KR100886083B1 - 열전달 성능이 향상된 반응기 및 이 반응기를 이용한 산화물 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전달 효율을 향상시킬 목적으로 튜브 축에 평행인 열매체 흐름(평행류)이 존재하는 영역에 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 제1튜브가 존재하고, 상기 영역에 튜브 축과 평행하도록 제1대상물이 그 내부에서 통과하지 않는 제2튜브가 설치되어 있으며, 상기 제2튜브는 열매체 출입통로가 2개 이상 존재하는 것이 특징인 다관식 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, 다관식반응기, 촉매반응기, 다관식촉매반응기, 열교환기

Description

열전달 성능이 향상된 반응기 및 이 반응기를 이용한 산화물 제조방법{REACTOR WITH IMPROVED HEAT TRANSFER PERFORMANCE, AND METHOD FOR PRODUCING OXIDE BY USING THE REACTOR}

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

도 2는 열전달 효율 향상을 위해 본 발명에 따라 중심에 일정한 지름 및 열매체 출입통로를 갖는 미반응 튜브를 장착한 반응기 또는 열교환기의 구조를 개략적으로 도시한 단면도이다.

도 3은 도 2에서 X-X'라인을 따라 절단된 단면도로서, 미반응 튜브 영역, 반응 튜브 영역, 도넛형 배플판의 크기를 설명하기 위해 본 발명의 일 구체예에 따라 중심에 일정한 지름을 갖는 하나의 미반응 튜브를 장착한 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.

도 6은 도 3에 도시된 하나의 미반응 튜브 대신 사용될 수 있는 다수의 작은 직경의 로드형 배플 또는 미반응 튜브를 장착하는 구조를 설명하기 위한 단면도이 다.

도 7은 열전달 효율 향상 및/또는 쉘의 일정 지점에서의 열매체 온도를 조절을 위한 열매체 출입통로를 갖는 미반응 튜브 구조의 개략도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1: 반응기 또는 열교환기 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: 중심부에 위치한 미반응 튜브

10: 중심부 미반응 튜브에 위치한 열매체 통로

11: 반응기 또는 열교환기 내부의 반응 튜브가 위치하는 영역

12: 도넛형 배플판의 안쪽 원

13: 반응 튜브가 위치하는 영역의 내부 한계

14: 비교예 1에서 제작된 반응기 내부의 열전달계수 분포

15: 실시예 1에서 제작된 반응기 내부의 열전달계수 분포

16: 비교예 1에서 제작된 반응기의 반응 튜브 내부 온도 분포

17: 실시예 1에서 제작된 반응기의 반응 튜브 내부 온도 분포

본 발명은 튜브 축에 평행인 열매체 흐름(평행류)이 존재하는 영역에 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 제1튜브가 존재하고, 상기 영역에 튜브 축과 평행하도록 제1대상물이 그 내부에서 통과하지 않는 제2튜브가 설치되어 있으며, 상기 제2튜브는 열매체 출입통로가 2개 이상 존재하는 것이 특징인 다관식 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 방법 들이 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 순환통로를 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 다관식 반응기 또는 열교환기에서 튜브 축에 평행인 열매체 흐름(평행류)이 존재하는 영역에 설치된, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 제1튜브들의 열전달계수를 향상시키는 방법으로서, 상기 영역에 튜브 축과 평행하도록 제1대상물이 그 내부에서 통과하지 않는 제2튜브를 설치하여 평행류의 열매체 유속을 증가시키고자 한다.

또한, 본 발명은 상기 제2튜브가 쉘의 일정 지점에서 열매체의 온도를 조절하는 역할을 하도록 제2튜브에 열매체 통로를 구비시키고자 한다.

본 발명은 튜브 축에 평행인 열매체 흐름(평행류)이 존재하는 영역에 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 제1튜브가 존재하고, 상기 영역에 튜브 축과 평행하도록 제1대상물이 그 내부에서 통과하지 않는 제2튜브가 설치되어 있으며, 상기 제2튜브는 열매체 출입통로가 2개 이상 존재하는 것이 특징인 다관식 반응기 또는 열교환기를 제공한다.

본 발명의 일실시형태에서, 도넛형 배플판과 원반형 배플판이 교대로 구비되어 열매체의 흐름이 S자이고, 이로인해 평행류가 도넛형 배플판 안쪽 반응기 또는 열교환기 중심부에 형성되어, 제2튜브를 상기 중심부에 설치할 수 있다.

제2튜브의 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, 제1튜브가 존재하는 영역의 안쪽 직경 D2는 중심부 열매체 통로 제 2튜브와의 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 상기 반응기 또는 열교환기를 사용하고, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브내에서 접촉기상산화반응을 일으켜 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 제1튜브는 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 튜브이다. 제1튜브 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 명세서에서 제2튜브는 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에 통과하지 않는 튜브이다. 상기 제2튜브는 열매체 출입통로가 2개 이상 존재하여, 열매체가 통과할 수 있다.

본 발명에서 제시되는 열전달 효율 향상 방법은 촉매 반응기 또는 화학반응을 목적으로 하지 않는 일반적인 열교환기와 같은 장치에 열매체와 같은 유체를 공 급하거나 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 제1튜브에 해당하고, 미반응 튜브는 제2튜브에 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 아 질산나트륨의 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. 각각의 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 중심부에 장착되는 열매체 통로가 있는 미반응 튜브를 설명하기 위해, 도 1의 종래 다관식 촉매 반응기에 열매체 통로가 있는 미반응 튜브(9)를 첨가하여 도 2에 나타내었다.

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, 중앙의 미반응 튜브의 직경을 D1이라고 표시하고, 이들의 위치 및 크기 관계를 예시하였다.

도 4에는 중심에 미반응 튜브를 장착하지 않은 종래의 반응기 내부에서(비교예 1) 열전달계수 분포(14)와 미반응 튜브를 장착한 본 발명의 반응기 내부에서(실시예 1) 열전달계수 분포(15)를 도 2의 X-X'라인을 따라 도시하여 비교한 그래프를 나타내었다.

본 명세서에서, 열전달계수란 쉘을 통과하는 열매체에 의한 튜브 외부 표면에서의 열전달계수를 의미한다.

도 4에 나타난 바와 같이, 중심에 미반응 튜브를 장착하지 않은 종래의 반응기 또는 열교환기 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 미반응 튜브를 반응기 중심에 위치시키면 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. 미반응 튜브가 위치하게 되는 영역은 본질적으로 열매체의 흐름이 매우 미미한 영역이므로 미반응 튜브를 설치한다 하더라도 압력손실의 증가가 매우 작으며 열매체의 순환량을 줄일 수 있는 장점이 있다.

도 5에는 중심에 미반응 튜브를 장착하지 않은 종래의 반응기(비교예 1)에서 반응 튜브 내부 온도 분포(16)와 미반응 튜브를 장착한 새로운 반응기(실시예 1)에서 반응 튜브 내부 온도 분포(17)를 도 2의 X-X'라인을 따라 도시하여 비교한 그래프를 나타내었다. 중심에 미반응 튜브를 장착하지 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, 미반응 튜브를 장착한 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, 반응기 중앙에 위치한 미반응 튜브의 직경 D1은 바람직하게는 쉘의 내경 D4의 5~25% 범위로, 더욱 바람직하게는 10~20% 범위로 조절한다.

미반응 튜브의 직경 D1이 쉘의 내경 D4의 5%보다 작다면 중심부에 위치한 반응 튜브에서의 열전달 효율 상승 효과가 매우 미미해질 것이며, 25%보다 크다면 반응튜브가 들어갈 공간이 감소하기 때문에 비효율적인 반응기 또는 열교환기 설계가 된다.

도넛형 배플판의 안쪽 직경 D3는 쉘의 내경 D4의 20~50% 범위로 조절되는 것이 바람직하고, 반응 튜브가 존재하는 영역의 안쪽 직경 D2는 중심부 미반응 튜브와의 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 튜브 에서 저 열전달계수 영역이 발생할 가능성이 높아져 미반응 튜브를 장착함으로써 얻게 되는 장점을 충분히 얻을 수 없다.

한편, 도 6은 도 3에 명시된 하나의 미반응 튜브 대신에 사용될 수 있는 다수의 작은 직경의 로드형 배플(9b) 또는 미반응 튜브(9b)를 장착하는 구조를 설명하기 위한 단면도이다. 이렇게 다수의 로드형 배플 또는 미반응 튜브를 장착할 때, 그 영역은 상기한 하나의 미반응 튜브의 크기와 같게 설치된다. 또, 유동의 교란을 막기위해 중심을 기준으로 대칭적으로 분포시키는 것이 바람직하다.

또한, 로드형 배플 또는 미반응 튜브들은 그것의 외부 직경에 비해 1.2 ~ 1.4배의 중심 간격으로 배치되는 것이 바람직하다. 만약 1.4배 이상의 중심 간격으로 배치된다면 중심에 가까운 부분에 위치한 반응 튜브에서 저 열전달계수 영역이 발생할 가능성이 높아진다.

한편, 반응기 중심에 장착되는 일정 지름의 하나의 미반응 튜브(9)는 열매체가 통과되는 통로(10)를 가짐으로써 일정량의 열매체가 특정 지점에서 유입 또는 유출된다.

미반응 튜브의 특정 위치에 열매체 유출입 통로를 구비함으로써 짧은 시간 내에 반응 튜브와 접촉하지 않고 다른 패스로 열매체를 이동시켜 상대적으로 낮은 온도로 다른 패스에 공급될 수 있다. 그러므로 더 낮은 온도의 열매체 접촉을 필요로 하는 패스에 열매체 공급을 가능하게 한다. 따라서, 예컨대 열매체 유출입 통로 중 하나는 반응 튜브 내 핫스팟이 발생하는 지점에 위치시키는 것이 바람직하다. 촉매 반응기의 경우 반응기의 길이 방향을 따라 여러 종류의 촉매가 충진되고 반응열도 상이하므로 보다 높은 반응열이 발생하는 부분에 보다 낮은 열매체를 공급할 수 있는 장점이 있다.

도 7에는 열전달 효율을 향상시키거나 쉘의 일정 지점에서 열매체의 온도를 조절하기 위한 통로(10)를 갖는 미반응 튜브의 구조를 보다 자세히 나타내었다.

미반응 튜브를 통과하는 열매체가 출입하는 열매체 통로(10)는 모양에 관계하지 않으며 미반응 튜브의 표면적에 대하여 일정 크기의 면적을 갖도록 설계하는 것이 바람직하다. 열매체 통로 면적은 열매체 출입 통로(10)가 설치되는 지점의 배플판(튜브 시트도 포함) 이격거리를 L이라고 했을 때(도 2 참조), L 길이에 대응되는 미반응 튜브 표면적의 50%이하인 것이 바람직하다. 즉, 미반응 튜브의 바깥 직경이 300mm이고 배플판 이격거리가 750mm일 경우, 그 표면적이 0.053m²(=π×0.15²×0.75)이므로 이 면적의 50%인 0.0265m² 이하가 되는 크기로 열매체 출입 통로를 구비하는 것이 좋다.

만약, 열매체 출입 통로가 상기한 면적의 50%를 넘는다면 많은 양의 열매체가 미반응 튜브로 유입됨으로써 중앙의 미반응 튜브 설치로 인한 열전달 효과 상승효과가 저하될 것이다.

열매체 유출입 통로는 튜브의 길이 방향을 따라 쉘의 열매체 패스(pass)에 선택적으로 위치시킨다.

열매체 유출입 통로는 튜브의 길이 방향에 수직인 횡단면을 기준으로 1개 이상 구비될 수 있으며, 2개 이상인 경우 대칭적으로 구비되는 것이 바람직하다.

도 2에는 2개의 쉘 각각에 4개의 열매체 패스가 존재하는데 열매체 상방흐름 기준으로 아래 쉘은 첫번째 패스에서 열매체가 유입되어 세번째 패스에서 유출되는 구조이며, 위에 위치한 쉘은 첫번째 패스에서 열매체가 유입되어 네번째 패스에서 유출되는 구조를 갖는다. 이러한 구조를 통해 첫번째 패스에서 유입된 열매체는 짧은 시간 내에 반응 튜브와 접촉하지 않고 세번째 또는 네번째 패스로 이동한 후 반응 튜브와 접촉하기 때문에 상대적으로 낮은 온도로 다른 패스에 공급될 수 있다. 그러므로, 더 낮은 온도의 열매체 접촉을 필요로 하는 패스에 열매체 공급을 가능하게 한다. 촉매 반응기의 경우 반응기의 길이 방향을 따라 여러 종류의 촉매가 충진되고 반응열도 상이하므로 보다 높은 반응열이 발생하는 부분에 보다 낮은 열매체를 공급할 수 있는 장점이 있다.

한편, 하나의 미반응 튜브 대신에 다수의 작은 직경의 로드형 배플(9b) 또는 미반응 튜브(9b)를 장착하는 경우는, 최외곽에 위치하는 로드형 배플에 열매체 출입 통로가 2개 이상 존재하는 것이 바람직하다.

이상에서 설명한 미반응 튜브는 예컨데 일정 크기의 튜브를 튜브 시트에 실링(sealing) 및 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 2에 도시된 바와 같이 중심에 열매체 통로가 있는 미반응 튜브를 장착한 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

중앙의 미반응 튜브 직경 : 300 mm

배플 이격거리 : 750~850 mm

패스 개수 : 4 패스

열매체 유출입을 위한 통로 면적 : 0.0134 m²

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 중심에 미반응 튜브를 장착하지 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

배플 이격거리 : 750~850 mm

패스 개수 : 4 패스

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 중앙에 미반응 튜브를 설치하지 않고 도넛형 배플판과 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 중앙에 미반응 튜브가 장착된 반응기는 내부의 열전달계수 분포(15)가 비교예 1에 따라 미반응 튜브가 장착되지 않은 반응기 보다 큰 열전달계수 분포를 가짐으로써 향상된 열전달 효율을 발휘하였다. 이를 통해 종래의 반응기 구조에서 발생하는 반응기 중심부에 위치한 반응 튜브에서의 핫스팟이 중앙에 미반응 튜브를 장착한 반응기에서는 더 이상 발생하지 않았다.

요컨대, 본 발명에 따라 반응기 중심에 일정 크기의 미반응 튜브를 장착하면 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 열매체가 평행류로 흐르는 영역 예컨대 원통형 장치 중심에 미반응 튜브와 같은 제2튜브를 장착한 반응기 또는 열교환기는 큰 압력손실 증가 없이 상기 영역 또는 그 근처에 위치한 반응 튜브와 같은 제1튜브의 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.

또한, 미반응 튜브와 같은 제2튜브의 특정 위치에 열매체 유출입 통로를 구비함으로써 더 낮은 온도의 열매체 접촉을 필요로 하는 패스에 열매체 공급을 가능하게 한다.

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 (15)

1. 도넛형 배플판과 원반형 배플판이 교대로 구비되어 열매체 흐름이 S자가 됨으로써 상기 도넛형 배플판 안쪽에서 튜브 축에 평행인 열매체 흐름(평행류)이 형성되고, 상기 평행류가 존재하는 영역에 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 제1튜브가 존재하고, 상기 영역에 튜브 축과 평행하도록 제1대상물이 그 내부에서 통과하지 않는 제2튜브가 설치되어 있으며, 상기 제2튜브는 열매체 출입통로가 2개 이상 존재하는 것이 특징인 다관식 반응기로서,

   제1튜브가 존재하는 영역의 안쪽 직경 D2는 제2튜브와의 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).
2. 제1항에 있어서, 상기 평행류는 반응기 중심부에 형성되고, 제2튜브가 상기 중심부에 설치된 것이 특징인 반응기.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서, 제2튜브의 직경 D1은 반응기 쉘의 내경 D4의 5~25% 범위인 것이 특징인 반응기.
5. 제1항에 있어서, 도넛형 배플판의 안쪽 직경 D3는 반응기 쉘의 내경 D4의 20~50% 범위인 것이 특징인 반응기.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서, 열매체 출입통로 중 적어도 하나는 제1튜브 내 핫스팟이 나타나는 지점에 위치하는 것이 특징인 반응기.
8. 제1항에 있어서, 열매체의 흐름을 조절하는 배플판이 장치 내 2개 이상 구비되어 있고, 상기 열매체 출입통로의 크기는 열매체 출입 통로가 설치되는 지점의 배플판 이격거리를 L이라고 했을 때 L 길이에 대응되는 제2튜브 표면적의 50%이하인 것이 특징인 반응기.
9. 제1항에 있어서, 상기 제2튜브는 평행류가 존재하는 하나의 영역에 2개 이상 설치된 것이 특징인 반응기.
10. 제9항에 있어서, 상기 2개 이상의 제2튜브는 상기 평행류가 존재하는 하나의 영역의 중심점을 기준으로 대칭적으로 설치된 것이 특징인 반응기 .
11. 제9항에 있어서, 상기 제2튜브들은 그것의 외부 직경에 비해 1.2 ~ 1.4배의 중심 간격으로 배치되는 것이 특징인 반응기.
12. 제9항에 있어서, 상기 2개 이상의 제2튜브는 최외곽에 위치하는 제2튜브에 열매체 출입 통로가 2개 이상 존재하는 것이 특징인 반응기.
13. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 및 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물은 화학 또는 물리반응 이전의 반응물(들), 상기 반응 이후의 생성물(들) 또는 둘다인 것이 특징인 반응기.
14. 제1항, 제2항, 제4항, 제5항, 및 제7항 내지 제12항 중 어느 한 항에 기재된 반응기를 사용하고, 열매체와 열전달하고자 하는 제1대상물이 그 내부에서 통과하는 제1튜브내에서 접촉기상산화반응을 일으켜 산화물을 제조하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 산화물은 불포화 알데히드 또는 불포화 지방산인 것이 특징인 제법.

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