KR20170091224A - 탈수소 공정용 고정층 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반응기 내부 공간을 한정하며 반응기의 외부 몸체를 구성하는 하우징; 및 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 다수개가 배치되며 그 내부에서 원료가스와 촉매의 접촉으로 탈수소 반응이 진행되는 튜브형 반응기를 포함하며, 상기 하우징의 내부 공간은 위쪽에서부터 원료가스 공급 및 분산 구역, 퍼지 구역, 반응 및 추가 열공급 구역, 촉매 배출 구역으로 나누어지고, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역 하단의 일측에는 추가 열공급을 위한 핫 가스 인입구가 설치되고 상단 일측에는 핫 가스 배출구가 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기에 관한 것으로, 본 발명의 고정층 반응기는 반응기 전단의 예열장치 이외에 핫 가스를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.

Description

탈수소 공정용 고정층 반응기{FIXED BED REACTOR FOR DEHYDROGENATION PROCESS}
본 발명은 탈수소 공정을 위한 고정층 반응기(Fixed Bed Reactor)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반응기 전단의 예열장치(Preheater) 이외에 핫 가스(Hot Gas)를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 탈수소 공정용 고정층 반응기에 관한 것이다.
탈수소 반응기는 일반적으로 약 2-10 미터 이상의 직경과 약 3-30 미터 이상의 길이 범위의, 매우 거대한 크기의 원통형 수직 구조물이다. 이러한 반응기의 정상적인 구조는 수직 반응기의 중앙에 위치된 입구로 원료가스를 투입할 수 있는데 이때 가스는 환형지역을 통해 방사상으로 외향하여 흘러서 Pt 담지 촉매 또는 다른 적당한 탈수소 촉매로 이루어진 환형의 다공성 촉매상을 통과하고 외부 환형지역을 통과하여 반응기 쉘의 외부로 나가게 된다. 촉매상을 가로지르는 원료가스의 흐름은 방사상의 방향이기 때문에, 이러한 반응기는 때때로 방사상 반응기라 불리운다.
한편, 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 되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 반응기 전단의 예열장치 이외에 핫 가스를 추가적인 반응열 공급원으로 활용하거나 전단의 예열장치를 제거하고 핫 가스로 모든 반응열의 공급원으로 써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 탈수소 공정용 고정층 반응기를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은, 반응기 내부 공간을 한정하며 반응기의 외부 몸체를 구성하는 하우징; 및 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 다수개가 배치되며 그 내부에서 원료가스와 촉매의 접촉으로 탈수소 반응이 진행되는 튜브형 반응기를 포함하며, 상기 하우징의 내부 공간은 위쪽에서부터 원료가스 공급 및 분산 구역, 퍼지 구역, 반응 및 추가 열공급 구역, 촉매 배출 구역으로 나누어지고, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역 하단의 일측에는 추가 열공급을 위한 핫 가스 인입구가 설치되고 상단 일측에는 핫 가스 배출구가 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 고정층 반응기에 있어서, 상기 핫 가스는 가열로에서 발생하는 배기 가스를 활용하거나 반응기 외부에서 공기를 가열하여 공급하며, 상기 하우징은 수직의 원통형 셸 구조인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 고정층 반응기에 있어서, 상기 하우징의 원료가스 공급 및 분산 구역에는 튜브형 반응기 각각의 튜브로 원료가스를 분산하기 위한 다공성 분산판이 설치되며, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역에는 1개 또는 이중의 다공성으로 이루어진 핫 가스 인입 분산판과 핫 가스 배출 분산판이 설치되며, 상기 하우징의 촉매 배출 구역에는 다공성 촉매 지지대가 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 고정층 반응기에 있어서, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역의 중단 일측에는 핫 가스 인입구가 추가로 설치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 고정층 반응기에 있어서, 상기 원료가스는 프로판인 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 양상은, 상기와 같은 구성을 가지는 고정층 반응기가 2개 내지 3개가 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 탈수소 공정 시스템에 관한 것이다.
상기와 같은 본 발명에 따른 탈수소용 고정층 반응기는, 반응기 전단의 예열장치 이외에 핫 가스를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 효과가 있다.
본 발명에서 반응기 전단에 1개의 예열장치가 반응기에 필요한 반응열의 일부를 공급하거나 예열장치가 없는 구조이기 때문에 예열장치에서 발생하는 열 깨짐현상을 억제하여 반응 공정에서 프로판 원단위가 감소하는 효과가 있다.
또한 본 발명에 따른 탈수소용 고정층 반응기는, 원료가스 공급방향과 반응층에서 원료가스가 지나가는 방향이 일치하므로, 튜브 반응기간의 성능 차이가 미미하여 전체 반응기 성능이 향상되는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탈수소용 고정층 반응기의 개략적인 종단면도이다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 탈수소용 고정층 반응기의 개략적인 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 탈수소용 고정층 반응기의 개략적인 종단면도이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 탈수소용 고정층 반응기의 개략적인 종단면도이다.
이하에서 첨부도면 등을 참고하여 본 발명의 구현예에 대하여 더욱 상세하게 설명한다. 첨부된 도면들이 본 발명에 따른 탈수소용 반응기의 특정 형상을 기술하고 있다 하더라도, 이러한 탈수소용 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 탈수소용 반응기의 간단한 개략도를 나타낸 것으로 주요 구성요소만 나타내었다. 기타 펌프, 가동관, 밸브, 해치, 엑세스 출구, 및 다른 유사한 구성 요소들은 생략하였다. 설명된 탈수소용 반응기를 변경하기 위해 이러한 부속품들을 이용하는 것은 통상의 기술자에게 공지되어 있으며, 첨부된 청구범위의 범주 및 정신을 벗어나지 않는다.
본 발명은 반응기 전단의 예열장치(Preheater) 이외에 핫 가스(Hot Gas)를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 탈수소 공정용 고정층 반응기에 관한 것이다.
도 1은 본 발명의 일 구현예에 따른 탈수소용 반응기의 개략적인 종단면도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 탈수소용 고정층 반응기(100)는 크게 반응기 내부 공간을 한정하며 반응기의 외부 몸체를 구성하는 하우징(10)과 상기 하우징(10)의 내측에 하우징(10)과 동축상으로 다수개가 배치되며 그 내부에서 원료가스와 촉매의 접촉으로 탈수소 반응이 진행되는 튜브형 반응기(20)를 포함한다.
한편, 상기 하우징(10)은 수직의 원통형, 직육면체, 또는 정육면체 셸 구조로서 그 내부 공간은 위쪽에서부터 원료가스 공급 및 분산 구역(A), 퍼지 구역(B), 반응 및 추가 열공급 구역(C) 및 촉매 배출 구역(D)으로 나누어진다.
여기에서 본 발명에 따른 탈수소용 고정층 반응기(100)는, 하우징(100)의 반응 및 추가 열공급 구역(C)으로 추가적인 반응열이 공급되는 것을 특징으로 한다. 이를 위하여 반응 및 추가 열공급 구역(C)의 하단 일측에는 핫 가스 인입구(21)가 설치되고 상단 일측에는 핫 가스 배출구(22)가 설치된다. 이때 핫 가스는 인근의 가열로에서 발생하는 배기 가스를 활용하거나 반응기(100) 외부에서 공기, Steam 또는 비인화성 가스를 가열하여 공급할 수 있으며, 에너지 절감을 위하여 배기 가스를 활용하는 것이 바람직하다.
이에 의하여 종래에는 반응기 전단의 별도의 예열장치로 공급한 열만으로 반응을 하기에는 프로판 탈수소 반응의 흡열량이 커서 프로필렌 수율 향상에 제약이 있었으나, 본 발명에 따른 반응기(100)는 핫 가스를 추가 반응열 공급원으로 활용함으로서 프로필렌 수율 제약을 극복할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 상기 탈수소용 이동식 반응기에 있어서, 상기 하우징(10)의 원료가스 공급 및 분산 구역(A)에는 튜브형 반응기(20) 각각의 튜브로 원료가스를 분산하기 위한 다공성 분산판(13)이 설치된다. 종래 기술에서는 반응기 내부로 들어가는 가스 분산을 기존의 플러그 디스트리뷰터(Plug distributor)를 활용하여 방사상(radial) 방향으로 균일하게 가스를 분산하였으나, 본 발명에 따른 반응기(100)에서는 반응기 상부 일측에 위치한 원료가스 인입구(15)를 지나서 다공성 분산판(13)을 거쳐 반응기 내부의 각 튜브형 반응기(20)로 원료가스를 고르게 공급할 수 있다. 특히 기존 반응기에서는 가스 분산을 위해 필요한 공간이 커서 이 공간에서 열 깨짐 현상(Thermal cracking)이 큰 비중을 차지하였지만 본 발명에 다른 반응기는 가스 분산을 위한 공간을 최소화 하여 열 깨짐 현상을 최소화 하였다. 상기 다공성 분산판(13)은 단일 또는 이중으로 구성될 수 있다.
하우징(10)의 원료가스 공급 및 분산 구역(A)의 상부에는 촉매 투입구(15)가 설치되며 이를 통하여 투입된 탈수소 촉매는 각각의 튜브형 반응기(20)에 충진된다. 각각의 튜브형 반응기(20)에 충진된 촉매는 원료가스와 접촉하여 탈수소 반응을 진행하게 된다.
종래의 이동층 반응기에 있어서는 반응기 내 촉매의 재생을 위하여 촉매를 반응기 외부로 배출하기 위한 촉매 배출구가 하부에 위치하여 있고, 별도의 재생 장치를 구성하여 촉매를 재생한 후 다시 반응기 상부로 촉매를 이송하여 반응기 내부로 공급하는 구조로 이루어진다. 이에 반하여 본 발명에 따른 고정층 반응기(100)는, 촉매가 하우징(10) 내부에 배치되는 다수개의 튜브형 반응기(20) 내부에 고정되어 있고 촉매 재생을 위하여 반응-퍼지(Purge)-재생(Air)-퍼지-환원(H2) 공정을 반복하여 진행하게 된다. 또한 본 발명에 따르면 2개 이상의 반응기(100)가 병렬(Parallel)로 연결되어 있어 반응과 재생을 스위칭(Switching) 하는 구조로 반응 공정이 구성된다.
특히 본 발명의 일 구현예에 따르면, 원료가스를 공급 및 분산하는 공간(A)과 탈수소 반응/추가 열공급이 이루어지는 공간(C)을 퍼지하는 공간(B)으로 나누어서 추가 열공급하는 곳에서 발생하는 미량의 산소에 의한 반응가스와 반응으로 발생 가능한 폭발 위험성을 제거하였다. 또한 재생 공정시 에어(Air) 라인(14)에 미량의 산소와 환원, 반응 공정 중 원료가스와 반응하여 발생 가능한 폭발 위험성을 제거하기 위하여 퍼지 가스(N2, 14)를 에어 라인(14)에 추가로 연결하는 구조로 설계하였다.
본 발명의 일 구현예에 따른 고정층 반응기(100)에 있어서, 하우징(10)의 촉매 배출 구역(D)에는 튜브형 반응기(20) 하단과 일정거리 이격하여 다공성의 촉매 지지대(31)가 설치된다. 다수개의 튜브형 반응기(20) 내 촉매 지지를 위하여 튜브 하단에 바로 촉매 지지대(31)를 설치 하지 않고 약간 떨어진 공간에 하나의 다공성 지지대(31)로 설치하였는데 이는 촉매 반응시 지지대에 일부 생성된 코크(Coke)가 완전히 제거되지 않더라도 주변으로 가스가 나가서 모든 튜브형 반응기(20)가 반응에 참여할 수 있게 할 수 있다. 또한 촉매 재생시 귀금속 촉매의 분산을 위하여 사용할 수 있는 염소 가스에 의한 지지대(31)의 손상에 의한 문제를 최소화 해야 하는데, 튜브 내 협소한 공간 설치시 지지대 두께 등의 제약으로 쉽게 손상되지만 본 발명에 따르면 전체를 하나로 제작하여 강도가 높게 설계할 수 있어서 염소 가스에 의한 지지대 손상의 영향을 최소화 할 수 있게 된다.
특히 종래 기술은 유동 흐름이 반응기 하부에서 환형 디스크 타입(Annular disk type) 촉매층을 지나서 반응기 외벽으로 나오는 경로로 구성되어 있어 반응기 상부와 하부의 유동 속도 편차가 심하여 촉매층을 원활히 활용하데 제약을 가지고 있는 구조이다. 또한 원료가스 공급 방향과 반응층에서 원료가스가 지나가는 방향이 90도 꺾여 있어서 반응기 상/하간 유속 편차에 의한 반응 성능이 저하되는 원인이 되었다.
그러나, 본 발명에 따른 탈수소용 이동층 반응기(100)는, 원료가스 공급방향과 반응층에서 원료가스가 지나가는 방향이 일치하므로, 튜브 반응기(20)간의 성능 차이가 미미하여 전체 반응기 성능이 향상되는 효과가 있다. 본 발명에 따른 탈수소용 이동층 반응기(100)에 있어서, 원료가스는 400℃~650℃, 0.5~6 kgf/cm2 압력으로 원료가스 인입구(15)를 통하여 반응기(100) 내부로 인입되며, 탈수소 반응을 마친 원료가스는 550℃~660℃, 0.1~1 kgf/cm2 압력으로 원료가스 배출구(12)를 통하여 반응기(100) 외부로 배출되어, 추가적인 공정을 거치게 된다. 이때 핫 가스 인입구(21)를 통해 반응기(100) 내부로 인입되는 핫 가스의 온도는 600℃~750℃이며, 핫 가스 배출구(22)를 통해 반응기(100) 외부로 배출되는 핫 가스의 온도는 585℃~695℃ 범위이다.
하우징(10)의 원료가스 공급 및 분산 구역(A)에는 재생 가스(Air, N2) 인입구(14), 수소 가스 인입구(16)이 설치된다. 재생 가스 중 Air는 반응 후 촉매에 생성된 Coke를 제거하기 위한 목적으로 사용하고, N2는 재생과정에서 Coke연소에 의한 반응기 온도를 조절하여 촉매 내 활성상인 Pt의 Sintering에 의한 촉매 비활성화를 억제하기 위한 목적으로 사용한다. 수소는 촉매 재생 후 또는 반응기 운전 시작 전에 촉매상의 금속 활성상을 환원하기 위한 목적으로 사용한다. 또한 하우징(10)의 퍼지 구역(B)에는 퍼지 가스 인입구(17) 및 퍼지 가스 배출구(18)가 설치된다. 퍼지 가스는 반응기 가동 전 반응기 내부에 존재하는 Air를 제거하여 폭발 위험성을 제거하거나 고정층 반응기의 반응 이후 생성된 촉매의 Coke를 제거하기 위한 재생 공정 과정 후, 반응기 내부에 잔존에 존재하는 산소 가스를 제거하기 위한 목적으로 사용된다. 이외에도 반응 후 재생 과정 전 반응기에 인화성 가스를 모두 제거하기 위한 목적으로도 사용한다.
도 2는 본 발명의 다른 구현예에 따른 탈수소용 고정층 반응기(100)의 개략적인 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 구현예의 반응기(100)는 다공성으로 이루어진 핫 가스 인입 분산판(23)과 핫 가스 배출 분산판(24)이 설치된다. 이에 의하여 본 구현예의 반응기(100)는 핫 가스가 튜브형 반응기별 유속 편차를 최소화하여 반응 성능이 향상되는 장점이 있게 된다.
도 3은 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 탈수소용 고정층 반응기(100)의 개략적인 종단면도이다. 도 3을 참조하면, 본 구현예의 반응기(100)는 다공성으로 이루어진 핫 가스 인입 분산판(23)과 핫 가스 배출 분산판(24)이 이중으로 설치된다. 이에 의하여 본 구현예의 반응기(100)는 핫 가스가 튜브형 반응기별 유속 편차가 단독 분산판으로 구성되어 있는 경우보다 감소되어 튜브형 반응기 간 성능 편차가 감소하여 전체 반응 성능이 보다 향상되는 장점이 있게 된다.
도 4는 본 발명의 또 다른 구현예에 따른 탈수소용 고정층 반응기(100)의 개략적인 종단면도이다. 도 4를 참조하면, 본 구현예의 반응기(100)는 하우징(10)의 반응 및 추가 열공급 구역(C)의 중단 일측에는 핫 가스 인입구(25)가 추가로 설치된다. 이에 의하여 본 구현예의 반응기(100)는 튜브형 반응기의 위치별 반응 성능에 유리한 온도 Profile로 조절이 가능하여 반응기 성능을 향상시킬 수 있다.
도 4에서 사용한 방법 이외에도 핫 가스 인입구를 2개 이상 설치하거나 핫 가스 배출구를 2개 이상 설치하여 이들의 조합으로 튜브형 반응기의 위치별 온도 Profile을 용이하게 조절할 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 탈수소용 고정층 반응기(100)는, 반응기 전단의 예열장치 이외에 핫 가스를 추가적인 반응열 공급원으로 활용함으로써 프로필렌 수율을 높일 수 있는 효과가 있다. 또한 원료가스 공급방향과 반응층에서 원료가스가 지나가는 방향이 일치하므로, 튜브 반응기간의 성능 차이가 미미하여 전체 반응기 성능이 향상되는 효과가 있다.
본 발명의 또 하나의 양상은, 상기와 같은 구성을 가지는 이동식 반응기(100)가 2개 내지 3대 직렬로 연결되는 탈수소 공정 시스템에 관한 것이다. 이에 의하여 탈수소 반응과 촉매 재생을 서로 스위칭하면서 동정을 진행시킴으로써 플로필렌의 생산량을 증가시킬 수 있게 된다.
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
12 : 원료가스 배출구
13 : 원료가스 분산판
14 : 재생 가스 인입구
15 : 원료가스 인입구
16 : 환원 가스 인입구
17 : 퍼지 가스 인입구
18 : 퍼지 가스 배출구
20 : 튜브형 반응기
21 : 핫 가스 인입구 1
22 : 핫 가스 배출구
23 : 핫 가스 인입 분산판
24 : 핫 가스 인입 분산판
25 : 핫 가스 인입구 2
31 : 다공성 지지대
100 : 반응기

Claims (10)

  1. 탈수소 공정을 위한 고정층 반응기에 있어서,
    상기 반응기는 반응기 내부 공간을 한정하며 반응기의 외부 몸체를 구성하는 하우징; 및
    상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 다수개가 배치되며 그 내부에서 원료가스와 촉매의 접촉으로 탈수소 반응이 진행되는 원통형, 직육면체 튜브형 반응기를 포함하며,
    상기 하우징의 내부 공간은 위쪽에서부터 원료가스 공급 및 분산 구역, 퍼지 구역, 반응 및 추가 열공급 구역, 촉매 배출 구역으로 나누어지고,
    상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역 하단의 일측에는 추가 열공급을 위한 핫 가스 인입구가 설치되고 상단 일측에는 핫 가스 배출구가 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 핫 가스는 가열로에서 발생하는 배기 가스를 활용하거나 반응기 외부에서 공기, Steam, 또는 비인화성 가스를 가열하여 공급하는 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 하우징은 수직의 원통형, 직육면체, 또는 정육면체 셸 구조인 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 하우징의 원료가스 공급 및 분산 구역에는 튜브형 반응기 각각의 튜브로 원료가스를 분산하기 위한 다공성 분산판이 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기.
  5. 제 1항에 있어서, 상기 하우징의 촉매 배출 구역에는 튜브형 반응기 하단과 일정거리 이격하여 다공성 촉매 지지대가 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기.
  6. 제 1항에 있어서, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역에는 다공성의 핫 가스 인입 분산판과 핫 가스 배출 분산판이 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역에는 다공성의 핫 가스 인입 분산판과 핫 가스 배출 분산판이 각각 2중으로 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 하우징의 반응 및 추가 열공급 구역의 중단 일측에는 핫 가스 인입구가 추가로 설치되는 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 원료가스는 프로판 또는 Carbon 숫자가 9이하인 Hydrocarbon을 원료인 것을 특징으로 하는 탈수소용 고정층 반응기.
  10. 제 1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 고정식 반응기가 2개 내지 3대 이상이 병렬로 연결되는 것을 특징으로 하는 탈수소 공정 시스템.

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