KR100807164B1 - Simplified plate channel reactor arrangement - Google Patents

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KR100807164B1
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로마띠에쟈끄제엘
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유오피 엘엘씨
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Abstract

열 교환형 채널 반응기 대역에서 협소한 채널과 간접적으로 열을 교환하기 위한 방법 및 장치는 부분적으로 천공된 부분(16)을 포함하는 플레이트(17)를 사용하면 각종 채널로 상이한 유체를 분배 및 회수하는 매니폴드의 사용을 간소화하거나 생략할 수 있다. 본 발명은 채널의 한 단부 또는 다른 단부에 위치하는 천공부를 통해 인접 채널을 직접 연통시켜 조작을 간소화한다. 본 발명의 배열은 열 교환 반응기 배열을 더욱 간결하게 하는 장점을 제공한다. 본 발명의 배열은 채널의 한 단부에서 단일 매니폴드의 사용을 간소화하여 반응 채널에서 촉매 하적 및 촉매 교체를 수월하게 한다.
A method and apparatus for indirectly exchanging heat with a narrow channel in a heat exchangeable channel reactor zone uses a plate 17 comprising a partially perforated portion 16 to distribute and recover different fluids into various channels. The use of manifolds can be simplified or omitted. The present invention simplifies operation by directly communicating adjacent channels through perforations located at one or the other end of the channel. The arrangement of the present invention provides the advantage of making the heat exchange reactor arrangement more compact. The arrangement of the present invention simplifies the use of a single manifold at one end of the channel to facilitate catalyst loading and catalyst replacement in the reaction channel.

Description

간소화된 플레이트 채널 반응기 배열{SIMPLIFIED PLATE CHANNEL REACTOR ARRANGEMENT}Simplified plate channel reactor arrangement {SIMPLIFIED PLATE CHANNEL REACTOR ARRANGEMENT}

본 발명은 일반적으로 반응 대역을 포함하고 상기 반응 대역을 열 교환 유체로 간접 가열하기 위한 플레이트형 교환기 배열에 관한 것이다. The present invention generally relates to a plate-type exchanger arrangement comprising a reaction zone and for indirectly heating the reaction zone with a heat exchange fluid.

다수의 산업 분야 예컨대, 석유화학 및 화학 산업 분야에 있어서 적당한 온도 및 압력 조건하에 반응기중 촉매와 반응 유체를 접촉시키면 유체중 하나 이상의 반응물 사이의 반응을 일으킨다. 이러한 반응의 대부분은 다양한 정도로 열을 발생시키거나 또는 흡수하므로, 발열 반응 또는 흡열 반응이다. 발열 반응 또는 흡열 반응과 관련된 가열 또는 냉각 효과는 상기 반응 대역의 작동에 긍정적인 또는 부정적인 영향을 준다. 부정적인 효과로서는 무엇보다도 불량 제품의 생산, 촉매의 불활성화, 원하지 않는 부산물의 생성 및 극단적인 경우에는 반응 용기 및 이에 연결된 배관의 손상을 포함할 수 있다. 보다 통상적으로 온도 변화와 관련된 바람직하지 않은 효과는 반응 대역으로부터 유래된 생성물의 선택성 또는 수율을 감소시킬 수 있을 것이다. In many industries such as the petrochemical and chemical industries, contacting a catalyst and a reaction fluid in a reactor under suitable temperature and pressure conditions results in a reaction between one or more reactants in the fluid. Most of these reactions generate or absorb heat to varying degrees and are therefore exothermic or endothermic. The heating or cooling effect associated with an exothermic or endothermic reaction has a positive or negative effect on the operation of the reaction zone. Negative effects may include, among other things, the production of defective products, inactivation of catalysts, generation of unwanted byproducts and, in extreme cases, damage to the reaction vessel and the piping connected thereto. More typically, the undesirable effects associated with temperature changes may reduce the selectivity or yield of products derived from the reaction zone.

발열 반응 과정은 다양한 공급원료 및 생성물을 포함한다. 약간 발열성인 과정은 메탄올 합성, 암모니아 합성 및 메탄올의 올레핀으로의 전환을 포함한다. 나 프탈렌 또는 오르토크실렌의 산화에 의한 프탈산 무수물의 제조, 프로판 또는 프로필렌으로부터의 아크릴로니트릴 생성, 아크롤레인으로부터의 아크릴산 합성, n-부탄의 말레산 무수물로의 전환, 메탄올 카르보닐화에 의한 아세트산의 생성 및 메탄올의 포름알데히드로의 전환은 일반적으로 다른 부류의 과발열 반응을 대표한다. 특히 산화 반응은 일반적으로 과발열성이다. 이러한 반응의 발열 특성으로 인하여 공정 디자인시 다수의 반응 시스템에 냉각 설비가 도입된다. 당업자들은 통상 급냉 배열 또는 열 교환 배열을 사용하여 발열성 열 생성의 문제를 극복한다. 다수의 문헌에서는 반응 대역 및 냉각 매체 사이의 간접적인 열 교환 방법에 관하여 기술하고 있다. 당 업계는 현재 반응물을 포함하고 이 반응물을 냉각 매체와 간접적으로 접촉시키는 관형 배열에 주로 의존하고 있다. 관형 반응기의 기하학적 형태는 열 전달 효율을 높이기 위하여 큰 반응기 및 거대한 관의 면을 필요로 한다는 설계상의 제약을 갖는다.The exothermic reaction process involves various feedstocks and products. Slightly exothermic processes include methanol synthesis, ammonia synthesis and conversion of methanol to olefins. Preparation of phthalic anhydride by oxidation of naphthalene or orthoxylene, production of acrylonitrile from propane or propylene, acrylic acid synthesis from acrolein, conversion of n-butane to maleic anhydride, methanolic carbonation by acylation The production and conversion of methanol to formaldehyde generally represents another class of overheating reactions. In particular, oxidation reactions are generally hyperpyrogenic. The exothermic nature of these reactions introduces cooling equipment into a number of reaction systems in process design. Those skilled in the art typically overcome the problem of exothermic heat generation using quench arrangements or heat exchange arrangements. Many documents describe indirect heat exchange methods between reaction zones and cooling media. The art currently relies mainly on tubular arrangements which comprise reactants and which indirectly contact the reactants with the cooling medium. The geometry of the tubular reactors has design constraints that require large reactors and large tube faces to increase heat transfer efficiency.

다른 공정 응용예는 채널을 한정하는 얇은 플레이트와의 간접적인 열 교환을 수행한다. 상기 채널은 반응물 및 촉매를 간접적으로 가열 또는 냉각시키기 위하여 하나의 세트의 채널내에 촉매 및 반응물과 인접 채널 내에 열 전달 유체를 교대로 보유한다. 이러한 간접적 열 교환 반응기내의 열 교환 플레이트는 편평하거나 또는 굽은형일 수 있으며, 열 전달 유체와 반응물 및 촉매간 열 전달량을 증가시키기 위하여 예컨대, 주름형과 같이 표면을 변형시킬 수 있다. 다수의 탄화수소 전환 방법은 반응열에 의하여 생성되는 것과는 상이한 온도 프로필을 유지시킴으로써 더욱 유리하게 수행될 것이다. 다수의 반응에서, 가장 유리한 온도 프로필은 실질적으로 등온성인 조건을 유지시킴으로써 얻어질 것이다. 몇몇 경우에서, 반응열과 관련된 온도 변화와는 반대의 성향을 나타내는 온도 프로필은 가장 유리한 조건을 제공할 것이다. 이러한 이유로, 반응물과 열 교환 매체를 직교류, 병류 또는 역류 배열로 접촉시키는 방법이 일반적으로 공지되어 있다. 온도를 더욱 완벽하게 제어하는 열 전달 및 반응물 채널에 대한 특이적 배열에 관하여는 US-A-5,525,311에 개시되어 있으며; 그 내용은 본원에 참고 문헌으로 인용되어 있다. 간접 열 전달용인 다른 유용한 플레이트 배열에 관하여는 US-A-5,130,106 및 US-A-5,405,586에 개시되어 있다.Another process application performs indirect heat exchange with thin plates that define channels. The channels alternately retain the heat transfer fluid in adjacent channels with the catalyst and reactants in one set of channels to indirectly heat or cool the reactants and catalyst. Heat exchange plates in such indirect heat exchange reactors may be flat or curved and may modify surfaces, such as corrugations, to increase the amount of heat transfer between the heat transfer fluid and the reactants and the catalyst. Many hydrocarbon conversion processes will be more advantageously performed by maintaining a different temperature profile than that produced by the heat of reaction. In many reactions, the most advantageous temperature profile will be obtained by maintaining conditions that are substantially isothermal. In some cases, a temperature profile exhibiting the opposite of the temperature change associated with the heat of reaction will provide the most favorable conditions. For this reason, methods of contacting reactants and heat exchange media in a crossflow, cocurrent or countercurrent arrangement are generally known. Specific arrangements for heat transfer and reactant channels that more fully control the temperature are disclosed in US-A-5,525,311; The contents of which are incorporated herein by reference. Other useful plate arrangements for indirect heat transfer are disclosed in US-A-5,130,106 and US-A-5,405,586.

플레이트 교환기 배열의 입구 및 출구에 존재하는 냉각제 또는 가열 유체로부터 반응물을 분리하는 것은 설계를 어렵게 하고 제조 공정을 복잡하게 한다. 인접 채널과의 연통을 위한 매니폴드 및/또는 배선이 필요함에 따라서 이러한 다수의 설계에 있어서 반응기의 크기가 증가된다. 또한 인접 채널간 유체 전달을 간소화시키면 플레이트 교환기의 입구 및 출구에서 유체를 간단히 분배시켜 수거할 수도 있다. 채널의 유체 경로를 따라 중간 위치에서 반응물을 주입하기 위한 개선된 배열은 또한 반응기의 성능을 개선시킬 수도 있다. Separating the reactants from the coolant or heating fluid present at the inlet and outlet of the plate exchanger arrangement makes the design difficult and complicates the manufacturing process. In many of these designs, the size of the reactor is increased as manifolds and / or wiring are required for communication with adjacent channels. Simplified fluid transfer between adjacent channels also allows for simple distribution of fluid at the inlet and outlet of the plate changer. Improved arrangements for injecting reactants at intermediate positions along the fluid path of the channel may also improve the performance of the reactor.

채널 반응기 배열은 종종 미립자 촉매를 보유한다. 촉매가 탈활성화되면 촉매를 교체해야 한다. 열 교환 유체 및 반응물을 분배 및 수집하기 위한 복합 매니폴드 배열은 촉매 교환을 번거롭게 만들고 적용시 시간이 많이 소요된다.Channel reactor arrangements often contain particulate catalysts. If the catalyst is deactivated, the catalyst must be replaced. The complex manifold arrangement for dispensing and collecting heat exchange fluids and reactants can be cumbersome for catalyst exchange and time consuming to apply.

발명의 개요Summary of the Invention

본 발명은 플레이트 반응기 배열내의 유체간 간접적 열 교환을 위한 채널을 한정하는 플레이트에 천공부를 제공한다. 상기 천공부는 채널을 한정하는 플레이트의 일부에만 연장되어 있어, 반응물 또는 열 교환 유체가 반응기를 관통할 수 있는 실질적인 채널 길이를 유지하면서, 인접 채널간 유체의 연통을 가능하게 한다. 천공된 플레이트의 한쪽 말단에 위치하는 일부 천공부는 플레이트 채널 반응기를 통한 단일 유체 스트림에 의해 임의의 수의 채널 통로를 형성할 수 있다. 압력 강하 및 열 교환 조건은 본 발명의 채널 반응기 배열을 통해 임의의 한 유체가 만들 수 있는 통로의 수를 실질적으로 제한한다.The present invention provides perforations in the plates that define channels for indirect heat exchange between the fluids in the plate reactor arrangement. The perforations extend only to a portion of the plate defining the channel, allowing communication of fluid between adjacent channels while maintaining a substantial channel length through which the reactants or heat exchange fluid can pass through the reactor. Some perforations located at one end of the perforated plate may form any number of channel passageways by a single fluid stream through the plate channel reactor. Pressure drop and heat exchange conditions substantially limit the number of passages that any one fluid can make through the channel reactor arrangement of the present invention.

적당한 채널 배열은 공통의 열 교환 표면을 가로질러 열을 직접적으로 교환할 것이다. 이 배열은 분리된 열 교환 스트림을 사용하여 반응 채널을 가열 및 냉각시킬 수 있거나, 또는 반응물 또는 열 교환 유체로서 하나의 채널에서 유래한 열 교환 유체 또는 반응물을 인접 채널에서 사용할 수 있다. 특히, 반응 채널로부터 유래된 공급물 또는 반응 스트림은 인접 채널에서 연소 및 동일계 열 발생을 위한 연료를 제공할 수 있다. 물론, 열 교환 채널은 또한 연소 채널로서도 사용되어 반응 채널내 유체로부터 분리된 형태로 연소용 연료를 수용할 수 있다. Suitable channel arrangements will exchange heat directly across a common heat exchange surface. This arrangement can use separate heat exchange streams to heat and cool the reaction channels, or use heat exchange fluids or reactants from one channel as reactants or heat exchange fluids in adjacent channels. In particular, feeds or reaction streams derived from reaction channels can provide fuel for combustion and in situ heat generation in adjacent channels. Of course, the heat exchange channel can also be used as a combustion channel to receive fuel for combustion in a form separate from the fluid in the reaction channel.

유용한 배열은 또한 상이한 기능을 수행하기 위하여 공통 채널의 상이한 부분을 사용할 수도 있다. 이러한 기능들은 인접 채널을 통하여 중간 유체를 통과시켜, 한 위치에서 반응 채널로부터 발생한 열을 전달 제거하고 하강류 채널 위치에서 열을 가열된 채널로 전달시키는 것을 포함한다. 다른 배열에서 중간 채널 및 반응 채널은 가열된 채널들 사이에 병렬 배열로 배치되어, 가열된 채널을 통하여 반 응 채널내의 온도를 조정할 수 있다. Useful arrangements may also use different portions of the common channel to perform different functions. These functions include passing intermediate fluid through adjacent channels to transfer heat away from the reaction channel at one location and transfer heat to the heated channel at the downflow channel location. In another arrangement, the intermediate channel and the reaction channel can be arranged in parallel arrangement between the heated channels to adjust the temperature in the reaction channel through the heated channel.

다양한 구체예에 따라서, 본 발명은 열 교환 유체와 간접적으로 열을 교환함으로써 반응 대역에서 반응물을 간접적으로 가열 또는 냉각시키면서, 반응 대역내에서 반응물을 촉매와 접촉시키기 위한 반응 장치이다. 상기 장치는 한쪽 말단에 유체 입구를 보유하는 제1 복수 채널 및 한쪽 말단에 유체 출구를 보유하는 제2 복수 채널을 한정하는 복수개의 이격된 플레이트를 포함한다. 하나 이상의 천공부는 제1 및 제2 복수 채널 사이에서 유체를 연통시킨다. 이격된 플레이트중 최소한 일부분은 그 한 단부에 천공을 형성하며, 각각의 천공부는 천공을 한정하는 플레이트의 일부만에 연장되어 있다.According to various embodiments, the present invention is a reaction apparatus for contacting a reactant with a catalyst in the reaction zone while indirectly heating or cooling the reactant in the reaction zone by indirectly exchanging heat with the heat exchange fluid. The apparatus includes a plurality of spaced plates defining a first plurality of channels having a fluid inlet at one end and a second plurality of channels having a fluid outlet at one end. One or more perforations communicate fluid between the first and second plurality of channels. At least some of the spaced plates form perforations at one end thereof, with each perforation extending only to a portion of the plate defining the perforations.

특히 본 발명의 변형예에서, 반응 채널내에 촉매를 적재하고 보충적 발열 반응 또는 흡열 반응용 촉매를 첨가하면 상이한 공정의 목적을 만족시킬 수 있다. 예를 들어, 반응 채널내에 촉매를 짧게 적재시키면 추가의 공급물 예열 또는 배출물 냉각을 위한 반응 대역의 위 또는 아래에 공간을 제공할 수 있다. 또한, 가열 채널을 연장시키면 배출 반응 대역의 배출물 또는 도입 반응물에 대하여 개방형 채널 열 교환을 위한 추가의 표면적을 제공할 수 있다. In particular, in a variant of the invention, loading the catalyst in the reaction channel and adding a catalyst for supplemental exothermic or endothermic reactions can satisfy the purpose of different processes. For example, short loading of the catalyst in the reaction channel may provide space above or below the reaction zone for further feed preheating or exhaust cooling. In addition, extending the heating channel may provide additional surface area for open channel heat exchange for emissions or inlet reactants in the exhaust reaction zone.

촉매에 있어서, 본 발명은 특별한 이점을 보유한다. 열 교환 및 반응물의 분배 또는 수집을 위한 매니폴드를 간소화시키거나 또는 제거하면 촉매를 하적시킬 수 있는 공간이 확보된다. 통상적으로 상기 장치는 채널의 상부에 있는 유체 입구 및 출구로부터 유래된 유체를 분배 및 수집하는 반응 장치의 상부에서 분배 매니폴드를 이용할 것이다. 상부에 매니폴드를 배치하면 채널이 이의 하부에서 입자 출구 를 한정하고 촉매 하적 장치를 통합시킬 수 있게 된다. 그러므로, 상기 채널 하부 영역은 촉매를 제거하기 위한 매니폴드를 보유하지 않아도 된다. 상기 채널의 하부에 스크린 또는 기타 침투성 표면을 제공할 어떠한 필요성도 없기 때문에, 단순한 촉매 보유 장치로 채널내 촉매의 보유를 제어할 수 있다. 상기 장치는 촉매 보유 위치에 있을 경우 입자 배출구를 폐색시키고, 하적 위치에서는 입자 배출구를 개방시킬 것이다. 따라서, 도어(door) 또는 기타 적당한 간막이가 상기 채널의 하부로부터 제거될때, 상기 채널들은 촉매 제거를 위하여 완전히 개방된 상태로 존재할 수 있다. 또한 본 배열을 간소화시켜, 스트림을 제거하고 촉매 입자들을 교체시키면서 계속적으로 채널을 통하여 유체를 유동시킬 수 있다.In the catalyst, the present invention has particular advantages. Simplifying or eliminating manifolds for heat exchange and for the distribution or collection of reactants frees up space for catalyst loading. Typically the device will use a dispensing manifold on top of the reaction device that dispenses and collects fluid from the fluid inlet and outlet at the top of the channel. Placing the manifold on top allows the channel to define the particle outlet at the bottom of it and integrate the catalyst loading device. Therefore, the channel lower region does not have to have a manifold for removing the catalyst. Since there is no need to provide a screen or other permeable surface underneath the channel, a simple catalyst holding device can control the retention of catalyst in the channel. The device will close the particle outlet when in the catalyst holding position and open the particle outlet in the unloading position. Thus, when a door or other suitable diaphragm is removed from the bottom of the channel, the channels may be left fully open for catalyst removal. In addition, this arrangement can be simplified, allowing fluid to flow continuously through the channel while removing the stream and replacing the catalyst particles.

유체 흐름에 있어서 천공된 플레이트 구간은 일반적으로 유체 흐름의 방향을 지시할 것이다. 천공된 플레이트 구간에 의하여 연결된 인접한 채널들은 항상 채널간 유체를 상대적으로 역류시킬 것이다. 그럼에도 불구하고, 열 교환 유체 및 반응물을 분리함으로써 병류 배열도 형성시킬 수 있다.The perforated plate section in fluid flow will generally indicate the direction of fluid flow. Adjacent channels connected by perforated plate sections will always relatively reflux the interchannel fluid. Nevertheless, a cocurrent arrangement can also be formed by separating heat exchange fluids and reactants.

반응물 및 열 교환 기체를 포함하기 위하여 채널을 한정하는 플레이트는 협소한 채널을 형성하는 임의의 형태를 취할 수 있다. 열 교환 부재의 바람직한 형태는 본원에 정의되어 있는 주름형의 비교적 편평한 플레이트이다. 상기 주름형은 플레이트 사이의 공간을 유지하는데에 사용되며, 또한 상기 플레이트를 지지하여 협소한 채널이 양호하게 지지된 시스템을 제공한다. 이러한 플레이트 시스템 배열에 대한 부가적인 설명은 US-A-5,525,311에 기술되어 있다.The plate defining the channel to contain the reactants and the heat exchange gas may take any form that forms a narrow channel. A preferred form of heat exchange member is a corrugated relatively flat plate as defined herein. The corrugations are used to maintain the space between the plates, and also support the plates to provide a system in which narrow channels are well supported. Additional descriptions of such plate system arrangements are described in US Pat. No. 5,525,311.

본 발명은 열 발생 반응 또는 열 흡수 반응에 유용하다. 본 발명의 배열을 유리하게 이용할 수 있는 하나의 방법은 산화에틸렌을 생성하는 것이다. 본 발명에 대하여 특히 유리한 방법의 적용예는 오르토크실렌을 산화시켜 프탈산 무수물(PA)을 생성하는 것이다. 본 반응 장치는 오르토크실렌과의 혼합물중 제어된 양의 산소를 주입하는 분배 매니폴드에 오르토크실렌 공급물을 공급한다. 산화 화합물을 매니폴드으로 주입시키면 오르토크실렌과 산소가 폭발가능한 비율로 존재하는 것을 막아준다. 열 교환 반응기의 플레이트 배열은 PA의 합성과 관련된 반응의 고열을 신속하게 방산시킨다. 강화된 온도 제어는 생성물의 선택성을 개선시킴과 아울러 처리량을 증가시킬 수 있다.The present invention is useful for heat generating reactions or heat absorption reactions. One method that can advantageously utilize the inventive arrangements is to produce ethylene oxide. An application of a particularly advantageous method for the present invention is the oxidation of orthoxylene to produce phthalic anhydride (PA). The reactor supplies an orthoxylene feed to a distribution manifold that injects a controlled amount of oxygen in a mixture with orthoxylene. Injecting an oxidizing compound into the manifold prevents the presence of orthoxylene and oxygen in explosive proportions. The plate arrangement of the heat exchange reactor quickly dissipates the high heat of the reaction associated with the synthesis of PA. Enhanced temperature control can increase throughput while improving product selectivity.

채널 반응기 배열을 더욱 밀집시키기 위하여 채널 배열을 사용하는 열 교환 반응기로부터 유래된 반응물 및 열 교환 유체의 공급 및 회수를 간소화시키고, 매니폴드와 유체 채널의 통합을 간소화시키는 것이 본 발명의 추가의 목적이다.It is a further object of the present invention to simplify the supply and recovery of reactants and heat exchange fluids derived from heat exchange reactors using channel arrangements to further compact the channel reactor arrangements, and to simplify the integration of manifolds and fluid channels. .

본 발명의 다른 목적은 매니폴드의 수가 감소된 채널 반응기 배열을 통하여 복수개의 통로로 반응물 또는 열 교환 유체를 이동시키는 것이다.It is another object of the present invention to transfer reactants or heat exchange fluid through a plurality of passages through a channel reactor arrangement in which the number of manifolds is reduced.

도 1은 본 발명의 반응기 배열을 개략적으로 나타낸 것이다.Figure 1 schematically shows the reactor arrangement of the present invention.

도 2는 도 1의 2-2 라인을 따른 단면도이다.2 is a cross-sectional view taken along the line 2-2 of FIG.

도 3은 본 발명의 천공 플레이트의 횡단면도이다.3 is a cross-sectional view of the perforated plate of the present invention.

도 4는 본 발명에 사용된 주름형 플레이트 단면을 3차원적으로 나타낸 것이다.Figure 4 shows a three-dimensional cross-sectional view of the corrugated plate used in the present invention.

도 5는 천공부를 포함하는 단일 주름형 시트를 나타낸 것이다. 5 shows a single corrugated sheet comprising perforations.                 

도 6은 본 발명에 의하여 배열된 반응기를 개략적으로 나타낸 횡단면도이다. Figure 6 is a schematic cross sectional view of a reactor arranged in accordance with the present invention.

도 7은 도 6의 7-7 라인을 따른 단면도이다.7 is a cross-sectional view taken along the line 7-7 of FIG.

도 8은 본 발명의 반응기의 다른 구체예에 대한 개략적인 배열을 나타내는 횡단면도이다.8 is a cross sectional view showing a schematic arrangement of another embodiment of the reactor of the present invention.

도 9는 도 8의 9-9 라인을 따른 단면을 나타내는 것이다.9 is a cross-sectional view taken along line 9-9 of FIG. 8.

도 10 및 도 11은 오르토크실렌을 산화시켜 PA를 생성하기 위한 관형 배열내 관의 경로 길이에 따른 온도 프로필 및 전환 변수를 나타내는 그래프이다.10 and 11 are graphs showing temperature profiles and conversion parameters according to the path length of the tubes in the tubular arrangement for oxidizing orthoxylene to produce PA.

도 12∼도17은 오르토크실렌을 산화시켜 PA를 생성하기 위한 플레이트형 열 교환 반응기 배열내 채널의 경로 길이에 따른 온도 프로필 및 전환 변수를 나타내는 그래프이다.12-17 are graphs showing temperature profiles and conversion parameters along the path length of channels in a plate heat exchange reactor arrangement for oxidizing orthoxylene to produce PA.

발명의 상세한 설명Detailed description of the invention

본 발명은 반응물 또는 반응물의 일부가 플레이트형 교환기 부재의 배열에서 흡열 반응을 가열시키기 위한 열 공급원 또는 발열 반응을 냉각시키기 위한 열 싱크(heat sink)를 제공하는, 임의의 흡열 또는 발열 방법에 유용할 수 있다. 플레이트형 교환기 배열을 이용하는 임의의 방법에 부합하기 위한 부가적인 조건은 통상적으로 임의의 열 교환 대역 및 반응 대역 사이의 비교적 작은 온도차(ΔT) 및 압력차(ΔP)이다. 온도차가 200℃ 이하인 것이 본 발명에 바람직하다. 압력차는 작게 유지될 것이며 통상적으로는 촉매상을 통한 압력 강하 조건을 반영할 것이다. 통상적으로 플레이트 부재를 가로지르는 압력의 차이는 0.5 MPa를 초과하지 않을 것이다. The present invention will be useful in any endothermic or exothermic method wherein the reactant or portion of the reactant provides a heat source for heating the endothermic reaction in the arrangement of the plate exchanger member or a heat sink for cooling the exothermic reaction. Can be. Additional conditions for meeting any method using a plate-type exchanger arrangement are typically a relatively small temperature difference (ΔT) and a pressure difference (ΔP) between any heat exchange zone and reaction zone. It is preferable to this invention that a temperature difference is 200 degrees C or less. The pressure difference will remain small and will typically reflect the pressure drop conditions through the catalyst bed. Typically the difference in pressure across the plate member will not exceed 0.5 MPa.                 

최소한 상기 반응 채널은 일반적으로 반응을 촉진시키기 위한 촉매를 함유할 것이다. 앞서 언급한 방법 및 다른 방법에 적당한 촉매는 당업자에게 널리 공지되어 있다. 반응 채널에서 임의의 반응전 가열 또는 반응후 냉각을 위해 반응 시간 동안 필요에 따라 반응 채널을 입자형 촉매로 충전시킬 수 있다. 입자형 촉매 대신에, 또한 다양한 개질 대역의 플레이트 표면상에 촉매를 코팅할 수도 있다. 반응 촉매를 상기 플레이트상에 코팅시켜 상부 촉매 부분 및, 2차적 촉매 대역과의 채널 한정 플레이트를 통한 열 교환 관계를 유지하는 하부 무촉매(catalyst-free) 부분을 제공하는 것이 특히 유리할 수 있다.At least the reaction channel will generally contain a catalyst to catalyze the reaction. Suitable catalysts for the aforementioned and other methods are well known to those skilled in the art. The reaction channel may be charged with the particulate catalyst as needed during the reaction time for any pre-reaction heating or post-reaction cooling in the reaction channel. Instead of particulate catalysts, it is also possible to coat the catalysts on plate surfaces of various reforming zones. It may be particularly advantageous to coat the reaction catalyst on the plate to provide an upper catalyst portion and a lower catalyyst-free portion that maintains the heat exchange relationship through the channel confinement plate with the secondary catalyst zone.

본 발명의 방법 또는 장치에 사용되는 열 교환 유체는 필수적인 냉각 또는 가열 능력을 제공할 수 있는 임의의 유형의 유체일 수 있다. 다양한 유형의 열 교환 유체는 가열 또는 냉각 조건을 만족시킬 수 있다. 이러한 유체는 통합된 공정 스트림 및 보조 유체를 포함할 것이다. 상기 유체는 감지가능한 수단, 잠재성 수단 또는 반응성 수단에 의하여 열을 흡수하거나 방출할 수 있다. 고도로 발열성인 공정에 있어서, 용융된 염 또는 금속이 열 교환 매체로서 특히 유용할 수 있다.The heat exchange fluid used in the method or apparatus of the present invention may be any type of fluid capable of providing the necessary cooling or heating capability. Various types of heat exchange fluids can satisfy heating or cooling conditions. Such fluids will include integrated process streams and auxiliary fluids. The fluid may absorb or release heat by detectable means, latent means or reactive means. In highly exothermic processes, molten salts or metals may be particularly useful as heat exchange media.

특정 반응의 열에 관한 조건을 맞추기에 적합할 경우, 당업자들은 발열 및 흡열 반응을 우선적으로 촉진시키는 특정 촉매에 관하여 알 것이다. 이러한 촉매들은 열 교환 채널에 머물러 있음으로써 반응성 냉각 및 반응물의 감지열 또는 잠열로 인한 열을 냉각시키는 데에 유리하다. 이러한 흡열 및 발열 촉매를 병용하는 예는 경질 탄화수소, 통상적으로는 메탄의 자열 개질이 있는데, 이는 통상적으로 "합성 기체" 또는 "합성-기체(syn-gas)"로 칭하여지는 기체를 제공한다. 합성 기체는 실질적으로 수소 및 일산화탄소, 소량의 이산화탄소, 미전환 탄화수소와, 질소 및 기타 불활성 성분을 포함할 수 있는 기타 성분들로 이루어져 있다. 고도로 흡열성인 개질 반응은, 탄화수소의 부분적 촉매적 산화 또는 고온 산화에 의하여 수행될 수 있는 고도로 발열성인 산화 반응과 효과적으로 균형이 맞추어진다. 개질 반응 또는 산화 반응에 있어서 탄화수소의 몰수를 변화시키면 방출된 열과 흡수된 열 사이의 균형을 맞출 수 있다.If suitable to meet the conditions concerning the heat of a particular reaction, those skilled in the art will know about the particular catalyst which preferentially promotes exothermic and endothermic reactions. These catalysts are advantageous for cooling the heat due to reactive cooling and sensing heat or latent heat of the reactants by staying in the heat exchange channel. Examples of using such endothermic and exothermic catalysts are autothermal reforming of light hydrocarbons, usually methane, which provides a gas commonly referred to as "synthetic gas" or "syn-gas". Synthetic gas consists essentially of hydrogen and carbon monoxide, small amounts of carbon dioxide, unconverted hydrocarbons, and other components that may include nitrogen and other inert components. Highly endothermic reforming reactions are effectively balanced with highly exothermic oxidation reactions that can be carried out by partial catalytic or high temperature oxidation of hydrocarbons. Changing the number of moles of hydrocarbons in the reforming or oxidation reactions can balance the heat released and the heat absorbed.

이러한 배열은 특히 2 쌍의 인접 채널만을 상호연결시키고, 교대로 존재하는 가열 채널 및 흡열 반응 채널 사이에 발열 반응 채널을 배치시키는 복수개의 통로 채널 배열을 통합시키는데에 적합하다. 반응 채널과의 간접 열 교환이 각각 가열 및 냉각을 제공하는 경우, 3 개의 통로 배열을 제공하는 형태에 있어서, 비교적 차가운 반응물이 가열 채널에 유입된다. 반응한 스트림이 발열 반응 채널로부터 흡열 반응 채널로 유입되면 흡열 반응 채널 및 인접 발열 반응 채널을 한정하는 공유 플레이트를 가로질러 반응 채널을 추가로 냉각시킨다.This arrangement is particularly suitable for interconnecting only two pairs of adjacent channels and for integrating a plurality of passage channel arrangements which place an exothermic reaction channel between alternating heating and endothermic reaction channels. When indirect heat exchange with the reaction channel provides heating and cooling, respectively, in the form of providing a three-channel arrangement, relatively cool reactants enter the heating channel. When the reacted stream enters the endothermic reaction channel from the exothermic reaction channel, the reaction channel is further cooled across the shared plate defining the endothermic reaction channel and the adjacent exothermic reaction channel.

도 1 및 도 2는 본 발명의 기본적인 반응기 배열을 나타낸다. 이 배열에서, 반응기(11)는 단일 그룹의 채널쌍(12)을 포함한다. 비천공 플레이트(19)는 열 교환 채널쌍을 하강류 채널(15) 및 상향류 채널(18)로 분리한다. 매니폴드(13)는 도입된 유체를 하강류 채널(15)의 입구(14)로 운반한다. 천공된 플레이트(17)의 저부에 형성된 천공부(16)는 유체를 상향류 채널(18)로 운반한다. 1 and 2 show the basic reactor arrangement of the present invention. In this arrangement, the reactor 11 comprises a single group of channel pairs 12. The non-perforated plate 19 separates pairs of heat exchange channels into downflow channel 15 and upflow channel 18. The manifold 13 carries the introduced fluid to the inlet 14 of the downflow channel 15. A perforation 16 formed in the bottom of the perforated plate 17 carries fluid to the upflow channel 18.

매니폴드(13)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 유입 챔버(20) 및 유출 챔버(21)를 포함한다. 간막이 플레이트(22)는 유입 챔버(20) 및 유출 챔버(21)의 공간을 격 리시킨다. 부호 ⓧ에 의하여 나타낸 바와 같이, 도입되는 유체는 라인(23)으로부터 유입 챔버(20)를 따라서 아래의 입구(14)를 향하는 채널(15)로 흘러간다. 상향류 채널(18)의 블랭크오프(blankoff) 구간(24)은 유입 챔버(20)에 의하여 운반된 유체가 상향류 채널(18)로 유입되는 것을 막는다. 이와 유사하게, 유출 챔버(21)는 유출 스트림(25)으로 제거하기 위하여 부호 ⊙로 나타낸 바와 같은 상향류 채널(18)로부터 유체를 수집하며, 이때 블랭크 오프 구간(26)은 유체가 채널(15)로부터 유출 챔버(21)로 넘쳐 흐르는 것을 막아준다.Manifold 13 includes an inlet chamber 20 and an outlet chamber 21, as shown in FIG. 2. The partition plate 22 isolates the space of the inflow chamber 20 and the outflow chamber 21. As indicated by the symbol 도입, the fluid introduced flows from line 23 along the inlet chamber 20 to the channel 15 towards the lower inlet 14. The blankoff section 24 of the upflow channel 18 prevents the fluid carried by the inlet chamber 20 from entering the upflow channel 18. Similarly, the outlet chamber 21 collects fluid from the upflow channel 18 as indicated by the symbol ⊙ for removal to the outlet stream 25, where the blank off section 26 provides a fluid channel 15. ) To prevent overflow from the outflow chamber 21.

채널(15 및 18)은 다수의 상이한 기능을 수행할 수 있다. 채널(15)은 채널(18)에서 발생하는 흡열 반응을 위해 반응물을 예열함으로써 냉각될 수 있다. 이와는 반대로, 채널(15)은 채널(18)에서 발생하는 흡열 반응을 위한 열을 추가로 제공하는 가열된 반응물 스트림을 수용할 수 있다. 또는, 채널(15)은 채널(18)에 도입된 반응물을 연소 가열시키기 위한 산화 촉매를 함유할 수 있다. Channels 15 and 18 may perform a number of different functions. Channel 15 may be cooled by preheating the reactants for the endothermic reaction occurring in channel 18. In contrast, channel 15 may receive a heated reactant stream that further provides heat for the endothermic reaction that occurs in channel 18. Alternatively, channel 15 may contain an oxidation catalyst for combustion heating the reactants introduced into channel 18.

본 발명의 채널들은 특히 입자형 촉매와 함께 사용하기에 적합하다. 도 1은 발열 반응용인 하나의 촉매 적재 배열을 나타낸다. 차가운 도입 반응물은 라인(23)을 통하여 도입되어 채널(15)을 하강하며 통과한다. 도입된 반응물이 채널(15)의 상부를 통과할때, 채널(18)의 상부는 열 교환 대역으로서의 역할을 하여 배출 반응물에 대하여 도입 공급물을 예열시킨다. 배출 반응물은 채널(18)의 하부에서 발생하는 발열 반응에 의하여 가열되었다. 반응물이 채널(15)의 하부를 통과할때, 상기 채널은 채널(18)의 하부에서 발생하는 발열 반응과 비례하여 역으로 추가 가열된다. 가열된 반응물이 천공된 플레이트(17)의 저부에 있는 천공부(16)를 통과할때, 상기 반응물은 채널(18)의 하부를 부분적으로 충전하고 있는 촉매 입자(27)를 통과하게 된다. 간막이에서의 천공(16)은, 채널(15)로부터 채널(18)로 반응물 유체는 통과시키면서 채널(18)로부터 채널(15)로 촉매 입자는 통과시키지 못하는 크기이다.The channels of the invention are particularly suitable for use with particulate catalysts. 1 shows one catalyst loading arrangement for exothermic reactions. The cold introduction reactant is introduced through line 23 and passes down channel 15. As the introduced reactant passes over the top of the channel 15, the top of the channel 18 serves as a heat exchange zone to preheat the feed inlet to the exhaust reactant. The exhaust reactant was heated by the exothermic reaction occurring at the bottom of channel 18. As the reactant passes through the bottom of the channel 15, the channel is further heated inversely proportional to the exothermic reaction occurring at the bottom of the channel 18. As the heated reactant passes through the perforations 16 at the bottom of the perforated plate 17, the reactants pass through the catalyst particles 27 which partially fill the bottom of the channel 18. The perforations 16 in the diaphragm are sized to prevent the passage of catalyst particles from channel 18 to channel 15 while allowing reactant fluid to pass from channel 15 to channel 18.

도 1의 배열은 채널(15 및/또는 18) 내의 촉매를 교체하는 데 특히 적합하다. 도 1에 도시된 특정 배열에서, 촉매(27)는 발열 반응에 사용되는 채널(18)에만 존재한다. 촉매(27)가 탈활성화되거나 촉매를 교체할 필요가 생기면, 일반적으로 (28)로 도시된 바와 같은 촉매 하적 장치로 채널(18)로부터 촉매를 하적시킬 수 있을 것이다. 적어도, 하적 장치는, 고딕선으로 도시된 바와 같이 도어(29)가 폐쇄 위치에 있을 때 적어도 채널(18)의 저부(30)를 막아 채널로부터 촉매가 빠지는 것을 방지하는 1 세트의 도어(29)로 구성될 수 있다. 대시선으로 도시된 바와 같이 도어(29)를 개방 위치로 옮기면 촉매 입자를 배출하기 위해 채널(18)의 저부(30)가 개방된다. The arrangement of FIG. 1 is particularly suitable for replacing the catalyst in channels 15 and / or 18. In the particular arrangement shown in FIG. 1, the catalyst 27 is only present in the channel 18 used for the exothermic reaction. If catalyst 27 is deactivated or needs to be replaced, it may be possible to unload the catalyst from channel 18 with a catalyst loading device, generally as shown at 28. At least, the unloading device has at least one set of doors 29 which prevents catalyst from escaping from the channel by blocking at least the bottom 30 of the channel 18 when the door 29 is in the closed position as shown by the gothic line. It can be configured as. Moving the door 29 to the open position, as shown by the dashed line, opens the bottom 30 of the channel 18 to discharge catalyst particles.

하적 장치(28)에는 채널(15)로부터 촉매를 선택적으로 보유 및 하적하기 위한 제2 세트의 도어를 추가로 도입할 수 있다. 촉매 하적 개방 위치에 있는 제2 세트의 도어(31)가 도시되어 있다. 제2 도어(31)는 밀봉 돌기(sealing fingers)(33)를 분리하는 슬롯(32)을 포함한다. 도어(31)가 채널(15)의 저부(34)로 상방 회전하면, 밀봉 돌기(33)는 채널(15)의 저부(34)를 차단하여 어떤 촉매도 방출되지 못하게 한다. 슬롯(32)은, 도 1에 도시된 바와 같이 도어(31)를 개방 위치로 옮겨서 채널(15)로부터 촉매를 하적하기 전에 채널(18) 내의 촉매가 완전한 하적을 위해 제2 의 도어(31) 주변으로 유동하게 한다. 채널(18)로부터 촉매가 제거되면, 도어(31)를 개방하여 다른 촉매 입자와 상호혼합되는 일 없이 촉매를 채널(18) 밖으로 흐르게 한다. The loading device 28 may further introduce a second set of doors for selectively holding and unloading catalyst from the channel 15. A second set of doors 31 is shown in the catalyst loading open position. The second door 31 comprises a slot 32 which separates the sealing fingers 33. When the door 31 rotates upward to the bottom 34 of the channel 15, the sealing projection 33 blocks the bottom 34 of the channel 15 so that no catalyst is released. The slot 32 has a second door 31 for the catalyst in the channel 18 to fully unload before the door 31 is moved to the open position to unload the catalyst from the channel 15, as shown in FIG. Let it flow around. Once the catalyst is removed from the channel 18, the door 31 is opened to allow the catalyst to flow out of the channel 18 without intermixing with other catalyst particles.

촉매를 반응기(11)의 상부로부터 채널(18) 및 경우에 따라서 채널(15)에 적재하는 것은 쉽다. 촉매를 적재하기 위해서는, 채널 상부로부터 매니폴드(13)를 제거하여 채널 개방부와 유입 챔버 및 유출 챔버(각각 20 및 21)를 노출시킬 수 있다. 채널(18)에서만 촉매를 이용하고자 하는 경우에는, 고정 스크린으로 채널(15)의 입구(14)를 막아서 입자가 그 내부에서 유동하는 것을 방지할 수 있다. 양 채널에서 촉매 적재가 일어나는 경우에는, 적절한 슬롯형 플레이트를 도입하여 채널(15 및 18)의 상부 위에 두고 적재 조작의 특정 사이클 과정에서 촉매를 수용하지 않도록 채널을 선택적으로 막을 수 있다. It is easy to load the catalyst into the channel 18 and optionally the channel 15 from the top of the reactor 11. To load the catalyst, the manifold 13 can be removed from the top of the channel to expose the channel opening, the inlet chamber and the outlet chamber (20 and 21, respectively). If the catalyst is to be used only in the channel 18, a fixed screen can block the inlet 14 of the channel 15 to prevent particles from flowing therein. If catalyst loading occurs in both channels, an appropriate slotted plate may be introduced and placed on top of the channels 15 and 18 to selectively block the channels so that they do not receive catalyst during certain cycles of the loading operation.

반응기(11)를 통해 반응물 또는 열 교환 유체가 순환하는 동안 촉매를 이동시킬 수도 있다. 유입 및 유출 챔버(20 및 21)는 각각의 특정 챔버에서 개방된 상태로 있는 채널의 상부 위의 촉매가 분산될 수 있는 분포 공간을 제공할 수 있다. 이러한 배열에서, 챔버 또는 일련의 챔버는 도어(29 및 31)를 대신하여 입자형 물질을 수용하는 수거 챔버의 형태로 하적 장치를 제공할 수 있다. 적절한 수거 챔버는 선택된 채널로부터 촉매를 모으기 위해 도 2에 도시된 바와 유사한 배열을 가질 수 있다. 반응기(11)의 상부 및 저부로부터 촉매의 배출 및 첨가를 조절하면 반응기 내에서 임의의 목적하는 촉매 수준을 제공할 수 있다.The catalyst may be moved while the reactant or heat exchange fluid is circulating through the reactor 11. The inlet and outlet chambers 20 and 21 can provide a distribution space in which the catalyst on top of the channel that is open in each particular chamber can be dispersed. In such an arrangement, the chamber or series of chambers may provide a loading device in the form of a collection chamber for receiving particulate matter on behalf of the doors 29 and 31. Suitable collection chambers may have an arrangement similar to that shown in FIG. 2 to collect catalyst from selected channels. Adjusting the discharge and addition of catalyst from the top and bottom of reactor 11 can provide any desired catalyst level in the reactor.

본 발명은 얇은 플레이트를 통해 효율적으로 열을 교환하기 위해서 비교적 협소한 채널에 의존한다. 일반적으로, 채널 폭은 평균 1 인치 미만, 바람직하게는 평균 폭은 ½인치 미만이어야 한다. 본 발명의 적절한 플레이트는 열 전달율이 높은 임의의 플레이트를 포함한다. 얇은 플레이트가 바람직하며, 일반적으로 두께는 1∼2 mm이다. 통상적으로 플레이트는 스테인레스 스틸과 같은 철 또는 비철 합금으로 이루어진다. 플레이트에 사용하기 바람직한 합금은 극온을 견디며 니켈 및 크롬을 높은 비율로 함유한다. 플레이트를 곡선이나 다른 형상으로 형성할 수 있지만, 일반적으로 편평한 플레이트가 적층용으로 바람직하다. 편평한 플레이트는 기계 가공, 화학적 에칭 또는 기타 방법으로 형성한 채널을 포함할 수 있다. 또한, 각 플레이트는 평활하며 스페이서 또는 천공 탭과 같은 추가의 부재는 채널 내에 유체 난류를 일으킬 수 있다. The present invention relies on relatively narrow channels for efficiently exchanging heat through thin plates. In general, the channel width should average less than 1 inch, preferably average width less than ½ inch. Suitable plates of the present invention include any plate having a high heat transfer rate. Thin plates are preferred, and the thickness is generally 1-2 mm. Typically the plate consists of an iron or nonferrous alloy such as stainless steel. Preferred alloys for use in plates are extreme temperatures and contain high proportions of nickel and chromium. The plates can be formed into curves or other shapes, but generally flat plates are preferred for lamination. Flat plates may include channels formed by machining, chemical etching or other methods. In addition, each plate is smooth and additional members such as spacers or perforated tabs can cause fluid turbulence in the channel.

각각의 플레이트는 반응물 및 열교환 유체의 흐름을 생기게 하는 주름형인 것이 바람직하다. 주름형은 그 높이에 의해 한정되는 다양한 채널 폭을 유지한다. 주름형의 경우, 평균 채널 폭은 플레이트의 주면과 평행한 단면적당 채널의 부피로서 정해지는 것이 가장 실용적이다. 이러한 정의에 의하면 거의 직선으로 경사진 면의 벽을 갖는 주름형 플레이트는 평균 폭이 채널의 최대 폭의 ½일 것이다. Each plate is preferably corrugated to produce a flow of reactant and heat exchange fluid. The corrugations maintain various channel widths defined by their height. In the case of corrugations, it is most practical to set the average channel width as the volume of the channel per cross-sectional area parallel to the major surface of the plate. According to this definition, a corrugated plate having a wall of nearly straight slopes will have an average width of ½ of the maximum width of the channel.

도 3은 채널(15)과 채널(18)을 분리하는 플레이트(17)에 대한 바람직한 주름형 배열을 도시한다. 주름형 패턴은 2가지 이상의 기능을 할 수 있다. 한가지 기능은 인접한 플레이트를 구조적으로 지지하는 것이다. 또 다른 기능은 협소한 반응 채널의 열 교환 효율을 증가시키는 난류를 촉진하는 것이다. 도 3은 마루(37)와 골(38)에 의해 형성되는 주름형을 도시한다. 주름의 빈도수 또는 경사도(pitch)를 필요에 따라 다양하게 하여 난류도를 다양하게 바꿀 수 있다. 따라서, 마루(37) 및 골(38)에 의해 도시되는 바와 같이 유체 흐름 방향에 대하여 더 얕은 주름은 난류를 덜 일으키는 반면, 마루(39) 및 골(40)에 의해 도시된 바와 같이 유체 흐름 방향에 대하여 주름 경사도를 더 크게 하면 필요한 곳에 난류를 증가시킬 수 있다. 단일의 열 교환 채널에서 주름의 경사도 및 빈도수를 다양하게 하여 채널의 상이한 부분에서 열 전달 인자를 변화시킬 수 있다. 채널은 그 주변에 편평한 부분(41)을 포함하여 필요에 따라 상하 및 좌우의 채널 폐쇄를 용이하게 할 수 있는 것이 좋다. 천공부를 제외하고는, 플레이트(19)는 플레이트(17)와 실질적으로 동일하고 주름을 포함하는 것이 바람직하며, 주름의 경사도를 다양하게 하여 필요에 따라 열 교환 및 기타 목적을 위해 난류 및 유동 인자를 변화시킬 수 있다. 3 shows a preferred corrugated arrangement for the plate 17 separating the channels 15 and 18. The corrugated pattern can serve two or more functions. One function is to structurally support adjacent plates. Another function is to promote turbulence, which increases the heat exchange efficiency of the narrow reaction channel. 3 shows the corrugations formed by the ridges 37 and valleys 38. The frequency or pitch of the folds can be varied as needed to vary the turbulence. Thus, shallower corrugations with respect to the fluid flow direction as shown by floor 37 and valleys 38 cause less turbulence, while fluid flow direction as shown by floor 39 and valleys 40. Increasing the crease slope with respect to can increase turbulence where necessary. By varying the slope and frequency of the corrugations in a single heat exchange channel, heat transfer factors can be varied in different parts of the channel. The channel preferably includes a flat portion 41 around it to facilitate channel closure of the top, bottom, left and right as needed. Except for the perforations, the plate 19 is preferably substantially the same as the plate 17 and includes pleats, varying inclination of the pleats, as needed, for turbulent flow and flow factors for heat exchange and other purposes. Can change.

천공부(16)는 플레이트(17)에 걸쳐 연장된다. 보통 천공(42)은 그 직경이 비교적 작아서 유체는 천공부를 통해 유동하게 되고 촉매는 천공부를 통해 이동하지 못하게 된다. 천공은 그 크기가 약 1.5 mm∼약 10 mm로 다양하다. 천공부(16)는 플레이트의 중간부에 위치하여 특정 처리 적용시 유체 우회로를 제공할 수 있지만, 보통은 플레이트의 한 단부에 위치한다. 플레이트의 한 단부에 주름을 위치시키면 채널을 통한 유체 유동 경로를 최대화한다. 천공부에 의해 제공되는 유동 면적은 일반적으로 유체가 채널 유동 경로를 따라 유동하는 순 유동 면적과 같거나 그 이상이다. 채널 중 하나가 입자형 촉매 물질을 포함하는 경우, 순 유동 면적은 채널(18)의 횡단 부분을 통한 촉매 입자 사이의 평균 개방 면적으로 구성된다. 대부분의 경우 천공도는 채널 길이의 ½미만, 통상적으로는 25% 미만이다. 바람직하 게는, 채널의 천공부는 채널을 따른 유체 유동 경로를 최대화하기 위해서 채널 길이의 10% 이하로 연장된다. The perforations 16 extend over the plate 17. Usually the perforations 42 are relatively small in diameter such that fluid flows through the perforations and the catalyst cannot move through the perforations. Perforations vary in size from about 1.5 mm to about 10 mm. Perforations 16 may be located in the middle of the plate to provide fluid bypass in certain processing applications, but are usually located at one end of the plate. Placing the corrugation at one end of the plate maximizes the fluid flow path through the channel. The flow area provided by the perforations is generally equal to or greater than the net flow area through which the fluid flows along the channel flow path. If one of the channels comprises particulate catalyst material, the net flow area consists of the average open area between the catalyst particles through the transverse portion of the channel 18. In most cases the porosity is less than ½ of the channel length, typically less than 25%. Preferably, the perforations of the channels extend up to 10% or less of the channel length to maximize the fluid flow path along the channel.

도 4는 플레이트(44)의 주름이 플레이트(46)의 주름과 반대 방향으로 연장되어 교호 채널(47 및 48)을 형성하는 주름형 플레이트 배열의 전형적인 단면도를 도시한다. 구멍(49)은 플레이트(44)에 본 발명의 천공을 제공한다. 도 4는 주름형 플레이트의 바람직한 배열을 예시하는데, 여기서 주름형 플레이트의 대향면 상에는 청어 가시 무늬가 반대 방향으로 연장되고 대향 플레이트의 면들이 서로 접촉하여 유동 채널을 형성하고 플레이트 구간에 대한 구조적 지지체를 제공한다. 도 5는 또 다른 가능한 플레이트 구조를 추가로 예시한다. 4 shows a typical cross-sectional view of a corrugated plate arrangement in which the corrugations of plate 44 extend in opposite directions to the corrugations of plate 46 to form alternating channels 47 and 48. Holes 49 provide a perforation of the invention in plate 44. 4 illustrates a preferred arrangement of the corrugated plate, where on the opposite side of the corrugated plate the herring thorn pattern extends in the opposite direction and the sides of the opposing plate contact each other to form a flow channel and establish a structural support for the plate section. to provide. 5 further illustrates another possible plate structure.

각 반응 채널을 열 교환 채널과 교호적으로 배치하는 것이 본 발명의 실시에 필수적인 것은 아니다. 반응 구간의 가능한 형상은 각 반응 채널 사이에 2 이상의 열 교환 채널을 배치하여 열 교환 매체측에서의 압력 강하를 줄일 수 있다. 이중 채널 배열을, 인접한 열 교환 채널을 분리하고 전면에 천공을 포함하는 천공된 플레이트로 형성할 수 있다. 팩킹 또는 천공된 플레이트를 사용하면 가열된 채널의 전체 단면에 걸친 순환을 양호하게 하면서 반응 채널과의 열 전달을 증가시킬 수 있다. Alternately placing each reaction channel with a heat exchange channel is not essential to the practice of the present invention. The possible shape of the reaction section can reduce the pressure drop on the heat exchange medium side by placing two or more heat exchange channels between each reaction channel. The dual channel arrangement can be formed from a perforated plate that separates adjacent heat exchange channels and includes perforations in the front. Using packed or perforated plates can increase heat transfer with the reaction channel while improving circulation across the entire cross section of the heated channel.

도 6 및 도 7은 2개의 독립적인 그룹의 채널 쌍이 반응기 배열(50)의 대향 단부로부터 분리된 형태로 상이한 유체를 순환시키는 배열을 도시한다. 유입 스트림(51)은 상부 유입 챔버(53) 및 상부 유출 챔버(54)를 포함하는 매니폴드 배열(52)로 유체를 공급한다. 유입 챔버(53)는 부호 ⓧ에 의해 도시되는 바와 같이 채널 쌍(55)으로 상부 유입 스트림(51)을 분배시킨다. 상부 유출 스트림(56)은 부호 ⊙에 의해 표시되는 채널 개구부에서 상부 유출 챔버(54)를 통해 제1의 복수 채널(55)으로부터 유체를 수거한다. 천공부(57)는 제1의 복수 채널(55)에서의 2개의 채널을 연결한다. 유사하게, 매니폴드 배열(60)을 통해 하부 유입 스트림(58)을 제2의 복수 채널(59)에 분배시킨다. 제2의 복수 채널(59)에서 상부 천공부(61)는 매니폴드(60)를 통해 하부 유출 스트림(62)을 배출하기 위해 채널과 연통되어 있다. 6 and 7 illustrate an arrangement in which two independent groups of channel pairs circulate different fluids in a form separated from opposite ends of the reactor arrangement 50. Inlet stream 51 supplies fluid to manifold array 52 including upper inlet chamber 53 and upper outlet chamber 54. The inlet chamber 53 distributes the upper inlet stream 51 into channel pairs 55, as shown by the letter VII. The upper outlet stream 56 collects fluid from the first plurality of channels 55 through the upper outlet chamber 54 at the channel opening indicated by symbol ⊙. The perforations 57 connect two channels in the first plurality of channels 55. Similarly, lower inlet stream 58 is distributed to second plurality of channels 59 via manifold arrangement 60. In the second plurality of channels 59, the upper perforations 61 are in communication with the channel for withdrawing the lower outflow stream 62 through the manifold 60.

이러한 배열에 의해서 2종의 상이한 유체를, 반응기 배열의 대향 단부에 있는 단순 매니폴드 배열을 이용하여 열 교환 반응에서 완전 교차 흐름 관계로 순환시킬 수 있다. 이러한 방식으로, 제1의 복수 채널은 열 교환 유체를 순환시키는 열 교환 채널을 형성하고 제2의 복수 채널은 반응물 스트림을 수용하고 반응된 스트림을 이송하는 반응 채널을 형성할 수 있다. This arrangement allows two different fluids to be circulated in a full cross flow relationship in the heat exchange reaction using a simple manifold arrangement at opposite ends of the reactor arrangement. In this way, the first plurality of channels may form a heat exchange channel for circulating the heat exchange fluid and the second plurality of channels may form a reaction channel for receiving the reactant stream and for transporting the reacted stream.

도 8 및 도 9는 홀수 개의 통로를 사용하여 간소화된 유입 및 유출 매니폴드 배열을 제공하는 반응 채널의 배열을 도시한다. 도 8에서, 유입 스트림(65)은 단일 챔버를 보유한 유입 매니폴드(66)로 유입된다. 유체가 유입되는 유입 매니폴드(66)는 일련의 3개의 통로 채널 배열(67) 중 유입 채널(68)로 하방으로 흐른다. 플레이트(69)의 저부에 있는 천공부(78)는 유입 채널(68)에서 나온 유체를 중간 채널(70)로 통과시키고 상부 천공부(74)는 중간 채널(70)로부터 나온 유체를 유출 채널(71)로 계속 연통시킨다. 또 단일 개방 챔버를 포함하는 매니폴드(72)는 유출 스트림(73)으로 배출하기 위해 유출 채널(71)로부터 나온 유출물을 회수한다. 이러 한 방식에서, 도 8의 배열은 천공부를 플레이트의 단부에 교대로 배치하여 채널의 한 단부에서 유체를 전달하고 채널의 반대 단부로부터 유체를 수거하는 유동 경로를 정하는 채널을 형성한다.8 and 9 illustrate an arrangement of reaction channels using an odd number of passages to provide a simplified inlet and outlet manifold arrangement. In FIG. 8, inlet stream 65 enters inlet manifold 66 with a single chamber. The inlet manifold 66 into which the fluid enters flows downward into the inlet channel 68 of the series of three passage channel arrays 67. Perforation 78 at the bottom of plate 69 passes fluid from inlet channel 68 to intermediate channel 70 and upper perforation 74 passes fluid from intermediate channel 70 to outlet channel ( Continue to 71). The manifold 72, which also includes a single open chamber, recovers the effluent from the outlet channel 71 for exit to the outlet stream 73. In this manner, the arrangement of FIG. 8 alternately places perforations at the end of the plate to form a channel that delivers fluid at one end of the channel and defines a flow path for collecting fluid from the opposite end of the channel.

도 9는 도 8의 배열을 추가로 변형시킨 것으로서, 여기서 사이드 매니폴드(75)는 열 교환 채널의 복수 뱅크(76) 사이로 연장된다. 도 6 내지 도 8에 도시된 매니폴드 배열로 단일 유체 또는 복수 유체를 열 전달 채널로 이송할 수 있다. 사이드 채널(75)은 이격된 플레이트에 의해 생기는 1 이상의 채널의 사이드(77)로부터 나온 액체를 분배 또는 회수할 수 있다. 예시를 위해서, 도 8 및 도 9는 중간 스트림(80) 이송을 위해 채널(70)의 사이드에 있는 개구(79)를 도시한다. 개구(79)는 도 8에 도시된 바와 같이 구멍(79')에 의해 사이드 매니폴드 또는 그 일부와 연통되는 채널의 전체 길이를 통해 연장될 수 있다. 실제 구성 관점에서, 채널의 사이드에 있는 개구는 개방 구멍을 형성하기 보다는 채널의 사이드에서의 간헐적인 용접으로 제공하는 것이 더욱 편리할 수 있다. FIG. 9 is a further variation of the arrangement of FIG. 8, where the side manifold 75 extends between multiple banks 76 of heat exchange channels. The manifold arrangement shown in FIGS. 6-8 can transfer a single fluid or multiple fluids to a heat transfer channel. The side channel 75 may dispense or withdraw liquid from the side 77 of one or more channels created by the spaced plates. 8 and 9 show the openings 79 on the side of the channel 70 for transporting the intermediate stream 80. The opening 79 may extend through the entire length of the channel in communication with the side manifold or a portion thereof by the hole 79 'as shown in FIG. From a practical configuration point of view, it may be more convenient to provide an opening at the side of the channel with intermittent welding at the side of the channel rather than forming an open hole.

하기 실시예는 관형 반응기 기본 사례와 도 6 및 7에 도시된 바와 같은 2개의 독립적인 유동 경로를 이용하는 유형의 채널 반응기 배열의 조작을 제시한다. 모든 실시예는 오르토크실렌을 프탈산 무수물로 산화시키는 것을 보여준다. 수치 데이타는 확립된 반응속도 데이타와 실험적으로 발생한 열 전달 데이타를 이용한다. 모든 촉매 데이타는 표면적이 2000 cm2/g인 탄화규소 베이스 물질로 표면 코팅 된 바나듐펜톡시드에 대한 성능 변수를 기초로 한 것이다. 모든 실시예는 유출물 중 프탈리드 함량을 PA 생성물 중에서 1000 ppm 미만으로 유지하도록 조작된다. 본 실시예들은 냉매로서 용융염을 사용하였다.The following examples show the operation of a channel reactor arrangement of the type using a tubular reactor base case and two independent flow paths as shown in FIGS. 6 and 7. All examples show the oxidation of orthoxylene with phthalic anhydride. Numerical data uses established reaction rate data and experimentally generated heat transfer data. All catalyst data are based on performance parameters for vanadium pentoxide surface coated with a silicon carbide base material with a surface area of 2000 cm 2 / g. All examples are engineered to keep the phthalide content in the effluent less than 1000 ppm in the PA product. The examples used molten salt as the refrigerant.

실시예 1Example 1

본 실시예는 관형 반응기 기본 사례의 성능을 확인하고 현행 공업용 관형 반응기 성능과 유사한 결과를 산출하였다. 이 기본 사례의 경우, 오트로크실렌을 75 g/Nm3 공급물의 농도로 함유하는 공기 공급원료를 직경이 25 mm인 3 m 길이의 관에 10,000 kg/m2/hr의 질량 플럭스 속도로 통과시켜 관을 따라 0.3 bar의 압력 강하를 산출하였다. 관형 반응기 모델은 외경이 9 mm인 고리 형상의 입자와 통상 5 mm 직경의 천공을 이용한다. 관의 셀면 주변에 698 °K의 온도에서 염조를 순환시켜 냉각시킨다. 공급물은 약 700 °K의 온도에서 관형 반응기로 유입된다. PA 생성물 중 최종 프탈리드 함량은 1000 ppm 이하였다. 도 10은 대표적인 관의 길에 따른 온도 프로필을 그래프로 도시한 것이다. 관은 경로 길이의 처음 50 cm 내에서 약 835 °K의 피크 온도를 나타낸다. 도 11은 관 길이의 대략 처음 100 cm에서 오르토크실렌의 전환이 거의 완료되는 것을 예시하고 있다. 또한 도 11에 제시된 바와 같이, 관내서 계속되는 전환은 PA 선택성을 약 83%로 올리면서 오르토톨루알데히드 및 프탈리드의 농도를 1000 ppm 수준으로 낮춘다. This example confirmed the performance of the tubular reactor base case and yielded results similar to the current industrial tubular reactor performance. In this basic case, an air feedstock containing otroxylene at a concentration of 75 g / Nm 3 feeds was passed through a 25 mm diameter 3 mm long tube at a mass flux rate of 10,000 kg / m 2 / hr. A pressure drop of 0.3 bar was calculated along the pipe. The tubular reactor model utilizes annular particles with an outer diameter of 9 mm and perforations, usually 5 mm in diameter. Cool by circulating the salt bath at a temperature of 698 ° K around the cell surface of the tube. The feed enters the tubular reactor at a temperature of about 700 ° K. The final phthalide content in the PA product was 1000 ppm or less. 10 graphically illustrates a temperature profile along a length of a representative tube. The tube exhibits a peak temperature of about 835 ° K within the first 50 cm of the path length. FIG. 11 illustrates that the conversion of orthoxylene is nearly complete at approximately the first 100 cm of tube length. Also shown in FIG. 11, continued conversion in vitro lowers the concentrations of orthotolualdehyde and phthalide to 1000 ppm level while increasing PA selectivity to about 83%.

실시예 2Example 2

열 교환 채널을 통한 오르토크실렌 유입 농도 및 질량 플럭스를 관형 반응기 에서와 동일하게 하여 플레이트 열 교환기 유형의 반응기를 조작한다. 채널 배열은 간격이 6 mm인 채널쌍 중 하나의 채널 내에 2 mm 구형 촉매를 포함한다. 채널을 통한 압력 강하를 관형 반응기와 동일하게 0.3 bar로 유지하기 위해서, 플레이트 반응기 배열 중의 처리 플럭스를 7500 kg/m2/hr로 강하시킨다. 그럼에도 불구하고, 플레이트 교환 반응기의 정렬(sizing)은 반응기 부피를 기준으로 하여 촉매 표면적에 대한 열 전달 표면적의 비를 관형 반응기 배열에서와 동일하게 유지한다. 공기 공급물 중 오르토크실렌 농도가 75 g/Nm3로 동일할 때, PA 생성물 중 동일한 프탈리드 수준을 유지하기 위해서 플레이트 교환 반응기에서는 공정 유입 온도를 관형 반응기 사례보다 15℃ 증가시키거나 약 713 °K의 온도로 증가시킨다. 유입 온도를 증가시키더라도, 도 12에 도시된 바와 같이 채널에서의 피크 온도는 약 815℃로 감소되어, 관형 반응기 사례에 비하여 약 20℃ 온도 강하를 나타낸다. 또한, 도 13은 플레이트 교환 반응기의 경로 길이를 따라 오르토크실렌의 전환이 신속하게 일어나며 이 때 PA에 대한 선택성은 거의 동일하고 오르토톨루알데히드 및 프탈리드의 농도는 1000 ppm 미만임을 도시한다. 따라서, 본 실시예의 온도 감소는 플레이트 열 교환 반응기가 관형 반응기보다 총 열 전달 능력이 약 30% 더 크다는 것을 입증한다. The reactor of plate heat exchanger type is operated with the same orthoxylene inlet concentration and mass flux through the heat exchange channel as in the tubular reactor. The channel arrangement comprises a 2 mm spherical catalyst in one channel of the pair of channels 6 mm apart. In order to maintain the pressure drop through the channel at 0.3 bar equal to the tubular reactor, the treatment flux in the plate reactor arrangement is lowered to 7500 kg / m 2 / hr. Nevertheless, the sizing of the plate exchange reactor keeps the ratio of heat transfer surface area to catalyst surface area based on the reactor volume the same as in the tubular reactor arrangement. When the orthoxylene concentration in the air feed is equal to 75 g / Nm 3 , in order to maintain the same phthalide level in the PA product, the process of inlet temperature is increased by 15 ° C. or about 713 ° K in the tubular reactor case Increase to the temperature of Even with increasing inlet temperature, the peak temperature in the channel is reduced to about 815 ° C. as shown in FIG. 12, indicating a temperature drop of about 20 ° C. compared to the tubular reactor case. 13 also shows that the conversion of orthoxylene occurs rapidly along the path length of the plate exchange reactor, with the selectivity to PA being approximately the same and the concentrations of orthotolualdehyde and phthalide less than 1000 ppm. Thus, the temperature reduction of this example demonstrates that the plate heat exchange reactor has about 30% greater total heat transfer capacity than the tubular reactor.

실시예 3Example 3

실시예 3은, 플레이트 열 교환 반응기에서 관형 반응기와 동일한 피크 온도가 산출되는 농도를 결정하기 위해서 75 g/Nm3∼110 g/Nm3 범위에 걸쳐 플레이트 교 환 반응기에 대한 공기중 오르토크실렌의 농도 증가를 평가한다. 추가의 오르토크실렌 산화로부터 열이 생기므로, PA 생성물 중 프탈리드 농도를 1000 ppm 이하로 유지하기 위해서는 실시예 2에서의 713 °K의 순환 염 온도를 약 717 °K으로 증가시켜야 한다. 약 105 g/Nm3의 농도 레벨에서, 플레이트 반응기의 피크 온도(도 14 참조)는 관형 반응기 배열의 최대 온도에 근접한다. 도 15에서 입증된 바와 같이, PA 선택도를 약 83 몰%로 유지하면서 플레이트 교환기를 사용하면 관형 반응기 사례보다 최대 오르토크실렌 농도를 상당히 증가시킬 수 있다.Example 3 shows the concentration of orthoxylene in air for the plate exchange reactor over the range of 75 g / Nm 3 to 110 g / Nm 3 to determine the concentration at which the same peak temperature as the tubular reactor is calculated in the plate heat exchange reactor. Evaluate the increase. Since heat is generated from further orthoxylene oxidation, the circulating salt temperature of 713 ° K in Example 2 should be increased to about 717 ° K in order to maintain the phthalide concentration in the PA product below 1000 ppm. At a concentration level of about 105 g / Nm 3 , the peak temperature of the plate reactor (see FIG. 14) is close to the maximum temperature of the tubular reactor arrangement. As demonstrated in FIG. 15, using a plate exchanger while maintaining PA selectivity at about 83 mole percent can significantly increase the maximum orthoxylene concentration over the tubular reactor case.

실시예 4Example 4

실시예 4는 75 g/Nm3의 최대 농도를 재정립하기 위해서 채널의 중간 지점에서의 오르토크실렌의 단계별 주입이 온도 및 전환율에 미치는 영향을 입증한다. 본 사례에서 공급물의 단계별 주입은 도 6 및 7에 도시된 채널쌍의 그룹 중 하나와 병행하여 도 8 및 9의 사이드 분배 채널을 사용한다. 본 실시예는 초기 공급물의 주입을 감소시켜 오르토크실렌 주입의 제1 단계를 위해 플레이트 반응기의 유입구에서의 처리 플럭스를 5525 kg/m2/hr로 낮춘다. 이 배열에서는 각쌍의 상향류 및 하강류 채널 그룹의 채널 중 하나의 중간부에 열 교환 반응기의 경로 길이를 따라 30 cm의 위치에서 추가의 오르토크실렌을 주입한다. 하부 처리 플럭스를 이용하여 순환 염조의 온도를 관형 반응기 유입 온도와 같은 700 °K로 강하시킨다. 본 실시예의 채널의 경로 길이는, 제2 단계의 경우에는 실시예 2 및 3에 사용된 바와 같이 100 cm로 동일하게 유지하면서 제1 단계의 경우에는 30 cm를 더 제공하여 총 130 cm로 증가시킨다. 길이가 증가하면 PA 생성물 중 프탈리드 함량은 1000 ppm 이하로 낮아진다. 그렇지만, 길이가 증가하더라도 총 압력 강하는 관형 반응기의 예에서와 같이 0.3 bar 이하가 된다. 도 16은 제1 단계에서 810 °K 이하의 최대 피크 온도를 나타낸다. 도 16은 주입점으로부터 처음 30 cm 내에서 오르토크실렌 전환이 거의 완료됨을 도시한다. 도 17은 PA 선택도가 83% 이상으로 유지됨을 입증한다. 결과적으로, PA 50 kMta를 생산하는 관형 반응기를 사용한 공정 유닛에는 촉매 33 m3가 필요하다. 이에 비하여, 동일한 양의 PA 생성물을 생산하기 위해서 복수의 공급물 주입을 사용하는 플레이트 열 교환 반응기는 촉매 약 12.8 m3만을 필요로 하므로 관형 반응기 배열에 비하여 플레이트 반응기 배열의 자본 비용을 상당히 줄일 수 있다. 다른 각도에서 보면, 본 실시예는 단계별 공급물 주입을 이용한 오르토크실렌 공급물 농도가 관형 반응기의 사실상 2배임을 보여준다.Example 4 demonstrates the effect of stepwise injection of orthoxylene on the temperature and conversion rate at the midpoint of the channel to redefine the maximum concentration of 75 g / Nm 3 . Stepwise injection of the feed in this example uses the side distribution channels of FIGS. 8 and 9 in parallel with one of the group of channel pairs shown in FIGS. 6 and 7. This example reduces the initial feed injection to lower the treatment flux at the inlet of the plate reactor to 5525 kg / m 2 / hr for the first stage of orthoxylene injection. In this arrangement, additional orthoxylene is injected in the middle of one of the channels of each pair of upstream and downstream channel groups at a position of 30 cm along the path length of the heat exchange reactor. The bottom treatment flux is used to lower the temperature of the circulation salt bath to 700 ° K, which is equal to the tubular reactor inlet temperature. The path length of the channel of this embodiment is increased to 130 cm in total by providing 30 cm for the first step while keeping the same at 100 cm for the second step as used in Examples 2 and 3. . As the length increases, the phthalide content in the PA product is lowered below 1000 ppm. However, even as the length increases, the total pressure drop is less than 0.3 bar, as in the example of a tubular reactor. Figure 16 shows the maximum peak temperature of 810 ° K or less in the first stage. FIG. 16 shows that orthoxylene conversion is nearly complete within the first 30 cm from the injection point. 17 demonstrates that PA selectivity remains above 83%. As a result, a process unit using a tubular reactor producing PA 50 kMta requires 33 m 3 of catalyst. In contrast, a plate heat exchange reactor using multiple feed injections to produce the same amount of PA product requires only about 12.8 m 3 of catalyst, which can significantly reduce the capital cost of the plate reactor arrangement compared to the tubular reactor arrangement. . From another angle, this example shows that the orthoxylene feed concentration using stepwise feed injection is virtually twice that of the tubular reactor.

전체 실시예는 관형 반응기 배열을 능가하는 플레이트형 반응기 배열의 다수의 처리 장점을 입증한다. 실시예의 비교 결과, 프탈산 무수물을 제조하기 위해서 1개의 유입점에서 공기와 오르토크실렌의 혼합물을 도입하는 플레이트형 열 교환 반응기 배열을 사용하면 전체 열 효율이 증가된다는 것을 알 수 있다. 1개의 공급물 유입구에서 공기 중 오르토크실렌의 농도를 증가시키면서 플레이트형 반응기 배열을 이용하면 추가의 장점을 얻을 수 있다. 또한, 플레이트형 반응기 배열 중 오르토크실렌의 단계별 공급물 주입은 플레이트형 반응기 배열 비용을 실질적으로 낮춘다. 이러한 절약은 공기 압축 비용을 50% 감소시키며 관형 반응기에 비하여 플레 이트형 반응기는 크기가 비교적 작으므로 자본 비용이 실질적으로 감소된다. The entire example demonstrates a number of processing advantages of plate reactor arrangements over tubular reactor arrangements. The comparison of the examples shows that using a plate heat exchange reactor arrangement that introduces a mixture of air and orthoxylene at one inlet point to produce phthalic anhydride increases the overall thermal efficiency. Further advantages can be obtained by using a plate reactor arrangement with increasing concentrations of orthoxylene in air at one feed inlet. In addition, the stepwise feed injection of orthoxylene in the plate reactor configuration substantially lowers the plate reactor reactor cost. These savings reduce air compression costs by 50%, and the plated reactors are relatively small in size compared to tubular reactors, thereby substantially reducing capital costs.

Claims (14)

열 교환 유체와 간접 열 교환에 의해 반응 대역 내의 반응물을 간접 가열 또는 냉각하면서 반응 대역 내의 촉매와 반응물을 접촉시키는 반응 장치로서,A reaction apparatus for contacting a reactant with a catalyst in a reaction zone while indirectly heating or cooling the reactant in the reaction zone by indirect heat exchange with a heat exchange fluid, 한 단부에서 유체 입구(14)를 갖는 제1의 복수의 채널(15)과 유체 출구를 갖는 제2의 복수의 채널(18)을 형성하는 복수의 적층 플레이트(17,19);A plurality of laminated plates 17, 19 defining at least one first plurality of channels 15 having a fluid inlet 14 and a second plurality of channels 18 having a fluid outlet; 인접한 채널 사이의 유체 흐름을 차단하기 위한 비천공된 플레이트(19) 및, 비천공된 플레이트와 교대로 존재하여 유체 입구(14)로부터 유체 출구로의 연속 유동 경로를 한정하는 천공된 플레이트(17)를 포함하는 복수의 적층 플레이트(17,19); 및An unperforated plate 19 for blocking fluid flow between adjacent channels and a perforated plate 17 that alternates with the non-perforated plate to define a continuous flow path from the fluid inlet 14 to the fluid outlet A plurality of lamination plates 17 and 19 including; And 제1 및 제2의 복수의 채널(15,18) 간에 유체를 연통시키는 1 이상의 천공부(16)를 포함하고, 적층 플레이트의 일부 또는 전부가 그 단부 중 하나에서 천공을 형성하고 각 천공부(16)는 천공을 형성하는 플레이트(17)의 일부 상에서만 연장되며, 천공의 1 이상의 세트는 유체 입구(14)와 반대 위치에 존재하는 것인 장치.One or more perforations 16 for communicating fluid between the first and second plurality of channels 15, 18, wherein some or all of the laminated plates form perforations at one of their ends and each perforation ( 16) extends only on a portion of the plate (17) forming the perforation, wherein at least one set of perforations is in a position opposite the fluid inlet (14). 제1항에 있어서, 분배 매니폴드(20,21)와 촉매 하적 장치(28)를 추가로 구비하며, 또 분배 매니폴드(20,21)는 제1의 복수의 채널(15)과 제2의 복수의 채널(18)의 상부에서 유체 입구(14) 및 유체 출구로부터 유체를 분배 및 회수하고, 채널의 제1의 복수의 채널 및 제2의 복수의 채널의 일부 또는 전부가 그 저부에서 입자 출구(30)를 형성하며, 제1 세트의 채널(15)의 유체 입구(14) 또는 제2 세트의 채널(18)의 유체 출구, 또는 이들 모두는 입자를 수용하고, 촉매 하적 장치(28)는 촉매 보유 위치에 있을 때는 입자 출구(30)를 막고 하적 위치에 있을 때는 입자 출구를 개방하는 것인 장치.The system of claim 1, further comprising a distribution manifold (20, 21) and a catalyst loading device (28), wherein the distribution manifold (20, 21) comprises a first plurality of channels (15) and a second Distributes and withdraws fluid from the fluid inlet 14 and the fluid outlet at the top of the plurality of channels 18, and some or all of the first plurality of channels and the second plurality of channels of the channels exit the particle at the bottom thereof. 30, wherein the fluid inlet 14 of the first set of channels 15 or the fluid outlet of the second set of channels 18, or both receive particles, and the catalyst loading device 28 The apparatus is to block the particle outlet (30) when in the catalyst holding position and open the particle outlet when in the loading position. 제1항에 있어서, 복수의 적층 플레이트(17) 중 한개 걸러 한개의 플레이트(17)는 그 저부에 천공부(16)를 형성하여 제1 및 제2의 복수의 채널(15,18) 저부와 유체 유동을 위해 직접 연통되고, 유체 입구(14) 및 유체 출구는 제1 및 제2의 복수의 채널(15,18)과 동일한 단부에 있는 것인 장치.The method according to claim 1, wherein every other one of the plurality of laminated plates (17) forms perforations (16) at its bottom to form bottoms of the first and second plurality of channels (15,18). The device is in direct communication for fluid flow, the fluid inlet (14) and the fluid outlet at the same end as the first and second plurality of channels (15,18). 제2항에 있어서, 제1 및 제2의 복수의 채널(15,18)은 그 저부에 입자 출구(30)를 형성하고, 하적 장치(28)는 제1 위치에 있는 동안 입자 하적을 위해 복수의 채널 중 하나를 개방하고 제2 위치에 있을 때 채널 중에 입자를 보유하는 제1 도어(29)를 포함하고, 하적 장치는 제2 도어(31)가 복수의 채널에서 입자를 보유할 때 제1 도어보다 위에 위치하고, 또 슬롯형 플레이트 형상을 갖는 제2 도어(31)를 포함하는 것인 장치.3. The first and second plurality of channels (15, 18) form a particle outlet (30) at the bottom thereof, and the unloading device (28) is provided for the particle loading while in the first position. A first door 29 which retains particles in the channel when opening one of the channels of and in the second position, the loading device comprising a first door when the second door 31 retains particles in the plurality of channels; And a second door (31) positioned above the door and having a slotted plate shape. 제1항에 있어서, 천공된 플레이트 상의 천공(61,57)은 채널의 한 단부로부터 다른 단부로 교대적으로 존재하며, 제1의 복수 채널(55) 및 제2의 복수 채널(59)과 이들 제1및 및 제2의 복수 채널(55,59)의 제1의 복수 채널로부터 유체를 회수 및 분배시키는 채널 한 단부의 제1 매니폴드(52) 및 제2의 복수 채널로부터 유체를 회수 및 분배시키는 채널의 대향 단부에서의 제2 매니폴드(60)를 통해 독립적인 유동 경로를 형성하는 것인 장치.2. The perforations 61, 57 on the perforated plate alternately exist from one end to the other end of the channel, the first plurality of channels 55 and the second plurality of channels 59 and Recovering and dispensing fluid from the first manifold 52 and the second plurality of channels at one end of the channel for recovering and dispensing fluid from the first plurality of channels of the first and second plurality of channels 55, 59. To form an independent flow path through the second manifold (60) at opposite ends of the channel. 열 교환 유체와 간접 열 교환에 의해 반응 대역 내의 반응물을 간접 가열 또는 냉각하면서 반응 대역 내의 촉매와 반응물을 접촉시키는 반응 장치로서,A reaction apparatus for contacting a reactant with a catalyst in a reaction zone while indirectly heating or cooling the reactant in the reaction zone by indirect heat exchange with a heat exchange fluid, 한 단부에서 유체 입구를 갖는 제1의 복수의 채널(68,70,71)과 유체 출구를 갖는 제2의 복수의 채널(68,70,71)을 형성하는 복수의 적층 플레이트(69);A plurality of lamination plates 69 defining a first plurality of channels 68, 70, 71 having a fluid inlet at one end and a second plurality of channels 68, 70, 71 having a fluid outlet; 인접한 채널 사이의 유체 흐름을 차단하기 위한 비천공된 플레이트 및, 각각의 비천공된 플레이트 사이에서 교대로 전개되는 2개 이상의 천공된 플레이트(69)를 포함하는 복수의 적층 플레이트(69); A plurality of laminated plates 69 comprising non-perforated plates to block fluid flow between adjacent channels and two or more perforated plates 69 alternately deployed between each non-perforated plate; 적층 플레이트(69)의 일부 또는 전부가 그 단부 중 하나에서 천공부를 형성하고 각 천공부(74,78)는 천공을 형성하는 적층 플레이트(69)의 일부 상에서만 연장되며, 천공의 1 이상의 세트는 유체 입구와 반대 위치에 존재하는, 제1의 복수의 채널(68,70,71) 및 제2의 복수의 채널(68,70,71) 간에 유체를 연통시키는 1 이상의 천공부(74,78);Some or all of the laminated plate 69 forms a perforation at one of its ends and each perforation 74, 78 extends only over a portion of the laminated plate 69 forming the perforation, and at least one set of perforations One or more perforations 74,78 for communicating fluid between the first plurality of channels 68, 70, 71 and the second plurality of channels 68, 70, 71, which are opposite the fluid inlet. ); 대향 단부에 천공부(74,78)를 보유하여 3개 이상의 채널(68,70,71)에서 유체입구로부터 유체출구로 횡단하는 연속 흐름 통로를 형성하는 인접하는 천공된 플레이트; 및 Adjacent perforated plates having perforations 74, 78 at opposite ends to form continuous flow passages that traverse from fluid inlet to fluid outlet in at least three channels 68, 70, 71; And 채널의 한 단부에서 유체를 유체 입구에 분배시키는 제1 매니폴드(66)와 채널의 대향 단부로부터 유체를 회수하는 제2 매니폴드(72)를 포함하는 것인 장치.And a first manifold (66) for dispensing fluid at the fluid inlet at one end of the channel and a second manifold (72) for withdrawing fluid from the opposite end of the channel. 제1항에 있어서, 제1의 복수 채널(55)은 열 교환 유체를 순환시키기 위한 열 교환 채널을 한정하고, 또 제2의 복수 채널(59)은 반응물 스트림을 수용하고 반응된 스트림을 이송하기 위한 반응 채널을 한정하는 것인 장치.The method of claim 1, wherein the first plurality of channels 55 define a heat exchange channel for circulating the heat exchange fluid, and the second plurality of channels 59 receive the reactant stream and deliver the reacted stream. Defining a reaction channel for the device. 열 교환 유체와 간접 열 교환에 의해 반응 대역 내의 반응물을 간접 가열 또는 냉각하면서 반응 대역 내의 촉매와 반응물을 접촉시키는 반응 장치로서,A reaction apparatus for contacting a reactant with a catalyst in a reaction zone while indirectly heating or cooling the reactant in the reaction zone by indirect heat exchange with a heat exchange fluid, 한 단부에 유체 입구를 보유하는 제1의 복수의 채널(68,70,71)과 한 단부에 유체 출구를 보유하는 제2의 복수의 채널(68,70,71)을 한정하는 복수의 이격된 플레이트(69); A plurality of spaced apart defining a first plurality of channels 68, 70, 71 having a fluid inlet at one end and a second plurality of channels 68, 70, 71 having a fluid outlet at one end Plate 69; 제1 및 제2의 복수의 채널 사이에서 유체를 연통시키는 1 이상의 천공부(74,78)[여기서 이격된 플레이트의 일부 또는 전부는 각 단부 중 하나의 단부에 천공을 형성하고 각 천공부는 천공을 형성하는 플레이트의 일부에만 연장됨]; 및One or more perforations 74, 78 for communicating fluid between the first and second plurality of channels, wherein some or all of the spaced apart plates form perforations at one end of each end and each perforation is perforated. Extends only to a portion of the forming plate; And 채널의 사이드에 걸쳐 연장되는 사이드 매니폴드(75) 및, 사이드 매니폴드로부터 유체를 분배시키거나 사이드 매니폴드로 유체를 회수하기 위한 사이드 매니폴드와 연통되는 개구(79)를 한정하는 채널의 일부의 사이드를 포함하는 것인 장치.A portion of the channel that defines a side manifold 75 extending across the side of the channel and an opening 79 in communication with the side manifold for dispensing or withdrawing fluid from the side manifold. And a side. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 천공부(16)에 의해 정해지는 개방 영역의 합계는 채널의 순 유동 면적 이상이며 천공부(16)의 길이(L)은 플레이트(17) 길이의 0〈L≤25%로 연장되는 것인 장치.8. The length L of the perforations 16 according to claim 1, wherein the sum of the open areas defined by the perforations 16 is greater than or equal to the net flow area of the channel. 9. Silver plate (17) extending to 0 <L ≦ 25% of the length. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 반응 채널은 평균 폭(d)이 0〈d≤2.5 cm(1인치) 인 것인 장치.8. The device of claim 1, wherein the reaction channel has an average width d of 0 <d ≦ 2.5 cm (1 inch). 9. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 하나의 항에 있어서, 플레이트는 편평하고 채널이 플레이트 내로 에칭되는 것인 장치.8. The apparatus of claim 1, wherein the plate is flat and the channels are etched into the plate. 9. 제6항 또는 제8항에 있어서, 천공부(74, 78)에 의해 정해지는 개방 영역의 합계는 채널의 순 유동 면적 이상이며 천공부(74,78)의 길이(L)은 플레이트(69) 길이의 0〈L≤25%로 연장되는 것인 장치.The method according to claim 6 or 8, wherein the sum of the open areas defined by the perforations 74 and 78 is equal to or greater than the net flow area of the channel and the length L of the perforations 74 and 78 is the plate 69. Extending to 0 <L ≦ 25% of length. 제6항 또는 제8항에 있어서, 반응 채널은 평균 폭(d)이 0〈d≤2.5 cm(1인치) 인 것인 장치.The device of claim 6, wherein the reaction channel has an average width d of 0 <d ≦ 2.5 cm (1 inch). 제6항 또는 제8항에 있어서, 플레이트는 편평하고 채널이 플레이트 내로 에칭되는 것인 장치.The device of claim 6, wherein the plate is flat and the channel is etched into the plate.
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