KR101395994B1 - 연속적 옥시탈수소화를 수행하기 위한 반응기 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응 가스 혼합물을 수득하기 위하여, 2개의 동심 원통형 홀딩 장치 (5, 6) 사이에 반응기의 세로방향으로 도입되어, 중앙 내부 공간 (7) 및 이동 촉매층 (4)와 반응기의 내부벽 사이에 중간 공간 (8)을 만드는 이동 촉매층 상에서, 산소-함유 가스 스트림 (3)과 포화 탄화수소를 예비혼합한 후, 포화 탄화수소 공급 가스 스트림 (2)의 연속적 옥시탈수소화를 수행하기 위한 반응기 (1)에 관한 것이다. 상기 반응기 (1)은 서로 분리되어 있고 중앙 내부 공간 (7)에 교대로 배열된 디스크형 편향판 (10) 및 이동 촉매층 (4)와 반응기의 내부벽 사이의 중간 공간에 배열된 고리형 편향판 (11)에 의해 소구역으로 나누어진 2개 이상의 반응기 구획을 가지는 것을 특징으로 한다. 반응기 구획은 각각 이동 촉매층 (4)의 상류에 반응 가스 혼합물의 유입 방향으로 대향하는 혼합 장치 (12)를 포함하고, 상기 혼합 장치는 하기 요소를 포함한다: 외부에 와류 발생기가 있어 자유 흐름 단면의 1/2 내지 1/10로 공급 가스 스트림 (2)의 흐름 단면을 제한하는, 2 또는 3열로 연이어 배열되는 관 (13) (여기서 산소-함유 가스 스트림 (3)은 관을 통과하여 관 (13)의 개구부 (14)를 통해 공급 가스 스트림 (2)에 분무됨); 또한 관 (13)의 상류에 위치한 천공판 (17); 및 관 (13)의 하류에 위치한 천공판 (18).
연속적 옥시탈수소화, 와류 발생기가 부착된 관

Description

연속적 옥시탈수소화를 수행하기 위한 반응기 및 그 방법 {REACTOR FOR CARRYING OUT A CONTINUOUS OXIDE HYDROGENATION, AND METHOD}
본 발명은 포화 탄화수소 공급 가스 스트림의 연속적 옥시탈수소화를 수행하기 위한 반응기, 및 상기 반응기 내에서 연속적 옥시탈수소화를 수행하는 방법에 관한 것이다.
옥시탈수소화는 파라핀-함유 탄화수소 스트림을 상응하는 올레핀으로 개질시키기 위하여 화학공학에서 대규모로 수행된다. 반응이 흡열 반응이므로, 열이 외부에서 도입되어야 한다. 산업적 옥시탈수소화는 예를 들어 프로판의 옥시탈수소화 또는 부탄의 옥시탈수소화이다.
프로판을 프로펜으로 탈수소화시키는 UOP 올레플렉스 (Oleflex) 공정으로 공지된 공정에서, 프로판-함유 공급 가스 스트림을 흔히 700 내지 750 ℃의 승온으로 예열하고, 이동층 탈수소화 반응기 내 산화알루미늄 상 백금을 포함하는 촉매를 이용하여 탈수소화하여 주로 프로판, 프로펜 및 수소를 포함하는 생성물 가스 스트림을 생성한다.
UOP 올레플렉스 공정에서 흡열 반응에 필요한 반응열은 중간 히터를 통해 도입되며, 각각 하류 단열적으로 조작되는 반응기와 함께 직렬로 배열된 4개의 중간 히터가 흔히 제공된다. 상기 공정의 단점은, 특히 중간 히터가 고비용이라는 것이며, 또한 단계적이고 간접적인 열 전달은 직접적 열 전달에 비해서 더 많은 에너지가 도입되어야 하고, 더 높은 온도로 공급 가스 스트림 가열이 필요하고, 이에 상응하게 2차 반응이 증가한다는 것이다.
파라핀-함유 공급 가스 스트림의 일부 및 또한 옥시탈수소화에서 형성되는 수소의 일부가 연소되어 흡열 반응에 필요한 열을 제공하는 자열적 바스프 (autothermal BASF) 공정에 직접적 열 전달이 적용된다. 장점은 에너지의 개선된 이용효율이고, 또한 직접적 열 전달의 경우 더 낮은 온도, 상응하게 공급 가스 스트림에 대한 낮은 스트레스가 요구된다는 사실이다. 자열적 바스프 공정에는 일반적으로 옥시탈수소화 모드 및 재생 모드로 교대로 조작되는 2개의 고정층 반응기가 필요하며, 이에 상응하여 자본비용이 더 커진다.
상기에 비추어, 본 발명의 목적은 공지된 반응기 및 공정의 장점을 조합한, 특히 UOP 올레플렉스 공정의 이동층 촉매의 장점과 자열적 바스프 공정의 에너지적 장점을 조합한, 포화 탄화수소의 옥시탈수소화를 수행하기 위한 반응기 및 공정을 제공하는 것이다.
따라서 본 발명은 2개의 동심 (cocentric) 원통형 홀딩 장치 사이에 반응기의 세로방향으로 도입되어, 반응 기체 혼합물을 제공하기 위한 중앙 내부 공간 및 이동 촉매층과 반응기의 내부벽 사이에 중간 공간을 만드는 이동 촉매층 상에서, 산소-함유 가스 스트림과 예비혼합한 후, 포화 탄화수소 공급 가스 스트림의 연속적 옥시탈수소화를 수행하기 위한 반응기로서, 중앙 내부 공간에 교대로 배열된 디스크형 편향판으로 서로 분리되어 있고, 이동 촉매층과 반응기의 내부벽 사이의 중간 공간에 배열된 고리형 편향판에 의해 소구역으로 나누어진 2개 이상의 반응기 구획을 가지고, 각 경우 반응 가스 혼합물의 흐름 방향에서 이동 촉매층의 상류에 위치하고, 하기와 같은 요소를 포함하는 혼합 장치를 갖는 반응기를 제공한다.
- 외부에 와류 발생기가 있어 자유 흐름 단면의 1/2 내지 1/10로 공급 가스 스트림의 흐름 단면을 제한하는, 서로의 앞뒤에 2 또는 3열로 배열되는 관 (여기서 산소-함유 가스 스트림은 관의 내부 공간을 통과하여 관의 핀 (fin)들 사이의 채널의 개구부를 통해 공급 가스 스트림에 주입됨),
- 관의 상류 천공판 및 관의 하류 천공판,
- 반응 가스 혼합물은 중앙 내부 공간에서, 이동 촉매층과 반응기의 내부벽 사이의 중간 공간으로 교대로 전달되고, 후속 반응기 구획에서는 반대로 전달됨.
관의 외부에 배열된 와류 발생기는 다양한 형상의 구조물일 수 있으나, 필수적으로 관 주변을 흐르는 유체에 와류를 증가시켜야 한다. 바람직하게는 이는 정적 믹서 또는 증류탑에서 패킹 요소로서 공지된 요소이고, 예를 들어 금속판의 교차 스트립이다. 와류 발생기가 장착된 관은 바람직하게는 핀이 부착된 관이다.
150 ms 이하, 또는 심지어 50 ms 이하의 매우 짧은 지연 시간 동안 매우 균질한 혼합을 보장하는 특수 혼합 장치를 사용하면, 반응이 진행됨에 따라 조절된 양의 산소-함유 가스가 이동 촉매층 상으로 연속적으로 공급될 수 있다는 것을 발견하였다.
열 교환기로 공지된 시판되는 핀이 부착된 관을 사용하고, 핀들 사이 채널에 개구부에 의한 약간의 변형의 결과, 핀이 부착된 관에 공급 가스 스트림이 본질적으로 수직으로 도입되고, 산소-함유 가스 스트림이 채널 내 개구부를 통해 핀이 부착된 관의 내부 공간을 통과하여 공급 가스 스트림에 주입된 결과, 핀 사이의 채널들의 중간 공간이 높은 와류가 생성되는 사실상 이상적인 혼합 챔버로서 이용된다.
공급 가스 스트림과 산소-함유 가스 스트림의 부피 유량은 일반적으로 매우 달라서, 그에 상응하게 혼합 과정을 매우 어렵게 만든다. 산소-함유 가스의 유량은 특히 공급 가스 스트림의 유량의 5 내지 30 %이다.
촉매는 바람직한 실시양태에서 에지 슬릿 스크린일 수 있는 2개의 동심 원통형 홀딩 장치 사이에 배열하고, 위에서부터, 특히 저장 컨테이너를 통해 충전하고, 직립형, 일반적으로 원통형 반응기 내 적합한 설비를 수단으로 이용하여 아랫부분으로 비워낸다. 자유-유동형 촉매성형체는 반응기의 총 높이에 걸쳐있는 연속적인 좁은 갭를 통해 원통형 홀딩 장치 사이를 위에서 아래로 반응기를 따라 이동한다. 갭의 최대 선형 치수는 바람직하게는 촉매성형체의 최소 외경의 절반 이하, 더 바람직하게는 0.75 내지 2.00 mm 범위, 특히 바람직하게는 약 1.2 mm이다.
개별 반응기 구획 사이에 이동 촉매층은, 반응 가스 혼합물의 우회를 실질적으로 억제하기 위하여 특히 대략 한 층 두께에 상응하는 길이로 쇼트 실링 스트레치가 제공된다.
수소의 연소를 선택적으로 촉매하는 바람직한 촉매는 게르마늄, 주석, 납, 비소, 안티몬 및 비스무트의 산화물 및/또는 포스페이트로 이루어진 군에서 선택되는 옥사이드 및/또는 포스페이트를 포함한다. 수소의 연소를 촉매하는 더 바람직한 촉매는 전이족 VIII 및/또는 I의 귀금속을 포함한다.
사용되는 탈수소화 촉매는 일반적으로 지지체 및 활성 조성물을 포함한다. 지지체는 일반적으로 내열성 산화물 또는 혼합 산화물을 포함한다. 탈수소화 촉매는 지지체로서 바람직하게는 이산화지르코늄, 산화아연, 산화알루미늄, 이산화규소, 이산화티탄, 산화마그네슘, 산화란탄, 산화세륨 및 이의 혼합물로 이루어지는 군에서 선택되는 금속 산화물을 포함한다. 혼합물의 경우, 이들은 물리적 혼합물 또는 화학적 혼합상, 예컨대 산화 마그네슘 또는 아연 알루미늄 혼합 산화물이다. 바람직한 지지체는 이산화지르코늄 및/또는 이산화규소, 특히 바람직하게는 이산화지르코늄 및/또는 이산화규소의 혼합물이다.
탈수소화 촉매의 활성 조성물은 일반적으로 1종 이상의 전이족 VIII의 원소, 바람직하게는 백금 및/또는 팔라듐, 특히 바람직하게는 백금을 포함한다. 부가적으로, 탈수소화 촉매는 주족 I 및/또는 II의 1종 이상의 원소, 바람직하게는 칼륨 및/또는 세슘을 포함할 수 있다. 또한, 탈수소화 촉매는 란탄계열 및 악틴계열을 비롯한 전이족 III의 1종 이상의 원소, 바람직하게는 란탄 및/또는 세륨을 포함할 수 있다. 마지막으로, 탈수소화 촉매는 주족 III 및/또는 IV의 1종 이상의 원소, 바람직하게는 붕소, 갈륨, 규소, 게르마늄, 주석 및 납으로 이루어진 군에서 선택되는 1종 이상의 원소, 특히 바람직하게는 주석을 포함할 수 있다.
바람직한 실시양태에서, 탈수소화 촉매는 전이족 VIII의 1종 이상의 원소, 주족 I 및/또는 II의 1종 이상의 원소, 주족 III 및/또는 IV의 1종 이상의 원소, 및 란탄계열 및 악틴계열을 비롯한 전이족 III의 1종 이상의 원소를 포함한다.
본 발명에 따르면 예를 들어, WO 99/46039, US 4,788,371, EP-A 705 136, WO 99/29420, US 5,220,091, US 5,430,220, US 5,877,369, EP 0 117 146, DE-A 199 37 106, DE-A 199 37 105 및 DE-A 199 37 107에 기재된 모든 탈수소화 촉매를 사용하는 것이 가능하다. 프로판의 자열적 탈수소화의 상기 변법에 특히 바람직한 촉매는 DE-A 199 37 107의 실시예 1, 2, 3 및 4의 촉매이다.
공압식으로 수송할 수 있는 내증기성 (steam-resistant) 촉매를 사용하는 것이 바람직하다.
프로판의 자열적 탈수소화는 바람직하게는 증기의 존재하에서 수행된다. 첨가된 증기는 열전달 매체 및 촉매 상 유기 침착물의 기체화 보조물로 역할하여 그 결과 촉매의 탄화가 방지되고, 촉매의 조작 수명이 증가된다. 유기 침착물은 일산화탄소, 이산화탄소, 가능하게는 물로 전환된다.
새로운 및/또는 재생된 촉매는 상부에서부터, 특히 저장 컨테이너를 통해 공급되고, 바람직하지 않은 물질로 가득찬 채로 반응기의 하부 말단에서 제거된다. 따라서 촉매는 반응기를 통해 위에서 아래로 이동한다. 적재된 촉매는, 특히 별도 재생탑으로 공압식으로 수송되고, 거기에서 산소-함유 가스에 의해 공지된 방식인 감압, 플러싱, 연소, 재결정화, 프레싱 다운 및 상호연결하여 재생시키고, 후속하여 유사하게 반응기의 상부로 공압식으로 재순환시킨다.
반응 가스 혼합물은 유입면 측에서 이동 촉매층으로 흘러들어오고, 유출면을 통해 이동 촉매층에서 나간다.
본 발명에 따르면, 반응될 출발 물질을 위한 혼합 장치는 하기 요소를 포함하고:
- 와류 발생기가 제공된, 서로의 앞뒤에 2 또는 3개의 열로 배열된 관, 바람직하게는 핀이 부착된 관, 및
- 핀이 부착된 관의 상류 천공판, 및
- 핀이 부착된 관의 하류 천공판,
이동 촉매층의 유입면의 상류에 제공된다.
핀이 부착된 관은 화학공학에서 공지되어 있고, 특히 열 교환관으로 사용된다. 핀이 부착된 관 및 그 제조법은 예를 들어 DE-A 1 950 246 또는 DE-A 2 131 085에 기재되어 있다.
핀이 부착된 관은, 기다란 스트립, 즉 핀이 세로방향 에지를 따라, 일반적으로 용접 부착된 원통 외부를 갖는 관, 일반적으로 금속관으로 형성된다. 핀은 주로 관의 외부에 소용돌이형 (spiral) 또는 나선형 (helical)으로 부착되나, 관의 외부에 세로방향으로도 부착될 수 있다. 핀은 주로 평활한 연속적 표면을 가지나 또한 천공될 수도 있다. 핀은 연속적일 수 있으나, 유리하게는 세그먼트를 형성하도록 핀 기저를 제외하고 절단할 수 있다. 절단된 핀은 특히 와류를 증가시키는데 적합하다. 여기서 세그먼트는 다양한 형상, 예를 들어 직사각형, 사다리꼴 등일 수 있다. 세그먼트 사이의 절취부 재료를 제거하거나 제거하지 않고도 구성할 수 있다. 세그먼트는 특히 유리하게는 회전되거나 특히 핀 사이의 구획, 즉 채널에서 와류를 증가시키기 위하여 핀 기저에 대하여 입사각을 수단으로 소정 각도로 경사질 수 있고, 이로써 혼합 작용이 개선된다.
관의 길이에 걸쳐 핀이 조밀하게 배열되는 것이 바람직하고, 특히 관 길이 1 m당 100 내지 300회 권선의 핀이 제공될 수 있다.
25 내지 150 mm 범위, 특히 20 내지 50 mm 범위의 외경을 갖는 관이 유리하게 사용된다.
관의 외경을 기준으로 핀의 높이는 유리하게 1/10 내지 1/2 범위이다.
핀의 두께는 유리하게는 0.3 내지 1.5 mm이다.
절단 핀의 경우, 너비가 3 내지 12 mm, 바람직하게는 4 내지 8 mm인 세그먼트를 형성하는 것이 유리하다.
관은 임의의 단면, 예를 들어, 원형, 타원형 또는 다각형, 예를 들어 삼각형일 수 있다.
핀이 부착된 관은 열을 이루어 서로 평행하게 배열되고, 핀이 부착된 관의 한 열은 원의 반경을 따라 배열된다.
반응 가스 혼합물의 방사상 흐름 방향을 갖는 본 방사상 흐름 반응기의 경우, 이동 촉매층은 상기한 바와 같은 적합한 수용 장치 내에 층 두께에 대해 적절한 벽 두께를 갖는 중공 실린더 형태로 배열된다. 핀이 부착된 관은, 내부 및 외부에 교대로 배치되는 이동 촉매층의 유입측에, 이동 촉매층과 동심인 원을 따라 배열된다.
2 또는 3열의 핀이 부착된 관이 본 발명에 따른 혼합 과정에 적합함을 확인하였다.
본원에서, 제2 열의 핀이 부착된 관을 제1 열 사이의 갭 옆에 배열하고, 제3 열의 핀이 부착된 관이 있는 경우, 제3 열의 핀이 부착된 관을 제2 열의 핀이 부착된 관의 갭 옆에 배열하는 것이 유리하다. 열 전달 매질은 유리하게 제2 열, 적절하게는 제3 열을 통과하여 흐를 수 있다. 제2 열, 적절한 경우 제3 열의 핀이 부착된 관은 임의의 단면의 고체 재료로 형성할 수 있다.
핀이 부착된 관의 하나의 열에는 동일한 형상의 핀이 부착된 관을 사용해야 하나, 핀이 부착된 관의 다른 열끼리는 형상이 다를 수 있다.
핀이 부착된 관은 각 경우, 관의 외부에 형성된 핀들 사이의 채널 당 두 개의 대각선 방향으로 대향하는 개구부를 가지고, 이들 개구부는 핀이 부착된 관의 같은 열에서 각각의 인접한 핀이 부착된 관에 가장 가깝게 위치된다. 산소-함유 가스 스트림을 핀들 사이의 채널의 상기 개구부를 통해 공급 가스 스트림 내로 주입한다. 이렇게 하여, 특히 세그먼트를 형성하도록 핀이 절단된 경우, 큰 와류를 갖는 다수의 소규모 혼합 챔버가 채널 안에 만들어지게 되고, 이러한 효과는 핀 세그먼트의 기울기 설정에 의해 더욱 증가시킬 수 있다. 이렇게 하여 마이크로 범위의 우수한 품질의 혼합이 달성된다.
외부에 적당한 간격으로 배열된 유출 개구부를 가지는, 바람직하게는 각 경우 서로 대각선 방향으로 대향하는 두 개의 개구부를 가지는 동심 플러그-인 관은, 관의 길이에 걸쳐 산소-함유 가스 스트림을 미리 분배시키고, 스트림의 매우 균일한 온도를 보장하기 위하여 각 경우에 핀이 부착된 관의 내부에 유리하게 제공된다.
산소-함유 가스 스트림은 바람직하게는 주 분배기로서 링 라인을 통해, 특히 바람직하게는 그 양 발단에서 2개의 링 라인을 통해 균일하게 도입된다.
핀이 부착된 관의 열 앞에는, 유사하게 산소-함유 가스 스트림의 유입 방향에 수직으로, 본질적으로 핀이 부착된 관의 열과 동심원으로 배열된 천공판이 있다.
상류 천공판은 산소-함유 가스 스트림 유입 단면적을 기준으로 한 총 면적이 바람직하게는 0.5 이하, 특히 0.3 이하인 개구부를 가진다.
상류 천공판은 유리하게는, 핀이 부착된 관의 제1 열의 유입면으로부터 유리하게 상류 천공판의 개구부의 직경의 7 내지 20 배에 해당하는 거리에 위치된다.
상류 천공판의 개구부의 직경은 유리하게는 두 개의 연속 권선 사이의 핀의 순간격 (clear spacing)의 절반보다 작다.
혼합 장치는 장치로부터의 유출 방향에서 하류에 위치되어 직경이 상류 천공판의 직경과 같거나 그보다 큰 개구부를 가진 제2 천공판을 갖는다.
두개의 천공판, 즉 상류 천공판과 하류 천공판의 두께는 천공판의 개구부의 직경을 기준으로 바람직하게는 0.75 내지 2.0 범위이다.
하류 천공판은 유리하게는 마지막 열의 핀이 부착된 관의 유출 면으로부터, 마지막 열의 핀이 부착된 관의 직경의 0.75 내지 2.0 배의 거리에 배열된다.
하류 천공판은 유리하게는 이동 촉매층의 입구로부터, 하류 천공판의 개구부의 직경의 5 내지 20배에 해당하는 거리에 위치된다.
반응 가스 혼합물과 접촉하는 반응기의 모든 구획, 특히 핀이 부착된 관 및 천공판, 및 또한 반응기의 내부벽의 재료는 바람직하게는 비침탄강 (noncarburizing steel)이다.
혼합 장치는 산소-함유 가스 스트림의 흐름 방향을 본질적으로 가로질러 배열된다. 산소-함유 가스 스트림이 혼합 장치의 주면에 수직으로 도입되고, 방사상 흐름 반응기의 경우 곡선형임을 의미한다. 그러나 본질적으로 수직이라는 것은 수직으로부터 ±5° 또는 ±10 ° 또는 심지어 ±30 °편차도 포함한다.
혼합 장치는 구성 깊이 (construction depth), 즉 상류 천공판과 하류 천공판 사이의 거리가 100 내지 200 mm 범위일 때, 공급 가스 스트림을 20 mbar 정도 감압하고, 오직 안전상 이유로 적어도 약간 초대기압하에 있어야 하는 산소-함유 스트림의 경우 약 50 내지 100 mbar 범위로 감압하여도 우수한, 사실상 100 % 혼합을 달성할 수 있다.
m2당 10,000개 정도의 산소-함유 가스 스트림으로의 공급 가스 스트림의 다수의 주입점이 달성된다.
본 발명은 또한 상기한 반응기에서 연속적 옥시탈수소화를 수행하는 방법을 제공한다.
포화 탄화수소 공급 가스 스트림은 특히, 프로판 또는 부탄을 포함하는 가스 스트림일 수 있다.
산소-함유 가스 스트림, 특히 공기 또는 공업용급의 산소는 혼합 장치를 통해 공급 가스 스트림으로 연속적으로 주입된다. 특히 미반응 포화 탄화수소와 함께 해당 올레핀 및 수소를 포함하는 반응 가스 혼합물이 제1 반응기 구획의 말단에서 형성되고, 이는 공급 가스 스트림으로서 다음 반응기 구획으로 흐르고, 여기로 추가적 산소-함유 가스 스트림이 연속적으로 주입된다. 이러한 과정은 반응 가스 혼합물이 마지막 반응기 구획에서 나갈 때까지 반복된다. 여기서 포화 탄화수소의 전환율은, 마지막 반응기 구획 이후에도 불완전하고, 예를 들어 약 30 % 정도이다.
특정 실시양태에서, 반응 가스 혼합물의 서브스트림은 포화 탄화수소를 포함하는 새로운 공급 가스 스트림과 혼합되고, 반응기의 제1 반응기 구획으로 재순환된다. 반응 가스 혼합물의 나머지 서브스트림은 생성물 스트림으로서 취해진다.
추가로 바람직한 실시양태에서, 마지막 반응기 구획에서 나오는 반응 가스 혼합물은 간접적 열 교환으로 포화 탄화수소를 포함하는 공급 가스 스트림을 예열하는데 사용됨으로써 열 집적에 사용할 수 있다.
반응기 및 공정은 특히 반응 가스 혼합물의 완전 연속 흐름을 나타내므로 시간이 지남에 따라 균일하고 일정한 생성물 조성이 달성된다.
촉매의 재생도 연속적으로 이러한 목적으로 특수 디자인된 작은 장치에서 유사하게 이루어지고, 전환, 감압, 플러싱, 연소, 불활성화, 재가압 및 전환을 포함하는 복잡한 순서의 재생 단계가 요구되며, 따라서 매우 해로운 온도 및 압력 변화에 촉매가 매우 빠르게 계속 노출되는 옥시탈수소화 반응기 내에서 고갈된 촉매가 재생되는 선행 기술의 공정에서의 촉매 재생보다 유의하게 단순하다.
40 % 정도의 자본 비용적 장점 및 취해진 생성물 스트림의 균일한 조성을 본 발명에 따른 공정 방식으로 달성할 수 있다.
본 발명은 도면으로 하기에 예시된다.
도 1은 외부에서 내부로의 공급 가스 스트림의 흐름 방향을 가지는 본 발명에 따른 반응기의 단면의 일부를 도시한다.
도 2A는 핀이 부착된 관의 상세부분을 도시하고, 도 2B는 개별 핀 및 그 제조 공정을 도시하고, 도 2C는 핀이 부착된 관의 단면을 도시한다.
도 3은 핀이 부착된 관의 사시도를 도시한다.
도 4는 핀이 부착된 관의 바람직한 구현예의 종단면을 도시하고, 도 4B는 단면을 도시한다.
도 5는 본 발명에 발명기의 구현예의 종단면을 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 반응기의 추가 실시양태의 종단면, 및 생성물 가스 스트림의 서브스트림의 재순환을 도시한다.
도 7은 생성물 가스 스트림을 수단으로 공급 가스 스트림을 예열하는, 본 발명에 따른 반응기의 추가 실시양태의 종단면을 도시한다.
도면에서, 동일한 참조 번호는 동일하거나 그에 해당되는 특징을 나타낸다.
<도면 부호 설명>
1 반응기
2 공급 가스 스트림
3 산소-함유 가스 스트림
4 이동 촉매층
5, 6 동심 원통형 홀딩 장치
7 중앙 내부 공간
8 반응기의 내부벽에 있는 중간 공간
9 반응기 구획
10 디스크형 편향판
11 환형 편향판
12 혼합 장치
13 관
14 개구부
15 채널
16 핀
17 상류 천공판
18 하류 천공판
19 핀이 부착된 관
20 세그먼트
21 핀 기저
22 (17)의 개구부
23 (18)의 개구부
24 중앙 플러그인 관
25 (24)의 개구부
26 링 분배기
도 1은 반응기 외부에서 내부로 공급 가스 스트림 (2)가 공급되는 본 발명에 따른 반응기 (1)의 제1 실시양태의 단면 부분을 도시한다. 관이 다른 열의 관의 갭 옆에 위치하도록 배열되고, 흐름 방향에서 앞서 제1 천공판 (17)이 있고, 그 뒤에 제2 천공판 (18)이 있는, 핀이 부착된 관 (19)의 두개의 열을 포함하는 혼합 장치 (12)에 공급 가스 스트림 (2)가 수직으로 만난다. 핀이 부착된 관 (19)의 두 개의 열 및 상류 천공판 (17) 및 하류 천공판 (18)은 서로 동심원으로 배열된다. 혼합 장치 (12)에서 미리 혼합된 반응 가스 혼합물이 후속하여 이동 촉매층 (4)를 통과한다.
도 2A 내지 2C는 핀이 부착된 관 (19)의 핀 (16) 사이의 채널 (15)에 서로 대각선 방향으로 대향하는 개구부 (14)를 가지는 핀이 부착된 관 (19)의 상세부분을 도시한다. 여기서, 도 2B는 핀 기저 (21)을 절단하여 세그먼트 (20)으로 나눈 핀 (16)을 도시하고, 도 2C는 관 (13), 채널 (15) 및 세그먼트 (20)을 가지는 핀이 부착된 관 (19)의 단면도를 도시한다.
도 3은 연속 핀 기저 (21)을 제외하고는 세그먼트 (20)으로 나누어진 관 (13) 및 나선형 핀 (16)을 가지는 핀이 부착된 관 (19)의 사시도를 도시한다.
도 4A는 관 (13) 및 핀 (16)이 있고, 핀이 부착된 관 (19)의 핀 (16) 사이 채널 (15) 내 개구부 (14)를 가지는 핀이 부착된 관 (19)의 종단면을 도시한다. 관의 내부에서, 서로 대각선 방향으로 대향하는 개구부 (25)에 의해 핀이 부착된 관 (13)의 세로방향으로 산소-함유 가스 스트림 (3)을 분배하는 동심 중앙 플러그 인 관 (24)가 있고, 면 B-B의 단면은 도 4B에 도시된다. 도 4A를 보면, 핀이 부착된 관 (19)의 한 말단에는 산소-함유 가스 스트림 (3)을 위한 링 분배기 (26)이 제공된다.
도 5는 서로 위아래 배열된 4개의 반응기 구획 (9)를 가지는 본 발명에 따른 반응기 (1)의 실시양태의 종단면을 도시한다. 산소-함유 가스 스트림 (3)은 핀이 부착된 관 (19)의 내부 공간을 통해 공급 가스 스트림 (2)에 주입된다. 포화 탄화수소를 포함하는 공급 가스 스트림 (2)는 제1 반응기 구획 (9)의 중앙 내부 공간 (7)로 공급되고, 핀이 부착된 관 (19) 및 그 상류에 천공판 (17) 및 그 하류에 천공판 (18)을 포함하는 혼합 장치 (12)를 통과하고, 동심 원통형 홀딩 장치 (5) 및 (6) 사이에 동심적으로 장착된 이동 촉매층 (4)를 통하여 흐른다. 제1 반응기 구획 (9)는 중앙 내부 공간 (7)의 구획에 디스크형 편향판 (10)에 의해 소구역으로 구분되어 제1 반응기 구획 (9)를 나온 반응 가스 혼합물이 반응기의 내부벽에 있는 중간 공간 (8)을 통해 그 위에 위치한 제2 반응기 구획 (9)로 들어간다. 제2 반응기 구획 (9)에서 혼합 장치 (12)는 다시 이동 촉매층 (4)의 상류, 즉 이 경우 이동 촉매층의 동심적으로 외부에 위치한다. 제2 반응기 구획 (9)는 반응기의 내부벽에 있는 중간 공간 (8)의 구획에 있는 환형 편향판 (11)에 의해, 후속하는 제3 반응기 구획 (9)로부터 분리된다. 디스크형 편향판 (10) 및 환형 편향판 (11)의 순서는 교대로 바뀌어 제3 반응기 구획 (9)가 다시 디스크형 편향판 (10)에 의해 상부에서 구분되고, 따라서 제4 반응기 구획 (9)는 디스크형 편향판 (10)은 환형 편향판 (11)에 의해 구분된다.
도 6은 생성물 가스 스트림의 서브스트림이 재순환되는 본 발명에 따른 반응기의 추가 실시양태의 종단면을 도시한다.
도 7의 실시양태는 부가적으로 상부 반응기 구획에 열 집적을 위한 열 교환기를 가져서, 고온의 생성물 가스는 포화 탄화수소를 포함하는 공급 가스 스트림 (2)를 예열한다.

Claims (25)

  1. 중앙 내부 공간 (7)에 교대로 배열된 디스크형 편향판 (10)으로 서로 분리되어 있고, 이동 촉매층 (4)와 반응기의 내부벽 사이의 중간 공간에 배열된 고리형 편향판 (11)에 의해 소구역으로 나누어진 2개 이상의 반응기 구획 (9)를 가지고,
    상기 각 구획에, 반응 가스 혼합물의 흐름 방향에서 이동 촉매층 (4)의 상류에 위치하고 하기와 같은 요소
    - 외부에 와류 발생기가 있어 자유 흐름 단면의 1/2 내지 1/10로 공급 가스 스트림 (2)의 흐름 단면을 제한하는, 서로의 앞뒤에 2 또는 3열로 배열되는 관 (13) (여기서 산소-함유 가스 스트림 (3)은 관 (13)의 내부 공간을 통과하여 관 (13)의 개구부 (14)를 통해 공급 가스 스트림 (2)에 주입됨), 및
    - 관 (13)의 상류 천공판 (17) 및 관 (13)의 하류 천공판 (18)
    을 포함하는 혼합 장치가 존재하며,
    2개의 동심 (cocentric) 원통형 홀딩 장치 (5, 6) 사이에 반응기의 세로방향으로 도입되어, 반응 기체 혼합물을 제공하기 위한 중앙 내부 공간 (7) 및 이동 촉매층 (4)와 반응기의 내부벽 사이에 중간 공간 (8)을 만드는 이동 촉매층 (4) 상에서, 산소-함유 가스 스트림 (3)과 예비혼합한 후, 포화 탄화수소 공급 가스 스트림 (2)의 연속적 옥시탈수소화를 수행하기 위한 반응기 (1).
  2. 제 1 항에 있어서, 와류 발생기가 제공된 관 (13)이 핀이 부착된 관 (19)이고, 개구부 (14)가 핀이 부착된 관 (19)의 핀 (16)들 사이의 채널 (15) 내에 배열 된 반응기 (1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 2 내지 8개의 반응기 구획 (9)가 제공된, 외부에 와류 발생기를 가지는 반응기 (1).
  4. 제 2 항에 있어서, 핀이 부착된 관 (19)가 원래 크기의 1/3 내지 1/6로 공급 가스 스트림 (2)의 자유 흐름 단면을 제한하는 반응기 (1).
  5. 제 2 항 또는 제 4 항에 있어서, 핀이 부착된 관 (19)가, 기다란 스트립으로 이루어지고 관의 외부에 소용돌이형으로 스트립의 세로방향 에지를 따라 용접되고 핀 기저 (21)을 제외하고 절단하여 세그먼트 (20)을 형성하는 핀 (16)을 갖고 원통형 외부를 갖는 관 (19)로 형성되는 반응기 (1).
  6. 제 5 항에 있어서, 세그먼트 (20)이 핀 기저 (21)에 대해 일정 각도로 회전하는 반응기 (1).
  7. 제 2 항에 있어서, 핀이 부착된 관 (19)가 핀이 부착된 관 (19)의 길이 1 미터 당 100 내지 300회 권선의 핀 (16)을 가지는 반응기 (1).
  8. 제 2 항에 있어서, 관 (13)의 외경이 25 내지 150 mm 범위인 반응기 (1).
  9. 제 2 항에 있어서, 관 (13)의 외경에 대한 핀 (16)의 높이의 비율이 1/10 내지 1/2 범위인 반응기 (1).
  10. 제 5 항에 있어서, 핀 (16)의 두께가 0.3 내지 1.5 mm 범위이고, 세그먼트 (20)의 너비가 3 내지 12 mm 범위인 반응기 (1).
  11. 제 2 항에 있어서, 핀이 부착된 관 (19)의 제2 열이 핀이 부착된 관 (19)의 제1 열의 갭 옆에 위치하도록 배열되는 반응기 (1).
  12. 제 11 항에 있어서, 핀이 부착된 관 (19)의 제3 열이 핀이 부착된 관 (19)의 제2 열의 갭 옆에 위치되도록 배열되는 반응기 (1).
  13. 제 2 항에 있어서, 각 경우 핀이 부착된 관 (19)의 핀 (16)들 사이 채널 (15) 당 2개의 개구부 (14)가 채널 (15)의 대각선 방향으로 대향하는 위치를 가지고, 핀이 부착된 관 (19)의 같은 열 내의 인접한 핀이 부착된 관까지의 거리가 최소이도록 위치된 반응기 (1).
  14. 제 2 항에 있어서, 상류 천공판 (17)이, 핀이 부착된 관 (19)의 제1 열의 공급 가스 스트림 (2)의 유입면으로부터, 상류 천공판 (17) 내 개구부 (22) 직경의 7 내지 20 배에 해당하는 거리에 배열된 반응기 (1).
  15. 제 2 항에 있어서, 상류 천공판 (17) 내 개구부 (22)의 직경이 두 개의 연속 권선 사이의 핀 (16)의 순간격의 절반보다 작은 반응기 (1).
  16. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 혼합 장치 (12)로의 공급 가스 스트림 (2)의 유입 방향에 수직인 총 단면적을 기준으로 상류 천공판 (17) 내 개구부 (22)의 자유 면적 (free area)의 합으로 정의되는 상류 천공판 (17) 내 개구부 비율이 ≤0.5인 반응기 (1).
  17. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 천공판 (17, 18) 내 개구부 (22, 23)의 직경에 대한 천공판 두께의 비율이 0.75 내지 2.0인 반응기 (1).
  18. 제 2 항에 있어서, 하류 천공판 (18)이, 핀이 부착된 관 (19)의 유출면으로부터, 핀이 부착된 관 (19) 중 마지막 열의 핀이 부착된 관 (19)의 직경의 0.5 내지 2 배의 거리에 위치되는 반응기 (1).
  19. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하류 천공판 (18) 내 개구부 (23)의 직경이 상류 천공판 (17) 내 개구부 (22)의 직경과 같거나 그보다 큰 반응기 (1).
  20. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 하류 천공판 (18)에서 이동 촉매층 (4)로의 반응 혼합물의 입구까지의 거리가, 하류 천공판 (18) 내 개구부 (23) 직경의 5 내지 20 배에 해당하는 반응기 (1).
  21. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 반응기에서 수행되는, 포화 탄화수소 공급 가스 스트림 (2)의 연속적 옥시탈수소화 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 공급 가스 스트림 (2)가 프로판 또는 부탄을 포함하는 가스 스트림인 방법.
  23. 제 21 항에 있어서, 산소-함유 가스 스트림 (3)이 공기 또는 공업용급 산소인 방법.
  24. 제 21 항에 있어서, 마지막 반응기 구획 (9)로부터의 흐름 방향으로의 반응 가스 혼합물의 서브스트림이 제1 반응기 구획 (9)로 재순환되는 방법.
  25. 제 21 항에 있어서, 공급 가스 스트림 (2)가 마지막 반응기 구획 (9)에서 나오는 반응 가스 혼합물로부터의 간접적 열 전달에 의해 예열되는 방법.
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