KR20140079760A

KR20140079760A - 용용 염 롤링 버블 컬럼, 이를 사용한 반응기 및 관련 방법

Info

Publication number: KR20140079760A
Application number: KR1020147004465A
Authority: KR
Inventors: 테리 디. 터너; 브래들리 씨. 베네필; 데니스 엔. 빙엄; 케리 엠. 크링글러; 브루스 엠. 윌딩
Original assignee: 배텔레 에너지 얼라이언스, 엘엘씨
Priority date: 2011-07-21
Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2014-06-27
Also published as: WO2013015865A1; EP2734604A1; AU2012287489A1; EP2734604A4; MX2014000586A; US9187325B2; CN103842479A; JP2014529351A; BR112014001149A2; CA2841245A1; US20130020232A1; IN2014DN00088A; CN103842479B

Abstract

화학 반응을 실시하기 위한 반응기, 및 관련 구성요소, 시스템 및 방법이 제공된다. 하나의 양태에 따라, 노, 및 상기 노에 의한 가열을 위해 배치된 도가니를 포함하는 반응기가 제공된다. 상기 도가니는 용용된 염 욕을 함유할 수 있다. 다운튜브가, 축을 따라 상기 내부 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 상기 다운튜브는, 탄소 공급원과 연통하는 제1 단부 및 탄소 물질을 도가니로 도입하기 위한 배출구를 제2 단부에 갖는 도관을 포함한다. 상기 도관을 통해 도가니 내에 함유된 반응 성분의 순환을 가능하게 하기 위해, 상기 도관 내의 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에 하나 이상의 개구부가 형성된다. 산화성 재료는 기체 버블 형태로 도가니의 바닥 부위를 통해 도입되어 다른 물질과 반응할 수 있다.

Description

용용 염 롤링 버블 컬럼, 이를 사용한 반응기 및 관련 방법 {MOLTEN SALT ROLLING BUBBLE COLUMN, REACTORS UTILIZING SAME, AND RELATED METHODS}

관련 출원에 대한 상호 참조

본 출원은 용용된 염의 롤링 버블 컬럼, 이를 사용한 반응기 및 관련 방법(MOLTEN SALT ROLLING BUBBLE COLUMN, REACTORS UTILIZING SAME AND RELATED METHODS)을 발명의 명칭으로 하여 2011년 7월 21일에 출원된 미국의 본특허출원 제13/188,202호에 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, 상기 내부 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치되며, 상기 다운튜브는 제1 단부에 주입구를 갖고 제2 단부에 배출구를 갖는 도관(conduit)을 포함한다. 상기 다운튜브는 상기 도관 내의 제1 단부와 제2 단부 사이에 형성된 하나 이상의 개구부를 추가로 포함한다. 상기 배출구 및 상기 하나 이상의 개구부는 상기 도가니 내에 포함된 임의의 액체 재료를 위한 재순환 통로(recirculation path)를 제공하도록 구성된다.

하나의 양태에서, 상기 하나 이상의 개구부는 이의 하나의 단부가 테이퍼될(tapered) 수 있다. 또한, 상기 하나 이상의 개구부는 상기 도관 내의 제1 단부와 제2 단부 사이에 복수의 개구부들을 포함할 수 있다. 하나의 특정의 양태에서, 종축에 실질적으로 수직으로 취할 때의 상기 다운튜브의 단면적은, 상기 축에 실질적으로 수직으로 취할 때의 상기 도가니의 단면적의 대략 절반이다. 상기 다운튜브를 도가니 내의 목적하는 위치에서 유지시키기 위해, 복수의 가이드 부재들이 상기 도관에 커플링될(coupled) 수 있다. 또한, 임의의 유체가 배출구를 통해 목적하는 방향 또는 패턴으로 유동하게 하기 위해, 유동 전환 구조물(flow diversion structure)이 상기 도관에 결합될 수 있다.

하나의 특정의 양태에서, 산화성 재료의 도입을 위해 상기 도가니의 하부 단부에 주입구가 제공된다. 산화성 재료가 상기 도가니에 함유된 액체 중으로 도입되는 경우, 복수의 기체 버블들이 상기 액체 내에서 형성되도록 다공성 디스크 또는 스크린이 상기 도가니의 바닥에 배치될 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 한정하고, 내부에 배치된 촉매 재료를 갖는다. 다운튜브는, 축을 따라 내부 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치된다. 상기 다운튜브는, 제1 단부, 제2 단부, 및 상기 제1 단부와 제2 단부 사이에 하나 이상의 개구부를 갖는 도관을 포함한다. 상기 도관의 상기 제1 단부는 탄화수소 재료의 공급기와 유체 연통(fluid communication)하며, 상기 제2 단부는 상기 도가니의 내부 용적 내에 배출구를 제공한다. 상기 배출구 및 상기 하나 이상의 개구부는, 상기 도가니 내의 촉매 재료를 위한 재순환 통로를 형성한다. 산화성 재료의 공급기는 상기 도가니의 하부 부위에 형성된 주입구에 커플링될 수 있다. 다공성 구조물이 상기 도가니의 하부 부위에 위치하여, 산화성 재료가 먼저 다공성 구조물을 통과하고, 이어서 이는 복수의 기체 버블들로서, 상기 도가니 내에 함유된 촉매 재료 중으로 유동한다.

하나의 특정의 양태에서, 상기 시스템의 촉매 재료는 예를 들어 탄산나트륨과 같은 염을 포함한다. 탄화수소 재료의 공급기는 잔류 역청을 포함할 수 있으며, 산화성 재료의 공급기는 물을 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 따라, 반응기의 도가니의 내부 용적에 사용되기 위한 다운튜브가 제공된다. 상기 다운튜브는 제1 단부 및 제2 단부를 갖는 도관을 포함한다. 유동 전환 구조물이 상기 도관의 제2 단부에 인접하여 배치되고 상기 도관에 연결되어 있다. 상기 도관의 제1 단부와 제2 단부 사이에 하나 이상의 개구부가 형성된다. 복수의 가이드 부재들이 도관에 커플링되어, 상기 도관으로부터 방사상 외향으로 연장될 수 있다. 스플래시 가드(splash guard)가 상기 도관에 커플링되어, 도관의 제1 단부와 하나 이상의 개구부 사이에 배치될 수 있다. 하나의 특정의 양태에서, 상기 유동 전환기(flow diverter)는 실질적으로 구형 기하구조를 나타낼 수 있다.

본 발명의 추가의 양태에 따라, 반응기 내에서 반응을 제어하기 위한 방법이 제공된다. 상기 방법은, 도가니 내에 염욕(salt bath)을 제공하는 단계, 탄화수소 재료를, 상기 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치된 도관을 통해 상기 염욕 내로 도입하는 단계, 산화성 재료를 상기 도가니의 바닥 부위에서의 상기 염욕 내로 도입하는 단계, 및 상기 염욕을 위한 상기 도관을 통해 재순환 통로를 제공하는 단계를 포함한다.

상기 방법은, 상기 도관에 하나 이상의 개구부들을 제공하는 단계 및 상기 개구부를 통해 그리고 다시 도관을 통해 상기 염욕을 유동시키는 단계를 포함한다. 상기 산화성 재료는 복수의 버블들로서 상기 도가니의 바닥 근처의 위치에서 상기 염욕 내로 도입되어, 상기 염욕을 상승시키고 상기 도관의 개구부로 유동할 수 있다.

하나의 양태에서, 염욕을 제공하는 단계는 탄산나트륨을 제공하는 단계를 포함하며, 상기 산화성 재료는 물로서 제공될 수 있고, 상기 탄화수소 재료는 잔류 역청으로서 제공될 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 반응기를 포함하는 시스템을 보여주는 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 따른 도 2 및 도 3에 도시된 반응기에 사용될 수 있는 구성요소의 투시도이다.
도 5는 본 발명의 양태에 따른 도 2 및 도 3에 도시된 반응기에 사용될 수 있는 구성요소의 투시도이다.
도 6은 본 발명의 양태에 따른 반응기 내에서의 재료의 유동을 보여주는 개략도이다.
도 7은 본 발명의 양태에 따른 반응기 구성요소의 투시도이다.
도 8은 본 발명의 양태에 따른 반응기 구성요소의 투시도이다.
도 9는 본 발명의 양태에 따른 각종 반응기 구성요소의 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 물질의 용융된 욕을 포함할 수 있으며, 여기에, 산화성 재료 및 탄화수소 재료가 도입되어 이들과 반응할 것이다. 하나의 양태에서, 상기 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. 하나의 양태에서, 탄산나트륨의 용융된 염욕으로 도입되는 반응 성분으로서 물 및 레시드 재료를 사용함으로써, 수산화나트륨이, 탄산나트륨 및 증기의 상호작용으로부터 생성될 것이다. 이어서, 수산화나트륨, 탄소 및 물이 반응하여 탄산나트륨 및 수소를 생성할 것이다. 수소는, 다른 반응 생성물들과 함께 추가의 처리를 위해 기체로서 염욕에 남아 있는 반면, 탄산나트륨은 후속의 반응을 위해 염욕에 잔류할 것이다.

도가니(110) 내의 반응으로부터 수득된 생성물을 분리 및 처리하기 위해, 그리고 예를 들어 수소, 메탄 및 다른 기체들과 같은 목적하는 유용한 생성물들을 제조하기 위해 각종 분리 및 처리 시스템(108)들이 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 여러 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.

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 3 피트일 수 있으며, 3인치 또는 5인치 스케줄(schedule) 10 파이프로 형성될 수 있다. 배기가스 스풀(spool)(124)이 도가니(110)의 상부 플랜지(122)에 커플링된다. 상기 스풀(124)은 도가니(110) 내에서 발생하는 반응에 의해 생성된 기체를 배기시키기 위해 하나 이상의 기체 배출구(126)들과 함께 구성될 수 있다. 또한, 상기 스풀(124)은 아래에서 추가로 상세하게 설명되는 바와 같은 내부 구성요소들(예를 들면, 다운튜브 구조물)을 지지하도록 구성될 수 있다. 하나 이상의 주입구(130)들이 탄화수소 재료(예를 들면, 레시드)와 같은 공정 재료들을 수용하기 위해 상기 스풀과 결합될 수 있다. 몇몇 양태에서, 스풀(124), 주입구(130)들 및 배출구(126)들은 절연 물질로 피복될 수 있거나, 심지어, 임의의 유체를 목적하는 온도에서 계속 유동시키는 것을 지원하기 위해 가열 소자(예를 들면, 열전도성 매질 이송용 배관, 전기 가열 테이프 또는 기타 가열 장치)로 포장될 수 있다. 다른 공정 재료들(예를 들면, 증기 형태의 물과 같은 산화성 재료)을 도가니(110)로 도입하기 위해, 말단 캡(120)에서와 같이 도가니(110)의 바닥에 또 다른 주입구(132)가 배치될 수 있다. 스풀(124)과 같이, 도가니(110)의 바닥에서 주입구(132)와 결합된 배관 및 다른 구성요소가, 상기 시스템의 열 성능의 향상을 위해 절연 또는 가열될 수 있다.

도 4를 참조하면, 도가니에 위치한 각종 내부 구성요소들이 도시되고 기술되어 있다. 도 4는 일반적으로 본 명세서에서 다운튜브(140)로서 지칭되는 관 구조물의 투시도이다. 다운튜브(140)는 도가니(110)에 함유된 염욕으로 레시드 재료를 도입하는데 사용된다. 또한, 아래에 명시된 바와 같이, 다운튜브(140)는, 도가니(110) 내에 재순환 통로를 제공함으로써 도가니(110) 내에서의 반응을 증진시키기 위해, 염욕 내의 공정 재료들(예를 들어, 물 및 레시드)의 체류 시간을 제어하는데 도움을 주도록 구성된다.

상기 다운튜브(140)는, 공정 재료가 공급기(예를 들면, 탄화수소 재료의 공급원(104))로부터 도가니(110)로, 그리고 이어서 용융된 염욕으로 이송되는 도관(142)을 포함한다. 도관(142)은 부식 환경, 고온 및 고압을 견딜 수 있는 재료로 형성된 파이프 또는 관일 수 있다. 예를 들어, 도관(142), 및 다운튜브(140)의 다른 구성요소들은 스테인리스 스틸 재료로 형성될 수 있다. 다운튜브(140)의 제1 단부(144)는 스풀(124)과 구조적으로 커플링되고, 스풀(124)의 하나 이상의 주입구(130)들과 유체 연결되어 배치될 수 있다. 다운튜브(140)의 제2 단부(146)는 배플 또는 유동 전환기(148), 및 유동 전환기(148) 근처에 형성된 복수의 개구부(150)들을 포함할 수 있다. 상기 개구부들은, 다운튜브(140)를 통해 순환할 수 있는 임의의 고체의 잠재적인 포획(capturing) 또는 포집(trapping)을 최소로 하면서도 다운튜브(140)를 통해 도가니(110)로 유동하는 재료들의 자유 유동을 제공하도록, 크기가 정해지고 형상화되고 구성될 수 있다. 도 4에 도시된 양태에서 보는 바와 같이, 유동 전환기(148)는 실질적으로 구형 부재로서 형성될 수 있다. 그러나, 유동 전환기(148)는 예를 들어 원뿔형, 볼록형 또는 평면형을 포함하는 기타 기하구조를 나타내도록 구성될 수 있다. 유동 전환기(148)는, 이의 하향 통로로부터의 공정 재료들의 유동을 도관(142)을 통해 우회시키도록, 도가니(110)의 바닥 근처에서 더 큰 방사상 방향으로 도관(142)으로부터의 공정 재료를 분산시키는 것을 돕도록 구성된다.

다운튜브(140)는 도관(142)에 커플링된 스플래시 가드(152)를 또한 포함한다. 스플래시 가드(152)는, 반응기(106)의 작동 동안에 도가니(110) 내의 각종 구성성분들(예를 들면, 증기 및 레시드 성분을 함유하는 염욕)의 예상 수준을 기준으로 하여 도관(142)에 배치된다. 스플래시 가드(152)는, 액체가 염욕으로부터 염욕보다 더 차가운 도가니(110)의 상부 표면에 튀는 것(splashing)을 방지하는 것을 돕는다. 염욕이 저하된 온도를 갖는 상기 표면 위로 튀는 경우, 상기 튄 액체는 도가니의 상부의 내부 표면에서 고화될 수 있으며, 최소한, 용융된 염의 수준을 저하시킬 수 있고, 기체 유동을 가능하게는 지연시키거나 또는 완전히 방지할 수 있다. 기체를 도가니(110)를 통해 스풀(124)의 배출구(126)들로 상승시킬 수 있게 하기 위해, 하나 이상의 개구부(154)들이 스플래시 가드(152) 내에 형성될 수 있다. 더욱이, 기체 통로를 또한 마련하기 위해 스플래시 가드 그 자체와 도가니 벽 사이에 작은 공간(예를 들면, 환형을 형성)을 제공하도록, 스플래시 가드(152)의 크기가 정해질 수 있다.

하나 이상의 위어(weir)(156)들 또는 재순환 주입구들이 도관(142)에 형성될 수 있다. 하나의 양태에서, 위어(156)들은 스플래시 가드(152) 근처에 그리고 도관(142)의 제2 단부(146)와 스플래시 가드(152) 사이에 위치할 수 있다. 아래에서 추가로 상세하게 논의되는 바와 같이, 위어(156)들은 도가니 내의 용융된 염에 대해 재순환 통로를 제공한다. 하나의 양태에서, 위어(156)들은 일반적으로 테이퍼된 하부 섹션을 포함할 수 있다. 이러한 구성 때문에, (예를 들면, 레시드 재료의 첨가 및 염욕 내의 기체 버블의 형성으로 인해) 용융된 염의 수준이 상승함에 따라, 위어들의 기하구조가 넓어져서, 재순환된 용융된 염의 도관(142)으로의 유동이 증가된다.

복수의 핀(fin)들 또는 가이드 부재(158)들이 도관(142)에 커플링되고 이로부터 방사상 외향으로 연장된다. 가이드 부재(158)들은 다운튜브(140)가 도가니(110) 내에 배치되는 것을 돕고, 이것이 도가니(110)의 종축(160)을 따라 또는 상기 종축과의 공동 축에서 실질적으로 중심을 갖는 것을 돕는다. 도 4에 도시된 바와 같이, 가이드 부재(158)들은, 개구부(150)들에 인접하는 것과 같이 도관(142)의 제2 단부(146) 근처에 및/또는 유동 전환기(148)의 근처에 위치할 수 있다. 그러나, 가이드 부재(158)들은 도관(142)의 다른 종방향 위치에 위치할 수 있다. 가이드 부재(158)들은, 예를 들어, 도관(142)에 용접되거나, 그렇지 않으면 도가니(110) 내에서 부딪히는 온도, 압력 및 화학적 조건을 견딜 수 있는, 당업자들에게 공지된 수단 및 공정을 사용하여 부착될 수 있다. 도 4에 도시된 바와 같이, 도관(142)에 대해 실질적으로 동일한 각도로 위치된 3개의 가이드 부재(158)들이 존재할 수 있다(예를 들면, 약 120° 간격). 그러나, 가이드 부재(158)들의 상이한 개수, 간격 또는 위치를 포함하는, 가이드 부재(158)들의 다른 배열들이 사용될 수 있다.

하나의 양태에서, 도가니(110)의 종축(160)에 수직으로 취할 때의 도관(142)의 단면적(도 4 참조)은 동일 방향에서 취할 때의 도가니(110)의 단면적의 대략 절반이다. 이러한 양태에서, 도가니(110)의 내부 표면과 도관(142) 사이에 한정된 환형 위로 유동하는 액체의 질량 유량은, 액체가 도관 아래를 유동하는 유량과 거의 동일할 수 있다. 액체가 이탈하여 다운튜브(140)를 통해 다시 순환하는 동안에, 상기 환형 내의 겉보기 용적은, 반응기(106)를 빠져나가기 위해 염욕에 남는, 염욕 내의 기체 버블들 때문에 더 커지는 것에 유념해야 한다. 물론, 예를 들어 도가니(110) 내의 재료들의 타입, 상기 재료들의 혼합 비 및 상기 재료들의 점도, 그리고 다운튜브(140)의 도관(142)을 통한 목적하는 재순환 비율에 따라, 기타 비율들의 단면적을 사용할 수 있다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 또 다른 양태에 따른 또 다른 다운튜브(140')가 도시되어 있다. 다운튜브(140')는 도 4에 도시된 다운튜브(140)와 실질적으로 유사해서, 제1 단부(144), 제2 단부(146), 스플래시 가드(152) 및 위어(154)들을 갖는 도관(142)을 포함한다. 그러나, 유동 전환기(148)는 도관(142)과 직접 접촉하지 않는다. 오히려, 유동 전환기(148)는 도관(142)의 제2 단부(144)로부터 떨어져 있으며, 가이드 부재(158)들이 도관(142) 및 유동 전환기(148) 둘 다에 커플링된다. 도관(142)을 통해 유동하는 재료의 배출구로서, 도관(142)의 제2 단부(146)와 유동 전환기(148)(이는, 가이드 부재(158)들에 의해 부분적으로 한정된다) 사이에 개구부(150)들이 형성된다.

이제, 도 6을 참조하면, 도가니(110)의 내부 공간 내에 위치한 다운튜브(140)(또는 140')가 개략적으로 도시된다. 화살표(164)로 나타낸 바와 같이, 반응 성분(예를 들면, 레시드)이, 예를 들면 가압하의 주입에 의해, 다운튜브의 도관(142)을 통해 도입된다. 다른 양태에서, 상기 재료는, 예를 들면 이를 하강시킴으로써, 비가압하에 도관(142)을 통해 도입될 수 있다. 처음에는, 도 6에 파선으로 나타낸 바와 같이 염욕의 액체 수준이 위어(156)들의 높이 아래에 있을 것이다.

또 다른 반응물 성분(예를 들면, 물)이 도가니(110)의 바닥 또는 그 근처에서 도입될 수 있다. 예를 들어, 증기는, 화살표(166)로 표시된 바와 같이 도가니(110)의 바닥에서 주입구(132)를 통해 도입될 수 있다. 주입구(132) 위의 도가니(110)의 바닥 내부에 다공성 디스크(170)가 위치할 수 있다. 디스크(170)를 통과한 증기는 작은 버블(172)들의 기둥으로서 도가니 내의 염욕에 주입될 것이다. 예를 들어, 하나의 양태에서, 버블들은 약 1/16인치 직경을 갖도록 형성될 수 있다. 염욕에 버블(172)들이 도입됨으로써 액체 수준이 상승하게 된다. 기체 버블(172)들과 비말동반된 액체 기둥의 상승은, 기체가 액체로부터 이탈함에 따라 버블들이 위어(156)들을 만나서 위어(156)들을 통해 도관(142)으로 유동할 때까지, 상승한다. 기체는 액체를 이탈하여, 스플래시 가드(152)의 개방부(154)들을 통해, 그리고 도가니(110)의 내부 표면과 스플래시 가드(152) 사이에 형성된 환형을 통해 유동한다. 마지막으로, 추가의 처리를 위해 기체가 스풀의 배출구(126)들을 통해 빠져나가게 된다(도 2 및 도 3 참조).

다운튜브(140)의 도관(142)에 형성된 위어(156)들과 함께, 기체 버블(172)들의 염욕으로의 도입은, 상기 염욕을 새로운 버블 세트에 계속 도입하는 염욕의 순환을 형성한다. 증기(또는 다른 반응 성분 기체)의 작은 버블(172)들의 도입은 염욕의 액체(레시드 또는 다른 반응 성분들 포함)와 함께 산화성 재료의 노출 또는 접촉 면적을 증가시킬 것이며, 화학 반응(예를 들면, 탄산나트륨의 수산화나트륨으로의 전환)의 효율을 개선시킬 것이다.

전술한 바와 같이, 유동 전환기(148)는, 도관(142)을 통해 유동하는 재료들이 도가니 중으로 더욱 큰 방사상 방향으로 분산되는 것을 돕는다. 추가로, 유동 전환기(148)는 또한, 다공성 디스크(170)를 통해 유동하는 증기 또는 기타 반응 성분들이 외향으로 유동하여 다른 반응 성분들(예를 들면, 레시드)과 혼합되게 한다. 유동 전환기(148)가 없는 경우, 도가니(110) 바닥의 주입구(132)에 의해 도입된 반응 성분들이, 도관(142)의 바닥으로부터 유동하는 반응 성분들로 직접 유동해서, 상기 성분들의 혼합물(및, 이에 따른 이들의 반응)은 덜 바람직하게 될 것이다. 또한, 유동 전환기(148)가 없는 경우, 기체 버블들이 도관(142)을 통해 상향 유동해서, 가능하게는, 도관(142)을 통한 액체의 재순환을 방해할 것이다.

염욕의 회전 또는 재순환 작용은 레시드(또는 다른 반응 성분들)를 촉매 재료 위로 자연스럽게 포개질 수 있게 하고, 이를 용융된 염으로 깊게 잡아당길 것이다. 염욕으로 도입된 반응 성분들로서, 레시드 및 물과 함께 탄산나트륨을 포함하는 염욕의 예를 고려하면, 액체의 연속적인 움직임으로 탄산나트륨 및 수산화나트륨 염(화학 반응에 의해 제조됨)이 계속 철저하게 혼합되어, 분리를 위한 기회가 상당히 감소될 것이다.

도가니의 전체 바닥은 버블들(즉, 다공성 디스크로부터의 버블(172)들)의 방출과 함께 작용하기 때문에, 이로 인해, 도가니의 바닥에 탄소 고체가 수집되는 것을 방지할 수 있고, 상기 고체는 이것이 완전히 용해될 때까지 염욕과 함께 계속 순환됨에 유념해야 한다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, 본 발명의 하나의 양태에 따라 다공성 디스크(170)가 도시된다. 다공성 디스크(170)는, 예를 들어, 상술된 바와 같이 증기 또는 다른 반응 성분들을 이를 통해 유동시키고 복수의 버블들을 형성할 수 있도록 구성된 스테인리스 스틸 메쉬 또는 기타 재료를 포함할 수 있다. 하나의 특정 양태에서, 다공성 디스크(170)는 직경이 약 4인치이고 두께가 약 1/8인치이고 기공 크기가 약 0.5마이크로인치일 수 있다. 물론, 다공성 디스크(170)는 상이한 기공 크기들을 포함하는 다른 구성들을 나타낼 수 있다.

다공성 디스크(170)는, 실질적으로 중공 몸체로서, 상기 중공 몸체의 내부와 연통하는 주입구(176)를 갖도록 형성될 수 있다. 도 9에 도시된 바와 같이, 주입구(176)는 도가니(110)의 바닥 부위(예를 들면, 말단 캡(120))를 통해 연장되어, 도 2와 관련하여 위에서 논의한 바와 같이 도가니에 대한 주입구(132)로서 작동한다. 또 다른 양태에서, 주입구(176)는, 도가니(110)의 주입구(132)와 연통하고 이와 밀봉 커플링될 수 있다.

하나의 양태에서, 다공성 디스크(170)는, 상기 디스크(170)의 상부 벽(178)이 다공성이도록 또는 유체 재료의 통과를 허용하도록 구성될 수 있다. 또 다른 양태에서, 다공성 디스크(170)의 다른 부위들, 예를 들어 측벽(180), 바닥 벽(182) 또는 이들 둘 다가, 다공성 구조물인 상부 벽(178)에 더하여 또는 이를 대신하여, 다공성 구조물로서 형성될 수 있다. 상기 디스크는, 도가니(110)의 종축(160)에 실질적으로 수직인 방향으로 취할 때, 도가니(110)의 단면적에 걸쳐 실질적으로 펼쳐지도록 형성될 수 있다. 또 다른 양태에서, 디스크(170)의 측벽(180) 및/또는 바닥 벽이 다공성 물질로부터 형성되는 경우와 같이, 디스크(170)가 도가니(110)의 벽과 측벽(180) 사이에서 환형 또는 기타 공간을 한정하도록 형성될 수 있다.

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

노(furnace);
상기 노에 의한 가열을 위해 배치되며 내부 용적을 한정하는 도가니(crucible); 및
상기 내부 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치되며 도관(conduit)을 포함하는 다운튜브(downtube)로서, 상기 도관은 제1 단부에서의 주입구, 제2 단부에서의 배출구, 및 상기 도관 내의 제1 단부와 제2 단부 사이에 형성된 하나 이상의 개구부를 갖고, 상기 배출구 및 하나 이상의 개구부가 상기 도가니 내에 포함된 임의의 액체 재료를 위한 재순환 통로(recirculation path)를 제공하도록 구성되는, 다운튜브
를 포함하는, 반응기.
제1항에 있어서, 상기 하나 이상의 개구부가 이의 하나의 단부에서 테이퍼되는(tapered), 반응기.
제2항에 있어서, 상기 하나 이상의 개구부가, 상기 도관 내의 상기 제1 단부와 제2 단부 사이에 복수의 개구부들을 포함하는, 반응기.
제1항에 있어서, 상기 다운튜브가 실질적으로 상기 도가니의 종축을 따라 연장되는, 반응기.
제4항에 있어서, 상기 종축에 실질적으로 수직으로 취할 때의 상기 다운튜브의 단면적이, 상기 종축에 실질적으로 수직으로 취할 때의 상기 도가니의 단면적의 대략 절반인, 반응기.
제5항에 있어서, 상기 다운튜브가, 상기 도관에 커플링된(coupled) 복수의 가이드 부재들을 추가로 포함하며, 상기 복수의 가이드 부재들은, 실질적으로 종축을 따라 상기 도관이 유지되도록 크기가 정해지고 배치되는, 반응기.
제6항에 있어서, 상기 도가니에 커플링되는 스풀 구조물(spool structure)을 추가로 포함하고, 상기 스풀 구조물은 하나 이상의 배출구 및 하나 이상의 주입구를 갖는, 반응기.
제7항에 있어서, 상기 도관의 주입구가 상기 스풀 구조물의 상기 하나 이상의 주입구와 유체 연통(fluid communication)하는, 반응기.
제6항에 있어서, 상기 도관의 제2 단부에 인접하게 위치한 유동 전환 구조물(flow diversion structure)을 추가로 포함하는, 반응기.
제9항에 있어서, 상기 유동 전환 구조물이 실질적으로 구형 기하구조를 나타내는, 반응기.
제10항에 있어서, 상기 유동 전환 구조물이 상기 도관의 제2 단부로부터 떨어져 있고, 상기 복수의 가이드 부재들 각각이 상기 도관과 상기 유동 전환 구조물 사이에 커플링되어 있는, 반응기.
제9항에 있어서, 상기 도가니가 상기 도관의 제2 단부 아래에 배치된 반응물용 주입구를 추가로 포함하는, 반응기.
제12항에 있어서, 상기 도관의 제2 단부와 상기 반응물용 주입구 사이에 배치된 다공성 디스크 구조물을 추가로 포함하는, 반응기.
제13항에 있어서, 상기 도관의 제1 단부와 상기 하나 이상의 개구부 사이에 배치되고 상기 도관에 커플링된 스플래시 가드(splash guard)를 추가로 포함하는, 반응기.
제14항에 있어서, 상기 도가니 및 상기 다운튜브가 스테인리스 스틸 재료로부터 형성되는, 반응기.
제1항에 있어서, 상기 노가 선택적으로 제어 가능한 복수의 가열 대역(zone)들을 포함하는, 반응기.
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 배치되며 도관을 포함하는 다운튜브로서, 상기 도관은, 탄화수소 재료의 상기 공급기와 유체 연통하는 제1 단부, 배출구를 상기 도가니의 상기 내부 용적 내에 제공하는 제2 단부, 및 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 하나 이상의 개구부를 가지며, 상기 제2 단부와 상기 하나 이상의 개구부가 상기 도가니 내의 상기 촉매 재료에 대한 재순환 통로를 한정하는, 다운튜브
을 포함하는 반응기
를 포함하는, 기체 처리 시스템.
제17항에 있어서, 상기 촉매 재료가 염을 포함하는, 시스템.
제17항에 있어서, 상기 촉매 재료가 탄산나트륨을 포함하는, 시스템.
제19항에 있어서, 탄수화물 재료의 상기 공급기가 잔류 역청을 포함하는, 시스템.
제20항에 있어서, 상기 도가니가, 상기 도관의 배출구 아래에 위치하며 산화성 재료의 공급원과 유체 연통하는 주입구를 추가로 포함하는, 시스템.
제21항에 있어서, 상기 산화성 재료가 물을 포함하는, 시스템.
제22항에 있어서, 상기 주입구와 상기 도관 사이에 위치한 다공성 디스크 구조물을 추가로 포함하는, 시스템.
제23항에 있어서, 상기 다공성 디스크 구조물과 상기 도관 사이에서 상기 도관의 제2 단부와 인접하게 배치된 유동 전환 구조물을 추가로 포함하는, 시스템.
반응기의 도가니의 내부 용적에 사용하기 위한 다운튜브로서, 상기 다운튜브는
제1 단부 및 제2 단부를 갖고 축을 따라 연장하는 도관;
상기 도관의 상기 제2 단부에 인접하고 상기 도관에 커플링된 유동 전환 구조물;
상기 도관의 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이에 형성된 하나 이상의 개구부; 및
상기 도관에 커플링되어 상기 도관으로부터 방사상 외향으로 연장되는 복수의 가이드 부재들을 포함하는,
반응기의 도가니의 내부 용적에 사용하기 위한 다운튜브.
제25항에 있어서, 상기 하나 이상의 개구부가 테이퍼된 형태를 나타내는 부위를 하나 이상 포함하는, 다운튜브.
제25항에 있어서, 상기 유동 전환 구조물이 실질적으로 구형 기하구조를 나타내는, 다운튜브.
제27항에 있어서, 상기 도관에 커플링되고, 상기 하나 이상의 개구부와 상기 도관의 제1 단부 사이에 배치된 스플래시 가드를 추가로 포함하는, 다운튜브.
반응기 내에서 반응을 제어하는 방법으로서, 상기 방법은
염욕(salt bath)을 도가니 내에 제공하는 단계;
탄화수소 재료를, 상기 도가니 내에 적어도 부분적으로 배치된 도관을 통해 상기 염욕 내로 도입하는 단계;
산화성 재료를 상기 도가니의 바닥 부위에서 상기 염욕 내로 도입하는 단계; 및
상기 염욕을 위한 상기 도관을 통해 재순환 통로를 제공하는 단계
를 포함하는, 반응기 내에서 반응을 제어하는 방법.
제29항에 있어서, 제1 단부 및 제2 단부를 갖도록 상기 도관을 한정하는 단계를 추가로 포함하며, 재순환 통로를 제공하는 단계가, 상기 도관의 상기 제1 단부와 상기 제2 단부 사이의 하나 이상의 개구부를 제공하는 것을 포함하는, 방법.
제30항에 있어서, 상기 염욕의 일부를 하나 이상의 개구부를 통해 상기 도관 내에서 유동하게 한 후 다시 상기 도관 속으로 유동하게 하는 것을 추가로 포함하는, 방법.
제31항에 있어서, 상기 염욕의 일부를 상기 하나 이상의 개구부를 통해 유동하게 하는 단계가, 상기 염욕의 액체 수준을 상기 하나 이상의 개구부의 높이로 상승시키는 것을 포함하는, 방법.
제32항에 있어서, 상기 염욕의 액체 수준을 상승시키는 것이, 상기 산화성 재료를 복수의 기체 버블(bubble)들로서 상기 염욕 내로 도입하는 것을 포함하는, 방법.
제33항에 있어서, 염욕을 도가니 내에 제공하는 단계가, 탄산나트륨 함유 염욕을 제공하는 것을 포함하는, 방법.
제34항에 있어서, 산화성 재료를 상기 염욕 내로 도입하는 단계가, 증기를 상기 염욕 내로 도입하는 것을 포함하며, 탄화수소 재료를 상기 염욕 내로 도입하는 단계가, 잔류 역청을 가압하에 상기 염욕 내로 주입하는 것을 포함하는, 방법.