KR101672600B1 - 방사 반응기용 가스분산장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하나 이상의 긴 가스분산관들이 인접하여 단일의 열로 원주를 따라 원형으로 반복 배열되는 방사 반응기용 가스분산장치에 있어서, 상기 가스분산관들은 하나 이상의 면(side)에 형성된 가스를 분산해서 배출하는 하나 이상의 다공분산판; 가스가 유출되는 부분에 있어서 상기 가스분산관의 단면적이 점차 감소되도록 구성된 감폭부; 및 상기 가수분산관의 외부에 형성된 외측으로 확장되는 확장곡면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 축방향은 물론 반응기의 길이 방향으로도 가스를 효율적으로 분산시키고, 반응기의 반응 구역 내의 촉매 불용 공간을 최소화하여 공정 원단위를 절감하는 효과를 제공할 수 있다.

Description

방사 반응기용 가스분산장치{GAS DISPENSING DEVICE FOR RADIAL REACTOR}

본 발명은 방사 반응기용 가스분산장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 방사 반응기 내에서 반경 방향은 물론 축 방향으로 가스를 균일하게 분산시킬 수 있고, 가스분산관들 사이의 불용공간(dead volume)을 최소화하여 유체 정체 시간 단축에 의한 공정 원단위를 절감할 수 있는 방사 반응기용 가스분산장치에 관한 것이다.

매우 다양한 공정이 유체와 고체간의 접촉을 제공하는 방사 반응기(radial reactor)를 사용한다. 고체는 통상 유체와 반응을 일으켜 생성물을 형성하는 촉매를 포함한다. 상기 공정은 탄화수소 전환, 가스 처리 및 분리용 흡착을 포함하는 광범위한 범위의 공정들을 포함한다.

방사 반응기는 반응기가 환상 구조를 갖고 환상 분배 및 회수 장치를 포함한다. 분배 및 수집 디바이스는 스크린을 포함한다. 스크린은 촉매상 (catalyst bed)을 적소에 유지하고 반응기 베드를 통한 방사류를 용이하게 하도록 반응기 표면에 걸친 압력의 분배를 보조하기 위한 것이다. 스크린은 와이어나 다른 재료의 망 또는 펀칭된 플레이트일 수 있다. 이동상의 경우, 스크린 또는 망은 고체 촉매 입자의 손실을 방지하는 한편, 유체가 이동상을 통해 흐르게 하는 배리어를 제공한다.

방사 반응기의 종래 기술 구성에서, 반응기의 외벽과 외부 스크린 사이에 포함되는 환상 반응 구역에서의 공급물의 분산은 많은 문제를 겪고 있다. 촉매는 다양한 가열/냉각 작업 상태 동안 그리고 장치의 긴급한 정지 동안 상기 환상 반응 구역에 가둬져야만 한다. 환상 반응 구역 내에 보유된 촉매에 공급 가스가 충분히 공급되지 않을 경우에 일부 영역의 촉매의 비활성화가 촉진되고 반응 생성물의 선택도가 저하되는 문제가 있다.

또한 환상 반응 구역 내의 촉매 입자에 반응 가스가 균일하게 제공되지 않고, 불용 공간(dead volume)이 생길 경우에, 유체의 정체 시간이 연장되어 공정 원단위가 증가되는 문제가 있다.

본 발명은 상술한 종래 기술의 문제를 해소하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 방사 반응기의 반응 효율을 향상시킬 수 있는 가스분산장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 가스분산관들의 불용공간(dead volume)을 최소화하여 유체 정체 시간 단축에 의한 공정 원단위를 절감할 수 있는 가스분산장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 방사 반응기에 공급되는 가스를 보다 효율적으로 분산시켜 반응 구역 내의 촉매 용적의 더 양호한 사용에 의해 생산 수율 및 효율성을 향상시킨 방사 반응기를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은

하나 이상의 긴 가스분산관들이 인접하여 단일의 열로 원주를 따라 원형으로 반복 배열되는 방사 반응기용 가스분산장치에 있어서,

상기 가스분산관들은

하나 이상의 면(side)에 형성된 가스를 분산해서 배출하는 하나 이상의 다공분산판;

가스가 유출되는 부분에 있어서 상기 가스분산관의 단면적이 점차 감소되도록 구성된 감폭부; 및

상기 가수분산관의 외부에 형성된 외측으로 확장되는 확장곡면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치에 관한 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은

방사 반응기 장치에 있어서, 반응기 내부를 형성하는 반응기 하우징, 상기 반응기 내부로 유체 스트림을 공급하기 위한 반응기 유입구, 반응기 중심을 방사상으로 둘러싸고 있으며, 촉매 입자의 촉매상을 유지하면서 유체의 유동은 허용토록 적당한 메쉬 크기의 다공성 물질로 된 동심원상의 내외부 스크린에 의하여 한정되는 환상 반응 구역, 상기 반응기 내부로부터 상기 촉매상을 통하여 방사상으로 상기 유체 스트림을 유동시켜 발생되는 생성물을 회수하기 위한 반응기 유출구를 포함하는 방사 반응기에 있어서,

상기 내외부 스크린 가운데 하나 이상에 인접하여 본 발명의 가스분산장치가 설치된 것을 특징으로 하는 방사 반응기에 관한 것이다.

본 발명의 장치에 의하면 가스분산관 구조물의 상/하간 형태를 변화시켜서 이를 통하여 반응기 내부 상/하간 유동 속도 편차를 최소화할 수 있다. 또한 기존의 가스분산 장치들은 반응기 유입구 가스를 반응기 상단에서 방사 방향으로만 균일 분산하는 역할을 하는 구조인데 반하여, 본 발명의 가스분산 장치는 방사 방향은 물론 반응기의 장축 방향으로도 균일하게 가스를 분산시켜, 촉매상을 더 충분하게 사용하게 하여 반응의 수율과 생산성을 향상시킬 수 있다.

또한 본 발명의 가스분산장치는 가스분산관들 사이의 불용공간(dead volume)을 최소화하여 유체 정체 시간 단축에 의해 공정 원단위를 절감할 수 있다.

더욱이, 본 발명의 가스분산 장치는 반응기 유입구 또는 유출구를 모두 사용하여 가스 분산을 용이하게 하기 위한 구조여서 다양한 반응기 구조에 가스 분산을 위한 장치로 폭 넓게 사용할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스 분산 장치의 평면개략도이다.
도 2(a)-(f)는 본 발명의 다양한 실시예의 가스 분산 장치의 측단면 개략도이다.
도 3(a)-(d)는 다공분산판이 없는 실시예의 가스 분산 장치의 측단면 개략도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예의 방사 반응기의 개략단면도이다.

본 발명의 다른 목적과 이점들은 이후의 설명에서 명확하게 될 것이다. 따라서, 본 발명은 다음의 설명이나 도면에서 예시된 바와 같은 여러 구성요소, 그리고 이들의 관계를 포함하는 장치로 구성되나, 이로써 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

도 1 은 본 발명의 일 실시예에 의한 가스 분산 장치의 평면개략도이고, 도 2(a)-(f)는 본 발명의 다양한 실시예의 가스 분산 장치의 측단면 개략도이다.

본 발명의 가스분산장치(100)는 하나 이상의 긴 가스분산관들(110)이 인접하여 단일의 열로 원주를 따라 원형으로 반복 배열되는 방사 반응기용 가스분산장치로서,

상기 가스분산관들(110)은 하나 이상의 면(side)에 형성된 가스를 분산해서 배출하는 하나 이상의 다공분산판(120); 가스가 유출되는 부분에 있어서 상기 가스분산관의 단면적이 점차 감소되도록 구성된 감폭부(140); 및 상기 가수분산관의 외부에 형성된 외측으로 확장되는 확장곡면부(150)를 포함한다. 이러한 확장곡면부(150)는 가스분산관 하단부까지 이어져서 전체적으로 외측으로 확장되는 곡면부(150')를 형성한다.

이러한 가스분산장치(100)는 촉매상의 최선의 사용을 얻기 위해 최적화된다.

방사 반응기에서 촉매상은 내부 및 외부 스크린에 의해서 한정된다. 내부 및 외부 스크린은 외부 스크린 측의 환상 촉매상 안으로의 공급물의 통과 그리고 내부 스크린 측의 중앙 수집기 안으로의 생성물의 통과를 가능하게 하도록 다공성이다. 기체 공급물은 반응기의 정상부를 통하여 들어가고 반응기의 외벽과 외부 스크린 사이에 위치되는 분산 구역에서 분산되고, 그 후 실질적으로 방사상의 방식으로 환상 촉매상을 가로지른다. 촉매상을 가로지른 후에, 반응 생성물은 촉매를 유지하는 내부 스크린을 통하여 수직 원통형 수집기에 수집된다.

본 발명의 가스분산 장치(100)는 반응기의 외벽과 외부 스크린 사이의 분산 구역에 설치될 수 있다. 가스분산관들(110)이 원형으로 단일의 열로 촉매상 둘레에 원형으로 배열되고, 각 가스분산관(110)의 정면(120)은 가스를 분산 분배하기 위한 다수의 통기공들(125)이 형성된 다공분산판(120)으로 구성된다. 이러한 통기공들의 직경은 0.3 ~ 6 cm 정도이다.

본 발명에서 가스분산관(110)은 상기 다공분산판과 대향하는 면의 가스 유출구 부분에 형성된 방사 반응기의 반응 구역으로 경사진 경사면(140)을 구비하여, 상기 가스분산관(110)의 단면적이 가스가 유출되는 부분에서 점차 감소되는 감폭부로 구성된다. 상기 경사면(140)의 경사각은 약 2°~ 30°이다.

상기 경사면(140)은 가스분산관(110)의 상부 또는 하부에 위치될 수 있는데, 가스가 하부로 배출되는 경우에는 경사면(140)이 도 2(a)에 도시된 바와 같이 가스분산관(110)의 하부에 형성되고, 가스가 상부로 배출되는 경우에는, 도 2(b)에 도시된 바와 같이, 상기 경사면(141)이 상부에 형성될 수 있다.

상기 다공분산판(120)은 방사 반응기의 반응 구역으로 가스를 분배하기 위한 것으로, 스크린과 접하는 면에 주로 형성되지만, 실시예에 따라서는 도 2(c) 및 2(d)에 도시된 바와 같이, 가스가 분배되는 정면(120)과 양 측면(130)에 형성될 수 있다. 즉, 정면(120)에 통기공들(125)이 형성되고, 측면에도 통기공들(135)이 형성될 수 있다. 이와 같이 양 측면(130)이 다공분산판으로 구성되는 경우에는 이웃하는 가스분산관들(110)의 측면의 통기공들(135)끼리 서로 유체 연통되도록 구성된다.

본 발명의 가스분산장치에서 상기 경사면은, 도 2(c)에 도시된 바와 같이, 완만한 경사 곡면(142)으로 형성될 수도 있다. 또한 상기 경사면(140)은, 도 2(f)에 도시된 바와 같이, 경사각이 상이한 여러 개의 경사면으로 구성될 수 있다. 이 경우에 상기 경사면의 상이한 경사각은 가스 배출구로 갈수록 경사각이 증가하도록 구성될 수 있다. 예를 들어 경사면 144의 경사각은 2도 내지 30도이고, 경사면 145의 경사각은 5도 내지 45도일 수 있다.

상기 확장곡면부(150)는 각각의 가스분산관들 사이의 불용공간(dead volume)을 최소화하여 환상 반응 구역 내에서의 촉매 입자들의 정체 시간을 단축시키고, 이에 따라서 공정 원단위를 절감할 수 있게 한다. 상기 확장곡면부(150)는 가스분산관(110)의 하단부까지 연장되고, 곡면의 형상은 특별히 제한되지 않고, 타원형, 로브형 등의 임의의 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 가스분산 장치는 반응기 유입구 또는 유출구를 모두 사용하여 가스 분산을 용이하게 하기 위한 구조이다. 상기 다공분산판은 내면을 형성하며, 상기 경사면이 있는 대향면은 외면을 형성하도록 구성되거나, 상기 다공분산판은 외면을 형성하며, 상기 경사면이 있는 대향면은 내면을 형성하도록 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 양상의 가스분산장치는 다공분산판(120)을 포함하지 않을 수 있다. 방사 반응기의 스크린과 당접되는 경우에는 외부 스크린이 다공분산판(120)의 기능을 수행하게 되기 때문에, 도 3(a) 내지 (d)에 도시된 바와 같이 다공분산판이 생략될 수 있다. 이러한 실시예의 가스분산장치의 경우에도 경사면의 위치는 상부 또는 하부에 형성될 수 있고(도 3(a)-(b)), 도 3(c)에 도시된 바와 같이, 경사면(142)이 곡면으로 형성되거나 다단의 경사면(144, 145)으로 구성될 수 있다.

본 발명의 다른 양상은 이상에서 설명한 가스분산장치를 포함하는 방사 반응기에 관한 것이다.

도 4 본 발명의 일 실시예의 탈수소화 반응기가 개략적으로 도시되어 있다. 도 4 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 탈수소화 반응기는 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구(21), 및 상기 반응기 내부로부터 생성물을 배출하는 반응기 유출구를 포함하는 긴 하우징(20); 상기 하우징 내부에 수용되고, 촉매 입자의 촉매 베드를 유지하여 환상 반응 구역(25)을 한정하는 다공체로 구성된 내부 스크린(23) 및 외부 스크린(24); 상기 내부 스크린(23)과 이격되어 상기 하우징(20)의 내부 중앙에 배치되는, 천공된 표면에서 유체를 촉매 베드로 균일하게 분배하는 가스 분산 장치(100) 를 포함한다.

본 발명의 방사 반응기는 내부 및 외부 스크린에 의해서 한정되는 환상 반응 구역(25)에 촉매 입자를 포함하고, 환상 반응 구역(25)은 느린 중력의 유동 하에 촉매입자로 채워져 있다. 내부 및 외부 스크린(23, 24)은 원통형이고 동심원상인 벽 부분은 유동저항이나 큰 압력 강하 없이 유체 스트림이 통과할 수 있을 정도로 크나 이에 수용된 촉매 입자는 통과하지 않고 수용된 상태에 놓일 수 있을 정도로 작은 메쉬크기를 갖는 스크린 또는 다공체로 구성된다.

상기 가스분산관(110)은 유체의 유동을 위해 다수의 통기공이 형성된 다공판 구조를 포함한다. 가스분산관(110)은 상술한 바와 같이 하단부는 반응기 하부로 갈수록 단면 직경이 감소하는 끝이 감폭부(140)로 구성된다. 가스분산관(110)은 환상 반응 구역(25)의 천공된 표면에 전체에 걸쳐 상하로 균일한 방식으로의 유체 분배를 제공하게 된다. 가스분산관(110)은 확장곡면부(150)에 의해서 반응물의 고온 체류 시간을 감소시킴으로써 공급물의 비선택적 열 분해를 감소시켜 선택도를 향상시킬 수 있고, 유체 정체 시간을 단축시켜 공정 원단위를 절가시킬 수 있다.

촉매 입자들은 반응기의 상부 부분 안으로 개방되는 다수의 유입관을 사용하여 반응 구역의 상부 부분 안으로 유입되고, 촉매는 반응 구역의 하부 부분에 위치되는 다수의 회수관을 통하여 배출된다. 기체 공급물은 가스분산관(110)에 분산되어 환상 반응 구역(25) 내의 촉매상으로 유입된다. 촉매 입자들은 일반적으로는 이동상으로서 환상 반응 구역(25)에서, 약 시간 당 0.5~2 미터의 비교적 느린 속도로 중력의 방식으로 이동한다. 촉매 입자들은 따라서 공급물 가스분산관(100) 주위를 이동할 수 있다. 반응 생성물은 따라서 배출관에 연결되는 반응로 중심(50)을 통하여 반응기로부터 배출된다.

비록 도 1은 반응물 유체 스트림이 반응기의 상측으로부터 공급되고 생성물이 반응기의 하측으로부터 회수되는 것으로 도시되어 있으나, 이러한 배열은 이와 같은 반경류 장치의 작동에 영향을 주지 않고 역으로 배열될 수 있음을 이해할 것이다. 이와 같이, 반응물 유체 스트림을 반응기의 하측으로부터 공급하고 반응기의 상측으로부터 생성물을 회수하는 것도 본 발명의 범위 내에 속하는 것이다.

이상의 본 발명에 있어서, 통상의 기술자라면 본 발명의 범위를 벗어남이 없이 상기 언급된 장치로부터 다른 변경이나 수정이 이루어질 수 있음을 이해할 것이며, 이상으로 설명한 내용들은 본 발명의 설명을 위한 것으로 어떠한 제한을 두고자 하는 것이 아님을 이해할 것이다.

100: 가스분산장치 110: 가스분산관
120: 다공분산판 130 : 측면
125, 135: 통기공
140, 141, 142, 143, 144, 145: 경사면
150, 150': 확장곡면부

Claims (12)

1. 하나 이상의 긴 가스분산관들이 인접하여 단일의 열로 원주를 따라 원형으로 반복 배열되는 방사 반응기용 가스분산장치에 있어서, 상기 가스분산관들은
   하나 이상의 면(side)에 형성된 가스를 분산해서 배출하는 하나 이상의 다공분산판;
   가스가 유출되는 부분에 있어서 상기 가스분산관의 단면적이 점차 감소되도록 구성된 감폭부; 및
   상기 가스분산관의 외부에 형성된 외측으로 확장되는 확장곡면부를 포함하는 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 감폭부는 가스분산관의 상부에 형성된 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 감폭부는 상기 가스분산관의 하부에 형성된 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 다공분산판이 정면과 양 측면에 형성된 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 감폭부의 경사면은 경사 곡면으로 형성된 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 감폭부의 경사면은 경사각이 상이한 다단의 경사면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치.
   
7. 제6항에 있어서, 상기 상이한 경사각은 가스 배출구로 갈수록 경사각이 증가하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치.
   
8. 제1항에 있어서, 상기 다공분산판은 내면을 형성하며, 상기 감폭부의 경사면이 있는 대향면은 외면을 형성하는 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치.
   
9. 제1항에 있어서, 상기 다공분산판은 외면을 형성하며, 상기 감폭부의 경사면이 있는 대향면은 내면을 형성하는 것을 특징으로 하는 방사 반응기용 가스분산장치.
   
10. 방사 반응기 장치에 있어서, 반응기 내부를 형성하는 반응기 하우징, 상기 반응기 내부로 유체 스트림을 공급하기 위한 반응기 유입구, 반응기 중심을 방사상으로 둘러싸고 있으며, 촉매 입자의 촉매상을 유지하면서 유체의 유동은 허용토록 다공성 재질로 된 동심원상의 내외부 스크린에 의하여 한정되는 환상 반응 구역, 상기 반응기 내부로부터 상기 촉매상을 통하여 방사상으로 상기 유체 스트림을 유동시켜 발생되는 생성물을 회수하기 위한 반응기 유출구를 포함하는 방사 반응기 장치에 있어서,
    상기 내외부 스크린 가운데 하나 이상에 인접하여 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항의 가스분산장치가 설치된 것을 특징으로 하는 방사 반응기 장치.
    
11. 제10항에 있어서, 상기 가스분산장치가 반응기의 외벽과 외부 스크린 사이의 분산 구역에 설치되는 것을 특징으로 하는 방사 반응기 장치.
    
12. 제10항에 있어서, 상기 촉매상의 스크린과 상기 가스분산장치가 당접하는 경우에 상기 다공분산판이 생략되는 것을 특징으로 하는 방사 반응기 장치.

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