KR20140041392A - In-situ vaporizer and recuperator for alternating flow device - Google Patents
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Abstract
본 발명은 (a) 제 1 말단 및 제 2 말단을 갖고, 상기 제 1 말단과 제 2 말단을 연결하는 복수개의 채널을 갖는 채널 수단; (b) 액체 공급물 스트림을 복수개의 채널의 제 1 말단으로 유도하기 위한 입구 수단; 및 (c) 기상 증기 스트림을 상기 복수개의 채널로부터 유도해내기 위한 출구 수단을 포함하는, 액체 공급물 스트림을 기상 증기 스트림으로 전환시키기 위한 장치에 관한 것으로서, 이 때 상기 채널 수단은 실질적으로 속이 꽉 찬 영역과 공극 영역을 가지며, 상기 채널은 입구과 출구 사이의 임의의 거리(d)에서 (1) 공극 면적 A'(x) 및 (2) 채널 총 단면적 A(x)에 의해 특징지어지는, 공급물 유동 방향에 수직인 기하학적 구조를 가지며, 총 면적 A(x)의 분율로서의 상기 공극 면적 A'(x)는 φx=거리(d)에서의 공극 분율=A'(x)/A(x)이고, 장치의 길이(L)를 따른 평균 공극 분율은 φa=하기 수학식 I의 평균 공극 분율이며, 상기 평균 공극 분율은 약 0.3 내지 약 0.95이다:
[수학식 I]
The present invention provides an apparatus comprising: (a) channel means having a first end and a second end and having a plurality of channels connecting the first end and the second end; (b) inlet means for directing a liquid feed stream to a first end of the plurality of channels; And (c) outlet means for deriving a vapor phase vapor stream from the plurality of channels, wherein the channel means is substantially solid. Having a cold area and a void area, the channel being characterized by (1) void area A '(x) and (2) channel total cross-sectional area A (x) at any distance d between the inlet and the outlet. The void area A '(x) as a fraction of the total area A (x), with a geometry perpendicular to the water flow direction, is φ x = pore fraction at distance d = A' (x) / A (x ), And the average pore fraction along the length (L) of the device is φ a = average pore fraction of the formula I, wherein the average pore fraction is from about 0.3 to about 0.95:
≪ RTI ID = 0.0 >
Description
본 발명은 운송 차량에 탑재 상태로(on-board) 위치될 수 있는 교번 유동 시스템용 동일 반응계 내 기화기 및 열 회수 장치에 관한 것이다.
The present invention relates to an in-situ vaporizer and a heat recovery device for an alternating flow system that can be located on-board in a transport vehicle.
수증기 개질을 비롯한 다수의 산업 공정은 흔히 화학적 전환 전에 액체 공급물 스트림(예컨대, 가솔린 또는 다른 액체 탄화수소, 또는 물)의 증기 스트림으로의 전환을 요구한다. 전통적인 기화기 및 보일러는 상당한 열량을 필요로 하고, 통상 변동하는 압력 및 온도 변화로 인해 과도적 작동(transient operation)에서 불량한 성능을 발휘한다. 이동식 제품에서, 넓은 동적 작동 범위[턴다운(turndown)으로 알려짐]에 걸쳐 작동시키고자 하는 과도 요건은 증기 스트림 취급을 어렵게 만들고, 연료와 산화기 사이의 등가비 제어를 곤란하게 한다. 다수의 용도는, 이 기화 및 혼합 과정이 정확한 물질 유동 제어하에서 이루어지고, 큰 동적 범위에 걸쳐 작동되며, 반응기 부피 내에서 동일 반응계 내에 존재하여 열 전달 손실을 최소화하고, 낮은 압력 강하 손실을 초래하고, 공정 유체 스트림에 의한 부식에 대해 저항성이기를 요구한다. 따라서, 당 업계에서는 정확한 물질 유동 제어를 제공하고, 온도 및 압력의 큰 동적 범위에 걸쳐 작동되며, 열 전달 손실을 최소화하고, 낮은 압력 강하 손실을 초래하며, 공정 유체 스트림에 의한 부식에 대해 저항성일 수 있는 기술이 요구되고 있다.Many industrial processes, including steam reforming, often require the conversion of a liquid feed stream (eg, gasoline or other liquid hydrocarbons, or water) to a vapor stream prior to chemical conversion. Traditional vaporizers and boilers require significant heat and usually perform poorly in transient operations due to fluctuating pressure and temperature changes. In mobile products, the transient requirement to operate over a wide dynamic operating range (known as turndown) makes handling the steam stream difficult and makes it difficult to control the equivalent ratio between fuel and oxidizer. In many applications, this vaporization and mixing process is performed under precise mass flow control, operates over a large dynamic range, and is in situ within the reactor volume to minimize heat transfer losses, resulting in low pressure drop losses, In addition, they require resistance to corrosion by process fluid streams. Thus, the art provides accurate material flow control, operates over a large dynamic range of temperature and pressure, minimizes heat transfer losses, results in low pressure drop losses, and is resistant to corrosion by process fluid streams. There is a demand for technology.
본 발명은, 장치를 통한 유동이 액체 기화 모드와 재가열 모드 사이에서 교대로 이루어지는 교번 유동 반응기 시스템에 특히 적합한 신규의 동일 반응계 내 기화기 및 열 회수 장치를 기재한다. 바람직한 실시양태에서, 이는 예컨대 미국 특허 제 7,491,250 호에 기재되어 있는 압력-변동 개질기("PSR") 시스템의 일부이다. 이는 소형 합성 가스(syngas) 발생 시스템의 디자인을 가능케 하고, 이 소형 합성 가스 발생 시스템은 예를 들어 운송 차량에 배치될 수 있다. The present invention describes a novel in-situ vaporizer and heat recovery apparatus which are particularly suitable for an alternating flow reactor system in which flow through the device alternates between liquid vaporization mode and reheating mode. In a preferred embodiment, this is part of a pressure-varying reformer ("PSR") system described, for example, in US Pat. No. 7,491,250. This allows the design of a small syngas generating system, which can be arranged, for example, in a transport vehicle.
본 발명자들은 상기 기재된 이점을 달성하는데 요구되는, 동일 반응계 내 기화기 및 열 회수 장치의 특정 디자인 기준을 발견하였다. 이들 특징은 기하학적 구조, 열 용량 및 열 전달, 유동 채널 치수, 및 장치의 크기 및 중량을 최소화하기 위한 공극 분율 및 공극 분율 구배에 대한 명세를 포함한다. 이들 디자인 기준의 독특한 조합은 상기 참조된 특허에서 교시된 압력 변동 개질로의 적용에서 입증되는 바와 같이 고효율 기화기/폐열 회수기를 생성시킨다.
We have found certain design criteria for in-situ vaporizers and heat recovery devices that are required to achieve the advantages described above. These features include specifications for geometry, heat capacity and heat transfer, flow channel dimensions, and pore fraction and pore fraction gradient to minimize the size and weight of the device. The unique combination of these design criteria produces a high efficiency vaporizer / waste heat recoverer, as evidenced by the application of pressure fluctuation reformers taught in the above referenced patents.
본 발명은 (a) 제 1 말단 및 제 2 말단을 갖고, 상기 제 1 말단과 제 2 말단을 연결하는 복수개의 채널을 갖는 채널 수단, (b) 액체 공급물 스트림을 복수개의 채널의 제 1 말단으로 유도하기 위한 입구 수단, 및 (c) 기상 증기 스트림을 상기 복수개의 채널로부터 유도해내기 위한 출구 수단을 포함하는, 액체 공급물 스트림을 기상 증기 스트림으로 전환시키기 위한 장치에 관한 것으로서, 이 때 상기 채널 수단은 실질적으로 속이 꽉 찬(solid) 영역 및 공극(void) 영역을 갖고, 상기 채널은 입구와 출구 사이의 임의의 거리(x)에서 (1) 공극 면적 A'(x) 및 (2) 총 단면적 A(x)에 의해 특징지어지는, 공급물 유동 방향에 수직인 기하학적 형태를 가지며, The present invention relates to (a) channel means having a first end and a second end, the channel means having a plurality of channels connecting the first end and the second end, and (b) a liquid feed stream having a first end of the plurality of channels. An apparatus for converting a liquid feed stream into a vapor phase vapor stream comprising inlet means for directing the vapor stream and (c) outlet means for directing vapor phase vapor stream from the plurality of channels, wherein the apparatus The channel means have a substantially solid and void area, the channel having (1) void areas A '(x) and (2) at any distance x between the inlet and the outlet. Has a geometry perpendicular to the feed flow direction, characterized by the total cross-sectional area A (x),
총 면적 A(x)의 분율로서의 공극 면적 A'(x)는 이고, The void area A '(x) as a fraction of the total area A (x) is ego,
장치의 길이(L)를 따른 평균 공극 분율은 이며, The average pore fraction along the length (L) of the device is Lt;
평균 공극 분율은 약 0.3 내지 약 0.95이다.The average pore fraction is about 0.3 to about 0.95.
하나의 실시양태에서, 공극 분율은 장치의 길이를 따라 변한다.In one embodiment, the pore fraction varies along the length of the device.
다른 실시양태에서, 장치의 총 길이에 걸쳐 계획되는 공극 분율의 평균 변화는 약 0.01 내지 약 0.5이다.In other embodiments, the average change in the planned pore fraction over the total length of the device is from about 0.01 to about 0.5.
본 발명의 또 다른 실시양태에서, 장치는 연속적인 일정한 공극 부피의 영역을 가지며, 이들 영역은 장치의 길이를 따라 달라진다.
In another embodiment of the invention, the device has areas of continuous constant void volume, which areas vary along the length of the device.
도 1은 본 발명의 실시양태의 개략도이다.1 is a schematic representation of an embodiment of the invention.
본 발명은 공급되는 액체 스트림(들)을 기상 증기 스트림으로 전환시키기 위한 장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 순환식 공정으로 작동됨으로써 액체 탄화수소 및 임의적으로는 물 혼합물을 탄화수소 증기와 임의적으로는 수증기의 혼합물로 전환시키는 장치에 관한 것이다. 하나의 구체적인 용도는 압력 변동 수증기 개질 공정에 사용하기 위하여 액체 탄화수소 및 물 스트림을 기화시키고자 하는 것이다. The present invention relates to an apparatus for converting a liquid stream (s) supplied into a vapor vapor stream. More specifically, the present invention relates to a device for operating a cyclic process to convert a liquid hydrocarbon and optionally a water mixture into a mixture of hydrocarbon vapor and optionally steam. One specific use is to vaporize liquid hydrocarbons and water streams for use in pressure swing steam reforming processes.
장치는 순환식 2단계 공정을 통한 연속 작동을 위해 디자인된다. 제 1 단계는 기화 모드이고, 제 2 단계는 재가열 모드이다. 본 발명자들은 작동의 큰 동적 범위, 최소한의 압력 강하, 내식성 및 휴대용으로 충분한 소형 및 경량이 가능한 동일 반응계 내 기화기 및 열 회수 장치를 생성시키는 특정 디자인 기준 또는 특징을 발견하였다. 이들 특징은 기하학적 구조, 열 용량 및 열 전달능, 유동 채널 치수, 및 기화기 내에서의 공극 분율 및 공극 분율의 구배에 대한 명세를 포함한다.The device is designed for continuous operation through a cyclic two-step process. The first stage is the vaporization mode and the second stage is the reheat mode. The inventors have found certain design criteria or features that result in in-situ vaporizers and heat recovery devices that are sufficiently small and light enough to have large dynamic range of operation, minimal pressure drop, corrosion resistance and portable. These features include specifications for geometry, heat capacity and heat transfer capacity, flow channel dimensions, and gradients of void fractions and void fractions within the vaporizer.
본 발명의 장치는 특징적인 크기 및 형상의 세트를 포함하는 빈 통로를 갖는 부분 다공성 매체로 구성된다. 장치 내의 공극 영역은 유체(액체 또는 기체 상태)가 장치를 통해 통과할 수 있는 연결된 통로 세트를 형성한다. 간략화된 개념상의 장치의 기하학적 구조가 도 1에 예시적으로 도시된다. 공극 분율 또는 부분 공극률은 공간의 소정 지점에서 장치의 부피의 개방된 분율이다. 유체는 장치의 어느 한 말단으로 들어가서 반대쪽 말단으로 나갈 수 있다. 장치의 제 1 목적은 공급되는 액체 스트림을 기화시켜 증기로 만드는 것이다. 도 1에 도시되는 바와 같이, 기화되어야 하는 액체 스트림이 장치(11)에 들어가는 표면은 본원에서 (10)으로 표시되는 입구 표면으로서 정의된다. 기화된 스트림이 빠져나가는 표면은 출구 표면(12)으로서 정의된다. 장치의 재가열 단계에서는, 고온 재가열 스트림이 입구 또는 출구 표면을 통해 들어갈 수 있고, 상응하는 반대쪽 말단으로 나갈 수 있다. 도 1에 도시된 개략도에서, 재가열 스트림은 기화 유동(16)에 대해 역류하는 것으로 도시되어 있다. 재가열 스트림(14)은 도 1에서 출구 표면 스트림(12)으로서 들어가고 스트림(15)로서 입구 표면(10)에서 나가는 것으로 도시되어 있다. 도 1에서, 장치는 일정한 단면적을 갖는 원통형 장치로서 도시되어 있다. 실제로, 장치 단면 형상은 원통형으로 한정되지 않으며, 직사각형, 정사각형, 삼각형 등일 수 있다. 단면적도 축 위치의 함수로서 변할 수 있다.The device of the present invention consists of a partially porous medium having an empty passageway comprising a set of characteristic sizes and shapes. The void region in the device forms a set of connected passageways through which the fluid (liquid or gaseous state) can pass through the device. The simplified conceptual device geometry is illustratively shown in FIG. 1. The porosity fraction or partial porosity is the open fraction of the volume of the device at a given point in space. The fluid may enter either end of the device and exit to the opposite end. The first purpose of the device is to vaporize the liquid stream to be fed into steam. As shown in FIG. 1, the surface into which the liquid stream to be vaporized enters the
일반적으로, 장치의 작동의 두 기간 또는 단계가 있으며, 이들은 본 발명의 디자인 특징을 제한한다. 특정 시간(tvap)동안 작동되는 제 1 기간에서는, 액체 또는 액체의 혼합물 또는 액체-함유 스트림(16)이 소정의 부피 기준 액체 유속(Qliq)으로 입구(10)에서 장치에 들어간다. 이 액체 유동은 기화되어 기상 스트림이 되는데, 이 기상 스트림은 그의 성분의 밀도 및 분자량에 대한 정보와 함께 노르말(Normal) 기체 부피 기준 유속(Qvap) 면에서 특징화될 수 있다. 액상은 다르게는 액체 소적 스프레이를 형성하는 미리 원자화된 액체 스트림을 통해 공급될 수 있다. 액체 또는 액체 스프레이는 들어가서 (11) 내의 예열된 표면에 충돌하고, 액체로부터 기상으로 변화되는데, 이 기상은 기화된 스트림(17)으로서 장치에서 나간다. 다른 실시양태에서는, 액체 스트림(16)의 증기 또는 희석제로서의 기상 스트림이 액체 스트림(16)과 함께 장치에 들어가고 기화된 스트림(17)과 함께 나갈 수 있다. 기화 기간 동안 장치에 들어가기 전에 이미 기상인 임의의 물질은 Qliq 또는 Qvap의 일부로서 간주되지 않으나, 이는 이슬점 계산에는 고려되어야 한다. 유예 기간(td) 후에 시작될 수 있는 장치 작동의 제 2 기간에는, 가열된 스트림(14)이 부피 기준 유속(Qregen)으로 특정 기간(tregen)동안 장치를 통해 통과한다[장치의 한 말단으로 들어가서 냉각된 스트림(15)으로서 반대쪽 말단으로 나간다]. 이는 재가열 또는 재생 단계이다. 도 1의 예에서, 이 스트림은 출구 말단(12)에서 장치(11)에 들어가고 입구 말단(10)에서 나간다. 다른 실시양태(도시되지 않음)에서, 이 스트림은 입구 말단(10)에서 장치(11)에 들어가고 출구 말단(12)에서 나갈 수 있다.In general, there are two periods or stages of operation of the device, which limit the design features of the present invention. In a first period of time operating for a certain time t vap , the liquid or mixture of liquids or liquid-containing
본 발명의 요소는 장치의 작동의 기화 기간 및 재가열 기간 둘 다가 동일한 유동 경로를 공유한다는 것이다. 재생 유동은 장치를 최초 온도(하나의 실시양태에서는, 액체 공급물의 대략 이슬점 부근)로부터 규정된 작동 압력에서 액체 스트림의 이슬점보다 높은 최종의 더 높은 온도로 가열한다. 본원에서 TDEW로 표시되는 이슬점은 당 업계에서 증기가 막 응축되기 시작하는 온도로서 알려져 있고, 스트림 조성 및 압력에 따라 달라진다. 유동은 흡열성 기화 상태(속이 꽉 찬 물질로부터 유체 상으로의 에너지 전달)와 발열성 재생 열 전달 상태(유체 유동으로부터 속이 꽉 찬 물질로의 에너지 전달) 사이에서 교대하면서 주기적인 방식으로 변한다. 장치의 최초 온도 및 최종 온도는 유동 조건(예컨대, 유속 및 속도), 장치 크기 및 디자인 같은 기하학적 고려사항, 및 유체 및 장치 둘 다의 열물성을 조합함으로써 결정된다.An element of the invention is that both the vaporization period and the reheating period of operation of the device share the same flow path. The regeneration flow heats the device from the initial temperature (in one embodiment, to approximately the dew point of the liquid feed) to the final higher temperature above the dew point of the liquid stream at the defined operating pressure. The dew point, denoted T DEW herein, is known in the art as the temperature at which the vapor begins to condense and depends on the stream composition and pressure. The flow changes in a periodic manner in an alternating manner between the endothermic vaporization state (energy transfer from the solid material to the fluid phase) and the exothermic regenerative heat transfer state (energy transfer from the fluid flow to the solid material). The initial and final temperatures of the device are determined by combining flow considerations (eg flow rates and velocities), geometric considerations such as device size and design, and thermal properties of both the fluid and the device.
본 발명은 기화기를 통해 유동을 수행하는 기하학적 채널에 대한 명세를 제공한다. 이러한 채널은 속이 꽉 찬 벽에 의해 분리되는 개방되거나 "빈" 공간으로서 정의된다. 본 발명의 일부 실시양태에서는, 벽 자체가 일부 공극률을 포함할 수 있으며, 전형적으로 공극 직경이 0.1mm 미만이다. 이러한 공극률은 본원에서 사용되는 "공극"으로서 산술되지 않으며, 속이 꽉 찬 벽의 곁보기 밀도의 감소로서만 계산된다.The present invention provides a specification for a geometric channel that performs flow through a vaporizer. Such a channel is defined as an open or "empty" space separated by a full wall. In some embodiments of the invention, the walls themselves may comprise some porosity, typically with a pore diameter of less than 0.1 mm. This porosity is not arithmetic as the “pore” as used herein and is only calculated as a decrease in sidewall density of the full wall.
본 발명의 장치의 기하학적 특징은 공극 분율의 크기, 공극 분율의 공간상 변화, 및 공극 분율을 구성하는 작은 채널 특징부의 크기 및 형상과 관련된다. 도 1에 도시된 하나의 가상의 공간상 평면(19)을 따라, 국부적인 공극 분율은 다음과 같이 정의된다:The geometrical features of the device of the present invention relate to the size of the void fraction, the spatial variation of the void fraction, and the size and shape of the small channel features that make up the void fraction. Along the one virtual
여기에서, φx는 소정의 공간상 위치에서의 공극 분율이고, 아래 첨자 x에 의해 표시되며, 이 평면에서의 장치의 총 단면적은 A(x)이고, 이 평면에서 속이 꽉 찬 물질을 함유하지 않는 "개방된" 또는 "공극 면적"은 A'(x)로 주어진다. 본 발명에 있어서, 본 발명자들은 입구 표면(10)으로부터 출구 표면(12)으로의 유동 축이 있고 "x"가 이 축을 따른 거리라는 관례를 채택한다. 따라서, x는 기화 유동(16) 방향을 따르고, 장치 입구(10)에서 0의 값 및 장치 출구(12)에서 Ltotal의 값을 가지며, 이 때 Ltotal은 유체 유동 축을 따라 입구로부터 출구까지의 장치의 길이이다. 본 발명자들은 또한 평면(19)이 이 유동 축에 대해 수직이라는 관례를 채택한다. 이러한 평면은 또한 당 업계에서 "축 평면"으로 공지되어 있다. 장치의 특정 길이(L)에 따른 평균 공극률 또는 평균 공극 분율은 하기 식에 의해 정의된다:Where φ x is the void fraction at a given spatial location, denoted by the subscript x, and the total cross-sectional area of the device in this plane is A (x), containing no solid material in this plane "Open" or "pore area" is given as A '(x). In the present invention, we adopt the convention that there is a flow axis from the
평균 길이(L)를 장치의 전체 길이(Ltotal)인 것으로 두면, φa는 φavg로서 표시되는 전체 장치의 평균 공극 분율을 나타낸다. 전체 장치가 전체 부피(Vtotal)(속이 꽉 찬 부피+공극 부피)을 점유하는 경우, 장치 내의 총 개방 부피 또는 공극 부피는 Vvoid=φavgVtotal이고, 장치의 속이 꽉 찬 물질의 총 부피는 Vxolid=(1-φavg)Vtotal=Vtotal-Vvoid이다.If the average length L is to be the total length L total of the apparatus, φ a represents the average void fraction of the entire apparatus, expressed as φ avg . If the entire device occupies a total volume (V total ) (full volume + void volume), the total open volume or void volume in the device is V void = φ avg V total , and the total volume of solid material in the device Is V xolid = (1-φ avg ) V total = V total -V void .
본 발명자들은 장치의 평균 공극 분율(φa)이 장치의 성공적인 작동을 이끌어내는 매개변수임을 발견하였다. 본 발명자들은 본 발명의 장치의 허용가능한 평균 공극 분율이 0.3 내지 0.95임을 발견하였다. 바람직하게는, 장치의 평균 공극 분율은 0.4 내지 0.7이다.We have found that the average pore fraction φ a of the device is a parameter that leads to the successful operation of the device. We have found that the acceptable average pore fraction of the device of the invention is between 0.3 and 0.95. Preferably, the average pore fraction of the device is between 0.4 and 0.7.
바람직한 실시양태에서, 공극 분율은 장치의 길이를 따라 축 방향으로 변한다. 장치의 길이란, 증기 유동이 우세하게 일어나는 차원을 의미한다. 도 1에서, 이 차원 또는 방향은 축방향이고, 본원에서는 차원 또는 방향 "x"로 나타낸다. 장치의 입구 표면(10)에서의 표면 공극 분율은 바람직하게는 0.5 내지 0.995인 것으로 밝혀졌다. 이 위치에서 가장 바람직한 범위는 0.65 내지 0.995이다. 장치의 출구 표면(12)에서의 공극 분율은 바람직하게는 0.2 내지 0.7이다. 출구 공극 분율의 가장 바람직한 범위는 0.35 내지 0.6이다.In a preferred embodiment, the void fraction varies axially along the length of the device. The length of the device means the dimension in which vapor flow predominates. In FIG. 1, this dimension or direction is axial and is represented herein by the dimension or direction “x”. The surface pore fraction at the
공극 분율이 입구 표면으로부터 출구 표면까지 축방향으로 변하는 바람직한 실시양태의 경우, 이 변화는 공극 분율의 연속적인 변화를 통해 또는 일정한 공극 분율 영역의 연속적인 씨리즈를 통해 발생될 수 있다. 그러나, 공극 분율은 변하고, 공극 분율의 변화는 장치의 길이에 걸친 평균 변화로서 특징화될 수 있다. 예를 들어, 입구(10)로부터 출구(12)까지의 φx 값의 세트를 당 업계에 공지되어 있는 최소 제곱법으로 분석하여, φx 대 x의 최소 제곱 선형 기울기를 산출할 수 있다. 이 평균 변화는 기울기 또는 구배(즉, 길이에 대한 공극 분율의 변화)로서, 또는 평균 총 공극 분율 변화로서 표현될 수 있는데, 평균 총 공극 분율 변화는 총 장치 길이(Ltotal)가 곱해진 최소 제곱 기울기로서 산출된다. 본 발명의 다수의 실시양태에서, 평균 총 공극 분율 변화는 0.01 내지 0.5이다. 바람직한 평균 총 공극 분율 변화는 0.15 내지 0.35이다. 본 발명자들은 축방향으로 장치에 대해 평균을 낸 공극 분율 구배의 허용가능한 범위가 직선 길이 1인치당 0.01 내지 0.5의 공극 분율 감소임을 발견하였다. 평균 공극 분율 구배의 바람직한 변화는 직선 길이 1인치당 0.15 내지 0.35의 공극 분율 감소이다. 본 발명자들은 또한 연속적인 일정한 공극률의 영역의 씨리즈가 사용되는 실시양태에서, 바람직한 영역의 수가 1개보다는 많고 20개보다는 적음을 발견하였다. 더욱 바람직한 영역 수는 2개 내지 10개, 가장 바람직한 수는 2개 내지 5개이다.In the preferred embodiment where the pore fraction varies axially from the inlet surface to the outlet surface, this change can occur through a continuous change in the pore fraction or through a continuous series of constant pore fraction regions. However, the void fraction changes, and the change in the void fraction can be characterized as the average change over the length of the device. For example, a set of φ x values from
공극 부피는, 다수개의, 이후 채널 또는 채널 영역으로 지칭되는 구조화된 작은 규모의 공극 영역으로 구성된다. 이들 채널은 긴단한 형상 및 광범위한 크기로 이루어진다. 채널 크기 공극 영역의 단면의 바람직한 형상은 매우 구조화된 규칙적인 형상, 예를 들어 원형, 반원형, 환형, 주기적인 물결무늬 벽의 골, 또는 직사각형 채널 및 슬롯이다.The pore volume consists of a plurality of structured small scale pore regions, hereinafter referred to as channels or channel regions. These channels come in tight shapes and a wide range of sizes. Preferred shapes of the cross section of the channel size void area are highly structured regular shapes, for example round, semicircular, annular, periodic wavy wall valleys, or rectangular channels and slots.
장치의 한 실시양태는 장치 부피 전체에 걸쳐 크기 및 형상 면에서 거의 동일한 채널의 기하학적 구조를 갖는다. 장치의 바람직한 실시양태는 장치 내에서 거의 동일한 채널 형상을 가지며, 이 형상은 상이한 축 위치에서 크기가 변한다(즉, 상이한 직경을 갖는 원형 채널 세트). 장치의 더더욱 바람직한 실시양태는 채널 형상 및 크기 둘 다의 축방향 변화를 갖는다. 달리 언급하자면, 형상 및/또는 크기의 변화는 열 전달에 이용가능한 표면적 및 그에 의해 기화를 증가시킬 수 있다.One embodiment of the device has a nearly identical channel geometry in size and shape throughout the device volume. Preferred embodiments of the device have almost the same channel shape within the device, which shape varies in size at different axial positions (ie a set of circular channels with different diameters). Even more preferred embodiments of the device have an axial change in both channel shape and size. In other words, changes in shape and / or size can increase the surface area available for heat transfer and thereby vaporization.
다른 실시양태는 다수의 불규칙한 채널 형상으로 이루어진 벌레 구멍 망상 조직(예를 들어, 세라믹 또는 금속 발포체의 물질 특징)의 무질서한 채널을 사용한다. 추가적인 실시양태는 예컨대 금속 와이어의 적층 또는 편직으로 제조되는, 와이어 물질의 상호 직조된 망상 조직에 의해 형성되는 구조적 통로를 이용한다.Other embodiments use disordered channels of wormhole reticulated tissue (eg, material features of ceramic or metal foams) consisting of a number of irregular channel shapes. Additional embodiments utilize structural passages formed by interwoven network of wire materials, for example made of lamination or knitting of metal wires.
장치의 공극 영역을 구성하는 채널 형상은 공간 치수의 세트에 의해 특징화될 수 있다. 하나의 치수는 수력 직경으로서 칭해진다. 단순한 폐쇄 연결된 표면으로 이루어진 유동 채널(즉, 원형 원통, 정사각형, 직사각형, 삼각형 또는 구부러진 채널)의 경우, 수력 직경은 dh=4A/P로서 정의되며, 이 때 A는 채널의 유동을 운반하는 공극의 단면적이고, P는 폐쇄된 표면 둘레의 경계이다. 단순하게 연결된 형상으로 구성되지 않는 복잡한 채널 형태의 경우, 채널 수력 직경은 도 1과 관련하여 기재된 축 평면(19) 면에서 정의될 수 있다. 임의의 축 평면 내에서, dh'(x)=4A'(x)/P'(x)이고, 이 때 A'(x)는 소정 축 위치에서의 장치의 총 공극 면적을 나타내고, P'(x)는 속이 꽉 찬 영역과 공극 영역 사이의 경계 표면의 총 길이이다.The channel shape that makes up the void region of the device can be characterized by a set of spatial dimensions. One dimension is referred to as the hydraulic diameter. For flow channels consisting of simple closed connected surfaces (ie, circular cylinders, squares, rectangles, triangles, or bent channels), the hydraulic diameter is defined as d h = 4 A / P, where A is the void carrying the flow of the channel. Is a cross-section, and P is the boundary around the closed surface. In the case of complex channel shapes that do not consist of simply connected shapes, the channel hydraulic diameter can be defined in terms of the
장치의 특징적인 수평 크기(hchar)는 총 축 길이에 대한 장치 부피의 제곱근을 취함으로써, 또는 에 의해 어림된다. The characteristic horizontal size (h char ) of the device is obtained by taking the square root of the device volume over the total axis length, or Approximated by
본 발명자들은 또한 장치의 입구 영역 내에서 특정 채널 특성이 선호됨을 발견하였다. 이 입구 영역의 한도는 바람직하게는 장치 길이의 약 5% 내지 약 40%이다. 달리 말해, 입구 영역은 x=0(입구 표면(10))으로부터 x=0.05Ltotal만큼 적게 또는 x=0.4Ltotal만큼 많게 연장될 수 있다. 바람직하게는, 입구 영역은 장치 길이의 10% 내지 30%이다. 입구 영역 내에서의 채널의 배향은 바람직하게는 들어가는 입구 유동 스트림의 이동이 그의 평균 유동 방향에 대해 수직이도록 배열된다. 이로 인해 성분을 분산시키면서 혼합할 수 있고 성분을 유동하도록 분배할 수 있다. 바람직한 디자인은 축방향에서의 유동과 병류인, 특징적인 수평 크기(hchar)에 비례하는 유동 축에 수직인 유동 경로를 갖는다. 바람직한 디자인은, 입구 영역 내에서, 장치의 특징적인 수평 크기(hchar)의 10% 이상 내지 50%인, 유동 축에 수직인 연속 유동 경로를 갖는다. 다른 바람직한 디자인은 장치의 입구 영역 내에서 모든 축 평면 내의 길이에서 Ltotal 이상의 연속적인 유동 경로를 갖는다.We also found that certain channel characteristics are preferred within the inlet area of the device. The limit of this inlet area is preferably from about 5% to about 40% of the device length. In other words, the inlet region may extend from x = 0 (inlet surface 10) as little as x = 0.05L total or as much as x = 0.4L total . Preferably, the inlet area is 10% to 30% of the device length. The orientation of the channels in the inlet region is preferably arranged such that the movement of the incoming inlet flow stream is perpendicular to its average flow direction. This allows mixing while dispersing the components and distributing the components to flow. The preferred design has a flow path perpendicular to the flow axis proportional to the characteristic horizontal size h char , which is co-current with the flow in the axial direction. The preferred design has a continuous flow path perpendicular to the flow axis, which is at least 10-50% of the characteristic horizontal size h char of the device within the inlet region. Another preferred design has a continuous flow path of at least L total at length in all axial planes within the inlet region of the device.
본 발명자들은 장치의 입구 영역에서 허용가능한 특징적인 채널 수력 직경 크기(dh(x))가 0.1 내지 10mm, 바람직하게는 0.3 내지 5mm, 더더욱 바람직하게는 0.7 내지 2mm임을 발견하였다. 장치의 출구에서의 특징적인 채널 크기는 0.2 내지 5mm, 바람직하게는 0.4 내지 2mm, 더욱더 바람직하게는 0.5 내지 1.5mm이다.We have found that the characteristic channel hydraulic diameter size d h (x) that is acceptable in the inlet region of the device is 0.1 to 10 mm, preferably 0.3 to 5 mm, even more preferably 0.7 to 2 mm. The characteristic channel size at the outlet of the device is 0.2 to 5 mm, preferably 0.4 to 2 mm, even more preferably 0.5 to 1.5 mm.
바람직한 실시양태에서, 채널 수력 직경 대 채널 길이의 비는 0.5 내지 10,000, 바람직하게는 10 내지 5000, 더욱더 바람직하게는 40 내지 200이다.In a preferred embodiment, the ratio of channel hydraulic diameter to channel length is from 0.5 to 10,000, preferably from 10 to 5000, even more preferably from 40 to 200.
장치의 추가적인 특징적인 매개변수는 들어가는 스트림의 기화 및 폐열 회수기 부피의 재가열에 이용될 수 있는 내부 표면적이다. 본 발명자들은 Sv=S/V인 장치 내에서 국부적으로 측정되는 단위 부피당 표면적 또는 단위 부피당 표면적을 정의하였으며, 이 때 S는 규정된 총 부피 V(공극 부피+속이 꽉 찬 물질의 부피) 내에 함유된 내부 표면적이다. 본 발명의 한 실시양태에서는 일정한 값의 Sv를 이용한다. 본 발명의 다른 실시양태에서는 장치의 상이한 영역에 걸쳐 균일하지 않은 값의 Sv를 이용한다. 장치의 평균 Sv는 단순히 총 장치 부피로 나눈 총 장치 표면적, 또는 Sv,avg=Stotal/Vtotal이다. 본 발명자들은 단위 부피 또는 장치당 내부 표면적의 허용가능한 평균 범위가 10in2/in3 내지 2000in2/in3임을 발견하였다. 단위 부피당 내부 표면적의 평균 범위의 바람직한 값은 20in2/in3 내지 1000in2/in3이다. 단위 부피당 내부 표면적의 평균 범위의 더욱더 바람직한 값은 50in2/in3 내지 250in2/in3이다. An additional characteristic parameter of the device is the internal surface area that can be used for vaporizing the incoming stream and reheating the waste heat recovery volume. We have defined the surface area per unit volume or surface area per unit volume measured locally in a device where S v = S / V, where S is contained within a defined total volume V (void volume + volume of solid material). Internal surface area. In one embodiment of the present invention a constant value of S v is used. Other embodiments of the present invention utilize non-uniform values of S v across different regions of the device. The average S v of a device is simply the total device surface area divided by the total device volume, or S v, avg = S total / V total . We have found that the acceptable average range of unit volume or internal surface area per device is 10 in 2 / in 3 to 2000 in 2 / in 3 . Preferred values of the average range of internal surface areas per unit volume are 20 in 2 / in 3 to 1000 in 2 / in 3 . Even more preferred values of the average range of internal surface areas per unit volume are 50 in 2 / in 3 to 250 in 2 / in 3 .
이용가능한 열 전달 면적 및 장치 부피는 단지 유체와 속이 꽉 찬 물질 사이의 표면 접촉만 기재한다. 장치의 속이 꽉 찬 물질의 조성 및 물성은 그의 성공적인 작동, 및 재가열 용량, 에너지 저장 및 에너지 전달 면에서 효율적으로 기능하는 그의 능력에 도움이 되는 것으로 밝혀졌다. 따라서, 본 발명자들은 장치를 구성하는 물질의 조성이, 열 용량이 100J/kg-K 이상의 값을 갖고, 바람직하게는 500J/kg을 초과하고, 더더욱 바람직하게는 1000J/kg을 초과하는 값을 갖도록 하는 것임을 발견하였다. The available heat transfer area and device volume only describe the surface contact between the fluid and the solid material. The composition and physical properties of the solid materials of the device have been found to aid its successful operation and its ability to function efficiently in terms of reheat capacity, energy storage and energy transfer. Accordingly, the inventors have found that the composition of the materials constituting the device has a value of a heat capacity of at least 100 J / kg-K, preferably of more than 500 J / kg, even more preferably of more than 1000 J / kg. It was found to be.
장치 내에서의 열 관리 관점에서, 장치의 다양한 영역 사이의 열 접촉은 최대화되어야 한다. 본 발명자들은 물질의 열 전도율의 허용가능한 값이 10W/m-K 이상(50W/m-K를 초과하는 바람직한 값, 200W/m-K를 초과하는 더욱 바람직한 값)이어야 함을 발견하였다. 본 발명자들은 또한 장치를 구성하는 물질의 조성이, 속이 꽉 찬 물질의 밀도가 2500kg/m3 이상(5000kg/m3를 초과하는 바람직한 값, 7000kg/m3를 초과하는 더욱더 바람직한 값)이도록 하는 것임을 발견하였다. In terms of thermal management within the device, thermal contact between the various areas of the device should be maximized. The inventors have found that the acceptable value of the thermal conductivity of the material should be at least 10 W / mK (preferred value above 50 W / mK, more preferred value above 200 W / mK). The inventors have also the composition of the materials that make up the device, screwing that that such that (still more preferred values that exceed the desired value, 7000kg / m 3 greater than 5000kg / m 3) density of the packed material 2500kg / m 3 or higher Found.
장치의 구체적인 디자인은 기화 공정을 달성하는데 요구되는 액체 주입 조건 및 시간에 따라 달라질 것이다. 특정 기간 동안 유동하는 액체 스트림을 기화시키는데 요구되는 에너지의 양(H)은 다음과 같이 주어진다:The specific design of the device will depend on the liquid injection conditions and the time required to achieve the vaporization process. The amount of energy H required to vaporize the flowing liquid stream for a certain period of time is given by:
이들 표현에서, 는 액체의 물질 유속이고, λ liq 는 액체의 기화 잠열(질량 단위)이며, τ vap 는 주입 기간이고, Q vap 는 기화된 액체의 노르말 부피 기준 기체 유속이고, λ vap 는 액체의 기화 잠열(노르말 기체 부피 단위)이다. 요구되는 에너지의 양은 액체 공급 속도, 유체의 단위 질량(또는 부피)당 기화 에너지 및 공정의 기간에 비례한다. 여기에서, 액체 기준 및 전환되는 기체 기준 표현은 둘 다 이들의 전환 계수를 포함하여 표시된다. 통상적인 기체 조건은 당 업계에 공지되어 있으며, 전형적으로는 0℃ 및 1절대기압으로 취해진다.In these expressions, Is the mass flow rate of the liquid, λ liq is the latent heat of vaporization (in mass) of the liquid, τ vap is the injection period, Q vap is the gas flow rate based on the normal volume of the vaporized liquid, and λ vap is the latent heat of vaporization of the liquid (normal Gas volume units). The amount of energy required is proportional to the liquid feed rate, the vaporization energy per unit mass (or volume) of the fluid and the duration of the process. Here, both the liquid reference and the gas reference representation to be converted are displayed including their conversion coefficients. Typical gas conditions are known in the art and are typically taken at 0 ° C. and 1 absolute atmospheric pressure.
장치의 기화능(vaporization capacity)은 그의 이용가능한 에너지 저장에 직접적으로 비례한다. 장치의 최고 온도는 액체 주입 단계의 개시 시기이다. 이 시기의 장치의 평균 온도는 TDVI이다. 액체가 주입되고 기화됨에 따라, 장치 온도는 최종 평균 온도(TDVF)로 떨어지며, 이 시점에서 작동 사이클의 기화 부분이 종결된다. 이 때, 본 발명자들은 ΔTDEVICE가 액체 주입 공정 개시로부터 종결까지의 장치에서의 평균 온도 차이(TDVI-TDVF)인 것으로 정의한다. 고온 및 저온의 절대값은 장치 특성, 및 공정의 열 균형과 작동 조건에 따라 달라진다. 장치의 최대 기화능 H'은 다음과 같이 주어진다:The vaporization capacity of a device is directly proportional to its available energy storage. The maximum temperature of the device is the start of the liquid injection step. The average temperature of the device at this time is T DVI . As the liquid is injected and vaporized, the device temperature drops to the final average temperature T DVF , at which point the vaporization portion of the operating cycle ends. At this time, we define that ΔT DEVICE is the average temperature difference (T DVI -T DVF ) in the device from the start of the liquid injection process to the end. The absolute values of high and low temperatures depend on the device characteristics and the heat balance and operating conditions of the process. The maximum vaporization capacity H 'of the device is given by:
여기에서, ρ device 는 장치의 속이 꽉 찬 물질의 평균 밀도이고, φ는 장치의 평균 공극률이고, C p , device 는 장치의 평균 비열 용량(질량 단위)이고, C" p, device 는 장치의 평균 비열 용량(부피 단위)이며, ρ device C p , device =C" p, device 이다. 기화능은 비열 용량, 속이 꽉 찬 물질의 부피, 및 장치의 물질 밀도에 비례하고, 또한 공정 동안의 온도 차이에 직접적으로 비례한다.Where ρ device is the average density of the solid material of the device, φ is the average porosity of the device , C p , device is the average specific heat capacity of the device (in mass units), and C " p, device is the average of the device Specific heat capacity in volume, ρ device C p , device = C " p, device . The vaporization capacity is proportional to the specific heat capacity, the volume of the solid material, and the material density of the device, and also directly proportional to the temperature difference during the process.
시스템의 공간 속도는 기체 시간당 공간 속도 또는 GHSV로 일컬어지는, 장치의 부피로 나눈 공급물의 노르말 부피 기준 시간당 기체 유속으로서 표현될 수 있다. 기체 공급 속도는 공급물의 몰 속도, 및 성분이 기상 화합물인 것처럼 계산된 노르말 부피 속도로서 계산된다. 예로서, 0.5리터들이 장치에 들어가서 1g/초의 속도로 유동하는 액체 물 공급물은 하기와 같이 주어지는 액체 주입 단계의 기체 시간당 공간 속도를 갖는다:The space velocity of the system may be expressed as the gas hourly space velocity or gas flow rate per hour based on the normal volume of the feed divided by the volume of the device, referred to as GHSV. The gas feed rate is calculated as the molar rate of the feed and the normal volume rate calculated as if the component is a gaseous compound. As an example, a liquid water feed having 0.5 liters entering the device and flowing at a rate of 1 g / sec has a gas hourly space velocity of the liquid injection step given as follows:
여기에서, Q vap 는 노르말 부피 기준 기체 유속(단위: NL/시간)이고, V total 은 총 장치 부피이다. 일반적으로, 단위 부피당 기화능 속도 면에서의 장치의 소형화 및 결과적으로 야기되는 효율은 공간 속도에 직접적으로 비례한다. 후속 화학 반응 또는 촉매에 의한 반응을 겪게 되는 탄화수소 공급물을 사용하는 통합 시스템의 경우, 시스템의 전체 공간 속도는 시스템의 생산성에 비례한다. 공간 속도가 가능한한 높은 값을 갖는 것이 바람직하다.Where Q vap is the normal volume reference gas flow rate in NL / hour and V total is the total device volume. In general, the miniaturization of the device in terms of vaporization rate per unit volume and the resulting efficiency are directly proportional to the space velocity. For integrated systems using hydrocarbon feeds that will undergo subsequent chemical or catalyst reactions, the overall space velocity of the system is proportional to the productivity of the system. It is desirable for the space velocity to have a value as high as possible.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 공간 속도 GHSV는 바람직하게는 500보다 크고, 더더욱 바람직하게는 1000보다 크다.In a preferred embodiment of the invention, the space velocity GHSV is preferably greater than 500, even more preferably greater than 1000.
순환 방식으로 작동되는 장치의 경우, 기화 단계에서 소비되는 열의 양은 사이클의 재가열(재생) 부분 동안 장치에 축적되는 열의 양에 의해 균형을 이룬다. 액체 공급물이 고속(높은 GHSV)으로 공급되는 경우에는 열이 신속하게 사용되고 사이클 시간이 짧아야 한다. 액체 공급물이 저속(낮은 GHSV)으로 공급되는 경우에는 열이 서서히 사용되고 사이클 시간이 더 길다. H 및 H'에 대한 상기 표현을 조합하고 이들을 동일하게 설정하면, 다음과 같이 표현된다:For devices operated in a cyclic manner, the amount of heat consumed in the vaporization step is balanced by the amount of heat accumulated in the device during the reheating (regeneration) portion of the cycle. When liquid feeds are supplied at high speeds (high GHSV), heat must be used quickly and cycle times should be short. When the liquid feed is supplied at low speed (low GHSV), heat is used slowly and the cycle time is longer. Combining the above expressions for H and H 'and setting them the same, it is expressed as follows:
QQ vapvap λλ vapvap ττ vapvap == VV totaltotal (1-φ)C"(1-φ) C " p,p, devicedevice ΔΔ TT DEVICEDEVICE
방정식의 양쪽을 무차원적인 용어로 다시 쓰고 상기로부터의 GHSV에 대한 표현을 치환하면, 다음과 같은 관계가 성립된다:By rewriting both sides of the equation in dimensionless terms and substituting the expression for GHSV from above, the following relationship is established:
여기에서, 모든 변수는 이들의 이전 정의를 갖는 것으로 가정된다.Here, all variables are assumed to have their previous definitions.
장치의 열 전달 요구량은 액체 공급물의 부피 기준 기화열과 공급물 스트림의 GHSV의 곱으로서 표현될 수 있다. 기화를 위한 부피 기준 열 전달 요구량은 다음과 같다:The heat transfer requirement of the apparatus can be expressed as the product of the volume-based vaporization heat of the liquid feed and the GHSV of the feed stream. Volumetric heat transfer requirements for vaporization are as follows:
이는 액체 기화를 위한 단위 시간당 단위 부피당 요구되는 에너지 전달이다. 시간이 초보다는 시간에 의존하기 때문에 에 대한 표현이 표시된다. 이들 표현은 액체 스트림의 기화에 충분한 에너지가 제공되도록 하기 위해 필요한 에너지 균형을 정의한다.This is the required energy transfer per unit volume per unit time for liquid vaporization. Because time depends on time rather than seconds The expression for is displayed. These representations define the energy balance needed to ensure that enough energy is provided for vaporization of the liquid stream.
액체가 소정 기간(τvap) 동안 장치에 들어간 후, 뜨거운 재가열 스트림을 장치를 통해 통과시켜 온도를 액체 주입 사이클 개시시의 최초 고온으로 되돌려놓는다. 이 재가열 단계 동안 장치의 온도를 상승시키는 능력은 앞서 나타낸 바와 같이 장치의 기하학적 특징에 밀접하게 관련되어 있다. 변수는 공극률, 수력 통과 크기, 및 장치가 구성되는 열 특성을 포함한다. 당 업계에는 특징적인 채널 통로 형상을 갖는 속이 꽉 찬 물질로 구성되는 다공성 매체가 열 전달 계수(h) 및 특징적인 열 전달 표면적(A)에 의해 특징화될 수 있음이 공지되어 있다. 단위 부피당 표면적 특징의 바람직한 값은 상기 정의되어 있다. 기체 및 고체 특성에 기초한 열 전달 계수의 상관관계 또한 당 업계에 공지되어 있다. 이들 열 전달 계수는 유속 및 기상 조성의 함수이다. 계수는 전형적으로 다공성 물질의 특징적인 채널 크기가 감소됨에 따라 증가한다. 부피 기준 열 전달 계수는 다음과 같이 정의되며 다음과 같은 단위로 주어질 수 있다:After the liquid enters the device for a period of time τ vap , the hot reheat stream is passed through the device to bring the temperature back to the initial high temperature at the start of the liquid injection cycle. The ability to raise the temperature of the device during this reheating step is closely related to the geometrical features of the device as indicated above. Variables include porosity, hydraulic passage size, and thermal characteristics of which the device is constructed. It is known in the art that a porous medium composed of a solid material having a characteristic channel passage shape can be characterized by a heat transfer coefficient (h) and a characteristic heat transfer surface area (A). Preferred values of surface area characteristics per unit volume are defined above. Correlation of heat transfer coefficients based on gas and solid properties is also known in the art. These heat transfer coefficients are a function of flow rate and gas phase composition. The coefficient typically increases as the characteristic channel size of the porous material decreases. The volumetric heat transfer coefficient is defined as follows and can be given in the following units:
일관된 시간 단위로 다시 씌어진 기화를 위한 부피 기준 열 전달 요구량은 다음과 같이 씌어질 수 있다:Volume-based heat transfer requirements for vaporization rewritten in consistent time units can be written as follows:
본 발명은 부피 기준 기화 요구량 대 장치의 재생을 위한 부피 기준 열 전달 계수의 비로서의 특징적인 열 전달 온도 변화를 갖는다. 이 특징적인 온도 차이는 다음과 같이 표현된다:The present invention has a characteristic heat transfer temperature change as the ratio of volume based vaporization demand to volume based heat transfer coefficient for regeneration of the device. This characteristic temperature difference is expressed as:
ΔΔ TT HTHT == HH vv // hh vv
이 온도 차이는 장치의 순환식 작동 동안 열 전달 공급 및 수요 사이의 균형을 기재한다. 본원에 사용되는 바와 같이, 이는 사이클의 재가열 부분에 이용되는 열 전달 계수에 기초하며, 이 열 전달 계수는 전형적으로 사이클의 더 낮은 열 전달 계수 부분이고 제한 디자인 조건으로서의 역할을 한다. 이 온도 차이는 장치의 기본 디자인 매개변수이다. 장치 디자인 및 물질 특성은 본 발명의 조건을 충족시키도록 선택된다.This temperature difference describes the balance between heat transfer supply and demand during the cyclical operation of the device. As used herein, this is based on the heat transfer coefficient used in the reheat portion of the cycle, which is typically the lower heat transfer coefficient portion of the cycle and serves as a limiting design condition. This temperature difference is the basic design parameter of the device. Device design and material properties are selected to meet the conditions of the present invention.
본 발명을 실행함에 있어서, 특징적인 Δ T HT 는 바람직하게는 약 0.1℃ 내지 600℃이다. 더욱 바람직하게는, 특징적인 Δ T HT 는 0.5℃ 내지 300℃이다.In the practice of the present invention, the characteristic Δ T HT is preferably from about 0.1 ℃ to 600 ℃. More preferably, the characteristic Δ T HT is 0.5 ℃ to 300 ℃.
장치의 특징적인 에너지 이용효율 비는 다음과 같이 정의된다:The characteristic energy utilization ratio of the device is defined as:
이는 장치의 효율을 평가하는데 바람직한 매개변수이다. 1에 가까운 값은 기화기에서 이용가능한 에너지의 이상적인 사용을 의미하는 한편, 1.0보다 작은 값은 열을 신속하게 이동시키는데 필요한 온도 구배의 실현성을 반영한다. 본 발명자들은 에너지 이용효율(R)에 대해 요구되는 범위가 0.05 내지 0.7임을 발견하였다. 비 R의 바람직한 범위는 0.1 내지 0.5인 것으로 밝혀졌다. 가장 바람직한 범위는 0.2 내지 0.4이다.This is a desirable parameter for evaluating the efficiency of the device. Values close to 1 mean ideal use of the energy available in the vaporizer, while values less than 1.0 reflect the realization of the temperature gradient needed to move heat quickly. The inventors have found that the required range for energy use efficiency (R) is 0.05 to 0.7. It is found that the preferred range of the ratio R is 0.1 to 0.5. The most preferred range is 0.2 to 0.4.
장치의 추가적인 특징은 증기 생성 및 재가열 재생 공정 둘 다 동안 압력 강하를 최소화하기 위하여 유동에 대한 낮은 축방향 저항이다. 축방향 유동 저항은 작은 채널을 통한 층류 같은 직교 이방성 저항으로서 정의될 수 있다:An additional feature of the device is its low axial resistance to flow to minimize pressure drop during both steam generation and reheat regeneration processes. Axial flow resistance can be defined as orthotropic anisotropic resistance, such as laminar flow through small channels:
여기에서, Δp는 마찰 저항으로부터의 압력 강하이고, L은 평균 공간상의 길이이며, dx는 국부적인 점증 축 거리이고, φx는 국부적인 공극 분율이고, GHSV는 기체 시간당 공간 속도(단위: 시간-1)이며, μ은 유체 속도이고, ρc는 단위 면적당 기포 수 밀도(장치의 단위 단면적당 채널의 수)이다. 모든 값은 국부적인 좌표의 함수로 취해져서, 전체적인 압력 강하가 장치의 모든 축방향 구역으로부터의 기여분의 통합이도록 한다. Here, Δp is the pressure drop from the friction resistance, L is the length on the average space, dx is localized increasing axial distance a, φ x is the local void fraction, GHSV is the gas hourly space velocity (hours- 1 ), μ is the fluid velocity, and ρ c is the bubble number density per unit area (number of channels per unit cross-sectional area of the device). All values are taken as a function of local coordinates so that the overall pressure drop is the integration of the contributions from all axial regions of the device.
압력 강하는 장치의 채널 크기, 단위 면적당 기포 수의 밀도, 공극률 및 GHSV(단위 부피당 유동)에 의해 제한된다. 공극률은 하기 표현에 의해 채널 크기에 관련된다:The pressure drop is limited by the channel size of the device, the density of the number of bubbles per unit area, the porosity and the GHSV (flow per unit volume). Porosity is related to channel size by the expression:
장치의 물리적인 매개변수는 작동을 위한 시스템의 디자인 제한점을 충족시키는 방식으로 선택된다. 당 업자에 있어서, 작동 조건의 넓은 동적 범위를 위해 디자인된 장치의 경우, 디자인 조건은 최소 유동 통로를 갖는 장치의 영역에서의 최대 유동 조건에 기초하여 선택된다.The physical parameters of the device are selected in a way that meets the design constraints of the system for operation. For those skilled in the art, in the case of devices designed for a wide dynamic range of operating conditions, the design conditions are selected based on the maximum flow conditions in the region of the device with the minimum flow passage.
성공적인 작동을 위한 장치의 특징은 장치가 유동에 대한 낮은 축방향 저항으로 작동되어 장치의 단위 길이당 전체적인 평균 Δp가 5psi/인치 미만이도록 하는 것이다. 장치에 허용가능한 매개변수의 범위는 0.01 내지 5psi/인치(바람직하게는, 0.03 내지 1psi/인치)의 압력 강하를 허용한다. A feature of the device for successful operation is that the device is operated with a low axial resistance to flow such that the overall average Δp per unit length of the device is less than 5 psi / inch. The range of acceptable parameters for the device allows for a pressure drop of 0.01 to 5 psi / inch (preferably 0.03 to 1 psi / inch).
한 실시양태에서, 장치는 밀착된 동심 고리로 말려진 또는 가깝게 이격된 층으로 적층된 다양한 금속 조성물의 얇고 골진 시트의 배열을 이용하여 제작될 수 있다. 골의 기하학적 구조는 일련의 작은 환상 기포를 생성시킨다. 말려진 물질 시트의 두께 및 골진 동심 고리 또는 시트의 밀도를 변화시킴으로써, 또한 그의 축방향에 따른 팩킹의 밀착도를 변화시킴으로써, 기포의 직경을 변화시킬 수 있다.In one embodiment, the device can be fabricated using an array of thin, corrugated sheets of various metal compositions stacked in tightly spaced or rolled closely spaced layers. The geometry of the valleys creates a series of small annular bubbles. By changing the thickness of the rolled material sheet and the density of the corrugated concentric rings or sheet, and also by changing the adhesion of the packing along its axial direction, the diameter of the bubble can be changed.
이 실시양태의 한 예에서, 물질은 페크랄로이(Fecralloy)® 금속의 시트로 구성된다. 이 디자인의 골 및 시트 두께는 낮은 공극 부피의 출구 영역 단면에 있어서 약 40%의 전체적인 공극률(개방된 부피)을 생성시키도록 선택된다. 낮은 디자인 공극률을 이용하여 최대 금속 질량에 대한 디자인 조건(최고 유속 조건에서의 열 용량 및 에너지 저장)을 충족시킨다. 높은 공극률의 입구 영역은 약 80%의 공극률을 갖는다. 이 높은 공극률은 장치의 내부 부피 내로의 액체의 상당히 더 높은 침투도를 가능케 한다. 장치의 내부는 약 60%의 공극률의 중간 값을 갖는 모놀리쓰(monolith)를 포함하는데, 이는 장치의 낮은 공극률의 입구 영역과 높은 공극률의 출구 영역 사이의 과도기로서 이용된다. 앞서 나타낸 바와 같이, 시트는 축 방향에서 연속적인 물질 조각(길이는 상이함)으로 이루어진다. In one example of this embodiment, the material consists of a sheet of Fecralloy® metal. The valley and sheet thickness of this design is selected to produce an overall porosity (open volume) of about 40% for the low pore volume exit area cross section. Low design porosity is used to meet design conditions for maximum metal mass (heat capacity and energy storage at the highest flow rate conditions). The high porosity inlet region has a porosity of about 80%. This high porosity allows for significantly higher penetration of the liquid into the internal volume of the device. The interior of the device comprises a monolith having a median of porosity of about 60%, which is used as a transition between the low porosity inlet region and the high porosity outlet region. As indicated above, the sheet consists of continuous pieces of material (different in length) in the axial direction.
장치의 기포 디자인은 어느 방향에서나 공급되는 유체 스트림으로부터의 최소 압력 강하를 제공하도록 하는 것이다. 낮은 압력 강하 작동은 실질적인 압력 강하 손실을 야기하는 고속 고온 기체 스트림에 의한 장치의 재가열을 포함하는 용도에 특히 유용하다.The bubble design of the device is to provide a minimum pressure drop from the fluid stream supplied in either direction. Low pressure drop operation is particularly useful for applications involving the reheating of the device by a high velocity hot gas stream resulting in substantial pressure drop losses.
이 장치는 합성 가스를 생성시키기 위하여 발열성 재생 공정을 갖는 순환식 흡열성 수증기 재생 공정에 특히 유용하다. 반응기 상 구조에서는, 전자 연료 주입기를 이용하여 액체 탄화수소 연료와 액체 물의 혼합물을 상부(입구) 표면 상으로, 또한 기화기의 내부 부피 내로 주입한다. 이어, 기화된 혼합된 스트림을 기체 혼합기를 통해 하향 유동시킨 다음 반응 대역 내로 유동시키고, 여기에서 사이클의 재가열 부분으로부터 이전에 축적된 상에서의 에너지를 사용하여 공급물을 수증기 개질시켜 합성 가스로 만든다. 이 합성 가스는 바닥에서 장치로부터 타가고 외부에서 사용될 수 있다.This apparatus is particularly useful for circulating endothermic steam regeneration processes with exothermic regeneration processes to produce syngas. In the reactor phase structure, an electronic fuel injector is used to inject a mixture of liquid hydrocarbon fuel and liquid water onto the top (inlet) surface and into the internal volume of the vaporizer. The vaporized mixed stream is then flowed down through the gas mixer and then into the reaction zone, where the feed is steam reformed using energy from the previously accumulated phase from the reheat portion of the cycle to make the synthesis gas. This syngas can be burned from the device at the bottom and used externally.
사이클의 재가열 부분에서는, 일산화탄소, 수소 및 가능하게는 또한 연료 혼합물을 연소시킨다. 이 고온 스트림을 사용하여 반응 대역의 촉매 상을 재가열한다. 공정의 재생 단계 후에는, 사이클을 액체 주입 모드로 되돌린다. 이러한 구성의 이들 두 사이클 공정은 앞서 나타낸 본 발명의 주입 단계 및 재가열 단계에 상응한다.In the reheat portion of the cycle, carbon monoxide, hydrogen and possibly also fuel mixtures are burned. This hot stream is used to reheat the catalyst phase in the reaction zone. After the regeneration phase of the process, the cycle returns to the liquid injection mode. These two cycle processes of this configuration correspond to the injection step and the reheating step of the invention described above.
Claims (21)
(b) 액체 공급물 스트림을 복수개의 채널의 제 1 말단으로 유도하기 위한 입구 수단; 및
(c) 기상 증기 스트림을 상기 복수개의 채널로부터 유도해내기 위한 출구 수단
을 포함하는, 액체 공급물 스트림을 기상 증기 스트림으로 전환시키기 위한 장치로서,
이 때 상기 채널 수단이 실질적으로 속이 꽉 찬(solid) 영역과 공극(void) 영역을 가지며,
상기 채널이 입구과 출구 사이의 임의의 거리(d)에서 1. 공극 면적 A'(x) 및 2. 채널 총 단면적 A(x)에 의해 특징지어지는, 공급물 유동 방향에 수직인 기하학적 구조를 가지며,
총 면적 A(x)의 분율로서의 상기 공극 면적 A'(x)가 이고,
장치의 길이(L)를 따른 평균 공극 분율이 이며,
상기 평균 공극 분율이 약 0.3 내지 약 0.95인, 장치.(a) channel means having a first end and a second end, the channel means having a plurality of channels connecting the first end and the second end;
(b) inlet means for directing a liquid feed stream to a first end of the plurality of channels; And
(c) outlet means for directing a vapor vapor stream from the plurality of channels;
An apparatus for converting a liquid feed stream into a vapor phase vapor stream comprising:
Wherein the channel means has a substantially solid region and a void region,
The channel has a geometry perpendicular to the feed flow direction, characterized by 1. void area A '(x) and 2. channel total cross-sectional area A (x) at any distance d between the inlet and the outlet; ,
The void area A '(x) as a fraction of the total area A (x) is ego,
The average pore fraction along the length (L) of the device Lt;
And the average pore fraction is about 0.3 to about 0.95.
상기 공극 분율이, 장치의 길이를 따라 입구 수단에서의 공극 분율 약 0.5 내지 약 0.995로부터 출구 수단에서의 공극 분율 약 0.2 내지 약 0.7로 변화하는, 장치.The method according to claim 1,
Wherein the pore fraction varies from about 0.5 to about 0.995 in the inlet means along the length of the device from about 0.2 to about 0.7 in the outlet means.
상기 장치의 길이를 따른 공극 분율 변화가 직선 길이 1인치당 약 0.01 내지 약 0.5의 공극 분율 감소인, 장치.3. The method of claim 2,
Wherein the change in pore fraction along the length of the device is a decrease in pore fraction between about 0.01 and about 0.5 per inch of straight length.
상기 변화가 직선 길이 1인치당 약 0.15 내지 약 0.35의 공극 분율 감소인, 장치.The method of claim 3, wherein
Wherein the change is a decrease in pore fraction between about 0.15 and about 0.35 per inch of straight length.
상기 공극 분율이 1개보다 많고 20개보다 적은 수의 연속적인 일정한 공극 분율의 영역에서 입구 수단으로부터 출구 수단으로 감소하는, 장치. The method according to claim 1,
And the pore fraction decreases from the inlet means to the outlet means in the region of more than one and less than twenty consecutive constant pore fractions.
상기 일정한 공극 분율의 영역의 수가 3개 내지 10개인, 장치.6. The method of claim 5,
Wherein the number of regions of said constant void fraction is three to ten.
상기 채널이 입구에서의 약 0.1 내지 약 10.0mm로부터 출구에서의 약 0.2 내지 약 0.5까지인 채널 수력 직경(dH), 및 채널 길이를 가짐을 추가의 특징으로 하는, 장치.The method according to claim 1,
Wherein the channel has a channel hydraulic diameter (d H ) that is from about 0.1 to about 10.0 mm at the inlet to about 0.2 to about 0.5 at the outlet, and a channel length.
상기 채널 수력(hydraulic) 직경이 입구에서의 약 0.3 내지 약 5.0mm로부터 출구에서의 약 0.4 내지 약 2.0mm까지인, 장치.The method of claim 7, wherein
Wherein the channel hydraulic diameter is from about 0.3 to about 5.0 mm at the inlet to about 0.4 to about 2.0 mm at the outlet.
상기 채널 수력 직경 대 채널 길이의 비가 약 0.5 내지 약 10,000인, 장치.The method of claim 7, wherein
And the channel hydraulic diameter to channel length ratio is about 0.5 to about 10,000.
상기 비가 약 10 내지 약 5000인, 장치.The method of claim 9,
And the ratio is about 10 to about 5000.
상기 비가 약 40 내지 약 200인, 장치.11. The method of claim 10,
And the ratio is about 40 to about 200.
상기 채널이 약 10in2/in3 내지 약 2000in2/in3의 단위 부피당 평균 표면적(Sv , avg)을 가짐을 추가의 특징으로 하는, 장치.The method according to claim 1,
Further characterized in that said channel has an average surface area (S v , avg ) per unit volume of from about 10 in 2 / in 3 to about 2000 in 2 / in 3 .
Sv , avg가 약 20in2/in3 내지 약 1000in2/in3인, 장치.13. The method of claim 12,
S v , wherein the avg is from about 20 in 2 / in 3 to about 1000 in 2 / in 3 .
Sv , avg가 약 50in2/in3 내지 약 250in2/in3인, 장치.14. The method of claim 13,
S v , wherein the avg is from about 50 in 2 / in 3 to about 250 in 2 / in 3 .
상기 채널이 100J/Kg-K 이상의 열 용량, 약 10W/m-K 이상의 열 전도율 및 약 2500Kg/m3 이상의 밀도를 갖는 물질로 제조되는, 장치.The method according to claim 1,
Wherein the channel is made of a material having a heat capacity of at least 100 J / Kg-K, a thermal conductivity of at least about 10 W / mK, and a density of at least about 2500 Kg / m 3 .
상기 열 용량이 약 500J/Kg 이상이고, 상기 열 전도율이 약 50W/m-K 이상이며, 상기 밀도가 약 5000Kg/m3 이상인, 장치.16. The method of claim 15,
Wherein the thermal capacity is at least about 500 J / Kg, the thermal conductivity is at least about 50 W / mK, and the density is at least about 5000 Kg / m 3 .
상기 열 용량이 약 100J/Kg 이상이고, 상기 열 전도율이 약 200W/m-K 이상이며, 상기 밀도가 약 7000Kg/m3 이상인, 장치.17. The method of claim 16,
Wherein the thermal capacity is at least about 100 J / Kg, the thermal conductivity is at least about 200 W / mK, and the density is at least about 7000 Kg / m 3 .
상기 장치가 약 500보다 큰 기체 시간당 공간 속도에서 작동되는, 장치.The method according to claim 1,
Wherein the device is operated at a gas hourly space velocity of greater than about 500.
상기 장치가 약 1000보다 큰 기체 공간 속도에서 작동되는, 장치.19. The method of claim 18,
Wherein the device is operated at a gas space velocity of greater than about 1000.
상기 채널이 약 5psi/인치 미만의 압력 강하(Δp)를 갖는, 장치.The method according to claim 1,
And the channel has a pressure drop Δp of less than about 5 psi / inch.
상기 Δp가 약 1psi/인치 미만인, 장치.21. The method of claim 20,
Wherein the Δp is less than about 1 psi / inch.
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