KR101815750B1 - 탈수소 공정용 이동층 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응기 내부 공간을 한정하며 반응기의 외부 몸체를 구성하는 하우징; 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 다수개가 배치되며 그 내부에서 원료가스와 촉매의 접촉으로 탈수소 반응이 진행되는 튜브형 반응기; 및 상기 하우징의 하부로 배출되는 촉매를 포집하는 호퍼를 포함하며, 상기 하우징의 내부 공간은 위쪽에서부터 원료가스 공급 및 분산 구역, 퍼지 구역, 반응 및 추가 열공급 구역, 촉매 배출 구역으로 나누어지며, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역 하단의 일측에는 추가 열공급을 위한 핫 가스 인입구가 설치되고 상단 일측에는 핫 가스 배출구가 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 이동식 반응기에 관한 것으로, 본 발명의 이동식 반응기는 반응기 전단의 예열장치 이외에 핫 가스를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

탈수소 공정용 이동층 반응기{MOVING BED REACTOR FOR DEHYDROGENATION PROCESS}
본 발명은 탈수소 공정을 위한 이동층 반응기(Moving Bed Reactor)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 전단의 예열장치(Preheater) 이외에 핫 가스(Hot Gas)를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 탈수소 공정용 이동층 반응기에 관한 것이다.
탈수소 반응기는 일반적으로 약 2-10 미터 이상의 직경과 약 3-30 미터 이상의 길이 범위의, 매우 거대한 크기의 원통형 수직 구조물이다. 이러한 반응기의 정상적인 구조는 수직 반응기의 중앙에 위치된 입구로 원료가스를 투입할 수 있는데 이때 가스는 환형지역을 통해 방사상으로 외향하여 흘러서 산화철 또는 다른 적당한 탈수소 촉매로 이루어진 환형의 다공성 촉매상을 통과하고 외부 환형지역을 통과하여 반응기 쉘의 외부로 나가게 된다. 촉매상을 가로지르는 원료가스의 흐름은 방사상의 방향이기 때문에, 이러한 반응기는 때때로 방사상 반응기라 불리운다.
한편, 프로판 탈수소 공정은 흡열 반응을 기반으로 하고 있으며 적절하게 반응이 진행되기 위해서는 반응공정 중 충분한 에너지가 공급되어야 한다. 프로판 탈수소 공정의 에너지원으로서 다양한 기술들이 개발되어 실제로 적용되고 있으며 가장 일반적인 방법으로는 가열로(fired heater)가 있다. 주 반응물인 프로판은 촉매 반응기로 투입되기 전에 수소와 함께 고온의 가열로 내부로 주입되고 열 교환과정을 거쳐 적정 온도까지 가열된다. 하지만 이때 프로판 배관 외부와 내부간의 온도 구배가 발생하고 국부적으로 가열되는 부분이 생성되며 이에 따른 열 깨짐 현상(thermal cracking)이 부반응으로 나타난다. 이러한 부반응은 프로필렌 수율을 감소시켜 공정 성능 저감의 주원인이 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 반응기 전단의 예열장치 이외에 핫 가스를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 탈수소 공정용 이동층 반응기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 반응기 내부 공간을 한정하며 반응기의 외부 몸체를 구성하는 하우징; 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 다수개가 배치되며 그 내부에서 원료가스와 촉매의 접촉으로 탈수소 반응이 진행되는 튜브형 반응기; 및 상기 하우징의 하부로 배출되는 촉매를 포집하는 호퍼를 포함하며, 상기 하우징의 내부 공간은 위쪽에서부터 원료가스 공급 및 분산 구역, 퍼지 구역, 반응 및 추가 열공급 구역, 촉매 배출 구역으로 나누어지며, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역 하단의 일측에는 추가 열공급을 위한 핫 가스 인입구가 설치되고 상단 일측에는 핫 가스 배출구가 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 이동식 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 이동식 반응기에 있어서, 상기 핫 가스는 가열로에서 발생하는 배기 가스를 활용하거나 반응기 외부에서 공기, Steam, 또는 비인화성 가스를 가열하여 공급하며, 상기 하우징은 수직의 원통형 셸 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 이동식 반응기에 있어서, 상기 하우징의 원료가스 공급 및 분산 구역에는 튜브형 반응기 각각의 튜브로 원료가스를 분산하기 위한 깔대기형 분산판이 설치되며, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역에는 1개 또는 이중의 다공성으로 이루어진 핫 가스 인입 분산판과 핫 가스 배출 분산판이 설치되며, 상기 하우징의 촉매 배출 구역에는 삼각형 형태의 촉매 분배기가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 이동식 반응기에 있어서, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역의 중단 일측에는 핫 가스 인입구가 추가로 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 이동식 반응기에 있어서, 상기 원료가스는 프로판인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은, 상기와 같은 구성을 가지는 이동식 반응기가 2개 내지 3대 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 탈수소 공정 시스템에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 탈수소용 이동층 반응기는, 반응기 전단의 예열장치 이외에 핫 가스를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 탈수소용 이동층 반응기는, 원료가스 공급방향과 반응층에서 원료가스가 지나가는 방향이 일치하므로, 튜브 반응기간의 성능 차이가 미미하여 전체 반응기 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탈수소용 이동층 반응기의 개략적인 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 탈수소용 이동층 반응기의 개략적인 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 탈수소용 이동층 반응기의 개략적인 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 탈수소용 이동층 반응기의 개략적인 종단면도이다.
이하에서 첨부도면 등을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 첨부된 도면들이 본 발명에 따른 탈수소용 반응기의 특정 형상을 기술하고 있다 하더라도, 이러한 탈수소용 반응기는 특별한 응용에서 행해지는 특정 환경에 적합한 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이후에 설명 되는 구체적 구현예로 본 발명의 광범위한 적용을 제한하지 않는다. 더욱이, 도면의 숫자는 본 발명에 따른 탈수소용 반응기의 간단한 개략도를 나타낸 것으로 주요 구성요소만 나타내었다. 기타 펌프, 가동관, 밸브, 해치, 엑세스 출구, 및 다른 유사한 구성 요소들은 생략하였다. 설명된 탈수소용 반응기를 변경하기 위해 이러한 부속품들을 이용하는 것은 통상의 기술자에게 공지되어 있으며, 첨부된 청구범위의 범주 및 정신을 벗어나지 않는다.
본 발명은 반응기 전단의 예열장치(Preheater) 이외에 핫 가스(Hot Gas)를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 탈수소 공정용 이동층 반응기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탈수소용 반응기의 개략적인 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 탈수소용 이동층 반응기(100)는 크게 반응기 내부 공간을 한정하며 반응기의 외부 몸체를 구성하는 하우징(10), 상기 하우징(10)의 내측에 하우징(10)과 동축상으로 다수개가 배치되며 그 내부에서 원료가스와 촉매의 접촉으로 탈수소 반응이 진행되는 튜브형 반응기(20) 및 상기 하우징(10)의 하부로 배출되는 촉매를 포집하는 호퍼(30)를 포함한다.
한편, 상기 하우징(10)은 수직의 원통형 셸 구조로서 그 내부 공간은 위쪽에서부터 원료가스 공급 및 분산 구역(A), 퍼지 구역(B), 반응 및 추가 열공급 구역(C) 및 촉매 배출 구역(D)으로 나누어진다.
여기에서 본 발명에 따른 탈수소용 이동식 반응기(100)는, 하우징(10)의 반응 및 추가 열공급 구역(D)으로 추가적인 반응열이 공급되는 것을 특징으로 한다. 이를 위하여 반응 및 추가 열공급 구역(D)의 하단 일측에는 핫 가스 인입구(21)가 설치되고 상단 일측에는 핫 가스 배출구(21)가 설치된다. 이때 핫 가스는 인근의 가열로에서 발생하는 배기 가스를 활용하거나 반응기(100) 외부에서 공기, Steam, 또는 비인화성 가스를 가열하여 공급할 수 있으며, 에너지 절감을 위하여 배기 가스를 활용하는 것이 바람직하다.
이에 의하여 종래에는 반응기 전단의 별도의 예열장치로 공급한 열만으로 반응을 하기에는 프로판 탈수소 반응의 흡열량이 커서 프로필렌 수율 향상에 제약이 있었으나, 본 발명에 따른 반응기(100)는 핫 가스를 추가 반응열 공급원으로 활용함으로서 프로필렌 수율 제약을 극복할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 이동식 반응기에 있어서, 상기 하우징(10)의 원료가스 공급 및 분산 구역(A)에는 튜브형 반응기(20) 각각의 튜브로 원료가스를 분산하기 위한 깔대기형 분산판(26)이 설치된다.
종래 기술에서는 반응기 내부로 들어가는 가스 분산을 기존의 플러그 디스트리뷰터(Plug distributor)를 활용하여 방사상(radial) 방향으로 균일하게 가스를 분산하였으나, 본 발명에 따른 반응기(100)에서는 반응기 상부 옆에 위치한 원료가스 인입구(11)를 지나서 깔대기 형 분산판을 거쳐 반응기 내부의 각 튜브형 반응기(20)로 원료가스를 고르게 공급할 수 있다. 특히 기존 반응기에서는 가스 분산을 위해 필요한 공간이 커서 이 공간에서 열 깨짐 현상(Thermal cracking)이 큰 비중을 차지하였지만 본 발명에 다른 반응기는 가스 분산을 위한 공간을 최소화 하여 열 깨짐 현상을 최소화 하였다.
하우징(10)의 원료가스 공급 및 분산 구역(A)의 상부에는 촉매 투입구(13)가 설치되며 이를 통하여 투입된 탈수소 촉매는 각각의 튜브형 반응기(20)에 충진된다. 각각의 튜브형 반응기(20)에 충진된 촉매는 원료가스와 접촉하여 탈수소 반응을 진행하면서 중력에 의해 하부로 이동하여 호퍼(30)로 연속적으로 배출된다. 하우징(10)의 촉매 배출 구역(D)에는 삼각형 형태의 촉매 분배기(31)가 설치되어, 호퍼(30)로 촉매가 원활하게 배출되도록 한다. 또한 촉매 배출 구역(D)의 원통형 내벽에는 촉매와 원료가스를 분리하는 촉매/원료가스 분리 다공판(19)이 설치되어 원료가스 배출구(12)로 촉매가 혼입되는 것을 방지한다.
특히 종래 기술은 유동 흐름이 반응기 하부에서 환형 디스크 타입(Annular disk type) 촉매층을 지나서 반응기 외벽으로 나오는 경로로 구성되어 있어 반응기 상부와 하부의 유동 속도 편차가 심하여 촉매층을 원활히 활용하데 제약을 가지고 있는 구조이다. 또한 원료가스 공급 방향과 반응층에서 원료가스가 지나가는 방향이 90도 꺾여 있어서 반응기 상/하간 유속 편차에 의한 반응 성능이 저하되는 원인이 되었다.
그러나, 본 발명에 따른 탈수소용 이동층 반응기(100)는, 원료가스 공급방향과 반응층에서 원료가스가 지나가는 방향이 일치하므로, 튜브 반응기(20)간의 성능 차이가 미미하여 전체 반응기 성능이 향상되는 효과가 있다. 본 발명에 따른 탈수소용 이동층 반응기(100)에 있어서, 원료가스는 400℃~650℃, 0.5~6 kgf/cm2 압력으로 원료가스 인입구(11)를 통하여 반응기(100) 내부로 인입되며, 탈수소 반응을 마친 550℃~660℃, 0.1~1 kgf/cm2 압력으로 원료가스 배출구(12)를 통하여 반응기(100) 외부로 배출되어, 추가적인 공정을 거치게 된다. 이때 핫 가스 인입구(21)를 통해 반응기(100) 내부로 인입되는 핫 가스의 온도는 600℃~750℃이며, 핫 가스 배출구(22)를 통해 반응기(100) 외부로 배출되는 핫 가스의 온도는 585℃~695℃ 범위이다.
하우징(100)의 원료가스 공급 및 분산 구역(A)퍼지 가스 인입구1(15), 수소 가스 인입구1(14), 수소 가스 인입구 2(16)이 설치된다. 퍼지가스는 반응을 시작하기 전 반응기 내부에 존재하는 Air를 제거하거나 반응기 수리를 목적으로 해제하기 전 반응기 내부에 존재하는 인화성 가스를 제거하기 위한 목적으로 사용한다. 수소는 촉매 상의 금속 활성상을 환원하기 위한 목적으로 사용한다. 또한 하우징(100)의 퍼지 구역(B)에는 퍼지 가스 인입구2(17) 및 퍼지 가스 배출구가 설치된다. 하우징(100)의 퍼지 구역(B)에서 퍼지가스는 촉매의 온도를 승온하여 반응에 필요한 열을 공급하는 목적으로 사용한다. 도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 탈수소용 이동층 반응기(100)의 개략적인 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 구현예의 반응기(100)는 다공성으로 이루어진 핫 가스 인입 분산판(23)과 핫 가스 배출 분산판(24)이 설치된다. 이에 의하여 본 구현예의 반응기(100)는 핫 가스가 튜브형 반응기별 유속 편차를 최소화하여 반응 성능이 향상되는 장점이 있게 된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 탈수소용 이동층 반응기(100)의 개략적인 종단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 구현예의 반응기(100)는 다공성으로 이루어진 핫 가스 인입 분산판(23)과 핫 가스 배출 분산판(24)이 이중으로 설치된다. 이에 의하여 본 구현예의 반응기(100)는 핫 가스가 튜브형 반응기별 유속 편차가 단독 분산판으로 구성되어 있는 경우보다 감소되어 튜브형 반응기 간 성능 편차가 감소하여 전체 반응 성능이 보다 향상되는 장점이 있게 된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 탈수소용 이동층 반응기(100)의 개략적인 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 구현예의 반응기(100)는 하우징(10)의 반응 및 추가 열공급 구역(C)의 중단 일측에는 핫 가스 인입구(25)가 추가로 설치된다. 이에 의하여 본 구현예의 반응기(100)는 튜브형 반응기의 위치별 반응 성능에 유리한 온도 Profile로 조절이 가능하여 반응기 성능을 향상시킬 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 탈수소용 이동층 반응기(100)는, 반응기 전단의 예열장치 이외에 핫 가스를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한 원료가스 공급방향과 반응층에서 원료가스가 지나가는 방향이 일치하므로, 튜브 반응기간의 성능 차이가 미미하여 전체 반응기 성능이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 또 하나의 양상은, 상기와 같은 구성을 가지는 이동식 반응기(100)가 2개 내지 3대 병렬로 연결되는 탈수소 공정 시스템에 관한 것이다. 종래 기술의 반응기는 3~4개의 반응기가 직렬(Series)로 연결되어 있어서 순차적으로 반응이 이루어지는 시스템이나, 본 발명에 따른 탈수소 공정 시스템은 반응기 내부에서 핫 가스를 통하여 추가 반응열을 공급함으로써 탈수소 반응이 1단에서 모두 이루어지므로 2~3개의 반응기를 병렬(Pararell)로 연결하여 생산량을 증가시킬 수 있게 된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.
10 : 하우징
11 : 원료가스 인입구
12 : 원료가스 배출구
13 : 촉매 투입구
14 : 수소 가스 인입구 1
15 : 퍼지 가스 인입구 1
16 : 수소 가스 인입구 2
17 : 퍼지 가스 인입구 2
18 : 퍼지 가스 배출구
19 : 촉매/원료가스 분리 다공판
20 : 튜브형 반응기
21 : 핫 가스 인입구 1
22 : 핫 가스 배출구
23 : 핫 가스 인입 분산판
24 : 핫 가스 인입 분산판
25 : 핫 가스 인입구 2
26 : 깔대기형 분산판
30 : 호퍼
31 : 촉매 분배기
100 : 반응기

Claims (10)

  1. 반응기 내부 공간을 한정하며 반응기의 외부 몸체를 구성하는 하우징과 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 다수 개가 배치되며 그 내부에서 원료가스와 촉매의 접촉으로 탈수소 반응이 진행되는 튜브형 반응기를 포함하는 탈수소 공정을 위한 이동식 반응기에 있어서,
    상기 하우징의 내부 공간은 위쪽에서부터 원료가스 공급 및 분산 구역, 퍼지 구역, 반응 및 추가 열공급 구역, 촉매 배출 구역으로 나누어지며,
    상기 하우징의 원료가스 공급 및 분산 구역에는 튜브형 반응기 각각의 튜브로 원료가스를 분산하기 위한 깔대기형 분산판이 설치되고,
    상기 원료가스 공급 및 분산 구역의 상부에는 촉매 투입구가 형성되고, 반응기 운전 시작 전에 촉매상의 금속 활성상을 환원하기 위한 수소 가스가 유입되는 제1 수소 가스 인입구가 촉매 투입구 일측에 형성되고, 상기 촉매 투입구의 다른 일측에는 반응기 내의 에어, 산소 또는 인화성 가스를 제거하기 위한 제1 퍼지 가스 인입구가 형성되며, 촉매상의 금속 활성상을 추가로 환원하기 위한 제2 수소 가스 인입구(16)가 상기 깔대기형 분산판 아래에 형성되며,
    상기 퍼지 구역에는 촉매의 온도를 승온하여 반응에 필요한 열을 공급하기 위한 제2 퍼지 가스 인입구 및 퍼지 가스를 배출하기 위한 퍼지 가스 배출구가 설치되고,
    상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역 하단의 일측에는 추가 열공급을 위한 핫 가스 인입구가 설치되고 상단 일측에는 핫 가스 배출구가 설치되고,
    상기 하우징의 하부로 배출되는 촉매를 포집하는 호퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈수소 공정용 이동식 반응기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 핫 가스는 가열로에서 발생하는 배기 가스를 활용하거나 반응기 외부에서 공기, Steam, 또는 비인화성 가스를 가열하여 공급하는 것을 특징으로 하는 탈수소용 이동식 반응기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 하우징은 수직의 원통형 셸 구조인 것을 특징으로 하는 탈수소용 이동식 반응기.
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역에는 다공성의 핫 가스 인입 분산판과 핫 가스 배출 분산판이 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 이동식 반응기.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역에는 다공성의 핫 가스 인입 분산판과 핫 가스 배출 분산판이 각각 2중으로 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 이동식 반응기.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역의 중단 일측에는 핫 가스 인입구가 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 이동식 반응기.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 하우징의 촉매 배출 구역에는 삼각형 형태의 촉매 분배기가 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 이동식 반응기.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 원료가스는 프로판인 것을 특징으로 하는 탈수소용 이동식 반응기.
  10. 제 1항 내지 제3항 및 제5항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 이동식 반응기가 2개 내지 3대 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 탈수소 공정 시스템.

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JP4875283B2 (ja) * 2000-11-29 2012-02-15 アンスティテュ フランセ デュ ペトロール 熱を加えながら原料と触媒を交差流を用いて原料を化学転化させるための反応器

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JP4875283B2 (ja) * 2000-11-29 2012-02-15 アンスティテュ フランセ デュ ペトロール 熱を加えながら原料と触媒を交差流を用いて原料を化学転化させるための反応器

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