KR20210045980A - 바이패스를 가진 반응기에서 메탄올의 제조 방법 - Google Patents
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Abstract
메탄올 제조 방법은 메탄올 합성 가스의 원료 스트림을 메탄올 합성 촉매를 함유하는 주 메탄올 반응기를 통과시켜 메탄올을 함유하는 혼합 가스를 형성하는 단계, 메탄올을 함유하는 혼합 가스를 냉각하는 단계, 혼합 가스로부터 메탄올을 분리하는 단계 및 혼합 가스를 가열하는 단계를 포함한다. 가열된 혼합 가스의 스트림은 메탄올 합성 촉매를 함유하는 추가의 메탄올 반응기를 통과하고, 추가의 메탄올 반응기로부터의 유출물은 메탄올 합성 가스의 원료 스트림과 혼합되고 주 메탄올 반응기를 통과한다.
Description
본 발명은 추가의 메탄올 반응기의 형태로 바이패스가 구비된 반응기에서 메탄올을 제조하는 방법에 관한 것이다.
종래의 메탄올 루프에서 원료 가스(feed gas)는 압축되고 재순환 미반응 가스와 혼합된 후 메탄올 반응기로 보내지며, 여기서 메탄올은 상승된 압력하에 상승된 온도에서 진행되는 평형 반응을 통해 합성 가스(합성가스)로부터 생성된다. 합성 반응은 다음과 같다:
CO + H2O <-> CH3OH + 열
(1)
CO2 + 3H2 <-> CH3OH + H2O + 열
(2)
CO + H2O <-> CO2 + H2 + 열
(3)
상기 반응들은 발열 반응이기 때문에 메탄올 반응기는 온도를 제어하기 위해 다수의 냉각관이 장착되어야 한다.
전통적인 메탄올 반응기의 크기를 줄이기 위해(또는 생산 증대를 위해), 전통적인 반응기의 상류에서 추가의 반응기에 촉매층을 설치하는 것이 유익하다. 이 추가의 반응기는 덜 복잡한 또는 덜 냉각되는(또는 단열) 반응기일 수 있다. 그러나, 새로운 추가 반응기가 단열(또는 덜 냉각되는) 반응기인 경우, 용량, 가스 조성 및 촉매 활성에 따라 온도 프로파일이 변할 것이고, 촉매층의 출구에서 온도가 너무 높아질 위험이 있다. 촉매층에서 고온은 증가된 부산물 형성과 촉매 소결을 초래할 것이다.
US 8.536.235는 (a) 루프 가스와 메이크업 가스의 합성 가스 혼합물을 압력하에 비등수에 의해 냉각되고 메탄올 합성 촉매를 함유하는 제1 합성 반응기를 통과시켜 메탄올을 함유하는 혼합 가스를 형성하는 단계, (b) 상기 혼합 가스를 냉각하는 단계, (c) 상기 혼합 가스를 메탄올 합성 촉매를 함유하는 제2 합성 반응기를 통과시키고, 여기서 추가의 메탄올이 합성되어 생성물 가스 스트림을 형성하는 다계, (d) 상기 생성물 가스 스트림을 냉각하여 메탄올을 응축시키는 단계, 및 (e) 메탄올을 회수하고, 미반응 가스를 루프 가스로서 제1 합성 반응기로 반환하는 단계를 포함하는 메탄올의 합성을 위한 과정을 개시한다. 제1 합성 반응기로부터의 메탄올을 함유하는 혼합 가스는 루프 가스 또는 메이크업 가스와의 열 교환에서 냉각된다.
CN 107382665 A는 제1 반응기를 통해서 신선한 가스를 함유하는 합성 가스로부터 메탄올을 생성하는 단계, 합성 가스 및 메탄올 스팀을 함유하는 혼합 가스의 열을 제1 반응기에 공급되는 신선한 가스를 함유하는 합성 가스의 열과 교환하고, 이어서 제2 반응기를 통해서 메탄올을 생성하는 단계, 반응 후 메탄올 농도가 더 높은 합성 가스를 냉각하고, 이어서 그것을 메탄올 분리기로 안내하고 메탄올을 분리하는 단계, 메탄올 분리 후 합성 가스를 신선한 가스와 혼합하고, 이로써 신선한 가스를 함유하는 합성 가스를 획득하는 단계, 신선한 가스를 함유하는 합성 가스를 제1 반응기로 다시 안내하는 단계, 밸브(A)를 이용하여 신선한 가스의 일부를 제2 반응기로 직접 안내하고, 제2 반응기의 촉매층의 핫-스팟 온도를 약 250℃로 제어하는 단계, 신선한 가스를 함유하는 합성 가스의 일부를 열 교환 없이 유지하고, 그것을 밸브(B)에 의해 제1 반응기에 직접 도입하는 단계 및 제2 반응기의 가스 입구 온도를 200-240℃로 제어하는 단계를 포함하는 메탄올을 합성하는 기술을 개시한다. 이 방식은, 촉매의 사용 비율이 증가되고, 메탄올 생성물의 품질이 개선된다.
US 2011/0065966에서는, 메탄올 생산을 위한 수소 및 탄소 산화물을 함유하는 합성 가스가 제1, 바람직하게는 수냉식 반응기를 통과하며, 여기서 탄소 산화물의 일부가 메탄올로 촉매 전환된다. 합성 가스 및 메탄올 증기를 함유하는 결과의 혼합물이 제2, 바람직하게는 가스냉각방식 반응기에 공급되고, 여기서 탄소 산화물의 추가의 부분이 메탄올로 전환된다. 최대 메탄올 수율을 달성하기 위해, 노화된 촉매를 사용하더라도 합성 가스의 일부 스트림이 제1 반응기를 지나 안나되어 제2 반응기로 직접 도입된다.
냉매 반응기의 용량을 증가시키기 위해, 일부 경우에 촉매는 반응관뿐만 아니라 반응관이 장착되는 상부 관 시트 위에도 로딩될 것이다. 발열 반응과 관련하여, 이것은 냉매와 열 접촉하고 있는 반응관에 반응물이 도달하기 전에도 반응 가스 온도를 증가시킬 것이다. 따라서, 관 시트의 온도가 너무 높아질 위험이 있고, 결과적으로 관 시트가 손상되거나 반응관의 윗부분 및 상부 관 시트가 손상될 위험이 있다. 이 문제는 출원인의 WO 2017/186538에 의해 해결되는데, 이것은 발열 반응을 위한 냉매 반응기를 개시한다. 이 반응기는 상부 관 시트의 윗부분에 배열된 상부 관 시트 삽입물의 윗부분에 단열 촉매층을 제공하기 위한 반응관 삽입물 및 상부 관 시트를 삽입물 내의 발열 반응으로부터 단열하는 삽입물의 가이드 수단을 포함한다.
본 발명의 목적은 여분의 반응기를 추가하고, 이 제1(또는 더 많은) 반응기(들) 주변에 원료 가스 바이패스를 배열하여 반응기 출구의 온도를 제어하는 것이다. 바이패스된 원료 가스는 더 낮은 온도를 가지며, 반응기의 출구에서 고온 가스와 혼합되어 원하는 수준으로 온도를 제어할 수 있다. 가스 바이패스는 원료 가스로부터 취해지며, 첨부 도면에 도시된 대로, 재순환 가스의 전체 흐름이 제1 반응기를 통과하도록 허용하고, 단열(또는 덜 냉각되는) 반응기로 가는 신선한 원료 가스의 양을 감소시킨다.
따라서, 본 발명은 메탄올 제조 방법에 관한 것으로서, 상기 방법은
(a) 메탄올 합성 가스의 원료 스트림을 메탄올 합성 촉매를 함유하는 주 메탄올 반응기를 통과시켜 메탄올을 함유하는 혼합 가스를 형성하는 단계,
(b) 메탄올을 함유하는 혼합 가스를 냉각하는 단계,
(c) 혼합 가스로부터 메탄올을 분리하는 단계 및
(d) 혼합 가스를 가열하는 단계
를 포함하며, 여기서
- 단계 (d)로부터의 가열된 혼합 가스의 스트림은 메탄올 합성 촉매를 함유하는 추가의 메탄올 반응기를 통과하고,
- 추가의 메탄올 반응기로부터의 유출물은 메탄올 합성 가스의 원료 스트림과 혼합되고 주 메탄올 반응기를 통과한다.
메탄올 루프에서 비등수 반응기(BWR)의 크기를 줄이기 위해(또는 기존 BWR의 생산을 증대시키기 위해), 단열 촉매층이 관 시트의 윗부분에 위치될 수 있다. 대형 유닛의 경우 별도의 반응기에 단열층을 위치시키는 것이 유익할 수 있었다. 이 개념과 WO 2017/186538에 설명된 단열 상부층(촉매 삽입물)의 주된 차이는 냉각된 반응기 외부에서 제어할 수 있는 능력인데, 이것은 상이한 방식으로 루프의 작동을 가능하게 한다. 촉매층이 별도의 반응기에 위치된 경우, 낮은 로딩에서 또는 일시적으로 온도를 제한하도록 여분의 제어를 추가하는 것이 가능하다.
새 반응기로 가는 신선한 가스가 감소되므로, 추가 반응기의 입구에서 가스는 덜 반응성이며, 이것은 촉매층에서 더 낮은 피크 온도와 더 적은 부산물 형성을 가져온다.
기존 메탄올 반응기의 상류에 추가의 반응기를 이용하고 가스 바이패스에 의해 출구 온도(기존 반응기 입구 온도)를 제어하는 개념이 첨부 도면에 예시된다.
메탄올 합성 원료 가스(f)의 스트림이 2개의 스트림으로 분할되며, 그 중 하나는 스로틀(throttle) 밸브(v)를 통해서 주 메탄올 반응기(A)로 보내지고, 나머지 하나는 원료/유출물 열 교환기(Hex)를 지난 후 추가의 메탄올 반응기(B)로 보내진다.
따라서, 주 메탄올 반응기(A)에는 신선한 메탄올 합성 원료 가스(f)와 추가의 메탄올 반응기(B)로부터의 유출물(e2)의 혼합물이 공급된다.
주 메탄올 반응기(A)로부터의 유출물(e1)은 루프 공기 냉각기(lac) 및 루프 수 냉각기(lwc)에서 냉각된 다음 분리기(S)에 공급되고, 여기서 액체 메탄올 생성물(MeOH)이 가스상으로부터 분리되며, 후자는 신선한 원료 가스와 혼합되고 추가의 메탄올 반응기(B)로 보내진다.
Claims (3)
- 메탄올 제조 방법으로서, 상기 방법은
(a) 메탄올 합성 가스의 원료 스트림을 메탄올 합성 촉매를 함유하는 주 메탄올 반응기를 통과시켜 메탄올을 함유하는 혼합 가스를 형성하는 단계,
(b) 메탄올을 함유하는 혼합 가스를 냉각하는 단계,
(c) 혼합 가스로부터 메탄올을 분리하는 단계 및
(d) 혼합 가스를 가열하는 단계
를 포함하며, 여기서
- 단계 (d)로부터의 가열된 혼합 가스의 스트림은 메탄올 합성 촉매를 함유하는 추가의 메탄올 반응기를 통과하고,
- 추가의 메탄올 반응기로부터의 유출물은 메탄올 합성 가스의 원료 스트림과 혼합되고 주 메탄올 반응기를 통과하는, 방법. - 제 1 항에 있어서, 주 메탄올 반응기는 비등수 반응기(BWR)인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 비등수 반응기의 크기를 감소시키기 위해 단열 촉매층이 관 시트의 윗부분에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.
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