KR20070100676A - 고온 산업 공정에서의 향상된 안전 특성을 가진 장치 - Google Patents

고온 산업 공정에서의 향상된 안전 특성을 가진 장치 Download PDF

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데이비드 마크 버저론
마이클 스텐리 데커시
애론 앤젤 쿠인타닐라
파울 프랜시스 발레리오
주니어 제임스 우드로우 빈슨
데이비드 알렉 윌리암스
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롬 앤드 하스 캄파니
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Abstract

화학 공정들 또는 다른 시스템들에의 사용을 위한 원뿔형 반응장치 헤드가 제공된다. 상기 반응장치 헤드는 상기 반응장치 헤드가 고온에서 자체 복사를 하는 것을 허용하는 것에 의해 안전성을 유지하는 동안 효율을 높이는 강한 내부 단열부를 포함한다. 상기 반응장치 헤드는 또한 상기 반응장치 헤드가 지면에 놓여있을 때 긁힘이나 다른 손상으로부터 하부 플랜지를 보호하기 위해 수개의 지지 돌출부를 포함한다. 상기 반응장치 헤드는 원통 바깥으로부터 촉매나 다른 장비들의 쉬운 장착이나 제거를 촉진하기 위해 특별히 설계되는 촉매 함유 원통과 연결되도록 조정된다. 상기 반응장치는 반응장치의 효율을 증가시키고 촉매를 길게하기 위해 반응장치의 입구에서 층류 유동을 일으키는 회전날개와 연결될 수 있다.
반응장치, 리액터, 헤드, 단열, 플랜지, 촉매, 회전날개

Description

고온 산업 공정에서의 향상된 안전 특성을 가진 장치{APPARATUS WITH IMPROVED SAFETY FEATURES FOR HIGH TEMPERATURE INDUSTRIAL PROCESSES}
본 발명은 일반적으로 고온 산업 공정에 관한 것이고, 보다 상세하게는 반응장치와 관련되는 공정에서의 그 사용에 관한 것이다.
반응장치를 사용하는 청산(hydrogen cyanide)과 질산(nitric acid)과 같은 화학물의 생산이 종래에 알려져 있었다. 예를들면, 열이 백금 촉매의 존재하에 공기와의 동시 반응에 의해 공급되는, 암모니아와 탄화수소로부터 청산의 단일상 합성은 안드루소우(Andryssow)의 미국특허 1,934,838에 게재되어 있다. 상기 공정과 관련하여 수많은 개조와 발전이 다른 특허들에 서술되어 있다.
효율을 증대하기 위해, 종종 열 손실을 막기 위해 단열부가 반응장치의 외부에 더해진다. 그러나, 상기 반응장치를 구성하는 금속들은 반응장치가 안전하게 작동할 수 있도록 온도를 제한한다. 종종 물 자켓이 반응장치의 과열과 용기의 잠재적 파괴를 막기 위해 반응장치와 결합된다. 만약 물 자켓의 작동중의 간섭이 있는 경우, 외부적으로 단열된 반응장치에서 온도는 상기 반응장치 또는 플랜지 연결 또는 다른 용기 구성요소들의 파괴를 일으키는 레벨까지 올라가서 위험한 화학물질들 이 대기중으로 퍼지는 것을 허용할 수 있다. 외부 단열부는, 효율을 높이는 반면, 또한 반응장치의 파괴 가능성을 증가시킬 수 있다. 내화 금속으로 내부적으로 반응장치를 단열시키는 몇몇 시도가 있었으나 통상적으로 내화 금속은 열적 및 기계적 충격에 의한 크랙에 매우 민감하여, 상기 내화재의 손상없이 공정을 시작 또는 정지하거나 유지보수를 위해 반응장치의 헤드를 제거하는 것을 어렵거나 불가능하게 한다. 또한 내화재들은 상대적으로 낮은 인장력을 갖기 때문에 반구형의 또는 원뿔모양의 헤드의 내부표면에서와 같이 내화재가 버팀을 유지하기가 극도로 어렵다.
이에 더하여, 도 1에서 도시한 시스템에서와 같은 통상적인 반응장치 디자인은 유동 분리에 의한 좋지 않은 유동 분포를 보여준다. 도 1에서와 같이, 내화재4를 가진 반응장치2를 들어가는 좋지 않은 유동 분포는 반응장치2의 왼편에 역류를 일으킬 수 있어, 벽8에 분해와 그을음의 축적6을 일으킬 수 있다. 또한 도 1에서와 같이 난류의 추진 효과는 상기 유동이 단지 촉매9의 제한된 부분을 사용하기 때문에 촉매의 수명을 짧게 할 수 있다. 이에 더하여, 산소 농축 HNC 또는 산소 농축 암모니아 산화 반응물과 같은 높은 인화성의 공급 혼합물들에서, 도 1에 도시한 흐름 분포는 화염의 역류와 폭발의 심각한 가능성을 야기한다.
더불어, 반응장치 헤드는 통상적으로 큰 용접목 또는 반응장치 헤드를 지지하는 원통(barrel), 교환기, 또는 다른 장치들의 연결을 위한 겹이음 플랜지를 포함한다. 큰 용접목 또는 겹이음 플랜지는 종종 설계나 생산하기에 매우 비싸고, 밀봉면은 반응장치와, 예를들면, 원통 사이의 적절한 밀봉을 보장하도록 조심스럽게 유지되 어야만 한다. 상기 연결 면의 유지는 반응장치가 작동중일 때와 앤드루소우 공정에서의 HNC와 같은 잠재적으로 위험한, 고온 화합물을 내재할 때 매우 중요하다. 유지를 위해서나 또는 다른 이유로 반응장치 헤드를 움직여야 될 필요가 발생할 때, 운전자는 플랜지를 손상으로부터 보호하기 위해 극도로 조심해서 상기 반응장치가 빨리 작동하도록 해야한다. 종종 운전자는 단순히 반응장치를 나무 블록, 패드, 또는 플랜지를 보호하기 위한 몇몇의 다른 물질위에 놓을 것이고; 그리고 적절하게 놓여진다면 나무 블록이나 다른 패드가 가끔은 플랜지를 손상으로부터 보호하는데 충분하다고 할지라도, 만약 운전자가 플랜지를 막는 데 실패하고 반응장치 헤드를 통상적인 플랜트 격자위에 직접 놓는다면, 플랜지 표면의 반응장치 헤드의 무게는 플랜지를 못쓰게 만들 것이다.(만약 플랜지 표면이 긁히거나 휘어지면, 플랜지는 적절히 밀봉하지 못할 것이다.)
마지막으로, 반응장치의 헤드가 놓여있는 통상적인 원통의 높이는 촉매, 분배물, 지지물 또는 상기 원통안에 위치하는 다른 부품들과 같은 것들을 삽입하거나 제거하는 것에 대한 어려움을 야기한다. 종종 상기 원통의 벽은 4 피트(feet) 또는 그 이상의 높이이고, 운전자가 플랫폼으로부터 벽을 넘어서 오르는 것과, 촉매를 주입하거나 바꾸기위해 완전히 원통안에 들어가는 것을 요구한다. 상기 원통안에 들어가고 나오는데 시간을 소요하는 것 뿐 아니라, 상기 원통은 한정된 공간으로 분류되고, 한정된 공간으로의 출입은 허가, 호흡을 위한 공기의 공급, 구멍 탐지기와 같은 작업을 하는 다른 작업자의 주의와 유용성을 요구하고, 종종 다른 비싸고 시간을 소요하는 안전 예방조치를 요구한다. 이러한 예방조치들을 위한 필요들을 제 거하고 촉매의 투입을 쉽게 하는 설계가 요구되고 있는 것이다.
본 발명은 상술한 문제들의 하나 또는 그 이상을 극복하는, 또는 적어도 그 영향을 줄이기 위한 것이다.
하나의 실시예에서는 적어도 하나의 플랜지에 부착된 적어도 하나의 지지 돌출부(support lug)에 의해 기계적인 손상으로부터 보호되는 적어도 하나의 플랜지 연결의 적어도 하나의 플랜지를 가진, 적어도 하나의 플랜지 연결을 포함하는 고온 산업 공정을 위한 장치가 개시되어 있다. 상기 장치는 추가적으로 적어도 하나의 플랜지에 부착되고, 1/2 파이프로 만들어지는 냉각 자켓을 포함한다.
다른 실시예에서는 적어도 하나의 플랜지 연결을 포함하는 고온 산업 공정을 위한 장치가 서술되는데, 상기 플랜지 연결에서 상기 플랜지는 부착된 1/2 파이프 냉각 자켓에 의해 냉각된다.
몇몇의 실시예에서는 고온 산업 공정을 위한 장치는 전환 부분이 내화 세라믹 섬유로 만들어진 내부 단열부를 포함하는, 첫번째 단면 크기의 입구 배관 부분, 두번째 단면 크기의 하류 공정 부분, 및 입구 배관 부분과 하류 공정 부분을 연결하는 입구 전환 부분을 포함한다. 상기 두번째 단면 크기는 첫번째 단면 크기보다 크고, 상기 내부 단열부는 원뿔형의 내부 표면을 형성할 수 있다. 더불어, 상기 입구 전환 부분은 반구형으로 형성될 수 있다. 전환 부분은 흐름 공정 부분으로의 플랜지 연결을 포함한 반응장치 헤드가 될 수 있다.
몇몇의 실시예에서는 하나 또는 그 이상의 시창(sight glass) 노즐이 포함된다. 층류 속도 분포는 또한 입구 전환 부분의 상류 끝에서 층류 흐름을 제공하기 위한 입구 배관 부분을 포함하는 충분한 길이의 직선 파이프; 입구 배관 부분 내에 배치되는 적어도 하나의 CRT; 입구 전환 부분의 상류 끝에 위치하는 LAD; 및 입구 전환 부분의 상류 끝에 위치하는 EHD 중의 적어도 하나를 사용하여 하류 공정 부분 내에서 얻어질 수 있다.
고온 산업 공정의 다른 실시예는 첫번째 단면 크기를 갖는 공정 부분, 상기 첫번째 단면 크기보다 작은 두번째 단면 크기를 갖는 출구 배관; 및 상기 출구 배관 부분과 공정 부분을 원뿔형의 출구 전환 내부 표면으로 연결하는 출구 전환 부분을 포함한다.
고온 산업 공정의 다른 실시예 역시 하부 플랜지를 갖는 반응장치 헤드, 및 하류 공정 부분 상부 플랜지의 작업 높이가 약 2.0 에서 3.5 피트(feet) 사이인 상부 플랜지를 가진 하류 공정 부분을 포함한다.
본 발명의 다른 실시예는 내부 단열부가 하나 또는 그 이상의 장치 단면들에 포함되고, 상기 단열부가 내화 세라믹 섬유로 구성되는, 입구 배관 부분, 입구 전환 부분, 공정 부분, 출구 전환 부분, 및 출구 배관 부분을 포함한다. 상기 실시예에서 상기 입구 전환 부분은 추가적으로 원뿔형의 내부 표면을 포함하고, 상기 출구 전환 부분은 원뿔형의 내부 표면을 추가적으로 포함한다. 상기 장치는 추가적으로 입구 전환 부분과 공정 부분 사이에서 첫번째와 두번째 플랜지를 갖는 플랜지 연결 을 포함하고, 적어도 하나의 첫번째와 두번째 플랜지는 그곳에 부착되는 냉각 자켓을 포함한다.
또한, 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 및 적어도 하나의 산소 함유 가스를 제공하고, 장치안에서 청산(hydrogen cyanide)을 형성하기 위해 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 및 적어도 하나의 산소 함유 가스를 반응하는, 그리고 장치내의 적어도 하나의 산소 함유 가스와의 동시 연소 반응에 의해 열을 공급하는 단계를 포함하는 청산(hydrogen cyanide)을 생산하는 공정이 설명되어 있고 ; 상기 장치는 적어도 하나의 플랜지 연결의 적어도 하나의 플랜지가 적어도 하나의 플랜지에 부착된 적어도 하나의 지지 돌출부에 의해 기계적인 손상이 방지되는 적어도 하나의 플랜지 연결로 구성된다.
본 발명에는 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 적어도 하나의 산소 함유 가스를 제공하는; 청산(hydrogen cyanide)을 형성하기 위한 장치 내에서 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 적어도 하나의 산소 함유 가스를 반응하는; 그리고 장치내의 적어도 하나의 산소 함유 가스와의 동시 연소 반응에 의해 열을 공급하는 것을 포함하는 청산(hydrogen cyanide)을 생산하는 공정이 나타나있다. 상기 공정에서 상기 장치는, 전환 부분이 내화 세라믹 섬유로 되어있는 내부 단열부로 구성되는, 첫번째 단면 크기의 입구 배관 부분, 두번째 단면 크기의 하류 공정 부분, 입구 배관 부분과 하류 공정 부분을 연결하는 입구 전환 부분을 포함할 수 있다.
하나의 실시예에서 반응장치 헤드 및, 단열부가 내화 세라믹 섬유를 포함하는, 내 부 단열부를 포함하는 장치가 나타나있다. 상기 반응장치 헤드는 화학적 공정을 촉진하기 위해 유체 흐름과 연결되도록 조정된다. 상기 실시예에서 원뿔형 반응장치 헤드 벽과 수직선 사이의 각은 약 25°보다 작다. 상기 단열부는 원뿔형 반응장치와 단열부 모두를 통해 확장된 적어도 하나의 슬리브(sleeve)에 의해 위치를 유지하게 되고, 상기 단열부는 추가적으로 반응장치 헤드 입구를 통해 확장되는 칼라에 의해 지지될 수 있다. 상기 반응장치 헤드는 원뿔형 또는 반구형이 될 수 있다. 상기 장치는 청산(hydrogen cyanide) 또는 다른 생산물을 생산하는데 사용될 수 있다.
하나의 실시예에서 상기 장치는 추가적으로 반응장치 헤드 주위에 배치되는 냉각 자켓을 포함한다. 상기 냉각 자켓은 원뿔형의 반응장치의 외부 표면에 부착된 하프 파이프(half pipe)로 만들어 진다. 상기 장치는 반응장치 헤드의 상류의 유동 직선화 날개(vane)들의 사용을 포함할 수 있도록 의도된다.
하나의 실시예에서 반응장치 헤드, 주위의 표면과 연결 표면을 갖는 적어도 하나의 플랜지, 화학적 공정 유닛 내의 맞물리는 플랜지와 연결되도록 조정되는 상기 연결 표면, 적어도 하나의 플랜지와 부착되고 반응장치 헤드를 지지할 수 있는 적어도 하나의 지지 돌출부가 나타나 있는데 연결 표면과 지지 돌출부 사이에서 간격이 생성되도록 적어도 하나의 지지 돌출부는 주위 및 연결 표면으로부터 확장된다. 상기 실시예에서 의도한 것은 적어도 하나의 플랜지에 부착되고 반응장치 헤드를 지지할 수 있는 하나 또는 그 이상의 추가적인 지지 돌출부가 될 수 있다. 적어도 두개의 지지 돌출부는 일반적으로 U자형이고 적어도 하나의 플랜지에 연결된 냉각 자켓 주위로 확장될 수 있다. 상기 적어도 두개의 지지 돌출부는 또한 일반적으로 적어도 두개의 지지 돌출부의 냉각을 촉진하기 위해 그것들을 관통하여 뚫린 원형의 구멍을 가질 수 있다.
하나의 실시예에서 반응장치 헤드, 상기 반응장치 헤드와 연결되도록 조정된 촉매 함유 원통이 나타나 있는데, 상기 촉매 함유 원통은 약 2.0에서 3.5 피트(feet) 사이의 작업 수직 높이를 보여주며, 촉매나 촉매 함유 원통이 상기 반응장치 헤드로부터 연결되지 않을 때 상기 원통의 지름 밖에 서있는 하나 또는 그 이상의 운전자에 의해 제공되는 다른 장치들의 수용을 촉진하기 위해 조정된다. 다른 응용에서, 운전자는 촉매나 다른 장치를 장착하는 것을 돕기 위해 기중기 또는 다른 장치를 사용할 수 있으나, 운전자는 상기 원통의 외부에 남아있을 수 있다.
하나의 실시예에서 반응장치 헤드, 반응장치 헤드와 연결되도록 조정된 촉매 함유 원통, 및 열전대 또는 다른 기구를 수용하기 위해 조정된 내부 통로를 갖는, 상기 촉매 높이와 내부 통로 사이를 직선으로 볼 수 없는 것 같은 수직이 아닌 각에서 촉매 함유 원통의 측면에 연결되는, 적어도 하나의 열전대 노즐을 포함하는 장치가 보여진다.
또한 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 적어도 하나의 산소 함유 가스를 제공하는, 청산(hydrogen cyanide)을 형성하기 위한 반응장치 내에서 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 적어도 하나의 산소 함유 가스와 반응하는, 그리고 반응장치 내의 적어도 하나의 산소 함유 가스와의 동시 연소 반응에 의해 열을 공급하는 것을 포함하는 청산(hydrogen cyanide)을 생산하 는 공정이 나타나있다. 상기 공정에서 상기 반응장치는 반응장치 헤드, 촉매 함유 원통 부재, 및 내화 세라믹 섬유로 구성되고 상기 반응장치 헤드로 삽입할 수 있는 단열부를 포함하도록 의도된다.
본 발명에 의하면, 내부 단열부를 사용함으로써 효율을 증대할 수 있으며, 층류 유동을 형성하는 것을 가능하도록 하여 유동 분리에 의한 좋지 않은 유동 분포의 형성을 방지하고 화염의 역류와 폭발의 심각한 가능성을 제거할 수 있다.
또한 본 발명에 의하면, 적절한 밀봉을 제공할 수 있으며, 촉매, 분배물, 지지물 또는 상기 원통안에 위치하는 다른 부품들과 같은 것들을 삽입하거나 제거하는 것을 손쉽게 할 수 있는 유리한 효과가 있다.
본 발명의 상술할 그리고 다른 특징과 양상(aspect)은 이어지는 상세한 설명을 읽음으로써 그리고 도면을 참고함으로써 명백해질 것이다.
본 발명은 수많은 개조와 대체되는 형상에 영향을 받기 쉬움에도 불구하고, 본 발명의 특정한 실시예들이 도면에 예시의 방법으로 도시되어 있고 이하에 상세하게 설명된다. 그러나 특정한 실시예의 여기서의 설명이 본 발명을 나타난 특정한 형식으로 한정하려는 것이 아님은 쉽게 이해될 것이나, 반대로, 상기 의도는 첨부되는 청구항에 의해 정의되는 바와 같이 본 발명의 정신과 범위내의 모든 개조물, 등가물, 및 대체물을 포함하도록 한다.
본 발명의 서술된 실시예들은 아래에 상술된다. 명확성을 위해서 본 명세서에는 실제 장치의 모든 특성이 설명되어 있지는 않다. 이것은 물론 어떠한 실제 실시예의 개발에 있어서, 하나의 기구에서 다른 것으로 변하는, 시스템에 관계된 그리고 사업에 관계된 제한 조건들에 따르는 것과 같이, 수많은 기능의 특정한 결정은 개발자의 특정한 목적을 성취하도록 내려져야 한다는 것이 이해될 것이다. 이에 더하여, 상기 개발 노력은 복잡하고 시간을 소요하는 것이 될 것이나, 그럼에도 불구하고 본 개시내용의 이익을 얻는 당업자에게는 손쉽고 일상적인 작업일 것이다.
도 2의 도면으로 돌아가서, 본 발명의 하나의 실시예와 일치하는 원뿔형 반응장치 헤드 10이 나타나있다. 원뿔형 반응장치 헤드 10은 화학적 공정중의 맞물리는 플랜지 13( 도 16에 도시된 ) 과 연결되도록 조정되는 상부 플랜지 12를 포함한다. 상부 플랜지 12는 반응장치 입구 안에 동심으로 위치한 강체 칼라 16을 임의적으로 가진, 반응장치 입구 14와 인접해 있다. 칼라 16은 좀더 상세하게 도 4와 도 4a에 나타나 있고 통상적으로 스테인리스 스틸로 구성된다. 칼라 16은 일반적으로 실린더모양이고 상기 칼라가 반응장치 헤드 10으로 떨어지는 것을 방지하는 립 15를 제시하고 상부 플랜지 12와 맞물리는 플랜지 13 사이에서 밀봉될 수 있다. 칼라 16은 단열부 40(본 명세서에서 상세히 후술되는)이 위치하는 것을 돕는다.
입구 14는 원뿔형의 측면부재 18에 인접한다. 측면부재 18은 확장된 영역을 형성하고 입구로부터의 층류 유동의 유지를 촉진한다. 만약 상기 유동이 입구에서 층류라면, 상기 유동은 측면부재 18과 수직선 20 사이의 각 22가 약 25°보다 작다면 결착된 상태를 유지하려는 경향을 보일 것이다. 도 2에 도시한 실시예에 의하면, 각 20은 약 21°이다. 각 22의 약간의 변화는 본 발명의 범위, 즉 상기 각은 약 25°또는 결착된 층류 유동을 촉진시키는 어떠한 다른 각 보다 작은 어떤 것이라도 가능한 범위 내에 있다는 것이 이해될 것이다. 각 22는 또한 상부에서 하부로 단열부 40의 두께를 변화하는 것에 의해 적절하게 변화될 수 있다. 반응장치 헤드 10은 꼭 원뿔형이 아니고 원뿔 모양과 일치하는 층류 유동(즉, 도 20에 도시한 바와 같이)을 만들기 위한 큰 각의 디퓨져(large angle diffuser, LAD) 또는 타원형의 헤드 디퓨져(Elliptical Head Diffuser, EHD)와 연결된 어떠한 통상적인 형상이 가능하다는 것 또한 이해될 것이다. 큰 각의 디퓨져(large angle diffuser, LAD)와 EHD는 코치-글리티쉬(Koch-Glitsch)사로부터 사용할 수 있다. 층류유동은 화염의 역류를 방지하는 장점을 제공하는데, 만약 그렇지 않으면 난류 유동을 생성할 것이고/분리된 영역을 흐를 것이다. 도 1을 다시 언급하자면, 역류가 생성되는 때에 도 16에서 도시한 것과 같이 층류 유동에는 보이지 않는 화염의 역류와 폭발의 증가된 위험이 나타난다.
측면 부재 18에 부착된 것은 복수개의 승강 돌출부(lifting lug) 24이다. 바람직하게는, 도 3에 도시한 바와 같이, 세개의 승강 돌출부 24가 측면부재 18의 외측 표면 44에 똑같은 간격으로 설치된다. 승강 돌출부 24는 훅(hook), 케이블 또는 다른 승강 시스템 부속물(도시하지 않음)을 수령하기 위해 조정되는 작은 구멍(eyelet) 26을 보인다. 승강 돌출부 24는 반응장치 헤드 10의 전체 무게를 지지하기 위해서 설계되었고, 그 운반을 원활하게 한다.
측면부재 18은 상부 플랜지 12과 부착된 부분과 반대쪽으로 하부 플랜지 28과 만난다. 상부 및 하부 플랜지들 12와 28은 바람직하게는 용접목 플랜지들이나, 랩 조 인트 플랜지와 같은 다른 플랜지들이 또한 사용될 수 있다. 본 발명에 의해 당업자는 용접목 플랜지들은 특별히 매우 높은 자리받침 응력(seating stress)을 요구하는 구형(spiral)으로 감겨진 가스켓들(도시되지 않음)에 유용하다는 것을 인지하게될 것이다; 구형으로 감겨진 가스켓들은 HNC 생산과 같은 임계 작업 응용에 선호된다. 상부 플랜지 12 와 하부 플랜지 28을 식별하기 위해 사용되는 "상부" 및 "하부"는 도면에 도시한 바와 같이 단지 반응장치 헤드 10의 방향을 언급한다는 것이 이해될 것이다. 반응장치 헤드 10의 방향은 어떠한 적절한 위치로 수정될 수 있다. 도 2에 도시한 실시예에서와 같이, 플랜지 냉각 자켓 30은 하부 플랜지 28에 부착된다. 플랜지 냉각 자켓 30은 도 2와 도 6에 도시된 바와 같이 하부 플랜지 28에 직접 용접된 하프 파이프(half-pipe)로 구성된다. 냉각 자켓 30은 입구 32와 출구 34를 포함한다. 출구 34는 도 3에 도시된다. 측면부재 18은 또한 냉각 자켓 92를 포함한다. 냉각 자켓 92는 도2에는 도시되어 있지 않으나 도 2a에서 볼 수 있다. 냉각 자켓 92는 입구(도시되지 않음)와 출구 94를 포함한다. 냉각 자켓 92은 또한 도 2a에 도시된 형태와 같이 측면부재 18에 직접 용접된 하프 파이프(half-pipe)로 구성된다. 이러한 냉각 자켓 입구/출구들은 스테인리스 스틸로 꼬아진 호스 91에 의해 그들의 결합된 냉각 자켓들을 냉각 중간 소스로 연결하는 플랜지들로 구성된다. 바람직한 실시예에서, 몇몇의 자켓들은 직렬로 연결될 수 있다 - 즉, 하나의 자켓의 출구 플랜지는 다른 자켓의 입구 플랜지로 연결될 수 있다. 몇몇의 실시예에서 상기 입구/출구 플랜지들은 같이 삭제되고 냉각 중간 소스로의 연속적인 배관(도시되지 않음- 이는, 예를들면, 물 공급 헤더(water supply header)가 될 수 있다.)으로 대체될 수 있다. 몇몇 실시예에서는 반응장치 헤드 10과 결합된 냉각 자켓이 전혀 나타나있지 않다.
하부 플랜지 28에 인접하여 복수개의 시창(sight glass) 노즐 36 및 38이 위치한다. 시창노즐 36의 단면은 도 2에 도시된다. 도 3은 시창노즐 36과 시창노즐 38 양자의 바람직한 실시예를 평면도로 나타낸다. 선택적으로, 단지 시창노즐 36은 반응장치에 포함된다. 몇몇 실시예에서 상기 시창(sight glass)들은 완전히 생략된다. 시창노즐 36과 38은 측면부재 18을 통해 반응장치 헤드 10의 내부로 확장된다. 시창(sight glass)들 36 및 38은 운전자가 내부 반응을 보는 것을 가능하게 한다. 시창노즐 36 및 38은 선택적으로 샘플링 연결들로 사용되거나 또는 열전대들, 압력계들 및 점화기들을 포함하는, 그러나 한정되지는 않는, 다른 기구들을 위한 도관으로 사용될 수 있다.
반응장치 헤드 10은 반응장치의 내부 벽 42에 인접한 내부 단열부 40을 포함한다. 단열부 40은 바람직하게는 알루미나 및/또는 실리카 세라믹 섬유로 만들어지고 또한 바인더를 포함한다. 예를 들면, 단열부 40은 Rex Roto 사로부터 사용할 수 있는 필로라이트(Pylolite®)(바인더를 포함하는) 또는 Rath Performance Fibers 사로부터 사용할 수 있는 K-mode 세라믹 섬유 모듈들(바인더를 포함하지 않는)을 포함할 수 있다. 반응장치 헤드 10 내의 단열부 40의 위치는 과열의 위험없이 또는 외부 단열과 연관된 반응장치 헤드의 파괴없이 열 손실을 줄이는 것에 의한 증가된 효율의 장점을 제공한다. 반응장치 헤드 10과 다른 통상적인 반응장치들이 냉각시스템들을 갖는 반면에, 냉각 시스템이 파괴되는 때, 반응장치 10의 내부로 전달되 는 열은 금속 반응장치의 온도가 올라가는 것을 야기할 수 있다. 상기 온도는 플랜지나 반응장치 자체가 금속의 항복점에 달하는 온도에 의해 파괴될 때까지 계속 오를 수 있다. 과도한 온도에 의해 반응장치가 파괴되거나 또는 플랜지가 휘어질 때, 그안에 함유된 잠재적으로 위험한 화학물질들이 누출될 수 있다. 그러나, 단지 반응장치 헤드 10 내의 내부 단열부 40을 사용함으로써, 반응장치 헤드 10은 셀프-라디에이터 (self-radiator)처럼 사용되는 것이 가능하다. 즉, 외부 표면 44가 대기로 열을 복사하는 것이 자유스럽다. 이것은 반응장치 헤드 10에 그 자신의 온도를 자체적으로 제한하는 장점을 준다. 반응장치 헤드 10의 온도가 냉각 시스템 파괴 시에 보통의 작동 온도를 넘어서 오르더라도, 자체 냉각 능력은 차선의 냉각 메커니즘을 제공한다; 결국 반응장치 10의 외부 표면 44로부터의 열의 복사는 반응장치 내부로 전달되는 열과 같아질 것이고 정상상태(steady state)에 도달할 것이다. 예를 들면, 반응장치 헤드 10 내에 단열부 40을 보유하는 HNC 공정에서, 반응장치 헤드 10은 금속의 항복온도 아래의 화씨 수백도로 자체 제한한다. 그러므로, 단열부 40의 사용은 냉각 파괴시에 안전성을 손상하지 않고 열 손실을 최소화한다. 사실, 몇몇 실시예에서는 냉각 시스템의 사용을 완전히 없애는 것이 바람직할 것이다. 종전 반응장치는 주변으로의 에너지의 손실을 최소화하기 위해 반응장치 벽 내부에 내화 금속을 포함했으나, 종전기술에서 설명한 바와 같이, 내화재들은 무겁고, 깨지기 쉬우며, 유지 보수가 어렵고, 그리고 기계적 및 열적 충격에 의한 크랙에 민감하다. 내화재를 담고 있는 원뿔형의 헤드는 만들기가 매우 어렵고, 내화재 함유 헤드는 내화재의 크랙의 현저한 가능성 없이 유지보수나 다른 이유를 위해 쉽 게 옮기는 것이 불가능하다. 유리하게는, 본 발명은 가볍고, 열적으로 그리고 기계적으로 충격저항성을 갖고, 원뿔형 반응장치 안에 장착과 유지보수가 쉬운 Pylolite® 또는 K-modTM 을 단열부 40로 사용하도록 의도한다. 단열부 40은 통상적으로 반응장치 헤드 10과 맞물리도록 그리고 크랙의 위험 없이 반응장치 안으로/밖으로 미끌어지도록 원뿔형으로 제작될 수 있다. Pylolite®과 K-modTM 은 상기 반응장치가 통상적으로 내부 내화재 시스템에서 요구되는 현저히 특별한 주의 없이 들어 올려지고 운반되는 것을 허용할 만큼 충분히 내구성이 있다. 도 2에 도시한 실시예에서, 단열부 40은 본질적으로 반응장치 헤드 10의 내부 벽 42에 인접해있으나, 몇몇 실시예에서는 단열부 40은 블랭킷(blanket)(도시되지 않음) 또는 공기 간격(도시되지 않음)이 상기 단열부와 내부 벽 42 사이에 존재하는 것처럼 배열된다.
단열부 40은 칼라 16에 의해 반응장치 10내에 단단히 보관된다. 칼라 16은 반응장치 헤드 10으로 확장되고 외부 칼라 표면 17은 단열부 40의 상부 끝단 41이 대항하여 위치하는 강체 경계를 제공한다. 칼라 16은 또한 반응장치 헤드 10내에 들어오고 함유되는 가스들은 단열부 뒤로 이동하지 않는 것을 보증한다. 칼라 16의 사용에 더하여, 또는 선택적으로, 시창노즐 36 및 38 각각의 시창 슬리브(sight glass sleeve) 48는 상기 단열부가 제위치를 유지하도록 단열부 40을 통해 확장될 수 있다. 그러나, 도 16에 도시한 바와 같이, 단열부 40은 반응장치 10이 완전히 장착될 때는 완충하는 것이 요구되지 않으나 대신에 원통 52내에 부어지는 주조 가능한 내화재 50위에 위치할 수 있다. 내화재 50은 선택적으로 Pylolite®, K-modTM , 또 는 단지 내화 벽돌로 구성된다.
고온과 고압하에서의 화학 반응과 연관된 위험 때문에, 하부 플랜지 28은 맞물리는 표면 54이 반응장치 헤드 10과, 예를 들면, 원통 52와의 연결을 적절하게 밀봉하는 상태에 있는 것처럼 조심스럽게 생산되고 유지보수되어야 한다. 그러나 반응장치 헤드 10은 원통 52와의 사용으로 제한되지는 않고, 대신에 내부 원통들(도시하지 않음) 또는 다른 원통이 아닌 장치를 구성하는 열교환기에 직접 연결될 수 있다. 반응장치 헤드 10과 조합하여 사용되는 열교환기의 수많은 형태들의 예들이 여기에서 인용으로 받아들여진 출원중인 선행 특허 출원 U.S.60/141,769 에 설명되어 있다. 반응장치 헤드 10이 2,000 파운드(pound)를 초과할 것이기 때문에, 하부 플랜지 28은 상기 반응장치의 무게가 맞물리는 표면 54에 의해 견딜 수 있다면 쉽게 손상되거나 파괴될 수 있다. 적어도 상기 이유때문에, 복수개의 지지 돌출부, 예를 들면 U자형의 브라켓 56,58 및 60이 보다 유리하게 하부플랜지 28의 주위에 등거리로 배열된다. U자형의 브라켓 56은 도 5의 상세한 평면도에 도시되어 있고 모든 다른 지지 돌출부들이 도 8에 도시된다. 본 발명에 의해 당업자에 의해 U자형의 브라켓들과 같은 도면상에서 실시되는 지지 돌출부의 갯수, 공간, 및 상세한 것들은 변할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 5는 일반적으로 하부 플랜지 28에 부착되는 U자형의 브라켓 56 을 보여준다. U자형의 브라켓 56은 하부 플랜지 28의 주위와 플랜지 냉각 자켓 30을 넘어 확장된다. 도 6을 보면, U자형의 브라켓 56의 측면도가 하부 플랜지 28에 부착되어 도시되어 있다. 도면상에서, 하부 플랜지 28은 맞물리는 원통 플랜지 82에 인접하게 도시된다. U자형의 브라켓 56은 브라켓의 하부와 맞물리는 표면 사이에서 간격 66을 생성하도록 맞물리는 표면 54를 넘어 확장되는 받침대 64를 보여준다. 간격 66은 1/2 인치와 3인치 사이에서 측정될 수 있고, 바람직하게는 약 1¼인치이나, 필요하다면 어떠한 다른 간격도 형성될 수 있다. 본 발명에 의해 당업자는 간격 66은 원통 52 또는 다른 맞물리는 장치에 장착되는 반응장치 헤드 10을 간섭하지 않고 맞물리는 표면 54를 보호하는 어떠한 크기도 될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 간격 66은 보다 유리하게 반응장치 10이 원통 52와 다른 어떤 곳에 위치할 때 맞물리는 표면 54의 보호를 제공한다. 예를 들어, 만약 반응장치 10이 바닥에 설치된다면, 맞물리는 표면과 바닥 사이의 직접적인 접촉으로 인한 긁힘 및/또는 다른 손상으로부터 맞물리는 표면 54를 보호하기 위해 하부 플랜지 28 밑에 어떠한 것도 설치할 필요가 없다. U자형의 브라켓56,58, 및 60은 맞물리는 표면 54가 바닥 또는 다른 지지 표면들과 접촉하는 것을 허용하지 않고도 반응장치 헤드 10의 전체 무게를 지지할 수 있다. 본 발명에 의해 당업자는, 몇몇 다중 구성요소의 실시예에서, 여기에서 인용으로 받아들여진, EP847372(A1)에 개시된 반응장치와 같이, 복수개의 지지 돌출부가 다중 플랜지들을 보호하기 위해 유익하게 채용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 7에서와 같이, U자형의 브라켓들 56,58, 및 60은 각각의 브라켓의 질량을 줄이고 각각의 냉각을 향상시키기 위한 원형의 구멍을 보여준다.
다음으로 도 9 및 도 10을 보면, 원통 52는 약간 상세하게 도시되어 있다. 원통 52는 일반적으로 원통형이고 촉매 68을 포함할 수 있다. 원통 52는 반응장치 헤드 10과 연결되도록 조정된다. 그러나, 도 9 및 도 10은 단지 원통 부분만을 보여준 다. 원통 52는 상부 원통 플랜지 82와 하부 원통 플랜지 84를 포함한다. 몇몇 실시예에서 플랜지 84는 벽 100과 열교환기(아래에서 도시되지 않음) 사이의 연속적인 연결과 함께 생략될 수 있다. 원통 52는 또한 세개의 냉각 자켓들(70,76, 및 86)을 포함한다. 원통 냉각 자켓 70은 입구 72와 출구 74를 포함한다. 상부 원통 플랜지 냉각 자켓 86은 그와 연결된 입구 88과 출구 90과 합체된다. 하부 원통 플랜지 냉각 자켓 76은 그와 연관된 입구 78과 출구 80을 포함한다. 냉각 자켓들 70, 76 및 86 각각은 도 10에 도시한 것과 같은 원통에 용접된 하프 파이프(half pipe)로 구성될 수 있다. 입구 72, 74, 78, 80, 88 및 90 각각은 스테인리스 스틸이 감긴 호스 91에 의해 그것들과 연관된 냉각 자켓들을 냉각 중간 소스와 연결한 (또는 냉각 자켓들이 하나의 소스와 직렬로 연결될 수 있는) 플랜지들로 구성된다. 그러나, 몇몇의 실시예에서 상기 입구/출구 플랜지들은 완전히 없앨 수 있고 냉각 중간 소스(도시되지 않음)로의 연속되는 배관에 의해 대치될 수 있으며, 더불어 다른 실시예들에서 냉각 자켓들이 전혀 없을 수도 있다.
원통 52의 높이는 보다 유리하게는 촉매들 68, 분배기들, 지지물들, 또는 상기 원통 안에 삽입되려는 의도의 다른 부품들을 포함하는 물건들의 쉬운 장착과 제거를 촉진하기 위해 설계된다. 배경기술 부분에서 상술된 바와 같이, 통상적인 원통으로는 촉매 또는 다른 물건들을 장착하는 것이 매우 어렵고 시간이 소비된다. 도 9와 도 10에 도시된 상기 원통 52는 상부 원통 플랜지 82에서 하부 원통 플랜지 84까지 약 1.5에서 2.5 피트(feet)의, 바람직하게는 1.75 피트(feet)의, 줄여진 크기의 D1으로 구성된다. 이 거리는, 예를 들어, 교환기(도시되지 않음)와 조합될 때, 플로어 또는 플랫폼 중의 하나에서부터 2.0에서 3.5 피트의, 적절하게는 3.0 피트의, 상부 원통 플랜지 82 까지의 작업높이가 된다. 2.0 에서 3.5 피트(feet)에서, 상부 원통 플랜지는 보통 사람의 허리 높이에 오고 보다 유리하게는 보통 사람이, 예를 들면, 원통 밖에서부터 촉매를 장착하거나 회수하기 위해 원통 52에 닿는 것을 허용한다. 도 19는 운전자에게 가까이 접근한 본 발명의 하나의 실시예를 도시한다. 도면에 도시한 바와 같이, 운전자는 내부를 오르지 않고도 편리하게 원통 안에 도달 할 수 있다. 그 결과로, 좁은 공간으로의 출입이 요구되지 않고, 조력자의 허락이나 예방조치의 필요를 제거할 수 있다. 또한 운전자가 촉매 또는 다른 내부 물건들에 닿거나 바꾸는 것을 가능하게 하는 도구 또는 어떠한 다른 장치의 사용의 필요가 없게된다. 예를 들어 촉매를 생각해보면, 촉매는 원통 안에 상부 원통 플랜지 82 로부터 대략 1 피트에 위치하게되나, 상기 원통은 운전자에 의해 쉽게 닿을 수 있는 어떠한 거리에서도 촉매를 수용할 수 있게끔 조정될 수 있다. 촉매가 상부 원통 플랜지 82로부터 놓이게 되는 거리의 범위는 약 3인치에서 2피트까지로 고려된다.
원통 52에는 또한 반응장치 내의 온도와 같은 상태들의 탐지를 촉진하기 위해 여러개의 계기 노즐(instrumentation nozzle)들 96 및 98이 있다. 통상적으로 열전대 와이어들이 위에서부터 반응장치 안으로 감겨지는데, 이것은 원통형 반응장치 헤드 10과 같은 큰 물건에서는 어려울 수 있다. 원통 52의 벽 100을 통해 보다 유리하게 상기 열전대(도시하지 않음)를 공급하는 것에 의해, 장착은 더 쉬워지고 상기 열전대는 쉽게 들어갈 수 있다. 계기 노즐 96 및 98은 열전대를 지지하고 상기 노 즐들의 냉각을 허용하기 위한 원통 냉각 자켓 70을 통해 확장하기 위해 조정된다. 계기 노즐 96 및 98은 촉매와 같이 원통 52의 외부와 대략 같은 높이에 위치한다. 그러나, 계기 노즐 96 및 98은 촉매 복사가 직접적으로 보이지 않는 것을 보증하도록 원통 52의 벽 100에 수직이 아닌 각(non-normal angle)으로 배열된다. 수직이 아닌 이라는 것은 계기 노즐 96 및 98이 90°가 아닌 다른 각에서 원통 벽 100과 만나거나 또는 상기 노즐들이 촉매에 대하여 평평한 높이에 있지 않다는 것을 의미한다. 이에 더하여, 노즐들 96 및 98은 열전대를 좀더 보호하기 위해 노즐 안에 삽입되는 단열부를 가질 수 있다. 개시된 실시예에서, 노즐 96과 벽 100 사이의 각은 약 77°이나, 0°와 180°사이의 다른 어떤 각을, 90°를 제외하고, 사용할 수 있다. 화학 반응에서의 에너지의 대다수는 복사로 전달되고, 그리고 만약 계기 노즐 96 및 98이 촉매 반응이 직접 보이는 원통 52와 수직이라면, 열은 노즐들 안으로 직접 들어오고 열전대(도시되지 않음)를 녹일 수 있다. 그러므로, 계기 노즐 96 및 98은 보다 유리하게 촉매 반응과 가까이 그러나 반응이 직접 보이는 선상에 있지 않도록 위치해야 하고, 이것은 열전대의 수명을 길게 할 수 있다.
계기 노즐 96 및 98은 선택적으로 공정 분석기 샘플 연결들, 압력계, 및 점화기를 포함하는, 그러나 이에 제한되지 않는, 많은 다른 장치를 위해 쓰일 수 있다.
다음으로 도면 11에서 16을 보면, 반응장치 10과 관련하여 사용하기 위한 유동 직선화 시스템이 개시되어 있다. 종래의 금속과 다른 촉매들과 관련한 높은 비용 때문에 촉매의 유용 수명을 증가하기 위해 촉매의 전 표면으로 유동을 유도하는 것이 바람직하다. 전형적인 반응장치 시스템에서, 갑작스런 확장을 통과해갈 때 잘 알 려져 있는 유체의 추진 효과는 유체의 대부분이 대략 입구 파이프와 같은 직경을 유지하게 한다. 유체가 촉매에 도달할 때, 통상적으로 중심 면적에서 80에서 90%의 유동을 받게되고 반면에 벽과 가까운 쪽의 촉매 부분은 메마르게 된다. 이에 더하여, 도 1에 도시된 것과 같은 상승류 형태들이 일어날 수 있고, 반응장치의 벽에서의 반응물 분해를 초래한다. 만약 층류 유동이 입구 배관에서 일어날 수 있고 반응장치가 점차적인 확장을 보인다면, 유동은 반응장치 벽에 결착되어 유지되고 전체 촉매 표면으로 유동의 더 많은 균일한 분배를 이끌 것이다. 대략 25°보다 작은 확장각은 일반적으로 결착된 층류 유동을 유지할 것이다. 몇몇 케이스에서 층류 유동은 반응장치의 입구의 상류에 직접적으로 적어도 열개의 직선 파이프 직경들을 제공함으로써 얻어질 수 있으나, 전형적으로 공간 제한들은 상류의 열개의 파이프 직경들의 필요보다 작은 배관 엘보우를 요구한다. 상기 전형적인 제한된 공간 응용들에서, 회전 날개 102와 같은 흐름 직선화 장치는 층류 유동을 야기하는데 필요하게 된다. 회전 날개 102는 CRV®로 알려져 있고 Cheng Fluid Systems 사 또는 Koch-Glitsch 사로부터 사용될 수 있다. 본 발명에 의해 당업자에 의해 다른 흐름 직선화 시스템들이 또한 층류 유동을 야기하기 위해 사용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 도 11은 회전날개가 반응장치 2와 함께 사용될 수 있기 때문에 회전 날개 102의 정면도를 도시한다. 도 16은 반응장치 10과 관련하여 전형적인 날개 102의 통상적인 위치를 보여준다. 회전 날개 102는 도 16에서 도시한 바와 같이 2개의 엘보우들을 보상하기 위해 설계될 수 있고, 또는 두번째 회전 날개(도시 되지 않음)가 회전날개 102에 더해서 사용될 수 있다. 도 12에서 15는 작동시의 회전날개 102의 효과를 나타낸다. 회전날개 102가 없으면, 엘보우 104 둘레를 지나갈 때 유체의 속도는 비 균일로 되고 도 12에서 도시한 바와 같이 흐름 분리가 일어난다. 유효 흐름 106은 도 13에서 도시한 바와 같은 결과적인 단면과 닮도록 변화된다. 도 13에서 도시한 비 균일 유동은 결착된 유동이 촉매에 평등하게 분배되는 것을 막는다. 회전 날개 102의 사용은, 다른 면에서, 도 14에 도시한 엘보우 104를 통한 유동 패턴을 제동한다. 회전날개 102를 통과한 후, 결과적인 유동 속도들은 균일하고 층류이다. 도 15는 단면 107에서의 균일 유동을 보여준다. 층류 유동이 원뿔형 반응장치 헤드 10로 인도될 때, 원뿔각 22가 대략 25°또는 그보다 작은 경우 유동은 반응장치 헤드의 벽 42에 결착되어 남아있는 경향을 갖는다. 여기에 개시된 실시예에서, 반응장치 헤드 10의 원뿔각 22는 대략 21°이다. 원뿔형 반응장치 10과 함께 회전 날개 102의 사용은 보다 유리하게는 반응의 효과와 촉매의 유용 수명을 증대시킨다.
몇몇 실시예에서는, 반응장치 202와 같은 도 17에 도시되는 반응장치는 원뿔형 반응장치 10으로 대체될 수 있다. 반응장치 202는 존재하는 헤드 208과 연결된 분할 원통(204 및 206) 형상이나, 같은 냉각 시스템, 원통 높이, 열전대 노즐들, 회전 날개들, 및 위에서 상술한 내부 단열부가 반응장치 202와 함께 사용될 수 있다. 반응장치 202는 LAD 또는 EHD와 연결되어 원뿔형 반응장치 10에서 생성되는 유동과 유사한 유효 층류 유동을 생성할 수 있다.
이에 더하여, 도 18은 본 발명과 관련하여 반응장치 302의 세번째 실시예를 도시한 다. 반응장치 302는 짧은 원통 306에 부착된 연장된 헤드 304를 포함한다. 반응장치 202와 같이, 반응장치 302는 원통 52에 부착될 수 있고 동일한 냉각 시스템, 원통 높이, 열전대 노즐들, 회전 날개들, 및 위에서 상술한 내부 단열부를 포함한다. 반응장치 302는 또한 LAD 또는 EHD와 연결되어 원뿔형 반응장치 10에서 생성되는 유동과 유사한 원뿔형 층류 유동을 생성할 수 있다.
반구형의 헤드 402에서 LAD 또는 EHD 장치를 사용하는 것에 대한 대안이 도 20에 도시되어 있다. 도시된 것은 원뿔형 내부 표면 43을 가진 단열부 40의 사용이다. 또한 도시된 것은 원뿔형 출구 45의 사용(또는 좀더 상세하게는, 마찬가지로 반구형의 출구 헤드의 원뿔형 내부 표면을 제공하기 위한 단열부의 사용)이다. 원뿔형 출구의 주된 장점은 압력 강하가 최소화되는 것(난류/비층류 유동은 압력 강하를 증대시키는 소용돌이들을 생성한다)과 같은 층류 유동을 생성하는 것이다. 본 발명에 의해 당업자에게 입구 원뿔 43의 각이 큰 임계값을 갖는다면, 출구 각 또는 원뿔 45는 좀더 작은 임계값을 가지며 0 도 보다 크고 90 도 보다 작은 어떠한 각이 될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 플랜지들 47은 도 20에 도시되는데, 이것들은 선택적이고 내화 세라믹 섬유 단열부가 플랜지가 없는 원통들에 쉬운 삽입을 위하여 제작되고 그리고 나서 의도한 원뿔형 내부 표면을 생성하기 위해 원통 내부에 모이는 것이 가능할 수 있도록 의도된다.
반응장치 10,202, 및 302는 청산(hydrogen cyanide)의 생산에 가장 유용할 수 있도록 의도된다. 청산(hydrogen cyanide)을 제공하는 공정은 반응물질들을 반응장치(예를 들면 반응장치 10,202, 또는 303) 안으로 공급하는 것을 포함한다. 상기 반 응장치들은 적어도 하나의 탄화수소(hydrocarbon), 적어도 하나의 질소 함유 가스, 및 적어도 하나의 산소 함유 가스를 포함한다. 산소 함유 가스는 질소 함유 가스 또는 탄화수소와 같은 것이라는 것이 이해될 것이다.
상기 적어도 하나의 탄화수소는 지방족이거나 치환된 지방족, 시클로 지방족이거나 치환된 시클로 지방족, 또는 방향족이거나 치환된 방향족 탄화수소 또는 그들의 혼합물이 될 수 있다. 적절한 예들은, 제한없이, 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로필렌(C3H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 메탄올(CH3OH), 톨루엔, 나프타, 및 메틸 포름산을 포함한다. 바람직한 실시예에서는, 상기 적어도 하나의 탄화수소는 메탄, 또는 메탄을 함유한 하나 이상의 탄화수소 혼합물이다. 상기 적어도 하나의 질소 함유 가스는, 제한없이, 암모니아, 포름아미드, 또는 일산화 질소(nitric oxide,NO)를 포함한다. 바람직한 실시예에서는, 상기 적어도 하나의 질소 함유 가스는 암모니아, 또는 하나 이상의 질소 함유 가스 및 암모니아의 혼합물이다. 상기 적어도 하나의 산소 함유 가스는 흡열 청산(hydrogen cyanide) 형성을 위해 열을 제공하는 연소를 지속하는데 적절한 양의 산소를 함유하는 어떠한 물질이 될 수 있다. 적절한 예들은, 제한없이, 공기, 산소 농축 공기, 순수 산소 가스, 일산화탄소(CO), 이산화탄소(CO2), 또는 그들의 혼합물, 또는 분해중에 산소를 공급하는 산소 함유 화합물을 포함한다. 적절한 예들은 과산화물(peroxide)들, 케톤(ketone)들, 에테르(ether)들 등을 포함한다.
또한 다른 선행기술에, 안드루소우(Andrussow) 타입이 아닌 HNC 준비 수단, 개시된 반응장치들의 사용을 의도하였는데, 이에 있어서 HNC 형성 반응을 위한 에너지는 유층 내연소(in-situ combustion)와는 다른 소스에서부터 공급된다. 상기 공정들의 예들은 데구사(Degussa) B-M-A 공정, 플루오믹(Fluohmic) 공정, 및 마이크로웨이브 열전달 및 유도 열전달 공정들을 포함한다.
상기 개시된 장치는 또한 질산의 생산(암모니아 산화 프로세스 또는 산소 농축 프로세스에 의한 생산을 포함하는), 합성 가스 생산, (메트)아크릴산 생산, NOx 감소 유닛들, 또는 흡수제, 촉매, 또는 열 교환기와 함께 고온 및 고압을 요구하는 어떠한 다른 공정들을 포함하고 이에 제한되지는 않는다. 고압은 대기 압력보다 큰 어떠한 것이든 포함하는데, 반면에 고온은 60℃보다 큰 어떠한 온도라도 포함한다. 이에 더하여, 사용되는 촉매는, 제한없이, 스크린, 지지 촉매, 유동층, 또는 이온 교환 수지를 포함한다.
마지막으로, 본 발명이 가스 공정들에 대해 응용됨에도 불구하고, 본 발명에 의해 당업자에게는 본 발명이 가스 공정들에 제한되는 것이 아님이 이해될 것이다. 또한 본 발명에서 의도되는 것은 고온 및/또는 고압에서의 액체들의 사용을 포함하는 산업 공정들이다.
본 발명이 특별히 예시된 발명의 실시예와 관련하여 특별히 도시하고 설명하였지만, 형식과 상세 부분들의 수많은 변화가 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않으며 만들어질 수 있다는 것이 당업자에 의해 이해될 것이다. 상술한 실시예는 단지 예를 들기 위한 것이며, 본 발명의 범위를 제한하는 것이 될 수 없다.
도 1은 종래의 반응장치 시스템의 개요도;
도 2는 본 발명과 관련된 원뿔형 반응장치 헤드의 하나의 실시예의, 부분 단면을 도시한, 정면도;
도 2a는 도 2에 도시한 실시예의 사시도;
도 3은 도 2에 따른 구조의 평면도;
도 4는 본 발명에 따른 칼라의 평면도;
도 4a는 도 4에 도시한 칼라의 정면도;
도 5는 본 발명의 하나의 실시예와 관련된 원뿔형 반응장치 헤드의 플랜지에 부착된 지지 돌출부(support lug)의 평면도;
도 6은 도 5에 도시한 지지 돌출부의 A-A 선에 따른 측면도;
도 7은 도 5에 따른 구조의 B-B 선에 따른 정면도;
도 8은 도 5에 도시한 구조와 합체되는 반응장치의 평면도;
도 9는 본 발명의 하나의 실시예와 관련되는 원통 부분의 평면도;
도 10은 도 9에 따른 구조의 C-C 선에 따른 단면도;
도 11은 도 2의 원뿔형 반응장치와 함께 사용되기 위한 회전날개의 정면도;
도 12는 회전날개가 없는 파이프내의 유체 유동의 도식도;
도 13은 도 12와 관련된 유효 유체 유동의 단면도;
도 14는 회전날개를 가진 파이프내의 유체 유동의 도식도;
도 15는 도 14과 관련된 유효 유체 유동의 단면도;
도 16은 본 발명에 따른 원뿔형 반응장치 헤드와 회전날개를 합한 시스템의 사시도;
도 17은 본 발명에 따른 반응장치의 대체 실시예의 정면도;
도 18은 본 발명에 따른 반응장치의 다른 대체 실시예의 정면도;
도 19는 운전자와 가까이에서 도시된 도 2에 따른 원뿔형 반응장치의 개요도; 및
도 20은 본 발명에 따라 구성된 비 선택적인 촉매 감소(Non-Selective Catalytic Reduction, NSCR ) NOx 감소 유닛의 구성도이다.

Claims (43)

  1. a) 첫번째 단면 크기를 갖는 입구 배관 부분;
    b) 두번째 단면 크기를 갖는 하류 공정 부분;
    c) 상기 입구 배관 부분과 하류 공정 부분을 연결하는 입구 전환 부분;
    을 포함하고, 상기 전환 부분은 내화 세라믹 섬유를 포함하는 내부 단열부를 포함하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 두번째 단면 크기가 상기 첫번째 단면 크기보다 큰 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 내부 단열부는 원뿔형 내부 표면을 형성하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 입구 전환 부분은 반구형의 형상(domed geometry)을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 전환 부분은 상기 하류 공정 부분과의 플랜지 연결을 포함하는 반응장치 헤드인 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  6. 제 3항에 있어서, 상기 입구 전환 부분은 원뿔형의 형상을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 입구 전환 부분은 상기 하류 공정 부분과의 플랜지 연결을 포함하는 반응장치 헤드인 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  8. 제 1항에 있어서, 하나 또는 그 이상의 시창(sight glass) 노즐들을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  9. 제 1항에 있어서, 층류 속도 분포는
    a) 상기 입구 전환 부분의 상류 끝단에서 층류 유동을 제공하기 위한 상기 입구 배관 부분을 포함하는 충분한 길이의 직선 파이프;
    b) 상기 입구 배관 부분 내에 배치된 적어도 하나의 CRV;
    c) 상기 입구 전환 부분의 상류 끝단의 LAD;
    d) 상기 입구 전환 부분의 상류 끝단의 EHD; 및
    e) 상기 전환 부분을 구성하는 원뿔형의 내부 표면;
    중의 적어도 하나를 사용하는 하류 공정에서 얻어지는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  10. a) 첫번째 단면 크기를 갖는 공정 부분;
    b) 상기 첫번째 단면 크기보다 작은 두번째 단면 크기를 갖는 출구 배관; 및
    c) 상기 출구 배관 부분과 상기 공정 부분을 연결하는 출구 전환 부분;
    을 포함하고, 상기 출구 전환 부분의 내부 표면은 원뿔형인 고온 산업 공정을 위한 장치.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 출구 전환 부분은 내화 세라믹 섬유를 추가적으로 포함하는 내부 단열부를 가지는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 출구 전환 부분은 적어도 하나의 플랜지 연결을 포함하는 반구형의 헤드인 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  13. 제 10항에 있어서, 상기 출구 전환 부분은 적어도 하나의 플랜지 연결을 포함하는 원뿔형의 헤드인 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  14. a) 입구 배관 부분;
    b) 입구 전환 부분;
    c) 공정 부분;
    d) 출구 전환 부분; 및
    e) 출구 배관 부분;
    을 포함하고, 내부 단열부는 하나 또는 그 이상의 상기 장치 부분들에 포함되고, 상기 단열부는 내화 세라믹 섬유를 포함하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  15. 제 14항에 있어서, 상기 입구 전환 부분은 원뿔형의 내부 표면을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  16. 제 14항에 있어서, 상기 출구 전환 부분은 원뿔형의 내부 표면을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  17. 제 14항에 있어서, 상기 입구 전환 부분과 상기 공정 부분 사이에서 첫번째 및 두번째 플랜지들을 갖는 플랜지 연결을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  18. 제 17항에 있어서, 첫번째 및 두번째 플랜지들의 적어도 하나는 플랜지들에 부착되는 냉각 자켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  19. 제 17항에 있어서, 첫번째 및 두번째 플랜지들의 적어도 하나는 적어도 하나의 지지 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  20. 제 14항에 있어서, 상기 공정 부분과 상기 출구 전환 부분 사이의 첫번째 및 두번째 플랜지들을 갖는 플랜지 연결을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  21. 제 20항에 있어서, 첫번째 및 두번째 플랜지들의 적어도 하나는 적어도 하나의 지지 돌출부를 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치..
  22. 제 20항에 있어서, 첫번째 및 두번째 플랜지들의 적어도 하나는 플랜지들에 부착되는 냉각 자켓을 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  23. 제 14항에 있어서, 상기 입구 전환 부분은 적어도 하나의 시창(sight glass) 노즐을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  24. 제 14항에 있어서, 상기 공정 부분의 상기 작업 높이는 약 2.0 에서 3.5 피트 사이인 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  25. 제 14항에 있어서, 상기 공정 부분은 적어도 하나의 계기(instrument) 노즐을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 고온 산업 공정을 위한 장치.
  26. a) 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 및 적어도 하나의 산소 함유 가스를 제공하는 단계;
    b) 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 및 적어도 하나의 산소 함유 가스를 청산(hydrogen cyanide)을 형성하는 장치에서 반응시키는 단계; 및
    c) 상기 장치 내의 상기 적어도 하나의 산소 함유 가스와의 동시 연소 반응에 의해 열을 공급하는 단계;를 포함하고, 상기 장치는
    첫번째 단면 크기의 입구 배관 부분;
    두번째 단면 크기의 하류 공정 부분;
    상기 입구 배관 부분과 하류 공정 부분을 연결하는 입구 전환 부분
    을 포함하고, 상기 전환 부분은 내화 세라믹 섬유를 포함하는 내부 단열부를 포함하는 청산(hydrogen cyanide)을 생산하는 방법.
  27. a) 반응장치 헤드;
    b) 상기 반응장치 헤드 내에 삽입할 수 있고, 내화 세라믹 섬유를 포함하는 단열부; 를 포함하고, 상기 반응장치 헤드는 화학 공정을 촉진시키기 위해 유체 흐름과 연결되도록 된 장치.
  28. 제 27항에 있어서, 상기 반응장치 헤드는 일반적으로 원뿔형인 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제 28항에 있어서, 원뿔형의 반응장치 헤드 벽과 그곳에 인접한 수직선 사이 의 각이 약 25°보다 작은 것을 특징으로 하는 장치.
  30. 제 27항에 있어서, 상기 반응장치는 반구형인 것을 특징으로 하는 장치.
  31. 제 30항에 있어서, 상기 반응장치는 제 38항의 상기 원뿔형의 반응장치 헤드의 유동 모양과 기능적으로 동등한 유동 모양을 야기하기 위해 큰 각의 디퓨져와 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  32. 제 27항에 있어서, 상기 단열부는 상기 반응장치 헤드로부터 단일 부품으로 제거할 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
  33. 제 27항에 있어서, 상기 반응장치 헤드의 측면에 위치하고 상기 단열부를 통해 확장되는 적어도 하나의 시창(sight glass)을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  34. 제 27항에 있어서, 상기 단열부는 상기 반응장치와 상기 단열부 모두를 통과하여 확장되는 적어도 하나의 슬리브에 의해 위치를 유지하는 것을 특징으로 하는 장치.
  35. 제 27항에 있어서, 상기 단열부는 상기 반응장치 헤드의 입구 내로 동심으로 확장되는 내부 칼라에 의해 상기 반응장치 내로 단단하게 고정되는 것을 특징으로 하는 장치.
  36. 제 27항에 있어서, 상기 화학 공정은 청산(hydrogen cyanide) 생산인 것을 특징으로 하는 장치.
  37. 제 27항에 있어서, 상기 반응장치 헤드 주위에 배치되는 냉각 자켓을 추가적으로 포함하고, 상기 냉각 자켓은 상기 반응장치 헤드의 외부 표면에 부착되는 하프 파이프(half-pipe)를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  38. 제 27항에 있어서, 상기 반응장치 헤드 상류측의 유동 직선화 장치를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  39. a) 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 및 적어도 하나의 산소 함유 가스를 제공하는 단계;
    b) 상기 적어도 하나의 탄화수소, 적어도 하나의 질소 함유 가스, 및 적어도 하나의 산소 함유 가스를 청산(hydrogen cyanide)을 형성하도록 반응장치 내에서 반응하는 단계; 및
    c) 상기 반응장치 내의 적어도 하나의 산소 함유 가스와의 동시 연소 반응에 의해 열을 공급하는 단계; 를 포함하고, 상기 반응장치는 반응장치 헤드, 촉매 함 유 원통 부재, 및 내화 세라믹 섬유를 포함하고 상기 반응장치 헤드 내로 삽입할 수 있는 단열부를 포함하는 청산(hydrogen cyanide)을 생산하는 방법.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 탄화수소는 메탄(CH4), 에틸렌(C2H4), 에탄(C2H6), 프로필렌(C3H6), 프로판(C3H8), 부탄(C4H10), 메탄올(CH3OH), 톨루엔, 나프타, 및 메틸 포름산으로부터 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  41. 제 39항에 있어서, 상기 적어도 하나의 질소 함유 가스는 암모니아, 포름아미드, 또는 NO 중의 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  42. 제 39항에 있어서, 상기 산소 함유 가스는 공기, 산소 농축 공기, 순수 산소 가스, 일산화탄소(CO), NO, 및 이산화탄소(CO2)로부터 선택할 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
  43. 제 39항에 있어서, 상기 산소 함유 가스는 과산화물(peroxide)들, 케톤(ketone)들, 및 에테르(ether)들 중의 적어도 하나의 분해에 의해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
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