KR20210150568A - 고온 반응기 용기, 플랜트 및 방법 - Google Patents

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피터 묄가르트 모르텐센
마이클 뵈
루이즈 지반 샤
토마스 샌달 크리스텐센
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할도르 토프쉐 에이/에스
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Abstract

입구 부분이 특정 디자인을 가진 고온 촉매 반응을 위한 반응기 용기가 제공된다. 이 반응기 용기를 포함하는 플랜트가 또한 제공된다.

Description

고온 반응기 용기, 플랜트 및 방법
입구 부분이 특정 디자인을 가진 고온 촉매 반응을 위한 반응기 용기가 제공된다. 이 반응기 용기를 포함하는 플랜트가 또한 제공된다.
화학 플랜트에서 고온 및 고압의 사용은 반응기 용기, 튜빙, 밸브 등과 같은 플랜트 구성요소의 재료 및 구성에 대한 특정한 요건을 요한다.
750℃ 이상의 가스 온도에 도달될 수 있고, 이 온도에서 스테인리스 스틸과 같은 금속은 기계적 강도를 잃고 연화되기 시작한다. 이러한 이유로 스틸 용기와 튜빙은 종종 보호 코팅, 예를 들어 브릭 라이닝으로 알려진 세라믹 라이닝으로 보호된다.
추가로, 15 - 45 bar의 가스 압력에 도달될 수 있다. 이것은 이러한 압력을 견딜 수 있도록 플랜트 구성요소의 기하구조 및 구성에 특별한 주의를 요한다. 이러한 반응기는 전형적으로 또한 처리될 반응물의 양이 많기 때문에 빠른 가스 흐름을 수반하며, 이것은 차례로 예를 들어 가스들이 혼합되어야 하는 경우 재료 및 구성에 대한 특정한 요건으로 치환된다.
촉매 반응기 용기는 가스 흐름이 촉매층으로 들어가기 전에 시약 가스들의 우수한 혼합을 요하는데, 촉매층 내부에서는 가스 흐름들의 혼합이 제한되기 때문이다. 또한, 높은 가스 유속에서는 가스가 촉매층을 교란하며, 물리적 접촉시 개별 촉매 입자의 비-최적화 촉매 전환 및 심지어 절삭, 분쇄 또는 유동화를 유발할 위험이 있다.
전형적인 산업용 기상 촉매 반응기는 반응기 상부의 구형 헤드 아래에 있는 가스 입구에 배치된 전형적으로 다공판인 입구 분배기를 사용한다. 화학 플랜트에서 고온의 사용은 가스 혼합을 촉진하기 위한 이러한 분배기의 사용을 제한한다. 분배기는 코팅에 의해 충분히 보호하기 어려운 복잡한 구조를 가질 수 있다. 또한, 금속, 예를 들어 스테인리스 스틸로 제조된 분배기는 수반된 고온에서 기계적 강도를 잃는 경향이 있다.
따라서, 화학 플랜트 및 그 구성요소, 특히 고온 촉매 반응을 위한 반응기 용기를 설계 및 구성할 때 상기 문제의 일부 또는 전부를 해결할 필요가 있다. 고온 사용을 위한 반응기 용기는 분배기와 같은 추가 요소를 피하면서 효율적인 가스 혼합을 촉진해야 한다. 동시에, 촉매 입자의 교란, 특히 절삭이 감소되거나, 또는 심지어 회피되어야 한다.
따라서, 고온 촉매 반응을 위한 반응기 용기가 제공된다. 반응기는 본체부, 입구 단부 부분 및 출구 단부 부분을 포함하고, 상기 본체부는 상기 입구 단부 부분과 상기 출구 단부 부분 사이에서 연장되며, 상기 본체부, 상기 입구 단부 부분 및 상기 출구 단부 부분은 함께 반응기 공동을 한정하고,
- 상기 본체부는 상기 반응기 용기의 중심축 X-X를 중심으로 실질적으로 원통형 형태를 가지며;
- 촉매 입자들의 촉매층이 상기 본체부의 상기 반응기 공동 내에 위치되고, 상기 촉매층은 대향하는 제1 및 제2 층 표면에 의해 한정되며;
- 상기 입구 단부 부분은 하나 이상의 가스 입구를 포함하며;
- 상기 출구 단부 부분은 하나 이상의 가스 출구를 포함하고;
- 상기 입구 단부 부분(120)은 적어도 하나의 측벽(125)을 포함하고; 상기 측벽(들)(125)은 측벽(들)(125)이 본체부(110)와 만나는 분류 구역(A)을 포함하며,
- 상기 가스 입구(121)는 입구 단부 부분(120)의 측벽(125)에만 배열되고; 각 가스 입구(121)는 그것을 따라서 가스가 상기 반응기 공동(101)으로 들어가는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)를 한정하며, 상기 가스 입구는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)가 상기 중심축(X-X)과 교차하지 않도록 배열되며,
- 입구 단부 부분(120)의 내부 공간은 가스 흐름에 이용가능한 단면적이 가스 입구(121)에서 본체부(110)를 향하는 방향으로 중심축 X-X을 따라서 일정하거나 증가하도록 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 반응기로 가는 원료 가스 전부가 가스 입구부의 측벽에 접선 방향으로 가스 입구 부분에 도입되고, 가스 입구 부분이 본체부를 향해서 확장되고 분기된 형태를 가질 때 본체부 위에서 반응기의 가스 입구부의 하단부에 배치된, 예를 들어 다공판 형태의 가스 분배기를 생략하는 것이 가능하다는 인식에 기초한다. 이러한 반응기 구성에서, 가스는 입구 단부 부분을 통해 나선형 운동을 부여받고, 입구 단부 부분은 가스가 본체부의 촉매층에 도달할 때까지 상기 나선형 운동이 방해받지 않고 계속될 수 있도록 배열된다. 동시에, 상기 반응기 구성은 원료 가스 스트림의 충분한 혼합을 얻을 수 있게 하여 별도의 가스 혼합기 요소의 생략을 가능하게 한다는 것이 밝혀졌다. 나선형 흐름의 확장은 일정 수준의 혼합을 가져올 것이다. 마지막으로, 상기 반응기 구성은 반응기 및 촉매층으로의 가스 제트의 생성을 회피하기 때문에 가스 흐름에 의한 촉매층의 붕괴를 회피할 수 있다는 것이 밝혀졌다.
고온 촉매 반응 과정은 하기 단계를 포함한다:
- 적어도 750℃의 온도를 가진 가스를 본 발명의 반응기 용기의 적어도 하나의 가스 입구로 인도하는 단계, 및
- 상기 반응기 용기에서 가스에 촉매 반응을 행하는 단계.
또한, 탄화수소 원료로부터 정해진 H2/CO 비를 갖는 합성 가스를 생성하기 위한 플랜트가 제공된다. 이 플랜트는:
- 상기 탄화수소 원료와 스팀을 반응시켜 제1 합성 가스 스트림을 생성하도록 배열된 제1 촉매를 포함하는 스팀 개질 반응기;
- 스팀 개질/메탄화 및 역 수성 가스 전환 반응에 활성인 촉매 입자를 가진, 본원에 정의된 것과 같은 반응기 용기;
- 스팀 개질 반응기로부터 상기 제1 합성 가스 스트림의 적어도 일부를 상기 반응기 용기의 적어도 하나의 가스 입구로 인도하도록 배열된 제1 원료 라인;
- 별도의 가스 입구를 통해서 직접, 또는 혼합 구역을 통해서, 제2 CO2-부화 가스 원료를 상기 반응기 용기에 공급하도록 배열된 제2 원료 라인
을 포함하고; 여기서 상기 혼합 구역은 상기 제1 및 제2 원료 라인으로부터 적어도 상기 제1 합성 가스 스트림 및 상기 제2 가스 원료를 수용하고, 상기 제1 및 제2 가스 원료를 혼합하여 가스 혼합물을 형성하고, 가스 혼합물을 상기 반응기 용기의 적어도 하나의 가스 입구에 공급하도록 배열되며;
- 상기 반응기 용기는 제1 합성 가스 스트림을 상기 제2 가스 원료인 CO2와 반응시켜 상기 반응기 용기의 출구를 통해서 정해진 H2/CO 비를 가진 합성 가스를 제공하도록 배열된다.
또한, 본 발명의 플랜트를 사용하여 탄화수소 원료로부터 정해진 H2/CO 비를 가진 합성 가스를 생성하는 방법이 또한 제공된다.
본 발명의 추가의 상세한 내용은 하기 설명, 도면 및 청구범위에 제시된다.
도 1은 중심축 X-X를 따른 단면에서 본, 본 발명에 따른 반응 용기의 모식도를 도시한다.
도 2a-2d는 반응 용기의 다양한 구체예를 입구 단부 부분의 다양한 디자인과 함께 예시한다.
도 3 및 4는 중심축 X-X를 따른 두 가지 가능한 입구 단부 부분의 단면도이다.
도 5는 고온 반응기 구역을 도시한다.
도 6 및 7은 합성 가스를 생성하기 위한 플랜트의 모식도를 도시한다.
정의
본 발명 기술에서, 용어 "고온"은 적어도 750℃, 바람직하게 적어도 800℃를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명 기술에서, 용어 "고압"은 적어도 15 bar, 바람직하게 적어도 20 bar 및 최대 45 bar를 의미하는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서, 표현 "열-유도 변형 및 변성에 대한 내성"은 반응기 용기 진입 온도가 1000℃인 가스를 사용할 때 1개월 이상 작동한 표면의 수명을 의미한다.
구체적인 실시형태
본 발명은 고온 반응기 용기(예를 들어 CO2와 합성가스 혼합물의 CO 부화 합성가스로의 전환에 사용되는 단열 후 전환기)의 특정 구성형태에 관한 것이다. 이 반응기는 고온 작업(>750℃)에 적합하며, 이 온도에서는 기계적 해법이 온도 내구성 문제에 의해 제한될 수 있다. 반응기 용기는 단열 후 반응기 또는 수성 가스 전환 반응기로부터 선택될 수 있다.
따라서, 고온 촉매 반응에 적합한 반응기 용기가 제공된다. 반응기 용기는 본체부, 입구 단부 부분 및 출구 단부 부분을 포함한다. 반응기 용기는 중심축 X-X을 가진다. 본체부는 반응기 용기의 중심축 X-X을 중심으로 실질적으로 원통 형태를 가진다. 본체부는 상기 반응기 용기의 중심축 X-X을 따라서 입구 단부 부분과 출구 단부 부분 사이에서 연장된다. 반응기 용기는 본질적으로 중공이며, 따라서 본체부, 상기 입구 단부 부분 및 상기 출구 단부 부분이 함께 반응기 공동을 한정한다.
본 발명의 반응기 용기의 특정 실시형태에서, 상기 반응기 용기의 모든 가스-접촉 표면은 세라믹 재료의 층으로 코팅되거나 라이닝된다.
반응기 용기의 벽은 전형적으로 금속, 예를 들어 스테인리스 강으로 구성되고, 예를 들어 5-10mm의 벽 두께를 가지며, 이로써 이들은 반응기 내의 고압을 견딜 수 있다. 반응기 용기의 내부 표면(즉, 반응기 공동, 가스 입구 및 가스 출구)은 세라믹 재료의 층으로 라이닝되며, 이로써 금속 벽이 고온 가스로부터 절연됨으로써 금속 부분이 차갑게 유지된다. 세라믹 재료의 층은 Al2O3 브릭, ZrO2 브릭, 또는 다른 적절한 세라믹 재료의 형태일 수 있다. 세라믹 층은 10-100cm, 즉 50cm의 두께를 가질 수 있다. 반응기 용기는 전형적으로 중심축 X-X을 따른 총 길이가 약 50-500cm이고 중심축을 중심으로 본체부의 직경이 약 50-300cm인 크기이다.
반응기 용기는 가스가 용기로 들어가는 단부에서 중심축 X-X의 방향으로 최대 연장된 지점인 입구 단부를 가진다. 입구 단부 부분이 한정되며, 이것은 본체부와 용기의 입구 단부 사이에 있는 용기 부분이다. 유사하게, 반응기 용기는 가스가 용기를 빠져나가는 단부에서 중심축 X-X의 방향으로 최대 연장된 지점인 출구 단부를 가진다(즉, 입구 단부의 반대쪽). 출구 단부 부분이 한정되며, 이것은 본체부와 용기의 출구 단부 사이에 있는 용기 부분이다.
반응기 용기는 하나 이상의 측벽을 가지며, 이것은 중심축 X-X의 방향으로 주로 연장된 용기의 벽이다. 반응기 용기가 그것의 전체 길이(입구 단부에서 출구 단부까지)를 따라서 원형 단면을 가질 때 용기는 본질적으로 중심축 X-X를 감싸는 하나의 측벽을 가진다. 반응기 용기는 또한 반응기 용기의 입구 단부에 단부벽을 포함할 수 있으며, 이것은 중심축 X-X에 수직인 방향으로 주로 연장되고 입구 단부 부분과 출구 단부 부분을 봉쇄한다. 구성에 따라, 별도의 단부벽은 생략될 수 있고, 곡선이거나 기울어진 측벽들이 만날 수 있으며, 이로써 반응기 용기의 입구 및 출구 단부를 형성한다.
입구 단부 부분 및 출구 단부 부분은 전형적으로 반응기 용기의 중심축 X-X를 중심으로 원형 단면을 가진다. 도면에 도시된 대로, 이 원형 단면은 전형적으로 본체부의 단면보다 작다. 또한, 입구 단부 부분 및 출구 단부 부분의 원형 단면은 전형적으로 본체부로부터 입구 또는 출구 단부를 향해서 감소한다.
입구 단부 부분은 하나 이상의 가스 입구를 포함하고, 출구 단부 부분은 하나 이상의 가스 출구를 포함한다. 이들 가스 입구 및 가스 출구를 제외하고, 반응기 용기의 벽은 도면에 도시된 대로 반응기 공동을 완전히 둘러싸고 있다.
반응기 용기는 중심축 X-X가 실질적으로 수직으로 정렬된 상태에서 실질적으로 수평 표면에 서 있도록 설계되며, 이로써 입구 단부 부분은 상단부(즉, 수평 표면에서 가장 먼 곳)에 위치되고 출구 단부 부분은 하단부에 위치된다. 반응기 용기에서 가스 흐름은 전형적으로 일반적으로 하향 방향으로, 입구 단부 부분에서부터 본체부를 통해서 출구 단부 부분을 향해서 일어난다.
촉매 입자들의 촉매층은 본체부의 반응기 공동 내에 위치된다. 가스의 우회를 피하기 위해, 촉매층은 반응기 용기의 본체부의 전체 단면을 채운다. 촉매층은 본체부 내에만 위치되며, 이로써 가스는 촉매층의 전체 단면적을 통과한다. 촉매층은 전형적으로 중심축 X-X의 방향으로 본체부의 적어도 60%, 전형적으로 적어도 75%, 더 바람직하게 적어도 80%, 및 선택적으로 중심축 X-X의 방향으로 본체부의 전부를 채운다.
촉매층은 본체부 내에 축적된, 촉매 입자들을 포함하거나 그것을 구성한다. 촉매 입자는 전형적으로 그 자체가 촉매일 수 있는 세라믹 재료를 포함하며, 바람직하게는 촉매 활성 금속 또는 금속염으로 코팅 및/또는 함침된다. 촉매 입자는 전형적으로 미세다공성 또는 거대다공성이며, 밀리미터 또는 센티미터 규모의 치수를 가진다. 촉매 입자의 성질, 구성 및 제조 방법은 반응기 용기에서 일어나는 반응의 성질에 의존하며, 따라서 당업자에 의해 선택될 수 있다.
촉매층은 둘 이상의 종류의 상이한 촉매 입자를 포함할 수 있고, 이들은 둘 이상의 별도의 층에 적합하게 배열된다. 촉매 입자는 촉매 효과(예를 들어, 동일한 촉매 반응을 위한 상이한 촉매 로딩량), 물리적 형태(예를 들어, 공극 크기, 입자 크기), 또는 수행되는 촉매 반응의 측면에서 "상이"할 수 있다. 이로써 당업자는 필요에 따라 반응기 용기 내의 반응을 재단할 수 있다. 예로서, 촉매의 유동화를 피하기 위해 상부층에는 큰 촉매 입자를 갖고 더 높은 촉매 활성을 위해 제2 층에는 더 작은 촉매 입자를 갖는 것이 유익할 수 있다.
촉매층은 제1 및 제2 층 표면에 의해 한정된다. 제1 층 표면은 반응기 용기의 입구 단부 부분에 가장 가까이 위치된 표면이다(즉, 상기 설명된 대로 반응기 용기가 수직으로 서 있을 때 촉매층의 상부 표면). 제1 층 표면은 상기 중심축 X-X에 실질적으로 수직으로 배열될 수 있다. 가스 흐름은 제1 층 표면에서 촉매층으로 들어가고 촉매층을 통해서 유동하며 제2 층 표면(즉, 상기 설명된 대로 반응기 용기가 수직으로 서있을 때 촉매층의 하부 표면)에서 촉매층을 빠져나온다. 일단 가스 흐름이 촉매층으로 들어가면 촉매 입자의 물리적 존재가 가스 혼합을 감소시키고, 중심충 X-X에 수직인 방향으로의 가스 흐름을 감소시킨다. 따라서, 가스가 촉매층으로 들어가기 전에 가스 혼합을 최대화하는 것이 중요하다.
촉매층은 반응기 용기의 본체부의 측벽에 의해 접촉한 상태로 지지된다. 본체부는 촉매-비활성 입자를 더 포함할 수 있다. 이들은 촉매 입자와 혼합될 수 있거나 또는 하나 이상의 별도의 층으로 존재할 수 있다. 한 양태에서, 촉매-비활성 입자의 층은 제1 층 표면에 배열된다. 이러한 배열은 "완충" 층을 제공하여 물리적 교란 및/또는 절삭으로부터 촉매층의 촉매 입자를 더 보호한다.
출구 단부 부분에서 촉매층은 촉매-비활성 입자 및/또는 세라믹 지지 구조 상에 지지된다.
반응기 용기의 입구 단부 부분 및 가스 입구는 특정 디자인을 가진다. 입구 단부 부분은 적어도 하나의 측벽을 포함하고, 상기 측벽(들)은 측벽(들)이 본체부와 만다는 분류 구역(A)을 포함한다.
"분류 구역(A)"은 입구 단부 부분의 본체부와 만나는 부분에 위치된, 입구 단부 부분의 구역이다. 이 분류 구역에서, 입구 단부 부분의 측벽(들)이 본체부로부터 중심축 X-X의 방향을 따라서 분기한다. 다시 말해서, 입구 단부 부분의 단면적이 분류 구역(A)에서 본체부로부터 중심축 X-X의 방향을 따라서 감소한다. 이것은 측벽이 본체부보다 분류 구역(A)에서 서로 더 가까이(그리고 중심축 X-X에 더 가까이) 있다는 것을 의미한다. 입구 단부 부분의 구성의 용이성을 위해, 분류 구역(A)에서 분기는 점진적이다; 즉, 측벽이 이 분류 구역(A)에서 서로를 향해 기울어지거나 곡선화된다.
가스 입구는 입구 단부 부분의 측벽에 배열된다. 각 가스 입구는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)를 한정하며, 이것을 따라서 가스가 상기 반응기 공동으로 들어간다. 가스 입구는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)가 상기 중심축 X-X과 교차하지 않도록 배열된다.
가스 입구(들) 및 입구 단부 부분의 특정 디자인은 상기 입구(들)를 통해서 입구 단부 부분으로 들어가는 가스가 초기에는 중심축 X-X을 중심으로 나선형 또는 원형의 경로를 추종한다는 것을 의미한다. 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)가 중심축 X-X과 교차하지 않으므로, 가스의 선형 움직임이 중심축 X-X을 중심으로 한 회전 움직으로 변형된다. 가스가 중심축 X-X의 방향으로 반응기 용기를 따라서 지나감에 따라, 분류 구역(A)은 나선형 또는 원형 경로의 반경을 증가시키고 가스 흐름이 느려진다. 모든 단계에서, 가승 유동 방향 및/또는 유속의 변화는 혼합을 촉진한다.
가스 입구(들) 및 입구 단부 부분의 특정 디자인은 입구 및 입구-부분의 단면(관련 구역의 중심축에 수직)이 상기 가스 입구 및 상기 입구 단부 부분에서 주 유동 방향 벡터를 따라서 단조 증가하도록 설계된다. 이 실시형태는 가스 속도의 점진적 감속을 허용하며, 결과적으로 가스 흐름의 제트 형성 경향을 제거하거나, 또는 유의하게 감소시키며, 즉 다공판처럼 구성된 입구 분배기와 같은 전용 기계 설치가 필요없다.
단조 증가는 f(z)와 같은 함수로서 이해되며, 여기서 x와 y의 모든 조합에서, x≤y일 때 f(x)≤f(y)이다.
이 기술은 원뿔형 헤드와 소용돌이 입구의 조합이 전용 유량 분배기 또는 혼합기가 없는 반응기 구성형태를 허용하는 방식을 증명한다. 상기와 같이, 반응기에 입구 분배기를 구비하는 것은 반응 온도가 800℃를 초과할 때는 이들 용도에 사용되는 전형적인 스틸의 기계적 강도가 약하기 때문에 어렵다. 원뿔형 헤드의 사용 및 소용돌이 메커니즘의 제공에 의해, 주어진 구성형태의 반응기 입구는 임의의 기계적 분배기 없이 하류 촉매층을 가로질러 균일하게 원료를 분배하고 혼합할 수 있다.
한 양태에서, 도 2b에 도시된 대로, 분류 구역(A)은 입구 단부 부분의 측벽(들)이 중심축 X-X의 방향으로 본체부로부터 분기하는 실질적으로 원뿔대 형태를 가지며, 입구 단부 부분은 단부벽을 더 포함하고, 이때 입구 단부 부분의 측벽(들)은 본체부와 상기 단부벽 사이에서 연장된다. 이 단순한 디자인은 벽 면적의 양을 감소시키며, 따라서 용기 구성에 사용되는 재료의 양을 감소시킨다. 이 디자인은 반응 용기에 이용가능한 최대 높이가 제한되는 장소에서도 유용할 수 있다.
다른 양태에서, 도 2c 및 도 2d에 도시된 대로, 입구 단부 부분의 측벽(들)은 분류 구역(A), 및 상기 분류 구역(A)에 인접한 비-분류 구역(B)을 포함한다. 비-분류 구역(B)에서, 입구 단부 부분의 측벽(들)은 상기 중심축 X-X에 실질적으로 평행한 방향으로 연장된다. 본질적으로, 비-분류 구역(B)은 실질적으로 원통형 형태를 가지며, 바람직하게는 동일한 중심축 X-X을 중심으로 한 원통형 형태를 가진다. 다시 말해서, 이 디자인은 분류 구역(A)의 측벽(들)을 통해 직경이 더 큰 원통(본체부)이 직경이 더 작은 원통(비-분류 구역 B)과 만나는 형태를 취한다. 또한, 이 양태에서, 입구 단부 부분은 단부벽을 더 포함할 수 있고, 이때 입구 단부 부분의 측벽(들)은 도시된 대로 본체부와 상기 단부벽 사이에서 연장된다. 단부벽은 반응기 용기의 입구 단부에 존재하며, 비-분류 구역(B)을 봉쇄한다.
이 양태에서, 가스 입구(들)는 입구 단부 부분의 비-분류 구역(B)의 측벽에 배열될 수 있다. 이러한 배열은 수평 가스 입구가 수직 측벽(비-분류 구역 B의)과 만나는 것을 허용하므로 유익하며, 이것은 분류 구역(A)의 기울어진 측벽과 만나는 것보다 용이하다.
추가 양태(도 2a)에서, 측벽(들)은 상기 분류 구역(A)으로 구성된다. 따라서, 입구 단부 부분은 중심축 X-X를 따라서 본체부로부터 좁아지는 실질적으로 원뿔형 형태를 가진다. 따라서, 반응기 용기의 입구 단부가 뾰족하며, 단부벽은 존재하지 않는다.
한 바람직한 양태에서, 가스 입구(들)는 각 가스 유동 방향 벡터(V)가 중심축 X-X에 실질적으로 수직인 평면에 놓이도록 배열된다. 이것은 도 2a-2c에 도시되며, 중심축 X-X에 수직으로 배열되지 않은 도 2d의 오른편 가스 입구와 대비된다. 다시 말하면, 반응기 용기의 구성요소들이 직각으로 정렬될 때 구성이 더 용이하며, 가스 흐름이 더 용이하게 예측 및 조절될 수 있다.
가스 입구(들)는 적합하게는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)가 상기 중공 원통의 중심축을 구성하는 원형 중공 원통의 형태를 가진다. 가스 입구(들)는 전형적으로 원형 중공 원통의 형태를 갖는 입구 관(들)을 포함하며, 이때 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)가 상기 중공 원통의 중심축을 구성한다. 입구 관(들)는 원형 중공 원통을 한정하는 입구 측벽을 가지며, 입구 측벽은 입구 단부 부분의 측벽에 대한 접선(T)의 연장선 상에 배열된다. 이것은 도 4와 대비되는 도 3에 가장 명확히 예시된다. 이러한 배열은 가스 흐름이 입구 단부 부분의 하나의 측벽에 가까운 지점에서 입구 단부 부분으로 들어가서 최대 회전 에너지(소용돌이)를 얻는다는 것을 의미한다.
선택적으로, 입구 단부 부분은 2개 이상의 가스 입구를 포함하고, 각 입구는 반응기 용기에 상이한 가스 흐름을 제공하도록 배열된다. 가스 흐름은 화학적 조성 측면에서 "상이하다". 예를 들어, 반응기 용기가 단열 후 변환기인 경우, 하나의 가스 입구는 합성 가스를 제공하도록 배열될 수 있고, 다른 하나는 CO2-부화 가스 원료를 제공하도록 배열될 수 있다. 반응기 용기가 단열 후 변환기인 경우, 하나의 가스 입구는 합성 가스를 제공하도록 배열될 수 있고, 다른 하나는 CO2-부화 가스 원료를 제공하도록 배열될 수 있다.
또는 달리, 입구 단부 부분은 1개의 가스 입구를 포함할 수 있고, 이것은 상기 하나의 가스 입구를 통해 반응기 용기에 상이한 가스들의 혼합물을 제공하도록 배열된다(도 2a-2c 참조). 이것은 가스 입구 상류에서 가스들을 혼합하는 것이 필요하다. 입구가 하나뿐인 이러한 디자인은 구성이 용이하고, 용기의 조인트 수를 감소시키며, 조인트에서 고장이 생길 기회를 감소시킨다. 또한, 가스 입구가 하나뿐일 때는 용기에서의 가스 흐름과 혼합이 더 쉽게 설계되고 조정된다. 가스 원료들이 반응기 용기에 공급되기 전에 혼합되어야 하는 경우, 반응기 용기는 "반응기 구역"에 포함될 수 있다. 따라서, 고온 반응기 구역이 제공되며, 이것은
- 본원에 정의된 것과 같은 반응기 용기;
- 제1 가스 원료를 공급하도록 배열된 제1 원료 라인;
- 제2 가스 원료를 공급하도록 배열된 제2 원료 라인;
- 혼합 구역
을 포함하고,
여기서 상기 혼합 구역은 상기 제1 및 제2 원료 라인으로부터 적어도 제1 및 제2 가스 원료를 수용하고, 상기 제1 및 제2 가스 원료를 혼합하여 가스 혼합물을 형성하고, 가스 혼합물을 상기 반응기 용기의 적어도 하나의 가스 입구에 공급하도록 배열된다.
고온 반응기 구역은 상기 혼합 구역과 상기 적어도 하나의 가수 입구를 연결하는 가스 입구 라인을 포함할 수 있으며, 이것은 하나 이상의, 바람직하게 둘 이상의 90°각도를 통해서 상기 혼합 구역으로부터 상기 적어도 하나의 가스 입구로 가스 혼합물을 공급하도록 배열된다. 이러한 배열에서, 제1 가스 원료는 적합하게는 합성 가스 원료이고, 상기 제2 가스 원료는 적합하게는 CO2-부화 원료이다.
본 발명의 제2 양태는 고온 촉매 반응을 위한 반응기 용기(100)에 관한 것이며, 반응기(100)는 본체부(110), 입구 단부 부분(120) 및 출구 단부 부분(130)을 포함하고, 여기서 상기 본체부(110)는 상기 반응기 용기(100)의 중심축 X-X를 따라서 상기 입구 단부 부분(120)과 상기 출구 단부 부분(130) 사이에서 연장되고, 상기 본체부(110), 상기 입구 단부 부분(120) 및 상기 출구 단부 부분(130)은 함께 반응기 공동(101)을 형성하며;
- 상기 본체부(110)는 상기 반응기 용기(100)의 중심축 X-X을 중심으로 실질적으로 원통형 형태를 가지고;
- 촉매 입자들(201)의 촉매층(200)이 상기 본체부(110)에서 상기 반응기 공동(101) 내에 위치되고;
- 상기 입구 단부 부분(120)은 하나 이상의 가스 입구(121)를 포함하고;
- 상기 출구 단부 부분(130)은 하나 이상의 가스 출구(131)를 포함하며;
상기 입구 단부 부분(120)이 적어도 하나의 측벽(125)을 포함하고; 상기 측벽(들)(125)은 측벽(들)(125)이 본체부(110)와 만나는 분류 구역(A)을 포함하며,
상기 가스 입구(121)는 입구 단부 부분(120)의 측벽(125)에 배열되고; 각 가스 입구(121)는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)를 한정하고, 이것을 따라서 가스가 상기 반응기 공동(101)으로 들어가며, 상기 가스 입구는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)가 상기 중심축 X-X과 교차하지 않도록 배열되고,
반응기 용기의 모든 가스-접촉 내부 표면은 적어도 750℃의 온도를 갖는 가스와의 접촉에 의한 열-유도 변형 및 변성에 대해 내성인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제3 양태는 고온 촉매 반응을 위한 반응기 용기(100)에 관한 것이며, 반응기(100)는 본체부(110), 입구 단부 부분(120) 및 출구 단부 부분(130)을 포함하고, 여기서 상기 본체부(110)는 상기 반응기 용기(100)의 중심축 X-X를 따라서 상기 입구 단부 부분(120)과 상기 출구 단부 부분(130) 사이에서 연장되고, 상기 본체부(110), 상기 입구 단부 부분(120) 및 상기 출구 단부 부분(130)은 함께 반응기 공동(101)을 형성하며;
- 상기 본체부(110)는 상기 반응기 용기(100)의 중심축 X-X을 중심으로 실질적으로 원통형 형태를 가지고;
- 촉매 입자들(201)의 촉매층(200)이 상기 본체부(110)에서 상기 반응기 공동(101) 내에 위치되고;
- 상기 입구 단부 부분(120)은 하나 이상의 가스 입구(121)를 포함하고;
- 상기 출구 단부 부분(130)은 하나 이상의 가스 출구(131)를 포함하며;
상기 입구 단부 부분(120)이 적어도 하나의 측벽(125)을 포함하고; 상기 측벽(들)(125)은 측벽(들)(125)이 본체부(110)와 만나는 분류 구역(A)을 포함하며,
상기 가스 입구(121)는 입구 단부 부분(120)의 측벽(125)에 배열되고; 각 가스 입구(121)는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)를 한정하고, 이것을 따라서 가스가 상기 반응기 공동(101)으로 들어가며, 상기 가스 입구는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)가 상기 중심축 X-X과 교차하지 않도록 배열되고,
반응기 용기의 모든 가스-접촉 내부 표면은 세라믹 재료의 층으로 라이닝되거나 코팅된다.
탄화수소 원료로부터 미리 정해진 H2/CO 비를 갖는 합성 가스를 생성하기 위한 플랜트가 제공된다. 이 플랜트는:
- 상기 탄화수소 원료가 스팀과 적어도 부분적으로 반응하여 제1 합성 가스 스트림이 생성되도록 배열된, 제1 촉매를 포함하는 스팀 개질 반응기;
- 촉매 입자가 스팀 개질/메탄화 및 역 수성 가스 전환 반응에 활성인 촉매를 포함하는, 본원에 정의된 바와 같은 반응기 용기;
- 상기 제1 합성 가스 스트림의 적어도 일부를 스팀 개질 반응기로부터 상기 반응기 용기의 적어도 하나의 가스 입구로 인도하도록 배열된 제1 원료 라인;
- 별도의 가스 입구를 통해서 직접, 또는 혼합 구역을 통해서, 상기 반응기 용기에 제2 CO2-부화 가스 원료를 공급하도록 배열된 제2 원료 라인
을 포함하고,
여기서 상기 혼합 구역은 상기 제1 및 제2 원료 라인으로부터 적어도 상기 제1 합성 가스 스트림 및 상기 제2 가스 원료를 수용하고, 상기 제1 및 제2 가스 원료를 혼합하여 가스 혼합물을 형성하고, 가스 혼합물을 상기 반응기 용기의 적어도 하나의 가스 입구에 공급하도록 배열되며;
상기 반응기 용기는 제1 합성 가스 스트림이 CO2의 상기 제2 가스 원료와 반응하여 상기 반응기 용기의 출구를 통해서 미리 정해진 H2/CO 비를 갖는 합성 가스를 제공하도록 배열된다.
플랜트는 상기 제2 가스 원료가 상기 제1 가스 원료와 혼합되기 전에, 또는 상기 제2 가스 원료가 상기 반응기 용기에 공급되기 전에 상기 제2 가스 원료를 가열하도록 배열된 하나 이상의 가열 수단을 더 포함할 수 있으며, 여기서 상기 가열 수단은 점화식 히터, 전기 히터 또는 열교환 유닛이다. 적합하게는, 상기 가열 수단은 상기 반응기 용기의 출구로부터 미리 정해진 H2/CO 비를 갖는 합성 가스와 열교환을 통해서 상기 제2 가스 원료를 가열하도록 배열된 열교환 유닛이다. 이것은 고온 생성물 가스의 사용을 최적화한다.
적합하게는, 스팀 개질 반응기는 자열 반응기(ATR), 스팀 메탄 개질 반응기(SMR), 또는 촉매 산화(CATOX) 타입 개질 반응기로부터 선택되며, 바람직하게는 ATR이다.
탄화수소 원료로부터 미리 정해진 H2/CO 비를 갖는 합성 가스를 생성하기 위한 방법이 제공된다. 이 방법은:
- 본원에 설명된 것과 같은 플랜트를 제공하는 단계,
- 스팀 개질 반응기에서 탄화수소 원료를 스팀과 적어도 부분적으로 반응시켜 제1 합성 가스 스트림을 생성하는 단계,
- 제1 원료 라인에 의해, 상기 제1 합성 가스 스트림의 적어도 일부를 스팀 개질 반응기로부터 상기 반응기 용기의 적어도 하나의 가스 입구로 인도하는 단계,
- 별도의 가스 입구를 통해서 직접, 또는 혼합 구역을 통해서, 제2 원료 라인에 의해 제2 CO2-부화 가스 원료를 상기 반응기 용기에 공급하는 단계; 여기서 상기 혼합 구역은 상기 제1 및 제2 원료 라인으로부터 적어도 상기 제1 합성 가스 스트림 및 상기 제2 가스 원료를 수용하고, 상기 제1 및 제2 가스 원료를 혼합하여 가스 혼합물을 형성하고, 가스 혼합물을 상기 반응기 용기의 적어도 하나의 가스 입구(121)에 공급하도록 배열되며;
- 상기 반응기 용기에서 제1 합성 가스 스트림을 CO2의 상기 제2 가스 원료와 반응시켜 상기 반응기 용기의 출구를 통해서 미리 정해진 H2/CO 비를 갖는 합성 가스를 제공하는 단계
를 포함한다.
본 발명은 다수의 양태, 실시형태 및 도면을 참조하여 설명되었다. 당업자는 다양한 양태, 실시형태 및 도면으로부터 요소들 및 특징들을 조합함으로써 첨부된 청구항들의 범위 내에서 본 발명을 변형할 수 있다.
도면의 상세한 설명
도 1은 중심축 X-X를 따른 단면에서 본, 본 발명에 따른 반응 용기의 모식도를 도시한다.
도 2a-2d는 반응 용기의 다양한 실시형태를 입구 단부 부분의 다양한 디자인과 함께 예시한다.
도 3 및 4는 중심축 X-X를 따른 두 가지 가능한 입구 단부 부분의 단면도이다.
도 5는 본원에 정의된 것과 같은 고온 반응기 구역을 도시하며, 이것은:
- 반응기 용기(100);
- 제1 가스 원료를 공급하도록 배열된 제1 원료 라인(301);
- 제2 가스 원료를 공급하도록 배열된 제2 원료 라인(302);
- 혼합 구역(310)
을 포함한다.
혼합 구역은 제1 및 제2 원료 라인(301, 302)으로부터 적어도 제1 및 제2 가스 원료를 수용하고, 상기 제1 및 제2 가스 원료를 혼합하여 가스 혼합물을 형성하고, 가스 혼합물을 상기 반응기 용기(100)의 적어도 하나의 가스 입구(121)에 공급하도록 배열된다.
고온 반응기 구역(300)은 상기 혼합 구역(310)과 상기 적어도 하나의 가스 입구(121)를 연결하는 가스 입구 라인(311)을 포함하며, 이것은 하나 이상의, 바람직하게 둘 이상의 90°각도를 통해서 상기 혼합 구역(300)으로부터 상기 적어도 하나의 가스 입구(121)로 가스 혼합물을 공급하도록 배열된다. 전형적으로, 상기 언급된 대로, 제1 가스 원료는 합성 가스 원료이고, 상기 제2 가스 원료는 CO2-부화 원료이다.
도 6 및 7은 합성 가스를 생성하기 위한 플랜트의 모식도를 도시한다.
도 6은 본 발명에 따른 합성 가스를 생성하기 위한 플랜트(500)의 모식도이다. 플랜트(500)는 ATR 반응기(10) 및 단열 후 변환기(20) 형태의 반응기 용기를 포함한다.
플랜트(500)의 ATR 반응기(10)로 가는 탄화수소 원료 스트림(4)은 탄화수소 원료(1), CO2-부화 가스 스트림(2), 예를 들어 실질적으로 순수한 CO2, 및 스팀(3)으로 이루어진다. 제1 탄화수소 가스 스트림(1)에 CO2-부화 가스 스트림(2)과 스팀(3)이 첨가되고, 이로써 조합된 스트림(4)이 형성된 후, 이 조합된 스트림(4)이 ATR 반응기(10)에 유입된다. ATR 반응기(10)는 스팀 메탄 개질 촉매(11)를 구비한다. 산소-함유 스트림(5), 예컨대 공기, 산소 부화 스트림 또는 실질적으로 순수한 산소가 입구를 통해 ATR 반응기(10)의 연소 영역에 유입된다. ATR 반응기(10)는 조합된 스트림(4) 및 산소 함유 스트림(5)으로부터 수소, 일산화탄소 및 이산화탄소를 함유하는 제1 합성 가스 스트림(6)을 생성한다. ATR 반응기를 빠져나가는 제1 합성 가스 스트림(6)은 전형적으로 약 900℃ 내지 약 1100℃, 예컨대 약 1000℃의 온도를 가진다.
단열 후 변환기(20)는 스팀 메탄 개질/메탄화 및 역 수성 가스 전환 반응을 촉매하는데 활성인 제2 촉매의 입자들(25)을 구비한다.
제1 원료 라인(301)은 ATR 반응기(10)로부터의 출구와 단열 후 변환기(20)의 적어도 하나의 가스 입구를 연결한다. 제2 원료 라인(302)은 가열된 CO2 부화 가스 원료(7)를 제공하도록 배열되며, 이것은 단열 후 변환기(20)의 상류에서 제1 합성 가스 스트림(6)에 첨가되어 혼합된 가스 스트림(8)을 생성한다. 혼합된 가스(8)는 단열 후 변환기로 유입되고, 결과의 합성 가스(15)가 생성물 합성 가스로서 반응기(20)를 빠져나간다. 생성물 합성 가스(15)는 반응기(20)의 하류에서 추가의 가공을 거칠 수 있다.
단열 후 변환기(20)는 혼합된 가스를 평형화하는 역할을 하며, 이로써 제1 합성 가스(6)의 H2/CO 비와 비교하여 결과의 생성물 합성 가스(15)의 H2/CO 비를 감소시킨다.
도 6에 도시된 실시형태에서, 가열된 CO2-부화 가스 스트림(7)은 단열 후 변환기(20)에 제공되기 전에 제1 합성 가스 스트림(6)에 첨가되어 혼합된 가스 스트림(8)이 된다. 그러나, 또는 달리, 가열된 CO2-부화 가스는 스트림(7) 및 제1 합성 가스(8)는 촉매(25)의 층의 상류에서 거기에 혼합되기 위해 단열 후 변환기(20)에 별도로 제공될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 합성 가스를 생성하기 위한 플랜트(500)의 모식도이다. 플랜트(500)는 도 6에 도시된 플랜트(500)의 유닛/구성요소를 포함한다. 유사한 유닛은 유사한 참조번호로 표시되며, 여기서 상세히 설명되지는 않을 것이다. 플랜트(500)는 단열 후 변환기(20)의 하류에 열교환기(40a) 형태의 가열 수단(40)을 포함한다. CO2 부화 가스 스트림(7')이 단열 후 변환기를 빠져나가는 고온 생성물 합성 가스(15)와의 열교환에 의해 가열되고, 이로써 가열된 CO2 부화 가스 스트림(7)이 된다.
실시예 1
표 1에 따라서 원료 가스들을 갖는 본 발명에 따른 화학 반응기를 컴퓨터 유체 역학을 사용하여 모델링한다.
Figure pct00001
모델링된 사례에서, 두 가지 가스가 내경 600mm의 파이프에서 혼합된다. 혼합 지점에서 위쪽으로 첫 번째 90°휨 부위까지 0.5m, 수직으로 4.6m 올라간 다음 수평면 쪽으로 90°휘어서 2.3m 더 간 후, 내경 1m의 수직인 원통형 부분으로 이어진다. 파이프 입구 아래 0.5m, 2m 원뿔형 구역이 위치되며, 이곳의 내경은 1m에서 2.4m가 된다.
반응기의 관련 지점에서 합성 쪽으로 CO2의 혼합이 관 연결의 구성형태가 상이한 두 가지 사례에 대해 표 2에 제시된다.
Figure pct00002
사례 1에서, 소용돌이 입구 및 원뿔형 구역의 구성형태가 CO2 농도의 상대 표준 편차를 반응기로 들어가기 전 15.1%에서 촉매층 바로 위에서 2.1%까지 감소시키는데 도움을 주었음을 알 수 있다. 혼합 지점에서 CO2의 속도가 증가되는 사례 2에서, 반응기 쪽의 입구에서 상대 표준 편차가 5.9%까지 감소될 수 있고, 이어서 소용돌이 입구 배열에 의해 0.8%까지 더 감소될 수 있다.
전체적으로, 합성 가스에 CO2를 잘 혼합하는데 있어서 본 발명의 구성형태는 유의한 영향을 주는 것으로 나타난다.
이 실시예는 또한 촉매 바로 위 평면에서 최대 속도를 나타낸다. 수치는 정확하지 않으며, 사례 1의 결과는 사례 2와 유의하게 다르지 않다는 점에 유의한다. 촉매의 상부 층으로서 1800 kg/m3의 밀도를 가진 직경 20mm의 알루미나 볼을 사용할 때, 종단 속도는 하기 식에 따라서 계산될 수 있다:
Figure pct00003
여기서 g는 중력 가속도이고, d는 입자 직경이고, Cd는 항력 계수(0.6이라고 가정)이고, ρ s 는 입자 밀도이고, ρ는 가스 밀도(이 경우 5.73 kg/m3)이다. 주어진 알루미나 입자에 대해, 종단 속도는 11.7 m/s이 될 것이며, 이것은 최대 속도를 초과하고, 이 경우 입자의 분쇄/유동화가 일어나지 않을 것이며, 가스는 본 발명의 구성형태에 의해 충분히 감속되었다.
실시예 2
이 방법의 예시적인 계산은 아래 표 3에 주어진다. 탄화수소 가스(1), CO2 부화 스트림(2) 및 스팀(3)을 포함하고 S/C 비가 0.6인 탄화수소 원료 스트림(4)이 도 6에 도시된 대로 ATR 반응기(10)에 공급된다. 탄화수소 원료 스트림(4)은 ATR 반응기(10)에 투입되기 전에 650℃로 가열된다. ATR 반응기(10)는 제1 합성 가스 스트림(6)을 생성한다. 산소(5)의 산화제 가스 스트림이 ATR 반응기(10)에 첨가되며, 그 양은 제1 합성 가스 스트림(6)의 온도가 1050℃가 되도록 조정된다.
ATR 반응기로 가는 모든 입구 스트림의 모든 성분의 총 유량 및 제1 합성 가스 스트림(5)의 모든 성분의 유량이 표 3의 "ATR 10"의 항목에 주어진다.
CO2 부화 가스 스트림은 온도가 650℃인 가열된 CO2 부화 가스 스트림으로 가열되고, 조합된 가스(제1 합성 가스 스트림과 가열된 CO2 가스 부화 스트림)가 969℃의 온도에서 단열 후 변환기(20)로 들어간다.
단열 후 변환기(20) 내에서 조합된 스트림이 평형화되며, 즉 역 수성 가스 전환, 메탄화 및 개질 반응을 거친다. 단열 후 변환기(20)로부터 유출되는 일산화탄소, 스팀 및 메탄의 총량은 그것에 유입된 가스와 비교하여 증가된다. 단열 후 변환기(20)를 빠져나오는 생성물 가스 스트림의 출구 온도는 951℃이며, 이것은 가스에 대한 메탄 분해 평형 온도인 1195℃보다 훨씬 낮고 가스에 대한 부두아 온도인 850℃보다 높다. 결과적으로, 생성물 가스 스트림은 탄소 형성에 대한 잠재력을 갖지 않는다.
이와 관련하여, 메탄 분해 온도(T(MDC))는 메탄이 흑연으로 분해되는 평형 상수(CH4 <-> C + 2H2)가 가스의 반응 몫과 같은 온도로서 계산된다. 흑연 탄소의 형성은 온도가 상기 온도보다 높을 때 일어날 수 있다. 반응 몫 QC는 수소 분압 대 메탄 분압의 제곱의 비, 즉 QC = P2 H2/PCH4로서 정의된다.
부두아 평형 온도(T(BOU))는 부두아 반응(2CO <-> C + CO2)으로부터 유사한 방식으로 계산되며, 이 경우에는 온도가 부두아 평형 온도보다 낮을 때 흑연 탄소의 형성이 일어날 수 있다.
Figure pct00004
따라서, 본 발명의 방법이 사용되었을 때, CO의 양이 상대적으로 높은 합성 가스 형태의 생성물 가스 스트림을 제공하는 것이 가능하다.
실시예 3
이 실시예는 실시예 1과 동일한 연구에 관한 것이며, 추가의 정보를 제공한다. 촉매층과 만나는 지점에서 가스 스트림의 혼합 및 속도를 포함하여, 가스 흐름 패턴을 분석하기 위해 CFD(컴퓨터 유체 역학) 분석을 수행했으며, 두 상이한 반응기 기하구조를 가진 단열 후 변환기(APOC)를 사용하여 상이한 공정 변수하에 세 가지 사례를 분석했다.
반응기 기하구조
Figure pct00005
두 반응기 모두 분기하는 원뿔대 구역의 측벽을 통해서 직경이 더 큰 원통(본체부)이 직경이 더 작은 원통과 만나는 형태를 가지며, 여기서 가스 입구는 직경이 더 작은 원통에 도입되고, 직경이 더 작은 원통은 분기하는 원뿔형 구역과 함께 가스 입구 부분을 구성한다.
공정 변수
Figure pct00006
Figure pct00007
결과 - 반응기의 상이한 수준에서 CO 2 몰 분율의 상대 표준 편차
Figure pct00008
결과에서 드러난 대로, CO2 몰 분율의 상대 표준 편차는 반응기 측벽으로의 진입점에서부터 원뿔대 구역의 상부를 통해 촉매층 바로 위까지의 유동 경로를 따라서 유의하게 감소하며, 모든 경우 촉매층 위의 평균 값으로부터 ±2%의 범위 내에 있다. 따라서, CO2 스트림과 공정 가스 스팀의 혼합은 매우 효과적이다.
결과 - 촉매층과 만나는 지점에서 가스의 속도
Figure pct00009
사례 1, 2 및 3의 경우, 촉매층과 만나는 지점에서 혼합된 가스 스트림의 속도는 각각 9.0, 7.9 및 7.1 m/s로 계산되었다. 따라서, 모든 경우 혼합된 가스 스트림의 속도는 촉매층의 붕괴가 발생하는 최소 속도보다 훨씬 아래이다.

Claims (24)

  1. 고온 촉매 반응을 위한 반응기 용기(100)로서, 상기 반응기(100)는 본체부(110), 입구 단부 부분(120) 및 출구 단부 부분(130)을 포함하고, 여기서 상기 본체부(110)는 상기 반응기 용기(100)의 중심축 X-X을 따라서 상기 입구 단부 부분(120)과 상기 출구 단부 부분(130) 사이에서 연장되고, 상기 본체부(110), 상기 입구 단부 부분(120) 및 상기 출구 단부 부분(130)은 함께 반응기 공동(101)을 한정하며;
    - 상기 본체부(110)는 상기 반응기 용기(100)의 중심축 X-X을 중심으로 실질적으로 원통형 형태를 가지고;
    - 촉매 입자들(201)의 촉매층(200)이 상기 본체부(110)에서 상기 반응기 공동(101) 내에 위치되고;
    - 상기 입구 단부 부분(120)은 하나 이상의 가스 입구(121)를 포함하고;
    - 상기 출구 단부 부분(130)은 하나 이상의 가스 출구(131)를 포함하며;
    상기 입구 단부 부분(120)이 적어도 하나의 측벽(125)을 포함하고; 상기 측벽(들)(125)은 측벽(들)(125)이 본체부(110)와 만나는 분류 구역(A)을 포함하며,
    상기 가스 입구(121)는 입구 단부 부분(120)의 측벽(125)에 배타적으로 배열되고; 각 가스 입구(121)는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)를 한정하며, 이것을 따라서 가스가 상기 반응기 공동(101)으로 들어가고, 상기 가스 입구는 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)가 상기 중심축 X-X과 교차하지 않도록 배열되며,
    입구 단부 부분의 내부 공간은 가스 흐름에 이용가능한 단면적이 가스 입구로부터 본체부를 향하는 방향으로 중심축 X-X을 따라서 일정하거나 또는 증가하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기 용기의 모든 가스-접촉 내부 표면은 세라믹 재료의 층으로 코팅되거나 또는 라이닝되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 입구 단부 부분(120) 및 출구 단부 부분(130)은 반응기 용기(100)의 중심축 X-X을 중심으로 원형 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 분류 구역(A)은 입구 단부 부분(120)의 측벽이 중심축 X-X의 방향으로 본체부(110)로부터 분기하는 실질적으로 원뿔대 형태를 가지며, 상기 입구 단부 부분(120)은 단부벽(126)을 더 포함하고, 입구 단부 부분의 측벽(들)은 본체부(110)와 상기 단부벽(126) 사이에서 연장되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 입구 단부 부분(120)의 상기 측벽(들)(125)은 상기 분류 구역(A), 및 상기 분류 구역(A)에 인접한 비-분류 구역(B)을 포함하며, 상기 비-분류 구역(B)에서 입구 단부 부분(120)의 측벽(들)(125)은 상기 중심축 X-X에 실질적으로 평행한 방향으로 연장되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  6. 제 5 항에 있어서, 가스 입구(들)(121)는 입구 단부 부분(120)의 비-분류 구역(B)의 측벽(125)에 배열되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  7. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 입구 단부 부분(120)의 상기 측벽(들)(125)은 상기 분류 구역(A)으로 구성되며, 이로써 입구 단부 부분(120)은 중심축 X-X을 따라서 본체부(110)로부터 좁아지는 실질적으로 원뿔형 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 입구(들)(121)는 각 가스 유동 방향 벡터(V)가 중심축 X-X에 실질적으로 수직인 평면에 놓이도록 배열되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 가스 입구(들)(121)는 원형 중공 원통을 한정하는 입구 측벽(129)을 갖는 입구 관(들)(128)을 포함하며, 여기서 주 가스 입구 유동 방향 벡터(V)가 상기 중공 원통의 중심축을 구성하고, 입구 측벽(129)은 입구 단부 부분(120)의 측벽(125)에 대한 접선(T)의 연장선 상에 배열되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  10. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구 단부 부분(120)은 2개 이상의 가스 입구(121)를 포함하며, 이들은 각 입구가 반응기 용기(100)에 상이한 가스 흐름을 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  11. 제 10 항에 있어서, 반응기 용기는 단열 후 변환기이고; 하나의 가스 입구(121)는 반응기 용기(100)에 합성 가스를 제공하도록 배열되며, 적어도 하나의 다른 가스 입구(121)는 반응기 용기(100)에 CO2-부화 가스 원료를 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  12. 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 입구 단부 부분(120)은 하나의 가스 입구(121)를 포함하며, 이것은 상기 하나의 가스 입구(121)를 통해서 반응기 용기(100)에 상이한 가스들의 혼합물을 제공하도록 배열되는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  13. 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 단열 후 변환기인 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  14. 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 수성 가스 전환 반응기인 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  15. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 입자(201)는 바람직하게 촉매 활성 금속 또는 금속염으로 코팅 및/또는 함침되는 세라믹 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  16. 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매층은 상이한 촉매 입자(201)의 둘 이상의 층을 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  17. 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 본체부(110)는 촉매층(200)의 하나의 표면에 배열된 촉매-비활성 입자(202)의 층을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  18. 제 1 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반응기 용기는 15 내지 45 barg의 압력에 대해 적합하게 된 것을 특징으로 하는 반응기 용기(100).
  19. 고온 촉매 반응을 위한 방법으로서,
    - 적어도 750℃의 온도를 가진 가스를 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항의 반응기 용기(110)의 적어도 하나의 가스 입구(121)로 인도하는 단계, 및
    - 상기 반응기 용기에서 가스에 촉매 반응을 수행하는 단계
    를 포함하는 방법.
  20. 탄화수소 원료(501)로부터 미리 정해진 H2/CO 비(15)를 갖는 합성 가스를 생성하기 위한 플랜트(500)로서, 상기 플랜트(500)는:
    - 상기 탄화수소 원료(1)가 스팀(3)과 적어도 부분적으로 반응함으로써 제1 합성 가스 스트림(6)을 생성하도록 배열된, 제1 촉매를 포함하는 스팀 개질 반응기(510);
    - 촉매 입자(25)가 스팀 개질/메탄화 및 역 수성 가스 전환 반응에 활성인 촉매를 포함하는, 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 따른 반응기 용기(100);
    - 상기 제1 합성 가스 스트림(6)의 적어도 일부를 스팀 개질 반응기(510)로부터 상기 반응기 용기(100)의 적어도 하나의 가스 입구(121)로 인도하도록 배열된 제1 원료 라인(301);
    - 별도의 가스 입구(121)를 통해서 직접, 또는 혼합 구역(310)을 통해서, 상기 반응기 용기(100)에 제2 CO2-부화 가스 원료(7)를 공급하도록 배열된 제2 원료 라인(302)
    을 포함하며, 여기서 상기 혼합 구역은 상기 제1 및 제2 원료 라인(301, 302)으로부터 적어도 상기 제1 합성 가스 스트림 및 상기 제2 가스 원료를 수용하고, 상기 제1 및 제2 가스 원료를 혼합하여 가스 혼합물을 형성하고, 가스 혼합물을 상기 반응기 용기(100)의 적어도 하나의 가스 입구(121)에 공급하도록 배열되고;
    - 상기 반응기 용기(100)는 제1 합성 가스 스트림(6)이 CO2의 상기 제2 가스 원료(7)와 반응함으로써 상기 반응기 용기(100)의 출구를 통해서 미리 정해진 H2/CO 비(15)를 갖는 합성 가스를 제공하도록 배열되는, 플랜트(500).
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 제2 가스 원료가 상기 제1 가스 원료와 혼합되기 전에, 또는 상기 제2 가스 원료가 상기 반응기 용기(100)에 공급되기 전에 상기 제2 가스 원료를 가열하도록 배열된 하나 이상의 가열 수단(40)을 더 포함하며, 여기서 상기 가열 수단(40)은 점화식 히터, 전기 히터 또는 열교환 유닛인 것을 특징으로 하는 플랜트(500).
  22. 제 21 항에 있어서, 상기 가열 수단(40)은 상기 반응기 용기(100)의 출구로부터 나오는 미리 정해진 H2/CO 비(15)를 갖는 합성 가스와의 열교환을 통해서 상기 제2 가스 원료를 가열하도록 배열된 열교환 유닛(40a)인 것을 특징으로 하는 플랜트(500).
  23. 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 스팀 개질 반응기(510)는 자열 반응기(ATR), 스팀 메탄 개질 반응기(SMR), 또는 촉매 산화(CATOX) 타입 개질 반응기로부터 선택되는 것을 특징으로 하는 플랜트(500).
  24. 탄화수소 원료(501)로부터 미리 정해진 H2/CO 비를 갖는 합성 가스를 생성하기 위한 방법으로서, 상기 방법은:
    - 제 20 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 따른 플랜트(500)를 제공하는 단계,
    - 스팀 개질 반응기(510)에서 탄화수소 원료(501)를 스팀(502)과 적어도 부분적으로 반응시켜 제1 합성 가스 스트림(511)을 생성하는 단계,
    - 제1 원료 라인(301)에 의해, 상기 제1 합성 가스 스트림(511)의 적어도 일부를 스팀 개질 반응기(510)로부터 상기 반응기 용기(100)의 적어도 하나의 가스 입구(121)로 인도하는 단계,
    - 별도의 가스 입구(121)를 통해서 직접, 또는 혼합 구역(310)을 통해서, 제2 원료 라인(302)에 의해 제2 CO2-부화 가스 원료를 상기 반응기 용기(100)에 공급하는 단계; 여기서 상기 혼합 구역은 상기 제1 및 제2 원료 라인(301, 302)으로부터 적어도 상기 제1 합성 가스 스트림 및 상기 제2 가스 원료를 수용하고, 상기 제1 및 제2 가스 원료를 혼합하여 가스 혼합물을 형성하고, 가스 혼합물을 상기 반응기 용기(100)의 적어도 하나의 가스 입구(121)에 공급하도록 배열되며;
    - 상기 반응기 용기(100)에서 제1 합성 가스 스트림(511)을 CO2의 상기 제2 가스 원료와 반응시켜 상기 반응기 용기(100)의 출구를 통해서 미리 정해진 H2/CO 비를 갖는 합성 가스를 제공하는 단계
    를 포함하는 방법.
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