KR20140049005A - 벨 컬럼 다운튜브, 이를 사용하는 반응기 및 관련 방법 - Google Patents

벨 컬럼 다운튜브, 이를 사용하는 반응기 및 관련 방법 Download PDF

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KR20140049005A
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KR1020147004461A
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테리 디. 터너
데니스 엔. 빙엄
브래들리 씨. 베네필
케리 엠. 크링글러
브루스 엠. 윌딩
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배텔레 에너지 얼라이언스, 엘엘씨
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Abstract

화학 반응을 실시하기 위한 반응기, 및 관련 구성요소, 시스템 및 방법이 제공된다. 하나의 양태에 따라, 노(furnace), 및 상기 노에 의한 가열을 위해 배치된 도가니를 포함하는 반응기가 제공된다. 다운튜브(downtube)가, 축을 따라 상기 내부 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 하나 이상의 구조물은 상기 다운튜브에 커플링되며, 상기 축에 실질적으로 수직인 방향으로 취해진 상기 내부 용적의 단면 영역을 실질적으로 가로질러 연장된다. 상기 구조물을 통한 유체 유동을 가능하게 하는 복수의 구멍들이 상기 구조물 내에 형성된다. 상기 다운튜브에 커플링된 상기 구조물은 하부 몸체부 및 상기 하부 몸체부에 커플링된 상부 몸체부를 포함할 수 있는데, 여기서, 상기 상부 몸체부의 외연부에 인접하여 상기 외연부로부터 방사상 외향으로, 상기 하부 몸체부에 복수의 구멍들이 형성된다.

Description

벨 컬럼 다운튜브, 이를 사용하는 반응기 및 관련 방법 {BELL COLUMN DOWNTUBE, REACTORS UTILIZING SAME AND RELATED METHODS}
관련 출원에 대한 상호 참조
본 출원은 벨 컬럼 다운튜브, 이를 사용하는 반응기 및 관련 방법(BELL COLUMN DOWNTUBE, REACTORS UTILIZING SAME AND RELATED METHODS)을 발명의 명칭으로 하여 2011년 7월 21일에 출원된 미국의 본특허출원 제13/188,121호에 대한 이익 및 우선권을 주장하며, 이의 전문은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
정부의 권리
본 발명은 미국 에너지국에 의해 부여된 계약번호 DE-AC07-05ID14517 하에 웨스턴 하이드로겐(Western Hydrogen)과 배텔레 에너지 얼라이언스, 엘엘씨(Battelle Energy Alliance, LLC) 간의 공동 연구 및 개발 계약하에 이루어졌다. 미국 정부는 본 발명에 대해 소정의 권리를 가진다.
기술분야
본 발명은 일반적으로, 기체 생성에 사용되는 반응기에 관한 것이고, 더욱 구체적으로는, 알칼리 금속 반응기와 같은 반응기에 사용되는 구성요소(component) 및 방법에 관한 것이다.
탄화수소계 연료(석유 생산물, 천연 가스 등을 포함)는 세계 에너지 생산의 주요 공급원이었으며 현재에도 그러하다. 세계 석유 매장 예상량, 더욱 "그린" 에너지 또는 친환경 에너지를 제공하려는 요망 및 다수의 다른 문제들이, 개인, 회사 및 정부로 하여금 가능한 에너지 생산 대체물을 연구하게 하는 원동력이 되어 왔다. 이들 연구 및 개발 노력은 기존의 알려진 에너지 공급원으로부터 에너지를 생산하기 위한 개선된 기술, 시스템 및 방법에 대한 탐구를 포함한다. 예를 들어 통상의 기술을 사용하여 도달하기 어려운 지구물리학적 위치에 위치한 오일을 추출하는 능력에 대한 노력이 이루어져 왔다. 따라서, 현재의 에너지 공정을 더욱 효율적이고 더욱 비용 효과적이고 더욱 친환경적으로 만들려는 노력이 이루어져 왔다.
과거에는 대체로 무시되었던 비축물들로부터 에너지를 추출하는데 기타 노력들이 집중적으로 이루어져 왔다. 몇몇 경우에서, 이들 자원 또는 비축물들은 무시되어 왔는데, 이의 이유는, 이들이 다른 이용 가능한 자원들에서와 같이 탄소가 풍부하지는 않기 때문이다. 다른 경우에서는, 상기 자원을 유용한 에너지 형태로 변환시키는 것이 더욱 어렵다. 예를 들어, 타르 샌드(tar sand) 및 오일 셰일(oil shale)과 같은 공급원들로부터 오일을 추출하기 위한 실질적인 노력들이 이루어지고 있다. 기술적으로 실현 가능할지라도, 과거에 이들 공급원으로부터 오일을 추출하는 것은 통상적으로 비효율적이고 생태친화적이지 못한 것으로 간주되었다.
새로운 잠재적인 에너지 공급원에 대한 연구 뿐만 아니라 다른 기존의 대체 에너지 공급원의 개선에 대한 현재 연구에 또한 초점이 맞추어지고 있다. 예를 들어, 태양광 기술, 풍력 에너지 생산, 바이오-연료 생산 및 수소 생산을 개선하기 위한 노력들이 모두 진행 중이다. 그러나, 당업자들이 인식하고 있는 바와 같이, 이러한 모든 노력들은, 일부는 경제적이고 일부는 정치적이고 일부는 과학적인 각종 장애에 부딪힌다.
따라서, 신규한 에너지 공급원을 제공하기 위한 요망, 에너지 추출에 대한 노력을 증진시키기 위한 요망, 그리고 기존의 공정 및 기술을 개선하여 에너지를 보다 효율적으로, 보다 풍부하게, 보다 친환경적인 방식으로 제공하기 위한 요망이 계속되고 있다.
본 발명의 양태들은 기체 생성에 사용되는 반응기, 및 상기 반응기가 사용될 수 있는 시스템 및 공정에 관한 것이다. 또한, 본 발명의 각종 양태들은 반응기에 사용되는 구성요소들에 관한 것이다. 본 발명의 하나의 양태에 따라 반응기가 제공된다. 상기 반응기는 노(furnace), 및 상기 노에 의한 가열을 위해 배치되며 내부 용적을 한정하는 도가니(crucible)를 포함한다. 다운튜브(downtube)가, 축을 따라 상기 내부 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치되고, 하나 이상의 구조물이 상기 다운튜브에 커플링되고(coupled), 상기 구조물은, 상기 축에 실질적으로 수직인 방향으로 취해진 상기 내부 용적의 단면 영역을 실질적으로 가로질러 연장된다. 상기 구조물을 통한 유체 유동을 가능하게 하는 복수의 구멍들이 상기 구조물 내에 형성된다.
하나의 양태에서, 상기 다운튜브는, 상기 다운튜브의 제1 단부에서의 제1 개구부, 및 상기 제1 개구부에 인접한 상기 다운튜브의 벽 내의 복수의 개구부들을 포함할 수 있다. 복수의 개구부들 각각은 상기 제1 개구부보다 작을 수 있다.
또 다른 양태에서, 상기 다운튜브에 커플링된 구조물은 하부 몸체부(lower body portion) 및 상기 하부 몸체부에 커플링된 상부 몸체부(upper body portion)를 포함하며, 여기서, 상부 몸체부의 외연부에 인접하여 상기 외연부로부터 방사상 외향으로, 상기 하부 몸체부에 복수의 구멍들이 형성된다. 하나의 특정 양태에서, 상기 하나 이상의 구조물은 실질적으로 벨 모양 기하구조(bell-shaped geometry)를 가질 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 기체 처리 시스템이 제공된다. 상기 시스템은 산화성 재료의 공급기, 탄화수소 재료의 공급기, 및 반응기를 포함한다. 상기 반응기는 노, 및 상기 노에 의한 가열을 위해 배치된 도가니를 포함한다. 상기 도가니는 내부 용적을 한정하며, 내부에 배치된 촉매 재료를 갖는다. 다운튜브는 축을 따라 내부 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 상기 다운튜브는 제 1 단부 및 제2 단부를 갖고, 상기 제1 단부는 산화 물질의 공급기 및 탄화수소 재료의 공급기와 유체 연통(fluid communication)한다. 상기 다운튜브의 제2 단부는, 도가니의 내부 용적 내로 배출구를 제공한다. 하나 이상의 구조물이 상기 다운튜브에 커플링되며, 축에 실질적으로 수직인 방향으로 취해지는 내부 용적의 단면 영역을 실질적으로 가로질러 연장된다. 상기 하나 이상의 구조물은, 상기 하나 이상의 구조물을 통과하는 유체 유동이 가능하도록 상기 구조물의 내부에 형성된 복수의 구멍들을 갖는다. 하나의 양태에서, 상기 하나 이상의 구조물은 상기 도가니 내에서 상이한 높이들로 배치된 복수의 구조물들을 포함할 수 있다.
하나의 특정의 양태에서, 촉매 재료는 탄산나트륨과 같은 염을 포함할 수 있고 산화성 재료는 물을 포함할 수 있고 탄화수소 재료는 잔류 역청을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 양태에 따라, 반응기의 도가니의 내부 용적에 사용되는 컬럼이 제공된다. 상기 컬럼은 제1 단부 및 제2 단부를 구비하고 축을 따라 연장되는 다운튜브를 포함한다. 하나 이상의 구조물이, 제1 단부와 제2 단부 사이에서 다운튜브에 커플링된다. 상기 하나 이상의 구조물은 하나의 본체(body)를 포함하며, 이는 실질적으로 오목한 표면을 갖고, 상기 하나 이상의 구조물의 한쪽 면으로부터 상기 하나 이상의 구조물의 또 다른 면으로의 유체 유동을 가능하게 하기 위한, 본체 내에 형성된 복수의 개구부들을 갖는다.
하나의 특정의 양태에서, 상기 하나 이상의 구조물은, 실질적으로 컵 모양 형상을 나타내고 제1 치수의 단면 직경을 갖는 제1 몸체부를 포함한다. 상기 구조물은, 실질적으로 컵 모양 형상을 나타내며 제1 치수보다 더 큰 제2 치수의 단면 직경을 갖는 제2 몸체부를 추가로 포함할 수 있다. 제1 몸체부는 동심원 방식으로 축을 따라 제2 몸체부에 커플링될 수 있다. 상기 제1 몸체부의 외연부에 인접한 위치에서, 상기 외연부에 대해 방사상 외향으로, 제2 몸체부 내에 복수의 개구부들이 형성될 수 있다.
본 발명의 추가의 또 다른 양태에 따라, 반응기 내에서 반응을 제어하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은 도가니 내에 염욕(salt bath)을 제공하는 단계를 포함한다. 산화성 재료 및 탄화수소 재료 각각은 상기 도가니의 가장 낮은 높이에 가까운 위치에서 염욕 중으로 도입된다. 염욕, 산화성 재료 및 탄화수소 재료 중 하나 이상에 의해 생성된 기체들은 지연 방식(impeded manner)으로 염욕을 통해 상향 유동된다. 하나의 특정의 양태에서, 염욕은 탄산나트륨으로서 제공될 수 있으며, 산화성 재료는 물로서 제공될 수 있으며, 탄화수소 재료는 잔류 역청으로서 제공될 수 있다.
하나의 양태에서, 기체를 지연 방식으로 염욕을 통해 상향 유동시키는 단계는, 상기 도가니의 내부 용적 내에 하나 이상의 구조물을 배치하여 이것이 이의 단면을 통해 실질적으로 연장되게 하는 것을 추가로 포함할 수 있다. 상기 하나 이상의 구조물은, 실질적으로 오목한 표면, 및 상기 하나 이상의 구조물의 한쪽 면으로부터 상기 하나 이상의 구조물의 또 다른 면으로 유체 연통하게 하는, 상기 구조물의 내부에 형성된 복수의 개구부들을 가질 수 있다.
후술되고 당업자들에 의해 분명히 인식되는 바와 같이, 상기 장치, 시스템 및 방법에 기타 각종 구성요소들 및 작용들이 포함될 수 있다.
본 발명의 상기 이점들 및 다른 이점들은 다음의 상세한 설명을 읽고 하기의 도면을 참조함으로써 분명해질 것이다:
도 1은 본 발명의 양태에 따른 기체 생성을 위한 공정 및 시스템을 보여 주는 개략도이다.
도 2는 본 발명의 양태에 따른 반응기의 투시도이다.
도 3은 상기 반응기의 구성요소들 중의 하나의 부분 단면을 보여 주는, 도 1에 도시 된 반응기의 투시도이다.
도 4는 본 발명의 양태에 따라 도 1 및 2에 도시된 반응기에 사용될 수 있는 구성요소의 투시도이다.
도 5는 본 발명의 양태에 따라 도 1 및 2에 도시된 반응기에 사용될 수 있는 구성요소의 투시도이다.
도 6은 본 발명의 양태에 따른 반응기의 각종 구성요소들의 부분 단면도이다.
인류의 에너지 수요를 충족시키기 위해 에너지 변환, 에너지 효율 및 자원의 최적 사용에 관한 상당한 노력이 집중되어 왔다. 본 발명의 개시 내용은 소정의 재료로부터 에너지 공급원(예를 들면, 수소 또는 기타 기체)을 추출하는데 사용될 수 있는 반응기를 기술한다. 이러한 반응기와 관련된 각종 구성요소 및 방법이 또한 본 명세서에 명시된다. 본 명세서에 기재된 본 발명의 하나의 양태는 알칼리 금속 개질(AMR: alkaline metal reforming)로서 지칭되는 방식으로 재료들을 처리하는 알칼리 금속 반응기를 포함한다. 그러나, 기재된 발명의 여러 측면들은 광범위한 에너지 변환에 적용될 수 있다.
AMR 공정을 사용하는 하나의 이점은, 각종 공급 재료들을 더욱 유용한 에너지 공급원으로 개질시킬 수 있다는 것이다. 공급 재료는 일반적으로 산화성 재료 및 몇몇 형태의 탄화수소(직쇄 탄소가 또한 유용할 수 있다고 할지라도)를 포함한다. 하나의 양태에서, 탄화수소 재료는, 때때로 "레시드(resid)"로서 불리는 잔류 역청 재료를 포함할 수 있다. 레시드 재료는 또한 때때로 진공 잔류물(VR: vacuum residuum)로서 지칭될 수 있다. 레시드 또는 VR 재료는 도로 포장용 타르 또는 아스팔트와 유사하며, 원유의 진공 증류 동안에 생성될 수 있다. 이들 재료는 일반적으로 낮은 경제적 가치를 갖는 것으로 여겨진다. 당업자들이 알고 있는 바와 같이, 레시드 조성물은 작은 백분율의 수소, 심지어 더욱 적은 양의 황 및 기타 미량 원소들과 함께, 탄소를 주로 함유한다.
본 발명의 하나의 AMR 공정에 따르면, 사용된 폐기물 및 물을, 고온에서 알칼리 금속 염 욕으로 공급할 수 있다. 생성된 화학 반응으로 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소가, 덜 중요한 약간의 다른 기체들과 함께 생성될 것이다. 고온의 노를 사용하여, 염욕을 함유한 도가니를 가열할 수 있다. 목적하는 온도에 도달하면, 목적하는 기체 생성물을 생성하기 위해 촉매로서 작용하는 염의 욕에 레시드 및 물 둘 다를 도입한다. 생성된 기체를 분리시켜 순수한 기체들, 즉 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소로서 판매할 수 있다. 다르게는, 상기 기체들을 비료, 화학물질, 연료 및 다른 생성물의 생성에 사용되는 합성 기체(신가스: syngas) 중에서 조합할 수 있다. 이러한 공정의 예는 2011년 7월 21일에 출원된 미국 특허 출원 제13/188,167호(발명의 명칭: 신가스 및 원료 기체의 제조를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SYNGAS AND FUEL GASSES))에 명시되어 있으며, 상기 특허 출원의 전문은 인용에 의해 본 명세서에 포함된다.
먼저, 도 1을 참조하면, 상술된 바와 같은 공급 재료를 사용하여 기체를 생성하기 위한 시스템(100) 및 공정의 일반적인 개요가 도시되어 있다. 상기 시스템(100)은 산화성 재료의 공급원 또는 공급기(102)를 포함한다. 하나의 양태에서, 산화성 재료의 공급기(102)는, 목적하는 화학물질에 의해, 목적하는 온도 및 압력으로 유지되는 컨디셔닝된 물을 포함할 수 있다. 상기 시스템(100)은 탄화수소 재료의 공급원 및 공급기(104)를 추가로 포함한다. 전술된 바와 같이, 탄화수소 재료의 공급기(104)는 레시드 재료를 포함할 수 있다. 다른 양태에서, 상이한 산화성 재료 및 탄화수소 재료가 사용될 수 있다. 산화성 재료의 공급원(102)과 마찬가지로, 탄화수소 재료의 공급원(104)은 반응기(106)로의 도입을 위한 준비시에 특정 조건(예를 들면, 온도 및 압력)으로 유지될 수 있다.
아래에서 추가로 상세하게 설명되는 반응기(106)는, 염 또는 기타 재료의 용융된 욕을 포함할 수 있으며, 여기에 산화성 재료 및 탄화수소 재료가 도입되어 이들과 반응할 것이다. 하나의 양태에서, 용융된 염은 탄산나트륨을 포함할 수 있으며, 탄화수소는 레시드 재료로서 공급될 수 있고, 산화제는 증기 형태의 물을 포함할 수 있다. 반응기(106) 내에서 발생하는 화학 반응으로 기체, 액체 및 고체가 생성된다. 이러한 생성물을 분리 및 처리하고, 예를 들어 수소, 메탄 및 다른 기체들과 같은 목적하는 생성물을 제조하기 위해, 각종 분리 및 처리 시스템(108)이 사용될 수 있다. 물, 염 및 기타 생성물을 또한 분리 제거하여 반응기(106)로 다시 재순환시킬 수 있다. 예를 들어, 앞서 인용된 미국 특허 출원(발명의 명칭: 신가스 및 원료 기체의 제조를 위한 시스템 및 방법(SYSTEM AND PROCESS FOR THE PRODUCTION OF SYNGAS AND FUEL GASSES))에 기재된 바와 같은 시스템과 관련된 각종 제어들이 사용될 수 있다.
이제, 도 2 및 도 3을 참조하면, 반응기(106)가 본 발명의 양태에 따라 도시된다. 도 2는 반응기(106)의 투시도를 보여주고, 도 3은 추가의 세부 사항들을 보여주기 위해 단면으로 "분할한(split)" 구성요소들 중 하나를 묘사한 동일한 반응기(106)를 보여준다. 반응기(106)는 프레임(114)에 장착된 노(112) 내에 배치된 도가니(110)를 포함한다. 노(112)는 예를 들어 모델 XST-6-0-24-3C와 같은 시판되는 노를 포함할 수 있는데, 상기 모델은 미국의 위스콘신주 워터타운 소재의 카보라이트 인코포레이티드(Carbolite Inc)에서 시판되는, 3개의 대역(zone)들이 힌지된(hinged) 수직관 노이다. 하나의 양태에서, 노(112)는 도가니와 이의 내용물을 목적하는 기간 내에 약 900℃ 내지 약 930℃ 또는 이의 이상의 온도로 가열하도록 구성될 수 있다. 또한, 노(112)는, 도가니(110)의 길이를 따라 특정 위치들에서 집중적인 가열이 가능하도록 개별적으로 제어될 수 있는, 대역들(116A 내지 116C)(도 3)로 도시된 다수의 대역들을 포함할 수 있다. 3개의 상이한 대역들(116A 내지 116C)이 도 3에 도시되어 있지만 더 많거나 더 적은 대역들을 갖는 노가 이용될 수 있다.
승강 기구(118)가 프레임(114)과 결합되어, 노(112)에 대해 목적하는 높이로 도가니(110)를 위치시키고 유지시킬 수 있다. 승강 기구(118)는 또한, 세정, 수리 또는 교체를 위해 필요한 경우, 노(112)로부터 도가니를 들어올리도록 구성될 수 있다.
상기 도가니(110)는 실질적인 원통형 부재(member)로서 형성될 수 있다. 예를 들어, 하나의 양태에서, 도가니(110)는 주입 시스템 및 배출 시스템을 연결시키기 위해 하나의 단부에는 캡(120)을 갖고 나머지 단부에는 플랜지(122)를 갖는 304개의 스테인리스 스틸 파이프로 형성될 수 있다. 소정의 양태에서, 도가니(110)는 길이가 약 3피트일 수 있으며, 3인치 또는 5인치 스케줄(schedule) 10 파이프로 형성될 수 있다. 간단히 도 6을 도 2 및 도 3과 함께 참조하면, 도가니(110)의 상부 플랜지(122)에 배기가스 스풀(spool)(124)이 커플링되어 있다. 스풀(124)은 도가니(110) 내에서 발생하는 반응에 의해 생성된 기체를 배기시키는 하나 이상의 기체 배출구(126)와 함께 구성될 수 있다. 또한, 상기 스풀(124)은 아래에서 더욱 상세하게 설명되는 바와 같은 내부 구성요소들을 지지하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 주입구(130)가 산화성 재료(예를 들면, 물/증기) 및 탄화수소 재료(예를 들면, 레시드)와 같은 각종 재료들을 수용하기 위해 상기 스풀과 결합될 수 있다. 이들 재료는 도가니(110)로 도입되기 전에 혼합될 수 있거나, 또는 도가니(110) 내에서 혼합 및 반응하기 위한 개별 구성요소들로서 별도로 도입될 수 있다. 몇몇 양태에서, 스풀(124), 주입구(130) 및 배출구(126)는 절연 재료로 피복될 수 있거나, 심지어, 목적하는 온도에서 임의의 유체를 계속 이를 통해 유동시키는 것을 지원하기 위해 가열 소자(예를 들면, 열전도성 매질 이송용 배관, 전기 가열 테이프 또는 기타 가열 장치)로 포장될 수 있다.
도 4 내지 도 6을 참조하면, 도가니 내에 위치한 각종 내부 구성요소들이 도시되어 있고 이것이 기술되어 있다. 도 4는 본 명세서에서 다운튜브(132)로서 지칭되는 관 구조물의 투시도이다. 도 5는 용융된 염욕 내에서의 산화성 재료 및 탄화수소 재료의 혼합, 분배 및 체류 시간을 증진시키기 위해 사용되는, 본 명세서에서 벨(134)들로서 지칭되는 구조물의 투시도이다. 도 6은 도가니의 본체의 단면이 도시되고 내부에 다운튜브(132) 및 복수의 벨(134)들이 설치된, 도가니(110)의 투시도이다.
도 4 및 도 6에 도시된 바와 같이, 다운튜브(132)는, 공급기로부터 재료들(예를 들면, 산화성 재료의 공급원(102) 및 탄화수소 재료의 공급원(104))을 용융된 염욕 내의 목적하는 높이에서 도가니(110) 중으로 이송하는데 사용된 도관이다. 다운튜브(132)는 부식 환경, 고온 및 고압에 견딜 수 있는 재료로 형성된 파이프 또는 관일 수 있다. 예를 들어, 다운튜브(132)는 스테인리스 스틸 재료로 형성될 수 있다. 다운튜브(132)의 제1 단부(136)는 스풀(124)에 구조적으로 커플링되고 스풀(124)의 주입구(130)와 유체 연통하도록 배치될 수 있다. 다운튜브(132)의 제2 단부(138)는 개봉될 수 있으며, 제2 단부(138) 근처의 다운튜브의 측벽(140)은 이의 내부에 복수의 개구부(142)들 또는 개방부들를 포함할 수 있다.
예를 들어, 하나의 양태에서, 일반적으로 원형이고 직경이 약 1/4인치인 약 16개의 개구부(142)들이 존재할 수 있다. 하나의 특정 양태에서, 개구부(142)들은 다수의 열들(도 4에서 도시된 바와 같이 4개의 열)로 형성될 수 있으며, 이때 제1 열은 다운튜브(132)의 제2 단부(138)로부터 약 1/2인치 떨어져서 가운데 있는 개구부들을 갖는다. 각각의 열은, 개구부(142)들의 중심이 각각의 인접한 열로부터 약 1/2인치 떨어져 있도록 이격될 수 있다. 개구부들의 각각의 열은, 예를 들어, 다운튜브 주위에 약 90° 간격으로 배치된 4개의 개구부(142)들을 포함할 수 있다. 각각의 열의 개구부(142)들은 인접하는 열에 대해 목적하는 각도(예를 들면, 각각의 열이 90° 간격으로 배치된 4개의 개구부(142)들을 포함하는 경우에는 약 45°)만큼 회전할 수 있다. 물론, 다른 구성들이 고려되며, 개구부(142)들의 개수 및 크기, 및 다운튜브(132)의 제2 단부(138)로부터 떨어진 거리는, 상기에 명시되거나 도면에 도시된 예로 한정되지 않는다.
개구부(142)들은 용융된 염욕으로의 공급 재료들(특히, 기체 형태인 경우)의 분포를 용이하게 한다. 개구부(142)들은 기체가 용융된 염욕 내를 비교적 작은 버블(bubble)들로서 지나갈 수 있게 하며, 큰 기체 버블들이 다운튜브(132)의 제2 단부(138)를 빠져나가는 것을 방지한다. 개구부(142)들의 실제 개수, 이들의 크기, 모양 및 위치는, 적어도 부분적으로, 다운튜브(132)의 열린 제2 단부(138)를 빠져나가는 기체를 최소로 하거나 또는 이를 방지하도록 하는 재료들의 예상 유속을 근거로 하여 결정될 수 있다.
도 5 및 도 6을 간단하게 참조하면, 하나의 양태에서 벨(134)들은 일반적으로 상부 몸체부(150)와 하부 몸체부(152)를 갖는 벨과 같은 형상의 구조물을 포함할 수 있다. 상부 몸체부(150)와 하부 몸체부(152)는 둘 다, 상부 몸체부(150)가 하부 몸체부(152)보다 작은 직경을 갖는 거꾸로 된 컵 또는 볼(bowl) 모양(즉, 오목한 표면)을 나타낸다. 하부 몸체부(152)는 이의 바닥(즉, 상부 몸체부(150)가 부착된 단부의 반대쪽 단부)이 개방되어 있고, 하부 몸체부(152)의 상부 표면(156)에 형성된 복수의 개구부(154)들 또는 개방부들을 갖는다. 상부 몸체부(150)의 하부 외연부(158)는, 복수의 개구부(154)들에 인접한 하부 몸체부(152)의 상부 표면(156)에 커플링되어, 상부 몸체부(150)와 하부 몸체부(152)가 이를 통해 연장되는 종축(160) 주위에 동심원 배치된다.
상부 몸체부(150)의 상부 표면(164)에 개구부(162)가 형성되고, 도시되지 않은 동심원 개구부가 하부 몸체부(152)의 상부 표면(156)에 형성된다. 종축(160)을 따라 관통하는 다운튜브(132)를 수용할 수 있도록, 상부 몸체부(150)의 개구부(162)의 크기가 정해지고 구성된다. 하부 몸체부(152)의 상부 표면(156)의 동심원적 개구부의 크기는, 상부 몸체부(150)의 내부 개구 단면(예를 들면, 직경)과 실질적으로 동일한 크기를 갖는다. 상부 몸체부(150)의 상부 표면(164)에 추가의 개구부(166)가 형성될 수 있다. 상기 개구부(166)는, 벨(134)들 내에서 수소 또는 다른 기체를 포집(trapping)하지 않으면서 도가니(110)로부터의 벨 컬럼식 다운튜브의 제거를 용이하게 한다. 또한, 상기 개구부는 각종 기구들(예를 들면, 열전대 또는 다른 센서)을 염욕에 삽입하는 것을 용이하게 한다.
벨(134)들은 다운튜브(132) 및 도가니와 유사한 재료로부터 형성될 수 있다. 하나의 양태에서, 벨(134)들은 2개의 파이프 말단 캡들을 도시된 방식으로 함께 용접함으로써 형성될 수 있다. 그러나, 벨(134)들은 다른 공정들(예를 들면, 스탬핑, 성형 등)에 의해 형성될 수 있고, 도면에 분명하게 도시된 것과는 상이한 형상들을 나타낼 수 있다. 예를 들어, 하나의 양태에서, 벨(134)들은 모든 관련 개구부가 내부에 형성된 단일 몸체부(예를 들면, 하부 몸체부(152))만을 포함할 수 있다.
도 6에서 볼 수 있는 바와 같이, 도가니(110)의 본체 내의 다운튜브(132) 위에 여러 개의 벨(134)들이 배치될 수 있다. 도 6에 도시된 어셈블리에 4개의 벨(134)들이 도시되어 있지만, 이보다 많거나 또는 적은 개수의 벨들을 사용하는 구성이 사용될 수 있다. 본 명세서에서 벨 컬럼(170)으로서 지칭되는 상기 어셈블리는, 아래의 추가의 설명으로부터 자명한 바와 같이 반응기(106) 내에서의 기체의 생성에 대한 각종 이점들을 제공한다.
일반적으로 도면을 참조하면, 반응기(106)의 작동 동안에, 도가니(110)를, 촉매로서 사용되는 염 또는 기타 재료로 목적하는 수준으로 충전할 수 있다. 예를 들어, 하나의 양태에서, 도가니(110)를, 목적하는 염 성분들(예를 들면, 탄산나트륨)로 전체의 약 1/3 내지 1/2 수준으로 충전할 수 있다. 노(112)는 염을 용융시키기 위해 도가니(110) 및 이의 내용물을 목적하는 온도로 하여, 용융된 염욕이 형성될 것이다. 염이 용융되어 유체가 되면, 내부 구조물(예를 들면, 다운튜브(132) 및 관련 구성요소들)은, 물 및 레시드(또는 다른 공급 재료들)가 추가될 때 유체 작용을 관리하거나 제어하는데 도움을 준다. 예를 들어, 이들 공급 재료가 고온의 염과 접촉할 때, 버블링(bubbling), 롤링(rolling) 및 스플래싱(splashing)이 염욕 내에서 발생할 것이다. 상기 스플래싱이 어떠한 방식으로든 제어되지 않는다면, 상기 염이 도가니의 상부 표면으로(즉, 염욕의 수준 위로) 튀어서(splash) 상대적으로 더 차가운 표면과의 접촉으로 인해 염이 고화될 것이다. 일정 기간에 걸쳐, 이는, 용융된 염 수준을 저하시킬 수 있고, 기체 유동을 가능하게는 지연시키거나 또는 완전히 방지할 수 있다. 그 중에서도, 벨 컬럼(170)은 이러한 잠재적인 문제를 없애지 못하는 경우라도 완화에 도움을 준다.
공급 재료들의 초기 도입이 표면에서가 아니라 염욕의 깊은 곳에서 발생하도록, 벨 컬럼(170)의 다운튜브(132)가 염 용융물의 최하부로 이송되는 레시드 및 물(또는 다른 공급 재료들) 둘 다를 위한 통로를 제공한다. 증기 형태의 물 및 레시드는 다운튜브(132)의 중심을 통해 도가니(110)의 바닥으로 이송될 것이다. 다운튜브(132)는 염욕 아래로 공급 재료를 이송하기 위한 방해받지 않는 통로를 제공한다. 또한, 이는 공급 재료들의 일부 혼합을 제공할 수 있다. 이어서, 물 및 레시드는 도가니(110)의 다운튜브(132)와 벽(172) 사이의 도가니(110) 내에 배치된 염욕을 백업시킨다. 공급 재료 및 염욕의 반응 동안에 형성된 기체는, 스풀(124)에 형성된 배출구(126)를 통해 도가니의 상부 밖으로 배기된다.
일반적으로, 물 성분은 탄산나트륨을 수산화나트륨으로 변화시키고, 이어서 탄소 함유 레시드로 분해시킨다. 레시드와 수산화나트륨 사이의 상호 작용으로 상기 수산화물은 탄산나트륨으로 다시 변화된다. 그러나, 물 및 레시드가 염욕을 통해 지나치게 빠르게 주행하는 경우, 목적하는 기체 생성 시간이 제한된다. 다시 말해서, 레시드 및 물이 염욕에서 충분한 시간 동안 체류하지 않는 경우, 목적하는 기체 성분으로의 효과적인 변환이 없을 것이다. 이러한 상황에서, 증기는, 부분적으로 소비된 염욕을 통과하여, 증기로서 도가니를 빠져나갈 것이다. 또한, 탄산염으로부터 수산화물로의 염의 변환은 불완전하고 불충분할 것이다. 레시드의 나머지 탄소 성분이 부분적으로만 소비된 상기 욕의 바닥에 놓여있는 동안, 레시드는 이의 휘발 성분을 단념할 것이다.
벨 컬럼(170)은 염욕 내의 공급 재료의 체류 시간을 제어하고 관리하도록 구성된다. 공급 재료가 염욕에 도입될 때, 버블들이 생성될 것이며, 도가니(110) 내에서 염욕의 상부 수준이 상승되어, 이것이 위로 움직일 것이다. 작동 시에, 사용되는 염의 양은, 생성된 염욕의 상부 수준 또는 표면이 가장 높은 벨(134A)의 바닥과 대략 동일한 높이에 있는 수준에 도달할 수 있게 하는 양일 것이다. 상기 상부 벨(134A)의 기능들 중 하나는, 액체 염 스플래시 가드(splash guard)를 제공하고, 도가니(110)의 벽(172) 위로 튀는 염의 양을 제한하는 것이다.
레시드 및 물이 다운튜브(132)에 주입될 때, 물과 레시드가 염욕의 하중을 극복하여 다운튜브(132)의 바닥을 빠져나가기 시작할 수 있을 때까지, 압력이 부가된다. 이제 증기 형태의 물, 및 기화된 레시드 기체가, 다운튜브(132)의 제2 단부(138) 바로 위에서 측면 개구부(142)들을 통해 다운튜브(132)를 빠져나갈 것이다. 상기 개구부(142)들은, 다운튜브(132)의 제2 단부(138)에서 더 큰 개구부 밖으로 큰 버블들이 뿜어 나오는 것을 방지할 것이다. 개구부(142)들을 빠져나오는 더 작은 버블은 염욕을 통해 주행하고 가장 낮은 벨(134D)에 의해 포집될 것이다.
공급 재료들 내의 임의의 고체들(예를 들어, 탄소 입자 및 금속 불순물)은 다운튜브(132)의 제2 단부(138)의 더 큰 개구부를 통해 염욕으로 배출될 것이다. 이어서, 이들 고체는 염욕과 상호작용하고 분해되어 각종 기체들을 생성할 수 있다. 그러나, 상기 고체의 일부는 용해되지 않고 도가니의 바닥에 소위 "클링커(clinker)"로 남을 것이다.
기체 버블들이 계속 다운튜브(132)를 빠져나갈 것이며, 충분한 기체가 가장 낮은 벨(134D)의 하부 몸체부(152) 내에 포집되어 작은 구멍(154)들을 통해 탈출하기 시작할 때까지 기체가 가장 낮은 벨(134D) 밑에 적층될 것이다. 일부 기체는 또한 상부 몸체부(150)의 상부 표면(164) 상의 단일 개구부(166)를 통해 빠져나갈 수 있다. 전술된 바와 같이, 도가니(110) 내의 온도를 감시하고 제어하는데 사용되는 하나 이상의 열전대 또는 기타 측정 장치를 수용하기 위해, 상기 단일 개구부(166)가 사용될 수 있다. 따라서, 상기 구멍(160)들을 통해 주행하는 임의의 기체가, 이러한 측정 장치의 삽입 후에 남아있는 제한된 공간 내에 존재할 수 있다.
기체는 각각의 연속 벨(즉, 벨(134C)를 통과하고 이어서 벨(134B)를 통과하고 이어서 가장 높은 벨(134A)를 통과하여) 내에 계속 적층된다. 벨들(134A 내지 134D)을 통과하는 버블들의 이러한 케스케이드는, 공급 재료들과 염욕과의 목적하는 혼합을 제공하며, 이들 재료에 대한 더욱 구불구불한 통로를 제공함으로써 염욕 내에서의 레시드 잔류물로부터의 배기가스(off gas)들 및 물의 체류 시간을 개선시킬 것이다. 이를 위해, 벨(134)들의 하부 몸체부(134)의 직경은, 도가니(110)의 내부 직경과 실질적으로 유사하도록 구성될 수 있다. 다른 기하구조를 사용하는 경우, 축(160)에 실질적으로 수직으로 취할 때 벨 및 도가니의 단면적들이 유사할 수 있다. 또 다른 방식으로 언급하면, 종축(160)에 실질적으로 수직인 방향으로 취할 때 도가니(110)의 단면적을 실질적으로 가로질러 연장되도록 벨(134)들이 구성되어 있어서 약간의 기체(만일 있다면)가 도가니의 벨(134)들과 벽(170) 사이에서 상향 주행한다.
다운튜브(132) 및 벨(134)들 둘 다를 포함하는 벨 컬럼(170)은 더 작은 버블들을 생성시키며 작용 시에 기체에 대한 더 큰 표면적을 제공하는 것임에 유념해야 한다. 개구부(154)들의 크기 및 개수는, 기체의 목적하는 버블 크기 및 체류 시간을 제공하도록 조정될 수 있다. 또한, 상기에서 나타낸 바와 같이, 벨들(134A 내지 134D)은 염욕의 임의의 격렬한 요동이 도가니의 상부 영역에 도달하는 것을 방지하는 것을 도울 것이다. 따라서, 반응기(106)는 증가된 기체 산출량을 제공하며, 도가니 내에서의 공급 재료 및 염욕의 반응을 보다 효율적으로 관리한다.
본 발명이 각종 변형태 및 대안 형태를 가질 수 있다 할지라도, 도면에 특정 양태들을 예시로써 도시하였으며 이를 본 명세서에 상세하게 설명하였다. 그러나, 본 발명을 개시된 특정 형태로 제한하고자 하는 의도는 없음을 이해해야 한다. 오히려, 본 발명은 하기 첨부된 특허청구범위에 의해 정의된 본 발명의 요지 및 범위 내에 있는 모든 변형태, 등가물 및 대안을 포함한다.

Claims (33)

  1. 노(furnace);
    상기 노에 의한 가열을 위해 배치되며 내부 용적을 한정하는 도가니(crucible);
    축을 따라 상기 내부 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치된 다운튜브(downtube);
    하나 이상의 구조물로서, 상기 다운튜브에 커플링되고, 상기 축에 실질적으로 수직인 방향으로 취해진 상기 내부 용적의 단면 영역을 실질적으로 가로질러 연장되고, 복수의 구멍들(상기 복수의 구멍들은 상기 하나 이상의 구조물을 통과하는 유체 유동이 가능하도록 상기 구조물의 내부에 형성된다)을 갖는 하나 이상의 구조물
    을 포함하는, 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 상기 다운튜브에 커플링된 상기 하나 이상의 구조물이, 상기 다운튜브에 커플링된 복수의 구조물들을 포함하는, 반응기.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다운튜브가, 상기 다운튜브의 제1 단부에서의 제1 개구부, 및 상기 제1 개구부에 인접한 상기 다운튜브의 벽 내의 복수의 개구부들을 포함하는, 반응기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 복수의 개구부들 각각은 상기 제1 개구부보다 작은, 반응기.
  5. 제4항에 있어서, 상기 복수의 구조물들 중의 각각의 구조물이, 하부 몸체부(lower body portion) 및 상기 하부 몸체부에 커플링된 상부 몸체부(upper body portion)를 포함하며, 여기서, 상기 상부 몸체부의 외연부에 인접하여 상기 외연부로부터 방사상 외향으로, 상기 하부 몸체부에 복수의 구멍들이 형성된, 반응기.
  6. 제5항에 있어서, 상기 복수의 구조물들 중 하나 이상이, 2개 이상의 상이한 크기의 파이프 말단 캡들로부터 형성되는, 반응기.
  7. 제5항에 있어서, 하나 이상의 배출구 및 하나 이상의 주입구를 갖고, 상기 도가니에 커플링되는 스풀(spool) 구조물을 추가로 포함하는, 반응기.
  8. 제7항에 있어서, 상기 다운튜브의 제2 단부가 하나 이상의 주입구와 유체 연통(fluid communication)하는, 반응기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 도가니, 상기 다운튜브 및 상기 복수의 구조물들이 각각 스테인리스 스틸 재료로부터 형성되는, 반응기.
  10. 제8항에 있어서, 상기 복수의 구조물들 중의 하나 이상이, 상기 구조물 속으로 온도 측정 장치를 수용하기 위한 크기를 가지며 상기 수용을 위해 구성된 추가의 개구부를 포함하는, 반응기.
  11. 제8항에 있어서, 상기 노가 선택적으로 제어 가능한 복수의 가열 대역(zone)들을 포함하는, 반응기.
  12. 제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물이 실질적으로 벨 모양 기하구조(bell-shaped geometry)를 갖는, 반응기.
  13. 기체 처리 시스템으로서,
    산화성 재료의 공급기;
    탄화수소 재료의 공급기; 및
    반응기로서,
    노;
    상기 노에 의한 가열을 위해 배치되며, 내부 용적을 한정하고, 내부에 촉매 재료를 갖는 도가니;
    축을 따라 상기 내부 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치되는 다운튜브로서, 산화성 재료의 상기 공급기 및 탄화수소 재료의 상기 공급기와 유체 연통하는 제1 단부, 및 배출구를 상기 도가니의 내부 용적 내로 제공하는 제2 단부를 갖는, 다운튜브;
    하나 이상의 구조물로서, 상기 다운튜브에 커플링되고, 상기 축에 실질적으로 수직인 방향으로 취해진 상기 내부 용적의 단면 영역을 실질적으로 가로질러 연장되고, 복수의 구멍들(상기 복수의 구멍들은 상기 하나 이상의 구조물을 통과하는 유체 유동이 가능하도록 내부에 형성된다)을 갖는 하나 이상의 구조물
    을 구비하는 반응기
    를 포함하는, 기체 처리 시스템.
  14. 제13항에 있어서, 상기 촉매 재료가 염을 포함하는, 시스템.
  15. 제13항에 있어서, 상기 촉매 재료가 탄산나트륨을 포함하는, 시스템.
  16. 제15항에 있어서, 산화성 재료의 상기 공급기가 물을 포함하며, 탄화수소 재료의 상기 공급기가 잔류 역청을 포함하는, 시스템.
  17. 제16항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물이 상기 도가니 내에서 상이한 높이들로 배치된 복수의 구조물들을 포함하는, 시스템.
  18. 제17항에 있어서, 상기 다운튜브가, 상기 다운튜브의 상기 제2 단부에서의 제1 개구부, 및 상기 제1 개구부에 인접한 상기 다운튜브의 벽 내의 복수의 개구부들을 포함하는, 시스템.
  19. 제18항에 있어서, 상기 복수의 개구부들 각각은 상기 제1 개구부보다 작은, 시스템.
  20. 제19항에 있어서, 상기 복수의 구조물들 중의 각각의 구조물이, 하부 몸체부 및 상기 하부 몸체부에 커플링된 상부 몸체부를 포함하며, 여기서, 상기 상부 몸체부의 외연부에 인접한 위치에서 상기 외연부로부터 방사상 외향으로, 상기 하부 몸체부 내에 복수의 구멍들이 형성된, 시스템.
  21. 제20항에 있어서, 상기 도가니에 커플링되는 스풀 구조물을 추가로 포함하고, 상기 스풀 구조물은 하나 이상의 배출구 및 하나 이상의 주입구를 가지며, 상기 다운튜브의 상기 제1 단부가 상기 하나 이상의 주입구에 커플링되는, 시스템.
  22. 제21항에 있어서, 상기 노가, 선택적으로 제어 가능한 복수의 가열 대역들을 포함하는, 시스템.
  23. 제22항에 있어서, 상기 하나 이상의 배출구와 유체 연통하는 하나 이상의 기체 처리 시스템을 추가로 포함하는, 시스템.
  24. 제1 단부 및 제2 단부를 갖고 축을 따라 연장하는, 다운튜브; 및
    상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에서 상기 다운튜브에 커플링되고 하나의 본체(body)를 포함하는 하나 이상의 구조물로서, 상기 본체가, 실질적으로 오목한 표면, 및 상기 하나 이상의 구조물의 한쪽 면으로부터 상기 하나 이상의 구조물의 또 다른 면으로의 유체 유동을 가능하게 하기 위한 상기 본체 내에 형성된 복수의 개구부들을 갖는, 하나 이상의 구조물
    을 포함하는,
    반응기의 도가니의 내부 용적에 사용하기 위한 컬럼.
  25. 제24항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물이,
    실질적으로 컵 모양 형상을 갖고 제1 치수의 단면 직경을 갖는 제1 몸체부; 및
    실질적으로 컵 모양 형상을 갖고 상기 제1 치수보다 더 큰 제2 치수의 단면 직경을 갖는 제2 몸체부
    를 추가로 포함하며, 여기서, 상기 제1 몸체부가 동심원 방식으로 축을 따라 상기 제2 몸체부에 커플링되며,
    상기 복수의 개구부들이, 상기 제1 몸체부의 외연부에 인접한 위치에서 상기 외연부에 대해 방사상 외향으로, 제2 몸체부에 형성되는, 컬럼.
  26. 제25항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물이 실질적으로 벨 모양 기하구조를 갖는, 컬럼.
  27. 제25항에 있어서, 상기 하나 이상의 구조물이, 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 서로 상이한 위치들에서 상기 다운튜브에 커플링되는 복수의 구조물들을 포함하는, 컬럼.
  28. 반응기 내에서 반응을 제어하는 방법으로서, 상기 방법은
    염욕(salt bath)을 도가니 내에 제공하는 단계;
    산화성 재료 및 탄화수소 재료를, 상기 도가니의 가장 낮은 높이 근처의 위치에서 상기 염욕 내로 도입하는 단계;
    상기 염욕, 산화성 재료 및 탄화수소 재료 중의 하나 이상에 의해 생성된 기체를, 지연 방식(impeded manner)으로 상기 염욕을 통해 상향 유동시키는 단계
    를 포함하는, 반응기 내에서 반응을 제어하는 방법.
  29. 제28항에 있어서, 염욕을 도가니 내에 제공하는 단계가, 탄산나트륨을 함유하는 염욕을 제공하는 것을 포함하는, 방법.
  30. 제29항에 있어서, 산화성 재료 및 탄화수소 재료를 상기 염욕으로 도입하는 단계가, 물 및 잔류 역청을 상기 염욕으로 도입하는 것을 포함하는, 방법.
  31. 제30항에 있어서, 기체를 지연 방식으로 상기 염욕을 통해 상향 유동시키는 단계가, 상기 도가니의 내부 용적 내에 하나 이상의 구조물을 배치하여 이것이 이의 단면을 통해 실질적으로 연장되게 하는 것을 포함하며, 상기 하나 이상의 구조물은, 실질적으로 오목한 표면을 갖고, 상기 하나 이상의 구조물의 한쪽 면으로부터 상기 하나 이상의 구조물의 또 다른 면으로 유체 연통하게 하는, 상기 구조물의 내부에 형성된 복수의 개구부들을 갖는, 방법.
  32. 제31항에 있어서, 상기 도가니의 내부 용적 내에 하나 이상의 구조물을 배치하는 단계가, 상기 도가니의 내부 용적 내에 복수의 구조물들을 상이한 높이들로 배치하는 것을 포함하는, 방법.
  33. 제28항에 있어서, 산화성 재료 및 탄화수소 재료를 상기 도가니의 가장 낮은 높이 근처의 위치에서 상기 염욕 중으로 도입하는 단계가, 상기 산화성 재료 및 상기 탄화수소 재료를 다운튜브를 통해 유동시키는 것을 포함하고, 상기 산화성 재료 및 상기 탄화수소 재료에 의해 생성된 기체를 상기 다운튜브의 측벽 중의 복수의 개구부들을 통해 유동시키는 것을 포함하는, 방법.
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