KR102415176B1 - 암모산화 반응기 제어 - Google Patents

Abstract

암모산화 반응기의 제어를 위한 프로세스가 제공된다. 보다 구체적으로, 프로세스는 반응기 온도 편차들을 최소화하기 위해서 반응기에 부가된 산소의 양, 스팀 온도 및 선 속도를 제어하는 것을 포함한다.

Description

암모산화 반응기 제어

암모산화 반응기의 제어를 위한 프로세스가 제공된다. 보다 구체적으로, 프로세스는 반응기 온도 편차들을 최소화하기 위해서 반응기에 부가된 산소의 양, 스팀 온도 및 선 속도를 제어하는 것을 포함한다.

공기, 암모니아 및 프로필렌이 유동층 반응기에서 촉매의 존재 하에 반응되는 암모산화 프로세스에 의해 아크릴로니트릴이 제조된다. 이것은 발열 반응이고, 발생된 열은 스팀 또는 과열된 스팀을 발생시키는 열을 제거하는 냉각 코일들의 세트를 통하여 물 또는 스팀을 순환시킴으로써 제거된다. 반응기 온도 및 반응기 선 속도는 원하는 아크릴로니트릴 수율을 얻기 위해서 제어될 필요가 있는 핵심 변수들이다. 반응기 온도는 반응기에 부가된 프로필렌의 양, 반응기 압력, 과열 스팀 온도, 및 사용되는 냉각 코일들의 개수에 의해 영향을 받는다. 선 속도는 부가된 프로필렌, 암모니아 및 공기의 양, 및 반응기 압력에 의해 영향을 받는다. 냉각 코일 변화들은 아크릴로니트릴 반응기에서 매우 일반적이다. 코일 변화들은 전형적으로 비율 변화 중, 또는 코일 스워핑 (swapping) 프로세스, 일정 시간 동안 가동된 코일들을 제거하여 그 코일들을 더 양호한 열 전달 능력을 가지는 새로운 코일들로 교체하는 프로세스 중 프로세스 보드 조작자들에 의해 초래된다.

최고의 아크릴로니트릴 수율을 얻기 위해서 최대 가능한 선 속도 및 고정된 반응기 온도에서 아크릴로니트릴 반응기들을 가동하는 것이 바람직하다. 이 목적을 달성하는 주요 과제는, 주어진 반응기를 위한 냉각 코일들이 그것들이 갖는 패스들의 수를 기반으로 다른 냉각능을 갖는다는 사실에서 비롯된다. 따라서, 온도 응답은 반응기에서 서비스에 부가되거나 제거되는 코일의 유형에 따라 달라진다. 전통적인 제어 방식들은 선 속도 및 반응기 온도를 독립적으로 제어하려고 하고, 특히 반응기 내부에서 코일 변화 중 보통 반응적으로 제어 작용을 취한다. 이것은 제어기의 응답 시간을 변함없이 증가시키고, 코일 변화들 후 온도가 안정화되는데 장시간이 걸린다. 따라서, 제어 방식은 핵심 변수들 간의 상호작용을 고려해야 하고, 코일 변화들 중 선제 제어 작용을 취해야 한다.

암모산화 프로세스는 반응기 온도에서 최대 반응기 선 속도 및 최소 편차들을 제공한다. 반응기 온도에서 증가된 선 속도 및 최소 편차들은 개선된 반응기 효율성을 유발한다.

암모산화 프로세스는 반응물 스트림의 유동을 암모산화 반응기 내로 도입하는 단계를 포함한다. 상기 반응물 스트림은 암모니아, 산소 함유 가스, 프로판, 프로필렌, 이소부텐, 이소부틸렌 및 이들의 혼합물들로 구성된 군에서 선택된 탄화수소를 포함한다. 상기 프로세스는 상기 암모산화 반응기 내에 배치된 코일들에 스팀을 제공하여서 약 350 ℃ ~ 약 480 ℃ 의 반응기 작동 온도를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 프로세스는 공탑 (superficial) 반응기 선 속도를 유지하도록 반응기에 부가된 산소의 양 및 스팀 온도를 제어하는 단계를 추가로 포함한다.

다른 양태에서, 암모산화 프로세스는 반응물 스트림의 유동을 암모산화 반응기로 도입하는 단계를 포함한다. 상기 반응물 스트림은 암모니아, 산소 함유 가스, 프로판, 프로필렌, 이소부텐, 이소부틸렌 및 이들의 혼합물들로 구성된 군에서 선택된 탄화수소를 포함한다. 상기 프로세스는 스팀을 상기 암모산화 반응기에 배치된 코일들로 제공하여서 약 350 ℃ ~ 약 480 ℃ 의 반응기 작동 온도를 제공하는 단계를 포함한다. 상기 프로세스는 공탑 반응기 선 속도를 타겟 공탑 반응기 선 속도의 약 95% 이내 및 타겟 반응기 온도의 약 95% 이내로 유지하도록 상기 반응기에 부가된 산소의 양 및 스팀 온도를 제어하는 단계를 추가로 포함한다.

암모산화 프로세스는 반응물 스트림의 유동을 암모산화 반응기로 도입하는 단계를 포함한다. 상기 반응물 스트림은 암모니아, 프로필렌 및 산소 함유 가스를 포함한다. 상기 프로세스는 과열된 스팀을 상기 암모산화 반응기에 배치된 과열 코일들로 제공하는 단계를 포함한다. 일 양태에서, 조작 변수들의 세트는 반응기 산소 유동, 과열된 스팀 온도, 흡수기 압력 및 흡수기로의 희박수 (lean water) 의 양을 포함하고 제어 변수의 세트는 반응기 선 속도 및 반응기 온도를 포함한다. 제어 변수들의 적어도 일 세트를 제어하는 것은 상기 반응기로 부가된 산소의 양 및 과열된 스팀 온도를 제어하는 것을 포함한다.

프로세스의 상기 및 다른 양태들, 여러 양태들의 특징들 및 장점들이 하기 도면들에서 보다 분명해질 것이다.

도 1 은 암모산화 프로세스 장비를 도시한다.
도 2 는 암모산화 프로세스를 도시한다.

대응하는 도면 부호들은 도면들 전체에 걸쳐 대응하는 구성요소들을 나타낸다. 숙련된 당업자들은 도면들의 요소들이 간단하고 명료하게 하기 위해 예시되어 있고 반드시 일정한 비율로 그려진 것은 아니라는 점을 인식할 것이다. 예를 들어, 도면들에서 일부 요소들의 치수들은 다른 요소들에 비해 과장되어 다양한 양태들에 대한 이해를 향상시키는데 도움이 될 수 있다. 또한, 상업적으로 실현 가능한 양태에서 유용하거나 필수적인 통상의 잘 이해되는 요소들은 이러한 다양한 양태들에 대한 덜 차단된 보기를 가능하게 하기 위해서 종종 도시되지 않는다.

하기의 설명은 제한적인 의미로 받아들여서는 안 되고, 예시적인 실시형태들의 일반적인 원리들을 설명하기 위한 목적으로만 이루어진다. 발명의 범위는 청구 범위를 참조하여 결정되어야 한다.

암모산화 반응기

도 1 은 사용된 전형적인 암모산화 (아크릴로니트릴) 반응기를 도시한다. 도시된 대로, 반응기 (10) 는 반응기 쉘 (12), 공기 그리드 (14), 공급 스퍼저 (16), 포화 냉각 코일들 (17) 및 과열 냉각 코일들 (19) 을 포함하는 일반적으로 18 로 나타낸 냉각 시스템, 및 사이클론들 (20) 을 포함한다. 도 1 은 포화 냉각 코일들 (17) 및 과열 냉각 코일들 (19) 이 반응기 (10) 의 일측에 위치하고 사이클론들 (20) 이 타측에 위치한 것으로 보여주지만, 실제 실시될 때 이런 구조들은 반응기 전체에 균일하게 위치결정된다는 점이 이해될 것이다. 정상 작동 중, 프로세스는 암모니아, 산소 함유 가스, 프로판, 프로필렌, 이소부텐, 이소부틸렌 및 이들의 혼합물들로 구성된 군에서 선택된 탄화수소를 포함하는 반응물 스트림의 유동을 도입하는 단계를 포함한다. 일 양태에서, 프로세스 공기는 공기 입구 (22) 를 통하여 반응기 (10) 로 충전되고, 프로필렌 공급 라인 (13) 으로부터 수득된 프로필렌 및 암모니아 공급 라인 (15) 으로부터 수득된 암모니아의 혼합물은 공급 스퍼저 (16) 를 통하여 반응기 (10) 로 충전된다. 양자의 유량들은, 아크릴로니트릴로 프로필렌 및 암모니아의 촉매 암모산화가 발생하는, 반응기 내부에서 암모산화 촉매의 층 (44) 을 유동화시키기에 충분히 높다. 암모산화 반응기로 프로필렌의 유량은 약 2 ~ 약 2.1 의 산소 대 프로필렌의 비 및 약 1 ~ 약 1.5 의 암모니아 대 프로필렌의 비를 제공하기에 효과적이다. 암모니아는 NH₃/C₃ 제어기에 의해 제어된다.

반응에 의해 생성된 생성물 가스들은 반응기 유출물 출구 (26) 를 통하여 반응기 (10) 에서 나간다. 그렇게 하기 전에, 상기 생성물 가스들은 임의의 암모산화 촉매를 제거하는 사이클론들 (20) 을 통과하고, 상기 가스들은 딥레그들 (25; diplegs) 을 통하여 촉매층 (44) 으로 복귀하기 위해 비말동반될 수도 있다. 암모산화는 매우 발열성이어서, 냉각 시스템 (18) 은 과량의 열을 인출하여 반응 온도를 적절한 수준으로 유지하는데 사용된다.

또한 도 1 에 도시된 대로, 포화 냉각 코일들 (17) 및 과열 냉각 코일들 (19) 이외에, 냉각 시스템 (18) 은 또한 스팀 드럼 (24), 재순환 펌프 (26), 차단 밸브 (28) 및 스팀 제어 밸브 (30) 를 포함한다. 스팀 드럼 (24) 의 하부는 상승된 압력과 상승된 온도로, 예로 약 4.2 mPaG 와 약 255 ℃ 로 유지되는 포화 액체 냉각수로 채워진다. 스팀 드럼 (24) 의 상부는 이 액체 냉각수와 평형 상태로 포화 스팀으로 채워진다. 본 기술분야에서 잘 알려진 대로, 물은 또한 1 보다 큰 대기압 하에 있으므로 이런 상승된 온도에서 액체로 존재한다.

냉각 시스템 (18) 이 반응기 (10) 의 내부로부터 열을 제거하는 주요 방식은, 스팀 드럼 (24) 의 하부로부터 냉각 코일들 (17) 을 통하여 액체 냉각수를 재순환시키는 것이다. 이 목적으로, 재순환 펌프 (26) 는 스팀 드럼 (24) 의 바닥으로부터 차단 밸브 (28) 를 통하여, 그 후 냉각 코일 (17) 을 통하여 액체 냉각수를 펌핑하도록 배열된다. 냉각 코일 (17) 에서, 약간의 액체는 스팀으로 기화하고 냉각수 및 생성된 스팀은 스팀 드럼 (24) 으로 복귀된다. 냉각 코일 (17) 로 공급된 포화 냉각수는 100% 액체수로 이루어지므로, 냉각 코일 (17) 은 전형적으로 "포화" 냉각 코일로 지칭된다.

실제 실시될 때, 이 냉각수의 미리 정해진 비율, 전형적으로 예를 들어 약 15% 가 스팀으로 변환되도록 포화 냉각 코일 (17) 을 통과하는 냉각수의 유량이 선택된다. 그러므로, 도 1 에 도시된 대로, 포화 냉각 코일 (17) 에서 생성되는 가열된 냉각수는 스팀 드럼 (24) 의 상부로 복귀되어서, 이 냉각수 스트림의 증기 분획물은 스팀 드럼의 상부에 남아있고 이 냉각수 스트림의 액체 부분은 이미 거기의 액체 냉각수와 혼합하기 위해 스팀 드럼의 하부로 떨어질 수 있다. 스팀 드럼 (24) 은 보충수 도관 (54) 을 포함할 수도 있다.

많은 설계들에서, 차단 밸브 (28) 는 유체 유량을 미세하게 제어할 수 있는 제어 밸브와는 대조적으로 간단한 개폐 밸브이다. 이것은 아크릴로니트릴 반응기 내부에서 반응 온도를 미세 제어하기 위해 다른 수단들이 전형적으로 사용되어서, 보다 복잡하고 고가의 제어 밸브가 불필요하기 때문이다. 또한, 냉각 코일 내부에서 많은 액체수를 증기로 변환하는 것은 바람직하지 않은데 이것은 냉각 코일 파이프 내부의 부식 또는 스케일링과 같은 부정적인 결과들을 유발할 수 있기 때문이다.

각각의 개별 코일 상의 각각의 개별 차단 밸브 (28) 는, 냉각수를 특정 포화 냉각 코일 (17) 을 통하여 유동시킬지 여부를 제어하는 유일한 밸브이다. 다시 말해서, 포화 냉각 코일 (17) 은 포화 냉각 코일 (17) 을 통한 냉각수의 유동을 제어하기 위한 임의의 부가적 밸브 또는 다른 유동 제어 기기 없이 구성된다. 이것은, 여기에 설명된 방식으로 냉각 코일들의 원하는 작동 및 제어를 달성하는데 이러한 부가적 밸브가 불필요하기 때문이다. 게다가, 출구에서 밸브를 제거하면 안전 밸브에 대한 필요성을 또한 제거하는데, 그렇지 않으면, 이러한 출구 밸브가 사용된다면 상기 안전 밸브가 필요할 것이다. 따라서, (밸브를 개방시키는 포화 냉각 코일 (17) 을 위한) 가동 중인 모든 냉각 코일들을 통과하는 총 유동은 펌프 (26) 로부터의 배출 유량에 의해 설정된다.

포화 냉각 코일들 (17) 이외에, 냉각 시스템 (18) 은 또한 아크릴로니트릴 반응기 (10) 의 내부로부터 열을 제거하기 위해 과열 냉각 코일들 (19) 을 사용한다. 이런 냉각 코일들로의 공급물이 포화 스팀이기보다는 과열된 스팀이도록 과열 냉각 코일들 (19) 이 스팀 입구 헤더 (32) 에 의해 스팀 드럼 (24) 의 상부에 연결된다는 점에서 과열 냉각 코일들 (19) 은 포화 냉각 코일들 (17) 과 상이하다. 과열 냉각 코일 (19) 로 진입한 스팀은 스팀 드럼 압력에 대응하는 포화 온도로 있다. 스팀 드럼 압력은, 스팀이 과열 냉각 코일 (19) 을 통과하여서 과열됨에 따라 증가한다. 그러므로, 냉각 코일들 (19) 은 전형적으로 "과열 냉각 코일들" 로 지칭된다. 이 양태에서, 프로세스는 과열 스팀을 약 350 ℃ ~ 약 480 ℃, 다른 양태에서, 약 355 ℃ ~ 약 400 ℃, 다른 양태에서, 약 360 ℃ ~ 약 390 ℃, 다른 양태에서, 약 370 ℃ ~ 약 380 ℃ 의 온도로 제공하는 것을 포함한다.

과열 냉각 코일들 (19) 의 중요한 기능은, 젖은 스팀에서 액체 액적들이 터빈 내장품들을 손상시킬 수도 있으므로 아크릴로니트릴 플랜트의 다른 부분들에 사용된 스팀 터빈들을 구동하기 위해 과열된 스팀을 제공하기 위해서 코일들 (19) 에서 생성된 스팀의 온도를 상승시키는 것이다. 이 목적으로, 과열 냉각 코일들 (19) 을 통과한 과열된 스팀은 전형적으로 이런 스팀 터빈들로 직접 전달하기 위해 스팀 출구 헤더 (34) 를 통하여 스팀 공급 도관 (35) 으로 배출된다.

많은 아크릴로니트릴 플랜트들에서 통례는, 스팀 드럼 (24) 으로부터 직접 이 도관에 공급된 스팀의 양을 조절함으로써 스팀 공급 도관 (35) 으로 통과하는 스팀의 온도가 제어될 수 있도록 스팀 입구 헤더 (32) 와 스팀 출구 헤더 (34) 를 바이패스 라인 (33) 으로 연결하는 것을 포함한다. 스팀 드럼 (24) 에서 스팀의 온도는 과열 냉각 코일 (19) 을 통과한 과열된 스팀의 온도보다 반드시 더 낮기 때문에, 바이패스 라인 (33) 을 통과하는 스팀의 유량을 증가시키면 스팀 공급 도관 (35) 에 도달하는 스팀의 온도를 반드시 낮춘다. 그래서, 대부분의 상업용 아크릴로니트릴 플랜트들에서는 바이패스 통로 (33) 에 스팀 제어 밸브 (30) 를 포함하는 것이 또한 관례적인데, 이것의 작동은 스팀 공급 도관 (35) 에서 스팀의 측정된 온도 (T₁) 에 응답하여 제어기 (39) 에 의해 제어된다. 제어 밸브 (30) 는 그 후 약 340 내지 385 ℃ 사이쯤에서 일정한 온도로 스팀 공급 도관 (35) 에서 스팀의 측정된 온도 (T₁) 를 유지하도록 작동된다.

아크릴로니트릴 반응기가 피크 조건에서 작동하는 것을 유지하도록, 현대 몰리브덴 기반의 암모산화 촉매들이 사용될 때 약 200 ~ 약 480 ℃, 다른 양태에서, 약 215 ~ 약 440 ℃, 다른 양태에서, 약 215 ~ 약 230 ℃ 의 타겟 온도 범위 내에서 작동 온도를 유지하는 것이 바람직하다. 이 양태에서, 작동 온도가 온도 범위 내에서 위 아래로 표류하는 것을 허용하기보다는 단일 제어점 온도에 가능한 한 가깝게 반응기 온도를 유지하는 것이 더 바람직하다. 반응 온도의 제어는 활발하게 가동 중인 냉각 코일들의 개수를 가감하여 실시될 수 있지만, 이 접근법은 정확한 온도 제어를 제공하지 못한다. 오히려, 냉각 코일들의 가감만으로 반드시 정확한 반응기 작동 온도를 달성하는 것은 아니다.

그러므로, 아크릴로니트릴 반응기 (10) 의 정확한 온도 제어는 통상적으로 반응기 내부에서 발생하는 암모산화 반응의 측정된 온도 (T_R) 에 응답하여 아크릴로니트릴 반응기에 공급된 프로필렌의 유량을 증감시킴으로써 수행된다. 이 목적으로, 도 1 에 도시된 대로, 프로필렌 공급 라인 (13) 에서 프로필렌 제어 밸브 (37) 및 제어기 (41) 는 측정된 암모산화 반응 온도 (T_R) 에 응답하여 아크릴로니트릴 반응기 (10) 로 프로필렌의 유입을 제어하도록 제공된다. 따라서, 원하는 온도 범위 내에서 반응기 온도 제어를 제공하도록 임의의 개수의 냉각 코일들이 사용되고, 프로필렌 공급률은 보다 정확한 온도 조절을 달성하도록 위 또는 아래로 조절된다.

일 양태에서, 프로세스는 코일의 열 전달 면적들의 변화들 중 개선된 온도 제어 및 감소된 반응기 온도 편차들을 제공한다. 이 양태에서, 반응기 온도 편차들은 코일들의 열 전달 면적의 변화들 중 약 10 ℃ 이하, 다른 양태에서, 약 6 ℃ 이하, 다른 양태에서, 약 5 ℃ 이하, 다른 양태에서, 약 3 ℃ 이하로 유지된다.

모든 반응기는 본원에 설명한 범위들 내에서 상이한 타겟 온도를 가질 수도 있다. 일 양태에서, 반응기에 부가된 산소의 양 및 스팀 온도는 타겟 반응기 온도의 약 95% 이내, 다른 양태에서는, 타겟 반응기 온도의 약 98% 이내로 반응기 온도를 유지하도록 제어된다.

다른 양태에서, 반응기 단면적 당 총 가용 과열 코일 면적 (ft²/ft²) 은 약 1 ~ 약 7, 다른 양태에서, 약 2 ~ 약 6, 다른 양태에서는, 약 3 ~ 약 5 이다. 생성된 아크릴로니트릴의 미터 톤당 과열 코일들에 의해 제거된 열 (㎉) 당 과열 코일 면적 (ft²) 은 약 275,000 ~ 약 475,000, 다른 양태에서, 약 300,000 ~ 약 400,000, 다른 양태에서는, 325,000 ~ 약 375,000 이다.

다른 양태에서, 반응기 단면적 당 총 가용 포화 코일 면적 (ft²/ft²) 은 약 8 ~ 약 18, 다른 양태에서, 약 8 ~ 약 15, 다른 양태에서는, 약 10 ~ 약 13 이다. 생성된 아크릴로니트릴의 미터 톤당 포화 코일들에 의해 제거된 열 (㎉) 당 포화 코일 면적 (ft²) 은 약 2,375,000 ~ 약 2,900,000, 다른 양태에서, 약 2,400,000 ~ 약 2,800,000, 다른 양태에서, 약 2,500,00 ~ 약 2,700,000 이다.

일 양태에서, 프로세스는 반응기에서 작동하거나 탄화수소를 반응시키는 것을 포함하고, 유출물 유동은 (유출물 체적 유동 및 냉각 코일들과 딥 레그들 면적을 제외한 반응기 단면적 ("CSA"), 즉 열린 CSA 의 대략 90% 를 기반으로) 약 0.5 ~ 약 1.5 m/sec, 다른 양태에서, 약 0.7 ~ 약 1.0 m/sec, 다른 양태에서, 약 0.75 ~ 약 0.8 m/sec, 다른 양태에서, 약 0.75 ~ 약 0.77 m/sec 의 선 속도를 갖는다. 또한 양호한 유동화/촉매 성능 및 사이클론들로부터 적당한 촉매 비말동반/촉매 손실을 달성하면서 이 속도를 이용해 반응기 시스템을 설계 및 작동할 수 있어서, 반응기 용량이 증가됨에 따라 가능한 정도까지 속도들이 대략 이 범위에서 유지될 수도 있다는 점을 발견하였다. 일 실시형태에서, 반응기는 약 0.25 ~ 약 0.5 ㎏/㎠, 다른 양태에서, 약 0.2 ~ 약 0.45 ㎏/㎠ 의 상단 압력을 유지하도록 작동될 수도 있다. 다른 양태에서, 반응기에 부가된 산소의 양 및 스팀 온도는 타겟 공탑 반응기 선 속도의 약 95% 이내, 다른 양태에서는, 타겟 공탑 반응기 선 속도의 약 98% 이내로 공탑 반응기 선 속도를 유지하도록 제어된다.

일 양태에서, 반응기 유출물 속도 (단위: 미터/초) 에 대한 사이클론 입구 속도 (단위: 미터/초) 의 비는 20 이상, 다른 양태에서, 약 20 ~ 약 30, 다른 양태에서, 약 22 ~ 약 25, 다른 양태에서, 약 23 ~ 약 26, 다른 양태에서, 약 27 ~ 약 29 이다.

다른 양태에서, 프로세스는 반응기 상단 압력을 약 3.8 psig ~ 약 5.0 psig, 다른 양태에서, 4.0 psig ~ 약 5.0 psig, 다른 양태에서, 약 4.0 ~ 약 4.5 psig 로 제어하는 것을 포함한다.

도 2 는 아크릴로니트릴의 제조에 적용될 때 본 개시의 양태들에 따른 실시형태의 개략적인 흐름도이다. 도면을 참조하면, 장치 (100) 는 반응기 (10), 퀀칭 용기 (20; quench vessel), 유출물 압축기 (30), 및 흡수기 (40) 를 포함한다. 스트림 (1) 에서의 암모니아 및 스트림 (2) 에서의 탄화수소 (HC) 공급물은 조합된 스트림 (3) 으로서 반응기 (10) 로 공급될 수도 있다. HC 공급물 스트림 (2) 은 프로판, 프로필렌과 이소부틸렌 및 이들의 조합물들로 구성된 군에서 선택된 탄화수소를 포함할 수도 있다. 촉매 (도 2 에 미도시) 가 반응기 (10) 에 존재할 수도 있다. 산소 함유 가스가 반응기 (10) 로 공급될 수도 있다. 예를 들어, 공기는 공기 압축기 (도 2 에 미도시) 에 의해 압축되어 반응기 (10) 로 공급될 수도 있다.

아크릴로니트릴은 반응기 (10) 에서 촉매의 존재 하에 탄화수소, 암모니아 및 산소의 반응으로부터 반응기 (10) 에서 생성된다. 반응기 (10) 는 반응기 또는 제 1 압력 (P1) 에서 가동될 수도 있고, 제 1 압력은 사이클론 (22) 의 제 1-스테이지 입구와 같은 입구 (17) 에서 압력으로 특징지을 수도 있다. 본 개시에 따르면, 사이클론 (22) 은 아크릴로니트릴을 포함하는 스트림을 플러넘 (도 1 에 미도시) 으로 운반하도록 구성될 수도 있는 멀티-스테이지 사이클론 시스템의 제 1 사이클론일 수도 있다. 아크릴로니트릴을 포함하는 스트림은 반응기 유출물 스트림 (4) 으로서 플러넘에서 반응기 (10) 의 상단 부분 밖으로 나갈 수도 있다. 일 양태에서, 사이클론 (22) 은 입구 (17) 로 진입한 아크릴로니트릴을 포함하는 스트림에 비말동반될 수도 있는 촉매를 분리하고 촉매 복귀 딥 레그 (도 1 에 미도시) 를 통하여 반응기 (10) 에서 촉매층으로 분리된 촉매를 다시 복귀시키도록 구성될 수도 있다. 반응기 (10) 에서 생성된 아크릴로니트릴을 포함하는 반응기 유출물 스트림 (4) 은 라인 (11) 을 통하여 퀀칭 용기 (20) 로 운반될 수도 있다. 이 양태에서, 제 1 압력은 약 140 ㎪ 이하, 다른 양태에서 약 135 ㎪ 이하, 다른 양태에서 약 130 ㎪ 이하, 다른 양태에서 약 125 ㎪ 이하, 다른 양태에서, 약 101 ㎪ ~ 약 140 ㎪, 다른 양태에서, 약 110 ㎪ ~ 약 1400 ㎪, 다른 양태에서, 약 125 ㎪ ~ 약 145 ㎪, 다른 양태에서, 약 120 ㎪ ~ 약 140 ㎪, 다른 양태에서, 약 130 ㎪ ~ 약 140 ㎪, 다른 양태에서, 약 125 ㎪ ~ 약 140 ㎪, 다른 양태에서, 약 125 ㎪ ~ 약 135 ㎪, 다른 양태에서, 약 120 ㎪ ~ 약 137 ㎪, 다른 양태에서, 약 115 ㎪ ~ 약 125 ㎪ 이다.

퀀칭 용기 (20) 에서, 반응기 유출물 스트림 (4) 은 라인 (12) 을 통하여 퀀칭 용기 (20) 로 진입한 퀀칭 수성 스트림 (5) 과 접촉에 의해 냉각될 수도 있다. 퀀칭 수성 스트림 (5) 은 물 이외에 산을 포함할 수도 있다. (아세토니트릴, 시안화수소 및 불순물과 같은 부산물들을 포함한) 아크릴로니트릴을 포함하는 냉각된 반응기 유출물은 그 후 라인 (13) 을 통하여 유출물 압축기 (30) 에 퀀칭된 스트림 (6) 으로서 운반될 수도 있다.

퀀칭된 스트림 (6) 은 유출물 압축기 (30) 에 의해 압축될 수도 있고, 압축기 유출물 스트림 (7) 으로서 유출물 압축기 (30) 에서 나갈 수도 있다. 압축기 유출물 스트림 (7) 은 제 2 또는 압축된 압력 (P2) 을 가질 수도 있다. 압축기 유출물 스트림 (7) 은 라인 (14) 을 통하여 흡수기 (40) 의 하부로 운반될 수도 있다. 흡수기 (40) 에서, 아크릴로니트릴은 라인 (15) 을 통하여 흡수기 (40) 의 상부로 진입한 제 2 또는 흡수기 수성 스트림 (8) 에 흡수될 수도 있다. 아크릴로니트릴 및 기타 부산물들을 포함한 수성 스트림 또는 풍부수 (rich water) 스트림 (18) 은 그 후 추가 생성물 정제를 위해 흡수기 (40) 로부터 라인 (19) 을 통하여 회수탑 (도 2 에 미도시) 으로 수송될 수도 있다.

흡수되지 않은 유출물 (9) 은 흡수탑 (40) 의 상단으로부터 파이프 (16) 를 통하여 나간다. 흡수되지 않은 유출물 (9) 은, 흡수기 오프가스 소각로 (AOGI) 또는 흡수기 오프가스 산화기 (AOGO) 에서 연소될 수 있는 오프가스들을 포함할 수도 있다.

일 양태에서, 유출물 압축기 (30) 는 라인 (13) 을 통하여 퀀칭된 스트림 (6) 을 끌어당김으로써 기능한다. 유출물 압축기 (30) 는, 반응기 압력 (제 1 압력) 보다 더 높은 압력 (제 2 압력) 을 가지는 압축된 유출물 압축기 스트림 (7) 으로서 유출물 압축기 (30) 에서 나가도록 퀀칭된 스트림 (6) 을 압축할 수도 있다. 일 양태에서, 압축된 유출물 압축기 스트림 (7) 의 라인 (14) 에서 압력은 반응기 (10) 의 작동 압력보다 약 2 ~ 약 11.5 배, 다른 양태에서, 약 2 ~ 약 12.5 배, 다른 양태에서, 약 2.5 ~ 약 10, 다른 양태에서, 약 2.5 ~ 약 8, 다른 양태에서, 약 2.5 ~ 약 5, 다른 양태에서, 약 2.5 ~ 약 4, 다른 양태에서, 약 2.5 ~ 약 3.2, 다른 양태에서, 약 2 ~ 약 3.5, 다른 양태에서, 약 2 ~ 약 3, 다른 양태에서, 약 3 ~ 약 11.25, 다른 양태에서, 약 5 ~ 약 11.25, 다른 양태에서, 약 7 ~ 약 11.25 배 더 크다 (전부 절대 비교를 기반으로 함). 일 양태에서, 제 2 압력 (절대) 은 약 300 ~ 약 500 ㎪, 다른 양태에서, 약 340 ㎪ ~ 약 415 ㎪, 다른 양태에서, 약 350 ㎪ ~ 약 400 ㎪, 다른 양태에서, 약 250 ㎪ ~ 약 500 ㎪, 다른 양태에서, 약 200 ㎪ ~ 약 400 ㎪, 다른 양태에서, 약 250 ㎪ ~ 약 350 ㎪, 다른 양태에서, 약 300 ㎪ ~ 약 450 ㎪, 다른 양태에서, 약 360 ㎪ ~ 약 380 ㎪ 이다.

일 양태에서, 제 2 압력은, 수성 스트림 (8) 이 비냉각 또는 비냉장되고 그리고/또는 4 ~ 약 45 ℃ 일 때 발생된 약 15 ~ 약 20 ㎏/㎏ 의 아크릴로니트릴 최종 생성물의 수성 스트림 (8) 의 유량으로 흡수기가 작동될 수 있도록 되어 있고 흡수기 풍부수 스트림은 약 5 중량% 이상의 유기물, 다른 양태에서, 약 6 중량% 이상의 유기물, 다른 양태에서, 약 7 중량% 이상의 유기물을 함유한다. 다른 양태에서, 수성 스트림 (8) 의 유량은 약 15 ~ 약 19 kg/kg 의 아크릴로니트릴, 다른 양태에서, 약 15 ~ 약 18 kg/kg 의 아크릴로니트릴, 다른 양태에서, 약 16 ~ 약 18 ㎏/㎏ 의 아크릴로니트릴일 수도 있다. 다른 양태에서, 비냉각 또는 비냉장된 수성 스트림은 약 20 ~ 약 45 ℃, 다른 양태에서, 약 25 ~ 약 40 ℃, 다른 양태에서, 약 25 ~ 약 35 ℃, 다른 양태에서, 약 25 ~ 약 30 ℃ 이다.

냉각 시스템 (도 2 에 미도시) 은 압축기 (30) 에 또는 그 하류에 위치될 수도 있고, 냉각 시스템은 흡수기 (40) 로 진입하기 전 압축된 유출물 압축기 스트림 (7) 을 미리 정해진 온도, 예컨대, 약 105 ℉ (약 40.5 ℃) 로 냉각하도록 구성된다.

일 양태에서, 흡수기 (40) 는 사십 내지 육십 (40 ~ 60) 개의 트레이들을 포함할 수도 있다. 일 양태에서, 흡수기 (40) 는 오십 (50) 개의 트레이들을 포함할 수도 있다. 압축된 유출물 압축기 스트림 (7) 은 흡수기의 바닥 트레이 아래에서 흡수기 (40) 로 진입할 수도 있다. 일 양태에서, 흡수기 (40) 는 제로 양의 냉장된 물을 포함한 제 2 수성 스트림 (8) 에서 가변 유량들의 냉장된 물로 작동될 수도 있다.

일 양태에서, 흡수기 (40) 는 종래의 프로세스에서 흡수기 내 압력보다 높은 압력으로 작동될 수도 있다. 이런 더 높은 압력에서 흡수기 (40) 를 작동시킴으로써, 흡수기는 종래의 프로세스에서 흡수기보다 더 효율적으로 작동될 수도 있다. 본 개시의 프로세스에서 달성된 더 높은 흡수기 효율성 때문에, 풍부수 스트림 (18) 에서 아크릴로니트릴의 동일한 회수가 종래의 프로세스에서처럼 달성될 수도 있지만, 흡수기에서 아크릴로니트릴을 흡수하는데 더 적은 물이 요구된다. 이 양태에서, 풍부수는 약 5 중량% 이상의 유기물, 다른 양태에서, 약 6 중량% 이상의 유기물, 다른 양태에서, 약 7 중량% 이상의 유기물을 갖는 물을 지칭한다. 일 양태에서, 흡수기에서 아크릴로니트릴을 흡수하는데 사용된 물은 프로세스 또는 도시 용수 (예컨대, 약 4 ~ 45 ℃ 의 온도를 가짐) 일 수도 있다. 이 양태에서, 프로세스 또는 도시 용수는 약 95 중량% 초과의 물, 다른 양태에서, 약 97 중량% 이상의 물, 다른 양태에서, 약 99 중량% 이상의 물, 다른 양태에서, 약 99.9 중량% 이상의 물이다. 일 양태에서, 제 2 수성 스트림 (8) 의 온도는 약 4 ~ 약 45 ℃, 다른 양태에서, 약 10 ~ 약 43 ℃, 다른 양태에서, 약 27 ~ 약 32 ℃ 의 범위에 있을 수도 있다.

고급 프로세스 제어

고급 프로세스 제어 (APC) 로도 알려진 모델 예측 제어 (MPC) 는 미래의 프로세스 거동을 예측하기 위해서 프로세스 모델을 사용하고, 그 후 원하는 타겟으로부터 프로세스 편차에 대항하도록 최적화된 제어 작용을 구현한다. 프로세스 제어와 함께, MPC 는 또한 핵심 프로세스 변수들을 이동시킴으로써 프로세스를 가장 "경제적인" 조건을 향하도록 한다. 본 프로세스의 일 양태는 반응기 온도 및 선 속도를 제어하도록 MPC 를 포함한다. 프로세스는 코일 변화 중 최소 편차들을 갖는 일정한 반응기 온도 및 반응기에 대해 가능한 최대 선 속도를 달성하도록 MPC 를 사용하는 것을 포함한다.

본원에 사용된 대로, 용어 "조작 변수" 는 고급 프로세스 제어기에 의해 조절되는 변수들을 지칭한다. 용어 "제어 변수들" 은 고급 프로세스 제어기에 의해 미리 정해진 값 (설정점) 에서 또는 미리 정해진 범위 (설정 범위) 내에서 유지되는 변수를 지칭한다. "변수 최적화" 는 변수를 최대화하거나 최소화하고 변수를 미리 정해진 값으로 유지하는 것을 지칭한다.

모델 예측 제어의 일 양태는, 모델 및 제어 변수들의 이용 가능한 측정들을 사용해 미래 프로세스 거동을 예측하는 것이다. 제어기 출력들은 예측된 오류들 및 계산된 미래 제어 움직임들의 일차 또는 이차 함수인 성능 지수를 최적화하도록 계산된다. 각각의 샘플링 순간에, 제어 계산들이 반복되고 현재 측정들을 기반으로 예측들이 업데이트된다. 이 양태에서, 적합한 모델은 제어 변수들에 대한 조작 변수의 계단식 응답 영향들을 표현한 경험적 계단식 응답 모델들 세트를 포함한 것이다.

최적화될 파라미터를 위한 최적값은 별도의 최적화 단계로부터 구할 수 있고, 또는 최적화될 변수는 성능 함수에 포함될 수 있다.

모델 예측 제어가 적용될 수 있기 전, 최적화될 변수 및 제어 변수들에 대한 조작 변수들의 단계적 변화 영향을 먼저 결정한다. 이것은 계단식 응답 계수들 세트를 유발한다. 이런 계단식 응답 계수들 세트는 프로세스의 모델 예측 제어의 기준을 형성한다.

정상 작동 중, 제어 변수들의 예측된 값들은 다수의 미래 제어 움직임들에 대해 정기적으로 계산된다. 이런 미래 제어 움직임들에 대해 성능 지수가 계산된다. 성능 지수는 2 개의 항들을 포함하고, 제 1 항은 각각의 제어 움직임에 대한 예측된 오류의 미래 제어 움직임들에 대한 합을 나타내고 제 2 항은 각각의 제어 움직임에 대한 조작 변수들 변화의 미래 제어 움직임들에 대한 합을 나타낸다. 각각의 제어 변수에 대해, 예측된 오류는 제어 변수의 예측된 값과 제어 변수의 기준 값 사이 차이이다. 예측된 오류들을 가중치 인자로 곱하고, 제어 움직임에 대한 조작 변수들의 변화들을 움직임 억제 인자로 곱한다. 여기에서 검토된 성능 지수는 일차이다.

대안적으로, 항들은 자승 항들의 합일 수도 있고, 이 경우에 성능 지수는 이차이다. 더욱이, 조작 변수들, 조작 변수들의 변화들 및 제어 변수들에 제약들이 설정될 수 있다. 이것은 성능 지수의 최소화와 동시에 풀리는 별도의 방정식 세트를 유발한다.

최적화는 두 가지 방식으로 실행될 수 있고; 한 가지 방식은 성능 지수를 최소화를 제외하고 별도로 최적화하는 것이고, 두 번째 방식은 성능 지수 내에서 최적화하는 것이다.

최적화가 별도로 실행될 때, 최적화될 변수들은 각각의 제어 움직임에 대한 예측된 오류에서 제어 변수들로서 포함되고 최적화가 제어 변수들에 대해 기준값을 제공한다.

대안적으로, 최적화는 성능 지수 계산 내에서 실행되고, 이것은 적절한 가중치 인자를 갖는 성능 지수에서 제 3 항을 제공한다. 이 경우에, 제어 변수들의 기준값들은 일정하게 유지되는 미리 정해진 정상 상태 값들이다.

성능 지수는 미래 제어 움직임들에 대한 조작 변수들의 값들을 제공하기 위해서 제약들을 고려해 최소화된다. 하지만, 단지 다음 제어 움직임만 실행된다. 그 후, 미래 제어 움직임들에 대한 성능 지수의 계산이 다시 시작된다.

모델 예측 제어에 요구되는 방정식들 및 계단식 응답 계수들을 갖는 모델들은 액화 프로세스를 제어하기 위해서 실행되는 컴퓨터 프로그램의 부분이다. 모델 예측 제어를 취급할 수 있는 이러한 프로그램을 로딩한 컴퓨터 프로그램은 고급 프로세스 제어기로 불린다. 이용될 수도 있는 상업적으로 입수 가능한 컴퓨터 프로그램들은, 예를 들어, Aspen Technology 에 의한 DMCplus^® 및 Emerson 에 의한 PredictPro^® 을 포함한다.

여기에 개시된 본 발명은 특정 실시형태들, 실시예들 및 그것의 응용예들에 의해 설명되었지만, 청구 범위에 기재된 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서 본 기술분야의 당업자들에 의해 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있다.

Claims (35)

1. 암모산화 프로세스로서,
   반응물 스트림의 유동을 암모산화 반응기 내로 도입하는 단계로서, 상기 반응물 스트림은 암모니아, 산소 함유 가스, 탄화수소 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 상기 탄화수소는 프로판, 프로필렌, 이소부텐 및 이소부틸렌으로 구성된 군에서 선택되는, 상기 반응물 스트림의 유동을 암모산화 반응기 내로 도입하는 단계;
   350 ℃ ~ 480 ℃ 의 반응기 작동 온도를 제공하도록 상기 암모산화 반응기 내에 배치된 과열 코일들에 과열된 스팀을 제공하는 단계로서,
   반응기 온도 편차들은 상기 과열 코일들의 열 전달 면적의 변화 중 10 ℃ 이하로 유지되는, 상기 과열된 스팀을 제공하는 단계; 및
   반응기 유출물을 흡수기로 운반하는 단계로서, 상기 흡수기는 35 psig ~ 40 psig 의 압력을 가지는, 상기 반응기 유출물을 흡수기로 운반하는 단계를 포함하고,
   상기 반응기에 부가된 산소의 양 및 스팀 온도는 공탑 (superficial) 반응기 선 속도를 0.5 m/s 내지 1.5 m/s 에서 유지하도록 제어되고,
   반응기 단면적당 총 가용 과열 코일 면적 (ft²/ft²) 은 1 ~ 7 인, 암모산화 프로세스.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 공탑 반응기 선 속도는 0.7 m/s 내지 1.0 m/s 에서 유지되는, 암모산화 프로세스.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 공탑 반응기 선 속도는 0.75 m/s 내지 0.80 m/s 에서 유지되는, 암모산화 프로세스.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 과열된 스팀은 355 ℃ ~ 400 ℃ 의 온도로 제공되는, 암모산화 프로세스.
5. 제 1 항에 있어서,
   반응기 상단 압력은 3.8 psig ~ 5.0 psig 로 유지되는, 암모산화 프로세스.
6. 제 1 항에 있어서,
   생성된 아크릴로니트릴의 미터 톤당 상기 과열 코일들에 의해 제거된 열 (㎉) 당 과열 코일 면적 (ft²) 은 275,000 ~ 475,000 인, 암모산화 프로세스.
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 반응물 스트림은 프로필렌을 포함하는, 암모산화 프로세스.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 암모산화 반응기로의 프로필렌의 유량은 2 ~ 2.1 의 산소 대 프로필렌의 비 및 1 ~ 1.5 의 암모니아 대 프로필렌의 비를 제공하기에 효과적인, 암모산화 프로세스.
9. 암모산화 프로세스로서,
   반응물 스트림의 유동을 암모산화 반응기 내로 도입하는 단계로서, 상기 반응물 스트림은 암모니아, 산소 함유 가스, 탄화수소 또는 이들의 혼합물을 포함하고, 상기 탄화수소는 프로판, 프로필렌, 이소부텐 및 이소부틸렌으로 구성된 군에서 선택되는, 상기 반응물 스트림의 유동을 암모산화 반응기 내로 도입하는 단계;
   350 ℃ ~ 480 ℃ 의 반응기 작동 온도를 제공하도록 상기 암모산화 반응기 내에 배치된 과열 코일들에 과열된 스팀을 제공하는 단계로서, 반응기 온도 편차들은 상기 과열 코일들의 열 전달 면적의 변화 중 반응기 온도의 98% 이내로 유지되는, 상기 과열된 스팀을 제공하는 단계; 및
   반응기 유출물을 흡수기로 운반하는 단계로서, 상기 흡수기는 35 psig ~ 40 psig 의 압력을 가지는, 상기 반응기 유출물을 흡수기로 운반하는 단계를 포함하고,
   상기 반응기에 부가된 산소의 양 및 스팀 온도가 제어되고 공탑 반응기 선 속도는 0.5 m/s 내지 1.5 m/s 의 타겟 공탑 반응기 선 속도의 95% 이내 그리고 타겟 반응기 온도의 95% 이내로 유지되고,
   반응기 단면적당 총 가용 과열 코일 면적 (ft²/ft²) 은 1 ~ 7 인, 암모산화 프로세스.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 공탑 반응기 선 속도는 상기 타겟 공탑 반응기 선 속도의 98% 이내로 유지되는, 암모산화 프로세스.
11. 삭제
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 과열된 스팀은 355 ℃ ~ 400 ℃ 의 온도로 제공되는, 암모산화 프로세스.
13. 제 9 항에 있어서,
    반응기 압력은 3.8 psig ~ 5.0 psig 로 유지되는, 암모산화 프로세스.
14. 제 9 항에 있어서,
    생성된 아크릴로니트릴의 미터 톤당 상기 과열 코일들에 의해 제거된 열 (㎉) 당 과열 코일 면적 (ft²) 은 275,000 ~ 475,000 인, 암모산화 프로세스.
15. 제 9 항에 있어서,
    상기 반응물 스트림은 프로필렌을 포함하는, 암모산화 프로세스.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 암모산화 반응기로의 프로필렌의 유량은 2 ~ 2.1 의 산소 대 프로필렌의 비 및 1 ~ 1.5 의 암모니아 대 프로필렌의 비를 제공하기에 효과적인, 암모산화 프로세스.
17. 암모산화 프로세스로서,
    반응물 스트림의 유동을 암모산화 반응기 내로 도입하는 단계로서, 상기 반응물 스트림은 암모니아, 탄화수소, 산소 함유 가스 또는 이들의 혼합물들을 포함하고, 상기 탄화수소는 프로판, 프로필렌, 이소부텐 및 이소부틸렌으로 구성된 군에서 선택되는, 상기 반응물 스트림의 유동을 암모산화 반응기 내로 도입하는 단계; 및
    상기 암모산화 반응기 내에 배치된 과열 코일들에 과열된 스팀을 제공하는 단계로서, 반응기 온도 편차들은 상기 과열 코일들의 열 전달 면적의 변화 중 10 ℃ 이하로 유지되는, 상기 과열된 스팀을 제공하는 단계; 및
    반응기 유출물을 흡수기로 운반하는 단계로서, 상기 흡수기는 35 psig ~ 40 psig 의 압력을 가지는, 상기 반응기 유출물을 흡수기로 운반하는 단계를 포함하고,
    상기 프로세스는 제어 변수들의 적어도 일 세트를 제어하면서 파라미터들의 적어도 일 세트를 최적화하기 위해서 조작 변수들에 대한 동시 제어 작용들을 결정하도록 모델 예측 제어를 기반으로 공탑 반응기 선 속도 및 반응기 작동 온도를 제어하는 단계를 포함하고,
    조작 변수들의 세트는 과열된 스팀 온도, 흡수기 압력 및 흡수기로의 희박수 (lean water) 의 양을 포함하고, 제어 변수의 세트는 반응기 선 속도 및 반응기 온도를 포함하고,
    상기 프로세스는 0.5 m/s ~ 1.5 m/s 의 공탑 반응기 선 속도를 제공하는, 암모산화 프로세스.
18. 제 17 항에 있어서,
    상기 프로세스는 0.7 m/s ~ 1.0 m/s 의 반응기 선 속도를 제공하는, 암모산화 프로세스.
19. 제 18 항에 있어서,
    상기 프로세스는 0.75 m/s ~ 0.80 m/s 의 반응기 선 속도를 제공하는, 암모산화 프로세스.
20. 제 17 항에 있어서,
    반응기 압력은 3.8 psig ~ 5.0 psig 로 유지되는, 암모산화 프로세스.
21. 제 17 항에 있어서,
    반응기 온도 편차들은 상기 과열 코일들의 열 전달 면적의 변화 중 5 ℃ 이하로 유지되는, 암모산화 프로세스.
22. 제 17 항에 있어서,
    상기 과열된 스팀은 355 ℃ ~ 400 ℃ 의 온도를 가지는, 암모산화 프로세스.
23. 제 17 항에 있어서,
    상기 암모산화 반응기로의 프로필렌의 유량은 2 ~ 2.1 의 산소 대 프로필렌의 비 및 1 ~ 1.5 의 암모니아 대 프로필렌의 비를 제공하기에 효과적인, 암모산화 프로세스.
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