KR101872511B1 - 수소화 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수소화 반응기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 수소화 반응의 반응 효율 및 안정성을 향상시킨 수소화 반응기에 관한 것이다. 본 발명의 수소화 반응기에 따르면, 수소 순환 배관을 구비하여 반응 챔버의 상부 영역에서 유동하는 수소 기체를 상기 수소 순환 배관에 의해 다시 반응계 내로 재순환시킴으로써 수소화 반응의 효율을 향상시킬 수 있다.

Description

수소화 반응기{Reactor for hydrogenation process}
본 발명은 수소화 반응기에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 수소화 반응의 반응 효율 및 안정성을 향상시킨 수소화 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 유기 화합물에 대한 수소화 또는 수첨 반응(hydrogenation process)은 특정한 관능기를 환원시키거나, 불포화 화합물을 포화 화합물로 전환하는데 적용되는 반응으로, 케톤(ketone), 알데히드(aldehyde), 이민(imine) 등과 같은 불포화 관능기를 갖는 화합물을 알코올(alcohol), 아민(amine) 등의 화합물로 환원(reduction)하거나, 올레핀(olefin) 화합물의 불포화 결합을 포화시키는 등 다양한 화합물에 대해 적용될 수 있으며, 상업적으로 대단히 중요한 반응 중 하나이다.
이러한 수소화 반응은 일반적으로 수소 및 수소화 반응을 수행할 반응 대상물을 귀금속 촉매와 접촉시킴으로써 수행되는데, 수소화 반응을 위한 반응기로는 대표적으로 트리클 베드 반응기(trickle bed reactor), 루프형 반응기(loop reactor) 등이 있다.
이 중 트리클 베드 반응기는 투자비와 운전비가 낮다는 장점이 있지만, 압력 강하의 위험으로 인해 반응기에 들어가는 촉매 입경이 커야 하기 때문에 촉매와 반응물의 접촉 면적이 감소하게 되어 반응 효율성이 낮은 단점이 있다.
이에 반하여, 루프형 반응기는 촉매 크기에 제한이 없으며, 액상과 기상의 혼합성이 뛰어나기 때문에 촉매의 효율성이 우수한 장점이 있다.
그러나, 상기 루프형 반응기는 기상(gas phase)의 수소 기체와, 액상(liquid phase)의 반응 대상물이 혼합된 기액의 반응계 내에서 수소화 반응을 수행하는 것으로, 상기 반응계 내에 용해되지 않고 반응 대상물이 없는 공간으로 나오는 수소 기체가 필연적으로 존재하므로 상대적으로 수소 기체를 많이 투입해야 할 필요가 있는 단점이 있다.
상기한 문제점을 해결하기 위하여, 반응기의 반응 챔버의 상부 영역에서 유동하여 반응에 참여하지 못하는 수소 기체를 다시 반응계 내로 재순환시킴으로써 수소화 반응의 효율을 향상시킨 수소화 반응기를 제공하고자 한다.
이에 본 발명의 일 구현예에 따르면,
수소화 반응이 일어나는 반응 챔버;
수소, 수소화될 반응 대상물, 및 용매를 포함하는 반응물을 주입하는 반응물 주입부;
상기 반응물 주입부와 연결되어 위치하며, 상기 반응 챔버 내부로 상기 반응물을 공급하는 반응물 공급부;
상기 반응 챔버 하부에 위치하며, 상기 반응 챔버 외부로 수소화 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 배출부;
상기 반응물 공급부에 연결되며, 상기 반응물 공급부를 통해 상기 반응 챔버에 수소를 추가적으로 공급하는 수소 공급 배관; 및
일단은 상기 반응 챔버의 상부에 연결되고, 타단은 상기 수소 공급 배관의 중단에 연결되어, 상기 반응 챔버의 상부 영역에 유동하는 수소 기체를 상기 반응물 공급부로 순환시키는 제 1 수소 순환 배관을 포함하는 수소화 반응기를 제공한다.
본 발명의 수소화 반응기에 따르면, 수소 순환 배관을 구비하여 반응 챔버의 상부 영역에서 유동하는 수소 기체를 상기 수소 순환 배관에 의해 다시 반응계 내로 재순환시킴으로써 수소화 반응의 효율을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 상기 수소 순환 배관을 복수 개로 포함하는 경우, 하나만 구비하는 경우보다 반응 챔버 상부 영역에서 반응물 공급부로 순환되는 수소 유량이 보다 증가하고, 기체의 유동성이 훨씬 좋아질 수 있어 수소화 반응의 효율이 한층 더 향상될 수 있다.
도 1은 일반적인 루프형 수소화 반응기의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 반응기의 구조를 도시하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소화 반응기의 구조를 도시하는 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 반응기를 위에서 바라본 모습을 도시하는 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 용어는 단지 예시적인 실시예들을 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도는 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다", "구비하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 실시된 특징, 단계, 구성 요소 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 단계, 구성 요소, 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한 본 발명에 있어서, 각 구성 요소가 각 구성 요소들의 "상에" 또는 "위에" 형성되는 것으로 언급되는 경우에는 각 구성 요소가 직접 각 구성 요소들의 위에 형성되는 것을 의미하거나, 다른 구성 요소가 각 층 사이, 대상체, 기재 상에 추가적으로 형성될 수 있음을 의미한다.
이하, 도면을 참고로 하여 본 발명의 수소화 반응기를 보다 자세히 설명하기로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 수소화 반응기는, 수소화 반응이 일어나는 반응 챔버; 수소, 수소화될 반응 대상물, 및 용매를 포함하는 반응물을 주입하는 반응물 주입부; 상기 반응물 주입부와 연결되어 위치하며, 상기 반응 챔버 내부로 상기 반응물을 공급하는 반응물 공급부; 상기 반응 챔버 하부에 위치하며, 상기 반응 챔버 외부로 수소화 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 배출부; 상기 반응물 공급부에 연결되며, 상기 반응물 공급부를 통해 상기 반응 챔버에 수소를 추가적으로 공급하는 수소 공급 배관; 및 일단은 상기 반응 챔버의 상부에 연결되고, 타단은 상기 수소 공급 배관의 중단에 연결되어, 상기 반응 챔버의 상부 영역에 유동하는 수소 기체를 상기 반응물 공급부로 순환시키는 제 1 수소 순환 배관을 포함한다.
이러한 수소화 반응을 위해 상업적으로 사용되는 반응기로는 대표적으로 트리클 베드 반응기(trickle bed reactor), 루프형 반응기(loop reactor) 등이 있다.
이 중 트리클 베드 반응기는 투자비와 운전비가 낮다는 장점이 있지만, 압력 강하의 위험으로 인해 반응기에 들어가는 촉매 입경이 커야 하기 때문에 촉매와 반응물의 접촉 면적이 감소하게 되어 반응 효율성이 낮은 단점이 있다.
이에 반하여, 루프형 반응기는 촉매 크기에 제한이 없으며, 액상과 기상의 혼합성이 뛰어나기 때문에 촉매의 효율성이 우수하다. 상기 루프형 반응기는 기상(gas phase)의 수소 기체와, 액상(liquid phase)의 반응 대상물 및 용매가 혼합된 반응계 내에서 수소화 반응이 일어난다. 이에, 상기 반응계 내에 용해되지 않고 반응 대상물이 없는 공간으로 나오는 수소 기체가 존재할 수밖에 없어 이를 보충하기 위해 상대적으로 수소 기체를 많이 투입해야 할 필요가 있는 단점이 있다.
본 발명의 수소화 반응기는 케톤, 알데히드, 이민 등과 같은 불포화 관능기를 환원시키거나, 올레핀계 화합물, 방향족 화합물, 석유 수지, 그 밖에 유기 화합물 또는 수지에 존재하는 탄소-탄소 이중 결합 또는 삼중 결합을 포화시키는 다양한 수첨 반응 또는 수소화 반응(hydrogenation process)에 적용될 수 있으며, 특별히 제한되지 않는다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 수소화 반응기는 디시클로펜타디엔(dicyclopentadiene, DCPD) 수지의 수소화 반응에 사용될 수 있다. 디시클로펜타디엔 수지는 DCPD을 열중합하여 수득되는 수지로, 메탈로센 폴리머와 같은 베이스 폴리머와의 상용성이 우수하며 낮은 분자량을 가지고 있어 다양한 분야에서의 점착제 또는 접착제로 사용된다. 하지만, DCPD 수지는 황갈색을 띠고, 심한 악취를 풍기기 때문에 수소화 반응을 통해 탄소-탄소 이중 결합에 수소를 첨가하여 포화시킴으로써 무색, 무취의 수지로 개질할 필요가 있다. 또한, 수소화 반응을 수행한 DCPD 수지는 열안정성과 내후성이 현저히 향상되는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 루프형 수소화 반응기의 구조를 도시하는 도면이다.
도 1을 참조하면, 수소화 반응기(9)는 반응물 주입부(1), 반응물 공급부(3), 반응 생성물 배출부(4), 반응 챔버(5), 및 수소 공급 배관(6)를 포함한다. 반응물 공급부(3)는 반응 챔버(5)의 상부에 위치하며 반응물 주입부(1)와 연통하는 반응물 공급 노즐(2a)과, 반응 챔버(5)의 내부에 위치하며, 반응물 공급 노즐(2a)로부터 공급되는 반응물을 반응 챔버(5) 내로 확산시키는 반응물 확산부(2b)를 포함한다.
수소, 수소화될 반응 대상물, 및 용매를 포함하는 반응 혼합물은 반응물 주입부(1)로부터 반응물 공급부(3)의 반응물 공급 노즐(2a)를 통해 반응 챔버(5) 내로 일정한 속도로 분사된다. 분사된 반응 혼합물은 반응물 확산부(2b)를 통해 반응 챔버(5) 내의 공간으로 확산되며, 반응 챔버(5) 내에 존재하는 촉매의 존재 하에서 수소화될 반응 대상물이 수소와 반응함으로써 수소화 반응을 수행하게 된다.
이때 액상의 반응 혼합물 내에 용해되지 않은 수소 기체가 반응 챔버(5)의 상부 영역(7)에서 유동하게 되는데, 이처럼 수소, 수소화될 반응 대상물, 및 용매가 함께 존재하는 반응계(8) 내에 존재하지 않고, 반응물이 없는 빈 공간인 상부 영역(7)으로 올라온 수소 기체는 수소화 반응에 참여하지 못하므로 반응 효율이 떨어지게 된다.
따라서, 이렇게 반응계(8)로부터 이탈하는 수소 기체를 보충하기 위해 별도로 수소 공급 배관(6)을 포함하며, 수소화 반응이 진행되는 중간에 필요에 따라 간헐적으로 수소 공급 배관(6)으로부터 반응 챔버(5)로 수소 기체를 보충하여 공급한다. 수소 공급 배관(6)은 반응물 공급 노즐(2a) 부근의 위치에서 반응물 공급부(3)와 연결되며, 따라서, 수소 공급 배관(6)으로부터 공급되는 수소 기체는 반응물 공급 노즐(2a) 부근에서 분사되는 반응 혼합물과 합쳐져 반응물 확산부(2b)를 통해 반응 챔버(5) 내로 공급된다.
그런데, 수소 기체는 단가가 비싼 원료이므로 이처럼 과량의 수소 기체의 보충 주입으로 인하여 생산비용이 증가하게 되어 경제성이 떨어지는 문제점이 있다.
한편, 본 발명의 일 실시예에 따른 반응기는, 반응에 참여하지 못하는 수소 기체를 다시 반응계 내로 재순환시킴으로써 상기와 같은 문제점을 해결하고 수소화 반응의 효율성을 획기적으로 높이는 효과를 달성하였다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 반응기의 구조를 도시하는 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 반응기(100)는 반응물 주입부(10), 반응물 공급부(30), 반응 생성물 배출부(40), 반응 챔버(50), 수소 공급 배관(60) 및 제 1 수소 순환 배관(90)을 포함한다. 반응물 공급부(30)는 반응물 주입부(10)와 연결되어 위치하며, 반응물 공급부(30)는 또한 반응 챔버(50)의 상부에 위치하며 반응물 주입부(10)와 연통하는 반응물 공급 노즐(20a)과, 반응 챔버(50)의 내부에 위치하며 반응물 공급 노즐(20a)로부터 공급되는 반응물을 반응 챔버(50) 내로 확산시키는 반응물 확산부(20b)를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 반응기(100)에서, 제 1 수소 순환 배관(90)의 일단은 반응 챔버(50)의 상부에 연결되고, 타단은 수소 공급 배관(60)의 중단에 T자 형태로 연결되어 반응 챔버(50)의 상부 영역(70)에 유동하는 수소 기체를 반응물 공급부(30)로 순환시키는 역할을 한다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 수소, 수소화될 반응 대상물, 및 용매를 포함하는 반응 혼합물(반응물)은 반응물 주입부(10)로부터 반응물 공급 노즐(20a)을 통해 반응 챔버(50) 내로 일정한 속도로 분사된다. 분사된 반응 혼합물은 반응물 확산부(20b)를 통해 반응 챔버(50) 내의 공간으로 확산되며, 반응 챔버(50) 내에 존재하는 촉매의 존재 하에서 수소화될 반응 대상물이 수소와 반응함으로써 수소화 반응을 수행하게 된다.
본 발명이 이에 제한되는 것은 아니나, 반응물 확산부(20b)는 보다 효과적인 반응물의 확산을 위하여, 상기 반응 챔버(50)의 길이 방향으로 연장된 관 형태를 가지며, 이때 관의 중간 부분의 직경이 가장 좁고, 윗 부분과 아래 부분으로 갈수록 직경이 넓어지는 깔때기 모양을 가질 수 있다.
반응물 공급 노즐(20a)의 직경은 목표 생산량과 펌프의 성능에 따라 달라질 수 있으므로 특별히 제한되지 않으나, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 약 20 내지 약 1000mm일 수 있고, 반응물 공급 노즐(20a)의 직경에 따라 반응물 확산부(20b)의 직경도 달라질 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응물 확산부(20b)의 길이는 반응물 공급 노즐(20a) 직경의 약 20 내지 약 50 배, 바람직하게는 약 30 내지 약 40 배일 수 있다. 또한 반응물 확산부(20b)에서 가장 좁은 부분 중간 부분의 직경은 반응물 공급 노즐(20a) 직경의 약 1 내지 약 4 배, 바람직하게는 약 1.2 내지 약 2 배일 수 있고, 반응물 확산부(20b)의 가장 넓은 아랫 부분의 직경은 반응물 공급 노즐(20a) 직경의 약 1 내지 약 10 배, 바람직하게는 약 4 내지 약 8 배일 수 있다. 반응물 확산부(20b)의 길이 및 직경이 상기와 같은 범위를 가질 때, 반응물이 보다 효과적으로 반응 챔버 내로 확산되어 수소화 반응의 효율이 높아질 수 있다.
수소 공급 배관(60)은 반응물 공급 노즐(20a) 부근의 위치에서 반응물 공급부(30)와 연결되며, 따라서, 수소 공급 배관(60)으로부터 간헐적으로 공급되는 수소 기체는 반응물 공급 노즐(20a) 부근에서 분사되는 반응 혼합물과 합쳐져 반응물 확산부(20b)를 통해 반응 챔버(50) 내로 공급된다.
한편, 수소 기체의 용해도 특성으로 인하여 수소, 수소화될 반응 대상물, 및 용매가 함께 존재하는 반응계(80) 내에 용해되지 않고 반응 챔버(50)의 상부 영역(70)에서 유동하는 수소 기체가 존재한다.
도 2에 도시된 본 발명의 수소화 반응기(100)에 따르면, 이렇게 반응계(80)로부터 이탈하는 수소 기체는 압력 차이에 의해 제 1 수소 순환 배관(90)을 통해 빨아들여져 수소 공급 배관(60)을 통해 반응물 공급부(30)의 반응물 공급 노즐(20a) 주위로 이동하게 되며, 이러한 수소 기체 흐름(90a)은 반응물 공급 노즐(20a)로부터 일정한 속도로 분사되는 반응물과 합쳐져 다시 반응 챔버(50) 내로 공급된다. 따라서, 반응계(80) 내에서 반응에 참여하는 수소 기체의 기체 체류량(gas holdup)이 증가하여 높은 수소화 반응율을 달성할 수 있다.
또한, 본 발명의 수소화 반응기(100) 또한 종래의 수소화 반응기와 마찬가지로 수소 기체를 보충하기 위한 수소 공급 배관(60)을 포함하나, 제 1 수소 순환 배관(90)에 의해 반응계(80) 내부로 재순환되는 수소 기체의 유량이 존재하므로, 종래의 수소화 반응기에 비하여 보충되는 수소 기체의 양이 현저히 줄어들거나, 수소 기체의 보충이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 수소 공급 배관(60)을 통해 보충되는 수소 기체의 양은 제 1 수소 순환 배관(90)을 포함하지 않았을 경우에 비하여, 동일한 운전 조건에서 약 1/25 내지 약 1/45배까지 감소될 수 있다.
또한, 제 1 수소 순환 배관(90)를 포함하더라도, 반응물 공급 노즐(20a)에서의 압력 강하(pressure drop) 정도가 제 1 수소 순환 배관(90)을 포함하지 않았을 때와 큰 차이가 없어 추가로 압력 강하를 보완하기 위해 펌프의 성능을 증가시킬 필요가 없으며, 반응기의 반응 효율성이 유지될 수 있으므로 경제적으로 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 공급 배관(60) 및 제 1 수소 순환 배관(90)의 직경은 각각 독립적으로 동일하거나 상이할 수 있으며, 반응물 공급 노즐(20a) 직경의 약 0.5 내지 약 3 배, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1.5 배일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 3은 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 수소화 반응기의 구조를 도시하는 도면이다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 반응기(200)는 반응물 주입부(10), 반응물 공급부(30), 반응 생성물 배출부(40), 반응 챔버(50), 수소 공급 배관(60), 제 1 수소 순환 배관(90) 및 제 2 수소 순환 배관(95)을 포함한다. 반응물 공급부(30)는 반응물 주입부(10)와 연결되어 위치하며, 반응물 공급부(30)는 또한 반응 챔버(50)의 상부에 위치하며 반응물 주입부(10)와 연통하는 반응물 공급 노즐(20a)과, 반응 챔버(50)의 내부에 위치하며 반응물 공급 노즐(20a)로부터 공급되는 반응물을 반응 챔버(50) 내로 확산시키는 반응물 확산부(20b)를 포함한다.
반응물 공급 노즐(20a), 반응물 공급 노즐(20a) 및 반응물 확산부(20b)의 예시적인 형태 및 직경 범위는 상기 도 2에서 설명한 바와 동일하므로 생략한다.
또한, 도 2에 도시된 수소화 반응기와 마찬가지로, 수소 공급 배관(60)은 반응물 공급 노즐(20a) 부근의 위치에서 반응물 공급부(30)와 연결되며, 따라서, 수소 공급 배관(60)으로부터 간헐적으로 공급되는 수소 기체는 반응물 공급 노즐(20a) 부근에서 분사되는 반응 혼합물과 합쳐져 반응물 확산부(20b)를 통해 반응 챔버(50) 내로 공급된다.
본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 반응기(200)에서, 제 1 수소 순환 배관(90)의 일단은 반응 챔버(50)의 상부에 연결되고, 타단은 수소 공급 배관(60)의 중단에 T자 형태로 연결되어 반응 챔버(50)의 상부 영역(70)에 유동하는 수소 기체를 반응물 공급부(30)로 순환시키는 역할을 한다. 또한, 제 2 수소 순환 배관(95)의 일단은 반응 챔버(50)의 상부에 연결되고, 타단은 반응물 공급부(30)의 중단, 특히 반응물 공급 노즐(20a)이 위치하는 부근에 연결되어 반응 챔버(50)의 상부 영역(70)에 유동하는 수소 기체를 추가적으로 반응물 공급부(30)로 순환시키는 역할을 한다.
이를 보다 구체적으로 설명하면, 먼저 수소, 수소화될 반응 대상물, 및 용매를 포함하는 반응 혼합물은 반응물 주입부(10)로부터 반응물 공급 노즐(20a)를 통해 반응 챔버(50) 내로 일정한 속도로 분사된다. 분사된 반응물은 반응물 확산부(20b)를 통해 반응 챔버(50) 내의 공간으로 확산되어 수소화 반응을 수행하게 된다.
이때 수소 기체의 용해도 특성으로 인하여 수소, 수소화될 반응 대상물, 및 용매가 함께 존재하는 반응계(80) 내에 용해되지 않고 반응 챔버(50)의 상부 영역(70)에서 유동하는 수소 기체가 존재한다.
본 발명의 수소화 반응기(200)에 따르면, 이렇게 반응계(80)로부터 이탈하는 수소 기체는 압력 차이에 의해 제 1 수소 순환 배관(90)에 의해 빨아들여져 수소 공급 배관(60)을 통해 반응물 공급부(30)의 반응물 공급 노즐(20a) 주위로 이동하게 되며, 또한, 상기 수소 기체는 제 2 수소 순환 배관(95)을 통해서도 빨아들여져 반응물 공급부(30)의 반응물 공급 노즐(20a) 주위로 이동하게 된다. 이렇게 형성된 수소 기체 흐름(90a)은 반응물 공급 노즐(20a)로부터 일정한 속도로 분사되는 반응물과 합쳐져 다시 반응 챔버(50) 내로 공급된다. 따라서, 수소 기체 흐름(90a)의 유량 및 반응계(80) 내에서 반응에 참여하는 수소 기체의 기체 체류량(gas holdup)이 현저히 증가하여 높은 수소화 반응율을 달성할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라 수소화 반응기(200)가 제 1 수소 순환 배관(90)에 더하여 하나의 제 2 수소 순환 배관(95)을 추가로 포함할 경우, 수소 공급 배관(60)을 통해 보충되는 수소 기체의 양은 제 1 수소 순환 배관(90) 및 제 2 수소 순환 배관(95)을 모두 포함하지 않았을 경우에 비하여 현저히 줄어들거나, 수소 기체의 보충이 필요하지 않을 수 있다. 예를 들어, 수소 공급 배관(60)을 통해 보충되는 수소 기체의 양은 제 1 수소 순환 배관(90) 및 제 2 수소 순환 배관(95)을 모두 포함하지 않았을 경우에 비하여 동일한 운전 조건에서 약 1/60 내지 약 1/80배까지 감소될 수 있으며, 제 1 수소 순환 배관(90)만을 포함할 경우에 비하여는 동일한 운전 조건에서 약 1/1.5 내지 약 1/10배까지 감소될 수 있다.
또한, 제 1 및 제 2 수소 순환 배관(90, 95)를 포함하더라도, 반응물 공급 노즐(20a)에서의 압력 강하(pressure drop) 정도가 제 1 및 제 2 수소 순환 배관(90. 95)을 포함하지 않았을 때와 큰 차이가 없어 추가로 압력 강하를 보완하기 위해 펌프의 성능을 증가시킬 필요가 없으며, 반응기의 반응 효율성이 유지될 수 있으므로 경제적으로 유리하다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 제 2 수소 순환 배관(95)은 하나 이상으로 구비될 수 있다. 또한, 제 1 수소 순환 배관(90) 및 하나 이상의 제 2 수소 순환 배관(95)은 상기 반응 챔버의 원주에 대하여 등간격으로 구비될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 수소 공급 배관(60), 제 1 수소 순환 배관(90) 및 제 2 수소 순환 배관(95)의 직경은 각각 독립적으로 동일하거나 상이할 수 있으며, 반응물 공급 노즐(20a) 직경의 약 0.5 내지 약 3 배, 바람직하게는 약 0.5 내지 약 1.5 배일 수 있으나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
도 4는 제 1 수소 순환 배관 및 제 2 수소 순환 배관의 배치 상태를 보여주기 위해 본 발명의 수소화 반응기를 위에서 바라본 모습을 도시하는 도면이다.
도 4의 (A)는 제 1 수소 순환 배관 및 하나의 제 2 수소 순환 배관을 포함하는 경우의 도면이고, 도 4의 (B)는 제 1 수소 순환 배관 및 두 개의 제 2 수소 순환 배관을 포함하는 경우의 도면이며, 도 4의 (C)는 제 1 수소 순환 배관 및 세 개의 제 2 수소 순환 배관을 포함하는 경우의 도면이다.
도 4의 (A) 내지 (C)에서, 제 1 수소 순환 배관(90)은 수소 공급 배관(60)의 중단에 연결되어 반응기의 위에서는 보이지 않으므로, 점선으로 그 연결 위치를 표시하였다.
도 4의 (A)를 참조하면, 본 발명의 수소화 반응기가 하나의 제 1 수소 순환 배관(90) 및 하나의 제 2 수소 순환 배관(95)을 포함하는 경우, 제 1 수소 순환 배관(90) 및 제 2 수소 순환 배관(95)은 반응 챔버(50)의 원주에 대하여 등간격으로 배치된다. 즉, 제 1 수소 순환 배관(90) 및 제 2 수소 순환 배관(95) 사이의 각도(Q1, Q2)는 Q1≒Q2≒180도가 되도록 실질적으로 등간격으로 배치될 수 있다.
도 4의 (B)를 참조하면, 본 발명의 수소화 반응기가 하나의 제 1 수소 순환 배관(90) 및 두 개의 제 2 수소 순환 배관(95)을 포함하는 경우, 제 1 수소 순환 배관(90) 및 두 개의 제 2 수소 순환 배관(95)은 반응 챔버(50)의 원주에 대하여 등간격으로 배치된다. 즉, 제 1 수소 순환 배관(90) 및 인접하는 제 2 수소 순환 배관(95) 사이의 각각의 각도(Q3, Q5)와, 서로 인접하는 두 개의 제 2 수소 순환 배관(95)이 이루는 각도(Q4)는 Q3≒Q4≒Q5≒120도가 되도록 실질적으로 등간격으로 배치될 수 있다.
도 5의 (C)를 참조하면, 본 발명의 수소화 반응기가 하나의 제 1 수소 순환 배관(90) 및 세 개의 제 2 수소 순환 배관(95)을 포함하는 경우, 제 1 수소 순환 배관(90) 및 세 개의 제 2 수소 순환 배관(95)은 반응 챔버(50)의 원주에 대하여 등간격으로 배치된다. 즉, 제 1 수소 순환 배관(90) 및 인접하는 제 2 수소 순환 배관(95) 사이의 각각의 각도(Q6, Q9)와, 서로 인접하는 제 2 수소 순환 배관(95)이 이루는 각도(Q7, Q8)는 Q6≒Q7≒Q8≒Q9≒90도가 되도록 실질적으로 등간격으로 배치될 수 있다.
한편, 도 (4)의 (A) 내지 (C)는 제 2 수소 순환 배관(95)을 한 개 내지 세 개를 포함하는 것으로 도시하였으나 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니며, 필요에 따라 다양한 개수 및 형태의 제 2 수소 순환 배관을 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4에 예시적으로 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 수소화 반응기가 제 2 수소 순환 배관을 더 포함할 경우, 제 1 수소 순환 배관만을 포함할 경우와 비교하여, 반응 챔버 상부 영역에서의 수소 기체 흐름이 한 쪽 방향으로만 공급됨으로 인한 비대칭적 흐름을 개선하여, 수소와 반응물의 혼합 흐름이 반응물 확산부 내에서 양호하게 유지될 수 있게 하여 반응 효율을 증가시키는 장점이 있다.
즉, 수소 기체가 제 1 수소 순환 배관에 의해서만 반응물 공급부로 재순환될 경우, 반응계 내부로 재순환되는 수소 기체의 유량은 증가하지만, 반응 챔버의 상부 영역 중 상기 제 1 수소 순환 배관이 위치하는 부근의 일부 영역에서만 수소 기체 흐름이 발생하므로, 수소 기체의 흐름이 불균형한 양상을 띠게 된다. 이러한 불균형한 수소 기체의 흐름은 반응물 확산부 내에서의 흐름도 좋지 못하게 한다. 이에 따라, 수소화 반응의 효율성 향상 효과가 떨어지거나, 오랜 시간의 반응기 운전시 비대칭적 흐름으로 인한 반응기의 운전 수명이 단축될 수 있다.
이러한 불이익은 본 발명의 다른 일 실시예에 따라 수소 기체를 제 1 수소 순환 배관 및 제 2 수소 순환 배관에 의해서 반응물 공급부로 재순환시킴으로써 개선될 수 있다. 즉, 수소 기체를 제 1 수소 순환 배관에 더하여 하나 이상의 제 2 수소 순환 배관에 의해 순환시킴으로써, 수소 기체의 불균형성을 해소하여, 이로 인한 문제점을 방지하며, 수소 기체의 유량 또한 증가되어 제 2 수소 순환 배관을 포함하지 않는 경우에 비하여 수소화 반응의 효율성을 보다 증가시킬 수 있다. 이때 이러한 수소 기체 흐름의 불균형성 해소 효과 및 수소화 반응의 효율성 향상 효과를 보다 극대화하기 위하여 제 1 수소 순환 배관 및 하나 이상의 제 2 수소 순환 배관은 도 4에 예시된 바와 같이 상기 반응 챔버의 원주에 대하여 서로 등간격으로 배치하는 것이 바람직하다.
한편, 본 발명의 수소화 반응기를 이용하여 DCPD 수지의 수소화 반응을 수행하는 경우, 반응 챔버 내의 온도는 약 90 내지 약 300℃, 바람직하게는 약 120 내지 약 300℃로, 압력은 약 5 내지 약 120 barg, 바람직하게는 약 50 내지 약 100 barg로 유지할 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응 챔버 내로 공급되는 반응 혼합물은 상기 반응 혼합물 전체 부피에 대하여, 수소 기체(H2)의 부피비가 약 10 내지 약 50 vol%가 되도록 혼합된 혼합물일 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응물 공급 노즐에서는 분사되는 반응물은 약 30 내지 약 70 m/sec의 속도로 반응 챔버 내로 주입될 수 있다.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 반응 챔버의 상부 영역에서 유동하는 수소 기체는, 제 1 수소 순환 배관 및 선택적으로 포함되는 제 2 수소 순환 배관을 통해 약 5 내지 약 20 m/sec의 속도로 빨려올라가 반응물 공급부로 유동하게 될 수 있다. 이처럼 반응물 공급부로 빨려올라간 수소 기체 흐름은 반응물 공급 노즐로부터 일정한 속도로 분사되는 반응물과 합쳐져 다시 반응 챔버 내로 공급되어 재순환될 수 있다.
이하, 실시예 및 비교예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하지만, 이는 발명의 구체적 이해를 돕기 위한 것으로 본 발명의 범위가 실시예나 비교예에 의하여 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
실시예 1
도 2에 도시된 바와 같이, 일단은 반응 챔버(50)의 상부에 연결되고, 타단은 수소 공급 배관(60)의 중단에 T자 형태로 연결되도록 한 제 1 수소 순환 배관(90)을 포함하며, 반응 챔버의 높이가 10m, 최대 직경이 3m인 수소화 반응기를 디자인하였다.
반응물 공급 노즐(20a)의 직경은 0.2m, 반응물 확산부(20b)의 전체 길이는 6m이었으며, 반응물 확산부(20b)의 가장 넓은 아랫 부분의 직경은 0.96m, 수소 공급 배관(60)의 직경(내경)은 0.15m, 제 1 수소 순환 배관(90)의 직경(내경)은 0.15m로 하였다.
또한, 수소화 반응을 수행하는 동안의 반응 챔버(50)의 온도는 270℃로, 압력은 90 barg로 유지되도록 하였다.
반응물 주입부(10)로부터 수소 기체(H2)와 DCPD 수지의 부피 비율이 3:7이고, 용매인 사이클로헥산(cyclohaxane)을 DCPD 수지 100 중량부에 대하여 100 중량부로 포함하는 반응 혼합물을 반응물 공급 노즐(20a)을 통해 10 m/sec의 속도로 반응 챔버(50) 내로 주입하였다. 반응 챔버(50)의 상부 영역에서 유동하는 수소 기체는, 제 1 수소 순환 배관(90)을 통해 평균 속도 약 5 m/sec의 속도로 빨려올라가 반응물 공급 노즐(20a)을 통해 분사되는 반응 혼합물과 함께 반응 챔버(50) 내로 재순환되었다.
실시예 2
도 3에 도시된 바와 같이, 일단은 반응 챔버(50)의 상부에 연결되고, 타단은 수소 공급 배관(60)의 중단에 T자 형태로 연결되도록 한 제 1 수소 순환 배관(90)과, 제 1 수소 순환 배관(90)과 180도의 각도를 이루는 곳에 일단은 반응 챔버(50)의 상부에 연결되고, 타단은 반응물 공급부(30)의 반응물 공급 노즐(20a) 부근에 연결되는 제 2 수소 순환 배관(95)을 포함하며, 반응 챔버의 높이가 10m, 최대 직경 3m인 수소화 반응기를 디자인하였다.
반응물 공급 노즐(20a)의 직경은 0.2m, 반응물 확산부(20b)의 전체 길이는 6m이었으며, 반응물 확산부(20b)의 가장 넓은 아랫 부분의 직경은 0.96m, 수소 공급 배관(60)의 직경(내경)은 0.15m, 제 1 수소 순환 배관(90) 및 제 2 수소 순환 배관(95)의 직경(내경)은 0.15m로 하였다.
반응 챔버(50)의 상부 영역에서 유동하는 수소 기체는, 제 1 수소 순환 배관(90)을 통해 평균 속도 약 5 m/sec의 속도로, 제 2 수소 순환 배관(95)을 통해 평균 속도 약 5 m/sec의 속도로 빨려올라가 반응물 공급 노즐(20a)을 통해 분사되는 반응 혼합물과 함께 반응 챔버(50) 내로 재순환되었다.
나머지 사항은 실시예 1과 동일한 조건으로 하여 DCPD 수지의 수소화 반응을 수행하였다.
비교예 1
도 1에 도시된 바와 같이, 수소 순환 배관 없이, 수소 공급 배관(6)을 통해 필요한 수소를 보충하여 공급해주는 수소화 반응기를 디자인하였다.
나머지 수소화 반응기의 조건 및 반응 조건은 실시예 1과 동일하게 하여 DCPD 수지의 수소화 반응을 수행하였다.
수소화 반응이 진행됨에 따라, 수소 기체를 수소 공급 배관(6)을 통해 약 0.1 내지 약 0.5m/sec의 평균 속도로 연속적으로 공급하면서 수소화 반응을 수행하였다.
상기 실시예 1 및 2, 비교예 1에 대하여, 반응기의 압력 강하 정도, 제 1 및 제 2 수소 순환 배관을 통한 수소 흐름 유량과 유동성을 평가하여 하기 표 1에 나타내었다.
재순환되는 수소 흐름 유량
(단위: kg/sec)		 수소 공급 배관을 통해 보충되는 수소 유량
(단위: kg/sec) 		반응기의 강하 압력
(단위: bar)		 반응기 상부 영역에서의 수소 유동성 양상
실시예 1 제 1 수소 순환 배관: 0.348 없음 5.1489 비대칭적
실시예 2 제 1 수소 순환 배관: 0.374
제 2 수소 순환 배관: 0.381
합계 : 0.755		 없음 5.4025 대칭적
비교예 1 없음 0.01 5 비대칭적
상기 표 1에서와 같이, 실시예 1 및 2는 제 1 및/또는 제 2 수소 순환 배관에서 재순환되는 수소 흐름이 존재하여, 수소 공급 배관을 통한 수소의 보충 없이도 DCPD 수지의 수소화 반응을 고수율로 수행할 수 있었으며, 압력 강하도 수소 순환 배관이 없는 경우와 유사한 정도로 나타났다.
1, 10: 반응물 주입부
2a, 20a: 반응물 공급 노즐
2b, 20b: 반응물 확산부
2, 20: 반응 생성물 배출부
3, 30 : 반응물 공급부
4, 40: 반응 생성물 배출부
5, 50: 반응 챔버
6, 60: 수소 공급 배관
7, 70: 반응 챔버의 상부 영역
8, 80: 반응계
90: 제 1 수소 순환 배관
95: 제 2 수소 순환 배관
9, 100, 200: 수소화 반응기

Claims (10)

  1. 수소화 반응이 일어나는 반응 챔버;
    수소, 수소화될 반응 대상물, 및 용매를 포함하는 반응물을 주입하는 반응물 주입부;
    상기 반응물 주입부와 연결되어 위치하며, 상기 반응 챔버 내부로 상기 반응물을 공급하는 반응물 공급부;
    상기 반응 챔버 하부에 위치하며, 상기 반응 챔버 외부로 수소화 반응 생성물을 배출하는 반응 생성물 배출부;
    상기 반응물 공급부에 연결되며, 상기 반응물 공급부를 통해 상기 반응 챔버에 수소를 추가적으로 공급하는 수소 공급 배관;
    일단은 상기 반응 챔버의 상부에 연결되고, 타단은 상기 수소 공급 배관의 중단에 연결되어, 상기 반응 챔버의 상부 영역에 유동하는 수소 기체를 상기 반응물 공급부로 순환시키는 제 1 수소 순환 배관; 및
    일단은 상기 반응 챔버의 상부에 연결되고, 타단은 상기 반응물 공급부에 연결되는 하나 이상의 제 2 수소 순환 배관을 포함하고,
    상기 제 1 및 제 2 수소 순환 배관은 상기 반응 챔버의 원주에 대하여 등간격으로 구비되는,
    수소화 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 수소 순환 배관은 상기 수소 공급 배관의 중단에 T자 형태로 연결되는, 수소화 반응기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 반응물 공급부는 상기 반응물이 분사되는 반응물 공급 노즐; 및 상기 반응물 공급 노즐을 통하여 분사된 반응물을 상기 반응 챔버 내로 확산시키는 반응물 확산부를 포함하는, 수소화 반응기.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 반응물 확산부는 상기 반응 챔버의 길이 방향으로 연장된 관 형태를 가지고, 관의 중간 부분의 직경이 가장 좁고, 윗 부분과 아래 부분으로 갈수록 직경이 넓어지는 깔때기 모양인, 수소화 반응기.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 반응물 확산부의 길이는 상기 반응물 공급 노즐 직경의 20 내지 50 배이고, 가장 좁은 부분의 직경은 상기 반응물 공급 노즐 직경의 1 내지 4 배이며, 가장 넓은 부분의 직경은 상기 반응물 공급 노즐 직경의 1 내지 10 배인, 수소화 반응기.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 수소 순환 배관의 직경은 각각 독립적으로 동일하거나 상이하며, 상기 반응물 공급 노즐 직경의 0.5 내지 3 배인, 수소화 반응기.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 수소화될 반응 대상물은 디시클로펜타디엔(dicyclopentadiene, DCPD) 수지인, 수소화 반응기.
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