KR20000029169A - 플러그 흐름 관형 반응로에서 액상 및 기상 사이의전달비를 강화시키기 위한 방법 - Google Patents

플러그 흐름 관형 반응로에서 액상 및 기상 사이의전달비를 강화시키기 위한 방법 Download PDF

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알란타트얀 쳉
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Abstract

고압하에서 초음속 2상흐름 원리를 기초로 한 고강도 관형 반응로를 이용하여 가스 및 액체 사이의 고속 플러그 흐름반응을 강화하기 위한 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은 고강도 관형 반응로의 유입구에서 기상을 액상내로 통과시키는 단계; 상기 기상 및 액상의 속도를 초음속으로 가속시키는 단계; 약 1기압보다 높은 압력하에서 초음속을 아음속으로 감소시키는 단계; 상기 기상을 거품으로 변화시키는 단계; 및 상기 거품을 액상내로 분산시키는 단계를 포함한다. 이에 따라, 반응물의 변환 및 산출량이 증가되며 부산물의 형성이 감소된다.

Description

플러그 흐름 관형 반응로에서 액상 및 기상 사이의 전달비를 강화시키기 위한 방법{A PROCESS FOR INTENSIFYING THE RATE OF TRANSFER BETWEEN A GAS PHASE AND A LIQUID PHASE IN A PLUG FLOW TUBULAR REACTOR}
본 발명은 기체 및 액체 사이의 반응을 강화하기 위한 방법에 관한 것이며, 특히 초음속 2상흐름 조건하에서 분산된 기상을 가지는 고강도 관형 반응로를 이용하여 기체 및 액체사이의 고속 플러그 흐름반응을 일으키도록 하기 위한 방법에 관한 것이다.
기체-액체 반응로는 기체제거, 생물공학, 순수 산출물의 제조, 액상공정, 및 석유산업에서 다상 흐름을 포함하는 수많은 다른 산업적 적용에서 널리 이용된다. 기체-액체 반응에서, 상기 기체는 기체-액체 경계면을 통하여 기상으로부터 확산되며, 그리하여 일반적으로 물질전달비에 의하여 제한된다. 특히 이것은 운동상수가 기체-액체 물질전달 계수보다 더 큰 크기의 정도일 수 있는 고속 화학 반응에 대해 사실이다. 그러므로, 고 강도 혼합장치는 기체-액체 물질전달비를 강화하기 위하여 필요하다.
관형 반응로는 공정강화를 위한 하나의 반응로 용량내로 높은 동력을 채우는 장점을 가지고 있다. 고 방사 혼합 효율, 플러그 흐름 및 짧은 접촉시간을 요구하는 공정에 적절하다. 짧은 접촉시간은 상기 가스가 추가 반응을 중단하기 위해 점화시켜 날려버리거나(flashed off) 열적으로 제거될 수 있기 때문에 기체-액체 반응 시스템에서 용이하게 달성된다. 수개의 기체-액체 반응은 관형 반응로를 이용하여 연구되었다. 예는 관형 반응로에서 메탄올이 산화되어 포름알데이드가 되며 암모니아를 가진 O-니트로클로로벤젠의 아민화이다. 엠, 소라비(M. Sorabi), "채워진 층 관형반응로에서의 메탄올의 촉매반응(Catalytic Oxidation of Methanol in a Packed Bed Tubular Reactor)", 앰, 쳄.속(Am. Chem. Soc.), 디브, 페트 쳄(Div. Pet Chem.), Prepr. 제 35권, 제 4호, 1990-08, 페이지 831, 및 에프.비,유(F.B. Yu), 지수안지 유 윙양 후즌(Jisuanji Yu Yingyong Huzxue), 1984, 제 1권, 페이지 112-18을 참조하라. 특히 기체-액체 반응에 대해, 고강도 관형 반응로는 고속 연속 경쟁반응에 대해 장점이 있다.:
A액체+ B기체→ C산출물……………… (1)
B기체+ C산출물→ D부산물…………… (2)
하나 또는 그 이상의 기체 반응물을 포함하는 연속 경쟁반응은 상기 반응이 종종 액상(2상흐름반응에서) 또는 고상(3상 흐름반응)에 기체 반응물의 물질전달에 의해 제한되기 때문에 다루기가 어렵다. 반응(1)은 일반적으로 C부산물이 바람직한 산출물인 반응이 더 빠른 반응이다. 상기 산출물은 액체 또는 고체일 수 있다. 상기 반응은 동종(기체-액체반응) 또는 이종(촉매를 가진 기체-액체)반응일 수 있다. 미반응 가스가 반응 브로쓰(reaction broth)로부터 분리된 후, 상기 순수 산출물은 회복된다. 반응(2)은 부산물 D를 형성하는 하나 또는 그 이상의 바람직한 산출물이 미반응 기체와의 반응이 일반적으로 더 느린 반응이다. 상기 부산물은 기체, 액체 또는 고체일 수 있다. 부산물의 형성전에 반응(1)을 완성하는 것이 바람직하다.
기체-액체 또는 기체-액체-고체 반응의 대부분은 물질전달비에 의하여 제한된다. 고유의 화학 운동에너지보다 기체가 기상으로부터 액상으로 분해되는 것이 더 느리다. 교반 탱크 반응로에서, 상기 산출물은 상기 반응물과 역 혼합되며, 과잉 반응 부산물이 산출된다. 그러므로, 상기 선택성은 매우 열등한 선택이다.
만약 관형 반응로의 물질전달 및 혼합특성이 높다면, 단거리 단일 패스에서 평행에 근접하여 진행되는 기체-액체 반응이 허용된다. 또한 잔류기체를 점화시키 날려버리거나 반응 물질을 퀘엔칭(quenching)함으로써, 더 느린 부산물 형성단계를 중단시킨다. 그러므로, 고강도 기체-액체 반응로는 생산성을 향상시킬 뿐만 아니라, 산출물 선택도도 향상시킨다.
종래의 정적 혼합장치는 관형 반응로에서 이러한 기체-액체 반응의 타입에 대한 물질전달비를 향상시킨다. 구불구불한 통로를 통하여 기체 및 액체가 뚫고 나감으로써 계면 표면적이 증가된다. 이 같은 정적 또는 부동 혼합장치의 타입은 액체-액체 혼합 또는 반응을 위해 관형 반응로 또는 반응로 열교환기 내부에 이용되는 것이 바람직하다. 그러나, 기체는 상기 액체 혼합물로부터 급속하게 통합 및 분리된다. 그러므로, 상기 물질전달, 또는 계수의 목적은 0.5 에서 1 sec-1의 정도를 거의 초과하지 않는다.
작은 기체거품은 물질전달에 대해 매우 높은 계면적을 가진다. 액상내로 극세 기체거품을 분산시킴으로써, 기체-액체 물질전달 계수를 더 향상시키는 것이 가능하다. 그러므로, 극세 기체거품의 발생을 통해 강화된 기체-액체 물질전달을 제공하기위한 물질전달 장치를 개발하는 것이 본 발명의 목적이다.
상기 관형 반응로는 직경이 수분의 1 밀리미터보다 작은 미세 기체거품을 발생시키는 능력때문에 상당한 고효율을 가진다. 초음속 직렬 혼합장치에서 미세 기체거품 형성은 음속이 기체 또는 액체 성분내에서 보다 기체-액체 혼합물에서 매우 낮다는 원리에 기초한다. 수렴 및 발산 노즐을 이용하여 상기 2상 혼합물을 음속보다 더 높은 속도로 가속함으로써, 충격파가 발생되어 상기 기체거품을 변화시킴으로써 매우 미세하게 분산된다.
고 강도 관형 반응로는 음속 2상 원리에 기초하여 개발된다. 상기 음속 2상흐름은 음속이 기체 또는 액체성분에서 보다 액체-기체 혼합물에서 매우 낮기때문에 실제적으로 달성될 수 있다. 2상 혼합물을 음속보다 고속으로 가속시켜, 충격파가 발생되어 거품을 변화시킴으로써 작은 거품으로 된다.
본 발명의 개발에서 한 가지 난점은 감소된 속도에서 과도한 압력강화에 대한 보충이다. 기체-액체 흐름에서 압력강하는 단상 흐름에서 보다 상당히 크다. 오비드 베이커(Ovid Baker), "파이프라인에서 다상 흐름", 오일 및 기체 저널, 페이지 156-167, 제 10호, 1958을 보라. 그러므로, 2상흐름 혼합물의 압력 강하를 예견하는 능력은 이와 같은 장치를 위한 음속 2상흐름 조건을 예견하는 임계적인 단계이다.
본 발명의 개발에서 또 다른 난점은 초음속 2상흐름이 도 2에 도시된 바와 같이 저압이 유리하다는 것이다. 압력이 감소될 때, 열역학적 음속이 감소된다. 이것은 2상 혼합물의 흐름비가 과잉 펌핑 동력없이 초음속 2상흐름에 대해 효과적인 수준으로 감소될 수 있다는 것을 의미한다. 그러므로, 상기 초음속 2상흐름 원리는 제거작동에 성공적으로 적용된다. 상기 초음속 제거장치 내부 압력은 항상 1기압 아래로 내려간다. 그러나, 상기 물질전달비 및 고속 기체-액체 반응의 운동은 고압에 유리하다. 그러므로, 본 발명은 초음속 2상흐름에 대한 저압 환경 및 개발된 기체-액체 반응비에 대한 고압 환경을 제공할 수 있어야 한다.
이론 열역학방정식에 의하여 약 1 x 10-3에서 2 x 10-3기체-액체 질량부분에서 최소점에 도달하는 단열 및 등온 음속이 예견된다. 상기 고 기체부하비는 기체-액체 반응에서 이용되는 음속 흐름 원리에 대해 이상적이다.
이 기술분야에서 공지된 "플러그 흐름" 반응로는 매우 작은 역혼합을 제공한다. 이 같은 기체-액체 반응을 위한 "플러그 흐름" 반응로의 이용은 상기 기체가 중력에 기인하여 액체로부터 급속하게 분리될 수 있기때문에 일반적으로 성공적인 것은 아니다. 또한 플러그 흐름 조건동안 미세 기체거품 및 좋은 혼합을 제작하는 것은 어렵다. 그러므로, 적당한 생산량을 제공하기 위해 가스로부터 충분한 등급의 액체로 용해되는데 오랜 시간이 걸린다. 많은 경우, B기체가 A액체와 충분히 반응할 때까지, 또한 상기 부산물은 미수량에서 형성되기 시작한다. 증가 선택성은 온도 및 압력 감소를 통해 달성된다. 그러나, 반응(1)은 또한 반응(2)의 반응비에 대하여 감소되기때문에 또한 속도가 느려진다. 이어서, 산출량(반응된 B의 양)은 선택성을 희생하여 감소된다.
주로 기체용해를 하기 위한 기체거품을 변화시켜 더 미세하게 분산하기 위한 초음속 2상흐름원리의 이용은 기술분야에 공지되어 있다. 그러나, 이 같은 연속적 경쟁 화학 반응에서 수율 및 선택도를 강화하는 초음속 2상 원리와 같은 것이 이용되는 방법의 장점은 기술되지 않았다.
본 발명의 목적은 반응물의 변환 및 산출량을 증가시키며 부산물의 형성을 감소시키는 방법을 제공하기 위한 것이다.
도 1은 본 발명에서 고강도 관형 반응로 어셈블리의 개략도;
도 2는 본 발명에서 기체질량분율의 함수로서 이론 음파방정식의 그래프;
도 3은 본 발명에서 고강도 관형 반응로의 유입구에 사용되는 초음속 2상흐름 혼합장치의 개략도;
도 4는 본 발명에서 2상흐름를 가진 초음속 직렬 혼합장치를 통한 압력강하에서 배압효과를 나타내는 그래프;
도 5는 본 발명에서 산소부가량의 함수로서 산소전달비의 그래프;
도 6은 본 발명에서 초음속 직렬 혼합장치의 작동시 동력손실을 나타내는 그래프; 및
도 7은 본 발명에서 저온 퀘엔칭구역(quenching zone)을 포함하는 벤튜리장치의 개략도.
〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉
102 : 고강도 관형 반응로 104 : 액체 반응물
106 : 기체 반응물 108 : 유입구
110, 328 : 압축콘부 112, 322 : 벤튜리부
114, 330 : 목부 116, 332 : 확장콘부
118 : 반응구역 120 : 배압조절기
122 : 플래시 체임버 124 : 배플
126 : 불활성 기체 130 : 최종생산물
302 : 공정유체 304 : 연결부
308 : 패킹 밀폐부 310 : 조정기 하우징
312 : 하우징 고정너트 314 : 오링 밀폐부
316 : 기체노즐 318 : 전향기
322 : 감소기 몸체 324 : 가이드부
본 발명은 기체 및 액체 사이의 플러그 흐름반응의 비율을 강화시키기 위한 방법에 관한 것으로, 기체 스트림이 고강도 관형 반응로내로 통과시키는 단계, 기체 스트림을 거품으로 변화시키는 단계, 상기 거품을 압력하에서 액상으로 분산시키는 단계, 상기 거품 및 액상 사이에 기체-액체 전달을 촉진시키는 단계, 및 부산물의 형상을 중단할 필요가 있을 때 상기 반응을 퀘엔칭시키는 단계를 포함한다.
특히 본 발명은 플러그 흐름 관형 반응로에서 기상과 액상사이의 전달 비를 강화시키기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 고강도 관형 반응로의 유입구에서 액상내로 기상을 통과하는 단계를 포함한다. 상기 기상 및 액상은 초음속으로 가속된다. 그때 상기 기상 및 액상의 속도는 약 1 atm보다 고압에서 초음속으로부터 아음속으로 감소한다. 상기 기상은 거품으로 변화되며, 상기 거품은 액상내로 분산된다. 사실상, 상기 기상 및 액상은 거품 및 액상사이 반응을 촉진시킨다.
이와 같은 반응의 수율 및 선택성을 향상시키기 위하여, 반응(1)을 위한 순간 반응조건을 만드는 것이 필요하다.
도 1은 고속 연속 경쟁반응에 적합한 고강도 관형 반응로(102)의 개략도(100)를 보여준다. 첫째로 촉매가 있는 또는 촉매가 없는 상기 액체 반응물(104)은 반응온도로 예열된다. 상기 촉매는 균일(반응물에 녹는) 또는 불균일 촉매(고체 촉매 또는 금속지지 촉매)일 수 있다. 이때 상기 액체 반응물은 대기압(1 atm에서 200atm)보다 실질적인 고압에서 상기 고강도 관형 반응로(102)의 유입구(108)로 펌프에 의하여 유입된다.
산소, 수소, 염소, 브롬 또는 오구역과 같은 기체 반응물(106)도 반응온도로 예열될 수 있다. 상기 예열과정에 의하여 기체 반응물이 반응하기 위한 온도(또는 기체 반응물의 운동비)로 이끄는 반응로를 위해 필요한 유지시간이 필요없다. 압력하에서, 2 또는 3상 혼합물을 형성하는 고강도 관형 반응로의 유입구(108)에서, 기체 반응물(106)은 그때 액체 반응물(104)내로 주입된다. 반응 B가스스트림은 용적비에 대해 표면적이 거의 없기때문에 극소반응은 상기 점에서 발생한다. 상기 액체내에서 기체는 거의 용해되지 않는다.
그때 상기 2 또는 3상 혼합물은 벤튜리부(112)의 형태에서 압축콘부(110)의 제한에 의하여 초음속 2상흐름 속도로 가속된다. 고강도 기체-액체 반응을 위한 고압요건과 초음속 2상흐름을 위한 저압요건을 조화시키기 위해, 전향기는 목부(114)를 통과할 때 상기 2상혼합물의 속도가 상당히 가속되도록 상기 벤튜리부(112)의 목지름을 감소시키기 위해 이용된다. 감소된 목지름을 가진 벤튜리 목부에서, 거의 모든 포텐셜에너지 또는 압력수두는 벤튜리부(112)의 목부에서 운동에너지로 변환된다. 그러므로, 저압구역은 벤튜리 목부(114)에서 인위적으로 만들어 진다. 강한 충격파는 2 또는 3상혼합물이 벤튜리부(112)의 목부로부터 배출될 때 형성된다. 상기 충격파는 액체 반응 혼합물에서 기체거품을 극소거품으로 쪼개어 분산시키며, 기상으로부터 액상으로의 물질전달비가 개선되며 만약 불균일 촉매가 사용된다면 또한 기상으로부터 고상으로의 물질전달비가 개선된다. 용적비에 대한 매우 높은 표면적과 함께, 상기 반응 B기체는 반응물(A)과 함께 즉시 용해 및 반응할 수 있다. 발생된 저압 충격파를 위한 충분한 거리 및 충분한 압력 회복을 제공하기 위해, 30°보다 작은 내포각(inclusion angle)을 가진 확장콘부(116)가 이용된다. 상기 확장콘부(116)에서, 거의 모든 운동에너지는 반응구역(118) 내부 고압하에서 발생하는 반응을 허용하기 위해 포텐셜에너지 또는 압력수두로 역 변환된다(약간의 손실과 함께).
고속 연속 경쟁반응에 더욱 유리한 방법을 위하여, 미세 분산을 하는 상기 혼합물은 반응구역(118)의 내부에서 더욱 가열될 수 있다.
배압조절기(120)는 상기 고강도 관형 반응로 내부 압력을 유지하기 위하여 이용된다. 물질전달 및 반응은 상기 관형 반응로(102)내부에서 고속으로 진행된다.
반응 스트림이 상기 배압조절기를 통과할 때까지, 상기 연속반응(1)은 완성되어 종료되어야 한다. 그때 상기 반응 스트림은 압력이 즉시 감소되는 플래시 체임버(122)로 유입된다. 상기 용해된 기체 및 미반응 미세 기체거품은 상기 액체로부터 분리된다. 만약 상기 액체의 일부가 증발된다면 상기 온도도 증발냉각에 의하여 저하된다. 또한 불활성 기체(126) 또는 다른 첨가물은 희석 퀘엔칭을 위하여 도입된다. 플래싱 또는 용해 퀘엔칭을 향상시키기 위해 반응스트림을 분산시키는 배플(124) 또는 다른 분산수단이 상기 플래시 체임버 내부에 이용될 수 있다. 퀘엔칭은 부산물을 더욱 형성하기 위한 진행으로부터 연속반응(2)을 중단시키기 위한 반응을 할 수 있다. 최종생산물(130)은 액체로서 플래시 체임버의 하부로부터 제거되거나 플래시 체임버의 상부로부터 배출되는 기체 스트림으로부터 수집되거나 분리된다.
도 3은 반응을 위한 미세 기체 분산을 하기 위한 고강도 관형 반응로의 유입구에 사용되는 초음속 직렬 혼합장치의 개략도(300)이다. 고체를 가지고 있거나 고체를 가지고 있지 않은 액체반응물을 가진 공정유체(302)는 상기 초음속 혼합장치에 유입된다. 기체 반응물은 연결부(304)를 통하여 도입되고 기체노즐(316)을 통하여 액체내로 주입된다. 모든 압력수두를 운동에너지로 변환시키기 위해, 전향기(318)는 벤튜리부 또는 감소기 몸체(322)의 목지름을 감소시키기 위하여 이용된다. 상기 감소기 몸체(322)는 압축콘부(328), 목부(330) 및 확장콘부(332)로 구성된다. 상기 전향기를 조절하기 위해, 상기 전향기 및 기체 주입 노즐은 조정기 하우징(310)에 의하여 고정된다. 패킹 밀폐부(308) 및 오링 밀폐부(314)는 기체 및 액체가 누설되는 것을 방지하기 위하여 이용된다. 상기 하우징 고정너트(312)는 상기 전향기를 일정 위치에 유지시킨다. 대향단부의 가이드부(324)는 전향기(318)가 진동되는 것을 방지한다. 압력게이지(320)는 공정압력상의 정보를 제공하기 위해 사용된다. 또한 바람직한 반응(1)의 비율을 개선하기 위해, 반응구역(충격파의 형성직후)내부 압력을 증가시키는 것이 필요하다. 그러나, 2상 혼합물의 음속은 압력하에서 가속된다. 충격파를 형성하기 위해, 2상 혼합물의 속도는 초음속 2상 조건을 유지하기 위하여 더 증가되어야 한다. 상기 전향기(318)는 상기 목부를 통과할 때 2상 혼합물의 속도가 더 가속되도록 벤튜리부의 목지름을 감소하기 위하여 이용된다. 그러므로, 상기 초음속 혼합장치는 최고 높은 압력구역(압축콘부(328)의 유입구상), 저압구역(전향기(318)를 가진 벤튜리목부(330)), 및 고압구역(확장콘(322))을 가지고 있다. 또한 상기 기체 및 액체 속도는 저속으로부터 고속으로, 그리고 다시 저속으로 변한다.
감소된 목지름은 벤튜리부(322)의 유입구상의 압력을 증가시킨다. 그러나, 상기 기체가 매우 조잡한 스트림에서 공급되므로 반응의 작은 양만이 상기 구역에서 시작한다. 상기 강한 충격파는 오직 수초 또는 1초의 수분의 1이 걸려 완료되는 반응(1)이 고속으로 발생시킨다. 그러므로, 상기 물질전달율은 반응(1)의 고유반응비와 운동에너지를 실질적으로 일치시키기 위하여 증가된다. 반응(2)이 임의의 상당한 정도로 진행되기 전에, 상기 반응 브로쓰(reacting broth)는 미반응 기체가 배기되는 것을 허용하기 위하여 압력이 하강하는 플래시 체임버(122; 도 1로부터)내로 통과된다. 반응로체의 양은 소모를 방지하기 위하여 감소될 수 있다. 그러나, 상기 반응로체가 완전히 소모된 것으로서 상기 비율이 영에 도달할 수 있도록 A액체의 변환을 유지하기 위하여 과잉 반응 B가스를 공급하는 것이 실용적이다. 상기 플래시 체임버는 상기 증가된 기체와 산출물 사이의 추가 반응을 피한다. 상기 임의의 반응성분이 발화되어 날라갔을 때 상기 온도는 강하될 수 있다. 선택적으로, 불활성기체는 반응을 중단하기 위한 희석 퀘엔칭을 위해 이용될 수 있다.
기체-액체 혼합에 대한 초음속 2상 원리의 이용은 상대적으로 다르다. 기체-액체 혼합물은 최소 음속을 충족시키기위해 관형 반응로내에서 가속될 때, 상기 압력은 동시에 증가한다. 상기 압력은 차례로 최소 음속을 증가시킬 것이다. 저 기체 부하를 위해, 초음속 2상흐름 조건은 충족되지 않는 것이 가능하다.
압력강하와 관련된 난점은 피하면서 초음속 2상흐름의 장점을 이용하기 위해, 기체-액체장치류는 압축 및 팽창콘의 밴튜리타입으로 개발되었다. 상기 압축콘부(328)는 매우 짧은 거리에서 음속흐름을 위한 요건상의 속력으로 기체 및 액체를 가속하는 것이 허용된다. 또한 상기 전향기(318)는 반응조건에 맞추기 위하여 목부(330)지름을 감소시키는 것이 허용된다. 목부 지름을 감소시키고 기체-액체 속도를 더욱 증가시키기 위하여, 상기 반응압력이 반응을 유효하게 하기 위하여 더 많이 요구될 수록, 상기 전향기(318)는 상기 목부내로 더욱 더 가압된다. 벤튜리부의 목부(30)에서, 상기 포텐셜에너지는 운동에너지로 변환되며 상기 압력은 대기압력 아래로 강하되며, 또는 진공이 형성된다. 상기 확장콘부는 운동에너지를 포텐셜에너지로 역 변환시킴으로써 2상흐름 혼합물의 압력수두를 회복시키기 위하여 허용된다. 유사장치는 기체 용해 및 제거를 위해 성공적으로 이용된다. 모두 참고문헌으로 제시된 미국특허 제 4,861,352; 4,931,225; 4,867,918; 5,061,406; 5,211,961; 및 5,302,325를 보면 알 수 있다. 그러나, 기체 및 액체의 가압요구는 고속 기체-액체반응을 촉구하는 경우만큼 높지 않다.
반응기체 또는 산소는 기체가 액체내로 분산되는 단 1초의 몇분의 일을 허용하기 위하여 상기 전향기 콘부의 바로 상부스트림 위치에 주입된다. 이것은 경쟁 병행 반응이 발생할 수 있는 반응에서 부산물 형성을 최소화하기 위해 매우 중요하다. 이 경우, 기체가 생성물과 더 반응하여 바람직하지 않은 부산물을 형성하기 위한 기회는 최소화될 수 있다.
실시예
상기 초음속 직렬 혼합장치의 높은 기체분산 강도를 위한 요건은 반응혼합물로부터 물질전달비를 특정하는 것을 어렵게 만든다. 표준 아황산염 산화는 동적으로 제어되기때문에 실행될 수 없었다. 본 발명에서, 상기 단순 산소용해비는 물질전달계수를 결정하기 위해 이용되었다. 상기 데이터로부터, 고속 화학반응의 상기 운동비 상수는 잠재적 상업적 적용을 위해 일치되었다.
본 발명에서, 3/4인치 스테인레스강 초음속 직렬 혼합장치는 30도의 압축각으로 제작되었다. 상기 환형 흐름 영역은 도 3에 도시된 상기 전향기의 위치를 기초로하여 조정되었다. 상기 조정은 주어진 질량흐름비에서 다른 2상흐름 속도를 허용하였다. 상기 전향기가 상기 목부로부터 완전히 재조작되었을 때, 상기 단면적은 일정하지만 상기 속도는 조정 펌핑비에 의하여 여전히 변화될 수 있었다.
그때 상기 3/4유니트는 펌핑 루프에 설치되었다. 액체는 공급탱크를 통하여 공급되었다. 상기 초음속 2상흐름 실험전에, 거품질소가 공급탱크를 통과함으로써 산소는 상기 공급탱크로부터 제거되었다. 전진 공동 나사펌프는 초음속 직렬 혼합장치에 액체의 일정 용적을 공급하기 위하여 이용되었다. 탈산소된 물은 3,5,7,10 및 15gpm에 공급된다.
상기 탈산소된 물은 일정온도가 유지되도록 히터를 통과하였다. 모든 경우, 물의 온도는 20℃를 유지한다. 일정온도는 산소레벨을 계산하기 위해 중요하다. 또한 온도상의 지수비의 지수함수때문에 반응시스템을 위하여 임계적이다. 또한 상기 시스템은 상기 화학반응비를 증가시키기 위해 고온작동이 허용되었다.
상기 액체는 요구된 기체의 양이 주입되는 희망 흐름비에서 상기 초음속 직렬 혼합장치에 유입되었다. 상기 가스의 압력은 발생된 주입을 위한 흐름유체의 압력보다 더 크다. 상기 초음속 혼합장치의 상부스트림 및 하부스트림 양측의 압력은 측정되었다. 이 예에서, 상기 하부스트림 압력은 임의의 고정된 값으로 고정되며 상기 상부스트림 압력은 자유롭게 변화하는 것이 허용된다.
오비스피어(Orbisphere)의 용해 산소 분석기는 상기 혼합장치로부터 배출되는 용해산소의 양을 감지하기 위하여 이용되었다. 상기 2상흐름의 이동거리는 약 1/2 ft이었다. 상기 혼합장치 목부전의 상기 산소전달은 무시할 수 있었다. 산소분석기가 산소기체거품으로부터 최소 저촉으로 용해산소를 실제로 감지하는 것을 보장하기 위해, 분리시도는 상기 초음속 직렬 혼합장치없이 티형부분에서 분산된 산소로 수행되었다.
상기 초음속 직렬 혼합장치는 직경 3/4인치 및 길이 40피트로 관형 반응로에 설치되었다. 이것은 시스템에 접촉하는 파이프라인에 대한 상기 초음속 직렬 혼합장치 효율의 비교가 허용되었다. 2개의 분산장치는 하부 흐름 부분에서 액체내로 기체의 재분산을 제공하였다.
매우 높은 물질전달비는 2상 혼합장치를 초음속 2상 속도까지 가속함으로써 달성된다고 공지되었다. 가속흐름에 의해 발생된 상기 압력강하는 실제적 적용에서 수용가능하였다. 본 발명은 초음속 직렬 혼랍기를 통한 압력강하는 상기 관형 반응로로부터 감소되는 배압으로 감소된다는 것이 공지되었다. 상기 단위 마력 입력당 물질전달비는 가장 비교가능한 장치보다 더 높았다.
그러나, 상기 이론 단열 음파방정식은 상기 음파방정식이 직선관을 통해 완전히 개발된 흐름에 기초하기 때문에 초음속 관형 반응로를 위한 벤튜리설계에서 용이하게 이용되지 않았다. 전술되었듯이, 상기 초음속 관형 반응로는 벤튜리부를 통한 완전히 개발된 흐름을 갖지 않는다. 매우 종종, 상기 흐름은 상기 벤튜리 목부를 통과함으로써 층류이며 난류가 되었다.
2상 혼합장치의 상기 속도형상은 상기 압축콘부를 통해 가속되었을 때 매우 불균일하였다. 상기 결론은 상기 2상흐름이 속도형상 중앙에서 초음속이며 점성력에 기인한 벽에 대하여 아음속이었다. 그러므로, 실험데이터는 비균일 초음속 속도 형상을 위한 수학적 표현을 이끌어내기 위하여 필요하였다. 직선파이프에서 완전히 개발된 흐름에 비하여, 본 발명에서 상기 벤튜리부는 초음속 흐름 체제를 통한 심한 유입효과를 발생시킨다는 것이 공지되었다. 그러므로, 상기 벤튜리 목부를 통한 상기 흐름형상은 비선형적이다. 일반적으로 압력손실은 상기 확장콘부에 의하여 회복되었다. 비 선형형상과 함께, 충격파는 상기 초음속 2상흐름체제상 완전한 기체-액체 스트림의 가속없이 여전히 발생할 수 있다. 그러므로 상기 실제적 동력요건은 기대된 것보다 적다.
도 2에 도시된 바와 같이, 2상흐름에 대한 상기 음속도는 절대압력에 매우 의구역한다. 수백기압에서 고압 고속 연속 기체-액체 반응에 대해, 초당 수백 피트에 도달하는 요구된 속도에 도달하기 위한 파이프 마찰을 극복하기는 어렵다. 그러나 만약 압력회복을 위해 상기 확장콘부가 적어도 30도이하라면 밴튜리장치를 사용하는 것이 실행될 수 있다. 또한 전향기를 가진 벤튜리 목부의 상기 비선형 흐름 형상은 기체분산을 위한 충분한 충격파를 발생하기 위한 초음속 2상흐름 조건에 도달하기 위한 상기 혼합장치의 부분이 허용된다. 그러므로 실험데이터에 기초한 압축가능한 2상흐름의 압력강하를 계산하는 방법을 도출하는 것이 필요하였다.
상기 벤튜리 목부를 통한 상기 압력강하는 직렬 제거기를 설계하는 데 있어서 가장 임계적인 요소중의 하나였다. 종래에는 반응구역에서 압력이 초음속 2상흐름 조건에 대해 초과되기 때문에 상기 초음속 직렬 혼합장치는 고압반응에 적합하지 않다고 믿었다. 그러나, 본 발명에서 초음속 혼합장치를 통한 압력강하는 배압에서의 강하로 감소된다는 것이 발견되었다. 이것은 상기 압력강하는 상기 반응구역으로부터 총배압에 대하여 묘사된 도 4에 의하여 증명될 수 있다. 액체에서 기체의 압축성에 기인한다면 상기 요구된 압력강하는 실질적으로 증가된 배압으로 감소된다. 반응구역으로부터 총배압으로서 본 기술의 발전에 대한 정보는 상기 초음속 혼합장치의 상부스트림 압력상의 요구를 줄일 수 있다
상기 초음속 혼합장치를 통한 산소의 물질전달비는 산소용해 데이터로부터 계산된다. 제 1 산소 분석기에 의해 감지된 것으로서 상기 흐름비 및 산소농축의 증가는 산소용해비를 제공한다. 상기 결론은 5.75gpm 및 배압 10psig에서 작동되는 물과 함께 도 5에 도시된다. 산소전달비는 산소의 부가량과 함께 증가되었다. 산소의 약 60ppm에서 변형점은 초음속 2상흐름의 개시에 대응한다. 산소흐름비가 더욱 증가함으로써, 산소전달에서의 증가비는 감소된다. 결국, 상기 산소전달비는 정점이 되지만 매우 높은 기체 부하에서 불안정에 기인하여 테스트되지 않는다. 도 2에 도시되듯이, 초음속 2상흐름에 대한 상기 요구 속도는 상기 공급산소부분이 0.002Kg O2/Kg 물을 초과할 때 증가하기 시작한다.
팽행 작동은 상기 초음속 2상흐름으로서 동일한 액체 및 산소흐름비 그리고 작동조건하에서 직선관내로 산소가 주입됨으로써 실행된다. 물질전달비 대 산소부가량에 대한 결과가 도 4에서 나타나 있다. 용해된 산소에서의 전달비 증가는 산소부가의 전체범위에 걸쳐 미미하다. 반대로, 상기 초음속 기체-액체 혼합장치의 산소전달비는 한 등급정도 더 높다. 동일한 기체 부하가 양 케이스에 이용되므로, 분석기상에서 산소거품에 의해 발생된 임의의 에러는 최소이다.
상기 동력요건은 다양한 흐름비 및 배압에 대하여 결정된 압력강하를 이용하여 결정된다. 도 6은 물 3 gpm 및 다양한 산소주입비에서 초음속 혼합장치의 작동으로부터 결과를 보여준다. 상기 동력소모는 흐름비 및 압력강하를 기초로 하여 계산된다. 상기 혼합장치 목부를 통한 상기 액체 표면속도는 50ft/sec이다. 직선관에서, 상기 동력소모는 산소부가와 함께 점차적으로 증가된다. 그러나, 상기 동력소모는 초음속 2상흐름의 경우 급속하게 증가한다. 상기 충격파가 높은 산소흐름비에서 강하지 않다는 것을 나타내는, 상기 동력증가비는 산소 약 80ppm에서 증가된다.
상기 산소전달효율은 마력 입력의 유니트당 물질전달비로서 정의된다. 225ppm의 산소부하에서, 상기 산소전달효율은 10lb/hr-hp 이상이다. 더 높은 전달효율은 상기 2상 혼합장치가 더욱 압축가능하기 때문에 고산소부하에서 조차 달성된다. 상기 동력손실은 산소용해비만큼 신속하게 증가되지 않는다.
도 7은 열적 퀘엔칭 또는 바람직하지 않은 분산물 형성단계를 제거하기 위한 발화의 조합을 이용하는 퀘엔칭을 위해 반응기체를 점화하여 날려 보내는 실시예를 보여준다. 도 7에 도시되듯이, 메카니즘(700)은 열 퀘엔칭구역(716)은 약 수초내에 추가 반응을 감소 또는 중단시키기위하여 이용된다.
첫째 촉매와 함께 또는 촉매없이 액체반응물(702)은 반응온도로 예열된다. 산소, 수소, 염소와 같은 반응기체(704)는 예열될 수 있다. 액체반응물 및 반응산소를 포함하는 상기 2개의 스트림은 2상 속도를 증가시키기 위하여 상기 벤튜리 목부내부에 전향기콘부를 가진 초음속혼합장치(726)의 유입구로 유입된다. 상기 초음속혼합장치(707)에서 배출될 때, 상기 강한 충격파(708)는 반응구역(710)에 유입되기 전에 작은 거품내로 상기 기체를 분산시킨다. 상기 반응 혼합물은 상기 구역에서 더 가열될 수 있다. 상기 반응구역(710)은 체재시간(residence time)에 따라 한개의 반응로 또는 다수의 반응로 또는 다수루프일 수 있다. 희석 퀘엔칭을 위한 상기 입구점(712)은 열 퀘엔칭구역(716)보다 선행된다. 열 퀘엔칭구역(716)은 바람직한 반응온도아래로 온도를 감소시키기 위하여 이용된다. 냉매는 반응을 중단하기 위하여 반응혼합물을 냉각할 수 있도록 에어리어(714)를 통하여 유입되고 에어리어(718)을 통하여 배출된다. 산출물은 미반응구역(722)을 통과하고 724에서 배출된다.
상기 난류 2상은 열전달 계수가 2상 조건하에서 강화되기 때문에 우수한 열전달특성을 가진다. 열전달을 더욱 보조하기 위하여, 내부핀(720)은 열전달표면적을 증가시키기 위하여 이용된다. 냉각수 또는 냉각된 글리콜과 같은 열전달유체가 이용될 수 있다. 만약 더 높은 퀘엔칭비가 바람직하다면, 프레온, 액체 이산화탄소, 액체 질소 등과 같은 냉매는 매우 높은 열 구동력을 제공하기 위하여 이용될 수 있다. 상기 목표는 너무 냉각되어 더한 반응이 진행될 수 없는 구역을 반응구역의 하부 스트림에 생성한다.
전술한 공정은 톨루엔이 산화되어 안식향산이 되고, p-크실렌이 산화되어 p-톨루엔산이 되며, 히드로퀴논의 산화를 통하여 수소 과산화물이 제조되며, 톨루엔이 산화되어 페놀이 되며, p-크실렌이 산화되어 테레프탈릭산(terephthalic acid)이 되며, 디메틸 황화물이 산화되어 디메틸 황화 산화물이 되는 것 등과 같은 액상산화반응에 이용될 수 있다. 만약 산화가 더 진행된다면, 이산화탄소 및 물이 형성될 수 있다.
또한 보통 다른 기상산화는 탈열제로서 액체를 이용하며 반응을 위한 적절한 촉매를 선택함으로써 이 공정에서 실행된다. 이 경우, 상기 기체-액체-고체(촉매)는 액상대 기상의 고 열용량때문에 과산화될(연소될) 기회가 매우 적다. 만약 반응로체가 액체내에서 용해된다면, 그때 거품으로부터 고체 촉매 표면으로 전달되는 산소와 함께 현탁액반응으로서 실행된다. 일 예는 물이 될 수 있는 용매와 함께 은 산화물 촉매상 메탄올의 산화이다.
만약 상기 반응물 A액체는 물안에서 불용해기체라면, 매우 미세한 기체거품(산소를 가진 유기기체 반응물 A)이 미세한 촉매입자의 상부에 부착되는 소수촉매가 선택될 수 있다. 상기 반응은 촉매 상부에서 기상산화로서 발생된다. 물 용해 산출물에 대해, 물에 의해 고정되며 촉매표면상에서 산화되는 것이 방지된다. 일 예는 물인 액체와 함께, 에틸렌산화물을 형성하기 위한 소수촉매상의 에틸렌의 산화이다. 다른 예는 멀릭 무수물(maleic anhydride)이 되는 벤젠의 기상산화이다.
본 발명에 따라 각 특징은 다른 특징과 결합될 수 있기때문에, 본 발명의 특별한 특징은 편리함만을 위해 하나 또는 그 이상의 도면에 도시되어 있다. 다른 실시예는 본 발명의 기술분야에서의 기술자에 의하여 인식될 것이며 청구항의 범위내에 포함되도록 의도된다.
이와 같이, 본 발명은 반응물의 변환 및 산출량을 증가시키며 부산물의 형성을 감소시키는 방법을 제공하는 효과가 있다.

Claims (8)

  1. 플러그 흐름 관형 반응로에서 액상 및 기상 사이의 전달비를 강화시키기 위한 방법에 있어서,
    고강도 관형 반응로의 유입구에서 기상을 액상내로 통과시키는 단계;
    상기 기상 및 액상의 속도를 초음속으로 가속시키는 단계;
    약 1기압보다 높은 압력하에서 초음속을 아음속으로 감소시키는 단계;
    상기 기상을 거품으로 변화시키는 단계; 및
    상기 거품을 액상내로 분산시키는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 기상 및 액상 사이의 전달은 연속 경쟁반응을 포함하는 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 기상 및 액상을 예열하는 단계를 더 포함하는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 거품의 평균 크기는 실질적으로 1 밀리미터보다 작은 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 거품의 평균 크기는 실질적으로 1 마이크로미터보다 작은 방법.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 가스 스트림은 고속에 의하여 거품으로 변화되는 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 고속은 초음속을 초과하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서, 열 퀘엔칭 반응을 더 포함하는 방법.
KR1019990045225A 1998-10-21 1999-10-19 플러그 흐름 관형 반응로에서 액상 및 기상 사이의전달비를 강화시키기 위한 방법 KR20000029169A (ko)

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