KR20070089184A - 프탈산 무수물의 제조 방법 - Google Patents

프탈산 무수물의 제조 방법 Download PDF

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클라우스 헤클러
게르하르트 올베르트
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바스프 악티엔게젤샤프트
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Abstract

본 발명은 냉각제로 냉각되는 2개 이상의 반응 대역, 및 반응 대역 사이에 배열되어 반응 대역 사이에서 반응 혼합물을 중간 냉각시키기 위해 사용되는 하나 또는 여러 장치를 포함하는 설비에서, o-크실롤 및/또는 나프탈린을 산소 포함 가스를 사용하여 촉매적으로 부분 산화시킴으로써 프탈산 무수물을 제조하는 방법에 관한 것이다. 제2 또는 추가 반응 대역으로 도입될 때의 냉각제의 온도는 제1 반응 대역으로 도입될 때의 냉각제의 온도보다 낮으며, 제1 반응 대역으로 도입될 때의 냉각제의 온도가 제2 또는 추가 반응 대역으로 도입될 때의 냉각제의 온도보다 20˚ 이상 높은 것을 특징으로 한다.
프탈산 무수물, 촉매적 부분 산화, o-크실렌, 나프탈렌, 열전판

Description

프탈산 무수물의 제조 방법 {METHOD FOR PRODUCING PHTHALIC ANHYDRIDE}
본 발명은 2개 이상의 냉각되는 반응 대역을 포함하는 플랜트에서 o-크실렌 및/또는 나프탈렌을 산소 포함 가스를 사용하여 촉매적으로 부분 산화시킴으로써 프탈산 무수물을 제조하는 방법에 관한 것이다.
화학 공정 기술에서는, 불균질 입자 촉매의 존재하에 수행되는 유체, 즉 가스, 액체 또는 가스/유체, 반응 혼합물의 다수의 부분 산화 반응이 알려져 있다. 이러한 반응은 일반적으로 발열성, 종종 강 발열성이다.
프탈산 무수물은 불균질, 특히 지지된 촉매 상에서 o-크실렌 및/또는 나프탈렌을 산소 포함 가스, 종종 공기를 사용하여 부분 산화시킴으로써 공업적 규모로 제조된다. 형성되는 프탈산 무수물의 산화 반응 엔탈피는 o-크실렌에 대해 1110 kJ/mol, 및 나프탈렌에 대해 1792 kg/mol이다. 즉, 반응은 강 발열성이다. 반응기 처리량이 높은 저렴한 제조를 위해, 반응물이 있는 공기의 높은 적재량이 필요하며, 여기서 이러한 가스 혼합물은 종종 가연성이다.
가스 스트림으로부터의 생성물 제거 및 후속 후처리에서 문제가 되는, 공정 가스 중의 목적하지 않은 중간체, 부산물 및 또한 반응물의 비율을 감소시키기 위해, 100 mol％에 가까운 반응물 전환율을 달성하는 것이 통상적으로 필요하다.
다른 부분 산화 반응의 경우에서와 마찬가지로, 프탈산 무수물의 제조에서, 반응물 전환율 100％에 도달하는 것은 통상적으로 일산화탄소 및 이산화탄소로의 완전 산화 반응의 백분율을 증가시키는 것과 관련되어 있다. 또한, 너무 낮은 반응 속도에서 부산물, 특히 프탈산 무수물을 합성하는 경우에는 프탈라이드가 형성될 수 있으며, 이로 인해 생성물 품질이 손상된다. 언급된 이유로 인해, 규격 생성물을 수득하기 위해 종래 기술에 따라서는 높은 전환율 및 그에 따른 현저한 수율 손실이 용인되어야 한다.
작동 시간을 증가시키면 촉매가 노화되기 때문에, 균일한 전환율을 위해 반응기에서 온도를 상승시키는 것이 필요하며, 이러한 결과로 종래 기술에 따라서는 훨씬 더 높은 수율 손실이 용인되어야 한다.
일정 정도로, 제한된 잔류물 전환을 감소된 온도에서 수행하는 냉각되지 않는 후속반응기(postreactor)를 사용하여 수율이 개선될 수 있으며, 이러한 결과로 특히 제품 명세를 준수할 수 있다. 후속반응기의 입구 및 출구에서, 공정 가스 혼합물은 매우 다량의 유기 물질 및 또한 유리 산소를 여전히 포함하고 있으며, 일반적으로 가연성이다. 온도 상승을 제한하기 위해, 후속반응의 전환율은 반응의 이탈을 방지하도록 엄격하게 제한되어야 한다.
DE-A 101 44 857호에는 관 다발 반응기로서 디자인된 주 반응기, 냉각 단계 및 또한 냉각되지 않는 샤프트 반응기인 후속반응기를 단일 케이싱 내에 배열하는 반응기 배열이 개시되어 있다. 하나의 케이싱에서의 이러한 배열은 주 반응 대역과 후속반응 대역 사이의 가스 부피를 작게 유지시키며, 연소의 위험성을 크게 감 소시키는 이점이 있다. 이러한 방식은, 유리한 수율이 심지어 반응 혼합물 ㎥ (STP) 당 o-크실렌 100 g 초과의 적재량에서도 실현될 수 있게 하려고 의도된 것이다. 그러나, 제안된 작동 모드인 후속반응기에서의 단열 반응으로는, 가능한 전환율이 이미 상기에서 언급된 이유로 크게 제한되어, 유의한 수율 개선 또는 특히 촉매 수명의 임의의 연장은 이러한 방식으로는 가능하지 않다.
DE-A 40 13051호에는 별도의 염조(salt bath) 냉각과 함께 흐름 방향으로 연속적인 2개 이상의 반응 대역을 포함하는 관 다발 반응기를 사용하여 프탈산 무수물을 제조하는 방법이 개시되어 있으며, 여기서 제1 반응 대역의 염조 온도는 나머지 반응 대역의 염조 온도보다 2 내지 20˚ 더 높게 유지된다. 이러한 방법에서는 온도가 반응 속도론에 대해 더 양호하게 조절되기 때문에, 프탈산 무수물의 개선된 수율이 달성된다. 그러나, 필요한 높은 전환율 대략 99％ mol％가 달성될 수 있는 두 냉각 대역의 온도 수준이 높기 때문에, 수율 손실이 여전히 높다.
따라서, 본 발명의 목적은 프탈산 무수물의 개선된 제조 방법을 제공하는 것이며, 본 방법에 의해 더 높은 비율의 잔류물 전환이 주 반응기에서의 합성의 하류에 부착되는 공정 단계에서 실현될 수 있다. 이러한 방법은, 특히 또한 수율 손실 없이 상이한 적재 범위에 대해 유연하게 개작될 수 있어야 한다.
해결 방법은,
- 냉각제로 냉각되는 2개 이상의 반응 대역, 및
- 반응 대역 사이에서 반응 혼합물을 중간 냉각시키기 위해 반응 대역 사이에 배열되어, 제1 반응 대역으로의 입구에서의 냉각제의 온도에 비해 제2 또는 추가 반응 대역으로의 입구에서의 냉각제의 온도를 감소시키는 하나 이상의 장치
를 포함하며, 제1 반응 대역으로의 입구에서의 냉각제의 온도가 제2 또는 추가 반응 대역으로의 입구에서의 냉각제의 온도보다 20˚ 이상 높은 플랜트에서,
o-크실렌 및/또는 나프탈렌을 산소 포함 가스를 사용하여 촉매적으로 부분 산화시킴으로써 프탈산 무수물을 제조하는 방법에 있다.
후속반응이 반응 가스 스트림 내로 열을 도입하여, 이를 가열하고, 그 후 가치있는 이미 형성된 생성물의 완전 산화의 생성물, 일산화탄소 및 이산화탄소로의 추가 반응이 추후에 점진적으로 시작되어, 그 결과로 수율이 감소되며 또한 후속반응기가 이탈하는 위험이 있기 때문에, 프탈산 무수물을 제조하기 위한 후속반응기에서의 전환 속도가 매우 제한적이라고 알려져 있다.
본 발명자들은 놀랍게도 예전 가설과는 반대로, 이러한 후속반응이 높은 전환율 (70％ 초과)로 o-크실렌을 프탈산 무수물으로 반응시키는데 필요하다고 공지되어 있는 온도 수준보다 명백하게 낮은 온도 수준에서 수행될지라도, 심지어 잔류물 전환이 몰 전체 전환의 5 내지 10％의 범위, 또한 15％까지 또는 심지어 20％까지 후속반응기로 이동되는 경우에도, 후속반응기에서 적합하게 열을 제거하여 너무 높은 온도 상승을 방지하는 한, 현저한 추가 수율 손실 없이 o-크실렌 및 또한 프탈라이드 부산물을 가치있는 프탈산 무수물 생성물로 사실상 완전히 전환시킬 수 있음을 발견하였다.
본 발명은 사용되는 특정 촉매에 대해 제한되지 않는다. 프탈산 무수물을 제조하기 위한 모든 공지된 촉매, 특히 원소 바나듐, 티탄 또는 인을 하나 이상 포함하는 활성 조성물이, 예를 들어 이의 산화물 형태로 있는 지지된 촉매를 사용할 수 있다. 적합한 촉매는, 예를 들어 문헌 ["In situ Charakterisierung von Vanadiumoxid/Titanoxid-Katalysatoren bei der partiellen Oxidation von o-Xylol zu Phthalsaeureanhydrid"[In-situ characterization of vanadium oxide/titanium oxide catalysts in the partial oxidation of o-xylene to phthalic anhydride] by Dipl.-Ing. M. Brust, Faculty of Chemical Engineering of the University of Karlsruhe, date of colloquium: December 20, 1999], 및 이 문헌에 참조된 문헌에 개시되어 있다. 또한, 구조 활성, 즉 각 반응 대역 또는 이의 영역에서 상이한 활성이 있는 촉매를 사용할 수 있다. 원칙적으로, 전체적으로 활성 조성물로 구성된 지지되지 않은 촉매 (예를 들어, 구형, 원통형, 압출물형 또는 고리형), 및 또한 활성 조성물로 코팅된 성형체 (예를 들어, 구형 또는 고리형)를 사용할 수 있다. 이러한 성형체의 통상적인 길이방향 치수 또는 직경은 1 ㎜ 내지 10 ㎜ 범위이지만, 종종 3 ㎜ 내지 8 ㎜, 자주 5 ㎜ 내지 7 ㎜ 범위이다.
특히 유리하게는, 유의한 비율의 잔류물 전환이 하류 반응 대역 또는 후속반응기에서 달성될 수 있기 때문에, 촉매는 제1 반응 대역 또는 주 반응기에서 수율을 위해 최적화될 수 있다.
사용되는 반응물은 o-크실렌, 나프탈렌 또는 o-크실렌과 나프탈렌의 혼합물일 수 있다.
산소를 포함하며 부분 산화 반응에 필요한 가스는, 바람직하게는 공기이다.
2개 이상의 냉각되는 반응 대역은 단일 장치 또는 2개 이상의 별도의 장치에 수용될 수 있다. 주 반응기의 제1 반응 대역 및 후속반응기의 제2 반응 대역의 두 반응 대역이 있는 실시양태가 특히 바람직하다.
반응기는 원통형일 수 있지만, 다른 기하구조, 예를 들어 평행 육면체형, 특히 입방체형일 수 있다.
반응 대역은 모든 통상적인 열 매체로 냉각될 수 있다. 특히 유리하게는, 열 매체 수용 장치는 냉각제, 바람직하게는 물이 흐르는 동시에 증발 (소위, 증발 냉각)되는 열전판(thermoplate)으로서 디자인될 수 있다.
반응 혼합물을 위해 중간 냉각기가 반응 대역 사이에 배열될 수 있다.
공정은, 특히 유리하게는 열전판이 있는 장치에서 수행될 수 있으며, 이러한 경우에는 주 반응기, 중간 냉각기 및 후속반응기가 동일한 장치에 배열된다. 이러한 경우, 주 반응기 및 또한 후속반응기에서, 고체 상태인 촉매의 층은 반응 가스 혼합물이 통과하는 열전판 사이의 간격에서 주 반응기에 제공된다.
불활성 층은, 바람직하게는 중간 냉각기에 제공될 수 있다. 또한, 단지 중간 냉각기로서 작용하는 영역이 비워진 채로 있는 점 또는 불활성 층이 제공되는 점, 및 후속반응기로서 작용하는 영역에서 층이 고체 상태인 촉매로서 제공되는 점에서, 중간 냉각기 및 후속반응기를 구별할 수 있다. 중간 냉각기 및 후속반응기는, 바람직하게는 주 반응기를 위한 냉각 회로와는 별도인 단일 냉각 회로에 부착된다.
용어 "열 교환 판", "열 전달 판" 또는 "열전판"은 실질적으로 동의어로 사용된다.
열 전달 판은 입구 및 출구 라인이 제공된 내부를 가지며 표면적에 비해 두께가 낮은 시트유사 구조로서 주로 정의된다. 이는 일반적으로 금속 시트, 종종 강(steel) 시트로부터 제조된다. 그러나, 용도, 특히 반응 매질 및 열 매체의 특성에 따라, 특수한, 특히 내부식성이거나 코팅된 물질이 사용될 수 있다. 열 매체를 위한 입구 및 출구 장치는 일반적으로 열 교환 판의 반대편 말단에 배열된다. 사용되는 열 매체는 때때로 비등 작동시에 또한 증발되는 종종 물, 또는 디필(Diphyl®) (70 내지 75 중량％의 디페닐 에테르와 25 내지 30 중량％의 디페닐의 혼합물)이며, 또한 증기압이 낮은 다른 유기 열 매체 및 또한 이온성 액체를 사용할 수 있다.
열 매체로서 이온성 액체를 사용하는 것은 DE-A 103 16 418호에 기재되어 있다. 술페이트, 포스페이트, 보레이트 또는 실리케이트 음이온을 함유하는 이온성 액체가 바람직하다. 또한, 1가 금속 양이온, 특히 알칼리 금속 양이온, 및 또한 추가의 양이온, 특히 이미다졸륨 양이온을 함유하는 이온성 액체가 특히 적합하다. 또한, 양이온으로서 이미다졸륨, 피리디늄 또는 포스포늄 양이온을 함유하는 이온성 액체가 유리하다.
용어 "열전판"은, 특히 단일하며 통상적으로 2개인 금속 판이 지점 및/또는 롤 용접에 의해 함께 연결되고 종종 수압을 사용하여 성형되어 가소적으로 포켓을 형성하는 열 전달 판에 대해 사용된다.
본 발명에 따른 방법은, 바람직하게는 개시 내용이 본원에 전체로 도입되는 DE 103 33 866호에 기재된 바와 같은 반응기, 즉
- 각각의 경우에 불균질 미립자 촉매로 충전될 수 있고 유체 반응 혼합물이 흐르는 갭이 있으면서, 서로 평행하게 배열된 2개 이상의 장방형인 열전판으로부터 형성되며, 반응의 열은 열전판을 통해 흐르는 동안 적어도 일부 증발되는 열 매체에 의해 흡수되는, 하나 이상의 입방체형 열전판 모듈,
- 열전판 모듈에서 압력을 배출하고, 열전판 모듈을 완전히 둘러싸며, 양 말단에서 종결되고 세로 축이 열전판의 평면에 대해 평행하게 정렬되는 원통형 재킷 및 후드를 포함하는 주로 원통형인 쉘, 및
- 유체 반응 혼합물이, 후드에 의해 결합된 반응기 내부 공간을 통해 흐르는 것과는 별도로, 단지 갭을 통해 흐르도록 하는 방식으로 배열되는 하나 이상의 밀봉 소자
를 포함하는 반응기를 사용함으로써 수행될 수 있다.
따라서, 상기로는 열전판을 포함하는 열전판 모듈이 있으며, 이를 통해 열 매체가 흐르고, 반응의 열을 흡수하는 동시에 적어도 일부 증발되고, 입방체형 모양으로 구성되고, 열전판을 완전히 둘러싸는 주로 원통형인 쉘에 압력 배출이 되도록 장착된다.
각각의 경우에 판 모듈은, 각각의 경우에 갭이 있으면서 서로 평행하게 배열되는 2개 이상의 장방형인 열전판으로부터 형성된다.
열전판은 내부식성 물질, 바람직하게는, 예를 들어 물질 수가 1.4541 또는 1.4404, 1.4571 또는 1.4406, 1.4539 또는 1.4547인 스테인레스 강, 또는 다른 합금된 강으로부터 제조된다.
이러한 목적을 위해 사용되는 금속 시트의 물질 두께는 1 내지 4 ㎜, 1.5 내지 3 ㎜, 또는 2 내지 2.5 ㎜ 사이에서 선택되거나, 또는 2.5 ㎜ 또는 3 ㎜이도록 선택될 수 있다.
일반적으로, 2개의 장방형인 금속 시트는 세로 및 말단 측에서 접합되어 열전판을 생성하며, 이러한 경우에 롤 봉합 또는 측면 용접 접합 또는 둘의 조합이 가능하여, 열 매체가 추후 배치되는 공간이 모든 측면에서 밀봉될 수 있다. 열전판의 가장자리는 유리하게는 세로 모서리의 측면 롤 봉합에서 또는 심지어 측면 롤 봉합 내에서 제거되어, 촉매가 통상적으로 또한 장치되고 냉각되더라도 열악하게 냉각되는 가장자리 영역은 기하 팽창성이 매우 낮다.
금속 시트는 장방형 표면에 걸쳐 분포되는 점 용접에 의해 함께 접합된다. 또한, 직선형 또는 커브형 및 또한 원형 롤 봉합에 의해 적어도 일부 연결이 가능하다. 또한, 열 매체에 의해 흐르는 부피는 부가적인 롤 봉합에 의해 복수의 별도 영역으로 나누어질 수 있다.
열전판 상의 용접 점을 배열하는 하나의 가능한 방법은 등간격 점 분리거리가 30 내지 80 ㎜ 또는 35 내지 70 ㎜인 일렬로 배열하는 것이며, 또한 분리거리는 40 내지 60 ㎜일 수 있지만, 추가의 일 실시양태에서는 분리거리가 45 내지 50 ㎜, 및 또한 46 내지 48 ㎜이다. 전형적으로, 제조의 결과로서, 점 분리거리는 ± 1 ㎜ 이하로 다양하며, 판의 세로 방향에서 보이는 바로 인접한 열(row)의 용접 점은 각각 용접 점 분리거리의 절반까지 치우쳐서 배열된다. 판의 세로 방향에서 점 용접의 열은 분리거리가 5 내지 50 ㎜, 또는 8 내지 25 ㎜인 등간격일 수 있지만, 10 내지 20 ㎜, 및 또한 12 내지 14 ㎜의 분리거리를 사용할 수도 있다. 또한, 용도에 적합한 언급된 용접 점 분리거리와 열 분리거리의 결합도 가능하다. 열 분리거리는 점 분리거리에 대해 규정된 기하 관계로, 전형적으로 점 분리거리의 1/4 또는 이보다 다소 더 낮을 수 있기 때문에, 제조 도중에는 열전판의 규정된 일률적인 팽창이 있다. 예비규정된 용접 점 및 열 분리거리를 위해, 판 표면 면적 ㎡ 당 상응하는 수의 용접 점이 지정된다.
열전판의 폭은 실질적으로 제조 기술 고려사항에 의해 제한되며, 100 내지 2500 ㎜, 또는 500 내지 1500 ㎜일 수 있다. 열전판의 길이는 반응, 특히 반응의 온도 프로파일에 따라 달라지며, 500 내지 7000 ㎜, 또는 3000 내지 4000 ㎜일 수 있다.
각각의 경우, 2개 이상의 열전판이 평행하게 배열되고, 서로 분리되어, 열전판 모듈을 형성한다. 이로써 바로 인접한 판 사이에 형성되는 샤프트유사(shaftlike) 갭이 생성되며, 이는 판 분리거리가 가장 좁은 지점에서, 예를 들어 폭이 8 내지 150 ㎜, 또는 10 내지 100 ㎜이다. 또한 가능한 한 실시양태에서는 폭이 12 내지 50 ㎜ 또는 14 내지 25 ㎜이지만, 16 내지 20 ㎜가 또한 선택될 수 있다. 17 ㎜의 갭 분리거리가 또한 시험되었다.
열전판 모듈의 각각의 열전판 사이에서, 예를 들어 표면적이 큰 판의 경우에는, 판 분리거리 또는 위치를 변화시킬 수 있는 변형을 예방하기 위해, 간격자가 부가적으로 장착될 수 있다. 이러한 간격자를 장착하기 위해, 예를 들어 간격자의 스크루를 고정시키기 위해 판에 구멍을 도입할 수 있도록, 금속 판의 단편이 열 매체의 흐름 영역으로부터, 예를 들어 원형 롤 봉합에 의해 제거될 수 있다.
갭의 분리거리는 동일할 수 있지만, 필요한 경우, 갭은 또한 반응이 가능하거나 목적하는 반응에 필요한 경우, 또는 장치 또는 냉각 기술 이점이 달성될 수 있는 경우에는 갭의 폭이 상이할 수 있다.
촉매 입자로 충전된 열전판 모듈의 갭은, 예를 들어 용접에 의해 밀봉되거나, 또는 공정 부에서 함께 접합됨으로써 서로에 대해 밀봉될 수 있기 때문에, 공정 가스가 흐르는 갭 사이에서 압력 동등화가 수행될 수 있다.
각각의 열전판을 함께 접합하여 모듈을 형성할 때 목적하는 갭 분리거리를 조절하기 위해, 판은 그의 위치에서 및 분리거리로 고정된다. 하나의 가능한 방법은 각각의 모듈에 대해 2개의 측면 경계 판을 사용하는 방법으로서, 여기에 또는 그 내에 각각의 열전판을, 예를 들어 사전에 도입된 그루브 또는 슬롯 내로 측면 판 가장자리를 도입하거나, 또는 응집 고정, 예컨대 평판에 용접함으로써 기계적인 고정을 수행하며, 이러한 경우에 갭의 압력 동등화가 가능하도록 전체 길이에 걸쳐 또는 단지 부착된 적어도 일부분을 용접함으로써 판을 밀봉할 수 있다. 별법의 실시양태에서는, 각각 2개의 판 사이에서 부착되며 용접에 의해 외부로부터 밀봉되는 관형, 각형(angled) 또는 커브형 판 부분이 사용된다.
바로 인접한 열전판의 용접 점은 서로 면하고 있거나 서로로부터 치우쳐 있을 수 있다.
일반적으로, 각각의 경우에 치수가 동일한 2개 이상의 입방체형 열전판 모듈을 사용하여 배열을 배치하는 것이 바람직하다. 10 또는 14개의 열전판 모듈이 배열되는 경우에는, 전체 장치의 소형화를 위해 가장자리 길이 또는 가장자리 길이 비율이 상이한 2가지 모듈 유형을 선택하는 것이 유리할 수 있다.
각각의 경우에 치수가 동일한 4, 7, 10 또는 14개의 열전판 모듈의 배열이 바람직하다. 흐름 방향에서 가시적인 모듈의 돌출부 표면은 정사각형이거나, 또는 변의 비율이 1.1 또는 1.2인 장방형일 수 있다. 외부의 원통형 쉘의 지름이 최소화되도록, 장방형 모듈 돌출부가 있는 7, 10 또는 14개의 모듈의 결합이 유리하다. 특히 유리한 기하 배열은 상기에서 설명한 바와 같이 4, 7 또는 14개의 열전판 모듈이 선택되는 경우에 달성될 수 있다.
예를 들어, 누출, 열전판의 변형, 또는 촉매에 영향을 주는 문제가 있는 경우에는, 이와 관련하여 유리하게는 열전판 모듈을 개별적으로 교체하는 것이 가능해야 한다.
유리하게는, 열전판 모듈은 압력이 안정된 장방형 안정화 프레임 내에 각각 배열된다.
각각의 열전판 모듈은, 유리하게는 적합한 안내장치, 예를 들어 측면으로 침투하는 벽이 있는 장방형 안정화 프레임, 또는 예를 들어, 각(angle) 구조에 의해 적소에서 유지된다.
한 실시양태에서, 인접한 열전판 모듈의 장방형 안정화 프레임은 서로에 대해 밀봉되어 있다. 이로써 각각의 열전판 모듈 사이에서 반응 혼합물의 우회 흐름이 예방된다.
입방체형 열전판 모듈을 주로 원통형인 압력 정격(pressure-rated) 쉘에 장착하여, 물질 생성물의 축적, 부반응 또는 분해가 수행될 수 있는 쉘의 원통형 재킷 벽으로의 가장자리에 남아있는 비교적 큰 자유 중간 공간을 생성한다. 예를 들어, 조립체 작동이 필요한 경우에, 생성물의 세척 또는 정화는 단지 매우 어렵게 수행될 수 있다. 따라서, 반응실, 즉 각각의 경우에 바로 인접한 열전판 사이의 갭과 이러한 중간 공간을 분리시키는 것이 유리하다.
이를 위해, 열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간은 홀딩 기재가 있는 열전판 모듈의 하부 말단에서 밀봉된다. 반응 혼합물의 우회 흐름을 방지하기 위해, 베어링 또는 홀딩 기재는 기밀(gas tight) 방식으로 중간 공간을 밀봉시켜야 한다.
유리하게는, 열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간은 또한 열전판 모듈의 상부 말단에서 금속 시트 커버에 의해 밀봉될 수 있다. 그러나, 이러한 목적을 위해 기밀 밀봉이 필수적이지는 않으며, 한 실시양태에서 구멍(orifice)이 있는 금속 시트 커버를 배치할 수 있다.
열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간의 상부 말단에서 금속 시트 커버는, 유리하게는 또한 밸브 트레이와 유사하게 배치될 수 있다.
또한, 압력을 적용하기 위해 사용된 가스의 배출은 천공 판, 밸브 또는 강제 적재 (예를 들어, 스프링 또는 가스압이 있음)로서 구성되는 범람(overflow) 장치, 자가 조절 장치를, 또한 블로우백(blowback) 안전장치와의 조합으로 사용하여 수행될 수 있다. 또한, 이러한 범람 장치는 원통형인 외부 쉘 외부에 배치시킬 수 있다.
상부 금속 시트 커버는 열전판 모듈이 장착된 장방형 안정화 프레임을 부가적으로 안정화시키는 지주(strut) 상에 놓일 수 있다.
유리 가스 부피를 감소시키고, 예를 들어, 제어되지 않은 열 방출을 초래할 수 있는 가스 대류를 방지하기 위해, 열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간은, 유리하게는 불활성 물질로 충전될 수 있다.
원통형 쉘에서, 적합한 크기로 구성되며 무차단 충전 및 공실(emptying)이 중력하에서 가능한 방식으로 적합한 각도로 탑재되는 불활성 층 물질의 입구 및 출구를 위한 노즐을 제공하는 것이 유리하다. 노즐의 가능한 실시양태에서는 공칭 폭이 80, 100, 150 또는 200 ㎜이다.
사용되는 불활성 물질 층은 원칙적으로 임의의 화학적으로 불활성이며 충분히 기계적 및 열적으로 안정한 물질, 예를 들어 팽창 진주석 및/또는 팽창 질석일 수 있다.
불활성 물질로 충전될 수 있는 열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간을 가스압을 사용하여 충전할 수 있다.
압력의 적용은 실질적으로 일정할 수 있으며, 유리하게는 질소의 압력 조절 입구 및 출구에 의해 제공될 수 있다. 선택되는 조절 신호는, 예를 들어 열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간에서의 압력과 열전판 모듈의 갭에서 촉매 층의 하부 말단 또는 이의 상부 말단에서의 압력 사이의 압력차일 수 있다. 유리하게는, 압력차 신호는 상쇄 값에 의해 수정될 수 있으며, 촉매 층의 높이에 걸친 압력의 평균값, 특히 산술 평균값은 바람직하게는 조절 신호로서 선택될 수 있다.
압력을 적용하기 위해, 바람직하게는 하부로 향하는, 적절한 노즐 및/또는 작은 드릴홀이 있는 내부 고리 라인이 주로 원통형인 쉘에 제공될 수 있다.
별법으로, 불활성이거나 공정에 내재된 가스, 특히 질소 또는 순환 가스를 중간 공간을 통해 연속적으로 흘림으로써 압력이 적용될 수 있다.
압력을 적용하는데 사용되는 가스는, 유리하게는 일반적으로 여전히 반응기의 주로 원통형인 쉘 내에 있는 열전판 모듈의 출구에서 유체 반응 혼합물과 혼합된다. 압력 충전을 위해 사용되는 가스의 출구 지점은, 유리하게는 퍼징하기 위해 유체 반응 혼합물의 무 흐름 대역에 위치한다.
압력을 적용하는데 사용되는 가스의 부피 유속은 일반적으로 유체 반응 혼합물의 부피 유속보다 유의하게 적을 것이며, 유리하게는 공정 기술 측면에서 반응에 무해한 방식으로 선택된다.
상기에서 설명된 바와 같이, 예를 들어 누출, 열전판의 변형 또는 촉매와의 문제가 발생되는 문제점을 목표하는 방식으로 치유할 수 있도록, 열전판 모듈은 유리하게는 각각 개별적으로 교체가능해야 한다. 이러한 목적을 위해, 장방형 안정화 프레임의 벽에 대해 일부 작용하는 열전판 모듈을 배치하는 것이 유리하다.
이러한 유리한 실시양태에서 열전판 모듈은 이로써 밀봉되지 않은 장방형 안정화 프레임에 놓이기 때문에, 반응 매질의 우회 흐름이 발생할 수 있다. 이를 방지하기 위해, 열전판 모듈과 밀봉되지 않은 장방형 안정화 프레임 사이의 부위는 적합한 방식으로, 예를 들어 상기 내부에 삽입되는 경우에 금속 시트 스트립을 열전판 모듈의 외부에 탑재하고 장방형 안정화 프레임의 벽에 압착함으로써 밀봉된다. 별법으로, 기밀 금속 시트 커버 및 연결부는, 예를 들어 용접 립(lip)의 형태로 밀봉될 수 있다.
일단 열전판 모듈이 장방형 안정화 프레임 내에 삽입되면, 이는 열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간을 열전판 모듈의 하부 말단에서 밀봉시키는 홀딩 기재에 대해 밀봉될 수 있다. 원칙적으로 이러한 목적을 위해 임의의 공지된 밀봉 방식을 사용할 수 있다. 이는, 예를 들어, 통상적인 밀봉, 예를 들어 부가적으로 스크루로 고정되는 밀봉일 수 있다.
또한, 용접 립, 예를 들어, 용접 립이 홀딩 기재 및 제2 용접 립을 열전판 모듈 또는 장방형 안정화 프레임의 외부 가장자리에 대해 고정시키는 변형에 의해 밀봉이 제공될 수 있다. 두 용접 립은 함께 기하적으로 적합하며 함께 용접될 수 있는 방식으로 구성된다. 열전판 모듈을 교체하기 위해, 용접 봉합은 분리되고, 필요한 경우에 재생된다.
열전판 모듈은 상기로부터 일 장치에 의해 장방형 안정화 프레임과 팽팽할 수 있다. 상기로부터의 충분한 인장 압력은 밀봉 상의 적절한 표면 압력 및 열전판 모듈의 유리한 고정을 확보한다.
용인될 수 없는, 갭을 통과하는 우회 흐름이 방지되는 한, 장방형 안정화 프레임을 서로에 대해 밀봉시키는 것은 필수가 아니다. 또한, 작은 드릴홀으로 장방형 안정화 프레임을 함께 연결함으로써, 불활성 가스가 열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간으로부터 유입될 수 있으며, 열전판 모듈과 장방형 안정화 프레임 사이의 공간에서의 반응을 방지할 수 있다.
열전판 모듈은 추가로 외부에 안내 및 지시 소자를 가질 수 있다. 예를 들어, 이러한 소자의 모퉁이에 임의의 형태의 코너 브래킷(corner bracket) 및 이의 측면에 원뿔형 금속 시트 스트립이 제공될 수 있다. 또한, 기중기(hoist) 또는, 예를 들어 크레인을 사용하여 단순하게 삽입할 수 있도록, 모듈에 부착 장치 또는 부착 보조장치, 예컨대 눈(eye), 루프 또는 나삿니 드릴홀을 탑재하는 것이 유리하다. 열전판 모듈을 크레인으로 삽입하기 위해, 이는 또한 초기에 비워진 갭을 통해 판의 하부 가장자리로 수직으로 도달하며 적재물을 지지하는 수평의 지지체에 연결하는 타이 바(tie bar) 상에 유지될 수 있다.
특별한 일 실시양태에서, 열전판 모듈의 외부에서 열전판 모듈의 최외곽 열전판은 열전판을 제조하는데 사용되는 다른 금속 시트보다 더 두껍고 그에 따라 더 안정한 금속 시트로부터 형성된다.
열 팽창을 보상하기 위해, 특히 환상 보상기(annular compensator)가 유리하게는 열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간을 열전판 모듈의 하부 말단에서 밀봉하는 홀딩 기재 내에 또는 상에 제공된다. 금속 시트 기재의 표면에 대해 직각의 방향으로 보이는 대략 제트(z)형 프로파일이 있는 환상 보상기가 특히 적합하다. 그러나, 다른 통상적인 웨이브형 보상기가 동등하게 적합하다.
또한, 열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 사이의 중간 공간의 상부 말단에서 금속 시트 커버 내에 또는 상에 축 및/또는 방사 팽창을 위한 보상기가 제공되는 것이 바람직하다.
각각의 열전판 모듈에는 하나 이상의 분배 장치에 의해 열 매체가 공급된다. 각각의 열전판의 내부를 통해 흐른 후에, 열 매체는 하나 이상의 수집 장치를 통해 열전판 모듈의 다른 말단에서 제거된다. 본 발명에 따라, 배출된 반응의 열을 흡수하고 이러는 동안에 일부 증발하는 열 매체를 사용하기 때문에, 유속의 조절을 위해 열전판 모듈 당 각각의 경우에 하나의 분배 장치를 제공하지만, 2개의 수집 장치를 제공하는 것이 특히 유리하다.
분배 및 수집 장치는 바람직하게는 주위의 주로 원통형인 쉘에 비례하여 열전판 모듈의 열 팽창의 수용을 보상하도록 구성된다. 보상은 여기서, 예를 들어, 커브형 파이프라인 디자인에 의해 가능하다.
주위의 주로 원통형인 쉘에 비례하여 열전판 모듈의 열 팽창을 수용하기 위해, 열전판을 통해 흐르는 열 매체를 위한 분배 및 수집 장치의 튜빙의 적합한 커브형 또는 제트(Z)형 또는 오메가형 기하 구성을 확보할 수 있다. 추가의 일 실시양태에서, 이러한 보상은 축 또는 측면 보상기에 의해 수행될 수 있으며, 이러한 경우에 필요한 임의의 파이프 지지는 내부의 지지 구조에서 수행될 수 있다.
열 매체의 공급 및 분배, 및 또한 수집 및 제거를 위한 열전판의 수집 관을 가는 구멍이 있는 트레이 내로 하기와 같이 용접하여 구성하는 것이 특히 바람직하다. 처음에는 모듈의 각각의 열전판을 열전판의 내부 방향으로 굽어 있으며 대략 반원형인 횡단면, 및 또한 열 매체의 배출을 위한 구멍 또는 가는 구멍을 가지는 채널형 금속 시트에 접합시킨다. 상기 제조 단계에서는, 가는 구멍이 있는 트레이 내로의 용접이 대표 표본 또는 전체 면적에서 제조 결함이 없음을, 예를 들어 X-선을 사용하여 확인할 수 있다. 그 후, 이러한 대략 채널형인 제1 금속 시트를 양 세로 측면에서 반대방향의 만곡이 있으며 구멍 또는 가는 구멍이 없는 것을 제외하고는 유사한 형상인 제2 금속 시트에, 특히 세로 봉합 용접을 사용하여 접합시켜, 사실상 원형인 횡단면을 갖는 관형 부품을 형성한다. 이러한 관형 부품의 두 말단은 임의로는 내부의 타이 바로 강화될 수 있는 뚜껑에 의해 밀봉된다.
추가의 일 실시양태에서는, 또한 열 매체를 공급하고 제거하기 위해 상대적으로 공칭 폭이 작은, 예를 들어 4 내지 30 ㎜인 관 부분을 열전판에, 종종 금속 시트 가장자리에 직접 용접할 수 있다.
각각의 열전판 모듈의 각 열전판 사이의 갭은 불균질 입자 촉매를 수용하는 역할을 한다.
중력의 영향하에서 촉매 입자가 갭 밖으로 흐르는 것을 방지하기 위해, 적합한 촉매 보류 그레이트(grate)가 이의 하부 말단에서 제공되어야 한다. 이는, 예를 들어 천공 또는 메시 판으로 달성될 수 있으며, 이러한 목적을 위해 촉매의 양호한 보류와 동시에 높은 수치 안정성 및 흐르는 반응 매질에 대해 낮은 압력 강하를 보장하는 가장자리 갭 체(sieve)를 사용하는 것이 특이 유리하다.
촉매 보류 그레이트는, 예를 들어 그레이트가 회전될 수 있는 방식으로 장착될 수 있다.
열전판에 대해 열 매체를 분배하는 장치가 분배 장치에서 열전판 조립체의 가장자리까지의 측면 분리거리가 동일하여, 단지 단일 유형의 촉매 보류 그레이트가 필요한 방식으로 장착되는 경우가 특히 유리하다. 각각의 경우에 열전판 모듈 당 2개의 촉매 보류 그레이트가 제공되는 것, 즉 열 매체를 분배하는 장치의 양 면에 제공되는 것이 유리하다.
촉매 보류 그레이트는 유리하게는 대략 원통형인 쉘에서 맨홀을 통해 장착 및 탈착될 수 있는 치수로 만들어진다. 맨홀은 종종 내경이 700 ㎜이다. 따라서, 촉매 상감(inlay) 그레이트를 위해 650 ㎜의 가장자리 길이가 바람직하다.
추가의 일 실시양태에서, 이러한 보류 그레이트를 더 작은 장치로 추가 분할할 수 있으며, 또한 각각의 갭 또는 각각의 갭의 절반을 개별적으로 밀봉하여, 이를 별도로 비울 수도 있다.
별법으로, 또한 열전판 모듈을 반응기 내에 장착하기 전에, 즉 반응기 바깥에서 열전판 모듈을 촉매로 채울 수 있다.
열전판 모듈을 둘러싸는 쉘은 주로 원통형인 것으로서 상기에 기재되었다. 상기 문맥에서, 이는 쉘이 양 말단에서 각각의 경우에 후드에 의해 밀봉되는 원형 횡단면이 있는 원통형 재킷을 가짐을 의미한다.
주로 원통형인 쉘은 일반적으로 수직으로 장착된다.
유체 반응 매질은 한 후드, 종종 하부 후드를 통해 반응기 내부를 통과하고, 불균질 미립자 촉매로 충전되어 있으며 각 열전판 사이에 있는 갭을 통해 흐르고, 반응기의 다른 말단에서, 다른 후드, 종종 상부 후드를 통해 제거된다.
후드는 바람직하게는 스테인리스 강으로부터 제조되거나 스테인리스 강 판금된다.
후드는 고정 용접에 의해 또는, 예를 들어 플랜지(flange) 연결을 통해 별도로 원통형 재킷에 연결될 수 있다. 플랜지 연결은 수력 시스템을 사용하여 하강시킬 수 있는 방식으로 구성될 수 있다.
유리하게는 일반적으로 지름이 700 ㎜인 하나 이상의 맨홀을 통해 착수하여 후드의 원주에 도달할 수 있다. 이러한 목적을 위해, 후드처럼, 예를 들어 스테인리스 강으로부터 제조되거나 스테인리스 강 판금된 넓은 원통형 단면이 유리하다.
후드에서 맨홀을 통해 모듈의 상부 면에 접속할 수 있게 되어 촉매가 열전판 사이의 갭 내로 쉽게 도입될 수 있으며, 모듈의 하부 면에 접속할 수 있게 되어 보류 그레이트가 쉽게 장착 및 탈착될 수 있다.
촉매를 탈착하기 위해, 장치가, 보조장치를 보유하며 미리 장착될 수 있는 촉매를 작동 도중에 수집하기 위해 하부 후드에서, 또한 촉매를 배출시키기 위해 하나 이상의 노즐에서 부가적으로 장착될 수 있다.
열전판 모듈과 주로 원통형인 쉘 밀봉 홀딩 기재의 내부 벽 사이의 중간 공간, 및 또한 열전판 모듈을 위한 장방형 안정화 프레임에 사용되는 물질은 탄소 강일 수 있다. 별법으로, 이러한 목적을 위해 스테인리스 강을 사용할 수 있다.
하나 또는 양 후드에서, 노즐을 장착하는 것이 유리하며, 이를 통해 다열전소자(multithermoelement)가 각각의 열전판 모듈 내에 도입될 수 있다. 또한, 추가 현장 기계 및 공정 분석 장치를 위해 노즐이 탑재될 수 있다.
주로 원통형인 쉘의 원통형 재킷에서, 하나 이상의 보상기를 제공하여, 바람직하게는 축의 열 팽창을 수용하는 것이 바람직하다.
사용되는 열 매체 매질은, 전형적으로 발전소에서 증기 발생을 위해 사용되며 종래 기술 (문헌 [Technische Regeln fuer Dampfkessel[Technical rules for vapor vessels] (TRD 611 of October 15, 1996 in BArbBl. 12/1996 p. 84, last altered on June 25, 2001 in BArbBl. 8/2001 p. 108] 참조)에 따른 공급수(feed water)일 수 있다. 전형적인 공급수의 파라미터는 전도도 0.4 마이크로지멘/㎝ 미만, 또는 0.2 마이크로지멘/㎝ 미만, 칼슘 및 마그네슘 경도 리터 당 0.0005 밀리몰 미만 또는 측정 한계 미만, 나트륨 리터 당 5 마이크로그램 미만, 이산화규소 리터 당 20 마이크로그램 미만, 철 리터 당 50 마이크로그램 미만, 및 산소 리터 당 20 마이크로그램 미만이며, 용해된 탄소의 전체 함량은 리터 당 0.2 밀리그램 미만일 수 있다. 또한, 공급수에는 할로겐, 특히 염소가 적거나 없어야 한다. 또한, 예를 들어 보조성분, 예컨대 히드라진, 암모니아를 첨가함으로써 공급수를 목표하는 방식으로 조절할 수 있으며, 특히 이를 알칼리성으로 만들 수 있으며, 또한 부식 억제제를 공급수에 첨가할 수 있다.
이를 통해 반응 매질이 상기에 기재된 바람직한 공정 제어에서 반응기에서 나오는 상부 후드는 탄소 강으로 구성될 수 있다.
수리 또는 교체의 목적을 위한 열전판 모듈에 대한 접근성을 확보하기 위해, 마찬가지로 상부 후드를 제거될 수 있어야 한다. 플랜지 연결이 없는 경우에는, 상부 후드는 모듈 조립 후에 제거되고, 다시 용접될 수 있다.
열전판으로부터 제거되는 증기를 상이한 증기 레일 내로 통합할 수 있다.
반응기는 임의로는 2개의 증기 레일에 부착될 수 있으며, 이중 하나는 압력이 더 높으며 작동 온도로 반응기를 가열하기 위해 사용된다.
단지 하나의 증기 레일 상에서 작동하는 것이 유리하다.
반응기는 바람직하게는 냉각제, 물의 자연 순환으로 작동될 수 있으며, 공급수 대 증기의 비율은 일반적으로 3 내지 12, 바람직하게는 5 내지 10일 수 있다.
또한, 강제 순환으로 작동될 수 있으며, 이러한 경우에 냉각의 더 폭넓은 적재 변형이 가능하다. 이를 위해, 공급수는 냉각 시스템에 존재하는 압력보다 더 높은 압력에서, 예를 들어 펌프를 사용하여 공급된다.
분배 장치에서 공급수 순환 속도는 0.5 내지 3.0 m/s, 또는 1.0 내지 2.0 m/s, 물 순환 횟수는 3 내지 12로 설정될 수 있다. 수집 장치에서 이중상 흐름 (증기/물)의 유속은 0.5 내지 15 m/s, 또는 2.0 내지 6.0 m/s일 수 있다.
열전판 모듈의 가열을 수행하여 반응 작동 도중에 적어도 일부 증발되는 열 매체 매질에 의해 열이 제거되는 동일한 열 매체 네트워크로부터 반응기를 시작하는 것이 특히 바람직하다.
냉각 시스템에서 증기 압력을 조절하여 냉각 온도를 정밀하게 조절할 수 있다. 열전판이 냉각제에서 약 80 bar의 압력까지 작동될 수 있음이 경험적으로 알려져 있다. 본 발명에 따른 반응기는 약 80 bar 이하의 압력 수준에서 직접 증기 발생이 가능하게 한다.
그러나, 열전판이 있는 실시양태에 대한 별법으로, 또한 하나, 그 이상 또는 모든 냉각되는 반응 대역, 특히 주 반응기 및 후속반응기를 각각의 관 다발 장치로서 또는 단일 관 다발 장치에서 각각의 대역으로서 형성할 수 있다. 특히, 제1 반응 대역이 관 다발 장치로서 디자인되고, 제2 또는 추가 반응 대역이 열전판이 있는 장치로서 디자인될 수 있다.
주 반응기 및 후속반응기가 별도의 관 다발 장치로서 있는 실시양태에서, 후속반응기는 주 반응기에 비해 더 큰 관 지름으로 유리하게 디자인될 수 있다. 관 다발 장치의 모든 변형에서, 촉매는 일반적으로 관 내에 층으로 장착되며, 반응의 열은 촉매 관 주위의 중간 공간을 통해 순환하는 열 매체에 의해 제거된다.
제1 반응 대역 또는 주 반응기는 바람직하게는 제1 반응 대역 또는 주 반응기로의 입구에서의 냉각제의 온도가 320 내지 380℃의 범위이며, 제2 또는 추가 반응 대역 또는 후속반응기로의 입구에서의 냉각제의 온도가 250 내지 320℃, 바람직하게는 270 내지 300℃, 더 바람직하게는 280 내지 290℃의 범위이다.
제2 또는 추가 반응 대역 또는 후속반응기는 플랜트에서의 전체 전환율의 5 내지 10％에서 작동되며, 바람직하게는 플랜트에서의 전체 전환율의 15％ 이하에서, 더 바람직하게는 20％ 이하에서 작동된다.
본 발명에 따른 방법에서는, 산화시킬 반응물이 있는 공기의 높은 적재량, 특히 표준 조건 (0℃ 및 1.013 bar 절대)하에서 반응 공기 ㎥/h 당 o-크실렌 30 내지 20 g의 적재량으로 작동시킬 수 있으며, 사용되는 양은 전형적으로 표준 조건하에서 반응 공기의 ㎥/h 당 o-크실렌 60 내지 110 g, 매우 종종 80 내지 105 g이다.
본 발명에 따른 방법은 수율 손실 없이 상이한 적재 범위에 대해 반응시킬 수 있어 높은 유연성을 가능하게 한다. 특히, 또한 예를 들어, 주 반응기 촉매의 노화 관련 성능 차이를 상쇄할 수 있다.
현존 플랜트는 본 발명에 따른 방법을 수행하기 위해 단순한 방식으로 개조될 수 있다.
단순한 구조의 촉매, 특히 저렴한 표준 촉매를 사용할 수 있으며, 주 반응기에서 수율을 위해 촉매를 최적화시킬 수 있다. 전반적으로, 공지된 방법에 비해 개선된 전체 선택성 및 수율을 달성할 수 있다.
본 발명은 도면을 참조로 하기에서 상세하게 예시된다.
도 1은 주 반응기 및 후속반응기가 있는 본 발명의 플랜트의 제1 실시양태의 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타낸 실시양태의 일 변형이다.
도 3은 모든 반응 대역이 단일 장치에서 통합된 일 실시양태이다.
도 4 내지 7은 도 3에 나타낸 실시양태의 추가 변형이다.
도 8은 도 1에 나타낸 실시양태의 일 추가 변형이다.
도 9A 및 9B는 주 반응기 및 도 9C에서 부분 묘사된 후속반응기가 있는 바람직한 실시양태의 대표도이다.
도 10 내지 13은 열전판의 배열이 상이한 실시양태이다.
도 1의 실시양태는 주 반응기 (1) 및 이에 플랜지 연결에 의해 부착된 후속반응기 (2)가 있는 플랜트의 개략도를 나타낸다. 주 반응기 (1)은 관 다발 장치로서 디자인되어, 이의 촉매 관을 통해 화살표로 나타낸 반응 가스 혼합물이 위에서 아래로 흐른다. 냉각제 (4)는 촉매 관 사이의 중간 공간을 통해 흐른다.
후속반응기 (2)는 냉각제 (4)가 마찬가지로 흐르는 열전판 (5)가 있는 장치로서 디자인된다. 열전판 (5) 사이의 중간 공간은 하부 영역에서 고체 상태인 촉매로 충전된다. 후속반응기 (2)의 상부 영역에서 열전판 (5) 사이의 공간은 비워져 있음이 도 1의 도시로부터 분명하다. 결과적으로, 후속반응기 (2)의 이러한 부분은 중간 냉각용 통합 장치 (3)으로서의 기능을 한다.
도 2의 실시양태는 후속반응기 (2)에서 중간 냉각기 (3)으로서 작용하는 영역이 불활성 물질로 충전된 점이 도 1에 나타낸 실시양태와 다르다.
도 3은 단일 장치에 통합된 주 반응기 (1), 후속반응기 (2) 및 중간 냉각용 장치 (3)이 있는 일 실시양태를 나타낸 것이며, 중간 냉각용 장치 (3) 및 후속반응기 (2)에는 각각 열전판 (5)가 구비되어 있다. 주 반응기 (1), 후속반응기 (2) 및 중간 냉각용 장치 (3)에는 각각 냉각제 (4)를 위한 별도의 회로가 있다. 주 반응기 (1)에는 촉매 관의 다발 및 또한 편향 판이 구비되어 있다.
도 4는 단지 불활성 물질이 중간 냉각용 장치 (3)에서 열전판 (5) 사이에 장착된 점이 도 3에 나타낸 실시양태와 다르다.
도 5의 실시양태는 중간 냉각용 장치 (3)이 후속반응기 (2) 내로 통합된 점이 도 3에 나타낸 실시양태와 다르다.
도 6에 나타낸 실시양태는 단지 중간 냉각용 장치로서 작용하는 영역에서, 불활성 물질이 열전판 (5) 사이에 장착된 점이 도 5의 실시양태와 다르다.
도 7의 실시양태는 후속반응기 (2)에서, 열전판 (5) 사이의 영역이 완전히 고체 상태인 촉매로 충전된 점이 도 6의 실시양태와 다르다.
도 8에서도, 후속반응기 (2)에서, 열전판 (5) 사이의 영역이 완전히 고체 촉매 물질로 충전된다.
도 9A 및 9B의 실시양태는 서로 나란하게 배열된 주 반응기 (1) 및 후속반응기 (2)가 있으며, 중간 냉각기 (3)에 배열된 냉각 코일 (도 9A) 또는 열전판 (도 9B)이 있는 플랜트를 나타낸 것이다. 도 9C는 도 9B로부터의 중간 냉각기 (3)을 통과하는 C-C 절단면을 나타낸 것이다.
도 10 내지 13은 본 발명에 따른 방법을 수행하는데 사용되는 플랜트의 열전판 (5)의 다양한 배열을 나타낸 것이다.

Claims (10)

  1. - 냉각제로 냉각되는 2개 이상의 반응 대역, 및
    - 반응 대역 사이에서 반응 혼합물을 중간 냉각시키기 위해 반응 대역 사이에 배열되어, 제1 반응 대역으로의 입구에서의 냉각제의 온도에 비해 제2 또는 추가 반응 대역으로의 입구에서의 냉각제의 온도를 감소시키는 하나 이상의 장치
    를 포함하며, 제1 반응 대역으로의 입구에서의 냉각제의 온도가 제2 또는 추가 반응 대역으로의 입구에서의 냉각제의 온도보다 20˚ 이상 높은 플랜트에서,
    o-크실렌 및/또는 나프탈렌을 산소 포함 가스를 사용하여 촉매적으로 부분 산화시킴으로써 프탈산 무수물을 제조하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 플랜트가 2개의 냉각되는 반응 대역, 특히 냉각되는 주 반응기 및 냉각되는 후속반응기를 갖는 것인 방법.
  3. 제2항에 있어서, 주 반응기로의 입구에서의 냉각제의 온도가 320 내지 380℃의 범위이고, 후속반응기로의 입구에서의 냉각제의 온도가 250 내지 320℃, 바람직하게는 270 내지 300℃, 더 바람직하게는 280 내지 290℃ 범위인 방법.
  4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 후속반응기가 플랜트에서의 전체 전환율을 기준으로 5 내지 10％, 바람직하게는 15％ 이하, 더 바람직하게는 20％ 이하의 잔류물 전환율에서 작동되는 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 열이 냉각제의 증발 냉각에 의해 제거되는 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 냉각되는 반응 대역 및 반응 가스 혼합물을 중간 냉각시키기 위해 반응 대역 사이에 배열되는 장치(들)가 냉각제가 흐르는 열전판(thermoplate)이 있는 단일 장치에서 결합되는 것인 방법.
  7. 제6항에 있어서, 장치가 주 반응기, 중간 냉각기 및 후속반응기를 포함하는 것이며, 주 반응기를 위한 제1 냉각 회로 및 중간 냉각기와 후속반응기를 위한 제2의 결합된 냉각 회로가 제공되는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 중간 냉각을 위한 장치(들) 내에 불활성 층이 제공되는 방법.
  9. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 냉각되는 반응 대역 중 하나, 하나 이상 또는 전부가 각각 관 다발 장치로서 디자인된 것인 방법.
  10. 제9항에 있어서, 제1 반응 대역이 관 다발 반응기로서 디자인된 것이며, 제2 반응 대역 또는 추가 반응 대역이 열전판이 있는 장치로서 디자인된 것인 방법.
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