KR100857488B1 - 내부 열교환기를 구비한 가느다란 멀티 스테이지형 촉매 리액터 및 그 리액터의 사용 - Google Patents

내부 열교환기를 구비한 가느다란 멀티 스테이지형 촉매 리액터 및 그 리액터의 사용

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Abstract

신장되어 있는 반응 용기는 수직 방향으로 적어도 두 개의 스테이지를 포함하고, 그 내부에서 흡열 또는 발열 촉매 반응이 행해지며,
- 스테이지(6, 7)마다 구비된 촉매 반응 영역(12a, 12b)과,
- 반응 영역의 수직방향 전체 범위를 가로질러 유체가 횡방향으로 이동하도록 되어 있는 스테이지에 반응 유체를 도입시키는 수단(2)과,
- 촉매를 도입하고 추출하는 수단과,
- 두 개의 일련의 반응 영역 사이에서 용기 내부에 위치되어 있는, 반응 유체를 위한 열교환기(5a)와,
- 바람직하게는 해당 스테이지의 열교환기에 연결되어 있고 후속 스테이지의 반응 유체 입구에 연결되어 있는, 하나의 스테이지로부터 다른 스테이지로 반응 유체를 수송하는 수단(16)과,
- 최종 스테이지의 하류에서 반응 유체를 회수하는 수단
을 포함한다.
각각의 반응 영역에서의 온도 변화 및 온도 수준은 각각의 영역의 두께 및 열교환에 의해 각각 조절된다.

Description

내부 열교환기를 구비한 가느다란 멀티 스테이지형 촉매 리액터 및 그 리액터의 사용{THIN MULTI-STAGE CATALYTIC REACTOR WITH INTERNAL HEAT EXCHANGER, AND USE THEREOF}
본 발명은 촉매 존재 하에서 적어도 하나의 반응 유체에 촉매 반응이 행해지는 리액터 또는 반응 용기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 이 리액터에서 탄화수소를 변환시키는 공정에 관한 것이며, 이 공정을 선형 파라핀의 탈수소화에 적용하는 것에 관한 것이다.
종래의 기술로는 미국 특허 공개 제4 040 794호, 미국 특허 공개 제4 423 022호, 프랑스 특허 공개 2 129 913호 및 프랑스 특허 공개 제1 175 454호가 있다.
석유 화학 또는 화학 산업과 같은 많은 산업 분야에서, 특정 온도 및 압력 조건 하에서 적어도 하나의 반응 유체와 촉매 사이에 화학 반응이 행해지는 리액터를 사용하는 처리 공정이 사용된다. 이들 화학 반응은 열을 발생시키는지 또는 흡수하는지에 따라, 각각 발열 반응 또는 흡열 반응이라 지칭된다.
상기 화학 반응(흡열 또는 발열 반응)이 평형을 이루었을 때, 온도의 변화는 한 방향 또는 다른 방향으로 상기 반응의 평형을 이동시키는 것으로 알려져 있다.
본 발명의 적용 분야는 넓지만, 본 발명은 특히 흡열 탄화수소 탈수소화 반응의 경우에 적용될 수 있다. 그 중에서도, 본 발명의 장치는 긴 사슬 파라핀 탈수소화 반응을 수행하기에 특히 적합한데, 그 공정 중 한 단계는 방향족 고리 상의 치환기 중 적어도 하나가 통상적으로 3 개 내지 20 개의 탄소 원소, 일반적으로 10 개 내지 14 개의 탄소 원소를 함유하는 선형 지방족 사슬, 대체로 알킬(선형 알킬 벤젠, LAB)인 방향족 화합물을 생산하기 위한 것이다.
본 발명의 장치는 흡열 또는 발열 반응 중 어느 유형에도 적용될 수 있지만, 본 명세서의 설명 중 나머지에서는, 모노 불포화 올레핀 화합물을 얻기 위해 대체로 3 개 내지 20 개의 탄소 원소, 바람직하게는 10 개 내지 14 개의 탄소 원소를 함유하는 선형 파라핀의 탈수소화를 예로 하여 설명하도록 한다.
또한, 상기 탈수소화 상황에서는, 모노 불포화 올레핀을 생성하기 위한 최적의 조건을 결정하기 위해서 여러 가지가 고려되어야 한다. 반응물의 변환 정도는 탈수소화 반응의 선택률에 의해 제한될 수 밖에 없는데, 높은 파라핀 변환을 발생시키는 반응 조건은, 방향족 화합물, 폴리 방향족 화합물 및 코크스의 비가역적 형성을 야기하는 원치 않는 반응에서 전구체(precursor)가 된다고 당업자에게 대체로 여겨지는 디올레핀 또는 트리올레핀과 같은 폴리 불포화 화합물이 의도와 달리 형성되게 한다. 이들 원치 않는 반응은 LAB 알킬화 전구체들을 합성하는 상황에서 매우 해로우며, 따라서 최소화되어야 한다.
특히, 높은 온도는 불포화 화합물이 형성되는 방향으로 흡열 반응의 평형을 이동시키며, 모노 불포화 화합물에 대한 변환의 정도를 높게 하지만 선택률을 낮게 한다. 또한, 너무 높은 온도는 촉매의 수명을 저하시키고/저하시키거나 그 구조적 특성(예를 들어, 결정 구조, 입자 크기)을 변화시킨다.
이러한 문제점들을 해결하기 위해서, 아래의 두 가지 방안이 고려될 수 있는데, 이들 방안은 독자적으로 행해질 수 있고 병합되어 행해질 수 있다.
- 모노 올레핀 형성에 대한 선택률이 높은 촉매를 개발한다.
- 예를 들어, 리액터 내에서 순환하는 반응 유체의 온도 프로파일을 제어함으로써, 허용 가능한 변환 수준을 유지하면서 모노 불포화 화합물 형성에 대한 높은 선택률을 얻어내는 작동 조건을 사용한다.
본 발명은 리액터 내에서 반응 유체의 온도 프로파일을 제어하는 것을 대상으로 한다. 본 발명의 장치는 앞에서 설명한 문제점들을 적어도 부분적으로 극복하면서 실시가 간단하고 저렴한 해법을 제공한다.
촉매 반응을 사용하는 공정에서, 가장 자주 사용되는 기술은 고정 베드 기술이다. 고정 베드는 대체로 이동하지 않는 용기 내부에 촉매 입자를 고밀도로 그리고 움직이지 못하게 퇴적하는 것으로 구성된다. 그러나, 반응과 동시에 열교환이 행해져야 하므로 이 기술은 여기에 적용되기에 적당하지 않은 것으로 보인다. 고정 촉매 베드 내부에 열교환기가 삽입되지만, 이 때문에 촉매 베드의 임의의 지점에서 유체의 온도 프로파일을 제어하는 것이 어렵게 되고, 장치의 치수, 부피 및 소형화에 관한 문제점이 존재하게 된다. 특히, 고온 지점의 존재는 가열 표면에 가까운 곳에서 바람직하지 못한 생성물의 형성을 유발하는데, 고온 지점은 이러한 유형의 구조에 있어서 불가피한 것이다. 이러한 구조에 있어서는, 반응의 선택률을 제어하는 것이 또한 어려운 것으로 보인다. 마지막으로, 단일의 고정 베드에서 촉매를 교체하기 위해서는 장치를 정지시켜야 할 수도 있다. 따라서, 이 기술은 촉매 불활성화가 비교적 신속한 탈수소화와 같은 반응에 적용되기 어렵다.
촉매 반응에 사용되는 다른 기술은 용기 내에 촉매 알갱이 더미에 의해 구성되는 이동 베드를 위치시키는 단계를 포함하는데, 상기 알갱이들은 대체로 중력 하에서 리액터의 상단으로부터 하단으로 이동된다.
이러한 유형의 장치는 먼저, 촉매의 재생을 용이하게 하며, 다음으로 리액터 작동중에 촉매를 교체하는 것을 용이하게 한다.
재생 변형을 위한 이러한 리액터는 예를 들어 미국 특허 공개 제4 567 023호에 설명되어 있다.
그러나, 탈수소화 반응은 매우 신속하고 고도의 흡열 반응이기 때문에, 이동 촉매 베드를 사용할 때 단위 체적당 매우 큰 열공급을 유발하는 반응 유체와의 열교환을 위한 수단이 요구된다. 앞서 언급한 바와 같이 반응의 양호한 선택률 및 높은 수율을 유지하기 위해서, (주로 고온 지점의 존재를 방지하여) 촉매 베드의 모든 지점에서 반응 온도의 효과적인 제어를 가능케 하도록 이러한 원리를 따라 작동하는 리액터가 제조되어야 한다.
제안된 한 가지 방안은 반응 유체로의 열전달을 보장하기 위해서 반응 베드 내부에 가열 튜브를 삽입하고, 수용 가능한 정도의 변환을 제공하도록 그 온도를 유지하는 것인데, 예를 들어 독일 특허 공개 제3 318 098호에 설명되어 있다. 그러나, 이러한 방안은 열운반 유체가 이동하는 튜브 사이의 베드에 온도 구배를 발생시켜서 최적의 온도 제어를 제공하지 않는다는 문제점이 있다.
본 발명은 이상과 같은 종래 기술에 있어서의 문제점을 해결하고자 하는 것이다.
반응의 위치 및 가열 수단과 유체 사이의 열교환 위치를 분리시켜 리액터 내부의 반응 유체 온도를 더욱 양호하게 제어함으로써 흡열 반응의 수율 및 선택률을 실질적으로 향상시키는 것이 가능하다는 것이 발견되었는데, 이는 본 발명의 주제의 일부를 이룬다. 더욱 상세하게는, 본 발명에 따르면, 열교환기에 의해 서로 분리되어 있는 다수의 반응 영역이 반응 용기 내의 온도 프로파일을 연속적이고 효과적으로 제어할 수 있다.
본 발명의 한 가지 양태(aspect)에 있어서, 본 발명은 매우 작은 반응 영역을 구비하며, 용기에 통합되어 있고 촉매 베드로부터 이격되어 있는, 열을 공급하거나 배출하는 수단을 구비하는, 촉매 베드 내에서 화학적 변환 공정을 행하는 데에 사용되는 반응 용기를 제공하며, 또한 본 발명은 촉매의 최적의 사용을 제공한다.
본 발명의 반응 용기의 장점을 공지된 종래 기술 장치와 비교하면 다음과 같다.
- 변환 성능(선택률, 수율)에 있어서의 실질적인 향상
- 사용되는 수단의 단순함 및 소형화로 인한 신뢰도 향상
- 반응 유체와의 열교환을 촉진시키기 위해 화학적으로 불활성인 열운반 유체 또는 공급재 자체를 사용할 수 있는 가능성으로 인한 안전성의 향상
- 낮은 제조 비용 및 운전 비용
더욱 상세하게는, 본 발명은 실질적으로 수직축을 따라 신장되어 있고, 수직 방향으로 적어도 두 개의 스테이지를 포함하며, 적어도 하나의 흡열 또는 발열 촉매 반응이 행해지고,
- 적어도 하나의 반응 유체를 스테이지에 도입시키는 수단과,
- 실질적으로 수직축을 따라 실질적으로 신장되어 있고, 수직 방향으로 적어도 두 개의 스테이지를 포함하며, 적어도 하나의 흡열 또는 발열 촉매 반응이 행해지는 반응 용기에 관한 것으로서,
- 용기의 축을 따라 실질적으로 연장되어 있고, 각 스테이지(6, 7)마다 적어도 하나가 배치되어 있는 촉매 반응 영역(12a, 12b)과,
- 반응 영역의 수직방향의 실질적인 전체 범위에 걸쳐 실질적으로 횡방향으로 유체를 이동시키기에 적합한 스테이지에 적어도 하나의 반응 유체를 도입시키는 도입 수단(2)과,
- 반응 영역 속으로 촉매를 도입시키는 수단 및 반응 영역으로부터 촉매를 추출하는 추출 수단과,
- 두 개의 일련의 반응 영역 사이에서 용기 내부에 위치되어 있는, 반응 유체와 열교환하기 위한 적어도 하나의 열교환 수단(5a)과,
- 먼저 열교환 수단에 연결되어 있고 다음에 반응 영역에 연결되어 있으며, 바람직하게는 해당하는 스테이지의 열교환 수단에 연결되어 있고 다음 스테이지의 반응 유체를 도입시키는 수단에 연결되어 있는, 한 스테이지로부터 다른 스테이지로 반응 유체를 수송하는 수송 수단(16)과,
- 최종 스테이지의 하류에서 반응 유체를 회수하는 회수 수단
을 포함하는 반응 용기
를 포함하며,
각각의 반응 영역의 두께는 상기 영역에서의 온도 변화를 제한하도록 결정되어 있고, 상기 열교환 수단은 반응 영역에 진입하는 반응 유체의 온도를 선행 영역에 진입하는 반응 유체의 온도 이하의 수준으로 조절하기에 적합한 것인 반응 용기에 관한 것이다.
"실질적으로 선행 영역에 진입하는 반응 유체의 온도 이하의"라는 표현의 의미는,
- 영역(i)의 입구 온도가 선행 영역(i-1)의 입구 온도와 실질적으로 같거나,
- 영역(i)의 입구 온도가 선행 영역(i-1)의 입구 온도보다 낮은 것
중 어느 하나에 해당함을 뜻한다.
통상적으로, 용기는 실질적으로 원통형이며, 반응 유체는 모두 용기 내의 스테이지를 따라 실질적으로 반경방향으로 이동한다.
바람직하게는, 촉매 반응은 흡열 반응이며, 반응 유체의 온도보다 온도가 높은 열운반 유체가 열교환 영역 내에서 이동한다.
용기의 한 가지 특성에 따르면, 촉매는 고정 베드 내에 위치될 수 있다.
촉매를 도입하고 회수하는 수단은 제1 스테이지의 반응 영역의 입구에 배치된 밸브와, 최종 스테이지의 반응 영역의 출구에 배치된 밸브를 포함할 수 있는데, 이들 영역은 서로 연통된다.
용기의 변형예에 있어서, 촉매는 실질적으로 중력에 의해 유동하는 이동 베드의 형태일 수 있고, 한 스테이지의 반응 영역은 반응 영역의 단면(S2)에 비해서 감소되어 있는 단면(S1)을 가지는 적어도 하나의 경로를 통해서 하측 스테이지의 반응 영역에 연결되며, 제1 스테이지의 반응 영역 또는 반응 영역들은 촉매를 도입시키는 수단을 포함하고, 최종 스테이지의 반응 영역은 촉매 추출 수단을 포함하며, 상기 추출 수단은 촉매 유량을 조절하고 제어하는 수단을 포함한다.
의도된 화학 반응 또는 화학 반응들, 특히 그 운동학적 및/또는 열동력학적 특성에 따라서, 그리고 상기 반응 또는 반응들에 대한 원하는 정도의 변환 및 선택률에 따라서, 본 발명의 범주는 용기 내 공급재가 대체적으로 촉매와 병류하거나 향류하여 이동하는 것을 포함한다.
용기의 다른 변형예에 있어서, 촉매는 대부분의 시간 동안에 고정 베드의 형태일 수 있고, 그 외의 시간 동안에 주기적으로 이동 베드의 형태일 수 있다. 이렇게 하여, 사용된 촉매의 일부가 새로운 촉매 또는 재생된 촉매를 사용하여 교체될 수 있다.
이동 베드로서 작동할 때, 교체 및 추출 수단은 중력 하에서 상측 반응 영역으로부터 하측 반응 영역으로 연속적으로 또는 단속적으로 상기 용기 내에서 상단으로부터 하단으로 촉매가 이동할 수 있도록 선택될 것이다.
교체 및 추출은 연속적으로 또는 단속적으로(예를 들어, 3일마다 총 체적의 10 %씩) 촉매 베드 내에서 촉매가 순환하도록 하며, 촉매 베드 또는 베드들은 이동 베드와 유사해진다. 단속적으로 순환하는 동안에 총 촉매 체적에 대한 교체 정도는, 예를 들어 사용되는 촉매의 특성의 함수로서, 그리고 원하는 반응 또는 반응들에 따라 임의의 공지 기술을 사용하여 당업자에 의해 최적화될 것이다. 명백하게, 촉매 베드 내에 포함된 전체 체적에 이르는 양만큼 촉매를 교체하는 것도 본 발명의 범주에 포함된다.
바람직한 이동 베드 실시예에서, 촉매와 반응 유체는 용기의 축을 따라 병류 이동을 한다.
바람직하게는, 촉매 베드는 각 스테이지마다 하나의 반응 영역으로 분할되고, 반응 영역에서 촉매 베드의 단면(S2)은 일련의 두 반응 스테이지 사이의 상기 촉매의 통과를 위한 단면(S1)보다 크다.
대체로, 반응 용기는 반응 영역(12)이 반응 유체의 이동 방향(16)으로 열교환 영역(5)과 번갈아 나타나도록 배치된 적어도 두 개의 촉매 베드를 포함한다.
바람직하게는, 반응 용기는 적어도 두 개의 스테이지를 포함하며, 각 스테이지마다 적어도 두 개의 반응 영역을 포함한다.
바람직한 실시예에서, 용기는 반응 유체의 이동 방향으로 3 개 내지 12 개의 일련의 반응 영역을 포함하며, 더욱 바람직하게는 4 개 내지 8 개의 영역을 포함한다.
제1 실시예에서, 반응 영역 중 적어도 하나는 실질적으로 평면형이다.
제2 실시예에서, 반응 영역 중 적어도 하나는 실질적으로 환형이다.
제3 실시예에서, 반응 영역 중 적어도 하나는 실질적으로 타원형 단면을 갖는다.
본 발명에 따르면, 반응 유체의 이동 방향으로 적어도 하나의 열교환 영역의 하류에서, 반응 용기는 열교환 영역의 하류의 반응 영역으로 도입되기 전에 열교환 영역으로부터의 반응 유체의 혼합을 촉진하는 적어도 하나의 수단을 포함한다.
유리한 실시예에서, 적어도 하나의 스테이지의 실질적으로 중앙에 위치된 수단이 반응 유체가 나뉘어져 복수의 유동으로 분리되는 것을 허용하는데, 각각의 유동은 그 스테이지 내에서 일련의 반응 영역과 열교환 영역을 개별적으로 횡단한다.
대안적인 실시예에서, 한 스테이지로부터 다른 스테이지로 반응 유체를 수송하는 수단은 용기의 중심축의 실질적인 근처에 배치된다.
대체로, 열교환 영역 중에서 적어도 하나는 일련의 핀(fin)을 갖춘 튜브를 포함하는데, 반응 유체는 상기 튜브의 외부에서 흐른다.
유리하게는, 본 발명에 따른 반응 용기는 약 3 개 내지 약 20 개의 탄소 원자를 함유하는 선형 파라핀을 탈수소화시키는 데에 사용된다.
방향족 화합물을 생성하기 위한 공정에 본 발명에 따른 반응 용기를 사용하는 것도 유리한데, 이때 상기 방향족 화합물의 방향족 고리 상의 치환기 중 적어도 하나는 3개 내지 20개의 탄소 원자를 함유하는 선형 지방족 사슬, 대체로 알킬이고, 상기 공정의 단계들 중 하나는 용기 내에서 모노 올레핀계 화합물을 형성하는 단계이다.
본 발명은 또한, 적어도 두 개의 촉매 반응 스테이지를 포함하는 반응 용기를 사용하여 탄화수소 공급재를 변환시키는 공정으로서, 공급재는 적당한 온도에서 용기의 제1 스테이지의 적어도 하나의 반응 영역에서 실질적으로 가로질러 이동되고, 반응 영역으로부터의 출구에서 반응 유체가 회수되며, 용기 내부에서 반응 영역의 하류에 위치되어 있는 적어도 하나의 열교환 영역 내에서 반응 유체와 열교환 유체 사이에 열이 교환되고, 열교환 후에, 반응 유체는 후속 스테이지의 적어도 하나의 반응 영역 속으로 이동되며, 반응 용기의 최종 스테이지로부터 변환 유출물이 회수되고, 각각의 반응 영역에 촉매가 머무르는 시간 및 공급재의 시간당 공간 속도는 각각의 반응 영역 내 온도 변화를 제한하도록 결정되며, 열교환은 반응 영역에 진입하는 반응 유체의 온도를 선행 영역에 진입하는 반응 유체의 온도 이하의 수준으로 조절하도록 제어되는 것인 변환 공정에 관한 것이다.
"시간당 공간 속도"라는 용어는 촉매의 질량에 대한 탄화수소의 시간당 질량 유량의 비를 의미한다. 공정의 변형예에 있어서, 한 스테이지의 반응 영역이 이동 베드 촉매 조건하에서 후속 스테이지의 반응 영역과 연통할 때, 공급재 및/또는 반응 유체의 유동은 촉매의 유동과 교차한다.
공정의 다른 변형에 있어서, 각각의 반응 영역은 대부분의 시간 동안 고정 베드로서 작동하고 그 외의 시간 동안 이동 베드로서 작동하여 촉매의 일부를 주기적으로 추출할 수 있다.
작동 조건은 아래와 같을 수 있다.
- HSV(시간당 공간 속도) : 1 내지 100 h-1, 바람직하게는 5 내지 30 h-1
- 각각의 영역에서 촉매의 접촉(잔류) 시간 : 0.01 초 내지 1 초, 바람직하게는 0.03 내지 0.1 초.
각각의 반응 영역에서 온도의 변화는 2 ℃ 내지 50 ℃, 바람직하게는 4 ℃ 내지 15 ℃ 범위의 값으로 제한된다.
촉매는 연속적으로 또는 순차적으로, 이동 베드의 형태로 사용될 때, 중력하에서 대체로 1 cm/h 내지 20 cm/h의 속도, 바람직하게는 2 cm/h 내지 10 cm/h의 속도로 이동할 수 있다.
공정의 다른 특징에 있어서, 촉매의 일부는 용기의 출구로부터 추출되며, 용기 외부에 위치된 적어도 하나의 재생 영역에서 재생되고 용기 내부 반응 영역 속으로 다시 도입된다.
촉매는 분명히 새로운 촉매로 교체될 수 있다.
본 발명은, 본 발명의 범주를 제한함이 없이 본 발명의 여러 실시예를 설명하고 있는 첨부된 도 1 내지 도 10으로부터 더욱 양호하게 이해될 것이다.
도 1 및 도 2에 도시한 리액터는 열교환 영역 또는 열교환기(5)에 의해 분리되어 있는 두 개의 촉매 베드(3, 4)가 내부에 존재하는 실질적으로 원통형인 용기(1)를 포함한다. 초기에 가스 상태인 처리될 공급재는 도입 수단(2)을 통해 리액터(1)의 상부로 도입되고, 그 후 일련의 반응 영역(12) 및 열교환 영역(5)을 실질적으로 반경방향으로 횡단한다. 이들 일련의 횡단으로부터 얻어지는 유체인, 생성물과 비(非)변환 반응물의 혼합물은 이하에서 반응 유체라고 칭한다. 처리될 초기 공급재의 이동 방향으로, 제1 열교환기(5a)의 상류에 배치된 베드(3)와 제1 열교환기(5a)의 하류에 배치된 베드(4)가 있음을 알 수 있다. 도 1 및 도 2에 도시한 본 실시예에서 베드(3, 4)는 실질적으로 평면형으로 되어 있다. 반응 용기는 밀봉된 수평 플레이트(17)에 의해 분리되어 있는 복수의 스테이지(6, 7, 8)로 분할되고, 이를 통해서 반응 유체는 일련의 화살표(16)로 나타낸 회로를 따라 흐른다. 따라서, 도 1에 도시한 용기는 반응 유체의 이동 방향(16)으로 여섯 개의 일련의 반응 영역(12)을 포함한다.
도입 수단(2)을 통해 도달하는 초기 가스 공급재는 용기의 상측 스테이지(6) 및 촉매의 제일 새로운 부분을 함유하는 상류 베드(3)의 제1 촉매 영역(12a)을 반경방향으로 횡단한다. 이렇게 통과함으로써 반응 유체는 예를 들어 구멍 뚫린 플레이트 형상의 분배 수단(22)에 의해서 반응 영역(12a)의 전체 배출 표면에 걸쳐 균일하게 분포되고, 이 표면의 전체에 걸쳐 균일한 압력 강하를 발생시킨다.
다음에, 반응 유체는, 열운반 유체 및 반응 유체 사이의 열교환을 허용하도록 일련의 튜브가 배치되어 있는 제1 열교환 영역(5a)을 통해서만 서로 소통되는 실질적으로 서로 동일한 두 개의 용기 내 반원통형 영역(19, 20)을 경계짓는(도 2 참조) 플레이트(18)에 의해 제1 열교환 영역 속으로 구속적으로 이동된다. 이 열교환은, 화학 반응에 있어서 수용 가능한 일정 정도의 변환 및 선택률을 얻기 위한 최적의 온도로 반응 유체의 온도를 상승시키고, 촉매의 적당한 화학적 거동을 보장하기에 충분할 것이다. 다음에, 재가열된 반응 유체는 제2 촉매 영역(12d)에서 하류 베드(4)를 횡단한 후에, 바로 아래에 있는 스테이지(7)로 이동하여 동일한 원리에 따라, 일련의 반응 영역(12) 및 열교환기(5)를 다시 횡단한다. 유체는 최종 스테이지(8)의 출구에서 회수 수단(13)에 의해 수집된다. 반응 유체의 온도 변화를 방지하기 위해서, 한 스테이지로부터 다음 스테이지로의 경로는 용기(1) 내부에 있는 것이 바람직하다.
이상의 내용은, 촉매 및 반응 유체가 대체로 아래방향으로 병류 이동하지만, 각각의 반응 스테이지 내부에서 교차 이동에 의해 접촉하게 됨을 의미한다. 반응 영역 사이에는 촉매가 첨가되지 않으므로, 이러한 배치에 의해서 반응 용기 내부에는 점진적인 코크스화 작용이 있고, 촉매를 횡단하는 반응 유체는 이동중에 점점 더 배출되고 코크스화된다. 촉매가 리액터의 바닥에 도달할 때, 추출 호퍼가 반응 용기 외부의 진공화를 보장한다.
도 1에 도시한 유체 경로 및 스테이지의 배치는 물론 설명을 위한 것일 뿐이며, 반응 용기 내의 한 스테이지에서 또는 스테이지 사이에서 다른 유체의 분포 및 흐름의 가능성을 제한하고자 하는 것은 결코 아니다. 각각의 촉매 베드(3, 4)는 (도시 생략된) 고체 촉매를 도입시키기 위한 수단을 통해서 그 상측 단부(9, 10)로부터 공급된다. 한 예로서, 두 개의 베드 사이에 촉매를 균일하게 분포시키는 동일한 촉매 공급 호퍼를 통해서 충전 및/또는 공급이 행해질 수 있다. 촉매는 이들 베드 각각을 따라 매우 천천히 상단으로부터 하단으로 흐르며, 상측 스테이지로부터 하측 스테이지로 중력 하에서 이동한다. 촉매의 중력에 의한 유동의 속도는, 최종 스테이지의 반응 영역(12c)으로부터의 출구에 배치된 도면에 도시되지 않은 교정 오리피스(calibrated orifice)에 의해 제어된다.
사용된 촉매는 추출 호퍼에 연결된 추출 수단(14, 15)을 통해서 용기(1)의 하단으로부터 마지막에 회수되는데, 추출은 연속적으로 또는 순차적으로 수행될 수 있다. 상류 베드(3)에서 더욱 상세하게 살펴보면, 용기의 두 개의 연속된 스테이지(6-7 또는 7-8) 사이에, 전달 수단 또는 딥레그(dipleg; 11)의 높이에서, 반응 영역(12a, 12b, 12c)의 단면(S2)보다 작은 제한된 연통 단면(S1)을 갖는다. 하류 베드도 동일하게 배치되어 있다. 제한된 단면을 갖는 전달 수단(11)의 존재로 인해서, 상측 스테이지로부터의 촉매 알갱이의 효과적인 혼합 및 하측 스테이지로의 이들 알갱이의 균일한 재분배가 가능해진다. 이런 식으로, 각각의 반응 영역의 헤드에서 촉매의 코크스화 작용의 온도 및 정도는 고려되는 스테이지에 무관하게 매우 균일하다. 이러한 구성은 반응의 선택률을 증가시키고 촉매의 관리 및 사용이 더욱 우수해진다는 장점이 있다. 전달 수단의 형상, 길이 및 개수는, 한 영역으로부터 다른 영역으로의 유동이 피스톤 유동에 가능한 한 가깝게 되도록, 즉 알갱이의 유동이 보다 느리고 코크스화 작용이 강조되는 공간을 제한하도록 당업자에 의해 최적화될 것이다. 이들 전달 수단은, 예를 들어, 상측 평면형 반응 영역과 하측 평면형 반응 영역 사이에 신중하게 분포시킨 튜브 형태를 취할 수 있다.
유사하게, 촉매 베드의 두께는 반응 베드의 온도를 수용 가능한 수준에서 유지하기 위해서 당업자에게 알려져 있는 임의의 기술을 사용하여 결정될 수 있는데, 베드의 입구와 출구 사이의 온도차는 가능한 한 작게 유지된다.
촉매 알갱이는 반응 유체가 실질적으로 반경방향으로 반응 영역을 횡단하는 것을 허용하는 공지된 유형의 스크린에 의해 이동 베드 내부에 유지된다.
열교환기(5)에 사용되는 열운반 유체는 예를 들어 가압 증기이며, 그 압력은 적당하게 수행될 화학 반응에 요구되는 열전달에 따라서, 절대압 0.5 MPa 내지 10 MPa에서 또는 절대압 2 내지 5 MPa에서 변화되거나, 또는 제조 위치에 존재하는 고온 가스에 따라서 변화된다. 열교환기는 핀(fin)을 구비한 튜브에 의해 구성되고 반응 유체가 핀(fin) 측으로부터 열교환기를 횡단하도록 되어 있는 열교환기일 수 있다. 핀(fin)을 구비한 튜브는 벽 온도를 상당히 감소시키고, 따라서 이들 튜브 벽의 코크스화 작용 염려가 감소된다는 주된 장점을 가진다. 본 발명의 범주는 임의의 공지된 유형의 열교환 표면도 포함한다. 용기 내에서 의도되는 온도 제어의 수준 및/또는 원하는 화학 반응에 의해 부과되는 작동 조건에 따라, 각각의 열교환기에 운반 유체를 공급하거나 또는 직렬로 장착되어 있는 복수의 열교환기에 열운반 유체를 공통적으로 공급하는 것을 구상할 수 있다.
반응 유체의 일부가 촉매 베드 전달 수단(11)을 통해 하나의 반응 영역으로부터 그 아래의 반응 영역으로 이동할 수 있다. 그러나, 그 양은 용기 내 전체 압력 균형 때문에 유체-촉매 전체가 병류 이동하는 경우에 최소로 유지된다. 또한, 전달 수단(11)의 단면(S1)의 크기가 보다 작음으로 해서, 상기 수단을 통해 직접 이동하는 것보다 열교환기를 통해 하나의 반응 영역으로부터 다음 반응 영역으로의 가스의 이동이 촉진된다. 그러나, 지나치게 많은 양의 유체가 전달 수단을 통하여 직접 이동하면, 작은 양의 불활성 가스가 각각의 반응 영역의 하단부 내로 분사되어 상기 유체에 장막(barrier)을 생성할 수 있다. 각각의 열교환기의 출구에는, 가스가 열교환기를 가로질러 임의선택적으로 통과하는 것을 방지하기 위해 압력 강하를 발생시키는 장치가 배치된다.
도 3은 반응 용기 내 촉매 베드의 상이한 배치를 도시한다. 촉매 베드의 단면은 대체로 환형이고, 베드를 전체적으로 두 개의 밀봉된 반원통형 부분으로 분리시키는 기계적인 수단(301)에 의해 물리적으로 분리되어 있다. 공급재는 제1 부분 또는 제1 베드(302)를 횡단하고, 다음에 열교환기(303)를 통과하며, 다음에 302로부터의 반응 유체는 난류식 혼합을 촉진하는 수단(304)에 의해 양호한 온도 균일성을 보장하도록 재분배되고, 다음에 제2 부분 또는 제2 베드(305)를 횡단한다. 다음에 가스는 리액터의 한 쪽에서 수집되고, 열교환기(306)를 통과하여 원하는 온도로 상승되고 난 후에, 하측 스테이지에 진입하고, 예를 들어 설명된 스테이지에서와 동일한 원리로 작동한다.
도 4는, 도 3과 동일하지만 실질적으로 반타원형인 두 개의 환형 베드(401, 402)로 구성되어 있고, 반응 용기내 공간 이득이 열교환기(403, 404)의 관찰 및 후속하는 세척을 더욱 용이하게 하도록 하는 장점을 갖는 리액터 스테이지를 도시한다.
도 5는 도 3에 대해 설명한 것과 실질적으로 동일하지만, 세 개의 환형 베드(501, 502, 503)로 구성된 반응 용기의 스테이지의 다른 실시예를 도시한다. 제1 베드는 도 3의 것과 동일하고, 나머지 두 베드는 상이한 크기를 갖는다. 이 배치는 베드에 따라 촉매의 양을 변화시킨다는 장점을 갖는다.
도 6은 여섯 개의 평면형 촉매 베드(601 내지 606)가 별 형상으로 배치되어 있는 반응 용기에서의 스테이지의 실시예를 도시한다. 각각의 베드 사이에는 열교환기(611 내지 614)가 배치된다. 따라서, 반응 유체는 각각의 스테이지에서 일련의 세 개의 촉매 베드를 횡단한다. 따라서, 출구에 위치한 열교환기를 세어보면, 각각의 스테이지(611 내지 614 및 615)에 다섯 개의 열교환기가 있고, 마지막 열교환기(615)는 최종 두 개의 촉매 베드를 위한 공통되는 것이다. 중앙의 수단(616)은 일련의 반응 영역 및 열교환기를 통한 반응 유체의 배분을 가능하게 한다.
도 7에서는 두 개(701, 702)는 환형 단면을 가지고 하나(703)는 평면형인 세 개의 촉매 베드가 직렬로 배치되어 있는 리액터 스테이지를 도시한다. 열교환기(704, 705)는 각각의 베드 사이에 배치된다. 반응 유체는 스테이지에서 일련의 3개의 촉매 베드(701, 702, 703)를 횡단한다. 최종적으로, 3개의 열교환기(704, 705, 706)는 각각의 스테이지에 배치된다.
도 8은 원통형 촉매 베드(801)가 배치되어 있는 실질적으로 원형인 반응 용기의 스테이지(N)의 실시예를 도시한다. 스테이지의 외주부(808)로부터 시작하는 반응 유체는 베드를 반경방향으로 횡단하고 나서, 중앙 수집기(806)의 양측에 위치하는 열교환 영역(802, 803)을 통해 순환한다. 화살표(807)는 상기 유체의 가능한 다른 경로의 예를 보여준다. 반응 유체를 위한 안내 및 혼합 장치(804, 805)는 상기 유체가 열교환 영역(802, 803)을 강제적으로 횡단하도록 배치된다. 다음에 재가열된 반응 유체는 스테이지(N+1)로 전진하는데, 예를 들어 이 스테이지는 스테이지(N)의 배치와 동일한 배치로 되어 있다. 스테이지들(N, N+1) 사이에 배치된 플레이트(809)가 스테이지(N+1)의 외주부 속으로 반응 유체를 재분배시킬 수 있다. 도 8에는 도시하지 않았지만, 공지의 수단이 스테이지들(N, N+1)의 연속되는 외주부(808) 사이로 직접 통과하는 것을 방지할 것이라는 점은 명백하다.
도 8에 도시한 예에서, 각각의 스테이지는 반응 영역 및 열교환기를 포함한다. 그러나, 본 발명의 범주에서는 열교환 영역이 그 사이에 삽입되어 있는 복수의 연속적인 원형 촉매 베드를, 반응 유체의 이동 방향으로 중앙 수집기의 상류에 배치하는 것을 포함한다.
도 9는 본 발명의 추가적인 특별한 장점을 보여준다. 이 실시예에서, 각각의 스테이지는 도 8의 것과 유사한 실질적인 환형의 촉매 베드를 구비한다. 도 9에서 길이방향 단면으로 도시된 리액터(1)는 동일하게 배치되어 있는 일련의 스테이지를 구비하고 있으므로, 최초의 두 개의 스테이지(6, 7)만을 도시하였다. 이 실시예에서는, 앞선 실시예에서와는 상이하게, 열교환 수단이 리액터(1)의 일련의 스테이지 사이에 배치된다. 상기 열교환 수단은 튜브(903)의 형태인데, 그 속에서 열운반 유체가 이동한다. 튜브(903)는 반응 유체가 이동하는 용기(904) 내부에서, 당업자에게 공지된 임의의 기술에 따라 배치되고 배열된다. 튜브 열교환기(903)를 포함하는 용기(904)는 그 상측 반원통형 부분에, 그리고 원통형 베드(801)의 내표면에 의해 경계지어지는 공간(905) 속으로 개방되는 부분에, 적어도 하나의 오리피스 또는 슬롯(906)을 구비한다. 대체로, 당업자는 접촉을 최적화하고 이에 따라 용기(904) 내에서 반응 유체와 열교환 튜브(903) 사이의 열교환을 위한 유효 표면적을 최대화하기 위해서, 이들 오리피스(906)의 개수를 증가시키고자 할 것이다. 용기(904)는 그 하측 반원통형 부분에 슬롯(907)을 갖도록 천공되어 있어서 열교환된 반응 유체가 하측 스테이지(7)로 이동하는 것을 가능하게 한다. 슬롯(907)은 스테이지(7)의 외주부(908) 속으로, 즉 원통형 촉매 베드(801)의 외표면을 따라, 상기 유체의 재분배를 허용하도록 제조된다. 도 9의 실시예에서, 실린더(904) 둘레에 배치되고 도 1과 관련하여 설명한 것과 유사한 전달 레그(11)가 베드(801) 내부 촉매의 이동을 보장한다.
리액터(1)의 동작 중에, 반응 유체가 이동하는 경로를 화살표(901)로 나타내었다. 반응물은 도입 수단(2)에 의해 도입되고, 다음에 내부 공간(905)을 향해 베드(801)를 횡단한다. 촉매 베드로부터의 유체는 용기(904) 속으로 이동하고, 튜브(903)와 열교환을 하며, 그 후에 슬롯(907)을 통과하여 하측 스테이지(7)의 외주 환형 부분(908) 속으로 이동한다. 스테이지(7)의 배치는 스테이지(6)의 배치와 유사하며, 동일한 일련의 단계가 행해진다.
도 9에 도시한 본 발명의 실시예는 두 가지 장점이 있다.
- 첫째로, 경로(901)에 의해 나타낸 바와 같이, 반응 유체와 열운반 유체의 유동의 교차 접촉을 허용하는데, 이러한 배치는 대체로 열교환을 촉진하는 것으로 판단된다.
- 둘째로, 튜브(903)를 포함하는 용기(904)를 예를 들어 세척을 위해 리액터로부터 쉽게 빼낼 수 있다.
도 10은 도 9와 관련하여 앞서 설명한 것과 유사한 본 발명의 실시예를 도시한다. 동일한 요소는 동일하게 나타내었고, 이들 두 도면에 있어서 도면 부호를 유지시켰다. 이들 두 형태의 구조적인 차이점은 다음과 같다.
- 반응물이 공간(905) 속으로 도입될 수 있게 하는 도입 수단(2)의 위치
- 요소(904)의 위치
도 10에 도시한 실시예에서, 용기(904)의 슬롯(907)을 갖는 천공된 반원통형 부분은, 상기 슬롯이 상측 스테이지(6)의 외부 환형 공간(908)과 연통하고 오리피스(906)가 반응 유체를 하측 스테이지(7)의 공간(905)을 향하여 용기(904) 내부로 통과시키도록 위치된다.
이들 구조적인 차이점으로 인해, 리액터(1)의 각각의 스테이지에서 화살표로 나타낸 경로(901)에 의해 도시된 반응 유체의 이동이 앞선 실시예의 것과 상이한 방향이 된다(도 9 참조). 도 10에 도시한 실시예는 요소(904)의 출구에서 반응 유체의 온도의 균일성을 향상시키고 혼합을 촉진한다는 장점을 갖는다.
본 발명의 범주는 또한, 복수의 동일한 스테이지 또는 상이한 배치를 갖는 스테이지를 구비하는 반응 용기를 구성하는 것도 포함한다. 스테이지의 총 개수 및 단위 스테이지당 반응 영역 및 열교환 영역의 개수는 원하는 최종 제품에 있어서의 화학 반응의 선택률 및 변환의 정도를 최적화하기 위해 임의의 공지 기술을 사용하여 결정될 것이다.
각종 도면은 반응을 위한 촉매 및 공급재가 교차 방향으로 이동하는 경우를 설명하였는데, 촉매는 이동하는 베드 내에서 중력 하에서 이동하였고, 촉매의 하측 방향 속도는 용기의 최종 스테이지의 반응 영역의 출구에서 교정 오리피스에 의해 제어되거나 심지어 부과되며, 대체로 1 cm/h 내지 20 cm/h인 속도를 제공한다.
도 1에는 도시하지 않았지만 도 1과 관련되어 있는 장치의 이로운 변형에 있어서, 각각의 반응 영역은 고정된 촉매 베드에 의해 구성될 수 있다.
고정 베드 형태로 작동할 수 있는 장치에서, 제1 스테이지의 반응 영역에 촉매를 공급하기 위해 호퍼의 상류에 공급 밸브가 위치하고, 최종 스테이지의 반응 영역으로부터 촉매를 추출하기 위해 호퍼의 하류에 추출 밸브가 위치한다.
탄화수소 공급재는 제1 스테이지의 제1 반응 영역을 통해 횡방향으로 이동하는데, 그 결과 얻어지는 반응 유체는 제1 스테이지의 제1 열교환기를 횡단하고, 다음에 제1 스테이지의 제2 반응 영역 속으로 횡방향으로 이동하며, 최종적으로 동일한 스테이지의 제2 열교환기에서 열이 교환된다.
제1 스테이지를 떠나는 반응 유체는 제2 스테이지 속으로 도입되는데, 여기에서 유체는 제2 스테이지의 제1 반응 영역 내에서 횡방향으로 이동하고, 제2 스테이지의 제1 열교환기를 횡단하며, 제2 스테이지의 제2 반응 영역에서 횡방향으로 이동하고, 최종적으로 동일한 스테이지의 제2 열교환기에서 열을 교환한다. 일련의 단계는 최종 변환 유출물이 생산될 때까지 제3 스테이지 등에서 반복된다.
장치는 장시간 동안, 예를 들어 이틀 또는 사흘 동안 고정 베드 형태로 작동할 수 있고, 다음에 예를 들어 한 시간을 넘지 않는 시간 동안에 추출 밸브의 주기적으로 제어되는 개구에 의해 이동 베드 형태로 작동할 수 있다.
이하에 주어진 비한정적인 예는 도 8에 도시한 바람직한 구성을 설명한다.
공급재는 직경이 2000 mm이고 두께가 200 mm인 환형 분배기를 통해 도입된다.
공급재는 직경이 1600 mm, 두께가 50 mm, 깊이가 2000 mm인 환형 촉매 베드를 실질적으로 반경방향으로 횡단한다.
중앙 수집기의 직경은 1500 mm이고 두께는 100 mm이다. 중앙에 위치되어 있는 열교환기는 변의 길이가 800 mm인 정사각형 공간을 차지한다. 이 열교환기는 내경이 15.75 mm인 BWG 16 유형의 212 x 19.05 mm 직경의 튜브로 구성된다. 이들 튜브는 25.3 mm의 피치를 갖는 정사각형 격자 내에 배치된다. 필요하다면, 요구되는 열교환 표면을 얻기 위해 튜브에는 핀(fin)이 제공될 수도 있다.
언급된 예에서, 아래와 같은 특징을 갖는 공급재를 탈수소화시켰다.
- 공급재 유량 : 55689 kg/h
- 공급재의 분자량 : 25.7 kg/kmole
- 입구 온도 : 450 ℃ 보다 높은 온도
- 입구 압력 : 절대압 2 bar(1 bar = 10-1 MPa)
촉매는 고정 베드의 형태로 각각 0.44 ㎥인 5개의 스테이지로 분할하였고, 각각의 스테이지는 길이가 2000 mm인 딥레그에 의해 서로 연결되었다. 각각의 스테이지 사이에, 중앙 부분에 튜브 열교환기가 있었고, 튜브 내에서 이동하는 재가열 유체는 40 bar에서 증기였다.
아래에, 4 개의 열교환기 각각에서의 동력, 열교환 표면적 및 증기 유량을 나타내었다.
- 열교환기 1 : 810 kW 68.3 ㎡ 0.62 ㎥/s
- 열교환기 2 : 570 kW 50.5 ㎡ 0.44 ㎥/s
- 열교환기 3 : 450 kW 41.1㎡ 0.35 ㎥/s
- 열교환기 4 : 240 kW 22.2㎡ 0.18 ㎥/s
증기는 1200 mm의 외경을 갖는 토로이드형 수집기(toroidal collector)에 의해 열교환기 내에서 분배되었다.
각각의 열교환기에 대해서, 증기 측에서, 입구 및 출구 사이의 온도차는 60 ℃이었다.
각각의 스테이지에서 공급재의 입구 온도는 실질적으로 동일했다.
각각의 스테이지에서 공급재에 대한 온도 조건은, 각각의 스테이지에 대해 입구와 출구 사이의 온도차의 형태로 나타낼 때 아래와 같았다.
- 제1 단계 : 온도차(T) 입구/출구 : 13.5 ℃
- 제2 단계 : 온도차(T) 입구/출구 : 9.5 ℃
- 제3 단계 : 온도차(T) 입구/출구 : 7.5 ℃
- 제4 단계 : 온도차(T) 입구/출구 : 4 ℃
이 예는, 탄화수소가 횡단하는 각각의 반응 영역에서의 작은 두께의 촉매 및 이 경우에는 용기의 중앙부에 위치되어 있는 열교환기의 존재와 병합된 (이 경우에는 50/2000인) 반응 영역의 높이에 대한 두께의 낮은 비율은 반응 영역의 유사 등온성을 얻게 한다. 이 예는 또한, 용기의 중앙 부분에서 반응성 유출물의 유사 등온성을 유지하는 데 필요한 열교환기를 위치시킬 수 있다는 점을 또한 보여준다.
본 발명의 구성에 따르면, 촉매 존재 하에서 적어도 하나의 반응 유체에 촉매 반응이 행해지는 리액터, 또는 이 리액터에서 탄화수소를 변환시키는 공정에 있어서, 리액터 내의 반응 유체의 온도 프로파일을 양호하게 제어하여 종래 기술의 문제점을 적어도 부분적으로 극복하면서 실시가 간단하고 저렴한 해법을 제공한다.
본 발명의 구성에 따르면, 촉매 존재 하에서 반응 유체에 촉매 반응이 행해지는 리액터에 있어서 촉매의 재생이 용이하게 되며, 리액터 작동중에 촉매를 교체하는 것이 용이해진다.
도 1은 대체로 평면형인 촉매 베드(bed)가 여러 스테이지에 걸쳐 분포되어 있는, 본 발명의 반응 용기의 제1 실시예를 도시하는 도면.
도 2는 도 1의 A-A'축을 통해 자른 횡단면도.
도 3은 촉매 베드의 형상이 실질적으로 환형으로 되어 있는 반응 용기의 제2 실시예를 도시하는 도면.
도 4는 도 3과 유사하지만 촉매 베드가 실질적으로 타원형으로 형성되어 있는 용기의 제3 실시예를 도시하는 도면.
도 5는 다양한 크기의 일련의 촉매 베드를 구비하는 본 발명의 제4 실시예를 도시하는 도면.
도 6은 반응 용기 내부에서 촉매 베드가 별 형상으로 분포되어 있는 제5 실시예를 도시하는 도면.
도 7은 일련의 베드가 다양한 형상으로 되어 있는 제6 실시예를 도시하는 도면.
도 8은 한 스테이지로부터 다른 스테이지로의 반응 유체의 수송 및 통과가 용기의 중심축에 가까운 곳에서 행해지게 되어 있는 본 발명의 제7 실시예를 도시하는 도면.
도 9는 환형 베드가 각각의 스테이지 내부에 존재하고, 반응 유체와 열운반 유체 사이의 열전달을 위한 수단이 스테이지 사이에 배치되어 있는 본 발명의 제8 실시예를 도시하는 도면.
도 10은 도 9에 도시한 것에 대한 대안적인 배치를 도시하는 도면.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 리액터
2 : 도입 수단
3, 4 : 촉매 베드
5 : 열교환 영역
6, 7, 8 : 스테이지
9, 10 : 상측 단부
11 : 전달 수단
12 : 반응 영역
13 : 회수 수단
14, 15 : 추출 수단
17, 18 : 플레이트
22 : 분배 수단

Claims (25)

  1. 수직축을 따라 신장되어 있고, 수직방향으로 2개 이상의 스테이지를 포함하며, 하나 이상의 흡열 또는 발열 촉매 반응이 수행되는 반응 용기에 있어서,
    용기의 축을 따라 연장되어 있고, 각 스테이지(6, 7)마다 하나 이상이 구비된 촉매 반응 영역(12a, 12b)과,
    반응 영역의 수직방향의 전체 범위를 가로질러 유체가 이동하도록 되어 있는 스테이지에 하나 이상의 반응 유체를 도입시키는 도입 수단(2)과,
    반응 영역 속으로 촉매를 도입시키는 수단 및 반응 영역으로부터 촉매를 추출하는 추출 수단과,
    두 개의 일련의 반응 영역 사이에, 용기 내부에 위치하며 반응 유체와 열교환하기 위한 하나 이상의 열교환 수단(5a)과,
    먼저 열교환 수단에 연결되고 다음에 반응 영역에 연결되는, 한 스테이지로부터 다른 스테이지로 반응 유체를 수송하는 수송 수단(16)과,
    최종 스테이지의 하류에서 반응 유체를 회수하는 회수 수단
    을 포함하며,
    각각의 반응 영역의 두께는 상기 반응 영역에서의 온도 변화를 제한하도록 설정되어 있고, 상기 열교환 수단은 반응 영역에 진입하는 반응 유체의 온도를 선행 반응 영역에 진입하는 반응 유체의 온도 이하의 수준으로 조절하도록 되어 있는 것인 반응 용기.
  2. 제1항에 있어서, 촉매는 고정 베드의 형태로 되어 있는 것인 반응 용기.
  3. 제1항에 있어서, 촉매는 중력에 의해 유동하는 이동 베드의 형태로 되어 있으며, 한 스테이지의 반응 영역은 반응 영역의 단면(S2)에 비해 감소되어 있는 단면(S1)을 갖는 하나 이상의 경로를 통해 하측 스테이지의 반응 영역에 연결되어 있고, 제1 스테이지의 반응 영역은 촉매를 도입하기 위한 도입 수단을 포함하며, 최종 스테이지의 반응 영역은 촉매 추출 수단을 포함하고, 상기 추출 수단은 촉매 유동의 속도를 조절하고 제어하는 수단을 포함하는 것인 반응 용기.
  4. 제3항에 있어서, 촉매 및 반응 유체는 용기의 축을 따라 병류 운동하면서 이동하는 것을 특징으로 하는 반응 용기.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 스테이지(6, 7)를 포함하며, 각 스테이지마다 2개 이상의 반응 영역(12a, 12d)을 포함하는 것인 반응 용기.
  6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 3개 내지 12개의 반응 영역을 포함하는 것인 반응 용기.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 영역 중 하나 이상은 평면형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 반응 용기.
  8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 영역 중 하나 이상은 환형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 반응 용기.
  9. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 영역 중 하나 이상은 타원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 반응 용기.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 유체의 이동 방향으로 열교환 수단의 하류에 있어서, 상기 열교환 수단의 하류에 위치되어 있는 반응 영역으로 진입하기 이전에 열교환 수단으로부터의 반응 유체의 혼합을 촉진하는 하나 이상의 촉진 수단(304, 804, 805)을 포함하는 것인 반응 용기.
  11. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 한 스테이지로부터 하측 스테이지로 반응 유체를 수송하는 수송 수단은 용기의 중심축 근처에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 반응 용기.
  12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 스테이지의 중앙에 위치되어 있는 수단(616)에 의해 반응 유체가 복수의 유동으로 분리되고, 그 후 각각의 유동은 개별적으로 일련의 반응 영역(606, 605, 604; 601, 602, 603) 및 그 스테이지 내에 있는 열교환 수단(613, 614, 615; 611, 612, 615)을 횡단하는 것을 특징으로 하는 반응 용기.
  13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 열교환 수단 중 하나 이상은 일련의 핀(fin)을 구비한 튜브를 포함하며, 반응 유체는 상기 튜브의 외부에서 이동하는 것인 반응 용기.
  14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열교환 수단 중 한 부분 이상 또는 상기 열교환 수단 전체는 두 개의 연속된 스테이지 사이에 배치되어 있는 것인 반응 용기.
  15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 3개 내지 20개의 탄소 원자를 함유하는 선형 파라핀을 탈수소화하기 위해 사용되는 것인 반응 용기.
  16. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응 용기는 방향족 화합물을 생성하는 공정에 사용되며, 상기 방향족 화합물의 방향족 고리 상의 하나 이상의 치환기는 3개 내지 20개의 탄소 원자를 함유하는 선형 지방족 사슬이고, 상기 공정의 단계들 중 하나는 모노 올레핀계 화합물의 형성 단계인 것인 반응 용기.
  17. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 2개 이상의 촉매 반응 스테이지를 포함하는 반응 용기를 사용하여 탄화수소 공급재를 변환시키는 방법에 있어서,
    공급재는 적당한 온도에서 용기의 제1 스테이지의 하나 이상의 반응 영역을 가로질러 이동하며, 반응 영역의 출구에서 반응 유체가 회수되고, 용기 내부에 그리고 반응 영역의 하류에 위치하는 하나 이상의 열교환 영역에서 반응 유체와 열교환 유체 사이의 열교환이 이루어지며, 열교환 후에, 반응 유체는 후속 스테이지 중 하나 이상의 반응 영역으로 이동되고, 반응 용기의 최종 스테이지로부터 변환 유출물이 회수되며, 각각의 반응 영역에서의 촉매의 잔류 시간 및 공급재의 시간당 공간 속도가 각각의 반응 영역에서의 온도 변화를 제한하도록 설정되고, 반응 영역에 진입하는 반응 유체의 온도를 선행 반응 영역에 진입하는 반응 유체의 온도 이하의 수준으로 조절하도록 열교환이 제어되는 것인 변환 방법.
  18. 제17항에 있어서, 각각의 반응 영역은 하나 이상의 고정 촉매 베드를 포함하는 것인 변환 방법.
  19. 제17항에 있어서, 하나의 스테이지의 반응 영역은 후속 스테이지의 반응 영역과 연통하고, 이러한 2개의 반응 영역 사이의 촉매 유동은 이동 베드 형태로 되어 있으며, 반응 유체의 유동은 촉매의 유동에 교차하는 것인 변환 방법.
  20. 제17항에 있어서, 각각의 반응 영역은 대부분의 시간 동안 고정 베드 형태로 작동되고, 그 외의 시간 동안 이동 베드 형태로 작동되어 촉매의 일부의 주기적인 추출을 수행하는 것인 변환 방법.
  21. 제17항에 있어서, 반응 영역에 포함되어 있는 촉매의 질량에 대한 공급재 또는 반응 유체의 질량 유량의 비로서 규정되는 시간당 공간 속도는 1 내지 100 h-1인 것인 변환 방법.
  22. 제17항에 있어서, 각각의 반응 영역에서 공급재의 잔류 시간은 0.01 초 내지 1 초인 것인 변환 방법.
  23. 제17항에 있어서, 촉매는 각각의 반응 영역에서 1 cm/h 내지 20 cm/h의 속도로 이동하는 것인 변환 방법.
  24. 제17항에 있어서, 하나의 반응 영역에서의 온도 변화는 2 ℃ 내지 50 ℃ 범위의 값으로 제한되는 것인 변환 방법.
  25. 제17항에 있어서, 촉매의 일부는 용기로부터의 출구로부터 추출되고, 용기 외부에 위치되어 있는 하나 이상의 재생 영역에서 재생되며, 용기 내부의 반응 영역으로 다시 도입되는 것인 변환 방법.
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