KR102517618B1 - 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템 - Google Patents

황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명은 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 석탄가스화 공정에서 발생되는 고온의 합성가스를 열교환 매체로 활용하고, 촉매의 화학적 반응열을 이용하여 가수분해 반응에 필요한 스팀을 생성함으로써, 반응열 회수 및 부반응과 촉매 비활성화를 동시에 방지할 수 있는 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따른 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템은 합성가스에 포함된 황화 카르보닐을 황화수소로 전환하기 위한 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템에 있어서, 합성가스와 냉각수가 열교환되는 열교환기; 가수분해 촉매가 충전되는 촉매 반응기; 상기 촉매 반응기 내부에 설치되는 열교환 튜브; 및 상기 촉매 반응기에 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인;을 포함하며, 상기 열교환기에서 열교환된 합성가스는 상기 촉매 반응기로 공급되고, 상기 열교환기에서 열교환된 냉각수는 열교환 튜브로 공급된다.

Description

황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템{Carbonylsulfid Hydrolysis Reaction System}
본 발명은 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는 석탄가스화 공정에서 발생되는 고온의 합성가스를 열교환 매체로 활용하고, 촉매의 화학적 반응열을 이용하여 가수분해 반응에 필요한 스팀을 생성함으로써, 반응열 회수 및 부반응과 촉매 비활성화를 동시에 방지할 수 있는 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템에 관한 것이다.
일반적으로 석탄가스화 설비에서 배출되는 합성가스의 주성분은 수소와 일산화 탄소이며, 황(S) 성분은 황화-카르보닐(COS) 및 황화수소(H2S)형태로 존재하게 된다. 그러나 합성가스의 사용 목적에 따라 황화-카르보닐(COS) 성분은 필히 제거하여야 하며, 일반적으로는 제오라이트계 등의 촉매를 이용하여 황화수소로 전환하는 화학반응을 거친 후 황을 회수하는 방식을 사용하고 있다.
촉매촉매 반응기의 대표적인 형태인 shell & tube형 촉매 반응기의 경우 온도조절은 용이하나 전환 용량이 많아질수록 tube 개수가 늘어나 촉매 반응기가 매우 커지게 되는 문제점을 가지고 있고, 일반적인 고정층 촉매 반응기의 경우 촉매 충전량이 shell & tube형 보다 많고 촉매의 교환 작업이 수월하나 운전 시 촉매 반응기 내부의 온도 편차가 심하여 전환효율이 낮고, 국부적인 반응이 진행되는 경우 온도변화를 조절하기 힘들어 촉매의 손상이 불가피한 점이 항상 존재한다.
특히, 황화카르보닐 가수분해 반응은 발열 반응으로서 고정층 촉매 반응기를 이용할 경우 반응 진행에 따라서 발열량이 축적되어 촉매 반응기의 온도 상승에 따른 hot-spot 으로 인한 부반응 발생 및 촉매의 비활성화 등이 야기되는 단점이 있다.
종래 황화카르보닐 가수분해 촉매 반응기의 경우 공정에 투입되는 별도의 열원 및 유체 공급설비가 필요하게 되며 운전 상황에 따라서 촉매의 활성 온도를 고려하여 촉매 반응기 내부 온도를 제어하는 방식으로 진행되고 있으며, 일반적인 고정층 촉매 촉매 반응기의 경우 운전 시 촉매 반응기 내부의 온도 편차가 심하여 전환 효율이 낮고, 국부적인 반응이 진행되는 경우 충전된 촉매의 손상이 불가피한 문제점을 가지고 있다. 또한, 반응물 투입시 촉매층 상부와 하부의 농도 차이에 의해 온도 구배가 발생하는 문제점을 가지고 있다.
(문헌 1) 대한민국 특허등록번호 제10-1481160호(2014.12.30.)
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 석탄가스화 공정에서 발생되는 고온의 합성가스를 열교환 매체로 활용하고, 촉매의 화학적 반응열을 이용하여 가수분해 반응에 필요한 스팀을 생성함으로써, 반응열 회수 및 부반응과 촉매 비활성화를 동시에 방지하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 합성가스에 포함된 황화 카르보닐을 황화수소로 전환하기 위한 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템에 있어서, 합성가스와 냉각수가 열교환되는 열교환기; 가수분해 촉매가 충전되는 촉매 반응기; 상기 촉매 반응기 내부에 설치되는 열교환 튜브; 및 상기 촉매 반응기에 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인;을 포함하며, 상기 열교환기에서 열교환된 합성가스는 상기 촉매 반응기로 공급되고, 상기 열교환기에서 열교환된 냉각수는 열교환 튜브로 공급되는, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템을 제공한다.
상기 열교환 튜브로 공급된 냉각수는 상기 촉매 반응기의 반응열에 의해 가열되어 스팀으로 상변화되며, 상변화된 스팀은 상기 스팀 공급 라인을 통해 상기 촉매 반응기에 공급되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 반응기는, 상부에 설치되는 1단 촉매층; 하부에 설치되는 2단 촉매층; 및 상기 1단 촉매층과 2단 촉매층 사이에 형성되는 공탑층;을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 열교환 튜브는 상기 1단 촉매층을 통과한 후, 상기 공탑층을 거치지 않고 상기 2단 촉매층을 통과하는 것이 바람직히다.
상기 촉매 반응기의 온도를 측정하는 온도 감지부를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 촉매 반응기에 공급되는 스팀은 상기 촉매 반응기에서 응축되어 상기 촉매 반응기 하부의 스팀 응축수 저장 탱크로 배출되는 바람직하다.
상기 촉매 반응기에서 생성된 황화수소를 포함하는 합성가스는 탈황 장치로 공급되는 것이 바람직하다.
상기 촉매 반응기에서 상기 탈황 장치로 합성가스를 공급하는 합성가스 공급 라인; 및 상기 합성가스 공급 라인에 설치되어, 합성가스의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브;를 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따르면, 공정에서 발생되는 반응물인 합성가스가 열교환 매체로 직접 작용하고 촉매의 화학적 반응열을 이용함으로써 촉매의 활성 온도를 유지하기 위한 별도의 열매체가 필요 없으며, 반응열을 이용하여 가수분해 반응에 필요한 스팀을 생성하여 재이용함으로써 촉매의 활성을 높게 유지할 수 있으며, 이로써 시스템의 열효율을 극대화할 수 있는 효과가 있다.
또한, 촉매 반응기의 반응 온도를 일정하게 유지할 수 있으므로, hot-spot으로 인한 부반응 발생을 방지하고 촉매 비활성화를 방지하는 효과가 있다.
또한, 장치의 구동부가 적어 구조가 간단하며, 적은 에너지 소비에도 불구하고 높은 전환효율을 얻을 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템을 도시한 도면이다.
이하 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시례에 대한 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한, 하기 실시례는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시례에 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 따른 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템(100)은 합성가스에 포함된 황화 카르보닐(COS)을 황화수소(H2S)로 전환하기 위한 것으로, 합성가스와 냉각수가 열교환되는 열교환기(110), 가수분해 촉매가 충전되는 촉매 반응기(120), 촉매 반응기(120) 내부에 설치되는 열교환 튜브(130), 및 촉매 반응기(120)에 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인(140)을 포함할 수 있으며, 열교환기(110)에서 열교환된 합성가스는 촉매 반응기(120)로 공급되고, 열교환기(110)에서 열교환된 냉각수는 열교환 튜브(130)로 공급될 수 있다.
촉매 반응기(120)에 공급되는 합성가스는 예컨대, 석탄가스화(IGCC) 설비에서 배출되는 가스로서, 약 99.9%의 수소와 일산화탄소를 포함하고, 약 0.1%의 황화 카르보닐(COS)과 황화수소(H2S)를 포함할 수 있다.
본 발명에서의 촉매 반응기(120)는 고온/고압 조건에서 운전되는 석탄가스화 공정에서 발생되는 합성가스 중에 포함된 황화 카르보닐 성분을 황화수소로 전환하기 위해서 촉매를 이용한 가수분해 반응을 하기 위한 것이다.
촉매 반응기(120)는 촉매의 교체 및 설비의 유지보수 편의성을 위해 모듈(module) 형태로서 연결 플랜지(flange)를 이용하여, 상부에 설치되는 1단 촉매층(121), 하부에 설치되는 2단 촉매층(122), 및 1단 촉매층(121)과 2단 촉매층(122) 사이에 형성되는 공탑층(123)을 설치할 수 있으며, 1단 촉매층(121)과 2단 촉매층(122)에 충전되는 촉매의 종류나 활성온도의 영향 등에 따라서 촉매 반응기(120)의 배치 순서가 달라질 수 있으며, 다종의 촉매를 적용 가능하도록 구성할 수 있다.
촉매 반응기(120) 내부에는 촉매가 충전되며, 열교환 튜브(130)가 설치될 수 있다. 열교환 튜브(130)는 1단 촉매층(121)을 통과한 후, 공탑층(123)을 거치지 않고 2단 촉매층(122)을 통과할 수 있다.
촉매 반응기(120)에 공급되기 전에 합성가스는 냉각수와 열교환하여 냉각수가 예열되도록 할 수 있다. 즉, 열교환기(110)에서는 집진 시스템에서 생성된 합성가스와 냉각수가 열교환하게 되며, 열교환기(110)에서 열교환된 합성가스는 촉매 반응기(120) 상부로 공급되고, 열교환기(110)에서 열교환된 냉각수는 촉매 반응기 (120)내부에 설치된 열교환 튜브(130)로 공급될 수 있다.
열교환 튜브(130)로 공급된 냉각수는 촉매 반응기(120)의 반응열에 의해 가열되어 스팀(steam)으로 상변화되며, 상변화된 스팀은 열교환 튜브(130)와 연결된 스팀 공급 라인(140)을 통해 촉매 반응기(120)의 1단 촉매층(121) 또는 2단 촉매층(122)에 공급될 수 있다. 스팀 공급 라인(140)에는 1단 촉매층(121) 또는 2단 촉매층(122)에 공급되는 스팀의 유량을 조절하기 위한 스팀 유량 조절 밸브(141,142)가 설치될 수 있다.
열교환 튜브(130)의 냉각수는 촉매 반응기(120) 내부에서 열교환을 통해 반응열을 회수함으로써 촉매의 활성 온도를 유지하기 위한 별도의 열매체가 필요 없으며, 촉매 반응기(120) 내부 온도를 유지할 수 있고, hot-spot으로 인한 부반응 발생을 방지함으로써 시스템의 열효율을 높일 수 있으며, 별도의 열원 및 유체 공급 설비가 불필요하여 적은 에너지 소비에도 불구하고 높은 전환효율을 얻을 수 있다.
즉, 촉매 반응기(120) 내부에는 반응을 위한 촉매가 충전되고, 충전되는 촉매의 종류 및 운전조건에 따라 반응온도가 상이하나 일반적으로 약 300℃ 에서 발열 반응이 진행되므로, 촉매 반응기(120) 내부에 열교환 튜브(130)를 설치하여 고온의 합성가스의 간접열을 이용하여 예열된 냉각수를 열교환 튜브(130)에 공급한 후 1단 촉매층(121) 및 2단 촉매층(122)과의 직접 열 교환을 통해 반응열을 회수함으로써 반응 온도를 유지할 수 있고, 가수분해 반응에 필요한 스팀을 생산하여 재이용함으로써 촉매의 활성을 높게 유지할 수 있다. 이로써 시스템의 열효율을 극대화할 수 있고, 장치의 구동부가 적어 구조가 간단하며 적은 에너지 소비에도 불구하고 높은 전환효율을 얻을 수 있다.
또한, 촉매 반응기(120) 상부의 1단 촉매층(121)과 하부의 2단 촉매층(122)의 반응물 농도에 의한 온도구배를 완화하기 위하여 중간에 공탑층(123)을 구성하여 스팀 공급 유무에 따라 운전 온도를 조절할 수 있으며, 촉매 반응기(120) 유입 유량 증가에 따른 발열량 증가에도 대처가 가능할 수 있다.
한편, 촉매 반응기(120)의 온도를 측정하는 온도 감지부(125,126)를 1단 촉매층과 2단 촉매층에 설치하여 촉매 반응기(120)의 온도를 일정하게 유지되는지 모니터링할 수 있으며, 촉매 반응기(120)에 공급되는 스팀은 촉매 반응기(120) 내부에서 응축되어 촉매 반응기(120) 하부의 스팀 응축수 저장 탱크(150)로 배출될 수 있다
또한, 촉매 반응기(120)에서 생성된 황화수소를 포함하는 합성가스는 탈황 장치(155)로 공급되어 황을 제거할 수 있으며, 촉매 반응기(120)에서 탈황 장치(155)로 합성가스를 공급하는 합성가스 공급 라인(154)에는 합성가스의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브(156)를 포함할 수 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템(100)은 공정에서 발생되는 반응물인 합성가스가 열교환 매체로 직접 작용하고 촉매의 화학적 반응열을 이용함으로써 촉매의 활성 온도를 유지하기 위한 별도의 열매체가 필요 없으며, 반응열을 이용하여 가수분해 반응에 필요한 스팀을 생성하여 재이용함으로써 촉매의 활성을 높게 유지할 수 있으며, 이로써 시스템의 열효율을 극대화할 수 있다.
또한, 촉매 반응기의 반응 온도를 일정하게 유지할 수 있으므로, hot-spot으로 인한 부반응 발생을 방지하고 촉매 비활성화를 방지할 수 있다.
또한, 장치의 구동부가 적어 구조가 간단하며, 적은 에너지 소비에도 불구하고 높은 전환효율을 얻을 수 있다.
본 발명은 상기 실시례에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 요지를 벗어나지 아니하는 범위 내에서 다양하게 수정 또는 변형되어 실시될 수 있음은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 있어서 자명한 것이다.
110 : 열교환기 120 : 촉매 반응기
121 : 1단 촉매층 122 : 2단 촉매층
123 : 공탑층 130 : 열교환 튜브
140 : 스팀 공급 라인 150 : 스팀 응축수 저장 탱크
154 : 합성가스 공급 라인 155 : 탈황 장치
156 : 압력 조절 밸브

Claims (8)

  1. 합성가스에 포함된 황화 카르보닐을 황화수소로 전환하기 위한 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템에 있어서,
    합성가스와 냉각수가 열교환되는 열교환기;
    가수분해 촉매가 충전되는 촉매 반응기;
    상기 촉매 반응기 내부에 설치되는 열교환 튜브; 및
    상기 촉매 반응기에 스팀을 공급하는 스팀 공급 라인;을 포함하며,
    상기 열교환기에서 열교환된 합성가스는 상기 촉매 반응기로 공급되고, 상기 열교환기에서 열교환된 냉각수는 열교환 튜브로 공급되는, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 열교환 튜브로 공급된 냉각수는 상기 촉매 반응기의 반응열에 의해 가열되어 스팀으로 상변화되며, 상변화된 스팀은 상기 스팀 공급 라인을 통해 상기 촉매 반응기에 공급되는, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 반응기는,
    상부에 설치되는 1단 촉매층;
    하부에 설치되는 2단 촉매층; 및
    상기 1단 촉매층과 2단 촉매층 사이에 형성되는 공탑층;을 포함하는, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 열교환 튜브는 상기 1단 촉매층을 통과한 후, 상기 공탑층을 거치지 않고 상기 2단 촉매층을 통과하는, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 반응기의 온도를 측정하는 온도 감지부를 포함하는, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 반응기에 공급되는 스팀은 상기 촉매 반응기에서 응축되어 상기 촉매 반응기 하부의 스팀 응축수 저장 탱크로 배출되는, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 촉매 반응기에서 생성된 황화수소를 포함하는 합성가스는 탈황 장치로 공급되는, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템.
  8. 청구항 7에 있어서,
    상기 촉매 반응기에서 상기 탈황 장치로 합성가스를 공급하는 공급 라인; 및
    상기 공급 라인에 설치되어, 합성가스의 압력을 조절하는 압력 조절 밸브;를 포함하는, 황화 카르보닐 가수분해 반응 시스템.

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