KR20070095913A - 제트 충돌 열전달 반응기 - Google Patents

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Abstract

촉매 반응과 열전달을 증진시키기 위한 각각 서로 다른 두 구조물, 상기 반응기 축 부근의 코어 구조물과 반응기 벽 부근의 케이싱 구조물을 들을 포함하는 촉매 반응기. 상기 케이싱은 원심력에 의해 반응기 벽에 충돌하도록 유체의 방향을 배향시키는 복수의 제1 장치와 유체가 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐를때 반응기 벽으로부터 떨어져 흐르도록 하는 용도인 복수의 제2차 장치를 포함한다.

Description

제트 충돌 열전달 반응기{REACTOR WITH JET IMPINGMENT HEAT TRANSFER}
관련 출원의 상호 참조
본 출원은 2004년 11월 23일에 출원되고, 전체적인 내용이 본 명세서에서 참조되는 미국 가 출원 일련 번호 제60/630492호의 출원일의 이익을 주장한다.
본 발명은 촉매 반응기에 관한 것이다.
촉매 반응기는 화학반응을 촉진시키는 것으로 알려져 있다. 본 명세서에서는 불균질 촉매 반응기들이 언급된다.
고체 표면상으로 유체의 제트 충돌(Jet impingement)은 냉각 터빈 및 전자 부품들과 같은 응용을 위해 상기 표면 부근의 열전달 계수를 증가시키는 것으로 알려져 있다. 본 명세서에서 그대로 참조되어 통합되는 전문 공개인 미국등록특허 제5,029,638호는 제트 충돌과 압축 열교환기의 열전달을 보조하기에 적절한 배열을 제시한다.
세 개의 특허로서 언급되고 미국등록특허 제5,350,566호, 미국등록특허 제 5,651,946호 및 미국등록특허 제4,719,090호가 본 명세서에 총체적으로 언급되고, 각각은 본 명세서에서 그대로 참고 문헌으로서 통합되며, 이들 각각은 촉매 반응에 사용될 수 있고 반응기 전체에 걸쳐 교란운동(turbulence)을 증가시켜 공정 유체의 혼합을 제공하는 투과가능한 공학 구조(engineered structure)들을 나타낸다. 상기 세 개의 각 특허는 각각의 반응기 유입구로부터 유출구로의 유체 흐름의 일반적인 방향에 대해서 비스듬히 기울어진 주름을 갖는 주름진 시트(corrugated sheets)를 사용한다. 상기 주름진 시트들은 그들 또는 양자간에 관통되거나 또는 공간을 갖는다. 상기 비스듬히 기울어져 있는 주름들은 유체 속도에 대한 측부 성분(lateral component)을 유발한다. 상기 주름진 시트들 사이의 구멍(perforations)들 또는 공간은 반응기를 통해 '0'의 알짜 측부 흐름(zero net lateral flow)을 유지하도록 측부 회귀 경로(lateral return path)를 제공한다. 더 큰 규모의 간격에서의 알짜 측부 흐름은 균형을 이루는 반면 짧은 규모의 간격에서는 측부 흐름이 유발된다. 상기 세 개의 특허 각각은 혼합을 증진시키는 것을 알려준다. 따라서, 상기 디자인은 측부 운동량(lateral momentum)을 유지하지는 않으나, 이들 각각의 측부 운동량의 상호 소멸 효과를 제공하는 반대 측부 성분 속도를 갖는 유체들을 결합시킨다. 이와 같은 설계들은 혼합에 효과적이지만, 반응기 벽 경계층의 파괴 또는 반응기 부근의 열전달 계수의 증가에는 작은 입사각으로 반응기 벽에 충돌하는 제트 투사(projection of jets)보다 덜 효과적이다.
나아가, 상기 세 특허들은 교차 경사로 주름진 시트들의 평행 스택(parallel stacks)을 사용한다. 상기 시트들은 평평하고 평행한 면이므로, 상기 채널들은 반 응기 단면부에 대해 삭(索, chorda)이다. 이는 방사상으로 배열된 채널들보다 반응기 벽의 모든 부분에서의 열전달 증가의 면에서 덜 효과적이고, 일관적이지 않은상기 반응기 벽의 일부분 부근의 반응기 벽에 수직하고, 상기 반응기 벽 타부분 부근의 반응기 벽에 평행한 일부 채널들을 초래한다.
본 명세서에서 그대로 참조문헌으로 통합되는 전문공개의 유럽등록특허 제0025308호 A1은 유체가 반응기 코어 구조물과, 상기 용기 벽(vessel wall)과 상기 반응기 코어 구조물 사이의 공간을 통해서 흐르도록 하게 하는 장치를 개시한다. 본 특허는 제트 충돌에 의한 반응기 벽의 경계층 파괴를 개시하지 않는다. 모든 실시형태는 반응기 벽과 패킹(packing) 사이의 빈공간을 통과하여 반응기 벽에 평행한 광범위의 유체 흐름을 개시한다. 또한 상기 특허는 두 개의 대안적인 형태의 구조를 개시한다. 하나는 관통된 구조물을, 다른 하나는 비관통 또는 고체 구조물을 사용하는 것이다. 관통된 구조물들을 사용할 경우, 유체 흐름은 교란(turbulence)이 있는 큰 축을 이루고, 교축 방향으로의 혼합과, 반응기 부근의 흐름은 상기 축 방향의 반응기 벽과 평행하다. 이러한 흐름은 제트 충돌과 연관된 반응기 벽 유체 경계층의 파괴하는데 비효과적이다. 고체 시트를 사용할 경우, 상기 반응기의 개방 또는 유효 단면적(open or cross section area)이 절충되는바, 이는 상기 중앙 구조물 내의 상기 흐름경로가 상기 반응기 벽과 상기 코어 구조물 사이의 빈 공간만을 통해서 서로 소통하기 때문이다. 이러한 제한은 적절히 관통된 구조물 또는 일반적으로 서로 소통하는 있는 십자형(crisscrossing) 채널구조에 관하여 압력 강하를 증가시킨다.
EP0025308호 A1의 원뿔대(truncated cones)의 사용은 고리모양 반응기 단면에 대하여 배타적인 것으로 판단된다. 이러한 원뿔대들은 반응기 길이(키)를 따라 교차적인 원심력과 구심력 흐름을 야기하기 위해 일련의 교차영역(alternating zones)에 관통되거나 위치한다. 광범위하게 반응기 벽에 평행한 유체 흐름 경로는 모든 실시형태에 대해 상세히 설명된다. 광범위하고, 단일하며, 정밀하게 분배되는 반응기 벽의 제트 충돌 대신 상기 코어 구조물과 상기 반응기 벽 사이의 빈 공간을 사용하는 것은 상기 반응기 벽의 표면을 따라 축 방향 흐름을 증진시킨다.
본 명세서에서 그대로 참조문헌으로 통합되는 전문 공개의 미국등록특허 제4,985,230호는 1차 및 2차 벽을 향해 유체를 교차하여 투사하는 채널을 통과하는 유체를 경유하여 1차 벽으로부터 2차 벽으로의 열전달을 개시한다. 상기 벽들은 서로 평행하고 균등하게 이격 되어 있다. 상기 채널들은 상기 유체의 불균질 촉매반응을 수행하기 위한 촉매를 지지한다. 어느 하나의 벽은 반응기 벽이고 다른 벽은 반응기 내의 내벽(internal wall)이다. 이 기술은 증기 개질에 사용되는 것과 같은 고리모양 반응기 또는 베요넷 반응기(bayonet reactor)의 특별한 적용에는 유리할 수 있지만, 원통형 또는 다른 고체 형태의 반응기에는 응용할 수 없다. 미국등록특허 제4,985,230호의 방사상으로 배열된 채널들은 축 방향으로 구속하고 측면으로 흐르는 유체에 의해 공급되어야 한다. 상기 채널들은 반응기 축에 수렴되기 때문에, 필수적으로 폭 또는 상기 반응기 벽 부근보다 더 가까운 반응기 축 단면적이 감소된다. 만약 이러한 패킹(packing)이 원통형 반응기 전체에 사용된다면, 비 효과적 열전달을 유발하면서 상기 반응기 축 부근의 수렴 벽의 감소된 단면적은 채널들을 통과하는 유체의 흐름을 제한하게 될 것이다. 또한, 상기 반응기 축에 대한 채널의 확장은 반응기 벽을 통해 바람직하지 않은 압력강하를 실질적으로 증가시킨다.
본 발명은 반응기 부분이 아닌 부피를 적어도 부분적으로 포함하거나 감싸고 있는 고리 모양 공간 또는 반응기 부피에 대조되는 원형 또는 다른 전단면(full cross section) 촉매 반응기에 관한 것이다. 본 발명은 상기의 문제들을 극복하고, 특히 상기 부피 및 원형 또는 다른 전단면 촉매 반응기의 반응기 부근을 통해 유효 열전달을 제공함에 목적이 있다.
본 발명은 증기 개질 반응기 및 내연 기관으로부터 방출되는 방출물의 제거처리를 위한 촉매 변환기에 유용하다. 후자의 경우, 본 발명은 촉매 수명을 연장하기 위한 변환기의 냉각을 돕는다.
본 발명의 요약은 본 발명을 이해하기 위한 길잡이로서 제공된다. 이는 본 발명의 가장 일반적인 실시형태 또는 본 명세서에 개시된 모든 종류의 발명을 반드시 설명해야 하는 것은 아니다.
본 발명은 촉매 표면에서 유체의 반응과 반응기 벽에서 열전달을 수행하는 장치이다. 상기 반응기 축 부근의 제1 구조물 및 상기 반응기 벽 부근의 제2 구조물은 촉매 반응 및 열전달 각각의 목적을 개선시키기 위해 서로 다른 구조물들을 제공한다.
상기 촉매 반응기는 제2 부피를 포함하지 않는 부피를 포함한다. 여기서 제2 부피는 상기 반응기 부분이 아니다. 일반적으로, 상기 반응기는 제1 말단부에 있는 유입구와 제2 말단부에 있는 유출구를 구비한 반응기 벽에 의해 둘러싸여 있는 원통형 부피이다. 상기 반응기는 바람직한 반응을 증진시키기에 적합한 활성 촉매 성분을 포함하는 고체 표면을 포함한다.
코어로서 본 명세서에 언급된 상기 반응기 축 부근의 구조물은 반응기 축으로부터 상기 반응기 축 방향으로 상기 반응기 벽 내부로부터 소정의 거리까지 뻗어나온다. 상기 소정의 거리는 상기 반응기 벽 내부로부터 반응기 축까지의 거리의 약 0.01 내지 0.4 배이고, 바람직하게는 0.05 내지 0.2 배이다. 상기 코어를 포함하는 기하학적 형태는 소통하는 통로를 통해, 축과 방사 방향으로 유체 흐름을 허용한다. 적절한 코어의 예로는 구형 또는 원통형 입자, 홀(hole)을 포함하는 펠렛(pellet), 라시히 링(Raschig rings), 축안(saddle), 서로 소통하는 관통 채널 또는 십자형 채널을 포함하는 모노리스(monolithic) 구조물 등이 있다. 또한, 공학적으로 처리된 패킹(engineered packing)으로서 언급된 모노리스 코어 구조물이 바람직한데, 이들은 본 명세서에서 그대로 참조되는 2004년 7월 7일에 Jonathan J. Feinstein에 의해 '1차 및 2차 채널을 갖는 반응기'라는 발명의 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제10/886237호의 도 17 과 18에서 찾을 수 있는 것을 포함한다. 모노리스 코어(Monolithic cores)들은 금속, 세라믹, 또는 금속 및 세라믹의 조합으로 구성될 수 있고, 바람직하게는 적합한 촉매 운반체(carrier)와 활성 촉매로 코팅된 금속 기질로 구성될 수 있다.
여기서 케이싱으로 언급되는, 상기 반응기 부근의 구조물은 반응기 축으로부터 상기 반응기 축 방향으로 상기 반응기 벽 내부로부터 소정의 거리까지 뻗어나온다. 상기 케이싱은 유효 열전달이 요구되는 반응기 벽의 모든 부분에서 상기 코어와 반응기 벽 사이에 존재한다. 상기 케이싱은 반응기 벽에 충돌하도록 원심력에 의해 유체를 배향시키는 복수의 제1 장치들과 상기 유체가 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐를 때, 반응기 벽으로부터 떨어져서 흐르도록 복수의 제2 장치들을 포함한다. 상기 제1 장치는 고체 벽들에 의해 둘러싸여 있는 채널인 것이 바람직하다. 상기 제2 장치는 벽, 날개(vane), 채널 또는 다공성 구조물이 될 수 있다. 다공성 구조물은 유체가 상기 벽 또는 채널을 가로지르게 하는 관통된 벽 또는 채널이다. 상기 케이싱은 상기 코어로부터 분리되어 형성될 수 있거나, 제1 및 제2 장치들을 제공하기 위해 다공도가 적절히 변경된 코어 구조물의 연장이 될 수 있다. 변경의 예는 상기 코어에서 유사한 표면들이 관통되는 적합한 위치의 상기 케이싱내의 고체로 되는 표면 때문이다. 상기 케이싱은 금속 또는 세라믹으로 구성될 수 있고, 바람직하게는 적합한 촉매 운반체와 활성 촉매로 코팅된 금속 기지로 구성될 수 있다.
상기 케이싱은 서로 인접한 고체 또는 관통벽 또는 이들 사이에 유체 통로를 갖는 시트를 포함하는 공학적으로 처리된 구조물로서 정의되는 모노리스이다. 상기 코어 구조물은 네 가지 방식 중 적어도 어느 하나에 있어 상기 케이싱 구조물과 다르다. 첫번째 차이점은 상기 코어 구조물은 모노리스가 아니라는 점이다. 두번째 차이점은 상기 코어 구조물이 상기 케이싱 보다 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐를 때 원심력에 의해 유체를 배향시키는 고체 벽으로 된 채널의 적어도 10% 더 낮은 부피를 포함하는 모노리스라는 점이다. 세번째 차이점은 상기 코어 구조물은 상기 케이싱 구조물보다 적어도 10% 더 낮은 공극 부피(void volume)를 포함하는 모노리스라는 점이다. 네번째 차이점은 상기 코어 구조물은 상기 케이싱 구조물보다 채널이 적어도 10% 더 큰 평균 수력직경(hydraulic diameter)을 갖는 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐를 때 유체를 배향시키는 고체 벽으로 된 채널들을 포함하는 모노리스라는 점이다. 여기서 상기 수력직경은 상기 채널 단면의 원주로 나누어진 채널 단면적의 4배와 같다.
유체가 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐를 때 원심력에 의해 유체를 배향시키는 방사상으로 케이싱 내의 고체벽으로 된 채널은 배열되고 유체가 0° 내지 85°, 바람직하게는 0°내지 45°의 입사각으로 반응기 벽에 충돌하게 한다.
상기 케이싱의 투과도(permeability)는 상기 반응기 벽에서 유체의 열전달 계수를 더 증가시키기 위해서 케이싱을 통과하는 유체의 축 질량 유속(mass flux)이 상기 코어에서보다 더 높도록 상기 코어의 투과도보다 더 높게 설계될 수 있다.
도 1A는 서로 다른 코어 구조물 및 케이싱 구조물을 제공하기 위해 개선된 특성을 갖는 매끈하고 주름진 원추모양의 시트를 포함하는 본 발명에 따른 반응기 의 일실시형태의 부분 투시단면도이다.
도 1B는 도 1A의 일실시형태의 일부 채널의 원주 표면을 통과하는 단면도이다.
도 1C는 도 1A의 일실시형태의 채널 형태의 제2 변화의 원주 표면을 통과하는 단면도이다.
도 1D는 도 1A의 일실시형태의 반응기 횡단면도의 일부로서, 케이싱 내 채널 소통 및 방사상 유체 흐름 경향을 나타낸다.
도 2A는 본 발명에 따른 케이싱의 제2 일실시형태의 부분 투시도이다.
도 2B는 도 2A에서 설명된 실시형태의 제조방법을 나타낸다.
도 3A는 본 발명에 따른 다른 실시형태의 종단면도이다.
도 3B는 도 3A에서 나타낸 케이싱의 상세도이다.
하기 발명의 상세한 설명은 예시적이며 이에 제한되는 것은 아니다.
다른 언급이 없는 한 도 1A를 참조하면, 도 1A는 일실시형태의 부분투시단면도이다. 촉매반응기(100)는 유입구(101), 유출구(102) 및 원통형 반응기 벽(103)을 포함한다. 상기 내부 부피는 코어(110) 및 케이싱(120)을 포함한다. 상기 코어는 종단면 및 횡단면 모두에서 보이는 매끄럽고 원뿔 모양의 시트(111)로 구성되고, 횡단면에서만 보이는 주름진 원뿔 모양의 시트(112)에 의해 분리되는 모노리스 기질을 포함한다. 상기 코어의 매끄럽고 주름진 시트들은 여기에서 및 다른 관통 된 표면들의 실시예에서 파선으로 표시한 바와 같이 모두 관통되었다. 상기 매끄러운 시트와 주름진 시트 사이의 공간은 채널(113)을 구성한다. 상기 매끄럽고 주름진 원뿔들은 바람직하게는 반응기 벽에 대하여 45 °로 기울어져 있다. 채널(113)은 방사상으로 배열되어 있다. 유체는 채널(113)을 따라 상기 코어를 통과하여 상기 축 방향으로 최소의 뒤틀림(tortuousity)을 갖는 채널 내 관통홀을 통해 유입구로부터 유출구로 통과한다. 상기 코어는 상기 유체가 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐를 때 원심력에 의해 유체를 배향시키는 고체 벽으로 된 채널들을 포함하지 않는다.
상기 케이싱은 상기 코어의 매끄럽고 주름진 원뿔들의 연장으로 구성되어있지만, 상기 반응기 벽에의 열전달을 촉진하기 위한 상기 코어 구조물의 변형된 형태를 갖는다. 상기 케이싱은 각각 시트(111) 및 시트(112)의 연장인 주름진 준원추형 시트(122)에 의해 상호 배치 및 분리되어 있는 매끄러운 준 원추형 시트들(121)을 포함한다. 상기 케이싱의 매끄럽고 주름진 시트들은 상기 준 원추형 표면을 따라 축방향으로 뻗어나가는 채널(123)을 형성한다. 상기 케이싱의 준 원추형 표면은 상기 코어의 원뿔 표면에서와 같이 상기 반응기 벽에 동일한 각도로 기울어져 있다. 상기 매끄러운 시트(121)는 상기 반응기 벽에 접한다. 상기 케이싱의 주름진 시트들과 상기 반응기 벽 사이에는 틈(gap)이 있다(미도시). 상기 틈은 본 명세서의 도 1D에 나타내었다. 상기 케이싱의 시트는 고체 표면에 의해 완전히 둘러싸여 있는 채널(115) 및 관통 표면에 의해 적어도 일부분이 둘러싸여 있는 채널(125)을 형성하는 관통 부분(124) 및 고체로된 다른 부분(114)을 포함한다. 고 체 채널(115)은 상기 유체가 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐르는 경우 상기 반응기 벽을 충돌하도록 원심력에 의해 유체들을 배향시킨다. 상술한 원심력에 의한 흐름은 화살표(116)로 표시하였다. 채널(125)은 상기 유체가 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐르는 경우 반응기 벽으로부터 구심력에 의해 되돌아오는 유체를 허용한다. 화살표(126)는 관통된 채널(125)을 횡단하는 유체의 흐름 방향을 나타낸다.
채널(115)는 원주방향으로 어느 한 채널과 나란하게 축 방향 스택(axial stacks)에 배열되고 정렬된다. 채널(125)은 원주방향으로 적어도 두 채널과 나란하게 축 방향 스택에 배열되고 정렬된다. 채널(115) 및 채널(125)의 스택들은 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로 또는 상기 반응기의 주변과 효과적인 열전달이 요구되는 반응기의 부분들 위로 뻗어나온다. 채널(115) 및 채널(125)의 스택들은 상기 반응기 벽의 전체 원주 주위 또는 상기 반응기의 주변과 효과적인 열전달이 요구되는 반응기 벽의 일부분 주위에 교차한다. 상기 스택들의 배열은 도 1B, 1C 및 1D에서 더 명확하게 설명한다.
압력 강하보다 열전달이 상대적으로 더 중요한 일부 적용에 있어서, 일반적으로 균일한 투과도를 제공하기 위해서 상기 케이싱의 매끄럽고 주름진 시트들이 관통되는 것이 바람직함에도 불구하고, 상기 관통홀의 밀도는 상기 반응기 벽 부근보다 반응기 축에 더 가까운 부근에 더 낮은 축 방향 투과도를 제공하도록 설계될 수 있다. 상기 투과도의 변화는 상기 반응기를 통해 제공되는 유체 흐름에 대해 반응기 벽에 충돌하는 유체의 상대적인 흐름 및 유속을 촉진시키고 나아가 반응기 벽에서의 열전달계수를 증가시킨다.
다른 언급이 없는 한 도 1B을 참조하면, 도 1B는 도 1A의 실시형태의 케이싱을 지나는 원주 표면을 나타낸다. 상기 케이싱은 채널을 형성하는 교차하는 매끄럽고 주름진 준 원추형 시트를 포함한다. 실선으로 나타낸 매끄러운 시트부(114)는 고체이고, 파선으로 나타낸 상기 매끄러운 시트부(124)는 관통되어 있다. 실선으로 나타낸 상기 주름진 시트부(117)는 고체이고, 파선으로 나타낸 상기 주름진 시트부(127)는 관통되어 있다. 채널(115)은 고체 표면으로 둘러싸여 있고, 채널(125)은 적어도 부분적으로 관통된 표면으로 둘러싸여 있다. 상기 매끄럽고 주름진 시트의 부분은 세 개의 채널과 나란한 채널(125)의 수직 스택과 원주 주위에 교차하는 채널(115)의 어느 한 채널과 나란하게 수직 또는 축방향 스택을 형성하도록 배열된다. 상기 스택들은 상기 반응기의 유입구로부터 유출구 또는 효과적인 열전달이 요구되는 부분에서 뻗어나온다. 채널(115)은 상기 채널의 길이방향을 따라 흐르는 경우 반응기 벽에 충돌하도록 원심력에 의해 유체를 유도한다. 채널(125)내의 유체는 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로의 흐름과 상기 반응기 벽으로부터 구심력에 의해 떨어져 흐르는 흐름 모두를 야기하기 위해 상기 채널(125)을 사실상 횡단한다. 상기 매끄러운 시트와 주름진 시트에는 선택적으로 그로브(groves) 또는 딤플(dimples)이 상기 매끄러운 시트와 주름진 시트의 상대적인 위치들을 나타내는 장부촉이음(tongue and groove junctions)(130)을 형성하기 위해 형성될 수 있고, 이에 의해 상기 스택의 배열이 보장된다. 채널(125)을 둘러싸고있는 매끄러운 시트의 개방 또는 관통된 면적(open and perforated area)과 채 널(125)의 주어진 스택내의 나란한 채널수의 백분율은 상기 반응기 벽에서의 바람직한 열전달을 제공하기 위해 상기 케이싱을 지나 흐르는 유체에 대하여 충분히 낮은 압력강하에서 유체가 매끄럽고 관통된 표면을 지나 흐르도록 조절된다. 표면들(124)의 개방 또는 관통된 면적의 백분율은 상기 원뿔의 경사각과 주름의 단면 모양에 따라, 상기 코어의 있는 매끄러운 시트에서보다 더 높거나, 주어진 스택내의 나란한 채널(124)의 수는 증가될 수 있다.
다른 언급이 없는 한 도 1C를 참조하면, 도 1C는 도 1A의 일실시형태의 다른 주름 종단면의 케이싱을 통해 원주 표면(circumferential surface)을 나타낸다. 상기 케이싱은 교차하여 이들 사이에 채널들을 형성하는 매끄러운 준 원추형 시트와 주름진 준 원추형 시트를 포함한다. 실선으로 나타낸 상기 매끄러운 시트부(114)는 고체이고, 파선으로 나타낸 상기 매끄러운 시트부(124)는 관통되어 있다. 실선으로 나타낸 상기 주름진 시트부(117)는 고체이고, 파선으로 나타낸 상기 주름진 시트부(127)는 관통되어 있다. 채널(115)은 고체 표면들로 둘러싸여 있고, 채널(125)은 적어도 일부분이 관통된 표면들로 둘러싸여 있다. 상기 매끄러운 시트부와 주름진 시트부는 세 개의 채널들과 나란하게 채널(125)의 수직 스택과 원주방향으로 교차하는 채널(115)의 어느 한 채널과 나란하게 수직 스택을 형성하도록 배열된다. 상기 스택들은 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로 또는 효과적인 열전달이 요구되는 곳으로 뻗어나온다. 채널(125)은 유체가 상기 채널의 길이를 따라 흐를 때 반응기 벽에 충돌하도록 원심력에 의해 유체를 배향시킨다. 채널(125)에서의 유체는 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로의 흐름과 상기 반응기 벽으로 부터 구심력에 의해 떨어져 흐르는 흐름 모두를 야기하도록 상기 채널(125)을 사실적으로 횡단한다. 상기 매끄러운 시트와 주름진 시트에는 선택적으로 그로브(groves) 또는 딤플(dimples)이 상기 매끄러운 시트와 주름진 시트의 상대적인 위치들을 나타내는 장부촉이음(tongue and groove junctions)(130)을 형성하기 위해 형성될 수 있고, 이에 의해 상기 스택의 배열이 보장된다.
상기 주름형태는 아래로 향한 좁은 오목한 부분과 위로 향한 넓은 오목한 부분을 통합한 것이다. 도 1C의 주름 형태는 도 1B에서 나타낸 형태와 관련이 있는 채널(115)을 포함하는 스택의 더 균일한 너비를 허용한다.
다른 언급이 없는 한 도 1D를 참조하면, 도 1D는 도 1A의 반응기 실시형태를 통해 횡단면의 일부를 보여준다. 반응기(100)는 벽(103), 코어(110) 및 케이싱(120)을 구비한다. 상기 코어를 포함하는 구조물은 도시하지 않았다. 상기 케이싱 고체에서, 주름진 시트(117)는 주름진 고체에 의해 둘러싸인 채널의 스택들(118)과 분리되고, 관통된 매끄러운 시트와 주름진 시트에 의해서 적어도 부분적으로 둘러싸여 있는 채널의 스택(128)으로부터 주름진 시트를 분리한다. 교차하는 스택(118)과 스택(128)은 상기 반응기 벽의 원주 주위에 위치된다. 스택(118)에서 채널은 어느 하나의 채널과 나란하게 스택을 이루고, 채널들이 적어도 두 개의 채널들과 나란하게 원주방향으로 스택을 이루고 있는 스택(128)보다 원주방향으로 더욱 좁아진다. 스택(118)의 채널은 화살표(116)로 표시된 바와 같이 유체가 반응기 벽에 충돌하도록 원심력에 의해 유체를 배향시킨다. 스택(118)의 채널에 의해 상기 반응기 벽으로 흐르는 유체는 스택(118)을 빠져나와, 화살표(132)에 의해 표시 된 바와 같이 반응기 벽과 주름진 시트들 사이의 틈(131)을 경유하여 스택(128)으로 들어간다. 상기 반응기 벽 부근의 스택(128)으로 들어간 유체는 화살표(126)로 표시된 바와 같이 반응기로부터 구심력에 의해 되돌아간다.
상기 틈의 너비는 상기 반응기 벽에 가장 가까운 그들의 말단부에서 스택들(118)의 평균 원주 방향 너비의 배수이다. 상대적으로 열전달보다 압력 강화를 최소화시키는 것이 더 중요한 적용에서, 상기 배수는 약 0.5 내지 2.0의 범위일 수 있다. 상대적으로 압력 강화의 최소화보다 열전달의 달성이 더 중요한 적용들에서는 상기 배수는 약 0.1 내지 0.7의 범위일 수 있다. 상기 틈의 너비는 틈이 형성되기 전에 상기 주름진 시트 절단방법에 따라 균일하거나 톱니모양으로 될 수 있다. 상기 틈이 균일하지 않을 경우, 상기 틈의 너비에 대한 배수는 평균 틈 너비로 정의한다.
다른 언급이 없는 한 도 2A를 참조하면, 도 2A는 반응기 벽으로부터 및 반응기로의 모든 유체를 전달하기 위해 고체 벽을 갖는 채널이 제공되는 본 발명에 따른 케이싱의 다른 일실시형태를 나타낸다. 이는 원통형 반응기에 사용되기에 적합하다. 상기 코어와 반응기 벽 사이에 위치하는 교차하는 컬럼(column)은 각각 유체의 원심방향 흐름과 구심방향 흐름을 유도하는 날개(vanes)를 포함한다. 상기 반응기 유입구(미도시)는 케이싱(200)의 상부에 있고, 상기 반응기 유출구(미도시)는 하부에 있다. 케이싱(200)은 컬럼을 서로 분리하는 컬럼 분리벽(201)을 포함한다. 컬럼(202)은 나타낸 바와 같이 유체가 반응기의 유입구로부터 유출구로 또는 반응기의 상부로부터 하부로 흐를 때 반응기 벽으로부터 구심력에 의해 떨어지도록 유도하는 날개(vanes)(203)를 포함한다. 날개(vane)(203)의 상부 말단은 틈 간격(204)에 의해 반응기 벽으로부터 컬럼 분리벽을 분리하도록 반응기 벽에 접한다. 컬럼(205)은 반응기 벽에 충돌하도록 원심력에 의해 유체를 배향시키는 날개(206)과 틈 간격자(spacer)(207)를 포함한다. 상기 틈 간격자들의 하부 말단은 틈 간격(204)이 같은 틈 간격자(208)에 의해 반응기 벽으로부터 컬럼 분리벽을 분리하도록 상기 반응기 벽에 접한다. 반응기 부근의 컬럼 너비 간격자(209)와 상기 코어에 접해있는 컬럼 너비 간격자(210)는 각각 컬럼(205) 및 컬럼들(202) 원주 너비를 유지한다. 컬럼(202) 및 컬럼(205)의 너비는 서로 동일하다. 컬럼 너비 간격자(209)는 간격자(210)보다 넓기 때문에 상기 케이싱은 상기 반응기 벽의 곡률을 따른다. 건조된 딤플(211)은 적당한 위치에 있는 상기 날개를 고정하기 위해 상기 날개 양면의 컬럼 분리벽 안으로 눌려질 수 있다. 화살표(212)는 유체가 상기 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐르는 경우 날개(206) 사이의 컬럼(205)을 거쳐 첫 번째 접근하는 상기 반응기 벽의 케이싱을 통과하고, 다음으로 반응기 벽(미도시)에 충돌한 후, 컬럼(202)에 들어가기 위해 컬럼 분리 벽과 상기 반응기 벽 사이인 틈을 통해 원주 방향으로 측면회전하고, 유체가 반응기의 유입구로부터 유출구로 흐를 때 날개(203)에 의해 상기 반응기 벽으로부터 구심력에 의해 재배향되는 유체흐름의 방향을 나타낸다. 상기 케이싱은 상기 코어와 전체 반응기 원주 부근의 반응기 및 상기 반응기의 유입구에서 유출구까지의 반응기 벽들 사이에 위치한다.
다른 언급이 없는 한 도 2B를 참조하면, 도 2B는 도 2A에 나타난 케이싱을 건조하는 제작방법을 나타낸다. 상기 케이싱은 금속 시트(212)로 건조된다. 날 개(203) 및 틈 간격자(207)는 나타낸 바와 같이 세 말단이 절단되고 각각 점선(213) 및 점선(217)을 따라 약 45 °전방으로 접혀진다. 날개(206)는 나타낸 바와 같이 세 모서리들이 절단되고 점선(216)을 따라 후방으로 접혀진다. 상기 시트는 날개(203)의 면 근처의 점선(220)을 따라 전방으로 접혀지고. 날개(206)면 근처의 점선(221)을 따라 약 90°또는 컬럼 분리벽(201)이 날개(203) 및 날개(206)의 말단이 만날 때까지 후방으로 접혀진다. 컬럼 너비 간격자(209)와 컬럼 너비 간격자(210)는 바람직하게는 동일 높이에 존재한다. 상기 케이싱이 반응기 벽의 곡률에 순응하게하고, 상기 날개가 상기 분리 벽의 모든 부분에 접하도록 상기 날개(203)와 날개(206)의 너비는 점점 작아질 수 있고 컬럼 너비 간격자(209)의 너비는 컬럼 너비 간격자(210)의 너비보다 더 커질 수 있다. 접혀진 케이싱은 적합한 촉매 운반체와 활성 촉매로 코팅되고 코어와 반응기 벽 사이에 삽입된다.
다른 언급이 없는 한 도 3A를 참조하면, 도 3A는 본 발명에 따른 일실시형태의 종단면을 나타낸다. 촉매 반응기(300)는 유입구(301), 유출구(302) 및 원통형 반응기 벽(303)을 갖는다. 상기 내부 부피는 코어(304) 및 케이싱(305)을 포함한다. 상기 코어는 활성 촉매가 함침된 무작위적으로 충진된 고체 알루미나 구(spheres)를 포함한다. 상기 케이싱은 상기 반응기의 유입구로부터 유출구까지 반응기 벽의 모든 부분에서 상기 코어와 반응기 벽 사이에 존재한다. 상기 케이싱은 축 방향 공간에 의해 분리된 평평한 고리(306, 307)를 포함한다. 상기 케이싱과 상기 코어 사이 표면은 선택적으로 파선(308)으로 표시된 관통 벽을 포함할 수 있다. 상기 반응기를 통해 유입구 안으로 및 상기 유출구의 밖으로의 유체흐름 방 향은 화살표(309)로 나타낸다.
다른 언급이 없는 한 도 3B를 참조하면, 도 3B는 도 3A에 나타낸 도면의 반응기 벽 부근 확대도이다. 상기 케이싱(305)은 반응기 벽(303)에 접한다. 상기 케이싱은 내부의 평평한 고리(306) 및 외부의 평평한 고리(307)를 포함한다. 유체가 반응기의 유입구에서 유출구까지 흐를 때, 화살표(310)로 표시되는 바와 같이 유체가 반응기 벽에 원심력에 의해 흐르게 하고, 화살표(311)로 표시되는 바와 같이 반응기 벽으로부터 구심력에 의해 되돌아오게 하기 위한 교차 채널 또는 방해판(baffle)이 형성되도록 상기 내부 고리와 외부 고리는 서로 및 벽에 대해 위치한다. 채널을 통하여 흐르는 유체는 화살표(312)로 표기한 바와 같이 상기 반응기 벽에 원심력에 의해 충돌하고 구심력에 의해 흐르는 채널로 편향된다. 상기 케이싱의 유체 통로는 상기 코어의 유체 통로들과 소통한다. 선택적 관통 벽은 파선(308)으로 표시한 바와 같이 상기 케이싱과 코어 사이에 위치될 수 있다. 외부의 평평한 고리들은 상기 반응기 벽과 접하고 내부의 평평한 고리들의 외경보다 더 작은 내경을 갖는다. 내부의 평평한 고리들은 이들의 내경에서 코어에 접하게 되는데, 이는 상기 케이싱의 내경을 정의하고 상기 코어에서 상기 반응기 벽까지의 거리의 적어도 절반의 외경을 갖는다. 상기 내부 및 외부 고리들은 상기 반응기의 유입구로부터 유출구까지 교차하는 일련의 연속(alternating sequence)에 위치한다. 인접한 내부 고리들과 외부 고리들 사이의 공간은 일정하다. 내부 고리와 반응기 벽 사이의 틈은 인접한 내부 고리들과 외부 고리 사이의 축 방향거리와 동일하다. 상기 코어에서 상기 반응기 벽까지의 거리는 상기 반응기 벽의 내부로부터 상기 반응기의 축까지 거리의 약 0.01 내지 0.4배이고 바람직하게는 00.05 내지 0.2 배이다. 상기 내부 및 외부 고리들은 종 지지체(longitudinal supports) 또는 받침대(struts)(미도시)에 의해 고정된다.
도 2B에 나타낸 바와 같이 케이싱을 사용하는 실시형태의 실시예로서, 하기의 치수(dimension)가 사용될 수 있다. 상기 케이싱의 부분들에 대한 참조 번호는 도 2B의 참조번호를 의미한다. 상기 실시예는 100 mm의 내경, 13 mm의 두께, 10 미터 길이의 벽, 상부 말단 유입구 및 하부 말단 유출구를 구비하는 수소 제조용 증기 개질 반응기에 속한다. 상기 코어 직경은 80 mm이다. 상기 케이싱은 상기 코어로부터 상기 반응기까지 10 mm 뻗어나온다. 상기 케이싱은 상기 반응기 벽에서 대략 3.9 mm 너비인 80 개 컬럼으로 나누어진다. 상기 반응기의 축방향으로 0.2 mm 두께, 945 mm 너비 및 500 mm 길이의 금속 시트는 상기 케이싱 기질에 사용된다. 컬럼 분리 벽은 컬럼 분리 벽과 상기 반응기 벽 사이의 2.0 mm의 틈으로 떨어져있는 8.0 mm 너비이다. 날개(203)는 14.1 mm 길이, 절단 말단부 3.9 mm 너비 및 접혀진 말단부에서 3.5 mm 너비이다. 날개(206)는 11.4 mm 길이, 절단 말단부 3.5 mm 너비 및 접혀진 말단부에서 3.9 mm 너비이다. 틈 간격자(207)는 2.8 mm 길이, 3.9 mm 너비이다. 컬럼 너비 간격자(209)는 3 mm 높이, 3.9 mm 너비이다. 컬럼 너비 간격자(210)는 3 mm 높이 3.5 mm 너비이다. 간격자(209)와 간격자(210)는 바람직하게는 높이에 관계하여 배열된다. 날개(203)와 틈 간격자(207)는 접혀진 선(213)과 접혀진 선(217) 각각을 따라 45°전방으로 접혀지고 날개(206)은 접혀진 선(216) 따라 45°후방으로 접혀진다. 상기 시트는 날개(203)면 근처의 3.5 mm 떨어져있는 접혀진 선(220)을 따라 90 °전방으로 접혀진다. 상기 시트는 날개(206)면 근처의 3.9 mm 떨어져 있는 접혀진 선들(221)을 따라 90 °후방으로 접혀진다. 상기 케이싱은 관(tubular) 형태로 형성되고 첫번째와 마지막 컬럼 분리벽은 접혀짐으로써 서로 맞물릴 수 있다.
상기 코어는 80 mm 직경과 500 mm 길이의 중첩 모듈(nested modules)로 건조된 2004년 7월 7일에 '1차 및 2차 채널을 갖는 반응기'라는 명칭으로 Jonathan J. Feinstein에 의해 출원된 미국 특허 출원 제10/886237호의 실시예 1에서 나타낸 바와 같이 건조된다.
상기 코어와 케이싱은 알루미나를 포함하는 종래의 촉매 운반체로 코팅되고, 산화 니켈을 포함하는 적절한 활성 촉매로 함침되었다. 여러 개의 케이싱 어셈블리와 코어 어셈블리는 반응기를 채우기 위해 반응기 말단에서 말단까지 탑재된다. 공정 가스는 증기 개질을 수행하기 위해 반응기를 통해 흐르게 한다.

Claims (3)

  1. 유입구, 유출구, 반응기 벽, 반응기 축 부근의 코어 구조물 및 상기 코어와 반응기 벽사이의 모노리스 케이싱 구조물을 포함하며, 상기 코어 또는 케이싱의 적어도 일부 표면은 촉매가 코팅되고, 상기 케이싱은 85°이하의 입사각으로 원심력에 의해 상기 반응기 벽에 충돌하도록 반응기를 통과하는 유체를 배향시키는 채널을 포함하고, 상기 코어는 공극 또는 공극과 소통하는 통로 또는 상기 케이싱에 있는 통로들을 구비하고 상기 코어는 하기의 방식 중 적어도 하나에서 상기 케이싱과 상이한 코어를 촉매 반응기.
    a. 상기 코어는 모노리스가 아니다.
    b, 상기 코어는 상기 케이싱 보다 적어도 10 % 더 낮은 공극율을 갖는다.
    c. 상기 코어에 있는 통로는 상기 케이싱에 있는 통로보다 적어도 10 % 더 큰 평균수력직경을 갖는다.
    d. 상기 코어는 상기 케이싱 보다 유체가 상기 유입구에서 상기 유출구까지 흐르는 경우 원심력에 의해 유체를 배향시키는 적어도 10 % 더 낮은 퍼센트(%) 채널부피를 갖는다.
  2. 제1항에 있어서, 상기 모노리스는 시트금속기판을 포함하는 촉매 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 반응기는 증기 개질 또는 내연 기관으로부터 나오는 방출물의 후처리를 위해 사용되는 촉매 반응기.
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