KR20190114995A - 펠릿 제조 방법, 펠릿, 촉매 충전물, 및 정적 혼합기 - Google Patents

펠릿 제조 방법, 펠릿, 촉매 충전물, 및 정적 혼합기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 펠릿, 특히 촉매 변환기용 및/또는 정적 혼합기용 펠릿을 제조하는 방법에 관한 것이다. 본 방법은 금속 발포체 재료의 적어도 하나의 층을 펠릿 형상으로 트리밍 및/또는 변형시키는 단계를 포함한다.

Description

펠릿 제조 방법, 펠릿, 촉매 충전물, 및 정적 혼합기
본 발명은 펠릿 제조 방법, 펠릿, 촉매 충전물, 복수의 펠릿을 갖는 정적 혼합기(static mixer)에 관한 것이다.
세라믹 펠릿을 제조하는 방법은 일반적으로 공지되어 있다. 예를 들면, 먼저 스트랜드(strand)가 압출에 의해 제조되고, 다음에 절단하여 개별 펠릿이 얻어진다. 이러한 펠릿은 촉매로서 사용될 수 있다. 세라믹, 금속 발포체, 네트워크, 또는 소위 하니콤 구조를 포함하는 모노리스 촉매도 알려져 있다.
금속 발포체는, 예를 들면, WO 2016/020053 A1에 기재된 바와 같이 제조될 수 있다. 이와 관련하여, 먼저 폴리우레탄 발포체가 금속으로 아연도금된다. 다음에 이 폴리우레탄 발포체가 열분해에 의해 제거되어 금속 발포체 재료가 얻어진다. 마지막으로 이 금속 발포체 재료가 후속 소결에 의해 금속 발포체로 변환될 수 있다. 소결 전에, 금속 분말을 금속 발포체 재료에 가할 수도 있고, 이 금속 분말은 금속 발포체 재료와의 소결 시에 금속 발포체 형태로 합금을 형성할 수 있다.
촉매 충전물은 반응기 내의 유체역학 및 이에 따라 열전달, 물질이동, 및 압력 손실에 결정적인 영향을 미친다. 따라서 보다 고밀도의 촉매층은, 예를 들면, 압력 손실의 증가를 초래한다. 동시에, 고밀도로 패킹(packing)된 촉매 충전물은 다량의 난류를 생성하고, 이것은 개선된 대류 열전달을 수반하므로, 물질이동은 보다 고밀도의 촉매층에서 특히 우수할 수 있다.
열전달은 흡열 반응 및 발열 반응의 둘 모두를 위해 최적화되어야 하는, 그리고 반응기의 열 공급 및 제거 특성에 상당한 영향을 미치는 결정적인 파라미터이다. 열전달은 전도, 대류, 또는 복사에 의해 화학 반응기 내의 온도 범위에 따라 제한된다. 온도가 상승함에 따라 복사에 의한 열전달의 기여가 증가하는 효과가 있는 경향이 있다. 복사에 의한 열전달에 의해 제한되는 방법의 예는 수증기 개질과 같은 극도의 흡열 반응을 기반으로 하는 방법이다. 이러한 방법에서의 과제는 화학 반응을 일으키기에 충분한 열 에너지를 반응기 내에 도입하는 것이다. 전형적인 반응 온도는 900℃를 초과하는 온도이다. 800℃ 미만의 온도에서 열전달은 전형적으로 대류에 의해 제한된다. 800℃ 미만의 온도에서 열전달은 전형적으로 대류에 의해 제한된다. 대류는 유체 역학에 크게 의존하며, 난류에서 촉진된다. 반응기 내의 난류에 대한 전형적인 파라미터는 레이놀즈 수이다.
다공질 재료의 화학 반응에 참여하려면 유체가 다공질 재료의 촉매 활성 중심으로 이동해야 한다. 다공질 재료 내의 이러한 촉매 활성 중심으로의 물질이동은 유체의 일부가 다공질 재료 내로 침투하는 양 또는 이 유체가 기공 내로 침투하지 않고 다공질 재료를 통과하는 양에 의해 결정된다.
화학 프로세스의 비용에 대한 가장 중요한 파라미터 중 하나는 압력 손실이다. 압력 손실이 높을 수록 반응기를 통해 유체를 운반하는데 필요한 노력이 커진다. 따라서 반응기의 운영비도 그 압력 손실이 증가함에 따라 증가한다. 그러나, 반응기 내에서 원하는 난류를 생성하기 위해서는 일정한 압력 손실이 불가피하다.
따라서, 유체 역학에 관한 위의 고려사항은 흡수 컬럼 또는 증류 컬럼에서와 같은 정적 혼합기에도 적용되는 것으로 이해된다.
본 발명의 근저에 있는 목적은 반응기 또는 컬럼 내의 압력 손실 뿐만 아니라 열전달 및 물질이동을 최적화할 수 있는 표적화 방식으로 반응기 또는 컬럼 내의 유체역학을 최적화 및 설정할 수 있는 펠릿 제조 방법을 제공하는 것이다.
이 목적을 만족시키기 위해 청구항 1의 특징을 갖는 방법이 제공된다.
특히 촉매용 및/또는 정적 혼합기용의 펠릿을 제조하는 본 발명에 따른 방법은 금속 발포체 재료의 적어도 하나의 층을 펠릿 형태로 성형하기 위한 절단단계 및/또는 성형단계를 포함한다.
본 발명에 따른 방법은 상이한 형상을 갖는 펠릿의 경제적이고 제어된 제조를 가능하게 한다. 이 방법에 의해 제공되는 펠릿의 기하학적 형상 및 크기에 대한 설계상의 자유도는 반응기 내의 열전달 및 물질이동 뿐만 아니라 압력 손실을 최적화할 수 있도록 적합된 유체역학을 갖는 촉매층 및/또는 정적 혼합기의 다양한 패킹을 가능하게 한다.
본 발명의 유리한 실시형태는 종속 청구항, 설명 및 도면으로부터 알 수 있다.
일 실시형태에 따르면, 금속 발포체 재료는, 예를 들면, 다양한 금속을 포함하는 금속 발포체 재료를 금속 합금 발포체로 변환시키기 위해 소결된다. 소결은, 예를 들면, 산화성 또는 환원성 분위기에서 500℃ 내지 1200℃의 온도에서 실행된다. 그 결과 펠릿의 계획된 사용 목적을 위해 최적화된 특성을 가질 수 있는 상이한 합금이 얻어질 수 있다.
또한 이 소결에 의해 또한 펠릿의 안정성이 향상될 수 있고, 이로써것에 의해 세라믹 재료로 구성된 펠릿에서는 불가능한 펠릿 형상이 구현될 수 있다. 펠릿의 높은 안정성은 또한 촉매층의 매우 신속하고 효율적인 패킹을 가능하게 하고, 또한 보다 높은 패킹 밀도가 달성될 수 있다. 따라서 이는 개별 펠릿으로부터 제작된 정적 혼합기에도 적용된다.
이 방법의 변형례에 따르면, 펠릿으로의 성형은 소결 전에 성형하기 위한 절단단계 및/또는 성형단계에 의해 실시된다. 그러나, 대안적으로, 소결 후에 성형하기 위한 절단단계 및 성형단계를 실시하는 것도 마찬가지로 가능하다. 단계의 최적의 순서는 궁극적으로 원하는 펠릿 형상에 달려 있다.
금속 발포체는 바람직하게는 개방된 기공의 금속 발포체이다. 이것에 의해 기체 반응물과 같은 유체가 전체 펠릿을 관통하여 펠릿 내에서 반응에 관여하는 것이 가능하다. 바람직한 실시형태에 따르면, 금속 발포체는 불균일 반응을 촉매할 수 있는, 특히 기체 반응물을 변환시키는데 적합한 촉매 활성 재료를 포함한다.
금속 발포체는 바람직하게는 원소 Ni, Fe, Cr, Al, Nb, Ta, Ti, Mo, Co, B, Zr, Mn, Si, La, W, Cu, Ag, Au, Pd, Pt, Zn, Sn, Bi, Ce, 및/또는 Mg 중 적어도 하나를 포함한다. 금속 발포체는 특히 바람직하게는 원소 Ni, Fe, Cr 및/또는 Al 중 적어도 하나, 특히 더 바람직하게는 원소 Ni 및/또는 Al 중 적어도 하나를 포함한다. 이들 복수의 원소는 함께 합금으로서의 금속 발포체의 성분을 형성하거나, 금속 발포체 상에 입자로서 존재할 수 있다.
금속 발포체는 바람직하게는 단모드식(monomodal manner) 또는 다중모드식, 특히 이중모드식으로 분포되는 직경을 갖는 기공을 갖는다. 특히 바람직한 실시형태에 따르면, 기공은 다중모드식으로 분포되고, 기공이 펠릿의 제 1 영역으로부터 공간적으로 분리된 펠릿의 제 2 영역보다 큰 직경을 갖는 펠릿의 제 1 영역에 존재하도록 펠릿 내에 공간적으로 배치된다. 펠릿 내에서 반응물과 생성물의 체류 시간에 영향을 주기 위해 상이한 직경을 갖는 기공이 사용될 수 있다. 난류의 형성은 크기, 유형 또는 기하학적 형상에 관하여 상이한 기공에 의해 영향을 받을 수도 있고, 이로써 열전달 및 물질이동에 영향을 줄 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 특히 바람직한 추가의 개발에 따르면, 상이한 금속 발포체 재료의 적어도 2 개의 층이 제공된다. 금속 발포체 재료의 층은 특히 그 안에 포함된 기공의 배향이 상이하고, 상이한 재료를 포함하고, 두께가 상이하고, 및/또는 상이한 기체 투과성을 갖는 경우에 상이한 것으로 간주된다. 적어도 2 개의 상이한 층은 기공률, 기공 직경, 재료의 조성 및/또는 기체 투과성에 관련하여 다른 것이 특히 바람직하다. 펠릿의 유체역학 특성은 상이한 층의 사용에 의해, 그리고 이에 따라 복수의 이러한 펠릿을 갖는 촉매를 갖는 반응기 내에서 또는 복수의 이러한 펠릿으로 구성된 정적 혼합기를 갖는 흡수 컬럼 또는 증류 컬럼 내에서 열전달 및 물질이동 뿐만 아니라 압력 손실의 사용에 의해 표적화 방식으로 설정될 수 있다.
2 개의 층의 금속 발포체 재료는, 예를 들면, 프레싱에 의해 및/또는 솔더링 필름(soldering film)에 의한 솔더링에 의해 서로 연결될 수 있다. 프레싱은 촉매 충전물 및/또는 정적 혼합기로서 얻어지는 펠릿을 사용하는 것에 혼란을 줄 가능성이 있는 추가의 재료를 사용하지 않고 층들을 연결할 수 있다. 솔더링 필름을 사용하면, 사용자는 표적화 방식으로 펠릿 내에 솔더 화합물을 삽입할 수 있고, 이 화합물에 의해, 예를 들면, 펠릿 내의 유체역학을 제어할 수 있다.
예를 들면, 금속 발포체 재료의 적어도 하나의 층의 성형을 위한 절단단계 및/또는 성형단계는 레이저 절단, 워터제트 절단, 스파크 이로젼(spark erosion), 기계가공, 특히 소잉, 드릴링, 터닝, 또는 연삭, 제어된 크러싱(crushing), 비틀림가공(twisting), 롤링(rolling), 프레싱, 폴딩(folding), 열처리, 특히 아크 용접, 분리 용접, 또는 솔더링 램프(soldering lamp) 처리, 화학 처리, 특히 침출 또는 분리에 의해 실시된다.
펠릿은 바람직하게는 0.5 mm3 내지 30 cm3의 체적, 특히 바람직하게는 0.8 mm3 내지 15 cm3의 체적, 특히 더 바람직하게는 2 cm3 내지 10 cm3의 체적을 갖는다.
펠릿의 체적이 0.5 mm3 미만인 경우, 특히 불균일 반응용 촉매로서 사용 시에 반응물 흐름에 의해 반응기의 외부로 반출될 위험이 있다. 0.5 mm3 미만의 체적을 갖는 펠릿은 또한 반응기 내에서 약간의 난류만을 발생시키므로, 대류 열전달 및 물질이동에 거의 기여하지 않는다. 대조적으로 30 cm3를 초과하는 체적을 갖는 펠릿을 사용하는 촉매 충전 프로세스는 대류 열 공급 및 제거에 불리한 빈 공간을 형성하며, 특히 불필요한 고온점 및 높은 발열 반응에서의 프로세스 안정성의 감소의 원인이 된다. 다른 한편, 빈 공간은 800℃를 초과하는 온도에서 복사에 의한 열 공급 및 제거를 촉진할 수 있다. 따라서, 이 열 공급 및 제거는 빈 공간의 크기 또는 수의 표적화된 영향에 의해 모든 프로세스 조건에 대해 최적화될 수 있다.
바람직하게는 금속 발포체 재료는 10 μm 내지 10,000 μm, 바람직하게는 50 μm 내지 3000 μm, 특히 더 바람직하게는 100 μm 내지 1500 μm의 직경을 갖는 기공을 갖는다. 10 μm 미만의 직경을 갖는 기공은 물질이동 특성을 저하시킨다. 10 μm 이상의 기공 직경을 갖는 금속 발포체 재료를 사용하면 더 우수한 열전달 특성 및 물질이동 특성이 달성될 수 있다. 그러나, 10,000 μm를 초과하는 직경을 갖는 기공의 경우, 금속 발포체에 의해 제공되는 촉매 활성 표면 대 기공의 내부 체적의 비율이 감소하므로 촉매 충전물로서 이러한 펠릿을 갖는 반응기의 효율이 감소된다.
펠릿의 기공률은 바람직하게는 70% 이상, 특히 바람직하게는 80% 이상, 특히 더 바람직하게는 85% 이상이다. 결과적으로 이것은 고도로 다공질인 재료의 펠릿이다. 여기서 기공률은 펠릿의 총 체적에 대한 펠릿 내의 기공의 체적의 비로 표시된다. 70% 미만의 기공률은 이러한 펠릿을 촉매층에 사용하는 경우에 물질이동 및 압력 손실에 부정적인 영향을 준다는 것이 밝혀졌다. 여기서 기공률은 펠릿의 횡단면에 대한 이미지 분석에 의해 결정된다. 이 목적을 위해 펠릿의 횡단면이 준비되고, 이미지가 촬영된다. 기공률을 결정하기 위해, 재료가 있는 이미지 표면과 재료가 없는 이미지 표면, 즉 재료 영역과 기공 영역을 서로 관련시킨다. 예를 들면, 50%의 기공률은 촬영된 이미지에서 재료가 있는 표면과 재료가 없는 표면이 동등한 크기임을 의미한다. 촬영된 이미지 내의 재료가 없는 표면의 비율이 높을수록 펠릿의 기공률이 높아진다.
펠릿의 적절한 형태로 인해, 이것으로 구성한 정적 혼합기도 그 각각의 용도(예를 들면, 흡수 컬럼 또는 증류 컬럼)에 이상적으로 적용될 수 있다는 것이 이해된다.
본 발명의 추가의 주제는 적어도 하나의 층의 금속 발포체를 포함하고, 또한 전술한 방법들 중 하나에 따라 얻을 수 있는 펠릿이다. 이 펠릿은, 예를 들면, 촉매 충전물용 및/또는 정적 혼합기용, 예를 들면, 흡수 컬럼 또는 증류 컬럼용으로 제공될 수 있다.
금속 발포체는 바람직하게는 개방된 기공의 금속 발포체이다. 이것에 의해 기체 반응물이 전체 펠릿을 관통하여 펠릿 내에서 반응에 관여하는 것이 가능하다. 바람직한 실시형태에 따르면, 금속 발포체는 불균일 반응을 촉매할 수 있는, 특히 기체 반응물을 변환시키는데 적합한 촉매 활성 재료를 포함한다.
제 1 변형례에 따르면, 펠릿은 금속 발포체의 하나의 층의 적어도 하나의 외측 함몰부, 하나의 외측 그루브 및/또는 적어도 하나의 와인딩부(winding) 및/또는 비틀림부를 포함한다. 유체역학은 이러한 형상 및 열전달 특성에 의해 각각의 용도에 적합한 방식으로 영향을 받을 수 있으며, 반응기 또는 컬럼의 물질이동 특성이 최적화될 수 있다.
펠릿의 제 2 변형례는 펠릿의 적어도 하나의 외면 및/또는 하나의 내부 경계면이 적어도 부분적으로 폐쇄된 것이다. 폐쇄된 외면이라 함은 이 폐쇄된 외면을 통해 기체 반응물이 펠릿 내로 들어갈 수 없도록 또는 펠릿으로부터 누출될 수 없도록 어떤 기공 개구부도 가지지 않는 펠릿의 외면으로서 이해된다. 따라서, 펠릿의 폐쇄된 내부 경계면은 기공이 형성되어 있지 않은 펠릿의 내부의 표면을 지칭한다. 이러한 내부 경계면은, 예를 들면, 솔더링 필름을 사용하여 서로 연결되는 금속 발포체의 2 개의 층 사이에 존재할 수 있다. 이러한 부분적으로 폐쇄된 외면 및/또는 내부 경계면은 반응기 또는 컬럼을 통해 흐르는 기체 흐름의 난류에 기여할 수 있고, 유체역학에 영향을 줄 수 있고, 궁극적으로 반응기 또는 컬럼의 열전달 특성 및 물질이동 특성을 최적화할 수 있다.
제 3 변형례에 따르면, 펠릿은 금속 발포체의 적어도 2 개의 상이한 층을 포함한다. 상이한 특성은 펠릿 중에서 금속 발포체의 상이한 층을 사용하여 조합될 수 있고, 그 결과 결국 유체역학 및 이에 따라 반응기 또는 컬럼의 열전달 특성, 물질이동 특성 및 압력 손실을 최적화할 수 있다.
제 1, 제 2, 및 제 3 변형례는 서로 배제하지 않으며, 오히려 하나의 변형례에서, 펠릿이 금속 발포체의 하나의 층의 적어도 하나의 외측 함몰부, 외측 그루브 및/또는 적어도 하나의 와인딩부 및/또는 비틀림부를 포함하도록, 그리고 펠릿의 적어도 하나의 외면 및/또는 하나의 내부 경계면이 적어도 부분적으로 폐쇄되도록 조합하여 존재할 수 있다. 추가의 변형례에 따르면, 펠릿은 금속 발포체의 하나의 층 및 금속 발포체의 적어도 2 개의 상이한 층의 적어도 하나의 외측 함몰부, 외측 그루브 및/또는 적어도 하나의 와인딩부 및/또는 비틀림부를 포함하며, 펠릿의 적어도 하나의 외면 및/또는 하나의 내부 경계면은 적어도 부분적으로 폐쇄되어 있다. 추가의 대안례에 따르면, 펠릿은 금속 발포체의 하나의 층 및 금속 발포체의 적어도 2 개의 상이한 층의 적어도 하나의 외측 함몰부, 외측 그루브 및/또는 적어도 하나의 와인딩부 및/또는 비틀림부를 포함한다. 마지막으로, 펠릿은 금속 발포체의 적어도 2 개의 상이한 층을 포함하며, 펠릿의 적어도 하나의 외면 및/또는 하나의 내부 경계면은 적어도 부분적으로 폐쇄될 수 있다.
펠릿은 바람직하게는 원소 Ni, Fe, Cr, Al, Nb, Ta, Ti, Mo, Co, B, Zr, Mn, Si, La, W, Cu, Ag, Au, Pd, Pt, Zn, Sn, Bi, Ce, 및/또는 Mg 중 적어도 하나를 포함하는 것이 바람직한 금속 발포체를 포함한다. 금속 발포체는 특히 바람직하게는 원소 Ni, Fe, Cr 및/또는 Al 중 적어도 하나, 특히 더 바람직하게는 원소 Ni 및/또는 Al 중 적어도 하나를 포함한다. 복수의 이들 원소는 합금을 형성할 수 있고, 금속 발포체의 하나의 성분 또는 전체 금속 발포체를 구성할 수 있다. 또한, 이들 원소는 금속 발포체 내에 존재하는 입자 내에 포함될 수 있다. 금속 발포체는 특히 바람직하게는 니켈-철-크롬-알루미늄 합금 및/또는 니켈-크롬-알루미늄 합금을 포함한다. 니켈-철-크롬 알루미늄 합금 및/또는 니켈 크롬 알루미늄 합금은 촉매 활성을 설정하고 최적화하기 위해 추가의 원소로 도핑될 수 있다.
특히 더 바람직하게는, 금속 발포체는 적어도 실질적으로 니켈-철-크롬-알루미늄 합금 및/또는 니켈-크롬-알루미늄 합금을 포함한다. 이는 경우에 따라, 금속 발포체는, 도핑된 니켈-철-크롬-알루미늄 합금 및/또는 니켈-크롬-알루미늄 합금을 제외하고는, 제조에 사용될 수 있는 솔더링 필름의 불가피한 오염물 및/또는 잔여물만을 포함함을 의미한다.
일 실시형태에 따르면, 금속 발포체는 단모드식 또는 다중모드식, 특히 이중모드식으로 분포되는 직경을 갖는 기공을 갖는다.
펠릿 내의 기공은 10 μm 내지 10,000 μm, 바람직하게는 50 μm 내지 3000 mm, 특히 더 바람직하게는 100 μm 내지 1500 μm의 직경을 갖는 것이 바람직하다. 10 μm 미만의 직경을 갖는 기공은 압력 손실의 증대를 초래할 수 있고, 열전달 및 물질이동을 방해할 수 있다. 100 μm를 초과하는 기공 직경을 갖는 펠릿을 사용하면 상당히 우수한 열전달 특성 및 물질이동 특성 뿐만 아니라 압력 손실의 저감이 달성될 수 있다. 그러나, 10,000 μm를 초과하는 직경을 갖는 기공의 경우, 금속 발포체에 의해 제공되는 촉매 활성 표면 대 기공의 내부 체적의 비가 감소하므로 촉매 충전물로서 이러한 펠릿을 갖는 반응기의 효율이 감소된다.
본 발명은 또한 전술한 양태들 중 적어도 하나에 따른 복수의 펠릿을 갖는 촉매 충전물에 관한 것이다.
본 발명에 따른 촉매 충전물은, 예를 들면, 불균일 촉매 반응에서 사용될 수 있다. 불균일 촉매 반응의 반응물 및 생성물은 여기에서 기체 형태 및/또는 액체 형태로 존재할 수 있다. 본 발명에 따른 촉매 충전물은 또한 장쇄 탄화수소의 천연 가스의 변환, 탄화수소의 수소화/탈수소화, 특히 수증기 개질, 산화 반응, 특히 부분 에틸렌 산화에서 사용될 수 있다.
본 발명의 또 다른 주제는, 예를 들면, 전술한 종류의 복수의 펠릿을 갖는 흡수 컬럼용 또는 증류 컬럼용의 정적 혼합기이다.
일 실시형태에 따르면, 촉매 충전물 또는 정적 혼합기의 복수의 펠릿은 상이한 펠릿, 특히 크기, 형상, 표면, 밀도, 기공률 및/또는 재료에 관련하여 상이한 펠릿을 포함한다. 이것에 의해 유체역학 및 이에 따라 열전달 및 물질이동에 적절한 방식으로 영향을 미치고, 따라서 반응기의 열 공급 및 제거 특성을 최적화하는 것이 가능하다.
추가의 실시형태에 따르면, 상이한 펠릿이 촉매 충전물 또는 정적 혼합기 내에 균일하게 분포된다. 다른 실시형태에 따르면, 상이한 펠릿의 분포는 축선 방향의 구배 및/또는 반경 방향의 구배를 갖는다. 축선 방향은 반응기 입구 또는 컬럼 입구로부터 반응기 출구 또는 컬럼 출구로의 방향을 나타내며, 반경 방향은 축선 방향을 횡단하는 방향을 나타낸다. 더욱 추가의 실시형태에 따르면, 상이한 펠릿의 분포는 축선 방향 및/또는 반경 방향으로 불연속 층을 갖는다. 촉매 충전물 또는 정적 혼합기의 조성을 반경방향으로 변화시킴으로써 표적화 방식으로 반응기 또는 컬럼의 내부로의 열 공급 및 제거 특성에 영향을 줄 수 있고, 따라서 반응기 또는 컬럼을 최적화시킬 수 있다. 촉매 충전물 또는 정적 혼합기의 조성을 축선 방향으로 변화시킴으로써 축선 방향으로 변화하는 반응기 흐름의 조성에 유체 역학을 적용시킬 수 있다.
이하에서 본 발명을 가능한 실시형태 및 첨부된 도면을 참조하여 단지 예로서 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 방법의 개략도이고;
도 2는 본 발명에 따른 펠릿의 일 실시형태이고;
도 3은 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 4는 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 5는 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 6은 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 7은 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태 및 성형된 금속 발포체 재료이고;
도 8은 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 9는 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 10은 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 11은 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 12는 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 13은 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 14는 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 15는 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태이고;
도 16a는 3 개의 상이한 층을 가진 본 발명에 따른 펠릿의 일 실시형태의 단면도이고;
도 16b는 3 개의 상이한 층을 가진 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태의 단면도이고;
도 16c는 2 개의 상이한 층을 가진 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태의 단면도이고;
도 17a는 본 발명에 따른 펠릿의 일 실시형태의 개략도이고;
도 17b는 본 발명에 따른 펠릿의 추가의 실시형태의 개략도이고;
도 18은 촉매 충전물을 가진 반응기이고;
도 19는 반응기의 단면도이고;
도 20은 촉매 충전물을 가진 반응기의 부분 투명도이고;
도 21a는 실시례 1 내지 5 및 비교례 1 및 2의 펠릿의 소정량의 물질 흐름에 의한 압력 손실이고;
도 21b는 실시례 1 내지 5 및 비교례 1 및 2의 물질수송 및 물질이동에 의존하는 압력 손실이고
도 22a는 펠릿으로 패킹된 3 개의 반응기에 대한 3 개의 출구 온도 프로파일이고;
도 22b는 도 21a의 반응기의 평균 열전달 계수이다.
도 1은, 예를 들면, 도 2 내지 도 16c에 도시된 바와 같은 펠릿(10)을 제조하는 방법의 방법 단계를 개략적으로 도시한다. 먼저, 제 1 방법 단계(S1)에서, 서로 적층된 금속 발포체 재료(14)의 층(12) 또는 복수의 층(12)의 스택이 제공되고, 이어서 제 2 방법 단계(S2)에서 금속 발포체 재료의 조각(18)들로 분쇄되고, 이어서 제 3 방법 단계(S3)에서 펠릿형의 금속 발포체 블랭크(16)로 성형된다. 금속 발포체 블랭크(16)는 제 4 방법 단계(S4)에서 후속 소결에 의해 추가로 가공되어 완성된 펠릿(10)이 된다. 이와 같이 하여 얻어진 펠릿(10)은 높은 기계적 안정성을 가지며, 이하에 기재된 바와 같이, 반응기(22)의 촉매 충전물(20)을 제조하는데 사용될 수 있다. 그러나, 대안적인 사용법에 따르면, 예를 들면, 펠릿(10)으로 흡수 컬럼용 또는 증류 컬럼용의 정적 혼합기를 구성하는 것도 마찬가지로 가능하다. 펠릿(10)의 구성에 의존하여, 정적 혼합기가 촉매 기능을 만족시킬 수도 있거나, 반대로 촉매 충전물(20)이 정적 혼합기로서 동시에 작용할 수 있다는 것이 이해된다.
금속 발포체 재료(14)로 펠릿형 금속 발포체 블랭크(16)를 형성하기 위해서는, 예를 들면, 레이저 절단, 워터제트 절단, 스파크 이로젼, 기계가공, 특히 소잉, 드릴링, 터닝, 또는 연삭, 제어된 크러싱, 비틀림가공, 와인딩, 롤링, 프레싱, 폴딩, 열처리, 특히 아크 용접, 분리 용접, 또는 솔더링 램프 처리, 화학 처리, 특히 침출 또는 분리 등의 다양한 기술을 이용할 수 있다.
도 7의 중간에 도시된 바와 같은 나선 형상을 갖는 펠릿형 금속 발포체 블랭크(16)의 제조 시에 먼저 금속 발포체 재료(14)를 성형한 다음에 분쇄하는 것이 유리할 수 있다. 펠릿(10)에 대해 요구되는 형상에 따라, 제 2 방법 단계(S2) 및 제 3 방법 단계(S3)를 역순으로, 즉 먼저 폴딩하고, 롤링하고, 비틀림가공하고, 및/또는 금속 발포체 재료(14)를 프레싱한 후에 절단하여 원하는 크기의 펠릿형 금속 발포체 블랭크를 얻는 것이 유리할 수 있다. 다음에 펠릿형 금속 발포체 블랭크(16)는 소결(방법 단계(S4))에 의해 금속 발포체(24)의 펠릿(10)이 된다.
대안적인 실시형태에 따르면, 방법 단계(S2 및 S3) 이전에 방법 단계(S4)를 실시하는 것도 고려될 수 있다. 이 대안례에서, 따라서 금속 발포체 재료(14)의 층(12)은 먼저 소결되고 이어서 전술한 바와 같이 분쇄되고, 성형되어 완성된 펠릿(10)이 된다.
개방된 기공(26)을 갖는 금속 발포체(24)로 구성된 도 2에 도시된 펠릿(10)은 거의 원통형의 베이스 형상을 가지며, 그 단부면의 중앙 영역에는 금속 발포체 재료(14)의 프레싱에 의해 형성된 함몰부(28)를 갖는다. 도 2에서 보이지 않는 반대측에 배치되어 있는 펠릿(10)의 단부면도 마찬가지로 함몰부(28)를 가지는 것으로 생각할 수 있다. 대안적으로, 함몰부(28)는 전체 펠릿(10)을 통해 축방향으로 연장하는 함몰부로서 구성될 수도 있으며, 이로써 펠릿(10)은 라시히 링(Raschig ring)의 형상을 갖는다. 도 2의 펠릿(10)은 서로 적층되어 서로 연결된 금속 발포체(24)의 복수의 층(12)을 갖는다. 개별 층(12)들은, 예를 들면, 프레싱에 의해 또는 솔더링 필름(30)을 이용한 솔더링에 의해 연결될 수 있다. 펠릿(10)의 외면(32)은 복수의 주변 그루브(34)를 갖는다. 이 그루브(34)는 반응기(22)(도 18 및 도 20 참조)를 통해 흐르는 반응물 흐름(36)을 편향시키고, 그 안에서 난류를 발생시키는 점에서 유체역학에 영향을 줄 수 있다. 또한, 그루브(34)는 반응물 흐름(36)이 개방된 기공의 금속 발포체(24) 내로 보다 용이하게 침투할 수 있도록 펠릿(10)의 외면(32)을 증가시키므로 물질이동 특성이 개선된다. 도 2의 펠릿(10)은 그 컴팩트한 형상으로 인해 고밀도를 가지며, 이는 열전달 특성에 유리한 효과를 갖는다.
도 3에 도시된 펠릿(10)은 금속 발포체 재료(14)의 층(12)을 다수회 폴딩함으로써 제조되었고, 서로 평행하게 연장된, 그리고 펠릿(10)의 길이에 걸쳐 축방향으로 연장된 6 개의 돌출부(38) 및 6 개의 함몰부(40)를 갖는다. 4 개의 돌출부(38) 및 4 개의 함몰부(40)를 갖는 도 4에 도시된 금속 발포체(24)의 펠릿(10)은 유사한 방식으로 제조될 수 있다. 도 3 및 도 4에 각각 도시된 2 개의 펠릿(10)은, 중앙 영역에, 전체 펠릿(10)을 통해 축방향으로 연장하는 자유 통로를 갖는다. 폴딩에 의해 이들 펠릿(10)에 생성된 돌출부(38) 및 함몰부(40)는 반응물 흐름 내에 난류를 유발할 수 있고, 따라서 돌출부(38) 및 함몰부(40)가 없는 펠릿(10)에 비해 대응하는 촉매층의 열전달 특성을 개선할 수 있다. 여기서 중앙에 배치된 통로는 압력 손실을 감소시킨다.
도 5에 도시된 다층 펠릿(10)에는 7 개의 함몰부(40)가 표시되어 있고, 도 6에 도시된 펠릿(10)에는 금속 발포체 재료(14)의 개별 층(12)을 절곡시킴으로써 얻어진, 그리고 축방향으로 연장된 12 개의 함몰부(40)가 표시되어 있다. 이들 함몰부(40)는 난류를 유발하고, 따라서 이들 함몰부(40)가 없는 펠릿(10)을 갖는 촉매층에 비해 대응하는 촉매층의 열 수송 특성을 개선한다.
도 3 내지 도 6에 도시된 모든 펠릿(10)은 컴팩트 구조를 가지므로 이러한 펠릿(10)을 가진 촉매층의 통계적 패킹에 의해 고밀도를 달성할 수 있고, 이는 열전달 특성 및 물질이동 특성에 유리하며, 고도의 난류를 발생시킬 수 있다.
도 7의 왼쪽에 도시된 바와 같이, 먼저 금속 발포체 재료(14)의 하나 이상의 층(12)을 롤링하고, 다음에 이들을 소결하고, 이어서 이들을 절단하여 디스크를 얻는 것도 가능하다. 이에 의해 도 7의 오른쪽에 도시된 바와 같이, 나선형 펠릿(10)이 얻어진다. 롤링된 금속 발포체 재료(14)를 소결함으로써 이 금속 발포체 재료(14)가 절단 시에 다시 풀리지 않도록 보장된다.
나선형 펠릿(10)은 매우 컴팩트하고, 이는 열전달 특성 및 물질이동 특성에 유리한 효과를 갖는다. 이러한 나선형 펠릿(10)의 물질이동 특성은 이동 거리가 짧아서 특히 개선된다. 대응하는 촉매층의 압력 손실을 감소시킬 수 있는 축방향 통로가 롤링에 의해 펠릿(10)의 내부 영역에 생성된다. 나선형 펠릿(10)을 갖는 촉매층의 통계적 패킹은 특히 강한 난류를 생성한다. 그러나, 나선형 펠릿(10)에 의한 통계적 패킹에 더하여 규칙적인 패킹이 또한 구현될 수도 있다. 따라서, 나선형 펠릿(10)은 촉매층 내의 열전달 및 물질이동을 개선하도록 적층되어, 촉매층 내에 표적화 방식으로 채널을 생성하여 촉매층 내의 흐름 프로파일을 구성할 수 있다.
나선형 펠릿(10)은 또한 스트립형 금속 발포체 재료(14)를 비틀림가공 또는 와인딩함으로써 제조될 수도 있다. 도 8에 도시된 펠릿(10)은 비틀림가공에 의해 나선형 형상으로 변형되었다. 이 펠릿(10)을 따라 흐르는 반응물 흐름(36)은 펠릿(10)의 나선형 형상에 의해 회전하도록 설정될 수 있다. 유체역학의 이러한 영향은 촉매층의 열전달 특성 및 물질이동 특성을 개선하는데 사용될 수 있다. 이 펠릿(10)은 나선 형상으로 인해 비교적 큰 자유 체적을 가지며, 이는 압력 손실을 저감시킨다. 펠릿(10)의 종축선이 촉매층 내의 흐름 방향과 평행하게 정렬된 촉매층 내의 나선형 펠릿(10)의 수직 배치에 의해, 흐름 프로파일이 표적화 방식으로 생성될 수 있다. 통계적 패킹에 의해 격렬한 난류가 달성될 수 있다.
금속 발포체 재료(14)의 스트립의 와인딩에 의해 도 9 및 도 10에 도시된 형상을 갖는 펠릿(10)이 얻어질 수 있고, 금속 발포체(24)가 없는, 그리고 대응하는 촉매층 내의 압력 손실을 저감시키는 통로가 와인딩에 의해 이들 펠릿(10)의 내부에 생성된다.
또한 펠릿(10)의 금속 발포체의 상이한 층(12)이 반대 방향으로 비틀림가공 또는 와인딩되어 도 11에 도시된 바와 같은 펠릿(10)을 생성할 수도 있다. 상이한 층(12)의 상이한 방향의 비틀림가공 또는 와인딩으로 인해, 펠릿(10)을 통과하는 반응물 흐름(36)은 상이한 방향으로 편향될 수 있으며, 이로써 유체역학은, 예를 들면, 난류의 생성에 의해 표적화 방식으로 영향을 받을 수 있다. 유체역학의 이러한 영향은 마찬가지로 표적화 방식으로 촉매층의 열전달 특성 및 물질이동 특성을 최적화하기 위해 이용될 수 있다.
도 12 및 도 13에 도시된 형상을 갖는 펠릿(10)은 금속 발포체 재료(14)의 와인딩에 의해 제조될 수 있다. 도 12에 도시된 펠릿(10)은 삼각형 금속 발포체 재료(14)의 와인딩에 의해 제조될 수 있다. 금속 발포체 재료(14)의 스트립의 와인딩을 사용하여 도 13에 도시된 거의 바 형상의 형태를 갖는 펠릿(10)을 제공할 수 있고, 금속 발포체(24)가 없는, 그리고 대응하는 촉매층 내의 압력 손실을 저감시키는 축선방향의 통로가 와인딩에 의해 도 13에 도시된 펠릿의 내부에 생성된다.
도 7 내지 도 13의 펠릿(10)은 각각 그 외면(32)에 비틀림가공 또는 와인딩에 기인된 구조를 가지며, 이것은 이를 통과하는 반응물 흐름(36)을 안내하고 선회시키는데 적합하다. 따라서 이러한 펠릿을 사용하여 표적화 방식으로 반응물 흐름(36) 내에 난류가 생성될 수 있다. 비틀림가공 또는 와인딩의 유형에 따라, 사용 목적에 따라 조정된 펠릿(10)을 얻을 수 있도록 상이한 외면(32)이 생성될 수 있다. 특정의 상황 하에서는 반응물 흐름(36) 내에 난류를 적게 발생시키는 것이 바람직할 수 있다. 이러한 목적을 위해서는, 예를 들면, 비교적 매끈한 외면(32)을 갖는 도 13에 도시된 거의 바 형상의 펠릿(10)을 사용하는 것이 유리할 수 있다. 도 14에 도시된 바와 같이 바 형상의 펠릿 또는 원주상 펠릿(10)을 사용하여 더욱 매끈한 외면(32)이 달성될 수 있다. 도 9 내지 도 14에 도시된 펠릿(10)은 매우 컴팩트하고, 이는 특히 열전달에 유리하다.
매우 고밀도로 패킹된 촉매층이 얻어질 수 있고, 도 9, 도 10, 도 13, 및 도 14에 도시된 펠릿(10)의 수직방향의 패킹에 의해 촉매층 내에 표적화 방식으로 흐름 프로파일이 생성될 수 있고, 이는 특히 열전달 특성에 유리하다. 이들 펠릿의 통계적 패킹에 의해 난류가 생성될 수 있고, 이는 열전달 및 물질이동을 위해 유리하다.
도 15에 도시된 펠릿(10)은 개구부 각도 α가 180°이고, 재킷 벽(44)에 축선방향의 개구부(42)를 구비한 개방된 중공 원통 형상을 갖는다. 1° 내지 359° 범위의 상이한 개구부 각도도 가능하다. 0°의 개구부 각도는 중공 원통에 해당한다. 개방된 중공 원통 형태의 펠릿(10)은, 예를 들면, 금속 발포체 재료(14)의 롤링에 의해 제조될 수 있다. 재킷 벽(44)에 제공된 개구부(42)는 중공 원통 펠릿(10)의 재킷 내면(46) 내로 반응물 흐름(36)이 침투하는 것을 가능하게 한다. 따라서, 도 15에 도시된 펠릿(10)은 파이프와 유사한 방식으로 반응물 흐름(36)을 안내할 수 있고, 이로써 매우 작은 압력 손실을 달성할 수 있다. 그러나, 유체역학의 추가의 영향을 위해 개방된 중공 원통의 재킷 외면(48) 및/또는 재킷 내면(46)에 도 15에 도시되지 않은 함몰부(40) 및/또는 그루브(34)가 제공될 수 있다. 마찬가지로 도 15에 도시된 펠릿(10)을 촉매층에 규칙적으로 패킹함으로써 촉매층에서의 흐름 프로파일의 표적화된 생성이 가능하다.
3 개의 또는 2 개의 상이한 층(12)을 갖는 펠릿(10)의 개략적인 단면이 도 16a, 도 16b, 및 도 16c에 도시되어 있다. 이 상이한 층(12)은 솔더링 필름(30)을 이용한 솔더링에 의해 또는 층(12)을 프레싱함으로써 서로 연결될 수 있고, 상이한 기공(26)을 가질 수 있다. 중간층(12)에서, 도 16a의 펠릿(10)은 더 큰 직경을 갖는 제 1 기공(52) 및 더 작은 직경을 갖는 제 2 기공(54)을 갖는다. 제 1 기공(52)의 직경은 500 μm 내지 10,000 μm의 범위일 수 있고, 제 2 기공(54)의 직경은 10 μm 내지 3000 μm의 범위일 수 있다. 기공(52, 54)의 이러한 분포는, 예를 들면, 펠릿(10) 내의 반응물의 체류 시간에 영향을 주기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 도 16b에 도시된 펠릿의 내부의 더 작은 기공(54)은, 예를 들면, 반응물의 체류 시간을 증가시킬 수 있다. 2 개의 상이한 층(12)(도 16c)으로 구성된 펠릿(10)의 경우, 더 큰 제 1 기공(52)이 층(12)에 제공되고, 더 작은 제 2 기공(54)이 다른 층(12)에 제공된다. 따라서, 반응물 흐름(36)은 바람직하게는 제 2 기공(54)을 갖는 측으로부터 펠릿(10)으로 들어가서 이곳으로부터 배출된다. 이로써, 예를 들면, 펠릿(10) 내에서의 체류 시간을 변경시킬 수 있다. 펠릿(10)의 일면에 타면보다 더 작은 기공(54)이 제공되어 있므로, 반응물 흐름(36)의 일부는 더 작은 기공(54)을 갖는 일면에서 펠릿(10)에 충돌할 때에 이곳으로부터 벗어나며, 이는 유체역학에 영향을 주고, 이로써 촉매 충전물의 열전달 특성 및 물질이동 특성에 영향을 줄 수 있다.
도 17a에 도시된 펠릿(10)은 폐쇄된 외면(56)을 갖는다. 이는 기공(20)이 폐쇄된 외면(56)에서 펠릿(10)의 내부로 이어지지 않으므로 폐쇄된 외면(56)을 향해 흐르는 반응물 흐름(36)이 펠릿(10) 내로 침투할 수 없고, 따라서 외면(32)으로부터 반발됨을 의미한다. 이로써 난류가 발생되므로 열전달 특성 및 물질이동 특성은 또한 펠릿(10)의 외면(32)의 부분적인 폐쇄 또는 완전한 폐쇄에 의해 영향을 받을 수도 있다. 도 17b에 도시된 펠릿(10)에서는 2 개의 대향 배치된 외면(56)이 제공되어 있다.
폐쇄된 외면(56)은, 예를 들면, 펠릿(10)의 외면(32)에 솔더링 필름(30)을 적층시키고, 이어서 솔더링 필름(30)을 가열함으로써 생성될 수 있다. 솔더링 필름(30)에 의해 연결된 복수의 층(12)을 갖는 금속 발포체 재료(14) 내에 부분적으로 또는 완전히 폐쇄될 수 있는 내부 경계면을 펠릿(10) 내에 생성하는 것도 가능하다. 부분적으로 또는 완전히 폐쇄된 내부 경계면도 마찬가지로 펠릿 내로 침투한 반응물 흐름(36)에 영향을 준다. 이것에 의해, 예를 들면, 펠릿(10) 내에서 반응물의 체류 시간이 변경되거나, 반응물 흐름(36) 내에 난류가 생성될 수 있다.
도 18에는 반응물 흐름(36)이 흐르는 반응기(22)가 사시도로 도시되어 있다. 촉매 충전물(20)이 반응기(22)의 내부에 제공되고, 복수의 펠릿(10), 실제로는 크기, 형상, 표면, 밀도, 기공률, 배향 및/또는 재료에 관하여 상이한 펠릿(10)을 포함하고, 도 18 내지 도 20에는 개개의 펠릿(10)이 도시되어 있지 않다. 구체적으로는, 반응기(22)는 축선 방향(L)으로 촉매 충전물(20)에 관하여 상이한 복수의 영역(58)으로 분할되어 있다. 따라서, 반응기(20)의 열 공급 및 제거 특성을 최적화하는 펠릿(10)을 갖는 촉매 충전물이, 예를 들면, 제 1 영역(60)에 포함될 수 있다. 제 2 영역(62)에서, 촉매 충전물은, 예를 들면, 물질이동 특성에 관하여 최적화되어 반응물 흐름(36)을 가능한 한 완전히 변환시키는 펠릿(10)을 포함할 수 있다. 도 18에 도시된 반응기에서, 제 1 영역(60) 및 제 2 영역(62)은 반응기(22)의 축선 방향(L)을 따라 교대로 배치되어 상이한 조성을 갖는 불연속 층을 형성한다.
촉매 충전물(20)이 반응기(22)의 축선 방향(L)을 따라 점진적으로 변화되는 것을 고려할 수도 있다. 반응물 흐름(36)이 반응기(22) 내로 들어가는 반응기 입구(64)의 영역에 제 1 종류 또는 혼합물의 펠릿(10)이 제공되고, 반응기 출구(66)의 영역에 제 2 종류 또는 혼합물의 펠릿(10)이 제공됨을 의미한다. 제 1 종류 또는 혼합물의 펠릿(10)은 반응기의 축선 방향(L)을 따라 제 2 종류 또는 혼합물의 펠릿(10)에 합체된다. 이로써 반응기 출구(66)보다는 반응기 입구(64)에 상이한 유체 역학 환경이 제공될 수 있다.
촉매 충전물 중의 상이한 펠릿(10)의 분포는 반경 방향(R)으로 균일하게, 점진적으로, 또는 불연속 링으로 발생할 수 있다. 도 19에 도시된 반응기의 단면도에서 촉매 충전물(20)이 반경방향 내측 영역(68) 및 반경방향 외측 영역(70)을 갖는 것을 알 수 있다. 상이한 종류 또는상이한 혼합물의 펠릿(10)이 반경방향 외측 영역(70)보다는 반경방향 내측 영역(68)에 제공될 수 있다. 반경방향 내측 영역(68)과 반경방향 외측 영역(70) 사이의 천이는 촉매 충전물이 반경 방향(R)으로 불연속 링을 가질 정도로 급격하게 발생될 수 있다. 대안적으로, 내부 영역(68)과 외부 영역(70) 사이에 점진적인 천이가 발생될 수 있다.
도 20에는 반응기의 부분 투명도가 도시되어 있고, 촉매 충전물(20)은 축선 방향(L)으로 점진적으로 변화되고, 반경 방향(R)으로는 급격하게 변화된다. 내부 영역(68)은 반응기 입구(64)에서 반응기(22)의 중심(72)로부터 반응기 벽(74)까지 연장된다. 내부 영역(68)의 반경은 반응기 출구(66)의 방향으로 축선 방향(L)을 따라 연속적으로 작아지는 반면에 외부 영역(70)의 두께는 반응기(22)의 전체 길이에 걸쳐 보았을 때 원뿔 형상을 가지도록 증가된다.
금속 발포체(24)로 구성될 펠릿(10)과 종래의 세라믹 펠릿이 표 1 및 표 2 그리고 도 21a 및 도 21b에 비교되어 있다.
각각 니켈-크롬-알루미늄 합금(NiCrAl)을 포함하는 정육면체 또는 디스크 형상을 갖는 본 발명에 따른 펠릿(10)에 대한 5 가지 실시례 및 칼슘 알루미네이트를 포함하는 세라믹 펠릿의 2 가지 비교례가 표 1에 열거되어 있다.
형상 치수(mm) 기공 크기(μm) 재료
실시례 1 정육면체 10 x 10 x 10 1200 μm NiCrAl
실시례 2 정육면체 10 x 10 x 10 580 μm NiCrAl
실시례 3 정육면체 15 x 15 x 15 1200 μm NiCrAl
실시례 4 1 정육면체 15 x 15 x 15 1200 μm NiCrAl
실시례 5 2 디스크 8 x 8 x 3 1200 μm NiCrAl
비교례 1 3 중공 원통체 13 x 17 3500 μm 칼슘 알루미네이트
비교례 2 4 중공 원통체 8 x 8 3000 μm 칼슘 알루미네이트
1 20% 압축된 6 개의 층을 갖는 정육면체2 길이 x 폭 x 두께에 관한 치수
3 노치, 최대 외경 13 mm, 길이 17 mm, 및 각각 아치형 단부 및 3.5 mm의 내경을 갖는 4 개의 동일한 원통형 중공 공간을 갖는 원통체
4 외경 8 mm, 길이 8 mm, 및 내경 3.0 mm를 갖는 중공 원통체
도 21a 및 도 21b는 실시례 1 내지 실시례 5 그리고 비교례 1 및 비교례 2의 펠릿(10)에 대한 압력 손실 특성을 보여준다. 도 21a의 모든 실시례 또는 비교례에 대해 측정된 압력 손실(Δp)이 kg/s 단위의 설정된 양의 물질 흐름(m)에 대해 막대로 입력되어 있다. 도 21a는 압력 손실(Δp)과 설정된 양의 물질 흐름(m) 사이에 대략 직선적 관계가 있음을 보여준다. 도 21b에서, Δm은 하나의 실시례 또는 비교례에 대한 최고 설정량의 물질 흐름과 최저의 설정량의 물질 흐름 사이의 차이를 나타내며, Δ(Δp)는 이들 물질 흐름 양에서 각각 측정된 압력 손실들 사이의 차이를 나타낸다. 다시 말하면, Δ(Δp)/Δm의 값은 도 21a에 도시된 곡선의 시작점과 끝점을 통해 연장되어 실시례 또는 비교례에 대한 물질 흐름의 양에 대한 압력 손실의 정도를 나타내는 직선의 구배를 나타낸다. Δ(Δp)/Δm의 값이 클수록 물질수송 및 물질이동이 증가함에 따라 압력 손실이 커진다.
실시례 1 내지 실시례 5를 참조하면, 본 발명에 따른 방법에 의해 압력 손실에 대해 상이한 효과를 갖는 펠릿(10)을 제조할 수 있다는 것, 즉 펠릿(10)이 계획된 사용 영역의 요구에 용이하게 부합할 수 있다는 것을 알 수 있다. 예를 들면, 기공 직경의 변화는 실시례 1 및 실시례 2를 참조하여 나타낸 바와 같이 압력 손실에 영향을 주기 위해 이용될 수 있다. 복수의 층(12)을 갖는 펠릿(10)의 사용은 압력 손실을 감소시키고, 동시에 실시례 3 및 실시례 4를 참조하여 알 수 있는 바와 같이 물질이동 특성을 개선시킨다. 압력 손실 및 물질이동의 둘 모두가 펠릿(10)의 형상을 변화시킴으로써 펠릿(10)의 사용 목적에 따라 최적화될 수 있다. 실시례 5에 따른 디스크 형상의 펠릿(10)은 실시례 3에 따른 펠릿과 동등하게 우수한 물질이동 특성을 가지지만 압력 손실은 증가한다.
도 22a는 3 개의 반경방향 출구 온도 프로파일을 도시한다. 이 목적을 위해, 3 인치(7.62 cm) 직경을 갖는 튜브형 반응기(22)에 상이한 펠릿(10)을 패킹한 후에 5 바의 압력 및 1 m/s의 공탑 속도(superficial velocity)의 유체로서 900℃로 예열된 공기를 통과시켰고, 반응기(22)는 각각 1000℃까지 가열된 퍼니스 내에 배치되었다. 반응기 출구(66)에서 상이한 반경방향 위치에서 온도 측정이 실시된다. 도 22a에 도시된 출구 온도 프로파일은 관련된 반경방향 위치에 대해 측정된 출구 온도를 적용함으로써 얻어진다.
도 22a에서 다이아몬드로 표시된 하부 곡선은 비교례 1(표 1)에 따라 세라믹 펠릿을 사용하여 얻어진다. 금속 발포체(24)로 구성된 펠릿(10)으로 얻어진 2 개의 출구 온도 프로파일은 원(상부 곡선) 또는 삼각형(중간 곡선)으로 표시되며, 각각 니켈-크롬-알루미늄 합금을 포함하는 정육면체 펠릿을 기반으로 한다. 원으로 표시된 출구 온도 프로파일에서, 정육면체 펠릿(10)은 실시례 3의 펠릿에 해당한다. 삼각형으로 표시된 출구 온도 프로파일에서, 정육면체 펠릿(10)은 실시례 1의 펠릿에 해당한다. 금속 발포체(24)로 구성된 펠릿(10)의 사용에 기인되는 둘 모두의 출구 온도 프로파일은 세라믹 펠릿의 사용을 기반으로 하는 출구 온도 프로파일보다 높은 온도를 갖는다. 이는 금속 발포체로 구성된 펠릿(10)이 세라믹 펠릿에 비해 높은 흡열 반응에서 특히 유리하다는 것을 설명한다.
도 22b에 도시된 평균 열전달 계수는 얻어진 출구 온도 프로파일로부터 계산될 수 있다. 세라믹 펠릿으로 패킹된 반응기(22)의 열전달 계수는 도 22b의 왼쪽에 도시되어 있으며, 실시례 1 및 실시례 3에 따른 펠릿으로 인한 평균 열전달 계수보다 상당히 낮다. 이는 반응기의 열전달이 금속 발포체(24)로 구성된 본 발명에 따른 펠릿(10)에 의해 최적화될 수 있음을 보여준다.
10 펠릿
12 층
14 금속 발포체 재료
16 금속 발포체 블랭크
18 금속 발포체 재료의 조각
20 촉매 충전물
22 반응기
24 금속 발포체
26 기공
28 함몰부
30 솔더링 필름
32 외면
34 그루브
36 반응물 흐름
38 돌출부
40 함몰부
42 개구부
44 재킷 벽
46 내측
48 재킷 외면
50 재킷 내면
52 제 1 기공
54 제 2 기공
56 폐쇄된 외면
58 영역
60 제 1 영역
62 제 2 영역
64 반응기 입구
66 반응기 출구
68 반경방향 내측 영역
70 반경방향 외측 영역
72 중심
74 반응기 벽
L 축선 방향
R 반경 방향
S1 제 1 방법 단계
S2 제 2 방법 단계
S3 제 3 방법 단계
S4 제 4 방법 단계

Claims (15)

  1. 펠릿(10), 특히 촉매용 및/또는 정적 혼합기(static mixer)용의 펠릿(10)을 제조하는 방법으로서,
    금속 발포체 재료(14)의 적어도 하나의 층(12)을 펠릿 형상으로 성형하기 위한 절단 단계 및/또는 성형 단계를 포함하는, 펠릿 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 금속 발포체 재료(14)는 소결되는, 펠릿 제조 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 금속 발포체 재료(14)는 단모드식(monomodal manner) 또는 다중모드식, 특히 이중모드식으로 분포되는 직경을 갖는 기공(26)을 갖는, 펠릿 제조 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 적어도 한 항에 있어서,
    특히 프레싱에 의해 및/또는 솔더링 필름(soldering film; 30)에 의한 솔더링에 의해 서로 연결된 상이한 금속 발포체 재료(14)의 적어도 2 개의 층(12)이 제공되는, 펠릿 제조 방법.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 적어도 한 항에 있어서,
    상기 펠릿(10)은 0.5 mm3 내지 30 cm3의 체적을 갖는, 펠릿 제조 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 적어도 한 항에 있어서,
    상기 금속 발포체 재료(14)는 10 μm 내지 10,000 μm의 직경을 갖는 기공(26)을 포함하는, 펠릿 제조 방법.
  7. 펠릿(10), 특히 제 1 항 내지 제 6 항 중 적어도 한 항에 따른 방법에 따라 얻어질 수 있는 펠릿(10)으로서,
    금속 발포체(24)의 적어도 하나의 층(12)을 포함하는, 펠릿.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 금속 발포체(24)의 층(12)의 적어도 하나의 외측 함몰부(28) 및/또는 그루브(34) 및/또는 적어도 하나의 와인딩부 및/또는 비틀림부를 포함하는, 펠릿.
  9. 제 7 항 또는 제 8 항에 있어서,
    상기 펠릿(10)의 적어도 하나의 외면(32) 및/또는 하나의 내부 경계면은 적어도 부분적으로 폐쇄된, 펠릿.
  10. 제 7 항 내지 제 9 항 중 적어도 한 항에 있어서,
    상기 펠릿(10)은 상이한 금속 발포체(24)의 적어도 2 개의 층(12)을 포함하는, 펠릿.
  11. 제 7 항 내지 제 10 항 중 적어도 한 항에 있어서,
    상기 펠릿(10)은 적어도 실질적으로 상기 금속 발포체(24)를 포함하는, 펠릿.
  12. 제 7 항 내지 제 11 항 중 적어도 한 항에 있어서,
    상기 금속 발포체(24)는 단모드식 또는 다중모드식, 특히 이중모드식으로 분포되는 직경을 갖는 기공(26)을 갖는, 펠릿.
  13. 제 7 항 내지 제 12 항 중 적어도 한 항에 있어서,
    상기 금속 발포체(24)는 10 μm 내지 10,000 μm의 직경을 갖는 기공(26)을 갖는, 펠릿.
  14. 제 7 항 내지 제 13 항 중 적어도 한 항에 따른 복수의 펠릿(10)을 포함하는 촉매 충전물(20).
  15. 제 7 항 내지 제 13 항 중 적어도 한 항에 따른 복수의 펠릿(10)을 갖는, 예를 들면, 흡수 컬럼용 또는 증류 컬럼용 정적 혼합기.
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