KR20100087304A - 고체 촉매 존재 하에서 유체 공급물 스트림과 유체 산화제 스트림을 반응시키기 위한 수평형 반응기 - Google Patents

고체 촉매 존재 하에서 유체 공급물 스트림과 유체 산화제 스트림을 반응시키기 위한 수평형 반응기 Download PDF

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Abstract

- 둘 이상의 촉매 충전층 (5)가 각각 다수의 모듈에 의해 형성되고, 상기 각 모듈이 - 촉매 충전층의 전체 높이에 걸쳐서 연장되는 입방형 프레임 (8), - 상기 입방형 프레임에 설치된 하나 이상의 하부 스크린 (9) 및 하나의 상부 스크린 (10), 및 - 상기 하나 이상의 하부 스크린 (9)와 상부 스크린 (10) 사이에 부은 고체 촉매 (4)를 포함하고,
- 한 촉매 충전층 (5)의 모든 모듈이 입방형 바깥 프레임 (11)에 조립되고, 상기 입방형 바깥 프레임 (11)이 반응기 (1) 내에 수평으로 배치되고 후드를 제외한 반응기 (1)의 실질적으로 전체 길이 및 전체 폭에 걸쳐서 연장되고,
- 유체 산화제 스트림 (3)의 혼합 장치 (12)가 각 촉매 충전층 (5)의 상류 유동 방향으로 제공되는
것을 특징으로 하는, 유체 공급물 스트림 (2)가 반응기 (1)을 통해 위로부터 아래로 흐르고, 반응기 쉘 (6)의 말단에 제거가능하게 부착된 후드 (7)을 가지는, 원통형 반응기 쉘 (6)의 종축에 대해 평행하게 수평으로 반응기 쉘의 내부 공간에 배치된 둘 이상의 촉매 충전층 (5) 상에서 둘 이상의 단계로 고체 촉매 (4) 존재 하에서 유체 공급물 스트림 (2)와 유체 산화제 스트림 (3)을 반응시키기 위한 반응기 (1)이 제안된다.

Description

고체 촉매 존재 하에서 유체 공급물 스트림과 유체 산화제 스트림을 반응시키기 위한 수평형 반응기{HORIZONTAL REACTOR FOR REACTING A FLUID EDUCT STREAM WITH A FLUID OXIDANT STREAM IN THE PRESENCE OF A SOLID CATALYST}
본 발명은 둘 이상의 고정 촉매층 상에서 둘 이상의 단계로 고체 촉매 존재 하에서 유체 공급물 스트림과 유체 산화제 스트림을 반응시키기 위한 수평형 반응기에 관한 것이다.
보통, 고정층 촉매 상에서의 유체 출발 물질과 유체 산화제 스트림의 반응은 반응물이 축 방향 또는 반지름 방향으로 흘러 통과하는 촉매층으로서 고체 촉매가 존재하는 직립형 반응기에서 수행된다. 이 경우, 부수 반응, 특히 화염 생성, 크랙킹, 매연 생성 등을 억제하기 위해, 유체 산화제 스트림, 특히 산소, 공기, 또는 이들과 스팀의 혼합물의 도입 및 혼합이 일반적으로 촉매층 상류의 촉매 진입 영역 전체에 걸쳐서 매우 균일하게 혼합물의 불균질성이 거의 없이 매우 짧은 시간 내에 빈번하게는 0.1 초 미만 내에 달성되어야 한다.
이 요건은 수직형 축 방향 반응기의 경우에는 실현하기가 실질적으로 불가능하고, 반지름 방향 반응기에서는 큰 어려움이 따라야만 실현될 수 있다.
수평형 고정층 반응기, 즉 수평 종축 및 일반적으로 원통 모양을 가지는 반응기가 상기 요건을 충족시키는 데 더 적합하다. 공지의 수평형 고체 반응기는 고정 촉매층을 가지지만 극히 짧은 작동 시간만 가능하고 그 후에는 촉매를 재생하기 위해 반응기의 운전을 중단해야 하는 불리한 점을 가지는 ABB 루머스(ABB Lummus)의 캐토핀(등록상표)(Catofin®) 반응기, 또는 종방향으로 연속으로 배열되고 내부 채널에 의해 특히 그 사이에 배열된 열교환기와 연결되는 다수의 촉매층을 가지는 수평형 반응기, 예를 들어 카잘레(Casale)의 수평형 메탄올 전환기 또는 켈로그(Kellogg)의 수평형 암모니아 전환기이다.
상기 상황에 비추어, 본 발명의 목적은 특히 혼합 장치에서 유체 공급물 스트림과 유체 산화제 스트림의 개선된 예비 혼합을 보장하는, 고체 촉매 존재 하에서 유체 공급물 스트림과 유체 산화제 스트림을 반응시키기 위한 개선된 수평형 반응기를 제공하는 것이다.
이 목적은
- 둘 이상의 고정 촉매층이 각각 다수의 모듈에 의해 형성되고, 상기 각 모듈이 - 고정 촉매층의 전체 높이에 걸쳐서 연장되는 입방형 프레임, - 상기 입방형 프레임에 설치된 하나 이상의 하부 스크린 및 하나의 상부 스크린, 및 - 상기 하나 이상의 하부 스크린과 하나의 상부 스크린 사이에 존재하는 고체 촉매를 포함하고,
- 한 고정 촉매층의 모든 모듈이 입방형 바깥 프레임에 봉입되고, 상기 입방형 바깥 프레임이 반응기 내에 수평으로 배열되고 캡을 제외한 반응기의 본질적으로 전체 길이 및 전체 폭에 걸쳐서 연장되고,
- 유체 산화제 스트림의 혼합 장치가 각 고정 촉매층의 상류에 제공되고, 상기 혼합 장치가 - 오목부를 가지는 다수의 입방형 프레임, - 상기 오목부를 가지는 다수의 입방형 프레임을 안에 봉입하며 상기 고체 촉매를 수용하기 위한 입방형 프레임 및 입방형 바깥 프레임과 본질적으로 동일한 기하를 가지는 입방형 바깥 프레임, - 유체 공급물 스트림의 유입 방향에 대해 본질적으로 수직으로 배열되는 연속으로 배열된 2 열 또는 3 열의 관, - 관의 상류에 위치하는 다공판, 및 - 관의 하류에 위치하는 다공판에 의해 형성되고, 상기 관의 외면에 유체 공급물 스트림의 유동 단면을 1/2 내지 1/10로 제한하는 난류 생성기가 배열되고, 유체 산화제 스트림이 반응기 (1)의 내벽에 한쪽에 하나씩 배열된 두 공급 및 분배 챔버를 거쳐서 상기 관의 내부 공간을 통과하여 상기 관의 개구를 거쳐서 유체 공급물 스트림에 주입되는,
반응기 벽의 말단에 탈부착가능한 방식으로 설치된 캡을 가지는, 원통형 반응기 벽의 종축에 대해 평행하게 수평으로 반응기 벽의 내부 공간에 배열된 둘 이상의 고정 촉매층 상에서 둘 이상의 단계로 고체 촉매 존재 하에서 유체 공급물 스트림과 유체 산화제 스트림을 반응시키기 위한 수평형 반응기에 의해 달성된다.
반응기는 유체 공급물 스트림의 유동 방향에서 크게 감소된 길이의 혼합 장치에서 매우 짧은 체류 시간 동안에 우수한 질의 혼합을 보장한다.
알려져 있는 바와 같이, 유체라는 용어는 비고체 연속체의 유변학 법칙을 따르는 모든 액체, 증기 및 기체를 의미한다. 본 발명의 경우에서 유체 출발 물질은 특히 기체 또는 액체 출발 물질, 바람직하게는 기체 출발 물질, 특히 탄화수소이다.
유체 산화제 스트림은 상이한 조성의 기체를 포함할 수 있다. 유체 산화제 스트림은 특히 공기, 산소, 또는 산소 또는 공기와 스팀의 혼합물을 포함한다.
빈번히, 유체 공급물 스트림 및 유체 산화제 스트림의 체적 유량은 매우 상이하고, 이 때문에 상응해서 혼합 작업이 더 어려워지고; 유체 산화제 스트림의 유량은 특히 유체 공급물 스트림의 유량의 1 내지 30 %, 또는 5 내지 20 %일 수 있다.
고체 촉매가 둘 이상의 고정 촉매층에 위치하고, 즉, 그것은 유체 공급물 스트림에 대해 불균질 촉매이다. 촉매층은 원통형 반응기 벽의 내부 공간에 원통형 반응기 벽의 종축에 대해 평행하게 수평으로 배열된다.
본 발명에 따르면, 각 고정 촉매층은 다수의 모듈에 의해 형성되고, 이 다수의 모듈은 서로 옆에 수평으로 배열되고, 각 모듈은 고정 촉매층의 전체 높이에 걸쳐서 연장되고 하나 이상의 하부 스크린 및 하나의 상부 스크린이 안에 설치된 입방형 프레임을 포함하고, 상기 하나 이상의 하부 스크린과 하나의 상부 스크린 사이에 고체 촉매가 존재한다.
입방형 프레임에 의해 고정 촉매층을 모듈로 분할한 것은 층의 기계적 안정성을 보장한다. 입방형 프레임은 그의 안정성을 더 개선하기 위해 그의 코너가 강성화될 수 있다.
특히, 입방형 프레임은 안정성을 보장하기에 충분한 두께, 특히 10 내지 50 ㎜의 범위의 두께를 가지는 금속 시트로 제조된다. 하나의 하부 스크린, 또는 하나하나 쌓여서 배열되고 특히 아래로부터 위쪽으로 갈수록 감소하는 메쉬 개구를 가지는 다수의 하부 스크린이 입방형 프레임에 설치되고, 하나의 스크린, 또는 다수의 스크린 중 최상위의 스크린의 메쉬 개구는 고체 촉매 입자의 최소 직경보다 더 작아야 한다. 각 입방형 모듈은 그의 상부 말단에서 스크린에 의해 덮인다. 추가로, 상부 스크린은 반응기를 통하는 반응 혼합물의 유량 및 또한 압력 강하를 보정하는 기능을 한다.
반응기의 횡단 종방향으로 수평으로 배열되는 한 고정 촉매층의 모든 모듈은 반응기 내에 수평으로 배열되고 캡을 제외한 반응기의 본질적으로 전체 길이 및 전체 폭에 걸쳐서 또한 그 고정 촉매층의 전체 높이에 걸쳐서 연장되는 입방형 바깥 프레임에 봉입된다.
바람직하게는, 촉매층을 형성하는 모듈은 그것이 반응기로부터 제거될 수 있고 반응기 외부로부터 충전될 수 있도록 구성된다.
고정 촉매층을 형성하는 고체 촉매는 전부 활성 촉매 물질로 이루어진 성형된 촉매체 또는 불활성 물질에 담지된 성형체를 포함한다. 성형된 촉매체는 특히 압출물, 고리 또는 구체이다.
고정 촉매층 대신에, 구조화된 충전재, 특히 벌집 구조화 기술에 의해 제조된 구조화된 충전재도 또한 유리하게 이용될 수 있다.
유체 산화제 스트림의 혼합 장치가 각 고정 촉매층의 상류에 제공되고, 상기 혼합 장치가 - 오목부를 가지는 다수의 입방형 프레임, - 상기 오목부를 가지는 다수의 입방형 프레임을 안에 봉입하며 상기 고체 촉매를 수용하기 위한 입방형 프레임 및 입방형 바깥 프레임과 본질적으로 동일한 기하를 가지는 입방형 바깥 프레임, - 유체 공급물 스트림의 유입 방향에 대해 본질적으로 수직으로 배열되는 연속으로 배열된 2 열 또는 3 열의 관, - 관의 상류에 위치하는 다공판, 및 - 관의 하류에 위치하는 다공판에 의해 형성되고, 상기 관의 외면에 유체 공급물 스트림의 유동 단면을 1/2 내지 1/10로 제한하는 난류 생성기가 배열되고, 유체 산화제 스트림이 반응기의 내벽에 한쪽에 하나씩 배열된 두 공급 및 분배 챔버를 거쳐서 상기 관의 내부 공간을 통과하여 상기 관의 개구를 거쳐서 유체 공급물 스트림에 주입된다.
관의 외면에 배열된 난류 생성기는 상이한 기하의 구조일 수 있지만, 이 관 둘레로 유동하는 유체에 난류를 증가시켜야 하는 것이 필수이다. 난류 생성기는 바람직하게는 정적 혼합기에 대해서 알려져 있는 요소일 수 있거나, 또는 증류 칼럼의 충전 요소, 또는 예를 들어 시트 금속의 십자형 스트립일 수 있다.
난류 생성기를 외면에 가지는 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 원통형 외벽을 가지는 관, 일반적으로 금속관, 및 상기 외벽에 스트립의 종방향 연부를 따라서 일반적으로 용접에 의해 부착된 기다란 스트립, 즉 핀에 의해 형성된다. 빈번히, 핀은 관의 외벽에 소용돌이형 또는 나선형 방식으로 부착되지만, 또한 관의 종방향으로 부착될 수도 있다. 보통, 핀은 매끄러운 연속 표면을 가지지만, 또한 구멍이 뚫릴 수도 있다. 핀은 하부까지 뿐만 아니라 유리하게는 핀 기저부까지 노치가 형성되어 세그먼트를 형성할 수 있다. 노치가 형성된 핀이 난류 증가에 특히 유용하다. 이 경우, 세그먼트는 다양한 기하를 가질 수 있고, 예를 들어 직사각형, 사다리꼴 등의 형태일 수 있다. 세그먼트 사이의 노치는 물질 손실이 있도록 또는 물질 손실이 없도록 할 수 있다. 특히 유리하게는, 피치에 의해 난류를 특히 핀 사이 영역, 즉 핀 채널에서 증가시키고 이에 상응해서 혼합 작용을 개선하기 위해 세그먼트는 핀 기저부에 대해 회전할 수 있거나 또는 핀 기저부에 대해 어떤 일정 각도를 이루어서 기울어질 수 있다.
관의 길이에 걸쳐서 핀의 조밀한 배열이 유리하고, 특히 관 길이 1 m 당 100 내지 300 회 감김이 제공될 수 있다.
25 내지 150 ㎜, 특히 20 내지 50 ㎜의 범위의 외경을 가지는 관을 사용하는 것이 유리하다.
관의 외경을 기준으로 핀 높이는 유리하게는 1/10 내지 1/2의 범위이다.
핀 두께는 유리하게는 0.3 내지 1.5 ㎜의 범위일 수 있다.
노치가 형성된 핀의 경우, 3 내지 12 ㎜, 바람직하게는 4 내지 8 ㎜의 범위의 폭을 가지는 세그먼트를 형성하는 것이 유리하다.
관은 어떠한 단면도 가질 수 있고, 예를 들어 원형, 타원형 또는 다각형, 예를 들어 삼각형 단면을 가질 수 있다.
핀붙이 관은 서로 평행하게 열을 지어서 배열되고, 1 열의 핀붙이 관은 한 평면에 위치한다.
2 열 또는 3 열의 핀붙이 관이 특히 유용하다는 것을 발견하였다.
제 2 열의 핀붙이 관을 제 1 열의 갭에 마주보게 배열하고, 3 열의 핀붙이 관의 경우에는 제 3 열의 핀붙이 관을 제 2 열의 핀붙이 관의 갭에 마주보게 배열하는 것이 유리하다. 유리하게는, 제 2 열 및 적당하다면, 또한 제 3 열의 핀붙이 관을 통해 통과시킬 수 있다. 또한, 제 2 열 및 적당하다면, 또한 제 3 열의 핀붙이 관을 어떠한 단면을 가지는 고체 물질로도 제조할 수 있다.
하나의 열의 핀붙이 관에는 동일한 기하를 가지는 핀붙이 관을 사용하여야 하지만, 핀붙이 관의 열들 사이에는 기하가 다를 수 있다.
핀붙이 관은 그것을 형성하는 관의 외면에 핀붙이 관의 열에서 이웃 핀붙이 관과 최소 거리를 가지는 곳에서 핀 사이의 핀 채널에 하나의 핀 채널 당 2 개의 정반대쪽 개구를 가진다. 유체 산화제는 핀 사이의 핀 채널에서 개구를 통해 유체 출발 물질에 주입된다. 따라서, 특히 세그먼트를 형성하도록 노치가 형성된 핀의 경우 및 대부분은 핀 세그먼트들이 기울어진 경우, 고난류를 가지는 다수의 소규모 혼합 챔버가 핀 채널에 이용가능하다. 이러한 방법으로, 마이크로 범위의 우수한 혼합이 달성된다.
유리하게는, 관의 길이에 걸쳐 제 2 유체 공급물 스트림의 예비 분배를 보장하고 따라서 또한 실질적인 온도 평형을 보장하기 위해, 각 핀붙이 관의 내부에는 유출 개구를 외면에 적당한 간격으로 배열된 동심성 삽입 관이 제공될 수 있다.
유체 산화제 스트림은 반응기 내벽에 한 쪽에 하나씩 배열된 두 공급 및 분배 챔버를 거쳐서 관의 내부 공간에 도입된다.
다공판이 핀붙이 관의 열의 상류에 마찬가지로 유체 공급물 스트림의 유입 방향에 대해 수직으로, 따라서 핀붙이 관의 열에 의해 형성되는 평면에 대해 본질적으로 평행하게 설치된다.
상류 다공판은 제 1 유체 공급물 스트림의 유입구의 단면을 기준으로 총 면적이 바람직하게는 0.5 이하, 특히 0.3 이하인 개구를 가진다.
상류 다공판은 유리하게는 제 1 열의 핀붙이 관의 유입 평면으로부터의 거리가 상류 다공판의 개구 직경의 7 내지 20 배인 곳에 위치한다.
상류 다공판의 개구의 직경은 유리하게는 두 연속 감김 사이의 핀의 빈 간격의 1/2 미만이다.
기체 스트림이 반응기 단면에 거의 균일하게 분배되는 것이 보장된다면, 상류 다공판은 생략될 수 있다.
혼합 장치는 그로부터 나가는 유출 방향에서 상류 다공판의 직경보다 크거나 같은 직경을 갖는 개구를 가지는 제 2의 하류 다공판을 가진다.
본 발명의 목적상, 다공판은 어떠한 단면의 개구도 가지는 거의 편평한 성분이다.
다공판의 개구의 직경을 기준으로 한 두 다공판, 즉 상류 다공판 및 하류 다공판의 판 두께의 비는 바람직하게는 0.75 내지 2.0의 범위이다.
유리하게는, 하류 다공판은 마지막 열의 핀붙이 관의 유출 평면으로부터의 거리가 마지막 열의 핀붙이 관의 직경의 0.75 내지 2 배가 되는 곳에 위치한다.
유리하게는, 하류 다공판은 촉매층 진입 영역으로부터의 거리가 판의 개구의 직경의 5 내지 20 배가 되는 곳에 위치한다.
핀붙이 관 및 다공판의 제조 물질은 바람직하게는 스테인리스 스틸이고; 산화 및 적당하다면, 승온에서의 탄화 처리에 대해 내성이 있는 물질이 특히 바람직하다.
혼합 장치는 유체 공급물 스트림의 유동 방향에 대해 본질적으로 수직으로 배열된다. 이것은 유체 공급물 스트림이 혼합 장치의 주평면에 대한 법선 방향으로 도입된다는 것을 의미한다. 그러나, "본질적으로 수직"이라는 표현은 법선으로부터 ±5°또는 ±10°, 또는 심지어는 ±30°편향되는 것을 포함함을 의도한다.
혼합 장치는 구조 깊이, 즉 상류 다공판과 하류 다공판 사이 거리가 100 내지 200 ㎜의 범위일 수 있고, 유체 공급물 스트림, 빈번히 반응 기체에서 20 mbar 정도의 압력 강하 및 단지 안전상의 이유 때문에 대기압보다 적어도 약간 낮은 압력 하에 있어야 하는 유체 산화제 스트림에서 약 50 내지 100 mbar의 압력 강하와 함께 사실상 100%의 우수한 질의 혼합을 달성할 수 있다.
1 ㎡ 당 10000 개 주입 지점 정도의 제 1 유체 공급물 스트림에 제 2 유체 공급물 스트림이 주입되는 극히 많은 주입 지점이 달성된다.
바람직하게는, 둘 이상의 고정 촉매층은 각 층이 유동 방향에서 그 앞에 위치하는 혼합 장치와 함께 하나하나 쌓여서 배열되어 그 사이에 간격이 없는 스택(stack)을 형성한다.
바람직하게는, 혼합 장치의 바깥 프레임 및 혼합 장치 바로 다음에 있는 고정 촉매층의 바깥 프레임은 요철 연결을 가진다. 이것은 반응기 벽에 대해 측면 밀봉을 달성한다. 바람직하게는, 열 팽창을 수용할 수 있도록 하기 위해 요철 연결에는 어느 정도의 여유 공간이 제공된다.
바람직하게는, 고정 촉매층의 하부 말단에는 생성물 혼합물의 서브스트림을 끌어들여 그것을 유입구를 거쳐 열교환기의 관에 공급하기 위한 라인이 제공되고, 생성물 혼합물의 서브스트림이 열교환기로부터 나가는 유출구가 제공되고, 열교환기의 관에서 순환하는 생성물 혼합물의 서브스트림이 유체 공급물 스트림을 예비 가열하는데, 유체 공급물 스트림은 열교환기의 제 1 관다발의 관들 사이의 중간 공간을 올라가서 연결 캡을 거쳐 제 2 관다발의 관들 사이의 중간 공간을 통해 내려가서 최종적으로 예비 가열된 공급물 스트림으로서 열교환기를 떠나고, 열교환기의 관을 통해 통과하지 못한 생성물 혼합물의 나머지 서브스트림은 혼합 장치 및 고정 촉매층을 거쳐서 재순환된다.
바람직하게는, 열교환기를 통과하지 못한 생성물 혼합물의 서브스트림의 재순환은 예비 가열된 공급물 스트림에 의해 구동되는 하나 이상, 바람직하게는 두 개의 구동 제트 노즐에 의해 달성된다.
유리하게는, 고정 촉매층 및 혼합 장치는 그들 아래에 위치하고 롤러 상에 지지되며 유체에 대해 개방된 지지 구조물 상에 탑재된다. 이러한 방법으로, 공급 라인 분리 후 고정 촉매층 및 혼합 장치의 전체 스택을 밖으로 끌어낼 수 있고, 촉매의 추출 및 교체를 개별 고정 촉매층 및 혼합 장치의 제거 또는 조립에 의해 매우 간단한 방법으로 수행할 수 있다.
본 발명의 반응기는 총 자본 비용 및 작동 비용이 각각 수직형 반지름 방향 반응기의 약 0.7 배에 지나지 않으므로, 총 자본 비용 및 또한 작동 비용의 면에서 동일 용량의 수직형 반지름 방향 반응기보다 우월하다.
바람직하게는, 본 발명의 반응기는 산화제를 중간에 도입하면서 산화 반응을 수행하는 데 적당하다. 본 발명의 반응기는 탈수, 특히 프로판 또는 부탄의 탈수에 이용하는 것이 특히 선호된다.
본 발명을 도면을 이용해서 아래에서 예시한다.
도 1은 본 발명에 따르는 수평형 반응기의 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따르는 반응기의 바람직한 한 실시태양의 종단면도이고, 도 2a는 열교환기 (23)의 평면 A-A에서의 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따르는 반응기의 혼합 장치의 바람직한 한 실시태양의 단면의 일부분을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명에 따르는 반응기의 단면의 추가의 일부분을 나타내고, 혼합 장치 (12)의 입방형 프레임 (13)을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따르는 반응기의 바람직한 한 실시태양의 수직 방향 단면을 나타내는 도면이다.
도 1은 원통형 반응기 벽 (6)을 가지는 수평형 반응기 (1)의 바람직한 한 실시태양의 단면을 도시하고, 유체 공급물 스트림 (2)는 위로부터 반응기에 도입되고, 유체 산화제 스트림 (3)은 공급 및 분배 챔버 (18)을 거쳐서 혼합 장치 (12)에 도입된다.
도 1의 단면도에 도시된 바람직한 실시태양은 예로서 고체 촉매 (4)가 담긴겹쳐 놓인 4 개의 고정 촉매층 (5)를 나타내고, 각 촉매층은 다수의 모듈에 의해 형성되고, 도면에 도시된 바람직한 실시태양에서는 고정 촉매층 (5) 당 4 개의 모듈이 존재한다. 각 모듈은 고정 촉매층 (5)의 전체 높이에 걸쳐서 연장되고 하나 이상의 하부 스크린 (9) 및 하나의 상부 스크린 (10)이 설치된 입방형 프레임 (8)을 포함한다.
도 1의 바람직한 실시태양은 고정 촉매층 (5) 및 혼합 장치 (12)의 스택을 수용하기 위한, 롤러 (32) 상에 탑재된 지지 구조물 (31)을 나타낸다.
도 2는 본 발명에 따르는 반응기 (1)의 바람직한 실시태양의 종단면을 나타내고, 원통형 반응기 벽 (6) 및 반응기의 양쪽 말단의 캡 (7)이 나타나 있다.
유체 공급물 스트림 (2)는 열교환기 (23)을 거쳐서 반응기 (1)에 공급되는데, 열교환기 (23)에서 생성물 스트림의 서브스트림 (27)에 의해 가열된다. 생성물 스트림의 냉각된 서브스트림 (28)은 열교환기 (23)으로부터 흘러나간다. 유체 산화제 스트림 (3)은 혼합 장치 (12)를 거쳐서 유체 공급물 스트림 (2)에 주입되고, 촉매층 (5)에 위치하는 고체 촉매 (4) 존재 하에서 유체 공급물 스트림 (2)와 유체 산화제 스트림 (3)이 반응한다. 도면은 겹쳐 놓인 4 개의 촉매층을 예로서 나타내고, 각 촉매층은 반응기 (1)의 종방향으로 8 개의 모듈을 가지고 고체 촉매 (4)를 수용하기 위한 입방형 프레임 (8)을 가진다.
유체 공급물 스트림 (2)는 구동 제트 노즐 (29)에 의해 생성물 스트림의 재순환 서브스트림 (30)을 끌어들이고 그것을 다시 고정 촉매층 (5)를 통해 운반한다.
고정 촉매층 (5) 및 혼합 장치 (12)의 스택의 지지 구조물 (31)이 롤러 (32)와 함께 반응기의 하부 영역에 제공된다.
도 2a에 도시된 평면 A-A에서의 반응기 단면은 2 개의 관다발을 가지는 열교환기 (23)의 구조를 나타낸다. 유체 공급물 스트림 (2)는 열교환기 (23)의 관 (24)들 사이의 중간 공간 (25)를 통해 열교환기 (23)의 두 관다발 중 제 1 관다발에서는 위쪽으로 통과하고 두 관다발 중 제 2 관다발에서는 아래쪽으로 통과하여 예비 가열된 공급물 스트림으로서 열교환기 (23)을 떠난다.
생성물 스트림의 서브스트림은 유입구 (27)을 거쳐서 열교환기 (23)의 제 2 관다발의 관들을 통해서 아래로부터 위쪽으로 운반되고 추가로 열교환기 (23)의 두 관다발 사이의 연결 캡 (26)을 거쳐서 열교환기 (23)의 제 1 관다발의 관들을 통해서 위로부터 아래쪽으로 운반되어 유출구 (28)을 거쳐서 열교환기 (23)을 떠난다. 따라서, 공급물 스트림 (2) 및 생성물 스트림의 서브스트림은 열교환기 (23)을 통해 향류 흐름으로 순환한다. 또, 도 2a의 단면은 유체 산화제 스트림 (3)의 공급 라인도 나타낸다.
도 3은 수평형 반응기 (1)의 수직 방향 단면의 일부분을 나타내고, 혼합 장치 (12)의 구성을 명료하게 나타낸다. 혼합 장치 (12)는 유체 공급물 스트림 (2)의 유동 방향에서 고정 촉매층 (5)의 앞에 배열되고, 고정 촉매층 상에는 상부 스크린 (10)이 제공된다.
혼합 장치 (12)는 반응기의 횡단 방향으로 수평으로 배열되는 연속으로 배열된 2 열의 관 (16), 및 관 (16)의 상류에 위치하는 다공판 (20) 및 관 (16)의 하류에 위치하는 다공판 (21)을 포함한다. 도 3에 나타낸 바람직한 실시태양에서는, 2 열의 관 (16) 이외에, 관 (16)보다 더 작은 단면을 가지고 유동을 평형화하는 기능을 하는 1 열의 이동관(displacement tube)이 추가로 존재한다. 관 (16)은 유체 공급물 스트림 (2)의 유입 방향에 대해 본질적으로 수직으로 배열된다. 관은 유체 공급물 스트림 (2)의 자유 유동 단면을 원래 자유 유동 단면의 1/2 내지 1/10로 제한하는 난류 생성기 (17)을 외면에 가진다. 유체 산화제 스트림 (3)은 관 (16)으로부터 개구 (19)를 거쳐서 유체 공급물 스트림 (2)로 유동한다.
도 4는 본 발명에 따르는 반응기 (1)의 수직 방향 단면의 추가의 일부분을 나타내고, 혼합 장치 (12)의 관 (16)을 수용하기 위한 오목부 (14)를 가지는 입방형 프레임 (13)을 명료하게 볼 수 있도록 한다. 고체 촉매 (4)는 고체 촉매층 (5)를 형성하고, 고체 촉매층은 상부 스크린 (10)으로 덮인다. 도면에 도시된 바람직한 실시태양에서, 고정 촉매층 (5)의 입방형 바깥 프레임 (11)은 요철 연결 (22)에 의해 혼합 장치 (12)의 입방형 바깥 프레임 (15)에 연결된다. 게다가, 도면은 혼합 장치 (12)의 입방형 프레임 (13)을 입방형 바깥 프레임 (15)에 연결하는 용접부를 나타낸다.
도 5는 본 발명에 따르는 반응기 (1)의 바람직한 한 실시태양의 수직 방향 단면의 일부분을 나타내고, 반응기는 예를 들어 각각 하부 스크린 (9) 및 상부 스크린 (10)과 접경하는 겹쳐 놓인 4 개의 고정 촉매층 (5), 고체 촉매 (5)를 수용하기 위한 입방형 프레임 (8), 및 입방형 프레임 (13) 안에 설치된 혼합 장치 (12)를 가진다. 도면은 고체 촉매 (4)를 수용하기 위한 모듈을 위한 입방형 프레임 (8) 및 혼합 장치 (12)의 입방형 프레임 (13)의 영역에 4 개의 고정 촉매층 (5) 및 혼합 장치 (12)의 스택의 지지 구조물 (31)을 나타낸다.
1 : 반응기
2 : 유체 공급물 스트림
3 : 유체 산화제 스트림
4 : 고체 촉매
5 : 고정 촉매층
6 : 원통형 반응기 벽
7 : 캡
8 : 고체 촉매 (4)를 수용하기 위한 모듈을 위한 입방형 프레임
9 : 하부 스크린
10 : 상부 스크린
11 : 고정 촉매층 (5)의 입방형 바깥 프레임
12 : 유체 산화제 스트림 (3)의 혼합 장치
13 : 혼합 장치 (12)의 입방형 프레임
14 : 관 (16)을 수용하기 위한 입방형 프레임 (13) 내의 오목부
15 : 혼합 장치 (12)의 입방형 바깥 프레임
16 : 유체 산화제 스트림 (3)의 관
17 : 관 (16)의 외면에 위치하는 난류 생성기
18 : 유체 산화제 스트림 (3)의 공급 및 분배 챔버
19 : 관 (16)의 개구
20 : 관 (16)의 상류에 위치하는 다공판
21 : 관 (16)의 하류에 위치하는 다공판
22 : 바깥 프레임 (11) 및 (15)의 요철 연결
23 : 열교환기
24 : 열교환기 (23)의 관
25 : 열교환기 (23)의 관 (24)들 사이의 중간 공간
26 : 열교환기 (23)의 두 관다발 사이의 연결 캡
27 : 생성물 스트림의 서브스트림이 열교환기 (23)에 들어가는 유입구
28 : 생성물 스트림의 서브스트림이 열교환기 (23)으로부터 나가는 유출구
29 : 구동 제트 노즐
30 : 생성물 스트림의 재순환 서브스트림
31 : 고정 촉매층 (5) 및 혼합 장치 (12)의 스택의 지지 구조물
32 : 지지 구조물 (31)의 롤러

Claims (10)

  1. - 둘 이상의 고정 촉매층 (5)가 각각 다수의 모듈에 의해 형성되고, 상기 각 모듈이 - 고정 촉매층의 전체 높이에 걸쳐서 연장되는 입방형 프레임 (8), - 상기 입방형 프레임 (8)에 설치된 하나 이상의 하부 스크린 (9) 및 하나의 상부 스크린 (10), 및 - 상기 하나 이상의 하부 스크린 (9)와 상부 스크린 (10) 사이에 존재하는 고체 촉매 (4)를 포함하고,
    - 한 고정 촉매층 (5)의 모든 모듈이 입방형 바깥 프레임 (11)에 봉입되고, 상기 입방형 바깥 프레임 (11)이 반응기 (1) 내에 수평으로 배열되고 캡을 제외한 반응기 (1)의 본질적으로 전체 길이 및 전체 폭에 걸쳐서 연장되고,
    - 유체 산화제 스트림 (3)의 혼합 장치 (12)가 각 고정 촉매층 (5)의 상류에 제공되고, 상기 혼합 장치 (12)가 - 오목부 (14)를 가지는 다수의 입방형 프레임 (13), - 상기 오목부를 가지는 다수의 입방형 프레임 (13)을 안에 봉입하며 상기 고체 촉매 (4)를 수용하기 위한 입방형 프레임 (8) 및 입방형 바깥 프레임 (11)과 본질적으로 동일한 기하를 가지는 입방형 바깥 프레임 (15), - 유체 공급물 스트림 (2)의 유입 방향에 대해 본질적으로 수직으로 배열되는 연속으로 배열된 2 열 또는 3 열의 관 (16), - 관 (16)의 상류에 위치하는 다공판 (20), 및 - 관 (16)의 하류에 위치하는 다공판 (21)에 의해 형성되고, 상기 관 (16)의 외면에 유체 공급물 스트림 (2)의 자유 유동 단면을 1/2 내지 1/10로 제한하는 난류 생성기 (17)이 배열되고, 유체 산화제 스트림 (3)이 반응기 (1)의 내벽에 한쪽에 하나씩 배열된 두 공급 및 분배 챔버 (18)을 거쳐서 상기 관 (16)의 내부 공간을 통과하고 상기 관 (16)의 개구 (19)를 거쳐서 유체 공급물 스트림 (2)에 주입되는,
    반응기 벽 (6)의 말단에 탈부착가능한 방식으로 설치된 캡 (7)을 가지는, 원통형 반응기 벽 (6)의 종축에 대해 평행하게 수평으로 반응기 벽의 내부 공간에 배열된 둘 이상의 고정 촉매층 (5) 상에서 둘 이상의 단계로 고체 촉매 (4) 존재 하에서 유체 공급물 스트림 (2)와 유체 산화제 스트림 (3)을 반응시키기 위한 수평형 반응기 (1).
  2. 제 1 항에 있어서, 유체 공급물 스트림 (2)가 반응기 (1)을 통해 위로부터 아래쪽으로 유동하는 반응기 (1).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 난류 생성기 (17)을 외면에 가지는 관 (16)이 핀붙이 관이고, 난류 생성기가 핀으로서 구성되고, 관 (16)의 개구 (19)가 핀 사이의 핀 채널에 위치하는 반응기 (1).
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 관이 유체 공급물 스트림 (2)의 자유 유동 단면을 원래 자유 유동 단면의 1/3 내지 1/6로 제한하는 반응기 (1).
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 둘 이상의 고정 촉매층 (5)가 각 층이 유동 방향에서 그 앞에 위치하는 혼합 장치 (12)와 함께 하나하나 쌓여서 배열되어 그 사이에 간격이 없는 스택을 형성하는 반응기 (1).
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 혼합 장치 (12)의 바깥 프레임 (15) 및 혼합 장치 바로 다음에 있는 고정 촉매층 (5)의 바깥 프레임 (11)이 요철 연결을 가지는 반응기 (1).
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 촉매층 (5)의 하부 말단에 생성물 혼합물의 서브스트림을 끌어들여 그것을 유입구 (27)을 거쳐 열교환기 (23)의 관 (24)에 공급하기 위한 라인이 제공되고, 생성물 혼합물의 서브스트림이 열교환기 (23)으로부터 나가는 유출구 (28)이 제공되고, 열교환기 (23)의 관 (24)에서 순환하는 생성물 혼합물의 서브스트림이 유체 공급물 스트림 (2)를 예비 가열하며 이때 유체 공급물 스트림은 열교환기 (23)의 제 1 관다발의 관 (24)들 사이의 중간 공간 (25)를 올라가서 연결 캡 (26)을 거쳐 제 2 관다발의 관 (24)들 사이의 중간 공간을 통해 내려가서 최종적으로 예비 가열된 공급물 스트림으로서 열교환기 (23)을 떠나고, 열교환기 (23)의 관 (24)를 통해 운반되지 못한 생성물 혼합물의 나머지 서브스트림이 혼합 장치 (11) 및 고정 촉매층 (5)를 거쳐서 재순환되는 반응기 (1).
  8. 제 7 항에 있어서, 열교환기 (23)을 통해 운반되지 못한 생성물 혼합물의 서브스트림의 재순환이 공급물 스트림 (2)에 의해 구동되는 하나 이상, 바람직하게는 두 개의 구동 제트 노즐 (29)에 의해 달성되는 반응기 (1).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 촉매층 (5) 및 혼합 장치 (12)가 롤러 (32) 상에 지지되며 유체에 대해 개방된 하부 지지 구조물 (31) 상에 탑재되는 반응기 (1).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조화된 충전재가 고정 촉매층 (5) 대신에 이용되는 반응기 (1).
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