KR100842171B1 - 유량 배분을 향상시키는 가이드 베인을 구비한 환상도관 - Google Patents

유량 배분을 향상시키는 가이드 베인을 구비한 환상도관 Download PDF

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Abstract

본 발명은 내주면에 장착되며, 유체를 유출 또는 유입하는 1개 이상의 슬릿이 구비된 환상형태의 슬릿 레이어; 외주면에 형성되며, 유체 공급 덕트 또는 유체 배출 덕트가 연결되는 1개 이상의 개구부; 및 도관 내에 종방향으로 설치되며, 덕트로부터 공급되는 유체의 양을 나누거나 덕트로 배출되는 유체의 양을 모으는 2개 이상의 가이드 베인을 포함하는 환상도관으로서, 상기 가이드 베인은, (i) 상기 슬릿 레이어에 이격되어 있고, 슬릿 레이어와 개구부 사이에 위치하는 제1수직배향판; 및 (ii) 상기 제1수직배향판의 슬릿 레이어 방향 끝과 연결되며, 상기 슬릿 레이어 상의 일지점과 연결되는 제2수직배향판을 포함하는 것을 특징으로 하는 환상도관에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 상기 환상도관을 구비한 반응기 또는 열교환기; 및 상기 반응기에서 접촉기상 산화반응에 의해 불포화 알데히드 또는 불포화산을 생산하는 방법에 관한 것이다.

Description

유량 배분을 향상시키는 가이드 베인을 구비한 환상도관 {ANNULAR-TYPE DISTRIBUTOR COMPRISING GUIDE VANE TO IMPROVE FLOW RATE DISTRIBUTION}
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 환상형태의 슬릿 레이어 및 가이드 베인이 설치된 환상도관의 단면도이다.
도 3은 도 1에서 X-X'또는 Y-Y'라인을 따라 절단된 단면도로서, 본 발명의 다른 일 구체예에 따라 환상형태의 슬릿 레이어, 가이드 베인 및 차단판이 설치된 환상도관의 단면도이다.
도 4는 도 1에서 X-X'또는 Y-Y'라인을 따라 절단된 단면도로서, 본 발명의 또 다른 일 구체예에 따라 환상형태의 슬릿 레이어, 가이드 베인 및 2개의 차단판이 설치된 환상도관의 단면도이다.
도 5는 도 1에서 X-X'또는 Y-Y'라인을 따라 절단된 단면도로서, 본 발명의 또 다른 일 구체예에 따라 슬릿 레이어 및 가이드 베인이 설치된 환상도관의 단면도이다.
도 6은 실시예 1 및 비교예 1에서 제작된 반응기에서 접촉기상 산화반응 시 열매체의 유량 분포를 비교한 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: 열매체(유체)가 공급되는 환상도관
5b: 열매체(유체)가 배출되는 환상도관
6: 열매체(유체)
7: 반응 가스 유입부 8: 반응 가스 유출부
9: 슬릿 레이어
10: 반응기 내부의 반응 튜브가 위치하는 영역
11: 가이드 베인(guide vane)
11a: 제1수직배향판
11b: 제2수직배향판의 제1기재부
11c: 제2수직배향판의 제2기재부
12: 개구부 13: 차단판
14: 덕트
L: 슬릿 레어어로부터 제1수직배향판의 외주면 방향 끝까지의 길이
H: 환상도관의 높이 W: 환상도관의 폭
본 발명은 반응기 또는 열교환기의 환상도관 내부에 유량 배분을 향상시키는 가이드 베인이 종방향으로 설치된 환상도관 및 상기 환상도관을 구비한 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 핫스팟은 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(또 는 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, 반응기 또는 열교환기에서 환상도관 내 슬릿 개구의 개수와 크기의 조절만으로는 덕트로부터 환상도관으로 공급되는 열매체를 분배하여 국부적인 열전달 효율을 높이는 것에는 한계가 있다.
본 발명자들은 반응기 또는 열교환기에서 덕트로부터 종래의 환상도관으로 유입되는 열매체와 같은 유체의 흐름은 환상도관의 내주면에 장착되고 유체 유출입용 슬릿이 구비된 환상형태의 레이어 벽면에 부딪힘으로써 교란(disturbance)이 발생함을 발견하였다. 그리고, 이러한 교란에 의해 열매체 흐름의 불균일성이 발생하여 덕트가 설치되는 위치를 기준으로 열매체를 환상도관 내에 균일한 유량으로 분배시키는 데에는 한계가 있으며, 결과적으로 환상형태의 레이어에 위치한 슬릿 개구를 통해 반응기 또는 열교환기 내부로 유입되는 유량의 불균일성이 발생하여 열전달 효율이 저하되는 문제가 있음을 발견하였다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 환상형태의 슬릿 레이어 상에 위치하는 슬릿 크기를 조절하지 않으면서도, 덕트로부터 유출입되는 유 체의 양을 모으거나 나누어 유량 배분을 향상시킬 수 있는 가이드 베인을 구비하여 유체 흐름의 균일성을 향상시킬 수 있는 환상도관; 및 상기 환상도관을 구비한 반응기 또는 열교환기를 제공하고자 한다.
본 발명은 내주면에 장착되며, 유체를 유출 또는 유입하는 1개 이상의 슬릿이 구비된 환상형태의 슬릿 레이어;
외주면에 형성되며, 유체 공급 덕트 또는 유체 배출 덕트가 연결되는 1개 이상의 개구부; 및
도관 내에 종방향으로 설치되며, 덕트로부터 공급되는 유체의 양을 나누거나 덕트로 배출되는 유체의 양을 모으는 2개 이상의 가이드 베인을 포함하는 환상도관으로서,
상기 가이드 베인은,
(i) 상기 슬릿 레이어에 이격되어 있고, 슬릿 레이어와 개구부 사이에 위치하는 제1수직배향판; 및
(ii) 상기 제1수직배향판의 슬릿 레이어 방향 끝과 연결되며, 상기 슬릿 레이어 상의 일지점과 연결되는 제2수직배향판을 포함하는 것을 특징으로 하는 환상도관을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기 환상도관을 구비한 반응기 또는 열교환기; 및 상기 반응기에서 접촉기상 산화반응에 의해 올레핀으로부터 불포화 알데히드 또는 불포화산을 생산하는 방법을 제공한다.
이하, 본 발명을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 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 발명의 환상도관에서 환상형태의 슬릿 레이어는 1개 이상의 슬릿이 구비된 슬릿 레이어가 1개 만이 있는 단일 슬릿 레이어 뿐만 아니라 2개 이상인 다중 슬릿 레이어도 포함한다.
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 슬릿 레이어 및 가이드 판이 설치된 환상도관을 구비한 반응기 또는 열교환기가 사용될 수 있는 접촉 기상 산화 반응의 대표적인 예로 올레핀으로부터 불포화 알데히드 또는 불포화 산을 제조하는 공정이 있다. 상기 공정의 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 생산되는 (메타)아크릴산이나 (메타)아크롤레인과 같은 최종 목적물의 종류에 의해 사용상 제한을 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 적용 가능하다.
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 발명의 일 구체예에 따라 유체를 유출 또는 유입하는 1개 이상의 슬릿이 구비된 환상형태의 슬릿 레이어가 내주면에 장착되고, 덕트가 연결되는 개구부가 외주면에 형성되며, 또한 덕트로부터 공급되는 유체의 양을 나누거나 덕트로 배출되는 유체의 양을 모으는 가이드 베인이 종방향으로 설치된 환상도관을 설명하기 위해, 도 1에서 X-X'또는 Y-Y'라인을 따라 절단된 환상도관의 단면도를 도 2에 나타내었다.
본 발명의 환상도관에서 가이드 베인은, (i) 상기 슬릿 레이어에 이격되어 있고, 슬릿 레이어와 개구부 사이에 위치하는 제1수직배향판; 및 (ii) 상기 제1수직배향판의 슬릿 레이어 방향 끝과 연결되며, 상기 슬릿 레이어 상의 일지점과 연결되는 제2수직배향판을 포함하여 구성된다. 이때, 제2수직배향판과 연결되는 슬릿 레이어 상의 일지점은, 상기 슬릿 레이어가 형성하는 원의 중심점, 개구부의 중심축 및 슬릿 레이어 상의 일지점으로 된 3가지 요소가 형성하는 각도가 소정의 각도를 가질 때의 슬릿 레이어 상의 일지점인 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 환상도관에서, 상기 개구부에 유체 공급 덕트 또는 유체 배출 덕트가 연결될 수 있다.
도 2에서, 가이드 베인을 구성하는 상기 (i)의 제1수직배향판(11a)은 덕 트(14) 내부까지 연장될 수 있다. 가이드 베인의 제1수직배향판(11a)은 덕트로부터 유입 또는 덕트로 유출되는 유체의 양을 보다 효과적으로 나누거나 모으고, 유체 흐름의 교란(disturbance)을 억제하여 원주 방향으로 유체 흐름을 균등하게 분배하기 위해 환상도관과 연결되는 덕트의 내부까지 연장된 것이 바람직하다.
또한, 상기 슬릿 레어어(9)로부터 제1수직배향판(11a)의 외주면 방향 끝까지의 길이(L)는, 덕트가 어떻게 연결되는가에 따라 한정하기는 어려우나, 유체 흐름이 안정적이고 완전발달흐름(fully developed flow)을 형성하도록 환상도관의 폭(W)의 1배 이상으로 가능한 길게 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 환상도관에서, 덕트로부터 유입 또는 덕트로 유출되는 유체의 양을 보다 효과적으로 나누거나 모으고, 원주 방향으로 유체 흐름을 균등하게 분배하기 위해, 가이드 베인의 제1수직배향판은 개구부의 중심축과 평행한 것이 바람직하다.
가이드 베인을 구성하는 상기 제2수직배향판은 (a) 상기 제1수직배향판의 슬릿 레이어 방향 끝과 연결되며, 슬릿 레이어에 이격되어 원호형태로 위치하는 제1기재부(11b); 및 (b) 상기 제1수직배향판과 연결되지 않은 제1기재부의 끝과 연결되며, 상기 슬릿 레이어 상의 일지점과 연결되는 제2기재부(11c)를 포함하여 이루어질 수 있다. 이때, 상기 제2기재부(11c)는 도 2와 같이 슬릿 레이어가 형성하는 원의 중심점 방향으로 일직선 형태일 필요는 없으며 곡선 형태일 수도 있다.
도 2에 의하면, 환상도관(5a) 내에 종방향으로 설치된 4개의 가이드 베인(11)에 의해 도관은 4개의 영역으로 나누어질 수 있고, 도관 내 각 영역에서의 유량 및 방향은 각각 독립적으로 또는 유기적으로 조절될 수 있다. 이때, 도관 내 각 영역에서의 유체의 양은 서로 균일한 것이 바람직하고, 이는 가이드 베인(11)의 위치 및 길이를 적절히 조절하여 이룰 수 있다.
도 2에서 열매체 공급 덕트로 공급된 열매체는 환상도관(5a) 내에 종방향으로 설치된 가이드 베인(11)에 의해 일정 비율, 바람직하게는 균일하게 배분되어 각 영역으로 흐르고, 슬릿 레이어(9) 내 슬릿을 통과하여 반응기 내부(10)로 유입될 수 있다. 열매체가 슬릿 레이어(9)를 통과하게 되면 반응기 내부의 반응 튜브와 직접 접촉하게 된다. 배플판에 의해 형성된 유로를 따라 반응 튜브와 접촉한 열매체는 슬릿 레이어 내 슬릿을 통과하여 환상도관에 유입되고, 다시 가이드 베인에 의해 교란이 발생되지 않은 상태에서 균일한 비율의 유량이 모아져 배출 덕트를 통해 배출될 수 있다.
본 발명의 환상도관에서, 각 개구부의 중심축을 기준으로 가이드 베인들을 양분할 때, 일측에 설치된 가이드 베인(들) 및 나머지 일측에 설치된 가이드 베인(들)은 서로 대칭일 수 있다. 이와 같이 대칭을 이루면 가이드 베인들에 의해 나누어지는 각 영역에서 유체의 양이 균일하게 되도록 상기 가이드 베인을 설치하기가 용이해진다.
도 3 및 도 4와 같이, 본 발명의 환상도관에는, 도관 내에서 반대방향으로 흐르던 열매체가 서로 만남으로써 발생 가능한 교란을 방지하기 위해, 유체의 흐름을 차단하는 차단판(13)이 도관의 종방향 단면과 동일한 크기로 도관 내에 종방향으로 설치될 수 있다. 이때, 환상도관에 형성된 개구부가 1개일 때에는 개구부 중 심축의 반대편에 종방향으로 설치(도 3 참고)될 수 있으며, 상기 개구부가 2개 이상일 때에는 슬릿 레이어가 형성하는 원의 중심점과 2개의 인접하는 개구부 중심축이 이루는 각도의 1/2 위치마다 종방향으로 설치(도 4 참고)될 수 있다.
또한, 환상도관 내에 차단판이 설치된 경우에 각각의 가이드 베인은 상기 개구부 중심축으로부터 차단판까지의 영역 내에 설치됨으로써, 가이드 베인이 차단판을 통과하지 않도록 하는 것이 바람직하다.
본 발명의 환상도관에 설치되는 가이드 베인은 각 개구부마다 독립적으로 2n개(이때, n은 1이상의 정수임)씩 설치된 다중 가이드 베인일 수 있다. 즉, 각 개구부에 대응하여 짝수 개의 가이드 베인이 설치될 수 있다. 그러나, 각 개구부마다 동일한 수의 가이드 베인이 설치될 필요는 없고, 각 가이드 베인은 서로 만나지 않도록 설치되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 가이드 베인이 각 개구부마다 독립적으로 2n(이때 n은 1이상의 정수임) 개가 설치된 다중 가이드 베인이며, 각 개구부에 설치된 다중 가이드 베인에서 각각의 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 중심점을 기준으로 최외곽에 있는 가이드 베인을 제1 가이드 베인으로 명명하고, 이어서 중심점 내부방향으로 순차적으로 제2 가이드 베인, …, 제m 가이드 베인(여기서 m은 2 이상의 정수임)으로 명명할 때,
환상도관의 외주면 반지름(Rout)과 제1 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(R1) 간의 차이(Rout-R1); 제1 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원 의 반지름(R1)과 제2 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(R2) 간의 차이(R1-R2); …; 및 제m-1 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(Rm-1)과 제m 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(Rm) 간의 차이(Rm-1-Rm)는 각각 200~700mm 또는 환상도관의 내주면 반지름(Rin)의 5~20% 범위에 있을 수 있다.
도 5를 예로 들면, 1개의 개구부에 대응하여 가이드 베인이 4개 설치되어 있고, 개구부의 중심축을 기준으로 상기 가이드 베인들은 서로 대칭이다. 이때, 각각의 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 중심점을 기준으로 외곽에 있는 가이드 베인을 제1 가이드 베인으로 명명하고, 중심점 기준으로 내부에 있는 가이드 베인을 제2 가이드 베인으로 명명할 때, 환상도관의 외주면 반지름(Rout)과 제1 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(R1) 간의 차이(Rout-R1); 및 제1 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(R1)과 제2 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(R2) 간의 차이(R1-R2)는 각각 200~700mm 또는 환상도관의 내주면 반지름(Rin)의 5~20% 범위에 있을 수 있다.
또한, 덕트를 통해 유출입되는 유체를 효율적으로 나누거나 모으고, 이러한 과정에서 교란이 발생하지 않게 하기 위해서, 상기 가이드 베인의 높이는 환상도관의 높이(H)와 동일한 것이 바람직하다.
본 발명의 환상도관에서, 슬릿 레이어(들) 내 슬릿들의 높이 및 폭은 특별히 제한되지 않으며, 모두 같거나 필요에 따라 서로 다르게 조절될 수 있다. 슬릿의 형태도 특별히 제한되지 않으며, 비제한적인 예로 사각형, 원형, 난형, 타원형 등이 있다. 또한, 슬릿 레이어 내 슬릿들의 개수 및 배치도 특별히 제한되지 않으며, 규칙적으로 또는 임의 위치에 불규칙적으로 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 환상도관에서 가이드 베인(11) 및 차단판(13)의 두께는 특별히 제한되지 않으나, 가능한 한 얇은 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 환상도관의 재질은 특별히 제한되지 않는다. 비제한적인 예로, 철강류, sus 재질 등이 사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 환상도관은, 예컨대 소정 크기를 갖는 가이드 베인이 내부에 용접된 환상도관의 내주면에, 철판으로 제작한 후 원통형으로 벤딩한 슬릿 레이어를 용접하여 본 발명에서 설명하는 구조와 같이 제작할 수 있다.
(실시예)
이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
도 3에 도시된 바와 같이 환상형태의 슬릿 레이어와 가이드 베인을 구비하면서 하기 값을 갖는 환상도관; 및 이러한 환상도관을 구비하면서 하기 값을 갖는 반응기를 제작하였다.
환상도관의 폭(W) : 400 mm
환상도관의 높이(H) : 600 mm
환상형태의 슬릿 레이어 : 단일 슬릿 레이어
슬릿의 개수 : 60개
각 슬릿의 폭 : 72.43 mm
각 슬릿의 높이 : 300 mm
가이드 베인의 시작점(제1수직배향판의 외주면 방향 끝) 위치 : 내주면에서 외주면 방향으로 1000 mm
가이드 베인의 높이 : 600 mm (환상도관 높이와 동일)
가이드 베인의 개수 : 4개
차단판 : 개구부 중심축의 반대편에 1개
반응기 직경 : 4150 mm
(비교예 1)
가이드 베인 및 차단판을 구비하지 않는 것을 제외하고는, 상기 실시예 1과 동일하게 환상도관 및 반응기을 제작하였다.
(환상도관 내 열매체의 유량 분포 측정)
실시예 1 및 비교예 1에서 제작된 반응기에서 접촉기상 산화반응 시 각 슬릿에 따른 열매체의 유량 분포를 측정하였고, 그 결과를 도 6에 나타내었다.
도 6을 살펴보면, 본 발명에 따라 가이드 베인이 설치된 환상도관(실시예 1)은 각 슬릿의 위치에 따른 열매체의 유량이 큰 차이를 보이지 않으며 거의 균일한 값을 가졌다. 반면, 가이드 베인이 설치되지 않은 환상도관(비교예 1)은 내부 교란 이 발생하여, 열매체 공급 덕트에 가까이 위치하는 슬릿들(슬릿 넘버 25~36)에서 유량의 변화 폭이 매우 크게 나타났으며, 열매체 공급 덕트의 반대편에 위치하는 슬릿들(슬릿 넘버 0~6 및 55~60)에서도 유량의 변화가 크게 나타났다.
따라서, 본 발명에 따른 가이드 베인이 설치된 환상도관(실시예 1)은 유량 배분이 향상되어 내부 교란이 발생하지 않고 유체의 흐름이 균일하게 유지될 수 있었다.
본 발명에 따른 환상도관은 열매체와 같은 유체를 도관 내 여러 원주 위치에서 균일한 유량과 작은 유속으로 유입 또는 배출할 수 있으므로, 유량 배분을 향상시킬 수 있다. 따라서, 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. 또한, 이로 인해 반응기 내 핫 스팟의 발생도 억제시킬 수 있다.
따라서, 본 발명의 환상구조를 갖는 반응기에서는 프로필렌 또는 이소부틸렌을 포함하는 기체의 접촉 기상 산화에 의해 (메타)아크릴산 및/또는 (메타)아크롤레인을 보다 안정적인 운전과 보다 낮은 에너지에 의해 향상된 수율로 얻을 수 있으며, 촉매의 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (14)

  1. 내주면에 장착되며, 유체를 유출 또는 유입하는 1개 이상의 슬릿이 구비된 환상형태의 슬릿 레이어;
    외주면에 형성되며, 유체 공급 덕트 또는 유체 배출 덕트가 연결되는 1개 이상의 개구부; 및
    도관 내에 종방향으로 설치되며, 덕트로부터 공급되는 유체의 양을 나누거나 덕트로 배출되는 유체의 양을 모으는 2개 이상의 가이드 베인을 포함하는 환상도관으로서,
    상기 가이드 베인은,
    (i) 상기 슬릿 레이어에 이격되어 있고, 슬릿 레이어와 개구부 사이에 위치하는 제1수직배향판; 및
    (ii) 상기 제1수직배향판의 슬릿 레이어 방향 끝과 연결되며, 상기 슬릿 레이어 상의 일지점과 연결되는 제2수직배향판을 포함하는 것을 특징으로 하는 환상도관.
  2. 제1항에 있어서, 상기 개구부에 유체 공급 덕트 또는 유체 배출 덕트가 연결된 것을 특징으로 하는 환상도관.
  3. 제1항에 있어서, 상기 제1수직배향판은 덕트 내부까지 연장된 것을 특징으로 하는 환상도관.
  4. 제1항에 있어서, 상기 슬릿 레어어로부터 제1수직배향판의 외주면 방향 끝까지의 길이는 환상도관의 폭의 1배 이상인 것을 특징으로 하는 환상도관.
  5. 제1항에 있어서, 상기 제1수직배향판은 개구부의 중심축과 평행한 것을 특징으로 하는 환상도관.
  6. 제1항에 있어서, 상기 제2수직배향판은,
    (a) 상기 제1수직배향판의 슬릿 레이어 방향 끝과 연결되며, 슬릿 레이어에 이격되어 원호형태로 위치하는 제1기재부; 및
    (b) 상기 제1수직배향판과 연결되지 않은 제1기재부의 끝과 연결되며, 상기 슬릿 레이어 상의 일지점과 연결되는 제2기재부를 포함하는 것을 특징으로 하는 환상도관.
  7. 제1항에 있어서, 상기 가이드 베인에 의해 나누어지는 도관 내 각 영역에서의 유체의 양은 서로 균일한 것을 특징으로 하는 환상도관.
  8. 제1항에 있어서, 각 개구부의 중심축을 기준으로 가이드 베인들을 양분할 때, 일측에 설치된 가이드 베인(들) 및 나머지 일측에 설치된 가이드 베인(들)은 서로 대칭인 것을 특징으로 하는 환상도관.
  9. 제1항에 있어서, 유체의 흐름을 차단하고, 도관의 종방향 단면과 동일한 크기로 도관 내에 종방향으로 설치되는 차단판을 포함하며,
    상기 차단판은 상기 개구부가 1개일 때에는 개구부 중심축의 반대편에, 상기 개구부가 2개 이상일 때에는 슬릿 레이어가 형성하는 원의 중심점과 2개의 인접하는 개구부 중심축이 이루는 각도의 1/2 위치마다 설치된 것을 특징으로 하는 환상도관.
  10. 제9항에 있어서, 상기 각각의 가이드 베인은 상기 개구부 중심축으로부터 차단판까지의 영역 내에 설치된 것을 특징으로 하는 환상도관.
  11. 제1항에 있어서, 상기 가이드 베인은 각 개구부마다 독립적으로 2n개(이때, n은 1이상의 정수임)가 설치된 다중 가이드 베인인 것을 특징으로 하는 환상도관.
  12. 제1항에 있어서, 상기 가이드 베인은 각 개구부마다 독립적으로 2n(이때 n은 1이상의 정수임) 개가 설치된 다중 가이드 베인이며, 각 개구부에 설치된 다중 가이드 베인에서 각각의 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 중심점을 기준으로 최외곽에 있는 가이드 베인을 제1 가이드 베인으로 명명하고, 이어서 중심점 내부방향으로 순차적으로 제2 가이드 베인, …, 제m 가이드 베인(여기서 m은 2 이상 의 정수임)으로 명명할 때,
    환상도관의 외주면 반지름(Rout)과 제1 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(R1) 간의 차이(Rout-R1); 제1 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(R1)과 제2 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(R2) 간의 차이(R1-R2); …; 및 제m-1 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(Rm-1)과 제m 가이드 베인의 제1 기재부가 형성하는 원의 반지름(Rm) 간의 차이(Rm-1-Rm)는 각각 200~700mm 또는 환상도관의 내주면 반지름(Rin)의 5~20% 범위에 있는 것을 특징으로 하는 환상도관.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 환상도관을 구비한 반응기 또는 열교환기.
  14. 제13항에 기재된 반응기에서 접촉기상 산화반응에 의해 올레핀으로부터 불포화 알데히드 또는 불포화산을 생산하는 방법.
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JPH0731866A (ja) * 1993-07-26 1995-02-03 Japan Energy Corp 分散装置
KR100360108B1 (ko) 2000-08-24 2002-11-07 주식회사 포스코 유동층 반응기

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