KR20110055673A

KR20110055673A - 발열성 고온 반응 프로세스로부터 열을 제거하기 위한 장치 및 방법

Info

Publication number: KR20110055673A
Application number: KR1020117006325A
Authority: KR
Inventors: 제임스 로날드 힐더브랜드; 마크 더블유. 다쎌; 안토니 나겔
Original assignee: 플루오르 테크놀로지스 코포레이션
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2009-08-17
Publication date: 2011-05-25
Also published as: WO2010021964A1; EP2326414A1; US20110256033A1; EP2326414A4; US8815170B2; CN102196857A; CA2734582A1

Abstract

반응 매스의 표면으로부터 반응 용기의 일부를 형성하는 제 1 흡수재로 열이 복사할 수 있게 허용함으로써, 그리고 제 2 흡수재를 이용하여 상기 제 1 흡수재로부터 열이 제거될 수 있게 허용함으로써, 반응 용기 내에 배치된 높은-온도의 발열 반응 매스의 표면으로부터 열이 제거되는, 장치 및 방법이 제공된다.

Description

발열성 고온 반응 프로세스로부터 열을 제거하기 위한 장치 및 방법{DEVICES AND METHODS OF HEAT REMOVAL FROM EXOTHERMIC HIGH TEMPERATURE REACTION PROCESSES}

본원은 2008년 8월 21일자로 출원된 본 출원인 명의의 미국 가명세서 출원 61/090709를 기초로 우선권을 주장한다.

본원 발명은 다양한 고온 반응 프로세스로부터, 특히 부수적인 먼지 발생이 수반되는 고발열성 반응으로부터 열을 전달하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

고발열성의 고온 반응에 의해서 발생되는 열을 제거하기 위한 가장 잘 알려진 프로세스에서, 열은 반응 매스(mass)로부터 그러한 반응 매스를 통한 전도를 통해서 반응 용기의 내측 벽으로 전달되고, 이어서 용기 벽을 통해서 추가적으로 전도되며, 마지막으로 외부 용기 벽으로부터 공기나 물과 같은 외부 열 전달 매체로 대류식으로 전달된다. 가장 통상적으로, 매체가 물인 경우에, 그러한 매체는 종종 스프레잉되거나 외부 벽에 커플링된 코일을 통해서 순환된다. 다른 한편으로, 매체가 공기인 경우에, 반응기의 외부 벽에는 냉각 핀이 구비되며, 공기가 그러한 핀들 상으로 또는 그러한 핀들을 가로질러 강제로 유동되어 열 전달을 촉진할 것이다.

불행하게도, 현재까지 공지된 구성들 및 방법들은 2가지의 경쟁적이고 서로 배타적인 목적들에 의해서 제한을 받고 있다. 첫 번째 목적은 소정(所定)의 높은 온도에서 반응을 유지하여야 하는 것으로서, 그러한 온도 아래에서는 반응이 최적으로 이루어지지 않을 것이고 심지어는 중단될 수 있으며, 및/또는 그 온도 아래에서는 반응 후에도 반응되지 않은 물질을 허용치 보다 많은 레벨로 남기게 될 것이다. 그러나, 그러한 높은 온도는 또 다른 소정 온도를 초과하지 못할 것이며, 온도가 그러한 또 다른 소정 온도보다 높으면 지나치게 높은 온도로 인해서 반응 용기 벽 또는 반응 용기 내에 설치된 라이너 물질에 문제가 발생될 수 있을 것이다. 두 번째 목적은 반응 용기의 고장을 방지하기 위해서 반응 용기 벽을 수용가능한 낮은 온도로 유지하는 것이다. 잠재적인 열 손상을 극복하기 위해서, 절연 물질이 격납 용기 내부의 라이너로서 설치될 수 있을 것이다. 그러나, 그러한 경감책은 전술한 전도/대류 프로세스를 이용하여 용기 벽을 통해 반응 열을 제거하는 것을 필수적으로 그리고 상당히 감소시킬 것이다.

그에 따라, 높은 발열성 반응 시스템으로부터 열을 제거하는 것에 실패하면, 과다한 내부 온도가 초래될 수 있고 그리고 후속하여 반응 용기 벽 또는 라이너 물질에 문제가 발생할 수 있을 것이다. 반대로, 그리고 절연이 없는 경우에, 열전달이 이루어질 수 있을 것이나, 희망하는 높은 반응 온도를 유지하는 것이 곤란해진다(심지어는 불가능해진다). 또한, 용기 벽으로의 열 전달이 허용되는 방법이나 설비에서, 높은 발열성 반응이 실시되는 경우에 용기 벽 온도는 안전 디자인에 의해서 설정된 최대 허용 한계를 쉽게 초과할 수 있을 것이다. 그러한 경우에 용기 벽에 문제가 발생하는 것을 피하기 위해서, 특별한 안전보호책이 반드시 도입되어야 하고, 그러한 보호책은 열 전달을 촉진하는 경향이 있고 이는 반응 온도를 희망하는 높은 온도 보다 낮추기도 한다. 또한, 이러한 문제점들은 발열 반응 중의 분진 형성에 의해서 보다 더 복잡해질 수 있다.

그에 따라, 높은 온도의 발열 반응 시스템으로부터, 특히 상당량의 분진 입자들을 발생시키는 반응으로부터 열을 제거하기 위한 개선된 장치 및 방법이 요구되고 있다 할 것이다.

본원 발명은 발열성 고온 반응 매스를 수용하는 저장 용기를 위한 여러 장치 및 방법에 관한 것으로서, 상기 장치 및 방법은 공지된 시스템의 단점들을 회피할 수 있을 뿐만 아니라 이전에 상충되었던 이점을 구현할 수 있다.

본원 발명의 청구 대상의 하나의 측면에서, 반응 용기 내에 배치된 높은-온도의 발열 반응 매스의 표면으로부터 열을 전달하는 방법은 반응 매스의 표면으로부터 반응 용기의 일부를 형성하는 제 1 흡수재(absorber)로 열이 복사될 수 있게 허용하는 단계를 포함하며, 상기 반응 용기의 하나 이상의 다른 표면이 열적으로 절연된다. 이어서, 그렇게 흡수된 복사 열이 제 2 흡수재를 이용하여 제 1 흡수재로부터 제거된다. 반응이 분진 입자를 형성하는 경우에, 열이 반응 매스의 표면으로부터 난류 흑체(turbulent black body) 입자를 통해서 제 1 흡수재로 복사될 수 있다는 것을 추가적으로 생각할 수 있을 것이다.

가장 통상적으로, 제 1 흡수재는 금속을 포함하고 제 2 흡수재는 열 전달 유체를 포함하며, 적어도 일부 실시예에서, 제 1 흡수재는 반응 매스의 표면과 실질적으로 평행한 표면을 가질 것이다. 예를 들어, 제 1 흡수재는 덮개(lid)로서 구성될 수 있고, 그리고 제 2 흡수재는 덮개 내에 형성되거나 덮개에 커플링된 도관을 통해서 유동할 수 있을 것이다. 적절한 덮개가 반응 매스의 표면에 대해서 실질적으로 수직인 흡수성 측부 벽 및/또는 곡선형이거나 돔 형상을 가질 수 있는 흡수성 측부 벽을 가지도록 구성될 수 있을 것이다. 또한, 제 1 흡수재가 반응 매스의 표면으로부터의 복사 열 흡수를 개선하는 층을 포함하거나, 및/또는 반응 용기의 하나 또는 둘 이상의 나머지 표면들이 내화 층에 의해서 절연되는 것이 바람직할 것이다.

그에 따라, 여러 각도에서 관찰할 때, 높은-온도의 발열성 반응 매스 반응 용기는 반응 표면을 가지는 높은-온도의 발열성 반응 매스를 수용하도록 구성된 다수의 단열 벽을 포함할 수 있을 것이다. 반응 용기는 또한 다수의 벽에 커플링된 제 1 흡수재를 더 포함할 것이고, 상기 제 1 흡수재는 반응 매스의 표면으로부터의 복사 열을 흡수하도록 구성되고 배치될 것이다. 이어서, 제 2 흡수재가 제 1 흡수재에 열적으로 커플링되고, 상기 제 2 흡수재는 제 1 흡수재로부터 열을 흡수하도록 구성되고 배치된다.

특히 바람직한 측면에서, 제 1 흡수재는 덮개로서 구성되고, 제 2 흡수재는 덮개 내에 형성된 또는 덮개에 커플링된 도관을 통해서 유동하고, 상기 제 1 흡수재는 반응 매스의 표면에 실질적으로 평행하다. 희망하는 경우에, 제 1 흡수재가 반응 매스의 표면으로부터의 복사 열 흡수를 개선하는 층을 더 포함할 수 있다.

그 대신에, 그리고 특히 발열성 반응이 분진 입자 형성을 포함하는 경우에, 높은-온도의 발열성 반응 매스 반응 용기가 반응 표면을 가지는 높은-온도의 발열성 반응 매스를 수용하도록 구성된 다수의 단열 벽을 포함할 것이다. 이어서, 제 1 흡수재가 다수의 벽에 커플링되고 그리고 반응 매스의 표면 위쪽의 공간에서 부유하는(suspended) 다수의 흑체 입자들로부터 복사 열을 흡수하도록 구성되고 배치된다. 그러한 실시예에서, 다수의 흑체 입자의 크기가 충분히 작아서 반응 매스의 표면에 의해서 입자가 가열될 수 있고, 그리고 입자들의 기계적인 대류 운동을 지원할 정도로 반응 매스의 표면이 충분히 높은 온도를 가지게 된다. 이어서, 제 2 흡수재가 제 1 흡수재에 열적으로 커플링되며, 제 2 흡수재는 제 1 흡수재로부터 열을 흡수하도록 구성되고 배치된다.

가장 바람직하게, 제 1 흡수재는 덮개로서 형성되고, 제 2 흡수재는 덮개 내에 형성된 또는 덮개에 커플링된 도관을 통해서 유동하고, 상기 덮개는 곡선형인 또는 돔 형상을 가지는 흡수성 측부 벽을 가지도록 구성될 수 있다. 앞에서와 같이, 제 1 흡수재가 반응 매스 표면으로부터의 복사 열 흡수를 개선하는 층을 더 포함할 수 있다.

본원 발명의 여러 목적, 특징, 측면 및 이점들은 본원 발명의 바람직한 실시예에 관한 이하의 설명으로부터 보다 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본원 발명의 청구 대상에 따른 반응 용기의 예시적인 실시예를 도시한 도면이다.

본원 발명은 높은-온도의 발열성 반응을 위한 개선된 반응 용기 및 방법에 관한 것으로서, 상기 반응 용기 내에는 반응 매스가 절연 영역 내에 수용되고, 이때 반응 표면으로부터 제 1 흡수재로 열이 대류 전달되는 것이 허용되고, 그리고 제 1 흡수재로부터 제 2 흡수재로 열이 대류 전달되는 것이 허용된다. 그에 따라, 본원 발명에 따른 장치 및 방법은 희망하는 높은 반응 온도를 유지하면서도 절연 영역을 통해서 용기를 보호할 뿐만 아니라, 반응 매스 및/또는 반응 용기의 과열을 방지하기 위해서 냉각 매체로 열을 대류식 및 전도식으로 조합하여 전달하는 것을 통해서 제어된 방식으로 열을 제거할 수 있다.

그에 따라, 특히 바람직한 측면에서, 반응 매스의 표면으로부터 복사를 통해서 열이 제거되고(즉, 용기의 내측 표면과 직접적으로 접촉하지 않는다) 그러한 복사 열이 반응기의 하나 이상의 내측 표면(예를 들어, 반응기 덮개)으로 흡수됨으로써, 발열성 반응의 반응 온도가 희망하는 설정점에서 유지된다. 동시에, 반응 용기의 나머지 표면의 벽 온도는 여러 절연 물질의 이용에 의해서(예를 들어, 선택된 반응기 내측 벽 표면 상에 절연 층을 설치함으로써) 낮게 유지된다. 반응 표면 온도 및/또는 반응기 라이너 및 벽의 온도가 소위 당업계에 공지된 방식들을 이용하여 모니터링되고 제어되는 것이 더욱 바람직할 것이다.

본원 발명의 청구 대상의 하나의 예시적인 측면에서, 복사를 통해서 그리고 후속하여 복사된 열이 냉각 매체에 열적으로 커플링된 열 전달 표면으로 흡수됨으로써, 발열성 반응 매스의 고온 반응 표면으로부터 열을 제거하도록 반응기가 구성된다. 예를 들어, 발열성 반응은 다른 금속의 존재(통상적으로 용융되어)하에서 전구체로부터 특정의 순수 금속을 형성하는 것일 수 있다. 그에 따라, 반응 매스의 표면이 500 ℃ 내지 1,500 ℃, 보다 통상적으로 800 ℃ 내지 1,200 ℃의 온도를 가질 수 있다. 그러한 장치 및 다른 장치에서, 열은 반사 표면으로부터 복사될 수 있을 것이고 이어서 제 1 흡수재(이하에서 보다 구체적으로 설명하는 바와 같이, 반응 표면에 평행한 표면인 것이 가장 바람직하다)로 흡수된다. 예를 들어, 그러한 제 1 흡수재는 반응 표면의 위쪽에 배치되고 반응 표면과 평행한 덮개의 하부일 수 있다. 그렇게 흡수된 열이 흡수재를 통해서 제 1 흡수재의 상부(반대쪽 또는 다른 쪽) 측면으로 전도되고, 그로부터 열이 추가적으로 열 전달 매체(예를 들어, 냉각수 또는 냉각 오일)로 전도된다. 통상적으로, 열 전달 매체는 제 1 흡수재 및 제 2 표면 및 상기의 평행한 양 표면들을 둘러싸고 연결하는 벽들에 의해서 형성된 공간 내에 수용된다. 이어서, 열은 전달 매체를 소정 속도(rate)(통상적으로, 적어도 반응 온도 및 매체의 열 용량을 함수로 한다)로 제거함으로써 반응기로부터 제거된다.

그러한 구성 및 방법에서, 반응 용기 내에 수용된 반응 매스를 통해서 그리고 반응 용기의 벽을 가로지르는 전도를 통해서 열이 반응 매체로부터 제거되는 것은 반응 용기 내의 라이너(또는 다른 절연 구조물)에 의해서 방지된다. 가장 통상적으로, 그러한 라이너는 하나 또는 둘 이상의 층을 포함하고, 이때 하나 이상의 그러한 층이 절연 물질이고 그리고 다른 층들은 다른 타입의 물질(예를 들어, 추가적인 절연체, 구조적 층 등)일 수 있을 것이다. 당업계에는 수많은 절연 및/또는 내화 물질이 공지되어 있고, 그러한 모든 물질들은 여기에서 사용하기에 적합할 것이다. 그에 따라, 본원 발명에 따른 장치 및 방법이 여러 이점들을 조합할 것인데, 이는 (1) 반응 표면으로부터 열이 복사될 수 있게 허용함으로써, (2) 반응 용기를 보호하기 위해서 비-전도 표면을 절연함으로써, 그리고 (3) 제 1 (통상적으로 정적(static)인) 흡수재를 가로질러 제 2 (통상적으로, 유체) 흡수재로 열이 복사될 수 있게 허용함으로써 이루어질 수 있을 것이다.

본원 발명의 청구 대상의 특히 바람직한 측면에서, 제 1 흡수재는 반응 용기 내의 반응 표면에 실질적으로 평행한 제 1 표면을 가진다. 그러나, 다른 여러 가지 기하학적 형상들도 여기에서 적절하게 사용될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 또한 바람직하게, 제 1 흡수재의 적어도 일부(가장 통상적으로, 반응 매스의 표면과 마주하는 제 1 흡수재의 하부측면)가 복사 열의 흡수를 돕는 기판(예를 들어, 흑색(dark) 기판, 탄소, 수트(soot), 실리콘 카바이드 등)으로 또는 기타 내화 물질로 코팅될 수 있을 것이다. 그러한 층은 희망하는 속도로 열을 전달할 수 있도록 충분히 얇은 것(예를 들어, 1 mm 미만, 보다 통상적으로 0.1 mm 미만)이 가장 바람직할 것이다.

본원 발명의 청구 대상을 제한하는 것은 아니지만, 제 1 흡수재가 가장 바람직하게 반응 용기 내의 온도에 대해서 내성을 가지는 금속, 금속 합금, 또는 세라믹 물질을 포함하는 것이 바람직할 것이다. 제 1 흡수재가 덮개나 기타 커버로서 구성되는 경우에, 제 1 흡수재가 반응 용기의 나머지 부분과 직접적으로 접촉하지 않는 것이 일반적일 것이며, 절연 물질이 제 1 흡수재의 하부-측면과 반응기의 벽과 만나는 안착 부분 사이(예를 들어, 반응기 측-벽을 덮개와 결합하는 플랜지들 사이)에 배치되는 것이 일반적일 것이다. 그러한 간접적인 커플링은 열 전도를 바람직하게 감소시킬 것이고 그리고 반응 용기와 덮개 사이에 열적 밀봉을 제공할 것이다.

가장 바람직하게 열 전달 유체인 제 2 흡수재를 통해서 열이 제 1 흡수재로부터 제거된다. 특정 디자인 파라미터에 따라서, 열 전달 유체가 수많은 방식으로 제 1 흡수재와 접촉할 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 예를 들어, 열 전달 유체가 자켓으로서 제 1 흡수재로 제공될 수 있고, 제 1 흡수재 상의 또는 그 내부의 채널들을 통해서 및/또는 가로질러 안내될 수도 있을 것이다. 그러나, 가장 바람직하게, 열 전달 유체는 제 1 흡수재의 상부 표면과 상기 상부 표면에 통상적으로 평행한 제 2 표면 사이에 형성된 공간으로 한정된다. 희망하는 경우에, 하나 또는 둘 이상의 핀이 (양호한 열 전달을 촉진하기 위해서) 열 전달 유체와 접촉하도록 제 1 흡수재의 상부 표면 상에 설치될 수 있을 것이다. 예를 들어, 열 전달 유체에 대해서 구불구불한 경로 및 난류를 생성하도록 핀들이 정렬될 수 있을 것이다. 그 대신에, 열 전달 유체가 제 1 흡수재의 상부 표면에 부착된 냉각 코일을 통해서 채널링될 수도 있을 것이다.

추가적인 장치 및 방법에서, 제 1 흡수재(및 희망에 따른 전달 매체를 수용하기 위한 관련 구조물)가 하나 또는 둘 이상의 도관들을 포함하는 것이 바람직하고, 그러한 도관들을 통해서 반응 용기에서 소모된 반응제들이 반응기로 부가될 수 있을 것이다. 예를 들어, 그러한 도관들은 (측벽과 함께) 반응기 덮개 내의 노즐 또는 다른 관통 개구부를 포함할 것이다. 전술한 바와 같이, (반응 용기 벽을 보호하기 위해서 그리고 반응 용기 벽의 온도를 낮게 유지하기 위해서) 반응 용기의 나머지 내측 표면들이 높은 온도의 반응기 내용물로부터 절연되는 것이 바람직할 것이다. 다른 적절한 선택사항 중에서, 나머지 반응 용기 벽이 라이너로 절연될 수 있을 것이다(예를 들어, 하나 또는 둘 이상의 층을 포함하고, 이때 하나 이상의 층이 절연체 또는 다른 내화 물질이다).

또 다른 특별히 바람직한 측면에서, 반응 표면 위쪽의 공간이 제 1 흡수재로 열을 복사 전달하는 것을 방해하는 물질(예를 들어, 분진 입자)을 포함하는 방법 및 장치가 고려된다. 예를 들어, 반응기 내의 발열성 반응이 전구체 물질로부터 순수 금속을 형성하는 것인 경우에, 반응제를 반응기 내로 도입할 때 분진이 형성되는 것이 일반적으로 불가피하다. 또한, 분진의 추가적인 양이 미세하게 분쇄된 제품 금속 입자의 형태로 그리고 반응 부산물로부터의 입자의 형태로 발생될 수 있을 것이다.

소위 당업자는, 반응 매스 위쪽의 증기 공간에서 분진이 발생하는 것은 복사 열 전달을 방해할 것이고 그에 따라 필요한 열 전달을 완전히 방해하지는 않더라도 상당히 감소시킨다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러나, 그리고 일반적인 믿음에 반대로, 본원 발명자들은 반응 매스 표면 위쪽의 공간내에서의 난류(통상적으로, 대류성 난류에 의해서, 그러나 그러한 대류성 난류로 반드시 제한되는 것은 아니다)가 복사 열 전달의 차단을 충분히 극복할 수 있다는 것을 발견하였다. 보다 주목할 만한 것으로서, 난류는 복사 열 전달의 모드를 변화시키고 그리고 새로운 방법을 도입하여 반응기로부터의 열 제거를 추가적으로 개선한다.

보다 특히, 그리고 분진 형성이 없는 상태에서, 복사선이 고온 표면으로부터 방출되고 그리고 바람직하게 평행한 표면(통상적으로, 반응기 덮개의 평평한 하부-측면)으로 직접적으로 이동될 것이고, 상기 표면은 흡수성(예를 들어, 흑색(black)) 코팅을 통해서 열을 흡수할 것이다. 그에 따라, 종래의 상식에 따라서, 분진의 존재하에서, 덮개 하부 측면으로의 전달이 감소되거나 심지어는 완전히 방지될 것이다. 분진이 존재할 때 반응 매스의 표면에 평행한 표면으로의 직접적인 전달이 실질적으로 감소되는 한편, 각 분진 입자가 개별적인 흡수성 흑체로서 작용할 수 있다는 것을 생각하여야 할 것이다. 개별적인 분진 입자들의 방사율(emissivity)이 약 1의 값에 접근(분진의 색채가 회색이기 때문이다)하기 때문에, 입자가 수용하는 에너지의 양과 동일한 양의 에너지를 복사 방출할 때까지 입자의 온도가 상승할 것이다. 그러나, "무한 평행 평면(infinite parallel planes)" 모델과 분명히 대조적으로, 각 입자는 모든 방향으로 복사하게 될 것이다. 그에 따라, (외부 열 손실 방지를 위해서) 만약 반응기의 벽들이 절연된다면, 각 분진 입자로부터의 내향 및 외향 복사는, 입자로부터의 복사선이 시스템의 외부로 나가는 길을 찾을 때까지, 계속될 것이다.

반응 시스템의 증기 공간(즉, 반응 표면 위쪽의 공간)이 적당히(moderately) 난류 상태라고 가정한다면, 각 입자는 증기를 통과하여 이동할 것이고 그리고 최종적으로 덮개에 근접한 일부 지점에 위치하게 될 것이다. 이러한 지점에서, 입자에 의해서 방출되는 복사선이 덮개에 의해서 흡수될 것이다. 결과적으로, 열 에너지가 시스템을 빠져나가게 될 것이고 입자는 냉각될 것이며 그에 따라 새로운 에너지를 흡수할 수 있는 준비 상태가 될 것이다. 이렇게 흡수될 새로운 에너지는 반응 표면으로부터 유래되거나 또는 (보다 높은 가능성으로) 다른 분진 입자로부터 유래될 것이다. 물론, 에너지를 흡수하고 재방출하는 그러한 연쇄작용에 의해서, 덮개에 인접한 입자들로부터 방사되는 에너지가 최종적으로는 반응 표면에 의해서 제공된다는 것을 주지하여야 할 것이다.

그에 따라, 분진의 존재가 다수-방향 모드로 반응 표면으로부터 열을 전달하는 것을 개선할 수 있고, 시스템으로부터의 에너지 제거를 상당히 증대시킬 수 있다는 것을 특히 이해하여야 할 것이다. 평행 평면 모델의 경우에, 덮개의 하부-표면만이 에너지를 효과적으로 흡수하여 시스템으로부터 에너지를 제거(냉각 매체를 이용하여 위로부터 냉각된다)한다. 그러나, 덮개 내의 열 전달 표면이 증대되는 경우에, 분진이 존재할 때 상당히 더 많은 양의 열이 시스템으로부터 제거될 수 있는데, 이는 다음과 같은 분명히 상이한 에너지 전달 모드 때문이다: 즉, 열이 분진에 의해서 복사적으로 흡수되고, 이어서 "고온" 분진 입자로부터 흑체 표면(다른 분진 입자)으로 대류적으로 이송되고, 그리고 마지막으로 다른 분진 입자로부터 반응기의 흡수성 표면으로 재-복사된다. 분진 입자들이 수평 차원(dimensions)뿐만 아니라 수직 차원으로도 복사하기 때문에, 그러한 복사 에너지는 또한 덮개를 형성하는 측벽으로부터 뿐만 아니라 덮개의 하부-측면으로부터도(양자는 외부로부터 냉각된다) 제거될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 결과적으로, 내부의 흑체 면적을 증대시킴으로써, 주어진 크기의 반응기에 대한 잠재적인 흡수성 면적(흑체 면적)이 용이하게 증대될 수 있을 것이다. 여러 측면에서 관찰할 때, 열 전달이 개선된 여러 장치 및 방법이 실행될 수 있을 것이며, 그에 따라 기계적인 대류성 및 복사성 열 전달 기구의 조합이 효과적으로 이용될 수 있을 것이다.

그러한 하나의 구성이 예를 들어 도 1에 도시되어 있으며, 여기에서 반응 용기는 외부 용기 쉘(shell)(a)을 구비한다. 쉘이 단지 적당한 온도(통상적으로, 500 ℃ 미만)에만 노출될 것이기 때문에, 그러한 쉘은 여러 물질로 제조될 수 있을 것이다. 바람직하게, 쉘의 내부 표면은 층(b)으로 도시된 바와 같이 내화재 또는 기타 절연 물질에 의해서 절연된다. 물론, 절연 물질이 반응 포트(pot)(c) 내의 열로부터 쉘(a)을 절연시킬 수만 있다면, 다양한 절연 물질(예를 들어, 주입된(poured) 내화 물질, 세라믹 물질, 광물면(mineral wool) 등)이 이용될 수 있을 것이다. 또한, 반응이 압력을 생성하는 경우에 또는 반응이 압력하에서 실시되는 경우에, 매스 위쪽의 헤드 공간 및 반응 매스 내의 압력과 평형을 이루는(counterbalances) 압력까지, 절연 층(b)이 배치되는 공간을 가압할 수 있을 것이다. 통상적으로, 반응 포트(c)는 내고온성 금속 또는 금속 합금으로 형성된다. 바람직하게, 플랜지가 쉘(a)의 외측 쉘 플랜지와 덮개 쉘(j)의 덮개 플랜지 사이에 샌드위치되도록, 반응 포트가 플랜지화되는 것이 바람직하다. 반응 포트가 반응 매스를 수용할 뿐만 아니라, 절연 층 내로 침투하는 반응 매스에 대한 배리어를 제공하고 그리고 절연 층으로부터의 물질로 반응 매스가 오염되는 것을 추가적으로 방지한다. 덮개 쉘과 쉘 사이의 열 플럭스(flux)를 최소화하기 위해서 절연 가스켓(d)이 (a)외 (j) 사이에 배치된다. 통상적으로, 덮개 쉘은 내측 플리넘(plenums)(f) 내에서 냉각 매체(예를 들어, 고온 오일)를 순환시키기 위한 하나 또는 둘 이상의 유입구 및/또는 배출구 노즐(e)을 포함할 것이며, 바람직하게 열 전달 유체의 난류 유동을 생성하기 위해서 그리고 열 전달 면적을 증대시키기 위해서 상기 노즐이 경사를 이루거나(baffled) 또는 다른 방식으로 변형될 것이다.

층(g)은 덮개의 내측 표면 상에 흑색 기판(통상적으로, 얇은 흡수성 층)을 제공하며, 이는 복사 열을 위한 수용 표면을 상당히 증대시키기 위해서 측벽 및 상부 표면을 포함한다. 덮개는 또한 반응제 공급을 위한 하나 또는 둘 이상의 노즐(h)(하나만이 도시됨)을 더 포함한다. 통상적으로, 덮개 상부의 온도가 비교적 낮기 때문에(예를 들어 200 ℃ 미만), (가스 및 반응제 유입을 위한) 덮개 상부의 별도의 플리넘이 생략될 수 있을 것이다. 반응 표면(i)이 파선으로 개략적으로 도시되어 있고 그리고 이러한 표면은 정적인 것이 아니라 반응 진행에 따라서 위쪽으로(배치(batch)식 반응의 경우) 이동할 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 또한, 그러한 구성은 반-연속적 또는 연속적 공정이 가능하도록 예를 들어 저면 회수 기구를 이용하여 용이하게 변경될 수 있을 것이다. 또한, 분진이 수평 표면에 축적되지 않도록, 덮개의 벽들이 내측으로 그리고 아래쪽으로 테이퍼링될 수 있을 것이다.

또 다른 실시예에서, 예시적인 도 1에는 편평한 내측 표면을 가지는 것으로서 덮개가 도시되어 있지만, 여러 가지 다른 기하학적 형상도 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 사실상, 열 전달 모드가 2개의 평행한 평면들 사이에서 복사적으로 전달되는 것이 아니라 조합된 기계적인 대류 및 복사 열 전달의 형태를 취하기 때문에, 내측 표면들의 표면 형상은 바람직하게 표면적 확대(반응 표면에 근접하고 그 반응 표면에 평행한 편평하고 평면형인 덮개 기저부에 대비한 확대)를 위해서 선택되는 것이 바람직할 것이다. 결과적으로, 반응기의 상부 밀폐부(덮개 쉘(j))가 곡선형 또는 다른 비-평면형 표면을 가질 수 있고, 그리고 반응기 표면 위쪽에 위치되는 표면과 플랜지 사이의 거리를 증대시키는 측벽들을 추가적으로 포함하는 것이 바람직할 것이다. 예를 들어, 특히 적합한 상부 밀폐부가 연장된 실린더, 돔(선택적으로 측벽에 커플링되어 둥근-상부 실린더를 형성), 그리고 정사각형이나 직사각형 기둥(column)으로서 구성될 수 있고, 그러한 기둥 또는 각 기둥은 반응 표면 위쪽의 증기 공간에서 표면적 및/또는 난류를 증대시키기 위한 돌출부들을 구비할 수 있을 것이다. 추가적으로, 또는 그 대신에, 특히 증기 공간이 비교적 큰 경우에, 하나 또는 둘 이상의 기구가 반응 표면 위쪽의 증기 공간 내에 제공되어 난류를 증대시킬 수 있다. 그러한 기구는 수동적인 기구(예를 들어, 베인(vanes), 핀 등) 또는 능동적인 기구(예를 들어, 임펠러, 터빈 등) 또는 외부 보조형 기구(예를 들어, 불활성 가스[아르곤 등)의 주입)을 포함할 수 있을 것이다. 또한, 그리고 희망하는 경우에, 반응과 양립될 수 있는 추가적인 양의 분진을 첨가하여 열 전달을 높일 수 있을 것이다.

전술한 장치 및 방법에서와 같이, 본원 명세서에서 제시된 장비들 및 방법들에서, 반응 용기 내의 라이너(또는 다른 절연 구조물)에 의해서 열이 반응 용기 내에 수용된 반응 매스를 통한 전도를 통해서 반응 매체를 떠나 반응 용기의 벽으로 전달되는 것이 방지된다. 그에 따라, 열은 조합된 기계적 대류 및 복사 열 전달을 통해서만 시스템으로부터 제거될 수 있다. 그에 따라, 제시된 장치들 및 방법들은 (1) 반응 표면으로부터 열이 복사될 수 있게 허용함으로써, (2) 반응 용기 보호를 위해서 비-전도 표면을 절연함으로써, 그리고 (3) 다수의 흡수 및 복사 입자를 통해서 제 1 (통상적으로 정적인) 흡수재를 가로질러 제 2 (통상적으로, 유체) 흡수재로 열이 복사될 수 있게 허용함으로써, 여러 이점들을 조합할 수 있을 것이다.

특정 열 전달 방식에 관계 없이, (예를 들어, 전구체로부터 금속이 형성되는 반응에서) 많은 경우에 발열 반응이 액체 표면에서 주로 발생할 것이기 때문에, 제시된 장치 및 방법에서는, 열 전달 기구에 대해서 추가적으로 고려할 필요가 없이, 반응 표면적 증가에 따라 제 1 흡수재 표면을 직접적으로 그리고 비례적으로 증대시킴에 따라서, 열 전달 시스템을 반응 면적에 따라 직접적으로 확대할 수 있다.

그에 따라, 발열성 고온 프로세스로부터 열을 전달하는 특정 실시예 및 적용예가 설명되었다. 그러나, 당업자는 전술한 범위 내에서 그리고 본원 발명의 개념 이내에서 많은 변형예들이 가능하다는 것을 이해할 것이다. 그에 따라, 본원 발명의 청구 대상은 특허청구범위의 사상 이외의 것에 의해서 제한되지 않는다. 또한, 발명의 상세한 설명과 특허청구범위 모두를 해석하는데 있어서, 모든 용어들은 내용과 일치하는 범위에서 가능한 한 넓게 해석되어야 할 것이다. 특히, "포함" 이라는 용어는 요소, 성분 또는 단계들을 비제한적인 방식으로 지칭하는 것으로 해석되어야 하며, 언급된 요소, 성분 또는 단계들이 존재하는 것을 나타내거나, 이용될 수 있다는 것을 나타내거나, 또는 명백하게 언급되지 않은 다른 요소, 성분 또는 단계들과도 조합될 수 있다는 것을 나타낸다.

Claims

반응 용기 내에 배치된 고온의 발열 반응 매스의 표면으로부터 열을 전달하는 방법으로서:
반응 매스의 표면으로부터 반응 용기의 일부를 형성하는 제 1 흡수재로 열이 복사될 수 있게 허용하는 단계로서, 상기 반응 용기의 하나 이상의 다른 표면이 열적으로 절연되는, 열 복사 허용 단계; 그리고
흡수된 복사 열을 제 2 흡수재를 이용하여 제 1 흡수재로부터 제거하는 단계를 포함하는
열 전달 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 열 복사 허용 단계는 열이 반응 매스의 표면으로부터 다수의 난류 흑체 입자를 통해서 제 1 흡수재로 복사될 수 있도록 허용하는 단계를 더 포함하는
열 전달 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 흡수재는 금속을 포함하고 상기 제 2 흡수재는 열 전달 유체를 포함하는
열 전달 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 제 1 흡수재가 상기 반응 매스의 표면과 실질적으로 평행한 표면을 가지는
열 전달 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 흡수재가 덮개로서 구성되고, 그리고 상기 제 2 흡수재는 상기 덮개 내에 형성되거나 상기 덮개에 커플링된 도관을 통해서 유동하는,
열 전달 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 흡수재가 덮개로서 구성되고, 그리고 상기 덮개가 반응 매스의 표면에 대해서 실질적으로 수직인 흡수성 측부 벽을 가지도록 구성되는
열 전달 방법.
제 2 항에 있어서,
상기 제 1 흡수재가 덮개로서 구성되고, 그리고 상기 덮개가 곡선형인 흡수성 측부 벽을 가지도록 구성되거나 돔 형상을 포함하는
열 전달 방법.
제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 제 1 흡수재가 반응 매스의 표면으로부터의 복사 열 흡수를 개선하는 층을 더 포함하는
열 전달 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 반응 용기의 하나 이상의 다른 표면이 내화 층에 의해서 절연되는
열 전달 방법.
고온 반응 매스 반응 용기로서:
반응 표면을 가지는 고온의 발열성 반응 매스를 수용하도록 구성된 반응 포트를 적어도 부분적으로 둘러싸는 다수의 단열 벽;
상기 다수의 벽에 커플링된 제 1 흡수재로서, 상기 제 1 흡수재는 상기 반응 매스의 표면으로부터의 복사 열을 흡수할 수 있도록 구성되고 배치되는, 제 1 흡수재; 그리고
상기 제 1 흡수재에 열적으로 커플링되는 제 2 흡수재로서, 상기 제 2 흡수재가 상기 제 1 흡수재로부터 열을 흡수하도록 구성되고 배치되는, 제 2 흡수재를 포함하는
고온 반응 매스 반응 용기.
제 10 항에 있어서,
상기 제 1 흡수재가 덮개로서 구성되고, 상기 제 2 흡수재는 상기 덮개 내에 형성된 또는 상기 덮개에 커플링된 도관을 통해서 유동하는
고온 반응 매스 반응 용기.
제 11 항에 있어서,
상기 제 1 흡수재가 상기 반응 매스의 표면에 실질적으로 평행하고, 그리고 선택적으로 상기 반응 매스의 표면으로부터의 복사 열 흡수를 개선하는 층을 더 포함하는
고온 반응 매스 반응 용기.
제 10 항에 있어서,
상기 반응 매스와 단열 벽의 절연 물질 사이의 접촉이 방지되도록 상기 반응 포트가 상기 용기 내에 배치되며, 그리고 선택적으로 상기 절연 물질이 배치되는 공간 내의 압력을 상기 반응 포트 내의 압력으로 조절하는 것을 허용하도록 상기 용기가 구성되는
고온 반응 매스 반응 용기.
고온 반응 매스 반응 용기로서:
반응 표면을 가지는 고온의 발열성 반응 매스를 수용하도록 구성된 반응 포트를 적어도 부분적으로 둘러싸는 다수의 단열 벽;
상기 다수의 벽에 커플링되는 제 1 흡수재로서, 상기 제 1 흡수재는 상기 반응 매스의 표면 위쪽의 공간에서 부유하는 다수의 흑체 입자들로부터 복사 열을 흡수할 수 있도록 구성되고 배치되며, 상기 다수의 흑체 입자의 크기가 충분히 작아서 반응 매스의 표면에 의해서 상기 입자가 가열될 수 있고, 그리고 상기 입자들의 기계적인 대류 운동을 지원할 수 있을 정도로 반응 매스의 표면이 충분히 높은 온도를 가지게 되는, 제 1 흡수재; 그리고
상기 제 1 흡수재에 열적으로 커플링되는 제 2 흡수재로서, 상기 제 2 흡수재가 상기 제 1 흡수재로부터 열을 흡수하도록 구성되고 배치되는, 제 2 흡수재를 포함하는
고온 반응 매스 반응 용기.
제 14 항에 있어서,
상기 제 1 흡수재가 덮개로서 구성되고, 상기 제 2 흡수재는 상기 덮개 내에 형성된 또는 상기 덮개에 커플링된 도관을 통해서 유동하고, 상기 제 1 흡수재가 반응 매스 표면으로부터의 복사 열 흡수를 개선하는 층을 선택적으로 더 포함할 수 있는
고온 반응 매스 반응 용기.
제 14 항에 있어서,
상기 덮개가 곡선형인 흡수성 측부 벽을 가지도록 구성되거나, 상기 덮개가 돔 형상을 포함하는
고온 반응 매스 반응 용기.
제 14 항에 있어서,
상기 반응 매스와 단열 벽의 절연 물질 사이의 접촉이 방지되도록 상기 반응 포트가 상기 용기 내에 배치되며, 그리고 선택적으로 상기 절연 물질이 배치되는 공간 내의 압력을 상기 반응 포트 내의 압력으로 조절하는 것을 허용하도록 상기 용기가 구성되는
고온 반응 매스 반응 용기.