KR20000022896A - 고온 가스 반응기 및 이를 이용한 화학적 기체 반응 방법 - Google Patents

고온 가스 반응기 및 이를 이용한 화학적 기체 반응 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 제 1고온 반응물 가스 소오스와, 제 1고온 반응물 가스와 제 2반응물 가스를 혼합시켜 반응물 가스의 혼합물을 형성하지만 어떠한 반응도 일어나지 않는 혼합 챔버와, 그리고 상기 혼합물이 기상 반응을 하는 반응 챔버를 포함하고 있는 반응기에 관한 것이다. 또한, 이러한 반응기를 사용하는 방법에 관한 것이다.

Description

고온 가스 반응기 및 이를 이용한 화학적 기체 반응 방법 {HOT GAS REACTOR AND A CHEMICAL VAPOR REACTION PROCESS USING SAME}
본 발명은 기상 화학 반응 분야에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 특별한 반응기 구성과 화학 반응을 수행하기 위한 방법에 관한 것이다.
산화에틸렌, 아크릴로니트릴, 시안화수소, 및 이산화티탄과 같은 통용 화학물은 기상 반응을 통해 제조된다. 이러한 공정의 경제성은 반응물 선택성(반응하는 반응물의 몰로 나눈 생성물의 몰), 반응물 변환성(반응기로 유입하는 반응물의 몰로 나눈 반응된 반응물의 몰), 및 반응기의 설비비용에 의해 크게 좌우된다.
통상적인 기상 반응기는 좁은 범위의 작동 인자에서 선택성과 변환성을 최대화시키는 방식으로 작동되도록 구성된다. 이들 작동 인자 중 가장 중요한 것은 반응물 농도, 압력, 온도, 및 속도가 있으며, 이들 인자들은 반응물 또는 생성물의 가연성 및 설비비용에 의해 주로 제한된다. 특히, 공급 반응물의 농도는 종종 가연성 제한치보다 낮게 유지되어야 하며, 결과물인 산소 대 탄화수소의 비는 산화 선택성 및 변환을 조절한다.
최적의 산소 대 탄화수소의 비 하에서 순수한 산소가 사용될 때, 산소-공급 혼합물은 화학양론에 가깝고, 매우 가연성이 된다. 메탄, 이산화탄소, 또는 스팀과 같은 밸라스트 가스가 희석제로서 필수적으로 추가된다. 별도의 희석제 가스의 추가는 공기 기초 공정에서 꼭 필요하지는 않는데, 이는 공기 내의 질소가 희석제로서 작용하기 때문이다. 그렇지만 불행하게도, 공기 또는 희석된 산소의 사용은 반응의 효율을 저하시키며 반응기의 크기를 증가시킨다.
현재는 반응물의 접촉 형태를 기초로 한 3가지 카테고리의 반응기 구조가 상용화되어 있다. 이들 3가지 카테고리는 예비혼합방식, 원위치혼합방식, 및 간접 접촉방식이다.
예비혼합방식 반응기는 고정형 촉매 베드, 촉매 거즈 베드, 및 촉매 모놀리스를 포함하고 있다. 예비혼합방식 반응기에서, 반응물은 두 개의 스트림이 혼합되는 장치로 독립적으로 이송된다. 이러한 혼합 영역내에서의 거주 시간은 일반적으로 몇 초 정도다. 반응 혼합물은 혼합물 또는 두 반응물 중 어느 하나에 또는 양 반응물이 서로 반응하기 전에 열에너지를 가함으로써 예열될 수 있다. 균일한 혼합물이 반응이 개시되는 반응 영역으로 흐른다. 대부분의 경우에, 반응 영역은 이질의 촉매제를 포함한다. 반응 영역내에서의 거주 시간은 고정형 베드 반응기에서 1초이며, 거즈 베드 및 모놀리스 반응기에서 0.01초이다. 몇몇 경우에, 반응은 촉매제의 도움없이 균일하게 수행된다. 이러한 경우에서, 반응 영역은 점화 소오스 또는 약간의 화염 안정 메카니즘을 포함할 수도 있으며, 반응 영역내에서의 거주 시간은 0.1초이다.
가장 통상적인 예비혼합방식 촉매 반응기는 고정형 베드 반응기이다. 이러한 형태의 반응기에서, 고체 촉매제는 반응열을 제거하기 위해 사용되는 순환하는 열전달 유체내에 위치된 신장형 관내에 채워진다. 프탈산 무수물, 말레산 무수물, 아크릴산, 산화에틸렌, 및 비닐 아세테이트와 같은 생성물이 이들 반응기를 사용하에 제조된다.
다른 상용화된 예비혼합방식 촉매 반응기는 거즈 반응기이다. 이러한 반응기에서, 촉매는 반응 혼합물이 흐르는 한다발의 매우 얇은 와이어 메쉬이다. 이러한 반응기에서는 촉매 베드로부터 반응열을 제거하기 위한 작업을 행할 필요가 없다. 이러한 형태의 반응기에 의해 시안화수소 및 산화질소가 제조된다.
모놀리스식 촉매 반응기는 가스가 흐를 수 있는 다공성 고체 구조물이다. 모놀리스식 촉매 반응기는 촉매 연소시에 그리고 자동차 촉매 변환기에서 전체 산화 반응을 수행하기 위해 상업적으로 사용되어 있다. 일반적으로, 이러한 반응기에서는 반응기 자체내의 반응열을 제거하기 위한 작업을 행할 필요가 없다. 추가로, 이러한 형태의 반응기는 부분 산화 반응을 수행하기 위해 벤치 스케일(bench scale)로 적용되어 왔다.
원위치혼합방식 반응기는 유체 촉매 베드 및 동질의 버너 반응기를 포함하고 있다. 이러한 원위치혼합방식 반응기에서, 반응물은 반응기내에서 제 1시간동안 서로 혼합된다. 주로 상용되는 원위치혼합방식 반응기는 유체 베드 반응기이다. 유체 베드 반응기에서, 반응물은 순환하는 다량의 고체 입자를 수용하는 용기내로 개별적으로 분사된다. 반응물 가스는 고체 입자를 운동시킨다. 일반적으로, 이들 입자들은 촉매제로서 작용한다. 이들 반응기들은 일반적으로 반응기내의 반응열을 제거하기 위해 내부 스팀 코일을 갖추고 있다. 이러한 반응기내에서의 거주 시간은 일반적으로 10초 정도이다. 유체 베드에서 생성되는 생성물은 아크릴로니트릴 및 말레산 무수물을 포함한다.
선택적으로, 비촉매식 균일 반응이 또한 원위치혼합방식 시스템에서 수행되는데, 이는 미국 특허 제 2,559,638호, 제 2,934,410호, 제 3,172,729호, 및 제 3,403,001호에 개시되어 있다. 이들 반응기에서, 반응물들은 동시에 혼합되어 반응하는 단일 영역으로 개별적으로 이송된다.
세번째 종류의 반응기는 촉매식 이송 베드 반응기와 같은 반응기에 간접적으로 접촉된다. 간접 접촉식 반응기에서, 반응물은 결코 서로 혼합되지 않는다. 대신에, 산소 소오스와 반응물은 반응기에서 공간적으로 또는 임시로 서로 분리되어 있다. 이러한 형태의 상용되는 반응기로는 단지 이송 베드만이 알려져 있다. 이러한 형태의 반응기에서, 고체 촉매제는 반응기의 두 상이한 분리 섹션 사이로 이송된다. 제 1반응물이 제 1섹션으로 분사되는 동안, 제 2반응물이 제 2섹션으로 분사된다. 이러한 반응기의 버전은 최근에 말레산 무수물의 제조에 상용화되었다.
다른 기상 반응기 구성이 제안되어 왔지만, 종래 기술에 따른 반응기는 기상 반응에 대한 높은 변환성 및 선택성을 달성하면서 반응기의 안정성, 설비비의 문제점을 개선시킬 필요성이 있다.
본 발명의 목적은 높은 선택성 및 변환성을 갖는 반응을 보장하는 기상 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 안전하며, 설비비와 작동비와 저렴한 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또다른 목적은 이러한 반응기를 사용하는 방법을 제공하는 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 반응기의 개략적인 다이아그램.
도 2는 본 발명에 따른 반응기의 혼합 챔버의 배출부에서 산소, 이산화탄소, 물, 및 프로판에 대한 농도를 실험적으로 측정한 농도 프로파일의 그래프.
도 3은 여러 상이한 반응물 가스 혼합물에 있어서 균일한 기상 반응을 개시하기 위한 시간의 그래프.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1 : 고온 가스 반응물 소오스 2 : 혼합 챔버
3 : 팽창 제트 4 : 수축부
5 : 분사 수단 6 : 반응 영역
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 반응기는 500℃ 이상의 온도의 제 1반응물 가스 소오스와, 실질적으로 균일한 반응물 가스 혼합물을 형성하기 위해 상기 제 1반응물 가스가 제 2반응물 가스와 혼합하는 혼합 챔버 또는 영역(그렇지만 실질적인 반응이 일어나지 않음)과, 그리고 상기 혼합물이 기상 반응에 당하는 반응 챔버 또는 영역을 포함하고 있다.
본 발명은 화학적 기상 반응을 수행하는 방법을 포함한다. 이러한 방법의 바람직한 단계는,
a) 제 1압력하에서 반응물 가스 또는 불활성 가스를 제 1챔버로 공급하는 단계와,
b) 상기 반응물 가스 또는 불활성 가스를 가열하는 단계와,
c) 상기 제 1챔버보다 낮은 압력하에서 상기 가열된 가스를 하나 이상의 노즐을 통해 제 2챔버로 이송하는 단계와,
d) 기체상 또는 초임계 상태의 제 2반응물을 상기 제 2챔버내로 분사하는 단계와,
e) 상기 제 1반응물 가스와 상기 제 2반응물의 실질적으로 균일한 혼합물을 형성하기 위해 상기 제 1반응물 가스 및 제 2반응물을 상기 혼합 챔버에서 충분한 시간 동안 유지하는 단계로서, 상기 제 1반응물 가스와 상기 제 2반응물 사이에는 실질적으로 어떠한 반응도 일어나지 않는 단계와, 그리고
f) 상기 실질적으로 균일한 혼합물을 상기 혼합물이 반응하는 제 3챔버내로 분사되는 단계를 포함한다.
이하에, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 도 1에 도시된 일반적인 구조를 갖는 고온 가스 반응기(hot gas reactor,"HGR")에 의해 달성될 수도 있다. 여기서 "고온"이라는 용어는 약 500℃ 이상의 온도, 바람직하게는 약 530℃ 이상의 온도에서의 가스를 의미한다는 것에 주목해야 한다. 온도의 바람직한 범위는 약 500℃ 내지 2800℃이며, 보다 바람직하게는 약 500℃ 내지 1700℃이다.
반응기의 제 1성분은 고온 가스 반응물(이하에 반응물 A로서 언급됨)의 소오스(1)이다. 반응물 A는 바람직하게는 산소이지만, 산소로 제한되지 않는다. 바람직한 소오스(1)는 앤더슨에게 허여된 미국 특허 제 5,266,024호에 개시된 열노즐 연소 방법을 사용한다.
반응기는 반응물 A 및 다른 반응물 가스가 급격히 혼합되지만 실질적으로 반응이 일어나지 않는 혼합 챔버(2)를 더 포함하고 있다.
반응물 A는 팽창 제트(3)로서 혼합 챔버(2)내로 분사된다. 팽창 제트(3)는 고온 가스 소오스(1)와 혼합 챔버(2) 사이의 수축부(4)를 설치함으로써 형성될 수도 있다.
혼합 챔버내로 분사되기 전에 고온 가스의 절대 압력은 혼합 챔버내의 절대 압력에 대해 바람직하게는 1.2배 이상이며, 보다 바람직하게는 1.5배 이상이며, 가장 바람직하게는 2배 이상이다. 혼합 챔버내의 압력은 바람직하게는 200 내지 0.01기압(atm)이어야 하며, 보다 바람직하게는 100 내지 0.01atm, 가장 바람직하게는 10 내지 1atm이어야 한다. 본 명세서에 언급된 모든 압력은 절대 압력이다.
상기한 압력하에서 고온 가스 반응기의 작동은 다음과 같은 적어도 3가지의 장점을 제공한다. 첫째로, 선택성, 변환성, 생산성, 및 부산물 형성 감소 중 적어도 하나를 개선시킬 것이다. 두번째로, 반응기는 동일한 매스 유량에 대해 보다 소형으로 제조될 수 있는데, 이는 매우 큰 유량에서 혼합을 몇배 작게 유지할 것이며, 반응기의 설비비용을 감소시킬 것이다. 세번째로, 고온 가스 반응기의 고압 작동 및 계속적인 고압하에서의 반응 생성물의 배출은 고온 가스 반응기의 하류에서의 유닛 작동을 유리하게 할 수도 있다. 이들 유닛의 작동은 추가 반응, 생성물 분리, 및 생성물 회복을 포함하지만, 이들로 제한되지는 않는다.
반응물 A가 반응물 A의 팽창 제트의 축선에 수직하게 배열된 다중 분사 포트와 같은 적절한 수단(5)에 의해 분사되는 영역에 인접해 있는 혼합 챔버내로 반응물 B가 분사된다.
반응물 A의 속도는 바람직하게는 약 60미터/초(m/s) 보다 커야 하며, 보다 바람직하게는 약 150m/s 보다 커야 하며, 가장 바람직하게는 약 300m/s 보다 커야 한다. 본 발명의 중요한 특성은 고온 반응물 제트의 사용이 반응물들을 급속하게 혼합시킬 수 있다는 점이다. 혼합 영역에서 반응물의 접촉 시간은 혼합 영역에서 현저한 반응이 일어나지 않도록 충분히 짧아야 한다. 현저한 반응이 일어나기 전에 요구되는 시간은 특별한 반응물 및 반응 조건에 따라 좌우된다. 혼합 챔버에서 반응물 A와 반응물 B의 접촉 시간은 바람직하게는 약 10밀리초 미만이며, 보다 바람직하게는 1밀리초 미만이며, 가장 바람직하게는 0.5밀리초 미만이다.
반응물 A와 반응물 B의 혼합물은 반응 영역(6)에서 기상 반응에 당한다. 기상 반응은 촉매식 및/또는 비촉매식일 수도 있다. 촉매식 반응의 경우에, 반응 영역은 모놀리스. 팩형 베드, 또는 거드 패드와 같은 촉매에 의해 혼합 영역으로부터 분리되어 있다. 균일 반응의 경우에, 반응 영역은 급격한 화학적 구배 또는 화염 안정화 장치에 의해 혼합 영역으로부터 분리되어 있다.
혼합 단계에서 고온 가스 스트림의 사용은 본 발명의 중요한 특징이다. 혼합 챔버(2)의 상류에서의 반응물 A의 가열은 두 가지 관점에서 반응물들 사이의 혼합을 개선시킨다. 첫째로, 혼합 챔버(2)로 유입되는 고온 가스(반응물 A)의 속도는 고온 가스의 온도의 증가에 따라 증가한다. 예컨대, 반응물 A가 21℃의 온도와 1.8atm의 압력하에서 제공되고 1atm의 압력하에서 배출되는 산소라면, 노즐(4)로부터 가스의 배출 속도는 290m/s일 것이다. 반대로, 산소가 1090℃까지 가열된다면, 동일한 공급 압력하에서의 배출 속도는 625m/s일 것이다. 가스 혼합율은 가스 속도의 직함수이기 때문에, 반응물 A의 평균 가열은 중요하다.
두번째로, 제트 이론에 따르면, 가스 제트(즉, 반응물 A)와 대기 가스(즉, 반응물 B) 사이의 혼합량은 제트 가스의 밀도가 감소함에 따라 증가된다. 가스 밀도는 절대 온도에 역비례한다. 따라서, 주어진 초기 제트 직경에 있어서, 제트 가스 온도가 21℃로부터 904℃로 증가될 때, 반응물 B가 주어진 제트 길이를 초과하는 제트내로 동조(entrainment)(이에 의해 혼합됨)되는 양은 두배가 될 것이다.
본 발명은 혼합 챔버(2)내에서의 혼합이 반응 조건하에서 발생하는 예비혼합방식 비촉매 반응기와 같은 종래 기술에 따른 반응기와 다르다. 본 발명은 반응물들의 실질적으로 균일한 혼합물이 실질적인 반응이 일어나기 전에 혼합 챔버(2)내에서 형성되는 원위치혼합방식 비촉매 반응기와 같은 종래 기술에 따른 반응기와 다르다. 급속 혼합은 실질적으로 균일한 혼합물이 혼합이 반응 조건하에서 일어나더라도 실질적인 반응이 일어나기 전에 혼합 챔버(2)내에서 형성되도록 한다.
개시된 본 발명과 비교하여, 종래의 예비혼합방식 반응기 구성에서는, 반응 섹션의 상류에서의 반응 및 폭발을 방지하기 위해, 반응물의 예열 온도 및/또는 농도를 상대적으로 낮은 레벨(즉, 200℃ 이하)로 감소시켜야 한다. 이에 의해, 생산성 및 공정에 대한 선택성이 감소된다.
고온 가스 반응기에서는 급속한 혼합이 이루어지기 때문에, 종래의 반응기 구성이 가지는 온도, 압력, 및 반응물 농도에 대한 제한이 제거된다. 현저하게 팽창된 작동 조건의 범위가 안전하게 사용될 수 있다. 따라서, 작동 조건은 종래의 반응기와 비교하여 개선된 변환성 및 선택성을 얻기 위해 설정될 수 있다. 고온 가스 반응기는 희석제(즉, 밸라스트 가스)를 사용할 필요없이 반응물을 혼합시킬 수 있다.
본 발명은 소형 고온 가스 반응기에서 고온 산소 스트림과 탄화수소를 반응시킴에 의한 문제점을 제거하였다. 고온 산소 스트림은 미국 특허 제 5,266,024호에 개시된 바와 같이 열노즐을 사용하여 소량의 연료를 연속적으로 연소시킴으로써 얻어졌다.
실험실용 혼합 챔버 구성은 고온 산소 유입 노즐 부근에 위치된 4개의 동일하게 이격된 공급 가스 유입구를 갖추고 있다. 혼합 챔버는 대략 9cm의 길이와 1.9cm의 직경을 갖는 관이며, 내부 배플을 갖추고 있지 않다. 혼합 영역은 반응 영역의 직경과 동일한 직경을 가지며, 따라서 매우 단순한 구성으로 제조될 수 있다. 이는 또한 반응 혼합물 스트림이 거의 일정한 속도 프로파일로 반응 영역으로 이송될 수 있도록 한다. 실험실용 고온 가스 반응기는 반응 영역에 비균일 촉매제가 적용되었다.
이하의 표 1과, 도 2 및 도 3에 나타난 데이터는 소형 고온 가스 반응기에서 반응물의 혼합이 매우 급속이 이루어지며, 어떠한 균일 반응을 일으키지 않으면서 수행됨을 나타내고 있다.
표 1은 메탄 대 산소의 비가 10:1이고 0.16cm의 제트 직경에서 고온 산소 제트내로 메탄의 유입에 대한 결과치를 나타내고 있다. 이러한 데이터는 실험실용 고온 가스 반응기로 달성된 혼합 시간이 0.2밀리초 이하임을 나타낸다.
온도(℃) 27 1650 1650
속도(m/s) 300 300 760
제트 길이(cm) 3.5 1.4 1.4
혼합 시간(초) 0.4 0.16 0.06
이들 계산값은 브리티쉬 유틸리제이션 리서치 아소시에이션(British Utilization Research Association)(1767)(46)에 제목 "분쇄된 석탄의 연소(Combustion of Pulverized Coal)"에 개시된 리코우(Ricou) 및 스팔딩(Spalding)에 의해 개발된 동조식의 비에 근거한다.
도 2는 실험실용 고온 가스 반응기의 혼합 챔버 단부에서 관찰된 실험용 가스 농도 프로파일이다. 이러한 예에서, 대략 11 표준 리터/분(SLPM)의 천연가스와 대략 137 SLPM의 산소가 열노즐(미국 특허 제 5,266,024호 참조)로 이송되는데, 여기서 모든 천연 가스는 대략 115 SLPM의 산소, 11 SLPM의 이산화탄소, 및 22 SLPM의 수증기를 포함하는 고온 반응물 산소 스트림을 생성하기 위해 완전히 연소되었다. 이러한 혼합물은 고온 가스 반응기용 고온 반응물 A로서 역할한다. 대략 90 SLPM의 프로판은 반응물 B로서 역할하기 위해 혼합 챔버로 이송된다.
도 2는 혼합 챔버의 직경을 따라 혼합 챔버의 배출부의 5개의 상이한 지점에서 측정된 산소, 이산화탄소, 및 수증기의 농도를 도시하고 있다. 종균형으로부터 얻은 프로판의 계산된 농도가 도 2에 또한 도시되어 있다. 다른 어떠한 화학종들이 검출되지 않았다.
모든 화학종의 농도는 혼합 영역의 배출부의 직경을 가로질러 일정하였다. 따라서, 도 2에 도시된 결과치는 혼합 챔버의 단부에서 두 반응물(열노즐로부터의 고온 산소 가스인 반응물 A와 프로판인 반응물 B)이 양호하게 혼합되었음을 확인시켜준다.
추가로, 측정된 산소, 이산화탄소, 및 수증기의 농도는 혼합 영역에서 어떠한 반응도 수반하지 않으면서 고온 산소 가스와 프로판이 완전하게 혼합되었음을 예측할 수 있다. 따라서, 도 2에 도시된 결과는 혼합 챔버내에서 두 반응물(열노즐로부터의 고온 산소 가스인 반응물 A와 프로판인 반응물 B)에 어떠한 감지가능한 반응도 발생하지 않음을 입증한다.
도 3은 여러 조건하에서 고온 가스 반응기의 혼합 챔버내에서 어떠한 감지가능한 균일 반응이 일어나지 않음을 도시하고 있다. 도 3에서, "열화학 계산기"(캘리포니아 기술 연구소로부터 개발되었고, 공지된 균일 반응 역학을 계산하기 위해 샌디아 리버모어 국립 시험소에 의해 개발된 컴퓨터 프로그램인 "켐킨(CHEMKIN)"을 근거로 함)가 여러 산소-프로판 혼합물에 대한 반응된 프로판의 백분율 대 시간을 계산하기 위해 사용되었다. 계산을 위해, 코노브(Konnov)에 의해 개발된 반응 메카니즘(인터넷 주소 http://homepages.vub.ac.be/~akonnov/, 1996, 소량의 탄화수소 연소에 대한 상세한 반응 메카니즘)이 사용되었다.
각각의 상이한 반응 혼합물의 초기 조성은 일산화탄소를 제조하기 위한 화학양론적 비, 즉 프로판 대 산소을 2:3의 비로 설정하였다. 초기 온도는 도 3에 도시된 온도의 산소와 25℃의 프로판이 동시에 완전히 혼합되는 것을 가정하여 계산하였다. 일반적으로, 혼합 영역내에서의 거주 시간은 0.5 밀리초 미만일 것이다. 따라서, 도 3에 도시된 데이터는 여러 온도에서 두 반응물이 완전히 혼합될 수 있고 균일 반응이 시작되기 전에 반응 영역으로 안전하게 이송될 수 있음을 입증하고 있다.
표 2는 종래의 반응기와 고온 가스 반응기에 있어서 부탄의 말레산 무수물로의 기상부분 산화(모두 3개의 상업용 촉매식 반응기가 사용되었던 공정)에 대한 작동 한계값을 나열하고 있다. 모놀리스 반응기에서의 부탄의 산화에 대한 실험 데이터가 또한 포함된다. 표 2는 종래 기술과 비교하여 고온 가스 반응기로 달성가능한 작동 조건이 보다 넓음을 입증하고 있다.
종래의 비균일 반응기와 고온 가스 반응기의 비교
반응기 형태 공급물 농도 산화제 온도 압력 가스 속도
고정형 베드 < 2% 공기 400℃ 1.5 atm < 0.1 m/s
유동화 베드 < 4% 공기 400℃ 2.5 atm < 1 m/s
이송 베드 *1 공기 400℃ 2.5 atm 1.5∼12 m/s
모놀리스 8∼15% 공기 1000℃ 1 atm < 0.5 m/s
고온 산소 0∼75% 산소 1000℃ 1.5∼15 atm > 400 m/s
*1: 탄화수소와 산소가 개별 유입
상기한 바와 같이, 고온 가스 반응기는 인화 위험성에 기인하여 이전에 수용하지 못했던 농도, 온도, 및 압력하에서 반응물 가스(즉, 산소)가 안전하게 반응하도록 한다. 산화의 경우, 고온 가스 반응기는 희석제 없이 산소를 사용할 수 있도록 하며, 이에 따라 반응기의 크기를 감소시킬 수 있고, 하류 회복 작용의 효율을 개선시킬 수 있으며, 공정 말미 스트림의 부피를 현저하게 감소시킬 수 있다.
반응물 B가 일반적으로 고온 가스 제트에 수직하게 배향된 가압 제트로서 도입되기 때문에, 고온 가스 반응기내의 실제 혼합 시간은 표 1에 나타낸 시간 보다 짧음에 주목해야 한다. 따라서, 반응물 B의 운동량은 무시할 수 없으며, 혼합을 촉진시킬 수 있다.
종래의 균일한 예비혼합방식 반응기 구성에서, 반응물은 비반응성 조건하에서 예비혼합되고, 이후 반응을 개시할 수 있는 조건을 갖춘 반응 영역으로 이송된다. 이러한 형태의 반응기의 혼합 영역내에서 조절할 수 없는 반응이 일어나는 것을 방지하기 위해, 매우 복잡한 구성의 혼합 챔버가 적용되거나, 또는 공급 농도, 온도, 및 압력이 반응이 일어날 수 없을 정도로 조절되어야 한다. 복잡한 혼합 챔버 구성은 설비비용이 많이 소요되므로 바람직하지 못하다. 공급 조건의 제한은 선택성 및 용량을 낮추기 때문에 바람직하지 못하다. 추가로, 반응물 혼합이 반응 온도로 상승될 때 바람직하지 못한 반응이 일어날 수 있다.
고온 가스 반응기는 이들 모든 문제점을 방지한다. 혼합 챔버는 매우 단순한 구성을 갖는다. 반응물은 보다 넓은 조건하에서 안전하게 혼합될 수 있으며, 반응물이 양호하게 혼합되고 최적의 반응 조건이 달성될 때까지 반응이 억제된다.
균일한 원위치혼합방식 시스템에서, 반응물은 반응 조건하에서 반응 영역에서 직접 혼합된다. 따라서, 반응 및 혼합이 동시에 일어난다. 이는 반응 시간 및 반응물 농도가 위치에 따라 현저하게 변화됨을 의미한다. 이는 생성물 수율, 선택성, 및 품질을 현저하게 변화시킨다. 이러한 변화는 매우 바람직하지 못하다.
고온 가스 반응기는 균일한 원위치혼합방식 시스템과 관련된 문제점을 제거한다. 반응물이 반응하기 전에 완전히 혼합됨으로써, 반응 시간 및 반응물 농도는 매우 양호하게 한정된다. 따라서, 반응기는 생성물 수율, 선택성, 및 품질을 변화시키지 않으면서 최적의 조건하에서 작동된다. 또한, 반응물이 신속하게 혼합하기 때문에, 인화의 위험이 감소된다.
도 1에 도시된 바와 같이, 고온 가스 반응기의 구성은 매우 단순하다. 이러한 단순한 구성은 종래 반응기, 즉 균일한 반응기 및 비균일한 반응기와 비교하여 상업용 고온 가스 반응기의 설계, 제조, 및 유지에 소요되는 비용을 현저하게 감소시킬 것이다.
고온 가스 반응기는 최근에 행해진 기상 반응 뿐만 아니라 최근에 상업적으로 행해지지 않는 반응을 포함하는 다양한 화학 반응을 위해 사용된다. 그 예로는 탈수소반응, 합성가스 생성, 암모시데이션(ammoxidation), 암모니아산화, 선택적 자유-래디컬 반응, 카본 블랙 형성, 금속산화물 입자 생성, 및 원자 수소의 열균열 반응을 포함하지만, 이들로 제한되지 않는다.
본 발명은 산소 및 탄화수소 반응물로 제한되지 않는다. 제 1고온 가스는 불활성 가스(아르곤, 헬륨, 질소, 및 이산화탄소), 또는 수소, 일산화탄소, 염소, 및 불소 또는 상기 가스들의 혼합물을 포함할 수도 있다. 예컨대 가스가 아르곤인 경우, 고온 아르곤은 제 2반응물을 신속하게 가열시키는 역할을 하며, 반응 영역으로 균일하고 희석된 반응물 스트림을 제공한다.
제 1가스를 가열하는 다른 방법이 사용될 수도 있다. 이러한 방법으로는 연소, 전기 아아크, 및 저항 가열과 같은 간접 가열 등이 있다.
제 2반응물은 가스 또는 초임계 유체일 수도 있다. 또한, 성분들의 혼합물 및 가스/초임계 상일 수도 있다. 특정한 반응물에 있어서, 가스는 메탄. 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 및 이소부틸렌과 같은 기체성 탄화수소, 암모니아 또는 사염화티타늄, 또는 이들 가스 성분들의 혼합물일 수도 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 초임계 유체는 메탄, 에탄, 프로판, 부탄, 이소부탄, 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌, 및 이소부틸과 같은 순수 탄화수소; 암모니아 또는 사염화티타늄과 같은 순수 비탄화수소, 또는 이들 성분들의 혼합물일 수도 있지만, 이들로 제한되지는 않는다. 당업자들은 상기한 가스에 대한 작동 인자가 또한 초임계 유체에 대해서도 적용가능함을 이해할 것이며, 또한 작동 인자가 특정한 가스 또는 가스들의 혼합물이 초임계 유체가 되기 위한 필수적인 조건임을 이해할 것이다(즉, 부탄은 36atm 이상의 압력 및 153℃ 이상의 온도에서 초임계 유체이다). 또한, 제 2반응물이 불활성 성분 또는 비반응성 성분을 포함할 수도 있음에 주목해야 한다(즉, 반응물이 50% 질소/50% 탄화수소를 포함할 수도 있다).
개시된 실시예에서는 단일 가스 노즐을 도시하고 있지만, 혼합 챔버로 유입되는 고온 가스 제트에 대한 둘 이상의 노즐이 또한 적용될 수도 있다. 추가로, 상이한 구성의 혼합 챔버가 적용될 수도 있다. 예컨대, 팽창 또는 수축 절두형 원뿔, 일단부 또는 양단부가 팽창 또는 수축된 실린더, 및 사각형 덕트가 사용될 수 있다.
본 발명은 특정한 촉매제 또는 배열로 제한되지 않는다. 예컨대, 거즈 또는 팩형 베드와 같은 상이한 촉매가 사용될 수 있다. 반응 영역 또한 마찬가지로 비촉매식일 수 있다.
혼합 영역 및/또는 반응 영역은 외부 냉각 수단에 의해 냉각될 수 있지만, 물제트 또는 물스프레이로 제한되지 않는다. 또한, 반응물 B를 혼합 챔버로 특정하게 도입하기 위한 분사기가 고온 가스 반응기에 부가될 수도 있다.
본 발명의 특정한 특징은 본 발명에 따라 다른 특징들과 조합될 수도 있기 때문에 편리를 위해 하나 이상의 도면에 도시하였다. 당업자들은 본 발명의 선택적인 실시예를 이해할 것이며, 본 발명의 범위 내에서 개조 및 변형이 가능함을 이해할 것이다.
상기한 본 발명에 의하면, 기상 반응에 대한 높은 변환성 및 선택성을 달성하면서 반응기의 안정성 및 설비비용을 절감시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (10)

  1. 반응기로서,
    500℃ 이상의 온도를 갖는 제 1반응물 가스 소오스와,
    기체상 또는 초임계 상태 중 어느 한 상태의 제 2반응물 가스를 상기 제 1반응물 가스와 혼합시켜 균일한 제 1 및 제 2반응물 가스의 혼합물을 형성하지만 어떠한 반응도 일어나지 않는 혼합 챔버와, 그리고
    상기 혼합물이 기상 반응을 하는 반응 챔버를 포함하고 있는 반응기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 챔버내로 상기 제 1반응물 가스를 분사시키는 하나 이상의 오리피스를 더 포함하고 있는 반응기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 혼합 챔버가 상기 제 2반응물 가스를 분사시키는 하나 이상의 오리피스를 포함하고 있는 반응기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 제 1반응물 가스를 분사시키는 하나 이상의 오리피스는 상기 제 1반응물 가스가 상기 혼합 챔버내로 분사되는 속도를 증가시키기 위해 상기 제 1반응물 가스를 압축하는 반응기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 제 1반응물 가스를 분사시키는 하나 이상의 오리피스와 상기 제 2반응물 가스를 분사시키는 하나 이상의 오리피스가 서로 수직하게 배열되어 있는 반응기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 반응 영역이 촉매를 포함하는 반응기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 반응기 혼합 챔버가 팽창하는 절두형 원뿔, 수축하는 절두형 원뿔, 하나 이상의 팽창하는 단부를 갖는 실린더, 하나 이상의 수축하는 단부를 갖는 실린더, 및 사각형 덕트로 이루어진 그룹으로 선택된 구성을 갖는 반응기.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 1반응물 가스의 온도가 530℃ 이상인 반응기.
  9. 화학적 기체 반응을 수행하는 방법으로서,
    a) 제 1압력하에서 반응물 가스 또는 불활성 가스를 제 1챔버로 공급하는 단계와,
    b) 상기 반응물 가스 또는 불활성 가스를 가열하는 단계와,
    c) 상기 제 1챔버보다 낮은 압력하에서 상기 가열된 가스를 하나 이상의 노즐을 통해 제 2챔버로 이송하는 단계와,
    d) 기체상 또는 초임계 상태의 제 2반응물을 상기 제 2챔버내로 분사하는 단계와,
    e) 상기 제 1반응물 가스 및 제 2반응물을 상기 혼합 챔버에서 충분한 시간 동안 유지하여 상기 제 1반응물 가스와 상기 제 2반응물의 균일한 혼합물을 형성하지만 상기 제 1반응물 가스와 상기 제 2반응물 사이에는 어떠한 반응도 일어나지 않는 단계와, 그리고
    f) 상기 균일한 혼합물의 반응이 일어나는 제 3챔버내로 상기 혼합물을 분사하는 단계를 포함하는 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 혼합 챔버의 압력이 약 200atm 내지 0.01atm 사이인 방법.
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