KR101105336B1 - 폭연 압력 감소를 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

프로세스 용기의 한정된 영역에서 가연성 기체의 연소에 의해서 생성된 폭연 압력을 감쇠하기 위한 방법. 방법은 일반적으로 프로세스 용기의 한정된 영역에서 감쇠 물질을 선택하는 단계 및 배치하는 단계를 포함하고, 여기에서 선택된 감쇠 물질은 작동 조건들에서 물리적 형태를 유지한다. 감쇠 물질은 프로세스 용기의 한정된 영역의 적어도 20%를 차지해야 한다. 발명의 방법의 사용은 증가된 생산성에 도달하기 위하여 가연성, 고농축 공급으로 산화 반응기의 안전한 작동에 유리하게 적용될 수 있다. 본 발명은 또한 내부에서 가연성 기체의 연소로부터 기인하는 폭연 압력의 감소에 적합한 튜브형 반응기를 제공하고, 여기에서 튜브형 반응기의 한정된 영역은 폭연 압력을 감쇠시키기 위한 상기 방법에 따라 선택된 감쇠 물지를 포함하고, 복수 개의 구성성분들을 가지며 구성성분들 사이의 개방 경로들 및 보이드 공간들이 최소화되도록 배치된다. 가연성 작동 조건들에서 기체 상 반응들을 안정하게 수행하기 위한 방법이 또한 제공되고, 여기에서 탄화 수소 및 산소를 포함하는 기체 공급 조성은 내부에 감쇠 물질을 갖는 반응 용기에서의 반응을 가하고 반응은 가연성 반응 시스템을 정제하는 온도 및 압력에서 수행된다. 발명의 장치를 사용함으로써, 완전 압력 억제가 달성될 수 있고, 이에 의해 긴급 압력 릴리프 장치에 대한 필요를 제거한다.

프로세스 용기, 한정된 용역, 감쇠 물질

Description

폭연 압력 감소를 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DEFLAGRATION PRESSURE ATTENUATION}

본 발명은 프로세스 용기에서의 가연성 기체의 폭발을 제어, 봉쇄 및 억제를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

가연성 물질의 처리는, 많은 산업 공정 및 시설에서 필요한 반면에, 프로세스 장비에서의 가연성 물질들이 연소, 폭음(detonate) 또는 폭발(explode)하는 잠재력 때문에 종종 위험성을 나타내고, 이에 의해 장비에 손상을 입히고 사람에게 상해를 입힌다. 가연성 물질들은 종종 (메트)아크릴레이트, (메트)아크릴레이트 에스테르, 니트릴, 및 다양한 다른 물질들을 생산하는 것과 같은, 다양한 제조 공정의 반응기들, 도관들(conduits), 저장 용기들, 분리 장치 등에서 액체, 기체 또는 모든 형태로 나타난다.

가연성 기체가 산소를 갖는, 부피만큼, 충분히 응축된 상태로 존재할 때, 스파크(spark), 화학 반응, 열선, 열면(hot surface) 또는 심지어 열점(hot spot; 즉, 유체의 몸체에서의 상승된 온도의 국부화된 영역)과 같은 점화원(ignition source)에 대한 노출은 가연성 기체에서의 국부화된 폭연을 개시할 수 있다. 가연성 기체는 일반적으로 가연성 기체의 폭발 상한도(upper explosive limit) 아래 및 폭발 하한도(lower explosive limit) 위에서 집중적으로 폭연한다. 물론, 가연성 기체는 단일 종의 기체로 포함될 수 있으나, 종종 하나 이상의 상이한 기체의 혼합물, 특히 가연성 혼합물을 정제한 조성물이다. 가연성 기체가 존재하는 경우, 의도하지 않는 점화가 100% 방지되지 않기 때문에 약간의 폭연의 위험이 존재한다.

폭연은, 결국에는, 폭음 또는 폭발과 같은 하나 이상의 이어지는 손상시키는 이벤트(event)로 진행될 수도 있거나 진행되지 않을 수 있다. 물론, 이러한 이벤트들은 장비를 작동시키고 감시하는 사람에게 심각한 부상 또는 심지어 사망뿐만 아니라, 장비에 심한 손상을 초래하는 잠재력을 갖는다. 따라서, 가연성 물질들의 점화, 연소, 폭연 및 폭음 또는 폭발의 제어, 봉쇄 및 억제는 많은 산업 제조 및 공정 작동의 안전하고 진행 중인 작동에 대하여 결정적으로 중요하다. 몇몇 장치 및 기술들이 점화의 회피를 제안하는 반면에, 연소 이벤트를 봉쇄, 억제 및 진화하기 위한 다른 시도들이 다른 점에서 이어지는 의도하지 않는 점화를 전개할 수 있다. 예를들어, 2002년 뉴욕주, 뉴욕에서 AIChE(center for Chemcal Process Satety)에 게재된 Grossel, Stanley의 Deflagration and Detonation Flame Arresters, 77쪽 내지 138쪽을 참조한다.

예를 들어, 미국 특허번호 제3,356,256호는 다른 점에서 점화를 유도할 수 있는 컨테이너 내에 열을 흡수하는 수단으로써 연료 저장 컨테이너 내에서 획득하는 열-소산 금속의 사용을 개시한다. 미국 특허번호 제4,613,054호는 같은 결과를 달성하도록 하는 높은 열전도성을 갖는 알루미늄 포일 볼들의 사용을 개시한다. 접 근법들 모두는 지속된 연소가 달성되는 것을 방지하기 위하여 열-싱크(heat-sink)를 채택하는 것을 추구한다.

유사하게, Fauske(2001년 12월, Chemical Engineering Progress에 게재된 Fauske, Hans K.의 Expanded-Metal Networks: A Safety Net to Thwart Gas Explosions, 66쪽 내지 71쪽을 참조한다.)는 연소 영역 열-에너지를 제거함으로써 화염 전면(flame front) 전달을 방지하도록 저장 탱크 내에서 열 싱크들로서 팽창된 금속 포일들의 사용을 제안한다. Fauske는 화염 크웬칭(quenching)을 위한 조인 통로(tight passage)를 갖는 높은 표면적(400㎡/㎥보다 높음) 금속 포일들을 채택함으로써 폭연 방지장치의 설계를 모방한다. 상대적으로 정적인 저장 탱크들에서, 이러한 조인 통로들은 전혀 문제가 되지 않는다. 그러나, 반응기와 같은, 프로세스 용기들에서, 조인 통로들을 통하는 프로세스 유체의 유동은 용기를 가로질러 압력 강하를 높이고 이에 따라 원동력 에너지 소비를 증가시킨다. 게다가, 금속 포일 네트워크(network)가 연소를 효율적으로 크웬칭하도록 (하고, 이에 따라 연속적인 진행이 폭음 또는 폭발을 회피하도록) 하기 위하여, 충분히 커다란 온도 차분(ΔT)이 유지되어야만 해서, 연소 영역으로부터 열 에너지가 금속 호일로 신속하게 전환될 수 있도록 한다. 불행하게도, 가연성 기체들을 처리, 반응 또는 저장하기 위해 사용된 많은 프로세스 용기들은 상승된 온도 및/또는 압력에서 작동된다. 탄화수소 공정의 업계에서 잘 알려진 바와 같이, 증가된 열 및 압력 모두는 (연소를 지지하는 조성의 더 커다란 범위인)가연성 한도를 넓히고 자기-지지 연소를 유지하기 위해 요구된 증분 에너지를 감소시킨다. 따라서 산화 반응기와 같은, 많은 가연성 기체 프로세스 용기에서, 팽창된 금속 포일들과 같은, 열-소산 구성성분들은, 크웬칭 연소에서 상당히 비효율적이다. 이러한 높은 온도 및 압력 프로세스 용기들에서의 화염 전면 및 폭연 압력파의 진행은 단순하게 너무 빨라서 열 흡수가 연소를 충분히 크웬칭하는 비율에서 발생시킬 수 없다.

미국 특허번호 제5,495,893호는 기체의 폭연을 제어하는 장치 및 방법을 개시하고, 여기에서 장치는 유체 억제제 방울들(droplets)의 크기를 제어하기 위한 유체 원자화 장치에 의한, 가연성 물질로의 폭연 억제제의 전달을 유발시키는(trigger) 가연성 물질 디텍터(detector)를 포함한다. 본 특허의 개시는 열에 의해 전달하는 열을 재빨리 제거하도록 신속하게 기화시킬 수 있는 미세 분무 유체 유동(즉, 폭연 억제제)을 이용에 의함과 같은, 열 흡수에 의해 폭연이 효율적으로 억제될 수 있다는 것을 설명한다. 이런 해결책은 폭연에서, 가연성 기체의 연소는 가연성 기체의 인접한 분자들에 자유기(free radical) 및/또는 열을 전달하는 것에 의해 자유 바깥쪽으로 전달하는 화학반응을 개시한다는 이해를 기초로 한다. 열의 전달 및/또는 반경이 없는 것은 인접한 분자를 점화시키고, 이런 방법으로, 폭연은 가연성 기체를 통하여 바깥쪽으로 전달되거나 팽창된다.

미국 특허번호 제6,540,029호는 폭발의 폭연 단계를 억제하는 목표를 갖고 봉쇄 구조물에서 시작되는 폭연 현상이 연관된 도관으로 전달하는 것을 방지하며 이어서 도관에서 폭음 현상으로 이행하는 폭연 억제 및 폭발 차단 시스템을 개시한다. 본 특허에서 설명된 시스템은 압력의 신속한 상승을 감지하고, 초기 폭발을 나타내는 압력 디텍터, 및 연소 발생된 압력 및 화염을 재배향하는 억제 작용제의 방 출(release)과 제휴하여 폐쇄되는 게이트 밸브 어셈블리(gate valve assembly) 뿐만 아니라 화염 억제 작용제를 가연성 기체로 배향하는 억제 장치를 포함한다. 다시, 미국 특허번호 제6,540,029호에서의 장치는 추가적인 물질인, 억제 작용제를 다른 점에서 폭연의 전달 및 폭음에 대한 그의 전이를 용이하게 하는 열의 흡수를 위한 가연성 기체로 도입하도록 작동한다. 본 특허는 폭연 이벤트 동안, 압력파 및 화염 전면은 점화의 지점에서 발생되고 화염 전면보다 빨리 이동하는 압력파를 갖는, 그로부터 모든 방향으로 바깥쪽으로 전달하는 것을 인정한다. 더욱이, 가연성 기체를 함유하는 도관 또는 파이프에서 방애물(obstacle) 및 벤드(bend)는, 차례로, 폭연으로부터 폭음까지의 전이를 가속화시키는 터뷸런스(turbulence)(즉, 혼합)을 증가시킬 것이다. 당업계에서 잘 이해된 바와 같이, 폭연 제어 측정이 수행될 때 가연성 기체의 혼합 및 터뷸런스의 증가는 회피되는 것이다.

Fuel(2007)에 게재된, Razus D. 등의 Closed vessel combustion of propylene-air mixtures in the presence of exhaust gas, doi:10.1016/j.fuel.2006.12.2009에서, 폐쇄된 용기에서 폭발 진행의 특징적인 파라미터들은 폭연 후의 도달된 피크 압력, 피크 압력에 도달하도록 요구된 시간 및 점화 후의 가연성 기체로의 희석 물질의 도입에 의해 달성된 피크 압력의 감소를 포함한다는 것이 인지된다. 이런 연구 자료는 일반적으로 이산화탄소 및 수증기를 포함하는, 연소 기체가 가연성 연료-공기 혼합물에 중요한 불활성(inerting) 효과를 나타내고, 연료-공기 폭발의 완화를 위한 값싼 희석제로 여겨질 수도 있다는 결론 짓는다. 이런 기술은 가연성 기체의 점화 후에 폭발을 제어하거나 최소화하는 것을 제시하는 한편, 불활성 물질을 추가함으로써 그렇게 행하고, 이는 폭연 동안에 화염 전면의 진행을 늦추고 열을 흡수하는 점화 후에 가연성 기체로 화염 억제제를 도입하는 방법과 유사하다.

미국 특허번호 제6,932,950호에서 설명된 기술은 점화 및 폭연을 포함하나 이에 한정되지 않는 부수적인 반응을 최소화하거나 제거하는 시도가 존재하고, 이는 공급 기체 혼합물이 반응기의 입구 튜브-시트에 근접한 열점에 접촉하여 오는 가연성 기체인 튜브형 반응기의 입구측에서 발생하는 더 큰 위험을 갖는다. 본 특허는 입구 기체 측 상의 입구 튜브 시트에 인접한, 입구 챔버 내의, 와이어 메쉬 또는 세라믹 물질의 층을 배치하나 유입 공급 기체와 열 튜브-시트 사이의 배리어를 생성하도록, 챔버의 부피의 약 20%보다 많이 충진하지 않는 예전에 알려진 실제를 논의한다. 설명된 다른 방법은 (예를 들어, 열 캐리어로부터 튜브-시트를 절연하는 열 캐리어 측 상에, 튜브-시트에 인접한 층을 형성하는 흘린 수지 물질(poured resin material)를 사용하여 솔리드 배리어(solid barrier)를 형성하는 것뿐만 아니라, 열 튜브-시트(챔버는 순환 공기로 충진된다.)에 근접한 냉각 챔버를 생성하는 것을 포함한다. 미국 특허번호 제6,932,950호에서 설명된 해결책은 튜브-시트 상에 및 튜브-시트에 근접한 반응기의 입구 챔버 내에서 분리된 차단 챔버의 내용이다. 차단 챔버는 튜브-시트의 단면에 적합하게 되도록 크기로 되고 형상화되고, 비워지거나 공기, 모래, 기름 또는 열 캐리어와 반응가능하지 않는 어떤 다른 적절한 고체, 유체 또는 기체 물질로 충진된다. 이들 기술들 모두는 점화의 방지 및 유입 기체 공급 흐름과 열 튜브-시트 사이의 물질의 배리어의 배치에 의한 다른 원치않는 부반응에 목표를 두고 있다. 이들 기술들 중 아무런 것도 크웬칭하고 폭연을 포함하고 폭음으로의 진행을 방지하는 점호 후에, 폭연의 압력파를 편향시키는 적절하게 형상 및 크기의 감쇠 물질을 갖는 반응기의 기체 입구 또는 출구 영역을 충진하는 것을 포함하지 않는다.

폭연 이벤트의 화염 전염을 물리적으로 전환하는 장치는 미국 특허번호 제7,000,630호에 설명되고, 여기에서 화염 전면 디버터(diverter)는 파열가능한 디스크가 개방되도록 하고 이에 따라 반대편의 양방향 파열가능한 디스크 상에 애스퍼레이션(aspiration) 효과를 생성하는 양방향 파열가능한 디스크를 향하여 고속 압력파를 배향하고, 이는 희석제로서 신선한 공기로 당길 뿐만 아니라, 화염 전면 및 압력파를 위한 누출 경로를 생성한다. 본 특허에서 설명된 화염 전면 디버터는 폭연이 하나의 용기에서 다른 용기로 진행하는 것을 방지하도록 설계된다.

프로세스 용기에서 가연성 기체의 폭발을 제어, 봉쇄 및 억제하기 위한 효율적이고, 단순하며 경제적인 방법에 대한 필요가 남아 있다. 출원인은 프로세스 용기로 열을 흡수하는 알려진 솔리드(solid) 물질을 제공하거나, 점화가 일어난 후에 화염 지연제 또는 억제제 물질을 도입함으로써 점화되어 온 가연성 기체로부터 열을 제거함으로써 화염 전면을 억제하고 크웬칭하도록 시도하기보다는, 폭연이 폭음으로 전이되는 것을 방지하는 폭연 동안에 생성된 압력파를 감쇠하고 이에 따라 감소시킴으로써 이런 필요를 제시하는 방법 및 장치를 개발하여 왔다.

본 발명은 초기 공급 기체 조성물, 온도 및 압력을 포함하는 미리결정된 작동 조건들에서 프로세스 용기의 한정된 영역 내에서 가연성 기체의 연소에 의해 생성된 폭연 압력을 감쇠시키는 방법을 제공하고, 여기에서 피크 압력은 점화 후에 한정된 영역에서 도달된다. 방법은 일반적으로 프로세스 용기의 한정된 영역에서 감쇠 물질을 선택하는 단계 및 배치하는 단계를 포함하고, 여기에서 선택된 감쇠 물질은 작동 조건들에서 물리적 형태를 유지하고 복수 개의 구성성분들을 가지되, 구성성분들 모두가 형상 및 유효 직경을 갖는다. 감쇠 물질은 프로세스 용기의 한정된 영역의 부피의 적어도 20%를 차지해야 한다.

발명의 방법의 제 1 단계(A)는 하기 (1) 내지 (6) 단계에 의해, 피크 폭연 압력들 및 폭연 혼합 인자들의 연관된 쌍들을 포함하는 실험 데이터를 전개함으로써, 상기 프로세스 용기의 한정된 영역에서의 사용에 적절한 감쇠 물질의 구성성분들의 최대 유효 직경을 결정하는 단계이다. 여기서, 상기 실험데이터는 복수 개의 감쇠 물질들과 피크 압력들 사이의 선형 관계를 나타내며, 상기 복수 개의 감쇠 물질들 중 적어도 하나는 다른 감쇠 물질들의 구성성분들의 유효 직경들과 상이한 유효 직경을 갖는 구성성분들을 가지고, 상기 피크 압력들은 상기 초기 공급 기체 조성물과 동일한 조성을 갖는 가연성 기체의 점화 후에 도달하게 된다. 이는 (1) 반경(R(ts))을 갖는 실험구(test sphere)를 이용하여, 어떠한 감쇠 물질도 없을 때 가연성 기체의 점화로부터 기인하는 피크 폭연 압력(Pmax(0))을 실험적으로 결정하는 단계; (2) 상기 단계(1)에서 사용된 동일한 실험구를 이용하여, 적어도 제 1 선택된 감쇠 물질 및 제 2 선택된 감쇠 물질이 존재할 때 가연성 기체의 점화로부터 기인하는 제 1 및 제 2 피크 폭연 압력(Pmax(1), Pmax(2))을 실험적으로 결정하는 단계(여기서, 상기 제 1 선택된 감쇠 물질은 제 1 유효 직경(Ds(1))을 가지며, 상기 제 2 선택된 감쇠 물질은 상기 제 1 유효 직경과 상이한 제 2 유효 직경(Ds(2))을 갖는다); (3) 하기 수학 관계식을 이용함으로써, 상기 단계들 (1) 및 (2)에서 실험적으로 결정된 연관된 피크 폭연 압력 각각에 대한 폭연 혼합 인자들(DMF(0), DMF(1), DMF(2), ... DMF(n))을 산출하는 단계 (DMF(n) = (Ds(n)/Rts) ×40이고 여기에서 n = 0, 1, 2 ... n 이고 Ds(n) 및 R(ts)는 각각 센티미터로 측정된다); (4) 하기 수학 관계식을 기초로, 변수들(M, B)의 값을 결정함으로써 피크 폭연 압력들 및 폭연 혼합 인자들([Pmax(0), DMF(0)]; [Pmax(1), DMF(1)], [Pmax(2), DMF(2)], ..[Pmax(n), DMF(n)])의 연관된 쌍들을 포함하는 실험 데이터를 선형화하는 단계 (Pmax(n) = M × DMF(n) + B이고, 여기에서 n = 0, 1, 2 ... n임); (5) 하기 수학 관계식을 기초로, 상기 단계(4)에서 산출된 M 및 B의 값들 및 상기 프로세스 용기의 최대 허용 억제 압력(P(c))을 이용하여 상기 프로세스 용기에 적절한 최대 폭연 혼합 인자(DMF(a))를 산출하는 단계 (DMF(a) = [P(c) - B] / M 이다); 및 (6) 하기 수학 관계식을 이용하여, 단면 반경(R(v))을 갖는 상기 프로세스 용기와 사용되기에 적절한 감쇠 물질의 최대 유효 직경(Ds(a))을 산출하는 단계 (Ds(a) = [DMF(a) × R(v)] / 40 이다)에 의해 달성된다.

삭제

감쇠 물질의 구성성분들에 대한 최대 유효 직경(Ds(a))을 산출하여, 적절한 감쇠 물질이 선택된다. 적절한 감쇠 물질은 특정 프로세스 용기에 대한 산출된 최대 유효 직경(Ds(a))의 유효 직경(Ds)을 가질 것이고 프로세스 용기의 한정된 영역에서 선택된 감쇠 물질을 배치한다. 감쇠 물질들은 감쇠 물질의 구성성분들이 자기-배열하는지에 따라, 프로세스 용기의 한정된 영역으로 간단히 부어질 수 있거나, 프로세스 용기의 한정된 영역에 수동적으로 배열될 수 있어, 구성 요소들의 개방 경로 및 보이드 공간을 최소화시키도록 한다.

본 발명의 방법의 하나의 구체예에서, 피크 폭연 압력(Pmax(0))을 실험적으로 결정하는 단계(A)(1)는: (a) 상기 미리결정된 작동 조건들의 압력 및 온도에서, 상기 감쇠 물질을 포함하지 않는 실험구 내에서 가연성 기체를 점화시키는 단계; 및 (b) 점화 후에, 상기 실험구에서 도달된 최고압(Pmax(0))을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

더욱이, 적어도 제 1 및 제 2 피크 폭연 압력(Pmax(1), Pmax(2))을 실험적으로 결정하는 단계(A)(2)는: (a) 미리결정된 작동 조건들의 압력 및 온도에서, 제 1 선택된 감쇠 물질로 실험구를 충진한 후에, 실험구 내에서 가연성 기체를 점화시키는 단계; (b) 점화 후에, 제 1 선택된 감쇠 물질로 충진한 실험구에서 도달된 최고압(Pmax(1))을 측정하는 단계; (c) 미리결정된 작동 조건들의 압력 및 온도에서, 제 2 선택된 감쇠 물질로 실험구를 충진한 후에, 실험구 내에서 가연성 기체를 점화시키는 단계; 및 (d) 점화 후에, 제 2 선택된 감쇠 물질로 충진한 상기 실험구에서 도달된 상기 최고압(Pmax(2))을 측정하는 단계를 포함한다. 복수 개의 피크 폭연 압력들(Pmax(1), Pmax(2), Pmax(3),.. Pmax(n))을 실험적으로 결정하는 것 및 연속적인 산출 및 선형화하는 단계에서 복수 개의 피크 폭연 압력들 각각을 사용하는 것이 또한 가능하다.

또 다른 구체예에서, 가연성 기체는 탄화수소 및 산소를 포함할 수 있고 프 로세스 용기는 유동 조건들에서 작동하는 쉘 및 튜브 반응기일 수 있다.

본 발명은 내부에서 가연성 기체의 연소로부터 기인하는 폭연 압력의 감쇠에 적합한 튜브형 반응기를 제공한다. 발명의 튜브형 반응기는 복수 개의 구성성분들을 갖는 감쇠 물질을 갖고, 구성성분들 모두는 형상을 가지며, 구성성분들 사이의 개방 경로들 및 보이드 공간들이 최소화되도록 배치되며, 여기에서 감쇠 물질은 프로세스 용기의 한정된 출구 영역 및 한정된 입구 영역 중 적어도 하나의 영역의 부피의 적어도 20%를 차지한다. 더욱이, 감쇠 물질의 구성성분들은 하기 수학 관계식을 만족시키는 유효 직경(Ds(a))을 가진다: Ds(a) = [DMF(a) × R(v)] / 40이고, 여기에서 Ds(a)는 센티미터이다. 또한, DMF(a)는 감쇠 물질과 연관된 폭연 혼합 인자이고 상기에 설명된 본 발명의 방법에 의해 실험적으로 결정된다. 결국, R(v)는 상기 한정된 입구 영역 및 상기 한정된 출구 영역 중 상기 감쇠 물질에 의하여 차지되는 영역의 반경이다.

본 발명은 기체 공급 조성물, 온도 및 압력을 포함하는, 가연성 작동 조건들에 기체 상 반응을 안정하게 수행하기 위한 방법을 더 제공한다. 이런 방법은 :(A) 반응 용기 내부에 상기 기체 공급 조성물이 통과하는 한정된 영역을 갖는 반응 용기를 제공하는 단계(상기 한정된 영역은 가연성 작동 조건들에서 물리적 형태를 유지하는 적어도 하나의 감쇠 물질에 의해 차지되는 부피의 적어도 20%이다); (B) 상기 한정된 영역을 통과하는 상기 기체 공급 조성물을 형성하도록 상기 반응 용기에 탄화수소, 산소-함유 기체 및 임의로 불활성 물질을 포함하는 하나 이상의 기체 물질을 제공하는 단계; 및 (C) 상기 기체 공급 조성물이 연소가능한 온도 및 압력에서, 상기 반응 용기 내에서의 하나 이상의 반응에 상기 기체 공급 조성물을 공급하는 단계를 포함한다.

감쇠 물질은 상기에 설명된 가연성 기체의 연소에 의해 생성된 폭연 압력을 감쇠시키기 위한 방법에 따라 선택되어야 한다. 가연성 작동 조건들에서 기체 상 반응들을 안전하게 수행하기 위한 방법의 일 구체예에서, 탄화수소는 크림핑된(crimped) 와이어 메쉬 실린더들 및 크림핑된 와이어 메쉬 다면체를 포함하는 감쇠 물질들을 갖는 반응 용기에서 산화에 가해지는 프로필렌을 포함한다. 가연성 작동 조건들에서 기체 상 반응들을 안전하게 수행하기 위한 방법의 또 다른 구체예에서, 기체 물질들은 암모니아를 더 포함하고, 탄화수소는 메탄을 포함하며, 기체 상 반응들은 메탄의 암모산화(ammoxidation)를 포함하고, 여기에서 감쇠 물질들은 세라믹 폼 다면체를 포함한다.

본 발명의 방법은 프로세스 용기의 한정된 영역에서 가연성 기체의 연소에 의해 생성된 폭연 압력을 감쇠시키는 데에 적절하다. 발명은 폭연과 연관된 압력파를 편향시키고 분해하는 한정된 영역에 감쇠 물질을 선택하는 단계 및 배치하는 단계를 포함한다.

"프로세스 용기"는 저장, 이송, 반응, 제조, 처리 또는 가연성 물질의 다른 조작과 관련하여 사용된 어떠한 장치를 의미한다.

이런 용어가 여기에서 사용된 바와 같이, "한정된 영역(defined region)"은 폭연의 효과로부터 보호되도록 프로세스 용기 내에 지정된 영역이다. 한정된 영역은 일반적으로 폭연의 위험이 가장 커다란 부분 내에 프로세스 용기 내의 영역 또는 가연성 기체를 함유하는 폐쇄된 영역이다. 한정된 영역의 위치, 형상 및 부피는 어플리케이션(application) 및 프로세스 용기에 따라 변경될 것이다.

여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "부피-충진"은 한정된 영역에 감쇠 물질에 의해 차지된 명백한 부피를 나타내고 이런 구성성분들 사이의 침입형 보이드 공간 및 감쇠 물질 구성성분들에 의해 실제로 차지된 조합된 부피와 동일하다.

"가연성 기체"는 산소를 갖는, 부피만큼, 충분한 조성 및 응축 상태에서 존재하고, 스파크, 화학 반응, 열선 또는 열면 또는 심지어 열점(즉, 유체의 몸체에서의 증가된 온도의 국부화된 영역)과 같은 점화원으로의 노출이 가연성 기체에서 국부화된 폭연을 개시할 수 있는 기체이다. 가연성 기체는 물론, 하이드로겐, 부탄, 프로필렌 등과 같은 단일 종의 기체로 구성될 수 있으나, 종종 하나 이상의 상이한 기체, 특히 가연성 혼합물을 정제한 조성물이다.

원리에 의한 결합되는 바램없이, 점화로부터 폭음 및 폭발까지의, 가연성 기체에서의 조건들의 진행이 일반적으로 잇는 바와 같이 계속되도록 이해된다는 것이 믿어진다. 점화될 때 즉시, 구형 화염 전면 및 구형 압력파는 점화원에서 가연성 기체의 국부 연소에 의해 형성된다. 압력파 및 화염 전면은 점화점에서부터 떨어지고 바깥쪽으로, 가연성 기체의 변하지 않는 일부로, 모든 방향으로, 반경방향으로 전달되는 경향이 있다. 화염 전면의 전달이 압력파의 전달보다 훨씬 늦은 열 전달 및 계속을 포함하고, 이는 음속으로 이동하는 것이 장기간 이해되어왔다. 초기 폭발의 이런 단계는 일반적으로 폭연, 즉, 이전의 압력파와 함께, 압력파 및 화염 전면이 각각 이동하고 있는 때로서 나타난다.

폭연 동안에, 화염 전면은 가연성 기체의 인접한 분자들로 자유기 및/또는 열을 전달함으로써 바깥쪽으로 전달되고, 이는 인접한 분자들을 점화한다. 자유기는 쌍으로 되지 않는 전자들, 예를 들어 OH, H 및 CH₃을 함유하는 어떠한 원자들의 반응단이다.

또한 폭연 동안, 압력파의 에너지는 압력파에 앞서 가연성 기체의 연소되지 않는 일부를 압축할 수 있고, 가연성 기체의 연소되지 않는 일부에서 연소를 유지하는 것을 필요로 하는 열 에너지 요구를 감소시키고, 이에 의해 이어지는 연소를 용이하게 하고, 화염 전면의 진행을 가속화시키며, 앞선 압력파를 강화시킨다. 압력파의 이런 강화는 압력파 홀로 연소 반응을 개시하기에 충분히 강하고, 이에 의해 폭음 단계를 개시하는 지점까지 지속된다. 초기에는, 폭음파는 일정한 속도를 갖는 안정된 폭음이 되어, 압축된 가연성 기체로 전달될 것이고 선두의 압력파를 따라잡을 것이다. 안정된 폭음파는 화염 전면에 근접하게 연결된 압력파로 구성되어, 화염 전면에 의해 방출된 에너지가 압력파를 지지하도록 한다.

폭연이 파이프 또는 도관에서 일어난 때, 파이프 또는 도관에서 물질들은 축방향으로 이동하는 경향이 있고, 화염 전면은 파이프 또는 도관의 벽에 도달하며, 구 형태로부터 본질적으로 평면 전면으로 변한다. 평면 화염 전면이 파이프의 길이 아래로 전달되는 것을 지속하기에, 화염 전달 속도는 증가한다. 다시 말해서, 전달 화염 전면은 도관 내에서 초기 폭연 상태에서 폭음 상태로 신속하게 전이할 수 있다.

폭발의 생성물이 유동하고 있는 것이 통과하는 용기 또는 도관의 직경을 행 하기에, 가연성 물질의 분자의 크기는 전체적인 폭발 현상에 영향을 미친다. 예를 들어, 더 큰 직경의 파이프들은 더 직경의 파이프 또는 도관보다 더 작은 열 싱크를 제공한다. 도관 또는 파이프의 길이방향 구성은 또한 압력파 및 화염 전면의 전달에 영향을 미친다. 도관 또는 파이프에서의 방해물 또는 벤드가 차례로 화염 표면 영역을 증가시키는 경향이 있을 터뷸런스를 증가시킬 수 있고, 이는 화염 전면의 확대를 안내하고 폭음으로의 더 빠른 전이를 야기한다는 것이 당업계에서 알려져 있다.

이제 도 8을 간단히 참조하여, 가연성 기체 혼합물에 대하여 일반적인 단순화된 폭발 다이어그램이 도시된다. 물론, 실제로, 각각의 이러한 폭발 다이어그램은 가연성 기체의 특정한 조성물로 특정될 수 있다. 이러한 다이어그램은 예를 들어, 1981년 뉴욕주의 Springer-Verlag에 의해 출간된 W.Bartknecht의 "Explosions"(특히, 제 2 장, Explosions in Closed Vessels를 참조)에서 설명된 것과 같은, 기술적 문헌에서 잘 알려진다. 표준화된 실험 방법론은 이렇나 다이어그램을 생성하기 위해 필요로 하는 데이터를 수집하도록 전개되어(developed) 왔다(예를 들어, 2003년 9월, 유럽 표준 DIN EN 13673-1 및 DIN EN 13673-2를 참조). 이들 방법론들은 일반적으로 실험된 가연성 기체 혼합물이 초기에 밀봉되고, 단열된 그리고 그렇지 않게 비어 있는(예를 들어, 충진 물질이 없음) 실험구 내에서, 정적인 조건에서 고정되는 것을 요구한다.

도 8의 다이어그램은 가연성 기체가 점화된 때 모멘트에 대해 상대적인 경과 시간의 함수로써 가연성 기체의 부피에서 폭연 압력(또는 "폭발 압력") 이벤트의 일반적인 진행을 도시한다. 다이어그램은 일반적으로 세 개의 연속적인 단계를 포함한다.

제 1 단계에서, 점화 이전에, 기체 혼합물은 일정한 초기 압력(P_inital) 및 초기 온도에서 정적인 조건에서 존재한다.

점화를 잇는, 제 2 단계에서, 기체 혼합물의 연소는 성립되고 화염 전면 및 연관된 압력파는 형성되고 점화점으로부터 바깥쪽으로 팽창한다. 최대 폭연 압력(P_max)이 도달될 때까지 이는 시간 간격(Δt)에 걸쳐서 신속하게 압력을 증가시킨다. 일반적으로 이런 전이 상태의 시간 간격(Δt)은 약 100 내지 300 마이크로초의 기간의 차수이다. 특히, 폭연 이벤트를 완충하거나 늦추기에 충분한 열 전달은 약 500 내지 1000마이크로초(즉, 0.5 내지 1.0초)의 차수와 같은, 현저하게 더 많은 시간을 요구할 수 있다.

P_max의 달성을 잇는, 제 3 단계에서, 더 낮은 "정상 상태" 압력(P_final)이 도달된 때까지 실험구 내의 압력은 시간 간격에 걸쳐 감소한다. 일반적으로, 폭연 이벤트 동안에, P_final에 도달하기 위해 필요한 시간 간격(ΔT)은 1000마이크로초 이상의 기간의 차수이다.

종래 기술의 교시와는 상반되게, 출원인들은 가연성 기체 부피 내의 혼합을 촉진하는 것은 최대 폭연 압력(P_max)을 낮추는 놀라운 결과를 갖는 것이 발견되어왔다.

원리에 의한 결합되는 바램없이, 출원인들은 압력파가 점화점으로부터 신속하게 바깥쪽으로 확장하는 시간에서, P_max의 크기 감소는 폭연 이벤트의 제 2 단계 동안 발생하는 혼합의 직접적인 결과라는 것을 믿는다. 이런 혼합은 본 발명의 압력 감쇠 물질 주변을 지나기에 방향을 변경하고 세분화하는 것을 가하는 압력파의 결과이다. 이런 혼합은 기체 부피 내의 압력 프로파일을 "블렌딩하는 것"이 믿어졌고, 파동 전면의 피크 압력과 파동(wave) 전면으로부터의 더 낮은 벌크-기체 압력 사이의 차분을 감소시킨다.

또한 출원인들은 열이 팽창하는 화염 전면으로부터 에너지를 제거하기 위한 비효율적인 메카니즘에 열이 전달하기에 제 2 단계 압력 증가의 시간 간격이 너무 짧다는 것을 가정한다. 결과적으로, 가연성 기체 부피 내에 배치된 어떠한 감쇠 물질의 열 특성은 폭연의 이런 초기 단계에서 대부분 무의미하고, 절연 물질은 P_max 감쇠에 대하여 높은-열 전도성 물질과 본질적으로 동일한 방법으로 수행되는 것이 기대될 수 있다.

결국, 출원인들은 폭연 이벤트의 제 3 단계에 걸쳐 일어난 기체 압력의 점진적인 감소는 상대적으로 균일한 압력 및 온도 프로파일에 대하여 기체 혼합물을 구동하는 엔트로피(entropy)의 결과라는 것을 가정한다. 충분히 긴 시간 간격이 주어진, 이런 엔트로피는 결국 최종 정상-상태 압력(P_final)으로 감소하는 기체 볼륨에서의 결과에 영향을 미친다. 그러나, 본 발명의 방법의 사용은 최종 정상-상태 압력(P_final)보다, 더 낮은 최대 폭연 압력(P_max)에 대한 능력에서 명백하다는 것이 강 조되어야 한다.

비록 본 발명의 방법 및 장치가 다양한 생산 공정들에서의 프로세스 용기의 다양한 형태에 적용가능하여, 논의 및 이해를 용이하게 하더라도, 프로판, 프로필렌, 부탄, 부틸렌 등과 같은 탄화수소 기체로부터 불포화 카르복실산, 불포화 니트릴, 알데히드 등과 같은 생성물을 생산하는 촉매 기체 상 반응에 사용된 튜브형 반응기와 관련하여 아래에서 설명될 것이다.

이제 도 1을 참조하여, 개략적이고 부분적인 단면 정면도는 본 발명의 방법이 적절하게 적용될 수 있는 프로세스 용기로 제공된다. 특히, 도 1은 촉매 기체 상 반응에 적절한 튜브형 반응기(10)의 부분적인 단면 정면도를 도시한다. 튜브형 반응기(10)는 복수 개의 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d)을 갖고, 각각의 튜브는 제 1 관통 플레이트(14)와 제 2 관통 플레이트(16) 사이에 연장되고, 하나 이상의 형태의 촉매 및 불활성 물질과 같은 솔리드 물질(S)을 포함한다. 제 1 및 제 2 관통 플레이트(14, 16) 뿐만 아니라, 복수 개의 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d)은, 온도 제어 목적을 위해 복수 개의 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d) 주위에 열 전달 유체(그 자체는 미도시)의 순환을 위한 영역을 형성하는 쉘(18)에 의해 둘러싸여 그 내부에 위치된다.

여전히 도 1을 참조하여, 플랜징된 캡(flanged cap) 또는 "반응기 헤드(reactor head)"(24)는 반응물(도시되지 않음) 및 다른 유체가 통과하여 유동하도록 하는, 반응기 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d)과 유체 연결하여 한정된 입구 영역(20)을 형성하는, 제 1 튜브 시트(14)에 근접한 반응기(10)의 주변부에 밀봉되게 부착된다. 유사하게는, 또 다른 플랜징된 캡 또는 "반응기 헤드"(26)는 반응물, 생성물 및 다른 유체(도시되지 않음)가 통과하여 유동하도록 하는 반응기 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d)과 또한 유체 연결하여 한정된 출구 영역(22)을 형성하는, 제 2 튜브 시트(16)에 근접한 반응기(10)의 주변부에 밀봉되게 부착된다. 집합적으로, 복수 개의 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d)을 따르는 한정된 입구 및 출구 영역들(20, 22)은 하나 이상의 화학 반응이 유동 조건들에서 튜브형 반응기(10)의 작동 동안에, 예를 들어, 산화와 같은 것이 일어나는, 튜브형 반응기(10)의 반응 영역을 형성한다. 한정된 입구 영역(20)이 상부에 위치되고 한정된 출구 영역(22)이 수직방향으로 배향된 튜브형 반응기(10)의 하부에 위치되는, 상기에 설명된 배열은 반응 공정이 "하부 유동" 구성으로 작동되고 있는 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 제시한다. 그러나, 통상의 지식을 가진 자는 또한 본 발명의 방법 및 장치는 "상부 유동" 구성(현재 자체적으로 도시되지 않음)으로 작동된 튜브형 반응기를 포함하는, 다른 프로세스 용기에 동일하게 적용가능하고, 여기에서 한정된 입구영역은 튜브형 반응기의 하부에 위치될 것이라는 것을 손쉽게 인지할 것이다.

본 발명의 몇몇의 구체예들에서, 감시 도구는 연소, 국부 온도 증가 또는 국부 압력 증가의 감지를 위한 프로세스 용기의 한정된 영역에서 위치될 수 있어, 조건들을 작동하기 위한 조정은 고장수리(troubleshooting), 작동율의 감소 또는 공정의 일시 중지를 포함하나 이에 한정되지 않아, 만들어질 수 있다. 이러한 감시 도구는 하나 이상의 열전대, 압력계, 파이어 아이(fire eye) 및 기체 조성 분석기를 포함할 수 있고 자동화된 응답을 개시하기 위하여 분산된 공정 제어 시스템에 임의로 연결될 수 있다. 몇몇의 구체예들에서, 감시 도구(도시되지 않음)는 예를 들어, 가연성 산출 또는 반응기 공급 흐름 유동율(reactor feed stream flow rate)과 같은, 다른 공정 산출 및 측정에 따른 안전 연동 논리 시스템(safety interlock logic system)에 병합될 수 있다. 게다가, 몇몇 구체예들에서, 환원제 감시 장치들은 감시 시스템의 신뢰성을 향상시키는 데에 사용될 수 있다. 만약 감시 장치들이 사용된다면, 자동화된 동작이 개시되기 전에 둘 이상의 측정은 동시에 비정상 조건을 등록시켜야만 하는, 컴퓨터로 처리되는 보팅(voting)-논리 시스템의 분분으로써 임의로 구성될 수 있다.

하나의 구체예에서, 예를 들어, 하부 유동 튜브형 산화 반응의 한정된 입구 영역(입구 헤드)은 세라믹 구형 구성성분들 및 적어도 열 개의 다분기점 열전대 어셈블리들을 포함하고, 각각의 열전대 어셈블리는 어셈블리 당 열 개의 측정점을 갖는다. 열전대 어셈블리 각각은 (입구) 반응기 헤드의 상부 부분에 밀봉가능한 개구들을 통하여 삽입되고, 미리결정된 일련의 고르게 이격되고 집중적인 원들을 형성하는 굽힘(bending)에 의해 수동적으로 위치되며, 이어서 입구 튜브 시트 상에 미리-존재하는 고정 브라켓(anchoring bracket)들로 크림핑된다(cripped). 또 다른 구체예에서, 상부 유동 산화 반응기의 한정된 입구 영역은 와이어 메쉬 실린더 구성성분들 및 (미국, 텍사스의 Gayeso of Pasadena로부터 상업적으로 이용가능한) 316 스테인리스 스틸 쉬쓰(sheath)를 갖는 적어도 여섯 개의 "K" 타입 다분기점 열전대 어셈블리들을 포함한다. 본 구체예의 다분기점 열전대 어셈블리들은 입구 반응기 헤드의 측벽에 장착된 (미국, 오하이오의 Swagelok Company of Solon으로부터 상업적으로 이용가능한) SWAGELOK 패킹 글랜드(packing gland)를 통하여 삽입되고, 측정 위치의 미리 결정된 분산에 근접하게 배치되는 굽힘에 의해 수동적으로 위치되며, 이어서 와이어의 짧은 길이를 이용하여, 메쉬 실린더들에 대한 그의 길이를 따라 다중 위치에 부착된다.

여전히 또 다른 구체예에서, 산화 반응기의 한정된 입구 영역(입구 헤드) 내의 가연성 기체 공급 혼합물의 표본들은 가연성 탄화수소의 농축의 감소 및 예를 들어, 이산화탄소, 일산화탄소 및 물과 같은 연소 생성물의 농축의 증가를 감시하기 위한 기체 크로마토그래프에 지속적으로 분석된다. 또 다른 구체예에서, 산소 풍부한 수소 시안나이드 반응기의 한정된 입구 영역(입구 헤드)은 40ppi 그물 모양 세라믹 폼의 100% 부피-충진을 포함하고 또한 한정된 입구 영역 내의 가능한 폭연을 감지하고 폭연이 감지된 이벤트에서 분산된 공정 제어 시스템을 경유하여 반응 시스템의 일시 중지를 자동적으로 개시하기 위하여 적어도 두 개의 신속 작용 압력계(적절한 모델은 미국, 뉴저지의 Kulite Semiconductor Products로부터 상업적으로 이용가능하다)를 포함한다. 감시 도구에 병합하는 본 발명의 상기에 설명된 구체예들은 약간의 실시예들이나 본 발명에 따라 사용될 수 있는 가능한 구성들의 전 범위를 설명하기 위하여 의도되지 않는다. 적절한 감시 도구 및 관련된 공정 제어, 안정 시스템 및 연동 논리 시스템의 선택 및 나열은 본 개시의 이익에 주어진, 화학 공정 설계 및 도구에서의 통상의 지식을 가진 자의 능력 내에서 존재할 것이다.

도 2는 화살표 방향으로 보여지면서 선 A-A를 따라 취해진, 도 1의 튜브형 반응기(10)의 한정된 입구 영역(20)의 단면 개략 평면도를 도시한다. 관통 플레이트(14) 및 복수 개의 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d)은 본 도면에서 가시적이다. 튜브 형 반응기(10)로 공급된 반응물 및 다른 물질이 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d)에 들어오고 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d) 내의 하나 이상의 화학 반응을 개시하도록 하는 내부에서의 촉매 물질(S)에 접촉하는 것 이전에 상호 간의 접촉에 이른다. 반응기(10)로 공급된 반응물 및 다른 물질에 따라, 가연성 기체는 한정된 입구 영역(20)에 존재할 수 있고, 이는 관통 플레이트(14)에 근접하게 발생된 열점 및 한정된 입구 영역(20)에 존재하는 다른 장치와의 마찰 또는 접촉에 의해 발생된 스파크를 포함하나 이에 한정되지 않는 어떠한 수많은 소스(source)로부터 의도하지 않는 점화에 민감하다. 상기에 논의된 바와 같이, 이러한 점화는 폭음 또는 폭발로 전이될 때까지 차례로, 전달될 수 있는, 폭연 이벤트가 될 수 있다.

폭연 압력파의 편향 및 분해는 전체적인 폭연 이벤트를 크웬칭하고 폭음으로의 전이를 방지하며 달성된 피크 압력(Pmax)을 감소시키기에 충분하게 폭연에 의해 도달된 최대 압력을 낮추고 압력파의 전달을 늦출 수 있다는 것이 발견되어 왔다. 또한, 폭연 압력파의 성공적인 편향 및 분해는 연소 및 폭연이 튜브형 반응기(10)의 한정된 입구 영역(20)에서와 같이, 발생할 것 같은 한정된 영역에서 적절한 감쇠 물질을 선택하고 배치함으로써 달성될 수 있다. 아래에 이어지는 상세하게 논의될 바와 같이, "적절한" 감쇠 물질은 그 형상을 기초로 하여 선택된 감쇠 물질을 의미하고, 이는 한정된 영역의 크기 및 형태에 대한, 크기 및 형태 모두를 포함한다.

예를 들어, 도 3a는 비어 있는 한정된 입구 영역(20), 즉, 그 내부에 배치된 어떠한 감쇠 물질들이 없는 개략적인 단면 정면도이고, 이는 한정된 입구 영역(20)의 부피의 0%를 차지하는 감쇠 물질에 관련된다. 상기에 설명된 바와 같이, 한정된 입구 영역(20)은 입구 튜브 시트(14)와 반응기 헤드(24)에 의해 둘러싸여 도시된다. 아래에 이어지는 상세하게 논의될 바와 같이, 도 3b는 도 3a의 한정된 입구 영역(20)이 한정된 입구 영역(20)의 적어도 20 부피%의 부피-충진을 제공하고 세라믹 구형 구성성분들(28)을 포함하는 감쇠 물질을 포함하는 본 발명의 하나의 구체예를 도시한다.

한정된 입구 영역(20)이 프로세스 용기의 상부에 위치되고 프로세스 용기가 평행 수직 튜브들을 갖는 튜브형 반응기인, 도 3b에 도시된 바의 같은 경우에, 감소 물질의 구성성분들(28)이 관통 튜브 시트(14)(예를 들어, 도 1 참조)를 통하여 튜브들(12a, 12b, 12c, 12d)에 들어가는 것을 방지하는 한정된 입구 영역(20)의 단면 영역(예를 들어, 도 2 참조)을 가로질러, 세라믹 메쉬 또는 와이어 스크린 시트(30)와 같은, 배리어(barrier)를 설치하는 것이 타당하다. 비어 있는 공간 또는 "보이드 영역"이 튜브들 각각의 최상부 부분에서 유지되도록 하기에 배리어(30)의 사용은 특히 유익하고, 여기에서 튜브 종단들은 제 1 튜브 시트(14)를 통하여 지난다. 산화 반응에 사용된 이러한 튜브형 반응기에서 튜브 시트들(14, 16)의 일반적으로 커다란 두께 때문에, 각각 튜브의 이런 최상부 부분에서 냉각 한도가 존재한다. 따라서, 만일 이런 영역이 감쇠 물질, 산화 촉매 또는 불활성 희석 물질마저도 함유되었다면, 결국 튜브와 튜브 시트(14) 사이의 용접된 연결의 실패를 야기할 수 있는 과열이 가해질 수 있다. 수리비용 이외에, 튜브와 튜브 시트(14) 사이의 용접된 연결의 이러한 실패는 또한 튜브형 반응기(10)의 쉘 측으로부터 반응기 헤드(24)에 의해 형성된 한정된 입구 영역(20)으로의 냉각염 누설을 야기할 수도 있다. 미국 공개특허번호 제2006/0292046호에서 개시된 바와 같이, 한정된 입구 영역(20)으로의 일반적으로 니트레이트 및 니트라이트를 포함하는 냉각염(예를 들어, 미국, 델라웨어의 DuPont of Wilmington으로부터 상업적으로 이용가능한 HITEC 염)의 방출 및 일어나는 연속적인 분해 반응을 프로필렌 산화 반응기 공급 기체의 바람직하지않는 자동점화에서 최고조에 달할 것이다.

적절한 배리어(30)를 형성하기 위한, 본 발명의 하나의 구체예(현재 자체적으로 도시되지 않음)에서, 50-밀리미터("㎜")(2-인치) 두께의 층이고, (인치 당 사십 개의 포어들(40 pores per inch("ppi")) 그물 모양 세라믹 폼 타일들은 감쇠 물질 중 어떤 것이 튜브들의 종단들에 빠지는 것을 방지하는, 튜브 시트의 총 단면 영역을 덮는 연속적인 배리어를 형성하는 하부 유동 프로필렌 산화 튜브형 반응기의 입구 튜브 시트 상에 직접적으로 배치된다. 따라서 반응기 입구 튜브 시트의 두께의 길이에 균등한 예를 들어, 어떤 물질의 비어 있는, 보이드 영역은 각각의 반응기 튜브의 상부 튜브 종단에 지지되어, 튜브들과 튜브 시트 사이의 용접된 연결의 과열이 회피되도록 한다. (이전에 알려지고 현재 Norton Chemical Process Products Corp.와 합병된, 미국, 오하이오의 Saint-Gobain Norpro of Stow로부터 상업적으로 이용가능한) 13㎜(1/2 인치) DENSTONE 2000 지지구를 포함하는 감쇠 물질(도시되지 않음)은 이어서 본 발명에 따른 폭연 압력을 감쇠시키는, 이런 배리어의 상부 상에, 한정된 입구 영역에 배치된다. 이러한 구체예에서, 그물 모양 세라믹 폼 타일들은 DENSTONE구들을 따르는, 감쇠 물질의 부분으로 고려될 수 있다. 이런 경우에, 감쇠 물질, 세라믹 폼 및 구들은 한정된 입구 영역(20)의 총 부피의 적어도 20%, 예를 들어, 적어도 25%, 또는 심지어 적어도 30% 또는 적어도 50%를 차지하고, 여기에서 감쇠 물질에 의해 차지된 부피는 그들 사이의 보이드 공간의 부피와 감쇠 물질의 구성성분들의 부피의 합이다. 다시 말해서, 감쇠 물질의 양은 한정된 영역에서 적어도 20% 부피-충진을 제공하는 한정된 영역에 배치된다.

특히, 원리에 의한 결합되는 바램이 없으나, 화염 전면의 진행을 가속화시킬 것이며 달성된 피크 압력을 증가시킬 것이고, 이에 의해 폭음으로의 전이를 재촉할 것이기 때문에 가연성 기체의 증가된 터뷸런스 및 혼합이 폭연 동안에 회피되어야 하는 당업계에서 일반적으로 고정된 이해에 상반되게, 가연성 기체의 측면 혼합을 증가시키는 한편, 축 혼합을 최소화시키는 것은 압력파를 편향시키고 분해시키는 것으로 작용하고, 이에 의해 화염 전면 및 압력파의 진행을 늦추고 폭음으로의 전이를 방지하는, 도달된 최대 압력을 낮추기에 충분한 폭연으로부터 에너지를 제거하는 것이 발견되어 왔다. "축 혼합"은 축 방향으로 터뷸런스를 증가시키는 혼합이고, 이는 압력파 및 화염 전면이 진행하는 방향인 한편, "측면 혼합"은 예를 들어, 한도 없이, 실질적으로 축 방향에 대하여 수직인, 축방향으로 보다 다른 방향으로 가연성 기체의 터뷸런스를 증가시키는 혼합이다. 이러한 측면 혼합은 사용된 더 작은 유효 직경을 갖는 솔리드(solid) 또는 비비 꼬이게(tortuously) 다공성 감쇠 물질로서 바람직하게 증가하고, 그러나, 더 작은 물질에 대한 선호는 매우 작은 물질이 사용될 때 일어나는 반응물의 처리량에서 너무 큰 압력 하강을 회피하기 위한 필요에 의해 다소 제한된다. 예를 들어, 모래는 압력파의 우수한 감쇠 및 분해를 제공하나, 또한 반응기의 정상적인 작동 동안에 비정상적이고 일반적으로 용인할 수 없는 압력 하강을 야기할 것이며, 이에 따라 유일한 감쇠 물질로서의 우수한 선택이 아닐 수 있다.

폭연, 폭음 및 폭발 보호에 대한 핵심은 열 전달 및 제거인 관련된 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 의한 광범위하게 고정된 이해에 또한 상반되게, 열전달력에 의해 전적으로 제어되는 것보다, 결국 폭연 이벤트의 강도를 감소시키고 폭음을 회피하는, 폭연 압력파의 성공적인 편향 및 분해는 또한 (1) 형태 및 크기, 예를 들어, 가연성 기체를 함유한 한정된 영역에 배치된 감쇠 물질 구성성분들의 형상 및 (2) 한정된 영역 그 자체의 치수에 크게 따른다. 따라서, 놀랍게도, 감쇠 물질 구성성분들의 구성의 물질( 및 이에 따라 그의 연관된 열 전도성)는 점화 후 달성된 최대 폭연 압력(Pmax)의 감쇠에 대한 그의 형상보다 중요하다. 가정된 몇몇의 금속 물질은 더 적절한 형태 및 크기의 비-금속 물질과 비교해 보면 성공적으로 폭연을 크웬칭할 것이고 실제로 더 불충분하게 수행된 폭음을 방지할 것이다. 더욱이, 몇몇 형상들은 다른 것들보다 현저하게 더 효율적인 것이 입증되어 왔고, 예를 들어, 가연성 기체들이 통과하여 지나거나(예를 들어, 솔리드 구), 더 비비 꼬이고 더 짧은 축 경로(그물 모양 폼, 조이게 감겨진(rolled) 와이어 메쉬 물질)를 나타내는 최소 축 경로를 나타내는 형상은 가연성 기체를 함유하는 한정된 영역에 배치될 때 개방, 연장된 축 경로를 나타내는 형상(예를 들어, 고리, 공동 실린더)들을 갖는 물질들보다 양호하게 폭연 압력파를 편향 및 분해하는 경향이 있다.

일반적으로, 축 경로들을 최소화시키는 것은 프로세스 용기의 한정된 영역에 배치된 감쇠 물질의 구성성분들 사이의 부피(틈; interstitial) 보이드 공간을 최소화시키는 것 및/또는 패킹 인자를 최대화시키는 것에 의해, 적어도 부분적으로, 달성될 수 있고, 이는 감쇠 물질의 특정한 형상(크기 및 형태) 및 이의 구성성분들에 따르기 위하여 더 알려지는 것이 이해된다. 부피 보이드 공간 및 패킹 인자의 결정 및 산출은 기초 연구도서 및 전문서적에 관련하여 당업계에서의 통상의 지식을 가진 자의 지식 범위 내에 충분히 존재한다. 예를 들어, 벌크 밀도 및 보이드 분율(fraction) 데이터는 (물질을 갖는 고정된 부피를 충진하고, 사용된 물질의 양(mass)을 결정하며 이어서 a% 기초(basis) 상에 얼마나 많은 자유 공간이 포함되어 있는지를 확인하기 위한 단일 입자의 밀도에 의해 나누어지는) 실험적으로 측정될 수 있다. 그러나, 많은 적절한 구성성분들은 분리 칼럼(column) 패킹 또는 재생(regenerative) 열산화제 열 전달 베드 물질로서 사용된 상업적으로 이용가능한 물질들이고, 공급자들은 이러한 물질들에 대한 이런 데이터를 자유로이 발표한다. 또한, 더 일반적인 패킹 물질들을 논의하는 많은 참조 연구도서가 있고 연관된 패킹 분류 데이터는 (산출될 수 있다는 것에 대해) 개선될 수 있다(look up) - 예를 들어, 뉴욕의 맥그로힐에 의해 1976년에 발간된, W. L McCabe 및 J.C. Smith의 Uni Operations of Chemcial Engineering 제3판의 표23-1(710쪽) 참조.

구조의 선택된 형상 및 물질을 갖는, 특정한 형태의 감쇠 물질에 의해 달성된 성공의 정도는, 감쇠 물질로 충진될 때 동일한 한정된 영역에서 동일한 작동 조건들에서 가연성 기체에서 달성된 최대 압력과 비교하여, 그렇지 않게 비어 있는 한정된 영역에서 가연성 기체에서의 폭연 압력에 의해 달성된 최대 압력(Pmax)를 감소시키는 그의 능력에 의해, 적어도 부분적으로, 평가된다. 아래에서의 실시예 1은 비어 있는 한정된 영역과 비교한 바와 같이, 한정된 영역에서 점화된 가연성 기체에 의한 달달성된 최대 폭연 압력가 감소되는 것보다, 놀랍게 증가된 한정된 영역에 배치된 2-인치(50.8㎜) 볼링들을 도시하는 데이터를 제공한다. 실시예 1에서 설명된 실험의 결과들은 또한, 현저하게 더 큰 총 표면 영역을 제공하도록 나타난, 한정된 영역에서의 크림핑된 와이어 메쉬의 층들이, 가연성 기체의 점화 후에 최대 폭연 압력을 지속적으로 감소시키나, 특히, 열 제거 메카니즘을 경유하여 연소를 소멸시키는 것을 실패한다.

도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5j는 한정된 영역(DR)의 단일 지점(P)에서 점화로 시작하는, 200마이크로초의 총 경과 시간을 초과하지 않는 다양한 시간 간격에서, 폭연 압력파 전면(Pressure Wave Front; PWF)의 진행을 도시하는, 컴퓨터 모델 소프트웨어에 의해 생성된 각각 일련의 그래픽 이미지들이다. 한정된 영역은 (도 1 내지 도 3에 관련하여 상기에 논의된 바와 같은) 튜브형 반응기 용기의 돔-형태의 입구 영역이다. 도 4a 내지 도 4c 및 도 5a 내지 도 5j는 도 3a 및 도 3b에서 제공된 것과 유사한, 측면으로부터의 한정된 영역을 도시한다. 압력의 음영(shading)은 압력에 의해 변하여, 압력파의 일부의 더 어두운 회색은 압력파의 다른 일부보다 높은 국부화된 압력을 제시하도록 한다. 예를 들어, 도 4b에서 폭연 압력파 전면의 유도 엣지(leading edge)(PWF)는 약간 더 밝은 것과 비교하여 회색의 어두운 명암도이나, 특히 점화점(P)에 근접하고 유도 엣지 뒤에 보여진 회색의 밝은 명암도는 아닌 것이 보여질 수 있다.

특히, 도 4a 내지 도 4c의 일련의 이미지들은 감쇠 물질을 함유하지 않는 한정된 영역(DR)에서 점화점(P)으로부터 폭연 압력파 전면(PWF)의 진행을 도시한다. 비어 있는 용기에서, 폭연 압력파 전면은 PWF의 반원형 유도 엣지에 의해, 도 4a 내지 도 4c에서 도시된 바와 같이, 점화점으로부터 모든 방향들로 끊임없이 비어 있는 용기를 통하여 전달된다. 도 5a 내지 도 5j는 한정된 영역(DR)에서 점화점(P)으로부터 폭연(PWF)의 진행을 도시하나, 한정된 영역(DR)은 이제 세라믹구들(CS)을 포함하는 감쇠 물질을 함유한다. 폭연 압력파 전면은 여전히 점화점으로부터 모든 방향으로 바깥쪽으로 진행하나, 매끄럽고, 연속적이며 반구형 파동 전면이 감쇠 물질을 접촉할 때 편향되고 분해된다는 것이 도 5a 내지 도 5j를 검토하는 것으로부터 보여질 수 있다. 비록 감쇠 물질이 사용될 때 최대 폭연 압력(Pmax)이 여전히 도달되더라도, 도달된 Pmax는 비어 있는 실험 용기의 폭연에 의해 도달된 Pmax보다 작다. 폭연 압력파 전면의 전달은 200 마이크로초의 차수에서 거의 없는 시간을 취한다는 것이 또한 보여질 수도 있다. 이는 솔리드 구성성분들을 포함하는 몇몇 종류의 감쇠 물질에 의한 폭연 압력파의 측면 편향이 결국 압력파에 의해 도달된 최대 압력을 감소시킨다는 것을 제시한다.

예전에 언급된 바와 같이, 열 전달보다 더 연관된 특징은 폭음을 회피하기에 충분하게 폭연 압력파를 분해하는 감쇠 물질의 능력에 영향을 준다: 프로세스 용기의 한정된 영역의 크기 및 형태에 대한, 감쇠 물질의 구성성분들의 형상. "유효 직경"은 세라믹구 또는 폴링 등과 같은 복수 개의 구성성분들을 갖는 감쇠 물질의 정량화가능한 특성이고, 이는 폭연시 압력파 전면의 전달을 방해하기 위해 이용가능한 감쇠 물질의 각각의 구성성분의 단면 프로파일을 정량화하도록 발명자에 의해 전개되었다. 원리에 의한 제한되는 바램없이, 여기에서 사용된 "유효 직경"은, 화염 방지 장치 설계의 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 의해 알려진 "수력 직경(hydraulic diameter)" 개념과 유사하다. 수력 직경의 개념은 파이프 및 도관을 통하여 유동하는 유체로부터 열 에너지의 제거에 대한 비 원형 파이프들 및 도관들의 표면 영역 및 현상의 영향을 정량화시키는 수단을 제공한다. 유사하게, "유효 직경"의 개념은 압력파 진달에 대한 방해물(impediment)로서 원형 단면 프로파일을 지속적으로 나타내는, 일반 구형 구성성분들과 비교하여 본 바와 같이, 그를 통하여 압력파 전면의 전달 상에 비-구형 구성성분들을 갖는 감쇠 물질의 형상의 영향의 유사한 정량화를 제공하도록 전개되어 왔다.

"일반 구형 요소들(generally spherical components)"은, 구 내에 내접될 때(inscribed), 구의 폐쇄된 부피의 약 50%보다 많이 차지하는(= 내접 부피비 > 0.50), 외부 형상을 갖는 구성성분들을 의미한다. 예를 들어, 입방체(cube)의 경우에, 내접 부피비는 약 0.68이고, 대략적으로 균등한 L:D[(예를 들어, L=0.375인치: D = 0.25인치, 부피 = 0.0184 입방 인치; Ds = 1.14㎝, 그래서 구 부피 = 0.0479 입방 인치; & 이어서 비율은 0.0184/0.0479 = 0.3840]를 갖는 'DENSTONE 실린더'를 위한, 그것은 약 0.38이다. 내접 부피비의 수학적 산출은 기하 및 삼각법에서의 통상의 지식을 가진 자에 의해 손쉽게 달성될 수 있다. 물론 이러한 산출은 포함된 입자의 형상이 회전의 솔리드들로 일어나는 것과 같은, 하나 이상의 대칭의 축들을 포함할 때 단순화된다. 규칙적인 폴리헤드라(polyhedra)와 유사한 다면체형 입자들의 경우에, 표면 형태는 면들의 수가 증가하고 외접 부피비가 1에 접근하기에 구에 가깝도록 시작한다.

이런 용어가 여기에서 사용된 바와 같이, 감쇠 물질의 구성성분들의 "유효 직경"은 내부에 단일 평균 구성성분가 내접하는 구의 평균 직경을 의미한다. "평균 유효 직경"은 약 +/-5% 또는, 예를 들어, 심지어 10% 또는 20%의 측정 공차 이내에 수치적으로 동등한 유효 직경이다.

상호 간에 대하여 이들 구성성분들의 패킹 또는 배열, 뿐만 아니라 개별적인 압력 감쇠 구성성분들(예를 들어, 구성성분 형상)의 유효 직경 및 형상 모두는 특정 프로세스 용기에서 달성된 압력 감쇠의 정도에 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견하여 왔다. 일반적으로 말해서, 구성성분들의 유효 직경이 작으면 작을수록, 압력 감쇠는 더 커진다. 또한, 출원인들은 감쇠 물질의 구성성분들의 다중층들은 구성성분들의 단일 층보다 폭연 압력 감쇠의 더 큰 정도를 생성하고, 최대 감쇠는 대부분의 프로세스 용기의 한정된 영역이 감쇠 물질로 충진될 때 가능하다는 것을 발견하여 왔다.

입자들의 다중층들이 프로세스 용기를 갖는 폭연 압력을 감쇠시키는 데에 사용되는 경우에, 이러한 입자들의 다중층들이 "채널링(channeling)"을 최소화시키는 잘-배열된 벌크 형상으로 이루어지는 것이 바람직하다. 채널링은 유체가 편향되거나 방해되는 것보다 손쉽고 끊임없이 통과하여 유동할 수 있는 적어도 반-접촉 통로를 나타내는 장비 또는 방해물의 구성으로 경로에 따른 상대적으로 방해받지 않는 유체의 유동의 전개를 의미한다.

이상적인 경우에, 정확하게 동등한 직경의 완벽하게 매끄럽고 균일한 구형 입자들만이 사용될 수 있는데, 그 이유는 이러한 입자들이 균일한 면-중앙의 입방 배향을 갖는 벌크 형상으로, 자기-결합 또는 "자기 배열"될 것이기 때문이다. 이런 자기-배열 거동은 바람직한데, 그 이유는 구성성분들에 대해 상당한 수동 조정을 할 필요없이, 유체가 통하여 유동할 수도 있는 접촉 개구들을 거의 제공하지 않거나 전혀 제공하지 않는 잘-배열된 벌크 형상의 이점을 제공하기 때문이다. 자기-배열되는 경향이 있는 구성성분들을 가진 감쇠 물질들은 프로세스 용기의 한정된 영역으로 감쇠 물질을 단순히 붓거나(pouring) 쏟아부음(dumping)만으로도 용기의 효율적인 충진을 가능하게 한다.

다행히, 출원인들은 동등한 유효 직경의 일반 구형 구성성분들을 포함하는 감쇠 물질이 이런 이상적인 구형 거동에 가장 근접하게 유사한 더 높은 내접 부피비를 갖는 입자들을 갖는 이런 이상적인 구형 거동에 유사하다는 것을 발견하여 왔다.

따라서, 더 상세하게 아래에 설명될 바와 같이, 이제 통상의 지식을 가진 자가 주어진 크기의 미립자 물질을 선택하는 단계, 실험실 실험구에서 압력 감쇠 성능을 검증하는 단계, 및 (실험된 바와 같이) 이런 정확한 물질을 폭연 압력 감쇠의 이익을 획득하도록 훨씬 더 크고, 상업적 규모의 프로세스 용기를 배치하는 단계를 수행하는 것이 가능하다.

동등한 유효 작경의 일반 구형 입자들을 포함하는 감쇠 물질이 사용되는 경우에, 실험실 장치에서 실험된 것보다 큰 크기의 구성성분들을 갖는 감쇠 물질을 사용하는 것을 바람직할 수 있다. 이는 구성성분들의 유효 직경이 클 때 구성성분들의 모임을 통한 주어진 기체 유동의 압력 하강이 최소화될 수 있기 때문이다. 높은 압력 하강은 (예를 들어, 기체 압력 시스템의 사용을 통하여) 프로세스 용기로 공급된 기체의 증가된 여압(pressurization)을 요구하고, 이는 비용이 많이 든다. 또한, 기체 공급의 증가된 여압은 시스템의 자동 점화 온도 및 가연성 한도에 악영향을 미친다. 불행하게도, 압력 하강을 최소화시키는 목적은 (상기에 언급된 바와 같이) 작은 입자들의 사용을 통하여 압력 감쇠를 최소화시키는 목적에 직접적으로 반대하고 엄청나게 많은 수의 값비싼 실험실 실험의 수행없이 실제로 이런 상황을 조정하는 것이 어렵게 된다.

다행히, 출원인들의 넓은 투자는 실험실에서 실제적으로 실험된 감쇠 물질의 구성성분들보다 상이한 유효 직경을 갖는 구성성분들을 포함하는 감쇠 물질의 거동을 예상하는 것이 가능하다는 것을 예상치 못하면서 놀랍게도 도시하여 왔다. 더욱 특히, 본 발명의 방법은 통상의 지식을 가진 자가 상대적으로 거의 없는 실험실 실험을 수행하고 이어서 큰 상업적-규모의 용기들에서의 감쇠 물질의 구성성분들을 위한 적절한 유효 직경을 선택하도록 스케일-업(scale-up)하는 것으로, 전개되어 왔다. 이런 방법은 주어진 입자 형상을 위한 폭연 혼합 인자(DMF)의 결정을 포함한다.

DMF는 폭연 압력 감쇠를 획득하기 위하여 주어진 프로세스 용기에 사용될 수 있는 최대 유효 직경을 확인하기 위한 기초를 제공한다. 이러한 방법 없이, 이런 정보를 획득하기 위하여 실험실에는 풀 스케일(full scale) 실험 시스템을 구성하는 것이 필요할 것이다. 많은 프로세스 용기들이 20피트(6.1미터) 이상의 직경일 수 있다는 것이 주어진다면, 이러한 실험 접근법은 비현실적이다. 우리의 예에서, 3.6인치(9.14 센티미터)의 솔리드, 공동 세라믹 볼들은 10리터 실험실 실험 용기에서 1/4인치 DENSTONE 구들의 성공적인 실험을 기초로 한, 22피트(6.7미터)의 직경을 갖는 상업적인 용기에 효율적으로 사용될 수 있다. 비어 있는 용기의 최대 폭연 압력(Pmax)가 프로세스 용기의 한정된 용기 내의 가연성 기체의 압력, 온도 및 조성의 초기 상태에 따를 때, 주어진 감쇠 물질 구성성분에 대한 DMF 값 대 Pmax의 관계도 또한 그렇다. 그러나, 일단 프로세스 용기 내의 가연성 기체의 압력, 온도 및 조성의 초기 상태가 고정되면, DMF 대 Pmax 관계도 또한 고정된다.

약 14보다 큰 DMF를 갖는 입자들은 원하는 최대 허용 용기 압력 아래의 피크 압력을 유지하는 충분한 폭연 압력 감쇠하지 않을 것이고 그래서 선택되지 않아야 하는 것이 아래에서 제공된 실시예에 기초로 하여 명백할 것이고, 여기에서 평방인치당 35 파운드 게이지(35 pounds per square inch gauge; "psig") 및 225℃(437℉)에서 프로필렌을 포함하는 가연성 기체 혼합물이 사용된다.

본 발명의 방법은 동등한 유효 직경의 일반 구형 구성성분들을 갖는 감소 물질들을 갖는 사용을 위하여 전개되어 왔다. 우리는 내접 부피비가 높고, 이에 따라 0.3보다 큰 내접 부피비를 갖는 구성성분(DENSTONE 실린더), 더욱 바람직하게는, 0.6보다 큰 내접 부피비를 갖는 구성성분(입방), 또는 심지어 0.9보다 큰 내접 부피비를 갖는 구성성분(DENSTONE 구)를 갖는 감쇠 물질을 사용하는 것이 바람직할 때 방법은 압력 감쇠 거동을 가장 정확하게 예견한다는 것을 믿는다.

우리는 또한 방법이 그물 모양 세라믹 폼 구성성분들을 포함하는 감쇠 물질로 효율적으로 사용될 수 있고, 여기에서 평균 포어 크기의 직경은 구형 구성성분들의 유효 직경에 대신된다는 것을 결정하여 왔다. 예를 들어, 인치 당 20개 포어들("ppi")의 정상 다공성을 갖는 세라믹 폼은 1.27㎜(25.4㎜/20)의 유효 직경을 가질 것이다.

방법은 또한 예를 들어, DENSTONE 구 및 DENSTONE 실린더와 같은, 두 개의 일반 구형 구성성분들의 혼합을 포함하는 감쇠 물질의 거동을 예견하는 데에 적절하게 효율적일 것이다. 만약 두 개의 구성성분들의 형태의 유효 직경이 동등하다면, 혼합물은 단일 구성성분-형태 감쇠 물질의 성능에 가까울 것이고, 그런 예견의 정확도는 더 작은 유효 직경에서 최상일 것이다.

두 개의 상이한 유효 직경의 일반 구형 구성성분들이 감쇠 물질을 위해 사용되는 구체예에서, 구성성분 직경의 비(D_large / D_small)는 적어도 100 예를 들어, 적어도 1000인 것이 바람직하다. 직경의 상이함은 인접한(상이한 크기의) 입자들 사이의 인터페이스(interface) 영역에서 채널과 같은 보이드들을 생성하는, 구성성분 층들의 배열에 부정적으로 영향을 줄 수 있고, 물론 이는 그 영역에서의 국부적 압력 감쇠를 경감시킨다. 크기 차이가 증가하기에, 더 작은 입자들이 큰 직경 입자들 사이의 인터페이스 영역으로 더 손쉽게 패킹될 수 있기 때문에, 큰 직경 구성성분는 압력 감쇠에 악영향을 덜 미친다. 매우 큰 크기 차이의 한도에서, 큰 구성성분들의 곡률 반경은 인터페이스 영역에서 근소하게 되고 큰 구성성분의 형상은 인접한 구성성분들에 대한 용기 벽과 동등하다. 작은 입자들을 갖는 전체 부피를 충진하는 것이 (예를 들어, 구성성분들이 너무 밀집되어 프로세스 용기를 위한 최대 중량 한도가 초과되는) 문제일 때 매우 상이한 크의 '입자들'을 사용하는 접근법은 특히 유용하고, 더 큰 구성성분는 더 큰 구성성분가 공동인 것과 같은, 작은 구성성분의 밀보다 작은 밀도를 갖는다.

미국 특허번호 제6,649,137호(도 20 참조)에서 설명된 원뿔형(conical) 인서트(insert) 또는 세라믹 섬유 블랭킷(blanket)과 같은 다른 큰 내부 구조물이 본 발명의 발명에 따른 적절한 감쇠 물질 이외에, 프로세스 용기의 한정된 영역 내에 배치될 수 있다는 것이 더 언급된다. 다른 큰 내부 구조물들의 사용은 프로세스 용기의 한정된 영역의 부피를 감소시키고, 이에 의해 한정된 영역을 충진하기 위해 필요로 하는 감쇠 물질의 양을 감소시키며, 차례로, 한정된 영역에 추가된 물질의 총 중량을 감소시키는 한편, 여전히 효율적인 정도의 폭연 압력의 감쇠를 달성한다.

본 발명의 하나의 양상에서, 방법은 프로세스 용기의 한정된 영역에서 가연성 기체의 연소에 의해 생성된 폭연 압력을 감쇠시키기 위하여 제공된다. 예를 들어, 한도없이, 프로세스 용기는, 도 1에 도시된 바와 같이, 탄화수소의 촉매 산화를 위해 사용된 쉘 및 튜브 반응기일 수 있고, 한정된 영역은 제 1 튜브 시트(14) 및 반응기 헤드(24)에 의해 감싸진, 반응기의 입구 영역일 수 있다. 프로세스 용기는 (설계 및 작동 설명의 일부로서 제조업자에 의해 종종 제공된) 최대 허용 억제 압력(P(c))를 갖고 한정된 영역은 단면 반경(R(v))을 갖는다. 프로세스 용기는 초기 공급 기체 조성물, 온도 및 압력을 포함하는 알려진 작동 조건들에서 작동된다. 초기 공급 기체 조성물은 상기 작동 조건들에서 산소 및 탄화수소의 가연성 혼합물을 더 포함할 수 있다. 가연성 기체의 점화 후에, 폭연 압력파는 한정된 영역에 피크 압력(P(max))을 전달하고 도달한다. 일반적으로, 앞서 말한 점화로부터 기인한 폭연 압력은 프로세스 용기의 한정된 영역에서 적절한 감쇠 물질을 선택 및 배치함으로써 감쇠된다. 적절한 감쇠 물질은 공정의 작동 조건에서 물리적인 형태를 유지하고 복수 개의 구성성분들을 갖는다. 감쇠 물질의 구성성분들은 유효 직경을 갖고 또한 형상을 가질 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 제 1 단계는 특정 가연성 기체가 존재할 프로세스 용기의 한정된 영역에서 사용에 적절한 감쇠 물질의 구성성분들의 최대 유효 직경을 결정하는 것이다. 이는 연관된 쌍의 피크 폭연 압력들 및 폭연 혼합 인자들을 포함하는 실험 데이터를 전개함으로써 달성되고, 이는 복수 개의 감쇠 물질들 사이의 선형관계를 설명하고, 감쇠 물질들 중 적어도 하나는 초기 공급 기체 조성물과 동일한 조성을 갖는 가연성 기체의 점화 후에 도달된 피크 압력들, 및 다른 감쇠 물질들의 구성성분들의 유효 직경들과 상이한 유효 직경을 갖는 구성성분들을 갖는다.

더 특히, 실험 데이터는 각각 실험에 대하여, 알려진 초기 가연성 기체 온도 및 압력의 고정된 조건들 및 일관된 조성의 가연성 기체 및 실험구를 상용하는 다중 실험을 수행함으로써 전개된다. 실험구는 반경(R(ts))을 갖고 실험 동안에 온도 및 압력 데이터를 수집 및 기록하기 위한 센서들 및 디텍터들을 갖추고 있다. 각각의 실험 동안에, 실험구는 초기 압력 및 온도와 같은, 잘 알려진 작동 조건들에서, 가연성 기체로 충진되고, 이어서 가연성 기체는 점화된다. 가연성 기체는 예를 들 어, 한도없이, 하나 이상의 탄화수소 및 산소를 포함할 수 있다. 폭연 하는 동안에 도달된 최대 또는 "피크" 폭연 압력은 각각의 실험에 대하여 측정되고 기록된다. 초기에, 가연성 기체가 실험구로 공급되고 연소될 때 실험구는 어떠한 감쇠 물질들도 포함하지 않는다. 어떠한 감쇠 물질이 없을 때 가연성 기쳉의 점화로부터 기인한 피크 폭연 압력(Pmax(0))은 기록되고 다음 실험에 대비하여 비워진(evacuated) 구이다.

적어도 두 개의 연속적인 실험은 각각의 실험을 위한 실험구에서의 상이한 감쇠 물질들을 제외하고, 가연성 기체의 동일한 조성으로 충진된 실험구로 안내된다. 피크 폭연 압력은 실험된 감쇠 물질 각각에 대하여 기록된다. 더 특히, 실험구는 제 1 유효 직경(Ds(1))을 갖는 제 1 선택된 감쇠 물질로 충진되고, 이어서 가연성 기체는 제공되고 점화되며, 이후에 제1 선택된 감쇠 물질과 연관된, 제 1 피크 폭연 압력(Pmax(1))이 기록된다. 적어도 하나 이상의 실험은 실험구가 제2 유효 직경(Ds(1))을 갖는 제2 선택된 감쇠 물질로 충진되는 곳에 안내되고, 이어서 가연성 기체는 제공되고 점화되며, 이후에 제 2 선택된 감쇠 물질과 연관된 제 2 피크 폭연 압력(Pmax(2))이 기록된다. 만약 원한다면, 추가 실험은 상이한 유효 직경들을 갖는 추가 형태의 감쇠 물질을 사용하여, 수행될 수 있다. 관련된 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 용이하게 이해될 바와 같이, 추가 실험은 추가 실험 데이터를 제공할 것이고, 이는 여기에서 사용된 것과 같은 선형 모델을 생성하는 것을 제외하고, 실제 산업 규모의 프로세스 용기에서 사용하는 감쇠 물질의 크기 및 형태를 결정하기 위한 더 강인하고 신뢰할만한 모델을 제공하는 것이 기대될 것이고, 두 데이터 지점의 최소값이 요구된다. 물론, 동일한 데이터는 (예를 들어, 다양한 반경들을 갖는) 다양한 부피의 실험구, 예를 들어, 5리터의 하나의 실험구, 10리터의 다른 실험구, 및 20리터 부피의 다른 실험구에서 여러 차례, 특정 형상의 감쇠 물질을 실험함으로써 획득될 수 있다.

물론, 관련된 업계의 통상의 지식을 가진 자에 의해 손쉽게 인지될 바와 같이, 만약 감쇠 물질을 사용하는 제 1 실험의 최종 Pmax가 실험된 특정 감쇠 물질이 Pmax에서의 충분한 감소를 제공하여, Pmax가 감쇠 물질이 사용되는 프로세스 용기 내에서 프로세스 용기의 설계 압력보다 작도록 하는 것을 입증한다면, 이어서 상이한 크기의 감쇠 물질들로 실험을 수행하는 것이 엄격하게 필요하지 않다. 오히려 이들 결과들은 제 1 실험에서 실험된 물질과 같은 동일한 형상 및 유효 직경을 갖는 감쇠 물질이 본 발명에 따른 내부에 폭연 압력을 감쇠시키기 위한 프로세스 용기의 한정된 영역에서의 배치에 적절할 것이라는 결론을 지지할 것이다. 따라서, 실험된 물질과 동일한 형상 및 유효 직경의 감쇠 물질은 적어도 20% 부피-충진을 제공하는 양으로 한정된 영역에 배치될 수 있다. 그러나, 만약 압력 하강이 용인가능하고, 이어서 이어지는 실험이 회피될 수 있다면, 그 안의 감쇠 물질 배치의 결과로서 한정된 영역에 걸친 압력 하강일 수 있다.

폭연 압력 감쇠의 한도는 사용된 감쇠 물질의 양(즉, 한정된 영역 내의 백분율 부피-충진)을 따라 발견되어 왔고; 따라서, 특정 감쇠 물질의 100% 부피-충진이 사용된 때 어떤 주어진 감쇠 물질에 대한 Pmax의 가장 큰 감소가 획득될 것이다. 실시예 3에서 언급된 바와 같이, 만약 Pmax의 어떠한 측정가능한 감소가 추천되지 않는면, 약 20%보다 작은 부피-충진의 사용은 거의 제공되지 않는다. 따라서, 다중 실험들이 상기에 설명된 것과 같은 선형 모델을 생성하도록 수행된 때, 모든 실험들이 실험구 내의 동일한 백분율의 부피-충진을 사용하여 수행된다면 더 강인하고 신뢰성있는 모델이 획득될 것이라는 것이, 본 개시의 이익이 주어져, 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 또한, 프로세스 용기 내에서 감쇠 물질의 100%보다 작은 부피-충진을 갖는 본 발명의 방법을 사용하는 것이 바람직하고, 실험이 실험구에서 감쇠 물질의 동등한 양을 사용하여 수행되는 것이 추천된다. 예를 들어, 만약 주어진 프로세스 용기에서 주어진 감쇠 물질의 50% 부피-충진을 사용하는 것이 바람직하다면, 실험은 스케일-업을 위한 가장 대표적인 실험 데이터를 획득하기 위하여 실험구에서 동등한 50% 부피-충진으로 수행되어야만 한다.

감쇠 물질에 대하여, 감쇠 물질의 구성성분들의 형상은 예를 들어, 한도없이, 구형, 달걀형, 원기둥형, 새들형(saddle-shaped), 블럭형(block-shaped), 연장형 및 다면체형 형태들 중 적어도 하나일 수 있고, 솔리드(solid), 공동, 다공성 및 적어도 하나의 관통로를 가지는 것으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 갖는다. 더욱이, 감쇠 물질은 세라믹, 미네랄, 금속 및 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질의 적어도 하나의 형태로 만들어질 수 있다. 더욱이, 제 1 및 제 2 감쇠 물질들을 선택하는 것이 더 유리하여, 형상, 특히, 제 1 선택된 감쇠 물질의 구성성분들의 유효 직경(Ds(1))이 형상, 즉, 제 2 감쇠 물질의 구성성분들의 유효 직경(Ds(2))과 상이하다.

다음으로, 각각의 피크 폭연 압력(Pmax(0), Pmax(1), Pmax(2)...Pmax(n), 여 기에 "n"은 실험구로 수행된 실험의 총 수이다)에 대하여, 대응하는 폭연 혼합 인자(DMF(0), DMF(1), DMF(2), ... DMF(n), 여기에 "n"은 수행된 실험의 총 수이다)는 하기 공식을 사용하여, 산출된다:

DMF(n) = (Ds(n)/R(ts)) × 40

여기서 n = 0, 1, 2... n이고, Ds(n) 및 R(ts)는 각각 센티미터로 측정된다.

이변수(x, y) 데이터 집합이 전개되어야 왔기 때문에, 상이한 유효 직경을 제외하고 유사한 형상의 물질들에 대한 폭연 혼합 인자(DMF(n))와 피크 폭연 압력(Pmax(n)) 사이의 대략적 선형 관계는 변수(M, B)에 대한 상수 값을 결정하는, 데이터 쌍을 기초로 한, 하기 수학 관계식을 해결하는 것을 요구하는, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 잘 알려진, 대수의 기술을 사용하여 결정될 수 있다(즉; 선형화):

Pmax(n) = M × DMF(n) + B

여기에서 n = 0, 1, 2... n이다.

만일 상수들(B, M)의 값이 산출되어 왔고 최대 허용 억제 압력(P(c))를 알면, 프로세스 용기에 포함될 수 있는 최대 폭연 혼합 인자(DMF(a))는 알려진 B, M 및 (P(c))의 값을 이용하여, 산출된다:

DMF(a) = [P(c) - B] / M.

결국, 프로세스 용기의 한정된 영역에서 폭음을 회피하고 달성된 최대 압력(Pmax)를 감소시키기에 충분한 폭연 압력을 성공적으로 감쇠시키는 것이 기대되는 감쇠 물질의 구성성분들의 최대 유효 직경(Ds(a))은 하기 수학 관계식을 이용하여 산출될 수 있다:

Ds(a) = [DMF(a) ×R (v)] / 40; 그리고

감쇠 물질의 구성성분들에 대한 최대 유효 직경(Ds(a))을 알 때, 감쇠 물질의 구성성분들은 산출된 최대 유효 직경 (Ds(a)) 이하의 유효 직경을 갖는다. 구성성분들 사이의 개방 경로 및 보이드 공간들을 최소화시키는 방법으로, 선택된 감쇠 물질은 프로세스 용기의 한정된 영역에 배치된다. 감쇠 물질은 예를 들어, 한정된 적어도 20 부피%, 적어도 40부피% 또는 심지어 적어도 60부피% 또는 적어도 80부피%를 차지해야 한다. 위에서 논의된 바와 같이, 몇몇 감쇠 물질들은 그 안에서 용기 또는 한정된 영역으로 제공될 때 자기 지지하는 구성성분들을 포함하고, 자체를 자연스럽게 정착시키고 배열하여 그들 사이의 개방 경로들 및 보이드 공간들이 매우 균일하고 최소화되도록 한다. 그러나, 임의로 프로세스 용기의 한정된 영역으로 제공될 때 감쇠 물질이 자기 지지하지 않을 때, 한정된 영역에서 그들을 배치하는 단계는 구성성분들 사이의 개방 경로들 및 보이드 공간들을 최소화하고 가능한 한 균일하게 이러한 공간들 및 경로들을 만드는 한정된 영역에서 감쇠 물질의 구성성분 각각을 수동적으로 위치시키는 것을 요구한다.

관련된 업계에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 손쉽게 이해될 바와 같이, 피크 폭연 압력(Pmax(0))을 실험적으로 결정하는 단계는 실험구에서 가연성 기체를 점화시킴으로써 수행될 수 있고, 이는 미리결정된 작동 조건들의 온도 및 압력에서, 그렇지 않게 비어 있으며, 이어서 점화 후에, 실험구에서 도달된 최고압(Pmax(0))을 측정한다. 유사하게는, 미리결정된 작동 조건들의 온도 및 압력에 서, 제 1 선택된 감쇠 물질로 실험구를 충진된 후에, 제 1 피크 폭연 압력(Pmax(1))을 실험적으로 결정하는 단계는 실험구 내의 가연성 기체의 점화에 의해 수행될 수 있고, 이어서 점화 후에, 제 1 선택된 감쇠 물질로 충진된 실험구에서 도달된 최고압력(Pmax(1))을 측정하는 것이다. 물론, 미리 결정된 작동 조건들의 온도 및 압력에서, 제 2 선택된 감쇠 물질로 실험구를 충진한 후에, 제 2 피크 폭연 압력(Pmax(2))를 실험적으로 결정하는 단계는 실험구 내의 가연성 기체의 점화에 의해 수행될 수 있고, 이어서 점화 후에 제 2 선택된 감쇠 물질로 충진된 실험구에서 도달된 최고 압력(Pmax(2))을 측정하는 것이다. 감쇠 물질의 추가적인(즉, 제 3 의, 제 4 의 등) 형태들 및 크기들을 위한 최대 압력(Pmax(n))은 상기에 설명된 바와 동일한 방법에 의해 결정된다.

본 발명의 또다른 구체예에서 튜브형 반응기는 그 내부에 가연성 기체의 연소로부터 초래하는 폭연 압력의 감쇠에 적합한 것이 제공된다. 튜브형 반응기는 모두가 쉘 내에서 둘러싸인, 제 1 및 제 2 관통 플레이트 사이에서 확장하는 복수 개의 튜브들을 포함한다는 점에서, 도 1에 관련하여 상기에 설명된 바와 같이, 일반적인 종래 구성이다. 쉘에 의해 관통 플레이트들 및 튜브들의 인클로저(enclosure)는 반응 영역 및 복수 개의 튜브들 주위에 유체의 순환을 위한 쉘측 영역을 형성한다. 반응 영역은 제 1 관통 플레이트의 반경에 실질적으로 동일한 반경을 가지며 제 1 관통 플레이트에 의해 일측에 감싸진, 한정된 입구 영역, 및 제 2 관통 플레이트의 반경에 실질적으로 동일한 반경을 가지며 제 2 관통 플레이트에 의해 일측에 감싸진 한정된 출구 영역을 포함한다. 복수 개의 튜브들 각각은 반응 유체의 처리양에 대해 한정된 입구 및 한정된 출구 영역들 모두를 유체 연결한다. 모두가 형상을 갖는, 복수 개의 구성성분들을 갖는 감쇠 물질을 더 포함하는 본 발명에 따른 튜브형 반응기가 배치되어 구성성분들 사이의 개방 경로들과 보이드 공간들이 최소화되도록 한다. 감쇠 물질은 예를 들어, 한정된 입구 영역 및 한정된 출구 영역 중 적어도 하나의 영역의 부피의 적어도 20%, 적어도 40%, 또는 적어도 60% 또는 적어도 80%를 차지한다. 더욱이, 감쇠 물질의 구성성분들은 하기 수학 관계식을 충족시키는 유효 직경(Ds(a))을 갖는다:

Ds(a) = [DMF(a) × R(v)] / 40

여기에서 D(s)는 센티미터이고, (DMF(a))는 감쇠 물질과 연관된 폭연 혼합 인자이고 상기 설명된 방법에 의한 실험적으로 결정되며, R(v)는 센티미터이고 감쇠 물질로 차지된 한정된 입구 또는 출구 영역 중 어느 것의 반경이다.

튜브형 반응기가 C₁-C₈ 탄화수소, 예를 들어 C₃-C₈ 탄화수소의 기체 상 촉매 산화에 사용되어, 불포화 알데하이드 및 불포화 카르복실산을 포함하나 이에 한정되지 않는 이들의 상응하는 옥시겐화(oxygenate) 생성물을 생성하도록 하는 곳에서, 가연성 기체는 한정된 영역들 내에 존재한다. 가연성 기체는 종종 하나 이상의 옥시겐화 생성물 및 불활성 물질과 같은, 다른 가능한 구성성분들 사이에 하나 이상의 C₁-C₈ 탄화수소 및 산소의 혼합물이다. 기체 상 촉매 산화의 예들은: 이소부틸렌을 메타크롤레인 또는 메타크릴산으로의 산화; 이소부탄을 메타크롤레인 또는 메타크릴산으로의 산화; 부탄을 말레 안하이드라이드로의 산화; 프로판을 아크롤레인 또는 아크릴산으로의 산화; 프로필렌을 아크롤레인 또는 아크릴산으로의 산화; 및 메탄을 하이드로겐 시아나이드로의 암모산화를 포함하나 이에 한정되지 않는다.

위에서 논의된 바와 같이, 감쇠 물질의 형상은 구형, 달걀형, 원기둥형, 새들형(saddle-shaped), 블럭형(block-shaped), 연장형 및 다면체형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 형태, 및 솔리드(solid), 공동, 다공성 및 적어도 하나의 관통로를 가지는 것으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 포함한다. 더욱이, 감쇠 물질은 세라믹, 미네랄, 금속 및 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질의 적어도 하나의 형태를 포함한다. 적절한 감쇠 물질의 예들은 세라믹 새들, 버미큘라이트(vermiculite) 입자, 감겨진 FIBERFRAX 세라믹 브라켓(FIBERFRAX 물질은 미국, 뉴욕의 Unifrax of Niagra Falls로부터 상업적으로 이용가능하다)을 포함하는 실린더, 글라스 마블(glass marble), 폐 혼합된 금속 옥사이드 형태 산화-촉매(spent mixed metal oxide type oxidation-catalyst), 칼슘 카보네이트 입자, 알루미늄 라시히 링(Rasching ring), 버블 알루미나를 포함하는 프리-캐스트 실린더, 페놀 레진 당구공, 공동 스테인리스 스틸 볼, 그물 모양 구리 폼 타일, (미국, 오하이오, Saint-Gobain Norpro of Stow로부터 상업적으로 이용가능한) 펜타링 베드-토핑 미디어(Pentaring bed-topping media) 및 실리콘 카바이드 볼 베어링을 포함하나 이에 한정되지 않는다.

본 발명의 튜브형 반응기의 또 다른 구체예에서, 둘 이상의 감쇠 물질은 한정된 입구 영역 및 한정된 출구 영역 중 적어도 하나에 존재하고 감죄 물질 중 적어도 하나는 다른 감쇠 물질의 구성성분들의 형상과 상이한 형상을 갖는 구성성분들을 갖는다.

특히, 둘 이상의 감쇠 물질들은 한정된 입구 영역 및 한정된 출구 영역 중 적어도 하나에 존재할 수 있다. 이들 감쇠 물질의 적어도 하나는 하기 수학 관계식을 충족시키는 유효 직경(Ds(a))를 갖는 구성성분들을 가져야 한다:

Ds(a) = [DMF(a) × R(v)] / 40

여기에서 D(s)는 센티미터이고, (DMF(a))는 감쇠 물질과 연관된 폭연 혼합 인자이고 상기의-설명된 방법에 의한 실험적으로 결정되며, R(v)는 센티미터이고 감쇠 물질로 차지된 한정된 입구 또는 출구 영역 중 어느 것의 반경이다.

본 발명은 또한 가연성 작동 조건들에서 안전하게 기체 상 반응을 수행하기 위한 방법을 제공하고, 이는 기체 공급 조성, 반응 온도 및 반응 압력을 포함한다.

물론, 가연성 작동 조건들이 어떠한 주어진 반응 시스템에서 존재하는지는 반응(들)이 수행되는 온도 및 압력(즉, 반응 온도 및 반응 압력) 뿐만 아니라, 기체 물질들의 종류 및 기체 공급 조성물에 함유된 이들의 비율을 포함하나, 한정되지 않는 다양한 변수에 따를 것이다. 관련된 업계의 통상의 지식을 가진 자에 의해 잘 이해될 바와 같이, 가연성 작동 조건들은 동일한 기체 흐름에서 산소 및 가연성 기체의 상대적인 농축 또는 비율이 이들이 공정에서 존재하는 공급 흐름, 온도 및 압력의 특정한 요소에 따르는, 폭발 상한도(Upper Explosive Limit; UEL)과 폭발 하한도(Lower Explosive Limit; LEL) 사이의 폭발 영역 내에서 떨어질 때 점화, 연소 및/또는 폭발하는, 알칸 및 알켄과 같은, 가연성 기체 및 산소를 포함하는 기체 흐름에 대하여 존재하는 것에서의 것이다. 이러한 불상사(mishap)을 회피하기 위하여, 이러한 산화 공정의 기체 공급 흐름에서의 산호 및 가연성 기체(알칸, 알켄)의 상대적인 양은 일반적으로 예를 들어, LEL 아래에 또는, 대안적으로 UEL 위에서의 비율로 폭발 영역의 외부 값에 유지된다. 그러나, 이런 접근법은 반응 동안에 채택될 수 있는 반응물 처리량을 제한하고, 이에 따라, 경제적으로 실행가능한 비율로 진행되는 것에 중요한 특정 반응을 위하여 요구된 압력 및 온도에 따라, 생성될 수 있는 생성물의 양을 또한 제한한다. 당업계의 통상의 지식을 가진 자는 가연성 작동 조건들이 특정한 기체 공급 조성물에 대해 존재하는지를 결정하는 다양한 방법에 정통하고, 이는 특정 반응 온도 및 압력에서, 탄화수소 및 산소를 포함한다. 예를 들어, 한도없이, 특정 반응 시스템의 가연성을 결정하는 하나의 방법은 2004년 1월의 유럽 표준 DIN EN 1839에서 설명된 바와 같이 실험실 측정을 수행하는 것이다.

가연성 작동 조건들에서 안전하게 기체 상 반응들을 수행하기 위한 본 발명의 방법은 기체 공급 조성물이 통과하여 지나는 한정된 영역을 갖는 반응 용기를 제공하는 것을 포함하고, 한정된 영역은 가연성 작동 조건들에서 이의 물리적 형태를 유지하는 적어도 한의 감쇠 물질에 의해 차지된 적어도 20부피%이다. 기체 상 반응을 수행하는 방법은 반응 용기의 한정된 영역을 통과하여 지나는 기체 공급 조성물을 형성하도록 반응 용기에 하나 이상의 기체 물질을 제공하는 것, 및 상기 기체 공급 조성물이 가연성이 있는 온도 및 압력에서, 반응 용기에서의 하나 이상의 반응으로 기체 공급 조성물을 가하는 것을 포함한다.

하나 이상의 기체 물질은 탄화수소, 산소-함유 기체 및, 임의의, 하나 이상의 불활성 물질을 포함한다. "탄화수소"는 예를 들어, 한도없이, 더 많은 복합 탄 화수소 컴파운드(compound) 뿐만 아니라 메탄, 프로판 및 부탄과 같은 알칸, 및 프로필렌 및 이소-부틸렌과 같은 알켄을 포함한다. 여기에서 사용된 바와 같이, 용어 "산소-함유 기체"는, 예를 들어, 한도없이, 산소-풍부한 공기, 니트러스 옥사이드, 니트로겐 디옥사이드, 순수 산소, 니트로겐과 같은, 적어도 하나의 불활성 기체를 갖는 산소-함유 컴파운드 또는 순수 산소의 혼합물, 및 이의 혼합물을 포함하는, 0.01%부터 100%까지의 산소 또는 산소-함유 컴파운드를 포함하는 어떠한 기체를 의미한다. 비록 산소 함유 기체가 순수 산소 기체일지라도, 순도가 특별하게 요구되지 않을 때 공기와 같은, 산소 함유 기체를 사용하는 것이 종종 더 경제적이다. 또한, "불활성" 물질은 실질적으로 불활성이고, 즉, 중요한 특정 방향에 관여하지 않고, 그에 의해 영향받지 않으며, 그리고/또는 비활성인 어떠한 물질을 포함하고, 예를 들어, 니트로겐, 증기, 희가스(noble gas) 및 카본 다이옥사이드를 포함할 수 있는 이에 한정될 수 없다.

감쇠 물질은 감쇠 물질의 구성성분들의 최대 적정 유효 직경을 결정하는 실험을 수행하는 것을 포함하는 위에서 설명된 본 발명의 방법에 따라서 선택될 수 있다. 감쇠 물질은 세라믹, 미네랄, 금속 및 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택된 물질의 어떠한 형태일 수 있다. 감쇠 물질의 구성성분들 각각은 구형, 달걀형, 원기둥형, 와이어형, 새들형(saddle-shaped), 블럭형(block-shaped), 연장형 및 다면체형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 형태, 및 솔리드(solid), 공동, 다공성 및 적어도 하나의 관통로를 갖는 것으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 포함하는 형상을 갖는다.

가연성 작동 조건에서 안전하게 기체 상 반응을 수행하기 위한 방법의 하나의 구체예에서, 탄화수소는 프로필렌을 포함하고 기체 상 반응은 프로필렌의 산화를 포함한다. 이런 구체예에서, 감쇠 물질들은 예를 들어, 크림핑된 와이어 메쉬 실린더 및 크림핑된 와이어 메쉬 폴리헤드론을 포함할 수 있다. 또 따른 구체예에서, 기체 물질은 암모니아를 더 포함하고, 탄화수소는 메탄을 포함하며, 기체 상 반응은 메탄의 암모산화를 포함한다. 메탄의 암모산화를 위한 반응기의 감죄 물질들은 적절하게 세라믹 폼 폴리헤드론(polyhedron)을 포함할 수 있다.

실시예들

실시예 1

점화원 및 다양한 온도 및 압력 측정 센서들 및 장치들이 갖추어진, 부피 141ft³(4㎥)의 압력 용기는, 상이한 감쇠 물질이 있을 때나 없을 때나 모두에서, 압력 용기 내에서 점화된 가연성 기체의 의해 도달된 최대 폭연 압력을 실험하는 데에 사용된다.

우선, 비어 있는 압력 용기는 4 부피% 프로필렌, 11 부피% 니트로겐 및 85 부피% 공기의 조성을 갖는, 가연성 기체로 충진되고, 가연성 기체의 총 부피를 기초로 하며, 점화되고, 도달된 실제 최대 폭연 압력이 측정된다.

비움(evacuation) 후에, 압력 용기는 35ft²/ft³ (1.15 ㎠/㎤)의 표면적을 달성하는, 2인치(5.1㎝) 직경의 스테인리스 스틸 폴 링들로 충진되고, 이어서 상기의 가연성 기체로 다시 충진되며, 이는 점화되고, 압력 측정이 취해진다. 동일한 절차는 65ft²/ft³ (2.13 ㎠/㎤)의 표면적을 달성하는, 1인치(2.54㎝) 스테인리스 스틸 폴 링들로 수행되고, 이어서 (크림핑되고 감겨진 288㎏/㎥(18lb./ft³)의 밀도를 달성하는 0.0105인치(0.2667㎜) 직경 와이어로 구성되고, 캔사스, Koch-Otto York Separations Technology of Wichita로부터 상업적으로 이용가능하고) 97ft²/ft³ (3.18 ㎠/㎤)의 표면적을 달성하여, 한정된 영역이 충진될 때까지 층 상의 한정된 영역층에 배치되었던 크림핑된 스테인리스 스틸 니트 메쉬의 시트로 수행된다. 다른 실험들에서 달성된 최대 압력들 및 총 표면적과 비교하여, 상기 감쇠 물질들의 각각을 이용하여 달성된 최대 폭연 압력은 아래의 표 1에서 제공된다.

표 1에서의 데이터로부터, 만약 연소가 성공적으로 방지되었더라면, 점화를 잇는 실험 용기에서의 감지할만한 정도의 압력 증가가 존재하지 않을 것이기 때문에(즉, 초기 압력 = Pmax), 아무런 실험된 물질들이 성공적으로 연소를 방지하였다는 것이 명백할 것이다. 또한, 실험되었던 감쇠 물질들 동일한 구성의 물질(스테인리스 스틸)이었고, 이에 따라 동일한 열 전도성을 가졌다는 것이 주어질 때, 만약 열 제거가 실험 시스템 내에서 사실상 제어 메커니즘이었다면, 총 표면적과 Pmax 사이의 매우 강력한 상호관련성이 존재해야 한다는 것이 화염 방지 장치 설계의 업계의 교시에 기초로 하여 기대될 것이다. 총 표면적과 Pmax 사이의 일관된 상호관련성이 존재하지 않는다는 것이 표 1에서의 데이터로부터 명백하다. 7150 ft²의 총 표면적을 갖는, 1인치 폴링들 및 13580 ft²의 총 표면적을 갖는, 크림핑된 와이어 메쉬 모두는, 12100 ft²의 인접한 총 표면적을 갖는, 5/8인치 폴링들보다 낮은 Pmax값을 달성하였다. 더욱이, 4200 ft²의 총 표면적을 갖는, 2인치 폴링들은 비어 있는 용기의 총 표면적(표면적 없음)을 현저하게 초과하는 Pmax 값을 도달하였다. 종래 기술의 교시에도 불구하고, 이들 놀라운 실험 결과들은 몇몇 다른, 지금까지 불확실한 메커니즘이 가연성 기체 시스템에서 작동하고 있다는 것을 제안하였다.

실시예 2

도 6 및 도 7a 내지 도 7d는 본 발명에 따른 튜브형 반응기 및 방법의 이어지는 실시예들의 이해를 용이하게 하기 위하여 제공되어 왔다.

증가된 생성율로 아크릴 산 제조를 달성하기 위하여, 상업적인 규모, 높은-생산성 프로필렌 산화 쉘 및 튜브(튜브형) 반응기(현재 자체적으로 도시되지 않음)는 207℃(405℉)의 온도 및 2.55바아(bar)(37 psia)의 압력에서 7% 프로필렌보다 많이 포함하는 가연성이고 높은 탄화수소 공급 기체로 안전한 작동을 위해 구성되었다. 광범위하게 알려진 종래기술(예를 들어 미국 공개특허번호 제2006/0111575호 및 제2006/0166365호 뿐만 아니라, 미국 특허번호 제7,074,955호, 제7,102,030호 및 제7,326,810호 참조)은 가연성 또는 심지어 근접-가연성 공급 조성의 조건에서 작동이 회피되는 것을 교시하기에, 이러한 높은 생산성 작동은 지금까지 도달할 수 없어 왔다. 그러나, 본 발명의 장치 및 방법의 이행 후에, 작동의 이런 가치있는 모드(mode)는 예를 들어 아크롤레인 및 아크릴산의 제조와 같은, 높은 생산성 산화 고정의 안전한 작동을 위하여 이제 사용될 것이다.

본 실시예의 튜브 반응기 및 쉘은 6750밀리미터(22피트) 직경 수평 입구 튜브 시트(현재 자체적으로 도시되지 않았으나 일반적으로 도 1 및 첨부된 도면을 나타낸다.)에 용접된 25,000개 이상의 튜브들을 포함한다. 쉘 및 튜브 반응기는 단일 반응기 쉘로서 구성되었고, 이는 상이한 촉매 조성을 갖는, 다중 반응 구역이 각각의 튜브가 최적 반응 조건을 위한 다중 반응 구역 및 보조-구역(sub-zone)을 갖는, 단일 용기 내에 존재하였다는 것을 의미한다.

이런 상부 유동 쉘 및 튜브 반응기의 공간부분(즉, 한정된 입구 영역)(한정된 영역을 의미하는 것은 반응기의 "하부", 즉, 도 1에서의 한정된 영역(22))에 위치된다.)은 본 발명에 따른 폭연 압력을 감쇠시키는 압력 감쇠 구성성분들을 포함하는 감쇠 물질로 충진되었다. 이런 결과를 달성하기 위하여, 감쇠 물질은 축 유동 경로들을 최소화시키는(예를 들어, 채널링을 방지하는) 반응기 헤드 내에 수동적으로 위치되었던 다양한 와이어 메쉬 구성성분들을 포함하였다. 도 6 및 도 7a 내지 도 7d는 일반적으로 본 구체예를 위한 와이어 메쉬 구성성분들의 최종 구성을 도시하고, 이는 아래에 더 상세하게 설명된다.

본 실시예의 발명 구체예에 따른, 반응기는, 하기 공급 조건들에서 안전하게 작동되었다:

도 6을 참조하여, 반응기 입구-헤드 어셈블리(30)의 정면도는 도시되고, 입구 튜브 시트(36)로 둘러싸인 공간부분(한정된 입구 영역(34))을 형성하기 위하여 반응기(32)(단지 부분적으로 도시됨)에 연결된다. 입구 파이핑 플랜지(38)는 입구 헤드 어셈블리(30)의 중심선(40) 상에 위치되어 공급 기체(현재 자체적으로 도시되지 않음)가 공간부분(한정된 입구 영역(34))에 들어가도록 한다. 반응기 입구 헤드 어셈블리(30)는 1855밀리미터(6.1피트) 길이의 스트레이트-벽 채널 섹션(44)에 용접된 토리스피컬(torishperical) 헤드(42)를 포함한다. 따라서, 반응기의 공간부분 치수들은 입구 헤드 어셈블리(30)의 중심선(40)에서 측정된 바와 같이 전체적으로 약 3125밀리미터(10.25 피트)인 길이 및 약 6750밀리미터(22피트)인 직경이다. 둘러싸인 공간부분(34)은 96.1 입방미터(3393 입방피트)의 부피를 갖는다.

본 구체예의 구성성분들을 만드는 데에 사용된 특정 와이어 메쉬는 288킬로그램/입방미터(18파운드/입방미터)의 밀도를 달성하기 위하여 크림핑되고 감겨지며, 코네티컷, ACS Industries of Hartford로부터 획득된, - 일반적으로 "벌크 메쉬"로서 나타내는 - 0.0105인치 직경 304L 스테인리스 스틸 와이어를 포함하는, 니팅된 와이어 메쉬이다. 적절한 와이어 메쉬는 또한 뉴저지, Metex Corporation 또는 캔사스, Kocho-Otto York Separations Technology로부터 상업적으로 획득될 수 있다. 일반적으로, 이러한 와이어 메쉬는 니팅된 튜브로서 구성되고, 이어서 양겹 "브라켓" 형태로 사용을 위하여 플래트닝되거나(flattened), 단일-겹 시트 형태로 사용을 위한 스필링된다(spilt).

본 구체예에서, 실린더 및 직사각형 패드를 포함하는, 와이어 메쉬 구성성분들의 결합은, 둘러싸인 공간부분(34) 내에 배치되었다. 원기둥형 와이어 메쉬 구성성분들("롤들")을 형성하기 위하여, 두-겹 와이어 메쉬의 직사각형 섹션들은 우선 크림핑되고, 이어서 +/-0.5 파운드/평방 피트의 공차를 갖고, 약 288킬로그램/입방미터(18파운드/입방피트)의 벌크 밀도를 갖는, 특정 최종 높이 및 직경의 실린더를 형성하도록 코일링된다(coiled). 직사각형 패드 와이어 메쉬 구성성분들("브라켓들")의 형성을 위하여, 두-겹 와이어 메쉬의 직사각형 섹션들은 우선 크림핑되고, 이어서 약 288킬로그램/입방미터(18파운드/입방피트)의 벌크 밀도를 갖는, 특정 최종 길이, 폭 및, 높이의 직사각형 패드를 형성하도록 층으로 만들어진다(layered).

비록 크림핑(crimping)이 임의적인 것이라도, 크림핑의 사용은 설치된 구성성분들의 더 낮은 총 중량을 위한 감소된 벌크 밀도를 제공하는, 와이어 메쉬의 보이드 분율을 증가시킨다. 대안적인 구체예에서, 크림핑되지 않는 두-겹 와이어 메쉬는 약 416킬로그램/입방미터(26 파운드/입방피트)의 벌크 밀도를 갖는 와이어 메쉬 브라켓들 및 와이어 메쉬 롤들을 형성하는 데에 사용될 수 있다.

상기에 설명된, 본 구체예의 특정한 공간부분 부피에 대한, 표 2에서 나열된 하기 와이어 메쉬 구성성분들이 사용되었다:

상기-나열된 와이어 메쉬 구성성분들은 각각 표시된 입면 수준에 대한 도 7a 내지 도 7d에서 도시된 배치에 따른 한정된 입구 영역(34) 내에 수동적으로 배치된다. 이는 최상부 와이어 메쉬 표면이 입구 튜브 시트(36)로부터 약 0 내지 15 센티미터 사이의 거리 내에 위치되는 와이어 메쉬 롤들 및 브라켓들을 포함하는 본질적으로 감쇠 물질로 완전히 충진된 둘러싸인 공간부분(한정된 입구 영역(34))에 이르렀다.

튜브 시트에 가장 근접한 한정된 입구 영역(34) 내의 다섯 개의 수준들, 예를 들어, 수준 R-R, S-S, T-T, U-U, 및 V-V(도 6 참조)은 각각, 동일한 형상, 특히, 통일한 직경이기에, 도 7a에 도시된 바와 같이, 유사하게 패킹되었다. 다시 7a를 참조하여, 18인치 직경 및 14.6인치 높이인 와이어 메쉬 롤들(50)은 이들 수준에서 공간부분의 대부분을 충진하는 데 사용되었던 반면에, 12인치 직경 및 14.6인치 높이의 크기로 된 와이어 메쉬 롤들(52)은 복수 개의 더 큰 와이어 메쉬 롤들(50)의 주변부 주위에 위치되었다. 또한, 2.6인치의 직경을 갖고 14.6인치의 높이인 와이어 메쉬 롤들(54)은 큰 와이어 메쉬 롤들(50) 사이의 보이드 공간들 중 적어도 몇몇을 충진하는 가장 큰 와이어 메쉬 롤들(50) 사이의 보이드 공간들에 위치되었다. 각각의 수준(R-R, S-S, T-T, U-U, 및 V-V)에서, 높이 14.6인치의 와이어 메쉬 롤들이 그렇지 않게 형성될 보이드 채널들을 분리하는 엇갈린 방법으로, 상호 간의 상부 상에서, 종단 대 종단으로(end to end), 적층되었다.

3인치 두께, 73인치 높이 및 24인치 폭의 크기로 된 와이어 메쉬 브라켓들(56)은 한정된 입구 영역의 주변부 주위에 층으로 압축되었고, 수준들(R-R, S-S, T-T, U-U, 및 V-V)의 총 높이를 포함한다. 3인치 두께, 14.6인치 높이 및 12인치 폭의 크기로 된 더 작은 와이어 메쉬 브라켓들(58)은 주변부 주위에 와이어 메쉬 롤들(52) 크기로 된 매개물(medium)과 더 큰 와이어 메쉬 브라켓들(56) 사이의 보이드 공간들에 삽입되었다.

도 7b는 수준 X-X에서의 와이어 메쉬 롤들 및 브라켓들의 구성을 도시하고, 이는 도 7a에 의해 나타난 앞서 말한 다섯 수준들보다 더 작은 직경을 갖는다. 특히, 와이어 메쉬 롤들 및 브라켓들의 결합은 18인치 직경 및 13인치 높이이면서 수준의 단면적의 대두분을 차지하기 위하여 중심으로 배치된 이런 수준 X-X 상에 가장 큰 롤(60)들로 다시 채택될 수 있었다. 13인치에서 동일한 직경인 것을 제외하고는, 12인치 직경을 갖는, 더 작은 와이어 메쉬 롤(62)들은, 가장 큰 와이어 메쉬 롤(60)들의 주변부 주위에 배치되었다. 이런 높이에서 공간부분(34)(한정된 입구 영역)의 테이퍼링된 벽을 수용하기 위한, 심지어 8인치 높이인 경우를 제외하는, 동일한 12인치 직경을 갖는 추가적인 와이어 메쉬 롤(64)들은, 더 작은 와이어 메쉬 롤(62)들의 주변부 주위에 배치되었다. 결국, 8인치 높이 메쉬 롤(64)들의 주변부 주위에, 수준 X-X의 최외곽 부피는 와이어 메쉬 브라켓들(66)로 충진되었다. 도 7b에 도시된 바와 같이, 방해물들이 기둥들, 배플(baffle)들, 노즐(nozzle)(예를 들어, 도 7b에서의 기둥들(68a, 68b) 참조) 등과 같은, 공간 부분에서 마주치는 곳에서, 와이어 메쉬 구성성분들(예를 들어, 가장 큰 와이어 메쉬 롤(60)들)은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에 의해 손쉽게 이해된 바와 같은, 이러한 방해물들을 수용하도록 잘라졌을 수 있다(trimmed)(즉, 일부가 절단됨).

도 7c는 수준 Y-Y에서 와이어 메쉬 롤들 및 브라켓들의 구성을 도시하고, 이는 도 7b에 의해 나타난 수준에 의해 나타는 앞서 말한 X-X보다 여전히 작은 직경을 갖는다. 다시, 가장 큰 와이어 메쉬 롤(70)들은 18인치 직경 및 13인치 높이를 측정하고, 수준 Y-Y의 단면 영역의 중심으로 배치되었다. 12인치 직경 및 단지 6인치 높이를 갖는 와이어 메쉬 롤(72)들은 가장 큰 와이어 메쉬 롤(70)들의 주변부 주위에 배치되었고, 또한 12인치 직경을 가지나 단지 4인치 높이인, 심지어 더 작은 와이어 메쉬 롤(74)들은 6인치 높이의 와이어 메쉬 롤(72)들의 주변부 주위에 배치되었다. 와이어 메쉬 브라켓(76)들은 4인치 높이 와이어 메쉬 롤(74)들 및 용기 벽(W) 사이의 남겨진 공간을 충진하는 데에 사용되었다. 도 8c에서 도시될 수 있는 바와 같이, 기둥(68a, 68b)들은 수준 X-X로부터 Y-Y로 아래쪽으로 연장하여, 12인치 높이 메쉬 롤(72)들의 적어도 몇몇은 예전의 수준에서와 같은 잘려졌다.

도 7d는 수준 Z-Z에서 와이어 메쉬 롤들 및 브라켓들의 구성을 도시하고, 이는 도 7c에 의해 나타난 수준에 의해 나타나는 앞서 말한 Y-Y보다 여전히 작은 직경을 갖는다. 도시된 바와 같이, 상이한 높이이나 모두 12인치 직경을 갖는 와이어 메쉬 롤들은, 수준 Z-Z를 충진하는 데에 사용되었다. 더 특히, 수준 Z-Z에서 사용된 가장 높이가 큰 와이어 메쉬 롤(80)들은 11인치의 높이였고, 가장 높이가 큰 롤(80)들의 주변부 주위에 배치되었던, 다음으로 가장 높이가 큰 와이어 메쉬 롤(80)들은 8인치의 높이를 갖는다. (여전히 12인치 직경을 갖는) 6인치 높이였던 와이어 메쉬 롤(84)들은 11인치 높이의 메쉬 롤(82)들의 주변부 주위에 배치되었고, 단지 4인치 높이를 갖는, 여전히 더 짧은 와이어 메쉬 롤(86)들은, 6인치 높이 와이어 메쉬 롤(84)들의 주변부 주위에 배치되었다. 다른 수준 모두에서와 같은, 와이어 메쉬 브라켓(88)은 용기 벽(W)에 대하여 남겨진 공간을 충진하는 최외곽 와이어 메쉬 롤(86)들의 주변부 주위에 배치되었다.

용기 벽이 공간부분(34)(한정된 입구 영역)의 최하위 일부에서 테이퍼하기 때문에, 더 짧은 와이어 메쉬 롤들에 의해 감싸진, 각각 수준의 최중심 일부에서 최상위(즉, 가장 큰 높이의) 와이어 메쉬를 배치하는 것은 와이어 메쉬 감쇠 물질이 가능한 많은 공간부분(34)을 충진하게 하였다.

대안적인 구체예에서, 감쇠 물질들의 하나 이상의 구성성분들의 와이어 직경은, - 예를 들어 사용될 수 있는 0.011인치 또는 0.008인치의 와이어 직경으로- 변경될 수 있고 하나 이상의 구성성분들을 위한 니트의 와이어 메쉬 크기는 발명적인 방법의 사상으로부터 벗어남이 없이 - 사용될 수 있는, 예를 들어, 30니들 메쉬 또는 90니들 메쉬로 변경될 수 있다. 임의의 크림핑으로 조합하는, 이러한 변경은, 비용, 처리의 용이성, 벌크 밀도, 및 내구성과 같은 변수들을 최적화하기 위해 만들어질 수 있고 본 개시의 이익이 주어진 때, 당업계의 통상의 지식을 가진 자의 능력 내에서 존재한다.

또한, 구성의 대안적인 물질들은 와이어 메쉬를 만드는 데에 사용된 와이어들을 형성하는 데에 사용될 수 있다. 하나의 구체예들에서, 예를 들어, 와이어 메쉬는 재활용된 기체에 존재할 수 있는 구성성분들에 의해 폴리머 부착물에 저항하는 구리를 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 메쉬는 마그네틱 스테인리스 스틸을 포함할 수 있다. 또 다른 구체예에서, 메쉬는 실리카, 알루미나 및 지르코니아로부터 선택된 하나 이상의 물질들을 포함하는 니트 세라믹 섬유들로부터 형성된다.

앞서 말한 실시는 단일 반응기 쉘 구성에 관련하여 제공되더라도, 관련된 업계의 통상의 지식을 가진 자는 보조 구역을 가지거나 가지지 않는, 하나의 이상의 화학 반응을 용이하게 하기 위한 촉매 조성을 포함하는 각각의 반응기, 중간물 냉각 교환기들 가지거나 가지지 않는, 직렬로 배열된 다중 쉘 및 튜브 반응기들을 포함하는 곳에서, 감쇠 물질이 상부 유동 쉘 및 튜브 반응기의 한정된 출구 영역, 임의의 중간물 열 교환기 및 연속적인 하부 유동 쉘 및 튜브 반응기의 입구 중 적어도 하나로 배치될 수 있다. 이러한 구체예들은 상부 유동 반응기의 출구 기체 조성물이 연속적인 하부 유동 프로세스 용기에서 가연성 기체 혼합물을 형성할 수 있는 적어도 하나의 컴파운드를 포함할 수 있기 때문에 유리하다. 이러한 구성들은 보충 산화제(예를 들어, 산소를 포함하는 공기 또는 다른 혼합물) 추가는 직렬로 두 개의 반응기들에 대한 하나 이상의 지점 중간물에서 만들어지는 경우에 특히 바람직하다.

더욱이, 비록 앞서말한 실시예가 촉매 산화를 위해 사용된 프로세스 용기에 관련있더라도, 본 발명의 장치 및 방법은 예를 들어, 애드루소우 시안화 수소 반응기(Adrussow hydrogen cyanide reactor)에서의 메탄의 암모산화와 같은 화학 반응의 다른 형태를 수행하기에 구성된 프로세스 용기들에 동등하면서 유리하게 적용가능하다. 예를 들어, 시아나이드-생성 반응 용기는 그물 모양 세라믹 폼으로 적어도 50% 충진된 원뿔 형태의 공간구조("한정된 입구 영역")을 가질 수 있다. 본 발명의 방법에 따른 폭연 감쇠는 시안화 수소 반응기들이 예를 들어, 반응기가 대기압(예를 들어, 30psig 이상의 압력)보다 높은 상태에서 작동될 때 또는 반응기가 산소-풍부한 공급으로 작동된 때, 이러한 조건들이 일어날 수 있는; 가연성 공급 조건들에서 작동 될 때 특히 유리하다. 특히 산소-풍부한 시안화 수소 반응기 내의 가연성 기체 공급의 연소로 일어날 수 있는 왕성한 압력 상승으로 인해, 촉매의 직접 상부 유동 영역에서 측정된 바와 같이, 공급 기체에서 산소 대 질소의 비가 예를 들어, 약25:75보다 크거나, 약 30:70보다 크거나 심지어 약 50:50보다 큰 시안화 수소 반응기에 대한 본 발명의 방법을 채택하는 것이 특히 바람직하다.

실시예3

본 발명의 방법에 따른 가연성 기체 서비스에서 출구 프로세스 용기를 사용하는 것이 바람직하다. 프로세스 용기는 도 1의 반응기와 유사한, 쉘 및 튜브(튜브형) 형태의 산화 반응기였고, 225℃의 작동온도 및 3.42바아(35psig)의 작동 압력에서 용기의 상부 헤드에 들어가는 가연성 기체로, 하부 유동 구성으로 작동되었다. 존재하는 반응기는 파열 디스크(rupture disc)와 같은, 긴급 압력 릴리프 장치(emergency pressure relif device)로 피팅되지(fitted) 않고, 그래서 어떠한 폭연 이벤트로부터 압력 상승을 억제할 수 있어야만 한다. 용기의 입구 헤드는 이들 작동 조건에서 12바아(160psig)의 최대 허용 억제 압력(P(c))을 제공하기 충분한 벽 두께 및 675㎝(22피트)의 내부 직경을 가졌다. 입구 반응기의 한정된 영역에서의 가연성 기체 조성은 5.5 부피% 프로필렌, 19.5% 산소, 73.3% 질소 및 1.7% 물이었다.

본 발명의 방법에 따른, 반응기 입구 헤드에서의 폭연 압력은 (미국, 캘리포니아, DeepSea Power & Light of San Diego로부터 상업적으로 이용가능한) 90㎜ 공동 알루미나 구들을 갖는 반응기 입구 헤드의 한정된 영역을 완전하게 충진함으로써 감쇠될 수 있다. 비록 이들 구들이 99.9% 알루미나로부터 가공되더라도, 반응기가 지지해야만 하는 감쇠 물질의 총 중량을 유리하게 최소화하는, 물의 벌크 밀도보다 더 작은 벌크 밀도를 갖는다.

따라서 목적은 존재하는 용기가 의도된 조건들에서 안전하게 작동할 수 있도록 입구 헤드 내에 배치될 때 이러한 90㎜ 공동 알루미나 구들이 충빈한 압력 감쇠를 제공할 수 있는지를 결정하는 것이었다. 그러나, 90㎜ 공동 알루미나 구(실제 직경 = 9.14㎝(3.6인치))의 물리적인 직경 때문에, 이용가능한 10리터 폭발 실험 장치에서 직접적으로 평가될 수 없었다.

본 발명의 방법에 따른, 작은 규모의 구성성분들을 갖는 몇몇 감쇠 물질들은 우선 예시 시스템에서 감쇠 물질에 대한 능력을 부가하는 실험실-규모의 실험 장치에서 우선 평가되었다. 특정 실시예의 경우를 위한, 실험은 6㎜ 폼 세라믹 구, 6㎜ × 10㎜ 솔리드 세라믹 실린더, 및 20ppi 세라믹 폼으로 수행되었다.

본 실시예에서 모든 Pmax 결정을 위한, 2003년 9월, 유럽 표준 DIN EN 13673-1 및 DIN EN 13673-2에 대한 요구조건들에 따라 설계된, 10리터 단열 폭발-실험 장치가 사용되었다. 특히, 장치는 13.4㎝(5.3인치)의 내부 반경을 갖는 10리터의 단열된 실험구를 포함하였다. 구는 두 개의 열전대 뿐만 아니라, 신속-작용 압력계(미국, 뉴저지의 Kulite Semiconductor Products에 의해 제조된, 모델 HEM-375-TM) 및 전자 점화원으로 피팅되었다.

비어 있는 것을 제외한 모든 용기 실험(실험 A)에서, 9㎝ 직경에 9㎝ 길이의 원기둥형 와이어-스크린 케이지는 또한 실험구 내부에 점화원 주위에 배치되었다; 이런 케이지는 충분한 자유공간(약0.57리터)은 점화기 주위에 유지되어서 자기-지지 연소가 개시될 수 있도록 하였다는 것을 보증하였다.

5.5 부피% 프로필렌, 19.5% 산소, 73.3% 질소, 및 1.7% 물의 의도된 가연성 기체 조성에 조화하는 실험 기체 조성물은 가열된 프리믹싱 용기의 순수 구성성분 기체들을 혼합함으로써 준비되었다. 이런 실험 기체 조성물은 본 실시예에서 모든 Pmax 결정을 위하여 사용되었다.

실험 A: 비어 있는 용기

우선 (아무런 감쇠 물질도 함유하지 않는)비어 있는 실험 용기는 이배큐에이팅되었다(evacuated)(1밀리바아(mbar) 압력보다 작음). 이어서 프리믹싱된 실험 기체 혼합물은 225℃의 초기 온도 및 3.4바아(35psig)의 내부 기체 압력을 달성하도록 용기로 도입되었다. 앞서말한 유럽표준의 요구조건들에 따라, 이이서 기체는 점화되었고 압력 및 온도들은 비어있는 실험 용기에서의 최종 폭연을 위한 Pmax의 측정을 획득하도록 감시되었다.

실험 B: 솔리드 세라믹 구들

(미국, 오하이오, 아크론의 Norton Chemical Products Corp.로 상업적으로 이용가능한)6㎜(1/4인치) 직경의 대략 14㎏의 DENSTONE 57 지지구들은 동일한 실험 용기로 부어졌고 자기-조립하도록 되었다(아무런 수동 조정이 패킹 밀도로 만들어지지 않았음). 이는 세라믹 구들의 94% 부피-충진을 나타내었다(와이어 스크린 케이지 내의 구들의 9.43리터 + 공간의 0.57리터). 예전의 경우에서와 같이, 다음으로 용기는 비워지게 되었고 이어서 225℃의 초기 온도 및 3.4바아(35psig)의 내부 기체 온도를 달성하도록 실험 기체로 충진되었다. 이어서 기체는 세라믹 구들을 갖는 실험 용기들에서 최종 폭연의 Pmax의 측정을 획득하도록 점화되었다. 이들 세라믹 구들의 유효 직경(Ds)은 0.64㎝(1/4")인 것으로 측정되었다. 이들 세라믹 구들을 위한 폭연 혼합 인자(DMF)는 공식 DMF = Ds / Rts × 40에 의해 결정되었고, 여기에서, 실험 용기 구의 반경인, Rts는 13.4㎝이다. 따라서, 이들 세라믹 구들에 대한 DMF는 1.91인 것으로 산출되었다.

실험 C: 솔리드 세라믹 실린더들

(미국, 오하이오, 아크론의 Norton Chemical Products Corp.로 상업적으로 이용가능한) 6㎜(1/4인치) 직경의 대략 13㎏이고, 10㎜(3/8") DENSTONE 57 펠릿들은 동일한 실험 용기로 부어졌고 자기-조립하도록 되었다(아무런 수동 조정이 패킹 밀도로 만들어지지 않았음). 이는 세라믹 실린더 형태의 펠릿들의 94% 부피-충진을 나타내었다(와이어 스크린 케이지 내의 실린더들의 9.43리터 + 공간의 0.57리터). 다시, 용기는 비워지게 되었고 이어서 225℃의 초기 온도 및 3.4바아(35psig)의 내부 기체 온도를 달성하도록 실험 기체로 충진되었다. 이어서 기체는 세라믹 실린더를 갖는 실험 용기에서 최종 폭연의 Pmax의 측정을 획득하도록 점화되었다. 이들 세라믹 실린더들의 유효 직경(Ds)은 구 내에 내접된 실린더의 2차원 투사(projection)을 고려함으로써 수학적으로 결정될 수 있다. 더 특히, 도 10에 보여진 바와 같이, 실린더는 (실린더의 직경과 동일한)폭(Dc) 및 높이(Hc)의 직사각형에 의한 나타난다. 내접 직사각형의 대각선이 외접 원의 직경(Ds)과 동등한 것이 도면으로부터 손쉽게 명백하다. 따라서, Hc = 0.9525㎝(3/8인치), 및 Dc = 0.635㎝(1/4인치)로, 유효 직경(Ds)은 손쉽게 1.14㎝(7/16인치)로 결정될 수 있고, 이어서 이들 세라믹 실린더들에 대한 DMF는 3.42로 산출될 수 있다.

실험 D: 20ppi 세라믹 폼

(미국, 뉴욕, Vesusvius Hi-Tech Ceramics of Alfred로부터 상업적으로 이용가능한) 인치당 20개의 포어(20ppi ALUCEL-LT 알루미나 세라믹 폼의 5㎝(2인치) 두께 × 15㎝(6인치) 직경의 디스크들은 동일한 실험구 내에 다중층 스택으로 수동적으로 배치되었다. 폼 디스크들 중 몇몇은 10 조각 분율로 부서지고, 이어서 실험구 내의 보이드 공간을 최소화하기 위하여 전체 디스크들에 인접한 실험 용기로 피팅되었다. 이런 과정은 세라믹 폼(와이어 스크린 케이지 내의 폼 조각의 9.43리터 + 공간의 0.57)의 대략 94% 부피-충진을 야기한다. 실험구 내부의 세라믹 폼의 최종 총량의 중량은 대략 4㎏이다. 전과 같이, 용기는 비워지게 되었고, 이어서 225℃의 초기 온도 및 3.4바아(35psig)의 내부 기체 압력을 달성하도록 실험 기체로 충진되었다. 이어서 기체는 세라믹 폼을 갖는 실험 용기에서의 최종 폭연의 Pmax의 측정을 획득하도록 점화되었다. 세라믹 폼의 유효 직경(Ds)는 간단히 인치당 포어(ppi)를 센티미터로 변환함으로써 손쉽게 결정될 수 있다. 따라서, 세라믹 폼에 대한 Ds는 0.127㎝(=1/20인치)이고; 이어서 이런 세라믹 폼에 대한 DMF는 0.38로 산출될 수 있다.

이들 실험들의 결과들은 아래의 표 3에서 요약된다:

실험 결과들로부터, 세 개의 실험된 구성성분들 모두는 안전 작동하도록 예시 시스템에서 충분한 압력 감쇠를 제공할 것이라는 것이 본 개시의 이익을 갖는 통상의 지식을 갖는 자에게 명백할 것이다. 그러나, 90㎜ 공동 알루미나 구들이 이런 목적을 위해 사용될 수 있는지를 아는 것이 바람직하다.

따라서, 본 실시예에서 제기된 문제를 답변하기 위하여, Pmax 및 DMF 사이의 수학 관계식은 Pmax(n) = 0.9064 × DMF(n) + 6.3194로 결정된다. 수학에서 통상의 지식을 가진 자는 Pmax 및 DMF 사이의 선형 관계인 이런 것을 인지할 것이다.

이런 관계에서 도 10에서 대각선 추세선으로서 도시된다. 실험 B, C 및 D에 대한 DMF 대 Pmax 데이터는 또한 도 10에서 도시된다. 편의상, 비어있는 용기에 대한 Pmax는 또한 19.2바에서 수평선에 의해 나타난다. 비록 엄격하게 요구하지 않더라도, 데이터 및 추세선들을 출력함으로써 제공된 시각 점검(visual check)는 데이터 세트 내에서 이상적인 거동으로부터 심각한 에러(error)들 또는 이탈(departure)들이 존재하지 않는 추가적인 확실성을 제공하기 때문에 추천된다.

도 10으로부터, 본 실시예에서의 특정 실험 시스템에 대하여, 본 발명의 방법에 따른 사용을 위하여 선택된 감쇠 물질들은 예시 시스템에서 Pmax의 어떠한 측정가능한 감쇠를 제공하기 위하여 약 14인치보다 작은 DMF를 가져야만 한다는 것이 곧 명백할 것이다.

또한, 약 6 이하의 DMF 값을 갖는 감쇠 물질들은 반응기 용기의 최대 억제 압력(P(c)) 이하의 수준으로 폭연 압력(Pmax)를 감쇠하기 위하여 요구된다는 것은 (도 10으로부터 시각적으로 또는 선형 관계로부터 수학적으로 )결정될 수 있다.

최종적으로, 본 발명의 방법에 따른, 90㎜ 공동 알루미나 구들에 대한 DMF는 다음으로 결정되었다. 이런 경우에, DMF의 산출은 공식 DMF = Ds / Rpv × 40을 기초로 하였고, 여기에서 Ds는 공동 구들의 직경(=9.14㎝)이었고, Rpv는 프로세스 용기의 반경(반응기 입구 헤드 반경 = 337.5㎝)이었다. 이로부터, 공동 구 DMF는 1.08로 결정되었고, 90㎜ 공동 알루미나 구들로 반응기 입구의 한정된 영역을 완전히 충진하는 것은 의도된 조건들에서 안전하게 반응기를 작동시키기에 충분한 압력 감쇠를 제공할 것이라는 것이 결론지어졌다.

비교 실시예 1

예전의 실시예는 압력 감쇠 구성성분들로 프로세스 용기를 완전히 충진하는 것("100% 부피-충진" 조건)의 이익이 도시되었다. 그러나, 몇몇 상황에서, 대신 예를 들어, 감쇠 물질을 구매하는 비용을 최소화하거나 설치 시간을 최소화도록 - 프로세스 용기 내에 100%보다 작은 부피-충진으로 본 발명의 발명 개념을 사용하는 것이 바람직할 것이다.

예전에 설명된 10리터 단열 폭발-실험 장치는, 본 실시예에서 모든 Pmax 결정을 위해 다시 사용되었다. 예전에 설명된 바와 같이, 원기둥형 와이어-스크린 케이지는 실험구 내부의 점화원 주위에 배치되었다.

그러나, 이들 실험들에서, 원기둥형 와이어-스크린 케이징의 내부 부피는 실험 용기 내의 압력 감쇠 물질의 부피를 조정하는 수단으로써 변경되었다. 와이어 스크린 케이지의 세 개의 크기들은 0.28리터, 0.57리터 및 2.4리터로 사용되었다.

다시, 5.5 부피% 프로필렌 19.5% 산소, 73.3% 질소 및 1.7% 물의 실험 기체 조성물은 가열된 프리믹싱 용기 내에서 순수 구성성분 기체들을 혼합함으로써 준비되었다. 이런 시험 기체 조성물은 본 실시에에서 모든 Pmax 결정을 위해 사용되었다.

실험 E:

실험 용기 점화기는 2.4리터 와이어-스크린 케이지로 피팅되었다. (미국, 오하이오, 아크론의 Norton Chemical Products Corp.로 상업적으로 이용가능한) 6㎜(1/4") 직경의 대략 10.7㎏ DENSTONE 57 지지구들은 실험 용기로 부어졌고 자기-조립하도록 되었다(아무런 수동 조정이 패킹 밀도로 만들어지지 않았음). 이는 세라믹 구들의 76% 부피-충진을 나타내었다(와이어 스크린 케이지 내의 구들의 7.6리터 + 공간의 2.4리터). 예전의 케이지에서와 같이, 다음으로 용기는 비워지게 되었고 이어서 225℃의 초기 온도 및 3.4바아(35psig)의 내부 기체 온도를 달성하도록 실험 기체로 충진되었다. 이어서 기체는 세라믹 구를 갖는 실험 용기에서 최종 폭연 이벤트의 Pmax의 측정을 획득하도록 점화되었다.

실험 F:

실험 용기 점화기는 0.57리터 (9㎝ 직경이고 9㎝ 길이)와이어-스크린 케이지로 피팅되었다. (미국, 오하이오, 아크론의 Norton Chemical Products Corp.로 상업적으로 이용가능한) 6㎜(1/4") 직경의 대략 13.4㎏ DENSTONE 57 지지구들은 동일한 실험 용기로 부어졌고 자기-조립하도록 되었다(아무런 수동 조정이 패킹 밀도로 만들어지지 않았음). 이는 세라믹 구들의 94% 부피-충진을 나타내었다(와이어 스크린 케이지 내의 구들의 9.43리터 + 공간의 0.57리터). 예전의 케이지에서와 같이, 다음으로 용기는 비워지게 되었고 이어서 225℃의 초기 온도 및 3.4바아(35psig)의 내부 기체 온도를 달성하도록 실험 기체로 충진되었다. 이어서 기체는 세라믹 구를 갖는 실험 용기에서 최종 폭연 이벤트의 Pmax의 측정을 획득하도록 점화되었다.

실험 G:

실험 용기 점화기는 0.28리터 (9㎝ 직경이고 4.5㎝ 길이)와이어-스크린 케이지로 피팅되었다. (미국, 오하이오, 아크론의 Norton Chemical Products Corp.로 상업적으로 이용가능한) 6㎜(1/4") 직경의 대략 14㎏ DENSTONE 57 지지구들은 동일한 실험 용기로 부어졌고 자기-조립하도록 되었다(아무런 수동 조정이 패킹 밀도로 만들어지지 않았음). 이는 세라믹 구들의 97% 부피-충진을 나타내었다(와이어 스크린 케이지 내의 구들의 9.72리터 + 공간의 0.28리터). 예전의 케이지에서와 같이, 다음으로 용기는 비워지게 되었고 이어서 225℃의 초기 온도 및 3.4바아(35psig)의 내부 기체 온도를 달성하도록 실험 기체로 충진되었다. 이어서 기체는 세라믹 구를 갖는 실험 용기에서 최종 폭연 이벤트의 Pmax의 측정을 획득하도록 점화되었다.

이들 실험들의 결과들은 아래의 표 4에서 요약되었다:

이런 데이터는 동일한 형상 및 동일한 효율 직경(Ds)를갖는 구성성분들을 갖는 감쇠 물질을 위한, 더 큰 압력 감쇠는 부피-충진을 증가시킴으로 달성될 수 있다는 것을 도시한다. 이들 데이터 지점들 사이의 수학 관계식은 Pmax(n) = -0.1214 × %VF(n) + 19.2인 것으로 결정되었고, 여기에서 %VF는 사용된 감쇠 물질들의 % 부피-충진을 나타낸다. 수학에서 통상의 지식을 가진 자는 Pmax와 %VF 사이의 선형 관계를 인식할 것이다.

이런 관계를 이용하여, 이어서 감쇠 물질의 50%부피-충진은 약 30% (=6.1/19.2)의 폭연 압력의 감소를 나타내는, 약 13.1바아(175psig)로의 Pmax를 감소시키는 것이 예견될 수 있다. 더욱이, 감쇠 물질의 35%부피-충진은 약 20% (=4.2/19.2)의 폭연 압력의 감소를 나타내는, 약 15바아(200psig)로의 Pmax를 감소시키는 것이 예견될 수 있다.

또한, 감쇠 물질의 20%부피-충진은 약 10%(=2.4/19.2)의 폭연 압력의 감소를 나타내는, 약 16.8바아(229psig)로의 Pmax를 감소시키는 것이 예견될 수 있다.

실제 측정된 값들로부터 선형 관계를 외상하는(extrapolating) 것에서의 잠재적인 불확실성 및 낮은 %부피-충진에서 Pmax의 이런 상대적으로 작은 감소는 발명의 방법이 이행될 때 감쇠 물질의 20%보다 큰 부피-충진을 사용하여야 하는 것을 제안한다. 예를 들어, 감쇠 물질의 적어도 35% 부피-충진 또는 심지어 감쇠 물질의 적어도 50% 또는 적어도 75% 부피-충진이 발명의 방법을 이행할 때 사용될 수 있다.

실시예 4

폴링들은 적어도 하나의 관통로를 갖는 구성성분들을 갖는 감쇠 물질의 하나의 일반 실시예이다.

적어도 하나의 관통로를 갖는 구성성분들이 폭연 압력 감쇠에 대하여 기대되었던 바와 같이 항상 거동하지 않는다는 것이, 상기 실시예 1에 관련하여 제공된 표 1로부터 보여질 수 있다. 4입방미터 실험 용기에서 2" 폴링들의 경우(상기 실시예 1 참조)에서와 같이, 몇몇의 경우에 이상적인 감쇠 물질 거동으로부터 이탈은 비어있는 용기에 대한 Pmax보다 더 큰 Pmax를 실제적으로 야기할 수 있다.

이상적인 감쇠 물질 거동으로부터 이런 이탈을 도시하기 위하여, 상기 표 1에서 나타난 폴링 실험들에 대한 DMF 값들이 산출되었고, 이어서 이런 DMF 대 Pmax 데이터는 도 11에 도시된 바와 같이 플로팅되었다. 이런 실시예에서 데이터 지점들 사이의 수학 관계식은 Pmax(n) = -4.2146 × [DMF(n)]^2 + 27.905 × DMF(n) - 16.939라는 것이 결정되었다. 수학에서 통상의 지식을 가진 자는 Pmax와 DMF 사이의 이상화된 선형 관계보다, 다항 관계인 이런 것을 인지할 것이다(도 11에 도시된 다항 곡선 참조). 편의상, 비어 있는 용기에 대한 Pmax는 21바아(290psig)에서 수평선에 의한 도 11에서 또한 나타난다.

적어도 하나의 관통로를 갖는 구성성분들을 갖는 감쇠 물질들은 폭연 압력 감쇠에 대하여 기대된 바와 같이 항상 거동하지 않는다는 것이 도 11로부터 도시될 수 있다. 더욱이 이런 비-이상적인 거동은 DMF가 증가하기에 더 많이 표명되었다는 것이 명백하다. 원리에 대한 결합없는 한편, 관통로의 유효 내부 직경이 증가하기 때문에, 구성성분을 통한 압력파 전달이 확증되고, 이는 폭연 압력파의 축 전달이 Pmax 감쇠의 정도의 감소를 야기하는, 반경방향의 편향을 희생하여 촉진된다는 것이 가정된다. 예전에 언급된 바와 같이, 2인치 폴링들(상기의 표 1)의 경우와 같은, 몇몇의 경우에, 최종 결과(net result)는 Pmax가 비어 있는 용기에 대한 Pmax보다 더 크게 된다는 것일 수 있다.

예전에 언급된 바와 같이, 비-이상적 감쇠 물질 거동의 더 양호한 이해를 제공하기 위하여(즉, 적어도 하나의 관통로를 갖는 구성성분들로), Pmax의 추가 결정은 하나 이상의 관통로를 갖는 구성성분 - 특히, (모두 미국, 오하이오, Saint-Gobain Norpro of Stow로부터 상업적으로 이용가능한) 3/4인치 PROWARE™ TY-PAK^® 열전달 미디어 및 HexPak™ 90 열전달 미디어를 이용하여 만들어졌다. 예전에 설명된 실험 절차 및 10리터 실험 장치는 다시 이들 실험들을 위해 사용되었다. 이들 실험들 모두는 225℃의 초기 온도 및 3.4바아(35psig)의 최고 압력에서 수행되었다. 모든 실험들에서, 5.5 부피%프로필렌, 19.5% 산소, 73.3% 질소 및 1.7%물의 가연성 기체 조성물이 사용되었다.

적어도 하나의 관통로를 갖는 구성성분들을 갖는 감쇠 물질들은 본 발명의 발명에 따라 성공적으로 폭연 압력을 감쇠시키는 데에 사용될 수 있다는 것이 표 1(상기 실시예 1 참조) 및 (아래 )표 5 모두의 데이터로부터 보여질 수 있다.

적어도 하나의 관통로를 갖는 구성성분들을 갖는 감쇠 물질들을 위한, 여기에서, 각각의 구성성분에서 관통로(들)의 크기는 작고, 이에 의해 축 유동에 대한 최소의 능력을 제공하며, Pmax와 DMF의 값들 사이의 이상적인 선형 관계가 존재한다는 것이 믿어진다. 그러나, 적어도 하나의 관통로를 갖는 구성성분들이 구성성분 크기( 및 이에 따른 DMF 값) 및 관통로(들)의 크기가 증가하기에 이상적인 감쇠 물질 거동으로부터 벗어난다는 것이 본 개시의 이익이 주어질 때, 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 따라서, 실험실 실험의 더 큰 정도는 이상적인 선형 거동으로부터 잠재적인 이탈이 어디에서 일어난지를 확인하기 위하여 관통로들을 갖는 구성성분들을 갖는 감쇠 물질들 평가하기 위하여 수행된다는 것이 추천된다.

실시예 5

예전에 설명된 10리터 단열 폭발-실험 장치는, 다시 본 실시예에서 Pmax 결정을 위하여 사용되었고, 여기에서 와이어 메쉬 실린더들은 감쇠 물질로서 사용을 위해 평가되었다. 본 실시예에서, 0.673리터 원기둥형 와이어-스크린 케이지는 실험구 내부에 점화원 주위에 배치되었다.

5.5 부피% 프로필렌, 19.5% 산소, 73.3% 질소 및 1.7% 물의 실험 기체 조성물은 가열된 프리믹싱 용기에서 순수 구성성분 기체들을 혼합함으로써 준비되었다. 이런 실험 기체 구성성분들은 본 실시예에서 모든 Pmax 결정을 위하여 사용되었다.

실험 H, 실험 I, 실험 J:

크림핑된 와이어 메쉬 실린더들은 크림핑된, 18 lb/ft³, 304L 스테인리스 스틸 메쉬의 직사각형 시트들로부터 준비되었다. 시트들은 약 7.6㎝(3인치)의 직경 및 약 15.2㎝(6인치)의 길이를 측정하는 실린더들로 감겨지게 되었다. 이들 실린더들 중 몇몇은 그대로 사용되었던 반면에, 몇몇은 실험 용기의 곡률을 양호하게 피트(fit)하기 위하여 더 짧은 길이로 잘려졌다. 대략 2.4㎏의 크림핑된 와이어 메쉬 실린더들은 보이드들 및 채널들을 최소화시켰던 근접 패킹된 충진을 제공하는 실험구로 수동적으로 배치되었다. 이는 메쉬 실린더들의 93% 부피-충진을 나타내었다. 예전의 실험에서와 같이, 다음으로 용기는 비워지게 되었고 225℃의 초기 온도 및 3.4바아(35psig)의 내부 기체 압력을 달성하도록 실험 기체로 충진되었다. 기체는 이어서 크림핑된 와이어 메쉬 실린더들을 갖는 실험 용기에서 최종 폭연 압력의 Pmax의 측정을 획득하도록 점화되었다. 실험들은 이런 구체예들의 변화성을 평가하기 위하도록 반복되었고 결과들은 하기 표 6에서 도시되었다.

와이어 메쉬가 압축될 수 있기 때문에, 세라믹구들 또는 세라믹 폼과 같은 강성 구성성분들로 달성될 수 없는 인접-피트(close-fit)를 제공하는 것이 가능하다는 것이 언급되어야 한다. DMF 값은 압축가능한 구성성분들보다, 강성 구성성분들의 패킹 파면, 형상 및 크기의 손쉬운 생성가능 효과에 대해 설명하도록 전개되었다. 결과적으로, DMF 개념은 와이어 메쉬 구성성분들에 대한 스케일-업에 신뢰할만하게 적용할 수 없다는 것이 나타나지 않았고; 만약 하나가 와이어 메쉬 실린더들을 사용하는 것을 선택한다면, 직접 실험이 발명의 개념의 적절한 이행을 보증하기 위하여 여기에서 설명된 바와 같이 수행될 수 있고, 더욱이 상당한 주의(care)는 가능한 한 재생성가능한 이러한 구성성분들의 패킹을 만들도록 취하여 질 수 있다는 것이 추천된다.

또한, 와이어 메쉬 구성성분들의 압축 및 경화(setting)은 프로세스 용기 내에서의 구성성분 패킹의 균일성에 영향을 미칠 수 있다는 것이 언급되어야 한다. 적층된 와이어 메쉬 구성성분들의 높이가 커질 때 생성되어 증가된 정적 하중으로 인해, 경화 및 압축이 실험실 규모의 실험 용기들에 비해 크고 상업적인 규모의 용기들에서 더 많이 일어날 것이 통상의 지식을 가진 자에게 명백할 것이다. 이러한 상황에서 개념은 경화 및 압축은 와이어 메쉬 패킹 밀도의 균일성을 변경하고, 이에 의해 폭연 압력을 감쇠시킴에 있어서 와이어 메쉬의 유효성을 감소시킨다는 것이다. 비록 와이어 메쉬 브라켓들이 본 발명의 방법에 따른 프로세스 용기 내에서 사용될 수 있더라도, 이러한 브라켓들은 - 특히 프로세스 용기 내에서 대부분 구성성분들로서 사용될 때 - 경화 및 압축에 영향을 받기 쉽다. 따라서 경화 및 압축에 대한 더 큰 저항성을 제공하기 위하여 프로세스 용기 내의 배치 전에 와이어 메쉬는 우선 실린더로 감겨지는 것이 바람직하다. 따라서, 본 발명의 하나의 구체예에서, 크림핑되지 않은 와이어 메쉬는 와이어 메쉬 실린더들을 형성하는 데에 사용될 수 있거나, 크림핑된 와이어 메쉬는, 프로세스 용기에 감쇠 물질의 총 중량을 최소화시키기 위하여 사용될 수 있다.

상기 설명된 본 발명의 구체예들은 단지 예시적인 것에 불과하고, 당업계에서의 숙련된 자들은 발명의 범위 및 사상으로부터 벗어남이 없이 변경 및 변형할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 이러한 변경들 및 변형들은 본 발명의 범위 내에 포함되도록 의도된다. 특허청구범위에 기재된 괄호는 특허청구범위의 기재를 명확히 하기 위한 용도로 사용되었으며, 괄호 내의 기재는 선택적인 한정 사항이 아니라, 필수적인 구성요소로서의 한정 사항이므로 특허청구범위의 권리 범위 해석시 반드시 구성요소로서 포함되어 해석되어야 하는 한정 사항이다.

본 발명의 더 완전한 이해는 아래에서 논의된 구체예들로부터 획득되고, 같은참조 번호가 같은 구조체를 나타내는 첨부된 도면들을 참조하여 획득될 것이고, 여기에서:

도 1은 프로세스 용기, 즉, 촉매 기체 상 반응을 위한 튜브형 반응기의 개략적이고, 부분적인 단면 정면도이다;

도 2는 화살표 방향으로 보여지고 선 A-A를 따라 취해진, 도 1의 튜브형 반응기의 한정된 입구 영역의 단면 개략 평면도이다;

도 3a는 입구 튜브 시트 및 반응기 헤드를 도시하는, 도 1의 튜브형 반응기의 개략적 단면 정면도이다;

도 3b는 입구 튜브 시트 및 반응기 헤드를 도시하고 세라믹 구형 구성성분들을 포함하는 감쇠 물질를 함유하는, 도 3a의 한정된 입구 영역의 개략적인 단면 정면도이다;

도 4a 내지 도 4c는 아무런 감쇠 물질도 함유하지 않는 한정된 영역에서 점화점으로부터 전면의 폭연 압력파의 진행을 도시하는 일련의 컴퓨터 모델-발생 그래픽 이미지들이다;

도 5a 내지 도 5j는 세라믹구를 포함하는 감쇠 물질을 함유하는 한정된 영역에서 점화점으로부터 전면의 폭연 압력파의 진행을 도시하는 일련의 컴퓨터 모델-발생 그래픽 이미지들이다;

도 6은 내부에 감쇠 물질로 사용된 메쉬 구성성분들의 위치 및 배치를 도시하는, 입구 튜브 시트를 갖는 폐쇄된 공간부분(headspace)을 형성하는, 튜브형 반응기와 연결된 반응기 입구 헤드 어셈블리의 정면도이다;

도 7a는 내부에 감쇠 물질로 사용된 메쉬 구성성분들의 위치 및 배치를 도시하는, 화살표 방향으로 보여지면서 선 R-R에 따라 취해진, 도 6의 반응기 입구 어셈블리의 단면 평면도이고, 도 7에 도시된 바와 같이 각각 동일한 선 S-S, T-T, U-U 및 V-V를 따라 취해진 단면 평면도이다;

도 7b는 내부에 감쇠 물질로 사용된 메쉬 구성성분들의 위치 및 배치를 도시하는, 화살표 방향으로 보여지면서 선 X-X에 따라 취해진, 도 6의 반응기 입구 어셈블리의 단면 평면도이다;

도 7c는 내부에 감쇠 물질로 사용된 메쉬 구성성분들의 위치 및 배치를 도시하는, 화살표 방향으로 보여지면서 선 Y-Y에 따라 취해진, 도 6의 반응기 입구 어셈블리의 단면 평면도이다;

도 7d는 내부에 감쇠 물질로 사용된 메쉬 구성성분들의 위치 및 배치를 도시하는, 화살표 방향으로 보여지면서 선 Z-S에 따라 취해진, 도 6의 반응기 입구 어셈블리의 단면 평면도이다;

도 8은 점화의 시간에서 시작되고 Pmax를 잇는 균질화된 압력으로 종료하는, 초과시간 폭연 압력에서의 변화의 일반화된 표시이다;

도 9는 어떻게 원기둥형 감쇠 물질 구성성분들의 효과적인 직경이 외접된 원의 직경에 대략적으로 기초로 하는가를 도시하는 다이어그램이다;

도 10은 본 발명에 따른 공동 알루미나 구 및 산출을 포함하는 감쇠 물질로 유도된 실험으로부터 기인된, 실험 데이터, 즉, 폭연 혼합 인자(DMF) 대 최대 폭연 압력(Pmax)의 선형화를 설명하는 폴롯이다;

도 11은 본 발명에 따른 폴링(pall ring) 및 산출을 포함하는 감쇠 물질로 유도된 실험으로부터 기인된, 실험 데이터, 즉, 폭연 혼합 인자(DMF) 대 최대 폭연 압력(Pmax)의 플롯이다.

Claims (18)

1. 초기 공급 기체 조성물, 온도 및 압력을 포함하는 미리결정된 작동 조건들에서, 프로세스 용기 내부의 한정된 영역 내에 감쇠 물질을 선택하고 배치함으로써(여기서, 상기 선택된 감쇠 물질은 상기 미리결정된 작동 조건들에서 물리적인 형태를 유지하고, 복수 개의 구성성분들을 가지며, 상기 구성성분들 모두는 형상 및 유효 직경을 가진다), 최대 허용 억제 압력(P(c))을 갖는 상기 프로세스 용기 내부의 한정된 영역에서 가연성 기체의 연소에 의해 생성된 폭연 압력을 감쇠시키는 방법(점화 후에 상기 한정된 영역은 피크(peak) 압력에 도달하게 되며, 상기 한정된 영역은 단면 반경(R(v))을 가진다)에 있어서,

   (A) 하기 (1) 내지 (6) 단계에 의해, 피크 폭연 압력들 및 폭연 혼합 인자들의 연관된 쌍들을 포함하는 실험 데이터를 전개함으로써, 상기 프로세스 용기의 한정된 영역에서의 사용에 적절한 감쇠 물질의 구성성분들의 최대 유효 직경을 결정하는 단계(여기서, 상기 실험데이터는 복수 개의 감쇠 물질들과 피크 압력들 사이의 선형 관계를 나타내며; 상기 복수 개의 감쇠 물질들 중 적어도 하나는 다른 감쇠 물질들의 구성성분들의 유효 직경들과 상이한 유효 직경을 갖는 구성성분들을 가지고; 상기 피크 압력들은 상기 초기 공급 기체 조성물과 동일한 조성을 갖는 가연성 기체의 점화 후에 도달하게 된다)

   (1) 반경(R(ts))을 갖는 실험구(test sphere)를 이용하여, 어떠한 감쇠 물질도 없을 때 가연성 기체의 점화로부터 기인하는 피크 폭연 압력(Pmax(0))을 실험적으로 결정하는 단계;

   (2) 상기 단계(1)에서 사용된 동일한 실험구를 이용하여, 적어도 제 1 선택된 감쇠 물질 및 제 2 선택된 감쇠 물질이 존재할 때 가연성 기체의 점화로부터 기인하는 제 1 및 제 2 피크 폭연 압력(Pmax(1), Pmax(2))을 실험적으로 결정하는 단계(여기서, 상기 제 1 선택된 감쇠 물질은 제 1 유효 직경(Ds(1))을 가지며, 상기 제 2 선택된 감쇠 물질은 상기 제 1 유효 직경과 상이한 제 2 유효 직경(Ds(2))을 갖는다);

   (3) 하기 수학 관계식을 이용함으로써, 상기 단계들 (1) 및 (2)에서 실험적으로 결정된 연관된 피크 폭연 압력 각각에 대한 폭연 혼합 인자들(DMF(0), DMF(1), DMF(2), ... DMF(n))을 산출하는 단계:

   DMF(n) = (Ds(n)/Rts) ×40

   여기에서 n = 0, 1, 2 ... n 이고 Ds(n) 및 R(ts)는 각각 센티미터로 측정됨;

   (4) 하기 수학 관계식을 기초로, 변수들(M, B)의 값을 결정함으로써 피크 폭연 압력들 및 폭연 혼합 인자들([Pmax(0), DMF(0)]; [Pmax(1), DMF(1)], [Pmax(2), DMF(2)], ..[Pmax(n), DMF(n)])의 연관된 쌍들을 포함하는 실험 데이터를 선형화하는 단계:

   Pmax(n) = M × DMF(n) + B

   여기에서 n = 0, 1, 2 ... n임;

   (5) 하기 수학 관계식을 기초로, 상기 단계(4)에서 산출된 M 및 B의 값들 및 상기 프로세스 용기의 최대 허용 억제 압력(P(c))을 이용하여 상기 프로세스 용기에 적절한 최대 폭연 혼합 인자(DMF(a))를 산출하는 단계:

   DMF(a) = [P(c) - B] / M ;

   (6) 하기 수학 관계식을 이용하여, 단면 반경(R(v))을 갖는 상기 프로세스 용기와 사용되기에 적절한 감쇠 물질의 최대 유효 직경(Ds(a))을 산출하는 단계:

   Ds(a) = [DMF(a) × R(v)] / 40; 및

   (B) 상기 산출된 최대 유효 직경(Ds(a)) 이하의 유효 직경을 갖는 적절한 감쇠 물질을 선택하고, 상기 프로세스 용기 내부의 한정된 영역 내에 상기 선택된 감쇠 물질을 배치하여, 구성성분들 사이의 개방 경로 및 보이드 공간이 최소화되도록 하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 피크 폭연 압력(Pmax(0))을 실험적으로 결정하는 단계(A)(1)는:

   (a) 상기 미리결정된 작동 조건들의 압력 및 온도에서, 상기 감쇠 물질을 포함하지 않는 실험구 내에서 가연성 기체를 점화시키는 단계; 및

   (b) 점화 후에, 상기 실험구에서 도달된 최고압(Pmax(0))을 측정하는 단계를 포함하고,

   제 1 및 제 2 피크 폭연 압력(Pmax(1), Pmax(2))을 실험적으로 결정하는 단계(A)(2)는:

   (a) 상기 미리결정된 작동 조건들의 압력 및 온도에서, 상기 제 1 선택된 감쇠 물질로 상기 실험구를 충진한 후에, 상기 실험구 내에서 가연성 기체를 점화시키는 단계;

   (b) 점화 후에, 상기 제 1 선택된 감쇠 물질로 충진한 실험구에서 도달된 최고압(Pmax(1))을 측정하는 단계;

   (c) 상기 미리결정된 작동 조건들의 압력 및 온도에서, 상기 제 2 선택된 감쇠 물질로 상기 실험구를 충진한 후에, 상기 실험구 내에서 상기 가연성 기체를 점화시키는 단계; 및

   (d) 점화 후에, 상기 제 2 선택된 감쇠 물질로 충진한 실험구에서 도달된 최고압(Pmax(2))을 측정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서, 상기 단계(A)(2)는 복수 개의 피크 폭연 압력들(Pmax(1), Pmax(2), Pmax(3),.. Pmax(n))을 실험적으로 결정하는 단계 및 상기 산출 및 선형화하는 단계(3), (4), (5) 및 (6)에서 상기 복수 개의 피크 폭연 압력들 각각을 사용하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서, 가연성 기체는 탄화수소 및 산소를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1 항에 있어서, 상기 감쇠 물질은 세라믹, 미네랄, 금속 및 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 일 형태의 물질을 포함하고, 상기 감쇠 물질의 형상은 구형, 달걀형, 원기둥형, 와이어형, 새들형(saddle-shaped), 블럭형(block-shaped), 연장형 및 다면체형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 형상, 및 솔리드(solid), 공동, 다공성 및 적어도 하나의 관통로를 가지는 것으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1 항에 있어서, 상기 프로세스 용기는 유동 조건들에서 작동하는 쉘 및 튜브 반응기인 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 상기 감쇠 물질이 상기 프로세스 용기의 한정된 영역에 무작위로 제공될 때, 상기 감쇠 물질의 구성성분들이 상기 한정된 영역 내에서 자동적으로 균일하게 정렬되지 않는 경우에, 상기 단계(B)는 상기 한정된 영역 내에 상기 감쇠 물질의 각각의 구성성분을 수동적으로 위치시키는 단계를 포함하여, 상기 구성성분들 사이의 개방 경로 및 보이드 공간이 최소화되도록 하는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1 항에 있어서, 상기 감쇠 물질은 상기 한정된 영역의 부피의 적어도 20%를 차지하는 것을 특징으로 하는 방법.
9. 내부에서 가연성 기체의 연소로부터 기인하는 폭연 압력의 감쇠에 적합한 튜브형 반응기에 있어서,

   복수 개의 튜브들을 포함하되,

   상기 복수 개의 튜브들의 각각은 제 1 및 제 2 관통 플레이트(perforated plate) 사이에서 연장되고,

   상기 복수 개의 튜브들과 상기 제 1 및 제 2 관통 플레이트는 쉘에 의해 둘러싸이고,

   상기 쉘은 쉘측 영역 및 반응 영역을 형성하며,

   상기 쉘측 영역은 상기 복수 개의 튜브들 주위에서의 유체의 순환을 위한 영역이고,

   상기 반응 영역은 한정된 입구 영역 및 한정된 출구 영역을 포함하고,

   상기 한정된 입구 영역은 상기 제 1 관통 플레이트와 일측에서 접하고, 상기 제 1 관통 플레이트의 반경과 동일한 반경을 가지며,

   상기 한정된 출구 영역은 상기 제 2 관통 플레이트와 일측에서 접하고, 상기 제 2 관통 플레이트의 반경과 동일한 반경을 가지고,

   상기 복수 개의 튜브들 각각은 반응 유체의 처리를 위해 상기 한정된 입구 영역과 상기 한정된 출구 영역들 모두와 유체 이동 가능하도록 연결되고,

   상기 튜브형 반응기는,

   복수 개의 구성성분들을 갖는 감쇠 물질을 더 포함하며,

   상기 구성성분들 모두는 형상을 가지며, 상기 구성성분들 사이의 개방 경로 및 보이드 공간이 최소화되도록 배열되고,

   상기 감쇠 물질은 상기 한정된 입구 영역의 부피, 상기 한정된 출구 영역의 부피, 또는 상기 한정된 입구 영역 및 상기 한정된 출구 영역의 부피의 적어도 20%를 차지하며,

   상기 감쇠 물질의 구성성분들은 하기 수학 관계식을 만족시키는 유효 직경(Ds(a))을 가지는 것을 튜브형 반응기.

   Ds(a) = [DMF(a) × R(v)] / 40

   (여기에서 Ds(a)는 센티미터이고, DMF(a)는 상기 감쇠 물질과 연관된 폭연 혼합 인자이고, 제 1 항에 따른 방법에 의해 실험적으로 결정되며, R(v)는 상기 한정된 입구 영역 및 상기 한정된 출구 영역 중 상기 감쇠 물질에 의하여 차지되는 영역의 반경이다)
10. 제 9 항에 있어서, 상기 가연성 기체는 탄화수소 및 산소를 포함하고 상기 반응기는 유동 조건들에서 작동하는 것을 특징으로 하는 튜브형 반응기.
11. 제 9 항에 있어서, 상기 감쇠 물질은 세라믹, 미네랄, 금속 및 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 일 형태의 물질을 포함하고, 상기 감쇠 물질의 형상은 구형, 달걀형, 원기둥형, 새들형(saddle-shaped), 블럭형(block-shaped), 연장형 및 다면체형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 형상, 및 솔리드(solid), 공동, 다공성 및 적어도 하나의 관통로를 가지는 것으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 튜브형 반응기.
12. 제 9 항에 있어서, 둘 이상의 감쇠 물질들은 한정된 입구 영역 및 한정된 출구 영역 중 적어도 하나에 배치되고 상기 감쇠 물질의 적어도 하나는 다른 감쇠 물질의 구성성분들의 형상과 상이한 형상을 갖는 구성성분들을 갖는 것을 특징으로 하는 튜브형 반응기.
13. 제 9 항에 있어서, 둘 이상의 감쇠 물질들은 상기 한정된 입구 영역 및 상기 한정된 출구 영역 중 적어도 하나에 위치되고 상기 감쇠 물질의 적어도 하나는 하기의 수학 관계식을 만족시키는 유효 직경(Ds(a))을 갖는 구성성분들을 가지는 것을 특징으로 하는 튜브형 반응기.

    Ds(a) = [DMF(a) × R(v)] / 40

    (여기에서 Ds(a)는 센티미터이고, DMF(a)는 상기 감쇠 물질과 연관된 폭연 혼합 인자이고, 제 1 항에 따른 방법에 의해 실험적으로 결정되며, R(v)는 상기 한정된 입구 영역 및 상기 한정된 출구 영역 중 상기 감쇠 물질에 의하여 차지되는 영역의 반경이다)
14. 기체 공급 조성물, 온도 및 압력을 포함하는 가연성 작동 조건들에서 기체 상 반응을 안전하게 수행하기 위한 방법에 있어서,

    (A) 반응 용기 내부에 상기 기체 공급 조성물이 통과하는 한정된 영역을 갖는 반응 용기를 제공하는 단계(상기 한정된 영역은 가연성 작동 조건들에서 물리적 형태를 유지하는 적어도 하나의 감쇠 물질에 의해 차지되는 부피의 적어도 20%이다);

    (B) 상기 한정된 영역을 통과하는 상기 기체 공급 조성물을 형성하도록 상기 반응 용기에 탄화수소, 산소-함유 기체 및 불활성 물질을 포함하는 하나 이상의 기체 물질을 제공하는 단계; 및

    (C) 상기 기체 공급 조성물이 연소가능한 온도 및 압력에서, 상기 반응 용기 내에서의 하나 이상의 반응에 상기 기체 공급 조성물을 공급하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 14 항에 있어서, 상기 감쇠 물질은 제 1 항의 방법에 따라 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 14 항에 있어서, 상기 감쇠 물질은 세라믹, 미네랄, 금속 및 폴리머로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 일 형태의 물질을 포함하고, 상기 감쇠 물질의 상기 복수 개의 구성성분들 각각은 구형, 달걀형, 기둥형, 와이어형, 새들형(saddle-shaped), 블럭형(block-shaped), 연장형 및 다면체형으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 형상, 및 솔리드, 공동, 다공성 및 적어도 하나의 관통로를 가지는 것으로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 특성을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서, 상기 탄화수소는 프로필렌을 포함하고, 상기 기체 상 반응은 프로필렌의 산화를 포함하며, 상기 감쇠 물질들은 크림핑된(crimped) 와이어 메쉬 실린더 및 크림핑된 와이어 메쉬 다면체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 16 항에 있어서, 상기 하나 이상의 기체 물질은 암모니아를 더 포함하고, 상기 탄화수소는 메탄을 포함하며, 상기 기체 상 반응은 메탄의 암모산화(ammoxidation)를 포함하고, 상기 감쇠 물질은 세라믹 폼 다면체를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.

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