KR20240027700A - 가스 가열을 위한 구조체 - Google Patents
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Abstract
가압된 원료 가스의 가열을 수행하는 가열 시스템을 위한 구조체가 제공되며, 여기서 열은 전력에 의한 저항 가열에 의해 제공된다.
Description
저항 가열에 의해 열이 제공되는, 가압된 원료 가스(feed gas)의 가열을 수행하기 위한 가열 시스템의 구조체(structured body)가 제공된다.
전형적으로 가스 열 교환기는 압력을 견디는 장비여서 최대 작동 온도가 제한되므로 설계 온도가 제한된다. 열 교환의 고전적인 구성형태는 튜브 쉘 타입으로, 튜브 측으로 유동하는 가스가 쉘 측의 가스와 열을 교환하여 제1 가스를 가열하고 제2 가스를 냉각하며, 반대의 경우도 가능하다. 가스 시스템을 매우 고온으로 가열할 수 있는 가열 시스템, 구체적으로 가스 예열기를 개발하는 것이 바람직하다. 또한, 컴팩트하며 작동이 간단한 가열 시스템을 개발하는 것이 바람직하다. 본 발명 기술의 다른 이점은 이산화탄소의 전체 배출량 및 기후에 해로운 다른 배출물들이 상당히 감소될 수 있다는 점이며, 특히 가열 시스템에 사용된 동력이 재생 에너지 자원인 경우 그러하다.
가스의 예열은 화학 공정 설계에 있어서 많은 측면에서 필요하다. 가스 예열기의 예는 촉매층 활성화에 사용된 환원 가스의 예열을 포함한다. 가스 예열기의 다른 사용예는 단열 후 변환기(APOC)의 CO2 예열기이다. WO 2019/110267에 APOC 반응기가 설명된다. 두 경우 모두 하류 유닛 작동의 상호작용을 가능하게 하려면 가스 예열 온도가 매우 높은 것이 바람직할 수 있다.
따라서, 본 발명은 원료 가스를 가열하도록 배열된 구조체를 제공하며, 상기 구조체는 각각 제1 단부에서 제2 단부로 길이 방향으로 연장된 제1 거시적 구조 및 제2 거시적 구조를 포함하고, 상기 제1 단부는 상기 원료 가스가 상기 제1 및 제2 거시적 구조로 들어가는 입구를 형성하고, 상기 제2 단부는 가열된 가스의 출구를 형성하며, 상기 제1 및 제2 거시적 구조는 3-차원 네트워크 구조를 포함하고, 상기 네트워크 구조는 원료 가스가 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 유동할 수 있는 유로를 형성하며, 네트워크 구조는 전기 전도성 금속 물질에 의해 형성되고, 여기서 상기 제2 거시적 구조는 제1 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되며, 제1 및 제2 거시적 구조는 제2 단부에서 전기적으로 연결된다.
추가로, 본 발명은 원료 가스의 가열을 위한 가열 시스템을 제공하며, 상기 가열 시스템은:
a) 본원에 설명된 구조체;
b) 상기 구조체를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 압력 쉘은 상기 원료 가스의 유입을 위한 입구 및 가열된 가스의 배출을 위한 출구를 포함하고, 상기 입구는 상기 원료 가스가 제1 단부에서 상기 구조체로 들어가고 상기 가열된 가스는 제2 단부에서 상기 구조체를 빠져나가도록 위치되며; 및
c) 상기 구조체와 상기 압력 쉘 사이의 단열층
을 포함한다.
추가로, 본 발명은 본원에 설명된 가열 시스템에서 원료 가스를 가열하는 방법을 제공하며, 상기 방법은:
- 상기 원료 가스를 가압하는 단계,
- 상기 가압된 원료 가스를 가열 시스템에 공급하는 단계,
- 상기 구조체에 상기 압력 쉘 외부에 위치된 전력 공급장치를 연결하는 전기 전도체를 통해 전력을 공급하고, 상기 전기 전도성 물질을 통해서 전기 전류가 흐르도록 함으로써 구조체의 적어도 일부를 가열하는 단계,
- 구조체 상에서 원료 가스를 가열하는 단계, 및
- 가열된 가스를 가열 시스템으로부터 배출하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 추가의 양태들은 종속청구항, 도면 및 이후의 설명에서 제시된다.
도 1a는 구조체를 포함하는 본 발명의 가열 시스템의 일 실시형태의 단면도이다.
도 1b는 압력 쉘과 단열층의 일부가 제거된 도 1a의 가열 시스템이다.
도 2는 가열 시스템의 일부의 확대도이다.
도 3은 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
도 4는 도 3에 나타낸 구조체의 실시형태의 단면도이다.
도 5는 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
도 6은 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
도 7은 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
도 8은 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
도 1b는 압력 쉘과 단열층의 일부가 제거된 도 1a의 가열 시스템이다.
도 2는 가열 시스템의 일부의 확대도이다.
도 3은 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
도 4는 도 3에 나타낸 구조체의 실시형태의 단면도이다.
도 5는 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
도 6은 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
도 7은 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
도 8은 구조체의 일 실시형태를 나타낸다.
구체적인 실시형태들
본 발명은 주문형 접근방식에서 컴팩트한 설계로 가스 가열 작업을 촉진하기 위해 전기 가열 시스템에서 사용하기 위한 구조체를 설명한다.
구조체를 사용하는 컴팩트한 전기 가열 시스템은 쉽게 작동될 수 있고, 필요한 경우 용이한 시동 원리를 사용할 수 있다. 이것은 상대적으로 저가의 플랜트를 제공한다.
제1 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 제2 거시적 구조를 배열함으로써 제1 거시적 구조와 제2 거시적 구조 사이의 연결부에서 전류 밀도가 상당히 감소될 수 있다. 추가로, 우회 위험도 감소될 수 있다.
따라서, 원료 가스를 가열하도록 배열된 구조체가 제공되며, 상기 구조체는 각각 제1 단부에서 제2 단부로 길이 방향으로 연장된 제1 거시적 구조 및 제2 거시적 구조를 포함하고, 상기 제1 단부는 상기 원료 가스가 상기 제1 및 제2 거시적 구조로 들어가는 입구를 형성하고, 상기 제2 단부는 가열된 가스의 출구를 형성하며, 상기 제1 및 제2 거시적 구조는 3-차원 네트워크 구조를 포함하고, 상기 네트워크 구조는 원료 가스가 상기 제1 단부로부터 상기 제2 단부로 유동할 수 있는 유로를 형성하며, 네트워크 구조는 전기 전도성 금속 물질에 의해 형성되고, 상기 제2 거시적 구조는 제1 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되며, 제1 및 제2 거시적 구조는 제2 단부에서 전기적으로 연결된다.
본원에서 사용된 용어 "거시적 구조"는 확대 장치 없이 육안으로 볼 수 있을만큼 충분히 큰 구조를 의미한다. 거시적 구조의 치수는 전형적으로 수 센티미터 또는 심지어 수 미터의 범위이다. 유익하게, 거시적 구조의 치수는 구조체가 배열될 수 있는 압력 쉘의 내부 치수에 적어도 부분적으로 상응하도록 이루어지며, 이로써 단열층과 전도체를 위한 공간이 절약된다.
제1 및 제2 거시적 구조는 둘 다 3-차원 네트워크 구조를 포함한다. 따라서, 제1 및 제2 거시적 구조는 구조에 하나 이상의 개구가 있는 3-차원 구조로 형성된다. 이들 개구는, 예를 들어 가스 유동 채널, 제1 및 제2 거시적 구조의 나머지 부분과 다른 물질로 충전된 절단부(cut-out), 물질로 충전되지 않은 절단부, 또는 다른 개구들일 수 있다. 개구의 크기 및/또는 형상 및/또는 위치는, 예를 들어 길이 방향을 따라 및/또는 길이 방향에 횡단하는 방향을 따라 변할 수 있다.
네트워크 구조는 전기 전도성 금속 물질, 예컨대 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금에 의해 형성된다.
유익하게, 네트워크 구조의 전기 전도성 물질은 응집성 또는 일정하게 내부연결된 물질이며, 이로써 전기 전도성 물질 전체에서 전기 전도성을 달성함으로써 구조체 전체에서 열 전도성을 달성할 수 있고, 특히 구조체가 촉매 물질을 포함할 때 촉매 물질의 가열을 제공한다. 응집성 또는 일정하게 내부연결된 물질은 전기 전도성 물질 내에 전류의 균일한 분포를 보장할 수 있고, 따라서 구조체 내에 열의 균일한 분포를 보장할 수 있다. 본 명세서에서 용어 "응집성"은 응집형과 동의어이며, 일정하게 내부연결된 또는 일정하게 결합된 물질을 말한다. 응집성 또는 일정하게 내부연결된 물질인 구조체의 효과는 구조체 물질 내 연결성 및 전기 전도성 물질의 전도성에 대한 제어가 얻어진다는 것이다. 전기 전도성 물질의 일부분들에 절단부 공간의 제공 등 전기 전도성 물질에 추가 변형이 수행된다 해도 전기 전도성 물질은 여전히 응집성 또는 일정하게 내부연결된 물질을 의미한다는 것이 주지되어야 한다.
제2 거시적 구조는 제1 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열된다. 한 실시형태에서, 제2 거시적 구조는 중공이 있는 길이 방향으로 연장된 기다란 구조일 수 있으며, 이로써 제1 거시적 구조를 완전히 둘러싸게 되고, 이때 제2 거시적 구조의 내부 표면은 제1 거시적 구조의 외부 표면과 마주한다. 대안의 실시형태에서, 제2 거시적 구조는 제1 거시적 구조의 주변을 부분적으로 둘러싸도록 배열될 수 있으며, 이때 제2 거시적 구조의 내부 표면의 일부가 제1 거시적 구조의 외부 표면의 일부와 마주한다.
구조체는 제1 거시적 구조와 제2 거시적 구조를 제2 단부에서 전기적으로 연결함으로써 제1 단부에서 상기 제2 단부로 제1 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 흘려보낸 다음, 제2 단부에서 제1 단부로 제2 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 흘려보내도록 구성될 수 있다.
제1 및 제2 거시적 구조는 단일체로 형성될 수 있으며, 이때 전기적 연결은 이러한 단일 요소의 일부일 수 있다; 즉, 전기적 연결은 단일체의 일부를 형성하는 전이부일 수 있다.
대안의 실시형태에서, 제1 및 제2 거시적 구조는 제2 단부에서 서로 부착될 수 있는 2개의 분리된 요소로 형성되며, 따라서 제1 및 제2 거시적 구조 사이에 전기적 연결이 제공된다.
추가의 대안에서, 구조체는 제1 및 제2 거시적 구조 사이에 배열될 수 있는 브릿지 요소를 포함할 수 있고, 따라서 제1 및 제2 거시적 구조 사이에 전기적 연결이 제공된다.
네트워크 구조는 세라믹 코팅을 적어도 부분적으로 담지할 수 있다. 용어 "세라믹 코팅을 담지한다"는 네트워크 구조의 표면의 적어도 일부에서 네트워크 구조가 세라믹 코팅으로 코팅된다는 것을 의미한다. 따라서, 이 용어는 네트워크 구조의 전 표면이 세라믹 코팅으로 코팅된다는 것을 의미하지는 않는다; 특히, 거시적 구조에서 적어도 전도체에 전기적으로 연결되도록 구성된 부분들은 코팅을 갖지 않는다. 코팅은 구조에 공극이 있는 세라믹 물질일 수 있으며, 이로써 코팅 위와 내부에 촉매 활성 물질을 담지할 수 있다. 세라믹 코팅은 전기 절연 물질이며, 전형적으로 약 100μm, 예컨대 10-500μm 범위의 두께를 가질 것이다.
한 실시형태에서, 세라믹 코팅의 적어도 일부는 촉매 활성 물질을 담지할 수 있다. 유익하게, 촉매 활성 물질은 약 5nm 내지 약 250nm 범위의 크기를 갖는 촉매 활성 입자를 포함한다.
거시적 구조는 3D 인쇄에 의해 제조될 수 있다. 거시적 구조의 제조는 또한 3D 인쇄된 요소의 소결을 포함할 수 있다. 촉매 활성 물질을 함유할 수 있는 세라믹 코팅이 거시적 구조 위에 제공될 수 있고, 이후 2차 소결이 산화 분위기에서 수행됨으로써 세라믹 코팅과 거시적 구조 사이에 화학 결합이 형성될 수 있다. 대안으로서, 2차 소결 후 촉매 활성 물질이 세라믹 코팅 위에 함침될 수 있다. 세라믹 코팅과 거시적 구조 사이에 화학 결합이 형성된 경우, 전기 가열된 거시적 구조와 세라믹 코팅에 의해 담지된 촉매 활성 물질 사이의 높은 열 전도성이 달성될 수 있으며, 구조화된 촉매의 촉매 활성 물질과 열원 사이에 가깝고 거의 직접적인 접촉을 제공한다. 열원과 촉매 활성 물질 사이의 근접성으로 인해 열 전달이 효율적이며, 이로써 구조화된 촉매가 매우 효율적으로 가열될 수 있다. 따라서, 반응기 시스템 체적당 가스 처리 측면에서 컴팩트한 반응기 시스템이 가능하며, 따라서 구조화된 촉매를 수용하는 반응기 시스템도 컴팩트할 수 있다.
본원에서 사용된 용어 "3D 프린트" 및 "3D 인쇄"는 금속 첨가 제조 공정을 의미한다. 이러한 금속 첨가 제조 공정은 컴퓨터 제어하에 물질이 구조에 연결되어 3-차원 물체를 생성하는 3D 인쇄 공정을 포함하며, 상기 구조가, 예를 들어 소결에 의해 고화됨으로써 거시적 구조를 제공할 수 있다. 또한, 이러한 금속 첨가 제조 공정은 분말층 융합 또는 직접 에너지 부착 공정과 같은 후속 소결이 필요하지 않은 3D 인쇄 공정을 포함한다. 이러한 분말층 융합 또는 직접 에너지 부착 공정의 예는 레이저 빔, 전자 빔 또는 플라즈마 3D 인쇄 공정이다.
따라서, 제1 및 제2 거시적 구조 중 적어도 하나는 3D 인쇄에 의해 제조될 수 있다. 한 실시형태에서, 제1 및 제2 거시적 구조는 3D 인쇄에 의해 단일체로서 제조될 수 있다.
네트워크 구조의 적어도 일부는 복수의 평행한 유동 채널을 형성할 수 있다. 그러나 채널의 적어도 일부는 평행하지 않을 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 네트워크 구조는 복수의 평행한 채널, 복수의 비-평행 채널 및/또는 복수의 미로형 채널을 가질 수 있고, 채널은 채널을 한정하는 벽을 가진다. 따라서, 구조체의 큰 표면적을 가스에 노출하기 위해 몇몇 상이한 형태의 네트워크 구조가 사용될 수 있다. 바람직한 실시형태에서, 네트워크 구조는 평행한 본체를 가지며, 이러한 평행한 채널은 구조화된 촉매의 압력 드롭을 매우 저감시킨다. 바람직한 실시형태에서, 평행한 길이방향 채널은 거시적 구조의 길이 방향으로 기울어져 있다. 이 방식에서, 거시적 구조를 통해서 유동하는 가스 분자들은 벽과 접촉 없이 채널을 통해서 일직선으로 유동하는 대신 대부분 채널 내부에서 벽에 부딪히려는 경향을 가질 것이다. 채널의 치수는 충분한 저항률을 갖는 거시적 구조를 제공하기에 적절해야 한다. 예를 들어, 채널은 정방형(채널에 수직인 단면에서 봤을 때)일 수 있고, 1~3mm의 정사각형 측면 길이를 가질 수 있다; 그러나 단면의 최대 치수가 최대 약 4cm인 채널도 고려될 수 있다. 벽은, 예를 들어 0.2~2mm, 예컨대 약 0.5mm의 두께를 가질 수 있고, 벽에 의해 담지된 세라믹 코팅은 10μm 내지 500μm, 예컨대 50μm 내지 200μm, 예컨대 100μm의 두께를 가질 수 있다.
제1 및 제2 거시적 구조 중 적어도 하나는 내부 공간을 형성하는 원주벽을 포함할 수 있으며, 원주벽은 전기 전도성 금속 물질로 형성되고, 상기 네트워크가 내부 공간에 배열된다. 한 실시형태에서, 네트워크 구조는 원주벽에 의해 형성된 내부 공간에 배열될 수 있는 복수의 내벽을 형성할 수 있다. 복수의 내벽은 제1 단부에서 제2 단부까지 복수의 유동 채널을 형성할 수 있다.
제2 거시적 구조는 제1 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열된다. 제2 거시적 구조는 제1 거시적 구조의 외부 표면의 적어도 50%, 예컨대 적어도 60%, 예컨대 적어도 70%, 예컨대 적어도 80%, 예컨대 적어도 90%, 예컨대 적어도 100%의 주변을 둘러싸도록 배열될 수 있다.
제2 거시적 구조가 제1 거시적 구조의 외부 표면의 50%의 주변을 둘러싸도록 배열된 경우, 제1 거시적 구조의 외부 표면의 절반은 제2 거시적 구조와 마주하고, 제1 거시적 구조의 외부 표면의 나머지 50%는 제2 거시적 구조와 마주하지 않는다.
제1 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 제2 거시적 구조를 배치하는 것을 촉진하기 위해, 제1 거시적 구조의 외부 표면은 제2 거시적 구조의 내부 표면과 일치할 수 있다. 제1 및 제2 거시적 구조가 길이 방향을 따라 서로 접촉한 상태로 배열되지 않도록 보장하기 위해 이들의 형상은 일치할 수 있지만 크기는 상이할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 제1 및 제2 거시적 구조는 제2 단부에서 전기적으로 연결되며, 이로써 제1 및 제2 거시적 구조를 통해서 전류가 흐를 수 있다.
외부 표면이 제2 거시적 구조의 내부 표면과 일치하는 제1 거시적 구조를 제공함으로써 제1 및 제2 거시적 구조 사이의 거리가 최소화될 수 있다.
한 실시형태에서, 제1 거시적 구조의 외부 표면은 길이 방향에 횡단하는 단면이 실질적으로 원형일 수 있다. 마찬가지로 제2 거시적 구조의 외부 표면의 적어도 일부는 길이 방향에 횡단하는 단면이 실질적으로 원형일 수 있다. 대안의 실시형태에서, 제1 거시적 구조의 외부 표면은 길이 방향에 횡단하는 단면이 실질적으로 타원형, 정사각형, 삼각형, 오각형, 육각형, 다른 형태의 다각형 형상일 수 있다. 따라서, 외부 표면은 임의의 형상을 가질 수 있다. 마찬가지로 제2 거시적 구조의 내부 표면의 적어도 일부는 언급된 형상 중 하나, 또는 이러한 형상 중 어떤 구역을 형성할 수 있다. 제2 거시적 구조가 제1 거시적 구조의 주변을 부분적으로 둘러싸도록 배치되는 실시형태에서는 후자의 경우가 특히 합당하다.
제1 및 제2 거시적 구조는 실질적으로 동일한 축 상에 배열될 수 있다.
본 발명의 특정 실시형태에서, 구조체는 하나 이상의 추가의 거시적 구조를 더 포함하며, 각 추가의 거시적 구조는 내측에서 추가의 거시적 구조에 가장 가까이 배열된 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열된다. 이웃한 거시적 구조들은 바람직하게 제1 단부 및 제2 단부에서 교대로 전기적으로 연결된다. 특정 실시형태에서, 구조체는 짝수의 추가의 거시적 구조를 포함한다. 특정 실시형태에서, 구조체는 홀수의 추가의 거시적 구조를 포함한다. 추가의 거시적 구조가 홀수인 경우, 구조체는 최외각의 추가의 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열된 전기 전도 물질의 전도벽을 포함할 수 있고, 상기 전도벽과 최외각의 추가의 거시적 구조는 제2 단부에서 전기적으로 연결된다. 상기 전도벽의 기능은 구조체의 제2 단부에서 제1 단부로 전류를 전도하는 것이며, 이로써 제2 전도체가 제2 단부가 아닌 구조체의 제1 단부에 연결되어 전기 전류를 구조체로부터 멀리 보낼 수 있다(제1 및 제2 전도체에 대한 더 상세한 설명은 하기 내용을 참조한다). 이것은 전형적으로 제1 단부가 구조체의 제2 단부보다 낮은 온도에서 작동하므로 바람직하며, 전도체와 거시적 구조 사이의 연결부의 파손 위험이 감소된다.
특정 실시형태에서, 구조체는 제1 추가의 거시적 구조를 포함하며, 제1 추가의 거시적 구조는 제2 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되고, 제2 및 제1 추가의 거시적 구조는 제1 단부에서 전기적으로 연결된다. 이 경우, 구조체는 제1 거시적 구조를 통해서 제1 단부에서 상기 제2 단부로 전기 전류를 흘려보낸 다음, 제2 거시적 구조를 통해서 제2 단부에서 제1 단부로 전기 전류를 흘려보내고, 이어서 제1 추가의 거시적 구조를 통해서 제1 단부에서 제2 단부로 전기 전류를 흘려보내도록 구성될 수 있다.
제1, 제2, 및 추가의 거시적 구조는 실질적으로 동일한 축 상에 배열될 수 있다. 제1 및 제2 거시적 구조의 상대적 형상 및 크기에 대한 상기 언급이 제2 및 추가의 거시적 구조에 대해서도 똑같이 적용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
또한, 구조체는 4개, 5개, 또는 그 이상 등 훨씬 많은 거시적 구조를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
구조체를 통한 전류 흐름을 촉진하기 위해, 구조체는 각각 상기 제1 및 제2 거시적 구조, 및 상기 전력 공급장치에 전기적으로 연결된 적어도 제1 및 제2 전도체를 더 포함할 수 있으며, 상기 전력 공급장치는 상기 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 및 제2 거시적 구조의 적어도 일부를 적어도 500℃의 온도로 가열하는 치수일 수 있고, 전도체는 상기 제2 단부보다 상기 제1 단부에 더 가까운 제1 및 제2 거시적 구조 상의 위치에서 연결되며, 구조체는 제1 전도체로부터 제1 거시적 구조를 통해서 상기 제2 단부로 전기 전류를 흘려보낸 다음, 제2 거시적 구조를 통해서 제2 전도체로 전기 전류를 흘려보내도록 구성된다.
바람직하게, 제1 및 제2 전도체는 구조체의 제1 단부에서 연결되거나, 또는 제1 단부에 가장 가까이 위치된 거시적 구조의 길이의 1/4 이내에서 연결된다.
제1 및 제2 전도체의 부착을 촉진하기 위해 제1 및 제2 거시적 구조는 각각 제1 및 제2 전도체의 부착을 허용하는 부착 섹션을 포함할 수 있다. 부착 섹션은 제1 및 제2 거시적 구조와 단일체로 3D 인쇄될 수 있다.
제1 및 제2 거시적 구조 중 적어도 하나는 복수의 절단부를 포함하는 네트워크 구조를 포함할 수 있다. 절단부는 금속 물질보다 전도성이 낮은 절단부 물질로 충전될 수 있다. 절단부는 네트워크 구조(들)를 형성하는데 사용될 수 있는 3D 인쇄 공정의 일부로서 형성될 수 있다.
한 실시형태에서, 절단부 물질은 보이드일 수 있다. 즉, 절단부는 빈 공간일 수 있고, 이로써 제1 단부에서 제2 단부로 유동하는 가스가 통과할 수 있는 개구를 제공한다. 이러한 절단부는 거시적 구조를 통과하는 가스의 혼합을 증가시킬 수 있다.
대안의 실시형태에서, 절단부 물질은 고체 절단부 물질이다. 결과적으로 절단부는 폐쇄될 수 있고, 이들 절단부를 통해서 제1 단부에서 제2 단부로 유동하는 가스의 혼합이 방지될 수 있다. 네트워크 구조는 상이한 물질들로 충전된 절단부를 포함할 수 있으며, 즉 제1 절단부는 제1 절단부 물질로 충전될 수 있고, 제2 절단부는 제2 절단부 물질로 충전될 수 있다. 한 실시형태에서, 고체 절단부 물질은 금속 물질 상의 것과 유사한 촉매 활성 물질을 가진 세라믹 코팅을 적어도 부분적으로 담지한다. 이 실시형태에서, 증가된 촉매 활성이 물질의 저항의 제어와 함께 달성된다.
고체 절단부 물질은 네트워크 구조를 형성하는 금속 물질의 열기계적 특성과 실질적으로 동등한 열기계적 특성을 가질 수 있다. 열기계적 특성은 열팽창 계수일 수 있으며, 따라서 촉매의 사용 동안 절단부에 배열된 고체 절단부 물질과 네트워크 구조의 실질적으로 동등한 팽창이 달성된다. 대안으로서, 또는 추가로, 열기계적 특성은 인장강도일 수 있다.
한 실시형태에서, 네트워크 구조는 보이드인 하나 이상의 절단부와 고체 절단부 물질로 충전된 하나 이상의 절단부를 포함할 수 있다. 따라서, 네트워크 구조는 보이드인 절단부의 제1 하위그룹을 포함할 수 있고, 고체 절단부 물질로 충전된 절단부의 제2 하위그룹을 포함할 수 있다. 하위그룹은 단지 하나의 절단부를 포함할 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 또한, 제2 하위그룹의 절단부는 상이한 물질들로 충전될 수 있다는 것이 이해되어야 하며, 즉 제1 절단부는 제1 절단부 물질로 충전되고, 제2 절단부는 제2 절단부 물질로 충전될 수 있다.
절단부는 복수의 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 절단부 중 적어도 1개는 구, 원반, 타원체, 물방울, 나선, 및 다면체, 예컨대 상자, 피라미드, 다이아몬드, 및 마름모로 구성되는 군으로부터 선택된 형상을 가진다.
한 실시형태에서는 모든 절단부가 동일한 형상을 갖지만, 다른 실시형태에서 절단부의 적어도 일부는 상이한 형상일 수 있다. 예를 들어, 네트워크 구조는 원반 형상인 제1 절단부 그룹, 및 구 형상인 제2 절단부 그룹을 포함할 수 있다. 따라서, 네트워크 구조는 절단부 중 적어도 2개는 상이한 형태 및/또는 형상인 절단부를 포함할 수 있다.
거시적 구조는 제1 단부에 있는 입구에서 제2 단부에 있는 출구를 향하여 유동하는 가스의 흐름 분포를 보장하기 위한 흐름 가이드를 포함할 수 있다. 이러한 흐름 가이드는 거시적 구조와 단일체로서 3D 인쇄될 수 있다. 흐름 가이드는 네트워크 구조의 일부를 형성할 수 있으며, 네트워크 구조의 일부로서 3D 인쇄될 수 있다.
한 실시형태에서는 흐름 가이드가 거시적 구조의 길이 방향을 따라 균일하게 분포될 수 있지만, 다른 실시형태에서는 불균일하게 분포될 수 있다. 또한, 한 실시형태에서 흐름 가이드는 길이 방향의 일부를 따라 배열될 수 있지만, 대안의 실시형태에서는 길이 방향으로 거시적 구조의 전체 길이를 따라 배열될 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
흐름 가이드는 또한 접촉 저항을 최소할 수 있는 전기 단자로 작용할 수 있으며, 이로써 더욱 균일한 전류 분포를 제공한다.
원료 가스의 가열을 위한 가열 시스템이 제공되며, 상기 가열 시스템은:
a) 본원에 설명된 적어도 하나의 구조체;
b) 상기 구조체를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 압력 쉘은 상기 원료 가스의 유입을 위한 입구 및 가열된 가스의 배출을 위한 출구를 포함하고, 상기 입구는 상기 원료 가스가 제1 단부에서 상기 구조체로 들어가고 상기 가열된 가스는 제2 단부에서 상기 구조체를 빠져나가도록 위치되며; 및
c) 상기 구조체와 상기 압력 쉘 사이의 단열층
을 포함한다.
가열 시스템의 레이아웃은 입구에서 가열 시스템에 가압된 원료 가스를 공급하고, 이 가스를 가열 시스템의 압력 쉘로 보내는 것을 허용한다. 압력 쉘 내부에서 단열층 및 비활성 물질의 구성형태는 구조체를 통해서 원료 가스를 보내도록 배열된다. 가열된 구조체로부터의 가열된 가스는 가열 시스템 출구로 인도된다.
구조체와 함께 설명된 임의의 특징은 원료 가스를 가열하기 위한 가열 시스템과도 조합될 수 있으며, 반대의 경우도 가능하다는 것을 당업자는 당연히 인정한다는 것이 이해되어야 한다.
한 실시형태에서, 가열 시스템은 제1 및 제2 거시적 구조를 포함하는 단일 구조체를 포함할 수 있으며, 여기서 제2 거시적 구조는 제1 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열된다. 대안의 실시형태에서, 가열 시스템은 제1, 제2, 및 적어도 하나의 추가의 거시적 구조를 포함하는 단일 구조체를 포함할 수 있으며, 여기서 제2 거시적 구조는 제1 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되고, 적어도 하나의 추가의 거시적 구조는 제2 거시적 구조의 주변을 적어도 둘러싸도록 배열된다.
다른 대안의 실시형태에서, 가열 시스템은 2개 이상의 구조체를 포함할 수 있고, 이들은 구조체의 어레이를 제공하기 위해 연결될 수 있다. 구조체의 어레이에서 구조체는 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 구조체는 서로 인접하여 위치될 수 있다.
저항 가열 공정의 중요한 특징은 에너지가 열 전도, 대류 및 복사에 의해 외부 열원으로부터 공급되는 대신 물체 자체 내부에서 공급된다는 것이다. 또한, 가열 시스템에서 가장 고온인 부분은 가열 시스템의 압력 쉘 내부일 것이다. 바람직하게, 전력 공급장치 및 구조체는 구조체의 적어도 일부가 적어도 700℃, 바람직하게 적어도 900℃, 더 바람직하게 적어도 1000℃의 온도에 도달하도록 하는 치수이다.
전기 전도성 물질의 표면적, 세라믹 코팅으로 선택적으로 코팅된 전기 전도성 물질의 비율, 및 세라믹 코팅의 타입 및 구조는 특정 작동 조건에 맞춰 재단될 수 있다.
가열 시스템은 압력 쉘을 빠져나오는 가스의 온도가 정해진 범위에 있는 것을 보장하기 위해 전력 공급장치를 제어하도록 배열된 제어 시스템을 포함할 수 있다.
가열 시스템에서는 화학 반응이 일어나지 않으므로 출구에서 가열 시스템을 빠져나오는 가열된 가스는 원료 가스와 실질적으로 동일한 화학 조성 및 몰 유량을 가질 수 있다. 따라서, 원료 가스는 압력 쉘 하우징의 출구와 입구에서 본질적으로 동일한 화학 조성을 가질 수 있다.
가열 시스템은 구조체 및 상기 압력 쉘의 외부에 위치된 전력 공급장치에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 전도체를 포함할 수 있으며, 상기 전력 공급장치는 제1 및 제2 거시적 구조를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 구조체의 적어도 일부를 적어도 400℃의 온도로 가열할 수 있는 치수이고, 상기 적어도 2개의 전도체는 제1 단부에 더 가까운 위치에서 제1 거시적 구조에 연결되며, 상기 구조체는 하나의 전도체로부터 실질적으로 제1 거시적 구조를 통해서 제2 거시적 구조로 전기 전류를 흘려보내고, 상기 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 전기 전류를 다시 흘려보내도록 구성된다.
바람직하게, 전도체는 전기 전도성 물질과 상이한 물질로 제조된다. 전도체는, 예를 들어 철, 니켈, 알루미늄, 구리, 은, 또는 이들의 합금일 수 있다.
용어 "전기 전도성"은 20℃에서 10-5 내지 10-8 Ω·m 범위의 전기 저항률을 갖는 물질을 의미한다. 따라서, 전기 전도성인 물질은, 예를 들어 구리, 은, 알루미늄, 크롬, 철, 니켈, 또는 금속 합금과 같은 금속이다. 또한, 용어 "전기 절연"은 20℃에서 10 Ω·m 초과, 예를 들어 20℃에서 109 내지 1025 Ω·m 범위의 전기 저항률을 갖는 물질을 의미한다.
구조체 상의 가스 흐름은 축 흐름 또는 구조체를 지나는 전류 경로와 동일한 축 흐름일 수 있거나, 전류 경로에 수직일 수 있거나, 또는 전류 경로에 대하여 임의의 다른 적절한 방향을 가질 수 있다.
전력 공급장치는 상기 구조체의 적어도 일부를 적어도 700℃, 바람직하게 적어도 900℃, 더 바람직하게 적어도 1000℃의 온도로 가열할 수 있는 치수일 수 있다.
공급원료는 스팀 및 탄화수소의 실질적으로 순수한 스트림일 수 있으며, 대안으로서 순수한 CO2 또는 순수한 H2일 수 있다. 또한, 가열 공정의 공급원료는 가열 시스템 하류의 유닛 작동으로부터 유래한 재순환 스트림을 포함할 수 있다.
한 실시형태에서, 원료 가스는 실질적으로 순수한 CO2일 수 있으며, 이것은 800℃, 또는 심지어 1000℃ 또는 심지어 1200℃로 가열된다. 가열된 CO2는 가열 시스템으로부터 배출된 후 고온 합성 가스와 혼합될 수 있고, 단열 후 변환기(APOC)에서 스팀 메탄 개질, 메탄화 및 역 수성 가스 시프트 반응을 따라 평형을 이룰 수 있고, 이로써 CO 부화 합성 가스에서 CO가 생성된다.
역 수성 가스 시프트 반응은 다음과 같이 이해된다:
CO2 + H2 <-> H2O + CO
메탄화(및 역 스팀 개질) 반응은 다음과 같이 이해된다:
CO + 3H2 <-> H2O + CH4
고온 합성 가스는 관형 개질기, 자열 개질기 또는 전기 개질기와 같은 임의의 적합한 개질 기술로부터 제공될 수 있다.
단열 후 변환기(APOC)의 사용은, 예를 들어 단독형 관형 개질기와 비교하여, 매우 가혹한 조건 및 적은 스팀 첨가에서도 합성 가스 생성의 전 공정 작업을 가능하게 하며, 이러한 방식에서 탄소 제한은 부분적으로 회피될 수 있는데, 그렇지 않으면 상기 반응기 시스템은 공정 제한을 가질 것이다.
CO 부화 합성 가스 스트림은 CO의 양이 상대적으로 많은 가스 스트림으로 이해된다. 한 실시형태에서, CO 부화 합성 가스는 H2/CO 비가 3 미만, 예컨대 바람직하게 2 미만, 또는 심지어 1 미만인 가스 혼합물을 포함한다.
한 실시형태에서, 원료 가스는 상이한 가스들의 혼합물, 예컨대 N2와 H2의 혼합물이다.
한 실시형태에서, N2와 H2를 포함하는 가열된 원료 가스는, 예를 들어 후속 암모니아 합성 반응기에서 암모니아 촉매의 환원에 사용될 수 있다. N2와 H2를 포함하는 가열된 원료 가스는 500℃로 가열될 수 있다.
가열 시스템이 구조체와 압력 쉘 사이에 단열층을 포함하는 경우, 구조체와 압력 쉘 사이에 적절한 단열 및 전기 절연이 얻어진다. 압력 쉘과 구조체 사이에 단열층의 존재는 압력 쉘의 과도한 가열을 피하는데, 그리고 주변으로의 열 손실을 저감하는데 도움을 준다. 구조체의 온도는 적어도 일부 부분에서는 최대 1300℃에 도달할 수 있지만, 구조체와 압력 쉘 사이에 단열층을 사용함으로써 압력 쉘의 온도가 500℃ 또는 심지어 100℃의 상당히 낮은 온도로 유지될 수 있고, 이것은 전형적인 구성 스틸 재료가 1000℃를 초과하는 온도에서는 내압(pressure bearing) 용도에 일반적으로 부적합하다는 점에서 유익하다. 또한, 압력 쉘과 구조체 사이의 단열층은 전기 절연이기도 하기 때문에 가열 시스템 내에서 전기 전류를 제어하는데 도움을 준다. 단열층은 세라믹, 비활성 물질, 섬유 물질, 벽돌 또는 가스 장벽 또는 이들의 조합과 같은 고체 물질의 하나 이상의 층일 수 있다. 따라서, 퍼지 가스 또는 국소 가스가 단열층의 일부를 구성하거나 형성하는 것도 고려된다.
용어 "단열 물질"은 약 10 W·m-1·K-1 이하의 열 전도율을 갖는 물질을 의미한다. 단열 물질의 예는 세라믹, 벽돌, 알루미나-기반 물질, 지르코니아-기반 물질 등이다.
유익하게, 구조체, 단열층, 압력 쉘, 및/또는 가열 시스템 내부의 임의의 다른 구성요소들 사이의 틈은, 예를 들어 비활성 펠릿 형태의, 비활성 물질로 충전된다. 이러한 틈은, 예를 들어 구조체의 하부측과 압력 쉘 바닥 사이의 틈 및 구조체의 측면과 압력 쉘의 내측을 덮은 단열층 사이의 틈이다. 비활성 물질은, 예를 들어 펠릿 또는 타일 형태의 세라믹 물질일 수 있다. 비활성 물질은 가열 시스템을 통한 가스 분포를 제어하는데, 그리고 구조체를 통한 가스의 흐름을 제어하는데 도움을 준다. 또한, 비활성 물질은 전형적으로 단열 효과를 가진다.
압력 쉘은 2 bar 내지 30 bar의 설계 압력을 가질 수 있다. 실제 작동 압력은 특히 플랜트의 크기에 의해 결정될 것이다. 가열 시스템에서 가장 고온인 부분이 전기 전도성 물질이므로, 이것은 가열 시스템의 압력 쉘 내에서 단열층으로 둘러싸일 것이며, 따라서 압력 쉘의 온도는 최대 공정 온도보다 상당히 낮게 유지될 수 있다. 이것은 상대적으로 낮은 압력 쉘의 설계 온도를 허용하며, 구조체 상에서 최대 공정 온도가 400℃, 또는 심지어 900℃, 또는 심지어 1100℃, 또는 심지어 최대 1300℃일 때 압력 쉘의 온도는 예를 들어 700℃ 또는 500℃ 또는 바람직하게 300℃ 또는 100℃일 수 있다. (상기 나타낸 압력 쉘의 설계 온도에 해당하는) 이들 온도가 낮을수록 물질 강도는 더 높다. 이것은 가열 시스템을 설계할 때 이점을 제공한다. 따라서, 압력 쉘은 2 bar 내지 30 bar, 또는 30 bar 내지 200 bar의 설계 압력을 가질 수 있다. 공정 경제성과 열역학적 제한 사이의 상충을 고려하면 약 30 bar가 바람직하다.
전기 전도성 물질의 저항률은 10-5 Ω·m 내지 10-7 Ω·m일 수 있다. 이 범위 내의 저항률을 갖는 물질은 전원이 공급되었을 때 구조체의 효과적인 가열을 제공한다. 흑연은 20℃에서 약 10-5 Ω·m, 칸탈은 20℃에서 약 10-6 Ω·m, 스테인리스 스틸은 20℃에서 약 10-7 Ω·m의 저항률을 가진다. 전기 전도성 물질은, 예를 들어 20℃에서 약 1.5·10-6 Ω·m의 저항률을 갖는 FeCrAlloy로 이루어질 수 있다.
전형적으로, 압력 쉘은 원료 가스가 유입되는 입구 및 가열된 가스가 배출되는 출구를 포함하며, 상기 입구는 압력 쉘의 제1 단부에 가까이 위치되고, 상기 출구는 압력 쉘의 제2 단부에 가까이 위치되며, 적어도 2개의 전도체는 둘 다 출구보다 입구에 더 가까운 구조체 상의 위치에서 구조체에 연결된다. 따라서, 입구 가스는 생성물 가스보다 낮은 온도를 가질 것이므로 적어도 2개의 전도체는 가열 시스템의 실질적으로 더 저온인 부분에 위치될 수 있으며, 전기 전도성 물질은 가열이 진행되면서 소비되는 열로 인해 물질의 가장 상류 부분에서 더 냉각될 것이고, 입구를 통해서 공급된 원료 가스는 가열된 구조체를 지나는 가스의 경로를 따라 가열된 구조체에 의해 가열되기에 앞서 적어도 2개의 전도체를 냉각할 수 있다. 이것은 전기 전도성 물질을 제외한 모든 전기 전도 요소의 온도가 낮게 유지됨으로써 전도체와 구조체 사이의 연결이 보호된다는 점에서 이점이다. 전기 전도성 물질을 제외한 다른 전기 전도 요소들과 전도체의 온도가 상대적으로 낮은 경우, 전기 전도성 물질을 제외한 다른 전기 전도 요소들과 전도체에 적합한 물질에 대해 제한이 적어진다. 전기 전도 요소의 온도가 증가하면 이들의 저항률도 증가한다; 따라서, 전기 전도성 물질을 제외한 가열 시스템 내의 모든 다른 부분들은 불필요한 가열을 피하는 것이 바람직하다. "전기 전도성 물질을 제외한 전기 전도 요소"는 전기 전도성 구조체 자체를 제외하고, 전원과 구조체를 연결하기 위해 배열된 관련된 전기 전도 요소들을 포괄하는 의미이다.
본 발명의 시스템의 임의의 적절한 수의 전원 및 전원/전원들과 구조체의 전기 전도성 물질(들)을 연결하는 임의의 적절한 수의 전도체를 포함할 수 있다는 것이 주지되어야 한다.
적어도 2개의 전도체는 피팅부에서 압력 쉘을 관통하여 이어질 수 있고, 이로써 적어도 2개의 전도체는 압력 쉘로부터 전기적으로 절연된다. 피팅부는 부분적으로 플라스틱 및/또는 세라믹 물질로 이루어질 수 있다. 용어 "피팅부"는 내압 구성형태에서 하드웨어의 두 부분을 기계적으로 연결하는 장치를 의미한다. 이로써 적어도 2개의 전도체가 압력 쉘을 관통하여 이어진다 해도 압력 쉘 내의 압력이 유지될 수 있다. 피팅부의 비제한적 예는 전기 절연 피팅부, 유전물질 피팅부, 힘 압축 실링부, 압축 피팅부 또는 플랜지일 수 있다. 압력 쉘은 전형적으로 측벽, 단부벽, 플랜지 및 가능한 추가의 부분들을 포함한다. 용어 "압력 쉘"은 이들 구성요소들을 포괄하는 의미이다.
구조체와 적어도 2개의 전도체 사이의 연결은 기계적 연결, 용접 연결, 납땜 연결, 또는 이들의 조합일 수 있다. 전기 전도성 물질과 적어도 2개의 전도체 사이의 전기적 연결을 촉진하기 위해 구조체는 구조체에 물리적으로, 전기적으로 연결된 단자를 포함할 수 있다. 용어 "기계적 연결"은 전류가 구성요소들 사이에서 흐를 수 있도록 나사 연결 또는 클램프 연결 등에 의해 2개의 구성요소가 기계적으로 함께 고정되는 연결을 의미한다.
본 발명의 구조체의 특정 실시형태에서, 제1 및 제2 거시적 구조 사이의 전기적 연결은 기계적 연결, 클램핑, 납땜, 용접 또는 이들 연결 방법의 임의의 조합에 의해 이루어진다.
본 발명의 구조체의 특정 실시형태에서, 제1 및 제2 거시적 구조 사이의 전기적 연결은 각각 상기 제1 및 제2 거시적 구조 중 하나와 맞물리는 적어도 2개의 맞물림 수단을 포함하는 커넥터의 형태이며, 상기 맞물림 수단의 내부 표면은 상기 제1 및 제2 거시적 구조의 외부 표면의 적어도 일부와 일치하는 형상이고, 맞물림 수단은 억지 끼워맞춤(interference fit)에 의해 외주벽의 외부 표면에 부착된다. 본 발명에 있어서, '억지 끼워맞춤'(압력 끼워맞춤 또는 마찰 끼워맞춤이라고도 한다)은 2개의 꼭 맞는 결합 부품 사이의 체결로 이해되어야 하며, 이때 부품을 함께 푸시/프레스하면 마찰에 의해 함께 고정된 조인트가 생긴다. 커넥터와 거시적 구조(들)는 강제로 압력을 적용함으로써 결합될 수 있으며, 예를 들어 한 부품 위를 프레스하면 그것이 나머지 부품 위로/내부로 미끄러져 들어간다. 특정 실시형태에서, 커넥터는 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금으로 형성된다.
본 발명의 구조체의 특정 실시형태에서, 제1 및 제2 거시적 구조의 전기적 연결은 전기 전도성 물질의 브릿지의 형태이며, 상기 브릿지와 제1 및 제2 거시적 구조가 함께 응집성 구조를 형성한다. 여기서 "응집성"은 연속상을 형성하는 것을 의미한다. 특정 실시형태에서, 브릿지는 제1 거시적 구조, 제2 거시적 구조 및 브릿지의 전기 전도성 물질을 3개의 분리된 개체의 형태로 제공하고, 소결 또는 산화 처리 단계를 포함하는 방법에 의해 이들 분리된 개체들을 함께 결합시킴으로써 형성된다. 특정 실시형태에서, 브릿지와 제1 및 제2 거시적 구조의 조합이 3D 인쇄되고, 이후 소결된다. 특정 실시형태에서, 브릿지의 전기 전도성 물질은 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금이다. 특정 실시형태에서, 브릿지와 제1 및 제2 거시적 구조의 전기 전도성 물질은 동일하다. 전기 전도성 물질의 어레이에 위치된 전기 전도성 물질들은 서로 전기적으로 연결될 수 있다. 2개 이상의 전기 전도성 물질 사이의 연결은 기계적 연결, 클램핑, 납땜, 용접 또는 이들 연결 방법의 임의의 조합에 의해 이루어질 수 있다. 각 전기 전도성 물질은 전기적 연결을 촉진하기 위한 단자를 포함할 수 있다. 2개 이상의 전기 전도성 물질은 직렬 또는 병렬 연결 방식으로 전원에 연결될 수 있다. 유익하게, 2개 이상의 전기 전도성 물질 사이의 전기적 연결은 응집성이며 2개 이상의 전기 전도성 물질 사이의 연결 표면을 따라 균일하고, 따라서 2개 이상의 전기 전도성 물질은 단일 응집성 또는 일정하게 내부연결된 물질로 작용한다; 이로써 2개 이상의 전기 전도성 물질 전체에서 균일한 전기 전도성이 촉진된다. 대안으로서, 또는 추가로, 구조체는 서로 전기적으로 연결되지 않은 전기 전도성 물질의 어레이를 포함할 수 있다. 대신, 2개 이상의 전기 전도성 물질은 서로 전기적으로 연결되지 않은 상태로 압력 쉘 내에 함께 위치된다. 이 경우, 구조체는 전원에 병렬 연결된 전기 전도성 물질을 포함한다.
세라믹 코팅은 워시 코팅에 의해 전기 전도성 물질의 금속 표면에 직접 첨가될 수 있다. 금속 표면의 워시 코팅은 잘 알려진 공정이다; 관련 설명은, 예를 들어 Cybulski, A., and Moulijn, J. A.," Structured bodys and reactors", Marcel Dekker, Inc, New York, 1998, Chapter 3, 및 인용자료를 참조한다. 세라믹 코팅은, 예를 들어 Al, Zr, Mg, Ce 및/또는 Ca를 포함하는 산화물일 수 있다. 예시적인 코팅은 칼슘 알루미네이트 또는 마그네슘 알루미늄 스피넬이다. 이러한 세라믹 코팅은 La, Y, Ti, K 또는 이들의 조합과 같은 추가의 원소를 포함할 수 있다. 세라믹 코팅은 전기 절연 물질이며, 전형적으로 약 100μm, 즉 10-500μm 범위의 두께를 가질 것이다.
거시적 구조의 압출 및 소결 또는 3D 인쇄는 균일하고 응집성으로 성형된 거시적 구조를 가져오며, 이것은 이후 세라믹 코팅으로 코팅될 수 있다.
전기 전도성 물질과 세라믹 코팅은 산화 분위기에서 소결될 수 있으며, 이로써 세라믹 코팅과 전기 전도성 물질 사이에 화학 결합이 형성된다; 이것은 전기 전도성 물질과 세라믹 코팅 사이에 특히 높은 열 전도성을 제공한다. 이로써 열 전달 측면에서 컴팩트한 구조체가 얻어지며, 구조체를 수용하는 가열 시스템이 컴팩트해지고 가열 속도에 의해 주로 제한될 수 있다.
한 실시형태에서, 구조체는 구조체의 최대 치수보다 긴 길이로 전도체들 사이의 전류 경로를 증가시키도록 배열된 적어도 하나의 전기 절연부를 가질 수 있다. 구조체의 최대 치수보다 긴 전도체들 간 전류 경로의 제공은 전도체들 사이에 위치된 전기 절연부(들)의 제공에 의해 이루어질 수 있으며, 이것은 구조체의 일부 부분에서 전류가 흐르는 것을 방지한다. 이러한 전기 절연부는 전류 경로를 증가시켜 구조체를 통한 저항이 증가되도록 배열된다. 구조체를 지나는 전류 경로는, 예를 들어 구조체의 최대 치수보다 50%, 100%, 200%, 1000%, 또는 심지어 10000% 이상 더 길 수 있다.
절연부의 비제한적 예는 구조에 존재하는 컷, 슬릿, 또는 홀이다. 선택적으로, 구조에 있는 컷 또는 슬릿에 세라믹과 같은 고체 절연 물질이 사용될 수 있다. 컷 또는 슬릿 내의 고체 절연 물질은 컷 또는 슬릿의 측면에 대해 구조체의 부분들을 서로 유지하는데 도움을 준다. 본원에 사용된 용어 "구조체의 최대 치수"는 구조체에 의해 취해진 기하구조 형태의 최대 내부 치수를 의미한다. 구조체가 상자 형태이면 최대 치수는 하나의 모서리로부터 가장 먼 모서리까지의 대각선이며, 이것은 공간 대각이라고도 한다.
전류 경로를 증가시키도록 배열된 절연부는 전기 전도성 물질 상의 세라믹 코팅과 반드시 관련되는 것은 아니라는 것이 주지되어야 한다; 세라믹 코팅도 전기 절연인 것으로 간주되지만 전기 전도성 물질에 연결된 전도체들 간 전류 경로의 길이를 변화시키지는 않는다.
구조체를 지나는 전류가 전류 경로를 증가시키도록 배열된 전기 절연부로 인해 구조체를 지나는 길이 꼬이거나 구부러지는 형태로 배열될 수 있다 해도, 가열 시스템을 통과하는 가스는 가열 시스템의 한쪽 단부에서 유입되고, 일단 구조체를 통과한 후 가열 시스템으로부터 배출된다는 것이 주지되어야 한다. 유익하게, 가열 시스템 내의 가스가 구조체를 통과하도록 보장하기 위해 구조체와 가열 시스템의 나머지 부분 사이의 틈에 비활성 물질이 존재한다.
적합하게, 구조체를 지나는 가스 통로의 길이는 하나의 전극에서 구조체를 지나 다음 번 전극에 이르는 전류 통로의 길이보다 작다. 전류 통로 길이에 대한 가스 통로 길이의 비는 0.6 미만, 또는 0.3, 0.1, 또는 심지어 0.002일 수 있다.
거시적 구조의 기하 표면적은 100 내지 3000 m2/m3, 예컨대 500 내지 1100 m2/m3일 수 있다. 전형적으로, 거시적 구조의 물질은 물질의 저항 가열에 의해 500 W/m2 내지 50 kW/m2의 열 플럭스를 공급하도록 배열된 물질로서 선택된다. 바람직하게, 물질의 저항 가열은 5 kW/m2 내지 12 kW/m2, 예를 들어 8 kW/m2 내지 10 kW/m2의 열 플럭스를 공급한다. 열 플럭스는 가스에 노출된 표면의 기하 표면적당의 열로서 주어진다.
압력 쉘/가열 시스템을 빠져나가는 가스의 미리 정해진 온도 범위는 200 내지 1400℃의 범위이다. 구조체로부터의 가열된 가스 출구 온도는 구조체의 가장 하류 표면 바로 아래에서 또는 위에서 측정된다. 측정 기술은 열전대(전압 드롭에 의한), 저항 온도 감지기 또는 적외선 감지일 수 있다. 측정 지점은 구조체로부터 분리되어 하류 비활성물에 매립될 수 있거나, 또는 절연 표면 커버를 가진 표면에서 직접 측정될 수 있다.
적합하게, 상기 가열 시스템 내의 구조체는 구조체를 통한 수평 단면의 면적 등가 직경과 구조체의 높이 사이의 비가 0.05 내지 2.0의 범위이다. 가열 시스템을 통한 단면의 면적 등가 직경은 단면의 면적과 동일한 면적을 갖는 원의 직경으로 정의된다. 구조체의 면적 등가 직경과 높이 사이의 비가 0.1 내지 2.0인 경우, 구조체를 수용하는 압력 쉘은 다른 가열 시스템과 비교하여 상대적으로 작을 수 있다.
전형적으로, 가스는 상향흐름 또는 하향흐름 방향으로 가열 시스템을 통해서 유동하며, 이로써 가스는 구조체의 높이를 따라 채널을 통해서 유동한다.
구조체의 체적은 전기 전도성 물질의 열 발생 용량과 관련하여 가열 시스템의 원하는 온도를 고려하여 선택된다.
가열 시스템의 높이는 0.5 내지 7m, 더 바람직하게 0.5 내지 3m일 수 있다. 가열 시스템 높이의 예시적인 값은 5m 미만, 바람직하게 2m 미만 또는 심지어 1m의 높이이다. 가열 시스템의 치수와 가열 시스템 내의 구조체의 치수는 서로 관련된다; 물론, 압력 쉘과 단열층도 구조체 자체보다 가열 시스템을 다소 크게 만든다.
상기 설명된 가열 시스템은 격리된 시스템은 아니다. 열은 내압 벽을 가로질러 전달되지 않으므로 기계적 고장의 위험은 높지 않다. 이것은 시동이 비교해서도 실제로도 빠르게 이루어진다는 것을 의미하며, 본 발명은 주어진 전압을 적용함으로써 시작될 수 있으며, 다음에 시스템은 추가의 작업자 입력 없이도 정상 상태에 도달하도록 열 평형을 향해서 작동할 것이다.
본원에 설명된 가열 시스템에서 원료 가스를 가열하는 방법이 제공되며, 상기 방법은:
- 상기 원료 가스를 가압하는 단계,
- 상기 가압된 원료 가스를 가열 시스템에 공급하는 단계,
- 상기 구조체에 상기 압력 쉘 외부에 위치된 전력 공급장치를 연결하는 전기 전도체를 통해 전력을 공급하고, 상기 전기 전도성 물질을 통해서 전기 전류가 흐르도록 함으로써 구조체의 적어도 일부를 가열하는 단계,
- 구조체 상에서 원료 가스를 가열하는 단계, 및
- 가열된 가스를 가열 시스템으로부터 배출하는 단계
를 포함한다.
상기 주어진 시스템에 대한 모든 상세한 설명은 (가능한 경우) 상기 설명된 방법과도 관련된다.
한 양태에서, 원료 가스는 2 내지 30 bar의 압력으로 가압된다. 원료 가스는 30 내지 200 bar의 압력으로 가압될 수 있다. 적합하게, 구조체의 적어도 일부는 적어도 700℃, 바람직하게 적어도 900℃, 더 바람직하게 적어도 1000℃의 온도로 가열된다. 구조체가 가열되는 최대 온도는 약 1400℃이다.
본 발명의 가열 시스템의 하류에서의 용도를 위한 최종 가열된 가스를 제공하기 위해, 상기 방법은 정제, 가압, 추가 가열, 냉각 등 생성물 가스에 대해 수행되는 추가의 단계를 포함할 수 있다.
원료 가스는 개별 원료 가스를 포함할 수 있다는 것과 원료 가스를 가압하는 단계는 개별 원료 가스를 개별적으로 가압하는 것을 포함할 수 있다는 것이 주지되어야 한다. 또한, 공정 단계가 쓰여진 순서가 반드시 공정 단계가 일어나는 순서는 아니며, 둘 이상의 단계가 동시에 일어날 수 있거나, 또는 상기 나타낸 순서와 다르게 일어날 수 있다는 것이 주지되어야 한다.
한 실시형태에서, 상기 방법은 압력 쉘의 상류에서 최대 적어도 2 bar의 압력으로 가스를 가압하는 단계를 포함한다. 선택된 작동 압력은 주변 공정 단계에서 가열된 통합에 의해 한정된다.
본 발명에 따른 방법의 실시형태에서, 가열 시스템으로 들어가는 원료 가스의 온도는 100℃ 내지 700℃, 바람직하게 100℃ 내지 300℃이다. 그러나, 모든 실시형태에서, 원료 가스의 온도 및 압력은 원료 가스가 이슬점 위에 있는 것을 보장하도록 조정된다.
원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템이 제공되며, 상기 반응기 시스템은:
a) 본원에 설명된 구조체;
b) 상기 구조화된 촉매를 수용하는 압력 쉘로서, 상기 압력 쉘은 상기 원료 가스의 유입을 위한 입구 및 생성물 가스의 배출을 위한 출구를 포함하고, 상기 입구는 상기 원료 가스가 제1 단부에서 상기 구조체로 들어가고 상기 생성물 가스는 제2 단부에서 상기 촉매를 빠져나가도록 위치되며; 및
c) 상기 구조체와 상기 압력 쉘 사이의 단열층
을 포함한다.
촉매 활성 물질을 포함하는 구조체와 함께 설명된 임의의 특징은 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템과도 조합될 수 있으며, 반대의 경우도 가능하다는 것을 당업자는 당연히 인정한다는 것이 이해되어야 한다.
상기 설명된 촉매 활성 물질을 포함하는 구조체는 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템에 매우 적합하다. 따라서, 구조체에 대해 상기 제시된 언급은 반응기 시스템에 대해서도 똑같이 적용될 수 있다.
반응기 시스템의 레이아웃은 입구에서 반응기 시스템에 가압된 원료 가스를 공급하고, 이 가스를 반응기 시스템의 압력 쉘로 보내는 것을 허용한다. 압력 쉘 내부에서 단열층 및 비활성 물질의 구성형태는 구조체의 채널을 통해서 원료 가스를 보내도록 배열되며, 그것은 세라믹 코팅 및 세라믹 코팅 상에 담지된 촉매 활성 물질과 접촉하게 될 것이고, 촉매 활성 물질이 흡열 반응을 촉진할 것이다. 추가로, 구조체의 가열은 흡열 반응에 필요한 열을 공급할 것이다. 구조체로부터의 생성물 가스는 반응기 시스템 출구로 인도된다.
압력 쉘이 원료 가스의 유입을 위한 입구 및 생성물 가스의 배출을 위한 출구를 포함하는 경우, 입구는 원료 가스가 구조체의 제1 단부에서 구조체로 들어가고 생성물 가스는 구조체의 제2 단부에서 구조체를 빠져나가도록 위치되며, 적어도 2개의 전도체가 둘 다 출구보다 입구에 더 가까운 구조체 상의 위치에서 구조체에 연결되는 경우, 적어도 2개의 전도체는 반응기 시스템의 상대적으로 더 저온인 부분에 위치될 수 있다. 구조체의 제1 단부는 하기와 같은 이유로 인해 구조체의 제2 단부보다 낮은 온도를 가진다:
- 입구를 통해서 공급된 원료 가스는 가열된 구조체를 지나는 가스의 경로를 따라 가열된 구조체에 의해 가열되기에 앞서 적어도 2개의 전도체를 냉각할 수 있다;
- 구조체의 제1 단부로 유입된 원료 가스는 구조체에 전기적으로 공급된 열로 인해 구조체의 제2 단부를 떠나는 생성물 가스보다 낮은 온도를 가질 것이다;
- 반응의 흡열 성질은 주변으로부터 열을 흡수한다;
- 구조체는 하나의 전도체로부터 실질적으로 구조체의 제2 단부로 전기 전류를 흘려보내고, 적어도 2개의 전도체 중 제2 전도체로 전기 전류를 다시 흘려보내도록 구성된다.
구조체의 온도 프로파일은 구조체를 지나는 원료 가스의 경로를 따라 실질적으로 계속 증가하는 온도에 상응할 수 있다. 본 발명의 반응기 시스템이 스팀 개질 반응을 촉진하기 위해 사용되는 경우, 전통적으로 사용되는 연소식 관형 개질기에 비해 몇 가지 이점을 가진다. 본 발명의 반응기 시스템은 노가 필요하지 않고, 따라서 전체적인 반응기 크기가 상당히 감소된다. 또한, 공지된 관형 스팀 개질기와 비교하여 단일 압력 쉘에서 생성되는 생성물 가스의 양이 상당히 증가한다는 것도 이점이다. 표준 관형 스팀 개질기에서, 관형 스팀 개질기의 하나의 관에서 생성되는 생성물 가스의 양은 최대 500 Nm3/h이다. 비교하여, 본 발명의 반응기 시스템은 단일 압력 쉘 내에서 최대 2000 Nm3/h 또는 2000 Nm3/h을 초과하여, 예를 들어 심지어 최대 10000 Nm3/h 또는 10000 Nm3/h를 초과하여 생성하도록 배열된다. 이것은 원료 가스에 O2가 없는 상태에서 행해질 수 있고, 생성된 합성 가스에서 메탄은 10% 미만이다. 단일 압력 쉘이 최대 10000 Nm3/h 또는 그 이상의 생성물 가스를 생성할 수 있는 촉매를 수용하는 경우, 더 이상 복수의 압력 쉘을 제공하거나, 또는 복수의 이러한 분리된 압력 쉘들에 원료 가스를 분배하기 위한 수단을 제공할 필요가 없다.
반응기 시스템의 다른 이점은 촉매 활성 물질을 담지한 거시적 구조를 포함하는 구조체로 인해 반응기 시스템 내에서 구조체를 통한 흐름이 상향흐름일 수 있다는 것이다. 대안으로서, 구조체를 통한 흐름은 수평 방향 또는 임의의 다른 적절한 방향일 수 있다. 이것은 반응기가 펠릿을 함유하는 경우에는 유동화, 분쇄 및 펠릿의 분출 위험으로 인해 곤란하다. 따라서, 배관이 실질적인 정도로 회피될 수 있고, 플랜트 비용도 감소한다. 또한, 상향흐름 또는 수평흐름의 가능성은 플랜트 설계의 유연성을 증가시킨다.
또한, "적어도 2개의 전도체는 구조화된 촉매의 제2 단부보다 구조체의 제1 단부에 더 가까운 구조체 상의 위치에서 구조체에 연결된다"는 적어도 2개의 전도체의 양자/전부가 제2 단부보다 구조체의 제1 단부에 더 가까이에서 연결된다는 것을 의미한다는 것이 주지되어야 한다. 바람직하게, 적어도 2개의 전도체는 구조체의 제1 단부에서 연결되거나, 또는 제1 단부에 가장 가까운 거시적 구조의 길이의 1/4 이내에서 연결된다.
상기 설명된 촉매 활성 물질을 포함하는 구조체 또는 상기 설명된 반응기의 사용이 제공되며, 여기서 흡열 반응은 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 분해, 암모니아 분해, 역 수성 가스 시프트 및 탈수소반응으로 구성되는 군으로부터 선택된다.
용어 "탈수소반응"은 하기 반응을 의미한다:
R1-CH2-CH2-R2 <-> R1-CH=CH-R2 + H2
여기서 R1 및 R2는 탄화수소 분자 중의 임의의 적절한 기, 예컨대 -H, -CH3, -CH2, 또는 -CH일 수 있다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 탄화수소의 탈수소반응이다. 촉매 활성 물질은 Pt일 수 있다. 반응기의 최대 온도는 500-700℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-5 bar일 수 있다.
용어 "수성 가스 시프트"는 하기 반응을 의미한다:
CO + H2O <-> CO2 + H2
한 실시형태에서, 흡열 반응은 역 수성 가스 시프트 반응(수성 가스 시프트의 역 반응)이다. 반응기의 최대 온도는 600-1300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-80 bar, 바람직하게 10-40 bar일 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어지며, ZrO2와 Al2O3 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하고, 촉매 활성 물질은 Mn이다. 다른 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어지며, ZrO2와 MgAl2O4 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하고, 촉매 활성 물질은 Ni이다.
용어 "메탄올 분해"는 하기 반응을 의미한다:
CH3OH <-> CO + 2 H2
CH3OH + H2O <-> CO2 + 3 H2 (x)
전형적으로, 메탄올 분해 반응은 수성 가스 시프트 반응을 수반한다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 메탄올의 분해이다. 반응기의 최대 온도는 200-300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-30 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어지며, ZrO2와 Al2O3 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하고, 촉매 활성 물질은 CuZn이다. 다른 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어지며, ZrO2와 MgAl2O4 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하고, 촉매 활성 물질은 Ni이다.
또한, 용어 "스팀 개질"은 하기 반응 중 하나 이상에 따른 개질 반응을 의미한다:
CH4 + H2O <-> CO + 3 H2
CH4 + 2 H2O <-> CO2 + 4 H2
CH4 + CO2 <-> 2 CO + 2 H2
이들 반응은 전형적으로 수성 가스 시프트 반응과 커플링된다.
한 실시형태에서, 흡열 반응은 탄화수소의 스팀 개질이다. 반응기의 최대 온도는 850-1300℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 5-180 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다. 촉매 활성 물질은 Ni, Ru, Rh, Ir, 또는 이들의 조합일 수 있고, 세라믹 코팅은 Al2O3, ZrO2, MgAl2O4, CaAl2O4, 또는 이들의 조합일 수 있으며, 아마도 Y, Ti, La, 또는 Ce와 같은 산화물과 혼합될 수 있다. 한 실시형태에서, 상기 거시적 구조는 Fe Cr Al의 합금으로 이루어지며, ZrO2와 MgAl2O4 혼합물의 세라믹 코팅을 담지하고, 촉매 활성 물질은 니켈이다.
용어 "암모니아 분해"는 하기 반응을 의미한다:
2 NH3 <-> N2 + 3 H2
한 실시형태에서, 흡열 반응은 암모니아 분해이다. 촉매 활성 물질은 Fe 또는 Ru일 수 있다. 반응기의 최대 온도는 400-700℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-30 bar, 바람직하게 약 25 bar일 수 있다.
용어 "시안화수소 합성"은 하기 반응을 의미한다:
2 CH4 + 2 NH3 + 3 O2 <-> 2 HCN + 6 H2O
CH4 + NH3 <-> HCN + 3 H2
한 실시형태에서, 흡열 반응은 시안화수소 합성 또는 유기 니트릴 합성 공정이다. 촉매 활성 물질은 Pt, Co, 또는 SnCo일 수 있다. 반응기의 최대 온도는 700-1200℃일 수 있다. 원료 가스의 압력은 2-30 bar, 바람직하게 약 5 bar일 수 있다.
한 실시형태에서, 반응기 시스템은 압력 쉘 내에서 구조체의 상류에 촉매 물질층, 예컨대 촉매 펠릿을 더 포함한다. 용어 "상류"는 원료 가스의 흐름 방향에서 본 것이다. 따라서, 용어 "상류"는 원료 가스가 촉매 물질층을 통해서 지나간 후 구조체에 도달한다는 것을 의미한다. 이러한 촉매층은, 예를 들어 수성 가스 시프트와 같은 화학 반응의 열 평형을 향한 단열 반응에 의해 원료 혼합물의 사전조정을 수행할 수 있다. 추가로/대안으로서, 촉매 물질층은 황 및/또는 염소와 같은 불순물에 의한 하류 구조체의 오염을 방지하기 위한 가드로서 사용될 수 있다. 촉매 물질층에는 열이 제공될 필요가 없다; 그러나, 촉매 물질층은 구조체와 근접하여 있을 경우 간접적으로 가열될 수 있다.
한 실시형태에서, 촉매 물질층은 압력 쉘 내에 구조체의 하류에 위치된다. 이러한 촉매 물질은 촉매 펠릿, 압출물 또는 과립의 형태일 수 있다. 이것은 관련 반응들을 거짓(pseudo) 단열 평형으로 만들어서 구조화된 촉매를 떠나는 가스의 평형에 대한 접근을 낮추도록 제4 촉매 물질이 배열될 수 있는 상황을 제공한다.
구조체 및 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템과 함께 설명된 임의의 특징은 그것의 사용에도 적용될 수 있다는 것을 당업자는 당연히 인정한다는 것이 이해되어야 한다. 따라서, 구조체 및 반응기 시스템에 대해 상기 제시된 언급은 그것의 사용에 대해서도 똑같이 적용될 수 있다.
도면의 상세한 설명
도면 전체에서 동일한 참조 번호는 동일한 요소를 나타낸다.
도 1a는 본 발명에 따른 가열 시스템(100)의 일 실시형태의 단면을 도시한다. 가열 시스템(100)은 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B(예를 들어 도 1b 참조))를 포함하는 구조체(10)를 포함한다. 예시된 실시형태에서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 동축 배열된다. 또한, 가열 시스템(100)은 전원(도면에 도시되지 않음) 및 구조체(10), 즉 거시적 구조에 연결된 전도체(40, 40')를 포함한다. 전도체(40, 40')는 구조체를 수용하는 압력 쉘(20)의 벽을 관통하고 압력 쉘의 내측 상의 절연 물질(30), 즉 피팅부(50)를 관통해서 이어진다. 전도체(40')는 전도체 접촉 레일(41)에 의해 구조체(10)에 연결된다.
한 실시형태에서, 전력 공급장치는 26 V의 전압 및 1200 A의 전류를 공급한다. 다른 실시형태에서, 전력 공급장치는 5 V의 전압 및 240 A의 전류를 공급한다. 전류는 전기 전도체(40, 40')를 통해서 전도체 접촉 레일(41)로 인도되며, 전류는 구조체(10)를 통해서 하나의 전도체 접촉 레일(41), 예를 들어 도 1a에서 왼쪽에 보이는 전도체 접촉 레일로부터, 제1 거시적 구조(5A)를 통해서 제1 단부에서 제2 단부로, 그리고 제2 거시적 구조(5B)를 통해서 제2 단부에서 제1 단부 및 나머지 전도체 접촉 레일(41), 예를 들어 도 1a에서 오른쪽에 보이는 전도체 접촉 레일로 흐른다. 전류는 교류여서, 예를 들어 양 방향으로 교대로 흐를 수 있거나, 또는 직류여서 두 방향 중 어느 한 방향으로 흐를 수 있다.
거시적 구조(5A, 5B)는 전기 전도성 물질로 이루어진다. 알루미늄, 철 및 크롬으로 구성된 합금인 칸탈이 특히 바람직하다. 제1 및 제2 거시적 구조는 세라믹 코팅, 예를 들어 구조체(5) 위에 코팅된 산화물을 담지할 수 있다. 전도체(40, 40')는 철, 알루미늄, 니켈, 구리 또는 이들의 합금과 같은 물질로 제조된다.
작동 동안, 원료 가스는 화살표(11)에 의해 나타낸 대로 위로부터 가열 시스템(100)으로 들어간다. 가열된 가스는 화살표(12)에 의해 나타낸 대로 바닥으로부터 가열 시스템을 빠져나간다.
도 1b는 압력 쉘(20)과 단열층(30)의 일부가 제거된 상태의 도 1a의 가열 시스템(100)이고, 도 2는 가열 시스템(100)의 일부의 확대도이다. 전도체(40)가 피팅부(50)에서 압력 쉘의 벽을 관통하여 이어진 것을 볼 수 있다.
도 1a, 1b 및 2에 도시된 가열 시스템에서, 전도체(40, 40')는 구조체를 수용하는 압력 쉘(20)의 벽을 관통하고 압력 쉘의 내측 상의 절연 물질(30), 즉 피팅부(50)를 관통해서 이어진다. 원료 가스는 화살표(11)에 의해 나타낸 대로 가열 시스템(100)의 상부측에 있는 입구를 통해서 가열 시스템(100)으로 유입되고, 가열된 가스는 화살표(12)에 의해 나타낸 대로 가열 시스템(100)의 바닥에 있는 출구를 통해서 가열 시스템(100)을 빠져나간다.
도 1a 내지 2에 도시된 가열 시스템(100)에서, 비활성 물질(도 1a-2에 도시되지 않음)이 구조체(10)의 하부측과 압력 쉘의 바닥 사이에 배열될 수 있다. 추가로, 비활성 물질은 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)를 포함하는 구조체(10)의 외부측과 절연 물질(30) 사이에 배열될 수 있다. 따라서, 절연 물질(30)의 일측은 압력 쉘(20)의 내측과 마주할 수 있고, 절연 물질(30)의 타측은 비활성 물질과 마주할 수 있다. 비활성 물질은 세라믹 물질일 수 있고 펠릿의 형태일 수 있다. 비활성 물질은 가열 시스템(100)을 가로지른 압력 드롭의 제어와 가열 시스템(100)을 통한 가스 흐름의 제어에 도움을 주며, 이로써 가스는 구조체(10)의 표면 위로 유동한다.
도 1a, 도 1b 및 도 2는 가열 시스템에 대한 대안으로서 반응기 시스템(100)을 예시한다는 것이 이해되어야 한다. 대안의 구성형태에서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 촉매 활성 물질로 함침된 세라믹 코팅으로 코팅된다. 작동 동안, 원료 가스는 화살표(11)에 의해 나타낸 대로 위로부터 반응기 시스템(100)으로 들어간다. 가열된 가스에 대한 대안으로서 생성물 가스가 화살표(12)에 의해 나타낸 대로 바닥으로부터 반응기 시스템을 빠져나간다.
도 3 내지 8은 제1 거시적 구조(5A) 및 제2 거시적 구조(5B)를 포함하는 구조체(10)의 실시형태를 예시한다. 도 3-7에 예시된 실시형태에서, 제1 및 제2 거시적 구조는 동축 배열된다.
도 3-8의 각 도면에서, 구조체(10)는 제1 거시적 구조(5A) 및 제2 거시적 구조(5B)를 포함하며, 이들은 각각 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 길이 방향으로 연장되고, 제1 단부(14)는 원료 가스가 거시적 구조(10)로 들어가는 입구를 형성하며, 제2 단부(15)는 가열된 가스/생성물 가스를 위한 출구를 형성한다.
제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 3-차원 네트워크 구조(5)(도 3 참조)를 포함하고, 여기서 네트워크 구조(5)는 원료 가스가 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 유동할 수 있는 유로를 형성한다. 도 3의 왼쪽 부분에 예시된 대로, 네트워크 구조(5)의 적어도 일부는 복수의 평행한 유동 채널(60)을 형성한다. 그러나, 채널의 적어도 일부는 평행하지 않을 수 있다는 것이 이해되어야 한다.
유동 채널(60)은 도 3의 왼쪽 부분에만 도시된다. 도 3-8의 나머지 부분에서는 네트워크 구조(5)의 유동 채널, 절단부, 슬릿 등과 같은 개구가 생략된다.
제2 거시적 구조(5B)는 제1 거시적 구조(5A)의 주변을 둘러싸도록 배열되고, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 제2 단부(15)에서 전기적으로 연결된다. 구조체(10)는 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)를 제2 단부(15)에서 전기적으로 연결함으로써 제1 거시적 구조(5A)를 통해서 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 전기 전류를 흘려보낸 다음, 제2 거시적 구조(5B)를 통해서 제2 단부(15)에서 제1 단부(14)로 전기 전류를 흘려보내도록 구성된다.
예시된 실시형태에서 제2 거시적 구조(5B)는 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 길이 방향으로 연장된 기다란 구조이다. 제2 거시적 구조(5B)는 중공이며, 따라서 제1 거시적 구조(5A)를 완전히 둘러싸고, 제2 거시적 구조(5B)의 내부 표면이 제1 거시적 구조(5A)의 외부 표면과 마주한다.
대안의 실시형태(예시되지 않음)에서 제2 거시적 구조는 제1 거시적 구조의 주변을 부분적으로 둘러싸도록 배열될 수 있다는 것이 이해되어야 하며, 이 경우에는 제2 거시적 구조의 내부 표면의 일부가 제1 거시적 구조의 외부 표면의 일부와 마주한다.
제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 촉매 활성 물질을 담지할 수 있는 세라믹 코팅으로 코팅될 수 있다.
도 3에서, 구조체(10)는 각각 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 길이 방향으로 연장된 제1 거시적 구조(5A) 및 제2 거시적 구조(5B)를 포함한다. 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 각각 길이 방향에 수직인 단면이 원형 외부 형상을 형성한다.
도 4는 도 3에 예시된 구조체(10)의 실시형태의 단면을 예시한다. 유동 채널(60)은 왼쪽의 단면에 분명히 도시된다. 또한, 이들 단면은 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)가 제2 단부(15)에서 연결된다는 것을 분명히 예시한다.
도 5에서, 구조체(10)는 각각 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 길이 방향으로 연장된 제1 거시적 구조(5A) 및 제2 거시적 구조(5B)를 포함한다. 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 각각 길이 방향에 수직인 단면이 정사각형 외부 형상을 형성한다. 오른쪽의 단면에 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)가 제2 단부(15)에서 연결된다는 것이 분명히 예시된다.
도 6은 구조체(10)의 2개의 상이한 실시형태를 예시하며, 이들은 각각 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 길이 방향으로 연장된 제1 거시적 구조(5A) 및 제2 거시적 구조(5B)를 포함한다. 왼쪽의 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 각각 길이 방향에 수직인 단면이 육각형 외부 형상을 형성하고, 오른쪽의 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 각각 길이 방향에 수직인 단면이 삼각형 외부 형상을 형성한다.
도 7은 도 6에 예시된 구조체(10)의 실시형태의 단면을 예시한다. 이들 단변은 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)가 제2 단부(15)에서 연결된다는 것을 분명히 예시한다.
도 8에서 구조체(10)는 각각 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 길이 방향으로 연장된 제1 거시적 구조(5A) 및 제2 거시적 구조(5B)를 포함한다. 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 각각 길이 방향에 수직인 단면이 유기적인 외부 형상을 형성한다. 오른쪽의 단면에 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)가 제2 단부(15)에서 연결된다는 것이 분명히 예시된다.
다음의 항목들이 제공된다:
1. 원료 가스를 가열하도록 배열된 구조체(10)로서, 상기 구조체(10)는 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 길이 방향으로 각각 연장된 제1 거시적 구조(5A) 및 제2 거시적 구조(5B)를 포함하고, 상기 제1 단부(14)는 상기 원료 가스가 상기 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)로 들어가는 입구를 형성하며, 상기 제2 단부(15)는 가열된 가스를 위한 출구를 형성하고, 상기 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 3-차원 네트워크 구조(5)를 포함하며, 상기 네트워크 구조(5)는 원료 가스가 상기 제1 단부(14)에서 상기 제2 단부(15)로 유동할 수 있는 유로(60)를 형성하고, 네트워크 구조(5)는 전기 전도성 금속 물질에 의해 형성되며, 여기서 제2 거시적 구조(5B)는 제1 거시적 구조(5A)의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되고, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 제2 단부(15)에서 전기적으로 연결되는 구조체(10).
2. 제 1 항에 있어서, 네트워크 구조(5)는 적어도 부분적으로 세라믹 코팅을 담지하는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
3. 제 2 항에 있어서, 세라믹 코팅의 적어도 일부는 촉매 활성 물질을 담지하는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
4. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 네트워크 구조(5)의 적어도 일부는 복수의 평행한 유동 채널(60)을 형성하는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
5. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B) 중 적어도 하나는 내부 공간을 형성하는 원주벽을 포함하고, 원주벽은 전기 전도성 금속 물질로 형성되며, 네트워크 구조(5)는 내부 공간에 배열되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
6. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 거시적 구조(5B)는 제1 거시적 구조(5A)의 외부 표면의 적어도 50%, 예컨대 적어도 60%, 예컨대 적어도 70%, 예컨대 적어도 80%, 예컨대 적어도 90%, 예컨대 100%의 주변을 둘러싸도록 배열되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 추가의 거시적 구조를 더 포함하며, 여기서 각 추가의 거시적 구조는 내측에서 추가의 거시적 구조에 가장 가까이 배열된 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되고, 이웃한 거시적 구조들은 제1 단부(14) 및 제2 단부(15)에서 교대로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
8. 제 7 항에 있어서, 제1 추가의 거시적 구조를 포함하며, 상기 제1 추가의 거시적 구조는 제2 거시적 구조(5B)의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되고, 제2 및 제1 추가의 거시적 구조는 제1 단부(14)에서 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
9. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 거시적 구조(5A)의 외부 표면은 제2 거시적 구조(5B)의 내부 표면과 일치하는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
10. 제 9 항에 있어서, 제1 거시적 구조(5A)의 외부 표면은 길이 방향에 횡단하는 단면이 실질적으로 원형인 것을 특징으로 하는 구조체(10).
11. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조는 실질적으로 동축 배열되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
12. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B) 중 적어도 하나는 3D 인쇄에 의해 생성되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
13. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 3D 인쇄에 의해 단일체로서 생성되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
14. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B), 및 전력 공급장치에 전기적으로 연결된 적어도 제1 및 제2 전도체(40, 40')를 더 포함하며, 상기 전력 공급장치는 상기 거시적 구조(5A, 5B)를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)의 적어도 일부를 적어도 500℃의 온도로 가열하는 치수이고, 전도체(40, 40')는 상기 제2 단부(15)보다 상기 제1 단부(14)에 더 가까운 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B) 상의 위치에서 연결되며, 구조체(10)는 제1 전도체(40, 40')로부터 제1 거시적 구조(5A)를 통해서 상기 제2 단부(15)로 전기 전류를 흘려보내고, 다음에 제2 거시적 구조(5B)를 통해서 제2 전도체(40, 40')로 전기 전류를 흘려보내도록 구성되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
15. 제 14 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 각각 제1 및 제2 전도체(40, 40')의 부착을 각각 허용하는 부착 섹션을 포함하며, 상기 부착 섹션은 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)와 단일체로 3D 인쇄되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
16. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 네트워크 구조(5)는 복수의 절단부를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
17. 제 16 항에 있어서, 절단부는 금속 물질보다 전도성이 낮은 컷아웃 물질로 충전되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 컷아웃 물질은 고체 물질인 것을 특징으로 하는 구조체(10).
19. 제 18 항에 있어서, 고체 물질은 네트워크 구조(5)를 형성하는 금속 물질의 열기계적 특성과 실질적으로 동등한 열기계적 특성을 갖는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
20. 제 16 항에 있어서, 절단부의 제1 하위그룹은 공기로 충전되고, 절단부의 제2 하위그룹은 고체 물질로 충전되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
21. 제 16 항 내지 제 20 항 중 어느 한 항에 있어서, 절단부 중 적어도 하나는 구, 원반, 타원체, 물방울, 나선, 및 다면체, 예컨대 상자, 피라미드, 다이아몬드, 및 마름모로 구성되는 군으로부터 선택된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
22. 제 16 항 내지 제 21 항 중 어느 한 항에 있어서, 절단부 중 적어도 2개는 상이한 형태 및/또는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
23. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B) 중 적어도 하나는 흐름 분포를 보장하기 위한 흐름 가이드를 포함하며, 상기 흐름 가이드는 적어도 하나의 거시적 구조(5A, 5B)와 단일체로 3D 인쇄되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
24. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 물질은 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 구조체(10).
25. 원료 가스의 가열을 위한 가열 시스템(100)으로서,
a) 제 1 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 구조체(10);
b) 상기 구조체(10)를 수용하는 압력 쉘(20)로서, 상기 압력 쉘(20)은 상기 원료 가스의 유입을 위한 입구 및 가열된 가스의 배출을 위한 출구를 포함하고, 상기 입구는 상기 원료 가스가 제1 단부(14)에서 상기 구조체(10)로 들어가고 상기 가열된 가스는 제2 단부(15)에서 상기 구조체를 빠져나가도록 위치되는 압력 쉘(20); 및
c) 상기 구조체(10)와 상기 압력 쉘(20) 사이의 단열층(30)
을 포함하는 가열 시스템(100).
26. 제 25 항에 있어서, 구조체(10) 및 상기 압력 쉘(20)의 외부에 위치된 전력 공급장치에 전기적으로 연결된 적어도 2개의 전도체(40, 40')를 더 포함하며, 상기 전력 공급장치는 상기 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 구조체(10)의 적어도 일부를 적어도 400℃의 온도로 가열하는 치수이고, 상기 적어도 2개의 전도체(40, 40')는 제1 단부(14)에 더 가까운 위치에서 제1 거시적 구조(5A)에 연결되며, 여기서 구조체(10)는 하나의 전도체(40, 40')로부터 실질적으로 제1 거시적 구조(5A)를 통해서 제2 거시적 구조(5B)로 전기 전류를 흘려보내고, 상기 적어도 2개의 전도체(40, 40') 중 제2 전도체로 전기 전류를 다시 흘려보내도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
27. 제 26 항에 있어서, 상기 전력 공급장치는 상기 구조체(10)의 적어도 일부를 적어도 700℃, 바람직하게 적어도 900℃, 더 바람직하게 적어도 1000℃의 온도로 가열하는 치수인 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
28. 제 25 항 내지 제 27 항 중 어느 한 항에 있어서, 원료 가스는 압력 쉘 하우징의 출구와 입구에서 본질적으로 동일한 화학 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
29. 제 25 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 쉘(20)은 2 내지 30 bar의 설계 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
30. 제 25 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 쉘(20)은 30 내지 200 bar의 설계 압력을 갖는 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
31. 제 25 항 내지 제 30 항 중 어느 한 항에 있어서, 전기 전도성 물질의 저항률은 10-5 Ω·m 내지 10-7 Ω·m인 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
32. 제 26 항 내지 제 31 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 적어도 2개의 전도체(40, 40')는 피팅부에서 압력 쉘(20)을 관통하여 이어지며, 이로써 적어도 2개의 전도체(40, 40')는 압력 쉘(20)과 전기적으로 절연되는 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
33. 제 26 항 내지 제 32 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조체(10)와 상기 적어도 2개의 전도체(40, 40') 사이의 연결은 기계적 연결, 용접 연결, 납땜 연결 또는 이들의 조합인 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
34. 제 26 항 내지 제 33 항 중 어느 한 항에 있어서, 압력 쉘(20)을 빠져나가는 가스의 온도가 정해진 범위 내에 있는 것을 보장하도록 전력 공급장치를 제어하도록 배열된 제어 시스템을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
35. 제 25 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서, 구조체(10)에서 구조체(10)를 통한 수평 단면의 면적 등가 직경과 구조체(10)의 높이 사이의 비는 0.1 내지 2.0의 범위인 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
36. 제 25 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서, 가열 시스템(100)의 높이는 0.5 내지 7m, 더 바람직하게 0.5 내지 3m인 것을 특징으로 하는 가열 시스템(100).
37. 제 25 항 내지 제 36 항 중 어느 한 항에 따른 가열 시스템(100)에서 원료 가스를 가열하는 방법으로서,
- 상기 원료 가스를 가압하는 단계,
- 상기 가압된 원료 가스를 가열 시스템(100)에 공급하는 단계,
- 상기 구조체(10)에 상기 압력 쉘(20)의 외부에 위치된 전력 공급장치를 연결하는 전기 전도체(40, 40')를 통해 전력을 공급하고, 상기 전기 전도성 물질을 통해서 전기 전류가 흐르도록 함으로써 구조체(10)의 적어도 일부를 가열하는 단계,
- 구조체(10) 상에서 원료 가스를 가열하는 단계, 및
- 가열된 가스를 가열 시스템(100)으로부터 배출하는 단계
를 포함하는 방법.
38. 제 37 항에 있어서, 상기 원료 가스는 2 내지 30 bar의 압력으로 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
39. 제 37 항에 있어서, 상기 원료 가스는 30 내지 200 bar의 압력으로 가압되는 것을 특징으로 하는 방법.
40. 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템으로서,
a) 제 3 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 따른 구조체(10);
b) 상기 구조체(10)를 수용하는 압력 쉘(20)로서, 상기 압력 쉘(20)은 상기 원료 가스의 유입을 위한 입구 및 생성물 가스의 배출을 위한 출구를 포함하고, 상기 입구는 상기 원료 가스가 제1 단부(14)에서 상기 구조체(10)로 들어가고 상기 생성물 가스는 제2 단부(15)에서 상기 촉매를 빠져나가도록 위치되는 압력 쉘(20); 및
c) 상기 구조체(10)와 상기 압력 쉘(20) 사이의 단열층(30)
을 포함하는 반응기 시스템.
41. 흡열 반응이 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 분해, 암모니아 분해, 역 수성 가스 시프트 및 탈수소반응으로 구성되는 군으로부터 선택되는, 제 3 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 따른 구조체(10) 또는 제 40 항에 따른 반응기의 사용.
Claims (19)
- 원료 가스를 가열하도록 배열된 구조체(10)로서, 상기 구조체(10)는 제1 단부(14)에서 제2 단부(15)로 길이 방향으로 각각 연장된 제1 거시적 구조(5A) 및 제2 거시적 구조(5B)를 포함하고, 상기 제1 단부(14)는 상기 원료 가스가 상기 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)로 들어가는 입구를 형성하며, 상기 제2 단부(15)는 가열된 가스를 위한 출구를 형성하고, 상기 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 3-차원 네트워크 구조(5)를 포함하며, 상기 네트워크 구조(5)는 원료 가스가 상기 제1 단부(14)에서 상기 제2 단부(15)로 유동할 수 있는 유로(60)를 형성하고, 네트워크 구조(5)는 전기 전도성 금속 물질에 의해 형성되며, 여기서 제2 거시적 구조(5B)는 제1 거시적 구조(5A)의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되고, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 제2 단부(15)에서 전기적으로 연결되는 구조체(10).
- 제 1 항에 있어서, 네트워크 구조(5)는 적어도 부분적으로 세라믹 코팅을 담지하는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 2 항에 있어서, 세라믹 코팅의 적어도 일부는 촉매 활성 물질을 담지하는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 네트워크 구조(5)의 적어도 일부는 복수의 평행한 유동 채널(60)을 형성하는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B) 중 적어도 하나는 내부 공간을 형성하는 원주벽을 포함하고, 원주벽은 전기 전도성 금속 물질로 형성되며, 네트워크 구조(5)는 내부 공간에 배열되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서, 제2 거시적 구조(5B)는 제1 거시적 구조(5A)의 외부 표면의 적어도 50%, 예컨대 적어도 60%, 예컨대 적어도 70%, 예컨대 적어도 80%, 예컨대 적어도 90%, 예컨대 100%의 주변을 둘러싸도록 배열되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서, 하나 이상의 추가의 거시적 구조를 더 포함하며, 여기서 각 추가의 거시적 구조는 내측에서 추가의 거시적 구조에 가장 가까이 배열된 거시적 구조의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되고, 이웃한 거시적 구조들은 제1 단부(14) 및 제2 단부(15)에서 교대로 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 7 항에 있어서, 제1 추가의 거시적 구조를 포함하며, 상기 제1 추가의 거시적 구조는 제2 거시적 구조(5B)의 주변을 적어도 부분적으로 둘러싸도록 배열되고, 제2 및 제1 추가의 거시적 구조는 제1 단부(14)에서 전기적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 거시적 구조(5A)의 외부 표면은 제2 거시적 구조(5B)의 내부 표면과 일치하는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 9 항에 있어서, 제1 거시적 구조(5A)의 외부 표면은 길이 방향에 횡단하는 단면이 실질적으로 원형인 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조는 실질적으로 동축 배열되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 1 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B), 및 전력 공급장치에 전기적으로 연결된 적어도 제1 및 제2 전도체(40, 40')를 더 포함하며, 상기 전력 공급장치는 상기 거시적 구조(5A, 5B)를 통해서 전기 전류를 통과시킴으로써 상기 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)의 적어도 일부를 적어도 500℃의 온도로 가열하는 치수이고, 전도체(40, 40')는 상기 제2 단부(15)보다 상기 제1 단부(14)에 더 가까운 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B) 상의 위치에서 연결되며, 구조체(10)는 제1 전도체(40, 40')로부터 제1 거시적 구조(5A)를 통해서 상기 제2 단부(15)로 전기 전류를 흘려보내고, 다음에 제2 거시적 구조(5B)를 통해서 제2 전도체(40, 40')로 전기 전류를 흘려보내도록 구성되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 12 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)는 각각 제1 및 제2 전도체(40, 40')의 부착을 각각 허용하는 부착 섹션을 포함하며, 상기 부착 섹션은 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B)와 단일체로 3D 인쇄되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 1 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서, 제1 및 제2 거시적 구조(5A, 5B) 중 적어도 하나는 흐름 분포를 보장하기 위한 흐름 가이드를 포함하며, 상기 흐름 가이드는 적어도 하나의 거시적 구조(5A, 5B)와 단일체로 3D 인쇄되는 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서, 금속 물질은 Fe, Cr, Al, Co, Ni, Zr, Cu, Ti, Mn, 및 Si로 구성되는 군으로부터 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 합금인 것을 특징으로 하는 구조체(10).
- 원료 가스의 가열을 위한 가열 시스템(100)으로서,
a) 제 1 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 구조체(10);
b) 상기 구조체(10)를 수용하는 압력 쉘(20)로서, 상기 압력 쉘(20)은 상기 원료 가스의 유입을 위한 입구 및 가열된 가스의 배출을 위한 출구를 포함하고, 상기 입구는 상기 원료 가스가 제1 단부(14)에서 상기 구조체(10)로 들어가고 상기 가열된 가스는 제2 단부(15)에서 상기 구조체를 빠져나가도록 위치되는 압력 쉘(20); 및
c) 상기 구조체(10)와 상기 압력 쉘(20) 사이의 단열층(30)
을 포함하는 가열 시스템(100). - 제 16 항에 따른 가열 시스템(100)에서 원료 가스를 가열하는 방법으로서,
- 상기 원료 가스를 가압하는 단계,
- 상기 가압된 원료 가스를 가열 시스템(100)에 공급하는 단계,
- 상기 구조체(10)에 상기 압력 쉘(20)의 외부에 위치된 전력 공급장치를 연결하는 전기 전도체(40, 40')를 통해 전력을 공급하고, 상기 전기 전도성 물질을 통해서 전기 전류가 흐르도록 함으로써 구조체(10)의 적어도 일부를 가열하는 단계,
- 구조체(10) 상에서 원료 가스를 가열하는 단계, 및
- 가열된 가스를 가열 시스템(100)으로부터 배출하는 단계
를 포함하는 방법. - 원료 가스의 흡열 반응을 수행하기 위한 반응기 시스템으로서,
a) 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 구조체(10);
b) 상기 구조체(10)를 수용하는 압력 쉘(20)로서, 상기 압력 쉘(20)은 상기 원료 가스의 유입을 위한 입구 및 생성물 가스의 배출을 위한 출구를 포함하고, 상기 입구는 상기 원료 가스가 제1 단부(14)에서 상기 구조체(10)로 들어가고 상기 생성물 가스는 제2 단부(15)에서 상기 촉매를 빠져나가도록 위치되는 압력 쉘(20); 및
c) 상기 구조체(10)와 상기 압력 쉘(20) 사이의 단열층(30)
을 포함하는 반응기 시스템. - 흡열 반응이 스팀 메탄 개질, 시안화수소 형성, 메탄올 분해, 암모니아 분해, 역 수성 가스 시프트 및 탈수소반응으로 구성되는 군으로부터 선택되는, 제 3 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 따른 구조체(10) 또는 제 18 항에 따른 반응기의 사용.
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