KR20070059178A

KR20070059178A - 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치

Info

Publication number: KR20070059178A
Application number: KR1020077009354A
Authority: KR
Inventors: 데츠야 스즈타; 야스히코 모리; 다카아키 다나카; 다다시 아베
Original assignee: 스미또모 가가꾸 가부시끼가이샤
Priority date: 2004-09-27
Filing date: 2005-09-26
Publication date: 2007-06-11
Also published as: US20070297959A1; CN100574860C; WO2006035951A1; EP1813346B1; KR101184235B1; JP2005296921A; US7771674B2; CN101027122A; EP1813346A4; EP1813346A1; JP4205035B2

Abstract

평행하게 배열된 복수의 반응관과, 반응기 쉘에 도입된 열매의 이동 방향을 그 반응관의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 변경 가능한 방해판과, 그 열매가 그 방해판의 면 방향으로 흐르는 부분의 일부에 형성된, 그 반응관을 배열하지 않은 공간부와, 그 공간부와 그 반응관 사이에 형성된, 그 반응관과 동일한 길이 방향을 갖는 정류봉군을 구비하는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치에 관한 것이다. 정류봉군은, 공간부와 반응관 사이에 1 ∼ 10 열의 범위 내에서 배열되는 것이 바람직하다. 또한, 정류봉군으로서, 그 반응관에 촉매가 충전되어 있지 않은 더미관이 배열되는 것이 바람직하다. 본 발명의 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치는 염소 가스의 제조에 있어서 특히 바람직하게 사용된다.

Description

접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치 {MULTITUBULAR REACTION APPARATUS FOR CONTACT GAS-PHASE REACTION}

본 발명은, 염소 가스의 제조에 있어서 바람직하게 사용되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치에 관한 것이다.

종래, 접촉 기상 반응에 의해 생성되는 염소 가스, 아크롤레인 등의 공업용 가스를 제조할 때에는, 발열 반응에 의해 발생한 열을 효율적으로 제거하기 위해서 다관식 반응 장치가 일반적으로 사용되고 있다. 다관식 반응 장치는, 촉매를 충전한 복수의 반응관을 반응기 쉘 내에 구비하고, 그 반응기 쉘 내에 열 교환 매체 (열매) 를 순환시킴으로써 반응관을 냉각시키고, 반응열을 제거한다.

다관식 반응 장치를 사용한 발열 반응에 있어서는, 열매 흐름의 편류에 의해 반응열의 제거 효율이 나빠지는 지점이나, 촉매 농도가 높고 반응 속도가 큰 지점 등에, 이른바 핫 스팟이 생기는 경우가 있다. 핫 스팟에서는 과도한 온도 상승 때문에 촉매의 열화나 반응 생성물의 순도 저하가 일어나기 쉬운 경향이 있다.

열매를 공급하여 반응기의 제열을 행할 때에는 수평 방향 (횡 방향), 즉, 반응관의 길이 방향과 수직을 이루는 방향에 있어서의 열매의 흐름이 주로 반응기의 제열 효율을 좌우한다. 따라서, 핫 스팟의 생성을 억제하기 위해서는 반응기 쉘 내에 있어서의 열매의 횡 방향으로의 흐름이 균일해지도록 제어하는 것이 유효하다.

핫 스팟의 생성을 억제하는 방법으로서, 미국 특허 제3871445호 명세서에는, 열매의 순환 장치를 구비한 다관식 반응관으로, 반응기 쉘 내에 방해판을 배열한 반응 장치가 개시되어 있다. 그 방해판의 존재에 의해, 그 방해판에서 구획된 1 구역 중에 있어서의 열매의 횡 흐름, 즉, 반응관의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로의 흐름의 속도가 거의 일정하게 유지되고, 그 1 구역 중의 열 이동이 일정하게 된다. 그러나, 미국 특허 제3871445호 명세서에 기재된 방법에서는, 횡 흐름에 비하여 종 흐름, 즉, 반응관을 따른 방향의 흐름에 있어서의 제열이 나쁘고, 1 구역 중의 열 이동이 충분히 일정하다고는 할 수 없다.

한편, 유럽 특허 출원 공개 제1080780호 명세서에는, 원판형 방해판을 갖는 다관식 반응기에 있어서, 반응기 쉘 중앙부에 반응관을 배열하지 않은 공간부를 형성함으로써, 종 흐름에 의한 제열성 저하의 영향을 경감하는 것이 개시되어 있다. 그러나, 이러한 경우에도, 방해판의 단부에서 열매 흐름이 반전하는 부위에 있어서는, 일부의 반응관에 제열성이 나쁜 부분이 남아 핫 스팟 생성의 원인이 되는 경우가 있다.

유럽 특허 출원 공개 제1466883호 명세서에는, 고정 바닥식 다관열 교환형 반응기에 의한 기상 접촉 산화 방법에 있어서, 반응기 쉘 내에서의 열매 흐름의 불균일에 의한 핫 스팟 생성 방지를 위해서, 반응관 내부의 반응 상태를 예측하고, 그 예측 결과에 따라 반응관 사이의 반응 상태의 불균일성이 감소되도록, 반응관에 있어서의 촉매의 충전 사양을 변경하는 것이 기재되어 있다. 그러나 이 경우, 촉매 충전 방법이 너무 복잡해진다는 문제가 있다.

발명의 개시

본 발명은, 상기의 과제를 해결하고, 반응관과 열매 사이의 전열을 정상으로 유지하고, 과도한 핫 스팟의 생성을 억제하고 촉매 수명을 유지함과 함께, 고온에 의한 반응관의 부식 또는 파손을 방지하는 것이 가능하며, 또한 복잡한 사양이 필요하지 않고, 특히, 염소 가스의 제조에 있어서 바람직하게 사용되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 평행하게 배열된 복수의 반응관과, 반응기 쉘에 도입된 열매의 이동 방향을 그 반응관의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 변경 가능한 방해판과, 그 열매가 그 방해판의 면 방향으로 흐르는 부분의 일부를 포함하는 영역에 형성된, 그 반응관을 배열하지 않은 공간부와, 그 공간부와 그 반응관 사이에 형성된, 그 반응관과 동일한 길이 방향을 갖는 정류봉군를 구비하는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치에 관한 것이다.

본 발명에 있어서는, 정류봉군이 공간부와 반응관 사이에 1 ∼ 10 열의 범위 내에서 배열되는 것이 바람직하다.

또한, 반응관에 촉매가 충전되고, 정류봉군으로서 그 반응관에 촉매가 충전되어 있지 않은 더미관이 배열되는 것이 바람직하다.

본 발명의 방해판으로는, 원판형 방해판 및 구멍 뚫린 원판형 방해판이 바람직하게 사용된다. 이 경우, 열매 도입부 및 열매 배출부가 환형 도관으로서 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 방해판으로서 결원형 방해판도 또한 바람직하게 사용된다. 이 경우, 열매 도입부 및 열매 배출부가 분할관으로서 형성되는 것이 바람직하다. 방해판이 결원형 방해판인 경우, 결원부에 공간부가 형성되는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 반응관에 촉매가 충전되고, 촉매의 종류 및/또는 양을 변화시킴으로써 그 반응관의 내부가 복수의 존으로 분할되는 것이 바람직하다.

본 발명의 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치는, 염소 가스의 제조에 있어서 특히 바람직하게 사용된다.

본 발명에 의하면, 반응관을 배열하지 않은 공간부와 반응관 사이에 정류봉군을 형성함으로써, 반응관에 접촉하는 열매의 흐름을 균일하게 하고, 반응관과 열매 사이의 전열을 정상으로 유지한다. 이로 인해, 과도한 핫 스팟의 생성이 억제되기 때문에, 촉매 수명을 유지하며, 또한 반응관의 부식 및 파손을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 다관식 반응 장치는 정류봉군을 배열함으로써 반응관과 열매 사이의 전열을 정상으로 유지할 수 있기 때문에, 복잡한 운전 조건의 제어가 불필요하다는 이점을 갖는다.

도 1 은, 본 발명의 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치의 일례를 나타내는 단면도이다.

도 2 는, 본 발명의 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치의 다른 예를 나타내는 단면도이다.

도 3 은, 도 1 에 나타내는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치에서 배열되는 방해판의 형상을 나타내는 도면이다.

도 4 는, 도 2 에 나타내는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치에서 배열되는 방해판의 형상을 나타내는 도면이다.

도 5 는, 본 실시예의 시뮬레이션에서 채용된 배플 (방해판) 의 형상을 나타내는 도면이다.

※부호의 설명※

1, 2 … 다관식 반응 장치,

101, 201 … 상부관판,

102, 202 … 하부관판,

103, 203 … 열매 도입부,

104, 204 … 열매 배출부,

105, 106, 205, 206, 3, 4, 5 … 방해판,

107, 207, 52 … 반응관,

108, 208, 53 … 정류봉군,

109, 209 … 반응기 쉘,

110, 111, 210, 21l … 공간부,

31, 33, 41, 43 … 경계,

51 … 노치 (notch) 부.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 발명의 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치는, 평행하게 배열된 복수의 반응관과, 반응기 쉘에 도입된 열매의 이동 방향을 그 반응관의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 변경 가능한 방해판과, 그 방해판의 면 방향으로 열매가 흐르는 부분의 일부에 형성된, 그 반응관을 배열하지 않은 공간부와, 그 공간부와 그 반응관 사이에 형성된, 그 반응관과 동일한 길이 방향을 갖는 정류봉군을 구비한다.

도 1 은, 본 발명의 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치의 일례를 나타내는 단면도이다. 다관식 반응 장치 (1) 는 상부관판 (101), 하부관판 (102), 열매 도입부 (103), 열매 배출부 (104), 방해판 (105, 106), 반응관 (107), 정류봉군 (108) 을 구비한다. 열매는, 예를 들어, 축류 펌프, 원심 펌프 등의 펌프 (도시하지 않음) 등에 의해 분할관를 통하여 열매 도입부 (103) 에서 반응기 쉘 (109) 의 내부로 도입되고, 화살표 방향으로 흘러 열매 배출부 (1O4) 에서 배출된다. 또한, 도 1 에 나타내는 다관식 반응 장치의 방해판 (105, 106) 은 결원형 방해판으로, 반응관의 길이 방향으로 방해판 (105 및 106) 이 교대로 배열된다. 또한, 방해판 (105 및 106) 의 간격은 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라, 예를 들어, 열매와 반응관 사이에서 전열 계수 1000W/㎡K 이상으로 전열되도록 배치된다.

방해판이 형성된 반응기 쉘에 있어서는, 열매의 이동 방향이 변경되는 부위 에 있어서 열매 흐름의 선속이 저하되거나 난류가 생기거나 하기 때문에, 그 부위의 제열 효율은 저하되는 경향이 있다. 또한, 예를 들어, 반응기 쉘에 히트익 스펜션이 존재하는 경우에는, 익스펜션의 높이에 열매 흐름이 집중하기 때문에, 그 상하의 방해판 부근에 있어서는 열매 흐름의 선속이 저하되어 버리는 경우가 있다. 또한, 히트익스펜션이란, 반응관군과 반응기 쉘 사이의 열 팽창에 의한 신축의 차이를 흡수하기 위한 신축 이음매를 가리킨다.

본 발명에 있어서는, 반응기 쉘 (109) 에서 열매가 방해판 (105, 106) 의 면 방향으로 흐르는 부분의 일부를 포함하는 영역에, 반응관 (107) 을 배열하지 않은 부분으로서의 공간부 (110, 111) 를 형성한다. 즉, 열매 흐름의 혼란에 의해 제열성이 나빠지기 쉬운 부분에는, 반응관 (107) 을 배열하지 않음으로써 반응관 (107) 의 제열을 균일하게 행하고, 과도한 핫 스팟의 생성을 억제한다. 그러나, 공간부 (110, 111) 를 형성할 경우, 그 공간부에 단순히 반응관을 배열하지 않는다고 하면, 반응관이 배열된 부위와 그 공간부 사이에서 열매의 흐름의 변화가 생김으로써, 공간부 근방의 반응관의 제열성이 불충분해지는 경우가 있다. 따라서, 본 발명의 다관식 반응 장치는, 그 공간부 (110, 111) 와 반응관 (107) 사이에, 그 반응관과 길이 방향이 동일한 정류봉군 (108) 을 형성한다. 열매의 이동 방향의 변경에 의해, 공간부에 있어서의 열매 흐름에는 혼란이 생기지만, 정류봉군 (108) 이 배열된 부위를 거쳐 반응관 (107) 을 배열한 부위에 이르도록 열매의 유로를 설계함으로써, 반응관 (107) 에 접촉하는 열매의 흐름에 있어서의 혼란이 거의 해소된다. 이로 인해, 복수의 반응관 (107) 의 제열성이 균일해짐과 함께 그 제열성이 원하는 정도로 확보되어, 핫 스팟의 생성이 억제된다.

또한, 도 1 의 다관식 반응 장치에 있어서는, 열매 흐름이 업플로우가 되는 경우에 대하여 나타내고 있지만, 본 발명은 여기에 한정되지 않고, 업플로우, 다운플로우 중 어느 것이 채용되어도 된다. 또한, 반응관 (107) 에 공급되는 접촉 기상 반응의 원료도 업플로우, 다운플로우 중 어느 것에서 공급되어도 된다. 즉, 원료와 열매의 유로는 병류가 되거나 향류가 되어도 되고, 목적에 따라 적절하게 선택하면 된다.

또한, 본 발명의 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치에 있어서는, 열매 배출부 (104) 에서 배출된 열매가 냉각된 후에 다시 열매 도입부 (103) 에서 반응기 쉘 내에 공급되도록 순환 기구를 형성하는 것이 바람직하다.

도 2 는, 본 발명의 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치의 다른 예를 나타내는 단면도이다. 다관식 반응 장치 (2) 는 상부관판 (201), 하부관판 (202), 열매 도입부 (203), 열매 배출부 (204), 방해판 (205, 206), 반응관 (207), 정류봉군 (208) 을 구비한다. 열매는, 예를 들어, 축류 펌프, 원심 펌프 등의 펌프 (도시하지 않음) 등에 의해 환형 도관를 통하여 열매 도입부 (203) 에서 반응기 쉘 (209) 의 내부로 도입되고, 화살표 방향으로 흘러 열매 배출부 (204) 에서 배출된다. 또한, 도 2 에 나타내는 다관식 반응 장치의 방해판 (205) 은 구멍 뚫린 원판형 방해판, 방해판 (206) 은 원판형 방해판으로, 반응관의 길이 방향으로 방해판 (205 및 206) 이 교대로 배열된다. 방해판 (205 및 206) 의 간격은 특별히 한정되지 않고, 목적에 따라, 적절하게 설계하면 되는데, 예를 들어, 열매와 반응관 사이에서 전열 계수 1000W/㎡K 이상으로 전열되도록 배치된다.

도 2 에 나타내는 다관식 반응 장치에 있어서는, 환형 도관에 의해 열매가 공급된다. 환형 도관의 열매 도입부 (203) 및 열매 배출부 (204) 는 그 다관식 반응 장치의 전체 둘레를 둘러싸듯이 배열된다. 환형 도관에는, 다관식 반응 장치의 전체 둘레에 걸쳐 간헐적으로 개구부가 형성되고, 그 개구부에서 열매가 도입 또는 배출되는 것이 바람직하다.

또한, 도 2 의 다관식 반응 장치에 있어서는, 도 1 의 다관식 반응 장치와 동일하게, 접촉 기상 반응의 원료가 업플로우, 다운플로우 중 어느 것에서 공급되어도 되고, 열매의 흐름도 업플로우, 다운플로우 중 어느 것이 채용되어도 된다. 즉, 원료와 열매의 유로는 병류가 되거나 향류가 되어도 되고, 목적에 따라 적절하게 선택하면 된다.

도 3 은, 도 1 에 나타내는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치에 있어서 배열되는 방해판의 형상을 나타내는 도면이다. 방해판 (3) 에는 공간부 (110, 111) 를 제외하고 반응관 (107) 및 정류봉군 (108) 이 관통하고, 방해판 (3) 에 의해 반응관 (107) 및 정류봉군 (108) 이 유지되어 있다. 분할관에 의한 열매의 흐름 방향이 화살표로 표시된다. 또한, 도 1 에 있어서의 방해판 (105) 은 공간부 (110) 가 결원부로서 결여된 형상을 가지고, 방해판 (106) 은 공간부 (111) 가 결원부로서 결여된 형상을 갖는다. 방해판 (105) 과 방해판 (106) 이 교대로 배치됨으로써, 방해판 (105) 에 있어서의 공간부 (110) 및 방해판 (106) 에 있어서의 공간부 (111) 가 열매의 유로가 된다. 도 3 에 있어서, 정류봉군 (108) 은 공간부 (110, 111) 와 반응관이 배열되는 부위와의 경계 (31, 33) 를 따라 1 열로 배열되어 있지만, 2 열 이상 배열되어도 되고, 반응관 (107) 및 정류봉군 (108) 의 개수 및 배열은 이것에 한정되지 않는다.

도 4 는, 도 2 에 나타내는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치에 있어서 배열되는 방해판의 형상을 나타내는 도면이다. 방해판 (4) 에는 공간부 (210, 211) 를 제외하고 반응관 (207) 및 정류봉군 (208) 이 관통하고, 방해판 (4) 에 의해 반응관 (207) 및 정류봉군 (208) 이 유지되어 있다. 환형 도관에 의한 열매의 흐름 방향이 화살표로 표시된다. 또한, 방해판 (205) 은 공간부 (210) 가 구멍 뚫린 부로서 결여된 형상을 가지고, 한편, 방해판 (206) 은 공간부 (211) 가 결여된 형상을 갖는다. 방해판 (205) 과 방해판 (206) 이 교대로 배치됨으로써, 방해판 (205) 에 있어서의 공간부 (210) 및 방해판 (206) 에 있어서의 공간부 (211) 가 열매의 유로가 된다. 도 4 에 있어서, 정류봉군 (208) 은 공간부 (210, 211) 와 반응관이 배열되는 부분과의 경계 (41, 43) 를 따라 1 열로 배열되어 있지만, 2 열 이상 배열되어도 되고, 반응관 (207) 및 정류봉군 (208) 의 개수 및 배열은 이것에 한정되지 않는다.

도 1 ∼ 도 4 에 있어서는, 공간부와 반응관 사이에 정류봉군 (108, 208) 이 1 열씩 배열되는 예에 관하여 나타내고 있지만, 본 발명은 이것에 한정되지 않고, 정류봉군은 공간부와 반응관 사이에, 공간부와 반응관의 경계선을 따라 1 ∼ 10 열의 범위 내에서 배열되는 것이 바람직하다. 정류봉군이 1 열 이상 배열됨으로써 반응관에 접촉하는 열매의 흐름을 정류에 가깝게 하는 효과가 얻어지고, 10 열 이내이면, 반응관의 배열 개수를 감소시킴으로써 제조 효율의 저하를 방지함과 함께, 반응 장치가 대형화됨에 따른 제조 비용 상승이 방지된다. 정류봉군은, 더 욱 바람직하게는 1 ∼ 5 열, 특히 바람직하게는 1 ∼ 3 열의 범위 내에서 배열되는 것이 바람직하다.

정류봉군의 형상으로는 원기둥, 사각기둥, 삼각기둥 등의 형상이 바람직하게 채용되지만, 그 형상은 특별히 한정되지 않고, 그 정류봉군을 배열하지 않은 경우와 비교하여 복수의 반응관에 접촉하는 열매의 흐름이 균일화된 형상이면 된다. 접촉 기상 반응에 있어서는 통상 반응관에 촉매가 충전되기 때문에, 정류봉군으로는 그 반응관에 촉매가 충전되어 있지 않은 더미관이 배열되는 것이 바람직하다. 이 경우, 반응관과 정류봉군은 상이한 재질로 형성되어도 되고, 동일한 재질로 형성되어도 된다. 그것들이 동일한 재질로 형성되는 경우는, 그 반응관과 그 정류봉군 사이에 있어서의 열전도 거동 등에 거의 차이가 없기 때문에, 장치의 설계나 열매의 공급 조건의 제어를 간략화할 수 있다.

본 발명의 다관식 반응 장치에 있어서의 반응관의 바람직한 재질로는, 예를 들어, 금속, 유리, 세라믹 등을 들 수 있다. 금속재료로는 Ni, SUS316L, SUS310, SUS304, 하스테로이 S, 하스테로이 C 및 인코넬 등을 들 수 있지만, 그 중에서도 Ni, 특히, 탄소 함유량이 0.02 질량％ 이하의 Ni 가 바람직하다.

정류봉군의 재질로는, 상기의 반응관과 동일하게, 예를 들어, 금속, 유리, 세라믹 등이 바람직하게 사용되고, 금속재료로는 철, Ni, SUS316L, SUS310, SUS304, 하스테로이 S, 하스테로이 C 및 인코넬 등의 재질이 바람직하게 사용된다. 예를 들어, 반응관에 Ni, 정류봉군에 철을 사용하는 조합, 또는 반응관에 Ni, 정류봉군에 Ni 를 사용하는 조합 등이 바람직하게 채용될 수 있다.

본 발명의 다관식 반응 장치에 있어서 사용되는 바람직한 열매로는, 접촉 기상 반응의 열매로서 일반적으로 사용되는 열매를 사용할 수 있고, 예를 들어, 용융염, 유기 열매 또는 용융 금속 등을 들 수 있지만, 열 안정성이나 취급의 용이성 면에서 용융염이 바람직하다. 용융염의 조성으로는, 질산칼륨 50 질량％ 와 아질산나트륨 50 질량％ 의 혼합물, 질산칼륨 53 질량％ 와 아질산나트륨 40 질량％ 와 질산나트륨 7 질량％ 의 혼합물 등을 들 수 있다.

본 발명에 있어서의 방해판으로는, 원판형 방해판, 구멍 뚫린 원판형 방해판, 결원형 방해판 등의 기존의 방해판을 바람직하게 사용할 수 있다. 예를 들어, 도 3 에 나타내는 결원형 방해판을 사용하는 경우에는, 열매의 도입부 및 배출부가 분할관인 것이 바람직하다. 또한, 예를 들어, 도 4 에 나타내는 바와 같이 원판형 방해판 및 구멍 뚫린 원판형 방해판을 사용하는 경우에는, 열매의 도입부 및 배출부가 환형 도관인 것이 바람직하다.

방해판으로서, 예를 들어, 도 3 에 나타내는 결원형 방해판이 배치되는 경우, 결원부에 형성된 공간부 (110, 111) 가 열매의 유로가 되고, 그 공간부 (110, 111) 와 반응관 (107) 사이에 정류봉군 (108) 이 배열되는 것이 바람직하다. 이 경우, 그 공간부 (110, 111) 이외의 부위에 반응관을 효율적으로 레이아웃할 수 있어, 양호한 제조 효율이 얻어진다.

또한, 방해판으로서, 예를 들어, 도 4 에 나타내는 원판형 방해판 및 구멍 뚫린 원판형 방해판이 교대로 배치되는 경우, 그 구멍 뚫린 원판형 방해판의 구멍 뚫린 부에 형성된 공간부 (210) 및 그 원판형 방해판의 주연과 반응기 쉘의 측벽 사이에 형성된 공간부 (211) 가 열매의 유로가 되고, 그 공간부 (210, 211) 와 반응관 (207) 사이에 정류봉군 (208) 이 배열되는 것이 바람직하다. 이 경우, 그 공간부 (210, 211) 이외의 부위에 반응관 (207) 을 효율적으로 레이아웃할 수 있어, 양호한 제조 효율이 얻어진다.

본 발명에 있어서는, 반응관 전체가 방해판을 관통하여 유지되어 있는 것이 바람직하다. 이 경우, 방해판의 면 방향으로 흐르는 열매를 선택적으로 반응관에 접촉시키게 되기 때문에 제열성이 양호해진다. 특히, 반응관 및 정류봉군의 전체가 방해판을 관통하여 서포트되어 있는 것이 바람직하다.

본 발명에 있어서는, 반응관의 사이즈는 특별히 한정되지 않고, 기상 접촉 반응에 있어서, 일반적으로 사용되는 반응관을 사용할 수 있다. 예를 들어, 내경 10 ∼ 70㎜, 외경 13 ∼ 80㎜, 관길이 1000 ∼ 10000㎜ 정도의 사이즈를 갖는 반응관은 반응 효율 및 제열 효율의 면에서 바람직하게 채용될 수 있다.

본 발명의 다관식 반응 장치에 있어서의 반응관의 레이아웃은, 특별히 한정 되지 않지만, 각 반응관의 중심의 간격이 반응관 외경의 1.1 ∼ 1.6 배의 범위 내가 되도록 배열되는 것이 바람직하고, 1.15 ∼ 1.4 배의 범위 내가 되는 것이 더욱 바람직하다. 각 반응관의 중심의 간격이 반응관 외경의 1.1 배 이상이면, 열매의 유로가 충분히 확보되기 때문에 반응열의 제열성이 양호하고, 1.6 배 이하이면, 반응 장치가 대형화됨에 따른 제조 비용의 상승이 방지됨과 함께, 열매의 선속 저하 및/또는 편류에 의한 제열성의 저하도 방지된다.

본 발명에 있어서 결원형 방해판이 형성되는 경우에는, 공간부의 반응기 쉘 직경 방향에 있어서의 단면적은, 그 방향에 있어서의 반응기 쉘의 단면적의 5 ∼ 30％, 5 ∼ 20％ 의 범위 내가 되는 것이 더욱 바람직하다. 공간부의 상기 단면적이 반응기 쉘의 상기 단면적의 5％ 이상이면, 열매의 유로가 충분히 확보되기 때문에 반응열의 제열성이 양호하고, 30％ 이하이면, 반응 장치가 대형화됨에 따른 제조 비용의 상승이 방지됨과 함께, 열매의 선속 저하 및/또는 편류에 의한 제열성의 저하도 방지된다.

본 발명의 방해판으로서 구멍 뚫린 원판형 방해판이 사용되는 경우, 그 구멍 뚫린 원판형 방해판의 구멍 단면적은, 반응기 쉘 내의 단면적의 2 ∼ 40％, 5 ∼ 20％ 의 범위 내인 것이 더욱 바람직하다. 그 구멍 뚫린 원판형 방해판의 구멍 단면적이 2％ 이상이면, 열매 흐름이 실속되는 것에 의한 제열성 저하를 방지할 수 있고, 40％ 이하이면, 제열성이 균일한 영역을 일정 이상 확보할 수 있기 때문에, 배열되는 반응관의 개수를 충분히 많게 할 수 있어 제조 효율이 양호하다.

접촉 기상 반응에 있어서는 통상 반응관에 촉매가 충전된다. 이 경우, 촉매의 종류 및/또는 양을 변화시킴으로써 그 반응관의 내부가 복수의 존으로 분할되는 것이 바람직하다. 촉매가 충전된 반응관에 원료를 공급할 때, 반응관 입구, 즉, 원료 공급구의 근방에서는 반응 속도가 크고, 반응관 입구로부터의 거리가 길어짐에 따라, 원료 농도가 낮아지고 반응 속도가 작아지는 경향이 있다. 이 때문에, 발열 반응에 있어서는, 특히, 반응관 입구 근방에 있어서의 발열량이 과대해져 과도한 핫 스팟이 생성되는 경우가 있다. 반응관이 촉매의 종류 및/또는 양을 변화시킨 복수의 존으로 분할되어 있는 경우, 예를 들어, 반응관 입구 근방에 있어서는, 촉매 활성이 낮은 촉매를 충전하거나 촉매량을 줄임으로써 폭주 반응을 방지하고, 반응관 입구로부터의 거리가 길어짐에 따라, 촉매 활성이 높은 촉매가 충전되거나 촉매량이 많아지도록 촉매를 충전할 수 있다. 이 경우, 반응관 내부에 있어서의 반응 속도의 격차를 줄이고, 과도한 핫 스팟의 생성을 억제할 수 있음과 함께, 발열 반응이 균일하게 진행됨으로써 원료의 전화율을 향상시킬 수 있다. 또한, 반응기 쉘측을 분할하여 각각의 영역에 독립적으로 상이한 온도의 열매를 순환시켜 온도 컨트롤을 행하여도 된다.

본 발명은, 산화 반응 등의 발열 반응에 사용되는 반응 장치로서 바람직하게 사용되고, 예를 들어, 염화 수소 가스와 산소 가스를 원료로 하여 염소 가스를 생성시키는 접촉 기상 산화 반응이나, 프로필렌 또는 이소부틸렌과 산소를 원료로 하여 (메트)아크롤레인, 또한 (메트)아크릴산을 생성시키는 접촉 기상 산화 반응 등에 있어서 채용될 수 있지만, 특히, 염소 가스의 제조에 있어서 바람직하게 사용될 수 있다. 또한, 본 발명의 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치는, 반응기의 사이즈가 크고 열매 흐름의 불균일이 쉽게 생기는 계에 대하여 유효하게 채용될 수 있다.

염소 가스는, 촉매를 충전한 반응관에 원료로서 염화 수소 가스 및 산소 가스를 도입하고, 접촉 기상 반응에 의해 제조할 수 있다. 염화 수소 가스는, 예를 들어, 염소 화합물의 열분해 반응이나 연소 반응, 유기 화합물의 포스겐화 반응 또는 염소화 반응, 소각로의 연소 등에 있어서 발생하는 염화 수소 함유 가스로서 공급될 수 있다. 이 때, 염화 수소 함유 가스 중의 염화 수소 가스의 농도는 제조 효율의 관점으로부터, 예를 들어, 10 체적％ 이상, 또한 50 체적％ 이상, 나아가서는 80 체적％ 이상으로 할 수 있다.

산소 가스는, 산소 가스만 단독으로 공급되어도, 예를 들어, 공기 등으로서 공급되어도 되고, 산소 함유 가스로서 공급되면 된다. 산소 함유 가스 중의 산소의 농도는, 제조 효율의 면에서, 예를 들어, 80 체적％ 이상, 또는, 90 체적％ 이상이 될 수 있다. 산소 농도가 80 체적％ 이상인 산소 함유 가스는, 예를 들어, 공기의 압력 스윙법이나 심랭 분리 등의 통상의 공업적인 방법에 의해 얻을 수 있다.

촉매로는, 루테늄 및/또는 루테늄 화합물을 함유한 촉매가 바람직하게 사용된다. 이 경우, 촉매 성분의 휘발이나 비산에 의한 배관 등의 폐색 트러블을 방지함과 함께, 휘발 또는 비산된 촉매 성분의 처리 공정이 불필요해진다. 또한, 화학 평형의 관점에서도 보다 유리한 온도에서 염소를 제조할 수 있기 때문에, 건조 공정, 정제 공정, 흡수 공정 등의 후공정을 간략화하고, 설비 비용 및 운전 비용를 낮게 억제할 수 있다. 특히, 산화 루테늄을 함유한 촉매를 사용하는 것이 바람직하다. 산화 루테늄을 함유한 촉매를 사용한 경우, 염화 수소의 전화율이 현저하게 향상되는 이점을 갖는다. 촉매 중의 산화 루테늄의 함유량은 촉매 활성과 촉매 가격의 밸런스의 면에서 1 ∼ 20 질량％ 의 범위 내가 되는 것이 바람직하다. 촉매는, 예를 들어, 이산화 실리콘, 그라파이트, 루틸형 또는 아나타제형의 이산화 티탄, 이산화 지르코늄, 산화 알루미늄 등의 담체에 담지시켜서 사용할 수 있다.

촉매의 종류 및/또는 양을 변화시킨 복수의 존을 반응관에 형성하는 경우, 예를 들어, 반응기의 입구측에 산화 루테늄 함유량이 적은 촉매를 충전하고, 출구측에 산화 루테늄 함유량이 많은 촉매를 충전하는 구성이 바람직하게 채용될 수 있다. 이 경우, 폭주 반응이 억제되어 반응관 내에 있어서의 반응 속도 분포가 비교적 균일하게 됨으로써, 과도한 핫 스팟의 생성이 억제되는 이점을 갖는다.

이하, 실시예를 들어 본 발명을 보다 상세하게 설명하지만, 본 발명이 이들로 한정되는 것은 아니다.

(1) 열매 유량의 시뮬레이션

도 1 에 나타내는 다관식 반응 장치 (1) 에 있어서의 반응기 쉘 (109) 내의 열매 유량에 대하여 시뮬레이션하였다. 도 5 는, 본 실시예의 시뮬레이션에서 채용된 배플 (방해판) 의 형상을 나타내는 도면이다. 노치부 (51) 를 형성한 방해판 (5) 을 관통하도록, 반응관 (52) 및 정류봉군 (53) 이 형성되어 있다. 또한, 본 실시예에 있어서는 정류봉군 (53) 이 공간부와 반응관 (52) 사이에 1 열로 형성되어 있다.

배플의 노치부 (51) 로부터 중심선을 향하여, 배플면상 50㎜ 까지의 영역을 흐르는 열매의 유량의 수평 성분 (즉, 배플의 면 방향 성분) 을 구하고, 배플 상하의 열매의 흐름을 해석했다. 수직 성분은 반응관을 따라 흐르고, 냉각에 거의 기여하지 않는다고 생각되기 때문이다. 열매의 유량의 수평 성분이 클수록 냉각 효율이 좋고, 핫 스팟를 생성하기 어렵다. 또한, 중심선으로부터 노치부 (51) 를 향하여 열매가 역류하면, 열매의 흐름에 소용돌이가 생기기 때문에 냉각 효율이 저하된다. 시뮬레이션 모델의 파라미터를 이하에 나타낸다.

(반응 용기)

내경 : 450㎜

배플 (방해판) 간격 : 277㎜

(배플 (방해판))

동체 (胴體) 내경 W1 : 450㎜

배플 에지 길이 W2 : 306㎜

반응 용기의 중심선으로부터 배플의 노치부까지의 거리 W3 : 165㎜

두께 : 6㎜

(반응관 (반응 튜브))

외경 : 21.4㎜

피치 W4 : 29㎜

배열 : 정삼각형 배열

개수 : 158 개

(정류봉군)

외경 : 22㎜

피치 W5 : 29㎜

배열 : 노치부를 따라 1 열

개수 : 11 개/1 열

(열매)

종류 : HTS

유량 : 18㎥/h

또한, 시뮬레이션 해석 소프트로서 「Fluent」 (미국 Fluent Inc.사 제조) 를 채용했다.

(2) 시뮬레이션 결과

상기의 파라미터에 의한 시뮬레이션의 결과를 표 1 에 나타낸다. 표 1 의 결과에 의해, 정류봉군 (53) 이 배열된 부위에 있어서는 열매 유량이 마이너스인 것으로부터, 그 부위에 있어서는 중심선으로부터 노치부 (51) 를 향하여 열매가 역류하는 것이 나타난다. 한편, 반응관 2 열째의 부위에 있어서는 열매 유량의 수평 성분이 충분히 크고, 열매가 정상적으로 흐르는 것이 나타난다. 이들의 결과로부터, 반응관 (52) 과 노치부 (51) 사이에 정류봉군 (53) 을 형성함으로써 열매 흐름의 정상적인 부위에만 반응관 (52) 이 배열될 수 있다는 것을 알았다. 핫 스팟의 생성은 열매 흐름이 비정상적인 부위에서 주로 발생하는 것으로부터, 반응관을 통과하는 열매의 흐름이 정상화된 본 발명의 다관식 반응 장치에 있어서는, 과도한 핫 스팟의 생성이 억제된다고 생각된다.

실시예	1 열째 (정류봉군) 에 있어서의 열매 유량	－0.04㎥/h
실시예	3 열째 (반응관 2 열째) 에 있어서의 열매 유량	＋0.05㎥/h

이번에 개시된 실시 형태 및 실시예는 모든 면에서 예시로, 제한적인 것이 아니라고 생각되어야 한다. 본 발명의 범위는 상기한 설명이 아닌, 특허 청구의 범위에 의해 나타나고, 특허 청구의 범위와 균등한 의미 및 범위 내에서의 모든 변경이 포함되는 것이 의도된다.

본 발명의 다관식 반응기는, 반응관과 열매의 전열을 정상으로 유지하고, 과도한 핫 스팟의 생성을 억제함으로써, 특히, 염화수소를 함유한 가스와 산소를 함유한 가스의 반응에 의한 염소의 제조에 사용되는 다관식 반응 장치로서 바람직하다.

Claims

평행하게 배열된 복수의 반응관과,

반응기 쉘에 도입된 열매의 이동 방향을 상기 반응관의 길이 방향에 대하여 수직 방향으로 변경 가능한 방해판과,

상기 열매가 상기 방해판의 면 방향으로 흐르는 부분의 일부를 포함하는 영역에 형성된, 상기 반응관을 배열하지 않은 공간부와,

상기 공간부와 상기 반응관 사이에 형성된, 상기 반응관과 동일한 길이 방향을 갖는 정류봉군을 구비하는, 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 정류봉군이 상기 공간부와 상기 반응관 사이에 1 ∼ 10 열의 범위 내에서 배열되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반응관에 촉매가 충전되고, 상기 정류봉군으로서 상기 반응관에 촉매가 충전되어 있지 않은 더미관이 배열되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 방해판으로서 원판형 방해판 및 구멍 뚫린 원판형 방해판이 배치되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.
제 4 항에 있어서,

열매 도입부 및 열매 배출부가 환형 도관으로서 형성되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 방해판으로서 결원형 방해판이 배치되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.
제 6 항에 있어서,

열매 도입부 및 열매 배출부가 분할관으로서 형성되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.
제 6 항에 있어서,

상기 결원 방해판의 결원부에 상기 공간부가 형성되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.
제 1 항에 있어서,

상기 반응관에 촉매가 충전되고, 상기 촉매의 종류 및/또는 양을 변화시킴으 로써 상기 반응관의 내부가 복수의 존으로 분할되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.
제 1 항에 있어서,

염소 가스의 제조에 사용되는 접촉 기상 반응용 다관식 반응 장치.