KR100679752B1

KR100679752B1 - 발열성 기체상 반응을 실행하기 위한 다중구역 관형 반응기

Info

Publication number: KR100679752B1
Application number: KR1020057014127A
Authority: KR
Inventors: 프리드리히 귀틀후버; 만프레트 레어; 군나 하이드리히; 군터 뷘데커; 슈테판 슐리터; 미하엘 헤쎄; 마르쿠스 뢰쉬; 알렉산더 벡; 롤프 하르트무트 피셔
Original assignee: 만 데베에 게엠베하
Priority date: 2003-01-31
Filing date: 2003-01-31
Publication date: 2007-02-06
Also published as: CN1738677A; WO2004067165A1; AU2003202596A1; EP1590076A1; US20070036697A1; KR20050097965A; CN1738677B; JP2006513839A

Abstract

본 발명은 발열성 기체상 반응들을 실행하기 위한 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130)에 관한 것이다. 상기 반응기는 증발 냉각기로 작동하는 적어도 하나의 반응구역(I), 순환 냉각기로 작동하는 적어도 하나의 반응구역(II) 및 선택적으로 또 다른 구역들(III,IV)을 갖는다. 상기 반응기는 증발 냉각기로 작동하는 반응구역(I)이 첫 번째 반응구역을 구성하고, 증발 냉각기나 순환 냉각기로 작동하는 또 하나의 반응구역(II)이 상기 첫 번째 구역에 인접하여 연결되는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여, 정확하게 조정가능하며 무엇보다도 전체 반응기 횡단면에 걸쳐 일정한 온도에서 반응이 가장 격렬하게 진행되는 반응의 시작시, 매우 집중적인 냉각이 가능하도록 한다. 또한, 순환 냉각기로 작동하는 추후 반응구역(post-reaction zone)에서는 열전달 매체의 전반적인 반대 방향 흐름(counter-flow)에 의하여 반응 가스의 계속적인 냉각이 달성될 수 있다.

Description

발열성 기체상 반응을 실행하기 위한 다중구역 관형 반응기{MULTI-ZONE TUBULAR REACTOR FOR CARRYING OUT EXOTHERMIC GAS-PHASE REACTIONS}

본 발명은 청구항 1의 전제부에 따른 발열성 기체상 반응을 실행하기 위한 다중구역 관형 반응기에 관한 것이다.

DE 100 21 986 A1에 의하면, 높은 반응열을 가진 산화과정들에서 반응 혼합물의 점화 위험을 막기 위해 반응기 튜브들을 따라 온도를 조절하는 것은, 관형 반응기를 열전달 매체 측에서 분리 플레이트(plate)로 두 개의 연속적인 구역들로 나눔으로써 달성된다. 상기 구역들 중 하나는 증발구역으로서, 열 흡수에 의해 증발하는 열전달 매체(heat transfer medium)와 함께 작동한다. 관형 반응기의 이러한 작동은 원칙적으로 이미 EP 0 532 325 B1에 알려져 있다. 이 문헌에서는 에틸렌 옥사이드(ethylene oxide)를 얻기 위한 것, 즉 비교적 낮은 온도에서 진행하는 과정에 관한 것이다. 열전달 매체로는 물이 사용된다. 이 반응기는 단지 하나의 반응구역을 가진다. 이 반응구역에는 추후에 공급되는 물이 통과하는 추후 냉각구역이 이어진다.

DE 100 21 986 A1에 의하면(상기 내용을 참조할 것), 아랫측의 반응 가스 입구에서, 반응이 가장 격렬하게 진행되는 첫 번째 구역은 위에 뒤따르는 증발구역과 동일한 열전달 매체에 의해 순환 냉각기로 작동된다. 상기 열전달 매체는 순환 펌프를 통하여 냉각기를 통과하며, 반응기에서는 가스 입구 멀리에서 가열된다. 하지만 냉각기와 순환 펌프가 없는 증발구역에서는 첫 번째 구역의 열전달 매체 온도에 따라 불가피하게 불변적인 열전달 매체 온도가 생긴다. 증발구역에 생기는 증기는 원심 분리기(증기 드럼)에서 두 번째 구역의 시작시 되돌아가는 증발되지 않은 열전달 매체와 분리된다. 증발된 열전달 매체는 외부에서 첫 번째 구역에 공급되는 유동적인 열전달 매체에 의해 대체된다.

다른 한편으로는, 무엇보다도 예를 들면 말레산 무수물(maleic anhydride)에서 부탄디올이나 테트라히드로푸란(tetrahydrofuran)을 얻기 위한 수산화 과정들이 있다. 또한, 경제적인 실행을 위해 어떤 방법으로든 시작시 온도를 매우 정확히 지켜야 하는 예컨대 아세트산, 메탄올, 에틸렌 옥사이드의 생산과 같은 일정한 산화과정들도 있다. 2002년 12월 12일자 PCT 출원 PCT/EP02/14187에 개시된 바와 같이, 모든 가능한 도움 방법에도 불구하고, 상기 과정은 매우 높은 순환량과 높은 투자비용과 작동비용을 가진 순환 냉각 시스템 자체를 가지고 도달될 수 없다. 또한, 반응온도도 낮다. 따라서, 낮은 온도 차이로 인해 냉각기를 통한 수증기(water vapor) 생산을 통하여 열 분리를 하기 위해서는, 매우 큰 냉각기 면적과 높은 투자비용이 필요할 것이다. 그럼에도 불구하고 이렇게 하여 얻어진 증기는 낮은 온도와 낮은 응력으로 인해 비교적 품질이 좋지 않을 것이다.

이 점에 대해, 본 발명은 해결책을 제공한다. 본 발명의 목적은 비교적 낮은, 하지만 어쨌든 초기에 정확하게 지켜지는 온도에서 경제적으로 작동하는 발열성 기체상 반응 과정들을 위한 관형 반응기를 제공하는 것이다.

상기 목적은 본 발명의 청구항 1의 특징들에 의해 달성된다. 바람직한 형성들은 종속항에 기재되어 있다.

첫 번째 반응구역을 증발구역으로 형성함으로써, 반응의 시작시 온도를 매우 정확하게 조정할 수 있으며, 무엇보다도 단위 면적당 전달 열(heat transferred per unit surface)이 매우 높을 때 조차도 전체 튜브 다발 횡단면에 걸쳐 완전하게 일정한 온도가 지켜질 수 있다. 또한, 순환 펌프(수선과 정비가 매우 필요한 부품)와 냉각기가 필요하지 않다. 발생하는 증기(보통의 경우, 수증기)는 직접 끌어낼 수 있으며, 고압이며 열역학적으로 가치가 크다. 상기 증기의 압력과 함께, 증기의 온도 및 해당 반응구역 안에 있는 두 개의 상(two phase)의 혼합물의 온도도 아주 정확하게 조정될 수 있다.

이어지는 추후 반응구역이 동일한 열전달 매체로 작동되는 한, 순환 펌프에서 증기가 중지되는 것을 확실하게 하기 위해, 열전달 매체 압력이 이 구역에서 보다 크게 유지되어야만 할 경우라도, 그 사이에 놓이는 분리 플레이트에서 정확한 패킹은 불필요하다. 원하는 경우에는, 양 구역들은 의도적으로 서로 연통할 수 있다. 첫 번째 반응구역에서 배출된 증기를 이어지는 구역을 통해 대체하기 위해 열전달 매체의 공급이 이루어지고, 동시에 공급된 열전달 매체를 가열하기 위해서이다. 해당 추후 반응구역은, 특히 반응가스 배출구를 향해 그곳에 공급된 열전달 매체에 의해 집중적으로 냉각된다.

이하, 몇몇 실시예들을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 처리 가스 흐름과 관련하여, 소위 첫 번째 증발구역과 열전달 매체 순환과 함께 작동하는 이어지는 추후 반응구역과 연결된 부품들을 가진 본 발명에 따른 관형 반응기의 일 실시예의 종단면도(회로도 방식으로 도시되어 있음),

도 2는 몇 가지 변경 사항과 추가적인 상세 내용을 가지는 연결된 부품들을 포함하고 두 개의 열전달 매체 루프는 의도적으로 서로 연통하는 유사한 관형 반응기의 종단면도,

도 3은 도 2와 유사하나, 두 번째 추후 반응구역에 이어지고 열전달 매체 공급이 이루어지는 추후 냉각구역을 가진 관형 반응기의 종단면도, 및

도 4는 본 발명에 따른 총 4개의 구역을 가지며, 첫 번째 반응구역은 유입되는 처리 가스를 위한 예열구역이고 마지막 반응구역은 유출되는 처리 가스를 위한 추후 냉각구역인, 연결된 부품들을 가지는 관형 반응기의 외부를 도시한 도면이다.

도 1에 도시된 관형 반응기(2)는 수직으로 서 있는 원통형 반응기 재킷(4)을 가지며, 이 반응기 재킷은 중공(hollow) 원통형의 반응 튜브 다발(6, reaction tube bundel, 외부와 내부 경계선만 파선으로 암시되어 있음)을 둘러싼다. 튜브 다발(6)은 두 개의 튜브 시트들(8,10) 사이에서 밀폐 연장된다. 튜브 시트들(8,10)은, 파이프 커넥션(16,18)을 통해 공급되거나 배출되는 처리 가스(process gas)를 위한 가스 도입 후드(12, 여기서는 상부에 배치됨) 또는 가스 배출 후드(14)로 덮힌다. 상기 처리 가스는 튜브 다발(6)의 튜브들에서 그 안에 위치하는 촉매 충전(catalytic filling)을 통해 반응한다. 그때 발생하는 반응열을 제거하고 튜브 벽 온도를 각 과정에 적합한 방식으로 조절하기 위해, 튜브들은 반응기 재킷(4)의 내부에서 본질적으로 유동적인 열전달 매체에 의해 둘러싸인다. 상기 열전달 매체는 튜브들에 의해 수용된 초과 열(excess heat)을 외부로 방출한다. 상기 열전달 매체는 일반적으로 도 1에 도시된 순환 펌프(20)와 같은 순환 펌프를 통하여, 한 쪽은 반응기 재킷을 통해 다른 한 쪽은 도 1에 도시된 냉각기(22)와 같은 냉각기를 통해 순환된다. 상기 냉각기에서는 방출된 열에서 수증기가 얻어진다. 해당 반응기 또는 반응기 부분에서, 보다 우수한 열 전달을 위해 열전달 매체의 난류 흐름과 튜브들을 따라서 원하는 온도 프로파일(temperature profile)을 달성하기 위하여, 반응기 재킷(4)의 내부에는 튜브들의 적어도 하나의 주요한 부분에 의해 더블 밴드되며(double-bended) 서로 교대하는 링 모양과 원판 모양의 전향(轉向)부들, 즉 도시된 바와 같이 전향부들(24,26)이 제공된다. 상기 전향부들은 반응기 횡단면으로 흐름을 분배하기 위하여 튜브들 둘레에서 및/또는 튜브들 사이에서 가변적인 횡단면을 가지는 통과 구멍들(소위, 분기류(partial stream) 구멍들)을 가질 수 있으며, 경 우에 따라서는 진동에 대하여 튜브들을 지지하기 위해 사용될 수 있다. 도시된 바와 같이, 냉각기를 통해 소산되어야 하는 열량과 반응기 안에서 생기는 처리 온도를 조절하기 위하여, 냉각기는 순환 펌프(20)와 반응기(2)를 포함하는 주요 열전달 유체 루프에 대한 밸브 제어(valve-controlled) 분로(shunt circuit)에 배치된다. 반응기 둘레에 걸쳐 들어오고 나가는 열전달 매체를 가능한 한 균일하게 분배하기 위해, 반응기에서 열전달 매체의 배출과 공급은 반응기 재킷(4)에서 링 채널들을 통해 이루어진다. 오늘날, 이러한 모든 방법들은 바람직한 처리 온도 조절과 기타 등등을 달성하기 위해 흔히 볼 수 있다. 또한, DE-A-2 201 528 또는 WO 90/06807에 기재된 바와 같이, 튜브 길이에 걸쳐 보다 효력이 있는 온도 조절을 위해 순환된 열전달 매체의 부분량을 추가적인 링 채널들을 통해 그 사이에 놓이는 위치들에서 튜브 길이를 따라 배출시키고 및/또는 공급하는 것은 흔하며, 열전달 매체를 위해 바이패스 경로(소위, 바이패스(bypass))를 마련하거나 어느 정도 밀폐되는 분리 플레이트를 통하여 반응기를 각각 고유의 열전달 매체 순환을 갖고 연속하는 다수의 구역들로 분할하는 것도 흔하다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따르면, 반응기(2)를 통과하여 들어오는 처리 가스와 관련하여 첫 번째 반응구역(I)은 증발 냉각기로 작동되며, 이에 이어지는 두 번째 반응구역(II)은 통상적인 방식에 의해 순환 냉각기로 작동된다. 양 냉각 시스템이 서로 분리된 것과 마찬가지로, 상기 양 구역들(I,II)은 분리 플레이트(28)에 의해 서로 분리된다. 이러한 냉각 시스템에서 발생하는 높은 압력으로 인해(예를 들면 290℃의 뜨거운 물의 증기압은 약 70bar이며, 190℃의 뜨거운 물의 증기압은 15bar이다), 튜브 시트들과 반응기 재킷은 비교적 강하게 형성되어야만 한다. 반면, 링 채널들(여기서는 링 채널들(30,32,34,36))은 도시된 바와 같이 반응기 재킷의 내부로 옮겨지는 것이 바람직하다. 여기서 상기 링 채널들은 현저한 압력 차이에 노출되지 않는다. 링 채널들은 또한 링 채널(30)에 도시된 바와 같이 통상적인 링 채널들과는 달리 반응기 내부를 향해 둘러싸고 관통하며 오픈될 수 있다.

반응구역(I)에서 발생하는 증기는 증기-물 혼합물로서 수직 배관(38, 볼륨이 일치해야함)을 통해 반응기(2)의 상부에 배치된 증기 드럼(40)에 공급된다. 여기서 증기는 무(無)단계로 조절가능한 밸브(42)를 포함하는 증기 도관(44)을 통해 흔히 볼 수 있는 증기 시스템으로 방출된다. 밸브(42)를 통해, 증기압과 전체 반응구역(I)에 퍼져있는 열전달 매체의 온도는 매우 정확하게 조절될 수 있다. 증기 몫에서 증기 드럼(40)에 빼앗긴 물은 다운 파이프(46)와 링 채널(32)을 통해 반응기 재킷(4)으로 역류한다. 이때, 도관들(38)을 통과하여 상승하는 열전달 매체에서 증기 몫이 보다 적은 비중에 의해 이를 위로 상승시킴으로써, 중력만으로 순환이 유지된다.

증기 드럼(40)으로 부터 증기로 방출되는 열전달 매체는 계속해서 공급도관(48, feed line)을 통해 증기 드럼으로 공급된 피드 워터(feed water)로 대체된다. 상기 피드 워터는 여기서 배출된 증기의 부분을 매개로 예열될 수 있으며, 이때 증기는 응결된다. 또한, 피드 워터는, 다운 파이프(46, down pipe)로 들어가는 물의 구역별로 나타나는 응고점 이하의 냉각을 피하기 위하여, 공지의 방식으로 주입 수 단(도시되지 않음)를 통해 주입될 수 있다. 유동 단계에서 완전한 증기 분리를 위해, 증기 드럼(40)에서는 고유의 원심 분리기가 제공될 수 있다. 상기 원심 분리기는 가장 간단한 경우에는 하나 또는 다수의 배플 플레이트(baffle plate)로 구성된다. 이에 일치하는 증기 드럼의 형성은 잘 알려져 있으므로 여기에서 더 자세히 설명할 필요가 없다.

분리 플레이트(28)가 완전히 밀폐되는 한 - DE-A-2-201 528에 기재된 바와 같이, 도관을 둘러싼 패킹은 파이프 침투(pipe penetration)의 영역에서 파이프들을 넓힘으로써 달성될 수 있다 - 양 반응구역들(I, II)은 원하는 경우에는 여러 가지의 열전달 매체를 가지고 가동될 수 있다. 하지만 보통의 경우에는 동일한 열전달 매체, 특히 물을 선택한다. 상기 물의 증기는 즉시, 경우에 따라서는 스로틀링(throttling) 후에 흔히 볼 수 있는 증기 시스템에 공급될 수 있다.

튜브 시트(8) 가까이에서, 첫 번째 반응구역(I)에서 나타나는 증기-물 혼합물의 부분은, 먼저 유입되는 반응 가스를 빠르게 반응 온도로 가열시키는데 사용된다. 반응구역(I)을 증발 구역으로 형성함으로써, 여기서는 반응이 시작할 때, 즉 반응이 가장 강렬하게 진행될 때 매우 정확하게 온도를 조절하면서 최적의 냉각이 달성될 수 있다. 한편으로는, 순환 펌프(20)를 통해 운반된 열전달 매체가 냉각기(22)를 통해 운반된 분기류(partial stream)에 의해 냉각됨으로써, 이어지는 반응구역(II)에서는 동일한 열전달 매체를 가지고 작동될지라도 더 낮은 온도와 처리 가스 배출구를 향한 온도 차이가 조절될 수 있다. 이하 도 2에 도시된 바와 같이, 구역(II)에서의 이러한 작동 방식은 양 구역들(I,II)이 열전달 매체 측으로 서로 연관되어야만 가능하다.

도 2는 기본적으로 도 1의 반응기(2)와 같이 형성된 반응기(60)를 도시하고 있다. 기본적인 차이점은, 도 2에서는 두 개의 열전달 유체 루프가 의도적으로 순환 펌프(20)의 도입측에서 수직 배관(38)으로 통하는 도관(62)을 통해 서로 연결되며, 반응구역(I)에서 증발에 의해 사라진 열전달 매체는 공급 도관(64)을 통해 반응구역(II)의 열전달 매체 순환으로 공급되는, 더 정확하게는 파선으로 도시된 바와 같이 순환 펌프(20)의 앞 또는 뒤에서 공급되는 열전달 매체에 의해 대체된다. 이때, 구역(II)에서 이렇게 공급된 열전달 매체는 냉각에 기여하며, 상기 열전달 매체는 스스로 바람직한 방식으로 가열된다. 마찬가지로, 증기 드럼(40)에서는 높은 온도 차이가 예방되며, 여기서부터 도관(46)을 통해 돌아온 열전달 매체의 응고점 이하의 냉각은 배제된다.

도 2와 이하 도면에서, 도 1과 유사한 부분들은 동일한 참조 부호로 표시하였다.

도 2에 도시된 바와 같이, 구역(I)에서 반응기 재킷(4)으로의 열전달 매체 공급이나 반응기 재킷으로의 열전달 매체 배출은 반응기 재킷을 둘러싸는 링 모양의 파이프 라인(66,68)을 통해 이루어짐으로써, 원하는 경우에는 구역(I)과 관련하여 도 1에 도시된 안쪽에 위치한 링 채널들(30, 32)과 같은 링 채널들이 없어도 된다. 상기 파이프 라인들은 둘레에 분배된 방사상의 다수의 연결 파이프 커넥션(70,72)을 통해 재킷 내부와 연결된다. 파이프 라인들(66,68)과 파이프 커넥션들(70,72)은 압축 강도를 이유로 원형의 횡단면을 갖는 것이 바람직하다. 필요한 경 우에는 파이프 커넥션(70)에 도시된 바와 같이 상기 파이프 라인들과 파이프 커넥션들은 보다 정확한 흐름 분배를 위해 스로틀 지점들(73,throttle points)을 포함할 수 있다.

또한 도 2에서는 분리 플레이트(28)가 반응 재킷(4)과 튜브 다발(6)의 여러 가지 열팽창을 조정하기 위해 팽창 보정기(74)를 통하여 한쪽으로 치우친 금속판(sheet metal) 링의 형상으로 반응 재킷에 매달려 있으며, 분리 플레이트(28) 위에 증기의 공급을 위한 링 모양의 스파저(sparger) 도관(76)에 배치될 수 있음을 보여준다. 특히 후자의 경우는 무엇보다도 반응기의 시동시 반응이 생기기 전에 구역(I)을 예열할 수 있다는 점에서 의미가 있다.

열전달 매체의 흐름을 실질적으로 방해되지 않으며, 구역(I) 내부에서 튜브 다발(6)의 튜브들은 진동에 대해 안정하도록 지지 플레이트, 지지 격자 또는 이와 유사한 것을 통해 지지된다. 그리고 나서, 도 2의 반응구역(II)의 링 채널들(34, 36)은 원하는 흐름 분배를 야기하기 위하여 각기 축방향으로 포개어져 있는 다수의 창구멍들(80)을 통해 재킷 내부와 연결된다.

도 3의 반응기(90)와 도 2의 반응기의 차이점은 무엇보다도 순환 냉각기로 작동하는 두 번째 반응구역(II) 후에 냉각구역(III)이 이어진다는 점이다. 냉각구역(III)에서는 고의적인 반응이 더 이상 시작되지 않는다. 오히려 여기서는 무엇보다도 예민한 반응제작시 반응 온도의 빠른 하강에 의해 반응과정의 신속한 종결이 달성되어야만 한다. 이러한 이유로 인해, 보통의 경우에 냉각구역(III) 내부에서 튜브들은 촉매충전(catalytic filling)을 포함하지 않을 것이다. 튜브들은, 특히 반응 튜브들이 직접적으로 연속될 때 비활성 물질로 채워질 수 있다. 또는, 가스 흐름의 난류를 촉진하기 위해, 튜브 냉각기들에서 공지의 금속성 또는 세라믹(ceramic) 설치물, 예컨대 나선 철사(wire spiral), 세라믹 바디(ceramic body), 또는 이와 유사한 것을 포함할 수 있다.

도시된 예에서, 냉각구역(III)은 반응구역(II)에 플랜지로 연결된다. 즉, 냉각구역(III)의 튜브들은 비교적 가까이 인접한 두 개의 튜브 시트들(92,94)을 통해 반응구역(I,II)의 반응 튜브들과 분리된다. 이와 일치하여, 냉각구역의 튜브들의 수, 지름, 분리는 반응 튜브들의 수, 지름, 분리와는 다를 수 있으며, 재킷 지름도 다를 수 있다. 종종, 이러한 애프터 쿨러(aftercooler)는 본래의 반응기보다 튜브들이 적다. 냉각구역(III)의 튜브들이 반응 튜브들의 직접적인 연속을 이루는 한, 구역들(II,III)은 분리 플레이트(28)와 유사한 분리 플레이트에 의해 서로 분리될 수 있다.

도 3의 실시예에서는, 펌프(96)를 통해 냉각구역(III)으로 열전달 매체가 공급된다. 이 냉각구역에서는, 공급된 열전달 매체가 냉각구역에서 반응구역들(I,II)의 열 전달 유체 루프에 도달하기 전에, 상기 공급된 열전달 매체는 동시에 가열된다. 주입 펌프(96)는 밸브(98)를 통해 조절가능하고 냉각구역(II)을 떠나는 열전달 매체의 일부분으로 작동된다. 사정에 따라서 주입 펌프는 생략될 수 있다. 다른 한편으로, 주입 펌프는 순환 펌프(20)와 유사한 기계적 펌프일 수도 있다. 도시된 바와 같이, 필요에 따라서는 냉각구역(III)의 열전달 매체 입구에는 열교환기(heat exchanger), 특히 냉각기(99)가 직렬로 접속될 수 있다.

도 2와는 달리 도 3에서는, 냉각구역(III)을 통해 공급된 열전달 매체는 순환 펌프(20)의 도입측에서 구역(II)의 순환으로 유입된다. 여기서 도관(62)도 구역(I)에 연결된다. 2002년 12월 12일자 PCT 출원 PCT/EP02/14189에 상세히 기재된 바와 같이, 구역(II)의 열전달 매체 구역에는 냉각기(22)에 병렬로 접속되며 밸브로 조절 가능한 바이패스(100)를 볼 수 있다. 이러한 바이패스는, 무엇보다도 각기 냉각기(22)를 통해 배출될 수 있는 열량에도 불구하고, 반응기에서 흐름 상태(flow conditions)가 일정하게 할 뿐 아니라 순환 펌프의 펌프성능이 일정하게 할 수 있어야 한다. 본 실시예에서, 냉각기(22)와 바이패스(100)를 통하는 열전달 매체 분기류(partial stream)는 교대로 공동의 쓰리 웨이 밸브(three-way valve, 102)에 의해 조정이 가능하다.

도 2와 또 달리, 도 3은 반응구역(II)의 내부에서 반응 재킷(4)를 둘러싸는 링 모양의 파이프 라인들(104,106)이 도시되어 있으며, 또한 그 내부에는 링 채널들(34,36)이 도시되어 있다. 연결 파이프 커넥션(108,110)과 마찬가지로 적합한 횡단면을 가질 수 있는 파이프 라인들(104,106)은 열전달 매체의 유입과 배출(flow-off)의 균형 맞추기 위해 사용된다. 유사한 링 모양의 파이프 라인들(112, 114)이 냉각구역(III)에도 제공되며, 그 내부에는 링 채널들(116, 118)이 제공된다.

구역(II)으로 흐름 분배를 더욱 좋게 하기 위하여, 열전달 매체의 배출 또는 유입은 링 채널들(34,36)에 대하여 직렬로 연결되며, 반응기 재킷(4)의 내부에 위치한 링 모양의 분배 채널들(120,122)에 의해 이루어진다. 상기 분배 채널들은 스로틀링(throttling) 구멍들(124,126)을 통해 링 채널들(34,36)과 연결된다.

마지막으로, 도 3의 구역(I)에는 도 2의 스파저(sparger) 도관(76)에 추가하여 분리 플레이트(28)의 단열 코팅(128)이 도시되어 있다.

예컨대 바이패스(100)와 같은 몇몇 임의적인 내용이 없는 것은 제외하고, 도 4에 도시된 반응기(130, 외부면만 도시함)가 도 3의 반응기와 기본적으로 다른 점은, 첫 번째 반응구역(I) 앞에 반응기로 들어가는 처리 가스를 위한 예열구역(IV)이 마련된다는 점이다. 반응기(130) 오른쪽에는 반응길이(L)을 따라 달성할 수 있는 열전달 매체의 온도 변화가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 구역(IV)에서 열전달 매체의 온도는 처리 가스 유입구의 시작 온도 T₁에서 T₂, 즉 증발구역(I)의 일정한 온도 T₃의 약간 아래까지 연속적으로 상승한다. 상기 증발구역에서는 반응이 시작되고 동시에 가장 강렬하게 반응이 진행되고 가장 큰 반응열이 발생한다. 그 후, 반응이 그치는 구역(II)에서는 열전달 매체의 온도가 T₃아래의 T₄에서 계속해서 T₅로 내려가며, 이 온도는 동시에 냉각구역(III)의 처리 가스 유입구의 열전달 매체의 온도를 이룬다. 열전달 매체의 공급 온도에 가까운 온도 T₆까지 계속해서 온도가 내려간다.

구역들(I 내지 III)에 대한 이러한 온도 경과는 반응기들(2,60,90)에서 상기 기재한 방식으로 이루어진다. 구역(IV)은 열전달 매체 순환 시스템을 가지며, 이 열전달 매체 순환 시스템은 처리 가스 흐름에 열을 공급한다. 또한, 순환 펌프(132)에 대한 분로(shunt circuit)에서 열교환기(134)를 통하여 증기 드럼(40)의 내부에서 가열된 구역들(I 내지 III)에서와 같거나 다른 열전달 매체는, 상기 구역들에 전체적으로 보아 처리 가스 흐름에 역류하여 움직이기 위해서, 구역(IV)의 가스 배출 단부에서 링 채널(136)을 통해 들어가고 구역(IV)의 가스 도입 단부에서 링 채널(138)을 통해 나온다. 남은 구역들에서처럼, 튜브 다발(6)의 접촉튜브들은 구역(IV)을 관통하여 흐를 수 있으며, 이 경우 구역(IV)은 분리 플레이트(28)와 유사한 분리 플레이트에 의해 구역(I)으로부터 분리된다. 다른 한편으로는, 구역들(IV,I)은 인접한 튜브 시트들에 의해 서로 분리될 수 있다. 그 후 구역들(IV,I)은 여러가지의 튜브 지름 및/또는 튜브 배열을 가질 수 있다(하지만 이런 경우는 드물다). 튜브들은 구역(IV)의 내부는 처리 가스 외에는 비어있을 수 있고, 촉매충전이나 비활성 물질 충전을 가질 수 있으며, 냉각구역(III) 내부의 튜브들 처럼 교란을 촉진하는 설치물과 이와 유사한 것을 포함할 수 있다.

도 1의 구역(II)의 열전달 매체 구역의 예에서처럼, 구역(IV)의 열전달 매체의 열교환기(134)를 통해 이어지는 분기류(partial stream)는 밸브(14)에 의해 조절 가능하다. 구역들(I 내지 III)의 열전달 매체 구역들은 필수적인 것은 아니지만 도시된 바와 같이 서로 연결될 수 있다. 첫 번째 경우에서, 도 3의 증기로 인해 소실된 열전달 매체를 대체하기 위한 공급은 냉각구역(III)에 의해 이루어질 수 있으며, 후자의 경우에는 도 1에 따라 증기 드럼(40)을 통해 증발구역(I)의 열전달 매체 구역으로 이루어져야만 한다.

덜 민감한 과정에서는, 도 4에 도시된 구역(IV)과 같은 고유의 예열구역이 없다. 이 경우, 처리 가스는 구역(I)로 도입될 때 그곳의 열전달 매체의 부분에서 예열된다. 그곳의 튜브 시트(8, 도 1) 아래에 있는 증기가 이에 기여할 수 있다.

상기 내용은 각 경우의 중요한 부분들에 제한된다. 상기 부분들의 배열은 여러 변형을 가질 수 있다. DE 198 06 810 A1에 상세히 기재된 바와 같이, 여기서 설명된 개별적인 또는 모든 튜브 시트들 또는 분리 플레이트는, 무엇보다도 반응구역(I)에서 이어지는 구역들에 독립적인 열전달 매체 온도를 아주 안전하게 하기 위하여 단열처리될 수 있다.

개별 구역들에서 전반적인 열전달 매체 흐름은 처리 가스 흐름에 대해 반대방향으로 이루어질 필요는 없다. 상기한 실시예들과 달리, 처리 가스 흐름 자체는 아래에서 위로 반응기를 통해 관통하여 들어갈 수 있다. 위에서 아래로 가스 흐름 운반은 본 발명과 관련하여 바람직하다. 왜냐하면 보통의 경우 증기 드럼은 측면에서나 중간에서 반응기의 위쪽에 배열되며, 물론 적절한 부피가 있는 수직 배관들은 도 1의 수직 배관들(38)처럼 목적에 맞게 짧게 유지되기 때문이다. 도 1 내지 도 4의 도면과는 달리 순환 펌프와 냉각기는 일반적으로 바닥에 배치될 수도 있다. ㅋ캐비테이션(cavitation) 현상에 대응하기 위해서이다.

원하는 경우에는, 반응구역들(I, II)에는 증기 냉각기로 작동되는 또는 증기 냉각기가 없이 작동되는 반응구역들이 추가될 수 있다.

Claims

증발 냉각기로 작동하는 적어도 하나의 반응구역(I), 순환 냉각기로 작동하는 적어도 하나의 반응구역(II) 및 선택적으로 또 다른 구역들(III,IV)을 구비하고, 상기 구역들(I 내지 IV)에는 처리 가스가 통과하는 발열성 기체상 반응들을 실행하기 위한 다중구역 관형 반응기에 있어서,

상기 처리 가스의 흐름 방향을 따라, 상기 증발 냉각기로 작동하는 반응구역(I)은 첫 번째 반응구역을 구성하고, 증발 냉각기나 순환 냉각기로 작동하는 또 하나의 반응구역(II)이 상기 첫 번째 구역에 인접하여 연결되는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제1항에 있어서,

상기 증발 냉각기로 작동하는 반응구역에서 발생하는 증기의 압력과 여기서 포화증기 온도로서 나타나는 열전달 매체 온도는 조절가능한 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 증발 냉각기로 작동하는 적어도 하나의 반응구역(I)에서 열전달 매체는 물이며, 상기 물의 증기는 직접 일반적인 증기 시스템으로 새어나오는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제1항에 있어서,

상기 증발 냉각기로 작동하는 반응구역(I)에 직접 연결되는 적어도 하나의 구역(II,IV)은 동일한 열전달 매체로 작동하는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제4항에 있어서,

상기 구역들(I,II,IV)은 열전달 매체가 서로 연통하는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제5항에 있어서,

증기로서 배출되는 열전달 매체는 반응구역(I)과 연통하는 구역들(II-IV) 중 하나를 관통하여, 유동적인 열전달 매체로 대체가능한 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제1항에 있어서,

상기 증발 냉각기로 작동하는 적어도 하나의 반응구역(I)은 증기 드럼(42)과 연결되는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제7항에 있어서,

상기 증기 드럼(40)은 반응구역(I)의 위쪽에 배치되며, 증발하는 열전달 매체의 순환은 그 사이에서 단지 중력에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중구 역 관형 반응기(2;60;90;130).
제7항 또는 제8항에 있어서,

증기로 배출되는 열전달 매체를 대체하는 유동적인 열전달 매체는 증기 드럼(42)으로 공급가능한 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제9항에 있어서,

상기 증기 드럼(42)은 공급된 열전달 매체를 위한 주입 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제6항에 있어서,

증기로 배출되는 열전달 매체를 대체하는 유동적인 열전달 매체는 냉각구역(III)을 관통하여 공급가능한 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(90;130).
제1항에 있어서,

열전달 매체 공급은 순환 열전달 매체의 분기류(partial stream)로 부터 가동된 주입 펌프(86)에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(90;130).
제1항에 있어서,

상기 열전달 매체의 유입 또는 배출을 위한 적어도 하나의 구역(I-IV)은 반응기 재킷(4)의 안쪽에 위치한 적어도 하나의 링 채널(30,32,34,36)을 가지는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제13항에 있어서,

상기 링 채널(30)은 반응기 내부를 향해 연속적으로 오픈되어 있는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제1항에 있어서,

상기 열전달 매체의 유입 또는 배출을 위한 적어도 하나의 구역(I-IV)은 반응기 재킷(4)을 둘러싸는 링 모양의 적어도 하나의 파이프 라인(66,68;104,106; 112,114)을 가지며, 상기 파이프 라인은 재킷 둘레에 규칙적으로 분배된 연결 파이프 커넥션들(70,72,108,110)을 통해 재킷 내부와 연결되는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(60;90).
제15항에 있어서,

상기 연결 파이프 커넥션들(70,72,108,110)들 중 적어도 일부는 스로틀링(throttling) 구멍들(73)을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(60;90).
제13항 또는 제15항 또는 제16항에 있어서,

상기 링 모양의 적어도 하나의 파이프 라인(66,68;104,106;112,114)은 안쪽에 위치한 링 채널(30,32,34,36:116,118)과 연결되는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제17항에 있어서,

상기 링 모양의 파이프 라인(104,106)은, 다수의 스로틀링 구멍들(124,126)을 통해 링 채널(34,36)과 연통하는 반응기 재킷(4)의 내부에 놓인 링 모양의 분배 채널(120,122)을 통해, 안쪽에 위치한 링 채널(34,36)과 연통하는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(90).
제1항에 있어서,

상기 순환 냉각기로 작동하는 적어도 하나의 구역(II)은, 해당 열전달 매체 순환의 분로(shunt circuit) 내부에 놓이는 냉각기(22)를 가지는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제19항에 있어서,

상기 냉각기(22)에는 조정가능한 바이패스(100)가 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(90).
제1항에 있어서,

상기 연결된 적어도 한 쌍의 구역들(I,II,III,IV)은 서로에 대해 단열되는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제1항에 있어서,

상기 연결된 적어도 한 쌍의 구역들(I,II,III,IV)은 분리 플레이트(28)에 의해 서로 분리되며, 상기 분리 플레이트는 팽창 보정기(74)를 통해 방사상으로 팽창응력을 감소시키면서 반응기 재킷(4)과 연결되는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제1항에 있어서,

상기 구역들(I,II,III,IV) 중 적어도 하나의 열전달 매체 도입 단부에는, 해당 열전달 매체의 예열 증기의 공급을 위한 공급 도관(76)이 배치되는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).
제1항에 있어서,

상기 순환 냉각기로 작동하는 적어도 하나의 구역(II;III)의 열전달 매체 흐름은 처리 가스 흐름에 역류하도록 형성되는 것을 특징으로 하는 다중구역 관형 반응기(2;60;90;130).