KR20230077738A - 생산 설비에서 공정 유체의 화학 반응을 수행하기 위한 장치 - Google Patents

생산 설비에서 공정 유체의 화학 반응을 수행하기 위한 장치 Download PDF

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마르틴 호프슈테터
클라라 델옴므-노이데커
하인츠 포젤트
니클라스 플라이슈만
키아라 안느 코헨도르퍼
에릭 젠느
안드레이 슈스토프
베르너 요제프 슈틸
토르스텐 슈타크
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린데 게엠베하
바스프 에스이
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Abstract

지면에 연결되는 적어도 하나의 접지 연결부를 갖는 생산 시스템에서 공정 유체의 화학 반응을 수행하기 위한 장치가 제공된다. 이 장치는 하나 이상의 반응 튜브를 포함하는 반응기를 포함하고, 그 반응 튜브는 적어도 하나의 공급 섹션 및 적어도 하나의 배출 섹션을 통해 반응기 안으로 또한 그 반응기 밖으로 안내되며, 전기 전도성 스타 브리지에 의해 전류 출력 영역에서 서로에 연결되는 다수의 전기 가열 가능한 튜브 세그먼트를 가지며, 본 장치는 미리 결정된 전압에서 N 개의 상을 갖는 다상 교류를 N 개의 상 라인에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 전력 공급원을 포함하며, 여기서, N은 2 이상의 정수이며, 각 2개의 상에 대해, 두 상 사이의 위상 이동은 2π·k/N이며, 여기서 k는 각 경우에 1 내지 N-1 범위의 정수이다. 적어도 하나의 전력 공급원 각각에 대해, N 개의 전력 연결부가 제공되며, 각 전력 연결부는 전류 입력 영역에서 튜브 세그먼트 중의 적어도 하나에 연결되며, 각 전력 연결부는 전력 공급원의 상 라인 중의 하나에 연결되며, 적어도 하나의 전력 공급원에서, 전력 공급원의 상 라인이 연결되는 스타 포인트가 형성되며, 이 스타 포인트는 지면 연결부에 연결되지 않는다.

Description

생산 설비에서 공정 유체의 화학 반응을 수행하기 위한 장치
본 발명은 생산 시스템에서 공정 유체의 화학 반응을 수행하기 위한 장치에 관한 것으로, 본 발명은 특히 장치의 접지(grounding)에 관한 것이다.
화학 산업의 일련의 공정에서, 하나 이상의 반응물이 가열된 반응 튜브를 통해 전달되고 거기서 촉매적으로 또는 비촉매적으로 전환되는 반응기가 사용된다. 가열은 특히 발생하는 화학 반응을 위한 활성화 에너지 요건을 극복하는 역할을 한다. 그 반응은 활성화 에너지 요건을 극복한 후에 전체적으로 흡열적으로 또는 발열적으로 진행될 수 있다. 본 발명은 특히 강한 흡열 반응에 관한 것이다.
이러한 공정의 예는, 증기 분해(cracking), 상이한 개질(reforming) 공정, 특히 증기 개질, 건식 개질(이산화탄소 개질), 혼합 개질 공정, 알칸의 탈수소화 공정 등이다. 증기 분해에서, 반응 튜브는, 반응기에서 적어도 하나의 U-곡부(bend)를 갖는 튜브 코일의 형태로 반응기를 통해 안내되고, 일반적으로 U-곡부 없이 반응기를 통해 연장되는 튜브가 증기 개질에 사용된다.
본 발명은 이러한 모든 공정 및 반응 튜브의 실시예에 적합하다. 단지 예시적으로, Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry의 기사 "Ethylene", "Gas Production" 및 "Propenes"(예를 들어 2009년4월15일 공개) DOI: 10.1002/14356007.a10_045.pub2(2006년12월15일)DOI:10.1002/14356007.a12_169.pub2(2000년6월15일) DOI: 10.1002/14356007.a22_211를 참조한다.
대응하는 반응기의 반응 튜브는 통상적으로 버너를 사용하여 가열된다. 반응 튜브는, 버너도 배치되어 있는 연소실을 통해 안내된다.
그러나, 예를 들어, DE 10 2015 004 121 A1(마찬가지로 EP 3 075 704 A1)에 기재되어 있는 바와 같이, 감소된 국부적 이산화탄소 배출이 없이 또는 그러한 배출을 가지고 생성되는 합성 가스 및 수소에 대한 수요가 현재 증가하고 있다. 그러나, 연소된 발화된 반응기가 사용되는 공정은 일반적으로 화석 에너지 운반체의 연소를 기반으로 해서는 이러한 수요를 충족할 수 없다. 예를 들어, 다른 공정은 높은 비용으로 인해 거부된다. 이는 알칸의 증기 분해 또는 탈수소화에 의한 올레핀 및/또는 기타 탄화수소의 제공에 대해서도 마찬가지다. 그러한 경우에도, 적어도 현장에서 더 적은 양의 이산화탄소를 방출하는 공정에 대한 요망이 있다.
이를 배경으로 하여, 인용된 DE 10 2015 004 121 A1은 소성(firing)에 추가로 증기 개질을 위한 반응기의 전기 가열을 제안한다. 여기서는, 3개의 외부 전도체에 3-상(phase) 교류 전압을 제공하는 하나 이상의 전압 공급원이 사용된다. 각 외부 전도체는 반응 튜브에 연결된다. 스타 연결이 형성되며, 이 스타 연결에서, 튜브 라인이 개방되고 반응 튜브가 전도적으로 연결되는 수집기에 의해 스타 포인트가 실현된다. 이렇게 해서, 수집기는 이상적으로 전위가 없는 상태를 유지한다. WO 2015/197181 A1은 마찬가지로 반응 튜브가 스타 포인트 연결로 배치되는 반응기를 개시한다.
공정 매체는, 반응 튜브의 일부분인 공급 섹션 및 배출 섹션을 통해 반응기에 공급되거나 그 반응기로부터 배출된다. 반응 튜브의 일부분인 공급 섹션과 배출 섹션은, 전류로 가열하는 역할을 하는 튜브 섹션(튜브 세그먼트)에 연결된다. 사용되는 공정 매체와 높은 공정 온도로 인해, 플라스틱이나 세라믹과 같은 전기 절연 재료의 사용은 불가능하거나 공급 섹션과 배출 섹션에 대해서는 어렵게만 가능하기 때문에, 전류가 반응기의 외부에서 이들 섹션을 통해, 반응기가 사용되는 생산 시스템 안으로 전달될 수 있다는 문제가 있으며, 또한 특히 전위가 없는 수집기의 전술한 이상적인 경우가 항상 달성될 수 있는 것은 아니기 때문에, 생산 시스템의 다른 부품에 대한 손상 및 인간에 사람에 대한 위험이 초래될 수 있다.
이 목적은 독립 청구항 1의 특징을 갖는 장치로 달성되며, 종속 청구항은 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 것이다.
본 발명에 따르면, 전력 공급원의 스타 포인트는 접지되지 않는다. 따라서, 스타 포인트와 공급 섹션 또는 배출 섹션 사이에 전위차가 있으면, 이는 공급 섹션 또는 배출 섹션으로부터 생산 시스템을 경유하여 지면으로 가고 거기서 스타 포인트로 가는 전류 흐름을 야기할 수 없는데, 이러한 전류 흐름은 생산 시스템에 위험하거나(전기 안전/폭발 방지) 또는 손상(부식/장치 결함)을 주게 된다.
생산 시스템의 구성 요소를 접지하기 위해 지면에 연결되는 적어도 하나의 지면 연결부를 갖는 생산 시스템에서 공정 유체의 화학 반응을 수행하기 위한 장치는 반응기 및 적어도 하나의 전력 공급원을 포함한다. 반응기는 하나 이상의 반응 튜브를 가지며, 이 반응 튜브는 각각 적어도 하나의 공급 섹션 및 적어도 하나의 배출 섹션을 경유해 반응기 안으로 또한 그 반응기 밖으로 안내되며, 전기 전도성 스타 브리지에 의해 전류 출력 영역에서 서로에 연결되는 다수의 전기 가열 가능한 튜브 세그먼트를 갖는다. 특히, 공정 유체가 공급 섹션을 통해 반응기 또는 반응 튜브에 공급되고 배출 섹션을 통해 반응기 또는 반응 튜브로부터 배출된다. 적어도 하나의 전력 공급원은 미리 결정된 전압으로 N 개의 상을 갖는 다상 교류를 N 개의 상 라인에 제공하도록 구성되며, 여기서, N은 2 이상의 정수이며, 각 2개의 상에 대해, 두 상 사이의 위상 이동은 2π·k/N이며, 여기서 k는 각 경우에 1 내지 N-1 범위의 정수이다. 적어도 하나의 전력 공급원 각각에 대해, N 개의 전력 연결부가 제공되며, 각 전력 연결부는 전류 입력 영역에서 튜브 세그먼트 중의 적어도 하나에 연결되며, 각 전력 연결부는 전력 공급원의 상 라인 중의 하나에 연결된다. 적어도 하나의 전력 공급원에서, 전력 공급원의 상 라인이 연결되는 스타 포인트가 형성되며, 이 스타 포인트는 지면 연결부에 연결되지 않는다(즉, 스타 포인트는 접지되지 않음).
화학 반응은 200℃ 내지 1700℃, 특히 300℃ 내지 1400℃ 또는 400℃ 내지 1100℃ 범위의 온도에서 적어도 부분적으로 진행되는 화학 반응일 수 있다. 화학 반응은 바람직하게는 적어도 500℃, 더 바람직하게는 적어도 700℃의 온도에서, 특히 적어도 부분적으로 500℃ 또는 700℃ 내지 1100℃의 온도 범위에서 적어도 부분적으로 진행되는 화학 반응이다. 따라서, 제공되는 전기 전압/전류는 대응하는 가열 전력을 제공하는 데에 적합하다. 반응기 및 전력 공급원은 마찬가지로 이러한 온도에서 화학 반응을 수행하고 또한 대응하는 가열 전력을 제공하도록 구성된다. 바람직하게는, 화학 반응은 증기 분해, 증기 개질, 건식 개질(이산화탄소 개질), 프로판의 탈수소화, 일반적으로 적어도 부분적으로 500℃ 이상에서 수행되는 탄화수소와의 반응 중의 하나이다.
이 경우, 생산 시스템은 공정 매체 또는 공정 유체가 화학 반응을 받는 특정 산업 시스템을 의미하는 것으로 이해된다. 예를 들어, 이 시스템은 생산 건물에 배치될 수 있다. 화학 반응을 수행하기 위한 본 발명에 따른 장치에 추가로, 생산 시스템은 일반적으로 추가 시스템 부품(또는 다른 시스템 부품, 즉 장치와 다른 시스템 부품)을 포함하며, 이 시스템 부품은, 특히, 공정 유체가 전처리되는 시스템 부품(이로부터 공정 유체가 공급 섹션을 경유해 반응기 또는 반응 튜브에 공급되는데, 즉 반응기 또는 반응 튜브 안으로 전달됨), 및 공정 유체가 후처리되는 시스템 부품(공정 유체가 반응기 또는 반응 튜브로부터 배출 섹션을 경유해 그 시스템 부품 안으로 배출되는데, 즉 그 시스템 부품으로부터 멀어지는 방향으로 전달됨)이다.
생산 시스템은, 전기 라인을 통해 시스템의 부품을 지면 연결부에 연결함으로써 시스템의 부품(즉, 본 발명에 따른 장치 및 추가 시스템 부품)을 접지하는 역할을 하는 지면 연결부를 포함한다.
바람직하게는, N=3, 즉 3-상 교류, 소위 3-상 전류가 사용된다. 그래서 연속적인 위상은 각 경우에 2π/3(120°에 대응함)만큼 이동된다. 3-상 교류를 사용하면 특히 공공 공급 네트워크에의 연결이 가능하다.
바람직하게는, 스타 브리지를 전력 공급원의 접지되지 않은 스타 포인트에 연결하는 중립 전도체가 제공된다. 위상에 대한 비대칭 부하로 인해 발생할 수 있는, 스타 브리지와 전력 공급원의 스타 포인트 사이의 가능한 전위차가 부분적으로 보상될 수 있다(중립 전도체의 저항을 고려하여).
바람직하게는, 스타 브리지는 지면 연결부에 연결되지 않는다. 따라서, 위험한(전기 안전/폭발 방지) 또는 손상(부식/장치 결함)을 주는 전류가, 추가 시스템 부품을 통해, 지면 연결부에 대한 라인이 부착되는 스타 브리지의 위치로부터 지면, 추가 시스템 부품의 지면 연결부 및 그 추가 시스템 부품에 전기 전도적으로 연결되는 공급 섹션 또는 배출 섹션을 경유하여 일어날 수 없다.
또한, 바람직하게는 주 접지 레일이 제공되고 공급 섹션 및 배출 섹션은 이 주 접지 레일에 전기 전도적으로 연결된다. 이는 공급 섹션과 배출 섹션 사이의 등전위화(potential equalization)가 주 접지 레일을 통해 일어날 수 있고 따라서 추가 시스템 부품을 통과하는 가능한 전류 흐름이 적어도 감소되기 때문에 편리하다. 지면에 전기 전도적으로 연결되는 주 접지 레일은 특히 생산 시스템에 제공되며, 지면 연결부 중의 하나 이상이 주 접지 레일에 제공된다(따라서 이러한 지면 연결부는 주 접지 레일을 통해 간접적으로 지면에 연결된다).
바람직하게는, 공급 섹션과 배출 섹션은 공간적으로 서로 인접하여 배치되고 (전기 전도성) 연결 요소에 의해 전기 전도적으로 서로에 연결된다. 반응기 및 특히 스타 브리지의 공간적 연장(각 경우에 수 미터일 수 있음)으로 인해, 반응기 또는 스타 브리지의 서로 다른 측에서 전위차가 발생할 수 있다. 공급 섹션과 배출 섹션을 서로 인접하게 배치함으로써, 이러한 전위차가 공급 섹션과 배출 섹션의 상이한 전위로 나타나는 것이 방지되는데, 그 상이한 전위는, 예컨대, 공급 섹션으로부터 생산 시스템을 경유하여 배출 섹션으로 가는 바람직하지 않은 전류 흐름을 일으킬 수 있다. 연결 요소를 통한 추가적인 전도성 연결에 의해, 생산 시스템을 경유하는 전류 흐름에 의한 간접적인 등전위화 없이 공급 섹션과 배출 섹션 사이의 직접적인 등전위화가 이루어진다.
여기서, 등전위화가 언급될 때, 이러한 등전위화는 물론 전기 전도체의 0이 아닌 저항으로 인해 완전하지 않을 수 있음을 언급해야 한다. 회로 측면에서, 등전위화가 일어나는 요소(예컨대, 연결 요소)는 추가 시스템 부품과 마찬가지로 저항을 형성하고, 또한 지면도 저항을 형성한다. 그러나, 등전위화가 일어날 수 있는 요소의 저항은 추가 시스템 부품을 통과하는 전류 경로와는 대조적으로 매우 낮으며, 그래서 본질적으로 그 추가 시스템 부품을 통과하는 전류 흐름이 발생하지 않는다.
더 바람직하게는, 인접하는 공급 섹션과 배출 섹션 사이의 거리는 스타 브리지의 치수의 1/10 미만이다. 가능한 치수는 바람직하게는 다음과 같다: 인접하는 공급 섹션과 배출 섹션 사이의 거리는 10 cm 미만, 바람직하게는 5 cm 미만이다. 이러한 작은 치수로 인해, 일반적으로 상대적으로 작은 전위차만 있을 수 있다(스타 브리지의 전체 연장에 대한 최대 전위차와 비교하여). 스타 브리지의 치수는, 예를 들어, 스타 브리지를 완전히 둘러싸는 가장 작은 구(즉, 가장 작은 직경을 갖는 구)의 직경일 수 있다.
연결 요소는 바람직하게는 지면 연결 라인을 통해 지면 연결부에 연결된다. 특히 스타 브리지가 접지되지 않은 경우, 지면 연결부에 대한 연결 요소의 전기 전도성 연결에 의해, 회로 측면에서, 추가 시스템 부품의 관점에서 장치의 "단일점" 접지가 일어난다. 사실, 장치는 추가 시스템 부품이 공급 섹션과 배출 섹션을 통해 장치에 전기 전도적으로 연결되는 단일 위치에 정확하게 접지된다. 전력 공급원과 소비처(반응기, 반응 튜브)는 (직접) 접지되지 않는다. 즉, 추가 시스템 부품의 관점에서, 본 발명에 따른 장치는, 회로 측면에서(전기 회로의 의미에서), 접지되는 이 한 점에만 연결되며, 다른 직접 또는 간접적인 전기 연결은 존재하지 않는다. 여기서 "점"은, 분명히, 0차원의 기하학적 점의 의미가 아니라, (가능한 한 작은 기하학적 연장의) 전기적 연결점의 전기 기술적인 의미로 이해되어야 한다.
바람직하게는, 전기 전도성 연결 요소는 일체형으로, 특히 주조 부품으로 제조되며, 연결 요소는 더 바람직하게는 튜브 입구 섹션 및 튜브 출구 섹션과 일체형으로 제조된다. 연결 요소가 주조 부품으로 제조되는 경우, 지면 연결 라인의 한 단부는 바람직하게는 그 주조 부품에 주조된다. 이렇게 해서, 유리하게도, 개별 요소들 사이의 저항이 낮아지게 되며, 특히, 요소들 사이에 접촉 저항이 생기지 않는다.
본 발명의 추가 이점 및 실시예는 상세한 설명 및 첨부 도면에서 알 수 있다.
본 발명은 예시적인 실시예를 사용하여 도면에 개략적으로 나타나 있고, 그 도면을 참조하여 아래에서 설명된다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 더 바람직한 실시예에 따른 장치를 나타낸다.
도 3은 도 2의 실시예에서 사용될 수 있는 연결 요소의 단면도를 나타낸다.
도면에서, 구조적으로 또는 기능적으로 서로 대응하는 요소는 동일하거나 유사한 참조 부호로 표시되며, 명확성을 위해 반복해서 설명되지 않는다.
도 1은 생산 시스템(2)에 설치된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 장치(100)를 나타낸다. 이 장치(100)는, 전기적으로 가열되는 반응 튜브(12)를 통해 흐르는 반응 매체 또는 공정 유체에서 화학 반응을 수행하기 위한 반응기(110), 및 전기 가열에 필요한 전류를 적절한 전압으로 제공하는 전력 공급원(30)을 포함한다.
명확성을 위해, 도면에서 여러 번 나타나는 요소에는 한 번 또는 두 번만 참조 부호가 제공된다.
지면(5)에 전기적으로 연결되는 하나 이상의 접지점 또는 지면 연결부(4)가 생산 시스템(2)에 제공된다. 생산 시스템의 부품(본 발명에 따른 장치, 추가 시스템 부품)은 이러한 지면 연결부를 통해 접지된다. 전형적으로, 생산 시스템은, 이 시스템의 부품이 설치되는 콘크리트 기부 플레이트를 갖는다. 그리고 지면 연결부는 이 기부 플레이트에 제공되고, 전기 전도체(예를 들어, 전기 전도성 금속 스트립 또는 케이블)가 지면 연결부로부터 기부 플레이트를 통해 지면 안으로 또는 심지어 물(강물) 속으로 안내된다. 이들 지면 연결부 중의 하나 이상은 지면에 연결되는 접지 레일, 즉 소위 주 접지 레일(나타나 있지 않음)을 통해 함께 연결될 수 있으며, 그래서, 말하자면, 간접 접지가 주 접지 레일을 통해 일어나게 된다. 더욱이, 생산 시스템(2)은, 반응기(110)에 추가로, 특히 공정 유체의 전처리 및 후처리가 일어나는 추가 시스템 부품(6)(단순히 상징적으로 직사각형으로 나타나 있음)을 갖는다. 그 추가 시스템 부품은 지면 라인(7)을 통해 지면 연결부에 연결된다.
반응기(110)는, 공정 유체의 가열에 의해 공정 유체의 화학 반응이 수행되는 하나 이상의 반응 튜브(12)(여기서는 하나만 나타나 있음)를 포함한다. 반응기(110)는 바람직하게는 예를 들어 열절연 반응기 벽 형태의 열절연재를 갖는다. 나타나 있는 반응 튜브(12)는, 공급 섹션(152)(이 섹션을 통해 공정 유체가 반응 튜브 또는 반응기에 공급됨)으로부터 튜브 세그먼트(14) 및 튜브 곡부(16, 17)(함께 튜브 코일을 형성함)를 거쳐 배출 섹션(154)까지 안내되는 튜브 코일의 형상을 가지며, 공정 유체는 그 배출 섹션을 반응 튜브 또는 반응기로부터 배출된다(그로부터 멀어지게 전달됨). 따라서 공급 섹션(152) 및 배출 섹션(154)은 반응기(110)를 추가 시스템 부품(6)에 전기 전도적으로 연결하며, 그 추가 시스템 부품에서 특히 공정 유체가 제공되고 화학 반응 후에 반응기 튜브를 특히 펌핑되거나 추가로 처리된다. 반응기 벽이 제공되는 경우, 이 공급 섹션(152) 및 이 배출 섹션(154)은 실질적으로 그 반응기 벽을 통해 연장된다.
반응 튜브(들)에 사용되는 재료는 반응 튜브(들)의 전기 가열에 적합한 전기 전도성을 갖는 재료, 예를 들어 내열성 강 합금, 특히 내열성 크롬-니켈-강 합금이다. 따라서 반응 튜브(들)의 일부분인 공급 섹션 및 배출 섹션은 전기 전도성을 갖는다. 이러한 강 합금은 마찬가지로 전력 연결부(이를 통해 전류가 반응기 컨테이너에 전달됨) 및 연결 브리지(적어도 부분적으로 반응기 컨테이너에 배치됨)에 사용될 수 있다. 예를 들어, DIN EN 10027, Part 1, "Materials"에 따른 표준 지정 GX40CrNiSi25-20, GX40NiCrSiNb35-25, GX45NiCrSiNbTi35-25, GX35CrNiSiNb24-24, GX45NiCrSi35-25, GX43NiCrWSi35-25-4, GX10NiCrNb32-20, GX50CrNiSi30-30, G-NiCr28W, G-NiCrCoW, GX45NiCrSiNb45-35, GX13NiCrNb45-35, GX13NiCrNb37-25, 또는 GX55NiCrWZr33-30-04을 갖는 재료가 사용될 수 있다.
예컨대, 도면에 나타나 있는 바와 같이 복수의 반응 튜브 또는 튜브 코일(각 경우에 도면에 수직하게 서로 평행하게 또한 거리를 두고 배치됨)을 포함하는 패키지 형태로 되어 있는 복수의 반응 튜브의 경우, 각 반응 튜브에 대해 개별적인 공급 섹션 및 개별적인 배출 섹션이 제공될 수 있다. 그러나, 복수의 반응 튜브 중의 적어도 일부(특히 심지어 모두)를 공통 공급 섹션을 통해 반응기 안으로 안내하고 그리고/또는 그것들을 공통 배출 섹션을 통해 반응기 밖으로 안내하는 것이 바람직하다. 그런 다음에 이들 일부(또는 모든) 반응 튜브는 반응기에서 분배기 튜브 장치를 통해 공통 공급 섹션에 연결되고 그리고/또는 분배기 튜브 장치를 통해 공통 배출 섹션에 연결된다. 패키지 형태의 위에서 언급한 장치의 경우, 따라서 분배기 튜브 장치의 튜브는 도면에 수직하게 연장된다. 이러한 분배기 튜브 장치를 또한 헤더라고 한다.
튜브 코일 외에도, 반응 튜브는 물론 다른 형태로 반응기를 통해 안내될 수 있으며, 예컨대, 각 반응 튜브는 반응기에서 U-형상을 가질 수 있으며, 또는 곧은 반응 튜브만 제공될 수 있으며, 이들 튜브는 어떠한 경우에도 분배기 튜브 장치를 통해 하나 이상의 공급 섹션과 하나 이상의 배출 섹션에 연결된다. 그런 다음, 상이한 전력 연결부(및 그에 따라 다른 상(phase) 라인)가 상이한 반응 튜브에 연결된다.
반응 튜브(12)의 전기적 가열은, 전류(더 정확하게는 교류)가 흐르는 튜브 세그먼트(14)를 통해 일어나며, 전류는 전류 입력 영역에서 튜브 세그먼트(14) 안으로 공급되고 전류 출력 영역에서 튜브 세그먼트(14)로부터 배출된다. 이를 위해, 튜브 세그먼트(14)는 전류 입력 영역에서 전력 연결부(20)에 전기 전도적으로 연결되고 또한 전류 출력 영역에서는 (전기 전도성) 스타 브리지(star bridge)(22)에 전기 전도적으로 연결된다. 각 전력 연결부(20)는 튜브 세그먼트(14) 중의 하나 이상에 연결된다(분명히 단일 튜브 세그먼트가 복수의 전력 연결부에 동시에 연결되어서는 안 됨). 전류는 교류로 제공되며, 상이한 전력 연결부가 상이한 상(phase)에 연결된다(전력 공급원(30)에 대한 아래의 추가 설명 참조요).
전류 입력 영역은, 도면에서, 대응하는 전력 연결부(20)(예를 들어, 반응기 안으로 안내되는 버스 바)에 전기 전도적으로 연결되는, 즉 그 전력 연결부와 전기 전도적으로 접촉하는 하측 튜브 곡부(16)에 의해 형성된다(따라서 전류는 전력 연결부에서 출발하여 하측 튜브 곡부를 거쳐 간접적으로 튜브 세그먼트 안으로 공급됨). 전류 출력 영역은, 도면에서, 스타 브리지(22)에 전기 전도적으로 연결되는 상측 튜브 곡부(17)에 의해 형성된다(따라서 전류는 상측 튜브 곡부를 거쳐 간접적으로 배출됨). 이와 관련하여, 하측/상측은 단지 도면에서의 배치에 대한 것이며, 실제 배치는 다를 수 있다. 이와는 달리, 전력 연결부 및/또는 스타 브리지는, 예를 들어, 튜브 세그먼트를 둘러싸는 대응하는 슬리브를 통해 튜브 세그먼트에 직접 전기 전도적으로 연결될 수도 있다.
또한, 반응기(110) 또는 반응 튜브(12)는, 예를 들어, 생산 시스템의 지지 장치(자세히 나타나 있지 않음)에 의해 서스펜션(18)으로 지지된다. 이 서스펜션(18)은 여기서 전기(및 열) 절연체를 통해 스타 브리지(22)에 연결되고, 이 스타 브리지는 반응 튜브(12)에 연결되어 이 반응 튜브를 지지한다. 다른 지지 장치도 생각할 수 있는데, 각 경우에 적절한 전기 및 열 절연이 보장되어야 한다.
전력 공급원(30)은 미리 결정된 교류 전압에서 다상(여기서는 3-상) 교류를 제공하는 교류 전력 공급원으로서 설계된다. 더 일반적으로, 다른 수(N)의 상도 생각할 수 있다. 상 사이의 위상 이동은, 전압 또는 전류가 스타 포인트에서 서로를 상쇄되도록 선택되는데, 즉 임의의 두 상 사이의 위상 이동은 라디안(radian) 단위로 2π·k/N 또는 도(degree)로 360°·k/N으로 표시될 수 있고, 여기서 k는 1 내지 N-1 범위의 정수이다. 그러므로, 3-상의 경우에, 2π/3 또는 4π/3은 120°또는 240°에 대응한다. 2개의 연속하는 상 사이의 위상차는 k=1, 즉 2π/N으로 얻어진다.
전력 공급원(30)은 교류 변압기, 특히 고전류 변압기로 설계된다. 예를 들어 공공 공급 네트워크 또는 발전기로부터의 1차측, 즉 전력 공급원(30)에 대한 교류 공급이 여기서 단지 1차측 변압기 코일(32)을 상징하는 음영 박스의 형태로 나타나 있다. 1차측 전력 공급 라인은 도면에 나타나 있지 않다. 1차측 교류 전압은 전형적으로 수백 내지 수천 볼트, 예를 들어 400 V, 690 V 또는 1.2 kV일 수 있다. 전력 공급원(30)의 1차 측과 있을 수 있는 공공 공급 네트워크 또는 발전기 사이에는, 적어도 하나의 추가 변압기(나타나 있지 않음)(아마도 적어도 하나의 조절 변압기)가 고전류 변압기를 위한 적절한 입력 전압을 얻기 위해 개재될 수 있다. 이 개재되는 적어도 하나의 변압기 대신에 또는 그에 추가로, 입력 전압은 하나 이상의 사이리스터(thyristor) 전력 제어기에 의해 설정될 수도 있다.
2차 측에는, 교류의 위상이 제공되는 상 라인(U, V, W)이 제공된다. 이 상 라인(U, V, W)에는, 자세히 나타나 있지 않은 2차측 변압기 코일을 통해 전기 에너지가 공급된다(상 라인이 전자기적으로 서로 상호 작용한다는 것을 나타내기 위해 상 라인이 1차측 변압기 코일(32)을 통해 연장되는 것만 나타나 있음). 2차측 교류 전압은 편의상 최대 300 V, 예를 들어 150 V 미만 또는 100 V 미만, 심지어 50 V 이하일 수 있다. 2차측은 1차측과 갈바니 전기적으로 분리된다.
상 라인(U, V, W)은 전력 공급원(30)에서 서로 연결되어, 전력 공급원(30)의 스타 포인트(34)가 형성된다. 이 스타 포인트(34)의 접지는 없어도 된다. 즉, 전력 공급원의 스타 포인트(34)는 생산 시스템(2)의 지면 연결부(4)로부터 전기적으로 절연되는데, 따라서, 전기 전도체를 통한 지면 연결부에 대한 연결이 없다(또한 전기 전도체를 통한 지면에 대한 다른 연결이 제공되지 않음).
상 라인(U, V, W)은 관련된 상이한 전력 연결부(20)에 연결된다. 따라서 다상 교류가 전력 연결부에 연결된 튜브 세그먼트에 공급되고, 여기서 교류의 상이한 위상이, 각각의 전력 연결부를 통해 상이한 상 라인에 연결되는 튜브 세그먼트에 공급된다. 이 다상 교류(튜브 세그먼트(14)를 통해 흐름)의 경우, 스타 브리지(22)는 회로 측면에서 스타 포인트(반응기의 스타 포인트)를 형성하며, 그래서 이상적으로는, 대칭 부하의 경우에 전류 또는 전압이 서로를 상쇄하게 된다.
또한, 2개의 스타 포인트를 서로에 전기 전도적으로 연결하는, 즉 한편으로, 전력 공급원(30)의 스타 포인트(34)에 연결되고, 다른 한편으로는, 스타 브리지(22)(반응기의 스타 포인트)에 연결되는 중립 전도체(N)가 제공된다.
단지 하나의 전력 공급원이 나타나 있지만, 특히 복수의 반응 튜브가 제공되는 경우, 일반적으로 복수의 전력 공급원이 또한 제공될 수 있다. 그러면, 상이한 전력 공급원이 예를 들어, 상이한 반응 튜브 또는 반응 튜브의 상이한 부분 세트에연결될 수 있다.
전력 공급원의 상이한 상은 일반적으로 비대칭적으로 부하를 받기 때문에(예를 들어, 상이한 상 라인에 연결된 튜브 세그먼트는 상이한 온도로 인해 상이한 전기 저항을 가질 수 있음), 스타 브리지(22)와 전력 공급원의 스타 포인트(34) 사이에 전위차가 발생할 수 있다. 이 전위차는 중립 전도체(N)에 의해 부분적으로 보상되는데, 하지만, 중립 전도체는 유한한(즉, 0이 아닌) 저항을 갖기 때문에, 일반적으로 특정 전위차가 유지된다.
회로 측면에서, 반응 튜브는 공급 섹션(152) 및 배출 섹션(154)을 통해 특정 저항으로 생산 시스템(2)의 추가 또는 다른 시스템 부품(6)에 전기 전도적으로 연결된다. 그리고 추가 시스템 부품(6)은 지면 라인(7)을 통해 지면 연결부(4) 및 지면(5)에 연결된다. 그러나, 전력 공급원의 스타 포인트(34)는 접지되지 않기 때문에(그리고 갈바니 전기적으로 1차측과 분리되어 있기 때문에), 스타 브리지(22)로부터 다른 시스템 부품(6)을 거쳐 지면(5)으로 가고 거기서 전력 공급원의 스타 포인트(34)로 가는 전류 흐름이 발생할 수 없다. 즉, 추가 시스템 부품(6)을 통과하는 전위차로 인해 생길 수 있는 전류 흐름(그 추가 시스템 부품에서 손상 또는 위험을 초래할 수 있음)이 회피되거나 적어도 감소될 수 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시예에 따른 장치(200)를 나타내는데, 여기서도 장치는 이 장치가 설치되는 생산 시스템(2)과 함께 나타나 있다. 본질적인 부분에서, 도 2에 나타나 있는 장치(200)는 도 1에 나타나 있는 장치(100)와 유사하다. 단순화를 위해, 이미 설명된 요소(특히 전력 공급원 및 튜브 세그먼트의 전기 가열)는 반복하지 않지만, 이와 관련해서는 도 1을 참조하고, 도 1에서와 동일한 참조 기호가 이러한 요소에 대해서도 사용된다. 장치(200)는 반응기(210) 및 전력 공급원(30)을 포함한다.
장치(200)의 반응기(210)에서, 공급 섹션(252) 및 배출 섹션(254)은 공간적으로 서로 가까이 배치되고 또한 서로 전기 전도적으로 연결된다(도 1의 장치(100)와 대조적으로). 그 결과, 공급 섹션(252)에서의 전위와 배출 섹션(254)에서의 전위 사이의 차가 감소되고, 이 차는 추가 시스템 부분(6)에서 전류를 야기할 수 있고, 그 전류는 이 추가 시스템 부품을 통해 공급 섹션(252)과 배출 섹션(254) 사이에서 흐른다. 이러한 상이한 전위는 스타 브리지의 공간적 연장(예를 들어, 몇 미터일 수 있으며, 이러한 의미에서, 스타 브리지는 스타 "포인트"를 형성하지 않음)으로 인해 스타 브리지(이의 재료는 영이 아닌 전기 저항을 가짐)의 상이한 영역 사이에 존재할 수 있고, 공급 섹션과 배출 섹션이 공간적으로 서로 가까이 배치되지 않을 때, 공급 섹션과 배출 섹션에 전달된다.
여기서 "공간적으로 가까이"는, 스타 브리지의 공간적 연장(예컨대, 평균 치수 또는 최대 치수)에 대한 연장의 의미로 특정될 수 있으며, 예를 들어, 인접하는 공급 섹션과 배출 섹션 사이의 거리는 기껏해야 스타 브리지의 공간적 연장의 1/10 이어야 한다. 마찬가지로, 절대적 거리가 특정될 수 있는데, 예를 들어, 인접하는 공급 섹션과 배출 섹션 사이의 거리는 10 cm 미만, 바람직하게는 5 cm 미만이어야 한다.
도 2에서, 공급 섹션(252)과 배출 섹션(254)은 전기 전도성 연결 요소(256)에 의해 서로 연결되며, 그래서 공급 섹션과 배출 섹션 사이의 전위차가 보상되고, 따라서 전류가 추가 시스템 부품(6)을 통해 흐르는 위험이 감소된다. 이 연결 요소(256)는 지면 라인(257)을 통해 생산 시스템(2)의 지면 연결부에 연결된다. 반응기의 추가 접지가 제공되지 않기 때문에, 특히 전력 공급원의 스타 포인트(34)는 접지되지 않고(이 접지는 연결 요소(256)를 통한 접지만을 나타냄), 따라서 회로 측면에서 단일점 접지가 실현된다.
도 2에서, 연결 요소(256)는 실질적으로 반응기 벽 상에 또는 그의 높이에 위치되지만, 반응기 외부, 예를 들어, 가능한 반응기 벽의 외부 또는 반응기 내부에 연결 요소를 배치하는 것도 가능하다.
연결 요소(256)의 바람직한 실시예가 도 3에 나타나 있다. 이 실시예에 따르면, 연결 요소(256)는 공급 섹션(252) 및 배출 섹션(254)과 일체형으로 제조, 특히 주조되며, 연결 요소는 지면 연결 라인(257)에 전기 전도적으로 연결된다. 더 바람직하게는, 나타나 있는 바와 같이, 지면 연결 라인(예를 들어, 전기 전도성 금속 스트립)의 한 단부는 연결 요소에 주조된다. 대안적으로, 공급 섹션 및 배출 섹션은 연결 요소(256)의 개구(262, 264)를 통해 튜브 섹션으로서 안내될 수 있고, 이를 위해, 예를 들어 연결 요소가 먼저 가열될 수 있고, 양호한 전기적 접촉을 달성하기 위해 (후속 냉각 중에) 공급 섹션과 배출 섹션 상으로 수축될 수 있다. 도 3에 나타나 있는 바와 같이, 연결 요소의 기하학적 배치는 단지 실례를 들기 위한 것이며 보호 범위를 제한하지 않는 다는 것을 언급해 두는데, 즉 실제 실시예에서는, 기하학적 배치는 도 3에 나타나 있는 것과는 다를 수 있다. 마찬가지로, 개별 요소의 나타나 있는 상대적 치수는 단지 예일 뿐이며 일반적으로 실제 실시예에서는 다를 수 있다.

Claims (12)

  1. 생산 시스템의 구성 요소를 접지하기 위해 지면에 연결되는 적어도 하나의 지면 연결부(4)를 갖는 생산 시스템(2)에서 공정 유체의 화학 반응을 수행하기 위한 장치(100, 200)로서,
    하나 이상의 반응 튜브(12)를 포함하는 반응기(110, 210) - 상기 반응 튜브는 각각 적어도 하나의 공급 섹션(152, 252) 및 적어도 하나의 배출 섹션(154, 254)을 통해 상기 반응기 안으로 또한 그 반응기 밖으로 안내되며, 전기 전도성 스타 브리지(22)에 의해 전류 출력 영역에서 서로에 연결되는 다수의 전기 가열 가능한 튜브 세그먼트(14)를 가짐 -; 및
    미리 결정된 전압에서 N 개의 상(phase)을 갖는 다상 교류를 N 개의 상 라인(U, V, W)에 제공하도록 구성된 적어도 하나의 전력 공급원(30)을 포함하고,
    여기서, N은 2 이상의 정수이며, 각 2개의 상에 대해, 두 상 사이의 위상 이동은 2π·k/N이며, 여기서 k는 각 경우에 1 내지 N-1 범위의 정수이며,
    상기 적어도 하나의 전력 공급원 각각에 대해, N 개의 전력 연결부(20)가 제공되며, 각 전력 연결부는 전류 입력 영역에서 튜브 세그먼트 중의 적어도 하나에 연결되며, 각 전력 연결부는 전력 공급원의 상 라인 중의 하나에 연결되며,
    적어도 하나의 전력 공급원에서, 전력 공급원의 상 라인이 연결되는 스타 포인트(34)가 형성되며, 이 스타 포인트는 지면 연결부에 연결되지 않는, 생산 시스템에서 공정 유체의 화학 반응을 수행하기 위한 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 화학 반응은 적어도 500℃의 온도에서 적어도 부분적으로 진행되는 화학 반응이고, 그 화학 반응은 바람직하게는 증기 분해(cracking), 증기 개질(reforming), 건식 개질, 프로판의 탈수소화, 적어도 부분적으로 500℃ 이상에서 수행되는 탄화수소와의 반응 중의 하나인, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 스타 브리지(22)를 상기 스타 포인트(34)에 연결하는 중립 전도체(N)가 제공되는, 장치(100, 200).
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스타 브리지(22)는 지면 연결부(4)에 연결되지 않는, 장치(100, 200).
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
    주 접지 레일이 제공되고, 상기 공급 섹션(152, 252) 및 배출 섹션(154, 254)이 상기 주 접지 레일에 전기 전도적으로 연결되는, 장치(100, 200).
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 공급 섹션(252)과 배출 섹션(254)은 공간적으로 서로 인접하여 배치되고 연결 요소(256)에 의해 전기 전도적으로 서로에 연결되는, 장치(200).
  7. 제6항에 있어서,
    인접하는 공급 섹션(252)과 배출 섹션(254) 사이의 거리는 상기 스타 브리지(22)의 치수의 1/10 미만인, 장치(200).
  8. 제6항 또는 제7항에 있어서,
    인접하는 공급 섹션(252)과 배출 섹션(254) 사이의 거리는 10 cm 미만, 바람직하게는 5 cm 미만인, 장치(200).
  9. 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 요소(256)는 지면 연결 라인(257)을 통해 지면 연결부(4)에 전기 전도적으로 연결되며, 그리고/또는 제4항에 종속되는 경우, 상기 주 접지 레일에 전기 전도적으로 연결되는, 장치(200).
  10. 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 연결 요소(256)는 일체형으로, 특히 주조 부품으로 제조되는, 장치(200).
  11. 제10항에 있어서,
    상기 연결 요소(256)는 튜브 입구 섹션(252) 및 튜브 출구 섹션(254)과 일체형으로 제조되는, 장치(200).
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 연결 요소(256)는 주조 부품으로 제조되고, 지면 연결 라인(257)의 한 단부는 그 주조 부품에 주조되는, 장치(200).
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