KR20070086049A - 촉매 변환 반응을 위한 반응기 - Google Patents

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Abstract

촉매 층을 지지하는 천공된 촉매 지지판을 촉매 하우징 내에 포함하는 촉매 변환 반응을 위한 반응기로서, 천공된 촉매 지지판은 다수의 길다란 지지 요소들에 의해 지지되고, 촉매 층 내의 촉매 입자들은 길다란 지지 요소들의 외부에 놓이고, 천공된 촉매 지지판은 길다란 지지 요소들의 하단에 부착되고, 천공된 촉매 지지판은 다수의 천공된 촉매 지지판 요소들로 분할되고, 적어도 하나의 천공된 촉매 지지판 세그먼트는 길다란 지지 요소들에 의해 지지되는 반응기.
Figure 112007042327728-PCT00001
반응기 내부구조물, 촉매 층, 지지 요소, 세그먼트, 천공, 촉매 지지판.

Description

촉매 변환 반응을 위한 반응기{REACTOR FOR A CATALYTIC CONVERSION REACTION}
본 발명은 반응기 내부구조물(reactor internals)의 변형 및 붕괴를 감소시키기 위해 구성된 촉매 반응기에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 개선된 촉매 하우징을 갖는 촉매 반응기에 관련된다.
불균일 화학 반응에서 화학 반응은 종종 고체 촉매 입자들에 의해 촉매작용된다. 이들 촉매 입자들은 전형적으로 촉매 층에 위치되고 촉매 층을 통한 반응성 유체의 통과의 동안에 화학 반응이 일어나, 이로써 반응성 유체를 반응성 유체와는 다른 화학 조성을 갖는 원하는 생성물 또는 생성물들의 혼합물로 변환된다.
반응기의 내부 내용물은 반응기 내부구조물로 알려져 있다. 촉매 층은 촉매 입자들로부터 및 촉매 입자들에 유체 통과를 허용하는 반응기 내부구조물에 의해 반응기에서 제 위치에 유지된다. 이것은 통상 반응기 내부구조물을 촉매 입자들과 접촉하여 천공함으로써 행해진다. 천공의 성질은 촉매 층 내부의 유체 흐름 패턴을 결정한다.
촉매 층을 제 위치에 유지하기 위한 반응기 내부구조물은 전형적으로 그것의 가장자리를 따라서 및/또는 촉매 쪽과 반대쪽의 자유 변(free side)에 지지된 촉매 지지판이다. 어떤 경우에는 이 자유 변에 촉매 지지판을 지지하는 것이 있음직하지 않은데, 예를 들면, 촉매 입자 및 촉매 지지판이 내부구조물의 열 팽창으로 인해 큰 움직임을 겪을 때와 같은 경우이다.
촉매 층은 전형적으로 자유 상면과, 천공을 갖는 수평 촉매 지지판에 의해 지지된 저면을 가질 수 있다. 촉매 층은 촉매 하우징의 수직의 천공되지 않은 벽에 의해서와 천공된 촉매 지지판에 의해서 제자리에 유지된다. 기체는 그 다음 자유 상면 쪽으로부터 촉매 층으로 들어가고 촉매 층의 저부에서 천공된 촉매 지지판을 통해 촉매 층을 떠난다. 촉매 지지판은 그것의 가장자리를 따라 수직한 촉매 하우징 벽에 고정되고 전형적으로 아래로부터 자유 변에 지지되지 않는다. 반응기가 가열될 때, 촉매 층과 촉매 하우징의 수직 벽 또는 다른 반응기 내부구조물의 열 팽창이 하향 축 방향으로 촉매 층과 반응기 내부구조물의 변형을 야기한다.
촉매 층과 촉매 지지판을 가로지르는 반응성 유체의 통과의 동안에, 반응성 유체는 압력 강하를 경험하고 이것은 촉매 판 위의 촉매 입자들의 중량과 결합하여 촉매 지지판의 변형을 야기할 수 있다. 그러므로, 촉매 지지판이 단지 그것의 가장자리를 따라 지지될 때 지지판의 표면적에 대한 상한이 존재한다. 이 상한 위에서 진행하는 것은 촉매 지지판의 비실용적이거나 또는 비경제적인 보강, 예를 들어서 매우 두꺼운 촉매 지지판의 사용을 요할 것이다.
촉매 지지판을 지지하는 대안의 방법은 촉매 층에 놓이고 촉매 지지판에 고정된 여러가지 지지 구조물을 사용함에 의한 것이다. 이것은 지지판을 촉매 하우징 벽에 고정하는 것과 비교하여 더 큰 지지판의 사용을 허용한다. 촉매 지지판에 고정된 스테이와 같은 지지 구조물이 사용될 수 있다. 스테이는 일단에서 제 1 구조물에 고정되고 타단에서 제 2 구조물에 고정된 지지 요소이고 구조물의 하나 또는 둘다에 지지체를 제공한다.
그러나, 스테이와 이러한 유사한 지지 구조물은 반응기에서 같지 않은 온도 분포로 인해 열 팽창에 있어서 차이를 가져올 수 있다. 이것은 축방향으로 스테이에서 촉매 지지판 내에 높은 응력 효과를 야기하고 이것은 그것들의 변형 또는 붕괴를 가져올 수 있다. 방사상 방향으로 이들 특정 반응기 내부구조물에 의해 경험된 힘들은 축 방향으로의 힘과 비교하여 무시할만하다.
일본 특허 출원 No. 49010172의 영어 요약서에는 촉매 지지판의 붕괴를 회피하기 위한 고온 촉매 반응에 유용한 촉매 반응 장치를 개시한다. 촉매 지지판은 구멍들을 가지며 하나 이상의 영역들과 촉매 지지판을 위한 지지체로 분배된다. 둘다 수직 볼트로 조여진다. 촉매 지지판의 열 팽창은 판과 그것의 지지체 간의 볼트를 느슨하게 함으로써 흡수될 수 있고 따라서 서로에 대하여 미끄러질 수 있게 되어 있다. 이 출원은 촉매 지지판에서의 응력이 방사상 방향으로만 감소되는 촉매 반응 장치를 기술한다. 축 방향으로 응력을 감소시키는 방법은 언급되어 있지 않다. 그러므로 본 발명의 목적은 축 방향으로의 반응기 내부구조물에 대한 열 응력이 감소되는 촉매 반응기를 제공하는 것이다. 이것은 차례로 반응기 내부구조물의 변형 및 붕괴를 감소시킨다.
발명의 개요
본 발명은 고온에서 반응기 내부구조물에 의해 경험된 응력들이 축방향으로 감소되는, 길다란 촉매 요소에 의해 지지된 세그먼트로 된 촉매 지지판을 포함하는 반응기 내부구조물을 갖는 촉매 반응기를 포함한다.
본 발명은 청구항 1에 기술된 특징을 갖는 촉매 반응기를 포함한다.
도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명의 세가지 다른 구체예들의 세그먼트로 된 촉매 지지판의 횡단면을 나타내는 개략도이다.
도 4는 촉매 하우징을 통해 길이방향 단면을 나타내는 개략도이며, 스테이들이 그것들의 하단에서 세그먼트로 된 촉매 지지판에 고정되어 있다.
도 5는 촉매 하우징을 통해 길이방향 단면을 나타내는 개략도이며, 관들이 그것들의 하단에서 세그먼트로 된 촉매 지지판에 고정되어 있다.
도 6은 촉매 하우징을 통해 길이방향 단면을 나타내는 개략도이며, 이중 관들이 그것들의 하단에서 세그먼트로 된 촉매 지지판에 고정되어 있다.
도 7은 세그먼트로 된 촉매 지지판의 횡단면을 나타내는 개략도이며, 세그먼트들이 촉매 하우징 벽에든지 아니면 길다란 지지 요소들에 부착되어 있다.
본 발명의 촉매 반응기는 다수의 길다란 지지 요소들을 포함하는 촉매 하우징을 포함한다. 촉매 하우징 내에는 촉매 입자들의 층을 지지하는 천공된 촉매 지지판이 있다. 길다란 지지 요소들은 예를 들어서, 용접에 의해 그것들의 하단에서 천공된 촉매 지지판에 고정되어 있다. 천공된 촉매 지지판은 세그먼트로 되어 있고, 각 촉매 지지판 세그먼트는 길다란 지지 요소들에 의해 지지된다. 세그먼트로된 촉매 지지판과 이들 촉매 지지판 세그먼트에 고정된 길다란 지지 요소들로 구성되는 조립체가 관 시트 또는 판에 의해 지지되고 그 위에 길다란 지지 요소들의 상단부가 고정되어 있다.
촉매 층은 천공된 지지판의 상면에 위치된다. 촉매 입자들은 따라서 길다란 지지 요소들의 외표면을 둘러싼다. 촉매 반응기에 들어가는 공정 기체는 반응을 위해 촉매 층으로 향한다. 촉매 지지판에서의 천공은 반응된 공정 기체가 촉매 층과 촉매 지지판 둘다를 통해 촉매 지지판의 하부 쪽으로 흐르도록 허용한다.
세그먼트로 된 촉매 지지판은 예를 들어서 반응기 장치에 적합한 요구되는 치수를 갖는 단일의 큰 촉매 지지판을 소형의 개개 촉매 지지판 세그먼트들로 절단함으로써 제조될 수 있다. 촉매 지지판은 예를 들면, 본 분야에 공지된 물 분사 절단 또는 어떤 다른 적합한 방법을 사용하여 절단될 수 있다. 천공은 촉매 지지판 세그먼트들로 만들어질 수 있고 또는 큰 촉매 지지판을 개개 세그먼트들로 절단하기 전에 미리 천공할 수 있다.
촉매 지지판 세그먼트들은 어떤 적합한 형태 또는 형태들의 조합도 가질 수 있는데, 이것들은 반응 장치에 놓여서 표면을 형성할 수 있고 그 위에 촉매 층이 위치될 수 있다. 촉매 지지판 세그먼트들은 예를 들면 3변(삼각형), 4변, 5변 또는 6변으로 될 수 있다.
촉매 지지판 세그먼트들은 판 세그먼트들 간에 틈을 갖거나 또는 틈이 없이 서로의 옆에 가장자리 대 가장자리로 놓일 수 있다. 만일 틈이 존재한다면 촉매 입자들은 구멍을 통해 촉매 지지판의 아래의 용적으로 떨어지는 것을 방지하는 것이 중요하다.
이 상황을 피하기 위해, 각 촉매 지지판 세그먼트의 최소 두께는 시동과 셧다운의 모든 공정하에서 두 이웃하는 길다란 지지 요소 사이의 최대 가능한 연장의 차이와 적어도 같아야 한다.
세그먼트로 된 촉매 지지판은 어떤 적합한 재료로도 만들어질 수 있다. 예들은 니켈 합금과 스테인레스 강이다.
길다란 지지 요소들은 원통형인 횡단면을 가질 수 있다. 다른 단면 형태들, 예를 들면 육각형 또는 사각형 단면도 또한 가능하다. 다시 말하면, 횡단면은 형태가 다각형일 수 있다.
본 발명의 촉매 반응기는 광범위한 온도범위에서 사용을 위해 적합하다. 그것은 스테이들이 열 팽창의 상당한 변형을 가져오는 가장 큰 온도 변동을 경험할 수 있는 반응기에서 700℃ 이상의 온도에서 사용하기에 특히 적합하다.
각 촉매 지지판 세그먼트는 적어도 하나의 길다란 지지 요소에 부착되어 있다. 그러나, 촉매 하우징의 벽과 경계를 이루는 촉매 지지판 세그먼트는 선택적으로 이 벽에 고정될 수 있는 한편, 나머지 촉매 지지판 세그먼트들은 길다란 지지 요소들의 하단에 부착된다. 본 발명의 구체예는 길다란 지지 요소들이 스테이이고 그 위에 촉매 지지판 세그먼트들이 부착된 촉매 반응기이다.
본 발명의 또 다른 구체예는 길다란 지지 요소들이 관, 예를 들어서 열 전달 관이고, 그 위에 촉매 지지판 세그먼트들이 부착되어 있는 촉매 반응기이다.
본 발명의 다른 구체예는 촉매 지지판 세그먼트들이 부착되어 있는 길다란 지지 요소들이 예를 들면, 내부 관 안쪽에 촉매를 갖는 동심의 이중 관인 촉매 반응기이다. 환형 용적, 즉 환대(annulus)는 동심의 이중 관이고, 예를 들어서 공정 기체의 전달에 유용할 수 있는 채널을 제공한다.
본 발명 및 그 구체예를 다음에서 더욱 상세히 기술한다.
도 1은 세그먼트로 된 촉매 지지판(1)의 횡단면을 나타내는 개략도이다. 이 구체예에서, 촉매 지지판(1)은 중심의 촉매 지지판 세그먼트(2)와 구멍(4)에 놓인 중심에 놓인 길다란 지지 요소와 구멍(5)에 놓인 주변의 길다란 지지 요소들에 의해 대응하여 지지된 주변 촉매 지지판 세그먼트(3)로 구성되는 몇개의 세그먼트로 절단된다. 각 촉매 지지판 세그먼트는 촉매 층과 촉매 지지판 세그먼트 둘다를 통하여 공정 기체의 고른 분포를 제공하는 천공(6)을 갖는다. 이 구체예에서, 촉매 지지판 세그먼트(2 및 3)는 각각 4변 및 6변으로 되어 있다.
그러나, 각 촉매 지지판 세그먼트는 도 2에 예시한 바와 같이 다른 형태들로 절단될 수 있다. 도 2는 천공(6)을 갖는 다수의 촉매 지지판 세그먼트(2 및 3)에 고정된 다수의 길다란 지지 요소(4)를 포함하는 본 발명의 촉매 반응기 내 촉매 하우징을 통한 횡단면을 나타낸다. 이 구체예는 형태가 각각 육각형 및 오각형인 촉매 지지판 세그먼트(2 및 3)를 나타내고, 촉매 지지판 세그먼트의 변들의 길이는 다양할 수 있고 즉, 촉매 지지판 세그먼트(2)에 나타낸 바와 같이 그것들은 길이가 동일하지 않다. 형태가 삼각형 또는 사각형인 촉매 지지판 세그먼트들은 또한 본 발명의 촉매 반응기에 유용하다. 그러므로 촉매 지지판 세그먼트(2)는 형태가 다각형일 수 있다. 이 구체예에서, 길다란 지지 요소들은 원통형이고 동심의 이중 관으로 구성된다.
도 3은 도 1에 나타낸 구체예의 변형예를 나타낸다. 이 구체예에서, 중심의 촉매 지지판 세그먼트는 제거되고 주변의 촉매 지지판 세그먼트(3)가 그것들이 구멍(4)에 놓인 중심의 길다란 요소를 경계를 이루도록 절단된다. 이 경우에, 구멍(4) 내의 중심의 길다란 요소는 촉매 지지판 세그먼트(3)의 어떤 것도 지지하지 않는다.
모든 촉매 지지판 세그먼트들은 지지된다. 그러나, 촉매 층 내의 모든 길다란 요소들이 촉매 지지판 세그먼트에 지지체를 제공하지 않는다. 길다란 지지 요소들의 수는 반응기의 크기에 따라 다양할 수 있으며 대개는 1 내지 1000의 범위일 것이다. 지지체를 제공하지 않는 길다란 요소들은 유체의 운반을 위한 관일 수 있다.
실제로, 촉매 지지판 세그먼트들의 전체 표면을 가로질러 경험하는 온도 차이는 크게 다양할 수 있다. 그러나, 이웃하는 길다란 지지 요소들 사이의 국소적인 온도 차이는 크지 않다. 이것은 이웃하는 길다란 지지 요소들에 의해 국소적으로 경험하는 팽창은 매우 유사하다는 것을 의미한다. 그러므로, 어떤 길다란 지지 요소들도 그것의 가장 가까운 이웃과 대략 같은 길이만큼 팽창한다.
본 발명의 또 다른 구체예를 도 4에 나타낸다. 도 4는 본 발명의 촉매 반응기(1)를 통한 길이방향 단면을 나타낸다. 촉매 반응기(1)는 촉매 하우징(2)과 하우징(2)의 안쪽에 배치된 다수의 스테이(3)를 포함한다. 두 스테이(3)를 나타내었다. 각 스테이(3)는 스테이의 하단에서 촉매 지지판 세그먼트(4)를 지지한다. 판 세그먼트(4)는 천공(5)을 갖고 판 세그먼트(4)들의 가장자리 사이에 틈(6)을 갖거나 또는 틈(6)이 없이 가장자리 대 가장자리로 놓인다.
판 세그먼트(4)는 따라서 촉매 층(7)을 지지하기에 적합한 단일의 큰 촉매 지지판과 유사한 표면을 형성한다.
공정 기체는 입구(8)를 통해 촉매 하우징(2)에 들어가고, 요구된 온도에서 촉매 반응을 위해 촉매 층(7)을 통과한다. 촉매 반응 후, 공정 기체는 천공(5)과, 존재한다면 틈(6)을 통과하여 촉매 층(7) 하류의 용적(9)으로 들어간다.
본 발명의 또 다른 구체예를 도 5에 나타내었다. 이 구체예에서, 본 발명의 촉매 반응기는 도 4에 묘사된 것과 유사하나, 길다란 지지 요소들이 공정 유체가 통해서 흐를 수 있는 관(3)이고, 관들의 하단은 촉매 지지판 세그먼트(4)에 고정되어 있다. 단지 촉매 하우징과 그것의 내용물을 이 도면에 나타내었다. 공정 유체는 입구(8)를 통해 촉매 하우징(2)으로 들어가고 촉매 층(7)을 통해 통과하는 동안에 변환된다. 판 세그먼트(4)를 통과 후 반응된 공정 기체는 용적(9)으로 들어가고 그 후 그 하단을 통해 관(3)으로 들어간다. 관(3)을 통과하는 동안에 반응된 공정 기체는 촉매 층(7)에서 공정 기체와 간접 열교환할 수 있다.
이 구체예는 메탄이 수증기와 반응하여 일산화탄소와 수소를 생성하는 수증기 개질 반응에 사용하기에 적합하다. 흡열 수증기 개질 반응은 촉매 층(7)에서 일어나고, 생성물 기체는 용적(9)으로 들어가고 입구(10)로부터 들어오는 고온 기체와 혼합된다. 혼합물은 그 후, 관(3)을 통해 전달되는 동안에, 촉매 층(7)에서 일어나는 반응과 열교환에 의해 냉각된다. 반응된 기체는 출구(12)를 통해 촉매 하우징(2)을 떠난다.
도 5에 나타낸 구체예는 1000℃ 만큼 높은 온도를 경험하는 경우의 수증기 개질 반응에 특히 유용하다. 이러한 반응기에서, 반응기 관은 길이가 12 미터가 될 수 있는데, 관 금속의 열 팽창 계수에 따라 이 온도에서 예를 들면, 160 밀리미터의 길이 팽창을 경험할 수 있다. 반응기 관은 그 상단에서 관 시트(11)에 고정되기 때문에 팽창은 그 하단에서 가장 크다.
반응기에서 같지 않은 온도 분포는 반응기에서 각각의 개개 반응기 관의 팽창에 있어서 변동을 가져올 수 있다. 궁극적으로 이것은 세그먼트로 되지 않으면 촉매 지지판의 변형 및 붕괴를 가져올 것이다. 세그먼트로 된 촉매 지지판을 사용할 때, 어떤 내부구조물의 붕괴없이 반응기 관의 시차 팽창을 허용한다.
본 발명의 더 이상의 구체예는 도 6에 나타내었다. 단지 촉매 하우징과 그 내용물만을 도면에 나타낸다. 이 구체예에서, 본 발명의 촉매 반응기는 도 5에 묘사된 것과 유사하나, 길다란 지지 요소들이 동심의 이중 관(3)이며, 그것들의 외부 관은 그것들의 하단에서 촉매 지지판 세그먼트(4)에 고정되어 있다. 공정 유체는 동심의 이중 관(3)의 환대(5)에서 흐를 수 있고 내부 관(6)의 용적은 촉매 입자들로 채워질 수 있다. 세그먼트로 된 촉매 지지판(4)은 동심의 이중 관(3) 외부의 촉매 층(7)을 지지한다.
도 6을 다음에서 더욱 상세히 기술한다. 공정 유체, 예를 들면 공정기체는 입구(8)를 통하여 촉매 하우징(2)에 들어가고, 동심의 이중 관(3)의 내부 관(6)의 용적(13)에 위치된 추가의 촉매 층(11)을 통한 통과의 동안에 변환된다. 공정 기체는 동심의 이중 관(3)의 외부에 위치된 촉매 층(7)을 통한 통과의 동안에 동시적으로 변환된다. 변환된 공정 기체는 동심의 이중 관(3)의 내부 관(6)의 용적(13)을 떠나고 용적(9)으로 들어간다. 변환된 공정 기체는 또한 천공된 세그먼트로 된 촉매 지지판(4)을 통해 촉매 층(7)을 떠나고 용적(9)으로 들어간다. 다음에 용적(9)에서 변환된 공정 기체는 입구(10)를 통해 촉매 하우징(2)에 들어가는 또 다른 기체와 함께 혼합될 수 있다. 공정 기체 혼합물은 그 후 동심의 이중 관(3)의 환대(5)를 통하여 출구(12)로 전달된다.
본 발명의 또 다른 바람직한 구체예는 촉매 지지판 세그먼트가 도 7에 나타낸 바와 같이 길다란 지지 요소에든지 아니면, 촉매 하우징의 수직 벽에 고정되어 있는 촉매 반응기이다. 이 구체예에서, 촉매 하우징의 수직 벽과 경계를 이루는 촉매 지지판 세그먼트(1)의 일부가 수직 벽에 고정되고 그것에 의해 지지되어 있다. 나머지 촉매 지지판 세그먼트(2)는 구멍(3)에 놓인 길다란 지지 요소들에 고정되고 그것들에 의해 지지된다.

Claims (8)

  1. 촉매 층을 지지하는 천공된 촉매 지지판을 촉매 하우징 내에 포함하는 촉매 변환 반응을 위한 반응기로서, 촉매 지지판은 다수의 길다란 지지 요소들에 의해 지지되고, 촉매 층 내의 촉매 입자들은 길다란 지지 요소들의 외부에 놓이고, 천공된 촉매 지지판은 길다란 지지 요소들의 하단에 부착되고, 천공된 촉매 지지판은 다수의 천공된 촉매 지지판 요소들로 분할되고, 적어도 하나의 천공된 촉매 지지판 세그먼트는 길다란 지지 요소들에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 촉매 하우징의 벽과 경계를 이루는 적어도 하나의 더 이상의 촉매 지지판 요소가 이 벽에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  3. 제 1 항에 있어서, 길다란 지지판 요소가 원통형 또는 다각형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 반응기.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 길다란 지지판 요소가 스테이, 관 또는 동심의 이중 관인 것을 특징으로 하는 반응기.
  5. 제 4 항에 있어서, 관이 열전달 관인 것을 특징으로 하는 반응기.
  6. 제 4 항에 있어서, 동심의 이중 관이 내부 관 안쪽에 촉매를 함유하고 환대에 공정 기체를 함유하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 지지판 요소가 형태가 다각형인 것을 특징으로 하는 반응기.
  8. 수증기 개질 반응에서 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 따르는 반응기의 사용.
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