KR100838970B1

KR100838970B1 - 유량 배분 균일성이 향상된 환상도관

Info

Publication number: KR100838970B1
Application number: KR1020060035951A
Authority: KR
Inventors: 신상백; 한상필; 임예훈
Original assignee: 주식회사 엘지화학
Priority date: 2005-04-29
Filing date: 2006-04-20
Publication date: 2008-06-16
Also published as: US7566427B2; WO2006118387A1; US20060257301A1; TW200700157A; TWI330106B; KR20060113416A

Abstract

본 발명은 유체를 유출 또는 유입하는 1개 이상의 슬릿이 구비된 환상형태의 레이어가 2개 이상 이격되어 적층된 다중 슬릿 레이어를 구비하는 환상도관; 상기 환상도관을 구비한 반응기 또는 열교환기; 및 상기 반응기에서 접촉기상 산화반응에 의해 올레핀으로부터 불포화 알데히드 또는 불포화산을 생산하는 방법을 제공한다.

접촉기상산화, 핫스팟, 환상도관, 유량, 다관식반응기, 촉매반응기, 다관식촉매반응기, 열교환기

Description

유량 배분 균일성이 향상된 환상도관{ANNULAR-TYPE DISTRIBUTOR WITH IMPROVED FLOW UNIFORMITY}

도 1은 일반적인 다관식 촉매 반응기 또는 열교환기의 형태를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 2는 도 1에서 X-X'또는 Y-Y'라인을 따라 절단된 단면도로서, 본 발명의 일 구체예에 따라 다중 슬릿 레이어 구조를 갖는 환상도관의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 따라 다중 슬릿 레이어 구조를 갖는 환상도관의 변형예를 나타내는 단면도이다.

도 4은 본 발명의 일 구체예에 따라 슬릿들의 위치와 폭을 도시한 환상도관의 단면도이다.

도 5는 본 발명의 일 구체예에 따른 다중 슬릿 레이어 구조의 환상도관 중 슬릿들의 크기와 분포를 도시한 외부 슬릿 레이어의 전개도이다.

도 6는 본 발명의 일 구체예에 따라 다중 슬릿 레이어 구조의 환상도관 중 슬릿들의 크기와 분포를 도시한 내부 슬릿 레이어의 전개도이다.

도 7은 내부 슬릿 레이어와 외부 슬릿 레이어에서의 슬릿들의 높이를 비교한 그래프이다.

도 8은 종래의 단일 슬릿 레이어 구조를 갖는 환상도관에서 슬릿들을 통한 유량 분포와 본 발명에 의해 개선된 다중 슬릿 레이어 구조를 갖는 환상도관에서 가장 내부에 존재하는 슬릿 레이어의 슬릿들을 통한 유량 분포를 나타낸 그래프이다.

도 9은 종래의 단일 슬릿 레이어 구조를 갖는 환상도관에서 슬릿들을 통한 유속 분포와 본 발명에 의해 개선된 다중 슬릿 레이어 구조를 갖는 환상도관에서 가장 내부에 존재하는 슬릿 레이어의 슬릿들을 통한 유속 분포를 나타낸 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 반응기 쉘(Shell)

2a: 도넛형 배플판

2b: 원반형 배플판

3a, 3b, 3c: 튜브 시트(tube sheet)

4: 반응 튜브

5a: 열매체가 공급되는 환상도관

5b: 열매체가 배출되는 환상도관

6: 열매체

7: 반응 가스 유입부

8: 반응 가스 유출부

9: 외부 슬릿 레이어

10: 내부 슬릿 레이어

11: 반응기 내부의 반응 튜브가 위치하는 영역

12: 내부 슬릿 레이어에 위치하는 슬릿

13: 외부 슬릿 레이어에 위치하는 슬릿

14: 이상적으로 균일한 열매체 공급/배출 유량 분포

15: 종래의 단일 슬릿 레이어 구조에서의 유량 분포

16: 본 발명에 의한 다중 슬릿 레이어 구조에서의 유량 분포

17: 종래의 단일 슬릿 레이어 구조에서의 유속 분포

18: 본 발명에 의한 다중 슬릿 레이어 구조에서의 유속 분포

본 발명은 2개 이상의 원주(圓周) 위치에서 균일한 유량 및/또는 작은 유속으로 유체를 유출 또는 유입할 수 있는 환상도관 및 상기 환상도관을 구비하는 반응기 또는 열교환기에 관한 것이다.

일반적으로 열교환기 형태의 다관식 촉매 반응기는 반응에 의해 발생되는 열을 효율적으로 제거할 목적으로 사용되는 반응기의 한 형태이다. 이러한 형태의 반응기에서는 다수의 반응 튜브에 고체 촉매를 충진하고, 이 반응 튜브에 반응 가스를 공급해 원하는 성분을 얻기 위한 화학 반응을 일으키며, 화학 반응이 최적의 상태로 일어날 수 있도록 열매체를 반응기 쉘에 순환시킨다.

다관식 촉매 반응기에서는 반응 튜브의 국부적인 지점에서 핫 스팟(hot spot)이 발생하는 경향이 있고, 이러한 핫 스팟은 촉매의 열화에 의한 수명 단축과 원하는 목적 생성물에 대한 선택율 감소와 같은 문제를 일으키므로, 반응기 내부 다수의 반응 튜브에 효율적으로 열전달시켜 핫스팟을 감소시키기 위한 다양한 방법들이 시도되어 왔다.

예를 들어, 대한민국 공개특허 제2001-0050267호에서는 열매체에 대한 순환장치가 구비되고 쉘에 도넛형과 원반형의 배플판이 구비된 다관식 반응기를 통해 반응기 내부의 임의의 지역 내에서 열매체의 흐름 속도를 일정하게 유지시킴으로써 열전달 성능을 향상시키고자 하였다. 또한, 하나의 덕트를 통해 편향되게 공급(또는 배출)되는 열매체를 반응기 내부로 원주방향에서 균일하게 공급(또는 배출)시키기 위해, 관통 개구(opening), 즉 슬릿(slit)을 환상도관의 슬릿 레이어 원주에 간헐적으로 배치시켰으며, 이러한 구조의 환상도관을 통해 열매체가 원주방향에서 균일하게 공급(또는 배출)되도록 하여 반응 튜브의 핫스팟 온도를 감소시키고자 하였다. 나아가, 열매체 흐름을 균일하게 하기 위하여 개구의 개수와 크기가 조절된 다수의 개구열을 갖도록 하였다.

그러나, 본 발명자들은 하나의 덕트로 편향되어 반응기의 환상도관으로 공급되는 열매체를, 하나의 슬릿 레이어를 갖는 종래 환상도관에서 개구열의 개수와 크기 조절만으로는, 균일한 유량으로 분배시키는데 한계가 있음을 발견하였다. 또, 국부적으로 유량이 집중되는 지역의 유량을 감소시키기 위해 이 지역에 존재하는 개구의 크기를 작게 하면 반응기 내부로 유입되는 열매체의 유속이 증가하여 반응 기 내부의 열매체 유동에 교란(disturbance)을 발생시켜 열전달 효율이 저하되는 문제가 있음을 발견하였다.

상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 2개 이상의 원주(圓周) 위치에서 균일한 유량 및/또는 작은 유속으로 유체를 유출 또는 유입할 수 있는 환상도관 및 상기 환상도관을 구비한 반응기 또는 열교환기를 제공하고자 한다.

본 발명은 다중 슬릿 레이어에서 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점을 기준으로 최외곽에 있는 슬릿 레이어를 제1 슬릿 레이어로 명명하고, 이어서 중심점 내부방향으로 순차적으로 적층된 슬릿 레이어를 각각 순서적으로 제2 슬릿 레이어, …, 제n 슬릿 레이어로 명명할 때(여기서 n은 2 이상의 정수임), 제1 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이는 100~1000mm의 범위 내에서 조절되거나, 환상도관의 높이(H)를 기준으로 10~70%의 범위 내에서 조절되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명은 제1 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이를 하기와 같은 조건으로 조절하는 것이 바람직하다.

- 180^o에 유체 공급 또는 배출 덕트가 존재할 때, 0~180^o를 독립적으로 슬릿 높이를 변화시킬 수 있는 x개의 각 영역으로 나누고(여기서, x는 2이상의 정수임), 0^o에 가장 인접한 영역을 제1영역으로 명명하고, 이어서 180^o 쪽 방향으로 순차적으로 각 영역을 제2 영역, …, 제x 영역으로 명명할 때, 제1영역에서 제x-1영역로 갈수록 슬릿의 높이는 증가하나 각 영역 내에서의 높이는 일정하게 유지하고, 제x영역에서 슬릿들의 높이는 유체 공급 또는 배출 덕트에 가까이 갈수록 감소시키도록 조절하고,

- 180~360^o 영역에 있는 슬릿들의 높이는 0~180^o에 위치하고 있는 슬릿들과 대칭적으로 구성되도록 함.

나아가, 본 발명은 제2 슬릿 레이어 내지 제n 슬릿 레이어 중 어느 한 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이는 100~1000mm의 범위 내에서 조절되거나, 환상도관의 높이(H)를 기준으로 10~70%의 범위 내에서 조절되는 것이 바람직하다.

이때, 제2 슬릿 레이어 내지 제n 슬릿 레이어 중 어느 한 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이가 제1 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이 중 가장 큰 높이로 일정한 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 환상도관은 작은 유속으로 균일하게 유체를 공급 또는 배출할 때 유리하다.

이하 본 발명을 자세히 설명한다.

본 명세서에서 슬릿 레이어란 유체를 유출 또는 유입하는 1개 이상의 개구 즉 슬릿이 구비된 환상형태의 레이어를 의미한다. 여기서, 환상형태의 레이어는 끊어진 환상형태 즉 원호 형태의 레이어도 함축한다. 일반적으로, 슬릿을 구비하는 슬릿 레이어는 환상도관 중 내주면에 배치되어 있다.

본 명세서에서 단일 슬릿 레이어란 상기 슬릿 레이어가 1개인 것을 의미한다.

본 명세서에서 다중 슬릿 레이어란 상기 슬릿 레이어가 2개 이상인 것을 의미한다.

본 발명의 환상도관은 원통형 촉매 반응기 또는 열교환기에 열매체와 같은 유체를 공급하거나 또는 배출시키는데 적용될 수 있다. 특히, 본 발명의 환상도관은 쉘-앤-튜브 타입의 다관식 반응기 또는 열교환기에 적합하며, 상기 반응기 또는 열교환기는 접촉 기상 산화 반응에 사용될 수 있다.

따라서, 본 발명에 따라 다중 슬릿 레이어를 장착한 환상도관을 구비한 반응기 또는 열교환기가 사용될 수 있는 접촉 기상 산화 반응의 대표적인 예로 올레핀으로부터 불포화 알데히드 또는 불포화 산을 제조하는 공정이 있으며, 이의 비제한적인 예로, 프로필렌 또는 프로판을 산화시켜 아크롤레인 및/또는 아크릴산을 제조하는 공정, 이소부틸렌, t-부틸알콜 또는 메틸-t-부틸에테르를 산화시켜 메타아크롤레인 및/또는 메타아크릴산을 제조하는 공정, 나프탈렌 또는 오르소크실렌을 산화하여 무수프탈산을 제조하거나 벤젠, 부틸렌 또는 부타디엔을 부분산화하여 무수 말레인산을 제조하는 공정 등이 있다.

본 발명의 환상도관은 원통형 반응기 형태에 적용되는 한, 반응기에 의해 생 산되는 (메타)아크릴산이나 (메타)아크롤레인과 같은 최종 목적물의 종류에 사용제한을 받지 않는다.

하기에서는 다관식 촉매 반응기를 사용하여 본 발명의 환상도관의 특징에 대해 설명하고자 하나, 본 발명이 다관식 촉매 반응기에 한정되는 것은 아니다.

하기에서 열매체는 유체의 일례이며, 열매체의 비제한적인 예로는 매우 큰 점성을 갖는 매체, 예컨대, 용융염(molten salt)이 있으며, 용융염은 주로 질산 칼륨 및 아질산나트륨의 혼합물로 구성된다. 다른 열매체의 예로는 페닐 에테르 매체(예 "Dowtherm"), 폴리페닐 매체(예, "Therm S"), hot oil, 나프탈렌 유도체(S.K. oil), 수은 등이 있다.

도 1은 종래 다관식 촉매 반응기 형태를 개략적으로 도시한 단면도이다. 도 1에 도시된 바와 같이 원통형 구조를 가지고 있으면, 본 발명의 환상도관 사용범위가 반응기의 반응가스나 열매체의 종류에 제한을 받지 않으며, 화학반응을 목적으로 하지 않는 일반적인 열교환기에도 본 발명의 환상도관이 적용가능하다.

도 1에서 반응기는 원통형 쉘(1) 내부에 복수의 튜브 시트(3a, 3b, 3c)에 고정된 복수의 반응 튜브(4)를 포함하고 있다. 반응기 중앙에 위치한 튜브 시트(3a)는 쉘을 분리시키며 독립된 열매체에 의해 반응온도 조절을 가능하게 한다. 각각의 쉘에는 열매체 공급 덕트에 연결된 환상도관(5a)과 배출 덕트에 연결된 환상도관(5b)이 있다. 도 1에 도시된 형태의 반응기에서는 4개의 환상도관이 존재하나 본 발명은 쉘의 분리에 의한 환상도관의 수에 제한 받지 않는다. 이 환상도관을 통해 공급된 열매체(6)는 도넛형 배플판(2a)과 원반형 배플판(2b)에 의해 형성된 유로를 따라 흐르면서 반응 튜브(4)와 열교환을 하게 된다. 반응가스는 반응가스 공급 덕트(7)를 통해 공급되며 다수의 반응 튜브(4)를 통과한 뒤 다시 모아져서 출구 덕트(8)를 통해 배출된다.

본 발명에 따라 유체를 유출 또는 유입하는 1개 이상의 슬릿이 구비된 환상형태의 레이어가 2개 이상 이격되어 적층된 다중 슬릿 레이어를 구비하는 환상도관을 설명하기 위해, 도 1에서 X-X'또는 Y-Y'라인을 따라 절단된 단면도를 도 2에 나타내었다.

본 발명의 환상 도관은 열매체 공급 덕트 또는 열매체 배출 덕트에 연결되어 있다.

다중 슬릿 레이어는 2개 이상의 환상형태 슬릿 레이어가 이격되어 적층된 것으로, 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점을 기준으로 최외곽에 있는 슬릿 레이어를 제1 슬릿 레이어로 명명하고, 이어서 중심점 내부방향으로 순차적으로 적층된 슬릿 레이어를 각각 순서적으로 제2 슬릿 레이어, …, 제n 슬릿 레이어로 명명한다(여기서 n은 2 이상의 정수임). 여기서, 제1 슬릿 레이어는 유체 공급 덕트로부터 공급된 유체가 제일 처음 통과하는 슬릿 레이어이고, 제n 슬릿레이어는 가장 내부에 위치하는 슬릿 레이어이다.

설명의 단순화를 위해, 도 2에서 다중 슬릿 레이어는 2개의 슬릿 레이어로 구성되어 있으며, 각각 외부 슬릿 레이어(9), 내부 슬릿 레이어(10)로 지칭한다. 여기서 외부 슬릿 레이어는 제1 슬릿 레이어에 해당한다.

도 2에서 열매체 공급 덕트로 공급된 열매체는 환상도관(5a)에 있는 다중 슬 릿 레이어(9,10)를 통과하여 반응기 내부(11)로 유입된다. 다중 슬릿 레이어는 환상도관에 공급된 열매체가 처음으로 통과하게 되는 외부 슬릿 레이어(9)와 그 다음에 통과하게 되는 내부 슬릿 레이어(10)로 이루어져 있다.

열매체가 내부 슬릿 레이어(10)를 통과하게 되면 반응기 내부의 반응 튜브와 직접 접촉하게 된다. 배플판에 의해 형성된 유로를 따라 반응 튜브와 접촉한 열매체는 배출 덕트로 배출되기 전에 상기한 다중 슬릿 레이어를 가지고 있는 환상도관을 통과시킴으로써 배출시에도 원주 방향으로 균일한 유량을 가지고 배출될 수 있도록 한다.

각 슬릿 레이어의 위치는 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점을 기준으로 환상도관의 외주면 직경(D1)과 외부 슬릿 레이어 직경(D2)의 차이(D1-D2)와 외부 슬릿 레이어 직경(D2)과 내부 슬릿 레이어 직경(D3)의 차이(D2-D3)가 각각 200~700mm 또는 반응기의 직경(D3, 내부 슬릿 레이어의 직경과 동일함)의 5~15% 범위에 있도록 하는 것이 바람직하다. 직경의 차이(D1-D2, D2-D3)가 200mm 또는 5% 보다 작거나 700mm 또는 15%보다 커지면, 다중 슬릿 레이어 구조를 갖는 환상도관의 장점이 현저하게 저하되어 열매체가 반응기 내부로 일정하게 공급되고 배출되는데 어려움을 겪게 될 것이다.

본 발명은 도 2에 도시된 외부 슬릿 레이어(9)와 내부 슬릿 레이어(10) 사이에 임의의 수의 슬릿 레이어가 존재하는 경우도 포함하며, 외부 슬릿 레이어(9)와 내부 슬릿 레이어(10) 사이에 존재하는 슬릿 레이어들은 위에서 설명한 직경 차이에 의해 결정된 가장 외부의 슬릿 레이어(제1 슬릿 레이어)와 가장 내부의 슬릿 레 이어(제n 슬릿 레이어) 사이에 동심원상에 위치하는 것이 바람직하며, 등간격으로 위치하는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 가장 내부의 슬릿 레이어(제n 슬릿 레이어)를 제외한 나머지 슬릿 레이어(제1슬릿 레이어 내지 제n-1 슬릿 레이어)는 끊어진 환상(ring) 형태, 즉 임의의 각도를 가진 원호 형태로도 존재할 수 있다(도 3 참조).

한편, 외부 슬릿 레이어(9)와 내부 슬릿 레이어(10) 사이에 존재하는 슬릿 레이어의 슬릿 구조, 예컨대 슬릿 분포 또는 크기는 앞으로 설명하게 될 가장 내부에 위치하는 내부 슬릿 레이어(10)의 구조와 동일 또는 비례적으로 동일한 것이 바람직하다.

슬릿의 형태는 특별히 제한되지 않으며, 비제한적인 예로, 사각형, 원형, 난형, 타원형 등이 있다.

도 4에서는 열매체가 공급/배출되는 슬릿들의 위치와 크기를 설명한다.

동일 슬릿 레이어 상에 존재하는 각 슬릿의 위치는 도 4에 도시된 바와 같이 인접한 두 슬릿과 상기 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점 간의 각도(α)가 4~8^O가 되도록 하는 지점이고, 각 슬릿들의 폭은 각 슬릿의 폭 양쪽 끝과 상기 중심점의 각도(β)가 1~3^O가 되게 하는 크기인 것이 바람직하다.

만약 인접한 두 슬릿과 중심점 간의 각도 (α)가 4^o보다 작으면 슬릿의 수가 지나치게 많아져 슬릿 레이어를 제조하는 것이 과도하게 어려워지고 구조적인 문제 가 생길 수도 있다. 또한, 인접한 두 슬릿과 중심점 간의 각도가 8^o보다 크다면 슬릿의 수가 지나치게 적어져 환상 도관에 의해 열매체를 반응기 내부로 원주방향에서 균일하게 공급하고자 하는 의도에 부합하지 않는다.

슬릿 위치를 결정하는 각도(α)와 슬릿 폭을 결정하는 각도(β)는 상기된 범위 내에 한 값을 정해 동등한 각도로 슬릿을 위치시키되, 일부의 슬릿에서는 흐름의 균일화를 위해 그 폭이 동등하지 않을 수도 있다. 즉, 일정각도(α)를 가지고 슬릿의 위치를 분포시키되, 열매체가 유출 또는 유입되는 영역의 몇 개 슬릿에서는 이 각도에서 벗어난 폭(β)을 가질 수도 있다.

예를 들면, 180^o에 유체 공급 또는 배출 덕트가 존재할 때, 0~180^o를 x개의 각 영역으로 나누고(여기서, x는 2이상의 정수임), 0^o에 가장 인접한 영역을 제1영역으로 명명하고, 이어서 180^o 쪽 방향으로 순차적으로 각 영역을 제2 영역, …, 제x 영역으로 명명할 때, 제x영역에서는 유체 패턴(flow pattern)의 변화가 매우 심하기 때문에(그 정도는 유량에 따라 달라짐) 1~2개 슬릿의 폭을 β~2β 정도로 조절하여 유량을 분배하는 것이 이상적이다.

한편, 단일 슬릿 레이어를 구비한 종래 환상도관에서는 유량의 균일화를 위해 슬릿 열을 2개 이상으로 구성하기도 하나, 본 발명에서는 슬릿 레이어를 두개 이상 구성함으로써 기본적으로 복수의 슬릿 열이 필요하지 않다.

도 5를 참조하여, 외부 슬릿 레이어에서 슬릿들의 크기를 보다 자세히 설명 한다.

외부 슬릿 레이어 내에 있는 슬릿의 높이(A1)는 100~1000mm의 범위 또는 환상도관의 높이(H)를 기준으로 10~70%의 범위에 있는 것이 바람직하다.

도 5에서는 간략화를 위해 슬릿 높이(A1)는 모두 같은 것으로 표현되어 있으나, 원주의 0~180^o를 2개 이상의 영역으로 나누어 슬릿 높이를 조절하는 것이 바람직하다.

도 4에 도시된 바와 같이 열매체 공급/배출 덕트가 180^o 방향에 위치하고 있다면, 180~360^o 영역에 있는 슬릿들은 0~180^o에 위치하고 있는 슬릿들과 대칭으로 구성하는 것이 바람직하다. 이러한 대칭성은 열매체 공급/배출 덕트의 위치나 개수에 따라 변경하여 적용이 가능하며, 본 발명은 열매체 공급/배출 덕트의 위치나 개수에 제한 받지 않는다.

슬릿의 높이는 열매체 공급/배출 덕트의 위치에 따라 임의의 영역으로 나누어 변화시킬 수 있다. 예를 들어, 180^o에 열매체 공급/배출 덕트가 위치할 때 0~180^o를 세 영역으로 나눈다면 0~45^o, 45~135^o, 135~180^o의 세 영역으로 나누어 슬릿 높이를 변화시키고 180~360^o영역은 이에 대칭으로 구성한다. 결과적으로 전체 원주상에서는 90^o마다 슬릿의 높이가 변화하게 된다. 만약 0~180^o를 네 영역으로 나눈다면 0~30^o, 30~90^o, 90~150^o, 150~180^o의 네 영역으로 나누어 슬릿 높이를 변화시 키면 되고, 이 경우 전체 원주상에서는 60^o마다 슬릿의 높이가 변화하게 된다. 이를 일반화하여 기술하면, 0~180^o를 독립적으로 슬릿의 높이를 변화시킬 수 있는 x개 각 영역으로 나눈다면 제1영역과 제x영역은 예컨대 각각 0 ~ 180/2(x-1)^o, 180-180/2(x-1)^o ~180^o로 구획되고, 전체 원주상에서는 180/(x-1)^o 마다 각 영역이 구획될 수 있다.

그러나, 본 발명은 0~180^o를 독립적으로 슬릿 높이를 변화시킬 수 있는 x개의 각 영역으로 구획할 때, 구획된 각 영역은 일정 각도를 유지할 필요는 없고 임의로 변경될 수 있다.

도 5에 따라 0~180^o를 예를 들어 네 영역으로 나눌 경우 180^o 위치에 열매체 공급/배출 덕트가 위치할 때 슬릿 높이(A1) 분포를 도 7에 나타내었다. 도 7에서 영역 a에서 c까지 슬릿 높이가 증가하나 각 영역 내에서의 높이는 일정하게 유지되고 영역 d에서 슬릿 높이는 열매체 공급/배출 덕트에 가까이 갈수록 감소시킨다. 이렇게 슬릿 크기를 조절하는 이유는 열매체 공급/배출 덕트가 위치하는 영역 d에서는 유량이 집중되고 원주 위치에 따라 유량 변화가 크기 때문에 지속적으로 슬릿 크기를 변화시키는 것이 바람직하기 때문이다. 또, 나머지 영역에서는 열매체 덕트와 멀어질수록 슬릿 크기를 단계적으로 감소시켜 열매체 덕트와 멀어질수록 열매체 유량이 집중되는 현상을 방지하는 것이 바람직하다.

도 4에서 언급한 바와 같이 외부 슬릿 레이어(제1 슬릿 레이어)에 위치하는 슬릿 개구들의 폭(B1)은 그 각도(β)를 1~3^O로 조절하기 때문에 상기 레이어에 의해 형성되는 원의 지름(D2)에 따라 결정된다. 마찬가지로, 인접한 두 슬릿 중심간의 길이(C1)도 각도(α)를 4~8^O로 조절하기 때문에 그 지름(D2)에 따라 결정된다.

도 6을 참조하여, 내부 슬릿 레이어에서 슬릿들의 크기를 보다 자세히 설명한다.

도 5에서 설명한 외부 슬릿 레이어에서 슬릿들의 높이가 영역에 따라 달라지는 것과 달리 내부 슬릿 레이어에서 슬릿들의 높이(A2)는 모두 일정한 것이 바람직하다. 즉, 내부 슬릿 레이어 내 모든 슬릿들의 크기가 일정한 것이 바람직하다.

그 높이(A2)는 100~1000mm 범위이거나 환상도관의 높이(H)를 기준으로 10~70% 범위에 있는 것이 바람직하다. 더욱 바람직하게는 200~500mm 범위이거나 환상도관의 높이(H)를 기준으로 30~60% 범위에 있다.

도 4에서 언급한 바와 같이 내부 슬릿 레이어(제n 슬릿 레이어)에 위치하는 슬릿들의 폭(B2)은 각도(β)를 1~3^O로 조절하기 때문에 상기 레이어에 의해 형성되는 원의 지름(D3)에 따라 결정된다. 마찬가지로, 인접한 두 슬릿 중심간의 길이(C2)도 각도(α)를 4~8^O로 조절하기 때문에 그 지름(D3)에 따라 결정된다.

앞서 설명한 바와 같이, 내부 슬릿 레이어에서 슬릿 높이(A2)는 모든 지점에서 일정하고, 그 크기는 외부 슬릿이 위치하는 레이어에서 슬릿 높이(A1)와 비교하 면 도 7과 같다. 즉, 외부 슬릿 레이어에 위치하는 슬릿의 높이(A1) 중 가장 큰 높이와 비슷한 큰 길이로 내부 슬릿 레이어에 위치하는 슬릿의 높이(A2)를 구성하는 것이 바람직하다. 이렇게 하면 내부 슬릿 레이어에 위치하는 슬릿의 면적을 외부 슬릿 레이어에 위치하는 슬릿의 면적보다 크게 만들 수 있으며 열매체를 균일한 유량과 작은 유속으로 반응기 내부로 공급함으로써 열매체에 의한 반응기 내부 교란을 방지하여 온도 분포가 균일화 되고 핫 스팟의 발생을 억제시킬 수 있다.

한편, 다중 슬릿 레이어를 갖는 환상 도관은 예컨대 각 슬릿 레이어를 철판으로 제작한 후 원통형으로 벤딩하고 환상도관에 용접하여 본 발명에서 설명하는 구조와 같이 제작할 수 있다.

[실시예]

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시하나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

도 4에 도시된 바와 같이 외부 슬릿 레이어와 내부 슬릿 레이어를 구비하면서 하기 값을 갖는 환상도관을 제작하였다.

외부 슬릿 레이어 직경 : 4550 mm

내부 슬릿 레이어 직경 : 4150 mm

내부 슬릿 레이어 슬릿 높이 : 300 mm

내부 슬릿 레이어 슬릿 폭 : 72.43 mm (β=2^o)

외부 슬릿 레이어 슬릿 높이 : 영역 a(100 mm), 영역 b(150 mm), 영역 c (200 mm), 영역 d(100~300 mm)

외부 슬릿 레이어 슬릿 폭 : 79.41 mm (β=2^o)

내/외부 슬릿 레이어 슬릿 분포 : α=6^o

<비교예 1>

하나의 슬릿 레이어만을 구비하면서 하기 값을 갖는 환상도관을 제작하였다.

슬릿 레이어 직경 : 4150 mm

슬릿 레이어 슬릿 높이 : 영역 a(100 mm), 영역 b(150 mm), 영역 c (200 mm), 영역 d(100~300 mm)

슬릿 레이어 슬릿 폭 : 72.43 mm (β=2^o)

슬릿 레이어 슬릿 분포 : α=6^o

<고찰>

하나의 슬릿 레이어에서 슬릿의 크기를 조절하는 종래 기술(비교예 1)은 열매체를 균일한 유량으로 원주방향으로 분배시키는데 한계가 있다. 도 8에 도시한 바와 같이, 비교예 1의 슬릿 구조에서 열매체 공급/배출 유량 분포(15)는 열매체 공급 덕트나 배출 덕트와 가까운 지점에 분포한 슬릿에 유량이 집중되는 현상을 해결하지 못하였다.

본 발명에 의해 제시된 환상도관 구조에 의해 실현된 다중 슬릿 레이어 구조(실시예 1)에서 내부 슬릿 레이어 내 슬릿을 통한 열매체 공급 유량 분포(16)는 이상적으로 균일한 열매체 공급/배출 유량 분포(14)에 매우 근접한 결과를 보인다.

요컨대, 본 발명에 따라 다중 슬릿 레이어를 구비한 환상도관을 이용하면 도 9에 나타낸 것처럼 종래 단일 슬릿 레이어 내 슬릿들을 통한 열매체의 유속 분포(17)보다 작고 균일한 열매체의 유속 분포(18)를 얻을 수 있다. 이는 이미 설명한 바와 같이 다중의 슬릿 레이어를 장착하고, 보다 큰 면적을 가진 균등한 크기의 슬릿을 내부 슬릿 레이어에 분포시킴으로써 가능하다.

본 발명에 따라 다중 슬릿 레이어를 장착한 환상도관은 큰 압력강하 증가 없이 2개 이상의 원주(圓周) 위치에서 균일한 유량 및/또는 작은 유속으로 유체를 유출 또는 유입할 수 있으므로, 상기 환상도관을 통해 유체를 공급받거나 배출하는 대상체(예, 다관식 촉매 반응기 또는 열교환기)에서 유체 흐름에 의한 내부 교란을 방지할 수 있고, 대상체 내 유체의 온도 분포를 균일하게 할 수 있다. 이로 인해 반응기 내 핫 스팟의 발생도 억제시킬 수 있다.

따라서, 본 발명의 환상구조를 갖는 반응기에서는 (메타)아크릴산 및/또는 (메타)아크롤레인이 프로필렌 또는 이소부틸렌을 포함하는 기체의 접촉 기상 산화에 의해 보다 안정적인 운전으로, 보다 낮은 에너지에 의해 향상된 수율을 얻을 수 있으며 촉매의 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims

반응기 또는 열교환기의 외주면에 장착되는 것으로, 유체를 유출 또는 유입하는 1개 이상의 슬릿이 구비된 환상형태의 레이어가 2개 이상 이격되어 적층된 다중 슬릿 레이어를 구비하는 도넛형의 환상도관.
제1항에 있어서, 상기 다중 슬릿 레이어가 내주면에 장착된 환상도관.
제1항에 있어서, 1개 이상의 유체 공급 덕트 또는 유체 배출 덕트에 연결된 환상도관.
제1항에 있어서, 다중 슬릿 레이어에서 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점을 기준으로 최외곽에 있는 슬릿 레이어를 제1 슬릿 레이어로 명명하고, 이어서 중심점 내부방향으로 순차적으로 적층된 슬릿 레이어를 각각 순서적으로 제2 슬릿 레이어, …, 제n 슬릿 레이어로 명명할 때(여기서 n은 2 이상의 정수임), 제1 슬릿 레이어 내지 제n-1 슬릿 레이어 중 어느 하나는 환상형태 중 소정의 각도를 가진 원호 형태인 것이 특징인 환상도관.
제1항에 있어서, 다중 슬릿 레이어에서 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점을 기준으로 최외곽에 있는 슬릿 레이어를 제1 슬릿 레이어로 명명하고, 이어서 중심점 내부방향으로 순차적으로 적층된 슬릿 레이어를 각각 순서적으로 제2 슬릿 레이어, …, 제n 슬릿 레이어로 명명할 때(여기서 n은 2 이상의 정수임), 환상도관의 외주면 직경(D1)과 제1 슬릿 레이어 직경(D2)의 차이(D1-D2)와 제1 슬릿 레이어 직경(D2)과 제n 슬릿 레이어 직경(D3)의 차이(D2-D3)가 각각 200~700mm 또는 제n 슬릿 레이어의 직경(D3)의 5~15% 범위에 있는 것이 특징인 환상도관.
제5항에 있어서, 제2 슬릿 레이어 내지 제n-1 슬릿 레이어는 제1 슬릿 레이어와 제n 슬릿 레이어 사이에 동심원상에 위치하는 것이 특징인 환상도관.
제1항에 있어서, 동일 슬릿 레이어 상에 존재하는 각 슬릿의 위치는 인접한 두 슬릿과 상기 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점 간의 각도(α)가 4~8^O가 되는 지점이고, 각 슬릿의 폭은 각 슬릿의 폭 양쪽 끝과 상기 중심점의 각도(β)가 1~3^O가 되게 하는 크기인 것이 특징인 환상도관.
제7항에 있어서, 180^o에 유체 공급 또는 배출 덕트가 존재할 때, 0~180^o를 x개의 각 영역으로 나누고(여기서, x는 2이상의 정수임), 0^o에 가장 인접한 영역을 제1영역으로 명명하고, 이어서 180^o 쪽 방향으로 순차적으로 각 영역을 제2 영역, …, 제x 영역으로 명명할 때, 제x영역에서 1~2개 슬릿의 폭을 β~2β 정도로 조절하는 것이 특징인 환상도관.
제1항에 있어서, 다중 슬릿 레이어에서 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점을 기준으로 최외곽에 있는 슬릿 레이어를 제1 슬릿 레이어로 명명하고, 이어서 중심점 내부방향으로 순차적으로 적층된 슬릿 레이어를 각각 순서적으로 제2 슬릿 레이어, …, 제n 슬릿 레이어로 명명할 때(여기서 n은 2 이상의 정수임), 제1 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이는 100~1000mm의 범위 내에서 조절되거나, 환상도관의 높이(H)를 기준으로 10~70%의 범위 내에서 조절되는 것이 특징인 환상도관.
제9항에 있어서, 제1 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이를 하기와 같은 조건으로 조절한 것이 특징인 환상도관:

- 180^o에 유체 공급 또는 배출 덕트가 존재할 때, 0~180^o를 독립적으로 슬릿 높이를 변화시킬 수 있는 x개의 각 영역으로 나누고(여기서, x는 2이상의 정수임), 0^o에 가장 인접한 영역을 제1영역으로 명명하고, 이어서 180^o 쪽 방향으로 순차적으로 각 영역을 제2 영역, …, 제x 영역으로 명명할 때, 제1영역에서 제x-1영역로 갈수록 슬릿의 높이는 증가하나 각 영역 내에서의 높이는 일정하게 유지하고, 제x영역에서 슬릿들의 높이는 유체 공급 또는 배출 덕트에 가까이 갈수록 감소시키도록 조절하고,

- 180~360^o 영역에 있는 슬릿들의 높이는 0~180^o에 위치하고 있는 슬릿들과 대칭적으로 구성되도록 함.
제10항에 있어서, 제1 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이는 하기와 같은 조건으로 조절한 것이 특징인 환상도관:

- 180^o에 유체 공급 또는 배출 덕트가 존재할 때, 0~180^o 를 네 영역 a, b, c, d로 구분하고,

- 영역 a에서 영역 c까지 슬릿의 높이는 증가하나 각 영역에서의 높이는 일정하게 유지하고, 영역 d에서 슬릿들의 높이는 유체 공급 또는 배출 덕트에 가까이 갈수록 감소시키도록 조절하고,

- 180~360^o 영역에 있는 슬릿들의 높이는 0~180^o에 위치하고 있는 슬릿들과 대칭적으로 구성되도록 조절함.
제1항에 있어서, 다중 슬릿 레이어에서 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점을 기준으로 최외곽에 있는 슬릿 레이어를 제1 슬릿 레이어로 명명하고, 이어서 중심점 내부방향으로 순차적으로 적층된 슬릿 레이어를 각각 순서적으로 제2 슬릿 레이어, …, 제n 슬릿 레이어로 명명할 때(여기서 n은 2 이상의 정수임), 제2 슬릿 레이어 내지 제n 슬릿 레이어 중 어느 한 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이는 100~1000mm의 범위 내에서 조절되거나, 환상도관의 높이(H)를 기준으로 10~70%의 범위 내에서 조절되는 것이 특징인 환상도관.
제12항에 있어서, 제2 슬릿 레이어 내지 제n 슬릿 레이어 중 어느 한 슬릿 레이어 내 모든 슬릿들의 높이가 일정한 것이 특징인 환상도관.
제13항에 있어서, 제2 슬릿 레이어 내지 제n 슬릿 레이어 중 어느 한 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이가 제1 슬릿 레이어 내 슬릿들의 높이 중 가장 큰 높이인 것이 특징인 환상도관.
제1항에 있어서, 다중 슬릿 레이어에서 슬릿 레이어가 형성하는 원주의 중심점을 기준으로 최외곽에 있는 슬릿 레이어를 제1 슬릿 레이어로 명명하고, 이어서 중심점 내부방향으로 순차적으로 적층된 슬릿 레이어를 각각 순서적으로 제2 슬릿 레이어, …, 제n 슬릿 레이어로 명명할 때(여기서 n은 2 이상의 정수임), 제2 슬릿 레이어 내지 제n 슬릿 레이어는 슬릿 분포 또는 크기가 서로 동일 또는 비례적으로 동일한 것이 특징인 환상도관.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 환상도관을 구비한 반응기.
제16항의 반응기에서 접촉기상 산화반응에 의해 올레핀으로부터 불포화 알데히드 또는 불포화산을 생산하는 방법.
제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 환상도관을 구비한 열교환기.