KR20050111327A - 자동 열분해 반응기 - Google Patents

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KR20050111327A
KR20050111327A KR1020057015263A KR20057015263A KR20050111327A KR 20050111327 A KR20050111327 A KR 20050111327A KR 1020057015263 A KR1020057015263 A KR 1020057015263A KR 20057015263 A KR20057015263 A KR 20057015263A KR 20050111327 A KR20050111327 A KR 20050111327A
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데릭 앨런 콜먼
마이클 존 알렉산더 매튜먼
이안 앨런 비티 리드
본 클리포드 윌리엄스
윌리엄 테런스 우드핀
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이노빈 유럽 리미티드
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Abstract

본 발명은 자동 열 분해 공정이 어느 적절한 압력에서 수행될 수 있도록 반응기 디자인을 제공하고, 그 가스 반응물은 혼합되기 전에 분리되어 예열되어 일정하게 분산된 패턴으로 반응 영역에 나타난다. 특히, 본 발명은 가스 생성물을 형성하기 위해 제 1 가스 반응물 및 제 2 가스 반응물을 반응하기 위한 장치에 관한 것이고, 그 장치는 제 1 가스 반응물을 위해 1 이상의 제 1 공급 수단을 포함하며, 제 2 가스 반응물을 위해 1 이상의 제 2 공급 수단을 포함하고, 저항 영역 및 바람직하게는 촉매를 포함하는 반응 영역을 포함하며, 상기 제 1 공급 수단은 제 1 가스 반응물을 전달하기 위한 다수의 제 1 유입구를 포함하고, 상기 제 2 공급 수단은 제 2 가스 반응물을 전달하기 위한 다수의 제 2 유입구를 포함하며, 상기 저항 영역은 다공성이고, 상기 반응 영역은 상기 제 1 가스 반응물 및 제 2 가스 반응물에 대하여 저항 영역의 하류에 위치되며, 상기 제 1 공급 수단 및 제 2 공급 수단은 제 1 가스 및 제 2 가스가 본질적으로 병류로 접촉되어 저항 영역에 접촉하기 전에 혼합되도록 배치된다. 본 발명은 또한 상기 장치를 사용하여 모노올레핀을 생산하기 위한 방법을 제공한다.

Description

자동 열분해 반응기 {AUTO THERMAL CRACKING REACTOR}
본 발명은 자동 열분해에 의한 올레핀의 생산에 적절한 반응기 (reactor) 에 관한 것이다.
자동 열분해는 잘 알려진 올레핀 생산 공정이다. 그 공정의 일 예는 EP-A-0 332 289 에 기재되어 있다. 이 공정에서, 탄화수소 및 산소 함유 가스는 가연성의 연료 농후 한계를 넘어 연소를 지지할 수 있는 촉매와 접촉된다. 탄화수소는 부분적으로 연소되고, 생성된 열은 탄화수소 공급물을 탈수소 처리시켜 올레핀으로 만드는데 사용된다.
자동 열분해 공정에서, 탄화수소 및 산소 함유 가스는 촉매와 접촉하기 전에 균일하게 혼합되어 예열될 수 있다. 그러나, 만일 가연성 제약으로 인해 높은 압력에서 공정을 수행하는 것이 요구된다면 탄화수소 및 산소 함유 가스를 혼합하고 예열하는 것은 문제가 된다. 따라서, 고온 가스 반응물들의 혼합물을 형성하는 것과 그 혼합물을 촉매에 접촉하는 것 사이의 시간을 줄이는 것이 바람직할 수 있다.
도 1 은 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 장치를 나타내고 있고,
도 2a 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 장치에 대한 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브의 혼합된 형상의 일부분을 개략적으로 나타내고 있으며, 및
도 2b 는 본 발명의 제 2 실시형태에 따른 장치의 일 측면도를 개략적으로 나타내고 있다.
본 발명은 자동 열분해 공정이 임의의 적절한 압력에서 이루어질 수 있는 반응기 구조를 제공하고, 이에 의하면 가스 반응물은 혼합 전에 별도로 예열되어 균일하게 분산되어 반응영역에 나타난다.
따라서, 본 발명은 제 1 가스 반응물과 제 2 가스 반응물을 반응시켜 가스 생성물을 형성시키는 장치를 제공한다.
본 발명의 장치는 제 1 가스 반응물을 위한 1 이상의 제 1 공급 수단과 제 2 가스 반응물을 위한 1 이상의 제 2 공급 수단과 저항 영역 및 바람직하게 촉매를 포함하는 반응 영역을 포함하고,
본 발명에서 제 1 공급 수단은 제 1 가스 반응물의 전달을 위한 다수의 제 1 유출구 (outlet) 를 포함하며, 및 제 2 공급 수단은 제 2 가스 반응물의 전달을 위한 다수의 제 2 유출구를 포함하고,
상기 저항 영역은 다공성이며, 제 1 및 제 2 가스 반응물의 흐름에 대하여 제 1 및 제 2 공급 수단의 하류에 위치되며, 제 1 및 제 2 공급 수단과 유체 소통 가능하게 연결되어 있고,
상기 반응 영역은 제 1 및 제 2 가스 반응물의 흐름에 대하여 저항 영역의 하류에 위치되며, 저항 영역과 유체 소통 가능하게 연결되어 있고,
본 발명에서 상기 제 1 공급 수단 및 제 2 공급 수단은 제 1 가스 및 제 2 가스가 저항 영역에 접촉하기 전에 본질적으로 병류 방식으로 접촉하여 혼합되도록 배치된다.
바람직하게, 제 1 공급 수단은 제 1 가스 반응물을 1 이상의 제 1 메니폴드 (manifold) 에 공급하기 위한 1 이상의 제 1 유출구와 제 1 가스 반응물의 전달을 위해 제 1 메니폴드에서 나가는 다수의 제 1 유출구를 포함하며, 제 2 공급 수단은 1 이상의 제 2 메니폴드에 제 2 가스 반응물을 공급하기 위한 1 이상의 제 2 유입구와 제 2 가스 반응물의 전달을 위해 제 2 메니폴드에서 나가는 다수의 제 2 유출구를 포함한다.
상기 장치는 상기 반응영역의 횡단면의 제곱미터당 100 개 이상, 바람직하게는 500 개 이상, 가장 바람직하게는 1000 개 이상의 제 1 유출구 및 제 2 유출구를 적절히 포함한다.
상기 제 1 및 제 2 공급 수단은 제 1 및 제 2 가스가 본질적으로 병류 방식으로 접촉되도록 배치된다. 여기서 "본질적으로 병류 방식" 은 제 1 가스 및 제 2 가스가 접촉할 때 그 두 가스가 반대 방향 또는 상대 접선 방향으로 흐르지 않고 축 방향과 같이 본질적으로 동일한 방향으로 흐른다는 것을 의미한다. 가스가 예컨대, 접선 방식이 아닌 본질적으로 병류 방식으로 접촉하면, 가스가 처음으로 접촉하는 영역 (혼합은 아직 완료되지 않았으며 존재하는 가스의 조성은 크게 변할 수 있음) 에서 난류가 감소된다.
난류는 반응기 내에서의 혼합 가스의 잔류 시간을 증가시킬 수 있으며, 이는 가연성 문제 발생의 위험성을 증가시킨다. 어떤 경우에는, 수직 방식으로 상기 가스를 접촉시키면 접촉 영역에 가까이에서 가연성 가스 혼합물을 함유하는 저유동 영역 또는 정체 영역이 발생할 수 있다. 본 발명에 따라 가스를 본질적으로 병류 방식으로 접촉시키면 저유동 혼합 가스 영역의 발생 가능성이 줄어들어 가연성 문제의 발생 가능성이 줄어든다.
본 발명의 제 1 실시형태에서, 접촉/혼합 구조는 한 공급 수단을 다른 공급 수단 내에 배치하고 안에 있는 공급 수단의 적어도 일부분에 적절한 구멍을 제공함으로써 얻어지며, 이렇게 해서 한 가스 반응물이 상기 구멍을 통과하여 다른 가스 반응물과 접촉하게 된다.
바람직하게는, 상기 본 발명의 제 1 실시형태에 따른 장치에서,
제 1 공급 수단은 제 1 가스 반응물을 1 이상의 제 1 메니폴드에 공급하기 위한 1 이상의 제 1 유입구와 그 제 1 가스 반응물의 전달을 위해 상기 제 1 메니폴드에서 나가는 다수의 분사 튜브를 포함하고, 제 2 공급 수단은 제 2 가스 반응물을 1 이상의 제 2 메니폴드에 공급하기 위한 1 이상의 제 2 유입구와 그 제 2 가스 반응물의 전달을 위해 상기 제 2 메니폴드에서 나가는 다수의 도관 (conduit) 을 포함하며,
여기서 제 2 메니폴드는 제 1 가스 반응물의 유동에 대하여 제 1 메니폴드의 하류에 위치되고,
저항 영역은 다공성이며, 제 1 및 제 2 가스 반응물의 유동에 대해서 제 2 메니폴드의 하류에 위치되고, 제 2 메니폴드에서 나가는 도관과 유체 소통 가능하게 연결되어 있으며,
반응 영역은 제 1 및 제 2 가스 반응물의 유동에 대해서 상기 저항 영역의 하류에 위치되고,
각 도관은 상기 제 2 메니폴드에서 나가는 상류 단부 및 저항 영역과 유체 소통 가능하게 연결된 하류 단부를 포함하고, 상기 제 1 메니폴드에서 나가는 분사 튜브는 제 2 메니폴드를 통과하여 축방향으로 상기 도관의 상류 단부 안에 들어가 있다.
유익하게도, 제 1 실시형태의 장치는, 통상적으로 제 2 메니폴드에서 나가는 다수의 도관의 하류 단부를 냉각시키기 위해 상기 다수의 도관의 하류 단부와 접촉하는 제 1 냉각 영역을 포함한다.
또한, 상기 제 1 실시형태의 장치는 통상적으로 가스 생성물이 반응 영역을 나가면서 냉각될 수 있도록 그 반응 영역의 하류에 위치하는 생성물 냉각 영역을 포함한다.
본 발명의 제 1 실시형태에서, 바람직하게, 상기 제 1 메니폴드는 제 1 챔버 (chamber) 이고, 상기 제 2 메니폴드는 제 2 챔버이며, 제 1 챔버에서 나가는 분사 튜브는 제 2 챔버를 통과하여 제 2 메니폴드에서 나가는 다수의 도관의 상류 단부 안으로 뻗은 다수의 긴 통로를 형성한다.
상기 제 1 챔버 및 제 2 챔버의 부피는 특별히 중요하지는 않다. 그러나, 바람직한 실시형태에서, 그 제 1 챔버 및 제 2 챔버의 부피는 안전상 이유로 비교적 작게 된다. 전형적으로, 반응기 직경이 600 mm 일 때 상기 제 1 챔버의 부피는 통상적으로 5 리터 ~ 100 리터, 바람직하게는 10 리터 ~ 40 리터, 더욱 바람직하게는 15 리터 ~ 25 리터, 예컨대 22 리터 이다. 이 챔버 (chamber) 들의 부피는 반응기의 단면적 (즉, 지름의 제곱) 에 비례할 것이다.
전형적으로, 그 반응기 지름이 600 mm 일 때 상기 제 2 챔버의 부피는 통상적으로 20 리터 ~ 200 리터, 바람직하게는 30 리터 ~ 100 리터, 더 바람직하게는 40 리터 ~ 80 리터, 예컨대 50 리터이다.
상기 제 1 실시형태의 장치는 통상적으로 동일한 수의 분사 튜브 및 도관을 포함하며, 각 분사 튜브는 대응하는 도관 안에 들어가 있다.
바람직하게, 상기 장치는 반응 영역의 횡단면의 제곱미터당 100 개 이상, 바람직하게는 500 개 이상, 가장 바람직하게는 1000 개 이상의 분사 튜브를 포함한다.
그 분사 튜브가 도관 안에 들어갈 수 있도록, 도관 안에 들어가는 분사 튜브의 외경은 도관의 내경보다 작다. 정확한 외경은 본 발명에 있어 중요하지 않지만, 통상적으로 분사 튜브는 2.0 mm ~ 5.0 mm, 예컨대 4.0 mm 의 외경을 갖는다. 그 분사 튜브는 제 2 챔버를 관통하기에 충분한 길이 (즉, 전형적으로 170 mm 보다 큰 길이) 를 갖는다.
메니폴드로부터 멀리 떨어진 각각의 분사 튜브의 단부에서, 제 1 가스 반응물은 적절한 구멍, 바람직하게는 노즐을 통해서 튜브를 빠져 나갈 수 있고, 상기 노즐의 직경은 그 분사 튜브의 외경보다 작으며, 바람직하게는 0.5 mm ~ 3.0 mm 이고 예컨대 1.0 mm ~ 2.0 mm 이다. 노즐이 있을 시, 바람직하게 노즐은 이 노즐이 있는 곳 이외의 분사 튜브의 내경보다 작은 지름을 가지므로, 만일 분사 튜브의 내경이 상기 분사 튜브의 상당 부분의 길이에 대해 이 크기라면 얻어질 압력 강하 특성을 제공하지 않고, 모든 주입 튜브로부터 균일한 유량을 얻는데 도움이 되는 축소부가 제공된다.
보통 도관은 1 mm ~ 10 mm, 바람직하게는 2 mm ~ 8 mm, 예컨대 7 mm 의 내경을 가지며, 50 mm ~ 500 mm 의 길이, 바람직하게는 100 mm ~ 300 mm 의 길이, 예컨대 210 mm 의 길이를 갖는다. 그 도관은 삼각형 또는 사각형과 같은 대칭적인 형상으로 배치될 수 있다.
상기 주입 튜브의 구멍, 예컨대 노즐의 지름에 대한 상기 도관의 내경의 비는 적절하게는 2:1 ~ 10:1, 예컨대 3:1 ~ 5:1 이 있다.
제 1 공급 수단의 분사 튜브가 제 2 공급 수단의 메니폴드를 통해 신장하는 곳에서 각 분사 튜브에는 분사 튜브 (외부 튜브 내의 내부 튜브를 형성함) 주위에 외부 튜브가 제공될 수 있다. 제 2 가스 반응물이 제 1 가스 반응물 (내부 튜브의 내면을 따라서 지나감) 과 온도가 다를 때, 그 외부 튜브는 상기 제 2 가스 반응물로부터 단열을 제공한다.
다른 바람직한 실시형태에서, 분사 튜브가 도관의 상류 단부에서 그 도관에 들어가 있는 지점에서 또는 그 지점 가까이에서 (즉, 제 2 메니폴드 가까이에서) 분사 튜브의 외부 표면과 도관의 내부 표면 사이에 적절한 유동 제한기가 제공된다. 이 유동 제한기는 상기 분사 튜브 및/또는 상기 도관에 위치될 수 있으며, 저항을 주므로써 그 제한기는 각각의 도관 안으로 들어가는 제 2 가스 반응물의 유량을 균일하게 하는데 도움을 준다. 유동 제한기를 통과하거나 지나갈 때 도관에서 최대 속도를 갖는 제 2 가스 반응물의 속도가 제 1 가스 반응물과 섞일 때 그 최대 속도에서 감소되도록, 이 유동 제한기는 제 1 분사 튜브의 유출구로부터 멀리 위치되어야 한다. 바람직하게, 이 제한영역을 지나는 유동의 압력 강하는 분사 튜브 끝에 다른 제한영역 또는 노즐을 통한 제 1 가스 반응물의 압력 강하와 유사한 상황이다 (각각 1 bar 및 0.5 bar 와 같음). 이러한 상황은 반응 영역을 들어가는 반응물의 비율이, 반응 영역 또는 피드 (feed) 에서 압력에 작은 진동이 있을 때, 유사함을 보장한다. 최적의 수율을 위해서 제 2 가스 반응물에 대해 노즐 지름 및 유동 제한기에 대한 허용한계는 가스 혼합 농도가 5% 까지만 변하도록 되어야 한다.
전형적으로, 5 mm ~ 40 mm, 바람직하게는 10 mm ~ 30 mm, 가장 바람직하게는 15 mm ~ 25 mm, 예컨대 20 mm 의 길이로 분사 튜브가 축방향으로 도관 안에 들어가 있다.
제 1 실시형태의 장치가 제 1 냉각 영역을 포함함에 있어서, 그 제 1 냉각 영역은 바람직하게 상기 도관의 하류 단부의 외부 표면과 냉각 유체를 접촉시키므로써 제공된다. 전형적으로, 그 도관의 외부 표면적의 10 % ~ 20 % 가 상기 냉각 유체와 접촉될 수 있다.
본 발명의 제 2 실시형태에서, 접촉/혼합 구조는 제 1, 2 공급 수단에 의해 제공되며, 상기 제 1 공급 수단은 제 1 가스 반응물을 1 이상의 제 1 메니폴드에 공급하기 위한 1 이상의 제 1 유입구 및 상기 제 1 가스 반응물을 전달하기 위해 제 1 메니폴드에서 나가는 다수의 제 1 분사 튜브를 포함하고, 상기 제 2 공급 수단은 제 2 가스 반응물을 1 이상의 제 2 메니폴드에 공급하기 위한 1 이상의 제 2 유입구 및 상기 제 2 가스 반응물을 전달하기 위해 제 2 메니폴드에서 나가는 다수의 제 2 분사 튜브를 포함하며, 각 분사 튜브는 메니폴드로부터 떨어져 있는 단부에서 출구를 가지며, 이 출구는 1 ㎟ 이하의 단면 개구를 가지며, 제 1 주입 튜브 및 제 2 주입 튜브로부터의 출구는 혼합형으로 되어있다.
여기서 혼합형이란 말은 다수의 제 1 분사 튜브의 출구가 다수의 제 2 분사 튜브의 출구의 사이에서 분산되어 있거나 그리고/또는 그 반대의 경우를 의미한다. 따라서, 예컨대 제 2 분사 튜브보다 제 1 분사 튜브가 더 많이 있는 상기 제 2 분사 튜브의 출구가 상기 제 1 분사 튜브의 출구 사이에서 갈라져 있어서, 제 2 분사 튜브의 출구에 대한 최적 형상은 각각의 제 2 분사 튜브가 가장 가까이에 1 이상의 제 1 분사 튜브의 출구를 갖도록 되어 있을 것이다.
바람직하게, 미터당 모두 10000 개 이상의 제 1 튜브 및 제 2 튜브가 있다. 이러한 수의 혼합 튜브를 사용함으로써 상기 튜브의 유출구에서 신속한 혼합이 이루어진다.
저항 영역으로 제 1 가스 반응물 및 제 2 가스 반응물의 최적의 전달에 대해서, 제 2 실시형태의 분사 튜브로부터의 출구는 모두 반드시 평면 형태로 위치되어야 한다.
상기 제 1 분사 튜브의 출구는 삼각형, 정사각형, 직사각형 또는 육각형과 같은 대칭적 패턴으로 배치될 수 있고, 그리고/또는 상기 제 2 분사 튜브의 출구도 삼각형, 정사각형, 직사각형 또는 육각형과 같은 대칭적 패턴으로 배치될 수 있다.
이 제 2 실시형태에서, 상기 출구의 단면은 삼각형, 직사각형, 정사각형, 육각형, D-형상, 타원형 또는 원형과 같은 임의의 적절한 모양을 취할 수 있다.
상기 가스의 혼합은 튜브의 수가 증가되고, 그 튜브 출구의 단면 개구가 감소될 때 더욱 신속히 이루어질 수 있다.
따라서, 본 발명의 제 2 실시형태의 바람직한 일 태양에서, 각각의 분사 튜브는 메니폴드에서 떨어진 단부에서 출구를 가지며 이 출구는 0.5 ㎟ 이하의 단면 개구를 갖는다. 더 바람직하게 상기 출구는 0.2 ㎟ 이하, 특히 0.1 ㎟ 이하의 단면 개구를 갖는다. 바람직하게, 상기 출구는 0.004 ㎟ 이상의 단면 개구를 갖는다.
하나의 반응물에 대한 분사 튜브의 출구는 크기나 모양에서 변할 수 있지만 동일한 것이 바람직하다. 유사하게, 제 2 가스 반응물에 대한 출구의 크기와 양은 제 1 가스 반응물에 대한 출구와 다를 수 있거나 같을 수 있다.
가장 바람직하게는, 상기 출구는 0.01 ㎟ ~ 0.05 ㎟ 의 단면 개구를 가지며 반원형과 같은 D-형상이다.
상기 제 2 실시형태의 장치는 각각 상기 제 1 가스 반응물 및 제 2 가스 반응물의 전달을 위한 동일한 수의 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브를 포함할 수 있다. 또는, 각 가스 반응물의 전달을 위한 분사 튜브의 상대적인 개수는 다를 수 있는데, 예컨대 각 가스 반응물의 전달을 위한 분사 튜브의 상대적인 개수는 전달될 각 가스 반응물의 상대적인 양에 비례할 수 있다. 그러나, 튜브의 개수들 사이에 관계는 본 발명에 있어서 중요하지 않고, 예컨대 각각의 분사 튜브를 빠져나가는 제 1 가스 반응물 및 제 2 가스 반응물의 속도는 다를 수 있고, 바람직하게는 다르다. 특히, 각각의 제 1 가스 반응물 및 제 2 가스 반응물에 대하여 유량이 다르면 각 반응물에 대한 고정된 수의 주입 튜브를 이용하여 얻어지는 제 1 가스 반응물 및 상기 제 2 가스 반응물의 비가 다르게 된다.
바람직하게, 반응물 중 어느 하나, 더 바람직하게는 가장 작은 분자량을 갖는 반응물은 나머지 다른 반응물이 다른 분사 튜브를 빠져나가는 것보다 더 빠른 속도로 일군의 분사 튜브를 빠져나간다. 예를 들면, 어느 하나의 반응물에 대한 분사 튜브의 크기 및 개수는 출구 속도의 비가 적어도 10:1 이 되도록 이루어질 수 있는데, 예컨대 그 속도가 10 m/s 보다 작도록 어느 하나의 반응물에 대한 분사 튜브의 개수 및 크기가 이루어질 수 있는 반면에, 나머지 다른 하나의 반응물의 출구 속도는 적어도 100 m/s 이다. 상기 분사 튜브를 빠져나갔던 결합 유동의 평균 속도는 3 m/s 일 수 있다.
출구 튜브의 단면 개구가 감소함에 따라, 반응 영역의 횡단면의 단위 면적당 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브의 개수는 증가할 수 있다. 따라서, 상기 제 2 실시형태의 장치는 반응영역의 횡단면의 제곱미터당 100000 개 이상, 예컨대 1000000 개 이상, 바람직하게는 4000000 개의 분사 튜브 (제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브의 총합) 를 포함할 수 있다.
유사하게, 하나의 출구와 그 출구와 이웃하는 출구 사이의 거리는 그 출구 튜브의 단면 개구가 감소하고 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브의 개수가 증가함에 따라 또한 줄어들 것이다. 따라서, 상기 제 2 실시형태에서 하나의 출구와 그것에 가장 가깝게 인접하는 출구 사이의 거리는 2000 미크론보다 작을 수 있고, 바람직하게는 1000 미크론보다 작을 수 있으며, 더 바람직하게는 100 ~ 500 미크론 범위 내에 있을 수 있다. 바람직하게 이웃하는 튜브들 사이의 거리는 출구의 개구를 가로질러 최대 치수를 1/2 배 ~ 2 배 범위 내에서와 같은 그 출구들 간의 거리와 유사한 치수를 갖는다.
본 발명의 제 2 실시형태에 따라 상대적으로 작은 출구 구멍을 갖는 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브의 혼합형 배치를 사용함으로써, 각각의 제 1 가스 전달체 및 제 2 가스 전달체의 전달을 위해, 그 가스 반응물들의 빠른 혼합이 이루어진다. 전형적으로, 0.5 ㎟ 이하의 단면 개구를 포함하는 출구를 갖는 혼합형 배치를 사용함으로써, 적절한 혼합이 상기 분사 튜브의 출구에서 5 mm 보다 작은 거리에서 이루어질 수 있어서, 가스를 짧은 시간 안에 짧은 공간에서 저항 영역과 혼합시킬 수 있고 접촉시킬 수 있다.
제 2 실시형태의 장치는 보통 반응영역의 하부에 생성물 냉각영역을 포함하므로, 가스 생성물는 그 반응영역을 빠져나가는 동시에 냉각될 수 있다.
바람직하게, 본 발명의 제 2 실시형태에서, 각각의 제 1 가스 성분 및 제 2 가스 성분이 다수의 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브로 들어오고 빠져나가면서, 제 1 메니폴드는 제 1 챔버를 포함하고 제 2 메니폴드는 제 2 챔버를 포함한다. 1 ㎟ 이하의 단면 개구를 포함하는 출구를 갖는 분사 튜브는 확산 결합벽에서 통로로서 바람직하게 형성된다. 에칭된 금속 구조층의 확산 결합에 의해 형성된 확산 결합벽은 열교환 용도로 알려져 있고, 예컨대 2003년 4월 뉴욕주 로체스터, 마이크로채널 (microchannel) 및 미니채널 (minichannel) 에 대한 제 1 회 국제 컨퍼런스; 저자 Pua,L.M. & Rumbold, S.O. 의 "산업용 마이크로채널 장치 - 오늘날 우리는 어디에 있는가?" 에 일반적으로 기재되어 있다.
본 발명에서 확산 결합 기술의 사용은 다수의 통로가 제 1 챔버 및 제 2 챔버를 각각 다수의 제 1 출구 및 제 2 출구에 연결하도록 하며, 그 출구는 본 발명의 제 2 실시형태의 분사 튜브를 형성하기 위해 요구되는 혼합형으로 존재한다.
제 1 실시형태에서, 제 1 챔버 및 제 2 챔버의 부피는 특별히 중요하지 않지만, 바람직하게는 제 2 실시형태에서 제 1 챔버 및 제 2 챔버는 안전상 이유로 비교적 작도록 형성된다.
본 발명의 절차에 따라 혼합 후, 제 1 실시형태 또는 제 2 실시형태의 장치에 의해서 또는 그 밖의 다른 장치에 의해서, 그 혼합된 제 1 가스 반응물 및 제 2 가스 반응물은 제 1 공급수단 및 제 2 공급수단의 하부에 위치된 저항 영역과 접한다.
그 저항 영역은 구멍이 많다. 그 다공성의 저항 영역의 투과성은 액체 반응물이 그 저항 영역을 통과할 때 액체 반응물의 분산을 보장한다. 상기 액체는 옆으로 뿐만 아니라 축방향 (저항 영역을 통해 반응물 흐름의 일반적인 방향임) 으로 채널망을 통해 이동하고, 실질적으로 저항 영역의 단면적에 일정하게 분포된 저항 영역을 나간다.
바람직하게, 상기 저항 영역은 축방향 만큼 측면부로 투과할 수 있다. 더 바람직하게, 상기 저항 영역은 어떤 다른 방향에서의 투과성에 0.2 배 ~ 5 배인 어떤 방향에서 투과성을 갖는 것과 같은 어떤 방향에서 실질적으로 동일한 투과성을 갖는다.
다공성 매개체의 투과성을 결정하기 위한 방법은 알려져 있다. 저항 영역을 통한 단위 길이당 압력 구배 또는 압력 강하는 그 압력 구배가 관성저항계수와 동압력과의 적 (product) 과 같은 관성저항계수을 사용하여 정의될 수 있다. 그 동압력은 유체밀도와 공탑속도의 제곱의 1/2 적이고, 압력 단위를 갖는다. 상기 관성저항계수는 상당하는 길이의 단위를 갖는다. 상기 저항 영역은 보통 미터당 500 ~ 10000 의 평균 관성저항계수 (즉, 모든 방향에 대해 평균화됨), 바람직하게는 미터당 2000 ~ 4000, 더 바람직하게는 미터당 2500 ~ 3500, 예컨대 미터당 3250 을 갖는다.
상기 저항 영역은 다공성 금속 구조로 형성될 수 있지만, 바람직하게는 그 다공성 재료가 비금속, 예컨대 세라믹 재료이다. 적절한 세라믹 재료는 리듐알루미늄규산염 (LAS), 알루미나 (α-Al2O3), 산화이트륨 안정화된 지르코니아 (yttria stabilised zirconia), 알루미나 티탄산염 (alumina titanate), 니아스콘 (niascon), 및 칼슘 지르코닐 인산염 (calcium zirconyl phosphate) 을 포함한다. 바람직한 다공성 재료는 감마알루미나 (gamma alumina) 이다.
제 1 실시형태에서 도관의 끝부분에서 저항 영역과, 제 2 실시형태에서 튜브의 출구의 거리는 바람직하게 20 mm 보다 작고, 더 바람직하게는 1 mm ~ 10 mm 이며, 더 바람직하게는 1.5 mm ~ 5 mm, 가장 바람직하게는 2 mm 이다.
상기 반응 영역이 지지 촉매를 포함하는 점에 있어서, 바람직하게 저항 영역에서의 다공성 재료는 지지 촉매로서 사용된 다공성 재료와 같을 수 있다. 그 다공성 재료는 구 형태, 다른 입상 모양 또는 세라믹 거품 형태로 이루어져 있을 수 있다. 상기 반응 영역은 연속적인 다채널 구조를 제공하는 단일체 형태로 지지 촉매를 포함할 수 있다.
저항 영역에서의 다공성 재료에 대해, 작은 구멍의 바람직하게는 70 % 이상, 더 바람직하게는 80 % 이상 및 가장 바람직하게는 90 % 이상은 5.0 mm 보다 작은 구멍 폭, 예컨대 보통 0.1 mm ~ 3.0 mm, 바람직하게는 0.2 mm ~ 2.0 mm, 가장 바람직하게는 0.5 mm ~ 1.5 mm 를 갖는다.
전형적으로 저항 영역은 제곱 인치당 10 ~ 60 개의 구멍, 바람직하게는 20 ~ 50 개의 구멍, 가장 바람직하게는 30 ~ 45 개의 구멍을 갖는다.
통상적으로 상기 저항 영역의 깊이는 5 mm ~ 100 mm 이지만, 바람직하게는 10 mm ~ 50 mm 이다.
통상적으로 반응영역은 10 mm ~ 200 mm 의 깊이를 갖지만, 바람직하게는 20 mm ~ 100 mm, 예컨대 60 mm 의 깊이를 갖는다. 바람직하게 그 반응 영역은 촉매를 포함한다.
(상기 저항 영역과 반응영역의 깊이는 반응물 가스의 흐름 방향에서 측정된다. 일반적으로, 가스의 유량이 접촉시간을 결정하기 때문에, 바람직한 깊이는 그 반응물 가스의 유량에 의해 정의되고, 가장 실제적인 목적으로 가스흐름 방향에서 측정된 다른 크기 때문에 반응기 단면에 무관하다.
촉매가 적절하게 사용될 때, 그 촉매는 지지 백금족 금속이다. 바람직하게, 그 금속은 백금 또는 팔라듐이거나, 그것들의 혼합이다.
지지 재료의 광대한 범위가 활용될지라도, 그 지지 재료로서 알루미나를 사용하는 것은 바람직하다. 그 지지 재료는 구 형태, 다른 입상 모양 또는 세라믹 거품 형태로 이루어질 수 있다. 바람직하게, 그 지지 재료는 종종 벌집 모양인 연속 다채널 세라믹 구조를 이루는 단일체이다. 촉매로 활성 금속에 대한 바람직한 지지 재료는 감마 알루미나이다. 그 지지재료는 당업자에 잘 알려진 종래 방법에 의한 백금 및 팔라듐의 혼합으로 하중을 받는다. 그리고나서 그 결과로 초래된 복합물질은 사용하기 전에 1200 ℃ 로 열처리된다.
촉매 촉진제가 또한 상기 지지 재료에 하중을 받을 수 있다. 적절한 촉진제는 구리 및 주석을 포함한다.
촉매는 보통 촉매 바스켓 (basket) 과 같은 적절한 홀더 (holder) 내에 반응기에서 지지된다. 바람직하게, 가스가 상기 촉매와 홀더 사이의 촉매를 지나치는 것을 막기 위해, 촉매와 홀더 사이의 공간은 적절한 실링 (sealing) 재료가 체워진다. 적절한 실링 재료는 인공 광물면, 예컨대 세라믹 직물을 포함하고, 홀더 내에 촉매의 에지 주위에 둘러 싸여질 수 있다. 뿐만 아니라, 이 실링을 돕기 위해, 주된 지지 촉매 재료에 유사한 재료들로 상기 촉매의 에지 주위에 코팅될 수 있다.
상기 장치는 반응영역의 하부에 생성물 냉각 영역을 포함할 수 있어서, 가스 생성물은 그 반응영역을 빠져나가는 순간 냉각될 수 있다. 상기 생성물 냉각 영역은 응축물을 반응영역을 빠져나가는 생성물 스트림으로 분사할 수 있는 1 이상의 분사 노즐에 의해 제공될 수 있다.
바람직하게, 제 1 메니폴드 및 제 2 메니폴드, 분사 튜브, (만일 있다면) 도관, 저항 영역 및 반응영역을 위한 하우징은 금속, 예컨대 강 (steel) 이다. 순수 산소가 가스 반응물로서 사용되고, 산소와의 반응을 저항하는 합금에서/으로 그 산소를 접할 수 있는 장치의 일부 또는 모두를 만들거나 코팅하는 것은 필수적일 수 있다. 그 산소의 온도가 높거나 및 그 산소가 높은 속도 하에 있을 때, 산소와의 반응은 더 쉽게 일어난다. 적절한 합금은 모넬 (monel) 을 포함한다.
상기 반응영역의 바로 아래에 있고, 그 반응으로부터 생성물의 온도가 높은, 바람직한 구성 재료는 인코넬 (Inconel), 헤스텔로이 (Hastelloy) 또는 파렐로이 (Paralloy) 와 같은 높은 니켈 합금이다. 그 금속은 1 이상의 다음 기술, 즉 정적 주조 (static casting), 회전 주조 (rotational casting), 단조 (forging), 기계가공 및 용접에 의해 성형될 수 있다.
상기 장치는 반응영역의 바로 아래부분의 장치에 대한 열 응력을 줄이기 위한 적절한 열 슬리브 (sleeve) 를 포함한다. 열 응력은 상대적으로 빠른 온도 변화가 있는 곳에서 발생할 수 있고, 빠른 증가 또는 감소는 장치 내부, 예컨대 시장 또는 중지에서 발생한다. 그 장치 벽의 내부 표면은 빠르게 가열되거나 냉각되지만, 그 외부 표면은 그 장치 벽 (예컨대, 장치의 내외부 간의 압력차에 대처하기 위해 상대적으로 두꺼움) 에 대해 응력을 제공하면서 더 천천히 가열되거나 냉각된다. 상기 장치의 벽에 유사한 재료일 수 있는, 두께가 얇은 재료인 슬리브의 사용은 상기 장치 내부에 열 슬리브로서 그 벽의 내부표면에 충격을 가하는 온도 변화율을 줄여서, 열 응력을 감소시킨다.
유익하게, 상기 장치는 가스 공급원료를 부분적으로 산화시키기 위해 사용된다. 바람직하게, 제 1 가스 반응물은 산소를 포함한 가스이며, 제 2 가스 반응물은 가스 파라핀 탄화수소이다.
본 발명은 또한 전술한 장치를 이용하여 모노올레핀을 생산하기 위한 절차를 제공한다.
따라서, 제 1 실시형태의 장치를 사용하여, 본 발명은 모노올레핀을 생산하기 위한 절차를 제공하고, 상기 절차는
제 1 메니폴드로 산소를 포함한 가스를 통과시켜 다수의 분사 튜브를 거쳐 산소를 포함한 가스를 다수의 도관으로 분사하는 것,
제 2 메니폴드를 거쳐 가스 파라핀 탄화수소를 다수의 도관으로 통과시키는 것이며, 그 가스 파라핀 탄화수소는 반드시 평행한 방식으로 접촉되어 산소를 포함한 가스와 혼합되고,
그 가스 혼합물을 다공성 저항 영역을 거쳐 반응영역으로 통과시켜, 모노올레핀을 생산하기 위해, 부분적으로 그 반응영역에서, 바람직하게는 가연성의 연료 풍부 제한치를 초과하여 연소를 지지할 수 있는 촉매 앞에서 그 가스 혼합물을 연소시키는 것을 포함한다.
제 2 실시형태의 장치를 이용하여, 본 발명은 모노올레핀을 생산하기 위한 절차를 제공하고, 상기 절차는
산소를 포함한 가스를 1 이상의 제 1 메니폴드를 거쳐 1 이상의 제 1 유입구에서 다수의 제 1 분사 튜브로 통과시키고, 가스 파라핀 탄화수소를 1 이상의 제 2 메니폴드를 거쳐 1 이상의 제 2 유입구에서 다수의 제 2 분사 튜브로 통과시키며, 그 가스 혼합물을 다공성 저항 영역을 거쳐 반응영역으로 통과시켜, 모노올레핀을 생하기 위해, 부분적으로 그 가스 혼합물을 반응영역에서, 바람직하게는 가연성의 연료 풍부 제한치를 초과하여 연소를 지지할 수 있는 촉매 앞에서 연소시키는 것을 포함한다.
모노올레핀을 생산하기 위한 바람직한 절차는 전술한 바람직한 기능을 갖는 장치를 이용하는 것이다. 따라서, 예컨대 제 2 실시형태의 장치를 이용하는 절차에 대한 바람직한 장치는, 각 분사 튜브가 0.5 ㎟ 이하의 단면 개구를 갖는 메니폴드에서 멀리 떨어진 끝 부분에 출구를 갖도록 되어있다. 바람직하게는 그 출구는 0.2 ㎟ 이하, 더 바람직하게는 0.1 ㎟ 이하의 단면 개구를 갖는다.
가스 파라핀 탄화수소를 포함한 공급원료에서 모노올레핀을 생산하기 위한 절차에서, 파라핀 탄화수소는 에탄, 프로판 또는 부탄이 적합할 수 있다. 그 파라핀 탄화수소는 상당히 순수하거나 다른 탄화수소 및 임의로 다른 물질, 예컨대 메탄, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 증기 또는 수소와 혼합할 수 있다. 나프타, 가스오일, 진공가스오일, 또는 그것들의 혼합물질과 같은 파라핀 탄화수소를 포함한 기타 물질은 사용될 수 있다. 적절한 공급원료는 천연 가스에서 메탄의 분리에서 기인한 가스 파라핀 탄화수소의 혼합물질이고, 주로 에탄을 포함한 혼합물질이다. 바람직한 공급원료는 모노올레핀과 같은 주로 에틸렌을 포함한 생성물을 제공하는 주로 에탄을 포함한 파라핀 탄화수소이다.
산소를 포함한 가스로서, 산소 또는 공기 중 어느 하나를 적절히 사용될 수 있다. 임의로 불활성 가스, 예컨대 질소로 희박해진 산소를 사용하는 것은 바람직하다. 일산화탄소 및 물에 완전 연소를 위해, 산소를 포함한 가스 혼합물질에 대한 가스 파라핀 탄화수소의 비율은 산소를 포함한 가스에 대한 탄화수소의 화학량론 비의 5 배 ~ 20 배이다. 그 바람직한 연소는 산소를 포함한 가스에 대한 탄화수소의 화학량론 비가 5 배 ~ 10 배이다.
상기 장치가 어느 압력에서, 예컨대 0 barg ~ 100 barg 에서 사용될 수 있어도, 그 장치는 특히 높은 압력에서 유용하다. 제 1 유입구 및 제 2 유입구에서의 압력은 바람직하게는 10 barg ~ 50 barg, 가장 바람직하게는 20 barg ~ 40 barg, 유익하게는 25 barg ~ 35 barg, 예컨대 30 barg 이다.
상기 산소를 포함한 가스는 대기 온도에서 공급될 수 있지만, 보통 50 ℃ ~ 150 ℃, 바람직하게는 80 ℃ ~ 120 ℃, 예컨대 100 ℃ 에서 예열된다. 그 산소를 포함한 가스는 도관으로 분사되거나 분사 튜브의 출구에서 화염이 안정화되지 못하도록 다수의 분사 튜브의 출구에서 분사된다. 특별히 본 발명의 제 1 실시형태에서, 상기 분사 튜브는 출구 속도를 증가시키기 위한 적절한 노즐에서의 끝에 있을 수 있다. 그 출구 속도는 통상적으로 30 m/s 보다 크고, 바람직하게는 50 m/s 보다 크며, 및 유익하게는 70 m/s 보다 크다.
상기 가스 파라핀 탄화수소는 보통 100 ℃ ~ 400 ℃, 바람직하게는 150 ℃ ~ 350 ℃, 예컨대 300 ℃ 로 예열되고, 도관으로 들어가거나 다수의 제 2 분사 튜브에서 나오며, 그 탄화수소는 산소를 포함한 가스와 직접적으로 혼합된다.
그 가스 파라핀 탄화수소는 보통 5 m/s 보다 크고, 바람직하게는 15 m/s 보다 크며, 및 유익하게는 20 m/s 보다 큰 속도로 도관을 들어가거나 다수의 제 2 분사 튜브를 빠져나간다.
제 1 실시형태에서, 분사 튜브를 빠져나가는 산소를 포함한 가스의 속도 및 도관으로 들어가는 가스 파라핀 탄화수소의 속도는, 바람직하게 적어도 1.5:1, 바람직하게는 3:1 및 가장 바람직하게는 4:1 과 같은 6:1 보다 작은 비를 갖는다. 이 비는 빠른 혼합을 보장한다.
제 2 실시형태에서, 제 1 분사 튜브를 빠져나가는 산소를 포함한 가스의 속도와 제 2 분사 튜브를 빠져나가는 가스 파라핀 탄화수소의 속도와의 비는 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브의 개수, 그 튜브들의 상대적인 크기 및 파라핀 탄화수소비에 대한 바라는 수소의 상대적인 비에 따를 것이지만, 바람직한 그 비는 적어도 0.1:1, 바람직하게는 적어도 1:1 및 가장 바람직하게는 적어도 5:1 이다. 통상적으로, 상기 산소를 포함한 가스의 출구 속도는 50 m/s 이상, 특별히 100 m/s 이상이다. 예컨대, 가스 파라핀 탄화수소를 위한 분사 튜브의 개수 및 크기는 상기 출구 속도가 10 m/s 보다 작도록 이루어질 수 있는 반면에, 산소를 포함한 가스를 위한 분사 튜브의 크기 및 개수는 상기 출구 속도가 100 m/s 이상이 되도록 이루어질 수 있으며, 상기 분사 튜브를 빠져나갔던 결합된 흐름의 평균 속도는 3 m/s 일 수 있다.
상기 가스 혼합의 온도는 보통 100 ℃ ~ 400 ℃, 바람직하게는 100 ℃ ~ 300 ℃, 예컨대 200 ℃ 이다. 상기 가스 파라핀 탄화수소를 도관 또는 제 2 분사 튜브에 통과시키는 것 뿐만 아니라, 다른 가스들, 예컨대 수소, 일산화탄소 및/또는 이산화탄소도 또한 도관 및 제 2 분사 튜브에 통과될 수 있다.
상기 제 1 실시형태에서, 상기 가스 혼합물은 상기 제 1 냉각 영역에 의해 냉각될 수 있으며, 물과 같은 냉매가 도관 하단부의 외부표면 주위를 지나간다. 그 도관의 하단부 냉각은 도관의 출구에 안정한 화염이 형성될 경우에 어떤 "플레임 크립 백 (flame creep back)" 에 대한 경향을 제거하는 도관의 국부적인 가열을 막는다.
상기 냉매의 온도는 통상적으로 20 ℃ ~ 200 ℃, 바람직하게는 80 ℃ ~ 120 ℃, 예컨대 100 ℃ 이다. 그 냉매 유동율은 냉매 온도 증가가 100 ℃ 보다 작고, 바람직하게는 50 ℃ 보다는 작으며, 가장 바람직하게는 30 ℃ 보다 작도록 조작된다.
제 1 냉각 영역은 가스 혼합물질의 온도를 10 ℃ 이상, 바람직하게는 20 ℃, 가장 바람직하게는 30 ℃ 이상까지 감소시킨다.
두 실시형태에서, 가스 혼합물질은 보통 평균 단면 속도 1.0 m/s ~ 10.0 m/s , 바람직하게는 2.0 m/s ~ 6.0 m/s, 가장 바람직하게는 2.5 m/s ~ 3.5 m/s 로 저항 영역을 지나간다.
상기 가스 혼합물질은 보통 속도 1.0 m/s ~ 10.0 m/s, 바람직하게는 2.0 m/s ~ 6.0 m/s, 가장 바람직하게는 2.5 m/s ~ 3.5 m/s 로 반응영역을 지나간다.
상기 저항 영역을 통한 압력 강하는 통상적으로 0.01 bar ~ 0.2 bar, 바람직하게는 0.05 bar ~ 0.1 bar, 예컨대 0.08 bar 이다.
상기 반응영역에서의 온도는 예컨대 보통 500 ℃ 보다 크고, 예컨대 650 ℃ 보다는 크고, 통상적으로는 750 ℃ 보다 크며, 바람직하게는 800 ℃ 보다 크다.
그 상한 온도 한계는 1200 ℃ 까지, 예컨대 1100 ℃ 까지, 바람직하게는 1000 ℃ 까지가 적절할 수 있다.
그 생성물은 800 ℃ 보다 크고, 예컨대 900 ℃ 보다 큰 온도에서 반응영역을 빠져나가며, 보통 10 barg ~ 50 barg, 가장 바람직하게는 20 barg ~ 40 barg, 유익하게는 25 barg ~ 35 barg, 예컨대 30 barg 의 압력에서 반응영역을 빠져나간다.
바람직하게, 상기 생성물은 생성물 냉각 영역에서 빠르게 냉각된다. 이것은 그 생성물 냉각 단계가 가스 생성물 스트림에서의 반응율을 줄여서 다른 반응이 일어나지 못하도록 하기 때문에 높은 올레핀 산출율을 보장한다.
유익하게, 상기 가스 생성물 스트림은 응축물질을 가스 생성물 스트림으로, 바람직하게는 복수점 (multiple points) 에 분사함으로써 냉각되어, 그 응축물이 증발하면서 그 가스 생성물 스트림을 냉각시킨다.
상기 응축물질은 가스이거나 액체일 수 있다. 그 응축물질이 가스 일 때, 그 물질은 바람직하게 불활성 가스이다. 바람직하게 그 응축물질은 액체, 예컨대 물이다.
높은 압력과 높은 온도로 상기 응축물질을 분사하는 것은 그 응축물질의 많은 부분이 반응기 압력에서 즉시 증발하여 상기 가스 생성물 스트림에서 매우 빨리 온도를 강하시키는 것을 보장한다.
결과적으로, 물과 같은 응축물질은 보통 상기 가스 생성물 스트림의 압력 (100 barg) 보다 더 높은 압력에서 분사되고, 보통 100 ℃ ~ 400 ℃, 바람직하게는. 200 ℃ ~ 350 ℃, 예컨대 300 ℃ 의 온도에서 분사된다.
바람직하게, 상기 가스 생성물 스트림의 온도는 상기 반응영역에서 나가면서부터 60 mS 이내, 바람직하게는 40 mS 이내 및 유익하게는 20 mS 이내에 800 ℃, 바람직하게는 600 ℃ 로 줄어든다.
본 발명은 이제 도면을 참조하여 도시될 것이다.
도 1 에서, 산소 함유 가스는 제 1 유입구 (1) 를 통해 제 1 챔버 (2) 안으로 들어가서 다수의 분사 튜브 (3) 안으로 들어간다. 가스 파라핀 탄화수소는 제 2 유입구 (4) 를 통해 제 2 챔버 (5) 안으로 들어가서 다수의 도관 (6) 안으로 들어간다. 상기 산소 함유 가스는 분사 튜브 (3) 를 통해 도관 (6) 안으로 분사되어 상기 가스 파라핀 탄화수소가 그 산소 함유 가스와 혼합된다.
그리고나서 상기 가스 혼합물은 저항 영역 (7) 을 지나는데, 그 저항 영역에서 가스 혼합물은 운동량을 잃게 되어 반응 영역 (8) 에 균일하게 들어간다. 이 반응 영역은 가연성의 연료 농후 한계치를 초과하여 연소를 지지할 수 있는 촉매를 포함한다. 가스 반응물은 반응 영역 (8) 에서 전환되어 올레핀을 포함하는 생성물 스트림으로 된다.
상기 가스 혼합물이 상기 저항 영역 (7) 에 들어가기 전에 그 가스 혼합물의 온도를 줄이기 위해, 다수의 도관의 하류 단부에 접촉한 제 1 냉각 영역 (9) 이 사용된다.
결국, 올레핀을 포함한 상기 생성물 스트림은 회복되기 전에 그 생성물 스트림의 온도를 줄이기 위해 생성물 냉각 영역 (10) 을 지나간다.
도 2a 에서, 일련의 제 1 분사 튜브 (23) (열린 원으로 표시됨) 는 삼각형 패턴으로 배열되어 있다. 그 제 1 분사 튜브의 출구는 다수의 제 2 분사 튜브 (26) 의 출구 사이에서 분산되어 있으며, 그 제 2 분사 튜브는 사각형 패턴으로 배열되어 있다. 그 전체 배열 (그 도는 단지 일부만 나타냄) 에 있어서, 이러한 패턴에서 제 2 분사 튜브의 갯수는 제 1 분사 튜브의 거의 2 배이다.
도 2b 에서, 산소 함유 가스는 제 1 챔버 (22) 로 들어가서 다수의 제 1 분사 튜브 (23) 안으로 들어간다. 가스 파라핀 탄화수소는 제 2 챔버 (25) 안으로 들어가서 다수의 제 2 분사 튜브 (26) 안으로 들어간다. 상기 산소 함유 가스와 가스 파라핀 탄화수소는 각각의 분사 튜브를 빠져나가서 신속히 혼합된다.
그리고나서 상기 가스 혼합물은 저항 영역 (27) 으로 가며, 거기서 그 가스 혼합물 속도가 단조롭고 (가스 혼합물이 운동량을 잃게 됨), 결국 가연성의 연료 농후 한계치를 초과하여 연소를 지지할 수 있는 촉매를 포함하는 반응 영역 (28) 에 가스 혼합물이 균일하게 들어간다. 상기 가스 반응물은 반응 영역 (28) 에서 전환되어 올레핀을 포함한 생성물 스트림으로 된다.
결국, 올레핀을 포함하는 생성물 스트림은 회수되기 전에 그 생성물 스트림의 온도를 줄이기 위해 생성물 냉각 영역 (나타나지 않음) 을 지나간다.

Claims (21)

  1. 가스 생성물을 형성하기 위해 제 1 가스 반응물을 제 2 가스 반응물과 반응시키는 장치에 있어서,
    제 1 가스 반응물을 위한 1 이상의 제 1 공급 수단과 제 2 가스 반응물을 위한 1 이상의 제 2 공급 수단과 저항 영역 및 바람직하게 촉매를 포함하는 반응영역을 포함하고,
    상기 제 1 공급 수단은 제 1 가스 반응물의 전달을 위한 다수의 제 1 유출구를 포함하며, 및 제 2 공급 수단은 제 2 가스 반응물의 전달을 위한 다수의 제 2 유출구를 포함하고,
    상기 저항 영역은 다공성이며, 제 1 가스 반응물 및 제 2 가스 반응물의 흐름에 대하여 제 1 공급 수단 및 제 2 공급 수단의 하류에 위치되며, 그 제 1 공급 수단 및 제 2 공급 수단과 유체 소통 가능하게 연결되어 있고,
    상기 반응영역은 상기 제 1 가스 반응물 및 제 2 가스 반응물의 흐름에 대하여 상기 저항 영역의 하류에 위치되며, 그 저항 영역과 유체 소통 가능하게 연결되어 있고,
    상기 제 1 공급 수단 및 제 2 공급 수단은 제 1 가스 및 제 2 가스가 저항 영역에 접촉하기 전에 본질적으로 병류 방식으로 접촉하여 혼합되도록 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응영역의 횡단면의 제곱미터당 100 개 이상, 바람직하게는 500 개 이상, 가장 바람직하게는 1000 개 이상의 제 1 유출구 및 제 2 유출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 제 1 공급 수단은 제 1 가스 반응물을 1 이상의 제 1 메니폴드에 공급하기 위한 1 이상의 제 1 유입구와 그 제 1 가스 반응물의 전달을 위해 상기 제 1 메니폴드에서 나가는 다수의 분사 튜브를 포함하고, 제 2 공급 수단은 제 2 가스 반응물을 1 이상의 제 2 메니폴드에 공급하기 위한 1 이상의 제 2 유입구와 그 제 2 가스 반응물의 전달을 위해 상기 제 2 메니폴드에서 나가는 다수의 도관을 포함하며,
    여기서 제 2 메니폴드는 제 1 가스 반응물의 유동에 대하여 제 1 메니폴드의 하류에 위치되고,
    저항 영역은 다공성이며, 제 1 및 제 2 가스 반응물의 유동에 대해서 제 2 메니폴드의 하류에 위치되고, 제 2 메니폴드에서 나가는 도관과 유체 소통 가능하게 연결되어 있으며,
    반응 영역은 제 1 및 제 2 가스 반응물의 유동에 대해서 상기 저항 영역의 하류에 위치되고,
    각 도관은 상기 제 2 메니폴드에서 나가는 상류 단부 및 저항 영역과 유체 소통 가능하게 연결된 하류 단부를 포함하고, 상기 제 1 메니폴드에서 나가는 분사 튜브는 제 2 메니폴드를 통과하여 축방향으로 상기 도관의 상류 단부 안에 들어가 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 제 2 메니폴드에서 나가는 다수의 도관의 하류 단부를 냉각시키기 위해 상기 다수의 도관의 하류 단부와 접촉하는 제 1 냉각 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제 3 항 또는 제 4 항에 있어서, 상기 제 1 메니폴드는 제 1 챔버이고, 상기 제 2 메니폴드는 제 2 챔버이며, 그 제 1 챔버에서 나가는 분사 튜브는 제 2 챔버를 통과하여 제 2 메니폴드에서 나가는 다수의 도관의 상류 단부로 뻗은 다수의 긴 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 3 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사 튜브는 구멍에서 축소부를 제공하는 노즐에서 끝나고, 그 노즐은 0.5 mm ~ 3.0 mm, 바람직하게는 1.0 mm ~ 2.0 mm 의 내경을 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 3 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 분사 튜브가 도관의 상류 단부에서 그 도관에 들어가 있는 지점에서 또는 그 지점 가까이에서 유동 제한기가 상기 분사 튜브의 외부표면과 상기 도관의 내부표면 사이에 제공되는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 제 1 공급 수단은 제 1 가스 반응물을 1 이상의 제 1 메니폴드에 공급하기 위한 1 이상의 제 1 유입구 및 상기 제 1 가스 반응물을 전달하기 위해 제 1 메니폴드에서 나가는 다수의 제 1 분사 튜브를 포함하고, 상기 제 2 공급 수단은 제 2 가스 반응물을 1 이상의 제 2 메니폴드에 공급하기 위한 1 이상의 제 2 유입구 및 상기 제 2 가스 반응물을 전달하기 위해 제 2 메니폴드에서 나가는 다수의 제 2 분사 튜브를 포함하며,
    각 분사 튜브는 상기 메니폴드로부터 떨어져 있는 단부에서 출구를 가지며, 이 출구는 1 ㎟ 이하의 단면 개구를 가지며, 및
    상기 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브로부터의 출구는 혼합형으로 함께 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 에 있어서, 제곱미터당 모두 10000 개 이상의 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브가 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서, 상기 분사 튜브로부터의 출구는 모두 본질적으로 평면 형상으로 위치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 분사 튜브는 상기 메니폴드에서 멀리 떨어진 단부에서 출구를 가지며, 이 출구는 0.5 ㎟ 이하, 더 바람직하게는 0.2 ㎟, 특히 0.1 ㎟ 이하의 단면 개구를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분사 튜브는 확산 결합블럭에서 통로로서 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응영역의 하류부에서 생성물 냉각 영역을 포함하여,
    그 가스 생성물은 반응영역을 빠져나가면서 냉각될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 저항 영역은 미터당 1000 ~ 5000, 바람직하게는 2000 ~ 4000, 더 바람직하게는 2500 ~ 3500 의 평균 관성 압력 구배 계수를 갖는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 1 항 또는 제 2 항에서의 장치를 사용하여 모노올레핀을 생산하기 위한 방법에 있어서,
    산소 함유 가스를 제 1 공급 수단 안에 들여보내고, 가스 파라핀 탄화수소를 제 2 공급 수단 안에 들여 보내서, 그 가스 파라핀 탄화수소가 본질적으로 병류 방식으로 산소 함유 가스와 접촉하여 혼합되는 단계와,
    가스 혼합물을 다공성 저항 영역을 통해 반응영역에 보내는 단계와,
    모노올레핀을 생산하기 위해, 바람직하게는 가연성의 연료 농후 한계치를 초과하여 연소를 지지할 수 있는 촉매의 존재 하에서 반응 영역에서 가스 혼합물을 부분적으로 연소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 3 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에서의 장치를 사용하여 모노올레핀을 생산하기 위한 방법에 있어서,
    산소 함유 가스를 제 1 메니폴드 안에 들여보내고 다수의 분사 튜브를 통해 그 산소 함유 가스를 다수의 도관 안으로 분사하는 단계와,
    제 2 메니폴드를 통해 가스 파라핀 탄화수소를 다수의 도관 안으로 들여보내, 그 가스 파라핀 탄화수소는 반드시 평행한 방식으로 접촉되어 상기 산소를 포함한 가스와 혼합되며,
    가스 혼합물을 다공성 저항 영역을 통해 반응영역에 보내는 단계와,
    모노올레핀을 생산하기 위해, 바람직하게는 가연성의 연료 농후 한계치를 초과하여 연소를 지지할 수 있는 촉매의 존재 하에서 반응 영역에서 가스 혼합물을 부분적으로 연소하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 8 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에서의 장치를 사용하여 모노올레핀을 생산하기 위한 방법에 있어서,
    중 어느 한 항에 있어서, 1 이상의 제 1 메니폴드를 통해 1 이상의 제 1 유입구로부터 산소 함유 가스를 다수의 제 1 분사 튜브에 보내고, 또한 1 이상의 제 2 메니폴드를 통해 1 이상의 제 2 유입구로부터 가스 파라핀 탄화수소를 다수의 제 2 분사 튜브에 보내는 단계와,
    가스 혼합물을 다공성 저항 영역을 통해 반응영역에 보내는 단계와,
    모노올레핀을 생산하기 위해, 바람직하게는 가연성의 연료 농후 한계치를 초과하여 연소를 지지할 수 있는 촉매의 존재 하에서 반응 영역에서 가스 혼합물을 부분적으로 연소하는 단계를 포함하며,
    각 분사 튜브는 상기 메니폴드에서 멀리 떨어진 단부에서 출구를 가지며, 이 출구는 1 ㎟ 이하의 단면 개구를 가지며, 및 상기 제 1 분사 튜브 및 제 2 분사 튜브로부터의 출구는 혼합형으로 함께 배치되는 것을 특징으로 하는 모노올레핀을 생산하기 위한 방법.
  18. 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가스 파라핀 탄화수소는 에탄, 프로판 또는 부탄, 선택적으로는 다른 탄화수소 및 다른 물질, 예컨대 메탄, 질소, 일산화탄소, 이산화탄소, 증기 또는 수소와의 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 15 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 산소 함유 가스 혼합물에 대한 상기 가스 파라핀 탄화수소의 비는, 이산화탄소와 물로의 완전 연소를 위한 산소 함유 가스에 대한 탄화수소의 화학량론 비의 5 배 ~ 20 배, 바람직하게는 산소 함유 가스에 대한 탄화수소의 화학량론 비의 5 배 ~ 10 배인 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 15 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 유입구 및 제 2 유입구에서의 압력은 바람직하게는 10 barg ~ 50 barg, 가장 바람직하게는 20 barg ~ 40 barg, 유리하게는 25 barg ~ 35 barg 인 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 15 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응영역에서 나온 가스 생성물 스트림은 바람직하게는 응축물의 증발로 인해 그 가스 생성물 스트림이 냉각되도록 여러지점에서 응축물을 가스 생성물 스트림에 분사함으로써 생성물 냉각 영역에서 신속히 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
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