KR20000070008A - 반응 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 낮은 열 전도도를 갖는 고체 물질의 등급을 향상시키기 위한 반응 장치 및 그 방법을 제공한다. 상기 반응 장치는 처리될 패킹화 고체 물질층을 유지하기 위한 내부 부피 및 상기 내부 부피 내에 위치하는 열 전도성 물질로 구성된 다수의 플레이트(12a-12h)를 한정하는 외관 용기(10)를 포함한다. 상기 각각의 플레이트는 열 전달 유체가 유동하는 하나 이상의 통로(14a-14h)를 구비한다. 사용시, 상기 각 플레이트는 거의 모든 고체 물질이 상기 플레이트를 통한 상기 열 전달 유체와 상기 고체 물질간의 열 교환에 의해 원하는 온도 범위로 가열되거나 냉각되도록 상기 플레이트 영역에서 상기 열 전달 유체와 상기 고체 물질사이에 하나 이상의 열 전도성 측관을 한정한다.

Description

반응 장치{Reactor}

여러 가지 산업 과정에서 화학 반응 또는 물리적 변화를 개시하고 지속적으로 수행하기 위해서는 고체 함유 물질의 투입물(charge)을 가열 또는 냉각해야 한다.

통상적으로, 상기 투입물은 화학 반응 또는 물리적 변화가 일어날 수 있는 높은 온도로 가열될 필요가 있다. 그러나, 많은 고체 물질의 많은 투입물들은 매우 낮은 열 전도성을 지니고 있고, 간접적인 열 교환 기술을 이용하여 상기한 고체 투입물을 가열하기란 쉽지 않다. 그러한 투입물들은 종종 예컨대, 뜨거운 기체를 고체 투입물에 통과시키는 것과 같은 직접 열 교환 기술(direct heat exchange)에 의해 가열된다.

본 명세서에서 사용되는 "직접 열 교환 기술"은 열 전달 유체가 가열 또는 냉각될 물질과 직접 접촉하게 되는 열 교환 과정을 의미하며, "간접 열 교환 기술"은 열 교환 유체가 튜브 벽과 같은 물리적 장벽에 의해 가열 또는 냉각되는 물질로부터 분리되는 열 교환 과정을 의미한다.

일부 과정은 직접 열 교환 기술의 조건에 맞지 않거나 직접 열 교환 기술에 적합하지 않다. 고체와 기체간의 열 용량의 비는 열 전달을 위해 큰 부피의 기체 또는 유체가 요구되도록 결정된다. 예컨대, 만약 고체 물질 층(bed)이 매우 조잡하거나 가열 및 냉각 시간이 매우 길지 않다면, 패킹화된 고체 물질 층(packed bed)을 통해 열 전달에 필요한 큰 부피의 기체가 유동할 가능성은 거의 없다. 열 교환 과정이 고온에서 휘발성질을 갖는 물질을 포함하는 석탄 및 다른 물질과 관련된 경우, 휘발성 물질은 직접 열 교환 기술을 통해 가열 기체에 의해 제거되는데, 상기 가열 가스는 노통(flue) 또는 스택(stack)을 통해 배출 가스를 방출하기에 앞서 상기 배출 가스 청소에 어려움을 준다. 다른 열 교환 과정의 경우, 직접 열 교환 기술을 통해 고체 물질의 취급에 따른 어려움이 발생하거나, 기체 스트림속에 잔류하는 고체 물질에 의해 유지에 따른 문제점이 야기할 수 있다. 이러한 과정에서 고체투입물을 가열하기 위해서는 간접 가열 교환 기술을 이용할 필요가 있다.

한 가지 간접 열 교환 기술로서, Koppelman의 미국 특허 제 5,290,523 호에 개시된 온도 및 압력의 동시 응용기술에 의해 석탄, 특히 저급의 석탄을 업그레이드시키는 과정이 있다. 상기 과정에서는, 고온 하에서 석탄 투입물을 가열하게 되면, 석탄의 구조적 재배치에 의해 야기되는 스퀴즈 반응(squeeze reaction) 및 탈카로복실화 반응(decarboxylation reaction)에 의해 석탄으로부터 물기가 제거된다. 더욱이, 석탄으로부터 일부 가용성 재-형성 성분들(soluble ash-forming components)이 제거된다. 그 결과, 열 탈수 작용에 의해 석탄의 등급을 향상(upgrading)시킬 수 있고, 석탄의 열 발생값(calorific value)을 높일 수 있다. 상기와 같은 석탄 등급 향상 과정 중에 충분히 높은 압력을 유지함으로써 제거된 물기의 증기화 현상을 실제로 방지하여 상기 과정의 에너지 요건을 줄일 수 있다. 또한, 부산물인 물은 주로 스팀 또는 증기보다는 액체로서 생성된다.

석탄의 열 처리과정에서는 석탄에 대한 열 전달(통상적으로, 300-600 Bbu/lb)을 필요로 하지만, 패킹화된 석탄층(packed bed of coal)의 효과적인 열 전도성은 대략, 0.1 W/mK이고, 이 값은 석탄층(coal bed)을 양호한 열 절연체로 만든다.

석탄 층의 합리적인 가열 시간을 달성하는 과정을 제공하도록 석탄의 가열을 가속화하는데 고려되어야 하는 선택 사양은 다음과 같다:

- 열 전달 매체의 온도 증가에 의한 열 추진력의 증가. 이것은 저급 등급의 석탄의 경우 등급 향상을 통해 제품의 가열 값을 감소시키는 석탄의 탈휘발성화(devolatilisation)가 달성되는 경향이 있다. 더욱이, 이것은 결과적으로 타르 및 다른 휘발성 물질이 반응 장치 시스템의 다른 구성부에 응축된다.

- 유체 층(fluid beds)의 사용. 이것은 석탄의 탈휘발성화의 문제점을 재차 강조하는 큰 부피의 (불활성) 기체의 순환의 필요성이 제기된다. 이것은 또한, 뜨겁고 더러운 압축 장치의 재압축 또는 그 동작 이전에 기체의 냉각 및 청소를 필요로 하며, 이것은 자원과 유지와 관련이 있다.

- 회전식 가마(rotary kiln)와 같은 교반층(agitated bed)의 사용. 불활성 대기에서 고온에서의 이러한 반응 장치의 동작은 커다란 기술적 어려움과 비용을 수반한다. 간접 열 교환 기술가 바람직하지만, 이것은 기술적인 어려움을 야기하고, 반응 장치에서의 석탄의 부피 점유도는 낮아질 수 있다.

- 그라운드 공급장치의 플래시 건조기술(flash drying of a ground feed)의 사용. 이것은 상용 제품을 생산하기 위해 후속되는 집괴과정(agglomeration)을 필요로 함은 물론, 열 교환을 위한 불활성 기체를 필요로 하며, 반응 부피는 확산 상태의 고체로 인해 커지려는 경향이 있다.

- 석탄이 작은 입자로 분쇄되고 물과 혼합되어 이장(泥漿:slurry)을 형성하고 상기 이장이 후속하여 액체 상태를 유지할 수 있는 고압과 고온에서 가열되는 석탄의 열수(熱水) 탈수 과정(hydrothermal dewatering). 이 과정은 발전소에서와 같이, 나중에 한 과정에서 덩어리로 만들어지거나 직접 사용되어지는 석탄의 분쇄 과정을 필요로 한다. 더욱이, 고온으로 가열되는 물의 질량은 크고, 이것은 열 회수를 위한 규모가 큰 열 교환기를 필요로 한다.

고압(10 barg 이상)의 동시 적용으로, 전술한 각각의 선택 사양은 더욱 어려워진다.

휘발 손실의 최소화, 보다 적은 에너지 소비, 및 부산물인 물의 대부분을 액체로 생성하는 것으로 인해, 물질 층을 가열하거나 냉각시켜 석탄을 처리하기 위해서는 간접 열 교환과 결합된 패킹화 층이 바람직하다.

또한, 패킹화 층은 유동층 동작에서 요구되는 것보다 더 넓은 범위의 석탄 크기와 더 굵은 석탄 크기를 허용한다. 또한, 패킹화 층은, 가열 속도가 빠른 경우, 고압 반응 장치에서 수용할 수 있는 가장 작은 부피를 제공한다. 반응 장치의 부피가 작음으로 인해 가압 시간 및 반응 장치에 드는 비용을 줄일 수 있다.

간접 열 교환 기술을 향상시키기 위한 고전적인 방법은 가열 매체와 가열될 투입물 사이에 충분한 표면적을 제공하는 것이다. 이렇게 함으로써, 튜브를 다발로 묶을 수 있고, 가열 매체가 상기 튜브의 내부면 또는 외부면과 접촉할 수 있다. 이러한 튜브의 묶음은 (비록, 표면이 벗겨지고 뭉쳐져서 보수 유지를 필요로 하는 경향이 있다하더라도) 열을 액체 및 기체에 전달하는데 적합할 수는 있지만, 고체 물질의 가열시 사용될 때에는 몇 가지 한계가 있다. 이것은 특히, 고체 물질이 19mm (0.75 인치)의 입자 크기를 갖는 석탄이나, 사이를 메우고 고정시켜야 하는 문제점에 봉착하게 되는 50mm (2 인치)의 입자 크기의 수출용 석탄을 포함하는 경우에도 그렇다. 이러한 물질을 위한 어떤 열 교환 시스템은 다발 묶음 과정의 시작과 종료 사이클에서 또는 계속적인 과정에서 고체의 자유로운 유동을 허용하도록 설계되어야 한다.

전술한 종래 기술의 외관 용기(shell) 및 튜브 배열에 따른 또 다른 난제는, 대부분의 종래 반응 장치에 있어서 반응 장치로부터 석탄을 배출하기 위해서는 상기 반응 장치의 튜브 묶음의 하단부에 원추형의 배출부가 배치되어야 한다는 사실로부터 야기된다. 상기 튜브 묶음을 상기 원추형 배출부속으로 연장시킨다는 것은 거의 불가능하고, 그에 따라 상기 배출부내에 포함되는 감지 가능한 부피의 석탄이 상기 튜브 묶음에 의해 가열되지는 않는다. 이러한 난제를 극복하기 위한 일부 과정으로서, 물이나 증기를 석탄층에 주입하는 과정을 예로 들 수 있다. 이들 과정은 작동 유체(working fluids)로 공지되어 있다. 이러한 작동 유체는 (액체인 경우)증발될 증발될 수도 있고 석탄층의 상부에서 과열된 다음, 상기 원추형의 배출부의 바닥에서 출구로 유동할 수도 있다. 따라서, 상기 배출부의 차가운 고체는 (작동 유체의 대류 및 응축에 의해) 상기 작동 유체에 의해 가열된다. 그러나, 작동 유체의 주입 방식은 상기 과정의 에너지 이용을 위해 심각한 결과를 초래한다.

한 가지 종래 과정에서는 석탄이 튜브 측면에 공급되고 열 전달 오일이 외관 용기의 측면을 통해 유동하는 외관 용기 및 튜브 방식의 열 교환 장치가 이용된다. 상기 튜브는 통상적으로 최대 열 전달 거리, 즉 상기 튜브의 벽으로부터 튜브의 중심까지의 거리가 약 38mm (11/2 인치)임을 의미하는 75mm (3인치)의 직경을 갖는다. 비록, 고압에서 작동할 때에는 직경이 작은 튜브가 유리하지만, 그러한 반응 장치는 상기 튜브를 통해 유동할 수 있는 고체를 얻기란 쉽지 않기 때문에 이상적이지는 못하다. 더욱이, 상기 외관 용기 측면상의 열 전달 오일의 단락 및 채널링 현상(short circuiting and channeling)이 발생하여 (석탄이 불안전하게 처리될 수 있고), 반응 장치의 설계는 복잡하여 공사하는데 어려움이 있다. 특히, 상기 튜브 묶음을 위한 단부 플레이트를 제작하는데 어려움이 있고 그러한 단부 플레이트는 두께가 매우 두껍고 값비싼 부품이다. 이러한 반응 장치에서의 석탄의 공간 점유도는 통상 반응 장치의 전체 부피의 30-50%에 불과하다.

본 발명은 석탄과 같은 낮은 열 전도도의 고체 함유 물질에 또는 그 투입물로부터 열을 전달하는데 필요한 고압 과정에서 사용하기 위한 반응 장치에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 일시예에 따른 반응 장치를 도시한 횡단면도이다.

도 2는 도 1에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 반응 장치를 포함하는 석탄을 탈수시키기 위한 장치를 도시한 측면도이다.

도 3은 도 1 및 도 2에 도시된 반응 장치에 설치되어 플레이트의 일시예에 따라 석탄을 처리하기 위한 원추형 배출부를 도시한 측면도이다.

도 4는 또다른 플레이트 구조를 갖는 도 3과 유사한 도면이다.

도 5는 방사상 구조의 플레이트를 나타내는 석탄을 처리하기 위한 원추형 배출부를 도시한 횡단면도이다.

도 6은 대체 가능한 또다른 플레이트 구조를 도시한 종단면도이다.

도 7은 koppelman 과정에 의한 석탄 등급 향상과 관련한 열 플럭스의 영향을 받는 장방형 플레이트의 지점들을 시간-온도의 상관관계로 도시한 그래프이다.

본 발명에 따르면, 석탄의 등급을 향상시킴은 물론, 낮은 열 전도도를 갖는 고체투입물에 또는 그 투입물로부터 열을 전달하는데 필요한 소정의 과정에 적합한 반응 장치를 설계하게 되었다. 상기 반응 장치에서는 전도성 측관(conductive bypass) 개념의 과정이 사용된다.

본 발명에 따르면, 고체 함유 물질의 낮은 열 전도도를 갖는 투입물이 반응 장치에 공급되어 상기 반응 장치에서 패킹화된 고체 물질층을 형성하고, 상기 투입물을 가열하거나 냉각하기 위해 상기 투입물이 열 전달 과정을 거치는 과정에서 사용하기 위한 반응 장치가 제공되고, 상기 반응 장치는 상기 패킹화 층을 위한 내부 부피 및 상기 내부 부피 내에 위치하는 열 전도성 물질로 구성된 다수의 플레이트를 한정하는 외관 용기를 포함하고, 상기 각각의 플레이트는 열 전달 유체가 유동하는 하나 이상의 통로를 구비하고, 사용시 상기 각 플레이트는 거의 모든 고체 물질이 상기 플레이트를 통한 상기 열 전달 유체와 상기 고체 물질간의 열 교환에 의해 원하는 온도 범위로 가열되거나 냉각되도록 상기 플레이트 영역에서 상기 열 전달 유체와 상기 고체 물질사이에 하나 이상의 열 전도성 측관을 한정하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 반응 장치는 석탄의 등급을 향상시키는 것에 관한 연구를 토대로 개발되었다. 이들 연구에 의하면, 상기 반응 장치의 열 전달 유체 쪽에는 최소한의 열 전달 저항이 존재하고, 열 전달에 대한 한계는 주로 석탄 쪽에 있다는 사실이 밝혀졌다. 그리고, 놀랍게도, 상기 열 전달 유체와 상기 석탄간의 열 전달 과정에 추가 저항을 삽입함으로써, 상기 과정을 개선된 반응 장치 설계로 수행할 수 있었다. 본 발명의 기초는 상기 열 전달 유체와 상기 석탄간에 형성된 전도성 측관(즉, 열 전도성 측관)을 사용하여 석탄을 통한 열 전달 경로의 길이를 최소화하는데 있다. 전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 각각의 플레이트는 상기 플레이트의 영역에서 상기 열 전달 유체와 상기 고체간에 하나 이상의 전도성 측관을 한정한다.

최대 열 전달 거리는 불안정한 상태의 열 전달 고체 물질, 특히 패킹화된 고체 물질 층에서 중요한 파라미터이다. 가열 시간 및 냉각 시간은 당업자에게 공지된 바와 같이, 최대 열 전달 거리에 크게 좌우된다. 가열 또는 냉각 플레이트의 설계로 인해 최대 열 전달 거리를 갖는 석탄층의 한 구성은 상기 석탄층을 통해 조심스럽게 최적화된 값으로 유지될 수 있다. 동시에, 전도성 측관을 사용함으로써 상기 열 전달 유체와 접촉하는 공급 측의 열 전달 영역은 최소로 유지될 수 있다. 최소 열 전달 유체 부피로부터 파생되는 장점으로는 최적화된 유동, 상기 패킹화층에 의한 반응 장치의 부피 점유도의 향상, 및 공급 측에 최적의 열 전달 등을 들 수 있다. 또한, 최소 열 전달 유체 부피는 상기 열 전달 유체와 상기 가압 용기 부피간의 영역에서 파열 가능성에 대비해 설계할 경우에 유리하다.

본 발명의 반응 장치의 사용시, 열 교환은 상기 플레이트에서 통로를 통해 유동하는 열 전달 유체와 상기 플레이트사이에서 열 전도에 의해 발생한다. 이러한 열 전달 과정은 상기 플레이트의 온도를 변화시킨다. 이때, 열 전달 과정은 상기 플레이트의 외표면과 상기 고체 투입물질 사이에서 발생한다.

본 발명에서 사용되는 전도성 측관으로 인해, 공급 쪽과 석탄층 쪽의 열 전달 거리가 최적화될 수 있고, 상기 석탄층의 최대 열 전달 거리는 상기 석탄층의 공급 쪽의 열 전달 표면 또는 열 전달 유체의 양을 증가시키지 않고도 최소화될 수 있다.

본 명세서를 통해 사용되는 "플레이트"라는 용어는 다른 2 차원의 크기보다 더 짧은 1차원의 크기를 갖는 소정의 3 차원 형상을 포함하도록 사용된다. 예컨대, 플레이트는 평면 플레이트(planar plate) 또는 환상 또는 원통형 플레이트(annular or cylindrical plate)를 포함할 수도 있다.

본 명세서를 통해 사용되는 "패킹화(된)층"이란 용어는 상기 석탄층에 있는 입자들이 서로 접촉상태에 있다는 것을 의미하는 것으로 이해하면 된다.

상기 "패킹화층"이란 용어는 상기 입자들이 접촉상태에 있는 한 패킹화층을 포함하는 반응 장치를 통한 상기 입자들의 운동을 배제하지 않는다는 사실을 유념해야 한다.

상기 "패킹화층"이란 용어는 거의 정적인 석탄층 내에서의 입자들의 국부 운동을 배제하지 않는다는 사실 또한 유념해야 한다.

석탄의 경우, 통상적으로 "패킹화층" 이란 용어는 석탄층의 벌크 밀도가 600-800 kg/㎥ 이라는 사실을 의미한다.

상기 반응 장치는 투입물을 상기 반응 장치에 유입하기 위한 입구 수단과, 상기 투입물을 상기 반응 장치로부터 제거하기 위한 출구 수단을 구비하는 것이 바람직하다.

상기 플레이트는 반응 장치의 로딩 및 언로딩(석탄 적재 및 배출)(loading and unloading) 과정 중에 고체 물질이 인접 플레이트사이에서 유동할 수 있도록 서로에 대해 배치되는 것이 바람직하다.

상기 인접 플레이트는 50-500mm (2-20 인치) 만큼 이격되는 것이 바람직하지만, 75-200mm (3-8 인치) 및 75-125mm (3-5 인치) 만큼 이격되는 것이 더욱 바람직하다.

본 발명의 반응 장치는 특히, 고압 예컨대 2 barg (29.4psi)정도, 바람직하기로는 4 barg 정도의 압력에서 수행되는 과정에서 사용하기에 적합하다.

상기 반응 장치는 외관 용기를 압력 용기로 간주할 필요가 있는 고압 과정에서 사용되는 것이 유리하다.

상기 플레이트는 하나 이상의 열 전도성 물질로 구성된다.

상기 플레이트의 열 전도도는 적어도 동작 중에 상기 반응 장치에 있는 고체 투입물의 열 전도도보다 높은 크기 정도를 갖는 것이 바람직하다.

고체 물질이 고압에서 처리되는 많은 과정에 있어서, 고체 물질은 상기 통로를 통해 열 전달 유체를 펌핑하는데 필요한 압력보다 훨씬 높은 압력 하에서 유지되어야 한다. 예컨대, 석탄의 탈수과정에 있어서, 열 전달 유체(통상적으로 열 전달 오일임)는 약 150psi (1033kpa)에서 순환되는 반면, 석탄은 800psi(5510kpa)에서 유지된다. 따라서, 본 발명의 반응 장치의 플레이트는 상기 열 전달 유체가 유동할 수 있는 하나 또는 그 이상의 적은 수의 통로를 포함하는 것이 바람직하다. 특히, 상기 통로는 비교적 작은 직경 또는 폭을 갖고, 상기 통로의 벽두께는 매우 크다. 약간 다른 용어로 표현되었지만, 상기 통로의 부피는 상기 플레이트의 전체 부피의 작은 부분이 되도록 구성하는 것이 바람직하다. 이로 인해 상기 통로의 벽은 상기 플레이트의 외측부 및 상기 통로의 내측부에 인가되는 압력간의 차이로 인해 야기되는 압력 차에 저항할 정도로 충분히 강하게 된다. 열 재킷(heat jacket)에 비해, 본 발명의 반응 장치에 사용되는 플레이트는 강하고 고압에서 붕괴 또는 분쇄 작용에 저항할 수 있다.

상기 통로와는 별도로, 상기 플레이트는 고체로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 플레이트는 소정의 적절한 높은 열 전도성 물질로 제조될 수도 있다.

상기 플레이트의 구성 물질은 실제로 상기 통로를 통해 유동하는 열 전달 유체에 대해 화학적으로 불활성이며, 상기 고체 물질은 상기 반응 장치에서 처리되고 상기 플레이트의 외측부 및 상기 반응 장치의 기체 또는 액체와 접촉하는 것이 바람직하다. 또한, 그러한 플레이트 및 상기 플레이트와 관련이 있는 소정의 지지 수단과 파이프 수단은 석탄의 유입, 유동 및 배출로 부터의 부식 및 마모에 저항할 필요가 있다는 사실을 인식하게 될 것이다.

열 전도성 금속 또는 복합재료는 상기 플레이트에 사용하기 위한 적절한 물질이다. 적절한 금속의 종류로는 구리, 알루미늄, 스테인레스 강 및 연강(mild steel)을 들 수 있다. 스테인레스 강이 피복된 구리, 크롬이 피복된 구리, 플라즈마가 분사된 연강, 또는 얇은 연강 피복 공정 속에서 주조된 구리와 같은 복합재료들이 사용될 수도 있다. 이러한 물질들의 목록은 전부는 아니며, 다수의 높은 열 전도성 물질이 본 발명의 사상에서 일탈하지 않는 범위 내에서 상기 플레이트에 사용될 수도 있다.

상기 플레이트의 형상은 그 플레이트가 장방형, 평행 사변형 또는 끝이 점점 가늘어지는 단면이 바람직함에도 불구하고 다양하게 변형될 수 있다.

상기 플레이트의 외표면은 거의 평면을 이루고 있지만, 다른 형상의 외표면이 사용될 수도 있다. 또한, 상기 플레이트는 상기 반응 장치 내에 동심적으로 배치되는 원통형 플레이트 또는 환상 플레이트가 될 수도 있다.

상기 플레이트의 통로는 상기 통로를 상기 플레이트 속에서 기계가공(예컨대, 드릴링)을 하거나, 또는 내부에 통로를 형성한 채 상기 플레이트를 주조하거나, 또는 어떤 다른 제조 방법에 의해 제조될 수도 있다. 상기 통로를 구성하는 바람직한 방법은 상기 플레이트의 에지 내부에 채널을 주조하거나 롤링처리하거나 또는 기계가공에 의한 에징처리(machine edging)하는 단계와, 상기 에지에 또다른 플레이트를 용접하거나 결합하여 완전한 플레이트를 형성하는 단계를 포함한다.

상기 플레이트를 위한 최적의 설계는 상기 반응 장치에서 요구되는 최대 열 플럭스(maximum heat flux), 상기 반응 장치에서 수행되는 과정의 평균 열 플럭스 및, 사이클 또는 잔류 시간의 지속기간에 좌우됨은 물론, 상기 플레이트의 구성 물질에 좌우된다.

상기 플레이트는 옆으로 나란히 배열될 수도 있고, 층층이 쌓는 적층방식 또는 끝과 끝을 잇는 적층 방식으로 배열될 수도 있다. 상기 플레이트의 최적의 간격은 일반적으로 상기 반응 장치의 고체 물질의 처리 요건에 의해 결정될 것이다. 상기 플레이트를 통한 열 전달 유체의 유동을 위한 통로는 한쪽 방향으로 유동하거나, 동일한 플레이트 또는 인접 플레이트에서의 복귀 유동을 수행하는 한 개 또는 다수 개로 구성될 수도 있다.

적층처리된 일련의 플레이트가 사용되는 경우, 상기 플레이트는 열 전달 유체의 소스에 직렬 또는 병렬로 연결되거나, 상기 적층된 플레이트 층들은 분리된 열 전달 유체의 소스에 연결될 수도 있다. 적층된 플레이트층을 사용하면, 상기 플레이트 층에서 별도의 온도 제어가 가능하여, 반응 장치의 동서방향의 가열과정이 필요한 경우에 유리할 수도 있다.

또한, 상기 플레이트를 통해 유동하는 열 전달 유체를 교체할 수도 있다. 예컨대, 만약, 상기 반응 장치에서 수행되는 과정에서, 투입물의 가열 단계 및 이에 후속하여 수행되는 상기 투입물의 냉각 단계가 필요한 경우, 뜨거운 열 전달 유체는 상기 투입물을 가열하도록 상기 플레이트를 통과할 수도 있다. 이때, 상기 열 전달 유체는 냉각 열 전달 유체가 상기 플레이트 및 상기 투입물을 냉각시키기 위해 상기 플레이트를 통과하는 방식으로 교체될 수 있다. 상기 플레이트의 통로의 최소 부피로 인해, 제 1 열 전달 유체는 상기 통로로부터 신속하게 제거되어, 열 전달 유체의 비교적 신속한 교체가 가능해지고, 열 측관(플레이트)은 상기 열 전달 유체와 높은 열 전도를 갖는 물질간의 양호한 접촉으로 인해 신속하게 냉각될 것이다.

인접 플레이트간의 간격은 고체 물질의 유동 통로를 효과적으로 한정한다. 따라서, 상기 인접 플레이트간의 간격은 고체 물질에 의해 상기 플레이트사이에서의 부적절한 차단 또는 사이 메꿈 현상이 발생하지 않을 정도로 충분히 커야 한다. 더욱이, 상기 플레이트 사이의 간격은 상기 플레이트사이에서 모든 고체 물질에 대해 적절한 열 전달 속도가 달성될 정도로 충분히 작아야 한다. 매우 낮은 열 전도도를 갖는 석탄과 같은 고체 물질의 경우, 상기 인접 플레이트간의 간격을 위한 실질적인 최대치는 200mm (8 인치)이고, 보다 짧은 다발 묶음 시간(batch time) 및 잔류 시간(residence time)이 사용될 수 있기 때문에 100mm (4인치)의 간격이 더 바람직하다.

양호한 실시예에서, 상기 반응 장치는 단면에서 바라보았을 때 상기 플레이트가 거의 원통형부의 원통형 단면을 갖는 선(chord)을 가로질러 연장하도록 배치된 플레이트를 갖는 원통형부를 구비한다. 상기 플레이트는 실제로 상기 반응 장치의 원통형부의 길이를 따라 연장하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 원통형부의 길이방향 축이 거의 수직이 되도록 방위 설정하는 것이 일반적인 관행이다.

그러한 반응 장치들은 통상적으로 반응 장치의 부피의 20%를 포함하는 원추형의 배출부를 구비한다.

또한, 상기 반응 장치는 상기 반응 장치의 원추형 배출부내에 배치되고 열 전달 유체의 유동을 위해 하나 이상의 통로를 구비하는 하나 이상의 플레이트를 추가로 구비한다. 상기 원추형 배출부의 플레이트의 형상은 고체 이동시 봉쇄를 피하도록 구성되는 것이 바람직하다. 상기 플레이트는 고체의 유동을 촉진시키는 동시에 여전히 상기 원추형 배출부에서 고체 물질의 적절한 가열 또는 냉각 기능을 제공하도록 그 형상이 구성되거나 절두체 모양으로 구성될 수도 있다. 다시 말해, 상기 플레이트의 형상은 방사상 플레이트, 유선형 플레이트, 손가락 모양, 측벽 플레이트 및 만곡형 플레이트를 포함하는 다양한 기하 형태가 가능하다.

상기 플레이트는 상기 반응 장치의 일단부에 연결될 수도 있다. 사용시, 상기 열 전달 유체는 상기 반응 장치의 외관 용기를 통해 연장하는 하나 이상의 열 전달 유체 라인에 의해 열 전달 유체의 소스로부터 상기 플레이트의 통로에 공급된다. 상기 플레이트는 상기 반응 장치의 상부로부터 매달려 구성되는 것이 바람직하다. 이러한 배치는 고체 유동에 대한 잠재적인 장애물이 최소화되기 때문에 바람직하다. 또한, 상기 플레이트를 상기 반응 장치의 하부에 연결하는 구성도 가능하고, 이것은 열 전달 유체 순환 펌프가 비작동 상태(전원이 꺼진 상태)일 때 상기 플레이트로부터 열 전달 유체 배출시키는 것이 바람직한 경우에 적절한 구성이다. 이러한 배치의 사용은 용융 소금이 열 전달 유체로서 사용되는 경우에 바람직한데, 그 이유는 그러한 용융 소금이 상기 통로로부터 배출되어 상기 통로에서 상기 용융 소금의 잠재적 동결(freezing) 현상을 피하는 것이 유리하기 때문이다.

일 실시예에 따르면, 상기 플레이트는 상기 반응 장치에 매우 느슨하게 연결되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 플레이트는 체인에 의해 매달리는 구성이 될 수도 있고, 또는 상기 반응 장치의 벽에 힌지 결합 가능하게 연결될 수도 있다. 이러한 배치로 인해 상기 플레이트는 상기 플레이트간에 고체 물질의 봉쇄 현상이 발생하는 경우, 이동되거나 진동할 수 있다.

상기 플레이트는 추가 채널을 구비함으로써, 작동 유체 또는 반응물이 석탄층에 첨가되거나 그 석탄층으로부터 제거될 수도 있다.

상기 반응 장치의 외관 용기는 내화성 라이닝, 가능하다면 마모 라이너(wear liner)와 같은 절연 물질로 배열될 수도 있다. 절연 라이너를 사용함으로써 외관 용기의 설계 두께가 감소하고, 냉각 작동 플랜지의 이점을 얻을 수 있고, 안전성 및 열 균형이 향상된다.

상기 반응 장치는 기체 또는 액체를 상기 반응 장치에 공급하기 위한 입구 수단을 추가로 구비한다. 상기 기체 또는 액체는 가압 유체 또는 작동 유체를 포함할 수도 있다. 또한, 상기 반응 장치는 기체 또는 액체를 위한 출구 수단을 추가로 구비할 수 있다.

본 발명의 반응 장치에 따르면, 열 전달 유체측과 고체 물질측의 열 전달 기능을 별도로 최적화할 수 있다. 상기 열 전달 유체측에서는 열 전달을 위한 비교적 작은 표면적만이 필요한데, 이것은 상기 플레이트의 통로에 의해 제공된다. 이와는 대조적으로, 고체 물질측에서는 석탄과 같은 고체 물질의 낮은 열 전도도로 인해 커다란 열 전달 표면적이 요구되고, 열 전달을 위한 이러한 큰 표면적은 상기 플레이트의 외표면에 의해 제공된다. 열 전달 기능을 별도로 최적화 함으로써 재고목록에서 요구되는 열 전달 유체의 부피가 최소화되어 자본 비용이 감소하게 된다. 또한, 재고 목록의 감소로 인해 유체의 작동 온도가 보다 높아지고, 가연성 물질이 경제적으로 덜 사용된다. 더욱이, 현재 입수 가능한 상기 열 전달 유체는 수명이 유한적이며, 요구되는 부피를 최소화함으로써 열 전달 유체의 교체와 관련한 경제성에 분명한 효과를 미치게 된다.

본 발명의 또다른 일면에 따르면, 상기 플레이트의 통로는 상기 플레이트를 가열하기 위한 가열 수단으로 대체될 수도 있다. 그러한 가열 수단은 예컨대, 전기 저항 히터를 포함할 수도 있다. 본 실시예에서, 상기 플레이트를 가열하기 위한 열 전달 유체를 사용하는 대신, 상기 가열 수단은 상기 플레이트를 가열하고, (후속하여 투입물을 가열한다).

본 발명의 또다른 일면에 따르면, 상기 플레이트의 열 전달 통로는 유지되고, 상기 통로에서 열 전달 유체를 가열하기 위해 구비되는 가열 수단이다.

본 발명의 반응 장치는 낮은 열 전도도를 갖는 고체 투입물을 처리하는데 사용되는 고압 과정용으로 적합하다. 상기 반응 장치는 특히, 석탄의 등급을 향상시키는 과정에서 사용하는데 적합하다.

본 발명에 따르면, 외관 용기 및 상기 외관 용기 내에 배치되는 열 전도성 물질로 구성되고 열 전달 유체의 유동을 위해 하나 이상의 통로를 각각 구비하는 다수의 플레이트를 구비한 반응 장치에서 낮은 열 전도도를 갖는 고체를 가열 또는 냉각하는 방법으로서, 상기 각각의 플레이트가 사용중에 상기 플레이트의 영역에서 상기 열 전달 유체와 고체 물질간에 하나 이상의 열 전도성 측관을 한정하는 방법이 제공되고, 상기 방법은,

상기 외관 용기에 패킹화층을 형성하도록 상기 고체 물질을 상기 반응 장치 속으로 투입하는 단계와;

열 전달 유체를 상기 통로에 통과시키고, 상기 플레이트를 통해 상기 열 전달 유체와 상기 고체 물질사이에서 열 전달 작용에 의해 상기 패킹화층의 고체 물질을 가열 또는 냉각하는 단계와;

상기 고체 물질을 상기 반응 장치로부터 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 방법은 패킹화 고체 물질층을 가압하는 단계를 추가로 포함하는 것이 바람직하다.

상기 방법이 고체 물질을 가열하기 위해 수행될 때, 상기 방법은 상기 고체 물질의 등급을 향상시키기에 충분한 시간동안 고온 및 고압 조건하에서 상기 패킹화 고체 물질층을 유지하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 고체 물질은 굵은 것이 바람직하다.

본 명세서를 통해, "굵은(coarse)"이란 용어는 5mm이상의 입자 크기를 의미하는 것으로 이해하면 된다.

본 발명의 방법은 배치과정(batch process: 다발 묶음 과정)으로 수행되는 것이 바람직하다.

첨부도면을 참조하여 본 발명에 따른 양호한 실시예가 이하에 상세히 설명될 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반응 장치는 다수의 플레이트 12a-12h를 구비한 외관 용기 10을 포함한다. 비록, 도 1에는 상기 반응 장치에 8 개의 플레이트만을 도시하였지만, 이 보다 적거나 더 많은 수의 플레이트가 사용될 수도 있음을 이해할 수 있을 것이다. 상기 각 플레이트 12a-12h는 열 전달 오일이 유동하기 위한 두 개의 채널 14(a-h), 15(a-h)를 구비한다.

도 2를 참조하면, 석탄을 탈수하기 위한 장치의 측면도가 도시되고, 상기 장치는 반응 장치 20을 구비한다. 상기 반응 장치 20은 도 1에 도시된 것과 같은 단면을 갖는다. 상기 반응 장치 20은 그 상부에 배치된 현가 오일 공급 플레이트(suspension and oil feed plate) 22를 구비한다. 상기 플레이트 12a-12h는 상기 플레이트 22의 내부 주변부상에 위치한 일련의 훅(hook)에 부착된 체인으로부터 매달려있다. 소정의 현가 수단 및 지지 수단이 상기 반응 장치의 플레이트를 현가시키거나 지지하는데 사용될 수도 있다는 사실을 유념해야 한다. 상기 플레이트 12a는 도 2에 점선으로 도시되어 있고, 상기 반응 장치 20의 실질적인 길이방향을 따라 연장된다. 뜨거운 오일 공급기(도시생략)에 연결되어 있는 오일 공급 라인 24는 오일을 매니폴드 구조(도시생략)를 통해 상기 플레이트 12a-12h에 공급한다. 오일 반송 라인(oil return line) 25는 상기 오일을 상기 오일 공급 수단에 반송한다.

한 가지 특정 실시예의 경우, 상기 반응 장치 20은 거의 7m (23피트)의 길이와 약 1m (3.3 피트)의 직경을 갖는다.

또한, 상기 반응 장치 20은 가압 유체 및/또는 작동 유체를 상기 반응 장치 속에 유입하기 위한 기체/액체 유입구 50을 구비한다. 또한, 상기 반응 장치 20은 작동 유체 및 다른 유체를 상기 반응 장치로부터 제거하기 위한 유체 배출구 51 및 상기 반응 장치로부터 압력을 해제하기 위한 추가 유체 배출구 52를 구비한다.

상기 반응 장치 20에 석탄을 적재하는 동작을 용이하게 위해 상기 반응 장치 20은 그 위쪽에 배치되고 그 상부로부터 오프셋 되는 석탄 공급 호퍼(feed hopper) 25를 구비한다. 상기 공급 호퍼 25는 상기 반응 장치 20로부터 오프셋 되어 유지 보수 및 교체를 위해 상기 플레이트 12a-12h를 단일체로 또는 집합체로서 제거할 수 있다. 상기 공급 호퍼 25는 상기 오프셋 도관 26을 통해 상기 반응 장치 20에 연결되고, 석탄은 상기 공급 호퍼 25를 거쳐 상기 오프셋 도관 26을 통해 유동하여 상기 반응 장치 20속으로 유입된다. 상기 오프셋 도관 26은 석탄의 투입량을 제어하기 위한 밸브 26a를 구비한다. 사용중에, 상기 석탄은 인접 플레이트 12a,12b등의 인접 표면에 의해 한정되는 유동 통로를 통해 하향하여 유입되고, 상기 반응 장치를 충진하여 패킹화층을 이룬다.

상기 반응 장치 20의 바닥에는 석탄을 배출하기 위한 원추형의 배출부 27이 설치되어 있다. 상기 반응 장치 20이 석탄으로 채워지면, 상기 원추형 배출부 27역시 석탄으로 채워진다. 상기 원추형 배출부 27에 채워진 석탄을 처리하기 위해, 다수의 플레이트 구조물이 상기 원추형 배출부의 내부에서 사용될 수도 있다. 이와 관련된 내용은 나중에 상세히 설명하기로 한다.

상기 원추형 배출부 27은 밸브 27a를 구비하고, 배출 슈트 28을 통해 냉각 드럼 28에 연결된다. 사용중, 석탄이 처리된 이후에는 석탄이 상기 배출 슈트 28을 통과하여 냉각 드럼 29속에 유입되어 뜨거운 석탄이 약 70℃ 이하의 온도로 냉각된다. 상기 냉각 드럼에는 도 1에 도시된 플레이트와 근본적으로 유사한 냉각기가 설치되고, 냉각수가 상기 플레이트의 채널을 통해 유동한다. 원하는 온도로 냉각한 후에, 처리된 석탄은 밸브 30a를 거쳐 바닥 배출구 30을 통해 배출된다. 상기 냉각 플레이트는 증기를 상승시키고 열을 재생시키는데 사용될 수도 있다.

도 2에 도시된 장치의 동작에 대해 이하에서 설명하기로 한다. 상기 반응 장치 20을 석탄으로 채운 후, 상기 반응 장차는 밀봉 처리되고 가압되고, 뜨거운 열 전달 오일이 상기 플레이트 12a, 12b-12h의 채널에 공급된다. 상기 뜨거운 오일은 통상적으로 350-380℃(662-716℉)의 온도를 유지한다. 처리중인 상이한 석탄 형태 및 다른 고체 물질들은 위에서 인용된 내용으로부터 상이한 최적 온도를 필요로 할 수도 있다. 상기 뜨거운 오일은 상기 반응 장치가 석탄으로 채워지기 전에, 석탄 충진 중에 또는 상기 반응 장치가 석탄으로 충진된 후에 상기 플레이트에 공급될 수도 있다. 상기 플레이트 12a,12b등의 높은 열 전도도로 인해, 상기 플레이트들은 오일의 온도로 신속하게 가열시킨다.(후속 사이클에서, 상기 플레이트는 이미 뜨거워져 있을 것이다.) 이때, 열이 상기 뜨거워진 플레이트에서 상기 석탄으로 전달된다. 그 결과, 석탄의 온도는 증가하게 되고, 석탄의 구조적 재배열로 물이 석탄으로부터 빠져나옴에 따라 팽창 또는 스퀴즈 반응(swelling or squeeze reaction)이 발생되기 시작한다. 원하는 시간 주기동안 상기 반응 장치에 석탄을 유지시킨 후, 상기 반응 장치는 환기되어 압력이 상기 반응 장치로부터 해제되고, 처리된 석탄은 상기 냉각 드럼 29속으로 배출되어 석탄이 냉각되고 이어서 판매 또는 또다른 처리를 위해 배출된 다음 예컨대, 연탄이나 조개탄으로 제조된다.

도 3 및 도 4는 도 2의 원추형 배출부 27 및 반응 장치 20의 바닥부에 대한 측면도를 도시한 것으로서, (점선으로 표시된) 플레이트 12a-12h의 변형 가능한 구조가 상기 원추형 배출부내에 배치되어 상기 원추형 배출부의 석탄이 완전하게 처리될 충분한 시간동안 고온으로 충분히 가열된다.

도 3에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트 12a-12h는 상이한 거리로 상기 원추형 배출부 속에 하향하여 연장하고, 중심 플레이트는 상기 원추형 배출부속으로 더 깊게 연장한다. 도 3의 배치구조로 인해, 석탄은 상기 원추형 배출부를 통해 자유롭게 유동되는 동시에, 상기 원추형 배출부속의 석탄에 적절하게 열을 전달할 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 상기 플레이트 12a-12h는 상기 원추형 배출부의 윤곽을 따라 그 모양이 형성된다. 일부 플레이트는 다른 플레이트보다 상기 원추형 배출부속으로 더 깊게 연장하여 석탄이 상기 원추형 배출부를 통해 자유롭게 유동할 수 있도록 해 준다.

도 5는 상기 원추형 배출부 27의 평면 횡단면도이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 일련의 방사상 플레이트 32a-32h가 상기 원추형 배출부 27속에 영구적으로 설치된다. 상기 플레이트 32a-32h는 그 자체의 오일 공급 수단을 구비할 수도 있고, 도 2에 도시된 오일 라인 24로부터 공급될 수도 있다.

도 1에 도시된 플레이트는 오일 가열 채널로부터 안쪽으로 점차 가늘어지는 단면 형상을 갖는다. 그러나, 다른 플레이트의 단면 형상이 사용될 수도 있고, 도 6에 도시된 바와 같이 또다른 대체 단면 형상이 사용될 수 있다. ]

도 6a에는 넓은 중앙부 34에 오일 채널 35가 형성되어 있고 협단부 36,37로 갈수록 점차 가늘어지는 플레이트가 도시된다.

도 6b에는 거의 평행 육면체의 단면을 갖는 플레이트가 도시되고, 도 6b에 도시된 플레이트는 비교적 크기가 작다.

도 6c에는 중앙부에 정방형의 오일 채널 39가 형성되어 있고 첨단 40,41로 갈수록 점점 뾰족해지는 플레이트 38이 도시된다.

도 6d에는 오일 채널 42,43이 원형 단면 형상을 갖는 다는 것만 제외하고, 도 1과 거의 유사한 단면 형상을 갖는 플레이트가 도시된다.

도 6e에는 도 6d에 도시된 단면 형상과 거의 유사한 플레이트가 도시되는 반면, 이 플레이트에는 안쪽으로 돌기부가 형성된 오일 채널 44,45가 구비되어 상기 채널로부터 플레이트 속에 전달되는 열 전달 영역을 증가시킬 수 있다. 이것은 도 6f에 보다 명백하게 도시되는 것과 같이 도 6e에 도시된 것보다 훨씬 면적이 플레이트가 도시되고, 이러한 플레이트는 이에 상응하게 보다 큰 오일 채널 46,47을 구비한다.

도 6g에는 원형의 단면 형상의 오일 채널을 갖는 장방형 플레이트가 도시된다.

도 1내지 도 6에 도시된 반응 장치의 설계 및 플레이트 구조는 다양하게 변경될 수도 있다. 특히, 상기 플레이트 12a-12h의 간격은 상기 플레이트의 구성 물질의 전도도, 상기 반응 장치에 공급된 고체 물질의 유동성 및, 반응을 위한 잔류 시간 요건에 따라 변할 수 있다. 상기 플레이트의 두께 역시 변경될 수 있다. 상기 플레이트의 두께가 증가함에 따라 상기 플레이트의 "열 용량(thermal capacitance)"은 증가하고, 이것은 특수 반응 과정 중에 발생할 수도 있는 온도 강하를 감소시키는 역할을 한다는 것을 알 수 있다. 이와 관련하여, 플레이트의 두께가 두꺼울수록 열 질량 또는 열 밸러스트(thermal ballast)는 커지고, 상기 과정의 엔탈피(enthalpy) 요건을 완화시킬 수 있다. 상기 플레이트 12a-12h는 (도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 상기 반응 장치에서 거의 수직으로 연장되도록 배치될 수도 있다. 그러나, 상기 플레이트는 수평이나 경사진 방위로 배치될 수도 있다. 상기 플레이트는 반응 장치로부터 고체 물질의 배출을 돕기 위해 중력이 이용될 수 있기 때문에 수직으로 배치되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 고체 물질에 작용하는 열 전달 기능을 향상시키기 위해 상기 플레이트의 표면으로부터 연장하는 하나 이상의 횡방향 연장부를 구비하는 것도 가능하다. 그러한 횡방향 연장부는 고체 유동에 대한 장애가 최소화 되도록 배치되어야 한다.

상기 플레이트 12a-12h는 상기 반응 장치 내에 느슨하게 장착되는 것이 바람직하고, 상기 반응 장치의 일단부에만 연결되는 것이 바람직하다. 예컨대, 상기 플레이트는 체인에 매달리는 구성을 취할 수 있다. 상기 플레이트사이에는 일정한 간격이 요구되고 이러한 간격은 상기 플레이트의 약간의 이동을 위해 허용되는 것이 바람직하다. 이러한 구조로 인해, 상기 플레이트사이에 형성된 유동 채널들중 하나가 차단되는 경우 상기 플레이트의 이동이 허용되고, 이러한 플레이트의 이동은 차단상태를 제거하는데 도움이 된다. 또한, 푸시로드(pushrods), 해머 또는 바이브레이터(vibrators)와 같은 플레이트 이동 수단을 구비할 수 있다.

상기 플레이트는 상기 플레이트의 유지 보수 또는 교체를 허용하기 위해 단일체 또는 전체 조립체로서 상기 반응 장치로부터 제거 가능하다.

또한, 상기 플레이트는 고체 물질을 선택적으로 통풍시키거나 다른 작용물을 고체 물질층속에 선택적으로 주입하도록 하기 위한 통풍 채널(vent channels) 또는 주입 채널(injection channels)을 구비할 수도 있다.

상기 반응 장치의 외관 용기를 포함하는 압력 용기는 가열 장치(내부 및 외부 오일 파이프와는 별개임)와는 완전히 무관하기 때문에, 상기 압력 용기는 (내화성 라이닝과 같은 )절연 물질로 제조될 수 있고, 마모 라이너(wear liner)로 제조될 수 있다. 이로써, 상기 반응 장치의 구조벽 및 플랜지의 작동 온도를 100℃ 이하로 유지할 수 있어, 사용되는 스틸(steel)을 상당히 절약할 수 있다. 상기 반응 장치의 외관 용기는 완전한 압력 정격을 필요로 하지만, "냉각" 상태에서 작동하기 때문에, 온도에 대한 허용 가능한 금속 응력을 감소시키지 않고 설계될 수도 있다.

도 7은 석탄 등급 향상을 위한 koppelman 과정과 관련한 열 플럭스의 영향을 받는 장방형 플레이트의 지점들을 시간-온도의 상관관계로 도시한 그래프를 도시한 것이다. 이 과정은 배치 과정이라고 하고, 열 플럭스의 구성에서 알 수 있듯이 상기 과정의 엔탈피 요건은 시간의 경과에 따라 크게 변한다. 도 7의 상부에 표시된 온도-시간간의 상관 그래프선에 의하면, 상기 플레이트의 온도는 상기 과정 중에 변하지만, 시간 t=20 분에서 약 40℃의 최대 온도 강하로 인해 여전히 석탄의 처리과정이 만족할 만한 수준으로 달성됨을 알 수 있다. 상기플레이트의 온도는 거의 초기 값 70분으로 회복된다. 사이클 시간, 플레이트 질량, 플레이트 간격 및 물질이 최적화될 수 있다는 것을 당업자들을 이해할 수 있을 것이다.

본 발명의 반응 장치는 종래 반응 장치에 비해 다음과 같은 장점들을 갖는다:

- 처리될 고체 물질의 부피 점유도가 향상되고, 주어진 반응 장치로부터의 출력이 60% 이상 증가하거나 또는 요구된 출력에 대해 보다 작은 반응 장치를 사용할 수 있다.

- 압력 용기는 절연 라이닝을 상기 용기 속에 위치시킬 수 있는 능력으로 인해 냉각상태에서 작동될 수 있다.

- 가열 오일의 부피가 감소된다.

- 오일의 열 전달이 최적화된다.

- 거의 장방형의 반구속된 고체층이 인접 플레이트사이에 위치함으로써 고체 유동이 향상된다.

- 원추형 배출부를 가열할 수 있다.

- 오일의 열 전달 속도가 반응 사이클을 상회한다.

- 주요 용기내의 팽창 접합부에 대한 필요성이 제거된다.

- 외관 용기 및 튜브 열 교환시 차동 팽창에 따른 문제점을 피할 수 있다.

- 기존의 외관 용기 및 튜브 반응기를 새로 개선할 수 있다.

- 유지보수 및 구조 변경을 위해 제거 가능하다하다.

- 열 전달 유체의 정화 작용 및 유체의 교환을 위한 옵션이 용이해진다.

- 플레이트 및 튜브로 달성할 수 있는 목표이상으로 증가시킬 수 있다.

지금까지, 특정의 바람직한 실시예및 그 대체 실시예와 관련하여 본 발명이 상세히 개시되고 설명되었지만, 상기 본 발명에 대한 개시는 단지 본 발명의 적용예에 불과한 것이고, 본 발명을 수행하기 위한 최상 모드로서 본 명세서에 개시된 특정 실시예에 국한되는 것은 아니다.

또한, 하기 특허청구의 범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 일탈하지 않는 범위 내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변경될 수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 용이하게 이해할 수 있을 것이다.

본 발명은 석탄과 같이 고체 함유 물질의 낮은 열 전도도를 갖는 투입물에 또는 그 투입물로부터 열을 전달하는데 필요한 고압 과정에서 사용하기 위한 반응 장치로서 여러 가지 산업 과정에서 화학 반응또는 물리적 변화를 개시하고 지속적으로 수행하기 위한 열 교환 기술 분야에 적용된다.

Claims (25)

1. 고체 함유 물질의 낮은 열 전도도를 갖는 투입물이 반응 장치에 공급되어 상기 반응 장치에서 패킹화된 고체 물질층을 형성하고, 상기 투입물을 가열하거나 냉각하기 위해 상기 투입물이 열 전달 과정을 거치는 과정에서 사용하기 위한 반응 장치로서, 상기 반응 장치는 상기 패킹화 층을 위한 내부 부피 및 상기 내부 부피 내에 위치하는 열 전도성 물질로 구성된 다수의 플레이트를 한정하는 외관 용기를 포함하고, 상기 각각의 플레이트는 열 전달 유체가 유동하는 하나 이상의 통로를 구비하고, 사용시 상기 각 플레이트는 거의 모든 고체 물질이 상기 플레이트를 통한 상기 열 전달 유체와 상기 고체 물질간의 열 교환에 의해 원하는 온도 범위로 가열되거나 냉각되도록 상기 플레이트 영역에서 상기 열 전달 유체와 상기 고체 물질사이에 하나 이상의 열 전도성 측관을 한정하는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 외관 용기는 압력 용기인 것을 특징으로 하는 반응 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 플레이트는 반응 장치의 로딩 및 언로딩 과정중에 고체 물질이 인접 플레이트사이에서 유동할 수 있도록 서로에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
4. 제3항에 있어서, 상기 플레이트는, 상기 인접 플레이트간의 간격이 고체 물질에 의해 상기 플레이트사이에서의 부적절한 차단 또는 사이 메꿈 현상이 발생하지 않을 정도로 충분히 커지도록, 서로에 대해 배치되는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
5. 제4항에 있어서, 상기 인접 플레이트간의 간격은 50-500mm인 것을 특징으로 하는 반응 장치.
6. 제5항에 있어서, 상기 인접 플레이트간의 간격은 75-200mm인 것을 특징으로 하는 반응 장치.
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플레이트의 열 전도도는 적어도 동작 중에 상기 반응 장치에 있는 고체투입물의 열 전도도보다 높은 크기 정도를 갖는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 플레이트는 하나 또는 그 이상의 적은 수의 통로를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 통로는 비교적 작은 직경 또는 폭을 갖는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 각 플레이트에 형성된 통로의 전체 부피는 상기 플레이트의 전체 부피의 작은 부분을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 플레이트의 형상은 장방형, 평행 사변형 또는 끝이 점점 가늘어지는 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외관 용기는 상기 플레이트가 배치되는 원통형부를 구비함으로써, 단면 방향에서 바라보았을 때 상기 플레이트가 거의 상기 원통형부의 단면선을 가로질러 연장하는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
13. 제12항에 있어서, 상기 플레이트는 실제로 상기 원통형부의 길이를 따라 연장하는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 상기 원통형부의 길이방향 축은 거의 수직인 것을 특징으로 하는 반응 장치.
15. 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 외관 용기는 상기 원통형부의 단부로부터 연장하는 원추형 배출부를 추가로 구비하는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
16. 제15항에 있어서, 상기 원추형 배출부는 상기 외관 용기의 전체 내부 부피의 20%인 내부 부피를 갖는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
17. 제15항 또는 제16항에 있어서, 상기 플레이트는 상기 원추형 배출부속으로 연장하는 것을 특징으로 하는 반응 장치.
18. 외관 용기 및 상기 외관 용기 내에 배치되는 열 전도성 물질로 구성되고 열 전달 유체의 유동을 위해 하나 이상의 통로를 각각 구비하는 다수의 플레이트를 구비한 반응 장치에서 낮은 열 전도도를 갖는 고체를 가열 또는 냉각하는 방법으로서, 상기 각각의 플레이트가 사용 중에 상기 플레이트의 영역에서 상기 열 전달 유체와 고체 물질간에 하나 이상의 열 전도성 측관을 한정하는 상기 방법에 있어서,

    상기 외관 용기에 패킹화층을 형성하도록 상기 고체 물질을 상기 반응 장치 속으로 투입하는 단계와;

    열 전달 유체를 상기 통로에 통과시키고, 상기 플레이트를 통해 상기 열 전달 유체와 상기 고체 물질사이에서 열 전달 작용에 의해 상기 패킹화층의 고체 물질을 가열 또는 냉각하는 단계와;

    상기 고체 물질을 상기 반응 장치로부터 제거하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제18항에 있어서, 패킹화 고체 물질층을 가압하는 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제18항 또는 제19항에 있어서, 상기 방법이 고체 물질을 가열하기 위해 수행될 때, 상기 고체 물질의 등급을 향상시키기에 충분한 시간동안 고온 및 고압 조건하에서 상기 패킹화 고체 물질층을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제19항에 있어서, 15 분내지 1 시간의 기간동안 고온 및 고압에서 상기 고체 물질을 유지하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제20항 또는 제21항에 있어서, 상기 패킹화층을 최소 4 barg의 압력으로 가압하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제18항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체는 굵은 입자를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제18항 내지 제23항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 배치 과정에 근거하여 상기 과정을 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제18항 내지 제24항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 고체 물질은 석탄을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.