WO2017164464A1 - 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기 - Google Patents

쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기 Download PDF

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WO2017164464A1
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heat medium
shell
flow path
heat exchange
inner heat
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PCT/KR2016/008424
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문동주
홍기훈
이재석
정재선
양은혁
임성수
노영수
박지인
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한국과학기술연구원
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    • 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
    • B01J8/02—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds
    • B01J8/06—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with stationary particles, e.g. in fixed beds in tube reactors; the solid particles being arranged in tubes
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D7/00—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall
    • F28D7/16—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged in parallel spaced relation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F28D7/10—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically
    • F28D7/12—Heat-exchange apparatus having stationary tubular conduit assemblies for both heat-exchange media, the media being in contact with different sides of a conduit wall the conduits being arranged one within the other, e.g. concentrically the surrounding tube being closed at one end, e.g. return type

Definitions

  • the present invention relates to a shell-and-multi-multi-central-tube reactor and a heat exchanger, and more preferably, it is possible to efficiently obtain the desired product through the catalytic reaction of the reactant by supplying the heat medium and the reactant, In a compact shell-and-multi-multi Concentric-tube reactor and heat exchanger that can effectively control the reaction through heat exchange between the material to be exchanged and the heat medium It is about.
  • a reactor and a heat exchanger using a shell-and-multi tube form include a shell side to which a heat exchange material is supplied, and a plurality of reactors and reactants filled with a reaction gas and a catalyst.
  • a reactor and heat exchanger structure incorporating a tubular tube bundle with a tube installed therein is a compact reactor and heat exchanger that is very effective for carrying out chemical reactions with high exothermic or endothermic properties, particularly synthetic fuel production and hydrocarbon reforming.
  • GTL gas to liquid
  • GTL-FPSO gas to liquid
  • the Fischer-Tropsch Synthesis reaction a core reaction of the GTL process for producing synthetic oil from natural gas, is a highly exothermic reaction and requires a smooth heat exchange between the catalyst layer and the heat medium to prevent hot spots.
  • the shape of the reactor is greatly influenced.
  • the shell-and-tube reactor is filled with a catalyst in a plurality of reaction tubes, the reaction gas is supplied through the inlet of the reaction tube, and the product and the unreacted gas are discharged through the outlet.
  • the heat medium circulates through the shell side to allow chemical reactions under the conditions.
  • Such a reactor is useful as a Fischer-Tropsch reactor for producing liquid synthetic fuel using syngas produced through the reforming of natural gas as briefly mentioned above.
  • the Fischer-Tropsch synthesis reaction is a reaction gas from natural gas. Synthetic gas containing hydrogen and carbon monoxide obtained by reforming is used to produce long-chain hydrocarbon synthetic fuel through a hydrocarbon chain growth reaction.
  • the Fischer-Tropsch synthesis reaction is accompanied by a large exotherm in the synthesis of synthetic fuel, and it is very important to smooth the heat exchange in the reactor through the reaction conditions as well as the optimum reactor design.
  • the conventional shell-and-tube reactor has a structure in which a catalytic reaction flow path filled with a catalyst used as a unit reactor is installed in a multi-tubular shape.
  • a catalytic reaction flow path filled with a catalyst used as a unit reactor is installed in a multi-tubular shape.
  • a synthesis fuel synthesis reaction for example, synthesis gas synthesis and heat medium fluid Since the flows are not mixed with each other, the heat of the heat medium is effectively transferred to each unit reactor to effectively control the heat of reaction of the catalytic reaction, so that the operation efficiency of the entire reactor is improved and the operation is easy, so that the operation of the reaction process as well as scale-up There is an advantage to this.
  • the shell-end tube reactor includes a configuration in which the catalyzed flow path is introduced from the upper side of the reactor and discharged downward, and includes a separate inlet and an outlet and discloses a heat medium flowing at the inner side of the shell. Disclosed is a configuration for performing heat exchange of a heat medium flowing on an outer side and a shell inner side.
  • US Patent No. 12 / 481,107 discloses a shell-and-tube reactor constituting a plurality of stages, in which the flow zone and the coolant flow zone of the reactor body are separated from each other in the longitudinal direction. It includes a feature consisting of a bunch.
  • US Patent Publication No. 2010 / 260,651 discloses a cooling system that improves cooling efficiency by applying a multi-type tube sealed with a vertically projecting end in a shell type reactor including a cooling system. Representative reactor forms have been presented.
  • the documents 1 to 2 do not disclose a separate configuration for improving the temperature difference between the reaction body and the heat exchange target material generated in the reaction passage.
  • this patent proposes a shell-and-multi-multi-concentral-tube reactor and a heat exchanger that maximizes the heat exchange performance of the shell-and-tube reactor and the heat exchanger.
  • the present invention is designed to solve the above problems, to improve the performance of the catalyst required for the reaction and to prevent hot-spot (Cot-spot) and cold-spot (Cold-spot) caused by the exothermic and endothermic reaction
  • the object of the present invention is to provide a shell-and-multi-multi-central-tube reactor and a heat exchanger in which heat exchange efficiency can be maximized.
  • the present invention includes an inner heat medium flow path in order to minimize the temperature difference between the hot spot and the cold spot of the shell-and-multi-multi-central-tube reactor and the heat exchanger, the heat transfer characteristics and heat exchange performance of the center of the reaction flow path
  • the aim is to provide techniques to improve.
  • the present invention provides a shell-and-multi-multi-concentral-tube reactor and heat exchanger that can be compactly compacted by enabling uniform distribution of the reactants, increasing the flow rate of the reactants, maximizing the catalyst performance, and improving the efficiency of the reactor. Its purpose is.
  • the present invention provides a shell-and-multi-multi-concentral-tube reactor and heat exchanger that can be applied to a variety of reactions by providing a variety of heat exchange in the reactor using a variety of heat exchange medium according to the type of reaction There is this.
  • the present invention distributes the reaction gas into each of the catalytic reaction flow paths by the shell-side heat medium flow zone and the reactant distribution portion in which the shell-side heat medium flows along the path formed by the baffle in the shell, and the reaction gas is located in the catalytic reaction flow path.
  • a catalytic reaction zone including a product collecting part for performing a catalytic reaction with a catalyst and collecting unreacted gas not reacted with the product produced by heat exchange between the shell-side heat medium and the internal heat medium, and the catalyst by an internal heat medium distribution part.
  • the inner heat medium is distributed to the inner heat medium flow path inserted into the reaction flow path, and includes an inner heat medium flow zone in which heat is exchanged with the catalytic reaction flow path and the inner heat medium is discharged through the inner heat medium collecting portion, and the shell-side heat medium flow zone and the
  • the catalysis zone is separated by a first sealing barrier through which the catalysis passage can pass,
  • the catalyzed zone and the inner heat medium flow zone are separated by a second sealing barrier through which an inner heat medium flow path can pass such that the inner heat medium and the reaction gas and the product are not in contact with each other.
  • Rig-tube reactor provides a reactor.
  • the shell-side heat medium is supplied to the shell-side heat medium supply port from the shell-side heat medium flow zone, and the shell-side heat medium is discharged to the shell-side heat medium outlet through heat exchange with the catalytic reaction flow path through the shell-side heat medium flow path A shell-and-multi-multi concentric-tube reactor is provided.
  • reaction gas is supplied through the reaction gas supply port in the catalytic reaction zone and passes through the catalytic reaction flow path filled with the catalyst to cause the catalytic reaction of the reaction gas and the catalyst, and the product generated through the reaction with the unreacted gas is Provided is a shell-and-multi-multi-central-tube reactor characterized by being collected by product collection and then discharged through unreacted gas and product outlet.
  • the inner heat medium is supplied through the inner heat medium supply port in the inner heat medium flow zone, and is distributed to the inner heat medium flow path by the inner heat medium distribution unit, and heat exchanges with the catalytic reaction flow path, and then discharges to the inner heat medium outlet through the inner heat medium collecting part. It provides a shell-and-multi-multi concentric tube reactor characterized in that the.
  • the catalyzed flow path provides a shell-and-multi-multi-concentral-tube reactor, characterized in that the filling of pellets, spherical and powder-like reaction catalyst extruded therein.
  • the catalyzed flow path provides a shell-and-multi-multi-central-tube reactor, characterized in that the at least one catalyst is sequentially stacked in the longitudinal direction.
  • the shell-side heat medium and the internal heat medium may be used separately from each other, the heat medium is preferably a shell-and-multi-multi-central-tube which is characterized by being composed of the same heat medium but not limited to the same heat medium Provide a reactor.
  • the shell-side heating medium and the internal heat medium provides a shell-and-multi-multi-central-tube reactor, characterized in that composed of the same heating medium.
  • the shell-side heat medium distributes the heat-exchange target material to each heat-exchange passage by a shell-side heat medium flow zone and a heat-exchange material distributor that flows along a path formed by the baffle in the shell, and the heat-exchange target material is the shell-side heat medium
  • a heat exchange zone including a heat exchange finished material collecting unit for collecting the heat exchange finished material heat exchanged by the internal heat medium, and the internal heat medium is distributed to an internal heat medium flow path inserted into the heat exchange path by an internal heat medium distribution unit.
  • a shell-and-multi-multi-central-tube heat exchanger is characterized in that the internal heat medium and the heat exchange material are separated from each other by a fourth sealing barrier through which a sieve passage can pass.
  • the shell-side heat medium is supplied to the shell-side heat medium supply port from the shell-side heat medium flow zone, the shell-side heat medium is discharged to the shell-side heat medium outlet through heat exchange with the heat exchange passage through the shell-side heat medium flow path Provides an end-multi-multi centric tube heat exchanger.
  • the heat exchange material is supplied through the heat exchange material supply port in the heat exchange zone, the heat exchange material is passed through the heat exchange passage is collected through the heat exchange material is collected through the heat exchange material discharge port after the shell- An end-multi-multi concentric-tube heat exchanger is provided.
  • the inner heat medium is supplied from the inner heat medium flow zone through the inner heat medium supply port, and is distributed to the inner heat medium flow path by the inner heat medium distribution part, and after heat-exchanging with the heat exchange path, is discharged to the inner heat medium outlet through the inner heat medium collecting part.
  • a shell-and-multi-multi concentric tube heat exchanger is provided.
  • the shell-side heat medium and the internal heat medium may be used as a separate heat medium, respectively, and is composed of the same heat medium, but as the heat medium, one or more selected heat medium such as water, working oil and solvent may be used. It provides a multi-multi concentric tube heat exchanger.
  • the shell-side heating medium distributes the reactants into the respective catalytic reaction flow paths by the shell-side heating medium flow zone in which the shell flows along the path formed by the baffles in the shell, and the reactant distribution section, and the reactants are catalyzed by the catalyst located in the catalysis flow path.
  • a catalytic reaction zone including a product collecting section for collecting unreacted products that have not reacted with the product produced by heat exchange by the shell-side heating medium and the inner heating medium and inserted into the catalytic reaction flow path by the inner heating medium distribution unit.
  • the inner heat medium discharge pipe is the inner It includes a configuration that is inserted into the heat medium inlet pipe, the inner heat medium flowing into the inner heat medium inlet pipe is discharged through the inner heat medium discharge pipe, the shell-side heat medium flow zone and the catalytic reaction zone is a catalytic reaction flow path
  • the reactant distribution portion and the inner heat medium flow zone are separated so that the inner heat medium and the reactant are not contacted by the lower sixth seal barrier through which the inner heat medium inlet pipe can pass.
  • the inner heat medium distribution part and the inner heat medium collecting part provide a shell-and-multi-triple concentral-tube reactor characterized by being separated by a top sixth sealing barrier.
  • the shell-side heat medium is supplied to the shell-side heat medium supply port from the shell-side heat medium flow zone, and the shell-side heat medium is discharged to the shell-side heat medium outlet through heat exchange with the catalytic reaction flow path through the shell-side heat medium flow path A shell-and-multi-triple concentric tube reactor is provided.
  • the reactant is supplied through the reactant supply port in the catalysis zone and passes through the catalyzed reaction flow path filled with the catalyst to cause the catalyzed reaction between the reactant and the catalyst, and the product generated through the reaction with the unreacted material is collected into the product collection unit. And then discharged through the unreacted and product outlets to provide a shell-and-multi-triple concentric tube reactor.
  • the inner heat medium is supplied from the inner heat medium flow zone through the inner heat medium supply port and distributed to the inner heat medium inlet pipe by the inner heat medium distribution unit to exchange heat with the catalytic reaction passage, and then through the inner heat medium discharge pipe to collect the inner heat medium collecting part. It provides a shell-and-multi-triple concentric tube reactor characterized in that it is discharged through the internal heating medium outlet.
  • the catalyzed flow path provides a shell-and-multi-triple concentral-tube reactor, characterized in that the filling of pellets, spherical and powder-shaped reaction catalyst is extruded therein.
  • the catalyzed flow path provides a shell-and-multi-triple concentric-tube reactor, characterized in that at least one catalyst is sequentially stacked in the longitudinal direction.
  • the shell-side heating medium and the inner heating medium provides a shell-and-multi-triple concentral-tube reactor, wherein the same heating medium or separate heating medium can be used.
  • the shell-side heat medium distributes the heat-exchange target material to each heat-exchange passage by a shell-side heat medium flow zone and a heat-exchange material distributor that flows along a path formed by the baffle in the shell, and the heat-exchange target material is the shell-side heat medium
  • the inner heat medium is distributed to an inner heat medium inlet pipe inserted into the heat exchange path by an heat exchange zone and an inner heat medium distribution unit for collecting a heat exchange completed material heat exchanged by the inner heat medium and an inner heat medium distribution unit.
  • the internal heat medium flowing into the heat medium inlet pipe Discharged through an inner heat medium discharge pipe, the shell-side heat medium flow zone and the heat exchange zone are separated by a seventh sealing barrier through which the heat exchange flow path can pass, and the heat exchange material distribution section and the inner heat medium flow zone are internal heat medium inflow pipes.
  • the inner heat medium and the heat exchange object are separated from each other by the lower eighth sealing barrier which may pass through, and the inner heat medium distribution part and the inner heat medium collecting part are separated by the uppermost eight sealing wall.
  • a shell-and-multi-triple concentric tube heat exchanger is provided.
  • the shell-side heat medium is supplied to the shell-side heat medium supply port from the shell-side heat medium flow zone, the shell-side heat medium is discharged to the shell-side heat medium outlet through heat exchange with the heat exchange passage through the shell-side heat medium flow path Provides an end-multi-triple concentric tube heat exchanger.
  • the heat exchange material is supplied through the heat exchange material supply port in the heat exchange zone and the heat exchange heat exchange completed material is collected through the heat exchange passage through the heat exchange passage after collecting the heat exchange material is collected through the heat exchange completed material outlet, characterized in that A shell-and-multi-triple concentric tube heat exchanger is provided.
  • the inner heat medium is supplied from the inner heat medium flow zone through the inner heat medium supply port, and is distributed to the inner heat medium inlet pipe by the inner heat medium distribution unit to exchange heat with the heat exchange passage, and then discharged to the inner heat medium outlet through the inner heat medium collecting unit.
  • a shell-and-multi-triple concentric tube heat exchanger Provided is a shell-and-multi-triple concentric tube heat exchanger.
  • the shell-side heating medium and the inner heating medium provides a shell-and-multi-triple concentral-tube heat exchanger, characterized in that the same heating medium or separate heating medium may be used, but not limited thereto.
  • reaction gas or the heat exchange medium supplied to the reactor and the heat exchanger may be supplied in countercurrent or cocurrent flow, the supply method is not limited.
  • the present invention can achieve the following effects by the configuration and combination described above with the present embodiment.
  • the heat exchange performance of the reactor and the heat exchanger can be easily adjusted to a desired level by changing the heat exchange area and length.
  • the effective heat exchange of has the advantage of easily achieving the thermal stability of the catalyst layer by the catalytic reaction of the reaction gas.
  • the uniform distribution of the reactant or the heat exchange target material increase in the flow rate of the reactant or the heat exchange target material, maximization of the catalytic performance, and the improvement of the efficiency of the reactor and the heat exchanger, etc. can greatly reduce the size of the reactor and the heat exchanger.
  • XTL process for clean fuel GTL, CTL, BTL
  • GTL-FPSO manufacturing process petrochemical process
  • fine chemical process fine chemical process
  • small reformer for fuel cell hydrogen station and energy process, etc.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional side view of a shell-and-tube reactor in the prior art.
  • Figure 2 shows the configuration of a side cross-sectional view of a shell-and-multi-multi concentric-tube reactor according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 shows a cross-sectional view of a shell-and-multi-multi concentric-tube reactor configuration in accordance with one embodiment of the present invention.
  • Figure 4 shows a stereoscopic view of a single flow path configuration of a shell-and-multi-multi concentric tube reactor in accordance with an embodiment of the present invention.
  • Figure 5a shows a graph of the deviation of the temperature in the longitudinal direction of the prior art catalytic reaction flow path as a comparative example of the present invention.
  • Figure 5b shows a temperature deviation graph along the longitudinal direction of the catalyzed flow path in the shell-and-multi-multi-central-tube reactor according to one embodiment of the present invention.
  • Fig. 6 shows the construction of a side sectional view of a shell-and-multi-multi concentric tube heat exchanger according to an embodiment of the present invention.
  • Figure 7 shows a three-dimensional view of a single flow path configuration of a shell-and-multi-multi concentric tube heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 8 shows the configuration of a side cross-sectional view of a shell-and-multi-multi concentric-tube reactor according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 illustrates a cross-sectional view of a shell-and-multi-multi concentric-tube reactor configuration in accordance with one embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 shows a stereoscopic view of a single flow path configuration of a shell-and-multi-multi concentric-tube reactor according to one embodiment of the present invention.
  • FIG. 11A is a comparative example of the present invention and shows a deviation graph of temperature in the longitudinal direction of the prior art catalytic reaction flow path.
  • FIG. 11B illustrates a graph of temperature deviations along a length direction of a catalytic flow path in a shell-and-multi-multi-central-tube reactor according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 12 shows the construction of a side cross-sectional view of a shell-and-multi-multi concentric tube heat exchanger according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 13 illustrates a cross-sectional view of a shell-and-multi-multi concentric-tube heat exchanger configuration in accordance with one embodiment of the present invention.
  • the present invention relates to a compact reactor (10) and a heat exchanger (100) applying the shell-and-multi-double concentric tube concept in order to solve all the above-mentioned problems.
  • XLT GTL, CTL, BTL, etc.
  • the present invention relates to a compact reactor (10) and a heat exchanger (100) that can be usefully applied in a marine plant field such as -FPSO and a cooling and heating system to which the heat exchanger (100) is applied.
  • the reactor 10 of the present invention is composed of a heat medium flow path flowing to the shell side, a catalytic reaction part flow path through which the reactant filled with the catalyst flows and a flow path through which the heat medium flows, wherein each flow path is a heat medium and a reactant and The catalyst does not contact, and may be made of metal to ensure sufficient heat exchange.
  • the reactant may be made of a metal material, and more preferably includes all components that do not perform a chemical reaction with the shell-side heat medium.
  • the material of the flow path constituting the reactor 10 as the material of the flow path constituting the reactor 10, it is necessary to consider the excellent heat exchange performance and durability, and at the same time be able to easily form a flow path through which the fluid can flow, thermal conductivity and mechanical processability Good aluminum or copper, or stainless steel or nickel, cobalt-based alloys (Inconel, Monel, etc.) having excellent heat resistance and corrosion resistance may be used, but is not limited thereto.
  • the shell-side heat medium is introduced from the shell-side heat medium supply port 20 to the reactor 10 shell side and the shell-side heat medium outlet And a configuration of discharging the shell-side heat medium in which the heat exchange is performed through 21.
  • the shell side heat medium supply port 20 is configured to be located at the bottom of the reactor 10 and the shell side heat medium outlet 21 may be located at the top of the reactor 10, It is further included a baffle 25 located on the inner surface of the shell constituting the movement path of the shell-side heating medium.
  • the shell-side heat medium of the present invention flows into the shell-side heat medium outlet 21 through a flow path formed by a plurality of baffles 25 which are introduced through the shell-side heat medium supply port 20 and located on the inner side of the shell.
  • the shell-side heat medium flow path 24 may be formed to include the maximum cross-sectional area of the catalytic reaction flow path 34 located inside the shell.
  • the shell-side heat medium flowing through the shell-side heat medium supply port 20 performs heat exchange in the shell-side heat medium flow zone circulating inside the shell.
  • the shell-side heat medium flow zone is configured to be separated through the first sealing barrier (50, 60) located at the top and bottom of the reactor 10, through the configuration of the first sealing barrier (50, 60) It is a structure which isolate
  • the shell-side heating medium flow zone is located in the interior facing the first sealing barrier (50, 60) located at the top and bottom of the reactor (10).
  • the reactor 10 of the present invention is configured to include a plurality of catalyzed flow paths 34 located inside the shell through which the reactor body passes.
  • the catalyst may be present along the length direction of the channel. More preferably, the catalyst may be configured by sequentially stacking catalysts that perform different functions according to the lengthwise direction of the catalytic flow path 34, and the amount of the catalyst and the amount of the catalyst according to the use or use of the reactor 10 of the user The number of reactors may be different.
  • the catalyst flow passage 34 may be formed by filling at least one or more reaction catalysts of extruded pellets, spheres and powders.
  • a powder-type catalyst may be configured in the form of a slurry bubble column reactor in which a liquid mixed with a predetermined amount in a liquid solvent and a reaction gas are simultaneously supplied.
  • the reactants are distributed to the catalytic reaction channel 34 filled with the catalyst through the reactant distribution unit 32.
  • the reactant distribution part 32 is in fluid connection with the reactant supply port 30 positioned on the side of the shell, and is configured to introduce a reactant to be exchanged.
  • the distributed reactant passes through the catalytic reaction passage 34 in the longitudinal direction and performs a contact reaction with at least one catalyst filled in the catalytic reaction passage 34.
  • the reactants subjected to the catalyzed reaction are collected through the product collecting part 33 located at the bottom of the reactor 10 including unreacted materials which have not been finally reacted with the product.
  • the collected product or unreacted material may be discharged to the outside of the shell through the product outlet 31 which is connected to the product collector 33.
  • the product collecting part 33 configured as described above is located at the lower end of the reactor 10, between the lower first sealing barrier 60 and the lowermost second sealing barrier 61 located at the lower end of the reactor 10. Sealed and separated. Furthermore, the reactant distribution part 32 is located between the uppermost second sealing barrier 51 and the upper first sealing barrier 50 to be separated from each other, and thus the reactor 10 including the catalytic reaction passage 34. It forms one catalytic zone located above and below. In the case of the catalytic reaction zone, including the catalytic reaction flow path 34, the first sealing barrier (50, 60) and the second sealing barrier (51, 61) located in the upper and lower ends facing the inside, It may be located at the end of the reactor 10 of the present invention.
  • the catalytic reaction flow path 34 it is configured in an annular shape, and includes an internal heat medium flow path 44 positioned inside the catalytic reaction flow path 34.
  • the present invention includes a catalyzed reaction passage 34 having an annular shape, and constitutes an inner heat medium passage 44 having a diameter smaller than that of the catalytic reaction passage 34.
  • the internal heat medium flow passage 44 is configured to have the same center as the catalytic reaction flow passage 34 and protrudes to the upper and lower ends of the catalytic reaction flow passage 34 so that the reactant distribution portion 32 and the product collecting portion 33 are formed. It includes a configuration that is connected to each of the top and bottom.
  • the heat medium is supplied from the internal heat medium supply port 40, and passes through the catalytic reaction flow path 34 to perform heat exchange in the catalytic reaction flow path 34 through the internal heat medium discharge part. It is the composition that one heat medium is discharged. More preferably, the heat medium supplied through the internal heat medium supply port 40 flows into the internal heat medium distribution part 42 located at the bottom of the reactor 10 and is located in the internal heat medium distribution part 42. Includes a configuration flowing into each of the inner heat medium flow path (44). The heat medium flowing into each of the inner heat medium flow paths 44 may be collected in the inner heat medium collecting part 43 positioned at the top of the reactor 10 and discharged through the inner heat medium outlet 41 located at the shell side end.
  • the shell-side heat medium and the inner heat medium is preferably characterized by being composed of the same heat medium, but is not limited to being composed of the same heat medium.
  • the heat medium flowing through the internal heat medium flow path 44 positioned inside the catalytic reaction flow path performs heat exchange with the catalytic reaction flow path, and is located at an open end of the internal heat medium flow path 44.
  • the inner heat medium distribution part 42 and the inner heat medium collecting part 43 at the uppermost end of the reactor 10 are sealed through the second sealing barriers 51 and 61 and the upper and lower ends of the reactor 10, respectively. It includes a configuration that becomes.
  • the present invention forms an inner heat medium flow zone including all the components for performing the flow of the inner heat medium, the inner heat medium flow zone is the inner heat medium distribution section 42 and the inner heat medium collecting section 43 reactor ( 10) It is sealed through the second sealing barriers (51, 61) located in the upper and lower portions, respectively.
  • the uppermost second sealing barrier 51 it is located between the inner heat medium collecting part 43 and the reactant distribution part 32 to prevent mixing of the reactant and the inner heat medium, and the lower second sealing barrier 61 is inside Located between the heat medium distribution unit 42 and the product collecting unit 33 is a configuration that can prevent the product and the internal heat medium is mixed. In this way, in the case of the heat medium flowing in the configuration of the inner heat medium flow zone, it is separated so as not to contact the reactants, products and the like.
  • FIG 3 is a cross-sectional view showing the configuration of a shell-and-multi-double concentric tube reactor 10 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 shows a cross section of A-A1 in FIG. 2, which discloses a catalytic reaction flow path 34, an internal heat medium flow path 44, and a shell-side heat medium flow path 24.
  • the cyclic catalyzed flow passage 34 of the present invention further includes an inner heat medium flow passage 44 configured to have the same center inside the catalyzed reaction flow passage 34 formed in a circular shape.
  • the inner heat medium flow path 44 performs heat exchange with a reactant near the center of the catalytic reaction flow path 34, and thus may cool the reactor body located on the inner wall of the catalytic reaction flow path 34.
  • the inner diameters of the catalytic reaction passage 34 and the internal heating passage 44 of the reactor 10 may be 10.0 to 150.0 mm and 10.0 to 50.0 mm, respectively, and more preferably, respectively.
  • the inner diameter may be composed of 5.0 ⁇ 50.0 mm, 5.0 ⁇ 25.0 mm.
  • the reactor 10 of the present invention is generally applicable to a configuration that performs exothermic or endothermic reaction, and more preferably, the reactor 10 of the present invention is gas-to-liquid (GTL) or coal (CTL).
  • GTL gas-to-liquid
  • CTL coal
  • GTL Floating Production Storage and Offloading
  • DME-FPSO DME-FPSO
  • MeOH-FPSO MeOH-FPSO for the manufacture of clean fuels, such as -to-Liquid (BTL), Biomass-to-Liquid (BTL), Dimethyl Ether (DME), and MeOH (Methanol)
  • BTL Biomass-to-Liquid
  • DME Dimethyl Ether
  • Methanol MeOH
  • FIG 4 shows one flow path of the configuration of the shell-and-multi-double concentrator-tube reactor 10 according to an embodiment of the present invention.
  • a catalytic reaction zone located between the catalysis flow path 34 and the second sealing barriers 51 and 61 located above and below the reactor 10 and the first sealing barriers 50 and 60.
  • the reactants may be introduced into the respective catalytic reaction channels 34 through the reactant distribution units 32 positioned at the upper end of the 10.
  • the product collecting part 33 positioned at the bottom of the reactor 10 contacts the catalyst in the catalytic reaction channel 34 to collect the product or unreacted reactant formed through the catalysis, in a sealed form. Can be configured.
  • the shell-side heating medium flow section may include a shell-side heating medium flow section, including a sealed area within which the first sealing barriers 50 and 60 face.
  • the shell-side heat medium flow section includes a shell-side heat medium supply port 20 and a shell-side heat medium outlet 21 located inside the first sealing barriers 50 and 60, and at least one baffle located on the inner surface of the shell. It comprises 25.
  • the shell-side heat medium is introduced through the shell-side heat medium supply port 20 positioned at the upper end of the lower first sealing barrier 60, and the shell side located at the lower end of the upper first sealing barrier 50.
  • the structure in which the shell side heat medium which flowed in through the heat medium discharge port 21 is discharged is disclosed.
  • the shell-side heat medium flow section includes the heat medium, and the heat medium forms a heat medium flow path according to the number and shape of the baffles 25 located in the shell-side heat medium flow section.
  • the reactor 10 of the present invention includes an inner heat medium collecting part 43 positioned at the uppermost second sealing barrier 51 and an inner heat medium distributing part 42 positioned at the lower end of the lower second sealing barrier 61. It is configured to include more.
  • the inner heating medium distribution part 42 positioned at the lower end of the lower second sealing barrier 61 has an inner heating medium introduced through the inner heating medium supply port 40, and the introduced inner heating medium passes through the inner heating medium flow path 44. It may flow to the internal heat medium collecting portion 43 located at the top of the reactor (10).
  • the internal heat medium collected by the internal heat medium collecting part 43 may be discharged to the outside of the shell reactor 10 through the internal heat medium outlet 41 connected to the internal heat medium collecting part 43.
  • the inner heat medium flow section is configured as described above, and the inner heat medium is supplied to the inner heat medium flow path 44 positioned inside the catalytic reaction flow path 34 to perform heat exchange with the center of the catalytic reaction flow path 34. .
  • the heat medium flow path through which the shell-side heat medium flows is formed by the configuration of the baffle 25 in the shell, and the catalyst reaction flow path 34 through which the catalyst is filled and the heat exchange reactant flows is formed. It is composed of a plurality, the inner heat medium flow path 44 through which the inner heat medium passes therein is not a conventional simple shell-and-tube concept, in addition to the heat exchange in the form of a double shell-end- A reactor 10 of a multi-double concentric tube concept is disclosed.
  • FIG. 5A graphically illustrates the temperature difference of the reaction gas along the longitudinal direction of the catalytic flow path 34 of the shell-and-tube reactor 10 as a prior art.
  • FIG. 5B shows a graph measuring the temperature of the longitudinal reactor body of the reactor 10 including the annular catalytic flow passage 34 in accordance with an embodiment of the present invention.
  • the inner diameters of the catalytic reaction channel 34 and the internal heat medium channel 44 are 20 mm and 10 mm, respectively, and the reactor 10 according to the floating production storage and offloading (GTL-FPSO) exothermic reaction is formed. Configured.
  • Reactor 10 of the present invention is configured as described above includes a catalytic reaction flow path 34 is configured in the longitudinal direction inside the shell, the reactor body is the reactant distribution portion 32 at the upper end of the reactor (10) Is introduced through, and is introduced into the catalytic reaction flow path (34). As described above, the reactor body is configured to be in contact with the catalyst in the catalytic reaction channel 34, and is configured to exothermic reaction of the reaction gas while moving in the longitudinal direction.
  • the temperature difference ⁇ T 5.4K that occurs in the longitudinal direction of the catalytic reaction flow path 34
  • the longitudinal temperature control of the reactor 10 is significantly easier compared to the longitudinal temperature difference of the catalytic reaction flow path 34 of the prior art, and it is easy to control the selectivity of the reaction product according to the temperature control. It became.
  • FIG. 6 is a side cross-sectional view showing the configuration of a shell-and-multi-double concentric tube heat exchanger 100 according to an embodiment of the present invention.
  • the heat exchanger 100 of the present invention is composed of a heat medium flow path, a heat exchange flow path 134 and a flow path through which the heat medium flows therein, wherein each flow path is a heat medium and a heat exchange flow path 134. It is not exchanged and can be made of metal to ensure sufficient heat exchange.
  • the heat exchange passages 134 may be made of a metal material, and more preferably include all components that do not perform a chemical reaction with the shell-side heat medium.
  • the material of the flow path constituting the heat exchanger 100 it is necessary to consider the excellent heat exchange performance and durability, and at the same time be able to easily form a flow path for the fluid flow, heat conductivity and machinability
  • This good aluminum or copper, or stainless steel, nickel, cobalt-based alloys (Inconel, Monel, etc.) having excellent heat resistance and corrosion resistance may be used, but is not limited thereto.
  • the shell-side heat medium is introduced into the heat exchanger 100 shell inside the shell-side heat medium supply port 120 and the shell It includes a configuration for discharging the shell-side heat medium through which the heat exchange is performed through the side heat medium outlet (121).
  • the shell side heat medium supply port 120 is configured to be located at the bottom of the heat exchanger 100, and the shell side heat medium outlet 121 may be located at the top of the heat exchanger 100.
  • it is located on the inner surface of the shell further comprises a baffle (125) constituting the movement path of the shell-side heating medium.
  • the shell-side heat medium flow path 124 is configured through the configuration of the plurality of baffles 125.
  • the shell-side heat medium of the present invention flows into the shell-side heat medium outlet 121 through a flow path formed by a plurality of baffles 125 which are introduced through the shell-side heat medium supply port 120 and located on the inner side of the shell.
  • the discharge may pass through the entire area of the heat exchange passage 134 located inside the shell.
  • the shell-side heat medium flowing through the shell-side supply port performs heat exchange in the shell-side heat medium flow zone circulating inside the shell.
  • the shell-side heat medium flow zone is configured to be separated through the third sealing barrier (150, 160) located at the top and bottom of the heat exchanger 100, through the configuration of the upper third sealing barrier (150) Located between the shell-side heat medium outlet 121 and the heat exchange material distribution unit 132, the lower third sealing barrier 160 is located between the shell-side heat medium supply port 120 and the heat exchange completed material collecting unit 133 to be.
  • each of the shell-side heating medium flow zone is located in the interior facing the third sealing barrier (150, 160) located in the upper and lower ends.
  • the heat exchanger 100 of the present invention includes a plurality of heat exchange passages 134 located inside the shell.
  • the heat exchange target material is introduced into the heat exchange material distribution unit 132 and connected to the heat exchange completed material collection unit 133 to collect the heat exchange completed material.
  • the heat exchange material distribution unit 132 is connected to the heat exchange material supply port 130 located outside the heat exchanger 100, and, in the case of the heat exchange completed material collection unit 133, located outside the heat exchanger 100. It may be configured to be connected to the heat exchange completed material outlet 131.
  • the heat-exchanging material collecting unit 133 configured as described above is located at the lower end of the heat exchanger 100, and is sealed and separated from the internal heat medium distribution unit 142 through the bottom fourth sealing barrier 161.
  • the inner heat medium collecting part 143 and the heat exchange material distribution part 132 positioned on the upper part of the heat exchange material distribution part 132 are sealed and separated through the uppermost fourth sealing barrier 151.
  • one heat exchange zone located above and below the heat exchanger 100.
  • the third sealing barrier (150, 160) and the fourth sealing barrier (151, 161) located in the upper and lower ends of the heat exchanger 100 is configured to face the inside, the heat exchanger of the present invention ( 100) can be located at the interruption.
  • the heat exchange passage 134 includes an inner heat medium passage 144 positioned inside the heat exchange passage 134.
  • the heat exchange passage 134 configured in an annular shape, and constitutes an inner heat medium passage 144 having a diameter smaller than that of the heat exchange passage 134.
  • the internal heat medium flow passage 144 configured as described above has the same center as the heat exchange passage 134 and protrudes toward the top and bottom to penetrate the upper and lower ends of the heat exchange material distribution unit 132 and the heat exchange completed material collection unit 133. Include configuration.
  • the heat medium is supplied from the internal heat medium supply port (heat exchange flow path 134), and passes through the inside of the heat exchange flow path 134 to exchange heat inside the heat exchange path 134 through the internal heat medium discharge part. It is the composition that heat medium is discharged. More preferably, the heat medium supplied through the internal heat medium supply port (heat exchange passage 134) flows into the internal heat medium distribution unit 142 located at the bottom of the heat exchanger 100, and the internal heat medium distribution unit 142. The heat medium located at includes a configuration flowing into each inner heat medium flow path 144. Thus, the heat medium flowing into each of the internal heat medium flow paths 144 may be collected by the internal heat medium collecting part 143 located at the top of the heat exchanger 100 and discharged through the internal heat medium outlet 141 located at the shell side end. .
  • the heat medium flowing through the internal heat medium flow path 144 positioned inside the heat exchange flow path 134 performs heat exchange with the heat exchange flow path 134, and thus, at an open end of the internal heat medium flow path 144.
  • the inner heat medium distribution part 142 and the inner heat medium collecting part 143 at the top end of the heat exchanger 100 are respectively the fourth sealing barriers 151 and 161 and the heat exchanger 100. It includes a configuration that is sealed through the upper and lower ends of the.
  • the present invention forms an inner heat medium flow zone including all the components for performing the flow of the inner heat medium, wherein the inner heat medium flow zone is the inner heat medium distribution part 142 and the inner heat medium collecting part 143. Sealed through the fourth sealing barrier (151, 161) located in each. As such, in the case of the heat medium flowing in the configuration of the inner heat medium flow zone, the heat medium is separated from the heat exchange material and the heat exchange completed material.
  • the annular heat exchange flow path 134 of the present invention further includes an inner heat medium flow path 144 configured to have the same center in the heat exchange flow path 134 configured in a circular shape.
  • the inner heat medium flow path 144 performs heat exchange with the heat exchange material near the center of the heat exchange flow path 134, and performs cooling of the heat exchange material that is difficult to heat exchange with the inner wall surface of the heat exchange flow path 134 in contact with the shell-side heat medium. can do.
  • the inner diameters of the heat exchange passage 134 and the inner heat medium passage 144 of the heat exchanger 100 may be 10.0 to 150.0 mm and 10.0 to 50.0 mm, respectively, more preferably 5.0 to It may consist of 50.0 mm, 5.0-25.0 mm.
  • FIG. 7 illustrates a configuration of one heat exchange passage 134 in the configuration of the shell-and-multi-double concentric tube heat exchanger 100 according to an embodiment of the present invention.
  • a heat exchange zone is disposed between the third sealing barriers 150 and 160 and the fourth sealing barriers 151 and 161 which are positioned above and below the heat exchanger 100, respectively.
  • the heat exchange material may be introduced into each heat exchange passage 134 through the distribution unit 132. Furthermore, the heat exchange material of which heat exchange is completed in the heat exchange path 134 is collected through the heat exchange completed material collecting part 133 located at the bottom of the heat exchanger 100. The space in which the heat exchange material is collected is sealed. Can be configured.
  • the shell-side heat medium flow section includes a shell-side heat medium supply port 120 and a shell-side heat medium outlet 121 located inside the third sealing barrier 150 and 160, and at least one baffle located on the inner surface of the shell. And 125.
  • the shell-side heat medium is introduced through the shell-side heat medium supply port 120 positioned at the upper end of the lower third sealing barrier 160, and the shell side located at the lower end of the upper third sealing barrier 150.
  • the configuration in which the shell-side heating medium introduced through the heating medium outlet 121 is discharged is disclosed.
  • the heat medium constitutes the heat medium flow path according to the number and shape of the baffles 125 located in the shell-side heat medium flow section.
  • the heat exchanger 100 of the present invention has an inner heat medium collecting part 143 located at the upper end of the uppermost fourth sealing barrier 151 and an inner heat distributing part 142 located at the lower end of the lower fourth sealing barrier 161. It is configured to further include.
  • the inner heat medium distribution part 142 located at the lower end of the fourth sealing barrier 161 has an inner heat medium flowing through an inner heat medium supply port (heat exchange flow path 134), and the introduced inner heat medium is an inner heat medium flow path ( 144 may flow to the internal heat medium collecting part 143 located at the top of the heat exchanger 100.
  • the internal heat medium collected by the internal heat medium collecting part 143 may be discharged to the outside of the shell heat exchanger 100 through the internal heat medium outlet 141 connected to the internal heat medium collecting part 143.
  • the inner heat medium flow section is configured to supply heat to the inner heat medium flow path 144 on the inner surface of the heat exchange flow path 134 to perform heat exchange with the center of the heat exchange target material.
  • the heat medium flow path through which the shell-side heat medium flows is formed by the configuration of the baffle 125 in the shell, and the internal heat medium flow path 144 through which the internal heat medium passes through the heat exchange flow path 134.
  • the reactor 200 of the present invention is composed of a heat medium flow path flowing to the shell side, a catalytic reaction flow path 234 through which the reactant filled with the catalyst flows and a flow path through which the heat medium flows.
  • the reactant supply port 230 and the catalyst are not in contact with each other, and may be made of metal to ensure sufficient heat exchange.
  • the reactant may be made of a metal material, and more preferably includes all components that do not perform a chemical reaction with the shell-side heat medium.
  • the material of the flow path constituting the reactor 200 As the material of the flow path constituting the reactor 200, it is necessary to consider the excellent heat exchange performance and durability, and at the same time should be able to easily form a flow path for the fluid flow, thermal conductivity and mechanical processability Good aluminum or copper, or stainless steel or nickel, cobalt-based alloys (Inconel, Monel, etc.) having excellent heat resistance and corrosion resistance may be used, but is not limited thereto.
  • the shape of the vertical shell-and-tube reactor 200 of the present invention is maintained, the shell-side heat medium is introduced into the reactor 200 shell side from the shell-side heat medium supply port 220 and the shell-side heat medium outlet And a shell side heat medium through which the heat exchange is performed through 221.
  • the shell side heat medium supply port 220 is configured to be located at the bottom of the reactor 200 and the shell side heat medium outlet 221 may be located at the top of the reactor 200.
  • a baffle 225 is located on the inner surface of the shell constituting the movement path of the shell-side heating medium.
  • the shell-side heat medium of the present invention flows into the shell-side heat medium outlet 221 through a flow path formed by a plurality of baffles 225 which are introduced through the shell-side heat medium supply port 220 and located on the inner side of the shell. As it is discharged, it may pass through the entire area to contact the maximum cross-sectional area of the catalytic reaction flow path 234 located inside the shell.
  • the shell-side heat medium flowing through the shell-side supply port performs heat exchange in the shell-side heat medium flow zone circulating inside the shell.
  • the separation through the fifth sealing barrier (250, 260) located at the top and bottom of the reactor 200, the configuration of the fifth sealing barrier (250, 260) The shell-side heat medium outlet 221 and the reactant distribution unit 232 and the shell-side heat medium supply port 220 and the product collecting unit 233 through the configuration.
  • the shell-side heating medium flow zone is located in the interior facing the fifth sealing barrier (250, 260) located at the top and bottom of the reactor (200).
  • the reactor 200 of the present invention includes a plurality of catalytic reaction flow passages 234 located inside the shell through which the reactants pass.
  • the catalyst may be filled along the length direction of the passage. More preferably, the catalyst may be configured by sequentially stacking catalysts that perform different functions according to the lengthwise direction of the catalytic flow passage 234, and the amount of the catalyst and the single catalyst according to the use type or use of the reactor 200 of the user The number of reactors may be different.
  • the catalyst flow passage 234 may be formed by filling at least one or more reaction catalysts of the extruded pellet, spherical and powder shape.
  • a powder-type catalyst may be configured in the form of a slurry bubble column reactor in which a liquid mixed with a predetermined amount in a liquid solvent and a reaction gas are simultaneously supplied.
  • the reactants are distributed to the catalytic reaction flow path 234 filled with the catalyst through the reactant distribution unit 232.
  • the reactant distribution unit 232 includes a configuration connected to the reactant supply port 230 located on the side of the shell.
  • the distributed reactant passes through the catalytic reaction passage 234 in the longitudinal direction, and performs a contact reaction with at least one catalyst filled in the catalytic reaction passage 234.
  • the reaction gas subjected to the catalytic reaction is collected through the product collecting unit 233 located at the bottom of the reactor 200, including the unreacted product that did not finally react with the product.
  • the collected product or unreacted material may be discharged to the outside of the shell through the product outlet 31 which is connected to the product collector 233.
  • the product collection unit 233 configured as described above is located at the bottom of the reactor 200, and is sealed and sealed through the lower fifth sealing barrier 260 and the bottom end of the reactor 200 located at the bottom of the reactor 200. It is a configuration. Furthermore, the shell-side heat medium outlet 221 positioned on the top of the reactant distribution unit 232 and the reactant distribution unit 232 located on the shell-side heat medium outlet 221 are formed through the upper fifth sealing barrier 250. When the bar is separated, the reactant distribution unit 232 is disposed between the upper fifth sealing barrier 250 and the lower sixth sealing barrier 261 to be separated from each other. Accordingly, the catalytic reaction channel 234, the reactant distribution unit 232 and the product collection unit 233 positioned above and below the reactor 200 may be formed to form one catalytic reaction zone. In the case of the catalysis zone, it can be located at the stop of the reactor 200 of the present invention.
  • sealing barrier diffusion bonding, brazing, laser welding, electroplating, TIG welding, pressing, embossing pressing so that fluids such as respective heat mediums, reaction gases and products do not leak. It can be fixed and bonded by the like and can be assembled in the form of a flange to each other.
  • the annular bar includes an inner heat medium inlet pipe 244 positioned inside the catalyzed reaction flow passage 234.
  • the annular bar includes an inner heat medium inlet pipe 244 positioned inside the catalyzed reaction flow passage 234.
  • a catalyzed reaction flow path 234 formed in an annular shape, and constitutes an inner heat medium inlet pipe 244 having a diameter smaller than that of the catalyzed reaction flow path 234.
  • the inner heat medium inlet pipe 244 having the above configuration has the same center as the catalytic reaction flow path 234, and protrudes toward the upper end of the catalytic reaction flow path 234 to include an open shape at the upper end of the lower sixth sealing barrier 261. do.
  • the catalytic reaction flow path 234 is in fluid communication with the configuration above the lower sixth sealing barrier 261.
  • the inner heat medium inlet pipe 244 located inside the catalytic reaction flow path 234 is configured in an annular shape, and includes an inner heat medium discharge pipe 245 inserted in the longitudinal direction therein.
  • the inner heat medium inlet pipe 244 includes a configuration in which one end inserted into the catalytic reaction passage 234 is closed. More preferably, the inner heat medium discharge pipe 245 is formed in a circular shape having the same center as the inner heat medium inlet pipe 244 has an open shape on one end inserted into the inner heat medium inlet pipe 244, the inner The heat medium flowing into the heat medium inlet pipe 244 is configured to allow fluid movement to the internal heat medium discharge pipe 245 by the configuration of the closed internal heat medium inlet pipe 244.
  • the other end surface into which the inner heat medium discharge pipe 245 is inserted into the inner heat medium inflow pipe 244 is formed in a protruding shape, and includes an inner heat medium collecting part 243 positioned on the uppermost sixth sealing wall 251. And fluidly connected configurations.
  • the heat medium is supplied from the internal heat medium supply port 240, and is inserted into the catalytic reaction flow path 234 to perform heat exchange in the catalytic reaction flow path 234 through the internal heat medium discharge part.
  • the heat medium is discharged.
  • the heat medium supplied through the internal heat medium supply port 240 is introduced from the internal heat medium distribution unit 242 positioned at the top of the reactor 200, and the heat medium located in the internal heat medium distribution unit 242.
  • the heat medium flowing into each of the inner heat medium inlet pipes 244 may be collected in the inner heat medium collecting part 243 positioned at the top of the reactor 200 and discharged through the inner heat medium outlet 241 located at the shell side end. .
  • the inner heat medium is introduced into the inner heat medium inlet pipe 244 through the inner heat medium distribution unit 242, and the introduced inner heat medium is inserted into the inner heat medium inlet pipe 244 to be in fluid connection. It includes a configuration that is collected in the inner heat medium collecting portion 243 located at the top through the heat medium discharge pipe (245).
  • the heat medium flowing through the internal heat medium inlet pipe 244 located inside the catalytic reaction channel performs heat exchange with the catalytic reaction path, and is located at an open end of the internal heat medium inlet pipe 244.
  • the inner heat medium distribution unit 242 and the inner heat medium collecting unit 243 positioned at the top of the reactor 200 are formed at the top of the 200 through the top sixth sealing barrier 251 and the top end of the reactor 200. And a configuration that is sealed.
  • the present invention forms an inner heating medium flow zone that includes all the components for carrying out the flow of the inner heating medium.
  • the inner heat medium flow zone includes the inner heat medium distribution part 242 and the inner heat medium collecting part 243, and is sealed through the uppermost sixth sealing barrier 251 located at the top of the reactor 200.
  • the uppermost sixth sealing barrier 251 is positioned between the inner heat medium collecting part 243 and the reactant distribution part 232 to prevent the inner heat medium flowing therefrom and the inner heat medium having undergone heat exchange.
  • the lower sixth sealing barrier 261 is disposed between the inner heat medium supply port 240 and the reactant distribution unit 232 to prevent the reactant and the inner heat medium flowing therein.
  • FIG. 9 is a cross-sectional view showing the configuration of a shell-and-multi-triple concentric-tube reactor 200 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line A-A 'of FIG. 2, which discloses a catalytic reaction flow path 234, an inner heat medium inflow pipe 244, and a shell-side heat medium flow path 224.
  • the inner heat medium inlet pipe 244 is configured to have the same center in the catalytic reaction flow passage 234 formed in a circular shape.
  • the inner heat medium inlet pipe 244 includes a structure in which a lower end of the reactor 200 is blocked. The inner heat medium inlet pipe 244 performs heat exchange with the reactant near the center of the catalytic reaction passage 234, and thus may cool the reactant positioned on the inner wall of the catalytic reaction passage 234.
  • the inner heat medium discharge pipe 245 includes a shape in which one end of the inner heat medium discharge pipe 245 is opened, and includes a configuration in which the inner heat medium discharge pipe 245 is in fluid communication with the internal heat medium flowing into the inner heat medium inflow pipe 244.
  • the inner heat medium inlet pipe 244 and the inner heat medium discharge pipe 245 may perform the opposite function, and the heat exchange is not performed through the internal heat medium collecting part 243 connected to the internal heat medium discharge pipe 245.
  • the internal heat medium may be introduced, and the internal heat medium that has undergone heat exchange with the catalytic reaction passage 234 may be discharged to the internal heat medium distribution unit 242 through the internal heat medium inlet pipe 244.
  • the inlet and outlet may vary depending on the application, structure and shape of the reactor 200 or the heat exchanger 300.
  • the inner diameters of the catalytic reaction flow path 234 and the internal heat medium inlet pipe 244 of the reactor 200 may be 10.0 to 150.0 mm and 10.0 to 50.0 mm, respectively, more preferably 5.0. And 50.0 mm, 5.0-25.0 mm.
  • the inner diameter of the inner heat medium discharge pipe 245 may be composed of 5mm ⁇ 9mm.
  • the reactor 200 of the present invention is generally applicable to a configuration that performs an exothermic or endothermic reaction, and more preferably, the reactor 200 of the present invention is gas-to-liquid (GTL) or coal (CTL).
  • GTL gas-to-liquid
  • CTL coal
  • GTL Floating Production Storage and Offloading
  • DME-FPSO DME-FPSO
  • MeOH-FPSO for the manufacture of clean fuels, such as -to-Liquid (BTL), Biomass-to-Liquid (BTL), Dimethyl Ether (DME), and MeOH (Methanol)
  • BTL Biomass-to-Liquid
  • DME Dimethyl Ether
  • Methanol MeOH
  • FIG. 10 illustrates one flow path as a configuration of a shell-and-multi-triple concentric-tube reactor 200 according to an embodiment of the present invention.
  • the reaction flow channel 234 and the reactant distribution unit 232 and the product collection unit 233 located at the upper and lower portions of the reactor 200 constitute a catalytic reaction zone, and the reactant located at the top of the reactor 200.
  • the reactants may be introduced into the respective catalytic reaction passages 234 through the distribution unit 232.
  • the reactant distribution unit 232 is configured between the upper fifth sealing barrier 250 and the lower sixth sealing barrier 261.
  • the product collecting unit 233 located at the bottom of the reactant is in contact with the catalyst in the catalytic flow passage 234 to collect the product or unreacted reactant formed through the catalytic reaction, it can be configured in a sealed form have.
  • the shell-side heat medium flow section may include a shell-side heat medium flow section including a sealed area inside the fifth sealing barrier (250, 260) located on the upper and lower sides.
  • the shell-side heat medium flow section includes a shell-side heat medium supply port 220 and a shell-side heat medium outlet 221 located inside the fifth sealing barriers 250 and 260, and at least one baffle located on the inner surface of the shell. And 225.
  • the shell-side heat medium is introduced through the shell-side heat medium supply port 220 positioned at the upper end of the lower fifth sealing barrier 260, and the shell side located at the lower end of the upper fifth sealing barrier 250.
  • the structure in which the shell side heat medium introduced through the heat medium outlet 221 is discharged is disclosed.
  • the heat medium constitutes the heat medium flow path according to the number and shape of the baffles 225 located in the shell-side heat medium flow section.
  • the reactor 200 of the present invention is located between the inner heat medium collecting portion 243 located on the uppermost seventh sealing barrier 251, the uppermost seventh sealing barrier 251, and the lower seventh sealing barrier 261. It is configured to further include an inner heat medium distribution unit 242.
  • the inner heat medium distribution unit 242 is the inner heat medium is introduced through the inner heat medium supply port 240, the introduced inner heat medium is the upper end of the reactor 200 and the uppermost seventh sealing barrier through the inner heat medium inlet pipe 244 It can flow to the heat medium collection part comprised between 251.
  • the internal heat medium collected by the internal heat medium collecting part 243 may be discharged to the outside of the shell reactor 200 through the internal heat medium outlet 241 connected to the internal heat medium collecting part 243.
  • the inner heat medium flow section as described above, the inner heat medium is supplied to the inner heat medium inlet pipe 244 located inside the catalytic reaction flow path 234 to perform heat exchange with the center of the reactant, the inner heat medium inlet pipe ( 244 is a configuration for discharging the internal heat medium heat exchanged through the internal heat medium discharge pipe 245 located inside.
  • Each of the sealing barriers has a form through which the catalytic reaction flow path 234, the internal heat medium inlet pipe 244, and the internal heat medium discharge pipe 245 penetrate, and includes a structure to form a constant sealing space inside the shell.
  • the heat medium flow path through which the shell-side heat medium flows is formed by the configuration of the baffle 225 in the shell.
  • the inner heat medium inlet tube 244 through which the inner heat medium passes therein is inserted, and is not a conventional simple shell-and-tube concept.
  • a reactor 200 of a multi-triple concentric tube concept is disclosed.
  • FIG. 11A graphically illustrates the temperature difference of the reaction gas along the longitudinal direction of the catalytic flow path 234 of the shell-and-tube reactor 200 as a prior art.
  • FIG. 11B illustrates a graph in which the temperature of the longitudinal reactor body of the reactor 200 including the cyclic catalytic flow passage 234 is measured according to an embodiment of the present invention.
  • the inner diameters of the catalytic reaction flow path 234 and the internal heat medium flow path 244 are 20 mm and 10 mm, respectively, and the reactor 200 according to the floating production storage and offloading (GTL-FPSO) exothermic reaction is formed. Configured.
  • Reactor 200 of the present invention is configured as described above includes a catalytic reaction flow path 234 is configured in the longitudinal direction inside the shell, the reactor body is the reactant distribution unit 232 at the upper end of the reactor 200 Is introduced through, and is introduced into the catalytic reaction flow path (234). As described above, the reactor body is configured to be in contact with the catalyst in the catalytic reaction flow path 234, and is configured to exothermic reaction of the reaction gas while moving in the longitudinal direction.
  • the temperature difference ⁇ T 4.3K generated in the longitudinal direction of the catalytic reaction flow path 234
  • the longitudinal temperature control of the reactor 200 is significantly easier compared to the longitudinal temperature difference of the catalytic reaction flow path 234 of the prior art, and that it is easy to control the selectivity of the reaction product according to the temperature control. It became.
  • the heat exchanger 300 of the present invention is composed of a heat medium flow path, a heat exchange flow path 334 and a flow path in which the heat medium flows therein, wherein each flow path is not in contact with the heat medium and the heat exchange target material.
  • each flow path is not in contact with the heat medium and the heat exchange target material.
  • it may be manufactured from metal.
  • the heat exchange flow path 334 and the inner heat medium inflow pipe 344 through which the heat exchange target material flows may be made of a metal material, and more preferably include all components that do not perform a chemical reaction with the shell-side heat medium.
  • the material of the flow path constituting the heat exchanger 300 it is necessary to consider the excellent heat exchange performance and durability, and at the same time be able to easily form a flow path through which fluid flows, thermal conductivity and machinability
  • This good aluminum or copper, or stainless steel, nickel, cobalt-based alloys (Inconel, Monel, etc.) having excellent heat resistance and corrosion resistance may be used, but is not limited thereto.
  • the shell-side heat medium is introduced into the heat exchanger 300 shell side from the shell-side heat medium supply port 320 and the shell side
  • the heat medium discharge port 321 includes a configuration for discharging the shell-side heat medium in which the heat exchange was performed. More preferably, in one embodiment of the present invention, the shell-side heat medium supply port 320 is configured to be located at the bottom of the heat exchanger 300, and the shell-side heat medium outlet 321 is located at the top of the heat exchanger 300. And it is located on the inner surface of the shell further comprises a baffle 325 constituting the movement path of the shell-side heating medium.
  • the shell-side heat medium of the present invention flows into the shell-side heat medium outlet 321 through a flow path formed by a plurality of baffles 325 which are introduced through the shell-side heat medium supply port 320 and located on the inner side of the shell. As it is discharged, it may pass through the entire area to contact the maximum cross-sectional area of the heat exchange passage 334 located inside the shell.
  • the shell-side heat medium flowing through the shell-side supply port performs heat exchange in the shell-side heat medium flow zone circulating inside the shell.
  • the seventh sealing barriers 350 and 360 are separated through the seventh sealing barriers 350 and 360 positioned at the top and bottom of the heat exchanger 300.
  • the shell-side heat medium outlet 321, the heat-exchange material distribution unit, and the shell-side heat medium supply port 320 and the heat exchange-complete material collecting unit 333 are separated from each other.
  • the heat exchanger 300 includes a shell-side heat medium flow zone located inside the seventh sealing barriers 350 and 360 facing the lower end of the heat exchanger 300.
  • the heat exchanger 300 of the present invention includes a plurality of heat exchange passages 334 located inside the shell through which the heat exchange target material passes.
  • the heat exchange target material is distributed to the heat exchange passage 334 through the heat exchange material distribution unit 332.
  • the heat exchange material distribution unit 332 is introduced into the heat exchange target material through the heat exchange material supply port 330 located on the side of the shell.
  • the distributed heat exchange target material passes through the heat exchange passage 334 in the longitudinal direction.
  • the heat exchange completed material is heat-collected through the heat exchange completed material collecting unit 333 positioned at the bottom of the heat exchanger 300.
  • the collected heat exchange completed material may be discharged to the outside of the shell through the heat exchange completed material discharge port 331 connected to the heat exchange completed material collector 333.
  • the heat exchange completed material collection unit 333 configured as described above is located at the lower end of the heat exchanger 300, and the lower seventh sealing barrier 360 and the lowest end of the heat exchanger 300 are located at the lower end of the heat exchanger 300.
  • the configuration is sealed through.
  • the shell-side heat medium outlet 321 positioned above the heat exchange material distribution unit 332 and the heat exchange material distribution unit 332 positioned above the shell-side heat medium outlet 321 are formed on the upper seventh sealing barrier 350.
  • the heat exchange material distribution part 332 is disposed between the upper seventh sealing barrier 350 and the lower eighth sealing barrier 361 to be separated by sealing.
  • the heat exchange passage 334 includes a heat exchange material distribution unit 332 and a heat exchange completed material collection unit 333 positioned above and below the heat exchanger 300 to form one heat exchange zone.
  • the heat exchange zone it may be located at the stop of the heat exchanger 300 of the present invention.
  • the joints may be fixed by embossing or the like, and may be assembled in the form of a flange.
  • the heat exchange passage 334 is formed in an annular shape and includes an internal heat medium inflow pipe 344 positioned inside the heat exchange passage 334.
  • the heat exchange passage 334 includes a heat exchange passage 334 having an annular shape, and constitutes an inner heat medium inflow pipe 344 having a diameter smaller than that of the heat exchange passage 334.
  • the inner heat medium inflow pipe 344 configured as described above has the same center as the heat exchange flow path 334, and protrudes toward the top of the heat exchange flow path 334 to be located at an upper end of the heat exchange material distribution part 332. And form associated with 361. More preferably, the heat exchange passage 334 is in fluid communication with the configuration above the lower eighth sealing barrier 361.
  • the inner heat medium inlet pipe 344 located inside the heat exchange passage 334 is formed in an annular bar, and includes an inner heat medium discharge pipe 345 inserted in the longitudinal direction.
  • the inner heat medium inlet pipe 344 includes a configuration in which one end inserted into the heat exchange passage 334 is closed. More preferably, the inner heat medium discharge pipe 345 formed in a circular shape having the same center as the inner heat medium inflow pipe 344 has a shape in which one end surface inserted into the inner heat medium inflow pipe 344 is opened, and the inside The heat medium flowing into the heat medium inlet pipe 344 is configured to allow fluid movement to the internal heat medium discharge pipe 345 by the configuration of the closed internal heat medium inlet pipe 344.
  • the other end surface into which the inner heat medium discharge pipe 345 is inserted into the inner heat medium inflow pipe 344 is formed in a protruding shape, and includes an inner heat medium collecting part 343 positioned above the uppermost eighth sealing barrier 351. It may include the configuration to be connected.
  • the heat medium is supplied from the internal heat medium supply port 340, and the heat medium is inserted into the heat exchange path 334 to perform heat exchange in the heat exchange path 334 through the internal heat medium discharge part. It is a discharged configuration. More preferably, the heat medium supplied through the internal heat medium supply port 340 is introduced from the internal heat medium distribution unit 342 positioned at the upper end of the heat exchanger 300, and is located in the internal heat medium distribution unit 342.
  • the heating medium includes a configuration flowing into each inner heating medium inlet pipe 344. The heat medium flowing into each of the inner heat medium inlet pipes 344 may be collected in the inner heat medium collecting part 343 positioned at the top of the heat exchanger 300 and discharged through the inner heat medium outlet 341 located at the shell side end. have.
  • the inner heat medium is introduced into the inner heat medium inlet pipe 344 through the inner heat medium distribution unit 342, and the introduced inner heat medium is inserted into the inner heat medium inlet pipe 344 to be in fluid connection. It includes a configuration that is collected in the inner heat medium collecting portion 343 located at the top through the heat medium discharge pipe (345).
  • the heat medium flowing through the internal heat medium inflow pipe 344 positioned inside the heat exchange path 334 performs heat exchange with the heat exchange flow path 334, and thus, an open end of the internal heat medium inflow pipe 344.
  • the part is connected to the internal heat medium distribution unit 342 configured at the upper end of the heat exchanger 300, and the internal heat medium collecting unit 343 positioned at the top of the heat exchanger 300 has an uppermost eighth sealing barrier 351 and a heat exchanger. And a configuration that is sealed through the top end of 300.
  • the present invention forms an inner heating medium flow zone that includes all the components for carrying out the flow of the inner heating medium.
  • the inner heat medium flow zone includes the inner heat medium distribution part 342 and the inner heat medium collecting part 343, and is sealed through the uppermost eighth sealing barrier 351 positioned at the top of the heat exchanger 300.
  • the inner heat medium collecting part 343 and the heat exchange material distribution part 332 are disposed between the inner heat medium and the heat medium having undergone heat exchange.
  • the lower eighth sealing barrier 361 is disposed between the internal heat medium supply port 340 and the heat exchange material distribution unit 332 to prevent mixing of the heat exchange target material and the internal heat medium flowing therein.
  • 13 is a cross-sectional view showing the configuration of a shell-and-multi-triple concentric tube heat exchanger 300 according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a cross-sectional view of B-B 'in FIG. 12, which discloses a heat exchange flow path 334, an inner heat medium inflow pipe 344, and a shell-side heat medium flow path 324.
  • the annular heat exchange flow path 334 of the present invention further includes an inner heat medium inflow pipe 344 configured to have the same center in the heat exchange flow path 334 having a circular shape.
  • the inner heat medium inlet pipe 344 includes a structure in which one end of the lower side of the heat exchanger 300 is blocked.
  • the inner heat medium inlet pipe 344 performs heat exchange with a heat exchange target material close to the center of the heat exchange flow path 334, and the heat transfer target material located inside the heat exchange flow path 334 which is not in contact with the shell-side heat medium. Cooling can be performed.
  • the inner heat medium discharge pipe 345 is inserted into the inner heat medium inlet pipe 344 in the longitudinal direction.
  • the inner heat medium discharge pipe 345 may include an open shape of one end inserted into the inner heat medium discharge pipe 345.
  • the inner heat medium discharge pipe 345 may be in fluid connection with the internal heat medium flowing into the inner heat medium inflow pipe 344.
  • the inner diameters of the heat exchange passage 334 and the internal heat medium inlet pipe 344 of the heat exchanger 300 may be 10.0 to 150.0 mm and 10.0 to 50.0 mm, respectively, more preferably 5.0. And 50.0 mm, 5.0-25.0 mm.
  • the inner diameter of the inner heat medium discharge pipe 345 may be composed of 5mm ⁇ 10mm.
  • the inner heat medium inlet pipe 344 and the inner heat medium discharge pipe 345 may perform the opposite function, and the heat exchange is not performed through the inner heat medium collecting part 343 connected to the inner heat medium discharge pipe 345.
  • the internal heat medium may be introduced, and the internal heat medium that has undergone heat exchange with the heat exchange passage 334 may be discharged to the internal heat medium distribution unit 342 through the internal heat medium inlet pipe 344.
  • the inflow and discharge may vary depending on the application, structure and shape of the heat exchanger 300 or the heat exchanger 300.

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Abstract

본 발명은 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기에 관한 것으로서, 새로운 반응기 및 열교환기의 형태를 제공하여 열교환 효율 및 열유동을 최적화하고 반응물의 균일한 분배, 반응물의 유량 증가를 통해서, 촉매 성능을 극대화하고, 반응기의 성능을 향상시킬 수 있는바, 이를 통해 소형 컴팩트화가 가능한 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기에 관한 것이다. 이를 위해, 쉘 측에 배플에 의해 형성된 유로로 쉘 측 열매체가 흐르며 열교환 대상 물질이 유동하는 유로의 외측면과 열교환을 수행하고, 내부 열매체 유로는 열교환 대상 물질이 유동하는 유로의 내부에 삽입되어 구성되는바, 내부 열매체는 상기 열교환 대상 물질이 유동하는 유로의 내부를 통과하는바, 열교환 대상 물질의 외측뿐 아니라 내측의 열교환이 용이하도록 구성되는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기를 제공하는 기술이다.

Description

쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기
본 발명은 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기에 관한 것으로, 더 바람직하게 열매체와 반응물을 공급하여 반응물의 촉매반응을 통해 목적으로 하는 생성물을 효율적으로 획득할 수 있고, 반응물 혹은 열교환 대상 물질과 열매체 간의 열교환을 통해 반응을 효과적으로 제어할 수 있는 컴팩트한 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기(Shell-and-multi-multi Concentric-tube reactor and heat exchanger)에 관한 것이다.
일반적으로 쉘-앤드-멀티 튜브 형태를 이용한 반응기 및 열교환기(이하, 쉘-앤드-튜브 반응기 및 열교환기라 함)는 열교환 물질이 공급되는 쉘(Shell) 측과 반응가스 및 촉매가 충진된 복수의 튜브가 설치된 다관형 튜브다발을 결합한 반응기 및 열교환기 구조로서, 발열 혹은 흡열이 심한 화학반응 특히 합성연료제조반응 및 탄화수소 개질과 같은 촉매반응을 수행하기에 매우 효과적인 컴팩트 반응기 및 열교환기이다.
특히, 기존의 단일관 반응기 및 열교환기에 비해 작은 직경의 튜브다발이 적용되어 물질 및 열교환이 원활히 이루어져 촉매의 성능을 극대화할 수 있는 구조를 가지므로 천연가스로부터 합성석유를 제조하는 GTL(gas to liquid) 공정, 해상환경에 적용 가능한 GTL-FPSO 공정, 석유화학공정, 정밀화학공정 및 에너지 환경 공정 등에 효과적인 것으로 평가되고 있다.
예를 들어 천연가스로부터 합성석유를 제조하는 GTL 공정의 핵심 반응인 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch Synthesis) 반응의 경우 발열이 심한 반응으로 핫스팟을 방지하기 위해 촉매층과 열매체간의 원활한 열교환이 요구되므로 반응조건뿐 아니라 반응기의 형태에 매우 지대한 영향을 받는다.
상기와 같은 쉘-앤드-튜브 반응기는 복수의 반응튜브 내에 촉매가 충진되어있고, 반응튜브의 유입구를 통하여 반응가스가 공급되어 배출구를 통해 생성물과 미반응가스가 배출되고, 제어를 통해 최적화된 열교환 조건에서 화학반응이 일어날 수 있도록 쉘 측을 통해 열매체가 순환된다.
이러한 반응기는 앞서 간단히 언급한 바와 같이 천연가스의 개질을 통해 만들어진 합성가스를 이용하여 액상의 합성연료를 만드는 피셔-트롭쉬의 반응기로 유용한데, 피셔-트롭쉬 합성 반응은 반응가스로 천연가스로부터 개질하여 얻어지는 수소와 일산화탄소를 포함하는 합성가스를 사용하여 탄화수소 사슬성장 반응을 통해 긴 사슬의 탄화수소 합성연료를 생성한다.
상기의 피셔-트롭쉬 합성반응은 합성연료의 합성 시 큰 발열을 동반하는 반응으로 반응조건은 물론 최적의 반응기 설계를 통하여 반응기 내 열교환을 원활히 하는 것이 상당히 중요하다.
또한 상기의 GTL 공정을 해상에 적용하여 해상의 한계가스전 및 수반가스를 타겟으로 하는 GTL-FPSO 공정의 경우 한정된 선상의 공간에 공정 전체가 적용되어야 하므로 장치의 크기, 높이 및 무게 등의 제한을 받아 기존의 GTL 공정에 비해 부피가 크게 감소된 컴팩트 GTL 기술이 요구되며, 특히 이를 활용한 GTL-FPSO 기술의 개발이 절실하다.
통상적인 쉘-앤드-튜브 반응기의 구조는 단위 반응기로 사용되는 촉매가 충진된 촉매반응 유로가 다관형으로 설치되어 구성되며, 합성연료 합성반응의 예를 들면, 합성반응용 합성가스와 열매체 유체의 흐름이 서로 섞이지 않도록 구성됨으로써, 열매체의 열이 각 단위 반응기에 효과적으로 전달되어 촉매 반응의 반응열을 효과적으로 제어하여, 전체 반응기의 운전효율이 향상되고 운전이 용이하기 때문에 반응공정의 운전은 물론 스케일-업에 유리한 장점이 있다.
도 1은 통상적인 쉘-엔드-튜브 반응기의 단면도를 개시하고 있다. 쉘-엔드 튜브 반응기는 촉매반응 유로가 반응기 상측에서 유입되어 하측으로 배출되는 구성을 포함하고, 별도의 유입구 및 배출구를 포함하고 쉘 내측면에서 유동하는 열매체를 구성을 개시하고 있는바, 촉매반응 유로 외측과 쉘 내측면에서 유동하는 열매체의 열교환을 수행하는 구성을 개시하고 있다.
상기와 같은 반응기 및 열교환기의 중요점에 기인하여 최근에는 다수의 스테이지, 다수 튜브의 쉘-앤드-튜브 반응기에서 반응영역 및 스테이지간 온도 제어(냉각/가열) 영역을 연속적으로 포함하는 반응기 형태의 개발이 이루어지고 있다.
선행기술로서 미국등록특허 12/481,107호 (이하 문헌 1)은 다수의 스테이지를 구성하는 쉘-앤드-튜브 반응기를 개시하고 있는바, 반응기체의 유동 영역과 냉각수 유동 영역이 길이방향으로 서로 분리되는 다발로 구성되는 특징을 포함하고 있다.
또한 또 다른 선행기술로서 미국공개특허 2010/260,651호(이하 문헌 2)는 냉각 시스템을 포함하는 쉘 타입 반응기에서 수직적으로 돌출된 끝이 봉해진 멀티 타입의 튜브를 적용시켜 냉각효율을 향상시킨 냉각시스템을 포함하는 반응기 형태를 제시한바 있다.
하지만 상기의 통상적인 냉각/가열을 위한 쉘-앤드-튜브 반응기 및 열교환기에서도 발열 및 흡열이 극심한 반응에서 핫스팟 및 콜드스팟이 생성되는 경우가 존재하는데, 이때 반응이 일어나는 촉매에 열교환 성능을 향상시킬 수 있는 반응기의 형태가 중요하다.
그러므로, 촉매반응 유로에서 발생하는 발열 및 흡열로 인한 온도 변화를 제어하기 위해 쉘 측의 열매체에 더하여 촉매반응 유로 내부에서 추가적으로 열매체를 흘려 촉매반응 유로 내외부에서 열교환을 함으로써 열교환 성능을 극대화시키는 반응기 형태가 필요하다.
즉, 반응기체 및 열교환 대상 물질의 핫스팟과 콜드스팟의 온도 차이를 최소화하여 열교환 성능을 극대화하여, 반응 유로의 내측 격벽과 중심부 사이의 상기 반응기체 및 열교환 대상 물질의 온도차이를 최소화하는 구성이 요구된다.
다만, 상기 문헌 1 내지 2에서는 반응 유로 내부에 발생하는 반응기체 및 열교환대상 물질의 온도차이를 개선하기 위한 별도의 구성을 개시하고 있지 못하고 있다.
따라서, 본 특허에서는 쉘-앤드-튜브 반응기 및 열교환기의 열교환 성능을 극대화시키는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기를 제시하고자 한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로, 반응에 필요한 촉매의 성능향상 및 발열 및 흡열 반응에 의해 발생하는 핫-스팟(Hot-spot) 및 콜드-스팟(Cold-spot)을 예방하기 위해 열교환 효율이 극대화될 수 있는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기의 핫스팟 및 콜드스팟의 온도차이를 최소화하기 위해 내부 열매체 유로를 포함하는바, 반응유로의 중심부의 열전달특성 및 열교환 성능이 향상시키는 기술을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 반응물의 균일한 분배, 반응물의 유량 증가, 촉매 성능의 극대화, 반응기의 효율 향상 등이 가능하여 소형 컴팩트화가 가능해지는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한 본 발명은 반응의 종류에 따른 다양한 열교환 매체를 이용하여 반응기 내 열교환 방식을 다양하게 제공함으로써 다양한 반응에 적용할 수 있는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 및 열교환기를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알 수 있다. 또한 본 발명의 목적들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있다.
본 발명은 쉘 측 열매체가 쉘 내에 배플에 의해 형성된 경로를 따라 유동하는 쉘 측 열매체 유동구역, 반응물 분배부에 의해 각각의 촉매반응 유로로 반응가스를 분배하고, 상기 반응가스는 촉매반응 유로에 위치하는 촉매와 촉매반응을 수행하고, 상기 쉘 측 열매체와 내부 열매체에 의해 열교환 되어 생성된 생성물과 반응하지 않은 미반응가스를 포집하는 생성물 포집부를 포함하는 촉매반응 구역, 내부 열매체 분배부에 의해 상기 촉매반응 유로 내부에 삽입된 내부 열매체 유로로 상기 내부 열매체가 분배되며, 상기 촉매반응 유로와 열교환되어 내부 열매체 포집부를 통해 내부 열매체가 배출되는 내부 열매체 유동구역을 포함하고, 상기 쉘 측 열매체 유동구역과 상기 촉매반응 구역은 촉매반응 유로가 통과할 수 있는 제 1밀봉방벽로 분리되고, 상기 촉매반응 구역과 내부 열매체 유동구역은 내부 열매체 유로가 통과할 수 있는 제 2밀봉방벽에 의해 상기 내부 열매체와 상기 반응가스 및 생성물이 접촉되지 않도록 분리되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 반응기를 제공한다.
또한, 상기 쉘 측 열매체 유동구역에서 쉘 측 열매체 공급구로 쉘 측 열매체가 공급되고 쉘 측 열매체 유로를 통과하여 상기 촉매반응 유로와 열교환한 후 쉘 측 열매체 배출구로 쉘 측 열매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 촉매반응 구역에서 반응가스 공급구를 통해 반응가스가 공급되고 촉매가 충진된 촉매반응 유로를 통과하여 상기 반응가스와 촉매의 촉매반응이 일어나고, 미반응가스와 반응을 통해 생성된 생성물이 생성물 포집부로 포집된 후 미반응가스 및 생성물 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 내부 열매체 유동구역에서 내부 열매체 공급구를 통해 상기 내부 열매체가 공급되고 내부 열매체 분배부에 의해 내부 열매체 유로로 분배되어 상기 촉매반응 유로와 열교환한 후 내부 열매체 포집부을 거쳐 내부 열매체 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 촉매반응 유로는 내부에 압출 성형된 펠렛, 구형 및 파우더 형상의 반응촉매를 충전하는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 촉매반응 유로는 길이방향으로 적어도 하나 이상의 촉매가 순차적으로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 쉘 측 열매체와 상기 내부열매체는 각각 별개의 열매체가 사용될 수 있으며, 동일한 열매체로 구성되는 것을 바람직한 특징으로 하되 동일한 열매체로 구성되는 것을 한정하지 않는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 쉘 측 열매체와 상기 내부열매체는 동일한 열매체로 구성되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 쉘 측 열매체가 쉘 내에 배플에 의해 형성된 경로를 따라 유동하는 쉘 측 열매체 유동구역, 열교환 물질 분배부에 의해 각각의 열교환 유로로 열교환 대상 물질을 분배하고, 상기 열교환 대상 물질은 상기 쉘 측 열매체와 내부 열매체에 의해 열교환된 열교환 완료 물질을 포집하는 열교환 완료 물질 포집부를 포함하는 열교환구역, 내부 열매체 분배부에 의해 상기 열교환 유로 내부에 삽입된 내부 열매체 유로로 상기 내부 열매체가 분배되며, 상기 열교환 유로와 열교환되어 내부 열매체 포집부를 통해 열교환을 수행한 내부 열매체를 배출하는 내부 열매체 유동구역을 포함하고, 상기 쉘 측 열매체 유동구역과 상기 열교환구역은 상기 열교환 유로가 통과할 수 있는 제 3밀봉방벽로 분리되고, 상기 열교환구역과 내부 열매체 유동구역은 내부 열매체 유로가 통과할 수 있는 제 4밀봉방벽에 의해 상기 내부 열매체와 상기 열교환 물질이 접촉되지 않도록 분리되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
또한, 상기 쉘 측 열매체 유동구역에서 쉘 측 열매체 공급구로 쉘 측 열매체가 공급되고 쉘 측 열매체 유로를 통과하여 상기 열교환 유로와 열교환한 후 쉘 측 열매체 배출구로 쉘 측 열매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
또한, 상기 열교환구역에서 열교환 물질 공급구를 통해 열교환 물질이 공급되고 상기 열교환 유로를 통과하여 상기 열교환 완료 물질이 열교환 완료 물질 포집부로 포집된 후 열교환 완료 물질 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
또한, 상기 내부 열매체 유동구역에서 내부 열매체 공급구를 통해 상기 내부 열매체가 공급되고 내부 열매체 분배부에 의해 내부 열매체 유로로 분배되어 상기 열교환 유로와 열교환한 후 내부 열매체 포집부을 거쳐 내부 열매체 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
또한, 상기 쉘 측 열매체와 상기 내부열매체는 각각 별개의 열매체가 사용될 수 있으며, 동일한 열매체로 구성되는 것을 특징으로 하되 열매체로서 물, 작동오일 및 용매 등 선택된 하나 이상의 열매체가 사용될 수 있는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
쉘 측 열매체가 쉘 내에 배플에 의해 형성된 경로를 따라 유동하는 쉘 측 열매체 유동구역, 반응물 분배부에 의해 각각의 촉매반응 유로로 반응물을 분배하고, 상기 반응물은 촉매반응 유로에 위치하는 촉매와 촉매반응을 수행하고, 상기 쉘 측 열매체와 내부 열매체에 의해 열교환되어 생성된 생성물과 반응하지 않은 미반응물을 포집하는 생성물 포집부를 포함하는 촉매반응 구역 및 내부 열매체 분배부에 의해 상기 촉매반응 유로 내부에 삽입된 내부 열매체 유입관으로 상기 내부 열매체가 분배되고, 상기 촉매반응 유로와 열교환되어 내부 열매체 배출관을 통해 내부 열매체 포집부로 내부 열매체가 배출되는 내부 열매체 유동구역;을 포함하고, 상기 내부 열매체 유입관은 삽입된 일끝단이 폐쇄되도록 구성되고, 상기 내부 열매체 배출관은 상기 내부 열매체 유입관에 삽입되어 개방되는 구성을 포함하는바, 상기 내부 열매체 유입관으로 유입되는 내부 열매체가 상기 내부 열매체 배출관을 통해 배출되며, 상기 쉘 측 열매체 유동구역과 상기 촉매반응 구역은 촉매반응 유로가 통과할 수 있는 제 5밀봉방벽으로 분리되고, 상기 반응물 분배부와 내부 열매체 유동구역은 내부 열매체 유입관이 통과할 수 있는 하부 제 6밀봉방벽에 의해 상기 내부 열매체와 상기 반응물이 접촉되지 않도록 분리되며, 상기 내부 열매체 분배부와 내부 열매체 포집부는 최상부 제 6밀봉방벽에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 쉘 측 열매체 유동구역에서 쉘 측 열매체 공급구로 쉘 측 열매체가 공급되고 쉘 측 열매체 유로를 통과하여 상기 촉매반응 유로와 열교환한 후 쉘 측 열매체 배출구로 쉘 측 열매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 촉매반응 구역에서 반응물 공급구를 통해 반응물이 공급되고 촉매가 충진된 촉매반응 유로를 통과하여 상기 반응물과 촉매의 촉매반응이 일어나고, 미반응물과 반응을 통해 생성된 생성물이 생성물 포집부로 포집된 후 미반응물 및 생성물 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 내부 열매체 유동구역에서 내부 열매체 공급구를 통해 상기 내부 열매체가 공급되고 내부 열매체 분배부에 의해 내부 열매체 유입관으로 분배되어 상기 촉매반응 유로와 열교환한 후 내부 열매체 배출관을 거쳐 내부 열매체 포집부를 통해 내부 열매체 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 촉매반응 유로는 내부에 압출 성형된 펠렛, 구형 및 파우더 형상의 반응촉매를 충전하는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 촉매반응 유로는 길이방향으로 적어도 하나 이상의 촉매가 순차적으로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 상기 쉘 측 열매체와 상기 내부 열매체는 동일한 열매체 또는 각각 별개의 열매체가 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기를 제공한다.
또한, 쉘 측 열매체가 쉘 내에 배플에 의해 형성된 경로를 따라 유동하는 쉘 측 열매체 유동구역, 열교환 물질 분배부에 의해 각각의 열교환 유로로 열교환 대상 물질을 분배하고, 상기 열교환 대상 물질은 상기 쉘 측 열매체와 내부 열매체에 의해 열교환된 열교환 완료 물질을 포집하는 열교환 완료 물질 포집부를 포함하는 열교환구역 및 내부 열매체 분배부에 의해 상기 열교환 유로 내부에 삽입된 내부 열매체 유입관으로 상기 내부 열매체가 분배되며, 상기 열교환 유로와 열교환되어 내부 열매체 배출관을 통해 내부 열매체 포집부로 내부 열매체가 배출되는 내부 열매체 유동구역;을 포함하고, 상기 내부 열매체 배출관은 상기 내부 열매체 유입관에 삽입되어 개방되는 구성을 포함하는바, 상기 내부 열매체 유입관으로 유입되는 내부 열매체가 상기 내부 열매체 배출관을 통해 배출되며, 상기 쉘 측 열매체 유동구역과 상기 열교환구역은 상기 열교환 유로가 통과할 수 있는 제 7밀봉방벽로 분리되고, 상기 열교환 물질 분배부와 내부 열매체 유동구역은 내부 열매체 유입관이 통과할 수 있는 하부 제 8밀봉방벽에 의해 상기 내부 열매체와 상기 열교환 대상 물질이 접촉되지 않도록 분리되며, 상기 내부 열매체 분배부와 내부 열매체 포집부는 최상부 제 8밀봉방벽에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
또한, 상기 쉘 측 열매체 유동구역에서 쉘 측 열매체 공급구로 쉘 측 열매체가 공급되고 쉘 측 열매체 유로를 통과하여 상기 열교환 유로와 열교환한 후 쉘 측 열매체 배출구로 쉘 측 열매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
또한, 상기 열교환구역에서 열교환 물질 공급구를 통해 열교환 물질이 공급되고 상기 열교환 유로를 통과하여 상기 열교환된 열교환 완료 물질이 열교환 완료 물질 포집부로 포집된 후 열교환 완료 물질 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
또한, 상기 내부 열매체 유동구역에서 내부 열매체 공급구를 통해 상기 내부 열매체가 공급되고 내부 열매체 분배부에 의해 내부 열매체 유입관로 분배되어 상기 열교환 유로와 열교환한 후 내부 열매체 포집부를 거쳐 내부 열매체 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
또한, 상기 쉘 측 열매체와 상기 내부 열매체는 동일한 열매체 또는 각각 별개의 열매체가 사용될 수 있되 한정하지 않는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 열교환기를 제공한다.
또한 상기의 반응기 및 열교환기에 공급되는 반응가스나 열교환 매체는 향류나 병류로 공급될 수 있으며, 공급방식은 한정하지 않는다.
본 발명은 앞서 본 실시예와 하기에 설명할 구성과 결합에 의해 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.
쉘 측 열매체 유로, 반응 유로 및 내부 열매체 유로 간의 관 내경을 조절하는 경우 열교환 면적 및 길이 변화를 통해 반응기 및 열교환기의 열교환 성능을 원하는 수준으로 쉽게 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 쉘 측의 유로로 열매체를 통해 반응가스가 흐르는 촉매부의 온도 및 열교환 유로의 온도를 조절함과 동시에 내부의 열매체 유로를 통해 반응가스가 흐르는 촉매부의 온도를 조절할 수 있어 반응가스 및 열교환 대상 물질의 효과적인 열교환에 의해 반응가스의 촉매반응에 의한 촉매층의 열적 안정성을 쉽게 이룰 수 있다는 장점이 있다.
더욱이, 반응물 또는 열교환 대상 물질의 균일한 분배, 반응물 또는 열교환 대상 물질의 유량 증가, 촉매 성능의 극대화, 반응기 및 열교환기의 효율 향상 등이 가능하므로 반응기 및 열교환기의 사이즈를 크게 줄일 수 있다.
또한, 반응기 및 열교환기의 사이즈를 줄임으로서, 청정연료제조용 XTL공정(GTL, CTL, BTL), GTL-FPSO 제조공정, 석유화학공정, 정밀화학공정, 연료전지용 소형 개질기, 수소스테이션 및 에너지 공정 등의 단순화 및 사이즈 최소화에 기여할 수 있다.
도 1은 종래기술로서 쉘-앤드-튜브 반응기의 측단면도를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기의 측단면도의 구성을 도시하고 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 구성의 횡단면도를 도시하고 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기의 단일 유로 구성의 입체도를 도시하고 있다.
도 5a는 본 발명의 비교예로서 종래기술 촉매반응 유로의 길이방향에 따른 온도의 편차 그래프를 도시하고 있다.
도 5b은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기에 따른 촉매반응 유로의 길이방향에 따른 온도 편차 그래프를 도시하고 있다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기의 측단면도의 구성을 도시하고 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기의 단일 유로 구성의 입체도를 도시하고 있다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기의 측단면도의 구성을 도시하고 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기 구성의 횡단면도를 도시하고 있다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기의 단일 유로 구성의 입체도를 도시하고 있다.
도 11a는 본 발명의 비교예로서 종래기술 촉매반응 유로의 길이방향에 따른 온도의 편차 그래프를 도시하고 있다.
도 11b은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기에 따른 촉매반응 유로의 길이방향에 따른 온도 편차 그래프를 도시하고 있다.
도 12은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기의 측단면도의 구성을 도시하고 있다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기 구성의 횡단면도를 도시하고 있다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면들을 참조하여 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 실시 예는 여러 가지 형태로 변형할 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래의 실시 예들로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
또한, 명세서에 기재된 "...부", "...구" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미한다.
또한, 본 명세서에서 구성의 명칭을 제1, 제2 등으로 구분한 것은 그 구성의 명칭이 동일한 관계로 이를 구분하기 위한 것으로, 하기의 설명에서 반드시 그 순서에 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 전술한 종래의 모든 문제점을 해결하기 위해 쉘-앤드-멀티-더블컨센트릭-튜브 개념을 적용한 컴팩트 반응기(10) 및 열교환기(100)에 관한 것이다. 본 발명이 적용될 수 있는 분야로서 청정합성연료 제조공정 등의 XLT(GTL, CTL, BTL 등)분야, 석유화학 산업에서 필요로 하는 화학반응 분야, 환경장치 분야 및 GTL-FPSO, MeOH-FPSO, DME-FPSO등의 해양플랜트 분야 및 열교환기(100)가 적용되는 냉난방 시스템 등에서 유용하게 응용이 가능한 컴팩트한 반응기(10) 및 열교환기(100)에 관한 것이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-더블컨센트릭-튜브 반응기(10)의 구성을 나타내는 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 반응기(10)는 쉘 측으로 흐르는 열매체 유로, 촉매로 충진된 반응물이 흐르는 촉매반응부 유로 및 내부의 열매체가 흐르는 유로들로 구성되며, 이때 각 유로는 열매체와 반응물 및 촉매가 접촉되지 않으며, 충분한 열교환 확보를 위해 금속을 재질로 하여 제작될 수 있다. 상기 반응물이 흐르는 촉매반응 유로(34) 및 내부 열매체 유로(44)의 경우, 금속 재질로 구성될 수 있으며, 더 바람직하게는 쉘 측 열매체와 화학반응을 수행하지 않는 모든 구성을 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 반응기(10)를 구성하는 유로의 소재로는, 우수한 열교환 성능 및 내구성을 고려해야 하는 동시에 유체가 흐를 수 있는 유로를 용이하게 형성할 수 있어야 하므로, 열전도성과 기계적 가공성이 좋은 알루미늄이나 구리, 또는 우수한 내열성 및 내식성을 가지는 스테인리스강이나 니켈, 코발트 계열의 합금(인코넬, 모넬 등) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 본 발명의 수직형 쉘-앤드-튜브 반응기(10)의 형태를 유지하고 있는바, 쉘 측 열매체는 쉘 측 열매체 공급구(20)에서 상기 반응기(10) 쉘 측으로 유입되고 쉘 측 열매체 배출구(21)를 통해 상기 열교환이 수행된 쉘 측 열매체를 배출하는 구성을 포함한다. 더 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 쉘 측 열매체 공급구(20)가 반응기(10)의 하단에 위치하도록 구성되고 쉘 측 열매체 배출구(21)는 반응기(10) 상단에 위치할 수 있으며, 쉘 내측면에 위치하여 쉘 측 열매체의 이동경로를 구성하는 배플(25)이 더 포함된다.
상기와 같이, 본 발명의 쉘 측 열매체는 쉘 측 열매체 공급구(20)를 통해 유입되고 쉘 내측면에 위치하는 다수의 배플(25)이 형성하는 유동 경로를 통해 쉘 측 열매체 배출구(21)로 배출되는바, 쉘 내부에 위치하는 촉매반응 유로(34)의 최대 단면적을 포함하도록 쉘 측 열매체 유로(24)를 형성할 수 있다.
상기와 같이, 쉘 측 열매체 공급구(20)를 통해 유입되는 쉘 측 열매체는 쉘 내부를 순환하는 쉘 측 열매체 유동구역에서 열교환을 수행한다. 이렇게 구성되는 쉘 측 열매체 유동구역의 경우, 반응기(10) 상단과 하단에 위치하는 제 1밀봉방벽(50, 60)을 통해 분리되는바, 상기 제 1밀봉방벽(50, 60)의 구성을 통해 쉘 측 열매체 배출구(21)와 반응물 분배부(32) 및 쉘 측 열매체 공급구(20)와 생성물 포집부(33)를 분리하는 구성이다. 상기와 같이, 반응기(10)의 상 하단에 위치하는 제 1밀봉방벽(50, 60)이 마주하는 내부에 위치하는 쉘 측 열매체 유동구역을 포함한다.
또한, 본 발명의 반응기(10)는 반응기체가 통과하는 쉘 내부에 위치하는 다수의 촉매반응 유로(34)를 포함하여 구성된다. 촉매반응 유로(34)의 경우, 촉매가 유로의 길이방향을 따라 충진되어 존재할 수 있다. 더 바람직하게, 상기 촉매는 촉매반응 유로(34)의 길이방향에 따라 상이한 기능을 수행하는 촉매를 순차적으로 적층되어 구성될 수 있으며, 사용자의 반응기(10) 사용 형태나 용도에 따라 촉매의 양과 단일 반응기의 개수는 상이할 수 있다. 또한, 촉매반응 유로(34) 내부에 압출 성형된 펠렛, 구형 및 파우더 형상의 적어도 하나 이상의 반응 촉매를 충전되어 구성될 수 있다.
또한 고정층 반응기 대신에 파우더 형상의 촉매가 액상의 용매에 일정량 혼합된 액체와 반응가스가 동시에 공급되는, 다시 말해 슬러리 버블 컬럼 반응기(Slurry bubble column reactor) 형태로도 구성될 수 있다.
상기 촉매반응 유로(34)의 경우, 반응물 분배부(32)를 통해 촉매로 충진된 촉매반응 유로(34)로 반응물이 분배된다. 상기 반응물 분배부(32)는 쉘 측면에 위치하는 반응물 공급구(30)와 유체 연결되는바, 열교환 대상 반응물이 유입되는 구성이다. 분배된 반응물은 상기 촉매반응 유로(34)를 길이방향으로 통과되고, 촉매반응 유로(34)에 충진된 적어도 하나 이상의 촉매와 접촉 반응을 수행한다. 이렇게 촉매반응이 수행된 상기 반응물은 최종적으로 생성물과 반응을 수행하지 않은 미반응물을 포함하여 반응기(10) 하단에 위치하는 생성물 포집부(33)를 통해 포집된다. 포집된 생성물 또는 미반응물은 생성물 포집부(33)와 연결되는 생성물 배출구(31)를 통해 쉘의 외부로 배출될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 생성물 포집부(33)는 반응기(10)의 하단에 위치하는바, 반응기(10) 하단에 위치하는 하부 제 1밀봉방벽(60)과 최하부 제 2밀봉방벽(61) 사이에서 밀봉되고 분리된다. 더욱이, 상기 반응물 분배부(32)는 최상부 제 2밀봉방벽(51)과 상부 제 1밀봉방벽(50) 사이에 위치하여 밀봉분리되는바, 상기 촉매반응 유로(34)를 포함하는 반응기(10) 상하에 위치하는 하나의 촉매반응 구역을 형성하게 된다. 상기 촉매반응 구역의 경우, 상기 촉매반응 유로(34)를 포함하고, 상하단에 위치하는 제 1밀봉방벽(50, 60) 및 제 2밀봉방벽(51, 61)이 마주하는 내부에 구성되는바, 본 발명의 반응기(10)의 중단에 위치할 수 있다.
촉매반응 유로(34)의 경우, 환형 형태로 구성되는바, 촉매반응 유로(34) 내부에 위치하는 내부 열매체 유로(44)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 환형으로 구성되는 촉매반응 유로(34)를 포함하는바, 상기 촉매반응 유로(34)의 직경 보다 작은 직경을 갖는 내부 열매체 유로(44)를 구성한다. 이렇게 구성되는 내부 열매체 유로(44)는 상기 촉매반응 유로(34)와 동일한 중심을 갖고, 상기 촉매반응 유로(34) 상단과 하단으로 돌출되어 반응물 분배부(32) 및 생성물 포집부(33)의 상 하단으로 각각 연결되는 구성을 포함한다.
내부 열매체 유로(44)의 경우, 내부 열매체 공급구(40)로부터 열매체가 공급되는바, 촉매반응 유로(34)의 내부를 관통하여 내부 열매체 배출부를 통해 촉매반응 유로(34) 내부에서 열교환을 수행한 열매체가 배출되는 구성이다. 더 바람직하게, 내부 열매체 공급구(40)를 통해 공급되는 열매체는 반응기(10)의 최하단에 위치하는 내부 열매체 분배부(42)로 유입되고, 상기 내부 열매체 분배부(42)에 위치하는 상기 열매체는 각각의 내부 열매체 유로(44)로 유입되는 구성을 포함한다. 이렇게 각각의 내부 열매체 유로(44)로 유입되는 열매체는 반응기(10) 최상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(43)에 포집되어 쉘 측단에 위치하는 내부 열매체 배출구(41)를 통하여 배출될 수 있다.
또한, 상기 쉘 측 열매체와 상기 내부 열매체는 동일한 열매체로 구성되는 것을 바람직한 특징으로 하되 동일한 열매체로 구성되는 것을 한정하지 않는다.
상기와 같이, 촉매 반응 유로 내부에 위치하는 내부 열매체 유로(44)를 통해 유입되는 열매체가 상기 촉매 반응 유로와 열교환을 수행하는바, 내부 열매체 유로(44)의 개방된 일단부에 위치하고 반응기(10)의 최하단에 구성되는 내부 열매체 분배부(42)와 반응기(10) 최상단의 내부 열매체 포집부(43)는 각각 제 2밀봉방벽(51, 61)과 반응기(10)의 상하 양 끝단을 통해 밀봉되는 구성을 포함한다. 이렇게 본 발명은 내부 열매체의 유동을 수행하기 위한 구성들을 모두 포함하는 내부 열매체 유동구역을 형성하는바, 상기 내부 열매체 유동구역은 상기 내부 열매체 분배부(42)와 내부 열매체 포집부(43) 반응기(10) 상하부에 각각에 위치하는 제 2밀봉방벽(51, 61)을 통해 밀봉된다. 최상부 제 2밀봉방벽(51)의 경우, 내부 열매체 포집부(43)와 반응물 분배부(32) 사이에 위치하여 상기 반응물과 내부 열매체가 섞이는 것을 방지하고, 최하부 제 2밀봉방벽(61)은 내부 열매체 분배부(42)와 생성물 포집부(33) 사이에 위치하여 생성물과 내부 열매체가 섞이는 것을 방지할 수 있는 구성이다. 이처럼, 상기 내부 열매체 유동구역의 구성에서 유동하는 열매체의 경우, 반응물 및 생성물 등과 접촉되지 않도록 분리된다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-더블컨센트릭-튜브 반응기(10)의 구성을 나타내는 단면도이다.
상기 단면도는 도 2에 A-A1의 단면을 도시하고 있는바, 촉매반응 유로(34), 내부 열매체 유로(44) 및 쉘 측 열매체 유로(24)를 개시하고 있다.
본 발명의 환형 촉매반응 유로(34)의 경우, 원형으로 구성되는 촉매반응 유로(34) 내부에 동일한 중심을 갖도록 구성되는 내부 열매체 유로(44)를 더 포함한다. 상기 내부 열매체 유로(44)는 촉매반응 유로(34)의 중심부에 가까운 반응물과 열교환을 수행하는바, 촉매반응 유로(34)의 내측 벽면에 위치하는 반응기체에 대한 냉각을 수행할 수 있다.
바람직한 본 발명의 일 실시예에서는 반응기(10)의 촉매반응 유로(34), 내부 열매체 유로(44)의 내경은 각각 10.0 ~ 150.0 mm, 10.0 ~ 50.0 mm로 할 수 있고, 더욱 바람직하게는 각각의 내경은 5.0 ~ 50.0 mm, 5.0 ~ 25.0 mm로 구성될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 반응기(10)는 일반적으로 발열 또는 흡열 반응을 수행하는 구성에 적용이 가능하고, 더 바람직하게, 본 발명의 반응기(10)는 GTL(Gas-to-Liquid), CTL(Coal-to-Liquid), BTL(Biomass-to-Liquid), DME(Dimethyl Ether), MeOH(Methanol) 등의 청정연료 제조용 GTL, GTL-FPSO(Floating Production Storage and Offloading), DME-FPSO 및 MeOH-FPSO, 연료전지용 연료 개질기, 수소스테이션, 석유화학, 정밀화학공정, 환경 및 에너지 등의 반응기에 적용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-더블컨센트릭-튜브 반응기(10)의 구성의 하나의 유로를 도시하고 있다.
촉매반응 유로(34)와 반응기(10)의 상부와 하부에 위치하는 제 2밀봉방벽(51, 61)과 제 1밀봉방벽(50, 60) 사이에 위치하는 촉매반응 구역을 포함하는바, 반응기(10)의 상단에 위치하는 반응물 분배부(32)를 통해 각각의 촉매반응 유로(34)로 상기 반응물이 유입될 수 있다. 더욱이, 반응기(10) 하단에 위치하는 생성물 포집부(33)를 통해서 상기 촉매반응 유로(34)에서 촉매와 접촉하여 촉매반응을 통해 구성되는 생성물 또는 미반응 반응물을 포집하는바, 밀봉된 형태로 구성될 수 있다.
더욱이, 제 1밀봉방벽(50, 60)이 마주하는 내부에 밀봉된 구역을 포함하여 쉘 측 열매체 유동 구간을 포함할 수 있다. 상기 쉘 측 열매체 유동구간은 제 1밀봉방벽(50, 60) 내측에 위치하는 쉘 측 열매체 공급구(20) 및 쉘 측 열매체 배출구(21)를 포함하고, 쉘 내측면에 위치하는 적어도 하나 이상의 배플(25)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 하단 제 1밀봉방벽(60) 상단에 위치하는 쉘 측 열매체 공급구(20)를 통해서 쉘 측 열매체가 유입되고, 상단 제 1밀봉방벽(50) 하단에 위치하는 쉘 측 열매체 배출구(21)를 통해서 유입된 쉘 측 열매체가 배출되는 구성을 개시하고 있다. 상기와 같이 쉘 측 열매체 유동 구간을 포함하는바, 상기 열매체는 쉘 측 열매체 유동 구간에 위치하는 배플(25)의 개수 및 형태에 따라 열매체 유동 경로를 구성한다.
더욱이, 본 발명의 반응기(10)는 최상부 제 2밀봉방벽(51) 상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(43)와 최하부 제 2밀봉방벽(61) 하단에 위치하는 내부 열매체 분배부(42)를 더 포함하여 구성된다. 상기 최하부 제 2밀봉방벽(61) 하단에 위치하는 내부 열매체 분배부(42)는 내부 열매체 공급구(40)를 통해 내부 열매체가 유입되고, 상기 유입된 내부 열매체는 내부 열매체 유로(44)를 통해 반응기(10) 최상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(43)로 유동할 수 있다. 상기와 같이 내부 열매체 포집부(43)로 포집된 내부 열매체는 상기 내부 열매체 포집부(43)와 연결된 내부 열매체 배출구(41)를 통해서 쉘 반응기(10) 외부로 배출될 수 있다. 상기와 같이 내부 열매체 유동 구간을 구성하는바, 촉매반응 유로(34) 내부에 위치하는 내부 열매체 유로(44)로 내부 열매체를 공급하여 상기 촉매반응 유로(34)의 중심부와 열교환을 수행하는 구성이다.
결국, 본 발명의 반응기(10)는 쉘 내 배플(25)의 구성에 의해 쉘 측 열매체가 흐르는 열매체 유로가 형성되고, 그 내부에 촉매가 충진되고 열교환 반응물이 유동하는 촉매반응 유로(34)가 복수 구성되며, 그 내부에 내부 열매체가 통과하는 내부 열매체 유로(44)가 삽입되어 종래의 단순한 쉘-앤드-튜브 개념이 아닌, 이에 더하여 이중의 형태로 열교환하여 열교환 성능이 확장된 쉘-앤드-멀티-더블컨센트릭-튜브 개념의 반응기(10)를 개시하고 있다.
도 5a는 종래기술로서 쉘-앤드-튜브 반응기(10)의 촉매반응 유로(34) 길이방향에 따른 반응 기체의 온도차이를 그래프로 도시하고 있다.
즉 종래기술로서 촉매반응 유로(34)가 20mm의 내경을 포함하는 쉘-앤드-튜브 반응기(10)를 통해 GTL-FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 발열반응을 수행할 경우, 촉매반응 유로(34) 길이방향으로 반응기체는 ΔT=9K인 차이를 나타내고 있다.
이와 비교하여, 도 5b는 본 발명의 실시예에 따라 환형 촉매반응 유로(34)를 포함하는 반응기(10)의 길이방향 반응기체의 온도를 측정한 그래프를 도시하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 촉매반응 유로(34)와 내부 열매체 유로(44)의 내경은 각각 20mm, 10mm로 구성되는 GTL-FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 발열반응에 따른 반응기(10)를 구성하였다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 반응기(10)는 쉘 내부에 길이방향으로 구성되는 촉매반응 유로(34)를 포함하고 있는바, 반응기체는 반응기(10)의 상단부에서 반응물 분배부(32)를 통해 유입되고, 상기 촉매반응 유로(34)로 유입된다. 상기와 같이 반응기체는 촉매반응 유로(34)에서 촉매와 접촉되는 구성으로서, 길이방향으로 이동하면서 반응 기체의 발열반응이 수행되는 구성이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에서는 GTL-FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 고정의 발열반응인 FTS 반응에 의해, 촉매반응 유로(34)의 길이방향으로 발생하는 온도차인 ΔT=5.4K로 나타나는바, 상기 종래기술의 촉매반응 유로(34)의 길이방향 온도차이와 비교하여 반응기(10)의 길이방향 온도제어가 크게 용이하고, 온도조절에 따른 반응생성물의 선택도 조절이 용이한 것으로 확인되었다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-더블컨센트릭-튜브 열교환기(100)의 구성을 나타내는 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 열교환기(100)는 쉘 측으로 흐르는 열매체 유로, 열교환 유로(134) 및 내부의 열매체가 흐르는 유로들로 구성되며, 이때 각 유로는 열매체와 열교환 유로(134)들은 서로 교환되지 않으며, 충분한 열교환 확보를 위해 금속을 재질로 하여 제작될 수 있다. 더욱이, 열교환 유로(134)들은, 금속 재질로 구성될 수 있으며, 더 바람직하게는 쉘 측 열매체와 화학반응을 수행하지 않는 모든 구성을 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 열교환기(100)를 구성하는 유로의 소재로는, 우수한 열교환 성능 및 내구성을 고려해야 하는 동시에 유체가 흐를 수 있는 유로를 용이하게 형성할 수 있어야 하므로, 열전도성과 기계가공성이 좋은 알루미늄이나 구리, 또는 우수한 내열성 및 내식성을 가지는 스테인리스강이나 니켈, 코발트 계열의 합금(인코넬, 모넬 등) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 본 발명의 수직형 쉘-앤드-튜브 열교환기(100)의 형태를 유지하고 있는바, 쉘 측 열매체는 쉘 측 열매체 공급구(120)에서 상기 열교환기(100) 쉘 내측으로 유입되고 쉘 측 열매체 배출구(121)를 통해 상기 열교환이 수행된 쉘 측 열매체를 배출하는 구성을 포함한다. 더 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 쉘 측 열매체 공급구(120)가 열교환기(100)의 하단에 위치하도록 구성되고 쉘 측 열매체 배출구(121)는 열교환기(100) 상단에 위치할 수 있으며, 쉘 내측면에 위치하여 쉘 측 열매체의 이동경로를 구성하는 배플(125)이 더 포함된다. 상기와 같이, 다수의 배플(125) 구성을 통하여 쉘 측 열매체 유로(124)를 구성한다.
상기와 같이, 본 발명의 쉘 측 열매체는 쉘 측 열매체 공급구(120)를 통해 유입되고 쉘 내측면에 위치하는 다수의 배플(125)이 형성하는 유동 경로를 통해 쉘 측 열매체 배출구(121)로 배출되는바, 쉘 내부에 위치하는 열교환 유로(134)의 면적 전 영역을 통과할 수 있다.
상기와 같이, 쉘 측 공급구를 통해 유입되는 쉘 측 열매체는 쉘 내부를 순환하는 쉘 측 열매체 유동구역에서 열교환을 수행한다. 이렇게 구성되는 쉘 측 열매체 유동구역의 경우, 열교환기(100) 상단과 하단에 위치하는 제 3밀봉방벽(150, 160)을 통해 분리되는바, 상기 상단 제 3밀봉방벽(150)의 구성을 통해 쉘 측 열매체 배출구(121)와 열교환 물질 분배부(132) 사이에 위치하고, 하단 제 3밀봉방벽(160)은 쉘 측 열매체 공급구(120)와 열교환 완료 물질 포집부(133) 사이에 위치하는 구성이다. 상기와 같이, 각각 상하단에 위치하는 제 3밀봉방벽(150, 160)이 마주하는 내부에 위치하는 쉘 측 열매체 유동구역을 포함한다.
또한, 본 발명의 열교환기(100)는 쉘 내부에 위치하는 다수의 열교환 유로(134)를 포함하여 구성된다. 열교환 유로(134)의 경우, 열교환 물질 분배부(132)와 연결되어 열교환 대상 물질이 유입되고, 열교환 완료 물질 포집부(133)와 연결되어 열교환 완료 물질의 포집을 수행한다. 더욱이, 상기 열교환 물질 분배부(132)는 열교환기(100) 외측에 위치하는 열교환 물질 공급구(130)와 연결되며, 열교환 완료 물질 포집부(133)의 경우, 열교환기(100) 외측에 위치하는 열교환 완료 물질 배출구(131)와 연결되어 구성될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 열교환 완료 물질 포집부(133)는 열교환기(100)의 하단에 위치하는바, 최하부 제 4밀봉방벽(161)을 통해서 내부 열매체 분배부(142)와 밀봉되고 분리된다. 더욱이, 열교환 물질 분배부(132) 상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(143)와 상기 열교환 물질 분배부(132)는 최상부 제 4밀봉방벽(151)을 통해 밀봉 분리되는바, 상기 열교환 유로(134)와 열교환기(100) 상하에 위치하는 하나의 열교환구역을 형성하게 된다. 상기 열교환구역의 경우, 열교환기(100)의 상하단에 위치하는 제 3밀봉방벽(150, 160)과 제 4밀봉방벽(151, 161)이 마주하는 내부에 구성되는바, 본 발명의 열교환기(100)의 중단에 위치할 수 있다.
열교환 유로(134)의 경우, 환형 형태로 구성되는바, 열교환 유로(134) 내부에 위치하는 내부 열매체 유로(144)를 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 환형으로 구성되는 열교환 유로(134)를 포함하는바, 상기 열교환 유로(134)의 직경 보다 작은 직경을 갖는 내부 열매체 유로(144)를 구성한다. 이렇게 구성되는 내부 열매체 유로(144)는 상기 열교환 유로(134)와 동일한 중심부를 갖고, 상단과 하단으로 돌출되어 열교환 물질 분배부(132) 및 열교환 완료 물질 포집부(133)의 상 하단을 관통하는 구성을 포함한다.
내부 열매체 유로(144)의 경우, 내부 열매체 공급구(열교환 유로(134))로부터 열매체가 공급되는바, 열교환 유로(134)의 내부를 관통하여 내부 열매체 배출부를 통해 열교환 유로(134) 내부에서 열교환을 수행한 열매체가 배출되는 구성이다. 더 바람직하게, 내부 열매체 공급구(열교환 유로(134))를 통해 공급되는 열매체는 열교환기(100)의 최하단에 위치하는 내부 열매체 분배부(142)로 유입되고, 상기 내부 열매체 분배부(142)에 위치하는 상기 열매체는 각각의 내부 열매체 유로(144)로 유입되는 구성을 포함한다. 이렇게 각각의 내부 열매체 유로(144)로 유입되는 열매체는 열교환기(100) 최상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(143)에 포집되어 쉘 측단에 위치하는 내부 열매체 배출구(141)를 통하여 배출될 수 있다.
상기와 같이, 열교환 유로(134) 내부에 위치하는 내부 열매체 유로(144)를 통해 유입되는 열매체가 상기 열교환 유로(134)와 열교환을 수행하는바, 내부 열매체 유로(144)의 개방된 일단부에 위치하고 열교환기(100)의 최하단에 구성되는 내부 열매체 분배부(142)와 열교환기(100) 최상단의 내부 열매체 포집부(143)는 각각 제 4밀봉방벽(151, 161)과 열교환기(100)의 상하 양 끝단을 통해 밀봉되는 구성을 포함한다. 상기와 같이 본 발명은 내부 열매체의 유동을 수행하기 위한 구성들을 모두 포함하는 내부 열매체 유동구역을 형성하는바, 상기 내부 열매체 유동구역은 상기 내부 열매체 분배부(142)와 내부 열매체 포집부(143) 각각에 위치하는 제 4밀봉방벽(151, 161)을 통해 밀봉된다. 이처럼, 상기 내부 열매체 유동구역의 구성에서 유동하는 열매체의 경우, 열교환 물질 및 열교환 완료 물질 등과 접촉되지 않도록 분리된다.
본 발명의 환형 열교환 유로(134)의 경우, 원형으로 구성되는 열교환 유로(134) 내부에 동일한 중심을 갖도록 구성되는 내부 열매체 유로(144)를 더 포함한다. 상기 내부 열매체 유로(144)는 열교환 유로(134)의 중심부에 가까운 열교환 물질과 열교환을 수행하는바, 쉘 측 열매체와 접하는 열교환 유로(134)의 내측 벽면과 열교환이 어려운 열교환 물질에 대한 냉각을 수행할 수 있다.
바람직한 본 발명의 일 실시예에서는 열교환기(100)의 열교환 유로(134), 내부 열매체 유로(144)의 내경은 각각 10.0 ~ 150.0 mm, 10.0 ~ 50.0 mm로 할 수 있고, 더욱 바람직하게는 5.0 ~ 50.0 mm, 5.0 ~ 25.0 mm로 구성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-더블컨센트릭-튜브 열교환기(100)의 구성의 하나의 열교환 유로(134)의 구성을 도시하고 있다.
각각 열교환기(100) 상하부에 위치하는 제 3밀봉방벽(150, 160)과 제 4밀봉방벽(151, 161) 사이에 열교환구역을 포함하는바, 열교환기(100)의 상단에 위치하는 열교환 물질 분배부(132)를 통해 각각의 열교환 유로(134)로 상기 열교환 물질이 유입될 수 있다. 더욱이, 열교환기(100) 하단에 위치하는 열교환 완료 물질 포집부(133)를 통해서 상기 열교환 유로(134)에서 열교환이 완료된 열교환 물질을 포집하는바, 상기 열교환 물질이 포집되는 공간은 밀봉된 형태로 구성될 수 있다.
더욱이, 열교환기(100) 상하부에 제 3밀봉방벽(150, 160)이 마주하는 내부에 밀봉된 구역으로서, 쉘 측 열매체 유동 구간을 포함할 수 있다. 상기 쉘 측 열매체 유동구간은 제 3밀봉방벽(150, 160) 내측에 위치하는 쉘 측 열매체 공급구(120) 및 쉘 측 열매체 배출구(121)를 포함하고, 쉘 내측면에 위치하는 적어도 하나 이상의 배플(125)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 하단 제 3밀봉방벽(160) 상단에 위치하는 쉘 측 열매체 공급구(120)를 통해서 쉘 측 열매체가 유입되고, 상단 제 3밀봉방벽(150) 하단에 위치하는 쉘 측 열매체 배출구(121)를 통해서 유입된 쉘 측 열매체가 배출되는 구성을 개시하고 있다. 상기와 같이 쉘 측 열매체 유동 구간을 포함하는바, 상기 열매체는 쉘 측 열매체 유동 구간에 위치하는 배플(125)의 개수 및 형태에 따라 열매체 유동 경로를 구성한다.
더욱이, 본 발명의 열교환기(100)는 최상부 제 4밀봉방벽(151) 상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(143)와 최하부 제 4밀봉방벽(161) 하단에 위치하는 내부 열매체 분배부(142)를 더 포함하여 구성된다. 상기 최하부 제 4밀봉방벽(161) 하단에 위치하는 내부 열매체 분배부(142)는 내부 열매체 공급구(열교환 유로(134))를 통해 내부 열매체가 유입되고, 상기 유입된 내부 열매체는 내부 열매체 유로(144)를 통해 열교환기(100) 최상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(143)로 유동할 수 있다. 상기와 같이 내부 열매체 포집부(143)로 포집된 내부 열매체는 상기 내부 열매체 포집부(143)와 연결된 내부 열매체 배출구(141)를 통해서 쉘 열교환기(100) 외부로 배출될 수 있다. 상기와 같이 내부 열매체 유동 구간을 구성하는바, 열교환 유로(134)의 내측면에 내부 열매체 유로(144)를 공급하여 상기 열교환 대상 물질의 중심부와 열교환을 수행하는 구성이다.
결국, 본 발명의 열교환기(100)는 쉘 내 배플(125)의 구성에 의해 쉘 측 열매체가 흐르는 열매체 유로가 형성되고, 열교환 유로(134) 내부에 내부 열매체가 통과하는 내부 열매체 유로(144)가 삽입되어 종래의 단순한 쉘-앤드-튜브 개념이 아닌, 이중의 형태로 열교환하여 열교환 성능이 확장된 쉘-앤드-멀티-더블 컨센트릭-튜브 개념의 열교환기(100)를 개시하고 있다.
도 8는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기(200)의 구성을 나타내는 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 반응기(200)는 쉘 측으로 흐르는 열매체 유로, 촉매로 충진된 반응물이 흐르는 촉매반응 유로(234) 및 내부의 열매체가 흐르는 유로들로 구성되며, 이때 각 유로는 열매체와 반응물 공급구(230)및 촉매가 접촉되지 않으며, 충분한 열교환 확보를 위해 금속을 재질로 하여 제작될 수 있다. 상기 반응물이 흐르는 촉매반응 유로(234) 및 내부 열매체 유입관(244)의 경우, 금속 재질로 구성될 수 있으며, 더 바람직하게는 쉘 측 열매체와 화학반응을 수행하지 않는 모든 구성을 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 반응기(200)를 구성하는 유로의 소재로는, 우수한 열교환 성능 및 내구성을 고려해야 하는 동시에 유체가 흐를 수 있는 유로를 용이하게 형성할 수 있어야 하므로, 열전도성과 기계적 가공성이 좋은 알루미늄이나 구리, 또는 우수한 내열성 및 내식성을 가지는 스테인리스강이나 니켈, 코발트 계열의 합금(인코넬, 모넬 등) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 본 발명의 수직형 쉘-앤드-튜브 반응기(200)의 형태를 유지하고 있는바, 쉘 측 열매체는 쉘 측 열매체 공급구(220)에서 상기 반응기(200) 쉘 측으로 유입되고 쉘 측 열매체 배출구(221)를 통해 상기 열교환이 수행된 쉘 측 열매체를 배출하는 구성을 포함한다. 더 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 쉘 측 열매체 공급구(220)가 반응기(200)의 하단에 위치하도록 구성되고 쉘 측 열매체 배출구(221)는 반응기(200) 상단에 위치할 수 있으며, 쉘 내측면에 위치하여 쉘 측 열매체의 이동경로를 구성하는 배플(225)이 더 포함된다.
상기와 같이, 본 발명의 쉘 측 열매체는 쉘 측 열매체 공급구(220)를 통해 유입되고 쉘 내측면에 위치하는 다수의 배플(225)이 형성하는 유동 경로를 통해 쉘 측 열매체 배출구(221)로 배출되는바, 쉘 내부에 위치하는 촉매반응 유로(234)의 최대 단면적과 접촉하도록 전 영역을 통과할 수 있다.
상기와 같이, 쉘 측 공급구를 통해 유입되는 쉘 측 열매체는 쉘 내부를 순환하는 쉘 측 열매체 유동구역에서 열교환을 수행한다. 상기와 같이 구성되는 쉘 측 열매체 유동구역의 경우, 반응기(200) 상단과 하단에 위치하는 제 5밀봉방벽(250, 260)을 통해 분리되는바, 상기 제 5밀봉방벽(250, 260)의 구성을 통해 쉘 측 열매체 배출구(221)와 반응물 분배부(232) 및 쉘 측 열매체 공급구(220)와 생성물 포집부(233)를 분리하는 구성이다. 상기와 같이, 반응기(200)의 상 하단에 위치하는 제 5밀봉방벽(250, 260)이 마주하는 내부에 위치하는 쉘 측 열매체 유동구역을 포함한다.
또한, 본 발명의 반응기(200)는 반응물이 통과하는 쉘 내부에 위치하는 다수의 촉매반응 유로(234)를 포함하여 구성된다. 촉매반응 유로(234)의 경우, 촉매가 유로의 길이방향을 따라 충진되어 존재할 수 있다. 더 바람직하게, 상기 촉매는 촉매반응 유로(234)의 길이방향에 따라 상이한 기능을 수행하는 촉매를 순차적으로 적층되어 구성될 수 있으며, 사용자의 반응기(200) 사용 형태나 용도에 따라 촉매의 양과 단일 반응기의 개수는 상이할 수 있다. 또한, 촉매반응 유로(234) 내부에 압출 성형된 펠렛, 구형 및 파우더 형상의 적어도 하나 이상의 반응 촉매를 충전되어 구성될 수 있다.
또한 고정층 반응기 대신에 파우더 형상의 촉매가 액상의 용매에 일정량 혼합된 액체와 반응가스가 동시에 공급되는, 다시 말해 슬러리 버블 컬럼 반응기(Slurry bubble column reactor) 형태로도 구성될 수 있다.
상기 촉매반응 유로(234)의 경우, 반응물 분배부(232)를 통해 촉매로 충진된 촉매반응 유로(234)로 반응물이 분배된다. 더욱이, 상기 반응물 분배부(232)는 쉘 측면에 위치하는 반응물 공급구(230)와 연결되는 구성을 포함한다. 분배된 반응물은 상기 촉매반응 유로(234)를 길이방향으로 통과되는바, 촉매반응 유로(234)에 충진된 적어도 하나 이상의 촉매와 접촉 반응을 수행한다. 이렇게 촉매반응이 수행된 상기 반응가스는 최종적으로 생성물과 반응을 수행하지 않은 미반응물을 포함하여 반응기(200) 하단에 위치하는 생성물 포집부(233)를 통해 포집된다. 포집된 생성물 또는 미반응물은 생성물 포집부(233)와 연결되는 생성물 배출구(31)를 통해 쉘의 외부로 배출될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 생성물 포집부(233)는 반응기(200)의 하단에 위치하는바, 반응기(200) 하단에 위치하는 하부 제 5밀봉방벽(260)과 반응기(200) 최하단부를 통해서 밀봉되고 밀봉되는 구성이다. 더욱이, 반응물 분배부(232) 상단에 위치하는 쉘 측 열매체 배출구(221)와 상기 쉘 측 열매체 배출구(221) 상부에 위치하는 상기 반응물 분배부(232)는 상부 제 5밀봉방벽(250)을 통해 분리되는바, 상기 반응물 분배부(232)는 상부 제 5밀봉방벽(250)과 하부 제 6밀봉방벽(261) 사이에 위치하여 밀봉분리되는 구성이다. 따라서, 촉매반응 유로(234), 반응기(200) 상하에 위치하는 반응물 분배부(232) 및 생성물 포집부(233)를 포함하여 하나의 촉매반응 구역을 형성하게 된다. 상기 촉매반응 구역의 경우, 본 발명의 반응기(200)의 중단에 위치할 수 있다.
상기 밀봉방벽의 경우, 각각의 열매체 및 반응가스, 생성물등의 유체가 누출되지 않도록 디퓨젼 본딩(diffusion bonding), 브레이징(brazing), 레이저 용접, 전기도금, 티그(TIG) 용접, 프레싱, 엠보싱 프레싱 등에 의해 접합 고정될 수 있으며 서로 플랜지 형태로 조립될 수 있다.
촉매반응 유로(234)의 경우, 환형으로 구성되는바, 촉매반응 유로(234) 내부에 위치하는 내부 열매체 유입관(244)을 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 환형으로 구성되는 촉매반응 유로(234)를 포함하는바, 상기 촉매반응 유로(234)의 직경 보다 작은 직경을 갖는 내부 열매체 유입관(244)을 구성한다. 이렇게 구성되는 내부 열매체 유입관(244)은 상기 촉매반응 유로(234)와 동일한 중심을 갖고, 상기 촉매반응 유로(234) 상단으로 돌출되어 하부 제 6밀봉방벽(261) 상단에 개방된 형태를 포함한다. 더 바람직하게, 상기 촉매반응 유로(234)는 상기 하부 제 6밀봉방벽(261)위쪽 구성과 유체연결되는 구성이다.
더욱이, 상기 촉매반응 유로(234) 내부에 위치하는 내부 열매체 유입관(244)은 환형으로 구성되는바, 내측에 길이방향으로 삽입되는 내부 열매체 배출관(245)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 내부 열매체 유입관(244)은 촉매반응 유로(234)로 삽입된 일끝단이 폐쇄되는 구성을 포함한다. 더 바람직하게, 상기 내부 열매체 유입관(244)과 동일한 중심을 갖는 원형으로 구성되는 내부 열매체 배출관(245)은 내부 열매체 유입관(244)으로 삽입된 일단면이 개방된 형태를 취하고 있는바, 내부 열매체 유입관(244)으로 유입되는 열매체는 폐쇄된 내부 열매체 유입관(244)의 구성에 의해 내부 열매체 배출관(245)으로 유체 이동이 가능한 구성이다. 또한, 내부 열매체 배출관(245)이 내부 열매체 유입관(244)으로 삽입된 타단면은 돌출된 형태로 구성되는바, 최상부 제 6밀봉방벽(251) 상부에 위치하는 내부 열매체 포집부(243)와 유체 연결되는 구성을 포함할 수 있다.
내부 열매체 유입관(244)의 경우, 내부 열매체 공급구(240)로부터 열매체가 공급되는바, 촉매반응 유로(234)에 삽입되어 내부 열매체 배출부를 통해 촉매반응 유로(234) 내부에서 열교환을 수행한 열매체가 배출되는 구성이다. 더 바람직하게, 내부 열매체 공급구(240)를 통해 공급되는 열매체는 반응기(200)의 상단에 위치하는 내부 열매체 분배부(242)로부터 유입되고, 상기 내부 열매체 분배부(242)에 위치하는 상기 열매체는 각각의 내부 열매체 유입관(244)으로 유입되는 구성을 포함한다. 이렇게 각각의 내부 열매체 유입관(244)으로 유입되는 열매체는 반응기(200) 최상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(243)에 포집되어 쉘 측단에 위치하는 내부 열매체 배출구(241)를 통하여 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 내부 열매체는 내부 열매체 분배부(242)를 통해 내부 열매체 유입관(244)으로 유입되고, 유입된 내부 열매체는 상기 내부 열매체 유입관(244)에 삽입되어 유체 연결된 내부 열매체 배출관(245)을 통해 최상부에 위치하는 내부 열매체 포집부(243)에서 포집되는 구성을 포함한다.
상기와 같이, 촉매 반응 유로 내부에 위치하는 내부 열매체 유입관(244)를 통해 유입되는 열매체가 상기 촉매 반응 유로와 열교환을 수행하는바, 내부 열매체 유입관(244)의 개방된 일단부에 위치하고 반응기(200)의 상단에 구성되는 내부 열매체 분배부(242)와 반응기(200) 최상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(243)는 최상부 제 6밀봉방벽(251)과 반응기(200)의 상단 끝단을 통해 밀봉되는 구성을 포함한다. 이렇게 본 발명은 내부 열매체의 유동을 수행하기 위한 구성들을 모두 포함하는 내부 열매체 유동구역을 형성한다. 상기 내부 열매체 유동구역은 상기 내부 열매체 분배부(242)와 내부 열매체 포집부(243)를 포함하는바, 반응기(200) 최상부에 위치하는 최상부 제 6밀봉방벽(251)을 통해 밀봉된다. 최상부 제 6밀봉방벽(251)의 경우, 내부 열매체 포집부(243)와 반응물 분배부(232) 사이에 위치하여 유입되는 내부 열매체와 열교환을 수행한 내부 열매체가 섞이는 것을 방지한다. 또한, 하부 제 6밀봉방벽(261)은 내부 열매체 공급구(240)와 반응물 분배부(232) 사이에 위치하여 반응물과 유입되는 내부 열매체가 섞이는 것을 방지할 수 있는 구성이다.
도 9은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기(200)의 구성을 나타내는 단면도이다.
상기 단면도는 도 2에 A-A'의 단면을 도시하고 있는바, 촉매반응 유로(234), 내부 열매체 유입관(244) 및 쉘 측 열매체 유로(224)를 개시하고 있다.
본 발명의 환형 촉매반응 유로(234)의 경우, 원형으로 구성되는 촉매반응 유로(234) 내부에 동일한 중심을 갖도록 구성되는 내부 열매체 유입관(244)를 더 포함한다. 또한, 상기 내부 열매체 유입관(244)은 반응기(200) 하측 일단이 막힌 구조를 포함한다. 상기 내부 열매체 유입관(244)는 촉매반응 유로(234)의 중심부에 가까운 반응물과 열교환을 수행하는바, 촉매반응 유로(234)의 내측 벽면에 위치하는 반응물에 대한 냉각을 수행할 수 있다.
또한, 내부 열매체 유입관(244)의 중심부에 위치하는 내부 열매체 배출관(245)을 더 포함하는바, 상기 내부 열매체 배출관(245)은 내부 열매체 유입관(244)에 길이방향으로 삽입되는 구성이다. 상기 내부 열매체 배출관(245)은 삽입된 일 끝단이 개방된 형태를 포함하는바, 상기 내부 열매체 유입관(244)으로 유입되는 내부 열매체와 유체 연결되는 구성을 포함한다.
더욱이, 상기 내부 열매체 유입관(244)과 내부 열매체 배출관(245)은 그 기능을 반대로 수행할 수 있는바, 내부 열매체 배출관(245)과 연결된 내부 열매체 포집부(243)를 통해서 열교환이 수행되지 않은 내부 열매체가 유입될 수 있고, 촉매반응 유로(234)와 열교환을 수행한 내부 열매체는 내부 열매체 유입관(244)을 통해 내부 열매체 분배부(242)로 배출될 수 있다. 이처럼, 본 발명의 경우, 유입과 배출은 반응기(200) 또는 열교환기(300)의 적용 사항, 구조 및 형태에 따라 달라질 수 있다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 반응기(200)의 촉매반응 유로(234), 내부 열매체 유입관(244)의 내경은 각각 10.0 ~ 150.0 mm, 10.0 ~ 50.0 mm로 할 수 있고, 더욱 바람직하게는 5.0 ~ 50.0 mm, 5.0 ~ 25.0 mm로 구성될 수 있다. 더욱이, 내부 열매체 배출관(245)의 내경은 5mm ~ 9mm로 구성될 수 있다.
더욱이, 본 발명의 반응기(200)는 일반적으로 발열 또는 흡열 반응을 수행하는 구성에 적용이 가능하고, 더 바람직하게, 본 발명의 반응기(200)는 GTL(Gas-to-Liquid), CTL(Coal-to-Liquid), BTL(Biomass-to-Liquid), DME(Dimethyl Ether), MeOH(Methanol) 등의 청정연료 제조용 GTL, GTL-FPSO(Floating Production Storage and Offloading), DME-FPSO 및 MeOH-FPSO, 연료전지용 연료 개질기, 수소스테이션, 석유화학, 정밀화학, 환경 및 에너지 등의 반응기로서 적용될 수 있다.
도 10는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 반응기(200)의 구성으로서 하나의 유로를 도시하고 있다.
촉매반응 유로(234)와 반응기(200)의 상부와 하부에 위치하는 반응물 분배부(232)와 생성물 포집부(233)는 촉매반응 구역을 구성하는바, 반응기(200)의 상단에 위치하는 반응물 분배부(232)를 통해 각각의 촉매반응 유로(234)로 상기 반응물이 유입될 수 있다. 상기 반응물 분배부(232)는 상부 제 5밀봉방벽(250)과 하부 제 6밀봉방벽(261) 사이에 구성된다. 더욱이, 반응물 하단에 위치하는 생성물 포집부(233)를 통해서 상기 촉매반응 유로(234)에서 촉매와 접촉하여 촉매반응을 통해 구성되는 생성물 또는 미반응 반응물을 포집하는바, 밀봉된 형태로 구성될 수 있다.
또한, 상하부에 위치하는 제 5밀봉방벽(250, 260)이 마주하는 내부에 밀봉된 구역을 포함하여 쉘 측 열매체 유동 구간을 포함할 수 있다. 상기 쉘 측 열매체 유동구간은 제 5밀봉방벽(250, 260) 내측에 위치하는 쉘 측 열매체 공급구(220) 및 쉘 측 열매체 배출구(221)를 포함하고, 쉘 내측면에 위치하는 적어도 하나 이상의 배플(225)을 포함하여 구성된다.
본 발명의 일 실시예에서는 하단 제 5밀봉방벽(260) 상단에 위치하는 쉘 측 열매체 공급구(220)를 통해서 쉘 측 열매체가 유입되고, 상단 제 5밀봉방벽(250) 하단에 위치하는 쉘 측 열매체 배출구(221)를 통해서 유입된 쉘 측 열매체가 배출되는 구성을 개시하고 있다. 상기와 같이 쉘 측 열매체 유동 구간을 포함하는바, 상기 열매체는 쉘 측 열매체 유동 구간에 위치하는 배플(225)의 개수 및 형태에 따라 열매체 유동 경로를 구성한다.
더욱이, 본 발명의 반응기(200)는 최상부 제 7밀봉방벽(251) 상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(243)와 최상부 제 7밀봉방벽(251)과 하부 제 7밀봉방벽(261) 사이에 위치하는 내부 열매체 분배부(242)를 더 포함하여 구성된다. 상기 내부 열매체 분배부(242)는 내부 열매체 공급구(240)를 통해 내부 열매체가 유입되고, 상기 유입된 내부 열매체는 내부 열매체 유입관(244)를 통해 반응기(200) 상단부와 최상부 제 7밀봉방벽(251) 사이에 구성되는 열매체 포집부로 유동할 수 있다. 상기와 같이 내부 열매체 포집부(243)로 포집된 내부 열매체는 상기 내부 열매체 포집부(243)와 연결된 내부 열매체 배출구(241)를 통해서 쉘 반응기(200) 외부로 배출될 수 있다. 상기와 같이 내부 열매체 유동 구간을 구성하는바, 촉매반응 유로(234) 내부에 위치하는 내부 열매체 유입관(244)으로 내부 열매체를 공급하여 상기 반응물의 중심부와 열교환을 수행하며, 내부 열매체 유입관(244) 내부에 위치하는 내부 열매체 배출관(245)을 통해 열교환된 내부 열매체를 배출하는 구성이다.
상기 각각의 밀봉방벽은 촉매반응 유로(234), 내부 열매체 유입관(244) 및 내부 열매체 배출관(245)이 관통되는 형태로서, 쉘 내부에 일정한 밀봉 공간을 형성하는 구성을 포함한다.
결국, 본 발명의 반응기(200)는 쉘 내 배플(225)의 구성에 의해 쉘 측 열매체가 흐르는 열매체 유로가 형성되고, 그 내부에 촉매가 충진되고 반응물이 흐르는 촉매반응 유로(234)가 복수로 구성되며, 그 내부에 내부 열매체가 통과하는 내부 열매체 유입관(244)가 삽입되어 종래의 단순한 쉘-앤드-튜브 개념이 아닌, 이에 더하여 이중의 형태로 열교환하여 열교환 성능이 확장된 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 개념의 반응기(200)를 개시하고 있다.
도 11a는 종래기술로서 쉘-앤드-튜브 반응기(200)의 촉매반응 유로(234) 길이방향에 따른 반응 기체의 온도차이를 그래프로 도시하고 있다.
즉 종래기술로서 촉매반응 유로(234)가 20mm의 내경을 포함하는 쉘-앤드-튜브 반응기(200)를 통해 GTL-FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 발열반응을 수행할 경우, 촉매반응 유로(234) 길이방향으로 반응기체는 ΔT=9K인 차이를 나타내고 있다.
이와 비교하여, 도 11b는 본 발명의 실시예에 따라 환형 촉매반응 유로(234)를 포함하는 반응기(200)의 길이방향 반응기체의 온도를 측정한 그래프를 도시하고 있다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따라 촉매반응 유로(234)와 내부 열매체 유로(244)의 내경은 각각 20mm, 10mm로 구성되는 GTL-FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 발열반응에 따른 반응기(200)를 구성하였다.
상기와 같이 구성되는 본 발명의 반응기(200)는 쉘 내부에 길이방향으로 구성되는 촉매반응 유로(234)를 포함하고 있는바, 반응기체는 반응기(200)의 상단부에서 반응물 분배부(232)를 통해 유입되고, 상기 촉매반응 유로(234)로 유입된다. 상기와 같이 반응기체는 촉매반응 유로(234)에서 촉매와 접촉되는 구성으로서, 길이방향으로 이동하면서 반응 기체의 발열반응이 수행되는 구성이다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 바람직한 실시예에서는 GTL-FPSO(Floating Production Storage and Offloading) 공정의 발열반응인 FTS 반응에 의해, 촉매반응 유로(234)의 길이방향으로 발생하는 온도차인 ΔT=4.3K로 나타나는바, 상기 종래기술의 촉매반응 유로(234)의 길이방향 온도차이와 비교하여 반응기(200)의 길이방향 온도제어가 크게 용이하고, 온도조절에 따른 반응생성물의 선택도 조절이 용이한 것으로 확인되었다.
도 12는 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 열교환기(300)의 구성을 나타내는 측단면도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명의 열교환기(300)는 쉘 측으로 흐르는 열매체 유로, 열교환 유로(334) 및 내부의 열매체가 흐르는 유로들로 구성되며, 이때 각 유로는 열매체와 열교환 대상 물질이 접촉되지 않으며, 충분한 열교환 확보를 위해 금속을 재질로 하여 제작될 수 있다. 상기 열교환 대상 물질이 흐르는 열교환 유로(334) 및 내부 열매체 유입관(344)의 경우, 금속 재질로 구성될 수 있으며, 더 바람직하게는 쉘 측 열매체와 화학반응을 수행하지 않는 모든 구성을 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 열교환기(300)를 구성하는 유로의 소재로는, 우수한 열교환 성능 및 내구성을 고려해야 하는 동시에 유체가 흐를 수 있는 유로를 용이하게 형성할 수 있어야 하므로, 열전도성과 기계가공성이 좋은 알루미늄이나 구리, 또는 우수한 내열성 및 내식성을 가지는 스테인리스강이나 니켈, 코발트 계열의 합금(인코넬, 모넬 등) 등을 사용할 수 있으나, 이에 한정되지는 않는다.
또한, 본 발명의 수직형 쉘-앤드-튜브 열교환기(300)의 형태를 유지하고 있는바, 쉘 측 열매체는 쉘 측 열매체 공급구(320)에서 상기 열교환기(300) 쉘 측으로 유입되고 쉘 측 열매체 배출구(321)를 통해 상기 열교환이 수행된 쉘 측 열매체를 배출하는 구성을 포함한다. 더 바람직하게, 본 발명의 일 실시예에서는 상기 쉘 측 열매체 공급구(320)가 열교환기(300)의 하단에 위치하도록 구성되고 쉘 측 열매체 배출구(321)는 열교환기(300) 상단에 위치할 수 있으며, 쉘 내측면에 위치하여 쉘 측 열매체의 이동경로를 구성하는 배플(325)이 더 포함된다.
상기와 같이, 본 발명의 쉘 측 열매체는 쉘 측 열매체 공급구(320)를 통해 유입되고 쉘 내측면에 위치하는 다수의 배플(325)이 형성하는 유동 경로를 통해 쉘 측 열매체 배출구(321)로 배출되는바, 쉘 내부에 위치하는 열교환 유로(334)의 최대 단면적과 접촉하도록 전 영역을 통과할 수 있다.
상기와 같이, 쉘 측 공급구를 통해 유입되는 쉘 측 열매체는 쉘 내부를 순환하는 쉘 측 열매체 유동구역에서 열교환을 수행한다. 이렇게 구성되는 쉘 측 열매체 유동구역의 경우, 열교환기(300) 상단과 하단에 위치하는 제 7밀봉방벽(350, 360)을 통해 분리되는바, 상기 제 7밀봉방벽(350, 360)의 구성을 통해 쉘 측 열매체 배출구(321)와 열교환 대상 물질 분배부 및 쉘 측 열매체 공급구(320)와 열교환 완료 물질 포집부(333)를 분리하는 구성이다. 상기와 같이, 열교환기(300)의 상 하단에 위치하는 제 7밀봉방벽(350, 360)이 마주하는 내부에 위치하는 쉘 측 열매체 유동구역을 포함한다.
또한, 본 발명의 열교환기(300)는 열교환 대상 물질이 통과하는 쉘 내부에 위치하는 다수의 열교환 유로(334)를 포함하여 구성된다.
상기 열교환 유로(334)의 경우, 열교환 물질 분배부(332)를 통해 열교환 유로(334)로 열교환 대상 물질이 분배된다. 열교환 물질 분배부(332)는 쉘 측면에 위치하는 열교환 물질 공급구(330)를 통해 열교환 대상 물질이 유입된다. 분배된 열교환 대상 물질은 상기 열교환 유로(334)를 길이방향으로 통과된다. 이렇게 열교환이 수행된 상기 열교환 완료 물질은 최종적으로 열교환기(300) 하단에 위치하는 열교환 완료 물질 포집부(333)를 통해 포집된다. 포집된 열교환 완료 물질은 열교환 완료 물질 포집부(333)와 연결되는 열교환 완료 물질 배출구(331)를 통해 쉘의 외부로 배출될 수 있다.
상기와 같이 구성되는 열교환 완료 물질 포집부(333)는 열교환기(300)의 하단에 위치하는바, 열교환기(300) 하단에 위치하는 하부 제 7밀봉방벽(360)과 열교환기(300) 최하단부를 통해서 밀봉되는 구성이다. 더욱이, 열교환 물질 분배부(332) 상단에 위치하는 쉘 측 열매체 배출구(321)와 상기 쉘 측 열매체 배출구(321) 상부에 위치하는 상기 열교환 물질 분배부(332)는 상부 제 7밀봉방벽(350)을 통해 분리되는바, 상기 열교환 물질 분배부(332)는 상부 제 7밀봉방벽(350)과 하부 제 8밀봉방벽(361) 사이에 위치하여 밀봉분리되는 구성이다. 따라서, 열교환 유로(334), 열교환기(300) 상하에 위치하는 열교환 물질 분배부(332) 및 열교환 완료 물질 포집부(333)를 포함하여 하나의 열교환구역을 형성하게 된다. 상기 열교환구역의 경우, 본 발명의 열교환기(300)의 중단에 위치할 수 있다.
상기 밀봉방벽의 경우, 각각의 열매체 및 열교환 대상 물질, 열교환 안료 물질 등의 유체가 누출되지 않도록 디퓨젼 본딩(diffusion bonding), 브레이징(brazing), 레이저 용접, 전기도금, 티그(TIG) 용접, 프레싱, 엠보싱 프레싱 등에 의해 접합 고정될 수 있으며 서로 플랜지 형태로 조립될 수 있다.
열교환 유로(334)의 경우, 환형으로 구성되는바, 열교환 유로(334) 내부에 위치하는 내부 열매체 유입관(344)을 포함하여 구성된다. 본 발명의 일 실시예에서는 환형으로 구성되는 열교환 유로(334)를 포함하는바, 상기 열교환 유로(334)의 직경 보다 작은 직경을 갖는 내부 열매체 유입관(344)을 구성한다. 이렇게 구성되는 내부 열매체 유입관(344)은 상기 열교환 유로(334)와 동일한 중심을 갖고, 상기 열교환 유로(334) 상단으로 돌출되어 열교환 물질 분배부(332)의 상단에 위치하는 하부 제 8밀봉방벽(361)과 연결된 형태를 포함한다. 더 바람직하게, 상기 열교환 유로(334)는 상기 하부 제 8밀봉방벽(361)위쪽 구성과 유체연결되는 구성이다.
더욱이, 상기 열교환 유로(334) 내부에 위치하는 내부 열매체 유입관(344)은 환형으로 구성되는바, 내측에 길이방향으로 삽입되는 내부 열매체 배출관(345)을 포함하여 구성된다. 또한, 상기 내부 열매체 유입관(344)은 열교환 유로(334)로 삽입된 일끝단이 폐쇄되는 구성을 포함한다. 더 바람직하게, 상기 내부 열매체 유입관(344)과 동일한 중심을 갖는 원형으로 구성되는 내부 열매체 배출관(345)은 내부 열매체 유입관(344)으로 삽입된 일단면이 개방된 형태를 취하고 있는바, 내부 열매체 유입관(344)으로 유입되는 열매체는 폐쇄된 내부 열매체 유입관(344)의 구성에 의해 내부 열매체 배출관(345)으로 유체 이동이 가능한 구성이다. 또한, 내부 열매체 배출관(345)이 내부 열매체 유입관(344)으로 삽입된 타단면은 돌출된 형태로 구성되는바, 최상부 제 8밀봉방벽(351) 상부에 위치하는 내부 열매체 포집부(343)와 연결되는 구성을 포함할 수 있다.
내부 열매체 유입관(344)의 경우, 내부 열매체 공급구(340)로부터 열매체가 공급되는바, 열교환 유로(334)에 삽입되어 내부 열매체 배출부를 통해 열교환 유로(334) 내부에서 열교환을 수행한 열매체가 배출되는 구성이다. 더 바람직하게, 내부 열매체 공급구(340)를 통해 공급되는 열매체는 열교환기(300)의 상단에 위치하는 내부 열매체 분배부(342)로부터 유입되고, 상기 내부 열매체 분배부(342)에 위치하는 상기 열매체는 각각의 내부 열매체 유입관(344)으로 유입되는 구성을 포함한다. 이렇게 각각의 내부 열매체 유입관(344)으로 유입되는 열매체는 열교환기(300) 최상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(343)에 포집되어 쉘 측단에 위치하는 내부 열매체 배출구(341)를 통하여 배출될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서는 상기 내부 열매체는 내부 열매체 분배부(342)를 통해 내부 열매체 유입관(344)으로 유입되고, 유입된 내부 열매체는 상기 내부 열매체 유입관(344)에 삽입되어 유체 연결된 내부 열매체 배출관(345)을 통해 최상부에 위치하는 내부 열매체 포집부(343)에서 포집되는 구성을 포함한다.
상기와 같이, 열교환 유로(334) 내부에 위치하는 내부 열매체 유입관(344)를 통해 유입되는 열매체가 상기 열교환 유로(334)와 열교환을 수행하는바, 내부 열매체 유입관(344)의 개방된 일단부는 열교환기(300)의 상단에 구성되는 내부 열매체 분배부(342)와 연결되고, 열교환기(300) 최상단에 위치하는 내부 열매체 포집부(343)는 최상부 제 8밀봉방벽(351)과 열교환기(300)의 상단 끝단을 통해 밀봉되는 구성을 포함한다. 이렇게 본 발명은 내부 열매체의 유동을 수행하기 위한 구성들을 모두 포함하는 내부 열매체 유동구역을 형성한다. 상기 내부 열매체 유동구역은 상기 내부 열매체 분배부(342)와 내부 열매체 포집부(343)를 포함하는바, 열교환기(300) 최상부에 위치하는 최상부 제 8밀봉방벽(351)을 통해 밀봉된다. 최상부 제 8밀봉방벽(351)의 경우, 내부 열매체 포집부(343)와 열교환 물질 분배부(332) 사이에 위치하여 유입되는 내부 열매체와 열교환을 수행한 내부 열매체가 섞이는 것을 방지한다. 또한, 하부 제 8밀봉방벽(361)은 내부 열매체 공급구(340)와 열교환 물질 분배부(332) 사이에 위치하여 열교환 대상 물질과 유입되는 내부 열매체가 섞이는 것을 방지할 수 있는 구성이다. 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 쉘-앤드-멀티-트리플 컨센트릭-튜브 열교환기(300)의 구성을 나타내는 단면도이다.
상기 단면도는 도 12에 B-B'의 단면을 도시하고 있는바, 열교환 유로(334), 내부 열매체 유입관(344) 및 쉘 측 열매체 유로(324)를 개시하고 있다.
본 발명의 환형 열교환 유로(334)의 경우, 원형으로 구성되는 열교환 유로(334) 내부에 동일한 중심을 갖도록 구성되는 내부 열매체 유입관(344)를 더 포함한다. 또한, 상기 내부 열매체 유입관(344)은 열교환기(300) 하측 일단이 막힌 구조를 포함한다. 상기 내부 열매체 유입관(344)은 열교환 유로(334)의 중심부에 가까운 열교환 대상 물질과 열교환을 수행하는바, 쉘 측 열매체와 접하지 않는 열교환 유로(334)의 내측에 위치하는 열교환 대상 물질에 대한 냉각을 수행할 수 있다.
또한, 내부 열매체 유입관(344)의 중심부에 위치하는 내부 열매체 배출관(345)을 더 포함하는바, 상기 내부 열매체 배출관(345)은 내부 열매체 유입관(344)에 길이방향으로 삽입되는 구성이다. 상기 내부 열매체 배출관(345)은 삽입된 일 끝단이 개방된 형태를 포함하는바, 상기 내부 열매체 유입관(344)으로 유입되는 내부 열매체와 유체 연결되는 구성을 포함한다.
본 발명의 바람직한 일 실시예에서는 열교환기(300)의 열교환 유로(334), 내부 열매체 유입관(344)의 내경은 각각 10.0 ~ 150.0 mm, 10.0 ~ 50.0 mm로 할 수 있고, 더욱 바람직하게는 5.0 ~ 50.0 mm, 5.0 ~ 25.0 mm로 구성될 수 있다. 더욱이, 내부 열매체 배출관(345)의 내경은 5mm ~ 10mm로 구성될 수 있다.
더욱이, 상기 내부 열매체 유입관(344)과 내부 열매체 배출관(345)은 그 기능을 반대로 수행할 수 있는바, 내부 열매체 배출관(345)과 연결된 내부 열매체 포집부(343)를 통해서 열교환이 수행되지 않은 내부 열매체가 유입될 수 있고, 열교환 유로(334)와 열교환을 수행한 내부 열매체는 내부 열매체 유입관(344)을 통해 내부 열매체 분배부(342)로 배출될 수 있다. 이처럼, 본 발명의 경우, 유입과 배출은 열교환기(300) 또는 열교환기(300)의 적용 사항, 구조 및 형태에 따라 달라질 수 있다.
이상의 상세한 설명은 본 발명을 예시하는 것이다. 또한 전술한 내용은 본 발명의 바람직한 실시 형태를 나타내어 설명하는 것이며, 본 발명은 다양한 다른 조합, 변경 및 환경에서 사용할 수 있다. 즉 본 명세서에 개시된 발명의 개념의 범위, 기술한 개시 내용과 균등한 범위 및/또는 당업계의 기술 또는 지식의 범위내에서 변경 또는 수정이 가능하다. 기술한 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 구현하기 위한 최선의 상태를 설명하는 것이며, 본 발명의 구체적인 적용 분야 및 용도에서 요구되는 다양한 변경도 가능하다. 따라서 이상의 발명의 상세한 설명은 개시된 실시 상태로 본 발명을 제한하려는 의도가 아니다. 또한 첨부된 청구범위는 다른 실시 상태도 포함하는 것으로 해석되어야 한다.
(부호의 설명)
10 : 반응기
20 : 쉘 측 열매체 공급구
21 : 쉘 측 열매체 배출구
24 : 쉘 측 열매체 유로
25 : 배플
30 : 반응물 공급구
31 : 생성물 배출구
32 : 반응물 분배부
33 : 생성물 포집부
34 : 촉매반응 유로
40 : 내부 열매체 공급구
41 : 내부 열매체 배출구
42 : 내부 열매체 분배부
43 : 내부 열매체 포집부
44 : 내부 열매체 유로
50 : 상부 제 1밀봉방벽
51 : 최상부 제 2밀봉방벽
60 : 하부 제 1밀봉방벽
61 : 최하부 제 2밀봉방벽
100 : 열교환기
120 : 쉘 측 열매체 공급구
121 : 쉘 측 열매체 배출구
124 : 쉘 측 열매체 유로
125 : 배플
130 : 열교환 물질 공급구
131 : 열교환 완료 물질 배출구
132 : 열교환 물질 분배부
133 : 열교환 완료 물질 포집부
134 : 열교환 유로
140 : 내부 열매체 공급구
141 : 내부 열매체 배출구
142 : 내부 열매체 분배부
143 : 내부 열매체 포집부
144 : 내부 열매체 유로
150 : 상부 제 3밀봉방벽
151 : 최상부 제 4밀봉방벽
160 : 하부 제 3밀봉방벽
161 : 최하부 제 4밀봉방벽
210 : 반응기
220 : 쉘 측 열매체 공급구
221 : 쉘 측 열매체 배출구
224 : 쉘 측 열매체 유로
225 : 배플
230 : 반응물 공급구
231 : 생성물 배출구
232 : 반응물 분배부
233 : 생성물 포집부
234 : 촉매반응 유로
240 : 내부 열매체 공급구
241 : 내부 열매체 배출구
242 : 내부 열매체 분배부
243 : 내부 열매체 포집부
244 : 내부 열매체 유입관
245 : 내부 열매체 배출관
250 : 상부 제 5밀봉방벽
251 : 최상부 제 6밀봉방벽
260 : 하부 제 5밀봉방벽
261 : 하부 제 6밀봉방벽
300 : 열교환기
320 : 쉘 측 열매체 공급구
321 : 쉘 측 열매체 배출구
324 : 쉘 측 열매체 유로
325 : 배플
330 : 열교환 물질 공급구
331 : 열교환 완료 물질 배출구
332 : 열교환 물질 분배부
333 : 열교환 완료 물질 포집부
334 : 열교환 유로
340 : 내부 열매체 공급구
341 : 내부 열매체 배출구
342 : 내부 열매체 분배부
343 : 내부 열매체 포집부
344 : 내부 열매체 유입관
345 : 내부 열매체 배출관
350 : 상부 제 7밀봉방벽
351 : 최상부 제 8밀봉방벽
360 : 하부 제 7밀봉방벽
361 : 하부 제 8밀봉방벽

Claims (30)

  1. 쉘 측 열매체가 쉘 내에 배플에 의해 형성된 경로를 따라 유동하는 쉘 측 열매체 유동구역;
    반응물 분배부에 의해 각각의 촉매반응 유로로 반응물을 분배하고, 상기 반응물은 촉매반응 유로에 위치하는 촉매와 촉매반응을 수행하고, 상기 쉘 측 열매체와 내부 열매체에 의해 열교환되어 생성된 생성물과 반응하지 않은 미반응물을 포집하는 생성물 포집부를 포함하는 촉매반응 구역; 및
    내부 열매체 분배부에 의해 상기 촉매반응 유로 내부에 삽입된 내부 열매체 유로로 상기 내부 열매체가 분배되며, 상기 촉매반응 유로와 열교환되어 내부 열매체 포집부를 통해 내부 열매체가 배출되는 내부 열매체 유동구역;을 포함하고,
    상기 쉘 측 열매체 유동구역과 상기 촉매반응 구역은 촉매반응 유로가 통과할 수 있는 제 1밀봉방벽로 분리되고,
    상기 촉매반응 구역과 내부 열매체 유동구역은 내부 열매체 유로가 통과할 수 있는 제 2밀봉방벽에 의해 상기 내부 열매체와 상기 반응물 및 생성물이 접촉되지 않도록 분리되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  2. 청구항 1항에 있어서,
    상기 쉘 측 열매체 유동구역에서 쉘 측 열매체 공급구로 쉘 측 열매체가 공급되고 쉘 측 열매체 유로를 통과하여 상기 촉매반응 유로와 열교환한 후 쉘 측 열매체 배출구로 쉘 측 열매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  3. 청구항 1항에 있어서,
    상기 촉매반응 구역에서 반응물 공급구를 통해 반응물이 공급되고, 반응물 분배부에 의해 촉매가 충진된 촉매반응 유로로 분배되어 상기 촉매반응 유로를 통과하여 상기 반응물과 촉매의 촉매반응이 일어나고, 미반응물과 반응을 통해 생성된 생성물이 생성물 포집부로 포집된 후 미반응물 및 생성물 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  4. 청구항 1항에 있어서,
    상기 내부 열매체 유동구역에서 내부 열매체 공급구를 통해 상기 내부 열매체가 공급되고 내부 열매체 분배부에 의해 내부 열매체 유로로 분배되어 상기 촉매반응 유로와 열교환한 후 내부 열매체 포집부을 거쳐 내부 열매체 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  5. 청구항 3항에 있어서,
    상기 촉매반응 유로는 내부에 압출 성형된 펠렛, 구형 및 파우더 형상의 반응촉매를 충전하는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  6. 청구항 1항에 있어서,
    상기 촉매반응 유로는 길이방향으로 적어도 하나 이상의 촉매가 순차적으로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  7. 청구항 1항에 있어서,
    상기 쉘 측 열매체와 상기 내부 열매체는 동일한 열매체 또는 다른 열매체로 구성되고, 상기 열매체는 물, 작동유체 및 용매 중 선택된 하나 이상이 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  8. 청구항 1항에 있어서,
    상기 반응기의 공급방식에 따라 향류 및 병류가 가능하고 공급방식에 한정하지 않는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  9. 청구항 1항에 있어서,
    상기 반응기의 촉매의 충진방식 및 반응가스의 공급방식에 따라 고정층 반응기 대신에 슬러리 버블 방식의 반응기 구성이 가능하고 반응기 방식에 한정하지 않는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-더블 컨센트릭-튜브 반응기.
  10. 쉘 측 열매체가 쉘 내에 배플에 의해 형성된 경로를 따라 유동하는 쉘 측 열매체 유동구역;
    열교환 물질 분배부에 의해 각각의 열교환 유로로 열교환 대상 물질을 분배하고, 상기 열교환 대상 물질이 상기 쉘 측 열매체와 내부 열매체에 의해 열교환된 열교환 완료 물질을 포집하는 열교환 완료 물질 포집부를 포함하는 열교환구역; 및
    내부 열매체 분배부에 의해 상기 열교환 유로 내부에 삽입된 내부 열매체 유로로 상기 내부 열매체가 분배되며, 상기 열교환 유로와 열교환되어 내부 열매체 포집부를 통해 열교환을 수행한 내부 열매체를 배출하는 내부 열매체 유동구역;을 포함하고,
    상기 쉘 측 열매체 유동구역과 상기 열교환구역은 상기 열교환 유로가 통과할 수 있는 제 3밀봉방벽로 분리되고,
    상기 열교환구역과 내부 열매체 유동구역은 내부 열매체 유로가 통과할 수 있는 제 4밀봉방벽에 의해 상기 내부 열매체와 상기 열교환 물질이 접촉되지 않도록 분리되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  11. 청구항 10항에 있어서,
    상기 쉘 측 열매체 유동구역에서 쉘 측 열매체 공급구로 쉘 측 열매체가 공급되고 쉘 측 열매체 유로를 통과하여 상기 열교환 유로와 열교환한 후 쉘 측 열매체 배출구로 쉘 측 열매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  12. 청구항 10항에 있어서,
    상기 열교환구역에서 열교환 물질 공급구를 통해 열교환 물질이 공급되고, 열교환 물질 분배부에 의해 상기 열교환 유로로 분배되어 상기 열교환 유로를 통과하여 상기 열교환된 열교환 완료 물질이 열교환 완료 물질 포집부로 포집된 후 열교환 완료 물질 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  13. 청구항 10항에 있어서,
    상기 내부 열매체 유동구역에서 내부 열매체 공급구를 통해 상기 내부 열매체가 공급되고 내부 열매체 분배부에 의해 내부 열매체 유로로 분배되어 상기 열교환 유로와 열교환한 후 내부 열매체 포집부을 거쳐 내부 열매체 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  14. 청구항 10항에 있어서,
    상기 쉘 측 열매체와 상기 내부 열매체는 동일한 열매체로 구성되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  15. 청구항 10항에 있어서,
    상기 열교환기의 공급방식에 따라 향류 및 병류가 가능하고 공급방식에 한정하지 않는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  16. 쉘 측 열매체가 쉘 내에 배플에 의해 형성된 경로를 따라 유동하는 쉘 측 열매체 유동구역;
    반응물 분배부에 의해 각각의 촉매반응 유로로 반응물을 분배하고, 상기 반응물은 촉매반응 유로에 위치하는 촉매와 촉매반응을 수행하고, 상기 쉘 측 열매체와 내부 열매체에 의해 열교환되어 생성된 생성물과 반응하지 않은 미반응물을 포집하는 생성물 포집부를 포함하는 촉매반응 구역; 및
    내부 열매체 분배부에 의해 상기 촉매반응 유로 내부에 삽입된 내부 열매체 유입관으로 상기 내부 열매체가 분배되고, 상기 촉매반응 유로와 열교환되어 내부 열매체 배출관을 통해 내부 열매체 포집부로 내부 열매체가 배출되는 내부 열매체 유동구역;을 포함하고,
    상기 내부 열매체 유입관은 삽입된 일끝단이 폐쇄되도록 구성되며,
    상기 내부 열매체 배출관은 상기 내부 열매체 유입관에 삽입되어 개방되는 구성을 포함하는바, 상기 내부 열매체 유입관으로 유입되는 내부 열매체가 상기 내부 열매체 배출관을 통해 배출되고,
    상기 쉘 측 열매체 유동구역과 상기 촉매반응 구역은 촉매반응 유로가 통과할 수 있는 제 5밀봉방벽으로 분리되며,
    상기 반응물 분배부와 내부 열매체 유동구역은 내부 열매체 유입관이 통과할 수 있는 하부 제 6밀봉방벽에 의해 상기 내부 열매체와 상기 반응물이 접촉되지 않도록 분리되고,
    상기 내부 열매체 분배부와 내부 열매체 포집부는 최상부 제 6밀봉방벽에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  17. 청구항 16항에 있어서,
    상기 쉘 측 열매체 유동구역에서 쉘 측 열매체 공급구로 쉘 측 열매체가 공급되고 쉘 측 열매체 유로를 통과하여 상기 촉매반응 유로와 열교환한 후 쉘 측 열매체 배출구로 쉘 측 열매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  18. 청구항 16항에 있어서,
    상기 촉매반응 구역에서 반응물 공급구를 통해 반응물이 공급되고, 반응물 분배부에 의해 촉매가 충진된 촉매반응 유로로 분배되어 상기 촉매반응 유로를 통과하여 상기 반응물과 촉매의 촉매반응이 일어나고, 미반응물과 반응을 통해 생성된 생성물이 생성물 포집부로 포집된 후 미반응물 및 생성물 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  19. 청구항 16항에 있어서,
    상기 내부 열매체 유동구역에서 내부 열매체 공급구를 통해 상기 내부 열매체가 공급되고 내부 열매체 분배부에 의해 내부 열매체 유입관으로 분배되어 상기 촉매반응 유로와 열교환한 후 내부 열매체 배출관을 거쳐 내부 열매체 포집부를 통해 내부 열매체 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  20. 청구항 16항에 있어서,
    상기 촉매반응 유로는 내부에 압출 성형된 펠렛, 구형 및 파우더 형상의 반응촉매를 충전하는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  21. 청구항 16항에 있어서,
    상기 촉매반응 유로는 길이방향으로 적어도 하나 이상의 촉매가 순차적으로 적층되어 구성되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  22. 청구항 16항에 있어서,
    상기 쉘 측 열매체와 상기 내부 열매체는 동일한 열매체 또는 다른 열매체로 구성되고, 상기의 열매체는 물, 작동유체 및 용매 중 선택된 하나 이상이 사용될 수 있는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  23. 청구항 16항에 있어서,
    상기 반응기는 공급방식에 따라 향류 및 병류가 가능하고 공급방식에 한정하지 않는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 반응기.
  24. 청구항 16항에 있어서,
    상기 반응기의 촉매의 충진방식 및 반응가스의 공급방식에 따라 고정층 반응기 대신에 슬러리 버블 방식의 반응기 구성이 가능하고 반응기 방식에 한정하지 않는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-더블 컨센트릭-튜브 반응기.
  25. 쉘 측 열매체가 쉘 내에 배플에 의해 형성된 경로를 따라 유동하는 쉘 측 열매체 유동구역;
    열교환 물질 분배부에 의해 각각의 열교환 유로로 열교환 대상 물질을 분배하고, 상기 열교환 대상 물질은 상기 쉘 측 열매체와 내부 열매체에 의해 열교환된 열교환 완료 물질을 포집하는 열교환 완료 물질 포집부를 포함하는 열교환구역; 및
    내부 열매체 분배부에 의해 상기 열교환 유로 내부에 삽입된 내부 열매체 유입관으로 상기 내부 열매체가 분배되며, 상기 열교환 유로와 열교환되어 내부 열매체 배출관을 통해 내부 열매체 포집부로 내부 열매체가 배출되는 내부 열매체 유동구역;을 포함하고,
    상기 내부 열매체 유입관은 삽입된 일끝단이 폐쇄되도록 구성되며,
    상기 내부 열매체 배출관은 상기 내부 열매체 유입관에 삽입되어 개방되는 구성을 포함하는바, 상기 내부 열매체 유입관으로 유입되는 내부 열매체가 상기 내부 열매체 배출관을 통해 배출되고,
    상기 쉘 측 열매체 유동구역과 상기 열교환구역은 상기 열교환 유로가 통과할 수 있는 제 7밀봉방벽로 분리되며,
    상기 열교환 물질 분배부와 내부 열매체 유동구역은 내부 열매체 유입관이 통과할 수 있는 하부 제 8밀봉방벽에 의해 상기 내부 열매체와 상기 열교환 대상 물질이 접촉되지 않도록 분리되고,
    상기 내부 열매체 분배부와 내부 열매체 포집부는 최상부 제 8밀봉방벽에 의해 분리되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  26. 청구항 25항에 있어서,
    상기 쉘 측 열매체 유동구역에서 쉘 측 열매체 공급구로 쉘 측 열매체가 공급되고 쉘 측 열매체 유로를 통과하여 상기 열교환 유로와 열교환한 후 쉘 측 열매체 배출구로 쉘 측 열매체가 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  27. 청구항 25항에 있어서,
    상기 열교환구역에서 열교환 물질 공급구를 통해 열교환 물질이 공급되고, 열교환 물질 분배부에 의해 상기 열교환 유로로 분배되어 상기 열교환 유로를 통과하여 상기 열교환된 열교환 완료 물질이 열교환 완료 물질 포집부로 포집된 후 열교환 완료 물질 배출구를 통해 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  28. 청구항 25항에 있어서,
    상기 내부 열매체 유동구역에서 내부 열매체 공급구를 통해 상기 내부 열매체가 공급되고 내부 열매체 분배부에 의해 내부 열매체 유입관로 분배되어 상기 열교환 유로와 열교환한 후 내부 열매체 포집부를 거쳐 내부 열매체 배출구로 배출되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  29. 청구항 25항에 있어서,
    상기 쉘 측 열매체와 상기 내부 열매체는 동일한 열매체로 구성되는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
  30. 청구항 25항에 있어서,
    상기 열교환기의 공급방식에 따라 향류 및 병류가 가능하고 공급방식에 한정하지 않는 것을 특징으로 하는 쉘-앤드-멀티-멀티 컨센트릭-튜브 열교환기.
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