KR101543050B1 - 초고온 및 고압 반응을 수행하기 위한 신규한 반응기 - Google Patents

초고온 및 고압 반응을 수행하기 위한 신규한 반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 1600℃ 이하의 온도, 100 bar 이하의 압력에서 화학 반응을 수행하기에 적합한 신규한 반응기를 개시하고 있다. 본 발명의 반응기는 반응 구역을 둘러싸는 두 개의 용기, 즉 내화 재료로 이루어진 내부 용기 및 내부 용기를 둘러싸고 절연 재료로 이루어진 외부 용기를 구비한다.

Description

초고온 및 고압 반응을 수행하기 위한 신규한 반응기{NOVEL REACTOR FOR CARRYING OUT VERY HIGH TEMPERATURE AND HIGH PRESSURE REACTIONS}
본 발명은 초고온 및 고압 반응을 수행하기 위한 반응기 분야에 관한 것이다.
이러한 유형의 반응은, 매우 흔하게는 탄화수소 화합물의 연소 또는 부분 산화 반응이거나, 다양한 탄화수소 화합물의 염소화 또는 질소화 반응과 같이, 사실상 폭발성일 수 있는 반응이다. 더 일반적으로, 본 발명의 분야는 1600℃의 온도일 수 있고 100 bar(1 bar = 105 pascal)만큼 높을 수 있는 압력 수준을 필요로 하는 고발열성 반응이다.
이러한 값들은 본 명세서의 나머지 부분에서는 "초고온 및 고압"이라는 표현으로 포함될 것이다.
초고온 및 고압에서 작동할 수 있는 반응기 분야의 종래 기술이 상당히 부족하다.
고압 및 고온 환경에서 물질을 시험할 수 있는 장치를 기술하는 미국 특허 제4,670,404호를 예로 들 수 있다. 이 장치는 가둠 구역에 의해 자체가 둘러싸인 재료 시험 구역을 포함할 수 있다. 질량 표준은 장치 자체의 질량과 시험 대상 샘플의 질량 사이에서 장치에 대해 설정된다. 상기 문헌은 시험 구역과 가둠 구역의 각각의 두께, 및 시험 구역에 허용될 수 있는 압력과 온도 수준에 관한 정확한 정보를 제공하지 않는다.
가장 근래의 종래 기술로 이루어지는 것으로 고려될 수 있는 EP 0,689,868는 가압 가둠 용기에 에워싸인 반응 구역을 이용하여 고온 및 고압(200 bar/400℃)에서 반응을 실행하기 위한 반응기를 개시하고 있다.
상기 문헌은 또한 반응기에 대한 어떠한 치수도 제시하고 있지 않으며, 게다가 그 반응기는 500℃를 초과하는 반응 온도를 허용하지 않는다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 다음의 두 가지 추가적인 제약, 즉
- 반응 구역에서는 완전 혼합 유동 또는 플러그형 유동에 근사, 다시 말해 인접 반응 세그먼트와 혼합이 없어야 한다는 측면에서 반응 구역을 유체역학적으로 제어해야 하며;
- 반응 구역의 온도가 가능한 한 균일하도록(다시 말해, 반응 구역에 어떠한 온도 구배도 없도록) 반응 구역을 가능한 한 단열 상태에 근사시켜야 한다는 점
을 고려하여, 1600℃에 이르는 초고온, 및 100 bar에 이르는 고압에서 작동할 수 있는 반응 용기를 제공하는 것이다.
따라서, 반응 용기를 형성하는 재료는 1000℃를 훨씬 초과하는 온도를 허용할 수 있어야 한다.
그러나, 1000℃를 초과하는 온도에 부합하는 재료는 일반적으로 세라믹 또는 콘크리트와 같은 내화성 재료이다. 그러나, 이러한 재료는 그 이용을 제한하는 다음의 두 가지 문제점을 안고 있다.
a) 먼저, 그 재료들은 불투과성이 아니라서 명확히 획정된 공간 내에 반응을 가둘 수 없다. 사실, 상기 재료의 열 절연 특성은 일반적으로 투과성을 부여하는 공극률에 기인한다. 그러한 점은 반응 체적이 작고 공극 체적에 근사한 경우에 훨씬 더 그러하다. 따라서, 내화 재료 덩어리 내로 난 작은 채널 형태의 반응 구역의 경우, 반응제의 상당 부분이 반응 유출물과 함께 공극 내로 확산할 수 있다. 또한, 고온이거나, 가열 및 냉각의 반복적인 사이클의 경우, 내화 재료에 크랙(crack)이 생성될 수 있고, 이러한 크랙은 그 재료의 투과 성질을 증가시키고, 불필요한 반응이 전개되는 것을 허용한다. 작은 채널 형태의 반응 구역의 경우, 이러한 크랙은 채널 자체의 체적보다 더 크게 될 수 있고 유동을 유체역학적으로 상당히 교란시킬 수 있다(채널은 일반적으로 플러그 유동을 생성하기 위해 이용된다);
b) 또한, 내화 재료는 기계적으로 약한 것으로 알려져 있어, 사용 압력이 10 bar(1 bar = 105 pascal) 정도의 값까지로 제한된다. 그러나, 소망의 반응 용기는 100 bar 정도의 압력을 수용할 수 있어야 한다. 이는 그러한 압력에 기계적으로 저항할 수 있는 외피는 단지 금속 외피뿐이라는 것을 의미한다. 그러나, 이러한 금속 외피도 "내열"강을 사용하더라도 1000℃를 초과하는 온도를 허용할 수 없다(내열강은 한계 사용 온도가 대기압에서 약 1100℃이지만 용기 내의 압력이 증가함에 따라 급속하게 감소함).
종래 기술에서, 고압 및 초고온, 예를 들자면 900℃ 및 50 bar를 취한 압력 및 온도에서 반응을 수행할 때 이용되는 해법은, 보다 정확하게 말하자면 금속 용기를 보호하고 이 용기가 작동 압력(50 bar)에서 견딜 수 있도록 충분히 낮은 온도(150℃ 내지 300℃)에서 작동되게 하기 위해서, 대략 1 또는 2 미터에 이를 수 있는 어느 정도의 두께를 갖는 내화 재료를 이용하는 것으로 이루어진다.
이러한 내화 재료의 두꺼운 두께는, 몇몇 경우에 허용될 수 없을 정도로 되는 중량 추가 외에도, 내화 재료 자체 내로의 반응물 및 반응 유출물이 확산됨은 물론 반응 흐름을 어느 정도 유체역학적으로 교란시킴에 틀림이 없는 원치 않는 반응이 수반될 위험이 있다는 전술한 문제점도 야기한다.
따라서, 본 발명의 반응기가 해결하고자 하는 과제는, 명확하게 획정된 공간 내에 반응 구역을 한정하고 반응 유출물이 배출될 수 있게 하면서도 압력 용기와 관련한 온도 사양을 만족시키는 적절한 장치에서, 1000℃에 이르는 온도 및 100 bar의 압력을 발생시킬 수 있는 고발열성 화학 반응을 수행하는 것이다.
본 발명은 온도와 압력 스트레스를 분할시킬 수 있는 두 개의 포개진 용기; 즉,
- 반응 구역(Z)와 인접하며, 내화 재료(3)로 이루어지고 반응 구역의 온도를 대략 1000℃ 값까지 감소시킬 수 있는 제1 내부 용기(도 1 및 도 2의 도면 부호 I) 및
- 제1 내부 용기(I)를 수용하는 한편, 금속 외피(1)가 외면에 접촉 상태로 둘러싸여 있고, 이 금속 외피(1)가 대략 350℃의 최대 온도에 도달할 수 있게 한 절연 재료(13)로 이루어진 제2 외부 용기(도 1 및 도 2의 도면 부호 II)
의 이용에 기초하여, 상기의 문제점에 대한 해법을 제시하고 있다.
이러한 이유로, 상기 금속 외피(1)를 위한 적당한 두께에 의해서, 금속 외피(1)는 100 bar 정도의 사용 압력에 견딜 수 있다.
내부 용기(I)는 반응 구역(Z)의 온도를 내고온성의 금속 재료에 부합하는 값, 예를 들면 1000℃로 감소시키기에 충분한 비교적 얇은 두께를 갖는다. 더 정확하게는, 내부 용기(I)를 획정하는 내부 금속 표면(2)의 온도는 대체로 1000℃ 미만이다.
내부 금속 표면(2)은, 내부 용기(I)를 이루는 내화 재료(3)의 공극을 통한 반응물의 어떠한 확산을 고려하는 경우라도 반응 구역을 명확하게 획정한다. 내부 금속 표면(2)을 이루는 금속 재료는 일반적으로 내열강이다.
대략 1000℃의 온도에서, 내열강의 강도는 여전히 낮아 100 bar 정도의 압력에 저항하기에 충분하지 않을 것이다.
외부 용기(II)는, 내부 용기(I)와 외부 용기(II) 사이의 압력차가 미리 정해진 값 이하, 일반적으로 0.1 내지 3 bar, 바람직하게는 0.3 bar 내지 2 bar이도록 반응 구역(Z)의 작동 압력에 매우 근사한 압력에 저항하도록 구성된다.
전이 단계를 비롯하여, 외부 용기(II) 내측에서 필요한 압력을 유지하기 위해서, 내부 용기(I)와 외부 용기(II) 간의 압력차를 제어하기 위한 수단이 이용되고, 그 제어 매체는 어쩌면 예컨대 외부 용기(II) 내로 도입되는 불활성 가스일 수 있다.
외부 용기(II)는 본질적으로 내부 용기(I)를 위해 이용되는 내화 재료(3)의 밀도보다 낮은 밀도를 갖는 절연 재료(13)를 포함한다. 외부 용기(II)는 상당히 두꺼울 수 있는데, 이는 밀봉부로서 작용하는 반응 구역(Z)을 둘러싸는 내부 금속 표면(2)으로 인해 반응물이 확산할 위험이 더 이상 존재하지 않기 때문이다.
외부 용기(II)의 두께는 주변 사양에 부합하는 온도, 즉 150℃ 내지 350℃를 외부 금속 외피(I)에 생성하도록 구성된다.
이러한 이유로, 외부 금속 외피(1)는 일반적으로 스테인리스강으로 구성된다.
다른 중요한 태양에서, 상기 반응기 내로 완전히 합체되는 공급물-유출물 교환기(E)에 의해서, 본 발명의 반응기는 반응 유출물의 온도를 외부 용기(II)를 둘러싸는데 이용되는 외부 금속 외피(1)의 금속 재료에 부합하는 온도까지 감소시킨다.
이러한 공급물-유출물 교환기(E)는 외부 용기(II) 내에 배치된다. 이 교환기가 없다면, 외부 금속 외피(1)를 통과해 완전히 안전하게 외측과 연통하는 것이 불가능할 것인데, 이는 유출물(S)에 대한 배출 파이프(12)가 상기 외부 금속 외피(1)의 온도와 비교하여 매우 높은 온도에 있을 수 있기 때문이다.
내부 교환기(E)의 상류 또는 하류에 배치된 보조 냉각 시스템(도 1에는 도시하지 않음)을 이용하여 유출물(S)을 냉각시키는 것을 마무리할 수 있다.
본 발명의 반응기에 따르면, 명확한 공간 내에서 반응 구역을 한정하고 압력 용기와 관련한 온도 사양을 만족시키는 동시에 반응 유출물이 빠져나가게 하는 적절한 장치에서, 1000℃ 이하의 온도 및 100 bar의 압력을 전개시킬 수 있는 고발열성 화학 반응을 수행할 수 있다.
도 1은, 안쪽에서부터 시작하여 바깥쪽으로, 반응 구역(Z), 제1의 내부 용기(I), 제2의 외부 용기(II)[본 명세서에 있어서 이들 두 용기는 단지 내부 용기(I) 및 외부 용기(II)로도 지칭함], 및 제2 용기(II)에 수용되는 합체된 공급물-유출물 교환기(E)를 포함할 수 있는 본 발명의 반응기의 개략도를 도시한다.
도 2는 본 발명의 반응기의 실시예를 도시하는 것으로, 도 1에 나타낸 요소의 도면부호를 반복하여 사용하고, 본 실시예를 위해 필요한 특정 요소에 상응하는 도면부호를 추가하여 도시하고 있다.
본 발명은 초고온(1600℃ 이하) 및 고압(100 bar 이하)에서 반응을 수행하기 위한 반응기로서 정의될 수 있으며, 이 반응기는 반응기의 안쪽에서부터 시작하여 바깥쪽으로 이동하면서 다음의 요소,
- 내벽(4)에 의해 획정되고 내부 용기(I)에 의해 둘러싸인 반응 구역(Z);
- 내부 금속 표면(2) 및 내벽(4)에 의해 획정되고, 내화 재료(3)에 의해 이루어지며, 반응물의 일부를 위한 입구(11), 나머지 반응물을 위한 입구(7), 및 합체된 교환기(E)의 중심 파이프(10)에 실질적으로 연속하는 유출물을 위한 배출 파이프(5)를 구비하는, 내부 용기(I);
- 외부 금속 외피(1)와 내부 용기(I)의 내부 금속 표면(2) 사이에 포함되고, 절연 재료(13)로 채워지며, 반응 유출물을 냉각시키고 반응물을 예열시키는 교환기(E)를 둘러싸는, 외부 용기(II);
- 모든 구성 요소를 둘러싸고, 적어도 두 개의 반응물 유입 파이프, 즉 합체된 교환기(E)와 연통하는 파이프(8) 및 입구(11)에 실질적으로 연속하고 반응 구역(Z)과 연통하는 파이프(9), 및 적어도 하나의 유출물 배출 파이프(12)를 구비하는, 외부 금속 외피(1);
- 반응물의 적어도 일부를 위한 유입 파이프(8) 및 유출물 배출 파이프(12)에 연결되고, 내부 파이프(7)에 의해서 반응 구역(Z)과 연통하는, 외부 용기(II)의 내부에 수용되는 공급물-유출물 교환기(E);
- 내부 용기(I)와 외부 용기(II) 간의 압력차를 조절하는 장치
를 포함한다.
절연 재료(13)로 채워진 외부 용기(II)는 외부 금속 외피(1)를 150℃ 내지 350℃ 범위의 온도에 도달하게 하는 절연 구역으로서 작용한다.
반응 구역(Z)을 둘러싸는 내부 용기(I)는 본질적으로 반응 구역의 온도를 내부 금속 표면(2)에서 측정하였을 때 대략 1000℃ 값까지 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따라 초고온 및 고압 반응을 수행하는 반응기는, 반응기의 총 체적에 대해 일반적으로 0.005 내지 0.2의 범위의 체적(반응 체적이라 칭함)을 갖는 반응 구역(Z)을 구비한다.
반응기의 총 체적과 반응 체적 간의 비율 값은 반응기의 용량에 따라 달라진다.
a) 반응 체적이 100ℓ 미만일 때, 반응기 총 체적에 대한 반응 체적의 비율은 바람직하게는 0.005 내지 0.01 범위;
b) 반응 체적이 100 내지 1000ℓ 범위에 있을 때, 반응기 총 체적에 대한 반응 체적의 비율은 바람직하게는 0.01 내지 0.05 범위;
c) 반응 체적이 1000ℓ를 초과할 때, 반응기 총 체적에 대한 반응 체적의 비율은 바람직하게는 0.05 내지 0.2 범위에 있다.
반응 구역(Z)의 직경에 대한 내화 재료(3)를 포함하는 내부 용기(I)의 두께의 비율은 일반적으로 0.05 내지 0.5 범위에 있고, 바람직하게는 0.1 내지 0.3 범위에 있다.
또한, 본 발명의 반응기는, 외부 용기(II)와 내부 용기(I) 간의 압력차를 일반적으로 0.1 내지 3 bar 범위의, 바람직하게는 0.3 내지 2 bar 범위의 값으로 한정하도록 외부 용기(II) 내로 유입되는 불활성 가스를 이용하여 외부 용기(II)의 압력을 조절하는 시스템을 포함한다.
교환기(E)는, 열전달 유체가 반응 구역(Z)에서 발생한 반응 유출물로 이루어지고 중심 파이프(10)를 통해 상기 교환기(E)를 통과한다는 점에서 공급물-유출물 교환기로서 정의할 수 있다. 중심 파이프(10)는 반응 구역(Z)으로부터의 배출 파이프(5)와 연통한다. 바람직하게는, 교환기(E)의 대칭 축선은 반응 구역(Z)의 대칭 축선과 대략 일치한다.
교환기(E)의 중심 파이프(10)는 외부 금속 외피(1)를 통과함으로써 반응기의 외부와 연통한다. 열교환 때문에, 파이프(10) 내측에서 이동하는 반응 유출물이 150℃ 내지 350℃ 범위의 온도로 냉각되고, 따라서 외부 금속 외피(1)의 온도에 부합하는 온도에 있다.
반응물, 일반적으로 연소 반응의 경우에 연료가, 외부 금속 외피(1)를 통과하고 교환기(E)의 교환 구역(6)과 연통하는 유입 파이프(8)를 통해 유입된다. 상기 교환 구역(6)에는 적절한 형태의 파이프(7)가 연장되어 있고, 이 파이프(7)는 바람직하게는 반응물의 나머지 부분을 위한 유입 파이프(9)와 합쳐진다. 파이프(7)는 바람직하게는 외부 용기(II) 내에 완전하게 수용된다. 본 발명의 범위 내에 완전히 포함되는 소정 경우에, 파이프(7)가 입구(9) 또는 입구(11)와는 별개의 입구를 통해 반응 구역(Z)에 연결될 수 있다.
교환기(E)는 일반적으로 반응 구역(Z)으로부터의 출구(5)와 반응기 자체로부터의 출구(12) 사이에 포함된 길이를 갖는 섹션에 걸쳐 반응 유출물을 위한 배출 파이프(10)를 둘러싼다.
그러나, 상기 교환기(E)가 여전히 외부 용기(II) 내부에 수용된다면 교환기(E)에 대하여 다른 형상도 가능하고, 그 역시 본 발명의 범위 내에 포함되는 것이다.
내부 용기(I)를 이루고 있는 내화 재료(3)는 내화 콘크리트, 또는 바람직하게는, 적어도 1600℃에 이르는 고온에 대한 저항성 세라믹일 수 있다. 내화 콘크리트 또는 세라믹은 50 vol% 미만의 공극률, 및 1000 kg/m3 초과의 밀도를 갖는다.
세라믹은 알루미나, 뮬라이트, 지르코니아, 질화규소 또는 탄화규소 중 하나에 기초할 수 있다. 이들 재료 또는 그 조합의 선택은, 내부 금속 표면(2)에서 바람직하도록 온도를 감소시킬 수 있는 낮은 열전도성과 반응물이 내화 재료(3) 내로 확산될 위험을 줄이는 제한 공극률 간의 양호한 절충점을 생성하도록 이루어진다.
외부 용기(II)를 채우는데에 이용되는 절연 재료(13)는 1000℃ 정도의 온도에 대해 저항성이 있고, 외부 금속 외피(1)가 150℃ 내지 350℃ 범위의 온도에 도달할 수 있도록 낮은 열 전도성을 갖는 내화 재료이다.
바람직하게는, 외부 용기(II)에 이용되는 절연 재료(13)의 열전도성은 0.5 W/(m.K)(단위미터 단위캘빈당 와트) 미만, 더 바람직하게는 0.1 W/(m.K) 미만이다.
이러한 낮은 열전도성은 구조에 있어서의 본질적인 특징인 수 센티미터 정도의 비교적 얇게 유지한 외부 용기(II) 두께를 이용하여 목표 온도로 감소시킬 수 있는데, 이는 상기 외부 용기(II)가 100 bar 정도일 수 있는 압력에 저항하는 치수의 두께를 갖기 때문이다.
외부 용기(II)를 이루는 절연 재료(13)는 또한 조립체의 중량을 제한하기 위해서 바람직하게는 500 kg/m3 미만의 낮은 밀도를 갖는다.
외부 용기(II)를 이루는 절연 재료(13)는 알루미나 또는 실리카 알루미나로부터 선택되고, 수 밀리미터에서부터 3 cm에 이를 수 있는 크기를 갖는 비즈 형상, 또는 수 밀리미터의 직경 및 3 cm 이하의 길이를 갖는 압출성형물 형태로 상기 외부 용기 내에 배치될 수 있다.
절연 재료(13)는 외부 금속 외피(1)의 형상에 부합하도록 울 또는 기계 가공된 블럭의 형태로 이용될 수 있다.
본 발명의 반응기는 고발열성 반응을 사용하는 다양한 공정에서 이용될 수 있다. 예로서, 산화제(E1)가 유입 파이프(8)를 통해 유입되고, 내부 교환기(E)에서 예열되며 교환기(E)의 배출구에서 파이프(7)를 통해 공급되고, 이어서 유입 파이프(9)를 통해 유입된 연료(E2)와 접촉하게 되는 부분 산화 또는 연소 공정에 이용될 수 있다.
산화제/연료 혼합물은 부분 산화 또는 연소 반응이 내부에서 일어나는 반응 구역(Z) 안으로 유입 파이프(11)를 통해 안내된다. 반응 유출물이 배출 파이프(5)를 통해 상기 반응 구역(Z)을 떠나고 중심 도관(10)을 통해 내부 교환기(E)를 통과하면서 열 전달 유체로서 작용하고, 이어서 배출 파이프(12)를 통해 반응기 밖으로 빠져나간다.
더 일반적으로, 본 발명의 반응기는 반응 구역(Z) 내의 온도가 1000℃ 내지 1600℃이고, 반응 구역(Z) 내의 압력이 40 bar 내지 100 bar 범위에 있는 임의의 부분 산화 또는 연소 공정에서 이용될 수 있다.
본 발명에 따른 실시예 (도 2)
반응기는 셸(1) 및 상부 반구형 캡(16)을 조립하고 이어서 플랜지(14)를 폐쇄함으로써 구성되는 외부 금속 외피(1)로 이루어져 있다.
외부 금속 외피(1)는 316L형 스테인리스강으로부터 형성한다.
외부 금속 외피(1)와 내부 금속 표면(2) 사이에 포함된 외부 용기(II)는 50 bar의 작동 압력과 350℃의 최대 온도에 견딜 수 있는 치수로 된다.
내부 금속 표면(2)은 파이프(21)의 외부 표면에 상응한다.
외부 용기(II)는 350 mm의 두께를 갖는다.
내부 금속 표면(2)을 Incoloy MA956형 내열강으로부터 형성한다.
반응기의 주요 치수는, 1.1 m의 직경(DT) 및 2.5 m의 높이(HT)이다.
내부 용기(I)는 셸(1)의 바닥에 용접되고 플랜지(24)에 의해 폐쇄된 튜브(21)에 의해 형성한다.
반응 구역(Z)을 획정하는 내부 용기(I)는 1700 kg/m3 의 밀도 및 22%의 공극률을 갖는 알루미나계 세라믹(90 wt%를 초과하는 Al2O3)으로부터 형성한다.
이 세라믹의 열전도성은 0.95 W/(m.k)이다.
상기 내화 콘크리트는, 생성된 연기의 온도(1584℃)에 견딜 수 있고 파이프(21)의 외부 표면에 상응하는 내부 금속 표면(2)의 온도를 1000℃의 최대 온도까지 줄이는 열 절연을 제공한다.
반응 구역(Z)의 치수는, 250 mm의 직경(D2) 및 300 mm의 높이(H2)이다.
내부 용기(I)의 두께는 50 mm이다.
또한 셸(1)의 바닥에 용접되는 제2 튜브(22)는 파이프(21) 내에 수용한다.
파이프들(21, 22) 사이에 포함된 환형 구역(6)에 이어, 반응 용기(Z)에 반응물을 공급하도록 내부 용기(I)의 내화 재료(3) 내로 직접 뚫린 두 개의 채널(23)들이 연장된다.
이들 채널(23)은 개략적인 도 1에 도시된 튜브(7)로서 작동한다.
외부 용기(II)를 이루는 공간은 절연 재료(13)로 채워지는데, 이 절연 재료는 200 kg/m3 의 밀도를 갖는 한편, 1000℃에서 0.04 W/(m.K)의 열전도성을 가져, 외부 금속 외피(1)의 최대 온도를 350℃까지 줄일 수 있는 실리카계 세라믹(80 wt%를 초과하는 SiO2)이다.
반응 구역(Z)에는 부분적으로는 절연 재료(3) 안으로 직접 뚫린 채널(11)로 연장된 유입 파이프(9)를 통해 연료 및 물의 혼합물(E2)이, 그리고 유입 파이프(8)를 통해 환형 구역(6) 안으로 침투하는 산소(E1)가 공급된다.
반응 구역(Z) 안으로 반응 유체를 주입하는 속도 및 상기 주입의 배향을, 반응 구역(Z) 내에 가능한 한 많은 난류를 생성하고 반응 구역의 전체 체적 내에 가능한 한 균질한 산화제/연료 혼합물이 얻어지도록 계산에 의해 최적화된다.
1584℃에서 연소하여 생성된 연기는, 내부 용기(I)의 절연 재료(3) 안으로 뚫려 있는 오리피스(5)를 통해 배기되어, 튜브(10) 내에서 하강한다. 연기가 튜브(10)를 통과할 때, 하강하는 연기(F)와 환형 구역(6)을 통해 상승하는 산소 사이에 열 교환이 발생한다.
튜브(22)의 내부 표면은 여전히 높은 연소 연기(F)의 온도로부터 내부 표면을 보호하기 위해 열 스크린(15)으로 보호된다. 이 스크린은 내부 용기(I)를 생성하는데 이용되는 것과 동일한 성질의 절연 재료(3)로 이루어진다.
파이프(10), 열 스크린(15) 및 환형 구역(6)으로 이루어진 조립체는 합체된 교환기(E)를 구성하고 있다.
교환기(E)는 산소가 반응 구역(Z)으로 들어가기 전에 산소를 1000℃의 최대 온도까지 예열할 수 있다.
연기는 오리피스(33)를 통해 교환기(E)의 하부로부터 떠나고, 튜브(19)를 통해 물이 주입될 수 있는 냉각 체적(BQ) 내로 보내져, 350℃의 온도까지 연기의 온도를 감소시킨다. 이어서, 냉각된 연기(S)는 튜브(12)를 통해 반응기를 떠난다.
질소는, 파이프(18)로 들어오는 질소 흐름에 의해서 50 bar ± 1 bar의 값으로 외부 용기(II)의 압력을 유지시키는데 이용된다.
본 발명의 반응기는 24.3 kg/h 내지 217.5 kg/h의 연료 유량(도 2에서 E2로 표시)을 처리한다.
순 산소(E1으로 표시)의 유량은 100.2 kg/h이다.
반응 구역에서의 압력은 50 bar(즉, 5 MPa)이다.
연소(F)에 의해 생성된 연기의 온도는 1584℃이다.
생성된 연기의 조성은,
O2: 4.39 wt%,
H2O: 73.8 wt%,
CO2: 21.9 wt%,
CO + H2: 극소량(0.1 wt% 미만)
이다.
I: 내부 용기 II: 외부 용기
Z: 반응 구역 E: 교환기
1: 외부 금속 외피 2: 내부 금속 표면
3: 내화 재료 4: 내벽
5: 배출 파이프 7: 입구
8: 유입 파이프 9: 파이프
10: 중심 파이프 11: 입구
12: 배출 파이프 13: 절연 재료
15: 열 스크린 23: 채널
33: 오리피스

Claims (10)

1600℃ 이하의 고온 및 100 bar 이하의 고압에서 반응을 수행하기 위한 반응기로서,
- 내벽(4)에 의해 획정되고 내부 용기(I)에 의해 둘러싸인 반응 구역(Z);
- 내부 금속 표면(2) 및 내벽(4)에 의해 획정되고, 상기 내부 금속 표면(2) 및 상기 내벽(4) 사이에 위치되는 내화 재료(3)에 의해 이루어지며, 반응물의 일부를 위한 입구(11), 및 교환기(E)의 중심 파이프(10)에 인접하는 유출물을 위한 배출 파이프(5)를 구비하고, 상기 내화 재료(3)는 공극률이 50 vol% 미만이고 밀도가 1000 kg/m3를 초과하며, 반응 구역(Z)의 직경에 대한 내부 용기(I)의 두께는 0.05 내지 0.5 범위에 있는 것인, 내부 용기(I);
- 외부 금속 외피(1)와 내부 용기(I)의 내부 금속 표면(2) 사이에 포함되고, 절연 재료(13)로 채워지며, 반응 유출물을 냉각시키고 반응물을 예열시키는 교환기(E)를 둘러싸고, 상기 절연 재료(13)는 0.5 W/(m.K) 미만의 열전도성 및 500 kg/m3 미만의 밀도를 갖는 것인, 외부 용기(II);
- 상기 외부 용기(II)를 둘러싸고, 적어도 두 개의 반응물 유입 파이프, 즉 상기 교환기(E)와 연통하는 파이프(8) 및 상기 반응물의 일부를 위한 입구(11)에 인접하고 상기 반응 구역(Z)과 연통하는 파이프(9), 및 적어도 하나의 유출물 배출 파이프(12)를 구비하는, 외부 금속 외피(1);
- 내부 용기(I)와 외부 용기(II) 간의 압력차가 0.1 내지 3 bar 범위가 되도록 내부 용기(I)와 외부 용기(II) 간의 압력차를 조절하는 장치
를 포함하고,
상기 반응 구역은 상기 반응물의 나머지 일부를 위한 입구와 유체 연통하고,
상기 교환기(E)는 반응물의 적어도 일부를 위한 유입 파이프(8) 및 유출물 배출 파이프(12)에 연결되고, 상기 외부 용기(II)의 내부에 수용되는 공급물-유출물 교환기(E)이고, 상기 공급물-유출물 교환기(E)는 상기 반응물의 나머지 일부를 위한 상기 입구에 연결되는 내부 파이프(7)에 의해서 반응 구역(Z)과 연통하는 것인 반응기.
제1항에 있어서, 반응기의 총 체적에 대한 반응 구역의 체적비율은 0.005 내지 0.2의 범위에 있는 것인 반응기.
제1항 또는 제2항에 있어서,
a) 반응 체적이 100ℓ 미만일 때, 반응기 체적에 대한 반응 체적의 비율은 0.005 내지 0.01 범위에 있고;
b) 반응 체적이 100 내지 1000ℓ 범위에 있을 때, 반응기 총 체적에 대한 반응 체적의 비율은 0.01 내지 0.05 범위에 있으며,
c) 반응 체적이 1000ℓ를 초과할 때, 반응기 총 체적에 대한 반응 체적의 비율은 0.05 내지 0.2 범위에 있는 것인 반응기.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서, 내부 금속 표면(2)을 이루는 재료는 철/크롬/알루미늄형 또는 니켈/크롬형의 내열강(refractory steel)으로부터 선택되는 것인 반응기.
제1항 또는 제2항에 있어서, 외부 금속 외피(1)를 이루는 재료는 스테인리스강인 것인 반응기.
부분 산화 또는 연소 공정으로서, 제1항에 따른 반응기에서 상기 공정을 수행하는 단계를 포함하고,
산화제(E1)가 유입 파이프(8)를 통해 유입되고, 내부 교환기(E)에서 예열되고, 반응물의 나머지 일부를 위한 입구에 연결되는 내부 파이프(7) 내로 유입하여, 유입 파이프(9)를 통해 유입된 연료(E2)와 접촉시키고,
그 산화제/연료 혼합물은 부분 산화 또는 연소 반응이 내부에서 일어나는 반응 구역(Z) 안으로 입구(11)를 통해 안내되고,
반응 유출물은 배출 파이프(5)를 통해 상기 반응 구역(Z)을 떠나, 중심 도관(10)을 통해 교환기(E)를 횡단하고, 배출 파이프(12)를 통해 반응기 밖으로 배기하기 전에 자신의 열을 산화제(E1)에 전달하며,
반응 구역(Z) 내의 온도가 1000℃ 내지 1600℃ 범위에 있고, 반응 구역(Z) 내의 압력이 50 bar 내지 100 bar 범위에 있는 것인,
부분 산화 또는 연소 공정.
제1항에 있어서, 상기 절연 재료(13)는 0.1 W/(m.K) 미만의 열전도성을 갖는 것인 반응기.
제1항에 있어서, 상기 반응 구역(Z)의 직경에 대한 내화 재료(3)를 포함하는 내부 용기(I)의 두께의 비율은 0.1 내지 0.3 범위에 있는 것인 반응기.
제7항에 있어서, 상기 내부 용기(I)와 외부 용기(II) 사이의 압력차는 0.3 내지 2 bar 범위의 값으로 유지되는 것인 부분 산화 또는 연소 공정.
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