촉매 시스템 테스트용 반응기

촉매 시스템 테스트용 반응기{REACTOR FOR TESTING CATALYST SYSTEMS}

본 발명은 촉매 시스템을 테스트하기 위한 반응기, 테스트 방법 및 용도에 관한 것이다.

화학 산업에서, 다수의 대규모 반응은 촉매를 함유하는 쉘 & 튜브 반응기(shell-and-tube reactor)에서 수행된다. 이러한 반응에서, 유체, 종종 기체상 반응 매질은 다수의, 종종 10,000개 내지 40,000개의 튜브를 통과하는데, 상기 튜브는 촉매 시스템, 즉 활성 물질이 적용된 촉매 지지체 또는 지지되지 않은 벌크 촉매로 충전된다. 열 교환 매질, 예를 들어 염 용융물은 촉매 튜브 사이의 중간 공간을 통해 흘러 열을 공급하거나 제거한다.

새로운 반응 매질과 함께 새로운 촉매 시스템 또는 공지된 촉매 시스템을 테스트하기 위해, 지금까지 테스트하려는 동일한 촉매 시스템이 각각 충전되어 있으며 그 주위로 열 교환 매질이 흐르는 다수의 튜브가 구비된 파일럿-규모의 반응기를 제조하여 왔다. 따라서, 이러한 반응기는 촉매 시스템을 테스트하는 동안 추가로 사용할 수 없었다.

본 발명의 목적은 다수의 촉매 시스템이 동시에 테스트될 수 있거나 또는 하 나의 촉매 시스템이 상이한 조건 하에서 동시에 테스트될 수 있는 반응기 및 테스트 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 반응기의 내부 공간내에서 서로 평행 배열되어 있으며, 단부가 튜브 평판에 용접되어 있는 촉매 튜브를 보유하고, 또한 반응기의 각 단부에서 캡 공간을 형성하는 캡을 보유하는 다수의 촉매 시스템을 테스트하기 위한 반응기를 이용하여 달성할 수 있는데, 이때 유체 반응 매질은 하나의 캡 공간을 경유하여 촉매 튜브 내로 공급되고, 촉매 튜브를 통해 흐르고, 다른 캡 공간을 경유하여 배출되며, 또한 상기 반응기는 열 교환 매질이 반응기의 한 단부에서 공급되고, 촉매 튜브 사이의 중간 공간을 통해 흐르고, 반응기의 다른 단부에서 배출되는 열 교환 매질 회로를 보유한다. 본 발명의 반응기에서, 촉매 튜브는 서로 열적으로 개별적인 2개 이상의 촉매 튜브 영역내에 배열된다.

본 발명의 반응기는 일반적으로 파일럿-규모의 반응기이나, 반응기 크기에 관한 제한은 없다. 반응기 형상은 종종 원통형이나 필요적인 것은 아니다. 예를 들어, 단면 형상이 직사각형 또는 다각형인 반응기도 사용할 수 있다. 반응기의 내부 공간에서, 다수, 예를 들어 10개 이상, 바람직하게는 20개 이상의 촉매 튜브는 반응기의 세로 축 방향으로 서로 평행하게 배열되며, 그들의 단부가 튜브 평판에 용접되어 있다. 지정된 최소 수의 촉매 튜브가 촉매식 쉘 & 튜브 반응기를 위한 대표적인 치수를 획득하는데 필요하다. 반응기의 각 단부에서, 각각의 경우에서 캡 공간을 형성하는 캡이 존재한다. 유체, 종종 기체상 반응 매질은 캡 공간을 통해 반응기 내로 공급되고, 촉매 튜브를 따라 흐르고, 다른 캡 공간을 통해 배출된다. 열 교환 매질은 촉매 튜브 사이의 중간 공간을 통해 흐르고, 반응기의 한 단부에서 공급되고 반응기의 다른 단부에서 배출된다.

본 발명에 따라, 상기 촉매 튜브는 서로 열적으로 분리된 2개 이상, 바람직하게는 4개의 촉매 튜브 영역내에 배열된다. 본 발명의 목적을 위해, 열적으로 분리된이란 용어는 개별 촉매 튜브 영역이 서로 전체적으로 단열되어 있다는 의미는 아니고 개별 촉매 튜브 영역 사이에서 실질적인 열 교환이 일어나지 않도록 촉매 튜브 영역이 서로 충분히 분리되어 있음을 의미하는 것으로 충분하다.

상기 목적은, 일반적으로 각각의 경우에서 촉매 튜브와 외경이 동일한 하나 이상의 더미 튜브 또는 고체 라운드 로드(solid round rods)가 상이한 촉매 튜브 영역에 속하는 2개의 인접한 촉매 튜브 사이에 배열되는 것으로 충분히 달성될 수 있다. 상기 더미 튜브는 양 단부가 폐쇄된 튜브이어서 그들을 통해서는 반응 매질이 흐를 수 없다. 상기 고체 로드는 종종 철 로드이다. 이때, 이들의 외경이 촉매 튜브의 외경과 동일할 필요가 있는데, 이는 이들 주변의 흐름 조건을 동일하게 하기 위한 것이다. 촉매 튜브 영역 사이에 더미 튜브 또는 고체 라운드 로드의 장착은 열 교환 매질을 위한 우회로가 생성되지 않도록 해야 한다. 반응기의 총 단면에 걸쳐 촉매 튜브의 배열은 촉매 튜브 영역이 없는 공지된 반응기에 비해 더미 튜브 또는 고체 로드에 의한 촉매 튜브 영역의 형성에 의해 변경되지 않는 것이 바람직한데, 이로써 촉매 튜브 사이의 중간 공간을 통한 열 교환 매질의 흐름 거동이 방해받지 않게 된다.

하나 이상의 촉매 튜브 영역 각각에서 열전쌍을 수용하기 위한 쉬스를 구비하거나, 그렇지 않으면 불활성 물질, 구체적으로 산화 알루미늄 층으로 충전되어 양단부를 폐쇄하는 하나 이상의 촉매 튜브를 제공하는 것이 유익하다. 이 배열은 반응기의 세로 방향으로 촉매 튜브 주위를 흐르는 열 교환 매질의 온도 프로필의 결정을 가능하게 한다. 상기 튜브를 불활성 물질로 충전하는 것은 열전쌍에 의해 정확하게 촉매 튜브 주위로 흐르는 열 교환 매질의 온도를 결정할 수 있게 하기 위해 유용하다. 적합한 불활성 물질은 구체적으로 이를 용이하게 유동가능하도록 입자 크기와 형상을 선택한 산화 알루미늄 층이다. 평균 입자 크기는 1 내지 5 mm, 바람직하게는 약 2 mm가 특히 유용하다. 상기 촉매 튜브는 이의 양 단부가 폐쇄되어 이를 통해 반응 매질이 흐를 수 없도록 하는 것이 유익하다.

하나 이상의 촉매 튜브 영역 각각에서, 하나 이상의 촉매 튜브는 샘플링 튜브 및/또는 열전쌍을 수용하기 위한 쉬스를 보유하는 것이 유익할 수 있다. 쉬스 및 그 내부에 위치된 샘플링 튜브 및/또는 열전쌍의 배치는 독일 특허 출원 DE 101 10 847.8(종래 문헌이 아니며, 본원에 전적으로 참고 인용함)에 기술되어 있는 것이 바람직하다.

상기 쉬스에 의해 튜브의 내부에 점유된 용적을 보상하기 위해 잔류 촉매 튜브에 비해 샘플링 튜브 및/또는 열전쌍을 수용하기 위한 쉬스를 보유하는 촉매 튜브를 위해 더 큰 외경, 구체적으로 약 2-3 m 더 큰 외경을 선택하는 것이 유익하며, 이로써 촉매 튜브내 실제 농도 또는 온도 프로필의 착오를 피한다.

유사하게, 열전쌍을 수용하기 위한 쉬스를 보유하거나, 그렇지 않으면 불활성 물질로 충전되고 양 단부가 폐쇄되고, 열 교환 매질의 세로 축 온도 프로필을 측정하기 위해 사용되는 촉매 튜브는 상응하게 더 큰 외경의 촉매 튜브를 사용할 수도 있다.

바람직한 대안으로, 상이한 촉매 영역 내의 촉매 튜브는 상이한 내부 튜브 직경 및/또는 상이한 튜브 간격을 보유한다. 본원에 사용한 용어 튜브 간격은 2개의 인접한 촉매 튜브의 중심점 사이의 거리를 말하는 통상적인 의미이다. 삼각형 간격, 즉 정삼각형의 모서리에 인접한 촉매 튜브의 중심점이 위치하는 배열이 바람직하다.

하나 이상의 촉매 튜브 영역의 촉매 튜브를 위한 커버를 보유하는 것이 유익할 수 있다. 이는 반응 매질이 캡 공간을 통해 흐르고, 덮이지 않은 촉매 튜브 영역(들)을 통해 흐르고, 후속적으로 다른 캡 공간을 통해 반응기를 이탈하는 것을 가능하게 한다. 이러한 경우에서, 반응 매질은 덮인 촉매 튜브 영역(들)내의 촉매 시스템을 통해 흐르지 않는다. 이는, 예를 들어 덮인 촉매 튜브 영역(들)내의 촉매 시스템이 영향받거나 손상되지 않도록 하면서 더 심한 조건 하에서 덮이지 않은 촉매 튜브 영역을 조작하는 것을 가능하게 한다.

추가의 구체예에서, 반응 매질이 배출되는 캡 공간을 분할 벽에 의해 분할하여 반응 매질이 각각의 촉매 튜브 영역으로부터 개별적으로 배출되도록 할 수 있다. 특히, 상기 구체예는 필요에 따라 개별 촉매 튜브 영역으로 스위칭할 수 있는 단지 하나의 분석 설비를 제공할 필요가 있다는 잇점을 보유한다. 대안으로 또는 부가적으로, 반응 매질의 도입을 위해 기능하는 다른 캡 공간은 동일한 방식으로 분할할 수 있다. 이들 반응기는 반응 매질이 상기 반응기를 통과하는 방식의 관점에서 유연성이 증가된다. 예를 들어, 특히 양자의 캡 공간이 분할된 변형예에서, 한 촉매 튜브로부터 배출된 반응 매질은 임의로 상기 방식으로 추가의 출발 물질의 중간 도입 및/또는 외부 열 교환기에 의한 중간 냉각을 수행하면서 추가의 촉매 튜브 영역내로 도입하는 것이 가능하다. 상기 절차는 추가의 촉매 튜브 영역, 구체적으로 모든 촉매 튜브 영역으로 확대할 수 있는데, 각각의 경우에서, 한 촉매 튜브 영역으로부터 배출되는 반응 매질 및 임의로 추가 출발 물질의 중간 도입 및/또는 중간 냉각후 후속 촉매 튜브 영역내로 공급된다. 이는 구체적으로 임의의 반응기를 더 큰 반응기를 모의하기 위해 사용하는 것을 가능하게 한다.

추가의 유연성은 열 교환 매질이 촉매 튜브 사이로 흐르는 중간 공간이 분할 벽에 의해 각각 하나의 접촉 튜브 영역에 상응하는 2개 이상, 바람직하게는 4개의 챔버로 분할된 바람직한 변형 반응기에 의해 달성된다. 상기 방식에서, 열 교환 매질을 위한 분리 회로는 각각의 개별적인 촉매 튜브 영역을 위해 달성된다. 상기 개별적인 열 교환 매질 회로는 서로 독립적으로, 구체적으로 반응 매질의 병류 또는 향류의 관점에서, 냉각제 온도의 관점에서, 및/또는 열 교환 매질의 용적 흐름의 관점에서 서로 독립적으로 조작될 수 있다. 열 교환 매질을 위한 개별적인 챔버는 반응기의 내벽에 대해 밀봉되어 있는데, 구체적으로 금속 시일에 의해 밀봉되어 있다. 당업계에 공지된 모든 밀봉 부재, 예를 들어 유도된 금속성 밀봉 스트립을 가진 스프링 밀봉 부재를 이용할 수 있다.

특정 변형예에서, 하나 이상의 열 교환 매질 회로는 각각 열 교환 매질, 구체적으로 염 용융물이 하향 운반될 수 있도록 특별히 고안된 펌프를 보유하는데, 이는 통상적인 펌프 배열을 위한 것이지만, 그럼에도 불구하고 열 교환 매질이 상 기 중간 공간의 상부 영역내 촉매 튜브 사이의 중간 공간으로 진입하게 하기 때문이다. 이러한 방식에서, 유체의 병류 통과는 반응 매질을 상부로부터 하향으로 통과시키는 단순한 방식으로 달성할 수 있다.

상기 변형예는 수직 세로 축을 기준으로, 바람직하게는 각각의 경우에 환형 라인을 경유하여 상기 반응기의 상부 영역내 촉매 튜브 사이의 중간 공간내로 열 교환 매질이 도입되고 상기 반응기의 하부 영역으로부터 열 교환 매질이 배출되며, 펌프에 의해 반응기의 하부 영역으로부터 배출된 열 교환 매질이 임의로 열 교환기를 경유하여 펌프 유도 튜브를 포함하는 하우징내로 흐르고, 에 의해 펌프 유도 튜브의 외벽과 하우징의 내벽 사이의 영역 내에서 상향으로 흐르며, 펌프 유도 튜브의 상부 영역내에서 개구부를 경유하여 펌프 유도 튜브의 내부 공간으로 흐르며, 상기 공간을 통해 상부에서 하향으로 흐르며, 펌프 유도 튜브의 하부 영역내에서 개구부를 경유하여 펌프 유도 튜브의 외벽과 하우징의 내벽 사이의 추가의 중간 공간으로 흐르며, 상기 중간 공간을 통해 저부에서 상향으로 흐르며, 상기 공간의 상부 영역내에서 개구부를 통해 촉매 튜브 사이의 중간 공간의 상부 영역으로 흐르는 것인 반응기를 포함한다.

상기 하우징은 단면을 직사각형으로 만드는 것이 유익할 수 있지만, 특히 상대적으로 높은 작동 압력을 위해 단면이 원형인 하우징을 제공하는 것도 가능하다.

또한, 본 발명은 반응기를 이용하여 촉매 시스템을 테스트하는 방법을 제공하는데, 이때 활성 물질 및/또는 촉매 지지체의 관점에서, 구체적으로 활성 물질 및/또는 촉매 지지체의 입자의 형상 및/또는 사이즈의 관점에서 상이한 촉매 시스 템이 상이한 촉매 튜브 영역에서 테스트된다. 여기서, 상이한 촉매 시스템은 동일하거나 상이한 조건 하에서 동시에 테스트될 수 있거나, 또는 주어진 촉매 시스템은 여러가지 조건 하에서 동시에 테스트될 수도 있다.

본 발명은 미리설정한 의도된 작동 조건 하에서 촉매 시스템의 적합성에 관한 결론을 유도하는 것을 가능하게 해준다. 생성 반응기의 추가 조작을 최적화하는 것이 가능하며, 구체적으로 장기간의 시간 동안 촉매 시스템의 장기간의 거동을 테스트하는 것이 가능하다.

본 발명의 특히 바람직한 변형예는 열 교환 매질과 반응 매질의 병류인데, 바람직하게는 펌프내 열 교환 매질의 흐름 방향과 병류이다.

특히 선호되는 것은 개별 챔버내 열 교환 매질의 매개변수, 구체적으로 반응 매질에 대한 열 교환 매질의 흐름 방향, 열 교환 매질의 온도 및/또는 용적 흐름이 각각 개별적으로 설정될 수 있는 촉매 시스템을 테스트하는 방법이다. 더 선호되는 것은 캡 공간의 상응하는 영역에 의해 촉매 튜브 영역으로부터 배출된 후 반응 매질을 임의로 출발 물질의 중간 도입 및/또는 중간 냉각을 수행하면서 캡 공간의 상응하는 부분에 의해 추가의 촉매 튜브 영역내로 직접 공급하는 것이다.

본 발명의 테스트 방법 및 장치는 발열 반응 또는 흡열 반응, 구체적으로 산화 반응을 위한 촉매 시스템을 테스트하기 위해 특히 적합하다.

따라서, 본 발명은 다기능적이라고 기술할 수 있는 촉매 시스템을 테스트하기 위한 매우 유연한 반응기를 제공하는데, 그 이유는 다수의 실험을 동시에 수행하는 것이 가능하기 때문이다. 이는 실험에 소요되는 시간과 비용을 상당히 감소시 킨다. 상기 반응기는 장기간 동안, 예를 들어 거의 1년 동안 촉매의 장기간 거동을 테스트하는 것을 가능하게 해준다. 신규한 촉매는 생성 조건 하에서 더 신속하게 사용될 수 있으며, 따라서 더 신속하게 경제적으로 평가할 수 있다. 또한, 분석 설비를 더 효율적으로 이용할 수 있다.

도 1은 도 1a에서 세로 방향으로 자른 본 발명에 따른 반응기의 횡단면도이다.

도 2는 캡 공간의 특정 구체예의 횡단면도이다.

도 3은 펌프내 열 교환 매질의 편향 및 반응 매질을 배출시키기 위한 4개의 별도 캡 공간이 구비된 바람직한 변형예의 종단면도이다.

도 4는 도 3의 세로 방향 단면도에서 나타낸 바람직한 구체예의 횡단면도이다.

도 5는 펌프내 열 교환 매질의 흐름을 편향시키기 위한 펌프의 바람직한 변형예를 나타내는 도면이다.

도 6은 펌프내 열 교환 매질의 흐름을 편향시키기 위하 추가의 바람직한 변형예를 나타내는 도면이다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 기술한다.

도 1은 불활성 물질로 충전된 더미 튜브(8)에 의해 예를 들어, 4개의 촉매 튜브 영역(7)으로 분할된 촉매 튜브(2)를 구비한 본 발명에 따른 반응기(1)의 구체 예의 횡단면도를 나타내고 있다. 서로 이격되어 위치된 몇개의 촉매 튜브(9)는 샘플링 튜브 및/또는 열전쌍을 위한 쉬스(sheath)를 보유하고 있다.

도 1a는 도 1에 도시한 특정 구체예의 종단면도인데, 예를 들어 나타낸 바와 같이 서로 성부에 배열된 4개의 별도의 열 교환 매질 회로를 보유하고 있다. 촉매 튜브(2)는 캡(3)을 가진 반응기(1) 내에 배열되어 있다. 반응 매질(5)은 상부로부터 반응기를 통해 하향으로 통과하고, 열 교환 매질(6)은 촉매 튜브 사이의 상부에 서로 위치된 4개의 별도의 회로 주위로 운반되는데, 이는 편향판(21)에 의해 흐름을 편향시키는 펌프(13)에 의해 이루어진다. 상기 반응기(1)는 열 교환 매질(6)을 편향시키기 위한 촉매 튜브가 없는 공간(20)을 보유한다.

도 2는 본 발명에 따른 반응기(1)의 특정 구체예의 캡 공간의 횡단면도인데, 이 공간을 상응하는 촉매 튜브 영역에 할당된 4개의 영역으로 분할하는 캡 공간내 분할 벽(10)을 보유하고 있다. 상기 분할 벽(10)은 상부 또는 하부 캡 공간 또는 들 둘 다의 캡 공간 내에 제공될 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 반응기(1)의 예시적인 구체예의 종단면도인데, 이는 촉매 튜브(2), 열 교환 매질(6)을 편향시키기 위한 반응기(1)내 촉매 튜브가 없는 공간(20), 캡(3), 캡 공간(4) 및 별도의 열 교환 매질 회로(6)를 보유하며, 단면도의 우측은 반응 매질(5) 및 열 교환 매질(6)의 향류를 나타내고, 좌측은 병류를 나타내는데, 각각의 경우 펌프(13)내에 열 교환 매질(6)의 편향이 나타난다. 예로서 도시한 바와 같이, 반응 매질(5)은 상부로부터 반응기(1) 내로 공급될 수 있지만, 저부로부터 공급될 수도 있다. 도면 번호 14는 상부 영역내에서 유입 흐름(16) 및 하부 영역내에서 배출 흐름(17)을 가진 펌프 유도 튜브를 나타내고, 도면 번호 18은 펌프 자체내(세로 방향 단면도의 우측에 나타낸 바와 같음) 또는 도 3의 좌측에 나타낸 바와 같이 펌프에 유도되는 파이프 내에 위치될 수 있는 열 교환기를 나타낸다.

도 4는 도 3의 종단면도에서 나타낸 본 발명에 따른 촉매 튜브(2)를 보유하는 반응기(1)의 특정 구체예의 횡단면도인데, 열 교환 매질(6)이 촉매 튜브(2) 사이로 유동하여 챔버(12)(이 경우에는 4개의 챔버)로 흐르는 중간 공간을 분할하는 분할 벽(11)을 보유한다. 이 경우에 예를 들어 나타낸 바와 같이, 4개의 별도의 열 교환 매질 회로는 각각 펌프(13)에 의해 유지되는데, 상기 펌프는 도면 하단부의 펌프에 비해 도면 상단부의 펌프에서 더 많은 양을 인출하는데, 이는 이들이 가로 방향 단면도에서 도 3에 예시한 바와 같이, 펌프내 열 교환 매질 흐름(6)의 편향을 가진 펌프임을 나타내는 것이다.

도 5는 펌프내 열 교환 매질(6)의 편향을 가진 펌프(13)를 도시하고 있는데, 상기 펌프는 튜브의 상단부에 유입 흐름(16) 및 튜브의 하단부에 배출 흐름(17)을 가진 유도 튜브(14), 유도 튜브(14) 주변의 하우징(15) 및 하우징(15)내에 위치된 열 교환기(18)를 포함한다. 도 5a의 DD 단면도는 하우징(15)의 단면이 직사각형 형태임을 명백히 나타내고 있다. 열 교환 매질을 위한 편향 판(19)은 하우징(15)의 하나 이상의 편향 영역내에 위치하는 것이 바람직하다.

도 6은 도 6a의 EE 단면도와 함께 열 교환 매질(6)의 편향을 위한 펌프(13)의 추가 변형예를 도시하고 있는데, 도 5에 나타낸 구성과는 달리, 도 6a에 도시한 바와 같이 하우징(15)은 펌프 가이드 튜브(14) 주변에 원형 단면을 가지도록 배열되어 있다.