KR20170031046A - 아크릴로니트릴의 제조용 반응기 및 그 제조 방법 - Google Patents

아크릴로니트릴의 제조용 반응기 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

아크릴로니트릴을 제조하기 위한 반응기 및 그의 제조 방법이 개시되어 있다. 반응기는 반응기의 몸체 및 상기 반응기의 몸체에 수평으로 배열된 원료 분배기(feed distributor)를 포함한다. 상기 원료 분배기는 주관(main pipe) 및 상기 주관과 유체 연통(fluid communication)하는 복수의 분기관들(branch pipes)로 이루어진 관 그룹을 포함한다. 주관의 주입구는, 반응기 몸체의 외부에 배열된 처리 가스원(raw gas source)과 연통하고, 주관의 말단은 폐쇄되어 있다. 분기관들의 말단들은 폐쇄되어 잇다. 주관과 분기관들은 각각 복수의 가스 방출 구멍을 구비하고 있다. 본 발명의 개시 내용에 따르면, 처리 가스는 반응기에 균일하게 분배될 수 있어, 아크릴로니트릴의 생산 효율이 개선될 수 있다.

Description

아크릴로니트릴의 제조용 반응기 및 그 제조 방법 {REACTOR FOR PRODUCING ACRYLONITRILE AND METHOD THEREOF}
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2015년 9월 2일에 출원된 명칭이 "Improved Propylene Ammonia Oxidation Technology and Reactor Thereof"인 중국 특허 출원 CN 201510552970.7, 2015년 9월 6일에 출원된 명칭이 "Feed Distributor"인 중국 특허 출원 CN 201510557615.9, 2015년 9월 6일에 출원된 명칭이 "Apparatus for Regulating Temperature of a Reactor and Regulation Method Thereof"인 중국 특허 출원 CN 201510557613.X, 및 2016년 1월 8일에 출원된 명칭이 "Feed Distributor of Fluidized-bed Reactor for Ammonia Oxidation Reaction"인 중국 특허 출원 CN 201610011756.5를 우선권으로 주장하며, 이들의 전체 내용은 원용에 의해 본 명세서에 포함된다.
본 발명은 화학 산업, 특히 아크릴로니트릴의 제조용 반응기에 관한 것이다. 나아가, 본 발명은 상기 반응기를 사용한 아크릴로니트릴의 제조 방법에 관한 것이다.
아크릴로니트릴은 중요한 화학 원료이며, 합성 섬유, 합성 고무, 합성 수지 및 다른 분야들에서 광범위하게 사용된다.
현재, 아크릴로니트릴은 일반적으로, 유동층 반응기에서 프로필렌 암모니아 산화 반응을 통해 암모니아, 프로펜 및 공기에 의해 제조된다. 프로펜이 가연성이며 폭발성 가스이기 때문에, 프로펜은 공기와 혼합된 후 유동층 반응기 내로 공급될 수 없다. 그 대신, 프로펜과 암모니아의 혼합물이 이의 처리 가스로서 작용하여 반응기의 공급 개구를 통해 유동층 반응기 내로 공급되고, 공기는 이의 또 다른 공급 개구를 통해 유동층 반응기 내로 공급된다. 그 결과, 처리 가스는 불균일한 방식으로 유동층 반응기에 분배되며, 따라서, 아크릴로니트릴의 생산 효율이 악영향을 받을 것이다.
상기 기술적 문제와 관련하여, 본 발명은 아크릴로니트릴의 제조용 반응기를 제공한다. 본 발명에 따르면, 처리 가스는 균일한 방식으로 반응기에 분배될 수 있으며, 따라서, 아크릴로니트릴의 생산 효율이 개선될 수 있다. 나아가, 본 발명은 상기 반응기를 사용한 아크릴로니트릴의 제조 방법을 제공한다.
제1 측면에 따르면, 본 발명은 반응기 몸체(main body), 및 상기 반응기 몸체에 수평으로 배열된 원료 분배기(feed distributor)를 포함하는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기를 제공한다. 원료 분배기는 주관(main pipe), 및 상기 주관과 유체 연통하는 복수의 분기관들(branch pipe)로 이루어진 관 그룹을 포함한다. 주관의 주입구는 반응기 몸체의 외부에 배열된 처리 가스원(raw gas source)과 연통하고, 주관의 말단(terminal)은 폐쇄되어 있다. 분기관들의 말단들도 폐쇄되어 있다. 주관 및 분기관들에는 각각 복수의 가스 방출 정공(gas release hole)이 구비되어 있다.
본 발명에 따른 반응기에서, 원료 분배기의 복수의 분기관은 반응기의 대부분 영역에 수평 방향으로 확장되어, 처리 가스는 원료 분배기에 의해 가능한 한 균일하게 반응기에 공급될 수 있다. 이러한 방식으로, 처리 가스는 반응기에서 균일하게 분배되는 것이 보장될 수 있으며, 따라서, 아크릴로니트릴의 생산 효율이 개선될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 주관 내의 복수의 가스 방출 정공들은, 처리 가스의 흐름 방향을 따라, 하류(downstream) 가스 방출 정공의 구멍이 상류(upstream) 가스 방출 정공의 구멍보다 더 크도록 배열되고; 각각의 분기관 내의 복수의 가스 방출 정공들은, 처리 가스의 흐름 방향을 따라, 하류 가스 방출 정공의 구멍이 상류 가스 방출 정공의 구멍보다 더 크도록 배열된다. 또 다른 구현예에 따르면, 주관에서, 임의의 가스 방출 정공의 구멍은 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍과 동일하거나 더 크고; 분기관에서, 임의의 가스 방출 정공의 구멍은 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍과 동일하거나 더 크다. 또 다른 구현예에 따르면, 주관에서, 복수의 가스 방출 정공들은 복수의 서로 다른 가스 방출 정공 그룹들을 형성하고, 각각의 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공들은 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공들의 구멍과 동일하거나 더 큰, 똑같은 구멍을 가지고; 분기관에서, 복수의 가스 방출 정공들은 복수의 서로 다른 가스 방출 정공 그룹들을 형성하고, 각각의 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공들은 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공들의 구멍과 동일하거나 더 큰, 똑같은 구멍을 가진다.
가스 방출 정공의 구멍의 상기 배열 방식을 통해, 하나의 가스 방출 정공으로부터 나오는 처리 가스의 질량 흐름은 임의의 다른 가스 방출 정공으로부터 나오는 것과 대략 동일하며, 따라서, 처리 가스는 반응기에서 균일한 방식으로 분배될 수 있는 것으로 발견된다.
일 구현예에 따르면, 주관에서, 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍에 대한 임의의 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이고; 분기관에서, 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍에 대한 임의의 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이다.
일 구현예에 따르면, 주관에서, 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍에 대한 임의의 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이고; 분기관에서, 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍에 대한 임의의 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이다.
일 구현예에 따르면, 반응기의 직경이 10 m 내지 15 m의 범위일 때, 모든 가스 방출 정공에서, 가장 작은 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가장 큰 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1.05 내지 1.15, 바람직하게는 1.08 내지 1.12의 범위이고; 반응기의 직경이 5 m 내지 10 m의 범위일 때, 모든 가스 방출 정공에서, 가장 작은 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가장 큰 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1.02 내지 1.13, 바람직하게는 1.05 내지 1.11의 범위이다.
일 구현예에 따르면, 주관에서, 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리는 이의 물질 흐름 방향을 따라 임의의 다른 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리와 동일하고; 분기관에서, 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리는 이의 물질 흐름 방향을 따라 임의의 다른 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리와 동일하다. 바람직하게는, 주관에서 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리는 분기관에서의 거리와 동일하다.
일 구현예에 따르면, 주관에는 이와 동일한 원주 위치(circumferential position)에서 하나 이상의 가스 방출 정공(들)이 구비되어 있고, 분기관에는 이와 동일한 원주 위치에서 하나 이상의 가스 방출 정공(들)이 구비되어 있다.
일 구현예에 따르면, 주관 및 분기관에서, 직선형 도관은 이의 각각의 가스 방출 정공에 설치되고, 직선형 도관의 축은 상응하는 가스 방출 정공의 중심과 나란히 위치한다. 가스 방출 정공으로부터 나오는 난기류의 처리 가스 흐름은 직선형 도관에 의해 안정한 선형 흐름으로 정류(rectified)될 수 있으며, 이는 반응기에서 안정한 반응의 유지를 촉진할 것이다.
일 구현예에 따르면, 주관에는 이와 동일한 원주 위치에 2개의 가스 방출 정공들이 구비되고, 2개의 가스 방출 정공들에 상응하는 2개의 직선형 도관들 사이의 각도는 30℃ 내지 90℃의 범위이고; 분기관에는 이와 동일한 원주 위치에 2개의 가스 방출 정공들이 구비되고, 2개의 가스 방출 정공들에 상응하는 2개의 직선형 도관들 사이의 각도는 30℃ 내지 90℃의 범위이다.
하나의 바람직한 구현예에 따르면, 직선형 도관의 말단들은 동일한 평면에 위치한다. 이러한 방식으로, 처리 가스는 공기와 가능한 한 균일하게 혼합될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 관 그룹에서, 복수의 분기관들은 서로 평행하고, 주관은 복수의 분기관들과 수직이다. 일 구현예에 따르면, 2개의 인접한 분기관들 사이의 수직 거리는 주관의 축 방향을 따라 임의의 다른 2개의 인접한 분기관들 사이의 거리와 동일하다. 이러한 구조적 설계로써, 처리 가스는 반응기의 각각의 영역 내로 들어갈 수 있으며, 따라서, 그 안에서 균일하게 분배될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 관 그룹에서, 반응기 몸체의 반경에 대한 분기관의 길이의 비율은 0 내지 0.8의 범위이다. 이러한 구조적 설계에 따르면, 분기관은 적합한 길이를 가지며, 따라서, 처리 가스가 분기관에 머무르는 시간은 상대적으로 짧다. 이러한 방식으로, 분기관이 제조되는 금속이 처리 가스 내 암모니아에 의해 질화되는 경우를 피할 수 있으며, 따라서, 원료 분배기의 수명이 연장될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 원료 분배기는 서로 동일한 복수의 관 그룹들을 포함한다. 각각의 관 그룹은 하나의 주관, 및 상기 주관과 유체 연통하는 복수의 분기관을 포함한다. 각각의 관 그룹의 주관은 처리 가스원과 개별적으로 연통한다. 이러한 구조적 설계로써, 각각의 관 그룹의 주관은 처리 가스원과 개별적으로 연통하기 때문에, 처리 가스는 반응기에서 균일한 방식으로 분배될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 복수의 관 그룹은 원주 방향에서 균일하게 위치한다. 또 다른 구현예에 따르면, 복수의 관 그룹 중 주관은 제1 수평면에 위치하고; 복수의 관 그룹 중 분기관은 상기 제1 수평면과 서로 다른 제2 수평면에 위치한다.
일 구현예에 따르면, 반응기 몸체에서, 공기 분배 판은 원료 분배기 아래에 배열되고, 가스 방출 정공은 공기 분배 판과 마주하고 있다. 이러한 방식으로, 처리 가스 및 공기는 반응기에서 균일한 방식으로 분배될 수 있으며, 따라서, 이후의 단계들에서 반응 효율이 개선될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 반응기 몸체에서, 냉각 코일은 원료 분배기의 위에 배열된다. 암모니아, 프로펜 및 공기에 의해 아크릴로니트릴을 제조하는 반응이 발열 반응이기 때문에, 냉각 코일은, 반응기 안에서 발생된 열을 제시간 안에 반응기로부터 배출시키도록 반응기 몸체에 배열되며, 따라서, 반응 온도가 예정된 온도에서 유지될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 냉각 코일은 복수의 긴 코일 및 복수의 짧은 코일을 포함한다. 각각의 긴 코일의 길이는 각각의 짧은 코일의 길이보다 길다. 복수의 긴 코일 및 복수의 짧은 코일은 각각 개별적으로 냉각원과 연통하며, 이러한 냉각원은 반응기 몸체의 외부에 배열된다. 긴 코일은 상대적으로 더 많은 냉각수를 수용할 수 있으며, 이로써, 반응기에서 온도의 하강 또는 상승 정도가 상대적으로 클 것이다. 이와는 대조적으로, 짧은 코일은 상대적으로 더 적은 냉각수를 수용할 수 있으며, 이로써, 반응기에서 온도의 하강 또는 상승 정도가 상대적으로 작을 것이다. 따라서, 실제 상황에 따라, 긴 코일은 반응기 몸체의 일부 영역에 배열될 수 있고, 짧은 코일은 반응기 몸체의 다른 영역에 배열될 수 있거나, 또는 심지어 긴 코일 및 짧은 코일은 엇갈리는 방식(staggered manner)으로 배열될 수 있다. 이러한 방식으로, 반응기 몸체 내의 서로 다른 영역들은 서로 다른 온도 조절 전략으로 수행될 수 있으며, 따라서, 반응기 몸체에서의 온도는 높은 민감도로 조절될 수 있다. 특히, 긴 코일과 짧은 코일 사이의 스위칭 또는 긴 코일과 짧은 코일의 협력을 통해, 이들의 온도는 오로지 짧은 코일만 사용되는 경우보다 더 민감하게 조절될 수 있다. 따라서, 반응기 몸체에서의 온도는 보다 민감한 방식으로 조절될 수 있다. 더욱이, 각각의 긴 코일 및/또는 짧은 코일은 실제 요구에 따라 이의 역할을 개별적으로 수행할 수 있으며, 따라서, 반응기 몸체에서의 온도는 정확하게 조절될 수 있다. 따라서, 반응 반응기 몸체에서의 온도는 전체적으로 예정된 온도에서 유지될 수 있으며, 따라서, 아크릴로니트릴의 반응 효율 및 생산 효율 둘 다 개선될 수 있다.
하나의 바람직한 구현예에 따르면, 반응기 몸체에서, 짧은 코일 및 긴 코일은 반응기 단면의 중심 영역에 배열되고, 긴 코일은 반응기 단면의 다른 영역에 배열된다. 긴 코일은 온도를 대략적으로 조절하는 데 사용되며, 한편 짧은 코일은 온도를 정확하게 조절하는 데 사용된다. 반응기 내 온도는, 오로지 짧은 코일만 반응기 단면의 중심 영역에 배열될 때, 전체적으로 민감하게 조절될 수 있다. 이러한 방식으로, 긴 코일 및 짧은 코일의 조절 복잡성이 줄어들 수 있다.
일 구현예에 따르면, 복수의 긴 코일 및 복수의 짧은 코일은 각각 하나 이상의 U-튜브로 구성되며, 이러한 U-튜브들은 서로 연속적으로 연결되어 있다. 각각의 긴 코일의 U-튜브의 수량은 4 내지 8의 범위이고, 각각의 짧은 코일의 U-튜브의 수량은 1 내지 3의 범위이다.
일 구현예에 따르면, 긴 코일 및 짧은 코일 중 하나 이상은 홀수 개의 U-튜브를 가지고, 긴 코일 및 짧은 코일 중 또 다른 하나 이상은 짝수 개의 U-튜브를 가진다. 하나의 U-튜브가 반응기에서 가장 작은 온도 변화를 야기할 수 있음이 발견되었다. 따라서, 긴 코일과 짧은 코일의 협력에 의해, 하나의 U-튜브에 의해 야기된 온도 변화가 반응기에서 발생될 수 있으며, 따라서, 반응기 내 온도는 정확하게 조절될 수 있다.
제2 측면에 따르면, 본 발명은 상기 반응기를 사용한 아크릴로니트릴의 제조 방법을 제공한다. 반응기 몸체에서, 공기 분배 판은 원료 분배기의 아래에 배열되고, 가스 방출 정공은 공기 분배 판과 마주하고 있다. 본 방법은, 처리 가스를 원료 분배기를 통해 반응기 내로 공급하고, 공기를 공기 분배 판을 통해 반응기 내로 공급하여, 반응기에서 촉매의 작용에 의해 처리 가스와 공기 사이에서 화학적 반응을 발생시켜, 아크릴로니트릴-함유 생성물을 제조하는 단계; 및 아크릴로니트릴-함유 생성물을 정제하여, 아크릴로니트릴을 수득하는 단계를 포함한다.
전술한 바와 같이, 처리 가스는 원료 분배기에 의해 반응기 내로 균일한 방식으로 공급될 수 있으며, 더욱이, 처리 가스 및 공기는 반응기 내에 배열된 원료 분배기 및 공기 분배 판 때문에, 반응기에서 균일하게 분배될 수 있다. 따라서, 아크릴로니트릴의 생산 효율이 개선될 수 있다.
일 구현예에 따르면, 반응기에서, 마노미터 압력(manometer pressure)에 의해 측정된 반응 압력은 0.04 MPa 내지 0.05 MPa의 범위이고, 물질 흐름 속도 V는 0.7 m/s 내지 1.0 m/s의 범위이다. 촉매는 Mo-Bi 시리즈 아크릴로니트릴 촉매이고, 이의 평균 입자 크기는 40 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위이다. 반응 온도는 420℃ 내지 460℃의 범위이다. 처리 가스는 프로펜과 암모니아의 혼합물이고, 프로펜, 암모니아 및 공기의 몰비는 1:(1.1-1.3):(9-10.5)이다. 이러한 반응 조건 하에 그리고 촉매의 작용에 의해, 프로펜, 암모니아 및 공기는 아크릴로니트릴을 제조하기에 충분할 정도로 반응할 수 있다. 선행 기술의 물질 흐름 속도 V(0.5 m/s 내지 0.68 m/s)와 비교하여, 본 발명의 방법에 따르면, 물질 흐름 속도는 크게 개선될 수 있고, 따라서, 아크릴로니트릴의 생산 효율이 상당히 개선될 수 있다. Mo-Bi 시리즈 아크릴로니트릴 촉매는 이러한 분야에서 보편적으로 사용되고, 이에 대한 상세한 사항은 본원에서 더이상 반복되지 않는다.
일 구현예에 따르면, 촉매의 입상 분포(granularity distribution)는 하기와 같다: 질량 함량에 의해 측정하여, 입자 크기가 90 ㎛보다 큰 입자는 0% 내지 30%이며, 입자 크기가 45 ㎛ 내지 90 ㎛ 범위인 입자는 20% 내지 70%이고, 입자 크기가 45 ㎛보다 작은 입자는 30% 내지 50%이며, 이 중, 입자 크기가 20 ㎛보다 작은 입자는 10% 이하이다. 상기 입상 분포를 가진 촉매는 최상의 촉매 효율을 가진 것으로 발견되었다. 보다 중요하게는, 본원에 개시된 방법에 따르면, 매우 높은 물질 흐름 속도에 의해, 촉매의 손실률은 선행 기술의 촉매의 손실률과 동일하거나 심지어 이보다 낮다. 따라서, 반응기에서의 반응은 안정한 방식으로 수행될 수 있고, 반응기에의 촉매의 보충 빈도는 줄어들 수 있다.
일 구현예에 따르면, 반응이 진행되는 동안에, 반응기에서 촉매의 입상 분포가 관찰되며, 하기와 같이 유지된다: 질량 함량에 의해 측정하여, 입자 크기가 90 ㎛보다 큰 입자는 0% 내지 30%이며, 입자 크기가 45 ㎛ 내지 90 ㎛ 범위인 입자는 20% 내지 70%이고, 입자 크기가 45 ㎛보다 작은 입자는 30% 내지 50%이며, 이 중, 입자 크기가 20 ㎛보다 작은 입자는 10% 이하이다.
일 구현예에 따르면, 반응기에서, 냉각 코일은 원료 분배기 위에 수직으로 배열된다. 촉매의 유동화된 높이(fluidized height) h와 물질 흐름 속도 V와의 관계식은 하기 방정식으로 표현되며:
Figure pat00001
, 여기서, a 및 b는 둘 다 상수이며, a는 2.5 내지 3.5의 범위이고, b는 3.5 내지 4.8의 범위이다. 냉각 코일의 높이 H는 촉매의 유동화된 높이 h와 동일하거나 더 높다.
선행 기술과 비교하여, 하기 유익한 효과들이 본 발명에 따라 발휘될 수 있다. 처리 가스가 원료 분배기에 의해 균일한 방식으로 반응기 내로 공급될 수 있으며, 그로 인해, 아크릴로니트릴의 생산 효율이 개선될 수 있다. 더욱이, 처리 가스 및 공기는 반응기 내에 배열된 원료 분배기 및 공기 분배 판 때문에 반응기에서 균일하게 분배될 수 있으며, 따라서, 아크릴로니트릴의 생산 효율 또한 개선될 수 있다.
이하, 본 발명은 구현예 및 도면을 참조로 하여 상세히 예시될 것이다. 도면에서:
도 1은 본 발명에 따른 아크릴로니트릴의 제조용 반응기의 일 구현예를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 2는 본 발명에 따른 원료 분배기의 일 구현예를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 3은 도 2에 도시된 바와 같은 B-B 라인을 따라 원료 분배기의 일부의 단면도를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 4는 분배기의 가스 방출 정공 및 직선형 도관의 또 다른 구현예를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 5는 본 발명에 따른 원료 분배기의 또 다른 구현예를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 6은 본 발명에 따른 원료 분배기의 또 다른 구현예를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 7은 본 발명에 따른 원료 분배기의 또 다른 구현예를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 8은 본 발명에 따른 원료 분배기의 또 다른 구현예를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 9는 본 발명의 일 구현예에 따른 냉각 코일의 일부를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 10은 본 발명의 일 구현예에 따른 냉각 코일의 배열 모드를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 11은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 냉각 코일의 배열 모드를 도식적으로 도시하고 있으며;
도 12는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 냉각 코일의 배열 모드를 도식적으로 도시하고 있고;
도 13은 본 발명의 추가적인 또 다른 구현예에 따른 냉각 코일의 배열 모드를 도식적으로 도시하고 있다.
도면에서, 동일한 구성성분은 동일한 참조 기호로 표시된다. 도면은 실제 크기대로 도시되어 있지 않다. 또한, 도 2 및 도 5 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 기호 "○", "×" 및 "△"는 각각 서로 다른 구멍들을 가진 가스 방출 정공들을 표시한다.
상세한 설명, 요약 및 청구항에 사용된 바와 같이, 단수형("a", "an" 및 "the")은 문맥상 명백하게 다르게 지시하지 않는 한, 복수형을 포함하는 것으로 이해해야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 아크릴로니트릴의 제조용 반응기(10)를 도식적으로 도시하고 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, 반응기(10)는 실린더 모양의 반응기 몸체(11) 및 반타원형 볼(half elliptical ball) 모양의 헤드(12)를 포함한다. 원료 분배기(1) 및 공기 분배 판(4)은 반응기 몸체(11)에서 수평으로 배열된다. 바람직하게는, 원료 분배기(1) 및 공기 분배 판(4)은 서로 격리되어 있으며, 원료 분배기(1)는 공기 분배 판(4) 위에 위치한다.
처리 가스의 공급관(2)은 반응기 몸체(11)의 측벽을 통과하며, 반응기(10) 내로 확장되고, 원료 분배기(1)와 연통한다. 공기관(air pipe)(3) 또한, 반응기 몸체(11)의 측벽을 통과하고, 반응기(10) 내로 확장되어, 반응기 내에 공급된 공기가 공기 분배 판(4)에 의해 반응기(10)에 분배될 수 있다. 이러한 방식으로, 원료 분배기(1) 및 공기 분배 판(4)의 작용에 의해, 처리 가스원(7)으로부터 나오는 처리 가스는 반응기(10)에서 공기와 균일하게 혼합될 수 있다. 그런 다음, 처리 가스와 공기의 혼합물은 반응기(10)에서 촉매(도 1에 도시되지 않음)의 작용에 의해 반응할 수 있으며, 따라서, 아크릴로니트릴이 제조될 수 있다. 처리 가스원(7)은 본 발명에 따른 반응기(10)의 일부가 아님을 주지해야 한다. 또한, 공급관(2) 및 공기관(3)은 서로 분리되어 있으며, 이의 이유는 하기와 같이 언급된다. 아크릴로니트릴을 제조하는 처리 가스가 일반적으로 암모니아 및 프로펜이며, 이들은 가연성이며 폭발성인 가스이기 때문에, 암모니아 및 프로펜은 공기와 혼합된 후에는 반응기(10) 내로 공급될 수 없다.
또한, 반응기(10)에는, 하기 단계들에서 아크릴로니트릴에 포획된 촉매 입자로부터 그 안에 발생된 아크릴로니트릴을 분리하고, 아크릴로니트릴 및 촉매 상에서의 추가적인 작동을 촉진하기 위해, 분리 장치(6)가 추가로 구비될 수 있다. 분리 장치(6)는 사이클론 분리기 또는 다른 유형의 분리기일 수 있다.
본 발명에 따른 원료 분배기(1)는 이하에서 상세히 예시될 것이다.
도 2는 원료 분배기의 일 구현예를 도식적으로 도시하고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 원료 분배기(1)는 주관(101), 및 상기 주관(101)과 유체 연통하는 복수의 분기관(102)들로 이루어진 관 그룹(106)을 포함한다. 주관(101)은 공급관(2)과 연통하며, 주관(101) 및 분기관(102)들의 말단은 모두 밀폐되어 있다. 주관(101) 및 분기관(102)들에는 각각 복수의 가스 방출 정공(103)들이 구비되어 있다. 이러한 방식으로, 처리 가스가 원료 분배기(1) 내로 도입된 후 가스 방출 정공(103)을 통해서만 유출될 수 있으며, 따라서, 처리 가스는 반응기(10)에서 원료 분배기(1)에 의해 균일한 방식으로 분배될 수 있다.
바람직하게는, 주관(101) 내의 복수의 가스 방출 정공(103)들은, 처리 가스의 흐름 방향을 따라, 하류 가스 방출 정공의 구멍이 상류 가스 방출 정공의 구멍보다 더 크도록 배열되고; 각각의 분기관(102) 내의 복수의 가스 방출 정공(103)들은, 처리 가스의 흐름 방향을 따라, 하류 가스 방출 정공의 구멍이 상류 가스 방출 정공의 구멍보다 더 크도록 배열된다. 이러한 방식으로, 하나의 가스 방출 정공으로부터 나오는 처리 가스의 질량 흐름은 임의의 다른 가스 방출 정공으로부터 나오는 것과 대략 동일하며, 따라서, 처리 가스는 반응기(10)에서 균일한 방식으로 분배될 수 있다. 본원에 도시되지 않은 일 구현예에 따르면, 주관(101)에서, 복수의 가스 방출 정공들은 복수의 서로 다른 가스 방출 정공 그룹들을 형성하고, 각각의 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공(103)들은 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공들의 구멍과 동일하거나 더 큰, 똑같은 구멍을 가진다. 동시에, 분기관 내의 가스 방출 정공들은 동일한 방식으로 배열된다. 따라서, 하나의 가스 방출 정공으로부터 나오는 처리 가스의 질량 흐름이 임의의 다른 가스 방출 정공으로부터 나오는 것과 대략 동일하도록 실현될 수 있다.
각각의 가스 방출 정공(103)의 구멍은 실제 조건에 따라 배열될 수 있다. 일 구현예에 따르면, 주관(101)에서, 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍에 대한 임의의 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이고; 분기관(102)에서, 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍에 대한 임의의 가스 방출 정공(103)의 구멍의 비율은 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이다.
또 다른 구현예에 따르면, 가스 방출 정공 그룹에 대하여, 주관(101)에서, 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍에 대한 임의의 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이고; 분기관(102)에서, 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍에 대한 임의의 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이다.
구체적인 구현예에 따르면, 가스 방출 정공(103)의 구멍은 3 mm 내지 10 mm의 범위이다. 반응기(10)의 직경이 5 m 내지 10 m의 범위일 때, 모든 가스 방출 정공들에서, 가장 작은 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가장 큰 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1.02 내지 1.13, 바람직하게는 1.05 내지 1.11의 범위이다. 예를 들어, 가스 방출 정공의 구멍은 4.5 mm, 4.8 mm, 4.9 mm, 6.7 mm, 6.8 mm 및 7.0 mm일 수 있다. 반응기(10)의 직경이 10 m 내지 15 m의 범위일 때, 모든 가스 방출 정공들에서, 가장 작은 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가장 큰 가스 방출 정공의 구멍의 비율은 1.05 내지 1.15, 바람직하게는 1.08 내지 1.12의 범위이다. 예를 들어, 가스 방출 정공의 구멍은 5.8 mm, 6.1 mm, 6.4 mm 및 6.5 mm일 수 있다.
더욱이, 주관(101)에서, 2개의 인접한 가스 방출 정공(103)들 사이의 거리는 이의 물질 흐름 방향을 따라 임의의 다른 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리와 동일하고; 분기관(102)에서, 2개의 인접한 가스 방출 정공(103)들 사이의 거리는 이의 물질 흐름 방향을 따라 임의의 다른 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리와 동일하다. 2개의 인접한 가스 방출 정공(103)들 사이의 거리는 100 mm 내지 300 mm, 바람직하게는 125 mm 내지 275 mm, 보다 바람직하게는 150 mm 내지 225 mm의 범위일 수 있다.
주관(101)에는 이와 동일한 원주 위치에 하나 이상의 가스 방출 정공(들)(103)이 구비된다. 분기관(102)에는 이와 동일한 원주 위치에 하나 이상의 가스 방출 정공(들)(103)이 구비된다. 도 4에 도시된 바와 같은 일 구현예에 따르면, 2개의 가스 방출 정공(103)들은 이와 동일한 원주 위치에서 주관/분기관에 배열된다.
주관(101)은 직선형 관일 수 있고, 분기관(102)은 직선형 관 또는 곡선형 관(도 7에 도시된 바와 같음)일 수 있다. 분기관(102)의 구멍에 대한 주관(101)의 구멍의 비율은 바람직하게는 2.0 내지 3.2이다. 복수의 분기관(102)들은 서로 평행하고, 주관(101)은 복수의 분기관(102)들과 수직이다. 더욱이, 2개의 인접한 분기관(102)들 사이의 수직 거리 L은 주관(101)의 축방향을 따라 임의의 다른 2개의 인접한 분기관(102)들 사이의 수직 거리와 동일하다. 상기 구조적 설계는 반응기(10)에서 처리 가스의 균일한 분배를 촉진할 수 있다. 바람직하게는, 2개의 인접한 분기관(102)들 사이의 수직 거리 L은 2개의 인접한 가스 방출 정공(103)들 사이의 거리의 2배이다. 일 구현예에 따르면, 2개의 인접한 분기관(102)들 사이의 수직 거리 L은 200 mm 내지 600 mm, 바람직하게는 260 mm 내지 550 mm, 보다 바람직하게는 300 mm 내지 500 mm의 범위이다.
도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 주관(101) 및 분기관(102)에서, 직선형 도관(105)은 이의 각각의 가스 방출 정공(103)에 설치된다. 가스 방출 정공(103)으로부터 나오는 난기류의 처리 가스 흐름은 직선형 도관(105)에 의해 안정한 선형 흐름으로 정류될 수 있으며, 이는 반응기(10)에서 안정한 반응의 유지를 촉진할 것이다. 바람직하게는, 직선형 도관(105)들의 말단들은 동일한 평면에 존재한다. 더욱이, 주관 및 분기관에는 이와 동일한 원주 위치에서 2개의 가스 방출 정공들이 구비되고, 2개의 가스 방출 정공들에 상응하는 2개의 직선형 도관들 사이의 각도 α는 30℃ 내지 90℃의 범위이다.
도 5 내지 도 8은 다른 유형의 원료 분배기(1)의 구현예들을 도식적으로 도시하고 있다. 이들 구현예에 따르면, 원료 분배기(1)는 서로 동일한 복수의 관 그룹(106)들을 포함한다. 예를 들어, 원료 분배기(1)는 4개의 관 그룹(106)을 포함할 수 있다. 관 그룹(106)들은 반응기 몸체(11)의 동일한 단면에 분배되고, 이의 원주 방향에서 균일하게 위치한다. 각각의 관 그룹은 하나의 주관(101), 및 상기 주관(101)과 유체 연통하는 복수의 분기관(102)들을 포함한다. 주관(101) 및 분기관(102)들에는 각각 복수의 가스 방출 정공(103)들이 구비된다. 각각의 관 그룹의 주관(101)은 처리 가스원(7)과 개별적으로 연통한다. 이러한 방식으로, 각각의 관 그룹의 가스 흡입 조건은 조절될 수 있으며, 따라서, 처리 가스는 반응기(10)에서 균일하게 분배되도록 보장될 수 있다. 각각의 관 그룹에서, 주관(101), 분기관(102) 및 가스 방출 정공(103)의 배열 모드는 전술한 것과 완전히 동일하고, 이에 대한 상세한 사항은 본원에서 더이상 반복되지 않는다.
도 5 내지 도 8에 도시된 구현예에 따르면, 관 그룹(106)의 주관(101)의 밀폐된 말단들은 반응기 몸체(11)의 중심(104)으로 수렴되고, 관 그룹의 분기관(102)들은 원주 방향에서 서로 겹치지 않는다. 예를 들어, 도 5에 도시된 바와 같이, 각각의 관 그룹의 분기관(102)들은 주관(101)의 한쪽 면에만 위치한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 복수의 분기관(102)들은 복수의 정사각형들을 형성한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 복수의 분기관(102)들은 복수의 동심원들을 형성한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 복수의 분기관(102)들은 서로 엇갈린다.
또 다른 구현예에 따르면, 복수의 관 그룹(106)들의 주관(101)들은 제1 수평면에 위치하고, 복수의 관 그룹들의 분기관(102)들은 상기 제1 수평면과 서로 다른 제2 수평면에 위치한다. 이러한 방식으로, 주관(101)의 직선형 도관(105)과 분기관(102)의 직선형 도관(105) 사이의 계면은 피해질 수 있다.
일 구현예에 따르면, 관 그룹에서, 반응기 몸체(11)의 반경에 대한 분기관(102)의 길이의 비율은 0 내지 0.8의 범위이다. 이러한 방식으로, 처리 가스가 분기관(102)에 머무르는 시간은 상대적으로 짧다. 따라서, 분기관이 제조되는 금속이 고온에서 처리 가스 내 암모니아에 의해 질화되는 경우를 피할 수 있으며, 따라서, 원료 분배기(1)의 수명이 연장될 수 있다.
반응기(10)에는, 암모니아, 프로펜 및 공기의 반응에 의해 발생된 열을 배출시키기 위해 냉각 코일(5)이 추가로 구비된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 냉각 코일(5)은 원료 분배기(1) 위에 배열된다.
도 9는 일 구현예에 따른 냉각 코일(5)의 일부를 도식적으로 도시하고 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 냉각 코일(5)은 3개의 독립적인 서브 코일(31, 32 및 33)을 포함하며, 이들 코일은 각각 반응기 몸체(11) 외부에 배열된 냉각원(8)과 개별적으로 연통한다. 반응기(10)에는 더 많은 서브 코일이 구비될 수 있다.
서브 코일은 복수의 긴 코일(31, 33)들 및 복수의 짧은 코일(32)들을 포함한다. 각각의 긴 코일의 길이는 각각의 짧은 코일의 길이보다 길며, 따라서, 긴 코일은 짧은 코일보다 더 강한 온도-저하 능력을 가진다. 따라서, 실제 상황에 따르면, 긴 코일은 반응기 몸체(11)의 일부 영역에 배열될 수 있고, 짧은 코일은 반응기 몸체의 다른 영역에 배열될 수 있거나, 또는 심지어 긴 코일 및 짧은 코일은 엇갈리는 방식으로 배열될 수 있다. 더욱이, 냉각 서브 유닛들은 각각 실제 요구에 따라 개별적으로 조절될 수 있으므로, 반응기 몸체에서의 온도는 높은 민감도로 조절될 수 있고, 이에 따라 아크릴로니트릴의 생산 효율이 개선될 수 있다.
긴 코일 및 짧은 코일은 각각 하나 이상의 U-튜브로 구성되며, 이러한 U-튜브들은 서로 연속적으로 연결되어 있어서, 이의 제조를 촉진한다. U-튜브들은 전적으로 동일한 규격을 가진다. 각각의 긴 코일의 U-튜브의 수량은 4 내지 8의 범위이고, 각각의 짧은 코일의 U-튜브의 수량은 1 내지 3의 범위이다. 간략하게 말하자면, 본원에서, 1U는 하나의 U-튜브를 가진 코일을 나타내는 데 사용되며, 2U는 서로 연속적으로 연결된 2개의 U-튜브를 가진 코일을 나타내는 데 사용되는 등이다. 도 10 내지 도 13에서, 1U, 2U 등과 같은 기호는 코일의 길이를 나타내는 데 사용된다.
하나의 바람직한 구현예에 따르면, 긴 코일 및 짧은 코일 중 하나 이상은 홀수 개의 U-튜브를 가지고, 긴 코일 및 짧은 코일 중 또 다른 하나 이상은 짝수 개의 U-튜브를 가진다. 예를 들어, 긴 코일과 짧은 코일의 조합은 6U/4U/1U, 6U/5U/3U, 7U/6U/4U 및 8U/6U/5U/2U일 수 있다. 이러한 방식으로, 긴 코일과 짧은 코일의 조절을 통해, 1U에 의해 야기되는 온도 변화가 반응기(10)에서 실현될 수 있으며, 따라서, 반응기 내 온도가 정확하게 조절될 수 있다.
도 10 내지 도 13에 도시된 바와 같이, 반응기 몸체(11)에서, 짧은 코일 및 긴 코일은 반응기의 단면(111)의 중심 영역에 배열되고, 긴 코일은 반응기의 단면(111)의 다른 영역에 배열된다. 긴 코일은 반응기(10)에서 온도를 신속하게 상승 및 하강시키는 데 사용되며, 한편, 짧은 코일은 반응기(10)에서 온도를 정확하게 조절하는 데 사용된다. 특히, 짧은 코일이 반응기의 단면(111)의 중심 영역에만 배열될 때, 반응기(10)에서 온도가 전체적으로 민감하게 조절될 수 있는 것으로 발견되었다. 본 개시내용에 따라, 반응기(10)의 단면의 중심 영역은 반응기의 중심에서부터 반경의 2/3까지의 영역을 지칭하고, 반응기(10)의 단면의 모서리 영역은 중심 영역으로부터 멀리 떨어진 영역을 지칭한다.
실시예 1
직경이 7 m인 반응기(10) 및 도 5에 도시된 바와 같은 원료 분배기를 사용한다. 가스 방출 정공 구멍은 각각 4.5 mm, 4.6 mm, 4.7 mm, 4.8 mm 및 4.9 mm이다. 도 10에 도시된 바와 같은 냉각 코일을 사용하고, 냉각 코일의 높이는 6.5 m이다.
프로펜, 암모니아 및 공기의 몰비는 1:1.2:9.5이며, 반응 압력은 0.04 MPa이며, 반응 온도는 440℃이고, 물질 흐름 속도 V는 0.8 m/s이다. 촉매 내 질량 함량에 의해 측정하여, 입자 크기가 90 ㎛보다 큰 입자는 15%이며, 입자 크기가 45 ㎛ 내지 90 ㎛ 범위인 입자는 53%이고, 입자 크기가 45 ㎛보다 작은 입자는 32%이며, 이 중, 입자 크기가 20 ㎛보다 작은 입자는 8% 미만이다. 아크릴로니트릴에 포획된 촉매는 사이클론 분리기에 의해 분리된다. 아크릴로니트릴 및 CO2의 수율(yield rate) 및 촉매의 손실률을 표 1에 나타낸다.
실시예 2
직경이 9 m인 반응기(10) 및 도 6에 도시된 바와 같은 원료 분배기를 사용한다. 가스 방출 정공 구멍은 각각 6.5 mm, 6.6 mm, 6.7 mm, 6.8 mm, 6.9 mm 및 7.0 mm이다. 도 11에 도시된 바와 같은 냉각 코일을 사용하고, 냉각 코일의 높이는 7 m이다.
프로펜, 암모니아 및 공기의 몰비는 1:1.1:9.5이며, 반응 압력은 0.05 MPa이며, 반응 온도는 430℃이고, 물질 흐름 속도 V는 0.85 m/s이다. 촉매 내 질량 함량에 의해 측정하여, 입자 크기가 90 ㎛보다 큰 입자는 18%이며, 입자 크기가 45 ㎛ 내지 90 ㎛ 범위인 입자는 47%이고, 입자 크기가 45 ㎛보다 작은 입자는 35%이며, 이 중, 입자 크기가 20 ㎛보다 작은 입자는 8% 미만이다. 아크릴로니트릴에 포획된 촉매는 사이클론 분리기에 의해 분리된다. 아크릴로니트릴 및 CO2의 수율 및 촉매의 손실률을 표 1에 나타낸다.
실시예 3
직경이 12 m인 반응기(10) 및 도 6에 도시된 바와 같은 원료 분배기를 사용한다. 가스 방출 정공 구멍은 각각 5.8 mm, 5.9 mm, 6.0 mm, 6.1 mm, 6.2 mm, 6.3 mm, 6.4 mm 및 6.5 mm이다. 도 12에 도시된 바와 같은 냉각 코일을 사용하고, 냉각 코일의 높이는 7.5 m이다.
프로펜, 암모니아 및 공기의 몰비는 1:1.3:9.7이며, 반응 압력은 0.043 MPa이며, 반응 온도는 435℃이고, 물질 흐름 속도 V는 0.9 m/s이다. 촉매 내 질량 함량에 의해 측정하여, 입자 크기가 90 ㎛보다 큰 입자는 7%이며, 입자 크기가 45 ㎛ 내지 90 ㎛ 범위인 입자는 58%이고, 입자 크기가 45 ㎛보다 작은 입자는 35%이며, 이 중, 입자 크기가 20 ㎛보다 작은 입자는 8% 미만이다. 아크릴로니트릴에 포획된 촉매는 사이클론 분리기에 의해 분리된다. 아크릴로니트릴 및 CO2의 수율 및 촉매의 손실률을 표 1에 나타낸다.
아크릴로니트릴의 수율
(중량%)		 CO2의 수율
(중량%)		 아크릴로니트릴 1톤이 제조될 때, 촉매의 손실량
(kg/t 아크릴로니트릴)
선행 기술 79.3 5.8 0.4
실시예 1 80.2 4.9 0.37
실시예 2 80.8 4.8 0.4
실시예 3 80.6 5.0 0.35
상기 실시예에서, 선행 기술과 비교하여, 아크릴로니트릴의 수율은 본 발명에 따른 아크릴로니트릴의 제조를 위한 반응기 및 제조 방법에 의해 상당히 개선될 수 있는 것으로 볼 수 있다. 한편, 이의 부반응은 크게 방지될 수 있으며, 따라서, 반응에서 제조되는 CO2의 양은 감소될 수 있다. 보다 중요하게는, 반응 압력이 0.04 MPa 내지 0.05 MPa의 범위이고, 물질 흐름 속도 V가 0.7 m/s 내지 1.0 m/s의 범위인 조건 하에, 촉매의 손실률은 효과적으로 조절될 수 있다. 예를 들어, 아크릴로니트릴 1톤의 제조 시, 촉매의 손실량은 0.35 kg으로 낮을 수 있다. 따라서, 반응기에서 안정한 반응이 유지될 수 있다.
반응의 안정성을 추가로 유지하기 위해, 반응기에서 촉매의 입상 분포는 규칙적으로 분석될 수 있으며, 서로 다른 입자 크기를 가진 촉매가 분석 결과를 기재로 첨가될 수 있다.
본 발명은 상기 바람직한 구현예와 조합하여 상세히 예시되지만, 본원에 개시된 구현예는 본 발명의 보호 범위로부터 벗어나지 않으면서 개선 또는 대체될 수 있는 것으로 이해될 수 있다. 특히, 구조적 상충이 존재하지 않는 한, 본 발명의 각각의 모든 구현예에 개시된 기술적 특징들은 임의의 방식으로 서로 조합될 수 있으며, 그렇게 형성된 조합된 특징들은 본 발명의 보호 범위 내에 포함된다. 본 발명은 본원에 개시된 특정 구현예에 의해 제한되지 않으나, 모든 기술적 해결방안들은 청구항의 보호 범위 내에 속한다.

Claims (31)

  1. 반응기 몸체(main body); 및
    상기 반응기 몸체에 수평으로 배열된 원료 분배기(feed distributor)
    를 포함하는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기로서,
    상기 원료 분배기는 주관(main pipe), 및 상기 주관과 유체 연통하는 복수의 분기관(branch pipe)들로 이루어진 관 그룹을 포함하며;
    상기 주관의 주입구는, 상기 반응기 몸체의 외부에 배열된 처리 가스원(raw gas source)과 연통하고, 상기 주관의 말단(terminal)은 폐쇄되어 있으며;
    상기 분기관들의 말단들은 폐쇄되어 있고;
    상기 주관 및 상기 분기관들에는 각각 복수의 가스 방출 정공(gas release hole)이 구비되어 있는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 주관 내의 복수의 가스 방출 정공들이, 처리 가스의 흐름 방향을 따라, 하류(downstream) 가스 방출 정공의 구멍이 상류(upstream) 가스 방출 정공의 구멍보다 더 크도록 배열되고;
    각각의 분기관 내의 복수의 가스 방출 정공들이, 처리 가스의 흐름 방향을 따라, 하류 가스 방출 정공의 구멍이 상류 가스 방출 정공의 구멍보다 더 크도록 배열되는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 주관에서, 가스 방출 정공의 구멍이 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍과 동일하거나 더 크고;
    상기 분기관에서, 가스 방출 정공의 구멍이 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍과 동일하거나 더 큰 것인, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 주관에서, 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가스 방출 정공의 구멍의 비율이 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이고;
    상기 분기관에서, 인접한 상류 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가스 방출 정공의 구멍의 비율이 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위인, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 반응기의 직경이 10 m 내지 15 m의 범위일 때, 모든 가스 방출 정공에서, 가장 작은 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가장 큰 가스 방출 정공의 구멍의 비율이 1.05 내지 1.15, 바람직하게는 1.08 내지 1.12의 범위이고;
    상기 반응기의 직경이 5 m 내지 10 m의 범위일 때, 모든 가스 방출 정공에서, 가장 작은 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가장 큰 가스 방출 정공의 구멍의 비율이 1.02 내지 1.13, 바람직하게는 1.05 내지 1.11의 범위인, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 주관에서, 복수의 가스 방출 정공들이 복수의 서로 다른 가스 방출 정공 그룹들을 형성하고, 각각의 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공들은 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공들의 구멍과 동일하거나 더 큰, 똑같은 구멍을 가지고;
    상기 분기관에서, 복수의 가스 방출 정공들이 복수의 서로 다른 가스 방출 정공 그룹들을 형성하고, 각각의 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공들은 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내의 가스 방출 정공들의 구멍과 동일하거나 더 큰, 똑같은 구멍을 가지는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 주관에서, 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍의 비율이 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위이고;
    상기 분기관에서, 인접한 상류 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍에 대한 가스 방출 정공 그룹 내 가스 방출 정공의 구멍의 비율이 1 내지 1.08, 바람직하게는 1 내지 1.06, 바람직하게는 1 내지 1.04, 바람직하게는 1 내지 1.02, 바람직하게는 1 내지 1.015, 보다 바람직하게는 1 내지 1.01의 범위인, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주관에서, 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리가 이의 물질 흐름 방향을 따라 다른 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리와 동일하며;
    상기 분기관에서, 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리가 이의 물질 흐름 방향을 따라 다른 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리와 동일하고;
    바람직하게는, 상기 주관에서 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리가 상기 분기관에서 2개의 인접한 가스 방출 정공들 사이의 거리와 동일한, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 주관에는 이와 동일한 원주 위치(circumferential position)에서 하나 이상의 가스 방출 정공(들)이 구비되어 있고;
    상기 분기관에는 이와 동일한 원주 위치에서 하나 이상의 가스 방출 정공(들)이 구비되어 있는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 주관 및 상기 분기관에서, 직선형 도관이 이의 각각의 가스 방출 정공에 설치되고;
    상기 직선형 도관의 축은 상응하는 가스 방출 정공의 중심과 나란히 위치하는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 주관에는 이와 동일한 원주 위치에 2개의 가스 방출 정공들이 구비되고, 상기 2개의 가스 방출 정공들에 상응하는 2개의 직선형 도관들 사이의 각도가 30℃ 내지 90℃의 범위이고;
    상기 분기관에는 이와 동일한 원주 위치에 2개의 가스 방출 정공들이 구비되고, 상기 2개의 가스 방출 정공들에 상응하는 2개의 직선형 도관들 사이의 각도가 30℃ 내지 90℃의 범위인, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 직선형 도관의 말단들이 동일한 평면에 위치하는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관 그룹에서, 복수의 분기관들이 서로 평행하고, 주관이 복수의 상기 분기관들과 수직인, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  14. 제13항에 있어서,
    2개의 인접한 분기관들 사이의 수직 거리가 상기 주관의 축 방향을 따라 다른 2개의 인접한 분기관들 사이의 거리와 동일한, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 관 그룹에서, 상기 반응기 몸체의 반경에 대한 상기 분기관의 길이의 비율이 0 내지 0.8의 범위인, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 원료 분배기가 서로 동일한 복수의 관 그룹들을 포함하며;
    각각의 관 그룹이 하나의 주관, 및 상기 주관과 유체 연통하는 복수의 분기관을 포함하고;
    각각의 관 그룹의 상기 주관이 처리 가스원과 개별적으로 연통하는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  17. 제16항에 있어서,
    복수의 관 그룹 중 상기 주관이 제1 수평면에 위치하고;
    복수의 관 그룹 중 상기 분기관이 상기 제1 수평면과 서로 다른 제2 수평면에 위치하는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    복수의 관 그룹들이 원주 방향에서 균일하게 위치하는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 몸체에서, 공기 분배 판이 상기 원료 분배기 아래에 배열되고;
    상기 가스 방출 정공이 상기 공기 분배 판과 마주하고 있는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 몸체에서, 냉각 코일이 상기 원료 분배기 위에 배열되는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 냉각 코일이 복수의 긴 코일 및 복수의 짧은 코일을 포함하며;
    각각의 긴 코일의 길이가 각각의 짧은 코일의 길이보다 길고;
    복수의 상기 긴 코일 및 복수의 상기 짧은 코일이 각각 개별적으로 냉각원과 연통하며, 상기 냉각원은 상기 반응기 몸체의 외부에 배열되는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  22. 제21항에 있어서,
    상기 반응기 몸체에서, 상기 짧은 코일 및 상기 긴 코일이 반응기 단면의 중심 영역에 배열되고, 상기 긴 코일은 상기 반응기 단면의 다른 영역에 배열되는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    복수의 상기 긴 코일 및 복수의 상기 짧은 코일이 각각 하나 이상의 U-튜브로 구성되며, 상기 U-튜브들은 서로 연속적으로 연결되어 있고;
    각각의 긴 코일의 U-튜브의 수량이 4 내지 8의 범위이고, 각각의 짧은 코일의 U-튜브의 수량이 1 내지 3의 범위인, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 긴 코일 및 상기 짧은 코일 중 하나 이상이 홀수 개의 U-튜브를 가지고, 상기 긴 코일 및 상기 짧은 코일 중 또 다른 하나 이상이 짝수 개의 U-튜브를 가지는, 아크릴로니트릴의 제조용 반응기.
  25. 제1항에 따른 반응기를 사용한 아크릴로니트릴의 제조 방법으로서,
    반응기 몸체에서, 공기 분배 판은 원료 분배기의 아래에 배열되고, 가스 방출 정공은 상기 공기 분배 판과 마주하고;
    상기 방법은,
    처리 가스를 상기 원료 분배기를 통해 상기 반응기 내로 공급하고, 공기를 상기 공기 분배 판을 통해 상기 반응기 내로 공급하여, 상기 반응기에서 촉매의 작용에 의해 상기 처리 가스와 공기 사이에서 화학적 반응을 발생시켜, 아크릴로니트릴-함유 생성물을 제조하는 단계; 및
    상기 아크릴로니트릴-함유 생성물을 정제하여, 아크릴로니트릴을 수득하는 단계를 포함하는, 아크릴로니트릴의 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 반응기에서, 마노미터 압력(manometer pressure)에 의해 측정된 반응 압력이 0.04 MPa 내지 0.05 MPa의 범위이고,
    물질 흐름 속도 V가 0.7 m/s 내지 1.0 m/s의 범위인, 아크릴로니트릴의 제조 방법.
  27. 제25항 또는 제26항에 있어서,
    상기 촉매가 Mo-Bi 시리즈 아크릴로니트릴 촉매이고, 이의 평균 입자 크기가 40 ㎛ 내지 80 ㎛의 범위인, 아크릴로니트릴의 제조 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 촉매의 입상 분포(granularity distribution)가,
    질량 함량에 의해 측정하여, 입자 크기가 90 ㎛보다 큰 입자가 0% 내지 30%이며, 입자 크기가 45 ㎛ 내지 90 ㎛ 범위인 입자가 20% 내지 70%이고, 입자 크기가 45 ㎛보다 작은 입자가 30% 내지 50%이며, 이 중, 입자 크기가 20 ㎛보다 작은 입자가 10% 이하인, 아크릴로니트릴의 제조 방법.
  29. 제28항에 있어서,
    반응이 진행되는 동안에, 상기 반응기에서 상기 촉매의 입상 분포가,
    질량 함량에 의해 측정하여, 입자 크기가 90 ㎛보다 큰 입자가 0% 내지 30%이며, 입자 크기가 45 ㎛ 내지 90 ㎛ 범위인 입자가 20% 내지 70%이고, 입자 크기가 45 ㎛보다 작은 입자가 30% 내지 50%이며, 이 중, 입자 크기가 20 ㎛보다 작은 입자가 10% 이하인 것으로 관찰되고 유지되는, 아크릴로니트릴의 제조 방법.
  30. 제25항 내지 제29항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기에서, 냉각 코일이 상기 원료 분배기 위에 수직으로 배열되며;
    촉매의 유동화된 높이(fluidized height) h와 물질 흐름 속도 V와의 관계식이 하기 방정식으로 표현되며:
    Figure pat00002
    ,
    상기 방정식에서, a 및 b는 둘 다 상수이며, a는 2.5 내지 3.5의 범위이며, b는 3.5 내지 4.8의 범위이고;
    상기 냉각 코일의 높이 H는 상기 촉매의 유동화된 높이 h와 동일하거나 더 높은, 아크릴로니트릴의 제조 방법.
  31. 제25항 내지 제30항 중 어느 한 항에 있어서,
    반응 온도가 420℃ 내지 460℃의 범위이고;
    상기 처리 가스가 프로펜과 암모니아의 혼합물이고, 프로펜, 암모니아 및 공기의 몰비가 1:(1.1-1.3):(9-10.5)인, 아크릴로니트릴의 제조 방법.
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