KR20030053065A - 다중 베드 하강유동 반응기 - Google Patents

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Abstract

수직으로 이격된 바람직하게는 촉매 입자 베드인 반응 베드, 및 인접하는 베드 사이에서 유체 혼합 장치를 포함하는 다중 베드 하강유동 반응기에 있어서, 상기 혼합 장치는, (i) 실질적으로 수평인 수집 트레이; (ii) 상기 수집 트레이의 상부 면과 직접 유체소통하는 상단부 및 하단의 유출 개구를 가지며, 수집 트레이 아래에 설치된 액체 혼합용 교반실; 및 (iii) 액체 및 가스의 하강 유동을 위한 다수의 개구 또는 다운코머 (downcomers) 가 제공되며, 상기 교반실 아래에 배치된 실질적으로 수평인 분배 트레이를 포함하며, 각각의 반응 베드는 중앙 개구부가 제공된 지지 트레이 위에 놓여있고, 혼합 장치 위의 반응 베드로 부터 혼합 장치 아래의 반응 베드까지 수직 슈트가 형성 되도록, 상기 반응기는 각각의 중앙 개구부를 통해 신장하는 개방단 파이프 또한 포함하며, 혼합 장치의 교반실은 개방단 파이프 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 베드 하강유동 반응기에 관한 것이다.
본 발명은, 또한 탄화수소 공정에서 상기 반응기 이용에 관한 것이다.

Description

다중 베드 하강유동 반응기{MULTIPLE BED DOWNFLOW REACTOR}
다중-베드 하강유동 반응기는 아래 위로 설치된 다수의 반응 베드를 통해 가스 및 액체가 동시에 하방으로 유동하는 반응기이다. 그러한 반응기는 촉매 디왁싱 (dewaxing), 하이드로트리팅 (hydrotreating) 및 하이드로크래킹 (hydrocracking) 과 같은 다양한 공정을 효과적으로 하기 위한 화학 및 원유 정제 산업에 이용된다. 이러한 공정에서 액체 상은 통상적으로 가스 상과 혼합되고 이러한 혼합 유체는 상기 반응 베드 내에 수용된 입자 촉매 위를 통과하게 된다. 반응 베드를 상기 유체가 동시에 통과함에 따라, 반응 베드에서 액체 및 가스의 분포가 불균일하게 되는 경향이 있어, 반응 정도 및 온도 분포에 나쁜 결과를 주게 된다. 다음의 하부 반응 베드로 진입하는 유체에서 균일한 액체 및 가스 및 온도의 분포를 얻기 위해, 많은 다양한 유형의 유체 혼합 장치가 통상적으로 반응 베드 사이에 배치된다. 이러한 장치는 액체-액체, 가스-가스, 및 가스-액체 혼합, 그리고 다음의 하부 반응 베드에 대한 혼합 유체의 균일한 분포를 제공한다
그러한 유체 혼합 장치는 당해 분야에서 공지이다. 공지된 유체 혼합 장치는 예를 들어 EP716 881, WO97/46303, 및 WO99/28024 호에 공지되어 있다.
촉매 반응이 더 이상 흡족하지 않을 때에는, 촉매는 새롭거나 재생된 촉매에 의한 대체가 요구된다. 진공 증류에서 생성된 중질분(heavy fraction)과 같이, 중질 하이드로카본 오일의 특별한 경우에는, 하이드로프로세싱 (hydroprocessing)은 통상적으로, 촉매 입자를 하나의 매스로 만드는 덩어리화를 야기하는, 코크스의 과다한 양의 형성에 따른 결과, 상용된 촉매의 제거는 통상적으로 적지 않은 기간과 노력을 필요로 하게 된다. 덩어리화 된 촉매를 제거하기 위한 방법은 여러 가지가 있다. 한 방법은, 촉매가 더 작은 조각으로 잘린 후 제거될 수 있는 개구를 지지 트레이에 제공하는 것이다. 새롭거나 재생된 촉매로 촉매 베드를 재로딘하는 것은 개구부를 통해 할 수 있다.
경비 절감, 시간 절약, 직원의 건강과 안전을 위해, 촉매의 언로딩과 재로딩은 외부에서 즉, 사람이 반응기에 직접 들어갈 필요 없이 행해지는 것이 요구된다. 예를 들어 EP 679 431에서, 혼합 장치와 같은 인터 베드 반응기 인터널을 통해 수직 파이프를 거쳐 촉매 입자를 언로딩 및 재로딩하는 것이 공지되어 있다.
상기 파이프가 반응기 용기의 중앙 종축을 따라 위치하는 것이 바람직한데, 그 이유는 언로딩 될 촉매 베드의 임의 지점과 언로딩 파이프 사이에 거리가 최소로 되기 때문이다. 게다가, 종래의 반응기 용기는 종종 용기의 상부에 중앙의 넓은 맨홀이 있기 때문에, 중앙 언로딩 파이프의 경우, 이 맨홀은 드릴링과 물분사를 위해 사용된다. 따라서, 반응기 인터널을 통과하는 큰 중앙 파이프는 촉매의 외부 언로딩 및 재로딩에 특히 적합하다.
그러나, 촉매의 언로딩 및 재로딩을 위한 큰 중앙 파이프의 단점은, 통상적인 작동 시에, 당해에 공지된 유체 혼합 장치를 사용할 때, 가스와 액체의 균일한 분배와 다음의 하부 반응 베드로 진입하는 유체에서 균일한 온도 분포를 해야한다는 것이다.
촉매 언로딩을 위한 큰 중앙 파이프 주위에 동축으로 설치 되어 유체를 혼합하는 교반실을 포함하는 혼합 장치가 사용되는 경우, 상기 파이프를 갖는 반응기에서도 가스와 액체의 분포가 매우 양호하게 이루어진다는 것이 현재 밝혀졌다.
본 발명은 유체 혼합용 혼합 장치를 포함하는 다중 베드 하강유동 반응기 및 탄화수소 공정에서의 그러한 장치의 용도에 관한 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른, 반응기의 부분 종단면도이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 혼합 장치의 기체용 다운코머의 종단면을 도시하며, 상기 단면은 도 1 의 도시 평면에 대해 수직인 평면에서 II-II 선을 통한 것이다.
따라서, 본 발명은, 수직으로 이격된 바람직하게는 촉매 입자 베드인 반응 베드, 및 인접하는 베드 사이에서 유체 혼합 장치를 포함하는 다중 베드 하강유동 반응기에 있어서,
상기 혼합 장치는,
(i) 실질적으로 수평인 수집 트레이;
(ii) 상기 수집 트레이의 상부 면과 직접 유체소통하는 상단부 및 하단의 유출 개구를 가지며, 수집 트레이 아래에 설치된 액체 혼합용 교반실; 및
(iii) 액체 및 가스의 하강 유동을 위한 다수의 개구 또는 다운코머 (downcomers) 가 제공되며, 상기 교반실 아래에 배치된 실질적으로 수평인 분배 트레이를 포함하며,
각각의 반응 베드는 중앙 개구부가 제공된 지지 트레이 위에 놓여있고, 혼합 장치 위의 반응 베드로 부터 혼합 장치 아래의 반응 베드까지 수직 슈트가 형성 되도록, 상기 반응기는 각각의 중앙 개구부를 통해 신장하는 개방단 파이프 또한 포함하며, 혼합 장치의 교반실은 개방단 파이프 주위에 배치되는 혼합 챔버를 포함하는, 다중 베드 하강유동 반응기에 관한 것이다.
파이프는 어떠한 기하학적인 형상을 취할 수 있다. 예를 들면, 원통형, 직사각형 혹은 원추형 파이프 등이 있다. 각 파이프의 내경은, 하이드로 젯 (hydro jet) 커팅, 기계적 드릴 커팅, 혹은 팽창 가스 카트리지의 사용에 의해 형성된 촉매 조각이 파이프를 통과 하고 또한, 공지된 외부적인 방식으로, 즉 반응기 내로 사람이 들어가지 않고 커터링과 드릴링을 정확히 할 수 있도록, 충분히 커야 한다. 그러면, 적절한 내경의 범위는 최소한 20㎝ 에서 최대한 1m 까지 것이다. 파이프들의 바람직한 내경 범위는 30㎝ ~ 75㎝ 까지 이다.
일반 작동 동안, 각 파이프의 상단에는, 예를 들면, EP679 431 에서 처럼, 제거 가능한 폐쇄물, 바람직하게는 브레이크플레이트가 제공되어야 한다. 제거 가능한 폐쇄물을 구비하는 파이프의 장점은, 정상 작동 동안, 가스와 액체가 파이프를 통해 다음의 하부 반응 베드로 우회하는 일이 발생하지 않는다는 것이다.
만일, 파이프가 폐쇄물을 구비하면, 각 파이프는 통상적으로 촉매 베드의 하단에서 부터 그 베드의 하부의 분배 트레이, 혹은 다음 하부의 촉매 베드의 상부면까지 이르게 된다. 파이프가 폐쇄물을 구비하지 않을 경우, 파이프는 통상적으로 촉매 베드의 하단에서 부터 다음 하부의 촉매 베드의 어느 지점 까지 뻗을 것이다. 그 경우, 반응기의 정상 작동 동안에, 파이프는 세라믹 입자 같은, 저공극 불활성 팩킹재로 채워질 것이다.
특정 길이 및 지름비를 갖는 교반실에서 액체-액체 혼합이 수행되는 혼합장치를 이용함으로써, 통상적으로 정상부하의 33% 와 같은 낮은 부하에서 200% 와 같은 높은 부하까지 이르는 가스 및 액체 부하의 넓은 범위에 걸쳐 뛰어난 혼합 성능이 얻어질 수 있음이 밝혀졌다. 특히 높은 턴-다운 비에서 적절한 유체 혼합을 위해, 상기 교반실은 그 내경의 적어도 0.35 배의 길이, 바람직하게는 그 내경의 적어도 0.50 배의 길이, 더욱 바람직하게는 그 내경의 적어도 0.65 배의 길이를 가지는 것이 바람직하다. 상기 혼합 장치의 길이 및 그에 따라 상기 반응기 내에서 차지하는 부피를 제한하기 위해, 상기 길이는 일반적으로 그 내경보다 1.5 배보다 크지 않을 것이다.
여기서 상기 교반실의 길이는 그 입구의 하부 지점과 그 유출구 사이의 수직 거리를 의미한다. 다각형 교반실의 경우, 여기서 그 내경은 대면하는 측벽 사이의 상기 교반실의 중심축을 통한 최대 횡단 거리를 의미한다.
본 발명에 따른 반응기는 중앙 파이프 주위에 설치된 것 외에 하나 이상의 교반실을 구비할 수 있다.
상기 교반실의 상단부가 상기 수집 트레이의 하단 지점의 상부면과 직접 유체 소통하는 경우에, 상기 혼합 장치의 실질적으로 수평인 수집 트레이는 만곡되거나 또는 원추형일 수 있다. 여기서 실질적으로 수평인 트레이는 수평면에 대해 수직인 대칭축을 갖는 트레이를 의미한다. 바람직하게는, 상기 수집 트레이는 평평하다.
바람직하게는, 상기 수집 트레이에는, 본 수집 트레이 위에 배치된 가스 유입구 및 상기 수집 트레이의 하부면 수준 또는 그 아래에 배치된 가스 유출구가 제공되며, 상기 수집 트레이를 통해 신장하는 바람직하게는 하나 이상의 다운코머 형태의 가스 통과 수단이 추가적으로 제공된다. 상기 다운코머에는 바람직하게는 상기 가스 유입구 위에 배치된 유체 편향 플레이트가 제공된다. 상기 가스 유출구는 축방향 또는 반경방향일 수 있다. 바람직하게는, 상기 다운코머는 압력 강하를 최소화하기 위해 상기 가스를 반경방향 유출구로 보내는 만곡된 플레이트와 결합된 반경방향 유출구를 가진다.
다중-베드 하강유동 반응기의 상기 반응 베드 사이의 유출물의 냉각을 수행하기 위해 상기 수집 트레이 위에 배치된 켄치 유체 (quench fluid) 를 분배하기 위한 수단을 추가적으로 포함할 수 있다. 켄치 유체를 분배하기 위한 수단은 당업계에서 공지이며, 예를 들어 EP427733, US3787189 및 US3855068 호에 기술되어 있다.
상기 혼합 장치는, 상기 유체가 하부 반응 베드에 진입하기 이전에 균일한 기체 및 액체의 분배를 얻기 위해 상기 교반실의 유출구 아래에 분배 트레이를 가진다. 적절한 분배 트레이는 예를 들어 EP716881, EP715544, 및 US5989502 호로부터 당업계에 공지되어 있다. 바람직한 분배 트레이는 EP716881 호에 기술된 것이다.
본 발명의 상기 혼합 장치는 상기 교반실과 상기 분배 트레이 사이에 설치된 실질적으로 수평의 예비-분배 트레이를 추가적으로 포함할 수 있다. 이러한 예비-분배 트레이는 당업계에서 공지이다. 상기 예비-분배 트레이는 둥글거나,사각형 또는 삼각형일 수 있으며 바람직하게는 상기 분배 트레이의 직경보다 작은 직경을 가진다. 바람직하게는, 상기 예비-분배 트레이는 그 주변에 오버플로우 위어 (weir) 가 제공된다. 상기 트레이는 바람직하게는 그 외주 주위에 배치된 다수의 개구가 제공된다. 예비-분배 트레이를 가짐으로써 상기 분배 트레이 위로 액체가 보다 균일하게 분산될 수 있도록 하고 액체-액체 상호작용 및 액체 평형을 돕는 잇점이 있다.
그러한 반응기는 하나 이상의 기체 및/또는 액체용 입구와 반응기 유출물 용의 하나 이상의 유출구 및 통상적으로 촉매 입자 베드인 두개 이상의 연속적인 반응 베드를 가지며, 각 베드는 지지 트레이에 놓여진다. 적절한 지지 트레이의 구조는 당업계에서 공지이다. 예를 들어, 통상적으로 적용되는 지지 트레이는 지지 빔에 의해 지지되는 시브 플레이트와 같은 하나 이상의 투과성 플레이트를 포함하며, 상기 촉매 베드는 상기 투과성 플레이트에 놓인다. 상기 촉매 베드에서 발생하는 반응에서 생성된 기체 및 액체 생성물은 다음의 촉매 베드 또는 유출구로 상기 투과성 플레이트를 통해 전달된다. 그러한 반응기는 통상적으로 탄화수소 오일의 하이드로프로세싱 (hydroprocessing) 에 이용된다.
또다른 태양에 있어서, 본 발명은 상기된 탄화수소 공정, 바람직하게는 촉매 디왁싱, 하이드로트리팅 (hydrotreating), 하이드로크레킹 (hydrocracking), 또는 하이드로디설퍼리제이션 (hydrodesulphurisation) 에서 정의된 다중 베드 하강 반응기의 용도에 관한 것이다.
본 발명의 반응기를 개략도인 도 1, 2 을 참고로 설명하도록 한다.
도 1 에서 측벽 (1) 의 일부 및 다중-베드 반응기의 두개의 인접하는 촉매 베드 (2a 및 2b) 가 도시되어 있다. 상기 촉매 베드 (2a 및 2b) 는 지지 빔 (도시되지 않음) 에 의해 지지되는 시브 플레이트 (3) 에 지지된다. 본 발명에 따른 혼합 장치 (5) 는 촉매 베드 (2a 및 2b) 사이에 배치된다. 상기 혼합 장치 (5) 는 평평한 수평의 수집 트레이 (6) 및 이 수집 트레이 (6) 아래에 배치된 교반실 (7) 을 포함한다. 교반실 (7)은, 수집 트레이 (6)의 상부면 (9)과 직접 유체 소통하는 네개의 유입 노즐 (28)(단지 두개의 노즐만 도시)을 가진다. 또한, 상기 교반실에는, 그의 환상의 배출구 (10) 부근에서 통과하는 액체에 교반 작용을 부여하기 위한 장치 (11)가 제공되어 있다. 상기 혼합 장치 (5) 는 상기 수집 트레이 (6) 를 통해 신장하는 세개의 기체용 다운코머 (12) (단지 하나의 다운코머만 도시됨) 형태의 가스 통과를 위한 수단을 포함한다. 다수의 다운코머 (14) 가 제공된 분배 트레이 (13) 가 교반실 (7) 아래에 배치되며, 오버플로우 위어 (16) 및 다수의 개구 (17) 를 포함하는 예비-분배 트레이 (15) 가 교반실 (7) 과 분배 트레이 (15) 사이에 배치된다. 상기 혼합 장치는 켄치 링 (18) 을 추가적으로 포함한다.
반응기는, 촉매의 언로딩과 재로딩을 위해 촉매 베드 (2a)에서 부터 아래의 촉매 베드 (2b)까지 수직 슈트 (24)를 형성하는 중앙의 큰 개방단 파이프 (23)을 구비한다. 촉매 베드 (2a)가 놓인 시브 플레이트 (3)에는, 개방단 파이프 (23)가 지나는 중앙 개구부 (25)가 있다. 파이프 (23)은 또한 혼합 장치 (5)을 지나 뻗어 있다. 교반실 (7)은 파이프 (23)와 동축으로 설치되어 있다. 파이프 (23)은 상단에서 브레이크플레이트 (26)에 의해 닫혀있다. 도 1 에 도시된 실시예에서, 파이프 (23)의 상단은 촉매 베드 (2a)가 놓여있는 시브 플레이트 (3)의 상부면 위에 위치한다. 그 경우, 파이프 (23)의 상단 아래에 있는 반응 베드의 일부는, 예를 들면 세라믹 입자층 (27) 같은, 불활성 지지재로 채워진다. 그리고, 촉매 배드 (2a)는 불활성 지지재 층 (27)의 위에 위치한다.
도 1 에 도시되는 상기 혼합 장치의 정상적인 작동동안, 촉매 베드 (2a) 로부터의 유출물이 켄치 링 (18) 으로부터의 켄치 유체에 의해 냉각된다. 상기 액체 유출물은 수집 트레이 (6) 에 수집되며, 교반실의 상단 개구 (8) 를 통해 교반실 (7) 로 유입한다. 교반실 (7) 에서, 교반 수단 (11) 에 의해 액체에 교반 운동이 부과된다. 예를 들어, 접하는 유입구, 상기 교반실의 측벽의 내벽면에 부착된 교반 베인 (vane) 또는 베플 (baffle) 등과 같은 유체에 교반 작용을 부과하기 위한 적절한 수단이 당업계에 공지되어 있다. 상기 액체에 부과되는 교반작용과 상기 교반실의 길이의 조화를 통해 액체 및 기체의 넓은 범위에 걸쳐 뛰어난 액체-액체 혼합이 이루어진다. 교반실 (7) 에서 얻어지는 액체-액체 혼합의 정도가 가스 부하에 실질적으로 독립적이라는 점이 본 발명에 따른 혼합 장치의 장점이다. 상기 혼합된 액체는 유출구 (10) 를 통해 상기 교반실 (7) 을 나간다. 바람직하게는, 액체의 교반 운동을 정지시키고 그리하여 와류를 증대시켜 액체-액체 혼합을 보다 개선하기 위해 상기 교반실 (7) 에는 유출구 (10) 부근에 베인 (도시되지않음) 등이 제공된다.
촉매 베드 (2a) 로부터의 유출 가스가 가스용 다운코머 (12) 를 통해 수집 트레이 (6) 를 통과한다. 상기 유출 가스의 일부는 교반실 (7) 을 통해 수집 트레이 (6) 를 통과한다. 유출 가스중 얼마가 가스 통과용 수단을 통과할지 및 상기 교반실을 통과할지는, 기체 및 액체 부하 및 상기 교반실의 입구의 크기, 형상 및 위치 그리고 상기 가스 통과용 수단의 유입구에 의존한다는 점이 이해될 수 있다.
대안적으로는, 본 발명에 따른 상기 혼합 장치는 별도의 가스 통과용 수단을 포함하지 않으며, 이 경우 모든 유출 가스는 상기 교반실을 경유하여 상기 수집 트레이를 통과할 것이다.
본 발명에 따른 상기 혼합 장치에서, 가스-가스 혼합은 켄칭 및 기체 (12) 용 다운코머 및/또는 교반실 (7) 을 통한 기체의 통과에 의해 영향을 받는다.
교반실 (7) 을 떠나는 액체는 예비-분배 트레이 (15) 에 쌓이고, 예비-분배 트레이로부터 관통 개구 (17) 를 통과하여 또는 상기 오버플로우 위어 (16) 를 넘어 밑에 있는 트레이 (13) 로 간다.
기체는 상기 예비-분배 트레이 (15) 에 의해 편향되며 상기 분배 트레이 (13) 로 유동한다.
상기 분배 트레이 (13) 에서 평형된 기체 및 액체 상이 모이게 된다. 상기 분배 트레이 (13) 는 두가지 기능을 한다. 첫째로, 상기 유체가 하부 반응 베드 (2b) 에 들어가기 이전에 액체 및 기체를 균일하게 분배하며, 두번째는, 액체-가스 상호작용을 제공하기 위해 액체와 기체 사이에 접촉이 발생하도록 한다.
도 2 에서, 도 1 의 가스용 다운코머 (12) 중의 하나가 보다 상세히 도시된다. 상기 다운코머 (12) 는 상기 수집 트레이 (6) 위에 배치된 기체 유입구 (19), 수집 트레이 (6) 아래에 배치된 반경방향 기체 유출구 (20), 가스 유입구 (19) 위에 배치된 유체 편향 플레이트 (21), 및 상기 다운코머를 통과하는 기체를 반경방향 유출구 (20) 로 진행하게 하는 만곡된 플레이트 (22) 를 가진다.

Claims (7)

  1. 수직으로 이격된 바람직하게는 촉매 입자 베드인 반응 베드, 및 인접하는 베드 사이에서 유체 혼합 장치를 포함하는 다중 베드 하강유동 반응기에 있어서,
    상기 혼합 장치는,
    (i) 실질적으로 수평인 수집 트레이;
    (ii) 상기 수집 트레이의 상부 면과 직접 유체소통하는 상단부 및 하단의 유출 개구를 가지며, 수집 트레이 아래에 설치된 액체 혼합용 교반실; 및
    (iii) 액체 및 가스의 하강 유동을 위한 다수의 개구 또는 다운코머 (downcomers) 가 제공되며, 상기 교반실 아래에 배치된 실질적으로 수평인 분배 트레이를 포함하며,
    각각의 반응 베드는 중앙 개구부가 제공된 지지 트레이 위에 놓여있고, 혼합 장치 위의 반응 베드로부터 혼합 장치 아래의 반응 베드까지 수직 슈트가 형성되도록, 상기 반응기는 각각의 중앙 개구부를 통해 신장하는 개방단 파이프를 더 포함하며, 혼합 장치의 교반실은 개방단 파이프 주위에 배치되는 것을 특징으로 하는 다중 베드 하강유동 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 정상 작동 동안, 파이프의 상단에는, 제거 가능한 폐쇄물, 바람직하게는 브레이크플레이트가 제공되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 교반실의 길이는 그 내경의 0.35배 이상, 바람직하게는 0.5배 이상, 더욱 바람직하게는 0.65배 이상인 것을 특징으로 하는 반응기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수집 트레이에는 바람직하게는 이 수집 트레이를 통해 신장하는 하나 이상의 다운코머 형태의 가스 통과를 위한 수단이 추가적으로 제공되며, 상기 다운코머에는 상기 수집 트레이 위에 배치된 가스 유입구 및 상기 수집 트레이 하부면과 동일 높이 또는 이 수집 트레이 아래에 배치된 가스 유출구가 제공된 것을 특징으로 하는 반응기.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수집 트레이 위에 배치되어 켄치 유체를 분배하기 위한 수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 교반실과 상기 분배 트레이 사이에 설치된 실질적으로 수평인 예비-분배 트레이를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  7. 탄화수소 처리에서 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 따른 상기 다중 베드 하강유동 반응기의 사용.
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