KR20060015596A - 가스 냉각기를 지닌 유동화 베드 반응기 - Google Patents

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루이스 알 트롯
데이비드 알 와그너
스티븐 제이 로우
로버트 에이 구스타페로
그레고리 에이 노렌버그
케네스 피 케클러
로버트 피 헵퍼
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더 스탠다드 오일 캄파니
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Abstract

본 발명은 감소된 재연소를 지닌며 또는 다른 원치 않는 하류스트림 부반응이 없는 고온으로 유동화 촉매 베드에서 화학적 반응을 실행하는데 사용될 수 있는 새로운 반응기 장치이다. 일 용도는 아크릴로니트릴을 제조하는 것이다.

Description

가스 냉각기를 지닌 유동화 베드 반응기{FLUIDIZED BED REACTOR WITH GAS COOLER}
본 발명은 화학 반응을 실행하는데 유용한 신규한 반응기 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 화학적 반응을 유동화 촉매 베드에서 실행하는데 사용될 수 있는 신규한 반응기 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 고온에서 또한 가스상에서 화학적 반응을 유동화 촉매 베드에서 실행할 수 있고 또한 생성물 및 잔류 반응물의 후연소 또는 다른 바람직하지 않는 하류 부반응을 감소시킬 수 있는 새로운 반응기 장치에 관한 것이다.
아크릴로니트릴 (acrylonitrile) 은, 예컨대 직물과 ABS 및 SAN 수지와 같은 수지에 사용되는 아크릴 수지에 대한 중합체와 같은 폭 넓은 중합물질을 만들기 위하여 주로 모노머로 화학적으로 사용되는 중요한 생산물이다. 세계적으로, 아크릴로니트릴은 일년에 40 억톤을 초과하는 양으로 생산된다. 아크릴로니트릴을 만드는 일 방법은 공기 또는, 산화제와 같은 분자 산소의 다른 공급원을 사용한 암모니아에 프로필렌을 산화시키는 방법이다. 가암모니아 산화라고도 불리는 상기 산화 반응은 일반적으로 가암모니아 반응을 촉진시켜 소망하는 아크릴로니트릴을 허용가능한 변환 및 산출량으로 제공하기 위해서 유동화 촉매 베드에 고 상 미립자 불균질 촉매를 사용한다. 아크릴로니트릴을 생성하는 것 이외에도, 상기 가암모니아 반응은 또한 일반적으로 수소 시안화물 및 다른 유가의 부산물을 생성한다.
프로필렌은, 아크릴로니트릴을 생성하기 위해서 상기 가암모니아 반응에 대하여 요구된 공급원료이며, 이는 프로판과 같은 저렴한 공급원료를 사용할 수 있는 것이 바람직하다. 유동 베드 반응기와 예컨대 산화제와 같은 산소 가스를 사용하여 프로판을 아크릴로니트릴로 변환시키는데 사용될 수 있는 불균질 촉매 물질이 개발되어 왔다. 그러나, 상기 반응기에서 프로판은 암모니아 및 공기 산소 가스 또는 다른 공급원의 분자 산소와 혼합되어, 입자 촉매의 유동화 베드에서 상승된 온도로 반응되며, 생성물 가스가 촉매 베드에 남게 된 후에 고온 생성물 가스는 계속 산화 작용을 한다. 유동화 촉매 베드의 상기 제어되지 않은 산화 다운스트림은 재활용될 수 있는 프로판과 같은 유가 이송 물질 및 아크릴로니트릴과 같은 유가 생성물의 손실을 초래한다 (또한 후연소시에도). 그래서, 상기 제어되지 않은 다운스트림 산화량 또는 다른 바람직하지 못한 부가 반응 및 생성물과 이송물질의 손실을 줄이는데 사용될 수 있는 반응기 장치와 과정이 바람직하게 요구되고 있다. 본 발명은 상기 반응기 장치 및 과정이 제공되어 있다.
본 발명은 제 1 영역, 적어도 제 2 영역을 포함하는 반응기 용기 및 촉매 분리 장치를 포함하며, 상기 제 1 영역은 반응물을 위한 하나 이상의 입구를 포함하며, 상기 제 2 영역은 반응기 용기 내에 적어도 부분적으로 위치되어 가스 냉각기를 통과하는 냉각 가스를 위하여 적합한 가스 냉각기를 포함한다. 본 발명의 반응기 장치는 예컨대, 프로판을 아크릴로니트릴로 가암모니아 산화 반응시키는데 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 반응기 용기 안에서 고상 입자 촉매제의 존재하에 일 종 이상의 반응물 가스상 성분을 반응시켜 일 종 이상의 생성물 가스상 성분을 형성하는 방법으로서, 촉매 물질이 존재하는 일 종 이상의 반응물 가스상 요소와의 접촉을 포함하는 일 종 이상의 생성물 가스상 요소를 형성하기 위해서 고체로 존재하는 일 종 이상의 반응물 가스상 요소인 입자 촉매 물질을 반응기 용기에서 반응시키기 위한 공정으로서, 생성물 가스상 성분의 적어도 일부와 유동화 베드로부터 와서 부유된 입자 촉매를 포함하는 혼합물을 반응기 용기 내에 적어도 부분적으로 배치된 가스 냉각기로 보내어, 상기 가스 냉각기에서 혼합물을 냉각시키고, 냉각 후에 상기 혼합물로부터 부유 입자 촉매를 분리시켜, 분리된 촉매와 일 종 이상의 생성물 가스상 성분을 포함하는 가스 상을 형성하며 분리된 촉매의 적어도 일부는 유동화 베드로 복귀되는 것을 특징으로 하는 방법이다.
본 발명의 반응기 장치는 소망하는 화학적 반응을 실행하기 위해서 사용되는 온도 및 압력을 견딜 수 있는 재료로 적절히 만들어진 반응기 용기 또는 쉘을 포함한다. 상기 반응기 용기 쉘은 특히, 높은 반응 온도 및 압력에서 화학적 화합물 또는 그에 포함된 다른 물질의 화학적 반응을 견딜 수 있는 재료로 이루어지거나 또는 적어도 그러한 재료로 만들어진 내부 라이닝을 갖는 것이 바람직하다. 그래서, 선택된 재료는 사용 중에는 부식되지 않거나 또는 적어도 빨리 부식되어서는 안된다. 반응기 용기 또는 라이닝을 구성하는데 사용되는 재료는 또한 바람직하게 내 마모성이 있어, 예컨대 유동화 촉매 베드에 사용되는 경질의 입자 촉매에 의해 초래되는 마모를 견딜 수 있다. 그래서, 반응기 쉘 또는 반응기 용기는 저 합금강, 스테인레스 강 또는 탄소강과 같은 강으로 만들어질 수 있다. 반응기 용기의 형상은 일반적으로 원통형이며, 즉, 수직으로 위치된 반응기의 수평 단면이 원형이다. 반응기 용기에서 실행되는 화학적 반응은 일반적으로 높은 압력에서 실행되기 때문에, 반응기 용기의 양 단부는 예컨대 원추형 또는 돔형상의 캡으로 씌워지는 것이 바람직하다. 돔 형상의 캡은 예컨대, 반구 형상 또는 타원 형상일 수 있다. 그러나, 상기 반응기 용기의 양 단부를 위한 캡은 어떠한 적절한 형상이라도 될 수 있다. 반응기 용기가 전체 길이를 따라 동일 폭 또는 직경을 가지더라도, 하기에 상세히 설명될 바와 같이 상기 반응기 용기의 길이를 따라 변하는 폭 또는 직경을 가질 수 있다. 예컨대, 일반적으로 원통형의 용기는 일단부에서 큰 직경과 다른 단부에서 좁은 직경을 가질 수 있다. 본 발명의 바람직한 일 실시형태에서, 반응기는 바닥 영역보다 넓거나 큰 직경으로 이루어진 중간 영역 및 바닥 영역보다 좁은 상부 영역을 가진다. 원통형으로 된 경우, 본 발명의 반응기 장치는 그 용도에 따라 약 5 ~ 약 100 피트, 바람직하게는 약 8 ~ 약 50 피트의 최대 직경을 가질 수 있다.
본 발명의 반응기 장치는 바람직하게 두 개 이상, 보다 바람직하게는 3 개 이상의 영역을 가진다. 반응기 장치가 바람직하게 수직으로 위치될 때, 제 1 또는 하부 또는 바닥 영역은 밀집 베드 영역이라 하며, 제 2 또는 중간 영역은 분리 영역이라 하며, 제 3 또는 상부 영역은 희박 상 (dilute phase) 영역이라 한다. 반응기 장치가 수직으로 위치된다 함은, 예컨대 일반적으로 원통형 반응기 용기의 축선이 수직 방향이라는 것을 의미한다. 밀집 베드 영역은 촉매의 유동화 베드를 형성하기 위해서 반응기 장치에 유입하는 반응물 가스에 입자 촉매가 접촉하는 반응기 장치 내의 소정 위치이다. 분리 영역은, 유동화 촉매 베드를 빠져나오는 생성물 가스를 포함하는 가스 혼합물로부터 유동화 베드로부터의 입자 촉매의 대부분이 분리되는 반응기 장치 내의 소정 위치이다. 상기 분리 영역에서, 밀집 베드 영역을 빠져 나오는 생성물 가스는 수직으로 위치된 반응기 내에서 상방으로 이동하며, 중력으로 인하여, 생성물과 유동화 촉매 베드를 빠져나가는 미 반응 반응물 가스 (만약 존재한다면) 에 동반되거나 부유되어 있는 대부분의 촉매 입자는 밑으로 떨어져, 유동화 촉매 베드의 밀집부로 복귀되며, 잔류하는 부유 또는 동반 촉매 입자를 함유하는 생성물 가스는 희박상 영역 내로 상방으로 계속 이동한다. 희박 상 영역에서, 부유 또는 동반 촉매 입자를 함유하는 생성물 가스는 가스 냉각기에 의해 냉각되고, 그 후 부유 또는 동반 촉매 입자는 가스-고체 사이클론 또는 일련의 가스-고체 사이클론과 같은 촉매 분리 장치에 의해 생성물 가스로부터 분리되며, 분리된 촉매 입자는 밀집 베드 영역의 유동화 촉매 베드로 바람직하게 복귀한다. 본 발명의 방법에서, 분리 영역을 빠져나가는 가스 중의 부유 또는 동반 촉매는 촉매 입자가 존재하지 않는다면 발생 될 수 있는 후연소 또는 다른 원치않는 부반응을 감소시키거나 없애는데 사용될 수 있다. 본 발명의 바람직한 방법에서, 부유 촉매 입자는, 가스와 부유 또는 동반 촉매를 포함하는 혼합물이 후연소 또는 다른 원치않는 부반응이 제거되거나 또는 적어도 허용가능한 정도로 감소되는 온도 이하로 냉각된 후에만 이러한 가스로부터 분리된다.
본 발명의 반응기 장치의 밀집 베드 영역은, 촉매 베드가 휴식 상태 즉, 비 유동 상태에 있는 예컨대, 반응기의 작동 개시 또는 가동 중지 기간 동안에 촉매의 유동화 베드의 촉매 입자를 지지하는데 사용될 수 있는 금속 플레이트를 바람직하게 포함할 수 있다. 상기 플레이트는 바람직하게 반응기 용기의 전체 직경을 덮는다. 본 발명의 바람직한 반응기 장치에서 상기 플레이트는 그리드 형상이다. 여기서 그리드라 함은 가스가 그리드의 일면으로부터 다른 면으로 이동하게 해주는 일군의 구멍 (바람직하게는 둥근 구멍) 을 갖는 플래이트를 말한다. 반응기가 바람직한 수직 위치에 있을 때에, 그리드는 반응기 용기의 바닥 근처에 있게 되어, 반응기 용기 내에서 그리드 밑에는 공간 또는 공동이 존재하게 된다. 이 공간은 예컨대, 프로판과 같은 반응물 가스를 반응기 내로 도입시키는데 사용될 수 있다. 아크릴로니트릴을 형성하기 위해서 프로판을 암모니아 및 분자 산소원과 반응시키는데 반응기가 사용될 수 있다면, 상기 반응물 가스는 새로운 프로판 및/또는 재활용 프로판일 수 있다. 그리드의 두께 및 구멍의 수 및 직경 또는 크기는 변경될 수 있다. 그러나, 일반적으로, 그리드의 평방 피트당 약 0.1 ~ 약 3 개의 구멍이 있을 수 있다. 그리드는 최대 약 1.25 인치 예컨대, 약 0.5 인치 ~ 약 1.25 인치의 두께를 가질 수 있다. 그리드의 구멍은 평행하게 바람직하게는 일정한 간격의 열로 배치된다. 한 열의 구멍은 바람직하게 예컨대 인접 열의 구멍들로부터 오프셋되어 예컨대, 그 구멍들 사이에 위치한다. 그리드의 구멍에는 플레이트의 상부 표면으로부터 플레이트 밑의 소정 위치로 하방으로 뻗는 노즐 또는 관형 가스 입구부가 제공될 수 있다. 노즐은 바람직하게 이 노즐이 그리드에 부착된 위치로부터 가장 멀리 있는 노즐의 말단부에서 작은 직경의 오리피스를 갖는다. 그리드의 구멍 및 노즐 오리피스의 크기는, 반응기 장치의 수평 단면에 가스가 균일하게 분배되고 또한, 반응물 가스 또는 촉매 입자가 그리드 밑의 공간으로 역류하는 것을 방지하거나 감소시키기에 충분한 가스 유동 속도를 얻을 수 있도록 되어 있다. 상기 그리드는 반응기 용기와 같은 재료로 만들어질 수 있다. 하기에 보다 상세히 설명되겠지만, 반응기 용기에서 유동화 촉매 베드가 위치하는 부분과 마주보는 그리드의 일면에 내화성 절연재 층을 두는 것이 바람직하다. 내화성 절연재는 (특히 분자 산소 가스가 존재하는 경우) 그리드가 이 그리드 밑에서 프로판과 같은 반응물 가스의 과잉 열화 또는 연소를 초래하기에 충분히 높은 온도로 되는 것을 방지한다. 내화성 절연재는 최대 6 인치, 예컨대 약 2 인치 ~ 약 6 인치의 두께를 가질 수 있다. 내화성 재료는 반응기에 사용되는 반응 조건 하에서 일반적으로 불활성인 임의의 적절한 재료로부터 선택될 수 있다. 예컨대, 상기 내화성 재료는 세라믹 섬유 또는 알루미나 규산염 또는, 적절한 고온 안정성, 절연성, 화학적 저항성 및 열 충격 저항성을 제공하는 다른 물질 중의 일 종 이상 일 수 있다. 내화성 절연재의 층은 바람직하게는 그리드의 구멍과 같은 크기의 구멍을 갖는다. 내화성 절연재 층의 구멍은 그리드의 구멍 위에 위치된다. 만약 사용된다면 그리드용 노즐은 내화성 절연재 층의 상부까지 이를 수 있다.
본 발명의 바람직한 반응기 장치의 밀집 베드 영역은 예컨대 암모니아와 분자 산소 함유 가스와 같은 반응물 가스를 반응기 장치에 전달하기 위한 반응물 가스 분배 시스템 또는 살포기를 바람직하게 포함한다. 바람직한 반응기 장치에서, 반응물 가스는 그리드 부근에 위치된 복수의 분배 관에 의해서 분배된다. 이 분배 관의 크기 및 수량은 변경할 수 있으며 예컨대 분배될 가스의 양 및 소망하는 전달률에 따라 선택될 수 있다. 상기 분배 관은 바람직하게 유동화 촉매 베드와 마주보는 그리드의 표면 근처에서 이 표면을 가로질러 평행하게 배치된다. 각 분배 관에는 복수의 전달 관이 부착되어, 바람직하게는 그리드 쪽으로 신장되어 있으며, 상기 전달 관은 분배 관 보다 작은 직경 및 짧은 길이를 바람직하게 갖는다. 전달 관은 바람직하게 수직 선과 각도를 이루면서 분배 관으로부터 하방으로 뻗어 있다. 분배 관을 통과하는 반응물 가스는 이러한 전달 관에 의해서 그리드의 표면 근처 또는 이 표면의 한 지점으로 향하게 된다. 전달 관의 전달 단부 즉, 분배 관과 연결되는 지점으로부터 떨어진 전달 관의 단부는 그리드 표면으로부터 최대 약 18 인치 예컨대, 약 3 인치 ~ 약 18 인치로 떨어져 있을 수 있다. 각 분배 관은 하나 이상의 매니폴드 관에 연결된다. 바람직하게, 상기 매니폴드 관은 상기 분배 관보다 큰 직경으로 이루어진다. 반응물 가스 분배 시스템의 바람직한 작동에서, 매니폴드 관에 들어가는 반응물 가스는, 분배 관으로 유동하며, 다음에 이 분배 관으로부터 전달 관으로 유동하며, 이 전달 관으로부터 반응기 용기 내로 진입하여 그리드의 구멍 근처의 지점에 이르게 된다. 분배 관은 그리드의 구멍 열 사이의 공간 위에 위치된다. 각각의 반응물 가스를 위해 하나 이상의 독립된 반응물 가스 분배 시스템이 존재할 수 있으며, 이 가스 분배 시스템은 매니폴드 관, 분배 관 및 전달 관을 포함한다. 예컨대, 프로판의 가암모니아 산화 반응 (ammoxidation) 에 사용되는 반응기 장치를 위한 공기 또는 분자 산소 가스와 같은 산소 함유 가스 및 암모니아 가스 각각에 대한 하나 이상의 상기 반응물 가스 분배 시스템이 제공될 수 있다. 바람직하게, 각 매니폴드 관의 적어도 일 단부는 상기 반응기의 벽을 관통해 있어, 반응기 외부에서 매니폴드 관에 반응물 가스를 전달하기 위한 연결이 이루어질 수 있다. 매니폴드 관은 바람직하게 적절한 절연재로 절연되어 있다. 분배 관도 바람직하게 적절한 절연재로 절연되어 있다. 전달 관 또한 바람직하게 적절한 절연재로 절연되어 있다. 바람직하게, 매니폴드 관, 분배 및 전달 관은 적절한 절연재로 절연되어 있다. 절연재는 적절한 절연, 화학적 저항성 및 열적 충격 안정성을 제공하면서 유동화 촉매 베드 내의 고온을 견딜 수 있는 재료가 바람직하다. 바람직하게 상기 절연재는 섬유 형상으로 되어 있다. 매니폴드 관, 분배 관 및 전달 관이 그 안의 가스 또는 이들 관을 제작하는데 사용되는 재료의 과잉 열화를 일으키기에 충분한 고온으로 되지 않도록 상기 절연재를 첨가한다. 절연을 안정화시키고 보호하는데 도움을 주기 위해서 절연재는 강과 같은 재료로 이루어진 외부 재킷 내에 내장될 수 있다. 본 명세서에 참조로 관련된 미국 특허 6,385,483 는 산소 및 다른 가스를 본 발명의 반응기 장치 내로 살포시키는데 유용한 절연 및 재킷식 살포기가 개시되어 있다. 위에서 관으로서 설명되었지만, 매니폴드 관, 분배 관 및 전달 관은 다른 형상의 도관일 수 있다.
본 발명의 바람직한 반응기 장치, 예컨대, 프로판을 암모니아 및 분자 산소원과 가암모니아 산화 반응시키는데 사용될 수 있는 반응기 장치에는, 분자 산소 함유 가스 및 암모니아 가스를 위한 하나 이상의 별도의 반응물 가스 분배 시스템 또는 살포 시스템이 제공된다. 이러한 반응기 장치에서는, 암모니아 가스가 방출되는 전달 관의 단부가 상기 그리드의 구멍 근처 또는 그 구멍 바로 위에 위치하도록 암모니아 가스를 위한 가스 분배 시스템의 전달 관을 배치하고, 또한 분자 산소 함유 가스가 방출되는 전달 관의 단부는 그리드의 구멍으로부터 떨어져서 예컨대 그리드의 구멍 사이에 있도록 분자 산소 함유 가스를 위한 가스 분배 시스템의 전달 관을 배치하는 것이 바람직하다. 이러한 구성으로, 프로판과 같은 반응물 가스가 그리드의 구멍을 통과하여 유동화 촉매 베드 안으로 진입할 때, 상기 프로판 가스는 분자 산소 함유 가스가 아닌 암모니아와 먼저 접촉하여 그 암모니아로 적어도 어느 정도 희석된다. 이렇게 해서 바람직하지 않게 연소되는 프로판 공급물의 양이 감소된다.
본 발명의 바람직한 반응기 장치의 밀집 베드 영역은 바람직하게 유동화 촉매 베드로부터 열을 추가 또는 제거하는데 사용될 수 있는 하나 이상의 열전달 장치를 포함한다. 이 열전달 장치는 유동화 촉매 베드로부터 열을 추가 또는 제거시키는데 적절하다면 어떠한 것이라도 좋다. 가장 바람직하게는, 열전달 장치는 예컨대 물, 증기 또는 용융염과 같은 적절한 열전달 매체가 순환하며 바람직하게는 코일 또는 루프 형태로 이루어진 하나 이상의 관보다 바람직하게는 관 집합체를 포함한다. 다른 열전달 장치로는 예컨대 액체 증발기가 있을 수 있다. 상기 액상 증발기라 함은, 아크릴로니트릴을 형성할 목적으로 프로판의 가암모니아 산화 반응을 위해 액체 암모니아 또는 프로판과 같은 일 종 이상의 액체를 증발시키기 위해서 유동화 촉매 베드에서의 발열 화학적 반응에 의해 발생된 열을 사용하는 장치를 뜻한다. 그래서, 액체 증발기에서 예컨대, 유동화 촉매 베드 내에 배치된 하나 이상의 관에 증발될 액체를 통과시키면 열이 유동화 촉매 베드로부터 그 액체로 전달된다. 유동화 촉매 베드에서의 반응열은 액체를 증발시킨다.
따라서 열전달 장치는 암모니아 및 분자 산소원을 사용하는 프로판의 가암모니아 산화 반응과 같은 발열 반응을 실행하는데 사용되는 유동화 촉매의 온도를 제어하는데 사용될 수 있다. 열전달 장치를 통하여 흐르는 열전달 매체의 유량을 제어하거나, 또는 다수의 열전달 장치를 제공하고, 유동화 촉매 베드 내에서 소망하는 온도 조건을 얻기 위해서 규정된 수의 열전달 장치를 사용함으로써 상기 온도 제어를 이룰 수 있다. 열전달 장치는 반응기 용기의 경우처럼 고온 및 고압의 조건, 마모성 입자 촉매 및 가능한 부식성 공급물 또는 생성물 성분을 견디어낼 수 있는 재료로 이루어지는 것이 바람직하다. 그래서, 반응기 용기와 같이, 열전달 장치는 예컨대 저합금강, 스테인레스강 또는 탄소강과 같은 재료로 바람직하게 이루어져 있다.
본 발명의 바람직한 반응기 장치의 제 2 또는 분리 영역은, 유동화 촉매 베드를 빠져나가는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 혼합물에 부유 또는 동반된 유동화 촉매 베드로부터의 촉매 입자가 상기 생성물 및 반응물 가스 (만약 존재한다면) 로부터 부분적으로 분리되는 반응기 장치의 일 영역이다. 본 발명의 반응기 장치가 바람직하게 수직으로 설치되는 경우, 유동화 촉매 베드는 대부분 또는 바람직하게는 완전히 반응기 장치의 하부 밀집 베드 영역에 수용된다. 유동화 베드에서, 촉매 입자는 반응물 가스와 혼합되며, 유동화 베드의 촉매는 반응물 가스의 화학적 반응을 촉진시켜 생성물을 형성시킨다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 반응물 가스는 촉매 베드의 바닥 아래의 지점 또는 그 바닥 근처에서 반응기 용기에 진입하며, 가스 유동이 베드 내의 촉매 입자를 혼합 및 유동화시키게 된다. 예컨대, 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 가스 혼합물이 유동화 촉매 베드를 통하여 일반적으로 상방으로 이동하여 유동화 촉매 베드를 빠져나갈 때, 촉매 베드로부터 나온 일부 촉매 입자가 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 혼합물에 부유 또는 동반된다. 가스와 부유 또는 동반 촉매 입자를 포함하는 이러한 혼합물은, 분리 영역으로 진입하며 이 영역에서 동반 또는 부유 촉매 입자의 대부분 (그러나 모두는 아님) 이 중력에 의해 촉매 베드로 복귀하게 된다. 본 발명의 바람직한 반응기 장치에서, 분리 영역은 일반적으로 수직으로 위치된 반응기 용기의 중간 영역에 위치되는 개방 공간을 포함한다. 분리 영역의 크기는 반응기 장치에서 실행되는 반응의 종류에 따라 선택될 수 있다. 다른 화학적 반응은 물론 아크릴로니트릴을 생성하기 위해 프로판을 암모니아 및 분자 산소원과 반응시키는 경우, 부유 또는 동반 촉매 입자와 생성물 및 반응물 가스 (만약 존재한다면) 의 혼합물이 적절한 온도로 냉각될 때까지, 소정 양의 입자 촉매가 분리 영역을 빠져나가는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 의 혼합물에 부유 또는 동반되어 있는 것이 바람직하다. 상기 동반된 촉매 입자는 그렇지 않은 경우 발생할 수 있는 바람직하지않는 파괴적인 후연소 또는 다른 바람직하지않는 부반응을 감소시키거나 없앤다. 부유 또는 동반된 촉매의 양은 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 가스 혼합물 1 파운드 당 약 0.05 ~ 약 2.0 파운드일 수 있다. 그래서, 분리 영역을 빠져나가는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 혼합물에 촉매가 불충분한 양으로 들어 있으면, 과도한 후연소 또는 다른 바람직하지않는 부반응이 일어날 수 있고, 이 때문에 아크릴로니트릴과 같은 소망하는 생성물의 수득율이 감소되고 또한 그렇지 않으면 분리되어 소망하는 생성물로의 전환에 재활용될 수 있는 프로판과 같은 공급물 가스의 양이 감소하게 된다. 동반 촉매의 양이 과도하다면, 그러한 촉매는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 의 혼합물로 냉각되어 유동화 촉매 베드로 복귀하여 유동화 촉매 베드를 과도하게 냉각시킬 수 있다. 따라서, 후연소 또는 다른 바람직하지 않는 부반응을 허용가능한 수준으로 제어하기에 충분한 양으로 부유 촉매가 혼합물중에 존재하되, 냉각되어 유동화 촉매 베드로 복귀해서 그 유동화 촉매 베드를 과도하게 냉각시키는 양으로는 되지 않도록, 분리영역을 빠져나가는 가스중의 부유 촉매의 양을 제어하는 것이 필요하다. 분리 영역을 빠져나가는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 에 존재하는 촉매의 양은 유동화 베드 반응기에 사용되는 촉매 입자의 크기 및 밀도와, 유동화 촉매 베드로 진입하는 반응물 가스의 유량 및, 분리 영역의 길이 및 특히 직경에 의해 제어될 수 있다. 여기서 길이란 수직 위치된 반응기에서 분리 영역의 수직 방향 길이를 말한다. 그래서, 본 발명의 바람직한 반응기에서, 분리 영역은 적절하게 밀집 베드 영역 길이의 약 100 ~ 약 150 퍼센트이다. 본 발명의 반응기 장치의 분리 영역은 밀집 베드 영역의 직경과 동일할 수 있지만, 바람직하게 분리 영역은 밀집 베드 영역의 최대 직경보다 확장 또는 증가된 직경을 가질 수 있다. 예컨대, 분리 영역의 최대 직경은 밀집 베드 영역의 직경보다 약 5 ~ 약 100 퍼센트 보다 바람직하게는 약 15 ~ 약 20 퍼센트 클 수 있다. 그래서, 수직 위치에 있을 때, 본 발명의 반응기 장치의 반응기 용기는 밀집 베드 영역의 상단부 주변에서 시작하여 분리 영역까지 직경이 증가하는 테이퍼 형 영역을 가질 수 있다.
밀집 베드 영역보다 큰 직경을 가지는 중간 영역 또는 분리 영역을 가지는 본 발명의 반응기 장치는 보다 컴팩트한 반응기 장치가 될 수 있고 또한 동일 직경의 밀집 베드 및 분리 영역을 가지는 반응기 장치와 비교해 볼 때, 밀집 베드 영역에서 보다 높은 가스 속도를 얻을 수 있어, 보다 콤팩트한 반응물 가스와 그에 포함된 고상 입자 촉매 사이의 접촉이 향상되고 그 결과 더욱 효율적인 촉매 반응이 일어나게 된다.
도 11 을 참조로 이하에서 보다 자세히 설명되겠지만, 분리 영역을 빠져나가는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 혼합물에 존재하는 촉매 입자의 양을 제어 또는 조정하기 위한 다른 적절한 방법은, 촉매를 분리시켜 바람직하게는 부유 또는 동반 촉매의 일부분을 유동화 베드로 복귀시키기 위해서 필터 또는, 보다 바람직하게는 가스-고체 사이클론과 같은 가스-고체 분리 장치 등의 하나 이상의 촉매 분리 장치를 사용하는 것이다. 사이클론의 경우에, 유동화 촉매 베드를 빠져나가는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하며 또한 부유 또는 동반 촉매 입자도 함유하는 가스 혼합물은, 하나 이상의 사이클론의 흡기구를 통과하면서 가스 혼합물로부터 소망하는 양의 촉매가 제거되고 제거된 촉매는 유동화 촉매 베드로 복귀된다. 이러한 촉매 분리 장치는 반응기 용기의 외부 또는 보다 바람직하게 반응기 용기의 내부에 위치될 수 있다.
본 발명의 바람직한 반응기 장치의 제 3 또는 희박상 영역은, 바람직하게 생분리 영역을 빠져나가는 성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 및 부유 또는 동반 촉매를 포함하는 혼합물이 하나 이상의 적절한 가스 냉각 장치에 의해 냉각되는 반응기 장치의 영역이다. 냉각은 예컨대, 유동화 촉매 베드에 사용되는 촉매와 동일하거나 다른 조성의 촉매로 이루어진 다른 베드에 혼합물을 통과시켜 실행된다. 유동화 촉매 베드에 사용되는 것과 동일한 조성의 촉매 베드를 사용하는 것이 바람직하다. 이러한 냉각 촉매 베드는 소망하는 냉각을 이루기 위해서 충분한 크기로 이루어져야 한다. 냉각 촉매 베드는 또한 유동화 촉매 베드에 사용되는 상기 열전달 장치와 같은 하나 이상의 열전달 장치를 포함할 수 있다. 이러한 열전달 장치는 반응기 장치의 작동 동안에 냉각 촉매 베드의 온도를 소망하는 온도로 제어하는데 사용될 수 있다.
바람직하게, 가스 냉각 장치는, 쉘-관 형 가스 냉각기이며 반응기 용기 내에 적어도 부분적으로 바람직하게는 전체가 배치되며, 보다 바람직하게는 반응기 장치의 희박 상 영역 내에 전체가 배치된다. 이러한 쉘-관 형 가스 냉각기에서, 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 및 부유 촉매 입자를 포함하는 혼합물은 닫혀진 쉘로 씌워진 복수의 관을 통과한다. 쉘 내부이지만 관의 외부에서 적절한 열전달 매체 또는 유체가 순환하면서 상기 관으로부터 열을 제거하여 관을 통해 흐르는 가스 및 촉매 입자를 냉각시키게 된다. 쉘-관 형 냉각기를 관류하는 유체는 예컨대, 물, 저융점염 또는 염 공융 혼합물 (salt eutectic), 저융점 금속 등일 수 있다. 바람직하게, 상기 쉘은 그 안에서 복수의 배플 또는 다른 유사한 장치를 갖는데, 이러한 배플 또는 장치는 쉘 내에서 유체에 난류 유동를 제공하기 위한 것으로, 유체가 모든 냉각 관에 도달하여 그로부터 열을 제거하게 된다.
본 발명의 선호된 반응기 장치에서, 반응기 장치가 바람직한 수직 방향으로 위치될 때 가스 냉각 장치는 상기 반응기 장치의 상부에 또는 그 부근에 위치된다. 반응기의 분리 영역을 빠져나가며 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 와 부유 또는 동반 촉매 입자를 포함하는 혼합물은 반응기 장치를 통하여 수직 방향으로 이동하면서 쉘-관 형 가스 냉각기와 같은 냉각 장치를 통과할 수 있다. 상기 혼합물은 반응기 장치를 통하여 수직 방향으로 이동하면서 가스 냉각 장치를 통과하고 반응기 용기의 상단부의 캡에 의해 하방으로 방향 전환하고 가스 냉각 장치를 통하여 하방으로 내려가게 된다. 다른 안으로서, 상기 혼합물은 상방 및 하방으로 냉각 장치를 통과할 수 있다. 본 발명의 바람직한 반응기 장치에서, 바람직하게 쉘-관 형 가스 냉각기로 된 가스 냉각 장치는 반응기 용기 내에 위치되어, 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 및 부유 촉매 입자를 포함하는 혼합물은 상기 반응기 용기를 통하여 수직 상방으로 이동하면서 냉각 장치의 주위를 지나며 반응기 용기의 단부 캡에 도달하면 역방향으로 유동하여 냉각 장치를 통하여 하방으로 내려가게 된다. 그래서, 본 발명의 반응기 장치에서, 가스 냉각기는, 부유 촉매 입자를 포함하는 가스가 반응기 장치 내에서 상방으로 갈 때 냉각기를 통과하는 상방 유동 싱글 패스 쉘-관 형 가스 냉각기이거나 또는 부유 촉매 입자를 포함하는 가스가 반응기 장치 내에서 하방으로 갈 때 가스 냉각기를 통과하는 하방 유동 싱글 패스 쉘-관 형 냉각기이거나 또는, 부유 촉매 입자를 포함하는 가스가 반응기 내에서 쉘-관 형 냉각기를 통과하고 이어서 반응기 내에서 하방으로 갈 때 상기 쉘-관 형 냉각기를 통과하는 투 패스 (two-pass) 쉘-관 형 가스 냉각기일 수 있다. 다른 가스 냉각 장치는 가스 경로에 바람직하게는 본 발명의 반응기 장치의 상부 영역에서 배치되는 하나 이상의 냉각 코일을 포함한다. 상기 냉각 코일에는 액체 또는 가스와 같은 열전달 매체 또는 유체가 순환하면서 반응물과 생성물 가스와 부유 촉매의 혼합물로부터 열을 제거하게 된다. 상기 냉각 코일은 상기 설명된 싱글 패스 쉘-관 형 가스 냉각기 또는 투 패스 쉘-관 형 가스 냉각기와 같은 다른 가스 냉각 장치와 조합되어 또는 단독으로 사용될 수 있다.
본 발명의 선호된 반응기 장치에서, 상기 반응기 용기의 상부 영역 또는, 적어도 이 영역의 일부는 분리 영역보다 작은 직경을 갖는다. 보다 바람직하게, 상기 반응기 장치의 상부 또는 희박 상 영역 또는, 적어도 이 영역의 일부는 밀집 베드 영역보다 작은 직경을 갖는다. 예컨대, 반응기 장치의 희박 상 영역 또는, 적어도 이 영역의 일부는 반응기 용기의 밀집 베드 영역 직경의 약 5 퍼센트 ~ 100 퍼센트, 보다 바람직하게는 약 25 퍼센트 ~ 75 퍼센트인 직경을 가질 수 있다. 반응기 상부의 직경이 작으면 가스의 속도가 증가하여, 가스의 체류 시간과 고온을 초래할 수 있는 후연소와 같은 바람직하지않는 화학적 반응의 양이 감소된다.
상기에서 설명된 바와 같이, 냉각 장치는 생성물과 부유 촉매 입자와 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 혼합물의 온도를 낮추게 하는데 사용될 수 있다. 상기 혼합물의 온도가 후연소 또는 다른 바람직하지않는 부반응이 일어나지 않는 적절한 온도로 낮추어진 후에, 촉매는 혼합물로부터 분리될 수 있다. 만약 촉매가 혼합물로부터 분리되지 않는다면, 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 따라 반응기 장치 밖으로 나가게 되어 바람직하지 않게 촉매가 손실되는데 이는 나중에 취급 및 처리 문제를 초래할 수 있다. 따라서, 본 발명의 바람직한 반응기 장치에서, 냉각 장치를 나가는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 의 혼합물로부터 동반 촉매를 분리시키는데 하나 이상의 촉매 분리 장치가 사용된다. 이러한 분리를 실행하기 위한 임의의 적절한 장치로는, 가스의 통과를 허용하지만 촉매 입자의 통과는 막거나 또는 적어도 지연시킴으로써 이 가스로부터 고형분을 분리시킬 수 있는 필터, 막, 스크린 및 다른 유사한 장치가 사용될 수 있다. 분리 장치 또는 다수의 분리 장치는 반응기 용기 내에 적어도 부분적으로, 보다 바람직하게는 전체가 배치된다. 본 발명의 반응기 장치에 사용되는 바람직한 촉매 분리 장치는 가스-고체 분리 사이클론, 또는 상기 혼합물로부터 촉매 입자를 효율적으로 분리하기 위해서 바람직하게 직렬로 연결된 가스- 고체 분리 사이클론이다. 적절한 사이클론은 시중에서 구입가능하다. 본 발명의 바람직한 반응기 장치에서, 복수 (바람직하게는 3 개) 의 상기 사이클론이 직렬로 연결된다. 이러한 직렬 배치로, 직렬배치 사이클론에 진입하는 생성물과 부유 촉매 입자와 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 혼합물에 존재하는 입자 촉매의 약 99 중량 % 이상, 예컨대 약 99.9 ~ 약 99.999 중량 % 가 상기 혼합물로부터 분리되어, 바람직하게 약 0.1 중량 % 미만, 보다 바람직하게는 약 0.01 중량 % 미만, 가장 바람직하게는 약 0.002 중량 % 미만의 촉매 입자를 함유하는 유출물 가스 스트림이 얻어질 수 있다.
이렇게 직렬 배치되는 사이클론의 그룹 수와 이 사이클론의 크기 및 특정 형상은 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 의 혼합물로부터 촉매 입자를 소망하는 정도로 분리시킬 수 있도록 선택할 수 있다. 예컨대, 약 2 또는 3 개 이상의 직렬 사이클론이 약 2 ~ 약 20 개의 그룹으로 제공될 수 있다.
생성물과 촉매 입자 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 혼합물로부터 촉매 입자를 분리한 후에, 분리된 촉매 입자는 바람직하게 유동화 촉매 베드 반응기에 복귀된다. 본 발명의 바람직한 반응기 장치에서, 이러한 복귀는 가스 사이클론으로부터 유동화 촉매 베드까지 또는 그 내부로 뻗어있는 딥레그에 의해 이루어진다.
냉각 장치를 빠져나간 후 분리 장치에 진입하기 전에, 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 및 부유 또는 동반 촉매 입자를 포함하는 혼합물은 바람직하게 가스와 부유 촉매 입자의 혼합물을 가스로부터 부유 촉매 입자를 분리시키는 분리 장치, 바람직하게는 복수의 분리 장치에 분배시키기 위한 플레넘에 들어간다. 이 플레넘은 바람직하게 상기 냉각 장치에 부착 또는 연속된 챔버이다.
상기 분리 장치를 떠난 후에 가스 또는 가스 혼합물은 파이프 또는 다른 적절한 도관에 의해 반응기 용기 벽을 통과하여, 가스 혼합물은 소망하는 생성물 바람직하게는 반응물 성분 (만약 존재한다면) 이 제거되도록 처리될 수 있다. 분리된 반응물 성분은 만약 요구된다면 생성물로의 전환을 위해서 작동 반응기 장치로 재순환될 수 있다.
본 발명의 반응기 장치는 소망하는 화학적 반응을 촉진하기 위해서 유동화 촉매 베드를 사용하는 화학적 변환 반응을 실행하는데 특히 적합하다. 본 발명의 반응기 장치는 유동화 촉매 베드로 촉진하고 암모니아 가스 및 공기, 분자 산소 가스 또는 다른 산소 함유 가스원을 사용하여 프로판을 가암모니아 산화 반응시키는데 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 가암모니아 산화 반응은 약 350℃ ~ 약 700℃, 보다 바람직하게는 약 400℃ ~ 약 550℃ 의 온도와, 약 75 psia 이하, 바람직하게는 약 50 psia 이하의 압력에서 적절하게 실행된다. 산소 가스가 바람직한 분자 산소원이다. 질소와 같은 불활성 가스 희석제 또한 추가될 수 있다. 암모니아에 대한 프로판의 몰 비는 약 2.5 ~ 약 16 이 적절하며, 프로판에 대한 분자 산소의 몰 비는 약 1 ~ 약 10 이 적절하다. 평균 촉매 접촉 시간은 약 0.01 초 ~ 약 10 초, 바람직하게는 약 0.02 초 ~ 약 10 초, 보다 바람직하게는 약 0.1 초 ~ 약 5 초이다. 가암모니아 산화 반응에 사용되는 촉매는 아크릴로니트릴을 형성하기 위해서 프로판의 가암모니아 산화 반응을 촉진시키는 고상 입자 촉매가 적절하다. 이러한 촉매로는 본 명세서에 참조로 관련된 예컨대, 미국 특허 6,083,869; 5,866,502; 5,498,588; 5,332,855; 5,258,543; 5,214,016; 5,008,427; 4,788,317; 4,784,979; 4,746,641; 3,860,534 및 3,681,421 에 개시된 촉매가 사용될 수 있다. 본 명세서에 참조로 관련된 미국 특허 6,143,916; 6,143,690 및 5,750,760 에도 사용될 수 있는 촉매의 예가 소개되어 있다.
프로판을 암모니아 및 산소원과 가암모니아 산화 반응 시키는 동안에 유동화 촉매 베드를 빠져나가는 가스 조성물은 일반적으로 아크릴로니트릴, 미반응 암모니아, 미반응 프로판, 산화탄소, 수소 시안화물 및 아세트산, 아세토니트릴, 아크롤레인, 아크릴산 및 옥사졸 (oxazole) 과 같은 다양한 부산물의 혼합물을 포함한다. 유동화 촉매 베드를 빠져나가는 생성물과 반응물 가스와 부유 촉매 입자의 혼합물 온도는 일반적으로 약 350℃ ~ 약 700℃ 즉, 대략 유동화 촉매 베드의 온도이다. 상기에 설명된 바와 같이, 상기에 설명한 이유로, 생성물 및 반응물 가스를 포함하는 혼합물이 일단 유동화 촉매 베드를 빠져나가면 후연소를 허용가능한 정도로 감소시키기 위해서 상기와 같은 높은 온도에서 소정량의 촉매 입자 혼합물에 남아있게 하는 것이 바람직하다. 상기에 설명된 바와 같이, 유동화 촉매 베드 바로 위의 분리 영역에서, 생성물과 반응물 가스를 포함하는 혼합물에 부유되어 있는 촉매 입자의 일부는, 바람직하게는 대부분이 유동화 촉매 베드로 복귀한다. 분리 영역 (일반적으로 약 470℃ ~ 510℃ 의 온도 및 약 10 psig ~ 30 psig 의 압력임) 을 빠져나가는 생성물과 반응물 가스의 혼합물은 후연소를 없애거나 줄이기 위해서 어느 정도의 부유 또는 동반 촉매 입자를 아직 함유하는 것이 바람직하다. 예컨대, 반응물과 생성물 가스와 부유 촉매를 포함하는 이러한 혼합물의 약 5 ~ 약 67 중량 % 가 촉매이다. 반응물과 생성물 가스와 부유 촉매의 혼합물은 적절한 가스 냉각기를 사용하여 상기에서 설명된 바와 같이 상기 혼합물로부터 부유 촉매가 분리되기 이전에 약 250℃ ~ 약 350℃ 의 온도로 바람직하게 냉각된다. 이러한 온도에서, 가스에 함유된 예컨대 프로판과 아크릴로니트릴과 다른 생성물의 후연소는 허용가능한 수준으로 감소된다.
본 발명은, 프로판, 암모니아 및 분자 산소원을 포함하는 혼합물을 입자 촉매의 유동화 베드에서 반응시켜 아크릴로니트릴과 동반 입자 촉매를 포함하는 가스성 혼합물이 형성하는 단계와, 아크릴로니트릴과 동반 입자 촉매를 포함하는 가스성 혼합물을 냉각시켜 냉각된 혼합물을 형성하는 단계와, 상기 냉각된 혼합물로부터 입자 촉매를 분리시키는 단계 및, 여기서 위에서 설명한 조건 및 다른 파라미터, 예컨대 온도, 압력, 촉매 및 유동화 촉매 베드, 암모니아, 프로판, 산소 가스 또는 다른 분자 산소원과 같은 반응물, 희석제, 반응물의 몰비, 촉매 접촉 시간, 생성물 가스의 조성, 유동화 촉매 베드를 빠져나가는 생성물과 반응물 가스을 포함하는 혼합물로부터 반응기의 분리 영역에서 촉매 입자를 분리시키는 것, 상기 분리된 촉매 입자의 유동화 촉매 베드로의 복귀, 후연소를 감소시키거나 없애기 위해서 반응기의 분리 영역을 빠져나가는 생성물과 반응물 가스를 포함하는 혼합물에 부유 또는 동반되어 잔류하는 촉매의 양과, 온도 및 압력 그리고 생성물과 반응물 가스를 포함하는 가스 혼합물로부터 부유 또는 동반 촉매를 분리시키기 이전에 상기 혼합물이 냉각되는 온도가 사용될 수 있다.
상기 방법은 본 명세서에 설명된 바와 같은 반응기 장치 내에서 실행될 수 있다. 그러나, 이러한 방법에서, 냉각된 혼합물이 형성되도록 아크릴로니트릴과 동반 입자 촉매를 포함하는 가스 혼합물을 냉각하는 것은 반응기 용기의 내부에 적어도 부분적으로, 또는 그 외부에 위치된 가스 냉각 장치 (예컨대, 본 명세서에서 설명한 가스 냉각 장치) 로 실행될 수 있다. 만약 가스 냉각 장치가 반응기 용기의 외부에 위치된다면, 아크릴로니트릴과 동반 입자 촉매를 포함하는 혼합물은 파이프 또는 다른 적절한 도관에 의해 외부에 위치된 가스 냉각 장치로 가서, 냉각 후에, 냉각된 혼합물은 파이프 또는 다른 적절한 도관에 의해 본 명세서에 설명된 촉매 분리 장치와 같은 적절한 촉매 분리 장치로 향하여 상기 냉각된 혼합물로부터 입자 촉매가 분리되고 분리된 촉매는 유동화 촉매 베드로 복귀하게 된다. 바람직하게, 이러한 촉매 분리 장치는 반응기 용기 내에 위치된다. 다른안으로서, 외부 가스 냉각 장치는 반응기 용기의 옆 또는 상부에 탑재될 수 있으며, 아크릴로니트릴과 동반 입자 촉매를 포함하는 혼합물은 파이프 또는 도관이 필요 없이 외부에 위치된 가스 냉각 장치로 향할 수 있다. 예컨대, 혼합물은 반응기 용기의 개구를 통하여 이송된 다음, 바로 가스 냉각 장치 내부로 진입할 수 있다. 다음에 상기 냉각된 혼합물은 파이프 또는 다른 적절한 도관에 의해 촉매 분리 장치로 갈 수 있다.
도 1 은 본 발명의 바람직한 반응기 장치를 나타내는 단면도.
도 2 는 본 발명의 바람직한 반응기 장치에 사용되는 바람직한 그리드를 나타내는 평면도.
도 3 은 본 발명의 바람직한 반응기 장치에 사용되는 바람직한 반응물 가스 분배 시스템을 나타내는 3차원도.
도 4 는 본 발명의 바람직한 반응기 장치에 사용되는 바람직한 가스 냉각기를 나타내는 단면도.
도 5 는 본 발명의 바람직한 반응기 장치에 사용되는 가스사이클론 분리기에 배치된 직렬구조 및 바람직한 가스 냉각기를 나타내는 3차원도.
도 6 ~ 도 11 은 본 발명의 반응기의 실시형태의 예를 각각 나타내는 개략적 도.
도 1 은 본 발명의 선호된 실시형태의 반응기 장치를 도시한다. 도 1 에는 단면도로 반응기 장치 (1) 가 도시되어 있다. 반응기 장치 (1) 는 상기 설명된 바와 같이 소망하는 화학적 반응을 실행하는데 사용되는 온도 및 압력에 견딜 수 있는 재료로 적절히 이루어진 쉘 (10) 을 포함한다. 이 쉘은 안에 들어있는 촉매와 같은 화학적 화합물 또는 다른 물질의 화학적 반응을 견딜 수 있는 재료로 구성되거나 그러한 화학적 반응을 견딜 수 있는 재료로 적어도 라이닝되는 것이 바람직하다. 예컨대, 특히 높은 온도에서 사용되는 동안에 반응기에 존재하는 화학적 반응물 또는 화학적 생성물이 부식성이 있다면, 반응 조건 하에서 부식되지 않거나, 또는 빨리 부식되지 않는 재료를 선택해야 한다. 반응기 쉘은 강 예컨대, 저합금강, 탄소강 또는 스테인레스 강으로 적절하게 이루어져 있다. 반응기 (1) 는 또한, 촉매 그리드 (12) 와 가스 냉각 장치 (20) 및 가스로 부터 동반 또는 부유 입자를 분리시키는 수단 (예컨대, 직렬로 배열된 가스 사이클론 (30)) 그리고 유동화 촉매 베드를 위한 선택적 열전달 장치 (40) 를 포함한다. 바람직하게, 반응기 장치 (1) 의 수직방향 축선에 직각인 반응기 장치 (1) 의 단면은 원형이다. 도 1 의 밀집 베드 영역 (DB 영역) 인 반응기의 하부는 일반적으로 원통형이다. 도 1 에서 분리 영역 (DZ 영역) 인 반응기의 중간부는 아래쪽의 원추형부 (A) 및 원통형부 (B) 를 각각 포함한다. 원추형부 (A) 는 도 1 에 도시된 바와 같이 DB 영역과 연결된 지점에서 직경이 보다 작으며 원통형부 (B) 와 만나는 지점까지는 확장되어 있다. 도 1 의 희석 상 구역인 반응기의 상부 (DP) 는, 원추형부 (C) 와 돔형상의 반구형 즉, 타원형으로 씌워진 상부 (D) 를 포함한다. 원추형부 (C) 는 원통형부 (B) 와 만나는 지점에서 직경이 가장 크며, 돔형부 (D) 와 만날 때까지는 직경이 점차 감소하거나 테이퍼져 있다. 반응기의 바닥은 원추형부 (50) 를 갖는다.
반응기 (1) 는 가스 또는 다른 반응물을 반응기로 유입시키는 수단을 가진다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 도면 부호 "60, 70" 은 예컨대 각각 암모니아 및 분자 산소 함유 가스를 유입시키는데 사용될 수 있는 입구이다. 반응기 장치 (1) 에서 실행되어 지는 특정 화학적 반응에 따라, 더 적은 수의 입구가 존재할 수 있거나 또는 다른 반응물을 위한 추가 입구가 존재할 수도 있다. 도 1 에 도시된 바와 같이 입구 (60, 70) 는 반응물을 분산 또는 분배시키기 위한 수단 (80, 90) 에 각각 연결되어 있다. 반응물 예컨대 반응물 가스를 분산 또는 분배시키기 위한 수단 (또한 본 명세서에서 반응물 가스 분배 시스템이라고 함) 은 반응물 가스를 분산 또는 분배시킬 수 있는 임의의 적절한 수단일 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 반응물 가스 분배 시스템은 반응물 가스를 분배시키는데 사용되며, 이 반응물 가스 분배 시스템은 살포기일 수 있으며 또는 반응기 (1) 에서 그리드 (12) 의 윗쪽에 있는 부분을 통해 가스를 분산시키기 위한 하나 이상의 오리피스 또는 노즐 또는 다른 수단이 구비된 파이프 또는 다른 도관의 집합체 또는 네트워트를 포함한다. 도 1 와 도 2 및 도 3 에 보다 상세히 도시된 바와 같이, 본 발명의 반응기 장치를 위한 선호되는 반응물 가스 분배 시스템은 복수의 가스 분배 관 (82, 92) 및 매니폴드 관 (80, 90) 을 포함한다. 각각의 매니폴드 관 (80, 90) 은 분배 관 (82, 92) 에 각각 연결되며, 이 분배 관은 그로부터 하방으로 연장되어 그리드 (12) 의 상부면 근처까지 이르는 복수의 가스 전달 관 (85, 95) 을 갖는다. 바람직한 실시형태에서, 반응물 가스 중의 하나, 예컨대 암모니아 가스에 대한 분배 관으로부터 연장된 가스 전달관은 바람직하게 그리드의 구멍에서 또는 그 근처에서 바람직하게는 그 윗쪽에서 끝나며, 다른 반응물 가스 (예컨대, 분자 산소가스) 에 대한 분배 관으부터 연장된 가스 전달관은 그리드의 구멍으로부터 떨어져서 그리드 상방의 위치에서 끝나있다. 이러한 배열은 도 2 의 평면도 및 도 3 의 삼차원 도에 도시되어 있다. 도 2 의 바람직한 그리드와 도 3 에 3 차원적으로 상세히 도시된 바와 같은 바람직한 반응물 가스 분배 시스템은 이하에 상세히 설명된다.
반응물 가스는 입구 (96) 를 통하여 반응기 장치 (1) 에 유입될 수 있다. 반응물 가스 바람직하게 프로판을 포함한 반응물은, 입구 (96) 를 통하여 반응기 (1) 에 들어가서 그리드 (12) 에 있는 구멍 또는 다른 오리피스를 통과하여 그리드 (12) 의 상방에 있는 반응기 장치 (1) 의 DB 영역으로 유입될 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 그리드 (12) 는 일반적으로 도 1 에 도시된 바와 같이 반응기 장치 내에 설치되어 반응기 용기의 내부 원주까지 이르는 플레이트로 되어 있으며, 이 플레이트에는 반응기 장치가 선호된 수직 위치에 있을 때에 가스 또는 다른 반응물이 반응기 장치 중 플레이트 밑의 부분으로부터 플레이트를 통과하여 반응기 장치 중 플레이트 상방의 부분으로 가게 하기 위해서 플레이트의 영역에 걸쳐 바람직하게는 균일하게 이격된 일군의 구멍 또는 오리피스가 제공되어 있다. 상기 구멍 또는 오리피스는 그리드 플레이트 밑으로 뻗어있는 관형 노즐 (11) 을 포함할 수 있다. 하기에 보다 상세히 설명될 바와 같이, 반응기 장치에서 플레이트의 상방에 있는 부분은 고형물 바람직하게 촉매를 함유할 수 있다. 반응기 장치의 작동 동안에, 그리드 (12) 플레이트의 구멍 또는 오리피스를 통과하는 가스는 촉매 입자 베드에 유입되며, 상기 그리드의 상방에 위치된 촉매 입자를 유동화시킨다. 따라서, 그리드를 형성하는 플레이트의 구멍 또는 오리피스는 반응물 가스가 통과할 수 있도록 충분한 크기이어야 하나, 입자 촉매가 구멍을 통과하여 상당한 양으로 떨어질 수 있는 정도로 커서는 안된다. 바람직한 실시형태에서, 노즐 (11) 은 노즐의 내경 내에 위치된 오리피스를 가지며, 이 오리피스는 바람직하게는 노즐이 그리드와 연결된 지점으로부터 가장 먼 노즐 단부에 위치되어 있다. 오리피스는 그리드 밑의 반응기 내 가스와 그리드 상방의 가스 사이에 소망하는 압력 강하가 얻어지고 또한 가스가 소망하는 유량으로 노즐을 통과 하여 그리드 상방의 반응기 공간으로 유입할 수 있도록 하는 크기 또는 직경으로 되어있다. 안에 오리피스를 지닌 이러한 노즐이 도 3 에 도시되어 있다.
가스 냉각기 (20) 는 가스를 냉각시킬 수 있으면 어떤 것이라도 좋다. 본 발명의 바람직한 실시형태에서, 가스 냉각기 (20) 는 쉘-관 형 냉각기이며, 이경우 예컨대, 생성물 및 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하고 또한 부유 또는 동반된 촉매 입자도 함유하는 가스는 상부 (즉, 도 1 에 도시된 가스 냉각기 (20) 의 상부) 로부터 가스 냉각기에 유입하여 그 냉각기를 통하여 하방으로 간 다음 냉각기의 바닥 (즉, 도 1 에 도시된 바와 같이 가스 냉각기 (20) 의 하부) 을 빠져나가, 촉매 입자와 같은 부유 또는 동반된 입자로부터 냉각된 가스를 분리시키기 위해 직렬로 배치된 가스 사이클론 (30) 또는 다른 수단으로 유입된다. 상기 쉘-관 형 냉각기에서 관을 통과하는 가스를 냉각시키기 위한 물, 증기 또는 다른 적절한 유체와 같은 냉각 매체가 플랜지형 도관 (22, 23) 을 통하여 각각 유입 및 배출된다. 냉각기를 빠져나오는 냉각된 가스는 냉각된 가스로부터 부유 촉매 입자를 분리하기 위한 사이클론 (30) 또는 다른 수단에 진입하기 전에 가스 냉각기 (20) 의 하부에 위치된 분배 수단 또는 플레넘 (plenum, 24) 을 통과한다. 가스 냉각 수단 (20) 은, 반응기 장치 (1) 내의 다른 모든 구성요소와 마찬가지로, 반응기 내 반응물 및 생성물의 조건 및 화학적 반응성을 견딜 수 있는 재료로 이루어져야 한다. 강, 바람직하게 저합금강, 탄소강 또는 스테인레스강과 같은 재료가 사용될 수 있다. 선호되는 냉각기 (20) 는 도 4 및 도 5 에 보다 상세히 도시되어 있고 이에 대해 보다 자세히 설명하도록 한다.
가스 사이클론 (30) 은 촉매 입자와 같은 부유 또는 동반 입자로부터 가스 냉각기를 빠져나온 생성물 가스를 분리시킨다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 2 개 이상의 사이클론이 사용될 수 있다. 도 1 은 직렬로 배치된 3 개의 사이클론 (100, 110, 120) 을 도시한다. 가스성 생성물 및 동반 또는 부유 촉매 입자를 포함하는 가스 냉각기 (20) 로부터의 냉각된 가스 유출물은 도관 (101) 을 통하여 제 1 단계 사이클론 (100) 으로 진입한다. 사이클론 (100) 으로부터의 가스성 유출물은 도관 (111) 을 통하여 제 2 단계 사이클론 (110) 으로 진입하며, 다음에 이 제 2 단계 가스 사이클론 (110) 으로부터의 가스성 유출물은 도관 (121) 을 통하여 제 3 단계 가스 사이클론 (120) 으로 진입한다. 제 3 단계 가스 사이클론 (120) 으로부터의 가스성 유출물은 플랜지형 파이프 (130) 을 통하여 반응기를 빠져나가며, 상기 가스성 유출물로부터 아크릴로니트릴과 같은 생성물을 분리시키기 위해 분리/정화 시스템으로 향할 수 있다.
각 사이클론 (100, 110, 120) 에는 파이프와 같은 도관으로 된 딥레그 (dipleg, 105, 115, 125) 가 각각 부착되어 있으며, 이 딥레그는 DB 영역 내로 들어가서 그리드 근처까지 뻗어 있다. 도 1 에는 도시되지 않았지만, 바람직하게도 각 딥레그는 가스가 딥레그 안으로 들어가서 상방으로 유동하는 것을 막기 위한 편향 플레이트 또는 플랩 밸브와 같은 수단에서 끝나있다. 딥레그는 가스 사이클론에 의해 회수된 촉매가 있다면 그 촉매를 촉매의 대부분이 있게되는 반응기 하부로 이송하는 역할을 한다. 도 1 에는 한 세트의 3 개의 사이클론이 직렬로 배치된 것이 도시되어 있으나, 각 세트는 수량이 보다 적거나 또는 추가적 인 사이클론, 예컨대 2 개 또는 4 개의 사이클론을 가질 수 있으며, 이렇게 직렬 배치되는 사이클론은 여러 세트, 예컨대 2 ~ 10 개의 세트로 배치될 수 있다. 도 5 에는 바람직한 가스 냉각기의 내부 및 사이클론의 구성이 보다 상세히 도시되어 있다. 도 5 는 이하에서 보다 상세히 설명된다. 가스로부터 촉매 입자를 분리시키기 위한 다른 수단, 예컨대 필터 시스템 또는 침전기가 사이클론 대신에 사용될 수 있다.
도 1 에 도시되지는 않았지만, 그리드와 가스 냉각기 및 사이클론과 같은 구성 요소는 지지 빔 또는 다른 지지 장치와 같은 임의의 적절한 수단에 의해 소정 위치에 단단히 지지될 수 있다.
도 2 는 본 발명의 반응기 장치에 사용될 수 있는 바람직한 그리드 및 가스 분배 시스템의 평면도이다. 도 2 는, 상기 그리드가 반응기 장치에 배치되고 반응기 장치가 바람직한 수직 위치에 있을 때에 그리드의 상방에서 하방으로 내려다 본 도이다. 도 1 및 도 2 에서와 동일 구성 요소에는 명확성을 위해서 동일 부호가 부여되어 있다. 가스 분배 시스템 (220) 및 지지 빔 격자 (211) 가 1/4 구역에 도시되며, 그리드부 (200) 가 절반 구역에만 도시되어 있지만, 각 구역은 도 2 에 도시된 원형 그리드의 전체 영역에 걸쳐 형성되어 있다.
도 2 에는, 가스가 그리드 밑으로부터 상기 그리드의 상방에 위치된 촉매 입자의 유동화 베드로 갈 수 있도록 그리드를 관통하여 형성된 복수의 구멍 (210) 이 그리드 구역 (200) 에 제공되어 있다. 상기 구멍은 일정한 간격의 열에서 서로 일정한 간격으로 배치되어 있다. 한 열의 구멍들은 인접 열의 구멍들 사이 에 배치되어 있다. 그리드부 (200) 아래의 구역 (211) 에는 그리드를 지지하는데 사용되는 수직 지지 빔 (212, 215) 의 격자가 있다. 구역 (220) 에는 매니폴드 관 (80, 90), 가스 배분 관 (82, 92) 및 가스 전달 관 (85, 95) 을 갖는 반응물 가스 배분 시스템이 있다. 도 2 에 도시된 바와 같이, 가스 배분 관 (82) 으로부터 연장된 가스 전달 관 (85) 이, 가스가 방출되는 가스 전달 관 (85) 의 단부가 그리드 부 (200) 의 구멍 위에 위치되도록 배치되어 있으며, 가스 배분 관 (92) 으로부터 연장된 있는 가스 전달 관 (95) 은, 가스가 방출되는 가스 전달 관 (95) 의 단부가 그리드 (200) 의 구멍으로부터 떨어지도록 배치되어 있다.
도 3 은 본 발명의 반응기 장치에 유용한 바람직한 그리드의 일부 및 반응물 가스 배분 시스템의 3 차원도이며, 또한 도 1 및 도 2 에 도시된 가스 배분 시스템의 일부의 3 차원도 이다. 도 1 및 도 2 에서와 동일한 도 3 의 구성요소에는 명확화를 위해서 동일 부호가 부여 되어있다.
도 3 에는 구멍을 지닌 금속 그리드 플레이트 (310) 위의 층 (300) 과 같은 내화 절연재를 가지는 그리드 (12) 가 도시되어 있다.
그리드 (12) 는 복수의 구멍 (210) 및 이 구멍 (210) 에 삽입된 노즐 (11) 을 갖는다. 도 3 에는 복수의 연결 관 (321, 322) 에 의해서 매니폴드 관 (80, 90) 이 복수의 가스 분배 관 (82, 92) 에 각각 연결되어 있는 것이 도시되어 있다. 분배 관 (82, 92) 은 복수의 가스 전달 관 (85, 95) 에 각각 연결되어 있다. 가스 전달 관 (85) 의 말단 양단부는 그리드의 구멍 위에 위치되어 있다. 가스 전달 관 (95) 은 화살표 (330) 로 나타낸 바와 같이 이 전달 관을 빠져나가는 가스가 그리드 (12) 의 구멍 (210) 으로부터 떨어진 위치로 향하도록 배치되어 있다. 화살표 (340) 는 구멍 (210) 을 통하여 상방으로 이동하는, 예컨대 프로판을 포함하는 가스의 방향을 도시한다. 도 3 에 도시된 바와 같이, 예컨대 분자 산소 함유 가스가 매니폴드 관 (90) 으로 들어가서, 연결 관 (322) 을 통하여 가스 분배 관 (92) 으로 간 다음, 가스 전달 관 (95) 을 통과하여 예컨대, 프로판이 구멍 (210) 을 통하여 방출될 수 있는 지점으로부터 떨어진 그리드 상의 위치로 향하게 된다. 이와 유사하게, 암모니아 가스는 매니폴드 관 (80) 안으로 들어가서, 연결 관 (321) 을 통하여 가스 분배 관 (82) 안으로 간 다음, 가스 전달 관 (85) 을 통과하여 예컨대 프로판을 함유하는 가스가 구멍 (210) 을 통하여 방출될 수 있는 지점 바로 위의 그리드 상의 위치로 향하게 된다. 도 3 의 노즐 (11a) 은 이 노즐이 그리드 (12) 에 부착된 지점에서 제일 말단인 노즐 (11a) 단부의 캡 (11c) 의 오리피스 (11b) 를 상세히 보여준다. 도 4 에는 도시되지 않았지만, 전달 관 (85, 95) 은 그의 내경 보다 작은 직경으로 분배 관 (82, 92) 에 형성된 구멍 주위에서 그 분배 관 (82, 92) 에 예컨대 용접으로 각각 부착될 수 있으며, 이러한 경우 반응물 가스가 분배 관으로부터 전달 관에 진입하기 전에 통과하는 오리피스가 형성된다.
도 4 는 바람직하게 수직으로 위치된 도 1 의 반응기 장치의 C 부분의 일부와, 상부 D 를 도시하는 단면도로서, 가스 냉각기 (20) 의 바람직한 내부 구조 및 반응기 용기 (10) 의 쉘을 나타낸다. 가스 냉각기 (20) 에서 복수의 가스 냉각기 관 (400) 이 재킷 영역 (405) 을 통과한다. 재킷 영역 (405) 은 가스 냉 각기 (20) 의 외벽 (410) 으로 형성되어 있다. 가스 냉각기 (20) 는 복수의 격벽 (420) 을 가지고 있는데, 이 격벽은 재킷 영역 (405) 을 통과하는 냉각 유체가 가스 냉각 관 (400) 의 전 표면에 도달하게 한다. 냉각 유체는 플랜지형 파이프 (22) 를 통하여 재킷 영역 (405) 안으로 진입하여, 플랜지형 파이프 (23) 를 통하여 빠져나간다. 화살표 (430) 는 가스 냉각기 (20) 의 재킷 영역을 통하여 이동하는 냉각 유체의 경로를 나타낸다. 큰 화살표 (440) 는 예컨대 생성물과 반응물 가스 (존재한다면) 및 동반 또는 부유 촉매 입자를 포함하는 혼합물의 유동을 나타내며, 이 혼합물은 먼저 가스 냉각기 (20) 의 측면을 지나 상승하여 관 (400) 을 통하여 아래로 내려가 이 관 (400) 의 바닥으로부터 방출되어 플레넘 (460) 안으로 진입한다. 화살표 (450) 는 냉각 관 (400) 을 통과하는 상기 혼합물의 경로를 나타낸다. 파이프 (22, 23) 는 그에 제공된 플랜지 (460) 를 통하여, 가스 냉각기 (20) 를 통하여 순환되는 냉각 유체를 제공 및 수용하기 위한 냉각 유체 시스템에 연결된다. 도 1 ~ 도 3 에서와 같은 도 4 의 구성요소는 명확성을 위하여 동일 도면 부호가 부여되어 있다.
도 5 는 바람직한 가스 냉각기 (20) 및 플레넘 (24) 의 부분 생략 3 차원도이면서, 본 발명의 반응기 장치에 사용될 수 있는 가스 사이클론 (100, 110, 120) 의 확대도이다. 도 1 ~ 도 4 에서와 같은 도 5 의 구성 요소에는 명확성을 위하여 동일 도면 부호가 부여되어 있다. 특히, 도 5 에는 가스 냉각기 (20) 의 내부 구조가 자세히 도시되어 있다. 상기 도 5 에서 복수의 가스 냉각 관 (400) 은 재킷 영역 (405) 을 통과한다. 특히, 도 5 에는 또한 도 5 에서 화 살표 (510) 으로 표시된 바와 같이 플레넘 (25) 을 통과하여 도관 (101) 안으로 진입하는 예컨대, 생성물과 반응물 가스 및 동반 촉매 입자로 이루어진 혼합물로부터 동반 촉매 입자를 분리시키는데 사용되는 직렬 배치의 세 가스 사이클론 (100, 110, 120) 이 도시되어 있다.
도 1 의 반응기 장치는 바람직하게 프로판을 분자 산소 함유 가스 및 암모니아 가스와 가암모니아 산화 반응 (ammoxidation) 시켜 아크릴로니트릴을 형성하기 위해 다음과 같은 방법으로 작동한다. 예컨대, 상기에 열거된 촉매에 관한 미국 특허에 설명된 일 종 이상의 촉매와 같이 분자 산소 및 암모니아의 존재하에서 가열되면, 프로판을 아크릴로니트릴로 전환시키는데 유용한 당 기술분야에 공지된 일 종 이상의 촉매와 같은 고상 입자 촉매가 반응기 장치 (1) 의 하부 밀집 베드 (Dense Bed (DB)) 영역에 위치되게 된다. 반응기가 작동상태에 있고 촉매가 유동화 상태에 있을 때에 존재하는 촉매의 양은 반응기의 DB 영역을 채울 수 있는 양인 것이 바람직하다. 암모니아와 같은 반응물 가스 및 분자 산소원은 각각 입구 (60, 70) 를 통하여 반응기로 진입하며, 매니폴드 관 (80, 90) 과 분배 관 (82, 92) 및 가스 전달 관 (85, 95) 을 포함하는 가스 분배 수단에 의해 반응기의 바닥에서 분배된다. 재생된 프로판과 같은 재생 가스 및 반응물 프로판은 입구 파이프 (96) 를 통하여 반응기 장치 (1) 안으로 진입한다. 여기서 재생 가스는, 반응기의 출구로부터 회수되어 재생원으로서 반응기로 복귀하여 프로판을 아크릴로니트릴로 전환시키는 공정에 재차 사용되는 가스 (예컨대, 프로판) 를 의미한다. 다른 재생 가스는 분자 산소, 일산화탄소, 이산화탄소 및 질소 중의 일 종 이상을 포함할 수 있다. 반응물 프로판 및 임의의 재생 가스는 그리드 (12) 의 노즐 (11) 을 통하여 유동하여, 반응기의 DB 영역에 있는 입자 촉매를 유동화시킨다. 밀집된 유동화 촉매 베드에서 대부분의 소망하는 촉매 반응이 일어나서, 프로판이 아크릴로니트릴 및 수소 시안화물 및 아세토니트릴과 같은 유용한 부산물로 전환된다. 가암모니아 산화 반응은 발열 반응이다. 냉각 코일 (40) 은 유동화 촉매 베드로부터 잉여 열을 제거하여 유동화 촉매 베드의 온도를 규제하는데 사용된다. 생성물 및 임의의 잔여 반응물 가스는 밀집 베드를 통과하며, 도 1 의 "DZ" 로 도시된 바와 같은 반응기의 분리 영역 (DZ) 으로 진입한다. 상기 가스에는 유동화 촉매 베드로부터 온 촉매 입자가 부유 또는 동반되어 있다. 분리 영역에서, 대부분의 부유 또는 동반 촉매 입자는 반응물 및 생성물 가스로부터 분리되어, 중력에 의해 밀집 베드 영역으로 복귀한다. 도 1 의 반응기 장치의 DZ 영역의 직경이 확장되어 있기 때문에 반응기 장치 내에서 상방으로 이동하는 가스의 속도가 감소되며, 따라서 분리 영역에서 이러한 가스의 속도가 감소되어, 또한 부유 또는 동반된 촉매의 일부가 분리되는 것이 용이 해 진다. 생성물과 반응물 가스 및 잔여 동반 또는 부유 촉매 입자는 반응기의 희박 상 영역 (DP) 안으로 진입하여 반응기의 정상부까지 가서 가스가 냉각되는 가스 냉각기 (20) 의 상부로 하강 유동한다. 여전히 부유 또는 동반 촉매 입자를 포함하는 냉각된 가스는 냉각기 (20) 의 바닥 또는 하부를 지나 플레넘 (24) 을 빠져나가 제 1 단계 사이클론 (100) 으로 진입한다. 도 1 에는 명확성을 위해 직렬로 배열된 세 사이클론의 일 그룹만이 도시되어 있다. 그러나, 플레 넘 (24) 에는 연결된 복수의 이러한 사이클론 또는 직렬 배치된 사이클론들이 연결될 수 있다. 사이클론 (100) 에 의해 분리된 촉매 입자는 딥레그 (105) 를 통하여 반응기의 밀집 베드부로 복귀한다. 생성물 아크릴로니트릴과 다른 생성물 및 반응물 가스를 함유하는 유출물 가스는 사이클론 (100) 을 빠져나가, 도관 (111) 을 통하여 제 2 단계 사이클론 (110) 으로 진입한다. 사이클론 (110) 에 의해 분리된 촉매 입자는 딥레그 (115) 를 통과하여 반응기의 밀집 베드부로 복귀한다. 생성물 아크릴로니트릴과 다른 생성물 및 반응물 가스를 함유하는 유출물 가스는 사이클론 (110) 을 빠져나가, 도관 (121) 을 통하여 제 3 단계 사이클론 (120) 으로 진입한다. 제 3 단계 사이클론 (120) 에서, 생성물 및 반응물 가스를 포함하는 혼합물에 동반 또는 부유된 모든 또는 실질적으로 모든 잔여 촉매 입자가, 제거되어 딥레그 (125) 에 의해 반응기의 밀집 베드부로 복귀된다. 생성물 아크릴로니트릴과 다른 생성물 및 반응물 가스를 포함하는 가스는 제 3 단계 사이클론을 빠져나가, 생성물 출구 (130) 로 진입한다. 촉매의 밀집 베드가 도 1 에 나타나지 않았지만, 화살표는 동반된 촉매 입자가 있다가 나중에는 없는 반응물 및 생성물 가스의 유동을 나타낸다. 그래서, 화살표 (140) 는 반응기의 DB 영역을 통과하는 반응물과 생성물 가스의 상향 유동을 나타내며, 화살표 (142, 144) 는 분리 영역 (DZ) 및 희박 상 영역 (DP) 을 각각 통과하여 가스 냉각기 (20) 의 외부를 지나는, 부유 또는 동반 촉매 입자를 함유하는 생성물 가스와 반응물의 상향 유동을 나타낸다. 확장된 영역 (DZ) 에서, 부유 또는 동반 촉매 입자를 함유하는 생성물 가스와 반응물은 속도가 감소되어, 가스로부터 촉매 입 자의 일부가 분리된다. 화살표 (146) 는 일부 부유 또는 동반 촉매 입자를 아직 함유하고 있는 생성물 가스와 반응물이 방향 전환하여 가스의 유동 방향이 하방으로 향한 것을 나타낸다. 화살표 (148, 150) 는 반응물과 생성물 가스 및 부유 또는 동반 촉매 입자의 혼합물이 가스 냉각기 (20) 를 통과하여 플레넘 (24) 안으로 진입하는 것을 각각 나타낸다. 도관 (101, 111, 121) 에 표시된 수평 화살표는 사이클론 (100, 110, 120) 을 통과하는 반응물 및 생성물 가스의 경로를 도시하며, 화살표 (160) 는 가스로부터 부유 촉매가 분리된 후에 플랜지형 배출 파이프 (130) 를 통하여 반응기 장치 (1) 를 빠져 나가는 반응물 및 생성물 가스의 혼합물의 유동 방향을 나타낸다. 사이클론 (100, 110, 120) 내에서 하방으로 지시된 화살표는 가스 사이클론 (100, 110, 120) 에서 분리된 촉매 입자의 유동 방향을 나타낸다. 화살표 (161, 162, 164) 는 딥레그 (105, 115, 125) 내의 분리된 촉매 입자의 하향 이동을 나타낸다. 직렬로 배치된 사이클론 중 첫번째 사이클론 (100) 은 직렬로 배치된 다음 사이클론, 즉 사이클론 (110, 120) 보다 바람직하게 크다. 직렬로 배치된 사이클론 중 제 1 단계 사이클론이 바람직하게 커서 대부분의 촉매를 분리시킬 수 있다. 이와 유사하게, 제 1 사이클론에 대한 딥레그는 직렬로 배치된 다음 사이클론에 대한 딥레그 보다 단면적, 예컨대 직경이 커서 다량의 촉매 입자를 수용할 수 있다. 화살표 (170) 는 열 전달 매채 또는 냉각 유체가 플랜지형 파이프 (22) 및 가스 냉각기 (20) 의 쉘 내부로 유동하는 방향을 나타낸다. 화살표 (122) 는 냉각 유체가 가스 냉각기 (20) 를 통과할 때 따르는 바람직한 굴곡 경로를 나타내며, 화살표 (174) 는 냉각 유체가 플랜지형 파이프 (23) 를 통과하여 빠져나갈 때의 유동 방향을 나타낸다.
도 6 ~ 도 11 은 본 발명의 반응기 장치의 실시형태의 예들을 나타내는 단순화된 개략도이다.
도 6 은 도 1 의 반응기의 단순화된 개략도로, 다른점은 직렬 배치된 사이클론이 2 개의 그룹으로 제공되어 있고 제 2 그룹의 직렬 배치된 사이클론을 위해 별도의 생성물 가스 출구가 제공되어 있다는 것이다. 도 6 에서, 반응기 (600) 는 반응기 쉘 (610) 과, 괄호 "615" 로 나타낸 밀집 유동화 촉매 베드 영역 (간략성을 위해 촉매 베드는 도시되지 않음) 과, 유동화 촉매 베드의 온도를 조절하기 위한 열전달 장치 (618) 와, 예컨대 산소 함유 가스 및 암모니아를 반응기에 공급하기 위한 반응물 가스 입구 (620, 625) 와, 예컨대 산소 함유 가스 또는 암모니아를 분배하기 위한 가스 분배 시스템 (622, 627) 과, 예컨대 프로판을 반응기에 추가시키기 위하여 사용되는 반응기 가스 입구 (630) 와, 예컨대 사이클론으로 도시된 촉매 분리 장치 (635) 와, 가스 냉각기를 통하여 냉각 유체를 순환시키기 위한 입구 파이프 (612) 와 출구 파이프 (614) 를 구비한 싱글 패스 쉘-관 형 냉각기로 도시된 가스 냉각기 (640) 와, 플레넘 (642) 과, 생성물 가스 배출 파이프 (650) 와, 그리드 (660) 및 촉매 입자를 유동화 촉매 베드로 복귀시키기 위한 딥레그 (670) 를 구비하며, 화살표 (645) 는 생성물 및 반응물 가스 (만약 존재한다면) 의 혼합물이 부유 또는 동반 촉매 입자와 함께 (촉매 분리 장치를 통과한 후에는 그렇지 아니함) 유동하는 경로를 나타낸다.
도 7 ~ 도 11 에서 숫자로 표시되어 있지 않고 도 6 에서와 동일하게 그려지 거나 묘사된 반응기 장치의 구성요소는 특별한 언급이 없는 한, 도 6 과 관련하여 설명한 것과 동일한 구성요소이다. 도 6 ~ 도 11 에 도시된 모든 반응기 장치는 수직 위치로 나타나 있다.
도 7 은 본 발명의 반응기 장치의 일 실시형태를 도시하며, 도 7 에 도시된 실시형태에서 반응기 쉘이 하부의 DB 영역에 비하여 확장되어 있는 중간 영역 (705) 을 갖지 않는다는 점을 제외하고 도 6 에 도시된 반응기와 동일하다. 반응물과 생성물 가스에 대한 압력, 온도 및 가스 유량과 같은 동일한 반응 조건 및 화학적 반응에 대하여, 도 7 에 도시된 반응기 장치에서는 밀집 상 구역 및 분리 구역의 직경이 도 6 에 도시된 반응기 장치의 확장된 중간부 또는 분리 구역의 직경과 거의 동일할 수 있다. 이러한 반응기에서 생성물, 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하며 또한 동반 촉매 입자도 함유하는 혼합물이 각 반응기의 희박 상 영역 안으로 진입하는 속도는 유사하며, 부유 또는 동반 촉매 입자의 양 또한 유사하다.
도 8 은 본 발명의 반응기 장치의 일 실시형태를 도시하며, 도 8 에 도시된 실시형태에서 반응기 쉘 (802) 의 상부는 중간부 (805) 에 비례하여 큰 직경을 가지며, 반응기는 코일 내에서 냉각 유체를 순환시키기 위한 입구 파이프 (812) 와 출구 파이프 (814) 를 갖는 냉각 코일 (810) (예컨대, 핀 (fin) 부착관 냉각 코일) 을 갖는 것을 제외하고 도 7 에 도시된 반응기 장치와 동일하다. 가스 및 촉매 입자의 혼합물로부터 촉매 입자를 분리시키기 전에, 생성물 및 부유 또는 동반 촉매 입자를 함유하는 반응물 가스 (만약 존재한다면) 의 혼합물을 냉각시키는데 사용되는 예컨대 쉘-관 가스 냉각기 외에 상기 냉각 코일이 가스 냉각기로서 사용된다.
도 9 는 본 발명의 반응기 장치의 일 실시형태를 도시하며, 냉각 코일 및 싱글 패스 가스 냉각기가 투 패스 쉘-관 형 냉각기와 같은 투 -패스 가스 냉각기 (910) 로 교체되었다는 점을 제외하고 도 8 에 도시된 반응기 장치와 동일하다. 투 패스 냉각기에서, 생성물 및 부유 또는 동반 촉매 입자를 함유하는 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하는 혼합물은 도 9 에서 화살표로 표시된 바와 같이 반응기 내에서 수직 상방으로 이동할 때 투 패스 냉각기를 통과하고 하방으로 내려갈 때 다시 한번 냉각기를 통과하게 된다. 투 패스 냉각기 (910) 는 냉각기를 통하여 냉각 유체를 순환시키기 위한 입구 파이프 (912) 와 출구 파이프 (914) 를 갖는다.
도 10 에는 예컨대 싱글 패스 상방 유동 쉘-관 형 가스 냉각기와 같은 싱글 패스 상방 유동 가스 냉각기 (1010) 를 가지는 본 발명의 반응기 장치의 일 실시형태가 도시되어 있다. 이 실시형태에서, 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하며, 또한 부유 또는 동반 촉매 입자를 함유하는 혼합물은 반응기 내에서 상방으로 유동할 때 상방 유동 가스 냉각기 (1010) 를 통과한다. 상기 냉각기를 빠져나온 후에, 상기 혼합물은 직렬 배치된 사이클론의 제 1 단계 사이클론의 개구 (1020) 를 통하여 직렬 배치된 사이클론 (1015) 과 같은 촉매 분리 장치 안으로 진입한다. 직렬 배치된 사이클론을 통과한 후에, 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 의 혼합물은 파이프 (1030) 를 통하여 반응기를 떠나기 전 에 플레넘 (1025) 으로 진입한다. 싱글 패스 상방 유동 냉각기 (1010) 는 이 냉각기를 통하여 냉각액 또는 다른 적절한 유체가 순환할 수 있도록 입구 파이프 (1012) 와 출구 파이프 (1014) 를 갖는다.
도 11 은 본 발명의 반응기의 일 실시형태를 도시하며, 냉각 코일 (810) 을 갖지 않고 예컨대 사이클론과 같은 "러프-컷 (rough-cut)" 촉매 분리 장치 (1010) 를 포함한다는 것을 제외하고는 도 8 에 도시된 반응기와 동일하다. 러프-컷 분리 장치는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재하다면) 를 포함하며, 또한 부유 또는 동반 촉매도 함유하는 혼합물로부터 촉매의 일부를 제거하는데 사용된다. 그래서, 러프-컷 촉매 분리 장치는 도 1 및 도 6 에 도시된 반응기의 확장된 분리 구역이 하는 것과 유사하게 또는 동일하게 이러한 가스 혼합물로부터 촉매 입자를 분리시킬 수 있다. 도 11 의 반응기에서, 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하며 부유 또는 동반 촉매 입자도 함유하는 혼합물은 사이클론 (1110) 의 흡입부 (1115) 안으로 진입한다. 분리된 촉매 입자는 사이클론 (1110) 에 부착된 딥레그를 통하여 밀집 상 촉매 베드로 복귀한다. 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하며, 이제는 감소된 양의 부유 또는 동반 촉매를 함유하는 혼합물은 플레이트 (1120) 를 통하여 반응기의 상부 (1102) 로 진입한다. 플레이트 (1120) 는 반응기 (1102) 의 상부를 반응기의 나머지 부분과 분리시키며, 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하며, 또한 부유 또는 동반 촉매를 함유하는 혼합물이 사이클론 (1110) 을 통과해서 또는 개방 위치에 있는 바이패스 밸브 (1130) 를 통해서 반응기 상부에 진입하는 경우만 허용한다. 바이패스 밸브 (1130) 는 생성물과 반응물 가스 (만약 존재한다면) 를 포함하며 또한 부유 또는 동반 촉매 혼합물을 함유하는 혼합물이 사이클론 (1110) 을 통과하는 양을 제어하는데 사용될 수 있다.
본 발명의 반응기 장치가 아크릴로니트릴을 형성하기 위해서 프로판의 가암모니아 산화 반응에 사용될 수 있으며, 그러한 용도와 관련하여 설명했지만 본 발명의 용도는 이에 한정되지 않으며 다른 화학적 변환 반응을 실행하는데 사용될 수 있다. 예컨대, 프로판, n-부탄 또는 이소부탄과 같이 포화되었거나 또는 프로필렌 또는 이소부틸렌과 같이 불포화된 다른 탄화수소를 대응하는 불포화 니트릴, 즉 아크릴로니트릴 또는 메타크릴로니트릴로 전환시키는데 사용될 수 있다. 또한 본 반응기 장치는 예컨대, 벤젠 또는 부탄을 말레산무수물로 산화시키는 반응, 가솔린 및 다른 탄화수소의 형성을 위한 원유의 촉매 분해, 잔류물의 코킹 (coking), 코크 기화 및 다른 유사한 촉매 화학적 변환 반응에도 사용될 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태만이 설명되었지만, 당업자라면 다른 실시형태와 다양한 변형예가 적용될 수 있다는 것을 알 수 있다. 이와 같거나 다른 실시형태는 본 발명의 요지 및 범위 내에서 본 발명과 동등하다.

Claims (39)

  1. 제 1 영역과 적어도 제 2 영역을 포함하는 반응기 용기 및 촉매 분리 장치를 포함하며, 상기 제 1 영역은 반응물을 위한 하나 이상의 입구를 포함하며, 상기 제 2 영역은 반응기 용기 내에 적어도 부분적으로 위치되어 가스 냉각기를 통과하는 가스를 냉각시키는데 적합한 가스 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  2. 제 1 영역과 제 2 영역 및 제 3 영역을 포함하는 반응기 용기와, 이 반응기 용기 내에 적어도 부분적으로 배치된 가스 냉각기 및 촉매 분리 장치를 포함하며, 상기 제 1 영역은 촉매 입자를 지지하기 위한 플레이트 및 이 제 1 영역 내에서 상기 플레이트의 상방에 위치된 반응물 가스 분배 시스템을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 반응기 용기의 수평 단면은 원형인 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 제 2 영역의 직경은 상기 제 1 영역보다 큰 것을 특징으로 하는 반응기 용기.
  5. 제 2 항에 있어서, 가스 냉각기는 쉘-관 형 가스 냉각기인 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 가스 냉각기는 싱글 패스 상방 유동 쉘-관 형 가스 냉각기, 싱글패스 하방 유동 쉘-관 형 가스 냉각기, 투 패스 쉘-관 형 가스 냉각기 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  7. 제 2 항에 있어서, 촉매 분리 장치는 필터, 막, 스크린, 사이클론 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  8. 제 2 항에 있어서, 촉매 분리 장치는 사이클론을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  9. 제 2 항에 있어서, 촉매 분리 장치는 하나 이상의 그룹을 지어 반응기 용기 내에 직렬 배치된 사이클론을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  10. 제 2 항에 있어서, 플레이트는 관통 형성된 다수의 구멍을 포함하는 그리드인 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  11. 제 10 항에 있어서, 그리드는 절연재 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  12. 제 2 항에 있어서, 가스 분배 시스템은 하나 이상의 매니폴드 관과, 이 하나 이상의 매니폴드 관에 연결된 복수의 분배 관 및 각 분배 관에 연결된 복수의 전달 관을 포함하며, 매니폴드 관 내로 향하는 가스는 분배 관으로 유동한 다음 전달 관으로 이동하며 이 전달 관으로부터 빠져나가는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  13. 제 12 항에 있어서, 하나 이상의 매니폴드 관은 절연되어 있는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  14. 제 10 항에 있어서, 반응물 가스 분배 시스템은 하나 이상의 매니폴드 관과, 이 하나 이상의 매니폴드 관에 연결된 복수의 분배 관 및, 각 분배 관에 연결된 복수의 전달 관을 포함하며, 매니폴드 관의 내로 향하는 가스는 분배 관으로 유동한 다음 전달 관으로 유동하여 이 전달 관으로부터 빠져나가며, 상기 전달 관은 분배 관에 부착된 제 1 단부와 반대편의 제 2 단부를 가지며, 전달 관의 제 2 단부의 적어도 일부는 그리드의 구멍 위에 위치되며, 또한 전달 관의 제 2 단부의 적어도 일부는 그리드의 구멍으로부터 떨어져서 배치되는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  15. 제 10 항에 있어서, 반응기 용기 내에서 그리드 밑에 위치된 공간과, 이 공 간에 가스를 공급하기 위한 가스 입구를 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  16. 반응기 용기 안에서 고상 입자 촉매제의 존재하에 일 종 이상의 반응물 가스상 성분을 반응시켜 일 종 이상의 생성물 가스상 성분을 형성하는 방법으로서, 촉매재의 유동화 베드와 일 종 이상의 생성물 가스상 성분을 형성하는 조건과 촉매재의 존재하에서 일 종 이상의 반응물 가스상 성분을 접촉시키는 단계와, 생성물 가스상 성분의 적어도 일부와 유동화 베드로부터 와서 부유된 입자 촉매를 포함하는 혼합물을 반응기 용기 내에 적어도 부분적으로 배치된 가스 냉각기로 보내는 단계와, 상기 가스 냉각기에서 혼합물을 냉각시키는 단계와, 냉각 후에 상기 혼합물로부터 부유 입자 촉매를 분리시켜, 분리된 촉매와 일 종 이상의 생성물 가스상 성분을 포함하는 가스 상을 형성하는 단계, 및 분리된 촉매의 적어도 일부를 유동화 베드로 복귀시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16 항에 있어서, 냉각 전에 혼합물로부터 입자 촉매의 일부를 분리시키는 것을 또한 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17 항에 있어서, 상기 분리 후에, 혼합물은 약 5 중량 % 이상의 입자 촉매를 포함하게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제 18 항에 있어서, 상기 분리 후에, 혼합물은 약 5 ~ 약 67 중량 % 의 입자 촉매를 포함하게 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 17 항에 있어서, 상기 분리는 중력에 의해 입자 촉매의 일부를 유동화 촉매 베드로 복귀시켜 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제 17 항에 있어서, 상기 분리는 필터, 막, 스크린, 사이클론 또는 이들의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택된 촉매 분리 장치를 사용하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  22. 제 21 항에 있어서, 촉매 분리 장치는 하나 이상의 러프-컷 (rough-cut) 사이클론을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  23. 제 16 항에 있어서, 반응물 가스상 성분은 프로판, 암모니아 및 분자 산소를 포함하는 가스를 포함하는 혼합물을 포함하며, 생성물 가스상 성분은 아크릴로니트릴을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23 항에 있어서, 혼합물은 약 350℃ 이하의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  25. 반응기 용기와,
    입자 촉매의 유동화 베드와 유동화 촉매 베드 아래에 있는 그리드 및 상기 그리드의 상방에 위치된 가스 분배 시스템을 포함하는 반응기 용기 내의 밀집 베드 영역과,
    반응기 용기 내에서 상기 밀집 베드 영역 위에 위치된 촉매 분리 영역과,
    반응기 용기 내에서 상기 분리 영역 위에 배치된 희박상 영역과,
    상기 희박상 영역 내에 적어도 부분적으로 위치된 가스 냉각기와,
    상기 반응기 용기 내의 촉매 분리 장치와,
    촉매 분리 장치에서 분리된 촉매를 밀집 베드 영역으로 복귀시키기 위한 수단과,
    그리드의 밑에 위치된 반응물 가스를 위한 하나 이상의 가스 입구와,
    반응물 가스를 하나 이상의 가스 분배 시스템에 공급하기 위한 하나 이상의 가스 입구 및,
    일 종 이상의 생성물 가스를 위한 하나 이상의 가스 출구를 포함하는 반응기 장치.
  26. 제 25 항에 있어서, 밀집 베드 영역 및 이 밀집 베드 영역 안의 유동화 촉매 베드, 그리드, 가스 분배 시스템, 분리 영역, 희박상 영역, 가스 냉각기, 촉매 분리 장치, 그리드 밑의 가스 입구 및, 가스 출구는 반응기 용기 내에 배치되어 있으며, 상기 그리드 밑의 위치로부터 반응기 용기에 진입하는 일 종 이상의 반응물 가 스를 포함하는 가스는 그리드의 구멍을 통과하여 상방으로 유동하여, 촉매 베드를 유동화시키며 상기 가스 분배 시스템을 통하여 반응기 용기로 진입하는 일 종 이상의 반응물 가스 성분을 포함하는 가스는 촉매 베드를 유동화를 시킬 수 있으며, 상기 유동화 베드에서 형성되어 일 종 이상의 생성물 가스 성분과 동반된 촉매 입자를 포함하는 제 1 혼합물은, 유동화 베드로부터 벗어나 상방으로 분리 영역으로 이동할 수 있으며, 이 분리 영역에서 상기 혼합물의 동반된 촉매 입자의 일부가 유동화 베드로 복귀할 수 있어, 제 1 혼합물에서 보다 작은 양으로 일 종 이상의 생성물 가스 성분과 동반 촉매를 포함하는 제 2 혼합물이 형성되며, 이 제 2 혼합물은 가스 냉각기를 통과하면서 더 낮은 온도로 냉각될 수 있으며, 이어서 상기 제 2 혼합물은 촉매 분리 장치로 가고 거기서 동반 촉매가 분리되어 유동화 촉매 베드로 복귀하여 일 종 이상의 생성물 가스를 포함하는 제 3 혼합물을 형성시키며 이 제 3 혼합물은 가스 출구를 통하여 반응기 장치 외부로 나갈 수 있는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  27. 제 1 영역과 적어도 제 2 영역을 포함하는 반응기 용기 및 촉매 분리 장치를 포함하며, 상기 제 1 영역은 반응물 가스를 위한 하나 이상의 입구를 포함하며, 상기 제 2 영역은 투 패스 가스 냉각기를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 장치.
  28. 유동화 촉매 베드에서 가스상 반응을 실행하는데 적합한 장치로서,
    반응기 용기와,
    그리드와,
    반응물을 위한 하나 이상의 입구와,
    상기 반응기 용기 내에 적어도 부분적으로 위치된 가스 냉각기와,
    촉매 분리 장치 및,
    생성물 물질을 위한 출구를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 가스를 유동화 촉매 베드로 진입시키는데 적합한 그리드로서,
    다수의 구멍을 포함하는 플레이트와,
    플레이트 위에 배치되며 플레이트의 구멍 위에 위치하는 다수의 구멍을 가지는 절연재 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 그리드.
  30. 아크릴로니트릴을 제조하기 위한 방법으로서, 프로판, 암모니아 및 분자 산소원을 포함하는 혼합물을 고상 입자 촉매의 유동화 베드에서 반응시켜 아크릴로니트릴과 동반 고상 입자 촉매를 포함하는 가스성 혼합물을 형성하는 단계와, 아크릴로니트릴과 동반 고상 입자 촉매를 포함하는 상기 가스성 혼합물을 냉각시켜 냉각 혼합물을 형성하는 단계와, 상기 냉각 혼합물로부터 고상 입자 촉매를 분리시키는 단계 및, 상기 냉각 혼합물로부터 분리된 고상 입자 촉매를 고상 입자 촉매의 유동화 베드로 복귀시키는 단계를 포함하는 방법.
  31. 제 30 항에 있어서, 반응기 장치에서 수행되고, 가스성 혼합물의 냉각은 상 기 반응기 장치의 반응기 용기 외부에 위치된 가스 냉각기에서 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  32. 제 31 항에 있어서, 가스 냉각기는 쉘-관 형 가스 냉각기인 것을 특징으로 하는 방법.
  33. 제 31 항에 있어서, 아크릴로니트릴과 동반 입자 촉매를 포함하는 가스 혼합물은 약 350℃ 까지의 온도로 냉각되는 것을 특징으로 하는 방법.
  34. 제 31 항에 있어서, 아크릴로니트릴과 동반 입자 촉매를 포함하는 혼합물은 약 67 중량 % 까지의 입자 촉매를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  35. 제 30 항에 있어서, 가스성 혼합물을 냉각하기 전에, 동반 고상 입자 촉매의 적어도 일부가 상기 혼합물로부터 분리되어 유동화 베드로 복귀하는 것을 특징으로 하는 방법.
  36. 하나 이상의 매니폴드 관과, 이 하나 이상의 매니폴드 관에 연결된 복수의 분배 관 및 이 각각의 분배 관에 연결된 복수의 전달 관을 포함하며, 매니폴드 관 내로 향하는 가스는 분배 관으로 유동한 다음 전달 관으로 이동하며 이 전달 관으로부터 빠져나가는 것을 특징으로 하는 가스 분배 시스템.
  37. 가스 분배 시스템과 구멍을 갖는 그리드를 포함하는 장치로서, 상기 가스 분배 시스템은 하나 이상의 매니폴드 관과, 이 하나 이상의 매니폴드 관에 연결된 복수의 분배 관 및 각 분배 관에 연결된 복수의 전달 관을 포함하며, 상기 매니폴드 관 내로 향하는 가스는 분배 관으로 유동한 다음 전달 관으로 유동하며 이 전달 관으로부터 빠져나가며, 이 전달 관은 분배 관에 부착된 제 1 단부와 반대편의 제 2 단부를 가지며, 전달 관의 제 2 단부들의 적어도 일부는 그리드의 구멍 위에 위치되며, 또한 상기 전달 관의 제 2 단부의 적어도 일부는 그리드의 구멍으로부터 떨어져서 배치되는 것을 특징으로 하는 장치.
  38. 제 37 항에 있어서, 구멍 위에 위치된 제 2 단부를 갖는 전달 관 및 구멍으로부터 떨어져 위치된 제 2 단부를 갖는 전달 관은 별도의 분배 관에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  39. 제 38 항에 있어서, 상기 별도의 분배 관은 별도의 매니폴드 관에 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
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