KR101285932B1

KR101285932B1 - 발열성 화학 평형 반응을 수행하기 위한 유동층 공정 및반응기

Info

Publication number: KR101285932B1
Application number: KR1020067022072A
Authority: KR
Inventors: 마르틴 손; 에크하르드 스트로에페르; 올가 슈베르트; 토마스 그라쓸러; 마르틴 피에네; 마르틴 세싱; 로타 세이데만; 크리스티안 발스도르프
Original assignee: 바스프 에스이
Priority date: 2004-03-25
Filing date: 2005-03-21
Publication date: 2013-07-12
Also published as: EP1735084A1; JP2007530403A; CN1956775A; SG175661A1; KR20070018917A; US20070202035A1; DE102004014677A1; WO2005092488A1; JP4664968B2; CN103288052A

Abstract

본 발명은 유동층 반응기에서 발열성 화학 평형 반응을 수행하기 위한 방법으로서, 온도가 유동층 반응기의 유동층을 가로질러 분포하고, 최저 온도와 최고 온도 사이의 온도 차이가 10 K 이상인 방법에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 유동층 (5)에서 화학 반응을 수행하기 위한 유동층 반응기로서, 하나 이상의 열 교환기 (12), (28)가 유동층 (5)에 배열되어 온도 분포를 조절하는 유동층 반응기에 관한 것이다.

Description

발열성 화학 평형 반응을 수행하기 위한 유동층 공정 및 반응기 {FLUIDIZED BED METHOD AND REACTOR FOR CARRYING OUT EXOTHERMIC CHEMICAL EQUILIBRIUM REACTIONS}

본 발명은 유동층 반응기에서 발열성 화학 평형 반응을 수행하기 위한 공정에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 상기 공정을 수행하기 위한 유동층 반응기에 관한 것이다.

발열성 화학 평형 반응의 예로는, Deacon이 1868년에 개발한, 산소를 이용하여 염화수소를 촉매적 산화시켜 염소를 발생시키는 공정이 있다.

염소로의 염화수소 전환은 염소 생성이 클로르알칼리 전기분해에 의한 수산화나트륨 생성과는 분리되게 하여준다. 이와 같은 분리는 염소에 대한 세계적 수요가 수산화나트륨에 대한 수요보다 훨씬 강하게 증가하고 있기 때문에 매력적이다. 또한, 염화수소는 예를 들어 이소시아네이트의 제조시 예를 들어 포스겐화 반응에서 공생성물(coproduct)로서 다량 수득된다. 이소시아네이트 제조시에 형성되는 염화수소는 에틸렌을 1,2-디클로로에탄으로 옥시클로르화하는 데에 주로 사용되며, 상기 1,2-디클로로에탄은 추가로 비닐 클로라이드, 최종적으로 PVC로 가공된다. 이에 따라, Deacon 공정은 이소시아네이트 생성과 비닐 클로라이드 생성을 분리시키는 것을 가능하게 하여준다.

Deacon 공정에서, 평형의 위치는 온도가 증가함에 따라 목적하는 최종 산물의 관점에서 덜 우호적으로 된다. 따라서, 활성이 매우 높고 저온에서도 반응이 진행되게 하여주는 촉매를 사용하는 것이 유익하다.

Deacon 반응을 수행하기에 적합한 촉매로는, 예를 들어 GB 1,046,313, DE-A 197 48 299, 또는 DE-A 197 34 412에 기재되어 있는 바와 같은, 지지체 재료상의 루테늄 화합물이 있다.

더욱 적합한 촉매로는, 예를 들어 US 4,828,815에 공지되어 있는 것으로서 산화크롬을 기재로 한 촉매가 있다.

지지화된 구리 화합물을 촉매로서 사용하여 Deacon 반응을 수행하기 위한 유동층 반응기의 사용이 [J.T. Quant 등, The Shell Chlorine Process which appeared in The Chemical Engineer, July/August 1963, CE 224 ~ CE 232면]에 기재되어 있다.

마찬가지로, [S. Furusaki, Catalytic Oxidation of Hydrogen Chloride in a Fluid Bed Reactor, Al-ChE Journal, Vol. 19, No. 5, 1973, 1009 ~ 1016면]에서도 Deacon 반응을 수행하기 위한 유동층 반응기의 사용을 기재하고 있다. 여기에서 사용된 촉매는 CuCl₂, KCl 및 SnCl₂의 혼합물이 있다.

유동층 공정은 일반적으로, 본질적으로 등온적인 온도 분포를 달성하기 위하여, 특히 고정층 공정에서 흔히 발생하는 열점, 즉 국부적인 과다가열 영역을 피하기 위하여 이용된다 (참조, 예를 들어 [Daizo Kunii 및 Octave Levenspiel, Fluidization Engineering, 2nd edition, 1991, 313면]). 이는 특히 염화수소를 염소로 불균질 촉매화된 기상 산화하는 것과 같은 발열 반응에 이용된다.

그러나, 그와 같이 반응을 등온성있게 수행하는 것이 항상 유익한 것은 아니라는 것이 발견되었다. 이에, 예를 들어, Deacon 공정에서의 염소 수율은, 반응이 초기에는 비교적 고온에서 수행되다가 전환이 평형 전환에 도달하게 되는 즉시, 온도가 감소될 때에 증가될 수 있다.

본 발명의 목적은 유동층 반응기에서 발열성 화학 평형 반응을 수행하기 위한 개선된 공정을 제공하는 것이다. 특히, 본 발명의 목적은 개선된 시공간 수율, 즉, 종래 기술에서 공지된 공정의 경우에서와 동일한 반응기 부피 및 동일한 반응 시간에서 더욱 높은 수율이 얻어지게 하는 공정을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 상기 공정이 수행되는 유동층 반응기를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 유동층 반응기에서 발열성 화학 평형 반응을 수행하기 위한 공정으로서, 유동층 반응기의 유동층에서 유동 방향에 따른 온도 분포가 있고, 최저 온도와 최고 온도 사이의 온도차가 10 K 이상인 공정에 의해 달성된다.

상기 문맥에서, 유동 방향이란, 기체가 유동층 아래에 위치한 기체 분배기로부터 유동층 표면에까지 유동층 내에서 유동하는 방향이다. 예를 들어, 기체 분배기는 다공 플레이트 또는 기체 분배기 노즐이 그 위에 분포되어 있는 플레이트일 수 있다.

유동층 반응기는 통상적으로 실린더형 또는 대략 회전 대칭형인 기하구조를 가지며, 그를 통하는 유동은 통상적으로 회전축에 대해 평행하게 발생한다. 의미상, 상기에서 명시한 유동 방향은 또한 축 유동에 대한 것일 수 있으며, 유동층 내에서 국부적으로 발생하여 전체 유동층 높이 도처에서 서로 크게 상쇄되는 방사형 유동과는 별개이다.

본 발명의 공정에서 유동층 내의 온도 분포는, 바람직하게는, 온도가 유동 방향을 따른 절대 온도 최대점 (즉, 전체 유동층에서의 최대 온도)에서부터 유동층 표면까지 감소하도록 하는 것이다. 본 목적에서, 표면이란 기체가 유동층을 빠져나가는 유동층 영역이다.

본 발명의 공정에 대응하는 상기와 같은 온도 분포의 이점은 개선된 시공간 수율이다. 더욱 낮은 출발 온도는 매우 높은 열역학적 평형 전환을 달성하는데에 필수적인 한편, 유동층 내에서의 더욱 높은 온도는 동역학적 이유에서 유익하다.

유동층 표면에까지 온도가 감소함에 따른 추가적 이점은, 승온에서 휘발성인 활성 성분을 함유하는 촉매계가 더욱 우수한 장기간 안정성을 갖고 작동될 수 있다는 것이다. 이와 같은 촉매로는, 예를 들어 지지된 루테늄 화합물이 있다. 유동층 표면에까지 온도가 감소함에 따른 결과로서, 휘발성 촉매 화합물이 유동층의 상부 구역에 있는 더 차가운 촉매 입자에 의해 다시 포획될 수 있고, 상기 입자와 함께 아래의 유동층 하부 구역으로 연속하여 운반될 수 있게 된다.

유동층 내의 온도 최대점과, 상기 온도 최대점 위의 위치에서 본 발명의 공정에 있는, 즉, 유동층 표면 근방에 있는 최저 온도 간의 차이는 150℃ 이하, 바람직하게는 100℃ 이하, 특히 바람직하게는 50℃ 이하이다.

특히 바람직한 공정의 변형예에서, 온도는 유동 방향을 따른 절대 온도 최대점에서부터 기체 분배기 및 유동층 표면 모두에까지 감소한다. 매우 특히 바람직한 공정 변형예에서, 절대 온도 최대점에서 기체 분배기까지의 거리는 절대 온도 최대점에서 유동층 표면에까지의 거리보다 더 짧다.

반응 기체가 기체 분배기를 통해 유동층으로 도입될 때의 온도는 바람직하게는 유동층에서 발생하는 최저 온도 미만이다. 발열 반응의 경우, 이는, 절대 온도 최대점에 도달될 때까지, 유동층내의 온도가 초기에 유동 방향으로 증가하게 하여준다. 본 발명의 공정에서, 이는 열 교환기 용량이 감소되게 하여 주고, 이에 따라 자본 비용이 감소되게 하여주는데, 이는 첫째, 더욱 작은 양의 열이 공급 기체에 전달되어야 하기 때문이며, 둘째, 상기 더욱 차가운 공급 기체가 발열 반응에서 방출된 열의 대부분을 유동층에서 직접 흡수할 수 있어서, 유동층에 장착된 열 교환기를 이용하여 유동층에서 제거될 열의 양이 더욱 작아지게 되기 때문이다.

유동층에서의 온도 분포는 바람직하게는, 열층 내의 하나 이상의 열 교환기로 열 전달됨으로써 조절된다. 오직 하나의 열 교환기가 사용될 경우, 이는 바람직하게는 유동층의 오직 일부에만 위치한다. 이에, 바람직한 구현예에서, 유동층의 하부에는 열 교환기가 없고, 따라서 반응 열이 그곳에서는 제거되지 않는다. 이로써, 온도가 발열 반응으로 인해 상승된 후에는 온도가 더욱 높아지게 된다. 이 때, 반응 열을 제거하는 열 교환기는 유동층의 상부에 위치한다. 이는 유동층의 상부에서 더욱 낮은 온도가 설정되도록 하여준다.

한 구현예에서, 유동층은 2개의 온도 지대로 나뉘어진다. 유동층에 복수개의 열 교환기가 위치하도록 하거나 또는 유동층 중간에 열 교환기가 위치하도록 하면, 2개 초과의 온도 지대가 설정되게 된다.

유동층 반응기의 특히 바람직한 구현예에서, 기체 분배기 플레이트와, 기체 분배기 위에 있는 가장 가까운 열 교환기 사이의 거리는 25 cm 이상, 특히 50 cm 이상이다. 기체 분배기와 열 교환기 사이의 최적 거리는 기체 산출량, 공급 기체의 온도, 기포 형성 특성 및 사용되는 촉매 함수로서의 반응 속도에 의존한다. 기체 분배기 플레이트와 열 교환기 사이에서 온도가 적당하게 상승되도록 하기 위해서는, 25 cm 이상의 거리가 통상 필수적이다. 그러나, 반대로, 과도하게 크게 온도가 증가하고, 이와 더불어, 절대 온도 최대점과 상기 온도 최대점 위의 위치에서의 최저 온도 사이의 차이가 과도하게 크게 되는 것도 피해야 할 것이다. 따라서, 통상적으로, 기체 분배기 플레이트와 열 교환기 사이의 거리는 10 m 이하, 바람직하게는 6 m 이하, 특히 3 m 이하이다. 본 발명의 매우 특히 바람직한 구현예에서, 상기 거리는 2 m 이하이다.

유동층 반응기는 바람직하게는, 공탑 기체 속도 (superficial gas velocity)가 1 내지 5 m/s인 터불런트(turbulent) 유동층으로서, 공탑 기체 속도가 0.5 내지 2 m/s인 고도 팽창(highly expanded) 유동층으로서, 또는 공탑 기체 속도가 0.01 내지 1 m/s인 기포 형성 유동층으로서 설계된다. 유동층 반응기는 특히 바람직하게는 공탑 기체 속도가 0.05 내지 0.50 m/s인 기포 형성 유동층으로서 설계되는데, 이는 특히 바람직한 열 전달 및 특히 바람직한 물질 전달이 상기 공탑 기체 속도에서 달성될 수 있기 때문이다. 공탑 기체 속도는 작업 조건 하에서의 기체 부피 유 량을 반응기의 자유 단면적으로 나눈 것이다.

또한, 2개의 열 교환기 사용도 생각할 수 있다. 이 경우, 하나의 열 교환기는 유동층의 하부에 위치하고 하나의 열 교환기는 유동층의 상부에 위치한다. 상이한 양의 열이 열 교환기에서 흡수되거나 방출된다.

다른 구현예에서, 온도 분포는 또한, 각 경우마다 2개의 온도 지대 사이에 하나 이상의 분할 플레이트를 위치시킴으로써 달성될 수 있다. 본 목적에서, 온도 지대는 유동층에서 온도가 대략 일정한 구역이다. 적합한 분할 플레이트는 예를 들어 다공 플레이트 또는 스크린 플레이트이다. 유동층의 혼합이 분할 플레이트의 위치에서 손상되어, 더욱 소량의 유동화된 과립 재료가 분할 플레이트의 위치에서 발생중인 기체 기포와 함께 비말 동반되고, 그와 동시에, 더욱 소량의 유동화된 과립 재료가 분할 플레이트를 통해 기체 기포의 유동 방향과 반대 방향으로 분할 플레이트 아래의 유동층 구역 내로 유동한다. 이는 대류성 열 전달을 손상시키므로, 명확한 온도 경계부가 분할 플레이트 구역에서 확립된다. 유동층에서 더욱 개선된 온도 지대의 분리는 단열 작용이 있는 분할 플레이트를 사용함으로써 달성될 수 있다.

추가의 구현예에서, 열 교환기는 본 발명의 유동층 반응기에 있는 하나 이상의 온도 지대에 위치하여 유동층을 둘 이상의 온도 지대로 분할한다.

유동층 반응기의 추가의 구현예에서, 2개의 온도 지대는 각각 분할 플레이트에 의해서 분할된다. 상기 분할 플레이트는 바람직하게는 스크린 플레이트로서 또는 다공 플레이트로서 형성된다.

분할 플레이트를 사용할 경우, 바람직한 구현예에서 이들은 원뿔대 모양의 개공부를 가진 다공 플레이트로서 형성된다. 여기서, 아랫면, 즉, 유동이 발생하는 면에서 개공부 직경은 윗면에서의 개공부 직경보다 더 작다.

분할 플레이트의 두께는 바람직하게는 0.1 내지 20 cm, 더욱 바람직하게는 1 내지 15 cm, 특히 바람직하게는 3 내지 10 cm이다.

다공 플레이트 아랫면의 개공부 직경은 바람직하게는 평균 기체 기포 직경보다 더 작다. 아랫면의 개공부 직경은 바람직하게는 0.5 내지 10 cm, 더욱 바람직하게는 0.7 내지 8 cm, 특히 바람직하게는 1 내지 5 cm이다. 윗면에서의 개공부 직경은 바람직하게는 0.5 내지 30 cm, 더욱 바람직하게는 2 내지 20 cm, 특히 바람직하게는 5 내지 15 cm이다. 상부 홀(hole) 직경은 바람직한 구현예에서, 평균 기체 기포 직경보다 더욱 크도록 선택된다.

개공부 각, 즉, 개공부 측면 벽과 개공부 중심축 사이의 각은, 바람직한 구현예에서, 기체 기포의 팽창 각보다 크도록, 유동화된 과립 재료가 기체 유동과 반대인 방향으로 개공부의 측면을 따라 유동할 수 있도록 선택된다. 이것이 가능해지기 위해서, 및 정지층이 개공부 측면에 형성되지 않게 하기 위하여, 바람직한 구현예에서 개공부 각은 과립 재료 층의 안식 각보다 크다. 여기서, 안식 각이란 느슨해진 층(loose bed)에 있는 과립 재료가 막 빠져나가기 시작하는 각이다.

개공부 각은 바람직하게는 0 내지 60°, 더욱 바람직하게는 10 내지 50°, 특히 바람직하게는 20 내지 40°의 범위이다.

추가의 구현예에서, 2개의 온도 지대 사이에 있는 분할 플레이트는 단열 재료로 만들어진다. 이 경우, 분할 플레이트를 만드는 재료는 유동층의 온도에서 안 정하다. 이에, 예를 들어 유동층에서 온도가 200℃ 이상일 경우 세라믹 또는 유리가 적합하다.

단열 재료로 만들어지는 분할 플레이트와는 별개로, 추가의 구현예에서, 분할 플레이트는 또한 열 단열성 층을 가질 수 있다. 본 목적에서, 분할 플레이트는 바람직하게는 유동층으로부터 방기성(gastight) 및 방액성(liquid-tight) 방식으로 흐름을 막는 중공체로서 형성된다. 이러한 방식으로 형성된 중공 공간은, 예를 들어 진공화되어 있거나 또는 주변 압력에서 공기를 포함할 수 있다. 또한, 상기 중공 공간은 유리 섬유 또는 암면과 같은 단열 재료로 충전될 수 있다. 또한, 열 교환기가 중공 공간을 통과할 수 있도록, 분할 플레이트에 입구와 출구를 제공하는 것도 가능하다. 이 방식에서, 분할 플레이트는 추가의 열 교환기로서 이용될 수 있다.

촉매의 존재 하에 수행되는 반응의 경우, 유동화된 과립 재료가 촉매를 함유한다. 이 경우에서, 과립 재료의 개별 입자는 각각 촉매 재료로 이루어질 수 있거나 또는 촉매 재료가 그 표면에 존재할 수 있다. 바람직한 구현예에서, 촉매는 산화성 지지체상에 금속 성분을 포함한다. 금속 성분의 예로는 루테늄 또는 구리 화합물이 있다. 산화성 지지체로서, 알루미늄 산화물, 특히 γ-알루미늄 산화물 또는 δ-알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물 또는 티탄 산화물 또는 상기 산화물의 혼합물을 사용하는 것이 가능하다. 산화 지지체는 바람직하게는 평균 입경이 30 내지 150 ㎛, 더욱 바람직하게는 40 내지 100 ㎛, 특히 50 내지 80 ㎛인 분말 형태로 사용된다. 입자 크기가 < 20 ㎛인 미세 분획물은 바람직하게는 40 중량% 미만, 더욱 바람직하게는 30 중량% 미만, 특히 20 중량% 미만이다.

유동층 반응기가 염소로의 염화수소 산화에 사용될 경우, 예를 들어 GB 1,046,313, DE-A 197 48 299, 또는 DE-A 197 34 412에 공지된 루테늄계 촉매를 사용하는 것이 가능하다. 또한, DE-A 102 44 996에 기재되어 있는, 0.001 내지 30 중량%의 금, 0 내지 3%의 하나 이상의 알칼리 토금속, 0 내지 3 중량%의 하나 이상의 알칼리 금속, 0 내지 10 중량%의 하나 이상의 희토류 금속, 및 0 내지 10 중량%의, 루테늄, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 은, 구리 및 레늄으로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 다른 금속을 지지체 상에 포함하는 금계 촉매 (상기 각 경우는 촉매 전체 중량을 기초로 한 것임)가 또한 적합하다.

상기 촉매는 바람직하게는, 지지체의 물 흡수에 대응하는 양의 루테늄 클로라이드 수화물 수용액으로 γ-알루미늄 산화물을 함침시킨 뒤, 이를 100 내지 200℃에서 건조시키고, 최종적으로 이를 공기 대기 중 400℃에서 소성함으로써 얻어진다. 촉매 중 루테늄 함량은 바람직하게는 1 내지 5 중량%, 특히 1.5 내지 3 중량% 이다.

복수개의 열 교환기를 사용할 경우, 각각의 열 교환기는 그 자신의 입구와 출구를 구비하고 있을 수 있으며, 직렬 또는 병렬로 연결되어 있을 수 있다. 열 교환기를 병렬로 연결할 경우, 개별 열 교환기는 바람직하게는, 상이한 양의 열이 개별 열 교환기에 의해 흡수 또는 방출되도록, 상이한 열 전달 면적을 갖는다. 열 교환기를 직렬로 연결할 경우, 개별 열 교환기에서 열 전달 매질의 압력이 상이하도록, 펌프 또는 절기판(throttle) 밸브를 바람직하게는 열 교환기 사이에 위치시킨 다. 특히, 열 전달 매질로서 액체를 끓이거나 또는 응축시킬 경우, 상이한 온도가 압력의 함수로서 열 교환기에서 확립된다.

유동층으로부터 열을 제거하기 위해서는, 예를 들어 비등수 (boiling water)을 사용하는 것이 가능한데, 이는 비등수가 다량의 열을 일정 온도에서 흡수할 수 있기 때문이다. 상기 비등수의 온도는 모든 물이 증발했을 경우에만 변한다. 비등 온도는 압력에 의존한다. 비등수의 압력이 높을수록 비등 온도도 높아진다. 유동층내 온도가 높은 경우, 그의 온도가 유동층의 온도보다 낮은 염 용융물 (salt melt)도 열 제거에 적합하다. 비등수를 사용하는 것이 바람직하다.

열을 도입하는 것 및 유동층으로부터 열을 제거하는 것 모두에 사용될 수 있는 추가의 열 전달 매질로는, 예를 들어 서멀 오일(thermal oil) 또는 당업자에게 공지된 추가의 열 전달 매질이 있다.

도면을 참조하여 본 발명을 하기에서 더욱 상세히 기술한다.

도면에서:

도 1은 본 발명에 따른 유동층 반응기의 도식도 및 그 반응기에서의 온도 프로파일을 나타내며,

도 2는 본 발명에 따른 유동층 반응기의 제2 구현예 및 그 반응기에서의 온도 프로파일을 나타내고,

도 3은 원뿔대 모양의 개공부가 있는 다공 플레이트로 형성된 분할 플레이트의 평면도를 나타내며,

도 4는 도 3의 분할 플레이트의 개공부를 통한 단면도를 나타낸다

도 1은 본 발명에 따른 유동층 반응기의 특히 바람직한 구현예의 도식도 및 그 반응기에서의 온도 프로파일을 나타낸다.

유동층 반응기 (1)은 윈드박스(windbox) (3), 기체 분배기 (4), 유동층 (5), 이탈 지대 (9) 및 하나 이상의 고체 침전기 (10)를 포함한다. 공급 기체는 윈드박스 (3)으로 공급된다. 여기에서 가스의 도입은 화살표 (2)로 표시된다. 윈드박스 (3)으로의 기체 도입은, 여기에 나타나 있는 바와 같이, 아래로부터 또는 그 밖에 측면으로부터일 수 있다. 윈드박스 (3)에서, 기체는 기체 분배기 (4)를 통해 유동층 (5) 내로 유동한다. 기체 분배기 (4)의 기능은 기체가 유동층 (5) 내로 균일하게 유동하도록 하여, 기체와 고체의 우수한 혼합이 유동층 (5)에서 달성되도록 하여주는 것이다. 기체 분배기 (4)는 다공 플레이트이거나 또는 기체 분배기 노즐이 그 위에 분포되어 있는 플레이트일 수 있다.

공급 기체를 생성물로 전환시키는 것은 유동층 (5)에서 발생한다. 예를 들어, 공급 기체는 염소 제조에 대하여는 염화수소 및 산소이다.

도 1에 나타낸 구현예에서, 유동층 (5)는 제1 온도 지대 (6)와 제2 온도 지대 (8)로 나뉜다. 이 경우, 발열 반응이 유동층 반응기 (1)에서 수행될 때 제1 온도 지대 (6)의 온도가 반응에 의해 방출되는 열에 의존하도록 하기 위해, 열 교환기를 제1 온도 지대 (6)에 장착하지 않는다.

유동층의 과립 재료를 혼합함으로 인하여, 제1 온도 지대 (6)의 온도에서 제2 온도 지대 (8)로의 온도 이행이 유동층 (5)의 비교적 큰 구역에 걸쳐 발생한다.

보다 첨예한 온도 이행은, 제1 온도 지대 (6)와 제2 온도 지대 (8) 사이에 분할 플레이트 (7) (도 2 참조)를 배열함으로써 달성될 수 있다. 분할 플레이트는, 기체 기포가 분할 플레이트 내의 개공부를 통해 제1 온도 지대 (6)에서부터 제2 온도 지대 (8) 내로 통과하도록 만들어진다.

제1 온도 지대 (6)에서의 온도와 상이한 제2 온도 지대 (8)에서의 온도를 설정하기 위해, 열 교환기 (12)를 제2 온도 지대 (8)에 설치한다. 기체 분배기 (4)와 열 교환기 (12) 사이의 거리는 바람직한 구현예에서 50 cm 이상이다.

열 교환 매질은 열 전달 매질 입구 (13)을 통해 열 교환기 (12)로 공급된다. 열 전달 매질은 열 교환 매질 분배기 (16)을 통해 열 교환기 튜브 (17)로 유동한다. 열 교환기 튜브 (17)은 증기 마니폴드(manifold) (14)로 개방되어, 그 곳을 통해 열 전달 매질이 열 전달 매질 출구 (15)로 통과하고, 열 교환기 (12)로부터 빠져나간다. 열 교환기 (12)에 의해 흡수 또는 방출될 열의 양은 열 교환기 튜브 (17)의 수 및 열 전달 매질의 질량 유동을 통해 설정될 수 있다.

열이 열 교환기 (12)를 통해 유동층 (5)로부터 제거될 경우, 적합한 열 전달 매질은 예를 들어, 열을 흡수하면 증발하는 비등수, 서멀 오일, 또는 유동층 (5) 내의 온도가 높은 경우에는, 염 용융물이다. 이 경우, 열 전달 매질은 유동층 (5)에서의 온도보다 낮은 온도이다.

유동층 (5)는 이탈 지대 (9)에 연결된다. 기체와 고체의 분리가 이탈 지대 (9)에서 발생한다. 추가로 비말동반된 고체 입자를 생성 기체에서 제거하기 위해, 하나 이상의 고체 침전기 (10)를 바람직하게는 이탈 지대 (9)의 상부 구역에 위치시킨다. 하나 이상의 고체 침전기 (10)이 유동층 반응기 (1) 내에 위치하는 도 1에 나타낸 구현예에 추가하여, 또한, 고체 침전기 또는 침전기들 (10)을 유동층 반응기 (1)의 외부에 위치시킬 수 있다. 고체 침전기 또는 침전기들 (10)에 이어, 화살표 (11)가 생성물의 방출을 나타낸다.

적합한 고체 침전기 (10)은 예를 들어 사이클론 또는 캔들 필터(candle filter)이다.

또한, 도 1은 유동층 반응기 (1)에서의 온도 프로파일을 나타낸다. 여기서, 축 (18)은 유동층 반응기 (1)을 따른 높이를 나타내고, 축 (19)은 온도를 나타낸다. 그래프에서의 파단선은 제1 온도 수준 (20), 제2 온도 수준 (21) 및 제3 온도 수준 (22)를 가리킨다. 제1 온도 수준 (20)의 온도는 제2 온도 수준 (21)의 온도보다 낮고, 제2 온도 수준 (21)의 온도는 다시 제3 온도 수준 (22)의 온도보다 낮다. 공급 기체가 공급 온도 (23)에서 유동층 반응기 (1)의 윈드박스 (3)으로 공급된다. 반응은 유동층 (5)에서 개시한다. 열이 상기 반응에서 방출된다. 이러한 이유로 인해, 제3 온도 수준 (22)에 도달할 때까지, 제1 온도 지대 (6)의 구역에서 준비 단계 (24) 동안 온도가 상승한다. 제3 온도 수준 (22)에 도달한 후, 유동층 (5)의 혼합으로 인해 제1 온도 지대 (6) 내에서 일정 온도 (25)가 확립된다.

도 1에 나타낸 바람직한 공정 변형예에서, 열 교환기 (12)를 통해 열이 제거된다. 이러한 이유로 인해, 제2 온도 지대 (8)에서 냉각이 발생한다. 유동층 (5)의 철저한 혼합으로 인하여, 실질적으로 일정한 온도 (27)가 제2 온도 지대 (8)에 보급된다. 상기 온도 (27)는 제2 온도 수준 (21)에 있다. 그러나, 온도가 제2 온도 지대 (8)의 구역에서 유동 방향으로 다소 감소하는 것이 가능하며, 이것이 통상 유익하다. 이는, 특히, 유동층 (5)의 표면에 가까운 상부에서 전환이 증가함에 따라 반응 속도가 감소할 때의 경우이다. 제1 온도 지대 (6)에서의 온도 (25)에서 제2 온도 지대 (8)에서의 온도 (27)까지의 이행은 냉각 단계 (26)을 따라 발생한다.

도 2는 유동층 반응기의 제2 구현예 및 온도 프로파일의 개략적 서술을 나타낸다.

도 2에 나타낸 유동층 반응기 (1)는, 추가의 열 교환기 (28)가 제1 온도 지대 (6)에 설치되어 있다는 점에서, 도 1 에 나타낸 구현예와 상이하다. 제2 열 교환기 (28)의 구성 및 작업 양식은 열 교환기 (12)의 구성 및 작업 양식에 대응한다. 열 전달 매질을 열 전달 매질 입구 (29)를 통해 제2 열 교환기 (28)로 공급한다. 열 전달 매질은, 열 전달 매질 분배기 (30)을 통해 열 교환기 튜브 (31)로 유동한다. 열 교환기 튜브 (31)는 증기 마니폴드 (32)로 개방되고, 그곳을 통해 열 전달 매질이 열 전달 매질 출구 (33)로 통과하여, 제2 열 교환기 (28)로부터 방출된다.

제1 온도 지대 (6) 및 제2 온도 지대 (8)에서의 상이한 온도는, 열 교환기 (12), (28)의 상이한 열 전달 면적을 이용함으로써 달성될 수 있다. 이에, 예를 들어, 제2 열 교환기 (28)은 제1 열 전달기 (12)보다 더욱 적은 열 교환기 튜브 (31)를 가질 수 있다. 이는, 제2 열 교환기 (28)의 열 전달 면적이 제1 열 교환기 (12)의 열 전달 면적보다 훨씬 더 작게 만든다. 그 결과, 열 교환기 (12)보다 제2 열 교환기 (28)을 통해 제거되는 열이 더 적을 수 있다. 이는, 유동층 (5)의 제1 온도 지대 (6)에서 더욱 높은 온도 (25)를 발생시킨다.

제2 열 교환기 (28)의 사용은 준비 단계 (24) 구역 또는 냉각 단계 (26) 구역을 더욱 작게 한다. 이에 따라, 하나의 온도 수준에서 다른 온도 수준으로의 이행이 더 급속해진다.

제1 온도 지대 (6) 및 제2 온도 지대 (8)는 분할 플레이트 (7)에 의해 분리된다. 분할 플레이트 (7)는, 기체 기포가 분할 플레이트 (7)에 있는 개공부를 통과하여 제2 온도 지대 (8)로 가도록 만들어진다. 분할 플레이트 (7)는, 유동층의 과립 재료 중의 오직 작은 비율만이 상승 기체 중에서 비말 동반되는 것을 보장한다. 이는, 유동층의 제1 온도 지대 (6) 및 제2 온도 지대 (8)의 과립 재료가 완전히 혼합되지 못하게 한다. 이에, 분할 플레이트 (7)는 제1 온도 지대 (6)와 제2 온도 지대 (8) 사이의 분리를 더욱 첨예하게 만든다.

바람직한 구현예에서, 분할 플레이트 (7)는 단열 작용을 갖는다. 본 목적에서, 이는 단열 재료로 만들어진 것이거나 또는 열 단열 층을 가진 것이다.

제1 온도 지대 (6)과 제2 온도 지대 (8) 사이의 분할 플레이트 (7)을 생략할 경우, 제1 온도 지대 (6)과 제2 온도 지대 (8) 간의 이행이 보다 덜 첨예하게 된다. 이 경우, 제1 온도 지대 (6)의 온도 (25)에서부터 제2 온도 지대 (8)의 온도 (27)까지의 이행이 더욱 느려져서, 제1 온도 지대 (6)과 제2 온도 지대 (8) 사이의 유동화된 과립 재료가 혼합되게 된다.

또한, 도 1과 2에 나타낸 2개의 온도 지대 (6), (8)을 갖는 구현예에 부가하여, 유동층 (5)을 2개 초과의 온도 지대로 분할하는 것도 가능하다. 이 경우, 예를 들어, 열 교환기를 가진 온도 지대를 열 교환기가 없는 온도 지대로 교체하는 것이 가능하다. 또한, 각 온도 지대에 열 교환기를 제공하는 것도 가능하다. 분할 플레이트는 개별 온도 지대 사이에 설치될 수 있다. 개별 온도 지대의 온도간 이행을 더욱 느리게 하고자 할 경우, 분할 플레이트 (7)를 온도 지대 사이에 위치시키지 않는다.

도 3은, 원뿔대 모양의 개공부 (34)를 가진 분할 플레이트 (7)의 구현예에 대한 평면도를 나타낸다. 개공부 (34)는 당업자에게 공지된 임의 방식으로 배열될 수 있다. 이에, 예를 들어, 개공부 (34)는 여기에 나타낸 바와 같이 상호 수직인 축을 따라 배열될 수 있을 뿐만 아니라, 또한, 개공부 (34)는 서로에 대해 파생될 수 있다.

원뿔대 모양의 개공부 (34)를 통한 단면이 도 4에 나타나 있다. 개공부 (34)는 분할 플레이트 (7)의 아랫면 (38)상에 제1 개공 직경 (35)를 가지며, 상기 개공 직경 (35)은 분할 플레이트 (7)의 윗면 (39)상에 있는 개공부 (34)의 제2 개공 직경 (36)보다 더 작다. 여기에 나타나 있는 바와 같이 원뿔대 모양을 가진 개공부 (34)의 경우, 개공 직경은 분할 플레이트 (7)의 아랫면 (38)에서부터 윗면 (39)에까지 균일하게 증가한다. 개공부 (34)의 측벽 (40)은 개공부 축 (37)에 대한 각 (41)만큼 기울어져 있는다. 각 (41)은 바람직하게는 0 내지 60°, 더욱 바람직하게는 10 내지 50°, 특히 20 내지 40°의 범위이다.

제1 개공 직경 (35)은, 그것이 유동층 (5)에서의 기체 기포의 평균 기체 기포 직경보다 더 작도록 선택된다. 제1 개공부 직경 (35)은 바람직하게는 0.5 내지 10 cm, 더욱 바람직하게는 0.7 내지 8 cm, 특히 1 내지 5 cm의 범위이다. 한편, 제 2 개공부 직경 (36)은, 그것이 유동층 (5)에서의 기체 기포의 평균 기체 기포 직경보다 더 크도록 선택된다. 제2 개공부 직경 (36)은, 바람직하게는 0.5 내지 30 cm, 더욱 바람직하게는 2 내지 20 cm, 특히 5 내지 15 cm의 범위이다. 도 4에 나타낸 구현예에서, 분할 플레이트 (7)는 중공체로서 형성된다. 여기서, 내부 공간은 각각 분할 플레이트 (7)의 윗면 (39), 아랫면 (38), 및 개공부 (34)의 측벽 (40)에 의해 경계 지어져 있다. 이러한 방식으로 형성된 중공 공간 (43)은, 예를 들어 진공화되어 있거나 또는 주변 압력 하에서 공기로 충전되어 있을 수 있다. 중공 공간 (43)은 당업자에게 공지된 임의의 추가적 열 단열 재료를 포함할 수 있다. 적합한 재료의 예로는 유리 면 또는 미네랄 면이 있다.

중공 공간 (43)의 높이는, 참조 번호 (42)로 표시되어 있다. 높이 (42)는 바람직하게는 0.1 내지 20 cm, 더욱 바람직하게는 1 내지 15 cm, 특히 3 내지 10 cm의 범위이다. 분할 플레이트 (7)의 벽(44)을 위한 재료는 바람직하게는, 공급 기체와 생성 기체에 대해 화학적으로 안정하도록 선택된다. 벽 (44)의 두께는 바람직하게는 1 내지 50 mm, 더욱 바람직하게는 2 내지 30 mm, 특히 5 내지 20 mm의 범위이다.

단열 층을 가진 변형예와는 별개로, 도 4에 나타내어져 있는 바와 같이, 분할 플레이트 (7)는 전체적으로 단열 재료로 만들어질 수 있다. 적합한 재료는 예를 들어, 유리 또는 세라믹이다.

가스와 과립 고체가 통과하게 하는, 당업자에게 공지된 모든 플레이트가 분할 플레이트 (7)로서 적합하다. 이에, 도 3과 4에 나타낸 다공 플레이트에 추가하 여, 더욱 특히 유용한 플레이트는 예를 들어, 스크린 플레이트이다.

참조 번호 목록

(1) 유동층 반응기

(2) 공급물의 도입

(3) 윈드박스

(4) 기체 분배기

(5) 유동층

(6) 제1 온도 지대

(7) 분할 플레이트

(8) 제2 온도 지대

(9) 이탈 지대

(10) 고체 침전기

(11) 생성물 배출

(12) 열 교환기

(13) 열 전달 매질 입구

(14) 증기 마니폴드

(15) 열 전달 매질 출구

(16) 열 전달 매질 분배기

(17) 열 교환기 튜브

(18) 높이

(19) 온도

(20) 제1 온도 수준

(21) 제2 온도 수준

(22) 제3 온도 수준
(23) 공급 온도

(24) 준비 단계

(25) 제1 온도 지대 (6)에서의 온도

(26) 냉각 단계

(27) 제2 온도 지대 (8)에서의 온도

(28) 제2 열 교환기

(29) 열 전달 매질 입구

(30) 열 전달 매질 분배기

(31) 열 교환기 튜브

(32) 증기 마니폴드

(33) 열 전달 매질 출구

(34) 개공부

(35) 제1 개공부 직경

(36) 제2 개공부 직경

(37) 개공부 축

(38) 아랫면

(39) 윗면

(40) 개공부 (34)의 측벽

(41) 개공부 각

(42) 중공 공간 (43)의 높이

(43) 중공 공간

(44) 벽

Claims

유동층 반응기에서 발열성 화학 평형 반응을 수행하기 위한 공정으로서,

유동층 반응기가 유동층 아래에 위치되어 기체를 유동층에 도입하는 기체 분배기와 유동층 내에 위치한 하나 이상의 열 교환기를 포함하고,

유동층 반응기의 유동층에서 유동 방향을 따라 온도 분포가 있고, 최저 온도와 최고 온도 사이의 온도 차이가 10 K 이상이며, 유동층 내의 온도가 유동 방향을 따라 절대 온도 최대점에서부터 유동층 표면까지 감소하고, 절대 온도 최대점과 기체 분배기 사이의 거리가 절대 온도 최대점과 유동층 표면 사이의 거리보다 짧은 것인 공정.
제1항에 있어서, 유동층 내의 온도가 유동 방향을 따라 유동층의 절대 온도 최대점에서부터 유동층 표면과 기체 분배기까지 감소하는 것인 공정.
제1항에 있어서, 유동층 반응기로 공급된 반응 기체의 온도가 유동층에서 발생하는 최저 온도보다 낮은 것인 공정.
제1항에 있어서, 온도 분포가 유동층 내의 하나 이상의 열 교환기로의 열 전달에 의해 발생하는 것인 공정.
제1항에 있어서, 화학 반응이 염화수소와 산소로부터 염소를 제조하는 것인 공정.
제1항에 있어서, 유동층이 산화 지지체 상에 금속 성분을 포함하는 촉매를 포함하는 것인 공정.
제6항에 있어서, 촉매가 루테늄 화합물을 포함하는 것인 공정.
반응 기체가 기체 분배기 (4)를 통해 공급되는 유동층 (5)에서 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 공정을 수행하기 위한 유동층 반응기로서, 하나 이상의 열 교환기 (12, 28)를 유동층 (5)에 위치시켜 유동층 (5) 내에서의 온도 분포를 조절하고, 기체 분배기 (4)와 그에 가장 가까운 열 교환기 (12) 사이의 거리가 50 cm 이상인 유동층 반응기.
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