KR20230169965A - 전기 가열 장치 - Google Patents

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KR20230169965A
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데르 플루흐 호퍼르트 헤라르뒤스 피터르 판
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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Abstract

본 발명은 전기 가열 장치(1)를 제공하고, 적어도:
- 공간(3)을 정의하는 루프(2A) 및 벽을 갖는 전기 가열로(2);
- 공간(3)을 통해 뻗어있는 적어도 하나의 튜브(10)로서, 적어도 하나의 튜브(10)는 공간(3)의 외측에 유입구(11) 및 유출구(12)를 갖는, 튜브;
- 공간(3)에 위치된 전기 복사 가열 요소(20)로서, 가열 요소(20)는 적어도 하나의 튜브(10)를 가열할 수 있는, 전기 복사 가열 요소를 포함하고;
가열 요소(20)는 공간(3)의 루프(2A)로부터 현수되고;
공간(3)의 루프(2A)는 상이한 높이에서 현수되는 가열 요소(20)를 갖도록 구성된 형상을 갖는다.

Description

전기 가열 장치
본 발명은 전기 가열 장치에 관한 것으로, 특히 고온 및 높은 열 강도에서 기체 변환 반응을 수행하거나 유체를 가열하기 위한 전기 가열 장치에 관한 것이다.
다양한 전기 가열 반응기가 당업계에 공지되어 있다.
예로서, WO2020/002326A1은 공간을 정의하는 적어도 하나의 전기 가열로를 포함하며, 노 공간에 적어도 하나의 반응기 튜브가 배치된, 반응기 구성을 개시한다. 반응기 튜브는 적어도 하나의 전기 복사 가열 요소를 사용하여 가열된다.
상기 또는 다른 공지된 전기 반응기와 연관된 문제는 전기 복사 가열 요소의 조기 파손 또는 노화의 경우에, 노 공간 내의 셧다운 또는 노 공간 내로의 (사람에 의한) 진입이 종종 필요하다는 것이다. 이는 제조에서 관련된 중단과 함께, 노 및 연관된 프로세스의 장기 중단을 초래할 수 있다. 본 발명이 특히 고려되는, 특히 대규모 단위에 대해 (>50 MW), 이는 제조 손실으로 인해 매우 높은 비용을 초래할 수 있다.
또 다른 문제는 가열 요소에서 취성 세라믹 재료가 사용될 때, 파괴된 가열 요소가 하부 위치된 가열 요소 상에 떨어질 경우, 파괴가 (즉, 다른 가열 요소에 영향을 주는) 잠재적인 도미노 효과로 이어질 수 있다는 것이다. 소정의 금속 가열 요소가 사용될 때, 유사한 효과가 발생할 수 있지만, 이는 하부 위치된 가열 요소 상에 떨어짐으로써 전기적 파손을 야기하는 용융된 금속과 관련될 것이다.
본 발명의 목적은 상기한 또는 다른 문제점 중 하나 이상을 극복하거나 최소화하는 것이다.
본 발명의 추가의 목적은 대안적인 전기 가열 장치, 특히 고온 반응(예를 들어 400℃ 초과)에 적합한, 고온에서 유체를 가열하기에 적합한, 그리고 (다수의 튜브를 사용하는) 대규모(> 50 MW) 적용에 적합한 장치를 제공하는 것이다.
상기 또는 다른 목적 중 하나 이상은 적어도:
- 공간을 정의하는 루프 및 벽을 갖는 전기 가열로;
- 공간을 통해 뻗어있는 적어도 하나의 튜브로서, 적어도 하나의 튜브는 공간의 외측에 유입구 및 유출구를 갖는, 상기 적어도 하나의 튜브;
- 공간에 위치된 전기 복사 가열 요소로서, 가열 요소는 적어도 하나의 튜브를 가열할 수 있는, 상기 전기 복사 가열 요소를 포함하는, 전기 가열 장치를 제공함으로써 달성되고;
상기 가열 요소는 공간의 루프로부터 현수되고;
공간의 루프는 상이한 높이에서 현수되는 가열 요소를 갖도록 구성된 형상을 갖는다.
놀랍게도, 본 발명에 따른 장치에 사용되는 바와 같은 전기 복사 가열 요소는 노 공간의 셧다운 또는 노 공간 내로의 (사람에 의한) 진입에 대한 필요 없이, 전기 복사 가열 요소의 조기 파손 또는 노화의 경우에 용이하게 교체될 수 있다는 것이 본 발명에 따라 밝혀졌다.
또한, 본 발명에 따른 장치는 (다수의 튜브가 사용되는) 대규모 (> 50 MW) 적용을 위해 의도된 장치에서 튜브, 및 튜브를 통해 유동하는 유체의 정밀한 온도 제어를 제공한다. 그 결과, 원치 않는 부산물(이를테면 코크스 형성)이 덜 발생하고, 장치의 가동 시간이 길어질 수 있다.
가열 요소를 상이한 높이에 위치시킴으로써 가열 요소는 튜브의 전체 길이에 걸쳐 튜브를 가열할 수 있다는 것이 본 발명에 따른 장치의 또 다른 이점이다. 이는, 튜브의 길이가 전형적으로 별개의 가열 요소의 길이보다 더 길기 때문이다.
본 발명의 추가 이점은, 그 원리가 적절한 맞춤화를 행함으로써, 또한 기존의 장치에 적용될 수 있다는 점이다.
당업자는 전기 가열 장치가 광범위하게 다양할 수 있고, 여러 추가적인 요소를 포함할 수 있음을 쉽게 이해할 것이다. 당업자는 전기 가열 장치를 설계하는 방법을 숙지하고 있으므로, 이는 여기서 상세히 논의되지 않는다.
위에서 언급된 바와 같이, 장치는 바닥과 함께 (노) 공간을 정의하는 벽 및 루프를 갖는 전기 가열로를 포함한다. 이러한 노의 벽, 루프 및 바닥은 전형적으로 노의 외측으로의 과도한 열 누출을 회피하기 위해 일부 내화성 및 절연성을 포함한다. 전기 가열로에는 (발열 반응의 결과로서 제공되는 것 이외에) 일부 비전기 가열이 제공될 수 있지만, 바람직하게는 가열의 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 80%, 가장 바람직하게는 전부가 전기 가열에 의해 제공된다.
위에서 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 장치의 노 공간의 루프는 상이한 높이에서 현수되는 가열 요소를 갖도록 구성된 형상을 갖는다. 이를 위해, 루프는 루프가 바람직하게는 스텝형 형상을 사용하여, 수직으로부터의 각도 하에 존재하는 형상을 가질 수 있다. 본 발명에 따른 장치의 바람직한 실시예에 따르면, 루프는 박공(gable) 형상, 스텝형 형상, 크로우-스텝형(crow-stepped) 형상, 바람직하게는 크로우-스텝형 형상으로 이루어진 그룹로부터 선택된 형상을 갖는다. 이는 가열 요소가 상이한 높이에서 현수되게 (그리고 튜브(들)의 상이한 부분에 열을 제공하게) 허용한다. 이와 관련하여, 당업자는 모든 가열 요소가 상이한 높이에서 현수될 필요가 없다는 것을 쉽게 이해할 것이며; 예를 들어 가열 요소의 로우(row)가 사용되는 경우, 이때 동일한 로우에서의 가열 요소는 전형적으로 동일한 높이에서 매달릴 것이다.
또한, 가열 요소는 가열 요소가 루프를 통해, 바람직하게는 루프에서의 폐쇄가능한 개구에 의해 교체될 수 있는 방식으로, 공간의 루프에 제거가능하게 연결되는 것이 바람직하다. 이는 가열 요소에 대한 용이한 접근을 허용하고, 심지어 장치의 작동 동안에 조기 파손 또는 노화의 경우에 가열 요소를 교체할 가능성을 제공한다. 가열 요소가 노의 작동 동안 교체되는 경우, 이때 교체는 바람직하게는 노에서의 압력을 적절한 레벨로 유지하기 위해 (그리고 노 내로부터의 열이 노에서 지나치게 빠져나가는 것을 회피하기 위해) 압력 박스에서 행해진다.
공간을 통해 뻗어있는 적어도 하나의 튜브(그러나 전형적으로 여러 개의 튜브)는 튜브가 공간의 외측에 유입구 및 유출구를 갖는다면, 광범위하게 변할 수 있다. 단지 예로서, 튜브는 (바람직하긴 하지만) 직선형일 필요는 없고, 예를 들어, S자 또는 U자형일 수 있다. U자형 튜브가 사용되는 경우에, 튜브의 유입구와 유출구 둘 모두는 일측에(예를 들어, 상부에) 있을 수 있다. 여러개의 튜브가 존재한다면, 이때 튜브는 바람직하게는 실질적으로 평행하게 뻗어있다. 본 장치가 반응기의 형태인(그리고 이로 인해 단지 가열에만 사용되는 것이 아닌) 경우에, 튜브는 '반응기 튜브'로 지칭될 수 있다. 튜브는 코일의 형태, 즉 나선형으로 형상화될 수 있다.
(노 공간에 위치된) 전기 복사 가열 요소는 특별히 제한되지 않는다. 전형적으로, 전기 복사 가열 요소의 가열을 위해서는, 전기 저항 가열이 사용된다(이는 '줄 효과(Joule effect)'를 이용한다). 일반적으로, 전기 복사 가열 요소는 300℃ 초과의 온도로 가열되기에 적합하다. 바람직하게는, 전기 복사 가열 요소는 400 내지 1600℃ 범위 내의 온도로 가열되기에 적합하다. 바람직하게는, 전기 복사 가열 요소는 NiCr, SiC, MoSi2 또는 FeCrAl 기반 저항 가열 요소를 포함한다.
당업자는 전기 복사 가열 요소가 로드, 플레이트, 시트, 그리드, 가열 와이어가 로드 주위에 권취된 (예를 들어, 세라믹) 로드 등과 같은 많은 상이한 형상을 취할 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.
전형적으로, 가열 요소의 길이는 튜브(들)의 길이보다 작다. 따라서, 일반적으로 여러개의 별개의 가열 요소가 튜브(들)의 전체 길이에 걸쳐 튜브(들)를 가열하는 데 사용된다.
바람직한 실시예에 따르면, 장치는 공간을 통해 뻗어있는 적어도 10개의 튜브를 포함한다. 바람직하게는, 튜브는 실질적으로 평행하게 뻗어있다.
또한, 튜브(들)는 실질적으로 수직 방식으로 연장되는 것이 바람직하다. 튜브의 그러한 수직 셋업에서, 튜브를 통해 유동하는 유체는 하향으로 유동하는 것이 바람직하다. 따라서, 이러한 경우에, 튜브의 유입구는 상부에 있고, 유출구는 바닥에 있다.
튜브의 과도한 과열을 피하기 위해, 전기 복사 가열 요소는 튜브와 직접 접촉하지 않는 것이 바람직하다. 다르게 말하면, 가열 요소와 튜브는 적어도 노 공간에서, 서로 접촉하지 않는다.
가열 요소가 많은 형태를 가질 수 있지만, 전기 복사 가열 요소는 튜브형 가열 요소, 즉 로드의 형태인 것이 특히 바람직하다. 적합한 튜브형 가열 요소의 예는 시판되는 탄화 규소(SiC) 로드이다.
그러한 튜브형 SiC 가열 요소는 노 공간의 컴팩트한 설계가 달성되도록 허용한다.
추가의 양태에서, 본 발명은 본 발명에 따른 전기 가열 장치를 사용하여 유체 변환 반응 또는 가열을 수행하기 위한 방법으로서, 적어도:
a) 튜브의 유입구를 통해 공급 스트림을 공급하는 단계;
b) 전기 복사 가열 요소에 의해 발생된 가열을 사용하여 상기 장치의 공간에서 유체 변환 반응 또는 가열을 상기 튜브를 통해 흐르는 상기 공급 스트림에 가하여, 하나 이상의 반응 생성물 또는 가열된 공급 스트림을 얻는 단계;
c) 튜브의 유출구를 통해 장치로부터 하나 이상의 반응 생성물 또는 가열된 공급 스트림을 제거하는 단계를 포함하는, 방법을 제공한다.
이에 제한되지 않지만, 본 발명에 따른 방법은 특히 대규모 적용(> 50 MW)에서 가열 또는 유체 변환 반응을 위해 의도된다.
당업자는 유체 변환 반응의 성질이 특별히 제한되지 않는다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 비제한적이지만 바람직한 예는 SMR (Steam Methane Reforming), 스팀 크래킹 등이다.
이하, 본 발명은 다음의 비제한적인 도면에 의해 추가로 예시될 것이다.
여기서:
도 1은 크로우-스텝형 박공 형상을 갖는 본 발명에 따른 장치의 측면 단면도를 도시한다.
도 2는 도 1의 장치의 측면 정면도를 개략적으로 도시한다.
도 3 은 본 발명에 따른 장치의 측면 상면도를 개략적으로 도시한다.
본 설명의 목적을 위해, 동일한 참조 번호는 동일하거나 유사한 구성요소를 지칭한다.
도 1의 실시예에서, 일반적으로 참조 번호 1로 지칭되는 도 1의 전기 가열 장치는 반응기로서 도시된다. 그러나, 당업자는 본 장치가 또한 (단지) 유체를 가열하는 데, 즉 반응이 행해지지 않고, 사용될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다.
도 1의 반응기(1)는 내부에 노 공간(3)을 정의하는 루프(2A), 바닥(2B) 및 벽(2C)을 갖는 전기 가열로(2); 다수의 반응기 튜브(10) (도 1에 하나만 도시됨) 및 다수의 전기 복사 가열 요소(20)를 포함한다.
전기 복사 가열 요소(20)는 공간(3)에 위치되고 루프(2A)로부터 현수된다. 공간(3)의 루프(2A)가 크로우-스텝형 박공 형상을 갖기 때문에, 가열 요소는 상이한 높이에서 현수된다 (그러나, 동일한 로우의 가열 요소는 전형적으로 동일한 높이에서 현수될 것이다). 가열 요소(20)는 노 공간(3)의 루프(2A)에 제거가능하게 연결되고; 도 1의 실시예에서 루프(2A)에는 폐쇄가능한 개구(4)가 있다.
도 1에서 볼 수 있는 바와 같이, 반응기 튜브(10)는 공간(3)을 통해 뻗어있고, 공간(3) 외측에 유입구(11) 및 유출구(12)를 갖는다. 또한, 반응기 튜브(10)는 실질적으로 수직 방식으로 연장된다.
도 1에서 또한 볼 수 있듯이, 전기 복사 가열 요소(20)는 반응기 튜브(10)와 직접 접촉하지 않는다.
노 공간(2)의 루프(2A), 바닥(2B) 및 벽(2C)은 전형적으로 내열성 및 구조적 재료로 제조되고, 노(2)의 내측으로부터 그 외측으로의 열의 과도한 누출을 회피하기 위해 절연될 수 있다.
본 발명에 따른 반응기(1)에서 사용되는 바와 같은 전기 복사 가열 요소(20)의 조기 파손 또는 노화의 경우, 이러한 가열 요소는 반응기(1) 내의 셧다운 또는 그 안으로 사람에 의한 진입이 요구되지 않고 (루프(2A)에서 폐쇄가능한 개구(4)를 통해) 용이하게 교체될 수 있다.
가열 요소(20)가 반응기의 작동 동안 교체되는 경우, 이때 교체는 바람직하게는 노 공간(3)에서의 압력을 적절한 레벨에서 유지하기 위해 (그리고 노 공간(3) 내로부터의 그러한 열이 반응기에서 지나치게 빠져나가는 것을 회피하기 위해) 압력 박스 (도시되지 않음)에서 행해진다.
도 2의 정면도에서 알 수 있는 바와 같이, 반응기(1)는 4개의 병렬 튜브(10)의 로우를 포함한다.
도 3의 상면도로부터 명확하게 알 수 있는 바와 같이, 가열 요소(20)는 반응기(1)의 (크로우-스텝형 박공 형상을 갖는) 루프(2A)로부터 모두 용이하게 접근가능하다.
도 1 내지 도 3의 반응기의 사용 동안, 반응기 튜브(10)의 유입구(11)를 통해 유체 스트림(전형적으로 기체)이 공급된다. 그 후, 반응기 튜브(10)를 통해 유동하는 유체 스트림은 전기 복사 가열 요소(20)에 의해 발생된 가열을 사용하여 반응기(1)의 공간(3)(내에 반응기 튜브(10))에서 유체 변환 반응을 거침으로써, 하나 이상의 반응 생성물을 얻는다.
후속해서, 하나 이상의 반응 생성물은 반응기 튜브(10)의 유출구(12)를 통해 반응기(1)로부터 제거된다.
당업자는 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 많은 변형이 이루어질 수 있음을 쉽게 이해할 것이다.

Claims (7)

  1. 전기 가열 장치로서, 적어도:
    - 공간을 정의하는 루프 및 벽을 갖는 전기 가열로;
    - 상기 공간을 통해 뻗어있는 적어도 하나의 튜브로서, 상기 적어도 하나의 튜브는 상기 공간의 외측에 유입구 및 유출구를 갖는, 튜브;
    - 상기 공간에 위치된 전기 복사 가열 요소로서, 가열 요소는 상기 적어도 하나의 튜브를 가열할 수 있는, 전기 복사 가열 요소를 포함하고;
    상기 가열 요소는 상기 공간의 루프로부터 현수되고;
    상기 공간의 루프는 상이한 높이에서 현수되는 가열 요소를 갖도록 구성된 형상을 갖는, 전기 가열 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 루프는 박공(gable) 형상, 스텝형 형상, 크로우-스텝형(crow-stepped) 형상, 바람직하게는 크로우-스텝형 형상으로 이루어진 그룹으로부터 선택된 형상을 갖는, 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 요소는 상기 가열 요소가 상기 루프를 통해, 바람직하게는 상기 루프에서의 폐쇄가능한 개구에 의해 교체될 수 있는 방식으로, 상기 공간의 루프에 제거가능하게 연결되는, 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 공간을 통해 뻗어있는 적어도 10개의 튜브를 포함하는, 장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 튜브(들)는 실질적으로 수직 방식으로 연장되는, 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 요소는 상기 튜브(들)와 직접 접촉하지 않는, 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서의 전기 가열 장치를 사용하여 유체 변환 반응 또는 가열을 수행하기 위한 방법으로서, 적어도:
    a) 튜브의 유입구를 통해 공급 스트림을 공급하는 단계;
    b) 전기 복사 가열 요소에 의해 발생된 가열을 사용하여 상기 장치의 공간에서 유체 변환 반응 또는 가열을 상기 튜브를 통해 흐르는 상기 공급 스트림에 가하여, 하나 이상의 반응 생성물 또는 가열된 공급 스트림을 얻는 단계;
    c) 상기 튜브의 유출구를 통해 상기 장치로부터 상기 하나 이상의 반응 생성물 또는 가열된 공급 스트림을 제거하는 단계를 포함하는, 방법.
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