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KR101258222B1 - 촉매 반응기 - Google Patents

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KR101258222B1
KR101258222B1 KR1020077018687A KR20077018687A KR101258222B1 KR 101258222 B1 KR101258222 B1 KR 101258222B1 KR 1020077018687 A KR1020077018687 A KR 1020077018687A KR 20077018687 A KR20077018687 A KR 20077018687A KR 101258222 B1 KR101258222 B1 KR 101258222B1
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KR
South Korea
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reactor
fischer
pressure
tropsch synthesis
catalytic reactor
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KR1020077018687A
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Inventor
마이클 조셉 보위
존 비투치
로렌스 앤드류 스트리커
더글라스 유진 데커
빈 엔 레
Original Assignee
컴팩트지티엘 엘티디
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Abstract

피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기(50)는, 각각 가스 혼합물 및 냉각제를 운반하도록 교호 배열된 다수의 제1 유동 채널들과 제2 유동 채널들을 한정하는 반응기 모듈(70)을 포함한다. 예를 들면, 금속 호일로 이루어진 기판을 갖는 제거 가능한 가스 투과성 촉매 구조물(82)이 각각의 유동 채널에 제공되며, 여기서 합성반응이 일어난다. 반응기 모듈(70)을 압력 용기(90)에 내장하고, 압력 용기 내의 압력을 고압 반응 가스 혼합물의 압력과 실질적으로 동일한 압력하에 있도록 조정하였다. 결과적으로, 모듈 내의 모든 유동 채널은 이들의 주변 압력하에 있거나 압축하에 있으나, 어느 것도 장력하에 있지는 않다. 이는 모듈의 설계를 단순화시키며, 촉매에 의해 점유될 수 있는 반응기 용적의 비율을 증가시킨다.
피셔-트롭쉬 반응기, 천연 가스, 장쇄 탄화수소, 유동 채널.

Description

촉매 반응기{Catalytic reactor}
본 발명은 천연 가스를 쇄 길이가 보다 긴 탄화수소로 전환시키기 위한 화학공정에서 사용하기에 적합한, 특히 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis)을 수행하기에 적합한 촉매 반응기 및 상기 공정을 수행하기 위한 상기 촉매 반응기를 포함하는 플랜트(plant)에 관한 것이다.
메탄을 스팀과 반응시켜 제1 촉매 반응기에서 일산화탄소와 수소를 생성시킨 다음, 생성된 가스 혼합물을 사용하여 제2 촉매 반응기에서 피셔-트롭쉬 합성을 수행하는 방법이 국제 특허공보 제WO 01/51194호 및 제WO 03/048034호(악센투스 피엘씨)에 기술되어 있다. 전체적인 결과는, 메탄을, 통상 주변 조건하에 액체인 고분자량 탄화수소로 전환시키는 것이다. 상기 방법의 2개의 스테이지, 스팀/메탄 개질 및 피셔-트롭쉬 합성은 상이한 촉매를 필요로 하고, 각각의 반응이 흡열 및 발열성이므로 반응 가스로 또는 반응 가스로부터 각각 전달되어야 하는 열을 필요로 한다. 두 가지 상이한 스테이지에 대한 반응기는 다소 상이한 요건을 충족시켜야 한다: 피셔-트롭쉬 합성은 통상 스팀/메탄 개질보다 압력은 높지만 온도는 낮게 수행되며, 피셔-트롭쉬 반응기의 열 전달 채널에서는 냉각제 유체만이 필요한 반면, 스팀/메탄 개질에 요구되는 열은 통상 촉매적 연소에 의해 제공되므로, 적합한 촉매를 필요로 할 것이다.
각각의 경우, 반응기는 바람직하게는 플레이트 적층물로서 형성되며, 유동 채널들은 플레이트들 사이에 한정되며, 상이한 유체들에 대한 유동 채널들이 상기 적층물에 교호 배열될 것이다. 촉매를 필요로 하는 이들 채널에서, 이는 세라믹 피복으로 촉매를 담지하는 골판형 금속 기판 형태가 바람직하며, 이러한 골판형 구조는 촉매가 소모되는 때에 채널로부터 꺼내질 수 있다. 그러나, 두 가지 유체 사이의 압력차가 큰 경우, 이는 플레이트를 굴곡시키는 경향이 있으므로, 촉매 구조물과 플레이트 사이의 열전달을 방해할 것이며, 촉매 구조물을 꺼내거나 대체하기 어려울 수 있으며, 플레이트가 압력차에 저항할 정도로 충분히 강해야 한다면 플레이트가 더 두꺼워야 하고/두꺼워야 하거나 채널이 더 좁아져야 할 것이고, 반응기의 전체 용적 비율로서의 유동 용적이 적어지는 경향이 있을 것이다.
본 발명에 따라, 각각 제1 유체 및 제2 유체를 운반하도록 반응기 모듈에서 교호 배열된 다수의 제1 유동 채널들과 제2 유동 채널들을 한정하는 반응기 모듈을 포함하는 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis)용 콤팩트 촉매 반응기로서, 제1 유체가 피셔-트롭쉬 합성을 겪으며 이의 압력이 주변 압력보다 높은 가스 혼합물이고, 제2 유체가 냉각제이며, 화학반응이 일어나는 각각의 유동 채널이 금속 기판을 갖는 제거 가능한(removable) 가스 투과성 촉매 구조물을 함유하고, 반응기 모듈은 압력 용기 내부에 내장되고, 압력 용기 내부의 압력이, 보다 높은 압력의 어떠한 유체의 압력과도 실질적으로 동일한 압력으로 조정됨을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기가 제공된다.
압력 용기 내부의 압력은 보다 높은 압력의 유체와 실질적으로 동일하므로, 플레이트 적층물 내부의 모든 유동 채널은 주변 압력하에 있거나 압축하에 있다. 결과적으로, 플레이트의 적층물의 어느 부분도 장력하에 있지 않다. 바람직하게는, 상기 가스 혼합물은 상기한 보다 높은 압력의 유체이며, 상기 가스 혼합물은 제1 유동 채널에 도달하거나 (가스 혼합물이 피셔-트롭쉬 합성을 겪은 후) 제1 유동 채널을 떠나기 위해서는 압력 용기의 적어도 일부를 통해 유동하도록 조정된다. 피셔-트롭쉬 합성되는 가스 혼합물이 압력 용기를 통해 유동하도록 조정하는 이점은, 압력 용기가 탄화수소의 액적과 가스상 생성물 사이의 제1 분리 스테이지를 제공할 수 있다는 점이다.
따라서, 제2의 양태에서, 본 발명은 압력 용기에 내장된 적합한 반응 모듈을 포함하는 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기를 제공하지만, 압력 용기 내부의 압력은 피셔-트롭쉬 반응 채널에서의 압력과 실질적으로 동일하게 조정된다.
피셔-트롭쉬 반응은 전형적으로 약 200℃에서 수행되므로, 광범위한 물질들이 반응기 모듈용으로 선택될 수 있다. 예를 들면, 반응기 모듈은 알루미늄 합금, 스테인레스 스틸, 고농도 니켈 합금 또는 기타 스틸 합금으로 이루어질 수 있다.
바람직하게는, 촉매 구조물용 금속 기판은, 가열시 산화알루미늄의 점착성 표면 피막을 형성하는 스틸 합금, 예를 들면, 15% 크롬, 4% 알루미늄 및 0.3% 이트륨을 갖는 철(예: 펙크라알로이(TM))과 같은 알루미늄 함유 페라이트 스틸이다. 이러한 금속을 공기 중에서 가열하는 경우, 이는, 추가의 산화 및 부식에 대해 합금을 보호하는, 알루미나의 점착성 산화물 피막을 형성한다. 세라믹 피막이 알루미나로 이루어진 경우, 이는 표면 상의 산화물 피막에 대한 결합으로 보인다. 상기 기판은 와이어 메쉬 또는 펠트 시트일 수 있지만, 바람직한 기판은, 예를 들면, 두께가 100㎛ 미만인 금속박이고, 기판은 골판형, 딤플형 또는 플리이트형일 수 있다.
촉매 물질을 갖는 이러한 촉매 구조물은 유동 채널에 삽입될 수 있으며, 피셔-트롭쉬 반응용 유동 채널들은 열을 제거하기 위한 유동 채널과 교호 배열된다. 유동 채널 내부의 촉매 구조물의 금속 기판은 열전달 및 촉매 표면적을 증가시킨다. 상기 촉매 구조물은 반응기 모듈 내에서 채널로부터 꺼낼 수 있으므로, 촉매 구조물은 촉매가 소모되는 경우 대체될 수 있다.
반응기 모듈은 플레이트들의 적층물(a stack of plates)을 포함할 수 있다. 예를 들면, 제1 유동 채널과 제2 유동 채널은 각각의 플레이트에서의 홈에 의해 한정될 수 있으며, 이들 플레이트들은 적층된 다음 함께 결합된다. 대안으로는, 상기 유동 채널은 편평한 시트와 교호적으로 성(城) 모양으로 적층된 얇은 금속 시트에 의해 한정될 수 있다. 반응기 모듈을 형성하는 플레이트 적층물은, 예를 들면, 확산 결합, 경납땜(brazing) 또는 고온 이소스태틱 프레싱에 의해 함께 결합된다. 본 발명의 특별한 이점은, 구조적 물질(촉매를 포함하지 않음)로 이루어진 반응기 모듈의 용적 비율이 60% 미만, 바람직하게는 50% 미만, 심지어 35% 미만일 수 있다는 점이다.
따라서, 쇄 길이가 보다 긴 탄화수소를 수득하기 위한 천연 가스 가공용 플랜트는 메탄을 스팀과 반응시켜 합성 가스를 형성하기 위한 스팀/메탄 개질 반응기 및 쇄 길이가 보다 긴 탄화수소를 생성시키기 위한 본 발명의 피셔-트롭쉬 반응기를 도입시킬 수 있다. 요구되는 우수한 열 접촉을 보장하기 위해, 피셔-트롭쉬 반응용 채널은 깊이가 10mm 미만인 것이 바람직하다.
본 발명은, 오직 예시용으로, 첨부된 도면을 참조로 하여, 추가로 보다 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명의 반응기를 도입한 화학적 플랜트의 흐름도를 도시한 것이다.
도 2는 피셔-트롭쉬 합성에 적합한 반응기 블록 일부의 단면도를 도시한 것이다.
도 3은 도 2의 반응기 블록을 도입한 반응기의 단면도를 도시한 것이다.
본 발명은 천연 가스(주로, 메탄)을 쇄 길이가 보다 긴 탄화수소로 전환시키기 위한 화학반응에 관한 것이다. 상기 방법의 제1 스테이지는 스팀 개질을 포함해, 즉 반응식 1의 반응이다:
H2O + CH4 → CO + 3H2
이러한 반응은 흡열반응이며, 제1 가스 유동 채널에서 로듐 또는 백금/로듐 촉매에 의해 촉매될 수 있다. 이러한 반응을 일으키는 데 필요한 열은 메탄 또는 수소와 같은 가연성 가스의 연소에 의해 제공될 수 있으며, 상기 연소 반응은 발열 반응이며, 인접한 제2 가스 유동 채널에서 팔라듐 촉매에 의해 촉매될 수 있다. 양 경우에서, 촉매는 바람직하게는 금속 기판 상에서 두께가 통상 100㎛ 미만인 피막을 형성하는 안정화된 알루미늄 지지체 상에 존재한다. 상기 연소반응은 대기압에서 수행될 수 있지만, 개질반응은 4 내지 5기압에서 수행될 수 있다. 연소에 의해 생성되는 열은 인접한 채널들을 분리시키는 금속 시트를 통해 전도될 것이다.
이어서, 스팀/메탄 개질에 의해 생성되는 가스 혼합물을 사용하여 피셔-트롭쉬 합성을 수행함으로써, 반응식 2에서와 같은 쇄 길이가 보다 긴 탄화수소를 생성 시킨다:
nCO + 2nH2 → (CH2)n + nH2O
반응식 2는 승온(통상, 190 내지 280℃) 및 승압(통상, 1.8 내지 2.1MPa(절대압 수치))에서 철, 코발트 또는 융합 마그네타이트와 같은 촉매의 존재하에 수행되는 발열반응이다. 피셔-트롭쉬 합성용으로 바람직한 촉매는, 코발트 약 10 내지 40%(알루미나에 대한 중량 기준)를 갖고 코발트 중량의 10% 미만인 촉진제(예: 루테늄, 백금 또는 가돌리늄) 및 염기도 증진제(예: 산화란탄)를 갖는 비표면적이 140 내지 230m2/g인 감마-알루미나 피막을 포함한다.
이제 도 1을 참조하면, 전체 화학공정이 플랜트 구성 요소가 도시된 흐름도로서 제시된다. 천연 가스 공급물(5)은 주로 메탄으로 이루어지고, 본 예시에서는 고급 탄화수소 C2 -11 1%를 포함한다. 통상, 이들 고급 탄화수소는 천연 가스 공급원에 따라 최대 10% v/v까지 존재한다. 가스 공급물(5)은, 예를 들면, 1.0MPa(10기압)의 압력하에 있을 수 있다.
상기 가스 압력은 밸브(8)에 의해 0.6MPa로 조절되며, 이후 가스(5)는 열 교환기(10)에서 촉매 연소로부터의 고온 배기 가스를 사용하여 약 400℃로 예열된 다음, 고체 상 탈황 시스템(12)으로 공급된다. 이후, 탈황된 천연 가스(5)는, 예를 들면, 유체 와류 혼합기(14)에서 스팀과 혼합한다. 가스/스팀 혼합물을 촉매 연소로부터의 고온 배기 가스를 사용하여 열 교환기(16)에서 가열해, 상기 가스 혼합물을 500℃로 한다. 상기 혼합물을 단열 고정 상 예비개질기(18)에 도입시켜, 니켈 또는 백금/로듐계 메탄화 촉매와 접촉시킨다. 고급 탄화수소를 스팀과 반응시켜 메탄 및 CO를 형성시킨다.
상기 가스는 보다 저온, 통상 450℃에서 예비개질기(18)로부터 배출된다. 이어서, 개질기(20)에 도입되기 전에 압력을 밸브(19)에 의해 0.45MPa(절대압)으로 낮춘다. 개질기(20)는 상술한 유형의 콤팩트 촉매 반응기로서, 열 접촉이 우수한 흡열 및 발열 반응용 유동 경로를 한정하고 적합한 촉매를 함유하는 플레이트 적층물로부터 제조된다. 개질기(20)에서 개질기 채널은 개질 촉매를 함유하고, 스팀과 메탄이 반응하여 일산화탄소와 수소를 형성시킨다. 개질기 내의 온도는 유입구에서의 450℃로부터 배출구에서의 약 800 내지 850℃로 상승한다. 혼합기(14)에 공급되는 스팀과 가스의 유속은, 개질기(20)로 공급되는 스팀:탄소 몰 비가 1.2 내지 1.6, 바람직하게는 1.3 내지 1.5이도록 설정된다. 가스(5)의 고급 탄화수소 함량에 따라, 예비개질기(18)로의 입구에서의 스팀 대 탄소 비는 이보다 더 높을 필요가 있다.
개질 반응기(20)에서 흡열반응용 열은 피셔-트롭쉬 합성으로부터의 부생 가스(tail gas)(22)인 단쇄 탄화수소와 수소의 혼합물의 촉매 연소에 의해 제공되며, 상기 부생 가스(22)는 공기 취입기(24)에 의해 제공된 기류와 합쳐진다. 상기 연소는 개질 반응기(20) 속에서 인접 유동 채널 내부의 연소 촉매 상에서 수행된다. 상기 연소 가스 경로는 개질기 가스 경로에 대해 동시에 유동한다.
800℃ 초과에서 일산화탄소와 수소의 혼합물은 개질기(20)으로부터 배출되어 스팀 생성 열교환기(26)를 통과함으로써 400℃ 이하로 급냉한다. 물은 펌프(28)에 의해 상기 열교환기(26)로 공급되고, 개질공정용 스팀은 제어 밸브(30)을 통해 혼합기(14)로 공급된다. 상기 가스 혼합물은 냉각수를 이용해 열교환기(32)에서 약 60℃로 추가 냉각되어, 과량의 물이 응축되고 사이클론(33) 및 분리 용기(34)를 통과함으로써 분리된다. 이어서, 가스 혼합물을 압축기(36)에 의해 약 2.5배의 압력으로 압축시키고, 열 교환기(40)에 의해 다시 냉각시킨 다음, 제2 사이클론(41)과 분리 용기(42)를 통과시켜 응축하는 모든 물을 제거한다. 분리된 물을 스팀 생성 회로로 재순환시킨다. 이어서, 상기 가스를 제2 압축기(44)에서 20기압(2.0MPa)으로 압축시킨다.
이어서, 고압의 일산화탄소 및 수소 스트림을 피셔-트롭쉬 촉매 반응기(50)에 공급하고, 이는 다시 상술한 바와 같은 플레이트 적층물로부터 형성된 컴팩트 촉매 반응기이며, 상기 반응물 혼합물을 한 세트의 채널을 통해 유동시키는 한편, 냉각제는 다른 세트의 채널을 통해 유동시킨다.
피셔-트롭쉬 합성으로부터의 반응 생성물, 주로 물 및 탄화수소(예: 파라핀)를 열교환기(54) 및 사이클론 분리기(56)를 통과시킴으로써 냉각시켜 상기 액체를 응축시키고, 분리 챔버(58)에 의해 세 가지 상인 물, 탄화수소 및 부생 가스를 분리시키고, 탄화수소 생성물을 대기압에서 안정화시킨다. 가스 상으로 남아 있는 탄화수소와 과량의 수소 가스(피셔-트롭쉬 부생 가스(22))를 수집하여 분할한다. 일정 비율을 감압 밸브(60)를 통과시켜 (상술한 바와 같이) 개질기(20)에서의 촉매 연소 공정용 연료를 제공한다. 잔류 부생 가스(62)를 전력 발전기(64)를 구동하는 가스 터빈(63)에 공급한다.
가스 터빈(64)이 플랜트용 전력 전부를 발전시키며 잉여분을 내보내는 성능을 갖는다. 주요 플랜트 전력 요구는 압축기(36,44) 및 펌프(24,28)이며, 스팀 생성용 가공수를 제공하기 위해 진공 증류 장치를 작동하기 위해서도 전기가 사용될 수 있다.
이제 도 2를 참조로 하면, 피셔-트롭쉬 반응기(50)에서 사용하기에 적합한 반응기 블록(70)이 도시되며, 상기 반응기 블록(70)은 단면으로, 명확성을 위해 구성 요소들을 분리시켜 도시하였다. 반응기 블록(70)은 서로 1mm의 두께로 이격되어 피셔-트롭쉬 합성용 채널들과 교호하는 냉각제 유체용 채널들을 한정하는 편평한 플레이트(72)의 적층물로 이루어진다. 냉각제 유체 채널은 두께가 0.75mm인 성 모양의 플레이트들(74)에 의해 한정된다. 성 모양의 높이(통상 1 내지 4mm)는 본 예시에서는 2mm이고, 2mm 두께의 고체 가장자리 스트립들(76)이 측면을 따라 제공되며, 연속적인 접속물들이 6mm 이격되어 있다(상기 배열은 이후 보다 상세하게 기술할 것이다). 피셔-트롭쉬 합성용 채널은 높이가 5mm이고, 사각형 단면의 높이가 5mm이고 350mm로 이격되어 있는 막대들(78)에 의해 한정되며, 채널들을 통해 직선으로 한정된다.
이제 도 3을 참조로 하면, 반응기(50)의 단면이 도시되어 있으며, 반응기 블록(70)이 부분적으로 파단되어 있다. 상술한 바와 같이, 반응기 블록(70)은 유동 채널을 한정하기 위해 서로에 대해 분리되어 있는 편평한 플레이트들(72)의 적층물로 이루어진다. 상기 적층물에서 교호 채널들의 배향은 일반적으로 직교한다. 각각의 편평한 플레이트(72)는 두께가 1.0mm이고 1070mm 평방의 사각형이다. 피셔-트롭쉬 반응용 채널은 촉매 담지 골판형 호일(82)을 함유하며, 헤더(83)로부터 반응기 블록(70)을 통해 직선으로(도시된 바와 같이 상부로부터 하부로) 연장되며, 헤더(83)에는 합성 가스 혼합물이 파이프(84)를 통해 승압으로 제공되며; 편평한 플레이트들(72)은 위에서 아래까지 이어지며, 단면이 5mm 사각형인 막대들(78)에 의해, 350mm의 간격으로 이격된 상태를 유지하고, 연속적인 편평한 플레이트들(72)들 사이에 상기한 바와 같은 3개의 채널이 사이드 바이 사이드(side-by-side) 배열로 배치된다. 냉각제 채널용으로, 편평한 플레이트들(72)이 성 형성 시트들(74)에 의해 이격된 상태를 유지하며; 냉각제 채널은 그 길이를 따라 이어지는, 폭이 6mm이고 높이가 2mm인 성 모양으로 형성되는 0.25mm 두께의 시트의 긴 스트립으로부터 구성된다. 성 모양의 스트립은 길이(86)로 절삭되며, 이들은 횡류 경로(도시한 바와 같은 가로 방향)를 한정하도록 사이드 바이 사이드 배열되어, 입구(87)와 출구(88) 사이에 한 경로를 제공한다. 입구(87)과 출구(88)에 인접한 성 모양의 스트립(86)의 말단을 사각형으로 절삭하고; 나머지 말단을 45°에서 절삭하며, 성 모양 스트립의 삼각형 조각들(89)이 이들 사이에 연결부를 제공하도록 배열된다. 따라서, 점선으로 도시한 바와 같이 냉각제용 전체 유동 경로는 피셔-트롭쉬 채널에서의 유동에 대해 부분적으로 동시 유동하는 지그재그 경로이다. 편평한 플레이트들(72), 바(78) 및 성 모양의 스트립(86,89)는 알루미늄 합금, 예를 들면, 3003 등급(망간 약 1.2% 및 구리 0.1%를 갖는 알루미늄)으로 이루어질 수 있다.
상기 적층물은 상술한 바와 같이 조립된 다음, 예를 들면, 경납땜에 의해 함께 결합하여 반응기 블록(70)을 형성한다. 이후, 적절한 촉매를 갖는 골판형 금속 호일 촉매 캐리어(82)가 피셔-트롭쉬 합성용 채널 속으로 삽입된다.
도 3에서의 화살표는, 입구(87) 및 출구(88) 사이를 통과할 때, 반응기 블록(70)에 의해 냉각제가 피셔-트롭쉬 채널 너비를 가로질러 3회 통과하도록 하고; 대안으로 냉각제가 전술한 채널 너비를 단지 2회만 통과하거나 심지어 다시 냉각제가 3회 이상 통과할 수도 있다. 근접하게 이격되어 있는 냉각제 채널의 성이 굴곡에 저항하는 경도를 제공한다.
반응기 블록(70)은 지지체 막대(92)에 의해 지지되는 탄소 스틸 압력 용기(90) 내부에 탑재된다. 압력 용기(90)의 내부 표면을, 예를 들면, 크롬으로 피복하여 부식 또는 철 카보닐 형성을 억제할 수 있다. 압력 용기(90)는 반원 말단을 갖는 원통형일 수 있다. 합성 가스용 파이프(84), 냉각제를 입구(87)에 공급하는 파이프(97) 및 냉각제를 출구(88)로부터 제공하는 파이프(98)가 압력 용기(90)의 벽을 통해 연장된다. 압력 용기(90)의 하부에서의 액체 생성물용 출구(96)와 압력 용기(90)의 상부에서의 기상 생성물용 출구(100)가 있다.
반응기(50)의 사용시, 냉각제는 0.7MPa로 공급될 수 있으며, 합성 가스는 2.0MPa로 공급된다. 피셔-트롭쉬 합성 생성물과 미반응 가스는 반응기 블록(70)의 하부로부터 압력 용기(90) 속으로 방출되므로, 압력 용기(90) 내부의 압력 역시 약 2.0Mpa이다. 반응기 블록(70)으로부터 방출되는 가스 스트림에 의해 운반되는 액적들은, 속도가 감소함에 따라 벌크 가스 흐름으로부터 유리되어 바닥으로 낙하하고, 액적들이 압력 용기(90) 내부의 표면과 대신 충돌하여 합체될 수 있으며, 이러 한 액체는 바닥으로 낙하하여 출구(96) 밖으로 유동한다. 잔여 가스는 출구(100)를 통해 방출되어, 도 1에서 기술한 바와 같이 처리된다.
상술한 액체/가스 분리 메카니즘을 보충하기 위해, 제습 팩킹들이 압력 용기(90) 내부에 제공될 수도 있다. 대안으로 또는 추가로, 사이클론 분리기를 압력 용기(90) 내부에 설치할 수 있으며, 이는 가스 스트림(이는 액적을 함유할 수 있다)이 유입되는 접선 방향 입구(tangential inlet), 출구(100)에 연결된 가스 출구 및 유리된 액적용 액체 출구를 가지며, 바람직하게는 파이프를 통해 압력 용기(90) 기저의 액체 생성물의 수위 아래에 소통한다.
외부 압력 쉘(90)을 사용하면, 반응기 블록의 어떠한 부분도 장력에 대한 내성을 필요로 하지 않기 때문에 반응기 블록(70)에 강도를 제공하기 위한 금속 요건 완화에 도움이 될 것이다. 냉각제 채널은 압축하에 있으나, 성 모양의 스트립들(74)에 의해 실질적으로 경질을 유지한다. 따라서, 압력 쉘(90)은 단위 용적당 보다 높은 충전량의 촉매가 달성될 수 있도록 한다. 이는 플레이트들(72)이 실질적으로 더 얇아져서, 반응기 블록의 더 큰 비율의 용적을 유동 채널이 차지함으로써 빈 공간을 증가시킴으로써 전체 촉매 재고가 증가할 수 있기 때문이다. 예를 들면, 상기 피셔-트롭쉬 반응기에서, 구조재로 이루어진 용적 비율은 70% 이상으로부터 35% 미만으로 감소할 수 있다. 이는 또한 유동 채널의 벽에서의 굴곡 모멘트를 최소화시킴으로써 변형을 감소시키므로, 촉매 호일(82)과 인접한 벽들 사이의 접촉을 개선시켜 열전달을 개선시키고, 또한 제거 또는 삽입을 보다 용이하게 한다. 압력 쉘(90)이 비교적 단순한 기하 구조를 가져서 기존의 압력 용기 코드로 설계될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 또한, 반응기 블록(70)으로부터의 누출시 제2의 용기를 내재적으로 제공하고, 용이하게 절연되고 이송 및 설치가 용이한 형태일 수 있으며, 반응기의 전체 크기는 현저하게 증가하지 않는다.
도 3에 도시된 바와 같은 피셔-트롭쉬 반응기(50)의 경우, 반응기 블록(70)과 쉘(90) 사이의 공간이 가스 반응 생성물과 액체 반응 생성물 사이의 상 분리를 개시하는 데 사용되어, 후속 생성물 분리기의 용적 및 비용을 감소시킬 수 있다. 알루미늄과 같은 비교적 저렴한 물질을 사용하여 반응기 블록(70)을 형성할 수 있다는 것도 추가의 이점이다. 반응기 블록(70)(도시됨)의 하부 말단에 어떠한 헤더도 제공되지 않으므로, 일단 압력 용기(90)가 개방되기만 하면 촉매 호일(82)을 용이하게 대체할 수 있다는 것이 추가의 이점이다.

Claims (15)

  1. 피셔-트롭쉬 합성(Fischer-Tropsch synthesis)용 콤팩트 촉매 반응기로서, 제1 유체 및 제2 유체 각각을 운반하도록 반응기 모듈에서 교호 배열된 다수의 제1 유동 채널들과 제2 유동 채널들을 한정하는 반응기 모듈을 포함하며,
    상기 제1 유체가 피셔-트롭쉬 합성을 수행하며 이의 압력이 주변 압력보다 높은 가스 혼합물이고, 상기 제2 유체가 냉각제 유체이며,
    화학반응이 일어나는 각각의 유동 채널이 상기 반응기 모듈을 통해 상부로부터 하부로 직선으로 연장되고 상기 유동 채널이 피셔-트롭쉬 합성 반응용 촉매를 함유하고,
    상기 반응기 모듈이 압력 용기 내부에 내장되고, 상기 압력 용기 내부의 압력이, 피셔-트롭쉬 합성 반응 채널의 압력과 동일한 압력으로 조정됨을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  2. 제1항에 있어서, 3개 이상의 파이프가 상기 반응기 모듈과의 유체 소통을 제공하고, 상기 압력 용기의 벽을 통해 바깥으로 연장되는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  3. 제1항에 있어서, 상기 가스 혼합물이 상기 합성 반응용 유동 채널에 도달하거나 상기 합성 반응용 유동 채널을 떠나기 위해, 상기 압력 용기의 적어도 일부를 통해 유동하도록 조정됨을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  4. 제3항에 있어서, 상기 합성 반응을 겪는 상기 가스 혼합물이 상기 압력 용기를 통해 유동하도록 조정함으로써, 상기 압력 용기가 액적과 가스 생성물 사이의 제1 분리 스테이지를 제공함을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 압력 쉘이 반응기 모듈과 상이한 재료로 이루어짐을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  6. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 구조재로 이루어진 반응기 모듈의 용적 비율이 60% 미만임을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  7. 제6항에 있어서, 상기 용적 비율이 50% 미만임을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  8. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 합성 반응이 수행되는 각각의 유동 채널이 막대들에 의해 이격되어 있는 편평한 플레이트들에 의해 또는 성 모양의 시트(castellated sheet)에 의해 한정됨을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  9. 제8항에 있어서, 상기 편평한 플레이트들이 10mm 미만의 간격으로 분리되어 있음을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  10. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 냉각제 유체용 유동 채널 각각이 성 모양(형상)의 시트에 의해 이격되어 있는 편평한 플레이트들에 의해 한정됨을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  11. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 유동 채널과 제2 유동 채널을 한정하는 부품들이 알루미늄 합금을 포함함을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  12. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 피셔-트롭쉬 합성 반응용 촉매가 금속 기재를 갖는 제거가능한 가스-투과성 촉매 구조물 내에 포함됨을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  13. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 상기 제2 유동 채널 각각이 상기 반응기 모듈의 너비를 2회 이상 가로질러 통과함을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  14. 제4항에 있어서, 상기 압력 용기가 피셔-트롭쉬 합성의 액체 생성물 및 기체상 생성물에 대한 유출 포트를 한정함을 특징으로 하는, 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기.
  15. 합성 가스를 생성하기 위한 스팀 개질 반응기, 및 쇄 길이가 보다 긴 탄화수소를 생성시키기 위한 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 기재된 피셔-트롭쉬 합성용 콤팩트 촉매 반응기를 포함하는, 천연 가스를 쇄 길이가 보다 긴 탄화수소로 전환시키기 위한 플랜트.
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