KR102514664B1 - 방사상 반응기를 위한 가스 유체용 수집기 조립체 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 방사상 반응기의 이동 촉매 층에 의해 반응 섹션에서 처리되는데 적합한 가스 유체를 위한 수집기 조립체(8)에 관한 것이며, 상기 수집기 조립체는 가스가 투과할 수 있고 촉매 미립자가 투과할 수 없는 수직한 원통형 스크린(9), 및 상기 스크린(9)에 의해 지지되고 상기 스크린에 대해 동심 방식으로 배치되는 수직한 원통형 튜브(10)를 포함하며, 튜브(10)는 복수의 관통 구멍을 포함하는, 가스 유체가 투과 가능한 하나 이상의 구역(17a,17b) 및 투과 가능한 구역에 비해서 가스 유체에 대해 "감소된 투과성"을 갖는 복수의 구역(18a,18b,18c,18d)을 포함하며, 감소된 투과성을 갖는 각각의 구역은 0 내지 0.005 범위인, 상기 구역의 투과 가능한 전체 표면적과 상기 구역의 전개된 전체 표면적 사이의 비율로서 정의되는 기공도를 가진다.

Description

방사상 반응기를 위한 가스 유체용 수집기 조립체 {COLLECTOR ASSEMBLY FOR A GASEOUS FLUID FOR A RADIAL REACTOR}
본 발명은 용기의 주변부로부터 중심 쪽으로 또는 용기의 중심으로부터 주변부 쪽으로 지향되는 반경 방향들에 대응하는 한 세트의 방향으로 촉매 층을 통과하는 유동을 포함하는, 공급물의 반경 방향 운동을 갖는 이동 층(moving bed) 유닛을 위한 가스 유체용 수집기 조립체에 관한 것이다. 본 발명은 또한, 가스 반응 유출물용 수집기 조립체를 포함하는 방사상 층 반응기에 관한 것이다. 마직막으로, 본 발명은 방사상 층 반응기를 사용하여 탄화수소 공급물을 촉매 변환하기 위한 공정에 관한 것이다.
이러한 형태의 반경류(radial flow)를 위한 가장 대표적인 유닛은 80℃ 내지 250℃ 범위의 증류 간격을 갖는 것으로서 정의될 수 있는 가솔린 형태의 탄화수소 컷(hydrocarbon cut)의 재생 개질(regenerative reforming)을 위한 것이다. 그러나, 본 발명의 적용 분야는 더 광범위하며 가솔린의 촉매 개질 이외에도, 예를 들어 다양한 C4, C5 올레핀 컷의 골격 이성질화(skeletal isomerization) 또는 실제로 프로필렌의 제조를 위한 복분해 공정이 또한 거론될 수 있다. 이러한 공정 목록은 배타적이지 않으며, 본 발명은 반경류와 가스 공급물을 갖는 임의의 형태의 촉매 공정에 적용될 수 있다. 따라서, 새로운 에너지 기술의 맥락에서, 예를 들어 알콜 대 알켄 공정이 이러한 형태의 기술을 사용할 수 있다.
재생 개질을 포함하는 이러한 방사상 층 유닛 중의 어떠한 것은 이동 층으로서 공지된 촉매 유동, 즉 반응기의 벽과 가스가 투과할 수 있고 촉매 입자가 투과할 수 없는, 반응 유출물을 회수하는 수집 도관(또는 중앙 수집기)에 대응하는 반응기의 내부 벽에 의해 범위가 결정되는 환형 공간 내에 국한된 촉매 미립자(또는 촉매 층)의 저속 중력 유동을 사용한다.
대안으로, 이동 촉매 층은 "외부(outer)" 스크린으로 지칭되는 스크린과 바람직하게 동심의 방식으로 배치되는 수집 도관 사이에 형성되는 일반적으로 환형인 공간 내에 국한될 수 있다. "외부" 스크린은 스캘럽(scallop) 형태의 스크린 소자들의 조립체에 의해 구성될 수 있다. 가스 공급물은 일반적으로 환형 층의 외부 주변부를 통해서 유입되고 촉매 층의 유동의 수직 방향에 실질적으로 직각인 방식으로 촉매 층을 통과한다. 반응 유출물은 그 후에 수집 도관(또는 수집기)에서 회수된다.
그러나, 이러한 형태의 반응기의 사용은 공급물 유속의 면에서 제한적이다. 실제로, 너무 높은 공급물 유속은 중앙 수집기에 대해 촉매가 달라붙는 현상("피닝(pinning)"으로서 공지됨)을 유도할 것이다. 촉매 층의 외측 주변부로부터 촉매 입자에 대해 중심 쪽으로 반경 방향으로 이동하는 공급물에 의해 가해지는 힘은 촉매 입자를 중앙 수집기의 벽에 대해 고정시켜서, 그 후에 벽을 따르는 입자의 미끄럼을 방해하는 마찰 하중을 증가시킨다. 공급물의 유속이 충분히 높으면, 발생한 마찰력이 촉매 층의 중량을 지지하는데 충분하며 따라서, 촉매 입자의 중력 유동은 적어도 중앙 수집기의 벽에 인접한 특정 영역에서 중지한다. 이들 영역에서, 촉매 입자는 그 후에 가스의 유동에 의해 고정되어 수집기의 벽에 대해 움직이지 않게 된다. 촉매 입자의 부동화 현상은 촉매 반응기, 예를 들어 탄화수소 공급물의 촉매 개질을 위한 반응기에서 가능한 한 많이 피해야 하는데, 이는 촉매 불활성화 반응(예를 들어, 코오킹(coking))을 선호하여 긍극적으로 반응기가 계속해서 적절하게 반응하는 것을 방지하기 때문이다. 잠재적으로, 촉매 덩어리가 도관을 따라 너무 두꺼워질 때, 그러면 처리될 가스의 유속을 감소시키거나 심지어 상기 도관을 청소하기 위해서 유닛을 정지시킬 필요가 있다.
게다가, 압력 강하가 중앙 수집기의 전체 높이에 걸쳐서 일정하지 않을 때, 이는 그 후에 가스 유체에 의해 사용되는 반응 섹션에 우선적인 경로("채널링(channelling)"으로서 공지됨)를 발생시킨다. 가스 유체의 유동 방향에 따라서, 이러한 우선적인 경로가 반응 섹션의 상부 또는 하부 부분에 위치될 수 있으며 반응 섹션에서 가스 유체와 촉매 사이의 접촉 시간의 불일치를 발생시키며, 이는 촉매 반응의 변환 수율 및/또는 선택도를 감소시키는 근원일 수 있다.
따라서, 공급물의 균일한 분배의 문제에 있어서 촉매 층의 전체 높이에 걸쳐서 촉매 층과 수집기 튜브 사이의 압력 강하를 가능한 한 균형잡는 것이 바람직하다. 사용된 하나의 방법은 촉매 층에서 가스 유체의 경로를 따라서 가스 유체가 겪는 것보다 훨씬 더 높은 압력 강하를 생성하는, 중앙 수집기 전체에 균일한 방식으로 천공된 튜브를 추가하는 것으로 구성된다.
본 발명의 하나의 목적은 상기 반응기에 사용될 때, 피닝 현상에 덜 노출되며 불일치를 제한하고 따라서 촉매 층에서 가스 유체를 위한 우선적인 경로의 형성 위험을 감소시키는 방식으로 압력 강하가 제어될 수 있는 방사상 반응기용 가스 유체를 수집하기 위한 장치를 제공하고자 하는 것이다.
따라서, 본 발명은 방사상 반응기의 이동 촉매 층과 함께 반응 섹션에 배치될 수 있는 가스 유체를 위한 수집기 조립체에 관한 것이며, 상기 수집기 조립체는 가스 유체가 투과할 수 있고 촉매 미립자가 투과할 수 없는 수직한 원통형 스크린, 및 상기 스크린에 의해 지지되고 상기 스크린에 대해 동심 방식으로 배치되는 수직한 원통형 튜브를 포함한다. 가스 유체가 투과할 수 있고 촉매 미립자가 투과할 수 없는 튜브는 복수의 관통 구멍을 포함하는, 가스 유체가 투과 가능한 하나 이상의 구역 및 가스 유체가 투과 가능한 구역에 비해서 가스 유체에 대해 감소된 투과성을 갖는 복수의 구역을 포함한다. 감소된 투과성을 갖는 각각의 구역은 투과 가능하다고 하는 구역의 기공도(porosity)보다 더 적은 기공도를 가진다. 구역의 기공도는 상기 구역의 투과 가능한 전체 표면적과 상기 구역의 전개된 전체 표면적 사이의 비율에 의해 정의된다. 본 발명에 따라서, 감소된 투과성을 갖는 구역의 기공도는 0 내지 0.005 범위이며, "감소된 투과성을 갖는 구역"은 투과 가능한 구역 또는 구역들의 관통 구멍들 사이에 포함되는 임의의 공간을 제외하는 것으로 이해된다.
본 출원인은 수집기 조립체를 형성하기 위해서 스크린과 밀착-결합되는 감소된 투과성을 갖는 하나 이상의 구역을 갖춘 천공 튜브를 사용하는 것이 상기 스크린에서 압력 강하를 제어할 수 있음을 의미한다는 것을 확립하였다. 원통형 튜브의 기공도를 조정함으로써, 수집기 스크린의 높이 전체에 걸쳐서 상이한 압력 강하를 발생하고 따라서 이러한 높이의 함수로서 압력 강하를 적응시키는 것이 따라서 가능하다.
놀랍게도, 본 출원인은 또한 튜브에 형성되는 가스 유체에 대한 감소된 투과성을 갖는 구역의 존재는 스크린에 대한 촉매의 피닝이 밀착-결합된 튜브가 없는 간단한 스크린에 비해서 감소될 수 있음을 의미한다는 것을 확립하였다. 따라서 본 발명의 수집기 조립체는 설계로 인해 깨지기 쉬운 복합한 부분인 스크린에 대한 수정의 필요성 없이 두 개의 문제점을 해결하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 맥락에서, 수집기 조립체는 가스 공급물의 반경 방향 운동, 즉 촉매가 연속적으로 또는 불연속적으로 반응 구역 내측으로 유입되거나 연속적으로 또는 불연속적으로 반응기로부터 유출되는 반경 방향 운동을 갖는 이동 촉매 층 반응기에의 사용에 적합하다.
본 발명에 따라서, "감소된 투과성"을 갖는 구역의 전개된 전체 표면적은 일반적으로 튜브의 전개된 전체 표면적의 1% 내지 30%이다.
특정 실시예에 따라서, 스크린과 튜브의 단면은 적어도 3개의 변을 갖는 형상인 다각형이며, 이는 스크린과 튜브 단면에서의 변의 수가 동일하다는 것으로 이해된다.
특정 실시예에 따라서, 감소된 투과성을 갖는 구역의 기공도는 예컨대, 중실형(solid) 구역을 형성하는 방식인 0과 동일하며, 이는 중실형 구역이 투과 가능한 구역의 관통 구멍들 사이에 포함되는 임의의 중실형 공간을 제외하는 것으로 이해된다.
다른 실시예에 따라서, 감소된 투과성을 갖는 구역의 기공도는 0이 아니며 상기 구역은 관통 구멍을 포함한다.
바람직하게, 감소된 투과성을 갖는 구역의 관통 구멍은 가스 유체가 투과 가능한 구역의 관통 구멍들 사이의 피치보다 더 큰 피치만큼 서로부터 이격된다.
다른 실시예에 따라서, 감소된 투과성을 갖는 구역의 관통 구멍의 표면적은 가스 유체가 투과 가능한 구역의 관통 구멍의 표면적보다 더 적다.
감소된 투과성을 갖는 구역을 갖는 구역은 연장될 수 있어서 수평에 대해 0°내지 90°범위의 각도(α)를 형성한다.
바람직한 실시예에서, 수집기 조립체의 스크린은 서로로부터 이격되고 복수의 수평 지지 링에 부착되는 복수의 수직 와이어에 의해 형성되며, 원통형 튜브는 수평 지지 링에 부착된다.
본 발명의 수집기 조립체는 원통형 튜브가 상기 스크린에 의해 범위가 결정되는 내부 공간에 배치되고 상기 스크린에 대해 동심인 구성을 가질 수 있다.
대안으로, 본 발명의 수집기 조립체는 스크린이 원통형 튜브에 의해 범위가 결정되는 내부 공간에 배치되고 원통형 튜브에 대해 동심인 방식으로 구성된다.
다른 양태에서, 본 발명은 가스 유체의 반경 방향 운동을 갖는 반응기에 관한 것으로서,
- 주 수직 축선을 따라 연장하는 용기를 형성하고 촉매 미립자 층을 포함하는 외부 외피;
- 공급물을 위한 적어도 하나의 입구 수단;
- 촉매 반응에 의해 생성된 유출물을 위한 적어도 하나의 출구 수단;
- 촉매를 반응 구역으로 유입하기 위한, 촉매를 위한 적어도 하나의 입구 수단;
- 반응 구역으로 개방된, 촉매를 위한 적어도 하나의 출구 수단; 및
- 유출물 출구 수단과 연통되는 본 발명에 따른 수집기 조립체를 포함하며; 상기 수집기 조립체의 스크린이 촉매 층의 촉매 미립자와 접촉한다.
일 실시예에 따라서, 반응기는, 외피와 원통형 가스 유체 분배 스크린 사이에 포함되는 환형 분배 구역, 원통형 가스 유체 분배 스크린과 수집기 조립체 사이에 포함되는 환형 촉매 구역, 및 수집기 조립체에 의해 범위가 결정되는 수집기 공간을 형성하도록 외부 외피와 수집기 조립체 사이에 배치되는, 촉매가 투과할 수 없는 가스 유체의 분배를 위한 원통형 스크린을 더 포함한다.
대안으로, 본 발명에 따른 반응기는 가스 유체 분배 스크린을 포함하지 않으나, 분배 박스에 연결되고 용기와 수집기 조립체에 의해 범위가 결정되는 환형 촉매 구역 내측에 담겨지는 복수의 가스 유체 분배 튜브를 포함한다.
대체 실시예에 따라서, 반응기는 촉매가 투과될 수 없는 원통형 가스 유체 분배 스크린을 더 포함하며, 수집기 조립체가 외피와 수집기 조립체 사이에 포함되는 외부 환형 수집기 구역, 원통형 가스 유체 분배 스크린과 수집기 조립체 사이에 포함되는 환형 촉매 구역, 및 원통형 가스 유체 분배 스크린에 의해 범위가 결정되는 분배 공간을 형성하는 방식으로 외피와 원통형 가스 유체 분배 스크린 사이에 배치된다.
마지막으로, 본 발명은 또한 본 발명에 따른 반응기를 사용하여 탄화수소 공급물을 촉매 변환하기 위한 공정에 관한 것으로서,
- 가스 형태의 탄화수소 공급물이 반응기 내에 포함된 촉매 층에 연속적으로 공급되며,
- 상기 촉매 층을 반경 방향으로 통과하는 탄화수소 공급물이 가스 유출물을 생성하는 방식으로 촉매와 접촉하게 되며,
- 상기 유출물이 수집기 조립체를 통과한 이후에 상기 유출물이 유출된다.
사용된 촉매 층은 이동 층이며, 따라서 촉매는 연속적으로 또는 불연속적으로 반응 구역으로 보내지며 상기 반응기로부터 연속적으로 또는 불연속적으로 유출된다.
본 발명의 다른 특징 및 장점은 단지 예시로서만 주어지고 제한적이지 않은 다음의 설명으로부터 자명해질 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 반경류 반응기의 부분 단면도를 갖는 사시도를 도시하며,
도 2는 도 1에 따른 수집기 조립체의 수직 축선에 직각인 평면에서의 상세 단면도이며,
도 3은 종래 기술에 따른 수집기 조립체의 튜브에 대한 평면도이며,
도 4는 내지 도 8은 본 발명에 따른 튜브의 상이한 구성에 대한 평면도이며,
도 9는 반응기의 수직 축선에 대해 직각인 평면에서의 본 발명에 따른 반응기의 단면도이며,
도 10은 반응기 수직 축선에 대해 직각인 평면에서, 다른 실시예에 따른 반응기의 단면도이다.
도 1을 참조하면, 종래 기술에 따른 반경류 반응기(1)는 대칭의 수직 축선(AX)으로 연장하는 원통형 용기(2)를 형성하는 카보이(carboy)의 외관을 가진다. 용기(2)의 상부 부분은 제 1 오리피스(3)를 포함하며 용기의 하부 부분은 제 2 오리피스(4)를 포함한다. 오리피스(3,4)는 각각 반응기(1)를 통과하는 유체를 위한 입구 및 출구로 의도된다. 오리피스(3,4)의 각각의 기능은 역전될 수 있다는 것, 즉 오리피스(4)가 유체 입구로서 작용할 수 있고 오리피스(3)가 반응 유출물용 출구 오리피스로서 작용할 수 있다는 것에 주목해야 한다.
이러한 원통형 저수조의 내측에는 도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 촉매를 보유하는 중앙 수집기 조립체(8)가 안쪽에 형성되어 있고 수집기 조립체(8)의 스크린과 동일한 형태의 "외부(external)" 스크린(5) 또는 길이방향으로 연장하는 외피(6) 형태인 스크린 소자의 조립체로 구성되는 장치가 바깥쪽에 형성되어 있는 수직 원통형 링의 형상인 촉매 층(7)이 배열된다. 도관을 형성하는 외피(6) 형태인 이들 스크린 소자는 또한 "스캘럽(scallop)"으로서 공지된다. 이들 도관(6)은 저수조에 의해 유지되며 실질적으로 원통형의 내부 외피를 형성하도록 축선(AX)에 평행한, 용기의 내부 면에 밀착-결합된다. 스캘럽(6) 형태인 스크린 소자는 공급물의 가스 스트림을 수용하기 위해서 예를 들어, 그들의 상단부를 통해서 제 1 오리피스(3)와 직접적으로 연통된다. 가스 스트림은 촉매(7)의 고체 미립자 층을 통과하기 위해서 천공된 도관(6)의 벽을 통해서 확산하여 반응기(1)의 중심 쪽으로 반경 방향으로 모아진다. 그 후 공급물은 화학적 변환, 예를 들어 촉매 개질 반응을 겪고 반응 유출물을 생성하기 위해서 촉매와 접촉하게 된다. 그 후 반응 유출물은 여기서 반응기의 제 2 오리피스(4)와 연통하는 중앙 수집기 조립체(8)에 의해 수집된다. 수집기 조립체는 원통형 스크린(9) 및 원통형 스크린(9)에 의해 둘러싸이는 공간 내에 배치되는 원통형 튜브(10)를 포함한다. 체(sieve)로서 작용하는 스크린(9)은 가스 유체가 투과될 수 있고 촉매 미립자가 투과될 수 없도록 설계된다. 원통형 튜브(10)도 또한 천공되며 따라서 관통 구멍을 포함한다.
작동시, 제 1 오리피스(3) 내측으로 유입되는 가스 유체는 반응기 높이 전반에 걸쳐서 분배되며 그 후에 "외부(external) 스크린(5)을 반경 방향으로 횡단하며, 그 후에 촉매와 접촉하게 되는 촉매 미립자 층(7)을 반경 방향으로 횡단하여 조립체(8)에 의해 차후에 수집되고 제 2 오리피스(4)를 통해 비워지는 유출물을 생성한다.
이러한 형태의 반응기는 환형 촉매 층(7)에서 촉매의 연속적인 중력 유동에 의해 또한 작동될 수 있다. 도 1의 경우에, 반응기(1)는 반응기의 상부 부분에 배치되는, 환형 층의 내측으로 촉매를 유입하기 위한 수단(11), 및 반응기의 하부 부분에 배치되는 촉매를 유출하기 위한 수단(11')을 더 포함한다.
튜브(10)는 예를 들어, 볼트 조임에 의해, 또는 용접에 의해 또는 숙련자에 공지된 임의의 다른 기술을 사용하여 일반적으로 스크린(9)에 부착된다.
도 2는 본 발명에 따른 수집기 조립체(8)의 수직 축선(AX)에 직각인 평면을 따른 상세 단면도이다. 스크린(9)은 수집기 조립체의 수직 축선을 따라서 서로 평행하게 배치되는 프로파일 금속 와이어(12)의 조립체에 의해 구성된다. 예로서, 와이어의 프로파일은 V-형상일 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 수직 와이어(12)는 제 1 면(13) 및 대향하는 제 2 면(14)을 가진다. 본 발명의 문맥에서, 제 1 면(13)은 도관이 방사상 반응기에 사용될 때 촉매 층의 촉매 미립자와 접촉하는 면에 대응한다. "후면(back)"으로서 지칭될 수 있는 제 2 면(14)은 도관이 방사상 반응기에 사용될 때 촉매 층과 접촉하지 않는 면에 대응한다. 프로파일 와이어(12)는 그들과의 모든 접촉 지점에서 수직 와이어의 제 2 면(14)에 용접되는 일련의 수평 금속 지지 링(15)을 통해서 함께 부착된 상태로 유지된다. 지지 링(15)은 바람직하게 규칙적인 방식으로 스크린(9)의 높이를 따라 배치된다. 수직 와이어(12) 및 지지 링(15)의 이러한 배열 때문에, 스크린(9)은 그의 주변부 전반에 천공된 벽을 가진다. 와이어(12) 및 링(15)은 형성된 개구가 촉매 미립자를 보유한 채로 가스 유체를 확산시킬 수 있도록 배치된다.
수집기 조립체(8)는 또한, 상기 스크린(9)에 밀착-결합되는, 예를 들어 스크린(9)에 의해 범위가 결정되는 내부 공간에 배치되는 원통형 튜브(10)를 포함한다. 더 정확하게, 튜브(10)는 지지 링(15)을 통해서 프로파일 와이어(12)의 "후면(back)" 측에 부착된다. 튜브(10)에는 스크린을 통해 반경 방향으로 확산되는 가스 유체가 튜브(10)를 또한 통과할 수 있는 방식으로 복수의 관통 구멍(16)이 또한 제공된다.
본 발명에 따라서, 스크린 및 튜브의 단면이 적어도 3개의 변을 갖는 다각형의 형상일 수 있다는 것에 주목해야 하며, 따라서 스크린 및 튜브의 단면의 변의 수가 동일하다는 것이 이해된다.
이제는 종래 기술에 따른 튜브(10)의 전개된 평면도인 도 3을 참조해야 한다. 튜브(10)는 천공된 금속 판으로부터 제조될 수 있다. 통상적으로 종래 기술에 따른 튜브는 그의 표면 전반에 걸쳐 그리고 상기 튜브의 높이 전반에 걸쳐 균일한 방식으로 배치되는 천공 구멍(16)을 포함하는, 가스 유체에 투과될 수 있는 단일 구역을 포함한다. 도 3의 예에서, 구멍(16)은 인접한 구멍들 사이에 규칙적인 피치를 갖는 삼각형 패턴을 형성하도록 배열된다.
도 4는 본 발명의 수집기 조립체의 튜브(10) 형성 부분에 대한 제 1 실시예를 도시한다. 튜브(10)는 따라서 가스 유체가 투과될 수 있는 천공 구멍(16)이 제공된 복수의 구역(17a,17b)(점선 참조)과, 가스 유체에 대해 "감소된 투과성(reduced permeability)"을 갖는다고 하는 복수의 구역(18)으로 구성된다. 도 4에서 볼 수 있듯이, 가스 유체가 투과될 수 있는 구역(17a,17b)은 도 3의 구역과 동일한 구성, 즉 인접한 구멍들 사이에 규칙적인 피치를 갖는 천공 구멍(16)의 삼각형 패턴을 가진다. 명확하게, 관통 구멍(16)을 규칙적인 정사각형 패턴 또는 직사각형 패턴으로 배열하는 것이 가능하다. 대안으로, 관통 구멍은 임의의 방식으로 배치될 수 있다. 본 발명의 문맥에서, 감소된 투과성을 갖는 구역은 그 범위가 0 내지 0.005인, 상기 구역의 투과 가능한 전체 표면적(즉, 구멍의 전체 표면적)과 상기 구역의 전개된 전체 표면적 사이의 비율로서 정의되는 기공도를 갖는 구역에 대응한다. "감소된 투과성"을 갖는다고 하는 구역은 필연적으로 "투과성"이라고 하는 구역의 기공도보다 더 낮은 기공도를 가진다. 따라서, "투과성"이라고 하는 구역은 0.0055 초과, 그리고 바람직하게는 0.0055 내지 0.08 범위, 그리고 더 바람직하게는 0.0065 내지 0.065 범위인, 상기 구역의 투과 가능한 전체 표면적(즉, 구멍의 전체 표면적)과 상기 구역의 전개된 전체 표면적 사이의 비율인 기공도를 가진다.
예로서, 감소된 투과성을 갖는 구역이 1 ㎡의 전개된 전체 표면적을 가지고 1.12 ㎝ 반경을 갖는 50 개의 관통 구멍을 포함한다면, 상기 구역의 기공도는:
P = (50 × (π×(1.12×10-2)2))/(1) = 0.02
와 같다.
도 4의 실시예에서, 감소된 투과성을 갖는 구역은 0의 기공도를 가지고 관통 구멍을 갖지 않는 중실형(solid), 불투과성 구역에 대응하며, 이는 불투과성 중실형 구역이 투과성 구역의 관통 구멍들 사이에 포함되는 임의의 중실형 공간을 제외하는 것으로 이해된다.
본 발명에 따라서, "감소된 투과성"을 갖는 구역은 0°내지 90°범위인 수평에 대한 각도(α)로 연장할 수 있다. 도 4의 예에서, "감소된 투과성"을 갖는 구역은 튜브의 수직 축선을 따라 연장하는 연속적인 중실형 스트립을 형성하는, 즉 90°와 같은 수평에 대한 각도(α)를 형성하는 중실형 구역이다.
본 발명에 따라서, 튜브는 가스 유체에 대해 "감소된 투과성"을 갖는 구역에 의해 분리된 가스 유체에 대해 투과될 수 있는 복수의 구역을 포함할 수 있다.
도 5는 "감소된 투과성"을 갖는 구역(18)(본 경우에 중실형 연속 구역)이 수평에 대해 실질적으로 45°와 같은 각도(α)를 형성하는 방향으로 연장한다는 점에서 도 4의 구성적 형태와 구별되는, 본 발명의 수집기 조립체의 튜브(10)의 다른 구성적 형태를 나타낸다. 튜브가 둥글게 말릴 때, "감소된 투과성"을 갖는 구역(18)은 튜브 주위에 나선 또는 나선의 일부를 형성한다.
본 발명의 문맥에서, 수집기 조립체의 튜브는 튜브 주위에 연속적인 나선, 또는 대안으로 튜브 주위에 서로 평행한 복수의 나선 또는 복수의 나선 부분을 형성하는 "감소된 투과성"을 갖는 단일 구역을 포함할 수 있다.
도 6은 가스 유체가 투과될 수 있는 복수의 구역, 본 경우에 2개의 투과 가능한 구역(17a,17b) 및 "감소된 투과성"을 갖는 4개의 구역(18a,18b,18c,18d)을 포함하는 다른 실시예를 도시한다. 중실형 구역(18a,18b)은 교차되며 각각 수평에 대해 90°및 0°의 각도(α)를 형성하는 방향으로 각각 연장한다. 튜브는 각각, 중실형 구역(18a)에 의해 서로 분리되고 중실형 구역(18b)을 통해서 투과 가능한 구역(17a,17b)과 분리되는, 튜브의 하부 부분에 있는 "감소된 투과성"을 갖는 2개의 다른 구역(18c,18d)을 더 포함한다. 구역(18c,18d)의 기공도는 구역 내의 관통 구명들 사이의 피치를 증가시킴으로써(그리고 관통 구멍의 밀도를 감소시킴으로써) 구역(17a,17b)의 기공도에 대해 감소된다.
이러한 실시예는 수집기 조립체를 따라, 그리고 따라서 촉매 층 내에 가스의 일정한 유동을 유지하고 따라서 촉매 층 내의 우선적인 경로(채널링)의 형성을 제한하기 위해서 수집기 조립체의 튜브의 높이 함수에 따라서 국부적으로 압력 강하를 다르게 하는 것이 가능하다는 사실을 예시한다.
구역의 투과성의 감소는 그 구역에서의 압력 강하의 증가를 생성한다. 가스 유체가 반경 방향의 상승 운동으로 이동하는 경우에, 이는 반응기의 머리 부분에서 더 큰 압력 강하를 받게 된다. 수집기의 스크린의 높이 전반에 걸쳐 가스의 균일한 유동을 보장하기 위해서, 그의 하부 단면에 감소된 투과성을 갖는 구역을 포함하지만 그의 상부 단면에 감소된 투과성을 갖는 구역이 없을 수 있는 원통형 튜브에 의해서 스크린의 하부 단면에 압력 강하를 생성하는 것이 따라서 유리하다.
투과 가능한 구역과 감소된 투과성을 갖는 구역의 배열은 가스 유체가 상기 반응기의 머리 부분으로 주입되며 반응 유출물이 반응기의 바닥으로부터 유출되는 반응기에 수집기 조립체가 사용될 때 역전된다. 그와 같은 상황에서, 압력 강하는 반응기의 머리 부분에서 보다 반응기의 바닥에서 더 높다.
도 1을 참조하여 설명된 이동 촉매 층 반응기에 본 발명에 따른 수집기 조립체를 사용하는 다른 장점은 이러한 형태의 반응기의 크기를 감소시킬 수 있다는 점이다. 실제로, 반응기와 분배 스크린 사이에 포함된 가스 유체를 분배시키기 위한 공간은 심지어, 기공도를 원통형 튜브의 레벨에 적응시킴으로써 본 발명의 수집기 조립체의 수준으로 줄어들 수 있는 이러한 공간에서 유체가 받는 압력 강하를 증가시키는 대가를 치루고서라도, 감소될 수 있다.
도 7은 여기서 중실형 구역인, 투과 가능한 구역(17)에 비해서 "감소된 투과성"을 갖는 구역(18a,18b)이 각각 수평에 대해 각도(α, 및 -α)를 형성하고 "V" 형상을 갖는 연속적인 중실형 스트립을 형성하는 방식으로 그들 단부 중의 하나와 만나도록 연장한다. 이러한 실시예의 대안으로서, "감소된 투과성"을 갖는 2개의 구역(18a,18b)은 수평에 대해 각도(α)로 경사진 "감소된 투과성"을 갖는 제 1 구역과 그리고 수평에 대해 각도(-α)로 경사진 "감소된 투과성"을 갖는 제 2 구역과 X 형상으로 서로 교차될 수 있다. 이들 실시예들은 상기 튜브 전체에 "V" 및/또는 "X" 형상을 갖는 복수의 "감소된 투과성" 구역이 튜브에 줄지어 있는 방식으로 개선될 수 있다.
본 발명의 수집기 조립체의 튜브의 다른 실시예가 도 8에 평면도로 나타나 있다. 튜브는 가스 유체가 투과될 수 있는 복수의 구역 및 "감소된 투과성"을 갖는 구역의 일부분이 튜브의 상반부에 위치되며 "감소된 투과성"을 갖는 구역의 다른 부분이 튜브의 하반부에 위치되는 방식으로 배치되는 가스 유체에 대해 "감소된 투과성"을 갖는다고 하는 복수의 구역(18)을 포함한다. 도 8의 실시예에서, "감소된 투과성"을 갖는 구역이 또한 튜브의 상반부와 하반부에 교대로 배열된다.
"감소된 투과성"을 갖는 구역의 배치와 무관하게, 이들은 튜브 높이의 바람직하게 10% 내지 100% 범위, 그리고 더 바람직하게 튜브 높이의 50% 내지 100% 범위의 거리 전반에 걸쳐 연장한다.
가스에 대한 "감소된 투과성"을 갖는 구역의 수 및 그들의 치수는 "감소된 투과성"을 갖는 상기 구역의 전개된 전체 표면적이 튜브의 전개된 전체 표면적의 1% 내지 30% 범위 내에 있는 방식으로 선택될 수 있다.
본 발명의 문맥에서, "감소된 투과성"을 갖는 구역의 기공도를 수정하기 위한 요소로서 관통 구멍의 표면적의 크기 및/또는 관통 구멍의 수를 사용하는 것이 가능하다는 것에 주목해야 한다. 본 발명에 따라서, 관통 구멍은 임의의 단면 형상, 예를 들어 원형, 삼각형, 정사각형 또는 실제로 직사각형을 가질 수 있다.
놀랍게도, 본 출원인은 수집기 조립체(스크린 + 천공된 튜브)를 통과하는 동일한 속도의 가스에 대해서, 가스 유체에 대해 "감소된 투과성"을 갖는 구역을 포함하는 튜브를 사용하는 것은 가스 스트림에 의해 구속된 미립자 덩어리의 두께가 "감소된 투과성"을 갖는 그와 같은 구역을 포함하지 않는 튜브가 밀착-결합되는 스크린에 의해 구성된 종래 기술의 수집기 조립체에 비해서 억제됨을 의미한다는 것을 확립하였다. 따라서, "감소된 투과성"을 갖는 이들 구역의 존재는 스크린에 형성된 덩어리의 두께를 억제하는 효과에 의해서, 미립자가 더 적은 범위로 구속되고 고체 덩어리가 전개될 수 없는 구역들이 스크린 상에 생성될 수 있음을 의미한다. 따라서, 덩어리에 의해 "구속된(pinned)" 촉매의 양을 감소시킴으로써, "불활성(inactive)" 촉매의 비율이 감소되며, 따라서 반응기의 촉매 성능이 개선된다.
본 발명은 또한, 이동 촉매 층에 의해 방사상 반응기에서 탄화수소 공급물의 촉매 처리를 위한 공정에 관한 것이다. 본 발명에 따라서 반응기는:
- 주 수직 축선을 따라 연장하는 용기를 형성하고 촉매 미립자 층을 포함하는 반응 구역을 포함하는 외피;
- 공급물을 위한 적어도 하나의 입구 수단;
- 촉매 반응에 의해 생성된 유출물을 위한 적어도 하나의 출구 수단;
- 촉매를 반응 구역으로 유입하기 위한, 촉매를 위한 적어도 하나의 입구 수단;
- 반응 구역으로 개방된, 촉매를 위한 적어도 하나의 출구 수단; 및
- 반응 구역에 배치되고 유출물을 위한 그리고 유출물 출구 수단과 연통하는, 본 발명에 따른 수집기 조립체를 포함한다.
게다가, 반응기는 가스가 투과될 수 있고 촉매 미립자가 투과될 수 없으며, 수집기 조립체에 대해 동심인 방식으로 용기 내에 배치되는 "가스 유체를 분배시키기 위한"이라고 하는 스크린을 선택적으로 포함할 수 있으며, 수집기 조립체의 그 스크린은 촉매 층의 촉매 미립자와 접촉한다.
도 9에 나타낸, 본 발명에 따른 반응기의 일 실시예는 구심 반경 방향 이동 반응기(즉, 가스 스트림이 용기의 주변부로부터 용기의 중심 쪽으로 이동하는 반응기)이다. 그 반응기는 가스가 투과할 수 있고 촉매가 투과할 수 없는 "외부(external)" 스크린(21)으로 명명된 원통형 스크린 및 본 발명에 따른 수집기 반응기(8)가 내부에 배치되는 용기의 범위를 결정하는 외피(20)를 포함한다. 외부 스크린(21)은 수집기 조립체에 대해 동심 방식으로 외피(20)와 수집기 조립체(8) 사이에 배치된다. 수집기 조립체(8)는 수집기 스크린(도시 않음)이 촉매와 접촉하는 방식으로 배치된다. 이러한 형태의 구성에서, 반응기는 외피(20)와 "외부(external)" 스크린(21) 사이에 포함되는 "외부(external)" 환형 구역(22), "외부(external)" 스크린(21)과 수집기 조립체(8) 사이에 포함되는 환형 촉매 구역(23) 및 수집기 조립체(8)에 의해 범위가 결정되는 원통형 수집기 공간(24)을 포함한다. "외부(external)" 스크린(21)은 천공된 판 또는 와이어 망과 프로파일 금속 로드에 의해 형성된 스크린의 형태, 또는 실제로 외피(또는 "스캘럽(scallop)")의 형태인 스크린 소자의 조립체를 채용할 수 있다. 작동시, 가스 공급물은 반응기의 바닥을 통해서 또는 정상부를 통해서 환형 분배 구역(22)의 내측으로 주입되며, 그 후에 "외부(external)" 스크린으로 지칭된 스크린(21)을 통과하며, 그 후에 환형 촉매 구역(23) 내의 촉매 미립자 층을 실질적으로 방사상 방식으로 통과한다. 환형 촉매 구역(23)에서, 가스 유체는 수집기 조립체(8)의 공간(24) 내에 수집되고 그 후에 (공급물이 반응기의 바닥으로 유입되었을 때)반응기의 최상부로부터 또는 (공급물이 반응기의 최상부를 통해서 유입되었을 때)반응기의 바닥으로부터 유출되는 가스 반응 유출물을 생성하기 위해서 촉매와 접촉하게 된다.
(도시되지 않은)대체 실시예에서, 반응기는 원통형 스크린(21)을 포함하지 않으나, 분배 박스(반응기의 내측 또는 외측)에 연결되고 반응 구역 내측에 담겨져서, 후에 가스 공급물을 촉매 구역(23)에 분배하는데 사용될 수 있는 복수의 분배 튜브를 포함한다.
용기(20)의 중심에 배열되는 가스 유체를 위한 원통형 분배 스크린(25)과 용기(20) 사이에 배치되는 본 발명에 따른 수집기 조립체(8)를 사용하는 본 발명의 반응기에 대한 추가의 실시예가 도 10에 도시된다. 스크린(25)은 도 9를 참조하여 설명된 스크린(21)과 동일한 형태일 수 있다. 이러한 구성에서, 수집기 스크린(도 10에 도시되지 않음)이 촉매와 직접 접촉하는 방식으로 수집기 조립체가 반응기 내에 배치된다는 것에 주목해야 한다.
도 10에서 볼 수 있듯이, 반응기는 가스 유체가 내부에서 이동하는 원통형 구역(26), 분배 스크린(25)과 수집기 조립체(8)에 의해 범위가 결정되는 환형 촉매 구역(23) 및 용기(20)와 수집기 조립체(8) 사이에 형성되는 외부 원통형 분배기 구역(27)을 포함한다. 반응기의 이러한 구성은 도 10에 화살표로 나타낸 바와 같이, 원심 방향으로 방사상 방식으로 이동하는 가스 유체를 처리하도록 적응된다. 가스 공급물은 반응기의 바닥을 통해서 또는 정상부를 통해서 원통형 분배 구역(26)으로 주입되며, 그 후에 스크린(25)을 통과하며, 그 후에 환형 촉매 구역(23)의 촉매 미립자 층을 통해 실질적으로 방사상 방식으로 통과한다. 환형 촉매 구역(23)에서, 가스 유체는 용기와 수집기 조립체(8) 사이에 포함된 수집기 공간(27) 내에 수집되는 가스 반응 유출물을 생성하기 위해서 촉매와 접촉하게 된다. 반응 유출물은 그 후에, (공급물이 반응기의 바닥으로 유입되었을 때)반응기의 정상부로부터 또는 (공급물이 반응물의 정상부를 통해서 유입되었을 때)반응기의 바닥으로부터 유출된다.
도시되지 않은 실시예에서, 본 발명에 따른 반응기는 가스 유체 분배 스크린을 포함하지 않지만, 분배 박스에 연결되고 용기와 수집기 조립체에 의해 범위가 결정되는 환형 촉매 구역의 내측에 담겨지되는 복수의 가스 유체 분배 튜브를 포함한다.
본 발명에 따른 반응기는 촉매가 반응기 내측으로 연속적으로 또는 불연속적으로 유입되고 상기 반응기로부터 연속적으로 또는 불연속적으로 제거되는 이동 촉매 층을 갖춘 반응기일 수 있다.
본 발명의 반응기 및 공정은 예를 들어, 탄화수소 컷(hydrocarbon cut)의 촉매 개질을 위한 반응, 골격 올레핀 이성질화 반응(skeletal olefins isomerization reaction), 프로필렌의 제조를 위한 복분해, 또는 올리고분해 반응(oligocracking reaction)과 같은 가스 유체의 방사상 운동을 갖는 반응기에 적용될 수 있다.

Claims (16)

  1. 방사상 반응기의 이동 촉매 층과 함께 반응 섹션에 배치되기에 적합한 가스 유체를 위한 수집기 조립체(8)로서,
    상기 수집기 조립체는, 가스 유체가 투과할 수 있고 촉매 미립자가 투과할 수 없는 수직한 원통형 스크린(9), 및 상기 스크린(9)에 의해 지지되고 상기 스크린에 대해 동심 방식으로 배치되는 수직한 원통형 튜브(10)를 포함하며, 상기 튜브는 가스 유체가 투과할 수 있고 촉매 미립자가 투과할 수 없으며,
    상기 튜브(10)는 복수의 관통 구멍들을 포함하는, 가스 유체가 투과 가능한 하나 이상의 구역들(17a,17b) 및 투과 가능한 상기 구역에 비해서 가스 유체에 대해 "감소된 투과성"을 갖는 복수의 구역들(18a,18b,18c,18d)을 포함하며,
    감소된 투과성을 갖는 각각의 구역은 투과 가능하다고 하는 구역의 기공도(porosity)보다 더 적은 기공도를 가지며,
    상기 구역들의 기공도는 상기 구역의 투과 가능한 전체 표면적과 상기 구역의 전개된 전체 표면적 사이의 비율로서 정의되며,
    감소된 투과성을 갖는 구역의 기공도는 0 내지 0.005 범위이며,
    감소된 투과성을 갖는 구역은 투과 가능한 구역 또는 구역들의 관통 구멍들 사이에 포함되는 임의의 공간을 제외하는 것으로 이해되는, 수집기 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 "감소된 투과성"을 갖는 구역들의 전개된 전체 표면적은 상기 튜브의 전개된 전체 표면적의 1% 내지 30%인, 수집기 조립체.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크린(9)과 상기 튜브(10)의 단면의 형상은 적어도 3개의 변을 갖는 다각형이며, 이는 상기 스크린과 상기 튜브의 단면들에서의 변의 수가 동일하다는 것으로 이해되는, 수집기 조립체.
  4. 제 1 항에 있어서,
    감소된 투과성을 갖는 구역의 기공도는 중실형(solid) 구역을 형성하는 방식에서 0 이며, 이는 중실형 구역이 투과 가능한 구역의 관통 구멍들 사이에 포함되는 임의의 중실형 공간을 제외하는 것으로 이해되는, 수집기 조립체.
  5. 제 1 항에 있어서,
    감소된 투과성을 갖는 구역의 기공도는 0이 아니며 상기 구역은 관통 구멍들을 포함하는, 수집기 조립체.
  6. 제 5 항에 있어서,
    감소된 투과성을 갖는 구역의 관통 구멍들은, 가스 유체가 투과할 수 있는 구역의 관통 구멍들 사이의 피치보다 더 큰 피치만큼 서로 이격되어 있는, 수집기 조립체.
  7. 제 5 항에 있어서,
    "감소된 투과성"을 갖는 구역의 관통 구멍들의 표면적은 가스 유체가 투과할 수 있는 구역의 관통 구멍들의 표면적보다 더 적은, 수집기 조립체.
  8. 제 1 항에 있어서,
    "감소된 투과성"을 갖는 구역은 수평에 대해 0°내지 90°범위의 각도(α)를 형성하면서 연장되는, 수집기 조립체.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크린(9)은, 서로 이격되고 복수의 수평 지지 링들(15)에 부착되는 복수의 수직 와이어(12)에 의해 형성되며, 상기 원통형 튜브(10)는 상기 수평 지지 링들(15)에 부착되는, 수집기 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 원통형 튜브(10)는 상기 스크린에 의해 범위가 결정되는 내부 공간 내에 배치되고 상기 스크린(9)에 대해 동심인, 수집기 조립체.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 스크린(9)은 상기 원통형 튜브(10)에 의해 범위가 결정되는 내부 공간 내에 배치되고 상기 원통형 튜브(10)에 대해 동심인, 수집기 조립체.
  12. 가스 유체의 반경방향 운동을 갖는 반응기로서,
    - 주 수직 축선을 따라 연장하는 용기를 형성하고 촉매 미립자 층을 포함하는 반응 구역을 포함하는 외부 외피(20);
    - 공급물을 위한 적어도 하나의 입구 수단;
    - 촉매 반응에 의해 생성된 유출물을 위한 적어도 하나의 출구 수단;
    - 촉매를 상기 반응 구역으로 유입하기 위한, 촉매를 위한 적어도 하나의 입구 수단;
    - 상기 반응 구역으로 개방된, 촉매를 위한 적어도 하나의 출구 수단; 및
    - 유출물 출구 수단과 연통되는 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 따른 수집기 조립체(8)를 포함하며;
    상기 수집기 조립체의 스크린이 촉매 층의 촉매 미립자와 접촉하는, 반응기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 외피(20)와 원통형 가스 유체 분배 스크린(21) 사이에 포함되는 환형 분배 구역(22), 원통형 가스 유체 분배 스크린(21)과 상기 수집기 조립체(8) 사이에 포함되는 환형 촉매 구역(23), 및 상기 수집기 조립체(8)에 의해 범위가 결정되는 수집기 공간(24)을 형성하도록 상기 외부 외피와 상기 수집기 조립체 사이에 배치되는, 촉매가 투과할 수 없는 가스 유체의 분배를 위한 원통형 스크린(21)을 더 포함하는, 반응기.
  14. 제 12 항에 있어서,
    촉매가 투과될 수 없는 원통형 가스 유체 분배 스크린(25)을 더 포함하며, 상기 수집기 조립체(8)가 외피(20)와 수집기 조립체(8) 사이에 포함되는 외부 환형 수집기 구역(27), 상기 원통형 가스 유체 분배 스크린(25)과 상기 수집기 조립체(8) 사이에 포함되는 환형 촉매 구역(23), 및 상기 원통형 가스 유체 분배 스크린(25)에 의해 범위가 결정되는 분배 공간(26)을 형성하도록 상기 외피(20)와 상기 원통형 가스 유체 분배 스크린(25) 사이에 배치되는, 반응기.
  15. 제 12 항에 따른 반응기를 사용하여 탄화수소 공급물을 촉매 변환하기 위한 방법으로서,
    - 가스 형태의 탄화수소 공급물이 상기 반응기 내에 포함된 촉매 층에 연속적으로 공급되며,
    - 상기 촉매 층을 반경 방향으로 통과하는 탄화수소 공급물이 가스 유출물을 생성하도록 촉매와 접촉하게 되며,
    - 상기 유출물이 수집기 조립체를 통과한 이후에 상기 유출물이 인출되는, 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 촉매 층이 이동 층이며, 상기 촉매가 연속적으로 또는 불연속적으로 상기 반응기에 도입되며 연속적으로 또는 불연속적으로 상기 반응기로부터 각각 인출되는, 방법.
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