KR20170000028A - 자가 열공급 탈수소 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 반응기 내부를 한정하며, 상부 일 측면에는 원료가스 인입구가 형성되고 하부에는 반응가스 배출구가 형성되는 하우징, 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 환형의 촉매발열 컬럼 및 상기 촉매발열 컬럼의 내측에 촉매발열 컬럼과 동축상으로 배치되며 그 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 상기 촉매발열 컬럼을 통과한 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 컬럼을 포함하는 자가 열공급 탈수소 반응기에 관한 것으로, 본 발명에서 제안된 촉매발열 컬럼을 적용 할 경우 국부적으로 가열되는 지점이 발생하지 않고 반응기 상/하, 내/외부간의 온도 구배가 적게 나타나므로 프로판의 열 깨짐 현상을 방지할 수 있기 때문에 공정의 수율을 증가 시킬 수 있으며, 또한 배관 및 반응기의 열 손실에 따른 반응온도 저감 문제와 단열처리 비용 등을 감소시킴으로써 제조 원가를 절감할 수 있다.
Description
본 발명은 촉매발열 컬럼(column)을 이용하여 프로판 탈수소 공정의 흡열 반응 시 요구되는 에너지를 자체적으로 공급할 수 있는 자가 열공급 탈수소 반응기에 관한 것이다.
프로판 탈수소 공정은 흡열 반응을 기반으로 하고 있으며 적절하게 반응이 진행되기 위해서는 반응공정 중 충분한 에너지가 공급되어야 한다. 프로판 탈수소 공정의 에너지원으로서 다양한 기술들이 개발되어 실제로 적용되고 있으며 가장 일반적인 방법으로는 가열로(fired heater)가 있다. 주 반응물인 프로판은 촉매 반응기로 투입되기 전에 수소와 함께 고온의 가열로 내부로 주입되고 열 교환과정을 거쳐 적정 온도까지 가열된다. 하지만 이때 프로판 배관 외부와 내부간의 온도 구배가 발생하고 국부적으로 가열되는 부분이 생성되며 이에 따른 열 깨짐 현상(thermal cracking)이 부반응으로 나타난다. 이러한 부반응은 프로필렌 수율을 감소시켜 공정 성능 저감의 주원인이 되므로 가열로의 가열 조건 제어가 매우 중요한 변수가 된다.
도 1은 가열로를 사용하여 열을 공급받는 종래의 탈수소 시스템의 일반적인 모식도를 나타낸 것이다. 도 1을 참조하면, 반응물(프로판과 수소)이 가열로 내부를 통과하여 열 교환 및 가열과정을 거친 후 탈수소 촉매 반응기로 주입된다. 그러나, 이러한 종래의 가열로를 활용한 탈수소 공정은 국부가열로 인한 부반응을 유발하고 가열로와 반응기를 연결하는 배관의 단열처리를 위한 막대한 초기투자 비용 및 유지관리 비용이 발생하는 문제점이 있다.
한편, 대한민국 특허출원 제10-2006-0119537호에는 촉매연소를 이용한 열 공급용 발열반응과 수소생산용 흡열반응이 동시에 가능한 모듈타입 일체형 수소 리포머 장치가 개시되어 있다. 그러나 상기 선행문헌은 수소 리포머를 위한 장치라는 점에서 프로판 탈수소 장치에 관한 본 발명과는 차이가 있으며, 특히 상기 선행문헌은 촉매 발열과 수소 리포머 반응간의 간접적인 열교환 방식으로 진행되나 본 발명은 직접적으로 원료가스를 가열하는 방식인 점에서 차이가 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 촉매발열 컬럼을 이용하여 프로판 탈수소 공정의 흡열 반응 시 요구되는 에너지를 자체적으로 공급함으로써, 공정 수율을 향상시키고 운전 및 유지, 보수 비용을 절감할 수 있는 탈수소 반응기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 반응기 내부를 한정하며, 상부 일 측면에는 원료가스 인입구가 형성되고 하부에는 반응가스 배출구가 형성되는 하우징(housing), 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 환형의 촉매발열 컬럼(catalyst combustion column) 및 상기 촉매발열 컬럼의 내측에 촉매발열 컬럼과 동축상으로 배치되며 그 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 상기 촉매발열 컬럼을 통과한 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 컬럼(dehydrogenation column)을 포함하는 자가 열공급 탈수소 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기에 있어서, 상기 탈수소 컬럼은 상부에 촉매 분배관이 형성되고 하부에 촉매 배출관이 형성되어 상부에서 공급되는 탈수소 촉매는 중력에 의해 하부로 이동하여 배출되며, 내부 스크린 및 외부 스크린에 의하여 환형의 반응 영역이 한정되고, 내부 스크린의 내측 공간에는 반응가스 포집영역이 형성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기에 있어서, 상기 자가발열 특성을 가지는 촉매는 백금(Pt), 파라듐(Pd), 로듐(Rh), 금(Au) 계열 촉매 중 어느 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기에 있어서, 상기 촉매발열 컬럼에서 원료가스의 가열온도는 350~900℃ 범위인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기에 있어서, 상기 촉매발열 컬럼에서 원료가스의 액 공간 속도(Liquid hourly space velocity)가 1 내지5 h- 1 인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기는, 제안된 촉매발열 컬럼을 적용 할 경우 국부적으로 가열되는 지점이 발생하지 않고 반응기 상/하, 내/외부간의 온도 구배가 적게 나타나므로 프로판의 열 깨짐 현상을 방지할 수 있기 때문에 공정의 수율을 증가 시킬 수 있는 효과가 있다.
또한 배관 및 반응기의 열 손실에 따른 반응온도 저감 문제와 단열처리 비용 등을 감소시킴으로써 제조 원가를 절감할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 가열로를 사용하여 열을 공급받는 종래의 탈수소 시스템의 일반적인 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기의 개략적인 단면도이다.
이하에서 첨부도면 등을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 첨부된 도면들이 본 발명에 따른 탈수소 반응기의 특정 형상을 기술하고 있다 하더라도, 이러한 탈수소 반응기는 특별한 응용에서 행해지는 특정 환경에 적합한 다양한 형상을 가질 수 있으며, 이후에 설명 되는 구체적 구현예로 본 발명의 광범위한 적용을 제한하지 않는다. 더욱이, 도면의 숫자는 본 발명에 따른 탈수소 반응기의 간단한 개략도를 나타낸 것으로 주요 구성요소만 나타내었다. 기타 펌프, 가동관, 밸브, 해치, 엑세스 출구, 및 다른 유사한 구성 요소들은 생략하였다. 설명된 탈수소 반응기를 변경하기 위해 이러한 부속품들을 이용하는 것은 당업자에게 공지되어 있으며, 첨부된 청구범위의 범주 및 정신을 벗어나지 않는다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기의 개략적인 단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 자가 열공급 탈수소 반응기(100)는 크게 반응기의 내부를 형성하는 하우징(10), 하우징(10)의 내부에서 탈수소 컬럼(30)의 전단에 배치되는 배치되는 촉매발열 컬럼(20)을 포함하여 이루어진다.
상기 하우징(10)은 수직의 실린더 형상으로서 상부 일 측면에는 원료가스 인입구(11)가 형성되어 프로판과 수소 등을 포함하는 원료가스가 유입되며, 아래쪽 바닥면에는 반응가스 배출구(12)가 형성되어 반응이 완료된 반응가스가 배출된다.
상기 하우징(10)의 내측에는 하우징(10)의 길이방향 중심축과 동축상으로 중심에서부터 환형의 탈수소 컬럼(30)과 촉매발열 컬럼(20)이 연속적으로 배치된다.
상기 촉매발열 컬럼(20)은 내측 및 외측 스크린으로 한정된 환형의 반응 공간에 자체 발열 특성을 가지는 촉매 입자들(21)이 고정상(fixed bed)으로 충진된다. 여기에서 "스크린"이란 용어는 촉매 베드를 가로지르는 반응물 스트림의 유동은 허용하면서 촉매 베드에 촉매를 한정시키는데 적합한 수단을 포함하는 광범위한 의미를 갖고 있다. 이러한 많은 스크린들은 공지되어 있으며, 대안적으로, 스크린들은 펀치판, 다공판 또는 다공 파이프들을 포함 할 수 있다. 다공의 크기는 스크린을 통해 반응물의 스트림을 용이하게 하면서, 촉매 입자들의 통행을 억제할 수 있는 정도의 크기이어야 한다. 다공판의 구멍은 원형, 정방형, 직사각형, 3각형, 좁은 수평 또는 수직 슬로트 등의 형태로 구성된다. 본 발명에 사용되는 스크린들은 원통형 스크린들로만 제한되는 것이 아니다. 더욱이 상기 스크린들은 원통형과 같은 촉매 입자 보유 구조를 형성키 위해 서로 연결된 일군의 평면판을 포함한다.
본 발명에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기(100)는, 원료가스 인입구(11)를 통하여 유입된 프로판과 수소 등의 원료가스가 촉매발열 컬럼(20)을 1차적으로 통과하며 적정 반응온도까지 자체적으로 가열되는 것을 특징으로 한다. 가열된 원료가스는 열 손실이 최소화된 조건으로 반응기 내부에서 즉시 탈수소 반응이 진행될 수 있으며 전체 원료가스가 균등하게 에너지를 흡수하므로 국부적인 가열지점이나 반응기 상/하 및 내/외부 온도편차를 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
자체 발열 특성을 가진 촉매로는 일반적으로 백금(Pt), 파라듐(Pd), 로듐(Rh), 금(Au) 등 계열의 촉매가 단독으로 또는 혼합되어 사용될 수 있다. 상기 촉매는 바람직하게는 입자 크기가 1.0 내지 2.0 밀리미터 범위이고, 더욱 바람직하게는 1.5 내지 1.7 밀리미터 범위이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기(100)에 있어서, 촉매발열 컬럼(20)에서 원료가스의 액 공간 속도가 1 내지 5 h- 1 인 것이 바람직하다. 이에 의하여 촉매발열 컬럼(20)에서 원료가스는 350~900℃ 범위로 가열될 수 있다.
촉매발열 컬럼(20)을 통과한 원료가스는 바로 후단의 탈수소 컬럼(30)으로 유입되어 탈수소 반응이 진행된다. 상기 탈수소 컬럼(30)은 상부에 촉매 분배관(31)이 형성되고 하부에 촉매 배출관(32)이 형성되어 촉매 입자들(35)은 이동상(moving bed)으로 충진된다. 상부의 촉매 분배관(31)에서 공급되는 탈수소 촉매(35)는 중력에 의해 하부로 이동하여 촉매 배출관(32)으로부터 연속적으로 취출되며, 취출된 촉매는 재생기(미도시)로 보내진다.
본 발명에 따른 탈수소 컬럼(30)은 내부 스크린(34) 및 외부 스크린(33)에 의하여 환형의 반응 영역이 한정되고, 내부 스크린(34)의 내측 공간에는 반응가스 포집영역(40)이 형성된다. 촉매 베드의 내외측에 형성되는 내부 및 외부 스크린(33, 34)은 유동 저항이나 큰 압력강하 없이 유체 유동 스트림이 통과할 수 있을 정도로 크나 이에 수용된 촉매 입자(35)는 통과하지 못하고 수용된 상태에 놓일 수 있을 정도로 작은 메쉬 크기를 갖는 스크린 또는 다공체로 구성된다. 탈수소 컬럼(30)을 통과하며 탈수소 반응이 종료된 반응가스는 반응가스 포집영역(40)에서 포집되어 반응가스 배출구(12)를 통하여 추가 공정을 위해 하류측으로 보내진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자가 열공급 탈수소 반응기는, 제안된 촉매발열 컬럼을 적용 할 경우 국부적으로 가열되는 지점이 발생하지 않고 반응기 상/하, 내/외부간의 온도 구배가 적게 나타나므로 프로판의 열 깨짐 현상을 방지할 수 있기 때문에 공정의 수율을 증가 시킬 수 있으며, 또한 배관 및 반응기의 열 손실에 따른 반응온도 저감 문제와 단열처리 비용 등을 감소시킴으로써 제조 원가를 절감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 구현예를 들어 본 발명을 상세하게 설명하였으나 본 발명은 상술한 구현예에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 많은 변형이 가능함은 자명할 것이다.
10 : 하우징
11 : 원료가스 인입구
12 : 반응가스 배출구
20 : 촉매발열 컬럼
21 : 자가발열 촉매 입자
30 : 탈수소 컬럼
31 : 촉매 분배관
32 : 촉매 배출관
33 : 외측 스크린
34 : 내측 스크린
35 : 탈수소 촉매 입자
40 : 반응가스 포집 영역
11 : 원료가스 인입구
12 : 반응가스 배출구
20 : 촉매발열 컬럼
21 : 자가발열 촉매 입자
30 : 탈수소 컬럼
31 : 촉매 분배관
32 : 촉매 배출관
33 : 외측 스크린
34 : 내측 스크린
35 : 탈수소 촉매 입자
40 : 반응가스 포집 영역
Claims (6)
- 반응기 내부를 한정하며, 상부 일 측면에는 원료가스 인입구가 형성되고 하부에는 반응가스 배출구가 형성되는 하우징;
상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 배치되며 그 내부에 자체발열 특성을 가지는 촉매가 충진되어 원료가스를 가열하는 환형의 촉매발열 컬럼; 및
상기 촉매발열 컬럼의 내측에 촉매발열 컬럼과 동축상으로 배치되며 그 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 상기 촉매발열 컬럼을 통과한 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 컬럼을 포함하는 것을 특징으로 하는 자가 열공급 탈수소 반응기.
- 제 1항에 있어서, 상기 탈수소 컬럼은 상부에 촉매 분배관이 형성되고 하부에 촉매 배출관이 형성되어 상부에서 공급되는 탈수소 촉매는 중력에 의해 하부로 이동하여 배출되며, 내부 스크린 및 외부 스크린에 의하여 환형의 반응 영역이 한정되고, 내부 스크린의 내측 공간에는 반응가스 포집영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 자가 열공급 탈수소 반응기.
- 제 1항에 있어서, 상기 자가발열 특성을 가지는 촉매는 백금(Pt), 파라듐(Pd), 로듐(Rh), 금(Au) 계열 촉매 중 어는 하나 또는 이들의 혼합물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 자가 열공급 탈수소 반응기.
- 제 1항에 있어서, 상기 촉매발열 컬럼에서 원료가스의 가열온도는 350~900℃ 범위인 것을 특징으로 하는 자가 열공급 탈수소 반응기.
- 제 1항에 있어서, 상기 촉매발열 컬럼에서 원료가스의 액 공간 속도가 1 내지5 h- 1 인 것을 특징으로 하는 자가 열공급 탈수소 반응기.
- 제 1항에 있어서, 상기 자가발열 특성을 가지는 촉매의 입자 크기가 1.0 내지 2.0 밀리미터 범위인 것을 특징으로 하는 자가 열공급 탈수소 반응기.
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|---|---|---|---|---|
| CN114713146A (zh) * | 2020-12-22 | 2022-07-08 | 中国石油化工股份有限公司 | 环氧化物的制备装置以及环氧化物的制备方法 |
| CN114772548A (zh) * | 2022-04-21 | 2022-07-22 | 西安交通大学 | 一种基于热管换热的离心分离式脱氢反应器及系统 |
| CN115806843A (zh) * | 2022-12-05 | 2023-03-17 | 中国科学院过程工程研究所 | 一种用于高炉煤气的干法脱硫化氢塔 |
| CN115899561A (zh) * | 2022-12-26 | 2023-04-04 | 大连理工大学 | 一种自热型金属氢化物快速放氢的装置及方法 |
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-
2015
- 2015-06-22 KR KR1020150088409A patent/KR101693114B1/ko active IP Right Grant
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