KR960014902B1 - 플레이트-핀 열교환기를 이용한 개질 공정법 - Google Patents

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존 앨럼 로드니
돌린 바셋 존
마이클 아브랄도 조셉
리오 다 프라토 필립
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
윌리암 에프. 마쉬
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Abstract

내용없음.

Description

플레이트-핀 열교환기를 이용한 개질 공정법
제1도는 두개의 분리형 트래인을 지니고 복수의 열교환 통로를 갖춘 종래 기술에 의한 개질 공정법을 대략적으로 도시한 대략도.
제2도는 본 발명에 따른 제1양태를 도시한 대략도.
제3도는 본 발명에 따른 제2양태를 도시한 대략도.
제4도는 본 발명에 사용되는 콤팩트 플레이트-핀 열교환기의 부분 절단면을 도시한 사시도.
제5도는 본 발명에 사용되고 제4도에 도시된 콤팩트 플레이트-핀 열교환기의 사시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
16 : 탈황산 타워 18 : 열교환기
22, 216, 314 : 개질 장치 24 : 물 스트림
12, 26, 28, 34, 36, 42, 48, 54, 78 : 열교환기
202, 302, 400, 500 : 플레이트-핀 열교환기
206 : 탈황산화 영역 210 : 가스 포화기
222 : 전이 반응기 324 : 전이 반응 용기
410, 420, 430 : 플레이트 426, 428, 433 : 핀
본 발명은 탄화수소 유입 스트림(stream)을 합성 기체 생성물로 개질(reformation)하는 방법에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 모든 주요 열교환 기능이 복수-스트림 플레이트-핀(multi-stream plate-gin)열교환기로 보강된, 합성 기체 제조용 탄화수소 스트림의 개질방법에 관한 것이다.
통상적으로, 증기 및 촉매 존재하에서 메탄과 같은 탄화수소를 개질시킴으로써 수소 및 일산화탄소를 생성하여 왔다. 탄화수소를 개질시킴으로써 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 증기 및 메탄올 함유하는 있는 합성 기체가 주로 생성되었다. 탄화수소 개질반응은 반응을 일으키기 위해 상당량의 열이 요구되는 흡열 반응이다. 일반적으로, 흡열 반응인 탄화수소 개질 반응을 일으키기 위한 충분한 열을 공급하는데 있어서, 과다한 증기 생성에 의해 상당한 열손실이 수반된다. 대부분의 경우, 이와 같은 과다의 증기는 불필요한 부산물이다. 또한, 흡열 반응인 탄화수소 개질 반응을 위해 생성된 유용한 고온의 열을 모두 회수하도록 배열된 열교환 장치가 요구된다. 일반적인 종래의 개질 장치는 일련의 투(two)-스트림 분리형 열교환 유닛시리즈로 구성된 두개의 분리형 열교환 트래인(train)을 구비한다. 제1트래인은 개질 장치의 증기/탄화수소 유입, 증기화 및 과열 증기, 응축 가열, 그리고 탄화수소 가열을 이용하여 개질 장치 노의 연도 가스(flue gas)를 저온으로 냉각시킨다. 이러한 열교환은 일반적으로 내부에서 순환되는(adducted) 열교환 유닛에서 실행되며, 이 유닛에서 가열된 증기는 평탄하거나 핀이 형성된 튜브의 분리형 튜브 뱅크내에서 연도 가스와 열교환이 이루어진다. 제2트래인은 일련의 분리쉘과 튜브, 두개의 유체 가열 교환기 다음에 설치된 폐기 열보일러내에서 에열 유입 가스 스트림, 응축물등에 의하여 개질 장치의 노에서 발생한 고압의 개질 가스가 냉각된다. 개질 장치의 설비비는 이들 두 열교환 장치와 부속된 파이프의 비용이 대부분 차지한다. 비용면에서 더욱 효율적인 열교환 장치와, 이 장치를 단순화시키기 위해 많은 시도를 해왔다. 상기 개질 장치는 대류 열전달을 이용하도록 설계될 수 있기 때문에, 유입물을 예열시키거나 또는 개질 반응을 위한 열의 일부를 공급하기 위해 고온의 개질된 가스를 사용할 수 있다. 몇몇의 열교환 유닛은 분리형 고온 가스 열교환기를 사용하며, 어떤 것은 개질 노내에 내부 튜브를 통과하여 흐르는 생성 가스 및 환형태의 촉매를 지닌 동심의 튜브를 구비하므로써 반응 가스 혼합물이 노 측면 및 내부로부터 동시에 가열될 수 있다. 이러한 형태의 개질 장치는 종래의 장치들 보다 생성 가스 방출 온도가 더 낮으며, 폐기 열 보일러 크기를 더 작게 할 수 있고, 증기를 소량 배출하거나 전혀 배출하지 않으면서 효율적으로 작동될 수 있다. 개질 반응에 있어 더욱 효과적인 열 집적을 이루기 위한 많은 시도가 있었지만, 두개의 분리형 열교환 트래인을 동등하게 단일의 열교환 기능으로 조합시키는 데 있어서의 이러한 시도들은 성공을 거두지 못하였다.
개질될 증기 및 탄화수소에 대응하여 연도 가스의 열교환 및 개질을 위해 환형태의 공간을 사용한 열교환기는 미합중국 특허 제4,071,330호에 개시되어 있다. 본 발명에서는 유입물의 예열, 연도 가스로부터의 추가적 열의 인출 또는 냉각 개질을 위한 추가의 열교환 기능에 대한 설명은 생략할 것이다.
전술한 쉘(shell) 및 튜브 열교환의 기능은 미합중국 특허 제3,971,847, 및 제3,982,910호에 개시되어 있다. 이들 특허에서는 수소가 풍부한 생성물을 만들기 위해 일부 산화 개질이전에 탄화수소와 공기를 예열하기 위한 쉘 및 튜브 열교환 장치를 이용하였다. 이러한 공정법은 하나의 가스 스트림은 쉘의 전영역을 차지하는 반면 다른 하나의 가스 스트림은 튜브 영역을 차지하게 되는, 쉘과 튜브 구조로 형성되어 있기 때문에 서로에 대해 열교환될 수 있는 스트림의 수를 한정하게 된다.
미합중국 특허 제3,992,168호에는 암모니아 합성 가스내에 존재하는 "퍼스(purse)"가스와 같은 혼합물에서 수소의 회수 및 석유 혹은 코크스 오븐 가스의 오프-가스 정제 등과 같이 혼합된 가스 스트림의 성분을 정제하는 데 사용되는 플레이트형 열교환기가 개시되어 있다.
또 다른 형태의 플레이트형 열교환기 및 플레이트-핀 열교환기들은 미합중국 특허 제4,858,685, 제4,890,670, 및 제5,035,284호에 개시되어 있다. 이러한 플레이트형 열교환기들은 어떤 특정 서비스 내지 공정법으로 구분되지 않는다.
영국 특허 출원번호 GP 2066841호에는 유입 가스인 개질 유입물을 메탄올 반응기에서 개질시키는 통상적인 개질 장치의 연도 가스내에 포화된 개질 유입물을 가열하기 전에 물로 개질 유입물을 포화시키는 포화장치가 개시되어 있다.
미합중국 특허 제4,681,603호에는 개질 장치의 연도 가스나 혹은 변환 반응기의 유출물에 의해 가열되는 코일이 감긴 열교환기내에서 개질 유입물속으로 물을 직접 주입시키는 공정이 개시되어 있다. 그 다음, 포화된 개질 유입물은 과다한 응축물을 제거하기 위해 분리기를 통과한 후 적합한 슬레이트 생성물로 상기 유입물을 개질시키기 위해 개질 장치로 수송된다.
본 발명은 하기에 더욱 설명되는 바와 같이, 과대한 증기를 생성하는 종래 기술의 결점을 보완한 것으로서, 에너지 효율을 위해 독특하나 복수-스트림 콤팩트 열교환 기능을 이용하여 다수의 분리형 열교환기를 사용하는 방법을 제공한다.
본 발명은 공정용 스트림을 이용하여 상승된 온도에서 탄화수소 스트림을 가열시킴으로써 탄화수소 스트림을 합성 가스 생성물로 개질시키는 공정법에 관한 것으로서, 이 공정은 탄화수소 스트림을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 공정용 스트림을 이용하여 병렬로 평행한 열교환방식에 의해 탄화수소 스트림을 상승된 온도로 가열시키는 단계; 상승된 온도에서 탄화수소 스트림을 개질시켜 합성가스 생성물을 생성시키는 단계; 및 상기 생성물을 플레이트-핀 열교환기로 통과시키고, 병렬로 평행한 열교환에 의해 탄화수소 스트림 및/또는 공정용 스트림을 가열시킴으로써, 합성 가스 생성물을 주변 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 있어서, 플레이트-핀 열교환기내에서 병렬로 평행한 열교환 방식이 이용되고, 공정용 스트림에 의해 스트림과 물을 따로 가열되며, 열교환기로부터 스트림과 물을 제거한 후, 이들을 분리 포화 영역에서 직접 접촉시켜, 스트림이 증기로 포화되도록 함으로써, 증기와 탄화수소 스트림이 혼합되도록 하는 것이 바람직하다.
이와는 달리, 탄화수소 스트림속으로 직접 물을 주입시키고, 생성된 스트림과 물의 혼합물을 플레이트-핀 열교환기에 통과시켜 공정용 스트림을 이용한 병렬로 평행한 열교환방식에 의해 혼합물이 가열되어 합성가스 생성물로 개질되기 위한 탄화수소 및 증기 스트림을 형성되도록 함으로써, 증기와 탄화수소 스트림을 혼합할 수 있다.
탄화수소 스트림은 처음에 플레이트-핀 열교환기내에서 가열된 다음 상기 열교환기로부터 탈황산 영역으로 직접 주입되며, 합성 가스 생성물로 개질되기 이전에 열교환기에서 한번 더 가열되기 전에 탈황산화되는 것이 바람직하다.
물 및/혹은 증기는 포화 영역내에서 또는 개질되기 전 탈황산화 직후에 직접 주입됨으로써 상기 탄화수소 스트림에 첨가되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 개질 단계는 증기-탄화수소 개질, 부분 산화, 자가열 개질, 무수 이산화탄소 개질 및 이들의 조합으로 구성된 그룹으로부터 선택된다.
본 발명에 있어서, 합성 가스 생성물은, 여기에 함유된 일산화탄소와 물을 수소 및 이산화탄소로 전환시키기 위해, 상기 열교환기로부터 물-가스 전이 반응 영역으로 직접 유입되며, 플레이트-핀 열교환기내에서 병렬로 평행한 열교환에 의해 탄화수소 스트림을 가열을 시킴으로써 전이 반응 영역에서 나온 생성물이 냉각된다.
본 발명에 있어서, 개질 공정은 연료의 연소에 의해 가열되며, 플레이트-핀 열교환기내에서 병렬로 평행한 열교환에 의해 최소한의 탄화수소 스트림을 가열시킴으로써, 생성된 연도 가스가 냉각된다.
보다 구체적으로, 본 발명은 탄화수소 스트림과 물을 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용하여 상승된 온도에서 가열시킴으로써, 탄화수소 스트림과 물을 합성 가스 생성물로 개질시키는 공정법에 관한 것으로, 이 공정은 탄화수소 스트림을 플레이트-핀 열교환기에 주입시켜 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용한 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 탄화수소 스트림을 가열시키는 단계; 물을 플레이트-핀 열교환기에 주입시켜 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용한 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 물을 가열시키는 단계; 상기 스트림을 물로 포화시키기 위해 분리형 포화 영역내에서 이들을 접촉시켜 물을 탄화수소 스트림과 혼합시키는 단계; 플레이트-핀 열교환기내에서 생성된 탄화수소와 물 스트림을 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용한 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 한번 더 가열시키는 단계; 연도 가스를 생성하도록 연료를 연소시켜 스트림을 가열함으로써 상승된 온도에서 탄화수소와 물 스트림을 개질시켜 합성 가스 생성물을 생성하는 단계; 및 상기 생성물과 가스를 따로 플레이트-핀 열교환기로 통과시켜 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도에서 탄화수소 스트림과 물을 가열시킴으로써 합성 가스 생성물과 연도 가스를 주변 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다.
더욱 구체적으로, 본 발명은 탄화수소 스트림과 물을 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용하여 상승된 온도로 가열시킴으로써, 탄화수소 스트림과 물을 합성 가스 생성물로 촉매 개질시키는 공정법으로서, 이 공정은 탄화수소 스트림을 플레이트-핀 열교환기에 주입시켜 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용한 병렬로 평행한 열교환방식에 의해 탄화수소 스트림을 상승된 온도로 가열하는 단계; 물을 플레이트-핀 열교환기에 주입시켜 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용한 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 물을 가열시키는 단계; 상기 플레이트-핀 열교환기에서 나온 탄화수소 스트림을 탈황산 영역으로 직접 주입시켜 탄화수소 스트림을 탈황산화시키는 단계; 상기 스트림을 물로 포화시키기 위해 분리형 포화 영역내에서 이들을 접촉시킴으로써 물을 탄화수소 스트림과 혼합시키는 단계; 플레이트-핀 열교환기내에서 생성된 탄화수소와 물 스트림을 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용한 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 한번더 가열시키는 단계; 연도 가스를 생성하도록 연료를 연소시켜 스트림을 가열시킴으로써, 상승된 온도에서 탄화수소와 물 스트림을 합성 가스 생성물로 촉매 개질시키는 단계; 탄화수소 스트림이 흐르는 방향의 역방향으로 생성물과 연도 가스를 플레이트-핀 열교환기에 따로 통과시키고, 탄화수소 스트림과 물을 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 가열시킴으로써 합성 가스 생성물과 연도 가스를 주변 온도로 냉각시키는 단계; 및 합성 가스 생성물에 함유된 일산화탄소와 물을 탄화수소와 이산화탄소로 전환시키기 위해, 상기 플레이트-핀 열교환기로부터 나온 합성 가스 생성물을 직접 물 가스 전이 반응 영역으로 주입시켜, 상기 전이 반응 영역의 최종의 생성물을 플레이트-핀 열교환기내에서 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 가열시킴으로써 주변 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 바람직한 개질 공정은 촉매를 사용한 증기-메탄 개질 공정이다.
또한, 본 발명에 따른 바람직한 탈황산 공정은 산화 아연 촉매를 사용한 공정이다.
개질 공정에 필요한 증기만 본 공정에서 생성되는 것이 바람직하다.
합성 가스 생성물은 압력 스윙 흡수 분리에 의해 탄화수소 스트림과 물 스트림으로 분리되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 바람직한 플레이트-핀 열교환기는 서로 나란하게 배치된 복수의 평행 열교환 통로를 구비하는데, 이 통로를 통해 탄화수소 스트림, 물, 합성 가스 생성물, 그리고 연도 가스가 열교환시 하나씩 분리되어 통과한다.
본 발명에 있어서, 탄화수소 스트림, 물, 합성 가스 생성물, 그리고 연도 가스 각각은 플레이트-핀 열교환 기내의 다수의 통로를 분리되어 통과한다.
또한, 본 발명은 탄화수소 스트림과 물을 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용하여 상승된 온도로 가열시킴으로써 상기 탄화수소 스트림과 물을 개질시키는 공정에 관한 것으로서, 이 공정은 물을 상기 탄화수소 스트림으로 직접 주입시켜 탄화수소 스트림과 물 혼합물을 생성시키는 단계; 상기 탄화수소와 물을 플레이트-핀 열교환기로 주입시키고, 상기 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용한 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 상기 혼합물을 가열시켜 탄화수소와 증기 스트림을 생성시키는 단계; 연도 가스를 생성하도록 연료를 연소시켜 상기 스트림을 가열시킴으로써 상승된 온도에서 상기 탄화수소와 증기 스트림을 개질시켜 합성 가스를 생성시키는 단계; 및 탄화수소 스트림과 물 혼합물을 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 가열시키는 동안 생성물과 가스를 따로따로 상기 플레이트-핀 열교환기 통해 통과시킴으로써 합성 가스 생성물과 상기 연도 가스를 주변 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다.
물과 탄화수소 스트림은 물을 탄화수소 스트림에 주입시키기 전에 플레이트-핀 열교환기내에서 따로따로 가열되는 것이 바람직하다.
물과 탄화수소 스트림은 플레이트-핀 열교환기내에서 직접 혼합되는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 탄화수소 스트림을 합성 가스 생성물을 이용하여 상승된 온도로 가열시키고, 상기 탄화수소 스트림을 부분 산화시킴으로써 탄화수소 스트림을 합성 가스 생성물로 개질시키는 공정으로서, 이 공정은 탄화수소 스트림을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 탄화수소 스트림을 합성 가스 생성물을 이용한 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 가열시키는 단계; 산화제 및 임의의 추가 유입 성분을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 상기 산화제와 임의의 추가 유입 성분을 상기 합성 가스 생성물을 이용한 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 가열시키는 단계; 상기 산화제 및 임의의 추가 유입 성분을 상기 탄화수소 스트림과 혼합시키는 단계; 상기 탄화수소 스트림의 최소한 일부를 산화시킴으로써 상기 탄화수소 스트림을 개질시켜 합성 가스 생성물을 생성시키는 단계; 및 상기 생성물을 플레이트-핀 열교환기에 따로따로 통과시키고, 탄화수소 스트림, 산화제 및 임의의 추가 유입 성분을 병렬로 평행한 열교환에 의해 상승된 온도로 가열시킴으로써 상기 합성 가스 생성물을 주변 온도로 냉각시키는 단계를 포함한다.
본 발명에 따른 바람직한 개질 공정은 초기에 상기 탄화수소 스트림은 부분산화하고, 이어서 나머지 탄화수소를 촉매를 이용하여 개질하는 단계를 포함하는 자가열(autohermal)개질 공정법이다.
본 발명에 따른 바람직한 추가 유입 성분은 물, 증기, 이산화탄호 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된다.
본 발명에 따른 바람직한 산화제는 공기, 산소가 풍부한 공기 및 산소로 구성된 그룹에서 선택된다.
본 발명에 있어서, 탄화수소 스트립은 초기에 플레이트-핀 열교환기에서 가열된 다음, 열교환기에서 나와 탈황산 영역으로 직접 주입되며, 합성 가스 생성물로 개질되기 전, 열교환기에서 한번 더 가열되기 전에 탈황산화된다.
본 발명에 있어서, 합성 가스 생성물은, 여기에 함유된 일산화탄소와 물을 수소 및 이산화탄소로 전환시키기 위해, 상기 열교환기로부터 물-가스 전이 반응 영역으로 직접 유입되며, 전이 반응 영역의 생성물은 플레이트-핀 열교환기내에서 병렬로 평행한 열교환에 의해 탄화수소 스트림을 가열을 시킴으로써 냉각된다.
본 발명은 종래의 기술보다 더욱 효율적으로 제조비가 더욱 적게 드는 합성 가스 생성방법에 관한 것이다.
본 발명의 목적에 부합하는 합성 가스로는 수소가 풍부한 생성물, 수소와 일산화탄소의 화합물, 일산화탄소 및 수소가 대부분을 차지하거나 이들이 풍부한 생성물 스트림과 같은 수소함유 스트림, 또는 질소 및 물과 같은 다른 가스가 잔사량으로 존재하는 이산화탄소를 함유하는 일산화탄소 스트림이 포함될 수 있다.
본 발명에 따른 더욱 효율적이고 비용이 적게 드는 강도 높은 개질 공정은, 흡열 개질 반응물을 가열하기 위해 연료를 연소시켜 생성된 연도 가스로부터 열에너지가 방출되는 대류 영역과 증기를 생성하기 위한 보일러 공급수와 열교환을 시킴으로써, 상승된 온도로 개질된 후 합성 가스 생성물 혹은 개질된 성분이 냉각되면서 열에너지를 회수하도록 하는 가스 생성 영역을 위한 두개의 분리형 열교환 트래인을 수반하지 않으며, 상기 두 영역은 개질 장치에서 유입 가스의 수송을 위해 사용된다. 전형적인 개질 공정에 있어서의 두 영역, 즉 대류 영역과 생성물 냉각 영역은 결합되어 있기 때문에, 콤팩트 복수-스트림(3개 내지 그 이상의 스트림), 복수-통로 플레이트-핀 열교환기내에서 열교환 단위의 조합이 생략되며, 상기 플레이트-핀 열교환기는 물, 증기, 연도 가스, 연료, 개질 유입물 및 합성 가스 생성물 등의 공정용 스트림의 병렬로 평행한 열교환을 가능케하여 에너지의 효과적인 사용에 바람직한 에너지 균형을 맞춰준다.
병렬로 평행한 열교환을 이용한 콤팩트 복수-스트림, 복수-통로 플레이트-핀 열교환기를 사용하여 본 발명의 효율적인 열 직접을 이루는 것은 대류성 개질 기술이 이용될 때 특히 효과적이며, 이 기술에 있어서, 개질된 생성물의 열은 다른 공정용 스트림과 열교환될 개질물 혹은 합성 가스의 배출 온도가 낮기 때문에 부분적으로 개질 장치에서 탄화수소 혹은 개질되는 유입 가스를 가열하기 위해 사용되며, 여기서 열교환의 정도 및 열 표면적은 감소될 수 있고 본 발명에 따른 콤팩트 플레이트-핀 열교환기에 완전히 적합하게 변형될 수 있다.
바람직하게는, 본 발명에 따른 콤팩트 복수-스트림, 복수-통로 플레이트-핀 열교환기를 사용함으로써, 개질 반응을 위한 모든 유입물 및 풍부한 공정용 스트림은 열교환 장치의 중복을 피하고 상기와 같은 열교환기내에서 열교환될 수 있다.
본 발명에 따른 복수-스트림, 복수 통로 플레이트-핀 열교환기를 개질 공정에 사용함으로써 얻는 장점들 중의 하나는 유입물의 탈황산화, 수포화, 및 생성물의 전이등과 같이 개질 공정에 관련된 부속 공정에 적합한 정확한 온도에서, 공정에 어떠한 방해도 가하지 않으면서, 적절한 복수의 기관을 통해 열교환기의 코어로부터 공정용 스트림을 직접, 쉽게 배출시킬 수 있다는 것이다. 이와 대조적으로, 부속 공정을 위한 적합한 조건에서 공정용 스트림을 조절하기 위해 추가의 열교환 장치가 요구되는 통상적인 종래의 기술은 최적의 조건에 미치지 못하고 있다.
본 발명에 사용된 복수-스트림, 복수-통로 플레이트-핀 열교환기는 개질 공정에 사용될 때와 마찬가지로 상승된 온도와 고압 유체에 적합하나 재질로 제작된다. 통상적인 재질로는 스테인레스강 혹은 니켈 고합금 등이 있다. 이와 같은 열교환기는 납땜, 용접, 혹은 확산 결합 장치로서 제작된다. 본 발명에 사용된 이러한 플레이트-핀 열교환기는 핀이나 유동 전이 특성이 플레이트와 결합되어 있거나 결합되어 있지 않더라도 일정 형상의 기계적으로 조립된 플레이트를 포함할 수 있다. 그러나, 이러한 플레이트-핀 열교환기들은 합성 가스, 연도 가스, 개질 유입물, 물, 증기 등과 같은 다양한 공정용 스트림의 병렬로 평행한 열교환을 허용하기 위해 복수-스트림, 복수-통로 형상을 취할 수 있다. 이러한 플레이트-핀 열교환기는 열교환을 위해 두개, 바람직하게는 세개 이상의 공정용 스트림을 수용하도록 변형시킬 수 있다. 개질 반응의 경우에는, 열교환을 위해 최소한 4 혹은 6개의 공정용 스트림을 예상하는 것이 바람직하다. 플레이트-핀 열교환기는 필요한 크기로 제작하는 데에 한계가 있으므로, 하나 이상의 블록이나 분리형 유닛내에서 만들어지거나 사용될 수 있다. 이러한 블록들은 병렬 또는 직렬의 공정용 유동 스트림을 배열되어 사용된다. 이러한 배열로 사용될 때, 플레이트-핀 열교환기는 병렬이나 직렬로 하나 이상의 상기 블록을 포함할 수 있다.
본 발명에 따른 플레이트-핀 열교환기를 상승된 작동 온도는 저온 공정의 열교환과 대조되는 것으로, 본 발명에 따른 열교환의 작동온도는 대기 온도 내지 이보다 약간 상승된 온도사이, 혹은 대기 온도 이상으로 점차적으로 상승된 일련의 온도사이의 온도 조건을 가진다. 반면에 저온 공정은 대기 온도와 이 대기 온도보다 약간 낮은 온도사이에서 가동된다.
본 발명에 따른 개질 반응의 몇몇 형태에 있어서, 무수 이산화탄소의 개질 공정 또는 산소 혹은 공기로 탄화수소를 부분 산화시킬 때 처럼 물 또는 증기가 필요하지 않지만, 증기-메탄 개질 공정과 같은 대부분의 개질 반응에 있어서는 대체적으로 증기의 생성을 위해 물을 가열하고, 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 물을 생성하기 위해 필요한 반응제를 제공하도록 물을 메탄 유입물과 혼합시킨다. 통상적으로, 보일러로 유입되는 물을, 개질 반응에 사용되는 메탄 유입물이 혼합될 충분한 고온의 증기 조건에 맞추기 위해서는 많은 열의 열교환기가 필요하다. 본 발명에 있어서, 특별한 개질 반응에 증기를 사용하기를 원한다면, 물은 그 자리에서 가열되고 증기 형성 혹은 건조 보일링이 더욱 바람직하게 일어날 수 있는 플레이트-핀 열교환기속으로 주입되기 바로 직전에 개질 장치의 수소 유입물을 직접 주입하며, 개질 반응에서의 물 및 수소 유입물은 플레이트-핀 열교환기내에서 따로따로 가열된 다음 포화 컬럼에서 혼합되는데, 여기서 수소와 물은 개질 반응 유입되기 전, 즉 수소와 물이 증기 포화된 수소 유입물로서 열교환기를 통과하기전에 치밀하게 혼합된다. 본 발명의 개질 반응에서 수소 유입물속으로 물 및/혹은 증기를 주입시키는 상기의 두 기술들은 하기의 구체적예를 통해 설명될 것이다.
무수 이산화탄소 개질 혹은 자가열 개질의 경우에 있어서, 추가 유입 성분은 부분 산화에 사용되지 않을 수도 있다. 부분 산화 및 자가열 개질 모두에 있어서, 산화제는 공기, 산소 풍부한 공기, 혹은 99.5%의 산소를 함유한 고순도의 산소일 수 있다.
통상적인 기술보다 우수한 본 발명의 장점들을 설명하기 전에 먼저, 종래 기술에 의한 개질 공정이 설명될 것이다. 제1도에 도시된 바와 같이, 대개 종래의 기술은 천연가스가 탈황산 타워 혹은 영역(16)에서 탈황산화되기 전에 개질된 생성물을 이용하여 승온시키기 위한 열교환기(12)를 라인(10)과 같은 통로를 통과시킴으로써 천연 가스를 개질시킨다. 그 다음 반응용 스트림이 첨가되며, 혼합된 유입물은 어떤 특수한 형태 혹은 기능을 지닌 개질 장치(22)로 라인(20)을 따라 유입되기 전에 열교환기(18)내의 연도 가스에 반하여 한번 더 승온된다. 이와 동시에, 라인(24)내의 물은 탈황산 영역(16)으로부터 발산되는 천연 가스 스트림속으로 라인(44)을 따라 유입되기 전에 일련의 분리형 불연속의 열교환기(26),(34),(42)내에서 상승된 온도 및 증기 조건으로 가열될 것이다.
이러한 물 스트림(24)는 라인(72)내의 개질된 생성물에 의하여 가열된다. 상기 공정을 효율적으로 수행하기 위하여, 데워진 물의 일부는 수송용(expert) 스트림으로 배출되어야 한다. 예를 들면, 라인(24)내의 물 일부는 라인(30)내에서 제거되는 수송용 스트림과 같이 열교환기(28)을 통하여 배출된다. 그 다음 라인(32)내에 잔존하는 물은 수송용 스트림을 재차 사용되며, 여기서 열교환기(36)을 통과하는 분리용 스트림은 라인(38)내의 수송용 스트림으로서 배출된다. 그 다음 라인(40)에 남아 있는 물 스트림은 통상적인 메탄 개질 반응에 사용된다.
종래 기술에 따른 개질 공정을 수행하기 위하여, 천연 가스 유입물로부터 라인(64)을 따라 진행하는 슬립용 스트림을 포함할 수 있는 라인(62)내의 연료는 라인(66)을 따라 개질 장치(22)로 수송될 것이다. 이 연료는 라인(60)내의 고온의 산화 가스를 생성하기 위해 열교환기(54)내에서 데워지는 라인(56)내의 공기와 합쳐지는데, 이 고온의 산화제 가스는 개질 장치의 버어너와 동등하게 도시된 라인(68)내의 연소 연료를 생성하기 위해 라인(66)내의 연료와 합쳐진다. 비록 종래의 기술에 의해 다양한 형태의 개질 공정이 이루어졌지만, 통상적으로, 천연 가스를 합성 가스 생성물로 개질시키기 위해 촉매를 사용하면 천연 가스가 가열되도록 공기와 원료는 연소된다. 승온된 연료 가스는 가변성의 열에너지를 가지고, 개질 장치(22)에서 라인(46)을 따라 배출되며, 라인(58)내의 폐기물로서 상대적으로 더 낮은 온도의 연료 가스를 제거하기 전에 열교환기(54)내의 연소 공기(56)을 가열시킬 뿐만 아니라 혼합된 가스, 열교환기(48)을 통과하는 라인(50)내의 보일러 유입수 및 라인(52)내에 차 있는 증기에 의하여 열교환기(18) 내에서 일련의 열교환이 이루어진다.
종래의 기술에 따라 개질된 생성물은 열에너지 효율을 증진시키기 위해 요구되는 상승된 온도 및 냉각 조건에 따른 수소 혹은 일산화탄소가 풍부한 가스로 구성된다.수소로 개질된 라인(72)내의 생성물은 생성물로서 배출되기 전에 일련의 열교환기(42),(12),(36),(34),(28),(26),(78)을 통과한다. 물과 촉매의 존재하에서 일산화탄소를 추가의 수소와 이산화탄소로 전환시키기 위해, 고온의 변환 반응기(74)와 저온의 변환 반응기(76)을 통해 라인(72)내의 개질 수단을 통과시켜 추가의 수소를 만들 수 있다.
선행 기술의 개질 공정은, 열에너지가 효율적인 공정을 수행하기에 충분한 열집적을 가능케하는 수개의 시리즈로 연결된 열교환기를 필요로 하기 때문에 비용이 많이 든다. 이러한 열교환기는 열교환기 42, 12, 36, 34, 28, 26 및 78과 같이, 개질 생성물로부터 회수가능한 열을 이용하기 위하여 시리즈로 배열된다. 또한 개질 반응기의 연도 가스로부터 열에너지를 회수하기 위해 시리즈로 배열된 분리형 열교환기(예 : 열교환기 18,48 및 54)로 배치된다.
병렬로 평행한 열교환을 이용한 본 발명에 따른 콤팩트 복수-스트림, 복수-통로 플레이트-핀 열교환기는 단일의 직접 열교환법을 이용함으로써 종래 기술의 결점인 높은 제조비를 절감시켰다. 본 발명의 개선점과 효율은 종래 기술의 결점을 비교하면서 아래에서 몇몇 바람직한 양태와 관련하여 통해 상세히 설명될 것이다.
제2도에는 본 발명에 따른 제1의 바람직한 양태가 도시되어 있다. 이 양태의 구성은 콤팩트 복수-스트림, 복수-통로 플레이트-핀 열교환기를 사용한 개질 공정으로 이루어져 있으며, 여기서 물, 천연 가스, 혼합된 유입물, 유도 가스, 합성 가스, 전이 생성물, 공기 및 증기를 포함하는 공정용 증기는 전공정을 통한 효과적인 열에너지 집적을 제공하기 위해 병렬로 평행한 열교환 방식으로 서로 열교환될 수 있다. 라인(200)내의 천연 가스는 초기에 복수-스트림, 복수-통로 플레이트-핀 열교환기(202)내에서 상승된 온도로 가열되며, 그리고 상승된 온도에서 라인(204)를 따라 상기의 열교환기의 첫번째 통로를 빠져나간다. 그 다음 상기 천연 가스는 탈황산화 영역(206)내의 촉매 산화 아연 베드를 지나 탈황산된다. 그 다음 상기 탈황산화 및 온도가 상승된 라인(208)내의 천연 가스는 이 천연 가스가 증기 및/또는 물 분무와 역행하여 접촉하여 라인(212)내의 포화된 증기와 천연 가스 스트림을 만들게 되는 곳인 타워로 구성되는 가스 포화기(210)에서 증기로 포화된다.
라인(212)내의 상기 포화된 천연 가스 스트림은 개질 장치의 온도 혹은 이 온도와 근사한 온도에 도달하도록 콤팩트 플레이트-핀 열교환기(202)를 통과하며, 이때 개질 공정 총효율을 위해 연료의 연소에 의하여 추가의 열에너지가 얻어지게 된다. 그 다음 라인(215)내의 한 번 더 데워진 증기와 포화된 천연 가스는 개질 장치(216)으로 유입되며, 이 개질 장치는 증기-수소 개질법, 부분 산화 개질법, 자가열 개질법, 대류 개질법, 예비 개질 단계를 거치는 개질법, 혹은 이들의 조합을 포함하는 종래 기술에 의한 개질 기술의 수개의 단계중 하나를 포함할 수 있다. 증기와 천연 가스는 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물, 메탄, 및 가능하게는 질소의 다양한 배합물을 생성하기 위해 개질된다. 주성분은 수소 및/또는 일산화탄소이다. 이러한 개질된 성분은 개질 장치(216)으로부터 라인(218)으로 배출되는 상승된 온도의 합성 가스로 구성된다. 라인(218)내의 합성 가스는 이 합성 가스에서 열에너지를 회수하기 위해 콤팩트 플레이트-핀 열교환기(202)내에 있는 다른 공정용 스트림에 의하여 냉각된다. 온도 조절 스트림(223)은 그것이 열교환기(202)의 중간지점을 통과하고, 전이되기 전에 스트림(220)과 재결합할 때 스트림(218)로부터 제거된다.
그 다음 라인(220)내에서 더 낮은 온도를 지닌 합성 가스는 물과 전이 촉매의 존재하에서 일산화탄소를 추가의 수소 및 이산화탄소로 한번 더 전이시키기 위해 전이 반응기(222)내에서 전이된다. 그 다음, 이렇게 전이된 라인(224)내의 합성 가스는, 라인(226)내의 비교적 낮은 온도의 합성 가스 생성물로 빠져나기 전에 병렬로 평행한 열교환에 의한 공정용 스트림에 의하여, 콤팩트 플레이트-핀 열교환기내에서 한번 더 냉각된다.
예를 들어 설명한 증기 메탄 개질공정에 사용된 물은 라인(228)을 따라 주입되며, 라인(232)내의 합쳐진 물 스트림을 이루기 위해 라인(230)내의 재순환 물과 합쳐지는데, 이 물 스트림은 라인(234)로 열교환기를 빠져나가기 전에 열교환기내의 공정용 스트림에 의하여 병렬로 평행한 열교환에 의해 플레이트-핀 열교환기(202)에서 상승된 온도 및/또는 증기 조건으로 가열되며, 상기 물 스트림은 물 및/또는 증기의 분무 상태로 가스 포화기의 용기(210)으로 주입되어 이 포화기 내에서는 물은 하강하여 용기(210)내의 라인(208)에서 상승하는 천연 가스와 역류하면서 접촉하게 된다. 천연 가스에 포화되지 않고 라인(212)를 경유하여 빠져나온 물은 라인(230)으로 재순환된다. 제2도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 양태에 따른 증기-메탄 개질 공정에 있어서, 연료 가스(217)은 산화제 가스(219)와 함께 연소되며, 개질 장치(216)내의 증기-메탄 흡열 개질을 위해 필요한 열을 생성하기 위해 라인(238)내의 연도 가스를 이용하여 교환기(221)내에서 임의로 예열된다. 이러한 공정은 도면에 상세히 도시되어 있지 않지만, 연료와 산화제가 실제적으로 섞이게 되는, 개질 장치에 연결된 버어너에서 실행된다. 개질 장치(216)내에서 연료 및 산화제 가스의 연소로부터 발생된 최종의 연도 가스는 본 공정에 따른 공정용 스트림과 병렬로 평행한 열교환에 의해 콤팩트 플레이트-핀 열교환기(202)에서 열에너지를 회수하기 위해 효율적으로 냉각되어야 하는 라인(238)내의 연도 가스 열에너지를 높이는 결과를 초래한다. 그 결과 냉각된 연도 가스(236)가 본 공정에서 배출된다.
본 발명의 바람직한 제1양태의 설명에서 알 수 있듯이, 효과적인 열에너지 균형을 맞추기 위해 수소 스트림이 요구되지 않는다. 또한, 개질 공정의 필요한 모든 주요 열교환 기능들은 본 공정의 다양한 공정용 스트림의 병렬한 평행한 열교환을 위해 복수-스트림, 복수 통로 설비를 지닌 콤팩트 플레이트-핀 열교환기를 구비하는 단일 열교환기(202)에서 이루어진다. 이러한 공정은 에너지 균형을 이룬 공정을 위해 다수의 열교환기와 복잡한 증기 장치가 요구되는 종래의 기술과 대조되는 것이다. 제2도에 도시된 본 발명의 바람직한 제2양태의 공정은 비용을 더욱 더 절감시키는 효과를 가져오는 것이다. 기본 비용을 기준으로 종래의 것과 비교한다면, 본 발명의 열교환기는 종래의 비용 1달러당 본 발명에 사용된 열교환 능력이 1달러 만큼의 더 나은 기능으로 상당히 효율적인 에너지 효과를 가져온다.
제2도에 도시된 본 발명의 바람직한 제1양태는 개질 반응용 증기와 가스 혼합물을 제공하기 위하여 외부에 배치된 증기 포화기의 장점을 가진다.
이 양태와 동일하게 물을 직접 주입시키는 본 발명의 제2양태는 제3도에 도시되어 있다. 라인(300)내의 천연가스는 개질 공정의 다른 공정용 스트림과 병렬로 열교환 능력이 있는 복수-스트림, 복수-통로를 구비하는 콤팩트 플레이트-핀 열교환기 속으로 유입된다. 이 천연 가스는 상승된 온도로 라인(304)를 따라 열교환기(302)를 빠져나간다. 이것은 열교환기(302)를 통과하지 못하는 라인(306)내의 천연 가스 슬립용 스트림과 합쳐진다. 그 다음, 라인(308)내의 합쳐진 스트림은 산화아연등의 탈황산제로 채워져 있는 탈황산화 용기(310)을 통과한다. 그 다음, 탈황산화된 천연 가스는 콤팩트 플레이트-핀 열교환기(302)를 통과하는 일부 통로에 의해 라인(332)내의 물로부터 라인(334)내의 가열되는 물 및/또는 증기와 접촉하게 된다. 열교환기로 이르는 라인(312) 탄화수소 유입 헤더(제4도 및 제5도 참조)에 고정된 물 주입 시스템, 또는 다공의 주입관과 같은 탄화수소 열전달 통로 각각에 고정된 물 주입 시스템중 어느 하나에서 물이 탄화수소에 직접 주입된다. 그 다음, 라인(312)내의 천연가스 및 증기, 경우에 따라, 물의 혼합물은 수소, 일산화탄소, 이산화탄소, 물 및 경우에 따라 질소를 함유하는 합성 가스속으로 공기와 같은 연료 및 산화제 가스의 연소에 의해서 발생된 추가 열로 개질되도록 개질 장치(314)속으로 유입되기 전에 콤팩트 플레이트-핀 열교환기(302)에서 한번 더 가열한다. 비록 상기 양태는 외부에서 발화되는 연료에 의해 작동되는 증기 메탄 반응을 이용하였지만, 본 발명은 증기-탄화수소 개질, 부분 산화 개질, 자가열 개질, 대류 개질, 예비 개질 단계를 거치는 개질공정 혹은 이들의 조합과 같은 형태의 개질 공정을 이용한 공정이다.
수소 및/또는 일산화탄소가 대부분을 차지하는 생성된 합성 가스는 상승된 온도의 가스로서 라인(316)에서 배출되며 병렬로 평행한 열교환에 의해 다른 공정용 스트림에 열을 제공하기 위해 콤팩트 플레이트-핀 열교환기(302)를 통과하는데, 여기서 합성 가스의 일부는 열교환기(302)의 부분통로를 통과한 후 라인(320)에서 배출되는 반면 라인(318)내의 나머지 합성 가스는 라인(322)내의 것과 혼합되기 전에 콤팩트 플레이트-핀 열교환기(302)를 통해 전부 통과하며, 종래의 기술에서 사용된 적절한 전이 촉매제에 의해 물에 존재하는 추가의 수소 생성물로 잔존하는 일산화탄소를 전환시키기 위해 전이 반응 용기(324)내에서 임의의 전이 반응이 수행된다. 이러한 반응은 추가의 수소 생성물을 원할 경우 사용되며, 추가의 일산화탄소를 원하는 경우는 사용되지 않는다.
전이된 합성 가스는 라인(326)에서 배출되며, 배출되기 전에 병렬로 평행한 콤팩트 플레이트-핀 열교환기(302)에 의하여 추가의 또는 다른 공정용 스트림에 추가의 열을 가하고 보일러 유입수 또는 공기에 의하여 열교환기(328)에서 한번 더 냉각되어 라인(330)내의 합성 가스 생성물을 생성시킨다.
상기 바람직한 양태는 개질 장치(314)내에서 외부의 연료 발화에 의한 연소에 의해 작동되는 증기-메탄 반응을 참조하여 도시되어 있다. 상기의 연소는 라인(342)내의 연료 스트림과 라인(336)내의 공기와 같은 산화제 스트림의 공급에 의해 이루어진다. 상기 공기는 라인(342)내의 연료 스트림과 함께 라인(340)내의 상승된 온도의 스트림으로서 라인(344)에 주입되기 전에 연도 가스에 반하여 관류식 열교환기(338)내에서 가열되며, 상기 연료 스트림은 개질을 위한 증기 메탄 혼합물을 간접적인 열교환에 의해 연소 및 가열되도록 개질 장치내로 유입되면서 개질 장치의 버어너와 동등한 역할을 한다. 이것은 산화 작용, 촉매 작용 또는 이들을 조합시킨 종래의 개질 공정들중의 하나에 의해 실시된다. 또한, 개질 장치(314)내의 임의의 대류식 열교환과 개질 공정이 실시될 수 있다.
개질 장치(314)내에서 산화제와 연료의 연소에 의해 발생되는 연도 가스는, 열교환기(338)로 들어오는 공기를 가열시키는 라인(346)내의 고온의 연도 가스를 발생시킨다. 그 다음, 계속 고온인 라인(348)내의 연도 가스는 라인(350)내의 통기를 위한 냉각된 연도 가스 스트림으로서 제거되기 전에 콤팩트 복수-스트림, 복수-통로 플레이트-핀 열교환기(302)내에서 병렬로 평행한 열교환에 의해 다른 공정용 스트림에 추가의 총열효율을 제공하게 된다. 제2도에 도시된 양태와 관련된다. 설명을 통해 알 수 있듯이, 제3도에 도시된 바람직한 양태는 열교환기의 수를 줄이고 나란하게 배치된 복수-스트림, 복수-통로를 기본으로 하고 평행한 열교환을 이용한 본 발명에 따른 단일 콤팩트 플레이트-핀 열교환기를 이용하여 일련의 열교환기의 배치가 필요없게 하는 장점을 지닌다. 그 결과 개질 공정에 드는 비용을 절감할 수 있으며, 제3도의 바람직한 양태에 우수한 열에너지 균형과 가동시의 효율성의 증대시키는 장점을 가지게 된다.
본 발명에 따른 열교환 방식의 뛰어난 효과는 제4도에 도시된 것으로부터 잘 알 수 있다. 제4도에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직 양태에 의한 열교환용 콤팩트 복수-스트림, 복수-통로 플레이트-핀 열교환기에 있어서, 개질 공정의 다양한 공정용 스트림이 세개의 공정용 스트림과 관련지어 도시되어 있다. 본 발명의 다양한 양태에 따라 사용된 열교환기는 도시된 세개의 스트림외에 추가의 공정용 스트림 열교환이 요구될 수 있으며, 산화 가스, 합성 가스 생성물, 연도 가스, 탄화수소 유입물, 물 및/또는 스트림, 및 연료를 포함하는 6개 이상의 공정용 스트림이 요구될 수 있다.
도시를 위한 목적으로, 제4도에 도시된 3개의 스트림 열교환기는 본 발명의 개질 공정을 위한 플레이트-핀 열교환 기술을 설명하기에 충분하다. 본 발명에 의한 콤팩트 플레이트-핀 열교환기(400)은 다양한 플레이트들 사이에 존재하는 추가의 핀 열 뿐만 아니라 다양한 핀 열(426),(428),(433) 사이에 배치된 추가 플레이트를 포함하는 일련의 플레이트(410),(420),(43)을 포함한다. 두 플레이트 사이의 공간에는 두 플레이트 사이의 통로내에 위치한 핀에 의해 형상화되고 열교환 능력을 지닌 통로가 제공되어 있다. 핀 물질 둘레의 외주부와 평행한 플레이트 사이는 밀봉 바아(432)로 밀봉된다. 플레이트-핀 열교환기의 코어속으로 주입되는 유체 스트림은 코어의 다양한 외측 연부에 배열된 헤더(416),(412),(414)를 통해 주입된다. 이들 헤더 각각은 차례로 도관(418),(424),(424)내의 공정용 스트림에 의해 유입된다. 상기 유체 스트림은 복수의 플레이트와 헤더들 사이에 위치한 통로 사이를 각각 내통하는 구멍(434),(436),(438)을 통과한다.
이것은 도관(422)에 의해 연결되는 헤더(412)와 연관되어 도시되어 있다. 이 헤더를 통과하는 유체는 (436)과 같은 다수의 오리피스를 지나 플레이트-핀 열교환기의 코어로 들어간다. 이러한 오리피스들은 두개의 평행한 플레이트 사이에 위치한 특수한 통로의 전체 폭을 가로질러 유체를 분배하는 한 세트의 분배기 핀(440)을 하방향으로 통과하도록 흐름을 유도하는 것(442)와 같은 다양한 핀 스톡(stock)을 구비할 수 있다. 그 다음, 상기 유체는 평행한 플레이트(420),(430) 사이에 겹판식으로 자리한 것(428)과 같은 추가의 핀들과 나란하고 평행한 열교환을 하는 여러개의 플레이트 사이에 위치한 추가의 핀 스톡을 아래로 통과한다. 이와는 다르게, 확산 접착 혹은 용접된 열교환기 구조가 상기 핀 구조와 대체될 수 있다.
제4도에 도시된 열교환기 일부의 전체 모양이 제5도에 도시되어 있다. 제5도에 의해 본 발명에 의한 콤팩트 열교환의 장점이 설명될 것이며, 그리고 본 발명의 개질 공정의 복수-스트림 개념이 간략히 설명될 것이다. 제5도에 도시된 바와 같이, 플레이트-핀 열교환기는 도면부호(500)로 표시한다. 다양한 스트림들이 열교환기(500)으로 들어왔다가 빠져나간다. 열교환기(500)의 외측에는 공정용 스트림을 열교환기와 연결시키는 다양한 헤드(510) 내지 (532)가 형성되어 있다. 여러가지 스트림은 물 배출 헤더(516)과 연결되는 물유입 헤더(514)와 같은 열교환기의 일부만 사용한다. 헤더(530) 및 (532)를 사용하는 연도 가스와 같은 다른 스트림들은 교환기의 전길이를 통과한다. 각각의 헤더는 열교환기를 통과하는 다양한 스트림의 유동을 설명하기 위해 설명될 것이다. 탄화수소 유입 가스는 유입 헤더(510)로 들어가서 배출 헤더(512)를 통해 열교환기를 빠져나간다. 물은 유입 헤더(514)를 통해 열교환기로 들어가서 배출 헤더(516)을 통해 빠져나간다. 탄화수소와 물로 혼합된 혼합물은 유입 헤더(518)을 통해 들어가서 배출 헤더(520)을 통해 빠져나간다. 합성 가스 생성물은 유입 헤더(522)를 통해 들어가서 배출 헤더(524)를 통해 빠져나간다. 전이가 일어난 후의 합성 가스는 유입 헤더(526)을 통해 주입되고 배출 헤더(528)을 통해 빠져나간다. 마지막으로, 연도 가스는 유입 헤더(530)을 통해 들어가서 배출 헤더(532)를 통해 빠져나온다.
개질 공정에 있어서, 개질 공정의 복수 스트림 모두는 플레이트-핀 구조를 사용한 단일 트래인 콤팩트 열교환 코어와 관련된 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 효율적인 열교환을 수행할 수 있다. 비록 핀의 완전한 구조는 제4도에 도시되어 있지 않지만, 플레이트 오목부, 혹은 소결정부 사이에 위치한 통로에 제공되는 향상된 표면 처리와 같은 표면 영역의 열교환 향상과 어떤 형태의 유동 형상은 본 발명에 따른 플레이트-핀 열교환기에 의해 이루어진다.
종래의 기술에서의 적합한 개질 장치와 함께 일련의 분리 열교환기에 걸쳐 개질 장치의 배열중 어느 하나로 병렬로 평행한 열교환 능력이 있는 복수-스트림, 복수-통로를 구비한 콤팩트 플레이트-핀 열교환기의 조합에 의해 얻을 수 있는 놀라운 개선점은 증기 생성 장치와 종래 기술에 요구되는 수송용 증기를 필요로 하지 않고 개질 공정의 열에너지 균형을 가져오게 한다는 점이다. 본 발명의 효과적인 장점은 자재비를 상당히 절감시킨다는 것과, 개질 공정에 요구되는 실질적인 공간을 줄인다는 것과, 그리고 개질 공정의 설치에 있어 도움이 안되는 수송용 증기가 지니는 에너지의 비효율성의 피할 수 있다는 것이다. 이러한 장점들을 종래의 기술과 비교하여 본 발명에 따른 여러가지의 양태를 나타낸 아래의 도표에서와 같이 자재비의 절감과, 또는 자재비가 고정된 경우, 개질 공정의 가동에 효율성을 증가시켜 준다.
표 1에 나타나 있듯이, 명세서에 설명된 제1도의 전형적인 열교환을 이용한 미합중국 특허 제4,017,330호에 개시된 열교환 공정 및 통상적인 개질 공정과 본 발명의 것이 비교되어 있으며, 하루에 70만 표준 세제곱 피트의 탄화수소 생성물을 생산하는 데 소요되는 전체 자재비를 기준으로 산정하였다. 본 발명은 자재비에 있어 종래의 기술에 의한 공정보다 10%정도 더 싸며, 그 결과 5%의 생산비 절감 효과를 가져온다. 상기 5%정도의 생산비 절감은 개질 공정 업계에서는 상당히 큰 액수이다.
표 2에는 동일한 형태의 공정을 비교하였지만, 이 도표에서는 표 1에 나타낸 본 발명의 자재비를 고정하고 에너지 균형을 비교하였다. 여기서는, 본 발명은 종래의 개질 공정에 비해 3% 정도 더 나은 효율을 보여준다. 다시 말해서, 개질 공정 업계에 있어서 3%의 가동 효율은 상당히 큰 이득을 가져온다.
따라서, 본 발명은 종래의 기술에 비해 자재비 절감의 장점과 가동 효율성에 의한 생산비 절감을 가져온다는 것을 보여주었다.
본 발명은 몇몇의 양태를 통해 설명되었지만 본 발명의 범위는 첨부된 청구범위에 기재되어 있다.

Claims (25)

  1. a) 탄화수소 스트림을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 공정용 스트림을 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 상기 탄화수소 스트림을 상승된 온도로 가열시키는 단계; b) 상기 탄화수소 스트림을 상승된 온도에서 개질시켜 합성 가스 생성물을 생성하는 단계; 및 c) 상기 생성물을 플레이트-핀 열교환기에 통과시키고, 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 상기 탄화수소 스트림 및/또는 공정용 스트림을 가열함으로써, 상기 합성 가스 생성물을 주변온도로 냉각시키는 단계를 포함하는 공정법으로서, 개질 공정에서의 열교환이, 여러종류의 공정 스트림을 병렬로 평행하게 열교환시킬 수 있는 다수-스트림, 다수-통로를 지니는 플레이트-핀 열교환기내에서 수행되는, 탄화수소 스트림을 상승된 온도에서 공정용 스트림을 이용하여 가열시켜 탄화수소 스트림을 합성 가스 생성물로 개질시키는 공정법.
  2. 제1항에 있어서, 플레이트-핀 열교환기내에서, 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해, 공정용 스트림을 이용하여 탄화수소 스트림 및 물을 각기 별도로 가열하고; 상기 열교환기로부터 스트림 및 물을 배출시킨 후; 이들을 분리 포화 영역에서 직접 접촉시켜 증기로 상기 스트림을 포화시킴으로써 증기를 탄화수소 스트림과 혼합하는 개질 공정법.
  3. 제1항에 있어서, 탄화수소 스트림속으로 직접 물을 주입하고; 이어서, 생성된 스트림과 물의 혼합물을 상기 플레이트-핀 열교환기를 통과시켜 공정용 스트림을 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 가열되도록 함으로써 합성 가스 생성물로 개질되기 위한 탄화수소와 증기의 스트림을 형성하도록 하며, 증기를 탄화수소 스트림과 혼합하는 개질 공정법.
  4. 제1항에 있어서, 탄화수소 스트림을 처음에 플레이트-핀 열교환기내에서 가열하고, 상기 열교환기로부터 탈황산 영역으로 직접 유입시킨 후, 탈황산시키고, 열교환기에서 한번 더 가열한 후, 합성가스 생성물로 개질시키는 개질 공정법.
  5. 제4항에 있어서, 물 및/혹은 증기를 포화 영역내에서 탄화수소 스트림에 직접 가하거나, 개질되기 전에 그리고 탈황산화 공정후 직접 주입함으로써 첨가되는 개질 공정법.
  6. 제1항에 있어서, 개질 단계 b)는 증기-탄화수소 개질, 부분 산화, 자가열(autothermal) 개질, 무수 이산화탄소 개질 및 이들의 조합으로 구성된 그룹에서 선택되는 개질 공정법.
  7. 제1항에 있어서, 합성 가스 생성물은 열교환기로부터 물-가스 전이 반응 영역으로 직접 유입되어, 합성 가스 생성물에 함유된 이산화탄소와 물이 수소 및 이산화탄소로 전이되고, 상기 전이 반응 영역에서 생성된 생성물은, 플레이트-핀 열교환기내에서 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 탄화수소 스트림을 가열을 시킴으로써 냉각되는 개질 공정법.
  8. 제1항에 있어서, 개질 공정은 연료의 연소에 의해 가열되고, 생성된 연도 가스는, 플레이트-핀 열교환기내에서 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 적어도 탄화수소 스트림을 가열시킴으로써 냉각되는 개질 공정법.
  9. a) 탄화수소 스트림을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 상기 탄화수소 스트림을 상승된 온도로 가열시키는 단계; b) 물을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 상기 물을 상승된 온도로 가열시키는 단계; c) 분리형 포화 영역내에서 탄화수소 스트림을 접촉시켜 물과 탄화수소 스트림을 혼합시킴으로써 탄화수소 스트림을 물로 포화시키는 단계; d) 단계 c)에서 생성된 탄화수소와 물의 스트림을 플레이트-핀 열교환기내에서 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용한 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 한번 더 상승된 온도로 가열시키는 단계; e) 연도 가스를 생성하도록 연료를 연소시켜 탄화수소와 물의 스트림을 가열시킴으로써 물 스트림을 상승된 온도에서 개질시켜 합성 가스 생성물을 생성시키는 단계; 및 f) 상기 생성물과 상기 가스를 각기 별도로 플레이트-핀 열교환기에 통과시키고, 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 탄화수소 스트림과 물을 상승된 온도로 가열시킴으로써 합성 가스 생성물과 연도 가스를 주변 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는 공정법으로서, 탄화수소 스트림, 물, 합성가스 생성물 및 연도 가스가 서로 열교환이 일어나는 동안 각기 별도로 통과하는, 서로 병렬로 놓인 다수의 평행하는 열교환 통로를 구비한 플레이트-핀 열교환기에서, 합성가스 생성물 및 연도 가스를 이용하여 탄화수소 스트림 및 물을 상승된 온도에서 열교환시킴으로써, 탄화수소 스트림 및 물을 합성가스 생성물로 개질시키는 방법.
  10. a) 탄화수소 스트림을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 탄화수소 스트림을 상승된 온도로 가열시키는 단계; b) 물을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 물을 상승된 온도로 가열시키는 단계; c) 플레이트-핀 열교환기에서 나온 탄화수소 스트림을 탈황산화 영역으로 직접 유입시켜 탄화수소 스트림을 탈황산화시키는 단계; d) 스트림 분리형 포화 영역내에서 접촉시켜 물과 탄화수소 스트림으로 혼합시킴으로써 상기 스트림을 물로 포화시키는 단계; e) 단계 d)에서 생성된 탄화수소와 물의 스트림을 플레이트-핀 열교환기내에서 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용한 평행한 열교환 방식에 의해 한번더 상승된 온도로 가열시키는 단계; f) 연도 가스를 생성하도록 연료를 연소시켜 탄화수소와 물의 스트림을 가열시킴으로써 상기 스트림을 상승된 온도에서 촉매를 이용하여 개질시켜 합성 가스 생성물을 생성시키는 단계; g) 상기 생성물 및 연도 가스를 탄화수소 스트림의 유동 방향에 역방향으로 플레이트-핀 열교환기에 각기 별도로 통과시키고, 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 탄화수소 스트림과 물을 상승된 온도로 가열시킴으로써 합성 가스 생성물과 연도 가스를 주변 온도로 냉각시키는 단계; 및 h) 플레이트-핀 열교환기로부터 나온 상기 합성 가스 생성물을 직접 물-가스 전이 반응 영역에 유입시켜 합성 가스 생성물에 함유된 일산화탄소와 물을 탄화수소와 이산화탄소로 전환시키고, 플레이트-핀 열교환기내에서 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 탄화수소 스트림 및 물을 상승된 온도로 가열시킴으로써 전이 반응 영역에서의 생성물을 주변 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는 개질 공정법으로서, 탄화수소 스트림, 물, 합성가스 생성물 및 연도 가스가 서로 열교환이 일어나는 동안 각기 별도로 통과하는, 서로 병렬로 놓인 다수의 평행하는 열교환 통로를 구비한 플레이트-핀 열교환기에서, 합성가스 생성물 및 연도 가스를 이용하여 탄화수소 스트림 및 물을 상승된 온도에서 열교환시킴으로써, 탄화수소 스트림 및 물을 합성가스 생성물로 촉매 개질시키는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 개질 공정이 촉매를 사용한 증기-메타나 개질 공정인 개질 공정법.
  12. 제10항에 있어서, 탈황산 공정이 산화 아연 촉매를 사용하여 수행되는 개질 공정법.
  13. 제10항에 있어서, 개질 공정에 필요한 증기만 이 공정에서 생성되는 개질 공정법.
  14. 제10항에 있어서, 합성 가스 새성물은 압력 스윙 흡수 분리방식에 의해 탄화수소 스트림과 폐기 스트림으로 분리되는 개질 공정법.
  15. 제10항에 있어서, 탄화수소 스트림, 물, 합성 가스 생성물, 및 연도 가스 각각은 플레이트-핀 열교환기내의 다수의 통로를 각기 별도로 통과하는 개질 공정법.
  16. a) 탄화수소 스트림과 물을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 이들을 상승된 온도로 가열시켜 개질 공정에 필요한 증기만을 그 즉석에서 생성시키는 단계; b) 연도 가스를 생성하도록 연료를 연소시켜 상기 탄화수소 및 증기를 가열시킴으로써, 탄화수소와 증기를 상승된 온도에서 개질시켜 합성 가스를 생성시키는 단계; 및 c) 생성물과 상기 가스를 각기 별도로 플레이트-핀 열교환기에 통과시킴으로써, 합성 가스 생성물과 연도 가스를 주변 온도로 냉각시키고 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 탄화수소 스트림과 물 혼합물을 상승된 온도로 가열시키는 단계를 포함하는 개질 공정법으로서, 탄화수소 스트림, 물, 합성가스 생성물 및 연도 가스가 서로 열교환이 일어나는 동안 각기 별도로 통과하는, 서로 병렬로 놓인 다수의 평행하는 열교환 통로를 구비한 플레이트-핀 열교환기에서, 합성가스 생성물 및 연도 가스를 이용하여 탄화수소 스트림 및 물을 상승된 온도에서 열교환시킴으로써, 탄화수소 스트림 및 물을 합성가스 생성물로 촉매 개질시키고, 개질공정에 필요한 증기만 그 자리에서 생성되는 공정법.
  17. a) 물을 상기 탄화수소 스트림에 직접 주입시켜 탄화수소 스트림과 물의 혼합물을 형성시키는 단계; b) 탄화수소 스트림과 물을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 합성 가스 생성물과 연도 가스를 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 상기 혼합물을 상승된 온도로 가열시켜 탄화수소와 증기의 스트림을 형성시키는 단계; c) 연도 가스를 생성하도록 연료를 연소시켜 상기 스트림을 가열시킴으로써, 탄화수소와 증기의 스트림을 상승된 온도에서 개질시켜 합성 가스를 생성시키는 단계; 및 d) 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 탄화수소 스트림과 물 혼합물을 상승된 온도로 가열시키는 동안 생성물과 가스를 각기 별도로 플레이트-핀 열교환기에 통과시킴으로써 합성 가스 생성물과 연도 가스를 주변 온도로 냉각시키는 단계를 포함하는 개질 공정법으로서, 탄화수소 스트림, 물, 합성가스 생성물 및 연도 가스가 서로 열교환이 일어나는 동안 각기 별도로 통과하는, 서로 병렬로 놓인 다수의 평행하는 열교환 통로를 구비한 플레이트-핀 열교환기에서, 합성가스 생성물 및 연도 가스를 이용하여 탄화수소 스트림 및 물을 상승된 온도에서 열교환시킴으로써, 탄화수소 스트림 및 물을 합성가스 생성물로 촉매 개질시키는 공정법.
  18. 제17항에 있어서, 물을 탄화수소 스트림에 주입시키기 전에 물과 탄화수소 스트림을 플레이트-핀 열교환기내에서 각기 별도로 가열시키는 개질 공정법.
  19. 제17항에 있어서, 물과 탄화수소 스트림이 플레이트-핀 열교환기내에서 직접 혼합되는 개질 공정법.
  20. a) 탄화수소 스트림을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 합성 가스 생성물을 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 탄화수소 스트림을 상승된 온도로 가열시키는 단계; b) 산화제와 임의의 추가 유입 성분을 플레이트-핀 열교환기에 주입시키고, 합성 가스 생성물을 이용하여 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 산화제와 임의의 추가 유입 성분을 상승된 온도로 가열시키는 단계; c) 산화제와 임의의 추가 유입 성분을 탄화수소 스트림과 혼합시키는 단계; d) 상기 탄화수소 스트림의 적어도 일부를 산화시킴으로써 탄화수소 스트림을 개질시켜 합성 가스 생성물을 생성시키는 단계; 및 e) 생성물을 플레이트-핀 열교환기에 각기 별도로 통과시키고, 탄화수소 스트림, 산화제 및 임의의 추가 유입 성분을 병렬로 평행한 열교환 방식에 의해 상승된 온도로 가열시킴으로써 합성 가스 생성물을 주변온도로 냉각시키는 단계를 포함하는 개질 공정법으로서, 탄화수소 스트림, 및 합성가스 생성물이 서로 열교환이 일어나는 동안 각기 별도로 통과하는, 서로 병렬로 놓인 다수의 평행하는 열교환 통로를 구비한 플레이트-핀 열교환기에서, 합성가스 생성물을 이용하여 탄화수소 스트림을 상승된 온도에서 열교환시키고; 탄화수소 스트림을 부분적으로 산화시킴으로써 탄화수소 스트림을 합성가스 생성물로 촉매 개질시키는 공정법.
  21. 제20항에 있어서, 단계 d)의 개질 공정이 처음에 탄화수소 스트림을 부분 산화시키고, 다음에 나머지 탄화수소를 촉매를 이용하여 개질시키는 자가열 개질 공정법인 개질 공정법.
  22. 제20항에 있어서, 추가 유입 성분이 물, 증기, 이산화탄소 및 이들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택되는 개질 공정법.
  23. 제20항에 있어서, 산화제는 공기, 산소가 풍부한 공기 및 산소로 구성된 그룹에서 선택되는 개질 공정법.
  24. 제20항에 있어서, 탄화수소 스트림은 처음에 플레이트-핀 열교환기에서 가열된 다음, 상기 열교환기로부터 탈황산 영역으로 직접 주입되며, 탈황산되고, 열교환기에서 한번 더 가열된 후에 합성 가스 생성물로 개질되는 개질 공정법.
  25. 제20항에 있어서, 합성 가스 생성물이 열교환기로부터 물-가스 전이 반응 영역으로 직접 유입되어 합성 가스 생성물에 함유된 일산화탄소와 물이 수소 및 이산화탄소로 전이되고 상기 플레이트-핀 열교환기내에서 병렬로 평행한 열교환에 의해 탄화수소-스트림을 가열함으로써 전이 반응 영역의 생성물이 냉각되는 개질 공정법.
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