KR101960302B1 - 내산성 고온가열장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내산성 고온가열장치에 관한 것이다. 본 발명은 내부에 유입된 강산을 증발시키기 위한 산증발기; 다단으로 배치되어 상기 산증발기로부터 유입된 강산을 열분해온도 이상으로 가열하는 복수 개의 고온가열기; 상기 산증발기와 상기 고온가열기 및 상기 고온가열기의 상호 간에 연결된 연결관;을 포함한다.

Description

내산성 고온가열장치{HIGH TEMPERATURE ACID DECOMPOSER EQUIPMENT}

본 발명은 내산성 고온가열장치에 관한 것이다.

열화학수소의 생산과 관련하여 종래의 강산 실험 시스템에 사용되는 내산성 고온가열장치는 단일형의 고온가열기를 사용하여 가열길이를 2.4미터 이상 확장을 시키지 못하였다.

즉, 열화학수소 생산 공정 중 공정유체인 황산의 증기분해공정은 흡열반응으로 많은 열을 필요로 하나 전열 길이의 확장 제한이 있어 고온가열기의 가열온도를 1200도 이상 높게 상승시켜야 하며, 이로 인하여 고온가열기의 수명이 단축되는 문제가 있다.

KR 10-0969652

본 발명의 목적은 공정유체의 가열길이를 확보하고 고온가열기의 과도한 열부하를 줄여줄 수 있는 내산성 고온가열장치를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 내부에 유입된 강산을 증발시키기 위한 산증발기; 다단으로 배치되어 상기 산증발기로부터 유입된 강산을 열분해 온도 이상으로 가열하는 복수 개의 고온가열기; 상기 산증발기와 상기 고온가열기 및 상기 고온가열기의 상호 간에 연결된 연결관;을 포함한다.

본 발명에서 상기 고온가열기는 지그재그로 배치된 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 고온가열기는 상기 강산의 유동방향을 따라 일정 각도만큼 상측으로 기울어진 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 각도는 10도 이상 90도 이하인 것이 바람직하다.

본 발명은 상기 연결관을 통해 유동되는 유체의 응축을 방지하기 위하여, 상기 연결관의 둘레에 단열재 또는 와이어히터가 설치된 것이 바람직하다.

본 발명에서 상기 고온가열기는 상기 연결관에 연결되어 강산이 통과하는 이송관; 상기 이송관의 외부에 형성되는 절연관; 상기 절연관을 감싸는 형태로 절연관의 둘레에 감겨져 형성되는 와이어가열기; 상기 와이어가열기의 외부에 형성되는 외부관; 및 상기 외부관 내부에 충진되는 단열부재를 포함한다.

본 발명에 따른 내산성 고온가열장치는 고온가열기를 복수 개로 구성함으로써 공정유체의 가열길이를 확보할 수 있으며 과도한 열부하를 줄여줄 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 복수 개의 고온가열기를 일정 각도 기울여 배치함으로써 흡열반응으로 형성될 수 있는 액적이 고온가열기의 이송관을 막는 현상을 방지하고, 혼합가스의 유동이 보다 원활해짐으로써 고온가열기의 이송관 막힘을 방지할 수 있고, 나아가 전체적인 분해공정이 용이하게 진행될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내산성 고온가열장치의 사시도이다.
도 2는 도 1에 도시된 내산성 고온가열장치의 측면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1가열기의 단면도이다.

본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세히 설명하기 위하여, 본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명하기로 한다.

우선 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다.

또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명의 구체적인 설명에 앞서 후술되는 내용에 표현된 방향에 있어서, “상부”의 상(上)은 도 1에 도시된 제1가열기(131)를 기준하여 제2가열기(132) 측으로 향한 방향이며, “하부”의 하(下)는 제2가열기(132)를 기준하여 제1가열기(131) 측으로 향한 방향으로 정의한다.

이하, 도 1 내지 도 3을 참조하여, 본 발명의 일실시예에 따른 내산성 고온가열장치에 대하여 설명하도록 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 내산성 고온가열장치의 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 내산성 고온가열장치의 측면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 내산성 고온가열장치(100)는 산증발기(120), 고온가열기(130), 연결관(150)을 포함한다.

상기 내산성 고온가열장치(100)는 공정유체로써 강산인 황산을 이용하게 되며, 상기 산증발기(120)는 내부에 유입된 공정유체를 증발시키기 위한 구성이다.

상기 고온가열기(130)는 상기 산증발기(120)로부터 유입된 공정유체를 열분해온도 이상으로 가열하기 위한 구성이다.

도 3을 참조하면, 상기 고온가열기(130)는 공정유체가 통과하는 이송관(15), 상기 이송관(15)의 외부에 형성되는 절연관(16), 상기 절연관(16)을 감싸는 형태로 상기 절연관(16)의 둘레에 감겨져 형성되는 와이어가열기(12), 상기 와이어가열기(12)의 외부에 형성되는 외부관(14), 상기 외부관(14)의 내부에 충진되는 단열부재(13)를 포함한다.

이송관(15)은 공정유체인 강산이 통과되는 배관으로서 하나 또는 다수개의 관으로 형성되며, 고압 고온에서도 강산에 의해 부식되지 않는 헥살로이(Hexalloy: SiC), Alloy C-276, 세라믹, 석영관 중 적어도 1종 이상으로 구성된다.

상기 절연관(16)은 상기 이송관(15)의 외부를 둘러싸도록 형성되며, 전기 절연체인 석영관으로 구성되어 상기 이송관(15)과 상기 와이어가열기(12)와의 전기적인 절연을 유지해준다.

여기서 상기 이송관(15)의 재질을 석영관으로 사용할 경우 상기 절연관(16)은 생략될 수 있다.

상기 와이어가열기(12)는 코일 형상으로 상기 절연관(16)의 둘레를 감싸는 형태로 형성되어, 상기 이송관(15)의 내부를 통과하는 공정유체를 가열하는 기능을 수행하며, 일예로써, 상기 와이어가열기(12)는 칸탈코일(Kanthal coil)이 사용될 수 있다.

상기 외부관(14)은 상기 이송관(15), 절연관(16), 와이어가열기(12)를 모두 수용하도록 관형으로 형성되며, 중앙에는 상기 이송관(15)이 관통되도록 관통홀이 형성되고, 양단에는 다수의 결합홀이 형성되며, 금속 재질로 구성된다.

상기 단열부재(13)는 상기 외부관(14)의 내부에 충진되어, 상기 와이어가열기(12)로부터 발생되는 열이 외부로 방출되지 않도록 단열시켜주며, 일예로써 카울(Kaowool) 단열재가 사용될 수 있다.

상기 고온가열기(130)는 공정유체의 분해공정이 진행되며, 여기서 분해공정 시 흡열반응으로 상기 고온가열기(130)는 약 200도 근처로 낮아지는 온도에 의해 파손될 가능성이 있다.

이를 방지하기 위하여, 공정유체의 분해 용량에 따라 상기 고온가열기(130)를 복수 개로 구비함으로써 과도한 열부하를 줄여줄 수 있다.

또한, 상기 고온가열기(130)를 복수 개로 구성함으로써 분해공정이 진행됨에 따라 상기 고온가열기(130) 중에서 상대적으로 사용온도가 저온인 고온가열기의 내부 구성에 사용되는 고가의 헥살로이를 대신하여 다른 재료가 사용될 수 있다.

즉, 사용온도가 350도 이하인 경우, 상기 고온가열기(130)의 구성 중 하나인 상기 이송관(15)을 기준하여, 헥살로이(Hexalloy: SiC), Alloy C-276, 세라믹을 대신하여 일반 스테인레스 스틸 배관의 내부에 내산 라이닝이 사용될 수 있다.

따라서, 상기 내산성 고온가열장치(100)의 전체적인 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

본 발명의 일실시예에서 상기 고온가열기(130)는 제1,2,3가열기(131,132,133)로 구성되어 있으나, 전술된 바와 같이 공정조건에 따라 그 수가 조정될 수 있다.

상기 연결관(150)은 공정유체가 상기 고온가열기(130)로 유동되기 위한 배관으로써, 상기 산분해기(120)의 타단과 상기 제1가열기(131)의 일단에 연결된 제1배관(151), 상기 제1가열기(131)의 타단과 상기 제2가열기(132)의 일단에 연결된 제2배관(152), 상기 제2가열기(132)의 타단과 상기 제3가열기(133)의 일단에 연결된 제3배관(153)을 포함한다.

상기 연결관(150)은 상기 이송관(15)과 같이 고압 고온에서도 강산에 의해 부식되지 않는 헥살로이(Hexalloy: SiC), Alloy C-276, 세라믹, 석영관 중 적어도 1종 이상으로 구성된다.

여기서, 상기 연결관(150)을 통해 유동되는 유체의 응축을 방지하기 위하여, 상기 연결관(150)의 둘레에 단열재 또는 와이어히터가 설치될 수 있다.

상기 내산성 고온가열장치는 상기 고온가열기를 배치하기 위한 베이스부(110)를 더 포함한다.

상기 베이스부(110)는 상기 고온가열기(130)를 배치함과 동시에 지지해주기 위한 구성으로써, 상기 고온가열기(130)의 배치공간의 절약을 위하여 계단식으로 형성될 수 있다.

이러한 경우, 상기 제1,2,3가열기(131,132,133)는 수평인 상태에서 상기 베이스부(110)에 지그재그로 배치된다.

즉, 상기 베이스부(110)는 상기 제1가열기(131)가 배치되는 제1베이스부(111), 상기 제2가열기(132)가 배치된 제2베이스부(112), 상기 제3가열기(133)가 배치된 제3베이스부(113)를 포함한다.

전술된 바와 같이, 상기 고온가열기(130)는 제1,2,3가열기(131,132,133)로 구성되며 상기 제1가열기(131)는 상기 산증발기(120)로부터 유입된 공정유체를 1차가열한다.

상기 제2,3가열기(132,133)는 상기 제1가열기(131)에서 1차가열된 공정유체를 열분해온도 이상으로 가열하여 과열(superheating) 상태의 혼합가스를 형성한다.

상기 고온가열기(130)의 공정유체로 사용되는 액체황산과 물의 점도를 하기 조건을 통해 비교하면, r=0.59 일 때 점도는 황산 0.6 cP(centipoise) (200℃) 물 0.51 cP (59℃)로 황산 점도가 물보다 약 20% 크다는 것을 확인할 수 있다.

조건 : 온도 상사성 적용, 온도비율 r = 온도/비등온도, r = 0.59 일때 황산온도 200℃(비등점 339℃), 물온도 59℃(비등점 100℃)

여기서 공정유체의 액적에 의한 상기 이송관(15)의 간헐적 막힘을 방지하기 위하여 상기 고온가열기(130)는 지면을 기준하여 상기 공정유체의 유동방향을 따라 상측으로 기울어질 수 있다.

즉, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 산증발기(120)로부터 유입된 공정유체의 유동방향으로 따라 상기 제1가열기(131)는 우측 단부가 상측으로 기울어지고, 상기 제2가열기(132)는 좌측 단부가 상측으로 기울어지고, 상기 제3가열기(133)는 상기 제1가열기(131)와 같이 우측 단부가 상측으로 기울어진다.

상기 고온가열기(130)가 상측으로 일정 각도 기울어짐에 따라 흡열반응으로 형성될 수 있는 액적(L)이 상기 이송관(15)을 막는 현상을 방지하고, 혼합가스의 유동이 보다 원활해짐으로써 나아가 전체적인 분해공정이 용이하게 진행될 수 있다.

여기서 상기 고온가열기(130)의 기울기가 10도 이상일 때 액적에 의한 상기 이송관(15)의 간헐적 막힘을 방지할 수 있으며, 90도 이하일 경우까지 이러한 효과를 유지할 수 있으나 상기 고온가열장치의 배치공간의 절약을 고려하면 효과가 발생되는 10도가 가장 바람직하다.

전술된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 내산성 고온가열장치는 고온가열기를 복수 개로 구성함으로써 공정유체의 가열길이를 확보할 수 있으며 과도한 열부하를 줄여줄 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 고온가열기를 복수 개로 구성함으로써 상대적으로 사용온도가 저온인 고온가열기의 내부구성에 사용되는 고가의 헥살로이(Hexalloy : SiC), Alloy C-276, 세라믹 등과 같은 재료를 대신하여 일반 스테인레스 스틸 배관의 내부에 내산 라이닝이 사용될 수 있어 전체적인 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 복수 개의 고온가열기(130)를 일정 각도 기울여 배치함으로써 흡열반응으로 형성될 수 있는 액적이 고온가열기(130)의 이송관(15)을 막는 현상을 방지하고, 혼합가스의 유동이 보다 원활해짐으로써 나아가 전체적인 분해공정이 용이하게 진행될 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

상기와 같이 도면과 명세서에서 최적의 실시예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

110 : 베이스부
120 : 산증발기
130 : 고온가열기
150 : 연결관

Claims (6)

1. 내부에 유입된 강산을 증발시키기 위한 산증발기;
   다단으로 배치되어 상기 산증발기로부터 유입된 강산을 열분해온도 이상으로 가열하는 복수 개의 고온가열기; 및
   상기 산증발기와 상기 고온가열기 및 상기 고온가열기의 상호 간에 연결된 연결관;
   을 포함하고,
   각각의 상기 고온가열기는 강산의 유동방향을 따라 높이가 계단식으로 증가하도록 배치되며,
   연속 배치되는 각각의 상기 고온가열기는 지그재그로 배치되되,
   각각의 상기 고온가열기는
   상기 강산의 유동방향을 따라 선단보다 후단이 10도 이상 90도 이하의 각도만큼 상측으로 기울어진 내산성 고온가열장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 연결관을 통해 유동되는 유체의 응축을 방지하기 위하여, 상기 연결관의 둘레에 단열재 또는 와이어히터가 설치된 것을 특징으로 하는 내산성 고온가열장치.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 고온가열기는
   상기 연결관에 연결되어 강산이 통과하는 이송관;
   상기 이송관의 외부에 형성되는 절연관;
   상기 절연관을 감싸는 형태로 절연관의 둘레에 감겨져 형성되는 와이어가열기;
   상기 와이어가열기의 외부에 형성되는 외부관; 및
   상기 외부관 내부에 충진되는 단열부재;
   를 포함하는 내산성 고온가열장치.
   

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