KR20190103438A - 에폭시화를 위한 모노리식 촉매 - Google Patents

에폭시화를 위한 모노리식 촉매 Download PDF

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스티븐 가익
마르코 보슈
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Abstract

촉매 베드는 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 포함하며, 촉매 베드으로서, 상기 모노리식 촉매는 모노리식 벌집 구조 및 벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층을 포함하고; 벌집 구조는 나란히 배치된 복수의 채널을 포함하며, 그리고 각각의 채널은 채널의 제1 말단에 위치한 입구, 채널의 제2 말단에 위치한 출구, 및 채널의 내부 및/또는 외부로의 횡단 유체 유동을 위한 채널을 통한 유체 유동의 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함한다.

Description

에폭시화를 위한 모노리식 촉매
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2017년 1월 24일자로 출원된 미국 가출원 제62/449,908호의 우선권의 이익을 주장하며, 그 내용은 그 전체가 본원에 참조로 포함된다.
기술분야
본 기술은 일반적으로 모노리식(monolithic) 촉매 분야에 관한 것이다. 특히, 이 기술은 직접 에폭시화를위한 모노리식 촉매에 관한 것이다.
하나의 양태에서, 나란히 배치된 복수의 채널을 포함하는 모노리식 벌집 구조로서, 각각의 채널은 채널의 제1 말단에 위치한 입구, 채널의 제2 말단에 위치한 출구, 및 채널의 내부 및/또는 외부로의 횡단 유체 유동을 위한 채널을 통한 유체 유동의 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및
벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층(layer)을 포함하는 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 함유하는 촉매 베드(catalyst bed)가 본원에 제공된다.
일부 구현예에서, 각각의 개구부는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반한다. 일부 구현예에서, 유체 유동은 각 채널을 통한 난류이다. 일부 구현예에서, 열의 축적은 채널 내에서 최소화되거나 회피된다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 각 채널의 내부를 코팅한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트(cordierite), 강철 또는 알루미늄을 함유한다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 세그먼트 각각은 길이가 약 7 센티미터 내지 약 20 미터이다. 일부 구현예에서, 하나 이상의 세그먼트 각각은 길이가 약 15 센티미터 내지 약 25 센티미터이다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 하나 이상의 구역으로 구획된다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 촉매 펠릿을 더 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매 펠릿 및 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트는 개별 구역에 위치한다. 일부 구현예에서, 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 함유하는 구역은 촉매 펠릿을 함유하는 구역 전에 유체 유동을 만나게 위치한다. 일부 구현예에서, 촉매 펠릿 및 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트는 교번 패턴으로 개별 구역에 위치한다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 모노리식 촉매의 둘 이상의 세그먼트을 함유하고, 촉매 베드는 모노리식 촉매의 둘 이상의 세그먼트의 각각 사이에 위치한 촉매가 없는 간극을 더 함유한다.
다른 양태에서, 에틸렌 옥사이드의 제조를 위한 촉매 베드가 본원에 제공된다.
다른 양태에서, 나란히 배치된 복수의 채널을 포함하는 모노리식 벌집 구조로서, 각각의 채널은 상기 채널의 제1 말단에 위치한 입구, 상기 채널의 제2 말단에 위치한 출구, 및 상기 채널의 내부 및/또는 외부로의 횡단 유체 유동을 위한 상기 채널을 통한 유체 유동의 방향으로 상기 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및
상기 벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층을 포함하는 모노리식 촉매가 본원에 제공된다.
일부 구현예에서, 각각의 개구부는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반한다. 일부 구현예에서, 유체 유동은 각 채널을 통한 난류이다. 일부 구현예에서, 열의 축적은 채널 내에서 최소화되거나 회피된다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 각 채널의 내부를 코팅한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 강철 또는 알루미늄을 함유한다.
다른 양태에서, 에틸렌을 함유하는 공급 가스를 모노리식 촉매와 접촉시켜 에틸렌 옥사이드를 형성하는 단계를 포함하는 에틸렌 옥사이드의 제조 방법이 본원에 제공되며,
상기 모노리식 촉매는,
복수의 채널을 포함하는 모노리식 벌집 구조로서, 각각의 채널은 채널을 통해 유체 유동의 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및
상기 모노리식 벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층을 포함한다.
일부 구현예에서, 각각의 개구부는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반한다. 일부 구현예에서, 유체 유동은 각 채널을 통한 난류이다. 일부 구현예에서, 열의 축적은 채널 내에서 최소화되거나 회피된다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 각 채널의 내부를 코팅한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 강철 또는 알루미늄을 함유한다.
다른 양태에서, 모노리식 벌집 구조를 지지된 촉매의 슬러리로 코팅하여 코팅된 벌집 구조를 형성하는 단계; 및
코팅된 벌집 구조를 가열된 강제 공기로 건조시켜 모노리식 촉매를 제조하는 단계를 포함하는 모노리식 촉매의 제조 방법이 제공되며,
상기 모노리식 벌집 구조는 복수의 채널을 포함하고, 각각의 채널은 채널을 통한 유체 유동 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하며, 그리고
상기 지지된 촉매는 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함한다.
일부 구현예에서, 코팅은 지지된 촉매의 슬러리에 모노리식 벌집 구조를 침지시킴으로써 수행된다. 일부 구현예에서, 코팅은 지지된 촉매의 워시-코트(wash-coat)를 모노리식 벌집 구조에 도포하여 수행된다. 일부 구현예에서, 코팅 단계는 각 채널의 내부 상에 지지된 촉매의 층을 형성한다.
다른 양태에서, 모노리식 벌집 구조를 알루미나계 지지체의 층으로 코팅하여 예비 코팅된 모노리식 벌집 구조를 형성하는 단계;
알루미나계 지지체의 층을 금속 촉매로 함침시켜 함침된 모노리식 벌집 구조를 형성하는 단계; 및
함침된 모노리식 벌집 구조를 가열된 강제 공기로 건조시켜 모노리식 촉매를 제조하는 단계를 포함하는, 모노리식 촉매의 제조 방법이 본원에 제공되며,
상기 모노리식 벌집 구조는 복수의 채널을 포함하고, 각각의 채널은 상기 채널을 통한 유체 유동 방향으로 상기 채널을 따라 위치된 개구부를 포함한다.
일부 구현예에서, 코팅 단계 및 함침 단계는 각 채널의 내부에 금속 촉매가 함침된 알루미나계 지지체의 층을 형성한다.
도 1은 동일한 유동 조건에서 지정된 충전 높이의 충전 베드(실선)와 비교 가능한 베드 높이의 모노리스(파선)의 압력 대 유량의 비교를 나타낸다. 괄호 안에 "XXX/Y"로 표시된 데이터는 제곱 인치당 채널 수 (XXX) 및 밀리미터 단위의 채널 벽 두께 (Y)를 지칭한다.
도 2는 반응기 튜브 로딩 장치에 대한 비 제한적인 샘플 로딩 장치의 측 단면도를 도시한다. 모노리스 샘플(왼쪽) 및 분말 베드 샘플(오른쪽)은 각 반응기 튜브에 대한 전반적인 압력 강하를 설정하는 강옥(corundum) 분말 가드 베드 상에 로딩되어 있다.
도 3a, 도 3b, 도 3c 및 도 3d는 모노리스 샘플을 연소 감속재가 없는 생산 촉매 분말 베드와 비교한 차트이다. 모노리스와 분말은 최적의 온도에서 작동되어 각 형상에 대해 가장 잘 측정된 성능을 비교할 수 있다. 차트는 표(도 3c)에 열거된 샘들들에 대하여 측정된 에틸렌 옥사이드 선택도 대 가스 시간당 공간 속도(GHSV)(도 3a), 측정된 회전율 주파수(TOF) 대 GHSV(도 3b) 및 전환 대 GHSV(도 3d)를 나타낸다. 데이터 포인트 라벨은 샘플 번호를 지칭한다. GHSV는 공급 유량을 변화시켜 변화시켰다. 선은 동일한 베드 높이의 데이터 지점을 연결한다.
도 4는 (A) SC 기하 구조, (B) LS 기하 구조 및 (C) LS/PE 조합 기하 구조에 대한 다양한 모노리스 채널 구조를 도시한다.
도 5a, 도 5b 및 도 5c는 충전 펠릿 베드에 대한 기하 구조(A 1 )의 다양한 도시이다. 도 5a는 도 5b에 도시된 원통형 펠릿의 접선면에 나란히 접촉하여 배치되어 있는 원통형 펠릿을 구비한 반응기 튜브의 중앙에 "핫 스폿 (hot spot)"을 도시한다. 인터-펠릿(inter-pellet) 열 전달을 위한 열 접촉 영역의 형상 및 치수는 도 5c에 도시되어 있다.
도 6a, 도 6b 및 도 6c는 충전 펠릿 베드에 대한 기하 구조(A 2 )의 다양한 도시이다. 도 6a는 원통형 펠릿의 표면에서 종단 대 종단에 접촉하여 배치되어 있는 원통형 펠릿을 구비한 반응기 튜브의 중앙에 "핫 스폿"을 도시하며, 이의 열 접촉 영역은 도 6b에 도시되어 있다. 인터-펠릿 열 전달을위한 열 접촉 영역의 상응하는 형상 및 치수는도 6c에 도시되어 있다.
도 7a, 도 7b 및 도 7c는 금속 모노리스 베드에 대한 기하 구조의 다양한 도시이다. 도 7a는 반응기 튜브 축 및 가스 유동 방향에 평행한 채널을 갖는 단일 모노리스 코어를 함유하는 반응기 튜브의 중앙에 "핫 스폿"을 도시한다. 모노리스 채널의 평면도가도 7b에 도시되어 있다. 도 7c는 열 유속 벡터의 방향을 따라 관찰된 B의 채널 벽을 도시한다. 충전 베드 기하 구조로부터의 열 전달 영역 (A 1 및 A 2 )은 모노리스에서의 열전달에 이용 가능한 재료(즉, 호일 벽의 에지)의 양을 예시하기 위해 중첩된다.
도 8은 일련의 모노리스 세그먼트가 반응기 튜브 내의 종래 펠릿 베드 위에 위치되는 하이브리드 반응기 기하 구조의 비 제한적인 예를 도시한다.
도 9는 감속재가 없는 경우의 200℃에서의 가스 시간당 공간 속도의 함수로서 모노리스, 분말 및 하이브리드 베드 반응기 기하 구조에 대한 회전율 주파수의 비교를 도시한다.
다양한 실시예가 이하에 설명된다. 특정 실시예들은 본원에서 논의된 보다 폭 넓은 양태에 대한 철저한 설명 또는 제한으로서 의도되지 않는다는 것을 알아야 한다. 특정 실시예와 관련하여 설명된 일 양태는 그 실시예에 반드시 제한되는 것은 아니며 임의의 다른 실시예(들)로 실시될 수 있다.
본원에 사용된 "약"은 당업자에 의해 이해될 것이며, 그것이 사용되는 문맥에 따라 어느 정도 변할 것이다. 당업자에게 명확하지 않은 용어의 사용이 있는 경우, 이를 사용한 문맥을 감안하여 "약"은 특정 용어의 최대 ±10%를 의미할 것이다.
요소를 기술하는 문맥에서 (특히 이하의 청구범위의 문맥에서) 용어 "하나" 및 "하나의" 및 "상기" 및 유사한 지시자의 사용은 본원에 달리 지시되지 않거나 문맥에 명백히 부인되지 않는 한 단수 및 복수를 포괄하는 것으로 해석되어야 한다. 본원에서 값의 범위를 열거한 것은 단지 본원에 달리 지시되지 않는 한, 범위 내에 속하는 각각의 개별 값을 개별적으로 언급하는 약식 방법으로서 역할을 하도록 의도되며, 각각의 개별 값은 본원에서 개별적으로 인용된 것처럼 명세서에 통합된다. 본원에 기재된 모든 방법은 본원에서 달리 지시되지 않거나 달리 문맥에 명백하게 부인되지 않는 한 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본원에 제공된 임의의 및 모든 예 또는 예시적인 언어(예컨대, "와 같은")의 사용은 달리 언급되지 않는 한 단지 실시예를 보다 잘 나타내도록 의도되었으며, 청구범위의 범위에 제한을 가하지 않는다. 명세서에서 어떠한 언어도 청구되지 않은 요소를 필수적으로 나타내는 것으로 해석되어서는 안된다.
전용 열 교환기의 사용을 피하는 촉매 베드가 본원에 제공된다. 본원에 기재된 촉매 베드는 촉매 펠릿 또는 다른 매질로 필수적으로 이루어진 충전 촉매 베드와 비교하여 촉매 베드 내에서 우수한 질량 및 열 수송을 갖는다. 이러한 우수한 질량 및 열 수송은 본원에 기재된 촉매 베드 내에서 경험되는 더 낮은 온도를 초래한다. 이러한 더 낮은 온도는 종래 충전 촉매 베드와 비교하여 본원에 기재된 촉매 베드 내의 촉매에 대한 더 긴 수명 및 더 높은 선택도를 초래할 수 있다. 종래 충전 촉매 베드와 비교하여 원하는 반응 생성물의 동등하거나 더 높은 수율을 달성하기 위하여 더 낮은 촉매 로딩이 사용될 수 있다.
촉매 베드는 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 함유할 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트로 필수적으로 구성된다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트로 구성된다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 모노리식 촉매의 둘 이상의 세그먼트를 함유한다. 이는 모노리식 촉매의 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 또는 100개의 세그먼트를 포함한다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 모노리식 촉매의100개 이하의 세그먼트를 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 그 사이의 범위를 포함하여 모노리식 촉매의 2 내지 100 세그먼트를 함유한다.
모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트 각각은 길이가 약 7 센티미터(cm) 내지 약 20 미터 (m) 일 수 있다. 이는 약 7 cm 내지 약 15 m, 약 7 cm 내지 약 10 m, 약 7 cm 내지 약 5 m, 약 7 cm 내지 약 1 m, 약 7 cm 내지 약 75 cm, 약 7 cm 내지 약 50 cm, 약 7 cm 내지 약 25 cm, 약 10 cm 내지 약 20 m, 약 10 cm 내지 약 15 m, 약 10 cm 내지 약 10 m, 약 10 cm 내지 약 5 m, 약 10 cm 내지 약 1 m, 약 10 cm 내지 약 75 cm, 약 10 cm 내지 약 50 cm, 약 10 cm 내지 약 25 cm, 약 15 cm 내지 약 20 m, 약 15 cm 내지 약 15 m, 약 15 cm 내지 약 10 m, 약 15 cm 내지 약 5 m, 약 15 cm 내지 약 1 m, 약 15 cm 내지 약 75 cm, 약 15 cm 내지 약 50 cm, 또는 약 15 cm 내지 약 25 cm의 범위를 포함한다. 일부 구현예에서, 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트의 각각은 그 안의 증분을 포함하여, 길이가 약 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 또는 100 cm이다. 일부 구현예에서, 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트의 각각은 그 안의 증분을 포함하여, 길이가 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 또는 20 m이다.
모노리식 촉매는, 나란히 배치된 복수의 채널을 포함하는 모노리식 벌집 구조로서, 각각의 채널은 채널의 제1 말단에 위치한 입구, 채널의 제2 말단에 위치한 출구, 및 채널의 내부 및/또는 외부로의 횡단 유체 유동을 위한 채널을 통한 유체 유동의 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및 벌집 구조을 코팅하는 촉매의 층을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 개구부의 일부는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반한다. 일부 구현예에서, 각각의 개구부는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반한다. 일부 구현예에서, 개구부의 적어도 1%는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반한다. 이는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반하는 개구부의 적어도 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99%를 포함한다. 일부 구현예에서, 개구부의 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96, 97, 98, 99, 100%가 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반한다. 일부 구현예에서, 개구부의 0 내지 100%는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반한다.
임의의 특정 이론에 구애됨이 없이, 유체 유동 및/또는 채널 벽의 돌출부의 방향에서 채널을 따라 위치된 개구부는 각 채널을 통해 난류 유체 유동을 생성하고 모노리식 촉매 내의 인접한 채널들 사이의 유체 연통에 의해 질량 및 열 흐름의 균질 한 분포를 가능하게 한다고 여겨진다. 일부 구현예에서, 본원에 기재된 모노리식 촉매는 발열 또는 흡열 화학 반응과 함께 사용하기에 적합하다. 일부 구현예에서, 열의 불균일한 분포가 채널 내에서 최소화되거나 회피된다. 일부 구현예에서, 층 내의 온도 분포는 50℃ 미만이다. 일부 구현예에서, 전체 층을 통해 길이 방향으로 또는 층의 단부로부터 층의 중심까지 반경 방향으로 사용시, 본원에 기재된 촉매 베드에 대해 10℃ 미만이 관찰될 수 있다. 다른 구현예에서, 유동 특성 및 벌집층 구조는 얻어진 온도 분포가 10℃ 미만으로 제한되지 않는 바람직한 범위 내에 있는 한 다양할 수 있다.
모노리식 촉매는 각 채널의 내부를 코팅하는 촉매의 층을 함유할 수 있다. 촉매의 층은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 함유할 수 있다. 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 함유할 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 함유한다. 이는 약 1 중량% 내지 약 45 중량%의 금속, 약 1 중량% 내지 약 40 중량%의 금속, 약 1 중량% 내지 약 35 중량%의 금속, 약 1 중량% 내지 약 30 중량%의 금속, 약 5 중량% 내지 약 50 중량%의 금속, 약 5 중량% 내지 약 45 중량%의 금속, 약 5 중량% 내지 약 40 중량%의 금속, 약 5 중량% 내지 약 35 중량%의 금속, 약 5 중량% 내지 약 30 중량%의 금속, 약 10 중량% 내지 약 50 중량%의 금속, 약 10 중량% 내지 약 45 중량%의 금속, 약 10 중량% 내지 약 40 중량%의 금속, 약 10 중량% 내지 약 35 중량%의 금속, 또는 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속의 범위를 포함한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 약 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22, 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42, 43, 44, 45, 46, 47, 48, 49, 또는 50 중량%의 금속을 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합과 같은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 함유한다. 금속은 그 원소 형태, 염 형태 또는 금속 산화물 형태일 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합과 같은 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 은으로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 구리로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 코발트로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 니켈로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다. 일부 구현예에서, 촉매의 층은 금으로 함침된 알루미나계 지지체를 함유한다.
벌집 구조상의 촉매의 층의 두께는 벌집체의 부피 단위당 성분(예컨대, 촉매의 층, 또는 일부 구현예에서, 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체)의 중량 단위에 의해 측정될 수 있고, g/in3으로 표시될 수 있다. 벌집 구조상의 촉매의 층의 두께는 약 0.1 g/in3 내지 약 10 g/in3일 수 있다. 이는 약 0.1 g/in3 내지 약 8 g/in3, 약 0.1 g/in3 내지 5 g/in3, 약 0.1 g/in3 내지 약 3 g/in3, 약 0.1 g/in3 내지 약 1 g/in3, 약 0.1 g/in3 내지 약 0.8 g/in3, 약 0.1 g/in3 내지 약 0.5 g/in3, 약 0.5 g/in3 내지 약 10 g/in3, 약 0.5 g/in3 내지 약 8 g/in3, 약 0.5 g/in3 내지 약 5 g/in3, 약 0.5 g/in3 내지 약 3 g/in3, 약 0.5 g/in3 내지 약 1 g/in3, 약 1 g/in3 내지 약 10 g/in3, 약 1 g/in3 내지 약 5 g/in3, 또는 약 5 g/in3 내지 약 10 g/in3을 포함한다. 일부 구현예에서, 벌집 구조상의 촉매의 층의 두께는 그 안의 증분을 포함하여, 약 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 0.5, 0.6, 0.7, 0.8, 0.9, 1.0, 1.3, 1.5, 1.8, 2.0, 2.3, 2.5, 2.8, 3.0, 3.3, 3.5, 3.8, 4.0, 4.3, 4.5, 4.8, 5.0, 5.3, 5.5, 5.8, 6.0, 6.3, 6.5, 6.8, 7.0, 7.3, 7.5, 7.8, 8.0, 8.3, 8.5, 8.8, 9.0, 9.3, 9.5, 9.8, 또는 10 g/in3이다.
모노리식 벌집 구조는 금속 모노리스 또는 세라믹 코디어라이트 모노리스일 수 있다. 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 알루미늄 티타나이트, 실리콘 카바이드, 알루미늄 카바이드 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 강철 또는 알루미늄을 함유한다. 일부 구현예에서, 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트를 함유한다. 일부 구현예에서, 모노리식 벌집 구조는 알루미늄 또는 강철을 함유한다. 일부 구현예에서, 모노리식 벌집 구조는 알루미늄 티타나이트를 함유한다. 일부 구현예에서, 모노리식 벌집 구조는 실리콘 카바이드를 함유한다. 일부 구현예에서, 모노리식 벌집 구조는 알루미늄 카바이드를 함유한다. 상업적으로 입수 가능한 모노리식 벌집 구조의 예는 Emitec GmbH의 LS®-Design 및 PE™-Design 촉매 지지체를 포함하지만, 이에 한정되는 것은 아니다. 모노리식 벌집 구조는 강철, 탄소강, 스테인리스 강, 구리, 알루미늄, 주석, 니켈, 코발트, 마그네슘, 망간, 티타늄, 지르코늄 또는 텅스텐 또는 이들의 둘 이상의 임의의 조합을 함유할 수 있다.
촉매 베드는 하나 이상의 구역으로 구획될 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10개의 구역으로 구획된다. 구역은 벌집 구조 또는 종래 충전 베드의 구조를 포함할 수 있다. 2개 이상의 구역은 혼합 방식으로 배열되거나 순차적으로 배치될 수 있다. 하나의 비 한정적인 배열이 실시예 4에 나타나 있다.
모노리식 벌집 구조는 벌집 구조의 외주를 따라 벽을 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 벽은 벌집 구조가 반응기 시스템(예컨대, 반응기 튜브) 상에 부착 (예컨대, 용접)되도록 한다. 일부 구현예에서, 벽은 벌집 구조의 나머지 부분보다 길어서, 2개의 순차적으로 위치된 벌집 구조 사이에 촉매가 없는 간극을 제공할 수 있다.
종래 촉매 베드는 얇은 층 튜브(일부 구현예에서, 직경이 약 1 내지 3 인치이고 길이가 약 10 미터) 내에 포함될 수 있다. 이러한 층 튜브는 본원에 기재된 모노리식 촉매의 세그먼트 세트를 포함할 수 있으며, 이 세트는 층 튜브와 동일한 직경을 갖는다. 이러한 구성의 비 한정적 예가 실시예 4에 나타나 있다.
촉매 베드는 촉매 펠릿을 더 함유할 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매 펠릿은 모노리식 촉매의 금속 촉매와 동일한 금속을 함유할 수 있다. 일부 구현예에서, 촉매 펠릿은 모노리식 촉매의 금속 촉매와 상이한 금속을 함유할 수 있다. 촉매 펠릿은 당업자에게 공지되어 있으며, 상업적 판매자로부터 용이하게 구입하거나 공개된 프로토콜에 의해 제조될 수 있다. 촉매 펠릿의 비 한정적인 예가 본원에 참조로 그대로 포함된 미국 특허 제8,987,482호에 기재되어있다. 촉매 펠릿은 중공 압출물, 별, 구, 환 또는 원통과 같은 압출물의 기하 구조를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
일부 구현예에서, 촉매 펠릿 및 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트는 촉매 베드의 개별 구역에 위치한다. 일부 구현예에서, 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 함유하는 구역은 촉매 펠릿을 함유하는 구역 전에 유체 유동을 만나게 위치한다. 일부 구현예에서, 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 함유하는 구역은 촉매 펠릿을 함유하는 구역 후에 유체 유동을 만나게 위치한다. 일부 구현예에서, 촉매 펠릿 및 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트는 교번 패턴으로 개별 구역에 위치한다. 일부 구현예에서, 촉매 베드는 모노리식 촉매의 둘 이상의 세그먼트를 함유하고, 촉매 베드는 모노리식 촉매의 둘 이상의 세그먼트 각각 사이에 위치한 촉매가 없는 간극을 더 함유한다.
다른 양태에서, 본원에 기재된 모노리식 촉매의 제조 방법이 본원에 제공된다. 본 방법은 모노리식 벌집 구조를 지지된 촉매의 슬러리로 코팅하여 코팅된 벌집 구조를 형성하는 단계; 및 코팅된 벌집 구조를 가열된 강제 공기로 건조시켜 모노리식 촉매를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 코팅은 지지된 촉매의 슬러리에 모노리식 벌집 구조를 침지시킴으로써 수행된다. 일부 구현예에서, 코팅은 지지된 촉매의 워시-코트를 모노리식 벌집 구조에 도포하여 수행된다. 일부 구현예에서, 코팅 단계는 각 채널의 내부 상에 지지된 촉매의 층을 형성한다.
본 방법은 모노리식 벌집 구조를 알루미나계 지지체의 층으로 코팅하여 예비 코팅된 모노리식 벌집 구조를 형성하는 단계; 알루미나계 지지체의 층을 금속 촉매로 함침시켜 함침된 모노리식 벌집 구조를 형성하는 단계; 및 함침된 모노리식 벌집 구조를 가열된 강제 공기로 건조시켜 모노리식 촉매를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 일부 구현예에서, 코팅 단계 및 함침 단계는 각 채널의 내부에 금속 촉매가 함침된 알루미나계 지지체의 층을 형성한다.
다른 양태에서, 본원에 기재된 모노리식 촉매 및이를 함유하는 촉매 베드를 사용하는 방법이 본원에 제공된다. 본 방법은 에틸렌을 함유하는 공급 가스를 본원에 기재된 모노리식 촉매와 접촉시켜 에틸렌 옥사이드를 제조함으로써 에틸렌 옥사이드를 제조하는 단계를 포함할 수 있다. 본 방법은 에틸렌을 함유하는 공급 가스를 본원에 기재된 모노리식 촉매와 접촉시켜 에틸렌 옥사이드를 형성시킴으로써 에틸렌의 직접 에폭시화를 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
본 방법은 공급 가스의 부분 산화를 포함할 수 있다. 본 방법은 공급 가스의 탈수소화를 포함할 수 있다. 비 한정적인 예는 부탄 대 말레산 무수물 공정 및 프로피온알데히드 산화 대 프로피온산 공정을 포함 하나, 이에 한정되지 않는다.
본 방법은 에틸렌을 함유하는 공급 가스를 본원에 기재된 촉매 베드와 접촉시키는 단계 및 직접 에폭시화에 의해 에틸렌 옥사이드를 형성하는 단계를 포함하는 방법으로 에틸렌 옥사이드 생산의 공간-시간-수율(STY)을 개선시킬 수 있다.
본 방법은 프로모터의 사용을 포함할 수 있다. 촉진제의 예는 레늄, 텅스텐, 리튬, 세슘, 황 및 이들 중 둘 이상의 임의의 조합을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는다. 일부 구현예에서, 모 놀리식 촉매는 프로모터를 더 함유한다. 일부 구현예에서, 내화성 금속 산화물 지지체는 촉진제로 더 함침된다.
따라서, 일반적으로 기재된 본 발명은 하기의 실시예를 참조함으로써 보다 용이하게 이해될 것이며, 이는 예시로서 제공되며 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니다.
실시예
실시예 1. 충전 베드 기하 구조에서 모노리식 구조 대 펠릿의 압력 강하 측정.
압력 강하 측정 장치를 한쪽 말단에 부착된 직조된 강철 망의 단일층을 구비한 내경이 1.5 인치인 광학적으로 투명한 폴리카보네이트 튜브를 사용하여 구성하였다. 이 튜브를 특정한 베드 높이에서 모노리스 코어 또는 세라믹 펠릿으로 충진된 Superflow SF-1020 공기 흐름 벤치에 장착했다. 압력 강하 측정은 실온에서 분당 15 표준 입방 피트(SCFM)에서 170 SCFM 범위의 공기 유량을 사용하여 수행되었다. 통계적 유의성을 보장하기 위해 반복 실험을 수행하였다.
상업적 에틸렌 에폭시화 촉매의 전형인 코팅되지 않은 링 모양의 세라믹 펠릿을 3.0 cm 내지 17.7 cm 범위의 베드 높이에서 튜브 내로 로딩하고, 상기한 방법을 사용하여 압력 강하를 측정하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다(세라믹 펠릿은 비교되며 도 1에서 실선/다이아몬드로 표시된다).
1.5 인치 외경의 코팅되지 않은 코디어라이트 모노리스 섹션을 400 cpsi 및 600 cpsi (평방 인치당 셀 또는 평방 인치당 채널)의 채널 밀도 및 4 mil, 6 mil, 및 3 mil의 벽 두께를 갖는 사각의 직선 채널로 이루어진 더 큰 모노리스 브릭으로부터 뽑아 내었다. 코어를 스페이서 또는 채널 정렬없이 3.8 cm에서 29.0 cm에 이르는 다양한 높이로 튜브에 적층하였다. 압력 강하를 전술한 방법을 사용하여 측정하였고, 그 결과를 도 1에 나타내었다(모노리스는 도 1에서 점선/원이다).
도 1에 도시된 데이터는 동일한 유동 조건에서 펠릿(실선/다이아몬드)의 유사한 베드 높이에 비해 모노리스 기하 구조 (점선/원)가 제공하는 압력 강하가 크게 감소함을 보여준다. 모노리스 기하 구조에 비해 펠릿 베드 기하 구조(종래 생산 기하 구조의 대표적임)로 10 배 더 높은 압력 강하가 나타내어져 있다. 압력 감소는 에너지 비용을 감소시키고 더 많은 공급 가스를 통과시킴으로써 생산 속도를 향상시킴에 있어 바람직하다.
실시예 2. 충전 베드 기하 구조에서의 모노리식 촉매 대 촉매 펠릿의 조사.
미국 특허 제8,629,079호: 칼럼 26, 실시예 1.2에 따라 은 착체 용액을 제조하였다. 슬러리를 슬러리 용액에 침지시키고, 가열된 강제 공기로 건조시키고, 건조된 코어를 칭량하여 코팅 중량을 측정함으로써 코디어라이트 모노리스 코어 상에 코팅하였다. 코팅 슬러리를 물로 희석하여 필요한 경우 코팅 중량을 낮추었다. 그 후, 코어를 특허 WO 2012/140614A1에 기재된 바와 같이 은 착체를 활성화시키기 위해 280℃로 가열하였다. 코팅 중량은 2.0 g/in3 내지 8.0 g/in3였고, 은 함량은 30 중량%로 높았다.
시험을 직접 에틸렌 에폭시화 공급물 및 반응기 조건을 복제하고 가스 크로마토 그래피를 통해 다운 스트림 가스 조성물을 측정하여 선택도 및 전환율을 측정하는 고 처리량 실험 장치에서 수행하였다. 이 장치에는 온도 조절판 위에 48개의 개별 반응기 튜브가 배치되어 있다. 작동 중에 반응 조건을 각 공정 조건에 따라 순차적으로 각 튜브에 적용하였다.
각각의 반응기 튜브를 도 2에 도시된 바와 같이 로딩하였다. 석영 울을 먼저 로딩한 다음강옥 분말(125 내지 160 미크론 입자 크기)의 가드 베드로 덮어 모든 반응기 튜브에서 일정한 압력 강하를 확보했다. 분말 또는 모노리스 코어를 각각의 반응기 튜브 내의 이 가드 베드 상부에 로딩하였다. 이러한 강옥 가드 층은 여기에 제시된 시험에 사용된 반응기 튜브와 비교하여 생산 반응기 튜브에는 존재하지 않을 수 있다.
분말 대조 샘플을 미국 특허 제8,629,079호: 실시예 1의 칼럼 26에 기재된 바와 같이 제조하였다. 이후, 펠릿을 분쇄하고 건조 시브하여 (-) 45 메쉬 입자 크기로 하였다. 이후, 분말을 펠릿으로 압축하고 500 내지 1000 미크론의 입자 크기로 분쇄하였다. 가드 베드에서의 기준 압력 강하 측정은 플레이트 전반에 걸친 압력 강하 변동성이 20 % 미만임을 보여주었다.
모노리스 코어를 10 mm, 20 mm 및 40 mm의 길이로 제조하였다. 각 코어를 반응기 튜브에 꼭 맞도록 알루미늄 호일로 감싸고 가드 층 위에 올려 놓았다. 알루미늄 호일을 또한 측정에 영향을 주지 않았음을 확인하기 위해 별도로 테스트하였다.
시험은 모든 로딩된 샘플을 반응 공급 가스를 사용하여 70시간 동안 2000 Nm3/m3/hr GHSV (가스 시간당 공간 속도)에서 250℃, 1.0 bar-게이지로 컨디셔닝한 후 시작되어 정상 상태 성능이 달성되었음을 확인하였다. 반응 공급 가스는 35%의 에틸렌, 7%의 산소 및 다른 비활성 기체 (질소 또는 메탄과 같으나 이에 한정되지 않음)를 포함하였다. 컨디셔닝 및 초기 시험은 모노리스 샘플의 조기 중독 위험을 피하기 위해 기상 감속재가 없는 상태에서 수행되었다.
테스트를 200℃, 220℃ 및 240℃에서 수행하였다. GHSV는 유속을 변경하고 다른 층 높이의 복제 샘플을 사용하여 변화시켰다. 시험을 1000 내지 10000 Nm3/m3/hr (정상 조건 (1 bar 및 273.15 K)에서 이상 기체의 부피인 Nm3 = 정상 입방 미터)의 GHSV 값에서 수행하였다.
동일한 촉매 화학 및 시험 조건을 갖는 모노리스 및 분말 베드 기하 구조를 비교한 결과를 도 3a 내지 3D에 도시하였다. 기상 조절제가 없는 경우 모노리스 기하 구조 촉매는 낮은 최적 온도 및 은 함량으로 작동하면서 분말 베드에 비해 선택도, 회전율 빈도 및 전환율이 실질적으로 증가한다. 모노리스 샘플은 240℃에서 비 선택적이었고, 분말은 200℃에서 비활성이었다. 레이놀즈 수 계산은 연구된 전체 유속 범위에서 두 가지 샘플 기하 구조에 대한 층류를 나타낸다. 에틸렌 옥사이드 선택도 값은 기상 조절제 투약이 없기 때문에 생산 값보다 상당히 낮다.
실시예 3. 열교환기 없는 사용.
모노리스 구조는 비 단열적으로 작동하므로 전용 열교환기를 필요로 하지 않는다. 이것은 외부 열 제거 장치를 필요로 하는 US2011060149와 다르다. 비 단열적 조작을 (a) 난류 생성 채널 구조가 난류를 통한 대류 열 전달을 촉진시키는 난류 생성 금속 호일 모노리스의 사용 및 (b) 전도도 열전달 촉진을 위해 1000 cpsi에 근접한 높은 채널 밀도를 사용하여 수행한다.
산업 규모의 충진 베드 기하학적 구조의 직접 에틸렌 에폭시화 반응기는 강렬한 난류를 나타내는 대략 29,500의 레이놀즈 수로 작동한다. 이러한 설계에서 대부분의 발열 부하는 기상의 대류를 통해 제거된다. 모노리스 기반 설계의 경우, 다양한 난류 생성 채널 기하 구조가 상업적으로 이용 가능하며 이 응용 분야에서 사용될 수 있다. 이 실시예에서, 도 4에 도시된 바와 같이 3개의 이용가능한 기하 구조를 고려한다. SC 기하 구조는 베이스라인 직선형 채널 기하 구조를 나타내며 "난류 생성"으로 간주되지 않는다. LS 기하 구조는 가스 흐름을 방해하기 위해 채널 축을 따라 대략 6-8 mm마다 주기적으로 간격을 두고 길이가 약 5 mm인 간극과 동반하는 돌출 블레이드를 도입한다. LS/PE 기하 구조(LS와 PE 기하 구조의 조합)은 동일한 간극과 블레이드를 사용하지만 채널 사이의 가스 수송을 허용하는 구멍을 도입하여 모노리스 브릭 전체에 방사형 가스 수송을 허용한다.
LS 및 LS/PE 구조에서 블레이드는 하기 식에 따라 입구 길이로 설명된 거리를 따라 흐름 붕괴를 도입하여 완전히 발달된 흐름의 형성을 방해한다.
Figure pct00001
위 식에서, R e 는 레이놀즈 수이고; D h 는 유압 직경이다. 입구 길이 영역 내에서 유동은 난류로 간주된다. 표 1은 직선 채널 (SC) 기하 및 LS 구조 기하에 대해 완전히 발달된 층류 패턴이 형성되기 전에 필요한 입구 길이를 보여준다.
표 1에 나타난 바와 같이, SC 기하 구조에 대한 입구 길이는 충분히 짧아서 완전히 발달된 층류가 모노리스로 들어가는 수 센티미터 내에 발생한다. 그러나, LS 기하 구조는 입구가 흐름 방해 블레이드(6-8mm)의 주기적인 간격보다 실질적으로 더 길기 때문에 어느 위치에서든 완전히 발달된 흐름을 달성하지 못한다.
LS/PE 구조는 동일한 블레이드 간격 및 유압 직경에 기인하여 정량적으로 유사한 난류를 나타내지만, 도 4의 모노리스 채널 구조와 관련하여 전술한 바와 같이 가스의 반경 방향 수송으로 인해 더욱 향상된 대류 열 전달을 제공할 것이다.
[표 1]
Figure pct00002
계산 결과는 펠릿 베드와 동일한 난류 조건이 모노리스 구조에서도 달성될 수 있음을 나타낸다. 대부분의 발열 부하는 기상 대류를 통해 완화되기 때문에 반응기 조건에 적절하게 크기가 조정된 난류 생성 모노리스 설계에서 유사한 열 성능을 기대할 수 있다.
고체 모노리스 구조를 통한 열전도는 또한 세라믹 펠릿과 비교하여 금속 호일의 우수한 열 전달 특성으로 인해 산업용 펠릿 베드를 통한 방사형 열 전도보다 더 효율적이다. 이것은 난류 유동 조건 하에서 열 제거에 미미한 기여도를 나타내지만, 덜 바람직 한 층류 상태 하에서 열 제거에 중요한 기여자이며 여기서는 완료를 위해 고려된다.
펠릿 및 모노리스 반응기 기하 구조의 고체상 열 전도도는 푸리에의 열 전도 법칙의 1 차원 버전을 적용하여 비교된다:
Figure pct00003
상기 식에서, T 1 과 T 2 는 각각 고온과 저온이고, Δx는 열 수송이 측정되는 거리이고, k는 고체 매질의 열전도도이고, A는 열 유속 단면적이며, R은 고체 매체의 열 저항이다. 열 저항은 열전도와 반비례 관계에 있으며 열 흐름에 저항할 수 있는 재료의 능력을 나타낸다.
단순화를 위해, 이 분석은 펠릿의 접촉 표면 사이의 무시할 수 있는 열 저항(즉, 펠릿 사이의 완벽한 열 접촉)을 가정한다. 이 가정은 고체 펠릿 사이의 열 전도율에 대한 최대 이론적 한계를 나타내며, 실제로 펠릿 사이의 열전도도는 실질적으로 더 낮을 것으로 예상된다. 접촉하는 모노리스 채널 사이의 무시할 수있는 열 저항(즉, 채널 벽 사이의 완벽한 열 접촉)이 또한 가정된다. 모노리스는 호일 벽을 서로 용접하여 조립되어 강성 및 열전도도를 증가시키기 때문에 실제로는 이 가정이 합리적이다. 또한, 모노리스 브릭과 세라믹 펠릿 모두 반응기 벽에 완벽한 열 접촉을 한다고 가정한다.
고려된 제1 펠릿 기하 구조는 도 5에 도시되며, 가스 흐름의 방향에 평행하고 열전도 방향에 수직인 장축을 갖는 나란한 방향으로 배향된 원통형 세라믹 펠릿을 나타낸다. 핫 스폿은 반응기 벽에서 냉각하면서 반응기의 중심축을 따라 위치한다. 이 기하 구조를 A1이라고 지칭한다. 경계층은 표면 거칠기와 너비가 대략 200 μm이고 펠릿의 전체 길이에 걸쳐있는 0이 아닌 직사각형 접촉 영역을 정의하는 모양 불규칙성을 설명하기 위해 펠릿 주위에 존재한다고 가정한다.
고려된 제2 펠릿 기하 구조는도 6에 도시되며, 가스 흐름의 방향에 수직이고 열전도 방향에 평행한 장축을 갖는 종단 대 종단(end to end)으로 배향된 원통형 세라믹 펠릿을 나타낸다. 핫 스폿은 반응기 벽에서 냉각하면서 반응기의 중심 축을 따라 위치한다. 이 기하 구조를 A2라고 지칭한다. A2 기하 구조에서의 펠릿 사이의 접촉 영역은 세라믹 펠릿의 내경 및 외경에 의해 정의되는 고리이다.
고려된 제3 기하 구조는 도 7에 도시되며, 가스 흐름의 방향에 평행한 채널축과 함께 배향된 직선형 채널 모노리스 브릭으로 이루어진다. 가정된 채널 밀도는 1000 cpsi이고 가정된 채널 벽 두께는 50.8 μm(0.002 인치)이다. 이 기하 구조에서 채널 벽을 따라 반경 방향 열 전달이 발생한다.
펠릿 기하 구조와 직접 비교하기 위해, A 1 및 A 2 기하 구조의 접촉 단면적을 모노리스의 호일 벽에 반경 방향으로 중첩하여서 단면적에서 열전도에 참여하는 금속 호일의 체적을 결정하게 된다. 이러한 모노리스 등가 접촉 영역 기하 구조는 각각 A 1 mono 및 A 2 mono 라고 한다.
면적 A1과 동등한 단면적을 통해 열전도에 참여하는 모노리스 벽의 누적 단면적은 다음과 같이 제공된다:
Figure pct00004
식 중, c는 채널 밀도(1.55 채널/mm2)이고, d는 호일 벽 두께이며, L은 펠릿 높이이다. 면적 A2와 동등한 단면적을 통한 열전도에 참여하는 모노리스 벽의 누적 단면적은 다음과 같이 제공된다:
Figure pct00005
식 중, D2는 펠릿의 외경이다.
A 1 , A 1 mono , A 2 및 A 2 mono 영역을 사용하여, 다음과 같은 비교를 위해 열 저항을 계산할 수 있다:
Figure pct00006
α-알루미나 펠릿 및 알루미늄 모노리스 벽의 열 전도도(k i )는 각각 35 W/m2-K 및 205 W/m2-K로 가정된다. 10 mm의 임의의 열전달 거리(x)에 대해 계산된 열 저항이 표 2에 나타나 있다.
열 전달 저항은 접촉 면적이 작고 펠릿 베드 열전도 값을 부풀리는 계산 가정이 있음에도 불구하고 금속 모노리스는 산업용 세라믹 펠릿 베드에 비해 적어도 50% 양호한 열전도도를 가짐을 나타낸다.
[표 2]
Figure pct00007
실시예 4. 하이브리드 반응기 기하 구조
튜브형 금속 반응기를 실시예 2에 기재된 바와 같이 제조된 촉매적 활성 워쉬코트로 코팅된 금속 모노리스 세그먼트로 충전된 잔여 반응기 부피를 이용하여 종래 충전 베드 촉매 펠릿으로 부분적으로 충전시켰다. 이 반응기 구성(도 8)은 종래 충전 베드 기하 구조의 위험이 적은 모노리스 기하 구조의 일부 이점을 달성하였으며, 공간 속도 또는 질량 흐름에 대한 하류 제약 조건을 갖는 기존 설비에 더 나은 드롭-인(drop-in) 솔루션을 제공할 수 있다. 이 반응기 구성은 모노리스 기하 구조(예컨대, 최적 온도가 낮고, 압력 강하가 낮으며, 회전율 빈도가 높고, Ag 함량이 낮으며, 대체 촉매/지지체 화학 물질에 대한 잠재력 등) 및 충전된 펠릿 베드 기하 구조(예컨대, 연소 조절자 투여에 대한 내성, 더 넓은 작동 온도)의 몇몇 이점을 달성하였다.
실시예 2에 기재된 동일한 시험 절차를 사용하여, 동일한 촉매 화학을 이용하여 분말 베드 및 모노리스 베드 기하 구조와 함께 하이브리드 반응기 구성을 테스트하였다. 결과를 도 9에 나타내었다. 하이브리드 샘플 데이터는 분쇄된 생산 촉매 펠릿의 중간에 로딩되고 코팅된 모노리스로 중간에 로딩된 반응기 튜브에 상응하였다.
하이브리드 반응기 기하 구조는 순수한 모노리스와 순수한 분말 층 기하 구조 사이의 성능을 나타내었다.
하이브리드 반응기 기하 구조는 순수한 모노리스와 순수한 분말 베드 기하 구조 사이의 성능을 나타내었다.
단락 A. 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 포함하는 촉매 베드로서, 상기 모노리식 촉매는,
나란히 배치된 복수의 채널을 포함하는 모노리식 벌집 구조로서, 각각의 채널은 채널의 제1 말단에 위치한 입구, 채널의 제2 말단에 위치한 출구, 및 채널의 내부 및/또는 외부로의 횡단 유체 유동을 위한 채널을 통한 유체 유동의 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및
벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층을 포함하는, 촉매 베드.
단락 B. 단락 A에 있어서, 각 개구부는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반하는 촉매 베드.
단락 C. 단락 A 또는 단락 B에 있어서, 유체 유동은 각 채널을 통한 난류인 촉매 베드.
단락 D. 단락 A 내지 C 중 어느 하나에 있어서, 열의 축적은 채널 내에서 최소화되거나 회피되는 촉매 베드.
단락 E. 단락 A 내지 D 중 어느 하나에 있어서, 촉매 베드는 각 채널의 내부를 코팅하는 촉매 베드.
단락 F. 단락 A 내지 E 중 어느 하나에 있어서, 촉매 베드는 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는 촉매 베드.
단락 G. 단락 F에 있어서, 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 포함하는 촉매 베드.
단락 H. 단락 F 또는 단락 G에 있어서, 촉매 베드는 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 포함하는 촉매 베드.
단락 I. 단락 F 내지 단락 H중 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속을 포함하는 촉매 베드.
단락 J. 단락 F 내지 단락 I 중 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 포함하는 촉매 베드.
단락 K. 단락 A 내지 단락 J 중 어느 하나에 있어서, 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 강철 또는 알루미늄을 포함하는 촉매 베드.
단락 L. 단락 A 내지 단락 K 중 어느 하나에 있어서, 하나 이상의 세그먼트 각각은 길이가 약 7 센티미터 내지 약 20 미터인 촉매 베드.
단락 M. 단락 A 내지 단락 L중 어느 하나에 있어서, 하나 이상의 세그먼트 각각은 길이가 약 15 센티미터 내지 약 25 센티미터인 촉매 베드.
단락 N. 단락 A 내지 단락 M 중 어느 하나에 있어서, 촉매 베드는 하나 이상의 구역으로 구획되는 촉매 베드.
단락 O. 단락 A 내지 단락 N 중 어느 하나에 있어서, 촉매 베드는 촉매 펠릿을 더 포함하는 촉매 베드.
단락 P. 단락 O에 있어서, 촉매 펠릿 및 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트는 개별 구역에 위치하는 촉매 베드.
단락 Q. 단락 P에 있어서, 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 포함하는 구역은 촉매 펠릿을 포함하는 구역 전에 유체 유동을 만나게 위치하는 촉매 베드.
단락 R. 단락 P에 있어서, 촉매 펠릿 및 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트는 교번 패턴으로 개별 구역에 위치하는 촉매 베드.
단락 S. 단락 A 내지 단락 R 중 어느 하나에 있어서, 촉매 베드는 모노리식 촉매의 둘 이상의 세그먼트을 함유하고, 촉매 베드는 모노리식 촉매의 둘 이상의 세그먼트의 각각 사이에 위치한 촉매가 없는 간극을 더 포함하는 촉매 베드.
단락 T. 단락 A 내지 단락 S 중 어느 하나의 에틸렌 옥사이드의 제조용 촉매 베드.
단락 U. 모노리식 촉매로서:
나란히 배치된 복수의 채널을 포함하는 모노리식 벌집 구조로서, 각각의 채널은 상기 채널의 제1 말단에 위치한 입구, 상기 채널의 제2 말단에 위치한 출구, 및 상기 채널의 내부 및/또는 외부로의 횡단 유체 유동을 위한 상기 채널을 통한 유체 유동의 방향으로 상기 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및
상기 벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층을 포함하는 모노리식 촉매.
단락 V. 단락 U에 있어서, 각각의 개구부는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반하는 모노리식 촉매.
단락 W. 단락 U 또는 단락 V에 있어서, 유체 유동은 각 채널을 통한 난류인 모노리식 촉매.
단락 X. 단락 U 내지 단락 W의 어느 하나에 있어서, 열의 축적은 채널 내에서 최소화되거나 회피되는 모노리식 촉매.
단락 Y. 단락 U 내지 단락 X의 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 각 채널의 내부를 코팅하는 모노리식 촉매.
단락 Z. 단락 U 내지 단락 Y의 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는 모노리식 촉매.
단락 AA. 단락 Z에 있어서, 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 포함하는 모노리식 촉매.
단락 AB. 단락 Z 또는 단락 AA에 있어서, 촉매의 층은 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 포함하는 모노리식 촉매.
단락 AC. 단락 Z 내지 단락 AB 중 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속을 포함하는 모노리식 촉매.
단락 AD. 단락 Z 내지 단락 AC 중 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 포함하는 모노리식 촉매.
단락 AE. 단락 Z 내지 단락 AD중 어느 하나에 있어서, 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 강철 또는 알루미늄을 포함하는 모노리식 촉매.
단락 AF. 에틸렌 옥사이드의 제조 방법으로서:
에틸렌을 함유하는 공급 가스를 모노리식 촉매와 접촉시켜 에틸렌 옥사이드를 형성하는 단계를 포함하고,
상기 모노리식 촉매는,
복수의 채널을 포함하고, 각각의 채널은 채널을 통해 유체 유동의 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및
상기 모노리식 벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층을 포함하는, 방법
단락 AG. 단락 AF에 있어서, 각각의 개구부는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반하는 방법.
단락 AH. 단락 AF 또는 단락 AG에 있어서, 유체 유동은 각 채널을 통한 난류인 방법.
단락 AI. 단락 AF 내지 단락 AH 중 어느 하나에 있어서, 열의 축적은 채널 내에서 최소화되거나 회피되는 방법.
단락 AJ. 단락 AF 내지 단락 AI 중 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 각 채널의 내부를 코팅하는 방법.
단락 AK. 단락 AF 내지 단락 AJ 중 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는 방법.
단락 AL. 단락 AK에 있어서, 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 포함하는 방법.
단락 AM. 단락 AK 또는 단락 AL에 있어서, 촉매의 층은 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 포함하는 방법.
단락 AN. 단락 AK 내지 단락 AM 중 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속을 포함하는 방법.
단락 AO. 단락 AK 내지 단락 AN 중 어느 하나에 있어서, 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 포함하는 방법.
단락 AP. 단락 AF 내지 단락 AO 중 어느 하나에 있어서, 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 강철 또는 알루미늄을 포함하는 방법.
단락 AQ. 모노리식 촉매의 제조 방법으로서:
모노리식 벌집 구조를 지지된 촉매의 슬러리로 코팅하여 코팅된 벌집 구조를 형성하는 단계; 및
상기 코팅된 벌집 구조를 가열된 강제 공기로 건조시켜 모노리식 촉매를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 모노리식 벌집 구조는 복수의 채널을 포함하고, 각각의 채널은 채널을 통한 유체 유동 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하며, 그리고
상기 지지된 촉매는 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는, 방법.
단락 AR. 단락 AQ에 있어서, 코팅은 지지된 촉매의 슬러리에 상기 모노리식 벌집 구조를 침지시킴으로써 수행되는 방법.
단락 AS. 단락 AQ에 있어서, 코팅은 지지된 촉매의 워시-코트를 모노리식 벌집 구조에 도포하여 수행되는 방법.
단락 AT. 단락 AQ 내지 단락 AS 중 어느 하나에 있어서, 코팅 단계는 각 채널의 내부 상에 지지된 촉매의 층을 형성하는 방법.
단락 AU. 모노리식 촉매의 제조 방법으로서:
모노리식 벌집 구조를 알루미나계 지지체의 층으로 코팅하여 예비 코팅된 모노리식 벌집 구조를 형성하는 단계;
상기 알루미나계 지지체의 층을 금속 촉매로 함침시켜 함침된 모노리식 벌집 구조를 형성하는 단계; 및
상기 함침된 모노리식 벌집 구조를 가열된 강제 공기로 건조시켜 상기 모노리식 촉매를 제조하는 단계를 포함하고,
상기 모노리식 벌집 구조는 복수의 채널을 포함하고, 각각의 채널은 상기 채널을 통한 유체 유동 방향으로 상기 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 방법.
단락 AV. 단락 AU에 있어서, 코팅 단계 및 함침 단계는 각 채널의 내부에 금속 촉매가 함침된 알루미나계 지지체의 층을 형성하는 방법.
특정 실시예가 도시되고 설명되었지만, 다음 청구 범위에서 정의된 바와 같은 보다 넓은 양태에서 기술로부터 벗어나지 않고 당업자에 따라 변경 및 수정이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다.
본원에 예시적으로 설명된 실시예들은 본원에 구체적으로 개시되지 않은 임의의 요소 또는 요소들, 제한 또는 제한들이 없는 경우에 적합하게 실시될 수 있다. 따라서, 예를 들어, "포함하는", "포함하는", "함유하는" 등의 용어는 광대하게 제한없이 해석될 것이다. 추가적으로, 본원에 사용된 용어 및 표현은 설명의 용어로서 사용되었지만 제한이 아니며, 도시되고 설명된 특징 또는 그 일부의 등가물을 배제하는 용어 및 표현의 사용에 대한 의도는 없지만, 청구된 기술의 범위 내에서 다양한 변형이 가능하다는 것을 인식해야 한다. 추가적으로, "필수적으로 이루어진"이라는 문구는 구체적으로 인용된 요소들 및 청구된 기술의 기본적이고 신규한 특성에 실질적으로 영향을 미치지 않는 추가 요소들을 포함하는 것으로 이해될 것이다. "구성됨"이라는 문구는 특정되지 않은 임의의 요소를 제외한다.
본 발명은 본 출원에 기재된 특정 실시예의 관점에서 제한되지 않는다. 당업자에게 명백한 바와 같이, 많은 변형 및 변경이 그 사상 및 범위를 벗어나지 않고 이루어질 수 있다. 본원에 열거된 것 이외에, 본 발명의 범위 내에 있는 기능적으로 동등한 방법 및 조성물은 전술한 설명으로부터 당업자에게 명백할 것이다. 이러한 변형 및 변화는 첨부된 청구 범위의 범위 내에 속한다. 본 발명은 청구 범위가 부여되는 균등물의 전체 범위와 함께 첨부된 청구 범위의 용어에 의해서만 제한된다. 본 발명은 특정 방법, 시약, 화합물 조성물 또는 생물학적 시스템에 제한되지 않으며, 당연히 변할 수 있음을 이해해야 한다. 본원에서 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 설명하기 위한 것이며 본 발명을 한정하는 것으로 의도되지 않는다는 것을 이해해야 한다.
또한, 본 발명의 특징 또는 양태가 마쿠시 그룹으로 설명되는 경우, 본 기술 분야의 당업자는 본 발명이 마쿠시 그룹의 부재의 임의의 개별 부재 또는 서브 그룹의 측면에서 기재됨을 인식할 것이다.
당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 임의의 목적 및 모든 목적, 특히 서술된 설명을 제공함에 있어서, 본원에 개시된 모든 범위는 또한 임의의 가능한 모든 서브범위 및 그 서브범위의 조합을 포함한다. 임의의 나열된 범위는 동일한 범위가 적어도 동일한 2분의 1, 3분의 1, 4분의 1, 5분의 1, 10분의 1 등으로 세분화되는 것을 충분히 설명하고 가능하게 하는 것으로 쉽게 인식될 수 있다. 비 한정적인 예로서, 본원에 논의된 각 범위는 하위 3분의 1, 중간 3분의 1 및 상위 3분의 1 등으로 용이하게 세분화될 수 있다. 또한, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, "최대", "적어도", "초과", "미만" 등과 같은 모든 용어는 인용된 번호를 포함하고 상기 논의된 바와 같이 서브범위로 이후 세분화될 수 있는 범위를 지칭한다. 마지막으로, 당업자가 이해할 수 있는 바와 같이, 범위는 각 개별 부재를 포함한다.
본 명세서에서 언급된 모든 간행물, 특허 출원, 발행된 특허 및 기타 문헌은 각각의 개별 간행물, 특허 출원, 발행된 특허 또는 기타 문헌이 그 전체가 참조로 포함되도록 구체적 및 개별적으로 지시된 것처럼 본원에 참조로 포함된다. 참조로 포함된 텍스트에 포함된 정의는 본 발명에서 정의와 모순되는 정도까지 배제된다.
다른 실시예는 하기 청구 범위에 설명된다.

Claims (48)

  1. 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 포함하는 촉매 베드(catalyst bed) 로서,
    상기 모노리식 촉매는,
    나란히 배치된 복수의 채널을 포함하는 모노리식 벌집 구조로서, 각각의 채널은 채널의 제1 말단에 위치한 입구, 채널의 제2 말단에 위치한 출구, 및 채널의 내부 및/또는 외부로의 횡단 유체 유동을 위한 채널을 통한 유체 유동의 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및
    벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층(layer)
    을 포함하는, 촉매 베드.
  2. 제1항에 있어서,
    각각의 개구부는 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반하는 촉매 베드.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    유체 유동은 각 채널을 통한 난류인 촉매 베드.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    열의 축적은 채널 내에서 최소화되거나 회피되는 촉매 베드.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 각 채널의 내부를 코팅하는 촉매 베드.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는 촉매 베드.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 포함하는 촉매 베드.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 포함하는 촉매 베드.
  9. 제6항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속을 포함하는 촉매 베드.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 포함하는 촉매 베드.
  11. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 강철 또는 알루미늄을 포함하는 촉매 베드.
  12. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 세그먼트 각각은 길이가 약 7 센티미터 내지 약 20 미터인 촉매 베드.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 하나 이상의 세그먼트 각각은 길이가 약 15 센티미터 내지 약 25 센티미터인 촉매 베드.
  14. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 촉매 베드는 하나 이상의 구역으로 구획되는 촉매 베드.
  15. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 촉매 베드는 촉매 펠릿을 더 포함하는 촉매 베드.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 촉매 펠릿 및 상기 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트는 개별 구역에 위치하는 촉매 베드.
  17. 제16항에 있어서,
    모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트를 포함하는 구역은 촉매 펠릿을 포함하는 구역 전에 유체 유동을 만나게 위치하는 촉매 베드.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 촉매 펠릿 및 상기 모노리식 촉매의 하나 이상의 세그먼트는 교번 패턴으로 개별 구역에 위치하는 촉매 베드.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 촉매 베드는 모노리식 촉매의 둘 이상의 세그먼트를 포함하고, 상기 촉매 베드는 상기 모노리식 촉매의 둘 이상의 세그먼트의 각각 사이에 위치한 촉매가 없는 간극을 더 포함하는 촉매 베드.
  20. 에틸렌 옥사이드의 제조를 위한, 제1항 또는 제2항에 따른 촉매 베드.
  21. 나란히 배치된 복수의 채널을 포함하는 모노리식 벌집 구조로서, 각각의 채널은 상기 채널의 제1 말단에 위치한 입구, 상기 채널의 제2 말단에 위치한 출구, 및 상기 채널의 내부 및/또는 외부로의 횡단 유체 유동을 위한 상기 채널을 통한 유체 유동의 방향으로 상기 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및
    상기 벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층
    을 포함하는 모노리식 촉매.
  22. 제21항에 있어서,
    각각의 개구부는 상기 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반하는 모노리식 촉매.
  23. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    유체 유동은 각 채널을 통한 난류인 모노리식 촉매.
  24. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    열의 축적은 상기 채널 내에서 최소화되거나 회피되는 모노리식 촉매.
  25. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 각 채널의 내부를 코팅하는 모노리식 촉매.
  26. 제21항 또는 제22항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는 모노리식 촉매.
  27. 제26항에 있어서,
    상기 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 포함하는 모노리식 촉매.
  28. 제26항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 포함하는 모노리식 촉매.
  29. 제26항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속을 포함하는 모노리식 촉매.
  30. 제26항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 포함하는 모노리식 촉매.
  31. 제26항에 있어서,
    상기 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 강철 또는 알루미늄을 포함하는 모노리식 촉매.
  32. 에틸렌 옥사이드의 제조 방법으로서,
    에틸렌을 함유하는 공급 가스를 모노리식 촉매와 접촉시켜 에틸렌 옥사이드를 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 모노리식 촉매는,
    복수의 채널을 포함하는 모노리식 벌집 구조로서, 각각의 채널은 채널을 통해 유체 유동의 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 모노리식 벌집 구조; 및
    상기 모노리식 벌집 구조를 코팅하는 촉매의 층
    을 포함하는, 에틸렌 옥사이드의 제조 방법.
  33. 제32항에서,
    각각의 개구부는 상기 채널의 내부를 향한 채널 벽의 돌출부를 수반하는 방법.
  34. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    유체 유동은 각 채널을 통한 난류인 방법.
  35. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    열의 축적은 채널 내에서 최소화되거나 회피되는 방법.
  36. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 각 채널의 내부를 코팅하는 방법.
  37. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는 방법.
  38. 제37항에 있어서,
    상기 내화성 금속 산화물 지지체는 알루미나, 실리카, 지르코니아, 티타니아, 또는 이들의 임의의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 화합물을 포함하는 방법.
  39. 제37항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 약 1 중량% 내지 약 50 중량%의 금속을 포함하는 방법.
  40. 제37항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 약 10 중량% 내지 약 30 중량%의 금속을 포함하는 방법.
  41. 제37항에 있어서,
    상기 촉매의 층은 은, 구리, 코발트, 니켈 또는 금, 또는 이들의 둘 이상의 조합으로부터 선택된 금속으로 함침된 알루미나계 지지체를 포함하는 방법.
  42. 제32항 또는 제33항에 있어서,
    상기 모노리식 벌집 구조는 코디어라이트, 강철 또는 알루미늄을 포함하는 방법.
  43. 모노리식 촉매의 제조 방법으로서,
    모노리식 벌집 구조를 지지된 촉매의 슬러리로 코팅하여 코팅된 벌집 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 코팅된 벌집 구조를 가열된 강제 공기로 건조시켜 모노리식 촉매를 제조하는 단계를 포함하고,
    상기 모노리식 벌집 구조는 복수의 채널을 포함하고, 각각의 채널은 채널을 통한 유체 유동 방향으로 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하며,
    상기 지지된 촉매는 금속으로 함침된 내화성 금속 산화물 지지체를 포함하는, 방법.
  44. 제43항에 있어서,
    상기 코팅은 상기 지지된 촉매의 슬러리에 상기 모노리식 벌집 구조를 침지시킴으로써 수행되는 방법.
  45. 제43항에 있어서,
    상기 코팅은 지지된 촉매의 워시-코트를 상기 모노리식 벌집 구조에 도포하여 수행되는 방법.
  46. 제43항에 있어서,
    상기 코팅 단계는 각 채널의 내부 상에 지지된 촉매의 층을 형성하는 방법.
  47. 모노리식 촉매의 제조 방법으로서,
    모노리식 벌집 구조를 알루미나계 지지체의 층으로 코팅하여 예비 코팅된 모노리식 벌집 구조를 형성하는 단계;
    상기 알루미나계 지지체의 층을 금속 촉매로 함침시켜 함침된 모노리식 벌집 구조를 형성하는 단계; 및
    상기 함침된 모노리식 벌집 구조를 가열된 강제 공기로 건조시켜 상기 모노리식 촉매를 제조하는 단계
    를 포함하고,
    상기 모노리식 벌집 구조는 복수의 채널을 포함하고, 각각의 채널은 상기 채널을 통한 유체 유동 방향으로 상기 채널을 따라 위치된 개구부를 포함하는, 방법.
  48. 제47항에 있어서,
    상기 코팅 단계 및 함침 단계는 각 채널의 내부에 금속 촉매로 함침된 알루미나계 지지층을 형성하는 방법.
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