KR102364341B1 - 열교환기, 그 열교환기를 포함한 반응로 설비, 및 반응로의 온도를 제어하기 위한 방법 - Google Patents

열교환기, 그 열교환기를 포함한 반응로 설비, 및 반응로의 온도를 제어하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 열교환기(1)에 관한 것이며, 그 열교환기는,
- 수직으로 지향되고 열교환기 튜브 판(31)에 의해 바닥에서 종결되는 일군의 적어도 두 개의 열교환기 튜브(3),
- 일군의 열교환기 튜브(3)를 둘러싸는 열교환기 하우징(5)으로서, 액체 열전달 매체(7)가 열교환기 하우징(5) 내에서 일군의 열교환기 튜브(3) 주위로 통과하는, 상기 열교환기 하우징,
- 열교환기 하우징(5)의 상부를 밀봉하는 열교환기 캡(9),
- 열교환기 하우징(5)의 바닥을 밀봉하는 열교환기 바닥(11),
- 열교환기 하우징(5) 상에 제공되며 열교환기(1) 내측으로 이어지는, 열전달 매체(7)용 공급 지점(13),
- 열교환기 하우징(5) 상에 제공되며 열교환기(1) 외측으로 이어지는, 열전달 매체(7)용 출구(15), 및
- 열교환기 캡(9)에 근접하여 배치된 비상 릴리프 포트(17)를 포함한다. 열교환기(1)는 열교환기 바닥(11)에 근접하여 배치된 안전 장치(19)를 포함한다.
본 발명은 또한, 반응로 설비(101)에 관한 것이며, 그 반응로 설비는,
- 반응로(27),
- 반응로(27)에 연결되는, 본 발명에 따른 열교환기(1), 및
- 반응로(27) 및/또는 열교환기(1)에 연결되며, 액체 열전달 매체(7)의 적어도 일부를 순환시키기 위한 펌프(29)를 포함한다.
마지막으로, 반응로(27)의 온도를 제어하기 위한 방법, 및 본 발명에 따른 열교환기(1)의 용도가 설명된다.

Description

열교환기, 그 열교환기를 포함한 반응로 설비, 및 반응로의 온도를 제어하기 위한 방법{HEAT EXCHANGER, REACTOR ARRANGEMENT COMPRISING SAID HEAT EXCHANGER, AND METHOD FOR TEMPERATURE CONTROL OF A REACTOR}
본 발명은 열교환기, 반응로와 그러한 열교환기를 포함하는 반응로 설비 및 반응로의 온도를 제어하기 위한 방법에 관한 것이다.
반응로 및 유사 장치를 위한 열교환기가 원칙적으로 종래 기술로부터 공지된다. 이를 테면, DE 22 07 166 A1 호는 재순환하는 열전달 매체를 포함하는 반응 장치용 냉각 조립체를 설명하며, 여기서 순환 펌프 및 냉각기는 상기 열전달 매체용 반응 용기의 외측에 배치된다. 여기서, 순환 펌프 및 냉각기는 나란히 배열되는 두 개의 하우징 내에 수용된다. 게다가, 열전달 매체용 팽창 용기가 펌프 하우징 위에 그리고 펌프 하우징과 연통되게 배치되며 냉각수용 증기 분리기가 냉각기 하우징 바로 위에 그리고 냉각기 튜브와 연통되게 배치된다. 버스팅 디스크(bursting disc)는 팽창 용기의 뚜껑에 배치될 수 있다.
셸 앤드 튜브식 반응로(shell-and-tube reactor)의 온도를 변경시키기 위한 방법과 관련하여, DE 10 2006 034 811 A1 호는 그의 냉각 매체에 관한 특별한 제약이 없는 염욕 냉각기(salt bath cooler)를 설명한다. 냉각기는 그 내부에 배치되는 만수위 게이지(fill-level gauge)를 갖춘 평형 용기를 가진다. 미리 결정된 만수위에 도달하면, 과도한 열전달 매체가 범람 및/또는 비상 릴리프 포트를 거쳐서 흘러간다. 열전달 매체의 과도한 팽창에 사용되는 것 이외에, 비상 릴리프 포트는 또한, 예를 들어 증발식 냉각기 튜브의 파괴의 경우에도 작동한다.
냉각기로서 해당 유형의 열교환기를 작동시킬 때, 누출의 순간이 중요하다. 냉각기 튜브는 50 바(bar) 이상의 압력에서 물/수증기를 함유한다. 이들 냉각기 튜브 중의 하나의 파괴는 그 후에, 이러한 압력에서 물이 열전달 매체의 내측으로 강요받게 한다. 액체 열전달 매체가 예를 들어, 약 280℃의 온도에서 순환되기 때문에, 물은 즉각 증발하며 따라서 고압의 자발적인 증강이 발생한다.
전술한 바와 같이, 종래 기술은 따라서 과압(overpressure)의 경우에 열교환기, 즉 냉각기로부터 압력을 해제하기 위해서 예방 대책을 포함한다. 그러나, 이들 장치는 실제로 충분히 자체 검증되지 않았다. 해당 유형의 열교환기, 특히 염욕 냉각기는 높이가 4 m 내지 8 m로 측정될 수 있다. 종래 기술에서 설명된 냉각기 튜브 파괴에 대한 예상 밖의 경우가 아주 세심한 주의를 하고 양호한 플랜트 보수에도 불구하고 실제로 종종 발생한다. 이와 관련하여, 그러한 튜브 파괴가 냉각기 튜브의 하부 영역, 즉 냉각기 튜브 판으로부터 단지 작은 거리에서만 주로 발생하는 것이 관찰되었다.
사용되는 냉각 매체가 열전달 매체에 의해 증발되는 물일 때, 그 물은 일반적으로, 냉각기 튜브의 하부 영역에서 특정 높이까지는 액체 형태로 존재한다. 실제로, 튜브 파괴는 이러한 특정 영역에서 종종 관찰되며 이들은 그 중에서도, 냉각기의 부정확한 작동에 기인한다. 튜브 파괴에 대한 다른 이유는 원인불명의 응력 및/또는 부식을 유발하는 부적절한 공급수의 품질일 수 있다. 튜브 파괴가 발생할 때, 따라서 증기는 종래 기술로부터 공지된 비상 릴리프 포트를 거쳐서 또는 버스팅 디스크를 거쳐서 증강 압력을 해제하기 위해서 그 위로 열전달 매체의 칼럼을 통과시키거나 열전달 매체를 변위시킬 필요가 있다. 그러한 통과 또는 변위는 단지 커다란 어려움을 통해서만, 특히 비교적 높은 밀도의 종래에 사용된 열전달 매체, 예를 들어 2의 밀도를 갖는 염욕을 통해서만 가능하다.
결과적으로, 냉각기 재킷은 정상적으로 설계되지 않은 압력에 노출된다. 해당 유형의 열교환기, 즉 특히 액체 열전달 매체를 포함하는 냉각기는 일반적으로 비가압식 설계이다. 최악의 경우에, 튜브 파괴에 기인한 압력 증강은 냉각기 재킷 자체의 파열 및 열전달 매체의 외측 유출을 유발할 수 있다. 이는 인간 건강 및 환경에 치명적인 위험을 일으킨다.
종래의 단점을 고려하여, 본 발명의 목적은 누출의 경우에 특히 신속하고 안전한 압력 방출을 보장하는 개선된 열교환기를 제공하고자 하는 것이다. 추가의 목적은 대응하는 반응로 설비를 제공하고 반응로의 온도를 제어하기 위한 방법을 명시하고자 하는 것이며, 여기서 상기 설비와 상기 방법은 종래 기술의 단점을 갖지 않는다.
본 발명의 일 양태에서, 위에서 언급한 목적은 열교환기(1)에 의해 달성되며, 그 열교환기는,
- 수직으로 지향되고 열교환기 튜브 판(31)에 의해 바닥에서 종결되는 일군의 적어도 두 개의 열교환기 튜브(3),
- 일군의 열교환기 튜브(3)를 둘러싸는 열교환기 하우징(5)으로서, 액체 열전달 매체(7)가 열교환기 하우징(5) 내의 일군의 열교환기 튜브(3) 주위로 통과하는, 상기 열교환기 하우징,
- 열교환기 하우징(5)의 상부를 밀봉하는 열교환기 캡(9),
- 열교환기 하우징(5)의 바닥을 밀봉하는 열교환기 바닥(11),
- 열교환기 하우징(5)에 제공되며 열교환기(1) 내측으로 이어지는, 열전달 매체(7)용 공급 지점(13),
- 열교환기 하우징(5)에 제공되며 열교환기(1) 외측으로 이어지는, 열전달 매체(7)용 출구(15), 및
- 열교환기 캡(9)에 근접하여 배치된 비상 릴리프 포트(17)를 포함한다. 열교환기(1)는 열교환기 바닥(11)에 근접하여 배치된 안전 장치(19)를 포함한다.
본 발명의 제 2 양태에서, 전술된 열교환기(1)는 반응로 설비(101)에 통합된다. 이러한 반응로 설비(101)는,
- 반응로(27),
- 반응로(27)에 연결되는, 위에서 정의된 바와 같은 열교환기(1), 및
- 반응로(27) 및/또는 열교환기(1)에 연결되며, 액체 열전달 매체(7)의 적어도 일부를 순환시키기 위한 펌프(29)를 포함한다.
본 발명의 제 3 양태에서, 반응로(27)의 온도를 제어하기 위한 본 발명에 따른 방법은 본 발명에 따른 열교환기(1) 또는 본 발명에 따른 반응로 설비(101)에 의해 수행될 수 있다. 이러한 방법은,
a) 제 1 온도(T1)에서 반응로(27)로부터 방출되는 액체 열전달 매체(7)의 적어도 일부를 공급 지점을 거쳐서, 위에서 정의된 열교환기(1)의 내측으로 도입하는 단계,
b) 열전달 매체(7)와 열교환기 튜브(3) 사이에서 열을 교환하도록 열교환기(1)의 열교환기 튜브(3) 주위로 액체 열전달 매체(7)를 통과시키는 단계, 및
c) 제 2 온도에서 열교환기(1)로부터 액체 열전달 매체(7)를 배수하고 액체 열전달 매체(7)를 반응로(27)로 공급하는 단계를 포함하며, 여기서 열교환기(1) 내의 압력 증가의 경우에, 발생한 과압이 적어도 하나의 안전 장치(19)를 거쳐서 감소된다.
본 발명에 따른 열교환기(1) 및/또는 본 발명에 따른 반응로 설비(101)와 관련하여, 다음에 이어지는 설명이 또한 방법적 특징을 기재하고 있으면, 이들은 바람직하게, 이후에 더욱더 구체적으로 정의되는 본 발명에 따른 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 열교환기(1)는 열교환기 바닥(11)에 근접하여 제공될 안전 장치(19)로 인해서 액체 열전달 매체(7) 측의 과압은 열교환기(1)의 높이의 주요 부분 위로 변위되거나 통과되어야 하는 열교환기(1) 내의 열전달 매체(7) 없이 신속하고 안전하게 감소될 수 있다. 따라서, 모든 압력 증가에 대해 본질적으로 보호되는 열교환기(1)가 제공된다. 게다가, 안전 장치(19)의 제공은 열교환기 하우징(5)이 비가압식 설계일 수 있으며 이는 전체적으로 열교환기(1) 및 플랜트의 비용에 반영됨을 의미한다.
이런 경우에, 비가압식 설계는 5 바를 초과하는 압력에 대한 예방 대책이 취해질 필요가 없음을 의미한다. 열교환기 캡(9) 및 열교환기 바닥(11)과 함께 열교환기 하우징(5)은 물론, 열전달 매체(7)에 의해 정수압적으로 가해지고 열전달 매체(7)용 순환 펌프에 의해 발생되는 3 바까지의 압력용으로 설계된다.
열교환기 캡(9) 및 열교환기 바닥(11)과 관련하여 "에 근접하여"란 용어는 비상 릴리프 포트(17)가 열교환기 하우징(5)의 상부 1/3, 특히 상부 1/4 이내에 배치되며 안전 장치(19)가 열교환기 하우징(5)의 하부 1/3, 특히 하부 1/4, 그리고 아주 특히 바람직하게 하부 1/5 이내에 배치됨을 의미한다.
본 발명은 이후에 더 구체적으로 설명된다.
본 발명은 첫째로, 일군의 적어도 두 개의 열교환기 튜브(3), 열교환기 하우징(5), 열교환기 캡(9), 열교환기 바닥(11), 공급 지점(13)과 출구(15) 그리고 또한 비상 릴리프 포트(17)를 포함하는 열교환기(1)를 제공한다. 본 발명에 따른 열교환기(1)는 열교환기 바닥(11)에 근접하여 배치되는 안전 장치(19)를 포함한다는 점에서 주목할 만하다.
특정 실시예에서, 본 발명에 따른 열교환기(1)는 냉각기이다.
본 발명에 따른 열교환기(1)의 하나의 개량예에서, 안전 장치(19)는 비상 감압 수단이다. 본 발명의 목적을 위해서, "비상 감압 수단(emergency depressurization means)"은 본질적으로, 열교환기 바닥(11)에 근접하여 열교환기 하우징(5)의 외측으로 이어지며 비상 감압 수단이 열교환기 하우징(5) 내의 액체 열전달 매체(7)의 액위(liquid level)보다 적어도 더 높은 곳에 도달하도록 본질적으로 수직 상향으로 이어지는 파이프를 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 이는 일군의 열교환기 튜브를 통한 관류로 생기는 압력 강하를 보상하는데 사용될 수 있다. 정확한 작동시, 안전 장치(19)는 특정 수위까지 액체 열전달 매체(7)로 채워진다. 안전 장치(19)에는 바람직하게, 열교환기(1) 내측의 열전달 매체(7)와 본질적으로 동일한 점도로 액체 열전달 매체(7)를 유지하기 위해서 추적 가열(trace heating)이 제공된다.
이제, 압력이 열교환기(1) 내에서 증강되어 그의 정상 작동 압력, 즉 3 바 초과의 압력을 실질적으로 초과할 때, 이러한 압력은 상향으로 밀리게 될 안전 장치(19) 내의 열전달 매체의 칼럼에 의해 해제될 수 있다. 물 및/또는 증기의 배출에 의한 튜브 파괴의 예를 고려하면, 이는 열전달 매체(7) 내에 형성되는 증기가 안전 장치(19) 내측으로 쉽고 유리하게 팽창됨을 의미한다. 그렇게 해서, 증기는 열교환기(1) 내측의 열전달 매체(7)의 덩이(mass)에 비해서, 변위되거나 통과될 실질적으로 더 작은 칼럼의 열전달 매체(7)를 가진다. 안전 장치(19)의 직경은 바람직하게 100 mm 내지 800 mm이다.
이와 관련하여, 열교환기 튜브(3)의 자유 횡단면적에 대한 안전 장치(19)의 자유 횡단면적의 비율이 15 내지 1600인 것이 유리함이 입증되었다. 이러한 비율은 열교환기 튜브(3)의 누출의 경우에, 배출되는 증기/액체 혼합물이 열교환기 하우징(5) 내의 커다란 압력 증강 없이 방출될 수 있음을 보장한다. 직경의 불충분한 비율은 누출의 경우에, 관련 온도에서 열전달 매체(7)의 증기 압력까지 강화된 압력 증가를 유발할 것이다.
본 발명의 목적을 위해서, "자유 횡단면적(free cross sectional area)"은 열전달 매체(7)의 흐름에 효과적으로 이용될 수 있는 면적을 의미하는 것으로서 이해되어야 한다.
추가의 실시예에서, 열교환기(1)는 열전달 매체(7)용 수용 수단(21)을 포함하며, 여기서 상기 수용 수단은 안전 장치(19) 및/또는 비상 릴리프 포트(17)의 하류에 연결된다. 비교적 대량의 열전달 매체(7)가 안전 장치(19) 및/또는 비상 릴리프 포트(17)를 통하여 압력을 상승시킴으로써 변위될 때, 열전달 매체(7)는 플랜트로부터 배출됨이 없이 수용 수단(21)에 의해 수용될 수 있다. 이는 첫째로, 고온에서 열전달 매체(7)의 배출이 없기 때문에 안전성을 강화하며, 둘째로 수용 수단(21)은 일단 고장이 수리되면 열전달 매체(7)가 오염 없이 열교환기(1)로 재순환될 수 있게 한다. 이러한 목적을 위해서, 수용 수단(21)이 열전달 매체의 고화 지점으로 열전달 매체(7)의 점도 증가를 방지하기 위한 추적 가열을 포함하는 것이 특히 유리하다. 수용 수단(21)은 열전달 매체(7)의 만수위까지와의 차이를 완충하고, 및/또는 전체 플랜트의 작동 중지 중에, 예를 들어 검사 작업 중에 열전달 매체(7)의 일부 또는 모두를 수집하는 역할을 추가로 할 수 있다.
열교환기(1)가 가스 상으로부터 액체 열전달 매체(7)를 제거하기 위한 장치를 포함하는 것이 더 바람직하며, 여기서 상기 장치는 배출되는 물질 혼합물이 2상(증기/액체)일 때의 누출시 가스와 액체의 효과적인 분리를 초래한다. 언급한 장치는 특히 수용 수단(21)에 배치된다.
제거되는 가스, 예를 들어 증기를 수용 수단(21) 내의 커다란 압력 증강 없이 대기로 방출하기 위해서 충분히 큰 횡단면을 거쳐서 대기에 수용 수단(21)을 통기시키는 것이 더 바람직하다. 여기서, 열교환기 튜브(3)의 횡단면적을 기준으로 한, 통기에 이용될 수 있는 횡단면적의 비율은 500 내지 1,000,000의 범위 내에 있어야 한다.
본 발명에 따른 열교환기(1) 내의 안전 장치(19)와 수용 수단(21) 사이에 액체 열전달 매체(7)의 부분을 위한 분리기(23)를 제공하는 것이 유리함이 추가로 입증되었다. 분리기(23)는 누출의 경우에, 이러한 대책의 미비 시 파이프 시스템을 통해서 수용 수단(21)으로 밀릴 때 액체 플러그로 인해 생기는 압력 강하를 위해서 정상 작동시 비상 릴리프 포트(17) 및/또는 안전 장치(19)의 하류에 있는 파이프 시스템 내의 열전달 매체(7)의 액체 용적을 대부분 수집하기 위한 것이다. 그러므로, 분리기(23)의 체류 용적은 적어도 안전 장치(19)와 분리기(23) 사이의 파이프의 파이프 용적에 대응한다.
액체 열전달 매체(7)를 편향시키기 위한 내부 구조물(25)을 포함하고 그 내부 구조물(25)이 개개의 열교환기 튜브(3)에 또는 개개의 열교환기 튜브(3)들 사이에, 및/또는 개개의 열교환기 튜브(3) 및 하우징(5)에 또는 개개의 열교환기 튜브(3)와 하우징(5) 사이에 위치되는 것이 열교환기(1)에 대한 균일하고 효과적인 온도 분포를 위해 유리함이 입증되었다. 내부 구조물(25)은 바람직하게, 링 형상 또는 디스크 형상일 수 있는 편향 판이다. 이는 또한 "디스크 및 도넛 설비"로서 지칭된다. 특히, 내부 구조물(25)은 수평으로 정렬되며 따라서 열전달 매체(7)는 열교환기 튜브(3)에서 본질적으로 횡방향으로 흐른다.
열교환기(1)가 염욕 냉각기이고, 및/또는 액체 열전달 매체가 염 용융물인 것이 특히 바람직하다. 염 용융물은 바람직하게, 알칼리 금속 질산염 및 알칼리 금속 아질산염의 혼합물이다. 특히 바람직한 염 용융물은 53중량%의 질산칼륨, 40중량%의 아질산나트륨 및 7중량%의 질산나트륨, 또는 60중량%의 질산칼륨과 40중량%의 아질산나트륨으로 구성된다. 이들 혼합물은 공융 혼합물(eutectic mixture)을 형성하며 약 142℃의 융점을 가진다. 이들 염 용융물의 작동 온도는 200℃ 내지 500℃이다.
본 발명은 열전달 오일뿐만 아니라 염 용융물 형태의 액체 열전달 매체(7)에 적용될 수 있다. 그러나, 이들 열전달 오일은 일반적으로, 예를 들어 셸 앤드 튜브식 반응로 내의 다수의 발열 반응을 냉각시키는데 불충분한 250℃ 내지 280℃의 최대 작동 온도로 제한된다.
본 발명은 또한, 반응로(27), 반응로(27)에 연결되는 위에서 정의된 바와 같은 열교환기(1), 및 액체 열전달 매체(7)의 적어도 일부를 순환시키기 위한 펌프(9)를 포함하는 반응로 설비(101)를 제공하며, 여기서 상기 펌프는 반응로(27) 및/또는 열교환기(1)에 연결된다.
본 발명에 따른 반응로 설비(101)가 본 발명에 따른 열교환기(1)를 포함한다는 사실은 전술한 바와 본질적으로 동일한 장점이 달성됨을 의미한다. 특히, 액체 열전달 매체(7) 측의 열교환기(1)에서 발생하는 과압은 본 발명에 따른 반응로 설비(101)에서 신속하고 안전하게 감소될 수 있다. 열교환기(1) 내의 열전달 매체(7)는 압력이 열교환기(1)의 안전 장치(19)를 거쳐서 감소될 수 있기 때문에 본질적으로 변위되거나 통과될 필요가 없다. 본 발명에 따른 열교환기(1)의 제공은 반응로 설비(101)의 열교환기 시스템이 결과적으로, 반응로 설비(101)의 비용을 감소시키는 본질적으로 비가압식 설계일 수 있다는 것을 의미한다.
이런 경우에, 비가압식 설계는 5 바 초과의 압력에 대한 예방 대책이 취해질 필요가 없음을 의미한다. 반응로 설비(101)는 물론, 열전달 매체(7)에 의해 정수압적으로 가해지고 열전달 매체(7)용 순환 펌프에 의해 발생되는 3 바까지의 압력용으로 설계된다. 또한, 반응로(27)의 반응 용적은 반응 매체의 일부에 대하여 80 바까지의 일반적인 반응 압력용으로 설계된다.
본 발명의 목적을 위해서, "반응로(27)에 연결되는 열교환기(1)"란 용어는 열교환기 하우징(5)에 제공되는 공급 지점(13) 및 열교환기 하우징에 제공되는 열전달 매체(7)용 출구가 반응로(27)의 대응하는 공급 지점 및 출구에 적합한 방식으로 연결, 특히 용접됨을 의미하는 것으로서 이해되어야 한다. 열교환기(1)를 통해서 순환되는 열전달 매체(7)의 양, 및 그에 의해 반응로(27) 내의 온도가 조절되거나 제어될 수 있게 하기 위해서 제어 밸브가 공급 지점(13) 또는 출구(15)에 설치되는 것이 편리하다.
바람직한 실시예에서, 반응로(27)는 발열 반응 또는 흡열 반응을 수행하기 위한 셸 앤드 튜브식 반응로이다.
발열 반응의 경우에, 발열 반응에서 발생되는 열은 액체 열전달 매체(7)에 의해 흡수되어 열전달 매체(7)의 순환에 의해 본 발명에 따른 열교환기(1), 본 경우에 냉각기로 공급된다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따른 열교환기(1)는 염욕 열교환기일 수 있다. 특히, 염욕 냉각기의 열교환기 튜브(3)는 물이 증발되는 증발기 튜브일 수 있다. 이런 방식으로, 반응 중에 방출되는 에너지는 증기의 형태로 회복되어 예를 들어 증기 터빈을 구동시키거나 가열 목적으로 유익하게 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 열교환기(1)는 또한 증기를 과열시키는 데 사용될 수 있다. 이는 얻어진 과열 증기가 예를 들어 증기 터빈을 거쳐서 전기 에너지로 전환될 때 특히 유리하다. 증발 에너지의 활용, 즉 효율은 증발 에너지 이외에 더 많은 에너지가 공급될수록 증가한다. 이런 목적을 위해서, 예를 들어 본 발명에 따른 제 1 열교환기(1)로부터 이미 발생된 증기는 증기의 온도를 상승시키기 위해서 본 발명에 따른 추가의 열교환기(1)를 통과한다. 결과적으로, 본 발명은 효율을 확연히 강화하는데 사용될 수 있다.
반응로 설비(101)는 도면에 도시되지 않은 팽창 용기를 더 포함할 수 있다. 열전달 매체(7)의 밀도, 즉 열전달 매체에 의해서 점유되는 용적은 온도의 함수에 따라서 변화한다. 이런 목적을 위해서, 충분히 큰 팽창 공간, 본 경우에 팽창 용기가 제공될 것이다. 열전달 매체(7)의 팽창은 그렇지 않으면, 열교환기(1) 및/또는 반응로(27)에 추가의 압력을 가할 것이다.
본 발명의 제 3 양태는 반응로(27)의 온도를 제어하기 위한 방법이며, 그 방법은,
a) 공급 지점을 거쳐서 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 청구된 바와 같은 열교환기(1)의 내측으로 제 1 온도(T1)에서 반응로(27)로부터 방출되는 액체 열전달 매체(7)의 적어도 일부를 도입하는 단계,
b) 열전달 매체(7)와 열교환기 튜브(3) 사이에서 열을 교환시키기 위해서 열교환기(1)의 열교환기 튜브(3)의 주위로 액체 열전달 매체(7)를 통과시키는 단계, 및
c) 제 2 온도(T2)에서 열교환기(1)로부터 액체 열전달 매체(7)를 배수시키고 액체 열전달 매체(7)를 반응로(27)에 공급하는 단계를 포함하며, 여기서 열교환기(1) 내에서 압력 증가의 경우에, 생긴 과압이 적어도 하나의 안전 장치(19)를 거쳐서 감소된다.
전술한 바와 같이, 열교환기 튜브(3)의 고장은 냉각기로서 본 발명에 따른 열교환기(1)를 작동시킬 때 발생할 수 있다. 이들 누출은 작은 것에서 비교적 큰 것까지의 하나 이상의 구멍 또는 열교환기 튜브(3)의 심지어 완전 파괴의 형태를 취할 수 있다. 열교환기(1)의 냉각 매체 측은 일반적으로 반응로(27)의 열전달 매체 측보다 더 높은 압력에서 작동한다. 이런 경우에, 액체 열전달 매체(7) 내측으로 냉각 매체, 예를 들어 물의 진입이 존재한다. 열전달 매체 측에 만연하는 온도 조건이 냉각 매체의 비등점을 초과할 때, 냉각 매체는 매우 급속히 증발하고 그 후에 압력 증가를 급속히 유발한다. 이러한 압력 증가는 예상치 못하고 예견할 수 없게 발생할 수 있으며 따라서 대응책이 충분히 짧은 시간 내에 취해질 수 없다. 그러한 압력 증가의 경우에, 생긴 과압은 안전 장치(19)를 거쳐서 감소되며, 그의 증기에 의해서 안전 장치(19) 내의 열전달 매체(7)의 칼럼의 변위 또는 통과가 형성되며, 따라서 열교환기 하우징(5)에 대한 손상이 예방된다. 본 발명에 따라서, 생성된 2 바 이상인 과압은 안전 장치(19)에 의해 감소된다.
본 발명에 따른 열교환기(1)가 냉각기로서 작동되는 경우에, 액체 열전달 매체(7)의 적어도 일부가 반응로(27)로부터 방출되는 제 1 온도(T1)는 200℃ 내지 450℃인 반면에, 액체 열전달 매체(7)가 열교환기(1)로부터 방출되는 제 2 온도(T2)는 120℃ 내지 300℃이다.
b) 단계에서 열전달 매체(7)가 열교환기 튜브(3)들 사이에서 구불구불하게 흐를 때 본 발명에 따른 방법에서 유리함이 입증되었다. 이는 액체 열전달 매체(7)를 편향시키기 위한 내부 구조물(25)의 선택적인 존재의 결과로써, 상기 액체 열전달 매체가 열교환기 튜브(3)에 대해 본질적으로 횡방향으로 안내됨을 의미한다. 특히, 열전달 매체(7)는 열교환기(1)의 바닥 단부에 공급되어 출구(15)를 거쳐서 열교환기(1)의 상단부로 방출된다. 이런 방식으로 열전달 매체(7)를 안내하는 것은 열교환기 튜브(3) 내의 열전달 매체(7)로부터 냉각 매체로 최적 열전달을 보장한다.
본 발명에 따른 방법은 발열 또는 흡열 반응을 수행하기 위한 셸 앤드 튜브식 반응로로서의 반응로(27) 내에서 유리하게 수행된다.
반응로(27) 내에서 수행되는 반응은 특히, 부분적인 가스상 산화일 수 있다. 이러한 가스상 산화는 바람직하게, 프로펜(propene)에서 아크롤레인(acrolein)으로의 산화, 이소부텐(isobutene)에서 메타크롤레인(methacrolein)으로의 산화, 아크롤레인(acrolein)에서 아크릴산(acrylic acid)으로의 산화, 메타크롤레인(methacrolein)에서 메타크릴산(methacrylic acid)으로의 산화, 및 옥실렌(oxylene)에서 무수프탈산(phthalic anhydride)으로의 산화를 포함한다.
본 발명의 추가의 양태에서, 전술한 열교환기(1)는 발열 반응을 수행하기 위한 반응로(27)의 온도를 제어하는데 사용되며, 여기서 반응로(27)는 셸 앤드 튜브식 반응로이며 액체 열전달 매체(7)는 염 용융물이다.
추가의 목적, 특징, 장점 및 가능한 적용은 도면을 참조한 본 발명의 작동 예에 대한 다음의 설명으로부터 분명해질 것이다. 도면에 의해 설명되고/되거나 예시되는 모든 특징은 청구항 또는 이들이 다시 인용하는 청구항에서의 이들의 조합에 무관하게, 단독으로 또는 임의의 조합으로 본 발명의 요지를 형성한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에서의 열교환기(1)의 개략도를 도시하며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에서의 반응로 설비(101)의 개략도를 도시한다.
본 발명에 따른 열교환기(1)는 도 1에 도시된다. 열교환기(1)의 외측 셸은 열교환기 하우징(5), 상부를 밀봉하는 열교환기 캡(9), 및 바닥을 밀봉하는 열교환기 바닥(11)에 의해 형성된다. 열교환기 튜브(3)는 열교환기(1) 내측에서 수직으로 지향되며 열교환기 튜브 판(31)에 의해 바닥에서 종결된다. 열교환기(1)가 냉각기로서 작동되는 본 발명의 일 실시예에서, 열교환기 튜브(3)는 도 1에 도시되지 않은 공급원으로부터 도입되는 물로 적어도 부분적으로 채워진다. 일 실시예에서, 편향 판(25)은 열전달 매체(7)가 구불구불한 흐름으로 열교환기 튜브(3) 주위를 통과하도록 열교환기 튜브(3)들 사이 및/또는 열교환기 튜브(3)와 열교환기 하우징(5) 사이에 설치된다.
액체 열전달 매체(7)는 열교환기 하우징(5)의 바닥 절반부에 있는 열교환기 하우징(5)에 제공되는 공급 지점(13)을 거쳐서 공급된다. 공급은 바람직하게, 대략 열교환기 튜브 판(31)의 높이쯤에서 실시된다. 열전달 매체(7)는 열교환기 튜브(3)의 방향에 대체로 횡방향, 즉 본질적으로 수평으로 열교환기 튜브(3)를 그리고 그 사이를 통과하고 대응하는 편향 판(25)을 통과한다. 온도가 냉각된 열전달 매체(7)는 열교환기 하우징(5)에 제공되는 출구(15)를 거쳐서 다시 열교환기(1)로부터 방출된다. 특히, 출구(15)는 열교환기 캡(9)의 바로 아래에 위치된다. 도 1로부터 파악될 수 있듯이, 비상 릴리프 포트(17)는 열교환기 캡(9) 바로 아래에, 열교환기 하우징(5)의 상부 영역에 유사하게 위치된다. 비상 릴리프 포트(17)는 정상적으로 100 ㎜ 내지 800 ㎜ 사이의 직경을 가진다. 안전 장치(19)는 열교환기 하우징(5)의 하부 영역에, 특히 하부 1/3 이내, 바람직하게 하부 1/4 이내, 특히 하부 1/5 이내에 비상 릴리프 포트의 반대쪽에 배치된다. 안전 장치(19)는 특히 일종의 라이저 라인(riser line)으로 형성되는 비상 감압 수단이다.
도 2는 발열 반응 또는 흡열 반응을 수행하기 위한 바람직하게는 셸 앤드 튜브식 반응로인 반응로(27)를 포함하는 반응로 설비(101)를 도시한다. 그러한 셸 앤드 튜브식 반응로에서, 일군의 수직 지향된 반응 튜브는 두 개의 튜브 판들 사이에 배치된다. 반응 튜브는 촉매 재료 층(고정 층 촉매)의 패킹(packing)을 포함할 수 있다. 발열 반응 중에 발생된 열을 흡수하고 분산시키거나 흡열 반응에 요구되는 열을 공급하는 액체 열전달 매체(7)가 반응 튜브 주위를 통과한다. 일정한 반응 조건은 미리 결정된 온도에서, 펌프를 사용하여 온도-제어 목적으로 순환되는 열전달 매체(7)에 의해 제공된다.
열전달 매체(7)는 바람직하게, 바닥 튜브 판에 인접하여 반응로(27)로 진입하며 상부 튜브 판에 인접하여 반응로를 빠져나간다.
열전달 매체(7)는 반응로(27)를 통해 흐르며 상기 열전달 매체의 적어도 일부는 적어도 하나의 펌프(29)에 의해 순환된다. 펌프(29) 및 펌프(29)의 대응하는 입력 및 출력 라인은 열전달 매체(7)의 바람직하지 않은 냉각 및 부수적인 점도 감소가 발생하지 않게 하기 위해서 유리하게 추적 가열된다. 펌프(29)는 이상적으로 반응로 하우징에 직접적으로 부착된다. 도시된 실시예에서, 본 발명에 따른 열교환기(1)는 본질적으로 펌프(29)의 반대쪽에 배치된다. 상기 열교환기는 유리하게, 반응로(27)로부터 비교적 짧은 거리에, 즉 10 ㎝ 내지 250 ㎝의 거리에 배치된다. 비상 릴리프 포트(17)는 도 1에 도시된 바와 같이 열교환기(1)의 상부 영역으로부터 나온다. 본 발명에 필수적인 안전 장치(19)는 열교환기(1)의 하부 영역에서, 비상 릴리프 포트의 반대쪽에 배치된다.
열교환기 튜브(3)로부터 열전달 매체(7)로의 냉각 매체, 즉 물과 수증기의 유입이 존재하는 튜브 파괴의 경우에, 유입수는 매우 급속히 증발되고 따라서 예상치 못한 고압이 열교환기(1)에서 증강된다. 안전 장치(19)의 존재는 열교환기(1)의 하부 영역에서 생기는 압력이 안전 장치(19)를 거쳐서 비교적 즉각적으로 해제될 수 있게 한다. 이는 상향으로 밀리는 안전 장치(19) 내의 액체 열전달 매체(7)의 칼럼에 의해 실시된다. 이러한 열전달 매체의 칼럼의 상단부에서는 일반적으로 열전달 매체의 점도가 비교적 높은, 거의 고체상태 직전인 높은 점성 부분인 영역이 존재한다. 이들 부분, 즉 일종의 플러그(plug)가 분리기(23) 내에, 특히 중간 분리기 내에 초기에 수용되며, 그에 의해서 추가의 시스템으로부터 제거된다. 열전달 매체(7)와 물 그리고 또한 수증기의 후속 혼합물이 파이프(33)를 통해 하류 수용 수단(21)의 내측으로 통과한다. 안전 장치(19)와 파이프(33) 및 수용 수단(21)은 모두 열전달 매체(7)의 점도 증가 또는 고화를 방지하기 위해서 추적 가열된다.
액체 열전달 매체(7)가 수용 수단(21)에서 물/수증기 혼합물로부터 제거될 수 있다. 이는 특히 가스상으로부터 액체 열전달 매체(7)를 제거하기 위한 장치를 사용하여 실시될 수 있다. 제거는 사이클론 분리기를 통해서 또는 간단하게 중력 분리를 통해서 실시될 수 있다. 열전달 매체(7)는 그 후에 도 2에 도시되지 않은 라인을 거쳐서 열교환기(1) 또는 반응로(27)로 다시 공급될 수 있다.

Claims (16)

  1. 열교환기(1)에 있어서,
    - 수직으로 지향되고 열교환기 튜브 판(31)에 의해 바닥에서 종결되는 일군의 적어도 두 개의 열교환기 튜브(3),
    - 일군의 열교환기 튜브(3)를 둘러싸는 열교환기 하우징(5)으로서, 액체 열전달 매체(7)가 열교환기 하우징(5) 내에서 일군의 열교환기 튜브(3) 주위로 통과하는, 상기 열교환기 하우징,
    - 상기 열교환기 하우징(5)의 상부를 밀봉하는 열교환기 캡(9),
    - 상기 열교환기 하우징(5)의 바닥을 밀봉하는 열교환기 바닥(11),
    - 상기 열교환기 하우징(5) 상에 제공되며 상기 열교환기(1) 내측으로 이어지는, 열전달 매체(7)용 공급 지점(13),
    - 상기 열교환기 하우징(5) 상에 제공되며 상기 열교환기(1) 외측으로 이어지는, 열전달 매체(7)용 출구(15), 및
    - 상기 열교환기 캡(9)에 근접하여 배치된 비상 릴리프 포트(emergency relief port)(17)를 포함하며,
    상기 열교환기(1)는 상기 열교환기 바닥(11)에 근접하여 배치된 안전 장치(19)를 포함하고,
    상기 안전 장치(19)는 상기 열교환기 바닥(11)에 근접하여 상기 열교환기 하우징(5)의 외측으로 이어지며 상기 열교환기 하우징(5) 내의 액체 열전달 매체(7)의 액위(liquid level)보다 더 높은 곳에 도달하도록 수직 상향으로 이어지는 파이프인
    열교환기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전 장치(19)는 비상 감압 수단인
    열교환기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    열교환기 튜브(3)의 자유 횡단면적에 대한 안전 장치(19)의 자유 횡단면적의 비율이 15 내지 1600인
    열교환기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기(1)는 열전달 매체(7)용 수용 수단(21)을 포함하며, 상기 수용 수단은 상기 안전 장치(19) 또는 상기 비상 릴리프 포트(17)의 하류에 연결되는
    열교환기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기(1)는 가스상(gaseous phase)으로부터 액체 열전달 매체(7)를 제거하기 위한 장치를 포함하는
    열교환기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 안전 장치(19)와 수용 수단(21) 사이에, 상기 열교환기(1)는 액체 열전달 매체(7)의 일부를 위한 분리기(23)를 포함하는
    열교환기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기(1)는 액체 열전달 매체(7)를 편향시키기 위한 내부 구조물(25)을 포함하며, 상기 내부 구조물(25)은 개개의 열교환기 튜브(3)에 또는 개개의 열교환기 튜브(3)들 사이에, 또는 개개의 열교환기 튜브(3) 및 열교환기 하우징(5)에 또는 개개의 열교환기 튜브(3)와 열교환기 하우징(5) 사이에 위치되는
    열교환기.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기(1)는 염욕(salt bath) 열교환기이거나, 또는 상기 액체 열전달 매체(7)는 염 용융물인
    열교환기.
  9. 반응로 설비(101)에 있어서,
    - 반응로(27),
    - 상기 반응로(27)에 연결되는, 제 1 항에 따른 열교환기(1), 및
    - 상기 반응로(27) 또는 상기 열교환기(1)에 연결되며, 액체 열전달 매체(7)의 적어도 일부를 순환시키기 위한 펌프(29)를 포함하는
    반응로 설비.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 반응로(27)는 발열 반응 또는 흡열 반응을 수행하기 위한 셸 앤드 튜브식 반응로(shell-and-tube reactor)인
    반응로 설비.
  11. 반응로(27)의 온도를 제어하기 위한 방법에 있어서,
    a) 제 1 온도(T1)에서 반응로(27)로부터 방출되는 액체 열전달 매체(7)의 적어도 일부를 공급 지점을 거쳐서, 제 1 항에 따른 열교환기(1)의 내측으로 도입하는 단계,
    b) 상기 열전달 매체(7)와 열교환기 튜브(3) 사이에서 열을 교환하도록 열교환기(1)의 열교환기 튜브(3) 주위로 액체 열전달 매체(7)를 통과시키는 단계, 및
    c) 제 2 온도(T2)에서 열교환기(1)로부터 액체 열전달 매체(7)를 배수하고 액체 열전달 매체(7)를 반응로(27)에 공급하는 단계를 포함하며,
    상기 열교환기(1) 내의 압력 증가의 경우에, 발생한 과압(overpressure)은 적어도 하나의 안전 장치(19)를 거쳐서 감소되고,
    상기 안전 장치(19)는 열교환기 바닥(11)에 근접하여 열교환기 하우징(5)의 외측으로 이어지며 상기 열교환기 하우징(5) 내의 액체 열전달 매체(7)의 액위보다 더 높은 곳에 도달하도록 수직 상향으로 이어지는 파이프인
    반응로 온도 제어 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 b) 단계에서, 상기 열전달 매체(7)는 열교환기 튜브(3)들 사이에서 구불구불하게 흐르는
    반응로 온도 제어 방법.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 반응로(27)는 발열 반응 또는 흡열 반응을 수행하기 위한 셸 앤드 튜브식 반응로인
    반응로 온도 제어 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 반응로(27) 내에서 수행되는 반응은 부분적인 가스상 산화인
    반응로 온도 제어 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 부분적인 가스상 산화는 프로펜(propene)에서 아크롤레인(acrolein)으로의 산화, 이소부텐(isobutene)에서 메타크롤레인(methacrolein)으로의 산화, 아크롤레인(acrolein)에서 아크릴산(acrylic acid)으로의 산화, 메타크롤레인(methacrolein)에서 메타크릴산(methacrylic acid)으로의 산화, 및 옥실렌(oxylene)에서 무수프탈산(phthalic anhydride)으로의 산화를 포함하는
    반응로 온도 제어 방법.
  16. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환기는 발열 반응을 수행하기 위한 반응로(27)를 냉각시키기 위해 사용되고,
    상기 반응로(27)는 셸 앤드 튜브식 반응로이며, 상기 액체 열전달 매체(7)는 염 용융물인
    열교환기.
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