KR20050024449A - Reactor system for several reactor units in parallel - Google Patents

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KR20050024449A
KR20050024449A KR10-2004-7021658A KR20047021658A KR20050024449A KR 20050024449 A KR20050024449 A KR 20050024449A KR 20047021658 A KR20047021658 A KR 20047021658A KR 20050024449 A KR20050024449 A KR 20050024449A
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reactors
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레퍼한스게오르크
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

본 발명은 화학반응을 수행하는 데 적합한 반응기 시스템에 관한 것으로서, 본 반응기 시스템은 1 이상의 공통적인 반응물 공급라인, 2 이상의 단일유닛 작동형 반응기 부분, 및 1 이상의 공통적인 생성물 방출라인을 포함한다. 본 반응기 시스템은 촉매를 사용하여 합성가스로부터 탄화수소를 생성하는 데 특히 적합하다.The present invention relates to a reactor system suitable for carrying out a chemical reaction, wherein the reactor system comprises at least one common reactant feed line, at least two single unit operated reactor sections, and at least one common product discharge line. The reactor system is particularly suitable for producing hydrocarbons from syngas using catalysts.

Description

병렬로 배치된 수 개의 반응기 유닛을 위한 반응기 시스템 {REACTOR SYSTEM FOR SEVERAL REACTOR UNITS IN PARALLEL}Reactor system for several reactor units arranged in parallel {REACTOR SYSTEM FOR SEVERAL REACTOR UNITS IN PARALLEL}

본 발명은 화학반응을 수행하는 데 적절한 반응기 시스템에 관한 것으로서, 본 시스템은 2 이상의 단일유닛 작동형 반응기 부분을 포함한다. 더 구체적으로, 본 발명은 다수의 다관형 고정 베드(bed) 반응기 부분을 포함하는 반응기 시스템에서 합성가스를 긴 사슬형 탄화수소로 촉매전환하는 것에 관한 것이다.The present invention relates to a reactor system suitable for carrying out chemical reactions, the system comprising two or more single unit operated reactor parts. More specifically, the present invention relates to the catalytic conversion of syngas to long chain hydrocarbons in a reactor system comprising a plurality of tubular fixed bed reactor portions.

대다수의 경우 화학반응기의 규모 확대를 가져오는 화학공정의 규모 확대에 관해 과거에도 그랬고 현재에도 여전히 관심이 있어 왔다. 보통 독립적으로 작동하는 다수의 작은 반응기보다 하나의 큰 규모의 반응기를 사용하는 것이 더 효과적(경제적)이다.In many cases, this has been and still remains of interest in the scale-up of chemical processes that lead to scale-up of chemical reactors. It is usually more efficient (economical) to use one large scale reactor than many smaller reactors that operate independently.

반응기(특히, 화학반응기)의 대형화에 있어 중요한 요건은 실험실 및 개발실 반응기보다 10,000배 이상 더 클 수 있는 상업적인 반응기가 예상가능한 방식으로 작동되어야 한다는 점이다. 반응기는 예상가능한 비용으로 예상가능한 출력 및 품질을 갖도록 한 세트의 안전조건 범위 내에서 작동하는 것이 중요하다. 반응 규모가 변하면 반응구역의 열제거 및 혼합특성이 바뀌고, 이 결과 온도 분포 및 농도 분포의 변화가 초래될 수도 있다. 이로 인해 화학적 성질이 변하게 되고, 따라서 반응기의 생산성, 선택도, 촉매의 불활성화 등에 영향을 준다. 이는 작은 반응기의 성능에 기초해서는 큰 반응기의 성능을 예상하기가 어렵다는 것을 의미한다. 이리하여, 새로운 화학반응을 위해서 뿐만 아니라 기존의 화학반응을 위해서, 새로운 화학반응기 및/또는 기존의 화학반응기에 대해 일반적으로 광범위한 규모 확대 시험, 반응기 모델링 및 기초 반응기 연구가 필요하다.An important requirement for larger reactors (particularly chemical reactors) is that commercial reactors, which can be 10,000 times larger than laboratory and development room reactors, must be operated in a predictable manner. It is important for the reactor to operate within a set of safety conditions to have predictable output and quality at predictable cost. Changing the reaction scale changes the heat removal and mixing characteristics of the reaction zone, which may lead to changes in temperature distribution and concentration distribution. This results in a change in chemical properties, thus affecting the productivity, selectivity of the reactor, deactivation of the catalyst and the like. This means that it is difficult to predict the performance of large reactors based on the performance of small reactors. Thus, not only for new chemical reactions, but also for existing chemical reactions, extensive scale-up testing, reactor modeling and basic reactor research are generally required for new and / or existing chemical reactors.

화학반응기의 규모 확대 공정에서 자연적인 최대값이 꽤 자주 존재하는 것 같다. 더 이상의 규모 확대는 개발된 반응기 모델에 기초한 추정에서 너무 많은 불확실성을 도입하고, 그리고/또는 단순히 실용적이지 못하다.It seems that natural maximums are quite often present in the scale-up process of chemical reactors. Further scaling up introduces too much uncertainty in the estimates based on the developed reactor model and / or is simply not practical.

본 발명은 규모가 확대된 또는 그 이상으로 규모가 확대된 화학반응기를 실현하기 위한 다른 방법을 찾고자 한다. 단순히 기존의 반응기(반응기 내부, 촉매 베드, 혼합기 내부, 냉각시스템, 공급라인/공급분포, 생성물 회수 등을 포함하여)의 크기를 확대시키는 것보다, 지름 및/또는 높이에 있어서, 어떤(바람직하게는 동일한) 크기의 2 이상의 반응기를 하나의 단일유닛으로 결합하여 작동시키는 것이 바람직하다. 공통적인 공급라인, 즉 기체 및/또는 액체 반응기 시스템 공급라인은 반응기 수만큼의 동등한 스트림으로 분할되고 다른 동등한 반응기 내로 도입된다. 냉각 및/또는 가열 시스템은 반응기들 사이에서 공유된다. 하나 이상의 공통적인 생성물 방출라인이 있을 것이다. 반응기는 하나의 단일유닛으로서 작동된다. 하나 이상의 공통적인 반응물 공급라인에서 공급유동(양, 온도, 조성, 압력 등)을 조절함으로써 반응기 시스템에 대한 반응물 공급의 제어를 수행한다. 단일유닛 작동에 있어서 각 반응기 부분에 대한 개별적인 제어는 없다. 작동되는 단일유닛에 있어서 반응기 시스템의 총생성물 유동은 하나 이상의 공통적인 생성물 방출라인에서의 생성물 유동을 조절하여 제어된다. 이러한 종류의 작동에 있어서, 각 반응기 부분의 생성물 방출에 대한 개별적인 제어는 없다. 이리하여, 하나 이상의 반응기를 작동해제시키는 것을 불가능하다. 오로지 반응기 시스템 전부만이 작동해제될 수 있다. 반응기 중의 한 반응기의 조건에 나머지 반응기들 중 한 반응기에서와 다른 식으로 영향을 줄 수는 없다. 반응물 공급라인 중 하나를 전환하면 어떠한 반응기도 더 이상 반응물 공급스트림을 받지 못할 것이다. 생성물 방출라인 중 하나를 폐쇄하면 어떠한 반응기도 더 이상 생성물을 방출할 수 없을 것이다. 반응기 부분의 독립적인 가열 또는 냉각은 불가능하다. 반응기 제어는 존재하는 모든 반응기로부터 얻어지는 정보에 기초할 것이다. 반응기들 중 하나에서의 이탈은 관련된 반응기를 폐쇄하여 해결될 수는 없다. 시스템 전체를 폐쇄해야만 할 것이다. 공통적인 공급 기체/액체 반응물 공급라인을 제어하여 공급스트림을 제어한다.The present invention seeks to find other ways to realize chemical reactors that are scaled up or beyond. Rather than simply expanding the size of existing reactors (including inside reactors, catalyst beds, inside mixers, cooling systems, feed lines / feed distributions, product recovery, etc.), it is desirable (in terms of diameter and / or height) Is preferably operated by combining two or more reactors of the same size into one single unit. Common feed lines, ie gas and / or liquid reactor system feed lines, are split into equal streams of reactor numbers and introduced into other equivalent reactors. The cooling and / or heating system is shared between the reactors. There will be one or more common product discharge lines. The reactor is operated as one single unit. Control of the reactant feed to the reactor system is accomplished by adjusting the feed flow (quantity, temperature, composition, pressure, etc.) in one or more common reactant feed lines. There is no individual control of each reactor section in single unit operation. In a single unit operated, the total product flow of the reactor system is controlled by adjusting the product flow in one or more common product discharge lines. In this kind of operation, there is no individual control over the product release of each reactor section. Thus, it is impossible to deactivate one or more reactors. Only all of the reactor systems can be deactivated. The conditions of one of the reactors cannot be influenced differently than in one of the other reactors. Switching one of the reactant feed lines will no longer cause the reactor to receive the reactant feedstream anymore. Closing one of the product release lines will no longer allow any reactor to release the product. Independent heating or cooling of the reactor section is not possible. Reactor control will be based on information obtained from all reactors present. Departure from one of the reactors cannot be resolved by closing the associated reactor. You will have to shut down the entire system. The feedstream is controlled by controlling a common feed gas / liquid reactant feed line.

따라서, 본 발명은 화학반응을 수행하는 데 적절한 반응기 시스템에 관한 것으로서, 본 시스템은 하나 이상의 공통적인 반응물 공급라인, 2 이상의 단일유닛 작동형 반응기 부분, 및 하나 이상의 공통적인 생성물 방출라인을 포함한다. Accordingly, the present invention relates to a reactor system suitable for carrying out a chemical reaction, wherein the system comprises at least one common reactant feed line, at least two single unit operated reactor sections, and at least one common product discharge line.

본 반응기 시스템의 주요 이점은 규모 확대가 보다 쉽다는 것이다. 예를 들어, 어떤 크기의 반응기가 일을 잘 수행한다고 증명되면, 그 이상의 반응기의 규모 확대는 불필요하다. 다수의 유사한 반응기를 결합하여 공통적인 반응물 공급라인 및 공통적인 생성물 방출라인을 구비한 하나의 단일유닛으로서 이를 작동시키면, 원하는 규모 확대가 가능하게 될 것이다. 또는, 특정 반응기에 대한 어느 정도의(큰) 규모 확대가 필요한 경우, 그 규모 확대는 예를 들어 단일유닛으로 작동되는 3 또는 4개의 반응기 부분을 사용하여 제한될 수 있다. 규모 확대는 3 또는 4개의 팩터만큼 감소된다. 다른 이점은 반응기의 경량화인데, 이는 운송/핸들링/리프팅을 더 쉽게 해준다. 반응기의 크기는 작업장 한계, 통로 한계, 브릿지 한계, 승강설비 한계 등에 의해 제한될 수도 있다. 반응기의 크기가 더 작아지면, 더 많은 회사가 반응기를 생산할 수도 있다. 또한, 하나 이상의 벤더에 의한 동시 생산이 가능하다. 반응기 시스템이 단일유닛으로 작동하므로, 제어실에서 상기 유닛을 작동시키기 위한 추가적인 인력이 필요없다. 공정제어면에서 하나의 큰 반응기와 본 발명의 반응기 시스템과는 차이가 없다: 본 발명의 반응기 시스템은 하나의 단일한 큰 반응기와 같은 방식으로 작동된다. 일반적으로, 본 발명에 따른 반응기 시스템에 대한 가열/냉각 속도는 하나의 단일한 큰 반응기의 경우보다 더 빠를 것이다. 몇 몇 부가적인 보수가 필요할 수도 있고, 또한 약간 더 큰 계획공간이 필요할 수도 있다. 그러나, 이들 사소한 결점들은 이점에 의해 상쇄될 수 있음이 명백하다. 또한, 작업이 수개의 장소로 분산될 것이므로, 반응기 내에서의 보수는 더 빠르게 행해질 수도 있다.The main advantage of the reactor system is that it is easier to scale up. For example, if a reactor of any size proves to work well, scaling up further reactors is unnecessary. By combining multiple similar reactors and operating them as one single unit with a common reactant feed line and a common product discharge line, the desired scale-up will be possible. Alternatively, if some (large) scale-up is required for a particular reactor, the scale-up can be limited, for example, using three or four reactor sections operated as a single unit. Scale-up is reduced by three or four factors. Another advantage is the weight reduction of the reactor, which makes transportation / handling / lifting easier. The size of the reactor may be limited by workplace limits, passage limits, bridge limits, hoisting limits, and the like. As reactors get smaller, more companies may produce them. In addition, simultaneous production by more than one vendor is possible. Since the reactor system operates as a single unit, no additional manpower is required to operate the unit in the control room. In terms of process control, there is no difference between one large reactor and the reactor system of the present invention: The reactor system of the present invention operates in the same way as one single large reactor. In general, the heating / cooling rate for the reactor system according to the invention will be faster than for one single large reactor. Some additional maintenance may be required, and some larger planning space may be required. However, it is clear that these minor drawbacks can be offset by this benefit. In addition, since the work will be distributed to several places, the repair in the reactor may be done faster.

전술한 반응기 시스템은 강한 발열반응에 특히 유용하다. 한 예가 합성가스인 일산화탄소와 수소의 혼합물을 메탄올 또는 탄화수소로 전환하는 것이다. 이들 전환은 큰 발열성이 있으므로, 광범위한 냉각이 필요하다. 이 때문에 반응기 내부에서 비교적 많은 양의 냉각이 요구되고, 반응기의 규모 확대에 있어 자연적인 한계에 빨리 도달하게 된다. 다른 예로서, (저) 올레핀의 산화를 들 수 있는데, 예를 들어 다관형 고정 베드 반응기에서 에틸렌을 산화에틸렌으로 촉매전환시키는 것이다. 또한, 상기 반응기 시스템은 생화학반응에도 적합하다.The reactor system described above is particularly useful for strong exothermic reactions. One example is the conversion of a mixture of carbon monoxide and hydrogen, a synthesis gas, to methanol or hydrocarbons. These conversions are highly exothermic and require extensive cooling. This requires a relatively large amount of cooling inside the reactor and quickly reaches the natural limits of scaling up the reactor. Another example is the oxidation of (low) olefins, for example catalytic conversion of ethylene to ethylene oxide in a multi-tubular fixed bed reactor. The reactor system is also suitable for biochemical reactions.

본 발명에 따른 반응기 시스템은 2∼20 개의 단일유닛 작동형 반응기 부분, 바람직하게는 3∼8 개의 단일유닛 작동형 반응기 부분, 더 바람직하게는 4개의 부분을 적절히 포함한다. 보통 반응기 부분은 다소 통상적인 반응기, 즉 사용시 수직 반응기가 될 기다란 원통형 반응기를 포함할 것이다. 적합한 반응기 부분은 탱크 반응기, (다)관 반응기, 타워 반응기, 유동화된 베드 반응기 및 슬러리상 반응기 같은 공지의 화학반응기이다. 예를 들어, Perry's Chemical Engineers' Handbook (MgGrawHill Book Company, 제 6 판, 4-24-4-27) 및 Chemical Reactor Design and Operation (Westerterp, Van Swaaij an Beenackers, John Wiley & Sons, 1984)를 참조할 수 있다. 또한, 반응기 부분은 하나의 큰 반응기에 위치할 수 있다. 이는 규모 확대와 관련된 많은 문제점을 해결해 줄 것이지만, 전술한 몇 가지 이점은 사라질 것이다. 모든 반응기 부분은 같은 크기를 갖는 것이 바람직하다. 그러나, 이는 필수적인 것은 아니고, 다른 크기의 반응기가 사용될 수도 있다. 이 경우, 상기 공급물이 반응기에 대해 원하는 비율로 분포하도록 조치를 취해야 한다. 또한, 냉각/가열 시스템은 적응을 요할 수도 있다. 단일유닛 작동형 반응기 부분은 병렬로 작동될 것이다. 반응기 시스템은 직렬로 작동되는 반응기 부분은 포함하지 않는다. 각 반응기 부분은 분리되어 독립한 화학반응기인 것이 바람직하며, 쉘(또는 관) 및 하나 이상의 반응구역을 적절히 포함한다.The reactor system according to the invention suitably comprises 2 to 20 single unit operated reactor parts, preferably 3 to 8 single unit operated reactor parts, more preferably 4 parts. Usually the reactor portion will comprise a rather conventional reactor, an elongated cylindrical reactor that will be a vertical reactor in use. Suitable reactor parts are known chemical reactors such as tank reactors, (c) tube reactors, tower reactors, fluidized bed reactors and slurry phase reactors. See, for example, Perry's Chemical Engineers' Handbook (MgGrawHill Book Company, 6th Edition, 4-24-4-27) and Chemical Reactor Design and Operation (Westerterp, Van Swaaij an Beenackers, John Wiley & Sons, 1984). Can be. In addition, the reactor portion may be located in one large reactor. This will solve many of the problems associated with scaling up, but some of the benefits described above will be lost. It is preferred that all reactor parts have the same size. However, this is not essential and other size reactors may be used. In this case, steps must be taken to distribute the feed in the desired proportions to the reactor. Cooling / heating systems may also require adaptation. Single unit operated reactor parts will be operated in parallel. The reactor system does not include a portion of the reactor operated in series. Each reactor portion is preferably a separate chemical reactor, suitably comprising a shell (or tube) and one or more reaction zones.

대부분의 경우, 각 반응기 부분은 하나 이상의 촉매 베드를 포함할 것이다. 또한, 슬러리 반응기가 사용될 수도 있다. 합성가스로부터 탄화수소 합성시 큰 열 발생의 관점에서, 슬러리 반응기가 열 전달 면에서 고정된 베드 반응기에 대해 이점을 가질 수도 있다. 한편, 슬러리 반응기와 관련된 주요 기술적 문제는 유체역학적 고형물 처리를 포함한다. 바람직한 실시형태에서, 반응기 부분은 다관형 고정 베드 촉매 배열을 포함한다. 튜브는 촉매 입자로 채워지고, 튜브는 냉각제, 특히 물과 증기의 혼합물로 둘러싸인다. 이리하여, 반응기 부분 각각은 간접적인 열교환 시스템을 포함하고, 그 열교환 시스템은 공동으로 작동된다. 공지의 열사이펀 시스템이 사용되는 것이 바람직하다.In most cases, each reactor portion will comprise one or more catalyst beds. Slurry reactors may also be used. In view of the large heat generation in synthesizing hydrocarbons from syngas, the slurry reactor may have an advantage over fixed bed reactors in terms of heat transfer. On the other hand, the main technical problems associated with slurry reactors include hydrodynamic solids treatment. In a preferred embodiment, the reactor portion comprises a multi-tubular fixed bed catalyst arrangement. The tube is filled with catalyst particles and the tube is surrounded by a coolant, in particular a mixture of water and steam. Thus, each of the reactor parts comprises an indirect heat exchange system, the heat exchange system being operated jointly. It is preferred that known thermosiphon systems be used.

수행될 화학반응에 따라서, 기체 및/또는 액체 공급물이 반응기 내에 도입될 것이다. 모든 가능한 반응기 유동양식, 즉 상방유동 및/또는 하방유동, 병류 및/또는 대향류가 사용될 수도 있다. 또한, 기체 및/또는 액체 재순환이 사용될 수도 있다. 탄화수소의 합성의 경우, 하나의 공통적인 기체 반응물 공급라인은 합성가스를 반응기 시스템으로 도입시킬 것이다. 이 공급물은 부착된 반응기 부분의 수에 필요한 만큼의 많은 스트림으로서 나누어져서, 서로 다른 반응기 부분에 공급된다. 기체 및 액체가 반응기 부분에서 도입되어야 하는 경우, 기체 공급라인과 액체 공급라인이 개별적으로 제공되는 것이 바람직하다. 본 발명에 따른 시스템에는 같은 종류의 반응기, 바람직하게는 같은 크기의 반응기가 사용될 것이 권고된다. 이종 촉매 반응의 경우에는, 필수적인 것은 아니지만, 모든 반응기 부분에 같은 촉매가 사용되는 것이 바람직하다.Depending on the chemical reaction to be performed, gas and / or liquid feeds will be introduced into the reactor. All possible reactor flow modes may be used, namely upflow and / or downflow, cocurrent and / or counterflow. Gas and / or liquid recycle may also be used. For the synthesis of hydrocarbons, one common gas reactant feed line will introduce syngas into the reactor system. This feed is divided into as many streams as necessary for the number of reactor sections attached and fed to different reactor sections. If gas and liquid are to be introduced in the reactor section, it is preferred that the gas feed line and the liquid feed line are provided separately. In the system according to the invention it is recommended to use reactors of the same kind, preferably reactors of the same size. In the case of heterogeneous catalysis, although not essential, it is preferred that the same catalyst be used for all reactor parts.

수행될 화학반응에 따라서, 기체 및/또는 액체가 반응기로부터 방출되어야 한다. 몇 몇 경우에 슬러리, 예를 들어 촉매와 액체의 혼합물은 반응기로부터 방출되어야 한다. 기체 및 액체가 반응기로부터 방출되어야 할 때, 이는 단일 방출라인에 의해 행해질 수도 있으나, 반응기 시스템은 하나의 공통적인 기체 생성물 방출라인 및 하나의 공통적인 액체 반응물 방출라인을 포함하는 것이 바람직하다. 전술한 반응기 시스템은 공통적인 생성물 방출라인과 공통적인 반응물 공급라인 사이에 기체 및/또는 액체 재순환 라인을 포함할 수도 있다.Depending on the chemical reaction to be performed, gas and / or liquid must be released from the reactor. In some cases, a slurry, for example a mixture of catalyst and liquid, must be discharged from the reactor. When gas and liquid are to be discharged from the reactor, this may be done by a single discharge line, but the reactor system preferably includes one common gas product discharge line and one common liquid reactant discharge line. The reactor system described above may include a gas and / or liquid recycle line between the common product discharge line and the common reactant feed line.

본 발명의 반응기 시스템에서 반응기 부분들은 적절하게도 동일하다. 크기, 촉매, 디자인, 냉각성능 등이 유사하다. 이 경우의 반응기 제조는 단순한 복제공정이므로 바람직한 선택이다. 그러나, 반응기 부분이 동일해야 한다는 것은 필수적이진 않다. 다른 종류의 촉매가 사용될 수도 있을 뿐만 아니라, 다른 크기가 사용될 수도 있다. 디자인, 촉매 등의 차이에 따라서, 반응기에 대해 정확한 공급분배가 이루어지도록 조치를 취해야 한다. 또한, 냉각성능은 반응기마다 서로 다를 수 있는데, 이 때문에 하나의 반응기 시스템의 반응기 부분에서 조건이 다르게 된다. 본 발명에 따른 시스템의 하나 이상의 반응기 부분에서 다른 조건이 발생되면, 상기 시스템은 하나의 단일유닛으로서 작동되므로, 반응기 중 하나 이상의 반응기에서 상기 조건을 변화시킬 수는 없다는 점을 고려해야 한다.The reactor parts in the reactor system of the present invention are suitably the same. Similar in size, catalyst, design and cooling performance. Reactor production in this case is a simple choice since it is a simple replication process. However, it is not essential that the reactor parts should be identical. Other types of catalyst may be used, as well as other sizes. Depending on the design, catalyst, etc., steps must be taken to ensure correct feed distribution to the reactor. In addition, cooling performance can vary from reactor to reactor, which leads to different conditions in the reactor portion of one reactor system. If different conditions occur in one or more reactor parts of the system according to the invention, it should be taken into account that the system is operated as one single unit, so that the conditions cannot be changed in one or more of the reactors.

전술한 탄화수소 합성은 당업자에게 공지인 어떤 적절한 탄화수소 합성 단계일 수도 있지만, Fischer Tropsch 반응인 것이 바람직하다. 탄화수소 합성 반응, 특히 Fischer Tropsch 반응에 사용될 합성가스는 특히 부분산화, 촉매 부분산화 및/또는 증기/메탄 개질에 의해서 탄화수소성 공급물로부터 얻어진다. 적절한 실시형태에서 자가발열 개질제가 사용되거나, 탄화수소성 공급물이 개질구역으로 도입되고 그 후에 생성물의 부분산화가 일어나고, 이 부분산화 생성물은 개질구역을 가열하는 데 사용되는 공정이 사용된다. 탄화수소성 공급물로는, 메탄, 천연가스, 부수가스 또는 C1-4 탄화수소의 혼합물인 것이 적절하며, 특히 천연가스가 적절하다.The aforementioned hydrocarbon synthesis may be any suitable hydrocarbon synthesis step known to those skilled in the art, but is preferably a Fischer Tropsch reaction. Syngas to be used for hydrocarbon synthesis reactions, in particular Fischer Tropsch reactions, is obtained from hydrocarbonaceous feeds, in particular by partial oxidation, catalytic partial oxidation and / or steam / methane reforming. In a suitable embodiment a self-heating modifier is used, or a hydrocarbonaceous feed is introduced into the reforming zone followed by partial oxidation of the product, which process is used to heat the reforming zone. As the hydrocarbonaceous feed, it is appropriate that it is a mixture of methane, natural gas, side gas or C 1-4 hydrocarbons, in particular natural gas.

합성가스에서 H2/CO 비를 조절하기 위해, 이산화탄소 및/또는 증기가 부분산화공정 및/또는 개질공정에 도입될 수도 있다. 합성가스의 H2/CO 비는 1.3∼2.3 인 것이 적절하며, 1.6∼2.1 인 것이 바람직하다. 원한다면, 증기/메탄 개질에 의해서(바람직하게는, 워터 시프트 반응(water shift reaction)과 결합하여), (적은) 양의 수소를 부가적으로 얻을 수도 있다. 또한, 부가적인 수소는 다른 공정, 예를 들어 수소화 분해법에 사용될 수도 있다.To control the H 2 / CO ratio in the syngas, carbon dioxide and / or steam may be introduced into the partial oxidation process and / or the reforming process. The H 2 / CO ratio of the synthesis gas is suitably 1.3 to 2.3, and preferably 1.6 to 2.1. If desired, additional (small) amounts of hydrogen may be additionally obtained by steam / methane reforming (preferably in combination with a water shift reaction). Additional hydrogen may also be used in other processes, for example hydrocracking.

전술한 방식으로 얻어지는 합성가스는 보통 900∼1400 ℃의 온도를 가지는데, 이러한 합성가스는 100∼500 ℃의 온도, 적절하게는 150∼450 ℃의 온도, 바람직하게는 300∼400 ℃의 온도로 냉각되면서, 예를 들어 증기의 형태로 동력을 발생시키게 된다. 40∼130 ℃의 온도로, 바람직하게는 50∼100 ℃의 온도로 더 냉각시키는 것은 통상적인 열교환기, 특히 관상 열교환기에서 행해진다.Syngas obtained in the manner described above usually has a temperature of 900 to 1400 ° C., which has a temperature of 100 to 500 ° C., suitably a temperature of 150 to 450 ° C., preferably a temperature of 300 to 400 ° C. As it cools, it generates power, for example in the form of steam. Further cooling to a temperature of 40 to 130 ° C., preferably to 50 to 100 ° C., is carried out in a conventional heat exchanger, in particular in a tubular heat exchanger.

주로 수소 및 일산화탄소를 포함하는 정화된 기체 혼합물은 보통 액체탄화수소가 형성되는 촉매전환 단계에서 적절한 촉매와 접촉한다.The purified gas mixture, which mainly contains hydrogen and carbon monoxide, is usually contacted with a suitable catalyst in the catalytic conversion stage in which liquid hydrocarbons are formed.

수소 및 일산화탄소를 포함하는 혼합물을 탄화수소로 촉매전환하는 데 사용되는 촉매는 당업계에서 공지의 것이고, 보통 Fischer-Tropsch 촉매라고 한다. 이 공정에서 사용되는 촉매는 촉매 활성 성분으로서 종종 원소 주기율표의 8족에 속하는 금속을 포함한다. 특별한 촉매 활성 금속으로서는 루테늄(ruthenium), 철, 코발트 및 니켈 등이 있다. 코발트가 선호되는 촉매 활성 금속이다.Catalysts used to catalyze a mixture comprising hydrogen and carbon monoxide to hydrocarbons are known in the art and are commonly referred to as Fischer-Tropsch catalysts. Catalysts used in this process often include metals belonging to Group 8 of the Periodic Table of Elements as catalytically active components. Particular catalytically active metals include ruthenium, iron, cobalt and nickel. Cobalt is the preferred catalytically active metal.

촉매 활성 금속은 다공성 캐리어 상에 지지되는 것이 바람직하다. 다공성 캐리어는 당업계에서 공지인 적합한 내화성 금속산화물 또는 실리케이트 또는 이들의 조합 중 하나로부터 선택될 수도 있다. 바람직한 다공성 캐리어의 특별한 예로서 실리카, 알루미나, 티타니아, 지르코니아, 세리아, 갈리아 및 이들의 조합이 있는데, 특히 실리카, 알루미나 및 티타니아가 바람직하다.The catalytically active metal is preferably supported on a porous carrier. The porous carrier may be selected from one of the suitable refractory metal oxides or silicates or combinations thereof known in the art. Particular examples of preferred porous carriers are silica, alumina, titania, zirconia, ceria, gaul and combinations thereof, with silica, alumina and titania being particularly preferred.

캐리어 상의 촉매 활성 금속의 양은 캐리어 재료 100 pbw 당 3∼300 pbw 인 것이 바람직하고, 10∼80 pbw 인 것이 더 바람직하며, 20∼60 pbw 인 것이 특히 바람직하다.The amount of catalytically active metal on the carrier is preferably 3 to 300 pbw, more preferably 10 to 80 pbw, particularly preferably 20 to 60 pbw, per 100 pbw of carrier material.

또한, 원한다면, 촉매는 촉진제로서 1종 이상의 금속이나 금속산화물을 포함할 수도 있다. 적합한 금속산화물 촉진제는 원소 주기율표의 2A, 3B, 4B, 5B 및 6B족, 또는 악티니드 계열 및 란탄 계열로부터 선택될 수도 있다. 특히, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬, 바륨, 스캔듐, 이트륨, 란탄, 세륨, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 토륨, 우라늄, 바나듐, 크롬 및 망간의 산화물이 매우 적합한 촉진제이다. 특히, 본 발명에서 사용하는 왁스를 준비하는 데 사용되는 촉매를 위한 특히 바람직한 금속산화물 촉진제는 망간 산화물 및 지르코늄 산화물이다. 적합한 금속 촉진제는 주기율표의 7B 또는 8족으로부터 선택될 수도 있다. 레늄 및 8족의 귀금속이 특히 적합한데, 백금 및 팔라듐이 특히 바람직하다. 촉매에 존재하는 촉진제의 양은 캐리어 100 pbw 당 0.01∼100 pbw 인 것이 적절하고, 0.1∼40 pbw 인 것이 바람직하며, 1∼20 pbw 인 것이 더 바람직하다. 가장 바람직한 촉진제는 바나듐, 망간, 레늄, 지르코늄 및 백금으로부터 선택된다.If desired, the catalyst may also comprise one or more metals or metal oxides as promoters. Suitable metal oxide promoters may be selected from groups 2A, 3B, 4B, 5B and 6B, or actinides and lanthanum series of the Periodic Table of Elements. In particular, oxides of magnesium, calcium, strontium, barium, scandium, yttrium, lanthanum, cerium, titanium, zirconium, hafnium, thorium, uranium, vanadium, chromium and manganese are very suitable promoters. In particular, particularly preferred metal oxide promoters for the catalyst used to prepare the wax for use in the present invention are manganese oxide and zirconium oxide. Suitable metal promoters may be selected from Groups 7B or 8 of the Periodic Table. Rhenium and Group 8 precious metals are particularly suitable, with platinum and palladium being particularly preferred. The amount of accelerator present in the catalyst is suitably 0.01 to 100 pbw per 100 pbw of carrier, preferably 0.1 to 40 pbw, more preferably 1 to 20 pbw. Most preferred promoters are selected from vanadium, manganese, rhenium, zirconium and platinum.

촉매 활성 금속 및 촉진제는, 존재한다면, 침윤, 반죽 및 압출 등의 적절한 처리에 의해 캐리어 재료 상에 분포될 수도 있다. 캐리어 재료 상에 촉매 활성 금속 및 (적절하다면) 촉진제를 분포시킨 후에, 장입된 캐리어는 전형적으로 소성처리(calcination)를 겪는다. 소성처리의 효과로서, 결정수가 제거되고, 휘발성의 분해물이 분해되며, 유기 및 무기화합물이 그들 각각의 산화물로 전환된다.Catalytically active metals and promoters, if present, may be distributed on the carrier material by appropriate treatment, such as infiltration, kneading and extrusion. After distributing the catalytically active metal and (if appropriate) the promoter on the carrier material, the loaded carrier typically undergoes calcination. As an effect of the calcining treatment, crystal water is removed, volatile decomposition products are decomposed, and organic and inorganic compounds are converted into their respective oxides.

소성 후에, 최종 촉매는 일반적으로 약 200∼350 ℃ 의 온도에서 촉매를 수소 또는 수소함유 가스와 접촉시킴으로써 활성화될 수도 있다. Fischer Tropsch 촉매의 준비를 위한 다른 공정은 반죽/혼합과 그 후의 압출, 건조/소성 및 활성화를 포함한다. After firing, the final catalyst may be activated by contacting the catalyst with hydrogen or a hydrogen containing gas, generally at a temperature of about 200 to 350 ° C. Other processes for the preparation of Fischer Tropsch catalysts include kneading / mixing followed by extrusion, drying / firing and activation.

촉매전환 공정은 당업계에서 공지인 통상적인 합성조건 하에서 실시될 수 있다. 일반적으로, 촉매전환은 150∼300 ℃, 바람직하게는 180∼260 ℃ 의 온도에서 수행될 수 있다. 촉매전환 공정을 위한 일반적인 전압력은 절대압력으로 1∼200 바, 보다 바람직하게는 10∼70 바이다. 촉매전환 공정에서 특히 75 중량% 이상의 C5 +, 바람직하게는 85 중량% 이상의 C5 + 탄화수소가 생성된다. 촉매와 전환 조건에 따라서, 헤비 왁스(C20 +)의 양은 60 중량%까지, 종종 70 중량%까지, 심지어는 85 중량%까지 될 수 있다. 바람직하게는 코발트 촉매가 사용되며, 또한 저 H2/CO 비와 저온(190∼230 ℃)이 사용된다. 코크 발생을 막기 위해서는 H2/CO 비를 0.3 이상으로 하는 것이 좋다. 20 이상의 탄소원자를 가지면서 얻어진 생성물에 대한 SF-알파 값이 0.925 이상, 바람직하게는 0.935 이상, 보다 바람직하게는 0.945 이상, 더더욱 바람직하게는 0.955 이상이 되도록 상기와 같은 조건 하에서 Fischer Tropsch 반응을 수행하는 것이 특히 좋다.The catalytic conversion process can be carried out under conventional synthetic conditions known in the art. In general, the catalytic conversion can be carried out at a temperature of 150 to 300 ℃, preferably 180 to 260 ℃. Typical voltage forces for catalytic conversion processes are 1 to 200 bar, more preferably 10 to 70 bar in absolute pressure. In the catalytic conversion process in particular at least 75% by weight of C 5 + , preferably at least 85% by weight of C 5 + hydrocarbons are produced. Depending on the catalyst and conversion conditions, the amount of heavy wax (C 20 + ) can be up to 60% by weight, often up to 70% by weight, even up to 85% by weight. Preferably a cobalt catalyst is used, and also a low H 2 / CO ratio and low temperature (190-230 ° C.). In order to prevent coke generation, the H 2 / CO ratio is preferably 0.3 or more. Fischer Tropsch reaction is carried out under the above conditions such that the SF-alpha value for the product obtained with 20 or more carbon atoms is 0.925 or more, preferably 0.935 or more, more preferably 0.945 or more, even more preferably 0.955 or more. Is especially good.

바람직하게는 Fischer-Tropsch 촉매가 사용되며, 이렇게 하면 상당량의 파라핀, 보다 바람직하게는 실질적으로 비분지형(unbranched) 파라핀이 얻어지게 된다. 이러한 목적에 맞는 가장 적절한 촉매는 코발트 함유 Fischer-Tropsch 촉매이다. 이러한 촉매는 예를 들어 AU 698392 및 WO 99/34917 에 소개되어 있다. Preferably a Fischer-Tropsch catalyst is used, which results in a significant amount of paraffins, more preferably substantially unbranched paraffins. The most suitable catalyst for this purpose is a cobalt containing Fischer-Tropsch catalyst. Such catalysts are for example introduced in AU 698392 and WO 99/34917.

Fischer Tropsch 공정은 슬러리 FT 공정 또는 고정 베드 FT 공정, 특히 다관형 고정 베드일 수도 있다. The Fischer Tropsch process may be a slurry FT process or a fixed bed FT process, in particular a multi-tubular fixed bed.

본 발명은 또한 고온 및 고압에서 촉매의 존재 하에서 일산화탄소와 수소를 반응시켜 탄화수소를 얻는 공정에 관한 것이기도 하며, 여기서 반응기 시스템은 전술한 것이 사용된다. 또한, 본 발명은 Fischer Tropsch 공정에서 만들어진 생성물에 관한 것이다. 본 발명은 또한 에탄을 에틸렌 산화물로 촉매전환시키는 공정은 물론, 메탄올 준비 및 얻어진 메탄올에 관한 것이다. The present invention also relates to a process for reacting carbon monoxide with hydrogen in the presence of a catalyst at high temperature and high pressure to obtain a hydrocarbon, wherein the reactor system described above is used. The invention also relates to products made in the Fischer Tropsch process. The present invention also relates to the process for catalytic conversion of ethane to ethylene oxide, as well as the preparation of methanol and the methanol obtained.

Claims (10)

화학반응을 수행하는 데 적합한 반응기 시스템으로서, 1 이상의 공통적인 반응물 공급라인, 2 이상의 단일유닛 작동형 반응기 부분, 및 1 이상의 공통적인 생성물 방출라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.A reactor system suitable for conducting a chemical reaction, the reactor system comprising at least one common reactant feed line, at least two single unit operated reactor portions, and at least one common product discharge line. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 3∼8개, 바람직하게는 4개의 단일유닛 작동형 반응기 부분을 포함하고, 각 반응기 부분이 바람직하게는 개별적이고 독립적인 화학반응기인 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.Reactor system according to claim 1, wherein the reactor system comprises 3 to 8, preferably 4 single unit operated reactor sections, each reactor section being preferably a separate and independent chemical reactor. . 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 각 반응기 부분은 1 이상의 촉매 베드를 포함하고, 바람직하게는 다관형 고정 베드 촉매 배열을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.3. Reactor system according to claim 1 or 2, wherein each reactor portion comprises at least one catalyst bed and preferably comprises a multi-tubular fixed bed catalyst arrangement. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 반응기 부분은 간접 열교환 시스템을 포함하고, 이 열교환 시스템은 공동으로 작동되며, 바람직하게는 열사이펀 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.4. Reactor system according to any one of the preceding claims, wherein each reactor portion comprises an indirect heat exchange system, the heat exchange system being operated jointly, preferably comprising a thermosiphon system. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 하나의 공통적인 기체 반응물 공급라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.5. The reactor system of claim 1, wherein the reactor system comprises one common gas reactant feed line. 6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 하나의 공통적인 기체 생성물 방출라인을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.6. The reactor system of claim 1, wherein the reactor system comprises one common gaseous product discharge line. 7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 시스템은 하나의 공통적인 액체 반응물 방출라인 또는 하나의 공통적인 액체 생성물 방출라인을 포함하는 것을 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.7. Reactor system according to any one of the preceding claims, characterized in that the reactor system comprises one common liquid reactant discharge line or one common liquid product discharge line. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 부분은 Fischer Tropsch 합성에 사용하기 위해 코발트 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.8. The reactor system of any of claims 1 to 7, wherein the reactor portion comprises a cobalt catalyst for use in Fischer Tropsch synthesis. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 반응기 부분은 개별적인 반응기에 포함되는 것을 특징으로 하는 반응기 시스템.9. Reactor system according to any one of the preceding claims, wherein each reactor portion is contained in a separate reactor. 탄화수소를 얻는 공정에 있어서, 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 따른 반응기 시스템을 사용하여, 고온 및 고압에서 촉매의 존재 하에서 일산화탄소와 수소를 반응시키는 것을 특징으로 하는 방법.Process for obtaining a hydrocarbon, characterized in that the carbon monoxide and hydrogen are reacted in the presence of a catalyst at a high temperature and a high pressure using the reactor system according to any one of claims 1 to 9.
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