KR100437559B1 - 고온 가스 반응기 및 이를 이용한 화학적 기체 반응 방법 - Google Patents

고온 가스 반응기 및 이를 이용한 화학적 기체 반응 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 제 1 고온 반응물 가스 공급원; 제 1 고온 반응물 가스와 제 2 반응물이 혼합되어, 반응물 가스의 혼합물을 형성하나 어떠한 반응도 일어나지 않는 혼합 챔버; 및 이러한 혼합물이 기상 반응을 하게 되는 반응 영역을 구비한 반응기를 포함한다. 또한, 본 발명은 이러한 반응기를 사용하는 방법에 관한 것이다.

Description

고온 가스 반응기 및 이를 이용한 화학적 기체 반응 방법 {HOT GAS REACTOR AND A CHEMICAL VAPOR REACTION PROCESS USING SAME}
본 발명은 기상 화학 반응 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특별한 반응기 구성과 화학 반응을 수행하기 위한 방법에 관한 것이다.
산화에틸렌, 아크릴로니트릴, 시안화수소 및 이산화티탄과 같은 다수의 통용 화학물은 기상 반응을 통해 제조된다. 이러한 공정의 경제성은, 반응물 선택도(반응하는 반응물의 몰로 나눈 생성물의 몰), 반응물 전환율(반응기로 유입되는 반응물의 몰로 나눈 반응된 반응물의 몰) 및 반응기의 설비 비용에 의해 주로 결정된다.
통상적인 기상 반응기는 좁은 범위의 작동 인자내에서 선택도와 전환율을 최대화하는 방식으로 설계되고 작동된다. 이들 작동 인자 중 가장 중요한 것은 반응물 농도, 압력, 온도 및 속도이며, 이들 인자들은 반응물 또는 생성물의 가연성 및 설비 비용에 의해 주로 제한된다. 특히, 반응 공급물의 농도는 종종 가연성 제한치보다 낮게 유지되어야 하며, 생성되는 산소 대 탄화수소의 비에 의해 산화 선택도 및 전환율이 조절된다.
최적의 산소 대 탄화수소의 비에서 순수한 산소만이 사용되는 경우에, 산소-공급 혼합물은 화학양론치에 가까워서 매우 가연성이 된다. 메탄, 이산화탄소, 또는 스팀과 같은 밸라스트 가스가 희석제로서 필수적으로 추가된다. 별도의 희석제 가스의 추가는 공기 기재의 공정에서는 꼭 필요하지 않는데, 이는 공기 내의 질소가 희석제로서 작용하기 때문이다. 그렇지만 불행하게도, 공기 또는 희석된 산소의 사용은 반응의 효율을 저하시키며 반응기의 크기를 증가시킨다.
현재는 반응물의 접촉 형태에 기초로 한 3가지의 넓은 카테고리의 반응기 구조가 상용화되어 있다. 이들 3가지 카테고리는 선혼합 방식(pre-mixed), 원위치 혼합 방식(in-situ mixed), 및 간접 접촉 방식(indirectly contacted)이다.
선혼합 방식 반응기는 고정형 촉매층, 촉매 거즈층, 및 촉매 모놀리스를 포함하고 있다. 선혼합 방식 반응기에서, 반응물은 두 개의 스트림이 혼합되는 장치로 독립적으로 이송된다. 이러한 혼합 영역내에서의 체류 시간은 일반적으로 몇 초 정도이다. 반응 혼합물은 혼합물, 또는 두 반응물 중 어느 하나에 또는 모두에 이들이 서로 반응하기 전에 열에너지를 가함으로써 예열될 수 있다. 균일한 혼합물이 반응이 개시되는 반응 영역으로 흐른다. 대부분의 경우에, 반응 영역은 불균일 촉매제를 포함한다. 반응 영역내에서의 체류 시간은 고정층 반응기에서 1초이며, 거즈층 및 모놀리스 반응기에서는 0.01초이다. 몇몇 경우에, 반응은 촉매제의 도움없이 균일하게 수행된다. 이러한 경우에서, 반응 영역은 점화 공급원 또는 약간의 화염 안정 메카니즘을 포함할 수도 있으며, 반응 영역내에서의 체류 시간은 0.1초이다.
가장 통상적인 선혼합 방식의 촉매 반응기는 고정층 반응기이다. 이러한 형태의 반응기에서, 고체 촉매제가 반응열을 제거하기 위해 사용되는 순환 열전달 유체내에 위치된 신장형 관내에 채워진다. 프탈산 무수물, 말레산 무수물, 아크릴산, 산화에틸렌, 및 비닐 아세테이트와 같은 생성물이 이들 반응기를 사용하여 제조된다.
다른 상용화된 선혼합 방식의 촉매 반응기는 거즈 반응기이다. 이러한 반응기에서, 촉매는 반응 혼합물이 흐르는 한다발의 매우 얇은 와이어 메쉬(wire mesh)이다. 이러한 반응기에서는 촉매층으로부터 반응열을 제거하기 위한 작업을 행할 필요가 없다. 이러한 형태의 반응기에 의해 시안화수소 및 산화질소가 제조된다.
촉매 모놀리스 반응기는 가스가 흐를 수 있는 다공성 고체 구조물이다. 촉매 모놀리스 반응기는 촉매 연소시에 그리고 자동차 촉매 변환기에서 전체 산화 반응을 수행하도록 상업적으로 사용되고 있다. 일반적으로, 이러한 반응기에서는 반응기 자체내의 반응열을 제거하기 위한 작업을 행할 필요가 없다. 추가로, 이러한 형태의 반응기는 부분 산화 반응을 수행하기 위해 벤치 스케일(bench scale)로 적용되어 왔다.
원위치 혼합 방식 반응기는 촉매 유동층 및 균일한 버너 반응기를 포함하고 있다. 이러한 원위치 혼합 방식의 반응기에서, 반응물은 반응기내에서 처음으로 서로 혼합된다. 주로 상용되는 원위치 혼합 방식 반응기는 유동층 반응기이다. 유동층 반응기에서, 반응물은 순환하는 다량의 고체 입자를 수용하는 용기내로 개별적으로 주입된다. 반응물 가스는 고체 입자를 운동시킨다. 일반적으로, 이들 입자들은 촉매제로서 작용한다. 이들 반응기에는 일반적으로 반응기내의 반응열을 제거하기 위해 내부 스팀 코일이 구비되어 있다. 이러한 반응기내에서의 체류 시간은 일반적으로 10초 정도이다. 유동층에서 생성된 생성물의 예로는, 아크릴로니트릴 및 말레산 무수물이 있다.
종종, 비촉매식 균일 반응이 또한 원위치 혼합 방식의 시스템내에서 수행되는데, 이는 미국 특허 제 2,559,638호, 제 2,934,410호, 제 3,172,729호, 및 제 3,403,001호에 개시되어 있다. 이들 반응기에서, 반응물들은, 혼합 및 반응이 동시에 이루어지는 단일 영역으로 개별적으로 이송된다.
세번째 종류의 반응기는 촉매식 이동층 반응기와 같은 반응기에 간접적으로 접촉된다. 간접 접촉식 반응기에서, 반응물은 결코 서로 혼합되지 않는다. 대신에, 산소 공급원과 반응물이 반응기내에서 공간적으로 또는 일시적으로 서로로부터 분리되어 있다. 이러한 형태의 상용되는 반응기로는 단지 이동층만이 알려져 있다. 이러한 형태의 반응기에서, 고체 촉매는 반응기의 두 상이한 분리 섹션 사이로 이송된다. 제 1 반응물이 제 1 섹션으로 주입되는 동안, 제 2 반응물이 제 2 섹션으로 주입된다. 이러한 버전의 반응기는 최근에 말레산 무수물의 제조에 상용화되었다.
다른 기상 반응기 구성이 제안되어 왔지만, 당업계에는, 기상 반응에 대해 현저히 높은 전환율과 선택도를 달성하면서 안전하고 설비 비용이 적은 반응기를 개발시켜야 할 필요성이 계속적으로 남아있다.
본 발명의 목적은 높은 선택도 및 전환율을 갖는 반응을 보장하는 기상 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 안전하며, 설비비와 작동비가 저렴한 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 이러한 반응기의 사용 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 반응기의 개략적인 다이아그램.
도 2는 본 발명에 따른 반응기의 혼합 챔버 배출구에서 산소, 이산화탄소, 물 및 프로판에 대한 농도를 실험적으로 측정한 농도 프로파일의 그래프.
도 3은 여러 상이한 반응물 가스 혼합물에 있어서 균일한 기상 반응(gas phase reaction)을 개시하기 위한 시간의 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 고온 가스 반응물의 공급원 2 : 혼합 챔버
3 : 팽창 제트 4 : 수축부
6 : 반응 영역
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 구체예는, 500℃ 초과 온도의 제 1 반응물 가스 공급원; 제 1 반응물 가스가 제 2 반응물과 혼합되어, 실질적으로 균일한 반응물 가스 혼합물을 형성하나 실질적으로 어떠한 반응도 일어나지 않는 혼합 챔버 또는 영역; 및 혼합물이 기상 반응을 하게 되는 반응 챔버 또는 영역을 포함하는 반응기를 포함한다.
또한, 본 발명은 화학적 기상 반응을 수행하는 방법을 포함한다. 바람직한 이러한 방법의 단계는,
a) 제 1 압력하에서 반응물 가스 또는 불활성 가스를 제 1 챔버로 공급하는 단계;
b) 반응물 가스 또는 불활성 가스를 가열시키는 단계;
c) 가열된 가스를 하나 이상의 노즐을 통해 제 1 챔버보다 낮은 압력에 있는 제 2 챔버로 이송시키는 단계;
d) 기체 상태 또는 초임계 상태의 제 2 반응물을 제 2 챔버내로 주입시키는 단계;
e) 제 1 반응물 가스 및 제 2 반응물을, 제 1 반응물 가스와 제 2 반응물의 실질적으로 균일한 혼합물을 형성하기에 충분한 시간 동안 혼합 챔버내에 유지시키나, 상기 제 1 반응물 가스와 제 2 반응물 사이에는 실질적으로 어떠한 반응도 일어나지 않는 단계; 및
f) 상기 실질적으로 균일한 혼합물을, 이러한 혼합물이 반응하는 제 3 챔버내로 주입시키는 단계를 포함한다.
이하에, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 도 1에 도시된 일반적인 구조를 갖는 고온 가스 반응기(hot gas reactor,"HGR")에 의해 수행될 수도 있다. 여기서 "고온"이라는 용어는 약 500℃ 초과의 온도, 바람직하게는 약 530℃ 초과 온도의 가스를 의미한다는 것에 주목해야 한다. 바람직한 온도 범위는 약 500℃ 내지 약 2800℃이며, 보다 바람직하게는 약 500℃ 내지 약 1700℃이다.
반응기의 제 1 성분은 고온 반응물 가스(이하, 이것을 반응물 A라고 함) 공급원(1)이다. 반응물 A는 바람직하게는 산소이지만, 산소에 제한되지 않는다. 바람직한 공급원(1)은 앤더슨에게 허여된 미국 특허 제 5,266,024호에 개시된 열노즐 연소 방법에 사용된 것이 있다.
반응기는, 반응물 A 및 다른 반응물 가스(이하, 이것을 반응물 B라고 함)가 매우 급속하게 혼합되나 실질적으로는 반응이 일어나지 않는 혼합 챔버(2)를 추가로 포함하고 있다.
반응물 A는 팽창 제트(3)로서 혼합 챔버(2)내로 주입된다. 팽창 제트(3)는, 고온 가스 공급원(1)과 혼합 챔버(2) 사이에 (유동 노즐과 같은) 수축부(4)를 설치함으로써 형성될 수도 있다.
혼합 챔버내로 주입되기 전에 고온 가스의 절대 압력은 혼합 챔버내의 절대 압력에 대해 바람직하게는 1.2배 이상이며, 보다 바람직하게는 1.5배 이상이며, 가장 바람직하게는 2배 이상이다. 혼합 챔버내의 압력은 바람직하게는 200 내지 0.01기압(atm)이어야 하며, 보다 바람직하게는 100 내지 0.01atm, 가장 바람직하게는 10 내지 1atm이어야 한다. 본 명세서에 언급된 모든 압력은 절대 압력이다.
상기 압력하에서의 고온 가스 반응기의 작동은 다음과 같은 적어도 3가지의 장점을 제공한다. 첫째, 선택도, 전환율, 생산성, 및 감소된 부산물의 형성 중 하나 이상을 개선시킬 것이다. 둘째, 상기 반응기는 동일한 질량 유량에 대해 보다 소형으로 제조될 수 있는데, 이는 매우 큰 유량에서 혼합 시간을 작게 유지하고, 반응기의 설비 비용을 감소시킬 것이다. 셋째, 고온 가스 반응기의 고압 작동 및 계속적인 고압하에서의 반응 생성물의 배출에 의해 고온 가스 반응기의 하류에서의 유닛 작동이 유리해질 수 있다. 이들 유닛의 작동은 추가 반응, 생성물 분리, 및 생성물 회수를 포함하나, 여기에 제한되지는 않는다.
반응물 B는, 반응물 A가 바람직하게는 반응물 A의 팽창 제트의 축선에 수직하게 배열된 다중 주입 포트와 같은 일부 적절한 수단에 의해 주입되는 영역에 인접해 있는 혼합 챔버내로 주입된다.
반응물 A의 속도는 바람직하게는 약 60미터/초(m/s)보다 커야 하며, 보다 바람직하게는 약 150m/s보다 커야 하며, 가장 바람직하게는 약 300m/s보다 커야 한다. 본 발명의 중요한 특성은, 고온 반응물 제트를 사용함으로써 반응물들이 매우 급속하게 혼합될 수 있다는 점이다. 혼합 영역에서 반응물의 접촉 시간은 혼합 영역에서 현저한 반응이 일어나지 않도록 충분히 짧아야 한다. 현저한 반응이 일어나기 전에 요구되는 시간은 구체적인 반응물 및 반응 조건에 따라 좌우된다. 혼합 챔버에서 반응물 A와 반응물 B의 접촉 시간은 바람직하게는 약 10밀리초(millisecond) 미만이며, 보다 바람직하게는 약 1밀리초 미만이며, 가장 바람직하게는 약 0.5밀리초 미만이다.
반응물 A와 반응물 B의 혼합물은 반응 영역(6)에서 기상 반응을 거친다. 기상 반응은 촉매식 및/또는 비촉매식일 수도 있다. 촉매식 반응의 경우에, 반응 영역은 모놀리스, 충전층, 또는 거즈팩과 같은 촉매에 의해 혼합 영역과 구분되어 있다. 균일 반응의 경우에, 반응 영역은 급격한 화학적 구배 또는 화염 안정화 장치에 의해 혼합 영역과 구분되어 있다.
혼합 단계에서 고온 가스 스트림의 사용은 본 발명의 중요한 특징이다. 혼합 챔버(2)의 상류에서의 반응물 A의 가열은 두 가지 관점에서 반응물들 사이에서의 혼합을 개선시킨다. 첫째, 혼합 챔버(2)로 유입되는 고온 가스(반응물 A)의 속도는 고온 가스의 온도가 증가함에 따라 증가한다. 예컨대, 반응물 A가 21℃의 온도와 1.8atm의 압력하에서 공급되어 1atm의 압력하에서 배출되는 산소라면, 노즐(4)로부터 가스의 배출 속도는 290m/s일 것이다. 이와 대조적으로, 산소가 1090℃까지 가열된다면, 동일한 공급 압력하에서의 배출 속도는 625m/s일 것이다. 가스 혼합율은 가스 속도의 직함수이기 때문에, 반응물 A를 가열시킴으로써 얻어지는 이점은 상당하다.
둘째, 제트 이론에 따르면, 가스 제트(즉, 반응물 A)와 주위 가스(즉, 반응물 B) 사이의 혼합량은 제트 가스의 밀도가 감소함에 따라 증가된다. 가스 밀도는 절대 온도에 역비례한다. 따라서, 소정의 초기 제트 직경에 있어서, 제트 가스 온도가 21℃에서부터 904℃로 증가됨에 따라, 소정의 제트 길이에 걸친 반응물 B의 제트내로의 동조량(entrainment amount)(이에 의해 혼합됨)은 두배가 될 것이다.
본 발명은 혼합 챔버(2)내에서의 혼합이 반응 조건하에서 일어난다는 점에서, 선혼합 방식의 비촉매 반응기와 같은 종래 기술에 따른 반응기와 다르다. 본 발명은, 실질적인 반응이 일어나기 전에 혼합 챔버(2)내에서 반응물들의 실질적으로 균일한 혼합물이 형성된다는 점에서 원위치 혼합 방식의 비촉매 반응기와 같은 종래 기술에 따른 반응기와 다르다. 급속 혼합에 의해, 실질적으로 균일한 혼합물이 반응 조건하에서 혼합된다 하더라도 이들은 실질적인 반응이 개시되기 전에 혼합 챔버(2)내에서 형성될 수 있다.
개시된 본 발명과 비교하여, 종래의 선혼합 방식 반응기 구성에서는, 반응 섹션의 상류에서의 반응 및 폭발을 방지하기 위해, 반응물의 예열 온도 및/또는 농도를 상대적으로 낮은 수준(즉, 200℃ 이하)으로 감소시켜야 한다. 이에 의해, 생산 수율 및 공정에 대한 선택도가 감소된다.
고온 가스 반응기에서는 매우 급속한 혼합이 이루어지기 때문에, 종래의 반응기 구성이 가지는 온도, 압력, 및 반응물 농도에 대한 제한이 제거된다. 현저하게 팽창된 작동 조건의 범위가 안전하게 사용될 수 있다. 따라서, 작동 조건은 종래의 반응기와 비교하여 개선된 전환율 및 선택도를 얻도록 설정될 수 있다. 고온 가스 반응기는 희석제(예를 들어, 밸라스트 가스)를 사용할 필요없이 반응물을 혼합시킬 수 있다.
본 발명은 소형 고온 가스 반응기에서 고온 산소 스트림과 탄화수소를 반응시킴으로써 실시를 감소시켰다. 고온 산소 스트림은 미국 특허 제 5,266,024호에 개시된 바와 같이 열노즐을 사용하여 소량의 연료를 연속적으로 연소시킴으로써 수득되었다.
실험실용 혼합 챔버 구성은 고온 산소 유입 노즐 부근에 위치된 4개의 동일하게 이격된 공급 가스 유입구를 갖추고 있다. 혼합 챔버는 대략 9cm의 길이와 1.9cm의 직경을 갖는 관이며, 내부 배플을 갖추고 있지 않다. 혼합 영역의 직경이 반응 영역의 직경과 동일하기 때문에, 매우 단순한 구성으로 제조될 수 있다. 이는 또한 반응 혼합물 스트림이 거의 일정한 속도 프로파일로서 반응 영역으로 이송될 수 있도록 한다. 실험실용 고온 가스 반응기의 반응 영역 내에서는 불균일 촉매제가 적용되었다.
하기 표 1, 및 도 2와 도 3에 나타난 데이터로부터, 소형 고온 가스 반응기에서 반응물의 혼합이 매우 급속하게 이루어지며 어떠한 균일 반응도 일으키지 않으면서 수행됨을 알 수 있다.
표 1은 메탄 대 산소의 비가 10:1이고 0.16cm의 제트 직경에서 고온 산소 제트내로의 메탄 동반에 대한 결과치를 나타내고 있다. 이러한 데이터로부터, 실험실용 고온 가스 반응기로 달성된 예측된 혼합 시간이 0.2밀리초 이하임을 알 수 있다.
온도(℃) 27 1650 1650
속도(m/s) 300 300 760
제트 길이(cm) 3.5 1.4 1.4
혼합 시간(초) 0.4 0.16 0.06
이들 계산값은, 브리티쉬 유틸리제이션 리서치 어소시에이션(British Utilization Research Association)(1767)(46)에 의해 발간된 엠. 에이. 필드 등에 의한 제목 "분쇄된 석탄의 연소(Combustion of Pulverized Coal)"에 개시된 리코우(Ricou) 및 스팔딩(Spalding)에 의해 개발된 동조식(entrainment equation) 속도에 근거한다.
도 2는 실험실용 고온 가스 반응기의 혼합 챔버 단부에서 관찰된 실험용 가스 농도 프로파일이다. 이러한 예에서, 대략 11 표준 리터/분(SLPM)의 천연가스와 대략 137 SLPM의 산소가 열노즐(미국 특허 제 5,266,024호 참조)로 이송되는데, 여기서 모든 천연 가스가 완전히 연소되어, 대략 115 SLPM의 산소, 11 SLPM의 이산화탄소, 및 22 SLPM의 수증기를 포함하는 고온 반응물 산소 스트림을 생성하였다. 이러한 혼합물은 고온 가스 반응기용 고온 반응물 A로서 작용한다. 대략 90 SLPM의 프로판은 혼합 챔버로 이송되어 반응물 B로서 작용한다.
도 2는 혼합 챔버의 직경을 따라 혼합 챔버의 배출구의 5개의 상이한 지점에서 측정된 산소, 이산화탄소, 및 수증기의 농도를 도시하고 있다. 종 균형(species balance)으로부터 얻어진 프로판의 계산된 농도가 도 2에 또한 도시되어 있다. 다른 어떠한 화학종들도 검출되지 않았다.
모든 화학종의 농도는 혼합 영역의 배출구의 직경을 가로질러 일정하였다. 따라서, 도 2에 도시된 결과로부터, 혼합 챔버의 단부까지 두 반응물(열노즐로부터의 고온 산소 가스인 반응물 A와 프로판인 반응물 B)이 양호하게 혼합되었음을 알 수 있다.
추가로, 측정된 산소, 이산화탄소, 및 수증기의 농도는 혼합 영역에서 어떠한 반응도 수반하지 않으면서 고온 산소 가스와 프로판이 완전하게 혼합되었음을 예측할 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 결과는 혼합 챔버내에서 두 반응물(열노즐로부터의 고온 산소 가스인 반응물 A와 프로판인 반응물 B) 사이에 어떠한 감지가능한 반응도 발생하지 않음을 입증한다.
도 3은 여러 조건하에서 고온 가스 반응기의 혼합 챔버내에서 어떠한 감지가능한 균일 반응도 일어나지 않음을 나타내고 있다. 도 3에서, 다양한 여러 산소-프로판 혼합물에 대해 반응한 프로판의 백분율 대 시간을 계산하기 위해, "열화학 계산기"(캘리포니아 기술 연구소로부터 입수가능하며, 공지된 균일 반응 역학을 계산하기 위해 샌디아 리버모어 국립 시험소에 의해 개발된 컴퓨터 프로그램인 "켐킨(CHEMKIN)"에 기초함)가 사용되었다. 코노프(Konnov)에 의해 개발된 반응 메카니즘(인터넷 주소 http://homepages.vub.ac.be/~akonnov/, 1996, 소량의 탄화수소 연소에 대한 상세한 반응 메카니즘)이 계산을 위해 사용되었다.
각각의 상이한 반응 혼합물의 초기 조성은 일산화탄소를 제조하기 위한 화학양론적 비, 예컨대, 프로판 대 산소를 2:3의 비로 설정하였다. 초기 온도는 도 3에 도시된 온도의 산소와 25℃의 프로판이 즉각적으로 그리고 완전히 혼합되는 것을 가정하여 계산하였다. 일반적으로, 혼합 영역내에서의 체류 시간은 0.5 밀리초(msec) 미만일 것이다. 따라서, 도 3에 도시된 데이터는, 여러 온도에서 두 반응물이 완전히 혼합될 수 있고 균일 반응이 개시되기 전에 반응 영역으로 안전하게 이송될 수 있음을 입증하고 있다.
표 2에는 종래의 반응기 구성과 고온 가스 반응기에 있어서 부탄의 말레산 무수물로의 기상 부분 산화(모두 3개의 상업용 촉매식 반응기 형태가 사용되었던 공정)에 대한 작동 한계값이 기재되어 있다. 모놀리스 반응기에서의 부탄 산화에 대한 실험 데이터가 또한 포함된다. 표 2로부터 종래 기술과 비교하여 고온 가스 반응기로 달성가능한 작동 조건이 보다 넓다는 것을 알 수 있다.
종래의 비균일 반응기 구성과 고온 가스 반응기의 비교
반응기 형태 공급물 농도 산화제 온도 압력 가스 속도
고정층 < 2% 공기 400℃ 1.5 atm < 0.1 m/s
유동층 < 4% 공기 400℃ 2.5 atm < 1 m/s
이동층 *1 공기 400℃ 2.5 atm 1.5∼12 m/s
모놀리스 8∼15% 공기 1000℃ 1 atm < 0.5 m/s
고온 산소 0∼75% 산소 1000℃ 1.5∼15 atm > 400 m/s
*1: 탄화수소와 산소가 개별 유입
상기 논의된 바와 같이, 고온 가스 반응기는 인화 위험성 때문에 이전에 수용하지 못했던 농도, 온도, 및 압력하에서 반응물 가스(예를 들어, 산소 및 공급물)를 안전하게 반응시킬 수 있도록 한다. 산화의 경우, 고온 가스 반응기는 희석제 없이 산소를 사용할 수 있도록 하므로, 이에 따라 반응기의 크기를 감소시킬 수 있고, 하류 회수 조작의 효율을 개선시킬 수 있으며, 공정 말미 스트림의 부피를 현저하게 감소시킬 수 있다.
반응물 B가 일반적으로 고온 가스 제트에 수직하게 배향된 가압 제트로서 도입되기 때문에, 고온 가스 반응기내의 실제 혼합 시간은 표 1에 표시된 시간보다 짧은 것으로 예측된다. 따라서, 반응물 B의 운동량은 무시할 수 없으며, 이는 혼합을 촉진시킬 수 있다.
종래의 균일한 선혼합 방식의 반응기 구성에서, 반응물은 비반응성 조건하에서 선혼합된 후, 반응을 개시할 수 있는 조건을 갖춘 반응 영역으로 이송된다. 이러한 형태의 반응기의 혼합 영역내에서 조절할 수 없는 반응이 일어나지 않도록 하기 위해, 매우 복잡한 구성의 혼합 챔버가 적용되어야 하거나, 공급물 농도, 온도, 및 압력이 반응이 일어날 수 없을 정도로 조절되어야 한다. 복잡한 혼합 챔버 구성은 이들의 관련 설비 비용이 많이 소요되므로 바람직하지 못하다. 공급물 조건의 제한은 선택도 및 용량을 낮추기 때문에 바람직하지 못하다. 추가로, 반응 혼합물이 반응 온도로 상승될 때 바람직하지 못한 반응이 일어날 수 있다.
고온 가스 반응기는 이러한 모든 문제점을 방지한다. 혼합 챔버는 매우 단순한 구성을 갖는다. 반응물은 보다 넓은 조건하에서 안전하게 혼합될 수 있으며, 반응물이 충분하게 혼합되고 최적의 반응 조건이 달성될 때까지 반응이 억제된다.
균일한 원위치 혼합 방식 시스템에서, 반응물은 반응 조건하에서 반응 영역에서 직접 혼합된다. 따라서, 반응 및 혼합이 동시에 일어난다. 이는 반응 시간 및 반응물 농도가 위치에 따라 현저하게 달라짐을 의미한다. 이는 생성물 수율, 선택도 및 품질을 현저하게 변화시킨다. 이러한 변화는 매우 바람직하지 못하다.
고온 가스 반응기는 균일한 원위치 혼합 방식 시스템과 관련된 문제점을 제거한다. 반응물이 반응하기 전에 완전히 혼합시킴으로써, 반응 시간 및 반응물 농도는 매우 양호하게 한정된다. 따라서, 반응기는 생성물 수율, 선택도 및 품질을 변화시키지 않으면서 최적의 조건하에서 작동된다. 또한, 반응물이 신속하게 혼합되기 때문에, 인화의 위험이 감소된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고온 가스 반응기의 구성은 매우 단순하다. 이러한 단순한 구성은, 종래 반응기, 즉 균일한 반응기 및 비균일한 반응기와 비교하여 상업용 고온 가스 반응기의 설계, 제조, 및 유지에 소요되는 비용을 현저하게 감소시킬 것이다.
고온 가스 반응기는 현재 실시되고 있는 기상 반응 뿐만 아니라 현재 상용화되지 않는 반응을 포함하는 다양한 화학 반응에 사용될 수 있다. 이 예에는 탈수소반응, 합성가스 생성, 암모시데이션(ammoxidation), 암모니아 산화, 선택적 자유-라디칼 반응, 카본 블랙 형성, 금속산화물 입자 생성, 및 수소 원자의 열분해 반응이 포함되나, 여기에 제한되지 않는다.
본 발명은 산소 및 탄화수소 반응물로 제한되지 않는다. 제 1 고온 가스는 불활성 가스(즉, 아르곤, 헬륨, 질소, 및 이산화탄소), 또는 수소, 일산화탄소, 염소, 및 불소와 같은 그 밖의 가스, 또는 상기 가스들의 혼합물을 포함할 수도 있다. 예컨대 가스가 아르곤인 경우, 고온 아르곤은 제 2 반응물을 신속하게 가열시켜서, 균일하고 희석된 반응물 스트림을 반응 영역에 제공할 수 있다.
제 1 가스를 가열하는 다양한 방법이 사용될 수도 있다. 이러한 방법으로는 연소, 전기 아아크, 및 저항 가열과 같은 간접 가열이 있다.
제 2 반응물은 가스 또는 초임계(supercritical) 유체일 수도 있다. 또한, 이는 성분들 및 가스/초임계 상의 혼합물일 수도 있다. 특정한 반응물에 있어서, 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 및 이소부틸렌과 같은 기체성 탄화수소; 암모니아 또는 사염화티타늄과 같은 기체성 비탄화수소 또는 이들 가스 성분들의 혼합물일 수도 있지만, 여기에 제한되지는 않는다. 초임계 유체는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 및 이소부틸과 같은 순수 탄화수소; 암모니아 또는 사염화티타늄과 같은 순수 비탄화수소; 또는 이들 성분들의 혼합물일 수도 있지만, 여기에 제한되지는 않는다. 당업자들은 상기 논의된 가스에 대한 작동 인자가 또한 초임계 유체에 대해서도 적용될 수 있음을 인지하고 있을 것이며, 또한 당업자들은 특정한 가스 또는 가스 혼합물이 초임계 유체가 되도록 하는데 필요한 조건들을 인지하고 있을 것이다(예를 들어, 부탄은 36atm 초과의 압력 및 153℃ 초과의 온도에서 초임계 유체이다). 또한, 제 2 반응물이 불활성 성분 또는 비반응성 성분을 포함할 수도 있음에 주목해야 한다(즉, 반응물이 50% 질소/50% 탄화수소를 포함할 수도 있다).
예시된 실시예에는 단일 가스 노즐이 도시되어 있지만, 혼합 챔버로 유입되는 고온 가스 제트에 대해 둘 이상의 노즐이 또한 적용될 수도 있다. 추가로, 상이한 구성의 혼합 챔버가 적용될 수도 있다. 예컨대, 팽창 또는 수축되는 절두형 원뿔, 일단부 또는 양단부가 팽창 또는 수축된 실린더, 및 직사각형 덕트가 사용될 수 있다.
본 발명은 특정한 촉매제 또는 배열에 제한되지 않는다. 예컨대, 거즈 또는 충전층과 같은 상이한 촉매가 사용될 수 있다. 반응 영역 또한 마찬가지로 비촉매식일 수 있다.
혼합 영역 및/또는 반응 영역은 물 재킷(water jacket) 또는 물 분무기와 같은 외부 냉각 수단에 의해 냉각될 수 있지만, 여기에 제한되지 않는다. 또한, 반응물 B를 혼합 영역으로 정확하게 도입하기 위한 주입기가 고온 가스 반응기에 부가될 수도 있다.
본 발명의 구체적인 특징은 본 발명에 따른 다른 특징들과 조합될 수도 있기 때문에, 이들은 편리상 하나 이상의 도면에 도시되어 있다. 당업자들은 본 발명의 대안적인 실시예를 이해할 것이며, 본 발명의 범위 내에서 개조 및 변형이 가능함을 이해할 것이다.
상기한 본 발명에 의하면, 기상 반응에 대한 높은 전환율 및 선택도를 달성하면서 반응기의 안정성 및 설비 비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 500℃ 초과 온도의 제 1 반응물 가스 공급원;
    제 1 반응물 가스가 기체 상태 또는 초임계 상태 중 어느 한 상태의 제 2 반응물과 혼합되어, 제 1 반응물 가스 및 제 2 반응물의 균일한 혼합물은 형성되나 어떠한 반응도 일어나지 않는 혼합 챔버; 및
    상기 혼합물이 기상 반응을 하게 되는 반응 영역을 포함하는 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 제 1 반응물 가스가 혼합 챔버내로 주입되는 하나 이상의 오리피스를 추가로 포함함을 특징으로 하는 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서, 혼합 챔버가, 제 2 반응물이 주입되는 하나 이상의 오리피스를 포함함을 특징으로 하는 반응기.
  4. 제 1 항에 있어서, 제 1 반응물 가스가 혼합 챔버내로 주입되는 속도를 증가시키도록, 제 1 반응물 가스가 주입되는 하나 이상의 오리피스에 의해 제 1 반응물 가스가 수축됨을 특징으로 하는 반응기.
  5. 제 1 항에 있어서, 제 1 반응물 가스가 주입되는 하나 이상의 오리피스와 제 2 반응물이 주입되는 하나 이상의 오리피스가 서로 수직임을 특징으로 하는 반응기.
  6. 제 1 항에 있어서, 반응 영역이 촉매를 포함함을 특징으로 하는 반응기.
  7. 제 1 항에 있어서, 반응기의 혼합 챔버가 팽창하는 절두형 원뿔, 수축하는 절두형 원뿔, 하나 이상의 팽창하는 단부를 갖는 실린더, 하나 이상의 수축하는 단부를 갖는 실린더, 및 직사각형 덕트로 이루어진 그룹으로부터 선택되는 구성을 가짐을 특징으로 하는 반응기.
  8. 제 1 항에 있어서, 제 1 반응물 가스의 온도가 530℃를 초과함을 특징으로 하는 반응기.
  9. a) 제 1 압력하에서 반응물 가스 또는 불활성 가스를 제 1 챔버로 공급하는 단계;
    b) 반응물 가스 또는 불활성 가스를 가열시키는 단계;
    c) 가열된 가스를 하나 이상의 노즐을 통해 제 1 챔버보다 낮은 압력에 있는 제 2 챔버로 이송시키는 단계;
    d) 기체 상태 또는 초임계 상태의 제 2 반응물을 제 2 챔버내로 주입시키는 단계;
    e) 제 1 반응물 가스 및 제 2 반응물을, 제 1 반응물 가스와 제 2 반응물의 균일한 혼합물이 형성되기에 충분한 시간 동안 혼합 챔버내에 유지시키나, 상기 제 1 반응물 가스와 제 2 반응물 사이에는 어떠한 반응도 일어나지 않는 단계; 및
    f) 상기 혼합물을, 균일 혼합물의 반응이 일어나는 제 3 챔버내로 주입시키는 단계를 포함하여, 화학적 기체 반응을 수행하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 혼합 챔버의 압력이 200atm 내지 0.01atm임을 특징으로 ㅎ는 방법.
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