KR20230107673A - 축 방향으로 조정 가능한 로터를 갖는 회전 공급 원료 처리 장치 - Google Patents
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Abstract
공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 회전 블레이드 장치(100)가 제공되고, 상기 장치는 로터 샤프트의 길이 방향으로 스테이터 구성 요소에 대한 로터의 작동 블레이드 캐스케이드의 위치를 조정하기 위한 수단을 포함한다. 조정은 로터의 축 변위 또는 대안적으로 반응기 하우징의 축 변위를 통해 수행된다. 특히, 블레이드 장치(100)의 비-설계 조건에서 공정 유체에서 공급 원료를 처리하는 동안 유동 손실을 조절하고, 공정 효율을 개선하기 위한 방법이 추가로 제공된다. 실시예에서, 공급 원료의 처리는 탄화수소 함유 공급 원료의 열- 또는 열화학 크래킹을 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로 축 방향으로 조정 가능한 로터를 갖는 회전식 터보머신 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 탄화수소와 같은 공급 원료를 처리하기 위한 회전 블레이드 장치, 관련된 배열, 방법 및 용도에 관한 것이다.
터보머신 분야에서, 로터 유닛을 축 방향으로 변위 가능하게 하는 다양한 솔루션이 존재한다. 이러한 솔루션은 일반적으로 축류 베인 압축기 및 터빈과 같은, 축류 터보머신에 적용 가능하며, 방사형 유동 손실은 로터의 축 변위를 통해 효율적으로 조절될 수 있다. 방사형 유동 손실은, 회전 및 고정 구성 요소 사이의 간극의 제공 때문에 로터를 돌리기 위해 작동 유체를 이용하는 환형 터빈 캐스케이드에서 일반적으로 발생하며, 일반적으로 누설 경로(팁 누설)로 이어진다.
예시의 방식으로, DE 10145785 A1(Ehrenberger)은 로터의 공칭 속력를 초과하는 경우 로터가 작동 위치로부터 저속 위치로 축 방향으로 이동되는(로터 블레이드와 케이싱 사이의 간극이 증가되는 방향으로) 윈드 터빈을 개시한다. 축 조정은 유입되는 유체 유동의 가변 속도 조건에서 속력(회전율) 안정화 문제를 해결한다.
위에서 참조된 솔루션 중 어느 것도 화학 처리 분야에서 개시된 터보머신의 적합성에 대한 어떠한 표시도 제공하지 않는다. 축 변위를 위해 구성된 로터로 탄화수소를 생성하기 위해 건조 석탄의 수소화를 위해 구성된 축-유형 반응기의 예시가 미국 특허 공개 US 4,288,405(Koch)에 제시된다. 로터는 수소화 챔버에서의 압력이 특정 값을 초과하는 경우 축 방향으로 변위된다. 로터의 이동은 수소화 챔버로의 공급 입구를 닫으므로, 매우 높은 압력이 상류 장치로 퍼지는 것을 방지한다.
미국 특허 공개 US 9,494,038(Bushuev) 및 US 9,234,140(Seppala, 외)은 열(화학) 크래킹을 통해 탄화수소 공급 원료를 경질 올레핀으로 변환하기 위한 회전역학 반응기(RDR, rotodynamic reactor) 장치를 개시한다. 전반적으로, 반응기는 본질적으로 링-형상의 지지부 상에 배열되고 토로이드(toroid) 형상으로 제공되는 케이싱 내에 둘러싸인 고정 베인의 열 사이에 배치되는 관련된 블레이드 캐스케이드를 갖는 로터 디스크를 포함한다. 공정 유체는 입구를 통해 반응에 들어가고 반응기를 나가기 전에 본질적으로 나선형 궤적에 따라 스테이터와 로터 캐스케이드를 여러 번 통과한다.
에틸렌, 프로필렌, 부틸렌과 같은 저분자 올레핀은 석유 화합 산업의 주요 구성 요소이며, 플라스틱, 폴리머, 엘라스토머, 고무, 발포체, 용제, 및 화학 중간체의 상업적 생산뿐 아니라 탄소 섬유를 포함하는 섬유, 및 코팅의 기본 빌딩 블록 역할을 한다. 종래의 관형 열분해 로와 비교하여, 위에서 언급된 회전 역학 기계는 크래킹 공정의 단축된 체류 시간 및 개선된 제어 가능성으로 열(화학) 반응을 수행할 수 있게 하며, 후자는 일반적으로 상기 생성물이 2차 반응에 들어가는 것을 방지함과 함께 목표 생산물의 향상된 수율과 관련된다.
상기 알려진 RDR 솔루션의 일반적인 문제는 원주 방향(접선 방향 또는 후프 방향으로도 지칭됨)을 따라 유동 누설이 발생한다는 것이다. 실제로, 누설은 입구로부터 출구 방향(반응 구역으로 들어가는 대신) 및/또는 반응 구역의 끝으로부터 인접한 반응 구역의 시작 방향(반응기에서 나가는 대신)으로 발생하며, 상기 누설은 공칭 조건과 다른 조건에서(소위 비-설계 모드에서) 반응기를 작동함으로써 발생된다.
완전성을 기하기 위해, 위에 표시된 방향(입구-출구; 반응 구역의 끝-인접한 반응 구역의 시작)의 누설 문제는 종래 축-유동 솔루션에서는 발생하지 않는다.
따라서, 가변 유동 속도 및/또는 공급 원료-관련된 조건에서, 반응기를 작동할 때, 누설을 피할 수 없다. 유사한 방식으로, 누설은 로터의 회전 속력을 조정하는 것과 관련하여, 반응기 내부의 온도를 변경할 때(다른 모든 매개변수는 일정함) 누설이 생성된다.
이러한 누설 유동은 총 질량 유동 및 작업 전달을 감소시키고 반응기의 안정성에 부정적인 영향을 미치며, 이는 작동 범위, 즉 유체 유동 속도 및 회전 속력 범위에서 작동할 수 있는 능력을 좁힌다. 또한, 유동 누설은 코크(coke) 형성을 유발하고 목표 제품의 수율을 크게 감소시킨다. 이는 반응기의 산업적 이용 가능성, 최종 사용자에 대한 매력 및 시장 잠재력에 부정적인 영향을 미친다.
실제로, 누설을 방지하는 유일한 방법은 반응기를 통한 질량 유동 속도와 로터의 회전 속력의 단독 조합으로 RDR 장치를 작동시키는 것이며, 공급 원료 조성이 변하지 않는다면 미리 결정된 회전 속력이 특정 질량 유량에 할당된다.
US 9,494,038 B2에서 Bushuev에 의해 제안된 솔루션은 반응기가 공칭 설계 조건 하에서 작동하면서, 전체 블레이드 캐스케이드를 통해 로터 블레이드 캐스케이드의 입구와 출구에서 압력 균등화를 달성하기 위해 원주 방향으로 고정 베인 캐스케이드의 형상을 조정하는 것을 제안한다. 또한, 스테이터 베인 캐스케이드의 위치는, 로터 회전 축에 대해 원주 방향으로만, 조정될 수 있다. 언급된 배열은 인접한 스트림 사이의 바람직하지 않은 대규모 혼합을 완화시키는 것을 목표로 한다. 그럼에도 불구하고, 문서는 비-설계 작동 모드에서 누설을 줄이는 문제를 다루지 않는다.
이와 관련하여, 탄화수소 공급 원료, 특히 RDR 유형의 화학 처리를 위한 회전 반응기 장치의 효율성을 개선하는 분야의 업데이트는, 가변 공정 조건 하에서 반응기의 작동 범위 및 효율성을 최적화 하기 위해 유동 누설을 방지하거나, 적어도 최소화하는 것과 관련된 문제를 해결하는 관점에서 여전히 요구된다.
본 발명의 목적은 관련된 기술의 한계 및 단점으로부터 발생하는 각각의 문제를 해결하거나 적어도 경감시키는 것이다. 목적은 공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 장치, 관련된 배열, 방법 및 용도의 다양한 실시예에 의해 달성된다. 따라서, 본 발명의 일 측면에서, 공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 장치는 청구항 1에 정의된 바에 따라 제공된다.
실시예에서, 상기 장치는 로터 샤프트 상에 장착되는 디스크의 원주 위에 배열되고 로터 블레이드 캐스케이드를 형성하는 복수의 로터 블레이드를 포함하는 로터; 스테이터-로터-스테이터 배열을 형성하도록 로터 블레이드 캐스케이드에 대해 인접하게 배치되는 본질적으로 환형인 베인 캐스케이드로 배열되는 복수의 고정 베인, 및 덕트가 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구로 형성되는 케이싱으로서, 덕트 내부에 로터 블레이드 캐스케이드와 고정 베인 캐스케이드를 둘러싸는 상기 케이싱을 포함하고, 스테이터-로터-스테이터 배열의 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 로터 샤프트를 따라 축 방향으로 조정 가능하다.
실시예에서, 상기 스테이터-로터-스테이터 배열의 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는 로터 샤프트의 길이 방향으로 로터를 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정 가능하다.
실시예에서, 상기 장치는 로터 샤프트 상에 배열되는 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소를 더 포함하고, 로터는 로터 샤프트 상의 상기 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소의 축 변위를 통해 축 방향으로 변위 가능하게 된다.
실시예에서, 상기 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소는 (반응기)케이싱에 대하여 축 방향으로 변위 가능하도록 구성된다.
실시예에서, 스러스트 베어링 요소는 베어링 블록 내부에 적어도 부분적으로, 둘러싸여진 별도의 하우징에 수용되고, 감싸진 스러스트 베어링 요소는 관련된 베어링 블록에서 로터 샤프트의 길이 방향으로 축 방향으로 변위 가능하도록 구성된다.
실시예에서, 로터 샤프트와 드라이브 샤프트 사이에 배열되는 커플링은 드라이브 샤프트 및/또는 로터 샤프트를 축 방향으로 변위 가능하게 하도록 구성된 가요성 샤프트 커플링이다. 따라서 상기 가요성 커플링은 드라이브 샤프트 및/또는 로터 샤프트의 축 변위를 가능하게 한다.
일부 실시예에서, 상기 장치에서, 로터는 커플링을 통해 로터 샤프트에 연결된 드라이브 샤프트의 축 변위를 통해 축 방향으로 변위 가능하게 되어 있다.
일부 실시예에서, 상기 장치에서, 스테이터-로터-스테이터 배열의 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는, 적어도 하나의 구성 요소, 특히, (반응기) 케이싱을 로터 샤프트의 길이 방향으로 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정 가능하다. 드라이브 샤프트는 바람직하게는 고정되어, 축 변위가 방지된다.
일부 추가 실시예에서, 로터 샤프트와 드라이브 샤프트 사이에 배열되는 커플링은 드라이브 샤프트와 로터 샤프트를 축 방향으로 변위 불가능하게 하도록 구성되는 강성 커플링이다.
일부 실시예에서, 각각의 고정 베인 캐스케이드는 반응기 (기체) 케이싱의 양측에 배열된 관련된 베어링 블록 상에 고정된다.
일부 실시예에서, 장치는 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치를 조정하는 것은 적어도 로터의 회전 속력 및/또는 공급 원료-함유 공정 유체의 유동 속도를 조정하는 것이 수반되도록 구성된다.
실시예에서, 장치는 덕트가 외부 케이싱과 유동-형상 장치 사이에 형성되는 방식으로 (기체) 케이싱 내부에 배열되는 유동-형상 장치를 더 포함하고, 상기 덕트는 링-형상 자오선 단면을 가진다. 실시예에서, 상기 유동-형상 장치는 환형이고, 본질적으로 중공 구조이다.
실시예에서, 상기 장치에서, 스테이터-로터-스테이터 배열로부터의 출구와 입구 사이에 베인리스 공간이 형성되고, 상기 베인리스 공간은 (기체) 케이싱과 유동-형상 장치의 체적에 의해 정의된다.
실시예에서, 고정 베인 캐스케이드는, 로터 블레이드 상류의 환형 노즐 가이드 베인 캐스케이드를 형성하는 복수의 고정 노즐 가이드 베인과, 로터 블레이드 하류의 디퓨저 베인 캐스케이드를 형성하는 복수의 고정 디퓨저 가이드 베인으로 형성된다.
실시예에서, 스테이터-로터-스테이터 배열의 캐스케이드는, 적어도 하나의 입구와 적어도 하나의 출구 사이의 덕트 내에서 전파하면서 나선형 유동 경로를 따라 캐스케이드를 반복적으로 통과하고 베인리스 공간을 통과하도록 상기 공정 유체를 안내하고, 공정 유체에 적어도 하나의 화학 반응이 발생하기 위한 조건이 설정되도록 구성된다.
실시예에서, 장치는 다수의 촉매 표면을 더 포함한다.
일부 다른 측면에서, 독립 청구항 19 및 20에 정의된 바에 따라, 실시예에 따른 공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 상기 장치의 용도가 제공된다. 실시예에서, 상기 용도는 탄화수소-함유 공급 원료(들)의 열처리에서 제공된다. 추가적으로 또는 대안적으로, 상기 용도는 화학 반응을 수행하기 위해 제공된다. 실시예에서, 상기 용도는 탄화수소 함유 공급 원료(들)의 열 또는 열화학 크래킹을 위해 제공된다.
실시예에서, 상기 용도는 바람직하게는: 바람직하게는 중간 및 가벼운 무게의 탄화수소 분획을 함유하는 탄화수소 원료를 처리하는 절차; 기화된 글리세라이드- 및/또는 지방산-함유 공급 원료 물질을 처리하는 절차, 및 기화된 셀룰로오스 바이오매스 물질을 처리하는 절차로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 절차를 실행하기 위해 제공된다.
다른 측면에서, 독립 청구항 23에 정의된 바에 따른, 실시예에 따른 공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 상기 장치의 배열이 제공된다. 상기 배열에서, 적어도 두개의 장치가 적어도 기능적으로 병렬 또는 직렬로 연결된다.
또 다른 측면에서, 독립 청구항 24에 정의된 바와 같이 공정 유체에서 공급 원료를 처리 동안 유동 손실을 조절하고 공정 효율을 개선하는 방법이 제공된다. 실시예에서, 방법은:
- 장치로서: 로터 샤프트 상에 장착되는 디스크의 원주 위에 배열되는 복수의 로터 블레이드를 포함하고, 로터 블레이드 캐스케이드를 형성하는 로터; 스테이터-로터-스테이터 배열을 형성하도록, 로터 블레이드 캐스케이드에 대하여 인접하게 배치되는 환형 베인 캐스케이드로 배열되는 복수의 고정 베인; 및 덕트가 적어도 하나의 입구와 적어도 하나의 출구로 형성되는 케이싱으로서, 덕트 내부에 로터 블레이드 캐스케이드와 고정 베인 캐스케이드를 둘러싸는 상기 케이싱을 포함하는 장치를 획득하는 단계; 및
- 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치를 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 상기 로터 샤프트를 따라 축 방향으로 조정하는 단계를 포함한다.
실시예에서, 상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는 로터 샤프트의 길이 방향으로 로터를 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정된다.
다른 실시예에서, 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는 로터 샤프트의 길이 방향으로 적어도 하나의 구성 요소, 특히, 케이싱을 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정된다.
본 발명의 유용성은 각각의 특정 실시예에 따라 다양한 이유에서 발생한다. 축 방향(즉, 로터 샤프트의 길이 방향)으로 변위 가능한 로터를 제공함으로써, 알려진 회전-유형 반응기 및/또는 터보머신에 특징적인 팁-간극 누설 관련된 유동 손실을 효과적으로 방지하거나 적어도 최소화할 수 있다. 종래의 회전 반응기에서, 유동 누설은 코크와 같은 부산물 형성으로 이어지는 다양한 2차 반응을 유발하고, 1차(목표) 제품의 수율을 감소시킨다.
본 발명은 탄화수소의 (증기) 크래킹과 같은 (열)화학 반응을 수행하기 위해 설계된 회전 반응기 장치를 반응기의 매개변수 범위(예를 들어, 종종 로터의 회전 속력 조정과 관련된 공정 온도 및/또는 공급 원료의 화학적 조성)를 수정하여 설정된 비-설계 모드에서 작동하려는 시도에서 특히 유용한 것으로 입증되었다. 여기서 제공되는 솔루션은 예를 들어 다양한 공급 원료로 작동하는 크래킹 시설 또는 기타 관련된 시설에서 사용하기 위해 필수적일 수 있다.
변위 가능한 로터 솔루션을 이용함으로써, 종래의 회전 반응기 장치의 작동은 설계 모델에 할당된 것과 상이한 복수의 작동 조건에 대하여 적어도 효율성 측면에서 최적화될 수 있다. 반응기 및 관련된 시설, 예를 들어, 크래커 유닛의 작동 범위는 이에 따라 연장될 수 있다.
로터 변위 솔루션은 유연하며 열(화학) 공급 원료 처리(RDR 솔루션, 축-유동 솔루션, 등)를 위해 설계된 장치뿐 아니라 회전 터보머신에서도 효율적으로 이용될 수 있다.
"열분해(pyrolysis)" 및 "크래킹(cracking)"이라는 용어는 무거운 탄화수소 함유 화합물에서 더 가벼운 탄화수소 함유 화합물로의 열분해 과정에 관한 동의어로 주로 본 명세서에서 사용된다.
여기서 "수(a number of)"라는 표현은 1로부터 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들어, 1, 2, 또는 3을 의미한다. 여기서 "복수의(a plurality of)"라는 표현은 2로부터 시작하는 임의의 양의 정수, 예를 들어 2, 3, 또는 4를 의미한다.
"제1" 및 "제2"라는 용어는 달리 명시적으로 언급되지 않는 한 특정 순서 또는 중요성을 나타내지 않으며, 요소를 다른 요소와 단순히 구별하기 위해 사용된다.
본 개시에서 "유체(fluid)" 및 "공정 유체(process fluid)"라는 용어는 주로 바람직하게는 희석제의 존재 하에 반응기 장치의 내부를 통해 안내되는 기체 공급 원료 스트림과 같은 기체 물질을 지칭한다.
용어 "기화된(gasified)"은 임의의 가능한 수단에 의해 기체 형태로 변환되는 물질을 나타내기 위해 여기서 이용된다.
"유체역학(hydrodynamic)"이라는 용어는 유체의 역학을 나타내기 위하여 여기서 이용되며, 본 개시에서는 주로 기체로 나타내어진다. 따라서, 상기 용어는 본 개시에서 "기체-역학(gas-dynamic)"이라는 용어와 동의어로 이용된다.
본 발명의 다른 실시예는 상세한 설명 및 첨부된 도면을 고려함으로써 명백해질 것이다.
도 1은, 설계 조건 하에서 작동하는 장치(100)의 스테이터-로터-스테이터 배열을 도시한다.
도 2 내지 도 5는, 실시예에 따라, 적어도 부분적으로 비-설계 조건 하에서 작동하고 로터가 스테이터 요소에 대하여 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위된 장치(100)의 속도 삼각형 및 스테이터-로터-스테이터 배열을 도시한다.
도 6a는, 실시예에 따른 장치(100)의 수직 크로스컷이다. 도 6b는, 도 6a에 지정된 라인 A-A a및 B-B를 가로지르는 단면도를 도시하고 장치(100)를 통과하는 스트림라인 경로에 대한 흐름도를 도시한다.
도 7은, 실시예에 따라, 설계- 및 비-설계 조건에서 작동하고 로터가 스테이터 요소에 대하여 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위된 장치(100)의 속도 삼각형 및 스테이터-로터-스테이터 배열을 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는, 실시예에 따른 축 로터 변위를 위한 상이한 배열을 도시한다.
도 9는, 축 로터 변위에 대한 예시적인 메커니즘을 보여주는 장치(100)의 수직 크로스컷이다.
도 2 내지 도 5는, 실시예에 따라, 적어도 부분적으로 비-설계 조건 하에서 작동하고 로터가 스테이터 요소에 대하여 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위된 장치(100)의 속도 삼각형 및 스테이터-로터-스테이터 배열을 도시한다.
도 6a는, 실시예에 따른 장치(100)의 수직 크로스컷이다. 도 6b는, 도 6a에 지정된 라인 A-A a및 B-B를 가로지르는 단면도를 도시하고 장치(100)를 통과하는 스트림라인 경로에 대한 흐름도를 도시한다.
도 7은, 실시예에 따라, 설계- 및 비-설계 조건에서 작동하고 로터가 스테이터 요소에 대하여 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위된 장치(100)의 속도 삼각형 및 스테이터-로터-스테이터 배열을 도시한다.
도 8a 내지 도 8c는, 실시예에 따른 축 로터 변위를 위한 상이한 배열을 도시한다.
도 9는, 축 로터 변위에 대한 예시적인 메커니즘을 보여주는 장치(100)의 수직 크로스컷이다.
본 발명의 상세한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 여기서 개시된다. 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 지칭하기 위하여 도면 전체에 걸쳐서 사용된다.
도 6a는, 공정 유체(작동 유체)에서 공급 원료를 처리하기 위한 반응기 장치, 이하, 반응기의 다양한 실시예의 개념을 (100)으로 도시한다. 도 8a 내지 도8c 및 도 9는, 실시예에 다른 반응기(100)(100A, 100B, 100C)를 도시한다.
장치(100)의 구현은 일반적으로 여기에 참조로 통합되고, 로터- 및 스테이터 구조 모두 본질적으로 토로이드(toroidal) 하우징에 둘러싸인 회전 터보머신 유형 반응기를 설명하는 미국 특허 공보 US 9,494,038(Bushuev) 및 US 9,234,140 (Seppala, 외)에 설정된 지침을 따른다.
반응기(100)는 바람직하게는 공정 유체에서 적어도 하나의 화학 반응을 수행하는 것을 통해 탄화수소-함유 공급 원료와 같은 공급 원료를 처리하기 위해 구성되며, 여기서 공급 원료는 원하는 생성물로 변환된다.
선택된 구성에서, 반응기는 탄화수소-함유 공급 원료, 특히, 유동화된 탄화수소-함유 공급 원료의 열- 또는 열화학 전환을 위해 구성된다. 여기서 "탄화수소-함유 공급 원료(hydrocarbon-containing feedstock)"란, 주로 탄소- 및 수소를 포함하는 유기 공급 원료 물질을 의미한다. 그러나, 일부 경우에, 반응기는 산소-함유 탄화수소 유도체, 셀룰로오스-기반 공급 원료 및/또는 식물성 오일-기반 공급 원료와 같은 산소-함유 공급 원료를 처리하도록 구성될 수 있다. 따라서 여기서 제안된 반응기의 적용 가능성은 탄화수소 공급 원료의 기존 정의에 의해 부과된 한계를 넘어 확장된다.
반응기에 들어가는 탄화수소-함유 공급물은 본질적으로 액체 또는 기체와 같은, 유체 형태로 제공된다. 바람직한 구성에서, 반응기(100)는 기화된 공급 원료를 처리하기 위해 설계되며, 공정 유체는 기체 형태로 제공된다. 대체 구성에서, 본질적으로 액체 공급 원료 물질의 처리가 배제되지 않는다.
따라서 반응기 장치(100)는 탄화수소-함유 공급 원료의 열처리에 사용하기에 적합하다. 열처리는 바람직하게는 상기 공급 원료를 원하는 제품(들)으로 전환하는 것을 수반하고, 이로써 공정 유체에서 발생하는 적어도 하나의 화학 반응에 대한 조건이 설정된다. 대안적으로, 장치(100)의 프로세스 조건은 상기 열처리 동안 화학적 변화(반응)에 대한 조건이 설정되지 않도록 조정될 수 있으며, 이에 의해 장치는 (예열)가열 기능을 갖게 된다.
실시예에서, 장치(100)는 열분해 반응과 같은 열 및/또는 열화학 탄화수소 분해 반응에 적합하며, 총체적으로 탄화수소-함유 공급 원료의 크래킹을 초래하고 선택적으로 희석 매질(희석제)에 의해 보조된다. 따라서 반응기(100)는 희석 매질이 있거나 없는 열분해 반응에 적합할 수 있다. 그래도, 희석 매질의 존재는 제품 수율을 향상시키기 때문에 바람직하다.
반응기(100)는 적어도 하나의 희석제, 바람직하게는 (물)증기와 같은 기체 희석제에 의해 희석된 공급 원료를 수용하도록 구성될 수 있다. 크래킹 분해 공정에서, 희석제로서의 증기는 기화 반응(들)에 의한 코크 침전물의 형성을 억제하거나 감소시키기 위해 탄화수소 분압을 낮추기 때문에 바람직하다. 일부 경우에, 희석제는 예를 들어, 반응물 및 반응 생성물에 대한 반응성이 본질적으로 0인 불활성 기체 매질, 예를 들어, 수소(H2), 질소(N2) 또는 아르곤이다. 임의의 다른 적합한 희석제의 이용이 배제되지 않는다. 일부 경우, 희석은 분압을 감소시키고 원하는 올레핀(예를 들어, 에틸렌 및 프로필렌) 생산을 위해 크래킹 반응의 효율을 증가시키는데 사용된다. 일부 다른 경우에, 반응기(100)는 희석제 없이 작동될 수 있다.
일부 구성에서, 장치(100)는 증기 크래킹 반응기이다.
반응기(100)는 수평(길이 방향) 축 X-X'를 따라 위치된 샤프트(1) 및 샤프트(1) 상에 장착되는 로터 유닛을 포함하는 로터 시스템, 이하 로터를 포함한다. 반응기(100)는 적어도 하나의 드라이브 엔진 유닛(1C)을 더 포함한다(도 8a 내지 도8c 참조). 반응기(100)는 전기 모터와 같은 다양한 드라이브 엔진을 이용할 수 있거나, 또는 기체- 또는 증기 터빈에 의해 직접 구동될 수 있다. 드라이브 샤프트(1B)와 로터 샤프트(1) 사이에 적절한 커플링(1A)이 배열된다(도 8a 내지 도 8c 참조). 가요성 및 강성(비-가요성) 샤프트 커플링(1A)은 구성에 따라 이용될 수 있다. 로터 샤프트(1)는 아래에서 더 자세히 논의되는 베어링 구성 요소에 의해 지지된다.
로터 유닛은 로터 샤프트(1) 상에 장착되는 디스크(3a)의 원주 상에 배열되는 복수의 로터 블레이드(3)(작동 블레이드라고도 지칭됨)를 포함한다. 함께, 디스크 상에 배열되는 상기 복수의 로터 블레이드는 로터 블레이드 어셈블리 또는 로터 블레이드 캐스케이드(로터 캐스케이드(3))를 형성한다. 로터 블레이드(3)는 축 유동 블레이드 프로파일로 구성될 수 있으며, "축 유동(axial flow)"이라는 용어는 일반적으로 공정 유체가 로터의 회전 방향에 본질적으로 수직인 방향으로부터 로터 블레이드 캐스케이드에 들어가는 것을 나타낸다. 각각의 로터 블레이드는 오목한 곡률을 갖는 측면(오목 측면)과 볼록한 곡률을 갖는 측면(볼록 측면)을 갖는다. 로터 캐스케이드에서, 작동 블레이드는 도 1에 화살표 모양으로 표시된 바와 같이, 각각의 블레이드의 오목 측면이 로터 회전 방향으로 배열된 로터 디스크에 장착된다. 각각의 작동 블레이드(상부 프로파일, 도 1에 도시된 바와 같이)에서, 볼록 측면에서 오목 측면으로 향하는 방향은 로터 회전 방향이다. 예를 들어, 로터 블레이드는 초음속 터빈 블레이드 프로필로 구성될 수 있다.
"캐스케이드(cascade)"(블레이드/베인의 크라운)라는 용어는 로터 디스크 주변 또는 링-형상의 지지부 또는 케이싱에 설치된 (작동) 블레이드 또는 (고정) 베인의 앙상블을 의미한다.
반응기(100)는 고정 구성 요소를 더 포함한다. 고정 구성 요소는 블레이드 로터 디스크의 양측에서 본질적으로 환형인 어셈블리 또는 캐스케이드(스테이터 캐스케이드(2, 4))로 배열된 복수의 고정 (스테이터) 베인(2, 4)으로 나타내어진다. 따라서, 제1 스테이터 캐스케이드(2)는 로터 블레이드 캐스케이드(3) 상류에 배치되고 제2 스테이터 캐스케이드(4)는 로터 블레이드 캐스케이드 하류에 배치된다.
"상류(upstream)" 및 "하류(downstream)"라는 용어는 (예를 들어, 도 6a, 도 8a 내지 도 8c 및 도 9에 도시된 바와 같이 축 X-X'를 따라) 반응기 전체에 걸쳐 유체 유동의 방향으로 본질적으로 연관된 블레이드 캐스케이드를 갖는 로터 디스크와 미리 결정된 부품- 또는 구성 요소와 관련된 공간적 및/또는 기능적 배열을 의미한다.
고정 베인 캐스케이드는 스테이터-로터-스테이터 배열(SRSA)(2, 3, 4)을 형성하도록 로터 블레이드에 대하여 인접하게 배치된다. 반응기가 설계 조건에서 작동하는 경우 SRSA의 로터와 스테이터 구성 요소 사이의 거리는 본질적으로 동일할 수 있다.
로터 디스크 상류에 배열되는 캐스케이드는 노즐 베인으로도 지칭되는 복수의 노즐 가이드 베인(NGV)을 포함한다. 상기 베인은 환형 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2)를 형성한다. 로터 디스크 하류에 배열되는 캐스케이드는 환형의 디퓨저 캐스케이드(디퓨저)를 형성하는 출구 가이드 베인으로도 지칭되는 복수의 디퓨저 베인을 포함한다.
제1- 및 제2 고정 베인(2, 4)은 관련된 캐스케이드를 통해 바람직하게는 초음속 유동 속도를 위해 조정된 만곡된 프로파일을 갖는다. 반응기(100)에서, 고정 베인은 각각의 베인의 볼록 측면이 로터 회전의 방향으로 배열되도록 설치된다. 각각의 고정 베인(상부 프로파일, 도 1에 도시된 바와 같음)에서, 오목 측면으로부터 볼록 측면 방향은 로터 회전 방향이다.
반응기(100)는 케이싱(6)을 더 포함하며, 내부 통로는 적어도 하나의 입구(8) 및 적어도 하나의 출구(9)를 갖는 덕트 형태로 설정된다. 본 발명의 목적을 위해, 케이싱(6)은 고정 구성 요소로 간주된다. 본 문맥에서, "고정(stationary)"이라는 용어는 "비-회전(non-rotating)"의 의미로 사용되며; 아래에서 더 자세히 설명되는 바와 같이, (축) 변위에 대한 가능성을 배제하지 않는다.
도 6a는 두개의 입구(8A, 8B) 및 두개의 출구(9A, 9B)를 갖는 반응기 구성을 도시하고; 적절한 경우 다른 구성이 생각될 수 있다. 예시의 방식으로, 반응기는 하나의 입구와 하나의 출구를 포함할 수 있으며, 두개의 출구와 함께 하나의 입구 또는 하나의 출구와 함께 두개의 입구를 포함할 수 있다. 더 많은 수의 입구 및/또는 출구를 가지는 반응기가 구현될 수 있다. 입구(들) 및 출구(들)는 케이싱(6)의 관련된 개구/포트를 포함하고, 파이프, 슬리브 또는 매니폴드는 각각의 상기 포트와 연결된다.
케이싱(6)은 그 위에 조립된 작동 블레이드 및 로터 블레이드에 인접하고 함께 스테이터-로터-스테이터 장치(2, 3, 4)를 형성하는 고정 베인 캐스케이드(2, 4)를 갖는 로터 디스크의 주변부를 실질적으로 완전히 둘러싸도록 구성된다. 케이싱(6)은 본질적으로 3차원 구성에서 토로이드 형상("도넛(doughnut)" 형상)을 가지며, 관련된 베어링 어셈블리를 갖는 로터 시스템(1, 3A, 3)은 토로이드 형상의 중앙 부분에서 개구를 정의하는 구멍을 채우는 것으로 볼 수 있다. 토로이드 모양의 구조는 기체 케이싱으로 추가로 지칭된다. 그 자오선 단면에서, 가스 케이싱(6)은 본질적으로 링-형상이다.
반응기는 기체 케이싱(6) 내부에 배열된 유동-형상 장치(유동-가이딩 장치)(5)를 더 포함한다. 유동-형상 장치(5)는 내부 고정 링-형상 구조로 구성될 수 있고 케이싱(6) 내부에 본질적으로 환형 덕트를 설정하는 것을 설명한다. 장치(5)는 적절한 고정부(미도시)로 기체 케이싱(6)에 고정된다. 일부 수성에서, 유동-형상 장치(5)는 예를 들어, 후프와 같은, 본질적으로 중공 구조인 환형이다.
반응기의 내부 체적은 기체 케이싱(6)(외부 "도넛(doughnut)")과 내부 유동-형상 장치(5)(내부 "도넛") 사이에 형성된 공간으로 형성된다.
따라서 기체 케이싱(6)의 내부 표면과 유동-형상 장치(5)의 외부 표면 사이에 실질적으로 환형인 통로/덕트가 형성된다. 따라서, 이 덕트는 링-형상 자오선 단면을 가진다. 내부 후프로 구성된 유동-형상 장치(5)는 로터 블레이드의 팁(로터의 방해받지 않는 회전을 가능하게 하는 간극이 그 사이에 형성됨)과 스테이터 베인의 주변부에 인접한다. 일부 구성에서, 고정 베인 캐스케이드(2, 4)는 아래에서 더 논의되는 로터의 베어링 시스템을 구성하는 베어링 블록에 제공될 수 있다.
일부 다른 경우에, 스테이터 캐스케이드는 로터 블레이드(3)에 인접하는 방식으로 유동-형상 장치(5)에 조립될 수 있다. 따라서 상기 스테이터 베인은 유동-형상 장치에 장착되고 및/또는 링, 브래킷 등과 같은 보조 장치(미도시)에 의해 연결될 수 있다. 위에서 언급된 특징은 Bushuev(US 9,494,038 B2), Seppala, 외(US 9,234,140)의 문서에서 더 자세히 논의되며 위에서 참조한 최신 기술을 나타낸다.
기체 케이싱(6)에서, 캐스케이드(2, 3, 4)는 베인리스 공간(7)이 스테이터-로터-스테이터 배열의 출구(즉, 디퓨저 캐스케이드(4)로부터의 출구)와 상기 배열의 입구(즉, 노즐 가이드 캐스케이드(2)로의 입구) 사이에 생성되는 방식으로 서로 인접하다. 상기 베인리스 공간은 기체 케이싱(6)의 내부 표면과 유동-형상 장치(5)의 외부 표면 사이에 형성된다. 공급 원료(들)를 목표 제품으로 전환시키는 화학 반응(들)의 대부분은 상기 베인리스 공간에서 발생한다.
위에서 설명된 환형 통로/덕트에 분할 파티션(미도시)을 배열함으로써 반응기 내부에 다수의 작동 캐비티가 형성된다. 분할 파티션은 로터의 회전 축에 대해 대칭 방식으로 배열된다. 예를 들어, 두개- 또는 네개의 작동 캐비티를 포함하는 반응기 구성이 따라서 실현될 수 있다. 입구 포트(들)는 (로터 회전의 방향으로) 각각의 상기 분할 파티션 후에 배열되는 반면, 출구 포트(들)는 각각의 상기 분할 파티션 전에 배열되는 것이 바람직하다. 일부 경우에는 환형 덕트가 분할되지 않은 상태로 구현될 수 있다.
상술된 구성에서, 공정 유체 유동은 나선형 궤적을 따라 반응기 내부를 형성하는 덕트에서 전파하도록 설정된다. 스테이터-로터-스테이터 배열을 형성하는 캐스케이드(2, 3, 4)는 공정 유체가 상기 캐스케이드를 그리고 베인리스 공간(7)을 반복적으로 통과하도록 안내하고, 이로써 적어도 하나의 입구와 적어도 하나의 출구 사이의 본질적으로 환형 덕트에 나선형 유동 경로가 설정된다.
작동 시, (고정) 노즐 가이드 베인(2)은 공정 유체 유동을 로터 캐스케이드로 안내하도록 구성된다. 고정 구조로 제공되는 스테이터는 공정 유체에 에너지를 추가하지 않는다. 그러나, 로터 샤프트(1) 주위의 프로파일, 치수 및 배치의 관점에서, 노즐 가이드 베인은 로터 특정 작업 입력 능력을 최대화하기 위해, 제어하기 위해, 그리고 경우에 따라, 미리 결정된 방향으로 공정 유체 유동을 로터 캐스케이드 내로 유도하도록 구성된다.
공정 유체 유동은 로터의 회전 시, 고정 베인(2)으로부터 유체 유동을 수용하고, 유체 유동 스트림의 속도를 증가시킴으로써 공정 유체에 기계적 에너지를 추가하도록 구성되는 복수의 로터 블레이드(3)에 추가로 들어간다. 따라서, 증가된 유동 속도는 유체의 운동 에너지의 증가를 유발한다. 스테이터-로터-스테이터 배열을 통과하는 유동 스트림의 속도는 본질적으로 초음속이다.
고정 베인 디퓨저(4)는 스트림의 운동 에너지뿐 아니라 공정 유체의 유동 속도를 감소시켜, 유체가 아음속 속력으로 베인리스 공간(7)으로 들어간다.
반응기(100) 내부에 체류하는 시간 동안, 공정 유체는 캐스케이드(2, 3, 4)를 여러 번 통과하고, 로터 블레이드 캐스케이드(2)를 통과하는 동안 매번 공정 유동 스트림은 가속되어, 디퓨저(4) 및 베인리스 공간(7)을 통해 전파될 때 반응 (공정) 유체(들)의 내부 에너지로 소산되는 운동 에너지를 수신하여, 긴 탄소-수소(C-H) 체인 사이의 화학적 결합을 파괴하는데 필요한 열 에너지를 제공한다. 유체의 내부 에너지의 증가는 유체 온도 상승을 일으킨다. 따라서, 공정 유체에서 발생하는 고분자량 화합물은 효과적으로 크기가 감소된다.
따라서, 완전한 에너지 변환 사이클을 조정하도록 구성된 공정 단계는 공정 유체 유동 스트림이 고정 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2), 로터 블레이드 캐스케이드(3), 고정 디퓨저 베인 캐스케이드(4)를 통해 전파되어 베인리스 공간(7)에 도달할 때 설정된다. 에너지 변환 주기 동안 유체의 기계적 에너지는 운동 에너지로 변환되고 더 나아가 유체의 내부 에너지로 변환된 후 유체 온도가 상승하고 해당 유체에서 화학 반응이 발생한다.
반응기(100) 내부에 체류하는 시간 동안, 공정 유체는 나선형 경로를 따라 캐스케이드와 베인리스 공간을 통과하므로 하나의 공정 주기 동안 다수의 공정 단계(일반적으로 5 내지 10)가 설정된다. 공정 사이클은 유동 입자가 공급 원료 화합물의 목표 생성물로의 전환과 함께 반응기로부터의 입구(8)로부터 출구(9)로 공정 스트림과 함께 이송되는 동안의 기간에 의해 정의된다. (증기) 크래킹 공정을 포함하는 열분해 공정은, 고온을 필요로 하고 흡열성이 높으므로, 반응은 고온(750 내지 1000℃, 일반적으로 820 내지 950℃)에서 수행되며, 반응 구역의 체류 시간은 약 0.5 내지 0.1 및 0.003 내지 0.1초(30 내지 10 밀리 초)로 단축된다. 완벽을 기하기 위해 반응기에 들어가는 공급원료 함유 공정 유체는 약 섭씨 500 - 600로 예열된다.
체류 시간은 일정한 온도에서 1차 제품과 2차 제품의 비율에 영향을 비친다. 따라서, 체류 시간이 짧으면 증기 크래킹 시 얻을 수 있는 경질 올레핀과 같은 목표 생성물을 형성하는 1차 반응이 지배적인 반면; 체류 시간이 길어지면 2차 반응이 증가하여 코크가 형성된다.
전반적으로, 반응기(100)는 기하학적 구조 및 스테이터- 및 로터 관련 매개변수의 관점에서 공정 유체에서 발생하는 적어도 하나의 화학 반응에 대한 조건을 설정하도록 구성된다.
상술된 방식으로, 나선형 경로를 따라 반응기를 통해 전파되면, 반응기로 유입되는 공정 유체에 함유된 공급 원료(들)는 유체 유출과 함께 반응기를 나가는 목표 생성물을 형성하도록 변환된다. 공정 사이클 동안, 공정 조건은 전형적으로 코크 형성을 초래하는 2차 반응을 피하거나 적어도 최소화하면서 상기 목표 생성물의 형성을 초래하는 1차 반응을 촉진하기 위한 조정을 필요로 할 수 있다.
본 발명은 로터 샤프트의 축 방향에서(즉, 축 X-X'를 따라 로터 샤프트(1)의 길이 방향에서) 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치를 조정할 때, 유동 손실, 특히 로터 회전 시 원주 방향으로 생성되는 유동 누설을 고효율로 조절할 수 있다는 관찰에 기초한다.
따라서, 본 발명의 개념은 로터 샤프트에 의해 정의되는 축(X-X')의 길이 방향을 따라 로터 블레이드 캐스케이드(3)와 고정 베인 캐스케이드(2, 4) 사이의 거리를 조정하는 것에 기초한다. 일부 구성에서 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는 로터가 축 방향으로 변위되도록 하는 것을 통해 조정될 수 있다(도 8a, 도 8b, 도 9 참조).
일부 대안적인 구성에서, 고정 베인 캐스케이드에 해한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는 고정 구성 요소 또는 구성 요소들의 축 변위를 통해 조정될 수 있다. 일부 실시예에서, 변위 가능한 고정 구성 요소는 반응기 케이싱(6)이다(도 8c 참조).
Bushuev 및 Seppala 외에 의해 관련된 특허 문헌에 기술된 회전 머신-유형 반응기에서, 대부분의 경우, 공급 원료 조성, 공급 원료 소비율, 장치- 및/또는 공정 -관련된 매개변수(예를 들어, 로터의 회전 속력, 온도, 압력, 등) 중 임의의 하나의 변화는 반응기를 통해 전파되는 유체 유동의 변동 및 원주 방향을 따라 누설의 형성을 유발한다. 특히, 누설은 입구로부터 출구로 또는 반응 구역의 끝으로부터 반응 구역의 시작 방향으로 형성된다. 예를 들어, 공정 온도 상승(공급 원료 함유 공정 유체의 화학적 조성 및 본질적으로 일정한 질량 유량으로)은 일반적으로 로터의 회전 속력을 증가시킬 필요성과 관련이 있다. 그러나 이로 인해 반응 구역의 끝에서 인접 반응 구역의 시작 부분으로 다시 유동 누설이 발생하고(도 3b 참조), 이는 차례로 코크 형성을 유발하고 목표 제품의 수율을 크게 감소시킬 수 있다.
설계 조건 하에서 작동하는 반응기(100)의 로터 블레이드(3)에 대한 스테이터 베인(2, 4)의 배열을 도시하는 도 1을 다시 참조한다. 설계 작동 모드는 설계 회전 속도(U)(주변(원주) 또는 접속 속도로도 지칭됨)에서 로터를 회전시키는 것을 포함한다. 로터 축을 중심으로 한 로터의 회전의 방향은 화살표 형상으로 표시된다. 완벽을 기하기 위해, 속도는 방향에 대한 속력으로 정의되며, 그렇지 않은 경우 "속도(velocity)"와 "속력(speed)" 용어는 동일한 의미로 사용된다.
도 1은 노즐 가이드 캐스케이드(2)를 나와 로터 캐스케이드(3)로 들어가는 유체 유동에 대한 속도 삼각형(V1, W1, α1, β1)을 나타내고, 로터 캐스케이드를 나와 디퓨저 캐스케이드(4)로 들어가는 유체 유동에 대한 속도 삼각형(V2, W2, α2, β2)을 나타내고, V는 유체 유동의 절대 속도이고, W는 유체 유동의 상대 속도이고, α1(알파1)는 절대 유체 유동(V1)이 로터 블레이드에 들어가는 각도이고, α2(알파2)는 절대 유체 유동(V2)이 로터 블레이드에서 나와 고정 디퓨저 베인으로 들어가는 각도이고, β1(베타1)는 상대 유체 유동(W1)이 로터 블레이드로 들어가는 각도이고, β2(베타2)는 상대 유체 유동(W2)이 로터 블레이드에서 나와 고정 디퓨저 베인으로 들어가는 각도이다.
블레이드/베인 캐스케이드로의 유입구(입구)는 일반적으로 관련된 블레이드/베인의 리딩 에지로 정의되는 반면, 캐스케이드의 출구는 상기 블레이드/베인의 트레일링 에지로 정의된다. 유입구와 출구는 유체 유동 방향으로 정의된다.
도 2 내지 도 5는 비-설계 조건 하에서, 적어도 부분적으로 작동하는 반응기(100)의 스테이터-로터-스테이터 배열을 개략적으로 도시한다. 속도(W1, W2)는 점선 화살표로 표시된다.
설계 조건(소위 설계 모델) 하에서 작동하는 반응기는 미리 결정된 입력 관련 조건을 실제로 실현하기 위한 형상이 설계되고, 최적화된 반응기로 정의되며, 입력은 공정 유체의 상태(압력, 온도, 질량 유동 속도), 시스템(로터의 속력, 외부 온도 조절 등) 및/또는 공급 원료(미리 결정된 부하율, 화학 조성 등)에 관련될 수 있다.
비-설계 조건은 실제로 사용되는 입력이 시스템이 작동하도록 설계된 입력과 다른 경우를 조건으로 지칭된다. 비-설계 작동은 다양한 부하 및/또는 다른 공급 원료로 시스템을 작동함으로써 설계 포인트 매개변수와 다른 온도, 압력 및/또는 질량 유량에서 작동하는 특징이 있을 수 있다.
도 2a는 설계 모드에서 로터의 회전 속력(U)보다 낮은 로터의 회전 속력(U')을 포함하는 작동 조건에서 속도 삼각형을 도시하는 반면; 도 3a는 설계 모드에서 회전 속력(U)보다 높은 로터의 회전 속도(U')를 포함하는 작동 조건 하에서 속도 삼각형을 도시한다.
도 4a는 설계 모드에서 로터의 회전 속력(U)을 포함하는 작동 조건 하에서, 그러나 증가된 유동 속도(여기서는, 반응기를 통해 유동하는 공급 원료 물질의 더 많은 소비를 포함하는 질량 유동 속도)에 따라 속도 삼각형을 나타낸다. 이러한 경우, 노즐 가이드 캐스케이드에서 로터 캐스케이드에 들어가는 유체 유동의 절대 속도(V1')는 설계 모드에서의 유체 유동의 절대 속도(V1)보다 커질 것이다.
따라서, 도 5a는 설계 모드에서 로터의 회전 속력(U)을 포함하는 작동 조건 하에서, 그러나 감소된 유동 속도(여기서는, 반응기를 통해 유동하는 공급 원료 물질의 더 낮은 소비를 포함하는 질량 유동 속도)에 따라 속도 삼각형을 나타낸다. 이러한 경우, 노즐 가이드 캐스케이드에서 로터 캐스케이드에 들어가는 유체 유동의 절대 속도(V1')는 설계 모드에서의 유체 유동의 절대 속도(V1)보다 낮아질 것이다.
도 2 내지 도 5는 따라서 노즐 가이드 캐스케이드에서 나와 로터 캐스케이드로 들어가는 유체 유동에 대하여 얻을 수 있는 속도 삼각형(V1', W1', α1', β1')과, 비-설계 조건 하에서 작동하는 반응기(100)의 로터 캐스케이드에서 나와 디퓨저 캐스케이드에 들어가는 유체 유동(V2', W2', α2', β2')에서 얻을 수 있는 속도 삼각형을 도시하고, 후자는 설계 조건과 다르며, V'는 유체 유동의 절대 속도이고, W'는 유체 유동의 상대 속도이고, α1'(알파1')는 절대 유체 유동(V1')이 로터 블레이드에 들어가는 각도이고, α2'(알파2')는 절대 유체 유동(V2')이 로터 블레이드에서 나와 고정 디퓨저 베인으로 들어가는 각도이고, β1'(베타1')는 상대 유체 유동(W1')이 로터 블레이드로 들어가는 각도이고, β2'(베타2')는 상대 유체 유동(W2')이 로터 블레이드에서 나와 고정 디퓨저 베인으로 들어가는 각도이다.
설계 모드(U, V, W, α, β) 및 비설계 모드(U', V', W', α', β')에서 반응기(100)를 작동하기 위한 유체 유동 관련 매개변수는 표 1에 제시되어 있다.
| 매개변수 | 도 2 | 도 3 | 도 4 | 도 5 |
| U'- 로터의 주변 속력 | U´<U | U´> U | U´=U | U´=U |
| 로터 캐스케이드로 들어가는 유체 유동과 관련된 매개변수 | ||||
| V1'- 노즐 가이드 캐스케이드를 나가는 유체 유동의 절대 속도 | V1'=V1 | V1'=V1 | V1'>V1 | V1'<V1 |
| α1'- 절대 유체 유동(V1')이 로터 캐스케이드로 들어가는 각도 | α1'=α1 | α1'=α1 | α1'=α1 | α1'=α1 |
| W1'- 유체 유동의 상대 속도 | W1'< W1 | W1'> W1 | W1'>W1 | W1'<W1 |
| β1'- 상대 유체 유동이 로터 캐스케이드로 들어가는 각도 | β1'>β1 | β1'<β1 | β1'>β1 | β1'<β1 |
| 로터 캐스케이드를 나가는 유체 유동과 관련된 매개변수 | ||||
| W2'- 유체 유동의 상대 속도 | W2'<W2 | W2'>W2 | W2'>W2 | W2'<W2 |
| β2'- 상대 유체 유동(W2')이 로터 캐스케이드를 나오는 각도 | β2'=β2 | β2'=β2 | β2'=β2 | β2'=β2 |
| V2'- 디퓨저 캐스케이드로 들어가는 유체 유동의 절대 속도 | V2'<V2 | V2'>V2 | V2'>V2 | V2'<V2 |
| α2'- 절대 유체 유동(V2')이 디퓨저 캐스케이드로 들어가는 각도 | α2'>α2 | α2'<α2 | α2'>α2 | α2'<α2 |
속도 삼각형(도 2 내지 도 5a)을 기반으로 로터 블레이드를 통한 공정 유체 유동 전파 경로(스트림라인)가 반응기 입구 영역(입구(8))과 반응기 출구 영역(출구(9))에서 생성되었다.
도 2 내지 도 5b, 도 5c는 비-설계 조건에서 작동하는 반응기에서 유동 누설을 조절하는 로터의 축 변위 효과를 보여준다. 스테이터-로터-스테이터 배열에서 로터 캐스케이드와 고정 캐스케이드 사이의 거리가 케이싱의 축 변위를 통해 변경될 경우, 유사한 조항이 적용된다.
도 2b는 설계 회전 속력(U; 관련된 스트림라인은 점선으로 표시됨) 및 비-설계 회전 속도(U')에서의 유동 전파 경로를 도시하고, 여기서 비-설계 회전 속도는 설계 회전 속도보다 낮다(관련된 스트림라인은: U<U'로 나타내어짐). 도 2b로부터 감소된 회전 속도(U')에서 유동 스트림의 일부가 반응기 입구(8)로부터 출구(9)로 직접 전파됨이 관찰될 수 있다.
도 2b에 도시된 바와 같이, 로터의 회전 속도를 감소시키면, 입구-출구 방향으로 누설이 발생하고, 공정 스트림의 일부는 반응 구역으로 들어가지 않는다. 열분해 반응에서, 이는 자연스럽게 1차(목표) 생성물의 수율을 감소시킨다. 로터의 회전 속도는 일반적으로 반응기의 온도가 감소되면 낮아진다. 공급 원료-함유 공정 유체의 조성 및 반응기를 통과하는 상기 공정 유체의 질량 유동 속도와 같은 다른 공정 매개변수는 본질적으로 일정하게 유지된다.
도 2c는 로터 이동에 의해 로터 캐스케이드(3)가 노즐 가이드 캐스케이드(2) 방향으로 변위 거리인 미리 결정된 거리(ΔX)(델타 X)만큼 이동한 상황을 도시한 것이다. 로터를 변위시킴으로써, 관련된 캐스케이드(3)는 상기 캐스케이드가 설계 모드에서 차지하는 원래 위치로부터 거리 ΔX만큼 변위된다. 로터의 변위는 축 X-X'를 따라 축 방향으로 발생한다(도 6a, 도 8a 내지 도 8c, 및 도 9). 값 ΔX에 의해 정의된 변위 크기는 로터를 상기 값만큼 이동시킬 때, 본질적으로 모든 유동 스트림이 반응기 입구(8)로부터 반응 구역의 시작을 향하여 진행하는 방식으로 선택된다(회전 속도 U'<U).
도 2 내지 도 5 및 도 7을 참조하면, 반응 구역은 기체 케이싱(6)과 유동-형상 장치(5) 사이에 형성된 덕트의 영역에 형성되며, 목표 생성물의 형성을 유도하는 1차 화학 반응(들)은 상기 정의된 바와 같은 공정 사이클 동안 발생한다. 명확성을 위해, 대부분의 화학 반응은 베인리스 공간이 차지하는 영역/체적에서 발생한다.
도 3b는 설계 회전 속도(U, 관련된 스트림라인은 점선으로 도시됨) 및 비-설계 회전 속도(U')에서의 유동 전파 경로를 도시하고, 비-설계 회전 속도는 설계 회전 속도보다 높다(스트림라인 U'>U 참조). 도 3b에서 증가된 회전 속도(U')에서 유동 스트림의 일부가 반응 구역의 끝으로부터 다시 반응 구역의 시작으로 전파됨이 관찰될 수 있다.
도 3b로부터 도시된 바와 같이, 그리고 위에서 기술의 상태를 구성하는 회전역학 장치에 대하여 검토된 바와 같이, 로터의 회전 속도를 증가시키는 것은 반응 구역의 끝으로부터 인접한 반응 구역의 시작으로 되돌아가는 방향으로의 누설을 야기하며, 여기서 1차 생성물은 일단 반응기를 나가는 대신에 반응 구역의 시작으로 되돌아간다. 이는 코크를 포함하는 2차 반응 생성물의 형성을 야기하고, 이에 따라 목표 생성물의 수율이 감소된다. 로터의 회전 속도는 일반적으로 반응기의 온도가 증가될 때 더 큰 값으로 설정된다. 이전 예시에서와 같이, 공급 원료-함유 공정 유체의 화학 조성 및 반응기를 통과하는 상기 공정 유체의 질량 유동 속도와 같은 다른 공정 매개변수는 본질적으로 일정하게 유지된다.
도 3c는 로터가 노즐 가이드 캐스케이드(2)로부터 멀어지는 방향으로 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 축 방향으로 변위된 상황을 도시한다. 이 변위의 크기는 본질적으로 반응 구역의 끝으로부터의 모든 유동 스트림이 반응기 출구(9)를 향하여 진행하도록 선택된다(회전 속도 U'>U에서).
도 4b는 설계 질량 유동 속도(유동이 절대 속도(V1)로 로터로 들어가고; 관련된 스트림라인은 점선으로 표시됨) 및 비-설계 질량 속도(V1')에서의 유동 전파 경로를 도시하고, 여기서 반응기를 통과하는 질량 유동 속도는 증가된다(스트림라인 V1'>V1 참조). 두 경우 모두, 설계 모드에서의 로터의 회전 속도(U)가 제공된다. 도 4b로부터 증가된 질량 유동 속도(V1')에서 유동 스트림의 일부가 반응기 입구(8)로부터 반응기 출구(9)로 직접 전파됨이 관찰될 수 있다.
도 4c는 로터가 노즐 가이드 캐스케이드(2) 방향으로, 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 축 방향으로 변위된 상황을 도시한다. 이 변위의 크기는 본질적으로 모든 유동 스트림이 반응기 입구(8)로부터 반응 구역의 시작 부분으로 진행하도록 선택된다(질량 유동 V1>V1').
도 5b는 설계 질량 유동 속도(유동이 절대 속도(V1)로 로터로 들어가고; 관련된 스트림라인은 점선으로 표시됨) 및 비-설계 질량 속도에서의 유동 전파 경로를 도시하고, 여기서 반응기를 통과하는 질량 유동 속도는 감소된다(스트림라인 V1'<V1 참조). 두 경우 모두, 설계 모드에서의 로터의 회전 속도(U)가 제공된다. 도 5b로부터 감소된 질량 유동 속도(V1')에서 유동 스트림의 일부가 반응 구역의 끝으로부터 다시 반응 구역의 시작 부분으로 전파됨이 관찰될 수 있다.
도 5c는 로터가 노즐 가이드 캐스케이드(2)의 반대 방향으로 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 축 방향으로 변위된 상황을 도시한다. 이 변위의 크기는 본질적으로 반응 구역의 끝으로부터의 모든 유동 스트림이 반응기 출구(9)를 향해 진행하도록 선택된다(질량 유동 V1'<V1에서).
도 2 내지 도 5c에 도시된 바와 같이, 로터는 축 방향으로 변위 가능하도록 구성된다. 변위는 아래에 설명된 베어링 메커니즘을 통해 전체 로터에 대하여 구현된다. 로터의 변위는 관련된 로터 캐스케이드(3)를 고정 반응기 구성 요소에 대하여 미리 선택된 거리(ΔX)만큼 이동시킨다.
예시적인 장치(100)에 대한 변위 거리는 5 내지 15mm를 구성할 수 있다(또한 예시 1 참조). 여전히, 축 방향의 변위 거리 크기는 반응기 장치의 크기, 유형, 설계 및/또는 목적에 따라 달라질 수 있음을 분명히 하여야 한다.
추가적인 또는 대안적인 솔루션은 로터 샤프트(1)(미도시)를 따라 로터 디스크(3A)를 이동시키는 것을 포함할 수 있다.
도 2 내지 도 5를 참조하여 설명된 구성에서, 로터(3)는 로터 블레이드 캐스케이드(즉, 노즐 가이드 베인 캐스케이드)의 상류에 배치된 고정 베인 캐스케이드의 방향으로 측 방향으로 변위 가능하도록 구성된다. 이는 로터 드라이브 유닛 부근에서 변위 가능한 베어링을 위치시킴으로써 입증된다. 여기서 기술된 반응기에서, 관련된 블레이드 캐스케이드를 가지는 디스크는 환형 베인 캐스케이드 사이에 위치된다. 따라서, 로터 캐스케이드의 임의의 고정 캐스케이드를 향한 변위는 두 스테이터 캐스케이드에 대한 로터 블레이드의 원래 위치를 변경한다. 명확성을 위해, 고정 베인 캐스케이드는 축 방향으로 변위되지 않는다.
따라서, 일부 실시예에서, 본 발명은 로터 샤프트의 길이 방향(X-X')으로 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 반응기의 고정 구성 요소(들)(즉, 고정 베인 캐스케이드(2, 4) 및 케이싱(6))에 대하여 축 방향으로 변위 가능한 로터의 제공을 통해 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치 조정을 의미한다.
일부 구성에서, 로터는, 로터의 회전 속도(U)를 감소시키고 및/또는 반응기를 통한 공정 유체 유동 속도를 증가시킬 때, 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 상류에 배치된 고정 베인 캐스케이드(2)를 향하여 길이 방향으로 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위된다. 실제로, 수정된 유동 속도는 공급 원료 물질의 증가된 소비에 의해 수정된 질량 유동 속도를 지칭한다.
일부 다른 구성에서, 로터는, 로터의 회전 속력을 증가시키고 및/또는 반응기를 통한 공정 유체 유동 속도를 감소시킬 때, 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 상류에 배치된 고정 베인 캐스케이드(2)로부터 멀어지는 길이 방향으로 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위된다. 실제로, 수정된 유동 속도는 공급 원료 물질의 감소된 소비에 의해 수정된 질량 유동 속도를 지칭한다.
일부 실시예에서, 로터 샤프트를 따라 로터 블레이드 캐스케이드(3)와 고정 베인 캐스케이드(2, 4) 사이의 거리는 로터 샤프트를 따라 반응기의 고정 구성 요소(들)를 변위 가능하게 함으로써 조정된다. 고정 구성 요소(들)는 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 로터 샤프트(1)를 따라(X-X' 방향으로) 변위된다. 이러한 경우, 로터는 이동되지 않은 상태로 유지된다. 대안적으로, 고정 구성 요소의 축 이동은 로터의 축 이동을 수반할 수 있다.
예시의 방식으로, 케이싱(6)의 축 변위는, 요소가 서로 연결되어 구축될 경우 적어도 하나의 고정 베인 캐스케이드, 예를 들어 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2)의 축 변위를 수반할 수 있다.
예를 들어, 로터 및/또는 고정 구성 요소를 이동시킴으로써, 위에서 표시된 방식으로 로터 블레이드 캐스케이드의 위치를 변경하는 것은 높은 정밀도로 유동 누설을 조절할 수 있게 한다. 양 및/또는 방향(입구-출구; 반응 영역 끝에서 인접 반응의 시작까지)이 효율적으로 조절될 수 있다.
(질량) 유동 및 관련된 공급 원료 소비의 변화는 공급 원료-대-희석제 비율(희석제는 예를 들어, (물) 증기임)을 변경함으로써 추가로 보상될 수 있고, 이러한 방식으로 공급 원료-함유 공정 유체(즉, 공급 원료-희석제 혼합물)의 총 유동 속도가 반응기를 통해 변경되지 않고 보존된다.
예를 들어, 위에서 언급된 바와 같이 로터의 축 변위를 통한 고정 베인에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치 조정은 작동 모드 또는 비-작동 모드로 설정된 반응기(100)에서 구현될 수 있다. "작동 모드(operative mode)"에 의해, 우리는 본 문맥에서 장치(100)의 사용 또는 적용으로부터 발생하 고 선택적으로 로터가 회전하도록 설정하는 것을 의미하는 장치(100)의 조건을 참조한다. 이러한 사용은 예를 들어 정상 작동(상기 반응에서 화학 반응(들)의 수행을 의미함) 또는 시스템 테스트 중에 발생할 수 있다. 한편, 비작동 모드는 일반적으로 장치(100)가 정지 또는 종료되는 것을 의미한다.
비-작동 모드로 설정된 반응기에서 로터 변위를 수행하는 것은 일반적으로 반응기가 이전에 사용된 공급 원료와 다른 공급 원료와 함께 사용하도록 조정되어야 할 때(예를 들어, 기원 및/또는 다양한 화학 조성 면에서 상이함) 구현되는데, 이러한 조정은 시스템에서 다른 조정을 필요로 할 수 있기 때문이다.
로터의 변위는 반응기가 작동 모드로 설정된 상태에서 수행될 수 있다. 이러한 경우에, 축 이동은 수동으로 또는 자동화된 방식으로 수행될 수 있으며, 축 로터 이동의 자동화된 조정은 로컬 또는 중앙 제어 시스템(미도시)에 의해 가능하고 제어된다. 일부 경우에, 축 변위는 로터의 회전을 멈추지 않고 수행될 수 있다. 이러한 경우 로터의 회전 속력을 감소시키는 것이 유리할 수 있다.
고정 구성 요소(들)의 축 변위에도 유사한 고려 사항이 적용된다.
위에서 설명된 접근법과 원주 방향으로 유동하는 누설로 인한 유동 손실을 조절하는 것을 목표로 하는 임의의 조합이 이용될 수 있다.
도 6a 및 도 6b를 더 참조하고, 도 6a는 실시예에 따른 반응기(100)를 도시하고, 도 6b는 도 6a에서 설계된 라인 A-A 및 B-B를 가로지르는 단면도를 도시한다. 라인 A-A를 가로지르는 단면적은 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2)의 유입구(입구)에 위치하는 반면, 라인 B-B를 가로지르는 단면적은 디퓨저 캐스케이드(4)의 출구에 위치한다. 전반적으로, 크로스컷 A-A 및 B-B는 스테이터-로터-스테이터 배열의 입구와 출구에서 발생하는 경우를 나타낸다.
공정 스트림라인 반응기 내부로 들어가고 나가는 위치는 크로스컷 A-A 및 B-B를 묘사하는 이미지에 지정된다(도 6b). 또한, 일반적으로 나선형 경로를 따르는 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)을 통과하는 공정 스트림라인은 별도의 번호가 매겨진 섹터 영역 또는 섹터로 표시된다(로마 숫자 i 내지 vii 참조). 반응기를 통과하는 스트림라인 경로를 설명하는 흐름도가 우측에 도시된다. 따라서, 도 6b는 제1 입구 및 제1 출구(8A, 9A) 사이를 이동하는 스트림라인을 도시한다(제2 입구(8B)와 제2 출구(9B) 사이를 이동하는 스트림라인은 미도시).
작동에서, 공급 원료-함유 공정 유체 유동은 입구 개구(8)(여기서, 8A)를 통해 반응기로 들어가고 제1 고정 베인 캐스케이드(2)(노즐 가이드 베인 캐스케이드)에 도달한다. 크로스컷 A-A 상에서, 제1 고정 베인 캐스케이드(2) 내의 입구 영역은 음영 처리되어 있다(도 6b). 입구 영역에 위치되는 일부 고정 베인은, 파티션(들)을 분할함으로써, 관련된 입구 개구에 연결되어 입구와 출구 사이 작동 캐비티가 형성된다.
유체 유동 스트림은 스테이터-로터-스테이터 장치(2, 3, 4)를 통해 전파되며, 즉, 실제로, 유동 스트림은 (고정) 노즐 가이드 베인(2)을 통해, (회전) 로터 블레이드(3)를 통해, 그리고 (고정) 디퓨저 베인(4)을 통해 순차적으로 전파되고; 그 후 유동 스트림은 디퓨저 캐스케이드(크로스컷 B-B)의 섹터(i)에서 캐스케이드(들)에서 나와 베인리스 공간(7)을 통해 "위로(upward)" 유동한다. 유동은 제2 고정 베인 캐스케이드(4)(디퓨저 베인 캐스케이드)를 나간 후 베인리스 공간으로 들어간다.
공정 유체가 스테이터-로터-스테이터를 통해 전파될 때마다, 공정 스트림의 온도가 상승하여 유체 유동 방향에서 보았을 때 캐스케이드의 하류에 배열된 베인리스 공간에서 화학 반응(들)을 촉진한다.
베인리스 공간(7)을 통과한 유동은 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2)의 섹터(i)(크로스컷 A-A)에 도달하고 상술한 과정을 반복한다. 즉, 유체 유동 스트림은 캐스케이드(2, 3, 4)를 통해 진행하고, 디퓨저 캐스케이드(4)의 섹터(ii)(크로스컷 B-B)에서 나와 일반적으로 나선형 경로를 따르는 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2)의 섹터(ii)(크로스컷 A-A)를 향해 베인리스 공간(7)을 통해 계속된다. 도 6b에 제시된 구성에서 유동 스트림은 캐스케이드를 통해 여덟 번 전파된다(따라서, 8 단계 확립). 마지막으로 스테이터-로터-스테이터 캐스케이드를 통해 전파된 후(여기서, 여덟 번째) 유동 스트림은 캐스케이드를 나와 반응기에서 출구(9)(여기서 9A)로 진행한다.
크로스컷 B-B 상에서, 제2 고정 베인 캐스케이드(4) 내의 출구 영역은 음영 처리되어 있다. 출구 영역에 위치되는 일부 고정 베인은 파티션(들)을 분할함으로써, 관련된 출구 개구에 연결된다.
로터(8A, 8B) 및 고정 구성 요소(들)(8C)의 축 변위를 위한 다양한 배열을 개략적으로 도시하는 도 8a 내지 도 8c를 참조한다.
모든 기본 실시예에서, 반응기(100)는 로터 캐스케이드(3)를 둘러싸는 (기체) 케이싱(6)과 로터의 어느 한 측에 제공되는 환형 고정 베인 캐스케이드(2, 4)를 포함한다. 중공의 후프 형태의 유동-형성 장치(5)는 케이싱(6) 내에 설치되고, 이로써 환형 덕트가 케이싱(6)의 내부 표면과 유동-형성 장치(5)의 외부 표면 사이에 형성된다. 베인/블레이드에 의해 차지되지 않는 상기 덕트의 일부는 베인리스 공간(7)을 형성한다.
(100A)(도 8a)로 구현되는 반응기는 로터 샤프트(1) 상에 배열되는 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소(23)(스러스트 슬라이딩 베어링으로도 지칭될 수 있음)를 더 포함한다. 스러스트 베어링(들)은 샤프트의 축에 평행하게 작용하는 축 하중을 지지한다. 스러스트 베어링 요소(23)는 예를 들어 대응하는 패드 또는 레이스 사이에 끼워진 스러스트 디스크(23A)를 갖는 유체역학적 스러스트 베어링으로 구성될 수 있다. 임의의 다른 적절한 구성이 이용될 수 있다.
스러스트 베어링 요소(23)는 반응기의 고정 구성 요소, 예를 들어 케이싱(6)에 대하여 로터 샤프트(1)를 따라 변위 가능하도록 구성된다. 따라서, 도 8a의 구성에서, 로터는 스러스트 베어링 요소(23)의 축 변위를 통해 축 방향으로 변위 가능하게 한다. 이러한 구성에서, 로터 샤프트(1)와 드라이브 샤프트(1B) 사이에 배열되는 샤프트 커플링(1A)은 유리하게는 축 방향으로 드라이브 샤프트 및 로터 샤프트 중 어느 하나(또는 둘 다)의 축 변위를 가능하게 하는 가요성 커플링으로 구성된다.
도 8b는 드라이브 샤프트(1B)의 축 변위를 통해 로터가 축 방향으로 변위 가능한 구성(100B)을 도시한다(후자는 커플링(1A)을 통해 로터 샤프트(1)에 연결됨). 커플링(1A)은 강성(바람직함) 또는 가요성으로 제공될 수 있다. 반응기(100B)는 스러스트 베어링(들) 없이 구현될 수 있다.
일부 특정 구현에서, 반응기(100B)는 스러스트 베어링 없이 구현되고, 드라이브 샤프트(1B)는 축 방향으로 변위 가능하도록 구성되며, 드라이브 샤프트(1B)와 로터 샤프트(1) 사이에 배열되는 커플링(1A)은 (축 방향으로) 비-가요성, 즉 드라이브 샤프트와 로터 샤프트의 상호 변위를 허용하지 않는다.
구성(100A, 100B)(도 8a, 도 8b)은 고정된 고정 구성 요소를 특징으로 한다. 특히, 반응기 케이싱은 반응기 드라이브(1C)에 대해 여전히(비-변위 가능) 구성된다. 두 구성 모두, 축 방향으로 로터의 왕복 이동이 가능하다.
구성(100A, 100B)은 로터 디스크(3A)의 대향 측면에서 로터 샤프트(1) 상에 길이 방향으로 배열되는 선택적으로 관련된 블록에 슬라이딩 방사 베어링(저널 베어링)을 제공하는 것을 포함할 수 있다(자세한 내용은, 도 9에 대한 설명 참조).
도 8c는 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치는, 로터 샤프트의 길이 방향으로 적어도 하나의 고정 구성 요소, 특히, 반응기 케이싱(6)을 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정 가능한 구성(100C)을 도시한다. 케이싱(6) 및/또는 고정 베인 캐스케이드(2, 4) 중 임의의 하나의 변위는 슬라이딩 방사 배열(22, 32)에 의해 조정될 수 있다(도 9의 설명 참조).
전반적으로, 반응기(100)는 스러스트 베어링(들)(23)(예를 들어, 구성 100C) 없이 구현될 수 있다.
장치(100C)에서 드라이브 샤프트(1B)는 바람직하게는 축 방향으로 고정(비-변위)된다. 또한, 커플링(1A)은 바람직하게는 드라이브 샤프트(1B)와 로터 샤프트(1)가 축 방향으로 비-변위되도록 강성(비-가요성)으로 구성된다.
일부 특정 구성에서, 반응기(100C)는 스러스트 베어링 없이 구현되고, 드라이브 샤프트(1B)는 축 방향으로 비-변위되도록 구성되고 드라이브 샤프트(1B)와 로터 샤프트(1) 사이에 배치된 커플링(1A) 또한 비-가요성이어서, 드라이브 샤프트와 로터 샤프트의 축 변위가 방지된다.
본 개시에서, 기체 케이싱(6)은 일반적으로 반응기 케이싱으로 지칭된다. 그럼에도 불구하고, 장치 구조(100)(100A, 100B, 100C)는 별도의 외부 하우징(미도시)에 더 둘러싸일 수 있다.
스러스트 베어링의 변위를 포함하는 반응기(100)에서의 축 로터 변위를 위한 예시적인 메커니즘을 도시하는 도 9를 참조한다. 전반적으로, 도 9에 도시된 구성(100, 100A)은 도 8a에 도시된 구성에 기초하므로, 기본 실시예를 설명하는데 있어 반복을 피한다.
도 9의 구성에서, 반응기는 방사 (슬라이딩) 베어링 요소(22, 32) 및 상기 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소(23)를 포함하는 베어링 시스템을 포함한다. 일부 구성에서, 방사 베어링 요소는 로터 디스크(3A)의 대향 측면에서 로터 샤프트(1) 상에 길이 방향으로 배열되는 저널 베어링이다. 방사 베어링은 로터 샤프트의 축에 수직으로 작용하는 로터 하중을 지지한다. 각각의 방사 베어링 요소(22, 32)는 하우징(22A, 32A)(방사 베어링 하우징)에 끼워지고, 적절한 O-링 시일(39)로 지지된다(다른 측면은 미도시).
적어도 하나의 스러스트 베어링(23)은 방사 베어링에 인접하도록 로터 샤프트에 배치된다. 적절한 방사-(저널-) 및 스러스트 베어링 구성이 이용될 수 있다.
일부 구성에서, 베어링 시스템은 따라서 한 쌍의 방사 베어링(22, 32)으로 구현되며, 로터 디스크 일 측의 로터 샤프트 상에 인접하게 배열되는 방사 베어링 요소(22)와 스러스트 베어링 요소(23)는 하우징(21)에 수용되고 제1 베어링 블록을 형성한다. 로터 디스크의 타측 로터 샤프트에 배열되는 방사 베어링 요소(32)는 하우징(31)에 수용되어 제2 베어링 블록을 형성한다. 상기 베어링 블록은 기체 케이싱(6)의 양측에 설치된다.
스러스트 베어링 요소는 로터 드라이브 유닛 부근(즉, 드라이브 엔진에 결합된 로터 디스크의 측면)에서 로터 샤프트 상에 설치되는 것이 바람직하다.
반응기의 전방/입구 단부(즉, 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2)가 배열되는 단부)에 위치되는 베어링 블록은 제1 베어링 블록으로 지칭되고, 반응기의 후방/출구 단부(즉, 디퓨저 베인 캐스케이드(4)가 배열되는 단부)에 위치되는 베어링 블록은 제2 베어링 블록으로 지칭된다. 각각의 상기 제1- 및 제2 베어링 블록은 대응하는 하우징(21, 31)(베어링 블록 하우징)에 끼워지는 베어링, 선택적으로 베어링 어셈블리를 포함한다. 언급된 베어링 어셈블리는 방사형 하중, 그리고 유리하게는 축(스러스트) 하중 또한 흡수하도록 구성된다.
도 9의 장치에서 스러스트 베어링 요소(23)는 관련된 베어링 블록의 하우징(21) 내부에 적어도 부분적으로 둘러싸인 별도의 하우징(24)(스러스트 베어링 하우징)에 수용된다. 스러스트 베어링 하우징 커버(24A) 아래의 스러스트 베어링 하우징(24)에는 (로터 샤프트) 엔드 실링(29)이 설치된다.
추가적으로 또는 대안적으로, 스러스트 베어링은 제2 베어링 블록(미도시)에 수용될 수 있다.
윤활 오일은 블록 하우징(21, 31)의 대응하는 오일 입구 채널(25, 35)을 통해 오일 시스템(미도시)으로부터 베어링 블록으로 공급된다. 오일은 오일 출구 채널(26, 36)을 통해 베어링에서 배출된다. 별도의 오일 채널(입구 및 출구)이 스러스트 베어링 하우징(24)에 배열되어 후자를 윤활 및 냉각한다.
베어링 블록은 래비린스 시일(labyrinth seal)(27, 37)을 더 포함할 수 있다. 공정 중 공정 유체의 오염 및/또는 과도한 열 발생을 방지하기 위해 기체 래비린스 시일과 같은 액체가 없는 래비린스 시일을 사용할 수 있다. 예를 들어, 증기(수증기) 또는 질소와 같은 불활성 기체가 밀봉을 제공하기 위해 사용될 수 있다. 불활성 기체는 채널(28, 38)을 통해 래비린스 시일에 공급된다.
일부 구성에서, 각각의 고정 베인 캐스케이드(2, 4) 및 선택적으로 외부 케이싱(6)은 베어링 블록에 고정된다.
인케이스(24) 스러스트 베어링 요소(23)는 관련된 베어링 블록에서 (축 X-X'를 따라) 로터 샤프트의 길이 방향으로 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 축 방향으로 변위 가능하도록 구성된다. 스러스트 베어링(23)은 상기 베어링 블록의 하우징(21)에 대하여 변위된다. 베어링 블록 하우징에 대하여 변위 가능하기 때문에, 스러스트 베어링 요소(23)는 또한 반응기의 고정 구성 요소(예를 들어, 케이싱(6))에 대해 변위 가능하다.
상술된 바와 같이, 로터의 회전 이동은 로터 샤프트(1)를 따라 설치된 방사형 베어링(22, 32)에 의해 지지된다. 한편, 스러스트 베어링 요소(23)는 로터의 축 변위를 가능하게 한다.
따라서, 도 9의 실시예에서, 로터는 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대하여 그리고 기체 케이싱(6)에 대해 베어링 블록의 하우징(21)에 대해 관련 베어링 블록에서 로터 축의 길이 방향으로 인케이스(24) 스러스트 베어링 요소(23)의 위치를 조정함으로써 축 방향으로 변위 가능하게 된다. 따라서 로터의 축 방향 왕복 운동이 가능해진다.
장치(100)는 다음 예시에 따라 실현될 수 있다.
예시 1. 장치(100)는 두개의 입구(8A, 8B) 및 두개의 출구(9A, 9B)를 갖는 기체 케이싱(6)을 포함한다. 케이싱은 로터(3)와 로터의 어느 한 측에 고정된 환형 고정 베인 캐스케이드(2, 4)를 둘러싼다. 중공 후프 형태의 유동-형성 장치(5)는 환형 덕트를 형성하는 캐이싱 내에 설치되며, 베인/블레이드가 차지하지 않는 상기 덕트의 일부는 베인 없는 공간(7)을 형성한다. 로터는 길이 방향 축 X-X'를 따라 변위 가능하도록 구성된다. 반응기(100)는 표 2에 정의된 매개변수로 작동한다.
| 로터 캐스케이드로 들어가는 유체 유동과 관련된 매개변수 | |
| V1 - 유체 유동의 절대 속도 | 325m/s |
| α1-절대 유체 유동(V1)이 로터 캐스케이드에 들어가는 각도 | 30° |
| W1 - 유체 유동의 상대 속도 | 590m/s |
| β1 - 상대 유체 유동이 로터 캐스케이드에 들어가는 각도 | 16° |
| 로터 캐스케이드에서 나오는 유체 유동과 관련된 매개변수 | |
| W2 - 유체 유동의 상대 속도 | 580m/s |
| β2 - 상대 유체 유동이 로터 캐스케이드에서 나오는 각도 | 28° |
| V2 - 디퓨저 캐스케이드에 들어가는 유체 유동의 절대 속도 | 858m/s |
| α2 - 절대 유체 유동이 디퓨저 캐스케이드에 들어가는 각도 | 18,5° |
| U - 로터의 주변 회전 속력 | 285m/s |
| 축 방향에서 로터 블레이드의 크기 | 42mm |
| 노즐 가이드 베인 캐스케이드와 로터 블레이드 캐스케이드 사이의 축 방향 간극 | 12mm |
| 로터 블레이드 캐스케이드와 디퓨저 베인 캐스케이드 사이의 축 방향 간극 | 12mm |
표 2에 따른 매개변수로 설계되고 구현된 장치(100)에서, 회전 속력(U)의 25% 감소로 인해 발생하는 원주 유동 누설을 피하거나 적어도 최소화 하기 위하여는, 로터는 6.6mm과 동일한 거리(ΔX)만큼 노즐 가이드 베인 캐스케이드 방향으로 축 방향으로 변위되어야 한다.
이 변위의 효과는 도 7에 의해 더 설명되고, 도 7a는 표 2에 따른 설계 매개변수 (수치는 밀리미터로 주어짐) 하에서 반응기(100)에서 획득 가능한 속도 삼각형을 나타낸다.
도 7b는 설계 모드의 회전 속력(U)과 비교하여 회전 속력(U')이 25% 감소하는 비-설계 작동 조건 하의 속도 삼각형을 도시한다. 속도(W1, V2)는 점선 화살표에 의해 표시된다.
도 7c는 로터 캐스케이드(3)가 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2) 방향으로 거리(ΔX)만큼 변위된 상황을 도시한다. 현재의 경우, ΔX=6.6mm이다. 선택된 변위 크기로 본질적으로 반응기 내부로 유입되는 모든 유동 스트림은 반응 구역의 시작으로 강제된다.
표 2에 따른 블레이드 매개변수로 구성된 장치(100)는 또한 도 9에 도시되어 있다. 변위 가능 거리(ΔX)는 8mm를 구성한다. 해당되는 경우, 도면(들)의 수치 값은 밀리미터로 주어진다.
비-제한적인 방식으로, 위에서 설명된 모든 구성에서 로터의 주변 (회전) 속력(U)은 150 내지 400m/s의 범위 내에서 제공될 수 있다. 속력은 주어진 원료 조성에 대하여 공정 유동에 얼마나 많은 에너지를 공급해야 하는지에 따라 달라진다.
로터 블레이드의 축 방향 크기는 20 내지 90mm 범위 내에서 제공될 수 있다. 노즐 가이드 베인 캐스케이드와 로터 블레이드 캐스케이드 사이의 축 방향 간극은, 6 내지 40mm의 범위 내에서 제공될 수 있다. 전반적으로, 로터 블레이드와 고정 베인의 치수, 및 그 사이의 간극은 반응기(100)의 크기 및 그에 따른 성능 능력에 의존한다.
위와 같은 사양을 갖는 반응기에서 변위 거리(ΔX)는 약 0.5 내지 25mm 범위 내에서 변할 수 있고; 이 범위는 장치를 업스케일링할 때 확장될 수 있다.
적어도 두개의 반응기 장치(100)를 병렬 또는 직렬로 연결하면, 반응기 배열이 확립될 수 있다(미도시). 상기 장치 사이의 연결은 기계적 및/또는 기능적일 수 있다. 기능적(예를 들어, 화학의 관점에서) 연결은 적어도 두개의 개별적인, 물리적으로 통합된- 또는 비-통합된 반응기(100) 사이의 연결에 따라 확립될 수 있다. 후자의 경우, 상기 적어도 두개의 장치(100) 사이의 연결은 다수의 보조 설비(미도시)를 통해 확립될 수 있다. 일부 구성에서, 장치는 중앙 샤프트를 통해 적어도 기능적으로 연결된 적어도 두개의 장치를 포함한다. 이러한 구성은 적어도 두개의 장치(100)가 기계적으로 직렬로(순서대로) 연결된 것으로 추가 정의될 수 있는 반면, 기능적(예를 들어, 공급 원료-기반 반응의 관점에서) 연결은 병렬로(어레이에서의) 연결로 보여질 수 있다.
일부 경우에, 장치는 예열 로(여기서, 로)를 초가로 포함할 수 있다. 로와 적어도 하나의 반응기(100)는 함께 크래커 유닛(미도시)을 형성할 수 있다. 다수의 병렬 반응기(100)가 공통 로에 연결 될 수 있고; 또는 다수의 반응기(100)가 여러 로에 연결될 수 있다.
추가 측면에서, 탄화수소-함유 공급 원료의 열- 또는 열화학 전환을 위한 장치(100) 및/또는 관련된 장치의 사용이 제공된다.
선택된 구성에서, 변환은 상기 탄화수소-함유 공급 원료(즉, 주로 탄소- 및 수소를 포함하는 유동화 유기 공급 원료 물질), 특히, 유동화 탄화수소-함유 공급 원료의 열- 또는 열화학 크래킹이다.
추가적으로 또는 대안적으로, 반응기(100)는 산소-함유 탄화수소 유도체와 같은 산소-함유 공급 원료 물질을 처리하도록 구성될 수 있다. 일부 구성에서, 반응기(100)는 셀룰로오스-기반 공급 원료를 처리하도록 구성될 수 있다. 일부 추가 또는 대안 구성에서, 반응기는 (폐기물) 동물성 지방- 및/또는 (폐기물) 식물성 오일-기반 공급 원료를 처리하도록 구성될 수 있다. 상기 동물성 지방- 및 식물성 오일-기반 공급물의 사전 처리는 수소화탈산소화(산소 함유 화합물로부터 산소 제거)를 포함할 수 있고, (트리)글리세리드 구조를 분해하고 대부분 선형 알칸을 생성한다. 더 추가적 또는 대안적 구성에서, 반응기(100)는 톨 오일(tall oil) 또는 그 임의의 파생물과 같은 목재 펄프 산업의 부산물을 처리하도록 구성될 수 있다. "톨 오일(tall oil)"의 정의는 목재 펄프 제조에서 주로 침엽수를 펄프화할 경우 사용되는 일반적으로 알려진 크라프트 공정의 부산물(들)을 의미한다.
공정에서, 탄화수소-함유 공급물은, 나프타 및 가스 오일과 같은 중간 무게 탄화수소, 및 에탄, 프로판 및 부탄과 같은 가벼운 무게 탄화수소 중 임의의 하나를 포함하나, 이에 제한되지 않는 것으로 제공된다. 프로판 및 더 무거운 분획은 추가로 이용될 수 있다.
일부 경우, 탄화수소-함유 공급물은 기화된 사전 처리된 바이오매스 물질이다. 바이오매스-기반 공급물은 실질적으로 기체 형태로 반응기에 공급되는 셀룰로오스-유래 또는, 특히, 리그노셀룰로오스-유래 사전 처리된 바이오매스이다.
탄화수소-함유 공급물은 (폐기물 또는 잔류물) 식물성 오일 및/또는 동물성 지방, 또는 사전 처리된 플라스틱 폐기물 또는 잔류물과 같은 사전 처리된 글리세라이드-기반 물질 중 임의의 하나로 추가로 제공될 수 있다. 상기 (트리)글리세라이드-기반 공급 원료의 사전 처리는 상술된 바와 같이, 열분해 또는 탈산소화와 같은 상이한 공정을 포함할 수 있다. PVC, PE, PP, PS 물질 및 이들의 혼합물을 포함하는 다양한 플라스틱 폐기물은 새로운 플라스틱 생산 및/또는 연료 오일(들)(디젤 등가물)로 정제하기 위한 공급 원료로 추가로 사용될 수 있는 열분해 오일 또는 기체의 회수의 공정에 이용될 수 있다.
따라서, 선택된 실시예에서, 반응기(100)는: 바람직하게는 중간 및 가벼운 무게의 탄화수소 분획을 함유하는 탄화수소 공급 원료를 처리하는 절차; 기화된 글리세라이드- 및/또는 지방산-함유 공급 원료 물질을 처리하는 절차, 및 기화된 셀룰로오스 바이오매스 물질을 처리하는 절차로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 절차를 실행하도록 구성될 수 있다. 이로써, 반응기(100)는 예를 들어 바이오-기반 공급 원료로부터 유래되는 산소-함유 공급 원료 물질을 처리하도록 구성될 수 있다. 가능한 응용 분야에는, 예를 들어 Fischer-Tropsch 공정의 단계 중 하나인 식물성 오일 또는 동물성 지방의 대응하는 알칸으로의 직접 촉매 수소화 또는 기체 탄화수소의 촉매 탈수소화와 같은 공정에서 재생 가능한 연료를 생산하기 위한 바이오매스-기반 또는 바이오매스-유래 물질의 정제를 포함한다. 또한, 반응기는 바이오-기반 열분해 기체 또는 합성 기체의 유효 활용(기체 물질의 향상 또는 정제)을 위해 구성될 수 있다.
바이오매스-, 글리세라이드-, 및/또는 중합체 물질에 기초한 공급 원료를 이용하는 경우, 반응기(100)는 촉매 공정에 더 적합할 수 있다. 이는 반응기 블레이드의 촉매 코팅(들) 또는 공정 유체(들)와 접촉하는 내부 벽에 의해 형성된 다수의 촉매 표면(미도시)에 의해 달성된다. 일부 경우에, 반응기는 모놀리식 허니콤(monolithic honeycomb) 구조로 임의로 실현되는 활성(촉매) 코팅을 갖는 세라믹 또는 금속 기판(들) 또는 지지 캐리어(들)에 의해 한정된 다수의 촉매 모듈을 포함할 수 있다.
다른 측면에서, 공정 유체에서 공급 원료를 처리하는 동안 유동 손실을 조절하고 공정 효율을 개선하기 위한 방법이 제공되며, 상기 방법은:
a. 장치(100)로서:
- 로터 샤프트(1) 상에 장착되는 디스크(3a)의 원주 위에 배열되는 복수의 로터 블레이드를 포함하고, 로터 블레이드 캐스케이드(3)를 형성하는 로터,
- 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)을 형성하도록, 로터 블레이드 캐스케이드에 대하여 인접하게 배치되는 환형 베인 캐스케이드(2, 4)로 배열되는 복수의 고정 베인, 및
- 덕트가 적어도 하나의 입구(8)와 적어도 하나의 출구(9)로 형성되는 케이싱(6)으로서, 덕트 내부에 로터 블레이드 캐스케이드(3)와 고정 베인 캐스케이드(2, 4)를 둘러싸는 상기 케이싱을 포함하는 장치(100)를 획득하는 단계; 및
b. 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치를 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 상기 로터 샤프트를 따라 축 방향으로 조정하는 단계를 포함한다.
방법은 비-설계 조건에서 장치(100)를 작동시키는데 특히 유리하다.
방법에서, 상기 스테이터-로터-스테이터 배열의 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는 로터 샤프트의 길이 방향으로 로터를 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정된다. 대안적으로, 고정 구성 요소(예를 들어, 케이싱)은 변위될 수 있다. 로터 샤프트를 타라 길이 방향으로 로터 및 고정 구성 요소 중 임의의 하나의 왕복 운동이 가능할 수 있다.
일부 실시예에서, 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치를 조정하는 것은 적어도 로터의 회전 속도 및/또는 공급 원료-함유 공정 유체의 유동 속도를 조정하는 것을 포함한다. 일부 경우, 유동 속도 조정에는 공급 원료 물질의 총 소비량을 나타내는 질량 유동 속도의 조정이 포함된다.
일부 실시예에서, 로터는, 로터의 회전 속력이 감소될 때 및/또는 반응기(100)를 통해 공정 유체 유동 속도가 증가될 때, 로터 블레이드 캐스케이드(3) 상류에 배치되는 고정 베인 캐스케이드(2)(노즐 가이드 베인 캐스케이드)를 향하여 길이 방향으로 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위된다.
일부 다른 실시예에서, 로터는, 로터의 회전 속력이 증가될 때 및/또는 반응기(100)를 통해 공정 유체 유동 속도가 감소될 때, 로터 블레이드 캐스케이드(3) 상류에 배치되는 고정 베인 캐스케이드(2)로부터 멀어지는 길이 방향으로 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위된다.
방법에서, 로터 및/또는 고정 구성 요소의 위치는 작동 모드 또는 비-작동 모드로 설정된 장치에서 조정될 수 있다.
방법에서, 공급 원료는 유리하게는 탄화수소를 포함한다. 일부 경우에 공급 원료는 적어도 하나의 알칸 공급물(에탄, 프로판, 부탄), 나프타 공급물, 가스 오일, 및/또는 본질적으로 저-분자 무게, 바람직하게는 올레핀(에틸렌, 프로필렌, 부틸렌) 및 아세틸렌과 같은 불포화 탄화수소를 생산하는데 적합한 임의의 다른 공급물을 포함한다.
기술의 발전에 따라 본 발명의 기본 사상이 다양한 방식으로 구현될 수 있음은 통상의 기술자에게 자명하다. 본 발명 및 그 실시예는 일반적으로 첨부된 청구항 내에서 변경될 수 있다.
Claims (31)
- 공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 장치(100)로서,
- 로터 샤프트(1) 상에 장착되는 디스크(3a)의 원주 위에 배열된 복수의 로터 블레이드를 포함하고, 로터 블레이드 캐스케이드(3)를 형성하는 로터,
- 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)를 형성하도록, 상기 로터 블레이드 캐스케이드에 대하여 인접하게 배치되는 본질적으로 환형인 베인 캐스케이드(2, 4)로 배열되는 복수의 고정 베인, 및
- 덕트가 적어도 하나의 입구(8)와 적어도 하나의 출구(9)로 형성되는 케이싱(6)으로서, 상기 덕트 내부에 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)와 고정 베인 캐스케이드(2, 4)를 둘러싸는 상기 케이싱을 포함하고,
상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치는, 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 상기 로터 샤프트를 따라 축 방향으로 조정 가능한 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치는, 상기 로터 샤프트의 길이 방향으로 상기 로터를 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정 가능한 장치. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 로터 샤프트 상에 배열되는 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소(23)를 더 포함하고,
상기 로터는 상기 로터 샤프트 상의 상기 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소의 축 변위를 통해 축 방향으로 변위 가능하게 되어 있는 장치. - 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소(23)는 상기 케이싱(6)에 대해 축 방향으로 변위 가능하게 구성되는 장치. - 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스러스트 베어링 요소(23)는 베어링 블록(21) 내부에, 적어도 부분적으로, 둘러싸여진 별도의 하우징(24)에 수용되고, 감싸진 상기 스러스트 베어링 요소(23, 24)는 관련된 베어링 블록에서 상기 로터 샤프트의 길이 방향으로 축 방향으로 변위 가능하게 구성되는 장치. - 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
상기 로터 샤프트(1)와 드라이브 샤프트(1B) 사이에 배열되는 커플링(1A)은 상기 드라이브 샤프트와 상기 로터 샤프트를 축 방향으로 변위 가능하게 하도록 구성되는 가요성 샤프트 커플링인 장치. - 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
상기 로터는 커플링(1A)을 통해 상기 로터 샤프트(1)에 연결되는 드라이브 샤프트(1B)의 축 변위를 통해 축 방향으로 변위 가능하게 되어 있는 장치. - 청구항 1에 있어서,
상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치는, 상기 로터 샤프트의 길이 방향으로 적어도 하나의 고정 구성 요소, 특히, 케이싱(6)을 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정 가능한 장치. - 청구항 8에 있어서,
드라이브 샤프트(1B)가 고정되어, 축 변위가 방지되는 장치. - 청구항 7 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커플링(1A)은, 상기 드라이브 샤프트와 상기 로터 샤프트를 축 방향으로 변위 불가능하게 하도록 구성되는 강성 샤프트 커플링인 장치. - 청구항 1 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서,
각각의 상기 고정 베인 캐스케이드(2, 4)는 상기 케이싱(6)의 양측에 배열된 관련된 베어링 블록(21, 31) 상에 고정되는 장치. - 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치를 조정하는 것은, 적어도 상기 로터의 회전 속도 및/또는 공급 원료-함유 공정 유체의 유동 속도를 조정하는 것이 수반되는 장치. - 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서,
상기 덕트가 상기 케이싱과 유동-형상 장치 사이에 형성되는 방식으로 상기 케이싱(6) 내부에 배열되는 유동-형상 장치(5)를 더 포함하고,
상기 덕트는 링-형상의 자오선(meridional) 단면을 가지는 장치. - 청구항 13에 있어서,
상기 유동-형상 장치(5)는 환형이고, 본질적으로 중공 구조인 장치. - 청구항 1 내지 청구항 14 중 어느 한 항에 있어서,
베인리스 공간(7)이 상기 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)로부터의 출구와 거기의 입구 사이에 형성되고, 상기 베인리스 공간(7)은 상기 케이싱(6)과 상기 유동-형상 장치(5) 사이 체적에 의해 형성되는 장치. - 청구항 1 내지 청구항 15 중 어느 한 항에 있어서,
상기 고정 베인 캐스케이드는, 상기 로터 블레이드 상류의 환형 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2)를 형성하는 복수의 고정 노즐 가이드 베인과, 상기 로터 블레이드 하류의 디퓨저 베인 캐스케이드(4)를 형성하는 복수의 고정 디퓨저 가이드 베인으로 형성되는 장치. - 청구항 1 내지 청구항 16 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)의 상기 캐스케이드는, 상기 적어도 하나의 입구와 상기 적어도 하나의 출구 사이의 상기 덕트 내에서 전파하면서 나선형 유동 경로를 따라 상기 캐스케이드 및 상기 베인리스 공간(7)을 반복적으로 통과하도록 상기 공정 유체를 안내하도록 구성되고, 또한, 상기 공정 유체에 적어도 하나의 화학 반응이 발생하기 위한 조건이 설정되도록 구성되는 장치. - 청구항 1 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서,
다수의 촉매 표면으로 구성되는 장치. - 탄화수소-함유 공급 원료의 열처리에서 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 하나에 정의된 장치의 용도.
- 화학 반응을 수행하기 위해 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 하나에 정의된 장치의 용도.
- 탄화수소-함유 공급 원료의 열- 또는 열화학 분해를 위한, 청구항 19 또는 청구항 20에 따른 용도.
- 바람직하게는 중간 또는 가벼운 무게의 탄화수소 분획을 함유하는 탄화수소 공급 원료를 처리하는 절차; 기화된 탄수화물-함유 공급 원료 물질을 처리하는 절차, 기화된 글리세라이드- 및/또는 지방산-함유 공급 원료 물질을 처리하는 절차, 및 기화된 셀룰로오스 바이오매스 물질을 처리하는 절차로 구성되는 그룹으로부터 선택되는 적어도 하나의 절차를 실행하기 위한 청구항 19 내지 청구항 21 중 어느 한 항에 따른 용도.
- 청구항 1 내지 청구항 18 중 어느 한 항에 따른 적어도 두 개의 장치를 포함하는 배열로서,
적어도 기능적으로 병렬 또는 직렬로 연결되는 배열. - 공정 유체에서 공급 원료의 처리 동안, 특히, 비-설계 조건에서, 유동 손실을 조절하고 공정 효율을 개선하기 위한 방법으로서,
a. 장치(100)로서:
- 로터 샤프트(1) 상에 장착되는 디스크(3a)의 원주 위에 배열되는 복수의 로터 블레이드를 포함하고, 로터 블레이드 캐스케이드(3)를 형성하는 로터,
- 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)을 형성하도록, 상기 로터 블레이드 캐스케이드에 대하여 인접하게 배치되는 환형 베인 캐스케이드(2, 4)로 배열되는 복수의 고정 베인, 및
- 덕트가 적어도 하나의 입구(8)와 적어도 하나의 출구(9)로 형성되는 케이싱(6)으로서, 상기 덕트 내부에 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)와 고정 베인 캐스케이드(2, 4)를 둘러싸는 상기 케이싱을 포함하는 장치(100)를 획득하는 단계; 및
b. 상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치를 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 상기 로터 샤프트를 따라 축 방향으로 조정하는 단계를 포함하는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치는, 상기 로터 샤프트의 길이 방향으로 상기 로터를 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정되는 방법. - 청구항 24에 있어서,
상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치는, 상기 로터 샤프트의 길이 방향으로, 적어도 하나의 고정 구성 요소, 특히, 상기 케이싱(6)을 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정되는 방법. - 청구항 24 내지 청구항 26 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치를 조정하는 단계는, 적어도 상기 로터의 회전 속도 및/또는 공급 원료-함유 공정 유체의 유동 속도를 조정하는 것이 수반되는 방법. - 청구항 24 또는 청구항 25에 있어서,
상기 로터는, 상기 로터의 회전 속도가 감소될 때 및/또는 상기 장치(100)를 통해 공정 유체 유동 속도가 증가될 때, 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3) 상류에 배치되는 상기 고정 베인 캐스케이드(2)를 향하여 길이 방향으로, 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위되는 방법. - 청구항 24 또는 청구항 25에 있어서,
상기 로터는, 상기 로터의 회전 속도가 증가될 때 및/또는 상기 장치(100)를 통해 공정 유체 유동 속도가 감소될 때, 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3) 상류에 배치되는 상기 고정 베인 캐스케이드(2)로부터 멀어지는 길이 방향으로, 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 변위되는 방법. - 청구항 24 내지 청구항 29 중 어느 한 항에 있어서,
상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치를 조정하는 단계는, 작동 모드 또는 비-작동 모드로 설정된 장치에서 구현되는 방법. - 청구항 24 내지 청구항 30 중 어느 한 항에 있어서,
상기 공급 원료는 탄화수소를 포함하는 방법.
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