KR100570548B1 - 가스상 촉매 반응을 위하여 가스 분사장치를 구비한관형상 반응장치 - Google Patents

Abstract

연속 유동 화학 반응 장치로서 길이, 제1끝단부에서 제1유체 반응물 입구 그리고 제2끝단부에서 생성물 출구를 구비하는 관형상 반응장치, 상기 관형상 반응장치내에 길이방향으로 신장하는 중앙 튜브 내부 도관을 구비하는 상기 관형상 반응 장치, 상기 도관의 길이내에 적어도 하나의 분사장치를 구비하는 상기 도관, 상기 반응장치로 제2유체 반응물의 제어된 양을 투입가능한 상기 분사장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스상 촉매 반응을 위하여 가스 분사장치를 구비한 관형상 반응장치.

연속 유동 화학 반응 장치, 내부도관, 분사장치, 관형상 반응장치

Description

가스상 촉매 반응을 위하여 가스 분사장치를 구비한 관형상 반응장치{TUBULAR REACTOR WITH GAS INJECTOR FOR GAS PHASE CATALYTIC REACTIONS}

본 발명은 폭발 레짐(explosive regimes)를 피하기 위한 조건 그리고/혹은 최적화된 조건아래 반응영역에 반응물을 도입하기 위한 유체 분사 장치가 구비된 개량된 연속 유동 화학 반응 장치에 관한 것이다.

몇가지 간행물이 본 발명에 참고된다. 상기 참고는 본 발명이 속하고 관계되는 선행기술의 형태로 서술된다.

산화 탈수소(oxidative dehydrogenation) 혹은 부분적인 산화 과정은 경량 탄화수소(light hydrocarbon)를 올레핀(olefin)이나 카르복실산(carboxylic acids)으로 변환하는 단계이다. 상기 과정은 잠재적으로 자본 집약적이고 에너지 집약적인 크랙킹(cracking)과 순수 탈수소(pure dehydrogenation)에 대하여 많은 잇점을 제공한다. 포화 탄화수소를 저온촉매에 의해 올레핀과 카르복실산으로 변환하는 것은 1978년 발간된 촉매저널 52권 116-132페이지에서 토르스타인손등(Thorstienson et al)에 의해 개시되었다.

미국 특허 제4,250,346호는 저온 촉매 시스템을 제안하는 것으로 에탄을 산화 탈수소(oxidative dehydrogenation)하여 에틸렌으로 만드는 과정을 개시한다. 유럽특허 제 EP 0 518 548 A2호는 바나듐(vanadium)과 인을 함유한 산화물(phosphorous oxides)(VPO 시스템)을 포함하는 고체 촉매와 상기 반응물이 접촉하는 동안에 적어도 100psig의 압력에서 반응영역에서 분자 산소를 이용한 산화 에탄(oxidizing ethane)으로 구성되는 아세틱산(acetic acid)을 제조하기 위한 공정을 개시하였다.

그러나, 상기 산화 탈수소 반응은 (a)반응의 발열을 제거하고, (b)관련되는 온도의 상승(temperature runaway), (c) 요구되는 생성을 위한 선택성의 제어 및 (d)바람직하지 않은 산화생성물과 카본 산화탄소의 형성을 제한하는 문제점이 야기된다.

산화 탈수소과정 뿐만 아니라 산화 과정과 관련된 다른 문제점은 폭발성 혼합 형성 제한(explosive mixture formation contraint)에 의해 부과되는 탄화수소에 대한 산화제의 공급 비율에 대한 제한이 있다. 자발 점화, 폭연작용(deflagration) 및 폭발을 피하기 위한 필수적인 구성은 반응의 화학량론적(stoichiometric) 그리고 동역학적 요구를 만족시키는 공급 조성(feed composition)의 최적을 달성하는 과정을 포함한다.

상기와 같은 문제는 다수의 특허에 개시되어 있다. 상기 각 특허는 상술한 개량된 반응장치 시스템이나 다른 반응장치배치에 의해 상기와 같은 문제점의 하나 또는 그이상을 극복할려고 하고 있다.

Union Carbide의 미국 특허 제4,899,003호는 에탄과 산소로 구성된 공급 가스가 산화 탈수소 촉매에 의해 변화되어 에틸렌, 아세틱산, 물, 에탄 그리고 산화 탄소를 생산하는 다중-스태이징(multi-staging) 반응장치이다. 각 스테이지(stage)로부터 생성된 생성물은 냉각되고 아세틱산의 일부분이된다. 그리고 물은 분리되고, 산소는 다음 반응 스테이지로의 생성물 가스 스트림(product gas stream)을 통과하기 전에 첨가된다. 상기 반응장치로의 공급 스트림에서 모든 산소 성분은 상기 스테이지에서 모든 입력 가스 스트림에 대하여 6 몰 퍼센트(6 mole percent)이하로 유지된다.

SRI의 미국특허 제5,583,240호는 반응장치에 있어서 반응물의 연속적인 첨가와 국부적 고농도 구배와 열점(hot spot)을 최소화하거나 제거하기 위해 재공되는 삼투성 부재(porous membrance)가 설치된 반응장치이다. 상기 반응물은 혼합물을 수용하는 삼투성 튜브(permeation tube)의 내부를 통해 흐른다. 상기 혼합물은 열전달율과 질량전달율을 증가시켜 요구되는 생성물의 생산량을 증대시키기 위한 것이다.

유럽특허 제 EP 546 677 A1호는 아세틱산에 대한 에탄 산화(ethane oxidation)를 위한 유체화 베드(fluidized bed)이다. 상기 개시된 과정은 세개의 중요 단계를 포함한다.:(1) 반응영역으로부터의 가스 방출(gaseous effluent)의 냉각단계; (2) 상기 방출 가스로부터 액체상태의 모든 아세틱산을 분리하고, 상기 방출가스에 포함되어 있는 산화탄소의 거의 모든 부분을 포함하는 가스 스트림을 남기는 단계; (3) 상기 가스 스트림의 조그만 부분을 세척하고 반응영역에 대한 공급의 일부분으로서 가스 스트림의 모든 부분을 재활용하는 단계로 구성된다. 재활용이 반응영역 가스에서 산화탄소의 높은 비율을 유지하게 하는 동안 세척은 반응영역에서 산화탄소의 생성을 억제하고 따라서 높은 발열성 산화 반응의 온도 상승 효과를 조절하는데 도움을 준다.

미국 특허 제5,723,094호는 개량된 미소 혼합 조건과 농도의 국부화된 영역을 감소시켜 요구되는 생성물에 대한 반응 선택도를 증가시키는 화학적 반응장치 설계에 관한 것이다. 상기 설계는 셀 반응장치(shell reactor)에 위치하는 유동 튜브(flow tube)의 길이를 따라서 그리소 그 내부에 위치하는 모세관과 제1 반응물을 상기 유동 튜브에 분배하고 제2 반응물을 모세관에 분배하는 하나 또는 그 이상의 분배기를 포함한다.

유럽특허 제 0 532 325호는 산화 에틸렌의 생성을 위한 방법과 장치에 관한 것이다. 유럽특허 제 0 383 224호는 셀-튜브 반응장치(shell-and-tube reactor)와 그 사용방법에 관한 것이다.

반응영역의 상당한 부분에 대한 공급 조성의 최적화를 제공하고 폭발성 혼합의 형성 제한(explosive mixture formation contraint)내의 반응 혼합을 유지하는 동안에 반응의 화학량론적(stoichiometric) 그리고 동역학적 요구조건을 만족시켜 결과적으로 자발적 점화, 폭연(deflagration) 그리고 폭발을 피하는 반응 혼합을 제공하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명의 목적은 상술한 문제점을 극복하기 위한 것으로서,

본 발명의 다른 목적은 개량된 연속 유동 화학적 반응장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 적어도 하나의 유동 반응물의 제어된 양이 적어도 하나 이상의 위치에서 반응영역으로 투입되는 개량된 연속 유동 화학적 반응장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 적어도 하나의 유동 반응물이 적어도 하나이상의 위치에서 반응영역으로 투입되는 때에 촉매 작용을 수행하는 개량된 연속 유동 화학적 반응장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 하나 또는 그 이상의 반응물이 최적화된 분배 방법으로 공급되어 요구되는 안정성과 성능을 만족시키는 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 요구되는 작동 온도 범위가 반응장치 튜브의 전체 길이에 따라 달성될 수 있도록 하기 위한 비균일 반응물 분포(non-uniform reactants distribution)의 사용에 의해 제어되는 촉매 베드 온도 프로파일(catalyst bed temperature profile)을 달성하는 반응장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 반응영역의 상당한 부분에 걸쳐 최적화된 반응 혼합 조성(reacting mixture compositions)을 제공하고, 상기 반응의 화학양론적(stoichiometric) 및 동역학적 요구를 만족시키는 개량된 연속 유동 화학 반응 시스템(continuous flow chemical reaction system)을 제공하는 것이다.

본 발명의 또다른 목적은 반응장치내의 조성 혼합물(compositional mixture)가 안전/비폭발 조성내의 어떠한 지점이나 영역에 있어도, 반응 혼합물의 전체 인벤토리(inventory)가 비안전/폭발 조성 영역에 들어가는 반응장치를 제공하는 것이 다.

본 발명의 상술한 목적과 다른 목적들은 후술하는 설명에 의해 명백해질것이다.

본 발명은 연속 유동 화학적 반응, 바람직하게는 산화 탈수소(oxidative dehydrogenation), 부분 산화(partial oxidation), 산화 반응에서 제어되고 최적화된 반응물의 첨가를 위한 과정과 장치에 관련된 것이다.

보다 상세하게는, 본 발명은 관형상 반응장치(tubular reactor)의 길이에 따른 중앙 튜브 혹은 내부 도관(conduit)을 이용하여 달성되는 반응물의 제어 첨가에 의한 고도의 포텐셜 과정(high potential process)의 단점에 관한 것이다. 상기 중앙튜브는 분사장치 영역(injector site)에서의 제어되는 반응물의 양을 반응영역에 투입시키는 특별화된 형상으로 되어 있는 분사장치에 의해 제공된다.

상기 중앙튜브는 두가지 기능 즉 (1) 압력 강하 제어와 (2) 유동 제어를 수행할 수 있는 분사장치로 제공된다. 바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 분사장치는 반응물을 반응영역으로부터 분사장치 혹은 중앙튜브로 유동함이 없이 제어된 반응물의 양이 반응영역으로 투입되게한다.

상기 분사장치는 압력 및 유동 제어 요소와 환상(annular)의 분사장치 노즐의 조합을 포함한다. 바람직한 실시예에서는, 상기 중앙튜브로부터 모든경우 산소인 유동은 매우 정밀한 크기의 벤튜리 노즐(ventury nozzle)을 통해 상기 환형 분사장치 노즐의 하류방향인 중앙튜브의 영역으로 흐르게된다. 상기 환형 분사장치 노즐에 벤튜리 노즐에 의해 공급되는 중앙튜브의 하류 영역에 연결되는 병목 노즐(bottle neck nozzle)을 통해 반응물이 공급된다. 상기 환형 분사장치 노즐은 내부 도관이나 혹은 중앙튜브의 바깥쪽주위에 대하여 수직하고 주변에 위치한다.

본 설계는 분사 지점(injection point)사이의 거리를 조정함에 의해 반응물의 분사량과 분사위치에 대한 높은 정도의 제어가능성을 제공한다. 그러므로, 분사는 반응물의 충분하고 활동적인 양만큼만 각 지점에 공급되고 반응조건(예를 들어 온도, 압력 그리고 반응 혼합 조성등)의 부분적인 변화에 대응할 수 있도록 제어하는 방법으로 최적화될수 있다.

상기 장치는 다음과 같은 목적을 위하여 반응물의 제어되고 최적화된 첨가에 의해 특징되는 반응장치 설계를 포함하는 산화, 산화 탈수소 그리고 부분 산화 과정과 같은 연속 유동 화학반응을 수행하기에 적당한 것이다. (ⅰ) 반응물 혼합(예를들어 탄화수소/산화 혼합)의 폭발 영역의 회피 (2) 요구되는 생성물에 대한 반응의 선택성의 최대화 (3) 반응장치 온도 구배와 과열 반응(reaction runaway)의 제한 그리고 (4) 바람직한 온도범위가 전체영역에 대해 유지되도록 하기 위한 반응영역의 작동 온도 제어

본 발명의 다른 실시예에 의해, 촉매 성능 강화 혹은 어떤 포이즌닝 효과(poisoning effect)의 억제를 위해 중간(intermediate) 혹은 공동 공급(co-feed)으로 분사될수 있다. 이것은 본 발명의 다른 시설에 이미 공급되어 있다.

본 발명에 의해 달성될 수 있는 잇점은 반응 범위의 제어에 의해 촉매 베드(catalyst bed)에 따른 온도 프로파일(temperature profile)과 첨가되는 반응물의 정량적 그리고 위치의 제어를 통해 열방출의 정밀한 제어를 포함한다.

본 발명은 종래의 반응장치에서는 폭발영역제한과 과열반응제한(reaction runaway limitation)때문에 불가능한 비율에 맞는 반응물의 도입에 의해 촉매 생산성을 강화시킬수 있다.

본 발명은 요구되는 생성물이 최적화되는 방향으로 반응을 설계할 수있는 도구를 제공한다.

본 발명은 또한, 반응장치내부 뿐만 아니라 반응장치 입구의 모든 지점에서 반응물 혼합 조성의 조정을 가능하게 하여 폭발영역내의 반응물 혼합을 피할 수 있게한다.

더우기, 본 발명은 감소/산화(reduction/oxidation)상태로 회귀하는 구성요소나 혹은 촉매의 포이즈닝 상태(poisoning situation)를 치료하는 구성요소의 지연된 추가에 의해 촉매 성능을 개량시킬 수 있다.

도 1은 가스가 하류로 유동하는 관형상 반응장치를 통해 길이방향 단면의 개념도이다.

도 2는 길이방향 단면으로 도시된 중앙 튜브가 설치된 도 1의 반응장치에 설치된 튜브 번들(tube bundle)의 하나의 반응 튜브가 있는 관형상 반응장치를 도시한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 분사장치를 포함하는 내부 도관(도 2에서 도시됨)의 부분에 대한 길이방향 단면의 확대도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 끝단부 분사장치(end injector)를 포함하는 내부도관(도 2에서 도시됨)의 부분에 대한 길이방향 단면의 확대도이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 튜브시트에 내부도관을 실링하기 위한 실링 유닛과 압력강하요소를 포함하는 상부의 종축단면도이다.
도6은 압력강하요소와 같은 나선형추를 포함하는 내부도관의 일부를 확대한 종축단면도이다.
도7 은 압력강하요소와 같은 과립재료패킹 또는 펠릿(PELLET)을 포함하는 내부도관의 일부를 확대한 종축단면도이다.
도8 은 본 발명의 실시예에 따른 인젝터를 갖는 중앙튜브를 포함하고 가스상승흐름을 하는 반응장치를 통하는 도2와 유사한 종축단면도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 인젝터를 갖는 중앙튜브를 포함하는 가스상승흐름을 갖는 단일반응튜브를 통하는 도2와 유사한 종축단면도이다.

본 발명의 한 측면은 개량된 연속 유동 반응 시스템(continuous flow reaction system)에 관한 것이다.

본 발명의 일 실시예는 도 3에 도시된 것과 유사한 새로운 특징이 있는 분사장치를 이용한 다중-관형상으로 고정된 베드 촉매 반응장치(multi-tubular fixed catalytic reactors)에 관련된 것이다. 상기 분사장치는 바람직하게는 상기 촉매 베드(catalyst bed)의 길이에 따른 각 지점에서 2가지 중요한 부분 즉 (1) 압력강하제어 (2)유동 제어를 만족시킨다.

본 고안의 다른 실시예는 연속 유동 화학 반응 장치에 관련된 것으로 길이를 가지고 제1끝단부에 제1유체 반응물 입구 및 제2끝단부에서 생성물 출구를 구비하는 관형상 반응영역; 상기 관형상 반응영역내에 길게 신장된 내부도관 및 중앙튜브를 구비하는 관형상 반응영역; 상기 도관의 길이에 따라 떨어져서 배치되는 복수의 분사장치를 구비하는 도관; 제2유체 반응물의 제어된 양을 상기 관형상 반응영역에 투입가능한 각 분사장치를 포함한다.

바람직하게는, 제2반응물의 한 부분은 제1유체 반응물 입구를 통해 제1반응물과 투입된다.

또한, 본 발명의 다른 실시예는 연속 유동 화학 반응 장치에 관련된 것으로 적어도 하나의 열전달 영역을 구비하는 열전달 베실(heat transfer vessel)내부의 복수의 관형상 반응영역; 열전달 유체 입구와 열전달 유체 출구를 구비하는 각각의 열전달 영역; 길이, 제1끝단부에서의 제1유체 반응물 입구, 제2끝단부에서의 생성물 출구 그리고 관형상 반응영역내의 길이방향으로 신장되는 내부 도관 혹은 중앙 튜브를 구비하는 각각의 관형상 반응영역; 관형상 반응영역의 길이를 따라 분리되어 배치되는 복수의 분사장치를 구비하는 내부도관 혹은 중앙튜브; 및 관형상 반응영역으로 제2유체 반응물의 제어된 양을 투입하기 위해 채택된 각각의 분사장치를 포함한다. 바람직하게는, 상기 열전달 베실은 복수의 열전달 영역을 포함한다. 바람직한 일 실시예에 따르면 상기 열전달 베실은 실린더형 베실이다.

바람직하게는, 상기 장치는 부가적으로 상기 관형상 반응영역내에 촉매를 포함한다. 또한, 상기 장치는 상기 관형상 반응영역내부와 상기 내부 도관주위에 촉매 베드(catalyst bed)를 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 상기 내부 도관 혹은 중앙 튜브는 상기 관형상 반응영역과 중심이 동일하다. 바람직하게는, 상기 관형상 반응영역은 원형단면을 가지고 있고, 상기 내부 도관 혹은 중앙 튜브는 상기 관형상 반응영역과 중심이 같고, 상기 관형상 반응영역은 상기 내부 도관주위에 촉매 베드(catalyst bed)를 포함한다.

본 발명의 장치는 복수의 분사장치, 바람직하게는 2개에서 40개사이 더욱 바람직하게는 4개에서 25개사이, 제일 바람직하게는 6개에서 15개사이의 분사장치를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 상기 장치는 적어도 하나의 분사장치에 근접하는 도관에 있어서 압력 강하 제어 수단을 부가적으로 포함한다.

본 발명의 다른 실시예는 연속 유동 화학 반응 장치에 관련된 것으로 높이를 가지고 하부 끝단부에서 제1유체 반응물 입구와 상부 끝단부에서 생성물 출구를 구비하는 유체화된 베드 반응영역(fluidized bed reaction zone); 상기 유체화된 베드 반응영역(fluidized bed reaction zone)에 수직방향으로 신장된 내부 도관 혹은 중앙 튜브를 구비하는 유체화된 베드 반응영역(fluidized bed reaction zone); 상기 도관의 길이에 따라 분리되어 설치된 복수의 분사장치를 구비하는 도관; 제2유체 반응물의 제어된 양을 유체화된 베드 반응영역(fluidized bed reaction zone)으로 투입할 수 있는 각각의 분사장치를 포함한다.

또다른 본발명의 실시예는 연속 유동 화학 반응 장치에 관련된 것으로 적어도 하나의 열전달 영역을 구비하는 열전달 베실내에 유체화된 복수의 베드 반응영역(fluidized bed reaction zone); 열전달 유체 입구 및 열전달 유체 출구를 구비하는 각각의 열전달 영역; 높이, 하부 끝단부에서의 제1유체 반응물 입구, 상부 끝단부에서의 생성물 출구 그리고 각 유체화된 베드 반응영역(fluidized bed reaction zone)내에 수직방향으로 신장되는 내부 도관을 구비하는 각각의 관형 반응영역; 유체화된 베드 반응영역(fluidized bed reaction zone)를 따라 분리되어 배치되는 복수의 분사장치를 구비하는 내부 도관; 및 제2 유체 반응물의 제어된 양을 유체화된 베드 반응영역(fluidized bed reaction zone)으로 투입하기 위해 채택된 각각의 분사장치를 포함한다.

바람직하게는, 상기 유체화된 베드 반응 장치(fluidized bed reaction apparatus)는 버블링 레짐(bubbling regime)에서의 작동을 가능하게 한다. 일 실시예에 따르면 상기 반응영역은 순환 유체화 베드(circulating fluidized bed)이다.

본 방명인 상기 반응 시스템을 사용하여, 화학반응은 개선된 생산량과 선택성(selectivity)를 얻도록 수행될 수 있다. 분배 부재(distribution member)를 통하여 상기 유체 유동은 단일 반응물 요소(single reactant component), 반응 요소의 혼합 또는 반응 요소화 비활성(inert)요소의 혼합이 될 수 있다.

본 발명에따른 상기 장치를 사용하여, 적어도 하나의 제1유체 반응물과 적어도 하나의 제2유체 반응물사이에서 반응 생성물을 형성하기 위한 연속 화학 반응은 다음과 같은 단계에 의해 행하여 진다.

(a) 제1유체 반응물과 바람직하게는 제2반응물의 한 부분을 관형상 반응영역의 제2끝단부를 향하는 반응물의 연속 유동의 길이를 구비하는 관형상 반응영역의 제1끝단부로 연속적인 투입;

(b) 상기 관형상 반응영역내에 길이방향으로 신장되는 내부 도관에 제2유체 반응물을 투입하는 것으로 상기 내부 도관은 상기 도관의 길이방향을 따라 분리되어 설치된 복수의 분사장치를 구비한다.;

(c) 복수의 분사장치를 통해 제2반응물의 제어된 양을 관형상 반응영역에 통과시킴에 의해 관형상 영역의 길이를 따라 다수의 지점에 제2유체 반응물을 제1유체 반응물에 투입; 및

(d) 화학 반응이 진행되고, 반응 생성물이 형성됨에 의해 관형상 반응영역에서의 화학 반응에 전도성 조건의 제공;

본 발명의 장치를 사용하는 다른 실시예는 촉매 베드(catalyst bed)에서 반응 생성물을 형성하기 위한 제2유체 반응물을 이용한 제1유체반응물의 반응으로 구성되는 것으로서,

(a) 길이를 가지고 촉매 베드(catalyst)를 포함하는 관형상 반응영역의 제1끝단부로 제1유체 반응물이 투입되고, 상기 제1유체 반응물은 관형상 반응영역의 제2끝단부로 흐른다.

(b) 제2유체 반응물은 관형상 반응영역과 중심을 같이하고 그 내부의 도관에 투입되고, 상기 도관은 도관의 길이방향에 따라 분리되어 설치된 본 발명의 복수의 분사장치를 구비하고, 상기 각각의 분사장치는 제2반응물을 관형상 반응영역에 제어된 양을 투입하고,

(c) 화학 반응이 진행되고, 반응 생성물이 형성됨에 의해 관형상 반응영역에서의 화학 반응에 전도성 조건의 제공;

바람직하게는 상기 관형상 반응영역은 촉매를 포함하고 상기 제1유체 반응물은 상기 촉매를 통해 흐른다.

바람직한 일 실시예에 다르면, 상기 화학 반응은 선택된 반응 온도를 가지고, 관형상 반응영역에서 상기 온도는 관형상 반응영역의 길이의 적어도 50%까지 선택된 반응 온도의 15℃내에서 유지된다. 바람직하게는, 상기 반응 온도는 10℃내로 유지되고, 더욱 바람직하게는 상기 관형상 반응영역의 길이의 적어도 50%까지 선책된 반응 온도의 6℃내로 유지된다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 본 발명의 장치에 의해 관형상 반응영역에서 제2유체 반응물의 농도가 폭발 농도인 경우 폭발 레짐(regime)을 가지고, 부가적으로 제2유체 반응물의 농도가 관형상 반응영역의 길이의 적어도 50%까지 폭발 농도에서 적어도 70% 바람직하게는 80%, 더욱 바람직하게는 90% 이고, 관형상 반응영역의 전체 길이에 때하여 어떤 지점에서도 폭발성 농도를 초과하지 않도록 하기위하여 관형상 반응영역에 투입되는 제2유체 반응물양의 제어를 포함한다.

바람직한 실시예에 따르면, 반응장치내부의 모든 지점이나 영역에서 조성 혼합(compositional mixture)가 안전/비폭발 조성(safe/non-explosive compositions)내에 있는 동안에 반응 혼합(reacting mixture)의 전체 인벤토리(inventory)는 비안전/폭발 조성 영역(unsafe/explosive region)내이다.

바람직한 일 실시예에 따르면, 상기 화학 반응은 에틸렌과 아세틱산에 대한 에탄은 부분 산화를 위해 사용되고, 제1유체 반응물은 에탄을 포함하고, 제2유체반응물은 산소를 포함한다.

다른 실시예에 따르면, 상기 화학 반응은 에틸렌과 아세틱산에 대하여 에탄의 부분산화를 위해 사용되고, 상기 제1유체 반응물은 에탄을 포함하고, 제2유체 반응물은 산소를 포함하고, 제1반응 유체의 적어도 10%의 에탄은 관형상 반응영역을 한 번 통과할때마다 아섹틴산을 형성하기 위해 반응한다.

후술하는 설명에서 튜브(40)은 관형상 반응영역이고 중앙튜브(42)는 내부도관을 이해될 것이다.

도 1의 반응장치(2)는 수직방향의 실린더형 반응장치 셀(3)과 반응장치(3)을 상부와 하부에서 구속하는 튜브시트(tube sheet)(4),(6)과 튜브시트(4)(6)을 덮는 2개의 반응장치 헤드(reactor head)(8)(10)을 포함한다.

도 1에서만 도시되는 복수의 튜브 번들(bundle of tube)(40)은 상부 튜브시트(4)상에 위치하는 공급 입구 챔버(feed inlet chamber)(14)와 하부 튜브시트(6)상에 배치되는 생성물 출구 챔버(product outlet chamber)(16)에 연결되는 튜브시트(4)와 (6)사이에서 신장된다. 튜브(40)은 열전달유체에 완전히 잠겨있고, 상기 열전달 유체는 바람직하게는 액체이고, 열전달유체입구(heat transfer fluid inlet)(18)을 통해 반응장치 셀(3)에 들어가고, 열전달유체출구(20)을 통해 반응장치 셀(3)을 떠난다. 후술하는 이유와 같이 디스플레이서 바디(displacer body)(22)는 상부 즉, 입구측 반응장치 헤드(8)에 설치된다.

종래의 관형상 반응장치와 도1에 도시된 본 발명의 관형상 반응장치의 하나의 차이점은 입구측 튜브시트(4)상에 설치된 추가적인 튜브시트(24)의 존재이다. 튜브시트(24)는 도 2에서 자세히 도시된 것과 마찬가지로 튜브(40)으로 신장된 내부 도관(42)의 입구 끝단부(inlet end)를 지지한다. 따라서 본 설계에서 공급 입구 챔버(14)는 2개의 튜브시트(4)(24)사이에 위치한다.

도 1에서 보면, 제1반응 스트림(first reaction stream)(33)은 분리된 열교환기(34)(36)을 통해 혼합기(38)에 공급되는 2개의 프로세스 스트림(process stream)(30)(32)를 포함한다. 열교환기 (34)와 (36)은 특별한 과정의 요구에 따라 프로세스 스트림(30)과 프로세스 스트림(32)를 분리하여 예열할 수 있다. 예를 들어, 프로세스 스트림(30)은 탄화산소를 포함할 수 있고, 제2프로세스 스트림(32)는 공기나 산소 혹은 그 혼합물을 포함할 수 있다. 혼합기(38)은 공급 입구 챔버(14)의 내부의 기대되는 온도에서 그리고 촉매 베드(44)(도2에서 도시됨)의 제일 윗부분에서 폭발한계의 바로 아래에 제1반응 스트림(33)이 위치하는 방법으로 반응 요소로서 프로세스 스트림(30)과 프로세스 스티림(32)를 결합한다. 제1반응 스트림(33)은 반응물 입구(28)를 통해 반응장치(2)의 공급 입구 챔버(14)로 흐른다.

챔버(26)에 공급하는 제2반응물은 반응장치 헤드(reactor head)(8)을 통해 중앙에 위치한다. 또한, 생성물 출구 챔버(16)으로부터 생성물 스트림(37)의 방출은 반응장치 헤드(10)을 통해 생성물 출구(53)을 통해 이루어진다. 내부도관(42)(도2에서 도시됨)과 튜브(40)사이의 환형 영역(annular region)은 적당한 과립형상 촉매(granular catalyst)(44)로 채워진다.

튜브(40)내부에서 촉매(44)(도 2)와 제1반응 스트림(33)의 접촉에 의해서, 반응은 즉각적으로 발생한다. 상기 반응동안에, 반응이 완료하기위해 요구되는 양보다 적은 반응 요소, 보통은 산소, 는 적어도 부분적으로 소비된다. 그러나 제1반응 스트림(33)에서 산소의 비율을 증가시키면 폭발을 위험이 증대된다. 한편으로는 추가적인 산소는 보다 높은 생산성을 달성하기 위해 요구된다.

도 2에 도시된 바와 같은 본 발명은 내부 튜브(40)에 위치하는 내부 도관(inner conduit)(42)를 이용하여 상기 문제를 해결하는 것으로, 상기 각 내부 도관(42)는 추가적인 제2반응물(39)의 공급을 위해 적어도 하나 바람직하게는 복수의 분사장치(58)(59)가 장착된다. 제2반응물(39)는 열교환기(52)와 반응장치 헤드(8)상의 반응물입구(54)를 통해 챔버(26)으로 공급된다. 반응장치 헤드(8)내의 디스플레이서 바디(displacer body)(22)(도 1에서 도시됨)는 챔버(26)내부의 제2반응물(39)의 잔류시간과 잔류량을 최소화하여 제2반응물 자체의 폭발 조성을 생산하거나 다른 반응장치 공급물과 결합하여 폭발조성을 생성할 위험을 최소화한다.

도 2는 설명을 하기위한 목적으로서, 내부도관(42), 튜브시트(tube sheet)(4)(6), 그리고 튜브(single tube)(40)과 내부도관(42)사이에 있는 촉매(44)를 포함하는 하나의 튜브(4)을 구비하는 반응장치(2)를 도시한다. 제일 상용적인 기기에서, 반응장치(2)는 복수의 튜브(40)과 내부도관(42)를 포함한다. 종래의 방법에서 튜브(40)은 용접에 의해 튜브시트(4)(6)에 부착되고, 내부도관(42)는 바람직하게는, 튜브시트(24)에 고정되어 있는 환형 패킹(annular packing)(48)과 플랜지 링(50)으로 구성되는 스터핑 박스(stuffing box)(46)을 사용하여 튜브시트(24)에 제거가능하게 봉인(sealed)된다. 제1반응물 스트림(33)은 반응물입구(28)을 통해 공급 입구 챔버(14)와 튜브(40)으로 흐른다. 제2반응물(39)는 반응물 입구(54)를 통해 챔버(26)과 내부도관(42)로 흐른다.

도2에서 도시된 바와 같이, 내부도관(42)는 그길이에 따라 몇몇 장소에서 분사장치(58)과 고정된다. 각 분사장치(58)은 환형 출구(annular outlet)(64)(도 3에 도시됨)을 포함한다. 내부도관(42)의 바닥부분은 끝단부 분사장치(end injector)(59)(도 4에서 도시됨)과 결합한다. 중앙 튜브(42)는 적어도 하나의 분사 장치(58)(59)를 구비하여 제2반응물(39)가 튜브(40)의 내부에서 반응의 전개에 의존하는 완전히 제어되는 방법으로 튜브(40)내부의 선택된 위치에 투입될수 있다. 일반적으로 내부도관(42)는 주위의 반응 튜브(40)의 길이에 대하여 적어도 상당부분에 걸쳐서 신장된다. 각 분사장치(58)혹은(59)를 통해 제2반응물의 유동은 각 분사장치(58)(59)의 위치에서 반응물의 최적화된 농도와 비슷하게 공급하기 위하여 조절된다.

도 3은 하나의 분사장치(58)을 포함하는 내부도관(42)의 확대단면도를 도시한다. 제2반응물(39)는 내부도관(42)내의 유체통로(fluid passage)(66)을 통해 흐른다. 분사장치(58)은 유체통로(66)에 의해 유체가 전달된다. 제2반응물(39)는 유체통로(66)으로부터 입구채널(inlet channel)(60), 벤튜리(72), 출구채널(outlet channel)(61)로 흐른다. 제2반응물(39)는 벤튜리(72)의 하류방향인 유체통로(66)로 흐른다. 제2반응물(39)의 한 부분은 백채널(back channel)(68)과 병목(bottle neck)(74)를 통해 래디얼 채널(radial channel)(70)으로 흐른다. 래디얼 채널(70)으로부터 제2반응물(39)는 환형 채널(annular channel)(52)와 환형 배출장치 출구(annular ejector outlet)(64)를 통해 촉매(44)의 반응영역에 들어간다. 벤튜리(72)와/혹은 병목(74)는 정밀한 크기로서 제2반응물(39)를 스로틀(throttle)하거나 제어한다. 벤튜리(72)와 병목(74)는 적어도 가스 입구측상에서 디버링(deburring)이 가능한 평행 길이방향의 드릴 홀(drill hole)로서 조립가능하다.

벤튜리(72)와 병목(74)의 직경은 일반적으로 내부 도관(42)상의 하나의 분사 장치로부터 다음 분사장치까지 변한다. 내부도관(42)상의 분사장치(58)과/혹은 분사장치(59)사이의 거리는 수행될 반응의 요구에 따라 변화할 수 있다. 분사장치(58)과 분사장치(59)는 분리되어 가공될 수 있고 연속적인 섹션(consecutive sections)사이에서 내부두관(42)에 용접된다.

분사장치(58)의 설계는 유체압력을 변경하는 작동을 한다. 제1반응물 스트림(33)의 압력은 촉매(44)를 통과함에 따라 떨어진다. 촉매(44)를 통하여 흐르는 반응물 및 생성물과 각 분사장치(58)(59)에 위치하는 내부도관(42)를 통하여 흐르는 제2반응물(39)사이의 압력차이를 세밀하게 제어하기 위해, 분사장치(58),(59)는 촉매 베드(44)상의 압력 강하에 대응하는 중앙 튜브(42)를 통해 압력강하를 만든다.

도 4는 끝단부 분사장치(end injector)(59)를 포함하는 내부도관(42)의 확대단면도이다. 끝단부 분사장치(59)의 구조는 분사장치(58)과 같고, 도 4의 부품은 도 3의 부품과 같은 갯수를 가지고 있다. 끝단부 분사장치(59)는 분사장치(59)의 끝단부 하류방향에서 유체 통로(66)을 위한 데드-엔드 챔버(dead-end chamber)(67)의 대체라는 점에서만이 분사장치(58)과 상이하다.

도 5는 튜브시트(tube sheet)(24)와 스터핑 박스(stuffing box)(46)를 구비한 내부 중앙 튜브(inner central tube)(42)의 상부 끝단부(upper end)(가스 입구 끝단부)(gas inlet end)의 크기가 작은 실시예를 도시한다. 스터핑 박스(stuffing box)(46)은 상부로부터 튜브시트(24)로 드릴가공된 데드-엔드 구멍(dead-end bore)(78)내의 스페이서 부시(spacer bush)(80)에 의해 각각 분리되어 배치된 2개 의 실링 팩킹(sealing packing)(82)(84)로 장착된다. 데드-엔드 구멍(78)의 상부 끝단부는 내부 튜브(42)주위로 나사처리된 플러그(threaded plug)(90)를 지지하고, 부시(bush)(88)을 통하여 실링 팩킹(sealing packing)(82)(84)에 압력을 가하고, 실링 팩킹(sealing packing)(82)(84)를 압축하는 암나사(female thread)(82)를 구비한다. 스페이서 부시(spacer bush)(80)은 드릴 홀(drill hole)(92)에 연결되는 내부 주변 리세스(inner circumferential recess)(94) 및 외부 주변 리세스(outer circumferential recess)(96)를 구비한다. 튜브시트(24)는 대응하는 드릴 홀(92)와 연결된 주변리세스(94)(96)과 동등한 레벨에서 다수의 채널(98)을 구비한다. 채널(98)은 만일에 있을수도 있는 누출 반응 가스(leaking reaction gas)를 실링 팩킹(82)(84)를 통과하여 누출 탐지 프로브(leaking detecting probe)로 도입하기 위해 제공된다. 이 구조는 제2반응물(39)가 입구 챔버(inlet chamber)(26)으로부터 근접하는 공급 입구 챔버(feed inlet chamber)(14)로 관통하는 것을 방지하기 위하여 채널(98)을 통하여 제2반응물(39)의 압력보다 고압하에서 불활성 가스(inert gas)를 데드-엔드 구멍(dead-end bore)(78)로 도입하는 것을 가능하게 한다. 도 5에서 도시한 바와 같이, 내부 튜브(42)의 가스 입구측 끝단부는 횡방향 개방부(lateral opening)(100)과 노브(knob)(104)를 구비하는 캡(cap)(102)와 결합될 수 있다. 노브(104)에 의해 필요하다면 내부 뉴브(42)를 주위 튜브(40)으로부터 당기는데 사용될 수 있다. 부가적으로, 캡(102)는 내부도관(102)의 끝단부에 삽입된 스크린(screen)(106)을 포함한다. 도 5는 내부도관(42)로의 제2반응물 유동을 제한하는 가스 입구 끝단부에서 벤튜리(108)의 형태로 내부도관(42)가 스로틀(throttle)을 제공받는것을 도시한다.

도 6과 도7은 도 3, 도4 그리고 도5에 따른 벤튜리 튜브(72)와 (108)을 대체하거나 또는 부가적으로 제공가능한 내부 튜브(42)를 통해 제2반응물(39)의 압력과 유동을 제어하기 위한 2개의 선택적 해법을 도시한다. 도 6에 도시된 일 실시예에서 스핀들(spindle)(110)은 벤튜리(72)혹은(108)을 대신하여 설치된다. 도 7에 도시된 또다른 실시예에서, 미립자(granules) 혹은 펠렛(pellet)(112)(예를 들어 세라믹 펠렛)은 벤튜리(72) 혹은 (108)대신에 설치된다. 내부 튜브(42)의 다른 섹션의 달라지는 압력강하와 유체 처리량(throughput)을 현실화 하기 위하여 스핀들(110)의 그루브(groove)의 깊이와 스핀들(110)의 피치뿐만 아니라 펠렛(112)의 크기도 변화할 수 있다.

도 8은 도 1에서 도시한 관형상 반응장치와 유사하지만 바닥 가스 입구(bottom gas inlet)를 위해 설계된 관형상 반응장치를 도시한다. 상기 설계에서 내부도관(42)는 상술한 설계와 동일하지만 반대 형상(윗부분이 아래로감)으로 설치되었다. 공급 입구 챔버(feed inlet chamber)(14)(26)은 반응장치의 바닥 끝단부에 위치한다. 이경우 유사하게, 디스플레이서 바디(displacer body)(22)는 공급 입구 챔버(feed inlet chamber)(26)의 용량을 제한하기위하여 상기 바닥 반응장치 헤드(bottom reactor head)(10)내부에 설치될 수 있다. 선택적으로, 거친 입자의 불활성 펠렛(coarse-grained iner pellets)이 상기와 같은 목적으로 사용될 수 있다. 나사가공된 타이 로드(tie rod)(114)(도 9에 도시됨) 혹은 상기와 같은 것이 가스 입구측 튜브 시트(gas inlet side tube sheet)(4)와 (22)를 서로 지지하기 위 해 사용될 수 있다.

도 9는 반대위치로서 상부 가스 입구(top gas inlet)을 위해 사용될 수 있는 바닥 가스 입구(bottom gas inlet)을 위해 도 1에서 도시된 것과 같은 내부 도관(42)를 포함하는 보다 큰 튜브 번들(tube bundle)인 하나의 튜브(40)을 구비하는 반응장치(2)를 도시한다. 이 실시예에서, 내부도관(42)는 튜브(40)의 길이의 한부분에 대하여 신장만을 한다. 튜브(40)은 튜브시트(6)의 레벨에서 스크린 타이프 촉매 보관기(screen-type catalyst container)(42)로 덮여져 있다. 이 실시예에서 내부도관(42)는 튜브시트(24)에 용접되어 있다. 도 9는 튜브(40)내부의 내부도관(42)에 부착된 반경방향 베인 타이프 센터링 기구(radial vane-type centering device)(116)을 도시한다. 반응장치(2)의 해체를 위하여 내부도관(42)는 필요하다면 튜브(40)으로부터 촉매 보관기(56)과 베인 타이프 센터링 디바이스(vane-type centering device)(116)와 같이 제거될 수 있다.

아드리스 등(Adirs et al.)에 의한 "연속 유동 반응 시스템에서의 반응물의 제어된 최적화/추가를 위한 장치 및 그 방법"이라는 미국 특허 출원과 같이 계류중인것에 의해 참고될수 있다.

본 발명의 상술한 설명은 설명을 위한 것으로 제한을 위한 것은 아니다. 본 실시예에서 다양한 변화나 변경은 당업자에는 자명한 것이다. 본 발명의 사상이나 범위에서 벗어남이 없이 이루어질 수 있다.

Claims (16)

1. 길이, 내부 표면을 가지며, 제1끝단부에서의 제1유체 반응물 입구와 제2끝단부에서의 생성물 출구를 가지는 관형상 반응장치를 포함하고,

   상기 관형상 반응장치는 상기 관형상 반응장치내에 길이방향으로 신장하는 외부 표면이 있는 내부 도관을 구비하고,

   상기 도관은 상기 내부도관의 길이내에 적어도 하나의 분사장치와 하나의 끝단부에서 제2유체 반응물 입구를 구비하고,

   상기 분사장치는 상기 내부 도관의 외부표면과 상기 반응장치의 내부표면사이에 구속된 관형상 반응영역으로 상기 제2유체 반응물의 제어된 양을 투입가능하고,

   상기 분사장치는 제2유체 반응물을 수용하기 위해 배치된 상기 내부 도관내의 벤튜리 튜브를 포함하고,

   상기 벤튜리 튜브는 상기 내부 도관주위에 수직하고 주변방향으로 배치된 환형 채널과 연결되고,

   상기 환형 채널은 유체가 상기 관형상 반응영역으로 전달되도록 하는 환형 오리피스에 연결되는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 관형상 반응장치내에 촉매를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 내부 도관은 복수의 분사장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
4. 적어도 하나의 열전달 영역을 구비하는 열전달 베실내에 복수의 관형상 반응장치를 포함하고,

   상기 각 열전달 영역은 열전달 유체입구와 열전달 유체 출구를 구비하고,

   상기 각 관형상 반응장치는 길이, 제1끝단부에서 제1유체 반응물 입구, 제2끝단부에서 생성물 출구, 및 상기 관형상 반응영역내에 길이방향으로 신장하는 내부도관을 구비하고,

   상기 내부도관은 상기 관형상 반응영역의 길이를 따라 분리되어 배치된 복수의 분사장치를 구비하고;

   상기 각 분사장치는 상기 관형상 반응영역내로 제2유체 반응물의 제어된 양을 도입하기 위해 채택되고,

   상기 분사장치는 유체를 상기 내부 도관으로 전달하는 가스 관통 채널과 가스 출구 채널을 포함하고;

   상기 가스 관통 채널은 상기 내부 도관의 상류측에 연결되고, 상기 가스 출구 채널은 상기 내부 도관의 하류측에 연결되고,

   상기 내부도관과 반대쪽 끝단부상의 가스 관통 채널은 가스 출구 채널에서 끝나는 벤튜리 튜브와 연결되고 접촉되고, 부가적으로 상기 내부 도관의 하류측과 유체를 전달하고,

   상기 가스 출구 채널은 상기 내부 도관의 하류측을 통해 터미널 병목에서 끝나는 브랜치 채널과 유체를 전달하고,

   상기 터미널 병목에서, 상기 브랜치 채널은 래디얼 브랜치 채널에 연결되고,

   상기 래디얼 브랜치 채널은 상기 내부도관의 바깥쪽에서 수직하게 그리고 주변방향으로 위치된 환형 링 채널로 유체를 전달하고,

   상기 환형 링 채널은 상기 관형상 반응장치의 내부로 유체를 전달하는 환형 캡에서 가스출구로 도입하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 열전달 베실은 복수의 열전달 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
6. 제3항에 있어서, 적어도 하나의 관형상 반응영역의 내부에서 촉매를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 내부 도관은 상기 관형상 반응영역과 같은 중심을 같는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
8. 제4항에 있어서, 상기 내부도관은 상기 관형상 반응영역과 같은 중심을 같는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
9. 제1항에 있어서, 적어도 하나의 분사장치의 근방의 상기 도관에 압력 강하 제어 수단을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
10. 제4항에 있어서, 적어도 하나의 분사장치에 근접하는 도관에서 압력 강하 제어 수단을 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
11. 제4항에 있어서, 상기 열전달 베실은 실린더 형상 베실인 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
12. 제1항에 있어서, 상기 관형상 반응영역과 상기 내부 도관 주위의 내부에 촉매 베드를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
13. 제4항에 있어서, 상기 관형상 반응영역과 상기 내부 도관 주위의 내부에 촉매 베드를 부가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
14. 제2항에 있어서, 상기 복수의 분사장치의 갯수가 2개에서 40개의 분사장치 사이에 있는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
15. 제1항에 있어서, 상기 관형상 반응영역은 실질적으로 원형인 단면을 가지고 있고, 상기 내부 도관은 상기 관형상 반응영역과 같은 중심을 가지고, 상기 관형상 반응영역은 상기 내부 도관주위에 촉매 베드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.
16. 제4항에 있어서, 상기 각 관형상 반영 영역은 실질적으로 원형인 단면을 가지고, 상기 내부 도관은 상기 관형상 반응영역과 같은 중심을 가지고, 상기 관형상 반응영역은 상기 내부 도관주위에 촉매 베드를 포함하는 것을 특징으로 하는 연속 유동 화학 반응 장치.

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