KR20230143144A - 열교환기가 통합된 열분해 반응기 - Google Patents

열교환기가 통합된 열분해 반응기 Download PDF

Info

Publication number
KR20230143144A
KR20230143144A KR1020237027392A KR20237027392A KR20230143144A KR 20230143144 A KR20230143144 A KR 20230143144A KR 1020237027392 A KR1020237027392 A KR 1020237027392A KR 20237027392 A KR20237027392 A KR 20237027392A KR 20230143144 A KR20230143144 A KR 20230143144A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
molten
trays
medium
media
reactor
Prior art date
Application number
KR1020237027392A
Other languages
English (en)
Inventor
사무엘 샤너
브렛 파킨슨
앤드류 칼드웰
라이언 패트릭
Original Assignee
씨제로 인크.
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 씨제로 인크. filed Critical 씨제로 인크.
Publication of KR20230143144A publication Critical patent/KR20230143144A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0006—Controlling or regulating processes
    • B01J19/0013—Controlling the temperature of the process
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J10/00—Chemical processes in general for reacting liquid with gaseous media other than in the presence of solid particles, or apparatus specially adapted therefor
    • B01J10/005—Chemical processes in general for reacting liquid with gaseous media other than in the presence of solid particles, or apparatus specially adapted therefor carried out at high temperatures in the presence of a molten material
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J19/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J19/0053—Details of the reactor
    • B01J19/006—Baffles
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J23/00—Catalysts comprising metals or metal oxides or hydroxides, not provided for in group B01J21/00
    • B01J23/007—Mixed salts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J35/00—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties
    • B01J35/20—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state
    • B01J35/27—Catalysts, in general, characterised by their form or physical properties characterised by their non-solid state in a liquid or molten state
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J37/00—Processes, in general, for preparing catalysts; Processes, in general, for activation of catalysts
    • B01J37/16—Reducing
    • B01J37/18—Reducing with gases containing free hydrogen
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J4/00—Feed or outlet devices; Feed or outlet control devices
    • B01J4/001—Feed or outlet devices as such, e.g. feeding tubes
    • B01J4/004—Sparger-type elements
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J6/00—Heat treatments such as Calcining; Fusing ; Pyrolysis
    • B01J6/008—Pyrolysis reactions
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J7/00—Apparatus for generating gases
    • B01J7/02—Apparatus for generating gases by wet methods
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/1836—Heating and cooling the reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/1845—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles with particles moving upwards while fluidised
    • B01J8/1863—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles with particles moving upwards while fluidised followed by a downward movement outside the reactor and subsequently re-entering it
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B3/00—Hydrogen; Gaseous mixtures containing hydrogen; Separation of hydrogen from mixtures containing it; Purification of hydrogen
    • C01B3/02—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen
    • C01B3/22—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds
    • C01B3/24—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons
    • C01B3/26—Production of hydrogen or of gaseous mixtures containing a substantial proportion of hydrogen by decomposition of gaseous or liquid organic compounds of hydrocarbons using catalysts
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2204/00—Aspects relating to feed or outlet devices; Regulating devices for feed or outlet devices
    • B01J2204/007—Aspects relating to the heat-exchange of the feed or outlet devices
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00017—Controlling the temperature
    • B01J2208/00026—Controlling or regulating the heat exchange system
    • B01J2208/00035—Controlling or regulating the heat exchange system involving measured parameters
    • B01J2208/00044—Temperature measurement
    • B01J2208/00053—Temperature measurement of the heat exchange medium
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2219/00—Chemical, physical or physico-chemical processes in general; Their relevant apparatus
    • B01J2219/00049—Controlling or regulating processes
    • B01J2219/00051—Controlling the temperature
    • B01J2219/00121—Controlling the temperature by direct heating or cooling
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/02—Processes for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0266—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step
    • C01B2203/0277—Processes for making hydrogen or synthesis gas containing a decomposition step containing a catalytic decomposition step
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2203/00—Integrated processes for the production of hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/08—Methods of heating or cooling
    • C01B2203/0805—Methods of heating the process for making hydrogen or synthesis gas
    • C01B2203/0833—Heating by indirect heat exchange with hot fluids, other than combustion gases, product gases or non-combustive exothermic reaction product gases
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/30—Hydrogen technology

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Physical Or Chemical Processes And Apparatus (AREA)
  • Devices And Processes Conducted In The Presence Of Fluids And Solid Particles (AREA)
  • Hydrogen, Water And Hydrids (AREA)
  • Production Of Liquid Hydrocarbon Mixture For Refining Petroleum (AREA)
  • Processing Of Solid Wastes (AREA)

Abstract

용융 매체 반응기를 위한 직접 접촉 열 교환기는 용기에 배치되는 복수의 트레이 또는 스테이지, 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 용융 매체를 통과시키도록 구성되는 용융 매체 유로, 및 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 배치되는 가스 경로를 포함할 수 있다. 가스 경로는 복수의 트레이 또는 스테이지 상의 용융 매체와 기상 유체를 직접 접촉시키도록 구성된다.

Description

열교환기가 통합된 열분해 반응기
관련 출원에 대한 교차 참조
본 출원은 2021년 1월 12일자로 출원되고, 발명의 명칭이 "Pyrolysis Reactor with Integrated Heat Exchange"인 미국 가특허 출원 번호 제63/136,316호에 대한 우선권을 주장하며, 이는 참조에 의해 전체적으로 본원에 통합된다.
연방 정부가 지원하는 연구 또는 개발에 관한 성명
본 출원은 에너지부에 의해 수여되는 허가 번호 DE-AR0001194 하에서 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에 대한 특정 권한을 갖는다.
요약
일부 실시예에서, 용융 매체 반응기(molten media reactor)를 위한 직접 접촉 열 교환기는 용기에 배치되는 복수의 트레이 또는 스테이지, 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 용융 매체를 통과시키도록 구성되는 용융 매체 유로(flow path), 및 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 배치되는 가스 경로를 포함한다. 가스 경로는 복수의 트레이 또는 스테이지 상의 용융 매체와 기상(gas phase) 유체를 직접 접촉시키도록 구성된다.
일부 실시예에서, 용융 매체 반응기에서 열을 교환하는 방법은 반응기 용기의 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 용융 매체를 통과시키는 단계, 복수의 트레이 또는 스테이지를 통한 가스 경로를 통해 기상 유체를 통과시키는 단계, 및 반응기 용기 내의 기상 유체와 용융 매체를 접촉시키는 단계를 포함한다. 기상 유체는 복수의 트레이 또는 스테이지 상의 용융 매체와 직접 접촉한다.
일부 실시예에서, 용융 매체 반응기는 반응기 용기, 반응기 용기의 상부 부분에 배치되는 제1 직접 접촉 열 교환, 반응기 용기의 하부 부분에 배치되는 제2 직접 접촉 열 교환기, 및 제1 직접 접촉 열 교환기와 제2 직접 접촉 열 교환기 사이에 위치되는 반응 구역을 포함한다.
일부 실시예에서, 방법은 반응기 용기의 상부 부분으로 용융 매체를 통과시키는 단계, 반응기 용기의 하부 부분으로 공급 가스(feed gas)를 통과시키는 단계, 반응기 용기의 중앙 부분의 공급 가스를 열분해하여 반응 생성물을 형성하는 단계, 용융 매체와 반응 생성물 사이의 직접 접촉 열 교환을 사용하여 반응기 용기의 상부 부분의 용융 매체를 가열하는 단계, 용융 매체와 공급 가스 사이의 직접 접촉 열 교환을 사용하여 반응기 용기의 하부 부분의 용융 매체를 냉각하는 단계, 및 반응기 용기의 하부 부분에서 용융 매체를 냉각한 후 반응기 용기 밖으로 용용 매체를 통과시키는 단계를 포함한다.
이러한 및 다른 특징은 첨부 도면 및 청구범위와 함께 취해지는 다음의 상세한 설명으로부터 더욱 명확하게 이해될 것이다.
화학적 공급원료의 생성물로의 변형(transformation)은 제어된 내부 조건을 갖는 반응기에 의존한다. 강한 탄소-수소 결합을 갖는 메탄을 함유하는 천연 가스와 같은 탄화수소 공급원료의 전환(Conversion)은 특히 도전적이고 전형적으로 촉매를 함유하고/하거나 고온을 사용하는 반응기를 이용한다. 화학 반응 공학의 주요 한계는 반응기 설계의 한계로 인해 고압에서 효율적으로 초고온 반응을 수행하는 것이 불가능하다는 것이다. 가역 반응의 경우, 평형 제한(equilibrium limitation)은 또한 초고온을 바람직하게 만들 수 있지만 반응기 재료 고려사항에 의해 제한된다. 이것은 부식성 환경에서 특히 사실이다. 대략 1000℃ 이상에서, 안전한 압력 용기의 구성을 위해 사용될 수 있는 적당한 비용의 재료가 없다.
초고온에서 유리할 수 있는 중요한 반응의 한 예는 천연 가스 열분해이다. 탄화수소 반응물의 열분해에서 분자는 탈수소화되고, 균열되고 더 가벼운 탄화수소, 올레핀, 방향족, 및/또는 고체 탄소로 분해된다. 일반적으로 고압에서 동작하는 것이 비용 효율적이고 평형 제한은 초고온의 사용에 유리하다. 촉매는 반응 속도를 촉진하고 선택성을 향상시키기 위해 또한 사용될 수 있다. 반응 구역에서 급속 가열에 의한 메탄 열분해가 조사되어 왔다.
본 개시의 보다 완전한 이해를 위해, 참조는 이제 첨부 도면 및 상세한 설명과 함께 취해지는 다음의 간단한 설명에 대해 이루어진다:
도 1은 용융 매체 반응기의 실시예의 개략도이다.
도 2는 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 직접 접촉 열 교환기의 개략도이다.
도 3은 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 다른 직접 접촉 열 교환기의 개략도이다.
도 4는 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 더 다른 직접 접촉 열 교환기의 개략도이다.
도 5는 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 또 다른 직접 접촉 열 교환기의 개략도이다.
도 6은 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 다른 직접 접촉 열 교환기의 개략도이다.
도 7은 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 더 다른 직접 접촉 열 교환기의 개략도이다.
도 8a 및 도 8b는 용융 매체 반응기의 실시예의 개략도이다.
도 9는 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 히터의 개략도이다.
도 10은 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 다른 히터의 개략도이다.
도 11은 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 더 다른 히터의 개략도이다.
도 12는 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 또 다른 히터의 개략도이다.
도 13a 및 도 13b는 용융 매체 반응기의 실시예와 함께 사용하기 위한 재순환 라인의 개략도이다.
도 14a 및 도 14b는 용융 매체 반응기에 대한 열 전달 및 반응 모델을 예시한다.
도 15a는 용융 매체 반응기에 대한 더 다른 열 전달 및 반응 모델을 예시한다.
도 15b는 열 전달 모델에 기초한 온도 프로파일을 예시한다.
도 16은 열 전달 모델에 기초한 다수의 온도 프로파일을 예시한다.
도 17은 용융 매체 반응기 모델에 대한 민감도 분석의 결과를 예시한다.
본 개시는 반응기로부터 탄소를 제거하기 위해 반응기의 용융 매체를 사용하여 천연 가스로부터의 화학물질 및 고체 탄소의 제조에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 개시는 통합된 열 교환을 갖는 용융 매체 반응기 설계에 관한 것이다.
현재, 산업용 수소는 주로 증기 메탄 개질(steam methane reforming; SMR) 프로세스를 사용하여 생산되고, 반응기로부터 배출되는 생성물은 원하는 수소 생성물 뿐만 아니라 가스 탄소산화물(CO/CO2) 및 미전환 메탄을 포함하는 다른 가스 종을 함유한다. 운송 및 저장을 위한 수소의 분리 및 개질기로 다시 재순환을 위한 메탄의 분리는 압력 스윙 흡착(pressure swing adsorption; PSA) 유닛에서 수행되며, 이는 비용이 많이 들고 에너지-집약적인 분리이다. 일반적으로 탄소 산화물은 환경으로 배출된다. 이러한 분리 프로세스는 반응 후 독립 유닛으로서 존재한다. 전반적으로 프로세스는 상당한 이산화탄소를 생성한다. 천연 가스는 또한 공기 중의 산소와의 연소에 의해 전력을 생산하기 위해 널리 사용되며, 다시 상당한 양의 이산화탄소를 생성한다.
메탄 열분해는 수소 및 고체 탄소를 생성하는 수단으로서 사용될 수 있다. 인 반응은 산업 생산을 위해 필요한 대략 5-40 bar의 압력 및 1,000℃ 아래의 온도에서 메탄 전환이 상대적으로 낮도록 평형(equilibrium)에 의해 제한된다.
본원에 설명되는 시스템 및 방법은 쉽게 취급되고 수소를 포함하는 기상 부산물 뿐만 아니라 대기 중에 이산화탄소를 형성하는 것으로부터 방지될 수 있는 천연 가스 또는 다른 분자 또는 주로 수소 및 탄소 원자를 함유하는 분자 혼합물의 고체 탄소 생성물로의 변형에 기초한다. 이러한 경우의 전체 프로세스는 열분해, 로서 지칭될 수 있다.
많은 실시예에 따른 본 시스템 및 방법은 용융 매체를 함유하는 환경의 사용을 통해 탄소 및 수소를 함유하는 가스를 수소 및 고체 탄소를 포함하는 화학물질로 변형시키는 이전의 시도를 상당히 개선하는 방법을 보여주며, 그것에 의해 고체 탄소는 이전에 공지된 것 보다 훨씬 더 낮은 비용으로 그리고 실제로 더 용이한 방식으로 기상 및/또는 용융 매체에 의해 운반되는 반응기로부터 제거될 수 있다.
본원에 논의된 바와 같이, 반응기는 반응기 동작을 개선하기 위해 통합된 열 교환을 포함할 수 있다. 용융 매체 반응기는 약 1000℃와 약 1300℃ 사이의 온도에서 동작할 수 있다. 반응기 내에 열을 유지하기 위해, 공급 가스는 열 교환기에서 예열될 수 있다. 탄화수소 공급 가스는 대략 600℃에서 열분해하기 시작할 수 있어서, 전통적인 간접 열 교환기 설계에서 이러한 한계를 초과하는 예열을 어렵게 만든다. 예를 들어, 열 교환기 표면은 코크스를 형성하고 반응기 유동 경로(flow pathway)를 플러깅하는 것을 시작할 수 있다. 이러한 유형의 파울링(fouling)을 제한하기 위해, 예열은 열분해 온도 미만으로 제한될 수 있다. 이러한 온도에서 공급 가스를 반응기 섹션에 도입하는 것은 용융 매체의 냉각을 야기할 수 있어서, 적절한 반응 온도를 유지하는 것을 어렵게 만들고 고온 반응기 가열의 열 부담을 증가시킨다.
공급물(feed)이 반응 구역에 도달하기 전에 공급물을 예열하기 위해 공급물과 용융 매체 사이에서 열을 교환하는 데 유용한 직접 접촉 열 교환을 사용하는 반응기 구성이 본원에 개시된다. 열 교환 개념은 또한 반응 구역을 떠나는 생성물과 반응 구역으로 통과하는 용용 매체 사이에서 열을 교환하기 위해 사용될 수 있다. 이것은 반응기 내의 반응 구역으로부터 열을 유지할 수 있다. 생성물과 유입되는(incoming) 용융 매체 사이의 열 교환을 복잡하게 하는 것은 생성물 스트림에서 고체 탄소의 존재이다. 고체 탄소는 가스 흐름에서 및/또는 용융 매체 내에 비말 동반되는 고체 입자로서 존재할 수 있다. 이들 입자는 열 교환 표면 상에 응집하고 잠재적으로 임의의 가스 흐름을 차단하거나 막을 수 있다. 본원에 개시되는 구성은 이러한 유형의 잠재적인 파울링을 고려하고 반응기 내의 탄소 축적 없이 효과적인 열 교환을 허용할 수 있다.
또한, 반응 구역 내의 용용 매체에 대한 가열 방법이 본원에 개시된다. 열은 반응기 용기 외부 및/또는 반응기 용기 내에 적용될 수 있다. 열 구성은 또한 일부 양태에서 병류(co-current) 용융 매체/반응물 유동(flow)을 허용할 수 있다. 이것은 열 교환기를 통해 액체 유동을 구동시키는 것을 도울 수 있다.
열분해 반응기의 개념적 흐름도가 도 1에 개략적으로 도시된다. 도시된 바와 같이, 반응기 용기(101)는 반응기 용기(101) 내에 다수의 구역(zone) 또는 영역(area)을 포함할 수 있다. 중앙 반응 구역(102)은 반응기 용기(101)의 중앙에 또는 근처에(예를 들어, 수직 방향으로 반응기 용기(101)의 중앙 1/2 내에) 존재할 수 있다. 하부 공급물 예열 구역(104)은 반응 구역(102) 아래에 위치될 수 있고, 상부 생성물 교환 구역(106)은 반응 구역(102) 위에 위치될 수 있다. 반응기 내에서, 반응 가스(reactant gas)를 포함하는 공급물은 유입구(108)를 통해 진입할 수 있다. 스파저(sparger) 또는 다른 분배기(distributor)는 공급 가스를 반응기 용기(101)로 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 용융 매체와 접촉하는 버블 또는 가스 스트림의 형태일 수 있다. 공급 가스는 용융 매체에 역류로 공급물 예열 구역(104)을 통과할 수 있으며, 이는 용융 매체 유출구(114)를 통해 반응기 용기(101) 밖으로 통과할 수 있다. 공급물 예열 구역(104) 내에서, 공급물은 반응 구역(102)을 떠나는 용융 매체와 열을 교환하여 공급 가스를 예열할 수 있다. 일부 양태에서, 공급물은 반응기 용기(101) 외부에서 예열될 수 있고 약 200℃와 약 600℃ 사이의 온도에서 반응기 용기(101)에 진입할 수 있다. 공급물 예열 구역(104) 내에서, 공급 가스는 반응 구역(102)에 진입하기 전에 반응 온도로 가열될 수 있다.
반응 구역(102) 내에서, 공급 가스는 용융 매체와 접촉하여 탄화수소를 포함할 수 있는 반응물(reactant)의 적어도 일부를 고체 탄소 및 기상 생성물로 전환시킬 수 있다. 일부 양태에서, 기상 생성물은 수소를 포함할 수 있다. 그 다음, 생성물 및 임의의 미반응 공급 가스(예를 들어, 가스 생성물)는 생성물 교환 구역(106)으로 위쪽으로 통과할 수 있으며, 여기서 가스 생성물은 용융 매체의 유입되는(incoming) 재순환 스트림과의 직접 접촉을 통해 열 교환을 겪을 수 있다. 가스 생성물은 용융 매체 유입구(112)를 통해 진입하는 용융 매체와의 열 교환에 기초하여 유출구(110)을 통해 반응기 용기(101)를 떠나기 전에 반응 온도로부터 약 800℃ 미만으로 냉각될 수 있다. 반대로, 용융 매체는 반응 구역(102)에 진입하기 전에 가스 생성물과의 교환에 기초하여 가열될 수 있다.
반응 구역 내에서 용융 매체 온도를 유지하기 위해, 다양한 열 교환기 옵션이 이용가능하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 열 교환기(150)는 생성물 교환 구역(106) 및/또는 반응 구역(102)의 상부 부분으로부터 용융 매체의 일 부분을 수용하고, 용융 매체를 가열하고, 용융 매체를 반응 구역(102)의 하부 부분 및/또는 공급물 예열 구역(104)의 상부 부분으로 반환하기 위해 사용될 수 있다. 이러한 구성은 공급 가스 및 용융 매체가 반응 구역(102) 내에서 병류(co-current flow)를 갖는 것을 허용할 수 있는 반면, 공급물 예열 구역(104) 및 생성물 교환 구역(106)에서의 기상 및 용융 매체 상(phase)은 역류(counter-current flow)를 가질 수 있다.
반응물 가스(reactant gas)는 메탄, 에탄, 프로판 등과 같은 탄화수소 및/또는 천연 가스와 같은 혼합물을 함유하는 임의의 가스를 포함할 수 있다. 일부 실시예에서, 메탄에 대한 공통 소스는 천연 가스이며 이는 또한 반응기 용기(101)로 공급될 수 있는 연관된 탄화수소, 에탄 및 다른 알칸 및 불순물 가스를 함유할 수 있다. 천연 가스는 또한 시스템에서 사용되기 전에 가당화되고/되거나 탈수화될 수 있다. 탄화수소(들)의 다른 소스는 바이오가스, 재생가능 천연 가스, 생물학적 소스(예를 들어, 소화조 등)로부터의 메탄 등을 포함할 수 있다. 본원에 개시되는 방법 및 장치는 메탄과 같은 탄화수소를 탄소 및 수소로 전환시킬 수 있고, 또한 연관된 고급 탄화수소(higher hydrocarbon)의 일부 분획(fraction)을 탄소 및 수소로 동시에 전환시키는 역할을 할 수 있다.
천연 가스가 본원의 일부 양태에서 설명되지만, 공급물은 또한 다른 탄화수소 가스를 포함할 수 있다. 예를 들어, 알켄 및 알킨을 포함하는 방향족 및/또는 지방족 화합물을 포함하는 고분자량 탄화수소는 또한 탄화수소 공급물의 소스에 따라 존재할 수 있다. 예시적인 추가 성분(component)은 에탄, 에틸렌, 아세틸렌, 프로판, 부탄, 부타디엔, 벤젠 등을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 다른 성분이 메탄과 함께 존재할 때, 성분은 범위가 0.1 vol.%에서 약 20 vol.%까지, 또는 약 0.5 vol.%에서 약 5 vol.%까지 이르는 부피 퍼센트(volume percentage)로 존재할 수 있다. 다른 탄화수소에 더하여, 수소 및 탄소 이외의 원소를 갖는 다른 성분이 존재할 수 있다. 예를 들어, 소량의 질소, 산소, 황, 인, 및 다른 성분과 같은 원소가 소량으로 존재할 수 있고, 공급물과 관련하여 용어 탄화수소의 사용은 반드시 다른 헤테로원자를 배제하고 순수한 탄화수소를 필요로 하는 것은 아니다.
본원에 설명되는 바와 같이, 열분해 반응기는 용융 매체(molten media)를 포함할 수 있다. 용융 매체는 하나 이상의 용융 금속 및/또는 하나 이상의 용융 염을 포함할 수 있다. 일부 양태에서, 용융 매체는 반응을 보조하기 위해 용융 매체 내에 하나 이상의 고체를 포함할 수 있다.
일부 양태에서, 용융 매체는 용융 금속, 용융 금속의 조합, 및/또는 용융 금속의 합금 또는 에멀젼을 포함할 수 있다. 탄화수소 열분해를 수행하기 위한 용융 물질의 조성은 Ni, Fe, Mn, 및/또는 Al의 합금을 포함하지만 이에 제한되지 않는 탄소에 대해 높은 용해도(solubility)를 갖는 금속을 포함할 수 있다. 탄화수소 열분해를 수행하기 위한 용융 물질의 조성은 Cu, Sn, Ag, Ga, Bi, Au, Pb의 합금을 포함하지만 이에 제한되지 않는 탄소에 대한 제한된 용해도를 갖는 금속을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 용융 매체는 원하는 반응에 대해 더 높은 고유 활성을 갖지만, 합금을 형성하기 위해 반응의 원하는 동작 온도 위의 융점을 갖는 금속과 조합되는 원하는 반응에 대해 상대적으로 낮은 활성을 갖는 저-융점 금속을 포함할 수 있다. 합금은 또한 하나 이상의 추가 금속을 포함할 수 있으며, 이는 추가로 활성을 개선하고/하거나 융점을 낮추고/낮추거나, 그렇지 않으면 촉매 합금 또는 촉매 프로세스의 성능을 개선할 수 있다. 촉매 합금의 융점은 반응 온도 이상일 수 있고, 액체는 과포화된 용융물로서 동작하거나 하나 이상의 성분이 침전된다는 점이 이해되고 본 개시의 범위 내에 있다. 하나 이상의 반응물, 생성물, 또는 중간체(intermediate)는 용해되거나 그렇지 않으면 용융물로 혼입되고 따라서 순수 금속성이 아닌 촉매 합금을 생성한다는 점이 또한 이해되고 본 개시의 범위 내에 있다. 그러한 합금은 본원에서 용융 금속, 용융 매체, 또는 액상 금속으로서 여전히 지칭된다.
일부 실시예에서, 용융 금속을 포함하는 용융 매체는 니켈, 비스무스, 구리, 백금, 인듐, 납, 갈륨, 철, 팔라듐, 주석, 코발트, 텔루륨, 루테늄, 안티몬, 갈륨, 알루미늄, 이들의 산화물, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 예를 들어, 탄화수소 열분해를 위한 활성(activity)을 갖는 금속의 조합은 다음을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다: 니켈-비스무스, 구리-비스무스, 백금-비스무스, 니켈-인듐, 구리-인듐, 구리-납, 니켈-갈륨, 구리-갈륨, 철-갈륨, 팔라듐-갈륨, 백금-주석, 코발트-주석, 비스무스-주석, 니켈-텔루륨, 및/또는 구리-텔루륨.
일부 실시예에서, 용융 금속의 성분은 5 mol.% 내지 95 mol.%, 또는 10 mol.% 내지 90 mol.%, 또는 15 mol.% 내지 85 mol.%의 제1 성분을 포함할 수 있으며, 나머지(balance)는 적어도 하나의 추가 금속이다. 일부 실시예에서, 적어도 하나의 금속은 선택된 온도 범위 내에서 원하는 상 특성을 제공하도록 선택될 수 있다. 예를 들어, 적어도 하나의 성분은 혼합물이 반응 온도에서 액체 상태인 것을 보장하기 위해 적절한 퍼센트(percentage)로 선택될 수 있다. 또한, 각각의 금속의 양은 균일한 용융 금속 혼합물, 에멀젼 등등과 같이 원하는 바와 같은 상 특성(phase characteristics)을 제공하도록 구성될 수 있다.
일부 실시예에서, 용융 매체는 용융 염일 수 있거나 이를 포함할 수 있다. 용융 염(들)은 용융 상(phase)에서 탄소 및/또는 고체 탄소 입자에 대해 높은 용해도를 갖는 임의의 염을 포함하거나, 고체 탄소 현탁을 용이하게 하여 그들을 탄화수소 탈수소화 프로세스의 반응-분리(reactive-separation)에 대해 적합한 매체로 만드는 속성을 가질 수 있다. 버블 내의 기상 반응으로부터 멀리 용융 염의 고체 탄소 또는 탄소 원자의 수송(transport)은, 대부분의 열적 탄화수소 프로세스가 고체 탄소 형성을 가짐에 따라, 반응물 전환율(reactant conversion)을 증가시키는 데 효과적일 수 있다. 용융 염의 고체 탄소의 친화되는 염에 대해 특이적이고 크게 달라질 수 있다.
염의 선택은 또한 염의 밀도에 따라 달라질 수 있다. 용융 염(들)의 선택은 결과(resulting) 용융 염 혼합물의 밀도에 영향을 미칠 수 있다. 밀도는 고체 탄소보다 덜 조밀하거나 더 조밀한 것에 의해 고체 탄소가 분리되는 것을 허용하도록 선택될 수 있으며, 그것에 의해 고체 탄소가 반응기의 하단 또는 상단 각각에서 분리되는 것을 허용한다. 본원에 설명되는 바와 같은 일부 실시예에서, 반응기에 형성되는 탄소는 용융 염과 함께 슬러리를 형성하기 위해 사용될 수 있다. 이들 실시예에서, 염(들)은 고체 탄소가 용융 염(들)에서 중립 부력(neutrally buoyant) 또는 거의 중립 부력인 것을 허용하도록 선택될 수 있다.
염은 용융 염 또는 용융 염 혼합물이 반응기 내에 형성되는 것을 허용하기 위해 적합한 융점을 갖는 임의의 염일 수 있다. 일부 실시예에서, 염 혼합물은 하나 이상의 산화된 원자 (M)+m 및 대응하는 환원된 원자 (X)-1을 포함하며, 여기서 M은 K, Na, Mg, Ca, Mn, Zn, La, 또는 Li 중 적어도 하나이고, 여기서 X는 F, Cl, Br, I, OH, SO3, 또는 NO3 중 적어도 하나이다. 예시적 염은 NaCl, NaBr, KCl, KBr, LiCl, AlCl3, LiBr, CaCl2, MgCl2, CaBr2, MgBr2, 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
2개 이상의 염의 조합이 사용될 때, 개별 조성은 밀도, 다른 성분과의 상호작용, 탄소의 용해도, 탄소를 제거 또는 운반하는 능력 등에 기초하여 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 공융 혼합물(eutectic mixture)이 용융 염 혼합물에서 사용될 수 있다. 예를 들어, KCl(44 중량%) 및 MgCl2(56 중량%)의 공융 혼합물은 용융 염에서 염 혼합물로서 사용될 수 있다. 다른 염의 다른 공융 혼합물이 또한 본원에 개시되는 시스템 및 방법과 함께 사용하기에 적합하다.
용융 염 혼합물의 염의 선택은 탄소의 결과 구조에 영향을 미칠 수 있다. 예를 들어, 탄소 모폴로지(morphology)는 반응 조건 및 용융 염 조성의 선택을 통해 제어될 수 있다. 생성된 탄소는 카본 블랙, 그래핀, 흑연, 탄소 나노튜브, 탄소 섬유 등등을 포함할 수 있다. 예를 들어, 염의 일부 혼합물(예를 들어, MnCl2/KCl)의 사용은 고도의 결정성 탄소를 생성할 수 있는 반면, 단일 염의 사용은 더 낮은 결정성을 갖는 탄소를 생성할 수 있다.
일부 실시예에서, 염 자체는 첨가된 촉매(예를 들어, 고체 또는 용융 금속 등) 없이 촉매 활성을 갖도록 설계될 수 있다. 다른 실시예에서, KCl, NaCl, KBr, NaBr, CaCl2, MgCl2의 혼합물을 포함하는 호스트 염과 함께 사용될 때 MnCl2, ZnCl2, AlCl3와 같지만 이에 제한되지 않는 알칼리 금속이 없는 염은 용융물 내에 탄소를 생성하는 알칸을 탈수소화하는 반응성 환경을 제공할 수 있다. 일부 실시예에서, 불소-기반 염(예를 들어, 불화물)은 천연 가스와 같은 본원에 설명되는 공급 가스 성분 중 임의의 것의 열분해에서 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, MgCl2, MgBr2, 및/또는 MgF2와 같은 마그네슘-기반 염은 메탄 열분해를 포함하는 탄화수소 열분해에 대해 사용될 수 있다. 마그네슘-기반 염은 염 및 탄소의 상대적으로 단순한 분리로 높은 전환율(conversion)을 허용할 수 있다.
일부 실시예에서, 용융 매체는 고체상(solid phase)을 포함할 수 있으며, 이는 탄화수소 열분해 반응에 대해 촉매일 수 있다. 본원에 설명되는 임의의 용융 매체 조성물(예를 들어, 용융 금속(들)/용융 염(들) 등) 내에서, 용융 매체의 일 부분은 용융될 수 있고, 하나 이상의 추가 성분 또는 원소는 다상(multiphase) 조성물을 생성하기 위해 고체로서 존재할 수 있다. 예를 들어, 제1 성분은 액상 금속 및/또는 염일 수 있고 제2 성분은 고체상일 수 있으며, 2개의 성분은 슬러리를 형성하거나 고체는 그 주위에 용융 매체가 유동하는 구조에 고정될 수 있다(또는 구조를 형성할 수 있음). 고체는 자체가 염, 금속, 비-금속, 또는 염, 금속, 또는 비-금속을 포함하는 다수의 고체 성분의 조합일 수 있다.
일부 실시예에서, 용융 매체 내의 다상 조성물은 하나 이상의 용융 염, 용융 금속, 금속 합금, 및 수소에 대해 높은 용해도 및 탄화수소에 대해 낮은 용해도를 갖는 용융 금속 혼합물을 포함할 수 있어서, 그들을 탄화수소 열분해와 같은 탄화수소 탈수소화 프로세스의 반응성-분리에 대해 적합한 매체로 만든다. 용융 매체는 다른 용융 염 또는 금속 상 내에서 에멀젼 또는 분산액을 형성할 수 있고/있거나 다른 고체 성분은 고체 지지체(예를 들어, Al2O3) 상에 있을 수 있다. 용융 금속에서의 고체 탄소 또는 탄소 원자의 이송(transport)은, 대부분의 열적 탄화수소 프로세스가 고체 탄소 형성을 가짐에 따라, 반응물 전환율의 효과적인 증가에서 수소와 유사한 역할을 할 수도 있다. 용융 금속에서의 고체 탄소의 용해도는 금속에 특이적이고 크게 달라질 수 있다.
일부 실시예에서, 고체 금속, 금속 산화물, 금속 탄화물, 및 일부 실시예에서, 고체 탄소와 같은 고체 성분은 또한 촉매 성분으로서 용융 염 내에 존재할 수 있다. 예를 들어, 고체 성분은 용융 용액 내에 존재할 수 있고 금속(예를 들어, Ni, Fe, Co, Cu, Pt, Ru 등), 금속 탄화물(예를 들어, MoC, WC, SiC 등), 금속 산화물(예를 들어, MgO, CaO, Al2O3, CeO2 등), 금속 할로겐화물(예를 들어, MgF2, CaF2 등), 고체 탄소, 및 이들의 임의의 조합을 포함하는 고체를 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다. 고체 성분은 슬러리로서 존재하는 입자로서 또는 반응기 내의 고정된 성분으로서 존재할 수 있다. 입자는 다양한 크기를 가질 수 있고, 일부 실시예에서, 입자는 나노 및/또는 마이크로 스케일 입자로서 존재할 수 있다. 적합한 입자는 마그네슘, 철, 알루미늄, 니켈, 코발트, 구리, 백금, 루테늄, 세륨의 원소, 이들의 조합, 및/또는 이들의 산화물을 포함할 수 있다.
일부 실시예에서, 고체 성분은 인-시츄(in-situ) 생성될 수 있다. 일부 실시예에서, 전이 금속 고체는 용융 염(들) 내에 인-시츄 생성될 수 있다. 이러한 프로세스에서, 전이 금속 전구체는 용융 염에 용해되는 전이 금속 할로겐화물(예를 들어, CoCl2, FeCl2, FeCl3, NiCl2, CoBr2, FeBr2, FeBr3, 또는 NiBr2)과 같이 균일하게, 또는 용융 염에 현탁되는 전이 금속 산화물 고체 입자(예를 들어, CoO, Co3O4, FeO, Fe2O3, Fe3O4, NiO)와 같이 불균일하게 용융 염 내에서 분산될 수 있다. 그 다음, 수소는 혼합물을 통해 통과되고 촉매 전구체는 수소에 의해 환원될 수 있다. 전이 금속 고체는 생성되고 용융 염(들)에 분산되어 메탄 분해 반응을 위한 반응 매체를 형성할 수 있다.
일부 실시예에서, 다상 조성물은 고체 촉매 성분을 포함할 수 있다. 촉매 고체 금속은 니켈, 철, 코발트, 구리, 백금, 루테늄, 또는 이들의 임의의 조합을 포함할 수 있다. 고체 금속은 알루미나, 지르코니아, 실리카, 또는 이들의 임의의 조합과 같은 지지체(support) 상에 있을 수 있다. 탄화수소 열분해를 위한 고체 촉매는 탄화수소를 탄소 및 수소로 변환시키고 그 뒤에 액체 용융 금속 및/또는 용융 염과 접촉되어 촉매 표면으로부터 탄소를 제거하고 촉매 활성을 재생할 것이다. 액체의 바람직한 실시예는 다음의 용융 금속을 포함하지만 이에 제한되지 않는다: 니켈-비스무스, 구리-비스무스, 백금-비스무스, 니켈-인듐, 구리-인듐, 구리-납, 니켈-갈륨, 구리-갈륨, 철-갈륨, 팔라듐-갈륨, 백금-주석, 코발트-주석, 비스무스-주석, 니켈-텔루륨, 및/또는 구리-텔루륨. 용융 염은 NaCl, NaBr, KCl, KBr, LiCl, AlCl3, LiBr, CaCl2, MgCl2, CaBr2, MgBr2, 및 이들의 조합을 포함할 수 있지만 이에 제한되지 않는다.
반응기 용기(101)는 일반적으로 반응 온도에서 반응 압력을 유지하도록 구성되는 임의의 용기를 포함할 수 있다. 반응기 용기(101)는 반응 용기(101) 쉘을 보호하기 위해 내화물로 라이닝될 수 있다. 반응 구역(102)과의 열분해 반응은 열분해가 발생하는 임의의 적합한 조건 하에서 발생할 수 있다. 일부 실시예에서, 온도는 용융 매체의 하나 이상의 성분이 혼합물의 융점(melting point) 위에 있으면서 비등점(boiling point) 아래에 있도록 용융된 상태로 용융 매체를 유지하도록 선택될 수 있다. 일부 실시예에서, 반응기는 약 400℃ 초과, 약 500℃ 초과, 약 600℃ 초과, 또는 약 700℃ 초과의 온도에서 동작될 수 있다. 일부 실시예에서, 반응기는 약 1,500℃ 미만, 약 1,400℃ 미만, 약 1,300℃ 미만, 약 1,200℃ 미만, 약 1,100℃ 미만, 또는 약 1,000℃ 미만의 온도에서 동작될 수 있다.
반응기는 임의의 적합한 압력에서 동작할 수 있다. 반응기는 약 0.5 atm 내지 약 25 atm, 또는 약 1 atm 내지 약 15 atm과 같은 대기압에서 또는 그 근처에서 동작할 수 있다. 더 높은 압력은 반응기 구성, 동작 조건, 및 유동 방식(flow scheme)의 적절한 선택으로 가능하며, 여기서 압력은 반응기 내에 기상을 유지하도록 선택될 수 있다. 고압 실시예에서, 공급물 스트림은 0.1 bar 내지 100 bar, 및 대안적으로 1 bar 내지 30 bar의 압력에서 반응기 용기(101)로 도입될 수 있다.
도 1에서 설명되는 바와 같이, 직접 접촉 열 교환기는 반응 구역(102)을 떠나는 용융 매체로부터 공급물 예열 구역(104)으로 열을 전달하고/하거나 반응 구역(102)을 떠나는 가스 생성물로부터 생성물 교환 구역(106)의 용융 매체로 열을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 다수의 직접 접촉 열 교환 실시예가 가능하다. 본원에 개시되는 직접 접촉 열 교환기 내에서, 기상과 액체 및/또는 슬러리 사이의 2-상 직접 접촉이 발생할 수 있다. 일반적으로, 이들 실시예에서의 기상의 유량(flowrate)은 액체 또는 용융 상(phase) 유량과 독립적으로 선택될 수 있다. 예를 들어, 액상(liquid phase) 유량은 기상과 독립적으로 설정되어 동작한다. 일반적으로, 열 교환기 설계는 기상 생성물에서 비말 동반되는 임의의 고체 탄소에 의한 기상 유로(flow path)의 잠재적인 플러깅(plugging)을 회피하도록 선택될 수 있다.
도 2는 복수의 캐스케이딩 트레이(cascading tray)(205)를 포함하는 직접 접촉 열 교환기(200)의 실시예를 예시한다. 열 교환기(200)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같은 공급물 예열 구역(104) 및/또는 생성물 교환 구역(106)에서 사용될 수 있다. 게다가, 공급물 스트림, 가스 생성물, 및 용융 매체는 도 1과 관련하여 설명된 것들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 열 교환기(200)는 복수의 캐스케이딩 트레이(205)를 포함할 수 있다. 트레이(205)는 용융 매체(206)가 위어(weir) 위로 유동하고 다음 하부 트레이(205)로 통과하는 것을 허용하면서 트레이(205) 상에 용융 매체(206)를 유지하기 위한 위어 또는 댐(dam)을 포함할 수 있다. 최저 트레이(205)는 가열되는 용융 매체가 반응 구역(102)의 가열된 용융 매체(207)로 통과하는 것을 허용할 수 있다. 트레이의 수는 가스 반응물 및 생성물(201) 및 용융 매체(206) 사이의 원하는 열 교환을 제공하도록 선택될 수 있다.
가스 생성물 유로(204)는 가스 생성물이 연속적으로 다음 트레이(205)의 표면 위로 통과하기 위에 위쪽으로 통과하기 전에 하나의 트레이의 용융 매체 위로 강제로 통과하도록 트레이를 통과할 수 있다. 이것은 용융 매체(206)와 가스 생성물(201) 사이에서 열을 교환하기 위해 가스 생성물에 대해 연장된 접촉 경로(pathway)를 제공한다. 트레이(205)의 간격 및 가스 생성물(201) 유동을 위한 개방 영역은 가스 생성물 내의 임의의 탄소 입자(202)가 가스 생성물(201)로부터 분리되거나 트레이(205) 또는 다른 표면 상에서 응집되는 것을 방지하기 위해 충분한 가스 속도를 제공하도록 선택될 수 있다. 이것은 탄소 입자(202)가 가스 생성물(201)과 함께 반응기 용기(101)를 떠나는 것을 허용하면서 플러깅을 회피하는 것을 도울 수 있다.
사용 시, 도 2에 도시된 바와 같은 직접 접촉 열 교환기는 용융 매체(206)가 반응 용기(101)의 상부 섹션의 용융 매체 유입구(209)에 진입하는 것을 허용함으로써 동작할 수 있다. 반응기 용기(101)에 진입하는 용융 매체는 반응기 용기(101)의 용융 매체보다 더 차가울 수 있으며, 여기서 온도는 반응기의 공급물 예열 구역의 공급물을 예열하는 것에 기초할 수 있다. 그 다음, 냉각된 용융 매체는 펌프 또는 다른 순환 디바이스와 함께 외부 라인을 사용하여 반응기 용기(101)의 상단으로 재순환될 수 있다. 상부 섹션에 대한 언급은 반응기의 상단 또는 반응기 용기(101)의 대략 상부 1/3 내의 어딘가를 포함할 수 있다. 용융 매체(206)는 제1 트레이(205)(예를 들어, 최상부 트레이) 상으로 통과할 수 있다. 용융 매체 유량(flowrate)은 용융 매체가 최종적으로 반응 구역으로 통과하기 전에 연속적으로 복수의 트레이(205) 아래로 캐스케이딩하게 할 수 있다. 예를 들어, 용융 매체(206)는 다음 트레이에 이르기까지 위어(weir) 위를 통과하는 액적(203) 또는 스트림을 형성할 수 있다. 각각의 트레이(205) 상의 위어는 각각의 트레이(205) 상에 존재하는 용융 매체(206) 유체 레벨을 유지할 수 있다. 또한, 캐스케이딩 트레이의 사용은 각각의 트레이 상의 용융 매체(206) 위로 가스 생성물(201) 유동으로부터의 유체 이동에 의해 야기되는 임의의 역류(backflow) 또는 역혼합(back mixing)을 방지할 수 있으며, 그것에 의해 반응기 용기(101)의 상부 섹션에 걸쳐 온도 구배를 유지할 수 있다.
반응 구역(102) 내의 반응은 기상 생성물 및 탄소 입자(202)의 형태일 수 있는 고체 탄소를 함유할 수 있는 가스 생성물(201)을 생성할 수 있다. 가스 생성물(201)은 용융 매체(206)로부터 복수의 트레이(205) 사이에 생성되는 유로로 위쪽으로 통과할 수 있다. 탄소 입자(202)는 탄소 입자(202)를 비말 동반된 상태로 유지하기에 충분한 가스 속도를 유지하도록 가스 생성물 유로(204)의 설계에 기초하여 가스 생성물(201)에 비말 동반된 상태로 남아 있을 수 있다. 그 다음, 비말 동반된 탄소 입자(202)를 갖는 가스 생성물(201)은 반응기 용기(101)의 상부 섹션의 가스 생성물 유출구(210)를 통과할 수 있다. 가스 생성물의 유량은 용융 매체(206)의 체적 유량(volumetric flowrate)보다 더 높을 수 있다는 점이 예상된다. 일부 양태에서, 용융 매체(206)의 체적 유량 대 가스 생성물(201)의 그것의 비율은 약 0.001:1 내지 약 0.1:1 사이에 있을 수 있다.
가스 생성물(201)과 용융 매체 사이의 결과(resulting) 접촉은 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있어서 그들은 탄소 분리기 및 회수 유닛과 같은 다운스트림 유닛에서 처리될 수 있다. 예시적 열 교환 프로파일이 도 2에 도시된다. 일 예로서, 반응 구역(102)의 용융 매체 및 가스 생성물(201)은 약 1000℃와 약 1400℃ 사이의 온도를 가질 수 있다. 유입되는 용융 매체는 약 400℃와 약 800℃ 사이의 온도를 가질 수 있고, 반응기 용기를 떠나는 가스 생성물은 약 400℃와 약 800℃ 사이의 온도를 가질 수 있다. 열 교환 효과는 도 2의 예로서 예시되며, 이는 각각의 트레이 상의 용융 매체(206)의 대략적인 온도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 열 교환은 용융 매체(206)가 반응 구역(102)에 접근함에 따라 용융 매체(206)를 가열하는 동시에 그들이 반응 용기(101)를 떠나기 전에 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있다.
도 2는 반응 용기(101)의 상부 부분(예를 들어, 가스 생성물 교환 섹션(106))에 배치되는 복수의 캐스케이딩 트레이를 갖는 직접 접촉 열 교환기를 예시하지만, 동일한 열 교환기 개념이 또한 일부 양태에서 공급물 예열 섹션(104)에서 사용될 수 있다.
도 3은 반응기 용기(101)와 나선형(spiral) 또는 나선형(helical) 구성을 갖는 복수의 캐스케이딩 트레이(305)를 포함하는 직접 접촉 열 교환기(300)의 다른 실시예를 예시한다. 열 교환기(300)는 도 2와 관련하여 설명된 열 교환기(200)와 유사하고, 동일한 또는 유사한 구성요소는 간결성을 위해 재설명되지 않을 것이다. 열 교환기(300)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 공급물 예열 구역(104) 및/또는 생성물 교환 구역(106)에서 사용될 수 있다. 게다가, 공급물 스트림, 가스 생성물, 및 용융 매체는 도 1과 관련하여 설명된 것들 중 임의의 것을 포함할 수 있다. 예시된 바와 같이, 열 교환기(300)는 복수의 캐스케이딩 트레이(305)를 포함할 수 있다. 트레이는 결과 가스 유로가 반응 구역(102)으로부터 위쪽으로 나선형 경로로 유동하도록 나선형 경로에 배열되는 캐스케이드로 배열될 수 있다. 트레이(305)는 용융 매체(206)가 위어 위로 유동하고 다음 하부 트레이(205)로 통과하는 것을 허용하면서 트레이(305) 상에 용융 매체(206)를 유지하기 위한 위어 또는 댐을 포함할 수 있다. 최저 트레이(305)는 가열되는 용융 매체가 반응 구역(102)의 가열된 용융 매체(207)로 통과하는 것을 허용할 수 있다. 트레이의 수는 가스 생성물(201)과 용융 매체(206) 사이의 원하는 열 교환을 제공하도록 선택될 수 있다. 중심 축을 중심으로 연장되는 것으로 도시되지만, 트레이는 임의의 적합한 형상을 가질 수 있고, 중심 축을 중심으로 정렬되지 않을 수 있지만, 용융 매체(206)에 대한 나선형 경로 및 기상의 역류(counterflow)가 확립될 수 있다.
가스 생성물 유동 경로(204)는 가스 생성물이 나선형 경로를 따라 연속적으로 각각의 트레이의 용융 매체 위로 강제로 통과하도록 나선형 유로를 통과할 수 있다. 이것은 용융 매체(206)와 가스 생성물(201) 사이에서 열을 교환하기 위해 가스 생성물에 대한 연장된 접촉 경로를 제공한다. 트레이(305)의 간격 및 가스 생성물(201) 유동을 위한 개방 영역은 가스 생성물 내의 임의의 탄소 입자(202)가 트레이(205) 또는 다른 표면 상에서 응집되는 것을 방지하기 위해 충분한 가스 속도를 제공하도록 선택될 수 있다. 이것은 탄소 입자(202)가 가스 생성물(201)과 함께 반응기 용기(101)를 떠나는 것을 허용하면서 플러깅을 회피하는 것을 도울 수 있다.
사용 시, 도 3에 도시된 바와 같은 직접 접촉 열 교환기는 용융 매체(206)가 반응 용기(101)의 상부 섹션의 용융 매체 유입구(209)에 진입하는 것을 허용함으로써 동작할 수 있다. 용융 매체(206)는 제1 트레이(305)(예를 들어, 최상부 트레이) 상으로 통과할 수 있다. 용융 매체 유량은 용융 매체가 최종적으로 반응 구역으로 통과하기 전에 연속적으로 복수의 트레이(205) 아래로 캐스케이딩하게 할 수 있다. 용융 매체(206)는 복수의 트레이(305) 아래의 나선형 경로로 하나의 트레이에서 다음 트레이로 통과할 수 있고, 트레이(305)의 위어 및 구성은 유체를 다음 하부 트레이(305) 상의 원하는 위치로 지향시킬 수 있다. 예를 들어, 용융 매체(206)는 다음 트레이에 이르기까지 위어(weir) 위를 통과하는 액적 또는 스트림을 형성할 수 있다. 각각의 트레이(205) 상의 위어는 각각의 트레이(205) 상에 존재하는 용융 매체(206) 유체 레벨을 유지할 수 있다. 또한, 캐스케이딩 트레이의 사용은 각각의 트레이 상의 용융 매체(206) 위의 가스 생성물(201) 유동으로부터의 유체 이동에 의해 야기되는 임의의 역류 또는 역혼합을 방지할 수 있다. 이것은 대략적으로 동일한 온도를 갖지만 하나의 트레이에서 인접한 트레이(305)까지 상이한 온도를 갖는 각각의 트레이 상의 용융 매체(206)를 야기할 수 있다.
가스 생성물(201)은 용융 매체(206)로부터 복수의 트레이(305) 사이에 생성되는 유로로 위쪽으로 통과할 수 있다. 탄소 입자(202)는 탄소 입자(202)를 비말 동반된 상태로 유지하기에 충분한 가스 속도를 유지하도록 나선형 가스 생성물 유로(204)의 설계에 기초하여 가스 생성물(201)에 비말 동반된 상태로 남아 있을 수 있다. 그 다음, 비말 동반된 탄소 입자(202)를 갖는 가스 생성물(201)은 반응기 용기(101)의 상부 섹션의 가스 생성물 유출구(210)를 통과할 수 있다. 가스 생성물의 유량은 용융 매체(206)의 체적 유량보다 더 높을 수 있다는 점이 예상된다. 일부 양태에서, 용융 매체(206)의 체적 유량 대 가스 생성물(201)의 그것의 비율은 약 0.001:1 내지 약 0.1:1 사이에 있을 수 있다. 비율로서 표현되지만, 본 시스템 및 방법의 이점은 복수의 트레이(305)를 사용하여 기상 유량으로부터 독립적으로 용융 매체의 유량을 설정하는 능력이다.
가스 생성물(201)과 용융 매체 사이의 결과 접촉은 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있어서 그들은 탄소 분리기 및 회수 유닛과 같은 다운스트림 유닛에서 처리될 수 있다. 예시적 열 교환 프로파일이 도 3에 도시된다. 일 예로서, 반응 구역(102)의 용융 매체 및 가스 생성물(201)은 약 1000℃와 약 1400℃ 사이의 온도를 가질 수 있다. 유입되는 용융 매체는 약 400℃와 약 700℃ 사이의 온도를 가질 수 있고, 반응기 용기를 떠나는 가스 생성물은 약 400℃와 약 700℃사이의 온도를 가질 수 있다. 열 교환 효과는 도 3에 예로서 예시되며, 이는 각각의 트레이 상의 용융 매체(206)의 대략적인 온도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 열 교환은 용융 매체(206)가 반응 구역(102)에 접근함에 따라 용융 매체(206)를 가열하는 동시에 그들이 반응 용기(101)를 떠나기 전에 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있다.
도 3은 반응 용기(101)의 상부 부분(예를 들어, 가스 생성물 교환 섹션(106))에 배치되는 복수의 캐스케이딩 트레이를 갖는 직접 접촉 열 교환기를 예시하지만, 동일한 열 교환기 개념이 또한 일부 양태에서 공급물 예열 섹션(104)에서 사용될 수 있다.
도 4는 복수의 체판(sieve plate) 트레이(405)를 포함하는 직접 접촉 열 교환기(400)의 실시예를 예시한다. 열 교환기(400)는 특정 양태에서 도 2 및 도 3과 관련하여 설명된 열 교환기(200) 및 열 교환기(300)와 유사하고 동일한 또는 유사한 구성요소는 간결성을 위해 재설명되지 않을 것이다. 열 교환기(400)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 공급물 예열 구역(104) 및/또는 생성물 교환 구역(106)에서 사용될 수 있다. 게다가, 공급물 스트림, 가스 생성물, 및 용융 매체는 도 1과 관련하여 설명된 것들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
예시된 바와 같이, 열 교환기(400)는 복수의 체판 트레이(405)를 포함할 수 있다. 체판 트레이(405)는 트레이에 배치되는 복수의 구멍을 갖는 플레이트(plate)를 포함할 수 있다. 위어(weir) 구조는 체판 트레이(405) 상에 원하는 원하는 액체 레벨을 유지하기 위해 체판 트레이(405)에 대해 형성될 수 있다. 위어는 용융 매체(206)가 원하는 위치에서 위어 위로 그리고 다음 하부 트레이 상으로 통과하는 것을 허용할 수 있고/있거나, 다운코머(downcomer)는 유체가 다음 하부 트레이로 통과하는 것을 허용하기 위해 사용될 수 있다. 다운코머는 일반적으로 하나의 체판 트레이(405)에서 다음 체판 트레이까지 용융 매체(206)에 대한 유로를 제공하기 위해 충분한 직경의 파이프 또는 튜브를 포함할 수 있다. 다운코머의 상단 레벨을 트레이 상의 용융 매체 액체 레벨을 설정할 수 있고, 다운코머의 하부 부분은 다음 하부 트레이 상의 용융 매체 액체 레벨 아래에 배치될 수 있다. 이것은 다운코머를 통한 임의의 기상 유동을 방지하기 위해 액체가 다운코머에 남아 있는 것을 허용할 수 있다. 복수의 체판 트레이(405)는 상단 트레이에서 최저 체판 트레이(405)까지 용융 매체(206) 유로를 설정할 수 있으며, 그 결과 최저 체판 트레이(405)는 가열되는 용융 매체(206)가 반응 구역(102)의 가열된 용융 매체(207)로 통과하는 것을 허용할 수 있다. 체판 트레이의 수는 가스 생성물(201)과 용융 매체(206) 사이에서 원하는 열 교환을 제공하도록 선택될 수 있다.
기상 유동 경로는 각각의 체판 트레이(405)의 복수의 구멍을 통과할 수 있다. 복수의 구멍을 통과하는 기상은 각각의 체판 트레이(405) 상의 용융 매체(206) 내에 버블을 형성하고, 용융 매체를 통과하고 각각의 체판 트레이(405) 위의 기상 공간으로 다시 통과할 수 있다. 이러한 유로는 기상이 최상부 체판 트레이(405)에 도달할 때까지 반복될 수 있으며, 여기서 기상은 유출구(210)를 통해 반응기 용기(101) 밖으로 통과할 수 있다. 일련의 체판 트레이(405)를 통과하는 기상은 각각의 체판 트레이(405) 상의 버블의 형성에 기초하여 용융 매체(206)와 기상 사이에서 증가된 접촉 영역을 가질 수 있다. 이것은 용융 매체(206)와 가스 생성물(201) 사이에서 열을 교환하기 위해 기상이 용융 매체(206)와 접촉하도록 충분한 접촉 시간을 제공할 수 있다. 트레이(205) 간격, 체판 트레이(405)의 구멍 크기(들), 및 기상 유동을 위한 체판 트레이(405) 사이의 개방 영역은 가스 생성물 내의 임의의 탄소 입자(202)가 가스 생성물 스트림(210)으로부터 분리되거나 트레이(205) 또는 다른 표면 상에서 응집되는 것을 방지하기 위해 충분한 가스 속도 및 유량(flow rate)을 제공하도록 선택될 수 있다. 이것은 탄소 입자(202)가 가스 생성물(201)과 함께 반응기 용기(101)를 떠나는 것을 허용하면서 플러깅을 회피하는 것을 도울 수 있다.
사용 시, 도 4에 도시된 바와 같은 직접 접촉 열 교환기는 용융 매체(206)가 반응 용기(101)의 상부 섹션의 용융 매체 유입구(209)에 진입하는 것을 허용함으로써 동작할 수 있다. 용융 매체(206) 유량은 용융 매체(206)가 최상부 체판 트레이(405) 상으로 통과하게 할 수 있다. 용융 매체(206)는 최종적으로 반응 구역(102)으로 통과하기 전에 연속적으로 복수의 체판 트레이(405) 아래로 캐스케이드를 형성하기 위해 위어 위로 또는 하나 이상의 다운코머를 통해 통과할 수 있다. 예를 들어, 용융 매체(206)는 다음 트레이에 이르기까지 다운코머를 통과하는 스트림을 형성할 수 있다. 하부 트레이 상의 용융 매체 액체 레벨 아래에 다운코머의 하부 단부를 갖는 것은 다운코머를 통한 임의의 가스 채널링을 방지할 수 있다. 각각의 체판 트레이(405) 상의 다운코머는 체판 트레이(405) 상에 존재하는 용융 매체(206) 유체 레벨을 유지할 수 있다. 또한, 캐스케이딩 체판 트레이(405)의 사용은 체판 트레이(405) 사이에서 용융 매체(206)의 임의의 역류 또는 역혼합을 방지할 수 있으며, 그것에 의해 체판 트레이(405)를 따라 일관된 열 교환 및 온도 프로파일을 허용할 수 있다.
반응 구역(102)으로부터의 가스 생성물(201)은 용융 매체(206)로부터 복수의 체판 트레이(405)를 통해 생성되는 유로로 위쪽으로 통과할 수 있다. 예를 들어, 가스 생성물(201)은 최하부 체판 트레이(405)의 복수의 구멍을 통과하고 최하부 체판 트레이(405) 상의 용융 매체(206)를 통해 버블을 형성할 수 있다. 버블이 용융 매체를 통과하면, 가스 생성물(201)은 체판 트레이(405) 위의 가스 공간에서 수집될 수 있다. 그 다음, 프로세스는 가스 생성물(201)이 반응 용기(101) 밖으로 통과하기 전에 최상부 체판 트레이(405) 위에 수집될 때까지 각각의 체판 트레이의 복수의 구멍을 통해 반복될 수 있다. 탄소 입자(202)는 탄소 입자(202)를 비말 동반된 상태로 유지하기에 충분한 가스 속도 및 유동 방식을 유지하도록 가스 생성물 유로(204)의 설계에 기초하여 가스 생성물(201)에 비말 동반된 상태로 남아 있을 수 있다. 가스 생성물의 유량은 용융 매체(206)의 체적 유량보다 더 높을 수 있다는 점이 예상된다. 일부 양태에서, 용융 매체(206)의 체적 유량 대 가스 생성물(201)의 그것이 비율은 약 0.001:1 내지 약 0.1:1 사이에 있을 수 있다. 도 4의 구성에서, 가스 유량 및 액체 유량은 일반적으로 별도로 설정될 수 있지만, 최소 기상 유량은 임의의 용융 매체가 복수의 구멍을 통과하는 것을 방지하기 위해 필요할 수 있다. 구멍의 크기 및 개수는 구멍의 적절한 설계가 용융 매체(206) 및 기상의 유량이 복수의 구멍을 통한 상당한 용융 매체 유동 없이 독립적이 되는 것을 허용하기 위해 사용될 수 있도록 최소 기상 유량에 영향을 미칠 수 있다.
가스 생성물(201)과 용융 매체(206) 사이의 결과(resulting) 접촉은 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있어서 그들은 탄소 분리기 및 회수 유닛과 같은 다운스트림 유닛에서 처리될 수 있다. 예시적 열 교환 프로파일이 도 4에 도시된다. 일 예로서, 반응 구역(102)의 용융 매체 및 가스 생성물(201)은 약 1000℃와 약 1400℃ 사이의 온도를 가질 수 있다. 유입되는 용융 매체는 약 400℃와 약 700℃ 사이의 온도를 가질 수 있고, 반응기 용기를 떠나는 가스 생성물은 약 400℃와 약 700℃사이의 온도를 가질 수 있다. 열 교환 효과는 도 4에서 예로서 예시되며, 이는 각각의 체판 트레이(405) 상의 용융 매체(206)의 대략적인 온도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 열 교환은 용융 매체(206)가 반응 구역(102)에 접근함에 따라 용융 매체(206)를 가열하는 동시에 그들이 반응 용기(101)를 떠나기 전에 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있다.
도 4는 반응 용기(101)의 상부 부분(예를 들어, 가스 생성물 교환 섹션(106))에 배치되는 복수의 체판 트레이(405)를 갖는 직접 접촉 열 교환기를 예시하지만, 동일한 열 교환기 개념이 또한 일부 양태에서 공급물 예열 섹션(104)에서 사용될 수 있다.
도 5는 복수의 캐스케이딩 트레이(505)를 포함하는 직접 접촉 열 교환기(500)의 실시예를 예시한다. 열 교환기(500)는 특정 양태에서 도 2 내지 도 4와 관련하여 설명된 열 교환기와 유사하고, 동일한 또는 유사한 구성요소는 간결성을 위해 재설명되지 않을 것이다. 열 교환기(500)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 공급물 예열 구역(104) 및/또는 생성물 교환 구역(106)에서 사용될 수 있다. 게다가, 공급물 스트림, 가스 생성물, 및 용융 매체는 도 1과 관련하여 설명된 것들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
예시된 바와 같이, 열 교환기(500)는 복수의 수평 트레이(505)를 포함할 수 있다. 트레이(505)는 각각의 트레이(505) 상에 원하는 레벨의 용융 매체(206)를 유지하기 위해 위어를 각각 가질 수 있다. 다운코머는 각각의 위어 위를 통과하는 용융 매체(206)를 수집하고 유로를 다음 하부 트레이(505)에 제공하기 위해 각각의 트레이와 연관될 수 있다. 다운코머의 하부 단부는 다음 하부 트레이의 액체 레벨 아래에 배치될 수 있으며, 이는 다운코머를 통한 임의의 가스 유동을 방지할 수 있다. 복수의 트레이(505)는 상단 트레이에서 최저 트레이(505)까지 용융 매체(206) 유로를 설정할 수 있으며, 그 결과 최저 플레이트 트레이(505)는 가열되는 용융 매체(206)가 반응 구역(102)의 가열된 용융 매체(207)로 통과하는 것을 허용할 수 있다. 트레이의 수는 가스 생성물(201)과 용융 매체(206) 사이의 원하는 열 교환을 제공하도록 선택될 수 있다.
기상 유동 경로(504)는 각각의 플레이트 트레이(405)의 가스 매니폴트를 통과할 수 있다. 가스 매니폴트를 통과하는 기상은 각각의 플레이트 트레이(405) 상의 용융 매체(206) 내에 버블을 형성하고, 가스 유입구를 통해 각각의 트레이의 하단으로 통과할 수 있다. 가스 유입구는 기상을 각각의 트레이(505)의 하부 부분으로 지향시키는 동안 가스 유입구를 통한 유동으로부터 임의의 용융 매체(206)를 방지하도록 구성된다. 가스 유입구는 매니폴드, 노즐, 스파저 등등으로서 배열될 수 있다. 가스 유입구는 원하는 가스-액체 접촉 영역을 제공하기 위해 기상이 원하는 버블 크기로 용융 매체(206)를 통과하는 것을 허용할 수 있다. 이것은 용융 매체(206)와 가스 생성물(201) 사이에서 열을 교환하기 위해 기상이 용융 매체(206)를 접촉하도록 충분한 접촉 시간을 제공할 수 있다. 용융 매체(206)를 통과한 후, 기상은 다음 트레이(505) 상의 유사한 기상 유입구를 통과하기 전에 각각의 트레이(505) 상의 액체 위에서 합체될 수 있다. 이러한 기상 유로는 기상이 반응기 용기(101)의 상단에 도달할 때까지 계속될 수 있으며, 여기서 기상은 반응기 용기(101) 밖으로 통과하기 전에 합체될 수 있다.
트레이(505) 간격, 각각의 트레이(505) 상의 가스 유입구 영역, 및 기상 유동을 위한 트레이(505) 사이의 개방 영역은 가스 생성물 내의 임의의 탄소 입자(202)가 트레이(505) 또는 다른 표면 상에서 응집하는 것을 방지하기 위해 충분한 가스 속도 및 유량을 제공하도록 선택될 수 있다. 이것은 탄소 입자(202)가 가스 생성물(201)과 함께 반응기 용기(101)를 떠나는 것을 허용하는 동시에 플러깅을 회피하는 것을 도울 수 있다.
사용 시, 도 5에 도시된 바와 같은 직접 접촉 열 교환기는 용융 매체(206)가 반응 용기(101)의 상부 섹션에 있는 용융 매체 유입구(209)에 진입하는 것을 허용함으로써 동작할 수 있다. 용융 매체(206) 유량은 용융 매체(206)가 최상부 수평 트레이(505) 상으로 통과하게 할 수 있다. 용융 매체(206)는 최종적으로 반응 구역(102)으로 통과하기 전에 연속적으로 복수의 트레이(505) 아래로 캐스케이드를 형성하기 위해 위어 위로 또는 하나 이상의 다운코머를 통해 통과할 수 있다. 예를 들어, 용융 매체(206)는 다음 트레이에 이르기까지 다운코머를 통과하는 스트림을 형성할 수 있다. 하부 트레이(505) 상의 용융 매체 액체 레벨 아래에 다운코머의 하부 단부를 갖는 것은 다운코머를 통한 임의의 가스 채널링을 방지할 수 있다. 각각의 트레이(505) 상의 다운코머는 각각의 트레이(505) 상에 존재하는 용융 매체(206) 유체 레벨을 유지할 수 있다. 또한, 캐스케이딩 트레이(505)의 사용은 트레이(505) 사이에서 용융 매체(206)의 임의의 역류 또는 역혼합을 방지할 수 있으며, 그것에 의해 복수의 트레이(505)를 따라 일관된 열 교환 및 온도 프로파일을 허용할 수 있다.
반응 구역(102)으로부터의 가스 생성물(201)은 용융 매체(206)로부터 복수의 트레이(505)를 통해 생성되는 유로로 위쪽으로 통과할 수 있다. 예를 들어, 가스 생성물(201)은 최하부 체판 트레이(505)의 가스 유입구를 통과하고 용융 매체(206)로 유동하여 최하부 트레이(505) 상의 용융 매체(206)를 통해 버블을 형성할 수 있다. 버블이 용융 매체(206)를 통과하면, 가스 생성물(201)은 트레이(505) 위의 가스 공간에서 수집될 수 있다. 그 다음, 프로세스는 가스 생성물(201)이 반응 용기(101) 밖으로 통과하기 전에 최상부 트레이(505) 위에 수집될 때까지 복수의 트레이(505)를 통해 반복될 수 있다. 탄소 입자(202)는 탄소 입자(202)를 비말 동반된 상태로 유지하기에 충분한 가스 속도 및 유동 방식을 유지하도록 가스 생성물 유로(204)의 설계에 기초하여 가스 생성물(201)에 비말 동반된 상태로 남아 있을 수 있다.
가스 생성물의 유량은 용융 매체(206)의 체적 유량보다 더 높을 수 있다는 점이 예상된다. 일부 양태에서, 용융 매체(206)의 체적 유량 대 가스 생성물(201)의 그것의 비율은 약 0.001:1 내지 약 0.1:1 사이에 있을 수 있다. 도 5의 구성에서, 가스 유량 및 액체 유량은 일반적으로 위어가 각각의 트레이(505) 상의 액체 레벨을 결정함에 따라 별도로 설정될 수 있다. 가스 매니폴트의 크기는 매니폴드의 적절한 설계가 용융 매체(206) 및 기상의 유량이 복수의 구멍을 통한 상당한 용융 매체 유동 없이 독립적이 되는 것을 허용하기 위해 사용될 수 있도록 최소 기상 유량에 영향을 미칠 수 있다.
가스 생성물(201)과 용융 매체(206) 사이의 결과(resulting) 접촉은 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있어서 그들은 탄소 분리기 및 회수 유닛과 같은 다운스트림 유닛에서 처리될 수 있다. 예시적 열 교환 프로파일이 도 5에 도시된다. 일 예로서, 반응 구역(102)의 용융 매체 및 가스 생성물(201)은 약 1000℃와 약 1400℃ 사이의 온도를 가질 수 있다. 유입되는 용융 매체는 약 400℃와 약 800℃ 사이의 온도를 가질 수 있고, 반응기 용기를 떠나는 가스 생성물은 약 400℃와 약 800℃사이의 온도를 가질 수 있다. 열 교환 효과는 도 5에서 예로서 예시되며, 이는 각각의 트레이(505) 상의 용융 매체(206)의 대략적인 온도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 열 교환은 용융 매체(206)가 반응 구역(102)에 접근함에 따라 용융 매체(206)를 가열하는 동시에 그들이 반응 용기(101)를 떠나기 전에 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있다.
도 5는 반응 용기(101)의 상부 부분(예를 들어, 가스 생성물 교환 섹션(106))에 배치되는 복수의 수평 트레이(505)를 갖는 직접 접촉 열 교환기를 예시하지만, 동일한 열 교환기 개념이 또한 일부 양태에서 공급물 예열 섹션(104)에서 사용될 수 있다.
도 6은 축방향 혼합을 제한하기 위해 체판 사이에 포함되는 복수의 직접 접촉 구역(605)을 포함하는 직접 접촉 열 교환기(600)의 실시예를 예시한다. 열 교환기(600)의 일부 구성요소는 특정 양태에서 도 2 내지 도 5와 관련하여 설명된 열 교환기와 유사하고, 동일한 또는 유사한 구성요소는 간결성을 위해 재설명되지 않을 것이다. 열 교환기(600)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 공급물 예열 구역(104) 및/또는 생성물 교환 구역(106)에서 사용될 수 있다. 게다가, 공급물 스트림, 가스 생성물, 및 용융 매체는 도 1과 관련하여 설명된 것들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
예시된 바와 같이, 열 교환기(600)는 복수의 체판(605)을 포함할 수 있으며, 여기서 인접한 체판(606) 사이에 포함되는 체적(volume)은 혼합 및 열 교환 구역을 정의할 수 있다. 체판(605)에 의해 정의되는 영역은 체판(605) 사이에 정의된 기상 구역이 없도록 용융 매체(206)로 만액될 수 있다. 일부 실시예에서, 체판(605)의 구성 및 용융 매체 유량은 적어도 2개의 체판(605) 사이에 정의된 기상 구역을 허용하도록 구성될 수 있다. 이러한 실시예에서, 용융 매체(206)는 상단 체 트레이(sieve tray)(605)에 또는 그 위에 진입할 수 있고, 용융 매체(206)는 복수의 체 트레이(605)를 통해 아래쪽으로 통과할 수 있다. 일반적으로, 용융 매체(206)는 체 트레이(605) 사이의 구역 내에 연속상(continuous phase)을 형성할 수 있다. 최저 체판(605)은 반응 구역(102)에서 가열된 용융 매체(207)와의 경계를 정의할 수 있다. 체판(605)의 수, 간격, 및 구멍의 수, 크기, 및 배열은 가스 생성물(201)과 용융 매체(206) 사이의 원하는 열 교환을 제공하도록 선택될 수 있다.
기상 유동 경로는 각각의 체판(605)의 복수의 구멍을 통과할 수 있다. 복수의 구멍을 통과하는 기상은 각각의 열 교환 구역의 용융 매체(206) 내에 버블을 형성할 수 있다. 각각의 구역 내에서, 기상의 유동은 버블이 다음 체판(605)의 구멍을 통해 위쪽으로 그리고 다음 열 교환 구역으로 통과하기 전에 용융 매체(206)의 일부 축방향 혼합을 야기할 수 있다. 버블은 인접한 체판(605) 사이의 다음 열 교환 구역으로 통과하기 전에 각각의 구역 내에서 합체되지 않을 수 있다. 가스 유량, 구멍 크기, 및 구멍 수는 각각의 열 교환 구역에서 기상과 용융 매체(206) 사이의 접촉 시간에 영향을 미칠 수 있다. 접촉 시간은 용융 매체(206)와 가스 생성물(201) 사이에서 열을 교환하기에 충분한 시간을 제공하도록 선택될 수 있다. 용융 매체(206)를 통과한 후, 기상은 상단 체판(605) 상의 액체 위에서 합체될 수 있으며, 여기서 기상은 반응기 용기(101) 밖으로 통과하기 전에 합체될 수 있다.
체판(605)의 수, 간격, 및 구멍 구성은 각각의 열 교환 구역 내에서 원하는 정도의 열 교환 및 역혼합을 제공하도록 선택될 수 있다. 체판(605)의 수가 증가함에 따라, 전체 열 교환기는 역류(counter-current) 플러그 유동 설계에 접근한다.
사용 시, 도 6에 도시된 직접 접촉 열 교환기는 용융 매체(206)가 반응 용기(101)의 상부 섹션의 용융 매체 유입구(209)에 진입하는 것을 허용함으로써 동작할 수 있다. 용융 매체(206) 유량은 용융 매체(206)가 최상부 체판(605) 상으로 통과하게 할 수 있다. 용융 매체(206)는 체판(605)의 복수의 구멍을 통해 체판(605)과 다음 하부 체판(605) 사이에 정의되는 구역으로 통과하여 최종적으로 반응 구역(102)으로 통과하기 전에 연속적으로 복수의 체판(605) 아래로 캐스케이드를 형성할 수 있다. 예를 들어, 용융 매체(206)는 다음 구역에 이르기까지 체판(605)의 구멍을 통과하는 인접한 플레이트 사이의 각각의 구역에서 축방향 혼합의 일부 양(및 구역 사이의 일부 소량)으로 플러그 유동을 형성할 수 있다.
반응 구역(102)으로부터의 가스 생성물(201)은 용융 매체(206)로부터 복수의 체판(605)의 구멍을 통해 생성되는 유로로 위쪽으로 통과할 수 있다. 예를 들어, 가스 생성물(201)은 최하부 체판(605)의 구멍을 통과하고 용융 매체(206)로 유동하여 하부 2개의 체판(605) 사이의 최하부 구역의 용융 매체(206)를 통해 버블을 형성할 수 있다. 버블이 용융 매체(206)를 통과하면, 가스 생성물(201)은 최하부 체판(605)으로부터 넘버링되는 제2 및 제3 체판(605) 사이의 다음 더 높은 구역으로 통과하기 위해 다음 체판(605)의 구멍을 통과할 수 있다. 그 다음, 프로세스는 가스 생성물(201)이 반응 용기(101) 밖으로 통과하기 전에 최상부 체판(605) 위에 수집될 때까지 복수의 체판(605)을 통해 반복될 수 있다. 탄소 입자(202)는 탄소 입자(202)를 버블에 비말 동반된 상태로 유지하기에 충분한 가스 속도 및 유동 방식을 유지하도록 가스 생성물 유로의 설계에 기초하여 가스 생성물(201)에 비말 동반된 상태로 남아 있을 수 있다. 임의의 탄소가 용융 매체에 진입하면, 그것은 밀도 차이에 기초하여 분리되고 최상부 체판(605) 상의 또는 그 위의 용융 매체의 상단에 플로팅될 수 있다. 가스 유동이 용융 매체(206)를 통해 위쪽으로 통과함에 따라, 가스 유동은 반응기 용기(101) 밖으로 고체 탄소를 통과시키기 위해 고체 탄소를 재-비말 동반할 수 있다.
가스 생성물의 유량은 용융 매체(206)의 체적 유량보다 더 높을 수 있다는 점이 예상된다. 일부 양태에서, 용융 매체(206)의 체적 유량 대 가스 생성물(201)의 그것의 비율은 약 0.001:1 내지 약 0.1:1 사이에 있을 수 있다. 도 6의 구성에서, 가스 유량 및 액체 유량은 일반적으로 별도로 설정될 수 있다.
가스 생성물(201)과 용융 매체(206) 사이의 결과 접촉은 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있어서 그들은 탄소 분리기 및 회수 유닛과 같은 다운스트림 유닛에서 처리될 수 있다. 예시적 열 교환 프로파일이 도 6에 도시된다. 일 예로서, 반응 구역(102)의 용융 매체 및 가스 생성물(201)은 약 1000℃와 약 1400℃ 사이의 온도를 가질 수 있다. 유입되는 용융 매체는 약 400℃와 약 800℃ 사이의 온도를 가질 수 있고, 반응기 용기를 떠나는 가스 생성물은 약 400℃와 약 800℃사이의 온도를 가질 수 있다. 열 교환 효과는 도 6에서 예로서 예시되며, 이는 각각의 체판(605) 상의 용융 매체(206)의 대략적인 온도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 열 교환은 용융 매체(206)가 반응 구역(102)에 접근함에 따라 용융 매체(206)를 가열하는 동시에 그들이 반응 용기(101)를 떠나기 전에 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있다.
도 6은 반응 용기(101)의 상부 부분(예를 들어, 가스 생성물 교환 섹션(106))에 배치되는 복수의 체판(605)을 갖는 직접 접촉 열 교환기를 예시하지만, 동일한 열 교환기 개념이 또한 일부 양태에서 공급물 예열 섹션(104)에서 사용될 수 있다.
도 7은 축방향 혼합을 제한하기 위해 체판(705) 사이에 포함되는 복수의 직접 접촉 구역을 포함하는 직접 접촉 열 교환기(600)의 실시예를 예시한다. 패킹(packing)은 역혼합을 제한하기 위해 체판(705) 사이에 존재할 수 있다. 열 교환기(700)의 일부 구성요소는 특정 양태에서 도 2 내지 도 6과 관련하여 설명된 열 교환기와 유사하고, 동일한 또는 유사한 구성요소는 간결성을 위해 재설명되지 않을 것이다. 열 교환기(700)는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 공급물 예열 구역(104) 및/또는 생성물 교환 구역(106)에서 사용될 수 있다. 게다가, 공급물 스트림, 가스 생성물, 및 용융 매체는 도 1과 관련하여 설명된 것들 중 임의의 것을 포함할 수 있다.
예시된 바와 같이, 열 교환기(700)는 복수의 체판(605)을 포함할 수 있으며, 여기서 인접한 체판(705) 사이에 포함되는 체적은 혼합 및 열 교환 구역을 정의할 수 있다. 패킹(packing)은 각각의 열 교환 구역에 존재할 수 있고, 패킹은 하부 체판(705)에 의해 지지될 수 있다. 패킹은 새들(saddle), 링, 구, 또는 임의의 다른 형상과 같은 임의의 적합한 패킹을 포함할 수 있다. 패킹은 구조화 또는 비구조화되거나, 둘의 조합일 수 있다. 패킹은 패킹을 통해 유동하는 버블 크기의 감소 및 국부적 혼합을 생성하는 동시에 패킹의 가스 보유(holdup)를 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 패킹을 갖는 체판(705)에 의해 정의되는 영역은 체판(705) 사이에 정의된 기상 구역이 없도록 용융 매체(206)로 만액될 수 있다. 이러한 실시예에서, 용융 매체(206)는 상단 체 트레이(705)에 또는 그 위에 진입할 수 있고, 용융 매체(206)는 복수의 체 트레이(705) 사이의 패킹을 통해 아래쪽으로 통과할 수 있다. 일반적으로, 용융 매체(206) 또는 가스는 체 트레이(705) 사이의 구역 내에 연속상(continuous phase)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 용융 매체(206)는 일반적으로 패킹을 코팅할 수 있고 기상은 패킹을 통해 불연속상(discontinuous phase)을 형성할 수 있다. 대안적으로, 가스는 일반적으로 연속적일 수 있고 액상(liquid phase)은 패킹을 통해 불연속상을 형성할 수 있다. 최저 체판(705)은 반응 구역(102)에서 가열되는 용융 매체(207)와의 경계를 정의할 수 있다. 체판(705)의 수, 구멍의 간격, 수, 크기, 및 배열, 그리고 패킹의 선택 및 크기는 가스 생성물(201)과 용융 매체(206) 사이의 원하는 열 교환을 제공하도록 선택될 수 있다.
기상 유동 경로는 각각의 체판(605)에 있는 복수의 구멍을 통과할 수 있다. 복수의 구멍을 통과하는 기상은 각각의 열 교환 구역의 용융 매체(206) 내에 버블을 형성할 수 있다. 버블이 용융 매체(206) 및 패킹을 통과함에 따라, 패킹은 패킹 요소 사이에 정의되는 증가된 유로를 통해 국부적인 혼합을 생성할 수 있다. 각각의 구역 내에서, 기상의 유동은 버블이 다음 체판(705)의 구멍을 통해 그리고 다음 열 교환 구역으로 위쪽으로 통과하기 전에 용융 매체(206)의 일부 축방향 혼합을 야기할 수 있다. 패킹의 존재는 인접한 열 교환 구역 사이의 임의의 축방향 혼합을 더 제한하는 것을 도울 수 있다. 버블은 인접한 체판(705) 사이의 다음 열 교환 구역으로 통과하기 전에 각각의 구역 내에서 합체되지 않을 수 있다. 가스 유량, 구멍 크기, 구멍 수, 및 패킹의 선택와 크기는 각각의 열 교환 구역에서 기상과 용융 매체(206) 사이의 접촉 시간에 영향을 미칠 수 있다. 접촉 시간은 용융 매체(206)와 가스 생성물(201) 사이에서 열을 교환하기에 충분한 시간을 제공하도록 선택될 수 있다. 용융 매체(206)를 통과한 후, 기상은 상단 체판(705) 상의 용융 매체 위에서 합체될 수 있으며, 여기서 기상은 반응기 용기(101) 밖으로 통과하기 전에 합체될 수 있다.
체판(705)의 간격 및 패킹의 선택은 각각의 열 교환 구역 내에서 원하는 정도의 열 교환을 제공하도록 선택될 수 있다. 패킹의 존재는 패킹이 열 교환 구역 내에서 임의의 축방향 혼합을 제한하는 역할을 할 수 있음에 따라 체판(705)의 증가된 수에 대한 필요성을 제한할 수 있다.
사용 시, 도 7에 도시된 바와 같은 직접 접촉 열 교환기는 용융 매체(206)가 반응 용기(101)의 상부 섹션의 용융 매체 유입구(209)에 진입하는 것을 허용함으로써 동작할 수 있다. 용융 매체(206) 유량은 용융 매체(206)가 최상부 체판(705) 상으로 통과하게 할 수 있다. 용융 매체(206)는 체판(605)의 복수의 구멍을 통해 체판(705)과 다음 하부 체판(705) 사이에 정의되는 구역으로 통과하여 최종적으로 반응 구역(102)으로 통과하기 전에 연속적으로 복수의 체판(605) 아래로 캐스케이드를 형성할 수 있다. 각각의 열 교환 구역 내에서, 용융 매체(206)는 증가된 용융 매체 유로를 형성하기 위해 패킹의 베드(bed) 위로 그리고 그것을 통해 통과할 수 있다.
반응 구역(102)으로부터의 가스 생성물(201)은 용융 매체(206)로부터 복수의 체판(705)의 구멍을 통해 생성되는 유로로 위쪽으로 통과할 수 있다. 예를 들어, 가스 생성물(201)은 최하부 체판(705)의 구멍을 통과하고 용융 매체(206)로 유동하여 하부 2개의 체판(705) 사이의 최하부 구역의 용융 매체(206)를 통해 버블을 형성할 수 있다. 열 교환 구역 내에서, 가스는 패킹을 통해 생성되는 복수의 사행(tortuous) 유로를 통해 유동할 수 있다. 패킹은 또한 국부적인 혼합을 생성하는 동안 증가된 기상 유로를 생성할 수 있다. 패킹은 또한 버블 크기가 패킹을 통해 원하는 크기로 유지될 수 있도록 패킹을 통과하는 버블 크기를 제어할 수 있다. 버블이 패킹 및 용융 매체(206)를 통과하면, 가스 생성물(201)은 최하부 체판(705)으로부터 넘버링되는 바와 같은 제2 및 제3 체판(705) 사이의 다음 더 높은 구역으로 통과하기 위해 다음 체판(705)의 구멍을 통과할 수 있다. 그 다음, 프로세스는 가스 생성물(201)이 반응 용기(101) 밖으로 통과하기 전에 최상부 체판(705) 위에 수집될 때까지 복수의 체판(705)을 통해 반복될 수 있다. 탄소 입자(202)는 탄소 입자(202)를 버블에 비말 동반된 상태로 유지하기에 충분한 가스 속도 및 유동 방식을 유지하도록 가스 생성물 유로(204)의 설계에 기초하여 가스 생성물(201)에 비말 동반된 상태로 남아 있을 수 있다. 임의의 탄소가 용융 매체에 진입하면, 그것은 밀도 차이에 기초하여 분리되고 최상부 체판(705) 상의 또는 그 위의 용융 매체의 상단에 플로팅될 수 있다. 가스 유동이 용융 매체(206)를 통해 위쪽으로 통과함에 따라, 가스 유동은 반응기 용기(101) 밖으로 고체 탄소를 통과시키기 위해 고체 탄소를 다시-비말 동반할 수 있다.
가스 생성물의 유량은 용융 매체(206)의 체적 유량보다 더 높을 수 있다는 점이 예상된다. 일부 양태에서, 용융 매체(206)의 체적 유량 대 가스 생성물(201)의 그것의 비율은 약 0.001:1 내지 약 0.1:1 사이에 있을 수 있다. 도 7의 구성에서, 가스 유량 및 액체 유량은 일반적으로 별도로 설정될 수 있다. 예를 들어, 용융 매체(206)의 유량은 기상의 유량에 의존하지 않는다.
가스 생성물(201)과 용융 매체(206) 사이의 결과 접촉은 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있어서 기상은 탄소 분리기 및 회수 유닛과 같은 다운스트림 유닛에서 처리될 수 있다. 예시적 열 교환 프로파일이 도 7에 도시된다. 일 예로서, 반응 구역(102)의 용융 매체 및 가스 생성물(201)은 약 1000℃와 약 1400℃ 사이의 온도를 가질 수 있다. 유입되는 용융 매체는 약 400℃와 약 800℃ 사이의 온도를 가질 수 있고, 반응기 용기를 떠나는 가스 생성물은 약 400℃와 약 800℃사이의 온도를 가질 수 있다. 열 교환 효과는 도 7에서 예로서 예시되며, 이는 각각의 체판(705) 상의 용융 매체(206)의 대략적인 온도를 도시한다. 도시된 바와 같이, 열 교환은 용융 매체(206)가 반응 구역(102)에 접근함에 따라 용융 매체(206)를 가열하는 동시에 그들이 반응 용기(101)를 떠나기 전에 가스 생성물(201)을 냉각시키는 역할을 할 수 있다.
도 7은 반응 용기(101)의 상부 부분(예를 들어, 가스 생성물 교환 섹션(106))에 배치되는 복수의 체판(705)을 갖는 직접 접촉 열 교환기를 예시하지만, 동일한 열 교환기 구성이 또한 일부 양태에서 공급물 예열 섹션(104)에서 사용될 수 있다.
도 8a 및 도 8b는 개략적인 반응기 설계를 예시한다. 도 8a 및 도 8b의 설계는 도 1에 예시되는 설계와 유사하고, 유사한 구성요소는 도 1에 도시된 것들과 동일하거나 유사할 수 있다. 도 8a에 도시된 바와 같이, 중앙 반응 구역(102)은 반응기 용기(101)의 중앙에 또는 그 근처에 존재할 수 있다. 하부 공급물 예열 구역(104)은 반응 구역(102) 아래에 위치될 수 있고, 상부 생성물 열 교환 구역(106)은 반응 구역(102) 위에 위치될 수 있다. 반응기 내에서, 반응 가스를 포함하는 공급물은 유입구(108)를 통해 진입할 수 있다. 스파저(sparger) 또는 다른 분배기는 공급 가스를 반응기 용기(101)로 제공하기 위해 사용될 수 있으며, 이는 용융 매체와 접촉하는 버블 또는 가스 스트림의 형태일 수 있다. 공급 가스는 용융 매체에 대한 역류(counter current flow)로 공급물 예열 구역(104)을 통과할 수 있으며, 이는 용융 매체 유출구(114)를 통해 반응기 용기(101) 밖으로 통과할 수 있다. 공급물 예열 구역(104)은 도 2 내지 도 7과 관련하여 설명된 직접 접촉 열 교환기 설계 중 임의의 것의 요소(element)를 포함할 수 있다. 공급물 예열 구역(104) 내에서, 공급물은 공급 가스를 예열하기 위해 반응 구역(102)을 떠나는 용융 매체와 열을 교환할 수 있다. 일부 양태에서, 공급물은 반응기 용기(101) 외부에서 예열될 수 있고 약 200℃와 약 600℃ 사이의 온도에서 반응기 용기(101)에 진입할 수 있다. 공급물 예열 구역(104)에서, 공급 가스는 반응 구역(102)에 진입하기 전에 반응 온도로 가열될 수 있다.
반응 구역(102) 내에서, 공급 가스는 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이 탄화수소를 포함할 수 있는 반응물(reactant)의 적어도 일 부분을 고체 탄소 및 기상 생성물로 전환시키기 위해 용융 매체와 접촉할 수 있다. 반응 구역 내에서 용융 매체 온도를 유지하기 위해, 다양한 열 교환기 옵션이 이용가능하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 외부 열 교환기(150)는 생성물 교환 구역(106) 및/또는 반응 구역(102)의 상부 부분으로부터 용융 매체의 일 부분을 수용하고, 용융 매체를 가열하고, 용융 매체를 반응 구역(102)의 하부 부분 및/또는 공급물 예열 구역(104)의 상부 부분으로 복귀시키기 위해 사용될 수 있다. 이러한 구성은 공급 가스 및 용융 매체가 반응 구역(102) 내에서 병류(co-current flow)를 갖는 것을 허용할 수 있는 반면, 공급물 예열 구역(104) 및 생성물 교환 구역(106)의 기상 및 용융 매체 상(phase)은 역류(counter-current flow)를 가질 수 있다. 생성물 교환 구역(106) 내에서, 반응 구역(102)을 떠나는 가스 생성물은, 또한 도 1과 관련하여 설명된 바와 같이, 반응 구역(102)에 진입하는 융융 매체와 열을 교환할 수 있다. 도 2 내지 도 7과 관련하여 설명된 바와 같은 직접 접촉 열 교환기 중 임의의 것은 생성물 교환 구역(106)에서 사용될 수 있다.
도 8a에 도시된 바와 같이, 반응 구역(102)에 대한 외부 열 교환은 반응 구역(102) 내로부터 용융 매체를 수용하고, 용융 매체를 가열하고, 반응 구역(102)으로 다시 용융 매체를 통과시킬 수 있다. 용융 매체는 생성물 교환 구역(106)으로부터 진입하는 매체를 포함할 수 있고, 반응 구역(102)으로부터의 용융 매체의 일 부분은 공급물 예열 구역(104)에 이르기까지 통과할 수 있다. 이러한 구성에서, 용융 매체의 적어도 일부는 공급물 예열 구역(104)으로부터 생성물 교환 구역(106)으로, 그리고 반응 구역(102)을 통해 다시 순환할 수 있다.
도 8b는 바이패스(802)가 생성물 교환 구역(106)으로부터 반응 구역(102) 주위 및 공급물 예열 구역(104)으로 대부분의 용융 매체를 통과시키기 위해 사용되는 실시예를 예시한다. 반응 구역(102) 내의 용융 매체는 히터를 사용하여 가열되고 온도로 유지될 수 있다. 공급물 예열 구역(104)은 공급물 예열 구역(104)과 반응 구역(102) 사이의 용융 매체의 축방향 혼합의 일부 소량이 발생할 수 있도록 반응 구역(102)으로부터 격리되지 않을 수 있다. 이러한 구성은 반응 구역(102)에서 용융 매체를 가열하기 위해 사용되는 열 소스가 공급물 및 반응 생성물과의 직접 접촉 열 교환을 위해 사용되는 용융 매체에 열을 공급할 필요 없이 반응 구역(102)에서 고온의 반응을 유지하는 것을 허용할 시 유용할 수 있다.
반응 구역(102) 내에서, 용융 매체 온도는 다양한 히터 설계 및 구성에 의해 유지될 수 있다. 도 8a 및 도 8b는 외부 히터 설계를 예시한다. 이러한 실시예에서, 가연성(combustible) 가스는 반응 구역(102)으로부터 드로잉되는 용융 매체로 도입될 수 있다. 예를 들어, 가연성 가스는 탄화수소 및/또는 수소를 포함할 수 있다. 공기, O2가 풍부한 공기, 또는 O2를 포함하지만 이에 제한되지 않은 가스를 함유하는 산소는 또한 열을 생성하기 위해 가연성 가스의 연소를 제공하도록 도입될 수 있다. 과잉의 가연성 가스는 산소의 완전한 반응을 보장하기 위해 사용될 수 있다. 용융 금속 시스템의 경우, 요구되는 과잉의 가연성 가스는 열역학적으로 불안정한 금속-산화물 형성을 보장하기 위해 생성물 가스에서의 적절한 H2/H2O 및 CO/CO2 비율에 의해 결정된다. 탄화수소 및/또는 수소 대 산소의 비율은 용융 매체에 특이적이고 크게 달라질 수 있다. 히터의 결과 반응 생성물은 수소가 가연성 가스로서 사용될 때에만 물을 포함하거나, 탄화수소가 사용될 때 물, 일산화탄소, 및 이산화탄소를 포함할 수 있다. 이때, 용융 매체를 가열하기 위해 수소 생성물의 일 부분의 사용은 프로세스 내에 이산화탄소의 생성을 회피하는 장점을 갖는다. 연소 가스는 히터의 용융 매체 내에서 위쪽으로 유동할 수 있으며, 이는 버블 리프트(bubble lift)를 생성하여 용융 매체를 히터의 상단으로 순환시킬 수 있으며, 그 결과 가열된 용융 매체는 반응 구역(102)의 하부 부분으로 다시 유동할 수 있다. 그 다음, 이러한 프로세스는 반응 구역(102) 내의 용융 매체를 가열하는 동시에 또한 히터와 반응 구역 사이의 매체를 순환시키기 위해 버블 리프트를 제공할 수 있다.
도 9는 반응 구역(102)에서 사용되는 용융 매체를 유지 및/또는 가열 시 사용하기 위한 외부 히터(950)의 다른 실시예를 예시한다. 용융 매체(206) 히터(950)는 도 1과 관련하여 설명된 외부 히터(150), 및 도 8a 및 도 8b와 관련하여 설명된 히터와 유사하다. 동일한 또는 유사한 구성요소는 간결성을 위해 재설명되지 않는다. 또한, 도 9의 히터(950)는 도 1 내지 도 8b와 관련하여 설명된 구성 및 직접 접촉 열 교환기 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 히터(950)는 반응기 용기(101)의 반응 구역(102)에 유동적으로 결합될 수 있다. 유체 연결은 반응 구역(102) 내의 용융 매체 및 공급물의 반응물의 병류를 제공할 수 있다. 예를 들어, 상승하는 가스 반응물 및 가스 생성물은 반응 구역(102) 내에서 용융 매체(206)와 함께 유동할 수 있다. 히터 공급 라인은 반응 구역(102)의 상단 또는 상단 근처에서 용융 매체를 드로잉할 수 있고, 히터 복귀 라인은 반응 구역(102)의 하부 부분 또는 하단에 다시 가열된 용융 매체를 제공할 수 있다. 용융 매체(206)는 히터(950)의 하부 부분에 제공될 수 있다. 히터(950) 내에서, 용융 매체는 히터 복귀 라인을 통과하기 위해 가열되고 상승할 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 용융 매체는 가연성 가스의 사용을 통해 가열될 수 있으며, 이는 도 8a 및 도 8b에 도시된 실시예와 유사하다. 예시된 바와 같이, 가연성 가스(952)는 히터(950)의 하부 부분의 연소 챔버로 산소의 소스와 함께 도입될 수 있다. 가스의 연소는 수소가 가연성 가스로서 사용될 때에만 물을 포함하거나, 탄화수소가 사용될 때 물, 일산화탄소 및 이산화탄소를 포함하는 히터에 형성되는 반응 생성물을 야기할 수 있다. 일정량의 미반응 가스가 또한 연소 생성물에 존재할 수 있다. 용융 금속 시스템의 경우, 요구되는 과잉의 가연성 가스는 열역학적으로 불안정한 금속-산화물 형성을 보장하기 위해 생성물 가스의 대략적인 H2/H2O 및 CO/CO2 비율에 의해 결정된다. 탄화수소 및/또는 수소 대 산소의 비율은 용융 매체에 특이적이고 크게 달라질 수 있다. 연소 가스는 노즐을 통해 용융 매체로 유동하여 가스 제트를 형성할 수 있다. 제트는 열을 용융 매체에 제공하는 연소 가스의 버블의 형성을 야기할 수 있다. 버블의 자연적인 리프트(lift)와 함께 노즐의 유출구는 용융 매체를 노즐로부터 히터 복귀 라인을 향하여 구동시킬 수 있다. 그 다음, 이러한 프로세스는 반응 구역(102) 내의 용융 매체를 가열하는 동시에 또한 히터 내의 매체를 반응 구역으로 순환시키기 위한 버블 리프트를 제공하는 역할을 할 수 있다. 용융 매체의 온도는 히터(950)에 제공되는 가연성 반응물의 양에 기초하여 제어될 수 있다. 또한, 연소 가스는 별도의 히터(950)에 존재하는 것에 기초하여 가스 반응 생성물로부터 별도로 처리될 수 있다. 이것은 각각의 가스 흐름을 처리하기 위해 더 간단하고/하거나 더 작은 분리 프로세스에 대한 필요성을 제공할 수 있다.
도 10은 반응 구역(102)에서 사용되는 용융 매체(206)를 유지 및/또는 가열 시 사용하기 위한 외부 히터(1050)의 다른 실시예를 예시한다. 용융 매체(206)의 히터(1050)는 도 1과 관련하여 설명된 외부 히터(150), 도 8a 및 도 8b와 관련하여 설명된 히터, 및 도 9와 관련하여 설명된 히터(950)와 유사하다. 동일한 또는 유사한 구성요소는 간결성을 위해 재설명되지 않는다. 또한, 도 10의 히터(1050)는 도 1 내지 도 8b와 관련하여 설명된 구성 및 직접 접촉 열 교환기 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 히터(1050)는 반응기 용기(101)의 반응 구역(102)에 유동적으로 결합될 수 있다. 유체 연결은 반응 구역(102) 내의 용융 매체 및 공급물의 반응물의 병류를 제공할 수 있다. 히터 공급 라인은 반응 구역(102)의 상단 또는 상단 근처에서 용융 매체를 드로잉할 수 있고, 히터 복귀 라인은 반응 구역(102)의 하부 부분 또는 하단에 다시 가열된 용융 매체를 제공할 수 있다. 용융 매체(206)는 히터(1050)의 하부 부분에 제공될 수 있다. 히터(1050) 내에서, 용융 매체는 히터 복귀 라인을 통과하기 위해 가열되고 상승할 수 있다.
도 10에 도시된 바와 같이, 용융 매체는 히터(1050)의 용융 매체(206)와 직접 접촉하여 배치되는 전기 히터 요소(1054)의 사용을 통해 가열될 수 있다. 도시된 바와 같이, 하나 이상의 가열 요소는 임의의 위치에서 히터(1050) 내에 배치될 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 히터 요소(1054)는 히터(1050)의 길이를 따라 존재할 수 있으며, 여기서 온도는 가열 요소(1054)와의 직접 접촉으로 인해 증가될 수 있다. 이러한 실시예에서, 별도의 히터(1050) 내에 능동 유체 펌프 또는 가스 리프트가 없다. 오히려, 히터(1050)는 용융 매체(206)를 히터(1050)를 통해 이송하고 가열된 용융 매체(206)를 반응기 용기(101)에 반환하기 위해 자연 대류 뿐만 아니라 가스 리프트에 의해 구동되는 반응기 용기(101)의 반응 구역(102) 내의 유체 순환에 의존할 수 있다. 전기 가열 요소의 사용은 히터(1050)에서 임의의 연소 생성물의 생성을 제거할 수 있으며, 이는 시스템을 더 단순화할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 외부 히터(1050)는 용융 매체를 가열하기 위해 반응 구역(102)과 유체 연통하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 전기 가열 요소를 사용하는 복수의 히터(1050)는 열을 용융 매체에 제공하기 위해 병렬로 반응 구역에 유동적으로 결합될 수 있다. 그러한 실시예는 중복성 및/또는 더 균일한 열 및 온도 제어를 반응 구역(102)의 용융 매체에 제공할 수 있다.
도 11은 반응 구역(102)에서 사용되는 용융 매체(206)를 유지 및/또는 가열 시 사용하기 위한 외부 히터(1150)의 다른 실시예를 예시한다. 용융 매체(206) 히터(1150)는 도 1과 관련하여 설명된 외부 히터(150), 도 8a 및 도 8b와 관련하여 설명된 히터, 도 9와 관련하여 설명된 히터(950), 및 도 10과 관련하여 설명된 히터(1050)와 유사하다. 동일한 또는 유사한 구성요소는 간결성을 위해 재설명되지 않는다. 또한, 도 11의 히터(1150)는 도 1 내지 도 8b와 관련하여 설명된 구성 및 직접 접촉 열 교환기 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 히터(1150)는 반응기 용기(101)의 반응 구역(102)에 유동적으로 결합될 수 있다. 유체 연결은 반응 구역(102) 내의 용융 매체 및 공급물의 반응물의 병류를 제공할 수 있다. 히터 공급 라인은 반응 구역(102)의 상단 또는 상단 근처에서 용융 매체를 드로잉할 수 있고, 히터 복귀 라인은 반응 구역(102)의 하부 부분 또는 하단에 다시 가열된 용융 매체를 제공할 수 있다. 용융 매체(206)는 히터(1150)의 하부 부분에 제공될 수 있다. 히터(1150) 내에서, 용융 매체는 히터 복귀 라인을 통과하기 위해 가열되고 상승할 수 있다.
도 11에 도시된 바와 같이, 용융 매체는 히터(1150)의 용융 매체(206)와 접촉하는 전극(1156)을 사용하는 줄(Joule) 또는 저항 가열의 사용을 통해 가열될 수 있다. 도시된 바와 같이, 한 쌍의 전극은 히터(1150)의 상부 및 하부 부분에 존재할 수 있다. 전류는 용융 매체를 통해 통과될 수 있으며, 이는 용융 매체(206)의 가열을 야기할 수 있다. 일부 실시예에서, 대략적으로 이격된 쌍의 복수의 전극(1156)은 히터(1150)의 길이를 따라서 존재할 수 있다. 이러한 실시예에서, 외부 히터에 능동 유체 펌프 또는 가스 리프트가 없다. 오히려, 히터(1150)는 용융 매체(206)를 히터(1150)를 통해 이송하고 가열된 용융 매체(206)를 반응기 용기(101)에 반환하기 위해 자연 대류 뿐만 아니라 가스 리프트에 의해 구동되는 반응기 용기(101)의 반응 구역(102) 내의 유체 순환에 의존할 수 있다. 전기 가열 요소의 사용은 히터(1050)에서 임의의 연소 생성물의 생성을 제거할 수 있으며, 이는 시스템을 더 단순화할 수 있다. 일부 실시예에서, 복수의 외부 히터(1150)는 용융 매체를 가열하기 위해 반응 구역(102)과 유체 연통하도록 제공될 수 있다. 예를 들어, 전기 가열 요소를 사용하는 복수의 히터(1150)는 열을 용융 매체에 제공하기 위해 병렬로 반응 구역에 유동적으로 결합될 수 있다. 그러한 실시예는 중복성 및/또는 더 균일한 열 및 온도 제어를 반응 구역(102)의 용융 매체에 제공할 수 있다.
도 12는 반응 구역(102)에서 용융 매체(206)를 유지 및/또는 가열 시 사용하기 위한 히터(1250)의 다른 실시예를 예시한다. 용융 매체(206)의 히터(1250)는, 히터(1250)가 반응 구역(102) 내에 배치된다는 점을 제외하고, 도 1과 관련하여 설명된 외부 히터(150), 도 8a 및 도 8b와 관련하여 설명된 히터, 도 9와 관련하여 설명된 히터(950), 도 10과 관련하여 설명된 히터(1050), 및 도 11과 관련하여 설명된 히터(1150)와 유사하다. 동일한 또는 유사한 구성요소는 간결성을 위해 재설명되지 않는다. 또한, 도 12의 히터(1250)는 도 1 내지 도 8b와 관련하여 설명된 구성 및 직접 접촉 열 교환기 중 임의의 것과 함께 사용될 수 있다.
도 12에 도시된 바와 같이, 히터(1250)는 반응 구역(102) 내에 배치된다. 인서트(1258)는 병류 패턴으로 반응 구역(102)을 통해 유동을 지향시키기 위해 반응 구역(102) 내에 제공될 수 있다. 예를 들어, 인서트(1258)는 반응 구역의 중앙을 향하여 위쪽으로 반응 가스와 함께 용융 매체를 지향시키기 위해 원뿔 또는 깔대기 형상으로 배열되는 하부 부분을 가질 수 있다. 중앙 반응 가열 구역은 용융 매체에서 반응물을 반응를 개시하기 위해 가열될 수 있다. 그 다음, 가스 생성물, 임의의 미반응 공급물, 및 용융 매체는 반응 구역(102)의 상단을 향하여 병류로 위쪽으로 통과할 수 있다. 환형 유동 채널은 인서트(1258)와 반응기 용기(101)의 내벽 사이에 형성될 수 있다. 용융 매체는 반응 구역의 하부 부분으로 복귀하기 위해 반응 용기(101) 벽을 따라 아래로 유동할 수 있으며, 여기서 공급 가스는 중앙 반응 가열 구역을 통해 용융 매체를 재순환시키기 위해 용융 매체를 비말 동반할 수 있다. 반응기의 나머지 부분은 본원에 설명되는 것들과 동일할 수 있다.
내부 히터는 중앙 반응 가열 구역 내의 용융 매체를 가열하기 위해 사용될 수 있다. 중앙 반응 가열 구역 내의 저항 가열되는 용융 매체를 생성하는 전기 가열 요소 또는 줄(Joule) 전극과 같은 다수의 가열 요소가 사용될 수 있다. 도 12는 인서트 내의 열분해 반응 온도 이상에서 핫(hot) 구역을 생성하기 위한 전극의 사용을 도시한다. 전극 및 저항 가열의 사용은, 가열이 외부 히터보다는 반응 구역(102) 내에서 수행된다는 점을 제외하고, 도 11과 관련하여 설명된 줄(Joule) 가열과 동일하거나 유사하다. 공급 가스가 이러한 가열 구역으로 채널링되므로, 열분해 반응은 중앙 반응 가열 구역 내에서 수행될 수 있다. 내부 히터의 사용은 임의의 외부 배관, 연결부, 및 외부 히터 용기를 회피함으로써 반응기 설계를 더 단순화할 수 있다.
본원에 개시되는 실시예 내에서, 용융 매체는 반응 용기(101)의 하부 부분으로부터 반응 용기(101)의 상부 부분의 용융 매체 유입구로 외부 루프를 통해 재순환될 수 있다. 본원에 설명되는 바와 같은 직접 접촉 열 교환기의 사용은 용융 매체가 반응 용기를 떠나기 전에 용융 매체의 효과적인 냉각을 제공할 수 있다. 그 다음, 이것은 반응 용기(101)의 상단 부분으로 다시 외부 순환 루프의 용융 매체를 순환시키기 위해 사용될 다양한 구성을 허용할 수 있다. 일부 실시예에서, 임의의 적합한 순환 메커니즘은 용융 매체가 반응 용기의 하부 부분의 용융 매체 유출구로부터 반응 용기(101)의 상부 부분의 용융 매체 유입구로 유동하게 하도록 사용될 수 있다.
도 13a 및 도 13b는 일부 실시예에 따른 상이한 용융 매체 순환 구성을 예시한다. 예를 들어, 도 13a는 용융 매체 유출구(112)와 용융 매체 유출구(114) 사이에서 용융 매체를 순환시키는 용융 매체 순환 라인(1302)을 예시한다. 이러한 구성에서, 용융 매체는 버블 리프트 설계를 사용하여 순환될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스는 용융 매체 유입구(114)까지 용융 매체 순환을 생성하기 위해 용융 매체에 도입될 수 있다. 상부 가스 공간은 가스가 용융 매체로부터 분리되고 추가 사용을 위해 수집되는 것을 허용하기 위해 재순환 라인(1302)에 생성될 수 있다. 사용되는 가스는 다양한 소스로부터 올 수 있다. 일부 실시예에서, 용융 매체 유동을 생성하기 위해 사용되는 가스는 공급 가스의 적어도 일 부분일 수 있고, 용융 매체 순환 라인(1302)으로의 도입은 반응기 용기에 대한 공급물을 가열하기 위해 사용될 수 있다. 용융 매체 순환 라인(1302)의 용융 매체는 공급 가스의 임의의 상당한 열분해가 회피될 수 있도록 충분히 차가울 수 있다. 일정량의 반응이 발생하는 경우에도, 이때, 결과 생성물 가스는 남은 가스 생성물을 처리하기 위해 반응기 용기(101)에 다시 공급될 수 있다. 일부 실시예에서, 가스는 생성물 가스의 일 부분일 수 있으며, 여기서 용융 매체 순환 라인(1302)의 용융 매체와의 접촉은 생성물 가스를 더 냉각시킬 수 있다. 더 다른 실시예에서, 시스템 내로부터의 수소 또는 다른 가스는 용융 매체 순환 라인(1302) 내에 버블 리프트를 생성하기 위해 사용될 수 있다. 시스템 내에 사용되는 용융 매체의 상대적으로 낮은 유량은 버블 리프트가 작동하는 것을 허용할 수 있고, 유량은 용융 매체 재순환 라인(1302)을 통한 기상 유량의 제어를 통해 제어될 수 있다.
도 13b는 펌프 또는 다른 원동(motive) 장치를 사용하는 유사한 재순환 개념을 예시한다. 용융 매체 재순환 라인(1302)의 용융 매체는 컨벤션(convention) 펌프가 용융 매체의 유동을 구동하기 위해 사용될 수 있도록 충분히 차가울 수 있다. 또한, 용융 매체의 상대적으로 낮은 유량은 용융 매체 재순환 라인(1302)을 통해 용융 매체의 원하는 유량을 생성하기 위해 작은 펌프를 사용하거나 이에 의존할 수도 있다.
본원에 설명되는 바와 같은 용융 매체 반응기에 대한 구성의 예로서, 일련의 모델은 반응기 내의 다양한 온도 프로파일을 입증하기 위해 생성되었다. 도 14a는 공급물 예열 구역(104), 반응기 섹션(102), 및 가스 생성물 교환 섹션(106)을 포함하는 모델링된 시스템을 도시한다. 용융 매체는 반응기의 하부 부분으로부터 반응기의 상부 부분으로 재순환될 수 있다. 도 14b는 모델을 예시한다. 모델은 N-CSTR(직렬의 N 연속 교반 탱크 반응기) 모델, 및 축방향 분산 모델을 포함하는 1-D 열 및/또는 질량(mass) 전달에 대한 2개의 표준 모델을 나타낸다. 이상적인 N-CSTR 모델은 상대 유량, 반응기 온도, 단일-통과 전환율, 및 (예를 들어, 상부 가스 생성물 교환 섹션에서 하부 공급물 예열 섹션까지의) 반응기 바이패스의 영향을 포함하는 상이한 동작 조건의 영향을 이해하기 위해 사용되었다.
N-CSTR 모델에 대한 결과 모델 계산은 도 15b에 도시되며 여기서 모델링된 시스템은 결과와 함께 도 15a에 도시된다. 도 15b에 도시된 바와 같이, 온도는 반응 구역(102) 내의 반응 온도를 생성하기 위해 공급물 예열 섹션(104) 및 가스 생성물 교환 섹션(106) 둘 다의 직접 접촉 열 교환기에서 제어되고 증가될 수 있다.
각각의 이론적 CSTR에 따른 상대 온도 변화는 액체 대 공급 가스의 가변 몰 유량으로 도 16에 도시된다. 도시된 바와 같이, 모델은 1300℃의 반응 온도, 300℃의 공급 가스 유입구 온도, 60%의 반응 구역(102)에서의 전환율(conversion), 4개의 예열 스테이지의 사용, 4개의 열 회수 스테이지, 및 반응기 주위에 바이패스가 없다고 가정하였다. 모델링되는 용융 매체는 용융 주석이었다. 용융 액체 대 공급 가스의 몰 유동 비율은 2:1, 3:1, 및 4:1의 비율로 모델링되었다. 도시된 바와 같이, 더 낮은 액체 유량은 용융 매체의 유출구 온도를 감소시키는 것을 도왔으며, 그것에 의해 반응기의 상단에 대한 융융 매체의 재순환을 단순화하였다. 더 높은 액체 유량은 더 높은 용융 매체 유출구 온도를 야기하였다. 그 다음, 이러한 모델은 몰 유량이 액체의 몰 유량 대 가스의 몰 유량의 비율과 관련하여 2:1 대 4:1 또는 약 3:1의 범위에 있도록 선택될 수 있다는 점을 입증한다. 모델링의 일부로서, 도 17은 이론적 스테이지의 수, 전환율, 및 반응기 용기로의 공급 가스에서의 온도의 변화의 효과를 입증한다.
다양한 시스템 및 방법을 설명하였지만, 특정 양태는 다음을 포함하지만 이에 제한되지 않는다:
제1 양태에서, 용융 매체 반응기를 위한 직접 접촉 열 교환기는: 용기에 배치되는 복수의 트레이 또는 스테이지; 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 용융 매체를 통과시키도록 구성되는 용융 매체 유로; 및 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 배치되는 가스 경로를 포함하며, 가스 경로는 복수의 트레이 또는 스테이지 상의 용융 매체와 기상 유체를 직접 접촉시키도록 구성된다.
제2 양태는 제1 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 용융 매체 유로 상의 복수의 트레이 또는 스테이지 내에 배치되는 용융 매체를 더 포함한다.
제3 양태는 제1 또는 제2 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 캐스케이딩 트레이를 포함하되, 복수의 캐스케이딩 트레이 중 각각의 트레이는 각각의 트레이 상의 용융 매체를 유지하도록 구성되는 위어(weir)를 포함한다.
제4 양태는 제3 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 복수의 캐스케이딩 트레이는 스태거형(staggered) 구성로 배열된다.
제5 양태는 제3 또는 제4 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 가스 경로는 복수의 캐스케이딩 트레이 중 제2 트레이의 표면 위로 통과하기 전에 복수의 캐스케이딩 트레이 중 제1 트레이의 표면 위로 통과하고, 제2 트레이는 제1 트레이 위에 있다.
제6 양태는 제1 내지 제5 양태 중 어느 하나의 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 나선형(spiral) 구성으로 배열되는 복수의 캐스케이딩(cascading) 트레이를 포함한다.
제7 양태는 제6 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 가스 경로는 용기를 통해 나선형 경로로 복수의 캐스케이딩 트레이 중 각각의 트레이의 표면 위로 통과한다.
제8 양태는 제1 또는 제2 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 체 트레이(sieve tray)를 포함하되, 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이는 하나 이상의 구멍을 포함한다.
제9 양태는 제8 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 각각의 체 트레이를 통해 배치되는 다운코머(downcomer)를 더 포함하되, 다운코머는 체 트레이 상의 용융 매체의 레벨을 유지하도록 구성되는 체 트레이의 표면 위에 상부 단부를 갖고, 다운코머는 체 트레이 아래의 제2 트레이의 액체 레벨 아래에 배치되는 하부 단부를 갖는다.
제10 양태는 제8 또는 제9 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 가스 경로는 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이의 하나 이상의 구멍을 통해 정의된다.
제11 양태는 제1 또는 제2 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 캐스케이딩 트레이를 포함하고, 가스 유입구는 복수의 캐스케이딩 트레이 중 각각의 트레이의 상부 표면을 따라 배치되고, 다운코머는 각각의 트레이를 통해 배치된다.
제12 양태는 제11 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 가스 유입구는 노즐, 제트, 스파저, 매니폴드, 또는 이들의 조합을 포함한다.
제13 양태는 제11 또는 제12 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 가스 경로는 제1 트레이 상의 용융 매체의 표면 위로, 제2 트레이 상의 가스 유입구를 통해, 그리고 제2 트레이 상의 용융 매체를 통해 통과하고, 제2 트레이는 제1 트레이 위에 있다.
제14 양태는 제1 또는 제2 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 체 트레이(sieve tray)를 포함하되, 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이는 하나 이상의 구멍을 포함하고, 복수의 체 트레이는 용융 매체로 만액되도록 구성된다.
제15 양태는 제14 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 가스 경로는 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이의 하나 이상의 구멍을 통해 배치된다.
제16 양태는 제14 또는 제15 양태의 교환기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 복수의 체 트레이 중 인접한 체 트레이 사이에 배치되는 패킹(packing)을 더 포함하고, 가스 경로는 패킹을 통과하도록 구성된다.
제17 양태에서, 용융 매체 반응기에서 열을 교환하는 방법은: 반응기 용기의 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 용융 매체를 통과시키는 단계; 복수의 트레이 또는 스테이지를 통한 가스 경로를 통해 기상 유체를 통과시키는 단계; 및 반응기 용기 내의 기상 유체와 용융 매체를 접촉시키는 단계를 포함하며, 기상 유체는 복수의 트레이 또는 스테이지 상의 용융 매체와 직접 접촉한다.
제18 양태는 제17 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 용융 매체는 용융 금속, 용융 염, 또는 이들의 임의의 조합을 포함한다.
제19 양태는 제17 또는 제18 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 캐스케이딩 트레이를 포함하고, 방법은 다음: 즉, 위어(weir)를 사용하여 복수의 트레이 또는 스테이지의 각각의 트레이 상의 용융 매체의 레벨을 유지하는 단계; 및 복수의 캐스케이딩 트레이 중 제1 트레이로부터 복수의 캐스케이딩 트레이 중 제2 트레이로 용융 매체를 통과시키는 단계를 포함하며, 제1 트레이는 제2 트레이 위에 있다.
제20 양태는 제19 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 복수의 캐스케이딩 트레이는 스태거형(staggered) 구성으로 배열된다.
제21 양태는 제19 또는 제20 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 가스 경로를 통해 기상 유체를 통과시키는 단계는: 제1 트레이의 표면 위로 기상 유체를 통과시키기 전에 제2 트레이의 표면 위로 기상 유체를 통과시키는 단계를 포함한다.
제22 양태는 제17 내지 제21 양태 중 어느 하나의 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 나선형(spiral) 구성으로 배열되는 복수의 캐스케이딩 트레이를 포함한다.
제23 양태는 제22 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 가스 경로는 반응기 용기를 통한 나선형 경로로 복수의 캐스케이딩 트레이 중 각각의 트레이의 표면 위로 통과한다.
제24 양태는 제17 또는 제18 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 체 트레이를 포함하되, 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이는 하나 이상의 구멍을 포함한다.
제25 양태는 제24 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 다운코머를 통해 복수의 체 트레이 중 제1 트레이로부터 복수의 체 트레이 중 제2 트레이로 용융 매체를 통과시키는 단계 - 제1 트레이는 제2 트레이 위에 있고, 다운코머는 제1 트레이의 표면 위에 상부 단부를 갖고, 다운코머는 제1 트레이 아래의 제2 트레이의 액체 레벨 아래에 배치되는 하부 단부를 가짐 -; 및 제2 트레이의 액체 레벨 아래에 있는 하부 단부에 기초하여 기상 유체가 다운코머를 통해 유동하는 것을 방지하는 단계를 더 포함한다.
제26 양태는 제24 또는 제25 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 가스 경로를 통해 기상 유체를 통과시키는 단계는 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이의 하나 이상의 구멍을 통해 기상 유체를 통과시키는 단계를 포함한다.
제27 양태는 제17 또는 제18 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 캐스케이딩 트레이를 포함하고, 가스 유입구는 복수의 캐스케이딩 트레이 중 각각의 트레이의 상부 표면을 따라 배치되고, 다운코머는 각각의 트레이를 통해 배치된다.
제28 양태는 제27 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 가스 유입구는 노즐, 제트, 스파저, 매니폴드, 또는 이들의 조합을 포함한다.
제29 양태는 제27 또는 제28 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 가스 경로는 제1 트레이 상의 용융 매체의 표면 위로, 제2 트레이 상의 가스 유입구를 통해, 그리고 제2 트레이 상의 용융 용융 매체를 통해 통과하며, 제2 트레이는 제1 트레이 위에 있다.
제30 양태는 제17 또는 제18 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 체 트레이를 포함하되, 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이는 하나 이상의 구멍을 포함하고, 복수의 체 트레이는 용융 매체로 만액된다.
제31 양태는 제30 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 가스 경로는 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이의 하나 이상의 구멍을 통해 배치된다.
제32 양태는 제30 또는 제31 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 복수의 체 트레이 중 인접한 체 트레이 사이에 배치되는 패킹(packing)을 더 포함하고, 방법은: 패킹을 통해 기상 유체를 통과시키는 단계를 더 포함한다.
제33 양태에서, 용융 매체 반응기는: 반응기 용기; 반응기 용기의 상부 부부에 배치되는 제1 직접 접촉 열 교환기; 반응기 용기의 하부 부분에 배치되는 제2 직접 접촉 열 교환기; 및 제1 직접 접촉 열 교환기와 제2 직접 접촉 열 교환기 사이에 위치되는 반응 구역을 포함한다.
제34 양태는 제33 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 반응기 용기의 하부 부분의 공급 가스 유입구, 및 반응기 용기의 상부 부분의 용융 매체 유입구를 더 포함한다.
제35 양태는 제33 또는 제34 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 반응기 용기의 하부 부분에 배치되는 용융 매체 유출구; 및 반응기 용기의 상부 부분에 배치되는 생성물 유출구를 더 포함한다.
제36 양태는 제33 내지 제35 양태 중 어느 하나의 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 제1 직접 접촉 열 교환기 또는 제2 직접 접촉 열 교환기는: 복수의 트레이를 통해 아래쪽으로 용융 매체를 통과시키도록 구성되는 복수의 트레이; 및 복수의 트레이를 통해 정의되는 가스 경로를 포함하되, 가스 경로는 용융 매체와 직접 접촉하는 복수의 트레이를 통해 가스 유체를 통과시키도록 구성된다.
제37 양태는 제33 내지 제36 양태 중 어느 하나의 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 용융 매체 유출구 및 용융 매체 유입구에 유동적으로 결합되는 용융 매체 재순환 라인을 더 포함한다.
제38 양태는 제37 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 용융 매체 재순환 라인에 배치되는 펌프를 더 포함하되, 펌프는 용융 매체 유출구로부터 용융 매체 유입구로 용융 매체를 재순환시키도록 구성된다.
제39 양태는 제37 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 용융 매체 재순환 라인의 가스 주입 유입구; 및 용융 매체 재순환 라인의 가스 유출구를 더 포함하되, 가스 주입 유입구는 용융 매체 재순환 라인의 용융 매체를 통해 기상 유체를 통과시키고 용융 매체가 용융 매체 유출구로부터 용융 매체 유입구로 통과하게 하도록 구성되고, 가스 유출구는 용융 매체가 용융 매체 유입구를 통과하기 전에 용융 매체 재순환 라인의 용융 매체로부터 기상 유체를 제거하도록 구성된다.
제40 양태는 제33 내지 제39 양태 중 어느 하나의 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 용융 매체 바이패스 라인을 더 포함하되, 용융 매체 바이패스 라인은 용융 매체를 제1 직접 접촉 열 교환기로부터 제2 직접 접촉 열 교환기로 통과시키고 반응 구역을 우회하도록 구성된다.
제41 양태는 제33 내지 제40 양태 중 어느 하나의 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 제1 직접 접촉 열 교환기는 가스 및 용융 매체의 역류를 위해 구성되고, 제2 직접 접촉 열 교환기는 가스 및 용융 매체의 역류를 위해 구성되고, 반응 구역은 가스 및 용융 매체의 병류를 위해 구성된다.
제42 양태는 제33 내지 제41 양태 중 어느 하나의 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 반응 구역에 유동적으로 결합되는 외부 히터를 더 포함하되, 외부 히터는 반응 구역의 상부 부분으로부터 용융 매체를 수용하고, 외부 히터의 용융 매체를 가열하고, 용융 매체를 반응 구역의 하부 부분으로 통과시키도록 구성된다.
제43 양태는 제42 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 외부 히터는 가연성 가스를 수용하도록 구성되는 가스 유입구, 및 외부 히터로부터 연소 생성물을 제거하도록 구성되는 가스 유출구를 포함한다.
제44 양태는 제43 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 가스 유입구는 연소 생성물을 외부 히터의 용융 매체로 주입하고 외부 히터 내의 용융 매체의 상향 유동을 생성하도록 구성되는 노즐을 포함한다.
제45 양태는 제42 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 외부 히터는 외부 히터의 용융 매체를 가열하도록 구성되는 전기 가열 요소를 포함한다.
제46 양태는 제42 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 외부 히터는 외부 히터의 용융 매체를 저항식으로 가열하도록 구성되는 복수의 전극을 포함한다.
제47 양태는 제33 내지 제41 양태 중 어느 하나의 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 반응 구역에 배치되는 인서트를 더 포함하되, 인서트는 중앙 유동 영역을 통해 용융 매체를 지향시키도록 구성되고, 인서트는 인서트와 반응기 용기의 벽 사이에 환형 유로를 정의한다.
제48 양태는 제47 양태의 반응기를 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 중앙 유동 영역에 배치되는 복수의 전극을 더 포함하되, 복수의 전극은 중앙 유동 영역 내의 용융 매체를 저항식으로 가열하도록 구성된다.
제49 양태에서, 방법은: 용융 매체를 반응기 용기의 상부 부분으로 통과시키는 단계; 공급 가스를 반응기 용기의 하부 부분으로 통과시키는 단계; 반응기 용기의 중앙 부분의 공급 가스를 열분해하여 반응 생성물을 형성하는 단계; 용융 매체와 반응 생성물 사이의 직접 접촉 열 교환을 사용하여 반응기 용기의 상부 부분의 용융 매체를 가열하는 단계; 용융 매체와 공급 가스 사이의 직접 접촉 열 교환을 사용하여 반응기 용기의 하부 부분의 용융 매체를 냉각시키는 단계; 및 반응기 용기의 하부 부분의 용융 매체를 냉각시킨 후 반응기 용기 밖으로 용융 매체를 통과시키는 단계를 포함한다.
제50 양태는 제49 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 반응기 용기의 상부 부분 밖으로 반응 생성물을 통과시키는 단계를 더 포함한다.
제51 양태는 제49 양태 또는 제50 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 반응기 용기의 상부 부분의 용융 매체를 가열하는 단계는: 복수의 트레이를 통해 용융 매체를 통과시키는 단계; 복수의 트레이 위로 반응 생성물을 통과시키는 단계; 및 용융 매체를 가열하고 복수의 트레이 위로 반응 생성물을 통과시키는 것에 기초하여 반응 생성물을 냉각시키는 단계를 포함한다.
제52 양태는 제49 내지 제51 양태 중 어느 하나의 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 반응기 용기의 하부 부분 밖으로 통과하는 용융 매체를 반응기 용기의 상부 부분으로 재순환시키는 단계를 더 포함한다.
제53 양태는 제52 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 용융 매체를 재순환시키는 단계는 용융 매체 재순환 라인을 통해 용융 매체를 펌핑하는 단계를 포함한다.
제54 양태는 제52 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 용융 매체를 재순환시키는 단계는: 가스를 용융 매체 재순환 라인의 용융 매체로 주입하는 단계; 가스를 주입하는 단계에 응답하여 용융 매체 재순환 라인을 통해 용융 매체를 통과시키는 단계; 및 용융 매체를 반응기 용기의 상부 부분으로 통과시키기 전에 용융 매체 재순환 라인으로부터 가스를 제거하는 단계를 포함한다.
제55 양태는 제33 내지 제54 양태 중 어느 하나의 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 반응기 용기의 중앙 부분을 통과하는 것 없이 반응기 용기의 상부 부분으로부터 반응기 용기의 하부 부분으로 용용 매체의 적어도 일 부분을 통과시키는 단계를 더 포함한다.
제56 양태는 제33 내지 제55 양태 중 어느 하나의 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 반응 생성물 및 용융 매체는 반응기 용기의 상부 부분 및 하부 부분에서 역류를 갖고, 공급 가스, 반응 생성물, 및 용융 매체는 반응기 용기의 중앙 부분에서 병류를 갖는다.
제57 양태는 제33 내지 제56 양태 중 어느 하나의 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 다음: 반응기 용기의 중앙 부분으로부터 용용 매체의 일 부분을 제거하는 단계; 용융 매체의 일 부분을 가열하여 가열된 용융 매체를 생성하는 단계; 및 반응기 용기의 중앙 부분으로 다시 가열된 용용 매체를 통과시키는 단계를 더 포함한다.
제58 양태는 제57 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 용융 매체의 일 부분은 반응기 용기의 중앙 부분의 상단 부분으로부터 제거되고, 가열된 용융 매체는 반응기 용기의 중앙 부분의 하단 부분으로 다시 통과된다.
제59 양태는 제57 양태 또는 제58 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 용융 매체의 일 부분을 가열하는 단계는: 가스를 연소시켜 연소 생성물을 생성하는 단계; 및 연소 생성물과 용융 매체를 접촉시켜 가열된 용융 매체를 생성하는 단계를 포함한다.
제60 양태는 제59 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 용융 매체의 일 부분을 가열하는 단계는: 노즐을 통해 연소 생성물을 주입하는 단계; 및 반응기 용기의 중앙 부분으로 다시 가열된 용융 매체를 통과시키기 위해 용융 매체의 상향 유동을 생성하는 단계를 포함한다.
제61 양태는 제57 양태 또는 제58 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 용융 매체의 일 부분을 가열하는 단계는 다음: 즉, 용융 매체를 전기적으로 가열하는 단계 또는 용융 매체를 저항적으로 가열하는 단계 중 적어도 하나를 포함한다.
제62 양태는 제33 내지 제56 양태 중 어느 하나의 양태의 방법을 포함할 수 있으며, 다음: 즉, 반응기 용기의 중앙 부분의 중앙 유동 영역을 통해 공급 가스를 지향시키는 단계; 중앙 유동 영역의 용융 매체를 가열하는 단계; 중앙 유동 영역으로부터 위쪽으로 반응 생성물 및 용융 매체를 통과시키는 단계; 및 중앙 유동 영역을 통해 용융 매체를 통과시킨 후 반응기 용기의 중앙 부분의 환형 유동 채널에서 아래쪽으로 용융 매체를 통과시키는 단계를 포함한다.
수 개의 실시예가 본 개시에 제공되지만, 개시된 시스템 및 방법은 본 개시의 사상 및 범위로부터 벗어나는 것 없이 많은 다른 특정 형태로 구현될 수 있다는 점이 이해되어야 한다. 실시예 및 본 예시는 제한이 아닌 예시적인 것으로서 간주되어야 하고, 본 발명은 본원에 주어진 상세에 제한되지 않는다. 본원에 개시되는 시스템 및 방법의 많은 변형 및 수정은 가능하고 본 개시의 범위 내에 있다. 예를 들어, 다양한 요소 또는 구성요소는 다른 시스템에 결합 또는 통합되거나 특정 특징은 생략되거나 구현되지 않을 수 있다. 또한, 별개의 또는 개별적인 것으로서 다양한 실시예에 설명되고 예시되는 기술, 시스템, 서브시스템, 및 방법은 본 개시의 범위로부터 벗어나는 것 없이 다른 시스템, 모듈, 기술, 또는 방법과 조합되거나 통합될 수 있다. 서로 직접 결합되거나 통신하는 것으로서 도시되거나 논의되는 다른 아이템은, 전기적으로, 기계적으로, 또는 다른 것이든, 일부 인터페이스, 디바이스, 또는 중간 구성요소를 통해 간접적으로 결합되거나 통신할 수 있다. 변경, 대체, 및 변화의 다른 예는 당업자에 의해 확인가능하고 본원에 개시되는 사상 및 범위로부터 벗어나는 것 없이 이루어질 수도 있다.
다수의 다른 수정, 등가, 및 대안은 상기 개시가 완전히 이해되면 당업자에게 명백해질 것이다. 다음 청구항은 적용가능한 모든 그러한 수정, 등가물, 대안을 망라하는 것으로 해석되도록 의도된다. 따라서, 보호 범위는 위에 제시된 설명에 의해 제한되지 않고 이어지는 청구항에 의해서만 제한되며, 그 범위는 청구항의 발명 대상의 모든 등가물을 포함한다. 각각의 및 모든 청구항은 본 시스템 및 방법의 실시예로서 명세서에 통합된다. 따라서, 청구항은 추가적인 설명이고 본 발명의 상세한 설명에 대한 추가이다. 본원에 인용되는 모든 특허, 특허 출원서, 및 간행물의 개시는 이에 의해 참조로 통합된다.

Claims (27)

  1. 용융 매체 반응기를 위한 직접 접촉 열 교환기로서, 상기 교환기는:
    용기에 배치되는 복수의 트레이 또는 스테이지;
    상기 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 용융 매체를 통과시키도록 구성되는 용융 매체 유로(flow path); 및
    상기 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 배치되는 가스 경로 - 상기 가스 경로는 상기 복수의 트레이 또는 스테이지 상의 상기 용융 매체와 기상(gas phase) 유체를 직접 접촉시키도록 구성됨-
    를 포함하는, 교환기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 용융 매체 유로 상의 상기 복수의 트레이 또는 스테이지 내에 배치되는 용융 매체를 더 포함하는, 교환기.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 캐스케이딩 트레이를 포함하는, 교환기.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 체(sieve) 트레이를 포함하며, 상기 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이는 하나 이상의 구멍을 포함하는, 교환기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 가스 경로는 상기 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이의 상기 하나 이상의 구멍을 통해 정의되는, 교환기.
  6. 제4항 또는 제5항에 있어서,
    상기 복수의 체 트레이 중 인접한 체 트레이 사이에 배치되는 패킹을 더 포함하며, 상기 가스 경로는 상기 패킹을 통과하도록 구성되는, 교환기.
  7. 용융 매체 반응기에서 열을 교환하는 방법으로서, 상기 방법은:
    반응기 용기의 복수의 트레이 또는 스테이지를 통해 용융 매체를 통과시키는 단계;
    상기 복수의 트레이 또는 스테이지를 통한 가스 경로를 통해 기상 유체를 통과시키는 단계; 및
    상기 반응기 용기 내의 기상 유체와 상기 용융 매체를 접촉시키는 단계 - 상기 기상 유체는 상기 복수의 트레이 또는 스테이지 상의 상기 용융 매체와 직접 접촉함 -
    를 포함하는, 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 용융 매체는 용융 금속, 용융 염, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 캐스케이딩 트레이를 포함하며, 가스 유입구는 상기 복수의 캐스케이딩 트레이 중 각각의 트레이의 상부 표면을 따라 배치되고, 다운코머는 각각의 트레이를 통해 배치되는, 방법.
  10. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 복수의 트레이 또는 스테이지는 복수의 체(sieve) 트레이를 포함하며, 상기 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이는 하나 이상의 구멍을 포함하고, 상기 복수의 체 트레이는 상기 용융 매체로 만액되는, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 가스 경로는 상기 복수의 체 트레이 중 각각의 체 트레이의 상기 하나 이상의 구멍을 통해 배치되는, 방법.
  12. 제10항 또는 제11항에 있어서,
    상기 복수의 체 트레이 중 인접한 체 트레이 사이에 배치되는 패킹을 더 포함하며, 상기 방법은: 상기 패킹을 통해 상기 기상 유체를 통과시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  13. 용융 매체 반응기로서,
    반응기 용기;
    상기 반응기 용기의 상부 부분에 배치되는 제1 직접 접촉 열 교환기;
    상기 반응기 용기의 하부 부분에 배치되는 제2 직접 접촉 열 교환기; 및
    상기 제1 직접 접촉 열 교환기와 상기 제2 직접 접촉 열 교환기 사이에 위치되는 반응 구역을 포함하는, 반응기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 반응기 용기의 상기 하부 부분의 공급 가스 유입구, 및
    상기 반응기 용기의 상기 상부 부분의 용융 매체 유입구를 더 포함하는, 반응기.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서,
    상기 반응기 용기의 상기 하부 부분에 배치되는 용융 매체 유출구; 및
    상기 반응기 용기의 상기 상부 부분에 배치되는 생성물 유출구를 더 포함하는, 반응기.
  16. 제13항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 직접 접촉 열 교환기 또는 상기 제2 직접 접촉 열 교환기는:
    복수의 트레이 - 상기 복수의 트레이는 상기 복수의 트레이를 통해 아래쪽으로 용융 매체를 통과시키도록 구성됨 -; 및
    상기 복수의 트레이를 통해 정의되는 가스 경로 - 상기 가스 경로는 상기 용융 매체와 직접 접촉하는 상기 복수의 트레이를 통해 가스 유체를 통과시키도록 구성됨 -,
    를 포함하는 반응기.
  17. 제13항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 용융 매체 유출구 및 상기 용융 매체 유입구에 유동적으로 결합되는 응용 매체 재순환 라인을 더 포함하는, 반응기.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 용융 매체 재순환 라인에 배치되는 펌프를 더 포함하며, 상기 펌프는 상기 용융 매체 유출구로부터 상기 용융 매체 유입구로 상기 용융 매체를 재순환시키도록 구성되는, 반응기.
  19. 제13항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제1 직접 접촉 열 교환기는 가스 및 상기 용융 매체의 역류(counter-current flow)를 위해 구성되고, 상기 제2 직접 접촉 열 교환기는 가스 및 상기 용융 매체의 역류를 위해 구성되고, 상기 반응 구역은 상기 가스 및 상기 용융 매체의 병류(co-current flow)를 위해 구성되는, 반응기.
  20. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 구역에 유동적으로 결합되는 외부 히터를 더 포함하며, 상기 외부 히터는 상기 반응 구역의 상부 부분으로부터 용융 매체를 수용하고, 상기 외부 히터의 상기 용융 매체를 가열하고, 상기 용융 매체를 상기 반응 구역의 하부 부분으로 통과시키도록 구성되는, 반응기.
  21. 제13항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응 구역에 배치되는 인서트를 더 포함하며, 상기 인서트는 중앙 유동 영역을 통해 상기 용융 매체를 지향시키도록 구성되고, 상기 인서트는 상기 인서트와 상기 반응기 용기의 벽 사이에 환형 유동 경로를 정의하는, 반응기.
  22. 방법으로서,
    용융 매체를 반응기 용기의 상부 부분으로 통과시키는 단계;
    공급 가스를 상기 반응기 용기의 하부 부분으로 통과시키는 단계;
    상기 반응기 용기의 중앙 부분의 상기 공급 가스를 열분해하여 반응 생성물을 형성하는 단계;
    상기 용융 매체와 상기 반응 생성물 사이의 직접 접촉 열 교환을 사용하여 상기 반응기 용기의 상기 상부 부분의 상기 용융 매체를 가열하는 단계;
    상기 용융 매체와 상기 공급 가스 사이의 직접 접촉 열 교환을 사용하여 상기 반응기 용기의 상기 하부 부분의 상기 용융 매체를 냉각시키는 단계; 및
    상기 반응기 용기의 상기 하부 부분에서 상기 용융 매체를 냉각시킨 후 상기 반응기 용기 밖으로 상기 용융 매체를 통과시키는 단계,
    를 포함하는, 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 반응기 용기의 상기 상부 부분의 상기 용융 매체를 가열하는 단계는:
    복수의 트레이를 통해 상기 용융 매체를 통과시키는 단계;
    상기 복수의 트레이 위로 상기 반응 생성물을 통과시키는 단계; 및
    상기 용융 매체를 가열하고 상기 복수의 트레이 위로 상기 반응 생성물을 통과시키는 것에 기초하여 상기 반응 생성물을 냉각시키는 단계를 포함하는, 방법.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 반응기 용기의 상기 하부 부분 밖으로 통과하는 상기 용융 매체를 상기 반응기 용기의 상기 상부 부분으로 재순환시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 용융 매체를 재순환시키는 단계는 용융 매체 재순환 라인을 통해 상기 용융 매체를 펌핑하는 단계를 포함하는, 방법.
  26. 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 용기의 상기 중앙 부분으로부터 상기 용융 매체의 일 부분을 제거하는 단계;
    상기 용융 매체의 상기 일 부분을 가열하여 가열된 용융 매체를 생성하는 단계; 및
    상기 반응기 용기의 상기 중앙 부분으로 다시 상기 가열된 용융 매체를 통과시키는 단계를 더 포함하는, 방법.
  27. 제22항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 반응기 용기의 상기 중앙 부분의 중앙 유동 영역을 통해 상기 공급 가스를 지향시키는 단계;
    상기 중앙 유동 영역의 상기 용융 매체를 가열하는 단계;
    상기 중앙 유동 영역으로부터 위쪽으로 상기 반응 생성물 및 상기 용융 매체를 통과시키는 단계; 및
    상기 중앙 유동 영역을 통해 상기 용융 매체를 통과시킨 후 상기 반응기 용기의 상기 중앙 부분의 환형 유동 채널에서 아래쪽으로 상기 용용 매체를 통과시키는 단계를 포함하는, 방법.
KR1020237027392A 2021-01-12 2022-01-11 열교환기가 통합된 열분해 반응기 KR20230143144A (ko)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US202163136316P 2021-01-12 2021-01-12
US63/136,316 2021-01-12
PCT/US2022/012001 WO2022155141A1 (en) 2021-01-12 2022-01-11 Pyrolysis reactor with integrated heat exchange

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20230143144A true KR20230143144A (ko) 2023-10-11

Family

ID=82447517

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020237027392A KR20230143144A (ko) 2021-01-12 2022-01-11 열교환기가 통합된 열분해 반응기

Country Status (6)

Country Link
EP (1) EP4277735A1 (ko)
JP (1) JP2024506472A (ko)
KR (1) KR20230143144A (ko)
AU (1) AU2022209187A1 (ko)
CA (1) CA3204774A1 (ko)
WO (1) WO2022155141A1 (ko)

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3048957A (en) * 1958-09-04 1962-08-14 Foster Wheeler Corp Apparatus for effecting counter-current contact between liquid and vapor streams
US4169583A (en) * 1974-10-07 1979-10-02 Clean Energy Corporation Apparatus for reducing ore
US4276748A (en) * 1977-05-10 1981-07-07 Occidental Petroleum Corporation Recovery of energy from geothermal brine and other hot water sources
US20030012711A1 (en) * 1999-11-17 2003-01-16 Conoco Inc. Honeycomb monolith catalyst support for catalytic distillation reactor
US20060292046A1 (en) * 2003-07-31 2006-12-28 Dow Global Technologies Inc. Oxidation process and reactor with modified feed system
US8678357B2 (en) * 2010-05-17 2014-03-25 Gtc Technology Us, Llc Fluid contactor-diffuser tray assembly
US20090279658A1 (en) * 2008-05-09 2009-11-12 Ottawa Valley Research Associates Ltd. Molten salt nuclear reactor
GB201018338D0 (en) * 2010-10-29 2010-12-15 Asa Energy Conversions Ltd Conversion of natural gas
TWI617536B (zh) * 2015-06-12 2018-03-11 薩比克環球科技公司 藉由甲烷之非氧化偶合製造烴類之方法

Also Published As

Publication number Publication date
JP2024506472A (ja) 2024-02-14
AU2022209187A1 (en) 2023-08-24
CA3204774A1 (en) 2022-07-21
WO2022155141A1 (en) 2022-07-21
EP4277735A1 (en) 2023-11-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11814285B2 (en) Simultaneous reaction and separation of chemicals
US9150466B2 (en) Counter-current fluidized bed reactor for the dehydrogenation of olefins
US20210061654A1 (en) Natural gas conversion to chemicals and power with molten salts
RU2650171C2 (ru) Параллельное получение водорода, монооксида углерода и углеродсодержащего продукта
Rahimpour et al. Enhancement of simultaneous hydrogen production and methanol synthesis in thermally coupled double-membrane reactor
US20130206645A1 (en) Using supercritical fluids to refine hydrocarbons
RU138334U1 (ru) Установка получения высокооктанового бензина из бензиновых фракций и метанола
WO2014081545A1 (en) Counter-current fluidized bed reactor for the dehydrogenation of olefins
US20230219814A1 (en) Hydrogen production from hydrocarbons without carbon dioxide emissions
KR20230143144A (ko) 열교환기가 통합된 열분해 반응기
JP2008537507A (ja) 気体反応物からの液体生成物および任意に気体生成物の生成
US20230322559A1 (en) Carbon separation and removal from molten media
JP2023504617A (ja) 溶融塩反応器の改良
AU2021343870B2 (en) Molten salts reactor systems for methane pyrolysis
SE417438B (sv) Veteproducerande kolveteomvandling med gravitationsstrommande katalysatorpartiklar
CN111747811A (zh) 一种用于甲烷氧化偶联的工艺
ITMI20001531A1 (it) Metodo per rimuovere idruri da fluidi di scambio di calore a metalli liquidi.
SE417439B (sv) Motstroms kolvetekonvertering med tyngdkraftsstrommande katalysatorpartiklar
SE417440B (sv) Veteproducerande kolvetekonvertering med tyngdkraftsstrommande katalysatorpartiklar