KR20090091234A - 혼합 소자에서 두 유체 출발 물질이 미리 혼합되는, 촉매층 위에서의 두 유체 출발 물질의 반응을 수행하는 반응기 - Google Patents

혼합 소자에서 두 유체 출발 물질이 미리 혼합되는, 촉매층 위에서의 두 유체 출발 물질의 반응을 수행하는 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 두 유체 출발 물질이 촉매층에 공급되기 전에 150 ms 미만의 지연 기간 내에 혼합 소자 (5)에서 혼합되는, 촉매층 상에서의 두 유체 출발 물질 (2,3)의 반응을 수행하기 위한 반응기에 관한 것이다. 이 반응기는 혼합 소자 (5)가 제 1 유체 출발 물질 흐름 (2)의 접근 흐름 방향에 대해 본질적으로 횡단하여 배열되는 다음 요소: 제 2 유체 출발 물질 흐름이 관을 통해서 안내되어 관 (6)내의 개구부 (7)을 통해서 제 1 유체 출발 물질 흐름 (2)에 분사되는, 외부에 난류 발생기를 가지고 제 1 유체 출발 물질 흐름 (2)의 통과를 위한 횡단면을 1/2 내지 1/10로 제한하는 연속으로 배열된 2 줄 또는 3 줄의 관; 및 관 (6)의 상류에 장착된 천공판 (10) 및 관 (6)의 하류에 장착된 천공판 (11)로부터 형성됨을 특징으로 한다.
난류 발생기, 핀붙이 관, 혼합 소자, 촉매층

Description

혼합 소자에서 두 유체 출발 물질이 미리 혼합되는, 촉매층 위에서의 두 유체 출발 물질의 반응을 수행하는 반응기{REACTOR FOR CARRYING OUT A REACTION BETWEEN TWO FLUID EDUCTS ON A CATALYST BED, SAID FLUID EDUCTS BEING PREVIOUSLY MIXED IN A MIXING DEVICE}
본 발명은 혼합 소자에서의 두 유체 출발 물질의 예비혼합을 이용하는, 촉매층 위에서의 두 유체 출발 물질의 반응을 수행하는 반응기, 반응기를 위한 혼합 소자 및 용도에 관한 것이다.
화학 공학에서는, 두 유체 출발 물질을 예비혼합하고, 이어서 촉매층 위에서 반응시키는 방법이 많이 있다. 이 경우, 반응이 균일하게 진행되도록 하기 위해서는, 반응 혼합물이 촉매와 접촉하여 촉매가 반응 과정을 제어하기 전에 빈번하게 매우 짧은 허용 체류 시간, 종종 150 ms 미만 또는 50 ms 미만 내에 매우 균질하게 예비혼합하는 것이 필요하다.
요구가 지나친 이러한 목적을 달성하기 위해, 매우 짧은 시간 내에 매우 높은 혼합 질을 달성하는 혼합 소자, 즉 매우 낮은 구조 높이 L/D(여기서, L은 주 유체의 흐름 방향에서의 혼합 소자의 길이이고, D는 주 유체의 흐름 방향에 대해 수직인 촉매층의 유입 면적임)를 갖는 혼합 소자가 필요하다.
축류, 즉 종축 방향 흐름이 통과하는 반응기를 위한 공지된 혼합 소자는 구조 높이 L/D가 기껏해야 4이다. 이러한 소자는 예를 들어 DE-A 10 2004 024 957로부터 알려져 있고, 이 문헌에 따르면, 반응 기체가 관 판에 양 말단에서 고정되고 촉매층이 위치하는 축류 반응기로 들어가는 기체 공급관 둘레의 중간 공간에 도입되는 산소를 위한 유입 개구부가 제공된 기체 공급관 다발을 경유하여 축방향으로, 즉 반응기의 종축 방향으로 주입된다.
비교해 보면, 본 발명의 목적은 주 유체의 흐름 방향에서의 혼합 소자의 크게 감소된 길이 및 따라서 매우 짧은 체류 시간 달성으로, 두 유체 출발 물질이 촉매층에 공급되기 전에 예비혼합 단계에서 두 유체 출발 물질의 거의 100% 혼합을 달성하는 반응기 및 혼합 소자를 제공하는 것이다.
이 목적은 제 1 유체 출발 물질 스트림의 유입 방향에 대해 본질적으로 횡단하여 배열되는 다음 요소들,
- 제 2 유체 출발 물질 스트림이 관의 내부를 통해 통과하고 관내의 개구부를 경유해서 제 1 유체 출발 물질 스트림에 주입되는, 외부에 난류 발생기를 가지고 제 1 유체 출발 물질 스트림의 흐름 횡단면을 1/2 내지 1/10로 제한하는 서로 전후로 배열된 2 줄 또는 3 줄의 관,
- 관의 상류에 있는 천공판, 및
- 관의 하류에 있는 천공판
으로 이루어지는 혼합 소자에서 두 유체 출발 물질을 촉매층으로의 도입 전에 150 ms 미만의 지체 시간 내에 예비혼합하여 촉매층 위에서의 두 유체 출발 물질의 반응을 수행하는 반응기에 의해 달성된다.
바람직한 한 실시태양에서는, 핀 사이의 채널에 개구부를 제공함으로써 약간 개조된 열교환기로 알려진 상업용 핀붙이 관의 이용으로, 제 1 유체 출발 물질 스트림을 핀붙이 관에 대해 본질적으로 수직으로 주입하고 핀붙이 관의 내부를 통과하는 제 2 유체 출발 물질 스트림을 채널의 개구부에 의해 제 1 유체 출발 물질 스트림에 주입함으로써 고도의 난류를 갖는 거의 이상적인 혼합 챔버로서 핀 사이의 채널의 중간 공간을 이용하는 것이 가능하다는 것을 발견하였다.
유체라는 용어는 공지된 바와 같이 비고체 연속체의 유체 역학 법칙을 따르는 모든 액체, 증기 및 기체를 의미한다. 본원에서 유체 출발 물질은 특히 기체 또는 액체 출발 물질이고, 바람직하게는 기체 출발 물질이다. 유체 출발 물질은 각각 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다.
두 유체 출발 물질의 부피 흐름은 빈번히 매우 상이하고, 이 때문에 이에 상응해서 혼합 작업이 어렵고; 제 2 유체 출발 물질의 질량 흐름은 특히 제 1 유체 출발 물질 스트림의 질량 흐름의 1 내지 30%, 또는 5 내지 20%일 수 있다.
촉매층은 고체 촉매 입자로 이루어지고, 즉 촉매는 유체 출발 물질에 대해서 불균질한 촉매이다. 고체 촉매 입자는 바람직하게는 고정 촉매층을 형성할 수 있거나, 또는 추가의 바람직한 실시태양에서는, 이동 촉매층을 형성할 수 있다.
촉매층은 직립형 실린더형 반응기의 경우 수평 또는 수직 층으로 도입될 수 있다. 또, 다수의 촉매층도 있을 수 있다. 일반적으로 자유 유동 형상체 형태인 촉매는 보유 소자, 예를 들어 촉매 바스켓에 도입될 수 있다. 더 바람직하게는, 보유 소자는 지지 격자, 제직 망사, 가장자리 슬릿 스크린 등에 의해 형성될 수 있다.
반응 기체 혼합물은 층의 유입면 측으로부터 촉매층으로 흘러 들어가고 유출면을 경유하여 촉매층을 떠난다.
본 발명에 따르면,
- 외부에 난류 발생기를 가지는 서로 전후로 배열된 2 줄 또는 3 줄의 관,
- 관의 상류에 있는 천공판, 및
- 관의 하류에 있는 천공판
을 포함하는 반응할 유체 출발 물질을 위한 혼합 소자가 촉매층의 유입면의 상류에 제공된다.
유체 출발 물질은 혼합 소자에서 예비혼합된다. 이 경우, 예비혼합은 촉매층에 진입하기 전의 혼합으로 이해한다.
관 외부에 배열된 난류 발생기는 다양한 기하 구조를 가질 수 있지만, 그것이 관 둘레를 흐르는 유체에 난류를 증가시켜야 하는 것이 필수적이다. 그것은 바람직하게는 정적 혼합기에 대해 알려진 요소 또는 증류 칼럼의 충전 요소로서 알려진 요소, 또는 예를 들어 금속 시트의 교차한 스트립이다.
외부에 난류 발생기를 갖는 관은 바람직하게는 핀붙이 관이다.
핀붙이 관은 화학 공학에서 알려져 있고, 특히 열교환기 관으로서 이용된다. 핀붙이 관 및 그의 제조는 예를 들어 DE-A 1 950 246 또는 DE-A 2 131 085에 기술되어 있다.
핀붙이 관은 기다란 스트립, 즉 핀이 한 종방향 가장자리를 따라서 일반적으로 용접에 의해 부착된 실린더형 외부를 갖는 관, 일반적으로 금속 관이다. 빈번하게는, 핀은 관의 외부에 소용돌이꼴 또는 나선형 방식으로 부착되지만, 또한 그의 종방향으로도 부착될 수 있다. 그것은 보통은 평활한 연속 표면을 가지지만, 또한 천공될 수도 있다. 그것은 연속일 수 있지만, 또한 유리하게는 핀 베이스까지 절단되어 단편을 형성할 수 있다. 절단된 핀은 난류를 증가시키는 데 특히 적당하다. 단편은 예를 들어 직사각형, 사다리꼴 등의 형태의 다양한 기하를 가질 수 있다. 단편들 사이의 절단부는 물질을 제거하거나 또는 제거하지 않고 구성될 수 있다. 단편은 특히 유리하게는 입사각을 이용해서 특히 핀 사이의 영역, 즉 채널에서 난류를 증가시키고 따라서 혼합 작용을 개선하기 위해 핀 베이스와 각을 이루어서 회전하거나 또는 경사질 수 있다.
관 길이에 걸쳐서 핀의 치밀한 배열이 유리하고; 특히, 관 길이 1 m 당 100 내지 300 회 감김의 핀이 제공될 수 있다.
25 내지 150 ㎜, 특히 20 내지 50 ㎜의 범위의 외경을 갖는 관이 유리하게 이용된다.
관의 외경을 기준으로 한 핀 높이는 유리하게는 1/10 내지 1/2의 범위이다.
핀 두께는 유리하게는 0.3 내지 1.5 ㎜일 수 있다.
절단된 핀의 경우, 3 내지 12 ㎜, 바람직하게는 4 내지 8 ㎜의 폭을 갖는 단편을 형성하는 것이 유리하다.
관은 어떠한 횡단면도 가질 수 있고, 예를 들어 원, 타원 또는 다각형, 예를 들어 삼각형 횡단면을 가질 수 있다.
핀붙이 관은 서로 평행하게 줄지어서 배열되고, 한 줄의 핀붙이 관은 한 평면에 위치할 수 있거나 또는 원의 반경을 따라서 배열될 수 있다.
핀붙이 관의 배열은 특히 반응기의 의도된 흐름에 의존한다.
빈번하게는 실린더형인 반응기의 종축 방향으로 반응 혼합물이 운반되는 축류 장치의 경우, 촉매층 또는 촉매층들은 반응기 횡단면을 따라서 수평으로 배열된다. 이에 상응해서, 혼합 소자의 일부를 형성하는 여러 줄의 핀붙이 관은 반응기의 횡단 평면에 촉매층에 대해 본질적으로 평행하게 배열되어야 한다.
반응 기체 혼합물의 반경류 방향을 갖는 반경류 반응기의 경우, 하나 이상의 촉매층이 적당한 수용 소자, 예를 들어 바스켓에서 층 두께에 적당한 벽 두께를 갖는 속이 빈 실린더 형태로 배열된다. 내부 또는 외부에 있을 수 있는 촉매층의 유입측에서, 핀붙이 관이 촉매층과 동심성인 원을 따라서 배열된다.
본 발명에 따르는 혼합 작업에는 2 줄 또는 3 줄의 핀붙이 관이 적당하다는 것을 발견하였다.
한 바람직한 실시태양에서는, 제 2 유체 출발 물질 스트림의 조성이 개개의 줄의 핀붙이 관마다 상이할 수 있다. 특히, 제 1 줄의 핀붙이 관에는 정의된 조성을 갖는 제 2 유체 출발 물질 스트림을 공급하고, 제 2 줄의 핀붙이 관에는 그와 상이한 조성을 갖는 제 2 유체 출발 물질 스트림을 공급하는 것이 가능하다.
여기서, 제 2 줄의 핀붙이 관을 제 1 줄의 갭에 접하여 배열하고, 3 줄의 핀붙이 관의 경우에는, 제 3 줄의 핀붙이 관을 제 2 줄의 핀붙이 관의 갭에 접하여 배열하는 것이 유리하다. 열전달 매질은 유리하게는 제 2 줄 및 적당한 경우, 제 3 줄의 핀붙이 관을 통해 흐를 수 있다. 또, 제 2 줄 및 적당한 경우, 제 3 줄의 핀붙이 관은 어떠한 횡단면을 갖는 고체 물질에 의해서도 형성할 수 있다.
1 줄의 핀붙이 관 내에는 동일 기하를 갖는 핀붙이 관을 이용하여야 하지만, 또한 여러 줄의 핀붙이 관에서는 기하가 다양할 수 있다.
핀붙이 관은 각 경우에서 관 외부 상의 핀의 채널 당 둘 이상의 정반대에 배열되는 개구부를 가져서 핀 사이 채널에 그것을 형성하고; 이들 개구부는 그 줄의 핀붙이 관에서 각 인접 핀붙이 관에 가장 가까운 곳에 위치한다. 제 2 유체 출발 물질은 핀 사이의 채널에서 이들 개구부를 통해서 제 1 유체 출발 물질에 주입된다. 따라서, 이러한 방식에서는, 높은 난류를 갖는 많은 소규모 혼합 챔버가 채널에서 이용가능하고, 특히 단편을 형성하도록 절단된 핀의 경우에 그러하고, 이 효과는 핀 단편의 경사진 설치에 의해 더 증가될 수 있다. 이러한 방식에서는 마이크로 범위의 우수한 질의 혼합이 달성된다.
유리하게는, 관의 길이에 걸쳐서 제 2 유체 출발 물질 스트림을 예비 분배하고 따라서 또한 이것의 거의 동등한 온도를 보장하기 위해 외부에 적당한 간격으로 배열된 유출 개구부를 갖는 동심성 플러그인 관이 각 경우에서 핀붙이 관의 내부에 제공될 수 있다.
제 2 유체 출발 물질 스트림은 바람직하게는 주 분배기로서 고리 라인을 경유하여, 특히 바람직하게는 그의 각 말단에 2 개의 고리 라인을 경유하여 핀붙이 관 내에 균일하게 도입된다.
더 바람직하게는, 상기 고리 라인은 또한 각 경우에서 추가의 고리 라인을 경유하여, 바람직하게는 큰 직경을 가지고 상기 고리 라인 밖에 배열되는 추가의 고리 라인을 경유하여 공급될 수 있다.
여러 줄의 핀붙이 관 앞에는 천공판이 있고, 이것도 마찬가지로 제 1 유체 출발 물질 스트림의 유입 방향에 대해 수직으로 배열되고, 따라서 특히 축류 반응기의 경우에는 여러 줄의 핀붙이 관에 의해 형성되는 평면에 대해 평행하게 또는 특히 반경류 반응기의 경우에는 여러 줄의 핀붙이 관과 동심성인 원에 배열된다.
상류 천공판은 제 1 유체 출발 물질 스트림 유입측의 횡단면을 기준으로 한 총 면적이 0.5 이하, 특히 0.3 이하인 개구부를 갖는다.
유리하게는, 상류 천공판은 제 1 줄의 핀붙이 관의 유입면으로부터 상류 천공판내의 개구부의 직경의 7 내지 20 배에 상응하는 거리에 위치한다.
상류 천공판내의 개구부의 직경은 유리하게는 연속하는 두 감김 사이의 핀의 빈 간격의 1/2보다 작다.
특히, 축류 반응기의 경우에는, 기체 스트림이 반응기 횡단면에 걸쳐서 거의 균일하게 분배된다는 것이 보장된다면 상류 천공판이 생략될 수 있다.
혼합 소자는 소자로부터의 유출 방향으로 하류에 위치하고 상류 천공판의 직경보다 크거나 같은 직경을 갖는 개구부를 갖는 제 2 천공판을 갖는다.
천공판은 어떠한 횡단면을 갖는 개구부도 갖는 주로 편평한 성분이다.
천공판내의 개구부의 직경을 기준으로 두 천공판, 즉 상류 천공판 및 하류 천공판의 두께의 비는 바람직하게는 0.75 내지 2.0의 범위이다.
하류 천공판은 유리하게는 마지막 줄의 핀붙이 관의 유출 평면으로부터 마지막 줄의 핀붙이 관의 핀붙이 관 직경의 0.75 내지 2.0 배인 거리에 배열된다.
하류 천공판은 유리하게는 촉매층 진입 지점으로부터 하류 천공판내의 개구부의 직경의 5 내지 20 배에 상응하는 거리에 위치한다.
핀붙이 관 및 천공판을 위한 물질은 바람직하게는 스테인리스 스틸이고; 승온에서 산화 및 적당한 경우, 탄화에 대해 내성이 있는 물질이 특히 바람직하다.
혼합 소자는 제 1 유체 출발 물질 스트림의 흐름 방향에 대해 본질적으로 횡단하여 배열된다. 이것은 제 1 유체 출발 물질 스트림이 축류 반응기의 경우에서처럼 편평할 수 있거나 또는 반경류 반응기에서처럼 굴곡될 수 있는 혼합 소자의 주 연장부에 대한 법선 방향으로 도입된다는 것을 의미한다. 그러나, 본질적으로 횡단한다는 용어는 법선으로부터의 편차가 ±5° 또는 ±10° 또는 심지어는 ±30°인 것을 포함한다.
혼합 소자는 100 내지 200 ㎜의 범위의 구조 깊이, 즉 상류 천공판과 하류 천공판 사이의 거리에서 20 mbar 정도의 제 1 유체 출발 물질 스트림, 빈번하게는 반응 기체의 압력 강하 및 약 50 내지 100 mbar의 범위의 제 2 유체 출발 물질 스트림, 빈번하게는 단지 안전상의 이유 때문에 적어도 약간 초대기압 하에 있어야 하는 산소 포함 스트림의 압력 강하를 이용하여 우수한 거의 100% 혼합을 달성할 수 있다.
제 1 유체 출발 물질 스트림에 제 2 유체 출발 물질 스트림이 주입되는 지점은 1 ㎡ 당 10000 개의 주입 지점 정도로 극히 많은 주입 지점이 달성된다.
또, 본 발명은 상기 요소, 즉 난류 발생기를 갖는 2 줄 또는 3 줄의 관, 특히 핀붙이 관, 상류 천공판 및 하류 천공판을 포함하는 상기 유형의 반응기를 위한 혼합 소자를 제공한다.
상기 반응기 및 혼합 소자는 제 1 기체 반응 혼합물과 산소 포함 기체 스트림, 예를 들어 공기의 반응, 특히 탄화수소, 예를 들어 프로판 또는 부탄의 옥시탈수소화, 공기를 이용한 천연 가스의 부분 산화, 탈황, 촉매적 분해 또는 일반적으로 화학적 전환이라고 알려진 반응을 수행하는 데 특히 적당하다.
또, 본 발명은 제 1 유체 출발 물질 스트림의 유입 방향에 대해 본질적으로 횡단하여 배열되는 상기 혼합 소자의 요소로 이루어진 둘 이상의 유체를 위한 정적 혼합기를 제공한다.
제 1 유체 출발 물질 스트림의 유입 방향에 대해 본질적으로 횡단하여 배열되는 다음 요소, 즉
- 제 2 유체 출발 물질 스트림이 관의 내부를 통과하고 관내의 개구부를 경유해서 제 1 유체 출발 물질 스트림에 주입되는, 외부에 난류 발생기를 가지고 제 1 유체 출발 물질 스트림의 흐름 횡단면을 1/2 내지 1/10로 제한하는 서로 전후로 배열된 2 줄 또는 3 줄의 관,
- 관의 상류에 있는 천공판, 및
- 관의 하류에 있는 천공판
으로 이루어지는 혼합 소자에서 두 유체 출발 물질을 촉매층으로의 도입 전에 150 ms 미만의 지체 시간 내에 예비혼합하여 촉매층 위에서의 두 유체 출발 물질의 반응을 수행하는 반응기가 제공된다.
혼합기는 혼합되는 유체의 유형에 제한되지 않는다. 유체는 특히 기체 또는 액체, 바람직하게는 기체일 수 있다. 혼합될 유체는 각각 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 이들은 서로 화학적으로 반응하지 않아야 한다.
혼합기는 혼합 소자에 대한 논의에서 기술한 모든 실시태양을 나타낼 수 있다.
혼합기는 특히 모듈형으로 조립되어, 즉 서로 전후로 배열되는 2 줄 또는 3 줄의 관의 수를 필요에 따라서 실용적으로 제한 없이 늘릴 수 있어, 수 제곱 센티미터 내지 임의 치수, 예를 들어 수 백 제곱미터의 유입 면적을 이용가능하게 하는 것이 가능하다.
정적 혼합기가 상업적으로 입수가능한 요소로부터 제조될 수 있어서 비용 및 에너지 면에서 유리하다. 그것은 둘 이상의 유체에 대해 < 50 ms의 극히 짧은 시간 내에 고도의 균질 혼합(혼합 질 > 99.9%)을 얻기 위한 작은 높이를 나타낸다.
본 발명을 아래에서 도면 및 실시예를 이용해서 더 상세히 기술한다.
도면에서,
도 1A는 안쪽에서 바깥쪽으로 제 1 유체 출발 물질 스트림의 흐름 방향을 갖는 본 발명에 따르는 반경류 반응기를 통하는 단면의 한 단편을 나타내는 도면이다.
도 1B는 도 1A와 유사하지만, 바깥쪽에서 안쪽으로 제 1 유체 출발 물질 스트림의 흐름 방향을 갖는 것을 나타내는 도면이다.
도 2A는 핀붙이 관의 세부 사항, 도 2B는 개개의 핀 및 그의 제조 절차, 도 2C는 핀붙이 관을 통하는 횡단면을 나타내는 도면이다.
도 3은 핀붙이 관의 투시도이다.
도 4A는 핀붙이 관의 한 바람직한 실시태양을 통하는 종단면이고, 도 4B는 횡단면을 나타내는 도면이다.
도 5A는 안쪽에서 바깥쪽으로 흐르는 본 발명에 따르는 반경류 반응기의 한 바람직한 실시태양이고, 도 5B는 횡단면을 나타내는 도면이다.
도 5C는 바깥쪽에서 안쪽으로 흐르는 본 발명에 따르는 반경류 반응기의 추가의 한 실시태양을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따르는 반경류 반응기의 추가의 한 바람직한 실시태양을 나타내는 도면이다.
도 7A는 본 발명에 따르는 축류 반응기의 한 바람직한 실시태양이고, 도 7B는 혼합 소자의 세부 사항을 나타내는 도면이다.
도 8은 혼합의 질을 결정하기 위한 실험 모듈을 통하는 종단면을 나타내는 도면이다.
도면에서, 동일 참조 부호는 동일 또는 상응하는 특징을 나타낸다.
도 1A는 제 1 유체 스트림 (2)가 반응기 내부를 경유하여 도입되고 이것이 반응기의 외벽에서 유출되는 본 발명에 따르는 반경류 반응기 (1)의 제 1 실시태양 을 통하는 횡단면의 한 단편을 나타낸다. 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)는 관들이 다른 줄의 갭에 접하여 위치하고 흐름 방향으로 앞에는 제 1 천공판 (10)이 있고 뒤에는 제 2 천공판 (11)이 있도록 배열된 2 줄의 핀붙이 관 (12)를 포함하는 혼합 소자 (5) 상에 수직으로 충돌한다. 2 줄의 핀붙이 관 (12) 및 상류 천공판 (10) 및 하류 천공판 (11)은 각각 동심원으로 배열된다. 혼합 소자 (5)에서 예비혼합된 반응 혼합물은 뒤이어 촉매층 (4)를 통해 흐른다.
도 1B는 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)가 바깥쪽에서 안쪽으로 흐른다는 점이 도 1A와 상이한 본 발명에 따르는 추가의 반경류 반응기를 통하는 횡단면의 한 단편을 나타낸다. 따라서, 2 줄의 핀붙이 관 (12) 및 상류 천공판 (10) 및 하류 천공판 (11)을 포함하는 혼합 소자 (5)는 그것이 촉매층 (4)의 상류에 있기 때문에 촉매층 (4)보다 더 큰 반경을 갖는 원을 따라서 배열된다.
도 2A 내지 2C는 핀붙이 관 (12)의 핀 (9) 사이의 채널 (8)에서 서로 정반대로 배열되는 개구부 (7)을 갖는 핀붙이 관 (12)의 세부 사항을 나타낸다. 여기서, 도 2B는 립(rib) 베이스 (14)까지 아래로 절단된 절단부에 의해 단편 (13)으로 나뉜 핀 (9)를 나타내고, 도 2C는 관 (6), 채널 (8) 및 단편 (13)을 갖는 핀붙이 관 (12)를 통하는 횡단면을 나타낸다.
도 3은 관 (6), 및 연속 핀 베이스 (14)를 제외하고는 단편 (13)으로 나뉜 나선형 핀 (9)를 갖는 핀붙이 관 (12)의 투시도를 나타낸다.
도 4A는 핀붙이 관 (12)의 핀 (9) 사이의 채널 (8)에 개구부 (7)을 갖는, 관 (6) 및 핀 (9)를 갖는 핀붙이 관 (12)를 통하는 종단면을 나타낸다. 관 내부에는, 도 4B에서 평면 B-B에서의 횡단면에서 볼 수 있는 개구부 (18)을 갖는 동심성 중앙 플러그인 관 (17)이 있고, 그에 의해 제 2 유체 출발 물질 스트림 (3)이 핀붙이 관 (12)의 종방향으로 분배된다. 도 4A에서, 핀붙이 관 (12)의 한 말단에 제 2 유체 출발 물질 스트림 (33)을 위한 고리 분배기 (19)가 제공된다.
도 5A는 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)가 반응기의 중앙 내부 공간을 통해 도입되고 반응기 (1)의 외벽에서 방출되는 반경류 반응기를 통하는 종단면을 나타낸다.
도 5B는 촉매층 (4) 및 혼합 소자 (5)의 환상 배열의 횡단면 이외에 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)가 흘러서 통과하는 중앙부 횡단면 (20)을 명확하게 나타낸다.
도 5C에서 종단면이 도시된 반응기는 도 5A의 반응기와 유사하지만, 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)가 바깥쪽에서 안쪽으로 도입되고 이에 상응해서 혼합 소자 (5)가 촉매층 (4) 외부에 배열된다.
도 6은 제 2 유체 출발 물질 스트림 (3)이 바깥쪽에서 안쪽으로 흐르고 도면에 나타낸 바와 같이 바람직하게는 포물선형일 수 있는 변위체 (21)를 중앙 내부 공간 및 반응기 벽에 갖는 본 발명에 따르는 반응기 (1)의 추가의 바람직한 실시태양을 도시한다.
도 7A는 평면에 배열된 촉매층 (4) 및 혼합 소자 (5)를 갖는 축류 반응기를 통하는 종단면을 나타내고, 도 7A에는 종단면이 도시되고, 도 7B에는 도 7A에 도시된 평면에 대해 수직인 평면에서의 종단면을 상세하게 나타낸다. 도 7B의 세부 사 항은 제 2 유체 출발 물질 스트림 (3)이 핀붙이 관 (12)의 내부로부터 나가기 위한 개구부 (7)을 가지고 추가의 유체 출발 물질 스트림 (3)이 개구부 (18)을 갖는 중앙 플러그인 관 (17)을 경유하여 추가로 예비 분배되는 2 줄의 핀붙이 관 (12), 및 상류 천공판 (10) 및 하류 천공판 (11)을 나타낸다.
도 8은 개구부 (18)을 갖는 중앙 플러그인 관 (17)을 갖는 2 줄의 핀붙이 관 (6), 상류 천공판 (10) 및 하류 천공판 (11)을 가지고 또한 교체가능한 촉매층 (4) 및 당겨서 뺄 수 있는 농도 측정용 측정 막대 (22)를 갖는, 혼합의 질을 결정하는 실험 모듈을 통하는 종단면을 나타낸다.
모델 기체, 즉 질소로 이루어진 제 1 주 기체 스트림 및 주 기체 스트림에 비해 10 배 느린 부피 흐름을 가지고 질소 및 10 부피%의 이산화탄소로 이루어진 제 2 기체 스트림의 혼합의 질을 도 8에 나타낸 실험 모듈에 의해 결정하였다. 혼합 소자는 1 줄의 관이 다른 줄의 갭에 접하도록 배열된 2 줄의 핀붙이 관 (12)를 포함하고, 각 줄은 31.7 ㎜의 외경을 갖는 3 개의 관 (6) 및 관을 17 회 두르고 4 ㎜의 폭 및 6.4 ㎜의 높이를 갖는 단편으로 절단된 나선형 핀 (9)로 이루어졌다. 5%의 개구비를 갖는 상류 천공판 (10)은 제 1 줄의 핀붙이 관 (12)의 유입 평면으로부터 15 ㎜의 거리에 배열되고, 마찬가지로 5%의 개구비를 갖는 하류 천공판은 제 2 줄의 핀붙이 관의 유출 평면으로부터 마찬가지로 15 ㎜의 거리에 배열되었다.
질소 스트림 중의 이산화탄소 농도는 UNOR 6N 기기(마이하크(Maihak), 독일 함부르크 소재)를 이용하여 적외선 흡수에 의해서 결정하였다. 보정 불확실성을 제외하기 위해, 20 m 길이의 튜빙 피스를 측정 막대의 말단에 부착하고, 기준 측정용 기체를 튜빙의 말단 바로 앞에서 기기에 도입하였다. 기준 측정은 정확히 1 부피%의 이산화탄소를 가리켰다.
핀붙이 관, 상류 천공판 및 하류 천공판을 포함하는 본 발명의 혼합 소자에 의해 얻어지는 혼합의 질을 결정하기 위해, 측정 막대 (22)를 장치를 통해 계속 밀어서, 2 ㎜ 간격으로 샘플을 채취하고, 이들의 이산화탄소 농도를 상기 기기를 이용하여 적외선 흡수에 의해 결정하였다. 0.99 부피%의 이산화탄소 내지 1.01 부피%의 이산화탄소 범위의 측정값, 즉 기준 측정의 값으로부터 ± 1% 이하의 편차를 측정하였고, 따라서 장치의 전체 횡단면에 걸쳐서 우수한 혼합이 일어남을 측정하였다.
참고 부호 목록
1 반응기
2 제 1 유체 출발 물질
3 제 2 유체 출발 물질
4 촉매층
5 혼합 소자
6 관
7 관 (6)내의 개구부
8 채널
9 핀
10 상류 천공판
11 하류 천공판
12 핀붙이 관
13 단편
14 핀 베이스
15 상류 천공판 (10)내의 개구부
16 하류 천공판 (11)내의 개구부
17 중앙 플러그인 관
18 중앙 플러그인 관 (17)내의 개구부
19 고리 분배기
20 제 1 유체 출발 물질 스트림이 흘러서 통과하는 횡단면
21 변위체
22 측정 막대

Claims (24)

  1. 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)의 유입 방향에 대해 본질적으로 횡단하여 배열되는 다음 요소들:
    - 제 2 유체 출발 물질 스트림 (3)이 관 (6)의 내부를 통과하고 관 (6)내의 개구부 (7)을 통해서 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)에 주입되는, 외부에 난류 발생기를 가지고 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)의 흐름 횡단면을 1/2 내지 1/10로 제한하는 서로 전후로 배열된 2 줄 또는 3 줄의 관 (6),
    - 관 (6)의 상류에 있는 천공판 (10), 및
    - 관 (6)의 하류에 있는 천공판 (11)
    로 이루어지는 혼합 소자 (5)에서 두 유체 출발 물질 (2,3)을 촉매층으로의 도입 전에 150 ms 미만의 지체 시간 내에 예비혼합하여 촉매층 (4) 위에서의 두 유체 출발 물질 (2,3)의 반응을 수행하는 반응기 (1).
  2. 제 1 항에 있어서, 외부에 난류 발생기를 갖는 관 (6)이 핀붙이 관 (12)이고, 난류 발생기가 핀 (9)로 구성되고, 개구부 (7)이 핀 (9) 사이의 채널 (8)에서 관 (6)으로 개방되는 반응기 (1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 핀붙이 관 (12)가 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)의 자유 흐름 횡단면을 그의 원래 크기의 1/3 내지 1/6로 제한하는 반응기 (1).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 핀붙이 관 (12)가 실린더형 외부를 갖는 관 (6)에 의해 형성되고, 기다란 스트립으로 이루어지고 관의 외부 상에 소용돌이꼴 방식으로 스트립의 한 종방향 가장자리를 따라서 용접되고 핀 베이스 (14)를 제외하고는 절단되어 단편 (13)을 형성하는 핀 (9)를 갖는 반응기 (1).
  5. 제 4 항에 있어서, 단편 (13)이 핀 베이스 (14)에 대해 각을 이루어서 회전하는 반응기 (1).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 핀붙이 관 (12)가 관 (6)의 길이 1 m 당 100 내지 300 회 감김의 핀 (9)를 갖는 반응기 (1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 관 (12)가 25 내지 150 ㎜의 범위, 바람직하게는 20 내지 50 ㎜의 범위의 외경을 갖는 반응기 (1).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 관 (12)의 외경에 대한 핀 (9)의 높이의 비가 1/10 내지 1/2의 범위인 반응기 (1).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 핀 (9)가 0.3 내지 1.5 ㎜의 범위의 두께를 가지고, 단편 (13)이 3 내지 12 ㎜의 범위, 바람직하게는 4 내지 8 ㎜의 범위의 폭을 갖는 반응기 (1).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 2 줄의 핀붙이 관 (6)이 이 줄의 관이 제 1 줄의 핀붙이 관 (6)의 갭에 접하여 위치하도록 배열되는 반응기 (1).
  11. 제 10 항에 있어서, 3 줄의 핀붙이 관 (6)을 가지고, 제 3 줄의 핀붙이 관 (6)이 그 관들이 제 2 줄의 핀붙이 관 (6)의 갭에 접하여 위치하도록 배열되는 반응기 (1).
  12. 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 열전달 매질이 제 2 줄 및 적당한 경우, 제 3 줄의 핀붙이 관 (6)을 통해 흐르거나, 또는 제 2 줄 및 적당한 경우, 제 3 줄이 어떠한 횡단면을 갖는 고체 물질에 의해서도 형성되는 반응기 (1).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 경우에서 핀붙이 관 (6)의 핀 (9) 사이의 1 개의 채널 (8) 당 2 개의 개구부 (7)을 채널 (8)의 정반대 위치에 가지고, 그 줄의 핀붙이 관들 중의 인접 핀붙이 관 (6)까지 최소 거리를 갖는 반응기 (1).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 상류 천공판 (10)이 제 1 유체 출발 물질 (2)를 위한 제 1 줄의 핀붙이 관 (6)의 유입 평면으로부터 상류 천공판 (10)내의 개구부 (15)의 직경의 7 내지 20 배에 상응하는 거리에 배열되는 반응기 (1).
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상류 천공판 (10)내의 개구부 (15)의 직경이 연속하는 두 감김 사이의 핀의 빈 간격의 1/2보다 작은 반응기 (1).
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합 소자 (5)로 들어가는 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)의 유입 방향에 대해 수직인 총 횡단면적을 기준으로 한 천공판내의 개구부 (15)의 자유 면적의 합으로 정의되는 상류 천공판 (10)의 개구비가 ≤ 0.5, 바람직하게는 ≤ 0.3인 반응기 (1).
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 천공판 (10,11)내의 개구부 (15,16)의 직경에 대한 천공판의 두께의 비가 0.75 내지 2.0의 범위인 반응기 (1).
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 하류 천공판 (11)이 핀붙이 관 (6)의 유출 평면으로부터 마지막 줄의 핀붙이 관 (6) 중의 핀붙이 관 (6)의 직 경의 0.5 내지 2 배의 거리에 위치하는 반응기 (1).
  19. 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 하류 천공판 (11)내의 개구부 (16)의 직경이 상류 천공판 (10)내의 개구부 (15)의 직경보다 크거나 같은 반응기 (1).
  20. 제 1 항 내지 제 19 항 중 어느 한 항에 있어서, 하류 천공판 (11)에서부터 촉매층 (4)로 들어가는 반응 혼합물의 진입 지점까지의 거리가 하류 천공판 (11)내의 개구부 (16)의 직경의 5 내지 20 배에 상응하는 반응기 (1).
  21. 제 1 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 승온에서 산화 및 적당한 경우, 탄화에 대해 내성이 있는 물질이 관 (6) 및 천공판 (10,11)의 물질로서 이용되는 반응기 (1).
  22. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항의 반응기 (1)을 위한 혼합 소자 (5).
  23. 제 1 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항의 반응기 (1)에서 촉매층 (4) 위에서의, 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)가 반응 기체 혼합물이고 제 2 유체 출발 물질 스트림 (3)이 산소 포함 기체 스트림인 두 유체 출발 물질 (2,3)의 화학 반응, 특히 옥시탈수소화를 수행하는 방법.
  24. 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)의 유입 방향에 대해 본질적으로 횡단하여 배열되는 제 22 항의 혼합 소자 (5)의 요소, 즉
    - 제 2 유체 출발 물질 스트림 (3)이 관 (6)의 내부를 통과하고 관 (6)내의 개구부 (7)을 경유해서 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)에 주입되는, 외부에 난류 발생기를 가지고 제 1 유체 출발 물질 스트림 (2)의 흐름 횡단면을 1/2 내지 1/10로 제한하는 서로 전후로 배열된 2 줄 또는 3 줄의 관 (6),
    - 관 (6)의 상류에 있는 천공판 (10), 및
    - 관 (6)의 하류에 있는 천공판 (11)
    로 이루어짐을 특징으로 하는 둘 이상의 유체의 정적 혼합기.
KR1020097014950A 2006-12-19 2007-12-14 혼합 소자에서 두 유체 출발 물질이 미리 혼합되는, 촉매층 위에서의 두 유체 출발 물질의 반응을 수행하는 반응기 KR101424028B1 (ko)

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