KR101206662B1 - ＨＣｌ로부터 염소를 제조하기 위한 반응기 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 기체 투과성 플레이트를 유동상에 위치시키면서, 유동상에서 비균질 촉매의 존재 하에 산소를 이용하여 기상 산화에 의해 염화수소로부터 염소를 제조하기 위한 반응기 및 방법에 관한 것이다. 기체 투과성 플레이트는 유동상에 위치한 열 교환기에 열 전도 방식으로 연결되어 있다.

Description

ＨＣｌ로부터 염소를 제조하기 위한 반응기 및 방법{REACTOR AND METHOD FOR PRODUCING CHLORINE FROM HCL}

본 발명은 유동상에서 비균질 촉매의 존재 하에 산소를 이용하여 기상 산화에 의해 염화수소로부터 염소를 제조하기 위한 반응기에 관한 것이다. 본 발명은 또한 상기 반응기를 이용하여 염소를 제조하는 방법에 관한 것이다.

발열 평형 반응으로 산소를 이용하여 염화수소의 촉매 산화를 행하는, 1868년 디콘(Deacon)에 의해 개발된 공정은 산업적인 염소 화학의 시발점이다. 클로르알칼리 전기 분해는 디콘 공정을 과거의 기술로 만들었으며, 실질적으로 제조된 모든 염소는 수성 염화나트륨 용액의 전기 분해에 의해 얻어진다.

그러나, 염소에 대한 세계적인 수요가 수산화나트륨에 대한 수요보다 더욱 증가하고 있기 때문에, 최근 디콘 공정에 대한 관심이 재차 더욱 증가하고 있다. 이러한 발전은 수산화나트륨 생성물로부터 탈커플링되는, 염화수소의 산화에 의한 염소의 제조 방법에 관심을 집중하게 한다. 또한, 염화수소는 예컨대 포스겐화 반응, 예컨대 이소시아네이트 제조에서의 포스겐화 반응에서 공생성물로서 대량으로 얻어진다. 이소시아네이트 제조에서 형성된 염화수소는, 처리하여 염화비닐을 얻는 1,2-디클로로에탄과 추가로 PVC로의 에틸렌의 옥시염소화에 주로 사용된다. 염화수 소가 얻어지는 추가의 공정의 예로는 염화비닐 제조, 폴리카르보네이트 제조 및 PVC의 재활용을 들 수 있다.

염화수소의 염소로의 산화는 평형 반응이다. 온도가 증가하면서, 평형의 위치가 소정의 최종 생성물로부터 멀리 이동한다. 따라서, 매우 높은 활성을 가져서, 비교적 낮은 온도에서 반응을 진행시킬 수 있게 하는 촉매를 사용하는 것이 유리하다. 이러한 촉매는 특히 구리계 촉매 또는 루테늄계 촉매, 예컨대 산화루테늄 함량이 0.1 내지 20 중량%이고, 산화루테늄의 평균 입경이 0.1 내지 10.0 nm인 루테늄 혼합된 옥시드 또는 산화루테늄 활성 조성물을 포함하는, DE-A 197 48 299에 기재된 바의 지지된 촉매이다. 추가의 루테늄계의 지지된 촉매는 DE-A 197 34 412로부터 공지되어 있는데, 이는 산화티탄 및 산화지르코늄 화합물 중 1 이상, 루테늄-카르보닐 착체, 무기산의 루테늄 염, 루테늄-니트로실 착체, 루테늄-아민 착체, 유기 아민의 루테늄 착체 또는 루테늄-아세틸아세토네이트 착체를 포함하는 염화루테늄 촉매이다. 루테늄 이외에, 금도 촉매의 활성 조성물에 존재할 수 있다.

고상 촉매의 존재 하에 수행되는 기상 반응에서, 기체 및 고체의 양호한 혼합 및 이에 따른 균일한 분산은 유동상 반응기를 이용하여 달성할 수 있다. 기체 기포의 응집 및 이에 따른 기체 및 고체의 혼합 불량을 피하기 위해, EP-A 0 331 465는 천공 플레이트를 유동상에서 등간격으로 설치한 유동상 반응기를 개시한다. 응집된 기체 기포가 천공 플레이트를 통해 흐르면서 분해된다. 이는 기체의 고체와의 혼합을 개선시킨다.

EP-A 0 331 465에서, 산화크롬을 촉매로서 사용한다. 이와 대조적으로, 루테 늄계 촉매는 온도 민감성이다. 400℃ 이상의 온도에서, 휘발성 루테늄 화합물이 형성된다. 활성 조성물의 손실을 피하기 위해, 따라서 400℃ 이하의 온도에서 가능한 한 등온으로, 루테륨계 촉매의 존재 하에 염화수소로부터 염소를 제조하는 공정을 수행할 필요가 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 산소를 이용하여 기상 산화에 의해 염화수소로부터 염소를 제조하기 위한 반응기로서, 기상과 고상의 양호한 혼합을 가능하게 하고, 주로 등온으로 수행되는 반응기를 제공하는 것이다.

상기 목적은 열 교환기 및 기체 투과성 플레이트를 유동상에 설치하면서, 유동상에서 비균질 촉매의 존재 하에 산소를 이용하여 기상 산화에 의해 염화수소로부터 염소를 제조하기 위한 반응기에 의해 달성된다. 기체 투과성 플레이트는 열 전도 방식으로 열 교환기에 연결한다.

기체 투과성 플레이트가 열을 흡수하여 이를 열 교환기에 전도하는 리브(rib)로서 작용하기 때문에, 기체 투과성 플레이트와 열 교환기 사이의 열 전도 연결은 유동상 내의 열 전달 영역을 증가시킨다. 이를 달성하기 위해, 기체 투과성 플레이트의 열 전도성을 유동상 내의 열 전도성보다 크게 할 필요가 있다.

기체 투과성 플레이트와 열 교환기 사이의 열 전도 연결은 포지티브형(positive), 마찰형 또는 통합형(integral)일 수 있다. 포지티브형 연결은 예컨대 볼트, 핀 또는 리벳(rivet)을 수반하는 연결이다. 마찰형 연결은 예컨대 나사 연결, 클램프 맞추기 또는 용수철 링크를 포함하는 연결이다. 통합형 연결은 용접, 백랍 및 접착제 결합을 포함한다.

기체 투과성 플레이트로부터 열 교환기로 열을 가장 잘 전달하기 때문에, 통합형 연결이 바람직하다.

등온 유동상은 바람직하게는 매우 큰 열 전달 영역을 제공함으로써 얻어진다. 적절한 열 교환기는, 예를 들어, 유동상에서 수직으로 배치되어 있고, 열 전달 매질이 이를 통해 흐르는 플레이트 또는 유동상에 수평으로 또는 수직으로 배치된 관을 구비하는 원통 다관식(shell-and-tube) 열 교환기이다. 열 교환기 관 또는 열 교환기 플레이트는, 유동상의 유동화가 열 교환기의 설치에 의해 악영향을 받지 않도록 유동상 내에 배치되는 것이 바람직하다.

열 전달 매질이 이를 통해 흐르는 플레이트를 이용하는 경우, 기체 투과성 플레이트를 바람직하게는 열 교환기 플레이트에 대해 수직으로 배치하면서, 상기 플레이트는 기체 투과성 플레이트에 의해 서로 연결하는 것이 바람직하다.

원통 다관식 열 교환기를 이용하는 바람직한 구체예에 있어서, 유동상 내에 수직으로 배치된 개개의 열 교환기 관을 수평 관에 의해 서로 연결한다. 그 후, 기체 투과성 플레이트를 바람직하게는 수평 관 위에 배치한다. 추가의 구체예에 있어서, 수평 관은 또한 기체 투과성 플레이트 내로 통합시킬 수 있다. 여기서, 수평 관에 의해 경계지어진 영역은 기체 투과성 플레이트에 의해 차단된다.

열 전달 매질은 열 교환기에서 발생하는 온도에서 화학적 및 열적으로 안정하도록 선택해야 한다. 따라서, 적절한 열 전달 매질은 예컨대 염 용융물 또는 바람직하게는 400℃ 이하 범위의 반응 온도에서 기화하는 액체이다. 10 내지 60 바의 압력에서 특히 바람직한 열 전달 매질은 물이다. 열 전달 매질로서의 기화 액체의 장점은 이 액체의 온도가 열 전달 매질의 기화 중에 변경되지 않는다는 것이다. 이러한 방식으로 열 교환기 내에서 등온 조건을 달성할 수 있다.

열 교환기로 사용되는 건조물의 물질은 바람직하게는 강철 또는 니켈 합금이다. 염산의 응축을 제어할 수 없는 경우, 니켈 합금을 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 예컨대 25 바의 압력에서 물은 약 224℃의 온도에서 응축한다. 액체 상태의 물이 생성되는 경우, 염화수소는 물에 용해되어 염산을 형성한다.

유동상 내 기체 투과성 플레이트의 설치는 목적하는 방식으로 기포 및 고체의 이동에 영향을 주어, 이에 따라 반응기 내 기체의 체류 시간을 최적화한다. 기체 투과성 플레이트는 특히 응집된 기체 기포를 분산시키는 역할을 하여, 이에 따라 비교적 작은 기체 기포가 유동상 내에서 균일하게 분산되도록 한다. 기체 투과성 플레이트로서, 천공 플레이트 또는 메쉬형 구조체를 사용하는 것이 바람직하다. 기체 투과성 플레이트 내 개개의 개구부의 크기는 바람직하게는 1 내지 100,000 mm², 더욱 바람직하게는 5 내지 10,000 mm², 특히 10 내지 1,000 mm²이다.

추가의 구체예에 있어서, 기체 투과성 플레이트를 정렬형(ordered) 또는 비정렬형(unordered) 메쉬 구조체로서 배치한다. 정렬형 메쉬 구조체는 예컨대 스크린 또는 격자 구조체이고, 비정렬형 메쉬 구조체는 예컨대 편물 또는 끈(braid)이다.

기체 투과성 플레이트의 구조체 또는 개구부의 크기는 기포의 유착을 피하도록 선택한다. 내부 물질에 의해 발생하는 고체의 이동의 방해는 유동상 내의 열 전달 효율의 악화를 초래한다는, 당업자에게 일반적으로 공지된 관계와는 대조적으로, 유동상 내에서 더 작은 기체 기포를 형성시키는 기포 유착을 피하면, 내부 물질로 인한 악화보다 큰 정도로 유동상 내에서의 열 전달을 개선하여, 유동상 내의 열 전달이 전체적으로 개선된다. 더 작은 기체 기포로 인해, 유동상은 더욱 효율적으로 혼합되며, 이는 균일한 온도 분산을 초래한다. 또한, 유동상 내에서의 열 전달은 절연 효과를 갖는 크기가 큰 기체 기포에 의해 방해받지 않는다. 이는 또한 열 교환기로의 열 전달을 개선시켜, 유동상으로부터의 열 제거를 더욱 양호하게 한다. 이러한 이유로, 열 교환기를 더 작게 제조할 수 있으며, 이는 재료 절감을 가져와 경비 절감을 초래한다.

기체 투과성 플레이트는 바람직하게는 5 내지 200 cm, 더욱 바람직하게는 10 cm 내지 100 cm, 특히 바람직하게는 20 내지 50 cm의 간격을 갖는다.

열 교환기와 같이, 기체 투과성 플레이트는 바람직하게는 강철 또는 니켈 합금으로 제조한다. 여기서 또한 염산의 응축을 제어할 수 없는 경우, 니켈 합금을 사용한다.

유동상은 바람직하게는 반응기 벽에 의해 주위로부터 분리시킨다. 반응기 벽은 바람직하게는 기체가 통하지 않으며, 주위에 대해 열적으로 절연된다. 이러한 방식으로, 예컨대 반응에 참가하는 기체가 반응기 벽을 통해 주위로 새는 것을 방지한다. 반응기 벽의 열 절연은, 반응 온도가 유동상의 가장자리 구역에서 강하되는 것을 방지한다. 이러한 방식으로, 유동상의 전체 구역에 걸쳐 반응이 균일하게 일어나게 된다. 접촉시 화상을 초래할 수 있는 반응기 외부 상의 고온 표면이 없기 때문에, 반응기 벽의 절연은 또한 필요한 안전성 위험을 감소시킨다.

반응기 벽은 바람직하게는 원주형이지만, 또한 임의의 다른 횡단면을 가질 수 있다. 반응기 벽의 두께는 반응기 벽의 원주 및 높이에 대한 열 응력이 회피되는 두께인 것이 바람직하다. 동시에, 반응기 벽의 기계적 안정성도 보장되어야 한다.

반응기 벽으로 적절한 물질은, 반응기 내의 부산물 형성이 제어될 수 있고, 기계적 안정성을 보장하는 임의의 금속 물질이다. 반응기 벽은 바람직하게는 강철 또는 니켈 합금으로 제조한다. 또한, 반응기 벽은 니켈 또는 니켈 합금으로 채워질 수 있다. 반응기 내의 염산의 응축을 제어할 수 없는 경우, 특히 니켈 합금을 사용한다.

공급물 기체인 염화수소 및 산소는 바람직하게는 유동상 아래 쪽에 위치한 윈드박스(windbox)를 통해 공급한다. 염화수소 및 산소 함유 기체 스트림을 포함하는 기체 스트림을 윈드박스 내로 개별적으로 공급하여, 윈드박스에서 혼합하는 것이 가능하다. 그러나, 염화수소 및 산소를 포함하는 기체 스트림이 공급되도록, 혼합은 바람직하게는 윈드박스의 상류에서 일어난다.

기체는 측면에서 또는 접선 방향으로, 윈드박스의 하부에서 윈드박스 내로 공급될 수 있다. 기체를 접선 방향으로 도입하는 경우, 선회 이동(whirling motion)이 윈드박스 내에서 발생한다. 기체가 바닥으로부터 공급되는 경우, 중앙으로 도입하는 것이 바람직하다. 윈드박스는 당업자에게 공지된 임의의 형상의 윈드박스일 수 있다. 원형 횡단면을 갖는 유동상 반응기가 사용되는 경우, 윈드박스는 바람직하게는 원형 돔형, 원뿔형 또는 원주형이다.

윈드박스로 적절한 물질은 부산물 형성이 제어될 수 있고, 기계적 안정성이 보장되는 모든 금속 물질이다. 그러나, 금속 물질 이외에, 세라믹 물질로 윈드박스를 제조할 수도 있다.

바람직한 구체예에 있어서, 공급물 기체 스트림을 아래 쪽으로부터 중앙으로 윈드박스 내로 도입한다. 이 경우 윈드박스는 원형 돔형이고, 갑작스러운 횡단면 확장을 피할 수 있도록 구성된다. 윈드박스 내의 에지(edge)를 피하면, 윈드박스의 내벽 상에 침식을 초래할 수 있는 난류가 억제된다.

윈드박스 내의 기체 스트림의 균일한 분산을 개선하고, 유동상으로 기체가 균일하게 흐르도록 하기 위해, 바람직한 구체예에 있어서, 유입 기체가 흐르는 것에 대항하는 충돌 장치(impingement device)를 윈드박스 내에 위치시킨다. 충돌 장치에 의해 강제화된 기체 스트림의 편향은 유입 공급물 기체의 운동량의 소실을 초래한다. 충돌 장치는 바람직하게는 깔때기 형태 또는 원형 돔 형태의 단순 플레이트이다. 반응 기체와 접촉할 수 있는 모든 다른 표면과 마찬가지로, 충돌 플레이트는 바람직하게는 강철 또는 니켈 합금으로 이루어진다. 염산의 응축을 배제할 수 없는 경우, 니켈 합금을 사용한다.

기체 스트림이 이를 통해 유동상으로 도입되는 기체 분배기에 의해 윈드박스를 결합시킨다. 기체 분배기는 바람직하게는 횡단면에 걸쳐 기체 분산이 균일해지도록 설계한다.

적절한 기체 분배기는 예컨대 천공 플레이트 또는 플레이트에 걸쳐 분산된 기체 분배기 노즐이다.

윈드박스가 유동상으로의 기체의 도입에 사용되는 경우, 기체 분배기는 바람직하게는 윈드박스와 유동상 사이의 경계선이다.

윈드박스를 통한 기체의 도입과는 별도로, 윈드박스를 사용하지 않고 기체를 유동상으로 직접 공급할 수도 있다. 이러한 목적으로, 기체 분배기는 바람직하게는 기체가 이를 통해 유동상으로 흐르는 파이프 시스템으로서 배치된다.

염화수소의 촉매 산화는 바람직하게는 180 내지 500℃, 바람직하게는 200 내지 450℃, 특히 바람직하게는 300 내지 400℃의 반응기 온도에서, 그리고 1 내지 25 바, 바람직하게는 1.2 내지 20 바, 특히 바람직하게는 1.5 내지 17 바, 특히 2.0 내지 15 바의 압력에서, 유동상에서 등온적으로 또는 거의 등온적으로 수행한다.

본 발명의 방법에 사용할 수 있는 촉매는 원칙적으로 염화수소의 염소로의 산화에 대해 공지된 모든 촉매, 예컨대 DE-A 197 48 299 또는 DE-A 197 34 412로부터 공지된 상기 기재한 루테늄계 촉매이다. 각각의 경우 촉매의 총중량을 기준으로 하여, 0.001 내지 30 중량%의 금, 0 내지 3 중량%의 1 이상의 알칼리 토금속, 0 내지 3 중량%의 1 이상의 알칼리 금속, 0 내지 10 중량%의 1 이상의 희토류 금속, 및 지지체 상의 루테늄, 팔라듐, 오스뮴, 이리듐, 은, 구리 및 레늄으로 구성되는 군에서 선택되는 0 내지 10 중량%의 1 이상의 추가의 금속을 포함하는, DE-A 102 44 996에 기재된 금계 촉매도 적절하다.

특히 바람직한 구체예에 있어서, 유동상의 형성에 사용되는 과립 물질은 비균질 촉매를 포함한다. 여기서, 유동상의 과립 물질의 각각의 입자는 활성 조성물로 함침되는 촉매 지지체를 형성한다. 적절한 지지체 물질은 예컨대 이산화규소, 흑연, 금홍석 또는 예추석 구조를 갖는 이산화티탄, 이산화지르코늄, 산화알루미늄 또는 이의 혼합물, 바람직하게는 이산화티탄, 이산화지르코늄, 산화알루미늄 또는 이의 혼합물, 특히 바람직하게는 γ- 또는 δ-산화알루미늄 또는 이의 혼합물이다.

지지된 구리 또는 루테늄 촉매는 예컨대 지지체 물질을 CuCl₂ 또는 RuCl₃의 수용액, 및 필요에 따라 바람직하게는 염화물 형태의 도핑용 촉진제로 함침시켜 얻을 수 있다. 촉매의 성형은 지지체 물질의 함침 후 또는 바람직하게는 함침 전에 수행할 수 있다.

도핑에 적절한 촉진제는 알칼리 금속, 예컨대 리튬, 나트륨, 칼륨, 루비듐 및 세슘, 바람직하게는 리튬, 나트륨 및 칼륨, 특히 바람직하게는 칼륨, 알칼리 토금속, 예컨대 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 및 바륨, 바람직하게는 마그네슘 및 칼륨, 특히 바람직하게는 마그네슘, 희토류 금속, 예컨대 스칸듐, 이트륨, 란탄, 세륨, 프라세오디뮴 및 네오디뮴, 바람직하게는 스칸듐, 이트륨, 란탄 및 세륨, 특히 바람직하게는 란탄 및 세륨, 또는 이의 혼합물이다.

과립 물질의 입자는 후속하여 건조시키고, 필요에 따라 예컨대 질소, 아르곤 또는 공기 분위기 하에서, 100 내지 400℃, 바람직하게는 100 내지 300℃의 온도에서 하소시킬 수 있다. 과립 물질의 입자는 바람직하게는 우선 100 내지 150℃에서 건조시키고, 후속하여 200 내지 400℃에서 하소시킨다.

유동상에서 활성 조성물로 함침된 과립 물질과는 별도로, 불활성 과립 물질의 입자가 또한 유동상에 추가로 존재할 수 있다. 사용 가능한 불활성 물질은 예컨대 이산화티탄, 이산화지르코늄 또는 이의 혼합물, 산화알루미늄, 동석, 세라믹, 유리, 흑연 및 스테인레스강이다. 불활성 과립 물질의 입자는 바람직하게는 활성 조성물로 함침된 과립 물질의 입자와 유사한 외경을 갖는다.

유동상 위쪽에, 유동상의 유동화 과립 물질이 기체상으로부터 분리되는 이탈(disengagement) 구역이 존재한다. 바람직한 구체예에 있어서, 가능한 한 적은 양의 고체로 유동상 반응기로부터 기체를 배출시키기 위해, 고체의 침전도를 증가시키는 고체 침전기를 이탈 구역에서 사용한다.

고체 침전기는 바람직하게는 기체 기포가 배출되면서 유동상으로부터 떨어져 나가는 과립 물질의 입자에 대한 배출 높이 이상의 높이에 배치된다. 이에 따라 이러한 고체 침전기의 소정의 침전 성능이, 유동상과 고체 침전기 사이의 적절한 거리를 이용하여 최소화된다.

적절한 고체 침전기는 예컨대 사이클론 및 캔들 필터(candle filter)이다.

이탈 구역에서 표면 기체 속도를 감소시키기 위해, 이 영역은 원뿔형으로 확장된다. 이러한 방식으로, 고체 침전기의 소정의 침전 성능을 더 감소시킬 수 있다.

이탈 구역 및 1 이상의 고체 침전기(들)에 대한 물질로서, 부산물 생성을 제어할 수 있고, 필요한 기계적 안정성을 보장하는 금속 물질을 사용하는 것이 바람직하다. 고체 침전기 및 이탈 구역에 대한 특히 바람직한 물질은 강철 및 니켈 합금이다. 적절한 니켈 합금은 예컨대 하스텔로이(Hasteloy) 물질 또는 인코넬(Inconell)이다. 이들은 염산의 응축이 제어될 수 없는 경우 사용한다.

캔들 필터가 고체의 침전화에 사용되는 경우, 적절한 금속 물질 뿐 아니라 세라믹 물질을 사용하는 것도 가능하다.

본 발명을 도면을 참조하여 하기에 더욱 상세히 설명한다.

도면에서,

도 1은 본 발명에 따라 배치된 유동상 반응기의 단면을 도시하고,

도 2는 도 1에서 AA선에 따른 단면을 도시하며,

도 3은 도 1에서 BB선에 따른 단면을 도시하고,

도 4는 도 1로부터의 상세 부분 C를 도시하며,

도 5는 도 1에서 DD선에 따른 단면을 도시한다.

도 1은 본 발명에 따라 배치된 유동상 반응기의 단면을 개략적으로 도시한다.

반응기(1)는 유동상(2), 윈드박스(3), 기체 분배기(4), 이탈 구역(5) 및 1 이상의 고체 침전기(6)를 포함한다. 공급물 기체는 윈드박스(3) 내로 공급한다. 기체의 도입을 본원에서는 화살표(7)로 표시한다. 윈드박스(3) 내로의 기체의 도입은 본원에서 도시한 바와 같이 아래쪽으로부터 또는 측면으로부터 수행할 수 있다. 염화수소 및 산소 함유 기체 스트림을 포함하는 기체 스트림을 윈드박스(3)의 상류에서 혼합할 수 있거나, 또는 윈드박스(3) 내로 개별적으로 공급할 수 있다. 이를 개별적으로 공급하는 경우, 그 다음 혼합은 윈드박스(3) 내에서 일어난다. 윈드박스(3)로부터, 기체 분배기(4)를 통해 유동상(2)으로 기체가 흐른다. 기체 분배기(4)의 역할은 기체가 유동상(2)으로 균일하게 흐르고, 이에 따라 유동상(2) 내에서 기체와 고체의 양호한 혼합이 달성되도록 하는 것이다. 기체 분배기(4)는 천공 플레이트 또는 그 위에 분산된 기체 분배기 노즐을 갖는 플레이트일 수 있다.

유동상(2)에서, 염화수소 및 산소는 반응하여 염소 및 물을 형성한다. 이 반응은 열을 방출하는데, 이는 열 교환기(9)를 통해 제거된다. 이는 등온적인 또는 거의 등온적인 조건 하에서 반응이 일어나도록 한다.

열 전달 매질을 1 이상의 열 전달 매질 유입구(10)를 통해 열 교환기(9)에 공급한다. 열 전달 매질은 1 이상의 열 전달 매질 공급 파이프(18)를 통해 1 이상의 열 전달 매질 분배기(11)로 흐른다. 본원에서 도시된 열 교환기(9)의 경우, 열 전달 매질 유입구(10)는 유동상(2)의 상부 영역에 위치시킨다. 그러나, 열 전달 매질 유입구(10)는 유동상(2)의 임의의 다른 높이에 위치시킬 수도 있다.

유동상에서 수직으로 위치한 열 교환기 관(15)은 열 전달 매질 분배기(들)(11)로부터 분지되어 있다. 열 전달 영역을 증가시키기 위해, 열 교환기 관(15)은 횡관(transverse tube)(16)에 의해 연결되어 있다. 열 전달 매질도 횡관(16)을 통해 흐른다. 반응에서 방출된 열의 흡수로 인해 기화하는 열 전달 매질이 사용되는 경우, 횡관(16)을 차단하는 증기 플러그가 횡관(16) 내에서 형성될 수 없도록, 횡관(16)은 수평으로부터 약간 경사지는 것이 바람직하다. 횡관(16)이 수평으로부터 경사져 있는 각도는 바람직하게는 < 10°, 더욱 바람직하게는 < 5°, 특히 바람직하게는 < 2°이다.

열 전달 매질 유입구(10)의 수가 열 전달 매질 분배기(11)의 수와 동일하지 않은 열 교환기(9)가 사용되는 경우, 열 전달 매질 분배기(11), 열 전달 매질이 이를 통해 열 전달 매질 분배기(11) 내로 분산되는 액체 수집기(12)에 의해 서로 연결되어 있는 것이 바람직하다.

열 전달 매질 분배기(11)에 대향하는 말단에서, 열 교환기 관(15)은 1 이상의 증기 수집기(13)로 개구한다. 열 교환기(9)가 다수의 증기 수집기(13)를 구비하는 경우, 이들은 증기 유통관(offtake)(14)에 연결되는 것이 바람직하다. 증기 유통관(14)을 통해 기화된 열 전달 매질이 열 교환기(9)로부터 배출된다. 열 전달 매질은 그 다음 재차 응축하여, 액체 형태로 열 교환기(9)로 재공급될 수 있는 추가의 열 교환기를 통과하는 것이 바람직하다. 밀폐된 열 전달 매질 회로를 이러한 방식으로 달성할 수 있다.

열 전달 영역을 더 증가시키고, 유동상 내의 기체 기포의 균일한 분산을 달성하기 위해, 기체 투과성 플레이트(17)를 기체의 흐름 방향에 대해 수직으로 유동상에 설치한다. 기체 투과성 플레이트(17)를 열 전도 방식으로 열 교환기 관(15)에 연결한다. 연결은 바람직하게는 통합형 용접 연결이다. 바람직한 구체예에 있어서, 기체 투과성 플레이트(17)를 예컨대 용접에 의해 횡관(16)에 대해 통합형으로 연결한다. 기체 투과성 플레이트(17)는 바람직하게는 천공 플레이트로서 또는 정렬형 또는 비정렬형 메쉬 구조체로서 배치한다.

유동상(2)을 이탈 구역(5)에 의해 연결한다. 바람직한 구체예에 있어서, 이탈 구역(5)의 횡단면은 기체의 흐름 방향으로 증가한다. 이탈 구역(5)은 유동상의 과립 물질이 기체로부터 분리되는 영역을 지칭한다. 기체 스트림에 의해 유입되는 과립 물질의 입자를 분리하기 위해, 1 이상의 고체 침전기(6)를 이탈 구역(5)의 상부 영역에 위치시키는 것이 바람직하다. 고체 침전기(들)(6)를 반응기 내에 위치시킨 도 1에 도시한 구체예 이외에, 고체 침전기(들)(6)는 또한 반응기(1) 외부에 위치시킬 수 있다. 화살표(8)는 고체 침전기(들)(6)에 따른 생성물 배출을 나타낸다.

도 2는 도 1에서 AA선에 따른 단면의 평면도이다. 본원에 도시한 구체예에 있어서, 반응기(1)는 원형 횡단면을 갖는 반응기 벽(21)에 의해 경계가 지어진다. 반응기 벽(21)을 통한 열 흐름이 적어지도록, 반응기 벽(21)은 절연되는 것이 바람직하다. 반응기 벽(21)의 외측이 너무 뜨거워져서 이에 따라 접촉시 화상을 초래할 수 있는 것을 방지하기 때문에, 이는 동시에 작동 안전성을 증가시킨다. 반응에서 방출되는 열은 열 교환기(9)를 통해 제거된다. 열 전달 매질은 열 전달 매질 유입구(10)를 통해 화살표(19)의 방향으로 도입된다. 열 전달 매질은 도 3에 도시된 열 전달 매질 공급 파이프(18)를 통해, 열 전달 매질 분배기(11)로 흐른다. 도 3에 또한 도시된 열 교환기 관(15)에서, 열 전달 매질은 도 2에 도시된 증기 수집기(13)의 방향으로 흐른다. 열 흡수의 결과로서, 열 전달 매질은 열 교환기 관(15)에서 기화한다. 기화된 열 전달 매질은 증기 수집기(13)에 수집되어, 증기 유통관(14)으로 공급된다. 증기 유통관(14)으로부터, 기체성 열 전달 매질이 열 교환기(9)로부터 배출된다. 이는 22번 화살표로 표시된다.

유동상(2) 내에서 기체 기포가 응집되는 것을 방지하고, 유동상(2)의 균일한 혼합을 달성하기 위해, 스크린으로서 배치된 기체 투과성 플레이트(17)를 도 2 및 3에 도시한다.

도 4는 도 1에서 라벨링된 C 부분을 상세히 도시한다. 수직 열 교환기 관(15)은 바람직하게는 횡관(16)에 의해 규칙적인 간격으로 서로 연결한다. 본원에서, 간격은 바람직하게는 기체 투과성 플레이트(17) 사이의 간격에 상당한다. 횡관(16)은 바람직하게는 통합 방식으로 열 교환기 관(15)에 연결한다. 그러나, 연결은 또한 예컨대 당업자에게 공지된 임의의 다른 파이프 연결 또는 파이프 클립을 이용하는 마찰형의 것일 수도 있다. 기체 투과성 플레이트(17)는 바람직하게는 열 전도 방식으로 횡관(16)에 연결한다. 이러한 목적으로, 본원에서 도시한 바와 같이 기체 투과성 플레이트(17)는 횡관(16) 위쪽에 위치시킬 수 있지만, 기체 투과성 플레이트(17)를 횡관(16) 아래 쪽에 위치시키거나, 횡관(16)을 기체 투과성 플레이트(17)의 평면에 위치시키는 배열도 고려할 수 있다.

열 전달 매질은 바람직하게는 수직 열 교환기 관(15)으로부터 횡관(16)으로 흐른다. 열 전달 매질이 기화하여 횡관(16)을 차단시 증기 플러그가 횡관(16)에서 형성되는 것을 방지하기 위해, 횡관(16)은 약간 경사지는 바람직하다.

도 5는 도 1에서 DD선에 따른 단면을 도시한다.

도 5로부터 열 전달 매질 공급 파이프(18)는 횡관(16)을 통해 열 교환기 관(15)에 연결되어 있지 않음을 알 수 있다. 이는 기화된 열 전달 매질이 열 전달 매질 공급 파이프(18)로 흐를 수 없도록 한다. 또한, 이는 모든 열 전달 매질이 열 전달 매질 분배기(11)를 통해 열 교환기 관(15)으로 흐르도록 한다. 이러한 방식으로, 균일한 온도 분산 및 열 전달 매질 분산이 열 교환기(9)에서 달성된다. 본원에서 나타낸 구체예에 있어서, 모든 열 교환기 관(15)은 횡관(16)에 의해 서로 연결되어 있음을 알 수 있다.

도 2 및 3에 도시된 횡단면에 상응하여, 스크린으로서 배치된 기체 투과성 플레이트(17)를 본원에 나타낸 구체예에서 또한 확인할 수 있다.

참조 번호 목록

1 반응기

2 유동상

3 윈드박스

4 기체 분배기

5 이탈 구역

6 고체 침전기

7 기체의 도입

8 생성물 배출

9 열 교환기

10 열 전달 매질 유입구

11 열 전달 매질 분배기

12 열 전달 매질 수집기

13 증기 수집기

14 증기 유통관

15 열 교환기 관

16 횡관

17 기체 투과성 플레이트

18 열 전달 매질 공급 파이프

19 열 전달 매질의 유입 방향

20 열 전달 매질의 흐름 방향

21 반응기 벽

22 열 전달 매질의 배출 방향

Claims (17)

1. 기체 투과성 플레이트(17)가 설치되어 있는 유동상(2)에서 비균질 촉매의 존재 하에 산소를 이용한 기상 산화에 의해 염화수소로부터 염소를 제조하기 위한 반응기로서, 기체 투과성 플레이트(17)는 유동상(2) 내에 설치된 열 교환기(9)에 열 전도 방식으로 연결되어 있고, 기체 투과성 플레이트(17)의 열 전도성은 유동상(2)의 열 전도성보다 크며, 염화수소 및 산소가 윈드박스(3) 및 기체 분배기(4)를 통해 유동상으로 도입되는 것인 반응기.
2. 제1항에 있어서, 열 교환기(9)는, 유동상 내에서 수평으로 연장되고 기체 투과성 플레이트(17)에 연결되는 관(16)을 구비하는 것인 반응기.
3. 제2항에 있어서, 수평 관(16)은 원통 다관식(shell-and-tube) 열 교환기(9)의 수직 열 교환기 관(15)을 연결하는 것인 반응기.
4. 제1항에 있어서, 기체 투과성 플레이트(17)는 플레이트 열 교환기의 수직 플레이트를 서로 연결하는 것인 반응기.
5. 제1항에 있어서, 열 전달 매질이 통과하여 흐르는 채널 또는 관이 기체 투과성 플레이트(17)를 통과하여 연장되는 것인 반응기.
6. 제1항에 있어서, 천공 플레이트가 기체 투과성 플레이트(17)로서 이용되는 것인 반응기.
7. 제1항에 있어서, 정렬형(ordered) 또는 비정렬형(unordered) 메쉬 구조체가 기체 투과성 플레이트로서 이용되는 것인 반응기.
8. 제1항에 있어서, 하나 이상의 천공 플레이트가 기체 분배기(4)로서 이용되는 것인 반응기.
9. 제1항에 있어서, 기체 분배기 노즐을 구비한 하나 이상의 플레이트가 기체 분배기(4)로서 이용되는 것인 반응기.
10. 제1항에 있어서, 충돌 장치(impingement device)가 윈드박스(3) 내에 기체 유입구 위쪽에 위치하는 것인 반응기.
11. 제10항에 있어서, 충돌 장치는 유입 방향을 가로질러 배치된 평평한, 둥근 돔형 또는 깔때기형의 금속 시트인 반응기.
12. 제1항에 있어서, 비균질 촉매를 포함하는 과립형 유동상 물질이 유동상(2)을 형성하는 데 이용되는 것인 반응기.
13. 제1항에 있어서, 반응기(21)의 내벽, 기체 투과성 플레이트(17), 열 교환기 표면, 윈드박스(3)의 내벽 및 기체 분배기(4)는 강철 또는 니켈 합금으로 제조되는 것인 반응기.
14. 제1항에 있어서, 기체 분배기(4)는 세라믹 물질로 제조되는 것인 반응기.
15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 따른 반응기를 이용하여, 산소를 이용한 기상 산화에 의해 염화수소로부터 염소를 제조하는 방법.
16. 삭제
17. 삭제

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