KR101504967B1 - 촉매 반응기에서 가스 공급물 스트림으로부터 액체를 분리하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

냉각 표면에 의해 간접적으로 냉각되는 금속 시트에 의해서 촉매 반응기에서 가스 스트림으로부터 액체 반응 생성물을 분리하기 위한 방법 및 장치로서, 금속 시트는 시트의 양면에 오픈베이스를 각각 갖는 기하학적 형상의 돌출부 형태의 복수의 퍼콜레이션을 가지며, 오픈베이스는 촉매 베드를 향하는 시트의 면에서는 위쪽으로 배치되고, 또한 냉각 표면을 향하는 면에서는 오픈 베이스가 아래쪽을 향한다.

Description

촉매 반응기에서 가스 공급물 스트림으로부터 액체를 분리하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR THE SEPARATION OF A LIQUID FROM A GAS FEED STREAM IN A CATALYTIC REACTOR}
본 발명은 일반적으로 공급물 가스를 촉매 튜브에 고정된 베드로서 채워진 고체 촉매와 접촉함으로써 형성되는 액체 반응 생성물의 분리에 관한 것이다.
수많은 촉매 공정에서, 생성물을 응축에 의해 가스상으로부터 액체상으로 제거할 때, 평형 수율 또는 생성물로의 반응 속도를 개선하기 위해, 반응하는 공급물 가스로부터 반응 생성물을 연속적으로 제거하는 것이 이롭다.
이러한 반응의 예는 합성 가스의 메탄올로의 전환이다.
미국 특허 제5,262,443호는 형성된 메탄올 생성물이 촉매 입자상에서 메탄올의 응축에 의해 가스상으로부터 제거되는 공정 조건에서 메탄올의 합성가스로부터의 제조 공정을 기술한다. 이 공정에 의해, 메탄올 형성을 위한 열역학적 가스상 평형 경계는 극복되었고, 촉매 베드 유출물에서 100 퍼센트에 접근하는 메탄올 수율은 일회전용 운전에 의해 달성될 수 있다.
촉매 입자상에서의 액체 메탄올의 응축은 촉매 입자의 활성에 역효과를 갖는다.
WO 특허 출원 제2009/106232호는 메탄올의 제조를 위한 개선된 촉매 방법 및 반응기를 개시하며, 형성된 메탄올은 촉매의 촉매 활성을 감소시키지 않고 가스상으로부터 액체상으로 제거된다. 이 특허 출원의 방법 및 반응기에 의해서, 촉매 입자와 간접 접촉하는 액체 냉각제의 온도 및 촉매 베드 부피의 냉각 표면에 대한 특정 비율은, 메탄올 반응 생성물의 응축이 냉각 표면에서 대부분 일어나도록 조정된다.
일반적으로, 반응 생성물이 가스상으로부터 액체상으로 제거되는 가스 촉매 반응에서, 촉매 입자상에서 액체의 응축을 방지하는 것이 바람직하다. 대신에, 촉매 입자로의 접촉이 없거나 감소된 표면에서 촉매 베드 밖으로 액체 응축물의 응축 및 수송을 허용하는 것이 이롭다.
따라서, 본 발명은 촉매 반응기에서 가스 스트림으로부터 액체 반응 생성물의 분리 방법으로서, 하기 단계를 포함한다:
고체 촉매 입자의 고정된 촉매 베드를 구비하는 반응기에서, 냉각 표면 및 금속 시트를 고정된 베드 및 냉각 표면 사이에 배치하는 단계;
냉각 표면에 의해 간접적으로 냉각되는 금속 시트에, 시트의 양면에 오픈베이스(open base)를 각각 갖는 기하학적 형상의 돌출부 형태의 복수의 퍼콜레이션(percolation)을 제공하는 단계로서, 오픈베이스는 촉매 베드를 향하는 시트의 면에서는 위쪽으로 배치되고, 또한 냉각 표면을 향하는 면에서는 오픈 베이스가 아래쪽을 향하며;
촉매 베드에서 가스 스트림의 반응에 의해 형성되는 가스 반응 생성물을 금속 시트 상에서 액체 반응 생성물로 응축하고, 액체 반응 생성물을 냉각 표면의 위쪽을 향하는 오픈베이스를 통해 이동하는 단계; 및
응축된 액체 반응 생성물을 냉각 표면 및/또는 금속 시트를 따라 통과시키고, 액체 반응 생성물을 반응기의 바닥으로부터 회수하는 단계.
상기 본원 및 하기 설명에 언급된 바와 같이, 용어 "기하학적 형상의 돌출부"는 기하학의 법칙을 따르는 형태를 갖는 돌출부를 의미한다.
퍼콜레이터(percolator)가 본 발명에 따른 촉매 베드를 향하는 면에서 위쪽 방향을 향하는 돌출부 및 오픈베이스가 있는 금속 시트 형태로 배치될 때, 촉매 입자 및 가스 스트림과 접촉하는 시트의 면은 액체 수집기 및 수송기로서 작용하는 반면, 반대 면은 액체 정류기로서 작용할 것이다. 따라서, 액체 반응 생성물의 촉매 베드로의 해로운 전향이 실질적으로 회피된다.
상기 본원 및 하기 설명에 언급된 바와 같이, 용어 "위쪽" 및 "아래쪽"은 각각 액체 반응 생성물의 중력 흐름 방향에 반대 방향 및 중력 흐름 방향을 의미한다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 돌출부의 기하 형태는 개선된 액체 정류 효과를 제공하는 반피라미드, 반원뿔 또는 반구이다.
본 발명의 더 바람직한 구체예에서, 시트의 내면에서의 기하학적 형상의 돌출부는 그것들의 오픈베이스에서 시트 외면의 기하학적 형상의 돌출부와 인접되어, 그래서 그것들은 공통의 오픈베이스를 공유한다.
상기 언급된 바와 같이, 본 발명의 방법은 고정된 촉매 베드에서 가스 반응물의 반응에 의해 형성되는 반응 생성물의 응축으로부터 주로 유발하는 가스상으로부터 액체상의 제거에 관련한 것으로, 액체상은 촉매 베드의 밖에서 얻어지게 된다.
촉매 반응은 촉매 튜브에서 빈번히 수행된다. 그러므로 촉매 튜브의 내부 튜브형 벽의 형태에 맞는 튜브형 금속 시트를 형성하는 것이 바람직하다. 그 다음 촉매 입자는 튜브의 면에, 즉 튜브형 금속 시트 내부에 배치된다. 이러한 배치에서, 냉각 표면은 전형적으로 촉매 튜브의 튜브 벽이고, 그 다음 촉매 튜브의 외부 벽에 흐르는 냉각제에 의해 냉각될 것이다.
하나 이상의 촉매 베드를 반응기의 공통의 쉘 내에 보유하는 반응기 용기에서 수행되는 일부 촉매 반응에서, 촉매 입자가 튜브형 금속 시트의 외면을 둘러싸고, 그 다음 냉각 표면에 의해 간접적으로 냉각되도록, 본 발명에 따른 하나 이상의 금속 시트를 촉매 베드 내에 튜브 형태로 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 구체예에서 냉각 표면은 바람직하게는 튜브 형태로 있고, 튜브 면에, 즉 튜브형 금속 시트 내부에 배치된다.
본 발명은 또한 본 발명에 따른 방법에 유용한 장치를 제공한다.
촉매 반응기에서 가스 스트림으로부터 액체 반응 생성물을 분리하기 위한 본 발명에 따른 장치로서,
냉각 표면에 정렬된 금속 시트;
금속 시트의 양면에 오픈베이스가 있는 각각의 기하학적 형상의 돌출부 형태로 복수의 퍼콜레이션을 포함하고, 오픈베이스는 촉매 반응기 내에 촉매 베드를 향하는 시트의 면에서는 위쪽으로 배치되고, 냉각 표면을 향하는 면에서는 아래쪽을 향한다.
본 발명 장치의 바람직한 구체예에서, 기하학적 형상의 돌출부는 반피라미드 형태이다.
본 발명 장치의 바람직한 구체예에서, 기하학적 형상의 돌출부는 반원뿔 형태이다.
본 발명 장치의 더 바람직한 구체예에서, 시트의 내면에서의 기하학적 형상의 돌출부는 그것들의 오픈베이스에서 시트의 외면에서의 기하학적 형상의 돌출부와 인접되고, 공통의 오픈베이스를 공유한다.
본 발명 장치의 더 바람직한 구체예에서, 금속 시트는 튜브 형태이다.
냉각 표면은 튜브 형태인 것이 더 바람직하다.
하기 설명에서, 본 발명은 도면을 참고로 하여 더 자세히 설명된다.
도 1은 본 발명의 특정 구체예에 따라 돌출부를 구비한 금속 시트 형태의 퍼콜레이터의 부분 투시도이다.
도 2는 촉매 튜브에서 사용하기 위한 본 발명의 특정 구체예에 따라 돌출부를 구비한 금속 시트의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 특정 구체예에 따라 금속 시트 형태의 복수의 퍼콜레이터를 구비한 반응기의 단면도를 나타낸다.
도 1은 퍼콜레이션(4, 6, 8 및 10)을 구비한 본 발명에 따른 방법에 사용하기 위한 금속 시트(2)를 나타낸다. 돌출부는 시트(2)의 앞면(2a) 및 뒷면(2b)에 반원뿔로서 형성된다. 앞면(2a)으로부터 돌출하는 돌출부(4 및 8), 그리고 뒷면(2b)으로부터 돌출하는 돌출부(6 및 10)는 인접되고, 각각 공통의 오픈베이스(12 및 14)를 공유한다. 촉매 입자(나타내지 않음)는 시트의 뒷면(2b)에 배치된다. 반원뿔(4 및 8)의 테이퍼링 단부는 위쪽을 향하며, 즉 화살표(16a 및 16b)에 의해 나타낸 바와 같이, 액체의 중력 흐름의 반대 방향으로 앞면(2a)에 있다. 뒷면(2b)에서, 반원뿔(6 및 10)의 테이퍼링 단부는 액체의 중력 흐름과 동일한 방향으로 아래쪽을 향한다. 그 다음, 뒷면(2b)으로부터 촉매 입자가 있는 공간으로 돌출하는 오픈베이스(12 및 14)의 일부는 액체 흐름의 반대 방향을 향하고 액체 수집기로서 기능하고, 오픈베이스(12 및 14)의 일부는 액체 흐름의 방향을 향하고 시트(2)의 앞면(2a)에서 액체 출구로서 작용한다. 따라서, 뒷면(내부)(2b)에 응축되는 액체의 흐름은 오픈베이스(12 및 14)에서 수집되고, 앞면(2a)으로 통과된다.
도 2는 액체의 중력 흐름(16)의 위쪽 및 아래쪽 방향으로 교대로 놓인, 반원뿔 또는 반피라미드 형태된 돌출부(4, 6, 8, 및 10) 및 오픈베이스(12, 13, 14, 및 15) 형태로 퍼콜레이션이 있는 본 발명에 따른 방법에 사용하기 위한 금속 시트의 단면도를 나타낸다. 촉매 입자(나타내지 않음)는 시트(2)의 내부 벽(2b)을 향하는 공간에 배치된다. 화살표(16)에 의해 나타낸 바와 같이, 촉매 입자가 있는 촉매 베드로부터의 가스 반응 생성물은 내부 벽(2b)에서 응축하고, 오픈베이스(12, 13, 14, 및 15)를 통해 외부 벽(2a)으로 향하게 될 것이다. 가스 생성물의 작은 일부는 또한 오픈베이스를 통해 흐르고, 그 다음 외부 벽(2a)에서 응축하고, 아래쪽으로 액체 생성물 스트림과 함께 외부 벽(2a)을 따라 시트의 바닥을 향하여 흐를 것이다.
도 3은 본 발명의 구체예에 따른 촉매 베드 내에 수많은 금속 시트(하나로만 나타냄)를 구비한 촉매 반응기이다.
반응기(20)는 수많은 촉매 입자가 있는 촉매 베드(24)를 쉘(22) 내에 보유한다. 튜브 형태의 금속 시트(2)는 촉매 베드 내에 배치되고, 촉매 입자에 의해 둘러싸인다. 금속 시트(2)는, 또한 도 1에서 나타낸 바와 같이, 오픈베이스를 공유하는 수많은 돌출부(6 및 4)를 구비한다. 촉매 베드를 향하는 공통의 오픈베이스(12)의 일부는 응축된 액체 반응 생성물(16)의 중력 흐름과 반대 방향이고, 시트(2)의 내부 벽으로부터 돌출하는 베이스(12)의 일부는 액체 흐름과 동일한 방향이다. 튜브형 시트(2)는 냉각 튜브(26) 형태의 냉각 표면에 의해 냉각된다. 반응기(20)를 작동할 때, 가스 스트림은 촉매 베드(24)를 통해 통과된다. 촉매 베드에서, 가스 스트림은 반응하여 가스 생성물(30)이 된다. 반응 생성물(30)은 시트 튜브(2)의 외부 벽에 주로 응축되고, 액체 반응 생성물(32)을 형성한다. 액체 반응 생성물은, 시트 튜브(2)의 외부 벽을 따라 흐를 때, 촉매 입자를 향하여 돌출하는 오픈베이스(12)에 의해 수집되고, 시트 튜브의 내부 벽으로부터 냉각 튜브(26)를 향하여 돌출하는 오픈베이스(12)의 일부를 통해 시트(2)의 내부 벽으로 이동된다. 튜브형 시트(2)의 내부 벽으로 통과된, 액체 반응 생성물은 내부 벽을 따라서 그리고 냉각 튜브 상에서 반응기(2)의 바닥으로 흐르고, 반응기로부터의 출구(나타내지 않음)를 통해 회수된다.

Claims (15)

  1. 촉매 반응기에서 가스 스트림으로부터 액체 반응 생성물의 분리 방법으로서, 하기 단계를 포함하는 방법:
    고체 촉매 입자의 고정된 촉매 베드를 구비하는 반응기에서, 냉각 표면 및 금속 시트를 고정된 베드 및 냉각 표면 사이에 배치하는 단계;
    냉각 표면에 의해 간접적으로 냉각되는 금속 시트에, 시트의 양면에 오픈베이스를 각각 갖는 기하학적 형상의 돌출부 형태의 복수의 퍼콜레이션을 제공하는 단계로서, 오픈베이스는 촉매 베드를 향하는 시트의 면에서는 위쪽으로 배치되고, 또한 냉각 표면을 향하는 면에서는 오픈 베이스가 아래쪽을 향하며;
    촉매 베드에서 가스 스트림의 반응에 의해 형성되는 가스 반응 생성물을 금속 시트 상에서 액체 반응 생성물로 응축하고, 액체 반응 생성물을 냉각 표면의 위쪽을 향하는 오픈베이스를 통해 이동하는 단계; 및
    응축된 액체 반응 생성물을 냉각 표면 및/또는 금속 시트를 따라 통과시키고, 액체 반응 생성물을 반응기의 바닥으로부터 회수하는 단계.
  2. 제 1 항에 있어서, 기하학적 형상의 돌출부는 반피라미드 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 기하학적 형상의 돌출부는 반원뿔 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 기하학적 형상의 돌출부는 반구 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 시트의 내면에서의 기하학적 형상의 돌출부는 그것들의 오픈베이스에서 시트의 외면에서의 기하학적 형상의 돌출부와 인접되고, 공통의 오픈베이스를 공유하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 금속 시트는 튜브 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 냉각 표면은 튜브 형태인 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 고정된 촉매 베드는 튜브형 금속 시트의 외면에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 6 항에 있어서, 고정된 촉매 베드는 튜브형 금속 시트의 내면에 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 가스 스트림으로부터 액체 반응 생성물을 분리하는 반응기로서, 반응기 내에,
    금속 시트,
    냉각 표면, 및
    촉매 베드를 포함하고, 여기서
    금속 시트는 냉각 표면에 정렬되고, 금속 시트는 양면에 오픈베이스를 각각 갖는 기하학적 형상의 돌출부 형태의 복수의 퍼콜레이션을 구비하고, 촉매 베드를 향하는 시트의 면에서 오픈베이스는 위쪽에 배치되고, 냉각 표면을 향하는 면에서 오픈베이스는 아래쪽을 향하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서, 기하학적 형상의 돌출부는 반피라미드 형태인 것을 특징으로 하는 반응기.
  12. 제 10 항에 있어서, 기하학적 형상의 돌출부는 반원뿔 형태인 것을 특징으로 하는 반응기.
  13. 제 10 항에 있어서, 시트의 내면에서의 기하학적 형상의 돌출부는 그것들의 오픈베이스에서 시트의 외면에서의 기하학적 형상의 돌출부와 인접되고, 공통의 오픈베이스를 공유하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  14. 제 10 항에 있어서, 금속 시트는 튜브 형태인 것을 특징으로 하는 반응기.
  15. 제 10 항에 있어서, 냉각 표면은 튜브 형태인 것을 특징으로 하는 반응기.
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