KR-102961131-B1 - 축 방향으로 조정 가능한 로터를 갖는 회전 공급 원료 처리 장치

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Abstract

공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 회전 블레이드 장치(100)가 제공되고, 상기 장치는 로터 샤프트의 길이 방향으로 스테이터 구성 요소에 대한 로터의 작동 블레이드 캐스케이드의 위치를 조정하기 위한 수단을 포함한다. 조정은 로터의 축 변위 또는 대안적으로 반응기 하우징의 축 변위를 통해 수행된다. 특히, 블레이드 장치(100)의 비-설계 조건에서 공정 유체에서 공급 원료를 처리하는 동안 유동 손실을 조절하고, 공정 효율을 개선하기 위한 방법이 추가로 제공된다. 실시예에서, 공급 원료의 처리는 탄화수소 함유 공급 원료의 열- 또는 열화학 크래킹을 포함한다.

Inventors

카르포프 알렉산더
세메노프 데니스

Assignees

쿨브루크 오와이

Dates

Publication Date: 20260506
Application Date: 20211117
Priority Date: 20201118

Claims (20)

공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 장치(100)로서, - 로터 샤프트(1) 상에 장착되는 디스크(3a)의 원주 위에 배열된 복수의 로터 블레이드를 포함하고, 로터 블레이드 캐스케이드(3)를 형성하는 로터, - 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)를 형성하도록, 상기 로터 블레이드 캐스케이드에 대하여 인접하게 배치되는 환형인 베인 캐스케이드(2, 4)로 배열되는 복수의 고정 베인, - 덕트가 적어도 하나의 입구(8)와 적어도 하나의 출구(9)로 형성되는 케이싱(6)으로서, 상기 덕트 내부에 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)와 고정 베인 캐스케이드(2, 4)를 둘러싸는 상기 케이싱, 및 상기 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)로부터의 출구와 거기의 입구 사이에 형성되는 베인리스 공간(7)을 포함하고, 상기 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)의 상기 캐스케이드는, 상기 적어도 하나의 입구와 상기 적어도 하나의 출구 사이의 상기 덕트 내에서 전파하면서 나선형 유동 경로를 따라 상기 캐스케이드 및 상기 베인리스 공간(7)을 반복적으로 통과하도록 상기 공정 유체를 안내하도록 구성되고, 또한, 상기 공정 유체에 적어도 하나의 화학 반응이 발생하기 위한 조건이 설정되도록 구성되고, 또한 상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치는, 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 상기 로터 샤프트를 따라 축 방향으로 조정 가능한 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 상기 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치는, 상기 로터 샤프트의 길이 방향으로 상기 로터를 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정 가능한 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 로터 샤프트 상에 배열되는 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소(23)를 더 포함하고, 상기 로터는 상기 로터 샤프트 상의 상기 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소의 축 변위를 통해 축 방향으로 변위 가능하게 되어 있는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소(23)는 상기 케이싱(6)에 대해 축 방향으로 변위 가능하게 구성되는 장치.
청구항 3에 있어서, 상기 스러스트 베어링 요소(23)는 베어링 블록(21) 내부에, 적어도 부분적으로, 둘러싸여진 별도의 하우징(24)에 수용되고, 감싸진 상기 스러스트 베어링 요소(23, 24)는 관련된 베어링 블록에서 상기 로터 샤프트의 길이 방향으로 축 방향으로 변위 가능하게 구성되는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 로터 샤프트(1)와 드라이브 샤프트(1B) 사이에 배열되는 커플링(1A)은 상기 드라이브 샤프트와 상기 로터 샤프트를 축 방향으로 변위 가능하게 하도록 구성되는 가요성 샤프트 커플링인 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 로터는 커플링(1A)을 통해 상기 로터 샤프트(1)에 연결되는 드라이브 샤프트(1B)의 축 변위를 통해 축 방향으로 변위 가능하게 되어 있는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치는, 상기 로터 샤프트의 길이 방향으로 적어도 하나의 고정 구성 요소를 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정 가능한 장치.
청구항 8에 있어서, 드라이브 샤프트(1B)가 고정되어, 축 변위가 방지되는 장치.
청구항 7에 있어서, 상기 커플링(1A)은, 상기 드라이브 샤프트와 상기 로터 샤프트를 축 방향으로 변위 불가능하게 하도록 구성되는 강성 샤프트 커플링인 장치.
청구항 1에 있어서, 각각의 상기 고정 베인 캐스케이드(2, 4)는 상기 케이싱(6)의 양측에 배열된 관련된 베어링 블록(21, 31) 상에 고정되는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드(2, 4)에 대한 로터 블레이드 캐스케이드(3)의 위치를 조정하는 것은, 적어도 상기 로터의 회전 속도 및/또는 공급 원료-함유 공정 유체의 유동 속도를 조정하는 것이 수반되는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 덕트가 상기 케이싱과 유동-형상 장치 사이에 형성되는 방식으로 상기 케이싱(6) 내부에 배열되는 유동-형상 장치(5)를 더 포함하고, 상기 덕트는 링-형상의 자오선(meridional) 단면을 가지는 장치.
청구항 13에 있어서, 상기 유동-형상 장치(5)는 환형이고, 중공 구조인 장치.
청구항 13에 있어서, 상기 스테이터-로터-스테이터 배열(2, 3, 4)로부터의 상기 출구와 거기의 상기 입구 사이에 형성되는 상기 베인리스 공간(7)은 상기 케이싱(6)과 상기 유동-형상 장치(5) 사이 체적에 의해 형성되는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 고정 베인 캐스케이드는, 상기 로터 블레이드 상류의 환형 노즐 가이드 베인 캐스케이드(2)를 형성하는 복수의 고정 노즐 가이드 베인과, 상기 로터 블레이드 하류의 디퓨저 베인 캐스케이드(4)를 형성하는 복수의 고정 디퓨저 가이드 베인으로 형성되는 장치.
청구항 1에 있어서, 다수의 촉매 표면으로 구성되는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 장치는, 탄화수소-함유 공급 원료의 열처리에서 사용되는 장치.
청구항 1에 있어서, 상기 장치는, 화학 반응을 수행하기 위해 사용되는 장치.
청구항 18 또는 청구항 19에 있어서, 상기 장치는, 탄화수소-함유 공급 원료의 열- 또는 열화학 분해를 위해 사용되는 장치.

Description

축 방향으로 조정 가능한 로터를 갖는 회전 공급 원료 처리 장치 본 발명은 일반적으로 축 방향으로 조정 가능한 로터를 갖는 회전식 터보머신 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 탄화수소와 같은 공급 원료를 처리하기 위한 회전 블레이드 장치, 관련된 배열, 방법 및 용도에 관한 것이다. 터보머신 분야에서, 로터 유닛을 축 방향으로 변위 가능하게 하는 다양한 솔루션이 존재한다. 이러한 솔루션은 일반적으로 축류 베인 압축기 및 터빈과 같은, 축류 터보머신에 적용 가능하며, 방사형 유동 손실은 로터의 축 변위를 통해 효율적으로 조절될 수 있다. 방사형 유동 손실은, 회전 및 고정 구성 요소 사이의 간극의 제공 때문에 로터를 돌리기 위해 작동 유체를 이용하는 환형 터빈 캐스케이드에서 일반적으로 발생하며, 일반적으로 누설 경로(팁 누설)로 이어진다. 예시의 방식으로, DE 10145785 A1(Ehrenberger)은 로터의 공칭 속력를 초과하는 경우 로터가 작동 위치로부터 저속 위치로 축 방향으로 이동되는(로터 블레이드와 케이싱 사이의 간극이 증가되는 방향으로) 윈드 터빈을 개시한다. 축 조정은 유입되는 유체 유동의 가변 속도 조건에서 속력(회전율) 안정화 문제를 해결한다. 위에서 참조된 솔루션 중 어느 것도 화학 처리 분야에서 개시된 터보머신의 적합성에 대한 어떠한 표시도 제공하지 않는다. 축 변위를 위해 구성된 로터로 탄화수소를 생성하기 위해 건조 석탄의 수소화를 위해 구성된 축-유형 반응기의 예시가 미국 특허 공개 US 4,288,405(Koch)에 제시된다. 로터는 수소화 챔버에서의 압력이 특정 값을 초과하는 경우 축 방향으로 변위된다. 로터의 이동은 수소화 챔버로의 공급 입구를 닫으므로, 매우 높은 압력이 상류 장치로 퍼지는 것을 방지한다. 미국 특허 공개 US 9,494,038(Bushuev) 및 US 9,234,140(Seppala, 외)은 열(화학) 크래킹을 통해 탄화수소 공급 원료를 경질 올레핀으로 변환하기 위한 회전역학 반응기(RDR, rotodynamic reactor) 장치를 개시한다. 전반적으로, 반응기는 본질적으로 링-형상의 지지부 상에 배열되고 토로이드(toroid) 형상으로 제공되는 케이싱 내에 둘러싸인 고정 베인의 열 사이에 배치되는 관련된 블레이드 캐스케이드를 갖는 로터 디스크를 포함한다. 공정 유체는 입구를 통해 반응에 들어가고 반응기를 나가기 전에 본질적으로 나선형 궤적에 따라 스테이터와 로터 캐스케이드를 여러 번 통과한다. 에틸렌, 프로필렌, 부틸렌과 같은 저분자 올레핀은 석유 화합 산업의 주요 구성 요소이며, 플라스틱, 폴리머, 엘라스토머, 고무, 발포체, 용제, 및 화학 중간체의 상업적 생산뿐 아니라 탄소 섬유를 포함하는 섬유, 및 코팅의 기본 빌딩 블록 역할을 한다. 종래의 관형 열분해 로와 비교하여, 위에서 언급된 회전 역학 기계는 크래킹 공정의 단축된 체류 시간 및 개선된 제어 가능성으로 열(화학) 반응을 수행할 수 있게 하며, 후자는 일반적으로 상기 생성물이 2차 반응에 들어가는 것을 방지함과 함께 목표 생산물의 향상된 수율과 관련된다. 상기 알려진 RDR 솔루션의 일반적인 문제는 원주 방향(접선 방향 또는 후프 방향으로도 지칭됨)을 따라 유동 누설이 발생한다는 것이다. 실제로, 누설은 입구로부터 출구 방향(반응 구역으로 들어가는 대신) 및/또는 반응 구역의 끝으로부터 인접한 반응 구역의 시작 방향(반응기에서 나가는 대신)으로 발생하며, 상기 누설은 공칭 조건과 다른 조건에서(소위 비-설계 모드에서) 반응기를 작동함으로써 발생된다. 완전성을 기하기 위해, 위에 표시된 방향(입구-출구; 반응 구역의 끝-인접한 반응 구역의 시작)의 누설 문제는 종래 축-유동 솔루션에서는 발생하지 않는다. 따라서, 가변 유동 속도 및/또는 공급 원료-관련된 조건에서, 반응기를 작동할 때, 누설을 피할 수 없다. 유사한 방식으로, 누설은 로터의 회전 속력을 조정하는 것과 관련하여, 반응기 내부의 온도를 변경할 때(다른 모든 매개변수는 일정함) 누설이 생성된다. 이러한 누설 유동은 총 질량 유동 및 작업 전달을 감소시키고 반응기의 안정성에 부정적인 영향을 미치며, 이는 작동 범위, 즉 유체 유동 속도 및 회전 속력 범위에서 작동할 수 있는 능력을 좁힌다. 또한, 유동 누설은 코크(coke) 형성을 유발하고 목표 제품의 수율을 크게 감소시킨다. 이는 반응기의 산업적 이용 가능성, 최종 사용자에 대한 매력 및 시장 잠재력에 부정적인 영향을 미친다. 실제로, 누설을 방지하는 유일한 방법은 반응기를 통한 질량 유동 속도와 로터의 회전 속력의 단독 조합으로 RDR 장치를 작동시키는 것이며, 공급 원료 조성이 변하지 않는다면 미리 결정된 회전 속력이 특정 질량 유량에 할당된다. US 9,494,038 B2에서 Bushuev에 의해 제안된 솔루션은 반응기가 공칭 설계 조건 하에서 작동하면서, 전체 블레이드 캐스케이드를 통해 로터 블레이드 캐스케이드의 입구와 출구에서 압력 균등화를 달성하기 위해 원주 방향으로 고정 베인 캐스케이드의 형상을 조정하는 것을 제안한다. 또한, 스테이터 베인 캐스케이드의 위치는, 로터 회전 축에 대해 원주 방향으로만, 조정될 수 있다. 언급된 배열은 인접한 스트림 사이의 바람직하지 않은 대규모 혼합을 완화시키는 것을 목표로 한다. 그럼에도 불구하고, 문서는 비-설계 작동 모드에서 누설을 줄이는 문제를 다루지 않는다. 이와 관련하여, 탄화수소 공급 원료, 특히 RDR 유형의 화학 처리를 위한 회전 반응기 장치의 효율성을 개선하는 분야의 업데이트는, 가변 공정 조건 하에서 반응기의 작동 범위 및 효율성을 최적화 하기 위해 유동 누설을 방지하거나, 적어도 최소화하는 것과 관련된 문제를 해결하는 관점에서 여전히 요구된다. 본 발명의 목적은 관련된 기술의 한계 및 단점으로부터 발생하는 각각의 문제를 해결하거나 적어도 경감시키는 것이다. 목적은 공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 장치, 관련된 배열, 방법 및 용도의 다양한 실시예에 의해 달성된다. 따라서, 본 발명의 일 측면에서, 공정 유체에서 공급 원료를 처리하기 위한 장치는 청구항 1에 정의된 바에 따라 제공된다. 실시예에서, 상기 장치는 로터 샤프트 상에 장착되는 디스크의 원주 위에 배열되고 로터 블레이드 캐스케이드를 형성하는 복수의 로터 블레이드를 포함하는 로터; 스테이터-로터-스테이터 배열을 형성하도록 로터 블레이드 캐스케이드에 대해 인접하게 배치되는 본질적으로 환형인 베인 캐스케이드로 배열되는 복수의 고정 베인, 및 덕트가 적어도 하나의 입구 및 적어도 하나의 출구로 형성되는 케이싱으로서, 덕트 내부에 로터 블레이드 캐스케이드와 고정 베인 캐스케이드를 둘러싸는 상기 케이싱을 포함하고, 스테이터-로터-스테이터 배열의 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는 미리 결정된 거리(ΔX)만큼 로터 샤프트를 따라 축 방향으로 조정 가능하다. 실시예에서, 상기 스테이터-로터-스테이터 배열의 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는 로터 샤프트의 길이 방향으로 로터를 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정 가능하다. 실시예에서, 상기 장치는 로터 샤프트 상에 배열되는 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소를 더 포함하고, 로터는 로터 샤프트 상의 상기 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소의 축 변위를 통해 축 방향으로 변위 가능하게 된다. 실시예에서, 상기 적어도 하나의 스러스트 베어링 요소는 (반응기)케이싱에 대하여 축 방향으로 변위 가능하도록 구성된다. 실시예에서, 스러스트 베어링 요소는 베어링 블록 내부에 적어도 부분적으로, 둘러싸여진 별도의 하우징에 수용되고, 감싸진 스러스트 베어링 요소는 관련된 베어링 블록에서 로터 샤프트의 길이 방향으로 축 방향으로 변위 가능하도록 구성된다. 실시예에서, 로터 샤프트와 드라이브 샤프트 사이에 배열되는 커플링은 드라이브 샤프트 및/또는 로터 샤프트를 축 방향으로 변위 가능하게 하도록 구성된 가요성 샤프트 커플링이다. 따라서 상기 가요성 커플링은 드라이브 샤프트 및/또는 로터 샤프트의 축 변위를 가능하게 한다. 일부 실시예에서, 상기 장치에서, 로터는 커플링을 통해 로터 샤프트에 연결된 드라이브 샤프트의 축 변위를 통해 축 방향으로 변위 가능하게 되어 있다. 일부 실시예에서, 상기 장치에서, 스테이터-로터-스테이터 배열의 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치는, 적어도 하나의 구성 요소, 특히, (반응기) 케이싱을 로터 샤프트의 길이 방향으로 축 방향으로 변위시키는 것을 통해 조정 가능하다. 드라이브 샤프트는 바람직하게는 고정되어, 축 변위가 방지된다. 일부 추가 실시예에서, 로터 샤프트와 드라이브 샤프트 사이에 배열되는 커플링은 드라이브 샤프트와 로터 샤프트를 축 방향으로 변위 불가능하게 하도록 구성되는 강성 커플링이다. 일부 실시예에서, 각각의 고정 베인 캐스케이드는 반응기 (기체) 케이싱의 양측에 배열된 관련된 베어링 블록 상에 고정된다. 일부 실시예에서, 장치는 스테이터-로터-스테이터 배열에서 고정 베인 캐스케이드에 대한 로터 블레이드 캐스케이드의 위치를 조정하는 것은 적어도 로터의 회전 속력 및/또는 공급 원료-함유 공정 유체의 유동 속도를 조정하는 것이 수반되도록 구성된다. 실시예에서, 장치는 덕트가 외부 케이싱과 유동-형상 장치 사이에 형성되는 방식으로 (기체) 케이싱 내부에 배열되는 유동-형상 장치를 더 포함하고, 상기 덕트는 링-형상 자오선 단면을 가진다. 실시예에서, 상기 유동-형상 장치는 환형이고, 본질적으로 중공 구조이다. 실시예에서, 상기 장치에서, 스테이터-로터-스테이터 배열로부터의 출구와 입구 사이에 베인리스 공간이 형성되고, 상기 베인리스 공간은 (기체) 케이싱과 유동-형상 장치의 체적에 의해 정의된다. 실시예에서, 고정 베인 캐스케이드는, 로터 블레이드 상류의 환형 노즐 가이드 베인 캐스케이드를 형성하는 복수의 고정 노즐 가이드 베인과, 로터 블레이드 하류의 디퓨저 베인 캐스케이드를 형성하는 복수의 고정 디퓨저 가이드 베인으로 형성된다. 실시예에서, 스테이터-로터-스테이터 배열의 캐스케이드는, 적어도 하나의 입구와 적어도 하나의 출구 사이의 덕트 내에서 전파하면서 나선형 유동