KR20110137284A - 리액터용 구조화 패킹 - Google Patents

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Abstract

리액터용 구조화 패킹은 리액터의 벽 근처에서 열 및 질량 전달을 촉진시키기 위해 메탈 시트로 형성된다. 적어도 하나의 리액터 벽의 제트 충돌(jet impingement)이 촉진되도록 구조화 패킹은 패킹을 통해 흐르는 유체의 측면 흐름을 야기한다. 패킹은 원통형, 환형 또는 평판-타입 리액터, 예를 들면, 촉매 리액터 또는 열 교환기에 사용될 수 있다.

Description

리액터용 구조화 패킹{STRUCTURED PACKING FOR A REACTOR}
이 출원은 2009년 2월 9일자 출원된 미국 가출원 간행물 제61/207,170호의 우선권을 청구한다. 상기 출원의 기재내용은 모두 본 명세서에서 참조로 인용된다.
본 발명은 리액터용 구조화 패킹(structured packing)에 관계한다. 패킹은 원통 모양, 고리 모양 또는 판 타입 리액턱, 예를 들면, 촉매 리액터(catalytic reactor), 또는 열 교환기에 사용되어질 수 있다.
화학 리액터 및 열 교환기와 같은 리액터는 열 전달, 질량 전달 및/또는 화학 반응률을 진전시키기 위해 널리 사용된다. 화학 리액터와 같은 리액터의 경우에, 리액터로 열을 전달(예를 들면, 흡열 반응(endothermic reactions)용) 또는 리액터로부터 열을 전달(예를 들면, 발열 반응(exothermic reactions)용)을 종종 필요로한다. 상업관행에서, 스케일의 효율적 사용을 달성하기 위하여, 큰 직경을 가지는 리액터를 사용하는 것이 바람직하다. 리액터 내에서 높은 열 전달계수는 리액터 크기(content) 및 환경 사이에서 열의 전달을 촉진시키기 위한 것이 바람직하다. 특히, 리액터 내에서 높은 열 전달계수는, 내부 체적(internal volume)에 방사상 열 플럭스(radial heat flux)에 대한 표면 영역의 비율이 최저이고 방사상으로 전달되는 열의 양이 리액터의 소스로 내부 체적에 반비례하는, 리액터의 외부 직경에 근접하는 것이 바람직하다. 유체와 리액터 벽 사이의 마찰은 종종 비교적 낮은 속력의 결과를 낳고 그에 따라서 보다 높은 열 전달계수가 가장 바람직한 리액터 벽 근처에서 비교적 더 낮은 열 전달계수의 결과를 낳는다.
고정 바닥(fixed bed), 여러 다른 종류들로 이루어지고 촉매의 리액터의 경우에, 리액터 벽으로의 열 전달은 흡열 반응에 대한 반응 비율을 제한하거나 또는 리액터로부터 열 전달은 발열 반응에 대한 제어 또는 안전한 동작을 제한할 수 있다. 일반적으로, 리액터 내의 내부 벽의 수를 제한하는 것에 따라서 낮은 속도 및 낮은 열 전달계수의 경계 레이어의 수를 최소화하여 열이 방사 방향에 직통으로 지나가게 해야하는 것이 바람직하다. 촉매 리액터에서 보다 높은 표면 영역은 효과적으로 배치되어지는 촉매를 위한 위치를 더 제공함으로써 반응의 촉진을 위한 보다 큰 기회를 제공한다. 특히, 촉매 리액터의 벽 근처의 높은 기하학적 표면 영역은 발열 반응을 전도하는 이용가능한 열과 리액터 외부 또는 내부로 각각 이동하도록 열에 대한 짧은 거리에서 흡열 반응용 히트 싱크(heat sink)를 증가시킨다.
메탈 기판으로 이루어지는 엔지니어드 패킹(engineered packing)은 촉매작용을 위한 임의의 충전층(packed bed)에서 가능하게 하는 시너벽(thinner wall)을 포함하고, 그것에 의해 공통으로 증가된 기하학적 표면 영역 또는 임의의 충전층에 이르게 된 것과 비교된 낮은 압력 강화를 포함하기 위한 방법으로 구성될 수 있는 것이 알려진다. 또한 엔지니어드 패킹이 리액터 벽 근처에서 높은 열 전달계수를 바람직하게 제공하도록 설계될 수 있는 것이 알려진다.
미국 특허 4,882,130호, 4,719,090호 및 4,340,501호는 보다 높은 열 전달 또는 리액터 벽 근처의 기하학적 표면 영역을 구별하지 않고 바람직하게 낮은 압력 강하에서 리액터의 볼륨에 걸쳐 기하학적 표면 영역 및 열 전달의 일정한 향상을 제공하는 다양한 설계의 엔지니어드 패킹과 관계한다.
미국 특허 4,985,230호는 고리 또는 제 1 벽을 향하고 리액터를 통해 지나가는 유체의 교류를 일으키도록 제 2 벽을 향하는 유체를 각각 향하게 하는 채널의 교차 기둥을 제공하는 2개의 벽 사이에서 사용하는데 접합한 엔지니어드 패킹을 나타낸다. 이러한 패킹은 바람직하게 낮은 압력 강하로 리액터 벽 근처에서 바람직한 열 전달 및 기하학적 표면 영역을 제공하지만, 제조하는데 어렵다는 불이익을 갖는다.
발행된 특허 출원 US2004/0013580호는 디젤 엔진 배기 장치로부터 유연 미립자를 제거하는 필터 본체와 관계한다. 인접한 필터 시트를 통해 유체가 흐르도록 설계된 발표된 구조는 유체가 바람직한 열 전달을 제공하기 위한 벽에 부딪히고 뒤로 빗나가게 하는 것을 야기하여 적합하지 않다.
PCT 출원 PCT/US2005/42425호는 리액터 축 근처에서 코어 구조 및 코어와 리액터 벽 사이의 케이싱(casing) 구조를 포함하는 비-고리 모양의 리액터를 나타낸다.
본 발명의 목적은 그들의 압력 강하를 크게 증가시키지 않고 고정 바닥 이종 촉매 리액터와 같은 리액터, 특히 리액터 벽 근처에서, 기하학적 표면 영역 및/또는 열 전달계수를 향상시키는 리액터용 구조화 패킹을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 그들의 압력 강하를 크게 증가시키지 않고 열 교환기의 열 전달계수를 향상시키는 열 교환기용 구조화 패킹을 제공하는 것이다.
본 발명의 전술한 목적 및 다른 목적은 다음과 같이 발명의 상세로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 구조화 패킹은 시트를 자르고 다음에 유체가 리액터의 벽에 교대로 부딪히고 리턴되도록 리액터 축에 동측으로 경사져서 마주보게 전개된 날개(vane)를 구비하는 교차 칼럼(alternating columns)을 포함하는 구조로 시트를 접음으로써 용이하게 준비된다. 열(column)은 사실상 수직의 분리 벽에 의해 서로 분리된다. 동일한 시트로부터 접혀진 날개는 동일한 시트로부터 접혀진 웹에 의해 분리 벽에 그들의 측면을 따라 결합된다. 바람직하게, 시트는 메탈 호일이고 구조는 점진적 블랭킹 폴딩 다이(blanking folding dies)에 의해 바람직하게 형성된다.
발명의 구조화 패킹은 고리 모양의 리액터의 둥근 테에서, 원통형 리액터 튜브 또는 엔클로저(enclosure)의 내부 직경 근처, 또는 평면-타입 열 교환기에서 2개의 편평한 벽 사이와 같이 다른 리액터 형상의 2개의 벽 사이에 위치될 수 있다. 모든 경우에서, 발명의 구조화 패킹은 리액터 벽을 부딪치고 그로 인하여 그 벽을 통해 열 전달을 증가시키기 위한 유체를 야기할 것이다.
본 발명에 따르면, 압력 강하를 크게 증가시키지 않고 고정 바닥 이종 촉매 리액터와 같은 리액터, 특히 리액터 벽 근처에서, 기하학적 표면 영역 및/또는 열 전달계수를 향상시키는 리액터용 구조화 패킹을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명에 따르면 압력 강하를 크게 증가시키지 않고 열 교환기의 열 전달계수를 향상시키는 열 교환기용 구조화 패킹을 제공할 수 있다.
도 1a는 발명의 구조화 패킹의 횡단면도이다.
도 1b는 구심 날개(centripetal vanes)를 나타내는 본 발명의 구조화 패킹(도 1a에서 단면 AA에 대응)의 세로의 방사상 단면도이다.
도 1c는 구심 날개를 나타내는 본 발명의 구조화 패킹(도 1a에서 단면 BB에 대응)의 세로의 방사상 단면도이다.
도 2는 본 발명의 구조화 패킹으로 형성된 시트의 평면도이다.
도 3은 본 발명의 구조화 패킹으로 형성된 시트의 상세도이다.
도 4는 본 발명의 구조화 패킹의 투시도이다.
본 발명의 구조화 패킹은 입구(inlet), 출구(outlet) 및 적어도 하나의 벽을 가지는 리액터에 활용되고, 본 발명의 구조화 패킹은:
(a) 후방 및 전방으로 접혀짐으로써 벽(wall)을 분리하여 서로 분리된 제 1 및 제 2 열(columns)을 교대시킨 행(row)을 형성하는 시트(sheet);
(b) 제 1 날개의 적어도 일부가 리액터 벽에 경사진 각도로 기울어지고 제 2 날개의 적어도 일부가 리액터 벽에 마주하게 경사진 각도로 기울어지도록 각각의 상기 제 1 및 제 2 열(columns)에 위치된 제 1 및 제 2 방향 날개;
(c) 상기 제 1 및 제 2 날개의 적어도 일부를 상기 제 1 및 제 2 날개의 적어도 일부의 적어도 하나의 측면을 따라서 분리 벽과 연결시키는 웹(web); 및
(d) 상기 분리 벽과 상기 리액터 벽 사이에 입구와 출구를 연장시키는 다수의 갭(gap);을 포함한다.
바람직하게, 본 발명의 구조화 패킹은 메탈 시트 또는 호일을 포함하는 단일 시트(single sheet)로 형성된다. 상기 단락(d)에 참조된 마주하게 경사진 각도는 모두 동일하거나 다른 크기를 가질 수 있다. 바람직하게 상기 단락(d)에서 참조된 갭(gaps)은 불연속이다.
대표적으로, 본 발명의 구조화 패킹을 포함하는 리액터는 원통형의 모양을 가지고 내측 및 외측 동심의 벽과 그들 사이의 둥근 테(annulus)를 포함한다. 바람직하게, 본 발명의 구조화 패킹은 각각의 제 1 및 제 2 날개를 포함하는 제 1 및 제 2 열(columns)을 교대로 하는 행(row)을 포함하고, 행은 상기 둥근 테에 배치된다. 또한, 판이 둥근 테에 배치되고 패킹은 바람직하게 각각의 제 1 및 제 2 날개를 포함하는 제 1 및 제 2 열을 교대로 하는 행을 포함하고, 행은 둥근 테에 배치되는 것이 바람직하다.
상술한 바와 같이, 리액터는 화학 리액터, 예를 들면, 촉매 리액터이거나, 또는 열 교환기일 수 있다. 촉매 리액터의 경우, 시트의 표면의 적어도 일부분에 촉매가 존재하는 것이 바람직하다.
도 1a를 참조하면, 리액터(1)는 원통형 벽(2)과 벽(1) 내에 존재하는, 명암진 영역으로 묘사된, 구조화 패킹(3)을 포함한다. 패킹(3)의 외부 직경(4)은 벽(1)의 내부 직경과 일치한다. 패킹(3)은 내부 직경(5)을 포함하고 세로 열(6)(명암 및 도트 영역으로 묘사)과 세로 열(7)(명암 및 크로스-해치된 영역(corss-hatched areas)으로 묘사)으로 나누어진다. 열(6 및 7)은 서로 교대로하고 방사상 벽(radial walls)(8)에 의해 서로 분리된다. 리액터(1)는 리액터의 축 길이를 따라 방사상 벽(8)과 리액터 벽(2) 사이에 배치된 간헐적인 갭(intermittent gaps)(도시하지 않음)을 포함한다. 리액터(1)의 길이를 따라 흐르는 유체는 열(6)을 통해 원심 방향(centrifugal direction)으로 향하게 하고 열(7)을 통해 흐르는 동안 구심 방향(centripetal direction)으로 향하게 한다.
도 1b(도 1a의 단면 B-B를 통해 리액터(1)의 세로 단면)를 참조하면, 열(6)은 외부 직경(4)에서 내부 직경(5)으로 연장한다. 열(6)은 리액터 벽(2)에 의해 외부 직경(4)에서 경계가 정해진다. 열(6)의 축 길이는 날개(vanes)(9)를 구비한다. 날개(9)는 유체가 리액터(1)의 상부에서 하부로 지나가는 것처럼 유체를 원심으로 향하게 하는 채널(channels)(10)을 형성한다.
도 1c(도 1a의 단면 A-A를 통해 리액터(1)의 세로 단면)를 참조하면, 구심 열(centripetal column)(7)은 외부 직경(4)에서 내부 직경(5)으로 연장한다. 열(7)은 리액터 벽(2)에 의해 외부 직경(4)에서 경계가 정해진다. 열(7)의 축 길이는 날개(11)를 구비한다. 날개(11)는 유체가 리액터(1)의 상부에서 하부로 지나가는 것처럼 유체를 구심으로 향하게 하는 채널(channels)(12)을 형성한다.
도 2를 참조하면, 시트(20)는 구심 날개를 형성하는 반복 형상(30)으로 이루어지는 열(21)과 원심 날개를 형성하는 반복 형상(40)으로 이루어지는 열(22)을 자르고 구부림으로써 본 발명의 구조화 패킹으로 형성된다. 시트(20)는 연성(ductile), 강성(rigid)의 메탈을 포함하며, 바람직하게는 메탈 호일(metal foil)이다.
도 3을 참조하면, 도 2의 열(21)로부터 형상(30)과 도 2의 열(22)로부터 형상(40)을 더욱 상세하게 나타낸다. 형상(30)은 시트(20)로부터 날개로 형성되고, 형상(30)의 2개의 측면 웹(lateral webs)은 형성된 시트에 날개를 연결시킨다. 실선은 시트가 잘리는 것을 나타낸다. 점선(Dotted lines)은 시트에서 대략 90°로 구부리는 것을 나타낸다. 파선(Dashed lines)은 시트에서 대략 180°로 구부리는 것을 나타낸다.
시트(20)는 라인(31, 32 및 33)을 따라 잘리며, 여기에서 수평 라인(33)은 도시된 형상(30)과 유사하고 아래에 있는 인접한 형상(도시하지 않음)을 위해 수평 라인(32)에 대응한다. 시트는 라인(34)을 따라 리더(reader)로부터 멀리 대략 90°로 접혀지고, 라인(35)을 따라 리더를 향해 대략 180°로 접혀진다. 그에 따라 형성된 날개(9)는 본래 라인(32, 33 및 34)에 의해 경계가 정해진 편평한 표면으로 이루어진다. 날개(9)는 날개의 2개의 측면을 따라 웹(37)에 의해 시트의 받침대에 부착된다. 웹(37)은 라인(31, 34 및 35)에 의해 경계가 정해진다. 고리 모양 또는 원형의 패킹을 위해, 날개(9)는 도시한 바와 같이 날개의 하부에서 보다 상부에서 폭이 넓은 것이 바람직하다. 날개(9)는 리액터(1)의 상부로부터 하부로 흐르는 유체를 위한 구심 채널을 만드는 날개이다. 2개의 편평한 평행 벽 사이의 패킹을 위해, 날개(9)는 날개의 상부 및 하부에서 동일한 폭을 갖는 것이 바람직하다.
시트(20)는 라인(41, 42 및 43)을 따라 잘리며, 여기에서 수평 라인(43)은 도시된 형상(40)과 유사하고 아래에 있는 인접한 형상(도시하지 않음)을 위해 수평 라인(42)에 대응한다. 시트(20)는 라인(44)을 따라 리더(reader)를 향해 대략 90°로 접혀지고, 라인(45)을 따라 리더로부터 멀리 대략 180°로 접혀진다. 그에 따라 형성된 날개(11)는 본래 라인(42, 43 및 44)에 의해 경계가 정해진 편평한 표면으로 이루어진다. 날개(11)는 날개의 2개의 측면을 따라 웹(47)에 의해 시트의 받침대에 부착된다. 웹(47)은 라인(41, 44 및 45)에 의해 경계가 정해진다. 고리 모양 또는 원형의 패킹을 위해, 날개(11)는 도시한 바와 같이 날개의 하부에서 보다 상부에서 폭이 좁은 것이 바람직하고, 날개(11)는 리액터(1)의 상부로부터 하부로 흐르는 유체를 위한 원심 채널을 만든다. 2개의 편평한 평행 벽 사이에 배치된 패킹을 위해, 날개(47)는 날개의 상부 및 하부에서 동일한 폭을 갖는 것이 바람직하다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 열(21)에서 하부 형상(30)이 시트(20)의 하부 에지(23) 위에 부분적으로만 배치되는 것을 알 수 있다. 열(21)의 하부 형상(30)을 위한 컷 에지(31 및 32)는 이러한 하부 형상을 위한 패킹의 틈(void) 또는 부재를 야기할 수 있다. 유사하게, 열(22)에서 상부 형상(40)이 시트(20)의 상부 에지(24) 아래에 부분적으로만 배치되는 것을 알 수 있다. 따라서, 상부 형상(40)은 상부 에지(24)에 의해 끝이 잘려진다.
상술한 바와 같이 형성된 시트는 측면의 길이로 잘리고 링 또는 고리 형상으로 구부려지거나, 그렇지 않으면 하나 또는 두개의 리액터 벽 근처에서 삽입된다. 링의 끝단은 끝단을 용접, 접착 또는 연동(interlocking)시킴으로써 결합될 수 있다.
도 4를 참조하면, 도 4는 상술한 도면에 대응하는 도 4에 모든 항목이 상술한 도면에서 주어진 바와 같이 동일한 부호를 가지는 원통형 또는 고리 모양의 리액터를 위한 본 발명의 구조화 패킹의 잘라낸 투시도이다.
리액터 벽은 도 4에 도시되지 않는다. 패킹의 교대로 하는 분리 벽(8)은 서로 다른 셰이딩 다크니스(shading darkness)로 각각 표시된다. 날개와 웹은 명암지지 않은 것에 주목해야 한다. 패킹(3)은 위치(4)에서 외부 직경에 닿고 위치(5)에서 내부 직경에 닿는다. 웹(37)에 의해 분리 벽에 부착된 원심 날개(9)는 패킹의 원심 열에 사용한다. 웹(37)에 의해 분리 벽에 부착된 구심 날개(11)는 패킹의 구심 열에 사용한다. 원심 및 구심 열은 케이스 주위에 서로 교대로 하고, 바람직하게 리액터의 입구(inlet)로부터 리액터의 출구(outlet)에 리액터(1)의 전체 길이를 따라 연장한다.
대안적인 실시예로, 발명의 다중 구조화 패킹이 히트 소스(heat sources)와 히트 싱크(heat sinks) 사이의 단일 리액터 내에 시리즈로 배치될 수 있다. 예를 들면, 2개 이상의 구조화 패킹 유닛이 동심으로 배치될 수 있고 고리 모양 또는 원형의 리액터에 서로 인접한다. 2개 이상의 구조화 패킹 유닛은 2개의 평면형 리액터 벽 사이 또는 다른 외면적 형태의 2개의 리액터 벽 사이에서 서로 인접하여 나란하게 배치될 수 있다.
상술한 실시예들은 발명의 예증이 된다. 그러나, 기술에서 숙련된 것에 알려지거나 발표된 다른 수단이 발명의 정신 또는 다음의 청구항의 범위에서 벗어남이 없이 여기에 채용될 수 있다는 것이 이해된다.

Claims (12)

  1. 입구(inlet), 출구(outlet) 및 적어도 하나 이상의 벽(wall)을 가지는 리액터(reactor)용 구조화 패킹에 있어서,
    (a) 후방 및 전방으로 접혀짐으로써 벽(wall)을 분리하여 서로 분리된 제 1 및 제 2 열(columns)을 교대시킨 행(row)을 형성하는 시트(sheet);
    (b) 제 1 날개의 적어도 일부가 리액터 벽에 경사진 각도로 기울어지고 제 2 날개의 적어도 일부가 리액터 벽에 마주하게 경사진 각도로 기울어지도록 각각의 상기 제 1 및 제 2 열(columns)에 위치된 제 1 및 제 2 방향 날개;
    (c) 상기 제 1 및 제 2 날개의 적어도 일부를 상기 제 1 및 제 2 날개의 적어도 일부의 적어도 하나의 측면을 따라서 분리 벽과 연결시키는 웹(web); 및
    (d) 상기 분리 벽과 상기 리액터 벽 사이에 입구와 출구를 연장시키는 다수의 갭(gap);을 포함하는 리액터용 구조화 패킹.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 패킹은 단일 시트로 형성되는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 시트는 메탈 시트 또는 호일(foil)을 포함하는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 마주하게 경사진 각도는 모두 동일한 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 마주하게 경사진 각도는 모두 다른 크기를 가지는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 갭은 불연속인 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 리액터는 원통형이고, 내측 및 외측 동심의 벽과 그들 사이의 둥근 테(annulus)를 포함하는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 패킹은 각각의 제 1 및 제 2 날개를 포함하는 제 1 및 제 2 열(columns)을 교대시키는 행(row)을 포함하고,
    상기 열은 상기 둥근 테에 배치되는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  9. 제 7 항에 있어서,
    판이 상기 둥근 테에 배치되고 상기 패킹은 각각의 제 1 및 제 2 날개를 포함하는 제 1 및 제 2 열(cloumns)을 교대시키는 행(row)을 포함하고,
    상기 열은 상기 둥근 테에 배치되는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  10. 제 1 항에 있어서,
    촉매가 시트의 적어도 일부분에 존재하는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상기 리액터는 촉매 리액터를 포함하는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
  12. 제 1 항에 있어서,
    상기 리액터는 열 교환기를 포함하는 것을 특징으로 하는 리액터용 구조화 패킹.
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