KR20130023134A - 병합된 스팀 발생 다발을 갖는 수소 제조용 교환기-반응기 - Google Patents

병합된 스팀 발생 다발을 갖는 수소 제조용 교환기-반응기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교환기-반응기로서, 스팀 발생 다발을 병합시킨, 유분들 또는 알코올들을 스팀 개질하는 것과 같은 흡열 반응들을 실시하여, 열 효율을 증가시킬 수 있는 교환기-반응기를 개시한다.

Description

병합된 스팀 발생 다발을 갖는 수소 제조용 교환기-반응기{EXCHANGER-REACTOR FOR THE PRODUCTION OF HYDROGEN WITH AN INTEGRATED STEAM GENERATION BUNDLE}
본 발명은, 합성 가스의 제조에 대한 관점에서, 유분들 (oil cuts) 또는 알코올들의 스팀 개질과 같은 흡열 반응들을 실시하는 교환기-반응기 분야에 관한 것이다.
이러한 형태의 반응기는 종래 기술에 공지되어 있다; 설명은 US 4 919 844, US 4 690 690, WO 2003 031050 및 WO 03/035242 에서 발견될 수 있다.
이러한 교환기-반응기의 원리는 개략적으로 흡열 반응 또는 일련의 일반적인 흡열 반응들이 그 내부에서 발생하는 튜브들의 세트의 둘레에서 고온 연도 가스 (flue gas) 의 움직임으로 이루어지고, 이 고온 연도 가스는 반응기 유입구에서 1200℃ 에 이를 수 있다. 이러한 교환기-반응기의 열 효율은 본질적으로 연도 가스의 배출구 온도에 의해 결정된다.
본 발명의 목적은, 적절하게 배치된 스팀 발생 다발을 상기 교환기-반응기의 자체의 내부로 병합시켜 연도 가스의 배출구 온도를 낮춤으로써 이러한 교환기-반응기의 열 효율을 향상시키는 것이다.
명세서의 나머지 부분은, 본 발명의 교환기-반응기 내에서 실시되는 대표적인 흡열 반응들과 같이, 천연 가스의 스팀 개질 반응의 예와 관련이 있을 것이다. 하지만, 보다 일반적으로, 본 발명은 고온의 연도 가스를 통하여 열이 추가되어야 하는 임의의 흡열 반응에 관한 것이다.
스팀 개질 반응은 통상적으로 900℃ 의 매우 높은 온도에서 그리고 통상적으로 20 ~ 30 바 (bar) 의 압력하에서 발생한다. 이는 재료들의 기계적 거동과 관련하는 사항을 포함하는 오직 경제적으로 실현 가능한 해결책으로서, 반응은 튜브들의 세트 내에서 실시되는 것을 의미한다. 따라서, 이러한 촉매 반응기들은 복수의 튜브들, 통상적으로 100,000 Nm3/h 의 수소를 제조하는 유닛들에 대하여 대략 200 ~ 400 개의 복수의 튜브들로 구성된다.
이 튜브들은, FR 2 852 358 에 기재된 교환기-반응기의 경우와 같이, 예컨대 외부 연소 챔버에서, 교환기-반응기의 상류에서 발생된 고온 연도 가스에 의해 가열되거나 외부 연소 챔버가 후속되는 터빈에 의해 발생된 고온 가스에 의해 가열된다.
튜브들은 동일한 단부에서 시약들용 유입구들과 생성물용 배출구들을 갖기 위하여 베이어넷 (bayonet) 형태를 가질 수 있다. 베이어넷 튜브들은 교환기-반응기의 상부 돔 (dome) 으로부터 매달려 있고, 이는 열적 팽창 관리를 용이하게 한다.
대규모 교환기-반응기의 일 예는 FR 2 918 904 에 기재된 "HyGenSys" 반응기이다. 이러한 교환기-반응기는 큰 직경 (수 미터) 의 쉘 (shell) 그리고 처리측 (또는 튜브측) 과 연도 가스측 (또는 쉘측) 사이의 높은 압력 차이로 밀봉된 다수 (50 초과) 의 튜브들을 포함한다.
그 내부에서 흡열 반응들이 일어나는 베이어넷 튜브들과 연도 가스 사이의 교환계수를 향상시키기 위해 공지되어 있는 일 해결책은, 특히, 침니 (chimney) 튜브들, 또는 보다 간단하게는 각각의 침니가 베이어넷 튜브를 둘러싸는 침니들로 불릴 수 있는 튜브로 베이어넷 튜브들의 주변에 이들을 통과시킴으로써 높은 연도 가스 순환 속도를 갖도록 하는 것이다.
종래 기술 (FR 2 918 904) 에 있어서, 이러한 침니들은 고정되어 있으며, 교환기-반응기의 쉘 벽에 고정된 수직 플레이트에 의해 지지된다. 이러한 쉘은 그 두께를 최소한으로 하기 위하여 빔 (beam) 에 의하여 바닥부 또는 상부로부터 통상적으로 강화될 수 있다.
고온 연도 가스는 그 에너지의 일부를 베이어넷 튜브로 전달하지만, 여전히 교환기-반응기 배출구에서 매우 고온 (550℃ ~ 700℃, 통상적으로 600℃ ~ 650℃) 이다. 따라서, 열 효율은 매우 높지 않고, 본 발명의 목적들 중 하나는 연도 가스의 배출구 온도를 낮춤으로써 이러한 형태의 교환기-반응기의 열 효율을 향상시키는 것이다.
압력하에서 (통상적으로, 상대 압력 2 ~ 5 바) 연도 가스를 교환기-반응기에 사용하는 경우, 연도 가스 배출구들이 550℃ 를 초과하는 온도에 있을 때, 연도 가스 배출구들을 연결하는 것은 매우 어려워진다. 종래 기술에 있어서, 파이프워크 (pipework) 의 내부는 플랜지가 충분히 낮은 온도에 있도록 열적으로 단열되어야 하지만, 이러한 실시 형태는, 파이프 직경이 훨씬 더 커져야 하는 것을 의미하고, 이는 경제적으로 실현가능한 채로 유지하기 위해서는 교환기-반응기의 쉘 자체가 비교적 낮은 온도 (통상적으로 300℃ 미만) 로 유지되어야 할 기계적인 문제점들을 야기할 수 있다.
추가로, 종래 기술의 해결책에 있어서, 교환기-반응기의 상부를 통하여 나오는 연도 가스는 수집되고, 통상적으로 지면에 위치되는 하류 장치 (2 차 연소 챔버 또는 팽창기 또는 스팀 발생기) 에 공급하기 위해 지면 높이로 적하되어야 한다. 그러나, 이러한 연도 가스의 적하 라인은 또한 내적으로 단열되어야 하고, 이는 부피가 커지며 비용이 많이 들게 한다. 추가로, 이는 시스템의 전체 효율을 저하시키는 열 손실의 원인이다.
본 발명은 이러한 연도 가스 적하 라인을 제거하고, 교환기-반응기의 열적 효율을 향상시키는데 사용될 수 있다.
본 발명은 흡열 반응들을 실시하는 교환기-반응기로서 규정될 수 있고, 이 교환기-반응기는 상기 반응기의 상부 돔 (2) 에 매달려 있고 하부 바닥부 (3) 로 신장하는 복수의 베이어넷 튜브들을 포함하고, 이 베이어넷 튜브들 (4) 은 흡열 화학 반응 또는 반응들을 실시하도록 사용되며 베이어넷 튜브들 (4) 에 열을 공급하는 고온 연도 가스용 유입 파이프 (E) 및 열 교환에 후속하여 차가운 연도 가스를 배출하는 적어도 하나의 배출 파이프 (S) 를 포함하는 쉘 (1) 로 둘러싸여 지고, 이 교환기-반응기는, 또한 교환기-반응기의 상부 돔 (2) 에 매달려 있고 하부 바닥부 (3) 로 신장하는 복수의 실질적으로 수직인 스팀 발생 튜브들 (5) 로 구성된 스팀 발생 다발을 더 포함하고, 이 스팀 발생 튜브들 (5) 은 쉘 (1) 의 수직벽에 실질적으로 평행한 내부 배플 (internal baffle, Bi) 과 상기 수직벽 (1) 사이에 포함된 주변 공간 (8) 에 들어 있다. 상기 내부 배플 (Bi) 은 반응기의 중심부로부터 주변 공간 (8) 으로 연도 가스 (10) 를 전달하는 적어도 하나의 개구부 (Oi) 를 가진다. 스팀 발생용의 수직 튜브들 (5) 은 주변 공간 (8) 의 하부 부분에 위치한 하부 피더 헤드 (9) 를 통하여 물을 공급받고, 수직 튜브들 (5) 에서 비롯되는 액체 스팀 혼합물은, 분리기 드럼 (6) 과 실질적으로 동일한 높이에 있는, 반응기 교환기의 상부 돔 (2) 위에 위치한 상부 수집기 (7) 에 수집된다.
본 발명의 교환기-반응기의 제 1 변형예에 있어서, 각각의 스팀 발생 튜브 (5) 는 스팀 발생 튜브 (5) 의 주위에 연도 가스를 전달할 수 있는 튜브로 둘러싸여진다.
본 발명의 교환기-반응기의 제 2 변형예에 있어서, 주변 공간 (8) 의 벽들에 고정된 디플렉터들의 시스템은 연도 가스 (10) 가 수직 튜브들 (5) 에 실질적으로 수직으로 이동하는 것을 허용한다.
바람직하게는, 반응기의 중심부로부터 주변 공간 (8) 으로의 연도 가스 통과용 개구부 (Oi) 는 내부 배플 (Bi) 의 상부 부분에 위치된다.
본 발명의 교환기-반응기에 있어서, 정확하게 치수화된 주변 용적 (8) 은 교환기-반응기의 전체 용적의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만을 나타낼 수 있다.
특히 본 발명의 교환기-반응기는 유분 또는 천연 가스 또는 알코올을 스팀 개질하는 방법을 실시하기 위하여 사용될 수 있다.
이 경우에, 주변 공간 (8) 내의 연도 가스의 속도는 일반적으로 20m/s ~ 80m/s 의 범위, 바람직하게는 30m/s ~ 60m/s 의 범위 내에 있다.
그럼에도 불구하고, 유분 또는 천연 가스 또는 알코올을 스팀 개질하는 방법에 있어서 본 발명의 교환기-반응기를 사용하는 경우, 연도 가스는 1200℃ 부근의 온도에서 교환기-반응기의 내부로 들어가고, 바람직하게 400℃ 미만의 온도에서 상기 교환기-반응기를 나온다.
도 1 은, 공급 피더 헤드 (9), 스팀 발생 튜브 다발 (5), 상부 수집기 (7) 및 분리기 드럼 (6) 을 포함하는 스팀 발생 회로를 나타내는 본 발명의 교환기-반응기의 개략도를 나타낸다.
도 2 는 공정의 베이어넷 튜브들 용의 중앙 공간 및 스팀 발생 튜브들을 포함하는 주변 공간을 나타내는 교환기-반응기의 단면도이다.
본 발명은 교환기-반응기로서, 상기 반응기 내에 완전하게 병합시킨, 즉 베이어넷 튜브들의 다발에 의해 채워지는 반응기의 중심부에 대해 주변 공간에 위치되는 스팀 발생 다발의 위치 결정 (positioning) 때문에 향상된 에너지 효율을 가진 교환기-반응기로 규정될 수 있고, 이는 연도 가스가 보다 우수하게 배출될 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명의 해결책은, 제 1 교환 이후에 프로세스의 화학 반응들을 실시하기 위하여 베이어넷 튜브들 (4) 로 연도 가스를 냉각시켜, 이로 인해, 교환기-반응기 (1) 를 빠져나오기 이전에 교환기-반응기의 주변에 위치한 공간 (8) 에서 스팀을 발생시키는 것으로 구성된다.
이를 위해, 수직 스팀 발생 튜브들 (5) 은 한편으로는, 하부 바닥부 (3) 로부터 상부 돔 (2) 으로 신장하는 실질적으로 수직인 내부 배플 (Bi) 에 의하여, 다른 한편으로는, 교환기-반응기의 쉘 (1) 의 수직벽에 의하여 규정된 주변 공간 (8) 의 내부에서 교환기-반응기 (1) 의 주변에 설치된다.
이 수직 스팀 발생 튜브들 (5) 은 반응기의 상부 돔 (2) 으로부터 매달려 있고, 자유롭게 아래쪽으로 팽창하도록 한다.
수직 튜브들 (5) 은, 바람직하게는 하부의 고리 모양 피더 (feeder) 헤드 (9) 를 통해 교환기-반응기 (1) 의 상부 높이보다 더 높은 높이에 위치된 스팀 드럼 (6) 으로부터 액체의 물을 공급받는다. 이 하부 피더 헤드 (9) 는, 주변 공간 (8) 내부에 위치한 실질적으로 수직인 워터 라인 (11) 자체에 의하여 분리기 드럼 (6) 으로부터 물을 공급받는다.
스팀 발생 튜브들 (5) 에서, 물은 개구부 (Oi) 로부터 배출 파이프 (S) 까지 교환기-반응기 (1) 의 주변 공간 (8) 으로 적하하는 연도 가스 (10) 와의 열 교환에 의하여 통상적으로 5% ~ 100% 기화 사이에서 부분적으로 기화된다.
스팀 발생 튜브들 (5) 의 상부 부분들은 분리기 드럼 (6) 에 공급하기 이전에 스팀 또는 물/스팀 혼합물을 수집하기 위하여 반응기 외측 상부 수집기 (7) 에 연결된다.
그런 다음, 연도 가스 (10) 는 400℃ 미만, 바람직하게는 300℃ ~ 350℃ 의 범위에서 냉각되고, 이는 가스가 예컨대 스테인리스 강 316 의 표준 금속들 (standard metals) 로부터 형성된 적어도 하나의 플랜지 (S) 를 통하여 교환기-반응기 (1) 를 나갈 수 있다는 것을 의미한다. 이 플랜지 (S)(또는 이들 프랜지들 (S)) 는 바람직하게는 교환기-반응기의 하부 부분에 위치된다.
내화물 재료 (R) 는 하부 바닥부 (3) 를 따라서, 공정의 튜브들을 향하여 배향된 측면 상의 배플 (Bi) 의 벽을 따라서, 그리고 쉘 (1) 의 수직벽을 따라서 배치된다.
이로 인해 주변 공간 (8) 은 연도 가스 (10) 가 열 손실을 최소화할 수 있는 수단으로 이동하도록 형성된다. 추가로, 쉘 (1) 부근의 저온의 연도 가스는, 쉘 (1) 의 수직벽을 따라 배치된 내화물 (R) 의 두께를 최소화할 수 있다는 것을 의미한다.
스팀 발생 튜브들 (5) 에는 연도 가스와의 교환계수를 증가시키기 위하여 외부 핀들 (pins) 이 제공될 수 있다.
하부의 고리 모양 피더 헤드 (9) 는, 특히 스팀 드럼이 충분히 높게 위치되지 않을 때, 펌프를 통하여 또는 열 사이펀 (액체의 물과 부분적으로 기화된 물 사이의 밀도 차이) 을 통하여 스팀 드럼 (6) 으로부터 기원하는 포점 (bubble point) 에서 라인 (11) 을 통해 액체의 물이 공급된다.
하부 라인 (14) 은 상부 수집기 (7) 에 분리기 드럼 (6) 의 액상을 연결시킨다.
상부 라인 (13) 은 분리기 드럼 (6) 의 기상에 상부 수집기 (7) 를 연결시킨다.
유입 파이프 (E) 로부터 나오는 연도 가스는 반응기의 중심부로부터 내부 배플 (Bi) 까지 신장하고, 내부 배플 (Bi) 내에 제공된 적어도 하나의 개구부 (Oi) 를 통하여 스팀 발생 튜브들 (5) 을 포함하는 주변 공간 (8) 내로 들어가, 쉘 (1) 의 하부 부분에 위치한 배출 파이프 (S) 를 통하여 상기 주변 공간 (8) 을 나온다. 개구부 또는 개구부들 (Oi) 은 바람직하게는, 도 1 에 나타낸 바와 같이, 배플 (Bi) 의 상부 부분에 위치된다.
연도 가스 (10) 와 스팀 발생 튜브들 (5) 사이의 힘 교환을 위하여, 연도 가스 (10) 가 튜브들 (5) 을 따라서라기보다는 튜브들 (5) 을 가로질러 나아가지 않을 수 없도록, 디플렉터들 (도 1 및 도 2 에 도시되지 않음) 이 설치될 수 있다.
다른 실시형태에서, 스팀 발생 튜브들 (5) 은 이들 스스로, 상기 연도 가스를 가속시키고 스팀 발생 튜브들 (5) 과의 열 교환을 강화시키기 위하여 연도 가스 (10) 를 전달하는 튜브들 (도 1 및 도 2 에 도시되지 않음) 내에 위치될 수 있다.
교환 다발 (5) 은 스팀을 과열시키기 위하여 사용될 수 있다.
실시예
본 발명을 구현하는 예는 100,000Nm3/h 의 순수소 생산용 유닛에 대하여 구현된다. 이러한 용량에 대하여, HyGenSys 반응기는 15m 의 높이로 301 개의 촉매 튜브들로 구성된다.
튜브들 사이의 피치는 450mm 가 되도록 고려된다. 공정에 필요한 스팀의 일부는 스팀 드럼에 연결된 반응기의 내부 교환기에 의해 생성되도록 고려되었고 열 사이펀으로서 역할한다.
기화에 필요한 열의 양은 30MW 이다. 공정은 반응기 주입구에서 3 바의 절대 압력으로 400T/h 유속으로 연도 가스를 생성한다.
촉매 튜브들을 가진 교환 부분으로부터 배출구에서의 연도 가스의 온도는 600℃ 이다.
기화 부분으로부터 배출구에서의 연도 가스의 온도는 375℃ 이다.
기화 부분은 50mm 의 외경을 가지고, 44mm 의 내경을 가진다.
이 기화 튜브들은 반응기 주위에 위치한 폭이 120mm 인 환형 영역에 위치된다. 튜브들 사이의 연도 가스의 속도는 92m/s 이다.
전체 교환계수는 285W/m2/℃ 이고, 교환은 촉매 튜브들과 동일한 높이의 210 개의 튜브들을 제공하는 것을 필요로 한다.
튜브들 사이의 피치는 134mm 이다.
내화물을 제외한, 반응기의 내경은 9m 이지만, 기화 부분을 제외한 내경은 8.76m 일 것이다. 따라서, 병합된 스팀 발생 다발의 존재에 의하여 야기된 추가의 용적은 5.2% 이고, 연도 가스의 배출구 온도에 직접적으로 관련된 에너지 효율의 이득 (gain) 은 32% 이다.

Claims (7)

  1. 흡열 반응들을 실시하는 교환기-반응기 (exchanger-reactor) 로서,
    상기 반응기의 상부 돔 (2) 에 매달려 있고 하부 바닥부 (3) 로 신장하는 복수의 베이어넷 튜브들 (4) 을 포함하고, 상기 복수의 베이어넷 튜브들 (4) 은, 흡열 화학 반응 또는 반응들을 실시하기 위하여 사용되며, 상기 복수의 베이어넷 튜브들 (4) 에 열을 공급하는 고온 연도 가스용 유입 파이프 (E) 및 열 교환에 후속하여 차가운 연도 가스를 배출하는 적어도 하나의 배출 파이프 (S) 를 포함하는 쉘 (1) 로 둘러싸이고, 상기 교환기-반응기는, 또한 상기 교환기-반응기의 상기 상부 돔 (2) 에 매달려서 상기 쉘 (1) 의 수직벽에 실질적으로 평행한 내부 배플 (Bi) 과 상기 수직벽 (1) 사이에 포함된 주변 공간 (8) 에 들어 있는 복수의 수직 튜브들 (5) 로 구성된 스팀 발생 다발을 더 포함하고, 상기 내부 배플 (Bi) 은 반응기의 중심부로부터 상기 주변 공간 (8) 으로 연도 가스 (10) 를 전달하는 적어도 하나의 개구부 (Oi) 를 가지고, 스팀 발생용의 상기 수직 튜브들 (5) 은 상기 주변 공간 (8) 의 하부 부분에 위치한 하부 피더 헤드 (9) 를 통하여 물을 공급받고, 상기 수직 튜브들 (5) 로부터 나오는 액체-스팀 혼합물은, 반응기 교환기의 상기 상부 돔 (2) 위에 위치한 상부 수집기 (7) 에서 수집되고, 하부 라인 (14) 은 분리기 드럼 (6) 의 액상을 상기 상부 수집기 (7) 에 연결하고 상부 라인 (13) 은 상기 상부 수집기 (7) 를 상기 분리기 드럼 (6) 의 기상에 연결하는, 흡열 반응들을 실시하는 교환기-반응기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 스팀 발생 튜브 (5) 는, 상기 스팀 발생 튜브 (5) 의 주위에 상기 연도 가스 (10) 를 전달하기 위하여 당해 발생 튜브와 동축인 실질적으로 수직인 벽을 가진 튜브로 둘러싸이는, 흡열 반응들을 실시하는 교환기-반응기.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 주변 공간 (8) 의 벽들에 고정된 디플렉터들의 시스템은 상기 연도 가스 (10) 가 상기 수직 튜브들 (5) 에 실질적으로 수직으로 이동하는 것을 허용하는, 흡열 반응들을 실시하는 교환기-반응기.
  4. 제 1 항에 있어서,
    주변 용적 (8) 은 상기 교환기-반응기의 전체 용적의 10% 미만, 바람직하게는 5% 미만을 나타내는, 흡열 반응들을 실시하는 교환기-반응기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 반응기의 중심부로부터 상기 주변 공간 (8) 으로의 연도 가스의 통과용 개구부 (Oi) 는 상기 내부 배플 (Bi) 의 상부 부분에 위치되는, 흡열 반응들을 실시하는 교환기-반응기.
  6. 제 1 항에 따른 교환기-반응기를 사용하여 유분 (oil cut) 또는 천연가스 또는 알코올을 스팀 개질하는 방법으로서, 상기 주변 공간 (8) 내의 연도 가스의 속도는 20m/s ~ 80m/s 의 범위, 바람직하게는 30m/s ~ 60m/s 의 범위 내에 있는, 유분 또는 천연가스 또는 알코올을 스팀 개질하는 방법.
  7. 제 1 항에 따른 교환기-반응기를 사용하여 유분 또는 천연가스 또는 알코올을 스팀 개질하는 방법으로서, 상기 연도 가스는 1200℃ 부근의 온도로 교환기-반응기의 내부로 들어가고, 400℃ 미만의 온도로 상기 교환기-반응기에서 나오는, 유분 또는 천연가스 또는 알코올을 스팀 개질하는 방법.
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