KR100374764B1 - 화학반응기내의난류발생기 - Google Patents

Abstract

종방향으로 전방으로 가스 유동을 전달하기 위한 채널을 포함하며, 상기 채널은 촉매로 피복되어 있고, 가스 유동 난류를 일으키기 위해 종방향으로 격리된 적어도 제1 및 제2 난류 발생기를 구비하며, 각 난류 발생기는 채널의 베이스로부터 35 내지 60°의 각도로 전방 경사지고 전방을 향하는 후방면과, 채널 베이스로부터 높이(e) 되는 곳에서 후방면의 자유 에지로부터 전방으로 연장되고 종방향 길이가 B인 연결면과, 상기 연결면의 전방 에지로부터 베이스를 향해 돌출하고 전방을 향하는 전방면을 포함하고, 상기 제1 난류 발생기는 상기 제2 난류 발생기 보다, 채널 입구에 가까이 배치되어 있고, 상기 제1 난류 발생기의 종방향 중심은 채널 입구로부터 종방향으로 거리 X1 만큼 격리되어 있고, 0.01 < {X₁/ (D_h·R_e·S_c)} < 0.015이고, 여기에서, D_h는 채널의 유압 직경, R_e은 레이놀즈수, Sc는 가스 혼합물의 슈미츠수 이며, 또 유압 직경(Dh)에 대한 높이(e)의 비는 0.35 내지 1.0이고, 제1 및 제2 난류 발생기의 종방향 중심들 사이의 거리(P)에 대한 상기 높이(e)의 비는 20 내지 50이며, 상기 높이(e)에 대한 연결면의 길이(B)의 비는 1.5 내지 4.0인 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.

Description

화학 반응기 내의 난류 발생기{TURBULENCE INDUCER IN CHEMICAL REACTOR}

보통, 촉매 변환기는 기판에 피복된 촉매에 의해 변환시키고자 하는 가스 또는 가스 혼합물을 관통하여 유동시키는 인접하는 상당수의 작은 채널로 구성된 기판을 갖는다. 세라믹 재료, 또는 금속, 예를 들어 스테인레스 강 또는 알루미늄과 같은 다양한 재료들이 촉매 변환기를 제작하는 데 사용될 수 있다.

세라믹 촉매 변환기 기판의 채널의 단면은 보통 직사각형 또는 다각형, 즉 육각형이다. 촉매 변환기의 형태는 전체 길이를 통해 동일한 단면을 갖는 채널과 완만하고 균일한 채널 벽을 생성하는 사출 성형 방식으로 제작된다.

금속으로부터 촉매 변환기 기판의 제작시, 주름형(corrugate) 스트립 또는 포일은 편평한 스트립이나 포일과 교대로 배치되며 이런 조립체는 축선 주위에서 권취된다. 최종 채널 단면 형상은 삼각형 또는 사다리꼴이다. 시장에서 입수가능한 금속 촉매 변환기는, 세라믹 촉매 변환기 기판과 유사하게, 전체 길이를 따라 동일한 단면 크기를 갖는 채널이 형성되고, 그들의 채널 벽은 완만하고 균일하다.

가장 본질적인 특징은 가스 또는 채널을 통해 유동하는 가스 혼합물과 촉매변환기 채널 벽 사이에서 발생하는 질량 전달이다. 질량 전달 속도의 치수인 질량 전달 계수는 촉매 변환기의 높은 효율이 얻어질 수 있다면 반드시 높아야 한다.

내연 엔진 또는 산업계에 사용되는 상술된 종류의 촉매 변환기 및 상당히 적은 단면적을 갖는 채널에서, 이러한 범주에서 보통인 가스 유속에서 가스는 채널의 방향에서 상당히 규칙적인 층으로 유동한다. 따라서, 유동은 주로 충류(laminar)이다. 채널 유입구에 인접한 가장 짧은 길이를 따라서만 채널 벽을 향하는 방향으로 발생하는 약간의 단면 방향 유동이 발생한다. 가스 유동을 분류하기 위하여 소위 레이놀즈수(Reynolds number)가 사용되고, 이러한 응용에서 그의 값은 100 내지 600이다. 레이놀즈수가 거의 2000이하로 존재하는 한, 유동은 충류이다.

충류 가스 유동에서 가스 유속이 거의 영인 경계층은 채널 벽에 가장 근접하여 형성되는 것은 관심있는 기술 분야에서 공지된다. 이 경계층은 무엇보다도 소위 완전 전개된 유동의 경우에 질량 전달의 계수를 상당히 감소시킨다. 질량 전달의 계수를 증가시키기 위하여, 가스는 채널 표면을 향해 유동하도록 형성되어야 하고, 이것은 경계층을 감소시키고 한 층으로부터 다른 층으로의 유동 전달을 증가시킨다. 이것은 난류 유동에 의해 효과적일 수 있다. 완만하고 균일한 채널에서, 층류 유동은 레이놀즈수가 약 2000 이상의 값에 도달할 때 난류성으로 변환된다. 여기에 관심있는 촉매 변환기의 형태의 채널에서 이러한 크기의 레이놀즈수에 도달하기를 원한다면, 이러한 범주에서 종래보다 상당히 높은 가스 유속이 요구된다. 따라서, 상술한 바와 같이 낮은 레이놀즈수를 갖는 종류의 촉매 변환기에서는, 인위적 수단에 의하여, 예를 들어 채널 내부에 특정 난류 발생기를 배열시킴으로써난류를 형성하는 것이 필요하다.

다수의 난류 발생기가 이미 공지되어 있다. SE-B-461,018호에는 가로지른 주름형의 형태인 난류 발생기를 내부에 갖는 채널을 구비한 촉매 변환기가 공지되어 있다. GB-A-2001547호에는 구조 재료로부터 천공된 가로지른 금속 평판의 형태인 난류 발생기가 제공된 채널을 구비한 촉매 변환기가 공지되어 있다. 이들 두 가지 형태를 조합한 난류 발생기도 존재한다.

이런 종류의 난류 발생기의 공통 특징은 질량 전달을 상당히 증가시키는 능력에 있다. 그러나, 압력 강하도 상당히 증가한다. 사실상, 압력 강하 증가는 질량 전달의 증가를 초과하는 것으로 증명되었다. 이러한 압력 강하는 난류 발생기의 형상, 크기 및 형태에 의존한다. 그러나, 상기 형태의 난류 발생기가 너무 큰 압력 강하를 발생하여, 상당한 범위까지 상업적으로 사용되는 것으로부터 방해받는 것은 널리 공지되어 있다.

본 발명은 가스의 압력 강하와 질량 전달(mass transfer) 사이의 비를 최적화시키기 위한 촉매 변환기의 개선에 관한 것이다.

본 발명은 첨부 도면을 참조하여 하기에 더 상세히 설명될 것이다.

도1은 본 발명에 따라 난류 발생기를 나타내도록 부분적으로 절취된 촉매 변환기의 채널을 도시하는 부분적으로 절취된 사시도이다.

도2는 도1에 도시된 채널의 종방향 단면도이다.

도3은 난류 발생기의 영역에서 채널을 관통하는 단면도이다.

도4는 도3의 팽창 포일을 통해 취한 종단면도

도5는 도4에 5-5선을 따라 도시한 종단면도.

도6은 도5와 유사한 단면도로서, 포일이 서로 조립된 상태를 도시한 도면이다.

도7은 본 발명의 다른 실시예의 도6과 유사한 도면.

본 발명은 질량 전달에 대한 압력 강하는 최적 비율이 얻어지도록 난류 발생기가 촉매 변환기 채널 내에 배치되고 형상화되는 것을 실현하는 데 근거한다. 여기에 관련된 응용에서, 기준은 채널 주변의 길이(perimeter)에 대한 관통 유동 채널 단면적의 비를 나타내는 유압 직경(hydraulic diameter)의 개념으로 이루어진다. 촉매 변환기 채널의 유입구에서 질량 전달의 계수는 경계층이 매우 얇기 때문에 높다. 경계층의 두께는 주 유동의 방향으로 증가하고 질량 전달의 계수, 즉 채널 표면을 향하는 질량의 전달 속도는 감소된다.

질량 전달을 증가시켜서 결론적으로 촉매 변환기의 효율을 증가시키기 위하여, 채널 벽에서 난류 발생기는 질량 전달이 상당히 높은 유입구에 너무 근접하여 위치되어서는 안된다. 무엇보다도, 이 구역에 난류 발생기를 제공하게되면 원하지 않는 압력 강하의 증가만을 초래한다.

본 발명은 종방향으로 전방으로 가스 흐름을 유도하기 위한 채널을 포함하는 촉매 변환기를 포함한다. 채널에는 촉매가 피복되어 있고 가스의 난류를 일으키는 종방향으로 이격된 적어도 제1 및 제2 난류 발생기를 포함한다. 각 난류 발생기는 채널의 기부로부터 35 내지 60도의 각도로 전방으로 경사지고 후방을 향하는 후방면과, 종방향으로 길이가 B이며 채널의 기부로부터 높이 e 에서 후방면의 자유 에지로부터 전방으로 연장되는 연결면과, 연결면의 전방 에지로부터 기부를 향해 돌출하고 전방을 향하는 전방면을 포함한다. 상기 제1 난류 발생기는 제2 난류 발생기 보다 채널 입구에 가까이 배치되어 있다. 제1 난류 발생기의 종방향 중심은 채널 입구로부터 종방향으로 거리 X₁만큼 이격되어 있고, 여기서

0.01 < {X₁/ (D_h·R_e·S_c)} < 0.015이고,

여기에서,

D_h는 채널의 유압 직경,

Re은 레이놀즈수,

S_c는 가스 혼합물의 슈미츠수이고,

여기서 유압 직경 Dh에 대한 높이 e의 비율은 0.35 내지 1.0이고,

상기 높이 e에 대한 제1 및 제2 난류 발생기의 종방향 중심 사이의 거리 P의

비율은 20 내지 50이고,

높이 e에 대한 연결면의 길이 B의 비율은 1.5 내지 4.0이다.

본 발명은 상술된 목적을 달성하기 위하여 촉매 변환기의 구조가 첨부된 청구범위에서 정의된 바와 같이 소정 조건을 만족시켜야 한다는 데 특징이 있다.

도면에는 본 발명에 따르는 촉매 변환기 내의 채널(2)의 유입구(1)와 나머지 부분이 도시되어 있다. 도면에는 유입구(1)에 근접하여 위치된 제1 난류 발생기(3)와 제2 난류 발생기(4)가 도시되어 있다. 채널(2)은 높이(h)를 갖는다.난류 발생기는 채널의 기부(8)로부터 돌출된다. 제1 난류 발생기(3)의 유입 개구로부터 종방향 중심까지의 길이 X₁은

0.01 < {X₁/ (D_h·R_e·S_c)} < 0.015이고,

여기에서,

Dh는 인용된 주변에 의해 나뉘어진 채널의 단면적의 4곱과 같은 채널의 유압직경.

Re는 레이놀즈수(ulρ/μ)이고, 여기서u는 가스 속도, 1은 채널의 특성 치수(예를 들어 유압 직경 Dh)이고, ρ는 가스의 질량 농도이고, μ는 가스 점도이며,

S_c는 가스 혼합믈의 슈미츠수이고, 가스의 동점성(확산 계수라고도 알려져 있음)을 특히 분자 확산도로 나눈 값과 같은 슈미츠수(프랜탈 수라고도 알려져 있음)을 의미한다. 정점성은 동점성을 밀도로 나눈 값과 같다.

상기 식으로부터 알 수 있는 바와 같이, X₁은 레이놀즈수에 의존하고 가스 점성에도 의존한다. 따라서, 제1 난류 발생기(3)의 최적 위치는 기존의 작동 조건에 의존한다.

특히 도2로부터 명백한 바와 같이, 난류 발생기(3, 4)는 특정 기하학적 형상으로 제공된다. 따라서, 각 발생기에는 가스 흐름 방향에 대향하는 경사 후향 대향하는 제1 에지면(5), 편평 연결면(6) 및 전방을 향하는, 즉 가스 흐름 방향과 동일한 방향으로 된 경사 제2 에지면(7)을 구비하고 있다. 연결면(6)은 경사면(7,5)의 자유 에너지(9, 10)를 상호 연결한다.

본 발명에 따르면, 하기 조건들이 적용된다:

촉매 변환기 채널(2)의 바닥(8)에 대한 난류 발생기(3, 4)의 미부 모서리면(5)의 경사 각도(θ)는 35°내지 50°이어야 하고(더욱 적합하게 35 내지 50도), 채널(2)의 유압 직경(Dh)에 대한 바닥(8) 이상의 상부면(6)의 높이(e)의 비는 0.35 내지 1.0이어야 한다. 부가적으로, 상기 높이(e)에 대한 제1 및 제2 난류 발생기(3, 4)의 중심 사이의 거리(P)의 비는 20 내지 50이어야 한다. 높이(e)에 대한 각난류 발생기(3, 4)의 상부면(6)의 종방향 길이(B)의 비는 1.5 내지 4.0이어야 한다.

각 난류 발생기의 대향 배치된 채널 영역은 난류 발생기의 존재에 의해 발생된 압력 강하의 증가를 최소화하기 위해 영역(12)에서 확장되는 것이 좋다. 그러나, 확장 영역(12)에서의 가스 흐름은 주 가스 기류에 실리지 않으며, 서서히 와류가 되어가고 난류에는 극히 작은 영향 만을 미칠 뿐이다. 보통은, 높이(e)는 채널 높이(h)의 약 50 내지 60%이며, 난류 발생기를 포함하는 영역 내에서의 가스 유동을 위한 실제 단면적은 난류 발생기 상류의 가스 흐름을 위한 실제 단면적의 약 4분의 1이 된다. 따라서, 난류 발생기를 통과하는 가스의 속도는 그 상류측의 속도의 약 4배의 속도를 일으키게 된다.

본 발명에 따른 채널을 위한 적합한 단면적 형상은 삼각형 및 사다리꼴이다.

본 발명의 가르침에 따라 특정 기하학적 형상으로 난류 발생기(3, 4)를 형상화시키고 이들을 서로로부터 그리고 적합하게는 삼각형 또는 사다리꼴 단면 형상을갖는 채널(2) 내의 유입구(1)로부터 소정 거리에 위치 설정시키게 되면, 질량 전달 증가가 가능해지고, 결국 촉매 변환도 증가되지만, 압력 강하는 미약한 증가 정도로만 얻을 수 있다. 가스 유동이 난류 발생기(3)에 접근할 때, 유속은 감소된 단면적, 도3이 예시하고자 의도된 특징에 기인하여 국부적으로 증가한다. 이 후에, 가스가 난류 발생기(3)를 통과하고 상부면(6)과 전방 모서리면(7) 사이의 접합부에 형성된 모서리를 떠날 때, 이러한 분리 및 급격히 분산하는 단면적에 기인하여 심한 난류 운동이 발생한다. 이 과정은 질량 전달을 매우 효율적으로 증가시킨다.

난류 발생기(4)는 제1 난류 발생기(3)로부터 연산된 거리(P)에 위치되어 난류를 가능한 한 완벽하게 이용하게 하고 가스가 난류 발생기(4)를 통과하기 전에 도1에서 0으로 표시된 재접촉 구역을 형성한다. 이 방식에서, 기존의 난류성 가스 유동에서 질량 전달을 그다지 증가시키지 않아도 불필요한 과잉 압력 강하는 방지된다. 재접촉 구역(0)에서 가스는 난류 발생기(4)에 도달하기 전에 완만한 표면에 인접하여 상당한 양이 다시 유동할 것이다.

난류 발생기(3, 4)의 모서리가 분리점(변위점)을 생성할 수 있도록 충분히 날카로워야 하는 것이 중요하다. 도2에서 알 수 있는 바와 같이, r의 비는 r : Dh비기 0.04 내지 0.2를 이루도록 형성되어야 한다.

본 발명에 따른 난류 발생기를 형상화시킴으로써, 이들은 높은 가스 유속에서도 완만한 채널 내에 충분한 난류 유동을 형성한다. 자연적으로 형성하는 난류는 가스의 수렴/분산 효과에 의해서 그리고 분리 및 재접촉의 기구에 의해서 보강된다.

본 발명에 따르는 질량 전달 증가는 하기 방식으로 사용될 수 있다. 질량 전달(j)은 보통 수학식 j = ρ·h_M·A(W_ls- W_lw)에 의해서 결정되고, 여기에서, h_M은 질량 전달 계수이고 A는 전달면의 면적이고, W_ls는 가스의 기판(1)의 질량 분율(mass fraction)(부피 값)이고, W_lw는 표면에서 기판(1)의 질량 분율이고, ρ는 가스의 밀도이다.

W_ls- W_lw는 변환되지 않는 가스의 농도의 치수이다. h_M이 증가하면, 촉매 변환은 표면(A)의 접촉 크기에 적합하게 증가한다. 다른 한편으로, j를 증가시킬 필요가 없고 대신에 질량 전달이 일정하게 유지되면, 채널 표면적은 감소될 수 있다. 따라서, 촉매 변환기 내의 운송 재료(금속성 촉매 변환기의 경우에 스테인레스 강 또는 알루미늄) 및 매우 고가의 귀금속의 양을 감소시키는 것이 가능해지고, 이 방식으로 상당한 경제적 이득을 얻을 수 있다.

대신, 촉매 변환기의 주어진 전방 영역에 따라서 채널 표면적을 감소시키는 것이 바람직하다면, 이러한 면적 감소는 유압 직경을 증가시킴으로써 달성될 수 있다. 이것은 압력 강하를 감소시켜, 난류의 발생으로부터 파생하는 과잉 압력 강하에 적합하게 사용될 수 있다. 이 방식에서, 압력 강하는 질량 전달의 증가(h_M증가)에도 불구하고 제한될 수 있다. 결론적으로, 질량 전달의 높은 계수는 감소된 채널 표면적을 보상한다. 촉매 변환기의 전달 재료 및 워시코트(washcoat)의 양과 비싼 귀금속은 따라서 감소될 수 있고 결과적으로 상당한 경제적 이득을 얻는다.

적합한 치수의 직선 채널 내의 소위 완전 형성된 유동 영역에 대해서, 압력 강하(소정 가스 속도에서의)는 유압 직경에 역비례한다. 예를 들어 2승만큼 유압 직경이 증가되면 압력 강하도 따라서 저하된다. 그러나, 완전 형성된 유동과 질량 마찰 구역의 경우에는 질량 전달 표면도 유압 직경에 역비례한다. 따라서, 전달도 감소된다. 비교적 큰 채널에 본 발명에 따른 난류 발생기가 제공된다면, 압력 강하와 질량 전달은 증가된다. 질량 전달을 감소시키지 않으면 압력 강하는 소형 채널에 적용가능한 값으로 증대시킬 수 있다. 질량 전달의 정확한 수치값은 난류 발생기의 기하학적 형상에 의존한다. 질랴 전달의 계수가 소형 채널에 적용 가능한것의 두배에 해당하는 값에 달하게 되면 절반 가량의 재료(캐리어 재료, 워시 코트 및 귀금속) 만으로도 동일한 촉매 변환을 이룩할 수 있다.

본 발명의 한 시험 실시예에서는 높이 2.6mm, 베이스 길이(b) 3.7mm의 삼각형 채널에 대해서, 다음의 변수, 즉 X1=15mm, θ=45°, e=1.4mm, Dh=1.86mm, P=25mm, B=2mm를 사용하였다.

본 발명에 따른 채널을 형성하는 기술은 도3 내지 도 6에 도시되어 있다. 일련의 주름 및 편평 포일(20, 22)(예를 들어 스텐레스 강 또는 알루미늄)은 교대로 적충되었다. 각 주름 포일은 주름의 방향에 수직인 방향으로 완전 관통하여 연장되는 사다리꼴 노치(24)(도3에서는 노치 하나만 도시함)와, 각 노치에 대향 배치된 확장부(12)를 포함한다. 편평 포일(22)은 난류 발생기를 형성하기 위한 사다리꼴 리지(26)를 포함하기 때문에 정확히 편평한 것은 아니다. 따라서, 각 리지(26)는 상술한 표면(5, 6, 7)을 포함한다. 리지(26)는 각 노치(24)에 삽입되고(도6 참조), 그래서 편평 포일(22)은 각 삼각형 채널(2)의 베이스(8)를 형성하고 각 포일의 돌기(26)는 난류 발생기(3, 4)를 형성한다. 인접한 삼각형 채널(2) 사이에는 편평 포일(22)이 난류 발생기(32)를 형성하기도 하는 다른 채널(30)이 제공되어 있다.

도7은 도6과 유사한 배치 구조를 도시하고 있지만, 채널(2′)은 사각형이 아닌 사다리꼴로 되어 있는 점이 다르다.

주름 및 편평 포일의 적층체가 형성된 후에, 종래의 방법으로, 주름에 평행하게 연장되는 축선에 대해 권취되어 있다. 포일은 적층 및 권취되기 전후에 촉매로 코팅된다.

본 발명을 이제가지 그 적합한 실시예와 관련하여 설명하였지만, 기술 분야에 숙련된 자에게는 이하 첨부된 청구 범위에 기술된 본 발명의 정신 및 범주를 벗어나지 않고 특별히 기술하지 않은 부가, 삭제, 변경 및 대체가 가능함을 이해해야 한다.

Claims (8)

1. 종방향으로 전방으로 가스 유동을 전달하기 위한 채널을 포함하며,

   상기 채널은 촉매로 피복되어 있고, 가스 유동 난류를 일으키기 위해 종방향으로 격리된 적어도 제1 및 제2 난류 발생기를 구비하며,

   각 난류 발생기는 채널의 베이스로부터 35 내지 60°의 각도로 전방 경사지고 전방을 향하는 후방면과, 채널 베이스로부터 높이(e) 되는 곳에서 후방면의 자유 에지로부터 전방으로 연장되고 종방향 길이가 B인 연결면과, 상기 연결면의 전방 에지로부터 베이스를 향해 돌출하고 전방을 향하는 전방면을 포함하고,

   상기 제1 난류 발생기는 상기 제2 난류 발생기 보다 채널 입구에 가까이 배치되어 있고,

   상기 제1 난류 발생기의 종방향 중심은 채널 입구로부터 종방향으로 거리 X1만큼 격리되어 있고,

   0.01 < {X₁/ (D_h·R_e·S_c)} < 0.015이고,

   여기에서, D_h는 채널의 유압 직경,

   R_e은 레이놀즈수,

   S_c는 가스 혼합물의 슈미츠수 이며,

   또 유압 직경(Dh)에 대한 높이(e)의 비는 0.35 내지 1.0 이고,

   제1 및 제2 난류 발생기의 종방향 중심들 사이의 거리(P)에 대한 상기높이(e)의 비는 20 내지 50이며,

   상기 높이(e)에 대한 연결면의 길이(B)의 비는 1.5 내지 4.0인 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
2. 제1항에 있어서, 채널은 단면 삼각형인 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
3. 제1항에 있어서, 채널은 단면 사다리꼴인 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
4. 제1항에 있어서, 각 채널은 각 난류 발생기에 대향하여 배치된 확장부인 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
5. 제1항에 있어서, 전방면은 베이스를 향해 전방 경사진 것을 특징으로하는 촉매 변환기.
6. 제5항에 있어서, 상기 전방면은 베이스와 35 내지 60도의 각을 이루도록 형성된 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
7. 제6항에 있어서, 상기 각도는 35 내지 50도인 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.
8. 제1항에 있어서, 상기 각도는 35 내지 50도인 것을 특징으로 하는 촉매 변환기.