KR20160077337A - 탈수소화 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응기 상단에서 반응기 하우징의 외벽을 지나서 촉매층을 통과하고 최종 반응기 내부를 거쳐서 반응기 하부로 배출되도록 구조로 갖는 촉매 탄화수소 공정을 진행하기 위한 탈수소화 반응장치에 관한 것으로, 본 발명의 반응기에 의하면 반응기 상부와 하부의 유동 속도 차이를 최소화하고, 반응기 내의 불용 공간을 최소화할 수 있어, 공정 원단위에 유리한 탈수소화 반응기에 관한 것이다.

Description

탈수소화 반응기{DEHYDOGENATION REACTOR}

본 발명은 다양한 탄화수소 원료의 탈수소화에 유용한 탈수소화 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반응기 상단에서 반응물이 벽면을 지나서 촉매층을 통과하고 생성물이 반응기 하부에서 배출되는 구조의 반응기 내에서의 유속 편차 및 불용 공간을 최소화하여 생산성을 향상시킬 수 있는 탈수소화 반응기에 관한 것이다.

프로판을 프로필렌으로, 이소부탄을 이소부텐으로 탈수소화(dehydrogenation)하는 것과 같은 탈수소화 반응은 탈수소화에 이용되는 고온에서 특히, 알칸 원료보다 반응성이 강하고 코크 형성이 쉬운 올레핀을 생성한다. 반응기 또는 하류 장치에서 코크 형성은, 추가적 코크 형성 및 메탄 형성과 같은 반응들을 유발하는 반응기 압력 증가 및 막힘을 야기하여, 다시 유용한 생성물 수율을 감소시키고 코크 제거를 위한 장치의 가동중단을 야기할 수 있다.

탈수소화 반응은 매우 흡열성이고 촉매층(catalyst bed)으로 많은 양의 열 전달을 요구한다. 올레핀 생성물이 추가로 반응하여 코크를 생성하는 것을 방지하기 위하여는 보다 짧은 체류 시간이 바람직하나, 종래 시스템에서는 올레핀 생성 속도의 증가가 반응기의 흡열 부담을 증가시키고 온도를 훨씬 빨리 낮춰 생성물 수율을 낮추며, 보다 짧은 사이클 시간 또는 추가적인 단계간 가열을 요구하므로 실용적이지 않은 문제가 있어 상업적으로 유용한 선택도나 전환율을 얻을 수가 없다.

탈수소화 반응기는 직경이 약 5에서 30 피트 이상, 길이는 10에서 100 피트 이상으로 매우 큰 규모의 긴 원주형 수직 구조물이다. 그러한 반응기의 일반적인 구조는 수직 반응기의 하부 중심에 위치한 입구에 반응 가스를 주입할 수 있는데, 이때 가스는 환상 구역을 통해 흘러 올라가, 다공성 촉매층 또는 다른 적절한 탈수소 촉매를 통해 방사상으로 외향하여 통과한 후 반응기 외곽부의 상부에서 배출되도록 외부 환상 구역을 통해 상향하여 통과한다. 촉매층을 지나는 반응 가스 유동이 방사 방향이기 때문에, 이러한 반응기들은 종종 "방사(radial)" 반응기로 불린다.

또한, 이러한 반응기는 세로 또는 축상의 유동이 방사상이나 가로 유동으로 변환하고 그런 다음 다시 세로의 유동으로 돌아오는, 반응기의 연장된 수직 길이를 지나는 유동 특성 때문에, 상부에서 하부까지의 촉매층을 지나는 유속은 통상적인 반응 하우징에서 광범위하게 변하므로, 가장 빠른 유속을 갖는 반응기의 영역에서는 촉매 수명이 줄어들게 된다. 이와 같이 촉매층 상에서의 불균일한 유체 유동 속도는 촉매의 수명을 크게 단축시키고 촉매 재생산을 위한 반응기의 일시 정지를 평소 기대한 것 보다 훨씬 앞당긴다.

미국특허 제6,472,577호는, 도 1에 도시된 바와 같은, 중앙 부분의 원추형의 플러그 분배기로 촉매층 상하부 사이의 유체 분산을 행하는 구성의 탈수소화 반응기를 개시하고 있다. 그러나 이러한 탈수소화 반응기에서는 유체의 유동 흐름이 반응기 하부에서 촉매층을 지나서 반응기 외벽으로 나오는 경로로 구성되어 있어, 반응기 상부와 하부의 유동 속도 편차가 심하여 촉매층을 원활하게 활용하는데 제약이 있고, 반응기 하부 공간을 반응 후 배출 통로로 이용하여 생성물이 불필요하게 장시간 고온에 노출되어 공정 원단위를 증가시키는 문제가 발생하여, 이에 대한 개선이 요구되어 왔다.

본 발명의 목적은 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 본 발명의 하나의 목적은 반응기 상부와 하부의 유체 유동 속도 편차를 최소화하고, 반응기 내부에서의 유체의 흐름을 원활하게 하여 반응기 내 체류 시간을 개선하여 공정 원단위를 개선하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 다른 목적은 반응기 내의 불용 공간을 최소화하여 공정 원단위를 감소시켜 반응기 효율을 극대화하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은

반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구, 및 상기 반응기 내부로부터 생성물을 배출하는 반응기 유출구를 포함하는 긴 하우징;

상기 하우징 내부에 수용되고, 촉매 입자의 촉매층을 유지하여 환상 반응 영역을 한정하는 다공체로 구성된 내부 및 외부 스크린;

상기 하우징의 외벽과 상기 외부 스크린 사이에 배치되고, 천공된 표면을 통해서 유체를 균일하게 분배하는 가스분산관; 및

상기 가스분산관 및 반응기 중심 사이에 생성된 배출 가스를 균일하게 수집하는 배출 분배기(distributor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기에 관한 것이다.

상기 가스분산관은 정면 또는 정면과 측면에 다수의 기공이 형성된 다공판 구조이고, 반응기 하단으로 갈수록 단면 직경이 감소하도록 구성된다.

본 발명의 반응기에서 상기 분배기는 촉매층에서의 반응에 의해서 생성된 배출 가스를 균일하게 수집하여 반응기 하단의 회수 라인으로 전달하도록 구성된다.

본 발명의 탈수소화 반응기에 의하면 반응기 상부와 하부의 유동 속도 편차를 최소화함으로써 촉매층을 고루 활용할 수 있도록 하고, 반응기내 체류 시간을 감소시켜 선택도 및 생산성을 향상시킬 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예의 탈수소화 반응기에 의하면 반응기 유입부와 유출부 모두에 가스 분산 기술을 활용하여 촉매 층 상/하, 및 내부층/외부층에서 유속 변차를 최소화하여, 촉매층을 고루 활용할 수 있도록 하여 반응 성능을 극대화할 수 있다.

또한 본 발명의 탈수소화 반응기에 의하면 환상 반응 영역으로 들어가는 촉매 온도를 효율적으로 제어할 수 있어서, 고온 가스 노출에 의한 촉매 손상을 최소화하여 반응의 효율과 수율을 향상시킬 수 있다.

더욱이 본 발명에 의하면 반응기 하부를 반응 공간과 격리하여, 반응기 내의 불용 공간을 최소화하여 공정 원단위를 감소시켜 반응기 효율 및 생산성을 극대화할 수 있다.

도 1은 종래의 탈수소화 반응기의 개략단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화 반응기의 개략단면도이다.
도 3a-b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화 반응기의 원통형 가스분산판의 개략사시도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화 반응기의 가스분산관의 개략사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화 반응기의 배출 분배기의 하단부의 개략단면도이다.

본 발명을 첨부 도면에 의거하여 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명에서 사용되는 용어는 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어를 선택하였으나, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있는데, 이 경우에는 단순한 용어의 명칭이 아닌 발명의 상세한 설명 부분에 기재되거나 사용된 의미를 고려하여 그 의미가 파악되어야 할 것이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 나타낸다.

첨부된 도면들이 본 발명의 탈수소화 반응기의 특정 형상을 기술하고 있다 하더라도, 이러한 탈수소화 반응기는 특별한 응용에서 행해지는 특정 환경에 적합한 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이후에 설명되는 구체적 실시예로 본 발명의 광범위한 적용을 제한하지 않는다. 더욱이, 도면의 숫자는 본 발명의 탈수소화 반응기의 간단한 개략도를 나타낸 것으로 주요 구성요소만 나타내었다. 기타 펌프, 가동관, 밸브, 헤치, 엑세스 출구, 및 다른 유사한 구성 요소들은 생략하였다. 설명된 탈수소화 반응기를 변경하기 위해 이러한 구성요소들을 이용하는 것은 당업자에게 공지되어 있으며, 첨부된 청구범위의 범주 및 정신을 벗어나지 않는다.

본원에서 용어 "유체"는 기체, 액체, 또는 분산된 고체를 함유하는 기체 또는 액체이거나 이들의 혼합물을 의미한다. 유체는 분산된 액적(droplet)을 함유하는 기체 형태일 수 있다.

본원에서 용어 "반응 영역"은, 반응물이 촉매층 상의 촉매와 접촉하는 탈수소화 반응기 내의 공간을 의미한다.

본 발명에서 "스크린"이란 용어는 촉매층을 가로지르는 반응물 스트림의 유동은 허용하면서 촉매층에 촉매를 한정시키는데 적합한 수단을 포함하는 광범위한 의미를 갖고 있다.

기존의 반응기에서는 가스분산관내 반응기 상부에서 파이프 라인을 통하여 가스 퍼지를 하는 구조이나, 본 발명의 탈수소화 반응기는 반응기 하부에서 가스를 주입하여 반응기 하부를 단독으로 가스를 퍼지하는 구조이다. 반응기 하부(18) 공간을 수소로 퍼지하여 공기 유입에 의한 반응기 내부 손상을 방지 위하여 수소 퍼지가스 주입부(16)에 수소를 주입하여 반응기 하부(18)를 거쳐서 수소 퍼지가스 배출부(17)를 통하여 배출되는 구조이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예의 탈수소화 반응기가 개략적으로 도시되어 있다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예의 탈수소화 반응기는 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구(21), 및 상기 반응기 내부로부터 생성물을 배출하는 반응기 유출구(70 )를 포함하는 긴 하우징(20); 상기 하우징 내부에 수용되고, 촉매 입자의 촉매층을 유지하여 환상 반응 영역(25)을 한정하는 다공체로 구성된 내부 스크린(23) 및 외부 스크린(24); 상기 하우징(20)의 외벽과 상기 외부 스크린(24) 사이에 배치되고, 천공된 표면을 통해서 유체를 균일하게 분배하는 가스분산관(40); 및 상기 가스분산관(40) 및 반응기 중심(50) 사이에 생성된 배출 가스를 균일하게 수집하는 배출 분배기(distributor)(60)를 포함한다.

본 발명의 탈수소화 반응기는 긴 원통형의 하우징(20)을 포함하며, 이러한 하우징(20)은 하우징(20)의 상부에 배치된 유입구(21)와 반응로 중심(50)의 하단에 배출 분배기(60)와 유체 연통되도록 반응기 하부에 배치된 반응기 유출구(70)를 포함한다. 촉매층을 포함하는 환상 반응 영역(25)를 한정하는 원통형 내부 및 외부 스크린(23, 24)이 가스분산관(40)와 배출 분배기(60)의 사이에 배치된다.

본 발명의 일 실시예의 탈수소화 반응기는 중력 스트림에 의해 탈수소화 반응기를 통하여 환형 베드로서 이동 가능한 촉매 입자들과 반응물 스트림을 방사상 스트림으로 접촉시키는 탈수소화 반응기로 구성된다.

도 2를 참조하면, 탈수소화 반응기는 외부의 원통형 하우징(20)으로 구성되고 이에 수용되는 촉매층이 포함된 환상 반응 영역(25)은 서로 방사상으로 일정한 간격을 두고 있으며 중앙의 배출 분배기(60)에 의하여 분리되어 있다.

상기 하우징(20)의 반응 영역의 상부에는 상기 환상 반응 영역(25)의 상부에 위치하며, 촉매층 주위의 공간과 열린 상태로 연결되어 있는 촉매 유입부(10)를 포함한다. 이러한 촉매 유입부(10)는 환형 반응 영역의 촉매층에 촉매를 공급한다. 촉매 입자(11)는 하우징(20)의 상단의 촉매 유입부(10)로부터 하우징(20)의 상부 부분 안으로 개방되는 하나 이상의 유입로를 통과하여 하우징(20)의 상부 부분 안의 환상 반응 영역(25)의 촉매층으로 유입되고, 소비된 촉매는 환상 반응 영역(25)의 촉매층의 하부 부분에 위치되는 다수의 촉매 배출관(27)을 통하여 배출된다.

상기 촉매 유입부와 반응기 상부 사이에는 환상 디스크 타입의 촉매 열처리부(13 )가 설치되어, 촉매 온도 승온 시 효율적으로 온도를 제어할 수 있다.

본 발명의 탈수소화 반응기에 의하면 반응기 상부와 하부에서의 촉매 유동 속도 편차를 최소화하여, 촉매를 고르게 사용하여 촉매의 수명을 연장하고 반응 효율을 향상시킬 수 있다.

촉매층의 내외부에 형성되는 내부 및 외부 스크린(23, 24)은 유동 저항이나 큰 압력 강하 없이 유체 유동 스트림이 통과할 수 있을 정도로 크나 이에 수용된 촉매 입자(11)는 통과하지 못하고 수용된 상태에 놓일 수 있을 정도로 작은 메쉬 크기를 갖는 스크린 또는 다공체로 구성된다.

이러한 많은 스크린들은 공지되어 있으며, 환상 반응 영역(25)을 통해서 내려가는 촉매 입자들이 약하기 때문에, 이러한 내부 및 외부 스크린들(23, 24)은 촉매 손상을 감소시키도록 설계하는 것이 바람직하다. 대안으로, 내부 및 외부 스크린들(23, 24)은 펀치판, 다공판 또는 다공 파이프들을 포함할 수 있다. 다공판의 기공은 원형, 정방형, 직사각형, 3각형, 좁은 수평 또는 수직 슬롯 등의 형태로 구성된다. 본 발명에 사용되는 스크린들은 원통형 스크린들로만 제한되는 것이 아니다. 더욱이 상기 스크린들은 원통형과 같은 촉매 입자 보유 구조를 형성하기 위해 서로 연결된 일군의 평면판을 포함한다.

상기 반응기는 하우징(20)의 외벽과 외부 스크린(24)의 사이에 가스분산관(40)을 포함한다. 가스분산관 (40)은 스크린과 접하는 면이나 측면에 유체의 유동을 위해 다수의 통기공(41)이 형성된 천공 구조를 포함한다. 가스분산관(40)은 도 4에 도시되어 있는 바와 같이, 가스가 배출되는 하부가 반응기 중심쪽으로 경사진 테이퍼면(42)을 포함하여, 반응기 하부로 갈수록 단면 직경이 감소하는 감폭부로 구성된다. 가스분산관(40)은 반응기 중심(50)의 천공된 표면에 전체에 걸쳐 상하로 균일한 방식으로의 유체 분배를 제공하게 된다. 이러한 가스분산관(40)은 반응물의 고온 체류 시간을 감소시킴으로써 공급물의 비선택적 열 분해를 감소시켜 선택도를 향상시킬 수 있다.

배출 분배기(60)는, 도 5에 도시되어 있는 바와 같이, 내부 스크린(23)과 반응기 중심(50) 사이에 배치되며, 반응 후 배출되는 가스를 균일하게 수집한다. 배출 분배기(60)는 생성물의 고온 체류 시간을 감소시킴으로써 생성물의 비선택적 열 분해를 감소시켜 선택도를 향상시킬 수 있다.

다른 실시예에서, 본 발명의 탈수소화 반응기의 상부에는 원통형 가스 분산판이 설치된다. 도 3a-b는 본 발명의 일 실시예에 따른 탈수소화 반응기의 원통형 가스분산판(30)의 개략사시도이다. 원통형 가스분산판(30)은 가운데에는 가스분산관(50)과 연결되는 공동부(32)를 포함하는 도넛 모양의 구조체로, 이러한 원통형 가스분산판(30)의 일측에는 노즐(31)이 배치되어 있는데, 노즐(31)은 원통형 가스분산판(30)의 측면에서 반응기 유입구(21)와 연통하도록 제공되어 있다. 또한 상기 원통형 가스 분산판(30)에는 가스를 통과시키기 위한 복수의 통기관(33)이 배치되어 있다.

반응물 가스는 원통형 가스분산판(30)의 통기관(33)을 거쳐서 환상 반응 영역(25)에 공급된다. 이와 같이 반응물 가스가 반응기의 가운데의 반응물 공급 통로로 주입될 수 있어 반응물 가스가 환상 반응 영역(25) 전체에 걸쳐서 균일한 방식으로 분산될 수 있다.

이러한 실시예에서 본 발명의 탈수소화 반응기에서 적당한 온도와 압력으로 처리될 탄화수소로 구성되는 반응기 공급물, 즉 반응물은 반응기 유입구(21)를 통하여 유입되고, 환상 반응 영역(25) 상부에 설치된 환상 가스분산판(30)에 의해 분산된 후, 탈수소화 반응기의 촉매층을 포함하는 환상 반응 영역(25)에 공급된다.

본 발명의 탈수소화 반응기에서, 기체 공급물은 반응기의 정상부를 통하여 들어가고 반응기의 외벽과 외부 스크린 사이에 위치되는 분산 구역에서 분산되고, 그 후 실질적으로 방사상의 방식으로 환상 반응 영역 내의 촉매상을 가로지른다. 촉매상을 가로지른 후에, 반응 생성물은 촉매를 유지하는 내부 스크린을 통하여 배출 분배기(60)에 수집된다.

이하에서 본 발명의 탈수소화 반응기에서의 탈수소화 반응에 대해서 설명한다. 도 2에서 보인 바와 같이, 탄화수소 반응물은 환상 반응 영역(25) 내의 촉매층을 통하여 방사상으로 통과하여 요구된 최종 생성물로 탄화수소가 탈수소화될 것이다.

촉매는 촉매 유입부(10)를 통해서 공급되고, 이 때 촉매 열처리부(13)에 의해서 온도가 제어된다. 촉매 열처리부(13)는 고온 환원가스 투입부(14)에 고온의 환원가스가 투입되어 촉매 열처리부(13)를 지나서 환원가스 배출부(15)를 지나서 환상 반응영역(25)을 통하여 반응기 유출구(70)를 거치면서 촉매 온도를 승온하는 구조이다. 반응기 유입구(21)를 통해서 유입된 반응물은 스크린 전단에 설치된 가스분산관(40)에 의해서 고르게 분산되어 촉매층에 공급되며, 열교환장치와의 접촉으로 반응기 중심에서 적당한 온도로 가열되며, 내벽을 지나 방사상으로 환상 반응 영역(25) 내의 촉매층을 통과함으로써 탄화수소로부터 요구된 최종 생성물로 탈수소화된다. 외부 스크린(24)을 통하여 촉매층으로부터 방사상으로 들어온 반응물 스트림은, 반응 후, 내부 스크린(23)을 통과한 후 배출 분배기(60)를 거쳐서 반응기 하부의 반응기 유출구(70)을 통해서 배출된다.

도 5는 반응기 중심(50)에 위치한 배출 분배기(60를 표시한 것으로 반응 유체가 촉매층을 지나서 내부 스크린(23)을 통과하고 배출 분배기(60)를 거쳐서 유출부(70)로 유체가 통과하게 된다. 이때 배출 분배기 구조가 종 모양 또는 상부가 바깥으로 튀어나온 서양 배 모양으로 되어 있어서 내부 스크린 상부가 하부보다 높은 압력이 걸리고 이를 통하여 전체 유량이 적은 상부는 유체가 느리게 지나게 하고 내부 스크린 하부는 낮은 압력이 걸려서 전체 유량이 많은 부분에 유체 흐름을 빠르게 하는 특징이 있다. 본 발명은 이러한 압력 분배를 통하여 내부 스크린(23)과 반응기 중심(50) 사이에 흐르는 유체의 속도를 반응기 축(axial 방향)으로 균일하게 하는 구조를 가지고 있다.

본 발명을 각종의 상세한 실시예와 관련하여 설명하였으나, 이의 각종 변형이 명세서를 읽은 당해 분야의 통상의 기술자들에게 명백할 것임을 이해하여야 한다. 따라서, 본원에 기술된 발명은 첨부된 청구의 범위의 영역 내에 속하는 것으로서 이러한 변형을 포함하는 것으로 의도된다.

10: 촉매 유입부 13: 촉매 열처리부
14: 고온 환원가스 투입부 15: 환원가스 배출부
16: 수소 퍼지가스 주입부 17: 수소 퍼지가스 배출부
18: 반응기 하부 20: 반응기 하우징
21: 반응물 유입구 23: 내부 스크린
24: 외부 스크린 25: 환상 반응 영역
30: 환형 가스분산판 40: 가스분산관
50: 반응기 중심 27: 촉매 배출관
60: 배출 분배기 70: 반응기 유출구

Claims (6)

1. 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구, 및 상기 반응기 내부로부터 생성물을 배출하는 반응기 유출구를 포함하는 긴 하우징;
   상기 하우징 내부에 수용되고, 촉매 입자의 촉매층을 유지하여 환상 반응 영역을 한정하는 다공체로 구성된 내부 및 외부 스크린;
   상기 하우징의 외벽과 상기 외부 스크린 사이에 배치되고, 천공된 표면을 통해서 유체를 균일하게 분배하는 가스분산관; 및
   상기 가스분산관 및 반응기 중심 사이에 생성된 배출 가스를 균일하게 수집하는 배출 분배기(distributor)를 포함하는 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 가스분산관은 정면 또는 정면과 측면에 다수의 기공이 형성된 다공판 구조이고, 반응기 하단으로 갈수록 단면 직경이 감소하도록 구성된 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 분배기는 촉매층에서의 반응에 의해서 생성된 배출 가스를 균일하게 수집하여 반응기 하단의 회수 라인으로 전달하는 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 탈수소화 반응기는 촉매 유입부에 연결되어, 촉매 온도를 조절하는 촉매 열처리부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
5. 제1항에 있어서, 상기 탈수소화 반응기는 촉매 유입부와 환상 반응 영역 사이에 공급 가스를 분산시키는 원형 분산판을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
6. 제1항에 있어서, 상기 반응기는 반응기 하단에 설치된, 반응 공간과 격리되어 수소 가스로 퍼지하여 상부로 재순환시키는 하부 가스 퍼지부를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 탈수소화 반응기.
   
   

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