KR20170119673A - 에탄올 탈수용 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 단열 반응기를 사용하여 에탄올의 기상 화학적 탈수에 의해 에텐의 제조 방법을 제공하며, 단열 반응기 내부는, 제1 반응 영역, 적어도 하나의 중간 반응 영역 및 최종 반응 영역을 포함하는 적어도 3개의 반응 영역으로 분리되고, 각 영역은 에틴올 탈수 촉매를 포함하고, 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:
a) 상기 제1 반응 영역의 입구로 예열된 반응물 공급-흐름을 공급하는 단계;
b) 상기 제1 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하는 단계;
c) 연속된 중간 반응 영역의 입구로 상기 배수 흐름을 공급시키는 단계;
d) 상기 중간 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하는 단계;
e) 만약 존재한다면, 임의의 연속된 중간 반응 영역에 대해 단계 (c) 및 (d)을 반족하는 단계;
f) 상기 이전 중간 반응 영역으로부터 배수 흐름을, 상기 최종 반응 영역의 입구로 공급하는 단계;
g) 상기 최종 반응 영역의 출구로부터 생성물 흐름을 추출하는 단계;
연속된 반응 영역으로 공급되기 전에, 여기서 상기 배수 흐름은 하나 이상의 열 교환기의 수단으로 재가열되며; 및 단일의 열 교환기가 동시에 적어도 2개의 배수 흐름을 재가열하도록, 하나 이상의 열 교환기가 상기 방법에서 재가열되는 2개 배수 흐름마다 존재하다.

Description

에탄올 탈수용 방법 및 장치{PROCESS AND APPARATUS FOR ETHANOL DEHYDRATION}
본 발명은 에탄올의 기상 화학적 탈수(vapour phase chemical dehydration)에 의해 에텐을 제조하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 방법은, 에탄올 탈수 방법의 효율을 양보하지 않고, 2개 이상의 다른 중간 배수 흐름이 단일의 열 교환기의 수단으로 재가열되는 배수 흐름 재가열 시스템 (effluent-stream re-heating system)과 병행하여 다중 반응 영역을 포함하는 단열 반응기의 사용을 포함한다.
에텐은, 원유로부터 유래된 탄화수소의 증기 또는 촉매적 분해에 의해 산업적으로 전통적으로 제조되어온 중요한 상품 화학물질 및 모노머이다. 그러나, 원유 보유량의 감소 및 가격 상승으로 인하여 이 제품을 제조하는 대안적인 경제적으로 귀중한 방법을 발견할 필요성이 증가하고 있다. 바이오매스의 발효 및 합성 가스 기반 기술이 용이한 이용가능성 때문에, 에탄올은 에텐이 제조될 수 있는 중요한 미래의 잠재적 공급원이 되고 있다.
에탄올의 탈수로 에텐을 만드는 것은 잘 알려진 반응이며, 1930년 이래로 다양한 상업적 방법에서 사용되어 왔다. 반응은 높은 흡열 반응이고 따라서 에탄올을 에텐으로 효율적으로 전환하기 위해서는 높은 온도가 필요하다. 초기 시스템은 등온 반응기를 사용하여 이러한 목적을 달성했지만, 1970년에 단열 반응기 시스템에 의해 크게 교체되었다.
전형적인 탈수 방법에서, 에탄올, 선택적으로 물 및 다른 성분을 포함하는 공급물은, 헤테로폴리산 촉매 층을 포함하는 반응기로 연속적으로 공급되고 생성물이 연속적으로 제거되었다. 정상 상태(steady state) 조건하에서, 반응기로 들어가는 공급물은 상기 주입구 근처에서 물, 에탄올 및 에톡시에탄(에탄올의 빠른 제1 단계 탈수반응의 생성물)의 평형 혼합물로 빠르게 전환된다. 그러한 방법은 전형적으로 승온 및 승압으로 수행된다.
에탄올 탈수는, 반응기들 사이에서 중간 가열하면서, 일렬로 배치된 다중 단열 반응기들을 사용하여 유리하게 수행될 수 있다. 그러한 시스템은 전형적으로 몇 가지 개별 압력 용기들을 포함하며, 여기서 각 반응기로부터의 배수 흐름은 연속된 반응기(subsequent reactor)로 공급되기 전에 열원에 의해 각각 가열된다.
US　4,232,179은 몇 가지 단열 반응기들이 일렬로 배치된 에탄올 탈수를 위한 방법을 개시한다. 각 반응기 내부에 필요한 고온을 유지하기 위하여, 열 수송 유체(heat carrying fluid)가 각 반응기 내로 도입되어, 반응기 공급물과 혼합된다. 본 방법의 분리된 반응기들에 의해, 반응기, 또는 일련의 반응기들의 작동이, 상기 시스템 내에서 다른 반응기들의 성능과 충돌하지 않고서도 정비를 위해 중단될 수 있게 하여, 방법의 연속성을 가능하게 한다.
US　2013/0178674은, 단일 반응기 내 다수의 단계들을 포함하는 반응기를 사용하여 에탄올을 탈수하는 방법을 설명하고 있으며, 여기서 각 단계는 다른 길이, 내부 직경, 부피 및 촉매량을 갖는다. 각 단계에 대해 공급물을 가열하는 것은 다중 열 교환기의 수단으로 개별적으로 제어되어, 각 단계에서의 온도 프로파일을 최적화 할 수 있게 한다. 추가적으로, 상기 반응 영역은, 에탄올 전환, 에텐 선택성 및 수율의 가장 높은 효율을 얻도록, 온도 및 압력, 반응물 잔류 시간, 및 촉매의 양이 다른 조건하에서 작동되도록 각각 디자인된다. 이 디자인의 추가 장점은, US 4,232,179에서처럼, 각 단계의 분리된 특성으로 인하여, 전체 공정의 중단없이 각 개별 단계들이 수선을 위해 셧다운 될 수 있게 하는 것이다.
그러나, US 4,232,179에 개시된 시스템의 유력한 단점은, 사용된 장치와 관련된 복잡성과 푸트프린트이다. 예를 들어, 다른 공정 조건하에서 작동하는 반응 영역을 제공하기 위하여, 연속된 반응 영역에서 실행된 특정 공정 조건에 따라, 다른 수준으로 재가열한 배수 흐름을 위하여 복잡한 파이핑 네트워크(piping networks)가 필요하다.
선행 기술에 따라 개별적으로 각 반응기 또는 반응 영역의 온도를 최적화하기 위한 선호성에도 불구하고, 에탄올 탈수 시스템의 반응기 또는 반응 영역의 재가열 배수 흐름에 사용된 열-교환기는 단일 유니트들 안에 유용하게 조합되어 전체 시스템을 단순화시킬 수 있다는 것을 예상치 못하게 발견하였다. 놀랍게도, 단일 열 교환기 수단으로 실질적으로 동일한 정도까지 2개 이상의 다른 배수 흐름을 재가열하는 것은, 다중 반응 영역과 함께 작동된 에탄올 탈수 반응의 효율을 포기하지는 않고, 보다 적은 압력 용기 및 단순화된 파이핑 배치를 사용하여 복잡성을 줄이고 전체 단가를 줄일 수 있다는 것을 발견하였다. 이것은, 반응 영역의 수가 많아지게 될 때(예를 들어 4 이상), 이들 반응기들의 근처에서 파이핑과 기구 배치가, 연결부의 수 및 필요한 외부 품목에 의하여, 매우 복잡해지기 때문에 특히 중요하다.
수 많은 반응기들 또는 반응 영역을 갖는 다중 반응기 시스템의 복잡한 레이아웃 및 파이핑 배치는 설치 및 유지를 매우 어렵게 하고 가격을 오르게 하여, 그러한 시스템의 사용 경비를 비싸게 만든다. 특히, 다중 반응 영역을 갖는 단일 반응기에 수 많은 열 교환기를 연결시키는 것은 기하학적으로 이상하고, 따라서 유지하기에는 비싸고 물류적으로 어려운 경향이 있다. 본 발명의 특정 장점은, 반응기 주변에 배열될 필요가 있는 열 교환기의 수를 줄여서, 보다 단순한 파이핑 배열 및 수선 접근도의 개선이 가능하게 한다.
그러므로, 본 발명은, 다중 반응 영역을 포함하는 단일의 압력 용기 안으로 다중 반응기들을 결합시키고, 2개 이상의 중간 배수 흐름의 재가열을 단일의 외부 장치 내에 결합시키는 것으로 에탄올 탈수 반응기 근처에 파이핑과 기구 레이아웃을 단순화하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 여기서 "중간 배수 흐름" 또는 "배수 흐름"은, 추가 공정을 위한 반응기의 연속적 반응 영역으로 이송되기 전에 재가열되는 반응기의 반응 영역으로부터의 배수 흐름을 의미하고자 한 것이다.
제1 양상에서, 본 발명은 단열 반응기를 사용하여 에탄올의 기상 화학적 탈수에 의해 에텐을 제조하는 방법을 제공하며, 여기서 단열 반응기의 내부는 적어도 3개의 반응 영역들로 분리되고, 이는 제1 반응 영역, 적어도 하나의 중간 반응 영역 및 최종 반응 영역을 포함하며, 여기서 각 영역은 에탄올 탈수 촉매를 포함하며; 상기 방법은 다음 단계들을 포함한다:
a) 상기 제1 반응 영역의 입구 안으로 예열된(pre-heated) 반응물 공급-흐름을 공급하는 단계;
b) 상기 제1 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하는 단계;
c) 연속된 중간 반응 영역의 입구로 상기 배수 흐름을 공급하는 단계;
d) 상기 중간 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하는 단계;
e) 만약 존재한다면 임의의 연속된 중간 반응 영역에 대해 단계(c) 및 (d)를 반복하는 단계;
f) 상기 최종 반응 영역의 입구 안으로, 이전 중간 반응 영역으로부터의 배수 흐름을 공급하는 단계;
g) 상기 최종 반응 영역의 출구로부터 생성물 흐름을 추출하는 단계;
여기서 상기 배수 흐름은, 연속된 반응 영역 내로 공급되기 전에 하나 이상의 열 교환기의 수단에 의해 재가열되며; 단일의 열 교환기는 적어도 2개의 배수 흐름을 동시에 재가열하도록, 1 이하(no more than)의 열 교환기가 상기 공정에서 재가열되는 모든 2개 배수 흐름을 위해 존재한다.
상기 공정의 구성 소자들의 조합 및 재사용은 다중-반응기 시스템의 배치를 단순화하여, 종래 공정에 비하여 단가를 줄일 수 있게 한다. 특히, 단일 유니트들 내로 열 교환기를 결합시키는 것으로 다중 배수 흐름이 동시에 재가열될 수 있다. 이는 반응기 근처에 배치될 필요가 있는 열 교환기의 수를 줄이게 되어, 반응기 근처에서의 파이핑과 기구 레이아웃의 복잡성을 줄이게 되고, 만약 이렇게 되지 않는 경우, 다중 반응 영역이 존재할 때 필요한 연결부 및 외부 품목의 수로 인하여 매우 복잡하게 된다.
본 발명에 따른 방법에서 사용된 반응기는 적어도 3개 반응 영역; 제1 반응 영역, 적어도 하나의 중간 반응 영역 및 최종 반응 영역을 포함한다. 본 발명은, 반응기 근처 파이핑과 기구 레이아웃이 크게 복잡하게 될 때, 중간 반응 영역의 수가 3개 이상(예를 들어, 4 도는 5개 중간 반응 영역)일 때 특히 효과적이다. 본 발명은 증가된 수의 반응 영역(예를 들어 4 또는 5 중간 반응 영역)을 갖는 큰 반응기를 갖는 스케일 증가된 에탄올 탈수 시스템과 적합가능하다.
본 발명의 열 교환기는 당해 기술 분야에 공통적으로 알려진 임의의 다중-흐름 열 교환기로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 사용된 열 교환기는 쉘 및 튜브 열 교환기 또는 플레이트/프레임 열 교환기이다. 상기 열 교환기는 단일-상 또는 2-상 열 교환기일 수 있다.
쉘 및 튜브 열 교환기는 공통적으로 튜브 또는 튜브 다발들이 통과하는 커다란 압력 용기(쉘)을 포함한다. 하나의 유체가 상기 쉘을 통과하는 동안 2차 유체는 상기 튜브를 통과하고, 여기서 상기 유체는 상기 튜브의 표면을 통해 열적으로 접촉한다. 열은 쉘의 유체와 튜브의 유체 사이에서, 튜브 벽을 통해, 전달된다.
플레이트/프레임 열 교환기는 공통적으로, 이들의 가장 큰 표면 상에 열적으로 접촉되어 있는 깊이가 얕은, 일련의 플레이트 유사 챔버를 포함한다. "뜨거운" 및 "차가운" 유체 흐름은 일렬로 교대로 되어 있는 플레이트를 통과하여, 이들 유체들 사이에서 효율적인 열 전달을 용이하게 한다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 하나 이상의 열 교환기들 중 적어도 하나는 쉘 및 튜브 타입 열 교환기이다. 바람직하게는, 상기 쉘 및 튜브 열 교환기는 2개 내지 4개 배수 흐름들을 동시에, 보다 바람직하게는 2개 배수 흐름들을 동시에 재가열한다. 다중 배수 흐름은, 단일 쉘 내에 별도의 튜브 또는 튜브들의 집단들을 통해 별개의 배수 흐름을 통과시키는 것으로 동시에 재가열될 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 하나 이상의 열 교환기의 적어도 하나는 플레이트/프레임 타입 열 교환기이다. 바람직하게는, 상기 플레이트/프레임 타입 열 교환기는 적어도 4개 배수 흐름을 동시에 재가열한다. 다중-배수 흐름은 별도의 배수 흐름을 단일의 열 교환기 내 별개의 플레이트 또는 일련의 플레이트들을 통과시키는 것으로 동시에 재가열될 수 있다.
재가열을 위하여 다중 배수 흐름을 수용하는 열 교환기를 제공하는 것이 가능하며, 여기서 다중-배수 흐름의 가열의 정도는 실질적으로 동일하다. 이것은, 하나의 배수 흐름 및 열 교환기의 열 소자 사이의 접촉 표면적은, 동일한 유니트 내에서 재가열된 추가 배수 흐름의 접촉 표면적들 가능한 한 밀접하게 하는 것으로 얻어질 수 있다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 단일 열 교환기 내에서 재가열된 2개 이상의 배수-흐름 및 상기 열 교환기의 각각 가열 소자들 사이의 접촉 표면적의 차이는 10 % 미만, 바람직하게는 5% 미만, 보다 바람직하게는 2 % 미만이다. 본 발명의 보다 바람직한 실시예에서, 단일 열 교환기에서 재가열된 2개 이상의 배수 흐름 및 상기 열 교환기의 각 가열 소자들 사이의 접촉 표면적은 동일하다.
본 발명에 따른 공급 원료의 탈수는, 올레핀 및 물로의 직접적 탈수(식 1); 또는 에테르 중간체를 통한 탈수(식 2 및 3)에 의해 수행되는 것으로 여겨진다 (Chem. Eng Comm. 1990, 95, 27 to 39).
Figure pct00001
에테르를 2몰 올레핀과 물로 직접적으로 변환시키는 것이 또한 보고되었다(Chem. Eng. Res. 및 Design 1984, 62, 81 to 91). 상기 보여진 모든 반응들은 전형적으로 루이스 및/또는 브뢴스테트산에 의해 촉매화된다. 식 1은 에텐 및 물로 에탄올을 직접적으로 제거하는 것을 나타내며; 식 1이 식 2 및 3과 경쟁하고 있으며, 즉 발열적 에스테르화 반응(식 2), 및 에톡시에탄의 흡열적 제거로 에텐 및 에탄올을 생성(식 3)을 나타낸다. 그러나, 에텐으로 에탄올의 탈수 반응은 전체적으로 높은 흡열적인 것으로 말해진다.
본 발명의 방법에서 사용된 에탄올 탈수 촉매는 당해 기술분야에서 공통적으로 알려진 것들로부터 선택될 수 있으며, 예을 들어 고정층 탈수 촉매일 수 있다. 상기 촉매는 바람직하게는 WO2008062157, WO2007063282, WO2007063281, WO2007063280, WO2007063279, EP1925363 및 EP1982761에 설명된 것들로부터 선택된 헤테로폴리산 촉매이다.
본 발명에 따라, 에탄올(및 바람직하게는 물 및/또는 에톡시에탄)을 포함하는 공급-흐름의 기상 화학적 탈수로 에텐을 제조하는 방법을 제공하며, 상기 방법은 상기 공급-흐름을 단열 반응기의 다중 반응 영역들 내에서 촉매와 접촉시키는 단계를 포함하며, 여기서 상기 반응기 근처에서 파이핑 및 기구 레이아웃의 복잡성이 크게 줄어든다.
바람직하게는, 본 발명의 방법의 공급-흐름에서 물의 함량은, 반응물 공급-흐름내에서 물, 에탄올 및 에톡시에탄의 총 중량을 기초로, 약 50 wt.% 이하, 보다 바람직하게는 약 20 wt.% 이하, 가장 바람직하게는 약 10 wt.% 이하, 또는 보다 더 가장 바람직하게는 약 7 wt.% 이하이다. 바람직하게는, 상기 반응물 공급-흐름 내 물의 함량은, 반응물 공급-흐름 내 물, 에탄올 및 에톡시에탄의 총 중량을 기초로, 적어도 약 0.1 wt.%, 보다 바람직하게는 적어도 약 0.5 wt.% 및 가장 바람직하게는 적어도 약 1 wt.%이다.
올레핀 제거 후 액체 생성물 흐름은 대부분 미반응 에탄올, 디에틸 에테르 및 물을 포함한다. 출원인은, 알코올 및 에테르의 주요 부분을 물 부산물 제거 후 상기 기상 탈수 반응기로 재순환시키는 것이 특히 바람직하다는 것을 발견하였다.
본 발명의 일부 실시예에서, 상기 공급-흐름은 불활성 희석제를 포함한다. 다른 실시예에서, 불활성 희석제는 반응 영역들 사이에 첨가된다. 바람직한 희석제들은, 질소, 헬륨, 에텐 및/또는 포화된 탄화수소, 예를 들어 헥산, 2-메틸프로판 또는 n-부탄을 포함한다. 보다 바람직하게는, 상기 공급-흐름 희석제는 질소 및/또는 헬륨으로부터 선택된다.
일 실시예에서, 본 발명에 따라 에탄올이 탈수되는 반응 영역은, 바람직하게는 160 ℃ 내지 270℃, 보다 바람직하게는 180℃ 내지 270℃, 보다 바람직하게는 190℃ 내지 260℃ 및 가장 바람직하게는 200℃ 내지 250℃의 온도에서 작동된다. 상기 반응 영역은 0.1 MPa 내지 4.5 MPa의 압력, 바람직하게는 1.5 MPa 내지 3.5 MPa의 압력, 및 가장 바람직하게는 1.8 MPa 내지 2.8 MPa의 압력에서 바람직하게는 작동된다.
또 다른 실시예에서, 본 발명에 따라 에탄올이 탈수되는 반응 영역의 공급 온도는 바람직하게는 적어도 약 252℃, 보다 바람직하게는 적어도 약 255℃, 보다 더 바람직하게는 적어도 약 260℃, 보다 더 바람직하게는 적어도 약 280℃ 및 가장 바람직하게는 적어도 300℃이다. 상기 공급 온도의 상한 값은 에텐의 선택성이 부정적으로 영향을 받는 온도 이하 및/또는 과도하게 에너지 집약적인 온도 이하이다. 바람직하게는, 공급 온도의 상한 값은 약 350℃, 보다 바람직하게는 약 325℃이다. 그러므로, 탈수 반응을 위한 바람직한 공급 온도는 다음을 포함한다: a) 적어도 약 252℃ 내지 약 350℃; b) 적어도 약 252℃ 내지 약 325℃; c) 적어도 약 255℃ 내지 약 350℃; d) 적어도 약 255℃ 내지 약 325℃; e) 적어도 약 260℃ 내지 약 350℃; f) 적어도 약 260℃ 내지 약 325℃; g) 적어도 약 280℃ 내지 약 350℃; h) 적어도 약 280℃ 내지 약 325℃; i) 적어도 약 300℃ 내지 약 350℃; 및 j) 적어도 약 300℃ 내지 약 325℃. 이 실시예에서 상기 반응 영역은 약 0.90 MPa 내지 약 1.60 MPa의 내부 압력 및 보다 바람직하게는, 약 0.95 MPa 내지 약 1.30 MPa의 내부 압력을 갖는다. 가장 바람직하게는, 상기 반응 영역은 약 1.00 MPa 내지 약 1.20 MPa의 내부 압력을 갖는다.
여기서 "공급 온도"는 반응기 또는 반응 영역으로 공급되는 지점에서의 특정 흐름의 온도를 의미한다.
여기서 반응 영역 내부 압력은 반응물들의 부분압의 총합, 즉 에틸렌 생성물의 부분압뿐만 아니라 에탄올 및 (만약 존재한다면) 물 및 에톡시에탄의 부분압의 총합에 대응한다. 여기 달리 지적되지 않으면, 불활성 희석제, 예를 들어 헬륨 및 질소, 또는 다른 불활성 성분들의 부분압은 상기 언급된 총 압력으로부터 배제된다. 그러므로, 여기서 반응 영역 압력은 다음 식에 따른다: P반응기 = P물 + P에탄올 + P에톡시에탄 + P에틸렌. 게다가, 다르게 지정하지 않으면, 여기 반응 압력은 절대 압력을 의미하며 게이지 압력이 아니다.
본 발명에 따른 방법의 바람직한 실시예에서, 이들이 재가열된 후, 개별 중간-배수 흐름의 온도들 사이의 차이는 20℃ 미만, 보다 바람직하게는 10℃ 미만 및 가장 바람직하게는 5℃ 미만이다. 바람직하게는, 이들이 재가열되기 전에, 개별 중간 배수 흐름들 사이의 차이는 20℃ 미만, 보다 바람직하게는 10℃ 미만 및 가장 바람직하게는 5℃ 미만이다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 방법에서 다른 반응 영역들 사이의 반응 압력의 차이는, 1 MPa 미만, 보다 바람직하게는 0.5 MPa 미만, 및 가장 바람직하게는 0.3 MPa 미만이다.
본 발명에 따른 에탄올 탈수를 위한 반응기의 연속적인 작동을 위한 GHSV는 적당하게는 50 내지 50,000 h-1, 바람직하게는 1,000 내지 30,000 h-1, 보다 바람직하게는 2,000 내지 15,000 h-1 및 가장 바람직하게는 5,000 내지 8,000 h--1의 범위일 수 있다. '기체 공간 속도' (Gas hourly space velocity, GHSV)는, 기준 온도(0℃) 및 압력(0.101325 MPa)에서의 공급된 단위 기체 부피/촉매 부피/시간으로서 규정된다.
본 발명은 추가적으로 에탄올의 기상 화학적 탈수에 의해 에텐을 제조하기 위한 장치를 제공하고, 다음을 포함한다:
i) 내부가, 제1 반응 영역, 적어도 하나의 중간 반응 영역 및 최종 반응 영역을 포함하는 적어도 3개 반응 영역들로 분리되어 있는 단열 반응기;
ii) 예열된 반응물 흐름을 제1 반응 영역의 입구 내로 공급하기 위한 수단;
iii) 제1 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하기 위한 수단;
iv) 연속된 중간 반응 영역의 입구 내로 상기 배수 흐름을 공급하기 위한 수단;
v) 상기 중간 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하기 위한 수단;
vi) 만약 존재한다면 임의의 추가적 중간 반응 영역에 공급하기 위한 수단, 및 이로부터의 배수 흐름을 추출하기 위한 하나 이상의 수단;
vii) 상기 최종 반응 영역의 입구 내로 상기 이전 중간 반응 영역으로부터의 배수 흐름을 공급시키기 위한 수단;
viii) 상기 최종 반응 영역의 출구로부터 생성물 흐름을 추출하기 위한 수단;
ix) 연속 반응 영역으로 공급되기 전에, 각 배수 흐름을 재가열하기 위한 하나 이상의 열 교환기로서, 여기서 단일의 열 교환기는 적어도 2개 이상의 배수 흐름을 동시에 재가열하도록, 하나 이상의 열 교환기가 재가열된 2개 배수 흐름마다 존재하도록 구성된 열 교환기.
본 발명의 장치에 따른 반응기는 적어도 3개 반응 영역을 포함하며, 제1 반응 영역, 적어도 하나의 중간 반응 영역 및 최종 반응 영역을 포함한다. 본 발명은 반응기 근처에 파이핑 및 기구 레이아웃이 크게 복잡해질 때, 중간 반응 영역의 수가 3개 이상인 경우에 특히 효과적이다.
본 발명에 따른 장치에 따른 단열 반응기는 단일 압력 용기를 포함할 수 있으며, 여기서 반응기의 내부는 3개 이상의 반응 영역으로 나누어진다. 반응기 내부를 분할하기 위한 수단은, 단순한 배플(baffle)을 포함할 수 있으며, 여기서 상기 반응기는 다른 반응 영역들 사이의 반응 압력 차이가 1 MPa 미만, 바람직하게는 0.5 MPa 미만, 바람직하게는 0.3 MPa 미만이 되도록 구성된다.
본 발명에 따른 단열 반응기의 반응 영역은, 각각 단열 반응기, 예를 들어 당해 기술 분야에서 공통적으로 알려진 것들, 예를 들어 고정층 관형 반응기 또는 반경류 반응기(radial flow reactor)의 내부 기능을 갖는다.
단순한 고정층 관형 반응기는 공급물이 통과하는 고정된 촉매층으로 충진된 관형 통로를 포함한다. 고정층 반경류(radial flow) 반응기는, 공급물이 고정된 환형 촉매층을 통해 방사상으로 외부로 흐르도록 구성된 반응기를 포함한다.
본 발명에 따른 장치의 열 교환기는 당해 기술분야에 공통적으로 알려진 임의의 다중-흐름 열 교환기로부터 선택될 수 있다. 바람직하게는, 본 발명에 사용된 열 교환기는 쉘 및 튜브 열 교환기 또는 플레이트/프레임 열 교환기이다. 열 교환기는 단일-상 또는 2-상 열 교환기일 수 있다.
하나 이상의 열 교환기의 적어도 하나가 쉘 및 튜브 열 교환기인 본 발명의 예에서, 상기 장치는, 각 쉘 및 튜브 열 교환기가 2개 내지 4개 배수 흐름들을 동시에, 바람직하게는 2개 배수 흐름들을 동시에 재가열하도록 구성된다.
하나 이상의 열 교환기의 적어도 하나가 플레이트/프레임 열 교환기인 본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 장치는, 각 플레이트/프레임 열 교환기는 적어도 2개 배수 흐름들을 동시에, 바람직하게는 적어도 4개 배수 흐름을 동시에 재가열 하도록 구성된다.
본 발명의 장치의 바람직한 실시예에 따라 열 교환기는, 단일 열 교환기 내에서 재가열된 2개 이상의 배수 흐름들 및 상기 열 교환기의 각 가열 소자들 사이의 접촉 표면적의 차이는 10 % 미만, 바람직하게는 5% 미만, 보다 바람직하게는 2 % 미만이 되도록 구성될 수 있다.
다른 실시예에서, 단일 열 교환기 내에서 재가열된 2개 이상의 배수 흐름들 및 열 교환기의 각 가열 소자들 사이의 접촉 표면적이 동일하도록 구성된다.
본 발명은 첨부된 도면에 설명된 본 발명의 실시예에 따라 보다 상세하게 설명될 것이며, 여기서:
도 1은 다중 재가열 수단(02, 04), 예를 들어 열 교환기를 갖는 일렬의 다중 반응기들(01, 03, 05)을 포함하는 종래 시스템을 나타내며, 여기서 각 반응기로부터의 배수 흐름은 연속 반응기 내로 공급되기 전에 각각 가열되며;
도 2는 본 발명에 따라, 2개 흐름을 재가열하기 위한 단일의 열 교환기를 공유하는, 일련의 3개 반응 영역을 포함하는 단순화된 반응기 시스템을 나타내며;
및
도 3는 본 발명에 따라, 2개 흐름을 각각 재가열하는 2개 열 교환기를 구비한, 일렬로 배치된 5개 반응 영역을 포함하는 단순화된 반응기 시스템의 다른 실시예를 나타낸다.
도 2에 보여진 본 발명의 실시예는, 도 1에 도시된 열 교환 시스템인 등가의 종래 다중 반응기에 비교된 단순화된 반응기 시스템을 나타낸다. 구체적으로, 도 2에 따른 본 발명의 실시예에서, 단열 반응기(10)는 제1 반응 영역(11), 중간 반응 영역(12) 및 최종 반응 영역(13)으로 내부가 분리되며, 각각은 고정층 탈수 촉매(11a, 12a, 및 13a 각각)을 포함한다.
예열된 반응물 흐름(1)은 제1 반응 영역(11)의 주입구로 공급되며, 제1 탈수 촉매(11a)와 접촉되게 된다. 배수 흐름(2a)은 제1 반응 영역(11)의 출구로부터 추출되고, 열 교환기(5) 안으로 공급되며, 여기서 배수 흐름(2a)은 열 수송 흐름(5a)과 열 교환하여 재가열된다. 상기 재가열된 흐름(2b)은 중간 반응 영역(12)의 입구로 공급되며, 이것은 중간 탈수 촉매(12a)와 접촉하게 된다. 배수 흐름(3a)는 중간 반응 영역(12)의 출구로부터 추출되고, 동일한 상기 언급된 열 교환기(5) 안으로 공급되며, 여기서 배수 흐름(3a)이 상기 중간 반응 영역(12)의 출구로부터 추출되며 상기 언급된 동일한 열 교환기(5) 내로 공급되며, 여기서 배수-흐름(3a)은 열 수송 흐름(5a)와 열 교환되어 재가열된다. 재가열된 흐름(3b)는 최종 반응 영역(13)의 입구로 공급되며, 여기서 이것은 최종 탈수 촉매(13a)와 접촉하게 된다. 배수 생성물 흐름(4)은 최종 반응 영역(13)의 출구로부터 추출된다.
본 발명은 보다 큰 반응기 시스템의 배치를 단순화하는데 특히 효과적이다. 이것은 도 3에 도시된 본 발명의 실시예에서 나타나며, 여기서 단열 반응기(20)는 제1 반응 영역(21), 3개의 중간 반응 영역(22, 23, 및 24) 및 최종 반응 영역(25)로 내부적으로 분리되며, 각각은 고정층 탈수 촉매(21a, 22a, 23a, 24a, 및 25a 각각)을 포함한다.
예열된 반응물 흐름(31)은, 제1 반응영역(21)의 입구로 공급되고, 탈수 촉매(21a)와 접촉된다. 배수 흐름(32a)는 제1 반응 영역(21)의 출구로부터 추출되고, 제1열 교환기(210)로 공급되고, 여기서 배수 흐름(32a)은 열 수송 흐름(210a)과 열 교환으로 재가열된다. 상기 재가열된 흐름(32b)는 제1 중간 반응 영역(22)의 입구 내로 공급되며, 여기서 이것은 탈수 촉매(22a)와 접촉된다. 배수 흐름(33a)은 제1 중간 반응 영역(22)의 출구로부터 추출되며, 동일한 상기 언급된 제1 열 교환기(210) 안으로 공급되며, 여기서 배수 흐름(33a)는 열 수송 흐름(210a)과의 열 교환에 의해 재가열된다.
재가열된 흐름(33b)는 제2 중간 반응 영역(23)의 입구로 공급되며, 여기서 이것은 탈수 촉매(23a)와 접촉된다. 배수 흐름(34a)는 제2 중간 반응 영역(23)의 출구로부터 추출되고 제2 열 교환기(211)로 공급되고, 여기서 배수 흐름(34a)가 열 수송 흐름(211a)과의 열 교환에 의해 재가열된다. 재가열된 흐름(34b)는 제3 중간 반응 영역(24)의 입구로 공급되며, 이것은 탈수 촉매(24a)와 접촉된다. 배수 흐름(35a)는 제3 중간 반응 영역(24)의 출구로부터 추출되고, 동일한 상기 언급된 제2 열 교환기(211)로 공급되며, 여기서 상기 배수 흐름(35a)는 열 수송 흐름(211a)와의 열교환에 의해 재가열된다. 재가열된 흐름(35b)는 최종 반응 영역(25)의 입구로 공급되며, 여기서 이것은 최종 탈수 촉매(25a)와 접촉된다. 유출 생성물 흐름(36)는 상기 최종 반응 영역(25)의 출구로부터 추출된다.
5개 반응기를 포함하는 종래 시스템은, 중간 흐름을 재가열하기 위하여, 반응기들 사이에 4개 열 교환기를 필요로 한다. 그러한 큰 시스템의 레이아웃 및 파이핑 배치는 기하학적으로 이상하며 설치 및 유지하는 비용이 올라가서, 잠재적으로 이 크기의 시스템의 사용과 복잡성은 경제적으로 무가치하게 한다. 본 발명은 반응기 시스템에 필요한 압력 용기들의 수를 줄이는 수단을 제공하며, 이는 상기 시스템의 레이아웃을 단순화하고 건축 및 유지 작동의 어려움 및 비용을 줄인다.

Claims (15)

  1. 단열 반응기를 사용하여 에탄올의 기상 화학적 탈수에 의해 에텐을 제조하는 방법에 있어서, 여기서 단열 반응기의 내부는, 제1 반응 영역, 적어도 하나의 중간 반응 영역 및 최종 반응 영역을 포함하는 적어도 3개의 반응 영역으로 분리되며, 여기서 각 영역은 에탄올 탈수 촉매를 포함하며, 상기 방법은 다음 단계를 포함하는 방법:
    a) 예열된 반응물 공급물-흐름을 상기 제1 반응 영역의 입구로 공급하는 단계;
    b) 상기 제1 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하는 단계;
    c) 연속 중간 반응 영역의 입구 안으로 상기 배수 흐름을 공급하는 단계;
    d) 상기 중간 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하는 단계;
    e) 존재한다면 임의의 연속된 중간 반응 영역에 대해 단계(c) 및 (d)를 반복하는 단계;
    f) 상기 최종 반응 영역의 입구 안으로 상기 선행 중간 반응 영역으로부터의 배수 흐름을 공급하는 단계;
    g) 상기 최종 반응 영역의 출구로부터 생성물 흐름을 추출하는 단계;
    여기서 상기 배수 흐름은 연속된 반응 영역으로 공급되기 전에 하나 이상의 열 교환기의 수단으로 재가열 되고; 및
    여기서 단일의 열 교환기가 적어도 2개의 배수 흐름을 동시에 재가열하도록, 하나 이하의 열 교환기가 상기 방법에서 재가열된 2개 배수 흐름마다 존재한다.
  2. 제1항에 있어서, 단일의 열 교환기는 2개 내지 4개 배수 흐름들을 동시에 재가열하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 단일의 열 교환기는 2개 흐름을 동시에 재가열 하는, 방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 중간 반응 영역; 바람직하게는 3 내지 5의 중간 반응 영역; 보다 바람직하게는 3개 중간 반응 영역이 있는, 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 교환기는 쉘 및 튜브 열 교환기 및/또는 플레이트/프레임 열 교환기로부터 선택되는, 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 단일 열 교환기에 재가열된 하나 이상의 배수 흐름 및 상기 열 교환기의 각각의 가열 소자들 사이의 접촉 표면적의 차이는 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만, 보다 바람직하게는 2% 미만인, 방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 단일의 열 교환기 내에서 재가열된 2개 이상의 배수 흐름 및 상기 열 교환기의 각각의 가열 소자들 사이의 접촉 표면적이 동일한, 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 개별 반응 영역들 사이의 압력 차이가1 MPa 미만; 바람직하게는 개별 반응 영역들 사이의 압력 차이가 0.5 MPa 미만; 및 보다 바람직하게는 개별 반응 영역들 사이의 압력 차이가 0.3 MPa 미만인, 방법.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 개별 중간 배수 흐름 온도의 차이가, 이들이 재가열된 후, 20℃ 미만, 보다 바람직하게는 10℃ 미만 및 가장 바람직하게는 5℃ 미만인, 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 재가열되기 전에, 개별 중간 배수 흐름 온도의 차이가 20℃ 미만, 보다 바람직하게는 10℃ 미만 및 가장 바람직하게는 5℃ 미만인, 방법.
  11. 다음을 포함하는 에탄올의 기상 화학적 탈수에 의한 에텐의 제조장치:
    i. 단열 반응기 내부가 제1 반응 영역, 적어도 하나의 중간 반응 영역 및 최종 반응 영역을 포함하는, 적어도 3개 반응 영역으로 분리되어 있는 단열 반응기;
    ii. 예열된 반응물 흐름을 상기 제1 반응 영역의 입구로 공급하기 위한 수단;
    iii.상기 제1 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하기 위한 수단;
    iv. 연속된 중간 반응 영역의 입구 내로 상기 배수 흐름을 공급하기 위한 수단;
    v. 중간 반응 영역의 출구로부터 배수 흐름을 추출하기 위한 수단;
    vi. 만약 존재한다면, 임의의 추가적 중간 반응 영역으로 공급하기 위한 하나 이상의 수단, 및 이들로부터 배수 흐름을 추출하기 위한 하나 이상의 수산;
    vii. 상기 이전의 중간 반응 영역으로부터의 배수 흐름을, 상기 최종 반응 영역의 입구로 공급하기 위한 수단;
    viii. 상기 최종 반응 영역의 출구로부터 생성물 흐름을 추출하기 위한 수단;
    ix. 연속된 반응 영역으로 공급되기 전에, 각 배수 흐름을 재가열 하기 위한 하나 이상의 열 교환기로서, 단일의 열 교환기가 적어도 2개의 배수 흐름을 동시에 재가열하도록, 하나 이상의 열 교환기가 재가열되는 2개 배수 흐름마다 존재하는, 열 교환기.
  12. 제11항에 있어서, 열 교환기들 각각이 쉘 및 튜브 열 교환기 또는 플레이트/프레임 열 교환기로부터 선택되는, 에텐의 제조장치.
  13. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 교환기의 적어도 하나는 쉘 및 튜브 열 교환기이고, 2 내지 4 배수 흐름들을 동시에, 바람직하게는 2개 배수 흐름을 동시에 재가열하도록 구성된, 에텐의 제조장치
  14. 제12항에 있어서, 상기 하나 이상의 열 교환기의 적어도 하나가 플레이트/프레임 타입 열 교환기이고, 적어도 2개, 및 바람직하게는 적어도 4개 배수 흐름을 동시에 재가열하도록 구성된, 에텐의 제조장치.
  15. 제11항 내지 제14항 중 적어도 어느 한 항에 있어서, 2개 이상의 중간 반응 영역; 바람직하게는 3 내지 5개 중간 반응영역; 보다 바람직하게는 3개 중간 반응 영역이 존재하는, 에텐의 제조장치.
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