KR870000086B1

KR870000086B1 - 반응기

Info

Publication number: KR870000086B1
Application number: KR1019830004571A
Authority: KR
Inventors: 고오조 오오사끼; 준 잔마; 히로시 와따나베
Original assignee: 도오요엔지니어링 가부시끼가이샤; 마쓰다 다까시
Priority date: 1982-09-28
Filing date: 1983-09-28
Publication date: 1987-02-10
Also published as: GB8325811D0; KR840006444A; IN159980B; FR2533460A1; IN161165B; DE3334775C2; DD210846A5; CS258104B2; GB2127321B; GB2127321A; CA1204916A; JPS5959242A; MY8700158A; US4594227A; CS707783A2; DE3334775A1; JPH0347134B2; BR8305307A; NL8303295A; FR2533460B1

Abstract

내용 없음.

Description

반 응 기

제1도는 본 발명의 원리를 설명하기 위한 반응기의 수직단면도이고,

제2도는 제1도에서 선 Ⅱ-Ⅱ을 따라 주어진 반응의 수평 단면도이고,

제3도는 암모니아 합성반응의 반응 속도 도표이고,

제4a∼4f도는 다른 반응실을 통한 가스의 유동경로의 설명도이고, 여기서 제4a도는 공지된 반응기를 설명하고 제4b∼4f도는 본 발명에 따른 반응기를 나타내고 있고,

제5도는 본 발명에 따른 반응기의 1예의 수직 단면도이고,

제6도는 제5도에서 선 Ⅵ-Ⅵ을 따라 주어진 반응기의 수평 단면도이고,

제7도는 본 발명에 따른 제1집합관의 1예의 수직 단면도이고,

제8도는 본 발명에 따른 판상집합관의 1예의 평면도이고,

제9도는 제8도에서 선 Ⅸ-Ⅸ을 따라 주어진 판상집합관의 수직단면도이고,

제10도는 반응기가 그 중심부분내에 공급가스를 선가열하기 위해 열교환기를 갖고 있는 본 발명에 따른 반응기의 1예의 수직단면도이고,

제11도는 제10도에서 선 XI-XI을 따라 주어진 반응기의 수평단면도이고,

제12도는 반응기가 수평단면 구역을 갖는 실(室)내에 공급 가스를 선가열하기 위해 열교환기를 갖고 있는 본 발명에 따른 반응기의 다른 1예의 수직 단면도이고, 및

제13도는 제12도에서 선 XIII-XIII을 따라 주어진 반응기의 수평단면도이다.

본 발명은 과립촉매 존재하에, 원료 및 반응 생성물이 반응중에 기체상태인 조건하에서 화학 반응을 수행하기 위한 적절한 반응기 또는 반응기의 개량 및 이려한 반응기를 사용하는 반응 방법에 관한 것이다. 더 상세히, 본 발명은 다른 직경을 갖는 2개의 원통으로 한정된 원통내 공간, 환상 공간내에 충진된 촉매상(catalyst bed)을 통해 반경방향으로 기체가 유동되게하는 형태의 반응기 개량에 관한 것이다.

가스가 원통내 촉매상을 통해 반경방향으로 유동하게하고, 상(bed)이 다른 직경을 갖는 2개의 원통으로 한정된 환상원통내공간에 과립촉매를 충진시켜 형성되는 형태의 반응기는 많은 문헌에 제시되었다. 그러나, 공지된 기술은 가스의 유동 방향에서 촉매상내에 온도분포의 문제를 고려하지 않았다. 즉, 그들은 성능을 저하시키지 않고 상기 형태의 반응기의 크기를 축소하는데 성공하지 못했다.

전술한 형태의 개량된 반응기 및 그 사용방법은 일본특허공보 149640/1980 및 미합중국 특허 4, 321, 234에 발표되었다. 상기의 특허들은 원통내 촉매상, 즉, 다른 직경을 갖는 2개의 가스-투과성 원통상 촉매보유기들 사이에 개입된 촉매상에서 가스유동경로를 따라 여러위치에서 온도를 조절하기 위한 방법으로 되어 있다. 바람직한 온도는 원주들이 2개의 촉매 보유기들의 같은 중심축으로 집중되는 원주군위에 다수의 수직으로 확장된 냉각관을 배열하고, 냉각관을 통과하는 냉각유체가 결과적으로 발생하는 발열 반응열을 냉각 유체로 전달하는 원인이되는 생성기체를 제조하기 위해 공급가스가 촉매반응에 영향을 주도록 원통내촉매상을 통해 공급가스가 반경방향으로 유동하게하여 달성되었다.

본 발명자들은 상기-제시된 방법 및 반응기의 방범위한 실험적 연구를 수행하였다. 그 결과 상기-제시된 방법 및 반응기는 본 발명자들에 의해 더욱 개량될 수 있음을 발견하였다.

본 발명은 상기-제시된 반응방법의 개량에 관한 것으로, 개량된 방법은 반응기의 성능을 저하시킴 없이 반응기를 소형화할 수 있다. 또한 본 발명은 개량될 반응방법을 실행하기에 유용한 개량될 반응기에 관한 것이다.

본 발명의 기본적인 국면은 하기의 특징에 있다. (1) 미합중국 특허 4,321,234의 원통내 촉매상과 유사한 공간은 반경 확장, 수직, 격벽에 의해 다수의 실(chamber)로 분할되어 있고, (2) 열-교환관은 미합중국 특허 4,321,234에 배열된 냉각관과 실질적으로 같은 방법으로 이러한 실(室)중 적어도 2개의 실에 배열하였고, 촉매는 적어도 2개의 촉매-충진된 실을 형성하기 위해 열-교환관 주위에 충진하였고, (3) 공급가스는 일련의 다수의 촉매-충진된 반응실을 통해 유동되고, 공급가스는 촉매-충진된 반응실의 각각을 통해 반경방향으로 유동된다. 본 발명에 따라, 각 반응실을 통해 흐르는 가스 흐름의 선속도(linear velocity)는 미합중국 특허 4,321,234의 반응기를 사용하여 얻어진 가스 유동속도보다 빠르고, 각 열-교환관의 벽을 통과하는 열유동의 전체 열-교환 상수는 크게만들어졌다. 따라서, 필요한 열-교환관의 수를 줄이고 반응기의 크기를 줄이는 것이 가능하게되어고, 또한 각각의 촉매상에서 가스의 유동경로를 따라 반응에 효과적인 적정온도 분포를 달성하였다.

본 발명의 한 국면에 따라, 출발물질 및 반응생성물이 반응을 위해 사용된온도 및 압력에서 기체 상태인 조건하에서 과립촉매의 존재하에, 촉매화학 반응을 수행하기 위한 방법이 제공되었고 방법은 하기에 구성되어 있다:

(a) 외각 또는 주위벽을 구성하는 원통형, 상부반응기, 외각내부에 배열될 가스-투과성 원통형 외부촉매보유기, 촉매 보유기가 이들 사이의 환상원통내 공간에 한정된, 외부촉매 보유기와 더불어 같은 축 및 내부에 배열된 가스-투과성 원통형 내부 촉매 보유기, 수평단면도에 각각 구분되는 분리될 실로 원통내 공간을 나누고 각각 반경방향으로 확장하고 원통내 공간내에 배열된 적어도 2개의 수직격벽, 적어도 1개의 실에 제공된 다수의 수직열-교환관, 내부 및 외부촉매 보유기의 공동축으로 집중되어 배열되거나 또는 다수의 부분 환상군으로 배열된 상기관, 적어도 2개의 촉매-충진된 반응실을 형성하기 위해 상기실의 적어도 2개의 실에 충진되는 촉매를 제공하고; 및

(b) 일련의 촉매-충진될 반응실을 통해 반경방향으로 흐르도록 가스 상태의 출발물질을 공급하고, 각각의 열교환하는 관을 통과하도록 바람직한 온도를 갖는 열교환 유체를 공급하고, 따라서 촉매 반응이 진행되어 상기 출발물질이 가스 상태의 생성물을 형성하기 위해 반응한다.

본 발명의 다른 국면에 따라, 출발물질 및 반응생성물이 반응을 위해 이용되는 온도 및 압력에서 가스상태인 조건하에, 과립촉매의 존재하에 촉매 반응 수행을 위해 조절되고 원통의 상부 및 하부 끝에 상부 및 바닥면을 갖는 외각, 원통형, 상부를 갖는 반응기가 제공되었다. 반응기는 하기로 구성되어 있다 :

(a) 외각의 내벽으로부터 공간을 갖고 내부 배열된 가스-투과성 원통형 외부촉매보유기, 이로인해 정해진 외각의 내벽 사이를 통과하는 외부 가스 유동 또는 외부제 1원통내 공간, 외부촉매보유기의 외벽 및 외각의 상부 및 하부벽;

(b) 외부촉매부유기의 내부에 배열되고, 공동축을 갖는 가스-투과성 원통형내부촉매 보유기, 이로인한, 정해진 외부촉매 보유기 사이의 제2환형 원통내 공간, 내부촉매 보유기 및 외각의 상부 및 하부벽;

(c) 수평단면도에서 환상의 단편의 형태로 또는 각각의 나누어진 분리실의 선택된 수로 제2원통내 공간으로 나누어지고 내부 및 외부 촉매 보유기 사이의 반경이 확장된 적어도 2개의 수직격벽;

(d) 적어도 하나의 실에 제공된 다수의 수직열-교환관, 상기관을 함유하는 적어도 한반응실에 제공하기 위해 부분적으로 환상군이 서로로부터 반경적으로 배열되고 외부 및 내부촉매 보유기의 공통중심축으로 집중되고 각부분 환상군에서 열-교환관이 서로로부터 원주배열되거나 또는 부분환상군으로 배열된 상기관;

(e) 내부촉매보유기의 내벽으로부터 공간을 갖고 내부촉매보유기내에 제공되 적어도 1개의 수직내부 장벽, 내부촉매 보유기의 내벽과 장벽(들)의 외부 면적 사이의 공간에서 적어도 1개의 내부 가스가 통과하도록 가스유동의 방향을 변환시키기 위해 조절된 상기 장벽;

(f) 열-교환관을 통과하는 열교환유체를 각각 집합 및 분포시키기위해 반응실을 통해 확장하는 열교환관의 반대끝에 연결되고 상기관을 갖는 각각의 반응실의 반대 수직 끝에 각각 제공된 적어도 1개의 열-교환유체 집합관 및 적어도 1개의 열-교환 유체 분포관;

(g) 적어도 1개의 집합관 및 적어도 1개의 분포배관에 각각 연결되고 상부 및 하부벽 중 하나 또는 양쪽을 통해 확장하는 적어도 1개의 열-교환유체를 출구 파이프 및 적어도 1개의 열-교환유체 입구파이프

(h) 각각 상부 및 하부벽을 통해 확장하고 각각의 반응실과 더불어 전달되는 적어도 1개의 촉매-충진파이프 및 적어도 1개의 촉매-배출 파이프;

(i) 가스가 반경방향에서 2개 또는 그 이상 반응실을 통해 유동하도록 가스의 유동경로를2하정하기 위해 상기 수직 격벽중 하나에 연결된 각 분리벽과 더불어 적어도 1개의 상기 제1외부 가스 유동통과 및 상기 내부가스 유동통과하도록 배열된 1개 또는 그 이상의 확장하는 수직 분리벽, 연속적인 실에서 내부 및 외부로 교대하여 흐르는 가스, 출발반응가스가 상기 제1실시의 방사상으로 내부에서 유입될 때 방사상으로 바깥쪽에 제1실시에서 유동의 방향, 및 출발 반응가스가 상기 제1실의 방사상으로 외부에서 유입될 때 방사상으로 안쪽에 유동방향; 및

(j) 각각, 계열의 제1실 및 마지막실로 전달제공된 적어도 1개의 반응가스 유입 및 적어도 1개의 생성가스 출구.

본 발명의 다른 목적, 특징 및 장점은 하기의 설명 및 청구범위로부터 명백해질것이고, 도면을 수반하여 제시되었다.

촉매 반응에서, 보통 공급 가스가 통과되는 촉매상의 여려지역에서 유지될 적정 온도가 있다. 이려한 적정온도는 반응속도 및 반응에서 생성된 부생성물의 양을 고려하여 결정된다. 예를들어, 일정한 압력하에서 암모니아의 촉매 합성하는 동안 공급가스로서 수소가스 및 질소가스의 3 : 1 혼합물(플)을 사용하여, 촉매상의 각 지역에서 암모니아 반응속도는 대략 하기 방정식에 의해 표현될 수 있다.

V=Kx(C_e-C_a)=Kx△C (1)

상기 식에서, V=암모니아 반응속도(kgmole/시간/촉매, m³);

C_e=주어진 촉매상지역에서, 반응온도 및 압력에서, 암모니아의 평형농도의 플 분율;

C_a=상기와 같은 지역에서 이미 존재하는 암모니아의 농도의 플 분율;

K=반응속도 상수; 및

△C=상기 지역에서 암모니아 C_e의 평형농도와 같은 지역에서 실질적인 농도 C_a사이의 차이점.

상기 방정식에 따라, 촉매상의 주어진 지역 A에서 온도가 증가할때, 반응속도 상수 K는 증가하나, 암모니아의 평형농도 C_e는 감소하고, 그로인해 평형농도 및 실제농도 사이의 차 △C가 급격하게 감소하고, 따라서 반응속도 V가 낮아짐을 이해할수 있을 것이다. 반대로, 지역 A에서 온도가 낮아질 때, 암모니아의 평형농도와 그의 실제농도 사이의 차 △C가 증가하나, 반응속도 상수는 작아지고, 그로인해 반응속도 V가 낮아진다. 암모니아 합성반응의 상기 성질은 암모니아를 제조하기 위해 반응속도가 지역 A에서 실제로 존재할 수 있는 암모니아의 각 농도기준을 위해 최대에 달하는 특정온도를 유지해야 한다.

또한 부-생성물은 상기 언급된 암모니아 합성반응에서 생성되지 않고, 메탄올 합성반응의 경우에 고급알코올과 같은 부-생성물의 생산이 수반되는 몇가지 반응들이 있다. 후자의 경우에, 몇가지예에서, 부-생성물의 수득율이 낮고 메탄을 반응속도가 최대에 달하는 특별한 온도일수 있고, 반응속도가 허락되는 온도에 부가에서 각 부 생성물을 위한 반응속도도 최대에 도달할수 있다. 이러한 견지에서, 낮은 수준의 부생성물의 형성과 작은 반응기를 사용하여 반응 생성물을 대량으로 효과적으로 얻기위해 최대 반응속도를 제공하는 조건에서 촉매상을 통한 공급 가스의 유통경로를 따라 여러지역에서 온도를 유지하면서(하기에서 "최적온도"라 부름) 상기 촉매반응을 수행하는 것은 매우 중요하다. 촉매상의 각 지역에서 상기-제시된 최적 온도는 그 지역에서 촉매와 접촉하는 가스에서 원하는 반응생성물의 농도에 의존하여 변하므로, 최적온도의 분포를 보여주는 최적 온도 분포 곡선은 수평축이 촉매상의 가스입구로부터 촉매상의 여러지역까지 가스 유동 경로를 따른 거리이고, 온도가 그래프의 수직축을 따라 기입된 그래프 위에 촉매상의 입구로부터 촉매상의 출구까지 전체가스 유통경로를 위해 최적 온도의 분포를 도시하여 만들 수 있다.

이러한 최적 온도분포곡선은 드물게 몇몇 경우에 촉매상의 입구로부터 출구까지 일정한 온도를 나타내지만, 일반적으로 반응의 형태, 사용된 촉매의 형태, 반응압력, 및 유사한 인자들의 요인에 따라 변하는 곡선의 형태를 갖는다. 상기 언급된 최적 온도분포 곡선은 하기에서 "최적 온도 분포"라 부른다.

상기에 언급된 것처럼, 가스가 원통내 촉매상을 통해 반경방향으로 유동되는 형태의 많은 반응기들이 지금까지 알려졌다. 그러나, 반응을 위해 최적 온도 분포를 고려하여 설계된 반응기들은 거의 없다. 당연한 결과로서, 이러한 공지된 반응기들은 자체 반응기의 크기를 축소하는 견지에서 만족하지 못했다.

최적 온도 분포를 달성할 능력이 있는 반응기는 상기 언급된 일본특허공개공보 149640/1980 및 대응하는 미물중국 특허 4,321,234에 제안되었다. 이 제안은 많은수의 냉각관을 배열 구성하고, 상기-제시된 원통내 촉매상, 원통내 촉매상의 내부 및 외부에 반경적으로 각각 배열된 가스-투과성 촉매보유기의 공동중심축으로 집중된 환산군을 수직적으로 확장한 촉매 반응 수행을 위한 방법을 발표하였다. 공급가스는 촉매상을 통해 모두 반경방향으로 단한번 일정하게 흐른다. 즉, 공급가스는 냉각유체가 냉각관을 통해 흐를동안, 그로 인해 주어진 발열반응 위에 해당하는 최적온도에서 촉매상의 입구로부터 촉매상의 출구까지 공급가스의 유동경로를 따라 여러 지역의 온도를 유지하면서 촉매상의 전단면을 통해 한번 흐른다. 상기의 제한은 상기 방법의 실행에서 유용한 반응기에 직접 이용된다.

본 발명자들은 상기 제시된 반응기의 원통내 촉매상에서 수직격벽을 반경적으로 확장시켜, 분리된 다수의 반응실로 원통내촉매상을 나누고, 적어도 2개의 분리된 반응실을 통해 실제적으로 공급가스를 통과시켜, 가스의 유동속도가 본질적으로 전체로서 반응기의 전체 공간속도를 변화시키지 않고 증가할 수 있음을 발견하였고, 동시에, 열교환관을 통해 흐르는 열-교환유체와 더불어 열 교환하는 동안 전체 열-교환상수를 크게 만들었고, 그로 인해 사용될 열-교환관의 수를 줄어, 반응기를 작게만들 수 있고 따라서 상기-제시된 미합중국특허 4,321,2346의 반응기에 의해 얻어진 것만큼 좋은 결과를 최소한 얻을수 있음을 발견하였다.

본 발명은 숫자 1로 반응기의 수직원통 외각을 나타내고 제1 및 2도를 참고로 설명한 것이다. 원통외각 1은 하부벽 2 및 상부벽 3으로 표시한다. 외각 1내부에 가스-투과성 외부, 촉매 보유기 4 및 외부촉매보유기 내부에 내부촉매 보유기 5가 있고 두 보유기 4 및 5는 외각의 중심축과 더불어 공동축을 이룬다. 환상공간 6은 외각 1과 외부촉매 보유기 4 사이로 안정되고 하부 및 상부벽 2, 3은 외부 가스 유동통로를 제공한다. 외부가스 유동통로는 통로 6A 및 6B로 외부 분리벽 15에 의해 나누어진다. 내부촉매보유기 5내부에, 내부환상 장벽 8 및 환상장벽 8로부터 내부촉매보유기 5까지 반경적으로 확장된 내부 반경적으로 확장하는 분리벽 16이 있다. 내부촉매보유기 5, 장벽 8 및 하부 및 상부벽 2, 3에 의해 한정된 공간은 분리벽 16에 의해 내부 가스 유동경로 7, 7A 및 7B로 나누어진다. 외부촉매 보유기 4, 내부촉매보유기 5 및 하부 및 상부벽 2, 3에 의해 한정된 공간은 반경적으로 확장된 수직격벽 9에 의해 원하는 수의 실(설명된 예에서 4) 10, 11, 12 및 13으로 나누어지고, 각각 수평단면으로 부채꼴 모양, 즉, 환상의 단편모양이다.

이러한 실 10, 11, 12 및 13은 그 속에 충진된 촉매를 갖는 실 또는 열교환에 사용을 위한 실로서 사용되고, 하기에 설명될 것이다. 제1 및 2도에 설명된 예에서, 이들 실 10, 11, 12 및 13의 전부는 반응실로서 사용되고, 이들의 각각에 열-교환관 14가 배열되어 있고 촉매가 충진되어 있다. 이러한 실의 각각에서, 가스는 반경방향으로 유동되도록 유도된다. 반응실의 순서, 즉, 가스가 일련의 반응실 10, 11, 12 및 13을 통해 통과하도록 유도된 순서, 및 각 반응실에서 가스의 유동방향을 결정할 필요가 있다.

설명된 예에서, 반응실은(1) 제1반응실 10에서 반경적으로 외부를 향한 유동, (2) 제2반응실 11에서 반경적으로 내부를 향한 유동, (3) 제3 반응실 12에서 반경적으로 외부를 향한 유동, 및 (4) 제4반응실 13에서 반경적으로 내부를 향한 유동의 순서로 사용된다.

제1실 10에서 가스가 내부가스 유동경로 7A로부터 외부 가스유동경로 6A까지 반경적으로 외부를 향하도록 유발시켜, 나머지 반응실을 통한 가스흐름의 순서 및 각 반응실에서 가스의 흐름방향을 결정한다. 각 반응실에, 열교환관 14를 다수의 부분적인 환상군으로 배열하고 군은 외각 1 및 촉매 보유기 4 및 5의 공통중심축과 더불어 집중되어 있다. 즉, 각군의 열-교환관은 반응기의 공동축으로부터 같은 거리에 반경적으로 배치되어 있고, 이들은 호, 관의 군이 배열된 반응실의 호의 정도에 의존하는 길이, 예를들어, 제2도의 반응기에서 90°인 호를 따라 늘어서 있다. 더욱 더, 반응실을 통한 가스의 유동순서를 조절하기 위해, 외부가스 유동경로 6A 및 6B로 외부가 스유동공간을 나누는 반경적으로 외부로 확장된 외부분리벽 15가 설치되어 있다. 외부 분리벽 15는 제1 및 제4반응실 11, 13 사이의 격벽 9와 제2 및 제3반응실 11, 12사이의 격벽 9의 연장선과 반경적으로 한열에 배치된다. 내부 가스유동경로 7, 7A 및 7B를 한정하는 반경적으로 연장된 내부 분리벽 16은 (1) 제1 및 제2반응실 10, 11 사이의 격벽 9, 제3 및 제4반응실 12, 13 사이의 격벽 9 및 제4 및 제1반응실 13, 10 사이의 격벽 9의 연장선 위에 위치한다. 상기 언급된 것처럼 설립된 가스 유동경로와 일치하여, 공급가스 입구 17 및 반응 생성물 가스 출구 18은 각각 내부가스 유동경로 7A 및 7B의 상부 또는 하부끝에서 제공되고 상기 입구 17은 제1반응실로 전달되고, 상기출구 18은 제4 반응실 13으로 전달된다.

제1 및 2도에 설명된 예에서, 상기 언급된 것처럼 반응실 10, 11, 12 및 13의 각각의 배열된 열 교환관 14의 모든 상부 및 하부 끝은 분포배관구조 및 집합 배관구조로 연결되었다. 구체적으로 설명하여, 배관구조는 관 14로 연결된 제1배관 19A, 제2배관으로 제1배관이 열결된 제2배관 19C 및 파이프 19B로 구성되어 있다. 분포 배관구조 및 집합배관구조의 제2배관 19C는 각각 유체 입구 및 출구 파이프 20으로 연결되었다. 상기의 분포-집합계는 열-교환관 14를 통한 열교환유체의 유동이 구체적으로 상부로부터 하부로 또는 하부로부터 상부로 유동될 수 있는 것과 같이 가역적이다. 더욱더, 각 반응실 10, 11, 12 및 13에서 열-교환관은 다른 배관구조로 연결되었고, 열교환 유체가 각 반응실 10, 11, 12 및 13의 각각에 열교환관 14로 공급시키기 위해 관 20은 각 반응실을 위한 입구 파이프 및 출구 파이프이다. 반응기의 상부벽을 통해 각 반응실 10, 11, 12 및 13을 위한 촉매 충진파이프 21이 제공되고, 촉매-방출파이프 22는 각 반응실 10, 11, 12 및 13을 위해 하부벽 2를 통해 제공된다. 상기 제시된 구조를 갖는 본 발명의 반응기를 가동하기 위해, 원활한 반응을 위한 적당한 촉매가 반응기의 촉매-충진파이프 21을 통해반응실 10, 11, 12 및 13의 각각에 충진된다.

본 발명의 반응기는 반응중 및 반응후 공급가스 및 생성물에 잔류하는 가스상태의 공급가스가 있는 한 발열 및 흡열 반응으로 수행될수 있다. 반응기가 발열 반응으로 수행될때, 열-교환관 14를 통과하는 열교환 유체는 냉각유체로서 작용한다. 즉, 냉각유체의 온도는 반응하는 동안 촉매 및 반응가스보다 온도가 낮아야 한다. 본 발명의 반응기가 흡열 반응으로 수행될 때, 열-교환관 14를 통과하는 열-교환유체는 가열유체로서 작용한다. 여기서, 가열유체의 온도는 반응하는 동안 촉매 및 반응가스의 온도보다 높아야할 것이다.

제3도는 불활성기체 13.6몰 %를 포함하고 몰 비율 3:1로 혼합된 수소 기체 및 질소 기체로 구성되는 합성기체로부터 45kg/cm²G의 압력에서 상업적으로 이용되는 촉매의 존재하에 암모니아의 합성을 위해 반응 속도 및 반응온도 사이의 관계를 도식적으로 설명한다. 지적된 각각의 NH₃농도 및 350∼460℃의 범위의 각각의 온도를 위해 방정식(1)에 따라 얻어진 각 반응속도는 단일 곡선을 형성하기 위해 기입된다. 제3도에서 각각의 곡선은 상기 각각의 해당하는 곡선을 보여준 해당하는 암모니아 농도를 위해 상업적으로 이용되는 촉매를 사용하여 암모니아 합성반응의 반응속도 기준을 보여준다. 4.0% 또는 그 이상의 암모니아농도(하기의 모든 %는 특별히 다르게 명시되지 않으면 mole%이다)를 위하 각 곡선은 반응속도기준이 가장 큰 단일온도를 갖는다. 즉 암모니아 농도를 위한 최적온도이다. 방정식(1)에 관한 상기 언급된 반응을 위해 곡선의 각각에 해당하는 반응속도는 온도가 증가하거나 감소하든지간에 온도가 최적 온도로부터 멀어질 때 낮아진다. 암모니아농도가 3.0% 또는 그 이하일 때, 가장 빠른 반응속도를 일으키는 온도는 약 460℃이다. 그러므로, 이러한 곡선의 최적 온도는 제3도에 지적된 도표의 바깥쪽이다.

제3도에서, 선 T는 각 곡선의 해당하는 반응속도 값이 가장 큰 반응속도곡선위에 점을 연결하여 얻었다. 촉매 암모니아 합성의 경우에, 공급가스는 촉매상속에 충진하고 암모니아를 형성하기 위해 촉매와 접촉시키고, 증가된 암모니아 농도를 갖는 반응 생성물 가스는 촉매상을 이탈한다. 반응에 필요한 촉매의 양은 반응의 과정동안, 촉매상의 온도가 각 지역에서 존재하는 암모니아의 농도를 위해 최대 반응 속도를 유지시킴으로서 최소화할 수 있다. 다른말로, 각 지역에서 앞선 반응의 온도는 선 T위의 점에 해당할 것이다. 이것은 촉매상에서 최적온도 분포가 수직축으로 표시된 온도 및 수평축으로 표시된 촉매상의 위치대, 가스의 유동경로를 따라 촉매상의 입구로부터 거리와 같은 방법에서 곡선 T를 변형시켜 얻어진 곡선에 의해 표시할 수 있다.

암모니아 합성 반응은 발열반응이므로, 촉매상에서 온도가 반응기의 각 지역에 실제로 존재하는 암모니아의 농도에 해당하는 최적온도에서 유지되도록 발생하는 반응열을 제거할 필요가 있다. 촉매상을 통해 최적 온도분포를 유지하기 위해 반응가스 및 촉매의 온도는 반응이 진행하므로써 곡선 T를 따라 낮아지고 반응기체에 존재하는 암모니아의 농도는 높아진다. 이것을 얻기위해, 촉매상에 냉각 열-전환 표면을 제공할 필요가 있다. 촉매 및 반응가스 냉각을 위해 촉매의 m³당 요구되는 열-전환면적은 암모니아 농도가 같은 지역에서는 같으나, 요구된 이러한 열전환면적은 암모니아 농도가 다른 지역에서 같으나, 요구된 이러한 열 전환면적은 암모니아 농도가 다른 지역에서 다르다.

다수의 수직적으로 연장된 열-교환관은 열교환관을 통해 유동되도록 냉각유체를 공급하고, 촉매상의 가스입구로부터 거리에 의해 결정된 것처럼필요한 최적수의 열교환관을 각 세트로 각각 환상으로 배열하고 촉매상의 중심축에 집중되게 각 황상군을 배열한 수직, 원통내, 촉매상을 통해 반경방향으로 공급가스를 일정하게 유동시켜, 전체적으로 상기 제시된 최적 온도분포를 정하고 같은 최적온도에서 같은 암모니아 농도를 유지가능하다. 가스가 반경적으로 원통내부로부터 원통 외부까지 원통내 촉매상을 통해 유동될 때 열-교환관이 배열된 환의이 주변길이는 원통내 촉매상의 반경적으로 외측을 향한 방향에서 보다 길다. 따라서, 반경적으로 내측 근처의 환보다 반경적으로 외측근처의 환위에 열-교환관이 더 위치할 가능성이 있고, 촉매상의 반경적으로 내측으로부터 반경적으로 외측으로 이동함으로써 반응가스의 온도를 연속적으로 떨어뜨리고, 상기에 언급된 것처럼 촉매상에서 최적온도 분포를 달성한다. 최적온도분포의 달성은 예를들어, 암모니아 또는 매탄올이 합성되는 반응압력을 낮출수있다. 몇가지 경우에, 반대방향으로 즉, 반응형태에 의존하는 반경적으로 외측으로부터 반경적으로 내측으로 공급가스를 유동시키는 것이 바람직하다.

상기-언급된 일본특허공개공보 149640/1980, 및 대응하는 미합중국 특허 4, 321, 234호는 상기에서 제시된 원리에 기초를 둔 반응방법을 실행하는데 유용한 반응기 및 반응방법을 발표하였다. 그러나, 이 방법에서 공급가스는 환상의 촉매상을 통해 모두 한 반경방향으로 연속적으로 통과시킨다. 즉, 각 열-교환관의 세로방향에 수직방향으로 유동되는 가스의 선형 속도는 느리고, 열교환관의 벽을 통해 유동되는 열의 전체 열-전환상수는 작게되고, 이러한 많은 열-교환관은 각 환에서 요구된다.

상기 언급된 것처럼, 본 발명은 상기 제안된 반응방법의 상기-제시된 결점을 개량하였다. 가스 유출의 선형속도는 증가시킬 수 있고 전체 열-전환상수는 제1 및 2도에 제시된 것처럼 다수의 반응실속에 수직격벽 9에 의해 원통내 촉매상을 나눔으로서 증가시킬수 있으므로, 각 반응실에서 최적온도 분포를 유지하면서 같은 양의 촉매를 사용하는 열-교환관의 수를 줄일 수 있다. 예를들어, 촉매상이 제1 및 2도에 보여준 것처럼, 같은 크기의 4개의 반응실로 나누어질 때, 가스의 선형 속도는 4배 빨라지고 전체 열-전환상수는 실질적으로 적어도 2배 증가한다. 즉, 열-교환관의 수는 상기 제안된 방법에 따라 같은 공정을 위해 요구되는 수와 비교하여 적어도

로 감소할 수 있다. 열-교환관의 수의 이러한 감소는 열-교환관 자체를 보호하고, 또한 열-교환관 추가에 의해 점유할 수 있는 부피까지 반응기의 크기를 줄일 수 있다. 부가해서, 본 발명의 개량으로 상기-언급된 집합 및 분포 배관을 단순화 한 구조가 가능하다. 즉, 반응기의 건설을 위해 요구되는 재료를 절약할 수 있고 반응기의 제조에 필요한 인력을 줄일 수 있어, 반응기의 전체 건설비용을 줄인다.

더욱 더 본 발명에 따른 반응기의 장점은 열-교환관의 전체 열-전환상수를 증가시킴으로서, 심지어 원통내 촉매상의 반경적으로 내측에 접근한 지역에서도 충분한 열-교환용량을 갖는 것이 가능하므로 디자이너가 원통내 촉매상을 통해 반경적으로 외측으로 또는 반경적으로 내측으로 공급가스가 유동될 수 있도록 자유롭게 선택할 수 있다.

많은 구체화는 본 발명에 따른 반응방법 및 반응기로써 계획되었다. 본 발명은 하기에서 구체화 설명을 참고로 자세히 제시될 것이다.

제4a∼4f도는 여러 가지 원통내 촉매상 배열의 도식적인 수평단 면도이다. 제4a∼4f도는 촉매상을 통과하는 가스의 방향을 참고로 설명될 것이다.

제4a도는 일본특허 공개공보 149640/1980 및 대응하는 미합중국특허 4,321,234에 이미 제안된 방법을 예시하였다. 제4a도에서, 단지 1개의 반응실이 제공되었고, 실은 가스-투과성, 원통형 외부 촉매보유기 4에 의해 한정된 원통내 촉매 10으로 구성되어 있고, 외부촉매 보유기 4내에 제공된 가스-투과성 원통형 내부 촉매보유기 5가 외각 1내부에 배열되었다. 다수의 수직 연장된 열-교환관(보이지 않음)은 촉매보유기 4 및 5의 공동중심축으로 집중된 환상군으로 반응실에 배열되었다. 공급가스는 외부 가스유동경로 6 또는 내부가스유동경로 7로 공급되고 반경적으로 외측으로 또는 반경적으로 내측으로 모두 반경방향으로 연속적으로, 일정하게 유동된다. 즉, 가스는 촉매상의 단면의 전체환상범위를 통해 통과한다.

본 발명에서, 공급가스는 하기에 제시될 환상의 단편 모양을 갖는 부분으로 원통내공간 10을 나눔으로서 제공된 적어도 2개의 분리된 반응실을 통해 통과한다. 제4b도는 원통내촉매상이 두 개의 반응실 10, 11로 반경적으로 연장된 2개의 수직격벽 9에 의해 분리된 발명의 구체화 설명이나 설명된 구체화에서, 내부촉매 보유기 5내의 반응기의 중심부는 예를들어 공급가스선가열을 위해 적용된 열-교환기 설비를 위한 공간으로써 이용되지 않는다. 즉, 내부장벽 8이 제공되지 않는다. 대신, 내부 분리벽 16은 두 경로 7A 및 7B로 내부 가스유동경로 7을 나눈다. 분리벽 16은 격벽 9의 반경적으로 내부 끝까지 연결되었다. 공급가스는 제1반응실 10을 통해 내측으로부터 반응기의 외측으로 연결된 내부 유동경로 7A로부터 반경적으로 외측으로 첫번째 유동된다. 그 다음 가스의 외부가스 유동경로 6을 통해 운반되고, 결과적으로 연결되는 내부 유동경로 7B로 외축으로부터 내측으로 제2 반응실 11을 통해 유동한다.

제4c도는 원통내 촉매상이 3개의 같은 부분으로 분리된 더 구체화된 설명이다. 이러한 구체화에서, 원통형 내부 수직장벽 8은 그의 중심공간이 높은 온도 생성가스로부터 열로 공급가스를 선가열하기 위해 열교환기의 설치를 위한 공간으로써 사용될 수 있도록 제공되었다. 내부 장벽 8 내부에 제공된 선가열 열-교환기는 제4c도에 제시되지 않았으나 후에 설명할 것이다. 반경적으로 외측으로 연장된 외부 분리벽 15 및 반경적으로 연장된 내부 분리벽 16은 각각 외부 가스 유동경로 6A, 6B 및 내부가스 유동경로 7A, 7B를 한정하기 위해 제공되었다. 즉, 공급가스는 내부 가스 유동경로 7A로부터 제1반응실 10을 통해 반경적으로 외측으로 통과하고, 외부 가스유동경로 6A을 통해 시계방향으로 유동하고, 제2 반응실 11을 통해 반경적으로 내측으로 유동하고, 내부 가스 유동경로 7B을 통해 유동하고, 제3반응실 12을 통해 반경적으로 외측으로 유동하고, 마지막으로 제3 반응실 12과 연결된 외부가스 유동경로 6B을 경유하여 반응기 밖으로 유동한다.

제4b 및 4c의 상기 두 구체화에서, 원통내 촉매상은 같은 크기의 반응실에 각각 위치해 있다.

제4d도는 원통내 촉매상이 다른 크기의 반응실에 위치한 본 발명의 더 구체적인 설명이다. 설명된 구체화에서, 공급가스는 내부가스 유동경로 7A로부터 제1, 반-환상의 반응실 10을 통해 반경적으로 외측으로 유동하고, 외부가스 유동경로 6A을 통해 시계방향으로 유동하고, 제2 반응실 11을 통해 반경적으로 내측으로 유동하고, 내부가스 유동경로 7B을 통해 유동하고, 그 다음 외부가스 유동경로 6B로 제3반응실 12을 통해 반경적으로 외측으로 유동한다.

제4e도에서, 반응가스는 전체 4개의 반응실중 2개를 통해 평행하게 유동된다. 공급가스는 내부 유동경로 7A로부터 제1반응실 10을 통해 반경적으로 외측으로 유동하고, 결과적인 가스흐름은 외부가스 유동경로 6A에서, 각각 시계방향 및 반시계방향으로 유동하는 두부분으로 나누어 진다. 그후, 분리된 2개의 가스 흐름은 평행유동 및 2개의 제2반응실 11A 및 11B을 통해 반경적으로 내측으로 통과한다.

이러한 두 가스 흐름은 내부가스 유동경로 7B에서 결합하고 얻어진 단일 가스 흐름은 외부가스 유동경로 6B로 제3반응실 12을 통해 반경적으로 외측으로 통과한다.

제4f도에서, 가스는 내부 유동경로 7A로부터 제1 반응실 10을 통해 반경적으로 외측으로 유동하고, 외부유동경로 6A을 통해 시계방향으로 유동하고, 제2반응실 11을 통해 반경적으로 내측으로 유동하고, 내부유동경로 7B을 통해 유동하고, 제3 반응실 12을 통해 반경적으로 외측으로 유동하고, 외부유동경로 6B을 통해 시계방향으로 유동하고, 내부 유동경로 7C로 제4 반응실 13을 통해 반경적으로 내측으로 유동한다.

본 발명의 상기 구체화에서, 반경적으로 연장된 외부 분리벽 15 및 반경적으로 연장된 내부 분리벽 16은 상기 제시된 가스의 유동경로를 조절하기 위해 외부가스 유동경로 6A 6B 및 내부가스 유동경로 7A, 7B, 7C로 한정하기 위해 제공되었다. 상기 설명된 구체화에서, 가스는 제1반응실 10의 각각에서 반경적으로 외축으로 유동한다. 그러나, 이것은 상기 제시된 제1반응실 10의 각각에서 가스유동의 방향이 전환되는 본 발명의 범위내에 있다. 가스가 제1반응실 10의 각각에서 반대방향으로 유동할 때, 다른 반응실에서 가스의 유동방향은 또한 이에 해당하는 반전된 방향이다. 이러한 전환의 설명은 앞서 제시된 공지의 기술에서 명백하고 따라서 본 발명에서는 생략한다. 제4b∼4f도에 제시된 방법에 부가해서 촉매상을 분리하는 다른 동등한 방법은 이 분야의 공지된 기술에서 더 명백해질 것이다.

본 발명에서, 반응실로서, 상기 제시된 것처럼 수직 격벽에 의해 일본특허공개공보 149640/1980에 촉매상으로서 사용된 원통내 공간을 나눔으로써 형성된 모든 반응실을 사용하는 것은 항상 필수적이진 않고, 실은 수평단면으로 환상의 단편 모양이다. 실의 약간은 상기 제시된 것처럼 공급가스의 선가열을 위한 열-교환 설비를 위한 공간으로서 및/또는 단지 몇개의 또는 한개도 없는 열-교환관을 설치한 실로서 사용된수 있고, 원하는 온도까지 공급가스이 온도를 올리기 위해 반응열을 허락하도록 촉매로 충진하였다. 실의 후자의 이용은 반응가스에 존재하는 암모니아의 농도가 낮은 단계인 최적 반응온도가 합성반응의 최초단계에서 촉매의 작용온도 범위의 하한선보다 상당히 높은, 제3도를 참고로 상기 제시된 암모니아 합성과 같은, 발열반응에서 사용될 동안 반응의 발열에 의해 최적 반응온도까지 어느정도로 이미 선가열된 공급가스를 더욱 더 선가열하기 위한 방법으로서 효과적이다. 상기 선가열 방법은 상당한 정도로 흡열 반응열의 제거를 최소화하여 실질적으로 단열반응으로서 반응을 효과적으로 수행할 수 있다.

대안으로, 상기 제시된 단열 반응실로서 이용되는 가스 및 두실의 온도를 조절하기 위한 열-교환관을 포함하는 비-단열 반응실로서 이용되고, 두계열의 유동을 설립하기 위해, 두 부분으로 공급가스를 나누고 열교환관(비-단열 반응실)을 함유하는 적어도 1개의 반응실 및 한 단열 반응실을 통해 분리된 각각의 부분으로 유동되는 예를들어 2, 4, 또는 6개의 실로 원통내 공간을 분리하는 것은 가능하다.

상기 방법은 작용이 1개의 단열반응실 및 적어도 1개의 비-단열 반응실의 단지 한계열에서 최적 온도분포를 유지하고 공급가스를 유동시키고, 다른 계열로 공급가스의 유동을 정지시킴으로서 아직도 유지될 수 있기 때문에, 공급가스의 양이 작동의 편리함을 위해 상당히 줄어들때 유용하다.

본 발명에서 열-교환관을 통과하는 열-교환유체는 가스, 액체, 또는 가스 및 액체의 혼합일수 있다. 이러한 유체는 본 발명과 일치하여 수행되는 화학반응이 발열반응일때 냉각유체로써 사용된다. 또한, 이러한 유체는 화학반응이 흡열반응일때 가열 유체로서 사용된다. 액체 물질인유체는 12℃이하에서 바람직하다.

열-교환유체가 냉각유체일때, 유체는 두가지 방법, 즉, 유체의 온도가 증가함으로써 흡수된 감응열의 사용하거나 또는 액체의 온도를 증가시킴 없이 액체유체의 증발잠열을 사용함으로써 사용될 수 있다. 가스가 냉각유체로서 사용될때 가스의 온도가 증가하는 흡수된 감응열의 사용하는 것이 단지 가능하다. 이러한 냉각 가스가 사용될때, 냉각가스는 단위부피당 비교적 소량의 열을 흡수할 수 있기 때문에 큰 부피로 열교환관을 냉각가스로 통과시킬 필요가 있다. 화학반응이 비교적 소량의 열을 방출할때 단지 냉각가스의 사용이 적당하다. 가압상태에서 이러한 냉각가스를 사용하는 것은 더 효과적이다. 냉각가스는 상부로부터 하부까지 또는 반대방향으로 열교환관을 통과할 수 있다.

액체가 냉각유체로서 사용될때 액체의감응열 및 증발의 잠열이 모두 사용할 수 있다. 이러한 냉각액체는 냉각액체의 감응열이 이용될때 상기-언급된 것과 같은 방법으로 사용될 수 있다. 액체의 온도가 증가할때 흡수된 열의 양은 냉각가스에 의해 흡수된 해당하는 열보다 훨씬크기 때문에, 냉각가스와 비교하여 이러한 냉각 액체의 감응열의 이용함으로써 더 큰 냉각 효과를 얻는다.

화학반응이 발열반응일때 반응에 의해 생성된 열은 출발물질을 예열하는데 효과적으로 이용될 수 있다. 예를들면 출발물질로서 천연가스를 사용하여 암모니아를 생산하는데 있어서 스팀재생반응에 사용되는 수소기체를 임의로 함유할수 있는 가압된 천연기체를 예열하는데, 또는 물을 냉각유체로서 사용할때 그로부터 스팀을 제조하기 전에 물을 예열하는데 사용될 수 있다.

상기의 마지막 구현에서, 냉각액체는 공급기체 기류가 통과하는 최종반응실에서 그의 비점 및 압력에 있는 것이 바람직하다.

반응기에서 수행되는 화학반응이 흡연반응일때, 흡열반응이 일어나는 온도보다 높은 온도를 갖는 가열유체가 사용되며, 가열유체는 분리된 단계에서 제조된다. 매우 높은 반응온도에서 진행되는 흡열반응에서, 반응계를 가열하기 위해 가열기체의 감응열을 이용하는 것이 특히 효과적이다. 이 경우, 반응압력과 가열기체의 압력 사이의 차이를 최소로 하는 것이 필요하다. 또한 최종 반응실은 반응이 발열이건 흡열이건 관계없이, 유체가 액체형태일때 열교환유체를 예열하기 위해 사용될 수 있다.

본 발명에 있어, 유체의 감응열보다는 열교환관을 통과하는 유체의 증기화 및 축합잠열을 사용하는 것이 더 효과적이다. 발열화학반응이 본 발명에 따라 수행될때, 냉각 액체의 증기화 잠열을 냉각액체에 의해 이용될 수 있으며, 냉각액체의 압력은 발열 화학반응의 반응온도보다 낮은 온도에서 비등하도록 열교환관을 통해 상층으로 흐르는 냉각액체를 맞춘다. 이것은 액체가 발열 화학반응에 의해 생성된 열을 흡수하기 위해 열교환관에서 비등 및 증발하기 때문이다. 이 경우 냉각액체의 온도를 냉각액체가 반응실의 열교환관의 하부로 들어갈때 선택된 압력에 대한 그의 비점까지 상승시키는 것이 필요하다. 그러므로 보통의 경우 열교환관에 존재하는 냉각액체는 액체 및 반응열을 흡수함으로써 발생된 증기를 함유하는 혼합상으로 전환된다. 액체의 고온, 고압 증기는 혼합상을 내부 또는 외부반응기가 제공된 분리기에 의해 증기상 및 액상으로 분리한 후, 액상을 냉각시키지 않고 열교환관의 하부로 재순환시킴으로써 수득될 수 있다. 반응에 의해 생성된 열의 양이 매우 클때 액체의 증기화 잠열이 크게 때문에 냉각액체의 잠열을 이용하는 것이 특히 효과적이다. 증기화되지 않은 액체는 소위 자연 재순환 방법 또는 강제 재순환 방법에 의해 분리기로부터 열교환관의 하부까지 재순환될 수 있다. 전자의 방법에서, 증기화되지 않은 액체는 하강 중력에 의해 유동시킴으로써, 예를들면 반응기의 윗부분 또는 반응기보다 높은 외측에 분리기를 놓고, 열교환관에 존재하는 상술한 혼합상 냉각유체의 밀도가 액체 그 자체의 밀도보다 작다는 사실을 이용함으로써 재순환된다. 강제 재순환방법에 따라, 증기화되지 않은 액체는 펌프를 사용하여 재순환된다. 자연 재순환방법이 사용될때, 냉각액체가 비등하면 상술한 혼합상의 밀도가 액체 그 자체의 밀도에 접근하기 때문에 유체의 압력이 너무 높을때 증기화되지 않은 액체의 자연 재순환을 어렵게 하기 위해 150kg/cm²G 이하의 냉각유체 압력을 사용하는 것이 필요하다. 자연 재순환은 수소 및 질소로부터 암모니아를 합성하는데 바람직하다. 강제 재순환 방법이 사용될 때 상한선이 없으나 200kg/cmG 이하의 압력이 사용될수 있다.

상술한 방법에 따라 수득된 스팀과 같은 고온, 압고증기는 다른 단계에서 다른 재료 또는 물질을 가열하거나 터빈에 의해 힘을 발생하기 위해 사용될 수 있다. 이들 방법중 하나는 발열 반응의 열을 회수하거나 효과적으로 이용한다. 이 경우, 냉각액체를 최종반응실의 열-교환에서 그의 비등온도로 예열한 후, 냉각액체가 증기화되는 열교환관에 냉각액체 추가량을 공급하는 것이 바람직하다. 흡열반응에서 잠열의 이용은 증기의 온도가 흡열반응온도보다 높은 액체의 증기를 가열유체로서 열교환관의 상부에 제공하고, 열교환관에서 증기를 축합한 후, 축합의 방출열을 사용하여 반응기체 및 촉매상을 흡열반응의 최적온도에서 유지함으로써 수행될 수 있다. 이 경우, 일반적으로 증기의 온도를 반응온도보다 높게하기 위해 가압증기를 사용하는 것이 필요하다. 축합에 의해 생성된 액체를 열교환관의 하부로부터 뽑아낸다.

반응 온도가 높을때, 반응이 발열이건 흡열이건간에 상관없이 잠열을 이용하는 그후의 모든 방법에 높은 액체 압력이 필요하다. 그러므로 어떤 경우 경제적 단점을 야기시키는 반응압력 및 유체압력사이의 큰 차이를 조절하기 위해 큰 벽두께를 갖는 열교환관을 사용하여야 한다. 이와 같은 경우, 저압에서 액체의 잠열을 이용하기 위해 높은 비점을 갖는 액체를 사용하는 것이 바람직하다.

상기 방법이 비교적 높은 온도에서 수행되는 발열반응에 이용될때, 회수된 반응열을 고온 및 비교적 저압인 상기 생성된 증기 및 증기로 전환된 액체보다 낮은 비점을 갖는 또 다른 액체를 열교환기를 따로 제공함으로써 열교환시키고, 증기가 약간 낮은 온도 및 매우 높은 압력을 갖는 다른 액체의 증기를 수득한 후, 다른 액체의 고압증기를 터빈에 공급함으로써 전력을 생산하는데 효과적으로 사용될 수 있다. 이런 압력 전환방법은 150℃이상의 비점을 갖는 냉각액체가 사용될때 고온의 반응에 효과적이다. 이 경우, 저압의 증기는 따로 제공된 열교환기에서 축합된다. 생성된 액체 축합물은 반응기의 반응실에서 열교환관의 하부로 재순환 될수 있다.

반응실에서 최적의 온도 분포는 일반적으로 상기 기술한 바로부터 명백하게 알 수 있듯이, 한 반응실로부터 또 다른 반응실이 서로 달라야만 한다. 이로인해, 열 교환관과 이들 관 직경의 배열을 변경시키고, 또한 상기 언급한 바와 같은 열교환관을 통과하는 유체조건, 즉, 온도, 압력, 유출비, 형태 및 한 반응실로부터 또 다른 반응실로 유출하는 유체 등의 상태를 조절함에 의해서 더욱 바람직한 본 발명의 목적을 성취할 수 있게된다. 이와 같은 점을 고려한 결과, 반응을 개시하기 위해서 상기 언급한 최적의 온도 분포를 이들에 설정하는 것과 같은 방법으로 각 반응실에 대해 열 교환관의 배열을 결정한다. 그러나 동일한 조건을 사용하고 또한 각 반응실의 열교환관에 대해 단일 형태의 유체를 사용하는 것이 소망되며, 특히 유체를 수집 또는 분배하고 유체를 각각의 상응하는 반응실내의 열 교환관 내외로 유출을 야기하기 위하여 각각의 반응실에 대해 분리 집합배관 또는 분포배관을 제공하는 것이 소망된다. 반응이 이의 최적온도분포로써 심한곡선을 가지고 또한 반응가스를 이와 같은 두개 이상의 실내에 동일한 방향으로 유출을 야기함에 의해서 반응을 복수의 반응실에서 수행할시 유체를 상기 언급한 바와 같은 동일한 방법으로 열교환관내외로 유출을 야기하기 위해서 양 실내에 동일한 주기로 배열된 각 그룹의 열교환관에 대해 분리, 집합 또는 분포 배관을 제공하는 것이 몇몇의 경우에 더욱 편리할 수도 있다.

어떠한 열교환 유체도 반응기를 부식하지 않는 한 본 발명의 열교환관에 사용할 수 있다. 그러나, 유체는 발열반응의 열을 제거 또는 흡열반응에 필요한 열을 공급하는데에 충분한 양으로 열 교환관을 통하여 유출하도록 하는 것이 필요하다. 이런 관점에서 볼때, 이것은 유체의 압력을 변환시킴에 의해서 열교환을 효과적으로 수행하는데 필요하게 되며 반응온도와 다르게 선택된 온도 차이에 의해 더 높거나 또는 더 낮은 소망된 온도에서 농축 또는 비등할수 있는 액체를 사용하는 것이 가장 중요하다. 즉, 상기 열교환 유체로써 12℃ 또는 그 이하의 융점을 갖는 유체를 사용하는 것이 바람직하다. 이와 같은 조건을 만족할수 있으며 또한 상대적으로 저렴한 액체의 예로서는 물, 100 내지 350℃ 온도 범위의 비점을 갖는 포화 지방족탄화수소류, 염소화 방향족 탄화수소류, 디페닐과 디페닐과 디페닐옥사이드의 혼합물, 알킬벤젠류, 알킬나프탈렌류, 및 이의 혼합물 등을 열거할 수도 있다.

본 발명에 있어서는 반응기는 구조에 대해 많은 구현을 나타냈다. 부수적인 반응기의 구조에 대해서는 차후에 기술하였다. 본 발명에 의한 반응기에 있어서, 제1도 및 제2도에 도시한 외각 1은 내압성 외각으로될 수 있다. 그러나, 내압성반응기의 내압성외각은 공정작동중에 승온으로 가열된다. 이와 같은 반응기를 예를들면 수소가스와 질소가스로부터 분리된 암모니아의 합성물로 사용할시 승온에서 내압성 외각은 높은 부분압력의 수소 가스와 직접적인 접촉을 가져오므로, 이로 인해 외각을 만든 강철에 수소 메짐성 현상을 증진시키는 위험을 촉진하게된다. 이 경우에 있어서는 (1) 내부 직경과 내부용적 모두가 반응기보다 어느 정도 더 큰 내압성 밀폐베셀중에 제1도 및 제2도에 도시한 반응기를 장착하고; (2) 완전하게 예열하지 않고 또한 상대적으로 낮은 온도로 있는 공급 가스를 내압성 베셀의 내벽과 반응기의 외벽 사이의 공간을 통해 통과하도록 유발시키고; (3) 상기 공간을 통해 통과하는 공급가스를 반응기중에 제공된 상기 언급한 열교환기의 수단에 의해 소망된 온도로 예열하고; 또한 (4) 단열반응실 및 열교환관을 포함하는 하나 이상의 반응실(비단열 반응실)을 유발함으로써 외각의 수소 메짐성을 방지하는 것이 가능하게 된다. 상기 방법은 공급 가스의 양이 공정조작의 간편화를 위해 현저하게 감소되어 지게될때 공정조작은 공급가스를 유출하고 또한 단지일련의 단열반응실과 하나이상의 비단열반응실 유지함에 의해서 계속행할 수 있기 때문에, 또한 공급가스의 유출을 다른 열에 정지시킴에 의해서 계속 행할수 있기 때문에 유용하다.

본 발명에서 열교환관을 통과하는 열교환 유체는 가스, 액체이거나 또는 가스와 액체의 혼합물일 수 있다. 이 유체는 본 발명에 따라 수행되어지는 화학반응이 발열반응일때 냉각유체로써 사용된다. 이로인해, 반응온도보다 더 낮은 온도에서 냉각유체를 상기 언급한 바와 같이 사용한다. 이와 상응하게, 이 유체는 화학 반응이 흡열 반응일때 열유체로써 사용된다. 12℃에서 또는 그 이하의 액체로 있는 지지물인 유체가 바람직하다.

열교환 유체가 냉각 유체일시, 유체는 두가지 방법으로 사용될 수 있는데, 즉 이 방법은 반응개시하는 촉매로 충만된 제일 반응실내에 유출하는 예열한 공급가스로써 흡수된 감응성 열을 사용함에 의해 이룰수 있다.

제5도 및 제6도는 본 발명에 의한 반응기의 구현을 더욱 기술한 것이다. 제5도에서 우측은 원칙적으로 열교환관, 분배배관, 집합배관, 및 유체투입과 유체 배출파이프를 나타낸다. 격벽과 외각의 구조는 좌측에 도시하였다. 제5도 및 제6도에서, 숫자 51은 내압성 베셀을 나타낸다. 숫자 1은 반응기의 외각을 나타낸다. 더욱 구현하면, 외각 1과 각각 연결되어 있는 하부 및 상부의 2와 3은 내압성 베셀 51의 상부 및 하부벽을 또한 포함하고 있다. 열절연물질은 내압성 베셀 51과 외각 1 사이의 모든 환상공간내로 충만된다. 숫자 4는 외부 가스침투성촉매 용기를 나타내는 반면에 이와 유사한 내부 촉매용기는 숫자 5로 나타낸다. 각각의 촉매용기 4, 5는 이들에 복수의 구공을 갖는 원통상 벽과 하나 또는 두개의 쉬이트의 와이어 멧쉬를 포함한다. 숫자 6과 7은 각각 외부가스 유출통로와 내부가스 유출통로이다.

외부 촉매용기 4와 내부촉매 용기 5 사이의 상호 원통형공간은 제1 반응실 10, 제2 반응실 11, 제3 반응실 12 및 제4 반응실 13내에 4개의 반경방향으로 연장하고 있는 수직 격벽 9로 분리된다. 두 개의 반경방향으로 연장하고 있는 외부 분리벽 15와 세 개의 반경방향으로 연장하고 있는 내부 분리벽 16은 각각 공급 가스입구 17로부터 공급된 가스가 제6도에 화살표로 도시한 바와 같이 제1, 제2, 제3 및 제4반응실을 통하여 유발할 수 있도록 하기 위해 외부 가스 유출통로 6A와 6B 및 내부가스유출통로 7A, 7B와 7C를 한정하는데 제공되며, 또한 생성 가스출구 19를 통하여 반응기의 유출을 허용한다. 오리피스 형태를 나타내는 투공판 23은 제1 및 제2 반응실 10, 11을 분리하는 격벽 9와 제3 및 제4 반응실 12, 13을 분리하는 격벽 9와 같이 외향의 반경방향으로 연장하고 있는 연장부와 상응하는 위치에서 외부가스유출통로 6A, 6B에 제공되며 이러한 목적은 투공판 23이 가스의 유출에 어느정도 저항성을 받기 때문에 각 반응실 10, 11, 12, 및 13에서 반경방향으로 균일하게 유출할 수 있는 가스를 유발시키기 위한 것이다.

반응기의 내부를 검사 및 보수를 촉진시키기 위해서는 반응실을 분리한 각 격벽의 상부 및 하부 부분을 각각 이동성부분 9A와 9B로 제공하고, 이것은 이들이 각 격벽의 중간부위의 상부 및 하부단부분 24, 25에 이들 각 하부 및 상부단에서 부착될 수 있도록 구성되어 있다. 이동성부분 9A, 9B의 부착을 위한 돌출은 하부 및 상부 벽 2, 3의 내부표면과, 볼트와 낮트의 기구에 의해 내부가스 유출통로 7A, 7B 및 7C를 나타내는 환상부재의 상부 및 하부단부위의 외부 표면에 제공된다.

더우기, 외부 가스유출통로 6A와 6B에 제공된 반경방향으로 연장하고 있는 외벽 15의 외부단 부분은 외각 1과 반응실 10, 11, 12 및 13 사이의 온도 차이의 때문에 격벽 9에서 증진될 수 있는 열응력을 발생할 수 있도록 곡선화되어 있다. 이와 같은 목적으로 오리피스를 나타내는 투공판 23은 제6도에 도시한 바와 같이 외각 1의 내부에 상응하는 위치에서 제공된 돌출한 형태로 나타나 있는 슬롯트내에 고정되어 있다. 이러한 이유는 어느 정도의 가스누출이 오리피스를 나타내는 투공판 23의 가스유출통로의 위치에서 허용되기 때문이다. 촉매 흡입파이프 21은 검사 및 보수용 맨홀로써 사용된다. 촉매 배출파이프 22는 또한 맨홀로써 사용된다.

복수의 열교환관 14는 촉매용기 4, 5의 모두의 표준 중심축과 동심으로 있는 부분 순환그룹에 수직으로 배열되어 있다. 열교환관은 순환형, 계란형 또는 타원형과 같은 수평 단면에서 여러 가지 형태를갖 는다.

타원형 또는 계라형 수평단면을 갖는 관은 전자의 단어 이들 전체에 걸쳐 열전도 계수를 증가시키기 때문에 순환 수평단면을 갖는 관과 바람직하게 비교된다. 이들 열교환관 14의 상부단과 하부단은 각각 서로 상통되고 있으며 또한 상응하는 집합 및 분포 배관구조 19와 연결되어 있다. 제5도 및 제6도를 더욱 구현하는데 있어서, 별개의 집합 및 분포 배관구조 19는 각 반응실에 제공된다. 유체가 열교환관 14를 통하여 하향으로 유출을 야기할 때, 상부 배관 구조 19는 하부 배관 구조 19가 집합 배관으로써 사용되는 반면에 분포 배관으로써 사용된다. 이들 분포 배관과 수집 배관구조는 서로 상통되어 있으며 또한 유체의 유출방향에 따라서 각각 입구 및 출구 파이프 20과 연결되어 있다. 유체가 열교환관을 통해 하향으로 유출을 야기할 때 하부 배관구조 19는 분포 배관으로써 사용되는 반면에 상부 배관구조 19는 집합 배관으로써 사용된다. 이와 유사하게, 유체가 하향으로 통과할 때, 상부 파이프 20은 입구파이프로써 사용되는 반면에 하부 파이프 20은 출구 파이프로써 사용된다. 이와 반면에, 유체가 상부로 유출할 때, 하부 파이프 20은 입구 파이프로써 사용되며 또한 상부 파이프 20은 출구 파이프로써 사용된다.

분포 배관 구조와 집합 배관 구조 19 각각은 두개의 기본적으로 다른 구조 즉, 원칙적으로 관상 부재이거나 또는 판형상 부재를 사용하는 구조이든지간에 이들에 따라서 구조될 수 있다. 제5도 및 제6도에 도시한 분포 및 집합 배관구조 19는 순환 단면의 관상부재로 만들어진다.

더욱 구현하는데 있어서, 거의 동일한 구조로 있는 집합배관과 분포 배관구조 19는 반응기의 수직 중심평면에 대해 대칭적으로 위치하고 있다. 이로 인해, 단지 집합 배관 구조 19만을 하기에 상세하게 기술하였으며 관 14에서 상부 유체 유출을 예측할 수 있다.

제1집합관 19A는 다수의 열교환관 14와 연결된다. 제1집합관 19A는 상응하는 열교환관 14가 상응하는 반응실과 연결된 원의 호를 따라 구부러진다. 제1집합관 14는 실제로 수평으로 위치한다. 연결관 19B는 각각의 제1집합관 19A를 제2수집관 19C와 결합시킨다. 각각의 제1집합관 19A를 위하여 적어도 하나 이상의 연결관 19B를 사용하는 것이 필요하다.

제2집합관 19C는 수평이며 실제로 반경 방향으로 연장되어 유체배출 파이프 20과 연결된다. 제1집합관 19A, 연결관 19B 및 제2집합관 19C의 수 및 배열은 연결된 반응실에 배열된 열교환관의 수 및 분포에 따라 적절히 조절된다.

반응기의 크기가 크거나 또는 많은 양의 반응열을 방출하는 반응을 행하기 위하여 적용되는 경우, 다수의 열 교환관이 각 반응실에 필요하며, 제3집합관, 제4집합관 그리고 제4집합관 그리고 제3 및 제4집합관을 연결하는 연결관(도면에 나타나 있지 않음)을 제공하는 것이 바람직하며, 제2집합관 19C와 상응하는 유체 배출 파이프 20 사이의 전달을 위하여 전술한 관들을 추가함으로써 각 반응실내 다수의 열교환기가, 상술한 바와 같이 추가의 집합관 및 연결관을 사용함으로써 상응하는 반응실을 위하여 제공된 유체 공급 및 유체 배출 파이프 20에 쉽게 연결될 수 있다. 다수의 열 교환관이 작은 경우, 제2집합관 및 연결관 19B가 생략될 수 있으며, 이렇게 함으로써 유체배출 파이프 20이 다수의 분지 파이프로 나누어지며 제1집합관 19A가 상응하는 분지 파이프와 결합된다.

제7도는 실질적으로 직사각 횡단면의 관상 부재인 제1차 집합관 19A의 예이다. 열 교환관 14의 배열에 따라, 제1차 집합관 19A와 같은 직사각형 횡단면을 갖는 관상부재를 사용하여 1차 집합관 19A와 결합된 열교환관 14 사이에 연결시킬 수 있다. 이 구현에서 원형의 횡단면을 갖는 관상 부재가 연결관 19B, 제2집합관 19C 및 연결관 19B와 연결된 다른 관으로서 어려움 없이 사용될 수 있다.

반응열을 대량 방출하고 다수의 열 교환관이 필요한 반응을 행하기 위하여 반응기가 사용되는 경우, 다수의 제1차 집합관 19A, 어떤 경우에 있어서는 제2차 집합관 19C를 사용할 필요가 있다. 이 경우, 제1차 집합관 19A 또는 제2차 집합관 19C는 제1도에서와 같이 다른 위치에서 양자 택일로 배열되어 1차 집합관 19A와 그들의 상응하는 열교환관 14와의 연결, 1차 집합관 19A와 그들의 상응하는 연결관 19B 사이의 연결, 또는 연결관 19B와 그들의 상응하는 2차 집합관 19C 사이의 연결을 행할 수 있다.

제8도 및 제9도는 근본적으로 판상 부재로 만들어진 집합 또는 분포 배관의 예이다. 제8 및 9도의 예는 집합 배관이다. 제1차 집합배관 19A는 판상부재로 만들어지며 각각 상부 및 하부판 19D 및 19E가 속하는데, 환형의 단편 형태이다. 이들 플레이트 19D, 19E는 각각 상기 벽 19H의 상부 및 하단부에서 각각 두개의 플레이트 19D 및 19E의 전체 가장자리 단부에 연결된 수직벽 19H에 의하여 함께 안전하게 연결된다. 다수의 짧은관 19G는 그의 중앙부위에서 몰레이트 19D 및 19E와 연결되어 만들어진 집합 배관은 그 속에 존재하는 액체 압력을 유지할 수 있다. 연결관 19B, 또는 달리는 유체 배출 파이프 20이 플레이트 19D에 연결되며 다수개의 열 교환관 14는 다른 플레이트 19E에 연결된다.

다수의 직통하는 구멍 19F는 두개의 플레이트 19D, 19E를 통하여 연장되며 짧은관 19G에 의하여 제공된다. 직통하는 구멍 19F는 신장된 타원형 횡단면을 가지며 입상촉매가 충전 또는 배출되는 경우 촉매입자가 이를 통하여 개구부로서 사용된다. 이를 통하여 입상 촉매를 충전시키기 위한 개구부가 없는 판상 집합배관이 사용되는 경우, 촉매를 충전 또는 배출시키기가 매우 어려우며 집합 배관에 충분한 강도를 부여한다. 열교환을 위하여 액체를 유동시키기 위하여 상술한 관상 제2집합관 19C, 관상 연결관 19B 등이 상기와 같은 판상 집합배관 19A와 결합되어 사용할 수 있다.

본 발명의 반응기에서, 내부 장벽(실린더형 부재)으로서 실린더형 부재를 사용하여 고온의 반응 생성물로 부터 열에 의하여 저온의 공급기체를 예열하기 위한 열 교환기가 반응기의 중앙부의 실린더형 부재 내에 설치될 수 있다.

제10 및 11도는 본 발명의 또 하나의 구현에 따른 반응기를 나타내는 것인데, 공급 기체입구 17로 부터 반응기에 공급될 온도가 충분히 높지 않은 공급기체를 예열하기 위하여 제1도에 나타낸 반응기의 내부 원형 장벽 8 내에 셸-관 열 교환기가, 더 고온이며, 4번째의 반응실 13으로 부터 유출된 반응 생성물과 함께 제공된다. 제10 및 11도에 묘사된 반응기는 제1도를 참고로 하여 이미 논의된 반응기로 부터 내부 촉매 보유기의 내부 구조물 내에 다르나 실제로 잔류하는 부분에서 후자의 반응기와 동일하다. 따라서, 제1도에 나타난 그의 대응물과는 다른 내부 촉매 보유기의 내부 구조가 기술될 것이다.

공급기체를 예열하기 위한 제10 및 11도에 나타낸 구현에 구체화된 열교환기는 열교환기의 셸로서 작용하는 내부 원형 장벽 8, 한쌍의 상부 및 하부 디스크형, 관-보유 그리드 26 및 관 보유 그리드에 양단부에서 부착된 다수의 예열 튜브 27로 구성된다. 기체 입구 17로 부터 공급되며 아직 충분한 정도까지 예열되지 않은 공급기체는 격벽 40을 통하여 다수의 예열관 27 내로 유입된다.

예열관 27을 통하여 아래 방향으로 이동하면서, 공급기체는 이들 튜브 27의 외부로 유동하며 고온인 반응생성물 기체에 의하여 예열된다. 예열관 27을 통과한 공급기체는 장벽 플레이트 28에 의하여 내부 기체 유동로 7B, 7C로 분할된 공간 41 내로 유출된다. 격판 28로 인하여, 공급기체 내부 기체 유동로 75로 상승 유동한 다음 내부 기체 유동로 7A로부터 첫 번째 반응실 10 내로 유동한다.

첫번째 반응실 10으로부터 유출된 기체는, 제1도에서와 같이, 외부 기체 유동로 6A, 제2반응실 11, 내부 기체 유동로 7B, 제3반응실 12, 외부 기체 유동로 6B 및 제3반응실 13의 순서로 통하여 화살표 방향으로 통과한 다음, 고온 반응 생성물 기체로서 내부 기체 유동로 7C 내로 유출된다. 개구부 30이 내부 기체 유동로 7C와 저촉하는 내부 원형 장벽 8의 하부를 통하여 형성된다.

그러므로, 내부 기체 유동로 7C 내로 유출된 고온 반응기체는 개구부 30을 통하여 열 교환기의 셸측부의 저부내로 유입된다. 열 교환기의 셸측부의 저부내로 유입된 반응 생성물 기체는 매체로 그의 유동방향을 바꾸면서, 즉, 외측으로 부터 중앙부로, 중앙부로 부터 외측으로 등 열 교환기의 셸측부 내에 차폐판 29에 의하여 설정된 유동로를 통하여 예열관 27을 통하여 유동하는 공급 기체에 의하여 열 교환을 행하면서 상부 방향으로 유동한다. 열 교환기의 셸측부 내 최상 단부에 도달하고 온도가 강하된 반응 생성물 기체는 중앙관 31을 통하여 반응 생성물 기체 출구 18을 통하여 반응기로 부터 유출된다.

전술한 바와 같이, 생성된 기체가 최종적인 반응실을 떠나는 고온의 반응 생성물 기체로부터 열에 의하여 공급기체를 예열시키기 위한 열교환기는 반응실로 부터 수직 격벽 9에 의하여 분리되고 수평 횡단면에 부채꼴인 반응기 중의 하나에 설치될 수 있다. 여기서, 우선적으로 반응실의 배열 때문에, 그의 열 이동 표면으로 원칙적으로 판상부재를 사용하는 열교환기, 즉 일본 공개특허 제149640/1980호에 기술된 반응기의 중앙부에 제공된 셸-관 열 교환기보다는 판상 열 교환기를 사용하는 것이 바람직하다.

제12 및 13도는 상술한 반응기의 한 예를 나타낸다. 제12 및 13도에 나타낸 반응기에서, 수직 격벽 9에 의하여 분할된 실 중의 하나가 공급기체를 예열하기 위하여 판상 열교환기 39 장치용 예열실 38로서 사용되는데, 공급기체의 온도는 아직 고온기체에 의하여 충분한 정도까지 상승되지 않았으며, 제1반응실 10은 어떠한 열 교환관도 장치되지 않았다.

하기의 기술은 제1도의 반응기를 참고로 하여 이미 상술한 부분과 다른 부분에만 한정되는 것이다. 대부분의 열 교환관 14는 다수의 열 교환관 14가 제2의 반응실 11에 배열된다 할지라도 제13도의 단순화를 위하여 생략하여야 할 것이다. 예열실 38 내에 장치된 판상 열교환기 39는 비교적 작으며 원하는 거리로 마주보는 위치로 배열되고 연결시이트 37에 의하여 함께 결합된 두개의 열 이동 시이트 36으로 만들어진 다수의 납작한 직사각형 열 교환상자 35로 형성된 열 교환기이다. 각 두개의 인접한 열교환 상자 35는 소기의 간격으로 위치한다.

공급기체 입구 17을 통하여 공급된 공급 기체는 내부 기체 유동로 7A를 통하여 예열실 38로 유동하며, 여기서 공급기체 반응기의 중앙측부로 부터 외측으로 인접한 열 교환 상자 35 사이의 공간을 통하여 유동하며 열 교환상자 35를 통하여 유동하는 고온의 기체에 의하여 가열된다.

이와 같이 예열된 공급기체는 외부 기체 유동로 6A를 통과한 다음 화살표와 같이 제1반응실 10내로 유입된다.

제1반응실 10은 어떠한 열교환관도 제공되지 않으며 반응은 단열적으로 진행한다. 제1반응실로 부터 유출되어 나은 기체는 내부 기체 유동로 7B, 제2반응실 11, 외부 기체 유동로 6B 및 제3반응실 12를 통과함으로써 반응이 완결된다. 이후 생성된 기체는 내부 기체 유동로 7C를 통하여 유출된 다음 내부 기체유동로 7C의 정부에 장치된 반응 생성물 기체출구 18을 통하여 반응기로 부터 유출된다. 열 교환상자 35를 통하여 유동하는 고온 가열기체는 가열 기체 입구 32를 통하여 유입되어 관상 가열기체 배관 34A에서 그들의 상응하는 열 교환상자 35의 내측 상부와 연결된 다수의 가열기체 연결관 34B로 분포된다.

그런 다음, 가열 기체는 열 교환상자 35를 통하여 아래쪽으로 유동한다. 이 하향 흐름 동안에, 가열 기체는 공급기체와 열교환을 행하여 상술한 바와 같이 냉각기가 된다.

이와 같이 냉각된 가열 기체는 저부 끝에서 열 교환상자 35로 부터 유출된 다음 가열 기체의 회수를 위하여 장치된 연결관 34B를 통과한다. 가열 기체의 이와 같이 유출된 부분은 관상 가열기체 하부 배관 34에서 합세하여 가열기체 출구 33을 통하여 반응기로 부터 유출된다. 상술한 가열기체로서, 반응기의 외부로부터 적절한 온도 및 압력을 갖는 기체를 도입시킬 수 있다.

이와 같은 열 교환 상자를 사용하면 열 교환 상자의 내부 및 외부 사이의 압력에 상당한 차이가 있다면 그의 원래의 구조로 인한 잇점이 없다. 따라서, 그의 압력이 공급기체의 압력과 다르지 않은 가열 기체를 열 교환상자를 통과시키는 것이 바람직하다.

동일한 이유 및 반응 생성물 기체 출구 18을 통하여 유출되어 나온 반응 생성물 기체로 부터 열을 회수 하기 위하여, 반응 생성물 기체 출구 18을 통하여 유출된 반응생성물 기체를 반응기 외부에 장치된 관(나타나 있지 않음)을 통하여 가열 기체 입구 32로 공급하거나 또는 가열기체 출구 33을 통하여 반응 생성물 기체를 끌어내기 위하여 반응기 내의 내부기체 유동로 7C의 상부에 가열기체 입구 32를 연결시키는 것이 바람직하다. 말할 필요도 없이, 제10 및 11도에 나타낸 바와 같은 셸-관 열교환기 또는 반응기의 외부에 제12 및 13도와 같은 판상 열교환기를 제공함으로써, 열교환기의 이와 같은 배열 방법이 도면에 설명되어 있지 않다 할지라도, 반응 생성물 기체의 열에 의하여 공급기체를 예열하는 것이 가능하다.

본 발명에 따른 반응기에서, 각 반응실 내 열 교환관의 배열은 매우 중요하다. 열교환관이 상술한 최적 온도분포를 달성하기 위하여 설치되기 때문에 그의 배열은 일반적으로 하나의 반응실로부터 다른 하나로 변화한다. 동일한 반응실 내에 기체 기류의 유동 방향, 즉, 반경 방향으로 서로 동등하게 공간이 있는 열 교환관을 가지는 것이 매우 통상적인 것이 아니다. 보통, 이들 열 교환관은 반경 방향으로 차이가 나는 공간을 가지면서 배열된다. 다시 말해서, 동일한 반응실 내에서 조차도, 동일한 열 교환관 14가 배열된 최외 동심부분 원 및 외부 촉매 보유기 4 사이의 거리, 열 교환관이 배열된 각 두개의 인접한 동심 부분원간의 거리, 및 열 교환관이 배열된 최내 동심 부분원간의 거리 및 내부촉매 보유기 5는 서로 모두 다르며, 한개의 반응실에서의 이들 거리는 다른 반응실에서의 거리와 다를 수 있다. 일반적으로 말해서, 이들 거리들은 50mm 내지 500mm의 범위내가 바람직하다. 한편, 동일한 동심 부분 원상의 인접한 열 교환관의 중앙축과 각 열 교환관의 중앙 축과의 균일한 원주 거리를 20 내지 200mm범위로 설정하는 것이 바람직하다. 이 거리는 관련된 열 교환관이 반응기에서 동일한 원심원상에 배열된다 할지라도 각 반응실에서 부분 원이 서로 다르며 각 반응실 간에도 거리가 서로 다르다. 열 교환관의 바람직한 외부 직경은 10mm 내지 100mm하다. 열 교환관의 직경이 너무 크면, 반응기에 충분한 열 이동 면적을 제공하는 것이 매우 어렵다. 한편, 지나치게 직경이 작은 열 교환관이 사용되면 반응기를 만드는데 지나치게 많은 시간이 요구된다. 열 교환관의 직경은 반응실마다 서로 다르거나 및/또는 부분 동심원마다 서로 다르다.

본 발명에 따른 반응기의 각 반응실에서 반경 방향으로 유동하는 기체 기류의 균일성을 보장하기 위하여 하나 이상의 수직 실린더형 구멍이 뚫린 판, 필요하다면, 판들이 공동 축을 가지며 각 반응실에서 외부 및 내부 촉매 보유기 4, 5사이에 위치한 다공판을 제공하는 것이 바람직하다. 상술한 다공판은 숫자 25로, 예를들어 제10도 및 11도에 나타낸 반응기에 장치된다. 덧붙여, 상술한 바와같은 목적을 위하여 오리피스-한정 다공판이 제공된다.

본 발명에 따른 반응기를 사용하기에 앞서, 최하단 배관 19A의 상단면과 최상단 배관 19A의 하단면 사이의 각 반응실 내의 공간을 촉매로 충전할 필요가 있다. 최하단 및 최상단 배관의 전면은 반응실의 수직 중점을 통과하여 수평면에 최 근접한 다른 면상의 면이다. 실내의 잔류공간은 염가의 입상, 비촉매 물질로 충전될 수 있다. 실의 상부 및 하부가 촉매 이외의 촉매 또는 입상 물질로 충전 됨에도 불구하고, 상술한 입상 물질로 충전된 공간에 각각 상응하는 외부 및 내부 촉매 보유기의 상단 및 하단부를 충전시키는 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 반응기를 만들기 위한 재료로서, 그 속에서 행해질 반응의 온도 및 압력 및 공급 기체와 생성된 반응 기체의 부식작용을 만족할 만하게 견디어 낼 수 있는 물질을 사용할 필요가 있다. 이와같은 요구 사항을 만족시킬 수 있는 물질의 예에는 탄소강, 소량의 니켈, 크롬, 망간, 몰리브덴 등의 원소를 함유하는 저합금강, 및 상기의 비제 1철 원소 중의 하나 또는 그 이상을 다량 함유하는 스테인레스강이 속한다. 또한, 반응기의 여러가지 다른 부분의 요구 사항을 변화시킴에 따라 각 부분에 사용될 강철의 형을 선택하여 단일 반응 유닛을 만들기 위하여 이들 여러가지 형의 강철을 배합하여 사용할 수 있다.

본 발명은 원료 물질(들) 및 반응 생성물(들)이 둘다 반응 온도 및 압력에서 기체 상태이며 반응 도중에 액체 또는 고체 물질이 형성되지 않는 많은 반응에 적용될 수 있다. 이들 반응의 대표적인 예로서, 하기의 발열 반응을 예로들 수 있다.

(1) 수소 기체 및 질소 기체로부터, 특히 150kg/cm²또는 그 이하의 게이지 압력에서 암모니아의 제조

(2) 특히 150kg/cm²또는 그 이하의 게이지 압력에서 수소 기체 및 일산화탄소 및/또는 이산화탄소로부터 메탄올의 제조;

(3) 수소 기체 및 일산화탄소 기체 및/또는 이산화탄소 기체로부터 에탄올, 프로판올 및 부탄올과 같은 지방족 고급 1가 알코올류의 제조;

(4) 수소 기체 및 일산화탄소 기체 및/또는 이산화탄소 기체로부터 메탄 및 고급 탄화수소류의 제조;

(5) 일산화탄소 및 스팀으로부터 수소 기체 및 이산화탄소 기체의 제조;

(6) 상응하는 탄화수소류 및 염소화된 탄화수소류의 제조;

(7)상응하는 탄화수소류 및 산소로부터 에틸렌옥시도, 말레산무수물, 프탈산 무수물의 제조;

(8) 탄화수소, 염소 기체 및/또는 염화수소 기체 및 산소로부터 염화 비닐의 제조;

(9) 탄화수소, 암모니아 및 산소로부터 히드로시안산 및 아세토니트릴의 제조;

(10) 상응하는 불포화 탄화수소 및 수소 기체로부터 포화 탄화수소류의 제조;

(11) 불포화 탄화수소 및 포화 탄화수소류의 알킬화에 의하여 포화 탄화수소류의 제조;

(12) 메탄올 및 산소 기체로부터 포름 알데히드의 제조; 및

(13) 메탄올로부터 포화 및 불포화 지방족 탄화수소 및 방향족 탄화수소의 제조.

흡열 반응의 예로서 다음을 들수 있다.

(14) 포화 지방족 탄화수소 및 증기로부터 수소 기체 및 일산화 탄소 기체 및/또는 이산화탄소의 제조; 및

(15) 메탄올로부터 수소 기체 및 일산화탄소의 제조.

전술한 반응은 동일한 반응조건 및 이 분야 공지의 촉매를 사용하여 수행된다.

본 발명의 완전히 설명하기 위하여, 본 발명의 범주에서 벗어남이 없이 변경 및 수정을 가하는 것이 이분야 통상의 기술중의 하나인 것이 명백하다.

Claims

과립 촉매 존재하에 반응온도 및 압력하에서 반응용 출발물질 및 반응 생성물을 기체상태로 유지하기에 효과적인 조건하에서 촉매반응을 실시하기에 적합한 상부 및 하부벽을 갖는 원통형 수직 외각을 갖는 반응기로서, 그 개량점이 하기와 같은 반응기 :

(a) 가스 투과성 원통형 외측 촉매 보유기가 상기 외각 내에 상기 외각의 내벽으로부터 공간을 띄우고 위치하여, 상기 외각의 내부표면, 상기 외측 촉매 보유기의 외부표면, 상기 상부 및 하부벽 사이에 외측의 제1환상 원통간 공간을 정의하고;

(b) 가스투과성 원통형 내측 촉매 보유기가 상기 외측 촉매 보유기의 내부에 동축으로 위치하여, 상기 외측 촉매 보유기, 상기 내측 촉매 보유기, 상기 상부 및 하부벽 사이에 제2환상 원통간 공간을 정의하고,

(c) 2개 이상의 수직격벽이 상기 외측 촉매 보유기와 상기 내측 촉매 보유기 사이에 상대적으로 다른 반경 방향으로 연장되어, 상기 제2원통간 공간을 수평 단면의 형태가 환상의 단편형인 복수의 분리된 실로 구획하여, 각각의 실에 상기 과립 촉매를 충전하면 분리된 반응실이 정의되고;

(d) 복수의 열교환관이 상기 반응실들의 하나 이상에 수직 관통 연장되고, 상기 관들은 상기 외측 및 내측 촉매 보유기 양자의 공통축과 동심원인 부분 원군 상에 배열되고, 각 관군(管群)은 상기 공통축으로 부터 실질적으로 동일한 반경 거리를 이루며 각각으로 부터 원주상으로 공간을 이루고, 각 관군들은 상기 공통축으로 부터 서로 다른 반경 거리를 이루고;

(e) 하나 이상의 집합 헤더 및 하나 이상의 분배헤더가 그 내부에 상기 관들을 보유하는 상기 각 반응실의 양(兩)수직 단부들에 각각 제공되고 상응하는 반응실을 관통 연장하는 열교환관들과 양단부에서 연결되어 상기 열교환관을 통과하는 열교환용 유체를 각각 집합 또는 분배시킨다.

(f) 상기 집합 헤더와 분배 헤더에는 각각 하나 이상의 유체출구 및 유체 입구가 연결되고;

(g) 상기 각 반응실에는 하나 이상의 촉매충전 입구 및 하나 이상의 촉매 배출구가 제공되고;

(h) 하나 이상의 방사상으로 연장된 수직 분리벽이 상기 제1원통간 공간 및 상기 내측 촉매 보유기 내의 공간의 하나 이상에 제공되고, 상기 벽은 각각 반응 가스류의 유통로를 조절하여 반응 가스류가 상기 한 둘 이상의 반응실들을 직렬로 일련의 각 반응실에 방사상으로 내향 및 외향으로 통과하도록 하고, 제1실의 흐름은 제1실의 방사상 내향 끝에 도입될 때에는 그 흐름이 방사상으로 외향이 되고, 제1실의 흐름은 제1실의 방사상 외향 끝에 도입될 때에는 그 흐름이 방사상으로 내향이 되고;

(i) 하나 이상의 반응 가스 입구와 하나 이상의 생성 가스 출구가 상기 실들과 연결되어 제공된다.
제1항에 있어서, 상기 외각을 함유하는 제2의 최 외각 압력-저항 용기를 더 포함함을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 내부 촉매 보유기 내에 위치하고 이로부터 방사상으로 간격을 두고 상기 내부 촉매 보유기 내부 공간을 2이상의 분리된 내부실로 구획하는 하나 이상의 내부 수직 장벽을 더 포함함을 특징으로 하는 반응기.
제3항에 있어서, 상기 장벽 내에 위치한 내부실들 중의 하나에 제공되어, 상기 가스상 충발 물질보다 더 높은 온도를 갖는 반응 생성 가스로 부터의 열로써 상기 가스상 출발물질을 예열하는 열교환 장치를 더 포함함을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 반응실들 이외의 상기실 들중 하나 이상에 제공되어, 상기 가스상 출발물질 보다 높은 온도에 있는 반응 생성 가스로 부터의 열로써 상기 가스상 출발 물질을 예열하는 열교환 장치를 더 포함함을 특징으로 하는 반응기.
제5항에 있어서, 상기 열 교환장치가 판상열 교환기 임을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 집합 및 분배헤더들은 각각 단면이 원 및/또는 각상인 관상부재로 구성됨을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 집합 및 분배 헤더들 중 하나 이상은 상호 대면하여 연결되어 밀폐된 헤더구조를 형성하는 2개의 헤더판으로 구성됨을 특징으로 하는 반응기.
제8항에 있어서, 상기 밀폐된 헤더구조에는 상기 촉매가 통과할 수 있도록 다수의 수직관형 개구가 관통되어 있음을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 외부 촉매 보유기와 상기 열교환관이 배열되어 있는 가장 외측 동심(同心)부분원 사이의 방사상 거리, 상기 열교환관이 배열되어 있는 인접한 동심 부분원들 사이의 방사상 거리 및 상기 열교환관이 배열되어 있는 가장 내측 동심 부분원과 상기 내부 촉매 보유기 사이의 거리는 각 반응실에서 같거나 또는 다르고, 50∼500mm범위 내에 있음을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 동일 반응실에서 같은 동심 부분원 상의 인접한 열교환관의 중심축 사이의 거리는 20∼200mm의 범위내에서 각 반응실의 각 부분원에 원하는 값을 갖는 일정한 거리임을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 열교환관 들의 각각의 외경이 10∼100mm의 범위 내에서 같거나 또는 다름을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 분해 헤더가 상기 유체 입구와 그와 관련된 열교환관의 유체 입구 끝에 연결되고 상기 집합 헤더가 상기 유체 출구 및 그와 관련된 열교환관의 유체 출구 끝 사이에 연결됨을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 각실내에 유통하는 가스흐름을 모든 반경 방향으로 균일하게 분배시키기 위하여 하나 이상의 원통형 다공판이 상기 제2원통간 공간에 상기 촉매 보유기들과 동축으로 설치되어 있음을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 하나 이상의 방사상으로 연장된 수직 다공판이 상기 원통간 공간들중 하나에 제공되어 그 구멍에 의하여 정의되는 오리피스를 통하여 원주 방향으로 가스류가 흐르게 하고, 상기 다공판은 관련된 수직 격벽의 방사상 연장을 구성함을 특징으로 하는 반응기.
제7항에 있어서, 상기 집합헤더 및 상기 분배 헤더가 서로 다른 수직 높이로 교대로 배열됨을 특징으로 하는 반응기.
제1항에 있어서, 상기 관을 함유하는 각 반응실의 상부에서 가장 낮은 헤더의 하단으로 부터 위에 있는 공간 및, 상기 관을 함유하는 각 반응실의 하부에서 가장 높은 헤더의 상단으로 부터 아래에 있는 공간에는 촉매적으로 비활성인 입상 물질이 충전되고 상기 관을 함유하는 각 반응실 내의 잔류 공간에는 상기 입상촉매로 충전되어 있음을 특징으로 하는 반응기.