KR101653850B1 - 포스겐을 제조하기 위한 반응기 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고체 촉매 존재 하에 일산화탄소와 염소의 기상 반응에 의해 포스겐을 제조하기 위한 반응기(1)로서, 상기 촉매는 반응기(1)의 종방향으로 서로 평행하게 배열되고 그 양단부 각각에서 관 지지판(3)에 용접되는 복수의 촉매관(2)에 제공되고, 각각의 경우에 캡을 통해 촉매관(2)의 상단부에서 출발 물질이 공급되고 촉매관(2)의 하단부에서 기상 반응 혼합물이 방출되며, 외관 내의 촉매관(2) 사이의 공간(4)에서의 액체 열 전달 매체(7)를 위한 공급 및 방출 설비를 구비하고, 외관 내의 촉매관(2) 사이의 공간(4) 내의 열 전달 매체(7)의 흐름은 편향판(5)으로 인해 사행하고, 각각의 교호하는 편향판(5)은 반응기 내벽의 대향하는 측면 상에 활꼴 형상을 갖는 2개의 통로(6)를 남기며, 바로 이어지는 편향판은 서로, 또 반응기 직경에 평행하고, 또 그로부터 등거리에 있는 2개의 직선에 의해 획정되는 중심 통로(11)를 남기고, 반응기(1)는 활꼴 형상을 갖는 통로(6) 영역과 중심 통로(11) 영역에는 관을 포함하지 않으며, 여기서, 반응기(1)의 종방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 촉매관(2)은 촉매관(2)이 없고 반응기 직경을 따라 양 측면으로 연장되는 영역에 의해 서로 분리되는 동일한 촉매관(2)의 2개의 다발로 배열되고, 촉매관(2)과 열 전달 매체(7) 사이의 계면에서의 열 전달 계수는, 각각의 경우 열 전달 매체(7)의 흐름 방향으로 제1 촉매관(2)으로부터 마지막 촉매관(2)까지 측정되는, 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체(7)의 유로가 변경된 촉매관(2) 배열에 의해 서로 균등화되는 것에 의해, 각각의 반응기 횡단면에 대해 균등화되는 것인 반응기(1)에 관한 것이다.

Description

포스겐을 제조하기 위한 반응기 및 방법{REACTOR AND METHOD FOR PRODUCING PHOSGENE}

본 발명은 고체 촉매 존재 하에 일산화탄소와 염소의 기상 반응에 의해 포스겐을 제조하기 위한 반응기 및 방법에 관한 것이다.

포스겐을 고체 촉매, 바람직하게는 활성탄 존재 하에 일산화탄소와 염소의 촉매 기상 반응에서 산업상 제조한다. 반응은 강한 발열 반응이고, 형성 엔탈피는 약 -107.6 kJ/mol이다. 상기 반응을 일반적으로 문헌[Ullmanns Enzyklopadie der technischen Chemie, vol. A 19, 페이지 413 내지 414]에 기재된 공정을 이용하여 다관식 반응기에서 수행한다. 이 참조문헌에 따르면, 입자 크기가 3 내지 5　㎜ 범위인 미립자 촉매를 내경이 50 내지 70　㎜인 관에서 사용한다. 상기 반응을 40 내지 50℃에서 개시하고, 관 내 온도를 약 580℃로 증가시키고, 이후 다시 감소시킨다. 모든 염소가 반응하여 염소 비함유 포스겐을 얻도록 보장하도록 일산화탄소를 약간 과량 사용한다. 대기압에서 또는 초대기압 하에, 흔히 2 내지 5　bar에서 상기 반응을 수행하여 냉각수에 의해 포스겐을 응축할 수 있다.

포스겐은 실질적으로 화학의 모든 분과에서 중간체 및 최종 생성물의 제조에 있어서 중요한 보조제이다. 양적으로 가장 많이 이용되는 분야는 폴리우레탄 화학을 위한 디이소시아네이트, 특히 톨릴렌 디이소시아네이트 및 4,4-디이소시아네이토디페닐메탄의 제조이다.

촉매관 사이를 순환하는 열 전달 매체를 통해 반응 열의 더 우수한 제거를 성취하기 위해, 편향판을 촉매관 사이에 설치하여 열 전달 매체가 촉매관에 횡방향으로 흐르도록 유도한다.

포스겐의 제조를 위해 공지된 다관식 반응기는 반응기 내부에서의 공간의 최대 이용을 성취하기 위해 관의 완전한 보완을 갖는다. 촉매관 사이에, 이것은 비교적 짧게 유지되는 편향판을 갖고, 즉 이것은 편향 영역에서 반응기 내벽으로 연장되지 않지만, 대신에 전체 반응기 횡단면의 약 25 내지 30%의 비율이 남게 하여 열 전달 매체가 경험하는 압력 강하를 제한하고 따라서 열 전달 매체에 대한 순환 펌프에 대한 조작 비용을 제한한다. 편향 영역에서, 촉매관 주위의 열 전달 매체의 흐름 프로파일은 관에 대한 횡방향 흐름으로부터 관을 따른 종방향 흐름으로 변한다. 촉매관이 덜 효과적으로 냉각되고, 그 결과로서 부식 문제가 편향 영역에서의 촉매관에서 발생한다.

WO 제03/072237호에는 편향 영역에서의 촉매관에서 부식 문제를 회피함으로써 특정한 횡단면 로딩을 증가시키고 따라서 더 높은 커패시티가 가능하게 하는 포스겐을 제조하기 위한 개선된 반응기가 기재되어 있다. 이러한 목적을 위해, WO　제03/072237호에는 반응기의 종방향으로 서로 평행하게 배열되고 관 지지판에서 그 단부에서 고정되는 촉매관 다발을 갖는 반응기로서, 반응기의 양단부 각각에서 캡을 갖고 촉매관 사이의 중간 공간에서 반응기의 종방향에 수직으로 배열되고 반응기 내벽의 교호하는 대향 측면 상에 통로를 남기는 편향판을 가지며, 촉매관에 고체 촉매가 충전되고, 기상 반응 혼합물이 캡을 통해 반응기의 일 단부로부터 촉매관을 통해 통과하고 제2 캡을 통해 반응기의 대향 단부로부터 방출되며, 액체 열 전달 매체가 촉매관 주위의 중간 공간을 통해 통과하고, 반응기가 통로 영역에서 관을 갖지 않는 것인 반응기를 제시하고 있다.

그러나, 직경이 비교적 큰 반응기의 경우에, 특히 약 3.50　m 이상의 반응기 직경으로부터, 반응기 내벽에서의 1개 통로로부터 반응기 내벽에서의 대향 통로까지 반응기 횡단면에 걸쳐 외관 내 공간을 통해 흐르는 열 전달 매체가 경험하는 압력 강하가 반응기 직경이 증가하면서 너무 커진다는 것이 발견되었다. 또한, 열 전달 매체의 손실 및 따라서 촉매관 외벽과 제조상 이유로 존재하는 편향판 사이의 갭에 걸친 압력 강하가 또한 너무 커진다. 상응하게, 열 전달 매체를 위한 펌프에 대한 경비가 너무 커진다.

또한, 반응기 내벽에서의 2개의 대향 통로 사이에 반응기 횡단면에 걸친 큰 압력 강하는 촉매관과 열 전달 매체 사이의 계면에서의 열 전달 계수의 차이를 더 크게 하고, 그 결과 우수한 열 전달을 갖는 영역과 반응기 횡단면 내에 열악한 열 전달을 갖는 영역 사이에 1:2의 인자가 발생할 수 있다. 그 결과, 열악한 열 전달을 갖는 영역에서 촉매관은 덜 잘 냉각된다. 그러나, 촉매관이, 사용되는 물질, 특히 듀플렉스 스틸에 따라, 흔히 약 160 내지 200℃, 특히 170 내지 180℃ 범위(이를 초과해서는 안 되는데, 왜냐하면 그렇지 않으면 물질 부식이 크게 증가하기 때문이다)에서 최대 조작 온도를 가지므로, 열악한 열 전달을 갖는 영역은 토출량 및 따라서 반응기의 커패시티를 제한한다.

2.5　m로부터 6　m 이하까지의 매우 큰 직경을 갖는 포스겐 반응기의 경우에, 편향판과 촉매관 사이의 갭을 통한 우회 흐름으로 인한 열 전달 매체의 손실 및 압력 강하가 흔히 매우 커지므로 반응기의 중앙 영역에서 내부 관 주위의 흐름은 더 이상 충분하지 않고 따라서 이 관은 더 이상 충분히 냉각되지 않고 따라서 부식 위험이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은 산업상 규모로 포스겐을 제조하기 위한 방법 및 높은 포스겐 로딩에서 조작될 수 있고 그럼에도 불구하고 심지어 반응기의 중앙 영역에서의 촉매관의 충분한 냉각을 보장하는 반응기를 제공하는 것이다.

상기 목적은 고체 촉매 존재 하에 일산화탄소와 염소의 기상 반응에 의해 포스겐을 제조하기 위한 반응기로서, 상기 촉매는 반응기의 종방향으로 서로 평행하게 배열되고 그 양단부 각각에서 관 지지판에 용접되는 복수의 촉매관에 제공되고, 각각의 경우에 캡을 통해 촉매관의 상단부에서 출발 물질이 공급되고 촉매관의 하단부에서 기상 반응 혼합물이 방출되며, 외관(shell) 내의 촉매관 사이의 공간에서의 액체 열 전달 매체를 위한 공급 및 방출 설비를 구비하고, 외관 내의 촉매관 사이의 공간 내의 열 전달 매체의 흐름은 편향판으로 인해 사행하고, 각각의 교호하는 편향판은 반응기 내벽의 대향하는 측면 상에 활꼴 형상을 갖는 2개의 통로를 남기며, 바로 이어지는 편향판은 서로, 또 반응기 직경에 평행하고, 또 그로부터 등거리에 있는 2개의 직선에 의해 획정되는 중심 통로를 남기고, 반응기는 활꼴 형상을 갖는 통로 영역과 중심 통로 영역에는 관을 포함하지 않으며, 여기서, 반응기의 종방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 촉매관은 촉매관이 없고 반응기 직경을 따라 양 측면으로 연장되는 영역에 의해 서로 분리되는 동일한 촉매관의 2개의 다발로 배열되고, 촉매관과 열 전달 매체 사이의 계면에서의 열 전달 계수가 각각의 반응기 횡단면에 걸쳐 균등화되도록, 각각 열 전달 매체의 흐름 방향으로 제1 촉매관으로부터 마지막 촉매관까지 측정되는 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체의 유로가, 변경된 촉매관 배열에 의해 서로 균등화되는 것인 반응기에 의해 성취된다.

바람직한 실시양태에서, 촉매관이 없고 반응기 직경에 서로 수직인 양 측면으로 연장되는 2개의 영역에 의해 서로 분리되는 총 4개 다발의 촉매관이 존재하도록 동일한 촉매관의 2개의 다발이 각각 동일한 촉매관의 추가의 2개의 다발로 분할된다. 여기서, 편향판의 기하학은 바람직하게는 관 평면의 기하학, 즉 반응기 횡단면에 걸쳐 촉매관 배열과 일치한다. 각각 4개의 다발의 촉매관을 둘러싸는 공간에 바람직하게는 각각의 경우 열 전달 매체에 전용인 유입구 및 배출구가 제공된다.

추가의 바람직한 실시양태에서, 각각의 경우 열 전달 매체의 흐름 방향으로 제1 촉매관으로부터 마지막 촉매관까지 측정할 때, 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체의 유로는 더미 관(dummy tube)의 설치에 의해 추가로 서로에 균등화될 수 있다.

편향판이 없고 따라서 열 전달 매체가 큰 제약 없이 순환할 수 있는 영역에 의해 분리된 2개 또는 4개의 동일한 영역으로 촉매관 다발을 분할하는 것은, 촉매관에서 열 전달 매체의 흐름이 추가로 개선되게 하고 따라서 각각의 반응기 횡단면에 걸쳐 열 전달 계수(α)가 추가로 균등화될 수 있게 하는 것으로 밝혀졌다. 이것은 심지어 더 큰 직경 및 심지어 더 높은 포스겐 로딩을 갖는 포스겐 반응기가 문제없이 그리고 촉매관 부식 없이 조작되도록 한다.

각각의 경우에 반응기 내벽에서, 1개의 관 비포함 영역(통로)으로부터 대향하는 관 비포함 영역까지, 반응기 횡단면 내에 2개의 편향판 사이의 반응기의 외부 공간에서의 열 전달 매체의 흐름을 위해, 압력 강하는 열 전달 매체의 모든 유로에서 동일하다.

압력 강하(Δp)를 하기 방정식으로 기재할 수 있다:

[상기 식 중, Δp는 파스칼 단위의 압력 강하이고, ξ₁ 및 ξ₂는 무차원 압력 강하 계수이며, l은 m 단위의 유로 길이가고, d_R은 m 단위의 촉매관의 직경(특성 매개변수)이며, ρ은 kg/m³ 단위의 밀도이고, v는 m/s 단위의 속도이며, η은 Paㆍs 단위의 점도이다].

상기 방정식에서, 제1 항은 점도에 비례하는 압력 강하의 층류 성분에 해당하고, 제2 항은 속도 제곱에 비례하는 난류 성분에 해당한다.

모든 유로에 압력 강하가 동일하므로, 열 전달 매체의 속도가, 압력 강하에 대한 상기 방정식에 따라, 그외 변하지 않는 조건 하에, 특히 동일한 관 분포 하에 반응기 내벽에서의 유로와 비교하여 원의 현 형태의 촉매관 다발의 서로 대향하는 경계를 갖는 선행 기술에 따른 반응기의 관 평면의 중간에서 발생하는 더 짧은 유로에 대해 상응하게 더 높다. 열 전달 계수(α)가 0.8의 거듭제곱에 대한 속도에 대략 직접 비례하므로, 반응기의 중간에서의 더 짧은 유로와 비교하여 반응기 내벽에서의 더 긴 유로에 대해 열 전달 매체의 더 낮은 유속 및 따라서 더 낮은 열 전달 계수, 즉 더 열악한 열 전달을 얻는다.

본 발명에 따른 반응기는 원통형이고, 내경이 바람직하게는 0.5 내지 8　m, 더 바람직하게는 2.5 내지 6　m, 특히 3.5 내지 6　m이다.

반응기의 종방향으로 서로 평행하게 배열된 다발, 즉 복수의 촉매관이 반응기에 존재한다.

촉매관의 수는 100개 내지 10,000개, 특히 2,000개 내지 6,000개 범위인 것이 바람직하다.

촉매관은 스테인리스 스틸, 바람직하게는 듀플렉스 스틸 1.4462, 스테인리스 스틸 1.4571 또는 스테인리스 스틸 1.4541 또는 니켈계 합금 또는 니켈과 같은 내식 재료로 제조된다. 관 지지판 또는 전체 반응기는 바람직하게는 또한 상기 언급된 재료, 특히 듀플렉스 또는 스테인리스 스틸로 제조된다.

각각의 촉매관은 2.0 내지 4.0　㎜, 특히 2.5 내지 3.0　㎜ 범위의 벽 두께, 및 20 내지 90　㎜, 바람직하게는 30 내지 50　㎜ 범위의 내부 관 직경을 갖는 것이 바람직하다.

촉매관은 바람직하게는 1.5 내지 6.0　m, 특히 2.5 내지 4.5　m 범위의 길이를 갖는 것이 바람직하다.

촉매관을 촉매관의 외경에 대한 바로 인접한 촉매관의 중간점의 거리의 비가 1.15 내지 1.4, 바람직하게는 1.2 내지 1.3 범위이도록 반응기의 내부로 배열하는 것이 바람직하고, 촉매관을 반응기 내에 삼각형 배열로 배열한다.

촉매관은 양단부에서 관 지지판에서 액밀 방식으로 고정, 바람직하게는 용접된다. 관 지지판은 마찬가지로 내식 재료, 바람직하게는 스테인리스 스틸, 특히 듀플렉스 스틸, 특히 바람직하게는 촉매관과 동일한 재료를 포함한다.

반응기의 양단부는 캡에 의해 외부에서 획정된다. 반응 혼합물을 1개의 캡을 통해 촉매관에 공급하고, 생성물 스트림을 반응기의 다른 단부에서 캡을 통해 방출시킨다.

예를 들면, 판, 특히 천공판 형태의 가스 흐름을 균등하게 하기 위한 가스 정류장치를 캡 내에 배열하는 것이 바람직하다.

편향판을 촉매관 사이의 중간 공간에서 반응기의 종방향에 수직으로 배열한다.

편향은 각각의 편향판이 서로 반대 위치한 2개의 절단부를 갖도록 배치되고, 활꼴 형상을 가지며, 다음의 편향판은 서로에 그리고 반응기 직경에 평행하고 반응기 직경으로부터 등거리에 있는 2개의 직선에 의해 획정되는 반응기의 중앙 영역에서 통로를 갖는다.

바람직한 실시양태에서, 편향판은 2개의 중앙 통로를 갖는다.

편향판은 반응기 내부에서 촉매관 사이의 중간 공간에서 순환하는 열 전달 매체의 편향을 가져와서, 열 전달 매체가 촉매관에 대해 횡방향으로 흐르고, 그 결과 열 제거가 개선된다.

편향판의 수가 약 6개 내지 21개인 것이 바람직하다.

편향판은 바람직하게는 서로로부터 등거리이지만, 최저 편향판 및 최상 편향판이 각각 2개의 연속 편향판 사이의 거리보다 관 지지판으로부터, 바람직하게는 약 1.5의 인자로 더 먼 것이 특히 바람직하다.

반응기는 통로 영역에서 관이 없고, 즉 이것은 본질적으로 이 영역에서 촉매관을 포함하지 않는다. 일 실시양태에서, 개개의 촉매관을 편향 영역에서의 통로에 배열할 수 있다.

추가의 실시양태에서, 통로에 촉매관이 완전히 없다.

모든 편향판이 동일한 통로를 남기는 것이 바람직하다.

각각의 통로의 면적은 반응기 횡단면의 5 내지 20%, 특히 8 내지 14%인 것이 바람직하다.

중앙 관 비포함 영역의 전체 면적 또는 반응기 횡단면에서 서로 수직으로 배치된 2개의 중앙 관 비포함 영역의 면적의 합계는 바람직하게는 1개 또는 2개의 중앙 관 비포함 영역(들)을 통한 열 전달 매체의 축 유속이 약 0.25 내지 2.0　m/s, 바람직하게는 약 0.5 내지 1.5　m/s이게 하는 것이다.

편향판은 바람직하게는 촉매관 주위에 시일을 형성하지 않지만, 열 전달 매체의 전체 흐름의 40 부피% 이하의 누설 흐름을 허용한다. 이러한 목적을 위해, 촉매관과 편향판 사이에 0.1 내지 0.6　㎜, 바람직하게는 0.2 내지 0.4　㎜ 범위의 갭이 제공된다.

통로 영역을 제외하고, 반응기 내벽에서 누설 흐름이 추가로 발생하지 않도록 편향판을 반응기 내벽에 대해 액밀로 만드는 것이 유리하다.

편향판은 바람직하게는 8 내지 30　㎜, 바람직하게는 10 내지 20　㎜의 두께로 내식 재료, 바람직하게는 스테인리스 스틸, 특히 듀플렉스 스틸로 제조되는 것이 바람직하다. 편향판 재료는 전기화학적으로 촉매관 재료와 상용성이어야 한다.

촉매관에 고체 촉매, 바람직하게는 활성탄을 충전한다. 촉매관 내 촉매층은 바람직하게는 0.33 내지 0.5, 특히 0.33 내지 0.40의 공극 부피를 갖는다.

본 발명에 따르면, 문헌 WO 제03/072237호에 기재된 촉매관의 상기 기재된 배열로부터 시작하여, 관 평면에서 촉매관 다발의 측면 경계를 원의 현으로부터 원호로 변경함으로써 촉매관 배열을 변경할 수 있다. 이러한 방식으로, 열 전달 매체의 가장 긴 유로에서 촉매관의 수는, 선행 기술에 따른 반응기와 비교하여, 반응기 내벽에서 가장 큰 정도로 감소하고 상응하게 반응기의 중간에서 증가한다. 본 발명에 따른 촉매관 배열에서 촉매관 다발의 측면 경계가 원호 형상에 정확하게 상응할 필요가 없고, 그저 원호 형상에 근접하는 것이 바람직하다.

특히, 촉매관 다발의 측면 경계를 각각의 경우에 원호 내에 각각의 경우에 내접하는 꺾은선으로 변경할 수 있다.

추가의 실시양태에서, 가장 열악한 열 전달을 갖는 영역에서, 즉 열 전달 매체의 가장 긴 유로를 갖는 반응기 내벽에 가까운 영역에서 더미 관을 설치함으로써 또는 촉매관을 이 영역 밖으로 꺼냄으로써 촉매관과 열 전달 매체 사이의 계면에서의 열 전달 계수를 서로 균등화할 수 있다. 추가로, 이것은 비교적 열악한 열 전달 계수를 갖고 부식 위험이 있는 영역에서 또한 촉매관에 가까울 수 있다.

추가의 실시양태에서, 열 전달 매체의 유로가 가장 짧고 따라서 열 전달 계수가 가장 큰 반응기 내부 영역에서 흐름 교란 내부품, 예를 들면 천공판을 제공하여 전체 반응기 횡단면에 걸쳐 열 전달 계수의 추가의 균등화를 성취할 수 있다.

특히, 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체의 유로의 균등화 목적을 위한 촉매관 배열 변경은 다음의 알고리즘에 따라 수행할 수 있다:

- 관 평면, 즉 반응기 횡단면에서의 촉매관 배열을 우선 그림 그리고, 그 면에서 촉매관 다발의 2개의 대향하는 측면 경계가 원의 현이고, 그 관 평면에서 열 전달 매체의 주요 흐름 방향은 y 좌표라 칭하고, 반응기 횡단면에서 이에 대한 오른쪽 각도에서의 좌표를 x 좌표라 칭한다.

- 이후, 그 관 평면을 원의 현에 평행하고 서로 등거리에 있는 n개의 직선으로 분할한다.

- 각각의 n개의 직선을 m개의 등거리 점(결과적으로 자연수 i(여기서, i는 1 내지 m임)로 번호 매김)으로 분할하고, 최외각 점(즉, 점 i는 1이고, 점 i는　m임)은 각각 그 관 평면의 외부 가장자리에, 즉 반응기 벽에서 위치한다.

- 직선에서 i번째 점은 각각의 경우에 서로 결합하여 길이가 다음의 반복 단계에 의해 균등화되는 유로를 생성시킨다:

(1) 가장 긴 유로(i_max) 및 가장 짧은 유로(i_min)를 결정하고, 1개 이상의 가장 긴 유로 또는 가장 짧은 유로가 존재하는 경우, 임의로 선택한다.

(2) 가장 짧은 유로 및 가장 긴 유로 길이의 차, 즉 유로 길이의 불균등을 결정하고, 유로 길이의 불균등이 유로 길이의 평균의 1% 미만인 경우, (8)로 넘어간다.

(3) 2개의 최외각 점의 y 좌표, 즉 이 유로에서 1번째 직선에서의 점 및 n번째 직선에서의 점을 균등하게 감소시키고 이후 사이에 위치한 점을 등거리로 재배치함으로써 가장 긴 유로(i_max)를 25%의 불균등으로 단축한다.

(4) 관 평면의 영역, 즉 원의 2개의 현 및 반응기 외관에 의해 획정되는 영역이 이전 반복과 비교하여 변하지 않도록 가장 짧은 유로를 유사하게 연장한다.

(5) 최외각 유로(i가 1 및 i가 m)가 아닌 유로의 경우에, x 좌표는 그 점의 y 좌표의 변동 동안 변하지 않는다.

(6) 2개의 외부 곡선 중 1개의 경우에, 점이 반응기 외관에 계속 존재하는 방식으로 x 좌표가 변하고, x 방향에서 점을 이동시킬 필요가 있는 경우, 선(i = n)에서의 모든 점을 이동시켜 다시 서로 등거리에 있도록 할 수 있다.

(7) (1)로 넘어간다.

(8) 반복 종료.

상기 알고리즘에서, 반응기 내벽에서 서로 대향하는 통로 사이에, 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체의 주요 흐름 방향(본원에서 y 좌표라 지칭)만을 고려한다. 이러한 단순한 검토가 촉매관 배열 변경을 결정하기 위한 기초로서 일반적으로 충분하다.

그러나, 열 전달 매체의 유로를 더 정확히 살펴보면, 반응기 횡단면에서 상기 흐름 방향에 수직인 흐름 방향을 고려해야 하고 x 좌표라 칭한다.

반응기 횡단면에 걸쳐 y 좌표에 따른 주요 흐름 방향만을 고려해야 하는 경우, 제1 촉매관으로부터 마지막 촉매관까지 각각의 반응기 횡단면에서의 유로가 각각의 경우에 동일한 방식으로 촉매관 배열을 변경해야 한다.

그러나, x 방향에서의 흐름을 균등하게 하기 위해 x 좌표에 따른 열 전달 매체의 흐름을 고려하는 것이 또한 유리하므로, 반응기 내벽에서의 열 전달 매체의 유로가 중앙 축을 따른 것보다 25% 이하 더 짧도록 촉매관 배열을 채택해야 한다.

본 발명에 따른 촉매관 배열에 의한 WO 제03/072237호에 해당하는 선행 기술에 따른 반응기와 비교하여 전체적으로 단축된 유로의 결과로서, 열 전달 매체의 압력 강하는 동일한 열 전달 매체의 속도에서 전체적으로 더 낮다. 상응하게, 편향판과 촉매관 사이의 갭을 통한 열 전달 매체의 우회 흐름은 또한 더 낮고 순환해야 하는 열 전달 매체의 양은 더 낮다.

본 발명은 반응기에서 고체 촉매 존재 하에 일산화탄소와 염소의 기상 반응에 의해 포스겐을 제조하기 위한 반응기로서, 반응기는 반응기의 종방향으로 서로 평행하게 배열되고 그 양단부 각각에서 관 지지판에 용접되는 복수의 촉매관 내에 고체 촉매를 포함하고, 각각의 경우에 캡을 통해 촉매관의 상단부에서 출발 물질이 공급되고 촉매관의 하단부에서 기상 반응 혼합물이 방출되며, 외관 내의 촉매관 사이의 공간에서의 액체 열 전달 매체를 위한 공급 및 방출 설비를 구비하고, 외관 내의 촉매관 사이의 공간 내의 열 전달 매체의 흐름은 편향판으로 인해 사행하고, 각각의 교호하는 편향판은 반응기 내벽의 대향하는 측면 상에 활꼴 형상을 갖는 2개의 통로를 남기며, 바로 이어지는 편향판은 서로, 또 반응기 직경에 평행하고, 또 그로부터 등거리에 있는 2개의 직선에 의해 획정되는 중심 통로를 남기고, 반응기는 활꼴 형상을 갖는 통로 영역과 중심 통로 영역에는 관을 포함하지 않으며, 여기서, 반응기의 종방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 촉매관은 촉매관이 없는 영역에 의해 서로 분리되는 동일한 촉매관의 2개의 다발로 배열되고, 촉매관과 열 전달 매체 사이의 계면에서의 열 전달 계수가 각각의 반응기 횡단면에 걸쳐 균등화되도록, 각각 열 전달 매체의 흐름 방향으로 제1 촉매관으로부터 마지막 촉매관까지 측정되는 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체의 유로가, 변경된 촉매관 배열에 의해 서로 균등화되는 것인 반응기를 제공한다.

촉매관이 없고 반응기 직경에 서로 수직인 양 측면으로 연장되는 2개의 영역에 의해 서로 분리되는 총 4개 다발의 촉매관이 존재하도록 동일한 촉매관의 2개의 다발이 각각 동일한 촉매관의 추가의 2개의 다발로 분할되는 것이 방법이 바람직하다.

각각의 경우 열 전달 매체의 흐름 방향으로 제1 촉매관으로부터 마지막 촉매관까지 측정될 때, 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체의 유로가, 더미 관의 설치에 의해 추가로 서로 균등화되는 것이 바람직할 수 있다.

촉매관이 2개 또는 4개의 다발로 분할되는 본 발명에 따른 반응기 배열의 결과로서, 반응기 내벽을 따른 유로는, 관 평면에서 원의 현이 원호로 변경된 촉매관의 배열 변경으로 인해, 반응기의 중앙 축을 따른 유로와 동일해지거나 이보다 15% 이하 작다.

본 발명에 따른 촉매관 배열은 각각의 반응기 횡단면 내에 열 전달 계수(α) 사이의 편차가 공보 WO 제03/072237호에 해당하는 선행 기술에 따른 반응기의 경우에 약 13% 내지 20%의 원래 값으로부터 오직 8% 내지 10%의 차이로 감소하게 한다.

본 발명을 실시예 및 도면에 의해 하기 기재하였다.

[실시예]

도 1 및 도 1a에서 도식적으로 나타낸 산업상 반응기에서 포스겐을 제조하고, 선행 기술에 따른 실시예에서는 관 평면이 서로 대향 위치한 원의 현 형태의 2개의 경계를 갖도록 촉매관을 배열하거나, 본 발명에 따르면, 서로 대향하는 측면 경계를 원의 현으로부터 꺾은선으로 변경하고, 또한 반응기의 중앙 영역은 촉매관 및 편향판이 없도록 관 평면에서의 촉매관 배열을 변경하였다.

2개의 다발의 촉매관을 갖는 본 발명에 따른 반응기의 경우에, 열 전달 매체 모노클로로벤젠에 대해 2개의 유입구 및 2개의 배출구가 필요하다. 반응 혼합물을 수직 촉매관을 통해 상부로부터 아래로 운송하고, 열 전달 매체 모노클로로벤젠을 이에 병류로(즉, 반응기의 상부 영역에서 공급되고, 반응기의 하부 영역에서 방출되고, 촉매관 주위의 외관 내 공간을 통해 흐름이 사행함), 또는 반응 혼합물에 반류로(즉, 반응기의 하부 영역에서 공급되고, 촉매관 주위의 외관 내 공간을 통해 흐름이 사행하며, 반응기의 상부 영역에서 방출됨) 운송할 수 있다.

반응기에서 각각 44.5　㎜의 외부 관 직경, 2.6　㎜의 벽 두께, 3800　㎜의 관 길이 및 55　㎜의 간격을 갖는 5210개 촉매관을 각각의 경우에 배열하고, 촉매관을 각각의 경우에 정삼각형 모서리에서 배열하였다.

반응기에서 14개의 편향판을 배열하였다.

반응 혼합물, 즉 일산화탄소 및 염소를 촉매관에서 활성탄 촉매 위로 통과시켰다. 3500 t/h의 냉각수 유속, 67℃의 모노클로로벤젠의 유입 온도 및 선행 기술에 따른 실시예 및 선행 기술에 따른 것과 동일한 포스겐 로딩을 갖는 본 발명에 따른 제1 실시예의 경우 78℃ 또는 포스겐 로딩이 증가된 제2 실시예의 경우 81℃의 모노클로로벤젠의 배출 온도에서 모노클로로벤젠을 촉매관 사이의 외관 내 공간을 통해 열 전달 매체로서 통과시켰다.

반응 혼합물의 전체 중량을 기준으로 하여, 일산화탄소를 3.5중량% 과량으로 사용하였다. 반응 혼합물의 유입 온도는 40℃이고, 유입 압력은 4.8　bar 절대 압력이며, 포스겐 공급 속도는 선행 기술에 따른 실시예 및 본 발명에 따른 제1 실시예의 경우 48　t/h이거나, 본 발명에 따른 제2 실시예의 경우 62.4　t/h이었다.

비교예의 경우, 업데이트된 촉매관 배열에서, 즉 관 평면이 원의 현 형태의 2개의 대향 경계를 갖는 배열에서 1290　W/m²/K의 가장 나쁜 열 전달 계수(α)를 성취하였다. 2.11　kg의 포스겐/m²/s의 포스겐 로딩에서, 이는 154℃의 촉매관 내벽의 최대 온도를 발생시켰다.

본 발명에 따른 변경된 촉매관 배열, 즉 관 평면이 원의 현 형태의 2개의 대향 측면 경계로부터 각각의 경우에 꺾은선으로 변경되고 추가로 중앙 영역에 관이 없는 배열(각각의 경우에 치수가 도 1에 도시된 횡단면에서의 도에 해당)의 결과로서, 가장 나쁜 열 전달 계수(α)는 그외 조건은 변하지 않으면서 1537　W/m²/K로 증가하였다. 촉매관 내벽의 최대 온도는 결과로서 147℃에 불과하였다.

따라서, 선행 기술에 따른 반응기에서처럼, 154℃의 촉매관 내벽의 최대 온도가 도달할 때까지 본 발명에 따른 제2 실시예에서 포스겐 로딩을 증가시켰다. 본 발명에 따른 포스겐 반응기의 경우에, 선행 기술에 따른 반응기와 비교하여 30% 커패시티 증가에 해당하는 2.74　kg의 포스겐/m²/s의 포스겐 로딩에서 이 154℃의 촉매관 내벽의 최대 온도가 도달하였다.

도면을 자세히 설명한다:

도 1은 촉매관 배열이 변경된 본 발명에 따른 반응기의 실시양태에 걸친 횡단면이고, 반응기에 걸친 종방향 섹션을 도 1a에 도시하였다.

도 2는 도 2a에서 B-B 면에서의 횡단면을 갖는 본 발명에 따른 반응기의 실시양태에 걸친 섹션이다.

도 1에서 반응기(1)에 걸친 횡단면은 본 발명에 따른 반응기의 실시양태에 대한 관 평면을 보여주고, 반응기 내벽에서 서로 대향하는 통로(6)에서의 관 평면의 측면 경계는 원의 현으로부터 꺾은선으로 변한다. 또한, 평행한 2개의 직선에 의해 그리고 선행 기술에 따른 관 평면을 획정하는 현(9)에 평행한 반응기 직경의 2개의 측면으로부터 동거리에서 획정되고 마찬가지로 관이 없는 중앙 통로(11)가 반응기의 중앙 영역에서 제공된다.

도 1a에 도시된 반응기(1)를 통한 종방향 섹션은 반응기 내벽에서의 통로(6) 및 중앙 통로(11)를 갖는 편향판(5)의 배열을 보여준다.

도 2는 양단부 각각에서 관 지지판(3)에 용접된 평행 촉매관(2)의 2개의 다발을 갖는, 본 발명에 따른 반응기(1)의 실시양태를 통한 종방향 섹션을 보여준다. 열 전달 매체(7)는 촉매관(2) 주위의 외관 내 공간을 통해 흐르고, 2개의 유입구 및 2개의 배출구가 열 전달 매체(7)에 제공된다. 열 전달 매체(7)를 촉매관을 통해 상부로부터 아래로 통과한 반응 혼합물에 병류로(즉, 반응기의 상부 영역에서 공급되고, 반응기의 하부 영역에서 방출됨), 또는 반대로 반응 혼합물에 반류로(반응기의 하부 영역에서 공급되고, 반응기의 상부 영역에서 방출됨) 운송할 수 있다.

외관 내 공간을 통한 열 전달 매체의 흐름은 반응기 내벽에서 활꼴 형상을 갖는 통로(6) 및 중앙 통로(11)를 남기는 편향판(5)에 의해 유도된다.

도 2a에서 B-B 면의 단면도에서, 활꼴 형상을 갖는 통로(6)의 영역에서의 변경된 촉매관 배열 및 중앙 통로(11)에서의 촉매관의 부재를 볼 수 있다. 또한, 더미 관(8)은 부식 위험이 가장 큰 영역에서 제공된다.

Claims (6)

1. 고체 촉매 존재 하에 일산화탄소와 염소의 기상 반응에 의해 포스겐을 제조하기 위한 원통형 반응기(1)로서, 상기 촉매는 반응기(1)의 종방향으로 서로 평행하게 배열되고 그 양단부 각각에서 관 지지판(3)에 용접되는 복수의 촉매관(2)에 제공되고, 각각의 경우에 캡을 통해 촉매관(2)의 상단부에서 출발 물질이 공급되고 촉매관(2)의 하단부에서 기상 반응 혼합물이 방출되며, 외관(shell) 내의 촉매관(2) 사이의 공간(4)에서의 액체 열 전달 매체(7)를 위한 공급 및 방출 설비를 구비하고, 외관 내의 촉매관(2) 사이의 공간(4) 내의 열 전달 매체(7)의 흐름은 편향판(5)으로 인해 사행하고, 각각의 교호하는 편향판(5)은 반응기 내벽의 대향하는 측면 상에 활꼴 형상을 갖는 2개의 통로(6)를 남기며, 여기서 관 평면에서 원호 형태의 촉매관(2) 다발의 측면 경계가 생기고, 바로 이어지는 편향판은 서로, 또 반응기 직경에 평행하고, 또 그로부터 등거리에 있는 2개의 직선에 의해 획정되는 중심 통로(11)를 남기고, 반응기(1)는 활꼴 형상을 갖는 통로(6) 영역과 중심 통로(11) 영역에는 관을 포함하지 않으며, 여기서, 반응기(1)의 종방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 촉매관(2)은 촉매관(2)이 없고 반응기 직경을 따라 양 측면으로 연장되는 영역에 의해 서로 분리되는 동일한 촉매관(2)의 2개의 다발로 배열되고, 촉매관(2)과 열 전달 매체(7) 사이의 계면에서의 열 전달 계수가 각각의 반응기 횡단면에 걸쳐 균등화되도록, 각각 열 전달 매체(7)의 흐름 방향으로 제1 촉매관(2)으로부터 마지막 촉매관(2)까지 측정되는 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체(7)의 유로가, 관 평면에서 촉매관 다발의 측면 경계를 원호로 하는 촉매관(2)의 배열 변경에 의해 서로 균등화되는 것인 원통형 반응기(1).
2. 제1항에 있어서, 촉매관(2)이 없고 반응기(1)의 상호 수직인 직경의 양 측면으로 연장되는 2개의 영역에 의해 서로 분리되는 총 4개 다발의 촉매관(2)이 존재하도록 동일한 촉매관(2)의 2개의 다발이 각각 동일한 촉매관(2)의 추가의 2개의 다발로 분할되는 것인 반응기(1).
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 각각의 경우 열 전달 매체(7)의 흐름 방향으로 제1 촉매관으로부터 마지막 촉매관(2)까지 측정되는 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체(7)의 유로가 더미 관(dummy tube)(8) 설치에 의해 추가로 서로 균등화되는 것인 반응기(1).
4. 원통형 반응기(1)에서 고체 촉매 존재 하에 일산화탄소와 염소의 기상 반응에 의해 포스겐을 제조하는 방법으로서, 원통형 반응기(1)는 반응기(1)의 종방향으로 서로 평행하게 배열되고 그 양단부 각각에서 관 지지판(3)에 용접되는 복수의 촉매관(2) 내에 고체 촉매를 포함하고, 각각의 경우에 캡을 통해 촉매관(2)의 상단부에서 출발 물질이 공급되고 촉매관(2)의 하단부에서 기상 반응 혼합물이 방출되며, 외관 내의 촉매관(2) 사이의 공간(4)에서의 액체 열 전달 매체(7)를 위한 공급 및 방출 설비를 구비하고, 외관 내의 촉매관(2) 사이의 공간(4) 내의 열 전달 매체(7)의 흐름은 편향판(5)으로 인해 사행하고, 각각의 교호하는 편향판(5)은 반응기 내벽의 대향하는 측면 상에 활꼴 형상을 갖는 2개의 통로(6)를 남기며, 여기서 관 평면에서 원호 형태의 촉매관(2) 다발의 측면 경계가 생기고, 바로 이어지는 편향판은 서로, 또 반응기 직경에 평행하고, 또 그로부터 등거리에 있는 2개의 직선에 의해 획정되는 중심 통로(11)를 남기고, 반응기(1)는 활꼴 형상을 갖는 통로(6) 영역과 중심 통로(11) 영역에는 관을 포함하지 않으며, 여기서, 반응기(1)의 종방향으로 서로 평행하게 배열된 복수의 촉매관(2)은 촉매관(2)이 없는 영역에 의해 서로 분리되는 동일한 촉매관(2)의 2개의 다발로 배열되고, 촉매관(2)과 열 전달 매체(7) 사이의 계면에서의 열 전달 계수가 각각의 반응기 횡단면에 걸쳐 균등화되도록, 각각 열 전달 매체(7)의 흐름 방향으로 제1 촉매관(2)으로부터 마지막 촉매관(2)까지 측정되는 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체(7)의 유로가, 관 평면에서 촉매관 다발의 측면 경계를 원의 현으로부터 원호로 변경시키는 것에 의한 촉매관(2)의 배열 변경에 의해 서로 균등화되는 것인 제조 방법.
5. 제4항에 있어서, 촉매관(2)이 없고 반응기(1)의 상호 수직인 직경의 양 측면으로 연장되는 2개의 영역에 의해 서로 분리되는 총 4개 다발의 촉매관(2)이 존재하도록 동일한 촉매관(2)의 2개의 다발이 각각 동일한 촉매관(2)의 추가의 2개의 다발로 분할되는 것인 제조 방법.
6. 제4항에 있어서, 각각의 경우 열 전달 매체(7)의 흐름 방향으로 제1 촉매관으로부터 마지막 촉매관(2)까지 측정되는 각각의 반응기 횡단면에서의 열 전달 매체(7)의 유로가 더미 관(8) 설치에 의해 추가로 서로 균등화되는 것인 제조 방법.

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