KR102346861B1 - 화학 반응을 수행하기 위한 로터리 장치 - Google Patents
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Abstract
프로세스 유체에서의 화학 반응을 수행하기 위한 장치(100)가 제공되며, 장치(100)는, 다수의 축 방향-방사상 로터(3)가 장착된 중심 샤프트(1), 로터의 상류에 배치된 복수의 고정 베인(2), 및 로터의 하류에 배치된 혼합 공간(4)을 포함하며, 혼합 공간은 로터에 의해 프로세스 유체에 부여된 기계적 에너지를 상기 프로세스 유체의 내부 에너지로 변환하고, 프로세스 유체에서의 적어도 하나의 화학 반응을 위한 조건을 형성하도록 구성된다. 장치의 관련된 배열, 방법 및 사용이 더 제공된다.
Description
본 발명은 로터리 터보 기계 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 화학 반응을 수행하기 위한 로터리 장치, 관련 배열, 방법 및 사용에 관한 것이다.
화학 반응, 특히, 열분해(pyrolysis) 또는 크래킹(cracking)과 같은 다양한 열 및 열 화학 프로세스는, 석유 정제 및 석유 화학 플랜트에서 통상적으로 이용된다. 불안정한 가격과 제한적인 환경 정책 요건을 배경으로, 세계적으로 증가하는 에너지에 대한 요구에 의해, 오일 및 가스 산업은, 향상된 에너지 효율과 감소된 환경 풋프린트(environmental footprint)를 갖는 생산 기술의 개발과 같은 여러 과제에 직면한다. 이는 또한 저급 (저분자량) 올레핀의 대량 생산을 위한 주요 석유 화학 프로세스 중 하나의 개발을 위해 고려해야 하는 이슈다.
에틸렌, 프로필렌 및 부틸렌과 같은 저분자 올레핀은, 석유화학 산업의 주요 구성 요소이며, 플라스틱, 폴리머, 엘라스토머, 고무, 발포체(foam), 용매 및 화학적 중간체뿐만 아니라, 탄소 섬유를 포함하는 섬유, 및 코팅의 상업적 제조에서 기본 구성 요소(basic building blocks)로서 작용한다. 나프타 또는 가스 오일과 같은 중간 중량 탄화수소; 및 펜탄, 부탄, 프로판 및 에탄과 같은 경량 탄화수소;를 실질적으로 불포화된 중합 가능한 경량 구성 요소로 열분해하는 것을 포함하는, 저급 올레핀의 생산을 위한 기존 기술은, 일반적으로 관형 노(tubular furnace)에서 구현된다. 후자는 열분해 프로세스에 심각한 제한을 둔다: 작동이 열전달에 기초한다는 사실로 인해, 반응기 튜브 내의 만족스러운 온도 분포를 유지하는 것이 어려움으로 남아있다.
전체적으로, 탄화수소의 크래킹은 통상적으로 적어도 프로세스 온도, 체류 시간(들) 및 탄화수소의 분압을 조절함으로써 최적화된다. 종래의 크래킹 노(cracking furnace)에서, 상기 언급된 운동 파라미터에 대한 제어 능력은 기존의 반응기 용액의 구조에 의해 부과되는 한계로 인해 제한된다.
예를 들어, 종래의 관형 반응기에서 열 에너지는 반응기 벽을 통해 반응 공간으로 전달되어, 반응기 장치는 열교환기로서 작용한다. 튜브 벽에서 프로세스 유체로의 열 전달은 그 물리적 한계를 가지고 있기 때문에, 일부 경우에, 원하는 반응 결과를 달성하기 위해 온도를 상승시키는 것은 불가능하다. 또한, 종래의 관형 (축 방향) 반응기의 반응 공간 내의 압력을 변경/제어하는 것은 어렵다.
따라서, 관형 노에서 불충분한 공급 원료 가열 속도로 인해, 열분해 프로세스의 지속시간이 증가하며, 이는 초기 단계에 올레핀이 형성될 때, 올레핀은 2차 반응으로의 진입을 시작하기 위해 충분히 긴 시간 동안 반응기 노(reactor furnace)에 체류하며, 이에 따라 목표 생성물의 결과를 상당히 감소시키는 상황이 발생한다. 2차 생성물 중 하나는 코크스(coke)이며, 이는 튜브에서 열 전달 문제와 하류 장비의 파울링(fouling)을 야기한다.
추가적으로, 기존의 반응기 용액 온도 구배는 매우 높다. 따라서, 반응기 벽을 따른 온도는 통상적으로 그 중심(전체 반응 챔버를 따라 봤을 때)과 비교하여 매우 높다. 유체 흐름은 반응기 벽에 인접한 영역에서보다 중심에서 더 빠르기 때문에, 큰 온도 구배는 심각한 코킹(coking) 문제를 야기한다.
또한, 기존의 반응기 용액은 체류 시간(공급 원료-함유 프로세스 유체가 반응 공간에서 보내는 시간)이 최적화 범위 밖에 남아있다.
전통적인 기술은, 종래의 열분해 노(pyrolysis furnace)가 열 전달 속도를 변경하는 것 및/또는 반응 온도 파라미터와 이에 따른 반응 결과물을 조절하는 것과 관련하여, 현재 이미 그 기술적 한계에 도달했다는 사실로 인해, 전술한 문제점에 대한 합리적인 해결책을 제공하지 않는다.
열분해에 의한 저분자량 탄화수소를 제조하기 위한 전통적인 프로세스는 전체 프로세스에 대한 제어 능력의 결여라는 주요 문제에 직면하고, 그로부터 2차 문제의 범위는 다음과 같이 발생한다: 1. 관형 노 반응기에 대한 성능 저하 요인; 2. 값비싼 공급 원료의 손실; 3. 긴 반응 시간; 4. 높은 2차 반응 속도; 5. 높은 에너지 소비; 6. 최적이 아닌 (가능한 것보다 적은) 생성물 수율 및 선택성.
본 발명의 목적은 관련 기술의 한계 및 단점으로부터 발생하는 문제 각각을 해결하거나 적어도 완화시키기 위한 것이다. 상기 목적은 프로세스 유체에서 화학 반응을 수행하기 위한 장치, 관련 배열, 방법 및 사용의 다양한 실시예에 의해 달성된다. 이로써, 본 발명의 일 양태에서, 독립 청구항 1에 정의된 바에 따른, 프로세스 유체에서 화학 반응을 수행하기 위한 장치가 제공된다.
실시예에서, 상기 장치는, 다수의 축 방향-방사상 로터가 장착된 중심 샤프트 - 각각의 상기 로터는, 상기 중심 샤프트 상에 장착된 디스크의 원주 상에 배열되는 복수의 축 방향-방사상 로터 블레이드를 포함함 -; 로터의 상류에 배치되는 복수의 고정 베인; 및 로터의 하류에 배치되는 베인리스형(vaneless) 및/또는 베인형(vaned) 혼합 공간으로서 제공되는 혼합 공간;을 포함하며, 혼합 공간은, 로터에 의해 상기 프로세스 유체에 부여된 기계적 에너지를 프로세스 유체의 내부 에너지로 변환하고, 프로세스 유체에서 적어도 하나의 화학 반응이 일어나기 위한 조건을 형성하도록 구성된다.
실시예에서, 상기 장치는 중심 샤프트 상에 차례로 장착되는 적어도 2개의 로터를 포함한다.
복수의 고정 베인, 복수의 축 방향-방사상 로터 블레이드 및 혼합 공간은, 일부 실시예에서, 완전한 에너지 변환 사이클을 매개하도록 구성된 프로세스 스테이지를 형성한다.
실시예에서, 상기 장치에서 고정 베인은, 예컨대 로터의 특정 작업 입력 능력을 제어하기 위해, 바람직하게는 미리 결정된 방향으로 프로세스 유체 흐름을 로터로 지향(direct)하도록 구성된 입구 가이드 베인이다. 상기 고정 베인은 바람직하게는, 본질적으로 축대칭 자오 평면(meridional axisymmetric plane)(X-r)을 따르는 방향으로, 프리스월(preswirl)로 프로세스 유체 흐름을 로터로 지향하도록 더 구성된다.
실시예에서, 상기 장치에서 로터 블레이드는, 로터의 회전에 따라, 고정 베인으로부터 본질적으로 축 방향의 프로세스 유체 흐름을 수용하고, 또한 스월(swirl)로 상기 흐름을 본질적으로 방사상 방향으로 선회시켜, 그 접선 속도를 증가시킴으로써 프로세스 유체에 기계적 에너지를 부여하도록 구성된다.
실시예에서, 상기 장치에서 로터는, 프로세스 유체에 대한 기계적 에너지 입력을 제어하기 위해, 로터 블레이드의 프로파일 및 치수와 디스크 상의 배치와 관련되어 더 구성된다.
실시예에서, 장치에 제공되는 적어도 하나의 로터는, 복수의 로터 블레이드를 커버하도록 구성된 슈라우드(shroud)를 포함한다.
실시예에서, 상기 장치에서 혼합 공간은, 바람직하게는 프로세스 유체의 운동 에너지 또는 기계적 에너지를 상기 프로세스 유체의 내부 에너지로 변환하도록 구성된다. 상기 혼합 공간은, 바람직하게는 적어도 굴곡 섹션 및 뒤이어 복귀 채널 섹션을 포함하는 도관에 의해 형성된다. 실시예에서, 각각의 스테이지 내의 혼합 공간은, 그 기하 및/또는 치수 파라미터와 관련하여 조정 가능하게 구성된다. 상기 혼합 공간에서, 굴곡 섹션 및 복귀 채널 섹션 중 어느 하나는, 바람직하게는 장치 내에서의 적어도 형상, 길이, 단면 및 공간 배치와 관련하여 조정 가능하도록 구성된다.
일부 실시예에서, 혼합 공간은, 고정 베인 또는 베인들, 난류 발생기 장치, 스로틀(throttle) 장치, 거즈(gauze), 유동 가이드, 슬롯, 및 삽입 가능한 및/또는 제거 가능한 구성 요소 등을 포함하나 이에 한정되지 않는, 적어도 하나의 추가 구성 요소를 더 포함한다. 혼합 공간은 확산기(diffuser)를 더 포함할 수 있으며, 확산기는 베인형 또는 베인리스형일 수 있다.
실시예에서, 상기 장치 내의 고정 베인 및/또는 로터 블레이드는, 바람직하게는 미리 설정된 또는 제조된 바와 같이, 적어도 치수, 정렬 및 공간 배치와 관련하여, 각각의 스테이지 내에서 변화하도록 구성된다. 실시예에서, 상기 고정 베인 및/또는 로터 블레이드는, 장치의 동작 동안, 적어도 치수, 정렬 및 공간 배치와 관련하여, 각각의 스테이지 내에서 개별적으로 조정 가능하도록 구성된다.
실시예에서, 장치는 중심 샤프트 및 적어도 하나의 스테이지를 둘러싸도록 구성된 하우징을 더 포함한다.
실시예에서, 장치는 모듈식 구조체로서 구성되며, 하우징은 차례로 배치되는 다수의 모듈에 의해 형성된다. 장치는 적어도 하나의 비-배기(non-exhaust) 모듈 및 배기 모듈을 더 포함하도록 구성된다.
실시예에서, 배기 모듈은, 중심 샤프트에 의해 형성된 장치의 수평축에 대해 원주 방향으로 배열된, 프로세스 유체 배출을 위한 적어도 하나의 출구 라인을 포함하고, 배기 모듈에서 혼합 공간은, 출구 라인 내에 제공된 배기 혼합 공간이다. 상기 배기 모듈은, 주입 포트, 파이프, 매니폴드 등을 포함하나 이에 한정되지 않는, 적어도 하나의 추가적인 구성 요소를 더 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 상기 언급된 모듈식 구조체에서 스테이지는, 적어도 하나의 모듈에 의해 형성된다.
실시예에서, 장치는, 유체 흐름의 방향으로 가장 상류 측에 배치되고, 중심 샤프트에 의해 형성된 장치의 수평축에 대해 원주 방향으로 배열된 적어도 하나의 흡기 라인을 통해 공급 원료-함유(feedstock-containing) 프로세스 유체를 수용하도록 구성된, 입구 모듈을 더 포함하도록 구성된다.
실시예에서, 스테이지는 입구 모듈 및 배기 모듈에 의해 형성된다.
실시예에서, 모듈식 구조체 내의 모듈의 수는, 입구 모듈과 배기 모듈 사이에 제공된 적어도 하나의 비-배기 모듈의 추가, 교체 및/또는 제거에 의해 조정 가능하다.
실시예에서, 장치의 하우징은 고정 베인, 축 방향-방사상 로터 블레이드 및 혼합 공간에 밀접하게 인접하도록 구성된다.
추가 실시예에서, 하우징은, 장치의 수평 단면을 따라 봤을 때의 상부 부분 및 하부 부분을 더 포함하며, 상기 상부 부분은 각 모듈 내의 혼합 공간을 형성하는 채널의 적어도 굴곡 섹션을 둘러싸도록 구성된다.
실시예에서, 상기 상부 부분은, 복귀 채널 섹션의 적어도 일부를 둘러싸도록 더 구성된다.
실시예에서, 하우징의 상기 상부 부분은, 각각의 개별 모듈 내에서, 탈착 가능하고 교체 가능하게 구성된다.
실시예에서, 상기 장치에서 하우징은, 최대 30mm, 바람직하게는 5 내지 20mm의 범위 내의 두께를 갖는 벽으로 더 구성될 수 있다.
실시예에서, 장치는 다수의 촉매 표면으로 구성된다.
실시예에서, 상기 장치에서 각각의 프로세스 스테이지 및/또는 각각의 모듈은, 구조 및/또는 동작에 대한 제어 능력과 관련하여, 다른 스테이지 및/또는 모듈과는 독립적으로 형성된다.
실시예에서, 장치는 입구 모듈과 배기 모듈 사이에 배치된 적어도 하나의 비-배기 모듈에 연결 가능한 추가적인 설비, 예컨대 정제(refinery) 및/또는 열 교환기 설비를 더 포함한다.
다른 양태에서, 독립 청구항 35에 정의된 바에 따른, 탄화수소-함유 공급 원료의 열 또는 열화학 크래킹(cracking)을 위한 상기 장치의 사용이 제공된다.
추가 양태에서, 독립 청구항 37에 정의된 바에 따른, 일부 상기 양태에 따른 장치를 적어도 2개 포함하는 배열이 제공된다.
또 다른 양태에서, 독립 청구항 39에 정의된 바에 따른, 프로세스 유체에서 화학 반응을 수행하기 위한 방법이 제공된다.
본 발명의 유용성은 각각의 특정 실시예에 따라, 다양한 이유에서 발생한다. 본 발명에 따른 반응기의 모듈식 구조체는, 예컨대 고객의 특정 요구를 충족시키기 위해, 맞춤화된 맞춤형 해결책을 제공할 수 있게 한다. 따라서, 본 명세서에 개시된 해결책은, 반응기 내의 개별 모듈의 추가 및 제거, 그리고 선택적으로 교체가 수반되는 것을 가능하게 하여, 이에 따라 해결책에서의 다수의 프로세스 스테이지를 변경할 수 있게 한다. 예를 들어, 초기에 단일-스테이지 반응기 장치는, 단일-스테이지 구조체가 한 단계에서 필요한 양의 에너지를 전달할 수 없다고 판명된 경우에, 2개 이상의 스테이지를 포함하는 구조체로 용이하게 확장될 수 있다.
모듈식인 것에 더하여, 본 해결책은 또한 완전히 확장 가능(scalable)한 것으로, 따라서 본 명세서에 개시된 반응기는 본질적으로 임의의 크기 및 용량의 정제(refinement) 설비를 위해 구성될 수 있다. 확장성(scalability)이라 함은, 개별 반응기 장치의 크기(및 이에 따른 용량)를 변경하는 것을 의미한다. 반응기는 기존의 기계와 비교하여 훨씬 더 큰 스케일로 확장 가능하며; 일반적으로, 반응기의 확장성은 이의 전력 요건 및/또는 샤프트/로터 속도에 비례한다.
모듈식 해결책으로서 반응기 장치를 제공하는 것은 또한, 이의 처리 기능성을 향상시키는 것과 관련하여 다수의 이점을 얻을 수 있게 한다. 특히, 본 명세서에 개시된 구조체는 극도로 높은 정밀도로 체류 시간(공급 원료-함유 프로세스 유체가 반응 공간에서 보내는 시간)을 제어할 수 있다. 이는 혼합 공간(들)의 기하(geometry) 관련 및/또는 3차원 구성 파라미터의 미세 튜닝에 의해 달성된다. 체류 시간은 일정한 온도에서 1차 대 2차 생성물의 비율에 영향을 미친다. 따라서, 짧은 체류 시간으로, 목표 생성물(본 명세서에서, 경량 올레핀)의 형성을 초래하는 1차 반응은 우세한 반면, 긴 체류 시간은 2차 반응의 증가로 이어져, 코크스 형성을 초래한다.
또한, 하우징의 미리 결정된 부분을 교체함으로써, 각각의 모듈 또는 모듈 그룹 내에서, 체류 시간에 대한 추가적인 제어가 달성될 수 있다. 교체 가능한 모듈 및/또는 모듈 내에 교체 가능한 부분을 제공하는 것은, 반응기의 유지보수를 용이하게 하고, 파울링/코킹 문제에 대해 효과적인 해결책을 제공한다.
종래의 관형 반응기에서 열은 튜브 벽을 통해 유체로 전달된다(따라서, 근본적으로 상기 반응기는 열교환기 장치이다). 본 명세서에 제공된 해결책에서, 반응기는 내부적으로 그리고 공기역학적 작용을 통해 직접 반응 유체(들)/프로세스 유체(들) 내로 에너지를 입력하도록 구성된다.
그 결과, 본 반응기 장치는 반응 유체에서의 최대 온도보다 낮은 표면 온도를 갖는다. 이는 한편으로 반응기에서의 최대 온도를 감소시키고, 다른 한편으로는 코크스가 형성되어 반응기의 고체 표면 상에 증착될 가능성을 감소시킨다.
본 해결책은 상당히 낮은 표면 온도 및 종래의 반응기 장치와 비교하여 프로세스 유체에서의 더 낮은 온도 차이를 달성할 수 있게 한다. 따라서, 본 명세서에 제시된 반응기 장치는 유체 온도를 제어할 수 있게 하고, 이에 의해 온도 균일성이 개선될 수 있고, 이에 따라 온도 차이가 감소될 수 있다.
반응 유체에 대한 에너지 입력은 또한 고도로 제어 가능하다.
예시적인 구성에서, 본 발명에 따른 반응기는 유리하게는 1 내지 100kg/s의 범위 내의 용량을 갖는 고-유동 속도 반응기(high-flowthrough rate reactor)로서 제공된다. 상기 언급된 바와 같이, 본 명세서에 제시된 용액은 완전히 확장 가능하며, 따라서 반응기의 용량은 그 크기에 크게 의존한다. 예시적인 범위는 10 내지 15kg/s, 25 내지 50kg/s, 또는 75 내지 100kg/s를 포함한다. 사실상 반응기는 100kg/s를 초과하는 용량 값을 달성하도록 구성될 수 있다; 그러나, 장치를 더 큰 크기 및/또는 부피로 다시 스케일링하는 것은, 일부 경우에서, 전력 및 속도 요건에 의해 제한될 뿐만 아니라, 비용 효율성 고려 사항에 의해 제한될 수 있다.
종래의 기계, 예를 들어, 축 방향 및 토로이드 용액(toroidal solution)에 대한 본 해결책의 다음 이점이 또한 식별될 수 있다:
- 개선된 작업 입력 능력(종래 기술 해결책에 비해 약 400%);
- 소형화(더 낮은 제조 비용);
- 단계 사이의 흐름 혼합이 회피됨;
- 모두 함께, 수율에 기여하는 체류 시간, 압력 및 온도는, 각 스테이지에서 높은 정밀도로 제어 가능함. 기존의 개념 중 어느 것도 상기 언급된 3개의 파라미터를 모두 함께 제어할 수 없음;
- 온도 분포의 원주 방향 균일성, 클리어런스(clearance)는 더 작으며; 코킹은 감소됨.
본 개시에서, 용어 "열분해(pyrolysis)" 및 "크래킹(cracking)"은, 더 무거운 탄화수소-함유 화합물을 더 가벼운 탄화수소-함유 화합물로 열분해하는 프로세스에 관한 동의어(synonyms)로서 주로 이용된다.
표현 "다수의"는 본 명세서에서 일(1)로부터 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들어 일, 이, 또는 삼을 의미한다. 표현 "복수의"는 본 명세서에서 두(2)개부터 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들어 2개, 3개, 또는 4개를 의미한다.
용어 "제1" 및 "제2"는, 명시적으로 달리 언급되지 않는 한, 임의의 특정 순서 또는 중요도를 표시하지 않고, 단지 다른 요소로부터 요소를 구별하기 위해 본 명세서에서 사용된다.
용어 "유체" 및 "프로세스 유체(process fluid)"는 본 개시에서 주로 가스 물질을 의미하는 것으로, 바람직하게는 희석제(diluent)의 존재 하에, 예를 들어 반응기 장치의 내부를 통해 안내되는 가스 공급 원료 스트림과 같은 가스 물질을 의미한다.
용어 "기화"는 본 명세서에서 임의의 가능한 수단에 의해 물질이 기체 형태로 변환되는 것을 나타내기 위해 이용된다.
용어 "유체 역학"은 본 개시에서 주로 기체에 의해 표현되는 유체 역학을 나타내기 위해 본 명세서에서 이용된다. 따라서, 상기 용어는 용어 "공기 역학"에 동의어로서 본 개시에서 이용된다.
본 발명의 다른 실시예는 상세한 설명 및 첨부 도면을 고려함으로써 명백해질 것이다.
도 1a 및 도 1b는 일부 실시예에 따른 장치(100)를 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 일부 다른 실시예에 따른 장치(100A)를 도시한다.
도 3은 일부 실시예에 따른, 장치의 배기 모듈의 단면도이다.
도 4는 일부 실시예에 따른, 장치 내의 고정(stationary) 및 로터 관련 요소를 도시하는 교차 절단면(crosscut)을 통한 부분 도면이다. 입구(r1ω) 및 출구(r2ω)에서의 회전 방향, 각도(Ω, ω) 및 접선 속도가 표시된다.
도 5는 냉각 시스템과 같은 추가 설비를 더 포함하는 장치의 실시예를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 고정 및 로터-관련 요소에 대한 예시적인 구성을 개략적으로 도시하며; 도 6c는 일부 실시예에 따른, 장치의 예시적인 프로세스 스테이지를 개략적으로 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 일부 다른 실시예에 따른 장치(100A)를 도시한다.
도 3은 일부 실시예에 따른, 장치의 배기 모듈의 단면도이다.
도 4는 일부 실시예에 따른, 장치 내의 고정(stationary) 및 로터 관련 요소를 도시하는 교차 절단면(crosscut)을 통한 부분 도면이다. 입구(r1ω) 및 출구(r2ω)에서의 회전 방향, 각도(Ω, ω) 및 접선 속도가 표시된다.
도 5는 냉각 시스템과 같은 추가 설비를 더 포함하는 장치의 실시예를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 고정 및 로터-관련 요소에 대한 예시적인 구성을 개략적으로 도시하며; 도 6c는 일부 실시예에 따른, 장치의 예시적인 프로세스 스테이지를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 상세한 실시예는 첨부 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된다. 동일한 도면 부호는 동일한 부재를 지칭하기 위해 도면에 걸쳐 사용된다.
도 1a 및 도 2a는 다양한 실시예에 따라, 프로세스 유체에서 화학 반응을 수행하기 위한 반응기 장치(이하 반응기)의 다양한 실시예의 기본 개념을 100, 100A로 도시한다.
반응기(100, 100A)는 원심 압축기 또는 원심 펌프를 위한 설계를 일반적으로 따르는 방사상(radial) 터보기계로 구성된다. 용어 "원심"은 장치 내의 유체 흐름이 방사상이라는 것을 의미하며; 따라서, 이 장치는, 본 개시에서, "방사상-흐름 장치"로서 지칭될 수 있다.
반응기(100, 100A)는 프로세스 유체에서 적어도 하나의 화학 반응을 수행하도록 구성된다. 일부 예시적인 실시예에서, 반응기는 탄화수소-함유 공급 원료, 특히 유동화된 탄화수소-함유 공급 원료의 열 또는 열화학적 전환을 위해 구성된다. "탄화수소-함유 공급 원료"에 의해, 본 발명자는 본 명세서에서 탄소 및 수소를 포함하는 유동화된 유기 공급 원료 물질을 주로 언급한다. 그러나, 일부 경우에, 반응기는 산소-함유 탄화수소 유도체, 셀룰로오스계 공급 원료 및/또는 식물성 오일 기반 공급 원료와 같은, 산소-함유 공급 원료 물질을 처리하도록 구성될 수 있다. 따라서, 본 명세서에 제시된 반응기의 적용 가능성은, 종래의 탄화수소 공급 원료 정의에 의해 부여되는 한계를 넘어 연장된다.
반응기(100, 100A)는 기화된 공급 원료를 처리하도록 구성되며, 프로세스 유체는 기체 형태로 제공된다. 대안적인 구성에서, 본질적으로 액체 공급 원료 물질의 처리는 배제되지 않는다.
열분해 반응 공급 원료는, 생성물 수율을 향상시키기 위해 통상적으로 희석제(들)를 포함한다. 반응기(100, 100A)는 적어도 하나의 희석제, 바람직하게는 예를 들어, (수)증기, 질소(N2) 또는 아르곤과 같은 기체 희석제에 의해 희석된 공급 원료를 수용하도록 유리하게 구성된다. 일부 경우에, 희석제는 반응물 및 반응 생성물에 대해 본질적으로 제로(zero) 반응성을 갖는 불활성 기체 매질(예를 들어, 질소, 아르곤)이다. 임의의 다른 적합한 희석제, 바람직하게는 기체 희석제가 이용될 수 있다. 따라서, 장치(100, 100A)를 통해 전파되는 프로세스 유체는 상기 적어도 하나의 희석제를 포함한다.
따라서, 반응기(100, 100A)는 수평(길이 방향) 축(X-X'; 수평축을 따르는 프로세스 유체의 흐름은 화살표에 의해 표시됨)을 따라 배치된 중심 샤프트(1), 및 상기 샤프트(1)에 장착된 다수의 로터 유닛(이하, 로터)을 포함한다. 일부 구성에서, 반응기는 적어도 하나의 로터를 포함하며; 바람직한 구성에서, 반응기는 순차적인 순서로(차례로) 중심 샤프트 상에 장착된 2개 이상의 로터를 포함한다.
반응기(100, 100A)는 전기 모터, 증기 터빈 또는 가스 터빈과 같은 적어도 하나의 드라이버 유닛(미도시)을 더 포함하며, 그 위에 장착된 샤프트 및 로터를 회전하도록 구성된다.
각각의 상기 로터 유닛은 중심 샤프트(1) 상에 장착된 디스크(3a)의 원주 상에 배열된 복수의 로터 블레이드(3)를 포함한다. 함께, 디스크 상에 배열된 상기 복수의 로터 블레이드는, 로터 블레이드 조립체 또는 로터 블레이드 캐스케이드(cascade)를 형성한다. 상기 로터 블레이드(3)는 축 방향-방사상 로터 블레이드로 구성될 수 있고; 대안적으로, 로터 블레이드는 주로 방사상 로터 블레이드로 구성될 수 있다. 축 방향-방사상 로터 블레이드의 정의는 다음과 같이 설명될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 프로세스 유체는 본질적으로 수평 방향(X-X')(접선 방향 스월(swirl)로 또는 접선 방향 스월 없이)으로 로터에 들어가고, 자오 평면(meridional plane) 상에서 볼 때 주로 방사상으로 (즉, 장치의 중심 샤프트에 의해 정의된 수평축(X-X')으로부터 방사상 외측으로) 로터를 떠난다. 자오 뷰(meridional view)(2차원)는 반응기(100, 100A)를 통한 수평 교차 절단면으로서 도시된다. 주로 방사상인 로터 블레이드가 도 6c에 도시되어 있다. 전체적으로, 로터 블레이드(3)는 높은 스테이지 작업 입력을 위한 높은 로딩 원심 임펠러 블레이드이다. 로터는 스플리터 블레이드(splitter blade)를 포함하도록 구성될 수 있으며, 이는 작업 입력 능력을 더 향상시킨다. 스플리터 블레이드를 갖는 로터는 도 6b를 참조하여 아래에서 더 설명된다.
반응기(100, 100A)는 로터의 상류에 배치된 복수의 고정 (고정자) 베인(2)을 더 포함한다. 상기 복수의 상기 고정 베인은 함께 고정자 베인 캐스케이드(고정자)를 형성하며, 로터의 상류에 본질적으로 환형 조립체로서 제공된다.
바람직한 구성에서, 반응기(100, 100A)는 로터의 하류에 배치된 혼합 공간(4)을 더 포함한다.
용어 "상류" 및 "하류"는 반응기 전체에 걸쳐 (축(X-X'), 도 1a, 2a를 따라) 프로세스 유체 흐름의 방향으로, 미리 결정된 부품 또는 구성 요소와 관련된, 본 명세서에서는 로터와 관련된, 구조적 부품 또는 구성 요소의 공간 및/또는 기능적 배열을 지칭한다.
고정 베인(2)은 중심 샤프트를 중심으로 한 프로파일, 치수 및 배치와 관련하여 구성된 (입구) 안내 베인(inlet guiding vane, IGV)으로서 유리하게 제공되어, 예컨대 로터-특정 작업 입력 능력을 제어하고, 일부 경우에, 최대화하기 위해, 미리 결정된 방향으로 로터 내로 프로세스 유체 흐름을 지향시킨다. 고정 구조체로 제공된 고정자(2)는 프로세스 유체에 에너지를 부가하지 않는다. 그러나, 고정자 베인은 프로세스 유체에 필요한/요구되는 프리스월(pre-swirl)을 부가하기 위해 그리고 로터가 상기 프로세스 유체에 입력되는 (기계적) 에너지를 최대화할 수 있도록 구성된다. 이는, 프로세스 유체가 (예를 들어, 프로세스 파라미터에 의해) 미리 결정되고 요구되는 각도 및 속도로 로터에 들어가도록 하기 위해 고정자 베인을 치수화함으로써 달성된다. 유체가 로터 블레이드로 들어가는 각도(입구 각도)는, (고정자(2)의 하류에 배치된) 로터(3)가 얼마나 많은 에너지를 유체에 부여하는지에 의존하므로, 본 명세서에서 가장 필수적인 파라미터이다.
고정 베인(2)은, 또한, 본질적으로 축대칭 자오 평면(X-r)(도 1a, 도 4)을 따르는 방향으로 프로세스 유체 흐름을 로터 내로 지향하도록 구성된다.
따라서, 프로세스 유체 흐름은 본질적으로 축 방향(평면(X-X')을 따른 화살표에 의해 도시됨, 도 1a, 2a)에서 복수의 로터 블레이드(3)로 들어간다. 축 방향-방사상 로터 블레이드(3)는 또한, 로터의 회전에 따라, 고정 베인(2)으로부터 상기 본질적으로 축 방향인 프로세스 유체 흐름을 수용하고, 또한 상기 흐름을 본질적으로 방사상 방향으로 다시 선회하도록 구성되어(도 4), 접선 속도(원주 방향 속도)를 증가시킴으로써 프로세스 유체에 기계적 에너지를 부여한다. 따라서, 접선 속도의 증가는 유체의 운동 에너지의 증가를 초래한다.
도 4를 참조하면, 고정자 베인(2)과 로터 블레이드(3)의 서로에 대한 배열이 도시되어 있다. 수평축(X)을 중심으로 한 로터의 회전 방향은 화살표로 표시된다. 로터의 각 속도(angular velocity)는 Ω(ω, 오메가)로 표시되어 있는 반면; 블레이드의 접선 속도 또는 원주 속도는 r ω로 표시되며, r은 로터의 반경이다. 도 4는 로터로 들어가는 유체 흐름에 대한 벡터 삼각형(r1 ω, V1, W1) 및 로터를 빠져나가는 유체 흐름에 대한 벡터 삼각형(r2 ω, V2, W2)을 도시하며, 벡터(W)는 상대 (흐름) 속도이고, 벡터(V)는 흐름 방향 또한 나타내는 절대적 (흐름) 속도이며:
V = W + (r ω)
도 4에서, 고정자(2)를 빠져나와 로터(3)로 들어가는 본질적으로 축 방향인 유체 흐름(V1)이 로터 블레이드에 의해 추가로 안내되고, 상기 로터의 회전에 따라, 장치의 중심 샤프트에 의해 정의되는 수평축(X)으로부터 방사상 외측으로 안내됨을 관찰할 수 있다(V2; 로터 블레이드를 빠져나가는 흐름). 본 발명에서는 중심 샤프트(1)에 의해 정의되는 장치(100)의 수평(길이) 축(X)에 본질적으로 직교하는 방향(들)을 나타내기 위해, 용어 "방사상" 또는 "방사상으로"가 사용된다.
일부 경우에, 로터 블레이드의 원주 속도는 적어도 150m/s가 되도록 구성된다. 일부 경우에, 상기 원주 속도는 150 내지 350m/s 사이의 범위로 조정될 수 있다. 로터 로드 용량이 너무 낮아지기 때문에, 원주 속도를 150m/s의 속도 미만으로 감소시키는 것은 바람직하지 않다.
본 명세서에서 로터는, 프로세스 유체에 대한 기계적 에너지 입력을 최대화하기 위해, 로터 블레이드의 프로파일 및 치수와, 로터 블레이드의 디스크 상의 배치와 관련되어 구성된다.
일부 경우에서, 적어도 하나의 로터는 복수의 로터 블레이드(3)를 커버하도록 구성된 슈라우드(3b)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 슈라우드가 없는 로터는 누설 흐름(leakage flow)(커버되지 않은 회전 블레이드 위로 "누설"되는 흐름), 그리고 일부 경우에는 역방향 누설 흐름과 연관된 높은 손실로 인해 덜 효율적인 경향이 있다. 슈라우드(3b)와 같은 로터 커버는 이러한 누설을 효과적으로 방지하거나 적어도 최소화한다. 추가적으로, 슈라우드는 스테이지 사이에서 다르게 발생할 수 있는 유체 역류(backflow) 및 해로운 흐름 혼합을 방지한다.
일부 경우에서, 동일한 장치(100, 100A)는 슈라우드형 및 언슈라우드형(unshrouded) 로터를 모두 포함하는 것이 바람직하다. 언슈라우드형 로터는 더 높은 회전 속도로 로터를 작동시킬 수 있게 하며, 이에 따라 다수의 슈라우드형 로터에 이에 다수의 언슈라우드형 로터를 갖는 구성이, (예를 들어, 중심 샤프트 상에 순차적으로 배열된 적어도 5개의 로터를 포함하는) "멀티 로터" 구성에서 반응 조건을 조정하는 것과 관련하여 유익할 수 있다.
로터가 프로세스 유체에 기계적 에너지를 부여하도록 구성되면서, 로터의 하류에 위치된 혼합 공간(4)은 프로세스 유체의 기계적 에너지를 상기 프로세스 유체의 내부 에너지로 변환하도록 추가로 구성된다. 혼합 공간(4)에서, 로터로부터 도달하는 고속 유체 흐름은 상당한 엔트로피 증가로 확산(diffuse)되어, 흐름은 운동 에너지를 반응(프로세스) 유체의 내부 에너지로 소산(dissipate)시킴으로써, 긴 탄소-수소(C-H) 사슬 사이의 화학적 결합을 분해하는데 필요한 열 에너지를 제공한다. 유체의 내부 에너지의 증가는 유체 온도의 상승을 초래한다. 따라서, 프로세스 유체에서 발생하는 고분자량 화합물은 효과적으로 크기가 감소된다.
반면에, 종래의 관형 반응기에서는, 기계적 에너지가 열로 변환되어 튜브 벽을 통해 전달된다. 기본적으로, 상기 종래의 관형 반응기는 열교환기 장치이다. 그러나, 본 장치(100, 100A)는 분자에 직접 에너지를 부가하도록 구성된다. 따라서, 기계적 에너지는 공기 역학 작용을 통해 소산된다.
따라서, 반응기(100, 100A)에서, (로터의 상류에서) 복수의 고정 베인(2), 복수의 축 방향-방사상 로터 블레이드(3) 및 혼합 공간(4)은, 완전한 에너지 변환 사이클을 매개하도록 구성된 프로세스 스테이지(이하, 스테이지)를 형성한다. 에너지 변환 사이클 동안, 유체의 기계적 에너지는 운동 에너지로 변환되고, 추가로 유체의 내부 에너지로 변환되어, 유체 온도 상승 및 상기 유체에서 화학 반응의 발생을 수반한다.
도 1b 및 도 2b를 참조하면, 혼합 공간은 본 명세서에서 적어도 굴곡 섹션(41)에 이어 복귀 채널 섹션(42)을 포함하는 도관에 의해 형성된다. 각각의 스테이지 내에서, 상기 혼합 공간(4)은 이의 기하 및/또는 치수 파라미터와 관련하여 조정 가능하게 구성된다. 따라서, 혼합 공간(4) 내의 굴곡 섹션(41) 및 복귀 채널 섹션(42) 중 어느 하나는 장치(100, 100A) 내에서 적어도 형상, 길이, 단면 및 그 공간 배치와 관련하여 조정 가능하다.
굴곡 섹션(41)은 유리하게는 U자-굴곡으로서 제공되지만, 예를 들어 S-모양 굴곡과 같은 다른 구성이 배제되지 않는다.
혼합 공간(4)의 상기 파라미터를 변화시킴으로써, 체류 시간(각 혼합 공간에서 프로세스 흐름이 보내는 시간) 및 반응 수율이 높은 정밀도로 제어될 수 있다. 예를 들어, 굴곡 섹션(41) 및/또는 복귀 채널 섹션(42)의 길이 및/또는 직경을 증가시키는 것은, 프로세스 유체의 엔트로피 증가를 최대화 및/또는 가속시키는 것을 가능하게 하며, 이에 따라, 유체에 대한 로터의 기계적 에너지의 신속한 전달을 위한 조건을 생성한다. 따라서, 혼합 공간(4)은 화학 반응(들)이 주로 발생하는 반응 공간을 형성한다.
혼합 공간(4)은 절대 유동 방향을 제어하기 위한 고정 베인 또는 베인들, 난류 향상 장치(난류 발생기 장치), 스로틀(throttle) 장치, 거즈(gauze), 유동 가이드, 슬롯(slot) 및 삽입 가능한 및/또는 제거 가능한 구성 요소 등을 포함하는 적어도 하나의 추가적인 구성 요소를 더 포함하나(미도시), 이에 한정되지 않는다. 부가적인 구성 요소는 프로세스 유체의 엔트로피 증가를 최대화하는 것과 관련하여 유익할 수 있다. 또한, 상기 부가적인 구성 요소는 반응기의 작동 동안 혼합 공간에 대해 추가적으로 조정이 가능하게 한다.
일부 구성에서, 장치(100, 100A)는 도 2b 및 도 6a 및 도 6b에 도시된 바와 같이, 확산기(4b)를 포함한다. 확산기는 유리하게, 로터(3)의 하류에 혼합 공간(4) 내에서, 굴곡 섹션(41)에 및/또는 복귀 채널 섹션(42)의 적어도 일부에 배치된다. 확산기는 또한 출구 가이드 베인(도 6a, 6b)으로 지칭되는 복수의 고정 베인(4b)을 포함하는 베인형 확산기로서 구성될 수 있거나, 또는 베인리스형 확산기로서 구성될 수 있다. 고정 확산기 베인은, 혼합 공간의 내부를 형성하는 벽 상에 직접 배치될 수 있고 및/또는 링, 브라켓 등과 같은 보조 장치에 의해 벽에 연결될 수 있다.
도 6a 및 도 6b는 로터 블레이드(3) 및 로터의 하류에 배치된 고정 베인(4b)(확산기 베인) 및 서로에 대한 배열의 예시적인 구성을 개략적으로 도시한다. 도 6a 및 도 6b에 도시된 로터에 대한 예시적인 동작 파라미터는 아래의 표 1에 요약되어 있다.
표 1. 로터(3)에 대한 예시적인 동작 파라미터(도 6a, 6b).
| 로터 블레이드 입구에서 방사상 속도 범위* | 215m/s-265m/s |
| 로터 블레이드 출구에서 속도 범위* | 300m/s-380m/s |
| 방사상 스테이지 특정 작업 입력(스테이지 당 공급 원료 특정 엔탈피 상승) | 240kJ/kg-450kJ/kg |
| 통류 질량 유량(through flow mass flow rate)에 대한 로터 출구 직경 | 180-250ton/hour |
| 외부 직경(OD) | 약 1.0m |
| 로터 블레이드 입구에서 음의 프리스월의 범위 | 40 내지 약 55도 |
| 로터 블레이드 입구에서의 기하 또는 금속 각도 | 약 62도 |
| 로터 블레이드 출구에서의 전방 스위프 각도 | 약 45도 |
* 여기서 입구(리딩(leading) 에지) 및 출구(트레일링(trailing) 에지)는 유체 흐름 방향으로 정의된다(근사화된 유체 흐름 방향은 도 6a, 도 6b에 점선 화살표로 표시됨; 로터의 회전 방향은 실선 수평 화살표에 의해 표시됨).
도 6b는 메인 로터 블레이드(3)와 교호하는 복수의 스플리터 블레이드(31)를 포함하는 로터 통로에 대한 대안적인 구성을 도시한다. 스플리터 블레이드(31)는 블레이드의 후방부에서 블레이드 로딩을 감소시키고 작업 입력 및 통류 용량을 향상시키도록 구성된다. 예시적인 구성에서, 로터 블레이드의 통상적인 개수는 64개(32개의 메인 블레이드 + 32개의 스플리터 블레이드)이다.
로터 블레이드는 로터 입구에서 초크형(choked) 흐름 모드를 형성하도록 구성될 수 있으며, 이에 의해 유동 용량은 정확하게 제어될 수 있다. 대부분의 작동 조건에서, 고정자 베인 입구에서 초킹이 얻어지고, 이에 의해 고정자의 절대 유동 용량은 로터를 통한 실제 정체 압력(stagnation pressure)의 상승에 의해 제어될 수 있다(베인리스형 혼합 공간(4)의 손실을 고려함). 본 명세서에서 초크형 유동 모드는, 유동 속도가 초음속(supersonic)인 블레이드 열의 입구에서 제한된 유동 용량과 연관된 모드이다.
도 6c는 프로세스 스테이지(입구 유동 스월러(swirler)는 미도시)의 자오 뷰를 개략적으로 도시한다. 스테이지 입구 및 스테이지 출구는 화살표로 표시된다. 따라서, 도 6c는 확산기 베인(4b)(출구 가이드 베인)이 위치하는 혼합 공간(4)의 부분 및 로터(3)를 도시한다. 혼합 공간(4) 내의 베인리스형 공간은 혼합을 가능하게 한다. 도 6c에 도시된 바와 같은 스테이지 설계는 60kg/s의 공칭 유량(nominal flow rate)을 가지며, 이는 시간당 216 톤의 공급 원료와 같다.
도 6c에서 볼 수 있는 바와 같이, 상대적으로 큰 베인리스형 공간(4)이 로터 블레이드(3)의 트레일링 에지와 고정 출구 가이드 베인(4b)의 리딩 에지 사이에 설정되어, 유체 흐름의 추가적인 혼합이 가능하게 하며, 이에 의해 정체 압력이 감소된다.
(로터의 상류에서) 고정 베인(2), 로터 블레이드(3), 및/또는 (로터의 하류에서) 고정 베인(4b)의 치수, 정렬 및 공간 배치는, 설계(제조) 또는 동작에 의해 각 스테이지 내에서 개별적으로 조정 가능한 것이 바람직하다. 따라서, 고정 베인 및/또는 로터 블레이드는, 미리 설정(동작 전 및/또는 동작 동안 설정된) 또는 제조된 바와 같이, 적어도 치수, 정렬 및 이의 공간 배치와 관련하여, 각각의 스테이지 내에서 변할 수 있다. 스테이지 별로 변할 수 있는 것에 더하여, 상기 고정 베인 및/또는 로터 블레이드는 장치의 동작 동안 (조정될 수 없게) 고정되고 및 개별적으로 조정 가능하게 구성될 수 있다.
반응기(100, 100A)에서 900 또는 1000℃와 같은 원하는 온도로 프로세스 유체를 가열하는 것은, 바람직하게는 2개 또는 3개의 초기 단계 내에서 수행된다. 그 후, 온도는 출구(배출)까지 본질적으로 일정하게 유지된다.
장치(100, 100A)는 적어도 하나의 입구(11) 및 적어도 하나의 출구(12)를 갖는 케이싱 또는 하우징(20)을 더 포함한다. 하우징(20)은 중심 샤프트(1) 및 적어도 하나의 스테이지를 둘러싸도록 구성된다.
도 1a에 도시된 구성에서, 하우징(20)은 그 전체 길이를 따라 본질적으로 일정한 단면을 갖는다.
100에서 구현된 장치의 일부 보조 구성은 (절단된) 콘 형태의 하우징(미도시)을 제공하는 것을 포함한다.
도 2a에 도시된 구성에서, 하우징(20)은 고정 베인, 축 방향-방사상 로터 블레이드 및 적어도 하나의 프로세스 스테이지를 형성하는 혼합 공간을 둘러싸는 (밀접하게 인접하는) 한정된 공간(confined space)으로서 제공된다. 상기 하우징의 내부 및 선택적으로 외부 형상은 본질적으로 상기 프로세스 스테이지를 구성하는 요소의 형상을 따르도록 구성된다. 따라서, 일부 경우에서, 하우징(20)은 그 내부를 가로지르는 가변 단면적을 갖는다(도 2a).
모듈식 구조체로서 구성된 반응기(100, 100A)를 도시하는 도 1b 및 도 2a가 참조되며, 여기서 하우징(20)은 차례로 배치된 모듈(20A, 20B, 20C, 20D)의 개수에 의해 설정된다. 도 1b 및 도 2a에 도시된 구성은, 후자가 반응기(100, 100A)의 특정 구현에 따라 변할 수 있기 때문에, 모듈의 개수 및 배열과 관련하여 예시적이다.
반응기(100, 100A)는 적어도 하나의 비-배기 모듈 및 배기 모듈을 포함하도록 더 구성된다. 비-배기 모듈에 의해, 본 명세서에서, 상류로부터 하류로 프로세스 유체 흐름이 순환될 수 있게 하는 구조적 엔티티를 참조한다. 배기 모듈은, 생성물 함유 유체 흐름이 반응기(100, 100A)로부터 배출되는 모듈이다.
배기 모듈(22)은, 튜브 또는 파이프로 구성된 적어도 하나의 출구 라인(12)을 포함하며, 예를 들어 생성물-함유 프로세스 유체 배출을 위해, 상기 라인(12)은 중심 샤프트에 의해 정의된 수평축(X-X')에 대해 원주 방향으로 배열된다. 도 1a 및 도 2a에서, 출구 라인(12)은 수평축(X-X')에 대해 본질적으로 수직 방향으로 배열된다.
배기 모듈(22)은, 로터(3)와, 출구 라인(12) 내부에 제공되는 배기 혼합 공간(4a)으로서 구성된 혼합 공간을 포함한다. 배기 모듈(22)에 대한 단면도는 도 3에 의해 제공된다. 상기 배기 모듈(22)은 포트, 파이프, 매니폴드 등과 같은 유체의 주입 및/또는 회수를 위해 구성된 적어도 하나의 추가 구성 요소를 더 포함한다(미도시).
반응기(100, 100A)는 프로세스 유체 흐름의 방향으로 가장 상류 측에 배치된 입구 모듈(21)을 더 포함한다. 대부분의 경우에, 상기 입구 모듈은 순서에서 제1 모듈로서 제공된다. 입구 모듈(21)은 수평축(X-X')에 대해 원주 방향으로 배열된 적어도 하나의 흡기 라인(11)(입구)을 통해 공급 원료-함유 프로세스 유체를 수용하도록 구성된다.
입구 모듈은 로터에 고도로 스월링하는 흐름을 생성하기 위해 스크롤 입구와 같은 추가적인 입구 포트(13)를 더 포함할 수 있다.
일부 경우에서, 반응기(100, 100A)는 단일-스테이지 장치로서 구성된다. 이러한 경우에, 스테이지는 입구 모듈(21) 및 배기 모듈(22)에 의해 형성된다.
그러나, 필요한 양의 에너지가 하나의 스테이지에서 전달될 수 없다면, 멀티 스테이지 장치가 요구된다. 이러한 경우에, 반응기(100, 100A)는 스테이지가 적어도 하나의 비-배기 모듈(20A, 20B, 20C, 20D, 등)에 의해 설정되는 멀티 스테이지 모듈식 구조체로서 구성된다. 멀티 스테이지 반응기는 적어도 2개의 스테이지에 의해 형성될 수 있다. 일부 경우에서, 멀티 스테이지 장치는 비-배기 모듈(20A, 20B, 20C, 20D), 입구 모듈(21) 및 출구(배기) 모듈(22)에 의해 형성된 적어도 하나의 스테이지를 포함할 수 있다. 통상의 기술자에게, 반응기(100, 100A)가 도 1b 및 도 2a에 도시된 것을 초과하는 다수의 비-배기 모듈로 구현될 수 있다는 것은 명백하다.
입구 모듈(21)과 출구 모듈(22) 사이에 배치된 (비-배기) 모듈(20A, 20B, 20C, 20D)은 중앙 모듈로서 더 지칭될 수 있다.
전술한 실시예에 따라 구성된 반응기(100A, 100A)는 설계 파라미터의 비교적 다양한 변화에 대한 허용을 갖는다. 특히, 멀티 스테이지 해결책은 각각이 상이한 체적 유량/체적 유동 용량을 갖는 다수의 스테이지로 구성될 수 있다. 따라서, 작업 입력 요건 및/또는 체류 시간은 각 스테이지 내에서 개별적으로 조정/조절될 수 있다.
모든 구성(100, 100A)에서, 질량 유량은 로터 크기(직경, 4중 증가) 및/또는 블레이드 높이(선형 증가)를 변화시킴으로써, 선택적으로 스테이지 별로 쉽게 조정 가능하다. 로터 블레이드에 대한 가변 높이는 로터 디스크(3a)의 축 방향 위치를 조정함으로써 달성될 수 있으며, 이는 유사한 설계를 갖는 상이한 스테이지를 통해 체적 유량을 변화시킬 수 있게 한다. 전술한 방식으로 (로터) 블레이드 높이를 변경시키는 것은, 디스크 응력은 반응 프로세스의 끝을 향해 (즉, 반응기 장치의 단부를 향해) 할당될 것이며, 여기서 온도 및 작업 입력 요건은 모두 가장 높으므로, 반응기를 통한 체적 유동 용량을 증가시킬 수 있게 한다.
로터 성능은 블레이드 높이의 증가에 의해 거의 영향을 받지 않기 때문에, 방사상 유동 반응기는 스플리터 블레이드를 갖는 복수의 메인 블레이드(예를 들어, 32개 + 32개 해결책)를 포함하는 로터 유닛(들)으로 설계될 수 있으며, 이는 개선된 확장성을 가능하게 한다.
모듈(20A, 20B, 20C, 20D, 21, 22)은 연관된 시일(seal)(들)(미도시)과 선택적으로 결합된 적어도 하나의 베어링(5)에 의해 상호 연결된다. 모듈식 구조체는 입구 모듈과 배기 모듈 사이에 제공된 적어도 하나의 비-배기 모듈의 추가, 교체 및/또는 제거에 의해 모듈식 구조체 내의 모듈의 수를 조정할 수 있게 한다.
중심 샤프트(1)는, 예를 들어, 허스 조인트(Hirth joint)(미도시)와 같은 적절한 결합에 의해 함께 결합된 적어도 2개의 부분으로 더 구성될 수 있다. 허스 기어와 제공되는 결합 요소는, 이들의 형태 및 힘 인가 메커니즘에 의하여 (샤프트) 회전에 따라 자체 센터링되므로, 허스 기어(들)의 이용이 특히 유익하다.
다수의 구성에서, 하우징(20)은 반응기(수평 분할)의 수평 단면을 따라 볼 때 상부 부분 및 하부 부분을 더 포함한다. 도 1b 및 도 2b는 20D에서, 상부 부분(201) 및 하부 부분(202)을 포함하는 하우징을 도시한다.
상기 상부 부분(201)은 각각의 대응하는 스테이지 및/또는 모듈 내의 혼합 공간(4)을 형성하는 채널의 적어도 굴곡 섹션(41)을 포함하도록 구성된다. 일부 경우에서, 상부 부분(201)은 복귀 채널 섹션(42)의 적어도 일부 및 로터 디스크의 적어도 일부를 더 포함하도록 구성될 수 있다.
다수의 구성에서, 각각의 개별 모듈 내의 하우징의 상기 상부 부분(201)은 탈착 가능하고 교체 가능하게 구현될 수 있다. 이러한 배열은 반응 파라미터를 추가로 튜닝할 수 있게 하며; 또한 코킹 문제를 완전히 해결하는 간단하고 비용 효율적인 접근법을 제공한다. 예를 들어, 도 1b 및 도 2b(점선 박스)는 혼합 공간(4)의 굴곡 섹션(41)을 포함하는 예시적인 모듈(20D)의 상부 부분(201)을 도시한다. 점선 박스(201) 내에서 최하부 아이템은 혼합 공간의 (예를 들어, U자-굴곡과 같은) 굴곡 섹션(41)을 포함한다. 따라서, 전술한 (상부) 부분(201)을 포함하는 모듈 내에서 프로세스 유체의 체류 시간이 감소된다.
동일한 점선 박스(201)(도 1b 및 도 2b) 내의 최상부 아이템은, (예를 들어, U자-굴곡과 같은) 굴곡 섹션(41)을 포함하며, 추가적으로, 혼합 공간(4)의 복귀 채널 섹션(42)의 일부를 포함한다. 따라서, 이러한 (상부) 부분(201)을 포함하는 모듈 내에서 프로세스 유체의 체류 시간이 증가될 수 있다.
각각의 모듈 내에서 상부 부분(201)을 개별적으로 교체함으로써, 체류 시간은 높은 정밀도로 제어될 수 있다. 또한, 배열은 반응기의 유지보수를 용이하게 하고 및/또는 파울링/코킹 문제에 대한 해결책을 제공한다. 실제로, 개별 모듈 및/또는 이의 부분의 제거(예를 들어, 개별 모듈 내에서 상부 부분(201)을 해체함)는, 뒤이은 세정 및/또는 교체가, 전체(멀티 스테이지) 장치의 서비스 및 유지보수에 비해 상당히 간단하고, 빠르고 비용 효율적인 대안이 된다.
반응기(100, 100A)는 최대 30mm, 바람직하게는 5 내지 20mm의 범위 내의 두께를 갖는 벽을 구비한 하우징(20)을 포함하도록 더 구성된다.
매우 얇은 벽을 가짐으로써, 그 기계적 완전성을 달성하거나 유지하는 것이 더 용이하다. 예컨대, 얇은 벽 케이싱은 예열하기 보다 용이하다. 또한, 얇은 금속 시트의 이용은 열 응력의 상당한 감소를 가능하게 하며, 이에 따라 건설 및 유지 비용도 절감할 수 있다.
본 개시에 따른 반응기(100, 100A)의 개념은 각각의 개별 스테이지 및/또는 이의 모듈 내에서 반응 프로세스 관련 파라미터를 매우 높은 정밀도로 제어(모니터링 및 조정/변경)할 수 있게 한다. 따라서, 반응기(100, 100A)에서, 각각의 프로세스 스테이지 및/또는 각각의 모듈은, 그 구조 및/또는 동작(들)에 대한 제어 능력과 관련하여, 다른 스테이지 및/또는 모듈로부터 독립적으로 형성된다.
각각의 개별 스테이지 내의 고정 및 로터-관련 구성 요소의 구조적/치수 조정 가능성뿐만 아니라, 각각의 개별 스테이지 및/또는 모듈 내의 혼합 공간의 치수 조정 가능성은, 각각의 개별 스테이지 및/또는 모듈에 대한 (반응) 프로세스의 동작/기능적 특성을 조정할 수 있게 한다. 전술한 바와 같이, 각각의 스테이지 및/또는 모듈 내의 전술한 구조적 구성 요소를 변경함으로써, 유체 흐름 관련 파라미터(체적, 속도, 체류 시간 등)는 높은 정밀도로 스테이지 및/또는 모듈 별로 제어될 수 있다.
또한, 반응기(100, 100A)는 각 스테이지 및/또는 모듈 내의 압력 및 온도 분포에 걸쳐 제어 능력을 형성하기 위한 다양한 수단을 더 포함할 수 있다. 따라서, 반응기는 각 개별 스테이지 또는 각각의 혼합 공간(4) 내에 유리하게 (바람직하게는 복귀 채널 섹션(42) 내로) 배치된 다수의 선택된 스테이지에서의 압력 경감(압력 손실 요소)을 위한 수단을 포함할 수 있다. 후자는 1,01325bar(absolute, abs)와 동일한 낮은 (대기) 압력에서 또는 1에서 0bar abs의 진공 범위에서 반응기(100, 100A)를 작동시킬 수 있게 한다.
상술된 바와 같은 혼합 공간(들)(4)은 스테이지에 걸쳐 요구되는 레벨에서 압력을 유지하도록 구성될 수 있다. 이는 예를 들어, 축 방향 해결책에 비하여, 반응기(100, 100A) 전체에 걸쳐 큰 압력 변화를 달성하는 것을 가능하게 한다.
압력 강하 및 온도를 제어함으로써, 반응 수율은 더 양호한 제어 능력을 가지고 관리될 수 있다.
전체적으로, 혼합 공간(4)을 다양한 구조적 파라미터, 특히 단면/혼합 영역 및 길이/체적으로 조정함으로써, 체류 시간, 압력 및 온도의 제어 능력이 현저하게 개선된다. 상기 혼합 공간 관련 파라미터는 독립적으로 변경될 수 있다. 짧은 체류 시간, 저압 및 고온(각 스테이지에서 모두 제어 가능)은 높은 변환 및 수율에 효율적으로 기여하며 코킹을 감소시킨다.
또한, 반응기(100, 100A)는 모든 스테이지 또는 다수의 선택된 스테이지에서 로터에 걸쳐 압력을 조절하기 위한 수단을 더 포함할 수 있다(미도시).
일부 구성에서, 반응기(100, 100A)는 특정 프로세스 단계(들)에서 압력을 증가시키기 위한 수단(미도시)을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 최종 프로세스 스테이지(예를 들어, 배기 모듈의 상류에 직접 및/또는 배기 모듈 내에 배치된 비-배기 모듈)에서의 압력을 미리 결정된 값으로 증가시킴으로써, 상기 최종 프로세스 스테이지의 체류 시간이 최소화될 수 있고, 이에 따라 수율이 증가될 수 있다. 따라서, 상기 최종 스테이지에서의 높은 압력의 제공은, 체적 흐름의 상당한 감소를 고려하며, 이는 따라서 하류 장비(예를 들어, 냉각 장비)를 다운사이징할 수 있게 한다. 관련 절감은 대규모의 자본 투자에 크게 영향을 미칠 수 있다.
일부 경우에서, 2 내지 4bar abs로의 압력의 증가는 바람직하다; 그러나, 압력 값의 조정은 원하는 수율에 크게 의존한다. 압력 증가는 바람직하게는 본질적으로 일정한 온도에서 구현된다.
열역학의 관점에서, 바람직하지 않은 응축 프로세스에 불리한, 낮은 압력에서, 경량 올레핀을 제조하기 위한 열분해 반응을 수행하는 것이 바람직하다. 이러한 이유로, 종래의 관형 노는 출구에서 거의 대기압에서 작동한다. 그러나, 통상적인 탄화수소 크래킹 노에서 효과적인 압력 제어를 위한 도구의 부재 때문에, 전체 반응기 장치에 걸쳐 이러한 낮은 압력(대기압)에서의 작동이 아직 가능하지 않았다. 현재 해결책은 그 중에서도, 전체 반응기 장치에 걸쳐 압력 파라미터를 조정하는데 있어서 개선된 유연성을 가능하게 한다.
유사한 방식으로, 탄화수소의 분압은 각각의 스테이지 및/또는 모듈 내의 희석제 주입 수단(포트, 밸브, 벤트 등)의 제공에 의해 스테이지 별로 조정될 수 있다. 희석제 함량이 증가함에 따라, 탄화수소 분압은 감소되어, 따라서 경량 올레핀(들)과 같은 목적 생성물(들)의 향상된 수율과 감소된 코크스 증착을 고려한다. 예를 들어, 분압을 감소시킬 때(예를 들어, 30psia 또는 약 207kpa에서, 10psia 또는 약 69kpa로), 최대 탄화수소 생성물 수율은 본질적으로 높은 (약 80%) 변환율로 현저하게 개선될 수 있음을 입증하여 확인하였다.
희석제에 더하여, 반응 수율을 최적화하기 위해, 공급 원료 및/또는 다른 시약의 주입이 각각의 개별 스테이지 및/또는 모듈에 대해 구현될 수 있다.
추가적인 정제 및/또는 열교환기 설비(6)를 포함하는 예시적인 반응기 장치(100)를 도시하는 도 5를 더 참조한다. 100A로 구현된 장치가 또한 동일한 설비를 포함할 수 있다는 것은 명백하다. 추가 설비(6)는 매니폴드/배관 장치(7)에 의해 입구 모듈(21)과 배기 모듈(22) 사이에 제공된 적어도 하나의 (중앙) 비-배기 모듈(20A, 20B, 20C, 20D)에 연결될 수 있는 것이 바람직하다. 상기 매니폴드는, 예를 들어, 반응기로부터 프로세스 유체의 회수를 위해, 그리고 상기 프로세스 유체를 설비(6) 내로 안내하기 위한 도관 암(7a)으로서 구성된 적어도 하나의 라인, 및 프로세스 유체를 다시 반응기로 안내하기 위한 적어도 하나의 라인(7b)을 포함한다.
일부 실시예에서, 추가 설비(6)는 적어도 하나의 도관(7a)을 통해 내부로 안내되는 프로세스 유체를 냉각시키는 열교환기 설비로 구성된다. 예로서, 설비(6)는 900 내지 1000℃로 가열된 프로세스 유체를 약 700℃로 냉각하도록 배열될 수 있다. 냉각된 유체는 도관(7b)을 통해 반응기 내로 더 지향된다. 본질적으로 반응의 "중간점(middle point)"에서 프로세스의 냉각은 반응 수율의 추가적인 최적화가 가능하게 한다.
상기 배열은 바이오매스-유래 공급 원료의 열분해를 수행하는 데 특히 유리하다.
일부 다른 실시예에서, 추가 설비(6)는 예를 들어 수소 추출 및/또는 회수를 위해 구성된 정제 설비로 구성될 수 있다. 이러한 경우에, 유입되는 프로세스 유체(즉, 장치(100, 100A)로부터 추출된 프로세스 유체)는 탈수소화 처리 또는 일련의 처리에 대상이 되며, 이어서 탈수소화된 유체를 배관(7b)을 통해 장치로 다시 지향시킨다. 이러한 배열은 수소(H2)의 추가 회수를 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 설비(6)는 열 교환기 및 수소 추출 설비를 결합하도록 구성될 수 있다. 사실상, 시스템(6)은 임의의 다른 추출 및/또는 정제 설비를 더 포함할 수 있다.
일부 경우에서, 프로세스 유체는 추출되고 동일한 비-배기 모듈로 복귀된다. 일부 다른 경우에서, 프로세스 유체는 추출 모듈에 후속하여 배치된 임의의 비-배기 모듈로 복귀된다. "추출(extraction)" 및 "복귀(return)" 모듈은 모두 입구 모듈과 배기 모듈 사이에, 및/또는 최종 프로세스 스테이지 이전에 배치되는 것이 바람직하다.
모든 프로세스 유체는 냉각 시스템(6)으로 안내되고, 따라서 본질적으로 반응기를 "비우는(emptying)" 것이 바람직하다. 그러나, 재료의 부분적인 회수는 배제되지 않는다. 어느 경우에나, 적어도 하나의 격벽이 반응기(100, 100A) 내에 배치되어 프로세스 흐름을 냉각 시스템(6)으로 (전체적으로 또는 부분적으로) 안내하거나 및/또는 냉각된 유체와 가열된 유체의 혼합을 방지하도록 배치될 수 있다.
적어도 2개의 반응기 장치(100, 100A)를 병렬로 또는 직렬로 연결하면, 반응기 조립체가 형성될 수 있다(미도시). 상기 장치 사이의 연결은 기계적 및/또는 기능적일 수 있다. 기능적(예를 들어, 화학적인 측면에서) 연결은 적어도 2개의 개별적인, 물리적으로 통합된 또는 비-통합된 개별 반응기(100, 100A) 사이의 연관시에 형성될 수 있다. 후자의 경우, 적어도 2개의 장치(100, 100A) 사이의 연관은 다수의 보조 설비(미도시)를 통해 형성될 수 있다. 일부 구성에서, 상기 배열은 서로 미러링하도록 연결된 적어도 2개의 장치를 포함하며, 이에 의해 상기 적어도 2개의 장치는 적어도 기능적으로 그들의 중심 샤프트를 통해 연결된다. 이러한 미러링된 구성은 적어도 2개의 장치(100, 100A)가 직렬로 (순서대로) 기계적으로 연결되어 있는 것으로 더 정의될 수 있는 반면, 기능적 (예를 들어, 화학적) 연결은 병렬로 (어레이로) 연결된 것으로 볼 수 있다.
일부 경우에서, 전술한 "미러링된(mirrored)" 배열은 적어도 2개의 입구 및 배열의 중심에 필수적으로 배치된 공통 배기(배출) 모듈을 포함하도록 더 변형될 수 있다.
추가의 양태에서, 반응기 장치(100, 100A)의 사용은 탄화수소-함유 공급 원료의 열 또는 열화학 크래킹을 위해 제공된다.
선택된 실시예에서, 반응기(100, 100A)는 다음과 같이 이루어진 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 절차를 수행하도록 구성될 수 있으며, 상기 그룹은: 바람직하게는 중간 및 경량 중량 탄화수소 분획을 함유하는 탄화수소 공급 원료를 처리하는 것; 기화된 탄수화물-함유 공급 원료 물질을 처리하는 것; 기화된 글리세라이드 및/또는 지방산-함유 공급 원료 물질을 처리하는 것; 및 기화된 셀룰로오스 바이오매스 물질을 처리하는 것;으로 이루어진다. 본 명세서에서, 반응기(100, 100A)는 예를 들어, 바이오 기반 공급 원료로부터 유도된 산소-함유 공급 원료 물질을 처리하도록 구성 가능하다. 가능한 적용 영역은, 예를 들어, 대응하는 알칸으로의 식물성 오일 또는 동물 지방의 직접 촉매 수소화와 같은 프로세스에서, 재생 연료를 생성하기 위해, 바이오매스 기반 또는 바이오매스 유래 물질을 정제하는 것을 포함한다. 추가적으로, 반응기는 바이오 기반 열분해 가스 또는 합성가스(syngas)의 원자화(valorization)(가스 물질의 개선 또는 정제)를 위해 구성될 수 있다.
다른 양태에서, 프로세스 유체에서 화학 반응을 수행하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은 적어도 다음의 단계를 포함한다.
a. 장치(100, 100A)를 획득하는 단계로서, 상기 장치(100, 100A)는, 다수의 축 방향-방사상 로터가 장착된 중심 샤프트(1) - 각각의 상기 로터는, 중심 샤프트 상에 장착된 디스크의 원주 상에 배열되는 복수의 축 방향-방사상 로터 블레이드(3)를 포함함 -; 로터의 상류에 배치되는 복수의 고정 베인(2); 및 로터의 하류에 배치되는 혼합 공간(4);을 포함하며, 복수의 고정 베인(2), 복수의 축 방향-방사상 로터 블레이드(3) 및 혼합 공간(4)은 프로세스 스테이지를 형성하고;
b. 프로세스에 의해 부과된 요건을 충족시키는 프로세스 유체 유량에 도달하기 위해 로터의 회전 속도를 미리 결정된 속도 또는 속도 범위로 조정하는 단계;
c. 프로세스 유체를 함유하는 공급 원료의 예열 레벨을 조정하는 단계; 및
d. 혼합 공간에서, 로터에 의해 프로세스 유체에 부여된 기계적 에너지가 상기 프로세스 유체의 내부 에너지로 변환됨에 따라, 프로세스 유체에서 화학 반응이 일어나게 촉진하도록, 프로세스 유체 흐름을 함유하는 공급 원료를 후속적으로 적어도 하나의 스테이지를 통해 지향시키는 단계
프로세스 유체를 포함하는 공급 원료의 예열 레벨을 조정함으로써, 반응의 개시(initiation)는 높은 정밀도로 제어될 수 있어, 이에 따라 반응 수율 및 생성물 구성력을 최적화할 수 있다.
일부 실시예에서, 공급 원료는 탄화수소를 포함한다. 일부 예에서, 공급 원료는 적어도 하나의 알칸 공급물(에탄, 프로판, 부탄), 나프타 공급물, 가스 오일, 및/또는 본질적으로 저분자량, 바람직하게는 불포화 탄화수소, 예컨대 올레핀(에틸렌, 프로필렌, 부틸렌) 및 아세틸렌을 생성하는데 적합한 임의의 다른 공급물을 포함한다.
체류 시간 및/또는 수율은 혼합 공간(4)의 기하 및/또는 치수 파라미터를 모듈식으로 변경함으로써, 각각의 스테이지 내에서 개별적으로 조정 가능한 것이 바람직하다. 상기 개시된 바와 같이, 이러한 배열에 의해, 파울링/코킹은 방지되거나 적어도 상당히 감소될 수 있다. 추가적으로 특정 스테이지에서 체류 시간 및 작업 입력을 조정하는 것은, 반응의 특히 바람직한 생성물의 수율을 제어할 수 있게 한다.
다른 실시예에서, 프로세스 유체 유량을 포함하는 공급 원료는 동작 동안 조정 가능하다. 이는, 예를 들어, 가변 각도 고정 베인 셋업에 의해 구현될 수 있다. 이러한 제어 능력은 에틸렌 플랜트에서 프로세스를 제어하는데 특히 중요하다.
일부 실시예에서, 방법은 배기 모듈 상류에 그리고/또는 배기 모듈 내에 배치된 비-배기 모듈 내의 압력을 증가시키는 단계를 더 포함한다.
또 다른 실시예에서, 방법은, 적어도 하나의 유체 회수 라인(7a)을 통해 반응기(100, 100A)로부터 프로세스 유체를 회수하고, 상기 프로세스 유체를 냉각 시스템(6)으로 안내하는 단계 - 여기서 프로세스 유체는 냉각됨; 및 적어도 하나의 유체 회수 라인(7b)을 통해 냉각된 프로세스 유체를 다시 반응기로 후속적으로 안내하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
통상의 기술자는 본 발명의 기본적인 개념이 기술의 발전과 함께 다양한 방식으로 구현될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 본 발명은 첨부된 청구항의 범위 내에서 일반적으로 변형될 수 있다.
Claims (42)
- 프로세스 유체(process fluid)에서 화학 반응을 수행하기 위한 장치(100, 100A)로서,
- 다수의 축 방향-방사상 로터가 장착된 중심 샤프트(1) - 각각의 상기 로터는, 상기 중심 샤프트 상에 장착된 디스크(3a)의 원주 상에 배열되는 복수의 축 방향-방사상 로터 블레이드(3)를 포함함 -;
- 상기 로터의 상류에 배치되는 복수의 고정 베인(2); 및
- 상기 로터의 하류에 배치되는 베인리스형(vaneless) 및/또는 베인형(vaned) 혼합 공간으로서 제공되는 혼합 공간(4);을 포함하며,
상기 혼합 공간은 상기 로터에 의해 상기 프로세스 유체에 부여된 기계적 에너지를 상기 프로세스 유체의 내부 에너지로 변환하고, 상기 프로세스 유체에서 적어도 하나의 화학 반응이 일어나기 위한 조건을 형성하도록 구성되는 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 중심 샤프트 상에 차례로 장착되는 적어도 2개의 로터를 포함하는 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 복수의 고정 베인(2), 상기 복수의 축 방향-방사상 로터 블레이드(3) 및 상기 혼합 공간(4)은, 완전한 에너지 변환 사이클을 매개하도록 구성된 프로세스 스테이지를 형성하는 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고정 베인은, 상기 로터의 특정 작업 입력 능력을 제어하기 위해 미리 결정된 방향으로 프로세스 유체 흐름을 상기 로터로 지향(direct)하도록 구성되는, 입구 가이드 베인인 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 고정 베인은, 본질적으로 축대칭 자오 평면(meridional axisymmetric plane)(X-r)을 따르는 방향으로 프로세스 유체 흐름을 상기 로터로 지향하도록 구성되는 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 로터 블레이드는, 상기 로터의 회전에 따라, 상기 고정 베인으로부터 본질적으로 축 방향의 프로세스 유체 흐름을 수용하고, 또한 스월(swirl)로 상기 흐름을 본질적으로 방사상 방향으로 선회시켜, 그 접선 속도를 증가시킴으로써 상기 프로세스 유체에 기계적 에너지를 부여하도록 구성되는 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 로터는, 상기 프로세스 유체에 대한 기계적 에너지 입력을 제어하기 위해, 상기 로터 블레이드의 프로파일 및 치수와 상기 디스크 상의 배치와 관련되어 구성되는 장치. - 청구항 1에 있어서,
적어도 하나의 상기 로터는, 상기 복수의 로터 블레이드(3)를 커버하도록 구성된 슈라우드(shroud)(3b)를 포함하는 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 혼합 공간은, 상기 프로세스 유체의 운동 에너지 또는 기계적 에너지를 상기 프로세스 유체의 내부 에너지로 변환하도록 구성되는 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 혼합 공간(4)은, 적어도 굴곡 섹션(41) 및 뒤이어 복귀 채널 섹션(42)을 포함하는 도관에 의해 형성되는 장치. - 청구항 3에 있어서,
각각의 스테이지 내의 상기 혼합 공간(4)은, 그 기하 및/또는 치수 파라미터와 관련하여 조정 가능하게 구성되는 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 혼합 공간(4) 내의 상기 굴곡 섹션(41) 및 상기 복귀 채널 섹션(42) 중 어느 하나는, 상기 장치 내에서의 적어도 형상, 길이, 단면 및 공간 배치와 관련하여 조정 가능한 프로세스 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 혼합 공간(4)은, 고정 베인 또는 베인들, 난류 발생기 장치, 스로틀(throttle) 장치, 거즈(gauze), 유동 가이드, 슬롯 등을 포함하나 이에 한정되지 않는, 적어도 하나의 추가 구성 요소를 더 포함하는 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 혼합 공간(4)은 확산기(diffuser)(4b)를 포함하는 장치. - 청구항 14에 있어서,
상기 확산기는 베인형 또는 베인리스형인 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 고정 베인(2) 및/또는 상기 로터 블레이드(3)는, 미리 설정된 또는 제조된 바와 같이, 적어도 치수, 정렬 및 공간 배치와 관련하여, 각각의 스테이지 내에서 변화하는 장치. - 청구항 3에 있어서,
상기 고정 베인(2) 및/또는 상기 로터 블레이드(3)는, 상기 장치의 동작 동안, 적어도 치수, 정렬 및 공간 배치와 관련하여, 각각의 스테이지 내에서 개별적으로 조정 가능한 장치. - 청구항 10에 있어서,
상기 중심 샤프트 및 적어도 하나의 상기 스테이지를 둘러싸도록 구성된 하우징(20)을 더 포함하는 장치. - 청구항 18에 있어서,
모듈식 구조체로서 구성되며, 상기 하우징(20)은 차례로 배치되는 다수의 모듈(21, 20A, 20B, 20C, 20D, 22)에 의해 형성되는 장치. - 청구항 19에 있어서,
적어도 하나의 비-배기(non-exhaust) 모듈(20A, 20B, 20C, 20D) 및 배기 모듈(22)을 포함하는 장치. - 청구항 20에 있어서,
상기 배기 모듈(22)은, 상기 중심 샤프트에 의해 형성된 상기 장치의 수평축에 대해 원주 방향으로 배열된 프로세스 유체 배출을 위한 적어도 하나의 출구 라인(12)을 포함하고, 상기 배기 모듈에서 상기 혼합 공간은, 상기 출구 라인 내에 제공된 배기 혼합 공간(4a)인 장치. - 청구항 20에 있어서,
상기 배기 모듈(22)은, 주입 포트, 파이프, 매니폴드 등을 포함하나 이에 한정되지 않는, 적어도 하나의 추가적인 구성 요소를 더 포함하는 장치. - 청구항 19에 있어서,
상기 모듈식 구조체 내에서, 상기 스테이지는 적어도 하나의 상기 모듈에 의해 형성되는 장치. - 청구항 20에 있어서,
유체 흐름의 방향으로 가장 상류 측에 배치되고, 상기 중심 샤프트에 의해 형성된 상기 장치의 수평축에 대해 원주 방향으로 배열된 적어도 하나의 흡기 라인(11)을 통해 공급 원료-함유(feedstock-containing) 프로세스 유체를 수용하도록 구성된, 입구 모듈(21)을 더 포함하는 장치. - 청구항 24에 있어서,
상기 스테이지는 상기 입구 모듈(21) 및 상기 배기 모듈(22)에 의해 형성되는 장치. - 청구항 24에 있어서,
상기 모듈식 구조체 내의 모듈의 수는, 상기 입구 모듈(21)과 상기 배기 모듈(22) 사이에 제공된 상기 적어도 하나의 비-배기 모듈(20A, 20B, 20C, 20D)의 추가, 교체 및/또는 제거에 의해 조정 가능한 장치. - 청구항 18에 있어서,
상기 하우징(20)의 내부는, 상기 고정 베인(2), 상기 축 방향-방사상 로터 블레이드(3) 및 상기 혼합 공간(4)에 밀접하게 인접하도록 구성되는 장치. - 청구항 19에 있어서,
상기 하우징(20)은, 상기 장치의 수평 단면을 따라 봤을 때의 상부 부분(201) 및 하부 부분(202)을 더 포함하며, 상기 상부 부분은 각 모듈 내의 혼합 공간(4)을 형성하는 채널의 적어도 상기 굴곡 섹션(41)을 둘러싸도록 구성되는 장치. - 청구항 28에 있어서,
상기 상부 부분(201)은, 상기 복귀 채널 섹션(42)의 적어도 일부를 둘러싸도록 더 구성되는 장치. - 청구항 28에 있어서,
상기 하우징의 상기 상부 부분(201)은, 각각의 개별 모듈 내에서, 탈착 가능하고 교체 가능하게 구성되는 장치. - 청구항 1에 있어서,
다수의 촉매 표면으로 구성되는 장치. - 청구항 18에 있어서,
상기 하우징(20)은 최대 30mm의 범위 내의 두께를 갖는 벽으로 구성되는 장치. - 청구항 19에 있어서,
각각의 프로세스 스테이지 및/또는 각각의 모듈은, 구조 및/또는 동작에 대한 제어 능력과 관련하여, 다른 스테이지 및/또는 모듈과는 독립적으로 형성되는 장치. - 청구항 24에 있어서,
상기 입구 모듈(21)과 상기 배기 모듈(22) 사이에 배치된 상기 적어도 하나의 비-배기 모듈(20A, 20B, 20C, 20D)에 연결 가능한 추가적인 정제(refinery) 및/또는 열 교환기 설비(6)를 더 포함하는 장치. - 탄화수소-함유 공급 원료의 열 또는 열화학 크래킹(cracking)을 위한, 청구항 1 내지 청구항 34 중 어느 한 항에 따르는 장치의 사용 방법.
- 청구항 35에 있어서,
중간 및 경량 중량 탄화수소 분획물을 함유하는 탄화수소 공급 원료를 프로세싱하는 단계; 기화된 탄수화물-함유 공급 원료 물질을 프로세싱하는 단계; 기화된 글리세라이드(glyceride) 및/또는 지방산-함유 공급 원료 물질을 프로세싱하는 단계; 및 기화된 셀룰로오스 바이오매스 물질(cellulosic biomass material)을 프로세싱하는 단계;를 포함하는 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 프로세스를 실행하기 위한 사용 방법. - 청구항 1 내지 청구항 34 중 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 장치를 포함하는 배열로서, 기능적으로 병렬 또는 직렬로 연결되는 장치.
- 청구항 37에 있어서,
상기 적어도 2개의 장치는, 서로 미러링(mirror)하도록 연결됨으로써, 그들의 샤프트가 적어도 기능적으로 연결되는 장치. - 프로세스 유체에서 화학 반응을 수행하기 위한 방법으로서,
a. 장치(100, 100A)를 획득하는 단계로서, 상기 장치(100, 100A)는,
- 다수의 축 방향-방사상 로터가 장착된 중심 샤프트(1) - 각각의 상기 로터는, 상기 중심 샤프트 상에 장착된 디스크(3a)의 원주 상에 배열되는 복수의 축 방향-방사상 로터 블레이드(3)를 포함함 -;
- 상기 로터의 상류에 배치되는 복수의 고정 베인(2); 및
- 상기 로터의 하류에 배치되는 혼합 공간(4);을 포함하며,
상기 복수의 고정 베인(2), 상기 복수의 축 방향-방사상 로터 블레이드(3) 및 상기 혼합 공간(4)은 프로세스 스테이지를 형성하고,
b. 상기 프로세스에 의해 부과된 요건을 충족시키는 프로세스 유체 유량에 도달하기 위해 상기 로터의 회전 속도를 미리 결정된 속도 또는 속도 범위로 조정하는 단계;
c. 상기 프로세스 유체를 함유하는 공급 원료의 예열 레벨을 조정하는 단계; 및
d. 상기 혼합 공간에서, 상기 로터에 의해 상기 프로세스 유체에 부여된 기계적 에너지가 상기 프로세스 유체의 내부 에너지로 변환됨에 따라, 상기 프로세스 유체에서 화학 반응이 일어나게 촉진하도록, 프로세스 유체 흐름을 함유하는 공급 원료를 후속적으로 적어도 하나의 상기 스테이지를 통해 지향시키는 단계;를 포함하는 방법. - 청구항 39에 있어서,
상기 공급 원료는 탄화수소를 포함하는 방법. - 청구항 39 또는 청구항 40에 있어서,
체류 시간 및/또는 수율은, 상기 혼합 공간의 기하학적 형상 및/또는 치수 파라미터를 모듈적으로 변경함으로써 각각의 스테이지 내에서 개별적으로 조정 가능한 방법. - 청구항 39 또는 청구항 40에 있어서,
상기 프로세스 유체 유량을 포함하는 상기 공급 원료는, 동작 동안 조정 가능한 방법.
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