KR20170099433A - 촉매층 내부에 열원 플레이트가 장착된 자체 열공급 탈수소 반응기 - Google Patents

촉매층 내부에 열원 플레이트가 장착된 자체 열공급 탈수소 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반응기 내부를 한정하는 하우징, 상기 하우징의 상부단에 형성되고 촉매가 저장 및 투입되는 촉매 유입부, 상기 하우징의 상부 일 측면에 형성되고 상기 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구, 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 배치되고, 내측 스크린 및 외측 스크린에 의하여 한정되며, 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 촉매층 및 상기 하우징의 하부단에 형성되고 상기 반응기 내부로부터 반응물 스트림을 회수하기 위한 반응가스 배출구를 포함하는 탈수소화 반응기에 있어서, 상기 내측 스크린과 외측 스크린 사이에 배치되며, 일단의 적어도 일부는 상기 내측 스크린과 접촉하고 타단의 적어도 일부는 상기 외측 스크린과 접촉하여 탈수소 촉매층 내부로 공급된 원료가스를 가열하는 다수 개의 열원 플레이트들을 포함하는 자체 열공급 탈수소 반응기에 관한 것으로, 본 발명에 의하면 열원 플레이트에 의한 열교환을 통해 반응기 내부에 추가적인 열을 공급할 수 있어 예비가열 온도를 현저히 낮출 수 있다.

Description

촉매층 내부에 열원 플레이트가 장착된 자체 열공급 탈수소 반응기{Self heat supply dehydrogenation reactor with heat source plate inside catalyst layer}
본 발명은 다양한 탄화수소 원료의 탈수소화에 유용한 탈수소 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탈수소 촉매층 내부에 장착된 열원 플레이트를 이용하여 프로판 탈수소 공정의 흡열반응시 요구되는 에너지를 자체적으로 공급할 수 있는 자체 열공급 탈수소 반응기에 관한 것이다.
프로판을 프로필렌으로, 이소부탄을 이소부텐으로 탈수소화하는 반응은 탈수소화에 이용되는 고온에서 알칸 원료보다 반응성이 강하고 코크 형성이 쉬운 올레핀을 생성한다. 탈수소화 반응기는 너비가 약 5에서 30 피트 이상, 길이는 10에서 100 피트 이상으로 매우 큰 규모의 긴 원주형 수직 구조물이다. 이러한 반응기의 일반적인 구조는 수직 반응기의 하부 중심에 위치한 입구에 반응가스를 주입할 수 있는데, 이때 가스는 환형구역을 통해 흘러 올라가, 다공성 촉매 베드 또는 다른 적절한 탈수소 촉매를 통해 방사상으로 외향하여 통과한 후 반응기 외곽부의 상부에서 배출되도록 외부 환형 구역을 통해 상향하여 통과한다. 촉매 베드를 지나는 반응가스 유동이 방사 방향이기 때문에, 이러한 반응기들은 종종 "방사(radial)"반응기로 불린다.
일반적으로, 방사 흐름 반응영역은 다양한 공칭 단면적을 가지고 있는 실린더형 구역들로 이루어지는데, 이들 구역은 수직으로 그리고 동축으로 배치되어 반응영역을 형성한다. 전형적으로 방사 흐름 반응영역은 둘 다 반응 용기와 동축으로 배치되어 있는 실린더형 외부 촉매 함유 스크린과 실린더형 내부 촉매 함유 스크린을 보유하는 실린더형 반응 용기를 포함한다. 내측 스크린은 외측 스크린보다 공칭 내부 단면적이 더 작고, 반응 용기보다 공칭 내부 단면적이 더 작다. 반응가스 스트림은 반응 용기의 내벽과 외측 스크린의 외부 표면 사이에 존재하는 환형 공간 내로 도입된다. 반응가스 스트림은 외측 스크린을 통과하여 외측 스크린과 내측 스크린 사이에 존재하는 환형 공간을 통해 방사 방향으로 흐른 후에, 내측 스크린을 통과한다. 내측 스크린 내측의 실린더형 공간 내로 수집된 스트림은 반응 용기로부터 회수한다.
프로판 탈수소 반응은 프로판에서 수소 일부를 분리하여 프로필렌을 생산하는 공정이다. 이 공정은 흡열반응(ΔH0 298 = +124 kJ/mole)을 기반으로 하고 있으며 적절하게 반응이 진행되기 위해서는 반응공정 중 충분한 에너지가 공급되어야 한다. 프로판의 이론 평형 전환율은 반응온도가 증가함에 따라 증가하는 특성을 보인다. 평형 전환율을 높이기 위하여 반응가스는 650℃이상까지 가열되고 흡열반응이 진행된다.
프로판 탈수소 공정의 에너지원으로서 다양한 기술들이 개발되어 실제로 적용되고 있으며 가장 일반적인 방법으로는 가열로(fired heater)가 있다. 가열로는 흡열반응의 탈수소 공정을 진행하기 위하여 반응기 전단에 설치되어 일정량의 에너지를 공급한다. 주 반응가스인 프로판은 촉매 반응기로 투입되기 이전에 수소와 함께 고온의 가열로 내부로 주입되고 열 교환과정을 거쳐 적정 온도까지 가열된다.
도 1은 가열로를 사용하여 열을 공급받는 종래의 탈수소 시스템의 일반적인 모식도를 나타낸 도면이다. 도 1을 참조하면, 반응가스인 프로판 및 수소가 가열로 내부를 통과하여 열 교환 및 가열과정을 거친 후 탈수소 촉매 반응기로 주입된다. 종래 예열 장치로 사용되는 가열로는 U자 형태의 배관에 공급기체를 흘려주고 배관 주변으로 여러 대의 버너(burner)를 배치하여 가열하는 방식이다. 이러한 구조의 가열로는 600 내지 700℃이상의 고온으로 가열이 가능하므로 탈수소 공정의 예열 장치로 적합하지만 온도 조절이 어렵고 가연성 가스를 사용하는 공정에서는 높은 위험성을 동반한다는 단점이 있다. 또한 반응기 위치 및 구간에 따른 선택적인 가열이 불가능하며 프로판 배관 외부와 내부간의 온도 구배가 발생하고 국부적으로 가열되는 부분이 생성되어 가열 장치 내부에서 700℃ 이상의 과열점(hot spot)이 생성되는데, 이에 따른 열 깨짐 현상(thermal cracking)이 부반응으로 나타난다. 프로판과 프로필렌의 열 깨짐 현상에 의해 메탄, 에탄, 에틸렌 등이 생성된다. 이러한 부반응은 프로필렌 수율을 감소시켜 공정 성능 저감의 주원인이 되므로 가열로의 가열 조건 제어가 매우 중요한 변수가 된다.
따라서, 가열로의 가열온도가 증가할수록 프로판의 전환율은 증가하지만 동시에 열 깨짐 현상에 의해 선택도가 감소되어 프로필렌의 수율이 감소하고 공정의 원단위가 증가된다. 또한, 가열로와 반응기를 연결하는 배관의 단열처리를 위한 막대한 초기투자 비용 및 유지관리 비용이 발생하는 문제점이 있다.
본 발명의 목적을 상술한 종래 기술의 문제점을 극복하기 위한 것으로, 촉매 반응이 진행되는 촉매층 내부에 열원 플레이트가 장착되어 프로판 탈수소 공정의 흡열반응시 요구되는 에너지를 자체적으로 공급함으로써, 예비가열 온도를 낮추고 전체 공정이 등온반응이 되도록 유지하여 공정 수율을 향상시키고 운전 및 유지, 보수 비용을 절감할 수 있는 탈수소 반응기를 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 양상은
반응기 내부를 한정하는 하우징(housing), 상기 하우징의 상부단에 형성되고 촉매가 저장 및 투입되는 촉매 유입부, 상기 하우징의 상부 일 측면에 형성되고 상기 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구, 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 배치되고, 내측 스크린 및 외측 스크린에 의하여 한정되며, 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 촉매층 및 상기 하우징의 하부단에 형성되고 상기 반응기 내부로부터 반응물 스트림을 회수하기 위한 반응가스 배출구를 포함하는 탈수소화 반응기에 있어서,
상기 내측 스크린과 외측 스크린 사이에 배치되며, 일단의 적어도 일부는 상기 내측 스크린과 접촉하고 타단의 적어도 일부는 상기 외측 스크린과 접촉하여 탈수소 촉매층 내부로 공급된 원료가스를 가열하는 다수 개의 열원 플레이트(heat source column)들을 포함하는 자체 열공급 탈수소 반응기에 관한 것이다.
본 발명에 의한 자체 열공급 탈수소 반응기는, 열원 플레이트에 의한 열교환을 통해 반응기 내부에 추가적인 열을 공급할 수 있어 예비가열 온도를 현저히 낮출 수 있다. 또한, 반응기에 국부적으로 가열되는 지점이 발생하지 않고 반응기 상/하, 내/외부간의 온도 구배가 적게 나타나므로 프로판의 열 깨짐 현상을 방지할 수 있을 뿐 아니라 반응공정 중 흡열반응에 의해 소실된 열을 반응기 내부에서 자체적으로 추가 공급하여 탈수소 공정 수율 및 프로필렌 선택도를 증가시킬 수 있다. 또한, 배관 및 반응기의 열 손실에 따른 반응온도 저감 문제와 단열처리 비용을 감소시킴으로써 제조 원가를 절감할 수 있다.
도 1은 가열로를 사용하여 열을 공급받는 종래의 탈수소 시스템의 일반적인 모식도를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 구현예에 의한 반응기의 스크린 내부에 배치된 열원 플레이트를 도시한 반응기의 개략적인 종단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 의한 반응기의 스크린 내부에 배치된 열원 플레이트를 도시한 반응기의 일부 횡단면도이다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 의한 반응기의 스크린 내부에 배치된 열원 플레이트를 도시한 반응기의 일부 횡단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 구현예에 의한 반응기의 스크린 내부에 배치된 열원 플레이트를 도시한 반응기의 일부 횡단면도이다.
본 발명을 첨부도면에 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 "반응영역"은, 반응가스가 촉매 베드 상의 촉매와 접촉하는 탈수소화 반응기 내의 공간을 의미한다.
본원에서 하부, 하향 또는 중력 방향, 즉 직교류 가스에 의한 장치를 통한 고체의 흐름 방향이 배향되고, 이에 따라 '하부', '하향', '상부' 및 '상향'이라는 용어의 사용은 중력 방향에 대한 방향을 기준으로 한다.
본원에서 "내측" 또는 "내부"는, 환형 반응기를 중력 방향에 대하여 수직으로 절단한 단면인 원의 방사상 중심 방향을 향하는 것을 의미한다.
본원에서 "외측" 또는 "외부"는, 환형 반응기를 중력 방향에 대하여 수직으로 절단한 단면인 원의 방사상 원주 방향을 향하는 것을 의미한다.
본원에서 "스크린"이란 용어는 촉매 베드를 가로지르는 반응가스 스트림의 유동은 허용하면서 촉매 베드에 촉매를 한정시키는데 적합한 수단을 포함하는 광범위한 의미를 갖고 있다.
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 실시예에 따른 자체 열공급 탈수소 반응기의 개략적인 종단면도이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 자체 열공급 탈수소 반응기(100)는 반응기 내부를 한정하는 하우징(10), 상기 하우징(10)의 상부단에 형성되고 촉매가 저장 및 투입되는 촉매 유입부(20), 상기 하우징의 상부 일 측면에 형성되고 상기 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구(11), 상기 하우징(10)의 내측에 하우징(10)과 동축상으로 배치되며, 그 내부에 탈수소 촉매(35)가 충진되어 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 촉매층(30), 상기 하우징(10)의 하부단에 형성되고 상기 반응기 내부로부터 반응물 스트림을 회수하기 위한 반응가스 배출구(12)를 포함하되, 상기 탈수소 촉매층(30)은 내측 스크린(31) 및 외측 스크린(32)에 의하여 한정되고, 다수 개의 열원 플레이트(40)들이 상기 내측 스크린(31)과 외측 스크린(32) 사이의 공간에 방사상으로 배치된다. 본 발명에서 상기 열원 플레이트(40)의 일단의 적어도 일부는 내측 스크린(31)과 접촉하고 타단의 적어도 일부는 외측 스크린(32)과 접촉한다. 이러한 구성은 열원 플레이트(40)들이 내측 스크린(31) 및 외측 스크린(32)과 이격된 구성에 비하여 열원 플레이트(40)의 단면적을 증가시킬 수 있어 공급하는 열량이 증가된다. 또한, 열원 플레이트(40)가 안정적으로 반응기(100) 내부에 장착될 수 있다.
탈수소화 반응기(100)는 중력 스트림에 의해 환형 촉매 베드로 이동 가능한 촉매 입자들과 반응가스 스트림을 방사상 스트림으로 접촉시키도록 구성된다. 도 2를 참조하면, 탈수소화 반응기(100)는 외부의 원통형 하우징(10)으로 구성되고 이에 수용되는 촉매 베드가 포함된 탈수소 촉매층(30)은 환상의 반응영역으로서, 서로 방사상으로 일정한 간격을 두고 있으며 중앙의 반응가스 유동 통로(50)에 의하여 분리되어 있다. 하우징(10)은 수직의 실린더 형상으로서 상부 일 측면에는 원료가스 유입구(11)가 형성되어 프로판과 수소 등을 포함하는 원료가스가 유입되며, 아래쪽 바닥면에는 반응가스 배출구(12)가 형성되어 반응이 완료된 반응가스가 배출된다.
탈수소 촉매층(30) 내부에 배치되는 열원 플레이트(40)는 열원(미도시)에서 전달된 열을 탈수소 촉매층(30) 내부의 원료가스에 공급한다. 즉, 상기 열원에서 발생하는 열이 열원 플레이트(40)의 외벽 또는 내부로 전해지고 열원 플레이트(40)의 외벽 또는 내부에 전달된 열에 의해 탈수소 촉매층(30) 내부로 공급되는 원료가스가 가열된다. 열원에서 발생하는 열이 열원 플레이트(40)들의 외벽 또는 내부로 이동하여, 열원 플레이트들의 외벽 또는 내부에 존재하는 열에 의해 열원 플레이트(40)의 외부 표면과 접촉하는 원료가스가 열을 공급받아 가열되는 원리이다.
열원 플레이트(40)의 상부에 연결된 열원에 의해 열원 플레이트(40)에 전달된 열은 반응가스가 탈수소 흡열반응에 의해 손실된 열만큼 추가적으로 열에너지를 보충해 주는 역할을 하여 탈수소 촉매층(30)의 내부 온도를 최적화된 흡열반응이 일어날 수 있는 수준까지 증가시킨다. 열원 플레이트(40)에 의한 이러한 열 교환 방식은 기존의 반응기에 장착된 가열로에 의한 직접적인 열 교환 방식과 달리 열원에 의하여 전달된 열에 의해 원료가스가 가열되는 방식으로, 간접적으로 열이 교환되는 방식이다. 즉, 열원 플레이트(40)의 상부에 연결된 열원에 의하여 발생된 열이 열원 플레이트(40)의 외벽으로 전달되고, 열원 플레이트(40)의 외벽에 전달된 열이 탈수소 촉매층(30) 내부로 공급된 열원 플레이트(40) 주변의 반응가스를 가열함으로써 탈수소화 흡열반응에 의해 소실된 열을 추가로 보충할 수 있다. 이와 같은 간접 열 교환 방식에 의해, 가열로에 의한 예비가열 온도를 현저히 낮출 수 있으며, 감소된 예비가열 온도만큼 열원 플레이트(40)에서 반응기 내부에 추가적으로 열을 계속 공급하여 반응열을 보충한다. 탈수소 촉매층(30)에서 발생하는 흡열반응에 의해 소실된 열이 반응기(100) 내부에서 추가적으로 자가 공급되는 시스템이다.
본 발명에서 사용가능한 열원으로는, 전기히터, 고압 가스(hot gas), 불꽃(flame), 금속산화물촉매계열 발열물질(heat generating material, HMG) 또는 스팀(steam) 등이 사용될 수 있으나 반드시 이에 제한되는 것은 아니다. 일례로, 고압 가스나 스팀은 반응장치 외부에서 생성되어 단열배관을 통해 열원 플레이트(40)의 상부에 연결되어 공급될 수 있다. 또한, 전기히터는 반응기 내부에 전기히터를 삽입하고 전기히터의 전기 공급선은 방폭형 배관을 통해 외부로 연결하여 사용될 수 있다.
본 발명에 의한 반응기(100)는 가열로에 의한 예비가열 온도와 열원 플레이트(40)에 의한 내부 가열온도 조건을 조절하여 최고 수율을 달성할 수 있는 최적의 반응온도가 전체 공정에서 유지되는 것을 특징으로 한다. 이를 위한 열원 플레이트(40) 외벽의 온도는 550 내지 850℃이다. 상기 온도가 550℃ 미만이면, 탈수소 흡열반응에 의해 손실된 열에너지를 보충하기 어렵고, 850℃를 초과하는 경우 열원의 전력 손실이 크고 부반응인 탄화수소 열분해 반응이 일어날 확률이 증가하는 문제점이 있다.
도 3은 본 발명의 일 구현예에 의한 반응기의 스크린 내부에 배치된 열원 플레이트를 도시한 반응기의 일부 횡단면도이다. 도 3을 참조하면, 열원 플레이트(40)는 내측 스크린(31)과 외측 스크린(32)으로 한정된 환형의 반응 공간 내에 방사상으로 상호 소정의 간격으로 이격되어 배치되고, 일단은 내측 스크린(31)과 접촉하고 타단은 외측 스크린(32)과 접촉한다.
도 3에 의하면, 열원 플레이트(40)들은 상호 이격되어 배치되는데, 열원 플레이트(40)의 너비(w)은 0.2 내지 10cm 인 것이 바람직하다. 상기 너비(w)가 0.2 cm 미만인 경우 탈수소 흡열반응에 의해 손실된 열에너지를 보충하기 어렵고, 10 cm를 초과하면 촉매 반응이 원활하게 진행되지 않으며, 열원의 전력 손실이 크고 부반응인 탄화수소 열분해 반응이 일어날 확률이 증가하는 문제점이 있다.
열원 플레이트(40)들이 스크린 내부에 장착되는 개수는 5 내지 20개인 것이 바람직하다. 장착되는 개수가 5개 미만인 경우 탈수소 흡열반응에 의해 손실된 열에너지를 보충하기 어렵고, 20개를 초과하면 촉매 반응이 원활하게 진행되지 않으며, 열원의 전력 손실이 크고 부반응인 탄화수소 열분해 반응이 일어날 확률이 증가하는 문제점이 있다.
열원 플레이트(40)는 800℃ 이상의 고온에서 변형이 일어나지 않는 스틸(steel) 또는 본 발명이 속하는 분야에서 통상 허용되는 다른 재료로 형성될 수 있다.
본 발명에서 상기 열원 플레이트(40)의 형태는 한정되지 않는데 예를 들어, 도 3에는 다수의 열원 플레이트(40)들이 내측 스크린(31)과 외측 스크린(32) 사이에 방사상으로 배치되고, 하나의 열원 플레이트(40)의 횡단면은 직사각형인 것으로 도시되었으나, 횡단면이 삼각형, 마름모형, 사다리꼴형 또는 만곡진 사각형(curved-rectangle)일 수 있다. 또한, 내부가 비어있는 중공 형태일 수 있다. 또한, 반응기(100)의 횡단면상에서 내측 스크린(31)와 접촉하는 일측으로부터 외측 스크린(32)과 접촉하는 타단까지 단면적이 증가하는 형태로 구성될 수 있다. 또한, 반응기의 상부에서는 단면적이 아랫 부분의 단면적보다 적고, 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 증가하는 형태로 구성되는 것도 가능하다.
도 4는 본 발명의 다른 구현예에 의한 반응기의 스크린 내부에 배치된 열원 플레이트를 도시한 반응기의 일부 횡단면도이다.
도 4를 참조하면, 내측 스크린(31)과 외측 스크린(32) 사이에 방사상으로 배치된 다수의 열원 플레이트(40)들은, 반응기(100)의 횡단면상에서 각각 사선으로 배치되고, 하나의 열원 플레이트(40)의 횡단면은 사다리꼴형인 것을 알 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 구현예에 의한 반응기의 스크린 내부에 배치된 열원 플레이트를 도시한 반응기의 일부 횡단면도이다.
도 5를 참조하면, 내측 스크린(31)과 외측 스크린(32) 사이에 방사상으로 배치된 다수의 열원 플레이트(40)들은 반응기(100)의 횡단면상에서 각각 사선으로 배치되고, 하나의 열원 플레이트(40)의 횡단면은 다수 개의 마름모가 상호 연결된 형태로서, 각각의 마름모의 하나의 꼭지점들이 서로 연결된 형태인 것을 알 수 있다. 이러한 배열의 경우 단면적이 다른 배열에 비해 넓어 열 효율이 좋고 히터가 소분화 되어 있어 정교한 온도 조절이 가능하다. 도 5에 의한 구현예에서, 열원 플레이트(40)를 구성하는, 마름모형 단면을 갖는 개별적인 플레이트들의 전체 개수는 15 내지 100개일 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 의한 열원 플레이트(40)는 스크린 내부에 장착되어 촉매 충진 층 내부에서 간접적인 열 교환을 통해 반응가스에 추가의 열을 공급한다. 이에 의해 탈수소 촉매층(30) 내에서 탈수소 반응이 진행되는 원료가스가 탈수소화되는 흡열반응에 의해 소실된 열을 추가로 보충할 수 있어 반응기(100)가 전체적으로 등온반응이 되도록 유도한다. 또한, 열원 플레이트(40)에서 반응기 내부에 추가적으로 열을 공급하여 반응열을 보충하기 때문에 가열로에 의한 예비가열 온도를 현저히 낮출 수 있을 뿐 아니라 종래의 가열로를 사용한 반응기에 의한 열 깨짐 현상이 발생하지 않고 부반응이 일어나지 않아 탈수소 성능을 증가시킬 수 있다. 반응기(100) 내부에 도입된 원료가스는 열 손실이 최소화된 조건으로 탈수소 반응이 진행될 수 있으며 전체 원료가스가 균등하게 에너지를 흡수할 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 의한 자체 열공급 탈수소 반응기(100)에 의하면, 원료가스는 유입구(11)로 주입되어 스크린으로 둘러싸인 탈수소 촉매층(30)을 통과하고 생산물은 탈수소 촉매층(30)의 중심부에서 혼합되어 최종적으로 배출구(12)로 배출된다. 이 때, 원료가스 유입구(11)를 통하여 환형의 탈수소 반응기(100)로 유입된 프로판과 수소 등의 원료가스는 외측스크린(32)을 통과하여 탈수소 촉매층(30)으로 유입되어 촉매와 접촉하여 탈수소 반응이 진행된다.
탈수소 촉매층(30)은 상부에 촉매 분배관(33)이 형성되고 하부에 촉매 배출관(34)이 형성되어 탈수소 촉매 입자들(35)은 이동상(moving bed)으로 충진된다. 탈수소 촉매층(30)은 내측 스크린(31) 및 외측 스크린(32)에 의하여 환형의 반응 영역이 한정된다. 촉매 베드의 내외측에 형성되는 내부 및 외측 스크린(31, 32)은 유동 저항이나 큰 압력강하 없이 반응가스 스트림이 통과할 수 있을 정도로 크나 이에 수용된 탈수소 촉매 입자(35)는 통과하지 못하고 수용된 상태에 놓일 수 있을 정도로 작은 메쉬 크기를 갖는 스크린 또는 다공체로 구성된다. 이러한 많은 스크린들 또는 다공체들은 공지되어 있으며, 대안적으로, 스크린들은 펀치판, 다공판 또는 다공 파이프들을 포함할 수 있다. 다공의 크기는 스크린을 통해 반응가스의 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. 상기 스크린들은 원통형과 같은 촉매 입자 보유 구조를 형성하기 위해 서로 연결된 일군의 평면판을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명에서 원료 가스의 이동 방향이 반응기(100)의 상부에서 유입되어 하부로 배출되는 것으로만 제한되는 것이 아니다. 원료 가스는 반응기(100)의 하부 일측에 배치된 유입구(미도시)로 유입되어 일련의 탈수소 반응을 거친 후 반응기(100)의 상부 일측에 배치된 배출구(미도시)로 배출되는 것 또한 가능하다.
반응기 (100) 내부로 유입된 반응가스는 스크린과 촉매 베드를 통해 흘러 탈수소 촉매와 반응을 일으켜 생성물 유체, 또한 통상적으로 가스를 생성한다. 반응기는 가스가 통과하여 흐르는 스크린을 사용하여 촉매를 내부에 유지한다. 상부의 촉매 분배관(33)에서 공급되는 탈수소 촉매 입자(35)는 중력에 의해 하부로 이동하여 촉매 배출관(34)으로부터 연속적으로 취출되며, 취출된 촉매는 재생기(미도시)로 보내진다. 한편, 탈수소 촉매층(30)의 내측 스크린(31)의 내측 공간에는 반응가스 포집영역(50)이 형성된다. 탈수소 촉매층(30)을 통과하며 탈수소 반응이 종료된 반응가스는 반응가스 포집영역(50)에서 포집되어 반응가스 배출구(12)를 통하여 추가 공정을 위해 하류측으로 보내진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 자체 열공급 탈수소 반응기는, 탈수소화 반응이 진행되는 스크린 내부에 열원 플레이트를 적용하여 국부적으로 가열되는 지점이 발생하지 않고 반응기 상/하, 내/외부간의 온도 구배가 적게 나타나므로 프로판의 열 깨짐 현상을 방지할 수 있기 때문에 공정의 수율을 증가시킬 수 있으며, 배관 및 반응기의 열 손실에 따른 반응온도 저감 문제와 단열처리 비용 등을 감소시킴으로써 제조 원가를 절감할 수 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 : 하우징 11 : 원료가스 유입구
12 : 반응가스 배출구 20 : 촉매 유입부
30 : 탈수소 촉매층 31 : 내측 스크린
32 : 외측 스크린 33 : 촉매 분배관
34 : 촉매 배출관 35 : 탈수소 촉매 입자
40 : 열원 플레이트 50 : 반응가스 포집 영역

Claims (14)

  1. 반응기 내부를 한정하는 하우징, 상기 하우징의 상부단에 형성되고 촉매가 저장 및 투입되는 촉매 유입부, 상기 하우징의 상부 일 측면에 형성되고 상기 반응기 내부로 유체 반응물을 공급하기 위한 반응기 유입구, 상기 하우징의 내측에 하우징과 동축상으로 배치되고, 내측 스크린 및 외측 스크린에 의하여 한정되며, 내부에 탈수소 촉매가 충진되어 원료가스의 탈수소 반응이 진행되는 탈수소 촉매층 및 상기 하우징의 하부단에 형성되고 상기 반응기 내부로부터 반응물 스트림을 회수하기 위한 반응가스 배출구를 포함하는 탈수소화 반응기에 있어서,
    상기 내측 스크린과 외측 스크린 사이에 배치되며, 일단의 적어도 일부는 상기 내측 스크린과 접촉하고 타단의 적어도 일부는 상기 외측 스크린과 접촉하여 탈수소 촉매층 내부로 공급된 원료가스를 가열하는 다수 개의 열원 플레이트들을 포함하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 열원 플레이트들의 상부에 열원이 연결되고 상기 열원에서 발생하는 열이 상기 열원 플레이트들의 외벽 또는 내부로 이동하여, 열원 플레이트들의 외벽 또는 내부에 존재하는 열에 의해 상기 탈수소 촉매층 내부로 공급된 원료가스가 가열되는 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열원은 전기히터, 고압 가스(hot gas), 불꽃(flame), 금속산화물촉매계열 발열물질(heat generating material, HMG) 또는 스팀(steam)인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  4. 제1항에 있어서, 상기 열원 플레이트의 외벽 온도는 550 내지 850℃인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  5. 제1항에 있어서, 상기 열원 플레이트의 너비(w)는 0.2 내지 10cm 인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  6. 제1항에 있어서, 상기 열원 플레이트들이 스크린 내부에 장착되는 개수는 5 내지 20개인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 탈수소 촉매층은 상부에 촉매 분배관이 형성되고 하부에 촉매 배출관이 형성되어 상부에서 공급되는 탈수소 촉매는 중력에 의해 하부로 이동하여 배출되며, 내측 스크린 및 외측 스크린에 의하여 환형의 반응 영역이 한정되고, 내측 스크린의 내측 공간에는 반응가스 포집영역이 형성되는 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 열원 플레이트는 스틸(steel)로 구성된 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  9. 제 1항에 있어서, 상기 열원 플레이트들은 내측 스크린과 외측 스크린 사이에 방사상으로 배치되고, 하나의 열원 플레이트의 횡단면은 직사각형, 삼각형, 마름모형, 사다리꼴형 또는 만곡진 사각형(curved-rectangle)인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  10. 제 1항에 있어서, 상기 열원 플레이트는 내부가 비어있는 중공 형태인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  11. 제 1항에 있어서, 상기 열원 플레이트는 반응기의 횡단면상에서, 내측 스크린과 접촉하는 일측으로부터 외측 스크린과 접촉하는 타단까지 단면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  12. 제 1항에 있어서, 상기 열원 플레이트들은 반응기의 상부에서 하부로 갈수록 단면적이 증가하는 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  13. 제 1항에 있어서, 상기 열원 플레이트들은 내측 스크린과 외측 스크린 사이에 방사상으로 배치되고, 상기 반응기의 횡단면상에서 각각 사선으로 배치되며, 하나의 열원 플레이트의 횡단면은 사다리꼴형인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 열원 플레이트들은 내측 스크린과 외측 스크린 사이에 방사상으로 배치되고, 상기 반응기의 횡단면상에서 각각 사선으로 배치되며, 하나의 열원 플레이트의 횡단면은 다수 개의 마름모가 상호 연결된 형태로서, 각각의 마름모의 하나의 꼭지점들이 서로 연결된 형태인 것을 특징으로 하는 자체 열공급 탈수소 반응기.
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