KR20070008648A - 제거형 촉매 구조체를 갖는 플레이트형 반응기 - Google Patents

제거형 촉매 구조체를 갖는 플레이트형 반응기 Download PDF

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KR20070008648A
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마이클 조셉 보우
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컴팩트지티엘 피엘씨
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Abstract

콤팩트한 촉매 반응기는 스택에 교대로 배열된 다수의 제1 및 제2 유동 채널을 형성하기 위한 플레이트(72, 74, 75)의 스택을 포함하고, 화학 반응이 실행되는 각각의 유동 채널은 적어도 하나의 플레이트를 가로질러 직선형 관통 채널에 의해 형성되고, 각각의 이러한 직선형 관통 채널은 금속 기판을 구비한 제거형 가스 투과 촉매 구조체(80)를 포함한다. 제1 유동 채널(76)은 제2 유동 채널(77)의 방향에 수직인 방향으로 배향되고, 스택 내의 연속적인 제2 유동 채널 사이에서 반응기는 적어도 3개의 나란한 제1 유동 채널(76)을 형성하고, 반응기는 제1 유동이 입구로부터 출구로 유동시에 적어도 3개의 이러한 제1 유동 채널(76)을 통해 연속적으로 유동하도록 유동 전환 수단을(80; 88)을 구비한다. 따라서, 전체 유동 경로는 대략 병류 또는 향류일 수 있다.
Figure 112006075907468-PCT00001
촉매 반응기, 제1 및 제2 유동 채널, 촉매 구조체, 제1 유동 채널, 제2 유동 채널, 유동 전환 수단

Description

제거형 촉매 구조체를 갖는 플레이트형 반응기{PLATE-TYPE REACTOR WITH A REMOVABLE CATALYTIC STRUCTURE}
본 발명은 천연 가스를 장쇄 탄화수소(longer-chain hydrocarbons)로 변환하기 위한 화학 프로세스(process)에 사용하기에 적합한 촉매 반응기에 관한 것이고, 프로세스를 수행하기 위해 이러한 촉매 반응기를 포함하는 설비에 관한 것이다.
프로세스는 메탄이 증기와 반응하여 제1 촉매 반응기에서 일산화탄소와 수소를 생성하고, 다음에 최종 가스 혼합물이 제2 촉매 반응기에서 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis)을 수행하는데 사용되는 WO 01/51194호 및 WO 03/048034호[액센투스 피엘씨(Accentus plc)]에 개시되어 있다. 전체 결과는 일반적으로 대기 조건 하에서 액체 또는 왁스(wax)인 고분자량의 탄화수소로 메탄을 변환하는 것이다. 두 단계의 프로세스, 즉 증기/메탄 개질 및 피셔-트롭쉬 합성은 상이한 촉매를 필요로 하고, 촉매 반응기가 각각의 단계에 대해 설명되어 있다. 촉매 반응기는 반응이 각각 흡열 및 발열 반응이기 때문에, 열을 반응 가스로 또는 그로부터 각각 전달하고 전달받을 수 있게 한다. 두 개의 상이한 단계를 위한 반응기는 다소 상이한 요건에 부합해야 하는데, 피셔-트롭쉬 합성은 일반적으로 증기/메탄 개질보다 고압에서 그러나 낮은 온도에서 수행되고 피셔-트롭쉬 반응기의 열 전달 채널에서는 단지 냉각제 유체만이 요구되는 반면, 증기/메탄 개질에 요구되는 열은 일반적으로 연소에 의해 제공될 수 있고, 따라서 적합한 촉매를 필요로 할 수 있다.
본 발명에 따르면, 스택(stack)으로서 배열되고 함께 결합되는 복수의 금속 시트(metal sheet)와 제1 유체용 입구 및 출구를 포함하고, 스택은 제1 및 제2 유체 사이의 양호한 열 접촉을 보장하기 위해 제2 유체용 복수의 제2 유동 채널과 스택에서 교번(alternate)하는 제1 유체용 복수의 제1 유동 채널을 형성하고, 각각의 유동 채널은 각각의 쌍의 인접 시트 사이에 형성되고, 화학 반응이 실행되는 각각의 유동 채널은 스택을 통해 직선으로 연장하고 금속 기판을 구비하는 제거형 가스-투과성 촉매 구조체를 포함하고, 제1 유동 채널은 제2 유동 채널의 방향에 수직인 방향으로 배향되는 콤팩트(compact)한 촉매 반응기가 제공되고, 스택의 연속적인 제2 유동 채널 사이에서 반응기는 적어도 3개의 나란한 제1 유동 채널을 형성하고, 반응기는 입구로부터 출구로 유동시에 제1 유체가 연속적으로 적어도 3개의 제1 유동 채널을 통해 유동하도록 하는 유동 전환 수단을 구비한다.
일 실시예에서, 유동 전환 수단은 스택의 대향면에 부착된 헤더(header)를 포함한다. 대안적으로 또는 부가적으로, 유동 전환 수단은 연속적인 나란한 제1 유동 채널의 단부 사이의 연통을 제공하는 연결 유동 경로를 포함할 수 있고, 연결 유동 경로는 제2 유동 채널의 배향에 대략 평행한 방향으로의 유동을 제공한다. 이들 연결 유동 경로는 구멍 또는 개구에 의해 또는 연결 유동 세그먼트(segment)를 형성하는 수단에 의해 형성될 수 있다. 연속적인 나란한 제1 유동 채널의 단부 사이의 연통이 연결 유동 경로에 의해 제공될 때, 연속적인 제1 유동 채널을 연결하기 위한 임의의 유동 관통 헤더가 존재해야 할 필요가 없다. 모든 경우에 전체 유동 패턴은 제2 유동 채널 내의 유동에 대해 적어도 부분적으로 향류(counter-current)이거나 병류(co-current)인 지그재그 또는 사행형 유동을 갖는다. 이는 제1 및 제2 가스 유동 채널 사이의 열 전달을 향상시킬 수 있다.
반응기는 플레이트(plate)에 홈에 의해 형성된 제1 및 제2 유동 채널을 갖는 편평한 플레이트의 스택을 포함할 수 있다. 대안적으로, 유동 채널은 편평한 시트와 교대로 적층된(castellated) 얇은 금속 시트에 의해 형성될 수 있다. 요구되는 양호한 열 접촉을 보장하기 위해, 제1 및 제2 가스 유동 채널 양자 모두는 10mm 내지 20mm 깊이, 바람직하게는 6mm 미만의 깊이, 더 바람직하게는 2mm 내지 5mm의 깊이일 수 있다. 반응기 모듈을 형성하는 플레이트의 스택은 예를 들면 용융 접합, 브레이징(brazing) 또는 열간 등압 프레스에 의해 결합된다. 반응기가 제조되는 재료는 작동 온도 및 그가 노출되는 가스에 의존할 수 있다. 예를 들면, 증기 개질을 위한 반응기의 경우, 적합한 금속은 Haynes HR-120 또는 Inconel 800HT(상표명)과 같은 고온 사용을 위한 철/니켈/크롬 합금 또는 유사한 재료이다.
제1 유동 채널이 각각의 플레이트 내에 홈(groove)에 의해 형성되면, 이들 홈은 랜드(land)에 의해 분리되고, 다음 슬롯(slot) 또는 구멍이 인접한 홈 사이의 연결 유동 경로를 형성하기 위해 각각의 홈의 단부에 인접한 랜드를 통해 형성될 수 있다.
촉매 구조체는 바람직하게는 전도에 의해 촉매 구조체 내의 열 전달을 향상시키고 강도를 제공하여 과열점(hotspot)을 방지하는 금속 기판을 갖는다. 일반적으로, 금속 기판은 촉매 물질이 합체되는 세라믹 코팅으로 코팅될 수 있다. 바람직하게는, 촉매 구조체를 위한 금속 기판은 예를 들면 알루미늄 함유 페라이트강(ferritic steel)[예를 들면 Fecralloy(TM)]과 같은 가열시에 알루미늄 산화물의 점착 표면 코팅을 형성하는 강 합금이다. 이 금속이 공기 중에서 가열될 때, 이는 알루미나(alumina)의 점착 산화물 코팅을 형성하고, 이는 부가의 산화 및 부식에 대해 합금을 보호한다. 세라믹 코팅이 알루미나로 이루어지는 경우, 이는 표면 상의 산화물 코팅에 결합하는 경향이 있다. 바람직하게는, 각각의 촉매 구조체는 각각의 서브 채널 (sub-channel)내의 표면 상에 촉매 물질을 갖는 다수의 평행한 유동 서브 채널로 유동 채널을 세분하도록 형성된다. 기판은 포일, 와이어 메시 또는 펠트 시트(felt sheet)일 수 있고, 이는 파형이고, 오목 형성되거나 주름질 수 있으며, 바람직한 기판은 예를 들면 100㎛ 미만의 두께의 얇은 금속 포일(foil)이다.
따라서, 일 실시예에서 촉매 구조체는 파형 금속 포일을 구비한다. 촉매 구조체는 구조적 강도가 약한데, 즉 반응기의 기계적 강도에 상당히 기여하지 않아, 이러한 촉매 구조체가 해당하는 반응에 적합한 촉매를 가지고 각각의 유동 채널 내로 삽입될 수 있다. 촉매 구조체는 반응기 내의 채널로부터 제거 가능하므로, 이들은 촉매가 소비되면 교체될 수 있다.
증기/메탄 개질 반응기 또는 피셔-트롭쉬 합성에 적합한 반응기는 본 발명에 따라 구성될 수 있다. 따라서, 장쇄 탄화수소를 얻기 위해 천연 가스를 처리하기 위한 설비가 메탄을 증기와 반응시켜 합성 가스를 형성하도록 본 발명의 증기/메탄 개질 반응기를 구비할 수 있고 또한 장쇄 탄화수소를 생성하도록 본 발명의 피셔-트롭쉬 반응기를 구비할 수 있다. 증기/메탄 개질 반응기에서, 제1 및 제2 가스 유동 채널 모두는 바람직하게는 5mm 미만의 깊이, 더 바람직하게는 3mm 미만의 깊이이고, 피셔-트롭쉬 반응기의 경우 반응을 위한 채널은 바람직하게는 10mm 미만의 깊이이다.
이 형태의 반응기는 짧은 확산 경로 길이를 제공하므로, 열 및 질량 전달 속도가 높을 수 있고 따라서 화학 반응의 속도가 높을 수 있다. 따라서, 이러한 반응기는 높은 출력 밀도는 제공한다. 각각의 경우에 유동 방향은 바람직하게는 적어도 부분적으로 병류이다. 증기 메탄 개질을 위한 반응기의 경우, 개질 채널로부터의 출구에서 최고 온도를 갖는 것이 바람직하고, 이는 병류 유동에 의해 가장 즉시 성취된다. 피셔-트롭쉬 반응기에서, 왁스 퇴적을 억제하도록 피셔-트롭쉬 채널로부터 출구에 인접한 가장 따뜻한 냉각제를 갖는 것이 바람직하고 따라서 재차 병류 유동이 바람직하다.
바람직하게는, 유동 전환 수단은 제1 유체가 연속적으로 10개 이하의 제1 유동 채널, 예를 들면 연속적으로 5개의 유동 채널을 통해 유동하도록 이루어진다.
이제 본 발명이 첨부 도면을 참조하여 예시적으로만 더 구체적으로 설명될 것이다.
도 1은 본 발명의 반응기를 구비하는 화학 설비의 흐름도.
도 2는 증기/메탄 개질에 적합한 반응기의 단면도.
도 3은 부분적으로 파단하여 도시된 도 2의 반응기의 부분의 평면도.
도 3a는 도 2의 반응기의 부분의 확대도.
도 4는 피셔-트롭쉬 합성에 적합한 반응기의 개략 평면도.
본 발명은 천연 가스(주로 메탄)를 장쇄 탄화수소로 변환하기 위한 화학 프로세스에 관한 것이다. 이 프로세스의 제1 단계는 증기 개질, 즉 이하의 반응:
H2O + CH4 → CO + 3H2
을 경험하도록 천연 가스와 증기를 혼합하는 것을 수반한다. 이 반응은 흡열 반응이고, 제1 가스 유동 채널 내의 로듐(rhodium) 또는 플라티늄(platinum)/로듐 촉매에 의해 촉진될 수 있다. 이 반응을 유발하는데 필요한 열은 메탄 또는 수소와 같은 가연성 가스의 연소에 의해 제공될 수 있고, 이 연소는 발열 반응이고 인접한 제2 가스 유동 채널 내의 팔라듐 촉매에 의해 촉진될 수 있다. 양자 모두의 경우에, 촉매는 바람직하게는 일반적으로 금속 기판 상에 100m 미만의 두께의 코팅을 형성하는 안정화 알루미나 지지체 상에 있다. 연소 반응은 대기압에서 실행될 수 있지만, 개질 반응은 4 내지 5atm에서 실행될 수 있다. 연소에 의해 생성된 열은 인접한 채널을 분리하는 금속 시트를 통해 전도될 수 있다.
다음, 증기/메탄 개질에 의해 형성된 가스 혼합물은 장쇄 탄화수소를 생성하도록 피셔-트롭쉬 합성을 수행하는데 사용되는데, 즉:
nCO + 2nH2 → (CH2)n + nH2O
이는 일반적으로 190℃ 내지 280℃, 예를 들면 210℃의 고온 및 일반적으로 1.8MPa 내지 2.1MPa(절대값), 예를 들면 2.0MPa의 고압에서 철, 코발트(cobalt) 또는 용융 마그네타이트(fused magnetite)와 같은 촉매의 존재하에 칼륨 촉진자(promoter)에 의해 발생하는 발열 반응이다. 피셔-트롭쉬 합성을 위한 바람직한 촉매는 약 10 내지 40% 코발트(알루미나에 대한 중량 %)와 코발트의 중량의 10% 미만인 루테늄(ruthenium), 플라티늄 또는 가돌리늄(gadolinium)과 같은 촉진자를 갖는 140 내지 230m2/g의 비표면적의 감마-알루미나의 코팅을 포함한다.
이제 도 1을 참조하면, 설비의 구성 요소가 도시되어 있는 흐름도로서 전체 화학 프로세스가 도시되어 있다. 천연 가스 공급부(5)는 본 예에서는 일정 비율의 고차 탄화수소 C2 내지 C11을 갖는 메탄으로 주로 구성된다. 일반적으로, 이들 고차 탄화수소는 천연 가스의 소스에 따라 최대 10% v/v까지 존재한다. 가스 공급부(5)는 예를 들면 1.0MPa(10atm)의 압력에 있을 수 있다.
가스압은 밸브(8)에 의해 0.6MPa로 조절되고 다음에 가스(5)가 촉매 연소로부터의 고온 배기 가스를 사용하여 열교환기(10)에서 약 400℃로 예열되고, 다음에 가스 내의 황 함량을 0.1ppm 이하로 감소시키는 고형 베드 탈황 시스템(12)으로 공 급된다. 탈황된 천연 가스(5)는 이어서 예를 들면 유체 와류 혼합기(14)에서 증기와 혼합된다. 가스/증기 혼합물은 가스 혼합물이 500℃의 온도에 있도록 촉매 연소로부터의 고온 배기 가스를 사용하여 열교환기(16) 내에서 가열된다. 혼합물은 단열 고정 베드 전치 개질기(pre-reformer)(18)에 진입하고, 여기서 니켈 또는 플라티늄/로듐 기반 메탄화 촉매에 접촉한다. 고차 탄화수소는 증기와 반응하여 메탄 및 CO를 형성한다.
가스는 일반적으로 450℃의 저온에서 전치 개질기(18)를 나온다. 다음, 압력은 개질기(20)에 진입하기 전에 밸브(19)에 의해 0.45MPa(절대압)로 강하된다. 개질기(20)는, 양호하게 열 접촉하고 파형 금속 포일 지지체 상에 적절한 촉매를 포함하는 흡열 및 발열 반응을 위한 유동 경로를 형성하는 플레이트의 스택으로 제조되는 상술한 형태의 콤팩트한 촉매 반응기이다. 개질기(20) 내의 개질기 채널은 플라티늄/로듐 촉매를 함유하고, 증기와 메탄이 반응하여 일산화탄소와 수소를 형성한다. 개질기 내의 온도는 입구에서 450℃로부터 출구에서 약 800 내지 850℃로 증가한다. 혼합기(14)에 공급된 증기 및 가스의 유량은 개질기(20)에 공급된 증기-탄소 몰비가 1.2 내지 1.6, 바람직하게는 1.3 내지 1.5가 되도록 이루어진다. 따라서, 가스(5)의 고차 탄화수소 함량에 따라, 전치 개질기(18)로의 입구에서의 증기 대 탄소비는 상기 비율보다 더 높을 필요가 있다.
개질 반응기(20) 내의 흡열 반응을 위한 열은 피셔-트롭쉬 합성으로부터의 테일 가스(tail gas)(22)인 단쇄 탄화수소와 수소의 혼합물의 촉매 연소에 의해 제공되고, 이 테일 가스(22)는 공기 송풍기(24)에 의해 제공된 공기의 유동과 조합된 다. 연소는 개질 반응기(20) 내의 인접한 유동 채널 내의 팔라듐/플라티늄 촉매 상에서 실행된다. 연소 가스 경로는 개질기 가스 경로에 대해 병류이다. 촉매는 3:1의 팔라듐/플라티늄 혼합물로 코팅된 지지체로서의 감마 알루미나를 포함할 수 있고, 이는 광범위한 온도 범위에 걸쳐 유효한 촉매이다. 연소 가스 혼합물은 연소 채널의 길이 전체에 걸쳐 연소가 발생하는 것을 보장하도록 반응기(20)를 따라 단계적으로 공급될 수 있다.
일산화탄소와 수소의 혼합물이 800℃ 이상에서 개질기(20)로부터 나오고 가압식(steam-raising) 열교환기(26)를 통과함으로써 400℃ 이하로 급냉(quenching)된다. 물이 펌프(28)에 의해 이 열교환기(26)에 공급되고, 따라서 개질 프로세스를 위한 증기가 제어 밸브(30)를 통해 혼합기(14)로 공급된다. 가스 혼합물은 냉각수로 열교환기(32)에서 약 60℃로 더 냉각되고, 따라서 과잉의 물이 응축되고 사이클론(33) 및 분리기 용기(34)를 통한 통과에 의해 분리된다. 다음, 가스 혼합물은 약 2.5배의 압력으로 압축기(36)에 의해 압축되고, 응축하는 임의의 물을 제거하기 위해 제2 사이클론(41) 및 분리기 용기(42)를 통해 통과하기 전에 열교환기에 의해 재차 냉각된다. 분리된 물은 가압식 회로로 재차 재순환된다. 다음, 가스는 제2 압축기(44)에서 20atm으로 압축된다.
다음, 고압 일산화탄소와 수소의 흐름은 촉매 피셔-트롭쉬 반응기(50)로 공급되고, 이 반응기는 재차 상술한 바와 같이 플레이트의 스택으로 형성된 콤팩트한 촉매 반응기이며, 반응제 혼합물이 채널의 일 세트를 통해 유동하고, 냉각제는 다른 세트를 통해 유동한다.
주로 물과 파라핀(paraffin)과 같은 탄화수소인 피셔-트롭쉬 합성으로부터의 반응 생성물은 열교환기(54) 및 사이클론 분리기(56)를 통한 통과 및 이어서 3상 물, 탄화수소 및 테일 가스가 분리되고 탄화수소 생성물이 대기압에서 안정화되는 분리 챔버(58)를 통한 통과에 의해 액체를 응축하도록 냉각된다. 가스 상태로 잔류하는 탄화수소와 과잉 수소 가스[피셔-트롭쉬 테일 가스(22)]가 수집되어 분열된다. 일부는 개질기(20)(상술된 바와 같은) 내의 촉매 연소 프로세스를 위한 연료를 제공하도록 감압 밸브(60)를 통과한다. 나머지 테일 가스(62)는 전력 발생기(64)를 구동하는 가스 터빈(63)으로 공급된다.
가스 터빈(64)은 설비를 위한 전체 동력을 발생시키고 황을 배출하기 위한 용량을 갖는다. 주요 설비 전력 요구는 압축기(36, 44) 및 펌프(24, 28)이고, 전기는 또한 증기 생성을 위한 공정수(process water)를 제공하고 음료수를 제공하기 위해 진공 증류 유닛을 작동시키도록 사용될 수 있다.
상술된 식들로부터 증기 개질 단계는 피셔-트롭쉬 합성에서 요구되는 것보다 많은 수소를 형성한다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 따라서, 테일 가스(22)는 상당한 양의 수소, 뿐만 아니라 저차 알칸(즉, C1 내지 C5)을 함유한다. 그러나, 테일 가스(22)는 또한 상당한 양의 일산화탄소를 함유한다. 따라서, 테일 가스는 제2의 이러한 반응기(도시 생략)를 통한 통과에 의해 제2 피셔-트롭쉬 합성을 받게 될 수 있고, 따라서 전체 일산화탄소 변환이 증가되고 다소 많은 요구 생성물이 얻어진다.
이제 도 2 및 도 3을 참조하면, 스팀 개질 반응기(20)로서 사용하기에 적합한 반응기(70)가 도시되어 있다. 먼저 반응기(70)의 부분을 단면으로 도시하고 명료화를 위해 구성 요소가 분리되어 있는 도 2를 참조하면, 반응기(70)는 평면도에서 직사각형인 플레이트의 스택으로 제조되고, 각각의 플레이트는 1mm 두께이고 스테인레스강(예를 들면 316L 또는 Inconel 800HT)으로 이루어진다. 편평한 플레이트(72)는, 적층부가 플레이트의 일 측면으로부터 다른 측면으로 직선 관통 채널(76, 77)을 형성하는 것과 같은 적층된 플레이트(74, 75)와 교대로 배열된다. 적층된 플레이트(74, 75)는 교대로 스택에 배열되므로, 채널(76, 77)은 교대로 적층된 플레이트(74, 75)에서 수직 방향으로 배향된다. 적층부의 높이(일반적으로, 2 내지 10mm의 범위)는 본 예에서 4mm이고, 4mm 두께 고형 에지 스트립(78;solid edge strip)이 측면을 따라 제공된다.
스택은 상술한 바와 같이 조립되고, 고온 브레이징에 의해 함께 결합되고, 파형 금속 포일 촉매 캐리어(80)(단지 두 개만 도시됨)가 이어서 채널 내에 삽입되어 두 개의 상이한 구역에 대해 촉매를 운반한다. 다음, 적절한 헤더가 스택의 외부에 부착된다. 금속 포일은 바람직하게는 Fecralloy와 같은 알루미늄 함유 강 합금이다.
이제 하나의 이러한 적층된 플레이트(74)를 평면도로 도시하는 반응기(70)를 통한 단면도를 도시하고 적층부를 단면으로 도시하도록 부분 절개된 도 3을 참조하면, 증기/메탄 개질 반응이 이 플레이트(74)에 의해 형성된 채널 내에서 실행된다. 연소 반응은 적절한 헤더(도시 생략) 사이의 대안 플레이트(75)(도 3에는 도시하지 않음) 내의 채널(77) 내에서 실행되고, 연소 유동 방향은 화살표 A로 지시된다. 각각의 채널(76)에는 평면도에서 평행사변형 형상의 촉매 운반 포일(80)이 있고, 이들은 포일의 단부가 서로 정렬되도록 채널(76) 내의 상이한 위치에 삽입된다. 따라서, 포일(80)의 단부는 지그재그를 형성한다. 인접 채널(76)을 분리하는 벽의 단부는 구멍(82)에 의해 천공되므로, 도 3a(원 B 내의 도 3의 부부의 확대도를 도시함)에 더 명백히 도시된 바와 같이 가스가 포일(80)이 존재하지 않는 단부 구역에서 인접 채널(76) 사이로 유동할 수 있다. 이들 단부 구역에 의해 형성된 삼각형의 중심에 근접할수록 점진적으로 더 많은 구멍(82)이 있고, 따라서 노출된 벽의 단위 길이당 가스 유동 면적이 일정하다.
부분 원통형 헤더가 채널(76)로의 접근을 허용하도록 스택의 측면을 따라 부착되고, 반응기(70)의 일 단부에서 4개의 인접 채널(76)과 연통하는 입구 헤더(84), 반응기(70)의 대각선 대향 단부에서 4개의 인접 채널(76)과 연통하는 출구 헤더(85) 및 스택측의 다른 부분을 덮는 블랭크 헤더(86)가 존재한다. 증기/메탄 혼합물을 위한 유동 경로는 화살표 C로 지시되고, 입구 헤더(84)를 통해 진입하고, 우측으로부터 좌측으로(도시 생략) 4개의 인접 채널(76)을 따라 유동하고, 다음에 구멍(80)을 통해 4개의 채널(76)의 다음 세트로 유동하고, 다음에 좌측으로부터 우측으로[도시된 바와 같이, 구멍(80)을 통해 채널(76)의 최종 세트로] 이들 채널(76)을 통해 그리고 채널(76)의 최종 세트를 통해 출구 헤더(85)로 유동한다. 따라서, 증기/메탄 혼합물은 반응을 경험할 때 전체적으로 연소 가스 유동(A)에 대해 병류인 경로를 따르지만, 각각의 개별 유동 섹션(76)은 횡단방향이다.
블랭크 헤더(86)를 통한 임의의 가스 유동의 필요가 없으므로 이들은 도시된 바와 상이한 형상 및 크기를 가질 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 실제로, 이들 헤더86)는 블랭크 플레이트로, 또는 더 작은 곡률 반경의 더 다수의 블랭크 헤더로 교체될 수 있다. 이들 헤더는 촉매 운반 포일(80)을 포함하는 채널(76)로의 접근을 제공할 필요가 있으므로, 촉매가 소비될 때 교체될 수 있다. 부가의 변형예에서, 각각의 포일(80)은 정사각형 단부를 갖고, 포일(80)은 단부가 단차형 지그재그를 형성하도록 삽입되고(예를 들면, 이러한 정사각형 단부 포일의 단부는 도 3에 도시된 경사진 단부의 주안점의 위치에 있을 수 있음), 따라서 각각의 포일(80)의 단부와 대응 채널(76) 사이에 재차 간극이 존재하므로 유동이 인접한 채널(76) 사이의 구멍(82)을 통해 발생할 수 있다. 다른 대안으로서, 각각의 개별 포일(80)은 단차형 경사 단부를 가질 수 있다.
다른 대안적인 반응기에서, 인접한 헤더(86)의 쌍은 두 배의 폭인 대형 헤더(88)(도 3에 파선으로 지시됨)로 교체되고, 이 경우 구멍(82)이 요구되지 않고 촉매 포일(80)은 채널(76)의 전체 길이로 연장될 수 있다. 이 경우, 헤더(88)는 가스의 방향의 변화를 유도하고, 따라서 재차 증기/메탄 혼합물은 전체적으로 연소 가스 유동(A)에 대해 병류인 경로를 따른다.
이제 피셔-트롭쉬 반응기(50)를 고려하면, 냉각제 채널에 촉매가 요구되지 않으므로, 이들 채널로의 접근이 필요가 없다. 이제 도 4를 참조하면, 반응기(50)로서 사용에 적합한 반응기(90)는 도 2 내지 도 3의 반응기(70)와 유사한 방식으로 구성된다. 이는 적층된 플레이트와 교번하는 편평한 플레이트의 스택을 포함하고, 적층부에 의해 형성된 채널의 배향은 도 2와 관련하여 상술된 바와 같이 대안의 적층된 플레이트에서 수직이다. 피셔-트롭쉬 반응을 위한 채널(도 4에는 도시하지 않음)은 촉매 운반 포일을 포함하고 적절한 헤더(도시 생략) 사이의 반응기(90)를 통해 직선으로 연장하고, 이들 채널을 따른 유동은 화살표 F로 지시된다. 냉각제 채널은 그의 길이를 따라 연장하는 적층부로 형성된 1mm 두께의 시트의 기다란 스트립으로 구성된다. 도시된 바와 같이, 적층된 스트립은 소정 길이로 절단되고 이들은 화살표 F의 방향에 횡단방향인 유동 경로(91)를 형성하도록 나란히 위치되고, 3개의 이러한 적층된 스트립의 길이(92)는 입구 포트(95)와 출구 포트(96) 사이에 경로를 제공하기 위해 에지를 따른 에지 스트립(94)을 갖는 직사각형을 형성한다. 입구 포트(95)와 출구 포트(96) 옆의 적층된 스트립의 단부는 정사각형으로 절단되고, 다른 단부는 45°로 절단되고, 적층된 스트립의 삼각형 부분(97)은 유동 경로(92) 사이의 링크를 제공한다.
변형예에서, 에지 스트립(94)과 같은 부가의 밀봉 스트립이 또한 적층된 스트립의 길이(92)의 나란한 에지 사이에 제공된다. 반응기(70)와 마찬가지로, 스택은 상술한 바와 조립되고 다음에 예를 들면 고온 브레이징에 의해 함께 결합된다.
냉각제 채널(91) 내로 및 이를 가로지르는 열 전달은 반응기(70)의 포일(80)과 유사하지만 촉매를 구비하지 않고 제거형이 아닌 파형 포일(도시 생략)을 삽입함으로써 향상될 수 있다. 이러한 삽입된 포일은 천공될 수 있다. 변형예에서, 유동 채널(91)을 형성하는 적층부는 스트립의 길이를 따라 직선 경로를 따르지 않을 수 있고, 사인형 또는 지그재그형 경로를 따를 수 있고, 또한 천공될 수 있다. 반응기(90)는 입구(95)와 출구(96) 사이를 통과시에 피셔-트롭쉬 채널의 폭을 가로질러 냉각제가 3회 통과되도록 하고, 대안적으로 냉각제가 3회 이상 통과될 수 있다는 것을 또한 이해할 수 있을 것이다.
반응기(70, 90) 모두에서 촉매를 포함하는 채널의 하나 이상은 얇은 플레이트의 적층에 의해 형성되는 대신에 두꺼운 강 플레이트로 가공된 홈에 의해 형성될 수도 있다는 것을 또한 이해할 수 있을 것이다.

Claims (9)

  1. 스택으로서 배열되고 함께 결합되는 복수의 금속 시트(72, 74, 75)와 제1 유체용 입구(84) 및 출구(85)를 포함하고, 상기 스택은 제1 및 제2 유체 사이의 양호한 열 접촉을 보장하기 위해 제2 유체용 복수의 제2 유동 채널(77)과 스택에서 교번하는 제1 유체용 복수의 제1 유동 채널(76)을 형성하고, 각각의 유동 채널(76, 77)은 각각의 쌍의 인접 시트 사이에 형성되고; 화학 반응이 실행되는 각각의 유동 채널은 상기 스택을 통해 직선으로 연장하고 금속 기판을 구비하는 제거형 가스-투과성 촉매 구조체(80)를 포함하고; 상기 제1 유동 채널(76)은 상기 제2 유동 채널(77)의 방향에 수직인 방향으로 배향되는 콤팩트한 촉매 반응기에 있어서,
    상기 스택의 연속적인 제2 유동 채널(77) 사이에서 상기 반응기는 적어도 3개의 나란한 제1 유동 채널(76)을 형성하고; 상기 반응기는 상기 입구로부터 상기 출구로 유동시에, 제1 유체가 연속적으로 적어도 3개의 제1 유동 채널(76)을 통해 유동하도록 하는 유동 전환 수단(82; 88)을 구비하는 것을 특징으로 하는 촉매 반응기.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 유동 전환 수단은 상기 스택의 대향면에 부착된 헤더(88)를 포함하는 촉매 반응기.
  3. 제1 항 또는 제2 항에 있어서, 상기 유동 전환 수단은 연속적인 나란한 제1 유동 채널의 단부 사이의 연통을 제공하는 연결 유동 경로(82)를 포함하고, 상기 연결 유동 경로는 상기 제2 유동 채널(77)의 배향에 대략 평행한 방향으로의 유동을 제공하는 촉매 반응기.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 연결 유동 경로는 구멍 또는 개구(82)에 의해 형성되는 촉매 반응기.
  5. 제3 항에 있어서, 상기 유동 경로는 연결 유동 세그먼트(97)를 형성하는 수단에 의해 형성되는 촉매 반응기.
  6. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 직선형 관통 채널이 두꺼운 플레이트에 가공된 홈에 의해 형성되는 촉매 반응기.
  7. 제1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 직선형 관통 채널은 얇은 플레이트(74, 75)를 따라 연장하는 적층부에 의해 형성되는 촉매 반응기.
  8. 제1 항 내지 제7 항 중 어느 한 항에 있어서, 각각의 촉매 구조체(80)는 각각의 서브 채널 내의 표면 상에 촉매 물질을 갖는 다수의 평행한 유동 서브 채널로 상기 유동 채널을 세분하도록 형성되는 촉매 반응기.
  9. 장쇄 탄화수소를 얻도록 메탄을 포함하는 가스 증기를 처리하기 위한 설비로서, 상기 설비는 증기/메탄 개질을 위한 제1 반응기 및 피셔-트롭쉬 합성을 위한 제2 반응기를 포함하고, 각각의 반응기는 제1 항 내지 제8 항 중 어느 한 항에 따른 촉매 반응기를 포함하는 설비.
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