KR102523314B1 - 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법, 튜브 다발 반응기, 및 반응기 시스템 - Google Patents

촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법, 튜브 다발 반응기, 및 반응기 시스템 Download PDF

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Abstract

a) 촉매 충전물로 채워지며 열 전달 매체에 의해 냉각되는 반응 튜브 다발을 구비한 튜브 다발 반응기를 제공하는 단계, b) 촉매 충전물을 통해 반응 가스를 운반하는 단계를 포함하며, 각각의 반응 튜브로 유동하는 반응 가스가 서로 다른 지점에서 반응 튜브의 축 방향으로 촉매 충전물로 도입되는 적어도 2 개의 부분 흐름으로 분할되며, 촉매 충전물은 활성도가 서로 다른 적어도 2 개의 촉매 층을 구비하는 것인, 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법에 있어서, 반응 가스의 유동 방향에서 제 1 촉매 층의 활성도가 적어도 하나의 다른 촉매 층의 활성도보다 더 낮으며, b) 단계에서, 제 1 부분 흐름이 제 1 촉매 층으로 도입되며, 각각의 추가의 부분 흐름이 제 1 촉매 층을 지나쳐 적어도 하나의 추가의 촉매 층으로 도입된다. 또한, 방법을 수행하기 위한 튜브 다발 반응기 및 이러한 유형의 튜브 다발 반응기를 구비한 반응기 시스템이 제안된다.

Description

촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법, 튜브 다발 반응기, 및 반응기 시스템
본 발명은 청구항 1 또는 청구항 11 의 전제부에 따른 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법 및 튜브 다발 반응기에 관한 것이며, 또한 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 뚜렷한 최대 온도를 갖는 발열 촉매 기상 반응의 수행에 관한 것이다. 이러한 반응의 일 예가 메탄화 반응이다.
한정된 천연 가스 매장량을 배경으로 천연 가스 대체품의 생산에 대한 관심이 증가하고 있다. "SNG"("대체 천연 가스" 또는 "합성 천연 가스")로 명명되는 이 가스 또는 "대체 가스"는 실질적으로, SNG가 공급되는 경우, 개개의 가스 공급망의 공급 사양을 준수하여야 하는, 메탄과 작은 분율의 미반응 가스 및 기타 가스를 함유한다.
SNG는 합성 가스(CO 및/또는 CO2, H2, 및 가능하다면 물과 같은 기타 성분의 혼합물)를 사용하여 석탄 또는 기타 탄소 함유 물질(예를 들어, 폐기물 또는 바이오매스)을 기반으로 생산될 수 있다. 다른 방법으로서, 예를 들어, 재생 에너지에 의해 전력을 생산하는 경우 발생하는 과잉 전력의 화학적 저장을 위해 메탄화가 사용된다. 이 전류를 사용하여 전기 분해에 의해 수소가 생성된다. 이산화탄소는, 바람직하게는, 산업 공정의 폐가스 또는 바이오 가스 공장으로부터 획득된다. 이 경우, 메탄화를 위한 공급 가스는 거의 전적으로, CO2와 H2로 구성된다.
메탄화는 결정적으로는, 다음과 같은 화학 반응에 의해 결정된다.
[반응식 1]
CO 메탄화:
CO + 3H2 ↔ CH4 + H2O ΔHR O = -206 kJ/mol
[반응식 2]
CO2 메탄화("사바티에(Sabatier) 반응")
CO2 + 4H2 ↔ CH4 + 2H2O ΔHR O = -165 kJ/mol
[반응식 3]
수소 이동 반응("WGS 반응")
CO + H2O ↔ H2 + CO2 ΔHR O = -41 kJ/mol
또한, 일산화탄소가 분해되어 탄소와 이산화탄소를 제공하는 보두아르(Boudouard) 반응을 포함한 복수의 기타 부반응도 발생한다.
[반응식 4]
보두아르 반응:
2CO ↔ C + CO2 ΔHR O = -173 kJ/mol
반응에서는 보통, VIII 부족의 원소, 바람직하게는, 니켈이 촉매 작용을 한다.
모든 반응은 서로 평형을 이루며, 적절한 조치에 의해 평형 위치가 변경될 수 있다. 평형 위치에 대하여, 반응식으로부터 필수 공정 매개 변수(압력, 온도, 및 반응 성분의 농도)의 의존성이 획득된다:
반응식 1 및 반응식 2에서, 생성물 측의 체적이 감소한다. 두 개의 반응 모두 추가적으로, 발열성이 높다. 그 결과, 고압 및 저온에 의해 반응 평형이 생성물측으로 이동된다. 그러나, 압력이 증가함에 따라 압력이 반응 평형에 미치는 영향은 점점 줄어든다. 또한, 모든 가압 장치 부품의 벽 두께가 점점 더 증가하며, 수소 분자의 크기가 작기 때문에 기밀성 증대 요구 사항이 강화된다. 반응 온도는 촉매의 최소 작동 온도로 인해 하한값이 정해져 있다. 반응 온도가 증가하면 확실히 반응 속도가 증가되며 이에 따라 반응 장치의 크기가 감소된다. 그러나, 반응 평형이 추출물 측으로 이동하며 촉매의 노화가 증가되는 결과 전환율이 제한된다는 단점이 있다.
반응 시스템으로부터 공정 성분인 물(H2O)을 제거함으로써 반응 평형이 생성물 측으로 추가로 이동될 수 있다. 그러나, 이것은 반응식 4에 따른 보두아르 반응에 의한 그을음(soot)의 형성을 촉진한다. 이 반응은 물의 함량을 최소화함으로써 억제된다. 거의 화학량론 조성을 갖는 공급 가스가 바람직하며, 그렇지 않으면 과잉의 화학량론 성분이 남겨진다. 이것은 이 성분이 공급 가스의 사양 이내에 있는 한 문제가 되지 않는다. 그렇지 않을 경우에는, 분리가 필요하여, 비용이 증가된다.
불균일 촉매 발열 기상 반응에서는, 특히 열 발생이 강력하게 나타나는 반응 구역이 촉매 충전물의 초기 영역에 자주 형성되며, 그 결과, 이 반응 구역에서 최대 값을 갖는 다소 뚜렷한 온도 프로파일이 유동 방향으로 촉매 충전물에 형성된다. 최대 온도 영역은 "핫스팟(hot spot)"으로도 명명된다. 이 최대 온도는 특정 한계를 초과하지 않는 한 그 자체로는 바람직하다. 반응 온도가 높으면 반응 속도가 빨라지고, 그 결과, 반응 평형까지 촉매 충전물의 길이가 감소된다. 그러나, 고온에서의 발열 평형 반응에서는 전환율이 감소한다. 전환율을 증가시키기 위해서는, 이후 반응 가스의 온도가 감소되어야 한다.
특히, 메탄화 반응에서는 이 핫스팟이 매우 뚜렷하다. 핫스팟이 적절하게 제어되지 않으면, 촉매의 노화 증가 및 관련 전환율 감소의 결과, 온도가 과도하게 증가될 수 있다. 이것은 비용이 많이 드는 촉매의 더 빈번한 교환을 필요로 한다. 또한, 온도계가 개별 반응 튜브에 내장된 경우에는 온도계가 손상될 위험이 있다.
다양한 방법, 튜브 다발 반응기, 및 반응기 시스템을 사용하여 이들 반응-기술 경계 조건을 고려하려는 시도가 있었다.
이하, 화학 반응에 참여하는 가스는, 튜브 다발 반응기 또는 반응기 시스템으로 유입되기 직전에 위치하는 한, "공급 가스(feed gas)"로 명명된다. 튜브 다발 반응기 또는 반응기 시스템으로 유입된 가스는 "반응 가스(reaction gas)"로 명명되며, 화학 반응이 완료된 후의 가스는 "생성 가스(product gas)"로 명명된다.
촉매가 채워진 반응 튜브를 구비한 튜브 다발 반응기에서 발열 촉매 기상 반응의 온도를 제어하기 위해, GB472629는 하나 이상의 반응 조건(촉매의 표면적, 두께 또는 활성도, 가스 속도, 난류 또는 유동 단면)을 연속적으로 또는 계단식으로 변경할 것을 제안한다. 따라서, 예를 들어, 열 발생이 강력하게 이루어지는 영역에서는 이에 상응하여 유동 단면을 감소시킬 것이 강력하게 요구되며, 결국, 이에 상응하는 높은 압력 손실이 초래된다. 이러한 압력 손실로 인해 더 강력한 콘덴서가 필요하므로 투자 비용 및 운영 비용이 증가한다.
튜브 다발 반응에서 핫스팟을 제어하기 위한 또 다른 절차로서, 통칭하여 US3268299에서는 각각의 반응 튜브의 촉매 충전물에 계량 튜브를 매립하고 반응 가스를 계량 튜브로 도입하는 것이 제안된다. 계량 튜브는 반응 튜브의 가스 유입측 단부로부터 촉매 충전물 내로 연장되며, 촉매 재료를 구비하지 않으며, 촉매 충전물에 모두 개방된 복수의 축 방향으로 분포된 유출 개구를 구비한다. 결과적으로, 반응 튜브의 길이에 걸쳐 반응이 분포되며, 그 결과, 반응 강도가 감소되며 온도 상승이 감소된다. 다른 한편으로는, 계량 튜브가 촉매 충전물의 유체 역학적 직경을 감소시키므로, 반응 열의 방사상 수송 경로가 감소되며 따라서, 열이 보다 신속하게 제거된다. 다른 설계에서는, 반응 가스 성분 "A"가 계량 튜브로 안내될 수 있으며, 반응 가스 성분 "B"가 촉매 충전물의 시작부로 안내될 수 있다.
DE 102010040757A1은 계량 튜브가 제공된 촉매 충전 반응 튜브가 2 개의 열 전달 매체 구역을 통해 연장되며 계량 튜브의 유출 개구가 모두 제 1 열 전달 매체 구역 내부에서 촉매 충전물에 개방된 튜브 다발 반응기를 제안한다. 각각의 반응 튜브의 반응 가스가 동시에 촉매 충전물의 유입구와 계량 튜브 모두로 안내된다. 이 구성에 의하면, 특히, 계단식 반응 가스 공급으로 인한 최적의 반응 제어 및 독립적인 열 전달 매체 사이클로 인한 최적의 온도 제어가 가능하지만, 제 2 열 전달 매체 구역에서 소량의 열만 발생하는 경우에는 너무 비싼 경향이 있다.
메탄화에 널리 사용되는 방법 중 하나는 적어도 2 개의 반응기 단(stage)을 구비한 반응기 시스템으로서, 제 1 반응기 단은 고온에서 높은 반응 속도가 달성되는 고온 메탄화용이다. 저온 메탄화용의 제 2 반응기 단에서는, 원하는 전환율까지 반응이 계속된다.
흔히, 냉각 단이 개재된 복수의 단열 촉매 고정-베드 반응기는 직렬로 연결된다. 공급 가스가 제 1 반응기로 완전히 공급되면, 너무 높은 반응 온도를 피하기 위해, 공급 가스가 하류 반응 단으로부터의 순환 가스로 자주 희석된다. 반응기로 유입되기 전에는 공급 가스의 온도가 예열기에 의해 촉매의 최소 작동 온도로 제어된다. 해당 방법이 DE2549439A에 제시되어 있다. EP2110425A1에 제시된 방법에서는, 공급 가스가 분할되어, 직렬로 연결된 복수의 단열 고정-베드 반응기의 입구에 병렬로 공급된다. 공급 가스는 추가적으로, 수증기를 추가하여 희석될 수 있다. 공정은, 예를 들어, 약 35 bar에서 작동되며, 반응기의 유입구 온도는 240℃ 내지 300℃에 있으며, 유출구 온도는 약 600℃이다. 가스의 온도 제어를 위해 그리고 설비의 기타 부분에서 반응 열이 공정 내부적으로 사용된다.
또한, 반응 가스를 보다 효과적으로 냉각하기 위해, 연속적으로 연결된 반응기 내로 이들 반응기 중 하나의 촉매 충전물에 코일형 튜브를 매립하는 것이 제안되었다. 단열 반응기와 결합된 비등수 냉각 기능을 갖춘 이러한 등온 메탄화 반응기가 DE2705141A1 또는 DE2940334A1에 설명되어 있다. 마지막 공보를 참조하면, 공정이 과잉 수소를 이용하여 작동된다. 비전환 수소가 생성 가스에서 제거되어 공급 가스로 복귀된다.
DE 1645840A는 제 1 메탄화 단 이후의 반응 가스에서 상당량의 수증기가 제거되어 촉매 상에서의 탄소의 침전이 방지되는 2-단 메탄화 공정을 제안한다. US2009/0247653A1에서는 이러한 부분 응축이 반응 가스가 2 개의 메탄화 반응기를 통해 유동한 후 수행된다. DE102009059310A1에서는, 외부 냉각 기능이 있는 연속적으로 연결된 2 개의 반응기에 있어서, 이러한 부분 응축이 이들 2 개의 반응기의 사이에서 수행된다.
본 발명의 목적은 뚜렷한 최대 온도를 갖는 촉매 기상 반응이 보다 안전하면서도 보다 신속하게 그리고 이 경우 작은 설치 크기로 수행될 수 있으며 동시에 촉매의 수명이 증가되는 서두에 언급된 유형의 방법, 튜브 다발 반응기, 및 반응기 시스템을 개선하는 것이다.
본 발명에 따르면, 이 목적이 청구항 1에 따른 방법, 청구항 11에 따른 튜브 다발 반응기, 및 청구항 16에 따른 반응기 시스템에 의해 달성된다.
촉매 활성도의 개념은 당업자에게 친숙하며, 예를 들어, 기사 "레실로프스키 더블유(Reschetilowski W.)의 불균일 촉매 작용 소개(Introduction to Heterogeneous Catalysis)(2015년 베를린 하이델베르크 스프링거 출판사(Springer Verlag Berlin Heidelberg), 11-20 페이지, DOI 10.1007/ 978-3-662-46984-2_2)에 상세히 설명되어 있다.
본 발명에 따른 조치의 결과, 반응 온도의 보다 정확한 제어 또는 안내가 달성되며 더 높은 처리량이 획득되기 때문에, 작동 안전성이 증가하면서 촉매 기상 반응의 유효성이 현저하게 향상된다. 본 발명에 따른 조치는, 내부에 촉매가 없는 계량 튜브가 반응기 튜브의 촉매 충전물에 매립된 튜브 다발 반응기에 있어서, 방사형 열 전달 경로가 단축될뿐만 아니라, 반응 가스의 유동 방향에서의 촉매 충전물의 유동 단면이 감소되며, 이 감소된 유동 단면에서 반응 가스가 축 방향으로 서로 다른 지점에서 부분 흐름으로서 촉매 충전물로 도입되며, 그 결과 촉매 충전물의 열 부하가 균등해지며 따라서 최대 온도가 감소된다는 발견을 기반으로 한다. 추가의 발견으로서, 계량 튜브의 가스 유출 지점에서 유출되는 반응 가스(즉, 해당 부분 흐름)가 촉매 충전물에서 이미 유동하고 있으며 상류에서 반응이 이루어진 반응 가스에 의해 희석된다. 이 때문에, 촉매 충전물의 초기 영역에서 특히 강력하게 형성되는 최대 온도 대신, 복수의 더 작은 최대 온도가 반응 가스의 유동 방향으로 발생한다. 결과적으로, 촉매 충전물로 유입되는 반응 가스의 양이 부분 흐름에 의해 확실히 국부적으로 감소되며, 방출 반응 열이 제어되며, 촉매 충전물 하류로 유입되는 반응 가스 부분 흐름도 이미 촉매 충전물에서 유동하고 있으며 상류에서 반응이 이루어진 반응 가스에 의해 희석되지만, 제 1 하류 부분 흐름 위에서 촉매 충전물로 직접 유입되는 부분 흐름에서는 이러한 반응 제어 효과가 발생하지 않는다. 여기서, 이것은 희석되지 않은 반응 가스가 짧은 유입 섹션 이후에서도 희석되지 않은 촉매의 영향 하에 반응하여 정의된 핫스팟을 형성하는 경우이다. 이 핫스팟은 계량 튜브와 반응 튜브 사이의 환형 간극의 해당 치수를 결정함으로써 어느 정도까지는 제어될 수 있다.
환형 간극이 작아질수록, 냉각된 반응 튜브 벽까지의 반경 거리가 초기에 감소된다. 그러나, 유동 단면이 감소하면, 유체 역학적 직경이 작아지므로 압력 손실이 커진다. 일정한 유량을 유지하기 위해서는, 초기 압력이 증가되어야 하며 계량 튜브의 가스 유량이 조절되어야 한다. 그 결과, 압축기의 투자 비용과 운영 비용이 증가된다. 환형 공간의 촉매 체적이 감소하기 때문에, 평형 상태에 도달하기 위해서는 이에 상응하여 반응 튜브의 길이가 증가되어야 한다. 또는, 반응 튜브의 개수를 증가시킬 수 있다. 각각의 경우에, 증가된 벽 효과 및 이에 상응하는 정의되지 않은 반응 조건의 결과로서, 환형 간극의 유체 역학적 직경 대 촉매의 입자 크기의 비율이 작아진다.
본 발명에 따르면 제 1 촉매 층의 활성도가 감소되기 때문에, 보다 강력한 압축기 및 촉매 체적의 과도한 증가의 단점이 회피된다. 요구 사항에 따른 화학 반응이 촉매의 작용 하에 발생하기 때문에, 전환율이 초기에 감소한다. 그러나, 이것은 전환율을 증가시켜 감소된 촉매 활성도의 전환율 감소 효과를 거의 상쇄시키는 여러 영향과 대립된다. 감소된 촉매 활성도의 결과로서, 우선, 더 적은 반응 열이 생성되어, 핫스팟의 온도 수준이 감소한다. 감소된 가스 온도는 체적 흐름 및 이에 따라 가스 속도에 좌우되는 압력 손실을 감소시켜, 결국, 제 1 촉매 층을 통한 질량 흐름을 증가시킨다. 계량 튜브 내부의 병렬 가스 흐름에 대한 평형 상태가 구축된다. 서두에 이미 설명한 바와 같이, 온도가 감소함과 동시에 전환율이 증가한다. 또한, 제 1 촉매 층의 가스 분율의 증가의 결과, 계량 튜브로부터 제 1 가스 유출 지점에서 촉매로 유입되는 반응 가스의 희석이 증가되었으며, 그 결과, 후속 핫스팟이 보다 효과적으로 제어된다. 동일한 원리가 후속 가스 유출 지점 또는 반응 섹션에도 적용된다. 따라서, 반응 튜브의 단부에서의 전체적인 전환율이 실질적으로 일정하게 유지된다. 이러한 방식으로, 촉매 충전물의 초기 영역에서의 온도 제어가 상당히 개선되며, 전환율, 유동 단면, 및 압력 손실이 실질적으로 변하지 않고 유지된다. 본 발명에 따른 조치의 결정적인 장점은 제 1 촉매 층의 핫스팟의 온도 제어가 개선됨으로 인해 촉매의 수명이 상당히 증가된다는 점이다. 따라서, 촉매 교체와 동일한 주기로, 본 발명에 따른 반응기는 주어진 생성 주기로 더 많은 생성물이 생성될 수 있도록 종래 기술에 따라 설계된 희석되지 않은 촉매를 구비한 반응기보다 상당히 더 높은 촉매 활성도를 갖는다.
본 발명에 따른 튜브 다발 반응기로 달성되는 전환율은 이미 특정 용도에 충분한 수준이다. 따라서, 메탄화 반응의 경우, 달성된 메탄 농도를 갖는 생성 가스가 L 가스 공급망으로 공급되거나 열병합 발전소에서의 연소를 위해 사용될 수 있다.
제 1 촉매 층의 촉매 재료를 대체함으로써, 반응 조건이 상이한 요구 사항에, 특히, 튜브 다발 반응기의 변화하는 조건에 비교적 쉽게 맞춰질 수 있다. 따라서, 특히 효과적인 온도 제어가 언제라도 가능하다. 따라서, 사양에 따라 감쇠된 제어 핫스팟이 촉매 층의 제 1 영역에 형성된다. 이어서, 핫스팟이 사라지고, 촉매 층의 온도가 약간만 변한다. 이러한 작은 온도 변화가 발생하는 마지막 영역은, 바람직하게는, 제 1 촉매 층의 10% 내지 40%의 부분을 차지한다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 장점은 냉각 또는 희석을 위해 생성 부분 흐름을 복귀시킬 필요가 없다는 점이다.
이 방법은 촉매 충전물의 초기 영역에 핫스팟을 형성하는 모든 불균일 촉매 발열 기상 반응에 적합하다. 본 발명은 이 핫스팟이 특히 강력하게 형성되어 이에 따라 제어하기 어려운 이들 반응에 특히 적합하다.
바람직하게는, 촉매 기상 반응은 이러한 반응의 일 예로서 메탄화 반응을 포함한다. 반응식 2에 따른 메탄화 반응의 경우, 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위한 공급 가스는, 바람직하게는, CO2와 H2로 구성된다. 화학량론 조성의 공급 가스의 성분으로서 CO2와 H2를 사용하는 경우, 공정 종료 시에 물을 분리한 후, 주어진 압력과 온도에서 평형 조건에 따른 조성을 갖는 생성 가스를 기대할 수 있다. 사실, 화학량론 조성에 존재하는 추출 가스의 양이 정확하지 않기 때문에 메탄 함량이 다소 낮을 수 있다. 비화학량론 공급 가스 조성의 경우, 어느 하나의 성분은 항상 반응 후에 남는다. 공급 가스 조성의 선택은 SNG의 개개의 공급 조건에 따라 결정된다. 따라서, 예를 들어, 공정이 바람직하게는 CO2/H2의 화학량론 조성과 약간 초과하는 양의 CO2 사이의 범위에서 수행되도록 수소(H2)는 가능한 한 완전히 전환되어야 한다. 이 경우, CO2/H2 비율의 바람직한 범위는 0.25:1 내지 0.26:1이다.
이 경우, 제 1 촉매 층의 활성도는, 바람직하게는, 적어도 하나의 추가의 촉매 층의 활성도의 5% 내지 90% 및 특히 바람직하게는 10% 내지 40%로 설정된다. 이 조치의 결과로서, 핫스팟의 온도 수준이 안전하게 정의된 방식으로 감쇠되며, 그 결과, 전환율이 높은 수준으로 유지되며 촉매의 수명이 연장된다. 온도 측정 장치가 반응 튜브에 설치되는 경우, 온도 측정 장치의 손상이 방지된다. 그 결과, 안전하고 영구적인 공정 감시가 보장된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 촉매 충전물이 각각, 상이한 촉매 활성도를 갖는 추가의 촉매 층으로 세분화될 수 있으며, 바람직하게는, 촉매 활성도는 촉매 층들 사이에서 증가한다.
본 발명의 유리한 실시예에 있어서, 튜브 다발 반응기의 반응 매개 변수, 특히, 열 전달 매체 온도, 개별 촉매 층의 충전물 높이, 부분 흐름의 도입 지점의 축 방향 간격, 부분 흐름의 양, 및 촉매 활성화는 제 1 및 제 2 촉매 층의 최대 온도가 300℃ 내지 900℃, 바람직하게는 500℃ 내지 700℃의 범위에 있도록 설정된다. 촉매 충전물 내부의 제어된 고온은 반응 속도 및 전환율과 관련하여 최적의 결과를 초래한다. 결과적으로, 튜브 다발 반응기는 비교적 작은 반응 공간만을 필요로 한다. 상이한 활성도의 촉매 층과 결합된 튜브 다발 반응기 내의 도입 지점의 계단형 배열의 결과로서, 특히 높은 반응 속도 및 이에 상응하는 작은 반응 체적이 모두 달성되며, 또한 더 낮은 온도 범위에서 특히 높은 전환율이 달성된다. 이러한 방식으로, 필요한 전체 촉매 체적이 추가로 최소화될 수 있다.
바람직하게는, 공정에서 발생된 반응 열이 공정 내부적으로 그리고 특히 바람직하게는 또한 장치 내부적으로 사용된다.
온도 범위로 인해 여러 유형의 열 전달 매체가 문제가 된다. 비등수가 바람직하다. 그러나, 재킷 직경이 5 m 내지 8 m의 범위인 튜브 다발 반응기에서는, 해당 압력에서의 벽 두께가 너무 커져서 튜브 다발 반응기가 더 이상 경제적으로 건설될 수 없다. 따라서, 경우에 따라서는, 작동 조건 하에서 액체인 열 전달 매체를 사용한 냉각이 더 유리할 수 있다. 여기서, 예를 들어, 액체 염, 이온성 액체, 또는 열 전달 매체 오일을 사용하는 무압 작동이 사용될 수 있다.
일반적으로, 예를 들어, 약어 "16Mo3"로 나타내어지는 재료 또는 유사한 재료와 같은 압력 용기의 제작에 관례적으로 사용되는 모든 내열 강이 튜브 다발 반응기의 재료로서 고려된다. 사용 장소와 압박 유형에 따라 다른 재료가 또한 사용될 수 있다.
온도를 제어하기 위해, 개별 반응 튜브에 온도계가 장착되어, 반응 튜브를 따라 온도 측정이 허용된다.
바람직하게는, 반응 가스가 5 bara 내지 50 bara 및 바람직하게는 10 bara 내지 30 bara 및 특히 바람직하게는 15 bara 내지 25 bara의 압력에서 튜브 다발 반응기로 도입된다. 이 압력 범위는, 튜브 다발 반응기의 입구에서 공급 가스를 압축하기 위해, 주로 강도 설계 및 투자 비용과 운영 비용으로 구성되는 건축 지출을 고려한 반응 평형의 영향과 관련하여 최적의 범위이다.
바람직하게는, 튜브 다발 반응기의 열 전달 매체 온도가 240℃ 내지 300℃의 범위에 있도록 설정된다. 이 온도 범위는 반응 속도 및 전환율에 관한 반응의 영향과 관련하여 최적의 범위이다. 경우에 따라, 본 발명에 따른 방법이 또한, 200℃ 내지 350℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 촉매의 시동 온도는 온도 하한값 아래로 떨어지지 않는 것이 중요하다.
본 발명의 유리한 실시예에 있어서, 튜브 다발 반응기는 반응기 시스템의 제 1 반응 단을 형성하며, 상기 반응기 시스템은 응축기, 가열 구역, 및 제 2 반응 단을 추가로 포함하고, 상기 응축기, 상기 가열 구역, 및 상기 제 2 반응 단은 모두 반응기 시스템을 통해 유동하는 반응 가스의 유동 방향으로 연이어 배열되며, 단계 b)의 이후에, c) 튜브 다발 반응기에서 유출되는 반응 가스를 반응 가스의 성분 중 적어도 하나의 부분의 이슬점 아래의 온도로 냉각하고 응축 성분의 적어도 일부의 방향을 전환하는 단계; d) 응축 성분의 일부가 단계 c)에서 방향이 전환된 반응 가스를 가열하는 단계; e) 제 2 반응 단으로서 제 2 촉매 충전물을 구비한 반응기를 제공하는 단계; 및 f) 가열된 반응 가스를 제 2 촉매 충전물을 통해 안내하는 단계가 수행된다.
이러한 조치의 기본 사상은 각각의 개별 반응기 단의 각각 하나의 매개 변수를 최적화하는 것이다. 제 1 반응기 단의 목표는 높은 반응 속도를 제어하는 것이다. 이를 통해 반응기 치수가 추가로 최소화되며 촉매의 수명이 연장된다. 제 2 반응기 단에서는 잔류 전환이 저온에서 발생한다. 이 잔류 전환에서는 약간의 반응 열만 발생된다. 이 기능을 충족시키기 위해, 제 2 반응기 단의 건축 구성이 상당히 단순화될 수 있으며, 일반적으로 간단한 단열 촉매 고정-베드 반응기이면 충분하다.
제 1 반응기 단의 단부에서의 추출물의 전환율은 90% 내지 99%의 범위에 있다. 잔류 전환이 제 2 반응기 단에서 발생한다. 제 1 반응기 단에서의 전환이, 평형 반응의 결과로서, 반응 생성물인 물에 의해 제한된다. 제 1 반응기 단 이후에서의 부분 응축으로 인해, 반응 시스템으로부터 물이 취해져 반응 평형이 생성물 측으로 추가로 이동된다. 제 1 반응기 단의 높은 전환율로 인해, 제 2 반응기 단의 반응 열이 너무 낮아, 여기에서는, 일반적으로 단순한 단열 고정-베드 반응기이면 잔류 메탄화에 충분하다.
바람직하게는, 반응 가스가 정확히 2 개의 반응기 단을 통해 안내된다. 이미 위에서 언급한 바와 같이, 추출물의 잔류 변환이 제 2 반응기 단에서 발생하며 따라서 추출물의 총 전환이 완료되어 추가의 반응기 단이 더 이상 필요하지 않도록 반응 매개 변수가 설정될 수 있다. 특히, 메탄화 반응에서는, 이것이 제 2 반응기 단 이후, 물 부분을 응축시킨 후, 생성 가스가 공급될 개개의 가스 공급망의 공급 사양을 충족한다는 것을 의미한다.
메탄화의 경우 제 2 반응기 단을 설계할 때, 주요 목표는 공급 사양에 해당하는 메탄 농도를 달성하는 것이다. 이것은 비교적 낮은 온도에서 높은 전환율에 의해 달성된다. 온도 하한값은 "시동 온도(start-up temperature)"로도 명명되는 촉매의 최소 작동 온도에 의해 결정된다. 온도 상한값은 촉매의 온도 저항과 유지될 전환율에 의해 결정된다. 고압이 또한 유리한 효과를 갖는다.
메탄화를 위한 모든 알려진 고체 촉매와 쉘 촉매(shell catalyst)가 촉매 재료로서 고려된다. 이들은 일반적으로, VIII 부족 원소, 바람직하게는 니켈을 포함한다.
본 발명의 유리한 또 다른 실시예에 있어서, 단계 c)에서, 반응 가스가 물의 이슬점 아래의 온도로 냉각되며, 응축수의 적어도 일부의 방향이 전환된다. 제 1 반응기 단과 제 2 반응기 단 사이의 반응 생성수의 부분 응축 및 방향 전환의 결과로서, 반응 평형이 유리한 방식으로 생성물 측으로 이동된다.
이 경우, 응축수의 적어도 일부의 방향을 전환한 후, 반응 가스가 0% 내지 30% 및 바람직하게는 15% 내지 25%의 함량의 잔류 수증기를 함유하는 것이 유리하다. 반응 가스가 이러한 잔류량의 수증기를 함유하는 결과로서, 그을음 형성이 방지되며 따라서 공정이 안정화된다. 제 2 반응기 단으로 유입되기 전에, 공급 가스와 유사하게 반응 가스가 예열기에서 시동 온도보다 다소 높은 온도로 가열된다. 이러한 잔류 수증기 함량으로 인해, 생성물 측으로의 반응 평형의 이동 및 그을음 침전물의 방지와 관련하여 최적의 효과가 달성된다.
바람직하게는, 전체 반응기 시스템이 5000 l/h 내지 20000 l/h의, 바람직하게는 8000 l/h 내지 15000 l/h의 공간 속도(GHSV)에서 작동된다. 여기서, 공간 속도 "GHSV"는 "가스 시간당 공간 속도(gas hourly space velocity)"를 의미한다. 이것은 반응기 시스템에 포함된 전체 촉매의 가용적과 관련된 표준 체적 흐름이며, 여기서, 가용적은 임의의 희석되거나 희석되지 않은 유형의 촉매 충전물에 관한 것이다. 동일한 반응기 출력에서 공간 속도가 높으면 반응기 체적이 더 작아진다. 그 결과, 공간 요구 사항이 감소되어 투자 비용이 절감되고 건축상의 장점이 초래된다.
본 발명에 따른 튜브 다발 반응기의 촉매 활성도의 감소는, 바람직하게는, 불활성 재료로 촉매를 희석함으로써 달성된다. 촉매 대 불활성 재료의 희석 비율은 바람직하게는 1:1 내지 1:10 범위 및 특히 바람직하게는 1:2.5 내지 1:4의 범위에 있다. 이 비율은 개별 성분의 가용적에 관한 것이다.
불활성 입자로 촉매를 희석하여 특정 활성도를 달성함으로써, 적합한 촉매의 선택 시의 융통성이 높아진다.
촉매의 변경이 필요한 경우, 이것은 흔히, 반응 온도가 가장 높은 범위로, 즉, 희석된 촉매가 있는 영역으로만 제한된다. 여기서 손상 가능성이 가장 높다.
이 경우, 촉매 활성도 감소를 목적으로 하는 제 1 촉매 층의 희석도는, 특히, 희석되지 않은 촉매의 기본 활성도, 유량, GHSV, 및 유입구 온도에 따라 달라진다.
촉매에 사용될 수 있는 입자의 형상은 특별히 제한되지 않는다. 원칙적으로, 예를 들어, 구형체, 펠릿(pellet), 안장(saddle), 또는 원통형 링과 같은 모든 알려진 성형물이 사용될 수 있다. 입자는 양호한 유동 거동을 나타내어야 하며, 주입 후 가라앉지 않아야 하며, 즉, 충전물의 높이가 이상적으로는 작동 동안 변하지 않아야 한다. 반응 튜브 내벽과 계량 튜브 외벽 사이의 환형 공간에서의 유동 거동이 큰 유동 면적을 갖는 입자 충전물의 유동 거동과 약간만 상이하도록 입자가 조절되어야 한다. 유동 거동은, 특히, 압력 손실과 벽 효과를 의미한다.
1.2 mm 내지 3.0 mm의 범위의 직경, 3.0 mm 내지 8.0 mm의 범위의 길이, 및 1:1 내지 8:1의 범위의 길이/직경 비율을 갖는 원통형 입자가 특히 바람직하다. 본 실시예에서는, 고체 촉매로서 사용하기 위한 입자가 바람직하다.
촉매 입자와 불활성 입자의 크기와 형상은 일반적으로 거의 동일하다. 결과적으로, 두 가지 유형의 입자의 분리(demixing)가 방지된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 있어서, 촉매 입자와 불활성 입자가 크기 및/또는 형상이 상이하다. 예를 들어, 촉매 입자와 동일한 유형의 불활성 입자를 조달하기 어렵거나 상이한 유형의 불활성 입자가 훨씬 더 경제적인 경우 이러한 구성이 특히 유리할 수 있다. 압력 손실, 열 전도, 또는 열 전달과 같은 특성을 특별히 최적화할 수 있는 다양한 특징의 조합이 또한 제공될 수 있다. 이러한 구성의 개별 매개 변수는 미리 명시될 수 없다. 개별 매개 변수는 개별 사례에서 별도로 조사되어 명시되어야 한다.
두 가지 유형의 입자가 서로에 대해 형상과 크기가 다른 경우, 특히 분리를 방지하도록 정렬된 충전 방법이 사용되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 튜브 다발 반응기에서, (제 1) 촉매 충전물에 대한 제 1 촉매 층의 분율은 5 체적% 내지 50 체적%이다.
총 촉매 체적에 대한, 활성도가 감소된 제 1 촉매 층의 분율이 공정 시뮬레이션의 결과 얻어진다. 일반적으로, (제 1) 촉매 충전물의 총 촉매 체적의 10 체적% 내지 35 체적%의 범위의 분율이 얻어진다. 제 1 촉매 층 및 제 2 촉매 층의 초기 영역에서는, 고온에서 빠른 전환이 달성된다. 각각의 추가의 가스 유출 지점 이후의 후속 핫스팟은 그 높이에서 더 약하게 형성되는 것이 바람직하다.
바람직하게는, 튜브 다발 반응기에서 아래에서 위로 유동이 발생하며, 즉, 반응 튜브에서 아래에서 위로 유동이 발생한다. 이에 따라, 하나의 반응 튜브의 계량 튜브가 하부 단부에서 촉매 충전물에 체결되며 촉매 충전물 내부에서 종결된다. 이러한 배치의 결과로서, 반응 튜브의 상부 단부가 이러한 배치의 설비와 무관하기 때문에, 촉매를 반응 튜브로 주입하는 것이 매우 단순화된다.
메탄화 반응을 위해 본 발명에 따른 튜브 다발 반응기를 사용하는 경우, 외부 직경이 20 mm 내지 100 mm의 범위, 바람직하게는 20 mm 내지 40 mm의 범위인 반응 튜브가 1.5 mm 내지 3.0 mm의 범위의 벽 두께를 갖는 경우 특히 성공적인 것으로 입증되었다. 계량 튜브는 바람직하게는 외경이 6 mm 내지 85 mm의 범위, 특히 바람직하게는 6 mm 내지 15 mm의 범위이며, 벽 두께가 1.0 mm 내지 2.0 mm의 범위이다.
계량 튜브의 단면 형상은 임의로 선택된다. 예를 들어, 단면이 원형 또는 타원형 또는 심지어 사각형일 수 있다. 하나의 반응 튜브 내에 복수의 평행한 계량 튜브가 마련되는 것도 가능하다.
바람직하게는, 적어도 2 개의 촉매 층은 동일한 촉매 재료를 수용하며 제 1 촉매 층은 적어도 하나의 추가의 촉매 층의 촉매 재료의 5 체적% 내지 90 체적%, 바람직하게는 10 체적% 내지 40 체적%를 수용한다. 이러한 방식으로, 단일 유형의 촉매만 조달하면 된다. 이러한 한 가지 유형의 촉매를 사용하면, 불활성 재료로 희석함으로써 제 1 촉매 층의 촉매 활성도가 융통성 있게 설정될 수 있다. 실제로, 초기에 수치 시뮬레이션에 의해 공정 최적화가 수행된다. 그 결과, 제 1 의, 선택적으로 여전히 비교적 넓은 최적의 범위의 희석도가 얻어진다. 기술 테스트를 통해 추가의 최적화가 달성될 수 있다. 여기서, 이미 결정된 제 1 범위가 검사되며 선택적으로 추가로 최적화되며, 즉, 더 정확하게 명시된다.
본 발명의 유리한 실시예에 있어서, 각각의 반응 튜브에서, 반응 튜브의 내벽과 계량 튜브의 외벽 사이의 환형 간극 대 제 1 촉매 층의 입경의 비율은 2 내지 6의 범위에 있다. 이 비율은 특히, 취급 능력, 열 전달, 및 촉매 효율과 관련하여 유리하다.
바람직하게는, 반응 가스의 유동 방향에서의 적어도 하나의 가스 유입 지점과 제 1 가스 유출 지점 사이의 축 방향 간격, 가스 유출 지점들 사이의 축 방향 간격, 및 마지막 가스 유출 지점과 계량 튜브의 단부 사이의 축 방향 간격 및 그 개수는 가스 유입 지점 또는 가스 유출 지점 사이에서 방출되는 반응 열로 인한 가열 표면 부하가 10 kW/m2 내지 150 kW/m2의 범위, 바람직하게는 20 kW/m2 내지 50 kW/m2의 범위에 있도록 선택된다. 여기서, 참조 표면은 튜브 외면이다. 열 생성과 관련한 이러한 경계 조건으로 인해, 열 제거에 대한 유리한 비율이 달성되어, 결과적으로, 유리한 반응 온도가 초래된다.
본 발명의 유리한 또 다른 개발에 있어서, 반응 튜브의 내경 대 계량 튜브의 외경의 제곱비가 2 내지 6의 범위에 있다. 이러한 바람직한 비율에 의해, 특히 반응 제어 요구 사항을 충족하는 환형 간극이 획득된다.
본 발명에 따른 반응기 시스템은 서로 영향을 미치는 복수의 구성 요소를 구비한다. 바람직하게는, 시뮬레이션 프로그램의 도움으로 개별 구성 요소가 설계된다. 이러한 시뮬레이션 프로그램은 상업적으로 이용 가능한 프로그램이거나 알려진 공정-기술 관계를 사용하여 자체적으로 생성될 수 있는 프로그램일 수 있다. 촉매는 조성에 따라 활성도가 다르다. 사용된 촉매의 매개 변수는 실험실 테스트에서 이러한 목적으로 결정되며, 따라서 시뮬레이션 매개 변수가 조정된다. 제 1 및 제 2 반응기 단의 크기는 서로 영향을 미친다. 제 1 반응기 단이 커질수록, 즉, 반응기 단에 존재하는 촉매의 체적이 커질수록, 전환율이 더 커진다. 제 2 반응기 단이 이에 따라 더 작아진다. 반대로, 이것은 제 1 반응기 단이 작아질수록 제 2 반응기 단이 더 커져야 한다는 것을 의미한다. 최적화 계산에서는, 반응기 시스템이, 예를 들어, 질량 처리량 및 메탄 농도와 관련하여 주어진 경계 조건 하에서 촉매의 총 최소량으로 최적화될 수 있다.
제 1 반응 단의 전환율이 너무 낮으면, 너무 많은 반응 열이 국부적으로 방출되어 온도가 급격히 상승하여 첫 번째로 촉매가 손상되며 두 번째로 전환율이 일반적으로 적어도 공급 사양의 전환율에 해당하는 특정 값 미만으로 떨어지는 심각한 작동 사례가 제 2 반응기 단에서 발생할 수 있다. 추가적으로, 반응 장치가 손상될 위험이 있다. 따라서, 작동 시간의 경과에 따라 제 1 반응기 단의 촉매 활성도가 감소하는 경우에 대비하여 예비분을 마련하기 위해, 바람직하게는, 제 1 반응 단의 전환율이 예측 가능한 최악의 값으로 감소하는 경우에도, 심각한 작동 사례를 초래하는 제 2 반응 단의 전환율 한계값에 도달하지 않도록 제 2 반응 단의 치수가 정해진다.
바람직하게는, 단열 촉매 고정-베드 반응기가 제 2 반응기 단에 사용된다. 이러한 반응기는 그 간단한 구성으로 인해 반응기 시스템의 경제성을 증대시킨다.
바람직하게는, 제 1 반응기 단, 응축기, 가열 구역, 및 제 2 반응기 단 중 적어도 2 개가 구성 유닛(constructive unit)을 형성한다. 제 1 및 제 2 반응기 단이 반응기 하우징에 배열되면, 2 개의 반응기 단은 순차적으로 또는 병렬로 배열될 수 있다. 구성 유닛 내에 개별 유닛을 결합하면 생산 시스템이 소형화된다. 구성 유닛을 보다 소형화할수록 시스템의 명확성이 증가되며 비용이 절감된다. 장치 내부 열 사용의 경우, 열 손실이 최소화된다. 경우에 따라, 제 2 반응기 단이 또한 등온 촉매 반응기로서 설계된다. 이것은 2 개의 반응 단이 하나의 반응기 하우징에 배열되는 경우 유리할 수 있다.
본 발명의 유리한 실시예에 있어서, 제 2 반응기 단은 평균 열 전달 매체 온도가 제 1 반응기 단의 열 전달 온도보다 0 K 내지 30 K 낮은 냉각 반응기이다. 이 온도 범위는 반응 속도, 달성 가능한 전환율, 및 반응기 시스템의 개별 유닛의 전체 크기와 관련하여 최적의 온도 범위이다.
이 경우, 제 2 반응기 단은, 바람직하게는, 제 2 촉매 충전물로 채워지며 작동 동안 반응 가스가 통과하여 유동하며 열 전달 매체에 의해 냉각되는 반응 튜브 다발을 구비한 튜브 다발 반응기이다. 이러한 변형예는, 제 1 반응기 단의 전환율을 감소시키며 이에 따라 제 2 반응기 단의 반응 열을 증가시킬 수 있기 때문에, 전체 시스템의 융통성을 증가시킨다. 예를 들어, 2 개의 동일한 반응기가 건축상의 이유로 또는 경제적인 이유로 2 개의 상이한 반응기에 대한 대안을 제시하거나 공동의 열 사용을 제공하는 경우 이러한 절차가 적절할 수 있다.
특히 바람직하게는, 2 개의 반응기의 반응 튜브가 공통의 열 전달 매체 공간에 위치한다. 공통의 열 전달 매체 공간에 2 개의 반응기 단을 배치함으로써, 하나의 반응 장치가 절감된다. 2 개의 반응기 단의 반응이 동시에 제어될 수 있다. 그럼에도 불구하고, 제 1 반응기 단 내에 계량 튜브를 제공한 결과, 상당히 서로 다르게 조정된 반응 조건이 설정될 수 있다.
본 발명이 일 예로서 도면을 참조하여 이하 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 튜브 다발 반응기의 제 1 예시적인 실시예의 수직 단면을 보여주며,
도 2는 도 1의 튜브 다발 반응기의 반응 튜브의 예시적인 실시예의 확대 단면도를 보여주며,
도 3은 본 발명에 따른 튜브 다발 반응기의 제 2 예시적인 실시예의 수직 단면을 보여주며,
도 4는 본 발명에 따른 반응기 시스템의 제 1 예시적인 실시예의 개략도를 보여주며,
도 5는 동일한 반응기 하우징 내에 제 1 및 제 2 반응기를 구비한 본 발명에 따른 반응기 시스템의 제 2 예시적인 실시예의 개략도를 보여주며,
도 6은 동일한 반응기 하우징 내에 제 1 및 제 2 반응기 단을 구비한 본 발명에 따른 튜브 다발 반응기의 제 3 예시적인 실시예의 반응기 하우징의 수직 단면을 보여주며,
도 7은 동일한 반응기 하우징 내에 제 1 및 제 2 반응기 단뿐만 아니라 응축기 및 가열 구역을 구비한 본 발명에 따른 튜브 다발 반응기의 제 4 예시적인 실시예의 반응기 하우징의 수직 단면을 보여준다.
도 1은 본 발명에 따른 튜브 다발 반응기의 예시적인 실시예로서 비등수형 반응기(boiling water reactor)를 보여준다.
튜브 다발 반응기(12)가 상부 튜브 기부(15)와 하부 튜브 기부(16)의 사이에서 수직 방향으로 연장되며 원통형 반응기 재킷(jacket)(17)에 의해 둘러싸인 복수의 촉매 충전 반응 튜브(14)를 구비한 다발(13)을 포함한다. 반응 튜브(14)의 2 개의 단부가 개개의 튜브 기부(15, 16)에 기밀 방식으로 용접된다. 작동 동안, 반응 튜브(14)를 통하여 반응 가스(11)가 유동하며(도시된 예시적인 실시예에서는 위에서 아래로), 반응 튜브(14)가 열 전달 매체(18)에 의해 냉각된다. 이 경우, 2 개의 튜브 기부(15, 16)가 재킷(17)과 함께 열 전달 매체 공간(18A)을 형성하며, 열 전달 매체(18)가 반응기 재킷(17)의 하부 단부 영역의 유입 라인(52)을 통해 열 전달 매체 공간(18A)으로 유입되며 반응기 재킷(17)의 상부 단부 영역의 유출 라인(53)을 통해 열 전달 매체 공간(18A)으로부터 빠져 나간다. 상부 튜브 기부(15)는 가스 유입 커넥터(50)를 구비한 가스 유입 후드(19)의 범위에 걸쳐 마련되며, 하부 튜브 기부(16)는 가스 유출 커넥터(51)를 구비한 가스 유출 후드(20)의 범위에 걸쳐 마련된다.
반응 튜브(14)는 촉매 충전물(4)로 채워지며, 각각의 반응 튜브(14) 내에는 계량 튜브(21)가 반응 튜브와 동축으로 배치되며, 계량 튜브의 내부에는 촉매가 없다. 도 2는 계량 튜브(21)를 구비한 촉매 충전 반응 튜브(14)를 상세히 보여준다. 반응 튜브(14) 및 계량 튜브(21)가 도 1 및 도 2에 실제 축척으로 도시되어 있는 것은 아니다. 반응 튜브(14) 및 계량 튜브(21)의 길이/직경 비율은 실제로 실질적으로 더 크다.
계량 튜브(21)가 미리 정의된 길이만큼 반응 튜브(14) 내로 연장되며, 반응 튜브의 중앙 위치에 스페이서(spacer)(23)에 의해 고정된다. 여기서, 도시하지는 않았지만, 계량 튜브(21)의 가스 유입측 단부(24)가 반응 튜브(14) 상에 또는 인접한 상부 가스 유입측 튜브 기부(15) 상에 체결된다. 반응 튜브(14)의 내벽(25)과 계량 튜브(21)의 외벽(26)의 사이에 환형 간극(27)이 형성되며, 상기 간극의 크기는 반응 튜브(14)의 내경(28) 대 계량 튜브(21)의 외경(29)의 제곱비가 2 내지 6의 범위에 있도록 치수가 정해진다.
촉매 충전물(4)이 안착되는 촉매 홀더(31)가 각각의 반응 튜브(14)의 가스 유출측 단부 영역(30)에 배치된다. 촉매 충전물은 촉매 홀더(31)로부터 계량 튜브(21)까지 연장된 다음, 반응 튜브(14)와 계량 튜브(21) 사이의 환형 공간(32)으로 반응 튜브(14)의 가스 유입측 단부(33)로부터 미리 정의된 거리까지 추가로 연장된다. 그 결과, 가스 유입측 반응 튜브 단부(33)에 촉매가 없는 자유 공간(34)이 형성된다. 이에 의해, 반응 튜브(14)의 가스 유입구에서 반응 가스 흐름(11)에 난류가 형성될 수 있기 때문에, 촉매 재료가 날아가는 것이 방지된다. 또한, 여기에는 도시되지 않은 방식으로, 촉매를 제자리에 고정하기 위해, 가스 투과성 요소, 예를 들어, 천공 시트(sheet) 또는 와이어 메쉬(wire mesh)가 자유 공간(34)의 하부 영역에 배치될 수 있다.
반응 튜브(14)의 내벽(25)과 계량 튜브(21)의 외벽(26) 사이의 환형 간극(27) 대 촉매 충전물(4)의 입경의 비율은 2 내지 6의 범위에 있다.
계량 튜브(21)의 가스 유입측 단부(24)가 반응 가스(11)의 유입 개구(35)를 형성한다. 촉매 충전물(4)의 가스 유입측 단부(36)로부터 미리 정의된 축 방향 거리에, 즉, 자유 공간(34)의 하류에, 제 1 가스 유출 지점(37A)이 배치되며, 도시된 예에서는, 이 지점으로부터 추가로 미리 정의된 축 방향 거리에, 제 2 가스 유출 지점(37B) 및 마지막 제 3 가스 유출 지점(37C)이 배치된다. 가스 유출 지점은, 바람직하게는 계량 튜브(21)의 원주에 걸쳐 균일하게 분포된, 하나 이상의 가스 유출 개구(38)에 의해 형성된다. 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C)의 가스 유출 개구(38)는 또한, 원주 방향으로 서로 오프셋 배치될 수 있다. 이들 가스 유출 개구(38)의 크기 및 개수는 미리 정의된 가스 흐름이 구축되도록 치수가 정해진다. 또한, 여기에 도시되지 않은 방식으로, 스로틀(throttle) 개구가 또한 계량 튜브(21)의 내부에 배치될 수 있다.
계량 튜브(21)는 3 가지 기능을 갖는다. 계량 튜브는 반응 튜브(14)의 촉매 충전물(4)의 유동 단면을 반응 튜브(14)와 계량 튜브(21) 사이의 환형 공간(32)의 단면으로 감소시키며, 그 결과, 후속 반응 열이 감소된다. 또한, 반응 가스(11)가 축 방향으로 단계적으로 도입되도록 하며, 그 결과, 총 반응 열이 여러 개의 작은 부분으로 분할된다. 마지막으로, 반응 가스(11)의 유름 방향에 대해 횡 방향으로, 열 전환 경로가 반응 튜브(14)와 계량 튜브(21)의 사이의 환형 간극(27)의 크기로 단축되어, 반응 열이 더 적게 생성될뿐만 아니라 더 빠르게 방향이 전환되도록 한다.
촉매 충전물(4)은 2 개의 촉매 층(4a, 4b)으로 분할된다. 반응 가스(11)의 유동 방향에서의 제 1 촉매 층(4a)은 인접한 제 2 촉매 층(4b)보다 낮은 활성도를 갖는다. 상기 제 1 촉매 층(4a)은 환형 공간(32)의 촉매 충전물(4)의 가스 유입측 단부(36)에서 시작하여 제 1 가스 유출 지점(37A)의 상류에서 종결된다.
2 개의 촉매 층(4a, 4b)은 동일한 촉매 재료를 수용하며, 제 1 촉매 층(4a)은 제 2 촉매 층(4b)의 촉매 재료 및 또한 불활성 재료의 5 체적% 내지 90 체적%, 바람직하게는 10 체적% 내지 40 체적%를 함유하는 혼합물이다. 촉매 재료 및 불활성 재료의 입자 크기는, 특히, 반응 튜브(14)를 채울 때 분리되는 것을 피하기 위해 동일한 것이 바람직하다.
촉매 충전물(4)의 가스 유입측 단부(36)와 제 1 가스 유출 지점(37A) 사이의 축 방향 간격, 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C)들 사이의 축 방향 간격, 및 마지막 가스 유출 지점(37C)과 계량 튜브(21)의 하류 단부(39) 사이의 축 방향 간격은, 가스 유입 지점(35) 또는 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C) 사이의 방출 반응 열로 인한 가열 표면 부하가 10 kW/m2 내지 150 kW/m2의 범위에서, 바람직하게는 20 kW/m2 내지 50 kW/m2의 범위에서 획득되도록 미리 정해진다.
튜브 다발 반응기(3)를 통한 반응 가스(11)의 유동 경로가 도 1 및 2를 참조하여 이하에서 설명된다.
예열된 공급 가스(10)가 가스 유입 커넥터(50)를 통해 튜브 다발 반응기(12)의 가스 유입 후드(19)로 유입되어, 반응 튜브(14)의 사이에서 분배된다(이 상태에서는, 반응 가스(11)로서 명명된다).
각각의 반응 튜브(14)에서는, 반응 튜브에 유입된 반응 가스 흐름이 계량 튜브(21)와 반응 튜브(14) 사이의 환형 공간(32)에 위치한 촉매 충전물(4)로 직접 유입되는 제 1 부분 흐름(11.1)과 계량 튜브(21)의 유입 개구(35)로 유입되는 제 2 부분 흐름(11.2)으로 분할된다. 제 2 부분 흐름은 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C)에서 부분 흐름(11.2A, 11.2B, 11.2C)으로서 촉매 충전물(4)로 나올 때까지 계량 튜브 내에서 촉매 충전물(4)로 우회하여 안내된다. 따라서, 촉매 충전물(4)의 가스 유입측 단부(36)가 부분 흐름(11.1)의 도입 지점을 형성하며, 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C)이 촉매 충전물(4)로의 부분 흐름(11.2A, 11.2B, 11.2C)의 도입 지점을 형성한다.
환형 공간(32)에 직접 도입된 제 1 부분 흐름(11.1)이 자유 공간(34)(반응 튜브 섹션(14.1))을 통해 유동한 다음, 반응 튜브 섹션(14.2)에서 촉매 충전물(4)의 촉매 층(4a)으로 유입된다.
반응 튜브 섹션(14.2)은 제 1 촉매 층(4a)(활성도가 더 낮음)을 포함하는 반응 튜브 섹션(14.2a)과 제 2 촉매 층(4b)의 일부를 포함하는 반응 튜브 섹션(14.2b)으로 분할된다.
바람직하게는, 제 1 촉매 층(4a)의 하류 단부(40)가 제 1 가스 유출 지점(37A)의 상류에 미리 정의된 거리에 위치하거나, 제 2 촉매 층(4b)이 제 1 가스 유출 지점(37A)을 초과하여 이 거리만큼 상류로 돌출되어 반응 튜브 섹션(14.2)을 형성한다. 이 반응 튜브 섹션(14.2b)은 반응 가스(11)가 제 1 가스 유출 지점(37A)에 도달할 때까지 반응 가스를 거의 반응 평형 상태로 전환하는 주요 기능을 충족시킨다. 추가 기능은 제 1 가스 유출 지점(37A)을 통해 촉매 충전물(4) 내로 유동하는 반응 가스(11)가 희석되지 않은 촉매 층(4b)으로 유동하며 이에 따라 최적의 조건 하에서 반응할 수 있는 것이 보장되도록 촉매가 침강되는 경우에 안전 구역을 제공하는 것이다.
반응은 제 1 촉매 층(4a)의 내부에 핫스팟을 갖는 온도 프로파일을 형성하며, 제 1 촉매 층(4a)의 하류 단부(40)를 향해 계속된다. 여기서, 전환율이 약 70% 내지 85%의 범위인 것을 이해하여야 한다. 여기서, 시뮬레이션 계산의 도움으로 촉매 층(4a)의 필요한 축 방향 연장 치수가 정해진다.
반응 튜브 섹션(14.2)에 인접한 반응 튜브 섹션(14.3)은 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C) 및 인접한 반응 섹션의 결과이다. 상기 섹션은 제 1 가스 유출 지점(37A)에서 시작하여 계량 튜브(21)의 하류 단부(39)에서 종결된다. 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C)에 추가된 반응 가스(11)의 부분 흐름(11.2A, 11.2B, 11.2C)이 다음 가스 유출 지점(37B, 37C)까지 또는 계량 튜브(21)의 하류 단부(39)까지 각각 후속 촉매 층(4b)에서 반응한다. 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C)의 축 방향 간격은 각각 추가된 부분 흐름(11.2A, 11.2B)의 반응이 다음 가스 유출 지점(37B, 37C)의 시작부까지 계속되도록 치수가 정해지며, 여기서, 전환율은 약 70% 내지 85%인 것을 또한 이해하여야 한다. 이 경우, 반응 섹션의 그 하류 단부에서의 전환율이 반응 섹션에서 반응 섹션으로 하류 방향으로 증가한다. 이러한 전환율 증가는 희석도가 증가한 결과이며 또한 유량이 계속 증가함에 따라 열이 점점 더 강력하게 제거된 결과이다. 두 가지 효과 모두 온도 제어에 유리하다. 마지막 가스 유출 지점(여기서는 37C)과 계량 튜브(21)의 하류 단부(39) 사이의 마지막 반응 섹션의 단부에서, 전환율은 약 80% 내지 90%의 범위에 있다.
하류 계량 튜브 단부(39)의 다음에 촉매 충전물(4)의 촉매 층(4b)의 마지막 부분이 있는 마지막 반응 튜브 섹션(14.4)이 이어지며, 이 마지막 반응 튜브 섹션에서, 반응 평형이 이루어질 때까지 잔류 전환이 발생한다. 이곳에서는 단지 적은 양의 반응 열이 생성되므로, 계량 튜브(21)의 효과가 더 이상 필요하지 않다. 유동 단면이 더 커진 결과, 반응 가스(11)의 체류 시간이 증가하며, 그 결과, 거의 반응 평형이 이루어질 때까지 반응이 수행될 수 있다. 이후, 반응 튜브 섹션(14.4)의 단부에서, 전환율은 90% 내지 99%의 범위에 있다. 또한, 도 1을 참조하면, 반응 가스(11)는 반응 튜브(14)로부터 튜브 다발 반응기(12)의 가스 유출 후드(20)로 유동하여, 가스 유출 후드로부터 가스 유출 커넥터(51)를 통해 유출된다(이 상태에서는, 생성 가스(43)로 명명된다).
도 3은 본 발명에 따른 튜브 다발 반응기의 또 다른 예시적인 실시예를 보여준다. 여기서, 열 전달 매체는 회로의 펌프(도시하지 않음)에 의해 안내된다. 또한, 냉각기(350)가 튜브 다발 반응기(12)에 직접 연결되어 모두 함께 구성 유닛(300)을 형성한다.
튜브 다발 반응기(12)(도 1에 도시된 튜브 다발 반응기)는 촉매 충전물(4)로 채워지고 각각 하나의 계량 튜브(21)가 촉매 충전물(4)에 적어도 부분적으로 매립 된 반응 튜브(14)의 다발(13)을 포함한다. 계량 튜브(21)를 구비한 반응 튜브(14)를 통해 위에서 아래로 유동이 발생한다. 상기 반응 튜브는 도 1 및 도 2에 도시된 예시적인 실시예에 상응하며, 즉, 촉매 충전물(4)이 설명된 바와 같이 2 개의 촉매 층(4a, 4b)으로 분할된다.
마찬가지로, 반응 튜브(14)의 상부 가스 유입측 단부는 가스 유입 커넥터(50)를 구비한 상부 반응 후드 또는 가스 유입 후드(19)의 범위에 걸쳐 마련된 상부 튜브 기부(15)에 기밀 방식으로 체결된다.
반응 튜브(14)의 하부 가스 유입측 단부는 냉각기(350)가 반응 튜브(14)의 반대 방향 측면 상에 체결되는 하부 튜브 기부(16)에 기밀 방식으로 체결된다.
여기서, 반응 튜브(14)는 또한 상부 및 하부 튜브 기부(15, 16)와 함께 열 전달 매체 공간(18A)을 형성하는 원통형 반응기 재킷(17)에 의해 둘러싸여 있다.
열 전달 매체 공간(18A)에서는, 열 전달 매체(18)가 반응 튜브(14)의 주위에서 유동하며, 이 열 전달 매체(18A)는 하부 환형 채널(352)로부터 열 전달 매체 공간(18A)으로 공급되며, 열 전달 매체 공간(18A)에서 원판형 및 환형의 편향 판(353)에 의해 각각의 경우에 외부에서 내부로 그리고 그 반대로 또한 아래에서 위로 반경 방향으로 구불구불한 형태로 튜브 다발(13)을 통해 안내되며(즉, 반응 튜브(14)에 대해 횡 방향으로 그리고 반응 가스(11)에 대해 역류하는 형태로), 열 전달 매체 공간(18A)으로부터 다시 상부 환형 채널(354)로 유출된다. 반응기 채널(352, 354)이 반응기 재킷(17)의 외측을 둘러싸며, 재킷 개구(355)를 통해 열 전달 매체 공간(18A)과 유동 연통 관계에 있다. 열 전달 매체(18)는 여기에 도시되지는 않은 열 교환기 및 열 전달 매체 펌프를 통해 회로에서 안내된다. 바람직하게는, 열 전달 매체(18)가 일반적으로 알려진 액체 염이지만, 예를 들어, 열 전달 매체 오일 또는 이온성 액체와 같은 다른 열 전달 매체가 또한 사용될 수 있다.
냉각기(350)는 냉각 튜브(357)의 다발(356)을 포함하며, 냉각 튜브의 개수는 반응 튜브(14)의 개수보다 적을 수 있다. 냉각 튜브(357)는 상부 냉각기 튜브 기부(358)로부터 하부 냉각기 튜브 기부(359)까지 수직 방향으로 연장되며 원통형 냉각기 재킷(360)에 의해 둘러싸여 있다. 냉각 튜브(357)의 단부는 개개의 냉각 튜브 기부(358, 359)에 기밀 방식으로 용접된다. 냉각 튜브(357)에는 촉매가 없으며, 반응 가스(11)가 위에서 아래로 냉각 튜브를 통해 유동한다.
튜브 다발 반응기(12)의 하부 튜브 기부(16)와 상부 냉각기 튜브 기부(358)의 사이에 가스 전달 공간(361)이 위치하며, 반응 가스(11)가 반응 튜브(14)로부터 가스 전달 공간으로 나와, 가스 전달 공간으로부터 냉각 튜브(357)로 유입된다.
튜브 다발 반응기(12)의 열 전달 매체 회로와 독립적인 열 전달 매체 회로에서 열 전달 매체(362)가 냉각 튜브 다발(356)을 통해 횡 방향으로 유동한다. 열 전달 매체 흐름은 냉각기(350)의 하부 단부 영역에 배치된 유입 커넥터(363)를 통해 냉각기(350)로 유입되며 냉각기(350)의 상부 단부 영역에 배치된 유출 커넥터(364)를 통해 다시 냉각기를 빠져 나간다. 냉각기(350)의 절반 높이에서 편향 판(365)이 유입 및 유출 커넥터(363, 364)의 사이에 배치되어 전체 냉각 튜브 다발(356)을 통해 수평 방향으로 연장되므로, 유입 커넥터(363)에서 나온 열 전달 매체 흐름이 유출 커넥터(364)를 향해 편향된 후 전체 냉각 튜브 다발(356)을 통해 횡 방향으로 안내된다.
하부 냉각기 튜브 기부(359)의 냉각 튜브(357)의 반대 방향을 향한 측면이 가스 유출 커넥터(51)를 구비한 하부 반응기 후드 또는 가스 유출 후드(20)의 범위에 걸쳐 마련된다.
냉각 튜브(356)로부터의 반응 가스(11)가 가스 유출 후드(20)로 유입되어, 가스 유출 커넥터(51)를 통해 냉각기로부터 빠져 나간다(이 상태에서는, 생성 가스(43)로서 명명된다).
도 4에 도시된 본 발명에 따른 반응기 시스템(1)의 예시적인 실시예는 예열기(2), 제 1 촉매 충전물(4)을 구비한 제 1 반응기 단(3)으로서의 본 발명에 따른 튜브 다발 반응기(예를 들어, 도 1 또는 도 3에 도시된 예시적인 실시예), 응축기(5), 압축기(6), 가열 구역(7), 및 제 2 촉매 충전물(9)을 구비한 제 2 반응기 단(8)을 포함하며, 이들 모두가 반응기 시스템(1)을 통해 유동하는 공급 가스(10) 또는 반응 가스(11)의 유동 방향으로 연이어 배열된다.
예열기(2)에서는, 공급 가스(10)가 튜브 다발 반응기(12)로 유입되기 전에 촉매 충전물(4)의 촉매의 적어도 소위 시동 온도로 가열된다. 이 시동 온도는 촉매 전환이 발생하는데 필요한 온도이다. 바람직하게는, 공급 가스(10)가 시동 온도보다 5 K 내지 30 K 더 높은 온도로 설정된다. 튜브 다발 반응기(12)의 촉매 충전물(4) 직전에서 가열이 이루어지는 것도 가능하다. 결과적으로, 설치 부품이 절감된다.
제 1 반응기 단의 튜브 다발 반응기를 통과하는 반응 가스의 유동 경로는 이미 도 1 내지 도 3을 참조하여 설명되었다.
응축기(5)에서는, 제 1 반응기 단으로부터 나오는 반응 가스(11)가 반응 가스(11)의 성분 중 적어도 하나의 부분의 이슬점 아래의 온도로 냉각되며, 응축 성분(41)의 일부가 유출된다. 메탄화의 경우, 튜브 다발 반응기(12)에서 반응 동안 형성된 물이 부분적으로 응축되어 라인에서 유출된다.
제 1 반응기 단(3)에서의 반응과 응축기(5)에서의 온도 감소는 체적 감소를 초래한다. 제 2 반응기 단(8)에서 전환율을 최대화하기 위한 최적의 반응 조건을 생성하기 위해, 이후, 압축기(6)에서 압력이 증가된다.
가열 구역(7)에서는, 압축된 반응 가스(11)가 적어도 제 2 반응기 단(8)의 제 2 촉매 충전물(9)의 시동 온도로 가열된다. 도시된 예시적인 실시예에서, 제 2 반응기 단(8)은 단열 반응기(42)이다. 단열 반응기(42)에서는, 비교적 낮은 온도에서 높은 전환율이 달성되기 때문에, 반응 가스(11)의 전환이 완료된다. 메탄화의 경우, 전환율이 98.0% 내지 99.6%의 범위에 있다. 제 2 반응기 단(8) 이후 공정에서 생성된 물은 일반적으로 거의 완전히 응축된다. 이하 생성 가스(43)는 미리 정의된 공급 사양에 따른 메탄 농도를 갖는 메탄(CH4)으로 주로 구성된다.
도 5에 도시된 본 발명에 따른 반응기 시스템(101)의 예시적인 실시예에 있어서, 제 1 및 제 2 반응기 단(3, 8)이 소위 콤비-반응기(100)의 형태의 구성 유닛으로서 구성된다.
이 예시적인 실시예의 콤비-반응기(100)는 제 1 반응기 단(3)의 반응 튜브(114A) 및 제 2 반응기 단(8)의 반응 튜브(114B)를 포함하며, 이들 반응 튜브가 단일 튜브 다발(113)로 조합되어 혼합된 형태로 분포되어 있다. 튜브 다발(113)이 반응기 재킷(117)에 의해 둘러싸여 제 1 및 제 2 반응기 단(3, 8)의 반응 튜브(114A, 114B)가 열 전달 매체(118)에 의해 냉각되는 공통의 열 전달 매체 공간(118A)에 위치한다. 또한, 제 1 및 제 2 반응기 단(3, 8)의 반응 튜브(114A, 114B)는 촉매 재료로 채워지며, 반응 가스(11)가 반응 튜브를 통하여 유동한다. 제 1 반응기 단(3)의 반응 튜브(114A)는 제 2 반응기 단(8)의 반응기 튜브(114B)와 상이한 가스 분배기 공간 및 가스 수집 공간과 유동 연통 관계에 있다.
제 1 반응기 단(3)의 반응기 튜브(114A)는, 전술한 바와 같이 적어도 하나의 촉매 층(4a) 및 하나의 촉매 층(4b)으로 분할되는, 제 1 촉매 충전물(4)로 채워지며, 촉매 충전물을 통해 위에서 아래로 유동이 발생한다. 반응기 튜브의 단부가 기밀 방식으로 제 1 상부 튜브 기부(115A) 및 제 1 하부 튜브 기부(116A)에 체결된다. 계량 튜브(21)가 제 1 반응기 단(3)의 각각의 반응 튜브(114A)에 동축으로 배치되며, 계량 튜브는 제 1 촉매 충전물(4)에 적어도 부분적으로 매립된다. 계량 튜브(21) 및 이 제 1 촉매 충전물(4)은, 예를 들어, 도 2에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다.
제 2 반응기 단(8)의 반응 튜브(114B)는 제 2 촉매 충전물(9)로 채워지며, 상기 튜브를 통해 아래에서 위로 유동이 발생한다. 반응 튜브의 단부가 제 1 상부 튜브 기부(115A)의 위에 거리를 두고 배치된 제 2 튜브 기부(115B) 및 제 1 하부 튜브 기부(116A)의 아래에 배치된 제 2 하부 튜브 기부(116B)에 기밀 방식으로 체결된다. 제 2 반응기 단(8)의 반응 튜브(114B)는 제 2 촉매 충전물(9)로만 채워지며, 계량 튜브를 포함하지 않는다.
제 2 상부 튜브 기부(115B)는 상부 반응기 후드(119)의 범위에 걸쳐 마련되며, 제 2 튜브 기부(116B)는 하부 반응기 후드(120)의 범위에 걸쳐 마련된다.
제 1 상부 튜브 기부(115A)와 제 2 상부 튜브 기부(115B) 사이의 중간 공간은 (제 1) 가스 유입 공간(119A)을 형성하며, 제 1 하부 및 제 2 하부 튜브 기부(116A, 116B) 사이의 중간 공간은 제 1 반응기 단(3)의 반응 튜브(114A)용의 (제 1) 가스 수집 공간(120A)을 형성한다.
하부 반응기 후드(120)는 (제 2) 가스 유입 공간(119B)을 형성하며, 상부 반응기 후드(119)는 제 2 반응기 단(8)의 반응 튜브(114B)용의 (제 2) 가스 수집 공간(120B)을 형성한다.
도 5에 도시된 반응기 시스템(101)의 예시적인 실시예가 다음과 같이 설명된다:
제 1 공급 가스 성분(10a)을 갖는 가스 흐름 및 제 2 공급 가스 성분(10b)을 갖는 가스 흐름, 메탄화의 경우, 예를 들어, CO2의 가스 흐름과 H2의 가스 흐름이 여기에서는 도시되지 않은 혼합기에서 조합되어 공급 가스(10)를 형성한다. 공급 가스는, 제 2 반응기 단(8)에서 나오는 생성 가스(43)에 의해 예열기(102)에서, 연속적인 정지 작동에서 역류하는 형태로 제 1 반응기 단(3)으로 유입되기 전에 제 1 촉매 충전물(4)의 시동 온도로 가열된다. 그러나, 반응기 시스템(101)을 시동할 때 여전히 뜨거운 생성 가스(43)는 없다. 따라서, 공급 가스(10)는 바람직하게는 전기적으로 작동되는 시동 예열기(102.1)에 의해 시동 공정 동안 가열된다. 이 시동 예열기(102.1)의 작동은 임의의 방식으로, 예를 들어, 증기 공급망이 존재하는 경우에는 증기를 사용하여 가능하다. 공급 가스 흐름(10)은 관로의 차단 밸브(150)의 적절한 개폐에 의해 편향된다.
이어서, 예열된 공급 가스(10)가 콤비-반응기(100)의 제 1 반응기 단(3)의(제 1) 가스 분배기 공간(119A)으로 유입되어, 가스 분배기 공간으로부터 계량 튜브(21)를 구비한 반응 튜브(114A)로 유동한다. 이들 반응 튜브(114A)로부터 나온 후, 반응 가스(11)는 제 1 가스 수집 공간(120A)으로 보내진다.
제 1 가스 수집 공간으로부터의 반응 가스는 갖고 있는 열의 제 1 부분을 전달하는 열 전달 매체(151)로 안내된다.
이어서, 반응 가스(11)가 약 20 체적%의 함량의 수분만을 포함하도록 반응 가스(11)에 포함된 물(41)(메탄화의 경우)이 응축기(105)에서 부분적으로 응축되어 유출된다. 이어서, 냉각된 반응 가스(11)가 콤비-반응기(100)의 제 2 반응기 단(8)의 (제 2) 가스 분배기 공간(119B)으로 안내되기 전에 열 전달 매체(151)에서 다시 가열된다. 열 전달 매체로부터의 반응 가스(11)는 원하는 생성물 조성까지 잔류 전환이 발생하는 제 2 반응기 단(8)의 반응 튜브(114B)로 유동한다. 이어서, 반응 가스(11)가 이들 반응 튜브(114B)로부터 상부 반응기 후드(119)의 제 2 가스 수집 공간(120B)으로 유입되어, 제 2 가스 수집 공간으로부터 콤비-반응기(100)의 외부로 생성 가스(43)로서 안내된다.
전술한 인접한 예열기(102)에서, 생성 가스(43)가 제 1 반응기 단(3)으로 유입되는 공급 가스(10)를 가열한 다음, 제 2 반응기 단(8)에 여전히 형성되어 있는 물(153)이 응축되어 유출되는 제 2 응축기(152)로 안내된다. 이어서, 건조한 상태의 생성 가스(43)가 가스 공급 유닛으로 이송된다.
도시된 콤비-반응기(100)는 비등수 반응기이다. 270℃의 작동 온도가 획득되도록 작동 압력은 55 bara이다. 열을 가능한 한 효율적으로 관리하기 위해, 공급수가 적어도 부분적으로 응축기용 냉각 매체로서 사용된다. 도시된 예시적인 실시예에서, 펌프(154)에 의해 공급된 공급수(155)가 비등수 반응기(100)의 냉각수 회로(157)의 증기 드럼(156)에 공급되기 전에 제 1 및 제 2 반응기 단(3, 8) 사이의 응축기(105)에서 냉각수로서 사용된다.
반응기 시스템(101)에는 이러한 유형의 공장에서 통상적으로 사용되는 바와 같은 여기에는 도시되지 않은 측정, 제어 및 조절 시스템이 추가로 장착된다. 특히, 제 1 및 제 2 반응기 단(3, 8) 사이의 반응 가스(11)의 조성이 분석된다. 여기서, 제 2 반응기 단(8)에서의 잔류 전환이 허용할 수 없을 정도로 높은 온도를 초래하지 않도록 제 1 반응기 단(3)의 전환율이 충분히 높은지 여부가 확인된다. 또한, 온도 측정 지점이 모든 공정 흐름과 제 2 반응기 단(8)에서 편리한다. 여기서, 공정 흐름은 혼합 전후의 공급 가스 성분(10a, 10b), 반응 가스(11), 열 전달 매체(118), 응축수(41, 43), 비등수 회로(157)용 공급수(155), 및 가능한 다른 보조 흐름을 포함한다.
도 6은 도 5에 도시된 콤비-반응기(100)의 변형예(200)를 보여준다. 차이점은 제 1 및 제 2 반응기 단(3, 8)의 반응 튜브(214A, 214B)가 반응기 단면에 걸쳐 균일하게 분포되는 것이 아니라 각각 그 소유 영역에 배치된다는 사실이다. 따라서, 제 1 반응기 단(3)의 반응 튜브(214A)는 제 2 반응기 단(8)의 반응 튜브(214B)를 갖는 중앙 튜브 다발(213B)을 둘러싸는 환형 튜브 다발(213A)로 배치된다.
도 5에 따른 예시적인 실시예에서와 같이, 제 1 반응기 단(3)의 반응 튜브(214A)는 각각, 제 1 촉매 충전물(4)에 적어도 부분적으로 매립되는, 동축으로 배치된 계량 튜브(21)를 포함한다. 전술한 바와 같이, 제 1 촉매 충전물(4)은 촉매 층(4a)과 촉매 층(4b)으로 분할된다. 제 2 반응기 단(8)의 반응 튜브(214B)는 제 2 촉매 충전물(9)로만 채워지며, 계량 튜브를 포함하지 않는다.
상부 반응기 후드(219)는 제 1 반응기 단(3)의 (제 1) 가스 분배기 공간(219A)을 형성하며, 공급 가스(10)용의 가스 유입 커넥터(250A)를 구비한다. 하부 반응기 후드(220)는 제 1 반응기 단(3)의 (제 1) 가스 수집 공간(220A)을 형성하며, 반응 가스(11)용의 가스 유출 커넥터(251A)를 구비한다.
제 2 반응기 단(8)의 (제 2) 가스 분배기 공간(219B)이 하부 반응기 후드(220)의 내부, 즉, 제 1 가스 수집 공간(220A)의 내부에 배치된 분배기 후드(252)에 의해 형성되며, 하부 반응기 후드(220)를 통해 그 외부로 연장되는 제 2 가스 유입 커넥터(250B)에 연결된다. 제 2 가스 수집 공간(220B)은 상부 반응기 후드(219)의 내부, 즉, 제 1 가스 분배기 공간(219A)의 내부에 배치된 수집 후드(253)에 의해 형성되며, 상부 반응기 후드(219)를 통해 그 외부로 연장되는 제 2 가스 유출 커넥터(251B)와 연결된다.
분배기 후드(252)는 하부 반응기 후드(220)에 대면하는 하부 튜브 기부(216)의 측면에 체결된다. 수집 후드(253)는 상부 반응기 후드(219)에 대면하는 상부 튜브 기부(215)의 측면에 체결된다.
제조 공차 및 온도 팽창을 보상하기 위해, 제 2 가스 유입 커넥터(250B) 및 제 2 가스 유출 커넥터(251B)가 각각, 팽창 구성 요소(254)를 구비한다.
작동 모드는 아래와 같다.
공급 가스(10)가 제 1 가스 분배기 공간(219A)으로 도입되어, 이곳으로부터 제 1 반응기 단(3)의 반응 튜브(214A)로 유입된다.
제 1 반응기 단(3)의 반응 튜브(214A)로부터의 반응 가스(11)가 제 1 가스 수집 공간(220A)으로 유입되어, 제 1 가스 유출 커넥터(251A)를 통해 콤비-반응기(200)로부터 유출된다.
이어서, 반응 가스(11)가 여기에는 도시되지 않은 응축기에서 어느 정도 냉각되어, 반응 가스(11)에 포함된 물(메탄화의 경우)이 응축되고 물의 일부가 유출된다. 이어서, 반응 가스(11)가 다시, 여기에는 도시되지 않은 가열 구역에서 제 2 반응기 단(8)의 제 2 촉매 충전물(9)의 시동 온도로 가열된다.
이어서, 가열된 반응 가스(11)가 제 2 가스 유입 커넥터(250B)를 통해 다시 콤비-반응기로 유입된 다음, 제 2 가스 분배기 공간(219B)(분배기 후드(252))으로 공급된다.
분배기 후드(252)로부터의 반응 가스(11)가 제 2 반응기 단(8)의 반응 튜브(214B)로 유입된다.
이들 반응 튜브(214B)로부터의 반응 가스(11)가 제 2 가스 수집 공간(220B)(수집 후드(253))으로 유입되어, 제 2 가스 유출 커넥터(251B)에 의해 콤비-반응기(200)로부터 생성 가스(43)로서 유출된다.
상기 가스는 가스 공급 유닛으로 전달되며, 선택적으로 사전에, 제 2 반응기 단(8) 이후의 반응 가스(11)에 또는 생성 가스(43)에 여전히 함유된 물을 응축시키기 위해 다른 응축기로 전달된다.
콤비-반응기(100, 200)에 통합된 튜브 다발 반응기로서 도 5 및 도 6에 도시된 제 2 반응기 단(8)의 예시적인 실시예의 결과, 전체 반응을 더욱 효과적으로 제어하며 전체 반응기 시스템(101)의 크기를 최적화할 수 있다. 이들 반응기 시스템(101)의 특별한 장점은 냉각에 의해 제 2 반응기 단(8)의 과열이 배제될 수 있으며 전환율이 안정적인 높은 수준으로 유지될 수 있다는 점이다. 동시에, 소형화된 설계가 달성된다.
도 7은 반응기 시스템의 모든 구성 요소가 하우징에 수용되는 콤비-반응기(400)의 예시적인 실시예를 보여준다. 반응 가스(11)가 이 콤비-반응기(400)를 통해 아래에서 위로 유동한다. 구체적으로, 콤비-반응기(400)는 다음과 같은 구성 요소를 포함한다:
하부 반응기 후드(420)가 예열기(450)에서 예열된 공급 가스(10)가 유입되는 가스 분배기 공간(419A)을 형성한다.
가스 분배기 공간(419A)은 제 1 반응기 단(3)으로서의 튜브 다발 반응기(412)에 인접한다. 튜브 다발 반응기(412)의 반응 튜브(414)는, 도 2에 도시된 바와 유사하게, 계량 튜브(21)가 적어도 부분적으로 매립된 제 1 촉매 충전물(4)을 포함한다. 그러나, 계량 튜브의 가스 유입 개구가 각각의 경우에 가스 분배기 공간(419A)과 유동 연통 관계에 있도록 계량 튜브(21)가 도 2에 대하여 180° 회전된다. 반응 가스의 유동 방향에서의 촉매 층(4a, 4b)의 순서는 도 2의 순서에 상응한다. 즉, 튜브 다발 반응기(412)에서는, 촉매 층(4a)이 촉매 층(4b)의 아래에 놓여, 계량 튜브와 반응 튜브 사이의 환형 공간으로 직접 아래로부터 유입되는 반응 가스 부분 흐름(11.1)이 낮은 활성도의 촉매 층(4a)으로 먼저 유입된다.
열 전달 매체 유입 커넥터(451) 및 열 전달 매체 유출 커넥터(452)를 통해 열 전달 매체(18)가 열 전달 매체 공간(418A)을 통해, 여기에서는 반응 가스(11)와 직접 유동하는 방식으로, 열 전달 매체 회로에서 안내된다. 열 전달 매체(18)는, 예를 들어, 액체 또는 비등수 또는 가압수일 수 있다.
제 1 반응기 단(3)의 튜브 다발 반응기(412)의 위에 피터(fitter)용 작업 챔버(453)가 제공된다. 작업 챔버(453)는 맨홀(454)을 통해 접근 가능하며, 초기 충전 동안 촉매 재료로 반응 튜브(414)를 채우거나 촉매 재료를 교체하며, 예를 들어, 온도계의 설치와 같은 다른 작업을 위해 사용된다.
이 작업 챔버(453)의 위에 반응 가스(11)의 응축 성분(456)(메탄화의 경우 따라서 물)을 수집하며 응축 성분(456)을 배출하기 위한 장치(455)가 위치한다. 상기 장치(455)에는 반응 가스(11)용의 적어도 하나의 루프가 마련된 개구(457)가 관통하여 형성되어, 반응 가스(11)가 콤비-반응기(400)의 제 1 반응기 단(3)으로부터 후술하는 구성 요소로 추가로 상방으로 유동할 수 있다. 루프(roof)(458)는 응축 성분이 작업 챔버(453) 또는 제 1 반응기 단(3)으로 역류하는 것을 방지한다.
이 영역 위에는 반응 가스(11)가 통과하여 유동하는, 촉매가 없는 냉각 튜브(460)의 다발(459)을 구비한 응축기(405)가 후속된다. 반응 가스가 성분 중 일부(예를 들어, 물)가 응축될 때까지 냉각된다. 응축 성분(456)이 냉각 튜브(460) 로 유동하여 하방으로 수집 및 제거 영역(455, 456)으로 유동한다. 응축기(405)는 냉각수(463)용의 유입 커넥터(461) 및 유출 커넥터(462)를 구비하며, 여기서, 냉각수(463)는 응축기(405)를 통한 반응 가스 흐름에 대해 역류하는 형태로 안내된다. 예를 들어, 물이 냉각수(463)로서 사용될 수 있다.
응축기(405)의 다음에는, 응축기(405)로부터 나오는 반응 가스(11)가 제 2 반응기 단(8)의 제 2 촉매 충전물(9)의 반응 온도로 가열되는 가열 구역(407)이 위치한다. 예시적인 실시예에 도시된 바와 같이, 튜브(460)가 응축기(405) 및 가열 구역(407)을 통해 연속적으로 연장되며, 촉매 재료를 포함하지 않는다. 유입 커넥터(464) 및 유출 커넥터(465)를 통해 열 전달 매체(466)가 가열 구역(407)을 통한 반응 가스 흐름에 대해 역류하는 형태로 안내된다. 열 전달 매체(466)는, 예를 들어, 제 1 반응기 단(3)에서와 같은 액체 염 또는 비등수 또는 가압수일 수 있다.
가열 구역(407)으로부터의 반응 가스(11)가 도시된 예시적인 실시예에서 단열 반응기(442)인 제 2 반응기 단(8)으로 유입된다. 제 2 반응기 단은 반응 가스(11)의 잔류 전환이 발생하는 제 2 촉매 충전물(9)을 포함한다.
제 2 반응기 단(8)으로부터의 반응 가스(11)는 최종 반응 가스가 생성 가스(43)로서 나오는 가스 수집 공간(420A)을 형성하는 상부 반응기 후드(419)로 유입된다. 예를 들어, 메탄화의 경우 생성 가스(43)가 여전히 너무 축축하면, 생성 가스가 잔류 수분(468)이 응축되는 추가의 응축기(467)로 공급될 수 있다.
예시적인 실시예는 본 발명의 실시예에서 어떠한 제한도 구성하지 않는다. 특히, 특정한 예시적인 실시예의 개별적인 특징이 다른 설계에 유리하게 개작된 설계에 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 7에 도시된 바와 같이, 도 1의 튜브 다발 반응기에서 아래에서 위로 유동이 발생하는 것도 가능하다.

Claims (20)

  1. 메탄화 반응을 포함하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법으로서,
    a) 촉매 충전물로 채워지며 열 전달 매체에 의해 냉각되는 반응기 튜브 다발을 구비한 튜브 다발 반응기를 제공하는 단계, 및
    b) 상기 촉매 충전물을 통해 반응 가스를 운반하는 단계로서, 각각의 반응 튜브 내로 유동하는 반응 가스가, 서로 다른 지점에서 반응 튜브의 축 방향으로 촉매 충전물에 도입되는 적어도 2 개의 부분 흐름으로 분할되는 것인, 운반하는 단계
    를 포함하며,
    상기 촉매 충전물(4)은 활성도가 서로 다른 적어도 2 개의 촉매 층(4a, 4b)을 구비하며,
    상기 반응 가스(11)의 유동 방향에서의 제 1 촉매 층(4a)의 활성도가 적어도 하나의 추가의 촉매 층(4b)의 활성도의 5% 내지 90%로 설정되며,
    단계(b)에서, 제 1 부분 흐름(11.1)이 제 1 촉매 층(4a)으로 도입되며, 각각의 추가의 부분 흐름(11.2)이 제 1 촉매 층(4a)을 지나쳐 적어도 하나의 추가의 촉매 층(4b)으로 도입되는 것을 특징으로 하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 촉매 층(4a)의 활성도가 상기 적어도 하나의 추가의 촉매 층(4b)의 활성도의 10% 내지 40%로 설정되는 것을 특징으로 하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 촉매 층(4a) 및 제 2 촉매 층(4b)의 최대 온도가 300℃ 내지 900℃의 범위에 있도록, 상기 튜브 다발 반응기(12, 100, 200, 412)의 반응 매개 변수, 개별 촉매 층(4a, 4b)의 충전물 높이, 부분 흐름(11.1, 11.2A, 11.2B, 11.2C)의 도입 지점(36, 37A, 37B, 37C)들의 축 방향 간격, 부분 흐름의 양, 및 촉매 활성화가 설정되는 것을 특징으로 하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 반응 가스(11)가 5 bara 내지 50 bara의 압력에서 튜브 다발 반응기(12, 100, 200, 412) 내로 도입되는 것을 특징으로 하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브 다발 반응기(12, 100, 200, 412)의 열 전달 매체 온도는 240℃ 내지 300℃의 범위에 있도록 설정되는 것을 특징으로 하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브 다발 반응기(12, 100, 200, 412)는 반응기 시스템(1)의 제 1 반응 단(3)을 형성하며, 상기 반응기 시스템은 응축기(5), 가열 구역(7), 및 제 2 반응 단(8)을 추가로 포함하고, 상기 응축기, 상기 가열 구역, 및 상기 제 2 반응 단은 모두 반응기 시스템(1)을 통해 유동하는 반응 가스(11)의 유동 방향으로 연이어 배열되며,
    상기 단계 b)에 후속하여,
    c) 상기 튜브 다발 반응기(12, 100, 200, 412)에서 유출되는 반응 가스(11)를 반응 가스(11)의 성분들 중 적어도 하나의 부분의 이슬점보다 낮은 온도로 냉각하고 응축 성분(41)의 적어도 일부의 방향을 전환하는 단계;
    d) 단계 c)에서 응축 성분(41)의 일부가 방향이 전환된 상기 반응 가스(11)를 가열하는 단계;
    e) 상기 제 2 반응 단(8)으로서 제 2 촉매 충전물(9)을 구비한 반응기(42)를 제공하는 단계;
    f) 가열된 반응 가스(11)를 상기 제 2 촉매 충전물(9)을 통해 안내하는 단계
    를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 단계(c)에서, 상기 반응 가스(11)가 물의 이슬점 아래의 온도로 냉각되며, 응축수(41)의 적어도 일부의 방향이 전환되는 것을 특징으로 하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 응축수(41)의 적어도 일부의 방향을 전환한 후, 상기 반응 가스(11)가 0% 내지 30%의 함량의 잔류 수증기를 함유하는 것을 특징으로 하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법.
  9. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 튜브 다발 반응기(12, 100, 200, 412) 또는 전체 반응기 시스템(1)이 5000 l/h 내지 20000 l/h의 공간 속도(GHSV)에서 작동되는 것을 특징으로 하는 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법.
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 따른 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법을 수행하기 위한 튜브 다발 반응기로서,
    촉매 충전물로 채워지며, 작동 동안 반응 가스가 통과하여 유동하고, 열 전달 매체에 의해 냉각되는 반응 튜브 다발
    을 포함하며,
    계량 튜브가 각각의 반응 튜브의 촉매 충전물에 동축으로 적어도 부분적으로 매립되며, 계량 튜브는 내부에 촉매를 포함하지 않고, 촉매 충전물의 가스 유입측 단부로부터 미리 정의된 길이만큼 상기 촉매 충전물 내로 연장되며, 촉매 충전물의 외부에 적어도 하나의 가스 유입 지점을 가지며 촉매 충전물의 영역에 적어도 하나의 가스 유출 지점을 가지며,
    반응 가스의 유동 방향에서의 제 1 가스 유출 지점이 촉매 충전물의 가스 유입측 단부로부터 미리 정의된 거리에 배치되어, 각각의 반응 튜브 내로 유동하는 반응 가스의 부분 흐름이 우회하여 촉매 충전물로 유동하는 것인, 튜브 다발 반응기에 있어서,
    제 1 촉매 충전물(4)은 활성도가 서로 다른 적어도 2 개의 촉매 층(4a, 4b)을 구비하며, 상기 적어도 2 개의 촉매 층(4a, 4b)이 동일한 촉매 재료를 수용하고,
    반응 가스(11)의 유동 방향에서의 제 1 촉매 층(4a)이 적어도 하나의 추가의 촉매 층(4b)의 촉매 재료의 5 체적% 내지 90 체적%를 수용하며,
    반응 가스(11)의 유동 방향에서의 제 1 가스 유출 지점(37A)이 적어도 하나의 추가의 촉매 층(4b) 내로 개방되어 있는 것을 특징으로 하는 튜브 다발 반응기.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 제 1 촉매 층(4a)이 상기 적어도 하나의 추가의 촉매 층(4b)의 촉매 재료의 10 체적% 내지 40 체적%를 수용하는 것을 특징으로 하는 튜브 다발 반응기.
  12. 제 10 항에 있어서,
    각각의 반응 튜브(14, 114A, 214A, 414)에서, 반응 튜브(14, 114A, 214A, 414)의 내벽(25)과 계량 튜브(21)의 외벽(26) 사이의 환형 간극(27) 대 제 1 촉매 층(4a)의 입경의 비율이 2 내지 6의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 튜브 다발 반응기.
  13. 제 10 항에 있어서,
    반응 가스(11)의 유동 방향에서의 적어도 하나의 가스 유입 지점(35)과 제 1 가스 유출 지점(37A) 사이의 축 방향 간격, 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C)들 사이의 축 방향 간격, 및 마지막 가스 유출 지점(37C)과 계량 튜브(21)의 단부(39) 사이의 축 방향 간격 및 축방향 간격의 개수는, 가스 유입 지점(35) 또는 가스 유출 지점(37A, 37B, 37C) 사이에서 방출되는 반응 열로 인한 가열 표면 부하가 10 kW/m2 내지 150 kW/m2의 범위에 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 튜브 다발 반응기.
  14. 제 10 항에 있어서,
    반응 튜브(14, 114A, 214A, 414)의 내경(28) 대 계량 튜브(21)의 외경(29)의 제곱비가 2 내지 6의 범위에 있는 것을 특징으로 하는 튜브 다발 반응기.
  15. 제 6 항에 따른 촉매 기상 반응을 수행하기 위한 방법을 수행하기 위한 반응기 시스템으로서,
    상기 반응기 시스템은, 반응기 시스템(1)을 통해 유동하는 반응 가스(11)의 유동 방향으로 모두 연이어 배열되는, 제 1 반응기 단(3), 응축기(5), 가열 구역(7), 및 제 2 반응기 단(8)을 포함하며,
    상기 제 1 반응기 단(3)은 반응기 시스템(1) 내로 유동하는 반응 가스(11)가 통과하여 운반될 수 있는 제 1 촉매 충전물(4)을 구비한 튜브 다발 반응기(12, 100, 200, 412)이며,
    상기 응축기(5)는, 튜브 다발 반응기(12, 100, 200, 412)에서 유출되는 반응 가스(11)를, 반응 가스(11)의 성분의 적어도 일부의 이슬점 아래의 온도로 냉각하며 응축 성분(41)의 적어도 일부의 방향을 전환하도록 구성되며,
    상기 가열 구역(7)은, 응축기(5)에서 응축 성분(41)의 일부가 제거된 반응 가스(11)를 가열하도록 구성되며,
    상기 제 2 반응기 단(8)은, 가열 구역(7)으로부터 유출되는 반응 가스(11)가 통과하여 운반될 수 있는 제 2 촉매 충전물(9)을 구비한 반응기(42)이고,
    상기 튜브 다발 반응기(12, 100, 200, 412)는 반응 튜브 다발을 포함하며, 상기 반응 튜브 다발은 촉매 충전물로 채워지며, 작동 동안 반응 가스가 통과하여 유동하고, 열 전달 매체에 의해 냉각되며,
    계량 튜브가 각각의 반응 튜브의 촉매 충전물에 동축으로 적어도 부분적으로 매립되며, 계량 튜브는 내부에 촉매를 포함하지 않고, 촉매 충전물의 가스 유입측 단부로부터 미리 정의된 길이만큼 상기 촉매 충전물 내로 연장되며, 촉매 충전물의 외부에 적어도 하나의 가스 유입 지점을 가지며 촉매 충전물의 영역에 적어도 하나의 가스 유출 지점을 가지며,
    반응 가스의 유동 방향에서의 제 1 가스 유출 지점이 촉매 충전물의 가스 유입측 단부로부터 미리 정의된 거리에 배치되어, 각각의 반응 튜브 내로 유동하는 반응 가스의 부분 흐름이 우회하여 촉매 충전물로 유동하고,
    제 1 촉매 충전물(4)은 활성도가 서로 다른 적어도 2 개의 촉매 층(4a, 4b)을 구비하며, 상기 적어도 2 개의 촉매 층(4a, 4b)이 동일한 촉매 재료를 수용하고,
    반응 가스(11)의 유동 방향에서의 제 1 촉매 층(4a)이 적어도 하나의 추가의 촉매 층(4b)의 촉매 재료의 5 체적% 내지 90 체적%를 수용하며,
    반응 가스(11)의 유동 방향에서의 제 1 가스 유출 지점(37A)이 적어도 하나의 추가의 촉매 층(4b) 내로 개방되어 있는 것인 반응기 시스템.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 1 반응기 단(3), 상기 응축기(5), 상기 가열 구역(7), 및 상기 제 2 반응기 단(8) 중 적어도 2 개가 구성 유닛(constructive unit; 100, 200, 400)을 형성하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 반응기 단(8)은, 평균 열 전달 매체 온도가 제 1 반응기 단(3)의 반응기(12)의 열 전달 온도보다 0 K 내지 30 K 더 낮은 냉각 반응기(cooled reactor)인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 제 2 반응기 단(8)은 반응 튜브 다발을 구비한 튜브 다발 반응기이며, 상기 반응 튜브 다발은 제 2 촉매 충전물(9)로 채워지며, 작동 동안 반응 가스(11)가 통과하여 유동하고, 열 전달 매체에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 제 1 반응기 단(3) 및 상기 제 2 반응기 단(8)의 2 개의 반응기의 반응 튜브(114A, 114B; 214A, 214B)가 공통의 열 전달 매체 공간(118A)에 위치하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.
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