KR20230137893A - 나선형 흐름을 가진 촉매 열 교환 반응기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 열 전달 관 및 중앙 혼합 가스 관 주위에 적어도 하나의 나선형 상향 흐름을 갖는 흡열 또는 발열 촉매 반응을 수행하기 위한 촉매 열 교환 반응기에 관한 것이다.
Description
본 발명은 흡열 또는 발열 촉매 반응을 수행하기 위한 촉매 열 교환 반응기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 유체 흐름의 적어도 일부가 나선형인 촉매 열 교환 반응기에 관한 것이며, 이것은 열 전달을 개선하고 균형을 맞춘다. 촉매 열 교환 반응기는 대형 플랜트, 예컨대 화학물질 제조 플랜트의 일부일 수 있다.
흡열 또는 발열 반응을 수행하기 위한 촉매 반응기는 당업계에 잘 알려져 있으며, 특정한 예는 탄화수소의 흡열 증기 개질을 위한 반응기 및 발열 메탄올 합성 반응을 위한 반응기이다(본 발명의 범위를 이들 반응에 제한하는 것은 아니다). 반응은 전형적으로 적합한 고체 촉매로 로드된 관에서 수행되며, 반응물을 포함하는 공정 가스 스트림이 승압하에 이것을 통과한다. 복수의 관이 반응기에 배열된다. 촉매 반응기의 주축을 따라 평행하게 관들이 배열되고, 관 외부의 열-교환 매질이 관을 가열하거나 냉각한다. 관 내부의 고체 촉매는 필요한 화학 반응이 일어나는 촉매층을 제공한다. 촉매는 고체 입자로서 또는 코팅된 구조로서 제공될 수 있으며, 예를 들어 스팀 개질 반응기에서 관의 내벽에 고정된 얇은 층으로서 또는/및 관 내에 배열된 금속 구조와 같은 구조에 고정된 얇은 층으로서 제공될 수 있다.
복수의 관을 포함하는 다른 반응기 구성형태에서는 고체 촉매 입자들이 상기 관(이후 열 전달 관이라고도 한다)의 외부에 배치될 수 있고, 열 교환 매질은 내부를 지나간다. 열 전달 관 외부의 고체 촉매는 필요한 화학 반응이 일어나는 촉매층을 제공한다.
다른 타입의 열 전달 관과 열 교환 반응기들도 당업계에 알려져 있다. 이후 본 발명은 촉매 열 교환 반응기 및 관 내부에 촉매가 배열된 열 전달 관을 참조하여 설명되며, 여기서 관 및 반응기는 실질적으로 수직으로 배열된다. 그러나, 본 발명의 범위는 이러한 타입의 관 및 반응기에 제한되지 않는다. 용어 "촉매 반응기", "열 교환 반응기" 및 "반응기"는 상호교환하여 사용된다. "촉매층"은 열 전달 관 내부에서 상기 층을 형성하는 촉매의 부피를 의미한다. 용어 "열 전달 관" 및 "관"은 상호교환하여 사용되며, 촉매뿐만 아니라 촉매 반응을 수행할 목적으로 열 교환 매질과 접촉하는 관을 모두 포함한다.
촉매가 간접적으로 열 교환 매질과 접촉하는 과정 및 반응기는 EP0271299로부터 공지되었다. 이 인용문헌은 증기 개질과 자열 개질을 조합하는 반응기 및 공정을 개시한다. 반응기의 하부 영역에 배열된 증기 개질 구역은 내부에 촉매가 배치된 다수의 관을 포함하고, 반응기의 상부 구역에서는 증기 개질 관 외부에 자열 개질 촉매가 배치된다. EP-A-1 106 570은 다수의 증기 개질 관을 포함하고 간접 열 교환에 의해 가열되는 병렬 연결된 관형 개질기(반응기)에서의 증기 개질 과정을 개시한다. 촉매는 하나의 반응기에서는 증기 개질 관 외부에 배치되고, 나머지 반응기에서는 증기 개질 관 내부에 배치된다.
WO0156690은 공정 가스 입구부 및 출구부가 제공된 외부 쉘, 상단부에서 지지된 복수의 반응기 관, 헤더 입구부로부터 반응기 관의 상단부로 공정 가스를 공급하기 위한 헤더 수단을 포함하는 열 교환 반응기를 설명하며, 상기 수단은 상기 쉘의 상부 부분을 가로질러 배치된 2개 이상의 주 입구 헤더를 포함하고, 각 주 입구 헤더는 그것의 너비보다 큰 깊이를 가지며, 이로써 상기 관이 쉘에 대해 직접적으로 또는 간접적으로 상기 주 입구 헤더에 의해 지지된다.
EP1048343A는 촉매를 지닌 복수의 관, 상기 관 내의 반응 유체와 열 전달을 수행하기 위해 열-전달 매질이 통과하는 쉘 구역, 및 상부 및 하부 관 시트를 갖는 열-교환기 타입 반응기를 개시하며, 상기 관의 상단부는 상기 상부 관 시트의 상부측에 고정된 제1 확장 조인트에 의해 상기 상부 관 시트에 연결되고, 상기 관의 하단부는 부상형 하부 관 시트에 직접 고정되며, 부상 공간이 형성되는데, 이것은 상기 하부 관 시트 및 하부측에 연결된 내부 단부 판(내부 헤드)에 의해 구분되고 하부 부분에 개구를 가지며, 상기 개구는 제2 확장 조인트에 의해 반응기의 외부로의 관-측 출구에 연결된다.
WO2006117572는 복수의 수직 촉매-충전 관이 내부에 배치된 열 교환 개질기를 포함하는 탄화수소의 스팀 개질을 위한 장치를 설명하며, 탄화수소와 증기를 포함하는 가스 혼합물이 관을 통과할 수 있고, 외부 관 표면 주위를 흐르는 열 교환 매질에 의해 관으로 열이 전달될 수 있으며, 열 교환 매질이 개질기를 통하여 나선형 경로를 추종하도록 하나 이상의 나선형 배플이 개질기 내에 제공된다. 이 장치를 사용하는 탄화수소의 증기 개질 과정이 또한 설명된다.
US3400758은 관 및 쉘 타입 열 교환기를 개시하며, 여기서 쉘 측 유체는 나선형 경로로 관 위를 흐르도록 유도되고, 관의 축에 수직인 흐름 제어 표면을 갖는 길이 방향으로 이격된 세그먼트형 판 요소의 형태로 배플 수단이 제공되며, 관의 설치 및 제거가 단순화된다.
US4357991은 원반 및 도넛 배플 구성형태를 갖는 열 교환기를 설명하며, 여기서 관은 한 세트의 동심 고리 내에 놓인다. 세트의 각 고리는 세트의 각각의 다른 고리와 동일한 수의 관을 함유하고, 각 고리 내의 관은 균일한 간격으로 이격된다. 각 고리 내의 각 관은 각각의 이웃한 고리의 2개의 인접한 관 사이의 원주 중간에 위치되고, 연결 거리 h만큼 각 인접 고리의 2개의 인접 관으로부터 각각 분리된다. 거리 h는 고리 간 방사상 이격을 변화시킴으로써 세트의 모든 관에 대해 일정하게 유지되고, 세트의 임의의 고리 내의 임의의 두 인접 관 사이의 거리는 2h보다 크거나 동일하다. 따라서, 일정한 연결 갭 h는 인접 고리 사이의 최소 유동 면적을 결정하고, 관 번들을 통한 질량 흐름 속도가 일정해진다.
US3731733은 중심의 관형 핵 및 이들 사이의 제1 유체 흐름을 갖는 원통형 엔클로저를 개시하며, 제1 유체 흐름은 엔클로저와 핵 사이의 부피를 전부 차지하는 적어도 2개의 평행 중첩된 유사-나선 경로를 추종한다. 이들 경로는 수직 방사상 파티션 및 수평 배플에 의해 가이드된다. 배플은 2개(나선 이중-흐름 배플) 또는 3개(나선 3중-흐름 배플)의 방사상 파티션에 의해 서로 연결되고, 서로에 대해 연속하여 엇갈린 세그먼트형 컷-아웃을 가진다. 또한, 엔클로저와 핵 사이의 공간에 유동 경로와 조합하여 작동하는 제2 유체가 흐르는 일련의 평행한 관들이 제공되며, 상기 관들은 배플을 통과한다. 이 교환기는 보다 월등한 유체 가이드의 결과로서 더 높은 열 성능 및 더 높은 아웃풋을 허용하고, 관 그룹의 관 범위의 감소에 의해 상당한 기계적 개선을 허용한다.
EP1668306은 실질적으로 균일한 교차-흐름 속도를 유지하면서 유체의 교차-흐름을 나선 패턴으로 가이드하기 위해 쉘의 길이방향 축에 어떤 각도로 위치된 4분면 모양의 배플을 갖도록 구성된 열 교환기를 설명한다.
공지 기술에도 불구하고, 추가 개질에 주 개질 과정의 폐열을 이용하는 과제에 대해 비용이 저감된 솔루션을 제공하는 촉매 열 교환 반응기에 대한 필요성이 존재한다. 또한, 현재 설계보다 제조 비용이 저감된 촉매 열 교환 반응기에 대한 필요성이 존재한다. 또한, 열 전달 관에 필요한 재료량이 감소된 촉매 열 교환 반응기에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 언급된 문제들을 해소하는 촉매 열 교환 반응기를 제공하는 것이며, 본 발명은 설명된 추가의 많은 이점을 가진다.
이것은 하기 설명 및 청구항에 기재된 본 발명에 따른 촉매 열 교환 반응기에 의해 달성된다. 따라서, 본 발명은 모든 열 전달 관에 거의 동일한 열 전달을 제공하도록, 즉 열 전달의 균형을 맞추도록 설계된 열 전달 관의 쉘 측에 나선형 흐름을 가진 촉매 열 교환 반응기를 포함하며, 이것은 촉매 화학 반응이 최적으로 수행되기 위해 필요하다.
모든 열 전달 관에 동일한 열 전달을 제공하는 것은 어려운데, 대체로 흐름은 중심부 근처의 촉매 열 교환 반응기에서 위쪽으로 나선을 형성하면서 가장 짧은 거리를 이동하기를 원하기 때문이다(즉, 더 작은 직경). 따라서, 중심부에 가까이 위치된 관들은 너무 많은 열을 받고, 외부 쉘 근처의 관들은 너무 적은 열을 받는다.
본 발명에 따른 촉매 열 교환 반응기는 열 전달 관에 촉매를 가진 쉘-관 열 교환기로서 설계된다. 이것은 각 열 전달 관이 단일 관인 단일-관 설계를 가진다(예를 들어 더 복잡한 동심 이중 관과 반대로). 실시형태에서, 이것은 계단식 배플 셋업, 지그재그 관 패턴, 관 번들의 외주부 근처의 흐름 제한 판 및 외부 반류 전달 라인을 대체하는 중앙 관을 가진다.
촉매 열 교환 반응기의 유동 경로는 다음과 같다: 공정 가스가 열 전달 관 번들의 상부에 도입되고, 관에 배열된 촉매를 통과한다. 이제 개질된 가스는 반응기의 하부에서 고온의 열 교환 가스(예를 들어, ATR로부터의)와 혼합되고, 이것은 온도를 상승시킨다. 다음에, 혼합된 가스는 열 전달 관의 쉘-측을 통과하며, 2개의 나선형 흐름이 있는 실시형태에서, 그것은 관에 열을 전달하고, 이로써 관 내부에서 흡열 과정이 일어난 후, (관 시트 밑) 상부에서 촉매 열 교환 반응기의 중심부로 인도되고, 중앙의 혼합 가스 관을 통해 반응기 아래로 내려가 빠져나간다.
본 발명에 따른 단일-관 설계는 현재 촉매 열 교환 반응기 설계와 비교하여 비용을 저감시킨다. 또한, 관의 단순한 기하구조는 공지된 다른 타입의 열 교환 반응기에서 가능한 것보다 훨씬 더 좁은(작은 직경) 열 전달 관을 허용한다. 이것은 열 전달 관에 필요한 재료량을 감소시킨다. 촉매 열 교환 반응기에서의 나선형 흐름은 다른 솔루션과 비교하여 동일한 듀티에서 압력 강하가 적은 더 컴팩트한 반응기 설계 솔루션을 허용한다. 나선형 계단 방식으로 배플이 배열된 실시형태에서, 계단식 설계는 일직선의 금속 시트들을 조립함으로써 배플 시스템이 이루어지는 것을 허용하며, 이로써 제조가 간단해진다. 회전당 많은 소형 계단들을 사용하는 것은 몇 개의 대형 계단과 비교하여 압력 강하를 감소시킨다. 계단식 설계인 실시형태는 열 전달 관 번들의 길이에 따라 배플 간격을 변화시키는 것을 허용한다. 이것은 관 번들을 따라 흐름이 냉각됨에 따라 혼합 가스 속도를 유지 또는 증가시키기 위해 사용될 수 있으며, 배플 간격을 점진적으로 감소시킴으로써 유로 단면적을 감소킬 수 있다. 그러나, 본 발명은 또한 고정된 배플 간격도 연구할 것이다. 지그재그 패턴의 전달 관 레이아웃 및/또는 전달 관 번들의 외부에 흐름 제한 판을 가진 실시형태에서, 상기 레이아웃 및 흐름 제한 판은 흐름을 균일하게 하며, 이로써 관들 간 열 유속 변동이 감소된다. 중심의 혼합 가스 관은 촉매 열 교환 반응기의 상부로부터 혼합 가스를 수집하고 혼합된 가스를 하부로 보내 반응기로부터 내보낸다. 이것은 외부 반환 전달 라인의 필요성을 제거하며, 이로써 공간과 비용이 모두 절감된다. 실시형태에서, 배플을 제자리에 고정하기 위해 타이 로드 대신 외부 및/또는 내부 슈라우드가 사용된다. 내부 슈라우드를 가진 실시형태에서, 중심의 혼합 가스 관 주위에 위치된 내부 슈라우드는 천공되며, 이로써 내부 슈라우드와 중앙 가스 혼합 관 사이의 공간에서 중앙 혼합 가스 관 입구로의 열 우회 흐름을 제거한다. 천공은 내부 슈라우드와 중앙 가스 혼합 관 사이의 공간에서 흐르는 가스가 나선형 흐름으로 흐르는 가스와 일정하게 혼합/교환되는 것을 보장한다. 따라서, 모든 혼합된 가스는 전달 관 번들을 강제로 통과하고, 내부 슈라우드와 중앙 가스 혼합 관 사이에 스터핑 박스가 있어야 할 필요성이 제거되거나 감소된다.
본 발명의 실시형태에서, 흡열 또는 발열 촉매 반응을 수행하기 위한 촉매 열 교환 반응기는 원통형 섹션을 가진 쉘을 포함한다. 원통형 섹션은 촉매 열 교환 반응기의 주 부분을 포함하고, 대부분의 경우 수직 자세로 배향된다. 쉘 내에 복수의 수직 열 전달 관이 배열된다. 열 전달 관은 적어도 부분적으로 촉매로 충전되고, 촉매는 임의의 모양의 펠릿 형태, 촉매화된 하드웨어 구조 형태 및/또는 상기 언급된 열 전달 관 내부 상의 촉매 코팅 형태일 수 있다. 촉매 충전된 열 전달 관을 통해서 공정 가스가 열 전달 관의 상단부로부터 관을 통과해서 열 전달 관의 하단부까지 지나갈 수 있다. 촉매 열 교환 반응기는 열 전달 관의 상단부까지 공정 가스의 유로를 제공하는 적어도 하나의 상부 공정 가스 입구를 더 포함한다. 상부 공정 가스 입구는 쉘의 상부 부분에서, 원통형 쉘의 상부 부분에 또는 그 위에 위치될 수 있다. 또한, 촉매 열 교환 반응기는 적어도 하나의 하부 열 교환 가스 입구 및 적어도 하나의 하부 혼합 가스 출구를 포함하며, 이들은 둘 다 쉘에서 열 전달 관 아래에 위치될 수 있다. 상부 관 시트가 쉘의 상부 부분에서, 원통형 섹션의 상부 부분 또는 그 위에 배열된다. 상부 관 시트는 복수의 열 전달 관을 지지하도록 구성된다. 지지부는 프리 슬라이딩 지지부일 수 있고, 이것은 열 전달 관을 수평 방향으로 지지하면서 수직 이동도 허용한다. 또는 달리, 이것은 용접, 나사, 또는 임의의 공지된 고정 지지부와 같은, 열 전달 관의 고정된 지지부일 수 있다. 슬라이딩 지지부의 일례는 열 전달 관의 외경보다 약간 더 큰 직경을 갖는 상부 관 시트에 있는 개구이며, 이것은 열 전달 관이 상부 관 시트에 대해 수직으로는 이동하지만 수평으로는 거의 이동하지 않도록 한다. 다른 예는 스터핑 박스일 수 있다. 복수의 배플이 상부 관 시트 아래에, 쉘 내에 배열된다. 배플은 복수의 열 전달 관을 지지하도록 구성된 개구를 가진다. 상부 관 시트와 마찬가지로, 열 전달 관의 배플 지지부는 고정될 수 있거나 또는 슬라이딩 지지부일 수 있다. 또는 달리, 지지부의 일부는 고정되고 나머지는 슬라이딩 지지부일 수 있다. 배플은, 쉘 내부와 각 열 전달 관의 외부 측 주위에 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부 열 교환 가스 입구로부터의 열 교환 가스와 열 전달 관의 하단부를 빠져나오는 개질된 가스를 포함하는 혼합 가스의 유로를 제공한다. 배플의 구성 및 쉘 내부와 열 전달 관 주위에서 이들의 배치는 적어도 하나의 나선형 상향 흐름으로 혼합 가스 흐름을 가이드한다. 이 배열 및 구성과 상이한 실시형태들이 하기 명시되며, 이 실시형태는 배플의 하나의 단일 구성 및 배열에 제한되지 않고, 또한 이 실시형태는 쉘 내의 하나 이상의 분리된 나선형 상향 흐름들도 포함한다. 촉매 열 교환 반응기는 상부 입구 단부 및 하부 출구 단부를 갖는 쉘의 중심부에 수직 배열된 중앙 혼합 가스 관을 더 포함한다. 중앙 혼합 가스 관은 상부 관 시트의 하부 측에 인접한 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 상부로부터 하부 혼합 가스 출구까지 혼합 가스의 유로를 제공한다. 따라서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름이 상부 관 시트의 하부 측에 도달한 경우, 그것은 상향 나선 방향으로는 더 흐를 수 없고, 중앙 혼합 가스 관의 상부 입구를 통해서 중앙 혼합 가스 관으로 강제로 들어간다. 상부 입구로부터 혼합 가스는 중앙 혼합 가스 관을 통해 아래로 흐르고 하부 출구 단부를 통해서 중앙 혼합 가스 관으로부터 빠져나간다. 따라서, 나선형 흐름의 경우 열 교환에 그다지 유효하지 않은 촉매 열 교환 반응기의 중심부가 혼합 가스의 반류에 이용된다. 공지 기술의 열 교환 반응기에서, 이것은 일반적으로 외부 전달 라인에 의해 취급되며, 이것은 비싸고 상당한 공간을 차지하며 단열될 필요도 있다. 그래서, 본 발명에 따른 촉매 열 교환 반응기는 열 교환을 증진시키고 균일하게 하기 위한 열 교환 관 주위의 나선형 상향 흐름(들)의 이점과 상기 설명된 중심 흐름 반환 관의 이점을 조합한다.
본 발명의 실시형태에서, 촉매 열 교환 반응기는 탄화수소의 증기 개질 촉매 열 교환 반응기이다. 본 발명의 다른 실시형태에서, 복수의 배플이 적어도 하나의 나선으로 배열된다. 적어도 하나의 나선은 상기 언급된 나선형 상향 흐름을 제공하도록 배열되지만, 본 발명이 이 실시형태에 제한되지는 않는 것으로 이해되어야 하며, 각이 있는 표면을 가진 수평 배플(프로펠러 같은) 및 다른 배열과 같은, 복수의 배플의 다른 배열들도 나선형 상향 흐름(들)을 제공할 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름은 중앙 혼합 가스 관 주위를 지나가고, 배플은 나선형 계단으로 배열된 수평 및 수직 세그먼트들의 세트를 포함한다. 혼합된 가스가 쉘의 하단부로부터 열 전달 관들 사이를 흐름에 따라, 이 흐름은 나선형 계단으로 배열된 배플과 만나게 되고, 따라서 강제로 위쪽으로 나선형으로 이동하여 쉘의 하부 부분으로부터 쉘의 상부 부분으로 흐르게 된다(상부 관 시트의 하부 측과 만나 강제로 안쪽으로 이동하여 중앙 혼합 가스 관의 상부 입구 단부로 들어가기 전에). 수평 및 수직 세그먼트들의 세트를 포함하는 배플을 가진 실시형태는 특히 배플이 적은 비용으로 쉽게 제작될 수 있고, 결과적으로 또한 열 전달 관 및 배플의 장착 및 설치가 단순화된다는 이점을 가진다.
본 발명의 실시형태에서, 1 내지 4개의 나선형 상향 흐름, 바람직하게 2개의 나선형 상향 흐름을 제공하도록 복수의 배플이 구성되고 배열된다. 예를 들어, 공정 및 다른 전제조건에 따라서 2개의 나선형 상향 흐름이 바람직하다면, 복수의 배플은 2개의 나선형 계단으로 배열될 수 있고, 하나의 나선형 계단의 하단부는 다른 나선형 계단의 하단부에 대해 180도 회전된 상태로 배열된다.
본 발명의 실시형태에서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 완전 360도 턴은 2 내지 16 세트의 배플, 바람직하게 8 세트의 배플을 포함한다. 완전 360도 턴을 위해 선택된 배플의 수는 특정 촉매 열 교환 반응기 및 특정 공정에 따르며, 재료 및 구성 비용, 압력 손실, 열 전달 등에 대한 요구에 따라 변화될 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 배플 간 수직 거리는 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부보다 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 상부에서 더 작다. 쉘의 하부에서 혼합된 가스는 상대적으로 고온이므로 밀도는 상대적으로 낮다. 혼합 가스가 열 전달 관과 열 교환 관계인 상태로 반응기를 통해 지나감에 따라, 관에서의 흡열 반응으로 인해 혼합 가스가 냉각되고, 따라서 밀도는 상승한다. 이것을 보상하기 위해, 배플 간 수직 거리가 반응기를 통해 감소될 수 있으며, 이로써 원하는 열 교환이 균일하게 유지될 수 있다. 상기 설명된 것과 관련하여 본 발명의 실시형태에서, 배플 간 수직 거리는 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부 부분에서부터 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 상부 부분까지, 즉 열 전달 관의 하부 부분에서부터 열 전달 관의 상부 부분까지 점진적으로 감소된다. 본 발명의 추가의 실시형태에서, 최상부에서 수직으로 인접한 배플 간 수직 거리는 500mm 미만이고, 최하부에서 수직으로 인접한 배플 간 수직 거리는 600mm를 초과한다. 예를 들어, 배플들이 계단식 설계를 갖는 경우, 최상부 계단과 수직으로 그 밑의 계단 사이의 거리는 500mm 미만이고, 최하부 계단과 수직으로 그 위의 계단 사이의 거리는 600mm를 초과한다. 구체적인 거리는 특정 공정 변수 및 특정 촉매 열 교환 반응기에 따라서 변경될 수 있으며, 이들은 사례마다, 고객마다 다양할 수 있다.
본 발명의 실시형태에서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름은 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부 부분에서 상부 부분까지 1번 내지 8번의 완전 360도 턴을 수행한다. 따라서, 설명된 복수의 배플은 열 전달 관의 하단부에서 열 전달 관의 상단부까지 적어도 1번 및 최대 8번의 완전 360도 턴으로 혼합 가스 상향 흐름을 제한하고 강제하도록 배열되며, 여기서 혼합 가스 흐름은 관 시트의 하부 측과 만나 강제로 안쪽으로 이동하여 중앙 혼합 가스 관의 상부 입구로 들어간다. 논의된 대로, 이것은 배플의 상이한 설계 및 배열, 예를 들어 계단식 설계에 의해 달성될 수 있다. 적어도 하나의 나선형 상향 흐름에서 혼합 가스가 수행하는 완전 360도 턴의 수는 특정 공정 변수 및 해당 특정 촉매 열 교환 반응기에 따른다(촉매 열 교환 반응기가 갖도록 설계된 나선형 상향 흐름의 수도 마찬가지이다).
반응기의 수평 방향을 따라 열 교환을 더 균일하게 하기 위해, 본 발명의 실시형태에서, 수직 열 전달 관 사이의 거리는 쉘 주변에 최근접한 곳보다 중앙 혼합 가스 관에 최근접한 곳에서 더 짧다. 혼합 가스 흐름이 나선형 상향 흐름 이동을 수행함에 따라, 가스는 반응기 중심 근처에서 "최단 거리 움직"이는 것을 추구할 것이다. 이것에 대응하여 열 전달 관이 쉘의 중심 근처 또는 주변 근처에 위치된다 하더라도 모든 열 전달 관에서 열 교환을 균일하게 하기 위해, 중심 근처에서 관 사이의 거리는 주변 근처에서 관 사이의 거리보다 상대적으로 더 작다. 따라서, 본 발명의 추가의 실시형태에서, 수직 열 전달 관 사이의 거리는 쉘 주변의 최근접한 곳에서부터 중앙 혼합 가스 관을 향해 점진적으로 감소된다. 보다 구체적으로, 본 발명의 한 실시형태에서, 수직 열 전달 관 사이의 거리는 중앙 혼합 가스 관의 최근접한 곳에서 50mm 미만이고, 쉘 주변의 최근접한 곳에서 100mm를 초과한다.
또한, 열 전달 관 외부를 흐르는 혼합 가스와 열 전달 관 내부의 공정 가스 간의 열 교환을 증가시키고 균일하게 하기 위해, 본 발명의 실시형태에서, 수직 열 전달 관은 쉘의 접선 방향에서 봤을 때 지그재그 패턴으로 배열된다. 따라서, 상향 나선형 흐름의 혼합 가스의 방향에서 봤을 때, 혼합 가스가 열 전달 관들 사이를 흐를 수 있는 일직선의 "쉽고 빠른" 경로가 존재하지 않는다. 열 전달 관이 쉘의 접선 방향으로 지그재그 패턴으로 배열되므로, 나선형으로 흐르는 혼합 가스는 경로 상에서 다음 번 열 전달 관을 만날 때면 항상 분기될 것이고, 이로써 열 전달이 증가한다.
본 발명의 실시형태에서, 촉매 열 교환 반응기는 중앙 혼합 가스 관에 인접하여 중앙 혼합 가스 관을 둘러싸고 있는 내부 슈라우드를 더 포함한다. 내부 슈라우드는 상부 관 시트에 고정되고, 복수의 배플의 적어도 일부를 지지하도록 구성된다. 따라서, 내부 슈라우드는 복수의 배플을 지지할 수 있다. 본 발명의 실시형태에서, 내부 슈라우드는 천공된다. 천공은 중앙 혼합 가스 관과 내부 슈라우드 사이의 공간에서 우회하려는 가스가 혼합 가스와 혼합되는 효과를 가지며, 이로써 열 우회가 최소화되고, 스터핑 박스의 필요성이 제거되거나 적어도 최소화된다. 본 발명의 추가의 실시형태에서, 내부 슈라우드는 흐름 제한장치, 예컨대 흐름 제한 판을 포함하며, 이로써 혼합 가스의 접선방향 우회가 방지되고, 반응기에서 열 전달이 개선된다.
본 발명의 실시형태에서, 촉매 열 교환 반응기는 또한 쉘에 인접하여 쉘 내부에 배열되고 배플의 적어도 일부에 대한 지지를 제공하도록 구성된 외부 슈라우드를 포함한다. 슈라우드가 배플을 지지하기 때문에, 배플은 앞서 설명된 대로 열 전달 관을 지지할 수 있다. 실시형태에서, 외부 슈라우드는 흐름 제한 판을 포함할 수 있으며, 이것은 내부 슈라우드와 관련하여 앞서 설명된 바와 같은 효과를 가진다.
본 발명의 실시형태에서, 열 전달 관 내의 촉매는 입자를 포함하고, 수직 열 전달 관은 촉매 입자의 최대 외부 치수의 1 내지 1.9배인 내부 직경을 가진다. 따라서, 열 전달 관은 수평 단면에서 단지 하나의 촉매 입자만을 각각 지지하도록 매우 좁게 구성될 수 있다. 이것은 열 교환 및 촉매 과정에 유익할 수 있으며, 관의 단순한 기하구조로 인해(이중 관이 아닌) 가능하거나 실현가능하게 되고, 당업계에 공지된 것보다 훨씬 더 좁은 관을 허용한다. 또한, 수직 열 전달 관이 촉매 입자의 최대 외부 치수의 1 내지 3.5배인 내부 직경을 갖는 실시형태와 같은 다른 실시형태들도 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
따라서, 본 발명에 따른 열 교환 반응기는 당업계에 공지된 것보다 훨씬 더 컴팩트한 반응기 설계를 제공하며, 흐름 턴을 위해 어떤 부피를 사용하지 않고, 그림자 효과(풍하측, 구조물 뒤의 흐름이 최적이 아닌 경우)가 적으며, 나선형 흐름 및 중앙 혼합 관 때문에 관으로의 열 전달이 보다 균일하다.
발명의 특징
1. 흡열 또는 발열 촉매 반응을 수행하기 위한 촉매 열 교환 반응기로서,
· 원통형 섹션을 가진 쉘,
· 촉매로 적어도 부분적으로 충전되고 상기 쉘 내에 배열된 복수의 수직 열 전달 관으로서, 열 전달 관의 상단부에서 열 전달 관의 하단부까지 공정 가스가 통과될 수 있는 열 전달 관,
· 열 전달 관의 상단부까지 공정 가스의 유로를 제공하는 적어도 하나의 상부 공정 가스 입구,
· 적어도 하나의 하부 열 교환 가스 입구,
· 적어도 하나의 하부 혼합 가스 출구,
· 복수의 열 전달 관을 지지하는 상부 관 시트,
· 복수의 열 전달 관을 지지하도록 구성되고 쉘 내부와 각 열 전달 관의 외부 측 주위에 적어도 하나의 나선형 상향 흐름으로 하부 열 교환 가스 입구로부터의 열 교환 가스와 열 전달 관의 하단부를 빠져나오는 개질된 가스를 포함하는 혼합 가스의 유로를 제공하도록 구성된 개구를 갖는, 상부 관 시트 아래의, 쉘 내부에 배열된 복수의 배플
을 포함하며,
상부 관 시트의 하부 측에 인접한 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 상부로부터 하부 혼합 가스 출구까지 혼합 가스의 유로를 제공하도록 구성된, 상부 입구 단부 및 하부 출구 단부를 갖는 쉘의 중심에 수직으로 배열된 중앙 혼합 가스 관을 더 포함하는, 촉매 열 교환 반응기.
2. 특징 1에 있어서, 촉매 열 교환 반응기는 탄화수소 증기 개질 촉매 열 교환 반응기인 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
3. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 복수의 배플은 적어도 하나의 나선으로 배열되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
4. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름은 중앙 혼합 가스 관 주위를 지나가고, 배플은 나선형 계단으로 배열된 수평 및 수직 세그먼트들의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
5. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 복수의 배플은 1-4개의 나선형 상향 흐름, 바람직하게 2개의 나선형 상향 흐름을 제공하도록 배열 및 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
6. 특징 4 또는 5에 있어서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 완전 360도 턴은 2 내지 16 세트의 배플, 바람직하게 8 세트의 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
7. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 배플 간 수직 거리는 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부보다 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 상부에서 더 작은 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
8. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 배플 간 수직 거리는 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부 부분에서부터 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 상부 부분까지 점진적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
9. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 최상부에서 수직 인접한 배플 간 수직 거리는 500mm 미만이고, 최하부에서 수직 인접한 배플 간 수직 거리는 600mm를 초과하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
10. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름은 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부 부분에서 상부 부분까지 1-8번의 완전 360도 턴을 수행하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
11. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 수직 열 전달 관 사이의 거리는 쉘 주변에 최근접한 곳보다 중앙 혼합 가스 관에 최근접한 곳에서 더 짧은 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
12. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 수직 열 전달 관 사이의 거리는 쉘 주변에 최근접한 곳에서부터 중앙 혼합 가스 관을 향해서 점진적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
13. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 수직 열 전달 관 사이의 거리는 중앙 혼합 가스 관에 최근접한 곳에서 50mm 미만이고, 쉘 주변에 최근접한 곳에서 100mm를 초과하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
14. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 수직 열 전달 관은 쉘의 접선 방향에서 봤을 때 지그재그 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
15. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 상부 관 시트에 고정되고 복수의 배플 중 적어도 일부를 지지하도록 구성된, 중앙 혼합 가스 관에 인접하여 중앙 혼합 가스 관을 둘러싸고 있는 내부 슈라우드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
16. 특징 15에 있어서, 내부 슈라우드는 천공되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
17. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 쉘에 인접하여 쉘 내부에 배열되고 배플의 적어도 일부에 대한 지지를 제공하도록 구성된 외부 슈라우드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
18. 특징 15, 16 또는 17에 있어서, 내부 슈라우드, 외부 슈라우드 또는 내부 및 외부 슈라우드 둘 다는 흐름 제한 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
19. 전술한 특징 중 어느 하나에 있어서, 촉매는 입자를 포함하고, 수직 열 전달 관은 촉매 입자의 최대 외부 치수의 1 내지 1.9배인 내부 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
본 발명은 도면에 도시된 본 발명의 일부 실시형태를 참조하여 더 상세히 논의될 것이다.
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 촉매 열 교환 반응기 내부구조 일부의 부분 절단 등측 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 촉매 열 교환 반응기 내부구조 일부의 부분 절단 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 촉매 열 교환 반응기 내부구조 일부의 단면도이다.
도면 기호
100. 열 전달 관
101. 상부 관 시트
102. 배플
103. 배플 개구
104. 중앙 혼합 가스 관
105. 상부 입구 단부
106. 하부 출구 단부
107. 나선
108. 수평 세그먼트
109. 수직 세그먼트
110. 내부 슈라우드
111. 내부 슈라우드 출구 개구
112. 외부 슈라우드
113. 흐름 제한 판
도 1은 본 발명의 실시형태에 따른 촉매 열 교환 반응기 내부구조 일부의 부분 절단 등측 측면도이다.
도 2는 본 발명의 실시형태에 따른 촉매 열 교환 반응기 내부구조 일부의 부분 절단 측면도이다.
도 3은 본 발명의 실시형태에 따른 촉매 열 교환 반응기 내부구조 일부의 단면도이다.
도면 기호
100. 열 전달 관
101. 상부 관 시트
102. 배플
103. 배플 개구
104. 중앙 혼합 가스 관
105. 상부 입구 단부
106. 하부 출구 단부
107. 나선
108. 수평 세그먼트
109. 수직 세그먼트
110. 내부 슈라우드
111. 내부 슈라우드 출구 개구
112. 외부 슈라우드
113. 흐름 제한 판
하기 내용은 본 발명의 단지 일부의 구체적인 실시형태라는 것이 이해되어야 한다. 또한, 상기 논의된 대로, 추가의 실시형태도 본 발명에 포함되며, 예를 들어 나선형 상향 흐름을 제공하는 다른 배플 설계들도 본 발명에 포함된다.
도 1에, 본 발명의 실시형태에 따른 흡열 또는 발열 촉매 반응을 수행하기 위한 촉매 열 교환 반응기의 내부구조 일부의 부분 절단 등측 측면도가 도시된다(내부구조의 다른 부분들을 보다 명확히 나타내기 위해 열 전달 관의 일부가 컷아웃된다). 도시된 내부구조는 당업계에 공지된 원통형 섹션(미도시)을 가진 쉘 내에 설치된다는 것이 이해되어야 한다. 복수의 열 전달 관(100)이 수직 자세로 쉘의 원통형 섹션의 적어도 일부에 배열된다. 열 전달 관은 관의 상단부에서 하단부까지 공정 가스가 이들 내부를 지나가는 것을 허용하며, 이로써 열 전달 관을 적어도 부분적으로 채운 촉매(미도시)를 지나간다. 공정 가스는 쉘(미도시)의 상부 부분에 배열된 적어도 하나의 상부 공정 가스 입구를 통해, 또한 상부 관 시트(101)를 통해서 열 전달 관을 둘러싸면서 지지하고 있는 관 시트의 개구를 통해 열 전달 관에 제공된다. 지지부는 슬라이딩(열 전달 관을 수평 이동에 대해서만 지지) 지지부일 수 있거나, 또는 고정된 지지부일 수 있으며, 이것은 열 전달 관을 앞서 논의된 대로 수평 및 수직으로 모두 지지한다. 볼 수 있는 대로, 열 전달 관은 밀착하여 배열되지만, 열 전달 관의 외부 측 주위에서 관 사이에 가스가 흐르는 것을 허용할 만큼 충분한 폭으로 이격되며, 이것은 하기 더 논의될 것이다. 공정 가스는 열 전달 관의 전 길이를 통해서 아래로 보내지고, 쉘의 하부 부분에서 열 전달 관의 하단부를 통해 내보내진다. 공정 가스는 적어도 하나의 하부 열 교환 가스 입구(미도시)를 통해서 쉘의 하부 부분으로 들어오는 상대적으로 고온의 열 교환 가스와 혼합된다. 열 교환 가스는 공정 가스와 혼합되고, (공정 가스에 비해) 고온의 혼합 가스는 열 전달 관의 외부 측 주위에서 쉘을 통해서 위로 흐른다. 혼합 가스의 상향 흐름은 복수의 배플(102)에 의해 제한되고 가이드된다. 배플은 수평 세그먼트(108)와 수직 세그먼트(109)의 세트를 포함하며, 이들은 쉘 내부와 각 열 전달 관의 외부 측 주위에서 혼합 가스 흐름을 적어도 하나의 나선형 상향 흐름으로 제한하고 가이드하고, 이 실시형태에서는 대략 나선(107)으로, 즉 나선형 계단 모양으로 배열되는데, 이로써 고온의 혼합 가스로부터 열 전달 관 벽을 통해서 열 전달 관 내부의 차가운 공정 가스로 효과적이고 균일한 열 전달을 보장하고, 적어도 부분적으로 촉매 충전된 열 전달 관에서 일어나는 흡열 촉매 반응(들)에 열을 제공한다. 나선형 계단 모양의 배플은 거의 이상적인 상향 나선 이동으로 흐름을 가이드하며, 동시에 배플 및 열 전달 관의 상대적으로 간단한 제조 및 설치를 허용한다. 수평 세그먼트는 열 전달 관에 수직인 배플 표면을 보장하며, 따라서 열 전달 관을 지지하고 열 전달 관의 통과를 허용하는 배플의 개구(103)는 단순한 원형 모양을 가질 수 있다. 수직 세그먼트는 개구의 필요 없이 열 전달 관들 사이를 지나갈 수 있다. 또한, 계단식 설계는 비용 효과적인 제조를 허용하며, 여기서 둘 이상의 세그먼트가 촉매 열 교환 반응기에 설치하기 전에 미리 조립될 수 있고, 2개 세그먼트의 조립은, 예를 들어 평평한 판의 단순한 굽힘일 수도 있다. 배플 계단/세그먼트의 수는, 특히 비용 및 최적 혼합 가스 흐름을 고려하여 특정 반응기 크기 및 공정에 따라 변경 및 선택될 수 있다. 본 발명의 이 실시형태에서, 배플의 적어도 일부는 쉘의 중심 축 주위에 배열된 원통형 내부 슈라우드(110)에 고정된다. 상부 부분에 내부 슈라우드는 나선 상부에 도달했을 때 혼합 가스가 지나가도록 허용하는 내부 슈라우드 출구 개구(111)를 포함하며, 상부 관 시트에 의해 추가의 상향 흐름이 차단됨으로써 혼합 가스가 들어오는 공정 가스와 상호작용하는 것이 방지된다. 내부 슈라우드 출구 개구를 통해서, 열 교환된, 차가운 혼합 가스는 중앙 혼합 가스 관(104)의 상부 입구 단부(105)(도 3에 도시됨)를 통해서 빠져나간다. 중앙 혼합 가스 관은 촉매 열 교환 반응기의 하부 부분에서 혼합 가스가 그것의 하부 출구 단부(106)를 통해 빠져나가는 것을 허용한다. 이것은 연결, 절연, 지지가 필요하고 충분한 공정 압력을 견딜 수 있는 두꺼운 벽을 갖도록 설계되어야 하며, 따라서 플랜트 공간을 차지하고 내부의 중앙 혼합 가스 관보다 상당히 더 고가인 반응기로의 외부 이송 라인의 필요성을 제거한다. 또한, 나선형 상향 흐름의 중심 부분이 열 교환을 위한 원형 단면적의 최소 유효 부분이므로, 중앙 혼합 가스 관의 "비용"은 열 교환 과정을 참조하면 상대적으로 저렴하다.
도 2는 촉매 열 교환 반응기의 동일한 발명 실시형태로서, 등측 측면도 대신 부분적으로 절단된 측면도를 도시한다. 특징들은 도 1과 동일하며, 이 측면도에서는 이 실시형태가 2개의 나선형 계단으로 배열된 배플을 포함한다는 것을 더 명확히 볼 수 있다. 열 전달 관 번들의 최하부 부분에 2개의 수평 배플 세그먼트가 도시되는데, 단면적 상에서 하나가 다른 하나에 대해 180도 회전된 상태이다. 따라서, 이 실시형태에서 혼합 가스는 2개의 나선형 상향 흐름으로 흐른다.
도 3의 단면도는 본 발명의 실시형태에 따른 촉매 열 교환 반응기의 일부를 도시하며, 도 1과 도 2를 참조하여 상기 설명된 특징들과 일부 다른 특징들을 나타낸다. 원형 설계의 가장 안쪽에 중앙 혼합 가스 관이 (관을 통해) 보이고, 그 상부 부분은 상기 설명된 대로 상부 입구 단부(105)를 형성한다. 중앙 혼합 가스 관 주위에 내부 슈라우드가 보이며, 이것은 이전에 설명된 대로 배플을 지지한다. 중앙 혼합 가스 관과 내부 슈라우드 사이의 공간은 단열재로 채워질 수 있다. 이 도면에서는 열 전달 관들의 배치를 볼 수 있다. 관들이 어느 정도 지그재그 패턴으로 배열되는지 볼 수 있으며, 이로써 나선 이동으로 흐를 때 혼합 가스가 일정하게 방향을 강제로 바꾸게 됨으로써 열 전달이 개선된다. 그러나, 열 전달 관의 이러한 배치는 또한 수직 배플 세그먼트를 위한 공간을 제공하며, 이 실시형태에서 쉘의 원형 단면 주위에 8개가 위치된다. 추가의 슈라우드, 즉 외부 슈라우드(112)가 또한 도시되고, 원통형 외부 슈라우드의 내부 측에 배열된 흐름 제한 판(113)도 도시되며, 이것은 혼합 가스 흐름이 열 전달 관의 외주부에서 열 전달 관을 우회하는 것을 제한한다.
Claims (19)
- 흡열 또는 발열 촉매 반응을 수행하기 위한 촉매 열 교환 반응기로서,
· 원통형 섹션을 가진 쉘,
· 촉매로 적어도 부분적으로 충전되고 상기 쉘 내에 배열된 복수의 수직 열 전달 관으로서, 열 전달 관의 상단부에서 열 전달 관의 하단부까지 공정 가스가 통과될 수 있는 열 전달 관,
· 열 전달 관의 상단부까지 공정 가스의 유로를 제공하는 적어도 하나의 상부 공정 가스 입구,
· 적어도 하나의 하부 열 교환 가스 입구,
· 적어도 하나의 하부 혼합 가스 출구,
· 복수의 열 전달 관을 지지하는 상부 관 시트,
· 복수의 열 전달 관을 지지하도록 구성되고 쉘 내부와 각 열 전달 관의 외부 측 주위에 적어도 하나의 나선형 상향 흐름으로 하부 열 교환 가스 입구로부터의 열 교환 가스와 열 전달 관의 하단부를 빠져나오는 개질된 가스를 포함하는 혼합 가스의 유로를 제공하도록 구성된 개구를 갖는, 상부 관 시트 아래의, 쉘 내부에 배열된 복수의 배플
을 포함하며,
상부 관 시트의 하부 측에 인접한 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 상부로부터 하부 혼합 가스 출구까지 혼합 가스의 유로를 제공하도록 구성된, 상부 입구 단부 및 하부 출구 단부를 갖는 쉘의 중심에 수직으로 배열된 중앙 혼합 가스 관을 더 포함하는, 촉매 열 교환 반응기. - 제 1 항에 있어서, 촉매 열 교환 반응기는 탄화수소 증기 개질 촉매 열 교환 반응기인 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 복수의 배플은 적어도 하나의 나선으로 배열되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름은 중앙 혼합 가스 관 주위를 지나가고, 배플은 나선형 계단으로 배열된 수평 및 수직 세그먼트들의 세트를 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 배플은 1-4개의 나선형 상향 흐름, 바람직하게 2개의 나선형 상향 흐름을 제공하도록 배열 및 구성되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 완전 360도 턴은 2 내지 16 세트의 배플, 바람직하게 8 세트의 배플을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 배플 간 수직 거리는 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부보다 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 상부에서 더 작은 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 배플 간 수직 거리는 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부 부분에서부터 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 상부 부분까지 점진적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 최상부에서 수직 인접한 배플 간 수직 거리는 500mm 미만이고, 최하부에서 수직 인접한 배플 간 수직 거리는 600mm를 초과하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 나선형 상향 흐름은 적어도 하나의 나선형 상향 흐름의 하부 부분에서 상부 부분까지 1-8번의 완전 360도 턴을 수행하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 수직 열 전달 관 사이의 거리는 쉘 주변에 최근접한 곳보다 중앙 혼합 가스 관에 최근접한 곳에서 더 짧은 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 수직 열 전달 관 사이의 거리는 쉘 주변에 최근접한 곳에서부터 중앙 혼합 가스 관을 향해서 점진적으로 감소되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서, 수직 열 전달 관 사이의 거리는 중앙 혼합 가스 관에 최근접한 곳에서 50mm 미만이고, 쉘 주변에 최근접한 곳에서 100mm를 초과하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 수직 열 전달 관은 쉘의 접선 방향에서 봤을 때 지그재그 패턴으로 배열되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 상부 관 시트에 고정되고 복수의 배플 중 적어도 일부를 지지하도록 구성된, 중앙 혼합 가스 관에 인접하여 중앙 혼합 가스 관을 둘러싸고 있는 내부 슈라우드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 15 항에 있어서, 내부 슈라우드는 천공되는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서, 쉘에 인접하여 쉘 내부에 배열되고 배플의 적어도 일부에 대한 지지를 제공하도록 구성된 외부 슈라우드를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 15 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서, 내부 슈라우드, 외부 슈라우드 또는 내부 및 외부 슈라우드 둘 다는 흐름 제한 판을 포함하는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
- 제 1 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서, 촉매는 입자를 포함하고, 수직 열 전달 관은 촉매 입자의 최대 외부 치수의 1 내지 1.9배인 내부 직경을 갖는 것을 특징으로 하는 촉매 열 교환 반응기.
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