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KR101299168B1 - 소형 개질 반응기 - Google Patents

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KR101299168B1
KR101299168B1 KR1020077030872A KR20077030872A KR101299168B1 KR 101299168 B1 KR101299168 B1 KR 101299168B1 KR 1020077030872 A KR1020077030872 A KR 1020077030872A KR 20077030872 A KR20077030872 A KR 20077030872A KR 101299168 B1 KR101299168 B1 KR 101299168B1
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KR
South Korea
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reactor
section
gas
reforming
boiler
Prior art date
Application number
KR1020077030872A
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English (en)
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KR20080019651A (ko
Inventor
마이클 보에
존 뵈길드 한센
Original Assignee
할도르 토프쉐 에이/에스
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 할도르 토프쉐 에이/에스 filed Critical 할도르 토프쉐 에이/에스
Publication of KR20080019651A publication Critical patent/KR20080019651A/ko
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Publication of KR101299168B1 publication Critical patent/KR101299168B1/ko

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Abstract

공정 유체를 수소로 변환시키기 위한 개질 반응기로서, 이 반응기는 공통의 용적 내에 함유되어 있는 개질 섹션 및 보일러 섹션과, 연소 섹션을 포함하고, 상기 개질 섹션은 개질 촉매로 채워진 하나 이상의 촉매 관을 함유하고, 상기 보일러 섹션은 연소 섹션으로부터 연도 가스를 지니는 하나 이상의 관을 구비하고 있고, 상기 연소 섹션은 적어도 하나의 버너를 구비하며, 여기서 하나 이상의 촉매 관들에서 상기 공정 유체의 개질에 요구되는 열교환 매질은 상기 개질 및 보일러 섹션을 함유하는 상기 공통의 용적 내부에서 캡슐화되어 있고 자체순환하는 기체-액체 혼합물이다.
Figure 112007094660770-pct00001
반응기, 공정 유체, 수소, 개질, 보일러, 연소, 촉매 관, 열교환.

Description

소형 개질 반응기{COMPACT REFORMING REACTOR}
본 발명은 야금 산업, 화학 및 약학 산업 및 연료 전지 전원 플랜트와 같은 산업상의 이용 분야에서 사용되는 수소의 생산을 위한 일체화된 소형 개질 반응기에 관한 것이다. 특히 본 발명은 탄화수소 공급원료의 수소로의 변환을 위한 소형 개질 반응기에 관한 것인데, 이때 반응기의 개질된 기체는 압력 흡착 스윙(Pressure Adsorption Swing: PSA) 장치, Pd-합금 멤브레인, 수성가스 이동 장치를 통과함으로써 또는 선호적인 산화(Preferential Oxidation: PROX)에 의해 수소가 더욱 풍부해지게 된다. 더 구체적으로 본 발명은 반응기의 개질된 기체가 PSA 장치를 통과함에 의해 수소가 더욱 풍부해지게 하는 경우에 특히, 연료 전지 플랜트에서 사용하기에 적합한 메탄올의 수소 가스로의 변환을 위한 소형 개질 반응기에 관련된다. 본 발명은 또한 이 반응기를 사용하여 탄화수소 공급원료를 수소 가스로 개질하는 방법을 포함한다.
연료 전지 플랜트는 종종 연료 공급원으로서 수소의 공급을 요구하며 따라서 개질 반응기는 보통 연료 전지 플랜트에 일체화되게 된다. 개질 반응기는 메탄, 액체 석유가스, 가솔린, 디젤 또는 메탄올과 같은 에너지 캐리어로서 작용하는 적합한 탄화수소 공급원료를 수소 풍부 기체로 변환시키는데, 그것은 그 다음, 수소 풍부화 장치를 통과한 후 연료 전지 어셈블리에 들어간다. 소형 연료 전지 전력 플랜트는 오늘날 약 20 kW의 전력 및 그 이상까지도, 예를 들어서 50 kW까지 제공하며, 이로써 광범위한 이용분야를 촉발시키고 있다. 한가지 이러한 이용분야는 자동차 산업에서의 소형 연료 전지 플랜트의 사용이다.
폭넓은 적용을 위해, 메탄올은 연료 전지 플랜트와 연관해서뿐만 아니라 다른 산업 분야에서 소형 플랜트에서의 적용을 위해 여전히 수소 풍부 기체의 생산을 위한 최고의 탄화수소 공급원료로서 간주되고 있다. 대략, 메탄올은 수소의 요건이 소형 플랜트에 전형적인 50-500 N㎥/h의 범위인 경우에 특히 적합하다. 500 N㎥/h보다 위의 수소 요건에 대해서는 천연가스와 같은 탄화수소 공급원료가 종종 더 편리하다. 50 N㎥/h보다 아래에 대해서는 전기분해 또는 압축(bottled) 수소가 보통 더 편리하다.
연료 전지 플랜트에서 사용되는 연료 가스 특히 메탄올의 개질을 위한 반응기는 본 분야에 공지이다. 더스터왈트 등(Dusterwald et al., Chem. Eng . Tech- nol. 20 (1997) 617-623)은 개별적으로 균형을 이루고 있는 네 개의 반응기 관으로 구성되는 메탄올 스팀 개질기를 개시하고 있다. 각 반응기 관은 촉매가 내관을 채우고 있는 동심으로 배치된 두 개의 스테인레스 관으로 구성되고 메탄올-물 혼합물의 흡열 반응에 필요한 열은 관들 사이의 틈에서 흐르는 스팀을 응축함으로써 제공된다. 또한 미국 특허 No. 4861347로부터 발열반응을 얻기 위해 메탄올과 같은 원료 연료를 산화시켜 이로써 이 반응에 의해 발생된 열이 보통 메탄올과 물의 혼합물인 탄화수소 공급원료의 흡열 개질 반응에 사용되도록 하는 것이 공지되어 있다. 열은, 연소 섹션으로부터의 고온 연도 가스가 통과하는 열 관에 의해, 혹은 JP-A-63248702에서와 같이 반응기에 배치된 열 파이프에 의해, 반응기의 연소 섹션으로부터 그것의 개질 섹션으로 전달된다. 그 결과, 연소 시스템에서 발생된 열은 반응기의 나머지에 고르게 분포될 수 있고, 이로써 균일한 온도 분포가 얻어진다.
종종 개질 반응기에서 열전달 시스템은 별도의 열 파이프들이 개질 반응기에 제공될 때 특히, 갑작스런 부하 변화 후에 또는 시동 및 운전중지의 동안에와 같이 공정 조건들의 변화 후에 원하는 작동 온도를 달성하기에 충분히 신속하지 못하다. 보통, 수많은 다소간의 연속 단계들이 개질 반응기의 시동에 요구되어, 상당히 지루하고 시간소모적인 과정들을 가져온다.
연료 전지의 구체적인 분야에서, 예를 들어서, 20 kW 또는 그 이상까지도, 예를 들어서 50 kW까지의 증가된 전력을 갖는 연료 전지의 출현은 단일의 개질 반응기에서 다수의 촉매 관들을 제공할 필요를 가져왔다. 이것은 차례로 반응기 설계에 있어서 즉, 소형화, 더 양호한 온도 분포 및 열 효율의 관점에서 더 많은 요구사항을 부과한다. 특히, 반응기 내부의 모든 촉매 관들이 같은 온도로 가열되는 균일한 온도 분포의 제공은 개질에 요구된 가열이 반응기에서 단일 버너에 의해 제공되어야 할 때 달성하기가 더 어렵게 된다.
게다가, 촉매 관 내의 촉매는 종종 균일하게 분포되지 않을 수도 있어서 촉매는 예를 들어서 어떤 관에는 더 잘 패킹되는가 하면 그렇지 않은 관도 있을 수 있다. 이것은 촉매 관을 가로질러 온도 조건에 있어서 바람직하지 않은 변동을 조장할 수도 있다.
발명의 개요
그러므로, 본 발명의 목적은 모든 촉매 관들을 가로질러 개질 반응기에 개선된 온도 분포를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 또한 반응기의 고온 섹션으로부터 반응기의 개질 섹션으로 열교환 매질을 순환시키기 위한 기계적 수단이 없는 소형의 개질 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 더 이상의 목적은 소형이면서 동시에 탄화수소 공급물 흐름 또는 온도의 변화 또는 버너 상태의 변화와 같은 공정 조건에 있어서의 변화 후에 또는 시동 작동의 동안에 그것의 작동 온도를 신속하고 간단하게 달성하거나 유지할 수 있는 개질 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 촉매 관을 가로질러 분기하는 촉매 패킹에 덜 민감한 개질 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 구조에 있어서 단순하고, 저가이며 종래의 개질 반응기에서보다 열 손실이 더 낮은 개질 반응기를 제공하는 것이다.
본 발명의 여전히 또 다른 목적은 연료 전지 플랜트에서 사용하기 적합한, 특히 20 kW의 전력 또는 그 이상까지도, 예를 들어서 50 kW까지 낼 수 있는 연료 전지 플랜트에 대해서 특히, 사용하기 적합하고 소형인 개질 반응기를 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적들은 본 발명의 반응기 및 방법에 의해 달성된다.
본 발명의 제 1 관점에서, 본 발명자들은, 공정 유체를 수소로 변환시키기 위한 개질 반응기를 제공하는데, 이 반응기는 공통의 용적 내에 함유되어 있는 개질 섹션 및 보일러 섹션과, 연소 섹션을 포함하고, 상기 개질 섹션은 개질 촉매로 채워진 하나 이상의 촉매 관을 함유하고, 상기 보일러 섹션은 연소 섹션으로부터 연도 가스를 지니는 하나 이상의 관을 구비하고 있고, 상기 연소 섹션은 적어도 하나의 버너를 구비하며, 여기서 하나 이상의 촉매 관들에서 상기 공정 유체의 개질에 요구되는 열교환 매질은 상기 개질 및 보일러 섹션을 함유하는 상기 공통의 용적 내부에서 캡슐화되어 있고 자체순환하는 기체-액체 혼합물이다.
따라서, 본 발명에서 개질 섹션에서 촉매 관들 외부에서 그리고 보일러 섹션에서 연도 가스를 지니는 관들의 외부에서 순환하는 기체-액체 혼합물은 개질 반응을 위한 열의 축적 및 공급을 가능하게하는 대형 열 싱크를 제공하여, 반응기, 특히 촉매 관들 내의 모든 금속 부품들이 같은 온도를 유지하거나 신속하게 같은 온도에 도달하도록 하며, 버너 듀티의 변화와 같은 공정 조건들에서 일시적인 변화에 특히 덜 민감하게 되기 때문에 반응기의 강한 작동이 얻어진다.
"자체순환하는"이라는 용어는 열교환 매질로서 작용하는 기체-액체 혼합물이 어떤 기계적인 수단의 필요없이 반응기에서 내부적으로 이동하는 것을 의미한다. 기체는 표면 또는 촉매 관 벽으로 흐르고 여기서 기체가 액체로 변환함에 따라 기체의 부피 감소에 의해 조장된 약간의 낮은 압력에 의해 구동된 이동으로 응축이 일어난다. 그러면, 액체는 중력에 의해 구동된 보일러 섹션으로 흐른다.
본 발명의 반응기에서 메탄올 및 물의 액체 혼합물과 같은 변환시킬 공정 유체를 지니는 적어도 하나의 공정 공급물 관은 반응기의 상기 공통의 용적 내부에 연장될 수도 있다. 따라서, 적어도 하나의 공정 공급물 관은 개질 섹션과 보일러 섹션을 함유하는 상기 공통의 용적의 내부의 어떤 장소로도 연장될 수 있다. 예를 들면, 적어도 하나의 공정 공급물 관은 개질 섹션 위의 반응기의 정상에서의 영역으로부터 이 개질 섹션으로 또는 아래에 배치된 보일러 섹션으로까지도 더 연장될 수 있다. 변환시킬 공정 액체를 지니는 적어도 하나의 공정 공급물 관은 반응기의 외벽에서 도관을 통해 반응기에 도입된 다음 외벽에 배치된 상기 도관으로부터 반응기로 연장될 수도 있다. 바람직하게는 상기 공정 공급물 관은 반응기의 개질 섹션으로부터 반응기의 보일러 섹션까지 상기 공통의 용적 내부에서 반응기 벽에 실질적으로 공축으로 연장된다. 이것은 적어도 하나의 공정 공급물 관, 예를 들면 단일의 실질적으로 곧은 관 또는 관 다발로서 소형 반응기의 제공을 가능하게 하고, 반응기와 일체로 되는 것이 유리한데, 이로써 공정 유체의 예열 또는 증발이 관 외부의 자체순환 기체-액체 혼합물에서 유리하게 기체로서 실행될 수 있다. 이와 같이, 반응기의 내부에서 요구되는 증발 단계를 일체화하여 따라서 반응기의 외부에서 별도의 증발 수단을 제공하는 불편을 회피하는 것이 가능하다.
"실질적으로 공축으로 연장된다"는 말은 공정 공급물 관의 일부, 특히 반응기의 외벽에서 도관과 협력하는 입구 부분이 반응기 길이 축에 수직인 방향으로 반응기의 중심으로 연장되고, 그 후 90°굽혀지고 결국 아래의 개질 섹션 또는 보일러 섹션으로 수직으로 연장될 수 있음을 의미한다.
적어도 하나의 공정 공급물 관은 전이 구획으로 수직으로 연장될 수도 있고 이로부터 변환시킬 공정 가스를 지니는 적어도 하나의 공정 관이 반응기의 공통의 용적 내부에서 수직으로 상향 연장되며 공정 가스를 지니는 적어도 하나의 공정 관은 코일로서 형성된다. 바람직하게는, 단일 공정 관은 탄화수소 공급물, 예를 들면 액체 탄화수소 공급물이 반응기에 들어가 전이 구획으로 들어가는 외벽에서 도관으로부터 내려간다. 전이 구획은 실질적으로 액체 형태로 존재하는 공정 유체를 지니는 적어도 하나의 공정 관을 수용하도록 적합하게 된 입구 개구부와 실질적으로 기체 형태로 존재하는 공정 유체를 지니는 적어도 하나의 공정 관을 수용하도록 적합하게 된 출구 개구부를 갖는 박스로서 배치되어 있다. 이들 관은 수직으로 상향 연장되고 코일 또는 나선으로서 형성되어 있다. 이것은 개질에 앞서 공정 가스의 예열을 위한 더 양호한 열전달을 보장하고 동시에, 예를 들어서 직선 관과 같은 열전달 영역이 낮은 높이에 수용될 수 있기 때문에 소형 반응기 설계를 제공한다. 더 나아가서, 코일 또는 나선의 사용은 2-상 흐름(기체-액체)에 원심분리 효과를 부여하여, 이로써 아직 증발되지 않은 어떤 액체의 역류를 가능하게 하고 공정 가스의 상향 흐름을 용이하게 한다.
바람직하게는 적어도 하나의 공정 관은 공정 가스가 개질 섹션에서 적당한 반응 온도로 가열되는 것을 보장하기 위해 반응기의 보일러 섹션에서 전이 구획으로부터 개질 섹션으로 연장될 수도 있다.
본 발명에서 적어도 하나의 공정 공급물 관을 예를 들면 보일러 섹션 바로 아래의 연도 가스 영역에서 연소 섹션에 위치된 전이 구획으로 연장하는 것이 또한 가능하다.
본 명세서에서, "탄화수소 공급원료"라는 용어는 "공정 유체" 또는 "공급물 공정 유체"라는 용어와 서로 바꾸어 사용된다. 보통, 반응기로의 공급물 입구는 예를 들면, 메탄올과 물의 혼합물이 액체 형태로 존재하는 한편, 개질 섹션으로 들어갈때 기체 형태로 존재한다. 반응기에 들어갈 때, 탄화수소 공급물은 또한 공정 유체로도 언급하며 공정 관에서 증발 후 결과되는 유체를 공정 가스로도 언급한다. 여기서 사용된 "공정 공급물 관"이라는 용어는 전이 구획으로 들어가는, 공정 유체를 지니는 적어도 하나의 관을 말한다. 개질 섹션으로 향하는 증발 기체를 지니는, 전이 구획으로부터 돌출하는 관은 간단히 "공정 관"이라고 언급한다.
본 발명의 또 다른 구체예에서, 변환시킬 공정 유체를 지니는 적어도 하나의 공정 공급물 관은 반응기의 외벽에 배치된 도관을 통해 반응기에 들어가고 상기 공정 유체는 간접 가열 접촉(즉, 열전달 표면을 가로지름)에 의해 예열되고 변환된 기체는 반응기의 개질 섹션으로부터 나가고, 여기서 상기 나가는 변환된 기체는 바람직하게는 상기 도관의 환형 영역에서 통과한다. 보통 하류의 PSA 장치는 비교적 차거운 스트림의 수소 풍부 기체를 요하고 따라서 반응기의 하류에 공기 냉각기와 같은 냉각 수단이 사용된다. 이와 같이, 이 구체예는 반응기로부터의 개질된 기체(수소 풍부 기체)가 메탄올의 개질에 전형적인 보통 약 280℃로부터 약 150℃로 냉각시키는 것을 가능하게하여, 이로써 하류의 공기 냉각기에서 요구되는 작용을 감소시키고 따라서 또한 그 크기를 감소시킨다. 개질 섹션으로부터 나가는 변환된 기체와 접촉해 있는 공정 유체를 지니는 적어도 하나의 공정 관의 부분은 너무 현저한 돌출부분들이 없이 훨씬 더 소형의 반응기 설계도 보장하기 위해 코일로서 형성되는 것이 유리할 수도 있다. 상기 도관은 바람직하게는 반응기의 상부, 예를 들면 그 정상 근처에 위치된다. 대안의 구체예에서, 출구 관은 나가는 변환된 기체를 지니고 상기 도관의 내부에서 공정 공급물 관과 나란하게 뻗어 있다.
바람직하게는 반응기의 하부에 보일러 섹션의 아래에 배치된 연소 섹션에서, 메탄올과 같은 적합한 연료는 연료 입구를 통해 주입되고 적어도 하나의 버너에서 예열된 연소 공기와 반응을 시킨다. 고온 연도 가스는 메탄올의 발열 산화에 의해 생성되고 그 다음, 보일러 섹션으로 통과한다. 상기 연도 가스를 지니는 관들은 연소 섹션으로부터 보일러 섹션으로 수직으로 연장되고 그 다음 그것들의 출구는 상기 보일러 섹션으로부터 반응기의 환형 섹션을 향해 돌출할 수도 있다.
보일러 섹션은 기체-액체 시스템, 바람직하게는 포화된 물-스팀 혼합물과 같은 포화된 기체-액체 혼합물이 자체순환하는 구획 또는 공통의 용적 내에 함유되어 있다. 구획은 아래에 배치된 연소 섹션으로부터의 고온 연도 가스가 통과하는 하나 이상의 관을 함유한다. 고온 연도 가스는 기체-액체 혼합물에 열을 공급하여, 이로써 액체의 일부를 증발시키고 반응기에서 내부적으로 상향하여 그것의 순환을 촉진한다. 기체-액체 혼합물에서 열의 일부는 또한 변환시킬 기체 또는 액체 또는 기체-액체 혼합물, 예를 들면 메탄올-물을 지니는 적어도 하나의 공정 관에 전달된다. 공정 관들은 보일러 섹션으로부터 반응기의 중간 부분을 통해 상향하여 더욱 하나 이상의 수직 촉매 관들이 배치되어 있는 개질 섹션까지 연장된다. 개질 섹션은 또한 보일러 섹션과 같은 구획 또는 공통의 용적 내에 함유되나, 바람직하게는 반응기의 상부에서 별도로 바람직하게 배치된다. 따라서, 상기 보일러 및 개질 섹션은 둘다 공통의 용적 내에 함유된다. 촉매 관이라는 용어는 이들 관이 메탄올과 물의 혼합물과 같은 주어진 탄화수소 공급원료의 개질에 적합한 고체 촉매 입자로 채워진다는 것을 의미한다.
개질에 앞서, 개질시킬 공정 가스는 개질기 섹션에서, 바람직하게는 하나 이상의 촉매 관 위에서 적합한 위치에서 공정을 떠난다. 하나 이상의 촉매 관은 보통 다수의 원주에 및 방사상으로 간격진 촉매 관들로서 배치된다. 종종 촉매 관의 수는 반응기의 수소 용량에 따라 5 또는 20 이상, 더 종종 50 이상 100 또는 200 이상까지도 된다. 개질시킬 공정 가스는 촉매 관에 들어가고 촉매 입자를 통해 아래로 흘러 촉매 관을 통해 통과함에 따라 점차적으로 변환되게 한다. 개질 반응에 요구되는 열은 상기 촉매 관의 외부에서 자체순환하는 기체-액체 혼합물에 의해 제공된다. 기체-액체 혼합물이 촉매 관에 열을 전달함에 따라, 기체는 응축하고 중력에 의해 보일러 섹션으로 아래로 강제로 흐른다. 열교환 매질로서 작용하는 기체-액체 혼합물은 따라서 보일러 섹션과 개질 섹션을 함유하는 상기 공통의 용적 내부에서 캡슐화되는 영역에서 자체 순환하는 방식으로 반응기 내부에서 이동한다. 이것은 반응기 내부의 상기 보일러 섹션 및 상기 개질 섹션을 통해 기체-액체 혼합물의 연속적인 순환을 가능하게 한다.
그러므로 기체-액체 혼합물은 적어도 하나의 공정 공급물 관의 외부에서, 변환시킬 공정 가스를 지니는 적어도 하나의 공정 관의 외부에서, 연도 가스를 지니는 관들의 외부에서 그리고 기밀 밀봉된 구획에서 하나 이상의 촉매 관의 외부에서 자체순환한다는 것이 이해될 것이다. 혼합물에서 기체 또는 액체, 예를 들면 혼합물이 포화된 물-스팀 혼합물일 때 스팀은 상기한 열 전달 매질로서 이외의 다른 목적으로 이용되지 않는다.
바람직하게는 적어도 상기 개질 및 보일러 섹션은 외부의 실질적으로 원통형의 하우징에 들어맞을 수 있도록 반응기에서 공축으로 배치된다. 따라서, 한 구체예에서, 상기 연소, 개질 및 보일러 섹션들은 반응기에서 공축으로 배치된다. 또 다른 구체예에서 개질 및 보일러 섹션은 반응기에서 공축으로 배치될 수 있는 한편, 연소 섹션은 L-형태로 된 반응기를 형성하도록 상기 보일러 섹션에 수직으로 배치될 수도 있다. 이것은 반응기에 있어서 낮은 길이를 가능하게 하고 반응기 길이가 제한 요인인 상황에서 그것의 운반을 용이하게 할 수 있다.
상기 개질 섹션은 바람직하게는 공정 가스를 지니는 적어도 하나의 공정 관 및 선택적으로 공정 유체를 지니는 적어도 하나의 공정 공급물 관이 공축으로 배치되는, 보일러 섹션에 관하여 직렬로 배치된다. 보일러 섹션은 바람직하게는 연소 섹션에 관하여 직렬로 배치되는데, 이것은 하나 이상의 버너와는 별도로 적합한 연료, 바람직하게는 메탄올의 도입을 위한 연료 입구, 그리고 선택적으로 바람직하게는 PSA 장치로부터의 폐가스 또는 수소 풍부화 단계로부터의 어떤 다른 폐가스인 또 다른 연료의 도입을 위한 공축으로 배치된 연료 입구를 포함할 수도 있다. 전형적으로 반응기의 보통의 작동의 동안에, PSA로부터의 폐가스는 주 연료로서 역할을 하는 한편, 메탄올은 지지 연료로서의 역할을 하고, 반면에 시동시에는 주 연료로서 역할을 하는 것은 메탄올이다. PSA 장치로부터의 폐가스 및 선택적으로 연료 전지로부터의 애노드 폐가스의 사용은 예를 들어서 상기 반응기와 상기 동반하는 PSA 장치를 포함하는 연료 전지 플랜트에서 더 양호한 전면적인 열 효율을 가능하게 한다.
반응기의 연소 섹션은 또한 적어도 하나의 버너를 구비한다. 반응기 소형화의 요구 때문에 버너의 수는 최소로 유지된다. 바람직하게는 단일의 버너가 제공되며, 더 바람직하게는 단일의 촉매작용 버너가 제공된다. 촉매작용 버너는 공기와 사전 혼합된 연료 가스가 내부적으로 공급되는 외표면에서 산화 촉매를 갖는 세라믹 중공 실린더일 수도 있다. 촉매작용 버너는 바람직하게는 흐름 채널에 배치된 버너이고 세라믹으로 코팅되고 산화 촉매가 함침된 직렬로 배치된 와이어 메시 층들로서 제공된다. 연소에서 발생된 열은 발생된 연도 가스를 통해 자체순환하는 기체-액체 시스템에 대류 메카니즘에 의해 전달된다. 따라서, 본 발명의 또 다른 구체예에서 반응기에서 상기 연소 섹션은 단일 촉매작용 버너를 구비하고 상기 촉매작용 버너는 세라믹으로 코팅되고 산화 촉매가 함침된 직렬로 배치된 와이어 메시 층들로서 제공되어 이로써 연소에서 발생된 열은 발생된 연도 가스를 통해 자체순환하는 기체-액체 혼합물에 대류 메카니즘에 의해 전달된다. 이것은 예를 들어서 방사 메카니즘에 의해 열전달이 일어나는 시스템에서보다 더 양호한 열전달을 가능하게 하는 한편, 동시에 예를 들어서 단지 단일 버너가 사용되기 때문에 소형 반응기 설계를 가능하게 한다.
본 발명의 또다른 구체예에서, 상기 개질 섹션 및 보일러 섹션은 실질적으로 절연된 하우징에 둘러싸여 있고, 상기 절연된 하우징은 연도 가스를 지니는 제 1의 환형 영역 및 연소 공기를 지니는 제 2의 환형 영역 속에 넣어져 있다. 이것은 개질 섹션, 연소 섹션 및 열교환 매질로서의 역할을 하는 기체-액체 시스템을 지니는 공통의 용적을 함유하는 반응기의 본체 내의 더 고온 부분들이 제 1의 절연된 하우징, 그 다음 연도 가스가 통과되는 슬리브와, 마지막으로 버너에서 사용되는 제 2의(외부) 환형 영역에 의해 둘러싸여 있기 때문에 주위로의 더 낮은 열 손실을 가능하게 한다. 이것은 또한 연소 가스 및 하류의 수소-정제 장치로부터의 폐가스와 같은 어떤 다른 적합한 연료 가스가 바람직하게는 도중에서 역류로 반응기의 밖으로 흐르는 연도 가스와의 간접 열교환에 의해 예열되는 것을 가능하게 한다. 바람직한 구체예에서, 연도 가스는 보일러 섹션으로부터 직접 상기 보일러 섹션 외부의 환형 영역을 통해 상기 제 1 환형 영역으로 들어간다. 이 환형 영역에는 보일러 섹션으로부터 돌출하는 이 기체를 지니는 관들에 의해 연도 가스가 공급된다. 연도 가스는 또한 반응기의 연소 섹션으로부터 직접 상기 제 1 환형 영역으로 들어갈 수도 있고, 이로써 연도 가스에서 더 높은 온도가 실현될 수 있다.
여기서 사용된 "실질적으로 절연된 하우징에 둘러싸여 있는"이라는 말은 반응기의 어떤 부분들이 절연되어 있지 않을 수도 있다는 것을 의미한다. 예를 들면, 개질 섹션의 일부는 절연을 필요로 하지않는 것이 가능하다. 또한 개질 또는 보일러 섹션의 작은 부분이 상기 절연 하우징에 의해 둘러싸이지 않는 것도 가능하다. 예를 들면, 절연된 하우징은 연소 섹션에 가장 가까운 보일러 섹션의 하부를 덮지 않을 수도 있다.
반응기는 반응기를 떠나는 개질된 공정 가스의 더 이상의 처리를 위한 바람직한 수소-정제 장치인 압력 흡착 스윙 장치(PSA)와 협력하도록 적합하게 할 수도 있다. 상기한 바와 같이, PSA 장치로부터의 폐가스는 연료로서 반응기에서 이용될 수도 있다. 따라서, 본 발명의 여전히 또 다른 구체예에서 입구는 PSA 폐가스의 통과를 위한 연소 공기를 지니는 상기 제 2의 환형 영역에 적합하게 되어 있다. 이것은 연소 섹션에서 적어도 하나의 버너로 도입하기에 앞서 상기 폐가스의 예열을 가능하게 한다.
PSA-장치의 대신에, Pd-합금 멤브레인이 또한 개질된 공정 가스를 풍부화하기 위해 사용될 수도 있다. 보통, 고도의 순도가, 반응기에 포함될 수도 있는 Pd-합금 멤브레인을 사용함으로써 얻어질 수도 있다. 따라서, 본 발명에서, Pd-합금 멤브레인과 같은 수소 정제 장치를 반응기 내에 일체화하는 것도 또한 가능하다. 그러나, PSA 정제 장치는 Pd-합금 멤브레인보다 덜 민감하고 더 저가이기 때문에 여전히 바람직하다. 보통 Pd-합금 멤브레인은 개질된 기체에서 비교적 고온, 예를 들면 약 350℃가 요구된다. 이와 같이, 메탄올 개질에서 약 300℃에서 반응기를 떠나는 개질된 기체는 Pd-합금 멤브레인의 요건에 순응하기 위해서는 가열을 요할 것이다. 종래의 수성가스 이동 단계, 예를 들면 소위 일산화탄소의 선호적인 산화(PROX)에서 일산화탄소의 선택적 산화 및 낮은 이동과 같은 다른 수소 풍부화 장치는 유리하게 특히 연료 전지와 관련하여 사용될 수도 있다. 수성가스 이동 및 PROX 단계는 개질된 수소 풍부 기체로부터 일산화탄소의 제거를 가능하게 한다. 이것은 양성자 교환 멤브레인(proton exchange membrane: PEM) 연료 전지에서 전기화학 반응의 효율의 증가를 가져오는데, 이것은 PEM 연료 전지의 Pt 애노드에서 흡착된 일산화탄소가 수소의 양성자 및 전자로의 해리를 억제하고 결과적으로 PEM 연료 전지의 전력 출력 또는 성능을 강하게 감소시키기 때문이다.
연소 공기를 지니는 반응기의 제 2의 환형 영역은 바람직하게는 연소 섹션에 연결되어 있다. 따라서, 상기 제 2의 환형 영역은 예열된 연소 공기가 바람직하게는 메탄올인 입구 연료와 바람직하게는 PSA 장치로부터의 폐가스인 다른 연료와 함께 버너에 들어가는 것을 보장하기 위해 바람직하게는 연소 섹션으로 연장될 수도 있다. 공기의 대신에, 산소 풍부화된 공기와 같은 어떤 다른 적합한 산화제도 사용될 수 있음이 이해될 것이다.
기체-액체 혼합물은 바람직하게는 약 55 내지 110 bar g, 바람직하게는 65 내지 110 bar g의 압력 및 270℃ 내지 약 320℃, 바람직하게는 280 내지 약 320℃의 온도에서 자체순환하는 포화된 스팀-물 시스템이다. 가장 바람직하게는 포화된 스팀-물 시스템은 65 bar g의 압력 및 28O℃의 온도에서 자체순환한다. 온도는 순환하는 시스템에서 포화된 스팀 압력에 의해 결정되며, 이 경우에 280℃이고, 이때 포화된 스팀-물 시스템의 압력은 65 bar g이다. 따라서, 포화된 스팀-물 시스템은 또한 110 bar g의 압력 및 약 32O℃의 온도에서, 또는 55 bar g의 압력 및 27O℃의 온도에서 자체순환할 수도 있다. 포화된 스팀-물 시스템은 메탄올의 수소로의 변환을 위한 개질 섹션에서 요구된 온도, 예를 들면, 28O℃가 쉽게 달성되는 자체순환 시스템의 제공을 가능하게 한다. 상기 압력 및 온도는 개질시킬 공정 가스가 메탄올을 포함할 때, 예를 들면 메탄올 및 물의 혼합물일 때, 특히 적합한데, 메탄올의 개질이 보통 25O-350℃의 온도 범위에서 일어나기 때문이다. 따라서, 본 발명의 또 다른 구체예에서 반응기에 들어가는 공정 유체는 메탄올과 물의 혼합물이고 기체-액체 혼합물은 55 내지 110 bar g의 압력 및 27O 내지 약 320℃(더 구체적으로는 318℃)의 온도에서 순환하는 포화된 스팀-물 시스템이다. 포화된 스팀-물 시스템의 높은 열 용량은 따라서 반응기에서 대형 열 싱크의 제공을 가능하게 한다. 열은 축적되고 상황들이 예를 들어서 반응기 작동 또는 버너 듀티에서의 변화가 그것을 필요로 할 때 사용할 준비가 된다. 열은 자체순환하는 스팀-물 시스템에 의해 반응기를 통해 분포되고, 여기서 물은 촉매 버너로부터의 고온 연도 가스와 열교환에 의해 기화되는 한편, 스팀은 열이 소비되는 경우에 응축된다. 여전히 또 다른 구체예에서, 반응기에 들어가는 공정 유체는 디메틸에테르(DME)를 함유한다. DME는 보통 메탄올의 탈수에 의해 얻어진다. 반응기에 들어가는 공정 유체는 따라서 메탄올, DME 또는 DME와 메탄올의 혼합물을 포함할 수도 있다.
공정 유체로서 DME를 이용할 때, DME의 수소로의 분해는 2 단계 반응에 의해 진행된다. 제 1 반응에서 에테르는 반응:
CH3OCH3 + H2O = 2CH3OH (1)
에 의해 수화되어 메탄올로 되고 DME의 수화의 동안에 생성된 메탄올은 제 2 단계로 탄소산화물 및 수소로 분해된다:
CH3OH + H2O = CO2 + 3H2 (2)
CO2 + H2 = CO + H2O (3)
두 반응은 기체 및 액체 상에서 일어날 수 있다.
반응 (1)은 매우 낮은 반응 속도로 약산의 존재하에 진행하며, 메탄올로 가는 반응은 열역학적으로 불리하다. 상기 반응 (2) 및 (3)에 의한 메탄올 분해는 보통, 구리, 아연 및 알루미늄 산화물을 기재로 한 고체 촉매에 의해 촉매작용하는 것으로 알려져 있다. 열역학적으로, 고온, 저압 및 높은 스팀 농도가 유리하다.
반응 (1)에 의한 DME의 메탄올로의 수화의 동안에 반응 속도는 미국 특허 No. 5,837,217에 기술된 것과 같은 고체 산의 존재하에 반응을 수행함으로써 상당히 개선될 수도 있다. 반응 CH3OCH3 + 3H2O = 2CO2 + 6H2에 의한 DME의 수소 풍부 기체로의 전면적인 반응은, 생성된 메탄올을 그것이 상기 반응 (2) 및 (3)에 따라 메탄올이 수소 및 탄소산화물로 되는 반응을 통해 형성됨에 따라 제거함으로써 DME 수화 반응 (1)의 평형 제한을 극복할 때 수소 및 탄소산화물의 형성을 위한 합리적인 반응속도로 높은 생성물 수율 및 선택성으로 진행된다. 그러므로, 디메틸에테르는 바람직하게는 반응기에서 촉매 관들 내에 물리적인 혼합물로 배치되어 있는 고체 산들의 군으로부터 선택된 에테르 수화 촉매와 메탄올 분해 촉매의 존재하에 물과 반응시킨다. 디메틸에테르의 수화를 위한 적합한 촉매는 어떤 고체 산도 된다. 바람직하게는, 수화 촉매는 산성 제올라이트, 가장 바람직하게는 그것의 H-형태로 ZSM-5를 포함한다. DME 수화 촉매는 바람직하게는 Cu-Zn-알루미나의 메탄올 분해 촉매와 1:5 내지 5:1의 중량비로 물리적으로 혼합된다.
공정 유체 측에서, 압력은 보통 3 내지 30 bar g, 예를 들면 20 내지 30 bar g의 범위로 낮은 수준으로 유지된다. 예를 들면, 반응기에 들어가는 공정 유체, 여기서 메탄올 및 물의 액체 혼합물의 압력은 약 22 bar g일 수 있고 그것의 온도는 O℃ 내지 50℃ 범위가 되는 한편, 반응기를 떠나는 개질된 기체에서는 압력은 약간 더 낮은, 예를 들어서 약 20 bar g일 수 있고 온도는 12O℃ 내지 270℃ 범위가 된다. 반응기로부터의 수소 생산(나오는 개질된 기체)은 보통 10-5000 N㎥/h, 종종 15-1000 N㎥/h, 바람직하게는 25-1000 N㎥/h, 더 바람직하게는 25-500 N㎥/h의 범위이다. 보통 상기 개질된 기체의 조성은 약 65 부피% H2, 11 부피% H2O, 2.1 부피% CO, 23 부피% CO2 및 1.4 부피% 메탄올이다. 반응기에서 메탄올 변환은 보통 90%이상, 종종 95%이상, 예를 들면 97% 내지 99%이다. 600 N㎥/h의 수소 용량(생산)을 갖는 반응기에 대해, 촉매 관의 수는 보통 110-120개의 범위이다. 촉매 관은 보통 2.5 내지 3.0 m 길이이고 내경이 20 mm이다. 개질 섹션에서 촉매 관들을 가로지르는 반응기에서의 온도는 예를 들면 280℃에서 균일한 수준에서 유지되며, 이 수준은 순환하는 시스템에서 포화된 스팀 압력에 의해 결정되는데, 이 경우 65 bar g이다. 더 높은 온도의 적용을 위해서는, 자체순환하는 시스템은 물-스팀 혼합물의 대신에 나트륨 또는 칼륨을 포함할 수도 있다.
반응기는 상기 촉매 관들 위에 배치된 촉매의 고정층을 더 포함할 수도 있는데, 상기 고정층은 반응기의 실질적으로 전체 수평 단면을 커버하고, 상기 고정층은 상기 기체의 상기 촉매 관들로의 통과에 앞서 변환시킬 공정 가스를 수용하기에 적합하게 되어 있다. 촉매의 고정층은 변환시킬 공정 가스를 지니는 하나 이상의 공정 관을 둘러쌀 수도 있다. 따라서, 고정층은 개질 섹션의 하나 이상의 촉매 관의 상류에 배치된다. 공정 가스를 지니는 하나 이상의 공정 관들은 고정층을 통해 연장되고 층으로부터 약간 멀리 돌출할 수도 있다. 공정 관들은 따라서 고정층 바로 위의 출구 개구부를 구비하여 상기 층을 통해서 및 이어서 하나 이상의 촉매 관 내부에서의 촉매층을 통해서 공정 가스의 통과를 허용한다. 반응기의 실질적으로 전체 수평 단면을 덮는 촉매의 고정층은 유해물 차단 촉매층으로서 역할을 하고 종종 공정 가스가 균일하게 하류의 촉매 관들로 흘러가고 결과적으로 반응기의 수평 단면 섹션을 가로질러 더 양호한 온도 분포가 달성된다.
본 발명에 따르는 일체화된 소형의 반응기는, 탄화수소 공급원료의 예열 및 증발, 연소 공기의 예열 및 선택적으로 PSA 장치로부터의 폐가스를 예열하기 위한 히터, 또한 촉매작용 버너 및 열교환 매질로서의 역할을 하는 상기 기체-액체 혼합물(기체-액체 시스템)을 캡슐화하는 공통의 용적과 같은 반응기 외부의 독립형 조작을 요하는 수많은 공정 장치 또는 단계들을 단일 장치로 일체화한다는 것이 이해될 것이다. 반응기는 밸브 및 펌프와 같은 움직이는 부품들의 사용을 요하지 않으며, 예를 들어서 반응기 내부에서 열교환 매질로서의 역할을 하는 기체-액체 혼합물의 내부 순환을 제공하는 펌프를 갖는 것이 필요하지 않다.
제 2의 관점에서 본 발명은 또한 수소의 생산을 위한 방법을 포함한다. 따라서, 본 발명자들은 여기서 기술된 바와 같은 연소 섹션, 보일러 섹션 및 개질 섹션을 함유하는 반응기에서 공급물 공정 유체로부터 수소를 생산하는 방법을 제공하는데, 방법은 다음 단계들을 포함한다:
- 선택적으로 상기 개질 섹션으로부터 나오는 개질된 공정 가스와 간접 열교환에 의해 공급물 공정 유체를 예열하는 단계,
- 선택적으로 반응기에서 상기 공급물 공정 유체를 더 가열 및 증발시켜 상기 개질 섹션 및 상기 보일러 섹션을 함유하는 공통의 용적 내부에서 캡슐화되고 자체순환하는 기체-액체 혼합물과의 간접 열교환에 의해 예열된 공정 가스를 형성하는 단계,
- 예열된 공정 가스를 상기 개질 섹션을 통해 통과시키는 단계,
- 상기 개질 섹션 및 상기 보일러 섹션을 함유하는 공통의 용적 내부에서 캡슐화되고 자체순환하는 기체-액체 혼합물과의 간접 열교환에 의해 개질 섹션에서 적어도 하나의 촉매 관을 가열하는 단계,
- 상기 개질 섹션으로부터의 개질된 공정 가스를 회수하고 선택적으로 공급물 공정 유체의 예열에 의해 상기 개질된 공정 가스를 냉각하는 단계,
- 연소 공기와 함께 연소 섹션에서 적어도 하나의 버너로 연료를 도입하는 단계, 이때 상기 연소 공기는 보일러 섹션으로부터 연도 가스와의 간접 열교환에 의해 예열되며,
- 버너로부터 연도 가스를 회수하고 상기 연도 가스를 보일러 섹션을 통해 통과시키는 단계, 그리고
- 상기 보일러 섹션을 통과하는 연도 가스와 간접 열교환에 의해, 상기 개질 섹션과 상기 보일러 섹션을 함유하는 반응기에서의 공통의 용적 내부에서 캡슐화되고 자체순환하는 상기 기체-액체 혼합물을 가열하는 단계.
방법은 수소가 풍부하고 PSA-장치에서 사용하기에 특히 적합한 개질된 공정 가스의 생산을 가능하게 한다. 대안으로, Pd-합금 멤브레인 등이 PSA의 대신에 수소-정제 장치로서 사용되고, 개질된 공정 가스의 더 이상의 가열은 연도 가스와의 간접 열교환에 의해 유리하게 실행될 수 있다. 수소-정제 장치는 따라서 반응기 내에 또한 일체화될 수 있는 멤브레인이 될 수도 있다.
연소 공기와 함께 연소 섹션에서 적어도 하나의 버너로 도입된 연료는 메탄올과 같은 탄화수소 연료일 수 있으나, 종종 수소-풍부화 장치로서 사용되는 하류의 PSA-장치로부터의 단지 폐가스이다.
상기 공정은 다음 단계들을 더 포함할 수도 있다:
- 냉각된 개질된 공정 가스를 공기 냉각기를 통해 통과시키는 단계,
- 이어서 상기 냉각된 개질된 공정 가스를 수소-정제 장치를 통해 통과시켜 수소-풍부화 기체를 형성하는 단계, 그리고
- 상기 수소-정제 장치로부터의 폐가스를 반응기의 적어도 하나의 버너에 도입하는 단계.
수소-정제 장치가 PSA-장치인 경우에, 이 장치와 공기 냉각기는 바람직하게는 반응기의 외부에 위치된다. PSA 장치로부터의 폐가스는 다음에 상기한 바와 같이 적어도 하나의 버너에 도입될 수도 있다. 다음에 수소-정제 장치로부터의 수소 풍부화 기체는 야금 산업, 전자, 화학 및 약학 산업 또는 연료 전지 플랜트에서 수소원으로서와 같은 어떤 적합한 산업상의 이용 분야를 위해 사용될 수 있다.
본 발명은 첨부 도면에 의해 더 예시된다.
도 1은 PSA-장치로 사용하기 위한 25-1000 N㎥/h의 수소의 생산을 위한 본 발명의 한 구체예에 따르는 반응기의 개략도를 나타낸다.
바람직한 구체예의 상세한 설명
도 1에서 80 N㎥/h의 수소의 용량을 갖는 원통형의 일체화된 반응기(1)는 연소 섹션(2), 보일러 섹션(3) 및 개질 섹션(4)을 함유한다. 원통형의 반응기(1)는전체 중량이 300 kg이고 높이가 약 1.6 m이며, 직경이 (연소 섹션은 제외하고) 약 0.4 m이다. 반응기의 전체 부피는 약 0.275 ㎥인 한편, 전체 촉매 부피는 0.020 ㎥이다.
개질 섹션(4)은 또한 촉매 관들이 배치된 개질 섹션의 영역 위에 배치된 개질 촉매(5)의 고정층을 또한 포함한다. 이들 섹션은 외부의 실질적으로 원통형의 하우징에 들어맞을 수 있도록 반응기에 공축으로 배치되어 있다.
메탄올과 물의 혼합물은 반응기의 외벽에서 도관(6)을 통해 반응기(1)에 도입된다. 도관(6)을 통해 공정 유체(메탄올과 물 혼합물)을 지니는 공정 공급물 관(7)이 뻗어 있다. 공정 관은 보일러 섹션(3)으로 수직으로 아래로 연장된다.
보일러 섹션은 여기서 빗금친 영역에 의해 예시한 포화된 물-스팀 혼합물(9)이 내부에서 자체 순환하는 구획 또는 공통의 용적(8)에 배치된다. 그러므로 포화된 물-스팀 혼합물은 보일러 섹션 및 개질 섹션을 함유하는 상기 공통의 용적(8) 내부에 캡슐화되어 있는 영역에서 자체순환하는 방식으로 반응기 내부에서 이동한다. 구획 또는 공통의 용적(8)은 아래에 배치된 연소 섹션(2)으로부터의 고온 연도 가스(11)가 통과하는 하나 이상의 관(10)을 함유한다. 보일러 섹션(3) 아래에 반응기의 하부에 배치된 연소 섹션(2)에서, 메탄올과 같은 적합한 연료가 분무 노즐로서 적합하게 되어 있는 연료 입구(12)를 통해 주입된다. 다음에 메탄올을 원통형 반응기(1)의 공축의 흐름 채널에 배치되어 있는 산화 촉매가 함침된 와이어 메시를 포함하는 단일의 촉매작용 버너(14)에서 입구(13)를 통해 들어가는 예열된 연소 공기와 반응을 시킨다. 고온 연도 가스(11)가 생성되며 그 다음 보일러 섹션(3)으로 통과한다. 상기 연도 가스를 지니는 관들(10)은 연소 섹션(2)으로부터 보일러 섹션(3)으로 수직으로 연장되고, 그것들의 출구(15)는 반응기의 환형 섹션(16)을 향해 돌출한다.
공통의 용적(8)내의 보일러 섹션(3)에서 포화된 물-스팀 혼합물(9)에서의 열의 일부는 공정 관들(17)의 시스템에 전달된다. 여기서 코일 또는 나선으로서 형성된 공정 관들(17)은 보일러 섹션(3)에서 전이 구획(18)으로부터 반응기의 중간부분을 통하여 위로 개질 섹션(4)까지도 연장된다. 하나 이상의 수직한 촉매 관들(19)이 내부에 배치되어 있는 개질 섹션(4)은 반응기의 상부에서 구획 또는 공통의 용적(8)에서 배치되어 있다. 공정 관들(17) 내부에서 운행하는 개질시킬 공정 가스는 촉매(5)의 고정층 위로 떠나고, 이 층을 통과하며 촉매 관들(19)에 들어간다. 개질된 기체는 촉매 관들(19)의 바닥에서 출구 파이프(20)를 통해 개질 섹션을 떠나고 반응기의 외벽에서 도관(6)에서 공정 공급물 관(7) 내부에서 운반되는 탄화수소 공급물을 예열하기 위해 사용된다.
개질 섹션(4, 5) 및 보일러 섹션(3)은 절연된 하우징(21)에 의해 둘러싸여 있다. 이 절연된 하우징(21)은 연도 가스를 지니는 제 1 환형 영역(22)과 입 구(13)를 통해 들어가는 연소 공기를 지니는 제 2의 환형 영역(23) 속에 넣어져 있다. 연소 공기는 연도 가스 출구(24)를 향해 환형 섹션(22)에서 역류로 흐르는 연도 가스(11)와의 간접 열교환에 의해 예열된다. 연소 섹션(2)은 또한 별도의 절연 하우징(25)에 의해 둘러싸여 있다. 하류의 PSA-장치로부터의 폐가스는 또한 연료로서도 사용되고 입구(26)를 통해 버너(14)에 들어간다. 연도 가스(11)는 보일러 섹션으로부터 직접 상기 보일러 섹션의 외부에서의 환형 영역(27)을 통해 상기 제 1 환형 영역(22)으로 들어간다. 연소 공기를 지니는 제 2의 환형 영역(23)은 좁은 통로(28)를 통해 연소 섹션(2)에 연결된다.

Claims (10)

  1. 공정 유체를 수소로 변환시키기 위한 개질 반응기로서, 공통의 용적 내에 함유되어 있는 개질 섹션 및 보일러 섹션과, 연소 섹션을 포함하고, 상기 개질 섹션은 개질 촉매로 채워진 하나 이상의 촉매 관을 함유하고, 상기 보일러 섹션은 연소 섹션으로부터 연도 가스를 지니는 하나 이상의 관을 구비하고 있고, 상기 연소 섹션은 적어도 하나의 버너를 구비하며, 여기서 하나 이상의 촉매 관들에서 상기 공정 유체의 개질에 요구되는 열교환 매질은 상기 개질 및 보일러 섹션을 함유하는 상기 공통의 용적 내부에서 캡슐화되어 있고 자체순환하는 기체-액체 혼합물이고, 상기 공정 유체는 메탄올과 물의 혼합물이며, 상기 기체-액체 혼합물은 55 내지 110 bar g의 압력 및 270℃ 내지 320℃의 온도에서 자체순환하는 포화된 스팀-물 시스템인 것을 특징으로 하는 반응기.
  2. 제 1 항에 있어서, 변환시킬 공정 액체를 지니는 적어도 하나의 공정 공급물 관은 반응기의 상기 공통의 용적의 내부에 연장되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  3. 제 2 항에 있어서, 변환시킬 공정 유체를 지니는 적어도 하나의 공정 공급물 관은 반응기의 외벽에 배치된 도관을 통해 반응기에 들어가고 상기 공정 유체는 반응기의 개질 섹션으로부터 나가는 변환된 기체와의 간접 접촉에 의해 예열되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  4. 제 2 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 적어도 하나의 공정 공급물 관은 전이 구획으로 수직으로 연장되는데 이로부터 변환시킬 공정 가스를 지니는 적어도 하나의 공정 관이 반응기의 공통의 용적 내부에서 수직으로 상향 연장되며 공정 가스를 지니는 적어도 하나의 공정 관은 코일로서 형성되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 개질 섹션 및 보일러 섹션을 함유하는 상기 공통의 용적은 절연된 하우징에 둘러싸여 있고, 상기 절연된 하우징은 연도 가스를 지니는 제 1의 환형 영역 및 연소 공기를 지니는 제 2의 환형 영역 속에 넣어져 있는 것을 특징으로 하는 반응기.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 연소 섹션은 단일 촉매작용 버너를 구비하고 상기 촉매작용 버너는, 세라믹으로 코팅되고 산화 촉매가 함침된 직렬로 배치된 와이어 메시 층들로서 제공되어 이로써 연소에서 발생된 열은 발생된 연도 가스를 통해 자체순환하는 기체-액체 혼합물에 대류 메카니즘에 의해 전달되는 것을 특징으로 하는 반응기.
  9. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 촉매 관들 위에 배치된 촉매의 고정층을 더 포함하며, 상기 고정층은 반응기의 전체 수평 단면을 커버하는 것을 특징으로 하는 반응기.
  10. 연소 섹션, 보일러 섹션 및 개질 섹션을 함유하는 반응기에서 공급물 공정 유체로부터 수소를 생산하는 방법으로서,
    - 예열된 공정 가스를 상기 개질 섹션을 통해 통과시키는 단계;
    - 상기 개질 섹션 및 상기 보일러 섹션을 함유하는 공통의 용적 내부에서 캡슐화되고 자체순환하는 기체-액체 혼합물과의 간접 열교환에 의해 개질 섹션에서 적어도 하나의 촉매 관을 가열하는 단계;
    - 상기 개질 섹션으로부터의 개질된 공정 가스를 회수하고 상기 개질된 공정 가스를 냉각하는 단계;
    - 연소 공기와 함께 연소 섹션에서 적어도 하나의 버너로 연료를 도입하는 단계, 이때 상기 연소 공기는 보일러 섹션으로부터 연도 가스와의 간접 열교환에 의해 예열되며;
    - 버너로부터 연도 가스를 회수하고 상기 연도 가스를 보일러 섹션을 통해 통과시키는 단계; 및
    - 상기 보일러 섹션을 통과하는 연도 가스와 간접 열교환에 의해, 상기 개질 섹션과 상기 보일러 섹션을 함유하는 반응기에서의 공통의 용적 내부에서 캡슐화되고 자체순환하는 상기 기체-액체 혼합물을 가열하는 단계를 포함하고,
    상기 공정 유체는 메탄올과 물의 혼합물이며, 상기 기체-액체 혼합물은 55 내지 110 bar g의 압력 및 270℃ 내지 320℃의 온도에서 자체순환하는 포화된 스팀-물 시스템인 것을 특징으로 하는 방법.
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