KR20090004965A - 고정 베드에서의 흡열 반응을 위한 내부 연소 교환기 반응기 - Google Patents

고정 베드에서의 흡열 반응을 위한 내부 연소 교환기 반응기

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KR20090004965A
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패브리츠 기로우디에르
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Abstract

본 발명은 교환기-반응기(exchanger-reactor)(1)에 관한 것으로서, 이 교환기 반응기는,
- 베셀(2)과,
- 고정 베드식 촉매 영역(10)에 걸쳐 공급물을 분배하는 분배 수단과,
- 촉매 영역(10)으로부터의 배출물을 포집하는 포집 수단(6)과,
- 촉매 영역(10)을 가열하는 가열 수단
을 포함하며, 포집 수단(6)은 촉매 영역(10)을 바로 통과하는 도관을 포함하며, 이 도관은 촉매 영역 내에 분포되어 가열 수단 사이에 개재되며, 촉매 영역의 가열 수단은 촉매 영역(10) 내에 부분적으로 매립된 시스(sheath)(8) 내에 수용되며, 이 시스(8)는 일단부에서는 개방되어 있고 타단부에서 폐쇄되며, 시스의 개방 단부는 촉매 영역(10) 위에 위치한 포집 챔버(19)를 획정하는 상부 튜브 플레이트(21)에 고정되며, 가열 수단은 촉매 영역에 근접하게 위치한 적어도 하나의 연소 영역(13), 이 연소 영역(13)에 산화성 가스 혼합물을 공급하는 산화성 가스 혼합물 공급 수단(15) 및 가스상 연료를 공급하는 가스상 연료 공급 수단(17), 연소로부터 발생하는 가스상 배출물을 배기하는 배기 수단(14)을 포함한다.

Description

고정 베드에서의 흡열 반응을 위한 내부 연소 교환기 반응기{INTERNAL COMBUSTION EXCHANGER REACTOR FOR ENDOTHERMIC REACTION IN FIXED BED}
본 발명은, 합성 가스로 불리는 수소와 일산화탄소의 혼합물을 생성하기 위해 탄화수소 공급물로부터 시작하는 수증기 개질 반응을 수행하도록 된 반응기 분야에 관한 것이다.
보다 정확히 말해, 본 발명은, 흡열 반응, 특히 수증기 개질 반응을 위한 열교환을 제어하는 최적화된 수단을 이용하는 반응기 기술에 관한 것이다.
수증기 개질은 탄화수소 공급물과 수증기로부터 시작하여, 수소 또는 이 수소와 일산화탄소로 이루어진 합성 가스를 생성하기 위한 주요한 공정이다.
탄화수소 공급물은 수증기와 혼합된, 천연가스, 정유가스, LPG 및 경질 나프타 등의 경질 탄화수소, 보다 구체적으로는 메탄으로 이루어진다. 메탄의 경우, 다음과 같은 수증기 개질 반응이 발생한다.
CH4 + H2O ↔ CO + 3H2
수증기 개질 반응은 고흡열성 화학 반응(ΔH0 298=206kJ/mol)으로서 많은 양의 외부열이 공급될 필요가 있다.
탄화수소 공급물로부터 수소를 생성하기 위한 흡열 촉매 반응을 수행하는 데에 이용되고 있는 반응기는 당업계에 공지되어 있다.
US-A-4 692 306에서는 감소된 치수를 갖는 환형 촉매 영역의 중앙에 가열 수단이 위치하고 있는 수증기 개질 교환기-반응기를 개시하고 있다. 이러한 반응기는 작은 크기의 유닛을 위한 것이라는 점은 명백하다. 따라서, 그 교환기-반응기 기술은 대용량의 산업적 용례에 대해서는 배제되고 있다.
US-A 5 565 009에서는 연소가 이루어지는 베드 내에 매립된 이중 튜브에 의해 가열되는 고정 베드식 수증기 개질 교환기-반응기를 개시하고 있다. 공급물은 반응기의 외단으로부터 촉매 베드로 유입하고, 여기서 복사에 의해 반응 매체로 전달되는 연소열에 의해 수증기 개질 반응이 발생한다.
이 반응기는 본 발명에서 가능한 바와 같이 다양한 유체들 간의 열교환을 최적화시킬 수 없다.
US-A-3 909 299에서는 수증기 개질 반응을 수행하는 반응기를 개시하고 있으며, 여기서의 반응은 연료 및 수소가 공급되고, 촉매 베드를 수용하는 반응기의 구획을 둘러싸고 있는 연소 챔버에서 발생한 고온 공기의 스트림이 통과할 수 있는 제트가 마련된 버너에 의해 제공되는 열 공급에 의해 가능하다. US-A 3 909 299의 반응기는 연소 챔버에서 열을 생성하여, 그 열을 촉매 베드를 수용하고 있는 반응기의 구획 주위로 분배할 수 있다. 이러한 구성은 촉매 영역 내에 열을 균일하게 분포시킬 수 없다.
EP-A-1 505 036에서는 수소를 생성하는 반응기를 개시하고 있다. 이 반응기는 원통형 촉매 영역 내에 매립된 단일 버너를 수용하고 있으며, 연소 가스는 환형 공간 4A-4B로 배기되고 있다. 버너에 의해 가열되는 원통형 촉매 영역에서의 반응 후에, 이 반응으로 인한 가스상 배출물은 촉매 영역 외부의 환형 공간 내로 포집 배기된다.
EP-A-1 516 663에서는 반응기의 베셀(vessel) 안으로 유입한 연료와 공기의 연소에 의해 배출되는 열에 의해 공급물을 기화시키는 반응기를 개시하고 있으며, 여기서 연소 영역은 촉매 베드 외부에 있다. 또한, 연소 가스는 촉매 베드를 가열하는 데에 이용하고 있다.
US-A-4 504 447에서는 버너가 베이요넷(bayonet)형 튜브 내부에 위치한 촉매 영역 외부에 마련되어 있는 개질 반응기를 개시하고 있는 데, 그 버너는 연소 가스가 촉매 영역을 둘러싸는 도관 안에서 이동하도록 배치된다. 이러한 구성은 촉매 영역 내의 열분포를 균일하게 할 수 없다.
본 발명의 목적은 종래 기술의 단점을 극복하고 신규의 반응기 기술을 제공하는 것으로서, 보다 구체적으로는 흡열 반응기를 위해 필요한 열이 반응기 내부에서 복사 및/또는 대류 열교환 시리즈에 의해 제공되는 특별한 내부 구조를 갖는 반응기를 제공하는 데에 있다.
고흡열 수증기 개질 반응의 맥락에서, 반응을 위해 필요한 열 에너지를 공급물(탄화수소와 수증기)에는 물론, 촉매 영역을 포함하는 반응기 영역에 전달하는 것이 필요하다.
따라서, 촉매와 접촉하는 상당한 열교환 표면이 마련되어야 하는 데, 종래 기술에서 개시하고 하고 있는 통상의 기법은 촉매 영역을 작은 촉매 체적 및 큰 열교환 표면을 특징으로 한 좁은 공간으로 분할하는 것으로 이루어진다. 통상, 촉매는 관형 구조[단일 튜브 또는 이중 동심 튜브(베이요넷 튜브로 불림)] 내에나 근접하게 간격을 두고 떨어진 플레이트 사이에 배치되는 데, 촉매 영역의 대표 간격(characteristic spacing)은 10센티미터의 크기이다.
이러한 구성에서, 그 공간 내에서 가능한 전환 용량은 한계가 있다. 유닛의 규모를 변경하여 반응기를 제조하려 하는 것은 어리석은 일일 것이다. 따라서, 그러한 장치의 용량은 단일의 베셀 내에 조립되는 동일하지만 별개의 촉매 용역의 개수를 증가시킴으로써만 증가시킬 수 있다. 이 경우, 그러한 반응기는 통상 외부로부터 가열되는 단위 반응기들의 조립체란 점을 유념해야 할 것이다.
반면, 본 발명자들의 연구를 통해, 단일의 연속 촉매 영역, 즉 한꺼번에 장입하고 배출할 수 있는 영역을 유지할 수 있는 전술한 각종 장치에 대한 대안을 발견하였다.
본 발명의 교환기-반응기는, 열이 바람직하기로는 단 하나의 영역으로 된 촉매 영역 내에서 그 촉매 영역 내에 분포되어 있는 한편 상이한 가열 수단 및 배출물 포집 수단에 의해 생성 및 분배되는 단일 연속 촉매 영역을 구비한다.
도 1은 도 2에 도시한 교환기-반응기의 축선 BB'를 따라 취한 횡단면도이며,
도 2는 기본적인 실시예에 따른 본 발명의 교환기-반응기의 축선 AA'을 따라 취한 종단면도이고,
도 3은 시스의 전체 높이에 걸쳐 연료 분사가 분포되어 있는 변형예에 따른 본 발명의 교환기-반응기의 종단면도이며,
도 4는 시스 내에서의 연소가 산화 촉매에서 행해지는 변형예에 따른 본 발명의 교환기-반응기의 종단면도이고,
도 5a 및 도 5b는 냉각 시스템이 채용된 변형예에 따른 본 발명의 교환기-반응기의 상부의 종단면도이다.
본 발명은,
- 베셀(2)과,
- 고정 베드식 촉매 영역(10)에 걸쳐 공급물을 분배하는 분배 수단과,
- 촉매 영역(10)으로부터 배출물을 포집하는 포집 수단(6)과,
- 촉매 영역(10)을 가열하는 가열 수단
을 포함하며, 포집 수단(6)은 촉매 영역(10)을 바로 통과하는 도관을 포함하며, 이 도관은 촉매 영역 내에 분포되어 가열 수단 사이에 개재되며, 촉매 영역의 가열 수단은 촉매 영역(10) 내에 부분적으로 매립된 시스(sheath)(8) 내에 수용되며, 이 시스(8)는 일단부에서는 개방되어 있고 타단부에서 폐쇄되며, 시스의 개방 단부는 촉매 영역(10) 위에 위치한 포집 챔버(19)를 획정하는 상부 튜브 플레이트(21)에 고정되며, 가열 수단은 촉매 영역에 근접하게 위치한 적어도 하나의 연소 영역(13), 이 연소 영역(13)에 산화성 가스 혼합물을 공급하는 산화성 가스 혼합물 공급 수단(15) 및 가스상 연료를 공급하는 가스상 연료 공급 수단(17), 연소로부터 발생하는 가스상 배출물을 배기하는 배기 수단(14)을 구비하는, 교환기-반응기(1)에 관한 것이다.
적어도 2개의 포집 수단(6)이 단일의 독특한 고정 베드식 촉매 영역 내에 분포되어, 적어도 2개의 가열 수단들 사이에 개재될 수 있다.
공급물을 분배하는 분배 수단은 천공된 하부 튜브 플레이트를 포함하며, 이 플레이트의 천공부는 공급물 튜브로 지칭되는 관형 요소에 의해 연장될 수 있다.
고정 베드식 촉매 영역(10)에 걸쳐 공급물을 분배하는 분배 수단은 절두형(truncated)의 수평 천공 플레이트와 비절두형(non-truncated)의 상부 천공 플레이트로 이루어지며, 이들의 천공부는 배출물 포집 수단(6)이 통과할 수 있게 되어 있다.
절두형의 수평 천공 플레이트 및 비절두형의 상부 천공 플레이트는 불활성 하부 영역(10c) 내에 배치되어, 배플 시스템을 형성할 수 있다.
천공된 하부 튜브 플레이트는 불활성 비드(bead)로 이루어진 베드에 의해 지지될 수 있다.
촉매 영역은 하부 튜브 플레이트 상에 위치한 적어도 하나의 하부 불활성 영역을 포함할 수 있다.
하부 불활성 영역은 공급물 튜브의 길이에 실질적으로 상응하는 두께를 가질 수 있다.
촉매 영역으로부터의 배출물을 포집하는 도관은 촉매 영역의 하류에 위치한 포집 챔버와, 배출물 배기 수단 사이에 위치할 수 있다.
촉매 영역으로부터의 배출물을 포집하는 도관은 공급물 튜브의 내부 공간 내에서 하부 튜브 플레이트를 가로질러 연장할 수 있다.
촉매 영역으로부터의 배출물을 포집하는 도관은 그 외벽 상에 리브를 포함하여 촉매 영역과 접촉하는 표면적을 증가시킬 수 있다.
시스는 그 외벽 상에 리브를 포함하여 촉매 영역과 접촉하는 표면적을 증가시킬 수 있다.
가열 수단은 이하의 동축 부품들로 이루어질 수 있다.
- 실질적으로 촉매 영역의 상부 레벨에서 시스로 개방되는, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브.
- 일단부에서 연료 공급 수단에 연결되는 한편, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브 내부에 위치하고 실질적으로 그와 동일한 레벨에서 개방되는, 연료 튜브로 불리는 연료 분배 수단.
연소 영역은 촉매 영역(10)의 상단에서 시스(8) 내에 위치할 수 있다.
이 경우, 가열 수단은 연소로부터 발생한 배출물을 재순환시키는 재순환 튜브를 포함하며, 이 재순환 튜브는 양단부가 개방되어 있고, 시스 내에서 연소 영역의 하류에 위치할 수 있다.
가열 수단은 또한 이하의 동축 부품으로 이루어질 수 있다.
- 실질적으로 시스의 저부에서 시스로 개방되는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브.
- 일단부에서 연료 공급 수단에 연결되는 한편, 산화성 가스 혼합물 공급용 튜브 내부에 위치하여 시스의 저부까지 실질적으로 연장하며, 적어도 하나의 다공성 벽 부분을 포함하는, 연료 튜브로 불리는 연료 분배 수단.
연료 튜브(112)의 벽에 생성된 천공부는 촉매 영역(110) 내에 매립된 연료 튜브(112)의 벽을 따라 분포된 복수의 연소 영역(113)을 형성할 수 있다.
산화성 가스 혼합물 공급 튜브는 그 전체 높이까지 및 촉매 영역의 상단까지 산화 촉매로 채워질 수 있다.
가열 수단은 또한 다음으로도 이루어질 수 있다.
- 실질적으로 시스의 저부에서 시스로 개방되는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브.
- 촉매 영역에 대해 직각으로 산화성 가스 혼합물 공급 튜브의 내부에서 그 높이의 적어도 일부분에 걸쳐 연료 분배 튜브 하류에 배치되는 산화 촉매.
촉매 영역으로부터의 배출물을 포집하는 포집 챔버 내에는 냉각 유체가 주입될 수 있다.
상부 천공 튜브 플레이트는 이중 벽으로 이루어져 그 내부 공간에서 냉각 유체가 이동할 수 있도록 구성될 수 있다.
연소 영역(13)은 촉매 영역(10)의 내부에 위치할 수 있다.
교환기-반응기는 수증기 개질 반응에 이용될 수 있다.
도 1에서는 도 2에 도시한 본 발명의 반응기를 축선 BB'를 따라 취한 단면도이다. 생성되는 합성 가스를 포집하는 포집 수단(406)이 촉매 영역(410)에 분포되어, 가열 수단 사이에 개재됨으로써, 생성되는 합성 가스와 공급물 간의 열교환이 균일하도록 하고 있다. 이러한 본 발명의 반응기의 구성은, 촉매 영역에서의 열분포를 균일하게 할 수 있다. 시스(408)는 연소로부터 발생한 가스상 배출물을 재순환시키는 재순환 튜브(409)를 수용하고 있다.
교환기-반응기(1)는 도 2에 개략적으로 도시되어 있다. 이 교환기-반응기는, 축선 AA'를 갖고 있고 내면이 단열 내화재(도 2에서는 도시 생략)로 완전히 덮여진 원통형 베셀(2)을 구비하고 있다.
이 베셀(2) 내에 교환기-반응기(1)는 교환기-반응기의 하부에서 반응기의 베셀에 고정 및 밀봉된 천공된 하부 튜브 플레이트(4) 상에 놓인 촉매 영역(10)을 포함하고 있다.
이 촉매 영역(10)은 층층이 배치된 이하의 3개의 층으로 분할되어 있다.
- 상부 촉매 영역(10a).
- 중간 촉매 영역(10b).
- 하부 불활성 영역(10c).
베셀은 다음을 포함한다.
- 탄화수소 공급물 공급 수단(3).
- 천공된 하부 튜브 플레이트(4). 이 천공된 하부 튜브 플레이트는 천공부의 연장부에 위치하고 플레이트의 표면에 연결된 관형 요소에서 탄화수소 공급물이 촉매 영역을 통과할 수 있게 하고 있다. 공급물 튜브(5)로 불리는 관형 요소는 하부 불활성 영역의 두께와 실질적으로 동일한 길이를 갖는다. 천공된 하부 튜브 플레이트(4) 및 관형 요소가 촉매 영역에 걸쳐 공급물을 분배하는 공급물 분배 수단을 구성한다.
- 촉매 영역 위에 위치하여 촉매 영역으로부터의 배출물을 포집하는 포집 챔버(19). 이 포집 챔버(19)는 반응기의 베셀에 고정 및 밀봉된 상부 튜브 플레이트(21)에 의해 봉쇄되어 있다.
- 촉매 영역(10)을 바로 통과하여 촉매 영역으로부터의 배출물을 포집하는 포집 수단(6). 이 포집 수단(6)은 포집 챔버(19)가 촉매 영역으로부터의 배출물을 배기하는 배기 수단(18)과 연통하게 하는 도관에 의해 구성된다.
- 촉매 영역(10)으로부터 발생한 배출물을 포집하는 포집 챔버(19)를 봉쇄하는 상부 튜브 플레이트(21). 이 상부 튜브 플레이트는 촉매 영역(10)에, 보다 구체적으로는 상부 활성 촉매 영역(10a)에 매립된 시스(8)가 고정 및 밀봉되는 오리피스를 구비한다. 시스(8)는 그 일단부에서는 개방되고 타단부에서는 폐쇄되어 있으며, 개방 단부는 튜브 플레이트(21)에 고정되어, 튜브 플레이트(21)와 튜브 플레이트(20) 사이에 위치한 공간 안으로 개방되며, 폐쇄 단부는 활성 촉매 영역 내에 매립되어 있다. 튜브 플레이트(21)와 튜브 플레이트(20) 사이에 위치한 공간은 연소로부터 발생한 가스상 배출물이 포집될 수 있게 하는 한편, 그 배출물을 배기 수단(14)을 이용하여 배출할 수 있게 한다.
- 시스(8) 내부에는 촉매 영역을 가열하는 다양한 가열 수단이 존재하며, 이 가열 수단은 산화성 가스 혼합물 공급 수단(15) 및 가스상 연료 공급 수단(17)을 통해 제공된다.
도 2에 도시한 제1 실시예에서, 촉매 영역을 가열하는 가열 수단은 다음과 같은 동축 부품들로 이루어진다.
- 양단이 개방되어 있는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(11). 그 한쪽의 개방 단부는 튜브 플레이트(20)에 고정되어 산화성 가스 혼합물 포집 공간(22) 안으로 개방되고, 다른쪽의 개방 단부는 촉매 영역(10)의 상단 레벨까지 시스(8) 내에 매립되어 있다.
- 연료 튜브(12)로 불리는 튜브로 이루어진 연료 분배 수단. 이 연료 분배 수단은 한쪽 단부에서 연료 공급 수단(17)에 연결되어, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(11)의 내부에 위치하여 실질적으로 동일한 치수로 이루어진다. 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(11)의 하단부 및 연료 튜브(12)의 하단부는 연소 영역(13) 상으로 개방, 즉 연소 반응이 발생하는 영역 상으로 개방된다. 연소 영역(13)은 촉매 영역(10)의 상단에서 시스(8) 내에 위치한다.
- 양단부가 개방되어 있고 시스(8) 내에서 연소 영역(13)의 하류에 위치하는, 연소로 인한 가스상 배출물을 재순환시키는 재순환 튜브(9).
도 3에서는 하단부에서 폐쇄되고 동일한 치수를 갖는 연료튜브(112)가 수용되는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(111)가 시스(108)의 저부까지 연장하고 있는 가열 수단의 변형예를 도시하고 있다.
연료 튜브(112)는 촉매 영역(110)에 매립되지 않은 상부의 밀봉벽과, 촉매 영역(110)에 매립된 하부의 다공성 벽을 갖고 있다. 그 다공도는 연료 튜브(112)의 벽에서 천공된 구멍에 의하거나, 튜브를 제조하는 데에 소결형, 금속 포옴형 또는 세라믹 포옴형의 다공성 재료를 직접 이용함으로써 달성할 수 있다. 연료 튜브(112)의 벽에 생성된 천공부는 촉매 영역(110) 내에 매립된 연료 튜브(112)의 벽을 따라 분포된 복수의 연소 영역(113)을 형성한다.
연소 영역을 복수로 함으로써 국부적 희석(local dilution)을 보다 양호하게 하고, 그 결과 연소 온도를 낮게 한다.
도 4에서는 가열 수단에서 촉매 연소가 이루어진다는 점을 제외하면 전술한 변형예와 동일한 가열 수단의 변형예를 도시하고 있다.
도 4에서 도면 부호 223c로 나타낸 특정 실시예에서, 촉매 영역(210) 내에 매립된 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(211) 내부에 그 전체 높이에 걸쳐 산화 촉매를 배치함으로써 무화염 촉매 연소가 발생한다.
도면 부호 223b로 나타낸 특정 실시예에 따르면, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(211)는 시스(208)의 저부까지 연장하여 도면 부호 223c로 나타낸 변형예보다 짧은 연료 튜브(212)를 수용하며, 이 연료 튜브의 하부 개방 단부는 산화 촉매(223)의 베드의 상단에서 개방되어 있다. 이러한 변형예에서, 산화 촉매의 베드는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(211)의 내부에서 촉매 영역(210)의 상단에 배치되어, 전체 단면을 차지하고 있다.
도면 부호 223a로 나타낸 특정 실시예는, 산화 촉매(223)의 베드가 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(211)의 매립된 높이 전체에 걸쳐 분포되어, 그 전체 단면을 차지하고 있다는 점을 제외하면, 도면 부호 223b로 나타낸 실시예와 동일하다.
도 5에서는 교환기-반응기(301)의 상부에 냉각 유체를 주입하는 것을 도시하고 있다. 이러한 주입의 목적은 본질적으로, 연소로 인한 가스상 배출물과 산화성 가스 혼합물 간의 연소 튜브(311)의 벽을 따른 열교환이 연소로 인해 발생한 가스상 배출물의 온도를 튜브 플레이트(321)에서 견딜 수 있는 온도까지 감소시키기에는 불충분 한 경우에, 촉매 영역으로부터의 배출물을 포집하는 포집 챔버(319)를 봉쇄하는 튜브 플레이트(321)를 냉각하는 데에 있다.
도 5a에서는 튜브 플레이트(321)의 아래에서 냉각 유체의 직접 주입이 행해지는 변형예를 도시하고 있다. 냉각 유체는 촉매 영역(310)으로부터의 배출물과 혼합되어, 촉매 영역으로부터의 배출물을 포집하는 포집 수단(306)을 구성하는 튜브를 통해 교환기-반응기의 베셀로부터 배기된다.
도 5b에서는 시스(308)가 통과하게 되는 이중벽(321, 326)으로 천공 튜브 플레이트(321)가 이루어진 다른 변형예를 도시하고 있다. 하부 이중벽을 갖는 천공 튜브 플레이트(321, 326)는 냉각 유체를 주입하는 주입 수단(324) 및 열교환 후에 동일한 냉각 유체를 배기하는 배기 수단(325)을 포함하는 폐쇄 공간을 형성한다.
포집 챔버(319)에서의 고온으로부터 상부 튜브 플레이트를 보호하기 위해, 촉매 영역으로부터의 배출물과 접촉하는 상부 튜브 플레이트(21)의 표면을 도 2에 도시한 차열막(heat screen)(27)으로 덮는 것도 가능하다. 이 차열막은 예를 들면 내화 시멘트 또는 세라믹과 같은 단열 재료로 제조된다. 차열막(27)은 도 2에만 도시하고 있지만, 모든 도면의 실시예에도 존재할 수 있다.
연료의 분배를 도 2 내지 도 5의 연료 튜브(12) 모두에 공용인 단일의 연료 공급 수단(17)에 의해 보장하고 있지만, 이러한 특정 공급 모드에 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 각 연료 튜브(12)에 별개의 공급 수단을 제공하는 것도 가능하다.
도면에 도시하지 않은 그러한 특정 실시예는 각 가열 수단에서의 연소를 개별적으로 제어할 수 있게 한다.
전술한 변형예에서 수직으로 배향되어 있지만, 본 발명이 특정 모드의 배향에 한정되는 것은 아니다.
교환기-반응기의 베셀이 전술한 변형예에서 원통형 형상을 하고 있지만, 이러한 반응기 형상에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 교환기-반응기의 베셀은 상이한 횡단면을 가질 수 있다.
튜브 플레이트(4, 20, 21)는 챔버의 내벽에 밀봉되게 고정된다. 이들은 바람직하게는 챔버에 용접되거나, 시일을 사용하여 볼트 체결된다.
천공된 하부 튜브 플레이트(4)는 챔버의 내벽에 밀봉되게 고정될 수 있으며, 바람직하게는 챔버에 용접되거나 시일을 사용하여 볼트 체결될 수 있다.
공급물 튜브(5)는 천공된 하부 튜브 플레이트(4)에 그 천공부의 연장부에서 용접될 수 있다.
천공된 하부 튜브 플레이트(4)는 또한 챔버의 내벽에 고정된 지지링에 고정될 수도 있다.
또한, 공급물 튜브(5)는 천공된 하부 튜브 플레이트(4)에 고정될 수 있다.
천공된 하부 튜브 플레이트(4)는 또한 불활성 비드로 포집 공간(23)을 채우고 그 위에 고정 베드식 촉매 영역(10)을 장입함으로써 간단하게 제위치에 유지할 수 있다.
전술한 교환기-반응기의 기술은 임의의 형태의 흡열 반응에 적합하다. 본 발명의 맥락에서 수증기 개질 반응에 특히 적합하다.
수증기 개질 반응에 대한 본 발명의 장치의 용례
교환기-반응기가 수증기 개질 반응을 수행하는 데에 이용되는 경우, 탄화수소 공급물은, 천연가스, 정유가스, LPG, 경질 나프타, 예를 들면 쓰레기나 생물질(biomass)의 발효로 인해 발생하는 바이오가스 등의 단독으로 또는 혼합물로 이루어진 경질 탄화수소와 수증기의 혼합물, 바람직하게는 메탄과 수증기의 혼합물을 포함하며, 이 경우 흡열 반응은 수증기 메탄 개질 반응이다.
이 경우, 교환기-반응기의 베셀을 적어도 부분적으로 채우는 고정 베드식 촉매 영역은 층층이 배치된 3개의 촉매 영역으로 분할된다.
- 튜브 플레이트와 접촉하고 불활성 입자의 베드로 이루어진 하부 불활성 영역.
- 활성 수증기 개질 촉매 영역에서 사용되는 촉매와 동일하거나 상이할 수 있는 촉매로 이루어진 중간 예비 개질(pre-reforming) 촉매 영역.
- 통상의 수증기 개질 촉매로 이루어진 상부 수증기 개질 촉매 영역.
상부 수증기 개질 촉매 영역 및 중간 예비 개질 촉매 영역이 동일한 촉매로 이루어지는 경우, 그 촉매는 Ⅷ족 원소, 바람직하게는 니켈을 8중량% 내지 25중량%, 알루미나 담지 칼륨을 1중량% 내지 4중량% 포함하는 통상의 수증기 개질 촉매이다.
상부 수증기 개질 촉매 영역과 중간 예비 개질 촉매 영역이 상이한 촉매로 이루어지는 경우, 상부 수증기 개질 촉매에 사용되는 촉매는 전술한 촉매이며, 중간 예비 개질 촉매 영역에 사용되는 촉매는 Ⅷ족 원소, 바람직하게는 니켈을 1중량% 내지 20중량%, 알루미나 또는 알루미늄산 칼슘 담지 칼륨을 0.4중량% 내지 5중량% 포함하는 특별한 예비 개질 촉매이다.
불활성 촉매 영역을 구성하는 불활성 입자는 대체로 비드 형태의 알루미나로 이루어진다.
교환기-반응기의 상부에서, 탄화수소 공급물과 수증기의 혼합물이 공급 수단(3)을 통해 베셀 내로 유입하여, 하부 튜브 플레이트(4)를 지나 하부 불활성 영역으로 유입하여, 이 하부 불활성 영역을 가로지르는 공급물 튜브(5) 안으로 보내진다. 이 혼합물은 생성된 합성 가스를 포집하는 포집 수단(6)의 주위에 배치된 공급물 튜브 내에서 이동함으로써 포집 수단 내부에서 이동하는 합성 가스와 열교환에 의해 가열된다.
이와 같이 가열 수단에 의해 가열되지 않는 하부 불활성 영역은 제1 열교환 영역을 구성한다. 이는 탄화수소 공급물 스트림과 이에 대해 향류(counter-current)로서 이동하는 생성된 합성 가스의 스트림 간의 대류 열교환을 가능하게 한다.
이어서, 예열된 혼합물은 불활성 영역의 상단과 시스의 폐쇄 단부에 의해 획정된 중간 예비 개질 촉매 영역으로 유입한다. 이러한 예비 개질 영역은 탄화수소 공급물이 반응 영역으로 보내지기 전에 탄화수소 공급물을 예비 처리하여 탄화수소 공급물을 적어도 부분적으로 합성 가스로 전환하는 영역이다. 이러한 반응을 위해 필요한 에너지는 하부 불활성 영역에서 공급물 튜브 내에서 예열된 공급물 그 자체에 의해서뿐만 아니라, 중간 예비 개질 촉매 영역에서 합성 가스 튜브의 내부에서 이동하는 합성 가스와의 열교환에 의해 공급된다.
이와 같이 가열 수단에 의해 가열되지 않은 예비 개질 영역은 제2 열교환 영역을 구성한다. 이 제2 열교환 영역은 중간 예비 개질 촉매 영역에서 이동하는 탄화수소 공급물의 스트림을 예열할 수 있고, 이 촉매 영역을 가로지르는 합성 가스 포집 수단에서 향류로서 이동하는 합성 가스의 스트림을 냉각시키면서 예비 개질 반응을 위해 필요한 에너지를 제공한다.
예비 개질 반응의 실행은 본 발명의 맥락에서 특히 중요하다.
- 생성된 합성 가스에 함유된 열은 열교환에 의해 공급물을 예열할 뿐만 아니라 공급물을 전환하기 때문에 최고로 유용하게 이용된다. 이는 주요한 개질제의 장입을 억제하고, 동등한 코크스 형성의 위험성에 대해서는 주요한 개질제의 더 높은 온도의 공격(attack)을 제공한다.
- 예비 개질은 또한 공급물의 최중량 성분들을 전환하여, 주요한 개질제의 촉매를 보호하고, 처리되는 공급물의 성질에 관하여 설비에 보다 많은 유연성을 부여한다.
이어서, 중간 예비 개질 영역에서 생성된 배출물은 수증기 개질 촉매로 이루어진 상부 촉매 영역으로 유입하여, 이 영역을 따라 상승함으로써 합성 가스를 생성한다. 이러한 반응을 위해 필요한 에너지는 가열 수단과의 복사 및 대류 열교환뿐만 아니라, 그 촉매 영역을 가로지르는 합성 가스 포집 수단의 내부에서 이동하는 합성 가스와의 대류 열교환에 의해 주로 공급된다.
따라서, 이러한 수증기 개질 영역은 상부 촉매 영역의 레벨에 위치한, 즉 시스의 하부 폐쇄 단부와 그 촉매 영역의 상단 사이에 위치한 공간에 의해 획정되는 수증기 개질 반응 발생 영역에 위치한 제3 열교환 영역을 구성한다. 이러한 제3 영역은 복사 및 대류 열교환 모두를 가능하게 한다.
상부 수증기 개질 촉매 영역에서 생성된 합성 가스는 촉매 영역을 떠나, 그 촉매 영역 위에 위치하고 상부 튜브 플레이트(21)에 의해 봉쇄된 포집 챔버(19)에서 포집된다.
생성된 합성 가스를 포집하는 포집 수단(6)은 촉매 영역 내에 분포되어, 가열 수단들 사이에 개재됨으로써, 공급물과 생성된 합성 가스 간의 열교환이 균일해지게 한다.
따라서, 생성된 합성 가스를 포집하는 포집 수단(6)이 촉매 영역을 바로 통과하여 존재함으로써, 향류 형태의 두 스트림에 의한 공급물과 생성된 합성 가스 간의 대류 열교환이 촉매 영역의 전체 높이에 걸쳐 이루어질 수 있게 하는 데, 상부 수증기 개질 촉매 영역을 떠날 때, 생성된 합성 가스는 촉매 영역을 바로 통과하는 생성 합성 가스 포집 수단(6) 안으로 유입하여, 교환기-반응기의 하부로 하강함으로써, 상부 촉매 영역에서 이동하는 배출물과 열교환한 후 중간 예비 개질 촉매 영역에서 이동하는 것과 열교환하고 이어서 하부 불활성 영역 내의 공급물 튜브 내에서 이동하는 공급물과 열교환하여 촉매 영역의 전체 길이에 걸쳐 냉각된다. 이러한 생성 합성 가스는 이어서 배기 수단(18)을 통해 수증기-반응기로부터 배기된다.
교환기-반응기의 상부에서, 산화성 가스 혼합물은 공급 수단(15)을 통해 베셀로 유입하고, 튜브 플레이트(20)를 가로질러 산화성 가스 혼합물 공급 수단(11)을 통해 가열 수단 안으로 유입한다.
가스상 연료 또한 해당 공급 수단(17)을 통해 베셀 안으로 유입하고, 이어서 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(11)의 내부에 위치한 연료 튜브(12) 안으로 유입한다.
산화성 가스 혼합물은, 0.1% 내지 21%의 산소 함유 가스, 바람직하게는 공기, 산소와 이산화탄소의 혼합물, 또는 매우 바람직하게는 발전용 가스 터빈에서 나온 연기(fume)이다. 이 경우, 산화성 가스 혼합물은 터빈으로부터 얻어진 산화성 연기에 의해 이루어진다.
가스상 연료는 천연가스 또는 정유가스 타입의 가스 형태의 탄화수소이거나, 반응기 안으로 들어가기 전에 미리 기화되는 가솔린, 가스 오일 또는 중유 타입의 액체 형태의 탄화수소를 포함하며, 바람직하게는 별도의 처리를 거쳐 정화되는 반응기 자체에서 생성된 수소가 이용된다.
도 1에 도시한 가열 수단의 제1 변형예에 있어서, 연료 튜브(12)의 출구에서 가스상 연료가 연소 영역에서 산화성 가스 혼합물과 혼합되어, 연소 반응에 의해 반응함으로써 촉매 영역의 상단에서 고온의 연기를 생성한다.
이러한 연기는 재순환 튜브 안으로 유입하여, 시스(8)의 저부로 안내되어, 재순환 튜브(9)와 시스(8) 사이에 형성된 환형 공간 내에서 상승한다.
재순환 튜브(9)의 전체 높이에 걸쳐, 이 재순환 튜브 내에서 하강하는 연기가, 재순환 튜브와 시스의 내벽 사이에 형성된 환형 공간에서 상승하는 연기를 열교환에 의해 가열한다. 이러한 연기는 시스(8)의 벽을 통한 열교환에 의해 상부 촉매 영역 내의 반응 배출물을 가열한다.
이러한 향류식 열교환은 시스의 높이에 걸친 열구배를 가능한 한 많이 감소시키기 위한 것이다. 이러한 방식에서, 연소로 인해 발생한 연기에 의해 촉매 영역으로 전달되는 열은 촉매 영역 내에 매립된 시스의 전체 높이에 걸쳐 비교적 균일하다.
재순환 튜브(9)의 상부에 있어서, 재순환 튜브와 시스 사이에 형성된 환형 공간에서 상승하는 연기의 일부가 연소 영역(13)에서 생성되는 연기에 혼입되어, 재순환 튜브에서 다시 재순환한다. 이러한 구성은 연소 반응물(combustion reagent)을 희석하고 국부적으로 교반하여 연소에 의해 생성되는 화염의 온도를 감소시킴으로써, 재료를 너무 높은 온도로부터 보호하고, 환경에 유해한 질소 산화물의 형성을 감소시킨다.
재순환 튜브에서 재순환하지 않는 고온의 연소 연기는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(11)와 시스(8) 사이에 형성된 환형 공간 내에서 상승하여 산화성 가스 혼합물과의 열교환에 의해 냉각되며, 이 산화성 가스 혼합물 자체는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(11) 내에서 하강할 때에 재가열된다.
촉매 영역의 단부와 튜브 플레이트(20) 사이에 위치한 그러한 영역은 제4 열교환 영역을 구성한다. 이 제4 열교환 영역은 베셀로부터 배기되기 전의 연소 연기의 스트림과 가열 수단 안으로 유입하는 산화성 가스 혼합물의 흐름 간에 대류 열교환을 가능하게 한다.
이러한 제4 열교환 영역은 통상의 용접 튜브 플레이트 형태의 기술을 이용할 수 있게 하기에, 다시 말해 플레이트를 제조하는 데에 보통의 금속 합금을 사용할 수 있게 하기에 충분하도록 연소 연기의 온도를 감소시킬 수 있기 때문에 매우 중요하다. 연소로부터 발생한 연기는 튜브 플레이트를 가로지른 후에 배기 수단(14)을 통해 교환기-반응기의 베셀로부터 배기된다.
도 3에서, 가열 수단은 산화성 가스 혼합물의 흐름 내로의 연료의 주입이 고르게 이루어지게 하여, 보다 광범위한 연소 영역(113)을 생성할 수 있다. 가스상 연료는 연료 튜브(112) 내에서 이들 튜브의 다공성 부분으로 이동하고, 여기서 가스상 연료는 튜브의 벽을 통과하여, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(111) 내에서 이동하는 산화성 가스 혼합물과 접촉해 연소된다. 이어서, 연소로부터 발생한 연기는 시스(108)의 저부로 이동하여, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(111)와 시스(108) 사이에 형성된 환형 공간 내에서 상승함으로써, 반응 영역과는 물론 산화성 가스 혼합물 공급 튜브 내에 수용된 연소 연기와 열교환한다.
이러한 방식에서, 연소는 연소 튜브의 선택된 다공도에 따라 그 연소 튜브의 전체 높이에 걸쳐 분포된다. 따라서, 다공도를 조절함으로써, 열을 튜브의 높이에 걸쳐 균일하게 분포시키거나, 열 프로파일이 부여되어야 하는 경우에는 불균일하게 분포시킬 수 있다. 예를 들면, 튜브의 하부에 다공도를 집중시켜, 이 영역에서의 연료의 유량을 증가시킴으로써 연소 온도를 상승시킬 수 있다. 이 경우, 연소 연기의 온도는 상부에서보다 시스의 하부에서 더 높게 된다.
도 4에서, 가열 수단은 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(211) 내에 분배된 산화 촉매(223)에 의한 산화성 가스 혼합물 공급 튜브 내부에서의 무화염 연소를 이용하고 있다. 산화성 가스 혼합물은 교환기-반응기 안으로 유입하여, 튜브 플레이트(220)를 가로질러, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(211) 내에서 산화 촉매(223)까지 이동한다. 산화성 가스 혼합물과 연료는 산화 촉매(223) 근처에서 혼합되고 그 산화 촉매 상에서 무화염 연소에 의해 반응하여 고온의 연기를 생성한다. 이러한 연소 연기는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브를 그 하부에서 떠나 시스(208) 내에서 상승함으로써, 베셀로부터 배기되기 전에 열교환에 의해 촉매 영역에 에너지를 공급한다.
산화 촉매를 이용하는 무화염 연소는 재료를 손상시킬 수 있는 열점(hot spot)의 존재를 피하고 연소를 개선하여 연기 내의 미연소 성분의 존재를 감소시킨다는 이점을 갖는다.
산화 촉매는, 알루미나 또는 지르코니아 형태의 담체에 담지된 원소 주기율표 상의 Ⅷ족의 희귀 원소를, 바람직하게는 팔라듐 및/또는 백금을 1% 내지 10% 포함한다. 이러한 산화 촉매는 코디어라이트와 같은 세라믹 재료나 고온 내화 합금 형태의 금속성 재료로 형성된 모놀리스 또는 포옴 상에 피복된 표면 피복물 또는 워시 코트 형태로 이용된다.
도 5a 및 도 5b에 도시한 특정 실시예에서, 냉각 유체를 촉매 영역으로부터의 배출물 포집 챔버 안으로 상부 튜브 플레이트(321) 아래에서 바로 주입하여(도 5a 참조), 그 플레이트를 냉각함으로써, 통상의 용접 튜브 플레이트 형태를 이용할 수 있게 하는 데, 다시 말해 플레이트를 제조하는 데에 보통의 금속 합금을 사용할 수 있게 한다. 이러한 냉각 유체는 생성된 합성 가스와 혼합되어, 이 합성 가스와 함께 배기 수단과 연통하는 합성 가스 포집 수단을 통해 반응기의 베셀로부터 배기된다.
또한, 상부 플레이트의 이중벽(321, 326)들 사이의 위치한 공간 내로 냉각 유체를 주입할 수 있는 데, 그 플레이트는 도 5b에 도시한 바와 같이 천공되어 시스가 통과할 수 있게 되어 있다.
이중벽(321, 326)으로서 구성된 천공 플레이트는 교환기-반응기 베셀에 대해 밀봉 및 고정된다. 시스는 예를 들면 용접 또는 기계적 조립체에 의해 생성된 밀봉된 장착부를 통해 플레이트를 통과한다. 기계적 조립체는 패킹 박스 또는 금속 벨로우즈에 의해 압축된 시일일 수 있으며, 이러한 연결 원리는 고온인 경우, 시일을 유지한 채로 천공 플레이트를 통해 시스가 변위할 수 있게 한다.
냉각 유체를 주입함으로써 이중벽(321, 326)으로 이루어진 상부 튜브 플레이트 및 시스를 열교환에 의해 냉각할 수 있고, 이 냉각 유체는 이어서 역시 상부 튜브 플레이트의 이중벽 사이에 위치한 배기 수단에 의해 교환기-반응기의 베셀로부터 배기될 수 있다.
냉각 유체는 임의의 성질을 가질 수 있는 것으로, 증기 형태 바람직하게는 수증기일 수 있다. 공급물 또한 냉각 유체로서 사용될 수 있고, 이에 따라 공급물은 교환기-반응기로 도입되기 전에 예열될 수 있다. 산화성 가스 혼합물뿐만 아니라, 임의의 다른 열교환 유체가 역시 사용될 수 있다.
교환기-반응기의 단일 지점에서 냉각 유체를 주입하는 것에 한정되는 것은 아니다. 튜브 플레이트의 전체 표면을 커버하도록 교환기-반응기의 베셀의 둘레 상에 배치된 복수의 주입 지점을 통해 도입이 이루어질 수도 있다.
교환기-반응기의 다른 실시예에서, 산화성 가스 혼합물과 연료의 혼합물의 화학양론을 수정하여 연료의 부분적인 산화만이 이루어져 합성 가스를 생성하도록 할 수 있다. 예를 들면, 연료가 메탄인 경우, 불충분한 산소는 다음의 반응을 초래한다.
CH4 + 1/2O2 → CO + 2H2
이러한 반응은 고도의 발열 반응으로서 1200℃ 내지 1500℃ 범위의 고온에서 발생하며, 생성된 열은 전술한 기본적인 실시예에서와 같은 수증기 개질 반응에 이용될 수 있다.
이러한 실시예는 연소 연기가 합성 가스로 이루어지기 때문에 교환기-반응기의 수율을 증대시킬 수 있다.
이와 같이 다른 방식으로 교환기-반응기를 이용하는 데에 있어서의 변형예에서, 산화성 가스 혼합물과 연료의 혼합물의 화학양론을 수정함으로써 촉매적 부분 산화에 의해 합성 가스를 생성하도록 부분 산화 촉매가 이용될 수 있다. 이 반응은 고도의 발열 반응이며, 생성된 열은 전술한 기본적인 실시예에서와 같은 수증기 개질 반응에 이용될 수 있다.
이 경우, 산화 촉매는 세라믹 알루미나, 코디어라이트 또는 지르코니아 형태의 담체, 바람직하게는 다공성 알파 알루미나 담체에 담지된 원소 주기율표 상의 Ⅷ족의 희귀 원소, 바람직하게는 팔라듐, 백금, 또는 더 바람직하게는 로듐을 5% 내지 30% 포함한다.
작동 조건
수증기 개질 반응은 촉매 영역의 입구와 출구 간에 변화하는 고온에서 작동하는 것이 유리하다.
- 촉매 영역의 입구에서 온도 범위는 500℃ 내지 750℃.
- 촉매 영역의 출구에서 온도 범위는 750℃ 내지 950℃, 바람직하게는 850℃ 내지 900℃.
수증기 개질 반응은 0.5 내지 5㎫, 바람직하게는 1 내지 4㎫, 보다 바람직하게는 2 내지 2.5㎫ 범위의 압력에 작동한다.
교환기-반응기의 입구에서, 탄화수소 공급물은 수증기/탄소원자의 몰비가 유리하게는 2 내지 5 범위, 바람직하게는 2.3 내지 2.7 범위로 되도록 하는 비율의 탄화수소와 수증기의 혼합물로 이루어진다.
교환기-반응기의 입구에서, 탄화수소 공급물의 온도는 유리하게는 350℃ 내지 750℃, 바람직하게는 550℃ 내지 650℃ 범위이며, 탄화수소 공급물은 전술한 반응 압력과 실질적으로 동일한 압력으로 교환기-반응기의 베셀 내로 유입한다.
수증기 개질 반응 후에, 생성된 합성 가스는 촉매 영역을 떠나, 유리하게는 750℃ 내지 950℃, 바람직하게는 850℃ 내지 900℃의 범위의 온도로 합성 가스 포집 수단 내에 유입한다.
교환기-반응기 베셀의 출구에서, 생성된 합성 가스의 온도는 유리하게는 300℃ 내지 500℃, 바람직하게는 350℃ 내지 450℃ 범위이며, 생성된 합성 가스는 전술한 반응 압력과 실질적으로 동일한 압력으로 교환기-반응기 베셀을 떠난다.
교환기-반응기의 입구에서, 산화성 가스 혼합물의 온도는 유리하게는 300℃ 내지 800℃ 범위이며, 산화성 가스 혼합물이 터빈 출구로부터 제거되는 연기로 이루어진 경우에는 650℃ 내지 750℃가 바람직하고, 산화성 가스 혼합물이 압축기 출구로부터 제거되는 연기로 이루어진 경우에는 350℃ 내지 450℃가 바람직하다.
산화성 가스 혼합물은 유리하게는 0.05 내지 4㎫, 바람직하게는 0.3 내지 0.5㎫의 범위의 압력으로 교환기-반응기 베셀 내로 유입한다.
연소 후에, 연소로 인해 발생한 가스 혼합물의 온도는 유리하게는 900℃ 내지 1500℃, 바람직하게는 900℃ 내지 1000℃ 범위이다.
교환기-반응기 베셀의 출구에서 산화성 가스 혼합물과 열교환에 의해 냉각된 후에, 연소로 인해 발생한 가스 혼합물의 온도는 700℃ 내지 900℃, 바람직하게는 700℃ 내지 750℃ 범위의 온도로 감소된다.
유리하게는, 연료는 상온 내지 400℃, 바람직하게는 상온 내지 150℃ 범위의 온도와, 0.05 내지 4㎫, 바람직하게는 0.3 내지 0.5㎫ 범위의 압력으로 교환기-반응기 베셀 내로 도입된다.
유리하게는, 냉각 유체는 100℃ 내지 400℃, 바람직하게는 250℃ 내지 350℃ 범위의 온도로 교환기-반응기 내부로 도입된다.

Claims (23)

  1. 교환기-반응기(exchanger-reactor)(1)로서,
    - 베셀(2)과,
    - 고정 베드식 촉매 영역(10)에 걸쳐 공급물을 분배하는 분배 수단과,
    - 촉매 영역(10)으로부터 발생한 배출물을 포집하는 포집 수단(6)과,
    - 촉매 영역(10)을 가열하는 가열 수단
    을 포함하며, 상기 포집 수단(6)은 촉매 영역(10)을 바로 통과하는 도관을 포함하며, 이 도관은 촉매 영역 내에 분포되어 가열 수단 사이에 개재되며, 촉매 영역의 가열 수단은 촉매 영역(10) 내에 부분적으로 매립된 시스(sheath)(8) 내에 수용되며, 이 시스(8)는 일단부에서는 개방되어 있고 타단부에서 폐쇄되며, 시스의 개방 단부는 촉매 영역(10) 위에 위치한 포집 챔버(19)를 획정하는 상부 튜브 플레이트(21)에 고정되며, 상기 가열 수단은 촉매 영역에 근접하게 위치한 적어도 하나의 연소 영역(13), 이 연소 영역(13)에 산화성 가스 혼합물을 공급하는 산화성 가스 혼합물 공급 수단(15) 및 가스상 연료를 공급하는 가스상 연료 공급 수단(17), 연소로부터 발생하는 가스상 배출물(14)을 배기하는 배기 수단을 포함하는 것인 교환기-반응기.
  2. 제1항에 있어서, 적어도 2개의 포집 수단(6)이 단일의 독특한 고정 베드식 촉매 영역 내에 분포되어, 적어도 2개의 가열 수단들 사이에 개재되는 것인 교환기-반응기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 공급물을 분배하는 분배 수단은 천공된 하부 튜브 플레이트(4)를 포함하며, 이 플레이트의 천공부는 공급물 튜브(5)로 불리는 관형 요소에 의해 연장되는 것인 교환기-반응기.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 고정 베드식 촉매 영역(10)에 걸쳐 공급물을 분배하는 분배 수단은 절두형(truncated)의 수평 천공 플레이트(24)와 비절두형(non-truncated)의 상부 천공 플레이트(26)로 이루어지며, 이들의 천공부는 배출물 포집 수단(6)이 통과할 수 있게 된 것인 교환기-반응기.
  5. 제4항에 있어서, 절두형의 수평 천공 플레이트(24) 및 비절두형의 상부 천공 플레이트(26)는 불활성 하부 영역(10c) 내에 배치되어 배플을 형성하는 것인 교환기-반응기.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 천공된 하부 튜브 플레이트(4)는 불활성 비드(bead)로 이루어진 베드에 의해 지지되는 것인 교환기-반응기.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 영역(10)은 하부 튜브 플레이트(4) 상에 위치한 적어도 하나의 하부 불활성 영역(10c)을 포함하는 것인 교환기-반응기.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 하부 불활성 영역은 공급물 튜브의 길이에 실질적으로 상응하는 두께를 갖는 것인 교환기-반응기.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 영역(10)으로부터 발생한 배출물을 포집하는 도관(6)은 촉매 영역(10)의 하류에 위치한 포집 챔버(19)와, 배출물 배기 수단(18) 사이에 위치하는 것인 교환기-반응기.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 영역(10)으로부터 발생한 배출물을 포집하는 도관은 공급물 튜브(5)의 내부 공간 내에서 하부 튜브 플레이트(4)를 가로질러 연장하는 것인 교환기-반응기.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 영역(10)으로부터의 배출물을 포집하는 도관은 촉매 영역과 접촉하는 표면적을 증가시키도록 외벽 상에 리브를 포함하는 것인 교환기-반응기.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서, 시스(8)는 촉매 영역과 접촉하는 표면적을 증가시키도록 외벽 상에 리브를 포함하는 것인 교환기-반응기.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 수단은 동축(co-axial)으로 배치된
    - 실질적으로 촉매 영역(10)의 상부 레벨에서 시스(8)로 개방되는, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(11)와,
    - 일단부에서 연료 공급 수단(17)에 연결되는 한편, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(11) 내부에 위치하여 실질적으로 그와 동일한 레벨에서 개방되는, 연료 튜브(12)로 불리는 연료 분배 수단
    으로 이루어지는 것인 교환기-반응기.
  14. 제13항에 있어서, 연소 영역은 촉매 영역(10)의 상단에서 시스(8) 내에 위치하는 것인 교환기-반응기.
  15. 제13항에 있어서, 가열 수단은 연소로인해 발생한 배출물을 재순환시키는 재순환 튜브(9)를 포함하며, 이 재순환 튜브(9)는 양단부가 개방되어 있는 한편 시스(8) 내에서 연소 영역(13)의 하류에 위치하는 것인 교환기-반응기.
  16. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 수단은 동축으로 배치된
    - 실질적으로 시스(108)의 저부에서 시스로 개방되는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(111)와,
    - 일단부에서 연료 공급 수단(117)에 연결되는 한편, 산화성 가스 혼합물 공급용 튜브(111) 내부에 위치하여 시스(108)의 저부까지 실질적으로 연장하며, 적어도 하나의 다공성 벽 부분을 포함하는 연료 튜브(112)로 불리는 연료 분배 수단
    으로 이루어지는 것인 교환기-반응기.
  17. 제16항에 있어서, 연료 튜브(112)의 벽에 생성된 천공부는 촉매 영역(110) 내에 매립된 연료 튜브(112)의 벽을 따라 분포된 복수의 연소 영역(113)을 형성하는 것인 교환기-반응기.
  18. 제16항에 있어서, 산화성 가스 혼합물 공급 튜브는 그 전체 높이 및 촉매 영역의 상단까지 산화 촉매(223)로 채워지는 것인 교환기-반응기.
  19. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 수단은,
    - 실질적으로 시스(208)의 저부에서 시스로 개방되는 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(211)와,
    - 촉매 영역(210)에 대해 직각으로 산화성 가스 혼합물 공급 튜브(211)의 내부에서 그 높이의 적어도 일부분에 걸쳐 연료 분배 튜브(212) 하류에 배치되는 산화 촉매
    로 이루어지는 것인 교환기-반응기.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매 영역(310)으로부터의 배출물을 포집하는 포집 챔버(319) 내에는 냉각 유체가 주입되는 것인 교환기-반응기.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 천공 튜브 플레이트(321)는 이중 벽(321, 326)으로 이루어져 그 내부 공간에서 냉각 유체가 이동할 수 있도록 구성되는 것인 교환기-반응기.
  22. 제1항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서, 연소 영역(13)은 촉매 영역(10)의 내부에 위치하는 것인 교환기-반응기.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 교환기-반응기의 수증기 개질 반응에서의 용도.
KR1020087025042A 2006-03-17 2007-03-16 고정 베드에서의 흡열 반응을 위한 내부 연소 교환기 반응기 KR101357977B1 (ko)

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