KR20090124935A - 유동층 반응 장치 및 그것을 이용한 기상 발열 반응 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 내부에 제열(除熱)관을 갖는 유동층 반응기를 이용하여 기상 발열 반응시킬 때에, 증기를 효율적으로 제열관 안에 유통시켜 반응기의 온도를 제어함으로써, 충분히 프로세스 안정성 및 경제성을 만족시키는 기상 발열 반응 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
내부에 복수의 제열관을 갖는 유동층 반응기에 반응 원료를 공급하고, 기상 발열 반응시키는 방법으로서, (a) 하나의 상기 제열관의 내부에 제1 증기 및/또는 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 유통시켜 상기 유동층 반응기를 제열하고 상기 제1 증기 및/또는 상기 액체로부터 과열 증기를 생성하는 공정과, (b) 상기 과열 증기에 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 접촉시켜 제2 증기를 생성하는 공정과, (c) 상기 제2 증기를 다른 상기 제열관의 내부에 유통시키는 공정을 갖는 기상 발열 반응 방법.

Description

유동층 반응 장치 및 그것을 이용한 기상 발열 반응 방법{FLUIDIZED BED REACTION DEVICE AND METHOD OF GAS PHASE EXOTHERMIC REACTION BY USING THE SAME}
본 발명은, 제열관을 갖는 유동층 반응 장치 및 그것을 이용한 기상 발열 반응 방법에 관한 것이다.
유동층 기술은 19세기 후반에 개발된 이래, 각종 제조기술에 응용되어 왔다. 유동층의 주된 공업적 응용으로서는, 석탄 가스화 로, FCC 플랜트, 프로필렌의 암모산화에 의한 아크릴로니트릴 제조 플랜트, 폴리에틸렌 기상 중합 플랜트, 무수말레산 제조 플랜트 등을 들 수 있다. 유동층 반응기는, 반응열의 제거 또는 부가가 용이하기 때문에 층 내를 균일 온도로 유지할 수 있는 점, 폭발 범위의 고농도 가스를 처리할 수 있어 생산성이 높은 점 등을 특징으로 들 수 있으며, 앞으로도 각 방면에서의 응용, 개량이 기대되고 있다.
기상 발열 반응을 행하는 유동층 반응기는, 그 내부에 제열관을 가지며, 물이나 증기를 유통시킴으로써 반응열을 제거하고, 반응 온도를 제어하고 있다.
유동층 반응기의 내부에 설치된 제열관에 관한 발명으로서, 예컨대 특허문헌 1에는, 탄소수 4 이상의 지방족 탄화수소를 유동층 반응기에 공급하여 기상 산화 반응에 의해 무수말레산을 제조할 때에, 유동층 반응기의 희박층 온도를 농후층 온도보다 내리도록 제열관을 설치하여, 고수율이면서 안정적으로 무수말레산을 제조하는 방법이 개시되어 있다.
또한, 특허문헌 2에는, 유동층 반응기에 있어서, 열을 제거 및/또는, 열을 부여하는 열 교환 튜브의 배치가 개시되어 있다.
또한, 정상 속도로 냉매를 공급하는 제열관과 가변 속도로 냉매를 공급하는 제열관을 이용하여, 반응 온도를 정밀하게 제어하는 방법이 특허문헌 3에 기재되어 있다.
[특허문헌 1] 일본 특허 공개 평2-19370호 공보
[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 제2002-213886호 공보
[특허 문헌 3] 국제 공개 제95/21692호 팜플렛
반응 온도는, 유동층 반응기를 운전할 때의 중요한 제어 인자의 하나이다. 반응 온도의 안정화는, 목적 생성물의 수율을 높게 유지하는 관점, 및 안전 운전의 관점에서 필수적인 사항이다. 또한, 유동층 반응기로부터 부생하는 증기는 중요한 용도로 사용되고, 공업적 규모의 제조 플랜트에서, 증기의 효율적인 사용은 경제성을 크게 좌우하는 것은 물론이다. 그러나, 프로세스 안정성 및 경제성 양쪽 모두를 만족시키는 유동층 반응기의 냉각 방법에 대해서는, 아직 개선의 여지가 있다.
본 발명은, 내부에 제열관을 갖는 유동층 반응기를 이용하여 기상 발열 반응시킬 때에, 증기를 효율적으로 제열관 안에 유통시켜 반응기의 온도를 제어함으로써, 충분히 프로세스 안정성 및 경제성을 만족시키는 기상 발열 반응 방법 및 유동층 반응 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자 등은, 유동층 반응기의 제열관에 냉매로서 증기를 안정적이고 경제적으로 유통시키는 방법을 예의 검토한 결과, 이 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
즉, 본 발명은 이하에 기재하는 바와 같은 기상 발열 반응 방법 및 유동층 반응 장치이다.
[1] 내부에 복수의 제열관을 포함하는 유동층 반응기에 반응 원료를 공급하고, 기상 발열 반응시키는 방법으로서, (a) 하나의 상기 제열관의 내부에, 제1 증 기 및/또는 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 유통시켜 상기 유동층 반응기를 제열하고, 상기 제1 증기 및/또는 상기 액체로부터 과열 증기를 생성하는 공정과, (b) 상기 과열 증기에 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 접촉시켜 제2 증기를 생성하는 공정과, (c) 상기 제2 증기를 다른 상기 제열관의 내부에 유통시키는 공정을 포함하는 기상 발열 반응 방법.
[2] 상기 반응 원료가 탄소수 2∼4의 알칸 및/또는 알켄을 포함하는 [1]의 기상 발열 반응 방법.
[3] 상기 알칸이 프로판 및/또는 이소부탄인 [2]의 기상 발열 반응 방법.
[4] 상기 알켄이 프로필렌 및/또는 이소부틸렌인 [2]의 기상 발열 반응 방법.
[5] 상기 기상 발열 반응이 암모산화 반응인 [1]∼[4] 중 어느 하나의 기상 발열 반응 방법.
[6] 유동층 반응기와, 그 내부에 배치된 복수의 제열관과, 하나의 상기 제열관과 다른 상기 제열관에 접속된 디슈퍼히터를 갖는 기상 발열 반응용의 유동층 반응 장치로서, (a) 상기 하나의 제열관은, 제1 증기 및/또는 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 그 내부에 유통시켜 상기 유동층 반응기를 제열하고, 상기 제1 증기 및/또는 상기 액체로부터 과열 증기를 생성하는 것이며, (b) 상기 디슈퍼히터는, 상기 과열 증기에 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 접촉시켜 제2 증기를 생성하는 것이고, (c) 상기 다른 제열관은, 상기 제2 증기를 그 내부에 유통시키는 것인 유동층 반응 장치.
[7] 복수의 상기 제열관이 하기 식(1)로 나타내는 조건을 만족시키도록 배치되어 있는 [6]의 유동층 반응 장치.
0.70 Smax≤Smin (1)
[식 (1)중, Smax는, 상기 유동층 반응기를, 그 내부에서의 반응 원료 및 반응 생성물의 유통 방향에 대략 직교하는 단면의 중심을 통과하고 상기 단면에 직교하는 가상 평면으로 4개의 영역으로 등분한 경우의, 각 상기 영역에서의 상기 제열관의 외표면적 합계값 중 가장 큰 외표면적 합계값을 나타내고, Smin은, 각 상기 영역에서의 상기 제열관의 외표면적 합계값 중 가장 작은 외표면적 합계값을 나타낸다.]
[8] 복수의 상기 제열관 중, 최소의 외표면적을 갖는 상기 제열관의 상기 외표면적을 기준으로서, 그 이외의 상기 제열관의 상기 외표면적이 각각 1∼10배인, [6] 또는 [7]의 유동층 반응 장치.
본 발명에 의하면, 내부에 제열관을 갖는 유동층 반응기를 이용하여 기상 발열 반응시킬 때에, 증기를 효율적으로 제열관 안에 유통시켜 반응기의 온도를 제어함으로써 충분히 프로세스 안정성 및 경제성을 만족시키는 기상 발열 반응 방법 및 유동층 반응 장치를 제공할 수 있다.
이하, 필요에 따라 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형 태(이하 간단히「본 실시형태」라고 함.)에 대해서 상세히 설명한다. 또한, 도면 중, 동일 요소에는 동일 부호를 붙이는 것으로 하고, 중복되는 설명은 생략한다. 또한 상하 좌우 등의 위치 관계는, 특별히 문제되지 않는 한, 도면에 도시하는 위치 관계에 기초하는 것으로 한다. 또한 장치나 부재의 치수 비율은 도시한 비율에 한정되는 것이 아니다.
본 실시형태의 기상 발열 반응 방법은, 내부에 복수의 제열관을 갖는 유동층 반응기에 반응 원료를 공급하고, 기상 발열 반응시키는 방법으로서, (a) 하나의 상기 제열관의 내부에 수증기 및/또는 물을 유통시켜 유동층 반응기를 제열하고 상기 수증기 및/또는 물로부터 과열 수증기를 생성하는 공정과, (b) 상기 과열 수증기에 물을 접촉시켜 수증기를 생성하는 공정과, 그 수증기를 다른 상기 제열관의 내부에 유통시키는 공정을 갖는다.
도 1은, 본 실시형태의 복수의 제열관을 갖는 유동층 반응 장치의 일례를 개념적으로 도시하는 개략도이다. 이 유동층 반응 장치는 기상 발열 반응에 이용되는 것으로, 유동층 반응기(9)와, 그 내부에 배치된 복수의 제열관을 갖는 제열 시스템을 갖는다. 제열 시스템은, 구체적으로는 각각 제열관인 냉각 코일(2), 슈퍼히트 코일(3), 증기 코일(4, 5, 6)과, 기액 분리 용기(1)와, 각각 복수의 증기 코일에 접속된 디슈퍼히터(7, 8)를 구비한다. 유동층 반응기(9)는, 공지의 것과 마찬가지이면 좋고, 예컨대 그 하부에, 반응 원료인 가스의 분산관 및/또는 분산판을 가지며, 그 상부에, 반응기로부터 유출되는 반응 가스에 혼입한 촉매를 수집하는 사이클론을 갖고 있는 것이어도 좋다. 이 경우, 반응 원료 및 반응 생성물은 대체로 아 래에서 위로 유통된다.
반응 원료는, 유동층 반응기(9)의 하측으로부터 접속된 원료 공급관(도시 생략)을 경유하여, 필요량의 유동층 촉매가 충전되어 있는 유동층 반응기(9)에 공급된다. 기상 발열 반응으로 발생하는 열은, 유동층 반응기(9) 안에 설치된 제열관인 코일(2, 3, 4, 5, 6)에서 냉각에 의해 제열되고, 반응 온도가 제어된다.
기상 발열 반응으로서는 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 산화 반응, 암모산화 반응, 알킬화 반응을 들 수 있다.
반응 원료로서는 기상 발열 반응의 원료가 되는 것이면 특별히 한정되지 않고, 예컨대 알칸, 알켄, 알코올, 방향족 탄화수소를 들 수 있다. 구체적으로는, 상기 암모산화 반응의 경우, 탄화수소 등의 유기화합물과, 산소나 공기 등의 산화제와, 암모니아가 반응 원료로서 이용된다. 암모산화 반응의 원료의 하나가 되는 탄화수소의 예로서, 알칸 및 알켄을 들 수 있다. 유기 화합물 및 산화제는 각각 1종을 단독으로 또는 2종 이상을 조합하여 이용한다.
알칸으로서는 탄소수 1∼4의 것(메탄, 에탄, 프로판, n-부탄, 이소부탄)을 들 수 있고, 알켄으로서는 탄소수 2∼4의 것(에틸렌, 프로필렌, n-부틸렌, 이소부틸렌, t-부틸렌)을 들 수 있다. 이들 중에서는, 생성하는 니트릴화합물의 화학품 중간 원료로서의 가치의 관점으로부터, 알칸으로서 프로판 및/또는 이소부탄, 알켄으로서는 프로필렌 및/또는 이소부틸렌이 바람직하다.
또한, 유동층 반응기 안에 충전되는 기상 발열 반응의 촉매로서는, 그 반응에 통상 이용되는 고체 촉매이면 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 실리카 등에 담 지된 금속 산화물 촉매를 들 수 있다.
기액 분리 용기(1)로부터 포화 온도의 물이 펌프(1a)를 이용하여 냉각 코일(2)에 공급된다. 냉각 코일(2)에서의 물의 압력은, 20 kg/㎝2G∼60 kg/㎝2G인 것이 바람직하고, 더 바람직하게는 25 kg/㎝2G∼50 kg/㎝2G이다.
냉각 코일(2)은, 포화 온도의 물의 증발 잠열에 의해 유동층 반응기(9) 안을 제열함으로써, 반응기(9)의 내부에 1계열 또는 병렬로 복수 계열 배치된다. 도 1에는, 직관부와 U형의 벤드부로 이루어지는 1계열의 냉각 코일의 예가 도시되어 있지만, 냉각 코일은 이 형태에 한정되지 않는다. 냉각 코일(2)의 일단은, 유동층 반응기(9)의 벽부에서 펌프(1a)로부터 송출된 물을 유통시키는 라인과 접속된다. 냉각 코일(2)은 벤드부에서 반응기 아래쪽으로 구부려지고, 추가로 직관부를 경유하여 벤드부에서 위쪽으로 반전하도록 구부려진다. 이것을 1 패스라고 부른다. 도 1에서의 냉각 코일(2)은, 3 패스의 예이다. 냉각 코일(2)은 그 타단에서, 기액 분리 용기(1)에 연결된 라인과 접속된다. 이것을 하나의 계열이라고 부르고, 바람직하게는 복수 계열의 냉각 코일(2)이 설치된다. 또한, 본 발명에서, 복수 계열의 제열관이 설치되는 경우, 각 계열의 제열관이 하나의 제열관이고, 복수 계열의 제열관은 복수의 제열관으로 구성된다.
냉각 코일(2)의 코일 직경은, 외경 기준으로 20 ㎜∼200 ㎜, 직관부의 길이(Lc)는, 반응기 길이를 Lr로 한 경우, Lc/Lr이 0.05∼0.8이 되는 길이인 것이 바람직하다. 더 바람직하게는, Lc/Lr이 0.2∼0.7이다. 냉각 코일(2)의 패스 수는, 1 ∼10 패스인 것이 바람직하다. 냉각 코일(2)의 재질은, 예컨대 JISG-3458에 규정되는 강관과 JISB-2311에 규정되는 엘보관을 채용할 수 있고, 온도, 압력의 사용 조건이 만족되면 특별히 한정되지 않는다.
냉각 코일(2) 안을 유통하는 물은, 유동층 반응 용기(9) 안에서의 발열 반응에 기인하여 가열되고, 그 중 적어도 일부가 증발한다. 이 증발에 의해 발생하는 수증기량은, 하기 식(2)로 계산되는 증발율(Rv)이, 5%∼30%가 되는 것이 바람직하다.
Rv=(수증기 질량)/[냉각 코일(2)에 공급되는 물의 질량]×100 (2)
또한, 냉각 코일(2)은, 하기 식(3)으로 계산되는 필요 제열량(Qc)의 70%∼95%의 제열을 담당하는 것이 바람직하다.
Qc=Qr-(Qe-Qi)-Qd (3)
여기서, 식 (3)중, Qc는 필요 제열량, Qr은 반응기(9)에서의 기상 발열 반응의 반응 발열량, Qe는 반응기(9)로부터 유출되는 가스의 현열량, Qi는 반응기(9)에 공급하는 원료 가스의 현열량, Qd는 반응기(9)에서의 방열량을 각각 나타내고, 각 열량의 단위는 서로 동일하다.
냉각 코일(2)에서 발생한 수증기 및 물은, 냉각 코일(2)의 타단에 접속된 라인을 경유하여 기액 분리 용기(1)에 복귀되고, 기액 분리 용기(1)의 상부로부터 수증기가 취출된다. 기액 분리 용기(1)의 수위 조정을 위해, 도시되어 있지 않은 라인으로부터 기액 분리 용기(1)에 물이 공급된다.
기액 분리 용기(1)로부터 취출된 수증기(고압 수증기)는, 라인 10을 통해, 예컨대 고압 수증기를 필요로 하는 타설비에 공급된다. 또한 필요에 따라, 라인 10으로부터 분기된 라인을 통해, 필요량의 고압 수증기를 유동층 반응기(9) 안에 설치된 슈퍼히트 코일(3)에 공급할 수 있다. 슈퍼히트 코일(3)은, 고압 수증기를 내부에 유통시키고, 수증기의 현열 변화로 유동층 반응기(9) 안을 제열하는 것 이외는, 냉각 코일(2)과 같은 사양으로 할 수 있다. 슈퍼히트 코일(3)은, 필요 제열량(Qc)의 0%∼15%의 제열을 담당하는 것이 바람직하다. 슈퍼히트 코일(3)에서 과열된 고압 수증기는 라인 10으로부터 분기된 상기와는 다른 라인을 통해, 라인 10에 복귀된다.
기액 분리 용기(1)로부터 취출된 고압 수증기의 잉여분은, 라인 10으로부터 분기된 라인 11을 경유하여, 증기 코일(4)에 공급되고, 디슈퍼히터(7), 증기 코일(5), 디슈퍼히터(8), 증기 코일(6)에 더 유통한다. 라인 11을 유통하는 잉여의 고압 수증기는, 예컨대 기액 분리 용기(1)로부터 발생하는 전체 수증기량의 5%∼50%이다. 수증기가 부족한 경우 등 필요가 있으면, 외부로부터 라인 12를 통해 고압 수증기를 도입할 수도 있다.
라인 11로부터의 고압 수증기는, 우선 라인 11a를 경유하여 증기 코일(4)에 공급된다. 증기 코일(4)은, 1계열이어도 좋지만, 유동층 반응기(9)에서의 기상 발열 반응의 반응 온도의 변동을 줄이고, 균일한 반응 진행을 달성시킬 목적으로 복수 계열이 설치되면 보다 바람직하다. 증기 코일(4)의 일단 및 타단은, 각각 유동층 반응 용기(9)의 벽부에서 라인 11a, 라인 13과 접속된다.
증기 코일(4)의 코일 직경은, 외경 기준으로 20 ㎜∼200 ㎜, 직관부의 길이 Lv4는, 반응기 길이를 Lr로 한 경우, Lv4/Lr이 0.05∼0.8이 되는 길이이면 바람직하다. 더 바람직하게는, Lv4/Lr이 0.2∼0.7이다. 증기 코일(4)의 패스 수는, 1∼10 패스인 것이 바람직하다. 증기 코일(4)의 재질은, JISG-3458에 규정되는 강관과 JISB-2311에 규정되는 엘보관을 채용할 수 있고, 온도, 압력의 사용 조건이 만족되면 특별히 한정되지 않는다.
라인 11로부터의 고압 수증기의 일부는, 증기 코일(4)을 바이패스하도록 설치된 라인 11b를 경유하여, 디슈퍼히터(7)에 공급되어도 좋다. 라인 11a 및 11b의 각각을 유통하는 고압 수증기량[증기 코일(4)에의 고압 수증기의 공급량과 증기 코일(4)을 바이패스하는 고압 수증기량과의 밸런스]은, 유동층 반응기(9) 안의 온도를 조정하도록 제어되면 바람직하다. 예컨대, 라인 11a에서 증기 코일(4) 안에 유통하는 고압 수증기량은, 반응기(9) 안에 설치된 적어도 하나의 온도계로 표시되는 온도를 참조하여 수동으로 제어되어도 좋다. 또는 반응기(9) 안의 온도가 목표 온도가 되도록, 라인 11a를 유통하는 수증기량이 자동 제어되어도 좋다. 수증기량을 자동 제어하는 경우, 설정한 목표 온도가 되도록, 증기 코일(4) 안을 유통하는 수증기량을, 라인 11a에 설치한 도시하지 않는 밸브를 완전 개방/완전 폐지에 의해 제어하여도 좋고, 또는 라인 11a 및/또는 라인 11b에 설치한 도시하지 않는 유량 제어 밸브에 의해 제어하여도 좋다. 증기 코일(4) 안을 유통하는 수증기의 유량 제어는, 빈번히 행해지는 것이 좋다. 이 유량 제어는, 1시간에 1회 이상, 바람직하게는 30분에 1회 이상 행해지는 것이 바람직하다.
상기 온도계는, 케미컬 플랜트에 이용되는 통상의 것이면, 특별히 형식 등 한정되지 않는다. 온도계는 촉매층의 온도 분포를 파악할 수 있는 복수 지점에 설치하는 것이 바람직하다. 온도계의 설치 개수는, 유동층 반응기(9)의 높이를 Lr로 하면, 반응기(9)의 하단으로부터 0.1 Lr∼0.5 Lr의 범위에, 반응기(9)의 용적 1 m3당 0.01∼10개이면 바람직하다.
증기 코일(4) 안을 유통하는 고압 수증기는, 유동층 반응기(9) 안에서의 발열 반응에 기인하여 가열되고, 과열 수증기가 되어 라인 13을 더 유통한다. 이 과열 수증기와 증기 코일(4)을 바이패스한 고압 수증기는 합류하고, 디슈퍼히터(7)에 공급된다.
디슈퍼히터(7) 안의 압력은, 예컨대 기액 분리 용기(1)의 압력보다 2 kg/㎝2∼8 kg/㎝2 낮은 압력으로 설정된다. 디슈퍼히터(7)에서는, 펌프(7a)를 이용하여, 물을 스프레이 순환 방식에 의해 순환시키고, 공급한 수증기와 향류 접촉시키며, 일부의 물을 증발시켜 수증기를 생성하고, 과열 수증기의 온도를 저하시킨다. 순환시키는 물의, 스프레이에 의해 디슈퍼히터(7)에 공급할 때의 온도는, 물의 포화 온도 ±3℃로 하는 것이 바람직하다. 디슈퍼히터(7)에는, 외부로부터 도시하지 않는 라인을 통해 물이 공급된다. 과열 수증기의 온도를 디슈퍼히터에 의해 저하시킴으로써, 수증기와 반응 온도와의 온도차가 어느 정도 크게 유지되고, 냉매로서 재이용할 수 있다.
디슈퍼히터(7)에 의해 냉각된 수증기는, 디슈퍼히터(7)의 상부로부터 취출되고, 증기 코일(5)에 공급된다. 또한, 디슈퍼히터(7)로부터 취출된 수증기는, 그 일 부가 증기 코일(5)을 바이패스하여, 디슈퍼히터(8)에 직접 공급되어도 좋다. 증기 코일(5)의 사양(라인과의 접속, 계열의 수, 코일 직경, 직관부의 길이, 패스 수, 재질 등)은 증기 코일(4)의 사양과 마찬가지이면 좋다. 또한, 증기 코일(5)에의 수증기의 공급량과 증기 코일(5)을 바이패스하는 수증기량과의 밸런스는, 증기 코일(4)에의 고압 수증기의 공급량과 증기 코일(4)을 바이패스하는 고압 수증기량과의 밸런스와 마찬가지로 하여 제어하면 좋다. 증기 코일(5) 안을 유통하는 수증기는, 유동층 반응기(9) 안에서의 발열 반응에 기인하여 가열되어 과열 수증기가 된다. 이 과열 수증기와 증기 코일(5)을 바이패스한 수증기는 합류하고, 디슈퍼히터(8)에 공급된다.
디슈퍼히터(8) 안의 압력은, 예컨대 디슈퍼히터(7)의 압력보다 2 kg/㎝2∼8 kg/㎝2 낮은 압력으로 설정된다. 디슈퍼히터(8)에서는, 펌프(8a)를 이용하여, 물을 스프레이 순환 방식에 의해 순환시키고, 공급한 수증기와 향류 접촉하며, 일부의 물을 증발시킴으로써 과열 수증기의 온도를 저하시킨다. 순환시키는 물의, 스프레이에 의해 디슈퍼히터(8)에 공급할 때의 온도는, 물의 포화 온도 ±3℃로 하는 것이 바람직하다. 디슈퍼히터(8)에는, 외부로부터 도시하지 않는 라인을 통해 물이 공급된다. 과열 수증기의 온도를 디슈퍼히터에 의해 저하시킴으로써, 수증기와 반응 온도와의 온도차가 어느 정도 크게 유지되고, 냉매로서 재이용할 수 있다.
디슈퍼히터(8)에 의해 냉각된 수증기는, 디슈퍼히터(8)의 상부로부터 취출되고, 증기 코일(6)에 공급된다. 또한 디슈퍼히터(8)로부터 취출된 수증기는, 그 일 부가 증기 코일(6)을 바이패스하여도 좋다. 증기 코일(6)의 사양(라인과의 접속, 계열의 수, 코일 직경, 직관부의 길이, 패스 수, 재질 등)은 증기 코일(4)의 사양과 마찬가지이면 좋다. 또한, 증기 코일(6)에의 수증기의 공급량과 증기 코일(6)을 바이패스하는 수증기량과의 밸런스는, 증기 코일(4)에의 고압 수증기의 공급량과 증기 코일(4)을 바이패스하는 고압 수증기량과의 밸런스와 마찬가지로 하여 제어하면 좋다. 증기 코일(6) 안을 유통하는 수증기는, 유동층 반응기(9) 안에서의 발열 반응에 기인하여 가열되고 과열 수증기가 된다. 이 과열 수증기와 증기 코일(6)을 바이패스한 수증기는 합류하고, 예컨대 중저압 수증기를 필요로 하는 타설비에 공급된다.
전술의 증기 코일(4, 5, 6)은, 예컨대 필요 제열량(Qc)의 5%∼20%의 제열을 담당한다.
도 2는, 본 실시형태에 따른 유동층 반응기(9)에서의, 상기 각 코일(제열관)의 배치를 설명하기 위한 도면이다. 이 도 2는, 반응기(9) 안을 도 1의 S 방향에서 본 경우에 상기 각 코일이 존재하는 위치를 도시하는 모식도이다.
또한, 도 2는 유동층 반응기(9)에 있어서, 코일의 존재 위치와, 각 코일의 외표면적을 매스를 이용하여 모식적으로 도시하는 것이고, 반응기(9)의 특정한 높이에서의 S 방향에 직교하는 단면(이하, 간단히「횡단면」이라고 함)을 나타내는 것이 아니다. 또한 반응기(9)의 높이 위치에 의해, 그 횡단면의 형태는 상이하지만, 도 2는 반응기(9)에 고유의 것이다. 1 매스는 외표면적의 단위 면적을 나타내고, 상호 접하는 복수의 매스는 단독의 코일을 구성한다. 각 코일의 외표면적 비 는, 서로 접하는 매스의 합계값으로 표현하고 있다. 또한, 매스로 표시된 영역이 반응기(9) 안에서의 각 코일의 존재하는 위치를 도시하고 있다. 최소 외표면적을 갖는 코일의 외표면적을 기준(1 매스)으로 하여, 그 이외의 코일의 외표면적이 각각 1∼10배로 되어 있는 것이 바람직하며, 1∼5배로 되어 있는 것이 보다 바람직하다. 외표면적의 비교에서는, 냉각 코일, 수퍼히트 코일, 증기 코일의 종류는 구별하지 않고, 모든 코일 중에서 외표면적이 최소인 코일의 외표면적을 기준으로 하여, 그 외 모든 코일의 외표면적이 그 몇 배인지를 비교한다. 도 2에 있어서, 최소의 외표면적은 1 매스이고, 각 코일의 외표면적은, 1∼10 매스의 범위로 되어 있으며, 최소의 외표면적을 갖는 코일의 외표면적을 기준(1 매스)으로 하여, 그 이외의 코일의 외표면적이 각각 1∼10배라는 조건을 만족시키고 있다.
또한, 횡단면의 중심을 통과하는 가상 평면(도 2중, 일점쇄선으로 도시한 선)에 의해 4개의 영역(0˚∼90˚, 90˚∼180˚, 180˚∼270˚, 270˚∼0˚; 도 2에서 부채형으로 도시됨.)으로 등분되어 있다. 각 영역에 존재하는 코일의 외표면적 합계값 중, 최대의 것을 Smax, 최소의 것을 Smin으로 한 경우, Smax 및 Smin은 하기 식(1);
0.70 Smax≤Smin(1)을 만족시키는 것이 바람직하다. 여기서, 식 (1)중, Smax는, 유동층 반응기를 그 내부에서의 반응 원료 및 반응 생성물의 유통 방향에 대략 직교하는 단면의 중심을 통과하고 단면에 직교하는 가상 평면으로 4개의 영역으로 등분한 경우의, 각 영역에서의 제열관의 외표면적 합계값 중 가장 큰 외표면적 합계 값을 나타내고, Smin은, 각 영역에서의 제열관의 외표면적 합계값 중 가장 작은 외표면적 합계값을 나타낸다.
Smax 및 Smin이 상기 식 (1)을 만족시키는 경우, 각 영역에서 확보할 수 있는 제열은 최대의 것과 최소의 것을 비교하여도 30% 미만이 되고, 영역마다의 제열량의 차가 비교적 작다. 본 발명자는, 유동층 반응에서는 반응기 안을 유통하는 기체 사이에서 횡방향(수평 방향)의 열의 교환이 적은 것을 발견하고, 영역마다의 제열량의 차를 작게 하는 방법에 상도하였다. 즉, 반응기 안이 국소적으로 고온이 되는 것을 막아 충분히 발열을 제어하는 관점에서, 기상 발열 반응에 따라 발생한 열이 상기 식 (1)을 만족시키도록, 각 영역의 외표면적 합계값을 설정하는 것이 바람직하다.
표 1에, 도 2에 도시하는 유동층 반응기(9)에서 매스 수로 나타내는 각 코일의 외표면적 합계값을 나타낸다.
0˚∼90˚ 90˚∼180˚ 180˚∼270˚ 270˚∼0˚ min/max
냉각 코일 18 20 20 20 0.90
수퍼히트 코일 4 3 4 4 0.75
증기 코일 9 10 8 10 0.80
합계 31 33 32 34 0.91
우선, 0˚∼90˚, 90˚∼180˚, 180˚∼270˚ 및 270˚∼0˚의 각 부채형의 영역 내에 존재하는 냉각 코일, 수퍼히트 코일 및 증기 코일의 외표면적 합계값은, 상기 표 1의 각 란에 나타내는 바와 같다. 표 1의 최하측 란에 나타내는 바와 같이, 도 2에 도시하는 코일의 Smax는 270˚∼0˚인 34이고, Smin은 0˚∼90˚인 31이기 때문에, 상기 식(1)로 나타내는 조건을 만족시키고 있다. 또한, 각 코일(냉각 코일, 슈퍼히트 코일, 증기 코일)의 종류별로 본 경우의 전열 면적 합계값에 대해서도, 표 1의 최우측 란에 나타내는 바와 같이, 상기 식 (1)로 나타내는 조건을 만족시키고 있다.
도 2에 도시하는 바와 같이 종류별 전열 면적 합계값도 상기 식 (1)을 만족시키도록 각 코일을 배치함으로써, 유동층 반응기(9) 안의 온도 분포를 균일하게 근접시킬 수 있고, 유동층에서의 기상 발열 반응을 행하는 데에 있어서 바람직하다. 슈퍼히트 코일을 통과한 과열 수증기가 냉각되어 증기 코일에 공급되는 장치에 있어서는, 슈퍼히트 코일, 디슈퍼히터 및 증기 코일을 이 순으로 기능적으로 연결시켜야 하고, 각 코일의 배치는 통상 대칭적으로 할 수 없다. 따라서, 부채형의 영역마다 필요한 제열량을 확보한다고 하는 사상이 없으면, 전열 면적 합계값이 상기 식 (1)을 만족시키도록, 더 나아가서는 종류별 전열 면적 합계값도 상기 식 (1)을 만족시키도록 설계되지 않는다. 이에 대하여, 종류별 전열 면적 합계값이, 각각 상기 식(1)을 만족시키도록 각 코일을 배치하는 것은, 기상 발열 반응의 발열 제어의 관점에서, 한층 더 바람직한 형태이다.
이상 설명한 본 실시형태에서는, 기상 발열 반응을 행하는 유동층 반응기를 운전함에 있어서, 반응기의 온도 제어성을 향상시키고, 수증기를 안정적으로 유효하게 이용할 수 있다. 따라서, 본 실시형태의 기상 발열 반응 방법은, 유동층 반응기 안에서 기상 발열 반응을 행할 때의, 그 반응기 안의 온도 제어 방법이기도 하고, 기상 발열 반응에 의해 발생하는 열을 이용하여 증기(수증기)를 발생시키는 방법이라고도 할 수 있다. 또한, 전술로부터 명백한 바와 같이, 본 실시형태는 유동층 반응기에서의 기상 발열 반응계 안의 제열 시스템에 관한 것이기도 하고, 기상 발열 반응에 의해 발생하는 열을 이용한 증기(수증기)의 생산시스템에 관한 것이라고도 할 수 있다.
이상, 본 발명을 실시하기 위한 최량의 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 본 실시형태에 한정되는 것이 아니다. 본 발명은, 그 요지를 일탈하지 않는 범위에서 여러 가지 변형이 가능하다.
과열 수증기의 디슈퍼히트는, 공지의 방법이면 좋고, 상기 디슈퍼히터(7)와 같은 드럼(용기)을 이용하는 방법 외, 라인 13 또는 라인 13과 라인 11b와의 합류 후의 라인에 물을 스프레이에 의해 도입하는 방법도 채용할 수 있다.
또한, 전술의 증기 코일(6)은 생략되어도 좋다. 그 경우, 디슈퍼히터(8)로부터의 수증기는 모두 타설비에 공급된다.
도 1에 도시하는 유동층 반응 장치에서는, 증기 코일(4, 5, 6)이 유동층 반응기(9) 안에 설치되어 있지만, 증기 코일(6) 안을 유통하여 얻어지는 과열 수증기를, 디슈퍼히트에 의해 더 냉각시킨 후, 반응기(9) 안에 설치된 증기 코일에 공급하는 것도 가능하다. 이와 같이, 과열 수증기의 디슈퍼히트, 및 이것에 의해 얻어진 수증기의 유동층 반응기(9) 안에 설치된 제열관에의 공급 횟수에 제한은 없다.
또한, 증기 코일(4, 5, 6) 각각의 계열 수에 제한은 없고, 반응기 안에 균일하게 배치되는 것이 바람직하다.
또한, 각 제열관의 배치는, 도 3에 도시하는 것이어도 좋다. 도 3은, 본 실시형태에 따른 유동층 반응기(9)에서의, 상기 각 코일의 배치를 설명하기 위한 도면이고, 도 2와 마찬가지로 하여 그 배치 및 외표면적을 도시하고 있다.
0˚∼90˚ 90˚∼180˚ 180˚∼270˚ 270˚∼0˚ min/max
냉각 코일 14 20 20 19 0.70
수퍼히트 코일 2 3 4 4 0.50
증기 코일 7 10 8 10 0.70
합계 23 33 32 33 0.70
우선, 0˚∼90˚, 90˚∼180˚, 180˚∼270˚ 및 270˚∼0˚의 각 부채형의 영역 내에 존재하는 냉각 코일, 슈퍼히트 코일 및 증기 코일의 외표면적 합계값은, 상기 표 2의 각 란에 나타내는 바와 같다. 표 2의 최하측 란에 나타내는 바와 같이, 도 3에 도시하는 코일의 Smax는 90˚∼180˚ 및 270˚∼0˚인 33이고, Smin은 0˚∼90˚인 23이기 때문에, 상기 식 (1)로 나타내는 조건을 만족시키고 있다. 냉각 코일 및 증기 코일의 전열 면적 합계값에 대해서, 표 2의 최우측 란에 나타내는 바와 같이, 상기 식 (1)로 나타내는 조건을 만족시키고 있다.
도 3에 도시하는 바와 같이 각 코일을 배치함으로써, 도 2에 도시하는 배치보다 뒤떨어지지만, 유동층 반응기(9) 안의 온도 분포를 균일하게 근접시킬 수 있고, 유동층에서의 기상 발열 반응을 행하는 데에 있어서 바람직하다.
[실시예]
본 발명을 실시예 및 비교예에 의해 더 상세히 설명한다. 단, 본 발명은 하기 실시예에 한정되지 않는다. 또한, 실시예에서 이용하는 유동층 반응 장치는, 도 1에 도시한 것과 마찬가지이고, 제열관(슈퍼히트 코일) 안에 포화 증기를 유통시켜 과열 증기를 얻으며, 그 과열 증기를 디슈퍼히트에 의해 냉각한 후, 다른 제열관(증기 코일)에 유통시키는 제열 시스템을 갖는 것 이외는, 통상의 기상 발열 반응에 이용되는 것이었다. 더 자세히는, 유동층 반응기의 하부에는, 반응 원료인 가스의 분산관 및/또는 분산판을 가지며, 반응열의 제거를 위한 각 제열관이 내장되어 있었다. 또한, 유동층 반응기의 상부에는, 반응기로부터 유출되는 반응 가스에 혼입한 촉매를 수집하는 사이클론을 갖고 있었다.
계량기, 부속 설비는 통상 사용되는 것이고, 통상의 오차 범위 내의 것이었다. 반응 생성물의 수율 및 미반응률은, 반응 가스를 샘플링하고, 가스 크로마토그래피로 측정한 분석 데이터로부터 하기 식에 의해 계산하였다.
[반응 생성물의 수율(%)]=[생성물중의 탄소 중량(g)]/[공급한 반응 원료인 유기 화합물중의 탄소 질량(g)]×100
[미반응률(%)]=[미반응의 반응 원료인 유기 화합물중의 탄소 질량(g)]/[(공급한 반응 원료인 유기 화합물중의 탄소 질량(g)]×100
[실시예 1]
반응 원료인 프로필렌, 암모니아 및 공기를 도 1에 도시하는 것과 같은 유동층 반응 장치 안의 도 2에 도시하는 것과 같은 유동층 반응기(9)에 공급하고, 프로필렌의 암모산화 반응을 하기와 같이 행하였다. 제열 시스템은, 도 1에 도시하는 것과 마찬가지로, 냉각 코일(2), 슈퍼히트 코일(3), 증기 코일(4, 5, 6)과, 기액 분리 용기(1)와, 디슈퍼히터(7, 8)를 구비하는 것을 이용하였다.
유동층 반응기(9)는, 내경 8 m, 길이(Lr) 20 m의 종형 원통형으로, 아래로부터 2 m(0.1 Lr)의 위치에 공기 분산판, 그 위에 원료 가스 분산관을 갖는 것이었다. 촉매층의 온도를 측정하기 위해, 온도계는 공기 분산판으로부터 위쪽 1.5∼4.5 m 사이에 20점이 부착되어 있었다.
촉매에는, 입경 10 ㎛∼100 ㎛, 평균 입경 55 ㎛인 몰리브덴-비스무트-철계 담지 촉매를 이용하여, 정지층 높이 2.7 m가 되도록 충전하였다. 공기 분산판으로부터 공기 56000 Nm3/h를 공급하고, 원료 가스 분산관으로부터 프로필렌 6200 Nm3/h 및 암모니아를 6600 Nm3/h를 공급하였다. 반응기 안의 압력은 0.70 kg/㎝2G였다.
반응 온도의 목표값을 443℃로 설정하고, 냉각 코일(2), 슈퍼히트 코일(3)을 이용하여 온도 제어를 실시하였다. 공기 분산판으로부터 위쪽 1.5∼4.5 m 사이의 20점의 온도계의 평균 온도는 445℃였다.
기액 분리 용기(1)의 압력은 31 kg/㎝2G이고, 발생한 고압 수증기의 65%는, 반응 원료 공급용의 공기 압축기 구동을 위해, 라인 10으로부터 증기 터빈에 공급하였다. 35%의 잉여 고압 수증기를, 라인 11로부터 증기 코일(4)에 공급하고, 또한 데스퍼히터(7), 증기 코일(5), 디슈퍼히터(8), 증기 코일(6)에 유통시켰다.
증기 코일(4, 5, 6) 안을 유통하는 증기량을, 공기 분산판으로부터 위쪽 1.5∼4.5 m 사이의, 20점의 온도계의 평균 온도가 440℃가 되도록, 유량 제어 밸브로써 제어하였다. 각 20점의 온도계의 지시값은 434℃∼445℃의 범위에 있고, 평균값은 440℃였다. 디슈퍼히터(7, 8)에서는, 포화 온도의 물을 펌프를 이용하여 스프레이 순환 방식에 의해 순환시켜, 각각 증기 코일(4, 5)로부터 취출되는 과열 수증기와 향류 접촉시켰다. 제열 시스템의 운전 조건은, 표 3에 나타내는 바와 같았다. 또한 표 중, 「유량 (%)」는, 기액 분리 용기(1)로부터 유출되는 고압 수증기의 질량을 100%로 하여 백분율로 나타내고 있다(이하 같음).
타설비에 있어서, 15 kg/㎝2G의 증기의 수요가 있고, 라인 14로부터 취출한 수증기는, 그대로 타설비에 보내, 이용하였다.
반응 성적을 분석한 바, 아크릴로니트릴의 수율은 81.5%, 프로필렌의 미반응률은 1.1%였다.
장소 유량(%) 압력(kg/㎝2G) 온도(℃)
라인(10) 65 30 330
라인(11) 35 30 234
라인(12) 0 31 235
증기 코일(4) 입/출 21/21 30/25 234/407
증기 코일(4) 바이패스 14 30 234
디슈퍼히터(7) 출 39 25 227
증기 코일(5) 입/출 20/20 25/20 227/410
디슈퍼히터(8) 출 43 20 215
증기 코일(6) 입/출 11/11 20/15 215/403
라인(14) 43 15 262
[실시예 2]
반응 원료 중 프로필렌을 프로판으로 바꾼 것 이외는 실시예 1과 동일한 조건으로 반응 원료를 유동층 반응기에 공급하고, 프로판의 암모산화 반응을 하기와 같이 행하였다.
촉매에는, 입경 10 ㎛∼100 ㎛, 평균 입경 55 ㎛인 몰리브덴-바나듐계 담지 촉매를 이용하여, 정지층 높이 2.2 m가 되도록 충전하였다. 공기 분산판으로부터 공기 64500 Nm3/h를 공급하고, 원료 가스 분산관으로부터 프로판 4300 Nm3/h 및 암모니아 4300 Nm3/h를 공급하였다. 반응기 안의 압력은 0.75 kg/㎝2G였다.
반응 온도의 목표값을 443℃로 설정하고, 냉각 코일(2), 슈퍼히트 코일(3)을 이용하여 온도 제어를 실시하였다. 공기 분산판으로부터 위쪽 1.5∼4.5 m 사이의 20점의 온도계의 평균 온도는, 444℃였다.
기액 분리 용기(1)의 압력은 31 kg/㎝2G이고, 발생한 고압 수증기의 75%는, 반응 원료 공급용의 공기 압축기 구동을 위해, 라인 10으로부터 증기 터빈에 공급하였다. 25%의 잉여 고압 수증기를, 라인 11로부터 증기 코일(4)에 공급하고, 또한 디슈퍼히터(7), 증기 코일(5), 디슈퍼히터(8), 증기 코일(6)에 유통시켰다.
증기 코일(4, 5, 6) 안을 유통하는 증기량을, 공기 분산판으로부터 위쪽1.5∼4.5 m 사이의 20점의 온도계의 평균 온도가 440℃가 되도록, 유량 제어 밸브로써 제어하였다. 각 20점의 온도계의 지시값은 435℃∼444℃의 범위에 있고, 평균값은 440℃였다. 데스퍼히터(7, 8)로는, 포화 온도의 물을 펌프를 이용하여 스프레이 순환 방식에 의해 순환시키고, 각각 증기 코일(4, 5)로부터 취출되는 과열 수증기와 향류 접촉시켰다. 제열 시스템의 운전 조건은, 표 4와 같았다.
타설비에 있어서, 15 kg/㎝2G의 증기의 수요가 있고, 라인 14로부터 취출한 수증기는, 그대로 타설비에 보내, 이용하였다.
반응 성적을 분석한 바, 아크릴로니트릴의 수율은 52.1%, 프로필렌의 미반응률은 10.8%였다.
장소 유량(%) 압력(kg/㎝2G) 온도(℃)
라인(10) 75 30 330
라인(11) 25 30 234
라인(12) 0 31 235
증기 코일(4) 입/출 12/12 30/25 234/411
증기 코일(4) 바이패스 13 30 234
디슈퍼히터(7) 출 28 25 227
증기 코일(5) 입/출 13/13 25/20 227/409
디슈퍼히터(8) 출 32 20 215
증기 코일(6) 입/출 10/10 20/15 215/403
라인(14) 32 15 262
[실시예 3]
도 2에 도시하는 것과 같은 제열관의 배치를 갖는 유동층 반응기(9) 대신에 도 3에 도시하는 것과 같은 제열관의 배치를 갖는 유동층 반응기(9)를 이용한 것 이외는 실시예 1와 마찬가지로 하여, 프로필렌의 암모산화 반응을 행하였다. 제열 시스템의 운전 조건은, 표 3에 나타내는 조건과 마찬가지였다. 각 20점의 온도계의 지시값은 431℃∼448℃의 범위에 있고, 평균값은 440℃였다.
반응 성적을 분석한 바, 아크릴로니트릴의 수율은 81.0%, 프로필렌의 미반응률은 1.1%였다.
[비교예 1]
도 1에 도시하는 제열 시스템을 이용하지 않고, 도 4에 도시하는 바와 같은 제열 시스템을 이용한 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 프로필렌의 암모산화 반응을 행하였다. 도 4에 도시하는 제열 시스템은, 상기 실시예와 마찬가지로, 기액 분리 용기(1)와, 냉각 코일(2)과, 슈퍼히트 코일(3)을 구비하고 있는 한편, 증기 코일(4, 5, 6)과, 디슈퍼히터(7, 8)를 구비하지 않았다. 이 제열 시스템에서의 각 코일의 배치는 도 5에 도시하는 바와 같고, 각 코일의 각 부채형의 영역에서의 외표면적 합계값은 표 5에 나타내는 바와 같았다. 또한 도 5는, 도 2, 3과 마찬가지로 하여 각 코일의 배치 및 외표면적 비를 도시한 것이다.
0˚∼90˚ 90˚∼180˚ 180˚∼270˚ 270˚∼0˚ min/max
냉각 코일 13 20 20 20 0.65
수퍼히트 코일 3 3 4 4 0.75
합계 16 23 24 24 0.67
반응 온도의 목표값을 440℃로 설정하고, 냉각 코일(2), 슈퍼히트 코일(3)을 이용하여 온도 제어를 실시하였다. 공기 분산판으로부터 위쪽 1.5∼4.5 m 사이의 각 20점의 온도계의 지시값은 426℃∼451℃의 범위에 있었다. 또한, 이들 20점의 온도계의 지시값의 평균값은 440℃였다.
라인 11로부터 취출한 잉여의 고압 수증기는, 라인 11에 설치된 압력 조절 밸브에 의해 30 kg/㎝2G로부터 15 kg/㎝2G까지 압력을 떨어뜨린 후, 이 증기를 사용하는 타설비에 보냈다.
반응 성적을 분석한 바, 아크릴로니트릴의 수율은 79.9%, 프로필렌의 미반응률은 1.0%였다.
[비교예 2]
도 1에 도시하는 제열 시스템을 이용하지 않고, 도 6에 도시하는 바와 같은 제열 시스템을 이용한 것 이외는, 실시예 2와 마찬가지로 하여 프로판의 암모산화 반응을 행하였다. 도 6에 도시하는 제열 시스템은, 상기 실시예와 마찬가지로, 기액 분리 용기(1)와, 냉각 코일(2)과, 슈퍼히트 코일(3), 증기 코일(4, 5, 6)을 구비하고 있는 한편, 디슈퍼히터(7, 8)를 구비하지 않았다. 이 제열 시스템에서의 각 코일의 배치는 도 2에 도시하는 바와 같고, 각 코일의 각 부채형의 영역에서의 외표면적 합계값은 표 1에 나타내는 바와 같았다.
반응 온도의 목표값을 443℃로 설정하고, 냉각 코일(2), 슈퍼히트 코일(3)을 이용하여 온도 제어를 실시하였다. 공기 분산판으로부터 위쪽 1.5∼4.5 m 사이의 20점의 온도계의 지시값의 평균값은, 444℃였다.
기액 분리 용기(1)의 압력은 31 kg/㎝2G이고, 발생한 고압 수증기의 75%는, 반응 원료 공급용의 공기 압축기 구동을 위해, 라인 10으로부터 증기 터빈에 공급하였다. 25%의 잉여의 고압 수증기를, 라인 11로부터, 부족분은 라인 12로부터 증기를 더 도입하고, 증기 코일(4, 5, 6)에 유통시켰다.
증기 코일(4, 5, 6) 안을 유통하는 증기량을, 공기 분산판으로부터 위쪽 1.5∼4.5 m 사이의, 20점의 온도계의 평균 온도가 440℃가 되도록, 유량 제어 밸브로써 제어하였다. 각 20점의 온도계의 지시값은 435℃∼444℃의 범위에 있고, 평균값은 440℃였다. 제열 시스템의 운전 조건은, 표 6과 같았다.
타설비에 있어서, 증기의 수요가 있고, 라인 14로부터 취출한 수증기를 보냈지만, 5% 잉여이며, 용도가 없었기 때문에 대기에 방출하였다.
반응 성적을 분석한 바, 아크릴로니트릴의 수율은 52.1%, 프로판의 미반응률은 10.8%였다.
장소 유량(%) 압력(kg/㎝2G) 온도(℃)
라인(10) 75 30 330
라인(11) 25 30 234
라인(12) 12 31 235
증기 코일(4) 입/출 12/12 30/25 234/411
증기 코일(5) 입/출 14/14 30/25 234/409
증기 코일(6) 입/출 11/11 30/25 234/409
라인(14) 37 잉여 5% 포함 25 410
본 발명의 방법은, 유동층 반응기를 이용하여 기상 발열 반응을 실시할 때에, 유효하게 이용할 수 있다.
도 1은 본 실시형태의 유동층 반응 장치의 일례를 도시하는 개략도.
도 2는 본 실시형태에 따른 각 제열관의 S 방향에 직교하는 방향의 배치를, 각 제열관의 외표면적과 함께 매스를 이용하여 도시하는 개념도.
도 3은 다른 본 실시형태에 따른 각 제열관의 S 방향에 직교하는 방향의 배치를, 각 제열관의 외표면적과 함께 매스를 이용하여 도시하는 개념도.
도 4는 비교예에 따른 유동층 반응 장치를 도시하는 개략도.
도 5는 비교예에 따른 유동층 반응기에서의 각 제열관의 배치를 설명하기 위한 횡단면도.
도 6은 다른 비교예에 따른 유동층 반응기에서의 각 제열관의 배치를 설명하기 위한 횡단면도.
<부호의 설명>
1: 기액 분리 용기, 2: 냉각 코일, 3: 슈퍼히트 코일, 4: 증기 코일, 5: 증기 코일, 6: 증기 코일, 7: 디슈퍼히터, 8: 디슈퍼히터, 9: 유동층 반응기, 10∼14: 라인

Claims (8)

  1. 내부에 복수의 제열관을 포함하는 유동층 반응기에 반응 원료를 공급하고, 기상 발열 반응시키는 방법으로서,
    (a) 하나의 상기 제열관의 내부에, 제1 증기 및/또는 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 유통시켜 상기 유동층 반응기를 제열하고, 상기 제1 증기 및/또는 상기 액체로부터 과열 증기를 생성하는 공정과,
    (b) 상기 과열 증기에 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 접촉시켜 제2 증기를 생성하는 공정과,
    (c) 상기 제2 증기를 다른 상기 제열관의 내부에 유통시키는 공정을 포함하는 기상 발열 반응 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 반응 원료가 탄소수 2∼4의 알칸 및/또는 알켄을 포함하는 기상 발열 반응 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 알칸이 프로판 및/또는 이소부탄인 기상 발열 반응 방법.
  4. 제2항에 있어서, 상기 알켄이 프로필렌 및/또는 이소부틸렌인 기상 발열 반응 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기상 발열 반응이 암모산화 반응인 기상 발열 반응 방법.
  6. 유동층 반응기와, 그 내부에 배치된 복수의 제열관과, 하나의 상기 제열관과 다른 상기 제열관에 접속된 디슈퍼히터를 포함하는 기상 발열 반응용 유동층 반응 장치로서,
    (a) 상기 하나의 제열관은, 제1 증기 및/또는 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 그 내부에 유통시켜 상기 유동층 반응기를 제열하고, 상기 제1 증기 및/또는 상기 액체로부터 과열 증기를 생성하는 것이며,
    (b) 상기 디슈퍼히터는, 상기 과열 증기에 상기 제1 증기를 구성하는 물질의 액체를 접촉시켜 제2 증기를 생성하는 것이고,
    (c) 상기 다른 제열관은, 상기 제2 증기를 그 내부에 유통시키는 것인 유동층 반응 장치.
  7. 제6항에 있어서, 복수의 상기 제열관이 하기 식(1)로 나타내는 조건을 만족시키도록 배치되어 있는 유동층 반응 장치.
    0.70 Smax≤Smin (1)
    [식 (1)중, Smax는, 상기 유동층 반응기를, 그 내부에서의 반응 원료 및 반응 생성물의 유통 방향에 대략 직교하는 단면의 중심을 통과하고 상기 단면에 직교하는 가상 평면에서 4개의 영역으로 등분한 경우의, 각 상기 영역에서의 상기 제열관의 외표면적 합계값 중 가장 큰 외표면적 합계값을 나타내고, Smin은, 각 상기 영역에서의 상기 제열관의 외표면적 합계값 중 가장 작은 외표면적 합계값을 나타낸다.)
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서, 복수의 상기 제열관 중, 최소의 외표면적을 갖는 상기 제열관의 상기 외표면적을 기준으로서, 그 이외의 상기 제열관의 상기 외표면적이 각각 1∼10배인, 유동층 반응 장치.
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