KR20030022131A - Device and method for carrying out heterogeneously catalysed gas phase reactions with heat tonality - Google Patents
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Abstract
본 발명은 사실상의 등온 방식으로 고열의 가스 상에서 혼성 촉매화된 반응을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 고안된 장치는 입구(131, 141)와 출구(143)를 구비하는 적어도 하나의 반응 챔버(101)를 포함한다. 반응 챔버는 반응 가스의 유동 주축을 따라 30mm 이하의 사실상의 일정한 거리로 놓여지는 열 확산 벽으로 형성된다. 반응 챔버는 촉매 코팅된 스트립(120, 132)을 장착한다. 스트립은 반응 가스를 투과시킬 수 있고, 반응 챔버의 모든 방향으로 가요성을 가지고, 양호한 열 전도성과 50 내지 5000 ㎡/㎥ 의 면적/체적 비를 갖는다. 반응 챔버 내의 반응 가스는 시간당 ㎡의 면적당 200 ㎥ 이상의 비율로 유동하고, 열 교환 매체는 반응 챔버에 대향하는 반응 벽의 측면 상을 유동한다.The present invention relates to an apparatus for carrying out a hybrid catalyzed reaction in a hot gas phase in a substantially isothermal manner. The designed device includes at least one reaction chamber 101 having an inlet 131, 141 and an outlet 143. The reaction chamber is formed of a heat diffusion wall placed at a substantially constant distance of 30 mm or less along the flow main axis of the reaction gas. The reaction chamber is equipped with catalyst coated strips 120, 132. The strip is permeable to the reaction gas, is flexible in all directions of the reaction chamber, has good thermal conductivity and an area / volume ratio of 50 to 5000 m 2 / m 3. The reaction gas in the reaction chamber flows at a rate of 200 m 3 or more per area of m 2 per hour, and the heat exchange medium flows on the side of the reaction wall opposite the reaction chamber.
Description
DE-A 42 43 500호는 배기 가스 정화(cleaning)를 위한 촉매 코팅 편성(knitted) 와이어 삽입부의 사용을 개시한다. 편성 또는 직물 와이어의 층들은 감긴 상태로 열적 및/또는 기계적 고정된다. 문제점은 촉매 삽입물의 복잡한 구조 및 이 복잡한 구조 내부에서의 열악한 열 운반이다.DE-A 42 43 500 discloses the use of a catalyst coated knitted wire insert for exhaust gas cleaning. The layers of knitted or woven wire are thermally and / or mechanically fixed in a wound state. The problem is the complex structure of the catalyst insert and the poor heat transport inside this complex structure.
DE-A 41 09 227호는 ⅰ)공급 도관을 구비하고 ⅱ)상기 공급 도관이 금속 재료 구조부를 포함하는 필터 또는 촉매 몸체로 안내되며, 필터 또는 촉매 몸체의 금속 재료 구조부는 공극이 가득하고 배기 가스가 통과하는 몸체를 형성하도록 임의의, 편조(braided), 편성 또는 직물 형태이거나 또는 분말, 미립 또는 칩 형태의 압축 성형 와이어 또는 섬유를 사용하며, ⅲ)필터 또는 촉매 몸체에 의해 정화된 배기 가스용 배출 도관을 구비하는 배기 가스 필터 및/또는 촉매를 개시한다.DE-A 41 09 227 includes i) a feed conduit and ii) said feed conduit is led to a filter or catalyst body comprising a metal material structure, wherein the metal material structure of the filter or catalyst body is full of voids and exhaust gas. For use in any braided, knitted or woven fabric or in the form of powder, particulates or chips, compression molded wires or fibers, iii) for exhaust gases purified by a filter or catalyst body An exhaust gas filter and / or catalyst having an exhaust conduit is disclosed.
필터 또는 촉매 몸체는 필터 또는 촉매 몸체를 통한 배기 가스 유동 방향에횡방향이거나 또는 대향하여 통과하는 열 교환기 파이프 또는 도관을 구비할 수 있다.The filter or catalyst body may have heat exchanger pipes or conduits passing transversely or oppositely in the direction of exhaust gas flow through the filter or catalyst body.
EP-B 201 614호는 적어도 부분적으로 주름진 테이프형 촉매 몸체를 포함하는 불균일 촉매 화학 반응 실행 반응 장치를 설명하는데, 상기 주름은 주 유동축에 경사 배치되고 인접 판으로 대향 안내되며, 촉매 몸체의 주름의 피치는 인접 주름진 판의 피치보다 작으며, 촉매 영역의 표면은 인접 주름진 판의 표면 영역보다 크다. 촉매는 촉매 활성 재료로 코팅되고 편조 또는 편성 와이어로 구성될 수 있는 몸체일 수 있다. 판의 복잡한 주름은 우회 흐름(bypass) 형성에 적당하고 와류를 방지하여 물질 이동을 약화시킨다. 또한, 제공된 컴팩트한 패킹(packing) 요소는 반응 열의 효과적인 제거를 가능케 하지 않는다.EP-B 201 614 describes a heterogeneous catalytic chemistry reaction reaction apparatus comprising an at least partially corrugated tape-like catalyst body, wherein the corrugations are inclined to the main flow axis and guided to adjacent plates, the corrugations of the catalyst body. The pitch of is smaller than the pitch of the adjacent corrugated plate, and the surface of the catalytic region is larger than the surface area of the adjacent corrugated plate. The catalyst may be a body which is coated with a catalytically active material and which may consist of braided or knitted wire. The complex corrugation of the plate is suitable for bypass formation and prevents vortices, weakening mass transfer. Furthermore, the compact packing elements provided do not allow for effective removal of the reaction heat.
EP-B 0 305 203호는 비 단열 조건 하에서 불균일 촉매 반응의 작용을 설명한다. 이를 위해, 열 전달 벽을 구비하는 환상 반응 장치 챔버에는 촉매 시트 형태의 모놀리식 촉매가 제공된다. 모놀리식 촉매는 전체 유동 방향에 대해 경사진 채널을 구비하여, 반응 유체가 일 반응 장치 벽으로부터 다른 반응 장치 벽으로 예각으로 보내진다. 반응 유체에 가해지는 전단 응력은 반응 장치 벽 근처에서 극단적으로 크고(큰 압력 강하), 그렇지 않으면 다소 작다(약한 물질 이동). 반응 장치는 제작하기에 복잡한데, 왜냐하면 압력 강하는 반응 장치 벽과 모놀리식 촉매간의 기하학에 절대적으로 의존하기 때문이다.EP-B 0 305 203 describes the action of heterogeneous catalysis under non-insulating conditions. To this end, a cyclic reactor chamber with heat transfer walls is provided with a monolithic catalyst in the form of a catalyst sheet. The monolithic catalyst has a channel that is inclined to the entire flow direction so that the reaction fluid is sent at an acute angle from one reactor wall to the other. The shear stresses applied to the reaction fluid are extremely large (large pressure drop) near the reactor wall, otherwise somewhat small (weak mass transfer). The reactor is complex to fabricate because the pressure drop is absolutely dependent on the geometry between the reactor wall and the monolithic catalyst.
EP-B 0 149 456호는, 반응 장치 튜브와 거의 같은 직경을 갖고 반응장치 튜브의 입구로부터 출구로 안내되는 직경 1 내지 10 mm의 채널을 포함하고 체적의60% 내지 90%가 중공 공간에 의해 형성된 적어도 하나의 원통형 모놀리스로 제작된 촉매 지지부를 포함하는 튜브형 반응 장치를 이용하여 기체상인 상응하는 글리콜릭 에스테르의 옥시 탈수소화 반응에 의해 글리옥실 에스테르를 제조하는 방법에 관한 것이다. 채널은 반응 장치 축에 대해 20°내지 70°의 각도를 형성할 수 있다. 이 조치는 반응 유체를 반응 장치 벽으로 안내하여 반응 열의 제거를 향상시킨다. 이 방법은 EP-B 0 305 203호에 공지된 방법과 같은 단점을 갖는다.EP-B 0 149 456 comprises a channel 1-10 mm in diameter which is approximately the same diameter as the reactor tube and is guided from the inlet to the outlet of the reactor tube and between 60% and 90% of the volume is defined by the hollow space. A method for preparing glyoxyl esters by oxy dehydrogenation of the corresponding glycolic esters in the gas phase using a tubular reaction device comprising a catalyst support made of at least one cylindrical monolith formed. The channel may form an angle of 20 ° to 70 ° with respect to the reactor axis. This measure leads the reaction fluid to the reactor wall to improve the removal of reaction heat. This method has the same disadvantages as the method known from EP-B 0 305 203.
DE-E 197 25 378호는 병류(cocurrent) 또는 반류(countercurrent)인 두 개의 물질 흐름에 의해 횡단되는 기체상 및/또는 액체상에서의 촉매 반응을 위한 컴팩트한 고정층 반응 장치를 설명한다. 두 개의 물질 흐름용 유동 채널은 신축성(concertinaed) 분할 벽에 의해 형성된다. 이 분할 벽의 절첩부는 유체 흐름을 위해 연속적 유동 채널이 생성되는 방식으로 물결꼴(undulating) 구조로 형성되었다. 물결꼴 구조는 분할 벽의 대향 절첩부 사이의 스페이서 및 촉매 지지부로서 사용되고 분할 벽으로의 및 분할 벽으로부터의 향상된 열 이동을 보장한다. 물결꼴 구조는 분할 벽의 절첩부간의 최소 이격 및 이러한 물결꼴 구조에 적용될 수 있는 촉매의 양도 한정하는 치수를 갖는 강성 구조이다. 열 교환기 체적에 대한 물결꼴 구조(즉, 촉매)의 표면 영역의 비율은 5mm의 최대 산업상 실행 가능한 절첩 폭과 90°의 절첩 각도를 기초로 할 때 800㎡/㎥ 보다 크지 않다.DE-E 197 25 378 describes a compact fixed bed reaction apparatus for catalytic reaction in gas and / or liquid phases traversed by two mass streams of cocurrent or countercurrent. The flow channels for the two mass flows are formed by the flexible partition wall. The folds of this dividing wall were formed undulating in such a way that a continuous flow channel was created for the fluid flow. The wavy structure is used as a spacer and catalyst support between opposing folds of the dividing wall and ensures improved heat transfer to and from the dividing wall. The wavy structure is a rigid structure having dimensions that limit the minimum separation between the folds of the dividing wall and also the amount of catalyst that can be applied to this wavy structure. The ratio of the surface area of the wavy structure (ie catalyst) to the heat exchanger volume is no greater than 800 m 2 / m 3 based on a maximum industrially feasible folding width of 5 mm and a folding angle of 90 °.
본 발명은 고체 촉매를 통해 현저한 열방출을 포함하는 기체상 반응, 구체적으로 산화성 탈수소화 반응의 거의 등온 작동을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for near isothermal operation of gas phase reactions, in particular oxidative dehydrogenation reactions, including significant heat release via a solid catalyst.
본 발명이 이제 도1 내지 도3을 참조하여 더 상세히 설명될 것이다.The invention will now be described in more detail with reference to FIGS.
도1은 본 발명에 따른 평판형 열 교환기 반응기의 도면을 개략적으로 도시한다.1 schematically shows a diagram of a flat plate heat exchanger reactor according to the present invention.
도2는 나선형 열 교환기 반응기의 내부의 측면도이다.2 is a side view of the interior of the helical heat exchanger reactor.
도3은 나선형 열 교환기 반응기의 추가적인 측면도이다.3 is a further side view of the helical heat exchanger reactor.
본 발명의 목적은 촉매를 위한 체적비에 대해 우수한 표면을 갖는 이종 촉매 반응의 위치에서 우수한 열 제거와 공급을 조합하는 현저한 발열을 포함하는 이종축매된 기체상 반응을 작동하기 위한 반응기를 제공하는 것이다.It is an object of the present invention to provide a reactor for operating a heterogeneous gas phase reaction comprising significant exotherm combining good heat removal and feed at the site of heterocatalytic reaction having a good surface to volume ratio for the catalyst.
이 목적은 입구 및 출구를 갖는 적어도 하나의 반응기 공간을 포함하는, 현저한 발열을 포함하는 이종 촉매된 기체상 반응의 사실상 등온 작동을 위한 장치에 의해 달성된다는 것을 알 수 있다.It can be seen that this object is achieved by an apparatus for virtually isothermal operation of heterocatalytic gas phase reactions involving significant exotherm, comprising at least one reactor space having an inlet and an outlet.
- 반응기 공간은 반응 기체의 주 유동축을 따라 30 mm 이하의 거리에서 사실상 균일하게 이격된 열 제거 벽에 의해 경계를 이루며,The reactor space is bounded by substantially uniformly spaced heat removal walls at a distance of 30 mm or less along the main flow axis of the reaction gas,
- 반응기 공간은 촉매 코팅된 테이프를 갖추고 있으며,The reactor space is equipped with a catalyst coated tape,
- 테이프는 가요성이며, 모든 공간 방향으로 반응 기체를 투과시키며, 50 내지 5000 ㎡/㎥ 의 체적비에 대한 표면을 갖고, 또한 우수한 열 전도성을 가지며,The tape is flexible, penetrates the reaction gas in all spatial directions, has a surface for a volume ratio of 50 to 5000 m 2 / m 3, and also has good thermal conductivity,
- 반응 기체는 시간당 정면 영역의 평방 미터당 200 ㎥ 이상의 속도로 반응기 공간을 통해 유동하며,The reaction gas flows through the reactor space at a rate of at least 200 m 3 per square meter of the frontal area per hour,
- 열 교환 매체는 반응기 공간으로부터 원격인 반응기 벽의 측부 상에 유동한다.The heat exchange medium flows on the side of the reactor wall remote from the reactor space.
주 장치는 사실상 발열 반응뿐만 아니라 사실상 흡열 반응을 작동하기 위해 유용한데, 이는 각각 신속한 열 제거 및 열 교환을 위해 제공하기 때문이다. 사실상 흡열 반응의 일예는 3-메틸-3-부텐-1-올과 같은 산화성 탈수소화 반응을 포함하는 한편, 사실상 발열 반응의 일예는 이중 또는 삼중 결합의 수소화 반응을 포함하며 또한 사이클로헥산으로의 벤젠의 수소화 반응과 같이 방향족이다. 반응의 엔탈피는 예를 들어 30 내지 75 kal/mol의 범위에 있다.The main apparatus is actually useful for operating not only exothermic but also virtually endothermic reactions, because they provide for rapid heat removal and heat exchange respectively. In fact, one example of an endothermic reaction includes an oxidative dehydrogenation reaction such as 3-methyl-3-buten-1-ol, while one example of an exothermic reaction in fact comprises a hydrogenation of double or triple bonds and also benzene to cyclohexane It is aromatic like hydrogenation reaction. The enthalpy of the reaction is for example in the range of 30 to 75 kal / mol.
또한, 주 장치는 대기 압력, 뿐만 아니라 감소된 압력 또는 상승된 압력 하에서, 즉 1·10-3내지 100 bar, 특히 0.5 내지 40 bar인 압력에서 작동하는 것이 가능하다. 따라서, 주 장치는 넓은 압력 범위에서 사용될 수 있다.It is also possible for the main apparatus to operate under atmospheric pressure, as well as under reduced or elevated pressure, ie at a pressure of 1 · 10 −3 to 100 bar, in particular 0.5 to 40 bar. Thus, the main device can be used over a wide pressure range.
본 발명의 목적을 위한 반응 가스는 기체 반응물의 혼합물을 나타내며, 반응 조건 하에서 반응물과 반응하지 않는 다른 기체 물질을 선택적으로 추가한다. 열 교환 매체는 원하는 온도에 따라, 액체, 기체 또는 용융염 바스일 수 있다. 열 교환 매체가 열을 흡수하고 제거하는데 이용될 때, 이는 또한 냉각 유체로서 공지된다. -20 ℃ 내지 400 ℃의 온도는 효율적으로 달성될 수 있다. 신속한 열 제거 또는 열 공급은 주 장치가 매우 정확한 열 제어를 제공하는 것을 가능하게 한다. 예를 들면, 370 ℃ ±10 ℃, 특히 ±5 ℃의 온도를 설정하는 것이 가능하다. 구식의 고정된 베드 반응기와 비교하면, 주 장치의 사용으로 인해 온도 스파이크가 없다.Reactant gases for the purposes of the present invention represent a mixture of gaseous reactants and optionally add other gaseous substances that do not react with the reactants under the reaction conditions. The heat exchange medium may be a liquid, gas or molten salt bath, depending on the desired temperature. When a heat exchange medium is used to absorb and remove heat, it is also known as a cooling fluid. Temperatures of -20 ° C to 400 ° C can be achieved efficiently. Rapid heat removal or heat supply makes it possible for the main unit to provide very accurate heat control. For example, it is possible to set a temperature of 370 ° C ± 10 ° C, in particular ± 5 ° C. Compared to the old fixed bed reactor, there is no temperature spike due to the use of the main apparatus.
반응기 공간은 환형, 원통형, 직사각형, 정사각형일 수 있다.The reactor space can be annular, cylindrical, rectangular, square.
주 장치는 상용으로 입수 가능한 열 교환기의 간극 내로 촉매 코팅된 테이프(촉매 테이프)를 설치함으로써 용이하게 실현될 수 있다. 따라서, 반응기 튜브는 촉매에 순응하지 않지만, 촉매 테이프는 반응 공간에 순응된다. 임의의 원하는 열 교환기는 사용될 수 있다. 환형 간극 열 교환기뿐만 아니라 나선형 열 교환기가 유용하다. 열 교환기의 예는 ISO 15547에, 또는 베. 에르. 아. 바우크, 하. 아. 뮐러의 드레스덴 테오도르 슈타인코프 출판사 1974년, "단위 조작 화학 공정 기술" 제4판 제438면 내지 제440면에, 또는 독일 기술자 협회 간행물 제3판1977년, VDI 열도해집의 MB1 섹션에(CB3 섹션에 기재된 열 전달을 달성하도록) 기재된 바와 같은 설계를 포함한다.The main apparatus can be easily realized by installing a catalyst coated tape (catalyst tape) into the gap of a commercially available heat exchanger. Thus, the reactor tube is not compliant with the catalyst while the catalyst tape is compliant with the reaction space. Any desired heat exchanger can be used. Spiral heat exchangers as well as annular gap heat exchangers are useful. Examples of heat exchangers are in ISO 15547, or Ver. Er. Ah. Bauk, ha. Ah. Müller's Dresden Theodor Steinkov Press, 1974, "Unit-Operated Chemical Process Technology," fourth edition pages 438 to 440, or the German Institute of Engineers Publications, Third Edition 1977, in the MB1 section of the VDI Scheme (CB3). To achieve the heat transfer described in the section).
벽 간격과 사용된 열 교환기의 간극 폭 또는 간극 직경은 양호하게 0.5 내지 30 mm의 범위, 특히 1 내지 20 mm의 범위, 특히 1.5 내지 10 mm 또는 1.8 내지 5 mm에 있다.The gap width or gap diameter of the wall gap and the heat exchanger used is preferably in the range from 0.5 to 30 mm, in particular in the range from 1 to 20 mm, in particular from 1.5 to 10 mm or from 1.8 to 5 mm.
환형 간극 열 교환기가 사용될 때, 촉매 테이프는 2개의 동축 튜브에 의해 형성된 반응기 공간 내에 설치되며, 내부 튜브 및/또는 외부 튜브의 벽을 통해 냉각된다(또는 각각 가열된다). 또한, 본 발명에 따른 이 장치는 환형 간극 열 교환기 반응기로서 공지되어 있다.When an annular gap heat exchanger is used, the catalyst tape is installed in the reactor space formed by two coaxial tubes and is cooled (or heated respectively) through the walls of the inner tube and / or the outer tube. This device according to the invention is also known as an annular gap heat exchanger reactor.
판형 열 교환기는 반응기 공간을 통해 지그재그 코스를 취하도록 반응 가스를 가압하는 추가적인 열 전도벽에 의해 선택적으로 분리되는 정사각형 또는 직사각형 반응기 공간을 갖는다. 본 발명에 따른 판형 열 교환기 반응기는 반응기 공간 내에 촉매 테이프를 설치함으로써 완성되며, 필요하다면 방향 변화가 가장 큰 곳에 사용되어 과도하게 큰 압력 저하를 피할 수 있는 곳에 촉매 테이프 없이 완성된다.The plate heat exchanger has a square or rectangular reactor space that is selectively separated by additional heat conducting walls that pressurize the reaction gas to take a zigzag course through the reactor space. The plate heat exchanger reactor according to the present invention is completed by installing a catalyst tape in the reactor space and, if necessary, is completed without the catalyst tape where the change of direction is used where it is greatest to avoid excessively large pressure drops.
나선형 열 교환기("나선형 열 교환기 반응기")를 사용하는 본 장치는 특히 촉매 테이프를 갖고 매우 균일하게 패킹된 원통형 반응기 공간을 갖는다.The apparatus using a helical heat exchanger ("spiral heat exchanger reactor") has a cylindrical reactor space which is particularly uniformly packed with catalyst tape.
촉매 테이프는 직포, 루프 당김(loop-drawn) 니트, 루프 형성 니트, 구성 재료가 금속인 경우에 천공판 또는 리브 메쉬로 형성될 수 있는 시트형 매끈한 구조이다. 또한, 이는 펠트, 필름 또는 포일을 사용할 수 있지만, 이들은 루프 당김니트, 루프 형성 니트, 천공판 또는 리브 메쉬와 같은 직물과 펠트, 필름 또는 포일이 주류 방향과 평행하게 지향되고 루프 당김 니트, 루프 형성 니트, 천공판 또는 리브 메쉬가 펠트, 필름 또는 포일을 위한 스페이서의 역할을 하는 방식으로 조합되어야 한다. 또한, 반응기 공간에 설치될 때에는 펠트, 필름 또는 포일이 직물, 루프 당김 니트, 루프 형성 니트, 천공판 또는 리브 메쉬와 교번식으로 주류 방향과 평행하게 지향될 수 있다. 직물, 루프 당김 니트 또는 루프 형성 니트를 사용하는 양호한 예시가 개시된다.The catalyst tape is a sheet-like smooth structure that can be formed into a perforated plate or rib mesh when the woven material, loop-drawn knit, loop forming knit, or the constituent material is a metal. It is also possible to use felts, films or foils, but they may be fabrics such as loop pull knits, loop forming knits, perforated plates or ribbed meshes and felt, film or foils oriented parallel to the mainstream direction and loop pull knits, loop forming knits The perforated plates or rib meshes must be combined in such a way that they serve as spacers for felt, film or foil. Also, when installed in the reactor space, felt, film or foil may be oriented alternately with the mainstream direction alternately with fabric, loop pull knit, loop forming knit, perforated plate or rib mesh. Preferred examples of using woven, loop pull knits or loop forming knits are disclosed.
촉매 테이프는 공간의 모든 방향으로 가요성, 즉 절곡 가능하고 신장 가능하다. 따라서, 이들은 반응기 공간, 특히 상용 열 교환기의 간극의 차원에 용이하게 상응하는 일정한 조직이 없는 촉매 테이프이다. 이들을 사용하는 것은 유동 주축에 대해 어떠한 고정이나 방향을 요구하지 않는다. 촉매 테이프가 공간의 모든 방향으로 가요성을 갖기 때문에, 자동적으로 고정되게 된다. 일반적으로, 촉매 테이프는 각각 (예컨대, 톱니 휠 롤에 의해 주름과 같은 표면 구조의 엠보싱과 같은) 사전 변형 없이 반응기 공간 내로 만곡되거나 층을 형성하여 도입된다. 이는 바람직하지 않은 우회 형성의 최대 억제하면서 반응기 공간의 균일한 충진으로 결합된 촉매 테이프를 위해 더 높은 패킹 밀도를 허용하여 증가된 질량 전달을 달성한다. 촉매 테이프는 수동으로 이들을 열 교환기의 간극 내로 적층, 직립 또는 가압함으로써 설치된다. 제한 요소는 반응기 공간의 치수와 촉매 테이프의 두께이다. 촉매 테이프는 하나 뿐만 아니라 복수개가 설치될 수 있다. 촉매 테이프는 열 교환기의 전체 반응기 공간 위 뿐만 아니라 숙련자들에 의해 선택된 섹션에 배치될 수있다. 촉매 테이프가 공간의 모든 방향으로 가요성이기 때문에, 연장될 뿐만 아니라 적층, 절첩 또는 만곡될 수 있다. 연장은 촉매 테이프의 길이 방향 또는 폭 방향을 의미한다. 예컨대, 천공된 시트가 연장될 수 없으면, 촉매 테이프는 구조 재료에 따라 60% 까지 연장될 수 있다. 적층은 적어도 두 개의 촉매 테이프의 겹침을 의미하고, 절첩은 특정 또는 임의로 선택된 섹션 내에서 180°변화하는 테이프의 방향으로 동일한 촉매 테이프를 겹치는 것을 의미한다. 층상 촉매 테이프는 선택적으로 절첩되거나 만곡될 수 있다.The catalyst tape is flexible, ie bendable and stretchable in all directions of space. Thus, they are catalyst tapes with no uniform structure that readily correspond to the dimensions of the reactor space, in particular the gaps of commercial heat exchangers. Using them does not require any fixation or direction to the flow spindle. Since the catalyst tape is flexible in all directions of the space, it is fixed automatically. In general, the catalyst tapes are each bent or layered into the reactor space without pre-deformation (such as embossing of surface structures such as pleats by means of toothed wheel rolls). This allows for a higher packing density for the combined catalyst tape with uniform filling of the reactor space with maximum inhibition of undesirable bypass formation to achieve increased mass transfer. The catalyst tapes are installed by manually stacking, standing up or pressing them into the gap of the heat exchanger. The limiting factors are the dimensions of the reactor space and the thickness of the catalyst tape. Not only one catalyst tape but also a plurality of catalyst tapes may be installed. The catalyst tape can be placed over the entire reactor space of the heat exchanger as well as in sections selected by the skilled person. Because the catalyst tape is flexible in all directions of space, it can be extended as well as laminated, folded or curved. Extension means the lengthwise or widthwise direction of the catalyst tape. For example, if the perforated sheet cannot be extended, the catalyst tape can be extended by 60% depending on the structural material. Lamination means the overlap of at least two catalyst tapes, and folding means overlapping the same catalyst tape in the direction of the tape varying 180 ° within a particular or optionally selected section. The layered catalyst tape may optionally be folded or curved.
촉매 테이프의 표면적은 대체로 이러한 절첩 또는 만곡된 촉매 테이프 체적의 실제적인 증가 없이, 촉매 테이프의 절첩 또는 만곡을 표명함으로써 증가될 수 있다. 촉매 테이프는 50 내지 500 ㎡/㎥ 의 범위에서 높은 표면 대 체적비를 갖는다. 그러한 높은 표면 대 체적비는 촉매 단일체 또는 덤핑 가능한 촉매 재료로 달성되지 않으며, 이러한 표면 대 체적비의 조절에 그러한 높은 변경 범위를 달성하지 못한다. 예컨대, 그러한 높은 변경 범위가 DE-A 197 25 378호에 개시된 구조 공간에서 달성되지 않는다. 또한, 촉매 테이프는 단일체 또는 덤핑 가능한 재료와 같은 구성 촉매 재료와 비교하여 반응 가스를 투과시키고, 우수한 열 전달 계수(VDI 출판사에서 1997년 출판된 VDI 열 도해집 제3판 CB3 섹션 참조)를 가지므로 열 전도성이 우수하여, 반응기의 열이 촉매 테이프를 지나 반응기 벽으로 신속하게 전달되며, 그 반대도 동일하다. 신속한 열 전달을 촉진하는 다른 요소는 일반적으로 ≤30mm, 바람직하게는 ≤20mm, 특히 바람직하게는 ≤10mm인, 반응기 공간 내의 작은 벽 공간이다. 반응기 공간의 체적은 상용 열 교환기의 간극의 체적에의해 미리 결정된다.The surface area of the catalyst tape can be increased by expressing the fold or curvature of the catalyst tape, generally without a substantial increase in the volume of this fold or curved catalyst tape. The catalyst tape has a high surface to volume ratio in the range of 50 to 500 m 2 / m 3. Such high surface-to-volume ratios are not achieved with catalyst monoliths or dumpable catalyst materials and do not achieve such high ranges of variation in control of such surface-to-volume ratios. For example, such high modification ranges are not achieved in the structural space disclosed in DE-A 197 25 378. In addition, the catalyst tape permeates the reactant gases in comparison to the constituent catalyst materials, such as monolithic or dumpable materials, and has good heat transfer coefficients (see the VDI Heat Schematic 3rd Edition CB3 section published by VDI Publishing in 1997). With good thermal conductivity, heat in the reactor is quickly transferred over the catalyst tape to the reactor wall and vice versa. Another factor that promotes rapid heat transfer is the small wall space in the reactor space, which is generally ≦ 30 mm, preferably ≦ 20 mm, particularly preferably ≦ 10 mm. The volume of the reactor space is predetermined by the volume of the gap of the commercial heat exchanger.
또한, 촉매 테이프는 기계적으로 매우 안정적이어서, 혼성 촉매화된 가스상(gas phase)이 반응 가스에 대한 높은 유동 속도에서도 촉매의 감소 없이 작동될 수 있다. 본 장치는 낮은 유동 속도에서도 작동될 수 있지만, 특히 유동 속도가 200(㎥/전면면적(M²)·h) 이상이나 유동 속도가 300(㎥/전면면적(M²)·h) 이상일 때, 보다 특별하게는 유동 속도가 1000(㎥/전면면적(M²)·h) 일 때, 촉매 단일체 또는 폐기 가능한 촉매 재료를 갖는 종래의 반응기에 대해 보다 우수하다.In addition, the catalyst tape is mechanically very stable such that the hybrid catalyzed gas phase can be operated without a reduction in catalyst even at high flow rates for the reaction gas. The device can be operated even at low flow rates, but especially when the flow rate is above 200 (m 3 / front area (M²) · h) but the flow rate is above 300 (m 3 / front area (M²) · h). Preferably, when the flow rate is 1000 (m 3 / front area (M 2) · h), it is superior to conventional reactors with catalyst monoliths or disposable catalyst materials.
유동 속도는 프로세스(감소된 압력, 대기압 또는 상승된 압력에서의 작용)와 반응기 공간 체적에 대한 촉매 테이프 체적의 비의 함수에 의해 선택된다. 70m/s까지의 가스 유동 속도들이 촉매 테이프가 설치되기 전에 본 발명의 장치 내에서 실현될 수 있다. 열 교환기 내의 가스 유동 속도들의 일반적인 값은 40m/s이다. 본 발명을 따르는 장치가 촉매 테이프로 패킹 되었을 때, 본 장치는 200 내지 15000(㎥/전면면적(M²)·h)의 유동 속도에서 작동 될 수 있으며, 특히 300 내지 15000(㎥/전면면적(M²)·h)의 유동 속도에서, 보다 특별하게는 1000 내지 15000(㎥/전면면적(M²)·h)의 유동 속도에서 작동될 수 있다. 언급된 속도들은 가스 미터를 사용하여 결정된 면적 속도들이다.The flow rate is selected as a function of the process (action at reduced pressure, atmospheric pressure or elevated pressure) and the ratio of catalyst tape volume to reactor space volume. Gas flow rates of up to 70 m / s can be realized in the apparatus of the present invention before the catalyst tape is installed. Typical values of gas flow rates in the heat exchanger are 40 m / s. When the device according to the invention is packed with a catalyst tape, the device can be operated at a flow rate of 200 to 15000 (m 3 / front area (M²) · h), in particular 300 to 15000 (m 3 / front area (M²). At a flow rate of ()), more particularly at a flow rate of 1000 to 15000 (m 3 / front area (M²) · h). The speeds mentioned are area speeds determined using a gas meter.
이러한 높은 유동 속도들은 폐기 가능한 촉매 재료로는 실현 불가능하며, 소모와 관련된 고압 강하로 인해 실현 불가능하다. 본 발명에 따른 장치에서는 적절한 유동 속도를 선택하여 상당한 압력 강하를 피할 수 있기 때문에, 이 경우 압력강하를 보상하기 위한 압축기가 불필요하여, 본 장치의 사용은 종래의 반응기의 사용에 대한 추가적인 비용 절감을 제공한다.These high flow rates are not feasible with disposable catalyst materials and due to high pressure drops associated with consumption. Since in the device according to the invention a considerable pressure drop can be avoided by selecting an appropriate flow rate, in this case a compressor is not required to compensate for the pressure drop, so the use of this device provides additional cost savings over the use of conventional reactors. to provide.
기계적 안정성으로 인해, 촉매 테이프는 반응기 공간들로부터 간단하게 제거되고 폐기 가능한 촉매 재료와 관련한 미세한 촉매 어트리터스(attritus)를 제거하는 문제없이 간단하게 교환 가능하다. 이러한 비조직적 결정 테이프가 사용될 때, 가스상에서 혼성 촉매화된 반응의 선택이 신속한 열 전달에 의해 유지 또는 개선될 수 있다는 것은 놀라운 일이다.Due to the mechanical stability, the catalyst tape is simply removable from the reactor spaces and is simply interchangeable without the problem of removing fine catalyst attrition associated with the discardable catalyst material. When such an unstructured crystalline tape is used, it is surprising that the choice of hybrid catalyzed reaction in the gas phase can be maintained or improved by rapid heat transfer.
또한, 본 장치는 반응 가스상에서 높지만 균일한 전단 응력을 유지하도록 설계되었다. 첫째, 본 장치는 상술된 바와 같이 촉매의 감소 없이 높은 단면 유동 속도에 견딜 수 있다. 둘째, 반응 가스는 촉매 테이프로 충전된 반응기 공간 내에서 균일한 높은 전단 응력에 노출된다. 이것은 반응 가스의 균일한 혼합을 제공하여 반응기 공간을 통과할 때 일정한 반응 가스의 분산도를 제공한다. 반응 가스의 효율적인 혼합과 높은 유동 속도들은, 종래 반응기의 반응의 작동과 비교 할 때, 본 발명을 따르는 장치들 내에의 반응들의 작동이 보다 낮은 촉매를 요구량을 가짐에도 불구하고, 본 발명을 따르는 장치들이 종래의 반응기와 유사한 전환을 제공한다는 것을 의미한다. 본 장치의 다른 장점은 촉매 또는 촉매 지지부를 비싸게 구성할 필요가 없기 때문에, 비용 절감이 가능하다는 것이다.The device is also designed to maintain a high but uniform shear stress on the reaction gas. First, the apparatus can withstand high cross-sectional flow rates without reducing the catalyst as described above. Second, the reaction gas is exposed to a uniform high shear stress in the reactor space filled with the catalyst tape. This provides uniform mixing of the reaction gases to provide a constant degree of dispersion of the reaction gases as they pass through the reactor space. Efficient mixing of the reactant gases and high flow rates are in accordance with the invention, although the operation of the reactions in the apparatuses according to the invention has a lower catalyst demand compared to the operation of the reactions of conventional reactors. Means that they provide a conversion similar to conventional reactors. Another advantage of the device is that cost savings are possible because the catalyst or catalyst support need not be expensive.
일반적으로, 촉매 테이프는 미세한 구성을 갖는다. 직포 및 루프드론(loopdrawn) 니트의 경우, 미세한 구조가 서로에 대해 측면을 공유하는 와이어 또는 실에 의해 형성된 직사각형 내에 존재한다. 사실, 반응 가스의 주 유동축을 갖는 직사각형의 두 측면 중 일 측면 상에 형성된 피치각이 임의로 분포되는 것이 양호하다. '임의로 반포된 피치 각'은 촉매 테이프들이 이상적으로는 모든 가능한 피치 각들이 구현되고 이상적으로는 혼돈된 그물이 그 결과로 형성되는 방식으로 반응기 공간으로 주입되는 것을 의미한다. 이러한 혼돈된 그물에서, 반응기 공간 내의 빈 공간, 와이어 및 실의 연속은 촉매 테이프의 임의의 지향의 결과로 무질서하다. 이것은 반응기의 바이패스 형성을 최소화하고 난류 상황의 결과로 열 및 질량 전달을 최대화한다.In general, the catalyst tape has a fine configuration. In the case of woven and loopdrawn knits, the fine structure is present in a rectangle formed by wires or yarns that share sides to each other. In fact, it is preferable that the pitch angle formed on one of the two sides of the rectangle having the main flow axis of the reactant gas be arbitrarily distributed. 'A randomly distributed pitch angle' means that the catalyst tapes are injected into the reactor space in such a way that ideally all possible pitch angles are implemented and ideally a chaotic net is formed as a result. In this chaotic net, the continuation of the voids, wires and yarns in the reactor space is disordered as a result of any orientation of the catalyst tape. This minimizes the bypass formation of the reactor and maximizes heat and mass transfer as a result of turbulent conditions.
지지를 위해 사용된 구조의 재료들은 생산, 재 성형 및 사용 중 발생하는 변형과 조화하는 구조의 금속, 세라믹 및 플라스틱 재료를 포함하는 그룹으로부터 선택된다. 구조의 유용한 금속, 세라믹 및 플라스틱 재료들은 일반적으로 섬유질 조직을 형성한다. 구조의 이러한 금속 재료의 예들은 철, 구리, 니켈, 은, 알루미늄 및 티타늄과 같은 순수한 금속 또는 강, 예를 들어 니켈, 크롬 및/또는 몰리브덴 강, 황동, 인청동, 모넬(Monel) 및/또는 니켈 은과 같은 합금이다. 구조의 세라믹 재료의 예들은 알루미늄, 실리카(유리 섬유) 지르코니아 및/또는 카본이다. 플라스틱의 예들은 폴리아미드, 폴리에테르, 폴리비닐, 폴리에틸렌, 폴리프로필렌, 폴리테트라플루오로데틸렌, 폴리케톤, 폴리에테르 술폰, 에폭시 수지, 알키드 수지, 요소 및/또는 멜라민 수지이다. 매우 양호한 열전달률로 인해, 금속, 아스베스토 대체물, 유리 섬유, 카본 섬유 및/또는 플라스틱이며, 특히 금속 즉 순수한 금속 또는 합금이 선호된다. 적절한 촉매 코팅이 가해진 저가의 스테인레스가 특히 선호된다.The materials of the structure used for the support are selected from the group comprising metal, ceramic and plastic materials of the structure that match the deformations occurring during production, reshaping and use. Useful metal, ceramic and plastic materials of construction generally form fibrous tissue. Examples of such metal materials of construction are pure metals or steels such as iron, copper, nickel, silver, aluminum and titanium, for example nickel, chromium and / or molybdenum steels, brass, phosphor bronze, Monel and / or nickel It is an alloy like silver. Examples of the ceramic material of the structure are aluminum, silica (glass fiber) zirconia and / or carbon. Examples of plastics are polyamides, polyethers, polyvinyl, polyethylene, polypropylene, polytetrafluorodecylene, polyketones, polyether sulfones, epoxy resins, alkyd resins, urea and / or melamine resins. Due to the very good heat transfer rates, metals, asbestos substitutes, glass fibers, carbon fibers and / or plastics are preferred, in particular metals, ie pure metals or alloys. Inexpensive stainless steels with appropriate catalyst coatings are particularly preferred.
본 발명에 따라 촉매로 코팅된 테이프는 특히 금속 직물 또는 루프형으로 뽑아진 금속 편물이다. 본 발명의 목적을 위해, 루프형으로 뽑아진 금속 편물은 하나의 연속 금속사로 형성된 금속 직물이다. 대조적으로, 금속 직물은 적어도 2개의 금속사로 형성된 직물이다. 와이어 직경은 금속 직물 또는 루프형으로 뽑아진 금속 편물의 경우에 0.01 내지 5.0 mm, 바람직하게는 0.04 내지 1.0 mm의 범위 내에 있다. 메쉬 크기는 폭의 한계 내에서 변할 수 있다.The tape coated with the catalyst according to the invention is in particular a metal fabric drawn into a metal fabric or loop. For the purposes of the present invention, the looped metal knit is a metal fabric formed from one continuous metal yarn. In contrast, a metal fabric is a fabric formed of at least two metal yarns. The wire diameter is in the range of 0.01 to 5.0 mm, preferably 0.04 to 1.0 mm in the case of metal fabrics or metal knits drawn in loops. Mesh size can vary within limits of width.
촉매 테이프는 US-A 4 686 202호와 EP-B 0 965 384호에 설명된 공정에 의해 제조될 수 있다.Catalyst tapes can be prepared by the processes described in US Pat. No. 4,686,202 and EP-B 0 965 384.
금속 직물로서 구체화된 촉매 테이프는 EP-B 0 564 830호에 설명된 공정에 의해 더 코팅될 수 있다. EP-B 0 564 830호는 루프형으로 뽑아진 금속 편물을 촉매로 코팅하는 것을 명시적으로 설명하지 않으나, 이들은 금속 직물과 동일한 방식으로 처리될 것이다. 금속 직물 또는 루프형으로 뽑아진 금속 편물을 촉매로 코팅하는 것은 예컨대 EP-A 0 056 435호에 설명된 공정에 따른 종래의 딥(dip) 공정에 의해 이루어질 수도 있다.The catalyst tape embodied as a metal fabric may be further coated by the process described in EP-B 0 564 830. EP-B 0 564 830 does not explicitly describe coating metal knits drawn in loops with a catalyst, but they will be treated in the same way as metal fabrics. The coating of the metal fabrics or metal knits drawn in a loop with a catalyst may also be accomplished by conventional dip processes according to the process described for example in EP-A 0 056 435.
US-A 4 686 202호, EP-B 0 965 384호, EP-B 0 564 830호 및 EP-A 0 056 435호의 내용은 여기에 참조로써 전체가 포함된다.The contents of US Pat. No. 4,686,202, EP-B 0 965 384, EP-B 0 564 830 and EP-A 0 056 435 are hereby incorporated by reference in their entirety.
금속 직물 또는 루프형으로 뽑아진 금속 편물을 형성하는 금속이 자체로서 촉매 반응성일 때(아마도 처리 후에), 코팅은 전체적으로 분배될 것이다.When the metal forming the metal fabric or metal knit pulled into the loop is itself catalytically reactive (perhaps after treatment), the coating will be distributed throughout.
도1은 본 발명의 평판형 열 교환기 반응기(101)를 도시한다. 촉매 코팅된 테이프는 도면 부호 120으로 표시된다. 131은 반응 공간으로의 반응 가스의 공급을 나타내고, 143은 그의 출구 라인을 나타낸다. 냉각 유체를 위한 공급 및 출구 라인은 도면 부호 144와 142로 각각 표시된다.1 shows a plate heat exchanger reactor 101 of the present invention. The catalyst coated tape is indicated at 120. 131 represents the supply of the reaction gas to the reaction space, and 143 represents its outlet line. Supply and outlet lines for the cooling fluid are indicated at 144 and 142, respectively.
도2는 본 발명에 따른 나선형 열 교환기 반응기의 측면도이다. 131은 반응 공간(반응기 입구)으로의 반응 가스의 공급을 나타낸다. 132는 촉매 코팅된 테이프를 수용할 반응 통로를 나타내는데, 이는 다소 조밀한 패킹에서 전체 공간을 차지할 것이다. 133은 냉각 유체를 수용할 냉각 통로를 나타낸다.2 is a side view of a helical heat exchanger reactor according to the present invention. 131 represents the supply of the reaction gas to the reaction space (reactor inlet). 132 represents the reaction passageway to receive the catalyst coated tape, which will take up the entire space in a rather dense packing. 133 represents a cooling passage to receive the cooling fluid.
도3은 나선형 열 교환기 반응기의 측면도이며, 공급 및 배출 스터브의 배열을 나타낸다. 141: 반응 가스 공급(반응기 입구), 142: 냉각 유체 배출, 143: 반응 가스 배출(반응기 출구), 144: 냉각 유체 공급. 반응 가스 및 냉각 유체는 여기에서 열 전달이 최대화 될 수 있도록 반류(countercurrent)로 배열된다. 특히 반응기 입구에서 방출된 열량이 예컨대 선택성 및 촉매 안정성에 대해 중요하다면, 병류(cocurrent) 배열이 타당하다.Figure 3 is a side view of the spiral heat exchanger reactor and shows the arrangement of the feed and discharge stubs. 141: supply of reaction gas (reactor inlet), 142: discharge of cooling fluid, 143: discharge of reaction gas (reactor outlet), 144: supply of cooling fluid. The reactant gas and cooling fluid are here arranged in countercurrent so that heat transfer can be maximized. In particular, if the amount of heat released at the reactor inlet is important, for example, for selectivity and catalyst stability, a cocurrent arrangement is justified.
이하의 예로써 본 발명을 설명할 것이다.The present invention will be explained by the following examples.
기체 내의 3-메틸-3-부텐-1-올의 3-메틸-2-부텐알로의 산화는 방정식Ⅰ과 같이 된다.The oxidation of 3-methyl-3-buten-1-ol to 3-methyl-2-butenal in gas is given by Equation I.
(I) (I)
반응은 은 촉매를 통해 실행된다. 본 발명에 따른 촉매는 전자 비임 증착 유닛 내에서 은으로 (베라인 도이처 아이젠휘텐로이테에 의해 출판된 슈탈-아이젠리스테 8판에 따라서) 물질 번호 1.4764, 내열 스테인리스 강의 직조 테이프를 코팅함으로써 준비된다. 이 코팅 기술은 300 nm의 Ag로 직조 금속 테이프 양 측면 상에 코팅하는데 사용된다. 이 직조 촉매 테이프 50 ㎠가 이중층으로 변형없이 2 mm 폭 환형 간극 열교환기 반응기로 도입된다. 활성 성분의 양은 은 34 mg이다. 3-메틸-3-부텐-1-올(MBE)을 산화식으로 탈수소하기 위해, 85 중량 %의 MBE와 15 중량 %의 H2O의 혼합물이 150 ℃에서 증발되고, 예열된 공기와 혼합되고, 예열기에 의해 370 ℃의 입구 온도로 과열된다.The reaction is carried out via silver catalyst. The catalyst according to the invention is prepared by coating a woven tape of material No. 1.4764, heat-resistant stainless steel (according to Stahl-Eisnistor 8 edition published by Verein Deutscher Eisenfittenrete) with silver in an electron beam deposition unit. do. This coating technique is used to coat on both sides of woven metal tape with Ag at 300 nm. 50 cm 2 of this woven catalyst tape is introduced into the 2 mm wide annular gap heat exchanger reactor without deformation into a double layer. The amount of active ingredient is 34 mg. To oxidatively dehydrogenate 3-methyl-3-buten-1-ol (MBE), a mixture of 85 wt% MBE and 15 wt% H 2 O is evaporated at 150 ° C., mixed with preheated air, and preheater It overheats by the inlet temperature of 370 degreeC by it.
환형 간극을 떠난 이후에, 기체 반응 생성물은 냉각수에 의해 0 ℃로 냉각되고, 응축물은 냉각된 분리기 내에 모인다. 반응 생성물의 기체부는 드라이 아이스를 통과하여 기체 크로마토그래피 분석기와 기체 유량계를 지나서 폐기체로 된다. 응축물의 결합된 양은 유기적이고 수성인 상태로 분리된다. 모든 상태가 분석된다. 54 %의 변환율로부터 83 %의 선택율의 결과가 얻어진다.After leaving the annular gap, the gaseous reaction product is cooled to 0 ° C. by cooling water and the condensate is collected in the cooled separator. The gaseous portion of the reaction product passes through dry ice and passes through a gas chromatography analyzer and a gas flow meter to waste. The combined amount of condensate is separated in an organic and aqueous state. All states are analyzed. From a conversion rate of 54%, a result of a selectivity of 83% is obtained.
비교예Comparative example
본 발명의 예의 환형 간극 열교환기 반응기 대신에, 독일-A 27 15 209호에 따른 은 미립자의 30 mm 깊이의 층을 갖는 비휘발성 베드 반응기가 동일한 플랜트에 인스톨되고 MBE의 변환이 본 발명의 예와 유사하게 실행된다. 아래 표에 결과가 요약되어 있다.Instead of an example annular gap heat exchanger reactor of the present invention, a non-volatile bed reactor having a layer of 30 mm depth of silver particulates according to Germany-A 27 15 209 is installed in the same plant and the conversion of MBE is similar to the example of the present invention. Similarly executed. The results are summarized in the table below.
동일한 변환율에 대해서 본 발명의 예보다 비교예의 선택율이 10 % 나쁘다는 것을 알 수 있다.It can be seen that the selectivity of the comparative example is 10% worse than the example of the present invention for the same conversion rate.
또한, 본 발명의 예는 은 17 g 대신 0.034 g이 사용되므로 더욱 경제적이다. 다른 경제적인 잇점은 더욱 높은 유속을 채택하여 더 높은 시간당 변환율을 가능하게 할 수 있다는 것이다.Also, the example of the present invention is more economical since 0.034 g is used instead of 17 g of silver. Another economic benefit is that higher flow rates can be adopted to enable higher hourly conversion rates.
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