KR20000023179A - 접촉 증기상 산화방법 및 다관식 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 핫 스폿(hot spot)의 발생을 억제할 수 있는 접촉 증기상 산화방법 및 이 방법에 바람직하게 사용되는 다관식 반응기에 관한 것이다.
본 발명에 따른 접촉 증기상 산화방법은 반응기의 상부 관 지지판과 하부 관 지지판 사이에 내장된 복수개의 반응관을 포함하는 다관식 반응기를 사용하여, 반응관 주위에 반응열을 흡수하는 열 매체를 순환시킴과 동시에, 반응관에 촉매를 충전하고 원료 가스를 공급함으로써 반응을 진행시키는 접촉 증기상 산화방법으로, 이 방법은 원료 가스를 반응관의 상부로부터 하방으로 유동시키고, 열 매체를 반응기내 셸의 상부로부터 하방으로 유동시키는 것을 포함한다.
본 발명에 따른 다관식 반응기는 이에 내장된 복수개의 반응관, 반응관 외부에 형성된 열 매체용 순환로, 반응기내 셸의 상부상에 제공된 열 매체 도입부 및 반응기내 셸의 하부상에 제공된 열 매체 배출부를 가지는 다관식 반응기이며, 반응기는 추가로 열 매체 배출부내에 열 매체에 배압을 적용하기 위한 수단을 포함한다.

Description

접촉 증기상 산화방법 및 다관식 반응기{Catalytic vapor-phase oxidation method and shell-and-tube reactor}
본 발명은 접촉 증기상 산화방법 및 다관식(shell-and-tube) 반응기, 더욱 특히는 고정층 다관식 반응기에서 매우 많은 양의 열 발생을 수반하는 반응이 고온에서 수행되는 접촉 증기상 산화 반응동안 원료가스가 반응관을 통과하면서 반응할 때 발생하는 반응열을 효과적으로 제거함으로써 핫 스폿(촉매층에 편재된 과다 고온 영역)의 발생을 억제할 수 있는 접촉 증기상 산화방법 및 이 방법에 바람직하게는 사용되는 다관식 반응기에 관한 것이다.
다관식 반응기에서는, 반응관의 외측(셸(shell)측)에 열 매체를 충전하여 순환시킴과 동시에, 반응 원료를 반응관에 공급하여 반응을 수행시키고, 이때 반응동안 발생하는 열은 열 매체에 의해 제거함으로써 예정한 반응조건을 유지한다.
도 1 은 선행 기술의 다관식 반응기의 대표적인 예를 나타낸다. 도 1 에서, 숫자 1 은 반응기를, 2 는 원료가스 주입구를, 3 은 촉매를, 4 는 반응관을, 5 는 생성 가스 배출구를, 6a 는 상부 관 지지판을, 6b 는 하부 관 지지판을, 7a, 7b 및 7c 는 배플 플레이트를, 8 은 열 매체 주입 노즐을, 9 는 열 매체 배출 노즐을 나타낸다. 반응 원료 및 공기를 함유하는 원료 가스는 원료 가스 주입구 2 를 통해 반응기 1 로 공급된 후, 촉매 3 이 충전된 반응관 4 로 유입되고 반응관에서 산화되어 반응 생성물로 변화된 다음 생성 가스 배출구 5 를 통해 배출된다. 접촉 증기상 산화 반응의 촉매 3 은 1 종의 물질 또는 2 종 이상의 물질로 구성될 수 있으며, 상부 및 하부 관 지지판 6a, 6b 상에 고정된 복수개의 반응관 4 에 충전된다.
반응열를 제거하기 위해 반응기 공간의 셸측상에 충전되어 순환되는 열 매체는 반응기의 셸의 하부에 형성된 열 매체 주입 노즐 8 을 통해 도입되고, 반응 원료 가스의 축방향의 흐름에 대하여 대향 방향으로 유동하면서 반응열을 제거한 후 열 매체 배출 노즐 9 를 통해 시스템 밖으로 배출된다. 배플 플레이트 7a, 7b 및 7c 를 반응기의 셸내에 설치함으로써 열 매체의 흐름 방향을 변화시키고 수평 단면에서의 온도차를 감소시켜 열 매체가 반응기 셸내에서 균일하게 흘러 모든 반응관에서의 온도가 유사한 수준으로 유지되도록 하였다. 원료 가스는 예를 들어, 접촉 증기상 산화에 의해 아크롤레인, 메타크롤레인, 말레인산 무수물, 프탈산 무수물, 아크릴산 및 메타크릴산 등을 형성하는 프로필렌, 이소부틸렌, 벤젠, 크실렌, 나프탈렌, 아크롤레인 및 메타크롤레인일 수 있다
선행 기술의 다관식 반응기 대부분에서 열 매체는 도 1 에 도시된 바와 같이, 반응기의 상부를 통해 공급되어 반응관내를 흐르는 반응 원료에 대하여 반응관의 축방향에 향류(counter-flow)로 순환된다. 그 결과, 반응기 외부로부터 반응기의 셸측 하부에 공급된 열 매체는 반응기내를 이동하면서 열 교환을 통해 서서히 고온으로 가열되고, 반응열이 가장 많이 발생하는 반응관의 원료 가스 주입구(반응관의 상부) 근처에서 열 교환 용량이 감소된다.
특히, 접촉 증기상 산화는 매우 많은 양의 열이 발생하는 고온에서 수행되는 공정이며, 종종 과다 고온 편재 영역(핫 스폿)을 수반한다. 따라서, 선행 기술의 다관식 반응기를 사용한 접촉 증기상 산화에서는 반응 물질의 농도를 낮은 수준으로 유지하거나, 반응 온도를 감소시켜야 하는 어쩔 수 없는 조치가 필요하여 반응 조건을 정상적으로 유지하는 것이 곤란하였다. 또한, 핫 스폿의 발생이 촉매 활성을 감소시켜 생산성을 감소시키는 문제가 있다. 따라서, 접촉 증기상 산화가 공업적 규모로 수행되는 다관식 반응기에서는 핫 스폿의 발생을 억제하는 것이 매우 중요하다.
일본국 특허 공개공보 제 48-85485 호는 반응기 관 직경을 줄이고 촉매를 불활성 물질로 희석시켜 반응기 관내 핫 스폿의 발생을 억제하는 방법이 기술되어 있다. 그러나, 이 방법은 핫 스폿을 일으키지 않는 반응 조건을 사용함으로써 생산 부피를 특정 수준에 이르게 하기 위해 반응기 관의 수를 늘리고 더 많은 반응기를 사용할 필요가 있다.
일본국 특허 공개공보 제 8-92147 호는 열 매체를 반응기내 셸의 하부로부터 상방으로 흘려보냄과 동시에 반응 가스를 반응기의 하부에 공급하여 반응기의 상부로 배출시킴으로써 접촉 증기상 산화를 수행하는 방법을 개시하고 있다. 이 방법에 의해 원료 가스 주입구 근처에서 발생하는 핫 스폿을 방지할 수 있다. 그러나, 원료 가스 주입구가 하부에 위치해 있기 때문에, 2 종 이상의 촉매를 사용하는 경우, 제 1 단계 및 제 2 단계와 그 후속 단계에 사용된 촉매간의 수명 기대치가 다른 경우 원료 가스 주입구 근처의 하부 위치에 놓인 촉매만을 교환하고 싶은 경우라도 모든 촉매를 교환하여야 하는 것이 필요하였다. 또한, 이 경우에는 촉매가 원료 가스 주입구 근처에서 카바이드 등의 흡착 폐색으로 부분 열화되기 때문에, 반응기내 차압이 증가하여 원료 가스 주입구 근처에서 카바이드 등의 흡착 폐색으로 열화된 촉매 부분이 제거되어 대체되지 않는한 정상적인 반응 조건을 유지하는 것이 곤란하다. 더우기, 열화된 촉매는 전체 촉매에 영향을 미쳐 촉매의 활성 수명을 더 짧게 만들기 때문에 원료 가스 주입구 근처에 위치한 촉매를 정기적으로 제거하는 것이 필요하다. 이 경우, 원료 가스를 하부로부터 상방으로 흐르는 구조로 촉매를 대체하기 위해서는 많은 노동력이 필요하다.
따라서, 원료 가스 주입구 근처에 위치하여 카바이드 등을 흡착 폐색하는 촉매를 정기적으로 제거하는 반응을 수행하는 경우, 원료 가스를 상부로부터 하방으로 흘려 보내는 것이 일반적이며, 일본국 특허 공개공보 제 8-92147 호에 기재된 방법은 일반적으로 사용되고 있지 않다.
본 발명은 상기 상황을 감안하여 완성되었으며, 본 발명의 목적은 원료 가스를 반응기의 상부로부터 하방 유동시키는 구조로 함으로써 원료 가스 주입구 근처에 위치한 촉매만을 대체하는 것이 용이하고 핫 스폿의 발생을 억제할 수 있는 접촉 증기상 산화방법 및 이 방법에 바람직하게 사용될 수 있는 다관식 반응기를 제공하는 것이다.
도 1 은 선행 기술의 다관식 반응기를 나타내는 개략도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 다관식 반응기를 나타내는 개략도이다.
도 3 은 탈가스 파이프 설치예를 나타내는 개략도이다.
도 4a 및 4b 는 탈가스 파이프 형상예를 나타내는 개략도이다.
상술한 문제를 해결한 본 발명에 따른 접촉 증기상 산화방법은 반응기의 상부 관 지지판과 하부 관 지지판 사이에 내장된 복수개의 반응관을 포함하는 다관식 반응기를 사용하여, 반응관 주위에 반응열을 흡수하는 열 매체를 순환시킴과 동시에 반응관에 촉매를 충전하고 원료 가스를 공급함으로써 반응을 진행시키는 접촉 증기상 산화방법으로, 이 방법은 원료 가스를 반응관의 상부로부터 하방으로 유동시키고, 열 매체를 반응기내 셸의 상부로부터 하방으로 유동시키며, 열 매체와 함께 도입되어 반응기의 상부 관 지지판 아래쪽에 축적된 가스를 반응기의 외부로 배출시키는 것을 포함한다. 이 방법에서는, 반응기 하부로부터 유출된 열 매체를 밖으로 꺼내 상방으로 강제 이동시켜 반응기내 셸의 상부를 통해 반응기에 공급함과 동시에 반응기 밖으로 꺼낸 열 매체의 소정 부분을 외부로부터 새로이 공급되는 차가운 열 매체로 대체시키는 것이 바람직하다.
상술한 문제점을 해결한 본 발명에 따른 다관식 반응기는 이에 내장된 복수개의 반응관, 반응관 외부에 형성된 열 매체용 순환로, 반응기내 셸의 상부상에 제공된 열 매체 도입부 및 반응기내 셸의 하부상에 제공된 열 매체 배출부를 가지는 다관식 반응기이며, 이 반응기는 추가로 열 매체 배출부내에 열 매체에 배압을 적용하기 위한 수단을 포함한다. 반응기의 상부 관 지지판과 하부 관 지지판 사이에 복수개의 반응관을 내장하고 상기 반응관 외부에 열 매체용 순환로가 형성되어 있는 다관식 반응기에서, 열 매체와 함께 도입되어 축적된 가스를 외부로 배출하기 위한 파이프가 또한 상부 관 지지판 바로 아래쪽에 설치될 수 있다.
본 발명에 따라, 접촉 증기상 산화는 고정층 타입의 다관식 반응기에서 원료 가스를 반응기의 상부로부터 하방으로 유동하도록 공급하고, 열 매체도 반응기 셸의 상부로부터 하방으로 유동하도록 공급하여 원료 가스와 열 매체가 반응관의 축 방향으로 평행하게 유동되도록 수행된다. 따라서, 반응열은 원료 가스가 반응기에 다운 플로우(down flow)로 공급되는 접촉 증기상 산화동안 발열 효과가 가장 높은 반응관의 상부 구역에서 저온 열 매체에 의해 흡수됨으로써 핫 스폿의 발생을 억제하면서 반응관내 축 방향으로의 온도 분포를 평활화시켜 반응관내 적당한 반응 조건을 유지하게 된다.
그러나, 열 매체를 반응기의 상부로부터 하방으로 유동시키는 경우, 반응기의 상부 구역내 상부 관 지지판 아래쪽에 열 매체가 존재하지 않는 공간이 형성됨에 따라 가스가 반응기 셸에 도입되었을 때 반응기 셸내에 가스가 축적(가스 정체)되어 열이 충분하게 제거될 수 없는 편재 부분이 생기며, 편재된 과다 온도가 발생할 가능성이 있어 안정한 반응 조건을 유지하는 것이 곤란하다.
이러한 문제는 반응열을 회수하여 반응기의 저부로부터 배출되는 열 매체를 위로 밀어 올린 후 반응기 외부로 배출시켜 반응기 셸에 항상 열 매체가 충전되어 있도록 함으로써 해결할 수 있다. 또한, 가스를 배출하기 위한 파이프가 상부 관 지지판 아래쪽에 설치될 수 있다.
도 2 는 본 발명에 따른 다관식 반응기의 대표적인 예를 도시한다. 숫자 1 은 반응기를, 2 는 원료가스 주입구를, 3 은 촉매를, 4 는 반응관을, 5 는 생성 가스 배출구를, 6a 는 상부 관 지지판을, 6b 는 하부 관 지지판을, 7a, 7b 및 7c 는 배플 플레이트를, 11 은 열 매체 배출구를, 12 는 열 매체 배출 포트를, 13 은 노즐을, 21 은 차가운 열 매체 주입 파이프를, 22 는 열 매체 배출 파이프를, 23 은 펌프를, 24 는 열 매체 주입 파이프를 나타낸다.
반응 원료 및 공기를 함유하는 원료 가스가 원료 가스 주입구 2 를 통해 반응기 1 로 공급된 후, 촉매 3 으로 충전된 반응관 4 로 유입되고 반응관에서 산화되어 반응 생성물로 변화된 다음 생성 가스 배출구 5 를 통해 배출된다.
반응열을 회수한 후, 열 매체의 소정 부분은 반응기의 하부에 위치한 열 매체 배출구 11 을 통해 빼내지고, 빼내진 열 매체는 반응기의 상부 관 지지판 6a 상에 배치된 열 매체 배출 포트 12 로 강제 이동된 후 노즐 13 을 통해 외부로 배출된다.
열 매체 배출 포트를 통해 외부로 배출된 열 매체와 동일한 양의 차가운 열 매체가 열 매체 주입 파이프 21 을 통해 공급된다. 이에 따라 반응기 셸의 내부가 열 매체로 가득 충전된다. 차가운 열 매체와 열 매체 배출 파이프 22 로부터 회수된 열 매체는 축류 펌프(axial pump) 또는 소용돌이 펌프(volute pump)와 같은 펌프 23 에 의해 혼합되면서 상방으로 퍼 올려져 혼합물이 열 매체 주입 파이프 24 를 통해 반응기로 공급된다. 차가운 열 매체 공급량은 경시적인 촉매의 열화에 따른 반응 온도의 상승에 따라 조절될 수 있다.
반응기 셸로 열 매체를 공급하고 이로부터 배출하는 것은 바람직하게는 반응기의 상부 및 하부 주변에 배치되어 있고 전 주변에 걸쳐 상호 간헐적으로 교환하고 있는 고리 모양의 파이프를 거쳐 반응기의 원주 방향으로 균일하게 수행된다.
반응기 셸에 열 매체가 가득 충전될 수 있으면 되므로, 열 매체를 반응기로부터 외부로 배출하는 것은 반드시 열 매체를 반응기의 상부 관 지지판으로 강제 이동시킨 후에 행할 필요는 없다. 반응기 셸의 하부쪽 또는 그의 전후 열 매체 배출부 11 에 배압 적용 수단을 제공하여 반응관내에 흐르고 있는 열 매체에 충분한 배압을 적용함으로써 반응기 셸에 열 매체를 가득 충전시킬 수 있다. 배압 적용 수단은 예를 들어 저항 오리피스(resistive), 밸브 또는 열 교환기일 수 있다.
또한, 열 매체가 반응기의 셸에서 상부로부터 하방으로 유동하는 경우, 열 매체 공급과 함께 도입된 가스가 반응기내 셸측상에 축적하려는 경향이 있다. 반응기내 셸측상의 가스 축적물은 바람직하게는 반응기의 셸측으로부터 반응기 주변에 배치된 파이프 및 중앙에 설치된 파이프를 통해 열 매체 배출 포트 또는 열 매체 펌핑 장치상의 공간으로 배출된다. 이러한 탈가스 파이프를 사용함으로써, 반응기내 열을 불균일하게 제거하여 비정상적 반응의 원인이 되는 가스 축적이 반응기내 셸측상에 일어나는 것을 방지할 수 있다.
예를 들어, 도 2 에 도시된 바와 같이, 반응기의 셸 상부상에 배치된 탈가스 파이프 14 를 반응기의 상부 관 지지판상에 위치한 열 매체 배출 포트 12 에 연통시켜 탈가스부 15 를 통해 가스를 배출하거나, 탈가스 파이프 25 를 열 매체 펌핑 장치 20 상의 공간에 연결하여 가스를 노즐 26 을 통해 배출하면 충분할 것이다.
도 3 은 탈가스 파이프의 배치예를 나타낸다. 상부 관 지지판 6a 내에 숫자 27 로 표시된 유동로를 형성시켜 반응기의 벽을 따라 축적된 가스를 반응기 밖으로 배출시킬 수 있으며, 상부 관 지지판 6a 바로 아래쪽에 탈가스 파이프 14 를 설치하여 반응기 중앙부에 축적된 가스를 배출시킬 수 있다. 중앙부로부터 가스를 배출시키기 위한 탈가스 파이프 14 는 도 4a 에 도시된 바와 같은 횡단면을 갖는 원통형 파이프 또는 도 4b 에 도시된 반원형 횡단면을 갖는 파이프일 수 있다. 상부 관 지지판 6a 에 용접이 용이하고 탈가스가 용이하기 때문에 반원형 파이프가 바람직하다.
본 발명에 사용될 수 있는 열 매체로는 예를 들어 열 매체로 통상 사용되는 용융 염 및 다우섬(Dowtherm)과 같은 페닐-에테르를 기본으로 한 매체가 있지만, 이들 물질로만 한정되지 않는다.
상술된 바와 같이, 본 발명에 따라 열 매체가 반응기의 상부로부터 공급되는 원료와 평행하게 반응기내 셸의 상부로부터 공급되고 셸의 상부로부터 공급되는 차가운 열 매체가 반응기내에서 가열전 저온 상태로 반응기내 발열 효과가 가장 큰 영역과 접촉하고 있기 때문에 반응기내에서 축 방향을 따라 평활한 온도 분포가 얻어지고 높은 열 교환 효과가 이루어 지는 것이 가능해 졌다.
이에 따라, 매우 고도의 발열 반응이 고온에서 수행되는 접촉 증기상 산화반응에서 핫 스폿의 발생을 억제하여 반응기내에 평활한 온도 분포를 이룰 수 있고, 안정한 최적의 반응 조건을 용이하게 유지할 수 있기 때문에 고선택적 반응을 달성하고 관에 충전되어 있는 산화 촉매의 유효 수명을 연장시킬 수 있게 됐다.
본 발명은 하기 실시예로 더 상세히 설명된다. 본 발명이 이들 실시예로만 한정되지 않으며, 전기 및 하기 요지에 따라 수행된 다양한 변형도 또한 본 발명의 기술적 범위내에 포함된다.
실시예 1
셸측상에 열 매체가 순환되고 있으며 내경 25.0 ㎜(외경: 29.0 ㎜)이고 길이 4000 ㎜인 강철로 만들어진 반응관 10 개를 포함하는 다관식 반응기에서, 반응관에 헤테로폴리산을 기본으로 한 산화 촉매를 촉매의 총 길이가 2700 ㎜ 되도록 충전하였다. 메타크롤레인(5 몰%), 산소(10 몰%), 수증기(30 몰%) 및 질소(55 몰%)의 혼합물로 구성된 원료 가스를 1500 hr-1의 공간 선속도로 반응기의 상부로부터 공급하고 촉매층상에 통과시켜 메타크릴산을 생산하는 접촉 증기상 산화반응을 9000 시간동안 연속 수행하였다. 이와 동시에, 질산칼륨과 아질산나트륨의 혼합물(1:1)로 이루어진 용융염으로 구성된 열 매체를 반응기의 상부로부터 하방 유동하도록 공급하여 원료 가스와 평행하게 순환시켰다. 촉매의 초기 온도를 287 ℃로 설정하고 1000 시간당 1 ℃의 비율로 서서히 가열하여 반응동안 메타크롤레인의 전환율을 일정하게 유지하였다. 반응 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.
비교예로서, 열 매체를 반응기의 셸측 아래쪽으로부터 상방으로, 즉 반응 가스에 대해 향류 방향으로 순환시키는 것을 제외하고 실시예 1 과 동일한 조건하에서 반응을 9000 시간동안 연속 수행하였다. 반응 결과를 하기 표 1 에 나타내었다.
표 1
반응시간(시) 열 매체온도(℃) 촉매층피크온도(℃) △T(℃) 메타크롤레인전환율(%) 메타크릴산선택도(몰%) 메타크릴산수율(몰%)
실시예 300060009000 290293296 308311315 181819 91.691.491.2 81.581.481.2 74.774.474.1
비교실시예 300060009000 290293296 313317320 232424 91.290.690.2 79.679.278.8 71.670.870.4
표 1 에 나타내어진 바와 같이, 실시예 1 의 반응은 9000 시간의 반응 기간에 걸쳐 비교예의 것보다 낮은 촉매층의 피크 온도를 유지하는 것이 가능하다. 그 결과, 실시예 1 에서 장기간에 걸쳐 높은 촉매 성능이 유지되어 메타크롤레인 전환율, 메타크릴산 선택성 및 메타크릴산 수율 모든 면에서 높은 값을 얻을 수 있었다.
실시예 2
상부 및 하부 관 지지판에 의해 고정(clamp)되어 있고 횡단면으로 균일하게 배열된 내경 25.0 ㎜(외경: 29.0 ㎜)이고 길이 4000 ㎜인 강철로 만들어진 반응 관 10,000 개를 포함하는 반응기에서, 반응관에 헤테로폴리산을 기본으로 한 산화 촉매를 촉매의 총 길이가 2700 ㎜ 되도록 충전하였다. 질산칼륨과 아질산나트륨의 혼합물(1:1)로 이루어진 용융염으로 구성된 열 매체를 도 2 에 도시된 바와 같이 순환시켰다.
메타크롤레인(5 몰%), 산소(10 몰%), 수증기(30 몰%) 및 질소(55 몰%)의 혼합물로 구성된 원료를 1500 hr-1의 공간 선속도로 반응기의 상부로부터 공급하여 반응관내 촉매층에 위로부터 하방으로 통과시켜 메타크릴산을 생산하는 반응을 연속 수행하였다. 촉매 온도를 1000 시간당 1 ℃의 비율로 증가시켜 반응동안 메타크롤레인의 전환율을 일정하게 유지하였다. 반응 결과를 하기 표 2 에 나타내었으며, 이로부터 촉매층의 피크 온도를 실시예 1 의 것과 동등한 낮은 수준으로 유지하면서 반응을 20,000 시간동안 안정한 상태로 수행할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 표 3 에 나타내어진 바와 같이 반응동안 반응기의 상부 구역에서 횡단면 방향으로 균일한 온도 분포가 관찰되었으며, 반응기내 셸측상에 가스 축적을 수반하는 비정상적인 열 제거는 관찰되지 않았다.
표 2
반응시간(시) 열 매체온도(℃) 촉매층피크온도(℃) △T(℃) 메타크롤레인전환율(%) 메타크릴산선택도(몰%) 메타크릴산수율(몰%)
300020000 290307 308326 1819 91.491.0 81.381.0 74.373.7
표 3
반응시간(시) 반응기 벽으로부터의 거리
500 ㎜ 1000 ㎜ 1800 ㎜
300020000 290.5 ℃307.4 ℃ 290.5 ℃307.6 ℃ 290.7 ℃307.6 ℃
실시예 3
셸측상에 열 매체가 순환되고 있으며 내경 25.0 ㎜(외경: 29.0 ㎜)이고 길이 3000 ㎜인 강철로 만들어진 반응관을 포함하는 다관식 반응기에서, 반응관에 바나듐-티탄을 기본으로 한 산화 촉매를 촉매의 총 길이가 2500 ㎜ 되도록 충전하였다. 산소(10 몰%), 수증기(10 몰%) 및 질소(80 몰%)의 혼합물이 나프탈렌과 85 g/Nm3의 비율로 혼합된 원료 가스를 2500 hr-1의 공간 선속도로 반응기의 상부로부터 공급하고 촉매층상에 통과시켜 프탈산 무수물을 생산하는 접촉 증기상 산화반응을 6000 시간동안 연속 수행하였다. 이와 동시에, 질산칼륨과 아질산나트륨의 혼합물(1:1)로 이루어진 용융염으로 구성된 열 매체를 반응기의 상부로부터 셸측에 공급하여 반응 가스와 평행하게 순환시켰다. 열 매체의 온도를 340 ℃로 일정하게 유지하였다. 반응 결과를 하기 표 4 에 나타내었다.
비교예로서, 열 매체를 반응기의 셸측 아래쪽으로부터 상방으로, 즉 반응 가스에 대해 향류 방향으로 순환시키는 것을 제외하고 실시예 3 과 동일한 조건하에서 반응을 6000 시간동안 연속 수행하였다. 반응 결과를 하기 표 4 에 나타내었다.
표 4
반응시간(시) 열 매체온도(℃) 촉매층피크온도(℃) △T(℃) 프탈산 무수물수율(몰%)
실시예 3 30006000 340340 385385 4243 91.090.8
비교실시예 3 30006000 340340 390391 5051 89.989.6
표 4 에 나타내어진 바와 같이, 실시예 3 의 반응은 6000 시간의 반응 기간에 걸쳐 비교예 3 의 것보다 낮은 촉매층의 피크 온도를 유지하는 것이 가능하다. 그 결과, 실시예 3 에서 장기간에 걸쳐 높은 촉매 성능을 유지하면서 프탈산 무수물의 수율은 높았다. 비교예 3 에서, 실시예 3 의 것과 동등한 수준을 이루기 위해서는 반응 온도를 더 높여야 할 필요가 있는데, 이에 따라 촉매의 열화가 촉진될 것이다.
본 발명은 상술한 구조를 가짐으로써 핫 스폿의 발생을 억제할 수 있는 접촉 증기상 산화반응 및 이 방법에 바람직하게 사용될 수 있는 다관식 반응기를 제공한다.
본 발명이 특정한 정도로 상세하게 설명되고 예시되었더라도, 하기 특허청구범위는 그에 제한되지 않고 청구범위의 각 요소의 어법에 따르는 범위 및 그의 상당 범위를 제공하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims (4)

  1. 반응기의 상부 관 지지판과 하부 관 지지판 사이에 내장된 복수개의 반응관을 포함하는 다관식 반응기를 사용하여, 반응관 주위에 반응열을 흡수하는 열 매체를 순환시킴과 동시에 반응관에 촉매를 충전시키고 원료 가스를 공급함으로써 반응을 진행시키는 접촉 증기상 산화방법으로서, 원료 가스를 반응관의 상부로부터 하방으로 유동시키고, 열 매체를 반응기내 셸(shell)의 상부로부터 하방으로 유동시키며, 열 매체와 함께 도입되어 반응기의 상부 관 지지판 아래쪽에 축적된 가스를 반응기 외부로 배출시키는 것을 특징으로 하는 접촉 증기상 산화방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 반응기의 저부로부터 꺼낸 열 매체를 상방으로 강제 이동시켜 셸의 상부를 통해 반응기에 공급함과 동시에, 반응기 밖으로 꺼낸 열 매체의 소정 부분을 외부로부터 새로이 공급된 차가운 열 매체로 대체시킴을 특징으로 하는 접촉 증기상 산화방법.
  3. 내장된 복수개의 반응관, 반응관 외부에 형성된 열 매체용 순환로, 반응기내 셸의 상부상에 제공된 열 매체 도입부 및 반응기내 셸의 하부상에 제공된 열 매체 배출부와 함께, 열 매체 배출부내에 열 매체에 배압을 적용하기 위한 수단을 추가로 포함하는 다관식 반응기.
  4. 반응기의 상부 관 지지판과 하부 관 지지판 사이에 내장된 복수개의 반응관 및 반응관 외부에 형성된 열 매체용 순환로와 함께, 반응기의 상부 관 지지판 바로 아래쪽에 열 매체와 함께 도입되어 축적된 가스를 반응기의 외부로 배출하기 위한 파이프를 추가로 포함하는 다관식 반응기.
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