KR100847199B1 - 열전달 성능이 향상된 반응기, 이 반응기를 이용한 산화물 제조방법, 및 평행류의 열매체 유속 증가 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 열전달 효율을 향상시킬 목적으로 도넛형 배플판과 제1 원반형 배플판이 교대로 구비된 다관식 반응기 또는 열교환기에 있어서, 도넛형 배플판 안쪽의 빈공간에 제2 원반형 배플판이 설치되어 있고, 도넛형 배플판 안쪽 그리고 제2 원반형 배플판의 바깥쪽 영역에 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브가 존재하는 것이 특징인 반응기 또는 열교환기; 및 상기 반응기 또는 열교환기를 사용하고, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 제1튜브 내에서 접촉기상산화반응을 일으켜 산화물을 제조하는 방법을 제공한다.
접촉기상산화, 핫스팟, 다관식촉매반응기, 열교환기, 원반형 배플, 도넛형 배플

Description

열전달 성능이 향상된 반응기, 이 반응기를 이용한 산화물 제조방법, 및 평행류의 열매체 유속 증가 방법{REACTOR WITH IMPROVED HEAT TRANSFER PERFORMANCE, METHOD FOR PRODUCING OXIDE BY USING THE REACTOR, AND METHOD FOR INCREASING}
도 1은 일반적인 종래 다관식 촉매 반응기 또는 열교환기의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 2는 열전달 효율 향상을 위해 본 발명에 따라 도넛형 배플판 안쪽에 설치되는 일정 지름의 원반형 배플판을 장착한 반응기 또는 열교환기의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에서 X-X'라인을 따라 절단된 단면도로서, 반응 튜브 영역, 도넛형 배플판의 크기, 도넛형 배플판 안쪽에 설치되는 원반형 배플판 크기를 설명하기 위해 본 발명의 일 구체예에 따라 도넛형 배플판 안쪽에 원반형 배플판을 설치한 반응기 또는 열교환기의 단면도이다.
도 4는 비교예 1 및 실시예 1에서 각각 제작한 반응기 내부에서 열전달계수 분포를 나타낸 그래프이다.
도 5는 비교예 1 및 실시예 1에서 각각 제작한 반응기에서 반응 튜브 내부 온도 분포를 나타낸 그래프이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 반응기 또는 열교환기 쉘(shell)
2a: 도넛형 배플판
2b: 원반형 배플판
2c: 도넛형 배플판의 안쪽 중심에 설치되는 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: 반응기 또는 열교환기 내부의 반응 튜브가 위치하는 영역
10: 도넛형 배플판의 안쪽 원
11: 반응 튜브가 위치하는 영역의 내부 한계
12: 비교예 1에서 제작된 반응기 내부의 열전달계수 분포
13: 실시예 1에서 제작된 반응기 내부의 열전달계수 분포
14: 비교예 1에서 제작된 반응기의 반응 튜브 내부 온도 분포
15: 실시예 1에서 제작된 반응기의 반응 튜브 내부 온도 분포
본 발명은 도넛형 배플판과 제1 원반형 배플판이 교대로 구비된 다관식 반응기 또는 열교환기에 있어서, 도넛형 배플판 안쪽의 빈공간에 제2 원반형 배플판이 설치되어 있고, 도넛형 배플판 안쪽 그리고 제2 원반형 배플판의 바깥쪽 영역에 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브가 존재하는 것이 특징인 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 교대로 구비된 다관식 반응기를 통해 반응기 내부의 임의의 지역 내에서 열매체의 흐름 속도를 일정하게 유지시킴으로써 열전달 성능을 향상시키고자 하였다. 또한, 상부 및 하부 튜브 시트 사이와 횡단면에서 쉘의 주변과 중앙 부분 사이의 쉘에서 반응 튜브를 갖지 않는 순환통로 를 구비함으로써 열매체가 반응 튜브 지역을 통해 흐를 때보다 순환통로를 통해 흐를 때에 짧은 시간내에 주변 부분으로 이동시켰다. 그러므로 순환통로를 통해 통과하는 열매체는 반응 튜브와 뚜렷하게 접촉하지 않고 단지 적은 양으로 반응열을 회수하기 때문에 상대적으로 짧은 시간 내에 상대적으로 낮은 온도로 주변 부분에 도달할 수 있도록 하여 상대적으로 높은 온도의 열매체와 혼합되도록 하였다.
본 발명자들은 도넛형과 원반형 배플판이 교대로 구비되어 열매체의 흐름이 S자인 다관식 반응기 또는 열교환기에서 열매체 진행 방향이 변경되는 중심부에 위치한 반응 튜브에서 열전달계수가 현저히 저하되는 영역이 존재함을 발견하였다. 그리고, 반응기의 경우 열전달계수가 현저히 저하되는 영역에 존재하는 반응 튜브에서 열전달 효율 감소에 기인한 비이상적인 핫스팟이 발생하게 됨을 발견하였다. 이러한 비이상적인 핫스팟은 촉매의 열화에 의한 수명 단축과 원하는 목적 생성물에 대한 선택율 감소, 제어할 수 없는(run-away) 반응을 유도할 가능성을 높인다.
상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 도넛형 배플판과 제1 원반형 배플판이 교대로 구비된 다관식 반응기 또는 열교환기에서, 튜브 축에 평행인 열매체 흐름(평행류)이 존재하는 도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치된, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브들의 열전달계수를 향상시키는 방법으로서, 상기 영역에 제2 원반형 배플판을 설치하여 평행류의 열매체 유속을 증가시키고자 한다.
본 발명은 도넛형 배플판과 제1 원반형 배플판이 교대로 구비된 다관식 반응기 또는 열교환기에 있어서, 도넛형 배플판 안쪽의 빈공간에 제2 원반형 배플판이 설치되어 있고, 도넛형 배플판 안쪽 그리고 제2 원반형 배플판의 바깥쪽 영역에 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브가 존재하는 것이 특징인 반응기 또는 열교환기를 제공한다.
이때, 제2 원반형 배플판의 직경 D1은 바람직하게는 반응기 또는 열교환기 쉘의 내경 D4의 5~25% 범위, 더욱 바람직하게는 10~20% 범위로 조절한다.
도넛형 배플판의 안쪽 직경 D3는 쉘의 내경 D4의 20~50% 범위로 조절되는 것이 바람직하고, 튜브가 존재하는 영역의 안쪽 직경 D2는 제2 원반형 배플판과의 거리, 즉 (D2-D1)/2의 길이가 50~500mm 또는 D4의 0.5~10% 범위로 조절하는 것이 바람직하고, 도넛형 배플판과의 거리, 즉 (D3-D2)/2의 길이가 200~1000mm 또는 D4의 3~20% 범위로 조절되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 도넛형 배플판과 제1 원반형 배플판이 교대로 구비된 다관식 반응기 또는 열교환기에 있어서, 튜브 축에 평행인 열매체 흐름(평행류)이 존재하는 도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치된, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브들의 열전달계수를 향상시키는 방법으로서, 상기 영역에 제2 원반형 배플판을 설치하여 평행류의 열매체 유속을 증가시키는 것이 특징인 방법을 제공한다.
나아가, 본 발명은 상기 반응기 또는 열교환기를 사용하고, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브내에서 접촉기상산화반응을 일 으켜 산화물을 제조하는 방법을 제공한다.
상기 튜브 내 접촉기상산화반응에 의해 형성되는 산화물의 대표적인 예로는 불포화 알데히드 및/또는 불포화 지방산이 있다.
이하 본 발명을 자세히 설명한다.
본 명세서에서 튜브는 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브이다. 튜브 내에서는 화학 또는 물리반응이 일어날 수 있으며, 상기 반응은 발열반응 또는 흡열반응일 수 있다. 상기 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물은 화학 또는 물리반응 이전의 반응물(들), 상기 반응 이후의 생성물(들) 또는 이들의 혼합물일 수 있으며, 반응없이 단순히 열전달만 하는 대상물일 수도 있다.
본 발명에서 제시되는 열전달 효율 향상 방법은 촉매 반응기 또는 화학반응을 목적으로 하지 않는 일반적인 열교환기와 같은 장치에 열매체와 같은 유체를 공급하거나 또는 배출시키는데 적용할 수 있으며, 반응기의 반응가스나 열매체의 종류에 제한을 받지 않는다. 특히, 본 발명에서 제시된 방법은 쉘-앤-튜브 타입의 다관식 반응기 또는 열교환기에 적합하며, 상기 반응기 또는 열교환기는 접촉 기상 산화 반응에 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 구조의 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 발명은 본 발명에 따른 구조의 반응기 형태를 적용하는 한, 반응기에 의해 생산되는 (메타)아크릴산이나 (메타)아크롤레인과 같은 최종 목적물의 종류에 사용제한을 받지 않는다.
하기에서는 다관식 촉매 반응기를 사용하여 본 발명에 대해 설명하고자 하나, 본 발명이 다관식 촉매 반응기에 한정되는 것은 아니다. 다관식 촉매 반응기에서, 반응 튜브는 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브에 해당하고, 반응 가스는 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물에 해당한다.
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 원통형 구조를 가진 종래 다관식 촉매 반응기 형태를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도 1에서 반응기는 원통형 쉘(1) 내부에서 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. 각 각의 쉘에는 열매체 공급 덕트에 연결된 환상도관(5a)과 배출 덕트에 연결된 환상도관(5b)이 있다. 공급 덕트에 연결된 환상도관(5a)을 통해 공급된 열매체(6)는 도넛형 배플판(2a)과 원반형 배플판(2b)에 의해 형성된 S자 유로를 따라 흐르면서 반응 튜브(4)와 열교환하게 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 일실시형태에 따라 열전달 효율을 향상시키기 위해 튜브 축에 평행인 열매체 흐름(평행류)이 존재하는 도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치되는 제2 원반형 배플판(2c)을 설명하기 위해, 도 1의 종래 다관식 촉매 반응기에 제2 원반형 배플판(2c)을 첨가하여 도 2에 나타내었다. 도 2는 배플 구조를 자세히 나타내기 위해 복수의 반응 튜브는 도시되어 있지 않다.
그리고, 도 2에서 X-X'라인을 따라 절단된 단면도를 도 3에 나타내었다. 도 3에는 반응기 쉘의 내경을 D4, 도넛형 배플판의 안쪽 직경을 D3, 반응 튜브가 존재하는 영역의 안쪽 직경을 D2, 도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치되는 제2 원반형 배플판의 직경을 D1이라고 표시하고, 이들의 위치 및 크기 관계를 예시하였다.
도 4에는 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판이 설치되지 않은 종래의 반응기 내부에서(비교예 1) 열전달계수 분포(12)와 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판이 설치된 본 발명의 반응기 내부에서(실시예 1) 열전달계수 분포(13)를 도 2의 X-X'라인을 따라 도시하여 비교한 그래프를 나타내었다.
본 명세서에서, 열전달계수란 쉘을 통과하는 열매체에 의한 튜브 외부 표면 에서의 열전달계수를 의미한다.
도 4에 나타난 바와 같이, 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판이 설치되지 않은 종래의 반응기 내부에서는 도넛형 배플판 직경 안쪽(D3)에서 열전달계수가 점차 증가하다가, 더 중심부로 이동하면 일정 지점에서 열전달계수가 최대값에 도달하게 되고 이후에는 중심부로 갈수록 급속도로 감소한다.
도넛형 배플판 직경 안쪽까지 열전달계수가 점차 증가하는 이유는 반응기 또는 열교환기가 원통형이므로 중심부로 갈수록 유체가 흐르는 단면적이 감소하여 속도가 증가하기 때문이다.
한편, 도넛형 배플판 직경 안쪽 일정 지점에서 열전달계수가 최대값에 도달하게 된 후 중심부로 갈수록 급속도로 감소하는 이유는 조밀하게 형성되어 있는 튜브 번들(tube bundle)에 의해 열매체가 더 이상 튜브를 가로질러 흐르는 십자류(cross flow)를 형성하지 못하고 튜브 축을 따라 흐르게 되는 평행류(window flow 또는 longitudinal flow)로 진행 방향을 바꾸고, 이때 반응 튜브가 튜브 축 방향에 수직인 흐름으로 열매체와 접촉되는 경우에 비해 튜브 축과 같은 방향인 평행류로 열매체와 접촉되는 경우 열전달계수가 작아지기 때문이다.
이때 일정 크기(D1)의 제2 원반형 배플판을 도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치시키면 열매체가 흐르는 단위면적을 감소시켜 평행류의 열매체 유속을 증가시킬 수 있으며 이로 인해 도넛형 배플판 안쪽을 벗어나 반응기 중심부 가까이 위치하고 있는 반응 튜브들의 열전달계수를 효과적으로 향상시킬 수 있다. 제2 원반형 배플판 이 위치하게 되는 영역은 본질적으로 열매체의 흐름이 매우 미미한 영역이므로 제2 원반형 배플판을 설치한다 하더라도 압력손실의 증가가 매우 작으며 열매체의 순환량을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 5에는 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판이 설치되지 않은 종래의 반응기(비교예 1)에서 반응 튜브 내부 온도 분포(14)와 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판을 설치한 새로운 반응기(실시예 1)에서 반응 튜브 내부 온도 분포(15)를 도 2의 X-X'라인을 따라 도시하여 비교한 그래프를 나타내었다. 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판이 설치되지 않은 종래의 반응기는 도 4에서 설명한 바와 같이 반응기 중심부 가까이에 위치한 반응 튜브에서 저 열전달계수 영역이 나타나게 되고, 이는 이 영역에서 핫스팟을 발생시킨다. 그러나, 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판을 설치한 반응기의 경우 내부의 모든 영역에 존재하는 반응 튜브의 열전달계수가 반응 튜브의 내부 열을 효과적으로 제거할 수 있는 최소값 이상을 갖게 됨으로써, 핫스팟의 발생이 없이 온도 분포가 거의 비슷해지는 양상을 보인다. 이로인해, 평행류가 존재하는 국부적인 위치에 따른 열전달 효율이나 성능 차이가 발생하지 않고, 열교환기의 경우 전체적인 열전달 성능이 향상되고, 반응기의 경우 핫스팟의 발생을 억제하고 원하는 생성물의 수율 향상이 가능하다.
한편, 도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치한 제2 원반형 배플판의 직경 D1은 바람직하게는 쉘의 내경 D4의 5~25% 범위로, 더욱 바람직하게는 10~20% 범위로 조절한다.
제2 원반형 배플판의 직경 D1이 쉘의 내경 D4의 5%보다 작다면 도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치한 제2 원반형 배플판에 의한 열전달 효율 상승 효과가 매우 미미해질 것이며, 25%보다 크다면 반응튜브가 들어갈 공간이 감소하기 때문에 비효율적인 반응기 설계가 된다.
도넛형 배플판의 안쪽 직경 D3는 쉘의 내경 D4의 20~50% 범위로 조절되는 것이 바람직하고, 반응 튜브가 존재하는 영역의 안쪽 직경 D2는 제2 원반형 배플판과의 거리, 즉 (D2-D1)/2의 길이가 50~500mm 또는 D4의 0.5~10% 범위로 조절하는 것이 바람직하고, 도넛형 배플판과의 거리, 즉 (D3-D2)/2의 길이가 200~1000mm 또는 D4의 3~20% 범위로 조절되는 것이 바람직하다.
(D2-D1)/2의 길이가 50mm 또는 D4의 0.5%보다 작다면 쉘을 통해 열매체를 순환시키기 위해 과도한 압력손실이 요구되어 열매체 순환 펌프 용량의 증가와 운전비 증가를 초래하게 될 것이다. 또한 (D2-D1)/2의 길이가 500mm 또는 D4의 10%보다 크다면 반응튜브가 들어갈 공간이 감소하기 때문에 비효율적인 반응기 설계가 된다.
(D3-D2)/2의 길이가 200mm 또는 D4의 3%보다 작다면 보다 중심부에 반응튜브를 위치시켜도 충분한 열전달계수를 얻을 수 있음에도 불구하고 이 반응기 내부 공간을 활용하지 못함으로써 비효율적인 반응기 설계를 초래하게 되며, (D3-D2)/2의 길이가 1000mm 또는 D4의 20%보다 크다면 중심에 가까운 부분에 위치한 반응 튜브에서 저 열전달계수 영역이 발생할 가능성이 높아져 제2 원반형 배플판을 설치함으로써 얻게 되는 장점을 충분히 얻을 수 없다.
한편, 이상으로 설명한 도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치한 제2 원반형 배플판은 예컨데 일정 크기의 원반형 철판을 연결 막대 또는 스페이서에 용접하여 반응기 중심에 고정시킴으로써 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 2에 도시된 바와 같이 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판을 설치한 반응기를 제작하였다.
반응 튜브의 길이 : 3250 mm
반응기 쉘의 내경 : 4150 mm
도넛형 배플판의 안쪽 직경 : 1600 mm
반응 튜브가 존재하는 영역의 안쪽 직경 : 500 mm
도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치된 제2 원반형 배플판 직경 : 300 mm
열매체 종류 : 용융염(질산 칼륨 및 아질산나트륨의 혼합물)
열매체 온도 : 310℃
반응가스 종류 : 혼합가스(프로필렌, 수증기, 공기 혼합물)
반응가스 주입 온도 : 150℃
<비교예 1>
다음과 같이 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판이 설치되지 않은 반응기를 제작하였다.
반응 튜브의 길이 : 3250 mm
반응기 쉘의 내경 : 4150 mm
도넛형 배플판의 안쪽 직경 : 1600 mm
반응 튜브가 존재하는 영역의 안쪽 직경 : 500 mm
열매체 종류 : 용융염(질산 칼륨 및 아질산나트륨의 혼합물)
열매체 온도 : 310℃
반응가스 종류 : 혼합가스(프로필렌, 수증기, 공기 혼합물)
반응가스 주입 온도 : 150℃
<고찰>
비교예 1에 따라 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판을 설치하지 않고 도넛형 배플판과 제1 원반형 배플판이 교대로 장착되어 있는 반응기는 도 4에 도시한 바와 같이 열매체 진행 방향이 변경되는 중심부에 위치한 반응튜브에서 열전달계수가 현저히 저하되는 영역이 존재하였다. 따라서, 도 5에 도시한 바와 같이, 열전달계수가 현저히 저하되는 영역에 존재하는 반응 튜브에서 열전달 효율 감소에 기인한 비이상적인 핫스팟이 발생하였다. 이러한 비이상적인 핫스팟은 촉매의 열화에 의한 수명 단축과 원하는 목적 생성물에 대한 선택율 감소, 제어할 수 없는(run-away) 반응을 유도할 가능성을 높인다.
실시예 1에 따라 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판이 설치된 반 응기는 내부의 열전달계수 분포(13)가 비교예 1에 따라 제2 원반형 배플판이 장착되지 않은 반응기 보다 큰 열전달계수 분포를 가짐으로써 향상된 열전달 효율을 갖는다. 이를 통해 종래의 반응기 구조에서 발생하는 반응기 중심부에 위치한 반응 튜브에서의 핫스팟이 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판을 설치한 반응기에서는 더 이상 발생하지 않았다.
요컨대, 본 발명에 따라 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판을 설치하면 종래 반응기에서 반응 튜브의 국부적인 위치에 따라 열전달 효율 저하에 따른 핫스팟이 발생하여 성능 차이가 나는 문제점을 도 4와 도 5에 나타난 것처럼 모든 반응 튜브가 일정 값 이상의 열전달계수를 갖게 됨으로써 핫스팟이 발생하지 않아 국부적인 위치에 따른 열전달 효율이나 성능 차이가 발생하지 않는다.
본 발명에 따라 도넛형 배플판과 제1 원반형 배플판이 교대로 구비된 다관식 반응기 또는 열교환기에서, 열매체가 평행류로 흐르는 예컨대 도넛형 배플판 안쪽 영역에 제2 원반형 배플판을 장착한 반응기 또는 열교환기는 큰 압력손실 증가 없이 상기 영역 또는 그 근처에 위치한 반응 튜브와 같은 튜브들의 열전달 효율을 향상시킬 수 있으므로, 모든 튜브가 일정 값 이상의 열전달계수를 갖게 함으로써 핫스팟이 발생하지 않아 국부적인 위치에 따른 열전달 효율이나 성능 차이가 발생하지 않는다. 이로 인해 열교환기의 경우 전체적인 열전달 성능이 향상되고, 반응기의 경우 핫스팟의 발생을 억제하고 원하는 생성물의 수율 향상이 가능하다.
따라서, 본 발명에서 제시된 구조를 갖는 반응기에서는 (메타)아크릴산 및/ 또는 (메타)아크롤레인이 프로필렌 또는 이소부틸렌을 포함하는 기체의 접촉 기상 산화에 의해 보다 안정적인 운전으로, 보다 작은 양의 열매체 순환량으로, 보다 낮은 에너지에 의해 향상된 수율을 얻을 수 있으며 촉매의 수명을 연장시킬 수 있다.

Claims (8)

  1. 도넛형 배플판과 제1 원반형 배플판이 교대로 구비된 다관식 반응기 에 있어서, 도넛형 배플판 안쪽의 빈공간에 제2 원반형 배플판이 설치되어 있고, 도넛형 배플판 안쪽 그리고 제2 원반형 배플판의 바깥쪽 영역에 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브가 존재하는 것이 특징인 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 제2 원반형 배플판의 직경 D1은 반응기 쉘의 내경 D4의 5~25% 범위인 것이 특징인 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 도넛형 배플판의 안쪽 직경 D3는 반응기 쉘의 내경 D4의 20~50% 범위인 것이 특징인 반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 튜브가 존재하는 영역의 안쪽 직경 D2는 제2 원반형 배플판과의 거리, (D2-D1)/2의 길이가 반응기 쉘의 내경 D4의 0.5~10% 범위이고, 도넛형 배플판과의 거리, (D3-D2)/2의 길이가 D4의 3~20% 범위인 것이 특징인 반응기.(여기서 D1은 제2튜브의 직경이고, D3는 도넛형 배플판의 안쪽 직경 임)
  5. 제1항에 있어서, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물은 화학 또는 물리반응 이전의 반응물(들), 상기 반응 이후의 생성물(들) 또는 둘다인 것이 특징인 반응기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 기재된 반응기를 사용하고, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브 내에서 접촉기상산화반응을 일으켜 산화물을 제조하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 산화물은 불포화 알데히드 또는 불포화 지방산인 것이 특징인 제법.
  8. 도넛형 배플판과 제1 원반형 배플판이 교대로 구비된 다관식 반응기에 있어서, 튜브 축에 평행인 열매체 흐름(평행류)이 존재하는 도넛형 배플판 안쪽 영역에 설치된, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브들의 열전달계수를 향상시키는 방법으로서, 상기 영역에 제2 원반형 배플판을 설치하여 평행류의 열매체 유속을 증가시키는 것이 특징인 방법.
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