KR20230091397A - 고열전달이 가능한 관형 반응기 및 이를 이용한 흡열 반응의 실시 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 일실시예는 하우징과, 상기 하우징의 내부 중심에 반응열을 생성하는 연소기와, 흡열 반응을 위해 상기 연소기를 중심으로 동심원에 배열되는 복수개의 반응 튜브와, 하단이 개방된 상태로 상기 반응 튜브의 외측면에 이격되어 위치하여 상기 반응 튜브를 둘러싸는 대류전열 유도용 슬리브관과, 상기 대류전열 유도용 슬리브관과 상기 반응 튜브 사이의 간격 유지를 위해 상기 대류전열 유도용 슬리브관과 상기 반응 튜브 사이에 서로 이격되어 배치되는 격벽 형태의 스페이서 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기를 제공한다.
Description
본 발명은 고온 흡열반응이 주 반응으로 일어나는 관형 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 대류 열 교환 효율을 높임으로써 촉매가 충진된 반응 튜브에 대한 균일한 반응열 공급과 높은 열속을 제공할 수 있어 반응기의 성능을 향상시킬 수 있으며, 장치 컴팩트화 효율이 우수한 관형 반응기에 관한 것이다.
본 발명의 적용이 가능한 하나의 예로서, 천연가스-수증기 개질반응을 통해 수소를 생산하는 개질반응 장치(이하, 개질기)를 들 수 있다. 개질기는 메탄이 주성분인 천연가스를 원료로 수소를 제조하는 반응기이다. 원료가스와 수증기는 촉매상에서 수소, 일산화탄소, 이산화탄소가 혼합된 개질가스(reformed gas)로 전환되며, 강한 흡열 반응을 일으키므로 별도의 반응열의 공급이 필요하다.
상기 개질기는 반응에 필요한 수증기 발생기와 반응물을 예열하는 예열기가 연계되어 전체 공정이 구성된다. 이때, 수증기 발생기와 예열기의 열은 촉매층을 가열하고 배출되는 연소 배가스 혹은 생산된 개질가스에서 나오는 폐열을 회수하여 공급될 수 있다. 이에, 수증기 개질기를 포함하여 전체 공정의 효율을 높이기 위하여 열교환 효율을 높이는 것이 요구된다.
통상의 산업용 개질기에서의 열교환은 주로 복사 전열(radiation heat transfer) 방식이 적용된다. 이때, 연소기에서 발생된 반응열에 대한 반응 튜브로의 열 플럭스(heat flux)는 매우 크기 때문에 처리용량 극대화에는 유리하나 화염과의 직접적인 접촉 등에 의해 반응 튜브의 국부 가열 위험이 있으며, 그로 인한 균일한 반응이 일어나지 않아 반응 안정성과 전환 효율이 저하된다. 또한, 반응 튜브 간 반응 편차가 심하여 운전, 유지 및 관리에 어려움이 있으며, 장치 내 고가의 내열 재료가 요구되는 문제점을 가진다.
이는 장치 소형화의 요구가 증대되고 있는 면에서 더욱 큰 걸림돌이 된다. 따라서 장치 내 반응 튜브가 배열되는 중심선의 직경을 줄이는 것과 같은 장치 부피를 최소화할 수 있으면서도 개질기 내 반응열에 대한 열 교환 효율을 높일 수 있는 기술에 대한 연구개발이 필요한 실정이다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 원통형 가열 구조에 따른 반응 튜브가 배열되는 중심선의 직경을 줄임으로써 장치 컴팩트화율을 높일 수 있는 관형 반응기를 제공하는 것이다.
또한, 장치 소형화에도 불구하고 반응 튜브의 국부 가열을 억제할 뿐만 아니라 튜브 간 온도 편차를 줄여 반응 균일성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 튜브를 감싸는 슬리브관에 스페이서 핀을 구비함으로써 열전달 효율을 향상시키는 관형 반응기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일실시예는 하우징과, 상기 하우징의 내부 중심에 반응열을 생성하는 연소기와, 흡열 반응을 위해 상기 연소기를 중심으로 동심원에 배열되는 복수개의 반응 튜브와, 하단이 개방된 상태로 상기 반응 튜브의 외측면에 이격되어 위치하여 상기 반응 튜브를 둘러싸는 대류전열 유도용 슬리브관과, 상기 대류전열 유도용 슬리브관과 상기 반응 튜브와 사이의 간격 유지를 위해 상기 대류전열 유도용 슬리브관과 상기 반응 튜브 사이에 서로 이격되어 배치되는 격벽 형태의 스페이서 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기를 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서 핀은, 상기 반응 튜브의 둘레를 따라 상기 반응 튜브의 외표면 상에 소정 간격만큼 이격되어 배열되며, 상기 반응 튜브의 길이를 따라 소정 간격만큼 이격되어 상하 방향으로 배치되는 복수개의 스페이서 핀일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서 핀은, 상부 또는 하부에 이격 배치된 스페이서 핀이 상기 반응 튜브의 중심점을 기준으로 위치한 지점에 대하여 22.5° 틀어진 지점에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 대류전열 유도용 슬리브관의 외표면 또는 내표면은 열전달 표면적을 증대시키는 요철 패턴이 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 반응 튜브의 길이를 따라 상하 방향으로 배치되는 복수개의 스페이서 핀들의 형성 구간은, 상기 대류전열 유도용 슬리브관의 상단으로부터 상기 대류전열 유도용 슬리브관의 길이 대비 60 내지 70 %의 지점까지일 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서 핀은 상부 또는 하부에 이격 배치된 스페이서 핀과의 간격거리가 195 내지 205 mm로 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 스페이서 핀은 상기 대류전열 유도용 슬리브관의 내면과 상기 반응 튜브 외면 사이에 형성되는 열교환 유로 상에 형성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 하우징의 중심부에 위치하여, 상기 반응 튜브가 위치되어 있는 내부 공간에 배치되고, 상기 하우징의 중심과 상기 대류전열 유도용 슬리브관 사이에 구비되어 연소열이 수직 하향하도록 유도하는 연소 가이드를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 대류전열 유도용 슬리브관과 연통하고, 배가스가 배출되는 배가스 배출관과, 상기 대류전열 유도용 슬리브관의 상부에 형성되어, 상기 배가스 배출관과 연통하는 배가스 배출홀을 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 대류전열 유도용 슬리브관은 상기 반응 튜브의 하단부터 상단까지 상기 반응 튜브의 외곽을 둘러싸여 이루어지며, 상기 하우징 내측 상단에 고정되고, 일측면이 상기 배가스 배출관과 연통할 수 있다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 대류전열 유도용 슬리브관은 상단이 동일 선상에 위치한 상기 반응 튜브의 길이 대비 50 내지 120 %의 길이를 가질 수 있다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 다른 실시예는 상술한 관형 반응기를 이용한 흡열 반응의 실시 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 있어서, 상기 흡열 반응은, 수증기 개질에 의한 합성가스 생산 반응, 프로판 탈수소화에 의한 프로필렌 제조 반응, 그리고 탄화수소의 크래킹 반응으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 흡열 반응일 수 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, 장치 소형화에도 불구하고 반응 튜브의 국부 가열을 억제할 뿐만 아니라 튜브 간 온도 편차를 줄여 반응 균일성을 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 튜브를 감싸는 슬리브관에 스페이서 핀을 구비함으로써 열전달 효율을 향상시킬 수 있다.
그리고, 본 발명의 실시예에 따르면, 수증기 개질에 의한 합성가스 생산, 프로판 탈수소화에 의한 프로필렌 제조, 선택적 일산화탄소 산화 반응 등 심한 흡열반응을 주 반응으로 활용하는 관형 반응기에서 고효율, 균일 열전달 당의 효과를 달성하여 관형 반응기의 생산성을 제고할 수 있다.
본 발명의 효과는 상기한 효과로 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 설명 또는 청구범위에 기재된 발명의 구성으로부터 추론 가능한 모든 효과를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 반응기를 개략적으로 도시한 단면도이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 반응기에 대하여 보다 구체적으로 설명하기 위해 도시한 참고도이다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 대류전열 유도용 슬리브관 및 스페이서 핀을 확대하여 도시한 확대도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 반응기의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도5는 도4에 따른 A 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반응 튜브와, 대류전열 유도용 슬리브관과, 스페이서 핀의 구조적인 관계를 보여주는 도면이다.
도7은 표면에 요철이 없는 대류전열 유도용 슬리브관을 적용했을 때의 열유동을 나타낸 실험결과를 도시한 것이다.
도8은 표면에 요철이 있는 대류전열 유도용 슬리브관을 적용했을 때의 열유동을 나타낸 실험결과를 도시한 것이다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 반응기에 대하여 보다 구체적으로 설명하기 위해 도시한 참고도이다.
도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 대류전열 유도용 슬리브관 및 스페이서 핀을 확대하여 도시한 확대도이다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 반응기의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
도5는 도4에 따른 A 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반응 튜브와, 대류전열 유도용 슬리브관과, 스페이서 핀의 구조적인 관계를 보여주는 도면이다.
도7은 표면에 요철이 없는 대류전열 유도용 슬리브관을 적용했을 때의 열유동을 나타낸 실험결과를 도시한 것이다.
도8은 표면에 요철이 있는 대류전열 유도용 슬리브관을 적용했을 때의 열유동을 나타낸 실험결과를 도시한 것이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명을 설명하기로 한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 따라서 여기에서 설명하는 실시예로 한정되는 것은 아니다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결(접속, 접촉, 결합)"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 부재를 사이에 두고 "간접적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 구비할 수 있다는 것을 의미한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 본 발명은 스페이서 핀을 구비하는 대류전열 유도용 슬리브관을 포함하는 고열전달이 가능한 관형 반응기 및 상기 관형 반응기를 이용한 흡열 반응의 실시 방법에 관한 것이다. 본 발명에서 흡열 반응이란, 수증기 개질에 의한 합성가스 생산 반응, 프로판 탈수소화에 의한 프로필렌 제조 반응, 그리고 탄화수소의 크래킹 반응으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 흡열 반응일 수 있다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여, 본 발명의 일 실시예인 수증기 개질에 의한 흡열 반응을 실시하는 것으로 예시하여 후술한다.
도1은 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 반응기를 개략적으로 도시한 단면도이다. 본 실시예에서의 관형 반응기(1)는 수증기 개질기로 구현될 수 있다.
도1을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 관형 반응기(1)는 원료 가스를 개질하기 위한 개질 반응 튜브를 적어도 하나 이상 포함하여 구성될 수 있다. 보다 구체적으로, 본 실시예에 따른 관형 반응기(1)는 연소기(100), 반응 튜브(200), 하우징(300), 대류전열 유도용 슬리브관(400), 그리고 스페이서 핀(500)을 포함하여 구성될 수 있다.
하우징(300)은 내부에 연소기(100)를 비롯하여 각종 구성 부품이 설치될 수 있는 공간을 제공할 수 있다. 하우징(300)은 내부 중심에 연소기(100)를 구비한다. 또한, 하우징(300)은 내부에 개질 반응을 수행하는 반응 튜브(200)를 복수개 구비하는데, 반응 튜브(200)를 조밀하게 배치하고 장치의 소형화를 위하여 그 형상이 원통형으로 구현될 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.
연소기(100)는 개질 반응에 필요한 반응열을 공급하는 것으로, 외부로부터 공기와 원료를 공급받아 하우징(300)의 내부 중심에 반응열을 생성하기 위하여 연소시키는 공정을 수행할 수 있다. 본 발명에 따른 연소기(100)는 버너(burner)일 수 있으나, 이에 제한받지 않는다.
연소기(100)에서 발생한 연소가스는 반응 튜브(200)와 대류전열 유도용 슬리브관(400) 사이에 형성된 열교환 유로(120)를 경유하면서 반응 튜브(200)에 열을 전달하고, 열교환 유로(120)와 배가스 배출관(301) 사이에 연통을 위하여 구성된 배가스 배출홀(402) 및 배가스 배출관(301)을 통해 외부로 배기된다.
본 발명의 연소기(100)는 연소가스가 수직 하향하도록 유도될 수 있도록 연소 가이드(101)가 연소기(100)의 하단에 구비될 수 있다. 예컨대, 연소기(100)에서 발생된 연소가스는 연소에 의해 화염 형태로 열을 분사할 수 있다. 분사된 화염은 연소기(100)에 인접한 반응 튜브(200)의 일부 측면을 국부적으로 가열할 수 있다. 연소 가이드(101)는 화염으로부터 개별 반응 튜브(200)로의 직접적인 접촉을 막음으로써 이러한 국부 가열을 방지할 수 있다.
연소 가이드(101)는 반응 튜브(200)가 위치되어 있는 내부 공간에 연소가스가 유동될 수 있도록 하우징(300)의 중심부에 이격되어 구비된다. 즉, 연소 가이드(101)는 연소기(100)의 하단인 하우징(300)의 내부 중심 상측면에 접합되며, 연소 가이드(10)에 의해 연소가스는 하우징(300)의 하단면, 즉, 반응 튜브(200)의 하단부터 유동될 수 있다.
연소 가이드(101)는 고온에서 열팽창에 의해 변형이나 산화에 의해 부식되지 않는 범위 내에서 그 재질에 제한은 없으나, 금속 혹은 세라믹 재질로 마련될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 반응 튜브(200)는 원료가스를 개질하기 위하여 연소기(100)를 중심으로 동심원에 배열되며 복수개의 반응 튜브들로 구성될 수 있다.
도2는 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 반응기에 대하여 보다 구체적으로 설명하기 위해 도시한 참고도이다.
일 실시예인 도2의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 반응 튜브(200)는 연소기(100)를 중심으로 하여 일정 반경의 위치에 다수개가 형성될 수 있다. 이때, 반응 튜브(200)의 개수 및 배치 구조는 크게 제한이 없으나, 관형 반응기(1)의 컴팩트화 및 효율적인 열 교환을 위해 조절될 수 있다.
반응 튜브(200)에서는 반응 원료인 탄소화합물의 원료가스와 수증기가 수소를 포함하는 개질 가스로 전환되는 개질 반응이 일어난다. 반응 튜브(200)는 그 형태가 제한되는 것은 아니지만, 베요넷 튜브 형태일 수 있다.
다시 도1을 참조하면, 본 실시예에 따른 반응 튜브(200)는 내관과 외관으로 구성되는 이중관 구조를 가질 수 있다. 외관의 하단부가 폐쇄되어 있고, 내관의 하단부가 개방되어 있는 형태일 수 있다.
상기 내관 및 외관 사이에는 개질 촉매가 충진된 촉매층이 형성된다. 상기 촉매층은 공급받은 원료가스의 개질 반응을 위한 것으로 촉매를 포함한다. 상기 촉매로는 그 종류에 제한되는 것은 아니지만, 금, 은, 철, 코발트, 니켈, 구리, 망간, 알루미늄, 아연, 티타늄, 하프늄, 백금, 로듐, 루테늄, 오스뮴, 이리듐, 팔라듐, 지르코늄 및 란탄족 금속에서 선택되는 하나 이상의 금속 또는 이들의 산화물 및 이들의 복합체로 이루어진 군으로부터 선택되는 어느 하나 이상을 포함할 수 있다.
반응 튜브(200)는 상단부만 관형 반응기(1)에 고정될 수 있다. 즉, 반응 튜브(200)는 상단부만 하우징(300)의 상단면에 고정되도록 구현될 수 있다.
반응 튜브(200)의 외측면은 연소기(100)로부터 발생된 연소가스가 접촉하여 열이 전달된다. 전달된 열은 반응 튜브(200)에서 진행되는 흡열 반응인 개질 반응에 이용된다.
반응 튜브(200)에서는 상단의 원료가스 주입관(201)으로부터 공급받은 원료가스가 내관과 외관 사이에 충전된 촉매층을 통과하면서 개질 반응이 진행된다. 촉매층을 통과하면서 개질된 개질 가스는 반응 튜브(200)의 하단에서 빠져나와 개질가스 배출관(202)으로 배출된다. 이때, 개질가스 배출관(202)은 내부에서 수직 상향방향으로 구비되어, 상기 개질가스가 가지고 있는 열을 촉매층에 전달할 수 있도록 한다. 특히, 이러한 수직 상향 구조의 개질가스 배출관(202)은 종래 반응 튜브 외관 측면에 배치되어 구조상 절곡 구조를 가짐으로써 열응력으로 인한 절곡 부분에서의 관 손상을 방지할 수 있는 특성을 가진다. 또한, 인접 튜브와의 간섭을 최소화함으로써 관형 반응기(1) 내에 많은 수의 반응 튜브를 구비할 수 있도록 한다. 즉, 관형 반응기(1) 내 반응 튜브의 조밀도가 높아지며 작업성이 향상되는 효과를 가진다.
본 발명에 따른 관형 반응기(1)는 반응 튜브(200)의 외측면에 형성되어, 반응 튜브(200)와 대류전열 유도용 슬리브관(400) 사이에 이격 배치되는 스페이서 핀(500500)을 포함하는 것을 특징으로 한다.
대류전열 유도용 슬리브관(400)은 연소기(100)로부터 발생한 화염이 직접 접촉하여 발생할 수 있는 국부적인 가열을 방지할 수 있는 특성을 가진다. 이때, 대류전열 유도용 슬리브관(400)은 반응 튜브(200)의 외측면과 일정한 간격의 열교환 유로(120)를 두고 이격되며, 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 하단부가 완전히 개방됨으로써 연소 배가스의 열교환 유체가 반응 튜브(200)의 하단 외곽면과 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 하단 내면 사이의 공간을 통과하면서 효율적인 대류 열교환을 유도할 수 있는 특성을 가진다.
도1 및 도2를 참조하여 보다 구체적으로 설명하면, 대류전열 유도용 슬리브관(400)은 반응 튜브(200)의 하단부터 상단까지 반응 튜브(200)의 외곽을 둘러싸며, 하우징(300)의 내측 상단에 고정될 수 있다. 이때, 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 하단은 개방되어 있는 것을 특징으로 한다. 여기서, 개방이란 연소기(100)로부터 발생된 연소 배가스가 반응 튜브(200)의 하단면부터 접촉되면서 흐를 수 있도록 대류전열 유도용 슬리브관(400)과 반응 튜브(200) 사이가 이격되어 공간이 열려 있다는 것을 의미한다. 이는 반응 튜브(200)의 외면을 완전히 둘러싸는 것과 달리 에너지 효율 및 장치 컴팩트화 측면에서 더욱 효과적이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 대류전열 유도용 슬리브관(400)이 반응 튜브(200)와 이격되어 하단이 개방되는 구조는 연소기(100)의 직접 복사열을 완화하여 좁은 공간에 조밀하게 반응 튜브(200)를 설치하더라도 연소기(100)에 의한 반응 튜브(200)의 표면의 국부적 온도 상승을 방지하고 나아가 반응 튜브(200)에 균일하고 원활한 열 공급을 통해 반응 효율을 높일 수 있는 효과를 가지는 것이다.
대류전열 유도용 슬리브관(400)은 반응 튜브(200)와의 이격되는 거리 즉, 열교환 유로(120)의 간격을 조절하여 배가스의 유속을 조절할 수 있다. 배가스의 유속은 열효율을 향상시키는 측면에서 5 내지 30 m/s, 바람직하게는 10 내지 25 m/s가 되도록 조절할 수 있다. 상기 범위에서 반응 튜브(200)의 균일한 열 공급과 관형 반응기(1) 내 전체 열효율 및 개질 반응 효율을 높일 수 있다는 면에서 효과적이다.
또한, 반응 튜브(200)의 외면과 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 내면 사이의 간격, 즉 열교환 유로(120)의 간격은 2 내지 10 mm, 바람직하게는 3 내지 7 mm인 것이 생성가스의 수소분율 향상 측면에서 효과적이다. 보다 바람직하게는 4 내지 6 mm인 경우 배가스의 압력 손실이 과다하게 증가하지 않는 범위에서 대류전열 열교환을 향상시킬 수 있는 측면에서 더욱 효과적이다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 대류전열 유도용 슬리브관(400)은 장치 내 효율적인 열전달반응을 위하여 반응 튜브(200)의 길이를 기준으로 그 길이가 조절될 수 있다. 구체적으로, 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 길이는 상단이 동일선상에 위치한 반응 튜브(200)의 길이를 기준으로 50 내지 120%, 구체적으로 60 내지 120%, 60 내지 110%, 80 내지 110%, 보다 구체적으로 60 내지 100%, 80 내지 100%인 것일 수 있다. 상기 범위에서 대류 열전달 효율을 높일 수 있고, 촉매층으로의 열전달 효율을 향상시켜 반응기 전체 효율을 증가시키는 측면에서 효과적이나, 이는 비한정적인 일예일 뿐 상기 수치범위에 제한받지 않는다.
반응 튜브(200)의 길이는 반응 튜브(200)의 최하단까지의 길이, 즉 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 상단과 반응 튜브(200)의 상단이 동일 선상에 있는 것을 기준으로, 반응 튜브(200)의 상단부터 반응 튜브(200)의 최하단부, 최하단은 반응 튜브 내에 개질되는 개질부의 밑단, 즉 개질부에 충전되는 개질촉매층 까지의 길이를 의미한다. 또한, 반응 튜브(200)의 상단은 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 상단과 같은 높이에 있는 것을 의미한다.
대류전열 유도용 슬리브관(400)은 상부에 형성된 배가스 배출홀(402)을 통해 배가스 배출관(301)과 연통하며, 배가스 배출관(301)을 통해 배가스를 배출한다. 보다 구체적으로 배가스 유동 경로를 살펴보면, 도1에 도시된 바와 같이, 연소기(100)로부터 생성된 연소 가스는 연소 가이드(101)에 의해 하우징(300)의 하단면으로 수직 하향하였다가 반응 튜브(200)의 외곽에 설치된 대류전열 유도용 슬리브관(400)을 통해 흐르면서 반응 튜브(200)를 가열하고, 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 상부에 형성된 배가스 배출홀(402)과 하우징(300)의 일측면에 구비된 배가스 배출관(301)을 차례대로 통과하여 외부로 배출된다. 배가스 배출관(301)은 하우징(300)의 상단 일측면에 구비될 수 있다.
대류전열 유도용 슬리브관(400)은 관형 반응기(1) 내 구비된 다수의 개별 반응 튜브(200)에 균일한 열을 공급하여 국부적 가열이 일어나는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 특히 관형 반응기(1)가 원통형 가열 구조인 면에서 반응 튜브(200)가 배열되는 동심원의 직경을 현저히 줄일 수 있어 장치 컴팩트화율을 획기적으로 높일 수 있는 효과를 가진다. 즉, 관형 반응기(1)의 소형화를 이루면서도 반응 튜브(200)의 국부 가열을 억제할 수 있음은 물론, 반응 튜브(200)들 간 반응 온도 편차를 줄일 수 있어 균일한 반응, 높은 열효율 및 장기 내구성을 구현할 수 있다. 또한, 장치 내 반응 튜브(200)들에 대한 전반적인 제어가 용이하여 유지 관리에 더욱 유리한 장점을 가진다.
본 발명의 실시예에 따른 스페이서 핀(500)은 반응 튜브(200)의 둘레를 따라 소정 간격만큼 서로 이격되어 배열되며, 반응 튜브(200)의 길이를 따라 소정 간격만큼 이격되어 상하 방향으로 배치되는 복수개의 스페이서 핀들로 마련될 수 있다.
스페이서 핀(500)은 반응 튜브(200)를 중심으로 동심원에 형성되되, 반응 튜브(200)의 외표면에 접촉된 형태로 동일선상에 서로 이격되어 배열되고, 이러한 스페이서 핀들은 반응 튜브(200) 길이 방향으로도 이격되어 형성될 수 있다.
도2의 (b)는 본 발명의 실시예에 따른 대류전열 유도용 슬리브관(400)을 정면에서 바라본 정면도이다. 도2의 (b)를 참조하면, 상술한 바와 같은 상하 방향으로 서로 이격 배치되는 스페이서 핀(500)들이 반응 튜브(200)와 대류전열 유도용 슬리브관(400) 사이 공간에 형성되는 구간은, 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 상단부터 상기 슬리브관(400)의 전체 길이 대비 60 내지 70% 지점까지일 수 있다.도3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 대류전열 유도용 슬리브관 및 대류전열 유도용 슬리브관의 내측에 형성되어 있는 스페이서 핀을 확대하여 도시한 정면 확대도이다.
본 발명의 스페이서 핀들은 동일선상에 동심원에 배열되는 복수개의 스페이서 핀들을 포함하는 스페이서 그룹들이 대류전열 유도용 슬리브관(400) 및 반응 튜브(200)의 길이 방향을 따라 상하 방향으로 이격되어 형성될 수 있다.
일 실시예인 도3을 참조하면, 제1 스페이서 그룹(511)과 제2 스페이서 그룹(513)은 소정의 간격(B)만큼 거리를 두고 대류전열 유도용 슬리브관(400) 상에 형성될 수 있고, 이때 상기 간격(B)은 195 내지 205 mm일 수 있고, 바람직하게는 200 mm로 형성되는 것이 좋다.
그리고, 제1 스페이서 그룹(511)에 따른 스페이서 핀들의 길이는 190 mm 일 수 있고, 제2 스페이서 그룹(513) 및 그 아래에 형성되는 스페이서 핀들의 길이는 200 mm 로 구현될 수 있다.
도4는 본 발명의 일 실시예에 따른 관형 반응기의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이고, 도5는 도4에 따른 A 부분을 확대하여 도시한 확대도이다.
도4를 참조하면, 본 발명의 반응 튜브(200) 및 반응 튜브(200)를 동심원으로 둘러싸는 대류전열 유도용 슬리브관(400)은 연소기(100)를 중심으로 동심원상에 복수개가 배열된 형태로 위치한다.
도4에서 A 부분을 확대한 도5를 참조하면, 스페이서 핀(500)은 반응 튜브(200)와 대류전열 유도용 슬리브관(400) 사이에 격벽 형태로 이격되어 반응 튜브(200)의 둘레를 따라 형성된다.
이때, 상하 방향에 대한 서로 다른 스페이서 그룹을 구성하는 스페이서 핀들의 위치는 동일한 위치로 구현될 수도 있고, 상부 또는 하부에 이격 배치된 스페이서 그룹에 따른 스페이서 핀들에 대해 소정 각도 틀어진 위치에 형성되는 것으로 구현될 수도 있다.
도6은 본 발명의 다양한 실시예에 따른 반응 튜브와, 대류전열 유도용 슬리브관과, 스페이서 핀의 구조적 관계를 보여주는 도면이다.
도6의 (a)는 하우징(300)의 내부에 있는 대류전열 유도용 슬리브관(400) 및 반응 튜브(200)를 도시한 것이고, 도6의 (b)는 상기 반응 튜브(200) 및 대류전열 유도용 슬리브관(400)을 확대하여 도시한 제1 실시예이며, 도6의 (c)는 상기 반응 튜브(200) 및 대류전열 유도용 슬리브관(400)을 확대하여 도시한 제2 실시예이다.
도6의 (b)를 참조하면, 제1 실시예에 따른 스페이서 핀(500)은 수평 방향을 기준으로 서로 다른 선상에 배치된 제1 스페이서 그룹(511)에 따른 스페이서 핀들과 제2 스페이서 그룹(513)에 따른 스페이서 핀들을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 스페이서 그룹(511)에 따른 스페이서 핀들과 제2 스페이서 그룹(513)에 따른 스페이서 핀들의 위치가 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 길이 방향(수직 방향)을 기준으로 할 때 동일한 선상에 형성될 수 있다.
한편, 도6의 (c)에 도시된 바와 같은 제2 실시예에 따른 스페이서 핀(500)은 수평 방향을 기준으로 서로 다른 선상에 배치된 제1 스페이서 그룹(511)에 따른 스페이서 핀들과 제2 스페이서 그룹(513)에 따른 스페이서 핀들을 포함할 수 있다. 여기서, 제1 스페이서 그룹(511)에 따른 스페이서 핀들과 제2 스페이서 그룹(513)에 따른 스페이서 핀들의 위치가 수직 방향을 기준으로 할 때 소정의 각도만큼 틀어진 선상(위치)에 형성될 수 있다. 즉, 제2 실시예에 따르면, 제2 스페이서 그룹(513)에 따른 스페이서 핀은 반응 튜브(200)의 중심점을 기준으로 제1 스페이서 그룹(511)에 따른 스페이서 핀이 위치한 지점에 대하여, 22.5° 틀어진 지점에 형성될 수 있다.
이에 따라, 도면에는 따로 도시하지 않았으나, 제2 스페이서 그룹(513)의 하부에 이격되어 형성되는 제3 스페이서 그룹(미도시)에 따른 스페이서 핀은 제2 스페이서 그룹에 따른 스페이서 핀이 위치한 지점에 대하여, 22.5° 틀어진 지점에 형성될 수 있고, 이러한 제3 스페이서 그룹에 따른 스페이서 핀의 형성 지점은 수직 방향을 기준으로 할 때 제1 스페이서 그룹(511)에 따른 스페이서 핀이 위치한 지점과 동일할 수 있다.
아래 <표1>은 스페이서 핀에 의한 열전달 효과를 확인하기 위한 실험 결과 표이다.
| 위치(Location) | 온도(Temperature) [℃] | |
| 스페이서 핀이 없는 경우 | 스페이서 핀이 있는 경우 | |
| 버너 입구(Burner Inlet) | 1297.62 | 1297.66 |
| 버너 출구(Burner Outlet) | 783.61 | 780.98 |
| 버너 연소가스 온도차(Burner outlet - Burner Inlet) | -514.01 | -516.68 |
| 반응 튜브 입구(Reformer Inlet) | 450.00 | 450.00 |
| 반응 튜브 출구(Reformer Outlet) | 758.70 | 760.29 |
| 개질가스 온도차(Reformer Outlet - Reformer Inlet) | 308.7 | 310.29 |
상기 <표1>을 참고하면, 반응 튜브(200)와 대류전열 유도용 슬리브관(400) 사이에 스페이서 핀(500)이 형성되는 경우가, 형성되지 않은 경우에 비해 소폭 반응기의 출구 온도가 증가한 것을 확인할 수 있다.한편, 본 발명의 대류전열 유도용 슬리브관(400)은 열전달 표면적을 증대시키기 위해 외표면 또는 내표면에 요철 패턴이 형성될 수 있다.
도7은 표면에 요철이 없는 대류전열 유도용 슬리브관을 적용했을 때의 열유동을 나타낸 실험결과를 도시한 것이고, 도8은 표면에 요철이 있는 대류전열 유도용 슬리브관을 적용했을 때의 열유동을 나타낸 실험결과를 도시한 것이다.
즉, 도7 및 도8을 비교하여 살펴보면 대류전열 유도용 슬리브관의 표면에 요철 패턴이 없을 때에 비하여 요철 패턴이 있을 때 열전달량이 총 7% 정도 향상된 것을 확인할 수 있었다.
상술한 바와 같은 반응 튜브(200)와 대류전열 유도용 슬리브관(400) 사이에 스페이서 핀(500)이 형성되는 경우가, 스페이서 핀이 형성되지 않을 때보다 열전달 효과 측면에서 현저한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따른 스페이서 핀(500)은 반응 튜브(200)의 외표면과 반응 튜브(200)를 둘러싼 대류전열 유도용 슬리브관(400)의 간격을 일정하게 유지해주는 스페이서(spacer) 역할을 함으로써, 동심관 구조가 열응력 등에 의해 변형이 일어나지 않게 해주는 구조적 안정성을 향상시키는 효과가 있다.
다시 도1을 참조하면, 본 실시예에 따른 하우징(300)은 내측이 철골구조로 이루어질 수 있으며, 그 외측이 단열재를 포함하여 둘러싸는 구조로 이루어질 수 있다. 이때, 상기 철골구조 내부에도 단열재를 구비할 수 있다. 상기 단열재는 그 재질이 크게 제한되지 않지만, 구체적으로 내부에 구비된 단열재는 세라믹 섬유 단열재이며, 외부에 구비된 단열재는 미세 다공성 단열재일 수 있다. 일 예로, 세라믹 섬유 단열재로는 세라크울(cerakwool)을 들 수 있으며, 상기 미세 다공성 단열재로는 마이크로썸(microtherm)을 들 수 있다.
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.
본 발명의 범위는 후술하는 청구범위에 의하여 나타내어지며, 청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
1: 고열전달 관형 반응기가 탑재된 반응장치
100: 연소기
101: 연소 가이드
102: 연료 공급관
103: 연소공기 공급관
110: 연소 챔버
120: 열교환 유로
200: 반응 튜브
201: 원료가스 주입관
202: 개질가스 배출관
300: 하우징
301: 배가스 배출관
400: 대류전열 유도용 슬리브관
402: 배가스 배출홀
500: 스페이서 핀
100: 연소기
101: 연소 가이드
102: 연료 공급관
103: 연소공기 공급관
110: 연소 챔버
120: 열교환 유로
200: 반응 튜브
201: 원료가스 주입관
202: 개질가스 배출관
300: 하우징
301: 배가스 배출관
400: 대류전열 유도용 슬리브관
402: 배가스 배출홀
500: 스페이서 핀
Claims (13)
- 하우징과,
상기 하우징의 내부 중심에 반응열을 생성하는 연소기와,
흡열 반응을 위해, 상기 연소기를 중심으로 동심원에 배열되는 복수개의 반응 튜브와,
하단이 개방된 상태로 상기 반응 튜브의 외측면에 이격되어 위치하여 상기 반응 튜브를 둘러싸는 대류전열 유도용 슬리브관과,
상기 대류전열 유도용 슬리브관과 상기 반응 튜브 사이의 간격 유지를 위해, 상기 대류전열 유도용 슬리브관과 상기 반응 튜브 사이에 서로 이격되어 배치되는 격벽 형태의 스페이서 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 스페이서 핀은,
상기 반응 튜브의 둘레를 따라 상기 반응 튜브의 외표면 상에 소정 간격만큼 이격되어 배열되며, 상기 반응 튜브의 길이를 따라 소정 간격만큼 이격되어 상하 방향으로 배치되는 복수개의 스페이서 핀인 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제2항에 있어서,
상기 스페이서 핀은,
상부 또는 하부에 이격 배치된 스페이서 핀이 상기 반응 튜브의 중심점을 기준으로 위치한 지점에 대하여 22.5° 틀어진 지점에 형성되는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 대류전열 유도용 슬리브관의 외표면 또는 내표면은 열전달 표면적을 증대시키는 요철 패턴이 형성되는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제2항에 있어서,
상기 반응 튜브의 길이를 따라 상하 방향으로 배치되는 복수개의 스페이서 핀들의 형성 구간은, 상기 대류전열 유도용 슬리브관의 상단으로부터 상기 대류전열 유도용 슬리브관의 길이 대비 60 내지 70 %의 지점까지인 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제2항에 있어서,
상기 스페이서 핀은 상부 또는 하부에 이격 배치된 스페이서 핀과의 간격거리가 195 내지 205 mm로 형성되는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 스페이서 핀은 상기 대류전열 유도용 슬리브관의 내면과 상기 반응 튜브 외면 사이에 형성되는 열교환 유로 상에 형성되는 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 하우징의 중심부에 위치하여, 상기 반응 튜브가 위치되어 있는 내부 공간에 배치되고, 상기 하우징의 중심과 상기 대류전열 유도용 슬리브관 사이에 구비되어 연소열이 수직 하향하도록 유도하는 연소 가이드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 대류전열 유도용 슬리브관과 연통하고, 배가스가 배출되는 배가스 배출관과,
상기 대류전열 유도용 슬리브관의 상부에 형성되어, 상기 배가스 배출관과 연통하는 배가스 배출홀을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제9항에 있어서,
상기 대류전열 유도용 슬리브관은 상기 반응 튜브의 하단부터 상단까지 상기 반응 튜브의 외곽을 둘러싸여 이루어지며, 상기 하우징 내측 상단에 고정되고, 일측면이 상기 배가스 배출관과 연통하는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제1항에 있어서,
상기 대류전열 유도용 슬리브관은 상단이 동일 선상에 위치한 상기 반응 튜브의 길이 대비 50 내지 120 %의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 고열전달이 가능한 관형 반응기.
- 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 따른 관형 반응기를 이용한 흡열 반응의 실시 방법.
- 제12항에 있어서,
상기 흡열 반응은,
수증기 개질에 의한 합성가스 생산 반응, 프로판 탈수소화에 의한 프로필렌 제조 반응, 그리고 탄화수소의 크래킹 반응으로 이루어진 군으로부터 선택되는 적어도 하나의 흡열 반응인 것을 특징으로 하는 흡열 반응의 실시 방법.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210180475A KR102656869B1 (ko) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 고열전달이 가능한 관형 반응기 및 이를 이용한 흡열 반응의 실시 방법 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020210180475A KR102656869B1 (ko) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 고열전달이 가능한 관형 반응기 및 이를 이용한 흡열 반응의 실시 방법 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20230091397A true KR20230091397A (ko) | 2023-06-23 |
| KR102656869B1 KR102656869B1 (ko) | 2024-04-18 |
Family
ID=86993884
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020210180475A KR102656869B1 (ko) | 2021-12-16 | 2021-12-16 | 고열전달이 가능한 관형 반응기 및 이를 이용한 흡열 반응의 실시 방법 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR102656869B1 (ko) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2009073680A (ja) * | 2007-09-19 | 2009-04-09 | Toshiba Corp | 水素製造装置 |
| JP4981378B2 (ja) * | 2006-07-28 | 2012-07-18 | 大阪瓦斯株式会社 | 改質炉 |
| KR20190056941A (ko) * | 2017-11-17 | 2019-05-27 | 한국에너지기술연구원 | 원료 예열부 일체형 수증기 개질기 |
| KR20190077388A (ko) * | 2016-10-25 | 2019-07-03 | 테크니프 프랑스 에스.아.에스. | 개질용 촉매 튜브 |
-
2021
- 2021-12-16 KR KR1020210180475A patent/KR102656869B1/ko active IP Right Grant
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| JP4981378B2 (ja) * | 2006-07-28 | 2012-07-18 | 大阪瓦斯株式会社 | 改質炉 |
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| Publication number | Publication date |
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| KR102656869B1 (ko) | 2024-04-18 |
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