여 왔다(화학의 개요 97(18)151409u). 그들은 촉매 담체로서 다공성 금속본체를 사용하여 이것을 행하였다. 이제는 세터필드가 적층한 다공성본체의 열전도도가 본체 물질의 전도도에 의해서가 아니라 본체사이의 상호 접촉에 의해서 결정된다는 것을 이미 기재한 바 있다(세터필드.C.N 이질의 촉매작용에서 질량전이, MIT출판사, 캠브리지, MA, 미합중국(1970,P173). 본 발명자들에 의한 측정법은 촉매본체의 열전도도는 본질적으로 촉매층에서 열의 전이에 영향이 없다는 것을 보여주었다.

WO-A 86/02016에서는 반응기가 반응기 벽에 연결되어 우수한 열전도를 갖는 소결시킨 금속입자로 구성된 반응베드를 나르는 촉매를 함유하는 것이 기재되어 있는 바, 상기 벽은 반응열의 방출을 위하여 소결된 금속입자를 외부에 제공한다. 더구나, 상변화가 반응기의 밖에서 일어난다. 그러한 반응기 시스템은 많은 열의 방출을 실현시킬 수 있지만, 반응의 효과적인 조절 및/또는 제어가 불가능하거나 매우 어렵다는 단점을 가지고 있다는 것을 알았다. 그중에서도, 이것은 35,530kJ의 열량값을 갖는 연소가스의 촉매연소로 묘사되며, 350'C의온도에서 일어나야 한다. 그러나, 반응기는 110'C에서 증발수(증기생산)로 냉각되기 때문에 전체반응기는 110'C까지 냉각되므로, 상기 반응이 진행되지 못하게 된다.

따라서 특히 실질적인 열효과를 갖는 화학반응이 간단한 방법으로 수행될 수 있는 시스템에 대한 요구가 있다.

본 발명에 의하여 관련된 형태의 반응은 촉매 반응기 내에서 우수하게 수행될 수 있다는 것을 알 수 았는 바, 상기 반응층은 반응기 벽의 한쪽 면에 함께 소결시킨 물질의 기본 입자로 구성되어 있지만 반응기벽의 다른 면은 소결시킨 금속입자가 존재하지 않는다. 만약 그러한 반응기에서, 반응기층의 직경이 열효과에 관계하여 선택되어지는 경우, 상기 열효과는 반응 때마다 다르게 되지만 알려져 있지 않다면 반응 조건에 의존하여 계산될 수 있으므로, 관련되는 반응 형태는 최적방법으로 수행될 수 있다.

본 발명은 실제적인 규모로 수행되는 촉매반응에 대하여 상기 반응은 특정의 온도범위 내에서 진행되는 것이 요구된다라는 것의 인식에 기초로 한다. 만일 흡열반응의 경우에 열이 공급되어야 하고 발열반응의 경우에 열을 방출시켜야만 한다면 각각 상기 온도 범위 위로 상승 또는 아래로 감소될 것이다. 그러나 본 발명은 가장 적당한 반응기 시스템을 선택함으로서 최적온도를 유지시킬 수 있게 되었다.

따라서 본 발명은 이질의 촉매 존재하에 화학 반응을 수행하는 방법에 관한 것으로, 피이드스톡은 촉매반응기를 통과하게 되고 상기 반응기는 촉매활성물질을 갖는 고체반응기 층과 적어도 열을 공급 및 방출할 수 있는 반응기 벽으로 이루어져 있으며, 촉매층은 벽의 한면에 함께 소결시킨 기본입자와 반응기 벽의 다른 면에는 소결 시키지 않은 물질로 구성되어 있으며 반응기 층의 어느 한 위치에서 가장 가까운 열 공급 및 방출 벽까지의 최대거리(Xmax)(m)는 다음식(Ⅰ)으로 결정되어진다.

상기 식에서, λ는 소결시킨 물질의 열전도도(W/mK)의 유효계수이다. 본 발명에 따른 촉매 시스템에서 열전이 속도는 비교적 중요한 인자이며 당연히 전체 시스템의 열전도도는 즉 반응기벽에서 베드내까지 부분적으로 사용된 물질의 열전도도에 의해 결정된다. 바람직하기로는 열전도도는 고체상태에서 사용된 물질의 열전도도의 10%와 같으며, 상기 값의 범위는 10 내지 75%이다. 절대항에서 열전도도는 2 내지 250 W/mK사이의 범위이다.

αi는 열 공급 및 방출반응기벽의 반응기 면에 관한 열전이 계수(W/m2/K)이며 εα와 같다. ε는 1.0 내지 10 사이의 값을 가지며 물질을 소결함으로서 열전이 증가를 나타내며, α는 소결되지 않은 상태에서 반응기 베드로부터 열 공급 및 방출 반응기벽까지의 열전이 계수이다. λ,αi 및 α의 값은 포웰,R.W.,에서 나타낸 방법에 의해서 결정된다. 열 비교방법에 의한 열전도도 결정, 열전도도, Vol 2, 아카데미 출판사, 1969 ; 카슬라, H.S.,재거, J.C ; 고체에서 열전도 옥스퍼드대학 출판사, 재판, 1959.

△Tmax는 반응기층을 통하여 광선의 단면적을 가로질러 측정되며 상기 단면적에서의 어느 위치와 가장 가까운 열공급 및 방출 반응기 벽사이의 온도차의 절대값이며 최대로 허용가능한 값은 1 내지 1000K의 범위인데 반응형태와 반응기 물질에 의존한다. △Tmax값은 최소온도(Tmin)와 최대온도(Tmax) 및 외부인자에 의해 결정된다.

부반응 및/또는 다음 반응, 평형의 동결, 너무 늦은 반응 속도, 심한 고압강하, 안정도, 다음의 장치 작용의 요구에서 반응기내에서 충분하게 높은 온도상승, 물질한계, 투입물질 또는 반응생성물의 응축 등을 막기 위하여 최소온도(Tmin)와 최대온도(Tmax)는 크게 변화된다.

a는 반응기의 기하학적 모양에 의해서 만이 결정되는 형성인자이다. 관과 판에 대해 각각 0.25와 0.5 인데 일반적으로 살피면 이들 두 값 사이의 범위이다. a'는 반응기 단면적의 지역과 Xmax에 의해 복잡하게 되는 상기 반응기 단면적의 열교환하는 원주사이의 비를 나타내는 형성인자이다. 계속해서 a'는 반응기의 기하학에 의존해서만이 결정된다. 관에 대하여, a'는 0.5이며 판에 대하여는 1이다.

다음 표 1에서, a와 a'의 값이 많은 반응기 기하구조에 대하여 나타내었다.

상기 식(Ⅰ)에서 q의 의미는 복사방향으로 벽을 통하여 공급 및/또는 방출되어야 하는 반응기층에서 발생되는 최대반응열이다. 그 중에서도 q의 값은 촉매 활성도, 촉매의 적층밀도, 촉매의 기하학 및 가스 조성에 의존한다. 주어진 반응 또는 반응조건하에서 q는 간단한 방법으로 결정될 수 있다.

반응기벽 ㎡당 복사방향으로 수송된 열에 관계하는 Xmax를 결정하기를 바란다면, 관계식이 다음식(Ⅱ)으로 나타낼 수 있다.

상기 식에서, a, a', λ, △Tmax 및 αi는 상기 식(Ⅰ)에서 나타낸 것과 같으며, Q는 반응기벽 ㎡당 복사방향으로 수송된 열이다. Q의 크기는 단위부피당 생산된 또는 요구되는 열량 q, 복사방향으로 방출 또는 공급된 것, 열교환 표면의 크기에 의존한다. Q는 반응기 외부를 통하여 열유동률을 결정함으로서 간단히 결정될 수 있다. 상기 열은 반응기의 외부에서 방출 및 공급되어야 한다. 이것은 반응에 의해 나타나는 온도 범위 및/또는 외부인자에 의존하여 여러가지 방법으로 행해질 수 있는 바, 상기 외부인자로는 예를 들면 기체 및 액체, 혹은 유동층, 적외선 복사기 및/또는 오픈플레임(open flames)에 의한 복사, 고체를 통한 전도 등이 있다.

본 발명에 따르는 반응기 및 방법에서 고체 촉매베드를 형성하는 기본본체는 다공성일 수도 아닐 수도 있으며 모든 종류의 물질로 구성 될 수 있으며 여러가지 방법으로 형성될 수 있다. 중요성의 첫 관점은 입자를 예를 들면 소결에 의하여 함께 고정시킬 수 있다는 것이다. 본체의 크기는 매우 중요한테 한가지는 반응기를 가로지르는 압력강하 때문이다. 본체가 너무 작으면 압력강하는 너무 높게 될 수 있다. 촉매층을 가로지르는 압력강하의 결정적인 요소는 소결시킨 층의 기공 구조이다. 따라서 바람직한 출발 생성물을 가장 큰 크기가 적어도 0.3㎜를 갖는 기본 본체이어야 한다.

경우에 따라서는 더 작은 근본 입자가 사용될 수 있는데, 더 넓은 본체를 형성시키기 위해 소결시 합체시키는데 인정할만한 압력 강하는 얻어지지 않는다. 크기의 상한선은 부분적으로 촉매와 반응물사이의 접촉의 정도에 의해 결정되고 또한 본체의 모양도 그 역할을 한다.

본 발명의 바람직한 구현예에 의하면 촉매베드는 다소 동방성 입자로 구성되는데, 더욱 상세하게는 다소 좁은 입자 크기 분포로 구성된다. 그러한 기본입자가 사용될 때, 매우 우수한 물성을 갖는 촉매시스템이 얻어진다.

기본입자가 구성의 물질은 바람직하게는 금속인데 경우에 따라서는 아루미나, 실리카, 실리카-알루미나, 지오라이트, 이산화티타늄, 산화아연 또는 산화지르코늄, 또는 스피넬(MgAl2O4), 물라이트(3Al2O3.2SiO2), 코더라이트(2MgO.2Al2O3.5SiO2)같은 원소의 결합산화물 뿐만 아니라 실리콘, 텅그스텐, 티타늄 및 바나듐 같은 원소의 탄화물, 질화물, 붕화물이 있다. 금속 또는 금속 합금이 바람직한 바, 이들 물질로 이루어진 기본입자는 비교적 쉽게 소결에 의해 반응기벽에 대하여 함께 단단하게 연결시킬 수 있다. 금속 또는 금속합금은 그 자체로 촉매적으로 활성일 수 있고 처리에 의해 촉매적으로 될 수 있으며 경우에 따라서는 촉매활성물질을 그 위에 적용시킬 수 있다.

보다 상세하게는 우선 다공성 담체에 촉매적으로 활성인 성분을 적용시키는 것이 가능하며 따라서 상기 적층 담체가 금속 또는 합금표면에 부착된다.

만약 촉매활성성분을 본체의 물질과 촉매활성성분 사이에 바람직하지 않은 상호작용을 방지하기 위하여 소결시킨 본체 물질과 직접 접촉시키지 않아야된다면 상기 후자의방법에 중요성이 있다.

기본입자로 사용하기 위한 알맞는 금속은 많은 가운데서도 니켈, 철, 크롬, 망간, 바나듐, 코발트, 구리, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 주석, 안티몬, 은, 금, 백금, 팔라듐, 텅그스텐, 탄탈륨, 란타니드 및 악티니드가 있다. 기본입자는 본질적으로 순수한 금속 또는 2개 이상의 금속합금으로 구성될 수 있는데. 합금은 탄소, 질소, 산소, 황, 실리콘 등의 비금속 성분이 포함될 수 있다.

본 발명의 다른 바람직한 구현예에 다르면, 기본입자는 필라멘트 섬유로 구성될 수 있는 바, 바람직하기로는 단지 0.5㎜의 직경인 것, 더욱 바람직하기로는 1 내지 250㎛인 것이다. 이들 입자의 물질은 바람직하게는 탄소 및 금속 또는 금속합금으로 이루어진다.

본 명세서에서, 반응기벽이란 반응이 일어나는 공간 사이의 물리적 간격을 나타낸다. 즉, 열방출 및 공급이 발생하는 공간, 촉매베드를 나타낸다. 물론 촉매베드의 외부 벽일 수 있으며, 예를 들면 또한 열교환 액체가 통과될 수 있는 베드내의 채널 벽을 포함한다.

상기 벽은 이들 목적을 위하여 공지된 통상적인 물질로 구성될 수 있으며 이들 벽은 단일층으로 구성될 수 있고 경우에 따라서는 단층이상이 사용된다. 특히 상기 연결이 기본본체에 접착을 향상시키기 위하여 기본본체는 단단하게 연결될 때 바람직하게 된다. 한가지 예는 세라믹 기본본체에 에나멜 코팅의 사용이다.

본 발명에 따르는 고체촉매베드의 다공성의 정도는 넓은 한계 이내로 변화할 수 있는 바, 상기 다공성도 즉 베드의 부분이 단단하게 연결된 기본 입자에 의해 차지하지 못하는데 20내지 90부피% 사이의 범위이다. 가장 알맞은 값은 원하는 표면적, 원하는 압력강하 및 베드에서의 열전이 속도에 의존한다. 다공성도에 대한 바람직한 값은 40에서 80부피% 사이의 범위이다.

본 발명에서 열전이 속도는 촉매시스템에서 비교적 중요한 요소이다. 당연히 전체시스템의 열전도도는 즉 반응기벽에서부터 베드이내까지, 사용되는 물질의 열전도도에 의하여 부분적으로 결정된다. 바람직하기로는 고체상태에서 고용된 물질의 열전도도의 10% 만큼이다. 바람직하기로는 10에서 75% 사이의 값이다. 절대항에서, 열전도도로 바람직하기로는 0.2와 0.32W/㎡K 사이이다.

열전도도는 사용된 기본본체의열전도도에 크게 의존하는 바, 예를 들면, Al2O3는 0.32Q/mK위 전도도를 갖으며 한편 316L의 소결시킨 본체는 3 내지 12W/㎡K 값을 갖는다.

반면, 316L의 파우더는 0.55의 값을 갖고 고체물질은 20W/mK의 값을 갖는다. 고체구리는 398W/mK의 열전도도를 갖는다. 상기 모든 값들은 상온에서의 조건에 관계된다. 다른 온도에서, 상기수치의 절대값이 변화되고 그들의 상호비는 대략 같게 된다.

본 발명에 따른 촉매시스템은 원칙으로 어떤 촉매화학반응에나 적용시킬 수 있지만 보다 상세하게는 강한 열효과를 갖는, 즉 강한 흡열 또는 발열반응 또는 선택성이 대단히 온도에 의존하는 반응에 알맞는 것이다. 기술적으로 중요한 많은 경우에 있어서, 매우 높은 공간 속도를 적용하는 것이 바람직한 바, 여기서는 반응기를 가로지르는 고열강하는 커다란 결점으로 간주되지 않는다. 현재 사용되고 고체 베드 반응기들에서는 높은 공간속도에 관련된 고압강하는 전혀 가능하지 않다. 반응기 투입에서 압력이 상승된다면, 촉매는 반응물이 기체 또는 액체에 따라 반응기 밖으로 불리거나 (기체 반응물) 세척 (액체 반응물) 될 수 있다. 또한, 반응기 투입에서 주어진 압력의 임계값에서 채널링 발생이 가능하다. 그와 같은 경우에 촉매입자는 반응기의 주어진 부분으로 이동이 시작된다. 반응물은 거의 배타적으로 촉매베드의 부분을 통하여 흐르게 되는 것을 알았다. 때문에, 본 발명에서 따른 반응기에서 촉매입자는 훨씬 우수하게 고정되며 그러한 반응기는 반응물의 매우 높은 속도를 이용하는 것이 가능하게 된다(따라서 반응기를 가로지르는 훨씬 높은 압력강하). 어떤 조건하에서는 이것이 커다란 장점이 될 수 있다. 반응기내에 촉매본체를 고정시키는 또 다른 중요한 장점은 먼지가 촉매 베드위에 적층될 경우에 명백해진다. 현재의 고체-베드 반응기들에서도 상기 촉매베드는 막혀있다. 반응기는 열려있어야 하며 먼지층이 제거되어야만 한다. 본 발명에 따르는 반응기에서는 고압기체펄스는 반응물의 유출의 반대방향으로 반응기를 통하여 보내지게 된다. 상기 압력펄스는 촉매베드의 먼지를 날려버려서 반응기를 열지 않고 막힘을 방지할 수 있는데 기술상의 관점에서는 매우 끌리게 되는 것이다. 종래 기술의 상태에 다르는 고체베드촉매들로는 이것이 불가능하였다. 촉매본체는 먼지층을 따라서 촉매베드의 밖으로 불려 없앨 것이다.

소결시키지 않은 물질로, 물질입자의 모양이 반응기벽의 모양에 따르지 않는다는 사실 때문에 반응기 베드는 벽에 높은 다공성을 갖게 된다. 결과로서 이 위치에 촉매가 거의 존재하지 않고 비교적 적은 피이드스톡이 반응된다. 상기 효과는 높은 다공성이 낮은 압력 손실을 주기 때문에 더욱 더 향상될 것이며 피이드스톡은 선택적으로 벽을 따라서 흐르게 된다. 그러나 소결은 벽과의 연결을 향상시켜 그 결과 다공성도는 벽에 존재하지 않는 베드물질의 주문이다. 뿐만 아니라, 반응기가 채워지고 소결된 후에 촉매가 적용되며 또한 벽위에 적층된다. 상기 결과의 효과는 벽을 따라서 다소 미끄러지고 반응기의 전체 길이는 더 짧아지게 된다. 따라서 상기 압력강하는 낮아지게 되고 허니콤을 대신할 수 있다.

본 발명은 특히 대단한 발열 또는 흡열촉매반응을 행하는 데에 적당한 바, 그러한 반응의 예로서 메탄의 산화를 들 수 있다. 선택성이 온도에 의해 중대하게 결정되는 반응의 예로서 황화수소의 선택적인 산화를 들 수 있다. 이 경우에 열에너지 방출이 매우 중요한데 그 이유는 약 300'C 온도 이상일 때 황증기가 원하지 않는 이산화황으로의 산화로 가게된다.

본 발명에 따르는 촉매시스템의 사용은 약 10부피%의 황화수소함량을 가지는 유출가스를 매우 효능있게 정화시킬 수 있게 한다. 황화수소는 원소 황을 형성시키기 위해 선택적으로 산화되며 응결로서 매우 간단히 분리시킬 수 있다. 상기 기체 혼합물은 클라우스 제법으로 적절히 진행시킬 수 없기 때문에 본 발명은 특히 이들 목적을 위해서 대단히 중요한 것이다.

전에 언급한 것과 같이, 본 발명에 의한 촉매시스템은 자기 자신이 촉매활성일 수 있으며 처리에 의해 활성화시킬 수 있다. 그러나 또한 촉매활성 물질을 단단하게 연결된 기본본체에 적용하는 것이 가능하다. 이 목적을 위하여 우선 촉매활성물질의 분산이 제조되고 경우에 따라서는 액체 속에서 담체에 적용될 수 있으며 계속해서 상기 액체는 적절한 방법으로 단단하게 연결된 기본 본체에 적용시킬 수 있다. 에를 들면 촉매활성물질을 적용시키게 되는 베드를 비우고 이어서 상기 분산물을 베드속으로 흡입시켜 그 결과 베드를 촉매활성물질로 채워지게 되는 효과일 수 있다. 분산물의 조성과 시스템을 만들기 위한 조건은 바람직하기로는 함유하는 액체의 밀도가 채운 후에 증가되도록 선택된다.

상기 방법에서 액체상은 촉매활성물질의 분배를 사실상 방해없이 분산물에서 제거될 수 있다는 사실이다. 게다가 상기 방법에서 단단하게 연결된 기본 본체 위에 촉매활성물질의 더 우수한 분배가 얻어진다. 액체의 점도를 증가시키기위한 많은 방법을 생각할 수 있는 바, 첫째 방법으로는 전체질량이 고체가 되도록 응고점 아래로 냉각시킴으로 구성될 수 있다. 그때 진공을 사용하여 냉동 건조시킨다. 바람직한 또 다른 가능성은 소량의 한천 또는 비교적 활성이 있는 다른 물질을 분산액 속에 혼합시킴으로서 구성되는 바, 상기 분산액은 상승된 온도에서 시스템에 인가될 수 있으며 이어서 상기 시스템은 단순 냉각으로서 고정시킬 수 있다. 계속해서, 액체는 진공 또는 다른 방법으로 제거될 수 있으며 한천은 열분해로 상승된 온도에서 제거된다. 한천의 적당한 비율은 주로 충분히 점도 또는 심지어 고체가 될 수 있게 되어야 하는 요구에 의해 결정되는데 적당한 농도는 0.05 내지 10중량%의 범위이다.

본 발명에 따른 방법에서 사용되는 촉매시스템을 첨부된 도면에 의거 더욱 상세히 설명하면 다음과 같다.

제1도는 본 발명에 따른 또 다른 촉매시스템의 한 구현예를 나타낸 것으로 좌측에서 우측으로 갈수록 확대된 것이다. 왼쪽 도면에서 반응물이 아래쪽에서 시스템이 인가되고 생성물은 위쪽으로 배출되게 되는 시스템을 나타낸 것이다. 생성된 열은 왼쪽에 나타낸 화살표를 따라 배출되고 열교환 매체(도시되지 않은)를 사용하여 방출된다. 중앙도면은 상기에서 나타낸 도면을 확대한 것으로 반응기벽 일부분과 단단하게 연결된 기본본체를 상세하게 나타낸 것인데, 부호1은 단단하게 연결된 금속입자의 베트릭스이고, 부호2는 반응기벽이며, 부호3는 열교환 보충재이다.

상기 오른쪽 도면은 더 확대된 것으로 금속 (Ⅰ) 표면 위에 있는 촉매활성입자(4)의 위치를 나타내고 있다.

제2도는 단단하게 연결된 기본본체에 촉매활성 입자를 적용시키는 방법을 스케치의 형태로 나타낸 것이다. 도면에서 부호1은 단단하게 연결된 기본입자이고, 부호2는 반응기벽이다. 상기 벽은 물질을 공급 또는 방출시키기위해 상하부에 스텁이 제공된 반응기의 일부분을 형성한다. 상기 스텁은 밸브(7,8)를 갖으며, 상기 반응기는 물과 같은 열교환 유체를 공급하기위해 자킷(9)으로 둘러싸여 있다. 상기 자킷에 스텁(10,11)이 제공되며, 상기 시스템으로 인가시킬 수 있는 액체가 저장된 저장소(12)에 입구(5)가 갖추어져 있다. 상기 시스템에 촉매활성물질을 인가시키는데 있어서, 다음의 과정을 따른다.

즉, 밸브(7)를 잠그고 진공펌프에 스텁(6)을 연결한 후 밸브(8)을 연다. 저장소(12)에 저장된 물질은 촉매활성물질이 확산되어 액체로 시스템에 섞인다. 충분한 진공이 되면 곧 밸브(8)를 잠그고 밸브(7)을 열어 상기 분산물을 상기 시스템으로 흡입시킨다. 상기 시스템으로 충분히 확산되면 곧 진공을 해제하고 저장소(12)를 제거한다. 상기 시스템을 액체가 충분히 점성을 가지거나 고체와 될때까지 자킷으로 냉각하여 진공하에서 건조한다.

[실시예1]

열 교환이 있는 주어진 반응으로부터 개시하는 반응기의 고안은 다음의 과정으로 이루어진다.

1. 반응, 바람직한 온도 범위, 절대압력, 입구 농도, 바람직한 전환 및 피이드스톡의 양의 결정

2. 당해 반응에서 사용되는 촉매의 반응자료의 결정. 상기 결정은 소결시킨 금속 위에 촉매가 적층된 예비시험기이거나 세라믹 물질 위에 촉매를 적층시킨 예비반응기에서 실시될 수 있다, 후자에 있어서는 촉매의 적층 변화에 대한 보정을 해야한다. 상기 모두에서 반응물의 온도와 부분압의 범위 내에서 반응속도를 나타낼 수 있거나 거의 정확히 접근하는 식을 도출할 수 있는 바, 다음(Ⅲ)식으로 나타낼 수 있다.

3. q는 생성물 dPCi/dt와 △h로부터 구해지며, △h는 성분 Ci의 전환된 단위 압력단위당 발생하는 반응열이다.

4. 내부식성에 관련되는 피이드스톡의 조성과 온도범위의 관점에서 반응기를 구성하는 한 물질이 선택될 수 있다.

5. 소결시킨 물질의 공급원으로부터 자료에 의해 입자크기 및 기공크기 분포가 선택될 수 있는 바, 상기 선택은 주어진 전환을 달성시키기 위하여 반응기 물질 속에 허용될 수 있는 압력 강하와 필요한 잔류시간에 상호관련된다. 반응기의 길이 및 반응기를 통과하는 피이드스톡 흐름의 평균속도는 동시에 결정된다. 이들은 온도에 의존하는데 일반적으로 혀용된 압력강하 및 필요한 잔류시간은 일정하지 않다. 이 단계는 종종 정확한 길이 결정, 피이드스톡 속도, 입자크기 및 기공크기 분배를 도달시키기 위하여 반응기 길이의 조정을 필요로 한다.

6. 반응기 요소의 직경 또는 두께는(예를 들면 판 또는 관) 주어진 식에 의하여 계산 될 수 있다.

7. 사용되는 냉각 또는 가열수단은 방출 또는 공급되는 열량과 바람직한 온도 범위를 기초로 선택되어야 한다.

8. 반응기 구성요소의 수는 진행되는 피이드스톡의 양과 상기 번호6에 의해 계산될 수 있는 반응기 온도에 대한 양에 의해 결정될 수 있다.

[실시예 2]

r-Al2o3(Al 4172, 265m2/g,1.14㎖/g) 20g을 30'C의 탈이온수 750㎖에 현탁시켜 진한 질산으로 pH가 5가 되도록 조정한다. EDTA 1.95g을 탈이온수 50㎖속에 용해시키고 진한 암모니아수를 부가하여 pH가 4미만으로 감소되지 않도록 주의한다. La(NO3)3ㆍ6H2O(La2O3의 최종적층의 5중량%) 2.69g을 탈이온수 5㎖에 용해시키고 조심스럽게 EDTA용액에 부가한다. 묽은 암모니아수를 부가시킴으로서 pH가 4 내지 7이 되도록 유지시킨다. 최종용액을 r-Al2o3의 수성 현탁액에 쏟아붓고 pH가 묽은 질산을 부가하여 5가 되도록 재조정된다. 상기 현탁액을 한시간 동안 맹렬히 교반시키고, 액체표면 아래로 묽은 질산을 주입시켜 pH를 일정하게 유지시킨다.

한시간 후에 현탁액을 여과하여 탈이온수 25㎖로 2회 씻고 상기 담체물질을 60'C에서 16시간 동안 건조시켰다. 건조시킨 담체물질을 란탄화합물이 산화물형으로 전환되도록 550'C의 온도에서 5.5시간동안 하소시켰다.

결국 상기 담체물질은 La2O3 3중량%를 함유하게 되고 상기 안정화시킨 담체 15g을 30'C의 탈이온수 750㎖에 현탁시켰다. Cu(NO3)2ㆍ3H2O 5.16g을 탈이온수 50㎖에 용해시켜 상기 현탁액에 부가시켰다. 그 현탁액을 질소가스를 액체표면 아래에 불어 넣으면서 맹렬하게 교반시켰다. 진할 질산으로 pH가 4가 되도록 조절하고 상기 액체의 표면 아래에 0.5㏖ 수산화나트륨 용액(0.3㎖/분)을 주입시켜 pH를 12까지 증가시켰다. 16시간 후 촉매를 여과하고 25㎖의 탈이온수로 2회 씻어 6'C에서 23시간 동안 건조시켰다.

다음에 상기 촉매를 빻아서 25㎛메쉬체로 걸러 그 가루를 10중량% 혼합물이 되도록 물속에 현탁시키고 pH를 5가 되도록 조절하였다. 한천 0.25중량%를 상기 혼합물에 부가시켜 물중탕으로 90'C까지 가열하고 한천이 완전히 녹을 때까지 2분동안 상기 온도를 유지시켰다.

그 후 기공크기가 100㎛ 이상인 다공성 금속본체(316L)를 포함하는 강철파이프는 적어도 90'C의 물중탕에서 가열시켰다.

다공성 금속본체는 이미 약 500㎛의 입자크기를 갖는 금속 가루(316L)로 이루어진 기본입자를 벽쪽으로 함께 소결시킴으로서 얻어졌다. 열처리시 다공성물질은 15mmHg까지 비우게 된다. 이어서 촉매를 함유하는 강기 혼합물은 여전히 따뜻한 다공성 물질을 갖는 파이프 속으로 삽입된다. 현탁액을 다공성 본체에 삽입시킨 후, 전체를 현탁액이 다공성본체의 아래에 나타나게 되는 오랜시간동안 적어도 90'C의 온도로 유지시킨다. 그 후 이렇게 채워진 다공성 본체는 상온까지 냉각되고 한천이 현탁액을 겔화시키도록 2시간동안 기다리게 된다. 그 후, 본체 속에 나타내지 않는 모든 현탁액을 제거하였다. 계속해서 본체는 상온에서 물의 증기압(15토아)보다 낮은 진공 속에서 하루 밤 동안 건조시켰다. 건조과정을 가속화시키기 위해서 상기 관은 고체화시킨 현탁액의 융점(최대로 40'C까지) 아래로 진공속에 가열시킬 수 있다. 최종적으로 한천은 450'C이상으로 공기속에서 다공성 금속본체를 가열시킴으로서 태웠다.

1기압의 압력 강하로 결과되는 통류(通流)로서 채워진 촉매의 1%이하로 불어꼇다.

6000/시의 공간속도에서 측정법은 천연가스이 연소를 위한 촉매의 활성도는 여기서 나타낸 채움의 결과로서 거의 감소시키지 않는다는 것을 나타낸다.

[실시예 3]

황화수소의 원소황으로의 선택적 산화

반응기의 제조에서 강철파이프가 사용되는데, 그속에 철-크롬 합금의 금속입자가 철 80%와 크롬 20%의 조성으로 인가시켰다. 상기 금속입자는 900 내지 2000㎛의 크기를 갖으며 관속에 부어진 합금파우더는 진동으로 조밀화시켜 1200℃ 수소기압하에서 10시간동안 소결시켰다. 이 결과 다공성 금속본체는 단단하게 관속에 부착되게 된다.

상기반응기를 공기가 통과되는 동안 800'C에서 16시간 동안 가열시킨 결과 이산화황의 형성을 위한 표면활성도는 없어지게 된다.

이어서, 실시예2에서 나타낸 방법과 같이 촉매활성성분을 예비 처리된 합금에 적용시켰다. 활성성분은 α- Al2o3로 구성되어 있으며, Fe/Cr비가 9/1인 5% Fe2O3/Cr2O3를 적용시켰다. α-Al2O3의 비교표면적은 6.5㎡/g이며 상기 활성성분은 촉매베드부피 ㎥당 600kg의 비율로 반응기 속에 적층된다.

5% 황화수소를 포함하는 기체의 16㎥/sec가 황화수소를 황으로 전환시키는 상기촉매에 의한 반응으로 산화시킨다면 통상적인 시스템은 본 발명에 따른 반응기에 비교될 수 있다.

즉, 소결시키지 않는 통상적인 촉매와 본 발명에 따라 소결시킨 금속(알루미늄)에 적용된 촉매인 양쪽촉매를 관반응기 속으로 인가시켜서 상기 반응을 300'C에서 진행시키면 표2의 자료에 의해 관직경이 계산될 수 있다.

△Tmax는 바람직하지 않은 두 효과에 관계하여 25'C로 결정된다. 낮은 온도에서는 평형전환이 아주 느리며 높은 온도에서는 반응의 다음 반응출발은 황이 이산화황으로 산화된다.

종래의 졍우인 0.64mm의 직경은 너무 작아서 반응기는 상기 방법으로 고안될 수 없다. 따라서 연속으로 프리 단열반응기에 연결된 대리의 방법으로 기체가 200'C의 온도로 들어갈 때 반응의 결과로서 온도는 300'C까지 상승하게 된다. 각 단열반응기 다음에 열교환기가 연결되어야 하는데 온도는 다시 200'C로 내려오게 된다.

[실시예 4]

통상적인 에틸렌 산화반응기는 0.02m의 직경을 갖는 20,000 관으로 구성되어 있는데. 가스가 바른 속도로 (20m/sec) 반응기를 통과할 때 열전이 계수는 주로 상기 속도에 의해 결정된다. αi에 대한 값은 1000W/㎡K로 결정되며 λ는 0.39W/mK로 결정된다.

Xmax가 계산된 식에 의하여, 역으로 공개 문헌에서 알려지지 않은 지수

△Xmax/T=6.91.10-5로 값이 계산될 수 있다.

αi=500W/㎡K 및 λ=65W/mK의 값을 갖는 알루미늄으로 이루어진 소결시킨 금속에 대한 값에 의하여 Xmax는 0.567m로서 본 발명에 따른 반응이 계산 될 수 있다.

이들 관의 직경은 11.3㎝가 되는 바, 이것은 20,000관 대신에 630개만이 요구된다는 것을 의미한다.

Claims (8)

1. 촉매활성물질이 존재하는 고체반응기와 적어도 하나의 열공급 및 방출 반응기벽으로 이루어져 있는 촉매 반응기에서 상기 촉매베드는 벽의 한쪽에 함께 소결시킨 기본물질입자로 구성되어 있고 반응기벽의 다른 면은 소결시키지 않은 물질로 이루어져 잇으며 반응기베드의 어떤 위치에서 가장 가까운 열공급 및 방출 벽까지의 최대거리(m)가 (Xmax) 다음식(Ⅰ)으로 결정되는 피이드스톡이 촉매반응기를 통과하게 되는 이질의 촉매 존재하에서 화학반응을 수행하는 방법.

   

   상기 식에서, λ는 2 내지 250의 값을 갖는 소결된 물질의 열전도도의 계수이고(W/mK), αi는 열공급 및 방출반응기벽의 반응기면 위로의 열전이계수(W/㎡K)로서 εα와 같다. 여기서 ε는 1.0 내지 10의 값을 가지며 물질을 소결시킴으로서 열전이의 증가를 나타내며, α는 소결되지 않은 상태에서 반응기 베드로부터의 열전이 계수이다. △Tmax는 반응기베드를 통하여 복사단면적을 가로질러 측정되는데 상기 단면적의 어떤 점과 가장 가까운 열공급 및 방출반응기벽 사이의 온도차의 절대값으로서 최대 혀용값은 1 내지 1000K이다. a는 반응기의 기하학적 형태에 의해 결정되는 형성인자로서 0.25 내지 0.5의 값을 갖는다. a'는 반응기의 단면적과 Xmax에 의해 배수가 되는 상기 반응기의 열교환 원주 사이의 비를 나타내는 형성인자인데, 0.5 내지 1의 값을 가지며 q는 반응기 베드에서 발생하는 최대반응열인데 (W/㎥), 반응열은 복사방향으로 벽을 통하여 공급 및 방출된다.
2. 제1항에 있어서, 반응기 베드의 어떤 위치에서 가장 가까운 열공급 및 방출벽까지의 최대거리는 다음식(Ⅱ)으로 결정되어짐을 특징으로 하는 방법.

   

   상기 식에서, a, a', λ, △Tmax는 상기 (Ⅰ)식에서 나타낸 것과 같고, Q는 반응기벽 ㎡당 복사방향으로 수송된 열이다.
3. 제1항에 있어서, 기본입자는 사실상 등방성이며, 필라멘트 또는 섬유로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 화학반응은 대단한 발열반응 또는 대단한 흡열반응임을 특징으로 하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 화학반응은 촉매연소, 에틸렌옥시드의 제조, 암모니아 합성 또는 황화수소의 선택적 산황임을 특징으로 하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 황화수소 3부피%이상을 함유하는 가스혼합물은 황화수소가 황으로 전환되는 황화수소의 선택적 산화를 받는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 피이드스톡이 촉매반응기를 통과하게되는 이질의 촉매 존재하에서 화학반응을 수행하는 방법에서, 상기 반응기는 촉매활성물질이 존재하는 고체 반응기와 적어도 하나의 열공급 및 방출반응기벽으로 이루어져 있으며 상기 촉매베드는 벽의 한쪽에 함께 소결시킨 기본물질입자로 구성되어 있고 반응벽의 다른면은 소결시키지 않은 물질로 이루어져 있으며 반응기 베드의 어떤 위치에서 가장 가까운 열공급 및 방출벽의 최대거리(m)가 (Xmax) 다음 (Ⅰ)식으로 결정되는 것임을 특징으로 하는 촉매 반응기.

   

   상기 식에서, λ는 2 내지 250의 값을 갖는 소결된 물질의 열전도도의 계수이고(W/mK), αi는 열공급 및 방출반응기벽의 반응기면 위로의 열전이 계수(W/㎡/K)로서 εα와 같다. 여기서 ε는 1.0 내지 10의 값을 가지며 물질을 소결시킴으로서 열전이의 증가를 나타내며, α는 소결되지 않은 상태에서 반응기베드로부터의 열전이 계수이다. △Tmax는 반응기베드를 통하여 복사단면적을 가로질러 측정되는데 상기 단면적의 어떤 점과 가장 가까운 열공급 및 방출반응기벽 사이의 온도차의 절대값으로서 최대 허용값은 1 내지 1000K이다. a는 반응기의 기하학적 형태에 의해 결정되는 형성인자로서 0.25 내지 0.5의 값을 갖는다. a'는 반응기의 단면적과 Xmax에 의해 배수가 되는 상기 반응기의 열교환 원주 사이의 비를 나타내는 형성인자인데, 0.5 내지 1의 값을 가지며 q는 반응기베드에서 발생하는 최대반응열인데 (W/㎥), 반응열은 복사방향으로 벽을 통하여 공급 및 방출된다.
8. 제7항에 있어서, 촉매 반응기는 반응기베드의 어떤 위치에서 가장 가까운 열공급 및 방출벽까지의 최대거리는 다음식(Ⅱ)으로 결정되어짐을 특징으로 하는 방법.

   

   상기 식에서, a, a', λ, △Tmax는 상기 (Ⅰ)식에서 나타낸 것과 같고, Q는 반응기벽 ㎡당 복사방향으로 수송된 열이다.

Images