KR101617483B1 - 유동층 반응기 안에서 에틸렌으로부터 1,2-디클로로에탄의 생산 과정 동안 생기는 반응열을 이용하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 반응기 안에서의 산소와 염화수소의 반응 (옥시염소화) 에 의해 에틸렌으로부터 1,2-디클로로에탄을 생산하는 동안 생기는 반응열을 이용하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 반응열을 반응기 내부에 위치하는, 유동층 안에 배치된 냉각관 다발들을 통해 소산시킴으로써 열의 이용이 개선되어야 하고, 또한 동시에 관련 시설 부품들의 크기가 줄어들어야 한다.
이는 상기 반응열의 일부는 보일러 급수를 가열함에 의해 소산되며, 상기 가열된 보일러 급수는 생산 과정시 히트싱크들을 가열하기 위해 이용됨으로써 실현된다.

Description

유동층 반응기 안에서 에틸렌으로부터 1,2-디클로로에탄의 생산 과정 동안 생기는 반응열을 이용하기 위한 방법 {METHOD FOR USING THE REACTION HEAT DEVELOPING DURING THE PRODUCTION PROCESS OF 1,2-DICHLOROETHANE FROM ETHYLENE IN A FLUIDIZED BED REACTOR}

본 발명은 유동층 반응기 안에서의 산소와 염화수소의 반응 (옥시염소화) 에 의해 에틸렌으로부터 1,2-디클로로에탄 (EDC) 을 생산하는 동안 생기는 반응열을 이용하기 위한 방법에 관한 것으로, 이 반응열은 반응기 내부에 위치하는, 유동층 안에 배치된 냉각관 다발 (cooling pipe bundle) 들을 통해 소산된다.

에틸렌의 옥시염소화를 위한 유동층 반응기는 유동층 안에 잠긴 냉각관 다발들에 의해 냉각된다 (DE 197 18 871 A). 이 냉각관 다발들 안에서는, 순환시 안내된 보일러 급수 (boiler feed water) 가 증발된다. 이 증기는 시설 경계선쪽으로 방출되거나 또는 EDC/VCM 과정의 시설 복합체 안에서 칼럼 (column) 들을 가열하기 위해 사용된다. 이 경우, 가능한 한 고급의 (high-grade), 즉 뜨거운 증기를 발생시키고자 하는데, 왜냐하면 이것은 EDC/VCM 과정의 여러 가지 위치에서 가열 목적을 위해 (예컨대 VCM 칼럼의 가열) 필요해지기 때문이다. 이종 촉매 기상 반응기, 즉 다른 반응기 유형을 실행하기 위한 방사상으로 관류된 고정층 반응기 (fixed-bed reator) 는 DE 41 31 446 A1 으로부터 공지되어 있다.

옥시염소화 반응기의 크기는 한편으로는 반응열을 소산시키기 위해 필요한 냉각면에 의해, 다른 한편으로는 특정한 EDC 생산물량을 위해 필요한 촉매량에 의해, 그리고 이로 인해 유동화된 상태에서의 유동층의 부피에 의해 결정된다. 냉각관 다발의 구조적인 이유로 인해 필요한 설치 크기로 인해, 반응기의 실제 촉매장치는 원하는 특정 생산물량을 위해 실제로 필요한 것보다 항상 더 크며, 또는 실제로 촉매를 갖고 달성 가능한 공간-시간-이득은 구조적인 이유로 인해 실현되지 않는다.

주어져 있는 반응기 부피에 있어서 반응기의 치수를 줄이기 위해, 또는 생산물량을 높이기 위해, 즉 촉매의 보다 나은 이용을 위해 (과정 강화), 원칙적으로 2 가지 방법이 수행될 수 있다:

1) 반응 온도의 상승

반응 온도의 상승은 한편으로는 생산물량 (공간-시간-이득) 의 상승을 초래하며, 다른 한편으로는 (유동층으로부터 냉각관 다발로의 열전달을 위한 유효 온도차이의 상승을 통해) 개선된 열소산을 초래한다.

이때의 단점은, 반응 온도의 상승시 부반응 (side reaction), 예컨대 보다 높이 염소로 처리된 부산물의 형성 또는 에틸렌으로부터 CO 및 CO₂ 로의 산화 (전문가들은 에틸렌 번아웃이라고 부른다) 에 의한 생산물 손실이 크게 증가한다는 것이고, 또한 방법의 경제성이 침해된다.

2) 유효 온도차이의 상승

유효 온도차이의 상승으로 인해, 필요한 냉각면 및 냉각관 다발의 설치 크기가 상당히 줄어들 수 있으며, 이는 또한 반응기 크기를 줄인다. 온도차이의 상승은 발생된 증기의 압력하강에 의해 달성될 수 있다. 하지만 이는 많은 량의 저급 증기가 발생되게끔 하며, 이는 방법의 경제성을 나쁘게 한다.

보일러 급수가 냉각관 다발 안으로 유입되기 전에 응고점 이하로 냉각됨으로써, 유효 온도차이가 마찬가지로 상승될 수 있다.

열전달계수

, _외부 (유동층으로부터 외부 냉각관벽으로의 열전달) 는 열전달계수

, _내부 (내부 냉각관벽으로부터 냉각수로의 열전달) 보다 순전히 대류에 의한 열전달에서 뿐만 아니라 냉각관의 내면에서의 증발시에도 훨씬 적다. 그렇기 때문에 전체 열전달계수 K 는 증발 냉각으로부터 대류 냉각으로의 부분적인 또는 완전한 전이 동안 조금만 변화한다. 면적단위당 전달 가능한 열량에 대한 유효 온도차이의 영향이 훨씬 더 크다.

보일러 급수를 응고점 이하로 냉각하는 것은 여러 유형으로 수행될 수 있다; 즉, 응고점 이하로 냉각하는 것은 열교환기 안에서 공기 또는 물 냉각을 수단으로 하여 수행될 수 있다. 하지만 이 변형은 비경제적인데, 왜냐하면 열이 더 이상 이용될 수 없기 때문이다.

그 밖의 변형은 중간 팽창에 의한 보일러 급수의 냉각이다. 여기에서 보일러 급수는 (추가적인) 증발 용기 안에서 보다 낮은 압력으로 팽창되고, 확정된 증기량은 부합하는 온도와 함께 생성된다. 이 방법도 비경제적인데, 왜냐하면 저급 증기가 발생되기 때문이다. 이 이외에, 추가 장비가 필요해지며, 또한 보일러 급수 펌프의 전기 에너지 사용이 상승되는데, 왜냐하면 보일러 급수는 팽창 후 다시 출구 압력으로 데려가져야 하기 때문이다.

상기 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명의 목적은 열의 이용을 개선시키고, 또한 동시에 관련 시설 부품들의 크기를 줄이는 것이다.

이 목적은, 도입부에 설명된 유형의 방법에 있어서, 본 발명에 따르면 반응열의 일부는 보일러 급수를 가열함에 의해 소산되며 (dissipated), 가열된 상기 보일러 급수는 EDC, VCM, PVC 의 생산 과정시 히트싱크 (heat sink) 들을 또는 다른 히트싱크들을 가열하기 위해 이용됨으로써 달성된다.

본 발명에 따른 방법의 장점은, EDC/VCM/PVC 시설 복합체 안의 히트싱크들이 더 이상 기존처럼 증기를 갖고 가열되는 것이 아니라 가열된 보일러 급수를 갖고 바로 가열된다는 것이다.

이로 인해, 보일러 급수는 냉각되며, 그리고 그 후 새로운 가열을 위해 다시 옥시염소화 반응기의 냉각관 다발들 안으로 공급될 수 있다. 이로 인해, 옥시염소화의 반응열이 계속 이용되고 방법의 경제성이 유지된다. 상기 반응열을 보일러 급수를 가열함에 의해 완전히 소산시키거나 또는 보일러 급수를 부분적으로 증발시키는 것이 가능하다.

특별한 장점은, 상응하여 감소된 증기량에 있어서 냉각수쪽에서의 마모가, 동반되는 감소된 흐름속도와 함께 현저히 감소된다는 것이다.

EDC/VCM/PVC 생산 시설 복합체 안의 적합한 히트싱크들을 위한 예들은 다음과 같다:

순환 증발기 VCM 칼럼 (column)

순환 증발기 HCI 칼럼

순환 증발기 VCM 스트립퍼 (stripper)

순환 증발기 로우 보일러 (low boiler) 칼럼

순환 증발기 탈수 칼럼

예열기 EDC (EDC 분열)

예열기 순환 가스 (옥시염소화)

예열기 HCI (옥시염소화)

건조기 (PVC 건조)

하지만 본 발명은 이 예들에 제한되어 있지 않다.

그 밖의 구현형태들, 특징들 및 장점들은 종속항들에 나타나 있다. 이에 따르면, 반응열에 의해 가열된 보일러 급수에 의해 1,2-디클로로에탄/염화비닐 (vinyl chloride) 생산 시설 복합체 안의 증류탑들이 가열될 수 있다.

본 발명의 다른 가능성에 따르면, 가열된 보일러 급수에 의해, 1,2-디클로로에탄/염화비닐 생산 시설 복합체 안의 공정흐름 (process streams) 을 가열하기 위한 열교환기 (heat exchanger) 들이 가열될 수 있으며, 또한 본 발명에 따르면, 가열된 보일러 급수에 의해 폴리염화비닐 (PVC) 의 건조 장치가 가열될 수 있다.

이미 위에서 언급한 바와 같이, 그 밖의 히트싱크들도 상응하여 가열될 수 있다.

예들:

옥시염소화 반응기 안에는 19221 kW 의 열용량이 전달되어야 한다. 열전달은 유동층 안에 잠긴, 88.9 mm 의 바깥지름을 가진, 11.5 m 길이당 각각 12 개의 관의 냉각관 다발들을 수단으로 하여 수행된다.

(면적 계산시 직선 관 길이만 고려된다; 연결하는 관 엘보 (pipe elbow) 들은 무시된다).

1. 증발에 의한 열전달

186℃ 의 보일러 급수가 증발된다 (증기 압력 약 11.5 bar abs). 전체 열전달계수로서 400 W/㎡K 가 결정되었다. 반응 온도 (유동층의 온도) 는 215℃ 이다. 이 데이터를 갖고, 19221 kW 의 필요한 전달용량으로부터 1657㎡ 의 필요한 열교환면이 계산될 수 있으며, 이는 약 43 개의 냉각관 다발들에 상응한다. 이때, 냉각관 다발당 약 447 kW 의 열용량이 전달된다. 1922.5 kJ/kg 의 보일러 급수의 증발 엔탈피에 있어서 약 34.7 t 증기/h 가 생성된다. 이로부터, 8% 의 증발율에 있어서 약 434 t/h 보일러 급수의 순환량이 발생한다.

2. 온수 (hot water) 의 발생에 의한 열전달

19221 kW/㎡ 의 열용량이 주로 보일러 급수를 가열함에 의해 전달되어야 한다. 전체 열전달계수로서 395 W/㎡K 가 결정되었다. 숫자상의 계산방법을 수단으로 하여, 보일러 급수의 필요한 순환량이 반복적으로 결정되며, 상기 순환량은 제공되어 있는 관 길이에서 186℃ 로 가열된다. 동일한 방법을 갖고, 냉각관 다발당 전달된 열용량이 결정된다. 냉각관 다발당 10.093 t/h 의 보일러 급수량이 발생한다. 보일러 급수를 가열함에 의해 약 320 kW/냉각관 다발의 열용량이 전달된다. 보일러 급수를 가열하기 위해 필요한 관 길이로서 약 70 m 가 발생한다. 그 후, 19㎡ 의 열교환면에 상응하는 138 - 70 = 68 m 가 제공된다.

400 W/㎡ 의 열전달계수 및 29℃ (215-186) 의 온도차이와 함께, 증발에 의해 전달된 220 kW 의 열용량이 계산될 수 있다. 즉, 통틀어 320 + 220 = 540 kW 가 전달될 수 있으며, 이는 약 20% 의 증가와 일치한다.

보일러 급수의 유입 온도가 150℃ 로 내려가면, 동일한 방식으로 44 % 의 용량 증가가 결정될 수 있다. 이렇게 달성 가능한 증가는 반응기를 보다 경제적으로 설계하기 위해 시설의 새로운 계획시 이용될 수 있거나 또는 기존의 시설들을 쓸모 있게 하기 위해 이용될 수 있다.

이하, 본 발명의 예를 도면을 참조로 상세히 설명한다.

도면은 본 발명에 따른 방법을 이용하는 시설의 연결도를 간략히 보이고 있다.

1 로 표시되어 있는 옥시염소화 반응기 안에는 유동층 (2) 이 위치하며, 상기 유동층으로부터 반응기 사이클론 (reactor cyclone, 3) 또는 상응하는 촉매분리를 통해 생산물은 생산물 분리부 (4) 에게 공급된다.

5 는 순환 가스 압축기를 표시하며, 상기 순환 가스 압축기는 순환 가스를 상기 옥시염소화 반응기 안으로 되돌아가게 하고, 이때 상응하는 반응물질이 이 반응기에 마찬가지로 공급된다.

본 발명을 위해 본질적인 것은, 6 으로 표시된 냉각관 다발이 증발 용기 (7) 로부터의 냉각된 보일러 급수의 작용을 받는 것이며, 상기 보일러 급수는 펌프 (8) 를 통해 순환된다.

도시되어 있는 실시예에서 - 본 발명이 이에 제한되지 않고 -, 보일러 급수는 그의 열을 증류탑 (distillation column, 10) 의 순환 증발기 (circulation evaporator, 9) 에 방출하며, 그리고 이로써 본 발명에 따른 방식으로 냉각된다. 11 은 보일러 냉각수의 공급을 표시하고 있다.

이미 위에서 언급한 바와 같이, 본 발명은 이 실시예에 제한되어 있지 않다. 보일러 급수에 의해, 다른 시설 부품들도 가열될 수 있다.

Claims (4)

1. 유동층 반응기 안에서의 산소와 염화수소의 반응 (옥시염소화) 에 의해 에틸렌으로부터 1,2-디클로로에탄을 생산하는 동안 생기는 반응열을 이용하기 위한 방법으로서, 이 반응열은 반응기 내부에 위치하는, 유동층 안에 배치된 냉각관 다발들을 통해 소산되는 방법에 있어서,
   상기 반응열의 일부는 보일러 급수를 가열함에 의해 소산되며, 가열된 상기 보일러 급수는 생산 과정시 히트싱크들을 가열하기 위해 이용되는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기 안에서의 산소와 염화수소의 반응 (옥시염소화) 에 의해 에틸렌으로부터 1,2-디클로로에탄을 생산하는 동안 생기는 반응열을 이용하기 위한 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응열에 의해 가열된 상기 보일러 급수에 의해 1,2-디클로로에탄/염화비닐 생산 시설 복합체 안의 증류탑들이 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   가열된 상기 보일러 급수에 의해, 1,2-디클로로에탄/염화비닐 생산 시설 복합체 안의 공정흐름을 가열하기 위한 열교환기들이 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
   가열된 상기 보일러 급수에 의해 폴리염화비닐 (PVC) 의 건조 장치가 가열되는 것을 특징으로 하는 방법.

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