KR100904122B1 - 마이크로시스템 공정 네트워크 - Google Patents

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로버트 에스. 웨겡
워드 이. 테그로텐휴이스
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Abstract

마이크로 시스템 공정 네트워크의 다양한 양상 및 적용을 기술한다. 마이크로 시스템의 다수 타입의 설계는 오르토-케스케이딩 물질, 열 또는 다른 단위 공정 조작에 의하여 개선될 수 있다. 유효에너지적으로 효율적인 마이크로 채널 열 교환기를 가지는 마이크로 시스템이 또한 기술된다. 마이크로 컴포넌트 시스템에서의 다양한 설계 특징의 세부적 기술이 제공된다.

Description

마이크로시스템 공정 네트워크{MICROSYSTEM PROCESS NETWORKS}
본 발명은 마이크로 채널(microchannel)장치, 특히 물질 또는 열 전달을 포함하는 단위 공정 조작이 가능한 마이크로 채널 장치에 관한 것이다.
물질 또는 열 전달을 포함하는 시스템은 우리의 산업화된 사회에서 매우 중요하다. 이와 같은 시스템의 예로는: 동력 발생, 화학 공정 시스템 및 가열 및 냉각 시스템이 있다. 100년 이상, 과학자들과 공학자들은 이러한 시스템들의 비용을 감소하거나, 효율을 증가시키기 위하여 노력해왔다.
배텔레, 퍼시픽 노스웨스트 내셔널 레보러토리 및 다른 사람들은 마이크로 기술을 사용하여 전에는 좀 더 큰 장치를 사용하여 수행하여 왔던 공정을 수행하기 위한 마이크로 시스템을 개발하였다. 1mm 정도의 특징을 가지는 상기 시스템은 소형화에 의해 산정되는 변화에 유사한 방식으로 열 및 물질 전달 공정을 변화시킬 수 있다. 마이크로시스템은 차량과 같은 소규모 공정에서 바람직하게 사용될 수 있다. 경제적인 물질-생산이 가능한 마이크로시스템들은 대규모 공정을 완성하기 위하여 서로 연결될 수 있다.
연료셀(fuel cell)에서 사용을 위한 탄화수소 연료로부터의 수소 생산은 마 이크로 시스템에 대하여 제안되어온 적용의 한 예이다. 연료셀은 연료에너지를 직접 전기에너지로 변환시키는 전기화학 장치이다. 예를 들어, 스팀 리포밍(steam reforming)으로 알려진 공정에서, 마이크로 시스템은 탄화수소연료(또는 메탄올 또는 에탄올과 같은 알코올)을 수소 및 일산화탄소로 변환시킬 수 있다. 상기 수소는 수소와 산소(공기로부터)가 반응하여 물 및 전류를 생산하는 연료셀에 공급된다. 상기 CO는 물 가스 시프트 반응으로 알려진 반응에서 물과 반응하여 추가적인 수소 및 이산화탄소를 생산할 수 있다. 따라서, 연료셀은 통상적인 내부 연소 엔진에 비해 많은 이점을 제공한다 - 연료셀은 더 효율적일 수 있고 스모그중의 건강에 해로운 주성분인 산화질소 및 오존을 생산하지 않는다.
집중적이고 장기간의 노력에도 불구하고, 열 또는 물질 전달을 포함하는 조작 수행에 필요한 에너지 효율적이고 비용 효율적인 시스템의 요구가 상존한다. 또한, 대규모로 통상적으로 수행된 공정을 실행하기 위한 콤팩트 시스템(compact system) 또는 마이크로 컴포넌트 시스템(microcomponent system)에 대한 요구도 존재한다. 본 출원은 마이크로컴포넌트 기술을 이용한 더욱 효율적이고 비용-효율적인 시스템에 대한 새로운 해결책을 기술한다.
첫 번째 면에서, 본 발명은 제1 입구, 제1 출구, 마이크로 채널의 제1 배열 및 마이크로 채널의 제2 배열을 가지는 마이크로 컴포넌트 장치(device)를 포함하는 단위 공정 수행을 위한 마이크로 컴포넌트 기구(apparatus)를 제공한다. 조작 동안, 흐름(stream)은 마이크로 컴포넌트 장치의 제1 입구로 유입되고, 마이크로 채널의 제1 배열중으로 분산되고, 제1 단위 조작은 흐름상에 대하여 수행된다. 흐름은 제1 출구를 통하여 배출되어 마이크로 컴포넌트 장치로부터 배출된다. 공정 장치(processing device)는 마이크로 컴포넌트 장치의 제1 출구에 연결된다. 상기 공정 장치는 제2단위 조작에 의하여 흐름을 변형시킬 수 있다. 공정 장치의 출구는 제2 입구를 통하여 마이크로 컴포넌트 장치의 제2 입구와 연결되고, 마이크로 채널의 제2 배열은 제2 입구와 연결되고, 제2 출구는 마이크로 채널의 제2 배열과 연결된다. 조작 동안, 흐름은 마이크로 컴포넌트 장치에 재진입하고 마이크로 채 널의 제2 배열중으로 분산되고 여기에서 제3 단위 조작이 흐름상에 수행되고, 흐름은 제2 출구를 통하여 배출되어 마이크로 컴포넌트 장치로부터 배출된다. 바람직한 일 실시예에 의하면, 제3 단위조작은 제1 단위조작과 동일하다 - 이는 오르토 케스케이딩(ortho-cascading)의 한 예이다. 또한, 본 발명은 기술된 방식으로 마이크로 컴포넌트 기구를 사용하는 방법을 포함한다.
다른 면에서, 본 발명은 제1 온도와 제2 온도가 상이하고, 조작동안, 적어도 하나의 단위 공정 조작이 수행되고, 조작동안, 제1 온도에서 기능하는 제1 구역(first zone); 조작동안, 제2 온도에서 기능하는 제2 구역을 포함하는 마이크로 채널 장치 및 상기 제1 구역과 제2 구역 사이에 배치된 마이크로 채널 열 교환기를 제공한다.
조작 동안, 흐름은 마이크로 채널 열교환기를 통하여 제2 구역으로부터 제1 구역으로 흐르고, 이어서, 마이크로 채널 열교환기를 통하여 제2 구역으로 다시 흐른다. 또한, 조작 동안, 마이크로 채널 열교환기내에서, 열은 제2 구역으로부터 제1 구역으로 흐르는 흐름과 제1 구역으로부터 제2 구역으로 흐르는 흐름사이에서 교환하고, 열 교환기는 1입방 센티미터당 적어도 0.6W의 열력 밀도(thermal power density) 및 적어도 80%의 유효에너지 효율(exergetic efficiency)을 가진다. 본 발명은 또한, 기술된 방식으로 마이크로 채널 장치를 사용하는 방법을 포함한다. 바람직한 일 실시예에서, 상기 마이크로 채널 장치내의 상기 열 교환기는 제1 구역이 600℃의 온도이고 제2 구역이 200℃의 온도일 때 적어도 80%(바람직하게는 85 ~ 95%)의 유효에너지 효율을 가진다. - 이는 상기 기구가 상기 온도들에서 작동되도 록 한정한다는 것을 의미하는 것은 아니고, 상기 온도는 기구의 유효에너지 효율 테스트를 위한 정확한 온도를 제공하는 것을 의미한다.
또 다른 면에서, 본 발명은 연속 흐름 마이크로 채널을 포함하는 제1 층 및 적어도 하나의 마이크로 채널을 포함하는 제1 층에 인접한 제2 층의 적어도 두개의 층을 포함하는 마이크로스트럭쳐 구조(microstructure architecture)을 제공한다. 상기 제1 층 및 제2 층은 협력하여 적어도 두개의 단위 조작을 형성하고, 흐름 마이크로 채널(flow microchannel)은 적어도 두개의 단위 조작의 적어도 한 부분을 형성한다. 바람직하게, 흐름 마이크로 채널은 실질적으로 직선이다. 일 실시예에서, 상기 두개의 단위 공정 조작은 기체를 가열하고 액체를 기화시킨다. 다른 실시예에서, 흐름 마이크로 채널은 적어도 세개의 단위 조작의 적어도 한 부분을 형성한다.
또 다른 면에서, 본 발명은 마이크로 채널 벽이 마이크로 채널 사이에서 압력을 균일하게 하는 갭(gap)을 가지는 마이크로 채널 기구를 제공한다.
또 다른 면에서, 본 발명은 공간(space)에 의하여 분리된 상부 및 하부 흐름 경로 및 상부 및 하부 촉매 지지체가 있는 촉매 챔버를 함유하는 마이크로 컴포넌트 기구를 제공한다. 상부 촉매 지지체는 실질적으로 상부 흐름 경로에 배치되고, 하부 촉매 지지체는 실질적으로 하부 흐름 경로에 배치된다.
또 다른 면에서, 본 발명은 헤더(header), 적어도 두개의 흐름 마이크로채널 및 적어도 두개의 오리피스(orifice)를 포함하는 마이크로 채널 기구를 제공한다. 각각의 오리피스는 각각의 흐름 마이크로 채널과 함께 헤더와 연결된다. 상기 오 리피스에 연결된 흐름 마이크로 채널의 단면에 대한 각 오리피스의 단면의 비율은 0.0005 및 0.1 사이이고, 더욱 바람직하게는 0.001 및 0.05 사이이다. 상기 기구는 특히 물 증발기로서 유용하다.
또 다른 면에서, 본 발명은 마이크로 채널안의 제1 흐름이 제2 흐름과 열을 교환하고, 제1 흐름은 마이크로 채널에 남아 있고, 이어서, 제1 흐름은 마이크로 채널을 떠나지 않고 제3 흐름과 열을 교환하는 마이크로 채널 장치안에서의 열 교환 방법을 제공한다.
또 다른 면에서, 본 발명은 제1 마이크로 컴포넌트 셀(cell)에서 제1 흐름에 제1 단위 조작을 수행하고, 제1 단위 조작에 이어서, 변형된 흐름을 만들기 위하여 제1 흐름상에 별개의, 제2 단위 조작을 수행하고, 제2 마이크로 컴포넌트 셀에서, 변형된 흐름상에 제 1 단위 조작을 수행하여 제1 흐름상에 제1 단위 조작과 동일한 목적으로 단일 단위 조작을 완성한다. 바람직한 실시예에서, 제1 흐름은 열 교환 유체이고, 마이크로 컴포넌트 셀에서의 제1 단위 조작은 흡열 반응 공정을 위한 열을 제공하기 위하여 제1 흐름으로부터 열이 전달되는 열 교환이고, 제1 흐름을 변형하는 제2 단위 조작은 열원으로부터의 재가열에 의한, 또는 추가 연료 또는 산소를 가하고 연소반응을 수행함에 의한 제1 유체의 재가열을 포함한다. 흡열 반응 공정의 예는 건조, 끓음, 증발, 흡열 화학 반응 및 탈착(desorption)를 포함한다. 또 하나의 바람직한 실시예에서는, 열은 발열 화학 반응과 같은 발열 반응 공정, 또는 기체가 액체로 또는 기체가 고체로와 같은 수착 공정(sorption process)을 위하여 전달된다. 또 하나의 실시예에서, 제1 단위 공정은 흐름 리포밍과 같은 화학 반응을 포함하고, 제2 단위 공정은 제1 흐름에 추가적인 탄화수소 반응물을 가하는 것과 같은 물질 전달을 포함한다.
또 다른 면에서, 본 발명은 제1 입구, 제1 출구, 제1 헤더, 마이크로 채널의 제1 배열 및 마이크로 채널의 제2 배열을 가지는 제1 마이크로 컴포넌트 장치를 포함하는 단위 조작 수행을 위한 마이크로 컴포넌트 장치를 제공한다. 제1 입구는 제1 마이크로 채널 배열에 연결된다. 마이크로 채널의 제1 배열은 제1 헤더에 연결된 제1 출구에 연결된다. 조작 동안, 제1 흐름은 제1 마이크로 컴포넌트 장치의 제1 입구로 유입되고, 마이크로 채널의 제1 배열 중으로 분산되고, 제1 단위 공정은 제1 흐름에 대하여 수행되고, 제1 흐름은 제1 출구를 통하여 제1 헤더안으로 유입된다. 제1 헤더는 제2 단위 조작에 의하여 제1 흐름을 변형시킬 수 있다. 제1 헤더는 제1 장치내에서 마이크로 채널의 제2 배열에 연결된다. 조작동안, 제1 흐름은 제1 마이크로 컴포넌트 장치로 유입되고, 제1 단위 조작이 제1 흐름에 대하여 재 수행되는 제2 마이크로 채널 배열중으로 분산된다.
또한, 본 발명은 제1 흐름의 화학적 유효에너지(chemical exergy)의 일부가 물리적 유효에너지로 전환되고, 이 물리적 유효에너지의 일부가 제2 흐름에서 화학적 유효에너지로 전달되는 마이크로 컴포넌트 장치안에서의 유효에너지(exergy) 변환방법을 제공한다. 제1 흐름 및 제2 흐름은 혼합되지 않는다. 제2 흐름에서 상기 물리적 유효에너지의 적어도 일부분을 화학적 유효에너지로의 전달 단계는 적어도 50%의 유효에너지 효율을 가지고, 제1 화학적 유효에너지의 적어도 일부분을 물리적 유효에너지로 전환시키는 단계는 적어도 입방 센티미터당 0.6와트의 열력 밀도 를 갖는다.
본 발명은 또한, 적어도 하나의 단위 공정 조작에 관계된 마이크로 컴포넌트를 가지는 시스템을 분석하기 위한 유효에너지 분석 사용을 포함하는 마이크로 컴포넌트 기구 설계방법 및 유효에너지 분석에 기초한 마이크로 컴포넌트 기구안에서의 변화의 설계방법을 제공한다. 상기 유효에너지 분석은 원인을 확인하고, 유효에너지 손실 크기를 산출하는데 사용될 수 있다.
본 발명은 또한, 연료 셀, 열 펌프 및 연료셀을 위한 연료를 생산할 수 있는 화학 전환 단위를 포함하는 화학 공정 시스템을 제공한다. 공정 동안, 연료셀은 제1 온도에서 열을 생산하고, 열 펌프는 열의 온도를 더 높은 온도로 증가시킨다. 열 펌프로부터의 열은 화학 전환 단위로 전달된다. 바람직하게는, 상기 열 펌프는 콤프레서(compressor)를 포함한다. 본 발명은 유효에너지 분석에 다양한 접근법이 있다는 것을 인정하지만, 특정 백분율의 "유효에너지 효율"은 여기에서 기술된 특정 방법에 의하여 계산된 유효에너지 효율을 말한다.
본 발명은, 다양한 면 및 실시예에서, 감소된 유효에너지 파괴(exergy destruction), 높은 동력 밀도, 공정 강화, 개량된 유효에너지 효율, 감소된 설비 및 조작 비용, 작은 부피에서 새로운 조작 수행능력, 비교적 높은 유속 및 감소된 온도, 감소된 크기 및 내구성에서의 개량을 포함하는 다수의 이점을 제공할 수 있다.
본 발명의 주요 사항은 본 명세서의 결론부에서 명확히 청구된다. 그러나, 조작 방법 및 구성 모두는 이들의 이점 및 목적과 함께 각 참조 문자가 각 구성요소를 인용하는 도면과 함께 다음의 상술을 참조로 하여 더욱 이해될 수 있다.
용어의 해설
"셀"은 적어도 하나의 단위 조작이 수행되는 통합된 장치내에서, 분리된 컴포넌트 또는 부피를 지칭한다. 바람직한 일 실시예에서, 상기 셀은 20cm 미만의 폭, 약 20cm 미만의 길이 및 약 3cm 미만의 높이를 가진다.
"흐름 마이크로 채널"은 기구의 정상적 조작 동안 유체가 흘러 통과하는 마이크로 채널를 지칭한다.
"마이크로 채널"은 약 2mm정도, 바람직하게는 1mm정도의 적어도 하나의 치수를 가지는 채널을 지칭한다. 마이크로 채널의 길이는 벽에 닿기 전에, 정상적 조작 동안, 유체가 흐를 수 있는 가장 먼 방향으로 정의된다. 폭과 깊이는 길이에 대하여 수직이고, 서로에 대하여 수직이고, 예시된 실시예에서, 폭은 끼움쇠(shim) 또는 층의 면에서 측정된다.
"마이크로 컴포넌트"는 조작 동안, 단위 공정 조작의 부분이 되고 2mm정도, 바람직하게는 1mm정도의 치수를 가진다.
"마이크로 컴포넌트 셀"은 셀이 마이크로 컴포넌트를 가지는 장치안에서의 셀이다.
"오르토-케스케이딩"은 제1 단위 조작이 제1 마이크로 컴포넌트 셀에서 제1 흐름상에 수행되고, 제1 단위 조작에 이어서, 별개의 제2 단위 조작이 제1 흐름에 수행되어 변형된 흐름을 만들고, 제2 셀에서, 제1 단위 조작은 변형된 흐름에 재 수행되어 단일의 단위 조작을 완성한다. 제1 및 제2 셀에서의 상기 제1 단위 조작은 동일한 목적을 가진다.
"단위 공정 조작"은 유체 흐름의 화학적 또는 물리적 성질이 변형되는 조작을 지칭한다. 단위 공정 조작(단위 조작이라고도 지칭)은 유체 흐름의 온도, 압력 또는 조성에 있어서 변형을 포함할 수 있다. 전형적인 단위 조작은 펌핑(pumping), 압축(compressing), 팽창(expanding), 밸빙(valving), 혼합, 가열, 냉각, 반응 및 분리를 포함한다.
"열력 밀도"는 장치의 부피를 열 전달에 관계된 흐름 부피의 합과 상당한 양의 열 전달이 있는 장치의 일부분에서 계산된 흐름 사이의 벽이라고 할때(따라서 파이핑의 긴 스트레치는 배제한다), 열 전달 속도를 장치의 부피로 나눈 것을 지칭한다.
상세한 설명
본 발명은 상세한 설명을 세가지 면: 오르토-케스케이딩, 유효에너지 효율 및 시스템 건설으로 나눔에 의하여 아마도 가장 쉽게 이해될 수 있는 밀접하게 연관된 핵심적 개념을 포함한다. 많은 실시예에서, 이들은 밀접하게 연관된 개념들이다. 예를 들어, 오르토-케스케이딩은 유효 에너지 효율에 기여할 수 있고, 시스템 건설의 다양한 바람직한 실시예는 오르토-케스케이딩, 유효 에너지적인 효율, 또는 양쪽 모두가 될 수 있다. 각면에 대한 각각의 일정의 바람직한 실시예는 하 기에 기술된다.
오르토-케스케이딩
종래 공정 흐름도 개발은 공정 흐름에 의하여 상호 연결되어 공정의 트레인(train)을 형성하는 화학 반응기, 분리 및 열 교환기와 같은 단위 조작의 연속을 확인하는 것을 포함한다. 가장 간단한 수준에서, 원료는 한쪽 말단에서 공정으로 주입되고, 원료가 단위 조작의 네트워크를 통하여 통과하고, 산물이 다른 쪽 말단으로 배출된다. 이러한 본래의 2차원적 구조는 공정에 대한 '업-스트림(up-stream)' 및 '다운-스트림(down-stream)'이라는 용어를 생성시켰다. 재순환 및 복수 단계의 개념이 이러한 본래의 2차원적 구조에 첨가되었다. 재순환 흐름은 시스템을 통한 물질 흐름의 일반적 방향과는 반대로 흐른다; 이들은 다운-스트림 공정에서 업-스트림 공정으로 또는 생산 공정의 입구로 역으로 흐를 수 있다. 복수 단계는 일반적으로 단일 단위 조작이 연속 교반 탱크 반응기(continuous stirred tank reactor(CSTR))의 연속, 또는 용매 추출에서의 혼합기-침전기(mixer-settler)의 트레인과 같은 단계의 연속에서 완성되는 경우를 지칭한다.
종래의 흐름도 개발은 주로 규모의 경제에 의하여 유도되었다. 공학자가 수용 능력 팽창에서 평행한 트레인의 부가와 같은 평행한 용기 또는 트레인의 연속으로 단위 조작을 나누는 것을 선택하는 것은 드문 경우가 될 수 있다. 단위 조작을 평행한 트레인의 연속으로 나누는 것은 실질적으로 종래 공정 기술의 비용을 증가시킨다. 배열로 조합되어 셀을 형성하는 마이크로 채널이 가장 작은 구성단 위(building block)인 마이크로 기술과는 현저한 대조를 이룬다. 실제적 제약, 요구되는 조작 특성 및 흐름 분포는 단일 셀의 크기를 전형적으로 제한한다. 결과적으로, 복수의 셀은 필요한 생산량을 달성하기 위하여 평행한 트레인에서 복수 장치와 함께 장치내에 포함될 수 있다.
본 발명은 공정 네트워크 개발에서 마이크로 기술의 고유의 모듈성(modularity)을 인식하고 이를 이용한다. 상기 모듈성은 시스템 설계자로 하여금 흐름도상의 단일 단위 공정을 나타내는 단일 아이콘(icon)을 평행한 셀 또는 장치를 나타내는 다수의 아이콘으로 마음속으로 대체하게 하고, 흐름도에 3차원적 특질을 준다. 개념적으로, 제3 차원은 마이크로 채널 구성 구성단위의 배열내에서, 평행하고, 연속적이고, 교차흐름 공정의 필수적 조합인 오르토-케스케이드 네트워크에 대한 유일한 기회를 준다. 상기 개념은 고 효율의 열 전달, 물질 전달 및/또는 화학반응에 대한 공동 흐름, 반대 흐름 및 교차 흐름 공정의 비제한적 조합에 확장될 수 있다. 한가지 예로써, 마이크로 채널 열 교환기내에서 달성되는 고효율성 및 고유효성과 결합된 상기 고다능성(versatility)은 비가역성 손실을 최소화하는 고성능 열 교환 네트워크를 만들 수 있다.
마이크로 기술에 기초를 둔 흐름도의 상기 3차원적 특질은 2개의 단위 조작을 통합함으로써 더욱 활용될 수 있다. 단위 조작을 나타내는 아이콘(icon)의 더미(stack)의 은유에 의하여, 상기 측면은 두개 또는 그 이상의 단위 조작의 카드를 본질적으로 섞는다. 상기 결합된 더미를 공동-흐름, 반대-흐름 및 교차흐름의 조합과 배선하는 동일한 접근을 다시 적용한다. 예를 들어, 두개의 연속적 반응은, 두번째 반응물의 일부가 각각의 평행한 반응기 쌍에 가해질 수 있고, 따라서, 교차 흐름 구조를 만드는 동시에, 번갈아 포개지고, 교대되는 반응기 셀의 연속을 통하여 흐르는 하나의 반응물 흐름으로 수행될 수 있다. 마이크로 채널에서의 매우 신속한 잔류시간과 함께, 비-평형 생산물 혼합물(예를 들어, 두번째 반응 생산물의 형성의 감소)달성 능력이 주어진다면, 3차원 공정 설계 접근은 고변환을 달성하면서 선택도 유지를 위한 새로운 기회를 열것이다. 동일한 3차원 통합 접근은 반응기, 분리 및 열 교환의 다른 조합에 대하여 가능하다.
오르토-케스케이드 마이크로 시스템 공정 네트워크의 하나의 서브 클래스는 열 에너지의 제어이다. 상기 서브 클래스에서, 주요 이점은 에너지 첨가 또는 에너지 제거의 분포이다. 일정한 가능한 유리한 점은 요구되는 온도 유도력을 감소시키는 것에 의한 유효 에너지 손실의 감소, 온도를 낮추는 것에 의한 구조의 더 낮은 온도 물질의 사용의 가능함 및 더 우수한 열 통합 촉진에 의한 증가된 에너지 효율을 포함한다.
본 발명의 실제적 적용의 한 예는 주요하게 수소, 일산화 탄소 및 이산화 탄소로 구성된 합성 가스 생산을 위한 탄화수소를 리포밍하는 스팀에 대한 도 1에 도시되어 있다. 이는 통상적으로 메탄올에 대해서는 약 550℃에서 메탄에 대해서는 1000℃ 이상 까지의 온도 범위에서 수행되는 매우 발열적인 반응이다. 반응이 일어나고 있는 곳에 열을 직접 전달하는 열 교환 채널과 번갈아 가며 포개진 반응기 채널을 가지는 마이크로 채널 반응기는 더욱 등온적 조작(isothermal operation)을 달성한다. 열은 연소에 의하여 전형적으로 가열되는 가스 흐름을 사용하여 반응기 에 유입되기 전의 리포밍 조작 온도 이상의 온도로 전달될 수 있다. 반응기에 의하여 요구되는 열 효율(heat duty)은 고온 가스 물질 흐름율, 연소 조작 온도 및 반응기내의 열 교환 유효성의 조합에 의하여 만족된다. 이는 더욱 높은 물질 흐름에 대한 더욱 높은 연소 온도를 가지는 것 사이의 교체에 이를 수 있다. 고온은 연소기 및 반응기가 비싼 고온 합금으로부터 제조되는 것을 필요로 할 수 있고, 반면, 고 물질 흐름은 에너지 비효율성 및 더욱 큰 장치 및/또는 더욱 높은 압력 강하를 일으킬 수 있다. 3차원 흐름도는 이러한 고온 및 고물질흐름 사이의 교체를 매개하기 위하여 구성된다. 동일한 고온 가스 흐름은 셀에 유입되기 전에 온도를 증가시키기 위하여 각각의 셀 전에 추가 연료를 주입하고 연소함에 의하여 평행하게 조작되는 복수의 반응기 셀을 가열하는데 사용된다. 최종의 결과는 연소 가스 흐름의 최대 온도는 물질 흐름을 증가시킬 필요 없이 낮아진다는 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 이는 더 낮은 온도 합금을 사용할 수 있게 할 뿐만 아니라, 전체 시스템 효율을 개선시킨다. 또 하나의 잠재적 이점은 가스 속도를 감소시켜 더 낮은 압력 강하를 가지는 더욱 작은 장치를 가능케함에 의한 더욱 우수한 열 전달이다.
오르토-케스케이드 마이크로 시스템 공정 네트워크의 두번째 서브클래스는 물질 흐름의 제어이다. 물질의 첨가 또는 제거는 네트워크내에서 분배된다. 물질 흐름의 오르토-케스케이딩으로부터 얻을 수 있는 이점은 반응물 비율의 조정, 단위 조작내에서의 증가된 물질 전달 또는 열역학적 위기점(pinch-point)의 회피를 포함할 수 있다.
상기 서브 클래스의 실제적 활용의 예는 반응기로 유입하는 반응물의 비율의 조정이다. 탄화수소 리포밍 스팀에서의 잠재적 부반응은 분해증류(cracking) 또는 일산화탄소로부터의 코크스(coke)의 형성이다. 상기 부반응 조절을 위한 한 접근은 원료에서 탄소에 대한 수증기의 비율이 3:1 또는 이보다 높은 통상적인 화학량론적 요구량보다 과량의 수증기를 첨가하는 것이다. 마이크로 채널의 모듈성은 탄화수소 반응물의 주입을 배분하는 것에 의하여 탄소에 대한 더 높은 유효 수증기 비율에서 조작하는 능력을 촉진한다. 예를 들어, 6:1의 탄소에 대한 수증기의 비율로 시작한다면, 비율은(CO2로의 물 변환 또는 메탄 형성이 없다면)탄화수소의 일산화탄소로의 50%의 변환에서, 변환과 함께, 11:1까지 증가할 수 있다. 상기 점에서 42%의 탄화수소를 더욱 첨가하면, 탄소에 대한 수증기의 비율을 6:1까지 거꾸로 낮춘다. 50%의 변환율을 달성한 후에 상기 공정을 두번더 반복하고(비율을 거꾸로 6:1 까지 낮추기 위하여 다음 두 반복에 대하여 38% 및 35%의 탄화수소를 가함), 최종 단계에서 탄화수소의 90% 변환으로 종료하면, 첨가된 탄화수소에 대한 첨가된 수증기의 전체 비율은 3.34:1이 된다. 그러나, 공정에 의하여 실제적으로 달성되는 탄소에 대한 수증기의 최저 비율은 6:1이고, 전체 탄화수소 변환은 96%이다. 중간 탄화수소 주입은 연속으로 조작되는 셀들 사이에서 또는 복수 통과를 가지는 단일 셀내에서 달성될 수 있다. 후자의 경우, 주입은 통과사이의 헤더 부위에서 발생될 수 있다. 마이크로 채널 반응기 기술의 다수의 중요 특성때문에 상기 개념이 실행가능하다. 첫째, 마이크로 채널의 모듈성은 추가적 하드웨어 단위없이, 복수의 점에서 반응 혼합물안으로 반응물을 주입하는 것을 가능케 한다. 둘째, 마이 크로 채널 반응기에서 달성되는 짧은 잔류 시간은, 흐름 경로를 따른 반응물 첨가의 분배가 전체 반응속도를 심각하게 불리하게 하는 것은 아니고, 따라서, 전체 하드웨어 부피 증가의 불이익이 최소화된다는 것을 암시한다.
오르토-케스케이딩은 다수 단위 조작 통합의 제어에서 마이크로 시스템 공정 네트워크에서의 이점에 사용될 수 있다. 열 및 물질 전달의 통합뿐만 아니라, 케스케이드 될 수 있는 단위 조작의 예는 펌핑, 압축 및 혼합을 포함한다. 단위 공정 조작의 오르토-케스케이딩 사용으로부터의 이점은 단지 몇 가지 만을 들자면, 평형 이동, 조작 조건의 최적화, 조작 조건의 조정등을 포함할 수 있다.
다음의 예는 두개의 단위 조작 통합의 개념을 예시한다. 대표적 공정으로서 탄화수소 리포밍스팀을 재사용하여, 리포밍 반응기는 도 3에 예시된 수소 분리 막과 같은 분리 장치와 통합된다. 전체 개념은 연속적으로 조작되는 반응기 셀 사이에서, 생성물중 하나를 제거함에 의하여 전환 및 선택도를 개선하는 것이다. 도 3의 실시예는 연속적으로 조작되는 반응기 셀 사이에서 고온의 팔라듐(palladium)막과 같은 막을 사용하여 수소를 선택적으로 제거하는 것을 보여준다. 수소를 제거함으로써, 평형을 더 높은 탄화수소 전환쪽으로 이동시키고, CO2 쪽으로 더 높은 물 가스 이동을 유도하고, 막의 형성을 억제한다. 도 3은 모듈 마이크로 채널 구성에서 높은 수준의 다능성을 보여준다. 부피 측정적 흐름은 수소가 제거되면서 감소하기 때문에, 평행 셀의 수는 각각의 분리 단계후에 감소될 수 있다. 또한, 고전환은 고 전체전환을 달성하기 위하여 어떠한 주어진 반응기도 필요하지 않다. 이 는 전체 크기와 수행을 최적화하기 위하여 연속 및 평행 공정을 조합하는 능력을 설명해준다.
이상적으로, 가솔린 리포밍은 650℃ 내지 800℃에서 수행되고, 메탄은 더욱 높은 온도에서 수행되는 반면, 메탄올 스팀 리포밍은 전형적으로 250℃ 내지 300℃의 더욱 낮은 온도에서 수행된다. 도 3에 도시된 개념안으로 콤팩트, 고 효율의 마이크로 채널 복열장치를 합체시킴으로써, 반응기 및 막은 심각한 에너지 효율의 불리한 점을 초래함 없이 매우 상이한 온도에서 수행될 수 있다. 택일적으로, 저온 폴리머 수소 막을 사용하면, 복열장치에 의해서만 유효하게 달성될 수 있는 약 150℃로 최대 막 조작 온도를 감소시킨다. 열 교환기의 합체에 의하여, 3차원 흐름도는 세가지의 단위 조작인 반응기, 분리 및 열 교환을 통합하도록 사용된다. 탄화수소 스팀 리포밍에 대한 상기 모든 개념은 폭 넓은 다양한 조합 및 공정에 구체화될 수 있다. 도 3은 막 분리 및 탄소 대 스팀의 비율을 조절하기 위한 탄화수소 첨가의 분배의 통합의 선택을 도시한다. 따라서, 스팀 리포밍에 대한 오르토-케스케이딩의 세가지 실시예가 예시되어 있지만, 다수의 다른 마이크로 채널 및 열 시스템은 본 발명의 일부분이다. 컴포넌트의 크기, 온도 범위, 흐름 속도, 압력, 단위 조작의 3차원성 및 단위 조작의 구체적 조합을 포함하는 다양한 바람직한 실시예는 도면, 실시예 및 청구범위에 예시되어 있다.
유효 에너지 효율
열역학적 용어 "일"은, 서로 평형상태에 있지 않은 두개의 시스템(또는 시스템 및 이의 주위)이 서로 완전한 또는 부분적인 평형에 이르게 되도록 될 때, 생성 될 수 있다. 흐름 또는 시스템의 "유효 에너지" 함량은 상기 공정으로부터 추출될 수 있는 최대 일의 양의 정량적 측정이고, 따라서 공정이 열역학적으로 가역적이라면 생산될 수 있는 일의 양을 나타낸다.
용어, 유효 에너지, 유효 에너지 파괴 및 유효 에너지 효율은 시스템의 컴포넌트내에서 완성되는 에너지 전환의 효율을 기술하는데 도움을 주는 수행-관련 파라미터들이다.
유효 에너지 파괴는 교환 또는 에너지동안 발생되는 비가역성으로써 손실되는 잠재적 일의 양이다. 유효 에너지는 화학 반응(예를 들어, 연소)를 포함하는 다수의 메카니즘, 온도차이를 가로지르는 열 전달, 혼합, 팽창 및 마찰(예를 들어, 유체 압력 강하)을 통하여 파괴된다.
유효 에너지 효율은 시스템(또는 컴포넌트)의 산물로서 회수되는, 시스템(또는 컴포넌트)에 공급된 유효 에너지의 부분 또는 함수로서 계산된다. 유효 에너지 효율은 또한, 열 역학 제1 법칙 보다 제2 법칙에 더욱 밀접하게 연관되어 있기 때문에, 일정의 교과서에서는 제2 효율 법칙으로 지칭된다. 더욱 구체적으로, 컴포넌트, 서브시스템 또는 시스템의 유효 에너지 효율은 유효 에너지-유도 흐름(즉 유효에너지를 공정으로 전달하는 흐름)의 유효 에너지 함량 변화에 대한 생산물 흐름의 유효 에너지 함량 변화의 비율이다. 지상에서의 적용을 위하여, 주위 환경은 표준 온도(273K) 및 압력(1 바)이 되는 것으로 취급된다. 비-규칙 상태 조건을 만나면, 하드웨어 시스템의 유효 에너지 변화도 계산에서 포함되어야 한다. 본 발명의 목적을 위하여, 유효 에너지 효율을 실시예에서 예시된 바와 같이 계산된다.
실제 시스템에서 유효 에너지는 보존되지 않기 때문에, 컴포넌트, 서브 시스템 또는 시스템의 유효 에너지 효율은 100%가 될 수 없다. 그러나, 산물 흐름의 유효 에너지가 공급 흐름의 유효 에너지보다 적을 때와 같이, 유효 에너지 효율이 0%보다 적을 수 있는 경우가 있다. 상기 경우는 암모니아 생산 플랜트에 대하여 Szargut(1984)의 문헌에 있다.
공학자가 효율 고려에 대하여 제2 법칙을 사용하는 것은 실질적인 이점이 될 수 있다. 첫째, 제2 법칙에 기초한 효율 계산은 종종 연료의 잠재적 에너지 또는 흐름의 엔탈피 값(또는 질)에 대한 더 우수한 측정이 될 수 있다. Gaggioli 및 Petit(1997)에 의하여 언급된 바와 같이, "비전문가가 에너지라고 부르는 가치의 실제 재화(commodity)는 과학에서의 에너지와는 동일한 것이 아니다. 차라리, 에너지 재화는 이용가능한 에너지, 또는 잠재적 에너지, 유용한 에너지라고 불리운다.
열 역학 제1 법칙은 본질적으로 보존 법칙이다. 수학적 형식으로 표현되어, 제1 법칙은 임의의 에너지 변환 공정에서도 에너지는 항상 보존된다는 것을 말한다. 반면에, 열역학 제2 법칙은 임의의 공정상에 대한 비가역성 효과의 표현이고, 아마도 가장 보편적으로 사용되는 파라미터가 엔트로피가 된다. 제2 법칙은 또한 임의의 에너지 흐름도 변화에 영향을 주는(예를 들어, 일의 수행)이들의 능력의 형식으로 질적으로 표현될 수 있고, 이러한 특성은 실제 공정에서 점차 분해되고 파괴될 수 있는 지표로서 인식된다. 유효 에너지는 열 역학자들에 의하여 상기 특성의 정량화로서 제안되어 왔다; 즉, 임의의 흐름의 유효 에너지 함량은 상기 흐름이 일을 수행하거나 변화를 일으킬 수 있는 면에서의 에너지 능력의 측정이다.
유효 에너지 분석은 흡열 화학 반응을 유도하는 것이 유효 에너지인 것처럼 발열 화학반응으로부터 이용가능한 잠재적 일(potential work)이 존재하고, 각각의 반응물과 생성물은 "화학적 유효 에너지" 값으로 배정된다는 것을 인지한다. 전형적으로, 흐름은 흐름 및 흐름속도에서의 화학물질의 함수인 화학적 유효 에너지 양 및 온도, 압력 및 흐름의 흐름속도의 함수인 물리적 유효 에너지 양을 가질 것이다. 이들 값들은 또한, 온도, 압력 및 시스템의 "주위 환경"의 구성성분의 함수이다. 반응기에 대한 유효 에너지 계산은 유효 에너지가 하나의 형태로부터 다른 하나로 변환되는 효율을 포함한다.
더욱 일반적으로, 흐름의 유효 에너지(E)는 네가지 구성요소(핵, 자기, 전기 및 계면 효과의 부존재시), 개별적으로는, 물리적 유효 에너지(EPH), 운동 유효 에너지(kinetic exergy)(EKE), 위치 유효 에너지(potential exergy)(EPE) 및 화학적 유효 에너지(ECH)로 구성되어 있다고 일반적으로 기술되어있다.
E = EPH + EKE + EPE + ECH
운동 및 위치 유효 에너지 항은 운동 및 위치 유효 에너지와 동일하고, 일반적으로 다른 항들에 비하여 작다고 가정될 수 있다. 그러나, 이러한 가정은 현저한 예외가 있기 때문에 각각의 경우에 있어서 신중하게 고려되어야 한다.
물리적 유효 에너지 항은 일반적으로 문헌[Szargut et. al. Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical Processes, Hemisphere Publ. Co.(1998), Moran(1982), 및 Bejan et. al., Thermal Design Optimization, Wiley-Interscience Publication (1996)]에 기술된 방법에 기초하여 계산하였고, 열린 시스템내에서는 유체 흐름에 대한 하기의 표현에 수학적으로 기초한다.
EPH = H - H0 - T0(S - S0)
여기에서, H 및 S는 관심의 지점에서의 유체 흐름의 엔탈피 및 엔트로피를 나타내고, H0 및 S0 는, 환경(T0 및 P0)과 동일한 온도 및 압력이 주어진 경우에, 동일한 흐름의 엔탈피 및 엔트로피를 나타낸다. 상기 표현의 유도는 앞서 언급한 것을 포함하여 다수의 교과서에 기재되어 있다. 상기 방정식은 자유에너지의 깁스 함수(Gibbs function)에 유사하지만, 이와 혼동되지 않도록 유의해야 한다.
흐름의 화학적 유효에너지 값은 일반적으로 주위 환경의 고려에 기초하여 화학 유효에너지 표로부터 주어진다. 상당한 일을 하여 지상의 다수의 화학종에 대한 화학적 유효에너지 참조를 정의 하였고, 독자는 추가적 정보를 위하여 이미 인용된 문헌을 다시 참조할 수 있다.
고온 기체가 저온 기체를 가열시키기 위하여 사용되는 간단한 경우에 대하여 유효에너지 분석 방법을 시험하는 것이 유익하다. 이 예에서, 복열적 열 교환기는 두개의 유체 흐름과 함께 조작되고, 각각은 동일한 질량 흐름속도를 가지고, 일정한 비열을 가지고, 화학반응이 없는 동일한 이상 기체로 구성된다고 가정한다.
또한, 이 예에서, 각 기체 흐름의 위치 에너지 또는 운동 에너지에서 현저한 변화는 없는 것으로 가정한다.
이 경우, 상기 물리적 유효에너지에 대한 방정식은 다음과 같이 다시 쓸수 있다.
EPH/mcpT0 = [(T/T0) - 1 - ln(T/T0)] - [ln(P/P0)k/(k-1)]
여기에서 m은 기체의 물질 흐름 속도(mass flow rate) 또는 몰 흐름 속도이고, Cp는 기체의 비열이고, k는 기체의 비열 비율이다. 첫번째 괄호항은 흐름의 물리적 유효에너지에 대한 기체의 온도 기여이고, 두번째 괄호항은 흐름의 물리적 유효에너지에 대한 기체의 압력의 기여이다. 각 항에서, 유효에너지 기여는 환경의 상태에 특이적이고, 이는 환경과 가역적으로 평형을 가져온다면 흐름으로부터 이론적으로 추출될 수 있는 일의 양인 유효에너지의 정의와 일치한다.
가열되는 흐름의 입구 및 출구 조건이 각각 T1, P1 및 T2, P2라고 가정하고, 가열 흐름의 입구 및 출구 조건이 각각 T3 , P3 및 T4, P4 라고 한다면, 운동에너지, 위치에너지, 또는 화학적 유효에너지에 대하여 아무런 변화가 없기 때문에, 고온의 흐름에 의하여 넘겨지는 유효에너지의 양에 대한 표현은 하기와 같다.
E3 - E4 = mcpT0 {[(T3/T4) - 1 - ln(T3/T4)] - [ln(P3/P4)k/(k-1)]}
여기에서, k는 비열의 비율이다. 또한, 저온 흐름의 유효에너지 증가는 하기와 같다.
E2 - E1 = mcpT0 {[(T2/T1) - 1 - ln(T2/T1)] - [ln(P2/P1)k/(k-1)]}
가역적 공정에 대하여, 한 쪽 흐름내에서 압력 강하가 있고, 열이 교환되는 어떠한 지점에서도 흐름 사이의 온도차이는 없다. 즉, T1 = T4 및 T2 = T3 이다. 그러나, 가역적 공정은 교과서에서만 존재한다. 실제로, 온도 차이 없이 열 전달은 될 수 없다. 따라서, 실제 복열적 열 교환기에 대하여, 일정 유효에너지가 파괴되고, 이는 하기와 같이 정량적으로 표현할 수 있다.
EDES = (E3 - E4) - (E2 - E1)
열 역학 제2 법칙에 따라, 일정 유효에너지는, 어떠한 에너지 변환에서도 일정한 양의 유효에너지가 파괴되어야 하는 것처럼, 복열적 열 교환기 예에서 파괴된다. 상기 예에서, 유효에너지에서의 손실은 마찰(압력 강하) 및 열 전달(온도차에 반하여)을 통하여 물리적으로 완성된다. 후자의 특징은 실제 열 교환기에 대하여 T2 < T3를 관찰함에 의하여 더욱 증명된다.
어떠한 화학반응 또는 다른 유효에너지 전달이 컴포넌트에 의하여 수행되지 않을때, 장치의 유효에너지 효율은 일반적으로 산물 흐름내에서 물리적 유효에너지 증가를 다른 흐름내에서의 물리적 유효에너지 감소로 나누어 계산된다. 복열적 열 교환기의 경우에 대하여는, 유효에너지 효율(또는 제2 법칙 효율)은 다음과 같다:
ε제2 법칙 = (E2 - E1) / (E3 - E4)
이 예는 또한, 앞서 언급한 특징을 증명한다: 모든 실세계 공정은 임의의 에너지 흐름에 의하여 수행될 수 있는 유용한 일에서의 일정 정도의 파괴를 초래한다.
아마도 화석 연료로부터 전기를 생산하는 스팀 발전기와 같은 간단한 경우보다 더 좋은 예는 없을 것이다. 이 경우, 연료의 화학적 유효에너지는 노(furnace)내에서 2000℃를 초과하는 고온의 열로 전환되고, 상기 열은 일반적으로 600℃ 이하의 초가열 스팀의 생산에 사용된다. 환경이 25℃라고 가정하고, 열 엔진에 대한 카르노(Carnot)의 효율 유도를 적용하면, 가역적 열 엔진이 제1 법칙 효율의 유용한 일을 추출할 수 있다고 예측된다.
ε제1 법칙 = [1 - (25 + 273)/(600 + 273)] ×100% = 65.8%
그러나, 통상적인 스팀 발전기는 일반적으로 제1 법칙 효율의 약 35 - 40%만의 전기를 생산한다. 이는 두가지 측정을 지지한다: 1)화석 연료의 화학적 유효에너지의 연소 기체내에서의 물리적 유효에너지 및 그 후의 600℃에서의 초 가열 스팀내에서의 물리적 유효에너지로의 전환은 상기 연료의 화학적 유효에너지의 34.2%의 파괴를 초래한다. 2)스팀 발전기의 나머지에서의 유효에너지의 현저한 추가적 파괴가 존재한다. 물론, 상기 사실은, 또한, 스팀 발전기에서의 유효에너지 파괴의 가장 큰 원천은 연소기체로부터 일반적으로 수백도까지만 가열되는 스팀으로의 비가역적 열 전달이라는 것을 인식하고 있는 공학자들에게 잘 알려져 있다.
일반적으로, 연료의 연소는 커다란 비가역성의 원천이고, 따라서, 일반적으로 연료의 화학적 유효에너지의 현저한 양의 파괴가 뒤따른다. 그러나, 상기 비가역성은 과량의 공기의 예비 가열 및 이의 사용 최소화를 통하여 감소될 수 있다. 이와 같이, 온도 차이 사이의 열 전달, 유효에너지 파괴의 중요한 원천은 최소화 될 수 있다.
유효에너지 효율 측정(metrc)의 가치에 대하여, Bejan et.al.은 다음과 같이 언급하였다.
유효에너지 효율은... 일반적으로 발전소의 열 효율, 콤프레서 또는 터빈의 등엔트로피(isentropic) 효율 및 열교환기의 유효성을 포함하여, 열역학 제1 또는 제2 법칙에 기초한 다른 어떠한 효율보다도 의미있고, 객관적이고, 유용하다. 열 효율은... 동등한 열 역학적 가치를 가지는 일 및 열 전달 모두를 다루기 때문에 오도한다. 실제 공정을 등엔트로피 공정과 비교하는 등엔트로피 터빈 효율은 터빈 출구에서의 일 유체(working fluid)가 등엔트로피 공정보다 실제 공정에서 더 높은 온도(다음 구성요소에서 사용될 수 있는 더 높은 유효에너지)를 가진다는 것을 고려하지 않는다. 열 교환기 유효성은 예를 들어, 열 교환기 일 유체의 압력강하와 관련된 유효에너지 소모를 확인하지 못한다.
흐름 발전기에서, 제1 법칙 및 제2 법칙 효율은, 부분적으로 연료의 화학적 유효에너지가 연료의 연소열과 거의 동등하기 때문에, 종종 거의 동일하다. 그러나, 많은 구성성분 및 시스템에 대하여, 제1 법칙 및 제2 법칙 효율은, 표 1(Kenney, Energy Conservation in the Process Industries, Academic Press 1984로 부터)에서 관찰될 수 있는 바와 같이, 종종 매우 상이하다.
[표 1] : 제1 법칙 및 제2 법칙 공정 효율(%)의 비교
단위 조작(또는 공정) 제1 법칙 제2 법칙
거주용 열(연료) 60 9
가정 물 히터(연료) 40 2-3
고압 스팀 보일러 90 50
담배 건조기 40 4
석탄 가스화, 고 Btu 55 46
원유 정제 ~90 10
스팀-가열 재보일러 ~100 40
(steam-heated reboiler)
고로(blast furnace) 76 46
표 1은 또한, 주위에 대하여 에너지 손실이 없다면, 제1 법칙 효율 계산은 100%라는 사실을 반영한다. 그러나, 제2 법칙 효율 계산은, 공정에서의 비가역성이 변화를 일으키는(일 또는 화학적 전환/분리의 지지)에너지 흐름의 능력을 감소시킨다는 인식을 포함한다.
유효에너지는 얻을 수 있는 최대 이용가능한 잠재적 일과 열역학적으로 동등하지만, 공정 산업에 대하여 가치 및 효율의 측정으로서 상기 측정(metric)을 사용하는 것은 중요한 가치가 있다. 첫 째, 공정 플랜트는 종종 매우 에너지 집중적이고, 중요한 열 교환기 네트워크를 함유하고, 매우 높은 가치의 화학적 산물(이것이 연료이건 아니건)를 생산하는 시스템은, 댜량의 에너지 소비를 필요로 하는 대체 시스템과 비교하여 감소된 에너지 요구를 가지면서 이와 같이 한다면, 종종 더욱 가치가 있다. 증가된 에너지 효율은 공정 플랜트에서 요구되는 연료(또는, 일반적으로, 석유화학제품 공급원료)이 양의 감소에 대응하고, 온실효과 기체를 포함하는 대기 방출기체의 유사한 감소를 가져온다.
따라서, 본 발명의 발명자들은 유효에너지적으로 효율적인 복열적 열 교환기(반응물을 미리 가열하기 위한) 및 유효에너지적으로 효율적인 반응기 및 연소기를 포함하는 콤팩트 마이크로 채널 장치를 설계하고자 하였다. 향상된 에너지 효 율의 실현을 위하여, 본 발명은 열 전달 및 압력 강하와 관계된 열 역학적 비가역성의 고려를 포함하는 고 유효에너지 효율로 조작되는 복열적 마이크로 채널 열 교환기를 이용하였다. 여기에서, 화학적 유효에너지 함유량 전달이 없기 때문에(화학적 전환이 발생하지 않기 때문에), 흐름의 화학적 유효에너지는 중요하지 않다. 따라서, 잘 격리된, 복열적 마이크로 채널 열 교환기의 유효에너지 파괴는 주로 a) 온도차이에 반하는 열 전달(흐름내에서 이용 가능한 열의 질을 저하 및 흐름이 열 엔진에 대하여 에너지를 제공한다면 수행될 수 있는 일의 양의 감소를 초래함), b) 유체 마찰에 기인한 압력 강하(흐름에 의하여 수행될 수 있는 가능한 일에서의 감소를 초래함)를 통하여 발생한다.
통상적으로, 마이크로 시스템에서의 열 교환기는 제1 법칙 효율을 달성하기 위하여 설계되어져 왔다. 본 발명에서는, 짧은 열 이동 거리, 큰 온도 차이 및 낮은 압력 강하와 같은 고 유효에너지 효율에 중요한 인자들을 분석함으로써, 유효에너지적으로 효율적인 열 교환기를 가지는 마이크로 시스템을 설계하였다. 열 교환기는, 바람직하게 적어도 80%, 더욱 바람직하게 적어도 85%의 유효에너지 효율을 가진다. 일정 실시예에서, 열 교환기는 80 내지 95%사이의 유효에너지 효율을 가진다. 본 발명에서, 유효에너지 효율을 하기의 실시예에 의하여 측정된다. 유효에너지적으로 효율적인 마이크고시스템에 적용될 수 있는 일정구조, 조건 및 변형이 다음 섹션에서 검토된다.
시스템 구성(System Construction)
a) 시스템 개관. 스팀 리포밍을 이용하는 두개 시스템의 흐름도가 도 4 및 도 5에 도시되어 있다. 도 4에서, 물은 물 증발기(20)에서 증발되기 전에 전가열기(preheater)(10)에서 전가열(preheated)된다. 이소-옥탄과 같은 액체 연료는 연료 증발기(30)에서 증발된다. 복열기(40)는 연료 및 스팀을 가열한다. 연료-스팀 혼합물은 스팀-리포머(50)안으로 유입된다. 스팀 리포밍은 매우 흡열적 반응이기 때문에, 연소기(60)로부터의 고온 기체는, 리포머(50)내의 반응물을 가열하기 위하여, 스팀 리포머를 통하여 통과된다. 스팀 리포머내에서의 열 전달후, 연소물(combustant)내의 잔류 열은 공기가 가열되는 복열기(70) 및 물 증발기(20)를 통하여 연소물을 통과시킴으로써 포획된다. 스팀 리포머로부터의 산물 기체(55)는 열이 연료 혼합물로 전달되는 복열기(40)을 통하여 통과한다. 추가적인 열은 연료 증발기(40) 및 물 전가열기(10)에서 전달된다. 상기한 구성성분은 완전한 마이크로 채널 합성가스(syngas) 생산 단위를 구성한다. 상기 시스템이, 동력 생산을 위하여, PEM 연료 셀과 함께 사용된다면, 합성 가스 생산에서, CO는 대부분의 PEM 연료 셀에 있어서 촉매에 악영향이 되기 때문에, 그리고, CO가 CO의 에너지 함량을 PEM 연료 셀에 대한 연료인 추가적인 H2 함량으로 변환시키는 물-기체-시프트 반응기내에서 CO2로 변환된다면 전체 시스템의 효율이 증가될 수 있기 때문에, PEM 연료 셀(82)의 내부로 도입되기 전에 추가적 공정이 필요할 것이다. 도 4의 왼쪽편에 도식적으로 도시된 콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위의 목적은 수소 기체 생산을 위한 콤팩트하고 가벼운 하드웨어의 실현의 이점이 있는 적용을 위한 탄화수 소 공급원료로부터 수소가 풍부한 기체의 생산이다. 실시예는 생산 기체가 연료셀의 연료요구에 부합하여 필요한 대로 연속하여 처리되는 고정 및 이동적용 및 수소 또는 합성가스가 사용된 화학공정에 원료인 화학 제품의 생산을 위한 동력 생산을 포함한다. 그러나, 이러한 흐름도는 액체 탄화수소의 스팀 리포밍 및 다른 실시예가 기체 탄화수소(예를 들어, 메탄)을 이용할 수 있다는 것을 지시한다.
*콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위는 다음을 포함할 수 있다.
ㆍ흡열 스팀 리포밍 반응이 연소 기체 흐름으로부터 이의 열을 받을 수 있도록 하기 위한 통합 마이크로 채널 열 교환기를 포함하는 마이크로 채널 촉매 스팀 리포밍 반응기(하나 또는 그 이상)
ㆍ흐름 리포밍 흐름 및 연소 흐름의 효율적인 전가열을 제공하고, 각각으로부터 열원으로써 흐름 리포밍 산물 및 연소 산물을 (각각) 이용하는 마이크로 채널 복열적 열 교환기(둘 또는 그 이상)
ㆍ스팀 및 기체 탄화수소 발생을 위한 마이크로 채널 증발기. 도 4에 도시된 시스템 구성에서, 양 흐름에 대한 증발열은 필수적으로 연소(산물)흐름의 잠재열에 의해 제공된다. 그러나, 하나 또는 양 흐름의 증발열의 일부가 스팀 리포밍(산물) 흐름에 존재하는 잠재열로부터 부분적으로 제공되거나, 물 및 탄화수소 흐 름의 한쪽 또는 양쪽에 대한 증발열이 별개로 제공되는 다른 시스템 구성도 가능하다.
ㆍ열-제공 흐름(예를 들어, 콤팩트 연소 단위)에 대한 열의 제공을 위한 마이크로 채널 또는 다른 콤팩트 단위
상기 시스템에서 매우 효율적인 복열적 마이크로 채널 열 교환기는 85%를 초과하는 유효에너지 효율로 기능하도록 설계된 복열장치(1)로 확인된다. 시스템의 상기 구성성분 및 다른 구성성분의 유효에너지 분석은 다음 섹션에 나타난다.
상기 단위가 고체 산화 연료 셀(SOFCs)과 함께 사용된다면, 합성 가스 산물의 추가적인 공정은 요구되지 않는다. 이 경우, 고온 SOFC로부터의 열이 충분히 높은 온도이어서 흡열적 스팀 리포밍 반응기에 대한 공정열로써 사용될 수 있는 또 하나의 이점이 실현된다. 도 5는 고체 산화 연료 셀과 함께 사용될 때의 콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위의 하나의 가능한 시스템 구성을 보여준다. 이러한 시스템에서, 연료는 증발기(210)에서 증발되고, 물 증발기(220)으로부터의 스팀과 화합되고, 복열장치(230)에서 가열된다. 가열된 스트림은 리포머(240)에서 반응된다. 리포머(240)은 추가적인 열을 공급하는 연소기와 통합된다. 생성된 리포메이트(reformate)는 복열장치(250)에서 900℃ 내지 1100℃에서, 바람직하게는 약 1000℃에서 가열되고, 전기력(270)을 생산하기 위하여 고체 산화 연료 셀(260)로 넘어간다. 고체 산화 연료 셀로부터의 잉여의 열은 도 5에서 나타낸 바와 같이 고 온의 잉여 기체를 시스템을 통하여 반대로 통과시킴으로써 회수될 수 있다.
일반적으로, 콤팩트 마이크로 채널 합성 가스 생산 단위의 설계 능력은, 각 컴포넌트의 크기 및 처리량(throughput)을 비례하여 증가시킴으로써, 또는 복수의 공정 트레인이 평행하게 처리되는 시스템에 대한 설계를 이용함으로써, 또는 양쪽을 조합함으로써 증가될 수 있다. 복수의 공정 트레인이 평행하게 처리되는 경우, 가장 효율적인 조건 또는 이에 근접한 조건의 지점에서 각 트레인(및 컴포넌트)를 조작하거나, 각 공정 트레인을 작동시키거나, 작동시키지 않음으로써, 디지털적으로 생산속도를 높이거나 낮추는 것과 같은 것에 의하여 합성 가스의 에너지 효율적인 생산을 지지할 수 있는 추가적인 다른 특질들이 있다.
각각의 컴포넌트들이 본 발명의 계획된 범위를 초과하지 않고 시스템안으로 분리적으로 배관될 수 있다는 것은 분명하기 때문에, 모든 컴포넌트들이 동일한 통합 하드웨어 단위의 부분이 되어야만 하는 것은 아니다.
이러한 단위가 고려되는 탄화수소 공급재료는 중간 길이 사슬 탄화수소(예를 들어, 이소옥탄) 및 알코올(예를 들어,메탄올, 에탄올)과 함께 짧은 사슬 탄화수소(예를 들어, 메탄, 에탄 등)를 포함한다. 복합 혼합물(예를 들어, 가솔린 또는 디젤 연료)로부터의 합성 가스의 생산도 예상된다; 그러나, 리포밍에 문제가 되는 구성성분을 다루기 위한 추가적인 단위 조작이 요구될 수 있다. 문제의 구성성분의 예는 황함유 화합물, 방향족 화합물 및 세제를 포함한다.
열 제공 흐름에서는, 에너지는 a)탄화수소 공급재료의 일부분, 스팀 리포머 기체 산물의 일부분, 다운 스트림 공정으로부터 발생되는 연료-함유 흐름(예를 들 어, 연료 셀의 양극 유출물(anode effluent)) 또는 일정 다른 연료 흐름 등의 연소 또는 b)일정 다른 시스템으로부터의 공정 열(고온, 고체 산화 연료 셀과 같은), 또는 c) a) 및 b)함께의 조합을 통하여 제공될 수 있다.
많은 다른 실시예들이 본 발명의 범위내에서 예상된다. 예를 들어, 고효율 복열적 마이크로 채널 열 교환기는 CO2 수집 시스템(온도 스윙 흡착(temperature swing adsorption)에 기초함)의 한 부분으로써 이용될 수 있고, 반응기로의 반응물의 전가열 및 반응기로부터의 생성물의 냉각에 이용될 수 있다.
b) 끼움쇄 설계 및 유효에너지 효율의 계산. 다음의 섹션은 부수되는 도면과 함께, 제조하고 테스트한 끼움쇄 설계를 기술한다. 하기 섹션은 컴포넌트 설계, 변형 및 다양한 장치 및 시스템에 적용가능한 조작 파라미터의 일반화된 논의를 또한 포함한다. 구성성분들이 스팀 리포밍 기구의 한 부분으로써 기술되지만, 하기의 설계 및 다른 설명은 스팀 리포밍 공정에 한정되는 것은 아니고, 마이크로 채널 컴포넌트를 사용하는 시스템에 일반적으로 적용가능하다는 것을 이해해야 한다.
실시예 : 고 유효에너지 복열적 열 교환기
마이크로 채널 복열적 열 교환기를 설계하고, 제조하고 80%이상으로 입증된 유효에너지 효율(온도차이에 반하는 열 전달 및 압력강하를 고려)을 가지는 고효율 임을 실험적으로 증명하였다. 0.85의 요구 열 전달 유효성을 달성하기 위하여 마이크로 채널 열 교환기를 설계하였다. 설계는 하기에 기술한다. 초기 설계 모델에서 다음을 포함하는 몇가지 전통적 가정을 하였다.
- 일정 온도 및 일정 열 흐름(constant heat flux)경계 조건에 대한 누셀트 수(Nusselt number)의 계산 및 최소값을 취함(일정 열 흐름이 복열장치에 대하여는 더욱 정확한 경계이다.)
- 교환기의 바깥쪽 모서리에서의 금속의 세로방향 전도의 강화
- 확장부위가 뒤 따르는 짧은 입구 보다는 끼움쇄 압력 강하를 평가하기 위한 확장된 입구 단면과 함께 생략된 압력 강하 계산의 사용
부분적으로 10쌍의 10밀(0.25mm)의 깊이로 에칭된 20밀(0.50mm) 끼움쇄로 구성된 마이크로 채널 복열적 열 교환기를 제조하였다. 전체 장치는 316 스테인레스 스틸로 제조하였다. 끼움쇄 "A"에 대한 끼움쇄 설계는 도 6에 도시하였다. 끼움쇄 "B"는 헤더 구멍의 교대 세트에 연결된 것을 제외하고는 끼움쇄 "A"와 거울상이다. 상기 장치는 50 밀(1.25mm)두께의 덮개판으로 최상부 및 최하부를 덮었다. 끼움쇄는 A 및 B판이 서로 마주 보도록 하여 조립하였다: 최상부판, A, B, A, B ....A, B, 최하부판. 최상부판은 판 A에서 헤더구멍 610, 620과 함께 정렬된 2개의 헤더구멍을 가지고, 최하부판은 판 B에서 헤더구멍과 연결된 2개의 헤더구멍을 갖는다. 두개의 기체 흐름은 열 교환 섹션에서 반대흐름으로 흐르고, 스택(stack) 방향으로 흐르는 헤더에서는 동일한 방향으로 흐른다(예를 들어, 초기 고온 기체는 헤더(610)를 통하여 들어가고 헤더(620)을 통하여 나가는 반면 초기 저온 기체는 헤더(630)을 통하여 들어가고 헤더(640)을 통하여 나간다). 헤더 구멍을 뒷 면상의 다른 모든 부분은 가리고 양쪽면으로부터 에칭하였다. 결합전에, 스틸판상에 니켈 코팅을 적용하였고, 단위를 확산 결합(diffusion bond)하였다. 정렬 핀 구멍에 대한 내구성은 에칭공정으로는 달성될 수 없기 때문에, 구멍을 약간 작게 만들고 정확한 크기로 수작업으로 넓혔다. 3/8"튜브 "티(tee)"다리를 가지는 3/8"튜브(0.0325 인치 벽)의 반으로 구성된 외부 헤더를 두개의 스택상으로 용접하였다. 외부 헤더는 두개의 내부 헤더 구멍을 결합하고 테스트 스탠드(test stand)에 대한 연결을 제공한다. 전체 튜빙 티 다리는 끼움쇄 폭 중앙에 위치시켰다.
상기 설계는 밀봉(seal)이 요구되는 모든 부분에서 100밀(0.25cm)의 결합 주변을 포함하였다. 끼움쇄에서 결합을 직접 지지하는 끼움쇄 입구 부위에서, 2개의 20밀 너비의 리브(rib)를 3개의 70 밀 통로로 나누는 250밀 개구부(opening)에 설치하였다. 이러한 접근은 상기 장치를 성공적으로 밀봉하였다.
열 교환 섹션에서 내부 지지 리브는 약 1/4인치 간격으로 배치하였다. 누출 방지 결합은 내부 리브 부위에서 요구되지 않기 때문에, 상기 리브의 주요한 기능은 압력차에 기인한 벽의 비뚤어짐을 제한하는 것이다. 4개의 경사진 리브는 흐름분배를 돕기 위한 의도이다. 직선 리브를 따르는 방향의 흐름을 가진 섹션에서는 지지 리브는 간헐적이다. 이는 필요하다면 흐름 재분배를 허용한다. 흐름이 충분히 균일하지 않다면, 열 전달 유효성은 심각하게 불리해진다. 방해하는 지지 리브 는 열 전달에 대하여 작은 긍정적 효과를 가지고, 흐름 마찰에서 작은 불리한 점을 가진다.
스테인레스 조각의 끼움쇄 축적(stock)들로부터 0.020인치 두께 물질은 ±0.003인치의 내구성을 가진다는 것을 나타낸다. 1개의 끼움쇄A 및 1개의 끼움쇄B의 단일 샘플링(각각 6개 측정지점)은, 끼움쇄 물질이 끼움쇄A 샘플상에 약 20.6밀 및 3밀 내구성내에서는 좋은 끼움쇄B 샘플상에 20.9밀이었다는 것을 나타낸다. 상기 2개의 끼움쇄 샘플상의 에칭의 두께는 평균 끼움쇄 A상에는 10.0밀, 끼움쇄 B상에는 9.8밀이었다. 비교를 위한 표준 두께 게이지에 대한 측정도 없었고, 마이크로미터에대한 교정도 끝났기 때문에, 상기 자료는 오직 지표로만 간주되어야만 한다. 테스트후의 복열장치의 전체 두께는 목표 두께 0.5000인치(2*0.050"+20*0.020")와 비교하여 0.4973인치 이었다.
결합된 단위의 크기는 3.020인치 ×1.50인치 ×0.50인치(2.265 in3, 또는 37.12cm3)로 측정되었다. 압력탭 및 열커플(thermocouple)은 각 교환기 입구/출구가 연결된 티(tee)에 위치시켰다. 카오-울(Kao-wool)절연을 교환기에 적용하고, 알루미늄 테잎으로 쌌다.
열 교환기 테스트는 필요한 질소 흐름 및 노 온도를 선택하고, 교환기상의 온도가 안정되도록 기다림으로써 수행하였다. 모든 자료는 정상상태(steady-state)에서 얻었다. 정상 상태 조건에 도달하는데 요구되는 시간은 온도 및 유속에 따라 15와 45분 사이이었다. 느린 동역학은 주로 긴 흐름 경로 및 교환기에 유입 전의 가열 기체 흐름 경로와 연관된 열적 물질에 기인한 것으로 믿어진다. 이는 자료의 더욱 신속한 수집을 위하여 변형될 수 있다. 자료로부터 복열장치 자신의 동역학적 반응을 구분하기 위한 어떠한 시도도 행해지지 않았다. 21개의 정상상태 테스트 조건을, 교환기 전체에 대하여 절연하고, 가열율은 86 와트에서 943와트로 변화시키면서, 기록하고, 평가하였다. 따라서, 가장 높은 열력 밀도(단위 하드웨어 부피당 열율)은 25.4 와트/cm3 이었다. 상기 시스템을 일 유체의 유속을 30 내지 126 slpm 으로 변화시키면서, 저온 유체에 대한 입구 압력을 4.76 내지 30.95 psig로 변화시키면서 질소와 함께 작동하였다. 저온 유체가 열교환기를 나간후 단위에 되돌아오기 전에 추가적으로 가열되고, 고온 유체로 작용하면서, 동일한 흐름을 고온 유체 및 저온 유체로 사용하였다. 저온 유체에 대한 입구 온도는 일반적으로 약 23-26℃이었다. 저온 유체에 대한 출구 온도는 188℃ 내지 473℃의 범위의 다양한 수준이었다. 고온 유체에 대한 입구 온도는 220-575℃ 범위에서 변하였고, 출구 온도는 61-145℃ 범위에서 변하였다.
자료에 대한 최초의 검토에 의하여, 모델은 유효성을 예측하기에는 약간 조심스럽다는 것이 명백하였다(즉, 실제 교환기의 유효성이 모델 예측보다 더욱 높았다). 자료를 감소시키기에 앞서 모델에 행해진 첫번째 조정은 모델이 누셀트 수 산출을 위하여 일정 온도 경계 조건 보다는 일정 열 흐름 경계 조건을 사용하도록 하는 것이었다. 일정 열 흐름 경계는 복열장치에 대하여 분명히 더욱 정확한 경계이고, 최소 누셀트 수를 설계에서 보존적으로 간단하게 사용하였다.
유효성의 모델 예측(일정 열 흐름 경계 조건을 사용)을 측정된 유효성에 대하여 도 7에 도시하였다. 모델에서 열 전달 면적은, 길이 4.755 ×10-2m, 너비 3.099 ×10-2m 로써, 2.80 ×10-2m2 이다. 이러한 가정 면적은 헤더로 들어가는 부위의 면적을 무시한다.
마이크로 채널 열 교환기의 유효에너지 효율을, 온도자료 및 압력자료를 고려하고, 이상기체에 대한 기술(Bejan, Tsatsaronis, and Moran, 1996)을 사용하여 계산하였고, 도 8에 도시하였다. 도 9에는 가열율의 함수로써 유효에너지 파괴 양을 추가적으로 나타내었다.
스팀 리포머 시스템에 대한 바람직한 일 실시예가 도 10-15에 예시되어 있다. 상기 시스템을 하기의 논의에서는 "콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위"(the Compact Microchannel Steam Reforming Unit)로 지칭한다. 상기 기구의 전체 도식도를 도 10에 컬러로 도시한다(흑백도는 도 18에 나타낸다). 새로운 공기가 공기 전가열기 입구(106)를 통하여 들어가고, 공기 전가열기(회색 블록)내에서 가열된다. 공기는 4개의 흐름으로 분리되어 도관(110)(녹색)을 통하여 4개의 복열장치(124)(핑크)까지 이동한다. 이들 복열장치 각각은 복열적 열 교환기(120) 및 물 증발기(122)를 함유한다. 고온의 공기는 복열장치(120)을 나와 헤더(112)(회색)로 들어가고, 연소기(104)(빨강)까지 연결하는 튜브(102)(빨강)내에서 연료와 혼합된다. 생성된 연소물은 헤더(118)을 통하여 반응기(114)(파랑)으로 이동한다. 기체는 4개의 셀을 연속하여 통과한다. 각 셀에서 연소물로부터의 열은 수소의 흡열적 생산을 유도하기 위하여 전달된다. 반응기에서, 반응물 흐름이 평행하게 연결된 반면, 연소물 흐름은 연속하여 연결된다. 제1 의 셀을 통과한 후, 기체는 헤더(116)(자주색)를 통하여 반응기(114)를 나오고, 수소 기체는 입구(도시하지 않음)를 통하여 헤더(116)내로 주입된다. 수소 기체는 상기 기체를 최초로 반응기로 유입되었을 때의 온도로 되돌아가게 하기 위하여 열을 가하면서, 자발적으로 연소한다. 상기 기체는 수소의 형성을 다시 유도하기 위하여 반응기로 재유입된다. 제4의 셀을 통과하고 난 후, 연소체 기체는 4개의 분리된 흐름으로 나누어지는 헤더(오렌지)를 통하여 배출되고, 물을 증발시킨다. 연소물 흐름은 헤더(108)에서 재결합되고, 배출되기 전에 공기 전가열기내에서 공기를 가열한다.
다른 유체흐름에서, 4개의 물 증발기(122) 각각으로 유입된 물(선택적으로 전가열기를 통하여 들어올 수 있다)은 스팀으로 전환되고, 헤더(126)(파랑)를 통하여, 상기 스팀이 연료 입구(도시하지 않음)로부터 유입된 연료와 혼합되는 연료 증발기(132)(노랑)로 들어가고, 4개의 혼합물 각각은, 헤더(노랑)를 통하여 수소가 생산되는 반응기(114)의 셀로 들어간다. 바람직한 일 실시예에서, 리포메이트 흐름 및 연소물(열 교환)유체 흐름은 약 750℃에서 반응기로부터 배출된다. 리포메이트 흐름의 열은 복열장치(130) 및 증발기(132)에서 회수되고, 상기 리포메이트는 장치로부터 배출된다(회색 튜브를 통하여)
공기 전가열기에 대한 설계는 10밀(0.25mm)깊이로 부분적으로 에칭된 20밀(0.50mm)의 끼움쇄 10쌍으로 구성된 교대로 포개진 마이크로 채널 열 교환기이었다. 전체 장치는 316L 스테인레스 스틸로 구성하였다. 끼움쇄 "A"에 대한 끼움쇄 설계는 도 12a에 도시하였다. 도 12b에 나타낸 "B" 끼움쇄는 헤더 구멍의 교대 세트에 연결된다는 점을 제외하고는 "A" 끼움쇄와 동일하다. 상기 장치는 최상부 및 최하부가 50-밀(1.25mm)두께의 덮개판으로 덮여있다. 상기 끼움쇄는 다음과 같이 조립된다: 최상부판, A,B,A,B ... A,B, 최하부판. 최상부판은 판 A에서 헤더 구멍 1010, 1020과 정렬된 20 개의 헤더 구멍을 가진다. 2개의 기체는 열교환기 섹션 및 헤더에서 역 방향으로 흐른다(예를 들어, 초기의 고온 기체는 헤더 1010을 통하여 유입되고, 헤더 1020을 통하여 배출된다. 반면, 초기 저온 기체는 헤더 1030을 통하여 유입되고, 헤더 1040을 통하여 배출된다). 상기 끼움쇄는 길이가 7.1 인치이었고, 폭은 3.0 인치이었다. 열교환기는 상기 설명한 바와 같이 결합하였다.
다른 교대로 포개진 열 교환기에 대한 유사한 설계가 도 13a 및 13b에 도시되어 있다. 상기 교환기내에는, 10밀(0.25mm)깊이로 부분적으로 에칭된, 즉 10밀의 채널 깊이, 31밀(0.78mm)의 끼움쇄로 구성된 20쌍의 끼움쇄가 존재하였다. 상기 끼움쇄는 너비 2.9인치, 길이 3.3 인치로 측정되었다(배열 탭은 제외). 상기 열교환기는 도 10에 도시하지는 않았지만, 예를 들어, 물을 응축(condense)시키기 위한 튜브를 가지는 리포메이트에 부착될 수 있다.
조합된 복열적 열 교환기(130) 및 연료 증발기(132)에 대한 끼움쇄 설계를 도 11a 및 11b에 도시한다. 상기 끼움쇄들은 에칭 깊이는 6 또는 7밀이고, 두께는 17밀이었다. 각 끼움쇄들은 1.5 인치 너비(결합후 제거되는 조합 정렬 구멍(152)를 제외함) 및 5.34인치 길이이다. 도 11a 및 도 11b에 나타난 끼움쇄는 입구 및 출구 유체 헤더를 가지는 종판으로 덮은 교대층으로 쌓여져 있다. 흐름 마이크로 채널은 10밀 두께의 랜드(land)에 의하여 구조적으로 지지하였다. 열 교환층에서는 고온의 리포메이트 기체가 입구(162)를 통하여 유입되고, 층을 통하여 출구(150)로 이동한다. 유체 흐름이 단일 마이크로 채널내에서 흐르는 동안, 상기 흐름은 3가지 단위 조작에 참여한다. 상술된 실시예에서, 영역(158)의 열은 반응기에 유입되기 전에 반응물에 전달되고, 영역(156)의 열은 연료 증발기(176)으로 전달되고, 영역(154)의 열은 물로 전달된다. 가열된 물은 출구(170)을 통하여 배출된다. 증발된 연료는 출구(174)를 통하여 배출된다. 반응물은 입구(178)을 통하여 유입되고 출구(160)을 통하여 배출된다. 바람직하게는, 연료 증발기가 있는 적어도 2개의 층 및 적어도 하나의 열 교환기 층이 있고, 더욱 바람직하게는, 연료증발기가 있는 적어도 3개의 층 및 적어도 2개의 열교환기층이 있다. 층의 각각은 바람직하게 0.1 및 1 mm 사이의 두께를 가진다. 상기 설명은 스팀 리포밍 공정에 대해 언급하였지만, 발명의 개념은 매우 다양한 반응 및 단위 조작 공정에 적용된다는 것을 인지하여야만 한다.
물 증발기(120)/열교환기(122) 조합을 위한 끼움쇄는 도 14a-14b에 도시된다. 이러한 마이크로 채널 장치(124)내에서, 도 14a에 도시된 끼움쇄의 에칭된 표면은 끼움쇄 쌍 A를 형성하기 위하여 이의 거울상(도 14b에 도시된 끼움쇄의 에칭된 표면)근접에 위치시켰다. 도 14c 및 도 14d에 도시된 거울상 끼움쇄는 끼움쇄쌍 B를 형성하기 위하여 유사하게 대응하였다. 끼움쇄쌍 A 및 B는 10A쌍 및 11B쌍과 함께 교대로 쌓았다.(A-B-A-B-....). 상기 장치의 공기 열 교환기내에서, 공기 전가열기로부터의 저온의 공기는 입구(204)를 통하여 유입되고, 공기가 기열되는 마이크로 채널(208)을 통하여 이동하고, 출구 채널(200)으로부터 배출되고, 그 후, 가열된 공기는 연소기로 유입된다. 물은 입구(214)를 통하여 헤더(218)로 유입된다. 물은 레이저로 가공된 개구(216)통하여, 물이 스팀으로 전환되는 마이크로 채널(210)안으로 유입되고, 스팀 출구(206)을 통하여 배출된다. 몇가지 특징은 상기 구성에서 주목할만 하다. 랜드(220)은 구조적 지지체로서 제공될 수 있다; 그러나, 상기 랜드는, 특히, 마이크로 채널이 만곡되는 부위에서 마이크로 채널의 압력을 균등화시키는데 도움을 주는 간격(gap)을 가지는 것이 바람직하다. 상기 개구는, 모든 마이크로 채널에 걸쳐 균일한 흐름을 제공하고, 마이크로 채널에 걸쳐 물 분출의 발생을 감소시키는데 도움을 준다. 바람직한 일 실시예에서, 물 증발기에 대한 흐름 마이크로 채널은 약 100 내지 약 2500 마이크로미터의 높이; 약 1.3 내지 약 13 밀리미터의 폭; 약 1 내지 약 30 센티미터의 길이를 가진다. 연소물 흐름에서와 같은 열 교환 유체는 도 14c 및 d 에 도시된 끼움쇄를 통하여 흐른다. 고온의 연소체는 입구(202)를 통하여 유입되고, 마이크로 채널(226) 및 (224)을 통과하여 이동하여 연소물 배기장치(212)에 이른다. 영역(222)에서의 열은 공기로 전달되고, 반면, 영역(220)에서의 열은 물 증발기로 전달된다 - 따라서, 열 교환 유체가, 동일한 흐름 마이크로 채널을 떠나지 않고, 복수의, 분리된 단위 조작에 사용될 수 있는 실시예를 설명한다. 2개의 특정 단위 조작이 설명되었지만, 상기 기술은 어떠한 필요한 단위조작의 조합에도 효율적으로 사용될 수 있다는 것을 인식해야만 한다. 최상부 및 최하부 판(도시하지 않음)은 물 입구, 스팀 출구, 열 교환 유체 입구 및 출구 및 공기 입구 및 출구에 대한 헤더 구멍을 가지는 0.048 인치 두께의 스틸판이었다.
반응기 114에 대한 끼움쇄 구성은 도 15a-e에 도시되어 있다. 상기 반응기는 76개의 열 교환층과 교대하는 75개의 반응 챔버층을 포함한다. 각 반응 챔버층은 스페이서(spacer)끼움쇄(340)에 의하여 분리된, 한 쌍의 거울상 반응 챔버 끼움쇄(300)로 구성되어 있다. 상기 스페이서 끼움쇄는 12밀의 두께를 가졌다. 각각의 열 교환층은 한 쌍의 거울상 열 교환기 끼움쇄(350)으로 구성하였다. 반응물 채널(302)를 형성하기 위하여 덮개판(312)을 용접하였다. 반응챔버(314)는 지주체(strut)(322)(324)의 연속을 남기면서, 끼움쇄안으로 5밀을 에칭함으로써 형성시켰다. 반응챔버 끼움쇄(300) 및 열 교환기 끼움쇄(350)는 20밀 두께이었다. 4개의 동일한 반응챔버 각각은 약 2인치 ×2인치이었다. 더 좁은 5밀 지주체(322)는 촉매 스트립 지지하는 반면, 더 두꺼운 지주체(324)는 와이어(wire)(342)와 정렬되어 구조적 지지체를 형성한다. 와이어(342)는 12밀의 두께 및 10밀의 폭을 가졌다. 도 15c의 "X"는 빈공간을 나타낸다. 이러한 공간은 촉매 펠트 스트립(catalyst felt strip)(2.1 인치 길이 ×0.25 인치 폭 및 10-12밀 두께)으로 채웠다. 바람직한 촉매물질은 참조를 위하여 본 문서에서 포함한, U.S 특허출원, 번호 09/492,950 및 09/492,246 (Atty docket no. EP-1666A-CIP 및 E-1666B-CIP)에 기술되었다. 열 교환기 끼움쇄는 연소기체 입구(354), 연소기체 출구(352) 및 흐름 마이크로 채널(356)의 4개 세트를 포함하였다. 종단블록(end block)은 보통 개별적 끼움쇄 보다 두껍고, 일반적으로 0.25 내지 0.35 인치 두께이다. 하나의 종단블록은 특색없는 금속 시트이다. 다른 하나의 종단블록은 도 15e에 도시되어 있다.
조작 동안, 반응물은 반응물 챔버(302)로부터 반응 챔버(314)안으로 유입된다. 생산물은 반응챔버내에서 형성되고, 출구(304)를 통하여 유출된다. 동시에, 연소물 기체는 입구(308),(354)를 통하여 열교환층으로 유입되고, 열교환기 마이크로 채널(356)를 통하여 흐르고, 출구(352),(306)(310)를 통하여 배출된다. 반응물과 생산물의 흐름은 평행하지만, 연소물 기체의 흐름은 연속적이다. 스팀 리포밍에 대한 하나의 바람직한 실시예에서, 연소 기체는 725℃에서 구멍(362)로 유입되고, 열 교환기를 통하여 이동하고, 650℃에서 구멍(364)로부터 배출된다. 기체는 외부 파이프(도시하지 않음)를 통하여 운반되고, 수소 기체는 파이프안으로 주입되어 기체의 온도를 입구(366)을 통하여 반응기로 재유입되기 전에 725℃까지 상승시킨다. 이러한 공정을 연소 기체가 650℃에서 출구(368)에서 반응기의 제4 실로부터 배출되고 복열적 열 교환기(120)로 이동할때까지 반복한다.
반응기는 콤팩트성, 내구성 및 비교적 좁은 온도 범위에 걸쳐 열적 반응을 수행할 수 있는 능력을 포함하는 다수의 바람직한 특성을 제공한다. 반응기는 열 교환기와 조합하여 단일 층상에 복수의 반응 챔버를 가지는 통합 설계를 제공한다. 바람직한 실시예들에서, 열 교환층 및 반응 챔버층 각각은 0.1 내지 2mm의 두께를 가진다. 또 하나의 바람직한 실시예에서, 3개이상의, 더욱 바람직하게는 10개 이상의, 열 교환기 및 반응 챔버의 교대 층은 단일 장치상에 조합된다. 바람직한 실시예에서, 열 교환 유체는 동일 통합 장치내에서 하나의 열 교환기로부터 두번째의 열 교환기로 흐르는 것을 볼 수 있다. 반응 챔버는 바람직하게 반응 챔버의 최상부에서 최하부까지 0.05 내지 1mm의 높이를 가지고, 이는 열 및 물질 전달에 이점 이 있다. 반응기는, 상기 시스템에서 달성될 수 있는 단위 부피당 반응 생산성 및/또는 열력 밀도(W/cc)와 같은 성질에 의하여 특징지어질 수 있다.
콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위의 유효에너지 분석은, 양호하게 절연(즉, 각각의 구성성분들로부터 주위로의 열 손실이 없음)되어 있다고 가정하고, 시스템의 켐케드 시뮬레이션(ChemCad simulation)에 기초하여 수행하였다. 일반적으로, 하기의 사항을 제공하여 켐케드로, Bejan, Tsataronis 및 Moran(1996)의 방법이 사용된다: 온도, 압력, 질량 및 몰 유속, 구성 화학종, 반응물 및 생성물(가열 흐름 포함), 컴포넌트- 컴포넌트 기초상에 각 유체에 대한 엔탈피 및 엔트로피 차이, 반응열(연소 및 스팀 리포밍에 대하여), 흐름에 대한 비열값, 컴포넌트-컴포넌트 기초상에, 분자량 및 컴포넌트 열율(component heat rate)(와트). 주위(또는 "데드 상태(dead state))의 물리적 특성은 25℃, 1바(bar)로 하였다. 화학적 유효에너지는 Bejan, Tsataronis 및 Moran(1996)의 표 C.2.로부터 얻었다.
리포머만을 위해서, 리포밍 흐름의 엔트로피 차이는 이상기체 법칙 및 비열 가정을 사용하여 계산되었다. 모델된 시스템은 공기 전가열기를 포함하였다. 믹서에 대하여, 엔트로피 차이 및 유효에너지 파괴값을 Bejan(1996)에 기술된 방법에 의하여 계산하였다.
앞서 언급한 바와 같이, 컴포넌트, 서브시스템 또는 시스템의 유효에너지 효율(ε2 nd Law) 또는 제2 법칙 효율은 유효에너지 공급 흐름의 유효에너지 변화에 대한 산물 흐름의 유효에너지 변화의 비율로 정의된다.
마이크로 채널 스팀 리포밍 단위의 유효에너지 분석 실시예
이소-옥탄 및 물 흐름이 5바로써 시스템안으로 공급되고, 공기 흐름은 2.5바로써 시스템안으로 공급되는 것을 포함하는 공급 가정과 함께, 10 kWe 연료셀에 대한 수소가 많은 흐름을 제공하도록 설계된 콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위에 대하여 계산을 수행하였다.
각각의 경우는 각각의 컴포넌트내에서 상당한 압력강하 및 무시할 수 있는 압력강하의 가정을 포함하였다. 또한, 각 컴포넌트 파이프 및 연결 파이프는 거의 절연되어 있어서, 주위로의 열 손실은 무시해도 좋다는 가정을 하였다.
흐름 설계로써, 리포밍 흐름은 4개의 평행한 트레인으로 분할된다. 흡열적 스팀 리포밍 반응에 대하여 열을 제공하는 연소 흐름은 4개의 평행한 공정 트레인을 가지지만, 믹서/연소기/스팀 리포머 섹션은 오르토-케스케이드이다. 유효에너지 계산에 대해서는, 주위 환경은 표준 온도 및 압력(즉, 298K, 1바)으로 하였다.
도 16 및 17은 무시할 수 있는 압력 강하의 경우에 대한 엔탈피 밴드 및 유효에너지 밴드 도식도를 나타낸다. 달리 주목할 만한 것을 제외하고, 결과에 대한 다음의 설명은 압력강하가 무시될 만한 경우에 대한 것이다.
도 16은 각 흐름에 대한 각 지점에서 화학적 및 물리적 유효에너지를 특정적으로 도시한다. 리포밍 흐름에 대한 유효에너지 값은 각 스팀 리포머에 대하여 동 일하고, 스팀 리포머 4를 통과하는 흐름에 대하여만 표시되어 있다. 각 컴포넌트에 대한 유효에너지 파괴 산정이 확인되었다.
콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위의 전체 유효에너지 효율은 도 16으로부터 가열 및 리포밍 흐름의 화학적 및 물리적 유효에너지의 검사를 통하여 확인될 수 있다.
가열 흐름:
공급 흐름 산출 흐름
ECH -공기 = 1147 ECH -화합물 = 695
EPH -공기 = 417 EPH -화합물 = 1147
ECH -연료 = 5407
ECH -연료 = 1110 2112
ECH -연료 = 1110
ECH -연료 = 1110
10301
ΔE 가동( driving ) = 10301 - 2112 = 8189 와트
리포밍 흐름:
산출 흐름 공급 흐름
ECH - 리포메이트 = 28320 ECH - 이소옥탄 = 25442
EPH - 리포메이트 = 1235 EPH - 이소옥탄 = 0
ECH -물 = 1069
29555 EPH -물 = 0
26511
ΔE 생산물( product ) = 29555 - 26511 = 3044 와트
콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위의 전체 유효에너지 효율은 가동 흐름(즉 연소 흐름)의 유효에너지 변화에 의하여 나누어진 생산물 흐름(즉, 스팀 리포밍 흐름)의 유효에너지 변화이다. 즉,
ε제2 법칙 = ΔE 생산물 / ΔE 가동 = 3044/8189 = 0.3717 즉 37.2%
단위에 걸쳐 중간 정도의 압력강하가 가정되는 계산에 대하여는, 전체 유효 에너지 효율은, 압력 강하(마찰)를 통한 추가적인 유효에너지 파괴 때문에 25%까지 낮아졌다. 이러한 값들은 Cremer(H.Cremer, "Thermodynamic Balance and Analysis of a Synthesis Gas and Ammonia Plant," in Thermodynamics: Second Law Analysis, ed. R.A. Gaggioli, American Chemical Society, Washington, D. C., p. 111, 1980)에 의해 최초로 제안되고 및 Szargut(1984)가 제시한 바와 같이, 암모니아 생산 플랜트의 합성 가스 생산 서브 시스템에 대한 약 30%의 전체 유효에너지와 견줄만하다.
오르토-케스케이드 믹서-연소기 및 스팀 리포머에 대한 유효에너지 분석의 고려
스테인레스 스틸이 사용될 수 있도록 시스템내에서 최고 온도를 충분히 낮게 유지할 필요가 있다. 설명된 실시예에서, 이는 오르토-케스케이딩을 사용함으로써 달성될 수 있다.
현재의 흐름도에서는, 어떠한 흐름의 최고 온도는 725℃에서 믹서-연소기1을 떠나는 연소생산물과 함께 발생한다. 믹서-연소기1은 또한, 시스템내에서의 어떠한 단위보다 가장 높은 유효에너지 파괴량, 1600와트를 가진다. 본 문헌은 연소가 종종 유효에너지 파괴의 가장 큰 원인이라는 것을 확인하고, 믹서-연소기 1의 경우, 이는 컴포넌트로 들어가는 공기흐름의 비교적 낮은 온도(400℃)에 부분적으로 기인하여 발생된다.
스팀 리포머를 떠나면서, 연소 흐름은 662℃로 낮아지고, 따라서, 믹서-연소 기2 가 믹서-연소기1에 대하여 요구되는 연료의 약 1/5 만을 요구하도록 한다. 믹서-연소기3 및 4는 동일한 이점을 받는다.
최종 효과는 하기와 같다 : 믹서-연소기 1 및 스팀 리포머 1으로 구성된 서브 시스템을 고려할 때, 상기 서브 시스템의 유효에너지 효율은 오직 22.3%이다.(도(b)의 유효에너지 값을 사용하여 계산될 수 있는 것처럼). 서브시스템은 오르토-케스케이드 루트를 통하여 믹서-연소기 2-4 및 스팀-리포머 2-4를 추가할 때, 서브-시스템의 유효에너지 효율의 높은 증가와 함께, 이를 52.8%로 증가시키면서 확장한다. 따라서, 오르토-케스케이드 접근은 시스템이 비교적 저렴한 스테인레스 스틸로 제조되도록 하면서, 동시에 시스템이 시스템 전체의 유효에너지 효율을 증가시킬 수 있게 한다.
마이크로 채널 스팀 리포머에 대한 유효에너지 파괴 및 유효에너지 효율의 고려
도 16은 집합하여, 스팀 리포머 1-4가 852 와트의 유효에너지를 파괴한다는 것을 보여준다. 각 스팀 리포머내에서, 연소 기체 흐름의 물리적 유효에너지의 일부는 처음 리포밍 흐름으로 전달되고, 이의 물리적 유효에너지를 증가시키고, 이의 물리적 유효에너지의 일부는, 촉매 스팀 리포밍 반응의 부분으로서 화학적 유효에너지로 변환된다. 일반적으로, 각 스팀 리포머의 유효에너지 효율은, 도 16내에 포함된 정보를 사용하여, 유효에너지 효율의 정의에 기초하여, 독립적으로 계산될 수 있다. 한 예로써, 스팀 리포머 1의 유효에너지 효율은 다음과 같다:
ε제2 법칙 = (7080 + 845 - 6628 - 777)/(6648 - 5914) = 520/734 = 0.708
즉, 약 70.8%. 다른 스팀 리포머도 유사한 유효에너지 효율로 조작된다. 이 경우, 유효에너지 파괴는 각 컴포넌트의 내부적인 것이기 때문에, 이러한 단위의 유효에너지 효율에 대한 개선은 내부 설계 개선을 통하여 실현될 수 있다.
전체 콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위내에서 유효에너지 파괴의 고려
시스템의 누적 유효에너지 파괴는, 전체 5147 와트가 되고, 도 16으로부터 또한 고려될 수 있다. 단위내에서의 유효에너지 파괴에 대한 주요 기여자는, 4722와트의 이들 모두의 유효에너지 파괴, 즉 91.7%의 누적 유효에너지 파괴를 가지는, 믹서-연소기, 연소 복열장치, 물 증발기 및 스팀 리포머인 것으로 추정된다. 믹서-연소기 1은 유효에너지 파괴의 대부분인 1600 와트, 즉 파괴되는 유효에너지 전체의 31.1% 를 제공한다.
연소 기체 복열장치는 유효에너지 파괴의 두번째로 많은 양을 가진다. 공기는 상기 단위에 137℃로 유입되고, 3974와트(도 17로부터의 물리적 엔탈피)를 공기 흐름에 제공하면서 온도가 654℃에서 427℃로 떨어지는 연소기체에 의하여 400℃로 가열된다. 상기 단위는 큰 온도범위(654 - 137 = 517℃)를 가로질러 조작되고, 상당한 양의 유효에너지 파괴(901와트)의 원인이 되는 큰 말단 온도차이(각각, 열 교 환기의 낮은 온도 말단에서 427 - 137, 높은 온도 말단에서 654 - 400)를 가진다. 상기 단위의 제2 법칙 효율, 즉 유효에너지 효율은 다음과 같이 도 16에 제공된 유효에너지 값으로부터 계산된다:
ε제2 법칙 = (3013 - 1397)/(6169 - 3652) = 0.642 즉 64.2%
비교하면, 리포메이트 복열 장치는 상기 단위내에서 120와트의 유효에너지만이 파괴되는, 매우 높은 정도의 유효에너지 효율을 나타낸다. 여기에서, 스팀 및 이소-옥탄은 174℃로 단위로 유입되고, 리포메이트 흐름으로 부터 2870와트(물리적 엔탈피)의 열을 받고, 651℃까지 온도가 증가한다. 이러한 처리에서, 리포메이트 흐름은 700℃에서 252℃까지 냉각된다. 따라서, 이러한 단위는 큰 온도차(700 - 174 = 526℃)를 가로질어 작동할 수 있지만, 연소 기체 복열장치보다는 더욱 작은 종단 온도차이를 가진다. 상기 단위의 유효에너지 효율은 다음과 같이 계산된다:
ε제2 법칙 = (3107 - 1527)/(3380 - 1680) = 0.929 즉 92.9%
연소 기체 복열장치 및 리포메이트 복열장치는 매우 콤팩트한 열 교환기가 되도록 설계되었고, 각각은 열 교환기 세트중의 적어도 하나와 함께 전체가 되도록 제조되었다. 왜 연소 기체 복열장치는 리포메이트 복열장치보다 유효에너지적으로 덜 효율적인가? 그 해답은, 상기 실시예에서 리포밍 흐름을 위한 물 증발에 필요 한 열을 제공하는 연소 기체 흐름을 가지는 전체 단위의 설계에 있다. 도 16에 도시된 바와 같이, 물의 증발은 4371와트의 열(열적 엔탈피)을 요구하고, 이를 수행하기 위하여, 연소 기체는 이를 제공하기에 충분한 온도(~427℃)에서 연소 기체 복열장치를 떠나야만 한다.
물 증발기는 물은 끓고 있을때 온도가 증가하지 않는다는 사실의 피할수 없는 결과로써, 낮은 유효에너지 효율을 가진다. 그 결과, 물 증발기는 상기 단위의 고온 말단에서 커다란 종단 온도 차이(연소 가스는 427℃로 유입되는 반면, 스팀은 160℃로 방출된다)를 가지고, 598와트의 전체 유효에너지가 상기 단위내에서 파괴되는 것으로 추정되었다.
임의의 열-화학 시스템내에서, 다양한 단위의 유효에너지 효율들은 종종 서로간에 정확히 독립적이지는 않다. 즉시 가용한 시스템에서, 연소 기체 복열 장치는 공기 흐름 전가열에 대한 이의 유효에너지를 부분적으로만 이용하도록 허용되어야 하기 때문에, 믹서-연소기1은 공기 가열 필요의 나머지를 수행하여야만 하고, 따라서, 오르토-케스케이드 트레인에서 다른 믹서-연소기(2-4)보다 실질적으로 더 큰 연료를 요구한다(믹서-연소기 2-4 각각은 1137와트의 화학적 엔탈피임에 반하여, 믹서-연소기 1은 5538와트의 화학적 엔탈피임) 따라서, 믹서-연소기1 내에서 파괴되는 많은 양의 유효에너지 때문에 물 증발의 필요가 있었다.
상기 평가로부터 분명한 것은, 콤팩트 마이크로 채널 스팀 리포밍 단위의 본발명의 실시예에서, 물 증발기, 연소 기체 복열장치 및 믹서-연소기1의 연속은 가장 큰 양의 유효에너지 파괴(3099와트, 즉 파괴되는 유효에너지의 60.2%)를 제공한 다는 것이다. 따라서, 시스템의 전체 유효에너지 효율을 향상시킬 수 있는 대체적 시스템 구성이 조사되었다.
첫 번째 고려로써, 도 (b)의 유효에너지 밴드 도식도는 연소 기체 흐름의 물리적 유효에너지는 스팀 리포머 4를 떠난 후에 6169와트이라는 것을 보여준다. 원칙적으로, 이는, 연소 기체 흐름이 주위 환경과 가역적으로 물리적 평형을 이룬다면, 6169와트 까지의 일(예를 들어, 샤프트 일(shaft work))을 제공할 수 있다는 것을 의미한다. 이는, 연료 셀로부터 요구되는 10kWe의 전기적 출력과 비교한다면, 큰 값이다. 정확히 가역적인 시스템은 존재하지 않지만, 터빈 및 스크롤 확장기(scroll expander)와 같은 확장 단위(expansion unit)는 종종 유효에너지적으로 효율적이다(80% 또는 이이상).
상기 선택사항을 수용하기 위하여, 추가적인 화학 엔탈피가 아마도, 믹서-연소기1 또는 믹서-연소기1에 앞서 추가될 필요가 있다. 도(a)로부터, 추가될 필요가 있는 화학적 엔탈피는 3974와트(연소 기체 복열 장치를 대체하기 위함) 및 1648와트(공기 전가열기를 대체하기 위함)이고 전체로는 9993와트이다. 이것을 실행할 수 있다고 가정하고, 80%효율의 확장 장치를 가정하면, 요구되는 추가 열에 대한 추가 일의 비율은 다음과 같다.
0.08 ×6169 / 9993 = 0.494, 즉 49.4%
실제로, 80% 효율의 확장기 장치는 연소 공기의 일정 전가열을 제공하기에 충분히 고온인 연소 가스의 유출흐름을 만들고, 새로운 일에 제공되는 효율은 약간 높다.
또한, 연소 기체 흐름의 물리적 유효에너지는 연소 기체 복열장치를 거쳐 6169와트에서 3652와트로 떨어지고, 물 증발기를 거쳐 1747와트로 떨어지는 것을 관찰하고, 다른 선택사항들도 스스로 나타낸다. 예를 들어, 선행 문단에서와 동일한 접근을 취하고, 연소 기체 복열장치만을 80% 효율의 확장장치로 교체하면, 0.80 ×(6169 - 3652)와트, 즉 2014와트(샤프트 일)를 제공한다. 이는 상기 대안 보다는 낮은 값이다. 그러나, 연소 기체 복열 장치를 대체하는 추가적 열은 단지 3974와트이기 때문에, 증가된 에너지 효율성 다음과 같다.
0.08 ×(6169 - 3652) / 3974 = 0.507 즉 50.7%
상기 값은 약간 더 높을 뿐이지만, 이는 물 증발기에 대한 추가적인 열을 찾아야 하는 문제를 피한다.
전반적으로, 상기 시스템은, 물 증발을 위한 더 우수한 열원이 발견된다면, 더 우수한 유효에너지 효율을 위하여, 다수의 방법으로 변경될 수 있다. 유효에너지적인 고려는, 여기에서, 콤팩트 마이크로 채널 흐름 리포밍 단위가 연료 셀 및 다른 기체 공정/조건 하드웨어를 포함하는 시스템을 위하여 설계된다는 관찰을 고려하는 또 하나의 기회를 제공한다.
특히, 10kWe 연료 셀은 실질적인 소모열을 발생시킬 것이라는 것이 관찰된 다. 예를 들어, 양성자-교환 막(Proton-Exchange Membrane,PEM)연료 셀은, 약 60%의 효율(제1 법칙)과 함께, 약 80℃에서 조작된다. 약 80℃에서 PEM 연료 셀로부터 이용가능한 약 6000 - 7000와트의 열이 존재하게 되는 결과가 된다. 상기 열원의 온도는 150 - 160℃에서 물의 직접적 증발을 위하여 제공하기에는 너무 낮지만, 열 펌프의 사용을 통하여 증가될 수 있다.
제2 법칙적 견지에서, 연료 셀로부터 열을 증가시키는 것은 유효에너지의 사용을 요구한다. 가역적 열 펌프에 대하여, 80℃ 및 160℃사이에서 조작되면, 수행계수(Coefficient of Performance (COP))는 다음과 같이 계산될 수 있다:
COP = (160 + 273) / (160 - 80) = 5.41
따라서, 가역적 열 펌프는, 이를 조작하기 위하여 4371/5.41 = 808 와트의 유효에너지 또는 샤프트 일을 필요로 한다. 보존적 가정이라면, 이를 25% 높게, 즉 808 ×1.25 = 1010 와트를 유입한다.
연료 셀로부터 물 증발기로의 에너지를 사용함으로써, 연소 기체 복열 장치 및 믹서-연소기 1의 재설계가 가능하기 때문에, 이들은 상당히 우수한 유효에너지 효율로 조작한다. 재설계된 연소 기체 복열장치가 200와트만을 파괴하고(리포메이트 복열 장치에서 파괴되는 120와트의 유효에너지와 대비), 또한, 재설계된 믹서-연소기 1이 400와트를 파괴한다(믹서-연소기 2-4에 걸쳐 파괴되는 유효에너지 266, 263 및 238 와트와 대비)고 보존적인 가정을 하면, 총 600와트의 유효에너지가 파 괴된다. 결과적 유효에너지 절약은 1600 + 901 + 598 - 200 - 400 = 2499와트이다.
상기 경우에서, 그렇지 않으면 요구되었던 10kWe의 출력과 비교하여, 2499 - 1010 = 1489와트의 유효에너지를 얻었다. 열 교환기 및 연소기에 대한 더 우수한 설계는 이를 더욱 증가시킬 것이다. 이를 염두에 두고, 10kWe 산출에 대한 연료소비를 적어도 1.489/10 = 0.1489 즉 약 15% 감소시킬 수 있었다.
종결
본 발명의 바람직한 실시예가 상술되었지만, 많은 변화 및 변형이 본 발명의 넓은 경계를 벗어나지 않고 만들어 질 수 있다는 것은 당업자에게 자명하다. 따라서, 첨부된 청구항은 본 발명의 정신과 범위내에서 이러한 변화 및 변형을 포함한다.
도 1은 탄화수소 리포밍을 위한 고온 가스 재주입 도식도이다.
도 2는 고온 가스 재주입을 이용하여 생산된 리포메이트를 사용하여 조작된 연료 셀 동력 생산 시스템의 전체 시스템 효율의 증가를 나타낸다.
도 3은 증기 형성기 반응기 및 수소 분리 막의 통합을 보여주는 도식도이다.
도 4는 연료셀과의 콤팩트 스팀 리포밍 단위의 흐름 도식도이다.
도 5는 고체 산소 연료셀과의 스팀 리포밍 단위의 흐름 도식도이다.
도 6은 마이크로 채널 열 교환기의 끼움쇄 상하도이다.
도 7은 열 교환기의 측정 효율과 예상 효율의 그래프이다.
도 8은 마이크로 채널 열 교환기의 가열 속도 함수로서의 에너지 및 유효 에너지 효율의 그래프이다.
도 9는 마이크로 채널 열 교환기의 가열 속도 함수로서의 에너지 파괴의 그래프이다.
도 10은 콤팩트 스팀 리포밍 단위의 컬러도이다.
도 11a는 마이크로 채널 복열장치(recuperator)에서 열 교환기 끼움쇄의 상하도이다.
도 11b는 마이크로 채널 복열장치에서 끼움쇄의 상하도이다.
도 12a는 마이크로 채널 열 교환기의 끼움쇄의 상하도이다.
도 12b는 마이크로 채널 열 교환기의 끼움쇄의 상하도이다.
도 13a는 마이크로 채널 열 교환기의 끼움쇄의 상하도이다.
도 13b는 마이크로 채널 열 교환기의 끼움쇄의 상하도이다.
도 14a는 마이크로 채널 복열장치의 증발기 끼움쇄의 상하도(top down view)이다.
도 14b는 마이크로 채널 복열장치의 증발기 끼움쇄의 하상도(bottom up view)이다.
도 14c는 마이크로 채널 복열장치의 열 교환기 끼움쇄의 상하도이다.
도 14d는 마이크로 채널 복열장치의 열 교환기 끼움쇄의 하상도이다.
도 15a는 반응기내의 반응 챔버 층 끼움쇄의 상하도이다.
도 15b는 밀(mil)단위의 치수를 나타내는 반응 챔버의 확대도이다.
도 15c는 반응 챔버 층에서 스페이서 끼움쇄의 상하도이다.
도 15d는 반응기의 열 교환기 층내의 끼움쇄의 상하도이다.
도 15e는 반응기의 종판(end plate)의 상하도이다.
도 16은 콤팩트 스팀 리포밍 단위의 유효에너지 균형의 도식도이다.
도 17는 콤팩트 스팀 리포밍 단위의 엔탈피(enthalphy)균형의 도식도이다.
도 18은 도 10에 도시한 콤팩트 스팀 리포밍 단위의 흑백 표현도이다.

Claims (10)

  1. 제1 온도의 제1 구역에서 적어도 하나의 단위 공정 조작을 수행하는 단계;
    제2 온도의 제2 구역에서 적어도 하나의 단위 공정 조작을 수행하는 단계;를 포함하고,
    상기 제1 온도는 상기 제2 온도와 상이하며;
    마이크로채널 열교환기가 상기 제1 구역과 제2 구역 사이에 배치되고;
    흐름이 상기 제2 구역으로부터 상기 마이크로채널 열교환기를 통해 상기 제1 구역으로 유동하고, 이어서 상기 마이크로채널 열교환기를 통해 상기 제2 구역으로 역으로 유동하고;
    상기 마이크로채널 열교환기 내에서, 상기 제2 구역으로부터 상기 제1 구역으로 유동하는 흐름과 상기 제1 구역으로부터 상기 제2 구역으로 유동하는 흐름 사이에서 열이 교환되며;
    마이크로채널을 구비하는 상기 열교환기는 입방 센티미터당 적어도 0.6W의 열력 밀도(thermal power density)와 적어도 80%의 유효에너지 효율로 작동하는, 마이크로채널 장치에서 단위 조작을 수행하는 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 구역이 화학 반응기를 포함하는, 마이크로채널 장치에서 단위 조작을 수행하는 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 구역의 온도와 상기 제2 구역의 온도가 적어도 350℃ 차이가 나는, 마이크로채널 장치에서 단위 조작을 수행하는 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 제1 구역에서의 단위 조작이 스팀 리포밍을 포함하는, 마이크로채널 장치에서 단위 조작을 수행하는 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 제1 구역에서의 단위 조작이 650℃ 내지 850℃의 온도에서 수행되는 가솔린 리포밍을 포함하는, 마이크로채널 장치에서 단위 조작을 수행하는 방법.
  6. 조작 동안 적어도 하나의 단위 공정 조작이 수행되고, 조작 동안 제1 온도에서 기능하는 제1 구역;
    조작 동안 제2 온도에서 기능하는 제2 구역; 및
    상기 제1 구역과 제2 구역 사이에 배치된 마이크로채널 열교환기를 포함하고,
    상기 제1 온도는 상기 제2 온도와 상이하며;
    조작 동안, 흐름이 상기 제2 구역으로부터 상기 마이크로채널 열교환기를 통하여 상기 제1 구역으로 흐르고, 이어서, 상기 마이크로채널 열교환기를 통하여 상기 제2 구역으로 역으로 흐르고;
    조작 동안, 상기 마이크로채널 열교환기 내에서, 상기 제2 구역으로부터 상기 제1 구역으로 흐르는 흐름과 상기 제1 구역으로부터 상기 제2 구역으로 흐르는 흐름 사이에서 열이 교환되고;
    마이크로채널을 구비하는 상기 열교환기는 입방 센티미터당 적어도 0.6W의 열력 밀도와 적어도 80%의 유효에너지 효율을 가지는, 마이크로 채널 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 열교환기는, 상기 제1 구역이 600℃의 온도에 있고, 상기 제2 구역이 200℃의 온도를 가질 때, 적어도 80%의 유효에너지 효율을 갖는, 마이크로채널 장치.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 제1 구역이 화학 반응기를 포함하는, 마이크로채널 장치.
  9. 청구항 6에 있어서,
    조작 동안, 상기 제1 구역의 온도와 상기 제2 구역의 온도가 적어도 350℃ 차이가 나는, 마이크로채널 장치.
  10. 청구항 6에 있어서,
    상기 열교환기는, 상기 제1 구역이 600℃의 온도에 있고, 상기 제2 구역이 200℃의 온도를 가질 때, 적어도 85%의 유효에너지 효율을 갖는, 마이크로채널 장치.
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