KR100821417B1 - 발열 반응 시스템 - Google Patents

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에스데 리젠츠페어베르퉁스게젤샤프트 엠베하 엔 코. 카게
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Abstract

반응기(1) 및 열교환기(7) 조립체가 제공된다. 열교환기(7)는 반응기 출구 헤드(6)에 일체식으로 부착되고, 반응기(1)로부터의 반응 가스를 즉시 냉각하도록 구성되어 있다.

Description

발열 반응 시스템 {EXOTHERMIC REACTION SYSTEM}
본 발명은, 분자 상태의 산소 및 에틸렌을 반응시켜 산화에틸렌을 형성하는 것과 같은 발열 반응을 수행하는 데에 유용한 반응기 및 열교환기 조립체에 관한 것이다.
에틸렌을 산화시켜 산화에틸렌을 형성하는 것은 쉘/관 반응기 안에서 행하는 것이 통상적이다. 은을 포함하는 고체 촉매를 세장형 관 안에 배치하고, 반응 조건에서 반응 가스를 통과시켜 촉매와 접촉하게 한다. 순환 유체를 쉘측에 공급하여 발열 반응에서 생기는 열을 제거한다.
완전 산화 가능성을 최소화하고 포름알데히드 또는 아세트알데이드의 형성과 같은 원하지 않는 부반응을 최소화하기 위해서는, 원하는 반응이 종료된 후에 반응 가스 혼합물이 신속히 냉각되는 것이 중요하다. 상기 생성물은 산화에틸렌 생성물로부터 분리하기 어렵기 때문에, 그러한 생성물이 형성되면 순도 문제가 생긴다.
선행 기술에서 이 문제가 인식되었으며, 제안된 해결책 중 하나로는 반응기 관의 최종 섹션을 사용하여 반응기 가스를 냉각시키는 것이 있다. 미국 특허 제4,061,659호에서는, 표면적이 0.1 m2/g 이하인 불활성 내화 입자로 채워진 냉각 구역을 반응 구역 옆에 마련하는 것을 제안하고 있다.
영국 특허 제1,449,091호에 따르면, 3개의 개별 구역으로 분할된 관형 반응기가 제공된다. 반응 가스가 관들을 통과하는데, 관들은 제1 섹션에서 불활성 물질로 충전되어 예열 구역이 제공되고, 제2 섹션에서는 촉매로 충전되어 반응 구역이 제공되며, 제3 섹션에서는 불활성 물질로 충전되거나 충전되지 않은 상태로 있어 냉각 구역이 제공된다.
미국 특허 제4,921,681호는 예열, 반응 및 냉각 구역을 형성하는 관형 반응기를 제공한다.
보다 최근의 미국 특허 제5,292,904호에도, 마찬가지로 관들이 예열 구역, 반응 구역 및 충전된 최종 냉각 구역으로 분할되어 있는 관형 반응기가 기재되어 있다.
본 발명에 따르면, 제작 및 조작이 저렴하고 반응 가스를 신속히 냉각시키는 개선된 반응기 및 열교환기 조립체가 제공된다. 열교환기와 조합된 통상적인 형태의 관형 반응기가 제공되며, 상기 열교환기는 관형 반응기의 배출 헤드와 통합되어 있고 반응 가스를 냉각시키도록 구성되어 있다.
도 1은 본 발명의 반응기 및 열교환기 조립체의 개략도이다.
도면을 참조하면, 반응기(1)는 산화에틸렌 생산에 통상적으로 사용되는 형태의 쉘/관 반응기이다. 다수의 세장형 반응기 관(2)이 반응기 안에 마련되어 있으며, 이들 반응기 관의 유입 단부는 관 시트(3)에, 유출 단부는 관 시트(4)에 부착되어 있다. 반응기 출구 헤드(6)와 마찬가지로 반응기 유입 헤드(5)가 마련되어 있다.
쉘/관 열교환기(7)가 반응기 출구 헤드(6)에 부착 및 통합되어 있으며, 열교환기(7)와 연통하는 개구가 반응기 출구 헤드(6)에 마련되어 있고, 편리하게는 열교환기(7)가 상기 개구 주위에서 반응기 출구 헤드(6)에 용접되어 반응기와 함께 일체형 구조를 형성한다. 열교환기(7)에는 열교환기 관(8)이 마련되어 있으며, 표시된 바와 같이 이 열교환기 관(8)은 관 시트(9 및 10)에 부착되어 있다. 열교환기 출구 헤드(11)가 마련되어 있다.
도 1에 도시된 바와 같이, 열교환기(7)는 반응기(1)의 반응기 출구 헤드(6)와 동축으로 일체식으로 고정된다. 도 1에 또한 도시된 바와 같이, 열교환기(7) 내의 열교환기 관(8)은 반응기(1) 내로 관통하지 않는다.
실시 중에는, 에틸렌과 같은 반응 가스, 산소 및 밸러스트 가스가 라인(12)을 통해 반응기(1) 안으로 도입되어 반응 조건에서 반응기 관(2)을 통과하며, 이 반응기 관(2)은 은 촉매로 충전되어 있다. 순환하는 물과 같은 열전달 유체에 의해 반응열이 제거되며, 이 열전달 유체는 라인(13)을 통해 반응기(1)의 쉘측으로 도입되어 라인(14)을 통해 제거된다.
반응 가스는 산화에틸렌 생산이 이루어지는 반응기 관(2)을 통과하며, 반응기 관(2)에서 나오면 반응기 출구 헤드(6)를 향한다. 그 후, 열교환기(7)의 열교환기 관(8)으로 이동하고 나서 곧 냉각되어 더 이상의 산화 및 이성질화가 방지된다. 냉각 유체가 라인(15)을 통해 열교환기(7)의 쉘측으로 도입되어 라인(16)을 통해 제거된다. 물은 적절하고 선호되는 냉각 유체이다. 냉각된 반응 가스는 라인(17)을 통해 열교환기(7)를 통과한 후, 생성물의 회수 및 다양한 성분의 재순환을 위해 통상적인 방식으로 처리된다.
본 발명의 반응기 및 열교환기 조립체의 한 가지 잇점은, 반응기 관이 냉각 기능을 위해 사용되었던 종래의 제안에서 제약 없이 열교환기(7)를 반응 가스 냉각에 있어서의 최대 효율에 맞게 설계할 수 있다는 점이다. 반응기(1) 열 제거와는 무관하게 열교환기(7)에 대하여 유량, 온도 등이 개별적으로 조절된다.
열교환기 관(8)은 불활성 고체로 충전될 수 있지만, 고체 재료로 충전되지 않는 것이 바람직하다.
열교환기를 반응기 헤드에 직접 부착함으로써 효율적인 열교환기 설계 및 우수한 구조적 통합성이 가능해지고 반응 가스의 즉시 냉각이 보장되는데, 왜냐하면 열교환기가 반응기에 인접해 있기 때문이다.
열교환기 관(8) 내부에서의 냉각은 반응기(1)의 조작 상태와는 무관한데, 이는 반응기(1)의 반응기 관(2)의 연장부로서 냉각 구역이 마련되는 경우와 같이 열교환기(7) 안의 열교환 유체가 반응기(1)의 상태에 제한되지 않기 때문이다. 따라서, 반응기(1) 내부의 상태가 변하더라도 촉매의 수명 사이클 전체에 걸쳐 열교환기(7) 안에서 최적의 상태가 유지될 수 있다.
또한, 열교환기(7)를 반응기(1)의 일체형 부품으로 구성함으로써 반응기 출구 헤드(6)에서의 체류 시간이 최소화되므로, 반응 가스를 별도의 외부 열교환기로 운반하기 위한 도관이 마련되어 있는 통상적인 실시의 경우와는 달리 부산물 형성 시간이 제한된다.
본 발명의 개선된 반응기 및 열교환기 조립체는, 반응물이 쉘/관 반응기 안의 반응기 관 내부에 충전되어 있는 촉매와 접촉하는 관형 반응기 안에서 일어나는 산화와 같은 발열 반응에 일반적으로 유용하다. 에틸렌이 산화되어 산화에틸렌으로 되는 것이 주요 예이다.
본 발명의 조립체의 일부를 포함하는 반응기는, 산화에틸렌 생산과 같은 발열 반응 기술에서 일반적으로 이용되는 형태이다. 통상적으로, 그러한 반응기는 반응 가스를 유입시키는 상부 반응기 유입 헤드와, 반응 생성물이 배출되는 반응기 출구 헤드를 포함한다. 촉매로 충전된 다수의 반응기 관을 지지하기 위한 관 시트가 마련되어 있으며, 상기 반응기 관을 반응 기체가 통과하고, 상기 반응기 관 안에서 필요한 반응이 일어난다. 산화에틸렌 생산의 경우에는 직경이 15 내지 20 피트인 반응기가 통상적이며, 수천수만개, 예를 들면 2만개 이상의 반응기 관이 관 시트에 의해 반응기 내부에 지지된다. 반응기 관의 길이는 40 피트일 수 있으며, 예를 들면 20 내지 40 피트의 범위일 수 있고, 반응기 관의 외경은 예컨대 1 내지 2 인치일 수 있다. 발열 반응의 열을 제거하기 위해 열전달 매체가 마련된다. 물, 다우섬(dowtherm) 등을 비롯한 다양한 유체를 사용할 수 있다.
본 발명의 조립체에 핵심적인 것은 관형 반응기의 반응기 출구 헤드에 통합되는 열교환기가 마련되는 것으로, 이 열교환기는 반응기 출구 헤드(6) 안에 위치하는 개구를 갖고, 용접 등에 의해 반응기 출구 헤드 주위에 부착된다. 도면에는, 일체 연결식 열교환기가 열교환기(7)로서 표시되어 있다. 일반적으로, 열교환기는 직경이 약 4 피트 내지 8 피트 범위일 수 있으며, 상부 관 시트 및 하부 관 시트에 의해 지지되는 열교환기 관들을 수용하고, 이들 열교환기 관은 개수가 800 내지 약 3000개의 범위, 외경이 약 1 인치 내지 약 1.75 인치이다. 반응 혼합물의 온도를 소정 온도(이 온도 미만에서는 다양한 부산물의 추가적인 산화 또는 생산이 일어남) 아래로 신속히 하강시키기 위해, 열교환기 관들을 냉각하는 열교환 유체가 제공된다. 이 열교환 유체는 물인 것이 바람직하다.
통상적인 담지형 은 촉매가 반응기 관 안에 충전된다. 촉매 및 사용 조건은, 예를 들면 미국 특허 제5,504,052호, 제5,646,087호, 제5,691,269호, 제5,854,167호 등(이들 특허의 내용을 본 명세서에 참고로 인용함)에 기재되어 있다.
상기 조립체의 반응부는 당업계에 잘 알려져 있는 재료로 이루어져 있다. 열교환기 부분은 탄소강 또는 듀플렉스 스틸로 제조되는 것이 바람직하고, 그 안에 수용되는 열교환기 관은 충전되지 않고 개방된 것이 바람직하지만, 필요하다면 알루미나 등과 같은 불활성 충전물을 사용할 수 있다.
예컨대 산화에틸렌의 생산에 사용되는 관형 반응기는 잘 알려져 있으며, 그러한 반응기는 상기 조립체의 반응기 부분을 포함할 수 있다.
에틸렌을 산화시켜 산화에틸렌을 형성하기 위해 구성된 본 발명의 조립체의 한 가지 구체적인 예가 첨부 도면에 나타나 있다. 반응기(1)와 열교환기(7)의 구성 재료는 탄소강이다. 반응기는 직경이 16.5 피트이고, 관 시트(3 및 4)에 의해 지지되는 반응기 관을 수용하며, 8809 개의 반응기 관은 길이가 약 27 피트이고, 각 반응기 관의 외경은 1.5 인치이다.
반응기(1)의 하부 반응기 출구 헤드(6)에는 열교환기(7)가 용접되어 있다. 열교환기는 직경이 약 6 피트이고, 길이가 약 10 피트이며, 반응기 출구 헤드(6) 안의 5.7 피트 직경의 개구에 용접되어 있다. 충전 고체를 수용하지 않아 개방되어 있는 1468 개의 열교환기 관이 관 시트(9 및 10)에 의해 열교환기(7) 안에 지지되어 있다. 열교환기 관의 외경은 1.25 인치이다.
라인(15)에 의해 도입되고 라인(16)에 의해 제거되는 냉각용 열교환 유체는 물이다.
일반적으로, 반응기 출구 헤드(6)를 통해 반응기(1)로부터 배출되는 반응 가스는 420℉ 내지 540℉ 범위의 온도에 있다. 본 발명의 조립체의 사용에 따르면, 이들 가스는 열교환기(7) 안에서 추가적인 반응이 일어나는 온도 아래로, 즉 420℉ 이하로 거의 순간적으로 냉각된다. 반응 가스는 거의 반응기(1)로부터의 출구 반응 온도로 열교환기(7)로 유입되고, 라인(17)을 통해 열교환기 출구 헤드(11)에 의해서 열교환기(7)에서 배출된다. 본 발명의 실시에 따르면, 라인(17)을 통해 배출되는 반응 가스 혼합물은 생성물을 분리 및 회수하고, 반응하지 않은 에틸렌, 산소 및 밸러스트 가스와 같은 혼합물 성분을 재순환시키기 위한 공지된 절차에 따라 처리된다.

Claims (20)

  1. 상부 반응기 입구 헤드 및 하부 반응기 출구 헤드가 있는 관형 반응기와, 이 반응기 안에서 입구 단부 관 시트 및 출구 단부 관 시트에 의해 지지되는 촉매로 충전된 반응기 관과, 상단부와 하단부가 있는 관형 열교환기를 포함하고, 상기 관형 열교환기는 이 열교환기 내에서 열교환기 관을 지지하는 상단부 관 시트 및 하단부 관 시트를 구비하며, 상기 관형 열교환기 내의 상기 열교환기 관은 상기 관형 반응기 내로 관통하지 아니하고, 상기 열교환기의 상단부는 하부 반응기 출구 헤드의 개구 둘레에 동축으로 일체식으로 고정되어 반응기와 함께 일체형 구조를 형성하고, 상기 반응기의 하부 반응기 출구 헤드의 개구는 반응 가스가 반응기로부터 열교환기로, 그리고 열교환기 내의 열교환기 관을 통해 이동하기 위한 것이며, 이에 의해 상기 반응 가스는 상기 열교환기 내로 도입되는 열교환 유체와의 간접적인 열교환에 의해 냉각되는 것인 반응기 및 열교환 냉각기 조립체.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응기와 열교환기 모두의 내부에 관을 수냉하기 위한 수단이 마련되어 있는 것인 반응기 및 열교환 냉각기 조립체.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응기는 담지형 은 촉매로 충전되어 있는 것인 반응기 및 열교환 냉각기 조립체.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열교환기는 유체 도입 라인을 포함하는 것인 반응기 및 열교환 냉각기 조립체.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열교환기는 유체 제거 라인을 포함하는 것인 반응기 및 열교환 냉각기 조립체.
  6. 제1항에 있어서, 2만개 이상의 반응기 관을 포함하고, 이 반응기 관의 길이는 15 내지 40 피트이며 그 외경은 1 내지 2 인치인 것인 반응기 및 열교환 냉각기 조립체.
  7. 제1항에 있어서, 상기 열교환기는 반응기의 하부 반응기 출구 헤드의 개구 둘레에 용접되는 것인 반응기 및 열교환 냉각기 조립체.
  8. 제1항에 있어서, 상기 열교환기는 4 내지 8 피트의 직경을 갖고, 개수가 800 내지 3000 개이며 외경이 1 내지 1.75 인치인 열교환기 관들을 수용하는 것인 반응기 및 열교환 냉각기 조립체.
  9. 산화에틸렌을 형성하는 에틸렌의 산화 방법으로서,
    a) 상부 반응기 입구 헤드 및 하부 반응기 출구 헤드가 있는 관형 반응기와, 이 반응기 내에서 촉매로 충전되고 상부 반응기 입구 헤드로부터 하부 반응기 출구 헤드로 연장되며, 입구 단부 관 시트 및 출구 단부 관 시트에 의해 지지되는 반응기 관과, 상단부와 하단부가 있는 관형 열교환기를 포함하고, 상기 관형 열교환기는 이 열교환기 내에서 열교환기 관을 지지하는 상단부 관 시트 및 하단부 관 시트를 구비하며, 상기 관형 열교환기 내의 상기 열교환기 관은 상기 관형 반응기 내로 관통하지 아니하고, 상기 열교환기의 상단부는 하부 반응기 출구 헤드의 개구 둘레에 동축으로 일체식으로 고정되어 반응기와 함께 일체형 구조를 형성하고, 상기 반응기의 하부 반응기 출구 헤드의 개구는 반응 가스가 반응기로부터 열교환기로, 그리고 열교환기 내의 열교환기 관을 통해 이동하기 위한 것이며, 이에 의해 상기 반응 가스는 상기 열교환기 내로 도입되는 열교환 유체와의 간접적인 열교환에 의해 냉각되는 것인 반응기 및 열교환 냉각기 조립체를 마련하는 단계와,
    b) 상기 반응기 관 내로 에틸렌과 산소를 도입하여 에틸렌과 산소가 반응기 관 내에서 반응하게 함으로써, 산화에틸렌을 포함하는 반응 가스를 형성하는 단계와,
    c) 상기 반응 가스를 냉각하는 단계
    를 포함하는 에틸렌의 산화 방법.
  10. 제9항에 있어서, 상기 반응기 관 내로 밸러스트 가스가 추가로 도입되는 것인 에틸렌의 산화 방법.
  11. 제9항에 있어서, 상기 촉매는 담지형 은을 포함하는 것인 에틸렌의 산화 방법.
  12. 제9항에 있어서, 상기 반응기 관은 냉각되는 것인 에틸렌의 산화 방법.
  13. 제9항에 있어서, 상기 반응기 관은 수냉되는 것인 에틸렌의 산화 방법.
  14. 제9항에 있어서, 상기 열교환 유체는 물을 포함하는 것인 에틸렌의 산화 방법.
  15. 제9항에 있어서, 상기 반응기로부터 열교환기로 향하는 반응 가스의 온도는 420 ℉ 내지 540 ℉인 것인 에틸렌의 산화 방법.
  16. 제9항에 있어서, 상기 반응 가스는 열교환기 내에서 420 ℉ 이하의 온도로 냉각되는 것인 에틸렌의 산화 방법.
  17. 제9항에 있어서, 상기 반응 가스의 냉각은 유체 도입 라인에 의해 열교환기 내로 도입되는 열교환 유체에 의해 수행되고, 이어서 상기 열교환 유체는 유체 제거 라인에 의해 제거되는 것인 에틸렌의 산화 방법.
  18. 제17항에 있어서, 상기 열교환 유체는 물을 포함하는 것인 에틸렌의 산화 방법.
  19. 제9항에 있어서, 2만개 이상의 반응기 관을 포함하고, 이 반응기 관의 길이는 15 내지 40 피트이며 그 외경은 1 내지 2 인치이고, 상기 열교환기는 4 내지 8 피트의 직경을 갖고, 개수가 800 내지 3000 개이며 외경이 1 내지 1.75 인치인 열교환기 관들을 수용하는 것인 에틸렌의 산화 방법.
  20. 제9항에 있어서, 상기 열교환기는 반응기에 용접되는 것인 에틸렌의 산화 방법.
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