KR20000016529A - Support structure for a catalyst - Google Patents

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KR20000016529A
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catalyst
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monolithic
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KR1019980710117A
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베타 랄프 에이. 댈러
제임즈 씨. 슐레터
마틴 베르나드 컷로네
케니쓰 윈스톤 비베
Original Assignee
젝미넥 알 에이.
캐탈리티카 인코포레이티드
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F23COMBUSTION APPARATUS; COMBUSTION PROCESSES
    • F23RGENERATING COMBUSTION PRODUCTS OF HIGH PRESSURE OR HIGH VELOCITY, e.g. GAS-TURBINE COMBUSTION CHAMBERS
    • F23R3/00Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel
    • F23R3/40Continuous combustion chambers using liquid or gaseous fuel characterised by the use of catalytic means

Abstract

PURPOSE: A supporting structure is provided to fix a catalyst structure being formed by multiple channels being arranged longitudinally for passage of flowing gas mixture in a reactor. CONSTITUTION: A support structure (53) for securing a catalyst structure (52) comprising a multiplicity of longitudinally disposed channels for passage of a flowing gas mixture within a reactor, the support structure being comprised of a monolithic open celled or honeycomb-like structure formed by thin strips or ribs of high temperature resistant metal or ceramic which abuts against one end of the catalyst structure, and extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst structure to essentially cover an end face (at either the inlet end or outlet end or both) of the catalyst structure with the support structure being secured (54) on its periphery to the reactor wall. The strips or ribs making up the support structure are bounded together to form a unitary structure having cellular openings at least as large as the catalyst structure channel openings. The cellular openings in the support structure are also positioned to be in fluid communication with the channels of the catalyst structure thus affording essentially unaltered gas flow (50) from the catalyst structure through the support structure.

Description

촉매용 지지구조물Support structure for catalyst

다양한 고온공정은 원하는 반응을, 예를 들면 배출가스 제어를 위한 탄화수소의 완전산화, 탄화수소의 부분적 산화, 자동 배기가스 제어에 있어서의 촉매 머플러 그리고 가스터빈, 노 등에 사용하기위한 연료의 촉매 연소를, 촉진시키는데 모놀리식 촉매 구조물을 채용하는 것으로 공지되어 있다. 통상적인 촉매 시스템은 저 발산과 고 연소율을 제공하도록 가스 터빈용 열 연소 유니트에서 사용되는 촉매이다. 고 터빈효율을 성취하기위해서, 높은 가스온도가 필요된다. 물론 이것은 채용된 촉매 단일체에 고열 스트레스를 주게되는데, 이 단일체는 통상적으로 연소가스 혼합물의 통로용 길이방향으로 배치된 다수의 채널로 이루어진 단일 또는 결합된 금속 또는 세라믹 구조물이며, 채널의 적어도 일부가 연소촉매를 갖춘 내면에 코팅되어 있다.Various high temperature processes include the desired reaction, for example, complete oxidation of hydrocarbons for emission control, partial oxidation of hydrocarbons, catalytic mufflers for automatic emission control, and catalytic combustion of fuels for use in gas turbines, furnaces, etc. It is known to employ monolithic catalyst structures to facilitate this. Conventional catalyst systems are catalysts used in thermal combustion units for gas turbines to provide low divergence and high combustion rates. In order to achieve high turbine efficiency, high gas temperatures are required. This, of course, imposes high thermal stress on the catalyst monolith employed, which is typically a single or combined metal or ceramic structure consisting of a plurality of channels arranged longitudinally for passage of the flue gas mixture, wherein at least a portion of the channel is combusted. It is coated on the inner surface with a catalyst.

고열 스트레스에 더하여, 가스 터빈에 있는 연소 유니트의 특징인 고 가스 유량은 촉매 구조물의 길이방향으로 배치된 채널에서의 가스 유동에 저항으로 인하여, 즉 마찰로 인하여 촉매 구조물에 큰 축선상의 부하 또는 힘을 주어, 가스 유동의 방향으로 밀어낸다. 예를들면, 댈라 베타 등에 의한 미국 특허 제 5,183,401호에 기재된 것과 같은 다단계 모놀리식 촉매 구조물이 공기/연료 혼합물 유량을 4 psi의 촉매를 통한 압력강하에서 약 50 lbs/second로 가지고 있는 촉매 연소 반응기에 있는 20 인치 직경의 촉매로서 채용되면, 촉매상의 총 축선상의 부하는 약 1,260 lbs가 된다.In addition to high thermal stress, the high gas flow rate characteristic of a combustion unit in a gas turbine is characterized by large axial loads or forces on the catalyst structure due to resistance to gas flow in the longitudinally arranged channels of the catalyst structure, ie friction. To push in the direction of gas flow. For example, a multistage monolithic catalyst structure, such as described in US Pat. No. 5,183,401 to Dalla Beta, et al. Has a catalytic combustion reactor having an air / fuel mixture flow rate of about 50 lbs / second at a pressure drop through a catalyst of 4 psi. When employed as a 20 inch diameter catalyst at, the total axial load on the catalyst is about 1,260 lbs.

양 고온, 예를 들면 금속 단일체가 강도를 잃게되기 시작하는 1,000℃를 훨씬 넘는 온도 및 이 온도에 접근하는 온도 그리고 상기된 큰 축선상의 부하(고 가스 유량으로부터의)에 노출되는 조합체는 촉매 지지부의 두드러진 이동 또는 변형을 야기할 수 있다. 실제로, 주름잡힌 금속 박(foil)이 원통형, 원추형 구조물을 형성하도록 비 네스팅(non-nesting)꼴로 함께 말아지고 이 박층이 함께 결합되는 않는 상태에서 이 주름잡힌 박 촉매 단일체가 사용되는 경우에, 고 가스 유동으로부터의 조합된 고온과 큰 축선상의 부하는 특히 축선상의 힘이 말아진 구조물에서 박들간의 미끄럼 저항을 초과할 때 가스유동방향으로 전체 구조물이 겹쌓이게 한다. 이 때문에, 가스 터빈용 동력원으로서 촉매 연소의 효율과 간섭없이 고온에서 필수적인 구조물을 제공하는 지지구조물에 의해 가스 유동방향으로 그 축선상을 따른 이동 및 변형으로부터 이 구조물을 고정하도록 촉매 구조물용 지지부를 제공할 필요가 있다.Combinations exposed to both high temperatures, for example temperatures well above 1,000 ° C. at which the metal monoliths begin to lose strength and temperatures approaching this temperature and the large axial loads (from high gas flow rates) described above, may be used as catalyst support. May cause noticeable movement or deformation. Indeed, in the case where the corrugated foil catalyst monolith is used in a state where the corrugated metal foil is rolled together in a non-nesting form to form a cylindrical, conical structure and the thin layers are not bonded together, The combined high temperature and large axial load from the high gas flow causes the entire structure to overlap in the gas flow direction, especially when the axial force exceeds the sliding resistance between the foils in the rolled structure. For this reason, as a power source for the gas turbine, a support structure for the catalyst structure is provided to fix the structure from movement and deformation along its axial direction in the gas flow direction by a support structure that provides an essential structure at high temperatures without interference with the efficiency of catalytic combustion. Needs to be.

1993년 12월 10일에 출원된 델라 베타 등에 의한 계류중인 미국 특허 출원 제 08/165,966호에서, 촉매 구조물로의 출구에서 내부적으로 냉각된 지지 지주 또는 바아의 이용은 촉매를 지지하는 수단으로서 기재되어 있다. 이러한 접근은 지지 지주가 공기 또는 다른 열전달 매체에 의해 냉각되고 이 때문에 지지 지주가 매우 높은 온도에서도 축선상의 부하에 대하여 높은 강도를 갖을 수 있다는 장점을 가지고 있다. 하지만, 이러한 접근은 지지 지주가 냉각공기원을 필요로 하여 보다 복잡화된 연소기 시스템 디자인을 초래하고 또한 가스 터빈 기계에 이용할 수 없는 고압 공기의 이용을 필요로 하는 단점을 가지고 있다. 부가적인 단점으로서는 공냉식 지주들이 촉매의 면위에서 상당히 넓게 이격되어 있다는 것이다. 이것은 높은 국소 접촉력 또는 스트레스를 초래한다. 촉매 디자인의 어떤부분에서는 이러한 접촉력이 얇은 촉매 박의 항복 강도를 넘어 이 박의 변형을 초래할 수 있다. 이것은 분명히 바람직한 결과는 아니며 또한 높은 축선상의 부하 적용에 있는 공냉 지지 지주의 이용성을 떨어트린다.In pending US patent application Ser. No. 08 / 165,966, filed Dec. 10, 1993, the use of an internally cooled support strut or bar at the exit to the catalyst structure is described as a means of supporting the catalyst. have. This approach has the advantage that the support struts are cooled by air or other heat transfer medium, which allows the support struts to have high strength against axial loads even at very high temperatures. However, this approach has the disadvantage that the support struts require a source of cooling air, resulting in a more complicated combustor system design and also requiring the use of high pressure air that is not available for gas turbine machines. An additional disadvantage is that the air cooled struts are spaced quite widely above the surface of the catalyst. This results in high local contact force or stress. In some parts of the catalyst design, this contact force can lead to deformation of the foil beyond the yield strength of the thin catalyst foil. This is clearly not a desirable result and also reduces the availability of air-cooled support struts in high axial load applications.

이 박 변형 문제에 대한 하나의 가능성있는 해결책은 보다 냉각된 지지바아를 제공하여 촉매의 출구면에서 접촉 스트레스가 감소되도록 하는 것이다. 하지만 이 공냉식 지지바아가 상당히 두껍기 때문에, 촉매 출구에서의 이들을 대다수 사용하는 것은 가스 유동에 방해를 증가 시키며 또한 연소기 시스템에서 전체 압력강하를 증가시킨다. 또한, 공기 냉각식 바아들의 이격은 촉매 박과의 접촉 스트레스를 감소시키도록 매우 근접하게 있어야 한다.One possible solution to this foil deformation problem is to provide a cooler support bar so that the contact stress at the exit side of the catalyst is reduced. However, because these air-cooled support bars are quite thick, the majority of their use at the catalyst outlet increases the disturbance of gas flow and also increases the overall pressure drop in the combustor system. In addition, the spacing of the air cooled bars should be very close to reduce contact stress with the catalyst foil.

다른 가능성있는 접근은 냉각되지않은 금속 지지부를 이용하는 것이다. 이 것은 지지바아가 단면에 있어서 상당히 얇게 되게 하여 총 단면적을 감소시켜 압력강하을 초래한다. 하지만, 이것은 또한 개념적인 문제가 있는데 즉 이러한 종래적인 두꺼움은 이들 시스템의 고작동 온도에서 대부분의 금속들이 크게 감소된 강도를 갖게 되어, 가스 유동의 높은 방해를 초래하는 매우 두꺼운 재료를 이용함 없이 축선상의 부하를 지지할 수 없다는 문제를 야기한다.Another possible approach is to use an uncooled metal support. This causes the support bar to become considerably thinner in cross section, reducing the total cross sectional area resulting in a pressure drop. However, this also has a conceptual problem, i.e. this conventional thickening allows most metals to have a significantly reduced strength at the high operating temperatures of these systems, thus avoiding the use of very thick materials that lead to high disturbances in gas flow. This causes a problem that the load cannot be supported.

본 발명은 반응실 또는 반응기내에 촉매 연소와 같은 고온 반응에 사용되는 모놀리식 촉매 구조물을 고정시키는 개량된 지지구조물에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 가스 터빈 동력장치용 촉매 연소와 같은 고온 촉매 공정에서 개량된 지지구조물을 이용하는 방법에 관한 것 이다.The present invention relates to an improved support structure for fixing monolithic catalyst structures used in high temperature reactions such as catalytic combustion in a reaction chamber or reactor. The present invention also relates to a method of using an improved support structure in a high temperature catalytic process such as catalytic combustion for a gas turbine power plant.

도 1은 가스 터빈 연소기에 있는 촉매 연소 반응기의 측면도,1 is a side view of a catalytic combustion reactor in a gas turbine combustor,

도 2A 및 도 2B는 본 발명의 모놀리식 지지구조물을 사용하여 반응기 내에 이용가능하게 고정될 수 있는 모놀리식 촉매 구조물의 제조를 나타낸 도면,2A and 2B illustrate the preparation of a monolithic catalyst structure that can be made available and fixed in a reactor using the monolithic support structure of the present invention;

도 3A 및 도 3B는 본 발명의 지지구조물의 구성요소와 일부 단면을 도시한 도면,3A and 3B show components and some cross sections of the support structure of the present invention;

도 4A 내지 도 4E는 본 발명의 촉매 지지구조물의 여러 구성을 도시한 단면도,4A-4E are cross-sectional views illustrating various configurations of the catalyst support structure of the present invention;

도 5, 도 6, 도 7 및 도 8은 본 발명에 따른 촉매 반응기의 개략도, 그리고5, 6, 7 and 8 are schematic views of a catalytic reactor according to the present invention, and

도 9A 및 도9B는 본 발명의 지지구조물상의 촉매 구조물을 통하여 고가스유동으로 인한 축선상의 부하의 영향을 개략적으로 도시한 도면.9A and 9B schematically illustrate the effect of axial load due to high gas flow through the catalyst structure on the support structure of the present invention.

놀랍게도, 고온 저항금속 또는 세라믹으로 구조된 비 냉각된 지지 구조물은 모놀리식 촉매 구조물을 고정하는 우수한 수단으로서 작용할 수 있는 것으로 알려지게 되었는데, 이것은 고온반응 및 고 가스유량 또는 처리량을 위해 디자인된 반응기내에서 과도한 압력강하를 야기함 없이 또는 촉매반응과 간섭없이 유동가스 혼합물의 통로용 길이방향으로 배치된 다수의 채널로 구성된다. 이 특출하게 효과적인 지지 구조물은 적어도 촉매 구조물에 있는 채널과 같은 셀형 개구를 가진 모놀리식 벌집형 또는 개방 셀형 지지 구조물로 구성되는 데, 상기 셀형 개구는 개방 셀형 지지구조물에 작용하는 축선상의 어떠한 힘도 반응기 벽에 전달되도록 하는 방식으로 둘레에지가 반응기 벽에 고정되는 상태에서, 촉매 구조물의 전체 출구면에 대하여 맞닿음하여 뻗어있는 단일 구조물을 제공하도록 함께 결합된 고온저항금속 또는 세라믹의 얇은 스트립 또는 리브에 의해 형성되고 촉매 구조물 채널과 유체 연통상태에 있게 된다.Surprisingly, it has been found that uncooled support structures constructed of high temperature resistant metals or ceramics can serve as an excellent means of fixing monolithic catalyst structures, which are designed in a reactor designed for high temperature reactions and high gas flow rates or throughput. It consists of a plurality of channels arranged longitudinally for the passage of the flow gas mixture without causing excessive pressure drop or interfering with the catalytic reaction. This particularly effective support structure consists of a monolithic honeycomb or open cell support structure having at least a cell opening, such as a channel in the catalyst structure, wherein the cell opening has no axial forces acting on the open cell support structure. Thin strips or ribs of high temperature resistant metal or ceramic joined together to provide a single structure extending in contact with the entire exit face of the catalyst structure, with the circumferential edge fixed to the reactor wall in such a way as to be delivered to the reactor wall. And is in fluid communication with the catalyst structure channel.

그 개방된 셀형 외관에도 불구하고, 본 발명의 모놀리식 벌집형 또는 개방 셀형 지지구조물은 반응기 벽에 고정될 때 고온에서 그리고 고 가스유량에서 작동하는 촉매 구조물에 의해 작용하는 축선상의 부하 또는 힘에 저항하기에 충분한 강도를 가지고 있어 촉매 구조물의 축선상의 이동 또는 변형이 최소화된다. 또한, 개방 셀형 구조물의 본래의 강도는 구조상의 골조에 있어서 상당히 얇은 스트립 또는 리브의 금속 또는 세라믹의 이용을 허용하고 그리고 적어도 촉매 반응기 채널 개구만큼 큰 개방셀의 이용과 결합된 이것은 본 발명의 지지구조물이 지지구조물을 가로지르는 압력강하를 회피시키는 높은 가스 유량적용으로 즉 가스 터빈에서 계속적으로 사용하기위한 연료/공기 혼합물의 촉매 연소로 장점적으로 사용되도록 한다. 최종적으로, 본 발명의 지지구조물의 벌집형 또는 개방셀형 성질은 그 전체 단면에 걸쳐 촉매 구조물에 대하여 맞닿음하는 다수의 지지스트립을 제공하여 촉매 구조물의 축선상의 부하가 전체 모놀리식 지지구조물에 걸쳐 보다 균일하게 퍼져서 촉매 구조물에서의 국소적인 변형이 회피된다.Despite its open cell appearance, the monolithic honeycomb or open cell support structures of the present invention, when fastened to the reactor wall, are subjected to axial loads or forces acting by catalytic structures operating at high temperatures and at high gas flow rates. With sufficient strength to resist, axial movement or deformation of the catalyst structure is minimized. In addition, the inherent strength of open cell structures permits the use of significantly thin strips or ribs of metal or ceramics in structural frameworks, combined with the use of open cells at least as large as the catalytic reactor channel opening, which is a support structure of the present invention. The high gas flow rate application avoids the pressure drop across the support structure, ie, the catalytic combustion of fuel / air mixtures for continued use in gas turbines. Finally, the honeycomb or open cell nature of the support structure of the present invention provides a plurality of support strips that abut against the catalyst structure over its entire cross-section so that the axial load of the catalyst structure spans the entire monolithic support structure. Spread more evenly to avoid local deformation in the catalyst structure.

본 발명의 모놀리식 개방셀형 지지구조물은 촉매 구조물의 출구측에서 매우 바람직하게 위치되어 촉매 구조물을 통한 가스 유동의 방향으로 축선상의 이동에 대하여 촉매 구조물을 고정하는 한편, 이 지지구조물을 통한 가스유동에 대한 그들의 매우 낮은 저항이 급작스런 가스유동의 혼란상태시 어떠한 역류에도 촉매 구조물의 내측을 지지하는데 적합한 대상물이 되게 한다. 또한 다단 촉매시스템이 상기된 댈라 베타 등에 의한 미국 특허 제 5,183,401호에 개시된 것과 같이 사용되는 경우에, 본 발명의 지지구조물은 하나 또는 그이상의 촉매단계의 출구끝에서 위치될 수 있다.The monolithic open cell support structure of the present invention is very preferably located at the outlet side of the catalyst structure to fix the catalyst structure against axial movement in the direction of gas flow through the catalyst structure, while gas flow through the support structure. Their very low resistance to resistance makes them a suitable object to support the inside of the catalyst structure in any countercurrent in case of sudden gas flow disruption. In addition, where a multistage catalyst system is used as disclosed in US Pat. No. 5,183,401 to Dala Beta et al., Supra, the support structure of the present invention may be located at the outlet end of one or more catalyst stages.

따라서, 본 발명의 일 태양은 유동 가스 혼합물의 통로용 입구 및 출구 끝들을 갖춘 길이방향으로 배치된 다수의 채로로 이루어진 촉매 구조물을 반응실내에서 고정하기위한 지지구조물에 관한 것 이며, 상기 지지구조물은 그들의 입구 및 출구 끝에서 촉매 구조물 채널에 의해 형성된 개구 만큼 적어도 큰 셀형 개구를 제공하도록 고온저항금속 또는 세라믹재료의 스트립에 의해 셀의 벽이 형성되어있는 모놀리식 개방 셀형 구조물로 구성되며, 상기 모놀리식 개방 셀형 구조물은:Accordingly, one aspect of the present invention relates to a support structure for securing a catalyst structure consisting of a plurality of longitudinally arranged catalyst structures in a reaction chamber having passage inlet and outlet ends of a flow gas mixture, the support structure being Consisting of a monolithic open cell structure in which the walls of the cell are formed by a strip of high temperature resistant metal or ceramic material to provide a cell opening at least as large as the opening formed by the catalyst structure channel at their inlet and outlet ends. Teasing open cell structures are:

(a)촉매 구조물의 출구끝에서, 또는 촉매 구조물의 입구끝에서 또는 촉매 구조물의 입구끝 및 출구끝 양자에서 위치되고;(a) at the outlet end of the catalyst structure, or at the inlet end of the catalyst structure or at both the inlet and outlet ends of the catalyst structure;

(b)모놀리식 개방셀형 구조물의 셀형 개구가 촉매 구조물의 채널과 유체연통하는 상태에서, 촉매 구조물의 하나의 단부에 대하여 맞닿음하여 촉매 구조물의 길이방향 축선에 수직한 방향으로 뻗어서 촉매구조물의 끝면을 덮도록 위치결정되어 형성되어 있고; 그리고(b) in a state in which the cell opening of the monolithic open cell structure is in fluid communication with the channel of the catalyst structure, it abuts against one end of the catalyst structure and extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst structure, Is positioned and formed to cover the end surface; And

(c)그외면이 반응실 벽에 고정되어 모놀리식 개방 셀형 구조물상에 위치된 축선상의 부하가 반응실 벽에 전달되어서, 이에의해 상기 촉매구조물의 길이방향축선에 평행한 상기 촉매 구조물의 축선상의 이동을 제한한다.(c) an axial load placed on the monolithic open cell structure such that the outer surface is fixed to the reaction chamber wall is transferred to the reaction chamber wall, whereby the axis of the catalyst structure parallel to the longitudinal axis of the catalyst structure Limit the movement of the image.

본 발명의 다른 일면은 가스 터빈 분야에 특히 적용가능한 연료의 촉매 연소 또는 부분적인 연소를 위한 개량된 공정에 관한 것이며, 여기에서 본 발명의 모놀리식 개방 셀형 지지구조물은 연소기 또는 반응실내에서 연소 촉매 구조물을 고정하느데 이용된다. 이 공정은:Another aspect of the invention relates to an improved process for catalytic combustion or partial combustion of fuels that is particularly applicable in the field of gas turbines, wherein the monolithic open cell support structure of the invention is a combustion catalyst in a combustor or reaction chamber. It is used to fix the structure. This process is:

(a)산소함유가스와 연료의 혼합물을 형성하는 단계; 그리고(a) forming a mixture of oxygen containing gas and fuel; And

(b)유동가스흐름으로서 산소함유가스와 연료 혼합물을 반응실에 위치된 모놀리식 촉매 구조물을 통과시키는 단계로 구성되며, 상기 촉매 구조물은 상기 유동가스흐름의 통로용 길이방향으로 배치된 다수의 채널로 이루어져 있고, 상기 촉매 구조물은 입구 및 출구 끝에서 촉매 구조물 채널에 의해 형성된 개구만큼 적어도 큰 셀형 개구를 제공하도록 고온저항금속 또는 세라믹재료의 스트립에 의해 셀의 벽이 형성되어있는 모놀리식 개방셀형 구조물에 의해 상기 반응실에서 안정화되며, 상기 모놀리식 개방셀형 구조물은:(b) passing the oxygen-containing gas and fuel mixture as a flow gas stream through a monolithic catalyst structure located in the reaction chamber, the catalyst structure being a plurality of longitudinally disposed passageways for the flow gas flow. A channel consisting of a monolithic opening in which the wall of the cell is formed by a strip of high temperature resistant metal or ceramic material to provide a cell opening at least as large as the opening formed by the catalyst structure channel at the inlet and outlet ends. Stabilized in the reaction chamber by a cell structure, the monolithic open cell structure is:

(ⅰ)촉매 구조물의 출구끝에서, 또는 촉매 구조물의 입구끝에서 또는 촉매 구조물의 입구끝 및 출구끝 양자에서 위치되고;(Iii) at the outlet end of the catalyst structure or at the inlet end of the catalyst structure or at both the inlet and outlet ends of the catalyst structure;

(ⅱ)모놀리식 개방셀형 구조물의 셀형 개구가 촉매 구조물의 채널과 유체연통하는 상태에서, 촉매 구조물의 하나의 단부에 대하여 맞닿음하여 촉매 구조물의 길이방향 축선에 수직한 방향으로 뻗어서 촉매구조물의 끝면을 덮도록 위치결정되어 형성되어 있고; 그리고(Ii) in a state in which the cell opening of the monolithic open cell structure is in fluid communication with the channel of the catalyst structure, it abuts against one end of the catalyst structure and extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst structure, Is positioned and formed to cover the end surface; And

(ⅲ)그외면이 반응실 벽에 고정되어 이에의해 상기 촉매구조물의 길이방향축선에 평행한 상기 촉매 구조물의 축선상의 이동을 제한한다.(Iii) the other surface is fixed to the reaction chamber wall thereby limiting the axial movement of the catalyst structure parallel to the longitudinal axis of the catalyst structure.

본 발명의 다른 태양은 본 발명의 모놀리식 개방셀형 구조물을 이용하여 반응기 또는 반응실에 모놀리식 촉매 구조물을 고정하는 방법과 그리고 다단계 촉매 공정을 채용한 모놀리식 촉매용 인터스테이지 지지부로서 사용되는 본 발명을 따른 지지구조물을 포함하고 있다.Another aspect of the present invention is a method for fixing a monolithic catalyst structure to a reactor or a reaction chamber using the monolithic open cell structure of the present invention, and as an interstage support for a monolithic catalyst employing a multistage catalytic process. It includes a support structure according to the present invention.

본 발명은 반응실 또는 반응기내에 모놀리식 촉매 구조물의 위치를 고정하는 비 냉각식 지지구조물로 구성되어있고 여기에서 촉매 구조물이 촉매를 통한 높은 가스유량으로 인한 큰 축선상의 부하와 높은 온도를 받는다. 또한 이 발명은 촉매 연소 공정에서 상기 지지부를 이용하는 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 본 발명은 연소 반응기내에서 상대적으로 가요성인 모놀리식 촉매 구조물의 축선상의 이동을 제한하는 지지구조물에 관한 것이다. 촉매 구조물의 축선상의 이동을 제한하는 것에 더하여, 이 지지구조물은 촉매를 통한 가스유동에 의해 부과된 힘에 대하여 촉매의 강도를 증가시킨다.The present invention consists of an uncooled support structure that fixes the position of a monolithic catalyst structure in a reaction chamber or reactor, where the catalyst structure is subjected to large axial loads and high temperatures due to high gas flow through the catalyst. The invention also relates to a method of using the support in a catalytic combustion process. More particularly, the present invention relates to a support structure that limits the axial movement of a relatively flexible monolithic catalyst structure in a combustion reactor. In addition to limiting the axial movement of the catalyst structure, this support structure increases the strength of the catalyst with respect to the force imposed by gas flow through the catalyst.

통상적인 촉매 연소 반응기는 도 1에 도시되어 있다. 이 도면에 도시된 바와같이, 촉매 구조물(10)은 산소함유가스, 통상적으로는 공기와 연료의 혼합물의 유동에 수직한 그리고 프리버너(4)의 하류의 연소 반응기(1)에 위치되어 있으며, 이 연료는 연료 인젝터(5)을 경유하여 모놀리식 촉매 구조물에 도입된다. 이 촉매 구조물은 이러한 방식으로 위치되어 촉매를 통하여 공기/연료 혼합물의 균일한 유동을 얻는다. 연소 반응기에서 촉매 구조물을 안전한 위치에 유지시키기 위해, 일가능성으로서 촉매 구조물의 출구측(9)을 맞닿는 지지구조물을 포함하여, 연소 반응기에 촉매 구조물을 고정하는데 어느 일정타입의 지지수단 또는 구조물을 채용하는 것이 필요된다. 촉매 구조물의 출구측(9)은 부분 또는 완전 연소 공기/연료 혼합물이 촉매 구조물을 빠져나오게 되는 쪽이 된다. 따라서, 촉매 구조물의 입구측은 비연소된 공기/연료 혼합물이 촉매 구조물에 초기적으로 도입되는 쪽이 된다.A typical catalytic combustion reactor is shown in FIG. As shown in this figure, the catalyst structure 10 is located in a combustion reactor 1 perpendicular to the flow of an oxygenous gas, typically a mixture of air and fuel, and downstream of the preburner 4, This fuel is introduced into the monolithic catalyst structure via the fuel injector 5. This catalyst structure is positioned in this way to obtain a uniform flow of the air / fuel mixture through the catalyst. In order to maintain the catalyst structure in a safe position in the combustion reactor, any type of support means or structure may be employed to secure the catalyst structure to the combustion reactor, including a support structure which abuts the outlet side 9 of the catalyst structure as a possibility. It is necessary. The outlet side 9 of the catalyst structure is the side at which the partial or complete combustion air / fuel mixture exits the catalyst structure. Thus, the inlet side of the catalyst structure is the side on which the unburned air / fuel mixture is initially introduced into the catalyst structure.

촉매 구조물은 공지된 디자인들중 어느 하나에 따라, 특히 촉매로 적어도 부분적으로 코팅된 다수의 평행한 길이방향의 채널 또는 통로로 구성된 모놀리식 촉매 구조물로서 만들어질 수 있다. 통상의 촉매 구조물은 영 등에 의한 미국 특허 제 4,870,824호 뿐만아니라 댈라 베타 등에 의한 미국 특허 제 5,183,401호; 제 5,232,351호; 제 5,248,251호; 제 5,250,489호 및 제 5,259,754호를 포함하는 다양한 공개 문헌에 개시되어 있다. 이 촉매 구조물은 촉매 구조물 전역에 걸쳐서 최소의 압력강하를 가지고 높은 가스 공간 속도를 허용하는 길이방향의 채널 또는 통로를 가진 벌집 또는 나선 롤형의 주름진 시트, 원주모양의 또는 다른 모양의 구조로 금속 또는 세라믹 지지층으로 제조될 수 있다. 예를 들면, 도 2A 및 도 2B에 도시된 바와같은 나선형 촉매 구조물이 사용될 수 있다. 이 구조물은 한 장의 금속박(20)을 함몰부(21)와 융기부(22)를 갖춘 주름진 또는 물결모양의 패턴으로 주름잡고 그다음 이것을 편평한 금속 쉬트(24)와 함께 말아서 원통형 유니트로서 주름진 쉬트(20)와 편평한 쉬트(24)의 교호층의 큰 나선부(25)를 형성한다. 이 촉매 구조물을 준비하기위해, 주름진 및/또는 편평한 쉬트는 통상적으로 나선 촉매 구조물을 형성하도록 함께 말아지기전에 한쪽 또는 양쪽에 백금 그룹 금속, 바람직하게는 팔라듐 및/또는 백금으로 코팅된다. 예시된 촉매 구조물은 편평한 박과 결합된 일자형 채널 구조물에서 주름진 금속 박을 포함하고 있는 한편, 다른 적절한 나선형 촉매 구조물은 일자형 또는 벌집형 구조 패턴을 가진 2개 또는 그 이상의 주름진 박이 비 네스팅 꼴로 함께 감겨질 때 얻어지는 것들을 포함하고 있다. 본 발명의 촉매 구조물 지지부는 금속 구조물을 부드럽게 또는 다른방식으로 약하게 하도록 충분히 높은 온도, 즉 1,000℃ 또는 그 이상의 온도에서 높은 유량에 노출될 때의 가스 유동방향으로 겹쌓이거나 또는 변형하는 경향을 가지고 있기 때문에 금속 나선형 촉매 구조물의 경우에 있어서 특히 유용하다.The catalyst structure can be made according to any of the known designs, in particular as a monolithic catalyst structure consisting of a number of parallel longitudinal channels or passageways at least partially coated with a catalyst. Conventional catalyst structures include U.S. Pat. No. 4,870,824 to Young et al., As well as U.S. Pat. 5,232,351; 5,232,351; 5,248,251; 5,248,251; Various publications are disclosed, including 5,250,489 and 5,259,754. The catalyst structure is a honeycomb or spiral rolled corrugated sheet, columnar or other shaped structure of metal or ceramic with longitudinal channels or passageways that allow a high gas space velocity with minimal pressure drop across the catalyst structure. It can be made of a support layer. For example, a helical catalyst structure as shown in FIGS. 2A and 2B can be used. The structure pleats a sheet of metal foil 20 into a corrugated or wavy pattern with depressions 21 and ridges 22 and then rolls it together with a flat metal sheet 24 to form a corrugated sheet 20 as a cylindrical unit. ) And the large spiral portion 25 of the alternating layer of the flat sheet 24. To prepare this catalyst structure, corrugated and / or flat sheets are typically coated on one or both sides with platinum group metal, preferably palladium and / or platinum, before they are rolled together to form a spiral catalyst structure. The illustrated catalyst structure comprises a corrugated metal foil in a straight channel structure combined with a flat foil, while other suitable spiral catalyst structures are wound together in two or more corrugated foil non-nested shapes with a straight or honeycomb structural pattern. Contains things obtained when you lose. The catalyst structure support of the present invention tends to overlap or deform in the direction of gas flow when exposed to high flow rates at a temperature high enough, ie 1,000 ° C. or higher, to soften or otherwise weaken the metal structure. It is particularly useful in the case of metal helical catalyst structures.

지지구조물Support structure

본 발명의 지지구조물은 촉매 구조물의 한 단부에 대하여 맞닿음하는 고온 저항금속 또는 세라믹의 얇은 스트립 또는 리브에 의해 형성된 모놀리식 개방 셀형 또는 벌집형 구조물로 이루어져 있고, 그리고 촉매 구조물의 길이방향 축선에 수직한 방향으로 뻗어있어 지지구조물이 그 둘레상에 반응기벽에 고정된 상태에서 끝면(입구끝 또는 출구끝 또는 양끝에서)을 덮는다. 지지구조물을 이루고 있는 스트립 또는 리브들은 촉매 구조물 채널 개구만큼 적어도 큰 셀형 개구를 가진 단일 구조물을 형성하도록 함께 결합되어 있다. 지지구조물에 있는 셀형 개구는 촉매 구조물의 채널과 유체 연통상태가 되도록 또한 위치결정되어 촉매 구조물로부터 지지구조물을 통하여 불변의 가스 유동을 제공한다.The support structure of the present invention consists of a monolithic open cell or honeycomb structure formed by thin strips or ribs of high temperature resistant metal or ceramic that abut against one end of the catalyst structure, and on the longitudinal axis of the catalyst structure. It extends in a vertical direction to cover the end face (at the inlet or outlet end or both ends) with the support structure fixed to the reactor wall on its perimeter. The strips or ribs that make up the support structure are joined together to form a single structure having a cellular opening that is at least as large as the catalyst structure channel opening. The cellular opening in the support structure is also positioned to be in fluid communication with the channel of the catalyst structure to provide a constant gas flow from the catalyst structure through the support structure.

본 발명의 지지구조물의 개방셀형의 특징이 특히 고온환경에서 높은 강도를 이끄는 것으로 기대되지만, 본 발명의 지지구조물은 촉매 구조물을 통하여 가스 유동의 방향으로 이동 또는 변형하는 촉매 구조물의 경향에 의해 작용되는 축선상의 힘에 저항하는 데 높은 레벨의 구조상의 일체성 및 강도를 나타낸다. 큰 직경의 연소 촉매, 즉 10 내지 25인치의 직경을 가진 촉매에 대하여 앞에서 지적한 바와 같이, 4psi의 촉매를 통한 통상적인 압력강하는 약 600 내지 1,600lbs의 가스 유동 방향으로 축선상의 부하 또는 힘을 초래할 수 있다. 상기 영역에서의 축선상의 힘에서 그리고 약 1,000℃ 또는 그 이상의 온도에서, 본 발명의 지지구조물은 단지 매우 작은 굽힘만을 나타내고 그리고 촉매 구조물의 어떠한 국소적인 변형도 개방셀형 지지모놀리식으로 만들어진 다수의 스트립 또는 리브에 의해 제공된 지지부의 균일성으로 인하여 제거된다. 따라서, 본 발명의 지지구조물은 이 구조물을 통하는 가스 유동에 매우 낮은 저항을 갖춘 개방 구조물을 여전히 가지고 있으면서 오히려 큰 축선상의 부하를 지지할 수 있는 두 가지의 장점을 가지고 있다.While the open cell type of the support structure of the present invention is expected to lead to high strength, especially in high temperature environments, the support structure of the present invention is driven by the tendency of the catalyst structure to move or deform in the direction of gas flow through the catalyst structure. It exhibits a high level of structural integrity and strength to resist axial forces. As noted above for large diameter combustion catalysts, that is, catalysts having a diameter of 10 to 25 inches, typical pressure drops through a catalyst of 4 psi will cause an axial load or force in the gas flow direction of about 600 to 1,600 lbs. Can be. At the axial force in this region and at temperatures of about 1,000 ° C. or higher, the support structure of the present invention exhibits only very small bending and any local deformation of the catalyst structure is made of open cell support monolithic strips. Or because of the uniformity of the support provided by the ribs. Thus, the support structure of the present invention has the two advantages of being able to support a large axial load while still having an open structure with very low resistance to gas flow through the structure.

본 발명의 모놀리식 개방 셀형 지지구조물은 높은 온도 및 높은 부하 하에서 충분한 구조적 일체성과 강도를 제공하도록 설계된 세라믹 또는 금속 뿐만아니라 어떤 다른 구조적인 재료로 이루어질 수 있다. 본 발명의 지지구조물에 이용가능하게 채용될 수 있는 고온 저항 금속 재료는 니켈, 코발트 또는 크롬 합금과 같은 고온저항강합금 또는 필요되는 온도 서비스에 대비해 비율화된 다른 합금 뿐만아니라 금속간 재료 및 금속 세라믹 합성물을 포함한다. 물론, 상이한 재료들이 지지구조물의 위치 그리고 이것이 받게되는 온도 및 축선상의 힘에 따라 채용될 수 있다. 예를들면, 촉매 구조물의 입구끝에서(다단계 촉매 시스템의 초기 단계에서) 채용될 수 있는 지지구조물은 최종 촉매 단계의 출구 끝에 적용되는 같은 온도와 힘을 받지않아서 구조적인 재료가 상이하게 될 수 있다. 구조의 바람직한 금속재료는 약 20%의 Cr과 약 5%의 Al을 통상적으로 포함하고 있고 그리고 나머지가 앨리게이니 루들룸(Allegheny Ludlum)(펜실베니아, 피츠버그)으로부터 입수가능한 알파 IV, 가와사키 스틸(Kawasaki Steel)(일본 고베)로부터 입수가능한 리버라이트(Riverlite) R20-5SR 및 VDM(독일 베르돌(Werdohl))으로부터의 알루흐롬(Aluchrom) Y과 같은 Fe로 되어 있는 FeCrAl 합금을 포함하고 있다. 다른 바람직한 금속 합금은 약 20%의 Cr과 약 5%의 Al을 함유하고 있고 나머지가 헤이니스(Haynes) 인터내쇼날(인디아나 코코모)로부터의 헤이니스214와 같은 Ni로 되어있는 니켈 계 초합금인 NiCrAl이다. 적합한 세라믹 재료는 코닝(Corning) 글래스 워크(뉴욕, 코닝)로부터 셀커 코져라이트(Celcor cordierite)와 그리고 NGK 로케(Locke)사(미시간 사우쓰필드)로부터 입수가능한 코져라이트 모놀리식 서브스트레이트(Cordierite monolithic substrates)를 포함하고 있다.The monolithic open cell support structure of the present invention may be made of any other structural material as well as ceramic or metal designed to provide sufficient structural integrity and strength under high temperatures and high loads. High temperature resistant metal materials that can be employed to be available in the support structures of the present invention include high temperature resistant steel alloys such as nickel, cobalt or chromium alloys or other alloys proportioned for the required temperature service, as well as intermetallic materials and metal ceramics. Includes composites. Of course, different materials may be employed depending on the location of the support structure and the temperature and axial forces it will receive. For example, support structures that may be employed at the inlet end of the catalyst structure (at the initial stage of the multistage catalyst system) may be different in structural material without being subjected to the same temperature and force applied at the outlet end of the final catalyst stage. . Preferred metallic materials of the structure typically contain about 20% Cr and about 5% Al and the remainder are Alpha IV, Kawasaki Steel, available from Allegheny Ludlum (Pittsburgh, Pennsylvania). And FeCrAl alloys made of Fe such as Riverlite R20-5SR available from Steel, Kobe, Japan, and Aluchrom Y from VDM (Werdohl, Germany). Another preferred metal alloy is NiCrAl, a nickel-based superalloy containing about 20% Cr and about 5% Al, with the remainder being Ni such as Henis 214 from Haynes International (Cocommo, Indiana). . Suitable ceramic materials are Cordierite monolithic, available from Celcor cordierite from Corning Glass Walk (Corning, NY) and from NGK Locke (Southfield, Mich.). substrates).

본 발명의 지지구조물은 단일 구조물을 형성하도록 함께 결합된 세라믹 또는 금속 재료의 스트립 또는 리브로 만들어진 모놀리식 벌집형 구조물을 형성하는 어떠한 종래 기술로 사용하여도 구조 또는 제조될 수 있다. 예를들면, 이 구조물은 적절한 몰드에서 단일 유니트로서 주조될 수 있거나 또는 이 구조물은 함께 결합될 때 원하는 셀형 개방 구조를 제공하도록 사전에 성형되거나 만곡되는 일련의 스트립 또는 리브를 함께 결합시킴으로써 형성될 수 있다. 이에 관하여, 도 3A 및 도 3B는 본 발명에 따른 지지구조물의 일부의 제조를 예시하고 있는데 여기에서 이 구조물은 육각형상의 셀형 개구를 가진 금속 단일체이다. 이 지지구조물은 편평한 면으로된 마루(31)와 골(32)을 가진 주름진 스트립으로 형성되는 얇은 금속 스트립(30)으로 만들어진다. 이 주름진 스트립은 도 3B에서 도시된 육각 또는 벌집형 구조물을 형성하도록 함께 놓여지는데 여기에서 이 스트립의 접촉하는 편평한 부분은 단일 또는 모놀리식 구조물을 형성하도록 용접 또는 납땜(33)에 의해 함께 이음된다. 완벽한 지지구조물로 형성될 때, 예시된 벌집형 구조물은 벌집을 만드는 주름진 스트립이 함께 결합되는것과 같은 형태로 벌집의 둘레부에 결합되는 금속의 원형 스트립(도시되지않음)으로 둘레에서 에워싸여져 있다. 금속 또는 금속 프레임의 원형 스트립은 지지구조물을 제공하도록 적용되며 이 원형단면은 촉매 구조물을 통한 가스 유동에 수직한 방향으로 원통형 촉매 구조물의 단면과 같은 공간에 걸친다. 금속 스트립이 지지구조물을 형성하고 있는 경우에, 스트립들을 서로 결합시키는데 납땜기술을 이용하는 것은 바람직한데, 그이유는 용접보다 튼튼하고 보다 단일의 구조물을 제공하는 것으로 나타났기 때문이며, 하지만 이 스트립을 함께 결합하는 방법으로서 용접을 사용하는 것은 배제되지 않는다. 용접 및 납땜은 또한 이 스트립들을 함께 결합하는 방법으로서 공동으로 사용될 수 있다.The support structures of the present invention may be constructed or fabricated using any conventional technique to form monolithic honeycomb structures made of strips or ribs of ceramic or metal material joined together to form a single structure. For example, the structure may be cast as a single unit in a suitable mold or the structure may be formed by joining together a series of strips or ribs that are preformed or curved to provide the desired cellular open structure when joined together. have. In this regard, FIGS. 3A and 3B illustrate the manufacture of a portion of the support structure according to the invention, wherein the structure is a metal monolith with a hexagonal cell opening. This support structure is made of a thin metal strip 30 formed of corrugated strips with flat facets 31 and valleys 32. These corrugated strips are placed together to form the hexagonal or honeycomb structure shown in FIG. 3B, wherein the contacting flat portions of the strip are joined together by welding or soldering 33 to form a single or monolithic structure. . When formed into a complete support structure, the illustrated honeycomb structure is surrounded by a circular strip of metal (not shown) that is joined to the periphery of the honeycomb in such a way that the corrugated strips making the honeycomb are joined together. A circular strip of metal or metal frame is applied to provide the support structure, which cross section spans the same space as the cross section of the cylindrical catalyst structure in a direction perpendicular to the gas flow through the catalyst structure. Where metal strips are forming a support structure, it is desirable to use soldering techniques to join the strips together, since it has been shown to be stronger than welding and to provide a more uniform structure, but The use of welding as a method is not excluded. Welding and soldering can also be used jointly as a method of joining these strips together.

본 발명의 지지구조물에 있는 셀형 개구는 단면적에 있어서 상당히 균일하여 셀형 개구의 에지를 구획형성하는 인접한 스트립 또는 리브들 사이의 충분한 접촉을 허용하여서 스트립 또는 리브들 사이의 강력한 결합이 만들어 질 수 있다면 다양한 형상을 가질 수 있다. 바람직하게, 개방셀형 구조물의 셀은 형상에 있어서 다각형, 타원형 또는 원형이 될 수 있고, 다각형셀은 사다리꼴, 삼각형, 장방형, 사각형 또는 육각형의 형상이 바람직하다. 가장 바람직하게는, 셀형 개구는 인접한 스트립 또는 리브들 사이에서 만들어질 수 있는 결합강도와 제조의 용이성의 관점에서 육각형 형상이다. 이러한 관점에서, 도 4A 내지 도 4E는 도 2B에 도시된 것과 유사한 원통형 촉매 구조물을 위해 본 발명의 지지구조물에서 적용될 수 있는 여러 상이한 개방셀 구조에 대한 끝면도를 예시하고 있다. 도 4A는 지지구조물의 뼈대를 만드는 원형 스트립(41)에 의해 에워싸여져 이것에 결합되는 육각 셀형 개구(40)를 가진 지지구조물의 단면도를 예시하고 있는 한편, 도 4B는 원형 프레임(43)에 의해 에워싸여지는 사각 셀형 개구(42)를 가진 지지구조물에 대한 유사 단면도를 예시하고 있다. 도 4C는 본 발명에 따른 지지구조물의 단면도를 예시하고 있는데 여기에서 셀형 개구(44)는 원형 프레임(45)에서 다시 형상에 있어서 원형이다. 마지막으로, 도 4D 및 도 4E는 원형 프레임(47, 및 49)에 의해 각각 용이하게 에워싸여지는 사다리꼴 셀형 개구(46) 또는 삼각형 셀형 개구(48)를 가진 본 발명의 지지구조물을 도시하고 있다.The cellular openings in the support structure of the present invention are considerably uniform in cross-sectional area, allowing sufficient contact between adjacent strips or ribs that define the edges of the cellular openings so that a strong bond between the strips or ribs can be made if various It may have a shape. Preferably, the cells of the open cell structure may be polygonal, elliptical or circular in shape, and the polygonal cell is preferably trapezoidal, triangular, rectangular, square or hexagonal in shape. Most preferably, the cellular opening is hexagonal in terms of bonding strength that can be made between adjacent strips or ribs and ease of manufacture. In this regard, FIGS. 4A-4E illustrate end views of several different open cell structures that can be applied in the support structure of the present invention for a cylindrical catalyst structure similar to that shown in FIG. 2B. 4A illustrates a cross-sectional view of a support structure with hexagonal cell openings 40 surrounded by and bonded to a circular strip 41 that makes up the framework of the support structure, while FIG. 4B is shown by a circular frame 43. A similar cross-sectional view of a support structure having a rectangular cell opening 42 enclosed is illustrated. 4C illustrates a cross-sectional view of the support structure according to the present invention wherein the cellular opening 44 is again circular in shape in the circular frame 45. Finally, Figures 4D and 4E illustrate the support structure of the present invention with a trapezoidal cell opening 46 or a triangular cell opening 48, each easily surrounded by circular frames 47 and 49, respectively.

상기 지적한 바와 같이, 본 발명의 지지구조물에 있는 셀형 개구가 그들의 특정 형상에 관계없이 촉매 구조물로 만들어진 개개의 길이방향 채널의 단면적만큼 단면적에 있어서 적어도 큰 크기로 되어 있는 것은 중요하다. 바람직하게는, 셀형개구는 압력강하 또는 다른 유동 방해 문제를 최소화하도록 셀형 개구와 유체연통상태에 있는 촉매 구조물 개구의 1.1 내지 200배나 크다. 통상의 모놀리식 촉매 구조물이 촉매 연소 공정에 적용된 상태에서, 본 발명의 지지구조물의 개방셀 또는 셀형 개구는 장점적인 셀 크기 또는 약 0.03 in2내지 약 2.0 in2의 단면적 또는 평균 셀 크기를 갖고 있으며, 약 0.05 in2내지 약 0.2 in2의 범위에서의 평균 셀 크기가 가장 바람직하다.As pointed out above, it is important that the cellular openings in the support structures of the present invention are at least as large in cross-sectional area as the cross-sectional area of the individual longitudinal channels made of the catalyst structure, regardless of their specific shape. Preferably, the cell opening is 1.1 to 200 times larger than the opening of the catalyst structure in fluid communication with the cell opening to minimize pressure drop or other flow obstruction problems. With conventional monolithic catalyst structures applied to the catalytic combustion process, the open cell or cell opening of the support structure of the present invention has an advantageous cell size or cross-sectional area or average cell size of about 0.03 in 2 to about 2.0 in 2 . And an average cell size in the range of about 0.05 in 2 to about 0.2 in 2 is most preferred.

본 발명의 지지구조물을 만드는 스트립 또는 리브 두께(가스 유동에 수직인 방향으로 측정된 개개의 스트립의 단면크기로서 한정됨)와 그리고 신규의 지지구조물을 만드는 스트립 또는 리브의 폭(가스 유동 방향으로 길이방향으로 측정된 스트립의 크기로서 한정됨)은 이 지지구조물이 사용될 공정 파리미터와 반응챔버 및 촉매 구조물의 크기와 관련한 다양한 인자에 의해 결정된다. 예를들면, 금속 또는 세라믹 스트립 두께는 묵인될 수 있는 유동 방해(압력강하), 지지될 축선상의 부하, 촉매 구조물의 직경, 개방 셀형 구조물의 셀 크기 그리고 사용할 때 발생하게 되는 예기된 온도에 따른다. 유사하게, 본 발명에 따른 지지구조물의 폭은 지지될 축선상의 부하, 촉매 구조물의 크기, 만나게 될 예기된 온도 그리고 지지구조물을 위해 반응실에 허용된 공간과 같은 인자에 따른다. 과도한 압력강하를 회피하기 위해서 그리고 통상적으로 만나게 되는 다른 공정변수를 보상하기 위해서, 지지구조물로 만들어진 스트립 또는 리브는 촉매 지지물의 길이방향으로 배지된 채널의 벽의 약 0.5 내지 약 20배나 두꺼워야 한다. 금속 구조물에 대하여 스트립 두께는 바람직하게 촉매 채널 벽의 약 1 내지 약 10배나 두껍고 그리고 세라믹 구조물에 대하여 스트립 또는 리브 두께는 촉매 구조물의 채널벽의 약 2 내지 약 20배나 두껍다.촉매 연소에 통상적으로 사용되는 촉매 구조물의 경우에,본 발명의 금속 지지구조물의 스트립 두께는 약 0.0001 in 내지 약 0.01 in 사이에서 적절하게 범위를 이루고 있고 약 0.002 in 내지 약 0.03 in 사이의 금속 스트립 두께가 바람직하고 그리고 약 0.005 in 내지 약 0.02 in 의 범위가 가장 바람직하다. 촉매 연소에서 통상적으로 만나게 되는 촉선상의 부하를 위해, 약 0.25 in 내지 약 3 in 사이의 본 발명의 지지구조물에서 금속 스트립 폭을 이용하는 것은 바람직하며, 이에반하여 세라믹 지지구조물이 적용된다면 스트립 또는 리브 폭은 약 0.75 in 내지 약 4 in 가 적절하다. 하지만, 각각의 경우에, 선택된 특정폭과 두께는 선택된 구조의 재료의 실제 항복 및 크리프 강도 그리고 국소 스트레스에 대한 정도에 따른다.Strip or rib thickness (defined as the cross-sectional size of individual strips measured in a direction perpendicular to the gas flow) to make the support structure of the present invention, and width (length in the gas flow direction) of the strip or rib to make the new support structure. Limited to the size of the strip, as determined by the process parameters in which the support structure is to be used and various factors related to the size of the reaction chamber and catalyst structure. For example, the thickness of the metal or ceramic strip depends on the flow disturbance (pressure drop) that can be tolerated, the axial load to be supported, the diameter of the catalyst structure, the cell size of the open cell structure and the expected temperature to occur in use. Similarly, the width of the support structure according to the invention depends on such factors as the axial load to be supported, the size of the catalyst structure, the expected temperature to be met and the space allowed in the reaction chamber for the support structure. In order to avoid excessive pressure drop and to compensate for other process variables typically encountered, the strip or rib made of the support structure should be about 0.5 to about 20 times as thick as the walls of the channel discharged in the longitudinal direction of the catalyst support. For metal structures the strip thickness is preferably about 1 to about 10 times as thick as the catalyst channel wall and for ceramic structures the strip or rib thickness is about 2 to about 20 times as thick as the channel wall of the catalyst structure. In the case of a catalytic structure, the strip thickness of the metal support structure of the present invention is suitably in the range between about 0.0001 in and about 0.01 in, and the metal strip thickness between about 0.002 in and about 0.03 in is preferred and about 0.005. Most preferred is a range from in to about 0.02 in. For tactile loads that are typically encountered in catalytic combustion, it is desirable to use metal strip widths in the support structures of the present invention between about 0.25 in and about 3 in, whereas strip or rib widths if ceramic support structures are applied Silver is appropriately about 0.75 in to about 4 in. In each case, however, the specific width and thickness selected depend on the actual yield and creep strength and the degree of local stress of the material of the selected structure.

이 구조물에서 셀 밀도 또는 셀형 개구 크기와 커플링되는 본 발명의 지지구조물을 만드는 스트립 또는 리브의 두께는 지지구조물 안팍으로의 가스 유동이 지지구조물에 의해 방해받는 정도로 직접적인 효과를 갖고 있다. 적절하게, 이들 인자는 본 발명에 따른 어떤 단일 지지구조물에 의해 제공된 유동방해가 약 25퍼센트 이하가 되도록 제어된다. 바람직하게는, 유동 방해가 약 5 내지 15 퍼센트 사이에 있어 가스반응혼합물의 가스 유동성을 과도하게 방해하지 않는다. 또한, 이 지지구조물에 있는 유동통로는 바람직하게 비교적 스무스한 벽을 갖춘 일자형 채널이어서 가스 유동에서의 난류를 최소화하고 가스 유동에 가장 낮은 저항을 얻는다.The thickness of the strip or rib making the support structure of the present invention coupled with the cell density or cell opening size in this structure has a direct effect such that gas flow into and out of the support structure is disturbed by the support structure. Suitably, these factors are controlled such that the disturbances provided by any single support structure in accordance with the present invention are about 25 percent or less. Preferably, the flow obstruction is between about 5 to 15 percent so as not to excessively impede the gas flowability of the gas reaction mixture. In addition, the flow passages in this support structure are preferably straight channels with relatively smooth walls to minimize turbulence in the gas flow and achieve the lowest resistance to the gas flow.

촉매 반응기에서 본 발명의 지지구조물의 통상적인 적용은 도 5, 도 6 및 도7에 도시되어 있다. 촉매 연소 시스템에서 이용되는 것과 같이 단일 단계 촉매 반응기를 나타내고 있는 도 5에서, 가스 반응 혼합물(50)은 촉매 연소기의 경우에 연소기 내부 벽이 되는 반응기 벽(51)에 의해 구획 형성된 반응실을 가지고 있고 그리고 가스 반응 혼합물의 통로를 위한 다수의 평행한 길이방향의 채널로 구성된 촉매 구조물(52)을 담고있는 촉매 반응기내를 지나간다. 이 촉매 구조물은 지지구조물의 외측 또는 둘레 에지가 놓이게 되는 레지를 형성하도록 안쪽 방향으로 내밀고 그리고 반응기 벽에 부착되거나 이 반응기 벽의 일부로 되어 있는 립 또는 리지(54)에 의해 반응기 벽에 고정되는 본 발명의 모놀리식 개방 셀형 지지구조물(53)에 의해 반응실내에 고정된다. 이러한 방식으로, 촉매 구조물을 통한 가스 유동에 의해 지지구조물상에 작용하는 어떠한 축선상의 부하도 지지구조물에서 반응기 벽으로 전달된다.Typical applications of the support structures of the present invention in catalytic reactors are shown in FIGS. 5, 6 and 7. In FIG. 5, which shows a single stage catalytic reactor as used in a catalytic combustion system, the gas reaction mixture 50 has a reaction chamber partitioned by a reactor wall 51, which in the case of a catalytic combustor, becomes a combustor inner wall. And pass through a catalytic reactor containing a catalyst structure 52 consisting of a plurality of parallel longitudinal channels for the passage of the gas reaction mixture. The catalyst structure is extruded inwardly to form a ledge on which the outer or circumferential edge of the support structure lies and is secured to the reactor wall by a lip or ridge 54 attached to or formed as part of the reactor wall. Is fixed in the reaction chamber by a monolithic open cell support structure (53). In this way, any axial load acting on the support structure by gas flow through the catalyst structure is transferred from the support structure to the reactor wall.

도 6은 2 단계 촉매 반응기가 적용된 것을 제외하고는 유사한 반응 시스템을 예시하고 있다. 이 경우에, 가스 반응 혼합물(60)은 반응기 벽(61)에 의해 구획 형성된 반응실을 가지고 있지만 이 경우에 제 1 및 제 2 단계 촉매 반응 시스템으로 구성된 2 개의 모놀리식 촉매 구조물(62 및 63)이 있는 촉매 반응기내로 다시 유동하고 그리고 각각의 경우에서 촉매 구조물은 2 개의 촉매 구조물의 각각의 출구 끝 또는 면에 대하여 맞닿음하도록 위치된 본 발명의 지지구조물(64 및 65)에 의해 반응실에서 고정된다. 도시된 2 개의 지지구조물은 안쪽으로 내민 립 또는 리지(66 및 67)에 의해 반응기 벽에 고정되어 촉매 구조물상의 축선상의 부하가 이 지지구조물에 전달되어서 이 지지구조물이 반응기 벽에 그 부하를 전달한다.6 illustrates a similar reaction system except that a two stage catalytic reactor is applied. In this case, the gas reaction mixture 60 has a reaction chamber partitioned by the reactor wall 61 but in this case two monolithic catalyst structures 62 and 63 consisting of first and second stage catalytic reaction systems. Flows back into the catalytic reactor and in each case the catalyst structure is supported by the support structures 64 and 65 of the present invention positioned to abut against each outlet end or face of the two catalyst structures. Is fixed at. The two support structures shown are secured to the reactor wall by inwardly lip or ridges 66 and 67 so that an axial load on the catalyst structure is delivered to the support structure so that the support structure delivers the load to the reactor wall. .

마지막으로, 도 7은 단계들 사이에 어떠한 지지부분도 갖고 있지 않지만 그 입구쪽에서 및 그 출구쪽 상에서 본 발명의 지지구조물로 고정되는 2 단계 촉매 반응기를 도시하고 있다. 여기에서 다시, 가스 반응 혼합물(70)은 반응기 벽(71)에 의해 구획 형성된 반응실을 가지고 있고 서로에 대하여 맞닿음하는 2 개의 촉매 단일체(72 및 73)로 구성된 다단계 촉매를 담고있는 촉매 반응기내로 지나가게 되며, 이 단일체의 각각은 다른 촉매 단계에 있는 채널과 유체연통상태에 있는 다수의 평행한 길이방향의 채널을 가진다. 이 2 단계 촉매 구조물은 촉매 구조물의 제 2단계의 출구끝(74)과 촉매 구조물의 제 1 단계의 입구끝(75) 양자에서 위치되어 이 촉매 구조물을 반응실내에 끼워 이 촉매 구조물을 축선상의 이동으로부터 어느 한 방향으로 고정하는 본 발명의 지지구조물에 의해 반응실 내에 고정된다. 2 단계 시스템의 출구끝에서의 지지구조물과 입구끝에서의 지지구조물은 반응기 벽으로부터 안쪽으로 뻗은 립 또는 리지(76 및 77)에 의해 고정되어 어떠한 축선상의 힘도 반응기벽에 전달하는 작용을 한다.Finally, Figure 7 shows a two stage catalytic reactor having no support between the stages but being secured to the support structure of the present invention on its inlet side and on its outlet side. Here again, the gas reaction mixture 70 has a reaction chamber partitioned by a reactor wall 71 and in a catalytic reactor containing a multistage catalyst composed of two catalyst monoliths 72 and 73 abutting against each other. Each of these units has a number of parallel longitudinal channels in fluid communication with the channels in the other catalytic stages. The two-stage catalyst structure is located at both the outlet end 74 of the second stage of the catalyst structure and the inlet end 75 of the first stage of the catalyst structure, sandwiching the catalyst structure into the reaction chamber and moving the catalyst structure along the axis. It is fixed in the reaction chamber by the support structure of the present invention which is fixed in either direction from. The support structure at the outlet end of the two-stage system and the support structure at the inlet end are secured by ribs or ridges 76 and 77 extending inwardly from the reactor wall to act to transfer any axial force to the reactor wall.

본 발명의 지지구조물이 놓여져 있는 반응기 벽상의 안쪽으로 내밀어진 립 또는 리지의 이용은 예를들면 반응기 벽에 지지부의 둘레를 용접 또는 다른 방식의 고정시키는 것보다 명백하게 작동적인 장점을 가지고 있다. 이것은 리지 또는 립이 멀리 반응기 벽까지 뻗지않아 자유공간을 제공하여 고온가스유동과의 접촉시 발생할 수 있는 지지부의 열팽창을 수용하는 지지구조물을 수용할 수 있다. 바람직하게는, 이 지지부가 반응기 벽에 대하여 가압함없이 또는 접촉함없이 둘레방향으로 직경의 2%까지 뻗을수 있을 정도로 본 발명의 지지구조물은 크기화되어 있고 리지 또는 립이 사용된다. 바람직한 실시예에서, 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 바와같이 지지구조물의 하류 또는 출구측이 놓여져있는 반응기 벽상의 립 또는 리지는 지지구조물의 입구측 또는 면 바로 앞의 위치에서 이중으로 될 수 있어 실제로 슬롯을 형성하며 여기에서 지지구조물은 끼워맞춤할 수 있지만 여전히 자유도를 가지고 있어서 열팽창을 수용할 수 있다. 반응기 벽에 지지구조물을 고정하는 이 바람직한 수단을 가지고서, 지지구조물상의 어떠한 급작스런 배압도 지지구조물의 전위를 야기하지 않을 것이다.The use of inwardly extruded ribs or ridges on the reactor wall, on which the support structure of the present invention is placed, has a distinctly operational advantage over welding or otherwise securing, for example, the perimeter of the support to the reactor wall. It can accommodate a support structure that accommodates thermal expansion of the support, which can be generated upon contact with hot gas flow by providing free space without the ridge or lip extending far to the reactor wall. Preferably, the support structure of the present invention is sized and ridges or ribs are used such that the support can extend up to 2% of the diameter in the circumferential direction without pressing or contacting against the reactor walls. In a preferred embodiment, the ribs or ridges on the reactor wall on which the downstream or outlet side of the support structure is placed, as shown in FIGS. 5, 6 and 7, may be doubled at a position just before the inlet or face of the support structure. Can actually form slots in which the support structure can fit but still have degrees of freedom to accommodate thermal expansion. With this preferred means of securing the support structure to the reactor wall, any sudden back pressure on the support structure will not cause the potential of the support structure.

반응기 벽에 본 발명의 지지구조물을 고정하는 변경방법이지만 바람직한 방법이 단일 단계 촉매 반응기를 예시하고 있는 도 8에 도시되어 있는 데 여기에서 가스 반응 혼합물(80)은 반응기 벽(81)에 의해 구획 형성된 반응실을 가지고 있고 본 발명의 개방 셀형 지지구조물(83)에 의해 반응기에 고정적으로 유지된 촉매 구조물(82)을 담고있는 촉매 반응기내를 지나간다. 본 발명의 바람직한 실시예에서, 멀리 반응기 벽까지 뻗지 않은 지지구조물은 고온 반응 가스에 노출될 시 지지구조물의 열팽창을 허용하도록 충분한 깊이로 되어있는 지지구조물의 일련의 공동내로 반응기 벽을 통하여 뻗어있는 리벳(84)에 의해 반응기 벽에 부착된다. 즉, 리벳은 지지구조물을 확실하게 유지하기에 충분한 길이를 위해 지지구조물내를 관통하는 한편 지지구조물의 상이한 열팽창을 허용하도록 리벳의 끝부에서 적절한 개방부위를 남겨두고 있다.An alternative method of securing the support structure of the invention to the reactor wall is shown in FIG. 8, which illustrates a single stage catalytic reactor where the gas reaction mixture 80 is defined by the reactor wall 81. Passes through a catalytic reactor containing a catalyst structure 82 having a reaction chamber and fixedly held in the reactor by the open cell support structure 83 of the present invention. In a preferred embodiment of the invention, the support structure that does not extend far to the reactor wall is rivets that extend through the reactor wall into a series of cavities of the support structure that are of sufficient depth to allow thermal expansion of the support structure when exposed to hot reaction gases. It is attached to the reactor wall by 84. That is, the rivet leaves a suitable opening at the end of the rivet to allow for different thermal expansion of the support structure while penetrating through the support structure for a length sufficient to securely hold the support structure.

상기 지적한 바와같이, 본 발명의 지지구조물의 중요하고 놀라운 장점들중 하나는 지지구조물이 지지하는 모놀리식 촉매 구조물을 통한 높은 가스 유동의 결과로서 높은 축선상의 부하 또는 힘을 받을 때 이 지지구조물이 나타내는 우수한 강도이다. 즉, 높은 축선상의 부하가 지지구조물에 작용할 때 이 지지구조물은 축선상의 힘이 작용되고 있는 방향과 같은 방향으로 만곡되는 경향을 나타내고 있고 그리고 본 발명의 지지구조물의 경우에서, 그러한 만곡 또는 변형에 대한 놀랄만한 탄성은 이 구조물이 높은 축선상의 부하에 더하여 높은 열응력을 받을 때에도 유지된다. 본 발명의 지지구조물에 대하여, 이것은 촉매 구조물(90)이 이 촉매 구조물의 출구측에서 본 발명의 지지구조물(92)에 의해 반응실 벽(91)내에 고정되어 있는 촉매 반응기를 도시하고 있는 도 9A 및 도 9B에 의해 예시되어 있는데, 이 지지구조물은 반응실내로 안쪽으로 내민 립 또는 리지(93)에 의해 반응기 벽에 고정된다. 이 경우에, 촉매 구조물을 통한 가스 유동(94)은 지지구조물상에 작용되는 축선상의 힘이 가스 유동의 방향으로 지지구조물의 휨 또는 만곡(도 9B에서 확대하여 도시됨)을 야기할 정도이다. 본 발명의 목적을 위해서 이러한 휨은 어떤 주어진 지지구조물에 대한 변형율로서 표현 또는 한정되는 데 여기에서 "변형률"이라는 것은 촉매상의 축선상의 가스유동으로부터의 표준 또는 통상의 부하, 즉 지지구조물의 직경(또는 비 원형 지지부에 대한 대략적인 직경)의 길이에 의해 나누어지는 4psi에서 발생하는 지지구조물에서 휨 또는 만곡의 비율(수)로서 한정된다. 이 휨 또는 만곡은 표준 축선상의 부하, 즉 4psi에서 발생하는 만곡과 그리고 비 스트레스를 받은 상태에있는 이 지지부에서의 만곡 사이의 차이로서 도 9B에 도시된 바와같이 나타내어져 있다. 본 발명의 지지구조물에 대하여 이 변형률은 약 0.00001 내지 0.05가 적합하며 그리고 바람직하게는 약 0.001 내지 0.02의 범위에 있다. 약 1000℃의 범위에 있는 온도에 노출되는 본 발명의 지지구조물들에 대하여 대등하게 유지되는 이러한 매우 낮은 변형률은 매우 높은 가스 유동률로 작동하는 촉매 연소인 공정의 높은 축선상의 부하특성을 받을 때 본 발명에 따른 지지구조물의 우수한 강도를 나타낸다.As noted above, one of the important and surprising advantages of the support structure of the present invention is that the support structure is subjected to high axial loads or forces as a result of high gas flow through the monolithic catalyst structure that the support structure supports. Excellent strength to show. That is, when a high axial load acts on the support structure, the support structure tends to bend in the same direction as the axial force is being applied, and in the case of the support structure of the present invention, Amazing elasticity is maintained even when the structure is subjected to high thermal stresses in addition to high axial loads. For the support structure of the present invention, this shows a catalytic reactor in which the catalyst structure 90 is fixed in the reaction chamber wall 91 by the support structure 92 of the present invention at the outlet side of the catalyst structure. 9B, which support structure is secured to the reactor wall by a lip or ridge 93 that is pushed inward into the reaction chamber. In this case, the gas flow 94 through the catalyst structure is such that the axial force acting on the support structure causes bending or curvature of the support structure in the direction of the gas flow (shown enlarged in FIG. 9B). For the purposes of the present invention, this deflection is expressed or limited as strain for any given support structure, where "strain" refers to a standard or conventional load from the axial gas flow on the catalyst, i.e. the diameter of the support structure (or It is defined as the ratio (number) of bending or curvature in the support structure occurring at 4 psi divided by the length of the non-circular support). This deflection or curvature is shown as shown in FIG. 9B as the difference between the load on the standard axis, i. For the support structure of the present invention this strain is suitably from about 0.00001 to 0.05 and preferably in the range of from about 0.001 to 0.02. This very low strain, maintained equally for the support structures of the present invention exposed to temperatures in the range of about 1000 ° C., is subject to high axial load characteristics of the process, which is catalytic combustion operating at very high gas flow rates. Excellent strength of the supporting structure according to the present invention.

공정fair

상기된 바와같이, 본 발명의 지지구조물은 탄화수소 또는 다른 연소성 연료, 예를들면 메탄, 에탄, H2또는 CO/H2혼합물의 촉매 연소를 위한 공정에 사용될 수 있다. 이 공정에 있어서, 공기와 같은 산소 함유 가스는 연소성 산소/연료 혼합물을 형성하도록 탄화수소와 혼합된다. 이 산소/연료 혼합물은 반응실내에 위치되어 이 산소/연료 혼합물을 연소시키고 고온의 부분적으로 또는 완전히 연소된 가스생성물을 형성하도록 모놀리식 촉매 구조물을 유동가스로서 지나가게 된다.As noted above, the support structures of the present invention can be used in processes for catalytic combustion of hydrocarbons or other combustible fuels, such as methane, ethane, H 2 or CO / H 2 mixtures. In this process, an oxygen containing gas such as air is mixed with the hydrocarbon to form a combustible oxygen / fuel mixture. This oxygen / fuel mixture is placed in the reaction chamber to pass the monolithic catalyst structure as flowing gas to combust the oxygen / fuel mixture and form a hot, partially or fully burned gas product.

다양한 촉매 구조물이 이 공정에 사용될 수 있다. 예를들면, 촉매 구조물을 가진 일체 열교환기가 제목인 미국 특허 제 5,250,489호에 기재된 촉매 구조물을 가진 일체 열교환기 표면, 또는 등급화된 팔라듐 함유 부분 연소 촉매 및 그 이용공정 양자가 제목인 미국 특허 제 5,248,251호 및 제 5,258,349호에 기재된 등급화된 바와같은 팔라듐 함유 부분 연소 처리 촉매는 본 발명에 사용될 수 있다. 또한, 이 공정은 연소성 혼합물을 연소시키는 공정이 제목인 계류중인 미국출원 제 08/088,614호에 기재된 연료의 완전연소 또는 연료의 부분적인 연소를 포함할 수 있다. 또한 이 공정은 다단계 공정일 수 가 있는데 여기에서 고온단계에서 산소 촉매를 이용하여 연료 혼합물을 연소시키는 다단계 공정이 제목인 미국 특허 제 5,232,357호에 기재된 바와같이 여러단계에서 연료가 특정촉매 및 촉매 구조물을 이용하여 단계적으로 연소된다. 상기 6개의 특허와 하나의 특허 출원이 여기에 참조로서 기재되어 있다.Various catalyst structures can be used in this process. For example, an integral heat exchanger surface having a catalyst structure described in US Pat. No. 5,250,489, or a graded palladium-containing partial combustion catalyst and a process for use, is described in US Pat. No. 5,248,251. Palladium containing partial combustion treatment catalysts as graded in US Pat. No. 5,258,349 can be used in the present invention. This process may also include the complete combustion of the fuel or partial combustion of the fuel described in pending US application Ser. No. 08 / 088,614, titled Combustion Mixture. The process can also be a multistage process, in which the fuel is subjected to specific catalyst and catalyst structures in several stages, as described in US Pat. Burning step by step. The six patents and one patent application are described herein by reference.

이 공정은 반응실내에 촉매 구조물의 위치를 안정화시켜 촉매 구조물의 축선상의 이동을 방지하는 것을 포함하고 있다. 이 촉매 구조물은 모놀리식 개방셀형 구조물에 의해 반응실에서 안정화되고 여기에서 셀의 벽은 고온저항 금속 또는 세라믹 재료의 스트립에 의해 형성되어 입구끝과 출구끝에서 촉매 구조물 채널에 의해 형성된 개구만큼 적어도 큰 셀형개구를 제공하며, 상기 모놀리식 개방 셀형 구조물은This process involves stabilizing the position of the catalyst structure in the reaction chamber to prevent axial movement of the catalyst structure. The catalyst structure is stabilized in the reaction chamber by a monolithic open cell type structure wherein the walls of the cell are formed by strips of high temperature resistant metal or ceramic material, at least by openings formed by the catalyst structure channels at the inlet and outlet ends. Providing a large cell opening, the monolithic open cell structure

(a)촉매 구조물의 출구끝에서, 또는 촉매 구조물의 입구끝에서 또는 촉매 구조물의 입구끝 및 출구끝 양자에서 위치되고;(a) at the outlet end of the catalyst structure, or at the inlet end of the catalyst structure or at both the inlet and outlet ends of the catalyst structure;

(b)모놀리식 개방셀형 구조물의 셀형 개구가 촉매 구조물의 채널과 유체연통하는 상태에서, 촉매 구조물의 하나의 단부에 대하여 맞닿음하여 촉매 구조물의 길이방향 축선에 수직한 방향으로 뻗어서 촉매구조물의 끝면을 덮도록 위치결정되어 형성되어 있고; 그리고(b) in a state in which the cell opening of the monolithic open cell structure is in fluid communication with the channel of the catalyst structure, it abuts against one end of the catalyst structure and extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst structure, Is positioned and formed to cover the end surface; And

(c)그외면이 반응실 벽에 고정되어 이에의해 상기 촉매구조물의 길이방향축선에 평행한 상기 촉매 구조물의 축선상의 이동을 제한한다.(c) The outer surface is fixed to the reaction chamber wall thereby limiting the axial movement of the catalyst structure parallel to the longitudinal axis of the catalyst structure.

당해 분야의 종사자가 다음 청구범위에 기재된 장치의 등가물로 계획되고 그리고 이들 등가물이 청구된 발명의 범주 및 정신에 벗어나지 않는 것에 주의된다.It is noted that those skilled in the art are envisioned as equivalents of the devices described in the following claims and that these equivalents do not depart from the spirit and scope of the claimed invention.

Claims (30)

유동 가스 혼합물의 통로를 위해 입구끝 및 출구끝을 갖춘 길이방향으로 배치된 다수의 채널로 이루어진 촉매 구조물을 반응실내에서 고정하기위한 지지구조물에 있어서, 상기 지지구조물은 촉매 구조물 채널들에 의해 그들의 입구끝 및 출구 끝에서 형성된 적어도 개구 만큼 큰 셀형 개구를 제공하도록 고온저항금속 또는 세라믹재료의 스트립에 의해 셀의 벽이 형성되어있는 모놀리식 개방 셀형 구조물로 구성되며, 상기 모놀리식 개방 셀형 구조물은:A support structure for securing in a reaction chamber a catalyst structure consisting of a plurality of channels arranged longitudinally with an inlet end and an outlet end for passage of a flowing gas mixture, said support structure being connected to the catalyst structure channels by their inlet. A monolithic open cell structure in which the walls of the cell are formed by strips of high temperature resistant metal or ceramic material to provide a cell opening at least as large as at least an opening formed at the end and the outlet end, the monolithic open cell structure : (a)촉매 구조물의 출구끝에서, 또는 촉매 구조물의 입구끝에서 또는 촉매 구조물의 입구끝 및 출구끝 양자에서 위치되고;(a) at the outlet end of the catalyst structure, or at the inlet end of the catalyst structure or at both the inlet and outlet ends of the catalyst structure; (b)모놀리식 개방 셀형 구조물의 셀형 개구가 촉매 구조물의 채널과 유체연통하는 상태에서, 촉매 구조물의 하나의 단부에 대하여 맞닿음하여 촉매 구조물의 길이방향 축선에 수직한 방향으로 뻗어서 촉매구조물의 끝면을 덮도록 위치결정되어 형성되어 있고; 그리고(b) in a state in which the cell opening of the monolithic open cell structure is in fluid communication with a channel of the catalyst structure, it abuts against one end of the catalyst structure and extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst structure such that Is positioned and formed to cover the end surface; And (c)모놀리식 개방셀형 구조물의 외면이 반응실 벽에 고정되어 모놀리식 개방 셀형 구조물상에 위치된 축선상의 부하가 반응실 벽에 전달되어서, 이에의해 상기 촉매 구조물의 길이방향 축선에 평행한 상기 촉매 구조물의 축선상의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 지지구조물.(c) the outer surface of the monolithic open cell structure is fixed to the reaction chamber wall such that an axial load located on the monolithic open cell structure is transferred to the reaction chamber wall, thereby paralleling the longitudinal axis of the catalyst structure. A support structure for limiting axial movement of one said catalyst structure. 제 1항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물은 촉매 구조물의 출구끝에 위치되는 것을 특징으로 하는 지지구조물.The support structure of claim 1, wherein the monolithic open cell structure is located at the outlet end of the catalyst structure. 제 1 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물은 촉매 구조물의 입구끝과 출구끝 양자에서 위치되는 것을 특징으로 하는 지지구조물.2. The support structure of claim 1, wherein the monolithic open cell structure is located at both the inlet and outlet ends of the catalyst structure. 제 1 항, 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 개방 셀형 구조물의 셀은 형상이 다각형, 타원형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 지지구조물.4. A support structure according to claim 1, 2 or 3, wherein the cells of the open cell structure are polygonal, oval or circular in shape. 제 4 항에 있어서, 셀은 형상이 다각형인 것을 특징으로 하는 지지구조물.5. The support structure of claim 4, wherein the cell is polygonal in shape. 제 5 항에 있어서, 이 다각형 셀은 사다리꼴, 삼각형, 장방형, 사각형 또는 육각형의 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 지지구조물.6. The support structure of claim 5, wherein the polygonal cell is in the shape of a trapezoid, triangle, rectangle, rectangle or hexagon. 제 1 항에 있어서, 촉매 구조물의 입구끝 또는 출구끝에서 임의의 단일 모놀리식 개방 셀형 구조물에 의해 제공되는 유동차단은 약 25%보다 작은 것을 특징으로 하는 지지구조물.2. The support structure of claim 1, wherein the flow blockage provided by any single monolithic open cell structure at the inlet or outlet of the catalyst structure is less than about 25%. 제 7 항에 있어서, 이 유동차단은 약 5 내지 약 15% 사이에 있는 것을 특징으로 하는 지지구조물.8. The support structure of claim 7, wherein the flow blockage is between about 5 and about 15%. 제 1 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물을 이루고 있는 금속 또는 세라믹 스트립은 촉매 구조물의 길이방향으로 배치된 채널의 벽보다 약 0.5 내지 20배 두꺼운 것을 특징으로 하는 지지구조물.2. The support structure of claim 1, wherein the metal or ceramic strip constituting the monolithic open cell structure is about 0.5 to 20 times thicker than the walls of the channels disposed longitudinally of the catalyst structure. 제 9 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물을 이루고 있는 스트립과 촉매 구조물 채널 벽은 고온 저항 금속 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 지지구조물.10. The support structure of claim 9, wherein the strip of the monolithic open cell structure and the catalyst structure channel wall are made of a high temperature resistant metal material. 제 9 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물을 이루고 있는 스트립의 폭은 약 0.25 내지 4인치 사이에 있는 것을 특징으로 하는 지지구조물.10. The support structure of claim 9, wherein the width of the strip comprising the monolithic open cell structure is between about 0.25 and 4 inches. 제 1 항, 제 2 항, 제 3 항, 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물에 대한 변형율은 약 0.0001 내지 약 0.05 사이에 있는 것을 특징으로 하는 지지구조물.12. The support structure of claim 1, 2, 3, 10 or 11, wherein the strain for the monolithic open cell structure is between about 0.0001 and about 0.05. 제 1 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물의 개방 셀은 약 0.03 in2내지 약 2.0 in2범위를 이루는 평균 셀 크기(단면적)를 가지는 것을 특징으로 하는 지지구조물The support structure of claim 1, wherein the open cell of the monolithic open cell structure has an average cell size (cross-section) ranging from about 0.03 in 2 to about 2.0 in 2. 제 1 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물은 바깥방향으로 반응실 벽을 향하여 모놀리식 개방 셀형 구조물의 상이한 열팽창을 허용하면서 모놀리식 개방 셀형 구조물을 제위치에 유지하는 반응실 벽에 고정된 부착수단에 의해 반응실 벽에 고정되는 것을 특징으로 하는 지지구조물.The monolithic open cell structure of claim 1, wherein the monolithic open cell structure is secured to the reaction chamber wall to hold the monolithic open cell structure in place while allowing different thermal expansion of the monolithic open cell structure toward the reaction chamber wall in an outward direction. The support structure, characterized in that fixed to the wall of the reaction chamber by the attached means. 제 14 항에 있어서, 이 부착수단은 (a)모놀리식 개방 셀형 구조물의 외면의 하나의 면 쪽이 모놀리식 개방 셀형 구조물의 상이한 열팽창을 수용하도록 미끄럼가능한 방식으로 놓여있는 반응실 벽의 내부에서 안쪽으로 내민 레지; 또는 (b) 모놀리식 개방 셀형 구조물의 상이한 열팽창이 수용되도록 리벳의 길이와 공동의 깊이에서의 차이가 있는 상태에서 모놀리식 개방 셀형 구조물의 외면상의 공동내로 반응실 벽을 통하여 뻗어있는 일련의 리벳으로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 지지구조물.15. The interior of the reaction chamber wall of claim 14, wherein the attachment means (a) one side of the outer surface of the monolithic open cell structure lies in a slidable manner to accommodate different thermal expansion of the monolithic open cell structure. Inward extruded in; Or (b) a series of strings extending through the reaction chamber wall into the cavity on the outer surface of the monolithic open cell structure with a difference in the length of the rivet and the depth of the cavity to accommodate the different thermal expansion of the monolithic open cell structure. A support structure, characterized in that selected from rivets. 유동 가스 혼합물의 통로를 위해 입구끝 및 출구끝을 갖춘 길이방향으로 배치된 다수의 채널로 이루어진 촉매 구조물로서 촉매 구조물의 출구끝에서 또는 촉매 구조물의 출구끝 및 입구끝 양자에서 반응실내로 유동 가스 혼합물의 삽입을 이루는 상기 촉매구조물을 반응실내에서 고정하는 방법에 있어서, 촉매 지지구조물 채널에 의해 그들의 입구끝 및 출구끝에서 형성된 개구 만큼 적어도 큰 셀형 개구를 제공하도록 고온저항금속 또는 세라믹재료의 스트립에 의해 셀의 벽이 형성되어있는 모놀리식 개방 셀형 구조물이:A catalyst structure consisting of a plurality of channels arranged longitudinally with an inlet end and an outlet end for passage of a flow gas mixture, the flow gas mixture into the reaction chamber at the outlet end of the catalyst structure or at both the outlet end and the inlet end of the catalyst structure. 17. A method of securing in said reaction chamber the catalyst structures in which the insertion is made, the method comprising: providing a cell opening at least as large as openings formed at their inlet and outlet ends by a catalyst support structure channel by strips of high temperature resistant metal or ceramic material; The monolithic open cell structure in which the walls of the cell are formed: (a)모놀리식 개방 셀형 구조물의 셀형 개구가 촉매 구조물의 채널과 유체연통하는 상태에서, 촉매 구조물의 하나의 단부에 대하여 맞닿음하여 촉매 구조물의 길이방향 축선에 수직한 방향으로 뻗어서 촉매구조물의 끝면을 덮도록 위치결정되어 형성되어 있고; 그리고(a) while the cell opening of the monolithic open cell structure is in fluid communication with the channel of the catalyst structure, it abuts against one end of the catalyst structure and extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst structure to Is positioned and formed to cover the end surface; And (b)모놀리식 개방셀형 구조물의 외면이 반응실 벽에 고정되어 모놀리식 개방 셀형 구조물상에 위치된 축선상의 부하가 반응실 벽에 전달되어서, 이에의해 상기 촉매 구조물의 축선상의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 방법.(b) the outer surface of the monolithic open cell structure is fixed to the reaction chamber wall such that an axial load located on the monolithic open cell structure is transferred to the reaction chamber wall, thereby limiting the axial movement of the catalyst structure. Characterized in that. 고온 가스 생성물을 형성하도록 적어도 부분적으로 연소되는 탄화수소의 또는 다른 연소가능한 연료를 연소시키는 방법에 있어서,A method of combusting a hydrocarbon or other combustible fuel at least partially combusted to form a hot gas product, the method comprising: (a)산소함유가스와 연료의 혼합물을 형성하는 단계; 그리고(a) forming a mixture of oxygen containing gas and fuel; And (b)유동가스흐름으로서 산소함유가스와 연료 혼합물을 반응실에 위치된 모놀리식 촉매 구조물을 통하여 통과시키는 단계로 구성되며, 상기 촉매 구조물은 상기 유동가스흐름의 통로를 위해 길이방향으로 배치된 다수의 채널로 이루어져 있고, 상기 촉매 구조물은 촉매 구조물 채널에 의해 그들의 입구끝 및 출구끝에서 형성된 적어도 개구만큼 큰 셀형 개구를 제공하도록 고온저항금속 또는 세라믹재료의 스트립에 의해 셀의 벽이 형성되어있는 모놀리식 개방 셀형 구조물에 의해 상기 반응실에서 안정되며, 상기 모놀리식 개방 셀형 구조물은:(b) passing the oxygen-containing gas and fuel mixture as a flow gas stream through a monolithic catalyst structure located in the reaction chamber, the catalyst structure being longitudinally disposed for passage of the flow gas flow. A plurality of channels, wherein the catalyst structures are formed by walls of cells of high temperature resistant metal or ceramic material to provide a cellular opening that is at least as large as at least an opening formed at their inlet and outlet ends by the catalyst structure channel. Stable in the reaction chamber by a monolithic open cell structure, the monolithic open cell structure is: (ⅰ)촉매 구조물의 출구끝에서, 또는 촉매 구조물의 입구끝에서 또는 촉매 구조물의 입구끝 및 출구끝 양자에서 위치되고;(Iii) at the outlet end of the catalyst structure or at the inlet end of the catalyst structure or at both the inlet and outlet ends of the catalyst structure; (ⅱ)모놀리식 개방 셀형 구조물의 셀형 개구가 촉매 구조물의 채널과 유체연통하는 상태에서, 촉매 구조물의 하나의 단부에 대하여 맞닿음하여 촉매 구조물의 길이방향 축선에 수직한 방향으로 뻗어서 촉매구조물의 끝면을 덮도록 위치결정되어 형성되어 있고; 그리고(Ii) in a state in which the cell opening of the monolithic open cell structure is in fluid communication with the channel of the catalyst structure, it abuts against one end of the catalyst structure and extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst structure to Is positioned and formed to cover the end surface; And (ⅲ)모놀리식 개방셀형 구조물의 외면이 반응실 벽에 고정되어 이에의해 상기 촉매구조물의 길이방향축선에 평행한 상기 촉매 구조물의 축선상의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 방법.(Iii) an outer surface of the monolithic open cell structure is fixed to the reaction chamber wall thereby limiting the axial movement of the catalyst structure parallel to the longitudinal axis of the catalyst structure. 제 17 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물이 촉매 구조물의 출구 끝에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.18. The method of claim 17, wherein the monolithic open cell structure is located at the outlet end of the catalyst structure. 제 17 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물은 촉매 구조물의 입구끝 및 출구끝 양자에 위치되는 것을 특징으로 하는 방법.18. The method of claim 17, wherein the monolithic open cell structure is located at both the inlet and outlet ends of the catalyst structure. 제 17 항, 제 18 항 또는 제 19 항에 있어서, 개방 셀형 구조물의 셀은 형상이 다각형, 타원형 또는 원형인 것을 특징으로 하는 방법.20. The method of claim 17, 18 or 19, wherein the cells of the open cell structure are polygonal, oval or circular in shape. 제 20 항에 있어서, 셀은 형상이 다각형인 것을 특징으로 하는 방법.21. The method of claim 20, wherein the cell is polygonal in shape. 제 21항에 있어서, 이 다각형 셀은 사다리꼴, 삼각형, 장방형, 사각형 또는 육각형의 형상으로 되어 있는 것을 특징으로 하는 방법.22. The method of claim 21, wherein the polygonal cell is in the shape of a trapezoid, triangle, rectangle, rectangle or hexagon. 제 17 항에 있어서, 촉매 구조물의 입구끝 또는 출구끝에서 임의의 단일 모놀리식 개방 셀형 구조물에 의해 제공되는 유동차단은 약 25%보다 작은 것을 특징으로 하는 방법.18. The method of claim 17, wherein the flow blockage provided by any single monolithic open cell structure at the inlet or outlet of the catalyst structure is less than about 25%. 제 23 항에 있어서, 이 유동차단은 약 5 내지 약 15% 사이에 있는 것을 특징으로 하는 방법.24. The method of claim 23, wherein said flow blockage is between about 5 and about 15%. 제 17 항에 있어서, 모노리식 개방 셀형 구조물을 이루고 있는 금속 또는 세라믹 스트립은 촉매 구조물의 길이방향으로 배치된 채널의 벽보다 약 0.5 내지 20배 두꺼운 것을 특징으로 하는 방법.18. The method of claim 17, wherein the metal or ceramic strip constituting the monolithic open cell structure is about 0.5 to 20 times thicker than the walls of the channels disposed longitudinally of the catalyst structure. 제 25 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물을 이루고 있는 스트립과 촉매 구조물 채널 벽은 고온 저항 금속 재료로 이루어진 것을 특징으로 하는 방법.27. The method of claim 25, wherein the strip of the monolithic open cell structure and the catalyst structure channel wall are made of a high temperature resistant metal material. 제 25 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물을 이루고 있는 스트립의 폭은 약 0.25 내지 4인치 사이에 있는 것을 특징으로 하는 방법.27. The method of claim 25, wherein the strip of the monolithic open cell structure is between about 0.25 and 4 inches in width. 제 17 항, 제 18 항, 제 19 항, 제 26 항 또는 제 27 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물에 대한 변형율은 약 0.0001 내지 약 0.05 사이에 있는 것을 특징으로 하는 방법.28. The method of claim 17, 18, 19, 26 or 27, wherein the strain for the monolithic open cell structure is between about 0.0001 and about 0.05. 제 17 항에 있어서, 모놀리식 개방 셀형 구조물의 개방 셀은 약 0.03 in2내지 약 2.0 in2범위를 이루는 평균 셀 크기(단면적)를 가지는 것을 특징으로 하는 방법.18. The method of claim 17, wherein the open cells of the monolithic open cell structure have an average cell size (cross section) ranging from about 0.03 in 2 to about 2.0 in 2 . 유동 가스 혼합물의 통로를 위해 각각의 단계로부터의 입구끝 및 출구끝을 갖춘 길이방향으로 배치된 다수의 채로로 이루어진 다단계 촉매 구조물을 반응실내에서 고정하기위한 지지구조물에 있어서, 상기 지지구조물은 촉매 구조물 채널들에 의해 그들의 입구끝 및 출구끝에서 형성된 개구 만큼 적어도 큰 셀형 개구를 제공하도록 고온저항금속 또는 세라믹재료의 스트립에 의해 셀의 벽이 형성되어있는 모놀리식 개방 셀형 구조물로 구성되며, 상기 모놀리식 개방 셀형 구조물은:A support structure for securing in a reaction chamber a multistage catalyst structure consisting of a plurality of longitudinally arranged longitudinally arranged passageways from each stage for passage of a flowing gas mixture, said support structure being a catalyst structure. Consisting of a monolithic open cell structure in which the walls of the cell are formed by strips of high temperature resistant metal or ceramic material to provide cell openings at least as large as the openings formed at their inlet and outlet ends by channels. Teasing open cell structures are: (a)촉매 구조물의 각각의 단계의 출구끝에서, 또는 촉매 구조물의 제 1 단계의 입구끝에서 또는 촉매 구조물에 있는 최종 촉매 단계를 포함하는 하나 또는 그 이상의 촉매 구조물의 출구끝에서 위치되고;(a) at the outlet end of each stage of the catalyst structure or at the inlet end of the first stage of the catalyst structure or at the outlet end of one or more catalyst structures comprising the final catalyst stage in the catalyst structure; (b)모놀리식 개방 셀형 구조물의 셀형 개구가 촉매 구조물의 채널과 유체연통하는 상태에서, 촉매 구조물의 하나의 단부에 대하여 맞닿음하여 촉매 구조물의 길이방향 축선에 수직한 방향으로 뻗어서 촉매구조물의 끝면을 덮도록 위치결정되어 형성되어 있고; 그리고(b) in a state in which the cell opening of the monolithic open cell structure is in fluid communication with a channel of the catalyst structure, it abuts against one end of the catalyst structure and extends in a direction perpendicular to the longitudinal axis of the catalyst structure such that Is positioned and formed to cover the end surface; And (c)모놀리식 개방셀형 구조물의 외면이 반응실 벽에 고정되어 모놀리식 개방 셀형 구조물상에 위치된 축선상의 부하가 반응실 벽에 전달되어서, 이에의해 상기 촉매 구조물의 길이방향 축선에 평행한 상기 촉매 구조물의 축선상의 이동을 제한하는 것을 특징으로 하는 지지구조물.(c) the outer surface of the monolithic open cell structure is fixed to the reaction chamber wall such that an axial load located on the monolithic open cell structure is transferred to the reaction chamber wall, thereby paralleling the longitudinal axis of the catalyst structure. A support structure for limiting axial movement of one said catalyst structure.
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