KR20030004325A - 증기 개질 장치 - Google Patents

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파넬피터윌리엄
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임페리알 케미칼 인더스트리즈 피엘씨
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Abstract

복수의 1차 개질 튜브(16) 및 상기 튜브를 가열하기 위하여 상기 튜브의 외부로 고온 유체 매질을 공급하기 위한 수단(20)을 포함하는 1차 개질 영역과, 거기에 산소 함유 가스를 공급하기 위한 수단(24), 연소 영역 및, 선택적으로, 2차 개질 촉매 영역을 구비한 2차 개질 영역을 갖는 증기 개질 장치이다. 1차 및 2차 개질 영역은 내부면에 내화 절연재를 구비한 금속 쉘(10) 내에 위치되고, 2차 개질 가스를 상기 2차 개질 영역에서부터 고온 유체 매질로서 사용하기 위하여 상기 1차 개질 영역으로 운송하기 위해 제공된다. 쉘 및 도관 수단은 냉각수를 공급하기 위한 수단이 구비된 재킷(12) 내에 둘러싸여 있고, 상기 쉘 및 도관의 외부면은 냉각수에 의해 냉각됨에 따라, 작동중 쉘 및 도관이 겪는 열 팽창을 감소시킨다.

Description

증기 개질 장치 {STEAM REFORMER}
미국 특허 제4079017호, 영국 특허 제2181740호, 영국 특허 제2199841호 및 유럽 특허 제0194067호에서 볼 수 있는 바와 같이, 1차 개질 촉매를 가열하는 데 사용되는 매질로서 고온 2차 개질 가스를 채용하는 다양한 제안들이 있었고, 예를 들면 상기 영국 특허 제2181740호 및 영국 특허 제2199841호에서와 같이, 단일 용기에서 1차 및 2차 개질 공정 양자를 처리하는 제안들이 실제로 있었다. 본 발명에서 1차 및 2차 개질은 촉매를 함유한 1차 개질 튜브들을 가열하기 위하여 2차 개질 가스를 사용하여 단일 용기 내에서 처리된다.
2차 개질 촉매를 채용한 상기 영국 특허 제2181740호의 실시예에서, 2차 개질 촉매는 1차 개질 튜브들의 상단부 외부 둘레에 단일 베드로서 배치된다. 결국, 그 길이의 비교적 짧은 부분 위에서, 1차 개질 튜브들은 1차 개질 튜브들의 출구 단부에서 부분 연소된 1차 개질 가스의 온도에서부터, 2차 개질 가스가 2차 개질 촉매의 베드를 벗어나는 현저히 낮은 온도까지, 큰 온도차를 겪는다. 이는 야금학적인 문제에 이르게 한다.
영국 특허 제2199841호의 배열에서, 2차 개질 촉매는 1차 개질 가스를 1차개질 튜브의 출구에서부터 2차 개질 베드를 통과해 부분 연소 영역으로 운송시키는 중앙 도관 둘레에 베드로서 배치된다. 이 도관도 역시 큰 온도차를 필수적으로 겪는다. 영국 특허 제2199841호도 역시 장치가 내부과 외부 쉘 사이의 재킷, 또는 환형 공간을 통과해 유동하는 냉각수를 갖는 이중 쉘 구조일 수 있다는 점을 개시하고 있다. 내화 재료는 내부 쉘과 1차 개질 구역 및 2차 개질 구역 사이에 구비된다. 이는 단지 보다 적은 기계적 부하를 운반하는데만 요구되는 내화 재료를 가로질러서는 큰 온도 구배가 발생하면서도, 부하를 지탱하는 내부 쉘의 온도는 사실상 균일하게 유지될 수 있다는 이점을 가지고 있다. 이러한 재킷 구조는 2차 개질 가스를 그 내부에서 가열 가스로서 사용하기 위하여 1차 개질 구역으로 반송하도록 채용된 도관에도 역시 유익하게 적용될 수 있다는 점을 알 수 있다.
본 발명은 증기 개질에 관한 것이다. 증기 개질은 수소 및, 예를 들면, 암모니아 또는 메탄올 합성 또는 피셔 트롭쉬 반응(Fischer Tropsch reactions)을 위한 합성 가스를 생성하기 위해 광범위하게 사용되고, 고온 및 고압에서 탄화수소 원료 및 증기 및/또는 이산화탄소를 포함하는 가스 혼합물을 증기 개질 촉매를 통해 통과시키는 것을 포함한다. 증기 개질 반응은 강한 흡열성이므로, 이른바 1차 개질 공정에서, 보통 니켈이거나 또는 간혹 루테늄(ruthenium)인 촉매는, 알루미니아, 지르코니아(zirconia), 또는 칼슘 알루미네이트 시멘트와 같은 산화물 지지체 상에서, 통상적으로 외부 가열되는 튜브 내에 배치된다. 상기 튜브들은 대체로 개질 가스가 700℃ 내지 900℃ 범위 내의 온도에서 촉매를 이탈하도록 가열된다. 상기 개질 가스는 수소, 이산화탄소, 메탄, 증기를 포함하고, 원료에 존재하는 경우라면 비활성 가스도 포함 가능하다. 1차 개질 가스의 조성은 촉매를 벗어나는 개질 가스의 온도, 압력, 촉매로 공급되는 혼합 가스의 조성 및 평형 상태에 얼마나 가깝게 접근하느냐에 따라 달라진다. 순서상 후자는 촉매의 활성에 따라 달라진다.
몇몇 경우에 있어, 1차 개질 가스는, 예를 들면 공기, 농축 공기 또는 사실상의 순수 산소인 산소 함유 가스와 함께 부분 연소되는 2차 개질 공정으로 처리되고, 선택적으로, 그 후 상기한 바와 같이 산화물 지지체 상에서 지지되는 보통 니켈 또는 루테늄인 2차 개질 촉매를 통과한다. 상기 부분 연소 단계는 1차 개질 가스 혼합물의 온도를 상승시키고 추가 개질이 단열적으로 발생한다. 부분 연소 및 추가 개질의 결과로서, 생성 2차 개질 가스는 통상 1차 개질 가스보다 현저히 높은 온도 상태이고 1차 개질 가스보다 현저히 낮은 메탄 함유도를 가진다.
따라서, 본 발명은 복수의 1차 개질 튜브 및 상기 튜브들을 가열하기 위하여 튜브들의 외부에 고온 유체 매질을 공급하기 위한 수단을 포함하는 1차 개질 영역과, 산소 함유 가스를 거기로 공급하기 위한 수단, 연소 구역 및, 선택적으로, 2차 개질 촉매 구역을 구비한 2차 개질 영역을 가지고, 상기 1차 및 2차 개질 구역은 그 내부면에 내화 절연재를 구비한 금속 쉘 내에 위치되며, 상기 쉘은 냉각수를 공급하기 위한 수단을 구비한 제1 재킷에 둘러싸여 있어서, 상기 쉘의 외부면은 상기 냉각수에 의해 냉각되며, 여기서 고온 유체 매질로서 사용하기 위한 2차 개질 가스를 상기 2차 개질 영역으로부터 상기 1차 개질 영역으로 운송하기 위하여 도관 수단이 제공되고, 상기 도관 수단은 그 내부면에 내화 절연재를 갖고 상기 제1 재킷에 위치되거나, 상기 제1 재킷과 연통된 제2 재킷에 위치된 금속 도관을 포함하여, 상기 도관의 외부면이 상기 냉각수에 의해 냉각되는 증기 개질 장치를 제공한다.
개질 장치 쉘을 둘러싸는 재킷과 동일하거나 또는 개질 장치 쉘을 둘러싸는 재킷과 연통된 재킷이고 쉘 재킷으로 공급되는 냉각수가 통과하는 재킷으로 도관을 둘러싼 결과, 도관은 개질 장치 쉘과 본질적으로 동일한 온도로 유지된다. 결국, 야금학적 문제들은 개선된다. 재킷 또는 재킷들에서 냉각수는 대체로 고압 상태일 수 있는 비등수이다.
바람직한 실시예에서, 1차 개질 영역에는 고온 유체 매질 제거 수단이 구비되고, 각각의 1차 개질 튜브는 상기 개질 튜브 길이의 대부분에 대해 고온 유체 매질 제거 수단에서부터 연장되어 개질 튜브를 둘러싸는 외피 튜브를 구비함에 따라, 상기 외피 튜브들은 고온 유체 매질이 개질 튜브들의 외부면을 지나 고온 유체 매질 제거 영역으로 유동하기 위한 유동 통로를 형성한다.
내화 절연재는 큰 온도 구배를 견딜 수 있는 적합한 재료일 수 있다. 이러한 재료의 예로는 내화 점토, 고온 콘크리트, 알루미나 및 마그네시아와 같은 내화 산화물 등이 있고, 예를 들자면 이러한 재료들은 섬유질 형태일 수 있다.
본 발명에 따른 장치를 통한 개략적인 섹션인 첨부 도면을 참조하여 본 발명을 설명한다.
본 장치는 그 내부면에 내화 절연재 층(11)을 구비한 금속 압력 쉘(10)을 포함한다. 상기 쉘(10)은, 도시되지 않은 수단에 의해, 냉각수 입구 및 출구도관(13,14)을 구비한 재킷 내측에 지지된다.
상기 쉘은 튜브 플레이트(15)에 의해 상부 1차 개질 섹션과 하부 2차 개질 섹션으로 분할된다. 상부 1차 개질 섹션에는, 1차 증기 개질 촉매(17)를 포함하는 복수의 1차 개질 튜브(16)가 배치된다. 단지 3개의 튜브만이 도시되어 있지만, 실제로는 이러한 튜브들은 10개 또는 100개일 수 있다. 이들 튜브는 상부 튜브 시트(18) 또는 다른 적합한 지지 수단에 의지한다. 쉘(10)은 공급 원료/증기 혼합물을 1차 개질 튜브(16)의 상단부로 공급하기 위하여 재킷(12)을 관통하여 연장된 입구 도관(19)을 그 상단부에 구비한다.
1차 개질 영역의 하단부에서, 쉘(10)은 가열 매질을 개질 튜브(16)의 외부면으로 공급하기 위한 도관(20)을 구비한다. 상기 쉘(10) 및 재킷(12)을 관통하여 연장된 생성물 출구 도관(22)에 연결되는 생성 가스 제거 캔(21)은 튜브 플레이트(18)에 의해 지지된다. 복수의 외피 튜브(23)는 상기 캔(21)에 의지한 채 개질 튜브(16)와 연결되어 이들 각각을 둘러싼다. 외피 튜브(23)는 상기 개질 튜브(16) 길이의 대부분에 대해 연장되고 도관(20)을 거쳐 튜브(16)의 외부면을 지나 생성 가스 제거 캔(21)으로 공급되는 가열 매질을 위한 좁은 유동 통로를 형성하는 기능을 한다.
개질 튜브(16)는 그 하단부가 개방되어 튜브 플레이트(15)를 통과해 연장되고 열팽창을 수용하기 위하여 종방향으로 팽창 가능하다. 활주 운동이 가능하도록 튜브(16)와 플레이트(15) 사이에는 적합한 시일이 구비될 수 있다. 미국 특허 제5958364호에 설명된 시일 배열이 특히 적합하다.
하부 2차 개질 영역에서, 산소 함유 가스의 공급을 위해 도관(24)이 배치되고, 이 도관 하부에는 2차 개질 촉매의 베드(25)가 있다. 이것은 (도시되지 않은) 비활성 미립자 재료에 의해 쉘(10)의 하단부에 있는 천공된 내화 아치(26) 위에 지지된다. 도관(20)은 아치(26) 아래의 공간(27)과 연통한다. 도관(20)은 쉘(10)과 마찬가지로 내화 절연재(28)의 라이닝을 가지고 도관(20)의 외부가 재킷(12)의 냉각수에 의해 냉각되도록 재킷(12)에 배치된다.
사용시, 입구 도관(19)으로 공급된 공급 원료/증기 혼합물은 튜브(16)에서 1차 개질되고, 그 후 생성 1차 개질 가스는 튜브(16)의 개방 하단부에서부터 2차 개질 영역으로 유동한다. 여기서 도관(24)을 통해 공급된 산소 함유 가스와 함께 부분적으로 연소된 후 촉매 베드(25)에서 단열적으로 추가 개질 처리된다. 그 후 생성 고온 2차 개질 가스는 공간(27)을 통과한 후 도관(20)을 거쳐 1차 개질 튜브(16)를 가열하기 위하여 사용되는 가열 매질로서 1차 개질 구역으로 반송된다. 2차 개질 가스는 외피 튜브(23)와 상기 외피 튜브에 합체된 1차 개질 튜브(16)의 외부면 사이의 환형부(annulus)를 통과 상승하여, 1차 개질 튜브(16)를 가열하고 1차 개질 반응에 필요한 열을 공급한다. 환형부를 통과 상승하면서, 2차 개질 가스는 냉각되고, 그 후 캔(21)으로 유입되어 생성 가스 제거 도관(22)을 거쳐 쉘을 빠져 나간다.
바람직한 실시예에서, 추가 도관(29)이 재킷(12) 및 쉘(10)을 통해 제공된다. 이 도관은, 예를 들면 미국 특허 제4788004호, 미국 특허 제4938685호 및 미국 특허 제5110563호에서 설명된 바와 같이, 장치의 시동시 고온 가연성 가스를 공급하기 위하여, 및/또는 공급 원료/증기 혼합물의 추가량을 공급하기 위하여, 및/또는 예를 들면 연료의 연소에 의해 가열되는 것으로 다른 1차 개질 장치에서부터 1차 개질 가스의 추가량을 공급하기 위하여 사용될 수 있다.
일반적인 예에서, 공급 원료/증기 혼합물은 450℃의 온도로 도관(19)으로 공급되고, 튜브(16)에서 1차 개질 처리되어 700℃로 튜브(16)를 빠져 나간다. 도관(24)을 통해 200℃로 공급된 산소와 함께 부분 연소할 때, 1차 개질 가스는 약 1200℃로 가열되고, 그 후 베드(25)에서 단열 2차 개질 처리되면서 1000℃로 냉각된다. 그 후 2차 개질 가스는 도관(20)을 통과하고 튜브(16)을 가열하면서, 600℃로 제거 캔(21)으로 유입된다. 100℃ 미만의 보일러 공급수가 도관(13)을 통해 재킷(12)으로 공급된다. 재킷(12) 내의 공급수는 내화 전열재(11,28)를 통한 열손실에 의해 비등점에 달할 때까지 가열된다. 이 가열에 의해 생성된 증기는 재킷(12)에 무시할만한 배압을 부과하기 위하여 충분히 큰 사이즈로 설정된 도관(14)을 통해 재킷으로부터 대기로 배출된다. 따라서, 재킷(12)의 공급수는 본질적으로 대기압 상태이고 100℃에서 비등한다. 부품들 사이에는 현저한 온도차가 존재하는 것으로 보이지만, 쉘(10) 및 도관(20) 양자는 재킷(12) 내의 냉각수에 의해 대략 100℃의 거의 일정한 온도로 유지된다. 따라서, 온도 구배는 내화 절연재(11,28)를 크게 가로지른다. 결과적으로 쉘(10)의 열 팽창량은 비교적 작다. 쉘(10)이 압력 용기이기는 하지만, 재킷(12)의 냉각수에 의해 비교적 낮은 온도로 유지되기 때문에, 냉각 재킷이 없는 경우에 비해 보다 얇은 표준 재료로 구성될 수 있다. 쉘(10)과 도관(20) 양자는 거의 동일한 온도이기 때문에, 금속 팽창 길이에 있어비교적 거의 차이가 없고, 따라서 도관(20)을 큰 팽창 루프를 갖는 긴 길이의 파이프로 제조할 필요가 없으며, 도관(20)은 공간(27)에서부터 개질 튜브(16)의 외부까지의 직접적인 경로를 취할 수 있어, 비용 및 열 손실을 최소화할 수 있다.
물론 개질 튜브(16)는 고온 처리될 수 있고 그 길이를 따라 현저한 온도 구배가 존재할 수 있다. 튜브(16), 베드(25) 및 도관(20)을 통과할 때, 상기 처리 가스는 약간의 압력 저하를 겪는다. 그러나, 이는 보통 약간의 바(bar)에 지나지 않는다. 그리하여, 튜브(16) 내측의 압력은 상기 튜브를 가열하기 위하여 사용된 2차 개질 가스에 비해 단지 약간의 바 만큼 높을 뿐이기 때문에, 비교적 경량의 표준 재료가 사용될 수 있다. 앞서 지적한 바와 같이, 튜브(16)의 열 팽창은 튜브 플레이트(15)를 통해 활주 가능하도록 함으로써 수용될 수 있다. 외피 튜브(23) 및 생성물 제거 캔(21)도 역시 온도 구배 처리되고 열팽창 처리될 수 있지만, 기계적으로 비교적 가벼운 부하를 받기 때문에 역시 비교적 경량의 표준 재료로 제조될 수 있다.

Claims (3)

  1. 복수의 1차 개질 튜브 및 상기 튜브들을 가열하기 위하여 튜브들의 외부에 고온 유체 매질을 공급하기 위한 수단을 포함하는 1차 개질 영역과, 산소 함유 가스를 공급하기 위한 수단, 연소 구역 및, 선택적으로, 2차 개질 촉매 구역을 구비한 2차 개질 영역을 가지고, 상기 1차 및 2차 개질 구역은 내부면에 내화 절연재를 구비한 금속 쉘 내에 위치되며, 상기 쉘은 냉각수를 공급하기 위한 수단을 구비한 제1 재킷에 둘러싸여 있어, 쉘의 외부면이 상기 냉각수에 의해 냉각되며, 고온 유체 매질로서 사용하기 위한 2차 개질 가스를 상기 2차 개질 영역으로부터 상기 1차 개질 영역으로 운송하기 위한 도관 수단이 제공되고, 상기 도관 수단은 내부면에 내화 절연재를 갖고 상기 제1 재킷에 위치되거나, 상기 제1 재킷과 연통된 제2 재킷에 위치된 금속 도관을 포함함에 따라, 상기 도관의 외부면이 상기 냉각수에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 증기 개질 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 1차 개질 영역은 상기 1차 개질 튜브들이 관통하여 이를 통해 활주식으로 연장되는 튜브 플레이트에 의해 상기 2차 개질 영역으로부터 분리되는 것을 특징으로 하는 증기 개질 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 1차 개질 영역은 고온 유체 매질 제거 수단을 구비하고, 각각의 1차 개질 튜브는 상기 개질 튜브 길이의 대부분에 대해 고온 유체 매질 제거 수단으로부터 연장되어 상기 개질 튜브를 둘러싸는 외피 튜브를 구비함에 따라, 상기 외피 튜브들은 고온 유체 매질이 상기 개질 튜브들의 외부면을 지나 고온 유체 매질 제거 구역으로 유동하기 위한 유동 통로를 형성하는 것을 특징으로 하는 증기 개질 장치.
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