KR20160131047A - 유동층 반응기 및 이것을 이용한 니트릴 화합물의 제조 방법 - Google Patents

유동층 반응기 및 이것을 이용한 니트릴 화합물의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

반응기의 내벽의 오목부에 촉매가 퇴적하는 것을 방지하여 장치의 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지한다. 나아가 반응기의 내벽의 오목부에 퇴적한 촉매의 외기 접촉에 의한 급격한 발열을 방지한다. 또한, 반응기 내부의 돌출부에 촉매 입자가 퇴적하는 것을 방지하여 장치의 재질 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지한다. 나아가 반응기의 돌출부에 퇴적한 촉매 입자의 외기 접촉에 의한 급격한 발열을 방지한다.

Description

유동층 반응기 및 이것을 이용한 니트릴 화합물의 제조 방법{FLUID BED REACTOR AND METHOD OF PRODUCING NITRILE COMPOUND USING SAME}
본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로, 상세하게는 그 내부에 있어서 촉매 입자의 퇴적이 방지된 유동층 반응기와, 이것을 이용하는 니트릴 화합물의 제조 방법에 관한 것이다.
유동층 반응기는 다양한 공업 반응에 이용되고 있다. 예를 들어 아크릴로니트릴 등의 니트릴 화합물은 프로필렌 등의 탄화수소의 암모산화법에 의해 공업적으로 제조되고 있다. 니트릴 화합물의 제조 방법으로서는 금속 산화물 촉매의 존재하 기상 산화 반응시키는 방법이 일반적으로 알려져 있다. 이 기상 산화 반응은 원료인 탄화수소와, 암모니아와, 공기 등의 산소 함유 가스를 반응기에 도입하고, 상기 금속 산화물 촉매의 존재하 암모산화 반응을 행하여 니트릴 화합물을 제조하는 것이 기재되어 있다(특허문헌 1, 특허문헌 2). 특허문헌 1, 2에서 사용하는 반응기는 유동층 반응기이고, 반응기의 내부에는 상기 촉매가 충전되고, 반응기의 내벽에는 점검을 위한 맨홀이나 열전대 온도계를 반응기 내에 삽입하기 위한 온도계 삽입 구멍 등의 크고 작은 다양한 크기의 오목부를 갖는 것이 일반적이다. 또한, 특허문헌 1, 2에서 사용하는 반응기 등의 유동층 반응기의 내부에는 상기 촉매가 충전되고, 빔, 서포트나 사이클론 상부 등의 반응기 내부의 돌출부를 갖는 것이 일반적이다.
유동층 반응기의 상기 오목부 및 상기 돌출부에는 상기 금속 산화물 촉매가 퇴적하기 쉽다.
반응기의 내부에서 오목부, 돌출부 등에 촉매가 퇴적하면, 제열이 잘 되지 않아 반응기 내에 핫 스팟(hot spot)을 발생시키고, 촉매 입자의 퇴적부의 반응기의 재질 열화, 노즐 등의 재질 부식을 야기하는 경우가 있었다. 또한, 촉매 입자가 퇴적함으로써 촉매 입자가 환원 열화를 일으키고, 목적으로 하는 반응 수율의 저하 등, 기상 산화 반응에 악영향을 미치는 경우가 있었다. 또한, 본 반응을 정지하고 맨홀 등의 상기 오목부 등을 개방했을 때, 퇴적한 촉매 입자가 외기에 접촉되면 급격한 산화 반응을 일으켜 발열하는 경우가 있었다.
상기 오목부 등, 공업 장치의 데드 스페이스를 없애는 일반적인 방법으로서는, 예를 들어 아크릴로니트릴의 공업적 제조 프로세스에 있어서 탈시안화수소산 탈수탑의 데드 스페이스(맨홀)에 중자(中子)를 넣는 것이 제안되어 있다(특허문헌 3). 특허문헌 3에서 사용하는 중자에 의해, 상기 데드 스페이스에 아크릴로니트릴 및 시안화수소산이 장시간 체류하여 중합을 일으키는 것을 방지할 수 있음이 기재되어 있다.
일본 특허 공개 제2005-193172호 공보 일본 특허 공개 제2006-247452호 공보 일본 특허 공개 제2007-39403호 공보
그러나, 특허문헌 3의 방법은 탈시안화수소산 탈수탑의 맨홀에 장치 내벽측으로부터 설치하는 중자에 대하여 어떤 것을 이용하는 것이 바람직한지, 어떻게 하면 적합하게 데드 스페이스를 없앨 수 있는지에 대해서는 구체적으로 개시되어 있지 않고, 범용적인 시사도 되어 있지 않았다. 이 때문에 유동층 반응기의 내벽의 오목부에 촉매가 퇴적하는 것을 방지하여 장치의 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지하기 위한 방책이 요구되고 있었다.
또한, 유동층 반응기의 내부의 돌출부에 촉매 입자가 퇴적하는 것을 방지하여 장치의 재질 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지하기 위한 방책이 요구되고 있었다.
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하고, 반응기의 내벽의 오목부에 촉매가 퇴적하는 것을 방지하여 장치의 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지하는 것을 목적으로 한다. 나아가 반응기의 내벽의 오목부에 퇴적한 촉매의 외기 접촉에 의한 급격한 발열을 방지하는 것을 목적으로 한다. 또한, 본 발명은 반응기 내부의 돌출부에 촉매 입자가 퇴적하는 것을 방지하여 장치의 재질 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지하는 것을 목적으로 한다. 나아가 반응기의 돌출부에 퇴적한 촉매 입자의 외기 접촉에 의한 급격한 발열을 방지하는 것을 목적으로 한다.
본 발명자는 유동층 반응기의 촉매가 접촉하는 반응기의 내벽에 존재하는 오목부에 촉매 퇴적 방지 수단을 설치함으로써, 반응기의 내벽의 오목부에 촉매가 퇴적하는 것을 방지하여 장치의 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지할 수 있음을 알아냈다. 또한, 촉매 퇴적 방지 수단을 설치하면 반응기의 내벽의 오목부에 퇴적한 촉매의 외기 접촉에 의한 급격한 발열을 방지할 수 있음을 알아내어 상기한 과제를 해결하였다. 또한, 반응기의 내벽에 오목부를 형성시키지 않는 것으로도 마찬가지로 상기한 과제를 해결할 수 있음을 알아냈다.
또한, 본 발명자는 유동층 반응기의 촉매 입자가 접촉하는 반응기 내부의 돌출부나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부에 촉매 입자의 퇴적 방지 수단을 설치함으로써, 반응기 내부의 돌출부나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부에 촉매 입자가 퇴적하는 것을 방지하여 장치의 재질 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지할 수 있음을 알아냈다. 나아가 반응기 내부의 돌출부나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부에 퇴적한 촉매 입자의 외기 접촉에 의한 급격한 발열을 방지할 수 있음을 알아내어 상기한 과제를 해결하였다.
즉, 본 발명은 유동층의 촉매 입자를 수납하는 반응기로서, 상기 반응기 내의 촉매 입자가 접촉하는 반응기의 내벽에 오목부를 설치하지 않거나, 또는 설치한 오목부에 퇴적 방지 수단을 설치한, 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 상기 퇴적 방지 수단이 상기 오목부에 충전된 봉입재를 갖는, 상기 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 상기 퇴적 방지 수단이 상기 반응기의 내벽과 동일한 재질의 내부 덮개와, 그 내부 덮개와 상기 반응기의 사이에 충전한 단열재와, 상기 오목부의 나머지 간극을 충전하는 시멘트를 포함하는 봉입재를 갖는, 상기 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 상기 내부 덮개가 카본 스틸 또는 스테인레스 스틸인, 상기 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 상기 오목부에 설치한 퇴적 방지 수단과 반응기 내벽면의 사이에 단차가 없도록 조정한, 상기 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 상기 퇴적 방지 수단이 상기 오목부에 기체를 불어 넣는 기체 취입구인, 상기 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 상기 퇴적 방지 수단이 상기 돌출부의 상부를 위로 볼록한 경사 구조 또는 위로 볼록한 곡면 구조로 구성하는 것인, 상기 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 돌출부의 상부 구성이 상기 반응기의 내벽과 동일한 재질인, 상기 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 상기 퇴적 방지 수단이 상기 돌출부에 기체를 분사하는 것인, 상기 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 상기 돌출부가 카본 스틸 또는 스테인레스 스틸인 상기 유동층 반응기이다.
또한, 본 발명은 상기 유동층 반응기를 이용하여 상기 반응기 내의 촉매 입자가 접촉하는 반응기 내에 존재하는 돌출부 또는 오목부의 촉매 입자의 퇴적을 방지하면서 암모산화 반응을 행하는, 니트릴 화합물의 제조 방법이다.
본 발명에 따른 유동층 반응기를 이용하여 산화 반응을 행하면, 촉매가 오목부에 퇴적하지 않게 되기 때문에 장치의 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지할 수 있다.
나아가 암모산화 반응에 이용하는 몰리브덴을 함유하는 금속 산화물 촉매 등의 경우, 반응을 정지시키고 반응기를 개방할 때에 반응기에 접촉되어 환원 열화되었던 퇴적 촉매가 외기에 접촉해서 산화되어 150℃ 정도까지 발열하는 경우가 있었지만, 상기 퇴적 방지 수단을 설치함으로써 또는 오목부를 설치하지 않음으로써 촉매의 고온 발열을 방지할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 유동층 반응기를 이용하여 기상 산화 반응을 행하면, 반응기 내의 돌출부나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부에 촉매 입자가 퇴적하지 않게 되기 때문에 장치의 재질 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지할 수 있다.
나아가 몰리브덴을 함유하는 금속 산화물 촉매를 이용하여 암모산화 반응을 행한 경우에는 반응을 정지시키고 반응기를 개방할 때에 반응기에 접촉되어 환원 열화되었던 퇴적 촉매가 외기에 접촉해서 급격하게 산화되어 150℃ 정도까지 발열하는 경우가 있었지만, 상기 퇴적 방지 수단을 설치함으로써 촉매의 고온 발열을 방지할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 유동층 반응기의 실시 형태예의 개략도이다.
도 2는 본 발명의 퇴적 방지 수단을 설치하는 오목부의 일례를 도시한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 퇴적 방지 수단을 설치하는 오목부의 다른 예를 도시한 단면도이다.
도 4는 본 발명에 따른 유동층 반응기의 다른 실시 형태예의 개략도이다.
도 5는 본 발명의 퇴적 방지 수단을 설치하는 부분의 개략도이다.
<본 발명에 따른 유동층 반응기 1>
이하, 본 발명에 따른 유동층 반응기의 하나에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 하나는 유동층의 촉매 입자를 수납하는 반응기로서, 상기 반응기 내의 촉매 입자가 접촉하는 반응기의 내벽에 오목부를 설치하지 않거나, 또는 설치한 오목부에 퇴적 방지 수단을 설치한, 유동층 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 기상 산화 반응으로서는, 예를 들어 암모산화법에 의해 프로필렌 및/또는 프로판과 암모니아와 공기 등의 산소 함유 가스로부터 아크릴로니트릴을 제조하는 반응이나, 프로필렌의 기상 산화법에 의한 아크릴산의 제조 등, 알칸 및/또는 알켄의 산화 반응을 들 수 있다. 이 중 암모산화 반응에 이용하는 유동층 반응기의 개략을 실시 형태의 예를 나타내는 도 1과 도 2를 이용하여 설명한다.
본 발명의 암모산화 반응에서는, 촉매의 대표예로서는 몰리브덴을 함유하는 금속 산화물 촉매나 철, 안티몬을 함유하는 금속 산화물 촉매 등이 적합하게 이용된다. 기상 반응 장치의 반응기 본체(11)에 하방의 공기 도입관(12)으로부터 공기(a)를 도입하여 분출구(13)로부터 분출시킴으로써 촉매(14)를 유동화시킨다. 원료 도입관(15)으로부터 반응 원료로서 프로필렌과 암모니아의 혼합 기체(b)를 도입하고, 프로필렌과 암모니아와 공기를 접촉시킴으로써 공기 중의 산소에 의해 산화 반응을 행하여 프로필렌 1당량당 1당량의 아크릴로니트릴과 3당량의 물을 생성시킨다. 이 암모산화 반응을 적절한 일정한 반응 온도로 유지하기 위해서, 냉매(d)를 통과시킨 냉각 코일(16)로 반응기 본체(11) 내부의 반응 기체를 냉각하여 온도 제어를 행하면서 암모산화 반응을 행한다. 반응에서 생성된 아크릴로니트릴을 포함하는 반응 기체는 사이클론(19)으로 촉매를 분리하고, 미반응된 암모니아나 부생한 아크릴산 등의 불순물을 포함한 반응 기체(c)로서 제품 발출관(17)으로부터 뽑아 내진다. 이 반응 기체(c)를 열교환기(18)로 냉각한 후, 암모니아의 흡수 분리탑, 아크릴로니트릴의 정제탑에 순차 보내서 정제함으로써 제품의 아크릴로니트릴을 얻는다.
기상 반응 장치의 반응기에는 개방 점검 등으로 사람이 들어가기 때문에, 비교적 큰 오목부로서 맨홀(20)이 설치되어 있는 것이 일반적이다. 이 맨홀(20)은 반응시에는 외부 덮개(21)로 막혀 있지만, 구멍 부분이 반응기 내벽에 오목부를 설치하고 있다. 이 밖에도 점검 구멍이나, 반응기의 주위벽을 형성시킬 때에 용접 등의 상황에서 발생하는 오목부가 있고, 비교적 작은 오목부로서는 열전대 온도계를 반응기 내에 삽입하기 위한 온도계 삽입 구멍 등, 크고 작은 다양한 크기의 오목부가 존재하는 경우가 있다.
맨홀(20)이나 점검 구멍처럼 비교적 큰 오목부의 경우, 오목부의 크기는 오목부의 측동부(側胴部)의 직경은 0.5 내지 2m 정도, 오목부의 측동부의 깊이는 10 내지 80cm 정도이다. 열전대 온도계를 반응기 내에 삽입하기 위한 온도계 삽입 구멍처럼 비교적 작은 오목부의 경우, 오목부의 크기는, 오목부의 측동부의 직경은 2 내지 50cm 정도, 오목부의 측동부의 깊이는 2 내지 30cm 정도이다.
본 발명에 따른 유동층 반응기에 있어서 상기와 같이 다양한 종류, 크기의 오목부에 퇴적 방지 수단을 설치한다. 예를 들어 상기 오목부를 매립하는 퇴적 방지 수단을 들 수 있다. 매립한다란, 즉 오목부의 내부에 간극이 발생하지 않도록 상기한 퇴적 방지 수단으로 오목부의 내부를 충전하는 것을 말한다. 또한, 상기 퇴적 방지 수단으로서 오목부에 촉매가 인입하지 않도록 하는 기체로 퍼지하는 수단을 들 수 있다. 이들 퇴적 방지 수단을 설치함으로써, 촉매(14)의 미세한 입자가 오목부의 내부로 인입할 수 없도록 하여 촉매가 오목부에 퇴적하는 것을 방지할 수 있다.
상기 퇴적 방지 수단으로 오목부를 매립하는 경우, 매립한 후에 고화할 수 있는 시멘트 등의 봉입재(33)를 이용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 오목부의 반응기 내벽측에 접촉하는 곳에는 유동층 반응기의 내벽과 동일한 재질의 내부 덮개(31)를 설치해 두면, 오목부의 내면이 시멘트 등의 봉입재로 고정되지 않아도 되기 때문에 바람직하다. 또한, 내부 덮개(31)의 더욱 외측에 단열재(32)를 설치해 두면, 오목부로부터 열이 도피하기 어려워지기 때문에 바람직하다. 상기 내부 덮개와 단열재를 합쳐서 상기 봉입재(33)로 둘러싸서 상기 오목부의 나머지 간극을 매립하면 상기 오목부에 촉매가 퇴적하기 어려워지므로 보다 바람직하다.
상기 봉입재(33)로서는 오목부의 구멍이나 간극을 매립하도록 도공 가능한 정도의 유동성을 갖고, 도공 후에 고화 가능한 재료인 것이 바람직하다. 기상 산화 반응이 발열성이기 때문에 내열성의 관점에서 무기물이면 바람직하고, 예를 들어 통상의 포틀랜드 시멘트나 내화 시멘트 등을 들 수 있다.
상기 퇴적 방지 수단의 일부로서, 반응 기체와 직접 접촉하는 상기 오목부의 내면측에는, 반응기의 내벽과 동일한 재질의 내부 덮개(31)를 설치하면, 시멘트 등의 상기 봉입재와 반응 기체가 직접 접촉하는 일이 없어 기상 산화 반응에 미치는 악영향을 억제할 수 있다. 또한, 반응기의 측동부에 횡방향으로 설치되어 있는 오목부가 맨홀인 경우여도 시멘트의 시공이 가능하게 된다. 내부 덮개(31)의 크기는 오목부가 원기둥 형상 또는 원뿔대인 경우에 그 오목부의 내면측인 바닥 전체면을 덮는 것이면 바람직하다.
상기 외부 덮개(21)와 내부 덮개(31), 반응기의 내벽의 재질은 기상 산화 반응의 사용에 견딜 수 있는 금속 재질이라면 특별히 한정되지 않지만, 카본 스틸, 스테인레스 스틸 등이 채택된다. 카본 스틸로서는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 S45C, S55C, S65C 등을 들 수 있다. 스테인레스 스틸로서는 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 SUS27, SUS304, SUS304L, SUS316, SUS316L 등을 들 수 있다. 재질의 부식 열화와 내열성의 관점에서 스테인레스 스틸인 것이 보다 바람직하다.
상기 금속 재질의 부분에는, 필요에 따라 용사나 도금 처리 등으로 표면 처리를 실시할 수도 있다. 용사나 도금 처리 등으로 형성되는 금속 피막을 구성하는 금속으로서는 예를 들어 몰리브덴, 구리, 은, 티타늄, 알루미늄, 크롬, 니켈 등의 금속이나, INCONEL(등록 상표, 「인코넬」이라고 호칭함) 등의 니켈-크롬-몰리브덴-철을 포함하는 합금, INCOLOY(등록 상표, 「인콜로이」라고 호칭함) 등의 알루미늄-크롬-철을 포함하는 합금, HASTELLOY(등록 상표, 「하스텔로이」라고 호칭함) 등의 니켈-몰리브덴-텅스텐을 포함하는 합금, MONEL(등록 상표, 「모넬」이라고 호칭함) 등의 니켈-구리를 포함하는 합금, STELLITE(등록 상표, 「스텔라이트」라고 호칭함) 등의 코발트-크롬-텅스텐을 포함하는 합금, SUS304 등의 니켈-크롬-철을 포함하는 스테인리스 합금, 서멧, 크롬 카바이드, 산화티타늄 등을 들 수 있고, 이들을 단독 또는 복합하여 이용할 수 있다.
또한, 상기 퇴적 방지 수단의 일부로서, 내부 덮개(31)와 외부 덮개(21)의 사이에 단열재(32)를 설치해 두면, 맨홀 등의 오목부로부터 열이 도피하는 것을 방지할 수 있고, 보온성이 향상되어 기상 산화 반응의 조건을 유지하기 쉬워지고, 반응 수율을 향상시킬 수 있다. 이 단열재(32)로서는, 예를 들어 규산칼슘 등의 무기 다공질이나 점토를 초벌구이로 한 내화 벽돌, 고로 슬래그와 현무암, 그 외의 천연 암석에 석회 등을 첨가한 암면 등을 들 수 있다. 형상은 벽돌 형상이나 블록 형상이면 설치하기 쉽고, 또한 봉입재(33)로 고정하기 쉽다.
상기 퇴적 방지 수단에 의해 형성되는 내부 덮개(31)의 반응기 내벽측의 면은 상기 오목부 주변의 반응기 내벽면과의 사이에 발생하는 단차가 상기 촉매 퇴적의 영향을 받지 않고 무시할 수 있는 정도, 즉 오목부의 주변의 면과 실질적으로 단차가 없도록 조정되어 있는 것이 바람직하다. 상기 단차의 크기는 통상 5.0mm 이하가 바람직하고, 보다 바람직하게는 1.0mm 이하, 더욱 바람직하게는 0.05mm 이하이다. 이에 의해 퇴적 방지 수단의 주변에 촉매가 퇴적하는 것을 방지할 수 있다.
상기한 내부 덮개(31) 및 단열재(32)를 오목부에 설치한 경우, 이들 전체를 고정하여 둘러싸도록 봉입재(33)를 도공하여, 오목부 주위벽(22)과의 사이의 간극이나 단열재(32)와 내부 덮개(31)의 간극 및 단열재(32)끼리의 간극 등을 매립해 두면, 오목부에 있어서의 촉매의 퇴적을 보다 확실하게 억제할 수 있으므로 바람직하다. 이 봉입재(33)의 충전시에는 내부 덮개(31)의 반응기 내벽측의 면과, 반응기 본체(11)의 오목부 주연(23)과의 높이를 맞춰 실질적으로 단차가 없도록 조정하는 것이 바람직하다. 봉입재(33)가 오목부 주연(23)과 내부 덮개(31)의 간극으로부터 돌출되어 있으면 오목부(20)의 내부에 촉매는 퇴적하지 않게 되지만, 봉입재(33)의 주변에 발생하는 단차에 날려 쌓이게 되어 여기에 촉매가 조금이지만 퇴적할 우려가 있다. 즉, 오목부 주연(23)과 내부 덮개(31)에 단차가 있으면, 단차 부분에 촉매가 퇴적하여, 상기 기상 산화 반응에 전술한 악영향을 미치게 된다.
또한, 상기 퇴적 방지 수단의 다른 실시 형태로서 도 3에 도시한 바와 같이 오목부에 기체의 취입구(41)를 설치하여 기체(f)를 불어 넣어 오목부에의 촉매의 퇴적을 방지할 수 있다. 취입구로부터 불어 넣는 기체로서는 공기, 불활성 가스, 스팀 등을 들 수 있다.
또한, 상기 퇴적 방지 수단의 다른 실시 형태로서 반응기 본체(11)의 내벽에 오목부를 설치하지 않음으로써 오목부에의 촉매의 퇴적을 방지할 수 있다. 여기서 반응기 본체(11)의 내부에 오목부를 설치하지 않는다란, 설계 단계부터 오목부를 갖지 않는 구조로 하는 것이다.
본 발명의 퇴적 방지 수단에 의해 오목부(20) 및 그 주변에의 촉매의 퇴적을 방지함으로써 촉매의 쓸데없는 퇴적을 방지할 수 있으므로 장치의 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지할 수 있다. 또한, 반응기 내부에 오목부를 설치하지 않는 구조로 함으로써 마찬가지의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 발명에 의해 오목부가 맨홀 등의 개방 가능한 부위인 경우, 퇴적되어 있던 환원 열화 촉매가 맨홀 개방시에 일거에 산화 발열하는 사태를 방지할 수 있다.
<본 발명에 따른 유동층 반응기 2>
이하, 본 발명의 다른 유동층 반응기에 대하여 상세하게 설명한다. 본 발명의 유동층 반응기의 하나는 유동층 촉매 입자를 수납하는 반응기로서, 반응기 내에 존재하는 돌출부에 상기 촉매 입자의 퇴적 방지 수단을 설치한 유동층 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 기상 산화 반응으로서는, 예를 들어 암모산화법에 의해 프로필렌 및/또는 프로판과 암모니아와 공기 등의 산소 함유 가스로부터 아크릴로니트릴을 제조하는 반응이나, 프로필렌의 기상 산화법에 의해 아크릴산을 제조하는 반응 등, 알칸 및/또는 알켄의 산화 반응을 들 수 있다. 이 중 암모산화 반응에 이용하는 유동층 반응기의 개략을 도 4와 도 5를 이용하여 설명한다.
본 발명의 암모산화 반응은, 촉매의 대표예로서는 몰리브덴을 함유하는 금속 산화물 촉매나 철, 안티몬을 함유하는 금속 산화물 촉매 등이 적합하게 이용된다. 기상 반응 장치의 반응기 본체(111)에 하방의 공기 도입관(112)으로부터 공기(a')를 도입하여 분출구(113)로부터 분출시킴으로써 촉매(114)를 유동화시킨다. 원료 도입관(115)으로부터 반응 원료로서 프로필렌과 암모니아의 혼합 기체(b')를 도입하고, 프로필렌과 암모니아와 공기를 접촉시킴으로써 공기 중의 산소에 의해 산화 반응을 행하여 프로필렌 1당량당 1당량의 아크릴로니트릴과 3당량의 물을 생성시킨다. 이 암모산화 반응을 적절한 일정한 반응 온도로 유지하기 위해서, 냉매(d')를 통과시킨 냉각 코일(116)로 반응기 본체(111) 내부의 반응 기체를 냉각하여 온도 제어를 행하면서 암모산화 반응을 행한다. 반응에서 생성된 아크릴로니트릴을 포함하는 반응 기체는 사이클론(119)으로 촉매를 분리하고, 미반응된 암모니아나 부생한 아크릴산 등의 불순물을 포함한 반응 기체(c')로서 제품 발출관(117)으로부터 뽑아 내진다. 이 반응 기체(c')를 열교환기(118)로 냉각한 후, 암모니아의 흡수 분리탑, 아크릴로니트릴의 정제탑에 순차 보내서 정제함으로써 제품의 아크릴로니트릴을 얻는다. 또한, 본 발명에 따른 유동층 반응기 1의 맨홀(20)과 마찬가지의 맨홀(121)이 설치되어 있고, 이 맨홀(121)은 반응시에는 외부 덮개(122)로 덮인다. 맨홀(121)에 관한 설명은 본 발명에 따른 유동층 반응기 1에서 행한 설명에 준한다.
기상 반응 장치의 반응기의 내부에는, 냉각관이나 사이클론을 설치하거나 고정하기 위해서 빔이나 서포트 등의 돌출부(120)가 설치되어 있다.
반응기 내의 빔이나 서포트 등의 돌출부(120)의 폭은 2 내지 30cm 정도이고, 길이는 30cm 내지 8m 정도이다.
본 발명에 따른 유동층 반응기는 돌출부의 상부를 위로 볼록한 경사 구조 또는 위로 볼록한 곡면 구조로 함으로써 촉매 입자가 돌출부에 퇴적하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 기체로 상기 돌출부를 퍼지함으로써 촉매 입자가 돌출부에 퇴적하는 것을 방지할 수 있다. 이들 촉매 입자의 퇴적 방지 수단을 설치함으로써 촉매(114)의 미세한 입자가 돌출부에 퇴적하는 것을 방지할 수 있다.
상기 돌출부(120), 반응기의 내벽의 재질은 기상 산화 반응의 사용에 견딜 수 있는 금속 재질이라면 특별히 한정되지 않는다. 그 구체예는 본 발명에 따른 유동층 반응기 1에서 행한 설명에 준한다.
상기 금속 재질은, 필요에 따라 용사나 도금 처리 등으로 표면 처리를 실시할 수도 있다. 상기 금속 재질에 실시하는 용사나 도금 처리 등으로 형성되는 금속 피막을 구성하는 금속의 구체예로서는 본 발명에 따른 유동층 반응기 1에서 행한 설명에 준한다.
상기 퇴적 방지 수단으로서 반응기 내의 돌출부인 빔(131, 133 및 138)이나 서포트부(135)나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부인 사이클론 상부 등에 위로 볼록한 경사 구조 또는 위로 볼록한 곡면 구조의 부재로서 삼각재(132나 134), 외주면이 곡면 형상인 원통 형상 부재(139)를 설치함으로써, 돌출부의 상부나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부의 상부로부터 촉매 입자가 떨어지기 때문에, 돌출부의 상부나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부의 상부에 촉매 입자가 퇴적하는 것을 방지할 수 있다.
상기 경사 구조 또는 곡면 구조의 부재로서는 경사 구조 또는 곡면 구조의 부재의 길이 방향에 대한 수직 단면 형상이 삼각 형상인 상기 삼각재, 반원 형상인 상기 원통 형상 부재, 사다리꼴 형상인 부재, 다각형 형상인 부재 등을 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명의 퇴적 방지 수단을 상기 돌출부의 상부에 설치하는 방법으로서는 상기 경사 구조 또는 곡면 구조의 부재를 돌출부의 상부에 설치하는 방법을 들 수 있다. 또한, 상기 경사 구조 또는 곡면 구조의 부재와 상기 돌출부를 일체 성형 구조체로 하는 방법도 들 수 있다.
또한, 상기 퇴적 방지 수단으로서, 폭이 좁은 돌출부(빔)(136)에의 기체 분사 부재를 설치해도 된다. 예를 들어, 반응기 내의 돌출부나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부에 기체의 분사 노즐(137)을 설치하여 기체를 분사하여, 반응기 내의 돌출부나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부에 촉매 입자가 퇴적하는 것을 방지할 수 있다. 기체의 분사 노즐(137)로부터 분사하는 기체로서는 공기, 불활성 가스, 스팀 등을 들 수 있다.
본 발명의 퇴적 방지 수단에 의해 돌출부나 반응기 내부의 부대 장치의 수평부와 그 주변에의 촉매 입자가 퇴적하는 것을 방지할 수 있으므로 장치의 재질 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지할 수 있다. 또한, 본 발명의 퇴적 방지 수단에 의해 퇴적되어 있던 환원 열화 촉매가 맨홀 개방시에 급격하게 산화 발열하는 사태를 방지할 수 있다.
[실시예]
이하, 실시예에 의해 본 발명을 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 그 요지를 넘지 않는 한 이하의 실시예에 한정되는 것은 아니다.
(실시예 1)
몰리브덴을 함유하는 금속 산화물 촉매를 이용한 프로필렌의 암모산화 반응에 의해 아크릴로니트릴의 제조를 행하는 기상 산화 반응용 유동층 반응기의 반응기 본체의 SUS27제 벽면에 설치한 맨홀에, 맨홀의 내경에 맞춘 SUS27제 내부 덮개(직경 900mm×깊이 300mm)를 반응기의 내벽측으로부터 오목부 주연과 내부 덮개의 내벽측의 면에 단차를 발생시키지 않도록 설치하고, 내부 덮개의 외측의 오목부 내부에 규산칼슘제 단열재(230mm×110mm×65mm의 벽돌 형상)를 깐 후, 단열재의 주위를 포함하는 맨홀 내부의 나머지 간극 전체를 오목부 주연의 면에 단차를 발생시키지 않도록 포틀랜드 시멘트로 충전하고, 건조 후에 SUS27제 외부 덮개를 폐쇄하였다.
상기한 퇴적 방지 수단을 설치하기 전과 후에 대하여 다음의 반응 조건으로 동일한 길이의 기간에 걸쳐 프로필렌의 암모산화 반응에 의해 아크릴로니트릴을 제조하였다.
반응기 내부에는 촉매(14)로서 MoBi계 촉매(촉매 조성, Mo:Bi:Fe:Ce:Cr:Ni:Mg:Co:K:Rb:O:SiO2=12:0.5:2:0.5:0.4:4:1.5:1:0.07:0.06:X:42)를 84kg 도입하였다. 냉각 코일(16)(전열 면적: 0.33m2)의 내부에는 냉각 매체로서 게이지압이 3kg/cm2인 수증기를 유통시켰다. 계속해서 이 본체(11)에 원료 도입관(15)으로부터 프로필렌을 유량 7.8kg/h로, 암모니아를 유량 3.5kg/h로 도입하고, 공기 도입관(12)으로부터 공기를 유량 54kg/h로 도입하여 440℃의 온도 환경에서 암모산화 반응을 행하였다.
퇴적 방지 수단을 설치하기 전에 제조한 후의 개방시에는 맨홀의 오목부에 퇴적한 촉매가 확인되었지만, 퇴적 방지 수단을 설치한 후에 제조한 후의 개방시에는 맨홀의 오목부에 퇴적한 촉매는 확인되지 않았다. 또한, 퇴적 방지 수단의 설치 전에는 촉매 퇴적에 의한 이상 가열로 강(鋼)의 흑연화 현상을 일으켜 반응기의 재질의 열화가 확인된 것에 대하여, 퇴적 방지 수단의 설치 후에는 촉매 퇴적이 없어졌기 때문에 반응기의 재질의 열화가 확인되지 않게 되었다.
운전 정지 후에 외부 덮개를 개방할 때에는 퇴적 방지 수단을 설치하기 전에는 150℃까지 맨홀 주변이 가열되어 있었지만, 퇴적 방지 수단을 설치한 후의 개방시에는 작업의 방해가 될 만큼의 고온은 되지 않았다.
(실시예 2)
규산칼슘제 단열재를 내화 벽돌로 바꾸고, 포틀랜드 시멘트를 내화 시멘트로 바꾼 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 조작 및 그 조작 전후의 비교를 행한 결과, 실시예 1과 마찬가지로 퇴적 방지 수단의 설치 전에 대하여 퇴적 방지 수단의 설치 후에는 촉매 퇴적이 없어졌기 때문에 재질의 열화가 확인되지 않게 되었다.
운전 정지 후에 외부 덮개를 개방할 때에는 퇴적 방지 수단을 설치하기 전에는 150℃까지 맨홀 주변이 가열되었지만, 퇴적 방지 수단을 설치한 후의 개방시에는 작업의 방해가 될 만큼의 고온은 되지 않았다.
(실시예 3)
SUS27제를 니켈 도금으로 표면 처리한 SUS304제로 바꾼 것 이외에는 실시예 1과 마찬가지의 조작 및 그 조작 전후의 비교를 행한 결과, 실시예 1과 마찬가지로 퇴적 방지 수단의 설치 전에 대하여 퇴적 방지 수단의 설치 후에는 촉매 퇴적이 없어졌기 때문에 재질의 열화가 확인되지 않게 되었다.
운전 정지 후에 외부 덮개를 개방할 때에는 퇴적 방지 수단을 설치하기 전에는 150℃까지 맨홀 주변이 가열되었지만, 퇴적 방지 수단을 설치한 후의 개방시에는 작업의 방해가 될 만큼의 고온은 되지 않았다.
(실시예 4)
프로필렌의 암모산화 반응에 의해 아크릴로니트릴의 제조를 행하는 유동층 반응기 내부의 SUS27제 빔의 수평면의 상부에 퇴적 방지 수단으로서 빔의 폭과 길이에 맞춘 SUS27제 삼각재를 설치하였다.
상기한 퇴적 방지 수단을 설치하기 전과 후에 대하여 다음의 반응 조건으로 동일한 길이의 기간에 걸쳐 프로필렌의 암모산화 반응에 의해 아크릴로니트릴을 제조하였다.
내벽이 SUS27제인 반응기 내부에는 촉매(114)로서 MoBi계 촉매(촉매 조성, Mo:Bi:Fe:Ce:Cr:Ni:Mg:Co:K:Rb:O:SiO2=12:0.5:2:0.5:0.4:4:1.5:1:0.07:0.06:X:42)를 84kg 도입하였다. 냉각 코일(116)(전열 면적: 0.33m2)의 내부에는 냉각 매체로서 게이지압이 3kg/cm2인 수증기를 유통시켰다. 계속해서 이 본체(111)에 원료 도입관(115)으로부터 프로필렌을 유량 7.8kg/h로, 암모니아를 유량 3.5kg/h로 도입하고, 공기 도입관(112)으로부터 공기를 유량 54kg/h로 도입하여 440℃의 온도 환경에서 암모산화 반응을 행하였다.
퇴적 방지 수단을 설치하기 전에 제조한 후의 개방시에는 수평한 빔에 퇴적한 촉매 입자가 확인되었지만, 퇴적 방지 수단을 설치한 후에 제조한 후의 개방시에는 수평한 빔에 퇴적한 촉매 입자는 확인되지 않았다. 또한, 퇴적 방지 수단의 설치 전에는 촉매 입자의 퇴적에 의한 이상 가열로 강의 흑연화 현상을 일으켜 반응기 내부의 수평한 빔의 재질의 열화가 확인된 것에 대하여, 퇴적 방지 수단의 설치 후에는 촉매 입자의 퇴적이 없어졌기 때문에 반응기 내부의 수평한 빔의 재질의 열화가 확인되지 않게 되었다.
운전 정지 후에 외부 덮개를 개방할 때에는 퇴적 방지 수단을 설치하기 전에는 150℃까지 수평한 빔이 가열되어 있었지만, 퇴적 방지 수단을 설치한 후의 개방시에는 작업의 방해가 될 만큼의 고온은 되지 않았다.
(실시예 5)
반응기 내의 냉각용 배관의 서포트의 수평면의 상부에 위로 볼록한 곡면 구조 부재로서 원통 형상 부재(139)를 설치하여 실시예 4와 마찬가지의 조작 및 그 조작 전후의 비교를 행한 결과, 실시예 4와 마찬가지로 퇴적 방지 수단의 설치 전에 대하여 퇴적 방지 수단의 설치 후에는 촉매 퇴적이 없어졌기 때문에 서포트의 재질의 열화가 확인되지 않게 되었다.
운전 정지 후에 외부 덮개를 개방할 때에는 퇴적 방지 수단을 설치하기 전에는 150℃까지 서포트 및 서포트 주변이 가열되었지만, 퇴적 방지 수단을 설치한 후의 개방시에는 작업의 방해가 될 만큼의 고온은 되지 않았다.
(실시예 6)
SUS27제를 니켈 도금으로 표면 처리한 SUS304제로 바꾼 것 이외에는 실시예 4와 마찬가지의 조작 및 그 조작 전후의 비교를 행한 결과, 실시예 4와 마찬가지로 퇴적 방지 수단의 설치 전에 대하여 퇴적 방지 수단의 설치 후에는 촉매 퇴적이 없어졌기 때문에 수평한 빔의 재질의 열화가 확인되지 않게 되었다.
운전 정지 후에 외부 덮개를 개방할 때에는 퇴적 방지 수단을 설치하기 전에는 수평한 빔이 150℃까지 가열되었지만, 퇴적 방지 수단을 설치한 후의 개방시에는 작업의 방해가 될 만큼의 고온은 되지 않았다.
(실시예 7)
삼각재를 설치하지 않고, SUS27제 파이프로부터 공기를 유량 5m3/h로 SUS27제 빔의 수평면의 상부에 분사하면서 실시예 4와 마찬가지의 조작 및 그 조작 전후의 비교를 행한 결과, 실시예 4와 마찬가지로 퇴적 방지 수단의 설치 전에 대하여 퇴적 방지 수단의 설치 후에는 촉매 퇴적이 없어졌기 때문에 수평한 빔의 재질의 열화가 확인되지 않게 되었다.
운전 정지 후에 외부 덮개를 개방할 때에는 퇴적 방지 수단을 설치하기 전에는 수평한 빔이 150℃까지 가열되었지만, 퇴적 방지 수단을 설치한 후의 개방시에는 작업의 방해가 될 만큼의 고온은 되지 않았다.
본 발명에 따르면, 유동층 반응기의 내부의 오목부나 돌출부 등에 촉매 입자가 퇴적하는 것을 방지하여 장치의 재질 열화나 반응에 미치는 악영향을 방지하기 위한 방법으로서 널리 적용할 수 있다.
a, a' : 공기
b, b' : 혼합 기체
c, c' : 반응 기체
d, d' : 냉매
f : 기체
11, 111 : 반응기 본체
12, 112 : 공기 도입관
13, 113 : 분출구
14, 114 : 촉매
15, 115 : 원료 도입관
16, 116 : 냉각 코일
17, 117 : 제품 발출관
18, 118 : 열교환기
19, 119 : 사이클론
20, 121 : 오목부(맨홀)
21, 122 : 외부 덮개
22 : 오목부 주위벽
23 : 오목부 주연
31 : 내부 덮개
32 : 단열재
33 : 봉입재
41 : 기체 취입구
120 : 수평한 돌출부
131 : 돌출부(빔)
132 : 삼각재
133 : 폭이 좁은 돌출부(빔)
134 : 삼각재
135 : 서포트
136 : 폭이 좁은 돌출부(빔)
137 : 기체의 분사 노즐
138 : 돌출부(빔)
139 : 원통 형상 부재

Claims (11)

  1. 유동층의 촉매 입자를 수납하는 반응기로서, 반응기의 내벽에 오목부를 설치하지 않거나, 또는 상기 반응기 내의 촉매 입자가 접촉하는 반응기 내에 존재하는 돌출부 또는 오목부 중 적어도 하나에 퇴적 방지 수단을 설치한, 유동층 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 퇴적 방지 수단이 상기 오목부에 충전된 봉입재를 갖는, 유동층 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 퇴적 방지 수단이 상기 반응기의 내벽과 동일한 재질의 내부 덮개와, 그 내부 덮개와 상기 반응기의 사이에 충전한 단열재와, 상기 오목부의 나머지 간극을 충전하는 시멘트를 포함하는 봉입재를 갖는, 유동층 반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 내부 덮개가 카본 스틸 또는 스테인레스 스틸인, 유동층 반응기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 오목부에 설치한 퇴적 방지 수단과 반응기 내벽면의 사이에 단차가 없도록 조정한, 유동층 반응기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 퇴적 방지 수단이 상기 오목부에 기체를 불어 넣는 기체 취입구인, 유동층 반응기.
  7. 제1항에 있어서, 상기 퇴적 방지 수단이 상기 돌출부의 상부를 위로 볼록한 경사 구조 또는 위로 볼록한 곡면 구조로 구성하는 것인, 유동층 반응기.
  8. 제7항에 있어서, 돌출부의 상부 구성이 상기 반응기의 내벽과 동일한 재질인, 유동층 반응기.
  9. 제1항에 있어서, 상기 퇴적 방지 수단이 상기 돌출부에 기체를 분사하는 것인, 유동층 반응기.
  10. 제1항에 있어서, 상기 돌출부가 카본 스틸 또는 스테인레스 스틸인, 유동층 반응기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 기재된 유동층 반응기를 이용하여, 상기 반응기 내의 촉매 입자가 접촉하는 반응기 내에 존재하는 돌출부 또는 오목부의 촉매 입자의 퇴적을 방지하면서 암모산화 반응을 행하는, 니트릴 화합물의 제조 방법.
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