KR20150053785A - 진동 배플 반응기를 사용한 올레핀 수화 공정 - Google Patents

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Abstract

물 및 혼합 부텐으로부터 정제된 혼합 부탄올을 생산하는 방법 및 부탄올 생산 시스템. 상기 시스템은 내부 배플 단일 패스 반응기, 분리 시스템 및 외부 운동 드라이버를 포함한다. 상기 반응기는 배플 셀을 갖는다. 상기 분리 시스템은 정제된 혼합 부탄올이 생산되도록 미가공 생산물로부터 물 및 혼합 부텐을 개별적 선택적으로 분리하도록 작동가능하다. 상기 외부 운동 드라이버는 반응기를 통해 공정 유체의 유체 유동에 불안정성을 유도하도록 작동가능하다. 정제된 혼합 부탄올의 생산 방법은 반응기로 혼합 부텐, 물 및 부텐 수화 촉매를 도입하는 단계, 외부 운동 드라이버가 공정 유체 유동에 불안정성을 유도하고, 혼합 부텐 및 물의 반응이 부텐 수화 촉매의 존재하에서 일어나 혼합 부탄올을 형성하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다.

Description

진동 배플 반응기를 사용한 올레핀 수화 공정 {Olefin hydration process using oscillatory baffled reactor}
본 발명은 부탄올의 생산에 관한 것이다. 좀더 구체적으로, 본 발명은 부텐 수화를 통한 부탄올의 생산에 관한 것이다.
부탄올은, 메틸 tert-부틸 에테르 및 에탄올을 포함하는, 전통적인 함산소 화합물 (oxygenates) 및 연료-스톡 확장제 (fuel-stock expanders)에 대한 효과적인 대안이다. 부탄올은 옥탄가 상승에 기여할 뿐만 아니라 연료 혼합물에 혼입 산소를 공급한다. 혼합 또는 블렌드된 부탄올은 또한 상대적으로 비싸지 않다.
부탄올, 특히 혼합 부탄올을 생산하기 위한 주요 수단은 부텐 수화 (hydration) 공정을 통해서이다. 알려진 부텐 수화 공정은 액-액 2상 시스템 (liquid-liquid biphasic systems)을 포함한다. 부텐 및 물은 낮은 상대 농도 (물-중-부텐 및 부텐-중-물 모두) 시스템에서 서로 혼합되지 않는다. 상승된 작동 조건은 비혼화성 (immiscibility)을 완화시키지 못한다. 반응물의 비혼화성은 알려진 낮은 단일-패스 전환율 (single-pass conversion rate)에 대한 하나의 이유이다.
부가적으로, 비혼화성은 또한 수화 촉매의 분포에 영향을 미친다. 통상적인 수화 촉매는 수성 상 또는 탄화수소 상을 선호한다 -일반적으로 둘 다는 아님-. 수화 촉매의 이러한 열악한 분포는 2상 시스템 전체적으로 촉매 반응을 조성하지 못하지만 오히려 단일 상에서 두드러진다.
따라서, 부텐 수화 시스템 및 공정에서 부탄올로 부텐의 단일-패스 전환 수율을 개선시킬 필요는 존재한다.
물 및 혼합 부텐으로부터 정제된 혼합 부탄올을 생산하기 위한 부탄올 생산 시스템은 내부 배플 단일 패스 반응기 (internal baffle single pass reactor), 분리 시스템 (separation system) 및 외부 운동 드라이버 (exterior motion driver)를 포함한다. 상기 반응기는 내부 벽 (internal wall) 및 근위부 (proximal end) 및 말단부 (distal end) 사이의 작동 길이 (operating length)에 의해 한정된 내부 유체 도관 (internal fluid conduit)을 갖는다. 상기 반응기는 상기 내부 유체 도관의 작동 길이의 적어도 일부를 따라 한 벌의 내부 유동 배플 (internal flow baffles)을 갖는다. 상기 한 벌의 내부 유동 배플 및 상기 내부 벽은 한 벌의 배플 셀 (baffled cell)을 한정한다. 상기 반응기는 물, 혼합 부텐 및 혼합 부탄올을 포함하는 공정 유체를 함유하고, 공정 유체 유동 경로를 따라 근위부 주위로부터 말단부로 내부 유체 도관을 통하여 공정 유체를 전달하며, 그리고 말단부 주위로부터 미가공 생산물 (crude product)을 제공하도록 작동한다. 상기 분리 시스템은 반응기의 말단부 주위에 유동적으로 연결된다. 상기 분리 시스템은 미가공 생산물을 수신하고, 상기 미가공 생산물로부터 물 및 혼합 부텐을 개별적 선택적으로 분리하도록 가동가능하여, 정제된 혼합 부탄올은 생산된다. 상기 외부 운동 드라이버는 상기 반응기의 근위부 주위에 연결된다. 상기 외부 운동 드라이버는 상기 반응기를 통한 공정 유체의 유체 유동에서 불안정함을 유도하도록 작동한다. 상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 불균일 (heterogeneous) 부텐 수화 촉매를 함유하는 각 배플 셀을 포함한다. 상기 불균일 부텐 수화 촉매는 반응기의 작동 조건의 공정 유체에서 혼합 부텐을 혼합 부탄올로 선택적으로 전환하도록 작동한다.
부탄올 생산 시스템을 사용하여 부텐 수화 촉매의 존재하에서 물 및 혼합 부텐의 조합으로부터 정제된 혼합 부탄올을 생산하기 위한 방법은 혼합 부텐, 물 및 부텐 수화 촉매를 부탄올 생산 시스템의 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입시켜 공정 유체를 형성시키는 도입 단계를 포함한다. 상기 방법은 공정 유체가 반응기의 근위부에서 말단부로 유동하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 외부 운동 드라이버가 공정 유체 유동에서 불안정성을 유도하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 혼합 부텐 및 물의 반응이 부텐 수화 촉매 존재하에서 발생하여 혼합 부탄올을 형성시키도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 부텐 수화 촉매는 반응기의 작동 조건의 공정 유체에서 혼합 부텐을 혼합 부탄올로 선택적으로 전환하도록 작동한다. 상기 방법은 상기 분리 시스템이 미가공 생산물로부터 물 및 혼합 부텐을 개별적 선택적으로 분리시켜 정제된 혼합 부탄올이 형성되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다.
부탄올 생산 시스템을 사용하여 부텐 수화 촉매의 존재하에서 물 및 혼합 부텐의 조합으로부터 정제된 혼합 부탄올을 생산하기 위한 또 다른 방법은 혼합 부텐 및 물을 상기 부탄올 생산 시스템의 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입하여 공정 유체를 형성시키는 도입 단계를 포함한다. 상기 방법은 공정 유체가 상기 반응기의 근위부에서 말단부로 유동하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 상기 외부 운동 드라이버가 공정 유체 유동에서 불안정성을 유도하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법은 혼합 부텐 및 물의 반응이 상기 부텐 수화 촉매의 존재하에서 발생하여 혼합 부탄올이 형성되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 불균일 부텐 수화 촉매는 각 배플 셀에 위치되고, 상기 내부 배플 단일 패스 반응기의 작동 조건의 공정 유체에서 혼합 부텐을 혼합 부탄올로 선택적으로 전환시키도록 작동한다. 상기 방법은 상기 분리 시스템이 미가공 생산물로부터 물 및 혼합 부텐을 개별적 선택적으로 분리시켜 정제된 혼합 부탄올이 형성되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 방법의 구현 예는 균질한 부텐 수화 촉매를 상기 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입시키는 단계를 포함한다.
상기 부탄올 생산 시스템은 공정 유체에서 부텐 수화 촉매의 부적당한 분포뿐만 아니라 비혼화성 반응물들 사이에서 열악한 혼합의 문제점을 해결하기 위해 내부 배플 단일 패스 반응기를 포함한다. 상기 반응기는 혼합 및 반응이 발생하는 배플 셀을 갖는다. 외부 운동 드라이버를 사용하여 공정 유체에 직접 작용에 의해 반응기를 횡단하는 공정 유체에 불안정성을 도입시키는 단계는 비혼화성 성분의 혼합을 향상시키고, 공정 유체 전체적으로 수화 촉매를 분포시킨다.
공정 유체에 도입된 운동은 진동, 주기, 동기 (synchronous) 또는 비동기 (asynchronous)일 수 있다. 상기 내부 배플 단일 패스 반응기를 통한 공정 유체의 전체 움직임 내에서 변화를 유발시키는 단계는 매우 작은 (~5 ㎛) 가스, 액체, 또는 초임계의 액체-중-유체 2상 혼합물의 형성을 결과할 수 있다. 수성 상 내에 탄화수소의 전체 표면적 노출, 및 수화 촉매의 더 큰 분포를 증가시키는, 우세한 수성 상에서 반응물 혼합 부텐의 미세 분포는, 생산물 알코올의 생산 및 전체 부텐 전환 효율을 개선시킨다.
본 발명의 이러한 및 다른 특색, 관점, 및 장점은 바람직한 구현 예의 하기의 상세한 설명, 첨부된 청구항, 및 수반된 도면을 참조하면 잘 이해된다.
도 1은 부탄올 생산 시스템의 구현 예의 공정 흐름도이다.
도 2는 부탄올 생산 시스템의 또 다른 구현 예의 공정 흐름도이다.
도 3은 부탄올 생산 시스템의 또 다른 구현 예의 공정 흐름도이다.
도 4는 진동 배플 반응기 및 오토클레이브 반응기 (autoclave reactor)에 대한 몰 퍼센트로 부탄올로 부텐의 전환 대 1-부텐으로 도입된 물의 몰 비를 나타내는 그래프이다.
수반되는 도들에 있어서, 유사한 성분 또는 특색, 또는 모두는 동일한 참조 표시를 가질 수 있다. 도 및 이의 설명은 부탄올 생산 시스템 및 이의 사용 방법을 더 잘 이해하는 것을 가능하게 한다. 도는 본 발명의 범주를 제한 또는 한정하지 않는다. 도는 설명의 편의를 위한 간단한 다이어그램이다. 기술분야의 당업자들은 이러한 시스템이 의도된 목적을 위해 작동가능한 보조 장비 및 서브시스템을 갖는 복합 구조인 것을 이해한다.
발명의 내용, 도면의 간단한 설명 및 바람직한 구현 예의 상세한 설명을 포함하는 본 명세서, 및 첨부된 청구항은 본 발명의 (공정 또는 방법 단계들을 포함하는) 특정 특색에 관련된다. 기술분야의 당업자는 본 발명이 본 명세서에 기재된 특정 특색의 사용 및 가능한 모든 조합을 포함하는 것을 이해한다. 기술분야의 당업자는 본 발명이 본 명세서에 제공된 구현 예의 기재에 의해 제한되지 않는 것을 이해한다. 본 발명의 주제는 첨부된 청구항 및 본 명세서의 사상에 의해서만 제한된다.
기술분야의 당업자는 또한 특정 구현 예를 기재하는데 사용된 용어가 본 발명의 범주 또는 범위를 제한하지 않는 것을 이해한다. 본 명세서 및 첨부된 청구항을 해석하는데 있어서, 모든 용어는 각 용어의 상황에 일치하는 가능한 가장 포괄적 방식으로 해석되어야 한다. 본 명세서 및 첨부된 청구항에 사용된 모든 기계적 및 과학적 용어는, 특별한 정의가 없는 한, 본 발명에 속하는 기술분야의 당업자에게 일반적으로 이해되는 동일한 의미를 갖는다.
본 명세서 및 첨부된 청구항에서 사용된 바와 같은, 단수 형태는 특별한 언급이 없는 한 복수를 포함한다. 동사 "포함하다" 및 이의 연관된 형태는 비-제한적 방식의 요소, 성분, 또는 단계를 의미하는 것으로 해석되어야 한다. 언급된 요소, 성분 또는 단계들은 언급되지 않은 다른 요소, 성분 또는 단계들과 존재하거나, 활용되거나 또는 조합될 수 있다. 동사 "연결하다" 및 이의 연관된 형태는 둘 이상의 이전에 미-연결 대상으로부터 단일 대상을 형성하기 위해, 전기적, 기계적, 또는 유체를 포함하는, 요구된 접합 중 어느 하나의 타입을 완성하는 것을 의미한다. 만약 제1 장치가 제2 장치에 연결된다면, 상기 연결은 직접 또는 보통 커넥터를 통해 일어날 수 있다. "선택적으로" 및 이의 다양한 형태는 순차적으로 기재된 사건 또는 상황이 발생할 수 있거나 또는 발생하지 않을 수 있다는 것을 의미한다. 본 표현은 사건 또는 상황이 발생한 예 및 이것이 발생하지 않은 예를 포함한다. "작동가능한" 및 이의 다양한 형태는 이의 적절한 기능을 위해 맞춰지고 이의 의도된 용도를 위해 사용될 수 있다는 것을 의미한다. "연관된" 및 이의 다양한 형태는, 어떤 것들이 함께 일어나거나 또는 그 하나가 다른 것을 생산하기 때문에, 그 밖의 어떤 것과 연결된 어떤 것을 의미한다.
공간적 용어는 대상 또는 대상의 군의 상대적 위치에 대한 또 다른 대상 또는 대상의 군을 표현한다. 공간적 관계는 수직 및 수평 축에 따라 적용된다. "업스트림" 및 "다운스트림" 및 다른 유사 용어를 포함하는 배향 및 관련 단어는, 특별한 언급이 없는 한, 표현의 편리를 위한 것이지, 제한을 의도하는 것은 아니다.
본 명세서 또는 첨부된 청구항이 값의 범위를 제공하는 경우, 간격은 상한 및 하한 사이의 값뿐만 아니라 상한 및 하한의 값도 포괄하는 것으로 이해된다. 본 발명은 제공된 어떤 특정 배제를 위한 간격 대상의 더 작은 범위를 포괄하고 결속한다. "실질적으로 없는"은 측정의 명시된 단위에 의해 1% 미만을 의미한다. "상당한"은 측정의 명시된 단위에 의해 10% 이상을 의미한다.
참조가 둘 이상의 한정된 단계를 포함하는 방법에 대해 본 명세서 및 첨부된 청구항에서 만들어지는 경우, 상기 한정된 단계들은, 상황이 그 가능성을 배제하는 경우를 제외하고는, 어떤 순서로 또는 동시에 수행될 수 있다.
도 1
도 1은 부탄올 생산 시스템의 구현 예의 공정 흐름도이다. 도 1의 부탄올 생산 공정은 혼합 부텐 피드 (102), 물 피드 (104), 수화 촉매 피드 (106) 및 공비첨가제 피드 (entrainer feed) (108)를 포함하는, 피드 라인을 통해 부탄올 생산 시스템 (100)으로 몇 개의 피트를 도입한다. 부탄올 생산 시스템 (100)은 폐기 촉매 (waste catalyst) (110), 생산수 (production water) (112), 부탄올 생산물 (114), 및 폐 공비첨가제 (spent entrainer) (116)를 포함하는, 생산 라인을 통해 몇 가지 생산물을 생산한다.
부탄올 생산 시스템 (100)은 부탄올로 부텐의 전환 및 정제된 부탄올 생산물의 생산을 뒷받침하는 몇 개의 유닛을 포함한다. 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)는 혼합 부탄올로 부텐의 촉매적으로 유도된 수화를 뒷받침한다. 혼합 부텐 피드 (102), 물 피드 (104) 및 수화 촉매 피드 (106)는 반응기 (120)를 통해 부탄올 생산 시스템 (100)으로 모두 유입된다. 반응기 (120)는 생산된 혼합 부탄올을 회수하는데 유용한 조 생산 스트림을 생산한다.
내부 배플 단일 패스 반응기 (120)는 반응물, 촉매, 및 반응 생산물의 혼합물인 공정 유체를 함유한다. 상기 공정 유체는 내부 벽 (125)에 의해 한정된 내부 유체 도관을 통해 근위부 (122)에서 말단부 (124)로 반응기 (120)를 횡단한다. 상기 공정 유체의 조성물은, 부텐 수화 반응이 일어나 생산물인 혼합 부탄올을 형성하고 반응물인 물 및 혼합 부텐을 소비함으로써 반응기 (120)의 작동 길이에 따라 변화한다.
분리 시스템 (160) (파선 박스)에 있어서, 냉각기 (170)는 말단부 (124)를 통해 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)에 연결되고, 반응기 (120)으로부터 미가공 생산물을 수신하고, 분리 공정을 위해 상기 미가공 생산물 온도를 감소시키도록 작동한다.
부탄올 생산 시스템 (100)에 있어서, 사이클론 (cyclone) (172)은 냉각기 (170)에 연결되고, 상기 냉각된 미가공 생산물을 수신하며, 어떤 잔여 불균질 수화 촉매를 제거한다. 사이클론 (172)은 폐기 촉매 (110)를 통한 폐 촉매 및 촉매-없는 미가공 생산물 모두를 생산한다.
부텐 분리탑 (Debutenizer column) (180)은 사이클론 (172)에 연결되고, 촉매-없는 미가공 생산물을 수신하며, 미반응 부텐을 제거한다. 부텐 분리탑 (180)은 회수된 부텐 및 부텐-없는 미가공 생산물을 생산한다. 상기 회수된 부텐은 부탄올 생산 시스템 (100)에 의한 부텐 재순환 (182)을 통해 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)의 근위부로 재순환된다.
부탄올 추출탑 (184)은 부텐 분리탑 (180)에 연결되고, 부텐-없는 미가공 생산물을 수신하며, 또한 공비첨가제 피드 (108)를 통해 공비첨가제를 수신한다. 부탄올 추출탑 (184)은 수 상 (water phase)의 부텐-없는 미가공 생산물로부터 부탄올을 추출하기 위해 도입된 공비첨가제를 사용하여 작동되어, 부탄올이 적은 수 상 및 공비첨가제 및 부탄올 풍부한 부탄올 상을 형성한다. 물은 생산수 (112)를 통해 부탄올 추출탑 (184)을 통과한다. 상기 공비첨가제 및 부탄올 상은 부탄올 추출탑 (184)의 버텀으로 통과한다.
부탄올 분리탑 (186)은 부탄올 추출탑 (184)에 연결되고, 공비첨가제 및 부탄올 상을 수신하며, 상기 공비첨가제로부터 부탄올을 분리시킨다. 부탄올 분리탑 (186)은 물, 부텐 및 공비첨가제가 실질적으로 없는 정제된 혼합 부탄올을 생산한다. 상기 정제된 부탄올 혼합물은 부탄올 생산 (114)을 통해 부탄올 분리탑 (186)을 통과한다. 회수된 공비첨가제는 폐 공비첨가제 (116)를 통해 부탄올 분리탑 (186)을 통과한다.
도 1에서 나타낸 바와 같이, 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)의 구조는 근위부 (122) 및 말단부 (124)를 갖는 구불구불한-형태의 도관이고, 말단부 (124)는 냉각기 (170)에 연결된다. 몇 개의 포트 (126)는 반응기 (120)의 내부로 진입하기 위한 것이다. 몇 개의 주입 포트는, 물 주입 포트 (128), 부텐 주입 포트 (130) 및 촉매 주입 포트 (132)를 포함하는, 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)의 내부로 피드 진입을 제공한다.
상기 공정 유체는 또한 외부 열 교환 시스템을 통해 반응기로 전달된 열을 이송시켜 수화 반응을 지지하기 위한 잠열 (latent heat)을 제공한다. 예를 들어, 도 1은 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)의 일부를 감싸는 온도 제어 재킷 (temperature control jacket) (140)을 나타낸다. 온도 제어 재킷 (140)은 상기 공정 유체에서 수화 반응을 고무시키기 위해 반응기 (120)의 감싸진 부분에 열을 제공하도록 작동한다. 온도 제어 유체 공급 도관 (142)은 신선한 온도 제어 유체를 도입하고, 온도 제어 유체 복귀 도관 (144)은 소모된 온도 제어 유체를 통과시킨다.
내부 배플 단일 패스 반응기 (120)는 이의 작동가능한 길이에 따라 고정된 내부 배플 (146)을 갖는다. 고정된 내부 배플 (146)은 유체 운동량 (fluid momentum)를 방해하고, 공정 유체가 반응기 (120)을 통해 유동함에 따라 이의 유동 경로를 변경시킨다. 유동 운동량의 방해 및 유체 유동 경로의 변경은 상기 공정 유체에서 부텐, 물 및 촉매의 친밀한 혼합을 배플 셀 (147)에 발생시킨다. 각 배플 셀은 반응기 (120)의 내부 벽 (125)을 따라 한 쌍의 고정된 내부 배플 (146)에 의해 한정된다. 반응기 (120)의 중심 축과 일직선이 되지 않는 유체 유동은 또한 반응기 (120)의 내부 벽으로부터 벌크 공정 유체로 열을 이송시켜 상기 유체로 열 전달을 가능하게 한다. 고정된 내부 배플 (146)은 또한 공정 체류 시간을 증가시키고, 그래서 부탄올로 부텐의 전환을 개선시킨다.
공정 유체 진동자 (oscillator) (148)는 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)의 근위부 (122) 근처에 위치된다. 공정 유체 진동자 (148)는 진동자 씰 (oscillator seal) (150)을 통해 반응기 (120)와 연결되어, 상기 공정 유체 진동자 (148)가 공정 유체에 외부 오염원을 노출시키지 않고 외부 환경에 공정 유체의 누수 없이 반응기 (120)의 외부로부터 내부로 통과된다. 공정 유체 진동자 (148)는 진동자 헤드 (151)에서 반응기 (120)의 내부 벽과 마찰 연결된다. 진동자 헤드 (151)은 공정 유체와 접촉한다.
공정 유체 진동자 (148)의 상대적 위치에 대한 변화는 진동자 헤드 (151)와의 접촉에 기인한 공정 유체에서 위치 변화 및 공정 유체의 비압축성 (incompressibility)을 부여한다. 상기 공정 유체에서 위치 변화는 반응기 (120)의 작동가능한 길이에 따라 공정 유체 유동의 유동 운동량에 불안정성을 부여한다. 상기 공정 유체 유동에서 불안정성은 혼합 및 열 흡수를 향상시킨다. 상기 비압축성 공정 유체의 밀고 당김은 반응기 (120)의 내부 내에 고정된 위치와 비교하여 밀려오고 및 빠져나가는 공정 유체의 유동을 유발시킨다.
진동자 씰 (150)의 구조, 외부 운동 드라이버 (152)에 연결, 및 진동자 헤드 (151)가 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)의 내부 벽과의 접촉은 운동의 제한된 범위로 공정 유체 진동자 (148)를 제한한다. 작동가능한 경우, 공정 유체 진동자 (148)는 왕복형 타입의 선형 방향으로 진동자 헤드 (151)을 움직인다.
도 2
도 2는 부탄올 생산 시스템의 또 다른 구현 예의 공정 흐름도이다. 도 2의 부탄올 생산 공정은, 조합된 혼합 부텐 및 물 피드 (201) 및 수화 촉매 피드 (106)을 포함하는, 부탄올 생산 시스템 (200)으로 몇 개의 피드를 도입한다. 조합된 혼합 부텐 및 물 피드 (201)은 부텐 및 물 주입 포트 (203)을 통해 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)에 유입된다. 부탄올 생산 시스템 (200)은, 정제 벤트 (292) 및 부탄올 생산물 (114)를 포함하는, 몇 가지의 생산물을 생산한다. 시스템 재순환 스트림 부텐 재순환 (182) 및 물 재순환 (288) 모두는 조합 피드 (201)에서 혼합 부텐 및 물을 보급하는 양을 최소화하는데 기여한다.
도 2에서 분리 시스템은 도 1에서 분리 시스템 (160)과 구조적으로 다르다. 고압 (HP) 물 분리장치 (272)는 냉각기 (170)에 연결되고, 냉각된 미가공 생산물을 수신하며, 상당한 부분의 물을 제거하여, 물-희박 미가공 생산물을 형성한다. 상기 회수된 물 및 수화 촉매는 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)로 재도입을 위해 물 재순환 (288)을 통해 통과된다.
부텐 분리탑 (180)은 HP 물 분리장치 (272)에 연결되고, 물-희박 미가공 생산물을 수신하며, 물-희박 미가공 생산물로부터 미반응 부텐을 제거하도록 작동되어, 부텐-없는 미가공 생산물을 형성한다. 상기 회수된 부텐은 부텐 재순환 (182)을 통해 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)의 근위부로 통과한다.
투과증발 유닛 (Pervaporation unit) (284)은 투과증발 막 (286)을 포함한다. 투과증발 유닛 (284)은 부텐 분리탑 (180)에 연결되고, 부텐-없는 미가공 생산물을 수신하며, 부텐-없는 미가공 생산물로부터 투과증발 막 (286)을 사용하여 투과액으로서 부탄올을 분리하도록 작동한다. 투과증발 유닛 (284)은 투과증발 막 (286)의 피드 면 상에 거의 물로 구성된 투석유물 (retentate) 및 투과액 면상에 부탄올 증기를 형성한다. 물 투석유물은 물 재순환 (288)을 통해 내부 배플 단일 패스 반응기 (120)으로 통과한다.
부탄올 분리탑 (290)은 투과증발 유닛 (284)에 연결되고, 부탄올 증기를 수신하고, 상기 부탄올 증기를 정제된 혼합 부탄올로 정제하도록 작동한다. 상기 정제된 혼합 부탄올은 실질적으로 물 및 부텐이 없고, 부탄올 생산물 (114)을 통해 이송된다. 부탄올 분리탑 (290)은 가볍고 응축할 수 없는 가스를 배출한다. 가볍고 응축할 수 없는 가스의 일부는 벤트 스트림 (292)을 통해 배출되고, 나머지는 부탄올 회수를 위한 증류 재순환 (294)를 통해 투과증발 유닛 (284)에 재순환된다.
도 3
도 3은 부탄올 생산 시스템의 또 다른 구현 예의 공정 흐름도이다. 도 3의 부탄올 생산 공정은 도 2의 공정에 대해 나타낸 것과 비슷한 피드를 도입한다. 부탄올 생산 시스템 (300)은, 폐기 촉매 (110) 및 부탄올 생산물 (114)를 포함하는, 몇 가지의 생산물을 생산한다. 시스템 (300) 재순환 스트림들인 부텐 재순환 (182) 및 물 재순환 (288) 모두는 조합 피드 (201)에서 혼합 부텐 및 물을 보급하는 양을 최소화하는데 기여한다.
도 3에서 분리 시스템 (360)은 분리 시스템 (160 및 260)과 다르게 구성된다. 사이클론 (172)는 냉각기 (170)에 연결되고, 냉각된 미가공 생산물을 수신하며, 폐기 촉매 (110)를 통해 어떤 잔여 불균질 수화 촉매, 중합체 및 다른 고체를 제거한다. 사이클론 (172)는 폐기 촉매 (110)을 통해 폐 촉매 및 촉매-없는 미가공 생산물 모두를 생산한다. 고압 (HP) 물 분리장치 (272)는 사이클론 (172)에 연결되고, 촉매-없는 미가공 생산물을 수신하며, 고압 하에서 수성 상으로부터, 부탄올 및 부텐을 함유하는, 유기상을 분리시킨다. 수성 상은 유기상보다 훨씬 더 적지만 여전히 약간의 부탄올을 함유한다. 부텐 분리탑 (180)은 HP 물 분리장치 (272)에 연결되고, 유기 부탄올 및 부텐 상을 수신하며, 상기 유기 상을 재순환가능한 부텐 및 정제된 혼합 부탄올로 분리시킨다. 상기 회수된 부텐은 부텐 재순환 (182)을 통해 공정의 전단으로 이송되고, 상기 정제된 혼합 부탄올은 부탄올 생산물 (114)를 통해 통과한다. 공비탑 (Azeotropic column) (390)은 HP 물 분리장치 (272)에 연결되고, 수 상을 수신하며, 상기 수 상을 부탄올/물 공비 혼합물 및 재순환가능한 물로 분리시킨다. 상기 부탄올/수 공비 혼합물은 부탄올/물 재순환 (392)을 통해 분리 시스템 (360)의 전단으로 재순환되고, 상기 재순환가능한 물은 물 재순환 (288)을 통해 공정의 전단으로 이송된다.
공정 유체 및 미가공 생산물
상기 공정 유체는 내부 배플 단일 패스 반응기 내부에서의 부탄올 생산 공정의 작동 조건에서 비혼화성 부텐 및 물의 이중-상 공정이다. 상기 반응기의 작동 길이에 따라 제공된 어떤 지점에 있어서, 상기 공정 유체는 부텐, 물, 선택적으로 부텐 수화 촉매 및 부텐 수화 생산물, 구체적으로 부탄올을 포함한다.
상기 부텐 수화 반응은 내부 배플 단일 패스 반응기에서 발생한다. 상기 공정 유체는 반응기 내의 부텐 수화 촉매의 존재하에서 혼합 부탄올로 혼합 부텐의 수화 반응을 지지한다. 상기 부탄올 생산 공정의 일부로서, 상기 공정 유체는 미가공 생산물로서 반응기의 말단부에 인접한 위치에서 반응기로부터 통과된다.
상기 미가공 생산물은 부탄올, 물, 부텐 및 선택적으로 부텐 수화 촉매의 조합이고, 이것은 여전히 활성일 수 있다. 상기 미가공 생산물은 내부 배플 단일 패스 반응기의 말단부로부터 통과한 이후에 공정 유체이다.
혼합 부텐
혼합 부텐은 상기 부탄올 생산 공정의 일부로 반응물로서 도입된다. 상기 혼합 부텐은, FCC 유닛 또는 열 분해 유닛의 생산물, MTBE 또는 TBA 공정으로부터의 라피네이트 (raffinate), 액화 석유 가스 (LPG)의 분획, 또는 다수의 유사 공급원으로부터의 조합 스트림을 포함하는, 석유화학 정제시설 내에 공급원으로부터 유래할 수 있거나 또는 정제될 수 있다. 혼합 부텐은 하나 이상의 1-부텐, 하나 또는 둘의 2-부텐 (즉, 시스 또는 트랜스), 및 이소부틸렌을 포함한다. 혼합 부텐은 또한 다른 알칸 및 알켄을 포함할 수 있다.
상기 부탄올 생산 생산물의 구현 예에 있어서, 상기 혼합 부텐은 1-부텐을 포함한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 상기 혼합 부텐이 필수적으로 1-부텐으로 이루어지는 것을 포함한다. 신선한 또는 "보급된" 1-부텐은 바람직하게는 중합-등급 (polymerization-grade)이다. 신선한 1-부텐은 적어도 99 vol.% 1-부텐, 또는 99.5 vol.% 1-부텐, 또는 99.9 vol.% 1-부텐, 또는 99.95 vol.% 1-부텐, 또는 더 높은 순도이다. 신선한 1-부텐에서 불순물은 5 부피 ppm 이하이다.
상기 부탄올 생산 시스템의 다른 일부로부터 부텐을 재순환시키는 것은 부텐 전환 효율을 최대화시킨다. 부탄올 생산 시스템은 미가공 생산물로부터 회수가능한 혼합 부텐을 선택적으로 분리시키는 분리 시스템을 포함한다. 상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 상기 부탄올 생산 시스템이 내부 배플 단일 패스 반응기로 선택적으로 분리된 혼합 부텐을 도입하도록 작동가능한 것을 포함한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 개별적 선택적으로 분리된 혼합 부텐이 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 재순환된 부텐은 재순환된 물질이 이미 부탄올 생산 시스템에 내부에 있고, 새로운 불활성 또는 오염 물질을 도입할 수 없기 때문에 신선한 부텐보다 더 낮은 조성적 순도를 가질 수 있다.
혼합 부텐의 도입은 가압된 가스, 액체, 초임계적 유체 또는 이의 조합으로 발생한다. 1-부텐의 임계 온도는 146.4 ℃이고, 임계 압력은 40.2 bar이다. 이소부틸렌의 임계 온도는 144.7 ℃이고, 임계 압력은 40.01 bar이다. 도입된 혼합 부텐의 예열은 상기 공정 유체에 열을 제공하여 수화를 고무시킨다.
물
물은 부탄올 생산 공정의 일부로 반응물로서 도입된다. 상기 부탄올 생산 시스템으로 도입된 신선한 또는 보급 물은 적어도 99 vol.% 물, 또는 99.5 vol.% 물, 또는 99.9 vol.% 물, 또는 99.95 vol.% 물, 또는 더 높은 순도이다. 상기 물은 상기 부탄올 생산 시스템으로 오염원을 도입하지 않기 위해 탈가스, 탈미네랄, 탈이온화되어야 한다. 불순물은 5 부피 ppm 이하이다.
상기 부탄올 생산 시스템의 다른 부분으로부터 물의 재순환은 도입된 보급 물의 양을 최소화시킨다. 물은 통상적으로 상기 부탄올 생산 공정에서 과량으로 사용된다. 상기 분리 시스템은 상기 내부 배플 단일 패스 반응기로부터 통과하는 미가공 생산물로부터 회수가능한 물을 선택적으로 분리시킨다. 상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 부탄올 생산 시스템이 내부 배플 단일 패스 반응기로 선택적으로 분리된 물을 도입하도록 작동가능한 것을 포함한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 개별적 선택적으로 분리된 물이 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 중화되지 않는 균질한 촉매를 사용하는 경우, 상기 재순환 물은 부탄올 생산 시스템의 전단으로 활성 수화 촉매를 이송할 수 있다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 개별적 선택적으로 분리된 물이 또한 균질한 부텐 수화 촉매를 포함하는 것을 포함한다.
상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 상기 물 및 혼합 부텐을 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입시켜 물 대 1-부텐의 몰 비 값이 약 1 내지 약 21의 범위 내에 있는 것을 포함한다.
수화 촉매
부텐 수화 촉매는, 상기 부탄올 생산 시스템이 고정 불균질 산 촉매를 포함하지 않는 경우, 상기 부탄올 생산 공정의 일부로 반응물로서 도입된다. 부텐 수화 촉매의 도입은 상기 부탄올 생산 시스템이 고정 불균질 산 촉매를 포함하지 않는 경우 선택적이다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 상기 공정 유체가 근위부에 근접하게 형성되도록 상기 부탄올 생산 시스템의 내부 배플 단일 패스 반응기로 상기 부텐 수화 촉매를 도입시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 부텐 수화 촉매는 균질 산, 불균질 산, 및 이의 조합으로부터 선택된다.
균질 산인 유용한 부텐 수화 촉매는, 예를 들어, 황산 및 인산을 포함한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 도입된 부텐 수화 촉매가 균질한 것을 포함한다. 유용한 인산의 예로는 오르토인산 (orthophosphoric acid), 다중인산 (polyphosphoric) (PPA) 및 과인산 (superphosphoric acids) (SPA)을 포함한다. 다중인산은 화학식 H(PO3H)nOH을 갖는 인의 산소산 (oxyacid)이고, 여기서 n은 분자에서 인 단위의 수를 나타내는 정수이다. PPA의 상업적 혼합물은 오르토- (n = 1), 피로- (n = 2), 트리- (n = 3), 테트라- (n = 4) 및 더 높은-차수의 응축된 사슬 산의 혼합이다. 약 95% 내지 약 118% 인산 (H3PO4) 농도 균등물의 범위에서 PPA 농도는 다중 인산의 완전한 가수분해시 형성된 인산의 당량 (equivalent amount)을 나타낸다. 예로는 오르토인산 (H3PO4) (Sigma-Aldrich Corp.; St. Louis, Mo.)이다.
유용한 부텐 수화 촉매는 도한 불균질 산성 촉매를 포함한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 도입된 부텐 수화 촉매가 불균질인 것을 포함한다. 이러한 산은 이들의 금속성, 세라믹, 미립자 또는 중합체 구조로 혼입된 산-기능성을 갖는다. 증발, 기화, 증류 및 원심분리 시스템을 포함하는, 회수 공정은 상기 공정 유체 또는 미가공 생산물로부터 고체 촉매를 추출할 수 있다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 상기 분리 시스템이 상기 미가공 생산물로부터 부텐 수화 촉매를 개별적 선택적으로 분리시키도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함하고, 여기서 상기 부텐 수화 촉매는 불균질 촉매이다. 예로는 D008-1 및 D008-2 (KaiRui Chemical Co. Ltd.; Hebei City, China)를 포함하고, 이는 부가된 황산 (SO3H) 작용기를 갖는 중합체 수지이다.
상기 방법의 구현 예는 균질 부텐 수화 촉매, 불균질 수화 촉매, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 도입된 부텐 수화 촉매를 선택하는 단계를 포함한다. 몇몇 균질/불균질 산 조합 시스템은 알코올로 알켄의 전환 효율 또는 선택도, 또는 모두에 관하여 시너지 효과를 생산하는 것으로 알려져 있다. 상기 배플 셀에서 불균질 수화 촉매를 함유하는 부탄올 생산 시스템의 구현 예에 있어서, 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 내부 배플 단일 패스 반응기로 균질 부텐 수화 촉매를 도입시키는 단계를 포함한다.
수화 촉매 도입은 순수 물질로서 일어나거나 또는 전달 용액 (delivery solution) 내에 희석된다. 상기 수화 촉매는 상기 공정 유체에 분산을 향상시키기 위해 물 또는 혼합 부텐에 희석되어 도입될 수 있다.
부탄올 생산 공정 생산물
주요 생산물은 정제된 혼합 부탄올이다. 정제된 부탄올 생산물의 조성은 적어도 99 vol.% 혼합 부탄올, 또는 99.5 vol.% 혼합 부탄올, 또는 99.7 vol.% 혼합 부탄올, 또는 99.9 vol.% 혼합 부탄올, 또는 더 높은 순도이다. 상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 상기 분리 시스템이 적어도 99 부피 퍼센트 혼합 부탄올의 순도를 갖는 정제된 혼합 부탄올을 생산하도록 작동가능한 것을 포함한다. 부텐, 부탄, 및 불활성 가스를 포함하는, 용해된 가스는 정제된 혼합 부탄올 생산물에 존재할 수 있는 최소 불순물이다.
상기 부탄올 생산 시스템은 미가공 생산물로부터 고체를 회수할 수 있다. 이러한 고체는 촉매적-활성 수화 촉매를 포함할 수 있다. 상기 부탄올 생산 공정은 수화 촉매를 회수할 수 있고, 이를 중화시킬 수 있으며, 그 다음 부탄올 생산 공정의 밖으로 처분할 수 있다. 외부 공정은 회수된 수화 촉매를 처리 또는 재생시킬 수 있고, 상기 내부 배플 단일 패스 반응기로 재도입하기 위해 이를 재순환시킨다.
상기 부탄올 생산 공정은 정제 공정의 일부로서 미가공 생산물로부터 물을 선택적으로 분리시킨다. 회수된 물은 유기물, 산 촉매 및 고체로 처리될 수 있고, 그 다음 시스템 퍼지 (system purge)로서 처분될 수 있다.
상기 부탄올 생산 시스템은 분리 시스템의 일부로서 가스를 배출할 수 있다. 벤트 가스 (vent gas)는 시스템 퍼지로서 작용한다. 상기 벤트 가스는, 작은 분획의 부텐을 포함하는, 불활성 및 경질의 유기 가스를 함유한다.
내부 배플 단일 패스 반응기
상기 내부 배플 단일 패스 반응기는 가압, 가열, 유체-충진 환경에서 혼합 부텐 수화를 지지하도록 작동가능한 내부 벽에 의해 한정된 내부 유체 도관을 갖는 튜블러 (tubular)이다. 상기 튜블러는 제1 단 (근위 또는 업스트림 단) 및 제2 단 (말단 또는 다운스트림 단) 사이에 고정된 부피를 부분적으로 감싸는 벽 또는 내부 표면을 갖는다. 상기 반응기의 작동가능한 길이는 근위부 및 말단부 사이에서 상기 튜블러의 유체 길이이다. 상기 튜블러의 길이는 이의 직경을 훨씬 초과한다. 상기 튜블러는 또한 내부 및 외부 사이에서 열을 전달하는 이의 작동 길이에 따라 벽 또는 외부 표면을 갖는다.
상기 내부 배플 단일 패스 반응기는 반응물 및 선택적인 수화 촉매가 근위부 근처에서 반응기로 통과될 수 있도록 작동가능하고, 혼합시키며, 공정 유체를 형성한다. 상기 공정 유체는 유체 유동 경로를 따라 상기 근위부 주위에서 말단부로 반응기의 작동가능한 길이를 횡단한다. 상기 미가공 생산물은 말단부에 근접한 반응기로부터 통과한다.
도 1-3은 구불구불한-형태의 내부 배플 단일 패스 반응기를 나타낸다; 그러나, 상기 반응기는, 표준 파이프를 포함하는, 결합된 선형 및 비-선형 유체 도관 세그먼트의 사용에 기초한 어떤 다수의 물리적 형상을 수용할 수 있다. 당업자들은, 온도 제어, 물리적 공간, 유지 및 투자 비용을 포함하는, 작동 선호 및 성능에 기초하여 내부 배플 단일 패스 반응기의 전체적인 형상을 상상할 수 있다.
상기 내부 배플 단일 패스 반응기를 통한 공정 유체에 대한 주된 유동 모티베이터 (motivator)는 전단부 주위에 반응물 및 수화 촉매의 협조된 도입 및 말단부 주위로부터 미가공 생산물의 통과이다. 비록 요구될지라도, 펌프 및 인-라인 블레이드 회전을 포함하는, 보조 유동 드라이버는, 공정 유체에 추가의 운동량을 제공할 수 있다.
상기 내부 배플 단일 패스 반응기는 반응기의 전단부 근처에 적어도 하나의 반응물 피드 위치를 갖는다. 혼합 부텐 및 물의 도입은 조합 스트림 또는 분리 스트림일 수 있다. 신선하고 재순환 혼합 부텐 및 물 스트림은 반응기에 개별적으로 주입되거나 또는 공혼합될 수 있다.
상기 내부 배플 단일 패스 반응기는 적어도 하나의 수화 촉매 피드 위치를 갖는다. 상기 수화 촉매 피드 위치는 내부 배플 단일 패스 반응기의 근위부 근처에 적어도 하나의 반응물 피드 위치로부터 다운스트림이다. 반응물 피드 위치와 연관하여 이러한 위치는 수화 촉매의 도입 전에 상기 반응물을 서로 상호혼합을 허용하여, 개선된 선택도 및 전환을 가능하게 한다.
상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 내부 배플 단일 패스 반응기의 작동 길이를 따라 다중 반응 존을 포함한다. 구현 예에 있어서, 상기 반응 존은 제1 혼합 부텐 도입 위치 및 제2 혼합 부텐 도입 위치 사이에 작동 길이이다. 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 반응 존은 혼합 부텐 도입 위치 및 반응기의 말단부 사이이다. 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 반응 존은 제1 부텐 수화 촉매 도입 위치 및 제2 부텐 수화 촉매 도입 위치 사이의 작동 길이이다. 또 다른 구현 예에 있어서, 상기 반응 존은 부텐 수화 촉매 도입 위치 및 내부 배플 단일 패스 반응기의 말단부 사이이다. 상기 반응기의 작동 길이에 따라 다중 위치를 통해 혼합 부텐 또는 부텐 수화 촉매의 도입은 높은 수준의 공정 제어 및 부텐 전환 효율을 허용한다. 각 반응 존은, 내부 배플 구조, 공정 유체 유속의 조작, 컴퓨터 제어 시스템, 및 반응 존 온도 및 압력 조작을 포함하는, 생산을 가능하게 하는 다른 내부 및 외부 공정 지지 장비를 가질 수 있다.
상기 내부 배플 단일 패스 반응기의 작동 길이에 따라 제공된 지점에서, 상기 내부 유체 도관 축은 그 지점에서 내부 유체 도관의 단면적에 대하여 수직이다. 내부 부가 (예를 들어, 내부 유동 배플)없이, 유체는 내부 배플 단일 패스 반응기의 작동 길이를 횡단하고, 유동하는 동안 일반적으로 내부 유체 도관 축과 일직선으로 유지한다.
내부 유동 배플 및 배플 셀
상기 내부 배플 단일 패스 반응기는 이의 작동 길이의 적어도 일부에 따라 일련의 내부 유동 배플을 갖는다. 상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 한 벌의 내부 유동 배플이 내부 유체 도관의 전체 작동 길이를 따라 위치되는 것을 포함한다.
상기 내부 배플 단일 패스 반응기에서 각 내부 유동 배플에 대하여, 상기 배플은 반응기의 근위부로 향하는 면 (업스트림 정면) 및 반응기의 말단부로 향하는 반대 면 (다운스트림 정면)을 갖는다. 상기 배플은 이들이 반응기의 내부 벽을 따른 위치로부터 수직으로 확장하고 내부 유체 도관 안쪽으로 돌출되도록 전통적으로 배향된다. 배플은 일반적으로 이들이 내부 유체 도관 축에 수직이지만, 다른 구조가 기술분야의 당업자에게 실현가능하도록 배향된다. 상기 배플은 공정 유체가 대부분의 공정 유체 유동 경로의 길이에 대해 내부 유체 도관 축과 일직선으로 유동하는 것을 방지하여 열 전달 및 혼합을 고무시킨다.
상기 내부 유동 배플은, 로드, 다공 평판 (perforated plates), 메쉬 스크린, 오리피스 평판 (orifice plates) (중심 및 중심-밖 유동 창(flow window)) 및 세그먼트 평판을 포함하는, 다수의 물리적 구조를 가질 수 있다. 각 배플은 각 배플에 대한 유동 창을 적어도 부분적으로 한정하는 창 엣지를 갖는다. 오리피스 평판과 같은, 몇몇 배플에 있어서, 상기 창 엣지는 공정 유체가 유동하는 배플에서 원형 보이드를 완전하게 한정한다. 다른 배플에 있어서, 상기 창 엣지는 공정 유체가 유동하는 보이드를 부분적으로 한정한다. 반응기에 이러한 배플의 설치시, 상기 반응기의 내부 벽은 유동 창의 나머지를 한정한다. 상기 배플의 크기와 비교한 유동 창의 크기, 내부 유체 도관의 중심과 비교한 이의 위치 및 다른 인접한 내부 배플과 비교한 이의 형상 (평형, 경사, 수직)은 공정 유체의 이동 방향을 변경하는데 중요한 인자이다.
상기 내부 배플 단일 패스 반응기의 내부를 통한 유체 유동 경로는, 내부 유체 도관 축에 대한 형상, 유동 창, 공간, 및 인접한 배플의 배향을 포함하는, 반응기의 내부 벽 및 내부 유동 배플의 배열 모두에 의해 한정된다. 상기 공정 유체 유동 경로의 길이는 반응기의 작동 길이보다 더 길다. 상기 배플은 공정 유체가 근위부에서 말단부로의 거리를 유동할 뿐만 아니라 내부 배플 주변에 돌아다녀야 하기 때문에 상기 공정 유체가 반응기를 통해 횡단하는 거리를 증가시킨다.
다중 반응 존을 갖는 반응기에 있어서, 다른 한 벌의 배플은 각각 반응 존에 존재할 수 있다. 상기 내부 유동 배플의 배열은 각 세트 내에서 상기 배플이 이들이 위치된 작동 길이의 일부를 따라 직렬로 배열되고, 상기 세트에서 각각 인접한 배플 사이에서 동일한 거리로 이격되는 것이다. 상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 이의 작동 길이에 따라 하나 이상의 세트의 내부 유동 배플을 갖는 내부 배플 단일 패스 반응기를 포함한다.
상기 내부 벽과 함께 내부 유동 배플은 상기 내부 배플 단일 패스 반응기의 내부 유체 도관 내에 세트의 배플 셀을 한정한다. 각 배플 셀은 한 벌의 배플 내에 업스트림 배플의 다운스트림 정면 및 다운스트림 배플의 업스트림 정면, 및 반응기의 내부 벽에 의해 경계를 나타낸다. 한 벌의 내부 유동 배플과 연관된 배플 셀들의 수는 항상 한 벌에서 배플의 수보다 하나 적다.
상기 공정 유체가 내부 배플 단일 패스 반응기를 횡단함에 따라, 상기 공정 유체는 업스트림 배플에 의해 적어도 부분적으로 한정된 유동 창을 통해 배플 셀에 유입된다. 상기 배플 셀에 유입시, 상기 공정 유체는 상기 셀 내에서 순환되어, 반응물, 촉매 및 생산물을 혼합시킬 뿐만 아니라 공정 유체의 다른 부분들 사이와 상기 반응기의 공정 유체 및 내부 벽 사이 모두에서 내부적으로 열을 전달한다. 상기 공정 유체는 그 다음 다운스트림 배플에 의해 적어도 부분적으로 한정된 유동 창을 통해 상기 배플 셀로부터 통과한다. 배플 셀을 횡단하는 공정은 상기 공정 유체가 반응기의 작동 길이에 따라 배플 셀로부터 배플 셀로 통과하는 것으로 반복된다.
상기 부탄올 생산 공정의 구현 예에 있어서, 상기 부텐 수화 촉매의 도입은 선택적이다. 이러한 공정에 있어서, 상기 내부 배플 단일 패스 반응기는 고체, 불균일 부텐 수화 촉매를 함유하여, 공정 유체 내의 혼합 부텐을 혼합 부탄올로 선택적으로 전환시킨다. 비록 상기 촉매가 반응기의 내부 유체 도관 내에 어디든 함유될 수 있을지라도, 상기 반응물의 혼합 및 전환이 최대화되도록 상기 촉매를 배치하기 위한 가장 효과적인 위치는 각 배플 셀 내이다.
각 배플 셀 내에 고체, 불균일 부텐 수화 촉매의 위치는 배플 셀 구성요소에 대한 촉매의 적용, 구조 및 물질에 의존하여 변화될 수 있다. 펠렛, 구형, 또는 다른 헐거워진 및 일반적으로 비구조적 형태의 형상에 있어서, 상기 촉매는 유동 홀 또는 슬롯을 갖는 구조 틀 (structured frame) 및 와이어 메쉬 백 (wire mesh bag)을 포함하는, 용기 또는 다른 물리적 제한 수단 내에 감싸질 수 있고, 이는 촉매의 축척으로부터 자유롭게 유동하도록 공정 유체를 허용하지만 상기 촉매가 용기 밖으로 운반되는 것을 허용하지 않는다. 이것은 상기 촉매가 내부 배플 단일 패스 반응기의 말단부로 향하는 상기 공정 유체 유동 다운스트림과 함께 이동하고 상기 분리 시스템을 오염시키는 것을 방지한다. 미구조적 촉매의 자유-형태 구조는, 내부 유동 배플의 유동 창을 포함하는, 상기 공정 유체 유동 경로에 직접적으로 이들의 설치를 허용할 수 있다. 상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 다운스트림 배플의 유동 창을 통해 유동하는 공정 유체가 불균일 부텐 수화 촉매를 접촉하도록 상기 불균일 부텐 수화 촉매를 위치시키는 것을 포함하고, 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 혼합 부텐 및 물의 반응이 다운스트림 유동 창에 근접한 각 배플 셀에서 일어나는 것을 포함한다. 상기 촉매의 위치는 업스트림 배플의 유동 창을 통해 유동하는 공정 유체가 불균일 부텐 수화 촉매를 접촉하도록 될 수 있다. 격자, 매트릭스 및 시트와 같은 구조 형태, 및 경화가능한, 열가소성 및 다른 가단성 있는 형상과 같은 "무정질" 형태를 포함하는, 다른 형태의 촉매는, 배플 셀을 한정하는 내부 유동 배플 및 내부 벽의 내-면 표면상으로 장착되고, 부착되며, 도포되거나 또는 분무-코팅되는 촉매를 허용한다. 상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 상기 촉매가 배플 셀을 한정하는 내부 벽 상에 위치되는 것을 포함하고, 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 혼합 부텐 및 물의 반응이 내부 벽을 따라 각 배플 셀에 일어나는 것을 포함한다. 각 배플 셀에 대하여, 상기 업스트림 배플의 다운스트림 정면 및 상기 다운스트림을 향한 배플의 업스트림 정면은 배플 셀 내부 쪽으로 향한다. 상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 상기 촉매가 배플 셀 안쪽으로 향해 있는 내부 유동 배플의 측면 상에 위치되는 것을 포함한다.
외부 운동 드라이버
상기 부탄올 생산 시스템은, 부탄올 생산 공정의 온도, 질량 유속 및 압력을 포함하는, 다른 작동 파라미터를 변경하지 않고 상기 공정 유체의 유동에서 불안정성을 유도하는 내부 배플 단일 패스 반응기의 외부에 장치를 포함한다. 외부 운동 드라이버를 사용하여 공정 유체에 직접적으로 운동을 전달하여 상기 공정 유체의 유동에서 불안정성을 유도한다.
외부 운동 드라이버는 상기 공정 유체로 전기적, 전기-기계적, 수력, 공압, 가스 주입, 압축 가스, 화학적-반응 및 운동을 전달하거나 또는 부여하기 위한 어떤 다른 시스템 또는 장치를 포함한다.
상기 부탄올 생산 공정 동안, 상기 외부 운동 드라이버는, 유체가 내부 배플 단일 패스 반응기를 통해 유동함에 따라 유체의 운동량을 방해하여 공정 유체 유동에 불안정성을 유도한다. 상기 외부 운동 드라이버는 상기 공정 유체가 반응기의 근위부에서 말단부로 횡단하기 때문에 물리적 방식으로 공정 유체에 작용한다. 상기 외부 운동 드라이버는, 공정 유체와 접촉하는 장치의 일부를 사용하여 상기 공정 유체로 진동, 왕복, 가변 및 비동기 (asynchronous) 유체 운동을 포함하는, 운동을 이송한다. 상기 내부 유체 도관 내에 연결된 장치의 운동은 공정 유체 유동에서 불안정성을 생성시킨다.
불안정성의 유도 없이, 상기 부탄올 생산 공정은 내부 배플 단일 패스 반응기에 "안정한 상태" 조건을 유지할 수 있다. 안정한 상태 조건은 시스템 내의 어떤 지점에서 유체 특성이 시간에 따라 변화하지 않는 조건이다. 석유, 석유화학 및 화학 작동의 기술분야의 당업자는 "안정한 상태 작동"이 시간으로부터 시간으로의 몇몇 최소 공정 가변성을 포함하지만, 일반적으로, 작동 조건, 피드 및 생산 속도는 크게 변화하지 않는 것을 이해한다.
상기 외부 운동 드라이버에 의한 운동의 적용은 상기 공정 유체 유동의 유체 운동량을 방해하여 불안정하도록 안정한 상태 유동 조건을 변화시킨다. 상기 불안정한 조건은, 유체 운동량의 탈안정화에 반응하여, 열전달, 반응 효율 및 시스템의 전체 생산성을 포함하는, 다른 공정 및 생산 조건에 영향을 미치는 캐스케이딩 효과 (cascading effect)를 결과한다. 상기 불안정성은 불안정한 운동의 도입의 순간에 일어나고, 시간의 함수에 따라 효과가 감소하는 나중 기간 동안 지속한다. 부가적인 불안정성 상호작용 없고 일정한 작동 조건을 유지시켜, 새로운 안정한 상태 조건 - 원래의 안정한 상태와 유사할 수 있는 조건 -은 달성될 수 있다. 상기 공정 유체로 향한 불안정한 운동의 반복, 주기적 또는 연속적 적용은 불안정성의 연속적 조건을 존재하게 한다.
상기 공정 유체의 유도된 불안정한 유동 조건은 내부 배플 단일 패스 반응기 내에 고정된 위치와 비교하여 공정 유체의 상대적 운동 (예를 들어, 가속화, 지연)을 변경시킨다. 상기 불안정한 조건의 유발은 상기 반응기를 통한 시간당 총 부피 또는 질량 유동에 영향을 미치지 않는데, 이는 피드 도입 및 미가공 생산물 통과가 공정의 전체 부피 또는 질량 유속에 영향을 미치기 때문이다.
상기 공정 유체에서 유체 소용돌이 및 역-유동의 소멸 및 순간적 형성은 불안정한 유동동안 일어난다. 난류 (turbulence)와 연관된 무작위 방향의 유동과 유사하게, 상기 불안정한 유동은 또한 통상적인 층류-타입 유동의 낮은 레이놀즈 수 (Reynolds number) 유동 체제에서 일어날 수 있다. 상기 공정 유체의 불안정한 유동은, 예측할 수 없고 비-안정적 방식에서, 오직 일시적인 기간 동안, 상기 내부 배플 단일 패스 반응기를 통해 이동하는 공정 유체의 일부를 유동시켜 상기 배플 셀에서 혼합, 반응 및 열 전달을 고무시킨다.
상기 외부 운동 드라이버는 공정 유체로 직접적으로 움직임을 부여하도록 작동가능한 장치와 연결된다. 피스톤-같은 작동장치의 작동은 일반적으로 상기 공정 유체 유동이 근위부로부터 말단부로 내부 유체 도관을 통해 유동하는 동안 밀리고 회귀하는 것을 유발시킨다. 상기 공정 유체와 유체 접촉하는 횡격막 (diaphragm)-같은 장치는 비압축성 공정 유체에 대하여 팽창 및 수축하고, 직접적으로 상기 내부 유체 도관에서 유사 부피를 대체하여, 원하는 유체 유동 불안정성을 생성시킨다.
상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 약 3 Hertz의 주파수에서 진동에 의해 공정 유체 유동에서 불안정성을 유도하도록 작동가능한 외부 운동 드라이버를 포함한다. 상기 부탄올 생산 방법의 구현 예는 상기 외부 운동 드라이버가 3 Hertz의 주파수에서 진동에 의해 공정 유체 유동에서 불안정성을 유도하는 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다.
상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 하나 이상의 외부 진동 드라이버를 포함하고, 여기서 각 외부 운동 드라이버는 공정 유체로 직접적으로 운동량을 부여하기 위해 작동가능한 장치에 연결된다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 제1 및 제2 외부 운동 드라이버를 동시에 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 부탄올 생산 공정의 또 다른 구현 예는 제1 및 제2 외부 운동 드라이버를 비동기로 작동시키는 단계를 포함한다.
온도 제어 시스템
온도 제어 시스템은 부텐 수화 반응 동안 적절한 온도를 유지하도록 내부 배플 단일 패스 반응기의 외부에 온도-변경 유체를 이송시킨다. 상기 내부 배플 단일 패스 반응기에서 온도를 유지하는데 유용한 온도 제어 시스템의 예로는 열교환기, 냉각 재킷, 및 송풍기를 포함한다. 유용한 온도-변경 유체의 예로는 물, 에틸렌 글리콜 및 공기를 포함한다. 온도-변경 유체의 강제 대류는 통상적이다.
분리 시스템
상기 부탄올 생산 시스템은 미가공 생산물로부터 혼합 부탄올, 혼합 부텐 및 물을 분리하도록 작동가능한 분리 시스템을 포함한다.
부탄올 생산 시스템은 부텐-없는 미가공 생산물 및 회수된 혼합 부텐을 생산하기 위해 상기 미가공 생산물로부터 혼합 부텐을 선택적으로 분리하도록 작동한다. 상기 회수된 혼합 부텐은 반응물 피드로서 상기 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입 및 부탄올 생산 시스템에 의한 재순환에 유용하다. 미반응 혼합 부텐의 재순환은 부텐 공정 효율을 개선시킨다.
상기 부탄올 생산 시스템은 물-없는 미가공 생산물을 생산하기 위해 미가공 생산물로부터 물을 선택적으로 분리하도록 작동한다. 상기 회수된 물은 반응물 피드로서 상기 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입 및 상기 부탄올 생산 시스템에 의한 재순환에 유용하다. 상기 물은 또한 시스템 퍼지의 일부로서 처분될 수 있다.
상기 부탄올 생산 시스템의 구현 예는 상기 미가공 생산물로부터 부텐 수화 촉매를 개별적 선택적으로 분리하도록 작동한다. 사이클론 분리 시스템은 상기 미가공 생산물에 원심분리 힘을 유도하여, 경질 생산물로부터 중질 액체 및 고체의 분리를 유발시킨다. 사이클론 분리 시스템은, 고체, 불균질 촉매가 특히 유용한데, 이는 고체가 각 (angular) 운동량의 적용시 잔여 액체로부터 쉽게 분리되기 때문이다. 인라인 여과 (In-line filtration)는 또한 상기 미가공 생산물로부터 고체를 제거하는 유사 임무를 수행할 수 있어, 상기 고체를 여과 표면으로부터 이들 자체의 중량 하에서 축적시키고 없애는 것을 허용한다. 기화기 (Vaporizers)는 상기 미가공 생산물의 일부가 증기를 형성하도록 미가공 생산물에 열을 도입할 수 있다. 박-막 증발기를 포함하는, 증발기는, 미가공 생산물의 일부로부터 고체 및 고온 비등 생산물을 분리할 수 있고, 낮은 작동 압력에서 증기 상태를 달성할 수 있다. 상기 수화 촉매 및 어떤 다른 고체 또는 회수된 매우 중질의 액체는 회수 또는 처분하기 위해 상기 부탄올 생산 시스템의 밖으로 통과할 수 있다.
공비첨가 유체 (entraining fluid)는 미가공 생산물로부터 부탄올을 선택적으로 추출하는데 유용하다. 상기 미가공 생산물은 약간 양의 물을 포함하고, 그래서 물로부터 쉽게 분리가능하고, 혼합 부탄올이 물과 비교하여 준비된 친화도를 갖는 수-비혼화성 유기 화합물은 추출을 수행하는데 유용하다. 대기압에서 혼합 부탄올 보다 더 낮은 증류 비등점을 갖는 공비첨가 유체는 또한 이것이 상대적으로 비실용적인 혼합 부탄올로부터 상기 공비첨가제를 분리시킴에 따라 유용하다. 유용한 공비첨가 유체의 예로는 펜탄, 헥산, 헥센, 사이클로헥산, 벤젠, 톨루엔, 크실렌 및 이의 혼합물을 포함한다.
상기 미가공 생산물에서 물과 비혼화성인, 희박 공비첨가제 유체의 도입은, 상기 미가공 생산물을 두 개의 상: 공비첨가제를 포함하는, 부탄올-풍부 유기 상, 및 저-부탄올 수성 상으로 분리시킨다. 부탄올 추출탑은 공비첨가제 상으로부터 수 상을 분리시킬 수 있다. 도 1은 생산수 (112)로서 통과하는, 저 부탄올인 수 상, 및 부탄올 분리탑 (186)으로 통과하는, 부탄올 풍부의 공비첨가제 및 부탄올 혼합물을 생산하는 부탄올 추출탑 (184)를 나타낸다. 다른 정제 시스템 공정은 상기 부탄올-풍부 공비첨가 유체를 정제 혼합 부탄올 및 희박 공비첨가 유체로 전환시킨다.
투과증발 막은 상기 미가공 생산물로부터 혼합 부탄올을 직접 분리시킬 수 있다. 투과증발 막을 포함하는 부탄올 생산 공정은 혼합 부탄올을 선택적으로 과증발시키고, 물을 선택적으로 과증발시키지 않는다. 상기 과증발은 응축될 수 있고, 정제된 혼합 부탄올을 형성하기 위해 증류될 수 있는 증기 같은 혼합 부탄올이다. 상기 투석유물은 약간의 혼합 부탄올을 함유하는 거의 물을 포함하는 액체이다. 정제 시스템의 이러한 분류로부터 투석유물은 원하는 부탄올을 재포획할 뿐만 아니라 재사용을 위해 물을 보존하여 재사용하는데 유용하다.
지지 장비
구현 예는 원하는 장치, 공정, 방법 및 시스템을 가능하게 하고, 작동가능하게 만드는 많은 부가적인 표준 성분 및 장비를 포함한다. 기술분야의 당업자에게 알려진 이러한 표준 장비의 예로는 열교환, 펌프, 송풍기, 리보일러 (reboilers), 스팀 발생, 응축 조작, 막, 단일 및 다-단계 압축기, 분리 및 분획 장비, 밸브, 스위치, 제어기 및 압력-, 온도-, 레벨-, 및 유동-센싱 장치를 포함한다.
공정 또는 방법의 부분 또는 전체 단계의 작동, 제어 및 실행은 사람의 상호작용, 예비-프로그램 컴퓨터 제어 및 반응 시스템, 또는 이의 조합을 통해 일어날 수 있다.
부탄올 생산 시스템의 작동
부텐 수화 촉매는 내부 배플 단일 패스 반응기의 작동 조건의 공정 유체에서 혼합 부탄올로 혼합 부텐을 선택적으로 전환하도록 작동한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 내부 배플 단일 패스 반응기에서 공정 유체의 온도가 약 80 ℃ 내지 약 150 ℃의 범위로 유지되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 내부 배플 단일 패스 반응기에서 공정 유체의 온도가 약 100 ℃ 내지 약 120 ℃의 범위로 유지되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 내부 배플 단일 패스 반응기에서 공정 유체의 압력이 약 5 bars 내지 약 70 bars의 범위로 유지되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다.
액체 또는 임계 유체 상태, 또는 둘의 조합에서, 상기 혼합 부탄올, 또는 약간의 혼합 부탄올의 성분을 유지하는 것은 내부 배플 단일 패스 반응기에서 혼합을 향상시킬 수 있다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 내부 배플 단일 패스 반응기에서 상기 공정 유체의 온도 및 압력을 상기 혼합 부텐이 액체 상태에 있는 범위에서 유지되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 내부 배플 단일 패스 반응기에서 상기 공정 유체의 온도 및 압력을 혼합 부텐이 초임계적 상태에 있는 범위에서 유지되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다.
상기 내부 배플 단일 패스 반응기 내에 발생하는 개선된 혼합은 표준 고정 부피 반응기 시스템보다 물질의 더 많은 처리를 허용한다. 상기 부탄올 생산 공정의 구현 예는 내부 배플 단일 패스 반응기에서 상기 공정 유체의 체류 시간이 약 0.1 시간 내지 약 0.2 시간의 범위로 유지되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 더 낮은 체류 시간은 반드시 덜 유용한 2-부텐으로 이성질화를 유발할 수 있는 온도에 1-부텐의 노출을 최소화시키는 더 빠른 공간 속도를 보장하여야 한다.
실시 예
특별한 구현 예의 실시 예들은 부탄올 생산 시스템 및 공정의 이해를 더욱 가능하게 한다. 본 실시 예들은 본 발명의 범주를 제한 또는 한정하지 않는다.
실시 예 1-4 및 비교 예 1-4
진동 배플 반응기 (OBR)는 다섯 개의 실시 예 혼합물 (1-4)을 가공처리한다. 오토클레이브 반응기는 다섯 개의 비교 예 혼합물 (1-4)를 가공처리한다. 각 실시 예들은 유사한 물:1-부텐 몰 값 비 및 촉매:1-부텐의 상대적인 관계식의 비교 예를 갖는다. 예를 들어, 실시 예 1은 비교 예 1과 비교가능하고, 실시 예 2는 비교 예 2와 비교가능하며, 기타 등등이다. 표 1은 실시 예 1-4 및 비교 예 1-4의 조성물을 나타낸다. 도입된 1-부텐, 물 및 총 부피는 밀리리터 (mL)이다. 몰 비는 무가치한 수 (valueless number)이다.
각 실시 예 및 비교 예를 처리하기 위하여, 각 실시 예 또는 비교 예에 대한 부텐 수화 촉매 (D008; KaiRui Chemical Co. Ltd.; Hebei City, China) 및 물의 양은 지정된 반응기 형태 (OBR; 오토클레이브)로 도입된다. 질소 압력하에서 소정의 1-부텐은 개별 실험을 위해 지정된 반응기 타입으로 도입된다. 반응기를 밀봉 즉시, 상기 반응기는 작동 온도 (100 - 110 ℃)로 가열된다. 상기 오토클레이브 반응기에서 실험을 위하여, 가열 재킷은 실험 내내 작동 온도를 유지시킨다. 상기 OBR에서 실험을 위하여, 고온 실리콘 오일 욕조는 작동 온도를 유지시킨다. 반응 시간은 오토클레이브 및 OBR 모두에서 1 시간 동안 소요된다. 실시 예의 처리 동안, 상기 OBP 반응기는 3 Hertz (Hz) 주파수 및 30 밀리미터 진폭 (amplitude)에서 실시 예 조성물을 혼합하는 반면, 상기 오토클레이브는 분당 200 회전의 속도 (RPM)로 각 비교 예 조성물을 교반시킨다. 두 반응기는 상기 조성물을 혼합시켜 비혼화성 반응물의 균질한 혼합물을 형성한다. 1 시간 후, 각 타입의 반응기는 블렌딩을 멈추고, 실온으로 냉각시키며, 미반응 1-부텐을 배출시킨다. 각 실시 예 및 비교 예에 대한 액체 생산물의 분석은 존재하는 2-부탄올의 양 및 1-부텐의 전환 효율을 결정하는 것을 돕는다.
표 1은 유사한 공정 조건 (즉, 온도, 시간, 피드 조성물)하의 상기 OBR 및 오토클레이브 반응기에서 실시 예 및 비교 예 피드 조성물을 가공처리한 결과를 나타낸다. 모두 네 개의 실행에 대하여, 중량 퍼센트의 양 및 1-부텐 전환 몰 퍼센트 모두는 오토클레이브-처리된 물질보다 OBR-처리된 물질이 더 높다.
실시 예 1-4 및 비교 예 1-4 실행
OBR 실행 오토클레이브 실행
조건 단위 실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 비교 예 1 비교 예 2 비교 예 3 비교 예 4
수화 촉매 D008 grams 10.0 7.5 5.0 2.5 5.0 3.8 2.5 1.3
도입된
1-부텐		 mL 40.0 30.0 20.0 10.0 20.0 15.0 10.0 5.0
도입된 H2O mL 8.0 12.0 40.0 40.0 4.0 6.0 20.0 20.0
몰 비
H2O:1-부텐		 --- 1.0 2.1 10.4 20.7 1.0 2.1 10.4 20.7
도입된
총 부피		 mL 48.0 42.0 60.0 50.0 24.0 21.0 30.0 25.0
총 생산 중량의 Sec-부탄올
wt.%
93
50
23
10
32
31
12
5
1-부텐
전환율		 mol.% 22 24 55 48 8 15 29 24
표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 모든 OBR 실험 실행은 비교 오토클레이브 예 실행에 비교하여 더 높은 1-부텐 전환율을 나타낸다.
도 4는 진동 배플 반응기 (실시 예) 및 오토클레이브 반응기 (비교 예)에 대한 몰 퍼센트로 부탄올로 부텐의 전환 대 도입된 물: 1-부텐의 몰 비를 그래프로 나타낸다. 도 4는 반응기에 도입된 몰 비 대 결정된 1-부텐 전환율의 표 3으로부터 데이터의 그래프이다. 각 세트의 정보 (실시 예 및 비교 예)에 대한 데이터는 Microsoft Excel 2010 (Redmond, Wash.)을 사용하여 2차 다항식 (second-order polynomial)을 사용하여 맞춘 곡선이다.
도 4는 또한 물:1-부텐의 도입된 몰 비와 함께 1-부텐의 몰 퍼센트 전환율 사이의 2차 다항 관계식을 나타낸다. 상기 OBR에 대하여, 결정된 2차 관계식은 0.99 초과의 R2 값으로 잘 맞춰진다. OBR 실험 실행을 위한 2차 다항식은 하기 수학 식 1로 제공된다:
[수학 식 1]
MCRC4 =/ BtOH = -0.002173*(MRH2O : C4 =)2 + 0.061323*MRH2O : C4 = + 0.14264,
여기서 MCRC4 =/ BtOH은 몰 퍼센트로 1-부텐의 부탄올로의 몰 전환율이고, MRH2O:C4=은 도입된 혼합물에서 물 대 1-부텐의 몰 비이다. 수학 식 1은 약 1 내지 약 21의 몰 비 범위에 대해 결정된다.
부가적으로, OBR 실험 실행 (실시 예 1-4)에 대한 전체 몰 전환율 값은 부탄올로 1-부텐의 몰 전환율을 평가하기 위한 유용한 두 개의 2차 다항 관계식 사이에 맞춘다. 수학 식 1과 유사한, 두 개의 수학 식은 "Poly. (Low)" 및 "Poly. (High)"인 파선들로 도 4에서 그래프로 나타낸다. 수학 식 2 및 3은 실시 예들의 몰 비 범위에 대한 실시 예 1-4의 몰 전환율 값을 감싼다:
[수학 식 2]
EMCRC4 =/ BtOH = -0.002173*(MRH2O : C4 =)2 + 0.061323*MRH2O : C4 = + 0.045
[수학 식 3]
EMCRC4 =/ BtOH = -0.002173*(MRH2O : C4 =)2 + 0.061323*MRH2O : C4 = + 0.24028,
여기서 EMCRC4 =/ BtOH는 몰 퍼센트로 1-부텐의 부탄올로의 평가된 몰 전환율이고, MRH2O:C4=은, 약 1 내지 약 21의 범위인, 도입된 혼합물에서 물 대 1-부텐의 몰 비이다. 상기 부탄올 생산 방법의 구현 예는 몰 퍼센트로 1-부텐의 부탄올로의 몰 전환율이 수학 식 2 및 3에 의해 결정된 대로의 평가된 몰 전환율 값의 범위 내에 있도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 부탄올 생산 방법의 구현 예는 몰 퍼센트로 1-부텐의 부탄올로의 몰 전환율이 수학 식 2에 의해 결정된 대로의 평가된 몰 전환율 값을 대략 초과하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 부가적으로, 수학 식 1-3과 유사한, 둘 이상의 수학 식은 "Poly. (MedLow)" 및 "Poly. (MedHigh)"인 파선들로서 도 4에 그래프로 나타낸다. 수학 식 4 및 5는 수학 식 1에 가깝고 및 수학 식 2 및 3 사이의 실시 예들의 몰 비 범위에 대한 실시 예 1-4의 몰 전환율 값을 감싼다:
[수학 식 4]
EMCRC4 =/ BtOH = -0.002173*(MRH2O : C4 =)2 + 0.061323*MRH2O : C4 = + 0.09382
[수학 식 5]
EMCRC4 =/ BtOH = -0.002173*(MRH2O : C4 =)2 + 0.061323*MRH2O : C4 = + 0.19146,
여기서 EMCRC4 =/ BtOH는 몰 퍼센트로 1-부텐의 부탄올로의 평가된 몰 전환율이고, MRH2O:C4=은, 약 1 내지 약 21의 범위인, 도입된 혼합물에서 물 대 1-부텐의 몰 비이다. 상기 부탄올 생산 방법의 구현 예는 몰 퍼센트로 1-부텐의 부탄올로의 몰 전환율이 수학 식 4 및 5에 의해 결정된 대로의 평가된 몰 전환율 값의 범위 내에 있도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다. 상기 부탄올 생산 방법의 구현 예는 몰 퍼센트로 1-부텐의 부탄올로의 몰 전환율이 수학 식 4에 의해 결정된 대로의 평가된 몰 전환율 값을 대략 초과하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 포함한다.
실시 예 5 및 비교 예 5
실시 예 1-4에서 사용된 OBR은 실시 예 혼합물 5를 가공처리한다. 비교 예 1-4에 대해 사용된 오토클레이브 반응기는 비교 예 혼합물 5를 가공처리한다. 실시 예 및 비교 예는 유사한 물:1-부텐 몰 값 비 및 촉매:1-부텐 부피 관계식을 갖는다. 표 2는 실시 예 5 및 비교 예 5의 조성물을 나타낸다. 도입된 1-부텐, 물 및 총 부피는 밀리리터 (mL)이다. 몰 비는 무가치한 수이다.
실시 예 5 및 비교 예 5의 공정은, 부텐 수화 촉매가 오르토인산 (H3PO4) (Sigma-Aldrich Corp.; St. Louis, Mo.)인 것을 제외하고는, 실시 예 1-4 및 비교 예 1-4에 대한 공정과 각각 비슷하다.
실시 예 5 및 비교 예 5 실행
　 　 OBR 실행 오토클레이브 실행
조건 단위 실시 예 1 비교 예 1
수화 촉매 H3PO4 grams 5.0 2.5
도입된 1-부텐 mL 20.0 10.0
도입된 H2O mL 20.0 10.0
몰 비 H2O:1-부텐 --- 5.2 5.2
도입된 총 부피 mL 45.0 20.0
총 생산 중량의 Sec-부탄올 wt.% 15 2
1-부텐 전환율 mol.% 18 2
표 2는 유사한 공정 조건 (즉, 온도, 시간, 조성물)하에서 OBR 대 오토클레이브 반응기에서 실시 예 및 비교 예 조성물을 처리한 결과를 나타낸다. 상기 실행에 있어서, 중량 퍼센트의 양 및 1-부텐 전환 몰 퍼센트 모두는 오토클레이브-처리 물질보다 OBR-처리 물질에 대해 더 높다. 산-수화 전환 촉매의 사용은 1-부텐을 수화시키기 위한 오토클레이브 반응기에 비해 유사한 공정 조건에 대하여 OBR의 사용의 우수성을 확인한다.

Claims (34)

  1. 물 및 혼합 부텐으로부터 정제된 혼합 부탄올을 생산하기 위한 부탄올 생산 시스템으로서:
    근위부 및 말단부 사이의 작동 길이 및 내부 벽에 의해 한정된 내부 유체 도관을 갖고,
    상기 내부 유체 도관의 작동 길이의 적어도 일부에 따라 한 벌의 내부 유동 배플을 가지며, 여기서 상기 한 벌의 내부 유동 배플 및 내부 벽은 한 벌의 배플 셀을 한정하며, 및
    물, 혼합 부텐 및 혼합 부탄올을 포함하는 공정 유체를 함유하고, 공정 유체 유동 경로를 따라 근위부로부터 말단부로 내부 유체 도관을 통해 공정 유체를 이송시키며, 상기 말단부로부터 미가공 생산물을 제공하도록 작동가능한,
    내부 배플 단일 패스 반응기;
    상기 내부 배플 단일 패스 반응기의 말단부에 유동적으로 연결되고, 미가공 생산물을 수신하고, 상기 미가공 생산물로부터 물 및 혼합 부텐을 개별적 선택적으로 분리되도록 작동가능하여, 정제된 혼합 부탄올이 생산되는 분리 시스템; 및
    상기 내부 배플 단일 패스 반응기의 근위부에 연결되고, 상기 내부 배플 단일 패스 반응기를 통해 공정 유체의 유체 유동에서 불안정성을 유도하도록 작동가능한 외부 운동 드라이버를 포함하는, 부탄올 생산 시스템.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 한 벌의 유동 배플은 내부 유체 도관의 전체 작동 길이를 따라 위치되는, 부탄올 생산 시스템.
  3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
    상기 외부 운동 드라이버는 3 Hertz의 주파수에서 진동에 의해 공정 유체 유동에서 불안정성을 유도하도록 작동가능한, 부탄올 생산 시스템.
  4. 청구항 1 내지 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부탄올 생산 시스템은 내부 배플 단일 패스 반응기로 선택적으로 분리된 혼합 부텐을 도입하도록 작동가능한, 부탄올 생산 시스템.
  5. 청구항 1 내지 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부탄올 생산 시스템은 내부 배플 단일 패스 반응기로 선택적으로 분리된 물을 도입하도록 작동가능한, 부탄올 생산 시스템.
  6. 청구항 1 내지 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 시스템은 미가공 생산물로부터 부텐 수화 촉매를 개별적 선택적으로 분리되도록 작동가능한, 부탄올 생산 시스템.
  7. 청구항 1 내지 6 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 시스템은 적어도 99 부피 퍼센트 혼합 부탄올의 순도를 갖는 정제된 혼합 부탄올을 생산하도록 작동가능한, 부탄올 생산 시스템.
  8. 청구항 1 내지 7 중 어느 한 항에 있어서,
    각 배플 셀은 불균일 부텐 수화 촉매를 함유하고, 여기서 상기 불균일 부텐 수화 촉매는 내부 배플 단일 패스 반응기의 작동 조건에서 공정 유체 내의 혼합 부텐을 혼합 부탄올로 선택적으로 전환하도록 작동가능한, 부탄올 생산 시스템.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 불균일 부텐 수화 촉매는 배플 셀을 한정하는 내부 벽 상의 배플 셀 내에 위치되는, 부탄올 생산 시스템.
  10. 청구항 8 또는 9에 있어서,
    상기 불균일 부텐 수화 촉매는 배플 셀 안쪽으로 향하는 내부 유동 배플의 측면 상의 배플 셀 내에 위치되는, 부탄올 생산 시스템.
  11. 청구항 8 내지 10 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 불균일 부텐 수화 촉매는 배플 셀의 다운스트림 배플의 유동 창을 통해 유동하는 상기 공정 유체가 불균일 부텐 수화 촉매를 접촉하도록 상기 배플 셀 내에 위치되는, 부탄올 생산 시스템.
  12. 부탄올 생산 시스템을 사용하여 부텐 수화 촉매의 존재하에서 물 및 혼합 부텐의 조합으로부터 정제된 혼합 부탄올을 생산하는 방법으로서:
    상기 부탄올 생산 시스템의 내부 배플 단일 패스 반응기로 혼합 부텐, 물 및 부텐 수화 촉매를 도입하여 공정 유체를 형성시키는 도입 단계;
    상기 부탄올 생산 시스템을 작동시켜 상기 공정 유체는 내부 배플 단일 패스 반응기의 근위부로부터 말단부로 유동하고, 외부 운동 드라이버는 상기 공정 유체 유동에서 불안정성을 유도하며, 혼합 부텐 및 물의 반응은 혼합 부탄올이 형성되도록 부텐 수화 촉매의 존재하에서 일어나고, 및 분리 시스템은 정제된 혼합 부탄올이 형성되도록 미가공 생산물로부터 개별적 선택적으로 물 및 혼합 부텐을 분리시키는 작동 단계;
    여기서, 상기 부텐 수화 촉매는 내부 배플 단일 패스 반응기의 작동 조건에서 공정 유체 내의 혼합 부텐을 혼합 부탄올로 선택적으로 전환되도록 작동가능한, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 혼합 부텐은 1-부텐을 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 혼합 부텐은 1-부텐으로 필수적으로 이루어지는 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  15. 청구항 12 내지 14 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 부텐 수화 촉매는 균일 부텐 수화 촉매, 불균일 부텐 수화 촉매, 및 이의 조합으로 이루어진 군으로부터 선택되는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  16. 청구항 12 내지 15 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 외부 운동 드라이버는 3 Hertz의 주파수에서 진동에 의해 공정 유체 유동에서 불안정성을 유도하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  17. 청구항 12 내지 16 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 분리 시스템이 미가공 생산물로부터 부텐 수화 촉매를 개별적 선택적으로 분리하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하고, 여기서 분리된 부텐 수화 촉매는 불균일 부텐 수화 촉매인, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  18. 청구항 12 내지 17 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별적 선택적으로 분리된 혼합 부텐이 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  19. 청구항 12 내지 18 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 개별적 선택적으로 분리된 물이 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  20. 청구한 19에 있어서,
    상기 개별적 선택적으로 선택된 물은 균일 부텐 수화 촉매를 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  21. 청구항 12 내지 20 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 배플 단일 패스 반응기에서 공정 유체의 온도가 80 ℃ 내지 150 ℃의 범위를 유지하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  22. 청구항 12 내지 21 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 배플 단일 패스 반응기에 공정 유체의 압력이 5 bars 내지 70 bars의 범위를 유지하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  23. 청구항 12 내지 22 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 배플 단일 패스 반응기에서 공정 유체의 온도 및 압력이 혼합 부텐을 액체 상태의 범위로 유지되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  24. 청구항 12 내지 23 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 배플 단일 패스 반응기에서 공정 유체의 온도 및 압력은 혼합 부텐이 초임계적 상태의 범위를 유지되도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  25. 청구항 12 내지 24 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내부 배플 단일 패스 반응기에서 공정 유체의 체류 시간이 0.1 시간 내지 0.2 시간의 범위를 유지하도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  26. 청구항 12 내지 25 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 물 및 혼합 부텐은 물 대 1-부텐 몰비가 1 내지 21의 범위의 값을 갖도록 상기 내부 배플 단일 패스 반응기로 도입되는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  27. 청구항 26에 있어서,
    상기 1-부텐의 부탄올로의 몰 전환율이 -0.002173*(MRH2O : C4 =)2 + 0.061323*MRH2청구O: C4 = + 0.045 내지 -0.002173*(MRH2O : C4 =)2 + 0.061323*MRH2O : C4 = + 0.24028의 범위에서 몰 퍼센트 1-부텐의 값을 갖도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하며, 여기서 MRH2O : C4 =는 물 대 1-부텐 몰 비 값인, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  28. 청구항 26에 있어서,
    상기 내부 배플 단일 패스 반응기에 대한 1-부텐의 부탄올로의 몰 전환율이 적어도 -0.002173*(MRH2O : C4 =)2 + 0.061323*MRH2O : C4 = + 0.045의 몰 퍼센트 1-부텐의 값을 갖도록 상기 부탄올 생산 시스템을 작동시키는 단계를 더욱 포함하며, 여기서 MRH2O:C4=는 물 대 1-부텐 몰 비 값인, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  29. 청구항 12 내지 28 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 정제된 혼합 부탄올은 적어도 99 부피퍼센트 혼합 부탄올을 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  30. 부탄올 생산 시스템을 사용하여 부텐 수화 촉매 존재하에서 물 및 혼합 부텐의 조합으로부터 정제된 혼합 부탄올의 생산방법으로서:
    상기 부탄올 생산 시스템의 내부 배플 단일 패스 반응기로 혼합 부텐 및 물을 도입시켜 공정 유체를 형성시키는 도입 단계;
    상기 부탄올 생산 시스템을 작동시켜 상기 공정 유체는 내부 배플 단일 패스 반응기의 근위부로부터 말단부로 유동하고, 외부 운동 드라이버는 상기 공정 유체 유동에서 불안정성을 유도하며, 혼합 부텐 및 물의 반응은 혼합 부탄올이 형성되도록 부텐 수화 촉매의 존재하에서 일어나고, 및 분리 시스템은 정제된 혼합 부탄올이 형성되도록 미가공 생산물로부터 개별적 선택적으로 물 및 혼합 부텐을 분리시키는 작동 단계;
    여기서, 상기 불균일 부텐 수화 촉매는 각 배플 셀에 위치되고, 상기 내부 배플 단일 패스 반응기의 작동 조건에서 공정 유체 내의 혼합 부텐을 혼합 부탄올로 선택적으로 전환하도록 작동가능한, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  31. 청구항 30에 있어서,
    상기 혼합 부텐 및 물의 반응은 유동 배플의 측면 상의 각 배플 셀에서 일어나는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  32. 청구항 30 또는 31에 있어서,
    상기 혼합 부텐 및 물의 반응은 내부 벽을 따라 각 배플 셀에서 일어나는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  33. 청구항 30 내지 32 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 혼합 부텐 및 물의 반응은 다운스트림 유동 창에 근접한 각 배플 셀에서 일어나는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
  34. 청구항 30 내지 33 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 방법은 상기 내부 배플 단일 패스 반응기로 균일 부텐 수화 촉매를 도입하는 단계를 더욱 포함하는, 정제된 혼합 부탄올의 생산방법.
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