KR100327717B1 - 반응장치 - Google Patents

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KR100327717B1
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폴 킹슬레이 제프리
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조안 엠. 젤사 ; 로버트 지. 호헨스타인 ; 도로시 엠. 보어
프랙스에어 테크놀로지, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 강제 순환되는 쉘 및 튜브 열교환 반응기는 액체-액체, 기체-액체 및 기체-액체-고체의 발열 반응에 열전달 및 질량 이동을 개선시키기는데 사용된다. 본 발명의 반응기는 생산성 및 선택성을 향상시킨다.

Description

반응장치 {IMPROVED REACTOR SYSTEM}
상업적인 작업에서 수행되는 많은 액체상 산화 및 수소화반응은 사실상 상당한 발열반응이다. 이러한 작업에서, 반응열 제거 능력은 주어진 반응기 용적으로 얻을 수 있는 생성율을 제한한다. 열을 제거하는 발열반응은 냉각 재킷을 구비한 교반 탱크 반응기, 내부 냉각 코일을 구비한 교반 탱크 반응기, 외부 측류(sidestream) 냉각 장치를 구비한 교반 탱크 반응기, 또는 열전달 튜브를 구비한 버블 칼럼 반응기에서 달성되는 것이 일반적이다. 모든 경우에서, 반응열은 고온의 반응 액체에서 고체 표면을 통해 냉각수와 같은 냉각 유체, 즉, 냉매에 전달되거나, 물을 증발시켜 증기를 생성한다.
상기 모든 장치에서의 열전달은 하기 식으로 기재된다:
Q = rHrV(1);
Q = UAΔT(2);
따라서,
rHr = (A/V)UΔT(3)
상기 식에서, Q는 전체 열부하이고, r은 용적 반응 속도이고, Hr은 반응열이고, V는 반응기 용적이고, U는 전체 열전달 계수이고, A는 열전달 표면적이고, ΔT는 반응기 액체와 열전달 유체간의 온도차이다. 식(3)의 좌변은 용적 반응열 또는 반응기의 용적 생성열이며, 우변은 용적 열전달 용량이다.
식(3)은 열생성이 반응 속도를 증가시키며, 정상 상태의 작업을 위해, 장치의 열전달 용량이 반응 속도가 증가되는 경우에 증가되어야 함을 보여준다. 또한, 상기 식은 열전달 용량이 (1) 열전달 면적 대 반응기 용적의 비가 최대화되는 경우, (2) 전체 열전달 계수 U가 최대화되는 경우, 및 (3)온도 구동력 ΔT가 최대화되는 경우에 최대화됨을 보여준다.
면적 대 용적비 A/V는 반응기 및 열교환 장치의 형태에 의해 정해진다.
열전달 계수 U는 유체 특성의 함수, 및 보다 협소한 의미로 열교환기의 구성물질의 함수이다. U는 반응 유체 및/또는 열전달 유체를 증가시키거나 감소시키므로써 증가되거나 감소될 수 있다. 냉각 유체 흐름은 압력 강하와 일부 경우에서의 온도 문제로 인해 제한되는 것이 일반적이다. 열전달 장치에 따라, 반응 액체의 유량은 교반기에 도입되는 전력 또는 압력 강하 문제에 의해 제한된다.
온도차 ΔT는 반응 온도의 증가 및/또는 냉각 유체 온도의 감소에 의해 증가될 수 있다. 반응 온도가 설정되어 일정한 반응 속도를 제공하고/제공하거나 부산물의 생성을 최소화시키는 것이 일반적이다. 따라서, 반응 온도를 상승시키는 것은 일반적으로 바람직하지 않다. 냉각 유체의 온도는 일반적으로 이용할 수 있는 냉각수의 온도, 냉각 비용 또는 증발 장치에서의 증기 특성에 의해 일반적으로 제한된다.
종래의 발열반응에 대한 반응장치에서, 재킷이 구비된 반응 용기의 기본이 되는 특징은 A/V 비가 낮다는 것이다. A가 D(반응기 직경)에 따라 증가하기 때문에 V는 D2에 따라 증가하고, A/V는 반응기의 크기가 증가됨에 따라 감소한다. 따라서, 재킷을 구비한 반응기는 일반적으로 100 갤론 이하의 작은 용적에 적용시키는 데에 사용된다.
내부 냉각 코일을 구비한 교반 탱크 반응기는 특히 용기의 크기가 커짐에 따라 재킷을 구비한 용기보다 더 높은 A/V 비를 갖는 것이 일반적이다. 그러나, 코일은 몇몇의 제한 사항을 가지고 있다. 열전달 영역은 코일 직경을 최소화시키므로써 최대화되지만, 코일내 압력 강하가 코일 직경을 보다 작은 범위로 제한한다. 반응 기를 코일로 패킹(packing)하므로써 A/V를 증가시킬 수 있다. 그러나, 이는 반응기에서의 유동 분포를 불균일하게 하여 반응물을 불량하게 혼합하고, 바람직하지 않은 부산물을 생성시킬 수 있다. 또한, 반응 용기에서 다중 코일을 기계적으로 지지하는 것이 어렵다. 따라서, 내부 냉각 코일을 구비한 반응기는 일반적으로 100 내지 20,000 갤론의 중간 크기의 적용에 사용된다. 상기 반응기의 형태는 식용유 생산과 같은 수소화반응 장치 및 구리가 산화하여 황산구리가 되는 것과 같은 무기 산화반응에서 매우 일반적이다.
A/V 비에 대한 기하학적 요인 및 유동 제한 요인을 배제시키기 위한 한 방법은 외부 냉각을 위해 측류 냉각 장치를 사용하는 것이다. 이러한 종류의 반응기 형태는 페놀을 생성하기 위해 큐멘을 히드로과산화큐멘으로 산화시키는 데에, 및일부 수소화반응 장치에서 흔히 사용된다.
이러한 측류 장치에서, 반응기로부터의 측류는 열교환기 또는 기타 냉각 장치를 통해 펌핑되고, 냉각된 반응 액체는 반응 용기로 반송된다. 이론상, A/V의 비는 반응기 형태에 관련된 요인에 의해 제한되지는 않는다. 그러나, 이러한 장치와 관련된 또 다른 문제가 있을 수 있다. 냉각은 반응 용기 외측에서 달성되기 때문에, 냉각기는 반응 온도보다 상당히 낮은 온도에서 작동하는 것이 정상일 것이다. 따라서, 비례적으로 열교환 영역 및/또는 냉각제 유동이 보다 많이 필요하게 된다. 또한, 공기 산화, 산소 산화 또는 수소화 반응에 대한 기체-액체 반응장치에서, 반응 기체가 외부 냉각 장치에 유입되는 것이 방지되어야 한다. 기체는 액체로부터 이탈하여 교환기 및 이와 관련된 배관내 높은 지점의 포켓에 수집된다. 이는 열교환기의 효율을 감소시킨다. 또한, 기체가 순환 펌프내에서 수집될 수 있으며, 펌프의 공동 현상 또는 기체 플러딩화(flooding)를 일으킬 수 있다. 기체가 공기 또는 산소인 산화 장치에서, 외부 열교환 장치에서 생성된 기체는 폭발 위험을 가질 수 있다. 상기 장치는 상기 기체를 외부 열교환기 루프 밖으로 유지시킬 수 있다. 그러나, 많은 경우에, 이것이 반응물이 양호하게 혼합되는 것이 중요한 반응 장치에서 반응물 결핍으로 인해 부산물 생성을 증가시킨다.
버블 칼럼 반응기의 A/V는 일반적으로 상당히 높다. 유기산의 제조에 사용되는 한 형태에서, 버블 칼럼은 수직 쉘 및 튜브 열교환기와 유사한 형태이다. 상기 반응이 튜브의 측부에서 발생하면서 냉각 유체가 쉘 측부에서 순환한다. 기체가 부 튜브에 살포된다. 액체는 살포된 튜브에서 기체 기포의 기체 리프팅(lifting)효과에 의해 순환된다. 따라서, 살포된 튜브에서는 접촉하는 업플로우(upflow) 및 기체-액체가 존재한다. 나머지 튜브에서는 기체-액체 접촉이 없는 다운플로우(downflow)가 존재한다. 이러한 형태는 두가지 단점을 갖는다. 튜브의 반응물 측상의 액체 속도가 정상적으로 1 내지 5ft/초인 기포 상승 속도로 제한된다. 이러한 속도 제한은 열전달 계수 U를 제한한다. 또한, 다운플로우 튜브는 반응 기체에 노출되지 않는다. 이는 다운플로우 튜브에서 기체 결핍 상태로 인해 용적 반응 속도 및/또는 부산물 생성을 보다 낮출 수 있다.
p-크실렌의 연속적인 산화 및 에스테르화에 의해 디메틸 테레프탈레이트를 생성하는 위텐(Witten)공정에서 있어서, 또 다른 통상의 버블 칼럼 구성은 외측에 반응 유체, 내측에 냉각 유체를 갖는 수직 튜브를 사용하는 것이다. 이는 기계적으로 수행시키기에는 매우 어렵지만, 요구되는 반응 용적이 클 경우에는 유리하다. 이 장치에서, 공급 기체는 반응기 저부에 살포된다. 상기 기체는 반응기 일부에서의 상승기체 및 반응기 나머지 부분에서의 비기체화된 다운플로우(downflow)의 칼럼이 존재하도록 플룸(plume)에 수집된다. 이는 상기 기술된 동일한 조건, 즉, 반응물에 대한 제한된 열전달 계수, 및 다운플로우 영역에서 기체 결핍 상태가 되도록 유도한다. 또한, 반응물 측류가 흐름이 균일하지 않기 때문에, 이러한 구성은 기체 플룸의 근접부에 과열점을 발생시킬 수 있다. 이러한 과열점은 과산화로 인해 바람직하지 않은 부산물을 형성시킬 수 있다. 또한, 질량 이동 문제가 특히 기체 액체 반응장치에서 매우 중요하다. 질량 이동이 반응 속도를 제한시키는 경우, 반응기의 생산성은 이에 의해 결정된다. 질량 이동 제한에 의한 반응물 결핍은 화학적 선택도를 감소시키는 부산물을 형성시킬 수 있다. 이러한 문제는 공기를 기재 화학적 산화 장치에서 일어나는 것으로 널리 공지되어 있다.
공기 기재 버블 칼럼 및 교반 탱크 반응장치는 고유한 질량 이동 제한 요인을 갖는다. 산소 질량 이동은 산소 함유 기체 기포내의 산소 농도 또는 산소 부분압에 비례한다. 버블 칼럼 또는 교반 탱크 반응기내 공기 기포에서 산소의 농도는 살포기에서의 21% 에 불과하다. 산소가 반응 액체에 용해됨에 따라 반응에 의해 산소는 소모되고, 액체가 공기 버블내로 증발됨에 따라 공기내 산소의 부분압은 감소하나, 공기의 한 성분인 질소의 부분압 및 증발된 유기 물질의 부분압은 증가한다. 따라서, 공기와 관련된 질량 이동 구동력은 원래 순수한 산소가 반응 기체로서 사용되는 경우보다 더 낮다.
종래의 교반 탱크 및 버블 칼럼 반응기 설계에 있어서, 배출되는 폐공기 스트림의 산소 부분압은 반응기 증기 공간에 인화성 기체 혼합물이 형성되는 것을 방지하기 위해서 유기물질을 함유하지 않은 것을 기본으로 하여 안전성 한계 5% 미만으로 유지되어야 한다. 따라서, 종래의 반응기 설계에서 기체상 산소 농도는 공기 공급 지점에서 21 % 내지 폐기체 출구에서 5%로 제한된다. 버블 칼럼에서, 공기는 반응기의 저부에 주입된다. 기체 기포는 액체를 통해 상승하고, 기체상 산소 농도는 반응기 저부에서 21% 내지 상부에서 5%로 다양하다. 양호하게 혼합된 교반 탱크 반응기에서, 상기 장치에서 평균 산소 농도는 전반적으로 5%이다. 따라서, 주어진 작동 압력에 대해, 종래의 반응장치에서 안정상 문제는 이용할 수 있는 질량 이동 구동력을 상당히 제한한다. 상기 상황은 장치의 압력을 전반적으로 상승시키므로써 산소 부분압을 상승시키거나 질소와 같은 상당량의 불활성 기체로 헤드부를 퍼어징시키므로써 다소 개선될 수 있지만, 이러한 대안들은 일반적으로 비용이 매우 많이 든다.
종래의 공기 기재 반응장치에서 원래부터 제한된 질량 이동 구동력의 실질적인 결과는 산소 결핍 상태와 이에 따른 생성물 선택도에 대한 불리함이 반응 온도와 반응기의 생산성이 증가됨에 따라 더욱 가중될 수 있다는 것이다.
산소 질량 이동 용량을 제한하는 또 다른 요인은 산소 함유 기체 기포가 액체상에서 균일하게 분포되는 정도이다. 액체상의 일부 영역이 산소 함유 기체 기포에 노출되지 않는 경우, 이러한 부분은 산소가 결핍될 것이며, 부산물이 생성될 것이다. 따라서, 반응기 전체에 양호한 기체 기포 분포를 갖는 것이 중요하다.
종래의 버블 칼럼 반응기 또는 기체 상승 버블 칼럼 반응기에서, 기체 기포는 반응기의 저부에서 도입된다. 기포는 부력으로 인해 반응 액체를 통해 상승한다. 기포는 액체 흐름 패턴을 재순환시킨다. 버블 칼럼 반응기에서, 상기 흐름은 상향으로 반응기의 중앙을 통과하고, 반응기의 벽 부근에서는 하향이다. 산소 함유 기체 기포는 중앙 업플로우(upflow) 영역에서 수렴하게 하고(이는 외부 다운플로우 영역에서 기체가 결핍되게 한다), 부산물 형성 반응을 수행시킨다. 기체 상승 버블 칼럼에서, 산소는 튜브에서 액체 업플로우가 되도록 기체 상승된 열전달 튜브에 살포되는 것이 일반적이다. 살포기 없이 추가의 튜브가 흐름을 재순환시키기 위해 구비된다. 산소 결핍 상태 및 이에 따른 부산물 형성 반응이 다운플로우 튜브에서 확산된다.
열전달 및 질량 이동이 중요한 산화 장치의 한 특정예로는 지방산의 제조가 있다. 지방산은 하기 반응에 따라 알데히드와 산소의 액체상 반응에 의해 제조된다:
R-HO +1/2O2 = R-OOH
상기 알데히드 및 상응하는 산은 직쇄 또는 측쇄일 수 있으며, 탄소 원자의 수는 3 내지 12로 다양할 수 있다. 전구물질 알데히드는 로우 프레져 옥소(Low Pressure Oxo(LPO)) 공정을 사용하여 제조된다. 따라서, 상기 유도산은 흔히 옥소산으로 언급된다. 상기 알데히드는 또한 LPO 공정 이외의 공정에 의해 얻어지거나 제조될 수 있으나, 이러한 부류의 화합물은 옥소산으로 언급된다. 이러한 공정에서 알데히드의 공급원은 중요하지 않다.
이러한 산의 상업적 제조 방법에서, 산에 대한 선택도는 일반적으로 80% 내지 99%이다. 선택도는 사슬의 길이 및 측쇄 또는 분지의 수가 증가함에 따라 감소한다. 예를 들어, 프로피온에 대해 3개의 탄소 원자(C3)를 갖는 프로피온알데히드의 선택도는 발레르산에 대해 5개의 탄소 원자(C5)를 갖는 발레르알데히드의 선택도보다 우수하며, 발레르산에 대해 5개의 직쇄 탄소 분자인 발레르알데히드는 2-메틸 부티르산에 대해 측쇄 C5인 2-메틸 부티르알데히드의 선택도보다 높다. 상업적 실행에 있어서, 부산물 억제 첨가제가 상기 장치의 일부에 부가되어 선택도를 향상시킬 수 있다.
액체상 알데히드 산화 방법에서, 산소는 기체 공기 기포로부터 질량 이동에 의해 액체로 도입되는 것이 일반적이다. 산화 반응은 액체상 또는 공기 기포를 둘러싸고 있는 벌크 액체상 또는 액체막에서 일어난다. 반응 액체중에 용해된 산소의 결핍은 부산물 생성을 촉진하고, 따라서 산에 대한 알데히드의 선택도를 감소시킨다. 따라서, 기체상에서 액체상으로 산소를 적합하게 질량 이동시키는 것은 부산물 형성 반응을 억제하기 위해 액체상에 용해된 산소 농도를 적합하게 유지시키는데 중요하다.
부산물 형성은 반응 온도에 따라 증가하는 것으로 밝혀졌다. 반응 속도는 일반적으로 온도에 따라 증가하기 때문에, 이러한 반응은 고온에서 더욱 빠르게 산소를 소비하고, 산소 결핍 상태가 발생하는 것을 억제하기 위해 보다 많은 산소를 필요로 한다. 따라서, 기체-액체 질량 이동 제한은 온도가 증가됨에 따라 더욱 악화되고, 이로써 부산물을 형성시키는 산소 결핍 상태를 방지하는 것이 더 어려워진다. 산소 결핍 상태하에서 형성된 부산물은 포르메이트 에스테르, 케톤 및 알코올이다.
알데히드의 산으로의 전환은 온도에 따라 증가하기 때문에 온도를 높이므로써 반응기의 생산성을 증가시킬 수 있다. 그러나, 온도 증가로 반응 장치를 산소 결핍 영역으로 이동시키는 경우에는 이미 형성된 산소 결핍 상태를 악화시키고, 부산물 형성 반응을 증대시키고 산에 대한 선택도를 감소시킨다.
옥소산은 공기가 살포된 교반 탱크 또는 버블 칼럼 기체 상승 반응기에서 제조되는 것이 일반적이다. 상업적 반응 조건에서, 산화 반응에 의해 생성된 발열반응의 열은 상당하다. 교반 탱크 반응기가 옥소산 제조에 사용될 수 있으나, A/V 비가 높기 때문에 수직 쉘 형태의 버블 칼럼 반응기 및 튜브 열 교환기가 바람직하다.
버블 칼럼 반응기에서, 공기가 일부 열전달 튜브의 저부에 살포되지만, 나머지 튜브에는 살포되지 않는다. 이러한 살포된 튜브와 살포되지 않은 튜브의 결합은 반응기내에서 액체 흐름을 재순환시킨다. 기체는 살포된 튜브에서 액체가 업플로우되도록 하지만, 살포되지 않은 나머지 튜브에서는 다운플로우가 발생되도록 한다. 공기가 살포된 튜브를 통하여 상승하므로써, 산소는 공기로부터 알데히드와 반응하여 산을 생성시키는 액체상으로 이동한다. 상기 살포되지 않은 상기 튜브에서 액체로 질량 이동 하는 산소는 존재하지 않는다.
이러한 반응기의 구성에서, 열전달은 모든 튜브에서 일어나며, A/V 의 비는 높다. 그러나, 열전달 계수 U는 튜브의 측면 유속이 일반적으로 1 내지 5ft/초인 기체 기포의 상승 속도로 제한되기 때문에 다소 제한된다. 또한, 튜브의 일부는 기체로 살포되지 않기 때문에, 이러한 튜브는 제한된 질량 이동 또는 산소 결핍 상태에서 작동한다. 따라서, 부산물 형성이 살포된 튜브와 비교하여 살포되지 않은 튜브에서 보다 많다. 부산물 형성은 또한 살포된 튜브에서 산화제에 대해 공기를 사용하는 것과 관련된 고유의 질량 이동 제한 요인에 의해 유리하게 된다.
산화반응, 수소화반응 및 기타 발열성 기체-액체 작용에 대해 상기 반응장치의 개선점이 당업에서 매우 바람직하다는 것이 상기로부터 인지될 것이다. 이러한 개선점은 상기 기술된 종래의 장치와 비교하여 열전달 제한 요인을 완화시키고, 질량 이동 수행능을 바람직하게 개선시킬 것이다.
본 발명의 목적은 산화반응, 수소화반응 및 기타 발열성 기체-액체 작용에 대해 개선된 반응장치를 제공하는 데에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 열전달 제한 요인을 완화시키고, 발열성 기체-액체 작용의 질량 이동 수행능을 개선시킬 수 있는 반응장치를 제공하는 데에 있다.
상기 및 기타 목적으로, 본 발명은 하기에서 상세하게 기술될 것이며, 이의 신규 특성은 첨부된 특허 청구의 범위에서 구체적으로 지적될 것이다.
도 1은 액체-액체 반응에 적합한 본 발명의 반응장치의 구체예에 대한 개략적인 측입면도이다.
도 2는 기체-액체 반응에 적합한 본 발명의 반응장치의 구체예에 대한 개략적인 측입면도이다.
도 3은 퍼어지와 함께 1회 통과 기체-액체 반응에 적합한 본 발명의 반응장치의 구체예의 개략적인 측입면도이다.
도 4는 개선된 기체-액체 반응에 대해 임펠러 수단을 사용하기에 적합한 본 발명의 반응장치의 개략적인 측입면도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 수직 쉘 및 튜브 열교환 반응기2: 중공 드라프트 튜브
3 : 임펠러4: 저부 혼합 챔버
5 : 열교환 튜브6: 공급 라인
7,8 : 조절수단9a: 흐름 조절 수단
10 : 유입구11: 유출구
12 : 상부 챔버13: 액체 수위
14 : 방출 라인15: 조절 수단
16 : 액체 수위 조절 수단17: 입력 시그날
18 : 출력 시그날19: 구동 모터
20 : 구동 샤프트21: 상부 배플 수단
22 : 하부 배플 수단
강제 순환이 쉘 및 튜브 열교환기 반응기와 함께 이용되어 발열 반응장치에서 열 및 질량 이동을 개선시킨다. 따라서 반응기의 용적 생산성 및 개선된 선택도가 얻어진다.
본 발명의 목적은 쉘 및 튜브 반응기 형태를 사용하여 반응 액체의 강제 순환으로 인해 개선된 열전달 계수 U와 함께 높은 열전달 표면 대 반응기 용적 비 A/V를 달성하므로써 이루어진다. 기체-액체 반응 장치에서는 반응 용적 전체에 기체를 순환시키기 위한 수단이 구비되므로써 반응의 생산성 및 반응의 선택도를 개선시킨다. 이의 다양한 구체예에서, 본 발명은 산화제가 공기 또는 산소인 발열 산화 장치, 수소화반응 및 기타 발열성 기체-액체 반응장치에 대해 두 개 이상의 액체 반응물로 액체상 반응을 수행시키는 데에 유리한 개선된 반응장치를 사용한다. 이 장치는 고체 촉매상을 사용하거나 사용하지 않을 수 있다.
도 1에 도시된 본 발명의 구체예에서, 수직 쉘 및 튜브 열교환 반응기(1)는 중앙에 위치한 중공 드라프트 튜브(2)를 구비한다. 임펠러 수단(3)은 상기 드라프트 튜브(2)내에 위치하며, 액체를 상기 드라프트 튜브를 통해 저부 혼합 챔버(4)로 에 하향 재순환시키고, 열교환 튜브(5)를 통해 상향 재순환시키는데 사용된다. 상기 반응기는 저부 혼합 챔버(4)가 액체를 벌크 혼합시키기 위해 구비된다는 점에서 잘 혼합되는 교반 탱크 반응기와 매우 유사하게 작동한다. 그러나, 임펠러 수단(3)의 펌핑 작용으로 인해, 외부 냉각 장치와 매우 유사하게 액체가 열교환 튜브(5)를 통해 고속으로 순환된다. 재순환 경로가 열교환 튜브(5)에 의해 바람직하게 결정되고 제한되기 때문에, 상기 장치에는 종래의 교반 탱크가 코일로 패킹되는 경우에 발생할 수 있는 유동 분포 문제가 일어나지 않는다. 도시된 구체예는 특히 하나의 액체 공급물이 공급 라인(6)을 통해 조절 수단(7)을 지나 반응기(1)의 상층부(8)에 공급되고, 나머지 한 액체 공급물이 흐름 조절 수단(9a)를 구비한 공급 라인(9)을 통해 상기 상층부(8)에 공급되는 액체-액체 반응에 적용된다. 냉각수는 유입구(10)를 통해 반응기(1)에 공급되며, 유출구(11)를 통해 배출된다. 액체 공급물은 반응기(1)와 유체 연통하여 상부 챔버(12)로 상향 상승되어 액체 수위(13)를 달성시킨다. 생성 액체는 저부 혼합 챔버(4)에서 조절 수단(15)을 구비한 생성물 방출 라인(14)을 통해 방출된다. 액체 수위 조절 수단(16)은 상부 챔버(12)와 연통하여 반응기내 액체 수위에 따라 입력 시그날(17)을 수용하고 출력 시그날(18)을 유동 조절 수단(15)로 전송하여 바람직한 액체 수위(13)를 유지시킨다. 구동 모터(19)가 구동 샤프트(20)에 연결되며, 임펠러 수단(3)을 작동시키는 데 작용된다. 도시된 바와 같이, 상부 배플 수단(21) 및 하부 배플 수단(22)이 구비되어 액체를 중공 드라프트 튜브(2)에서 하향 재순환시키고, 상기 튜브(5)에서 바람직하게상향 재순환시키는 것을 용이하게 한다.
도시된 장치는 기하학적 형태로 인한 높은 A/V의 비, 및 강제 순환 흐름으로 인한 높은 열전달 계수를 특징으로 한다. 따라서, 본 발명의 도 1의 구체예는 특히 액체상 발열 반응에 적합하다.
도 2는 비가연성인 기체 액체 발열반응, 특히 수소화반응 및 기체 공기 또는 산소 기재 산화반응에 적합한 구체예이다. 상기 구체예에서 수직 쉘 및 튜브 열교환 반응기(23)는 중앙에 위치한 중공 드라프트 튜브(24)를 갖는다. 임펠러 수단(25)은 드라프트 튜브(24)내에 위치하며, 액체를 상기 드라프트 튜브를 통해 저부 혼합 챔버(26)로 하향 재순환시키고, 열교환 튜브(27)를 통해 상향 재순환시키는데 적용된다. 액체 공급물은 흐름 조절 수단(29)을 포함하는 공급 라인(28)을 통해 반응기의 상층부(30)에 공급된다. 반응 기체 공급물은 흐름 조절 수단(32)을 포함하는 공급 라인(31)을 통해 상부 챔버(33)에 공급된다. 상기 조절 수단은 시그날(32a 또는 32b)에 응답하여 반응기 압력 또는 공급 기체 흐름을 조절하는데 적용된다. 도면으로부터 알 수 있드시, 상기의 기체 도입은 액체 수위 보다 높은 수위에서 이루어지며, 상기 액체 수위(34)는 반응기(23)에서 임펠러 수단(25) 위치보다 높이 있다. 냉각수는 유입구(35)를 통해 반응기(23)에 공급되며, 유출구(36)를 통해 배출된다. 상기 임펠러 수단(25)은 구동 모터(38)에 의해 작동되는 구동 샤프트(37)에 연결된다. 상부 배플 수단(39) 및 하부 배플 수단(40)이 구비되어 액체를 중공 드라프트 튜브(24)의 상부로, 그리고, 저부 혼합 챔버(26)로부터 상향으로 흐르는 것을 용이하게 한다.
반응 생성물은 반응기(23)의 저부로부터 흐름 조절 수단(42)을 포함하는 생성물 방출 라인(41)을 통해 배출된다. 액체 수위 조절 수단(43)은 반응기(23)로부터 입력 시그날(44)을 수용하여 흐름 조절 수단(42)에 출력 시그날을 전송하도록 하여 적용되어 액체를 반응기(23)내 액체 수위(34)를 바람직하게 조절한다. 기체는 상부 챔버(33)로부터 입력 조절 시그날(48 및 49)로 나타난 바와 같이 배압 또는 배기 흐름을 조절하기 위해 적용되는 흐름 조절 수단(47)을 포함하는 라인(46)을 통해 배출된다.
도 2의 구체예에서, 반응 기체는 임펠러 수단(25)의 다운 펌핑 작용하에 상부 드라프트 튜브의 유입시의 와류(vortex)작용에 의해 드라프트 튜브(24)로 배출된다. 따라서, 임펠러 수단은 드라프트 튜브를 통해 저부 혼합 챔버(26)로 하향 재순환시키고, 열전달 튜브(27)를 통해 상향 재순환되는 액체상에서 기체를 분산시킨다. 반응하지 않은 반응 기체인, 불활성 질소 또는 부산물 기체는 새로운 공급 기체와 혼합하게 되고 반응기(23)에서 액체의 재순환으로 다시 배출되는 액체 수위(34) 상부의 상부 챔버(33)에서 기체 공간(50)으로 배출된다.
도 2의 구체예의 반응장치는 종래의 반응장치에 비해 이중의 이점을 갖는다. 첫째는 상기 기술된 유리한 유체 흐름 및 열전달 특징을 갖는다는 것이다. 반응 기체가 반응기의 상부에 도입되기 때문에 모든 열전달 튜브를 포함하는 반응기의 전체 용적을 통해 순환된다. 따라서, 반응기 전체 용적이 질량 이동에 이용되어, 반응 속도는 반응기 전체에서 최대화되고, 반응 기체 결핍으로 인한 부산물 형성은 최소화된다. 공기 기재 반응의 경우, 질량 이동은 공급 공기 대신에 산소 공급물을 사용하므로써 더욱 증대될 수 있다.
도 3에서 도시된 본 발명의 구체예는 유기 화학품의 공기 또는 산소 기재 산화반응에서와 같이, 반응 기체가 반응 액체 상부에서 증기와 가연성 기체 혼합물을 형성할 수 있는 반응장치에서 특히 유리하다. 이러한 경우에, 공기 또는 기타 반응 기체는 액체 표면하에서 직접 임펠러 흡입부에 살포된다. 가연성 기체의 혼합은 기체 주입 지점에서 이루어진다. 그러나, 상기 기체는 액체중에서 분산되기 때문에 불꽃이 액체를 통해 전개될 수 없어 위험하지 않다. 흐름 경로는 기체 액체 분산이 하향으로 드라프트 튜브를 통해 저부 혼합 챔버로, 그리고 상향으로 열교환 튜브를 통해 펌핑된다는 점에서 도 1 및 2의 구체예와 유사하다. 이후, 기체는 액체상으로부터 배출되어 액체 상부의 기체 공간에서 수집된다. 이러한 형태는 또한 반응 기체가 반응기 전체 용적을 통해 순환되기 때문에 펌핑된 쉘 및 튜브 설계에 의해 제공된 열전달 및 유체 흐름의 유리한 특성을 이점으로 갖는다. 전체 반응기 용적의 생산성이 최대화되고, 비가스화된 튜브내에서 발생할 수 있는 반응물 결핍 상태에 대한 가능성은 최소화된다.
도 3의 구체예에서, 수직 쉘 및 튜브 열교환 반응기(51)는 중앙에 위치한 중공 드라프트 튜브(52)를 갖는다. 임펠러 수단(53)은 상기 드라프트 튜브(52)에, 바람직하게는 본 발명의 예시된 다른 실시예에서와 같이 상층부에 위치하며, 액체를 상기 드라프트 튜브(52)를 통해 저부 혼합 챔버(54)로 하향 재순환시키고, 열교환 튜브(55)를 통해 상향 재순환시키는데 적용된다. 액체 공급물은 흐름 조절 수단(57)을 포함하는 공급 라인(56)을 통해 바람직하게는 반응기(51)의 상층부(58)에공급된다. 공기 또는 산소가 풍부한 공급 기체가 흐름 조절 수단(59a)을 포함하는 공급 라인(59)을 통해 반응기(51)의 상층부(58)에 공급되어 반응기(51)내 액체의 재순환 흐름과 함께 임펠러 수단(53)의 흡입부로 배출된다. 냉각수는 유입구(60)를 통해 반응기(51)에 공급되며, 유출구(61)를 통해 배출된다. 액체는 흐름 조절 수단(65)을 포함하는 기체 방출 라인(64)을 통해 기체가 배기되는 상기 상층부(58)에서 액체 수위(63)를 상승시킨다. 생성물은 저부 혼합 챔버(54)로부터 흐름 조절 수단(67)을 포함하는 라인(66)을 통해 방출된다. 액체 수위 조절 수단(68)은 액체 수위(63)에 따라 입력 시그날(69)을 수용하여 흐름 조절 수단(67)에 출력 시그날(70)을 전송하도록 적용되어, 액체 수위(63)를 바람직하게 유지시킨다. 구동 모터(71)가 구동 샤프트(72)에 연결되며, 임펠러 수단(53)을 작동시키는데 적용된다. 상부 배플 수단(73) 및 하부 배플 수단(74)이 구비되어 액체를 드라프트 튜브(52)에서 하향 순환시키고, 상기 튜브(55)에서는 바람직하게 상향 재순환시키는 것을 용이하게 한다.
도 3의 구체예에서, 배압 조절 수단(75)이 구비되어 상부 챔버(62)내의 압력에 따라 입력 시그날(76)을 수용하여 출력 시그날(77)을 기체 방출 라인(64)에 있는 흐름 조절 수단(65)에 전송한다. 또한, 예를 들어 밸브(79)와 같은 정상 흐름 조절 수단을 포함하는 불활성 기체 퍼어지 라인(78)이 퍼어지 기체를 액체 수위(63) 상부의 상부 챔버(62) 또는 반응기(51)에 도입하기 위해 사용된다. 산소 분석기(80)가 상부 챔버(62)내의 산소 농도에 따라 입력 시그날을 수용하여 비상 흐름 조절 수단(83)으로 출력 시그날(82)을 전송하도록 적용되어, 추가량의 불활성퍼어지 기체가 비상 흐름 라인(84)을 통해 액체 수위(63) 상부의 상부 챔버(62) 또는 반응기(51)로 흐르도록 한다.
가연성 장치에 있어서, 폐기체 스트림내에서 가연성 기체 혼합물을 형성시킬 수 있는 가능성이 배제되어야 한다. 예를 들어, 유기 액체와 공기와의 산화 반응에서, 폐기체의 산소 함량은 일반적으로 8% 내지 12%인 가연성 산소 농도보다 낮게 감소되어야 한다. 실질적으로, 산소 농도는 5% 미만으로 감소되어 적합한 안정성을 제공한다. 상기 구체예에서 공기가 사용되는 경우, 상기 기체내 산소 농도는 반응에 의해 주입 시점에서 21% 내지 폐기체에서 5% 미만으로 감소될 수 있다. 종래의 반응기는 이러한 방법으로 작동한다. 다르게는, 질소 또는 기타 희석 기체가 폐기체에 부가되어 산소 농도를 5% 미만으로 감소시킬 수 있다. 순수하거나 거의 순수한 산소가 상기 구체예에서 사용되는 경우, 산소 폐기체와 거리를 두고 반응시키거나, 상기 기재된 바와 같이 불활성 희석제를 폐기체에 첨가해야 하지만, 상기 장치의 질량 이동 수행능은 높은 산소 농도로 인해 개선된다.
도 4는 반응 기체가 액체상 위에서 증기와의 가연성 기체 혼합물을 형성할 수 있는 장치에서 사용되는 바람직한 구체예를 도시한 것이다. 본 구체예는 유기 화학 물질을 순수한 산소로 산화시키는데 특히 유리하다. 본 구체예에서, 산소는 액체 표면 하부에서 주입되고, 흐름 패턴은 상기 구체예에서 기술된 것과 동일하다. 그러나, 본 구체예에서 기체 수용 배플이 사용되어, 기체 흐름을 열교환 튜브의 상부로에서 드라프트 튜브 흡입 지역으로 재이동시킨다. 질소 또는 기타 불활성 기체는 반응기 상부의 기체 공간을 통과하여 기체 동반 배플하에서 배출된 산소를 5% 미만의 농도로 희석되도록 보장한다. 이러한 배치는 고도의 발열 반응에 적합한 LOR 장치를 형성할 수 있는 증대된 열전달능을 갖는 종래의 LOR 반응장치에 대한 신규하고 유리한 변형이다.
도 4의 구체예에서, 수직 쉘 및 튜브 열교환 반응기(101)는 중앙에 위치한 중공 드라프트 튜브(102)를 갖는다. 임펠러 수단(103)은 상기 드라프트 튜브(102)내에 위치하며, 액체 반응물을 상기 드라프트 튜브를 통해 저부 혼합 챔버(104)로 하향 재순환시키고, 열교환 튜브(105)를 통해 상향 재순환시키는 데 적용된다. 유기 액체 공급물은 흐름 조절 수단(107)을 포함하는 공급 라인(106)을 통해 반응기(101)의 상층부(108)에 공급된다. 흐름 조절 수단(109a)을 포함하는 산소 공급 라인(109)이 사용되어 산소 또는 산소 함유 기체를 상기 상층부(108)에 공급한다. 냉각수는 유입구(110)를 통해 반응기(101)에 공급되며, 유출구(111)를 통해 배출된다. 유기 액체 공급물은 상부 챔버(112)에 상향 상승되어 액체 수위(113)를 이룬다. 생성 액체는 저부 혼합 챔버(104)로부터 조절 수단(115)을 포함하는 생성물 방출 라인(114)을 통해 방출된다. 액체 수위 조절 수단은 상부 챔버(112)에서 측정 수단과 연통하여 반응기내 액체 수위에 따라 입력 시그날(117)을 수용하여 흐름 조절 수단(115)에 출력 시그날(118)을 전송하도록 적용되어 액체 수위(113)를 바람직하게 유지시킨다. 구동 모터(119)가 구동 샤프트(120)에 연결되며, 임펠러 수단(103)을 작동시키는 데 적용된다. 상부 배플 수단(121) 및 하부 배플 수단(122)이 액체를 중공 드라프트 튜브(102)에서 하향 재순환시키고, 상기 튜브(105)에서는 바람직하게 상향 재순환시키는 것을 용이하게 하도록 구비된다.기체 수용 배플(123)은 상부 배플(121)의 상부인 반응기(101)의 상층부에 위치한다. 유체가 반응기(101)의 액체와 상부 챔버(112)의 액체 사이를 연통하도록 유지하면서, 상기 기체 수용 배플(123)은 반응하지 않은 기체가 상기 상부 챔버(112)에서 액체 수위(113) 및 오버헤드 기체상으로 흐르는 바람직하지 않은 흐름을 최소화시킨다.
도 4의 구체예에 있어서, 배압 조절 수단이 구비되어 상부 챔버(112)에서 기체상(126)에서의 압력에 따라 입력 시그날(125)을 수용하여 출력 시그날(127)을 응축기(130)(이에 냉각수가 라인(131)을 통해 부가되고, 이로부터 냉각수가 라인(132)을 통해 배출된다)를 포함하는 기체 방출 라인(129)에 있는 흐름 조절 수단(128)에 전송된다. 또한, 질소 또는 기타 불활성 기체 퍼어지 라인(133)이 사용되어 퍼어지 기체를 상부 챔버(112)의 기체상(126)에 도입시킨다. 산소 분석기(134)가 상기 기체상(126)에서의 산소 농도에 따라 입력 시그날을 수용하여 정상 퍼어지 흐름 조절 수단(137)으로 출력 시그날(136)을 전송하고, 비상 흐름 조절 수단(139)으로 출력 시그날(138)을 전송하도록 적용되어 추가량의 불활성 퍼어지 기체가 필요에 따라 상부 챔버(112)의 상기 기체상(136)으로 흐르게 한다.
옥소산, 즉, 상응하는 알데히드의 산화에 의해 제조된 지방산의 제조에서, 높은 액체 순환 속도 및 이에 따른 보다 높은 열전달 계수는 기체 상승 쉘 및 튜브 버블 칼럼 반응기에 대한 본 발명의 반응장치를 사용하여 달성된다.
산소는 본 발명의 반응장치에서 옥소 알데히드를 상응하는 산으로 산화시키는 데 선택도를 개선시키기 위해 사용된다. 산소를 함유하는 경우, 산화 반응기내산소 함유 기체 기포에서의 산소의 부분압은 공기중에서 본래 제한된 산소의 부분압보다 현저하게 크다. 결과적으로, 질량 이동에 대한 구동력은 더 커지며, 산소를 함유하는 경우, 부산물을 생성시키는 산소 결핍 상태의 가능성이 더 적어진다.
본 발명의 반응기는 양호하게 혼합된 교반 탱크 반응장치이며, 따라서 산소 기포가 액체 전체에 균일하게 분포된다. 따라서, 상기 반응기의 경우, 불량한 기체-액체 접촉으로 인한 산소 결핍 영역이 사라진다. 또한, 상기 반응기는 기체 기포의 농도가 5% 이하이어야 하는 요건에 적용받지 않는다. 따라서, 희석제로서 작용하는 액체의 증기압에 따라 기체 기포내의 평균 산소 농도는 공기를 포함하는 종래의 반응기에서 보다 훨씬 높다. 매우 낮은 액체 증기압을 갖는 장치에서, 평균 산소 농도는 95% 이상에 접근할 수 있다. 이는 종래의 공기 기재 교반 탱크 반응기에서 평균 5% 산소 농도 및 버블 칼럼 반응기에서 평균 13%와 비교하여 유리하다.
전반적으로 높은 질량 이동율은 액체상내의 반응에 적합한 산소의 양을 증가시키는 산소 질량 이동을 개선시키고, 이에 따라 산소 결핍 상태와 관련된 선택도 손실을 감소시킨다. 전반적으로 높은 질량 이동율은 또한 종래의 공기 기재 반응장치보다 낮은 온도 및 압력에서 작동할 수 있게 한다. 특히, 낮은 온도에서 작동하는 것은 부산물의 형성을 감소시키고, 선택도를 증가시킨다.
본 발명의 바람직한 실행은 도 4에 도시된 바와 같이 중앙에 드라프트 튜브를 갖는 쉘 및 튜브 열교환기를 사용하는 것이다. 상기 장치에서 열부하는 식 1에 나타난 바와 같이 반응열, 바람직한 용적 반응 속도 및 반응기 용적으로부터 결정된다. 반응 속도를 설정하는 것은 일반적으로 반응 온도 및 압력까지 설정하게 한다. 열부하시, 반응 온도 및 압력은 공지이며, 표준 방법을 사용하여 전체적인 열전달 계수 U, 필요한 열전달 면적 A, 온도차 ΔT를 결정한다. 이 방법은 하기에 기술된다.
반응기 용적이 결정되면, 혼합용 임펠러/펌프는 적합한 반응물 혼합에 필요한 전력 도입 기준 및 액체 및 기체 순환에 대한 흐름 기준을 기준으로 하여 선택된다. 이러한 기준은 혼합 및 열교환 장치를 일반적으로 설계하는 기술자에게는 널리 공지되어 있다. 기체 액체 혼합 장치에 대해, 요구되는 전력은 일반적으로 약 5HP/1000 갤런의 액체이지만, 이러한 수치는 반응장치에 따라 상당히 다양할 수 있다. 흐름 기준은 두가지이다. 우선, 열교환 튜브를 통해 유속을 최대화시켜 열전달 계수 U를 최대화시키는 것이 바람직하다. 그러나, 튜브를 통한 압력 강하는 속도의 제곱으로 증가한다. 따라서, 주어진 장치에 대한 최적의 속도가 존재한다. 기체 액체 장치에서 중요한 두 번째의 펌핑 기준은 드라프트 튜브내의 액체 속도가 최소 1ft/초 초과, 바람직하게는 2.5ft/초 초과로 유지되어 기체가 드라프트 류브를 통해 하부로 배출되어야 한다는 것이다.
반응기 설계는 요구되는 혼합용 임펠러/펌프 특성을 기준으로 하기 때문에, 임펠러의 크기 및 속도는 요구되는 혼합 전력 및 반응기 용적을 기준으로 하여 선택된다. 이는 헤드 커브에 대한 흐름을 포함하는 임펠러에 대한 펌핑 특성을 정한다. 열교환 영역 A는 얻어진 U를 사용하여 식 2로부터 계산된다. A 및 유량이 계산되면, 장치의 형태가 용이하게 결정될 수 있다.
설계의 목적은 A/V의 비를 최대화시키므로써, 반응기 생산성을 최대화시키는 용적 열교환 용량을 최대화시킨다. 따라서, 작은 직경의 열교환 튜브가 바람직하다. 그러나, 튜브의 크기가 감소됨에 따라 튜브내의 압력 강하가 증가한다. 따라서, 각각의 설계의 경우에 대해 적합한 것이 존재하게 된다. 계산된 유량을 사용하여 열교환기 튜브의 직경, 튜브 개수 및 튜브 길이를 다양하게 하여 요구되는 A 및 압력 강하에 대해 허용될 수 있는 값을 얻는다. 일반적으로 1" 또는 3/4" 직경의 열교환 튜브가 적합하다.
튜브 직경, 길이 및 유량이 설정되면, U 및 ΔT에 대한 세부적인 계산을 완료시킬 수 있다. 혼합용 임펠러의 크기 및 속도는 계산된 U가 식 1을 만족시킬 만큼 충분히 크지 않는 경우, 증가되어야 할 것이다. 대안으로, 열교환 지역 A를 증가시킬 수 있다. 열전달에 대해 당업자들은 열전달 요건을 만족시키는 설계 요인을 조정하는 방법을 인지하고 있을 것이다. 최종 설계에서 열교환기 및 혼합 전력 기준 모두가 만족되어야 됨을 유의해야 한다.
임펠러 크기가 결정되면, 튜브의 직경, 길이 및 개수가 정해지고, 반응기 형태중 나머지 부분이 완성될 수 있다. 드라프트 튜브 직경은 혼합용 임펠러의 직경에 의해 정해진다. 열교환기 튜브가 드라프트 튜브 둘레에 표준 삼각 피치로 배열된다. 삼각 피치는 사각 피치 또는 방사상 배치중 어느 하나 보다 높은 A/V를 제공하기 때문에 바람직하다. 튜브가 배열되면, 반응기 용기의 전체 직경이 정해진다.
상부 헤드의 형태는 사용되는 반응기의 구성에 따라 좌우된다. 액체 반응기구성 및 기체가 기체 공간으로부터 하부로 배출되는 기체 액체 반응에 대한 구성(AGR 구성으로 공지됨)에서, 강제되는 주요 설계는 열교환기 튜브의 상부를 교차하는 흐름 형태가 튜브내에 균일한 흐름 분포를 제공하도록 대칭인 것을 보장하는 것이다. 이는 플레어드(flared) 원뿔형 드라프트 튜브 유입부와 접속된 원뿔형 외부 쉘을 이용하므로써 달성된다. 이러한 대칭성 원뿔형 배열은 유량 배출 튜브가 서서히 균일하게 가속화하여 임펠러 흡입부가 모든 튜브로부터 등속도로 배출되도록 보장한다.
반응 기체가 액체 표면 아래에서 주입되어 반응기를 일단 통과하고, 반응하지 않은 기체가 폐기체로서 배출되는 경우, 폐기체는 드라프트 튜브 흡입 흐름내에서 동반되지 않아야 한다. 이 때, 또한 상기 기술된 대칭성 원뿔형 배열이 요구된다. 이러한 경우, 대칭적인 원뿔 배열의 출구는 원뿔의 상부에서 드라프트 튜브 흡입부로의 유로가 충분히 길어서 액체가 드라프트 튜브에 유입되기 전에 기포가 액체로부터 배출되도록 위치해야 한다.
기체 수용 배플이 상부 헤드에 사용되는 경우, 또한 대칭적인 원뿔형 배열이 요구된다. 기체 수용 배플과 관련된 기타 설계 제한 요인은 킹슬리(Kingsley)의 미국 특허 제 5,451,349 호에 기술되어 있다.
저부 혼합 챔버는 열교환기 튜브 시트와 동일한 직경의 원뿔형 또는 접시형 헤드로 이루어진다. 원뿔형 헤드가 도면에 도시되어 있다. 이러한 헤드의 용적은 전체 반응기 용적이 바람직한 반응기 용적에 부합하도록 조절될 수 있다.
십자형 배플은 저부 헤드에 사용되어 열교환기 튜브를 교차하는 흐름 분포를균일하게 보장하게 한다. 십자형 배플은 드라프트 튜브의 저부로부터의 방출 흐름을 방사상 방향으로 이동하는 4개의 동등부로 분할시키는 역할을 한다.
생성물이 지속적으로 배출되는 기체 액체 반응장치에서는, 추가의 배플이 사용되어 액체 생성물로부터 기체 기포를 분리시킨다. 이를 수행시키는 방법은 다수 존재하므로, 이는 본 발명에서 중요한 부분이 아니다.
비반응 기체가 도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 액체 상부의 기체 공간으로 이동하는 기체 액체 반응에 상기 반응장치가 사용되는 경우, 혼합용 임펠러는 드라프트 튜브 상부에 위치하여 (1) 와류 작용을 유발시켜 기체를 하향으로 액체상에 배출시키거나, (2) 반응 기체가 액체와 가연성 증기 혼합물을 생성시키는 경우, 액체 표면 하부에 공급되는 기체를 분산시킨다. 상기 두가지 경우에서, 드라프트 튜브의 상부 근처에 펌프를 배치시키고, 드라프트 상부 근처에 기체를 도입시키는 것은 반응 기체가 반응 용적 전체를 순환시키도록 보장한다. 기체는 상기 경우에서, 반응기의 저부에 도입될 수 있지만 열교환기 튜브를 통해 업플로우를 따라 기체 공간 상부로 배출될 것이다. 드라프트 튜브는 상기 장치의 유리한 점중 하나, 즉, 반응 용적 전체에 대한 균일한 기체 분포를 달성시킬 수 없게 하는 기체화되지 않은 상태로 존재할 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이 액체 반응의 경우 및 도 4에 도시된 바와 같이 기체 수용 배플이 사용되는 경우에, 혼합용 임펠러/펌프는 드라프트 튜브의 상부 또는 저부중 어느 하나에 배치될 수 있다. 기체 수용 배플을 구비한 기체 액체 반응장치의 경우, 기체 수용 배플은 기체가 액체 흐름에 의해 하향으로 배출되는 드라프트 튜브에 반응하지 않은 기체를 이동시키는 역할을 한다. 따라서, 이 경우에 반응기 저부로의 임펠러/펌프의 배치는 기체가 반응기 전체에 균일하게 분포되는 것을 방해하지 않는다.
혼합용 임펠러/펌프는 선박용 프로펠러와 같은 축류 장치 또는 라이트닌(Lightnin) A-315와 같은 유체 호일 임펠러일 수 있다. 기체-액체 반응장치에 대한 바람직한 구체예로는 리츠(Litz)등의 미국 특허 제 4,900,480호에서 기술된 이중 나선형 임펠러가 있다.
도 4에 도시된 장치의 이점은 2-에틸헥살데하이드를 2-에틸헥사노산으로 산화시키는데 사용되는 280 갤론의 열교환 반응장치에서 증명되었다. 나선형 혼합용 임펠러에 의해 분산되고, 드라프트 튜브를 통해 하향으로 반응기 저부로 펌핑되는 산소를 드라프트 튜브의 상부에 살포시킨다. 이후, 기체-액체 혼합물은 상향으로 열교환기 튜브를 통해 상부 헤드에 전달된다. 원뿔형 상부 헤드 및 기체 수용 배플은 혼합용 임펠러에 의해 재분산되고, 재순환되는 드라프트 튜브로 반응되지 않은 산소 기체를 반송시키는 역할을 한다. 알데히드는 반응기 상부 헤드에 지속적으로 공급된다. 생성 산은 저부 헤드로부터 지속적으로 배출된다.
반응기를 상기 리츠 등의 미국 특허 제 4,900,480호와 같이 LOR(Liquid Organic Reactor)의 공정으로 작동시킨다. 기체 수용 배플 상부의 반응기의 기체 공간은 질소에 의해 지속적으로 불활성화되어 안전한 범위로 기체 공간에 산소 농도를 유지시킨다.
상기 시험에서, 280 갤론의 시험 반응기는 일련으로 작동되는 공기 살포된기체 상승 쉘 및 튜브 버블 칼럼 반응기의 트레인과 병행하여 수행된다. 현재 기술에 비해 상기 신규한 반응장치의 이점이 하기 표 1에 기재된다. 시험 반응기는 일반적인 공기 기재 반응기와 동일한 용적 반응 속도로 작동되었다. 반응 효율은 알데히드의 부분 전환 생성물과 산으로 전환된 알데히드의 선택도로서 나타난다. 온도 및 압력의 변화는 종래의 반응기가 상이한 온도 및 압력에서 작동하기 때문에 범위로서 주어진다. 최고 온도는 최고 반응 속도를 갖는 반응기에서 유지되어 반응 속도를 유지시키고, 열전달에 대한 높은 ΔT 구동력을 유지시킨다.
반응 속도 등가물
반응 효율 공기 반응기보다 2.5% 높음
온도 공기 반응기보다 8 ℃ 내지 43℃ 낮음
압력 공기 반응기보다 30psig 내지 50 psig 낮음
용적 조절된 폐기체 유량 공기 반응기 전체의 36%
동등한 반응 속도에서, 본 발명의 반응장치는 연속적으로 작동되는 세 개의 종래의 반응기 트레인에서 달성되는 것보다 단일 반응기에서 전체적으로 2.5% 높은 반응 효율을 갖는다. 또한, 작동 조건이 훨씬 덜 엄격하다. 본 반응기는 종래의 반응기보다 8℃ 내지 43℃ 정도 낮은 온도 및 30 psig 내지 50 psig 낮은 압력에서 작동한다. 보다 낮은 온도에서의 작동은 장치의 개선된 열전달 수행력으로 달성된다. 온도 구동력 ΔT은 강제 순환에 의한 높은 튜브 측류 속도에 의해 U가 증가됨에 따라 감소될 수 있다. 또한, 반응기는 산소 기재 LOR로 구성되기 때문에 폐기체의 유량이 감소되어 동등한 용적을 기준으로 하여 공기 기재 반응기의 36%로 감소하였다.
상기로부터 본 발명의 반응장치는 당업에서 매우 바람직하게 개선된 것이며, 발열 반응장치에서 이루어지는 열 및 질량 이동을 개선시킨다. 따라서, 용적 반응 생산성이 최대화될 수 있다. 또한, 산소 결핍 상태와 관련된 선택도 손실이 바람직하게 감소된다. 낮은 온도 및 압력에서 작동하게 하는 전반적으로 높은 질량 이동율은 부산물의 생성을 감소시키고, 따라서 선택도를 증가시키므로써 유리하다. 본 발명의 반응장치는 열 및 질량 이동이 제한된 액체-액체, 기체-액체 및 기체-액체-고체 반응장치에 당해 바람직한 개선점을 제공하므로써 수행되는 작업의 생산성 및 선택도 수행능을 증대시킨다.

Claims (16)

  1. 제 1 액체 반응물 및 제 2 기체 또는 액체 반응물의 발열반응을 수행시키기 위한 반응장치로서,
    (a) 중앙에 중공 드라프트 튜브, 및 중공 드라프트 튜브와 반응 용기의 외벽 사이의 환상 공간에 열교환 튜브를 구비하고, 중공 드라프트 튜브 및 열교환 튜브의 상부에 상부 공간을 구비하고, 하부에 중공 혼합 챔버를 구비한 수직으로 위치한 튜브 및 쉘 반응 용기;
    (b) 중공 드라프트 튜브내에 위치하며, 제 1 액체 반응물이 중공 드라프트 튜브를 통해 저부 혼합 챔버로 하향 이동되게 하고, 균일한 반응물 분산액으로서 열 교환 튜브를 통해 반응기 용기의 상부 공간내로 상향 이동되게 하는 임펠러 수단;
    (c) 반응 용기의 상부에 위치하고, 반응 용기와 유체 연통하는 상부 챔버;
    (d) 제 1 액체 반응물을 반응 용기에 도입하고, 제 2 기체 또는 액체 반응물을 반응 용기 또는 상부 챔버에 도입하여 제 1 액체 반응물을 중공 드라프트 튜브를 통해 저부 혼합 챔버로 하향 재순환시키고, 열교환 튜브를 통해 상부 공간으로 상향 재순환시키기 위한 도관 수단;
    (e) 반응 용기로부터 생성된 액체를 배출시키기 위한 도관 수단;
    (f) 반응 용기에서 발생된 발열 반응의 열을 제거하기 위해 반응 용기에 냉각 유체를 흐르게 하기 위한 도관 수단;
    (g) 반응 용기 또는 상부 챔버내에 바람직한 액체 수위를 유지시키는 조절 수단; 및
    (h) 중공 드라프트 튜브의 하단부에 위치하며, 반응물을 열교환 튜브를 가로질러 재순환시키는 흐름이 균일하게 분포되게 하는 디자인을 갖는 십자형 배플 수단(cross baffle means)을 포함하는 반응장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 중공 드라프트 튜브의 상단부에 배플 수단을 포함함을 특징으로 하는 반응장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 조절 수단이 상부 챔버의 목적하는 액체 수위를 유지시키기 위해 사용되고, 제 2 기체 또는 액체 반응물을 도입시키기 위한 도관 수단이 제 2 액체 반응물을 반응 용기에 도입시키기 위해 사용됨을 특징으로 하는 반응장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 중공 드라프트 튜브의 상단부에 배플 수단을 포함함을 특징으로 하는 반응장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 2 기체 또는 제 2 액체 반응물을 도입시키기 위한 도관 수단이 제 2 기체 반응물을 상부 챔버 또는 반응 용기의 상부 공간내 액체 수위 상부의 상부 챔버에 도입시키기 위한 도관 수단임을 특징으로 하는 반응장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 중공 드라프트 튜브의 상단부에 배플 수단을 포함함을 특징으로 하는 반응장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 제 2 기체 또는 제 2 액체 반응물을 도입시키기 위한 도관 수단이 공기, 산소 함유 공급 기체 또는 수소를 상부 챔버 또는 반응 용기내 상부 공간중의 액체 수위 아래로 반응 용기에 도입시키는데 사용됨을 특징으로 하는 반응장치.
  8. 제 7 항에 있어서, 액체 수위 상부의 반응 용기내 상부 공간 또는 상부 챔버를 통해 불활성 퍼어지 기체를 통과시키기 위한 도관 수단을 포함함을 특징으로 하는 반응장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 중공 드라프트 튜브의 상단부에 배플 수단을 포함함을 특징으로 하는 반응장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 비상용으로 상부 챔버 또는 반응 용기의 상부 공간내 액체 수위 상부의 상부 챔버에 추가량의 불활성 퍼지 기체를 통과시키기 위한 조절 수단을 포함함을 특징으로 하는 반응장치.
  11. 제 1 항에 있어서, 조절 수단이 상부 챔버내에서 액체 수위를 유지시키기 위해 사용되고, 제 2 기체 또는 액체 반응물을 도입시키기 위한 도관 수단이 제 2 산소 함유 기체 반응물을 액체 수위 아래의 반응 용기의 상부 공간 또는 상부 챔버로 도입시키기 위해 사용되고, 반응 용기에 제 1 액체 반응물을 도입시키기 위한 도관 수단이 제 1 액체 반응물로서 유기 액체를 도입시키는데 사용됨을 특징으로 하는 반응장치.
  12. 제 11 항에 있어서, 임펠러 수단의 위에 있는 반응 용기의 상부 챔버 또는 상부 공간에 위치한 기체 수용 배플을 포함하며, 기체 수용 배플이 비분해된 기포를 상부 챔버의 액체 수위로, 및 액체 수위 위의 상부 챔버의 천정 기체로 최소로 통과시키는 것을 특징으로 하는 반응장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 중공 드라프트 튜브의 상단부에 배플 수단을 포함함을 특징으로 하는 반응장치.
  14. 제 11 항에 있어서, 액체 수위 상부의 반응 용기내 상부 공간 또는 상부 챔버를 통해 불활성 퍼어지 기체를 통과시키기 위한 도관 수단을 포함함을 특징으로 하는 반응장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 비상용으로 상부 챔버 또는 반응 용기의 상부 공간내 액체 수위 상부의 상부 챔버에 추가량의 불활성 퍼지 기체를 통과시키기 위한 조절수단을 포함함을 특징으로 하는 반응장치.
  16. 제 1항에 있어서, 중공 드라프트 튜브가 상단부에 원뿔형 플레어드 부분을 지님을 특징으로 하는 반응장치.
KR1019970005924A 1996-02-27 1997-02-26 반응장치 KR100327717B1 (ko)

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US08/607,729 1996-02-27
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