KR101651748B1 - 탈수소화 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 촉매 탄화수소 공정을 진행하기 위한 탈수소화 반응장치에 관한 것으로, 내부 및 외부 스크린에 의해서 한정되는 촉매 베드에서 반응 가스의 이동 거리 및 체류 시간을 증가시켜 탈수소 반응의 전환율을 향상시킬 수 있는 탈수소 반응기에 관한 것이다.

Description

탈수소화 반응기{DEHYDOGENATION REACTOR}

본 발명은 다양한 탄화수소 원료의 기상 전환에 유용한 탈수소화 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 긴 반응기 하우징에 수직으로 공간을 두고 촉매 베드를 포함하는 이격 배치된 2개 이상의 환상 반응 영역을 포함하는 탈수소화 반응기에 관한 것이다.

프로판을 프로필렌으로, 이소부탄을 이소부텐으로 탈수소화(dehydrogenation)하기 위한 다양한 기술 및 시스템이 개발되었으며 실제 산업 현장에서 상용화되어 운영 중에 있다. 이러한 탈수소 공정은 촉매를 반응기에 충진하여 사용하는 고정층 반응기 (packed bed type reactor)와 반응기 내부로 촉매가 이동하여 반응이 진행되는 이동층 반응기 (moving bed type reactor)로 분류할 수 있다. 고정층 반응기는 이동층 반응기에 비해 체류시간이 길어서 전환율이 높은 장점이 있으나 불연속적인 시스템이고 공정 운영 시간이 짧은 한계가 있다.

한편 이동층 반응기는 촉매 이동이 가능하여 연속적인 촉매 재생 시스템을 구축할 수 있다는 장점이 있다. 이러한 이동층 반응기의 일례로서 미국특허 제6,472,577호는 촉매 베드를 포함하고, 공급 가스가 방사 방향으로 촉매 베드를 지나서 배출 라인을 통해서 배출되는 탈수소 반응기를 개시하고 있다. 그러나 이러한 종래의 이동층 탈수소 반응기는 촉매의 체류 시간이 짧고 전환율이 낮다는 한계점을 가지고 있다. 탈수소 반응의 전환율은 공정의 원단위 및 경제성과 밀접한 관련성을 가지므로, 연속적인 촉매 반응-재생 시스템의 효율성을 높이기 위해서는 전환율을 향상시킬 수 있는 반응기의 개발이 절실하게 요구되고 있다.

본 발명은 상술한 기술적 요구에 부응하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 반응 가스와 촉매 간의 체류시간 및 접촉기회를 증가시켜 전체 반응의 전환율이 향상된 탈수소 반응기를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은

탈수소화 반응기 내부를 형성하는 하우징, 상기 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구, 상기 반응기 중심을 방사상으로 둘러싸고 있으며, 촉매 입자의 촉매 베드를 유지하면서 동심원상의 내부 및 외부 스크린에 의하여 한정되는 환상 반응 영역 및 상기 반응기 내부로부터 생성물을 회수하기 위한 반응기 유출구를 포함하는 탈수소화 반응기에 있어서,

상기 반응기는

상기 외부 스크린에 형성된 가스 유입공과 상기 내부 스크린에 형성된 가스 배출공이 촉매 베드 상에서의 공급 가스의 유동 방향이 경사지도록 서로 엇갈리게 형성된 것을 특징으로 하는 탈수소 반응기에 관한 것이다.

본 발명의 탈수소화 반응기에 의하면 반응 가스와 촉매 간의 체류시간 및 접촉기회를 증가시켜 전체 탈수소화 반응의 전환율을 증가시킬 수 있다.

도 1은 종래의 탈수소화 반응기의 개략단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화 반응기의 개략단면도이다.

본 발명을 첨부도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

첨부된 도면들이 본 발명의 탈수소화 반응기의 특정 형상을 기술하고 있다 하더라도, 이러한 탈수소화 반응기는 특별한 응용에서 행해지는 특정 환경에 적합한 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이후에 설명되는 구체적 실시예로 본 발명의 광범위한 적용을 제한하지 않는다. 더욱이, 도면의 숫자는 본 발명의 다중단 탈수소화 반응기의 간단한 개략도를 나타낸 것으로 주요 구성요소만 나타내었다. 기타 열교환기, 내부-히터, 촉매 전달을 위한 유동화 파이프, 펌프 및 다른 유사한 구성 요소들은 생략하였다. 설명된 탈수소화 반응기를 변경하기 위해 이러한 구성요소들을 이용하는 것은 당업자에게 공지되어 있으며, 첨부된 청구범위의 범주 및 정신을 벗어나지 않는다.

본원에서 용어 "유체"는 기체, 액체, 또는 분산된 고체를 함유하는 기체 또는 액체이거나 이들의 혼합물을 의미한다. 유체는 분산된 액적(droplet)을 함유하는 기체 형태일 수 있다.

본원에서 용어 "반응 영역"은, 반응물이 촉매 베드 상의 촉매와 접촉하는 탈수소화 반응기 내의 공간을 의미한다.

본 발명은 이동층 반응기를 사용하는 탈수소 공정의 전환율을 높이기 위하여 이동층 반응기 내부의 구조를 변경하는 기술에 관한 것이다. 도 1은 종래의 이동층 반응기의 내부 구조와 반응기 내 공급 가스의 흐름을 도시한 것이다. 도 1을 참고하면, 종래의 반응기에서는 유입된 공급 가스가 스크린을 통과한 뒤 촉매와 접촉하는 촉매 베드를 수직 방향으로 통과하며 탈수소 반응이 진행된다. 이때 촉매 베드의 벽면에 해당하는 스크린이 촉매 베드 전체를 감싸는 형태로 구성되어 있다. 따라서 이러한 종래의 이동층 반응기에서는 반응가스의 체류시간이 짧은 한계가 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 탈수소 반응기의 구조와 공급 가스 흐름을 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 탈수소화 반응기(100)는 탈수소화 반응기 내부를 형성하는 하우징(20), 상기 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구(21), 상기 반응기 중심을 방사상으로 둘러싸고 있으며, 촉매 입자의 촉매 베드를 유지하면서 동심원상의 촉매 베드(25) 내부 스크린(23) 및 외부 스크린(24)에 의하여 한정되는 환상 영역(25) 및 상기 반응기 내부로부터 생성물을 회수하기 위한 반응기 유출구(26)를 포함하는 탈수소화 반응기에 있어서, 상기 반응기는 상기 외부 스크린(24)에 형성된 가스 유입공(22)과 상기 내부 스크린(23)에 형성된 가스 배출공(28)이 촉매 베드 상에서의 공급 가스의 유동 방향이 경사지도록 서로 엇갈리게 형성된 것을 특징으로 한다. 즉, 도 2를 참조하면, 본 발명의 탈수소 반응기에서는 외부 스크린(24)의 공급 가스가 유입되는 유입공(22)은 내부 스크린(23)의 공급 가스가 배출되는 배출공(28)과 서로 교차되도록 한다. 따라서 이러한 반응기 구조에서는 공급 가스가 촉매가 이동하는 촉매 베드에 비스듬히 기울어진 방향으로 유입되어 반응이 진행된다. 본 발명에서 제안된 반응기 내에서의 공급 가스는 종래 반응기 내에서의 가스에 비해 촉매 베드 내에서의 이동거리 및 체류시간이 더 길기 때문에 촉매와의 접촉 기회가 더 많이 발생할 수 있다. 반응 가스와 촉매 간의 체류시간 및 접촉기회를 증가시키게 되면 전체 반응의 전환율이 증가될 수 있다.

예를 들어, 만약 공급 가스가 통과하는 촉매 베드의 너비가 1 m라고 가정하고 외부 스크린의 가스 유입공과 내부 스크린의 가스 배출공의 배치 간격을 2 m로 설계할 경우, 공급 가스의 이동거리와 체류시간은 약 2.2배 이상 증가한다. 체류시간이 증가함에 따라 반응의 전환율이 증가되며, 체류시간과 전환율의 증가 정도는 촉매 베드의 크기나 스크린 배치 간격 등에 따라 달라질 수 있다.

본 발명의 일 실시예의 탈수소화 반응기는 중력 스트림에 의해 탈수소화 반응기를 통하여 환형 베드로서 이동 가능한 촉매 입자들과 반응물 스트림을 방사상 스트림으로 접촉시키는 탈수소화 반응기로 구성된다.

상기 하우징(20)의 반응 영역의 상부에는 상기 반응 영역의 상부에 위치하며, 촉매 베드 주위의 공간과 열린 상태로 연결되어 있는 촉매 호퍼(10)를 포함한다. 이러한 촉매 호퍼(10)는 촉매 유입로(11)를 통해서 환형 반응 영역의 촉매 베드에 촉매를 공급한다.

도 2를 참조하면, 탈수소화 반응기(100)는 외부의 원통형 하우징(20)으로 구성되고 이에 수용되는 촉매 베드(25), 즉 환상 반응 영역은 서로 방사상으로 일정한 간격을 두고 배치된다.

도 2에 도시된 실시예에서는 본 발명의 탈수소화 반응기(100)에서는 반응물을 탈수소화 반응기의 상측으로부터 공급하고, 탈수소화 반응기의 하측으로부터 생성물을 회수한다. 다른 실시예에서는 탈수소화 반응기(100)의 상측부 대신에 하측부를 통하여 반응물이 공급되고, 탈수소화 반응기의 상부로부터 생성물을 회수할 수 있다.

촉매 베드의 내외측에 형성되는 내부 스크린(23) 및 외부 스크린(24)은 유동 저항이나 큰 압력강하 없이 유체 유동 스트림이 통과할 수 있을 정도로 크나 이에 수용된 촉매 입자(1)는 통과하지 못하고 수용된 상태에 놓일 수 있을 정도로 작은 메쉬 크기를 갖는 스크린 또는 다공체로 구성된다.

반응가스가 반응기 상단에서 공급되고 생성물이 반응기 하단에서 배출되는 하나의 실시예의 탈수소화 반응기에서, 반응 가스가 유입되는 외부 스크린의 가스 유입공(22)이 내부 스크린(23) 상의 가스가 배출되는 배출공(28) 보다 수직 방향으로 위에 형성되어, 공급 가스가 촉매 베드를 통해서 경사진 방향으로 유입되도록 구성될 수 있다.

한편, 반응가스가 반응기 하단에서 공급되고 생성물이 반응기 상부에서 배출되는 다른 실시예의 탈수소화 반응기에서는, 반응 가스가 유입되는 외부 스크린의 기공이 내부 스크린의 기공 보다 수직 방향으로 낮은 위치에 형성되어, 공급 가스가 촉매 베드를 통해서 경사진 방향으로 상향으로 유입되도록 구성될 수 있다.

상기 외부 스크린(24)은 반응 가스가 진입하는 방향에 반응 가스가 비스듬히 기울어진 방향으로 주입되도록 안내하는 경사가이드부(미도시)가 형성되어, 반응 가스가 촉매 베드에 비스듬히 기울어진 방향으로 유입되도록 할 수 있다.

또한 상기 내부 스크린(23)은 반응 가스가 배출되는 방향에 반응 가스가 비스듬히 기울어진 방향으로 배출되도록 안내하는 경사가이드부(미도시)가 추가로 형성될 수 있다.

본 발명에서 상기 내부 스크린의 가스 배출공(28)과 및 외부 스크린에 형성된 가스 유입공(22)들은 0.5 내지 2 m의 높이 차를 갖도록 교차 형성될 수 있다. 이러한 높이 차가 0.5 m 미만인 경우에는 반응 가스의 촉매 베드 상의 체류 시간 및 이동 거리 증가 효과가 미흡할 수 있고, 2 m를 초과하면 적정 반응 온도 감소에 따른 성능저하 현상이 나타날 수 있다.

본 발명의 탈수소 반응기에서 내부 및 외부 스크린들(23, 24)은 펀치판, 다공판 또는 다공 파이프들을 포함할 수 있다. 다공체의 기공의 크기는 스크린을 통해 반응물의 스트림을 용이하게 하면서, 촉매 입자들의 통행을 억제할 수 있는 정도의 크기이어야 한다.

다공판의 기공은 원형, 타원형, 정방형, 직사각형, 3각형, 좁은 수평 또는 수직 슬롯 등의 형태로 구성된다. 본 발명에 사용되는 스크린들은 원통형 스크린들로만 제한되는 것이 아니다. 더욱이 상기 스크린들은 원통형과 같은 촉매 입자 보유 구조를 형성하기 위해서 서로 연결된 일군의 평면판을 포함한다.

이하에서 본 발명의 탈수소화 반응기에서의 탈수소화 반응에 대해서 설명한다. 도 2에서 보인 바와 같이, 탄화수소 반응물은 촉매 베드(25)를 통하여 방사상으로 통과하여 요구된 최종 생성물로 탈수소화된다.

반응기 유입구(21)를 통해서 유입된 반응물은 열교환장치(미도시)와의 접촉으로 중심 영역에서 적당한 온도로 가열되며, 가스 유동 경로(30)로 유입되어, 외부 스크린(24)의 가스 유입공(22)으로 비스듬히 기울어진 방향으로 유입되고, 방사상으로 촉매 베드(25)를 통과함으로써 탄화수소로부터 요구된 최종 생성물로 탈수소화된다. 내부 스크린(24)의 가스 배출공(28)을 통하여 촉매 베드(25)로부터 비스듬히 기울어진 방향으로 방사상으로 배출되는 생성물은 생성물 유동 통로(40)를 지나서 중앙의 수집 영역으로 보내진 후, 반응기 하단의 반응기 유출구(26)를 통해서 반응기 밖으로 배출되고, 소비된 촉매는 촉매 배출관(27)을 통해서 배출된다.

이상에서 본 발명을 구체적인 실시예를 예로 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 변형 및 변경 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 기술자들에게 자명하므로, 본 발명의 보호범위는 하기 청구범위에 의해서 정해지며, 이러한 모든 변형 및 변경들도 본 발명의 보호 범위에 포괄되는 것으로 이해되어야 한다.

100: 탈수소화 반응기 10: 촉매 호퍼
11: 촉매 유입로 20: 반응기 하우징
21: 반응기 유입구 22: 가스 유입공
28: 가스 배출공 23: 내측 스크린
24: 외측 스크린 25: 촉매 베드
30: 가스 유동 통로 40: 생성물 유동 통로
26: 반응기 유출구 27: 촉매 배출관

Claims (6)

1. 탈수소화 반응기 내부를 형성하는 하우징, 상기 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구, 상기 반응기 중심을 방사상으로 둘러싸고 있으며, 촉매 입자의 촉매 베드를 유지하면서 동심원상의 내부 및 외부 스크린에 의하여 한정되는 환상 반응 영역 및 상기 반응기 내부로부터 생성물을 회수하기 위한 반응기 유출구를 포함하는 탈수소화 반응기에 있어서,
   상기 반응기는 상기 외부 스크린에 형성된 가스 유입공과 상기 내부 스크린에 형성된 가스 배출공이 촉매 베드 상에서의 공급 가스의 유동 방향이 경사지도록 서로 엇갈리게 형성되고,
   상기 외부 스크린은 반응 가스가 진입하는 방향에 반응 가스가 비스듬히 기울어진 방향으로 주입되도록 안내하는 경사가이드부가 형성되는 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 탈수소화 반응기는 반응가스가 반응기 상단에서 공급되고 생성물이 반응기 하단에서 배출되도록 구성되고, 반응 가스가 유입되는 외부 스크린의 기공이 내부 스크린의 기공 보다 수직 방향으로 위에 형성되어, 공급 가스가 촉매 베드를 통해서 경사진 방향으로 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 탈수소화 반응기는 반응 가스가 반응기 하단에서 공급되고 생성물이 반응기 상부에서 배출되도록 구성되고, 반응 가스가 유입되는 외부 스크린의 기공이 내부 스크린의 기공 보다 수직 방향으로 낮은 위치에 형성되어, 공급 가스가 촉매 베드를 통해서 경사진 방향으로 상향 유입되도록 구성된 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 내부 스크린은 반응 가스가 배출되는 방향에 반응 가스가 비스듬히 기울어진 방향으로 배출되도록 안내하는 경사가이드부가 형성되는 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 외부 스크린에 형성된 가스 유입공과 내부 스크린에 형성된 가스 배출공들이 0.5 내지 2 m의 높이 차를 갖도록 교차 형성된 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.

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