KR20190014520A - 팽창 가능 중심 배열체 - Google Patents

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윌리엄 알란 화이텐버거
조셉 더블유 화이텐버거
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존슨 맛쎄이 퍼블릭 리미티드 컴파니
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Abstract

반응기를 위한 팽창 가능 중심 배열체가 개시된다. 그러한 배열체는 팽창 관, 팽창관 내측의 중심 지지부 및 3개 이상의 스프링 요소를 포함한다. 스프링 요소는 중심 지지부에 체결되고 팽창 관의 외측으로 원호화된다. 반응기가 또한 개시된다.

Description

팽창 가능 중심 배열체
본 발명은 반응기를 위한 팽창 가능 중심 배열체, 반응기 및 팽창 가능 중심 배열체를 반응기 내에 설치하는 방법에 관한 것이다. 특히, 그러나 비배타적으로, 본 발명은 적층 가능한 구조화된 반응기를 위한 팽창 가능 중심 배열체, 적층 가능한 구조화된 반응기 및 그러한 배열체를 그러한 반응기 내에 설치하는 방법에 관한 것이다.
합성 가스 또는 수소를 생산하기 위해서 이용되는 것과 같은, 촉매 반응을 실행하기 위한 반응기 구성요소는 일반적으로 반응을 지원하기 위한 열원, 예를 들어 퍼니스(furnace)에 노출되는 반응기 관과 접촉될 수 있다. 대조적으로, 다른 유형의 반응, 예컨대 발열 반응이 냉각원, 예컨대 냉각 자켓을 필요로 할 수 있다. 반응기 관에는, 팬, 핀(fin), 코일, 발포체, 또는 단일체(monolith) 형태의 호일-지지된 또는 구조화된 촉매와 같은, 촉매-코팅된 구성요소의 다양한 배열체가 적재될 수 있다. 일부 경우에, 반응기 촉매-코팅된 구성요소는, 예를 들어, 호일로 형성된 것과 같이, 팽창 가능한 팬일 수 있다.
반응기를 통한 열 전달 및 유체 유동을 개선하기 위해서, 호일-지지된 촉매의 피트(fit)가 향상될 수 있다. 반응기 관에서, 열원 또는 냉각원에 노출된 반응기 벽과 접촉되거나 그에 대한 근접도가 제어되는 것과 같이, 열 전달을 높이기 위해서, 팽창 가능한 촉매-코팅된 반응기 구성요소가 배치될 수 있다. 따라서, 열 전달 및 반응 효율 증가를 촉진하기 위한 부속물을 반응기에 피팅하는 것이 바람직할 수 있다.
WO2013151889는, 열 전달 및 반응기 효율을 높이기 위해서, 개질기(reformer)와 같은, 관형 반응기에서 이용하기 위한 팽창 가능 중심 배열체를 설명한다. 그러한 팽창 가능 중심 배열체는 반경방향으로 팽창될 수 있는 원뿔체 및 원뿔체의 팽창을 촉진하기 위한 팽창 중량체를 포함할 수 있다. 원뿔체 및 팽창 중량체는 중심 지지부 상에 활주 가능하게 배열될 수 있다. 반경방향을 따른 원뿔체의 팽창은 반응기 촉매-코팅된 구성요소를 외부 관까지 반경방향 외측으로 가압하고, 그러한 외부 관은 반응기 촉매-코팅된 구성요소 및 팽창 가능 중심 배열체를 수용한다. 외부 관을 향한 반응기 촉매-코팅된 구성요소의 팽창은 촉매 반응을 실행하기 위한 열 전달을 촉진한다.
WO2013151889의 배열체는 양호한 성능을 제공하나, 비교적 고가의 활주 부싱 및 팽창 원뿔체를 포함한다. 원뿔체는 고가일 수 있거나 신뢰성 문제를 가질 수 있다. 원뿔체 및 부싱을 제 위치에서 유지하기 위해서 이용되는 밀기-너트는 설치가 어려울 수 있고 중심 지지부 상에서 특별한 표면을 요구할 수 있다. 시스템을 설치하기 위해서, 3가지 기능: 파지, 강한 송풍(blast) 및 밀기 기능을 가지는 도구가 요구된다. 그에 따라, 특히 시스템 비용을 더 낮추고 시스템의 설치 용이성을 더 개선하기 위해서, WO2013151889의 시스템을 개선할 여지가 있다.
본 발명의 바람직한 실시예는 전술한 종래 기술의 단점의 하나 이상을 극복하고자 한다. 특히, 본 발명의 바람직한 실시예는 반응기를 위한 개선된 팽창 가능 중심 배열체 및 개선된 반응기를 제공하고자 한다.
본 발명의 제1 양태에 따라서, 반응기를 위한 팽창 가능 중심 배열체가 제공되고, 그러한 배열체는, 팽창 관, 팽창관 내측의 중심 지지부 및 3개 이상의 스프링 요소를 포함하고, 스프링 요소는 중심 지지부에 체결되고 팽창 관 외측으로 원호화된다(arcing).
그러한 배열체는, 많은 수의 분리된 이동 부품들을 필요로 하지 않으면서, 반응기의 구조화된 촉매-코팅된 구성요소에 팽창력을 제공하는 팽창 가능한 중심을 제공할 수 있다. 그에 따라, 그러한 배열체는 유리하게 제조, 조립 및 설치가 용이하고, 비용 절감 가능성을 제공할 수 있다. 스프링 요소는 바람직하게 탄성적이고, 그에 따라 팽창 관을 중심 지지부로부터 멀어지는 쪽으로 외향 편향시킨다.
팽창 관은, 서로의 주위를 둘러싸고 서로 중첩되는 스프링 요소들의 후행 단부들로 형성될 수 있다. 따라서, 스프링 요소는 바람직하게 서로의 주위로 나선화되고 서로 중첩된다. 예를 들어, 스프링 요소는 바람직하게 중심 지지부에 체결된 헤드 단부 및 팽창 관을 형성하기 위해서 중첩되는 후행 단부를 갖는다. 바람직하게, 후행 단부의 각각은 팽창 관의 적어도 하나의 완전한 원주 주위로 연장된다. 스프링 요소의 후행 단부로부터 팽창 관을 형성함으로써, 중심 배열체는, 다수-구성요소 시스템보다 취급 및 설치가 더 용이할 수 있는, 단일 구조를 포함할 수 있다.
팽창 관이 스프링 요소와 분리될 수 있고, 스프링 요소는 팽창 관에 대해서 외향 압박할 수 있다. 예를 들어, 스프링 요소는 중심 지지부로부터 팽창 관의 내측에 대해서 외측으로 압박할 수 있다. 그러한 시스템은, 예를 들어, 스프링 요소 및 팽창 관에서 상이한 재료 성질들이 바람직할 때, 유리할 수 있다.
바람직하게, 스프링 요소는 중심 지지부 및 팽창 관의 축방향으로 정렬된 시트-유사 요소이다. 예를 들어, 중심 지지부 및 팽창 관은 바람직하게, 중심 지지부(예를 들어, 관 또는 막대)가 팽창 관 내측에 동심적으로 정렬된 실질적으로 직선형이다. 스프링 요소는 바람직하게 금속과 같은 탄성 재료의 시트를 포함하고, 시트의 제1 대향 연부들이 중심 지지부 및 팽창 관의 길이방향 축과 정렬되도록 그리고 시트의 제2 대향 연부들이 팽창 관의 중심 지지부로부터 외측으로 원호화되도록, 바람직하게 하나의 연부를 따라 중심 지지부에 체결된다. 그러한 배열체는 팽창 관의 큰 지역에 걸쳐 팽창력을 제공할 수 있다.
바람직하게, 팽창 관은 압축을 저지한다. 그러한 저항은 층들 사이의 마찰력의 결과로서 존재할 수 있다. 바람직하게, 팽창 관은, 팽창 관의 원주를 형성하기 위해서 다수 횟수로 감겨진 적어도 하나의 시트를 포함한다. 이는 중첩 지역을 생성할 수 있고, 중첩 지역은 관의 압축에 대한 큰 정도의 저항을 제공한다. 적어도 하나의 시트가 스프링 요소의 후행부(tail)일 수 있다. 팽창 관의 적어도 하나의 원주 주위로 감긴 각각의 후행부에 의해서, 다수의 랩(wrap)이 제공될 수 있다.
본 발명의 제2 양태에 따라, 반응기가 제공되고, 반응기는, 외부 관, 외부 관 내의 팽창 관, 팽창 관과 외부 관 사이의 환형 공간을 점유하는 팽창 가능한 촉매 지지부, 및 팽창 관을 외부 관을 향해서 편향시키기 위해서 팽창 관 내에 배열되는 3개 이상의 곡선형 탄성 스프링 요소를 포함한다.
바람직하게, 스프링 요소는 중심 지지부 상에 장착된다. 중심 지지부는 강성도를 구조물에 제공하기 위해서 이용될 수 있고, 설치 및 제거 중에 구조물을 취급하기 위해서 이용될 수 있다.
팽창 관은 서로의 주위를 둘러싸고 서로 중첩되는 스프링 요소들의 후행 단부들로 형성될 수 있다. 팽창 관이 스프링 요소와 분리될 수 있다.
바람직하게, 스프링 요소는 외부 관 및 팽창 관의 축방향으로 정렬된 시트-유사 요소이다.
바람직하게, 팽창 관은, 팽창 관의 원주를 형성하기 위해서 다수 횟수로 감겨진 적어도 하나의 시트를 포함한다.
종종 적층 가능한 구조적 반응기("SSR")로 지칭되는, 본 발명의 바람직한 반응기는, 반응기를 통한 유체 유동의 방향에서 볼 때 대체로 환형 횡단면의 단일체를 형성하기 위해서, 중앙 막대 또는 굴대(mandrel), 파이프, 기둥 또는 기타와 같은, 중심 지지부 주위에 배열되거나 그 위에 적층된 다수의 촉매 지지 구성요소를 포함할 수 있다. 단일체의 또는 적층된 촉매 지지부가, 외부 관과 내부 관과 같은, 2개의 동심적으로 배열된 관들 사이의 환형 공간의 전부 또는 일부를 점유할 수 있다. 내부 관은 팽창 관으로 지칭될 수 있다. 본원에서 설명된 바와 같이, 반응기 및 연관된 반응기 구성요소의 다양한 수정예 및 실시예가 팽창 가능 중심 배열체와 함께 이용되어 열 전달 및 반응기 효율을 높일 수 있다.
본원에서 설명된 바와 같은, 촉매 지지부, 중심 지지부, 스프링 요소, 그리고 내부 및 외부 관과 같은, 모든 반응기 구성요소 또는 그 부품을 위한 구축 재료는 당업계에 공지된 임의의 적합한 재료, 예를 들어, 금속, 비철 금속, 금속 호일, 강, 스테인리스 강, 합금, 호일, 플라스틱 또는 유리, 세라믹과 같은 비-금속, 또는 그 조합을 포함할 수 있다.
개질기 관과 같은, 내부 벽 표면 및 외부 벽 표면을 가지는 반응기 또는 외부 관은, 중심 지지부 주위에 배열된, 수직 적층된 팬 또는 단일체와 같은, 반응기 구성요소를 수용할 수 있다. 외부 관의 직경은 바람직하게 그 전체 길이를 따라 일정하다. 개질기 관의 경우에, 관의 일부가 더 큰 직경을 가질 수 있고 외부 관 내에 볼록부 또는 팽창된 부분을 생성할 수 있다. 반응기 구성요소는, 구성요소가 외부 관과 팽창 중심 배열체 사이에서 중심 지지부 상에 적층 또는 배열될 수 있도록, 내부 관을 포함하는 팽창 중심 배열체와 같은, 중심 지지부 및 중심 섹션 구성요소를 수용하기 위한 중앙 개구부를 가지도록 구성될 수 있다. 중심 지지부는 외부 관의 길이를 수용하기 위한 길이를 가질 수 있다. 중심 지지부는 연속적일 수 있으나, 바람직하게 섹션들로 형성되고, 각각의 섹션은 팽창 중심 배열체 및 반응기 구성요소의 섹션과 연관된다. 중심 지지부는, 정지부 피팅을 제공하기 위한 브래킷, 부싱, 기부 판 또는 기타일 수 있고, 그에 따라 팬 또는 단일체와 같은 반응기 구성요소는 중심 지지부의 단부를 벗어나게 활주되지 않는다. 기부 판은 중심 지지부의 하단 단부에 또는 그 부근에 위치될 수 있고, 외부 관 내의 용이한 설치를 가능하게 하는 형상 및 직경 또는 치수를 가질 수 있다. 예를 들어, 정지부 판은 외부 관의 내경과 대략적으로 동일하거나 그보다 작은 직경을 갖는 원형 형상을 가질 수 있다.
중심 지지부에는, 외부 관 내로 삽입되기 전에, 임의 수의 반응기 구성요소가 미리 적재될 수 있다. 구성요소는 반응기 구성요소의 층을 형성하기 위해, 도시된 바와 같이 서로 상하로 수직으로, 또는 반응기의 배향 또는 특정 기술 요건을 수용하기 위해 수직으로 또는 대안적인 방식으로, 예컨대 수평으로 적층될 수 있다. 필요에 따라, 예를 들어, 와셔가 하나 이상의 반응기 구성요소들(예를 들어, 팬) 사이에 삽입될 수 있고, 각각의 팬은 와셔에 의해서 분리될 수 있으며, 와셔는 구성요소들 사이에 개방 공간을 생성한다. 전형적으로 8mm 내지 100mm 범위의 높이를 가지는 적층된 반응기 구성요소가, 희망에 따라, 15cm 내지 1.5m 범위의 높이를 가지는 하위-조립체를 생성하도록 수직으로 배열될 수 있다. 다수의 하위-조립체가 반응기 내에 함께 적층될 수 있고, 예를 들어 1개 내지 60개의 하위-조립체가 적층될 수 있다. 적층된 하위-조립체는 1m 내지 20m 범위의 높이를 가질 수 있다. 각각의 하위-조립체는 중심 지지부의 섹션 상에 형성될 수 있다. 일단 설치되면, 중심 지지부의 섹션들이 조합되어 연속적인 중심 지지부를 형성할 수 있다. 중심 지지부의 섹션은 하위-조립체의 미리 적재된 반응기 구성요소의 일 단부를 넘어서 연장될 수 있고, 그에 따라 하위-조립체를 외부 관 내로 설치하는 동안 파지될 수 있는 돌출 부분을 제공한다. 중심 지지부 섹션은 돌출 부분에 대향되는 섹션의 단부에서 개방-단부형의 중공형 부분을 포함할 수 있다. 따라서, 인접한 하위-조립체의 반응기 구성요소들이 돌출 부분의 길이 미만만큼 분리되도록, 하나의 섹션의 돌출 부분이 인접 섹션의 중공형 부분 내로 피팅될 수 있다. 바람직하게, 인접한 하위-조립체의, 예를 들어 와셔(존재하는 경우)를 포함하는, 반응기 구성요소들이 연속적인 적층체를 형성하도록, 하나의 섹션의 돌출 부분이 인접 섹션의 중공형 부분 내로 피팅될 수 있다.
반응기 구성요소는, 예를 들어, 와셔와 함께 또는 와셔 없이 이용되는, 팬 또는 단일체일 수 있다. 일 실시예에서, 반응기 구성요소는, 하나 이상의 촉매 코팅을 가지는 팬, 코일 또는 단일체와 같은, 촉매 지지부일 수 있다. 구성요소와 함께 사용되는 와셔는 또한, 반응기를 통해서 흐르는 유체와 촉매의 접촉을 효과적으로 분산시키기 위해서 촉매 코팅을 가질 수 있다. 촉매 재료는 당업계에 공지되어 있으며 니켈, 팔라듐, 백금, 지르코늄, 로듐, 루테늄, 이리듐, 코발트, 그리고 알루미늄, 세륨 및 지르코늄의 산화물을 포함할 수 있다.
촉매 지지부가 반경방향으로 팽창될 수 있고, 그에 따라 지지부는 외부 관에 대해서 반경방향으로 외측으로 밀릴 수 있다. 외부 관 내에 배열될 때, 반응기 구성요소는 외부 관과 내부 관 사이의 환형 공간을 부분적으로 또는 실질적으로 전체적으로 점유할 수 있다. 구성요소는, 팽창 가능하고 압궤된 상태(collapsed state)에서, 외부 관보다 작은 직경을 갖는다. 팽창된 위치에서, 구성요소가 외부 관과 직접 접촉될 수 있거나, 외부 관과 구성요소의 외경 면 사이에 작은 간극을 생성할 수 있다. 반응기 구성요소의 외부 연부 직경 면과 반응기 관의 내부 벽 표면 사이의 간극이 적어도 0.2, 0.5, 1, 2, 3, 5, 10 또는 15mm일 수 있다. 그러한 간극은 바람직하게 3, 6, 10, 15, 20 또는 25mm 이하 그리고 바람직하게 0.5 내지 6mm, 그리고 더 바람직하게 1 내지 3mm의 범위이다. 간극은 열 전달을 촉진하고, 반응기 벽의 내부 벽 표면을 향해서 이동되는 유체 유동이 반응기의 내부 부분을 향해서 역으로 지향되도록 강제한다. 와셔, 와이어, 링, 루프 또는 기타와 같은 이격부재를 이용하여, 단일체 또는 팬의 외경 연부 또는 면과 반응기 관의 내부 벽 표면 사이에서 희망 간극 공간을 보장할 수 있다. 반응될 기체 또는 액체와 같은 유체는 일반적으로, 반응기 관을 통해서 그리고 중심 지지부 상에, 바람직하게 내부 관 외측에 배열된 각각의 구성요소를 통해서, 희망에 따라 상향-유동 또는 하향-유동으로, 수직으로 유동된다. 반응기 구성요소는 유체 유동을 다른 비-수직 방향으로 지향시켜 열 전달을 증가시키고, 예를 들어, 팬이 유체 유동을 반응기 관 벽을 향해서 반경방향으로(전체적인 수직 방향에 수직으로) 지향 또는 안내할 수 있다. 하나 이상의 단일체 또는 팬이 반응기 관의 내부 벽 표면과 접촉되거나 그에 밀접하게 근접할 수 있고, 이는 반응기의 외측부로부터 반응기 구성요소 및 그 내부에 포함된 유체로 열을 효과적으로 전달하여, 흡열 촉매 반응을 촉진한다. 발열 촉매 반응에서, 동작 원리는 동일하나, 열은 반응기 구성요소 및 그 내부에 포함된 유체로부터 반응기 외부로 전달된다. 전술한 설명이, 전형적으로 이용되는, 수직 유동을 언급하였지만, 본 발명은 또한 수평 (또는 다른 배향) 유동 반응기와 함께 이용될 수 있다. 그러한 반응기 배향은 특히 구조화된 촉매 요소가 이용될 때 이용될 수 있는데, 이는 그러한 요소가, 소위 촉매 팰릿(catalyst pellet)보다, 수평적 기하형태로 보다 용이하게 유지될 수 있기 때문이다.
반응기 관의 중심 섹션에서, 팽창 가능 중심 배열체가 이용될 수 있다. 팽창 가능 중심 배열체는, 팽창 가능 중심 배열체를 수용할 수 있는 내부 관을 포함할 수 있다. 시트의 2개의 단부가 만나는 지점에 중첩되는 섹션이 존재하도록, 내부 관이 주름 잡히거나 롤링된 금속 시트 또는 원통형으로 롤링된 편평한 시트로 구성될 수 있다. 즉, 롤링된 시트의 단부들이 중첩되고, 원통체 또는 관의 내측에서 힘이 인가될 때, 중첩 부분이 활주되고 그에 따라 내부 관이 반경방향 외측으로 팽창된다. 예를 들어, 내부 관은 원통체로 롤링된 호일 시트로 제조될 수 있다. 바람직하게, 중첩 섹션은 내부 관의 원주 주위에서 적어도 한차례 바람직하게 적어도 2차례 연장된다. 따라서, 내부 관은 재료의 시트, 예를 들어 호일의 다수의 권선(winding)으로 형성된 원통체일 수 있다. 내부 관은 독립적인 물품일 수 있거나, 스프링 요소의 후행부로 형성될 수 있다.
스프링 요소는 반응기 구성요소에 장력을 제공하고 내부 관을 외측으로 압박한다. 그 외경에서, 내부 관은, 팽창 가능한 촉매-코팅된 팬과 같은 반응기 구성요소와 접촉된다. 스프링 요소가 내부 관에 대해서 반경방향 외측으로 밀기 때문에, 내부 관이 반응기 구성요소와 항상 접촉되어 반응기 구성요소의 내경과 내부 관의 외경 사이에서 간극을 방지 또는 제거할 수 있다. 반응기 구성요소의 내경과 내부 관의 외경 사이의 임의의 간극 공간을 감소 또는 제거하는 것은, 반응기 관 벽 부근의 반응기의 외부 부분으로 지향되는 유체의 양을 증가시키고, 이는 열 교환 및 반응 효율을 높일 수 있다. 스프링 요소에 의해서 제공되는 힘은 또한 외부 관에 대한 반응기 구성요소의 팽창을 촉진할 수 있고, 그에 따라 반응기 구성요소와 외부 관 사이에서 정확하고, 작은 공간을 유지할 수 있고 반응기를 통과하는 유체로의 열 전달을 촉진할 수 있다. 동작 중에, 온도가 증가될 수 있고 외부 관은 반응기 구성요소로부터 반경방향 외측으로 멀리 서서히 이동하거나 팽창될 수 있고 반응기 구성요소의 외경 면과 외부 관 사이에 간극을 형성할 수 있다. 스프링 요소가 풀리려는(unwrap) 경향은 반응기 구성요소를 외측으로 가압할 수 있고 그에 따라 그러한 간격을 감소시키거나 제거할 수 있다.
본 발명의 제3 양태에 따라서, 팽창 가능 중심 배열체를 반응기 내에 설치하는 방법이 제공된다. 바람직하게, 팽창 가능 중심 배열체는 본 발명의 제1 양태에 따른 팽창 가능 중심 배열체이다. 바람직하게, 그러한 설치는 본 발명의 제2 양태에 따른 반응기를 생성한다. 바람직하게, 방법은, 팽창 관 및 팽창 관의 내측에 배열된 스프링 요소를 포함하는 팽창 가능 중심 배열체를 제공하는 단계, 중심 배열체를 반응기 내로 삽입하는 단계, 팽창 관을 팽창시키기 위해서 가압 가스를 팽창 관 내로 도입하는 단계를 포함하고, 스프링 요소는 가압 가스가 배출된 후에 팽창 관의 압축을 저지한다.
바람직하게, 중심 지지부가 팽창 관의 내측에 배열되고, 스프링 요소는 중심 지지부에 장착된다. 중심 지지부는 유리하게 배열체의 강도를 높이고 설치 도구를 파지하기 위한 장소를 제공한다. 중심 지지부는 또한 다수의 중심 배열체를 반응기 내로 적층하는데 유용할 수 있는데, 이는 하나의 배열체의 중심 지지부가 인접 배열체의 중심 지지부와 인터페이싱하여 연속적인 중심 지지부를 제공할 수 있기 때문이다. 일부 실시예에서, 팽창 관은 서로의 주위를 둘러싸고 서로 중첩되는 스프링 요소들의 후행 단부들로 형성될 수 있다. 바람직하게, 스프링 요소는, 시트의 제1 대향 연부들이 중심 지지부 및 팽창 관의 축과 평행하도록 그리고 시트의 제2 대향 연부들이 팽창 관의 중심 지지부로부터 외측으로 원호화되도록 하나의 연부를 따라 중심 지지부에 부착되는 탄성 재료의 시트이다. 그러한 배열체는 제조가 단순할 수 있다. 이는 또한, 시트의 중첩 단부들이 그들 사이에서 마찰력을 가질 수 있고, 이는 팽창 관의 압축 방지에 도움을 준다는 점에서 유리할 수 있다. 가압 공기가 도입될 때, 공기는 시트의 중첩 단부들 사이에서 흐르고, 시트들의 서로에 대한 이동을 윤활하며, 그에 따라 가압 공기 및 탄성 스프링 요소의 팽창력 모두의 결과로서 팽창 관이 팽창될 수 있게 한다. 가압 공기가 중단되고 압력이 배출될 때, 시트는 더 이상 윤활되지 않고 마찰력이 복원되어 압축 방지를 돕는다.
바람직하게, 팽창 관은 스프링 요소로부터 분리된다. 유리하게, 팽창 관은 스프링 요소보다 얇은 재료로 형성된다. 바람직하게, 팽창 관은 재료 시트의 다수의 권선으로 형성된다. 시트 재료의 내부 단부가 주름부를 포함할 수 있다. 주름부는 시트의 권선들 사이의 공기 통과를 도울 수 있고, 그에 따라, 가압 공기가 팽창 관 내로 도입될 때, 팽창 관의 윤활 및 팽창을 촉진할 수 있다.
바람직하게, 중심 배열체는 도구를 이용하여 반응기 내로 삽입된다. 바람직하게, 가압 가스가 동일한 도구를 통해서 도입된다. 따라서, 배열체는 하나의 도구를 이용하는 하나의 동작으로 설치될 수 있다. 바람직하게, 가압 가스를 팽창 관 내로 송풍함으로써, 가압 가스가 도입된다. 바람직하게, 도구는 중심 배열체를 삽입하기 위해서 중심 지지부를 파지한다. 예를 들어 가스를 중공형 중심 지지부 아래로 그리고 중심 지지부 내의 홀을 통해서 외부로 송풍함으로써, 가압 가스가, 예를 들어, 중심 지지부를 통해서 도입될 수 있다. 예를 들어 가스를 팽창 관의 단부 내로 송풍함으로써, 가압 가스가, 예를 들어, 팽창 관 내로 직접적으로 도입될 수 있다.
바람직하게, 스프링 요소는 가압 가스의 도입 중에 외향 편향력을 팽창 관에 제공한다. 바람직하게, 스프링 요소는 가압 가스의 도입 전체를 통해서 팽창 관과 접촉되어 유지된다. 스프링 요소의 제공은 설치에 있어서 상당한 장점을 초래하는데, 이는, 가압 가스 이후에, 팽창 관을 제 위치에서 결속하기 위한 별도의 단계를 필요로 하지 않기 때문이다. 그 대신, 스프링 요소는 가압 공기의 "송풍"의 종료 시에 이미 제 위치에 있고, 도구는 송풍 직후에 제거될 수 있다. 도구의 제거가 자체적으로 가압 가스를 배출할 수 있거나, 가압 가스가 다른 방식으로 배출될 수 있다. 많은 중심 배열체가 설치되는, 대형 반응기에서, 각각의 중심 배열체를 결속할 필요가 없는 것으로 인한 시간 절감이 클 수 있다.
바람직하게, 그러한 방법은, 배열체가 반응기 내로 삽입되기 전에, 팽창 가능 촉매 지지 구성요소를 중심 배열체 주위에 배치하는 단계를 포함할 수 있다. 촉매 지지 구성요소는 팽창 관의 외측 주위에 배치된다. 바람직하게, 반응기는 외부 관을 포함하고, 그러한 외부 관 내로 팽창 가능 중심 배열체 및 그 주위 촉매 지지 구성요소가 삽입된다. 바람직하게, 팽창 관의 팽창은 촉매 지지 구성요소를 외측으로 외부 관의 내부 표면에 대해서 가압한다. 그러한 방식에서, 촉매 지지 구성요소의 최적의 배치가 달성되고 유지될 수 있다.
본 발명의 하나의 양태와 관련하여 설명된 특징이 본 발명의 다른 양태에서 마찬가지로 적용될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 예를 들어, 본 발명의 팽창 가능 중심 배열체와 관련하여 설명된 특징이 본 발명의 반응기에 마찬가지로 적용될 수 있고, 그 반대로도 적용될 수 있다. 다른 예로서, 본 발명의 방법과 관련하여 설명된 특징이 본 발명의 반응기 또는 팽창 가능 중심 배열체에 마찬가지로 적용될 수 있고, 그 반대로도 적용될 수 있다. 일부 특징은 본 발명의 특별한 양태에 적용 가능하지 않을 수 있고, 그로부터 배제될 수 있다.
이제, 예로서 그리고 어떠한 제한적인 의미도 없이, 첨부 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명할 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 팽창 가능 중심 배열체의 부분의 도면이다.
도 2는 팽창 관 내로 삽입하기에 앞서서 스프링 요소가 중심 지지부 주위에 감긴, 도 1의 팽창 가능 중심 배열체의 부분의 도면이다.
도 3은 도 1 및 도 2의 부분이 팽창 관 내로 삽입된, 본 발명에 따른 팽창 가능 중심 배열체의 도면이다.
도 4는 구조화된 촉매 구성요소가 팽창 관 주위에 적층된, 도 3의 팽창 가능 중심 배열체의 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 팽창 가능 중심 배열체의 도면이다.
도 6은 도 5의 팽창 가능 중심 배열체의 다른 도면이다.
도 7은 구조화된 촉매 구성요소가 주위에 있는, 팽창 가능 중심 배열체의 도면이다.
도 8은 구조화된 촉매 구성요소에 의해서 둘러싸인, 도 5 및 도 6의 팽창 가능 중심 배열체의 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 팽창 가능 중심 배열체의 도면이다.
도 10은 팽창 관의 구성의 도면이다.
도 1에서, 팽창 가능 중심 배열체의 부분은 중심 지지부(1) 및 중심 지지부(1)에 연결된 4개의 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)를 포함한다. 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)는, 중심 지지부(1)의 축방향과 정렬되도록 지지부에 부착되는 시트-유사 요소이다.
도 2에서, 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)는 중심 지지부(1) 주위에 감긴다. 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)는 밴드(3), 예를 들어 케이블 타이로, 감긴 위치에서 일시적으로 유지될 수 있다. 밴드(3)가 해제될 때, 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)는 풀리는 경향을 가질 것이고, 그에 따라 팽창력을 생성할 것이다. 대안적으로, 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)는 일시적 구속 관으로 제 위치에서 유지될 수 있다. 일시적 구속 관은 팽창 관(4)의 직경보다 약간 더 작은 직경을 갖는다(도 3 참조). 팽창 관(4)은 일시적인 구속 관 위에 배치되고, 일시적 구속 관은 이어서 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)로부터 벗어나게 그리고 팽창 관(4)의 외측으로 당겨진다. 밴드(3)의 해제와 유사하게, 이는 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)가 풀릴 수 있게 하고 팽창 관(4)의 내측부에 대한 팽창력을 생성하게 한다.
도 3에서, 밴드(3)가 제거되었고, 중심 지지부(1)는, 그 주위에 감긴 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)와 함께, 팽창 관(4) 내로 삽입되었다. 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)는 풀리려는 경향이 있고, 그에 따라 외측으로 팽창 관(4)을 가압한다. 관의 외측 주위에, 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5)가 적층될 수 있다. 하나의 그러한 구성요소(5)가 도 3에 도시되어 있다. 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5)는 팽창될 수 있고, 풀리려고 하는 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)의 작용은 팽창 관(4)을 외측으로 가압하고, 이는 다시 구조화된 촉매-구성요소(5)를 외측으로 가압한다. 호일 밴드(3')가 팽창 관(4) 주위에 감긴다. 호일 밴드(3')는, 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5)가 제 위치에 위치될 때까지 팽창 관을 유지하는 일시적인 밴드이다. 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5)가 팽창 관(4) 위에 적층된 때, 호일 밴드(3')는 팽창 관(4) 위에서 활주되어 벗어난다.
도 4에서, 다수의 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5)가 팽창 관(4)의 외측 주위에 적층된다. 사용 시에, 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5)가 주위에 적층된 중심 배열체는, 도시되지 않은, 반응기 관 내로 삽입된다. 풀리려고 하는 스프링 요소(2a, 2b, 2c, 및 2d)의 작용은 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5)를 반응기 관에 대해서 가압 유지하고, 그에 따라 반응기 관으로부터 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5)로의 열 전달을 개선한다. 개선된 열 전달은 다시 반응속도를 개선한다. 다수의 중심 배열체는 반응기 관 내에서 서로 상하로 적층될 수 있다. 중심 지지부(1)는, 해당 중심 배열체와 연관된 모든 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5)가 제 위치에 있을 때, 중심 배열체의 상단으로부터 돌출되는 얇은 부분을 갖는다. 돌출 부분은 도 4에서 확인될 수 있다. 중심 지지부(1)의 하부 단부는, 중심 지지부(1)의 돌출 부분이 해당 중심 배열체 아래로 피팅되는 중공형 부분 또는 함몰부(미도시)를 포함한다. 그러한 방식으로, 중심 지지부(1)의 돌출 부분을 이용하여, 다수의 중심 배열체가 서로 상하로 효과적으로 적층될 수 있고, 관 내로 하강될 수 있거나 그 외부로 상승될 수 있다.
도 5에서, 중심 배열체는 중심 지지부(11) 및 4개의 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)를 포함한다. 전술한 중심 배열체에서와 같이, 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)는 중심 지지부(11)의 축방향으로 정렬된 시트-유사 요소이다. 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)는 탄성 스프링 요소이고, 중심 지지부(11)로부터 외측으로 원호화된다. 원호는 스프링 효과를 생성하고, 그에 따라 탄성 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)는 팽창 관을 중심 지지부(11)로부터 멀리 외측으로 편향시킬 수 있다.
도 6에서, 중심 지지부(11)는 홀(16)의 어레이를 포함한다. 구조화된 촉매-코팅된 구성요소가 중앙 배열체를 둘러싼 상태에서, 중심 배열체가 반응기 내로 삽입될 때, 공기가 중심 지지부(11) 아래로 송풍될 수 있다. 공기는 홀(16)을 통해서 외부로 송풍되고 중심 배열체가 팽창되도록 가압하고, 그에 따라 촉매-코팅된 구조화된 구성요소가 반응기 관의 외부 벽과 밀접 접촉되도록 가압한다. 이어서, 공기가 홀(16)을 통해서 송풍될 때 또한 팽창될 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)는 중심 배열체의 압축을 저지할 것이고, 구조화된 촉매-코팅된 구성요소를 외부 반응기 관과 밀접 접촉 유지하기 위한 편향력을 제공할 것이다. 공기의 강한 송풍이 스프링 요소들(12a, 12b, 12c, 및 12d) 사이를 통과하고 이들을 윤활하여, 스프링 요소들이 서로를 가로질러 활주되고 팽창될 수 있게 한다. 강한 송풍이 종료될 때, 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)는 더 이상 윤활되지 않고 이들 사이의 마찰은 중심 배열체의 압축을 저지한다. 예를 들어 중심 지지부(11)가 홀(16)을 포함하지 않는 대안적인 실시예에서, 공기의 강한 송풍은, 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)가 내부에 위치되는(소위 베인 공동(vane cavity)) 중심 지지부(11) 주위의 공동 아래로 제공될 수 있다. 그러한 공기의 강한 송풍은, 홀(16)을 통한 강한 송풍과 동일한 윤활 및 팽창 기능을 실행할 수 있다. 그러한 방식으로, 공기는 팽창 관 내로 직접적으로 도입된다.
도 7 및 도 8에서, 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)는 그 최종 위치에 있고, 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(15)는 중심 배열체 외측 주위의 제 위치에 있다. 이러한 경우에, 팽창 관(14)이, 서로의 주위를 둘러싸고 서로 중첩되는 스프링 요소들(12a, 12b, 12c, 및 12d)의 후행 단부들로 형성될 수 있다. 중첩되는 후행부들은, 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)의 곡선부에 의해서 생성되는 편향력에 더하여, 중심 배열체의 압축에 대한 마찰 저항을 생성한다. 도 7의 실시예에서, 중심 배열체는, 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(15) 내로 삽입되는 탭(17)을 포함한다. 그에 따라, 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(15)에 대해서 중심 지지부(11)를 비트는 것은, 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)를 풀고 팽창 관(14) 및 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(15)를 팽창시킨다.
도 9에서, 중심 배열체는 중심 지지부(111) 및 중심 지지부(111)로부터 외측으로 원호화되는 스프링 요소(112a, 112b, 112c, 및 112d)를 포함한다. 이러한 실시예에서, 중심 지지부(111)는 정사각형 상자 섹션 지지부이다. 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)는 상자 섹션의 모서리의 영역 내에서 중심 지지부(111) 상에 용접된다. 스프링 요소가 또한 전술한 중심 지지부(1 및 11)에 용접될 수 있지만, 스프링 요소(12a, 12b, 12c, 및 12d)가 모서리의 영역 내에 용접된 정사각형 상자 섹션 중심 지지부(111)의 이용은, 제조가 용이한 강건한 배열체를 초래할 수 있다.
도 10에서, 팽창 관은 재료, 예를 들어 강의 시트(220)로 형성된다. 시트(220)는 연부를 따라 주름부(221)를 갖는다. 시트(220)는 원통체로 롤링되고, 주름부(221)는 내부 연부에 위치된다. 가압 공기, 또는 다른 가스가 관 내로 도입될 때, 주름부(221)는 시트(220)의 층들 사이의 공기의 통과를 돕는다. 이는, 관이 팽창될 수 있도록, 층들을 윤활한다.
중심 배열체의 동작은 전술한 모든 실시예와 유사하다. 스프링 요소(2, 12, 112)를 중심 지지부(1, 11, 111) 주위에 감는 것에 의해서, 중심 배열체가 조립된다. 팽창 관(4)이 분리된 관인 경우에, 중심 배열체가 팽창 관(4) 내로 삽입된다. 전형적인 설치 프로세스에서, 스프링 요소(2, 12, 112)는 중심 지지부 주위에 단단히 감기고 상당한 힘을 이용하여 일시적 구속 관 내로 삽입된다. 팽창 관(4)은 일시적인 구속 관 위에서 활주되고, 이어서 일시적인 관은 스프링 요소(2, 12, 112)로부터 벗어나게 그리고 팽창 관(4)의 외측으로 당겨진다. 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5, 15)가 팽창 관(4, 14)의 외측 주위에 적층되어 하위-조립체를 생성하고, 하위-조립체는 반응기 관 내로 삽입된다. 바람직하게, 공기가 중심 지지부(1, 11, 111) 아래로 송풍되어, 중심 배열체 및 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5, 15)가 팽창되도록 가압하여 반응기 관과 밀접 접촉되게 압박한다. 공기는 또한 베인 공동 아래로 송풍될 수 있다. 공기는, 중심 지지부(1, 11, 111)의 돌출 부분 상에 피팅되는 도구를 이용하여 송풍될 수 있다. 그러한 도구는, 하위-조립체를 반응기 관 내로 하강시키면서 중심 지지부(1, 11, 111)를 파지하기 위해서 이용되는 것과 동일한 도구일 수 있다. 공기가 송풍되면, 스프링 요소(2, 12, 112)의 원호로부터 초래되는 외향 편향력 및 팽창 관(4, 14)의 중첩 층들 내의 마찰력이 조합되어, 중심 배열체의 압축을 저지하고 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(5, 15)가 반응기 외부 관과 계속 밀접 접촉되도록 압박한다. 중심 배열체는 또한, 특히 팽창 관(14)이 스프링 요소(12a, 12b, 12c 및 12d)의 중첩되는 단부들로부터 형성되고 탭(17)이 구조화된 촉매-코팅된 구성요소(15) 내로 삽입되는 실시예에서, 중심 지지부(11) 상에서 비틀리는 것에 의해서 팽창될 수 있다.
당업자는 전술한 실시예가 단지 예이고, 어떠한 제한적 의미도 가지지 않는다는 것, 그리고 첨부된 청구항에 의해서 규정되는 본 발명의 범위로부터 벗어나지 않고도 여러 가지 변경 및 수정이 이루어질 수 있다는 것을 이해할 것이다. 예를 들어, 4개의 스프링 요소 대신에, 3개, 5개 또는 그 초과의 스프링 요소가 있을 수 있다.

Claims (22)

  1. 반응기를 위한 팽창 가능 중심 배열체이며, 팽창 관, 팽창관 내측의 중심 지지부 및 3개 이상의 스프링 요소를 포함하고, 스프링 요소는 중심 지지부에 체결되고 팽창 관 외측으로 원호화되는, 팽창 가능 중심 배열체.
  2. 제1항에 있어서,
    팽창 관은 서로의 주위에서 나선화되고 서로 중첩되는 스프링 요소들의 후행 단부들로 형성되는, 팽창 가능 중심 배열체.
  3. 제2항에 있어서,
    후행 단부의 각각이 팽창 관의 적어도 하나의 완전한 원주 주위로 연장되는, 팽창 가능 중심 배열체.
  4. 제1항에 있어서,
    팽창 관이 스프링 요소와 분리되고, 스프링 요소는 팽창 관에 대해서 외향 압박하는, 팽창 가능 중심 배열체.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    스프링 요소가 탄성적이고, 그에 따라 팽창 관을 중심 지지부로부터 멀어지는 쪽으로 외향 편향시키는, 팽창 가능 중심 배열체.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    스프링 요소가, 중심 지지부 및 팽창 관의 축방향으로 정렬된 시트-유사 요소인, 팽창 가능 중심 배열체.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    팽창 관이, 팽창 관의 원주를 형성하기 위해서 다수 횟수로 감겨진 적어도 하나의 시트를 포함하는, 팽창 가능 중심 배열체.
  8. 제7항에 있어서,
    적어도 하나의 시트가 내부 단부에서 주름부를 포함하는, 팽창 가능 중심 배열체.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    중심 지지부가, 스프링 요소를 윤활하기 위해서 중심 지지부 아래로 공기가 송풍될 수 있게 하는 적어도 하나의 홀을 포함하는, 팽창 가능 중심 배열체.
  10. 반응기이며, 외부 관, 외부 관 내의 팽창 관, 팽창 관과 외부 관 사이의 환형 공간을 점유하는 팽창 가능한 촉매 지지부, 및 팽창 관을 외부 관을 향해서 편향시키기 위해서 팽창 관 내에 배열되는 3개 이상의 곡선형 탄성 스프링 요소를 포함하는, 반응기.
  11. 제10항에 있어서,
    스프링 요소가 중심 지지부 상에 장착되는, 반응기.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    팽창 관은 서로의 주위에서 나선화되고 서로 중첩되는 스프링 요소들의 후행 단부들로 형성되는, 반응기.
  13. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    팽창 관이 스프링 요소로부터 분리되는, 반응기.
  14. 제10항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    스프링 요소가, 외부 관 및 팽창 관의 축방향으로 정렬된 시트-유사 요소인, 반응기.
  15. 제10항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    팽창 관이, 팽창 관의 원주를 형성하기 위해서 다수 횟수로 감겨진 적어도 하나의 시트를 포함하는, 반응기.
  16. 팽창 가능 중심 배열체를 반응기 내에 설치하는 방법이며, 팽창 관 및 팽창 관의 내측에 배열된 스프링 요소를 포함하는 팽창 가능한 중심 배열체를 제공하는 단계, 중심 배열체를 반응기 내로 삽입하는 단계, 팽창 관을 팽창시키기 위해서 가압 가스를 팽창 관 내로 도입하는 단계를 포함하고, 스프링 요소는 가압 가스가 배출된 후에 팽창 관의 압축을 저지하는, 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    중심 배열체가 도구를 이용하여 반응기 내로 삽입되고, 가압 가스가 동일한 도구를 통해서 도입되는, 방법.
  18. 제16항 또는 제17항에 있어서,
    스프링 요소는 가압 가스의 도입 중에 외향 편향력을 팽창 관에 제공하는, 방법.
  19. 제16항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    스프링 요소는 가압 가스의 도입 전체를 통해서 팽창 관과 접촉되어 유지되는, 방법.
  20. 반응기를 위한 팽창 가능 중심 배열체이며, 실질적으로 첨부 도면을 참조하여 본원에서 설명된 것인, 팽창 가능 중심 배열체.
  21. 실질적으로 첨부 도면을 참조하여 본원에서 설명된 바와 같은 반응기.
  22. 팽창 가능 중심 배열체를 반응기 내에 설치하는 방법이며, 실질적으로 첨부 도면을 참조하여 본원에서 설명된 바와 같은, 방법.
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