KR20220047967A - 진행 반응 중에 입자 샘플링을 허용하는 유동화 베드 반응기 시스템 - Google Patents

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Abstract

유동화 가스 반응기가, 반응물을 포함하는 유동화 가스가 조기에 반응하는 것을 방지하는 시스템을 포함한다. 유동화 가스 반응기에 관한 것이고, 그러한 유동화 베드 반응기는 입자 베드를 갖는 반응 챔버; 복수의 관통 개구부를 가지는 가스 분배 판으로서, 각각의 개구부가 반응 챔버 내로 개방되는, 가스 분배 판; 및 복수의 수직 유동화 가스 유입구 관으로서, 각각의 유동화 가스 유입구 관이 가스 분배 판의 개구부 중 하나와 유체 연통되는, 유동화 가스 유입구 관을 포함한다. 각각의 유동화 가스 유입구 관은 유동화 가스를 수용하도록 그리고 유동화 가스를 반응 챔버로 운반하도록 구성된다. 유동화 가스 공급원이 유동화 가스 스트림을 유동화 가스 유입구 관에 제공한다. 냉각제 시스템이, 반응 챔버에 진입하기 전에 유동화 가스가 반응하는 것을 방지한다. 냉각제 시스템은 유체 유입구; 유체 유입구와 유체 연통되는 냉각제 유동 경로로서, 각각의 유동화 가스 유입구 관을 냉각하도록 구성된, 냉각제 유동 경로; 및 냉각제 유동 경로와 유체 연통되는 유체 배출구를 갖는다. 각각의 유동화 가스 유입구 관은 입자 배출구 및 밸브 시스템을 포함할 수 있고, 밸브 시스템은 유동화 가스 유입구 관으로의 유동화 가스 유동이 중단될 수 있게 하고; 유동화 가스 유동이 중단되어 있는 동안, 입자를 입자 베드로부터 회수할 수 있게 한다.

Description

진행 반응 중에 입자 샘플링을 허용하는 유동화 베드 반응기 시스템
본 개시 내용은 일반적으로 유동화 베드 반응기에 관한 것이다. 여러 실시형태에서, 본 개시 내용은 일반적으로, 진행 반응을 중단시키지 않으면서, 유동화 베드 반응기로부터 입자 샘플을 회수하기 위한 시스템에 관한 것이다. 여러 실시형태에서, 본 개시 내용은 유동화 베드 반응기 내의 유동화 가스 공급 배관에 냉각제를 제공하기 위한 시스템에 관한 것이다.
국소적으로 냉각된 가스 분배 판과 함께 사용되는 유동화 베드 반응기 시스템을 이용하는 것이 알려져 있고, 여기에서 냉각 채널은 가스 주입기 주위에 구성된 자켓을 통한 냉각 유체의 운반을 가능하게 한다. 국소적으로 냉각된 가스 분배 판은, 가스 분배 판의 오리피스(orifice) 주위의 벽 침착(wall deposit)을 방지하는데 도움을 준다. 그러나, 가스 주입기는 플리넘 챔버(plenum chamber)로부터 반응 챔버로의 가스 운반 만을 허용하고, 가스 주입이 계속되는 동안 입자 샘플을 회수하는 것을 허용하지 않는다. 또한, 가스 주입기는 가스 분배 판에서 또는 그 부근에서 유동화 가스를 냉각시키고, 플리넘 챔버 내의 반응물 가스의 반응을 효과적으로 방지하지 못할 수 있다.
또한, 주입기를 통한 유동화 가스 유동 및 주입기 부근의 입자 채취 통로와 함께 유동화 베드 반응기를 이용하는 것이 알려져 있고, 여기에서 반응기 내로의 가스 유동을 이용하여 입자 채취 통로를 통한 입자 유동을 방지하거나 감소시킨다. 유동화 반응물 가스가 반응기의 하단부 내로 도입될 수 있고, 입자 채취는 입자 채취 통로를 통한 가스 유동을 감소시키는 것에 의해서 개시될 수 있다. 그러나, 이는, 유동화 베드 내의 단일 지점으로부터의 입자 샘플링만을 허용한다. 유동화 베드 내의 다수의 지점 중 임의의 지점으로부터 선택적으로 입자를 채취할 수 있게 하는 것이 바람직할 것이다.
본 개시 내용은, 진행 반응을 중단시키지 않으면서, 유동화 베드 반응기로부터 입자 샘플을 회수하기 위한 시스템을 설명한다. 본 개시 내용은 또한 유동화 베드 반응기 내의 유동화 가스 공급 배관에 냉각제를 제공하기 위한 시스템을 설명한다. 이러한 시스템은 본원에서 개시된 여러 실시형태에 의해서 달성될 수 있다. 이러한 실시형태는, 본 개시 내용의 교시 내용에 기초하여 실현될 수 있는 가능한 장점을 배제하거나 제한하도록 의도되지 않는다. 본원에서 개시된 여러 실시형태의 다양한 목적 및 장점이 본원의 설명을 통해 명확해지거나, 본원에서 설명된 바와 같은 또는 당업자에게 자명할 수 있는 임의의 변형예의 관점에서 수정된 바와 같은, 여러 실시형태의 실시함으로써 학습될 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명은 여러 실시형태로 본원에 개시된 신규한 방법, 배열, 조합, 및 개선으로 이루어진다.
배기 가스 스트림으로부터 동반 입자를 제거하는 개선된 방법에 관한 현재의 필요성을 고려하여, 여러 예시적인 실시형태의 간단한 요지를 제공한다. 여러 예시적인 실시형태의 일부 양태를 강조하고 도입하기 위한, 그러나 본 발명의 범위를 제한하기 위한 것이 아닌, 이하의 요지에서 약간의 단순화 및 생략이 있을 수 있다. 당업자가 본 발명의 개념을 형성하고 이용할 수 있게 하는데 적합한 바람직한 예시적인 실시형태의 상세한 설명을 이하의 후속 섹션에서 설명할 것이다.
본원에서 개시된 여러 실시형태는, 진행 반응의 중단이 없이 입자 샘플의 회수를 허용하도록 구성된 유동화 베드 반응기에 관한 것이다. 여러 실시형태에서, 유동화 베드 반응기는 입자 베드를 포함하는 반응 챔버; 및 복수의 관통 개구부를 가지는 가스 분배 판을 포함하고, 각각의 개구부는 반응 챔버 내로 개방된다. 반응기는 또한 복수의 유동화 가스 유입구 관을 포함하고, 각각의 유동화 가스 유입구 관은 가스 분배 판 내의 개구부 중 하나와 유체 연통되고, 각각의 유동화 가스 유입구 관은 유동화 가스를 수용하도록 그리고 유동화 가스를 가스 분배 판을 통해서 반응 챔버로 운반하도록 구성된다. 유동화 가스 공급원이 유동화 가스 스트림을 유동화 가스 유입구 관에 제공하도록 구성된다. 반응기의 여러 실시형태는 복수의 입자 배출구를 포함하고, 각각의 입자 배출구는 유동화 가스 유입구 관들 중 하나 내에 배치된다. 유동화 가스 공급원은 유동화 가스 유입구 관 중 임의의 하나에 대한 유동화 가스 스트림을 선택적으로 중단시키도록 구성되고; 각각의 입자 배출구는, 상응 유동화 가스 유입구 관에 대한 유동화 가스 스트림이 중단되는 동안, 입자 베드로부터 입자를 수용하도록 구성된다.
여러 실시형태에서, 유동화 가스 공급원은, 다른 유동화 가스 유입구 관에 대한 유동화 가스 스트림을 중단하지 않으면서, 유동화 가스 유입구 관 중 임의의 하나에 대한 유동화 가스 스트림을 선택적으로 중단시키도록 구성된다. 여러 실시형태에서, 유동화 가스 공급원은 복수의 유동화 가스 공급 관을 포함하고, 각각의 유동화 가스 공급 관은 상응하는 유동화 가스 유입구 관과 유체 연통되고, 각각의 유동화 가스 공급 관은 상응 유동화 가스 유입구 관에 대한 유동화 가스 스트림을 선택적으로 중단시키도록 구성된 밸브를 포함한다.
여러 실시형태에서, 유동화 가스 공급원은 복수의 유동화 가스 공급 관을 포함하고, 각각의 유동화 가스 공급 관은 상응 유동화 가스 유입구 관과 유체 연통된다. 각각의 유동화 가스 공급 관은, 제1 위치를 갖도록 구성된 제1 밸브를 포함하고;
제1 위치는 유동화 가스 스트림이 상응 유동화 가스 유입구 관으로 유동하는 것을 선택적으로 중단시키고; 그리고
상응 유동화 가스 유입구 관은, 제1 밸브가 제1 위치에 있을 때, 입자가 입자 베드로부터의 입자 배출구로 유동할 수 있게 허용하도록 구성되는 제2 밸브를 포함한다. 유사하게, 여러 실시형태에서, 제1 밸브는 또한 제2 위치를 갖도록 구성되고, 제2 위치는 유동화 가스 스트림이 상응 유동화 가스 유입구 관으로 유동할 수 있게 하고; 제2 밸브는, 제1 밸브가 제2 위치에 있을 때, 입자가 입자 베드로부터 입자 배출구로 유동하는 것을 방지하도록 구성된다. 여러 실시형태에서, 제1 및 제2 밸브는 유동화 가스 스트림이 상응 유동화 가스 유입구 관으로 유동할 수 있게 하거나; 입자가 유동화 가스 유입구 관을 통해서 입자 베드로부터 입자 배출구로 유동할 수 있게 하고; 유동화 가스 유입구 관을 통한 유동화 가스 유동 및 입자 유동은 동시에 허용되지 않는다.
여러 실시형태에서, 유동화 가스 반응기는 유체 유입구를 포함하는 냉각제 시스템; 유체 유입구와 유체 연통되는 냉각제 유동 경로로서, 각각의 유동화 가스 유입구 관을 냉각하도록 구성된, 냉각제 유동 경로; 및 냉각제 유동 경로와 유체 연통되는 유체 배출구를 포함한다. 유체 유입구는 유입구 매니폴드를 포함할 수 있다. 냉각제 유동 경로는 복수의 냉각 자켓을 포함할 수 있고, 각각의 냉각 자켓은 유동화 가스 유입구 관 중 하나를 둘러싸고; 각각의 냉각 자켓은 유입구 매니폴드와 유체 연통된다. 유체 배출구는, 각각의 냉각 자켓과 유체 연통되는 배출구 매니폴드를 포함할 수 있다.
여러 실시형태에서, 유동화 가스 반응기는 유체 유입구를 포함하는 냉각제 시스템; 유체 유입구와 유체 연통되는 냉각제 유동 경로; 및 냉각제 유동 경로와 유체 연통되는 유체 배출구를 포함한다. 냉각제 유동 경로는 복수의 냉각 자켓을 포함할 수 있고, 각각의 냉각 자켓은 유동화 가스 유입구 관 중 하나를 둘러싸고; 냉각제 유동 경로는 유체 유입구로부터 유체 배출구로 냉각제 유동을 제공하도록 구성될 수 있고, 냉각제는 복수의 냉각 자켓을 통해서 순차적으로 유동한다. 여러 실시형태에서, 냉각제 유동 경로는 복수의 냉각 자켓을 포함하고, 각각의 냉각 자켓은 유동화 가스 유입구 관 중 하나를 둘러싸고; 냉각제 유동 경로는 유체 유입구로부터 유체 배출구로 냉각제 유동을 제공하도록 구성되며, 냉각제는 복수의 냉각 자켓을 통해서 병렬로 유동한다.
유동화 가스 반응기는, 일부 실시형태에서, 반응 챔버 위의 탈-동반 챔버(disentrainment chamber); 및 그 사이의 원뿔형 속도 감소 챔버를 포함할 수 있다. 여러 실시형태에서, 탈-동반 챔버의 직경은 반응 챔버의 직경보다 1.5 내지 10 배 더 크고, 2 내지 5 더 크고, 2.25 내지 4배 더 크고, 또는 약 2.5 배 더 크다.
여러 실시형태에서, 유동화 가스 반응기는, 약 600℃ 내지 약 2200℃ 또는 800℃ 내지 약 2000℃ 또는 1250℃ 내지 약 1800℃까지 가열되도록 구성된 그라파이트 벽을 갖는 반응 챔버를 포함한다. 유동화 가스 반응기는 약 600℃ 내지 약 2200℃까지 가열되도록 구성된 그라파이트 벽을 갖는 반응 챔버를 포함할 수 있고; 그리고 속도 감소 챔버 및 탈-동반 챔버 중 적어도 하나는 약 600℃ 내지 약 2200℃까지 가열되도록 구성되는 그라파이트 벽을 갖는다.
본원에서 개시된 여러 실시형태는 유동화 가스 반응기에 관한 것이고, 그러한 유동화 베드 반응기는 입자 베드를 갖는 반응 챔버; 복수의 관통 개구부를 가지는 가스 분배 판으로서, 각각의 개구부가 반응 챔버 내로 개방되는, 가스 분배 판; 및 복수의 유동화 가스 유입구 관으로서, 각각의 유동화 가스 유입구 관이 가스 분배 판의 개구부 중 하나와 유체 연통되는, 유동화 가스 유입구 관을 포함한다. 각각의 유동화 가스 유입구 관은 유동화 가스를 수용하도록 그리고 유동화 가스를 반응 챔버로 운반하도록 구성될 수 있다. 반응기는 유동화 가스 공급원으로서, 유동화 가스 스트림을 유동화 가스 유입구 관에 제공하도록 구성되는, 유동화 가스 공급원; 및 냉각제 시스템을 포함할 수 있다. 여러 실시형태에서, 냉각제 시스템은 유체 유입구; 유체 유입구와 유체 연통되는 냉각제 유동 경로로서, 각각의 유동화 가스 유입구 관을 냉각하도록 구성된, 냉각제 유동 경로; 및 냉각제 유동 경로와 유체 연통되는 유체 배출구를 포함한다.
본원에서 개시된 여러 실시형태는, 진행 반응을 중단시키지 않고 입자 샘플을 회수할 수 있게 허용하도록 구성된 유동화 가스 반응기에 관한 것으로서, 그러한 유동화 베드 반응기는 입자 베드를 갖는 반응 챔버; 복수의 관통 개구부를 가지는 가스 분배 판; 및 가스 분배 판 내의 개구부 중 하나와 유체 연통되는 복수의 유동화 가스 유입구 관을 포함한다. 여러 실시형태에서, 각각의 유동화 가스 유입구 관은 가스 유입구 개구부 및 입자 배출구 개구부를 갖는다. 유동화 가스 공급원이 유동화 가스 스트림을 유동화 가스 유입구 관 내의 가스 유입구 개구부에 제공하도록 구성될 수 있다. 여러 실시형태에서, 반응기는 밸브 시스템을 포함하고, 그러한 밸브 시스템은 유동화 가스 유입구 관의 임의의 하나 내의 가스 유입구 개구부에 대한 유동화 가스의 유동을 선택적으로 중단시키도록; 그리고 가스 유입구 개구부에 대한 유동화 가스의 유동이 중단되는 동안, 입자 베드로부터 입자 배출구 개구부로의 입자의 유동을 허용하도록 구성된다. 밸브 시스템은, 다른 유동화 가스 유입구 관 내의 가스 유입구 개구부로의 유동화 가스의 유동을 중단시키지 않고, 유동화 가스 유입구 관의 임의의 하나 내의 가스 유입구 개구부로의 유동화 가스의 유동을 선택적으로 중단시키도록 구성될 수 있다. 밸브 시스템은, 가스 유입구 개구부로의 유동화 가스의 유동이 중단되지 않는 한, 입자 베드로부터 입자 배출구 개구부로의 입자의 유동을 방지하도록 구성될 수 있다.
여러 실시형태를 보다 잘 이해하기 위해, 첨부 도면을 참조한다:
도 1은, 유동화 가스를 반응 챔버 내로 이송하도록 각각 구성되는 복수의 가스 유입구 관을 갖춘 유동화 베드 반응기를 도시한다.
도 2는 도 1에 따른 복수의 가스 유입구 관을 갖춘 유동화 베드 반응기를 도시하고, 여기에서 하나의 가스 유입구 관은 유동화 베드로부터의 입자 샘플의 수집을 허용하도록 구성된다.
도 3 및 도 5는 도 1에 따른 복수의 가스 유입구 관을 갖춘 유동화 베드 반응기의 여러 실시형태를 도시하고, 여기에서 가스 유입구 관은 냉각제 시스템을 구비한다.
도 6 내지 도 8은 유동화 베드 반응기를 위한 가스 유입구 관을 제공하는 시스템의 4개의 상이한 도면을 도시하고, 가스 유입구 관은 냉각 자켓의 시스템을 구비한다.
도 9는 도 6 내지 도 8의 시스템과 함께 가스 분배 판을 도시한다.
도 10a 내지 도 10f는 도 9에 도시된 바와 같은 가스 분배 판과 함께 가스 유입구 관의 여러 배열을 도시한다.
도 11은 미세 입자를 유동화 가스로부터 탈-동반시키기 위한, 유동화 베드 반응기와 함께 사용되는 장치를 도시한다.
도 12는 유동화 베드 반응기와 함께 사용되는 도 10의 장치를 도시한다.
이제, 도면을 참조함에 있어서, 유사한 번호들은 유사한 구성요소 또는 단계를 나타내며, 다양한 예시적인 실시형태의 넓은 양태들이 개시되어 있다. 도 1은, 진행 반응의 중단이 없이 입자 샘플의 회수를 허용하도록 구성된 유동화 베드 반응기를 도시한다.
1. 유동화 중의 입자 샘플링
도 1의 유동화 베드 반응기는, 입자(2)의 베드를 갖는 반응 챔버(1)를 포함한다. 가스 분배 판(3)이 반응 챔버(1)의 바닥을 형성하고, 관통하는 원뿔형 가스 유입구 개구부(9)를 갖는다. 수직으로 배열될 수 있는 복수의 유동화 가스 유입구 관(4)이 유동화 가스를 반응 챔버(1) 내로 이송하고, 유동화 가스 유입구 관의 각각은 가스 분배 판(3) 내의 개구부(9)의 하나와 유체 연통된다. 유동화 가스는 유동화 가스 공급 관(5)을 통해서 유동화 가스 공급원으로부터 각각의 유동화 가스 유입구 관(4)으로 이송된다. 각각의 유동화 가스 공급 관(5)은 상응 유동화 가스 유입구 관(4)과 유체 연통되고, 유동화 가스 스트림을 상응 유동화 가스 유입구 관(4)에 제공하도록 구성된다. 도 1의 유동화 베드 반응기는 또한 복수의 입자 배출구(8)를 포함하고, 각각의 입자 배출구(8)는 유동화 가스 유입구 관(4)의 하나 내에 배치되거나 그와 연결된다.
여러 실시형태에서, 유동화 가스 공급원은 유동화 가스 유입구 관(4) 중 임의의 하나에 대한 유동화 가스의 스트림을 선택적으로 중단시키도록 구성된다. 각각의 입자 배출구는, 상응 유동화 가스 유입구 관에 대한 유동화 가스 스트림이 중단되는 동안, 입자 베드로부터 입자를 수용하도록 구성된다. 도 1을 참조하면, 각각의 입자 배출구(8)는 밸브(7)를 통해서 유동화 가스 유입구 관(4)의 하나에 결합되고, 각각의 밸브(7)는 폐쇄된다. 각각의 유동화 가스 공급 관(5)은 밸브(6)를 통해서 유동화 가스 유입구 관(4)의 하나에 연결된다. 도 1에서, 각각의 밸브(6)가 개방되고, 각각의 밸브(7)는 폐쇄된다. 유동화 가스는 관(5)을 통해서 화살표(A)의 방향으로 유동화 가스 유입구 관(4)에 공급되고, 유동화 가스는 밸브(6)를 통해서 유동화 가스 공급 관(5)의 제1 섹션(5a)으로부터, 그리고 이어서 유동화 가스 공급 관(5)의 제2 섹션(5b)을 통해서 유동화 가스 유입구 관(4)으로 이동한다. 이어서, 유동화 가스는 화살표(A)의 방향으로 유동화 가스 유입구 관(4)을 통해서 이동하여, 개구부(9)를 통해서 반응 챔버(1)에 진입하고 입자(2)의 베드를 유동화한다.
여러 실시형태에서, 유동화 가스는, 탄소 또는 세라믹 코팅을 입자(2) 상에 침착시키는(deposit) 반응물 가스를 포함한다. 그러한 경우에, 코팅 층을 분석하기 위해서 베드 내의 입자의 샘플을 획득할 수 있는 것이 바람직할 수 있다. 침착 반응의 중단이 없이 베드 내의 입자의 샘플을 획득할 수 있는 것이 더 바람직할 수 있다. 도 1의 장치 내의 밸브의 시스템은, 도 2에 도시된 바와 같이, 그러한 샘플을 획득할 수 있게 한다.
도 2에서, 유동화 가스는 밸브(6)를 통해서 화살표(A)의 방향으로 유동화 가스 유입구 관(4)에 대한 2개의 관(5)을 통해, 그리고 이어서 유동화 가스 유입구 관(4)으로 공급된다. 이어서, 유동화 가스는 화살표(A)의 방향으로 유동화 가스 유입구 관(4)을 통해서 이동하여, 개구부(9)를 통해서 반응 챔버(1)에 진입하고 입자(2)의 베드를 유동화한다. 관(5)으로부터 유동화 가스를 수용하는 유동화 가스 유입구 관(4)에서, 밸브(7)는 폐쇄된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제3 유동화 가스 유입구 관(4)에서, (도 1의 밸브(6)의 하나에 상응하는) 밸브(6a)가 폐쇄되어 관(5a)으로부터의 유동화 가스의 유동을 차단하기 때문에, 유동화 가스는 수용되지 않는다. 이러한 제3 유동화 가스 유입구 관(4)에서, 입자 배출구(8)와 유동화 가스 유입구 관(4) 사이의 밸브(7a)가 개방된다. 이는, 반응 챔버(1) 내의 입자(2)의 샘플이 유동화 가스 유입구 관(4)을 통해서 화살표(C)의 방향으로 입자 배출구(8)로 낙하될 수 있게 하고, 그에 따라 입자 배출구(8)로부터 유동화 베드 내의 입자의 샘플을 회수할 수 있게 한다. 유동화 가스가 다른 관(4)을 통해서 화살표(B)의 방향으로 반응 챔버로 계속 진입되기 때문에, 입자 샘플의 회수는 반응 챔버(1) 내의 진행되는 침착 반응을 중단시키지 않는다. 또한, 유동화 가스가 화살표(B)의 방향으로 관(4)을 통해서 반응 챔버에 진입할 때, 반응 챔버 내의 양압(positive pressure)이, 입자를 화살표(C)의 방향으로 송풍하는 것에 의해서, 입자 회수를 보조할 수 있다.
도 3은, 내부에 입자(2)의 베드를 갖는 반응 챔버(1)를 갖춘 유동화 베드 반응기를 도시한다. 가스 분배 판(3)은 관통하는 원뿔형 가스 유입구 개구부(9)를 갖는다. 복수의 유동화 가스 유입구 관(4)(도 3에 2개가 도시되어 있으나, 더 많은 관이 이용될 수 있다)이 유동화 가스를 화살표(B)의 방향으로 반응 챔버(1) 내로 이송한다. 유동화 가스는 유동화 가스 공급 관(5)을 통해서 유동화 가스 공급원으로부터 각각의 유동화 가스 유입구 관(4)으로 이송된다. 각각의 유동화 가스 공급 관(5)은 상응 유동화 가스 유입구 관(4)과 유체 연통되고, 유동화 가스 스트림을 상응 유동화 가스 유입구 관(4)에 제공하도록 구성된다. 도 1의 유동화 베드 반응기는 또한 복수의 입자 배출구(8)를 포함하고, 각각의 입자 배출구(8)는 유동화 가스 유입구 관(4)의 하나 내에 배치되거나 그와 연결된다.
도 3에서, 반응 챔버(1)는, 전도성 탄소, 예를 들어 그라파이트(graphite)와 같은, 전도성 물질의 벽(10)을 갖는다. 반응 챔버의 그라파이트 벽은 전기 저항적이다(저항기(10a)로서 도 3에 도시되어 있다). 전원(11)이 전류를 회로(12)를 통해서 저항 그라파이트 벽(10)으로 전달하여, 반응 챔버(1)를 약 600℃내지 약 2200℃의 온도까지 가열한다.
여러 실시형태에서, 다양한 물질이 반응 챔버 내에서 코어 입자 상에 침착될 수 있다. 유동화 베드 화학기상증착(FBCVD)을 이용하여 물질을 단결정, 다결정, 및 비정질 코팅으로 코어 유동화 베드 입자 상에 침착시킬 수 있다. 이러한 코팅은 규소, 이산화규소, 탄화규소, 질화규소, 산질화규소, 열분해 탄소, 다이아몬드, 그라파이트, 탄화불소, 텅스텐, 질화티타늄 및 고-k 유전체를 포함한다.
여러 실시형태에서, 열분해 탄소(PyC)가 아세틸렌 또는 아세틸렌/프로필렌 혼합물을 이용하여 1250 내지 1450℃의 침착 온도에서 FBCVD에 의해서 코어 입자 상에 침착될 수 있다. 규소는, 실레인(silane)의 열분해 및 이어지는 650℃에서 유동화 베드 상에 형성되는 규소의 침착을 이용하여, FBCVD에 의해서 코어 입자 상에 침착될 수 있다. 탄화규소(SiC)가 1500℃에서 수소 캐리어 가스를 이용하는 CH3SiCl3의 FBCVD에 의해서 코어 입자 상에 침착될 수 있다.
여러 실시형태에서, 코어 입자는 다수의 층들로 순차적으로 코팅될 수 있다. 예를 들어, 핵연료 입자가 UO2 코어 입자를 순차적으로 코팅하는 것에 의해서 생성될 수 있다. UO2 입자는, 1250℃에서의 불활성 캐리어 가스 내의 에틸렌으로부터의 탄소의 침착에 의해서, 그리고 이어서 1300℃에서의 불활성 캐리어 가스 내의 아세틸렌/프로필렌 혼합물로부터의 탄소의 침착에 의한 조밀 탄소 층의 침착에 의해서 다공성 탄소 층으로 코팅될 수 있다. 탄화규소 층이 1500℃에서 수소 캐리어 가스를 이용하여 CH3SiCl3로부터 조밀 탄소 층 상에 침착된다. 마지막으로, 조밀 탄소의 외부 층이 1300℃에서 불활성 캐리어 가스 내의 아세틸렌/프로필렌 혼합물로부터 침착된다. 결과적인 입자는 트리 이소-구조(tri iso-structural)(TRISO) 코팅 입자로 알려져 있다.
여러 실시형태에서, 제1항에 따른 유동화 베드 반응기 내의 유동화 베드는 코어 입자를 포함할 수 있고, 도 1에 도시된 바와 같이, 반응물을 포함하는 유동화 가스가 다양한 유입구 관(4)으로부터 가스 분배 판(3) 내의 개구부(9)를 통해서 반응 챔버(1) 내로 유동될 수 있다. 소정 기간 동안 반응이 진행되게 한 후에, (도 2에서 밸브(6a)로 도시된) 하나의 밸브(6)가 폐쇄될 수 있고, 그에 따라 나머지 유입구 관(4)을 통한 유동화 가스의 유동으로부터의 입자 베드의 유동화를 중단하지 않고, 하나의 유입구 관(4)을 통한 유동화 가스의 유동을 차단할 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 밸브(6a)에 연결된 유입구 관 내에 존재하는, (도 2에서 밸브(7a)로 도시된) 밸브(7)의 하나가 개방되어, 회수 및 분석을 위해서 입자의 샘플이 유입구 관(4)을 통해서 입자 배출구(8) 내로 낙하될 수 있게 한다. 예를 들어, 열분해 탄소가 코어 입자 상에 침착되는 경우에, 규정된 기간 동안 반응이 진행하게 한 후에, 나머지 유입구 관(4)을 통한 유동화를 중단하지 않고, 탄소-코팅 입자의 샘플이 유입구 관(4) 및 입자 배출구(8)를 통해서 회수될 수 있다. 분석 시에, 샘플 입자가 불균일한 또는 불완전한 코팅을 갖는다는 것이 확인되면, 반응 챔버 내의 열분해 탄소의 침착이 계속될 수 있다. 입자가 완전한 코팅을 갖는다는 것이 확인되면, 침착을 중단할 수 있고, 입자를 회수할 수 있다.
입자가 다수의 층으로 순차적으로 코팅되는 경우에, 각각의 코팅 단계 중에, 입자가 유동화의 중단이 없이 샘플링될 수 있고 분석될 수 있다.
2. 냉각제 시스템
고온 FBCVD 반응을 실시할 때, 반응 챔버(1)의 내측부를 약 600℃ 내지 2200℃의 온도까지 가열하는 것은, 반응 챔버(1)에 진입하기 전에, 유동화 가스 유입구 관(4) 내의 유동화 가스를 가열하는 바람직하지 못한 부작용을 가질 수 있다. 유동화 가스가 반응 가스를 포함하는 경우에, 이는, 관(4)의 내측부 상에서 반응 생성물, 예를 들어 탄소 또는 세라믹 층을 침착시킬 수 있고, 그에 따라 유동화 가스의 유량을 감소시키거나 유동화 가스의 유동을 완전히 차단할 수 있다. 이는, 적절한 냉각 시스템에 의해서 감소 또는 방지될 수 있다.
그러한 냉각 시스템이 도 3에 도시되어 있다. 각각의 유동화 가스 유입구 관(4)은 가스 분배 판(3) 아래에서 플리넘 챔버(17)에 진입한다. 각각의 유동화 가스 유입구 관(4)은 중공형 자켓(14)에 의해서 둘러싸인다. 물 또는 증기일 수 있는 냉각제 유체가 냉각제 유입구 관(13)을 통해서 제1 자켓(14)에 진입한다. 제1 자켓(14)을 충진한 후에, 냉각제는 냉각제 유동 관(15)을 통해서 자켓(14)을 빠져 나가고, 제2 자켓(14)으로 이동한다. 제2 자켓(14)을 충진한 후에, 냉각제는 냉각제 배출 관(16)을 통해서 제 2 자켓(14)을 빠져 나간다. 도 3의 실시형태에서, 냉각제는 직렬로 냉각 자켓들(14)을 통해서 이동한다. 이는, 반응 챔버(1)의 내측부 내의 고온 가스에 의한, 유동화 가스 유입구 관(4) 또는 이러한 관 내의 유동화 가스의 과다 가열 가능성을 감소시킨다. 이는 또한, 탄소 또는 세라믹 반응 생성물이 관(4)의 내측부 표면 상에 침착되는 속도(rate)를 감소시킨다.
대안적인 냉각 시스템이 도 4에 도시되어 있다. 각각의 유동화 가스 유입구 관(4)은 가스 분배 판(3) 아래에서 플리넘 챔버(17)에 진입한다. 바람직하게 증기와 같은 가스(18)인 냉각제 유체가 냉각제 유입구 관(13a)을 통해서 플리넘 챔버(17)에 진입한다. 플리넘 챔버(17)를 충진한 후에, 냉각제는 냉각제 배출 관(16)을 통해서 플리넘 챔버(17)를 빠져 나간다. 이는, 반응 챔버(1) 내측부 내의 고온 가스에 의한, 플리넘 챔버(17) 내측부의 과다 과열 가능성을 감소시키고, 유동화 가스 유입구 관(4) 내의 유동화 가스의 과다 과열을 방지한다. 다시, 이는, 반응 생성물이 관(4)의 내측부 표면 상에 침착되는 속도를 감소시킨다.
제3 냉각 시스템이 도 5에 도시되어 있다. 유동화 가스 유입구 관(4)은 플리넘 챔버(17) 내에 수용된다. 각각의 유동화 가스 유입구 관(4)은 중공형 자켓(14)에 의해서 둘러싸인다. 물 또는 증기일 수 있는 냉각제 유체가 냉각제 유입구 관(13)으로부터 유입구 매니폴드(19)에 진입한다. 유입구 매니폴드(19)로부터, 냉각제 유동이 각각의 자켓(14)으로 분배된다(2개의 자켓형 가스 유입구 관이 도 5에 도시되어 있으나, 희망하는 경우에 더 많은 관이 사용될 수 있다). 여러 자켓(14)을 충진한 후에, 냉각제는 자켓(14)을 빠져 나가고 출구 매니폴드(20)에 진입한다. 출구 매니폴드(20)로부터, 냉각제는 냉각제 출구 관(16)을 통해서 플리넘 챔버(17)를 빠져 나간다. 도 5의 실시형태에서, 냉각제는 병렬로 여러 냉각 자켓들(14)을 통해서 이동한다. 이는, 냉각제를 여러 냉각 자켓(14)을 통해서 직렬로 이동시키는 것보다, 플리넘 챔버 내의 열의 더 균일한 분배를 가능하게 한다. 냉각제가 냉각 자켓들을 통해서 직렬로 이동하는 경우에, 냉각제가 마지막 냉각 자켓에 진입할 때보다 냉각제가 제1 냉각 자켓에 진입할 때 더 짧은 시간에 냉각제가 유동화 가스 유입구 관(4)으로부터 열을 흡수하며, 그에 따라, 냉각제 유입구로부터의 거리가 증가됨에 따라, 열이 유동화 가스 유입구 관(4)으로부터 제거되는 효율이 감소된다. 냉각제가 냉각 자켓들을 통해서 병렬로 이동하는 경우에, 냉각제는 대략적으로 동시에 각각의 냉각 자켓(14)에 도달하고, 그에 따라 열은 각각의 유동화 가스 유입구 관(4)으로부터 유사한 효율로 제거된다.
도 3 및 도 5에서 확인되는 바와 같이, 각각의 유동화 가스 공급 관(5)은, 상응 유동화 가스 유입구 관(4)과의 교차 전에, 냉각 자켓(14)을 통과할 수 있다. 이는, 유입구 관(4)에 진입하기 전에, 유동화 가스를 냉각하고, 그에 따라 유동화 가스 내의 반응물 물질이 반응하여 공급 관(5)과 유입구 관(4) 사이의 개구부에 축적되는 고체 탄소 또는 세라믹 물질을 형성하는 것을 방지한다. 이는, 유입구 관(4) 내로의 유동화 가스 유동을 차단할 수 있는 가능성을 낮춘다.
또한 도 3에서 확인되는 바와 같이, 유동화 가스 유입구 관(4)은 플리넘 챔버(17)의 하부 표면을 넘어서 하향 연장될 수 있다. 각각의 유입구 관(4)에서, 밸브(7)는, 플리넘 챔버(17) 아래에서, 유입구 관(4)과 입자 배출구(8) 사이의 접합부에 배치된다.
도 3에서 확인되는 바와 같이, 각각의 유동화 가스 공급 관(5)은 밸브(6)를 가지며, 그에 따라 상응 유입구 관(4)에 대한 유동화 가스의 유동이 종료될 수 있게 한다. 각각의 밸브(6)가 독립적으로 동작된다. 유입구 관(4)의 임의의 하나에 대한 유동화 가스의 유동은, 상응 공급 관(5) 내의 밸브(6)를 폐쇄하는 것에 의해서, 각각의 나머지 유입구 관에 대한 유동화 가스의 유동의 차단이 없이, 중단될 수 있다.
유입구 관(4)을 선택하고 선택된 유입구 관에 대한 유동화 가스 유동을 중단시킨 후에, 선택된 유입구 관의 하부 단부 내의 밸브(7)가 개방되고, 입자 베드 내의 입자의 샘플이, 개방된 밸브(7)를 통해서, 선택된 유입구 관을 통해 입자 배출구(8)로 낙하된다. 입자가 수집되는 동안, 입자는 냉각 자켓(14)에 의해서 냉각된 유입구 관(4)의 영역을 통해서 낙하되어, 관(4) 내의 임의의 반응물 가스와 입자 표면 사이의 반응 속도를 감소시킨다. 입자 샘플이 수집된 후에, 밸브(7)가 폐쇄되고 밸브(6)가 개방되며, 그에 따라 선택된 유입구 관(4)을 통한 유동화 가스의 유동을 복원한다. 따라서, 이러한 배열은, 유동화 가스가 모든 나머지 유입구 관을 통해서 반응 챔버(1) 내로 계속 유동할 수 있게 하면서, 제1 유입구 관(4)에 연결된 입자 배출구(8)로부터 분석을 위한 입자 샘플을 회수할 수 있게 한다. 따라서, 입자 샘플의 수집은 챔버(1) 내의 유동화 가스와 입자의 베드 사이의 반응을 중단시키지 않는다.
도 6 및 도 7은, 가스 분배 판 아래에서, 유동화 가스 반응기의 플리넘 챔버 내에 피팅되도록 설계된, 유동화 가스 유입구 관 및 냉각제 시스템의 세트를 포함하는 조립체를 도시한다. 도 6 및 도 7의 실시형태에서, 2개의 냉각제 자켓(14)이 있다. (도 7에 도시된) 유동화 가스 유입구 관(4)이 각각의 냉각제 자켓을 통과하여, (도 6 및 도 7에 도시되지 않은) 분배 판(3)을 통과하는 개구부(9)를 통해서 유동화 가스를 반응 챔버 내로 이송한다. (도 7에 도시된) 판(22)이 냉각제 자켓을 안정화하여, 냉각제 자켓을 고정된 상대적인 배향으로 유지하고; 판(22)은 또한 플리넘 챔버의 내부 벽에 고정될 수 있다.
각각의 냉각 자켓의 하부 단부가, (도 6 및 도 7에 도시되지 않은) 플리넘 챔버의 하단부에 고정될 수 있는 (도 7에 도시된) 제2 안정화 판(23)에서 종료될 수 있다. 각각의 외부 냉각제 자켓(14) 내의 유동화 가스 유입구 관(4)이 밸브(7)로 이어진다. 밸브(7)가 개방될 때, 유동화 베드 반응기로부터의 입자가 밸브(7)를 통해서 입자 배출구 관(8) 내로 이동되고, 이어서 샘플링 챔버(24) 내로 낙하된다.
도 6 및 도 7에서 확인되는 바와 같이, 냉각제 유입구(13)가 냉각제 유체를 제1 냉각 자켓(14)으로 이송한다. 이어서, 냉각제 유체는, 냉각제 배출구(16)를 통해서 플리넘 챔버를 빠져 나가기 전에, 제1 냉각 자켓(14)으로부터 제2 냉각 자켓(14)으로 이동한다. 이어서, 냉각제는 관(15)을 통해서 냉각 자켓들(14) 사이에서 이동한다. 도 6 및 도 7에서 확인되는 바와 같이, 유동화 가스는, 유입구 관(4)과 교차하기 전에 냉각 자켓(14)을 통과할 수 있는, 상응 유동화 가스 공급 관(5)을 통해서 각각의 유동화 가스 유입구 관(4)으로 이송된다. 대안적으로, 도 7에 도시된 바와 같이, 유동화 가스 공급 관(5)은, 유입구 관(4)과 교차되기 전에 중실형 실린더(solid cylinder)(14c)를 통과할 수 있고, 실린더(14c)는 냉각제 유입구(13) 아래에 배치된다. 밸브(6)는 각각의 유입구 관으로의 유동화 가스의 공급이 일시적으로 중단될 수 있게 하고, 그에 따라 밸브(7)의 개방에 의해서, 입자 샘플이 상응 샘플링 챔버(24) 내에서 수집될 수 있다.
도 8은, 화살표(8)의 방향으로 본, 도 7의 조립체를 도시한다. 도 8의 도면에서, 냉각 자켓(14)에서 샘플링 챔버(24)의 상부 측면이 보인다. 제1 냉각 자켓(14)은, 냉각제 유체를 자켓(14) 내로 이송하는 유체 유입구(13)를 갖는다. 냉각 유체는 관(15)을 통해서 제1 냉각제 자켓(14)을 빠져 나가고 제2 냉각 자켓(14)에 진입한다. 이어서, 냉각제 유체는 냉각제 배출구(16)를 통해서 제2 냉각 자켓을 빠져 나간다. 각각의 냉각제 자켓(14)은 그 중심에서 유동화 가스 공급 관(5)을 가지며, 그에 따라 유동화 가스의 온도가 냉각제 유체와의 간접적인 열 교환에 의해서 조절된다. 밸브(6)로 이어지는 공급 관(5a)을 통해서 그리고 이어서 관(5b)을 통해서, 각각의 유동화 가스 공급 관(5)에 유동화 가스가 공급된다.
도 9는, 가스 분배 판(3)과 함께, 도 7의 장치의 횡단면을 도시한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 판(3)은 원통형 벽(3a), 및 유동화 가스 유입구 관(4)의 개구부를 둘러싸는 원뿔형 가스 분배 표면(9)을 가질 수 있다. 인접 가스 분배 홀들(9)이 융기부-형상의 연부(9a)에서 서로 접촉될 수 있다. 원뿔형 가스 분배 홀(9)의 표면이 연부(9b)에서 원통형 벽(3a)과 교차될 수 있다.
도 10a 내지 도 10f는, 3개의 유동화 가스 공급 관(4)(도 10a 및 도 10b); 4개의 유동화 가스 공급 관(4)(도 10c 및 도 10d); 또는 5개의 유동화 가스 공급 관(4)(도 10e 및 도 10f)과 함께 사용하기 위한, 가스 분배 판(3)의 다양한 구성을 도시한다. 각각의 판은, 유동화 가스 공급 관(4)의 상부 개구부에 각각 상응하는 다수의 개구부; 및 판(3)의 하단부 내의 각각의 개구부를 둘러싸는 원뿔형 표면(9)을 갖는다. 인접한 원뿔형 표면(9)의 각각의 쌍은 융기부-형상의 연부(9a)와 교차된다.
도 3을 참조하면, 반응 챔버(1)는, 전도성 탄소, 예를 들어 그라파이트와 같은, 전도성 물질의 벽(10)을 갖는다. 유동화 가스는 화살표(B)의 방향으로 반응 챔버(1)를 통해서 유동하고, 출구 관(1a)을 통해서 반응 챔버를 빠져 나간다. 유동화 가스가 반응 챔버(1)를 통해서 유동함에 따라, 입자 베드 내의 입자(2)가 유동화된다. 일반적으로, 입자 베드는, 큰 입자 및 작은 입자를 포함하는 입자 크기의 범위를 갖는 입자를 포함한다. 유동화 가스가 입자 베드를 통해서 유동할 때, 가스 유동은, 큰 입자가 입자 베드의 표면을 빠져나가지 않고 입자 베드 내에서 이동하게 한다. 그러나, 작은 입자는, 유동화 가스 스트림 내에서 더 큰 부력을 가짐에 따라, 유동화 가스 스트림 내에 동반되기 시작할 수 있다. 이러한 작은 입자는 유동화 베드의 표면을 빠져 나가고, 관(1a)을 통해서 반응기(1)를 빠져 나갈 수 있다. 이는, 유동화 베드 내의 입자와 유동화 베드 내의 반응물 사이의 반응의 수득(yield)을 감소시키고, 작은 동반 입자의 회수 또는 재순환을 위한 장치를 관(1a)에 대한 배출구에 배치하도록 강제한다. 작은 동반 입자가 유동화 가스 출구 관(1a)에 진입하는 것을 방지하는 것이 유리할 것이다.
3. 미세 입자의 탈-동반
도 11은 관형 유동화 가스 반응기를 통과하는 유동화 가스 스트림으로부터 작은 동반 입자를 회수하기 위한 장치(25)를 도시한다. 장치(25)는 관형 유동화 가스 반응기 챔버(1) 위에 배치되도록 구성된다. 장치(25)는 유동화 가스를 반응 챔버로부터 수용하도록 구성된, 직경(x)을 갖는 개구부(26)를 갖춘 하부 단부; 및 직경(nx)을 갖는 개구부(26) 위의 관형 탈-동반 챔버(30)를 포함하고, 여기에서 n은 1.5 내지 10이다. 여러 실시형태에서, 탈-동반 챔버의 내경은 반응 챔버의 직경보다 1.5 내지 10 배(n이 1.5 내지 10이다) 더 크고, 2 내지 5 더 크고, 2.25 내지 4배 더 크고, 또는 약 2.5 배 더 크다. 여러 실시형태에서, 원뿔형 속도 감소 챔버(29)는 개구부(26)와 속도 감소 챔버를 결합시키고, 탈-동반 챔버(30)의 하부 경계를 형성하는 평면(m)과 속도 감소 챔버(29)의 원뿔형 내부 벽 사이의 각도(y)는 15° 내지 75°, 25° 내지 65°, 30° 내지 60°, 40° 내지 50°, 또는 약 45°이다. 탈-동반 챔버(30)의 벽 내의 2개의 개구부(31)는, 유동화 가스가, 개구부(26)를 통해서 속도 감소 챔버에 진입한 후에, 탈-동반 챔버(30)를 빠져 나갈 수 있게 한다.
개구부(26)의 테두리가 상승된 립(28)에 의해서 형성된다. 요홈부(27)가, 속도 감소 챔버(29)의 벽의 외부 표면의 하부 연부에서, 립(28)의 수직 외부 표면 및 수평 표면에 의해서 형성된다. 립(28) 및 요홈부(27)는, 장치(25)를 반응 챔버(1)의 상부 연부에 피팅(fit)하기 위해서 이용된다.
도 12에 도시된 바와 같이, 장치(25)는, 전반적으로 도 1에 도시된 바와 같이, 유동화 가스 반응기와 함께 사용될 수 있다. 유동화 가스 반응기는, 상부 단부에서 개구부(35)를 가지는 반응 챔버(1)를 갖는다. 개구부(35)의 주변 연부 주위에서, 반응 챔버(1)는, 장치(25) 내의 요홈부(27) 내로 피팅되는 상승된 립(34)을 갖는다. 반응 챔버(1)는 또한, 장치(25)의 상승된 립(28)을 수용하는 요홈부(33)를 갖는다. 장치(25)의 상단부 내의 개구부가 덮개(32)에 의해서 폐쇄될 수 있다.
도 11에서 확인되는 바와 같이, 유동화 가스는 유동화 가스 공급 관(5a)으로부터 유동화 가스 유입구 관(4)을 통해서 이동하고, 가스 분배 판(3) 내의 개구부(9)를 통해서 반응 챔버(1)에 진입한다. 이어서, 유동화 가스는 개구부(26)를 통해서 반응 챔버를 빠져 나가고 장치(25)에 진입한다. 장치(25)에서, 유동화 가스는 제1 속도로 속도 감소 챔버(29)에 진입하고, 동반 미세 입자를 반응 챔버(1) 내의 유동화 베드로부터 이송한다. 유동화 가스가 속도 감소 챔버를 통해서 이동함에 따라, 유동화 가스가 속도 감소 챔버(29)를 빠져나가고 제1 속도보다 느린 제2 속도로 탈-동반 챔버(30)에 진입할 때까지, 가스가 가로지르는 횡단면 면적이 증가되고, 가스 속도는 감소된다. 도 12의 장치에서, 반응 챔버(1)의 횡단면 면적은 x이고, 탈-동반 챔버(30)의 횡단면 면적은 2.5x이다. 유동화 가스가 속도 감소 챔버(29)를 통해서 반응 챔버(1)로부터 탈-동반 챔버(30)로 이동할 때, 가스 속도는 10의 배수만큼 감소된다.
탈-동반 챔버(30) 내의 유동화 가스의 감소된 속도로 인해서, 유동화 가스 내에 동반된 미세 입자는, 반응 챔버(1)를 통과할 때, 탈-동반 챔버(30) 내의 유동화 가스 내에서 부력이 작아지기 시작한다. 따라서, 미세 입자는, 가스 스트림이 출구 개구부(31)에 진입하기 전에, 유동화 가스 스트림으로부터 낙하되는, 즉 그로부터 탈-동반되는 경향을 갖는다. 탈-동반된 입자는 속도 감소 챔버(29)를 통해서 반응 챔버(1) 내로 낙하된다. 속도 감소 챔버(29)의 원뿔형 내부 표면은, 탈-동반된 입자를 탈-동반 챔버(30)로부터 반응 챔버(1) 내로 모으는 것을 돕는다. 미세 입자의 탈-동반 후에, 유동화 가스는 출구 개구부(31)를 통해서 탈-동반 챔버를 빠져 나가고, 그에 따라 출구 관(1a)에 진입한다. 출구 관(1a)은, 도 12에 도시된 바와 같이, 유동화 가스를 탈-동반 챔버(30)의 외부로 직접적으로 이송한다. 대안적으로, 개구부(31)는 유동화 가스를 탈-동반 챔버(30)의 외부로 그리고, 반응 챔버(1) 및 장치(25)를 둘러싸는, 외부 하우징 챔버 내로 이송할 수 있다. 이어서, 유동화 가스는 출구 관의 세트를 통해서 외부 하우징 챔버를 빠져 나갈 수 있다.
특정 양태를 특히 참조하여 여러 실시형태를 구체적으로 설명하였지만, 본 발명이 다른 실시형태를 취할 수 있고 그 상세 내용이 다양한 명백한 측면에서 수정될 수 있다는 것을 이해하여야 한다. 당업자에게 명확한 바와 같이, 본 발명의 사상 및 범위를 유지하면서, 변경 및 수정이 이루어질 수 있다. 따라서, 전술한 개시 내용, 설명, 및 도면은 단지 예시적인 것에 불과하고, 청구항에 의해서만 규정되는 본 발명을 결코 제한하는 것은 아니다.

Claims (20)

  1. 진행 반응의 중단이 없이 입자 샘플의 회수를 허용하도록 구성된 유동화 가스 반응기로서,
    a. 입자 베드를 포함하는 반응 챔버;
    b. 복수의 관통 개구부를 가지는 가스 분배 판;
    c. 복수의 수직 유동화 가스 유입구 관으로서, 각각의 유동화 가스 유입구 관은 상기 가스 분배 판 내의 개구부의 하나와 유체 연통되고, 각각의 유동화 가스 유입구 관은 유동화 가스를 수용하도록 그리고 유동화 가스를 상기 반응 챔버로 운반하도록 구성되는, 복수의 수직 유동화 가스 유입구 관;
    d. 유동화 가스 스트림을 상기 유동화 가스 유입구 관에 제공하도록 구성된 유동화 가스 공급원; 및
    e. 복수의 입자 배출구로서, 각각이 상기 유동화 가스 유입구 관의 하나 내에 배치되는, 복수의 입자 배출구;
    를 포함하고,
    상기 유동화 가스 공급원은 상기 유동화 가스 유입구 관 중 임의의 하나에 대한 상기 유동화 가스 스트림을 선택적으로 중단시키도록 구성되고; 그리고
    각각의 입자 배출구는, 상응 유동화 가스 유입구 관에 대한 상기 유동화 가스 스트림이 중단되는 동안, 상기 입자 베드로부터 입자를 수용하도록 구성되는, 유동화 가스 반응기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 유동화 가스 공급원은, 다른 유동화 가스 유입구 관에 대한 상기 유동화 가스 스트림을 중단하지 않으면서, 상기 유동화 가스 유입구 관 중 임의의 하나에 대한 상기 유동화 가스 스트림을 선택적으로 중단시키도록 구성되는, 유동화 가스 반응기.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 유동화 가스 공급원은 복수의 유동화 가스 공급 관을 포함하고, 각각의 유동화 가스 공급 관은 상기 유동화 가스 유입구 관 중 상응하는 하나와 유체 연통되고;
    각각의 유동화 가스 공급 관은, 상기 상응 유동화 가스 유입구 관에 대한 상기 유동화 가스 스트림을 선택적으로 중단시키도록 구성된 밸브를 포함하는, 유동화 가스 반응기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 유동화 가스 공급원은 복수의 유동화 가스 공급 관을 포함하고, 각각의 유동화 가스 공급 관은 상기 유동화 가스 유입구 관 중 상응하는 하나와 유체 연통되고;
    각각의 유동화 가스 공급 관은, 제1 위치를 갖도록 구성된 제1 밸브를 포함하고, 상기 제1 위치는 상기 유동화 가스 스트림이 상기 상응 유동화 가스 유입구 관으로 유동하는 것을 선택적으로 중단시키며; 그리고
    상기 상응 유동화 가스 유입구 관은, 상기 제1 밸브가 상기 제1 위치에 있을 때, 입자가 상기 입자 베드로부터의 상기 입자 배출구로 유동할 수 있게 허용하도록 구성되는 제2 밸브를 포함하는, 유동화 가스 반응기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 밸브는 제2 위치를 갖도록 구성되고, 상기 제2 위치는 상기 유동화 가스 스트림이 상기 상응 유동화 가스 유입구 관으로 유동하는 것을 허용하고; 그리고
    상기 제2 밸브는, 상기 제1 밸브가 제2 위치에 있을 때, 입자가 상기 입자 베드로부터 상기 입자 배출구로 유동하는 것을 방지하도록 구성되는, 유동화 가스 반응기.
  6. 제1항에 있어서,
    냉각제 시스템을 더 포함하고,
    상기 냉각제 시스템은:
    유체 유입구;
    복수의 냉각 자켓으로서, 각각의 냉각 자켓이 상기 유동화 가스 유입구 관의 하나를 둘러싸고 상기 유체 유입구와 유체 연통되는, 복수의 냉각 자켓; 및
    각각의 냉각 자켓과 유체 연통되는 유체 배출구
    를 포함하는, 유동화 가스 반응기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 반응 챔버는 그라파이트 벽을 포함하고, 상기 그라파이트 벽은 600℃ 내지 2200℃로 가열되도록 구성되는, 유동화 가스 반응기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 반응 챔버 위의 탈-동반 챔버; 및
    그 사이의 원뿔형 속도 감소 챔버
    를 더 포함하고;
    상기 탈-동반 챔버의 직경은 상기 반응 챔버의 직경보다 1.5 내지 10배 더 큰, 유동화 가스 반응기.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 탈-동반 챔버의 직경은 상기 반응 챔버의 직경보다 2 내지 5배 더 큰, 유동화 가스 반응기.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 탈-동반 챔버의 직경은 상기 반응 챔버의 직경보다 2.5배 더 큰, 유동화 가스 반응기.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 반응 챔버는, 600℃ 내지 2200℃로 가열되도록 구성된 그라파이트 벽을 포함하고; 그리고
    상기 속도 감소 챔버 및 상기 탈-동반 챔버 중 적어도 하나는 600℃ 내지 2200℃로 가열되도록 구성된 그라파이트 벽을 포함하는, 유동화 가스 반응기.
  12. 유동화 가스 반응기로서,
    a. 입자 베드를 포함하는 반응 챔버;
    b. 복수의 관통 개구부를 가지는 가스 분배 판으로서, 각각의 개구부가 상기 반응 챔버 내로 개방되는, 가스 분배 판;
    c. 복수의 유동화 가스 유입구 관으로서, 각각의 유동화 가스 유입구 관이 상기 가스 분배 판 내의 개구부의 하나와 유체 연통되고, 각각의 유동화 가스 유입구 관이 유동화 가스를 수용하도록 그리고 상기 유동화 가스를 상기 반응 챔버로 운반하도록 구성되는, 복수의 유동화 가스 유입구 관;
    d. 유동화 가스 공급원으로서, 유동화 가스 스트림을 각각의 유동화 가스 유입구 관에 개별적으로 제공하도록 구성되는, 유동화 가스 공급원; 및
    e. 냉각제 시스템을 포함하고,
    상기 냉각제 시스템은:
    유체 유입구;
    상기 유체 유입구와 유체 연통되는 냉각제 유동 경로로서, 각각의 유동화 가스 유입구 관을 냉각시키도록 구성되는, 냉각제 유동 경로; 및
    상기 냉각제 유동 경로와 유체 연통되는 유체 배출구
    를 포함하는, 유동화 가스 반응기.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 유체 유입구가 유입구 매니폴드를 포함하고;
    상기 냉각제 유동 경로가 복수의 냉각 자켓을 포함하며,
    각각의 냉각 자켓은 상기 유동화 가스 유입구 관의 하나를 둘러싸고; 그리고
    각각의 냉각 자켓은 상기 유입구 매니폴드와 유체 연통되고; 그리고
    상기 유체 배출구는, 각각의 냉각 자켓과 유체 연통되는 배출구 매니폴드를 포함하는, 유동화 가스 반응기.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 냉각제 유동 경로가 복수의 냉각 자켓을 포함하고, 각각의 냉각 자켓은 상기 유동화 가스 유입구 관의 하나를 둘러싸고; 그리고
    상기 냉각제 유동 경로는 냉각제 유동을 상기 유체 유입구로부터 상기 유체 배출구에 제공하도록 구성되고, 상기 냉각제는 상기 복수의 냉각 자켓을 통해서 순차적으로 유동하는, 유동화 가스 반응기.
  15. 제12항에 있어서,
    상기 냉각제 유동 경로가 복수의 냉각 자켓을 포함하고, 각각의 냉각 자켓은 상기 유동화 가스 유입구 관의 하나를 둘러싸고; 그리고
    상기 냉각제 유동 경로는 냉각제 유동을 상기 유체 유입구로부터 상기 유체 배출구에 제공하도록 구성되고, 상기 냉각제는 상기 복수의 냉각 자켓을 통해서 병렬로 유동하는, 유동화 가스 반응기.
  16. 제12항에 있어서,
    f. 각각이 상기 유동화 가스 유입구 관의 하나의 하부 단부에 위치되는, 복수의 입자 배출구를 더 포함하고;
    상기 유동화 가스 공급원은 상기 유동화 가스 유입구 관 중 임의의 하나에 대한 상기 유동화 가스 스트림을 선택적으로 중단시키도록 구성되고; 그리고
    각각의 입자 배출구는, 상응 유동화 가스 유입구 관에 대한 상기 유동화 가스 스트림이 중단되는 동안, 상기 입자 베드로부터 입자를 수용하도록 구성되는, 유동화 가스 반응기.
  17. 제 12항에 있어서,
    상기 반응 챔버 위의 탈-동반 챔버; 및
    그 사이의 원뿔형 속도 감소 챔버를 더 포함하고;
    상기 탈-동반 챔버의 직경은 상기 반응 챔버의 직경보다 1.5 내지 10배 더 큰, 유동화 가스 반응기.
  18. 진행 반응의 중단이 없이 입자 샘플의 회수를 허용하도록 구성된 유동화 가스 반응기로서,
    a. 입자 베드를 포함하는 반응 챔버;
    b. 복수의 관통 개구부를 가지는 가스 분배 판;
    c. 상기 가스 분배 판 내의 개구부의 하나와 유체 연통되는, 복수의 유동화 가스 유입구 관으로서, 상기 각각의 유동화 가스 유입구 관이 가스 유입구 개구부 및 입자 배출구 개구부를 가지는, 복수의 유동화 가스 유입구 관;
    d. 유동화 가스 스트림을 상기 유동화 가스 유입구 관의 상기 가스 유입구 개구부에 제공하도록 구성된 유동화 가스 공급원; 및
    e. 밸브 시스템으로서, 상기 밸브 시스템은 상기 유동화 가스 유입구 관 중 임의의 하나 내의 가스 유입구 개구부에 대한 상기 유동화 가스의 유동을 선택적으로 중단시키도록; 그리고 상기 가스 유입구 개구부에 대한 상기 유동화 가스의 유동이 중단되는 동안, 상기 입자 베드로부터 상기 입자 배출구 개구부로의 입자의 유동을 허용하도록 구성되는, 밸브 시스템
    을 포함하는, 유동화 가스 반응기.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 밸브 시스템은, 다른 유동화 가스 유입구 관 내의 상기 가스 유입구 개구부로의 상기 유동화 가스의 유동을 중단시키지 않으면서, 상기 유동화 가스 유입구 관 중의 임의의 하나 내의 상기 가스 유입구 개구부로의 상기 유동화 가스의 유동을 선택적으로 중단시키도록 구성되는, 유동화 가스 반응기.
  20. 제18항에 있어서,
    상기 밸브 시스템은, 상기 가스 유입구 개구부로의 상기 유동화 가스의 유동이 중단되지 않는 한, 상기 입자 베드로부터 상기 입자 배출구 개구부로의 입자의 유동을 허용하지 않는, 유동화 가스 반응기.
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