KR20120106738A - 채널을 구비한 반응 장치 - Google Patents

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데이비드 제임스 웨스트
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컴팩트지티엘 피엘씨
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Abstract

반응 장치(10)는 스택 내에 제 1 및 제 2 유동 채널(16, 17)을 형성하도록 배치되는 금속 시트(12, 14, 15)들의 스택을 포함하고, 반응이 수행될 각 유동 채널 내에 제거 가능한 촉매 담지 가스 투과성 비구조적 요소(22, 24)를 가지며, 제 1 유동 채널은 발열 반응을 위한 것이고 제 2 유동 채널은 흡열 반응을 위한 것이다. 스택의 각 단부에서의 채널(20)은 채널들 내에서 열이 발생되지 않도록 되어 있다. 채널은 비유동 채널(20)일 수 있다.

Description

채널을 구비한 반응 장치{REACTOR WITH CHANNELS}
본 발명은 상승된 온도에서 화학 반응, 예를 들어 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis), 또는 증기 메탄 개질을 수행하는 채널을 구비한 반응 장치, 및 반응 장치를 형성하도록 사용될 수 있는 반응 장치 블록에 관한 것이다.
제 1 및 제 2 유동 채널을 형성하는 금속 시트들의 스택으로 이루어지는 촉매 반응 장치(여기서, 촉매는 유동 채널 내에 파형 포일과 같은 제거 가능한 인서트 상에 제공됨)는 예를 들어 국제 공개 공보 제WO 03/006149호에 설명되어 있는데, 이 국제 공개 공보는 증기 메탄 개질을 비롯하여 다양한 화학 반응을 수행하는 그러한 반응 장치의 사용을 설명하고 있다. 그러한 반응 장치에서, 채널은 성모양 플레이트(castellated plate)에 의해 이격된 평탄한 플레이트, 또는 스페이서 바에 의해 이격된 평탄한 플레이트, 또는 홈 플레이트(grooved plate)에 의해 형성될 수 있다. 다른 타입의 반응 장치는 튜브를 이용한다. 증기 메탄 개질은 상승된 온도, 통상적으로 750℃ 초과 온도를 필요로 하는 흡열 반응이고, 필수적인 열은 촉매 반응 장치 내에서 다른 세트의 채널에서 일어나는 연소 반응에 의해 제공될 수 있다. 이 방안은 효과적이지만, 반응 장치 내의 열적 구배가 반응 장치를 형성하는 재료에서 응력의 원인이 되기 때문에 그러한 열적 구배를 감소시키는 것이 바람직하다. 유사한 반응 장치가 또한 피셔-트롭쉬 합성에 사용될 수 있다. 피셔-트롭쉬 합성은 발열 반응이므로, 이 경우에 합성 반응을 위해 반응 장치에 인접한 채널은 냉각제를 운반할 수 있다.
반응 장치 내의 열적 구배는 반응 장치를 형성하는 재료 내에 응력을 초래할 뿐만 아니라 열적 폭주의 추가 위험이 또한 존재한다. 일부 발열 촉매 반응의 경우, 반응 속도는 온도가 증가함에 따라 증가할 수 있고, 그러한 경우에 반응 속도와 반응 장치 내의 온도 간에 포지티브 피드백이 존재한다. 포지티브 피드백은 열적 폭주라고 부르는 급격한 온도 증가의 원인이 될 수 있고, 촉매 또는 반응 장치에 대해, 또는 양쪽 모두에 대해 손상을 초래할 수 있어 반응 장치의 유효 수명을 감소시킨다.
본 발명의 한가지 양태에 따르면, 제 1 유동 채널과 제 2 유동 채널을 내부에 형성하는 반응 장치가 제공되는데, 제 1 유동 채널은 발열 반응을 받는 유체를 위한 것이고 제 2 유동 채널은 열 제거 유체를 위한 것이며, 반응 장치의 각 단부에서의 채널들은 열이 채널들 내에서 발생되지 않도록 되어 있다.
제 1 및 제 2 유체를 위한 제 1 및 제 2 유동 채널들이 존재한다고 언급하였지만, 반응 장치는 3개 이상의 상이한 유체를 위한 유동 채널을 형성할 수 있다는 것을 알 것이다.
바람직하게는, 열이 발생되지 않는 채널들은 비유동(non-flow) 채널들이고, 즉 채널들이 그 단부들 중 한쪽 또는 양쪽에서 봉쇄되기 때문에 유체가 이들 채널들을 통과하지 못한다("비유동 채널"). 사실상, 반응 장치의 단부에 복수 개의 그러한 비유동 채널들이 존재할 수 있다. 바람직하게는, 반응 장치의 각 단부에 가장 가까운 유동 채널이 제 2 유동 채널이고, 반응 장치에서 다른 제 2 유동 채널들보다 작은 단면적을 가질 수 있다.
그러한 반응 장치는 블록들로 이루어질 수 있고, 각 블록은 복수 개의 제 1 및 제 2 유동 채널을 형성하며, 제 1 유동 채널들은 발열 반응을 받는 유체를 위한 것이고 제 2 유동 채널은 열 제거 유체를 위한 것이며, 블록의 각 단부에서의 채널들은 제 2 유동 채널들이다. 이 경우에, 이들 채널은 (열 전달 방향에서) 보다 작은 높이를 가짐으로써 블록에서 다른 제 2 유동 채널보다 작은 단면적을 가질 수 있다. 채널들에는 한측면에서만 열이 제공되기 때문에, 높이가 바람직하게는 블록 내에서 다른 제 2 유동 채널의 50% 미만이다.
대안으로서, 반응 장치는 블록으로 이루어질 수 있고, 각 블록은 복수 개의 제 1 및 제 2 유동 채널을 형성하며, 제 1 유동 채널들은 발열 반응을 받는 유체를 위한 것이고 제 2 유동 채널은 열 제거 유체를 위한 것이며, 블록의 각 단부에서의 채널은 제 1 유동 채널이고 (열 전달 방향에서) 보다 작은 높이를 가짐으로써 블록에서 다른 제 1 유동 채널보다 작은 단면적을 갖는다. 채널들은 바람직하게는 높이가 블록 내에서 다른 제 1 유동 채널의 50% 미만이다.
열 제거 유체는 흡열 반응을 받는 유체일 수 있다. 대안으로서, 열 제거 유체는 냉각제일 수 있다.
반응 장치가 반응 장치 블록들을 단부간 결합함으로써 구성될 때에, 열 전달을 억제하는 작은 간극이 연속적인 반응 장치 블록들 사이에 존재할 것이다. 이 간극은 바람직하게는 5 mm 폭 미만이다.
바람직하게는, 각 반응 장치 블록은 1 및 제 2 유동 채널들을 형성하도록 배치된 금속 시트들의 스택을 포함하고, 제 1 및 제 2 유동 채널들은 스택 내에서 번갈아 배치되며, 반응이 수행될 각 유동 채널 내에 제거 가능한 촉매 담지 가스 투과성 비구조적 요소가 존재한다.
각 반응 장치 블록 내에서, 제 1 및 제 2 유동 채널은 스택으로서 배치되는 플레이트 내의 홈에 의해, 또는 스택 내에서 스트립과 플레이트를 일정 간격을 둠으로써 형성될 수 있고, 이어서 스택은 함께 접착된다. 대안으로서, 유동 채널은 성모양이고 평탄한 시트와 번갈아 적층되는 얇은 금속 시트에 의해 형성될 수 있고, 유동 채널의 에지는 스트립을 밀봉함으로써 형성될 수 있다. 반응 장치를 형성하는 플레이트의 스택은 예를 들어 확산 접착, 브레이징, 또는 고온 등방압 프레싱에 의해 함께 접착된다.
필수적인 양호한 열적 접촉을 보장하기 위하여, 제 1 및 제 2 유동 채널 모두의 높이는 (단면으로) 20 mm 내지 1 mm일 수 있고, 각 채널의 폭은 약 1.5 mm 내지 25 mm일 수 있다. 일례로서, (평면도에서) 플레이트의 폭은 0.05 m 내지 1 m 범위이고, 길이는 0.2 m 내지 2 m 범위일 수 있고, 유동 채널의 높이는 바람직하게는 (화학 반응의 물성에 따라) 2 mm 내지 10 mm이다. 예를 들어, 플레이트는 0.5 m 폭과 1.0 m 길이, 또는 0.6 m 폭과 0.8 m 길이일 수 있고, 예를 들어 7 m 높이와 6 mm 폭, 또는 3 mm 높이와 10 mm 폭, 또는 10 mm 높이와 5 mm 폭의 채널을 형성할 수 있다. 스택에서 제 1 및 제 2 유동 채널을 번갈아 배치하는 것은 이들 채널에서 유체간의 양호한 열 전달을 보장하는 데에 일조한다. 예를 들어, 제 1 유동 채널은 (열을 발생시키도록) 연소를 위한 것일 수 있고, 제 2 유동 채널은 (열을 필요로 하는) 증기/메탄 개질을 위한 것일 수 있다. 촉매 구조는 채널들 내로 삽입되고 교체를 위해 제거될 수 있으며, 반응 장치에 강도를 제공하지 않기 때문에, 반응 장치 자체가 작동 중에 임의의 압력 또는 열적 응력을 견디기에 충분히 강해야 한다.
바람직하게는, 그러한 각 촉매 구조는 유동 채널을 다수의 병류 서브 채널로 분할하도록 형성된다. 바람직하게는, 각 촉매 구조는 촉매를 위한 지지부를 제공하는 금속 기판 상의 세라믹 지지 재료를 포함한다. 금속 기판은 촉매 구조에 강도를 제공하고 전도에 의해 열 전달을 향상시킨다. 바람직하게는, 금속 기판은 가열될 때에 알루미늄 산화물의 점착성 표면 코팅을 형성하는 강철 합금, 예를 들어 알루미늄(예로서, 철크롬합금(fecralloy;TM))을 통합한 페라이트 강 합금으로 이루어지지만, 금속 기판은 노출되는 화학적 환경과 온도에 따라 스테인리스강 또는 알루미늄 등의 상이한 재료로 이루어질 수 있다. 기판은 파형이거나, 움푹 들어가거나, 주름이 잡힐 수 있는 포일, 와이어 메시 또는 펠트 시트일 수 있다. 바람직한 기판은 예를 들어 종방향 서브 채널을 형성하도록 파형이 되는 200 ㎛ 미만 두께의 얇은 금속 포일이다.
발열 반응이 연소이면, 바람직하게는 화염이 연소 채널로 공급되는 연소 가스 혼합물 내로 반대로 전파될 수 없는 것을 보장하도록 연소용의 각 유동 채널에 대한 입구에 역화 방지기(flame arrestor)가 제공된다. 역화 방지기는 예를 들어 입구에 인접한 연소 채널 일부를 화염 전파를 방지하기 위해 최대 간극 크기보다 넓지 않은 다수의 좁은 유동로로 분할하는 비촉매 인서트 형태로 각 연소 채널의 입구 부분 내에 있을 수 있다. 예를 들어, 그러한 비촉매 인서트는 종방향 파형 포일 또는 스택에서 복수 개의 종방향 파형 포일들일 수 있다. 대안으로서 또는 추가적으로, 가연성 가스가 헤더를 통해 공급된다면, 그러한 역화 방지기는 헤더 내에 제공될 수 있다.
채널은 단면이 사각형일 수 있고, 높이가 폭보다 크거나 작을 수 있다. 높이는 열 전달 방향인 스택 방향의 치수를 말한다. 촉매 요소는 예를 들어 단일의 성형 포일, 예를 들어 파형 포일을 포함할 수 있다. 채널의 최소 단면 치수가 약 3 mm 이하이면 특히 적절하지만, 보다 넓은 채널이 또한 적용될 수 있다. 대안으로서, 그리고 특히 채널의 최소 단면 치수가 약 2 mm보다 크면, 촉매 구조는 실질적으로 평탄한 포일에 의해 분리되는 복수 개의 그러한 성형 포일을 포함할 수 있다. 예를 들어 증기/메탄 개질 반응 장치에서 필수적인 양호한 열 전달을 보장하기 위하여, 연소 채널의 높이는 바람직하게는 10 mm 미만이다. 그러나, 채널의 높이는 바람직하게는 적어도 1 mm이거나 촉매 구조를 삽입하기 어렵게 되어, 공학적 공차가 보다 중요해진다. 일례로서, 채널들은 모두 높이가 7 mm이고 폭이 6 mm일 수 있고, 매 경우에 촉매 요소는 단일의 성형 포일, 또는 복수 개의 성형 포일을 포함할 수 있다.
이하, 본 발명을 첨부 도면을 참조하여 일례만으로서 더 더욱 구체적으로 설명한다.
도 1은 증기 메탄 개질에 적절한 반응 장치 블록의 일부의 개략적인 일부 단면 사시도를 도시하고(단면은 도 2의 선 1-1을 따름);
도 1a 및 도 1b는 도 1의 반응 장치에 대한 수정을 도시하며;
도 2는 유동로를 도시하는 도 1의 조립된 반응 장치 블록의 측면도를 도시하고;
도 3a, 도 3b 및 도 3c는 조립 중에 도 1의 반응 장치 블록의 부품들의 평면도를 도시하며;
도 4는 도 1과 유사한 반응 장치 블록을 통합하는 반응 장치의 일부 분해 사시도를 도시한다.
본 발명은 천연 가스로부터 합성 가스, 즉 일산화탄소와 수소의 혼합물을 증기 개질에 의해 제조하는 프로세스에 적용될 수 있다. 합성 가스는, 예를 들어 나중에 피셔-트롭쉬 합성에 의해 더 긴 사슬의 탄화수소를 제조하는 데에 사용될 수 있다. 증기 개질 반응은 증기와 메탄이 반응하여 일산화탄소와 수소를 형성하도록 증기와 메탄을 혼합하고, 혼합물을 상승된 온도에서 적절한 촉매와 접촉시킴으로써 이루어진다. 증기 개질 반응은 흡열 반응이고 열은 예를 들어 탄화수소 및/또는 공기와 혼합된 수소의 촉매 연소에 의해 제공될 수 있기 때문에, 연소는 개질 반응 장치 내의 인접한 유동 채널 내에서 연소 촉매에 걸쳐 발생한다.
이하, 도 1을 참조하면, 증기 개질 반응 장치로서 사용하기에, 또는 증기 개질 반응 장치에 사용하기에 적절한 반응 장치 블록(10)이 도시되어 있다. 반응 장치 블록(10)은 촉매 연소 프로세스를 위한 채널과 증기 메탄 개질을 위한 채널을 형성한다. 반응 장치(10)는 평면도로 직사각형인 플레이트들의 스택으로 이루어지고, 각 플레이트는 인코넬(Inconel) 625, 인콜로이(Incoloy) 800HT 또는 하이네스(Haynes) HR-120 등의 내부식성 고온 합금으로 이루어진다. 통상적으로 두께가 0.5 내지 4 mm 범위이고, 이 경우에 2.0 mm인 평탄한 플레이트(12)는 성모양 플레이트(14 또는 15)와 교대로 배치되어 성모양이 채널(16 또는 17)을 형성한다. 성모양 플레이트(14 또는 15)는 스택에서 교대로 배치된다. 성모양 플레이트(14, 15)의 두께는 통상적으로 0.2 내지 3.5 mm 범위, 매 경우에 0.9 mm이다. 성모양의 높이는 통상적으로 2 내지 10 mm 범위, 매 경우에 3.9 mm이고, 동일한 두께의 중실형 바(18)가 측면을 따라 제공된다. 성모양 플레이트(14, 15)에서 성모양의 파장은 서로 상이할 수 있지만, 도면의 바람직한 실시예에서 도시된 바와 같이 파장은 동일하기 때문에, 매 경우에 연속적인 핀 또는 인대가 10 mm 떨어져 있다. 성모양 플레이트(14, 15)는 핀 구조체라고 칭할 수 있다.
스택의 각 단부에는 이 경우에 또한 두께가 2.0 mm인 평탄한 단부 플레이트(19)가 있다. 도 3c와 관련하여 아래에서 설명되는 바와 같이, 단부 플레이트(19)에 인접한 마지막 2개의 성모양 플레이트(14a, 15a)에 형성된 채널은 비유동 채널(20)이다. 변경예에서, 단부 플레이트는 상이한 두께, 통상적으로 2.0 내지 10 mm 범위의 보다 큰 두께로 될 수 있다. 이 예에서, 반응 장치 블록(10)에서 성모양 플레이트(14, 14a, 15, 15a)의 개수는 13개이므로, 반응 장치 블록(10)의 전체 높이는 78.7 mm이다.
도 1의 실제 반응 장치에서는 5개의 채널만이 각 성모양 시트(14 또는 15)에 의해 형성되는 것으로 도시되어 있지만, 더 많은, 예를 들어 40개를 초과하는 채널이 약 500 mm의 전체 폭의 반응 장치 블록(10)에 있을 수 있다.
플레이트의 스택은 조립되고 통상적으로 확산 접착, 브레이징, 또는 고온 등방압 프레싱에 의해 함께 접착된다. 각 채널(16, 17) 내에는 각각의 반응을 위한 촉매를 담지하는 각각의 촉매 인서트(22 또는 24)(도 1에는 각 하나씩만 도시됨)가 삽입된다. 이들 인서트(22, 24)는 바람직하게는 활성 촉매 물질을 위한 지지부로서 작용하는 금속 물질과 세라믹 코팅을 갖고, 금속 물질은 얇은 금속 포일일 수 있다. 예를 들어, 인서트(22, 24)는 각각의 유동 채널(16 또는 17)을 차지하는 파형 코일과 평탄한 포일의 스택 또는 단일의 파형 포일을 포함할 수 있고, 각 포일은 0.1 mm 미만, 예를 들어 50 미크론의 두께를 갖는다. [그러한 촉매 인서트가 비유동 채널(20)에는 존재하지 않는다.]
이하, 도 1a 및 도 1b를 참조하면 반응 장치 블록(10)에 대한 일부 변경예가 도시되어 있다. 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이 반응 장치 블록(10)의 채널(16, 17)은 폭이 높이보다 크지만, 채널은 대신에 폭보다 높이가 클 수 있다. 도 1에 도시된 인서트(22, 24)는 각 채널 내에 단일의 파형 포일로 이루어진다. 도 1a에서, 인서트(22a)는 또한 단일의 파형 포일로 이루어지는 반면, 도 1b에서 인서트(22b)는 파형 포일과 평탄한 포일의 스택을 포함한다.
이하, 도 2를 참조하면, 조립된 반응 장치 블록(10)의 측면도가 도시되어 있다. 연소를 받는 가스 혼합물은 반응 장치 블록(10)의 일단부(도시된 바와 같이, 상부)에서 헤더(30)에 진입하고 배플 플레이트 역화 방지기를 통과한 후에, 반응 장치(10)의 길이의 대부분을 따라 직선형으로 연장되는 유동 채널(17)을 따라간다. 유동 채널(17)은 반응 장치 블록(10)의 타단부를 향해 방향을 90°변경하여 반응 장치(10)의 타단부의 측면(도시된 바와 같이, 바닥 우측)에서 헤더(32)에 연결되는데, 이 유동로는 점선 C로서 도시되어 있다. 증기 메탄 개질 반응을 받게 되는 가스 혼합물은 반응 장치 블록(10)의 일단부의 측면(도시된 바와 같이, 상부 좌측)에서 헤더(34)에 진입하고, 배플 플레이트(35)를 통과한 다음에 방향을 90°변경하여 반응 장치 블록(10)의 길이의 대부분을 따라 직선형으로 연장되는 유동 채널(16)을 통해 유동하고, 타단부(도시된 바와 같이, 바닥)에서 헤더(36)를 통해 출현하는데, 이 유동로는 일점 쇄선 S로서 도시되어 있다. 따라서, 배열은 유동들이 병류이고, 각 유동 채널(16, 17)이 길이의 대부분을 따라 직선형이며, 반응 장치 블록(10)의 단부에서 헤더(30 또는 36)와 연통하여, 헤더(30 또는 36)가 부착되기 전에 촉매 인서트(22, 24)가 쉽게 삽입될 수 있도록 되어 있다. 유동 채널(16, 17)의 직선 부분들 중에 서로 인접한 부분을 따라서만 촉매 인서트(22, 24)를 제공하는 것이 바람직할 수 있다.
도 1에 도시된 평탄한 플레이트(12) 각각은 이 예에서 당연히도 반응 장치 블록(10)의 단면적인 500 mm의 폭과 1.0 mm의 길이의 치수를 갖는다. 이하, 도 3a를 참조하면, 성모양 플레이트(15)를 도시하는, 조립 중에 반응 장치 블록(10)의 일부의 평면도가 도시되어 있다(이 평면도는 도 2의 도면에 평행한 평면에 있다). 성무양 플레이트(15)는 길이가 800 mm이고 폭이 460 mm이며, 측면 바(18)는 폭이 20 mm이다. 성모양 플레이트(15)의 상단부는 평탄한 플레이트(12)의 상부 에지와 정렬되어, [헤더(30)와 연통하도록] 개방된다. 측면 바(18)들 중 하나(도시된 바와 같이 좌측 측면 바)는 길이가 1.0 mm이고 단부를 가로질러 연장되는 동일한 단부 바(18a)에 결합된다. 따라서, 바닥 우측 코너에 [헤더(32)와 연통하기 위하여] 180 mm 폭의 간극이 존재한다. 성모양 플레이트(15)의 바닥 단부와 단부 바(18a) 사이의 직사각형 구역은 성모양 플레이트의 2개의 삼각형 부분(26, 27)이 차지하는데, 제 1 부분(26)은 단부 바(18a)에 평행한 성모양을 갖고 [헤더(32)와 연통하도록] 스택의 에지로 연장되는 반면, 제 2 부분(27)은 성모양 플레이트(15)의 성모양과 평행한 성모양을 갖는다.
도 3b를 참조하면, 도 3a와 동일한 도면이 도시되어 있지만, 성모양 플레이트(14)를 도시하고 있다. 이 경우에, 성모양 플레이트(14)는 다시 길이가 800 mm이고, 폭이 460 mm이며, 측면 바(18)의 폭은 20 mm이다. 성모양 플레이트(14)의 바닥 단부는 평탄한 플레이트(12)의 바닥 에지와 정렬되어, [헤더(36)와 연통하도록] 개방된다. 측면 바(18)들 중 하나(도시된 바와 같이, 우측 측면 바)는 길이가 1.0 mm이고, 단부를 가로질러 연장되는 동일한 단부 바(18a)에 결합된다. 따라서, [헤더(34)와 연통하기 위해] 상부 좌측 코너에 180 mm 폭의 간극이 존재한다. 성모양 플레이트(14)와 단부 바(18a) 사이의 직사각형 구역에서, 성모양 플레이트의 삼각형 부분(26, 27)이 존재하는데, 제 1 부분은 단부 바(18a)에 평행한 성모양을 갖고 [헤더(34)와 연통하도록] 스택의 에지로 연장되고, 다른 부분(27)은 성모양 플레이트(14)의 성모양과 평행한 성모양을 갖는다.
도 3c를 참조하면, 도 3a 및 도 3b의 도면과 동일한 도면이 도시되어 있지만, 비유동 채널(20)들 중 하나를 형성하는 성모양 플레이트(14a)를 도시하고 있다. 이 경우에, 성모양 플레이트(14a)는 길이가 960 mm이고 폭은 다시 460 mm이다. 이 경우에, 양 측면 바(18)는 길이가 1.0 m이고, 각 단부에서 단부 바(18a)에 연결된다. 결과적으로, 비-유동 채널(20)을 통해서 유동하는 유체는 없다. 그러나, 도시된 바와 같이 상부 우측 코너와 바닥 좌측 코너에 작은 배출 홀(28)이 존재하여, 비유동 채널(20)은 주변 압력 상태에 있다.
가스 유동 방향의 변화를 달성하기 위하여 성모양 플레이트 부분의 많은 다른 구성이 사용될 수 있다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 성모양 플레이트(15)와 성모양 플레이트의 부분(27)은 동일하고 평행한 성모양을 갖기 때문에 서로 일체로 될 수 있고, 유사하게 성모양 플레이트(14)와 성모양 플레이트의 인접한 부분(27)이 서로 일체로 될 수 있다. 바람직하게는, 삼각형 부분(26, 27)의 성모양은 채널 형성 부분(14 또는 15)의 성모양과 동일한 형태를 갖는다.
전술한 바와 같이, 플레이트(12, 14, 15)들의 스택이 조립된 후에, 촉매 인서트(22, 24)가 반응 채널(16, 17) 내로 삽입된다. 바람직하게는, 연소 가스(C)를 위한 채널(17)에서, 촉매 인서트(24)는 도 3a의 평면도로 도시된 바와 같이 직선형 채널의 바닥 3/4을 차지하도록 길이가 600 mm이며, 이 부분은 화살표 P로 지시되어 있고, 화살표 Q로 지시된 다른 200 mm는 느슨하게 끼워진 파형 포일 형태일 수 있는 비촉매 스페이서가 차지한다. 유사하게, 증기 개질 가스 혼합물(S)을 위한 채널(16)에서, 촉매 인서트(22)는 길이가 600 mm이고, 화살표 R로 지시한 바와 같이, 도 3b의 평면도에 도시된 바와 같이 직선형 채널의 상부 3/4을 차지하며, 나머지 200 mm는 화살표 Q로 지시된 바와 같이 비촉매 스페이서가 차지한다. 촉매 인서트(22, 24)를 삽입한 후에, 반응 장치 블록(10)가 그 직립 위치(도 2에 도시된 바와 같이)에 있을 때에 스페이서와 촉매 인서트(22)가 유동 채널(16)에서 떨어지지 않도록 반응 장치 블록(10)의 바닥 단부를 가로질러 와이어 메시(도시 생략)가 부착될 수 있다. 그러므로, 촉매 인서트(22, 24)는 서로 바로 인접한 유동 채널(16, 17)의 부분에만 존재한다는 것을 알 것이다.
이어서, 헤더(30, 32, 34, 36)가 반응 장치 블록(10)에 부착될 수 있다는 것을 알 것이다. 그러나, 보다 큰 용량의 반응 장치를 제공하는 것이 더 편리할 수 있고, 이것은 여러 개의 그러한 반응 장치 블록을 함께 결합함으로써 달성될 수 있다.
도 4를 참조하면, 반응 장치(40)가 도시되어 있다. 반응 장치는 도 1의 반응 장치 블록(10)과 유사한 반응 장치 블록(10a, 10b)으로 이루어진다. 반응 장치(40)의 단부에 있는 2개의 반응 장치 단부 블록(10a)이 존재한다. 이들 단부 블록(10a)는 스택의 일단부에서만 비유동 채널(20)을 갖고 반응 장치(40)의 단부를 형성하는 단부라는 점에서 반응 장치 블록(10)과 상이하다. 반응 장치 블록(10a)의 타단부에서, 증기 메탄 개질 가스 유동(S)을 위한 유동 채널(16)이 존재한다. 이들 단부 블록(10a) 사이에는 비유동 채널(20)을 갖지 않는다는 점에서 단부 블록(10a)과 상이한 여러 개의 내부 블록(10b)이 있고, 각 내부 블록(10b)의 양단부에는 증기 메탄 개질 가스 유동(S)을 위한 유동 채널(16)이 있다.
반응 장치(40)의 조립 중에, 반응 장치 블록(10a 또는 10b)은 연속적인 블록들 사이에 2.3 mm 폭의 간극을 남겨두는 방식으로 서로 용접되고, 이 용접은 헤더(30, 32, 34, 36; 도 2 또한 참조)가 부착될 위치에서 에지 둘레의 간극 내를 채우지만, 헤더가 부착되지 않는 측면의 부분에서는 개방 간극(41; 3개만 도시됨)을 남겨 둔다. 이는 블록을 원하는 간격으로 유지하고 간극을 가로질러 용접함으로써 또는 채워질 부분을 따라 블록들 사이에 2.3 mm 두께의 스페이서 바를 배치하고 블록과 스페이서 바를 함께 용접함으로써 달성될 수 있다.
이어서, 헤더(30, 32, 34, 36)가 반응 장치(40)에 부착된다. 이 예에서, 각 헤더는 이 경우에 전체 길이가 1.0 m인 반응 장치(40)의 전체 길이에 걸쳐 연장되고, 각 헤더(30, 32, 34, 36)는 각각의 유체(C, S)를 위한 단일의 유체 입구 또는 출구 덕트(42, 43, 44, 45)를 갖는다.
따라서, 작동시에, 반응 장치 블록(10) 또는 반응 장치(40)는 메탄과 증기의 혼합물로부터 합성 가스를 생산하는 설비의 일부로서 사용될 수 있다. 가연성 가스 혼합물(화살표 C 참조)은 촉매 연소를 받는 유동로(17)를 따라 유동하도록 헤더(30)로 공급되고, 배출 가스는 헤더(32)로 나온다. 메탄과 증가의 혼합물(화살표 S 참조)은 통상적으로 약 600℃의 온도로 공급되는 촉매 인서트(22)인 유동로(16)를 따라 유동하도록 헤더(34)로 공급되고, 혼합물은 반응 장치(40)를 통과할 때에 약 770℃의 온도로 상승된다. 결과적인 합성 가스는 출구 덕트(45)를 통해 나오도록 헤더(36) 내로 나온다.
가스 유동이 반응 장치(40)에서 일어나는 최외측 유동 채널은 개질 채널(16)이다. 이들 최외측 채널로부터의 열 전달은 비유동 채널(20)의 제공에 의해 제한된다. 이는 반응 장치(40) 내에서 열적 구배를 감소시켜, 반응 장치가 받는 열적 응력을 감소시킨다.
변경예에서, 최외측 개질 채널(16)이 한 측면에서만 유입 열을 받기 때문에, 이들 최외측 개질 채널(16)은 반응 장치 블록(10)의 다른 개질 채널(16)보다 작은 높이로 될 수 있다. 예를 들어, 최외측 개질 채널의 높이는 다른 개질 채널의 30 내지 70%, 가장 바람직하게는 다른 개질 채널(16)의 45 내지 55%일 수 있다. 따라서, 대응하는 인서트(22)가 또한 보다 작은 높이로 되어야 한다.
각 내부 반응 장치 블록(10b) 내에서 최외측 유동 채널이 개질 채널이기 때문에, 전술한 반응 장치 설계는 연소 채널들이 연소 채널들에 인접하지 않는 것을 보장하는데, 이는 열적 구배를 감소시키는 이점이 있다. 연속적인 블록(10a, 10b)들 간의 간극은 전술한 바와 같이 공기 순환을 허용하도록 측면에서 개방될 수 있거나, 대안으로서 블록은 공기가 밀폐되도록 그 전체 주변 둘레에서 함께 용접될 수 있다. 그러한 공기 간극은 열 전달을 억제한다.
반응 장치 블록(10)과 반응 장치(40)는 본 발명의 범위 내에 유지하면서 다양한 방식으로 변경될 수 있다는 것을 알 것이다. 전술한 바와 같이, 반응 장치 블록(10) 내에 채널 배열은 NNSCSCSCSCSNN(즉, 채널의 13개 층이 증기 개질(S)과 연소(C) 사이에서 교대로 되어 있고 최외측은 증기 개질이지만, 2개의 비유동층(N)이 단부에 있다)이다. 덜 바람직한 변경예에서, 최외측 층들은 이들 층이 NNCSCSCSCSCNN이 되도록 연소된다. 유사하게, 각 내부 반응 장치 블록(10b) 내에서, 채널 배열은 SCSCSCSCSCSCS이다.
변경예 및 덜 바람직한 배열에서, 최외측 층은 연소층이다(CSCSCSCSCSCSC). 이 상황에서, 최외측 채널의 높이는 블록(10)에서 다른 연소 채널(17)보다 작다. 최외측 채널의 단면적은, 예를 들어 다른 연소 채널들의 단면적의 40% 내지 70%, 예를 들어 50%일 수 있다. 반응 장치 블록 내에서 층들의 개수는 설명된 것과 상이할 수 있다는 것을 알 것이다. 예를 들어, 각 내부 반응 장치 블록은 3개의 층만을 가질 수 있고, 이들 층은 SCS 또는 CSC로 배치될 수 있다.
또한, 제 1 유동 채널과 제 2 유동 채널의 유동 방향은 전술한 반응 장치에서 평행한 것으로, 즉 병류로 도시되어 있지만, 유동 방향은 역류(counter-flow)로 평행할 수 있거나, 대안으로서 유동 방향은 횡방향일 수 있거나 비스듬한 각도로 있을 수 있다는 것을 이해할 것이다.
10: 반응 장치 블록 12: 평탄한 플레이트
14, 15: 성모양 플레이트 16, 17: 유동 채널
18: 단부 플레이트 20: 비유동 채널

Claims (11)

  1. 제 1 유동 채널과 제 2 유동 채널을 내부에 형성하는 반응 장치로서,
    상기 제 1 유동 채널들은 발열 반응을 받는 유체들을 위한 것이고 상기 제 2 유동 채널들은 열 제거 유체를 위한 것이며, 반응 장치의 각 단부에서의 채널들은 열이 채널들 내에서 발생되지 않도록 되어 있는 것인 반응 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 열이 발생되지 않는 상기 채널들은 비유동(non-flow) 채널들인 것인 반응 장치.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 반응 장치의 적어도 일단부에 복수 개의 그러한 비유동 채널들이 존재하는 것인 반응 장치.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 비유동 채널들은 단부들 중 한쪽 또는 양쪽에서 봉쇄되는 것인 반응 장치.
  5. 제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 비유동 채널들에 가장 가까운 유동 채널이 제 2 유동 채널인 것인 반응 장치.
  6. 제 1 항 내지 제5 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 장치 블록들의 스택을 포함하고, 각 블록은 복수 개의 제 1 및 제 2 유동 채널을 형성하며, 상기 제 1 유동 채널들은 발열 반응을 받는 유체를 위한 것이고 상기 제 2 유동 채널들은 열 제거 유체를 위한 것이며, 다른 그러한 블록에 인접한 블록의 각 단부에서의 채널들은 제 2 유동 채널인 것인 반응 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 다른 그러한 블록에 인접한 블록의 각 단부에서의 채널들은 열 전달 방향에서 보다 작은 높이를 가짐으로써 블록에서 다른 제 2 유동 채널보다 작은 단면적을 갖는 것인 반응 장치.
  8. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 반응 장치 블록들의 스택을 포함하고, 각 블록은 복수 개의 제 1 및 제 2 유동 채널을 형성하며, 상기 제 1 유동 채널들은 발열 반응을 받는 유체를 위한 것이고 상기 제 2 유동 채널들은 열 제거 유체를 위한 것이며, 다른 그러한 블록에 인접한 블록의 각 단부에서의 채널은 제 1 유동 채널이고 열 전달 방향에서 보다 작은 높이를 가짐으로써 블록에서 다른 제 1 유동 채널들보다 작은 단면적을 갖는 것인 반응 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 제거 유체는 흡열 반응을 받는 유체인 것인 반응 장치.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 열 제거 유체는 냉각제인 것인 반응 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 제 1 및 제 2 유동 채널들을 형성하도록 배치된 금속 시트들의 스택을 포함하고, 상기 제 1 및 제 2 유동 채널들은 스택 내에서 번갈아 배치되며, 반응이 수행될 각 유동 채널 내에 제거 가능한 촉매 담지 가스 투과성 비구조적 요소들이 제공되는 것인 반응 장치.
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