KR100241568B1 - 흡열 반응장치 및 이 반응을 수행하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

흡열 반응 용광로는 흡열 반응을 일으키기 위하여 열을 제공하는 연소 흐름 경로와 흡열 반응 흐름 경로를 한정하는 하나 이상의 신장된 관을 포함한다. 연소 흐름 경로는 연료와 연소 공기가 그들이 혼합, 자동점화 및 태워지는 연소 구역내에서 결합되기 전에 그들의 자동점화 온도 이상으로 용광로 내측의 열에 의해 분리 가열되도록 설비된다.

Description

흡열 반응장치 및 이 반응을 수행하기 위한 방법

제1도는 본 발명의 개조장치의 단면도.

제2도는 정상상태의 동작일 때 제1도 장치의 반응관벽 뿐만아니라 연소가스와 반응을 나타내는 온도를 나타내는 그래프.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

100 : 흡열 반응 장치 102 : 용기

103 : 신장 접합부 104 : 제1단 또는 헤드

106 : 제2단 또는 헤드 107 : 절연부

108 : 내부 109,111 : 단(end)플레이트 또는 관 시트

110 : 반응관 112 : 흡열 반응 촉매

114 : 흡열 촉매 116 : 열발생수단

122,124 : 불활성 물질 126 : 제1공급수단 (입구 매니폴드)

128 : 입구 130 : 제1배출수단 (배출구 매니폴드)

132 : 배출구 134 : 공기 헤더

136 : 제2공급수단 (공기 매니폴드)138 : 입구

140 : 공기 공급 통로 142 : 고리부

144 : 연료 헤더 146 : 연료 매니폴드

148 : 연로 입구 150 : 연료 공급 통로

152 : 연료 고리부 154 : 연소 가스 헤더

156 : 연소 가스 매니폴드 158 : 연소 가스 배출구

160 : 배출 파이프 162 : 연소 가스 고리부

164 : 흡열 반응 온도 166 : 흡열 생성 온도

168 : 연료 온도 170 : 공기 온도

172 : 화염 온도 174 : 연소 가스 온도

178 : 반응관 외벽 온도 180 : 반응관 내벽 온도

182 : 경계부 184 : 연료/공기 결합의 자동점화온도

1990년 4월 3일자로 출원된 USSN 07/504,375 출원에 대응하는 유럽 특허 출원 공고 0 450 872호는 본 발병에 참조된 것으로, 스팀 메탄 개질(reforming), 에탄에서 에틸렌으로의 열분해 등과 같은 여러 형태의 흡열 반응을 수행하는 흡열반응장치 또는 흡열반응로를 기술하였다. 흡열 반응을 실시하기 위하여, 연소관 내측의 세라믹 연소관과 연료 공급 파이프를 포함하는 가열원은 노 내측에 위치한다. 연료 공급 파이프와 연소관에 따로 공급된 연료와 공기는 각기 연소관 내측에서 혼합, 점화 및 연소하여 열을 발생시킨다. 연소관의 노 외측의 내부로 공급되어 흡열 반응물은 상기 관 내측에 생성된 열로 인해 반응한다.

바람직한 실시예에 있어서, 흡열 반응물 및 생성 가스 (이후 “반응가스”라 언급함)와, 연소 연료, 공기 및 연소 생성가스 (이후 “연소 가스”라 언급함)는 노를 역류로 흐른다. 상기 수단에 의하여, 분리되어 공급된 연소 연료와 공기는 결합되기 전에 그들의 자동 점화온도 이상으로 가열될 수 있으므로, 노의 설계는 아주 간단하게 된다.

상기 설계는 많은 이점을 가진다. 세라믹 관은 대부분의 금속 보다 더 많은 흡열반응으로 인한 매우 높은 온도에서도 견딜 수 있게 된다. 세라믹 관은 또한 더 강하게 제작할 수 있으며, 또한 관의 맞은편 단을 클램핑하는 기계적 수단에 의해, 또는 흡열반응이 발생하는 관의 외측면상의 압력증가에 의해 외부적으로 인가된 압축 증가에 의해 더 얇게 된다.

불행하게도, 세라믹 관은 많은 적용에 있어서, 특히, 상기 관이 너무 두꺼우면 굉장히 큰 열응력을 받는다. 또한, 조밀하게 싸여진 다수의 관을 필요로 하는 높은 체적의 적용에 바람직한 길고 얇은 세라믹 관은 제작이 어렵다. 세라믹은 또한 일반적으로 약하므로 잠재적인 신뢰성 문제가 대두된다.

따라서, 본 발명의 목적은, 세라믹 관 대신에 금속을 사용하지만, 아주 높은 흡열반응 온도에서도 사용할 수 있는, 특히 조밀하게 싸여진 다수의 관을 필요로 하는 높은 최적의 적용분야에서 사용할 수 있는 개선된 흡열반응로 또는 흡열반응장치를 제공하는데 있다.

상기 목적 및 다른 목적은, 연료와 공기의 자동 점화에 의해 열을 발생시키는 열발생수단과 조합되어 설치된 하나 이상의 금속성 반응관의 내측에서 흡열반응이 이루어지도록 흡열반응로를 구성하는 본 발명에 의해 달성된다. 반응가스와 연소가스의 유동 경로는, 공기 및 연소 연료가 결합되기 전에 그들의 자동점화 온도 이상으로 개별적으로 가열되고 또한 모든 생성가스가 노를 빠져나가기 전에 아주 냉각되도록 배열된다.

상기 배열로 인해, 비록 연소가스의 화염온도가 매우 높은 레벨에 이를지라도 반응관의 내외측의 벽 온도는 낮은 레벨로 유지된다. 이 때문에, 세라믹 관보다 금속성 관을 사용하는 것이 가능하다. 또한, 연소가스의 자동점화는 점화잔치 및/또는 화염 호울더를 분리하여 연소를 개시 및/또는 안정시킬 필요를 없애준다. 이러한 특성은, 연소관의 패킹을 조밀하게 (close)하고 또한 고장난 점화장치의 수리에 다른 희생이 큰 작업 중단시간과 수고를 없애주기 때문에 큰 스케일, 멀티-관 개질 노에서 특히 이롭다.

이하, 바람직한 실시예를 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 기술한다.

제1도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반응창치(100)는 신장 접합부(103)를 갖는 신장된 용기(102)와 제1단 또는 “헤드”(104) 및 제2단 또는 “헤드”(106)와, 절연부(107)와 내부(108)를 포함한다. 냉각이 시작되는 동안, 외부 버너 (도시안됨)에 의해 진입 공기를 550℃ 정도로 예열하여 반응장치를 자동 점화 온도 이상으로 예열한다. 상기 버너는 연료 점화 이후에 끈다.

내부(108)에는 예를 들어, 용접 (도시안됨)과 같이 적절히 봉해진 단(end) 플레이트 또는 “관 시트”(109,111)로 고정된 흡열 반응관(110)이 있다. 제1도에 도시된 바와 같이, 관 시트(109,111)는 용기(102)의 벽에 단단히 고정되어 관 시트가 부착된 용기부에 대하여 상기 용기내에서 축방향으로 가동되지 않는데, 상기는 “고정된 관 시트 설계”의 기술에서 공지된 것이다. 더욱이, 지지 구조가 없는 특정 실시예에 있어서, 중간 위치 (즉, 두단부의 중간 위치에서)에서 반응관(110)을 지지하기 위한 용기 내부의 쉘측상의 로드 또는 배플은 관의 가로이동을 방지하기 위하여 종래 설계를 이용함으로써 여려 압축 하중하에서 좌굴되었다.

반응관(110)의 내측은 흡열 반응을 수행하기 위한 흡열 반응 유동경로를 한정하고, 반면 반응관(110)의 체적 외측은 연소를 수행하기 위한 연소 유동경로를 한정한다. 반응관(110)은 적절한 형태와 크기의 흡열 반응 촉매(112)는 채워진다. 실시예에서 보시는바와 같이, 촉매(112)는 대략 5㎜직경의 구로 구성된다. 열전달을 촉진시켜 반응관(110)의 열 저하를 감소시키기 위하여, 열발생수단(116)에 인접한 흡열 촉매(114)는 더 작은 크기, 예를 들어 3㎜ 직경으로 한다. 또한, 흡열 촉매(112,114)의 각 측에 불활성물질(122,124)을 제공하여 열 전달을 향상시킨다.

헤드(104)와 관 시트(109)모두는 입구(128)로 부터 공급된 흡열 반응물을 수용하기 위한 입구 매니폴드(126)를 한정한다. 헤드(106)와 관 시트(111)는 모드 흡열 생성물을 배출구(132)를 통해 배출하기 위한 배출구 매니폴드(130)를 한정한다.

관 시트(111)와 함께 공기 헤더(134)는 입구(138)로 부터 공기를 수용하기 위한 공기 매니폴드(136)를 한정한다. 반응관(110)과 동심인 공기관(140)은 고리부(142)를 거쳐 열발생수단(116)으로 공기를 방출하기 위하여 공기 매니폴드(136)와 연통한다. 공기헤더(134)와 함께 연료 헤더(144)는 연료 입구(148)로 부터 가스연료를 수용하기 위한 연료 매니폴드(146)를 한정한다. 반응관(110) 및 공기관(140)과 또한 동심인 연료관(150)은 연료 고리부(152)를 거쳐 열발생수단(116)으로 연료를 공급하기 위하여 연료 매니폴드(146)와 연통한다. 관 시트(109)와 함께 연소 가스 헤더(154)는 용기 내부(108)에서의 연료와 공기의 연소로 생성된 연소가스를 동심인 반응관(110)과 배출 파이프(160)에 의해 형성된 연소가스 고리부(162) 및 연소 가스 배출구(158)를 통해 배출기하기 위하여 연소가스 매니폴드(156)를 한정한다. 제1도에 도시된 바와 같이,공기관(140)과 연료관(150)은, 열발생수단(116)이 용기(102)내부에 위치하여, 이하에서 기술하는 바와 같이 반응 및 연소가스 배출구로부터 충분히 떨어지도록 위치하여 흡열 생성 가스와 연소 생성 가스 모두가 용기를 빠져나가기 전에 상당히 냉각되도록 구성된다.

작동에 있어서, 일단 정상상태에 도달되면, 메탄과 수증기의 혼합물과 같은 흡열 반응물이 입구(128)안으로 충전되고, 흡열 생성물은배출구(132)로부터 빠져나가며, 연료와 공기는 연료 입구(148)와 공기 입구(138)안으로 각기 충전되며, 그리고 연소가스는 연소가스 배출구(158)로부터 빠져나오게 된다. 상기는 연소관(110)을 통해 흐르는 반응 가스와 용기(102)의 내부(108)를 통해 흐르는 연소가스 사이의 역류 흐름을 일으키게 한다. 여라 가지 반응물과 생성물의 유동속도 및 여러 관의 크기 및 형태는, 공기와 연료가 자동 점화 온도 또는 그 이상이 되는 열발생수단(116)내에서 혼합될 때 선택되어 진다. 상기 수단에 의하여, 공기와 연료 가스는 글로플러그, 점화플러그 등과같은 분리된 점화기가 없이도 혼합, 점화 및 연소된다. 흡열 반응 가스와 연소가스의 역류 흐름은 또한 반응관벽의 마주보는 측상에서 반응가스와 연소가스 사이의 열 이동을 개선시키게 된다. 상기는 고온 스폿을 최소로 하고 관의 수명을 길게 한다.

상기 유리한 효과는 제1도의 장치의 반응관(110)의 관벽면 뿐만아니라 여러 가지 처리가스의 온도의 그래픽 표시를 제2도에 도시하였다. 제2도에 있어서, 가로 좌표는 제로가 열발생수단(116)의 시작을 나타내는 것으로 열발생수단(116)으로 부터의 거리를 측정한 것이다. 세로 좌표는 측정되는 여러 가지 가스와 관벽의 온도를 측정한 것이다. 상기 도면에 있어서, 164는 흡열 반응 온도를 나타내고, 166은 흡열 생성 온도, 168은 연료 온도, 170은 공기 온도, 172는 화염 온도, 174는 연소 가스 온도, 178은 반응관 외벽 온도, 그리고 180은 반응관 내벽 온도를 나타낸다. 182는 불활성물질(122)과 흡열 촉매(112)간의 경계부를 나타내고, 184는 연료/공기 결합의 자동 점화 온도를 나타낸다.

도면에서 보시는 바와 같이, 비록 연소 가스의 화염 온도가 매우 높게 될지라도, 반응관(110)의 내부 및 외부 관벽은 비교적 낮게 유지되며, 그에 의해 상기 관들의 사용 수명이 현저하게 길어지고 세라믹관 보다 금속관을 고온의 적용에 사용하게 된다. 동시에, 장치를 빠져나오는 여러 가지 가스, 흡열 생성가스 및 연소가스 모두는 적당한 온도로 냉각되는 반면에, 본 발명의 노 내측에서는 연소 가스가 그들의 자동 점화 온도 이상으로 가열되며, 동시에 충분한 열이 흡열 반응 물에 제공되어 소망의 흡열 반응이 일어나게 된다. 또한, 때때로 세라믹 관에 의해 겪는 되는 높은 열응력의 문제점을 피하게 된다.

본 발명의 반응장치는 탄화수고 가스, 특히 메탄의 스팀 개질에 의한 합성 가스의 상업적 생산과 같은 큰 스케일의 작동에 아주 이상적이다. 스팀 개질 반응은, 예를 들어 800내지 1000℃, 보다 바람직하게 870 내지 920℃와 같은 더 높은 온도에서 순조롭게 되고, 예를 들어 메탄을 합성과 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch)합성과 같은 합성가스의 최하류에서의 사용은 예를 들어 10atm 이상, 바람직하게는 20 내지 60atm, 보다 바람직하게는 30 내지 50atm과 같은 고압에서 순조롭게 된다. 따라서, 상기 형태의 반응을 수행하는 때에는, 상기와 같은 고압(최소한 쉘측상에서) 및 고온으로 작동시키는 것이 바람직하다.

상기 고온 및 고압에서 작동되는 큰 규모의 노에 취해지는 큰직경의 반응관은, 반응관이 세라믹으로 만들어지든 고온에도 견디는 값비싼 금속 합금으로 만들어지든 간에 매우 얇은 벽이 요구되어 내부적으로 불충분한 온도가 나타난다. 그들은 또한 매우 비싸다. 따라서, 상기 고온 및 고압에서 스팀 개질을 실시하는 큰 규모의 노는 작은 직경의 조밀하게 싸여진 관들로 아주 길게 만들어져 경제적으로 된다. 조밀하게 싸여진 작은 직경의 수 많은 관은 금속이기 때문에 상기 실시예에서 본 발명에 의해 제작이 가능하며, 상기 반응은관 내측에서 발생하고 연소 가스의 자동점화는 안정한 연소 화염을 보장하기 위하여 점화기 및/또는 화염 호울더를 따로 필요로 하지 않는다. 쉘측상의 용기 내측의 관지지 구조의 결여는 본 발명의 필수 특성은 아니지만 바람직한 것으로 이롭게 된다.

상기 결합에 있어서, 본 발명의 장치가 관측상의 대기 보다 더 높은 압력으로 작동될 때, 고압 처리 하류에 뒤따르는 제1단계로써 메탄 개질을 포함하는 합체된 처리에 있어서, 상기 관은 인장을 유지할 것이다. 상기는 관측상의 압력이 헤드(104,106)를 밀어 축력을 발생시키기 때문인 것으로, 입구 및 배출구 매니폴드(126,130)는 신장 접합부(103)가 소정의 반작용하는 인장력의 제공으로 부터 용기(102)의 벽을 방지하기 때문에 떨어져 있다. 특히 길고 얇은관이 경제적인 작동에 사용된 본 발명의 상기 실시예의 중요 특성인 상기 관상의 인장은 압축에서 비교적 적은 세기를 갖게 된다. 따라서, 축 또는 측부로의 소정의 큰 압축 하중은 좌굴과 비틀림을 통해 쓸모없는 관이 되버린다. 그러나, 좌굴 문제점을 피하기 위해 인장 세기가 증가된 관을 가져, 그에 의해 더 얇은 관을 제작하게 되어 더욱 경제적으로 된다.

더욱이, 대부분의 흡열 반응에서 직면하게 되는 고온에서, 관은 고유의 크리프, 즉 본래 축방향으로 고온 변형되어 진다. 예를 들어, 대략 25피트 길이의 관이 전형적인 메탄 개질 환경에서 대략 3인치의 신장을 하게 됨을 알 수 있다. 관의 축 크리프 변형은 관시트 휘어짐이 관시트를 상당히 가로질러 변화하도록 관내의 축 하중을 일으키는 관 열 교환기와, 종래의 고정된 관시트 쉘과 아주 다른 모든 관중에서 관이 균등하게 축 하중을 자동적으로 분배하도록 한다.

관을 가로질러 균등하게 축 하중의 자동적 분배를 하는 상기는 종래 기술 설계에 있어 발생하는 불균형한 더 높은 축 하중을 관이 받는 것을 일찍 피했기 때문에, 전체적으로 장치의 사용 수명을 길게하는데 기여하게 된다.

따라서, 바람직한 실시예에 있어서, 본 발명은 최소한 100, 바람직하게는 최소한 500, 보다 바람직하게는 최소한 1000또는 5000개의 연소관을 갖고, 각기 내측 직경 대 길이의 비율은 50:1000, 바람직하게는 150:500, 보다 바람직하게는 250:350인 연소노를 제공한다.

특히, 본 발명은 큰 체적과, 최소한 100개의 연소관을 갖는 높은 용량의 노와, 최소한 100의 내부 직경율로 길이를 각기 갖도록 설계되는 것이 적당하다. 이와 같은 노는 고온(최소한 850℃)과 고압(최소한 10atm)의 작동에서 적합하다. 보다 바람직하게 노는 최소한 200의 내부 직경률로 길이를 각기 갖는 최소한 500개의 연소관을 갖는다. 보다 바람직하게, 높은 체적에서 작동하는 노는 최소한 1000개의 관을 갖고, 각기 최소한 250의 내부 직경률로 길이를 갖는다. 상기 후자의 노는, 예를 들어 약 500psi 이상의 고가 압력과, 예를 들어 약 875℃ 이상의 고가 온도에서 수행되는 고체적 작동에 특히 유용하다.

특별한 적용을 위한 본 발명의 노의 최상의 설계와 작동상태의 결정은 이하의 여러 인자에 의해 정해진다. 예를 들어, 스팀 메탄개질(및 대부분의 다른 흡열 반응)은 고온과 저압으로 이루어진다. 그러나, 합성 가스를 생성하기 위한 대부분의 적용은 고압에 있는 합성 가스를 요구한다. 압축 합성가스에 대한 압축기의 사용은 자본 및 에너지면에서 모두 매우 비싸게 된다.

본 발명은 실제적으로 약 60atm 까지의 소정의 압력으로 합성 가스를 생성한다. 바람직한 압력은, 생성 가스의 계속적인 사용에 대해 최저로 요구되는 값으로, 즉 종래 기술의 설비에 사용되는 합성 가스 압축기가 완전히 제거될 수 있음을 뜻한다.

연소 흐름 경로내의 공기, 가연성 연료 및 연소 생성물의 압력은 종래와 마찬가지로 순환된다. 하지만, 흡열 반응을 고가 압력으로 수행하는 경우에는, 연소가스의 압력을 고압, 예를 들어 2 내지 10 atm 또는 그 이상의 압력으로 유지하는 것이 바람직하다. 그 이유는, 상기와 같이 함으로써 반응관에 대한 응력을 감소시키며, 따라서 반응관을 더 얇게 하는 것이 가능해지기 때문이다.

반응관의 바람직한 내측 직경 대 길이비는 선택된 실시예와, 소망의 도달 온도, 그리고 특별한 적용에서 강하되는 허용 가능한 가스 압력에 따라 변한다. 예를 들어, 제1도의 실시에는 바람직하게 250:350의 L/D비를 이용한다. 반응관의 바람직한 내측 적경은 비록 소정의 내측 직경의 관이 사용될지라도 경제적인 이유로 비교적 작게, 예를 들어 5 내지 50㎜, 바람직하게는 15 내지 30㎜가 된다. 작은 직경은 동일한 온도와 다른 압력에 대한 더 큰 직경의 것보다 더 얇은 벽을 요구하게 되므로 따라서 비용이 낮아진다. 그러나 상기 관이 너무 작게 되면, 관의 수는 매우 커지며, 비용은 다시 높게 된다. 또한, 매우 작은 직경은 촉매 패킹문제가 발생하는데 이로 인해 국부적으로 더욱 좋지 않은 열 이동이 이루어진다. 더 큰 관은 적합하지 않는 레이디얼 온도 변화율이 나타난다.

멀티관 설계의 경우에 있어서 바람직한 관 분리 간격은 아주 작다. 바람직하게는, 인접하는 관 그룹 (즉, 공급관(150), 공기관(140) 및 반응관(110)간의 중앙선 간격은 공급관 (150)의 외측 직경의 1.25배가 된다. 좁은 간격은 더 작은 크기의 용기에서 나타난다. 또한 금속 대신의 다른 물질 또는 세라믹으로 만들어진 관이 본 발명에서 사용될 수 잇다. 그러나, 금속관은 세로 길이 대 직경비율과, 유연성, 밀봉(용접)의 용이성, 신뢰성, 낮은 비용 및 열응력 저항에서의 더 좋은 이용성으로 인해 세라믹 관에 비해 더 바람직하다.

바람직한 관의 수를 결정하는데 있어, 그 선택은 단수의 매우 큰 반응장치와 복수의 더 작은 반응장치 사이에서, 특히 처리 가스의 매우 큰 체적에서 처리되는 산업 처리용으로 이루어진다. 일반적으로, 단일 반응장치내에 수천개 이상의 관이 사용되는 것은 전체 비용에 있어 거의 이득이 되지 못한다. 바람직한 최소한의 관의 수는 가스의 요구되는 원료처리량을 처리하는데 필요한 수가 된다. 반응관이 0.8인치의 내경을 갖는 제1도 실시에를 이용하면, 한 실시예에 있어서 관당 합성 가스의 생성은 약 2.7㎏-moles/hour가 된다.

본 발명의 반응 노에 사용되는 바람직한 금속 합금은 높은 열간세기(크리프와 크리프 럽쳐드에 대한 저항)와 산화 및 가스부식을 처리하기 위한 고저항을 갖는다. 전형적인 적용에 적합한 합금중에는 니켈 기재와 고온 합금 등 여러 가지가 있다. 예를 들어, 만일 본 발명의 반응 노가 인디아나의 코코모에 있는 하이얀스 국제상사(Haynes International, Inc. of Kokomo, Indiana)로부터 활용되어 하이얀스 230(22% Cr, 14%w, 2% Mo, 그리고 Ni를 가하여 100%로 만든)와 같은, 크롬, 텅스텐 및 몰리브덴을 함유한 고온의 니켈 기재 합금을 메탄의 스팀 개질을 위해 이용한다면, 바람직하게 된다. 원한다면, 금속관은 어떠한 형태로의 충격으로 금속이 털려 떨어지는 것을 막기 위해 적당한 피복을 제공할 수도 있다. 이와 같은 피복은 이미 특수 실시예에서 공지된 사실이다.

바람직한 피크 처리 온도는 압력 선택, 관물질, 공급 혼합 구성 그리고 외부 처리의 요건에 의존한다. 그것은 주로 선택 조건하에서 관의 수명이 만족스럽게 되는 최고 온도에서 작동되도록 한다. 상기 경우에 있어서, 금속관은 약 850℃ 내지 1000℃의 범위에서 바람직하게 동작된다. 다른 경우에 있어서, 열 균형의 뛰어난 처리와 전체 비용의 절감은 약 875 내지 925℃가 되는 금속관의 바람직한 피크 처리온도로 인하여 상기 보다 약간 더 낮은 온도에서 얻어진다.

특히 본 발명의 바람직한 실시예에 있어서, 흡열 반응 노는 제2도의 온도차 △로 표시되는, 최대 흡열 반응 온도와 열발생수단 내에서 혼합되기 전에 가열된 연료와 공기에 대한 온도 사이의 차를 정상 상태 동작시에 200℃이하로 동작되도록 설계한다. 바람직하게 상기 차는 50 내지 100℃이다. 대부분의 일반적인 가스 연료는 약 400 내지 450℃ 온도에서 공기와 자동 점화되기 때문에, 그리고 대부분의 흡열 반응이 대략 850℃ 내지 950℃에서 발생하기 때문에, 상기 바람직한 실시예에 따른 정상 동작에 있어서 상기 수단은 공기와 가스 연료가 열발생수단(116) 내에서 결합되기 전에 그의 자동 점화 온도 훨씬이상 (400 내지 500℃)으로 가열된다. 상기의 광범위한 가열로 인해 흡열 생성가스를 냉각시키는데도 광범위하게 된다.

동일 수단으로, 연소 생성가스가 노를 빠져나가기 전에 냉각되도록 노를 설계 작동하는 것이 바람직하다. 노의 적절한 설계와 작동으로, 연소 및 흡열 생성 가스 모두는 알맞는 온도, 예를 들어 500℃이하에서 노를 빠져 나올수 있게 된다. 상기는 높은 열 효율과 적당한 배관 설비 접속온도를 제공한다.

본 발명은 가벼운 탄화수소의 스팀 개질, 특히 메탄, 에탄 및 천연가스와, 에탄 및 알칸계에 대응하는 프로판과 같은 알칸계의 열분해와, 에틸렌 및 프로필렌등과 같은 폭 넓은 다양한 다른 흡열 반응을 수행하는데 이용될 수도 있다. 이와 같은 처리는 당 기술분야에 공지된 사실이다.

상기 처리중 몇몇은 다른 것이 적당한 촉매로 요구되거나 사용되는 동안 촉매 없이도 수행될 수 있다. 촉매가 사용되는 곳에서 촉매는 거기서 얻어지는 높은 베드 온도에서 오랜 시간에 걸쳐 충분한 동작을 하게 된다. 촉매는 그의 베드 하중 이상을 지탱할 만큼 충분히 강하다. 촉매는 허용치의 충분히 큰 최소압력이 베드(bed)를 통해 가하여져 관 사이의 간격을 적절히 메우기 위해 작은 크기의 입자를 갖는다. 그것은 고온에서 오래 노출됨으로써 관 또는 촉매에 과다한 소결-접착이 이루어지지 않게 된다. 알루미나상에서의 니켈의 적절한 형태도 가능하며 다른 촉매 또한 적절하다.

수소 생성을 위하여, 고온 시프트 촉매 및/또는 저온 시프트 촉매중 어느 하나가 처리 가스가 냉각되는 구역내에서 반응장치내에 선택적으로 위치되며, 상기는 부산물로써 CO₂를 갖는 더 많은 H₂를 형성하기 위해 초과된 H₂O로 반응하도록 대부분의 CO를 발생시킨다(소위 “물-가스 시프트” 반응이라함).

다음의 가정된 실시예는 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되어 진다.

[실시예]

아래에 도시된 성분의 공급은 350℃에서 도시된 압력과 유동비로 제1도의 장치에 공급된다. 생성 가스 성분은 대략 893℃와 522psia에서 화학적 평형 열역학에 근거하여 산출하였다. 생성 배출 온도는 490℃ 이다. 공기 공급비는 120℃ 와 131psia에서 2139 kmo/hr이다. 연료 가스는 82% H₂를 함유하고 여러 가지 다른 가스로 밸런스 된다. 연료와 공기 예열 온도는 850℃ 근처가 되고 배기 온도는 약 495℃가 된다.

연소관의 수 : 1700

연소관 내경 : 19.8㎜

연소관 전체길이 : 7260 ㎜

연소관 길이/직경 : 367

상기는 합성가스로의 메탄의 대단한 변환이 고압에서 그리고 또한 상업적으로 허용가능한 고온 합금을 충분히 충당하는 낮은 온도에서 달성될 수 있었음을 도시한다. 상기는 본 발명의 노가 세라믹관 보다 오히려 금속관으로 제작될 수 있으며, 또한 상기 금속관이 고압에서 합성가스로 메탄의 대단한 변환을 제공하도록 비록 사용될지라고 긴 수명을 갖게 됨을 의미한다.

상술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예로서 많은 수정예가 행해질 수 있다. 예를 들어, 원한다면, 가스 연료와 공기흐름 경로가 스위치로 될 수도 있다. 또한, 도시된 바와 같이 반응관과 동심인 고리부가 아니어도 상관없는 상기 흐름 경로는 연료와 공기를 열발생수단 내에서 결합하기 전에 자동점화 온도 이상으로 따로 가열되도록 설비된다. 또한, 각 반응관에 대해 따로 열을 발생하는 수단은 불필요하며, 충분한 열이 흡열 반응을 일으키기 위해 노의내부에서 하나 이상의 열발생 수단으로부터 공급되는 것은 충분하다. 더욱이, 연소가스와 흡열 반응가스는 원한다면 역류보다 오히려 같이 따라 흐르도록 만들 수도 있다.

또한, 다른 수정예도 가능하다. 예를 들면, 처리 유동체 스팀은 가스, 비등하는 액체, 액체, 또는 미세 고체를 함유하는 슬러리를 포함한 많은 다른 형태가 된다. 가스가 액체로 응축되는 것은 또한 반응장치의 최고 냉각 구역내에서 발생한다. 더우기, 시작을 위한 냉각 반응장치 예열은 전기 저항 히터와는 다른 수단에 의해 교대로 이루어진다. 예를 들어, 열간 연소가스는 반응장치내의 추가노즐을 통한 도입되어 소망 구역을 통해 순환되다. 또한, 열 절연의 많은 다른 형태는 압축 용기 내측에서 이용된다. 더욱이, 관 외측의 연소가스의 최대 온도는 연료 성분과 연료 및 공기 유동비를 조절함으로써 가변된다. 스토이지오메트릭 비율(Stoichiometric ratio)이상으로 점진적으로 공기 유동비가 증가하는 것은 최대온도를 감소시킨다.

결과적으로, 합성 가스가 암모니아 합성된다면, 압축 공기의 적당한(일반적으로 적은)비율은 천연가스와 스팀에 부가되어, 이와 같이 생성된 합성가스는 H₂: N₂를(보통3:1) 소망비로 함유하게 된다. 상기의 공기 부가는 가열시 촉매 베드내에서 반응하는데, 베드내의 국부적인 초과 온도 상승의 발생이 없도록 충분히 낮게 된다. 전체적인 반응은 흡열 반응이 된다. 암모니아 합성가스를 만드는 상기방법은 공기로부터 산소의 분리를 요구하는 몇몇의 필적하는 처리에 대하여 소망의 비용이 감소되도록 하기 위하여 공기로부터 옆측으로 소정 산소의 부가를 요구하지는 않는다.

본 발명의 범위내에서 많은 변형이 가능하나 이하의 청구항에위해 단지 한정된다.

Claims (13)

1. 흡열 반응물 가스를 공기와 가연성 연료 가스의 연소에 의해서 가열하여, 상기 반응물 가스로 하여금 흡열 생성물을 형성하도록 하는 흡열 반응을 수행하는 장치로서, a) 용기(102)와, b) 상기 용기의 내부를, 흡열 반응을 수행하기 위한 반응 흐름경로를 공동으로 한정하는 복수의 개별 반응 흐름경로와, 연소 흐름경로를 공동으로 한정하는 반응관 외측의 복수의 개별 연소 흐름경로로 분할하며, 또한 상기 반응 흐름경로와 상기 연소 흐름경로가 열적으로 상호 연통하여 상기 연소 흐름경로 내의 열이 상기 반응 흐름경로에 전달될 수 있도록 되어 있는 상기 용기내의 복수의 금속 반응관(110)과, c) 상기 금속 반응관(110)의 각각에 설치되어 연료 가스와 공기의 연소에 의해 열을 발생시키는 개별 열발생수단(116)과, d) 상기 반응물 가스를 상기 반응 흐름경로로 흘려보내는 제1공급수단(126) 및 사이가 반응 흐름경로로부터 흡열 생성물 가스를 내보내는 제1배출수단(130)과, 및 e) 상기 용기의 내부에 위치하는 상기 각각의 열발생수단에 공기(140)와 연료 가스(150)를 개별적으로 공급함으로써 상기 공기와 연료 가스가 상기 열발생수단에 이르기 전에 그들의 자동 점화 온도 이상으로 가열 되도록 하는 제2공급 수단(136) 및 상기 연소 흐름경로로부터 연소 가스를 내보내는 제2배출수단을 포함하는 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 제2공급수단은 각 관에 대한 연료가스 공급통로(150)와 공기 공급통로(140)를 한정하고, 각 관에 대해 조합된 상기 공기 공급통로와 연료가스 공급통로는 동심임을 특징으로 하는 장치.
3. 제1항에 있어서, 상기 열발생수단은 흡열 반응물 가스와 연소 가스 모두가 용기로부터 배출되기 이전에 냉각될 수 있도록 상기 제1 및 제2배출수단으로부터 충분히 떨어져 위치한 것을 특징으로 하는 장치.
4. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 흡열 반응관이 흡열 반응 촉매를 포함함을 특징으로 하는 장치.
5. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 장치가 고정된 관 시트 설계를 갖는 쉘 및 관열교환기의 형태인 것을 특징으로 하는 장치.
6. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 반응관은 그들의 각 단부의 중간이 지지되지 않음을 특징으로 하는 장치.
7. 제1항, 제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 반응관은 거의 일직선이며 거의 평행함을 특징으로 하는 장치.
8. 흡열 반응물을 공기와 가연성 연료 가스의 연소에 의해서 가열하여 상기 반응물을 흡열 생성물로 전환시키며, 또한 a) 용기(102)와, b) 상기 용기의 내부를, 흡열 반응을 수행하기 위한 반응 흐름경로를 공동으로 한정하는 복수의 개별 반응 흐름경로와, 연소 흐름경로를 공동으로 한정하는 반응관 외측의 복수의 개별 연소 흐름경로로 분할하며, 또한 상기 반응 흐름경로와 상기 연소 흐름경로가 열적으로 상호 연통하여 상기 연소 흐름경로 내의 열이 상기 반응 흐름경로에 전달될 수 있도록 되어 있는 상기 용기내의 복수의 금속 반응관(110)과, c) 상기 금속 반응관(110)의 각각에 설치되어 연료 가스와 공기의 연소에 의해 열을 발생시키는 개별 열발생수단(116)과, d) 상기 반응물 가스를 상기 반응 흐름경로로 흘려보내는 제1공급 수단(126) 및 상기 반응 흐름경로로부터 흡열 생성물 가스를 내보내는 제1배출수단(130)과, 및 e) 상기 용기의 내부에 위치하는 상기 각각의 열발생수단에 공기(140)와 연료 가스(150)를 개별적으로 공급함으로써 상기 공기와 연료가스가 상기 열발생수단에 이르기 전에 그들의 자동 점화 온도 이상으로 가열 되도록 하는 제2공급수단(136) 및 사이가 연소 흐름경로로부터 연소 가스를 내보내는 제2배출수단을 포함하는 흡열반응장치에서 흡열반응를 수행하는 방법으로서, 상기 방법은, i) 반응물을 제1공급수단을 통해 반응 흐름경로를 따라 흘려보내는 단계와, ii) 공기와 연료 가스를 제2공급수단을 통해 각각의 열발생수단에 개별적으로 공급하는 단계로서, 상기 공기와 연료 가스가 자동점화하고 연소하여 연소 흐름경로에서 열을 발생하고 이 열이 반응 흐름경로에 전달됨으로써 흡열반응이 일어나도록, 상기 공기와 연료 가스를 상기 열발생수단에 이르기 전에 그들의 자동 점화 온도 이상으로 가열하는 단계와, iii) 흡열 생성물 가스를 제1배출수단을 통해 반응 흐름경로로부터 배출하는 단계와, 및 iv) 연소가스를 제2배출수단을 통해 연소 흐름경로로부터 배출하는 단계들을 포함하는 방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 반응관이 흡열 반응 촉매를 포함함을 특징으로 하는 방법.
10. 제8항 또는 제9항에 있어서, 상기 흡열 반응물을 탄화수소 가스와 스팀의 혼합물로 하여 상기 흡열 생성물을 합성가스로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 탄화수소 가스가 메탄임을 특징으로 하는 방법.
12. 제10항에 있어서, 상기 흡열 반응물을 800∼1000℃ 범위의 온도까지 가열하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제10항에 있어서, 상기 반응 흐름경로 내의 압력을 0.508 MPa(10atm)이상으로 하는 것을 특징으로 하는 방법