KR102394940B1 - 공정 및 회전 기계형 반응기 - Google Patents

Abstract

탄화수소를 포함하는 공급 원료를 열분해하는 충격파 반응기(11a, 11b, 102)로서, 덕트(10)가 입구(6, 6a)와 출구(7)를 갖게 형성된 케이싱(4); 주변에 축류 블레이드 캐스케이드(2)를 포함하는 회전자(1, 1a)를 포함하고; 상기 케이싱은 실질적으로 회전자(1a)의 주변과 덕트 내부의 소정 개수의 고정 베인 캐스케이드(8, 9)를 실질적으로 둘러싸고, 상기 캐스케이드(2, 8, 9)는, 공정 스트림을 포함하는 공급 원료가, 입구와 출구 사이 덕트 내에서 전파되면서, 나선형 궤적에 따라 상기 캐스케이드를 반복적으로 통과하여, 고정 충격파를 발생시켜 공급 원료를 가열하도록 구성된다. 축류 회전자 캐스케이드(2)는 운동 에너지를 제공하고 공정 스트림을 포함하는 공급 원료의 속도를 증가시키도록 구성되고, 회전자 캐스케이드(2)의 하류에 위치된 고정 베인은 스트림의 속도를 감소시켜 운동 에너지를 열로 전환시키도록 구성된다. 반응기는 탄화수소를 사용하는 열분해 공정을 실현하도록 구성될 수 있으나; 이것은 가스상 바이오매스 물질의 처리를 포함하는 탄수화물과 글리세라이드 기반 공급 원료를 처리하는데 사용될 수 있다. 원료 물질을 처리하는 관련 방법이 제시된다.

Description

공정 및 회전 기계형 반응기{PROCESS AND ROTARY MACHINE TYPE REACTOR}

본 발명은 오일 및 석유 화학 정제 분야에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 탄화수소를 포함하는 화합물을 열 분해(thermal cracking)하는 반응기에 관한 것이다.

분해 공정은 역사적으로 무거운 탄화수소 스트림(heavy hydrocarbon stream)을 더 가벼운 탄화수소 분율(lighter hydrocarbon fraction)로 전환하기 위해 오일 정제 및 석유 화학 플랜트에서 활용되어 왔다. 오일 정제 및 석유 화학 정제 분야는 잘 정립되고 뿌리 깊은 기술 분야 중 하나이지만, 오일 산업 및 석유 화학 산업에서 부상하는 추세 중 하나는 임의의 개발 기술이 두 가지 주요 요구 사항을 충족시킬 것을 요구한다. 이러한 요구 사항은 비-재생가능한 원재료 소스로부터 추출된 공급 원료(feedstock)의 소비를 감소시켜 에너지를 절감하는 것으로 간략하게 형성될 수 있다. 이들 요구 사항은 또한 주요 석유 화학 공정 중 하나인 저급 (저분자량) 올레핀을 대규모로 생산하는 공정을 개발하기 위해 고려해야 할 사항이기도 하다.

에틸렌, 프로필렌 및 부틸렌과 같은 저 분자량 올레핀은 석유 화학 산업의 기본 생성물이며, 플라스틱, 고무, 중합체, 엘라스토머 및 기타 합성 물질뿐만 아니라 섬유와 코팅을 상업적으로 생산할 때 공급 원료 역할을 한다. 나프타 또는 휘발유와 같은 중간(medium weight) 탄화수소, 및 펜탄, 부탄, 프로판 및 에탄과 같은 가벼운 탄화수소를, 관형 노(tubular furnace)에서 경량(lightweight)의 실질적으로 불포화된 중합가능한 성분으로 열분해하는 것을 포함하는 저급 올레핀을 위한 기존의 생산 기술은, 지난 반세기 이상 형성되었으나, 비용 효과적으로 공급 원료를 사용하는 현대적 요구조건을 거의 충족시키지 못한다. 관형 노는 열분해 공정에 제한을 가지고 있는데, 즉: 튜브 벽에서 공정 가스로 열을 전달하는 것뿐만 아니라 튜브 재질의 내구성에도 물리적인 한계가 있기 때문에 반응 온도를 높이지 못한다. 이로 인해 공정에 최적이지 않은 공급 원료 체류 시간이 발생한다. 관형 분해 노에서 공급 원료 가열 속도가 불충분하면 열분해 공정의 지속 시간이 길어진다. 이러한 사실은, 올레핀이, 초기 단계에서 형성될 때, 2차 반응을 시작하기 충분히 오랜 시간 동안 반응 노 내에 잔류하여, 결과적으로 목표 생성물이 손실된다는 상황을 초래한다. 2차 생성물에는 또한 코크스가 포함되어 있는데 이 코크스는 튜브에 열 전달 문제를 일으키고 하류에 위치된 장비에 파울링(fouling)을 일으킨다. 종래의 열분해 노의 복사 구획(radiant section)에서 열 전달 속도는 이미 기술적 한계에 도달했기 때문에 전통적인 기술은 전술된 문제를 제거하는 합리적인 해결책을 제공하지 못한다.

종래의 관형 반응기에서 열은 반응기 벽을 통해 반응 구역으로 전달된다.

관형 노 이외의 경우 열분해 장비를 위한 해결책은 알려져 있다. 이 해결책에는 복잡한 회전자 블레이드 배열을 갖는 회전식 반응기가 포함된다. 이러한 장비를 제작하고 유지하는 데 드는 비용은 이 장비로 얻을 수 있는 이익보다 높다.

따라서 열적 열화(thermal degradation)에 의해 저 분자량 탄화수소를 생산하는 전통적인 공정은 다음과 같은 문제점, 즉: 1. 관형 노 반응기(tubular furnace reactor)의 열악한 성능 인자; 2. 값비싼 공급 원료 물질의 손실; 3. 긴 반응 시간; 4. 높은 2차 반응 속도; 4. 높은 에너지 소비; 5. 최적이 아닌 (가능한 것보다 더 적은) 생성물 수율과 선택성을 나타낸다.

본 발명의 목적은 적어도 탄화수소를 포함하는 화합물을 열분해하는 것과 같은 공급 원료를 열적으로, 열-화학적으로 또는 촉매 열-화학적으로 처리하는 신규한 방법을 구현함으로써 전술된 문제점을 완화시키는 것이다.

본 목적은 탄화수소를 포함하는 공급 원료를 열분해하기에 적합한 회전 기계형 반응기를 제공함으로써 달성된다.

일 실시 예에서, 나선형 경로 반응기는, 샤프트와, 축류 회전자 블레이드 캐스케이드(axial-flow rotor blade cascade)를 형성하는 블레이드를 구비하는 디스크를 갖는 회전자, 상기 축류 회전자 캐스케이드에 인접한 적어도 2개의 고정 베인 캐스케이드(stationary vane cascade)를 선택적으로 구비하는 고정 지향 링 형상 림(stationary directing ring-shaped rim), 및 케이싱을 포함한다. 상기 케이싱 내에 배열된 상기 지향 림의 외부 표면은 상기 케이싱의 내부 표면과의 사이에 실질적으로 덕트를 형성한다. 대안적으로, 상기 고정 베인 캐스케이드들 중 적어도 일부는 예를 들어 상기 케이싱의 덕트 벽을 형성하는 내부 표면 상에 형성될 수 있다. 자오선 평면(meridian plane)에서 상기 덕트의 횡단면은 링 형상의 프로파일을 형성한다.

상기 덕트는 수 개의 작동 챔버를 생성하는 방식으로 배열된 수 개의 분할 파티션(dividing partition)을 포함할 수 있다. 작동 챔버들은 동일한 크기인 것이 바람직하지만, 적절한 경우 다른 기술적 구현도 가능하다.

상기 반응기는 공급 원료 스트림을 위한 적어도 하나의 입구 포트, 및 생성물 스트림을 위한 적어도 하나의 출구 포트를 포함한다. 상기 입구 포트는 바람직하게는 상기 회전자의 회전 방향으로 각 분할 파티션 뒤에 배열되고, 상기 출구 포트는 바람직하게는 상기 분할 파티션 앞에 배열된다. 상기 입구 포트와 상기 출구 포트는 상기 덕트 내에 통합될 수 있다.

상기 반응기는 상기 축류 회전자 캐스케이드의 상류에 배열된 제1 고정 베인 캐스케이드; 상기 축류 회전자 캐스케이드의 하류에 배열된 제2 고정 베인 캐스케이드를 갖게 더 구성된다. 따라서, 고정 날개 캐스케이드에는 상기 지향 림이 제공될 수 있다. 전술한 고정 베인 캐스케이드는 제1 캐스케이드 출구 지점(exit point)과 제2 캐스케이드 입구 지점(entrance point) 사이에 베인 없는 공간이 생성되는 방식으로 배열된다.

일 실시 예에서, 상기 반응기는, 전술된 모든 베인 캐스케이드, 즉 고정 캐스케이드와 회전자 캐스케이드가 상기 덕트 내부에서 실질적으로 인접하도록 구성된다.

일부 실시 예에서, 상기 반응기 내의 모든 캐스케이드의 3차원 배열은 공정 스트림(process stream)을 포함하는 공급 원료가, 상기 입구 포트와 출구 포트 사이 상기 덕트 내에서 전파되면서, 나선형 궤적에 따라 상기 캐스케이드와 베인 없는 공간을 반복적으로 통과하여, 순차적으로 고정 충격파(stationary shock-wave)를 발생시켜 상기 반응기 내 상기 공급 원료를 가열하도록 구성된다. 따라서, 상기 축류 회전자 캐스케이드는 공정 스트림을 포함하는 공급 원료에 운동 에너지를 제공하여 이 공급 원료의 속도를 증가시키도록 구성되고, 이로부터 하류에 위치된 상기 고정 캐스케이드는 상기 공정 스트림의 속도를 감소시켜 운동 에너지를 열로 전환시키도록 구성된다.

모든 캐스케이드와 그 베인은, 공정 스트림 유속(flow velocity)이 모든 캐스케이드에서 소리의 속도를 초과하는 속도(즉, 초음속(supersonic))에 도달할 수 있는 반면, 상기 덕트 내의 베인 없는 공간의 유속은 아음속(subsonic)으로 유지되도록 제공된다.

일 실시 예에서, 상기 축류 회전자 캐스케이드는, 오목한 측면(concave side)이 회전자의 회전 방향으로 지향되는 방식으로 회전자-장착된 능동형 초음속 임펄스 터빈 블레이드의 프로파일을 갖는 작동 블레이드를 구비한다.

일부 실시 예들에서, 상기 제1 고정 베인 캐스케이드는, 곡선 프로파일을 가지고 볼록한 측면이 회전자의 회전 방향으로 배치된 복수의 베인을 구비하고; 상기 제2 고정 베인 캐스케이드는, 곡선 초음속 압축기 프로파일을 가지고 볼록한 측면이 회전자의 회전 방향으로 배치된 복수의 베인을 구비한다.

일부 다른 실시 예에 따르면, 상기 반응기는 축방향 압축기형 기계로 구성된다. 이 실시 예의 상기 축방향 반응기는 가늘고 긴 회전자를 포함하고, 이 회전자를 따라 복수의 회전자 블레이드가 축류 회전자 캐스케이드(들)를 형성하도록 소정 개수의 순차적인 행으로 배열된다. 상기 회전자는 케이싱 내에 둘러싸이고, 그 내부 표면에는 고정자 베인 캐스케이드가 제공되고, 이 고정자 베인 캐스케이드는 회전자 캐스케이드와 고정자 캐스케이드의 블레이드/베인이 상기 회전자의 길이를 따라 교대하도록 배열된다.

다양한 실시 예에서, 상기 반응기는 유체 공급 원료, 바람직하게는 가스상 공급 원료를 처리하도록 구성된다.

일부 실시 예에서, 상기 반응기는 산소를 포함하는 공급 원료 물질, 예를 들어, 탄수화물(carbohydrate)과 글리세라이드(glyceride)예를 들어, 트리글리세라이드(triglyceride))-기반 공급 원료 물질을 처리하도록 구성된다.

또 다른 실시 예에서, 상기 반응기는 가스상 형태로 상기 반응기에 제공된 바이오매스-기반, 바람직하게는 셀룰로오스-유도된 또는 특히 리그노셀룰로오스-유도된 공급 원료 물질을 처리하도록 구성된다.

본 발명의 다른 양태에서, 구동 엔진에 연결된, 본 발명의 반응기, 열 회수 유닛, 및 켄칭 유닛(quenching unit)을 포함하는 반응기 조립체가 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 직렬 또는 병렬로 연결된 본 발명의 적어도 2개의 반응기를 포함하는 열분해 플랜트 형태의 장치가 제공된다.

본 발명의 추가적인 양태에서, 본 명세서에 개시된 반응기의 일 실시 예를 사용하는 탄화수소를 포함하는 공급 원료를 열 분해하는 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 본 명세서에 개시된 반응기의 회전 블레이드 캐스케이드의 기계적 에너지로부터 생성된 충격파에 의해 빠른 흡열 화학 반응을 하는 에너지를 도입하는 방법이 제공된다.

본 발명의 유용성은 각 특정 실시 예에 따라 다양한 이유로부터 발생한다. 첫째, 일부 실시 예에 따라 구현된 회전 기계형 반응기는 완전 유동-변위 반응기의 작동 모드에 가까운 조건 하에서 신규한 분해 공정을 수행할 수 있다. 상기 회전 기계형 반응기는 탄화수소를 포함하는 화합물을 열분해하는 새로운 방법을 제공하는데, 특히 저 분자량 탄화수소를 포함하는 화합물을 얻는 데 적합한 새로운 방법을 제공한다. 반응기 설계는 기계적 에너지를 반응기 내부에서 높은 열 에너지로 변환하는 고속 회전자에 기초하며, 본 명세서에 제공된 열분해 공정은, 반응 혼합물에 열을 공급하는 방법에 의해 열 분해하는 종래의 기술과는 다르다. 종래의 관형 열분해 노에서 열분해 열은 관형 코일 벽을 통해 전달되는 반면, 본 명세서에 개시된 반응기는 반응 혼합물 내부에서 직접 열을 발생시키도록 구성된다.

상기 반응기에서 분해 반응은 공정 스트림을 포함하는 공급 원료가 고강도의 일련의 고정 충격파를 통과할 때 이 공급 원료에 직접 생성된 열에 의해 발생한다. 이러한 열 공급 방법은 반응 구역을 한정하는 벽의 온도를 상당히 감소시켜, 관형 노에 일반적인 열 공급 속도의 한계를 극복할 수 있는 기회를 제공한다. 고정 캐스케이드와 회전자 캐스케이드 및 베인 없는 공간에 의해 제한된 공간으로 구성된 반응 구역에서 공급 원료 가스가 소비되는 시간은 매우 짧은데(약 0.01 초 이하), 이는 종래의 열분해 노에 비해 약 10 배 더 짧다. 따라서, 화학 반응이 실질적으로 동일하게 유지되더라도, 이 공정은 종래의 열분해보다 더 제어가능하다. 공정 스트림의 단면의 온도 프로파일이 보다 균일한 것뿐만 아니라 압력을 감소시켜 반응 구역에서 공급 원료 가스의 체류 시간을 감소시킬 수 있기 때문에 원하는 열분해 생성물의 수율이 증가한다. 전술된 공정은 예를 들어 올레핀과 같은 주된 생성물의 수율이 극히 높은 것을 특징으로 하기 때문에, 이렇게 제공된 기술은 우선 오일 및 가스와 같은 더 적은 양의 공급 원료로부터 부가 가치를 생성하는 분해 공정을 개발하는 그 다음 단계를 나타낸다. 업계에서 상기 반응기를 사용하면 원재료를 보다 비용 효과적으로 처리할 수 있어서 오일 정제 플랜트의 효율과 수익성에 긍정적인 영향을 미친다.

둘째, 회전 기계형 반응기를 제공하면 코크스 형성 문제를 해결할 수 있다. 종래 기술에 비해 코크스 형성 속도가 감소하는 이유는 반응기의 정적인 부분(벽)이 저온인 것과 함께 반응 구역에서 가스 공급 원료의 체류 시간이 더 짧기 때문이다. 나아가, 체류 시간이 더 짧으면, 원하는 생성물로 가는 반응 선택성이 좋아진다.

본 발명의 반응기는 또한, 예를 들어, 바이오 기반 공급 원료로부터 유도된, 산소를 포함하는 공급 원료 물질을 처리할 수 있다. 상기 반응기의 다른 가능한 응용 분야는 바이오매스 또는 바이오매스-유래 물질을 정제하여, 예를 들어, 식물성 오일(예를 들어, 소나무 오일) 또는 동물성 지방을 직접 촉매로 수소화하여 예를 들어 대응하는 알칸을 생성하는 것과 같은 공정으로 재생가능한 연료를 생산하는 것을 포함한다. 더 나아가, 바이오계 열분해 가스 또는 합성 가스의 가치를 부여(valorization)하는 것이 본 발명의 반응기에 의해 구현될 수 있는데, 여기서 "가치를 부여하는"이란 용어는 본 문서에서 가스상 물질을 개선하거나 또는 정제하는 것을 나타내는 것으로 언급된다.

선택적으로 또는 부가적으로, 본 발명의 반응기에는 촉매 반응을 가능하게 하는 촉매 표면(들)이 제공될 수 있다.

본 발명의 축방향 압축기형 또는 터빈형 반응기의 다양한 실시 예에 특히 관심을 두면, 소위 플러그 흐름 모델이 달성될 수 있다. 동시에, 생성물과 공급 원료를 혼합한 결과, 회전자 챔버에서 발생하여 코킹을 야기하는 바람직하지 않은 부반응이 제안된 장치에서는 회피될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 고정 베인 캐스케이드는 앞서 제시된 다른 회전식 반응기 용액에 비해 동일한 유형이거나 적어도 유사한 유형일 수 있으며, 이 경우 2개의 별개의 고정자 캐스케이드의 블레이드는 상이한 구조 및 위치 각도를 갖는다.

"열분해" 및 "분해"라는 용어는 본 명세서에서 더 무거운 탄화수소를 포함하는 화합물을 더 가벼운 탄화수소를 포함하는 화합물로 열적 열화시키는 공정과 관련하여 주로 동의어로 사용된다.

"소정 개수의"라는 표현은 본 명세서에서 1에서 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들어, 1, 2, 3 등을 말한다.

"복수의"라는 표현은 본 명세서에서 2에서 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들어, 2, 3, 4 등을 말한다.

"제1" 및 "제2"라는 용어는, 명시적으로 달리 언급하지 않는 한, 본 명세서에서 특정 우선 순위 또는 순서를 나타내지 않는다. 대신, 이들 용어는 물리적 요소와 같은 하나의 개체를 다른 개체와 구별하는 데 사용된다.

"유체"라는 용어는 본 명세서에서 주로 가스상 물질, 예를 들어, 증기 희석제의 존재 또는 부존재 하에서 공정 스트림 가스 상을 말한다.

본 명세서에서 "코드(chord)"라는 용어는 본 명세서에서 호(arc)의 종단점을 연결하는 직선, 본 명세서에서는, 곡선 블레이드/베인을 나타내는 것을 말한다.

"가스화된(gasified)"이라는 용어는 본 명세서에서 임의의 가능한 수단에 의해 가스 형태로 전환되는 물질을 나타내는데 사용된다.

"유체 역학적"이라는 용어는 본 명세서에서 주로 가스로 표현되는 본 명세서에서 유체의 역학을 나타내는데 사용된다. 따라서 상기 용어는 본 명세서에서 "공기 역학적"이라는 용어와 동의어로 사용된다.

본 발명의 다른 실시 예는 상세한 설명과 첨부 도면을 고려하면 보다 명백해질 것이다.

도 1은 탄화수소를 포함하는 공급 원료를 열분해하는 본 발명에 따른 반응기의 일 실시 예를 도시한다.
도 2a는 도 1의 반응기의 내부 배열을 도시한다.
도 2b는 도 2a의 반응기의 베인 배열과 스트림 흐름을 보다 상세하게 도시한다.
도 2c는 도 1 및 도 2a, 도 2b의 반응기에 대한 기하학적 파라미터와 작동 조건을 도시한다.
도 3a는 도 1 내지 도 2의 반응기 내의 스트림 가스의 온도 이력 차트이다.
도 3b는 도 1 내지 도 2의 반응기 내의 베인 분포를 도시한다.
도 4a는 본 명세서에서 축 방향 터보 기계로 구성된 반응기의 다른 실시 예를 도시한다.
도 4b는 도 4a의 2개의 축 방향 반응기의 순차적인 연결을 도시한다.
도 5는 본 발명의 반응기 및 관련 분해 공정에 기초한 반응기 조립체의 고차 레벨 블록도이다.

본 발명의 상세한 실시 예는 본 명세서에서 첨부된 도면을 참조하여 개시된다. 동일한 도면 부호는 동일한 부재를 지칭하기 위해 도면 전체에 걸쳐 사용된다. 다음 참조 부호가 부재에 사용된다:

1 - 회전자 샤프트;

1a - 회전자 디스크;

2 - 회전자 블레이드를 갖는 축류 캐스케이드;

3 - 지향 림;

4 - 케이싱;

5 - 분할 파티션;

6 - 공급물 입구 포트;

6a - 제2 공급물 입구 포트 또는 증기 주입 포트;

7 - 생성물 출구 포트;

8 - 노즐 베인을 갖는 제1 고정형 캐스케이드;

9 - 확산 베인을 갖는 제2 고정형 캐스케이드;

10 - 베인 없는 공간이 있는 덕트;

11a - 제1 실시 예에 따른 회전 기계형 반응기;

11b - 제2 실시 예에 따른 회전 기계형 반응기;

11c - 하나의 가능한 실시 예에 따라 적어도 2개의 상호 연결된 반응기를 포함하는 작동 모듈;

12 - 촉매 요소;

13 - 냉각 매체 주입 포트;

14 - 냉각 또는 가열 포트;

101 - 구동 엔진;

102 - 회전 기계형 반응기;

103 - 열 회수 유닛;

104 - 켄칭 유닛;

105 - 공기 필터.

본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화수소를 포함하는 공급 원료를 열분해하는 나선형 경로 반응기(11a)의 단면도(파선 상자에 도시된 반응기의 상면도에서 지시된 A-A' 부분 참조)가 도 1에 도시되어 있다. 반응기는, 회전자 디스크(1a)가 고정된 회전자 샤프트(1)를 구비하는 회전자를 포함한다. 회전자 디스크(1a)는 축류 회전자 캐스케이드(2)를 형성하는 복수의 회전자 블레이드를 구비한다. 축류 회전자 캐스케이드 회전자 블레이드는 바람직하게는 능동 초음속 임펄스 터빈 블레이드의 프로파일을 갖고; 이들 블레이드는 방사 방향으로 지향되고 오목한 측면이 회전자의 회전 방향으로 설치된다. 회전자 블레이드의 원주 속도는 적어도 250 m/s가 되도록 구성된다. 반응기(11a)는 축류 회전자 블레이드의 팁에 인접하는 내부 고정 링 형상 림(3)과 케이싱(4)의 내부 표면을 더 포함한다. 외부 케이싱(4)은 림(3)의 외부 표면과 케이싱(4)의 내부 표면 사이에 환형 덕트(10)를 형성하도록 회전자(1)와 림(3)의 주변을 둘러싼다. 덕트(10)의 자오선 단면은 링 형상 프로파일을 형성한다. 반응기(11a)는 공급 원료 스트림을 위한 적어도 하나의 입구 포트(6), 및 생성물 스트림을 위한 적어도 하나의 출구 포트(7)를 더 포함한다. 적절한 경우, 반응기(11a)는 2개의 입구와 2개의 출구 포트를 갖도록 구성될 수 있다.

본 실시 예에 제공된 반응기(11a)는 실질적으로 링 원환체(ring torus) 형상으로 구현된다. 따라서, 도 2a는 실질적으로 링 형상 구조와 관련하여 입구 포트와 출구 포트의 공간 위치를 나타내기 위해 원환체 형상의 반응기의 포로이달 단면(poloidal cross-section)을 제공한다.

덕트(10)의 내부는 분할되지 않게 구현될 수 있다. 대안적인 실시 예에서, 덕트(10)는 적어도 2개의 작동 챔버(도 2a)를 형성하도록 내부에 배열된 수 개의 분할 파티션(5)을 포함할 수 있다. 상기 챔버들의 크기는 바람직하게는 동일하지만; 적절한 경우 다른 기술적 구현이 배제되는 것은 아니다. 입구 포트(6)는 바람직하게는 회전자의 회전 방향으로 각 분할 파티션(5) 후에 배열되고, 출구 포트(7)는 바람직하게는 각 분할 파티션(5) 전에 배열된다. 입구 포트와 출구 포트는 덕트 내에 통합될 수 있다.

다음으로 반응기(11a)의 CFD(Computational Fluid Dynamics) 시뮬레이션 모델에 기초하여 생성된 도 2a 내지 도 2c를 참조한다. 여기서 도 2b의 표현은 CFD 계산에 단일 계산 영역이 사용되는 것에 대응한다.

링 원환체 형상의 반응기(11a)는 적어도 2개의 고정 (고정자) 베인 캐스케이드(8, 9)를 더 구비한다. 따라서, 제1 고정 베인 캐스케이드(8)는 축류 회전자 블레이드 캐스케이드(2)의 상류에 배열되고, 바람직하게는 곡선형 프로파일을 가지고 볼록한 측면이 회전자의 회전 방향으로 배치된 복수의 베인을 포함한다. 제1 고정 캐스케이드(8)의 베인은 바람직하게는 노즐 베인(nozzle vane)으로 구성되므로, 명확함을 위해 제1 캐스케이드는 "노즐 캐스케이드"라고도 언급된다.

제2 고정 베인 캐스케이드(9)는 축류 회전자 캐스케이드(2)의 하류에 배열되고, 바람직하게는 곡선형 초음속 압축기 프로파일을 가지고 또한 볼록한 측면이 회전자의 회전 방향으로 배치된 복수의 베인을 포함한다. 제2 고정 캐스케이드(9)의 베인은 바람직하게는 확산 베인(diffusing vane)으로 구성되므로, 명확함을 위해 제2 캐스케이드는 "확산 캐스케이드"라고도 언급된다.

두 고정 베인 캐스케이드(8, 9)에 제공된 베인은 두 캐스케이드에 대해 곡선형 프로파일을 갖도록 구현될 수 있다.

두 고정 베인 캐스케이드(8, 9)는 도면(도 2a에서 박스 참조)에 기초하여 명백한 바와 같이 지향 림(3)(도 1, 도 2a)에 제공되거나 또는 케이싱(4)의 내부 표면의 덕트를 형성하는 벽에 제공될 수 있다. 두 고정 날개 캐스케이드(8, 9)는, 확산 캐스케이드(9)로부터 나가는 출구와 노즐 캐스케이드(8)로 들어가는 입구 사이에 베인 없는 공간이 형성되는 방식으로 배열되는 것이 바람직하다.

일부 실시 예에 따르면, 반응기(11a)는 캐스케이드(2, 8, 9)들이 덕트(10) 내에서 실질적으로 인접하도록 구성된다.

도 2c는 반응기(11a)에 대한 기하학적 파라미터와 한 세트의 작동 조건을 도시한다.

반응기 작동 원리는 공정 스트림의 운동 에너지를 열로 전환시키는 것에 기초한다. 반응기(11a)는, 공급 원료 분자를 처리하기 위한 열이 반응기의 벽을 통해 전달되지 않고, 반응기로 들어가는 증기와 증발된 공급 원료의 혼합물이 베인 캐스케이드에 제공된 베인의 공기 역학적 항력(aerodynamic drag)에 의해 반응 혼합물 내부에서 직접 발생된 열에 의해 가열되도록 제공된다.

반응기(11a)는 실질적으로 다음과 같이 작동한다. 회전자(1)가 회전하면, 각 작동 챔버 내의 가스가 입구 포트(6)로부터 출구 포트(7)로 전달된다. (미도시된 주변 소스로부터 압력 하에 제공되는) 예를 들어 탄화수소계 공급 원료와 증기 희석제를 조절 가능한 비율로 포함하는 공정 스트림을 포함하는 공급 원료가 반응기 입구 포트(6) 안으로 공급된다. 공급 원료-희석제의 비율은 반응기 덕트 내에 형성된 압력에 크게 의존하는데; 압력이 감소하면 공정 스트림이 반응기 내로 공급되는 증기 희석제의 양이 감소된다. 공정 스트림을 포함하는 공급 원료는, 입구 포트와 출구 포트 사이의 덕트(10) 내에서 순환하면서, 나선형 궤적에 따라 노즐 캐스케이드(8), 축류 캐스케이드(2), 확산 캐스케이드(9) 및 베인 없는 공간을 반복적으로 통과하도록 더 구현된다. 캐스케이드(2, 8, 9)와 이에 위치된 베인은, 모든 캐스케이드에서 공정 스트림 유속이 초음속이 되도록 구성되는 반면, 덕트(10) 내의 베인 없는 공간에서의 유속이 아음속으로 남아있게 제공된다. 공정 스트림을 포함하는 공급 원료가 나선형 궤적을 따라 고정자-회전자-고정자 캐스케이드를 연속적으로 통과하도록 구현되기 때문에, 반응기는 때때로 본 발명에서 나선형 경로 반응기라고 언급된다.

축류 회전자 캐스케이드(2)는, 공정 스트림을 포함하는 공급 원료에 운동 에너지를 제공하여 유속을 증가시키도록 더 구성되는 반면, 확산 캐스케이드(9)는 이를 통과하는 공정 스트림의 유속을 감소시키도록 구성된다. 반응 구역 내의 체류 시간 동안, 공정 스트림을 포함하는 공급 원료는 캐스케이드(8, 2, 9)를 각각 여러 번 통과하는데, 축류 회전자 캐스케이드(2)를 통과할 때마다 공정 스트림이 가속되어 운동 에너지를 받아서 확산 캐스케이드(9)에서 유속이 감소할 때 열로 더 전환된다. 이렇게 수립된 움직임은 반응기 내에서 가스 공급 원료를 가열하는 고정 충격파를 생성한다. 사실, 공정 스트림이 고강도의 정지 충격파에 의해 영향을 받는 시간 동안 이 공정 스트림은 순차 임펄스로 가열된다. 도 3a는 예시적인 모델 반응기(11a) 내의 체류 시간 동안 공정 스트림에 의해 생성된 시간-의존 온도 곡선을 도시한다. 파선 라인은 공정 흐름이 고정자-회전자-고정자 캐스케이드(8, 2, 9)를 통과하는 순간을 나타내며 파선 원은 공정 단계(I-V)를 한정한다. 도 3a의 온도 곡선은 전체 온도가 약 500℃로부터 거의 1000℃로 상승하는 톱니 형태를 가지고 있다. 공급 원료는 약 600℃에서 반응기로 보내지고 이후 베인 캐스케이드와 베인 없는 공간을 통과하면서 더 가열된다. 이러한 배열에 의해 모든 공정 스트림 입자가 본질적으로 동일한 온도 이력을 소유하게 된다. 모든 공정 스트림 입자가 동일한 온도 이력을 소유한다는 사실에 의해 나선형 경로 반응기는 기술적 특성 면에서 완벽한 플러그 유동형 반응기에 가깝다. 도 3a에 도시된 예시적인 온도 이력 도표는, 가스 공급 원료 유동이 캐스케이드를 통과할 때 개별 분자들이 정렬된 운동(입자의 유동)과 교란 운동을 하는 운동 에너지의 합이 일정한 것(정상 유동 시뮬레이션)이라고 가정하고, 링 원환체 형상의 반응기를 시뮬레이션 모델링하는 것에 의해 얻어진 것이다.

예시적인 모델 반응기(11a)(도 3a)에서, 이 반응기는 900℃의 온도에 이르는데 5 단계(I-V)를 가졌고, 이후의 에너지 투입은 온도를 더 상승시키는데 사용되는 것이 아니라 순전히 분해시키는데 사용되는 것으로 인해 흡열 반응이 열 투입의 대부분을 소비하였다. 따라서, 공급 원료 공정 스트림이 초음속으로 고강도의 고정 충격파를 통해 다수회 전환되는 동안 본 실시 예의 반응기에서 열분해 공정이 수행될 수 있다. 고정 충격파가 확산 캐스케이드(9)의 베인간 유로(inter-vane canal)의 입구에 나타날 때 현저한 온도 점프가 발생한다.

도 3b는 예시적인 반응기(11a) 내의 블레이드/베인 분포를 도시한다. 재생 압축/에너지 추가 공정 동안 온도가 증가하는 것으로 인해, 공정 가스의 밀도는 입구 포트(6)로부터 반응기(11a)를 따라 출구 포트(7)로 가면서 변한다. 따라서, 고정자 베인의 분포와 베인 사이의 피치(pitch)는 불균일하다. 도 3b는 전술한 바와 같은 예시적인 5 단계의 배열을 도시한다. 회전자에서 피치/코드의 비율은 변경될 수 없으며 이 비율은 총 80개의 블레이드(도 2c 참조)에 대해 각 블레이드의 축방향 코드 파라미터가 16 mm(0.016 m)이고 그 평균 반경이 0.151 m인 경우 0.75의 값으로 고정된다. 고정 캐스케이드의 피치/코드 파라미터는 표 1에 제시된다.

본 반응기에서 일반적인 열분해 반응은 500-1000℃에서 수행되지만, 최소 "시작" 온도는 200℃까지 낮게 조절될 수 있다. 일부 생명 공학 분야의 경우 최소 온도는 예를 들어 실온과 같이 극히 낮은 값으로 조절될 수 있다. 이러한 생명 공학 분야에의 응용은 예를 들어 당과 같은 탄수화물을 가공하는 것을 포함한다.

작동 동안 반응기 덕트(10) 내의 압력은 입구 압력과 출구 압력을 조절함으로써 조절 가능하다. 가스상 공급 원료로서 사용되는 중탄화수소의 경우, 덕트(10) 내의 압력은 약 2 bar abs(0.2 MPa)일 수 있고, 그 밖의 경우 더 낮은 압력 설정이 바람직할 수 있다.

반응기 파라미터는 반응 구역에서 가스상 공급 원료가 소비되는 시간(체류 시간)이 수 초에서부터 수 밀리초까지, 바람직하게는 약 10 msec까지 변하도록 조절될 수 있다. 절대 체류 시간은 위에 표시된 바와 같이 공정 단계의 수와 베인 없는 공간의 볼륨에 따라 달라질 수 있다(도 3a).

도 4a를 참조하면, 다른 회전식 반응기에 대한 대안적인 실시 예가 도시되어 있다. 이 실시 예에 따르면, 반응기(11b)는 축류 압축기형 반응기 또는 터빈으로 구성된다. 이 실시 예의 반응기(11b)는 연장된(세장형) 회전자(1)를 포함하며, 이 회전자(1)를 따라 복수의 회전자 블레이드가 축류 회전자 캐스케이드(들)(2)를 형성하도록 다수의 순차적인 행으로 배열된다.

회전자(1)는 케이싱(4) 내에 수용되며, 그 내부 표면에는 고정(고정자) 제1 및 제2 베인 캐스케이드(8, 9)가 각각 제공되고, 이 고정 제1 및 제2 베인 캐스케이드(8, 9)는 회전자 캐스케이드와 고정자 캐스케이드(2, 8, 9)의 블레이드/베인이 회전자(1)를 따라 길이 방향으로(회전자 길이를 따라) 교대하도록 배열된다. 고정자 캐스케이드(8, 9)의 베인은 바람직하게는 케이싱(4)의 덕트 벽을 형성하는 내부 표면의 대향하는 측면들 상에 배열된다. 따라서, 길이 방향으로 회전자(1)를 따라 특정 위치에 있는 회전자 캐스케이드(2)의 블레이드는, 도 4a에서 파선 원으로 표시된 인접한 고정자 베인 쌍(캐스케이드(8 및 9))을 갖는 소위 캐스케이드 유닛 또는 "단계(stage)"를 형성하도록 고려될 수 있다. 후속 단계는 이들 단계 사이에 블레이드/베인이 없는 공간이 있다. 이 공간은 이하 검토되는 추가적인 요소를 포함할 수 있다. 적절한 경우 다른 단계 구성도 가능하다.

회전자(1)와 케이싱(4)의 내부 표면 사이에 제공된 볼륨은 덕트(10)로 한정되고, 이 덕트(10)는 회전자 블레이드 케스케이드(2)와 고정자 베인 캐스케이드(8, 9)를 둘러싼다. 반응기(11b)는 공급 원료 스트림을 위한 적어도 하나의 입구 포트(6), 및 생성물 스트림을 위한 적어도 하나의 출구 포트(7)를 더 포함한다. 반응기(11b)는 예를 들어 냉각 매체를 주입하기 위한 적어도 하나의 추가적인 포트(13)를 포함할 수 있다. 추가적으로, 반응기(11b)는 보다 상세히 더 설명된 바와 같이 촉매 요소 또는 촉매 공동(void)(12)(중간 촉매 공간)을 포함할 수 있다. 그러나, 선택된 블레이드 및/또는 베인에는, 예를 들어, 촉매 코팅의 형태로 촉매 물질이 제공될 수 있다.

전술한 실시 예에 대해 설명된 바와 같이, 고정자 베인이 불균일하게 분배되는 구성은 또한 축방향 반응기(11b)에도 적용될 수 있다.

전술된 구성에 의해 고도로 맞춤된 화학 공정을 수행할 수 있고, 여기서 반응 구역에서 반응 시간, 온도 및/또는 가스상 공급 원료 체류 시간은 최상의 선택성/전환율을 달성하도록 맞춰질 수 있다. 온도 및/또는 희석율을 제어하기 위해, 이 실시 예의 반응기는 반응성 성분 및/또는 공급물 희석제를 위한 추가적인 증기 주입 포트를 포함할 수 있다. 이 실시 예에 따라 반응기는, 공급 원료 가스 스트림이 반응 챔버에 유입될 때 이 가스 스트림이 고정 베인 캐스케이드(8, 9)와 회전자 블레이드 캐스케이드(2)의 기계적인 작용이 협력하여 유래된 충격파에 의해 생성된 열에 의해 영향을 받도록 제공된다. 회전자-고정자 캐스케이드 내에 제공된 블레이드/베인 구성은 이전의 실시 예와 동일할 수 있지만; 축 방향 터빈형 구현은 행 내 회전자 캐스케이드와 고정자 캐스케이드의 블레이드/베인의 구조적 파라미터도 변화시킴으로써 반응 파라미터를 조절하는데 있어서 추가적인 유연성을 제공할 수 있는데, 즉, 이러한 설계는 특정 캐스케이드의 순차적인 행 내에서 번갈아 나타날 수 있다.

순차적으로 또는 직렬로 연결된 전술된 실시 예의 적어도 2개의 축 방향 터빈형 반응기(11b)를 포함하는 작동 모듈(11c)의 실시 예가 도 4b에 도시되어 있다. 도 4b의 구성은 2개의 상호 연결된 반응기 유닛(11b)을 도시하며, 이들 반응기 유닛 사이에서 구동 엔진 요소(101)가 위치된다. "직렬(in-series)" 구성에는 예를 들어 여분의 공급물을 주입하거나 또는 증기를 주입하는데 사용될 수 있는 추가적인 입구 포트(6a)가 제공될 수 있다. 2개의 반응기 유닛(11b) 사이에 제공된 연결 파이프에는 냉각 또는 가열 매체를 도입하기 위한 추가적인 포트(14)가 배열될 수 있다. 그러나, 작동 모듈(11c)의 최종 배열은 생산 라인의 크기와 목적뿐만 아니라 내부 개별 반응기 유닛의 수에 크게 의존하는 것으로 이해된다.

지금까지 설명된 바와 같이, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 반응기(11a, 11b)에는 일반적으로 촉매 반응을 가능하게 하기 위한 촉매 표면(들) 또는 다른 촉매 요소(들)가 제공될 수 있다. 촉매 표면은 바람직하게는 반응 구역 내에 적어도 하나의 블레이드/베인 캐스케이드의 개별 블레이드 또는 베인들 중 적어도 일부에 촉매를 코팅하는 것에 의해 형성된다. 베인 캐스케이드에 제공되고 반응 구역 내에 위치한 베인은 적절한 경우 촉매로 코팅될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로 촉매 코팅은 예를 들어 반응 구역 내에서 케이싱의 덕트 벽을 형성하는 내부 표면에 적용될 수 있다. 대안적으로 또는 추가적으로 촉매 요소(들) 또는 촉매 공동(들)은 반응 구역 내에 배열되거나, 활성 코팅을 갖는 세라믹 또는 금속 기판(들) 또는 지지체(들)에 의해 형성되거나 이들이 제공될 수 있다. 대안적으로 모놀리식 벌집 촉매가 사용될 수 있다. 촉매 요소는 도 4a 및 도 4b에서 참조 부호 12로 표시되어 있다.

지금까지 설명된 것들과 같은 여러 실현 가능한 실시 예에 따른 반응기는 일반적으로 가스상 공급 원료 물질을 처리하도록 적용되고, 실제로, 회전식 반응기는 예를 들어 산소를 포함하는 공급 원료 물질을 처리하도록 구성될 수 있다. 그러므로 공급 원료 물질의 선택 범위는 자연적으로 탄화수소 기반 공급 원료에 의해 한정된 한계를 넘어 확장될 수 있다. 일 실시 예에서, 반응기는, 예를 들어, 피셔-트롭시(Fischer-Tropsch) 공정 단계들 중 하나로서, 식물성 오일을 대응하는 알칸으로 직접 촉매로 수소화하거나 또는 가스상 탄화수소를 촉매로 탈수소화하는 것과 같은 공정에서 재생 가능한 연료를 제조하도록 바이오매스를 정제하는데 적용될 수 있다. 바이오매스를 정제하는데 적용된 반응기는 가스상 바이오매스 기반 전처리된 공급 원료를 사용하도록 적용될 수 있다. 특히 본 문서에 개시된 촉매 코팅 표면과 함께 가스화된 바이오매스를 처리하도록 반응기를 조절하면 재생 가능한 연료를 생산하는 신규한 비용 효과적인 방법을 개발할 수 있다. 바이오매스를 정제하는 것과 관련된 또 다른 예는 천연 가스를 액화하는 유망한 공정으로 널리 연구된 메탄을 촉매로 고온(약 900 ℃)에서 이합체화(dimerization)시키는 것이다.

구동 엔진에 연결된 본 발명의 반응기 또는 작동 모듈의 일 실시 예, 열 회수 유닛과 켄칭 유닛을 포함하는 반응기 조립체가 제공될 수 있다. 단 하나의 예시적인 설치만이 도 5에 도시되어 있고, 도 5는, 엔진(101), 적어도 하나의 회전 기계형 반응기(102), 열 회수 유닛(103), 예를 들어, 증기 보일러, 켄칭 장치(104) 및 공기 필터 머플러(105)를 포함하는, 본 발명의 임의의 실시 예에 따른 반응기(들)에 기초한 반응기 조립체의 고차 레벨 블록도를 도시한다. 도 5는 3개의 반응기(102)가 병렬로(파선 상자) 또는 "직렬로"(실선 상자) 연결될 수 있는 2개의 예시적인 장치를 도시한다. 반응기(102)들 사이의 기능적 연결은 물결 모양의 선으로 표시된다. 도 5에서 반응기(102)의 수와 그 배열은 단지 예시적인 것이며 실제로는 설치 크기/용량과 생산 볼륨에 크게 좌우된다. 여기에 제공된 반응기는 바람직하게는 분해 유닛이지만; 분해하는 응용 이외의 응용에서 사용하는 것이 배제되지 않는다.

조립체는 전기 모터, 가스 피스톤 엔진, 가스 터빈 및 증기 터빈과 같은 여러 구동 엔진을 사용할 수 있다. 그러나 가스 터빈 또는 가스 피스톤 엔진은 현재 회전식 반응기에 가장 적합한 구동 엔진 중 하나인 것으로 입증되었다. 회전식 반응기 조립체는 종래의 열분해 노 설치와 실질적으로 동일한 가열 및/또는 냉각 유닛을 필요로 할 수 있다. 따라서, 회전식 반응기는 전체 유닛의 작동 모드에 영향을 미치지 않던 종래의 분해에서 복사 구획 코일을 편리하게 대체하도록 구성될 수 있다. 나아가, 부산물의 수율이 낮은 것으로 인해 종래의 플랜트에 비해 공정 하류 설비의 크기가 감소될 수 있다.

나선형 경로 반응기 조립체의 작동 모델을 위한 테스트 구동의 일 예가 더 제공된다.

실시 예 1. 여러 제조사의 종래의 관형 열분해 노에 비해 예시적인 나선형 경로 반응기 조립체의 테스트 구동.

나선형 경로 반응기의 소용량 모델은 테스트 구동 조건에서 새로운 열분해 공정의 기술적 타당성을 평가하기 위해 개발 및 제조되었다. 실험을 수행하기 위해 테스트 스탠드가 구성되었다. 테스트 시리즈의 주요 목적은 열분해 생성물 수율과 조성에 대한 데이터를 얻는 것이었다. 모델 반응기에 회전자를 구동하는 스텝업 기어(step-up gearing)를 갖는 90kW 전기 모터가 장착되었다. 모델 반응기의 기술적 특징은 다음과 같았다: 반응 구역의 볼륨: 2 x 10 ^-3 m ³ ; 회전자 회전 속도: 18,000-20,000 rpm.

모델 반응기의 테스트 구동 동안 공정 조건 설정은 상업적 규모의 반응기에서 일반적으로 사용되는 것과 유사했는데, 즉: 열분해 반응 온도는 약 900℃였고; 반응 구역에서 공급 원료 체류 시간은 0.025-0.030 초이고; 출구 압력은 약 1.2 bar abs였다. 최종 끓는점이 170 ℃인 나프타를 공급 원료로 사용했다. 공정 스트림 유속을 포함하는 공급 원료는 약 40 kg/h이었고, 증기를 이용한 나프타의 희석율은 50 %로 구성되었다. 샘플링 절차, 공급 원료와 열분해 반응 생성물의 분석, 및 생성물 수율의 계산은 이 분야의 전문가에 의해 조사되었다. 분해된 가스의 분석은 여러 장비(Varian CP-3800 및 LHM-8MD)에 대한 2개의 독립적인 전문가 그룹에 의해 수행되었다.

전술된 구동 테스트 동안, 탄화수소를 포함하는 물질의 열분해(열분해) 절차가 처음으로 나선형 경로 반응기에서 수행되었다. 테스트 결과는 나선형 경로 반응기에서 얻어진 주요 생성물 수율이 가장 진보된 종래의 관형 분해 노에서 얻어진 것에 비해 상당히 높은 것을 확인했다. 나프타를 열분해하는 동안 실행마다 주요 생산물 수율에 대한 데이터는 표 2에 요약되어 있다. 따라서, 표 2는 ABB Lummus사, Technip 및 Kellogg사, Brown 및 Root(KBR)사와 같은 선도적인 회사에 의해 개발된 종래의 관형 분해 노에서 병렬 반응을 수행하는 것으로부터 및 모델 나선형 경로 반응기의 테스트 구동으로부터 얻어진 비교 데이터를 제공한다. 그 결과 나선형 경로 반응기에서 열분해를 수행하는 경우 전체 수율이 20 %를 초과하여 향상된다는 것을 보여준다.

이 데이터에 따르면, 나선형 경로 반응기가 장착된 설비에서 동일한 공급 원료를 열분해하는 것은 종래 기술로 작동하는 관형 노를 갖춘 설비에 비해 에틸렌의 극한 수율이 1.5 배 증가되는 반면, 에틸렌과 프로필렌의 극한 수율의 합이 1.25-1.3 배로 증가될 수 있다는 것을 확인했다.

에틸렌과 프로필렌은 전술된 바와 같이 나프타 분해 공정의 주된 생성물이지만, 다른 가치 있고 유용한 부산물이 이로부터 얻어질 수 있다. 예를 들어, 종래 기술의 노에서 연료 가스로 사용되는 메탄(및 분리되지 않은 수소)은 나선형 경로 반응기의 모터를 구동하는 데 이용될 수 있다. 가솔린 및 C4 혼합물과 같은 더 무거운 가치 있는 부산물도 이 열분해 공정에서 생산된다. 종래 기술에서, 열분해 유닛을 떠나는 분해된 가스에 대한 이들 생성물의 비율은 약 20 내지 30 %이다. 나선형 경로 반응기의 경우 이 비율은 <20 %이다. 실제로 이것은, 공정의 재료 마진이 크게 감소하지만 부산물의 수율이 낮은 것으로 인해 하류 설비의 크기가 감소될 수 있고 개별 유닛의 작동 비용이 더 낮아질 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명의 여러 양태 및 실시 예에서, 예를 들어, 회전자의 회전 속도를 증가시키거나 또는 감소시킴으로써 반응기의 내부 압력을 조절함으로써, 반응 그 자체 및 관련 파라미터가 제어될 수 있다. 또한, 입구 스트림의 압력은 예를 들어 압축기에 의해 상승될 수 있다.

본 명세서에 제공된 반응기는 고온 공정을 수행하는 장치로 구성된다. 본 명세서에서 수행된 반응의 대부분은 공급 원료가 반응 챔버에서 체류하는 시간이 짧기 때문에 흡열 반응이다. 그러나, 열 방출(즉, 발열)에 수반되는 반응을 수행하는 것이 배제되지 않는다.

본 발명의 여러 양태 및 실시 예에 제공된 반응기는 주로 분해 공정을 수행하도록 의도된 장치로 구성된다. 그러나 이 반응기는 탄수화물 및/또는 글리세라이드 기반의 전처리된 공급 원료 물질을 포함하는 여러 공급 원료의 증기 분해와 촉매 분해를 위해 조절될 수 있다. 따라서 지방산을 포함하는 공급 원료 물질은 소나무 오일로 대표될 수 있다.

따라서, 반응기는, 식물성 오일 및/또는 동물성 지방에 함유된, 예를 들어, 트리글리세라이드를 유리시키는 것에 의해 얻어지는 유리 지방산을 분해하는 것과 같은 신규한 응용에 적용될 수 있다. 상기 언급된 트리글리세라이드를 포함하는 생성물을 직접 및/또는 단계적으로 분해하는 것은 임의의 적절한 공정에 의해 수행될 수 있다.

나아가, 이렇게 개시된 반응기는, 예를 들어, 배출량을 저감하거나 또는 독성/유독성 가스상 물질을 중화하기 위해 적용될 수 있다. 이 경우 반응 온도는 열분해 반응에 사용되는 온도에 가깝다.

이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 명백한 바와 같이, 회전자 속도, 반응 챔버의 온도, 체류 시간 이력 등과 같은 개시된 반응기의 통상적인 기술적 파라미터는 공급 원료 성질, 반응 내부 파라미터 및/또는 장치의 기술적인 구현(모터, 링 직경, 원환면 거리(toroidal distance) 등)에 의해 설정된 일정한 한계 내에서 조절가능하도록 구성된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 직렬 또는 병렬로 연결된 적어도 2개의 회전식 반응기를 포함하는 열분해 플랜트 형태의 장치가 제공된다. 회전식 반응기 유닛은 모듈식 배열을 지원하도록 제공된다. 예시적인 플랜트 1000 kt/a 에틸렌 플랜트 유닛은 40개의 나선형 경로 반응기를 구비할 수 있으며, 여기서 32개의 반응기가 작동하고 8개의 반응기는 대기 상태이다. 상기 반응기는 병렬로 구성될 수 있다. 산업용 규모의 나선형 경로 반응기에는 바람직하게는 하나의 반응기에 동력을 전달하기 위해 약 10 MW의 샤프트를 갖는 가변 속도 구동 엔진이 제공될 수 있다. 작동 속도는 약 3600 rpm일 수 있다. 구동 엔진의 에너지는 바람직하게는 분해 공정 동안 생성된 연료 가스로부터 공급될 수 있다. 이 연료 가스는 메탄 및 수소 분리 유닛으로부터 얻어진다. 나선형 경로 반응기를 사용하는 것에 의해 제공된 기술에서, 연료 가스는 반응기 모터를 구동하는데 사용될 수 있는 반면, 종래의 기술에서는 연소된 연료 가스의 열이 공급 원료/희석 증기, 보일러 급수를 데우고 대류 구획에서 고압 증기를 과열시키는데 사용된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 탄화수소를 포함하는 공급 원료를 열분해하는 방법으로서, 다음 단계, 즉:

a. 케이싱(4), 주변에 축류 베인 캐스케이드(2)를 포함하는 회전자(1), 및 특히 도 1 및 도 2a, 도 2b의 실시예에서, 축류 회전자 캐스케이드에 인접한 적어도 2개의 고정 베인 캐스케이드(8, 9)가 제공된 지향 림(3)을 포함하고, 상기 케이싱(4)은 회전자(1)와 지향 림(3)의 주변을 실질적으로 둘러싸고; 상기 케이싱(4)은 입구 포트(6)와 출구 포트(7)를 구비하고; 입구 포트와 출구 포트를 갖는 케이싱의 내부 표면과 지향 림을 갖는 회전자 사이에 실질적으로 링 형상의 자오선 단면 프로파일을 갖는 덕트(10)가 형성된, 본 명세서에 설명된 회전 기계형 충격파 반응기(11a(헬리컬 경로), 11b(축 방향))의 일 실시 예를 획득하는 단계;

b. 미리 결정된 공정 속도 또는 속도 범위에 도달하도록 상기 회전자의 회전 속도를 증가시키는 단계;

c. 공정 스트림을 포함하는 공급 원료를 입구 포트(6)로 공급하는 단계로서, 상기 고정 캐스케이드(8,9)와 상기 회전자 캐스케이드(2)는 공정 스트림을 포함하는 공급 원료가, 상기 입구 포트와 상기 출구 포트 사이 덕트 내에서 전파되면서, 나선형 궤적에 따라 상기 캐스케이드를 반복적으로 통과하여, 순차적으로 고정 충격파를 발생시켜 반응기 내 공급 원료 스트림을 가열하여 열적 열화 또는 열분해를 일으키는, 상기 공급하는 단계; 및

d. 상기 열분해된 생성물 스트림을 상기 출구 포트를 통해 켄칭 장치와 같은 미리 결정된 유닛으로 지향시키는 단계

중 적어도 일부를 포함하는 상기 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 양태에서, 예를 들어, 회전 블레이드 캐스케이드의 기계적 에너지로부터 생성된 충격파에 의해 촉매 수소화 반응인 빠른 흡열 또는 발열 반응을 위한 에너지를 도입하는 방법으로서, 상기 방법은,

a. 본 명세서에 설명된 충격파 반응기(11a, 11b)의 일 실시 예를 획득하는 단계; 및

b. 탄화수소 공급 원료 또는 바이오매스 기반 원료 물질을 포함하는 미리 가열된 가스 상을, 열을 제공하는 충격파를 수립하는 기계적 에너지를 생성하는 회전 블레이드를 구비하는 반응기(11a, 11b)에 통과시켜, 가스 상에 흡열 반응을 수행하는 단계를 포함하는 방법이 제공된다.

그러나, 전술된 숫자뿐만 아니라 개시된 기술적 해결책은 단지 예시적인 것일 뿐 본 발명을 제한하는 것으로 의도된 것이 아니고, 독립 청구항에 개시된 보호 범위의 한계 내에서 본 발명을 구현하는 방식을 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자에게 개시하는 것으로 의도된 것으로 이해된다.

Claims (36)

1. 탄화수소를 포함하는 공급 원료를 열분해하기 위한 충격파 반응기(11a, 11b, 102)로서,
   덕트(10)가 입구(6, 6a)와 출구(7)를 갖게 형성된 케이싱(4); 및
   주변에 복수의 축류 블레이드 캐스케이드(2)를 포함하는 회전자(1, 1a)를 포함하고- 상기 복수의 축류 블레이드 캐스케이드(2)는 상기 회전자(1, 1a)의 길이 방향을 따라 배열됨-;
   상기 케이싱은 상기 회전자(1a)의 주변과 상기 덕트 내부에 복수의 고정 베인 캐스케이드(8, 9)를 실질적으로 둘러싸고,
   상기 복수의 고정 베인 캐스케이드(8, 9) 각각은 상기 복수의 축류 블레이드 캐스케이드(2) 각각에 대해 인접하게 배치되어 복수의 고정자-회전자-고정자 유닛을 형성하고, 상기 캐스케이드(2, 8, 9)는, 공정 스트림을 포함하는 공급 원료가, 상기 입구와 상기 출구 사이 상기 덕트 내에서 전파되면서, 나선형 궤적에 따라 상기 복수의 고정자-회전자-고정자 유닛의 상기 캐스케이드를 반복적으로 통과하여, 고정 충격파를 생성하여 상기 공급 원료를 가열하도록 구성되고, 그리고,
   상기 충격파 반응기는 소정 개수의 촉매 표면을 갖게 구성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
2. 제1항에 있어서, 상기 덕트(10)는 실질적으로 링 형상의 자오선 단면을 구비하는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
3. 제1항에 있어서, 상기 고정 베인 캐스케이드(8, 9)는 적어도 2개의 캐스케이드를 포함하고, 제1 고정 베인 캐스케이드는 상기 축류 블레이드 캐스케이드(2)의 상류 측에 구성되고, 제2 고정 베인 캐스케이드는 상기 축류 블레이드 캐스케이드(2)의 하류에 구성되는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
4. 제3항에 있어서, 상기 고정 베인 캐스케이드는 베인 없는 공간이 제1 캐스케이드 입구 지점과 제2 캐스케이드 출구 지점 사이에 생성되도록 배열되는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 케이싱 내부에 고정 지향 림(stationary directing rim)(3)을 포함하며, 상기 림의 외부 표면은 상기 케이싱의 내부 표면과의 사이에 실질적으로 상기 덕트(10)를 형성하는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
6. 제5항에 있어서, 상기 림의 외부 표면은 상기 고정 베인 캐스케이드들 중 적어도 일부를 구비하는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 캐스케이드(2, 8, 9)들은 상기 덕트 내부에서 실질적으로 인접한 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
8. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 2개의 입구 포트와 2개의 출구 포트를 구비하는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
9. 제1항에 있어서, 상기 덕트는 실질적으로 원뿔 형상, 원뿔대 형상 또는 원통형 형상의 챔버를 한정하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
10. 제9항에 있어서, 상기 축류 블레이드 캐스케이드(들)의 블레이드는, 상기 회전자(1)의 길이 방향으로 대응하는 고정 베인 케스케이드의 베인과 교대하여 순차 케스케이드 유닛을 형성하도록 구성되고, 각 유닛은 고정 베인 캐스케이드(8, 9)의 베인들 사이에 공간적으로 위치된 상기 축류 블레이드 캐스케이드(2)의 블레이드를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
11. 제9항 또는 제10항에 있어서, 제1 고정 베인 캐스케이드(8)는 복수의 노즐 베인을 포함하고, 제2 고정 베인 캐스케이드(9)는 복수의 확산 베인을 포함하며, 상기 노즐 베인과 확산 베인은 상기 회전자(1)의 길이 방향으로 상호 교대하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
12. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축류 블레이드 캐스케이드(2)는 운동 에너지를 제공하고 공정 스트림을 포함하는 공급 원료의 속도를 증가시키도록 구성되고, 적어도 하나의 고정 베인 캐스케이드(9)는 상기 스트림의 속도를 감소시켜 운동 에너지를 열로 변환시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
13. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공정 스트림을 포함하는 상기 공급 원료의 유속은 상기 캐스케이드에서 초음속이고, 상기 덕트 내 베인 없는 공간에서는 아음속인 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
14. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고정 베인 캐스케이드들 중 적어도 일부는 상기 케이싱의 덕트 벽을 형성하는 내부 표면 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
15. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 입구 포트와 출구 포트는 상기 덕트 내에 통합되는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
16. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 2개의 분할 파티션이 적어도 2개의 실질적으로 동일한 작동 챔버를 형성하도록 회전자 축에 대해 대칭적으로 상기 덕트 내에 배치되고, 각 작동 챔버는 상기 공정 스트림을 위한 입구와 출구와 관련된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
17. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 고정 베인 캐스케이드(8)는, 곡선 프로파일을 가지고 볼록한 측면이 회전자의 회전 방향으로 배치된 복수의 노즐 베인을 포함하고, 제2 고정 베인 캐스케이드(9)는, 곡선 초음속 압축기 프로파일을 가지고 볼록한 측면이 회전자의 회전 방향으로 배치된 복수의 확산 베인을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
18. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 축류 블레이드 캐스케이드(2)는, 능동 터빈 블레이드의 프로파일을 갖는 복수의 블레이드를 포함하고, 상기 블레이드는 오목한 측면이 회전자의 회전 방향으로 설치된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
19. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스화된 탄수화물을 포함하는 공급 원료 물질을 처리하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
20. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스화된 글리세라이드를 포함하는 공급 원료 물질을 처리하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
21. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 가스화된 전처리된 셀룰로오스 바이오매스 물질을 처리하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
22. 삭제
23. 제1항에 있어서, 상기 촉매 표면(들)은 반응 구역 내에 개별 블레이드 또는 베인 중 적어도 일부의 블레이드를 촉매 코팅하는 것에 의해 형성되거나 및/또는 상기 케이싱의 덕트 벽을 한정하는 내부 표면을 촉매 코팅하는 것에 의해 형성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
24. 제1항 또는 제23항에 있어서, 선택적으로 모놀리식 벌집 구조로 실현된 활성 코팅을 갖는 세라믹 또는 금속 기판(들) 또는 지지체(들)에 의해 한정된 소정 개수의 촉매 모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
25. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기는 중간 냉각 또는 가열 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
26. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기는 희석제 또는 반응성 물질을 중간 주입하도록 구성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
27. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 구역에서 가스상 공급 원료가 소비하는 시간은 10 밀리초와 실질적으로 동일하거나 작도록 구성된 것을 특징으로 하는 충격파 반응기.
28. 중간(medium) 탄화수소와 경량(light weight) 탄화수소 분율(fraction)을 포함하는 탄화수소 공급 원료를 처리하는 단계;
    가스상의, 산소를 포함하는, 지방산계 공급 원료 물질을 처리하는 단계;
    전처리된 소나무 오일인, 가스상의, 지방산계 공급 원료 물질을 처리하는 단계;
    가스상의 셀룰로스-유래 물질 또는 리그노셀룰로오스-유래된 공급 원료 물질을 처리하는 단계; 및
    바이오매스-유래 공급 원료 물질을 오일로 전환시키는 것을 포함하는 빠른 열분해 공정을 수행하는 단계
    로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 절차를 실행하는 데 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 반응기를 사용하는 방법.
29. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 반응기(102); 및 구동 엔진(101), 열 회수 유닛(103), 켄칭 유닛(104), 열 분해 노, 외부 가열을 갖는 열분해 노, 예열 장치 또는 공기 필터(105)로 구성된 그룹으로부터 선택된 적어도 하나의 추가적인 요소를 포함하는 반응기 조립체.
30. 직렬 또는 병렬로 기능적으로 연결된 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 적어도 2개의 반응기를 포함하는 열 분해 플랜트(11c).
31. 공급 원료 물질을 열적으로, 열 화학적으로 또는 촉매 열 화학적으로 처리하는, 선택적으로 구체적으로 탄화수소를 포함하는 공급 원료를 열분해하는 방법으로서,
    a. 선택적으로 실질적으로 링 형상의 자오선 단면을 갖는 덕트가 입구와 출구를 갖게 형성된 케이싱, 및 주변에 복수의 축류 블레이드 캐스케이드를 포함하는 회전자를 포함하고, 상기 복수의 축류 블레이드 캐스케이드는 상기 회전자의 길이 방향을 따라 배열되고, 상기 케이싱은 회전자와 상기 덕트 내부에 복수의 고정 베인 캐스케이드의 주변을 실질적으로 둘러싸며, 상기 복수의 고정 베인 캐스케이드 각각은 상기 복수의 축류 블레이드 캐스케이드 각각에 대해 인접하게 배치되어 복수의 고정자-회전자-고정자 유닛을 형성하며, 소정 개수의 촉매 표면을 갖는, 충격파 반응기(11a, 11b, 102)를 얻는 단계;
    b. 미리 결정된 공정 속도 또는 속도 범위에 도달하도록 상기 회전자의 회전 속도를 상승시키는 단계;
    c. 공정 스트림을 포함하는 공급 원료를 입구 포트로 공급하는 단계로서, 상기 고정 캐스케이드와 상기 회전자 캐스케이드는, 공정 스트림을 포함하는 공급 원료가, 상기 입구 포트와 출구 포트 사이 상기 덕트 내에서 전파되면서, 나선형 궤적에 따라 상기 복수의 고정자-회전자-고정자 유닛의 상기 캐스케이드를 반복적으로 통과하여, 순차적으로 고정 충격파를 발생시켜 상기 반응기 내 공급 원료 스트림을 가열하여 열적 열화 또는 열분해를 일으키는, 상기 공급하는 단계; 및
    d. 열분해된 생성물 스트림을 상기 출구 포트를 통해 선택적으로 미리 결정된 후처리 장치로 지향시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
32. 제31항에 있어서, 상기 공급 원료는 중간 탄화수소 또는 경량 탄화수소 분율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
33. 제31항 또는 제32항에 있어서, 상기 공급 원료는 실질적으로 가스상 형태로 상기 반응기에 공급되는 셀룰로즈 유래이거나 또는 리그노셀룰로오스-유래된 전처리된 바이오매스인 것을 특징으로 하는 방법.
34. 회전 블레이드 캐스케이드의 기계적 에너지로부터 생성된 빠른 흡열 또는 빠른 발열 반응을 위한 에너지를 도입하는 방법으로서,
    a. 회전자의 길이 방향을 따라 배열된 복수의 상기 회전 블레이드 캐스케이드와, 상기 복수의 회전 블레이드 캐스케이드 각각에 대해 인접하게 배치되어 복수의 고정자-회전자-고정자 유닛을 형성하는 복수의 고정 베인 캐스케이드 및 소정 개수의 촉매 표면을 갖는 충격파 반응기(11a, 11b, 102)를 획득하는 단계; 및
    b. 가스 상을 포함하는 미리 가열된 공급 원료를 상기 반응기에 통과시켜 흡열 가스 상 반응을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 열은 내부 회전자 블레이드가 회전하는 것으로부터 유도된 기계적 에너지로부터 초래되는 충격파에 의해 생성된 임펄스에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
35. 제34항에 있어서, 상기 공급 원료는 중간 탄화수소 또는 경량 탄화수소 분율을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
36. 제34항 또는 제35항에 있어서, 상기 공급 원료는 실질적으로 가스상 형태로 상기 반응기에 공급되는 셀룰로즈 유래이거나 또는 리그노셀룰로오스-유래된 전처리된 바이오매스인 것을 특징으로 하는 방법.

Images