KR20050025615A - 유동층에 기체를 유입시키는 장치 및 그 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층에 기체를 유입시키기 위해 유동층의 상부 및/ 또는 하부에 위치한 적어도 하나의 기체유입관(2, 3)을 갖는 유동층 반응기내로 기체를 유입시키는 장치와 방법에 관한 것으로, 기체유입관(2, 3)이 그 입구 및/ 또는 입구 상류에 기체 나선흐름 형성 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

Description

유동층에 기체를 유입시키는 장치 및 그 방법{DEVICE FOR INTRODUCING A GAS INTO A FLUIDISED BED AND METHOD FOR THEREFOR}

본 발명은 유동층(fluidised bed)에 기체를 유입시키는 장치 및 그러한 기체유입장치를 포함하는 유동층 반응기(reactor)에 관한 것이다. 또한 본 발명은 본 발명에 따른 유동층 반응기를 이용하여 1,2-이염화에탄(1,2-dichloroethane,EDC)을 형성하기 위한 에틸렌의 옥소염소화 공정(oxychlorination process)에 관한 것이다.

유동층 반응기는 상기 수행되는 반응에서 통상 촉매로 작용하는 미세 분말층(bed of a fine-grained solid)을 포함하는 것이 일반적이다. 반응 결과물이 반응기의 머리부분에서 배출될 때 반응기내에서 반응하는 물질들은 주로 기체들이다. 반응물들의 유입과 혼합은 반응기의 하부에서 일어나는데, 특히 유동층의 상부 및/또는 하부에서 일어난다. 반응의 최적화를 위해서는 반응물이 혼합되고 촉매와 접촉하게되는 기체 유입 및 분배 시스템이 중요한 역할을 하게 된다. 유동층은 유입되는 기체 또는 비활성 기체에 의해서 부유상태(suspended state)를 유지하게 되고 그 결과 일종의 유체와 유사한 성질을 갖게 된다. 발열반응에서 유동층의 이러한 성질은 반응열을 반응기 내부에서, 예를 들어, 파이프와 같은, 특히 순환에 적합한 내부구성부분을 순환하는 냉각제로 전달하는 것을 용이하게 한다. 반면에 흡열반응은, 예를 들어, 그러한 목적에 맞는 온돌패널(heating panel)과 같은 특별한 열발생 장치의 도움을 받을 수 있다.

기체상태의 반응물질이 유동층을 통과한 후, 유동층을 벗어나는 기체는 경제적 혹은 생태학적 견지에서 볼 때, 분리되고 다시 유동층으로 회수되어야만 하는 유동층 입자들을 동반하게 된다. 유동층 입자들을 포획하기 위한 적합한 장치로는, 예를 들면, 원심분리기와 여과기 같은 것들이 있다. 그러나, 대부분의 경우, 모든 유동층 입자들을 분리하는 것은 가능하지 않으며, 특히, 미세분말입자(예를 들면 분말형태의 촉매)는 잃게 된다. 그러므로 유동층 입자들의 손실과 연계된 촉매의 손실은 상당한 경제적 문제를 가져오게 된다. 나아가, 촉매는 종종 독성을 가지고 있거나 환경에 유해하기 때문에, 반응 결과물로부터 촉매의 분리와 단리(isolation)는 상당한 비용문제를 발생시킬 수 있다.

상기에서 언급된 이유에 의해 가능한 한 광범위하게 미세분말입자의 형성을 억제하는 것이 유익하다는 결론에 이르게 된다.

미세분말입자의 형성은 주로 유동층내에서의 냉각 파이프와 반응기 벽에 대한 분쇄나 마모 과정의 결과이거나, 또는 유동층으로 기체의 유입에 의해서 유발되는 것으로 알려져 있다. 예를 들면, 마모에 대하여 어느 정도 저항성을 갖는 유동층 입자들을 사용하면 미세 분말 입자의 형성을 억제할 수 있다. 운반물질(carrier material)에 적재된 촉매의 경우, 근본적으로 그 운반물질 자체가 촉매의 마모에 대한 저항성을 결정하게 된다. 그러나, 한편으로는 마모에 대한 저항성이 있는 (또는 단단한) 유동층 입자의 사용은 냉각 파이프 및 기체를 반응기 내부로 유입하는 기체유입관의 마모를 증가시키기도 한다. 그 결과로 고가의 수리 비용 및 수리와 관련되는 생산의 손실을 가져올 수 있다.

도 1은 유동층에 기체를 유입하는 종래의 기체유입관을 갖추고 있는 유동층 반응기를 개략적으로 나타낸 것이고

도 2는 본원 발명에 의하여 유동층에 기체를 유입하는 기체유입관을 갖추고 있는 유동층 반응기를 개략적으로 나타낸 것이다.

<비교예>

비교를 위해, 에텐을 EDC로의 옥소염소화반응을 도 1의 종래의 유동층 반응기에서 수행하고, 다른 조건은 동일하게 한다. 유동층 입자량 측정결과 촉매의 손실은 EDC 1t 당 대략 48g 으로 나타났고, 이는 본 발명에 의한 유동층 반응기에 의한 손실량의 약 7배정도이다.

본 발명의 목적은 유동층 반응기 내부에서 촉매의 분말화(pulverisation) 및 그에 따른 기체 흐름을 갖는 배출에 의한 촉매의 손실을 최소 가능 비용으로 줄일 수 있는, 개선된 유동층 반응기로의 기체유입장치를 제공하는데 있다.

이러한 목적은 유동층의 상부 및/ 또는 하부에 위치하는 적어도 하나의 기체 유입관(2, 3)을 가진 유동층 기체유입장치에 의해서 달성된다. 이 장치는 기체유입관(2, 3)이 그 입구 및/ 또는 그 입구의 상류에 기체의 나선흐름(swirling) 형성 수단을 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유용한 구성은 종속항에 부여되어 있다. 유동층은 유동층 반응기 내부, 바람직하게는 수직 유동층 반응기 내부에 존재할 수 있다. 반응기의 외장(jacket)은 기체와 그 안에 놓인 적어도 하나의 특별한 고체 유동층의 수용을 위해 압력에 견딜 수 있는 형태가 가능하다.

본 발명의 기체유입장치는 기체유입관이 운반된 기체유동의 나선흐름을 일으키는 것을 특징으로 한다.

놀랍게도, 촉매의 분말화는 기존의 기체유입관을 단순하게 변형시킴으로써 현저히 줄일 수 있고, 그에 의하여 기체유입관에 운반된 기체 유동이 나선으로 흐르게 되는 것이 밝혀졌다. 기체유동의 나선흐름은 기체유입관으로부터 배출되는 기체의 속도 프로파일(velocity profile)이 기체유입관벽 부근의 체적유동(volumetric flow)의 상승에 따라 변하는 결과를 가져온 것으로 추측된다. 예를 들면, 나선으로 흐른 기체유동은 기체유입관 횡단면에 대하여 거의 일정한 속도 프로파일을 나타내면서 기체유입관을 빠져 나온다.

기체유입관이 유동층의 하부에 놓여있는 경우에, 유입관내 기체유동의 나선흐름 및 그 결과로 인한 체적유동의 속도 프로파일의 변경은, 기체유입관 가장자리에서 유동층 입자가 유입관으로 유입되는 것과 그 안에서 반응기 밖으로 배출될 수 있을 만한 미세분말입자를 형성하게 되는 것을 대부분 또는 완전히 차단하게 된다. 따라서, 분말입자 배출을 감소시키는데 도움이 된다.

기체유입관이 유동층의 상부에 놓여있는 경우에도 분말입자의 형성과 그 배출이 감소하는 것으로 나타났다. 특히 기체유입관과 냉각 파이프 마모도 결과적으로 감소하는 것으로 나타났다. 그 이유는 기체유동을 배출하는 동안 기포가 상방향을 직접 향하지 않기 때문인 것으로 생각된다.

본 발명의 유용한 실시예에 있어서, 기체유입관으로 운반된 기체유동의 나선흐름은 기체의 나선흐름 형성 수단에 의해 발생되며-특히 출구 쪽 말단에서- 이러한 나선흐름 수단은 유입관의 내강(lumen)을 축소 또는 확장하게 된다. 축소의 경우, 예를 들어 구슬선(bead)의 형태, 예를 들면, 환상의(annular) 구슬선의 형태를 취할 수 있는데, 이것은 기체 유입관 안쪽 둘레 주위에 배열된다. 기체 유입관 내강의 축소 또는 확장은 그 안쪽 둘레에 배열되는 나사산(thread)의 형태를 취할 수 있다. 적어도 하나의 에지(edge), 특히 예리한 에지가 구비된 축소가 유리한 것으로 밝혀졌다. 이것이 기체유동의 나선흐름을 촉진하기 때문이다. 나아가 기체의 나선흐름 형성 수단은 적어도 하나의 스크린 및/ 또는 적어도 하나의 난류 격자(tubulence grid) 및/ 또는 적어도 하나의 구멍이 뚫린 격막(perforated diaphragm)을 포함할 수 있다. 기체-나선흐름 형성 수단은 기체유입관의 입구 및/ 또는 입구 상류에 유동의 방향으로 놓여질 수 있다.

이하 발명의 실시예에 대한 기술과 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

먼저 도 1을 참조하면, 도 1은 압력에 견딜 수 있는 케이스(1), 유동층(4) 및, 그 내부에 위치하며,기체를 반응기로 유입시키는 장치를 가진 유동층 반응기를 나타내고 있다. 기체유입장치는, 기체를 유동층의 상부에서 유입하도록 하기 위해 유동층(4)의 상부에 배열된 다수의 기체유입관(3)과, 기체를 유동층(4)의 하부에서 유입하도록 하기 위해 유동층(4)의 하부에 배열된 다수의 기체유입관(2)을 구비하고 있다. 유동층(4)의 상부 및 하부에 배열된 기체유입관을 확대한 2개의 개략적인 그림에서 보듯이, 종래의 기체유입관의 경우에는 유입되는 기체의 속도 프로파일이 유입관의 횡단면에 걸쳐 실질적으로 포물선 모양으로 나타나게 된다. 도 1의 반응기는 직경이 28 ㎝ 이고 높이가 2.3 m 이다.

이제 도 2를 참조하면, 도 2는 본 발명에 따라 유동층에 기체유동을 유입시키는 기체유입관을 갖추고 있는 유동층 반응기를 나타내고 있다. 본 발명에 의한 도 2의 반응기는 유입관내의 기체유동을 나선으로 흐르게 하기 위한 유입관 내강의 축소가 마련된다는 점에서 도 1의 반응기와는 차이가 있다. 기체유입관(2, 3)은 유입관 내강의 축소를 위해 유입관 출구 말단 안쪽 둘레에 배열되는 환상의 구슬선(6)을 갖추고 있다. 유동층(4)의 상부 및 하부에 배열된 기체유입관을 확대한 2개의 개략적인 그림에서 보듯이, 환상의 구슬선(6)으로 인해 유입관 가장자리 부근에서의 기체유동속도의 상승을 위하여 종래의 기체 유입관에서 나타나는 포물선형의 속도 프로파일이 평평해지게 된다. 특히 기체유입관에서 배출되는 기체유동의 속도 프로파일은 유입관 횡단면에 걸쳐서 사실상 일정하게 나타난다.

도 2의 유동층 반응기는 특히 에텐의 옥소염소화 반응에 적합하며 이하에서 예시로서 설명될 것이다.

옥소염소화 반응은, 아래의 반응식에서 보는 것과 같이, 알켄(본 예에서는 에텐)과 염화수소 및 산소 또는 공기처럼 산소를 포함하는 기체가 반응하여 염소가 첨가된 포화 알칸(본 예에서는 1,2-이염화에탄, 아래에서는 "EDC" 라고도 한다.)을 형성하는 반응을 말한다.

C₂H₄ + 2HCl + 1/2O₂ ------> Cl-CH₂-CH₂-Cl + H₂0

이 반응은, 예를 들어, 촉매로 알루미늄 산화물(aluminium oxide) 입자에 적재된 염화구리(Ⅱ)를 사용한다. 촉매 입자는, 예를 들면, 20㎛ 에서 120㎛ 사이의 입자 범위(particle range)를 갖는 평균 직경 약 50㎛ 정도의 것을 사용한다. 입자의 밀도는 약 1600 ㎏/㎥ 정도이다. 순환 기체와 반응 기체의 유입에 의하여 촉매 입자는 유동층을 형성하게 된다.

도 2의 본 발명에 의한 유동층 반응기에 있어서, 내부에서 유동층(4)의 상부에 배열된 기체유입관(3)을 통해 촉매 유동층(4)에 유입되는 63 N㎥/h 의 염화수소와 17 N㎥/h의 산소 혼합물인 반응물은 150 ℃ 로 가열된 기체 형태로 유입된다. 또 하나의 혼합물인 32 N㎥/h 의 에텐과 60 N㎥/h 의 순환 기체는 150 ℃, 4.7 bar 하에서 기체유입관(2)을 통해 하부에서 촉매 유동층에 유입된다. 기체유입관(2)에서의 평균 유동속도는 1.3 m/s 이고 기체유입관(3)에서는 1.0 m/s 이다.

반응기 횡단면에 걸쳐 분배되는 반응물은 유동층(4)의 보다 낮은 하부쪽의 소위 혼합구역(mixing zone)이라는 곳에서 혼합되고 촉매와 발열 반응을 하게된다. 발생한 238.5 KJ/mol 의 반응열은 냉각 파이프(도시하지 않음)를 거쳐 열전달 매체로 전달된다. 반응 온도는 232 ℃ 이고 압력은 4.2 bar 이다.

반응 전과 후의 유동층 입자량 측정결과 분말화와 배출가스에 의한 촉매 입자의 배출에 의한 손실은 대략 EDC 1t당 7.6g 이다.

Claims (14)

1. 유동층의 위 및/또는 아래에 위치한 적어도 하나의 기체유입관을 구비하여 기체를 유동층내로 유입시키는 장치에 있어서, 상기 기체유입관(2, 3)은 그 입구 및/ 또는 그 상류에 기체-나선흐름 형성 수단을 구비하고 있는 것을 특징으로 하는, 기체를 유동층내로 유입시키는 장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 기체-나선흐름 형성 수단은 적어도 하나의 유입관 내강의 축소 또는 확장을 형성시키는 것을 특징으로 하는, 기체를 유동층내로 유입시키는 장치.
3. 제 2항에 있어서, 유입관 내강의 축소는 적어도 하나의 에지를 갖는 것을 특징으로 하는, 기체를 유동층내로 유입시키는 장치.
4. 제 1, 2 또는 3항에 있어서, 상기 기체-나선흐름 형성 수단은 적어도 나사산의 일부분으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 기체를 유동층내로 유입시키는 장치.
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체-나선흐름 형성 수단은 적어도 하나의 구슬선(6)을 갖는 것을 특징으로 하는, 기체를 유동층내로 유입시키는 장치.
6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체-나선흐름 형성 수단은 적어도 하나의 스크린, 적어도 하나의 난류 격자 및/ 또는 적어도 하나의 구멍이 뚫린 격막을 갖는 것을 특징으로 하는, 기체를 유동층내로 유입시키는 장치.
7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체유입관은 기체유입관 횡단면에 대해 실질적으로 일정한 속도 프로파일을 발생시키는 기체-나선흐름 형성수단을 갖는 것을 특징으로 하는, 기체를 유동층내로 유입시키는 장치.
8. 제 1항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기체는 에텐, 산소 및/ 또는 염화수소를 포함하는 것을 특징으로 하는, 기체를 유동층 내로 유입시키는 장치.
9. 유동층 반응기로서, 제 1항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 따른 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는, 유동층 반응기.
10. 제 1항 내지 8항 중 어느 한 항에 따른 기체유입장치를 구비한 유동층 반응기를 이용하여 1,2-이염화에탄을 생산하는 방법에 있어서, 에텐, 산소 및/ 또는 염화수소가 촉매를 갖는 유동층으로 유입되는 것을 특징으로 하는, 1,2-이염화에탄을 생산하는 방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 유동층(4)의 아래에 배열된 상기 기체유입관(2)의 경우에, 상기 기체유동은 0.5 내지 10 m/s 범위의 평균 배출 속도로 배출되는 것을 특징으로 하는, 1,2-이염화에탄을 생산하는 방법.
12. 제 10항에 있어서, 상기 유동층(4)의 아래에 배열된 상기 기체유입관(2)의 경우에, 상기 기체유동은 3 내지 6 m/s 범위의 평균 배출 속도로 배출되는 것을 특징으로 하는, 1,2-이염화에탄을 생산하는 방법.
13. 제 10항에 있어서, 상기 유동층(4)의 위에 배열된 상기 기체유입관(3)의 경우에, 상기 기체유동은 0.7 내지 10 m/s 범위의 평균 배출 속도로 배출되는 것을 특징으로 하는, 1,2-이염화에탄을 생산하는 방법.
14. 제 10항에 있어서, 상기 유동층(4)의 위에 배열된 상기 기체유입관(3)의 경우에, 상기 기체유동은 2 내지 5 m/s 범위의 평균 배출 속도로 배출되는 것을 특징으로 하는, 1,2-이염화에탄을 생산하는 방법.