KR100591704B1 - Process for producing gaseous product by catalytic gas phase reaction and apparatus for carrying out the process - Google Patents
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Abstract
본 발명의 방법 및 장치에서는 예열된 그리고 사용 물질, 예컨대 o-크실렌 또는 나프탈렌으로 채워진 압축 공기(9)가 반응기 하우징(2)내에서 하나의 가열 유닛(11)을 포함하는 가열단(HST)에서 스타팅 온도로 가열된 다음, 촉매체(15, 27, 29, 31, 33) 및 냉각 유닛(21, 28, 30, 32)을 구비한 연속하는 다수의 산화 단계(Ⅰ-Ⅴ)에서 먼저 촉매체를 통해 그리고 그 다음에 냉각 유닛(21, 28, 30, 32)을 통해 안내된다. 최후로 PAA로 채워진 반응 가스(10)가 반응기 하우징(2)으로부터 탈승화 작용을 위해 공급된다.In the method and apparatus of the present invention, in the heating stage (HST), the compressed air (9) preheated and filled with the use material, such as o-xylene or naphthalene, comprises one heating unit (11) in the reactor housing (2). The catalyst body is first heated in a number of successive oxidation stages (I-V) with a catalyst body (15, 27, 29, 31, 33) and a cooling unit (21, 28, 30, 32) after heating to the starting temperature. And then through the cooling units 21, 28, 30, 32. Finally, the reaction gas 10 filled with PAA is supplied for desublimation from the reactor housing 2.
Description
도 1은 공기/사용 물질-혼합물로 부터 PAA를 산화시키기 위한 반응기의 개략적인 수직 종단면도.1 is a schematic vertical longitudinal sectional view of a reactor for oxidizing PAA from an air / use material-mixture.
도 2는 도 1의 반응기와 관련해서, 반응기를 통해 흐르는 혼합물/반응 가스의 온도 변동을 나타낸 다이어그램.FIG. 2 is a diagram showing the temperature variation of the mixture / reactant gas flowing through the reactor in relation to the reactor of FIG.
도 3 및 4는 촉매체 및 냉각 유닛을 갖춘 도 1의 반응기의 산화 단계를 나타낸 확대도.3 and 4 are enlarged views of the oxidation step of the reactor of FIG. 1 with catalyst body and cooling unit.
도 5는 도 1에 따른 반응기의 산화 단계의 다른 실시예를 나타낸 확대도.5 shows an enlarged view of another embodiment of the oxidation step of the reactor according to FIG. 1;
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명** Description of the symbols for the main parts of the drawings *
1: 반응기 2: 반응기 하우징1: reactor 2: reactor housing
3: 유입 캡 4: 배출 캡3: inlet cap 4: outlet cap
5: 종방향 섹션 6: 파이프5: longitudinal section 6: pipe
7: 폭발 개구 8: 폭발 안전수단7: explosion opening 8: explosion safety measures
9: 혼합물 10: 반응 가스9: mixture 10: reaction gas
11: 가열 유닛11: heating unit
12, 17, 22, 38: 프레임 플레이트12, 17, 22, 38: frame plate
13, 14, 24, 25: 접속부 13, 14, 24, 25: connection
15, 27, 29, 31, 33, 35: 촉매체15, 27, 29, 31, 33, 35: catalyst
16, 37: 프레임 18, 23, 39: 개구16, 37:
19: 벽19: wall
20, 26, 40-47: 온도 측정점20, 26, 40-47: temperature measuring point
21, 28, 30, 32, 36: 냉각 유닛21, 28, 30, 32, 36: cooling unit
34: 자유 필드34: free field
본 발명은 촉매 기체상 반응에 의해 기체 생성물을 생성시키는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a gaseous product by catalytic gas phase reaction and an apparatus for carrying out the method.
예컨대 프탈산 무수물(PAA)과 같은 생성물은 o-크실렌 또는 나프탈렌 또는 상기 두 사용 물질의 혼합물의 의도된 부분 산화에 의해 얻어진다. 필요한 산소는 공기로부터 얻으며, 공기는 동시에 캐리어 가스로 사용된다. 오늘날 통상의 장치 크기에서, 흡입되어 압축된, 약 180℃로 예열된 공기의 양은 20,000 내지 100,000 N㎥/h 이다. 사용 물질은 반응기 앞에서 예열된 고온 공기 흐름내로 분무되거나, 기화되거나 또는 증기 형태로 혼합된다.Products such as, for example, phthalic anhydride (PAA) are obtained by the intended partial oxidation of o-xylene or naphthalene or a mixture of the two used materials. The necessary oxygen is obtained from air, which is used simultaneously as a carrier gas. In today's typical device sizes, the amount of air preheated to about 180 ° C., suctioned and compressed, is between 20,000 and 100,000 Nm 3 / h. The materials of use are sprayed, vaporized or mixed in vapor form into a hot air stream preheated in front of the reactor.
공지된 반응기는 파이프 반응기로 구성된다. 상기 반응기내에서, 공기와 사 용 물질의 혼합물이 촉매체에서 PAA로 산화된다. 이 경우, PAA에 대한 바람직하지 않은 부산물로서 물, CO, CO2, 말레산 무수물, 프탈리드 등이 생긴다. 반응은 강한 발열 반응이다. 공지된 파이프 반응기에서 생기는 열의 대부분은 액체 염욕을 통해 외부로 배출된다. 열의 나머지 부분은 약 380℃로 가열되고 PAA로 채워진 반응 가스의 형태로 배출된다. 이러한 반응 가스는 반응기로부터 배출 후 열교환기에서 약 170℃로 냉각된 다음, 분리기에 공급된다. 분리기에서 탈승화 작용에 의해 PAA이 얻어진다.Known reactors consist of pipe reactors. In the reactor, a mixture of air and used material is oxidized to PAA in the catalyst body. In this case, water, CO, CO 2 , maleic anhydride, phthalide and the like are produced as undesirable by-products for PAA. The reaction is a strong exothermic reaction. Most of the heat generated in known pipe reactors is discharged to the outside via a liquid salt bath. The remainder of the heat is heated to about 380 ° C. and discharged in the form of reaction gas filled with PAA. This reaction gas is cooled to about 170 ° C. in a heat exchanger after exiting the reactor and then fed to the separator. PAA is obtained by desublimation in the separator.
공지된 파이프 반응기는 상부 가스 유입 캡과 하부 가스 배출 캡 사이에 다수의 교환기 파이프(약 5,000 내지 25,000)를 갖는다. 교환기 파이프는 파이프 반응기의 초기 작동 전에 거의 전체 길이에 걸쳐 촉매체로 채워진다. 이를 위해, 고유의 활성 촉매 물질이 일반적으로 링형 또는 구형 세라믹 지지체상에 제공된다.Known pipe reactors have multiple exchanger pipes (about 5,000 to 25,000) between the upper gas inlet cap and the lower gas outlet cap. The exchanger pipe is filled with catalyst body over almost the entire length before the initial operation of the pipe reactor. To this end, inherent active catalyst materials are generally provided on ring or spherical ceramic supports.
교환기 파이프의 상부에서 파이프 반응기내로 유입된, 공기와 사용 물질의 혼합물이 고온 교환기 파이프를 통해 반응 온도로 가열된다. 그리고 나서, 다수의 중간 생성물을 통해 소정 생성물(PAA) 및 전술한 바람직하지 않은 부산물로의 산화가 이루어진다. 이러한 산화 과정 중에 교환기 파이프내에서 온도가 소위 "과열점(hot spot)"까지 상승한 다음, 교환기 파이프의 하단부로 다시 대략 교환기 파이프를 둘러싸는 액체 염욕의 온도로 강하한다. PAA로 채워진 반응 가스는 하부에 놓인 가스 배출 캡을 통해 파이프 반응기를 벗어난다.At the top of the exchanger pipe, a mixture of air and used material, which is introduced into the pipe reactor, is heated to the reaction temperature through the hot exchanger pipe. Thereafter, oxidation occurs through a number of intermediate products to the desired product (PAA) and the undesirable byproducts described above. During this oxidation, the temperature in the exchanger pipe rises to a so-called "hot spot" and then drops back to the lower end of the exchanger pipe to approximately the temperature of the liquid salt bath surrounding the exchanger pipe. Reactant gas filled with PAA leaves the pipe reactor through a gas discharge cap located underneath.
뜨거운 장소에서 바람직하지 않은 과도한 산화 및 차가운 장소에서 불충분한 산화를 막기 위해서는, 교환기 파이프 및 반응기 하우징을 냉각시키는 액체 염욕이 비교적 복잡한 방식으로 지속적으로 재펌핑되어 균일하게 모든 교환기 파이프 주위로 안내되어야 한다. 이러한 이유 때문에, 액체 염욕이 약 3°의 매우 낮은 온도 차만을 가질 수 있다.In order to prevent excessive oxidation, which is undesirable in hot places and insufficient oxidation in cold places, the liquid salt bath cooling the exchanger pipe and reactor housing must be continuously repumped in a relatively complex manner and guided uniformly around all exchanger pipes. For this reason, the liquid salt bath can only have a very low temperature difference of about 3 °.
염욕에 의해 수용되는 열은 반응기 하우징의 외부에서 염욕 냉각기에서 고압 증기의 형태로 배출된다.The heat received by the salt bath is discharged in the form of high pressure steam in the salt bath cooler outside of the reactor housing.
공기와 사용 물질의 혼합물 및 PAA로 채워진 반응 가스가 전체 온도 범위에서 폭발성을 갖기 때문에, 반응기 하우징은 여러 부분에서 크고 민감한 폭발 안전 수단에 의해 보호되어야 한다.Since the mixture of air and used material and the reactant gas filled with PAA are explosive over the entire temperature range, the reactor housing must be protected by large and sensitive explosion safety measures in several places.
파이프 반응기가 실제로 동일한 온도의 액체 염에 의해 냉각되기 때문에, 선행 기술에서는 최상의 반응 온도가 세팅될 수 없다. 오히려, 촉매체에 따라 파이프 길이의 약 40%에서 "과열점(hot spot)"을 가진, 파이프 길이에 걸친 전형적인 온도 프로필이 형성된다. 그 결과, 바람직하지 않은 부산물, 과도한 산화 및 촉매체의 매우 제한된 수명이 주어진다.Since the pipe reactor is actually cooled by liquid salt of the same temperature, the best reaction temperature cannot be set in the prior art. Rather, depending on the catalyst, a typical temperature profile over the length of the pipe is formed, having a "hot spot" at about 40% of the length of the pipe. As a result, undesirable byproducts, excessive oxidation and very limited lifetimes of the catalyst are given.
상기 단점을 적어도 부분적으로 피하기 위해, 2열로 접속된 파이프 반응기 또는 2개의 반응 구역 및 분리된 염욕 냉각 장치를 구비한 파이프 반응기가 공지되어 있다( 유럽 특허 출원 제 0 686 633 A1호 및 제 0 453 951 A1호). 그러나, 이러한 파이프 반응기의 구성, 제조 및 작동이 매우 복잡하기 때문에, 지금까지 실제로 사용될 수 없었다. 반응기 하우징내의 모든 교환기 파이프를 동일하게 냉각시키는 것도 기술적으로 매우 어렵다. 이로 인해, 공지된 경우 수 천개의 교환기 파이프에서 부분적으로 상이한 반응이 일어나는 것이 배제될 수 없다.To at least partly avoid this drawback, a pipe reactor with two rows of connected pipe reactors or a pipe reactor with two reaction zones and a separate salt bath cooling device is known (European patent applications 0 686 633 A1 and 0 453 951). A1). However, since the construction, manufacture and operation of such a pipe reactor is very complicated, it has not been practical to date. It is also technically very difficult to equally cool all the exchanger pipes in the reactor housing. As such, it can not be ruled out that a partially different reaction takes place in the thousands of exchanger pipes if known.
또다른 문제점은 촉매 물질로 교환기 파이프를 충전하는 것이다. 각각의 교환기 파이프가 동일한 양의 촉매 물질을 얻고 가스 측면에서 동일한 압력 손실을 갖기 때문에, 상기 충전은 극도로 주의깊게 이루어져야 한다. 따라서, 충전 및 테스트를 위한 비용(약 3 내지 4 주)이 매우 많고 비경제적이다.Another problem is filling the exchanger pipe with catalytic material. Since each exchanger pipe obtains the same amount of catalytic material and has the same pressure loss on the gas side, the filling must be done with extreme care. Thus, the costs for charging and testing (about 3-4 weeks) are very high and uneconomical.
또한, 파이프 반응기에서 공기가 점점 더 사용 물질로 채워짐에 따라, 발생하는 열을 염욕을 통해 배출하는 것이 더 어려워지고 복잡해진다. 그 이유는 공기가 PAA로 채워짐에 따라 비례적으로 반응 열이 증가되기 때문이다.In addition, as air in the pipe reactors is increasingly filled with the materials of use, it becomes more difficult and complicated to discharge the heat generated through the salt bath. This is because the heat of reaction increases proportionally as the air is filled with PAA.
또한, 공기측에서 높은 압력 손실 및 그에 따라 높은 통풍 비용이 불가피하다.In addition, high pressure losses on the air side and thus high ventilation costs are inevitable.
또한, 염욕의 누설 위험도 있다. 또한, 공지된 파이프 반응기는 긴 가열 및 냉각 단계를 필요로 한다. 또한, 파이프 반응기의 검사는 일련의 문제점을 수반한다.There is also a risk of leakage of the salt bath. In addition, known pipe reactors require long heating and cooling steps. In addition, inspection of pipe reactors involves a series of problems.
전술한 바와 같이, 바람직하지 않은 부산물이 증가되면, 그것이 증류에 의해 복잡하게 제거되어야 한다. 따라서, 실제로는 메인 반응기 다음에 별도의 포스트 반응기(Post-Reactor)를 접속한다. 포스트 반응기에서는 부산물의 일부가 연소되고, 매우 적은 분량이 PAA로도 변환된다. 일반적으로 메인 반응기로부터 나오는 반응 가스는 포스트 반응기내로 유입되기 전에 중간 냉각기에서 예비 냉각된다(DE 198 07 018 A1).As mentioned above, if an undesirable by-product is increased, it must be complicated to remove by distillation. Therefore, in practice, a separate post-reactor is connected after the main reactor. In the post reactor some of the by-products are combusted and very little is converted to PAA. In general, the reactant gas from the main reactor is precooled in an intermediate cooler before entering the post reactor (DE 198 07 018 A1).
본 발명의 목적은 제조 기술면에서 그리고 작동 기술면에서 간단하고, 적은 부산물과 동시에 높은 안전성으로 생성물의 높은 수율을 얻을 수 있는, 촉매 기체상 반응에 의해 기체 생성물을 생성시키는 방법 및 상기 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to carry out and to produce a gaseous product by catalytic gas phase reaction, which is simple in terms of manufacturing technology and in operating technology, in which a high yield of product can be obtained with low by-products and high safety at the same time. It is to provide a device for.
방법과 관련한 상기 목적은 청구항 제 1항의 특징에 의해 달성된다.This object with respect to the method is achieved by the features of claim 1.
본 발명에 따라 전체 반응이 하나의 반응기 하우징내에서 다수의 단계로 세분된다. 먼저, 반응기 하우징내로 유입되는, 예열된 그리고 사용 물질로 채워진 가스가 하나의 가열단에서 최상의 스타팅 온도로 가열된다. 가열단에 이어서, 가스가 제 1 반응 단계에서 촉매 물질을 통해 안내된다. 상기 촉매 물질에서 제 1 부분 반응이 일어난다. 그리고 나서, 부분적으로 생성물로 채워진 반응 가스가 상기 반응 단계에서 냉각된다. 즉, 다음 촉매 물질을 통해 흐를 때 최상의 제 2 부분 반응을 보장하는 온도로 냉각된다.According to the invention the whole reaction is subdivided into a number of stages in one reactor housing. First, the gas, which is preheated and filled with the used material, which enters the reactor housing, is heated to the best starting temperature in one heating stage. Following the heating stage, the gas is guided through the catalytic material in the first reaction stage. The first partial reaction takes place in the catalyst material. Then, the reaction gas partially filled with the product is cooled in the reaction step. That is, cooled to a temperature that ensures the best second partial reaction when flowing through the next catalytic material.
점점 더 생성물로 채워지는 반응 가스가 통과하는 반응 단계의 수는 실제 작동에서 5 내지 8일 수 있다. 개별 반응 단계에서 반응 가스와 촉매 물질의 접촉 시간은 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 또한, 촉매체 및 냉각 면에서, 즉 사용 물질, 충전 농도 또는 사용된 촉매 물질의 종류에 따라 반응 단계의 수가 변동될 수 있다.The number of reaction stages through which the reaction gas, increasingly filled with the product, can be 5 to 8 in practical operation. The contact time of the reactant gas and the catalyst material in the individual reaction stages may be the same or different. In addition, the number of reaction steps may vary in terms of catalyst and cooling, i.e., depending on the material used, the concentration of charge or the type of catalyst material used.
반응의 종료 후에, 생성물로 채워진 반응 가스가 반응기 하우징으로부터 배출되어, 냉각 및 후속하는 탈승화 작용 또는 축합을 위해 공급된다.After the end of the reaction, the reaction gas filled with product is withdrawn from the reactor housing and supplied for cooling and subsequent desublimation or condensation.
반응기 하우징내에서 충전 가스 또는 반응 가스의 흐름 방향은 임의일 수 있다. 특히, 상기 흐름 방향은 수직 또는 수평이다.The flow direction of the fill gas or the reactant gas in the reactor housing can be arbitrary. In particular, the flow direction is vertical or horizontal.
본 발명의 중요한 장점은 액체 염욕이 완전히 생략된다는 것이다. 그에 따라 누설에 의해 염 및 반응 가스의 유기 성분이 자발적으로 반응해서 폭발할 위험이 없다.An important advantage of the present invention is that the liquid salt bath is omitted entirely. There is therefore no risk of spontaneous reaction and explosion of the salt and organic components of the reaction gas by leakage.
본 발명의 중요한 장점은 생성물의 수율이 수 퍼센트 만큼 증가한다는 것이다. 그 이유는 개별 반응 단계에 대해 양 조절된 촉매 물질이 최상의 반응 온도에서 더 적은 부산물 및 더 많은 생성물을 형성하기 때문이다. 보다 적은 부산물은 동시에 미정제 생성물의 보다 간단한 증류 및 그에 따라 보다 적은 투자 및 작동 비용을 의미한다.An important advantage of the present invention is that the yield of the product increases by several percent. This is because the amount of catalyst material controlled for each reaction step forms less by-products and more product at the best reaction temperature. Less by-products mean at the same time simpler distillation of the crude product and thus less investment and operating costs.
반응기에 공급되는 가스량 및 사용 물질의 충전은 넓은 한계로 변동될 수 있는데, 그 이유는 촉매 물질이 최상으로 사용될 수 있기 때문이다.The amount of gas supplied to the reactor and the filling of the materials used may vary with wide limits because the catalytic material can be best used.
본 발명에 따른 다단계 반응은 파이프 반응기에서의 산화에 비해 높은 유연성이 있다는 장점을 갖는다. 파이프 반응기는 한 점에서만 최상으로 작동될 수 있다. 그 원인은 충전 및 수율에 영향을 주는 염욕 온도에 있다. 또한, 한번 고정된 촉매체 조합은 변동될 수 없다. 이에 반해, 본 발명은 개별 반응 단계에서 항상 최상의 작동을 보장한다.The multistage reaction according to the invention has the advantage of being more flexible than oxidation in a pipe reactor. Pipe reactors can only work best at one point. The cause lies in the salt bath temperature, which affects filling and yield. Also, once fixed catalyst body combinations cannot be varied. In contrast, the present invention always ensures the best operation in the individual reaction steps.
본 발명에 따른 방법의 범주에서 예컨대, 안트라젠을 안트라퀴논으로 촉매 산화하는 것이 다루어진다.In the scope of the process according to the invention, for example, catalytic oxidation of anthragen to anthraquinone is addressed.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 실시예는 청구항 제 2항의 특징에 제시된다. 여기서는 PAA를 얻는 것이 다루어진다.A particularly preferred embodiment of the method according to the invention is presented in the features of
이 경우에도, 먼저 반응기 하우징내로 유입되는, 예열된 그리고 사용 물질로 채워진 압축 공기가 하나의 가열 단계에서 최상의 스타팅 온도로 가열된다. 가열 단계에 이어서, 사용 물질로 채워진 공기가 제 1 산화 단계에서 촉매 물질을 통해 안내된다. 상기 촉매 물질에서 제 1 부분 산화가 이루어진다. 그리고 나서, 부분적으로 PAA로 채워진 반응 가스가 상기 산화 단계에서 냉각된다. 즉, 다음 촉매 물질의 통과시 최상의 제 2 부분 산화를 보장하는 온도로 냉각된다.In this case too, the preheated and filled compressed air which is introduced into the reactor housing is heated to the best starting temperature in one heating step. Following the heating step, air filled with the use material is guided through the catalytic material in the first oxidation step. A first partial oxidation takes place in the catalyst material. Then, the reaction gas partially filled with PAA is cooled in the oxidation step. That is, it is cooled to a temperature that ensures the best second partial oxidation upon passage of the next catalytic material.
점점 더 PAA로 채워진 반응 가스가 통과하는 산화 단계의 수는 실제 작동에서 5 내지 8일 수 있다. 개별 산화 단계에서 반응 가스와 촉매 물질의 접촉 시간은 동일하거나 또는 상이할 수 있다. 또한, 촉매체 및 냉각 면에서, 즉 사용 물질, 충전 농도 또는 사용된 촉매 물질의 종류에 따라 산화 단계의 수가 변동될 수 있다.The number of oxidation stages through which the reactant gas increasingly filled with PAA can be 5-8 in practical operation. The contact time of the reactant gas and the catalyst material in the individual oxidation stages may be the same or different. In addition, the number of oxidation stages may vary in terms of catalyst body and cooling, i.e., depending on the material used, the concentration of charge or the kind of catalyst material used.
산화의 종료 후에, PAA로 채워진 반응 가스가 반응기 하우징으로부터 배출되어, 냉각 및 후속하는 탈승화 작용을 위해 공급된다.After the end of the oxidation, the reaction gas filled with PAA is withdrawn from the reactor housing and supplied for cooling and subsequent desublimation.
예컨대, 항상 공기/사용 물질-혼합물의 폭발 한계 밖으로 유지하기 위해, 청구항 제 3항의 특징에 따라 부가의 사용 물질이 반응기 하우징에서 교대로 촉매 물질에서의 부분 산화 및 후속하는 냉각을 특징으로 하는 방법으로 PAA로 채워진 반응 가스내로 공급될 수 있다. 공급의 장소는 바람직하게는 반응기 하우징내에서 반응 가스의 흐름 경로의 대략 중심에 놓인다.For example, in order to always keep out of the explosive limits of the air / usable material-mixture, in accordance with the features of claim 3 the additional use materials are alternately characterized in the reactor housing in a way characterized by partial oxidation and subsequent cooling in the catalytic material. It can be fed into the reaction gas filled with PAA. The place of supply is preferably centered approximately in the flow path of the reactant gas in the reactor housing.
반응기 하우징의 차가운 부분에서 사용 물질 및/또는 PAA의 침전을 막고 반응기의 스타팅시 가열 시간을 단축시키기 위해, 청구항 제 4항에 따라 반응기 하우징 및 촉매 물질이 반응기의 스타팅 전에 가열될 수 있다. 이것은 증기에 의해 이 루어질 수 있다. 그러나, 오일 또는 전류가 사용될 수도 있다. 증기가 사용되면, 증기는 가급적 높은 압력을 가져야 한다. 이 경우, 가열 단계 다음의 제 1 산화 단계에 고활성 촉매 물질이 제공됨으로써, 스타팅 동안 필요한 온도가 반응열에 의해 얻어지는 것이 바람직하다. 오일을 사용하면 온도 조절이 용이하다는 장점이 있다. 또한, 가열용 오일이 증류에 사용될 수 있다. 그 경우, 오일 순환을 위해 단 하나의 공통 스타팅 버너가 제공된다.In order to prevent precipitation of the used material and / or PAA in the cold part of the reactor housing and to shorten the heating time at the start of the reactor, the reactor housing and the catalyst material can be heated before starting the reactor according to
본 발명의 또다른 바람직한 특징은 청구항 제 5항의 특징에 제시된다. 그에 따라, 냉각시 발생하는 열이 가열 단계에서 사용 물질로 채워진 공기를 가열시키기 위해 사용될 수 있다. 이 경우에는 내부의 열전달이 이루어진다. 이것을 위해, 적합한 열전달 오일이 바람직하다.Another preferred feature of the invention is set out in the feature of
장치와 관련한 본 발명의 목적은 청구항 제 6항의 특징에 의해 달성된다.The object of the invention with respect to the device is achieved by the features of claim 6.
상기 특징에 따르면, 예열된 그리고 사용 물질로 채워진 가스, 특히 공기의 흐름 방향으로 동일한 횡단면을 갖는 반응기 하우징이 제공된다. 사용 물질로 채워진 공기는 먼저 가열단의 가열 유닛에 이르고, 거기서 공기가 최상의 스타팅 온도로 가열된다. 또한, 가열 유닛은 그것의 저항에 의해 정류기로 작용하도록 형성될 수 있다. 그로 인해, 가열 유닛 바로 다음에 접속된, 제 1 반응 단계의, 특히 산화 단계의 촉매체가 전체 횡단면에 걸쳐 거의 균일한 공기 속도 및 온도를 갖는다. 이것은 후속하는 반응 단계에서도 바람직하다.According to this feature, a reactor housing having the same cross section in the direction of flow of preheated and filled gas, in particular air, is provided. The air filled with the used material first reaches the heating unit of the heating stage, where the air is heated to the best starting temperature. The heating unit can also be formed to act as a rectifier by its resistance. Thereby, the catalyst body of the first reaction stage, in particular of the oxidation stage, connected immediately after the heating unit, has an almost uniform air velocity and temperature over the entire cross section. This is also preferred for subsequent reaction steps.
다수의 반응 단계에서 교대로 촉매체가 생성물, 특히 PAA의 부분 반응, 특히 부분 산화를 위해 가열 유닛에 그리고 후속하는 촉매체의 최상의 반응 온도로 반응 가스를 냉각시키기 위해 냉각 유닛에 제공된다. 여러 촉매체의 길이는 동일하거나 또는 상이할 수 있다.In a number of reaction steps the catalyst body is alternately provided to the heating unit for partial reactions, in particular partial oxidation of the product, especially PAA, and to the cooling unit for cooling the reaction gas to the best reaction temperature of the subsequent catalyst body. The length of the various catalyst bodies may be the same or different.
청구항 제 7항에 따르면, 가열 유닛, 촉매체 및 냉각 유닛의 유입 횡단면은 동일한 크기로 설계된다. 따라서, 촉매 부분 반응, 특히 부분 산화에 바람직한, 반응기 하우징의 모든 영역에서 균일한 가스 속도를 가진, 촉매체 및 냉각 유닛의 간단한 구성이 이루어진다.According to
본 발명의 특히 바람직한 실시예는 청구항 제 8항의 특징에 제시된다. 이것에 따르면, 가열 유닛, 촉매체 및 냉각 유닛이 모듈 방식으로 형성되고 교체 가능하게 반응기 하우징에 통합된다. 이러한 모듈 방식 디자인은 촉매체 및 냉각 유닛이 반응기 하우징의 횡단면에 맞춰진 프레임내로 내장됨으로써, 촉매체 및 냉각 유닛에 대해 동일한 유입 횡단면이 얻어질 수 있게 한다. 이것은 간단한 구성과 더불어 균일한 가스 속도를 수반한다.Particularly preferred embodiments of the present invention are presented in the features of
모듈 방식 디자인은 촉매체, 냉각 유닛 및 가열 유닛이 프레임을 통해 개별적으로 반응기 하우징내로 삽입됨으로써, 개별 프레임이 반응기 하우징으로부터 분리되고 다시 삽입될 수 있게 한다. 따라서, 촉매 물질의 관리, 세척 및 교체가 매우 신속히 이루어질 수 있다. 또한, 모듈 방식 디자인은 기술적 개발이 이루어지는 경우 나중 시점에서 냉각 유닛을 포함하는 모듈이 촉매체를 가진 모듈로 또는 그 역으로 교체할 수 있게 한다. 또한, 경제적인 방식으로 나중의 확장 또는 개장을 위한 자유 필드가 제공될 수 있다. 또한, 본 발명의 범주에서 필요한 경우 단시간에 교체를 수행할 수 있도록, 촉매체 및/또는 냉각 유닛을 가진 개별 모듈을 경제적으로 제공하는 것도 가능하다.The modular design allows the catalyst body, the cooling unit and the heating unit to be individually inserted through the frame into the reactor housing, so that the individual frames can be separated from the reactor housing and reinserted. Therefore, the management, washing and replacement of the catalyst material can be made very quickly. In addition, the modular design allows the module comprising the cooling unit to be replaced by a module with a catalyst body and vice versa at a later point in time when technical development takes place. In addition, a free field can be provided for later expansion or retrofitting in an economical manner. It is also possible to economically provide individual modules with catalyst bodies and / or cooling units so that replacements can be carried out in a short time if necessary within the scope of the invention.
본 발명에서는 각각의 촉매체 및 각각의 냉각 유닛을 하나의 프레임내로 내장하고 모듈로서 취급하는 것도 가능하다. 청구항 제 9항에 따라, 촉매체 및 냉각 유닛을 공통으로 하나의 프레임내에 배치함으로써 교체 가능한 모듈로서 통합하는 것도 가능하다. 이로 인해, 필요한 장소가 감소되며, 이것은 반응기 하우징의 단축과 더불어 재료의 절감을 수반한다.In the present invention, it is also possible to embed each catalyst body and each cooling unit into one frame and treat them as modules. According to
본 발명에서 가열 유닛 또는 냉각 유닛이 어떻게 형성되는지가 즉, 플레인 단부 파이프를 가진 열교환기가 사용되는지 또는 다른 적합한 열전달면을 가진 열교환기가 사용되는지가 중요하지 않지만, 청구항 제 10항의 바람직한 실시예에 따라 가열 유닛 및 냉각 유닛이 리브 파이프-열교환기로 형성된다.It is not important in the present invention how the heating unit or cooling unit is formed, i.e. whether a heat exchanger with a plain end pipe or a heat exchanger with another suitable heat transfer surface is used, but according to the preferred embodiment of
청구항 제 11항의 특징에 따라 촉매 물질이 제공된 링, 볼 또는 유사한 지지체가 촉매체로 사용될 수 있다.In accordance with the features of claim 11 a ring, ball or similar support provided with a catalytic material may be used as catalyst body.
청구항 제 12항에 따라 허니 콤 (honey comb)이 사용될 수 있는데, 허니 콤은 모듈로서 매우 신속히 탈착될 수 있다는 부가의 장점을 갖는다.Honey combs can be used according to
가열 유닛에서 가스/사용 물질-혼합물의 부가 예열을 위해 필요한 열은 청구항 제 13항에 따라 후속하는 반응 단계, 특히 산화 단계에 배치된, 열을 방출하는 적어도 하나의 냉각 유닛으로부터 빼내질 수 있다. 이 경우에는 내부의 열전달이 이루어진다. 이것을 위해, 예컨대 간단한 온도 조절의 장점을 갖는 적합한 열전달 오일이 사용될 수 있다. 또한, 상기 뜨거운 열 전달 오일은 증류 동안 가열을 위해 사용될 수 있다. 이것을 위해, 하나의 공통 스타팅 버너를 구비한 단 하나의 공통 오일 순환계가 필요하다.The heat necessary for the additional preheating of the gas / use material-mixture in the heating unit can be withdrawn from at least one cooling unit which dissipates heat, which is arranged in a subsequent reaction step, in particular an oxidation step, according to
폭발의 경우, 반응기 하우징에 높은 압력이 생기지 않도록 하기 위해, 청구항 제 14항에 따라 이것에 적합한, 반응기 하우징의 여러 장소에 폭발 개구가 제공된다. 상기 개구의 크기는 혼합물 조성, 온도 및 경감될 체적에 의존한다. 폭발 개구는 고유의 폭발 안전 수단의 제거에 의해 동시에 반응기 하우징의 검사, 관리 및 세척을 위한 맨홀로서 사용될 수 있다.In the case of an explosion, explosion openings are provided at various places in the reactor housing, which are suitable for this according to
반응기 하우징이 폭발 개구에 의해 불필요하게 커지지 않도록 하기 위해 그리고 경감될 체적을 가급적 적게 유지하기 위해, 청구항 제 15항에 따라 폭발 개구가 직접 촉매체에 배치되는 것이 바람직하다. 폭발 안전 수단을 가진 폭발 개구는 바람직하게는 반응기 하우징내로 통합될 수 있는, 촉매체를 가진 프레임의 구성 부분을 형성한다.In order to ensure that the reactor housing is not unnecessarily enlarged by the explosion openings and to keep as little as possible the volume to be reduced, it is preferred that the explosion openings are arranged directly in the catalyst body according to
청구항 제 16항에 따라 반응기 하우징이 가열될 수 있다. 이것은 특히 스타팅시 가열 시간을 단축함으로써, 차가운 하우징 부분에서 사용 물질 또는 생성물이 침전되는 것을 막는데 바람직하다. 이것을 위해, 증기, 오일 또는 전류가 사용될 수 있다. 예컨대, 반응기 하우징의 외부면에 가열 파이프가 제공되고, 상기 가열 파이프에는 적합한 열전달 매체가 제공될 수 있다.The reactor housing can be heated according to
이하, 본 발명을 첨부된 도면에 도시된 실시예를 참고로 구체적으로 설명한다.Hereinafter, with reference to the embodiment shown in the accompanying drawings the present invention will be described in detail.
도 1에는 상세히 도시되지 않은 프탈산 무수물(PAA)을 얻기 위한 장치의 구성 부분인 반응기(1)가 도시된다. 반응기(1)는 유입 캡(3) 및 배출 캡(4)을 제외 한 나머지 종방향 섹션(5)에 걸쳐 동일한 횡단면을 가진, 긴 반응기 하우징(2)을 포함한다. 유입 캡(3), 배출 캡(4) 및 그 사이에 놓인 종방향 섹션(5)의 외부 표면에는 파이프(6)가 장착된다. 상기 파이프(6)에는 적합한 열전달 매체, 예컨대 오일이 공급될 수 있다.1 shows a reactor 1 which is part of an apparatus for obtaining phthalic anhydride (PAA), which is not shown in detail. The reactor 1 comprises an
또한, 도 1에 나타나는 바와 같이, 유입 캡(3), 배출 캡(4) 및 그 사이에 놓인 종방향 섹션(5)에서 반응기 하우징(2)의 벽에 폭발 안전 수단(8)을 갖춘 폭발 개구(7)가 형성된다.In addition, as shown in FIG. 1, an explosion opening with explosion safety means 8 on the wall of the
반응기 하우징(2)은 유입 캡(3)을 통해 유입된 공기와 사용 물질, 예컨대 o-크실렌으로 이루어진 혼합물(9), 및 배출 캡(4)을 통해 반응기 하우징을 벗어나는, PAA로 채워진 반응 가스(10)의 흐름 방향에서 먼저 유입 캡(3) 근처에서 가열단(HST)에 혼합물(9)를 가열하기 위한 가열 유닛(11)을 포함한다. 가열 유닛(11)은 모듈 방식으로 형성되며 상세히 도시되지 않은 프레임에 삽입될 수 있는 리브 파이프 열교환기로 형성된다. 상기 프레임은 프레임 플레이트(12)에 의해 반응기 하우징(2)의 개구(12a) 둘레에 탈착 가능하게 고정된다. 가열 유닛(11)에 대한 가열 매체의 공급 및 배출을 위한 접속부는 (13) 및 (14)로 도시된다.The
혼합물(9)의 흐름 방향에서 가열 유닛(11) 다음에 제 1 산화단계(Ⅰ)에 촉매체(15)가 간격을 두고 접속된다. 촉매체(15)는 링, 볼, 허니 콤 또는 유사한 지지체상에 도포된 촉매 물질을 포함한다. 촉매 물질은 프레임(16)내에 내장된 촉매체(15)내에 채워진다(참고: 도 3). 따라서, 촉매체(15)가 모듈 방식으로 형성되어 프레임 플레이트(17)에 의해 반응기 하우징(2)의 벽(19)에서 개구(18)의 둘레 에 고정된다.In the flow direction of the
가열 유닛(11)과 촉매체(15) 사이에는 온도 측정점(20)이 배치된다.The temperature measuring point 20 is disposed between the heating unit 11 and the
제 1 산화단계(Ⅰ)에서 냉각 유닛(21)이 촉매체(15)와 간격을 두고 반응기 하우징(2)내에 탈착 가능하게 통합된다(참고: 도4). 냉각 유닛(21)은 리브 파이프 열교환기로 이루어진다. 냉각 유닛(21)은 모듈 방식으로 프레임 플레이트(22)에 의해 반응기 하우징(2)의 벽(19)에 제공된 개구(23)의 둘레에 고정된다. 냉각 매체의 공급 및 배출을 위한 접속부는 (24) 및 (25)로 도시된다.In the first oxidation stage I, the cooling
촉매체(15)와 냉각 유닛(21) 사이에 제 2 온도 측정점(26)이 제공된다.A second
도 1에 나타나는 바와 같이, 촉매체(15) 및 냉각 유닛(21)을 가진 제 1 산화 단계(Ⅰ) 다음에 단계별로 차례로 제 2 산화 단계(Ⅱ)에는 촉매체(27) 및 냉각 유닛(28)이, 제 3 산화 단계(Ⅲ)에는 촉매체(29) 및 냉각 유닛(30)이, 제 4 산화 단계(Ⅳ)에는 촉매체(31) 및 냉각 유닛(32)이, 그리고 제 5 산화 단계(Ⅴ)에는 촉매체(33) 및 자유 필드(34)가 제공된다. 모듈 방식으로 형성된 촉매체(27), (29), (31) 및 (33) 그리고 냉각 유닛(28), (30) 및 (32)이 도 3에 따라 프레임 플레이트(17), (22)에 의해 반응기 하우징(2)의 벽(19)에 있는 개구(18), (23)의 둘레에 탈착 가능하게 고정된다. 물론, 흐름 방향으로 놓인 촉매체(15), (27), (29), (31) 및 (33)의 길이는 상이하게 형성된다. 실시예에서, 촉매체(15), (27), (29), (31) 및 (33)의 촉매 물질은 동일하게 형성된다. 냉각 유닛(28), (30) 및 (32)은 냉각 유닛(21)과 마찬가지로 리브 파이프 열교환기로 형성되고 가열 매체에 대한 접속부(24), (25)를 갖는다.As shown in FIG. 1, the
또한, 도 3에 나타나는 바와 같이, 반응기 하우징(2)의 벽(19)에서 촉매체( (27) 및 (31)와 이것 다음에 접속된 냉각 유닛(21), (28) 및 (32) 사이에 있는 폭발 개구(7) 대신에 그러한 폭발 개구(7)가 파선으로 표시된 바와 같이 촉매체(15), (27), (29), (31) 및 (33)에 직접 배치될 수 있다. 이 경우, 폭발 개구(7)는 프레임 플레이트(17)내에 배치된다.In addition, as shown in FIG. 3, between the
도 1, 3 및 4에서는 촉매체(15), (27), (29), (31) 및 (33) 그리고 냉각 유닛(21), (28), (30) 및 (32)이 서로 일정한 간격을 두고 차례로 배치되고 탈착 가능하게 반응기 하우징(2)내에 통합되는 한편, 도 5에서는 촉매체(35) 및 냉각 유닛(36)이 산화 단계(Ⅵ)로서 모듈 방식으로 단 하나의 프레임(37)내에 지지되고 프레임 플레이트(38)에 의해 반응기 하우징(2)의 벽(19)에 제공된 개구(39)의 둘레에 고정된다. 따라서, 상기 촉매체(35) 및 냉각 유닛(36)이 함께 반응기 하우징(2)으로부터 꺼내지고 다시 통합될 수 있다.1, 3 and 4, the
도 1 및 2를 함께 고려해 볼 때, 가스 온도의 변동은 유입 캡(3)내로 혼합물(9)이 유입될 때 부터 반응 가스(10)가 배출 캡(4)을 통해 배출될 때까지 나타난다.1 and 2 together, fluctuations in gas temperature appear from when the
혼합물(9)은 약 180℃의 온도로 반응기 하우징(2)내로 유입된다. 가열 유닛(11)을 통과할 때 혼합물(9)은 약 270℃의 온도로 된다. 상기 온도는 스타팅 온도로서 충분하므로, 후속하는 제 1 산화 단계(Ⅰ)의 촉매체(15)에서 약 380℃로 최상의 부분 산화가 이루어질 수 있다.The
이제 부분적으로 PAA로 채워진 반응 가스가 제 1 산화 단계(Ⅰ)의 냉각 유닛(21)을 통해 흐르고 여기서 약 300℃로 재냉각된다. 이로 인해, 후속하는 제 2 산화 단계(Ⅱ)의 촉매체에서 다시 최상의 부분 산화를 보장하는 온도가 형성된다.The reaction gas, now partially filled with PAA, now flows through the cooling
도 2에 따른 온도 변동은 촉매체(27), (29) 및 (31) 다음에 접속된 각각의 냉각 유닛(28), (30) 및 (32)이 다음의 촉매체(29), (31) 및 (32)가 다시 최상의 부분 산화를 보장하기 위해 제공되고, 마지막으로 PAA로 채워진 반응 가스(10)가 약 380℃의 온도로 배출 캡(4)으로부터 배출되는 것을 명확히 나타낸다.The temperature fluctuations according to FIG. 2 are characterized in that the
제 1 산화 단계(Ⅰ)와 제 2 산화 단계(Ⅱ) 사이의, 제 2 산화 단계(Ⅱ)내의, 제 2 산화 단계(Ⅱ)와 제 3 산화 단계(Ⅲ) 사이의, 제 3 산화 단계(Ⅲ)내의, 제 3 산화 단계(Ⅲ)와 제 4 산화 단계(Ⅳ) 사이의, 제 4 산화 단계(Ⅳ)내의, 제 4 산화 단계(Ⅳ)와 제 5 산화 단계(Ⅴ) 사이의, 그리고 제 5 산화 단계(V) 다음의 온도 측정점은 (40)-(47)로 표시된다.A third oxidation step (i) between the first oxidation step (I) and the second oxidation step (II), between the second oxidation step (II) and the third oxidation step (III), Between the third and fourth oxidation stages (IV), between the third and fourth oxidation stages (IV), between the third and fourth oxidation stages (IV), and The temperature measurement point following the fifth oxidation step (V) is represented by (40)-(47).
도 1은 또한 촉매체(15), (27), (29), (31) 및 (33)에 대한 유입 횡단면과 냉각 유닛(21), (28), (30) 및 (32)에 대한 유입 횡단면이 동일하다는 것을 나타낸다. 이로 인해, 프레임(16)에도 동일한 디자인 및 매우 간단한 모듈 구성이 주어지므로, 촉매체(15), (27), (29), (31) 및 (33)내의 촉매 물질에서 촉매에 의한 부분 산화에 있어 균일한 속도가 나타난다.1 also shows the inlet cross section for
동일한 특성이 도 5에 따른 산화 단계(Ⅵ)가 사용될 때 적용된다.The same property applies when the oxidation step (VI) according to FIG. 5 is used.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 제조 기술면에서 그리고 작동 기술면에서 간 단하고, 적은 부산물과 동시에 높은 안전성으로 생성물의 높은 수율을 제공한다.The method and apparatus according to the invention are simple in manufacturing technology and in operating technology, and provide high yields of products with low by-products and high safety.
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