KR20190055078A - 적어도 1종의 유체를 예열하기 위한 장치 및 장치의 용도 - Google Patents

적어도 1종의 유체를 예열하기 위한 장치 및 장치의 용도 Download PDF

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KR20190055078A
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사비네 슈미트
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프레데릭 샤이프
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Abstract

본 발명은 적어도 1종의 유체를 예열하기 위한 장치(10) 및 그의 용도에 관한 것이다. 장치(10)는 견고하게 형성된 가열체(heating body)(12)를 갖는다. 가열체(12) 내에는 유체를 유도하기 위한 채널(16)이 형성된다. 가열체(12)는 가열될 수 있다. 가열체(12)는 유체를 표적 시간 내에 표적 온도로 가열하도록 설계되며, 여기서 표적 온도는, 미리 결정된 시간 내에 미리 결정된 양의 전환으로 유체의 미리 결정된 화학적 반응이 발생하는 적어도 1개의 온도이다. 표적 시간은 미리 결정된 시간보다 더 짧다. 가열체(12)는 유체를 표적 온도로 예열하기 위해 가열되며, 유체는 표적 시간 내에 채널(16)을 통해 유도된다.

Description

적어도 1종의 유체를 예열하기 위한 장치 및 장치의 용도
본 발명은 적어도 1종의 유체를 예열하기 위한 개선된 장치 및 그의 용도에 관한 것이다.
기체 상 내의 휘발성 유기 화합물의 화학적 전환은 흔하게는 승온을 필요로한다. 여기서 문제는, 반응 구역 상류의 예열 구역 내에서의 반응물의 저장 온도로부터 요구되는 반응 온도까지의 규정된 그리고 온화한 변환 (예열)이다. 예열은 일반적으로, 열 전달자(heat transferer)의 고온 표면으로부터 가열되는 유체까지 대류식 열 전달을 통해 달성된다. "규정된"이란, 예열 구역으로부터의 출구 상의 유체 스트림이 미리 결정된 체류 시간 내에 반응 구역에서 미리 결정된 전환이 달성가능한 표적 온도를 취함을 의미한다. "온화한"이란, 화학적 전환이 억제됨을 의미한다.
그의 열적 불안정성의 결과로서, 유기 화합물은 열적 파괴되는 경향이 있다. 결과적으로, 열 전달자의 열 전달 표면 상에 고체 침착물이 형성되고, 이는 유동 단면을 폐색하여 열 전달을 막는다. 이는, 예를 들어 탄화수소의 열적 크래킹(cracking) 시, 또는 에틸벤젠에서 스티렌으로의 또는 부탄에서 부텐으로의 탈수소화 시, 또는 1 내지 3개의 탄소 원자를 함유하는 탄화수소 (C1 내지 C3 탄화수소)의 고리화 시에 그러하다.
특히 산소 존재 하 유기 화합물의 반응성의 결과로서, 이것들은 비-선택적으로 반응하는 경향이 있다. 결과적으로, 표적 생성물의 수율이 악화될 수 있다. 이는, 예를 들어 C2 내지 C6 탄화수소의 자열(autothermal) 탈수소화 시에 그러하며, 이 경우 탈수소화로부터의 수소의 선택적 연소가 반응에의 열의 공급을 위해 이용된다. 여기서 반응 혼합물은 촉매 활성 반응 구역 내로의 진입 전 탄화수소의 유의한 전환 없이 예열되어야 한다.
WO 2011/089209 A2에는, 예를 들어, 단일-챔버 증발기, 및 화학적 합성에서의 그의 용도가 기재되어 있다.
이들 장치 또는 열 전달자에 의해 달성되는 이점에도 불구하고, 여전히 개선 가능성이 있다. 예를 들면, WO2011/089209 A2에 기재된 단일-챔버 증발기는 복잡한 구성을 가지며, 여기서 2종의 유체 스트림의 미세한 분포가 요구된다. 제1 유체 스트림은 실제 공정 스트림이고, 제2 유체 스트림은 열 캐리어이다. 장치는 마이크로- 또는 밀리-구조화된 장치로서 설계된다. 따라서, 공정 부피에 기반한 가열 영역의 비표면적은 300 m2/m3 이상이다. 이러한 선행 기술의 단점은, 통상적인 튜브 플레이트 내의 열 전달자 튜브의 치밀한 패킹(packing)이 복잡하고, 불완전하기 쉽다는 것이다. 이와 같은 단점은, 공정 스트림과 열원 (즉, 열 캐리어)을 서로 기밀 분리하는 밀봉 접합부의 수 및 길이와 상관관계가 있다. 선행 기술에서, 이는 열 전달자 튜브의 수 및 둘레와 동일하다.
따라서, 본 발명의 목적은, 상기한 단점을 적어도 실질적으로 감소시키고, 보다 특히 장치의 사용 수명을 연장시키는, 적어도 1종의 유체, 특히, 1종 이상의 열적으로 불안정한 화합물 및/또는 서로 화학적으로 반응하는 2종 이상의 성분을 포함하는 기체의 예열을 위한 장치 및 장치의 용도를 특정화하는 것이다.
본 발명에 따르면, 높은 비표면적은 반응성, 또는 열적으로 불안정한 공정 유체와 열 전달자 벽 사이에만 필요하다. 이는 열 전달 효율에 해당된다. 반면, 예열을 유발하는 열원과 열 전달자 벽 사이의 비표면적은 훨씬 더 작을 수 있다. 동시에 이 영역은 공정 스트림과 열원 (즉, 열 캐리어) 사이의 분리를 위한 밀봉 접합부로서의 역할을 하며, 장치에 대한 장치 복잡도를 규정한다.
본 발명의 기본 개념은, 일반적으로 기체인 공정 유체의 열전도도와 일반적으로 금속 또는 세라믹으로부터 제조된 열 전달자 벽의 열전도도 간의 큰 차이이다. 결론적으로, 동일한 온도 차동을 고려하면, 열 유동이 기체에서보다는 상당히 더 두꺼운 층의 고체를 통해 전도될 수 있다. 본 발명에 따르면, 공정 유체를 에워싸는 벽들은 조합되어 코히런트 가열체(coherent heating body)를 형성한다.
적어도 1종의 유체를 예열하기 위한 본 발명의 장치는 중실 다채널 가열체(solid multichannel heating body)를 갖는다. 또한, 가열체는 튜브형이다. 가열체 내에 유체의 통과를 위한 채널이 형성된다. 가열체는 가열가능하다. 가열체는 유체를 표적 시간 내에 표적 온도로 가열하도록 설계된다. 표적 온도는 적어도, 미리 결정된 시간 내에 미리 결정된 전환율로 유체의 미리 결정된 화학적 전환이 일어나는 온도이다. 표적 시간은 미리 결정된 시간보다 더 짧다. 이와 같은 장치는 적어도 1종의 유체의 예열을 위해 본 발명에 따라 사용된다. 유체의 예열을 위한 가열체는 표적 온도로 가열되고, 가열체 내의 유체의 체류 시간은 표적 시간보다 길지 않다.
채널은 특히 종방향 연장의 방향으로 직선으로 연장되어 있다. 이러한 방식으로, 유체-역학적 유동 효과, 예를 들어 분리 현상 또는 와동(eddy) 형성이 감소될 수 있다. 곡선형 채널을 피함으로써, 유체 유동 내의 데드(dead) 구역 및 침착을 방지하는 것이 또한 가능하다.
채널들은 특히 서로 평행하다. 이러한 방식으로, 각 채널로의 균일한 열 전달이 보장된다.
채널은 실린더형, 특히 원기둥형 또는 각기둥형일 수 있다. 이로써, 채널의 단면의 형상은 본 발명의 장치의 기술적 효과에 있어서 그다지 중요하지 않음이 분명하다.
본 발명의 문맥에서, 중실 가열체는, 채널을 제외하고는 공동(cavity)을 갖지 않는 유체의 가열을 위해 설계된 물체를 의미하는 것으로 이해된다. 다시 말해서, 가열체의 단면은 가열체의 재료만을 포함하고, 채널 이외에는 자유 공간이 없다. 본 발명의 가열체의 단면은 채널의 종방향으로 투영된, 가열체와 열원 사이의 경계로 둘러싸인 영역이다. 가열체의 단면은 규칙적 또는 불규칙적, 볼록형 또는 오목형일 수 있다. 가열체는 유리하게는 실린더형, 특히 원기둥형 또는 각기둥형일 수 있다. 이로써, 본 발명은 다양한 형상의 가열체로 구현가능함이 분명하다.
가열체는 채널의 종축에 대해 평행하게 뻗어있는 종축을 가질 수 있다. 채널들은 단면에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있다. 이러한 방식으로, 각 채널로의 특히 균일한 열 전달이 보장된다. 대안적으로, 채널들은 단면에 걸쳐 불균일하게 분포될 수 있다.
가열체는 구조화된 외측 쉘(shell)을 가질 수 있으며, 이러한 경우에 채널은 적어도 부분적으로 외측 쉘 내의 홈의 형태를 취한다. 이와 같은 모드의 구성은 제조 시에 이점을 갖는데, 그 이유는 윤곽 상의 홈이 단면 내의 구멍보다 제조하기가 더 용이하기 때문이다.
다채널 튜브는 산업계에 공지되어 있다. 예를 들어, 다채널 튜브는 예컨대 PALL 슈마시브(Schumasiv) 상표명으로, 수처리용 필터 카트리지로서 사용된다.
또한, 예를 들어 코디어라이트(cordierite)로 이루어진 세라믹 다채널 튜브가 예를 들어 라우슈헤르트(Rauschert) PYROLIT 코디어라이트 상표명으로, 전기 가열 카트리지용 가열 부재 장착체로서 사용된다.
아울러, 예를 들어 α-Al2O3로부터 생성된 세라믹 다채널 튜브가 허니콤(honeycomb) 가열기로서 사용된다. 이를 위해서, 채널 벽 내에 저항 가열기로서의 전기 전도체가 개재되어 있다. 이러한 종류의 세라믹 다채널 튜브는 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있으며, 예를 들어 웹사이트( http://www.keramverband.de/keramik/pdf/11/Sem11_14Keramik-Heizelemente.pdf)에 기재되어 있다.
본 발명의 문맥에서, 표적 온도는 미리 결정된 시간 내의 유체의 미리 결정된 화학적 전환의 견지에서 규정된다. 이 규정은 유체의 화학적 전환을 위한 정확한 온도 수치가 주어질 수 없기 때문에 적용가능하다. 다시 말해서, 그 온도 초과의 온도에서는 반응이 진행되고 그 온도 미만의 온도에서는 반응이 일어나지 않는 온도 한계치가 존재하지 않는다. 하나의 가능한 이유는, 처음에 반응물의 측정가능한 전환이 전혀 없이 진행되는 자유 라디칼 형성이다. 충분한 자유 라디칼 농도가 달성되자 마자, 반응은 자체-가속 방식으로 진행된다. 이런 이유로, 표적 온도 수치는 예열 구역 내의 체류 시간에 걸친 반응 속도의 적분에 대한 평가 후 주어진다. 상응하게, 본 발명의 문맥에서, 유체의 화학적 전환은 채널 내 온도의 결과로서 특정한, 더 낮은 온도일지라도 일어나지만, 하류 반응 구역 내 화학적 전환의 품질에는 영향을 미치지 않는 온도로 일어난다고 생각된다. 이런 이유로 유체는, 전환율을 낮게 유지하기 위해, 그러나 유체를 하류 전환을 위해 충분히 높은 온도로 가열하기 위해, 미리 결정된 시간보다 더 짧은 표적 시간 내에 채널을 통해 유도된다. 여기서 예열기로부터의 출구 상의 온도는 하류 반응 구역 내 것보다 더 낮거나, 그와 동일하거나 또는 그보다 더 높을 수 있다.
장치는 또한 가열체 온도의 제어를 위한 폐쇄형-루프 제어 시스템을 가질 수 있다. 표적 온도는 폐쇄형-루프 제어 시스템 내의 표적 온도일 수 있다. 상응하게, 가열체의 온도는 특히 자동적으로, 폐쇄형-루프 제어 시스템에 의해 변화를 줄 수 있다.
가열체는 100 내지 1600℃, 바람직하게는 400 내지 1400℃, 보다 바람직하게는 700 내지 1300℃의 온도로 가열될 수 있다. 따라서, 열전도도와 관련하여 가열체 재료에 대한 상응하는 설계의 경우, 유체를 폐쇄형-루프 온도 제어 시스템의 표적 값에 가까운 온도로 표적 시간 내에 가열하는 것이 가능하다. 가열체 재료의 열전도도는 상기 언급된 온도에서 규정됨이 명백할 것이다. 반면, 유체의 열전도도는 0℃에서 규정된다.
미리 결정된 시간 내에 미리 결정된 전환이 일어나는 온도와 표적 온도 간의 차이는 -200 K 내지 +200 K, 바람직하게는 -100 K 내지 +100 K일 수 있다. 이러한 방식으로, 유체의 온도는 요망되는 전환에 대해서 조절될 수 있다.
본 발명에 따르면, 미리 결정된 시간은 유체의 유형 및 표적 온도를 기초로 결정될 수 있다. 다시 말해서, 미리 결정된 시간은 각 유체 및 그 조성에 좌우된다.
미리 결정된 시간은 유체의 유형을 기초로, 특히 이론적 또는 실증적 수단에 의해 결정될 수 있다. 상응하게, 미리 결정된 시간은 공지된 또는 확인가능한 파라미터이다. 예를 들어, 미리 결정된 시간은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 참조 작업, 예를 들어 목록(lexicon) 또는 표를 사용하여 확인할 수 있다. 대안적으로, 미리 결정된 시간은 계산, 예를 들어 시뮬레이션에 의해 확인할 수 있다.
표적 시간은 0.1 ms 내지 150 ms, 바람직하게는 0.5 ms 내지 75 ms, 보다 바람직하게는 1 ms 내지 50 ms, 가장 바람직하게는 2 ms 내지 25 ms일 수 있다. 표적 시간은 상응하게 채널 내의 유체의 체류 시간에 기반한다. 체류 시간은 채널의 길이와, 표준 조건 하의 채널을 통과하는 유체의 평균 속도의 비로서 규정된다. 표적 시간에 대해 주어진 수치로써, 유체는 어떠한 추가의 가열을 실시할 필요도 없이 바로 하류의 반응 구역에서 요망되는 모드의 화학적 전환의 대부분을 가능케 하는 온도로 단시간 내에 가열됨이 분명하다. 장치는 특히, 유체의 예열을 위해 연속적으로 사용될 수 있다. 이러한 방식으로, 장치에 의해 유체의 전체 화학적 전환을 증가시킬 수 있다.
압력 강하는, 예를 들어, 공정 스트림의 수송을 위해 요구되는 전력 또는 부착된 장치의 강도-관련 설계 및 부가적으로 공정의 작동 비용을 규정하는 중요한 공정 파라미터이다. 특정 적용예에서, 허용되는 압력 강하는 공정 매질의 증기압에 의해 결정된다. 따라서, 예를 들어, 장치 내 가열되는 유체의 상의 변화를 방지하는 것이 유리하다. 또한, 예를 들어, 유체를 액체 형태로 예열기 내로 계량 투입하고, 예열기 내에서 증발을 수행하는 것이 유리하다.
따라서, 허용가능한 압력 강하는 적용-특이적 방식으로만 고정될 수 있다. 그에 따라, 2개의 범위가 명시된다. 제1 범위는 하기 명시된 절대 값들을 포함한다. 장치의 유입구와 유출구 사이의 유체의 압력 차동은 1 mbar 내지 900 mbar, 바람직하게는 1 mbar 내지 500 mbar, 보다 바람직하게는 1 mbar 내지 200 mbar, 가장 바람직하게는 1 mbar 내지 100 mbar일 수 있다. 제2 범위는 공정의 압력 수준에 기반한 하기 명시된 상대적 값들을 포함한다. 장치의 유입구와 유출구 사이의 유체의 압력 차동은 유입구에서의 유체의 절대 압력의 0.1% 내지 50%, 바람직하게는 0.1% 내지 20%, 보다 바람직하게는 0.1% 내지 10%일 수 있다.
최종적으로, 가열체의 치수는 유체 온도의 규정된 표적 온도로의 요구되는 어림셈에 의해 결정된다. 이를 위해서 해당 지수는 가열체에서 달성된 전달 단위 수(number of transfer unit, NTU)이다. NTU의 결정은 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있다 (chapter Ca in VDI-Waermeatlas [VDI Heat Atlas], 9th edition, 2002). NTU는 0.1 내지 100, 바람직하게는 0.2 내지 50, 보다 바람직하게는 0.5 내지 20, 가장 바람직하게는 2 내지 5일 수 있다.
장치에서, 가열체의 채널의 유압 직경은 표적 시간에 기반한다. 다시 말해서, 장치, 특히, 채널의 유압 직경은 표적 시간에 따라 설계/선택된다.
유리하게는, 채널의 유압 직경은 0.1 mm 내지 12 mm, 바람직하게는 0.2 mm 내지 8 mm, 보다 바람직하게는 0.3 mm 내지 4 mm, 특히 0.4 mm 내지 2 mm이다. 유압 직경에 대한 이들 값에 의해, 본 발명의 용도를 위한 가열체 내의 체류 시간을 특히 효율적인 방식으로 조절할 수 있다. 아울러, 이는 달리 채널을 폐색할 수 있는 채널 벽 상의 침착을 방지한다.
유리하게는, 가열체의 유압 직경 대 단일 채널의 유압 직경의 비는 2 내지 1000, 바람직하게는 5 내지 500, 보다 바람직하게는 10 내지 100이다. 유압 직경은 가열체 또는 채널의 단면의 4배와 둘레의 비로서 규정된다 (chapter Ba in VDI-Waermeatlas, 9th edition, 2002).
가열체의 등가의 단면에 기반한 채널의 수는 2 내지 1000개, 바람직하게는 5 내지 500개, 보다 바람직하게는 10 내지 100개이다. 여기서 가열체의 등가의 단면은, 가열체의 유압 직경에 상응하는 직경을 갖는 원의 면적으로서 규정된다.
유동 채널의 총 단면 (자유 단면)은 가열체 단면의 0.1% 내지 50%, 바람직하게는 0.2% 내지 20%, 보다 바람직하게는 0.5% 내지 10%이다.
가열체의 길이는 10 mm 내지 1000 mm, 바람직하게는 30 mm 내지 300 mm이다.
유체는 0.01 m³ (STP)/h 내지 500 m³ (STP)/h, 바람직하게는 0.01 m³ (STP)/h 내지 200 m³ (STP)/h, 보다 바람직하게는 0.01 m³ (STP)/h 내지 100 m³ (STP)/h, 가장 바람직하게는 0.01 m³ (STP)/h 내지 50 m³ (STP)/h의 부피 유속으로 각각의 채널(16)을 통해 유도될 수 있다.
유체는 기체, 특히, 열적으로 안정한 화합물 및/또는 서로 화학적으로 반응하는 2종 이상의 성분을 포함하는 기체일 수 있다. 대안적으로, 유체는 액체, 특히, 열적으로 안정한 화합물 및/또는 서로 화학적으로 반응하는 2종 이상의 성분을 포함하는 액체일 수 있다.
본 발명의 문맥에서, 열적으로 불안정한 화합물은, 특정 환경에서, 특정 온도 초과 및 특정 시간 내에서, 특정 화학적 전환을 달성하여 고체 반응 생성물 (코크스 또는 중합체)을 제공하는 유기 화학적 화합물을 의미하는 것으로 이해된다. 미리 결정된 전환은 열적 파괴 (열분해), 탈수소화, 쇄 중합, 중축합으로 이루어진 군으로부터 선택된 반응에 의해 야기될 수 있다.
본 발명의 문맥에서, 서로 화학적으로 반응하는 성분은, 특정 환경에서, 특정 온도 초과 및 특정 시간 내에서, CO 및/또는 CO2로의 특정 전환을 달성하는 유기 화합물과 산소의 혼합물을 의미하는 것으로 이해된다. 본 발명의 문맥에서, 이는 더 좁은 의미로, 탄화수소 혼합물, 예를 들어 천연 가스, 액화 가스 및 나프타, 이중 결합을 포함하는 화합물, 예컨대 올레핀, 디올레핀을 의미하는 것으로 이해된다. 미리 결정된 전환은 산화 반응에 의해 야기될 수 있다. 환경, 온도, 시간 및 전환에 대한 결정 파라미터는 요망되는 공정 조건 또는 요망되는 기능에 좌우된다. 여기서 반응이 발열성 또는 흡열성인지의 여부는 중요하지 않다.
가열체는 그 둘레 주위로 가열될 수 있다. 여기서 열은 열원으로부터 접촉, 대류, 열 전도 또는 열 복사에 의해 전달될 수 있다.
열원은 전기 저항 가열기, 발열성 화학 반응, 특히 연소, 또는 과열 유체 열 캐리어일 수 있다.
또한, 열은, 예를 들어 전기 저항 가열에 의해 또는 촉매 발열성 반응에 의해 가열체의 둘레에서 직접 발생될 수 있다.
가열체는 그 부피를 가로질러 가열될 수 있다. 여기서 열은 전기 전도성 가열체에서 그의 옴 저항을 통해 또는 와전류의 도입을 통해 발생될 수 있다. 대안적으로, 가열체는, 가열체의 가열을 위해 설계된 그 부피 내에 개재되어 있는 가열 부재를 가질 수 있다. 예를 들어, 이들 가열 부재는 미네랄-단열된 재킷(jacket) 열 전도체 또는 가열 카트리지일 수 있다. 열은 고체 재료의 열전도도로 인해 가열체의 부피를 가로질러 균일하게 분포된다. 그 결과, 블록 내 모세관의 벽에 균일하게 높은 온도가 확립되며, 이는 유체 내로의 열의 도입을 위한 추진력으로서의 기능을 한다. 기체의 가열을 규정하는 특징적인 시간 상수는 계산에 의해 확인할 수 있다.
가열체는 적어도 1종의 금속 및/또는 적어도 1종의 세라믹으로부터 적어도 부분적으로 형성될 수 있다. 금속은 페라이트계 스틸, 오스테나이트계 스틸, 니켈-기반 합금, 알루미늄 합금, 브론즈, 황동, 구리, 은으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소일 수 있다. 세라믹은 Al2O3 (코런덤(corundum)), SiC, 탄소 (흑연), AlN (질화알루미늄)으로 이루어진 군으로부터 선택된 적어도 1종의 원소일 수 있다. 유리하게는, 가열체는 DIN EN 623-2에 따른 개방 다공도가 < 0.3%이다. 이러한 종류의 재료는 양호한 열전도도를 갖는다.
대안적으로, 가열체는, 예를 들어 비결정질 SiO2 (석영 유리) 또는 코디어라이트로 구성된 보다 덜 양호한 열전도도의 재료를 포함할 수 있다. 대안적으로, 가열체는 또한 DIN EN 623-2에 따른 개방 다공도가 0.3% 내지 5%일 수 있다.
원칙적으로, 다층 구조물, 예를 들어, 전해 수단에 의해 니켈-도금된, 은-도금된 또는 금-도금된 구리 블록 또는 삽입 스틸 슬리브(sleeve)를 갖는 구리 블록을 또한 생각할 수 있다. 대안적으로, 가열체는 또한, 2종 이상의 재료로부터 생성된 것일 수 있다 (예를 들어, 가열 부재가 개재되어 있는 스테인레스 스틸의 삽입 부싱(bushing)과 구리로부터 생성된 베이스 물체).
가열체는 예열된 유체의 미리 결정된 반응의 수행을 위한 반응 구획에 연결될 수 있다. 장치 및 반응 구획은 특히 단일체 방식으로 통합될 수 있다. 예열기로서의 기능을 하는 가열체와 반응 구획 사이의 직접적인 연결은 공정 내의 잘 제어된 체류 시간을 촉진한다. 예열기와 반응 구획이 구성 단위를 형성하고, 예를 들어 통상적인 하우징을 가지면, 장치의 기계적 강도 및 신뢰성 및 특히 완전성이 개선된다.
반응 구획은 채널-형상의 구획을 가질 수 있고, 이러한 경우에 본 발명의 장치 및 반응 구획은 채널이 채널-형상의 구획으로 통하도록 형성된다.
채널-형상의 구획은 가열체의 단면적과 본질적으로 동일한 단면적을 가질 수 있다. 그 결과, 반응 구획 형태의 실제 반응 구역 및 가열체 형태의 예열 구역으로 이루어진 전체 공정 구역을 따라 균일한 유동 분포를 달성하는 것이 가능하다. 예를 들어, 가열체의 다발이 통상적인 (특히, 단열) 반응 구역을 공급하는 적용예가 존재한다. 반응 구역의 단면은 개별 가열체의 단면보다 더 크다. 여기서 가열체는, 열과 함께 공급되는 경우, 통상적인 챔버 내에 설치될 수 있다.
채널-형상의 구획은 중공형일 수 있거나, 또는 중실 패킹으로 충전된 것일 수 있다. 중실 패킹은 촉매 활성 또는 촉매 불활성일 수 있고, 그것은 기체-고체 반응을 위한 고체 공반응물(co-reactant) (고체 촉매)을 포함할 수 있다.
미리 결정된 시간 내의 미리 결정된 전환율은 반응 구획에서 결정될 수 있다.
본 발명의 기본 개념은 공정 구역을 2개의 구역, 즉, 예열 구역 및 반응 구역으로 축 분할하는 것이며, 그를 통해 공정 유체가 연속적으로 유동한다. 본 발명에 따르면, 예열 구역은 높은 열용량을 갖는 금속성 또는 세라믹 가열체를 포함하며, 상기 가열체는 종방향으로 실린더형 또는 각기둥형 단면을 갖는 연속적인 직선형 채널들을 갖는다. 채널은 가열되는 유체를 위한 유동 단면을 형성한다. 채널들은 가열체의 단면에 걸쳐 균일하게 또는 불균일하게 분포될 수 있다. 대안적으로, 채널은 블록의 바깥 표면을 따라 홈으로써 만들어질 수 있다. 유동 채널의 총 단면 (자유 단면)은 가열체 단면의 0.1% 내지 50%, 바람직하게는 0.2% 내지 20%, 보다 바람직하게는 0.5% 내지 10%이다. 결론적으로, 가열체의 단면은, 채널이 개재되어 있는 코히런트 고체 매트릭스를 갖는다.
가열체는 그 둘레 주위로 가열될 수 있다. 여기서 열은 열원으로부터 접촉, 대류, 열 전도 및/또는 열 복사에 의해 전달될 수 있다.
열원은 전기 저항 가열기, 발열성 화학 반응, 특히 연소, 또는 과열 유체 열 캐리어일 수 있다.
또한, 열은, 예를 들어 전기 저항 가열에 의해 또는 촉매 발열성 반응에 의해 가열체의 둘레에서 직접 발생될 수 있다.
가열체는 그 부피를 가로질러 가열될 수 있다. 여기서 열은 전기 전도성 가열체에서 그의 옴 저항을 통해 또는 와전류의 도입을 통해 발생될 수 있다. 대안적으로, 가열체는, 가열체의 가열을 위해 설계된 그 부피 내에 개재되어 있는 가열 부재를 가질 수 있다. 예를 들어, 이들 가열 부재는 미네랄-단열된 재킷 열 전도체 또는 가열 카트리지일 수 있다.
열은 고체 재료의 열전도도로 인해 가열체의 부피를 가로질러 균일하게 분포된다. 그 결과, 블록 내 모세관의 벽에 균일하게 높은 온도가 확립된다. 벽 온도와 유체 온도 간의 차이는 유체로의 열의 도입을 위한 추진력으로서의 기능을 한다. 기체의 가열을 규정하는 특징적인 시간 상수는 계산에 의해 확인할 수 있다. 가열체와 유체 간의 열 전달에 대한 시간 상수는 유압 직경을 통해 조절될 수 있다.
가열체는, 그 단면이 가열체의 단면에 대략 상응하는 채널로 끝난다. 상기 채널은 요망되는 화학적 전환이 일어나는 실제 반응 구역이다. 반응 구역의 단면은 비어 있을 수 있거나, 또는 중실 패킹으로 충전된 것일 수 있다. 공정 구역의 공극 함량은 전형적으로 25% 내지 100% 범위이다.
여기서 놀랍게도, 열적으로 불안정한 화합물의 예열 시, 가열체는 유체의 고체 파괴 생성물로부터 형성된 침착물에 의한 채널의 폐색 없이 그 기능을 이행하는 것으로 밝혀졌다. 오히려, 유체에 따라, 실제 공정 구역이 가열체보다 훨씬 더 큰 자유 단면을 가짐에도 불구하고 공정 중에 폐색되는 어떤 경향이 있다. 그러나, 그의 훨씬 더 큰 자유 단면 때문에, 가열체 내의 모세관 채널보다 세정하기가 더 쉽다.
놀랍게도, 서로 화학적으로 반응하는 성분들을 포함하는 유체의 예열 시, 가열체는 채널 내에서 어떠한 비-선택적 반응의 유의한 전환도 일어나지 않고 그 기능을 이행하는 것으로 밝혀졌다. 오히려, 화학적 전환은 거의 반응 구역 내에서 촉매 제어 방식으로만 일어난다. 이와 같은 거동의 긍정적인 부작용은, 공급 채널 내의 발열성 반응, 예를 들어 산화 반응에 대한 점화가 효과적으로 억제된다는 것이다. 그 결과, 예열기는 또한 화염 어레스터(arrester)의 기능을 이행할 수 있다.
아울러, 본 발명의 장치는 또한, 고온 반응기로부터의 생성물 스트림의 켄칭(quenching)을 위한 냉각 구역으로서 적합한 것으로 밝혀졌다. 이와 같은 기능은 특히 흡열성 반응의 경우에 유리하며, 여기서 신속한 냉각은 역반응 및 그에 의해 야기되는 수율의 손실을 효과적으로 억제한다. 게다가, 이와 같은 기능은 열적으로 불안정한 생성물의 경우에 유리하며, 여기서 신속한 냉각은 원치 않는 정반응 및 그에 의해 야기되는 수율의 손실을 효과적으로 억제한다.
본 발명의 이점은 하기 포인트로 요약될 수 있다:
ㆍ 예열 구역에 대한 제조 복잡도가 밀리- 또는 마이크로구조화된 설계에서의 기능상 등가의 해결책에 비해 상당히 더 낮음.
ㆍ 열 전달 기능 및 배리어 기능이 서로 빠르게 커플링되지 않음. 공정 요건에 따라, 그것들은 서로 조합될 수 있거나 또는 서로 탈커플링될 수 있음.
ㆍ 가열체를 간단하고 저렴한 방식으로 제조할 수 있고, 폭넓은 재료의 선택이 가능함. 재료를 열 안정성, 내부식성 및 화학적 부동상태(passivity)에 대한 요건에 따라 또한 선택할 수 있음.
ㆍ 복잡도의 견지에서 필적하는 고체층으로 패킹된 열 전달 튜브와 비교해서, 본 발명의 해결책은 예열기의 단면에 걸쳐 실제로 이상적인 플러그 유동이 달성될 수 있다는 점에서 상이함. 그 결과, 예열 구역 내의 기체의 체류 시간이 정밀하게 설정될 수 있음. 채널의 균일한 비-경사형 유동 단면으로 인해, 침착물의 형성 및 결론적으로 가열체가 폐색되는 경향이 효과적으로 억제됨.
요컨대, 본 발명의 하기 가능한 실시양태가 명백하다:
실시양태 1: 적어도 1종의 유체를 예열하기 위한 장치의 용도이며, 여기서 장치는 중실 가열체를 갖고, 가열체 내에 유체의 통과를 위한 채널이 형성되어 있고, 가열체는 가열가능하고, 가열체는 유체를 표적 시간 내에 표적 온도로 가열하도록 설계되고, 표적 온도는 미리 결정된 시간 내에 미리 결정된 전환율로 유체의 미리 결정된 화학적 전환이 일어나는 적어도 1개의 온도이고, 표적 시간은 미리 결정된 시간보다 더 짧고, 유체의 예열을 위한 가열체는 표적 온도로 가열되고, 유체는 표적 시간 내에 채널을 통해 유도되는 것인 용도.
실시양태 2: 미리 결정된 시간이 유체의 속성을 기초로 결정되는 것인, 실시양태 1에 따른 용도.
실시양태 3: 미리 결정된 시간이 유체의 속성을 기초로 이론적으로 또는 실증적으로 결정되는 것인, 실시양태 2에 따른 용도.
실시양태 4: 장치가 가열체의 온도의 제어를 위한 폐쇄형-루프 제어 시스템을 추가로 포함하고, 표적 온도가 폐쇄형-루프 제어 시스템 내의 표적 값인, 실시양태 1 내지 3 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 5: 가열체의 채널의 유압 직경이 표적 시간에 기반한 것인, 실시양태 1 내지 4 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 6: 미리 결정된 시간 내에 미리 결정된 전환율로 유체의 미리 결정된 반응이 일어나는 온도와 표적 온도 간의 차이가 -200 K 내지 +200 K, 바람직하게는 -100 K 내지 +100 K인, 실시양태 1 내지 5 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 7: 표적 시간이 0.1 ms 내지 150 ms, 바람직하게는 0.5 ms 내지 75 ms, 보다 바람직하게는 1 ms 내지 50 ms, 가장 바람직하게는 2 ms 내지 25 ms인, 실시양태 1 내지 6 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 8: 표적 시간이 채널의 길이와, 표준 조건 하의 채널 내 유체의 평균 속도의 비로서 규정되는 것인, 실시양태 7에 따른 용도.
실시양태 9: 장치가 유체의 예열을 위해 연속적으로 사용되는 것인, 실시양태 1 내지 8 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 10: 장치의 유입구와 유출구 간의 유체의 압력 차동이 1 mbar 내지 900 mbar, 바람직하게는 1 mbar 내지 500 mbar, 보다 바람직하게는 1 mbar 내지 200 mbar, 가장 바람직하게는 1 mbar 내지 100 mbar인, 실시양태 1 내지 9 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 11: 장치의 유입구와 유출구 간의 유체의 압력 차동이 유입구에서의 유체의 절대 압력의 0.1% 내지 50%, 바람직하게는 0.1% 내지 20%, 보다 바람직하게는 0.1% 내지 10%인, 실시양태 1 내지 9 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 12: 유체가 0.01 m³ (STP)/h 내지 500 m³ (STP)/h, 바람직하게는 0.02 m³ (STP)/h 내지 200 m³ (STP)/h, 보다 바람직하게는 0.05 m³ (STP)/h 내지 100 m³ (STP)/h, 가장 바람직하게는 0.1 m3 (STP)/h 내지 50 m3 (STP)/h의 부피 유속으로 각각의 채널을 통해 유도되는 것인, 실시양태 1 내지 11 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 13: 유체가 기체, 특히, 1종 이상의 열적으로 불안정한 화합물 및/또는 서로 화학적으로 반응하는 2종 이상의 성분을 포함하는 기체인, 실시양태 1 내지 12 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 14: 미리 결정된 반응이 열적 파괴, 탈수소화 및 산화로 이루어진 군으로부터 선택된 반응인, 실시양태 1 내지 13 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 15: 가열체가 100℃ 내지 1600℃, 바람직하게는 400℃ 내지 1400℃, 바람직하게는 700℃ 내지 1300℃의 온도로 가열되는 것인, 실시양태 1 내지 14 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 16: 가열체가 직접적으로 또는 간접적으로 가열되는 것인, 실시양태 1 내지 15 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 17: 채널이 종방향 연장의 방향으로 직선으로 연장되어 있는 것인, 실시양태 1 내지 16 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 18: 채널들이 서로 평행한 것인, 실시양태 1 내지 17 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 19: 가열체가 실린더형, 특히 원기둥형 또는 각기둥형인, 실시양태 1 내지 18 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 20: 채널이 실린더 축에 대해 평행한 것인, 실시양태 19에 따른 용도.
실시양태 21: 가열체가 종축을 갖고, 채널들이 종축에 대해 수직으로 가열체의 단면에 걸쳐 균일하게 분포된 것인, 실시양태 1 내지 20 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 22: 가열체가 구조화된 외측 쉘을 갖고, 채널이 적어도 부분적으로 외측 쉘 내의 홈의 형태를 취하는 것인, 실시양태 1 내지 21 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 23: 가열체의 단면적을 기준으로 한 채널의 자유 단면의 총합이 0.1% 내지 50%, 바람직하게는 0.2% 내지 20%, 보다 바람직하게는 0.5% 내지 10%인, 실시양태 1 내지 22 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 24: 채널이 실린더형, 특히 원기둥형 또는 각기둥형인, 실시양태 1 내지 23 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 25: 가열체가 적어도 1종의 금속 및/또는 적어도 1종의 세라믹으로부터 적어도 부분적으로 형성된 것인, 실시양태 1 내지 24 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 26: 채널이 0.1 mm 내지 12.0 mm, 바람직하게는 0.2 mm 내지 8 mm, 보다 바람직하게는 0.3 mm 내지 4 mm, 특히 0.4 mm 내지 2 mm의 직경을 갖는 것인, 실시양태 1 내지 25 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 27: 가열체가 예열된 유체의 미리 결정된 반응의 수행을 위한 반응 구획에 연결되는 것인, 실시양태 1 내지 26 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 28: 장치 및 반응 구획이 특히 단일체 방식으로 통합된 것인, 실시양태 27에 따른 용도.
실시양태 29: 반응 구획이 채널 구획을 갖고, 장치 및 반응 구획은 채널이 채널 구획으로 통하도록 형성된 것인, 실시양태 27 및 28 중 어느 하나에 따른 용도.
실시양태 30: 채널 구획이 가열체의 단면적과 본질적으로 동일한 단면적을 갖는 것인, 실시양태 29에 따른 용도.
실시양태 31: 채널 구획이 중공형이거나 또는 중실 패킹으로 충전된 것인, 실시양태 29 또는 30에 따른 용도.
실시양태 32: 미리 결정된 시간 내의 미리 결정된 전환율이 반응 구획에서 결정된 것인, 실시양태 27 내지 31 중 어느 하나에 따른 용도.
본 발명의 추가의 임의적 설명 및 특징은 뒤따르는 바람직한 작업 실시예에 대한 기재로부터 명백할 것이며, 이들은 도면에 개략적인 형태로 나타나 있다.
도면은 다음을 나타낸다:
도 1: 본 발명의 장치 내의 상들의 비율 (면적 기준)에 대한 개략도,
도 2: 기하학적 특징에 따라 정리된 본 발명의 장치의 가능한 단면에 대한 모음,
도 3: 본 발명의 제1 실시양태에서의 장치의 배면도(rear view),
도 4: 도 3 내 라인 A-A를 따른 단면도,
도 5: 본 발명의 제2 실시양태에서의 장치의 배면도,
도 6: 도 5 내 라인 A-A를 따른 단면도,
도 7: 가열 블록의 단면이 반응 구역의 단면과 대략 동일한, 온도조절된 반응 구역을 갖는 반응기, 및
도 8: 가열 블록의 단면이 반응 구역의 단면보다 유의하게 더 작은, 단열 반응 구역을 갖는 반응기.
도 1은, 본 발명의 제1 실시양태에서의 적어도 1종의 유체의 예열을 위한 본 발명에 따른 장치(10) 내의 상들의 비율 (면적 기준)에 대한 개략도를 나타낸다. 장치(10)는 중실 가열체(12)를 갖는다. 가열체(12)는 적어도 1종의 금속 및/또는 적어도 1종의 세라믹으로부터 적어도 부분적으로 형성된다. 예를 들어, 가열체(12)는 α-알루미나 (코런덤)로부터 제조된다. 가열체(12)는 실린더형, 특히 원기둥형이다. 상응하게, 가열체(12)는 원형 단면을 갖는다. 대안적으로, 가열체(12)는 각기둥형이거나 또는 기하학적으로 불규칙할 수 있고, 즉, 이하 보다 상세히 기재된 바와 같이, 임의의 형상의 단면을 가질 수 있다. 상응하게, 가열체(12)의 형상은, 그를 따라 가열체(12)가 연장되어 있는 종축(14)을 규정한다. 나타낸 예에서, 가열체(12)는 가열 챔버(15)에 의해 완전히 에워싸여 있다. 채널(16)은 가열체(12) 내에 형성된다. 채널(16)은 가열되는 유체의 통과를 위해 설계된다. 채널(16)은, 예를 들어, 가열체(12)의 고체 재료 내 구멍으로서 설계된다. 가열체(12)는 가열가능하다. 가열체(12)는 특히 직접적으로 또는 간접적으로 가열가능하다. 예를 들어, 가열체 자체가 채널(16) 내 유체를 전기적으로 가열하는 가열 부재로서 설계될 수 있다. 나타낸 예에서, 가열체(12)는 가열 챔버(15)에 의해 완전히 에워싸여 있고, 그로부터 불투과성 접합부(17)에 의해 분리되어 있다. 열 전도에 의해, 작동 시에, 열은 가열 챔버(15)에서부터 가열체(12)에 이어 채널(16) 및 그 안에 존재하는 유체까지 전달된다.
도 2는 기하학적 특징에 따라 정리된 본 발명의 장치(10)의 가능한 단면에 대한 모음을 나타낸다. 도 2에는 좌측에, 규칙적 형상을 갖는 가능한 단면들이 나타나 있고, 우측에, 불규칙적 형상을 갖는 가능한 단면들이 나타나 있다. 나타낸 규칙적 형상은 원형, 둥근 모서리를 갖는 직사각형, 및 별-모양이다. 불규칙적 형상의 경우, 모든 기술적으로 구현가능한 형상, 특히, 라운딩(rounding)을 갖는 임의의 요망되는 형상이 가능하다.
도 3은 본 발명의 제1 실시양태에서의 장치의 배면도를 나타낸다. 도 4는 도 3 내 라인 A-A를 따른 단면도를 나타낸다. 채널(16)은 종방향 연장(18)의 방향으로 직선으로 연장되어 있다. 여기서 채널들(16)은 서로 평행하다. 채널(16)은 종축(14)에 대해 평행하다. 채널(16)은, 특히 종축(14)에 수직인 가열체(12)의 단면의 경우 불규칙적으로 분포되어 있다. 채널(16)은 실린더형, 특히 원기둥형이다. 대안적으로, 채널(16)은 각기둥형일 수 있다. 대안적으로, 가열체(12)는 구조화된 외측 쉘을 가질 수 있으며, 이러한 경우에 채널(16)은 적어도 부분적으로 외측 쉘 내의 홈의 형태를 취한다.
유리하게는, 채널의 유압 직경은 0.1 mm 내지 12 mm, 바람직하게는 0.2 mm 내지 8 mm, 보다 바람직하게는 0.3 mm 내지 4 mm, 특히 0.4 mm 내지 2 mm이다. 이들 유압 직경에 대한 값으로, 본 발명의 용도를 위한 가열체 내의 체류 시간을 특히 효율적인 방식으로 조절할 수 있다. 아울러, 이는 달리 채널을 폐색할 수 있는 채널 벽 상의 침착을 방지한다.
유리하게는, 가열체의 유압 직경 대 채널의 유압 직경의 비는 2 내지 1000, 바람직하게는 5 내지 500, 보다 바람직하게는 10 내지 100이다. 유압 직경은 가열체 또는 채널의 단면의 4배와 둘레의 비로서 규정된다 (chapter Ba in VDI-Waermeatlas, 9th edition, 2002).
가열체의 등가의 단면에 기반한 채널의 수는 2 내지 1000개, 바람직하게는 5 내지 500개, 보다 바람직하게는 10 내지 100개이다. 여기서 가열체의 등가의 단면은, 가열체의 유압 직경에 사응하는 직경을 갖는 원의 면적으로서 규정된다.
유동 채널의 총 단면 (자유 단면)은 가열체 단면의 0.1% 내지 50%, 바람직하게는 0.2% 내지 20%, 보다 바람직하게는 0.5% 내지 10%이다.
가열체의 길이는 10 mm 내지 1000 mm, 바람직하게는 30 mm 내지 300 mm이다. 유체는 기체, 특히, 1종 이상의 열적으로 불안정한 화합물 및/또는 서로 화학적으로 반응하는 2종 이상의 성분을 포함하는 기체 혼합물일 수 있다. 장치(10)는 특히 유체의 연속 예열을 위해 사용될 수 있다. 가열체(12)는 특히 유체를 표적 시간 내에 표적 온도로 가열하도록 설계된다. 표적 온도는 적어도, 미리 결정된 시간 내에 미리 결정된 전환율로 유체의 미리 결정된 화학적 전환이 일어나는 온도이다. 여기서 표적 시간은 미리 결정된 시간보다 더 짧다. 이어서, 유체의 예열을 위한 가열체(12)가 표적 온도로 가열되고, 유체는 표적 시간 내에 채널(16)을 통과한다. 미리 결정된 시간은, 이하 보다 상세히 기재된 바와 같이, 유체의 속성을 기초로 결정된다. 예를 들면, 미리 결정된 시간은 유체의 속성을 기초로 이론적으로 또는 실증적으로 결정될 수 있다. 예를 들어, 미리 결정된 시간은 시뮬레이션에 의해 확인할 수 있다. 대안적으로, 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지된 표준 소프트웨어가 존재하며, 그에 의해 유체의 전환을 결정할 수 있다 (Kee, R. J., Miller, J. A., & Jefferson, T. H. (1980). CHEMKIN: A general-purpose, problem-independent, transportable, FORTRAN chemical kinetics code package. Sandia Labs).
장치(10)는 또한 가열체(12)의 온도의 제어를 위한 폐쇄형-루프 제어 시스템(20)을 가질 수 있다. 여기서 표적 온도는 폐쇄형-루프 제어 시스템(20) 내의 표적 온도일 수 있다. 여기서 가열체(12)의 채널(16)의 유압 직경은 표적 시간에 기반한다. 미리 결정된 시간 내에 유체의 미리 결정된 전환이 일어나는 온도와 표적 온도 간의 차이는 -200 K 내지 +200 K, 바람직하게는 -100 K 내지 +100 K일 수 있다. 표적 시간은 0.1 ms 내지 150 ms, 바람직하게는 0.5 ms 내지 75 ms, 보다 바람직하게는 1 ms 내지 50 ms, 가장 바람직하게는 2 ms 내지 25 ms일 수 있다. 표적 시간은 상응하게 채널 내의 유체의 체류 시간에 기반한다. 체류 시간은 채널의 길이와, 표준 조건 하의 채널을 통과하는 유체의 평균 속도의 비로서 규정된다. 장치(10)의 유입구(22)와 유출구(24) 간의 유체의 압력 차동은 1 mbar 내지 900 mbar, 바람직하게는 1 mbar 내지 500 mbar, 보다 바람직하게는 1 mbar 내지 200 mbar, 가장 바람직하게는 1 mbar 내지 100 mbar일 수 있다. 장치(10)의 유입구(22)와 유출구(24) 간의 유체의 압력 차동은 유입구(22)에서의 유체의 절대 압력의 0.1% 내지 50%, 바람직하게는 0.1% 내지 20%, 보다 바람직하게는 0.1% 내지 10%일 수 있다. 일반적으로, 유체는 0.01 m³ (STP)/h 내지 500 m³ (STP)/h, 바람직하게는 0.01 m³ (STP)/h 내지 200 m³ (STP)/h, 보다 바람직하게는 0.01 m³ (STP)/h 내지 100 m³ (STP)/h, 가장 바람직하게는 0.01 m³ (STP)/h 내지 50 m³ (STP)/h의 부피 유속으로 각각의 채널(16)을 통해 유도될 수 있다. 여기서 미리 결정된 전환은 열적 파괴, 탈수소화 반응, 및 선택적 불균질 촉매 산화로 이루어진 군으로부터 선택된 반응일 수 있다. 가열체(12)는 100 내지 1600℃, 바람직하게는 400 내지 1400℃, 보다 바람직하게는 700 내지 1300℃의 온도로 가열된다.
가열체(12)는 예열된 유체의 미리 결정된 전환의 수행을 위해 반응 구획(26)에 연결될 수 있다. 장치(10) 및 반응 구획(26)은 특히 단일체 방식으로 통합될 수 있다. 반응 구획은 채널 구획(28)을 가질 수 있다. 장치(10) 및 반응 구획(26)은 채널(16)이 채널 구획(28)으로 통하도록 설계될 수 있다. 여기서 채널 구획(28)은 가열체(12)의 단면적과 본질적으로 동일한 단면적을 가질 수 있다. 채널 구획(28)은 중공형일 수 있다. 대안적으로, 채널 구획(28)은 중실 패킹으로 충전될 수 있다. 미리 결정된 시간 내의 미리 결정된 전환율은 반응 구획에서 결정된다. 도 2 내 다이어그램에 기반하여, 유체는 채널(16)을 통해 우측에서 좌측으로 유동한다.
가열체(12)의 설계는 하기 관계식에 기반한다:
Figure pct00001
여기서 부호의 의미는 다음과 같다:
τhex [s]: 가열체(12) 내의 유체 스트림의 체류 시간. 체류 시간은 채널(16)의 부피와, 채널(16)을 통과해 유동하는 표준 부피 유속의 비로서 규정됨.
NTU: 가열체(12)에서 구현되어야 하는 전달 단위 수 (NTU). NTU의 결정은 예를 들어 문헌[chapter Ca in VDI-Waermeatlas, 9th edition, 2002]로부터 관련 기술분야의 통상의 기술자에게 공지되어 있음.
Nu: 채널(16) 내 열 전달에 대한 누셀트(Nusselt) 수. Nu는 주로 유동 형태에 좌우됨. 본 경우에, 일반적으로, 좁은 모세관 채널(16) 내의 층류가 존재함. 이와 같은 경우, Nu = 3.66임.
Figure pct00002
: 유체 스트림의 비열전도도(specific thermal conductivity):
Figure pct00003
. α는 물리적 파라미터임.
Figure pct00004
: 유체의 밀도.
Figure pct00005
: 일정한 압력에서의 유체의 비열용량(specific heat capacity).
Figure pct00006
: 유체의 열전도도 계수.
Figure pct00007
: 채널(16)의 유압 직경.
가열체(12)의 길이 Lhex는 하기 관계식을 사용하여 결정될 수 있다:
Figure pct00008
이 방정식에서, υN은 채널(16) 내의 평균 공탑 속도를 의미한다. υN은 채널(16)을 통과해 유동하는 표준 부피 유속과, 채널(16)의 단면의 비로서 규정된다. Lhex 및 υN은 가열체(12)의 1차 목적을 위한 자유 파라미터이다. 사실상, 그것들은 2차 조건에 의해 규정된다. 이러한 2차 조건은 설치 길이, 압력 강하, 유속일 수 있다. Lhex와 유효 설치 길이 간의 상관관계는 명백하다. 압력 강하는, 예를 들어, 공정 스트림의 수송을 위해 요구되는 전력 또는 장치의 강도-관련 설계를 규정하는 중요한 공정 파라미터이다. 특정 적용예에서, 허용되는 압력 강하는 공정 매질의 증기압에 의해 결정된다. 예를 들어, 가열체(12) 내의 어떠한 상의 변화도 방지하는 것이 유리하다. 따라서, 허용가능한 압력 강하는 적용-특이적 방식으로만 고정될 수 있다. 따라서, 2개의 범위가 명시된다. 하나는 절대 값들을 포함하고; 다른 하나는 공정의 압력 수준에 기반한 상대적 값들을 포함한다. 주어진 압력 강하에 있어서, 유속은 하기 관계식으로부터 계산된다:
Figure pct00009
식 중,
△p: 예열기를 가로지르는 압력 강하.
λeff: 모세관의 압력 강하 계수. λeff는 유동 형태에 좌우됨. 층류의 경우: λeff = 64임.
Pr: 프란틀(Prandtl) 수 (물질 값).
ρN: 표준 조건 하의 밀도 (T = 273 K, p = 1.0135 bar에서의 물질 값).
TN: DIN 1945에 따른 표준 조건 하의 온도 (273 K).
Tavg: 예열기를 따른 평균 유체 온도.
pN: DIN 1945에 따른 표준 조건 하의 절대 압력 (1.0135 bar).
pavg: 예열기를 따른 평균 압력.
모세관 내의 층류의 경우:
Figure pct00010
유속에 대한 상한이 존재한다. 예를 들어, 그것은 음속보다 낮아야 한다. 또한, 모세관으로부터의 출구 상의 제트(jet)의 배압은 제한되어야 한다.
유체 스트림이 채널(16) 내에서 흡수하는 전력
Figure pct00011
는 하기 관계식을 사용하여 결정될 수 있다:
Figure pct00012
식 중,
Figure pct00013
: 표준 조건 하의 몰 부피
Figure pct00014
.
Figure pct00015
: 유체의 평균 몰 열용량.
Figure pct00016
: 가열체(12) 내에서 유체 스트림을 가열하는 온도 차동
Figure pct00017
(대략:
Figure pct00018
).
가열체(12)가 소비해야 하는 총 전력은 다음과 같이 계산된다:
Figure pct00019
식 중,
ε: 가열체(12)의 자유 단면 (가열체(12)의 단면에 기반한 채널(16)의 총 단면적).
D: 가열체(12)와 동일한 면적의 원의 직경.
가열체(12) 내의 평균 부피-기반 열 유동 밀도는 다음과 같이 계산되고:
Figure pct00020
치환 후:
Figure pct00021
열이 가열체(12)의 바깥면을 통해 전부 도입되는 경우, 바깥면 내의 면적-기반 열 유동 밀도는 다음과 같다:
Figure pct00022
Figure pct00023
및
Figure pct00024
를 사용하면, 자유도 ε 및 D에 대한 값 범위를 수득하는 것이 가능하다. 이어서, 부피 유속은 다른 파라미터들로부터 계산된다.
상기 언급된 파라미터들에 대한 가능한 값 범위는 하기 표 1에 열거되어 있다.
<표 1>
Figure pct00025
표 1 내의 파라미터는 다음을 의미한다:
{u/l}l: 상한/하한,
{u/l}lp: 바람직한 상한/하한,
{u/l}lpp: 특히 바람직한 상한/하한, 및
{u/l}lvpp: 매우 특히 바람직한 상한/하한.
도 5는 본 발명의 제2 실시양태에서의 유체의 예열을 위한 장치(10)의 배면도를 나타낸다. 도 6은 도 5 내 라인 A-A를 따른 단면도를 나타낸다. 이전 실시양태로부터의 차이만을 이하에 기재하며, 동일한 구성요소에는 동일한 도면 부호가 주어져 있다. 제2 실시양태의 장치(10)에서, 가열체(12)는, 제1 실시양태로부터의 가열체(12)와 비교하여, 종방향 연장의 방향(18)으로 더 짧은 길이를 갖는다. 또한, 채널(16)은 가열체(12)의 단면에 걸쳐 더 치밀하게 분포되어 있는데, 이는 채널들이 가열체(12)의 외측 원주면에 가깝게 연장되어 있음을 의미한다. 도 6 내 다이어그램에 기반하여, 유체는 채널(16)을 통해 상단으로부터 하향 유동한다.
본원에 기재된 장치는 상기한 실시양태 또는 형상으로 제한되지 않음을 명백히 강조한다. 상기한 실시양태들은 단지 장치(10)의 가능한 구성에 대한 선택이다. 본 발명에 따른 장치(10) 및 그의 용도는 뒤따르는 실시예로 예시될 것이다. 본원에 기재된 장치(10)는 하기 기재된 작업 실시예의 예열로 제한되지 않음을 명백히 강조한다. 이하 설명된 작업 실시예는 단지 본 발명에 따른 장치(10)로 예열될 수 있는 가능한 유체에 대한 선택이다.
도 7은 온도조절된 반응 구역(32)을 갖는 반응기(30)이며, 여기서 가열체(12)의 단면은 반응 구역(32)의 단면과 대략 동일하다. 반응기(30)의 예열 구역(34) 및 인접한 반응기 구역(32) 내의 다수의 가열체(12)에 대한 배열이 나타나 있다. 가열체(12)는 열 전달자 튜브 내로 삽입되어 있다. 가열되는 유체는 공급물(36)을 통해 예열 구역(34)에 이어 가열체(12)로 보내져 예열된 다음, 반응 구역(32) 내로 보내지며, 여기서 중실 패킹을 갖는 반응 튜브(38) 내에서 유체의 실제 전환이 일어나고, 유출구(40)를 통해 반응기(30)를 이탈한다. 유체의 예열을 위해, 예열 구역(34)은 가열 매체를 위한 공급물(42) 및 가열 매체를 위한 유출구(44)를 갖는다. 유사하게, 반응 구역(32)은 가열 매체를 위한 공급물(46) 및 가열 매체를 위한 유출구(48)를 갖는다.
도 8은 단열 반응 구역(32)을 갖는 반응기(30)를 나타내며, 여기서 가열체(12)의 단면은 반응 구역(32)의 단면보다 유의하게 더 작다. 도 7의 반응기로부터의 차이는, 공급물(46) 및 유출구(48)가 또한 불필요하도록, 다수의 반응 튜브(38)가 아닌 중실 패킹(50)을 갖는 반응 구역(32)에서 볼 수 있다.
실시예 1:
실시예 1은 도 4 및 5 내의 장치(10)의 제1 실시양태를 참조하여 기재한다. 유체는 메탄이다. 미리 결정된 시간은 유체의 속성에 따라 확인된다. 이 유체에는 수소 및 열분해 탄소로의 전환이 적용될 것이다. 전환은 1200℃의 미리 결정된 온도에서 일어난다. 온도조절된 유동 반응기 내에서의 반응 구획(26) 내의 측정을 사용하여 1.2 s의 미리 결정된 기간 내의 73.59%의 미리 결정된 상대적 전환율을 확인할 수 있다.
메탄의 상대적 전환율은 하기와 같이 규정된다:
Figure pct00026
식 중,
Figure pct00027
: 반응 구역의 유출구에서의 메탄의 몰 유속.
Figure pct00028
: 반응 구역으로의 공급물 중의 메탄의 몰 유속.
특정 경우에, 상대적 전환율은 순수하게 농도 측정으로부터 결정될 수 있다:
Figure pct00029
식 중,
Figure pct00030
: 반응 구역으로부터의 출구에서의 메탄, 에틸렌, 벤젠 성분의 몰분율.
Figure pct00031
: 반응 구역으로의 공급물 중의 메탄의 몰분율.
명시된 성분의 몰분율은 푸리에(Fourier) 변환 적외선 분광계 (Fourier transformation infrared spectrometer; FTIR)를 사용하여 측정된다.
반응의 수행에 있어서 미리 결정된 시간은 하기와 같이 규정된다:
Figure pct00032
식 중,
εrx: 반응 구역 내의 중실 패킹의 공극 함량. 적합한 측정 방법은 다음 공개물에 기재되어 있음: Ridgway, K., and K. J. Tarbuck. "Radial voidage variation in randomly-packed beds of spheres of different sizes." Journal of Pharmacy and Pharmacology 18.S1 (1966): 168S-175S.
Drx, Lrx: 반응 구역의 직경 및 길이.
Figure pct00033
: 유동 반응기로의 공급물에서의 표준 부피 유속. 적합한 측정 방법은 열질량 유동 계량임.
Trx: 반응 구역 내의 미리 결정된 온도.
TN: DIN 1945에 따른 표준 조건 하의 온도 (273.15 K).
p공급물: 반응 구역으로의 공급물에서의 절대 압력.
pN: DIN 1945에 따른 표준 조건 하의 절대 압력 (1.0135 bar).
미리 결정된 메탄 전환에서, 하기 생성물 수율이 달성된다:
Figure pct00034
열분해 탄소는 표적 생성물이고, 탄화수소 C2H2, C2H4 및 C6H6은 열분해 시의 중간체이다.
따라서, 예열에 있어서, 요망되는 반응 온도 또는 미리 결정된 온도에 기반하여 1200℃의 표적 온도가 확인된다. 가열체(12)로부터의 출구(24)에서 측정 시 가열체(12)에서 일어나도록 허용되는 허용가능한 상대적 예비 전환율은 5% 미만이어야 한다. 예비 전환율에 대한 값은 자유롭게 규정된다. 상기 명세사항의 목적은 예열 구역의 말단부, 즉, 가열체(12)로부터의 출구(24)에서 유의한 전환이 일어나지 않는 것이다. 경험에 기반하여, 합리적인 역치 값은 5%의 전환율로 고정된다. 이 값은 기체 상 조성물의 분석 시 탄소 밸런스(carbon balance)의 정확도에 의해 유도된다. 유체는 50 ms 미만의 표적 시간 내에 상기 표적 온도로 가열되어야 한다. 표적 시간에 대한 값은 GRI-3.0 메커니즘을 사용하여 1200℃에서 이상적인 튜브형 반응기 내에서 메탄의 균일한 파괴에 대한 시뮬레이션에 의해 확인된다 (http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/). 명시된 값은 메탄 전환율이 5%보다 훨씬 더 작은 체류 시간에 상응한다. 여기서 "훨씬 더 작은"이란, 기록된 값이 5% 전환율이 이론적으로 달성되는 시간 간격의 약 1/5에 상응함을 의미한다. 표적 값으로부터의 편차는 10 K 미만이어야 한다. 따라서, 이 표적 시간 내에, 유체는 가열체(12)의 채널(16)을 통해 유도되어야 한다. 본 작업 실시예에서, 가열체(12)는 16개의 채널(16)의 수를 갖는다. 채널(16)의 수는 뒤따르는 것들을 비롯한 표적 파라미터들에 의해 결정된다.
가열체(12)의 길이는 제1 시험 구역에 대한 구성 사항에 의해 200 mm로 고정된다. 최대 처리량은 1 m3 (STP)/h이다. 다음 설계 사항이 달성될 것이다: NTU 5 이상, 가열체(12) 내 압력 강하 10 mbar 미만 (가열체(12)로부터의 출구(22)에서 1.15 bar의 유체 절대 압력의 약 1%에 상응함), 체류 시간 10 ms 미만.
가열체(12)는 18 cm2의 단면적을 갖는다. 표적 시간에 기반하여, 각 채널(16)의 유압 직경 1.2 mm가 확인된다. 유체는 92.6 L (STP)/h의 부피 유속으로 각 채널(16)을 통해 유도된다. 이는 22.75 m/s의 평균 속도 (표준 조건 하의 이론적 값)를 초래한다.
실시예 2:
실시예 2는 도 6 및 7 내의 장치(10)의 제2 실시양태를 참조하여 기재한다. 유체는 메탄이다. 미리 결정된 시간은 유체의 속성에 따라 결정된다. 이 유체에는 수소 및 열분해 탄소로의 전환이 적용될 것이다. 실시예 1로부터 진행하여, 실시예 2에서는 열분해 탄소의 수율을 증가시키고 중간체를 제거하기 위해, 열분해 반응을 위해 더 높은 반응 속도를 달성해야 한다. 이를 위해서, 유리하게는, 반응 온도를 상승시키고, 반응 구획(26) 내의 체류 시간을 연장시킨다. 전환은 통상 1400℃의 미리 결정된 온도에서 일어난다. 반응 구획(26) 내의 측정을 사용하여 2.4 s의 미리 결정된 기간 내에 99.5%보다 더 높은 미리 결정된 상대적 전환율을 확인할 수 있다.
미리 결정된 메탄 전환에서, 하기 생성물 수율이 달성된다:
Figure pct00035
따라서, 요망되는 반응 온도 또는 미리 결정된 온도에 기반하여 1400℃의 표적 온도가 확인된다. 유체는 2 ms 미만의 표적 시간 내에 상기 표적 온도로 가열되어야 한다. 표적 값으로부터의 편차는 10 K 미만이어야 한다. 따라서, 이 표적 시간 내에, 유체는 가열체(12)의 채널(16)을 통해 유도되어야 한다. 본 작업 실시예에서, 가열체(12)는 44개의 채널(16)의 수를 갖는다. 채널(16)의 수는 뒤따르는 것들을 비롯한 표적 파라미터들에 의해 결정된다. 가열체(12)의 길이는 제2 시험 구역의 구성 사항에 의해 35 mm로 고정된다. 채널들(16)은 가열체(12)의 단면에 걸쳐 균일하게 분포된다. 최대 처리량은 0.5 m3 (STP)/h이다. 다음 설계 사항이 달성될 것이다: NTU 5 이상, 가열체(12) 내 압력 강하 10 mbar 미만 (가열체(12)로부터의 출구(22)에서 1.15 bar의 유체 절대 압력의 약 1%에 상응함), 체류 시간 1 ms 미만.
가열체(12)는 18 cm2의 단면적을 갖는다. 표적 시간에 기반하여, 0.5 mm의 유압 직경이 확인된다. 공정-관련 이유로, 유체는 11.5 L (STP)/h의 부피 유속으로 각 채널(16)을 통해 유도된다. 이는 16 m/s의 평균 속도 (표준 조건 하의 이론적 값)를 초래한다. 유체를 이들 파라미터를 사용하여 표적 시간 내에 표적 온도로 가열하기 위해, 가열체(12)를 폐쇄형-루프 제어 하에 1400℃의 온도로 가열한다.
상기 기재된 각각의 실시예 1 및 2에서, 채널들을 장치(10)에 대한 8시간의 작동 후 침착 또는 폐색에 대해 검사하였다. 장치(10)의 작동에 악영향을 미치는 유의한 침착이 발견되지 않았다. 이로써, 본 발명에 따른 장치(10) 및 그의 용도에 의해, 유체, 특히 열적으로 민감한 유기 화합물이 통상의 장치에 비해 훨씬 더 짧은 시간 내에 예열될 수 있는 동시에, 사용 수명이 통상의 장치에 비해 연장될 수 있음이 분명하다.
10 장치
12 가열체
14 종축
16 채널
18 종방향 연장의 방향
20 폐쇄형-루프 제어 시스템
22 유입구
24 유출구
26 반응 구획
28 채널 구획
30 플랜지

Claims (17)

  1. 적어도 1종의 유체를 예열하기 위한 장치(10)의 용도이며, 여기서 장치(10)는 중실 가열체(heating body)(12)를 갖고, 가열체(12) 내에 유체의 통과를 위한 채널(16)이 형성되어 있고, 가열체(12)는 가열가능하고, 가열체(12)는 유체를 표적 시간 내에 표적 온도로 가열하도록 설계되고, 표적 온도는 미리 결정된 시간 내에 미리 결정된 전환율로 유체의 미리 결정된 화학적 전환이 일어나는 적어도 1개의 온도이고, 표적 시간은 미리 결정된 시간보다 더 짧고, 유체의 예열을 위한 가열체(12)는 표적 온도로 가열되고, 유체는 표적 시간 내에 채널(16)을 통해 유도되는 것인 용도.
  2. 제1항에 있어서, 미리 결정된 시간 내에 미리 결정된 전환율로 유체의 미리 결정된 반응이 일어나는 온도와 표적 온도 간의 차이가 -200 K 내지 +200 K, 바람직하게는 -100 K 내지 +100 K인 용도.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 표적 시간이 0.1 ms 내지 150 ms, 바람직하게는 0.5 ms 내지 75 ms, 보다 바람직하게는 1 ms 내지 50 ms, 가장 바람직하게는 2 ms 내지 25 ms인 용도.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 유체가 0.01 m³ (STP)/h 내지 500 m³ (STP)/h, 바람직하게는 0.02 m³ (STP)/h 내지 200 m³ (STP)/h, 보다 바람직하게는 0.05 m³ (STP)/h 내지 100 m³ (STP)/h, 가장 바람직하게는 0.1 m3 (STP)/h 내지 50 m3 (STP)/h의 부피 유속으로 각각의 채널(16)을 통해 유도되는 것인 용도.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 유체가 기체, 특히, 1종 이상의 열적으로 불안정한 화합물 및/또는 서로 화학적으로 반응하는 2종 이상의 성분을 포함하는 기체인 용도.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 미리 결정된 반응이 열적 파괴, 탈수소화 및 산화로 이루어진 군으로부터 선택된 반응인 용도.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 가열체(12)가 100℃ 내지 1600℃, 바람직하게는 400℃ 내지 1400℃, 바람직하게는 700℃ 내지 1300℃의 온도로 가열되는 것인 용도.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 가열체(12)가 직접적으로 또는 간접적으로 가열되는 것인 용도.
  9. 제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 채널(16)이 종방향 연장의 방향으로 직선으로 연장되어 있는 것인 용도.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 채널들(16)이 서로 평행한 것인 용도.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서, 가열체(12)가 실린더형, 특히 원기둥형 또는 각기둥형인 용도.
  12. 제11항에 있어서, 채널(16)이 실린더 축에 대해 평행한 것인 용도.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서, 가열체(12)가 종축(14)을 갖고, 채널들(16)이 종축(14)에 대해 수직으로 가열체(12)의 단면에 걸쳐 균일하게 분포된 것인 용도.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서, 가열체(12)의 단면적을 기준으로 한 유동 채널(16)의 자유 단면의 총합이 0.1% 내지 50%, 바람직하게는 0.2% 내지 20%, 보다 바람직하게는 0.5% 내지 10%인 용도.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서, 채널(16)이 실린더형, 특히 원기둥형 또는 각기둥형인 용도.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서, 채널(16)이 0.1 mm 내지 12.0 mm, 바람직하게는 0.2 mm 내지 8 mm, 보다 바람직하게는 0.3 mm 내지 4 mm, 특히 0.4 mm 내지 2 mm의 직경을 갖는 것인 용도.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서, 가열체(12)가 예열된 유체의 미리 결정된 반응의 수행을 위한 반응 구획(26)에 연결되고, 장치(10) 및 반응 구획(26)이 특히 단일체 형태로 통합된 것인 용도.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB8823182D0 (en) * 1988-10-03 1988-11-09 Ici Plc Reactor elements reactors containing them & processes performed therein
US5270016A (en) * 1990-05-17 1993-12-14 Institut Francais Du Petrole Apparatus for the thermal conversion of methane
DE10317197A1 (de) * 2003-04-15 2004-11-04 Degussa Ag Elektrisch beheizter Reaktor und Verfahren zur Durchführung von Gasreaktionen bei hoher Temperatur unter Verwendung dieses Reaktors
CA2787286A1 (en) 2010-01-22 2011-07-28 Basf Se Single-chamber evaporator and the use thereof in chemical synthesis
IL220629A0 (en) * 2012-06-25 2017-01-31 Yeda Res & Dev Device and apparatus for performing chemical decomposition reactions at high temperatures

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