KR20210035898A - 버블 쉘-앤드-튜브 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체-액체 공정을 위한 장비에 관한 것이다. 버블 쉘-앤드-튜브 장치(bubble shell-and-tube apparatus)는, 시약 공급 장치들과 반응 생성물 인출 장치들을 가진 하우징으로서 형성된 적어도 하나의 수직 쉘-앤드-튜브 유닛, 열전달 매체 공급 및 인출 장치들, 및 상부 튜브 시트(tube sheet)와 하부 튜브 시트 내에 고정된 제1 튜브 그룹 및 제2 튜브 그룹을 포함한다. 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 상기 하부 튜브 시트를 넘어서 연장되고, 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들은 그 단부들이 상기 하부 튜브 시트와 실질적으로 같은 높이가 되도록 배치되며, 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 상기 튜브 시트 전체에 실질적으로 균일하게 분포된다. 본 발명에 따른 버블 쉘-앤드-튜브 장치 내에서 화학 반응을 수행하기 위한 방법을 시행할 때, 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 순환 튜브들로서 작용하며, 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들은 버블 튜브들로서 작용한다(도 6).

Description

버블 쉘-앤드-튜브 장치

본 발명은 기체-액체 공정을 위한 생산 장비에 관한 것이며 화학, 석유화학 및 다른 산업들에서 사용될 수 있다.

대부분의 기체-액체 공정들(gas-liquid processes)에 있어서, 출발 시약들(starting reagents) 중 하나 이상은 기체 상태로 있으며, 반응이 일어나기 위해, 시약들은 액체 상태 또는 두 개의 상태들의 경계로 변환되어야 하고, 이는 높은 물질 이동 속도(mass transfer rates)를 요구한다. 더욱이, 액체 및 기체 상태들에서 수행되는 공정들은 종종 높은 열의 방출 또는 흡수를 수반하며, 이는 혼합물과 열전달 매체 사이의 효율적인 열교환을 요구한다.

또한, 반응 혼합물 온도 또는 시약들의 농도에 있어서 국부적인 증가 또는 감소는 공정의 선택비와 변환, 및 반응 속도를 감소시킬 수 있기 때문에, 장치 전체에 걸쳐 열 및 물질 전달을 수행하기 위한 조건들의 균일성은 매우 중요하다. 반응 조건들의 균일성은 부피가 균일하게 분배된 튜브들을 가진, 즉 장치 전체에 걸쳐 액상 흐름 속도를 균등하게 하고 정체 구역들을 제거하도록 분배된 튜브들을 가진 장비를 사용하여 얻어질 수 있다.

발열성 기체-액체 공정들(반응들)을 수행하기 위한 종래의 쉘-앤드-튜브 장치(shell-and-tube apparatus)는 US 5,864,698호(1998년 12월 8일 공개)에 개시되어 있다. 장치는 그 내부에 배치된 중공형 드래프트 튜브(hollow draft tube)를 포함한다. 튜브는 튜브를 통해 아래쪽의 하부 혼합 챔버 내부로 액체의 재순환을 초래하기 위해 임펠러 수단을 수용한다. 액체 흐름은 공급 라인을 통해 장치 내부로 도입되고, 기체는 라인을 경유하여 액체 레벨 위로 도입된다. 장치는, 임펠러 수단에 생성된 강제 순환의 사용 때문에, 향상된 열 전달, 높은 생산성 및 선택비를 나타낸다.

그러나, 회전하는 동안 임펠러는 접선 방향의 힘들 하에서 회전 축으로부터 오정렬 될 수 있기 때문에, (오직 위쪽 위치에서) 단일의 고정 지점에 의한 빠른-회전 구조물의 고정은 기술적으로 문제가 있다. 따라서, 고압에서 임펠러 샤프트의 작동을 위해 특수한 밀봉재가 요구될 것이다. 더욱이, 중심 튜브를 통해 하행하는 기체-액체 흐름을 생성하기 위해 액체의 높은 속도가 요구되며, 이는 임펠러의 회전에 있어서 추가적인 에너지 손실을 초래할 것이다. 장치의 길이는 임펠러의 상당한 회전 속도에도 불구하고 심하게 제한될 것이다.

RU2040940호(1995년 8월 9일 공개)는 높은 열적 효과를 가진 기체-액체 화학물질 및 열 및 물질 전달 공정을 수행하기 위한 장치를 개시하고 있으며, 이는 작업 영역을 통과하는 다중-패스(multi-pass)의 제공을 통해 장치 내의 액체 시약의 체류 시간 분산(residence time dispersion)(즉, 정격값으로부터 실제 흐름의 체류 시간의 편차)을 감소시킬 수 있다. 장치는 버블 튜브들(이를 통해 기체-액체 혼합물이 바닥으로부터 위쪽으로 흐름)과 순환 튜브들(이를 통해 액체가 장치의 하부로 복귀함(순환함))의 묶음을 포함하며, 튜브들은 튜브 시트들 내에 고정되고 실린더형 수직 하우징; 수직 플레이트들을 가진 상부 챔버와 기체 분배 장치를 가진 하부 챔버 내에 수용된다. 상기 하우징은 열전달 매체 공급 및 인출 노즐들을 포함하며, 하부 챔버는 기체 공급 노즐과 배수 노즐을 가진다. 상기 장치는 수직 파티션과 버블 튜브들의 축을 따라 구멍들을 가진 수평 파티션 형태의 기체 분배 장치를 제공하는 특징을 가진다. 더욱이, 상기 파티션들은 공급 노즐로부터 인출 노즐까지의 액체 흐름을 위한 다중-패스 채널을 생성하기 위해 상부 챔버 내의 플레이트들에 대하여 오프셋된다. 상기한 요소들은 액체의 개개의 부분들의 체류 시간 분산을 감소시킨다. 상부 챔버 내의 플레이트들과 하부 챔버 내의 파티션들의 수와 배치를 변경함으로써, 튜브 공간을 통과하는 원하는 수의 패스들을 가진 장치를 생성하는 것이 가능하며, 패스들의 수는 2부터 6-10까지 변할 수 있다. 그러나, 이러한 장치는 많은 양의 액체가 하부 기체 챔버로 들어가는 것을 방지하기 위해 높은 기체 유량을 요구한다. 그렇지만, 높은 기체 유량으로 작동을 하더라도, 액체가 하부 챔버 내부로 들어가는 것을 완전히 방지할 수 없으며, 이는 시약들의 손실로 이어진다. 결과적으로, RU2040940호에 개시된 장치는 기체에 의해 점유된 비활성 구역들을 포함한다. 더욱이, 구멍들의 가능한 막힘으로 인해, 고체 침전물, 수지 및 폴리머를 포함하는 고분자 및/또는 고점도 화합물의 침전을 동반할 수 있는 공정에서, 그리고 반응 혼합물 성분들 중 하나의 결정화를 동반하는 공정에서 이러한 장치를 사용하는 것은 바람직하지 않다.

아래에서 설명되는 종래의 장치들에서, 장치 단면 전체에 걸쳐 균일한 기체 분포(즉, 기체 농도는 상기 장치의 수평 단면에서 튜브의 임의의 지점에서 동일하다)는, 하부 튜브 시트 아래에 배치된 튜브들의 벽들이 튜브 시트 아래에 형성된 기체 블랭킷으로부터 튜브들로 들어가는 기체의 전이를 위한 구멍들을 가진다는 사실 때문에 얻어진다. 그러나, 튜브 벽들 내에 구멍들을 가진 장치의 사용은, 구멍들의 막힘과 상기 장치의 유체역학적 파라미터들의 외란으로 인해 결정화되고 침전된 반응 생성물 또는 촉매의 형성을 동반하는 공정에서는 문제점이 있다. 하부 튜브 시트 아래의 기체 공간 내에 폭발성 기체 혼합물과 액체 증기들의 형성 가능성도 상기 장치들의 적용 가능성을 제한한다.

SU1212550호(1986년 2월 23일 공개)에 개시된 기체 부양 장치(gas lift apparatus)는 순환 및 버블 튜브들의 수직 묶음을 고정시키기 위해 상부 및 하부 튜브 시트들을 수용하는 수직 실린더형 하우징을 포함한다. 버블 튜브들의 상단부들은 순환 튜브들의 단부들보다 더 높게 배치된다. 상기 장치의 반응 구역과 상 접촉 표면을 증가시키고 안정된 순환을 생성함으로써 생산성을 향상시키기 위해, 상기 장치는 상부 튜브 시트 위에 장착된 보조 튜브 시트를 더 포함함으로써, 이들 사이에 기체 챔버가 형성되도록 한다. 버블 튜브들의 단부들은 기상 내에 배치되고, 순환 튜브들의 단부들은 액상 내에 배치되며, 구멍들은 기체 챔버 내에 배치된 순환 튜브 섹션들 내에 제공된다. 상기 장치는 드랍 제거기(drop eliminator)와 상들과 열전달 매체를 위한 공급 및 인출 노즐들을 가진 분리 챔버를 포함한다. 개시된 장치의 구조는 순환 튜브들로부터 상부 기체 챔버 내부로 액체의 유입을 배제하지 않으며, 이는 그 작동을 악화시킨다. 추가적으로, 상부 기체 챔버로부터 온 기체의 순화 튜브들 내에서의 흐름은 상기 장치의 하부로 이동할 때 액상의 영향하에서 방해 받을 수 있다.

SU129643호(1960년 1월 1일 공개)에 개시된 장치는 중심 순환 튜브를 가진 수직 하우징으로서 디자인된다. 상기 장치의 각각의 튜브는 구멍들을 가진 하부 튜브 시트를 통해 연장되는 신장된 단부를 가진다. 상기 수환 튜브의 하부 섹션은 튜브 컷 아래에 있다. 기체가 브랜치 튜브를 통해 장치로 공급될 때, 튜브 시트 아래의 캐비티를 채운 액체는 아래쪽으로 가압되고, 튜브 시트 아래에 기체 블랭킷이 형성된다; 기체는 모든 튜브들의 구멍들을 통해 버블링되고 이에 의해 장치 단면 전체에 걸쳐 균일하게 분포된다. 튜브들을 통해 상승하는 동안, 기체 버블들은 액체를 동반하며 강한 순환을 생성하고, 이는 열전달을 향상시킨다. 그러나, 상기 문헌은 상기 장치가 안정된 열교환(즉, 상기 장치 내에서 시간에 따라 변하지 않는 온도 구배)을 제공한다는 점에 대해 개시하지 않는다. 이 장치의, 중심 순환 튜브에 직접 인접한, 버블 튜브들 내의 기체-액체 흐름은 다른 튜브들 내에서보다 더 높은 속도를 가지기 때문에, 상이한 열 및 물질 전달 조건들이 상기 장치의 상이한 부분들에서 관찰될 것이며, 그 결과로서 감소된 반응 선택비가 관찰될 것이다. 순환 튜브들과 버블 튜브들 둘 다 튜브 시트를 넘어서 연장되고, 이에 의해 기상의 축적을 초래하기 때문에, 상기 장치 내에서 발생하는 공정들은 순환 튜브들의 증가된 수에도 불구하고 안정되지 않을 것이다.

SU199087호(1967년 1월 1일 공개)에 개시된 또 다른 종래의 쉘-앤드-튜브 기체 부양 장치는: 자켓들을 가진 상부 챔버와 하부 챔버, 튜브 시트들과 이들을 통과하는 순환 튜브들, 버블 튜브들, 및 액상 공급 노즐과 기상 공급 노즐을 포함하며, 상부 챔버 내의 버블 튜브들의 단부들은 상이한 레벨들에 배치된다. 기체를 채우는 중에, 기체 층이 튜브 시트 아래에 형성되며, 이로부터 기체는 구멍들을 통해 버블 튜브들에 들어간다. 순환 튜브들 내의 액상과 버블 튜브들 내의 기체-액체 혼합물의 밀도 차이 때문에, 강한 상 순환이 발생한다: 기체-액체 혼합물은 버블 튜브들을 통해 위쪽으로 이동하고, 액상은 순환 튜브들을 통해 아래쪽으로 이동한다. 튜브 단부들이 상이한 레벨들에 배치되어 있기 때문에 상부 챔버 내에서 액상은 성분들의 비중에 따라 계층화된다. 그러나, SU199087호는 흐름 순환 안정성에 대해 침묵한다. 액체 순환에 대해 상기 장치의 상부 튜브 시트 위로 튜브 연장의 양의 효과는 이 특허의 설명에서 특정 예들에 의해 지지되지 않는다. 더욱이, 폭발성 기체 혼합물이 이 공간 내에 형성될 수 있다.

따라서, 현재 본 기술 분야에서는, 높은 열적 효과, 결정성 침전물, 고분자 및/또는 고점성 화합물의 형성을 동반하거나, 또는 폭발성 기체의 형성을 동반하는 기체-액체 공정들을 수행할 수 있도록 하며, 높은 효율을 가진, 특히, 공정이 화학 반응인 경우에, 원하는 제품의 높은 선택비(high selectivity)와 높은 수율을 가진 어떠한 장치도 알려지지 않았다.

본 발명의 목적은, 장치 전체에 걸쳐 안정되고 균일한 열 및 물질 전달, 및 꾸준한 성능을 나타내는, 기체-액체 공정을 수행하기 위한 버블 쉘-앤드-튜브 기체-부양 장치(bubble shell-and-tube gas-lift apparatus)를 제공하는 것이다.

본 발명의 기술적 효과는, 반응 구역 내의 액체의 체류 시간 분산을 감소시키고, 유체 역학 효율을 향상시키며, (화학 반응을 포함하는) 장치 내에서 수행된 공정의 선택비를 증가시키는 버블 쉘-앤드-튜브 기체-부양 장치의 제공이다.

본 발명의 추가적인 기술적 효과는, 현저한 열적 효과를 가진 공정뿐만 아니라 고체 침전물, 수지와 폴리머를 포함하는 고분자 및/또는 고점성 화합물의 형성을 동반하는 공정, 및 반응 혼합물 성분들 중 하나의 결정화를 동반하는 공정들을 가능하게 하는 버블 쉘-앤드-튜브 기체-부양 장치의 제공이다.

본 발명의 추가적인 기술적 효과는, 액상과 반응하지 않는, 장치 내의 감소된 기체 공간 부피 때문에 기체 및 액체 증기의 폭발성 혼합물의 형성 가능성이 감소하는 것이다.

더욱이, 본 발명은 기체에 의해 점유된 비활성 구역이 없다.

더욱이, 상기 장치의 상승된 부피 효율과 상승된 반응 구역 때문에 상기 장치의 생산성이 향상된다.

본 발명의 맥락에서, 상기 장치 내에서 열 및 물질 전달의 안정성은 시간에 걸친 각각의 흐름 포인트에서의 특성들(조성, 온도, 유량, 등)의 일정성으로 해석될 것이다.

상기 장치의 안정된 성능은, 외란이 제거된 후 특성들이 초기 상태로 돌아오는 작동 모드로서 해석될 것이다.

또한, 반응 구역 내에 액체의 체류 시간 분산은 정격값으로부터 실제 흐름의 체류 시간의 편차로서 해석될 것이며, 유체역학적 효율은 플러그-플로우(plug-flow) 장치로 실제 장치의 접근 특성들로서 해석될 것이다.

본 발명의 문맥에서, "실질적으로(substantially)"라는 용어는 본 기술 분야의 기술자에 의해 결정된 특정 값에 대한 허용 오차 범위 내의 편차를 의미한다.

목적과 기술적 효과들은 장치의 사용에 의해 얻어지며, 상기 장치는 시약 공급 장치들과 반응 생성물 인출 장치들을 가진 하우징으로서 형성된 하나 이상의 수직 쉘-앤드-튜브 유닛들, 열전달 매체 공급 및 인출 장치들, 및 상기 하우징 내의 상부와 하부 내의 튜브 시트들(tube sheets)에 의해 고정된 두 개의 튜브 그룹들을 포함하며, 하나의 튜브 그룹은 하부 튜브 시트를 넘어서 연장되고, 제2 튜브 그룹은 하부 튜브 시트와 실질적으로 같은 높이의 튜브 단부들을 가지며, 제1 튜브 그룹의 튜브들은 상기 튜브 시트 전체에 실질적으로 균일하게 분포된다.

본 발명자들은 예상치 않게 본 발명의 구조와 제1 및 제2 튜브 그룹들의 배치가 튜브들 내에서 일정한 흐름 방향을 유지한다는 것을 발견하였으며, 이는 장치 전체에 걸쳐 안정되고 균일한 열 및 물질 전달과 장치의 안정된 성능을 제공하고, 그럼으로써 청구된 기술적 효과들을 보장한다.

본 발명의 다양한 측면들과 실시예들의 상세한 설명은 아래에서 뒤따를 것이다.

상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 하부 튜브 시트를 넘어서 10-150mm, 바람직하게는 50-100mm 연장된다. 하부 튜브 시트에 대한 제1 튜브 그룹의 튜브들의 길이의 연장이 10mm보다 작을 경우에는, 순환 회로를 통한 기체 슬립(gas slippage)의 가능성이 증가하며, 이는 유체역학을 방해하며, 그 결과로서, 장치 내의 열 및 물질 전달을 방해한다. 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들이 하부 튜브 시트에 대하여 150mm보다 더 연장되는 것은, 상기 장치의 기하 구조적 치수들을 증가시킬 수 있고, 결과적으로 장치 효율을 향상시킴이 없이 금속 성분을 증가시킬 수 있기 때문에, 바람직하지 않다. 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들의 연장부들은 동일하거나 상이한 길이일 수 있다. 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들의 연장부들의 동일한 길이는 상기 장치의 작동을 위한 전제 조건이 아니다. 결정 조건은 기체가 제1 튜브 그룹의 튜브들로 들어오는 것을 방지하기에 충분한 10mm 이상의 길이이다.

상기 제1 및 제2 튜브 그룹들의 튜브들의 직경들은 동일하거나 상이할 수 있으나, 기체/액체 접촉 구역을 증가시키기 위해서는, 제1 튜브 그룹의 튜브들보다 더 큰 직경을 가진 제2 튜브 그룹의 튜브들의 사용이 바람직하다.

상기 장치의 작동을 위한 의무적인 요구조건은 상기 장치 전체에 걸쳐 제1 튜브 그룹의 튜브들의 균일한 분포이며, 즉, 상기 장치 전체에 걸쳐 액상의 속도를 동등하게 하고 정체 구역들을 제거하는 튜브들의 분포이다.

제1 및 제2 튜브 그룹의 튜브들의 수의 비율은 1:1.25부터 1:5까지이다. 바람직하게는, 상기 유닛의 수평 단면에서, 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들 중 적어도 하나는 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들 각각에 인접한다. 더 바람직하게는, 상기 유닛의 수평 단면에서, 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들 각각은 주변부에서 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들에 의해 둘러싸인다. 이러한 튜브들의 배치는 대략 1:2의 비율에서 얻어진다.

일 실시예에서, 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 순환 튜브들이고, 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들은 버블 튜브들이다.

상기 장치의 전체 치수, 쉘-앤드-튜브 유닛들의 수, 상기 유닛 내의 튜브들의 수, 및 상기 장치 내의 튜브들의 전체 수는 상기 장치의 특정 애플리케이션의 요구에 근거하여 선택된다.

시약 공급 장치들은 액상 공급 장치와 기상 공급 장치를 포함하며, 반응 생성물 인출 장치들은 액상 인출 장치와 기상 인출 장치를 포함한다.

상기 장치는 다양한 액상 반응들, 예를 들어, 탄화수소 산화, 올레핀 올리고머화, 카르복실산의 합성, 에틸렌 염소화, 하이드로포르밀화를 수행하기 위한 반응기로서, 그리고 미세생물학적 공정, 증을 위한 장치로서 채용될 수 있다.

본 발명에 따른 버블 쉘-앤드-튜브 장치 내에서 화학 반응을 수행하는 방법은:

- 상기 장치의 튜브 부분 내의 전체 자유 부피를 채우도록 액상을 공급하는 단계;

- 기체가 상기 하부 튜브 시트까지 상승하여 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들로 들어감으로써 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들이 버블 튜브들로서 작용하도록, 상기 장치의 하부에 기상을 공급하는 단계;

- 기체의 영향하에서 상기 버블 튜브들을 통해 위쪽으로 액체의 이동을 제공하는 단계;

- 상기 장치의 상부에 도달한 때, 기체-액체 혼합물이 분리되는 단계;

- 상기 장치로부터 기상을 인출하는 단계; 및

- 액상의 더 적은 부분을 인출하면서, 액상의 더 많은 부분은 순환 튜브들로서 작용하는 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들을 통해 중력하에서 아래쪽으로 이동을 시작하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 다른 특징들과 이점들은 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명되는 본 발명의 바람직한 실시예들에 따라 더 분명하게 될 것이다. 실시예들은 본 발명을 설명하기 위해 오직 예로서 제공되며, 이에 따라, 본 발명의 기술적 범위를 제한하는 것으로서 간주되어서는 안 된다.

도 1은 US 5,846,498호에 따른 발열성 기체-액체 반응을 수행하기 위한 장치를 도시한다.
도 2는 RU2040940호에 따른 기체-액체 화학물질 및 열 및 물질 교환 공정을 수행하기 위한 장치를 도시한다.
도 3은 SU1212550호에 따른 기체 부양 장치를 도시한다.
도 4는 SU129643호에 따른 장치를 도시한다.
도 5는 SU199087호에 따른 장치를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 장치의 구조를 개략적으로 도시한다.
도 7은 비교예 2에 따른 장치 내의 튜브들의 배치를 개략적으로 도시한다.
도 8은 비교예 3에 따른 장치 내의 튜브들의 배치를 개략적으로 도시한다.
도 9는 비교예 4에 따른 장치 내의 튜브들의 배치를 개략적으로 도시한다.
도 10은 비교예 5에 따른 장치 내의 튜브들의 배치를 개략적으로 도시한다.
도 11은 본 발명에 따른 장치의 유닛을 도시한다.
도 12는 비교예 6에 따른 동일한 길이의 튜브들을 가진 유리 장치를 도시한다.

도 6에 개략적으로 도시된 본 발명에 따른 장치는 튜브 시트(tube sheet)(2) 내에 고정된 순환 튜브들(3)과 버블 튜브들(4)을 가진 단일의 수직 쉘-앤드-튜브 유닛(1)을 포함한다. 상기 장치의 하부(lower part)는 액체 공급 장치(5)와 기체 공급 장치(6)을 포함한다. 상기 장치의 상부(upper part)는 기상(gas phase) 인출 장치(7)와 액상(liquid phase) 인출 장치(8)를 포함한다. 상기 장치의 튜브 사이의 공간은 열전달 매체 순환 노즐들(9, 10)을 포함한다. 공급 및 인출 장치는 이하에서 흐름의 공급 및 인출을 위한 임의의 종래의 수단, 예를 들어, 노즐, 인젝터, 등을 가리킨다.

공정은 본 발명의 장치 내에서 아래의 방식으로 수행된다.

1. 액상은 상기 장치의 튜브 부분 내의 전체 자유 부피를 완전히 채우기 위해 상기 액체 공급 장치(5)를 통해 공급된다;

2. 그 다음에 기상은 기체 공급 장치(6)를 통해 상기 장치의 하부에 공급된다;

3. 기체는 튜브 시트(2)까지 상승하고 그 다음에 버블 튜브들(3)로 들어간다;

4. 액체는 기체의 영향하에서 버블 튜브들을 통해 위쪽으로 이동하기 시작한다;

5. 상기 장치의 상부에 도달하면, 기체-액체 혼합물이 분리된다;

6. 기상은 기체 인출 장치(7)를 통해 상기 장치로부터 인출된다;

7. 액상의 적은 부분이 액체 인출 장치(8)를 통해 인출되며, 액상의 많은 부분은 중력하에서 순환 튜브들(3)을 통해 아래쪽으로 이동하기 시작한다;

순환 튜브들의 균일한 분배는 모든 버블 튜브들을 통해 액체의 동일한 속도를 보장하며, 그 결과로서, 상기 장치 전체에 걸쳐 수행되는 열 및 물질 전달 공정들에 대해 동일한 조건들을 보장한다. 상기 장치의 튜브 사이의 공간 내의 열 전달을 보장하기 위해, 열전달 매체가 노즐(9, 10)을 통해 순환된다.

예

비교예 1. 동일한 길이의 튜브들을 포함하는 장치의 사용

시험은, 튜브 시트 내에 고정된 길이가 725mm이고 직경이 13x1.4mm인 19개의 튜브들을 가진 80mm 직경의 수직 쉘-앤드-튜브 유닛을 포함하는 강철 장치 내에서 수행되었다. 상기 장치의 하부는 액체 및 기체 공급 노즐을 포함한다. 상기 장치의 상부는 기상 및 액상 인출 노즐들을 포함한다. 상기 장치의 튜브 사이의 공간은 열 전달 매체 순환 노즐들을 포함한다(도 2 참조).

시험은 대기압에서 수행되었다. 액상으로서 시클로헥산이 사용되었으며, 기상으로서 질소가 사용되었다. 버블링 모드에서 튜브들의 수는 기체 버블들을 부상시킴으로써 매분마다 시각적으로 결정되었다. 그 다음에, 결과들은 30분의 시간 간격에 걸쳐 평균화되었으며, 각각의 튜브의 모드와 활동에 관해 결론이 도출되었다.

튜브들의 연장 없이, 순환 및 버블 튜브들의 혼란한 교번이 관찰되었다. 또한, 작동 시에, 순환 튜브는 버블링될 수 있었으며 그 역으로도 가능하였다. 더욱이, 버블 튜브들의 수는 상이한 시간에서 상이하였다. 이 모든 것들은 시간에 걸친 기체-액체 혼합물 흐름 상태의 불안정성을 나타낸다. 이는 용해된 기체의 농도와 온도에서 국부적인 점프(jump)로 이어지며, 이는 시각적으로 관찰되었다. 이 장치는 튜브들 중 기체가 통과하지 않는 튜브들을 대략 60%를 포함한다는 것을 주목하여야 한다. 이는 튜브들 중 일부에서는 액체의 이동이 일어나지 않으며 정체 구역들이 형성된다는 것을 의미한다.

비교예 2. 단일의 연장된 튜브를 포함하는 장치의 사용

시험은, 예 1에서 설명된 장치 내에서 수행되었으나, 장치 중심에 배치된 튜브는 튜브 시트 아래로 50mm 연장된 차이점을 가진다(도 7 참조).

중심 튜브의 연장은 엄밀하게 이 튜브는 순환 튜브라는 것을 정의한다. 그러나, 튜브의 처리 용량은 장치 유닛 전체에 걸쳐 액체의 안정된 순환을 제공하기에 불충분하다. 더욱이, 버블 튜브들의 부분은 액체의 혼란한 순환 상태로 들어가며, 즉, 순환 튜브들 또는 버블 튜브들로서 교대로 작동하며, 이는, 예 1에서와 같이, 용해된 기체의 농도와 온도에서 국부적인 점프로 이어진다.

비교예 3. 세 개의 연장된 튜브들을 포함하는 장치

시험은 예 1에서 설명된 장치 내에서 수행되었으나, 중심 튜브 둘레에 하나씩 띄어서 배치된 세 개의 튜브들은 튜브 시트를 넘어서 아래쪽으로 50mm 연장되는 차이점을 가진다(도 8 참조).

순환 튜브들의 수가 세 개로 증가한 것과 장치 전체에 걸친 그들의 분포는 흐름을 현저하게 안정화시켰다. 모든 버블 튜브들은 오직 버블 튜브들로서 작동했다. 그러나, 버블 튜브들 내의 기체와 액체의 처리 속도는 현저하게 상이하였으며, 이는 장치의 튜브 공간 내의 열 및 물질 전달 조건들의 불안정화로 이어졌다.

예 4. 막혀 있는 외측 열(outer row)의 세 개의 튜브들과 함께, 중심 튜브 가까이에 배치된 세 개의 순환 튜브들을 포함하는 장치의 사용.

시험은 예 1에서 설명된 장치 내에서 수행되었으나, 중심 튜브 둘레에 하나씩 띄어서 배치된 세 개의 튜브들은 튜브 시트를 넘어서 50mm 연장되고, 외측 열의 세 개의 튜브들은 막혀 있다는 차이점을 가진다(도 9 참조).

이러한 순환 튜브들의 분포는 전체 장치에 걸쳐 액체의 평균 순환 속도를 가진 유닛의 안정된 성능을 보장한다(즉, 평균 액체 순환 속도는 장치 전체에 걸쳐 시간에 걸쳐 실질적으로 안정된다. 이는 장치 전체에 걸쳐 균일한 열 및 물질 전달 조건들을 초래한다.

예 5. 중심 튜브 가까이에 배치된 세 개의 순환 튜브들과 외측 열의 세 개의 순환 튜브들을 포함하는 장치의 사용.

시험은 예 1에서 설명된 장치 내에서 수행되었으나, 중심 튜브 둘레에 하나씩 띄어서 배치된 세 개의 튜브들은 튜브 시트를 넘어서 50mm 연장된다는 차이점을 가진다(도 9 참조).

순환 튜브들의 수가 6개로 증가한 것은 액체 순환 속도의 현저한 증가로 이어진다. 더욱이, 흐름 구조는 안정되고, 즉, 장치의 작동 구역 내의 흐름의 각 지점에서 매체의 조성, 국부적인 속도 및 물리적 특성은 시간에 걸쳐 실질적으로 일정하게 유지된다. 이는 장치 전체에 걸쳐 균일한 혈 및 물질 전달 조건들을 초래한다. 예 4와 비교하여, 액상 속도는 증가하고, 이에 의해 장치 표면으로부터 열의 제거 효율이 증가한다.

비교예 6. 동일한 길이의 튜브들을 포함하는 유리 장치 내의 물질 전달에 관한 시험.

시험은, 튜브 시트들 내에 고정된, 길이가 800mm이고 직경이 10x1.5mm인 19개의 유리 튜브들과 함께 직경 100mm의 두 개의 금속 튜브 시트들을 가지는 수직 유닛을 포함하는 2리터의 부피를 가진 유리 장치 내에서 수행되었다. 모든 튜브들은 튜브 시트를 넘어서 연장된다. 상기 장치의 하부는 액체 및 기체 공급 노즐들을 포함한다. 상기 장치의 상부는 기상 및 액상 인출 노즐들을 포함한다(도 2 참조).

시험은 대기압에서 수행되었다. NaOH 수용액이 액상으로서 사용되었으며, 이산화탄소가 기상으로서 사용되었다. 액체 속도는 펌프에 의해 설정되었고, 출구에서의 액체 농도는 pH 계량기로 측정되었다. 기체는 유량계를 통해 실린더로부터 공급되었다.

중화 반응은 각각 높은 속도로 진행되고, 공정 제한 팩터(process limiting factor)는 이산화탄소의 액체로의 전이이다. 강한 알칼리에 의한 탄산의 중화 반응의 예에 의하여, 장치 내에서 기상과 액상 사이의 물질 전달의 효율성을 추정하는 것이 가능하다.

시험은 다음의 방식으로 수행되었다: 상기 장치는 폄프를 통해 액체로 완전히 채워졌다. 그 다음에, 액상의 요구되는 일정한 유량(200㎖/min)이 설정되었으며, 기체 주입(500㎖/min)이 시작되었다. pH 값은 매 2분 마다 검출되었다. 정상-상태 작동의 수립은 장치 출구에서 10분 내에 pH 값 변화가 발생하지 않는 시간에 고정되었다.

상기한 파라미터들에 의해, 일정한 pH 값 10.2를 가진 정상-상태 작동까지의 시간은 40분이었다. 더욱이, 2-상의 흐름의 혼란한 이동이 예 1에서와 같이 관찰되었다.

예 7. 중심 튜브 가까이에 배치된 세 개의 순환 튜브들과 외측 열의 세 개의 순환 튜브들을 포함하는 유리 장치 내의 물질 전달에 관한 시험.

시험은, 튜브 시트들 내에 고정된, 길이가 800mm이고 직경이 10x1.5mm인 19개의 유리 튜브들과 함께 직경 100mm의 두 개의 금속 튜브 시트들을 가지는 수직 유닛을 포함하는 2리터의 부피를 가진 유리 장치 내에서 수행되었다. 튜브들 중 일부는 예 5에서와 같이 튜브 시트를 넘어서 아래로 연장된다. 상기 장치의 하부는 액체 및 기체 공급 노즐들을 포함하였다. 상기 장치의 상부는 기상 및 액상 인출 노즐들을 포함한다(도 9 참조).

시험은 대기압에서 수행되었다. NaOH 수용액이 액상으로서 사용되었으며, 이산화탄소가 기상으로서 사용되었다. 액체 속도는 펌프에 의해 설정되었고, 출구에서의 액체 농도는 pH 계량기로 측정되었다. 기체는 유량계를 통해 실린더로부터 공급되었다.

시험은 다음의 방식으로 수행되었다: 상기 장치는 폄프를 통해 액체로 완전히 채워졌다. 그 다음에 액상의 요구되는 일정한 유량(200㎖/min)이 설정되었으며, 기체 주입(500㎖/min)이 시작되었다. pH 값은 매 2분 마다 검출되었다. 정상-상태 조건의 수립은 장치 출구에서 10분 내에 pH 값 변화가 발생하지 않는 시간에 고정되었다.

상기한 파라미터들에 의해, 일정한 pH 값 9.4를 가진 정상-상태 작동까지의 시간은 30분이었다.

예 6과 7호부터 알 수 있는 바와 같이, 물질 전달 공정들은 본 발명의 장치에서 일정한 pH 값이 더 낮기 때문에 더욱 효율적이다. pH의 감소는 기체-액체 시스템에서 물질-교환 공정들(반응들)이 어 빨라지고 더 완전하게 된다는 것을 나타낸다. 추가적으로, 평형에 도달하기까지의 시간이 25% 감소하며, 이는 액상의 농도에서 주목할 만한 점프를 초래할 수 있는 정체 구역들이 없으며 장치가 액상에서 효율적인 물질 전달을 가능하게 하는 균일한 속도 필드를 포함한다는 것을 가리킨다.

비교예 8. 에틸렌 삼합체화(ethylene trimerization)를 위한 반응기로서 동일한 길이의 튜브들을 포함하는 장치의 사용.

시험은, 튜브 시트 내에 고정된 길이가 725mm이고 직경이 13x1.4mm인 19개의 튜브들을 가지는 80mm 직경의 수직 쉘-앤드-튜브 유닛을 포함하는 강철 반응기 내에서 수행되었다. 상기 반응기의 하부는 액체 및 기체 공급 노즐들을 포함한다. 상기 반응기의 상부는 기상 및 액상 인출 노즐들을 포함한다. 상기 반응기의 튜브 사이의 공간은 열전달 매체 순환 노즐들을 포함한다(도 2 참조).

에틸렌 삼합체화 반응은 14bar의 압력하에서 수행되었다. 균질의 촉매 복합물가 첨가된 시클로헥산이 액상으로서 사용되었으며, 에틸렌이 기상으로서 사용되었다. 반응 생성물, 헥센-1, 및 부산물의 농도는 반응기 출구에서 주기적인 샘플링에 의해 측정되었다. 분석적 제어 방법으로서 가스 크로마토그래피가 사용되었다.

반응기 출구에서 헥센-1의 농도는 96-97%의 선택비로 중량 6-7%의 범위 내에서 변하였다.

실시예 9. 에틸렌 삼합체화를 위한 반응기로서 중심 튜브 가까이에 배치된 세 개의 순환 튜브들과 외측 열의 세 개의 순환 튜브들을 포함하는 장치의 사용.

시험은 예 8에서 설명된 장치 내에서 수행되었지만, 중심 튜브 둘레에 하나씩 띄어서 배치된 세 개의 튜브들은 튜브 시트를 넘어서 50mm 연장된다는 차이점을 가진다(예 5 참조).

반응기 출구에서 헥센-1의 농도는, 예 8에서와 같이, 96-97%의 선택비로 중량 6-7%의 범위 내에서 변하였다.

예 8과 9에서의 시험들 사이의 차이점은, 시험들에서 전체 반응 부피의 대략 60%인 비교적 작은 반응기 튜브 용량으로 인해 거의 미세하다.

Claims (20)

1. 버블 쉘-앤드-튜브 장치(bubble shell-and-tube apparatus)로서,
   시약 공급 장치들과 반응 생성물 인출 장치들을 가진 하우징으로서 형성된 적어도 하나의 수직 쉘-앤드-튜브 유닛, 열전달 매체 공급 및 인출 장치들, 및 상부 튜브 시트(tube sheet)와 하부 튜브 시트 내에 고정된 제1 튜브 그룹 및 제2 튜브 그룹을 포함하며,
   상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 상기 하부 튜브 시트를 넘어서 연장되고, 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들은 그 단부들이 상기 하부 튜브 시트와 실질적으로 같은 높이가 되도록 배치되며, 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 상기 튜브 시트 전체에 실질적으로 균일하게 분포되는 것을 특징으로 하는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
2. 제1항에 있어서,
   하나의 단일 쉘-앤드-튜브 유닛을 포함하는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
3. 제1항에 있어서,
   하나보다 많은 쉘-앤드-튜브 유닛을 포함하는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 상기 하부 튜브 시트를 넘어서 10-150mm 연장되는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
5. 제4항에 있어서,
   상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 상기 하부 튜브 시트를 넘어서 50-150mm 연장되는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
6. 제1항에 있어서,
   상기 제1 튜브 그룹의 튜브들의 수와 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들의 수 사이의 비율은 1:1.25 부터 1:5 까지인, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
7. 제1항에 있어서,
   상기 유닛의 수평 단면에서, 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들 각각은 주변부에서 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들에 의해 둘러싸이는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
8. 제1항에 있어서,
   상기 유닛의 수평 단면에서, 상기 제1 튜브 그룹의 적어도 하나의 튜브는 상기 제2 튜브 그룹의 각각의 튜브에 인접한, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 동일하거나 또는 상이한 길이를 가지는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 제1 튜브 그룹의 튜브들과 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들은 동일한 직경을 가지는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
11. 제1항에 있어서,
    상기 제1 튜브 그룹의 튜브들의 직경은 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들의 직경보다 큰, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
12. 제1항에 있어서,
    상기 제2 튜브 그룹의 튜브들의 직경은 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들의 직경보다 큰, 버블 쉘-앤드-튜브 장치.
13. 제1항에 있어서,
    버블 쉘-앤드-튜브 반응기(reactor)를 포함하는 버블-쉘-앤드-튜브 장치.
14. 제1항에 있어서,
    상기 제 튜브 그룹의 튜브들은 순환 튜브들이고, 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들은 버블 튜브들인, 버블-쉘-앤드-튜브 장치.
15. 제1항에 있어서,
    상기 시약 공급 장치들은 액상 공급 장치와 기상 공급 장치를 포함하며, 상기 반응 생성물 인출 장치들은 액상 인출 장치와 기상 인출 장치를 포함하는, 버블-쉘-앤드-튜브 장치.
16. 제1항에 따른 버블 쉘-앤드-튜브 장치 내에서 화학 반응을 수행하는 방법으로서:
    상기 장치의 튜브 부분 내의 전체 자유 부피를 채우도록 액상을 공급하는 단계;
    기체가 상기 하부 튜브 시트까지 상승하여 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들로 들어감으로써 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들이 버블 튜브들로서 작용하도록, 상기 장치의 하부에 기상을 공급하는 단계;
    기체의 영향하에서 상기 버블 튜브들을 통해 위쪽으로 액체의 이동을 제공하는 단계;
    상기 장치의 상부에 도달한 때, 기체-액체 혼합물이 분리되는 단계;
    상기 장치로부터 기상을 인출하는 단계; 및
    액상의 더 적은 부분을 인출하면서, 액상의 더 많은 부분은 순환 튜브들로서 작용하는 상기 제1 튜브 그룹의 튜브들을 통해 중력하에서 아래쪽으로 이동을 시작하는 단계;를 포함하는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치 내에서 화학 반응을 수행하는 방법.
17. 화학 반응을 수행하기 위해 제1항에 따른 버블 쉘-앤드-튜브 장치의 사용.
18. 제17항에 있어서,
    상기 화학 반응은 에틸렌 올리고머화 반응인, 버블 쉘-앤드-튜브 장치의 사용.
19. 제17항에 있어서,
    상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 순환 튜브들로서 작용하며, 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들은 버블 튜브들로서 작용하는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치의 사용.
20. 제18항에 있어서,
    상기 제1 튜브 그룹의 튜브들은 순환 튜브들로서 작용하며, 상기 제2 튜브 그룹의 튜브들은 버블 튜브들로서 작용하는, 버블 쉘-앤드-튜브 장치의 사용.

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