KR101831507B1 - 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응기 내부를 한정하며, 상부 일 측면에는 원료가스 유입구가 형성되고 하부에는 반응가스 배출구가 형성되는 하우징, 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 환형의 제1 촉매연소 컬럼, 상기 촉매연소 컬럼의 내측에 촉매연소 컬럼과 동축상으로 배치되며 그 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 상기 촉매연소 컬럼을 통과한 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 촉매층 및 상기 탈수소 촉매층 내부 공간에 배치되고 탈수소 촉매층과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 제2 촉매연소 컬럼을 포함하는 자체 열공급 탈수소 반응기에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 자체적으로 발열하는 촉매연소 컬럼을 이용하여 탈수소 공정에서 요구되는 열량을 공급하고 반응기 내부에 추가적인 열을 자체적으로 공급하는 시스템을 적용하여 전체 공정이 등온반응이 될 수 있도록 유도함으로써 탈수소 성능을 높일 수 있다.

Description

등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기{SELF HEAT SUPPLY DEHYDROGENATION REACTOR FOR INDUCING ISOTHERMAL REACTION}

본 발명은 다양한 탄화수소 원료의 탈수소화에 유용한 탈수소 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 자체적으로 발열되는 촉매연소 컬럼을 이용하여 프로판 탈수소 공정의 흡열반응시 요구되는 에너지를 자체적으로 공급할 수 있는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기에 관한 것이다.

프로판을 프로필렌으로, 이소부탄을 이소부텐으로 탈수소화하는 반응은 탈수소화에 이용되는 고온에서 알칸 원료보다 반응성이 강하고 코크 형성이 쉬운 올레핀을 생성한다. 탈수소화 반응기는 직경이 약 5에서 30 피트 이상, 길이는 10에서 100 피트 이상으로 매우 큰 규모의 긴 원주형 수직 구조물이다. 이러한 반응기의 일반적인 구조는 수직 반응기의 하부 중심에 위치한 입구에 반응가스를 주입할 수 있는데, 이때 가스는 환형구역을 통해 흘러 올라가, 다공성 촉매 베드 또는 다른 적절한 탈수소 촉매를 통해 방사상으로 외향하여 통과한 후 반응기 외곽부의 상부에서 배출되도록 외부 환형 구역을 통해 상향하여 통과한다. 촉매 베드를 지나는 반응가스 유동이 방사 방향이기 때문에, 이러한 반응기들은 종종 "방사(radial)"반응기로 불린다.

일반적으로, 방사 흐름 반응영역은 다양한 공칭 단면적을 가지고 있는 실린더형 구역들로 이루어지는데, 이들 구역은 수직으로 그리고 동축으로 배치되어 반응영역을 형성한다. 전형적으로 방사 흐름 반응영역은 둘 다 반응 용기와 동축으로 배치되어 있는 실린더형 외부 촉매 함유 스크린과 실린더형 내부 촉매 함유 스크린을 보유하는 실린더형 반응 용기를 포함한다. 내부 스크린은 외부 스크린보다 공칭 내부 단면적이 더 작고, 반응 용기보다 공칭 내부 단면적이 더 작다. 반응가스 스트림은 반응 용기의 내벽과 외부 스크린의 외부 표면 사이에 존재하는 환형 공간 내로 도입된다. 반응가스 스트림은 외부 스크린을 통과하여 외부 스크린과 내부 스크린 사이에 존재하는 환형 공간을 통해 방사 방향으로 흐른 후에, 내부 스크린을 통과한다. 내부 스크린 내측의 실린더형 공간 내로 수집된 스트림은 반응 용기로부터 회수한다.

프로판 탈수소 공정은 흡열반응을 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. 가열로는 흡열반응의 탈수소 공정을 진행하기 위하여 반응기 전단에 설치되어 일정량의 에너지를 공급한다. 주 반응가스인 프로판은 촉매 반응기로 투입되기 이전에 수소와 함께 고온의 가열로 내부로 주입되고 열 교환과정을 거쳐 적정 온도까지 가열된다.

도 1은 가열로를 사용하여 열을 공급받는 종래의 탈수소 시스템의 일반적인 모식도를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 반응가스인 프로판 및 수소가 가열로 내부를 통과하여 열 교환 및 가열과정을 거친 후 탈수소 촉매 반응기로 주입된다. 종래에 예열 장치로 사용되는 가열로는 U자 형태의 배관에 공급기체를 흘려주고 배관 주변으로 여러 대의 버너(burner)를 배치하여 가열하는 방식이다. 이러한 구조의 가열로는 600 내지 700℃이상의 고온으로 가열이 가능하므로 탈수소 공정의 예열 장치로 적합하지만 온도 조절이 어렵고 가연성 가스를 사용하는 공정에서는 높은 위험성을 동반한다는 단점이 있다. 또한 반응기 위치 및 구간에 따른 선택적인 가열이 불가능하며 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 되므로 가열로의 가열 조건 제어가 매우 중요한 변수가 된다. 따라서, 가열로와 반응기를 연결하는 배관의 단열처리를 위한 막대한 초기투자 비용 및 유지관리 비용이 발생하는 문제점이 있다.

한편, 대한민국 특허출원 제10-2006-0119537호에는 촉매연소를 이용한 열 공급용 발열반응과 수소생산용 흡열반응이 동시에 가능한 모듈타입 일체형 수소 리포머 장치가 개시되어 있다. 그러나 상기 선행문헌은 수소 리포머를 위한 장치라는 점에서 프로판 탈수소 장치에 관한 본 발명과는 차이가 있으며, 특히 상기 선행문헌은 촉매 발열과 수소 리포머 반응간의 간접적인 열교환 방식으로 진행되나 본 발명은 직접적으로 원료가스를 가열하는 방식인 점에서 차이가 있다.

본 발명의 목적을 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 촉매 반응시 발열하는 촉매를 포함하는 촉매연소 컬럼을 이용하여 프로판 탈수소 공정의 흡열반응시 요구되는 에너지를 자체적으로 공급함으로써, 전체 공정이 등온반응이 되도록 유지하여 공정 수율을 향상시키고 운전 및 유지, 보수 비용을 절감할 수 있는 탈수소 반응기를 제공하는 것이다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은 반응기 내부를 한정하며, 상부 일 측면에는 원료가스 유입구가 형성되고 하부에는 반응가스 배출구가 형성되는 하우징(housing), 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 환형의 제1 촉매연소 컬럼(first catalyst combustion column), 상기 촉매연소 컬럼의 내측에 촉매연소 컬럼과 동축상으로 배치되며 그 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 상기 촉매연소 컬럼을 통과한 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 촉매층(dehydrogenation column) 및 상기 탈수소 촉매층 내부 공간에 배치되고 탈수소 촉매층과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 제2 촉매연소 컬럼(second catalyst combustion column)을 포함하는 자체 열공급 탈수소 반응기에 관한 것이다.

본 발명에 의한 자체 열공급 탈수소 반응기는, 자체적으로 발열하는 촉매연소 컬럼을 이용하여 탈수소 공정에서 요구되는 열량을 공급하고 반응기 내부에 추가적인 열을 공급하는 시스템을 적용하여 전체 공정이 등온반응이 될 수 있도록 유도한다. 이에 의해 반응기에 국부적으로 가열되는 지점이 발생하지 않고 반응기 상/하, 내/외부간의 온도 구배가 적게 나타나므로 프로판의 열 깨짐 현상을 방지할 수 있어 탈수소 공정 수율을 증가시킬 수 있다. 또한, 배관 및 반응기의 열 손실에 따른 반응온도 저감 문제와 단열처리 비용을 감소시킴으로써 제조 원가를 절감할 수 있다. 또한, 촉매에 가해지는 압력이 줄어들어 촉매 파손에 의한 공정 문제가 감소할 뿐 아니라 촉매 손실 또한 줄일 수 있어 전체적인 공정 운전비를 절약할 수 있다.

도 1은 가열로를 사용하여 열을 공급받는 종래의 탈수소 시스템의 일반적인 모식도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자체 열공급 탈수소 반응기의 개략적인 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 촉매연소 컬럼의 일부 사시도이다.
도 4은 본 발명의 일 실시예에 의한 원료 주입관 및 원료 주입관 주변의 자체발열 촉매 입자들을 도시한 일부 사시도이다.

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 참조 부호는 동일한 구성 요소를 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 탈수소화 반응기의 간단한 개략도를 나타낸 것으로 주요 구성요소만 나타내었다. 기타 펌프, 가동관, 밸브, 헤치, 엑세스 출구 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 "반응영역"은, 반응가스가 촉매 베드 상의 촉매와 접촉하는 탈수소화 반응기 내의 공간을 의미한다.

본원에서 하향 또는 중력 방향, 즉 직교류 가스에 의한 장치를 통한 고체의 흐름 방향이 배향되고, 이에 따라 '하향' 및 '상향'이라는 용어의 사용은 중력 방향에 대한 방향을 기준으로 한다.

본원에서 "내측" 또는 "내부"는, 환형 반응기를 중력 방향에 대하여 수직으로 절단한 단면인 원의 방사상 중심 방향을 향하는 것을 의미한다.

본원에서 "외측" 또는 "외부"는, 환형 반응기를 중력 방향에 대하여 수직으로 절단한 단면인 원의 방사상 원주 방향을 향하는 것을 의미한다.

본원에서 "스크린"이란 용어는 촉매 베드를 가로지르는 반응가스 스트림의 유동은 허용하면서 촉매 베드에 촉매를 한정시키는데 적합한 수단을 포함하는 광범위한 의미를 갖고 있다.

도면의 숫자는 본 발명에 따른 탈수소 반응기의 간단한 개략도를 나타낸 것으로 주요 구성요소만 나타내었다. 기타 펌프, 가동관, 밸브, 해치, 엑세스 출구, 및 다른 유사한 구성 요소들은 생략하였다. 설명된 탈수소 반응기를 변경하기 위해 이러한 부속품들을 이용하는 것은 당업자에게 공지되어 있으며, 첨부된 청구범위의 범주 및 정신을 벗어나지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 자체 열공급 탈수소 반응기의 개략적인 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 자체 열공급 탈수소 반응기(100)는 반응기 내부를 한정하며 상부 일 측면에는 원료가스 유입구(11)가 형성되고 하부에는 반응가스 배출구(12)가 형성되는 하우징(10), 하우징(10)의 내측에 하우징의 길이방향 중심축과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 자체발열 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 환형의 제1 촉매발열 컬럼(20), 제1 촉매발열 컬럼(20)의 내측에 제1 촉매발열 컬럼(20)과 동축상으로 배치되며 그 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 상기 제1 촉매발열 컬럼(20)을 통과한 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 촉매층(30) 및

탈수소 촉매층(30)의 내부 공간에 탈수소 촉매층(30)과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 자체발열 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 제2 촉매연소 컬럼(40)을 포함하여 이루어진다.

탈수소화 반응기(100)는 중력 스트림에 의해 환형 촉매 베드로 이동 가능한 촉매 입자들과 반응가스 스트림을 방사상 스트림으로 접촉시키도록 구성된다. 탈수소 촉매층(30)은 하우징(10)의 내부에서 반응기 중심을 방사상으로 둘러싸고, 제1 촉매연소 컬럼(20)은 탈수소 촉매층(30)의 외측에 배치되고 반응기 종방향 중심축을 방사상으로 둘러싸며, 제2 촉매연소 컬럼(40)은 탈수소 촉매층(30)의 내부 공간에 배치되고 반응기 종방향 중심축을 방사상으로 둘러싼다. 제2 촉매연소 컬럼(40)은 하우징(10)의 길이방향 중심축과 동축상으로 탈수소 촉매층(30)의 내부 공간에 환형으로 배치된다.

탈수소 촉매층(30) 전단에 배치되는 제1 촉매연소 컬럼(20)에서는 초기에 반응기(100)로 유입되는 공급가스의 온도를 최적화된 흡열반응이 일어날 수 있는 수준까지 증가시키는 역할을 한다. 이를 위한 제1 촉매연소 컬럼(20) 내부의 온도는 620 내지 660℃이다. 상기 온도가 620℃ 미만이면, 최적화된 흡열반응이 일어날 수 있는 수준까지 공급가스의 온도를 증가시키기 어렵고, 660℃를 초과하는 경우 반응가스의 열 깨짐 현상이 부반응으로 발생하여 수율이 감소되는 문제점이 있다.

탈수소 촉매층(30) 내부 공간에 배치되는 제2 촉매연소 컬럼(40)은 제1 촉매연소 컬럼(20)을 통과한 공급가스가 탈수소 흡열반응에 의해 손실된 열만큼 추가적으로 열에너지를 보충해 주는 역할을 한다. 이를 위한 제2 촉매연소 컬럼(40) 내부의 온도는 620 내지 660℃이다. 상기 온도가 620℃ 미만이면, 탈수소 흡열반응에 의해 손실된 열에너지를 보충하기 어렵고, 660℃를 초과하는 경우 반응가스의 열 깨짐 현상이 부반응으로 발생하여 수율이 감소되는 문제점이 있다.

상기 하우징(10)은 수직의 실린더 형상으로서 상부 일 측면에는 원료가스 유입구(11)가 형성되어 프로판과 수소 등을 포함하는 원료가스가 유입되며, 아래쪽 바닥면에는 반응가스 배출구(12)가 형성되어 반응이 완료된 반응가스가 배출된다.

제1 촉매연소 컬럼(20) 및 제2 촉매연소 컬럼(40)은 800℃ 이상의 고온에서 변형이 일어나지 않는 스틸(steel) 또는 본 발명이 속하는 분야에서 통상 허용되는 다른 재료로 형성될 수 있다. 제1 촉매연소 컬럼(20) 및 제2 촉매연소 컬럼(40)은 내측 및 외측 스크린으로 한정된 환형의 반응 공간에 자체발열 특성을 가지는 자체발열 촉매 입자들이 고정상(fixed bed)으로 충진된다. 제1 및 제2 촉매연소 컬럼(20,40) 내부의 자체발열 촉매에 수소기체와 산소기체를 동시에 공급하면 발열반응이 일어나며 이론적으로 약 200 kJ/mol의 에너지가 발생한다. 이러한 발열 에너지는 프로판 탈수소 반응시 요구되는 열량인 124 kJ/mol을 초과하므로 탈수소 공정에서 충분히 활용이 가능하다.

원료가스는 유입구(11)로 주입되어 스크린으로 둘러싸인 탈수소 촉매층(30)을 통과하고 생산물은 탈수소 촉매층(30)의 중심부에서 혼합되어 최종적으로 배출구(12)로 배출된다. 본 발명에 따른 자체 열공급 탈수소 반응기(100)에 의하면, 원료가스 유입구(11)를 통하여 유입된 프로판과 수소 등의 원료가스가 제1 촉매연소 컬럼(20)을 1차적으로 통과하며 적정 반응온도까지 자체적으로 가열된다. 촉매연소 컬럼(20)을 통과한 가열된 원료가스는 바로 후단의 탈수소 촉매층(30)으로 유입되어 탈수소 반응이 진행된다. 이에 의해 원료가스는 열 손실이 최소화된 조건으로 반응기 내부에서 즉시 탈수소 반응이 진행될 수 있으며 전체 원료가스가 균등하게 에너지를 흡수하므로 국부적인 가열지점이나 반응기 상/하 및 내/외부 온도편차를 최소화 할 수 있다.

탈수소 촉매층(30)은 상부에 촉매 분배관(31)이 형성되고 하부에 촉매 배출관(32)이 형성되어 탈수소 촉매 입자들(35)은 이동상(moving bed)으로 충진된다. 탈수소 촉매층(30)은 내부 스크린(34) 및 외부 스크린(33)에 의하여 환형의 반응 영역이 한정된다. 촉매 베드의 내외측에 형성되는 내부 및 외부 스크린(33, 34)은 유동 저항이나 큰 압력강하 없이 반응가스 스트림이 통과할 수 있을 정도로 크나 이에 수용된 탈수소 촉매 입자(35)는 통과하지 못하고 수용된 상태에 놓일 수 있을 정도로 작은 메쉬 크기를 갖는 스크린 또는 다공체로 구성된다. 반응가스는 스크린과 촉매 베드를 통해 흘러 탈수소 촉매와 반응을 일으켜 생성물 유체, 또한 통상적으로 가스를 생성한다. 반응기는 가스가 통과하여 흐르는 스크린을 사용하여 촉매를 내부에 유지한다. 상부의 촉매 분배관(31)에서 공급되는 탈수소 촉매 입자(35)는 중력에 의해 하부로 이동하여 촉매 배출관(32)으로부터 연속적으로 취출되며, 취출된 촉매는 재생기(미도시)로 보내진다.

탈수소 촉매층(30)의 내부 공간에는 제2 촉매연소 컬럼(40)이 환형으로 배치되어 탈수소 촉매층(30)에 의해 탈수소화된 원료가스는 제2 촉매연소 컬럼(40)을 통과한다. 이에 의해 탈수소 촉매층(30)을 통과한 원료가스가 탈수소화되는 흡열반응에 의해 소실된 열을 추가로 보충할 수 있어 반응기(100)가 전체적으로 등온반응이 될 수 있도록 유도한다. 반응기(100) 전체에 걸쳐서 균등하게 열을 전달하므로 종래의 가열로를 사용한 반응기에 의한 열 깨짐 현상이 발생하지 않고 부반응이 일어나지 않아 탈수소 성능을 증가시킬 수 있다.

탈수소 촉매층(30)의 내부 스크린(34)의 내측 공간에는 반응가스 포집영역(50)이 형성된다. 탈수소 촉매층(30) 및 제2 촉매연소 컬럼(40)을 통과하며 탈수소 반응이 종료된 반응가스는 반응가스 포집영역(50)에서 포집되어 반응가스 배출구(12)를 통하여 추가 공정을 위해 하류측으로 보내진다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 촉매연소 컬럼의 일부 사시도이다. 도 3을 참조하면, 제1 및 제2 촉매연소 컬럼(20,40)의 내부는 자체발열 특성을 가진 자체발열 촉매(61)로 충진되어 촉매 베드(62)를 구성한다. 제1 및 제2 촉매연소 컬럼(20,40) 내부에 발열의 원료가 되는 수소 기체 및 산소 기체가 주입되면 자체발열 촉매(61)에 의해 촉매 반응을 일으켜 반응물인 물이 배출된다. 촉매연소 컬럼(20,40)의 벽면은 공급된 원료가스가 통과하여 실질적으로 열 교환이 일어나는 다수 개의 원료 주입관(60)이 소정의 간격으로 이격되어 배치된다. 원료 주입관(60)은 반응기(100)의 길이 방향 축에 대하여 수직하는 방향으로 제1 및 제2 촉매연소 컬럼(20,40)을 관통하도록 구성된다. 상기 원료 주입관(60)은 원기둥, 삼각기둥, 사각기둥 등의 형태로 구성될 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.

본 발명의 일 실시예에서, 이웃하는 원료 주입관(60)이 이격되는 간격(d)는 0.5 내지 3cm인 것이 바람직하다. 상기 간격(d)가 0.5cm 미만인 경우 촉매연소 컬럼(20,40)의 강도가 약해지고, 3cm를 초과하면 원료가스의 유동이 원활하지 않다. 또한, 원료 주입관(60)의 직경(r)은 0.5 내지 3cm인 것이 바람직하다. 상기 직경(r)이 0.5cm 미만인 경우 원료가스의 유동이 원활하지 않고, 3cm를 초과하면 촉매연소 컬럼(20,40)의 강도가 약해진다.

원료가스가 통과하는 원료 주입관(60)의 입구와 출구에는 탈수소 촉매 입자들(35)이 유입되지 않도록 하기 위한 원료 주입관 스크린(63)이 장착된다. 원료 주입관 스크린(63)은 촉매 베드(62)를 가로지르는 반응가스 스트림의 유동은 허용하면서 탈수소 촉매 입자들(35)이 유입되지 않도록 하는데 적합한 수단을 포함하는 광범위한 의미를 갖고 있다. 이러한 많은 스크린들은 공지되어 있으며, 대안적으로, 스크린들은 펀치판, 다공판 또는 다공 파이프들을 포함할 수 있다. 다공의 크기는 스크린을 통해 반응가스의 스트림을 용이하게 하면서, 촉매 입자들의 통행을 억제할 수 있는 정도의 크기이어야 한다. 다공판의 구멍은 원형, 정방형, 직사각형, 3각형, 좁은 수평 또는 수직 슬로트 등의 형태로 구성된다. 본 발명에 사용되는 스크린들은 원통형 스크린들로만 제한되는 것이 아니다. 더욱이 상기 스크린들은 원통형과 같은 촉매 입자 보유 구조를 형성하기 위해 서로 연결된 일군의 평면판을 포함한다.

도 4은 본 발명의 일 실시예에 의한 원료 주입관 및 원료 주입관 주변의 자체발열 촉매 입자들을 도시한 일부 사시도이다. 도 4를 참조하면, 원료 주입관(60)의 외부에 자체발열 촉매 입자(61)가 충진되어 제1 및 제2 촉매연소 컬럼(20,40)에 주입된 수소 기체와 산소 기체가 촉매 반응을 일으키고 이 때 생성된 열이 원료 주입관(60)의 외벽으로 전달되어 탈수소화 흡열반응에 의해 소실된 열을 추가로 보충할 수 있다.

본 발명에서 자체발열 특성을 가진 촉매로는 일반적으로 백금(Pt), 파라듐(Pd), 로듐(Rh), 금(Au), 구리(Cu) 및 크롬(Cr)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 금속 촉매가 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 상기 촉매는 바람직하게는 입자 크기가 1.0 내지 2.0 mm범위이고, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 1.7 mm 범위이다.

본 발명에 의하면, 자체발열 촉매의 종류 및 충진 방식이나 공급가스를 주입하는 방식에 따라 반응기(100)의 위치 및 구간에 따른 선택적인 가열이 가능하고 최적화된 온도설정 조건을 제어할 수 있다. 예를 들어, 반응기(100)의 하단에 비해 상단에서 탈수소 반응이 더 활발하게 진행하고 이에 따라 흡열이 많이 일어날 경우 반응기 상단에 더 많은 반응열이 공급되어야 한다. 따라서 반응기를 구역별로 나누고 반응기 상단에는 반응열을 더 많이 공급할 수 있는 조건의 촉매를 충진하고 하단에는 반응열을 상대적으로 더 적게 발생하는 촉매를 충진하여 각 구역별로 적절한 반응열을 선택적으로 공급함으로써 반응의 수율을 최대한 높일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 자체 열공급 탈수소 반응기(100)에 있어서, 제1 및 제2 촉매연소 컬럼(20,40)에서 원료가스의 액 공간 속도가 1 내지 5 h^-1 인 것이 바람직하다. 이에 의해 제1 및 제2 촉매연소 컬럼(20,40)에서 원료가스는 600 내지 650℃ 범위로 가열될 수 있다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자체 열공급 탈수소 반응기는, 제1 촉매연소 컬럼 및 제2 촉매연소 컬럼을 적용하여 국부적으로 가열되는 지점이 발생하지 않고 반응기 상/하, 내/외부간의 온도 구배가 적게 나타나므로 프로판의 열 깨짐 현상을 방지할 수 있기 때문에 공정의 수율을 증가시킬 수 있으며, 배관 및 반응기의 열 손실에 따른 반응온도 저감 문제와 단열처리 비용 등을 감소시킴으로써 제조 원가를 절감할 수 있다.

본 발명을 각종의 상세한 실시예와 관련하여 설명하였으나, 이의 각종 변형이 명세서를 읽은 당해 분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것임을 이해하여야 한다. 따라서, 본원에 기술된 발명은 첨부된 청구의 범위의 영역 내에 속하는 것으로서 이러한 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

10 : 하우징 11 : 원료가스 유입구
12 : 반응가스 배출구 20 : 제1 촉매발열 컬럼
30 : 탈수소 촉매층 31 : 촉매 분배관
32 : 촉매 배출관 33 : 외측 스크린
34 : 내측 스크린 35 : 탈수소 촉매 입자
40 : 제2 촉매발열 컬럼 50 : 반응가스 포집 영역
60 : 원료 주입관 61 : 자체발열 촉매
62 : 촉매 베드 63 : 원료 주입관 스크린

Claims (14)

1. 반응기 내부를 한정하며, 상부 일 측면에는 원료가스 유입구가 형성되고 하부에는 반응가스 배출구가 형성되는 하우징;
   상기 하우징의 내측에 하우징의 길이방향 중심축과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 자체발열 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 환형의 제1 촉매발열 컬럼;
   상기 제1 촉매발열 컬럼의 내측에 제1 촉매발열 컬럼과 동축상으로 배치되며 그 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 상기 제1 촉매발열 컬럼을 통과한 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 촉매층; 및
   상기 탈수소 촉매층의 내부 공간에 상기 탈수소 촉매층과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 자체발열 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 제2 촉매연소 컬럼을 포함하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기로서, 상기 제2 촉매연소 컬럼은 상기 탈수소 촉매층의 내부 공간에 환형으로 배치되어 상기 탈수소 촉매층에 의해 탈수소화된 원료가스가 상기 제2 촉매연소 컬럼을 통과하는 것을 특징으로 하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 제1 촉매발열 컬럼 및 제2 촉매연소 컬럼은 반응기의 종방향 중심축을 방사상으로 둘러싸는 것을 특징으로 하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 제1 촉매발열 컬럼 내부의 온도는 620 내지 660℃인 것을 특징으로 하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 제2 촉매연소 컬럼 내부의 온도는 620 내지 660℃인 것을 특징으로 하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 제1 촉매발열 컬럼 및 제2 촉매연소 컬럼의 벽면은 공급된 원료가스가 통과하는 다수 개의 원료 주입관이 소정의 간격으로 이격되어 배치되며, 상기 원료 주입관은 반응기의 길이 방향 축에 대하여 수직하는 방향으로 제1 촉매발열 컬럼 및 제2 촉매연소 컬럼을 관통하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기.
   
6. 제5항에 있어서, 상기 제1 촉매발열 컬럼 및 제2 촉매연소 컬럼의 내부에 수소 기체 및 산소 기체가 주입되면 자체발열 촉매에 의해 촉매 반응을 일으키고 이에 의해 생성된 열이 상기 원료 주입관으로 전달되는 것을 특징으로 하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기.
7. 제5항에 있어서, 이웃하는 원료 주입관이 이격되는 간격(d)는 0.5 내지 3cm인 것을 특징으로 하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기.
   
8. 제5항에 있어서, 상기 원료 주입관의 직경(r)은 0.5 내지 3cm인 것을 특징으로 하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기.
   
9. 제5항에 있어서, 상기 원료 주입관의 입구와 출구에는 탈수소 촉매 입자들이 유입되지 않도록 하기 위한 원료 주입관 스크린이 장착되는 것을 특징으로 하는 등온반응 유도용 자체 열공급 탈수소 반응기.
   
10. 제 1항에 있어서, 상기 탈수소 촉매층은 상부에 촉매 분배관이 형성되고 하부에 촉매 배출관이 형성되어 상부에서 공급되는 탈수소 촉매는 중력에 의해 하부로 이동하여 배출되며, 내부 스크린 및 외부 스크린에 의하여 환형의 반응 영역이 한정되고, 내부 스크린의 내측 공간에는 반응가스 포집영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
    
11. 제 1항에 있어서, 상기 자체발열 촉매는 백금(Pt), 파라듐(Pd), 로듐(Rh), 금(Au), 구리(Cu) 및 크롬(Cr)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
    
12. 제 1항에 있어서, 상기 제1 촉매발열 컬럼 및 제2 촉매연소 컬럼에서 원료가스의 액 공간 속도는 1 내지 5 h^-1 인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
    
13. 제 1항에 있어서, 상기 자체발열 촉매의 입자 크기는 1.0 내지 2.0 mm인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
    
14. 제 1항에 있어서, 상기 탈수소 반응기의 상단 및 하단에 서로 다른 종류의 자체발열 촉매가 충진되는 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
    

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