KR100242776B1 - Gas-liquid mass transfer device - Google Patents

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Abstract

상호 인접하는 복수개의 단위 격자를 포함하며, 각각의 단위 격자는 상면과 하면이 개방되어 있고, 나머지 4개의 측면에는 거품 및 액체의 자유로운 소통을 가능하게 하는 복수개의 구멍이 형성되어 있는 육면체 형태인 것을 특징으로 하는, 본 발명에 의한 기액 물질전달 장치를 이용하면, 장치설계상 수평제한치와 기체의 속도제한장치가 증대되고, 거품과다 현상을 줄일 수 있음은 물론, 저렴한 가격으로 용이하게 설치할 수 있다는 장점을 지닌다. 따라서, 본 발명의 장치를 반응탑 내부에 설치함으로써 공정의 안정성 및 효율성을 획기적으로 증대시킬 수 있다.It includes a plurality of unit grids adjacent to each other, each of the unit grid is an hexahedral form having a plurality of holes formed in the upper and lower surfaces and the remaining four sides to enable free communication of bubbles and liquids When using the gas-liquid substance transfer device according to the present invention, the horizontal limit value and the speed limit device of the gas are increased in the design of the device, and the bubble excessive phenomenon can be reduced, and it can be easily installed at a low price. Has Therefore, by installing the apparatus of the present invention inside the reaction column, it is possible to significantly increase the stability and efficiency of the process.

Description

기액 물질전달 장치Gas-liquid mass transfer device

본 발명은 기액 물질전달 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 반응탑 내부에 다단으로 설치되어 있는 트레이(tray)상에 설치되어, 기액간의 물질전달을 효율적으로 유도함으로써 공정운전상의 안정성 및 효율을 증대시킬 수 있는 기액 물질전달 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a gas-liquid mass transfer device, and more particularly, it is installed on a tray installed in multiple stages inside a reaction column, thereby efficiently inducing mass transfer between gas-liquids, thereby increasing stability and efficiency in process operation. A gas-liquid mass transfer device that can be made.

화학공업 또는 환경산업 분야에서는 반응탑내에서 연속적으로 물질전달반응을 수행함으로써 공정을 수행하는 것이 일반적이다. 물질전달조작은 농도 구배나 활동도 차이를 구동력으로 하여 물질을 하나의 균일상으로부터 다른 균일상으로 전달하는 조작으로서, 증류를 비롯하여 기체흡수, 탈습, 흡착, 액체추출, 침출, 결정화 또는 막분리 공정등 다양한 분야에서 이용된다.In the chemical or environmental industry, it is common to carry out the process by continuously carrying out the mass transfer reaction in the reaction column. Mass transfer operation is an operation to transfer a substance from one homogeneous phase to another by using a concentration gradient or activity difference as a driving force. It is a distillation, gas absorption, dehumidification, adsorption, liquid extraction, leaching, crystallization or membrane separation process. It is used in various fields.

연속식 공정이 수행되는 반응탑의 설계에 있어서는 일반적인 반응조건들은 물론, 투입되는 유체의 유량 그리고 유체의 동적 흐름에 기인하는 제반 공정인자들에 대한 세심한 배려가 필요하다. 즉, 물질 및 에너지 수지는 물론, 열과 물질의 전달속도등이 반드시 고려되어야 하는 것이다. 통상적으로 대단위로 건설되는 화학공업 플랜트에 있어서, 사소한 설계상의 오류로 인한 공정트러블은 막대한 손실을 초래하기 때문에 공정의 안정성은 최우선적으로 고려해야 할 중요한 목표의 하나로 인식되고 있다.In the design of a reaction tower in which a continuous process is performed, careful consideration must be given to general process conditions as well as general process factors due to the flow rate of the injected fluid and the dynamic flow of the fluid. That is, the material and energy balance, as well as the heat and the transfer rate of the material must be considered. In chemical plants, which are usually built on a large scale, process problems due to minor design errors result in enormous losses, making process stability one of the most important goals to consider.

일반적으로 증류탑 등의 반응탑은 효율적인 물질전달을 위하여 다다능로 설계되는데, 이론적으로 최적의 단수를 산출함에 있어서도 제반 인자에 대한 종합적 고려가 요구된다. 상기와 같은 다단식 시스템을 캐스캐이드(cascade)라 한다. 캐스캐이드 시스템에 있어서, 2개의 유체 흐름은 각각의 조립장치를 통해서 서로 반대 방향으로 이동하여 각 단에 들어가 접촉하고, 섞인 다음에 분리되는 것이 일반적이다.In general, a reaction column such as a distillation column is designed to be versatile for efficient material transfer, and theoretically, comprehensive calculation of all factors is required in calculating the optimum number of stages. Such a multistage system is called a cascade. In cascaded systems, two fluid streams are typically moved in opposite directions through each assembly device, entering and touching each stage, mixed and then separated.

한편, 각 단에서는 기액간의 물질전달과정이 진행되는데, 공정의 안정성 및 효율성을 증대시킬 수 있도록 최적의 물질전달 장치 또는 시스템을 필요로 한다.On the other hand, in each stage is a mass transfer process between the gas-liquid, it requires an optimal material transfer device or system to increase the stability and efficiency of the process.

효율적인 기액 물질전달 장치가 갖추어야 할 중요한 요건중 하나로는 각 단에 유입되는 흐름들이 서로 평형상태에 있어서는 안된다는 점이다. 상기한 바와 같이, 기액간 물질전달 구동력은 비평형의 정도에 비례하기 때문이다. 또한, 기액간의 접촉면적을 증대시켜 활발한 물질전달을 유도할 수 있어야 한다는 점도 기액 물질전달 장치에 있어서 중요한 요건이다.One important requirement for an efficient gas-liquid mass transfer device is that the flows entering the stages should not be in equilibrium with each other. This is because the gas-liquid mass transfer driving force is proportional to the degree of non-equilibrium. In addition, it is also an important requirement for a gas-liquid mass transfer device that the area of gas-liquid contact should be increased to induce active mass transfer.

종래의 기액 물질전달 장치는 기포를 형성시키는 단형태(Tray Type)와 액상의 필름을 형성시키는 충전형태(Packing Type)로 대별될 수 있다.Conventional gas-liquid mass transfer device may be roughly classified into a tray type for forming a bubble and a packing type for forming a liquid film.

상기 단형태의 기액 물질전달 장치는 트레이의 천공부분을 통해 기액간의 접촉을 유도하는 장치인데, 이는 설치후 운전 데이터가 많아 적용이 편리하다는 장점을 보유하는 한편, 유입되는 기체의 속도제한치가 낮고 거품이 과다하게 발생되기 때문에 운전효율의 저하를 피할 수 없고 장치설계상 수평 제한치가 낮아 장치의 설치에 매우 세심한 주의가 요구되며 공정 수행에 있어서 반응탑내의 일부 단면만이 이용된다는 단점을 지니고 있다. 반응탑의 내부에 설치되는 트레이는 다양한 구조를 가질 수 있으며, 그 종류로는 체판(sieve tray) 또는 포종판(bubble-cap tray)등을 들 수 있다.The gaseous material transfer device of the short form is a device that induces contact between the gas and liquid through the perforated portion of the tray, which has the advantage of easy operation due to the large number of operating data after installation, while the speed limit of the incoming gas is low and foam Because of this excessive occurrence, it is inevitable to lower the operating efficiency and the horizontal limit value is low in the design of the device, which requires very close attention to the installation of the device, and has the disadvantage that only a part of the cross section in the reaction column is used to perform the process. The tray installed inside the reaction column may have various structures, and examples thereof include sieve trays or bubble-cap trays.

그런데, 일반적으로 상기 체판은 거품이 많이 발생하는 시스템에서는 사용되지 않는데, 이는 거품의 과다 발생으로 인하여 액체를 아랫단으로 보내는 통로인 하강관(downcomer)에 거품이 가득 채워지고 이러한 거품으로 인해 액체가 더 이상 아랫단으로 흘러보내지지 않아서 정상운전에 차질이 발생되기 때문이다. 즉, 거품은 물질전달 과정에서 필연적으로 발생하는 것으로서 적절한 거품현상은 물질전달에 매우 효과적이지만, 거품이 너무 많이 발생되면 문제를 야기하게 된다. 거품의 발생정도는 어떠한 물질간의 물질전달이냐에 따라 좌우된다.In general, however, the sieve plate is not used in a foaming system, which is filled with bubbles in the downcomer, which is a passage through which the liquid flows to the lower stage due to the excessive generation of bubbles, and the bubbles cause more liquid. This is because the abnormal operation does not flow to the lower stage, causing a problem in normal operation. In other words, foam is inevitably generated during the mass transfer process, and proper foaming is very effective for mass transfer, but too much foam causes problems. The degree of foaming depends on the mass transfer between materials.

한편, 상기 충전형태의 기액 물질전달 장치는 단과 단 사이에 산포되어 있는 충전재(packing material)를 통해 기액간의 물질전달을 유도하는 장치인데, 이 장치는 반응탑 내부에 액체의 고른 분배를 위해 콜렉터(Collector) 및 분배기(Distributor) 등의 보조장치가 추가로 소요되어 이에 따른 장치설계가 복잡해진다는 단점과 함께 분배되는 액체가 오염상태이거나 고체입자를 다소 함유하는 경우 장치의 효율성이 크게 저하된다는 문제점을 지니고 있다.Meanwhile, the packed gas-liquid mass transfer device is a device for inducing mass transfer between gas-liquids through a packing material dispersed between stages, and the apparatus is a collector for uniform distribution of liquid inside the reaction column. Along with the disadvantage that additional auxiliary devices such as collectors and distributors are required, and the device design is complicated, the efficiency of the device is greatly deteriorated when the liquid to be dispensed is contaminated or contains some solid particles. I have it.

본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 상기 문제점을 극복하여 기체의 속도 제한치와 수평제한치가 종래의 단형태 장치에 비해 현저히 높고 거품과다 현상을 최소화함으로써 안정적이고 효율적인 공정운전에 기여할 수 있는 기액 물질전달 장치를 제공하는 것이다.The technical problem to be achieved by the present invention is to overcome the above problems, gas velocity limit value and horizontal limit value is significantly higher than the conventional single-type device and gas-liquid material transfer device that can contribute to the stable and efficient process operation by minimizing the foaming phenomenon To provide.

제1도는 본 발명의 일실시예에 따른 단위 격자를 나타내는 사시도이다.1 is a perspective view showing a unit grid according to an embodiment of the present invention.

제2도는 상호 인접된 복수개의 단위 격자를 나타내는 사시도이다.2 is a perspective view illustrating a plurality of unit grids adjacent to each other.

제3도는 본 발명의 기액 물질전달 장치의 운전상태를 도시한 도면이다.3 is a view showing an operating state of the gas-liquid mass transfer device of the present invention.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명* Explanation of symbols for main parts of the drawings

31 : 기체의 흐름 32 : 액체의 흐름31: gas flow 32: liquid flow

33 : 트레이 34 : 반응탑벽33 tray 34 reaction column wall

35 : 단위 격자35: unit grid

상기 기술적 과제를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 상호 인접하는 복수개의 단위 격자를 포함하며, 각각의 단위 격자는 상면과 하면이 개방되어 있고, 나머지 4개의 측면에는 거품 및 액체의 자유로운 소통을 가능하게 하는 복수개의 구멍이 형성되어 있는 육면체 형태인 것을 특징으로 하는 기액 물질전달 장치가 제공된다.In order to achieve the above technical problem, the present invention includes a plurality of unit grids adjacent to each other, each unit grid has a top and bottom is open, the remaining four sides to enable free communication of bubbles and liquid Provided is a gas-liquid mass transfer device characterized in that the shape of the cube is formed with a plurality of holes.

본 발명의 바람직한 일실시예에 의하면, 상기 단위 격자는 측면의 상부에는 복수개의 구멍이 형성되어 있고, 하부는 격자간의 액체교환을 막아줄 수 있도록, 천공되지 않고 막힌 구조로 되어 있다.According to a preferred embodiment of the present invention, the unit grid has a plurality of holes formed in the upper portion of the side, the lower portion has a structure that is not perforated and blocked to prevent the liquid exchange between the grid.

이하, 도면을 참고하여 본 발명에 의한 기액 물질전달 장치에 관하여 보다 상세히 설명하기 한다.Hereinafter, with reference to the drawings will be described in more detail with respect to the gas-liquid mass transfer device according to the present invention.

제1도는 본 발명에 의한 단위 격자를 개략적으로 도시한 사시도이다.1 is a perspective view schematically showing a unit grid according to the present invention.

제1도에서 보듯이, 격자는 상면과 하면이 없이, 4개의 측면으로 구성된 육면체 형태를 갖추고 있다. 복수개의 격자로 된 본 발명의 기액 물질전달장치는 트레이상에 설치되므로 트레이의 구멍을 통해 하부로부터 상부로 기체가 유입되도록 하면이 개방되어 있으며, 또한, 격자 상부로부터 하부로 액체의 자유로운 유입이 가능하도록 상면도 역시 개방된 구조를 갖는다.As shown in FIG. 1, the lattice has a hexahedron shape consisting of four sides with no top and bottom surfaces. Since the gas-liquid substance transfer device of the present invention having a plurality of grids is installed on a tray, the bottom surface of the gas-liquid material transfer device is opened to allow gas to flow from the bottom to the top through the hole of the tray, and free flow of liquid from the top of the grid to the bottom is possible. The top view also has an open structure.

본 발명에 있어서, 상기 복수개의 단위 격자가 설치되는 트레이는 반응탑 내부에 통상적으로 설치, 이용되는 것이라면 특별히 제한되지 않으며, 기액간의 물질 전달을 위해 천공된 구조를 갖춘 것이 바람직하다.In the present invention, the tray in which the plurality of unit grids are installed is not particularly limited as long as it is typically installed and used inside the reaction tower, and it is preferable to have a perforated structure for mass transfer between gas and liquid.

각각의 단위 격자를 구성하는 4개의 측면은 그 상부에 복수개의 구멍을 가지고 있고, 이들 구멍들은 기액 물질전달과정에서 발생하는 거품 등을 인접된 격자사이로 자유스럽게 소통시키는 역할을 수행한다. 4개의 측면의 하부는 격자간에 액체가 상호 소통되지 못하도록 막혀 있는 것이 바람직하다.Each of the four sides constituting the unit grid has a plurality of holes thereon, and these holes serve to freely communicate the bubbles generated in the gas-liquid material transfer process between adjacent grids. The lower part of the four sides is preferably blocked so that liquids do not communicate with each other between the lattice.

그러나, 무엇보다도 본 발명을 구성하는 상기 단위 격자의 중요한 역할은 기체가 균일하게 상향 유입되도록 하는 데 있다. 즉, 단위 격자가 없는 경우에 비해, 본 발명의 경우에는 상기 단위 격자의 존재로 인하여 기체가 단위 격자의 중심축을 따라 상부로 흐르는 현상이 나타나게 된다. 이는 단위 격자의 측면으로부터 가장 먼 지점이 유체흐름에 저항하는 마찰력이 최소화된다는 원리에 근거하여 나타나는 현상이다.However, above all, the important role of the unit cell constituting the present invention is to ensure that the gas flows uniformly upward. That is, compared to the case where there is no unit grid, in the case of the present invention, the gas flows upward along the central axis of the unit grid due to the presence of the unit grid. This phenomenon is based on the principle that the frictional force that resists the fluid flow is minimized at the point farthest from the side of the unit grid.

이를 보다 상세하게 설명하면, 복수개의 단위 격자마다 기체의 균일한 상향 흐름이 발생되므로, 기액 물질전달과정에서 발생되는 편류(Channeling) 현상을 최소화할 수 있게 된다. 편류 현상이라 함은 큰 반응탑에서 많이 발생하는 현상으로서, 반응탑의 상부에서 분배된 액체가 각 단에서 얇은 경막을 균일하게 이루면서 탑의 하부로 계속적으로 흘러내려가지 못하고 편중되는 현상을 의미한다. 편류 현상이 감소되면 반응탑의 상부에서 흘러내려오는 액체의 유면이 균일하게 되어 공정운전을 보다 안정적으로 수행할 수 있게 된다.In more detail, since a uniform upward flow of gas is generated in each of the plurality of unit grids, it is possible to minimize the channeling phenomenon generated in the gas-liquid material transfer process. The drift phenomenon is a phenomenon that occurs frequently in a large reaction column, and means that the liquid distributed in the upper portion of the reaction column is biased without continuously flowing to the bottom of the column while forming a thin film uniformly at each stage. When the drift is reduced, the oil level of the liquid flowing down from the top of the reaction tower becomes uniform, so that the process operation can be more stably performed.

상기 단위 격자는 유체의 소통을 인해 내구성이 저하되지 않는다면 재질에 있어서 특별히 제한되지 않는다.The unit grid is not particularly limited in material unless the durability is degraded due to fluid communication.

제2도는 복수개의 단위 격자가 상호 인접하게 구성되어 있는 모습을 사시도로 나타낸 도면이다.2 is a perspective view showing a state in which a plurality of unit grids are configured to be adjacent to each other.

상기 복수개의 단위 격자로 된, 본 발명의 장치를 트레이상에 설치함에 있어서, 트레이의 전면에 걸쳐 이루어질 수도 있고, 일부의 면에만 이루어질 수도 있다.In installing the apparatus of the present invention of the plurality of unit grids on a tray, it may be made over the front surface of the tray or may be made only on a part of the surface.

제3도는 본 발명에 의한 기액 물질전달 장치가 적용된 반응탑의 운전상태를 개략적으로 나타낸 반응탑의 종축단면도이다.3 is a longitudinal sectional view of the reaction tower schematically showing the operating state of the reaction tower to which the gas-liquid mass transfer device according to the present invention is applied.

제3도에서 31은 기체의 흐름을, 32는 액체의 흐름을, 33은 트레이를, 34는 반응탑벽을 그리고 35는 단위 격자를 나타내고 잇다. 기체는 하부에서 상부로, 그리고 액체는 상부에서 하부로 흐름으로써 기액간의 물질전달이 일어나게 된다.In FIG. 3, 31 represents the flow of gas, 32 represents the flow of liquid, 33 represents the tray, 34 represents the reaction tower wall, and 35 represents the unit cell. Gas flows from bottom to top, and liquid flows from top to bottom, resulting in mass transfer between gas and liquid.

본 발명의 기액 물질전달 장치를 이용하면, 특히 기체의 속도제한치를 증대시킬 수 있다. 종래의 통상적인 체판의 경우, 기체의 유입속도가 설계기준치보다 빠르면 액체의 스프래싱(splashing) 현상이 일어나기 때문에 물질전달효율이 저해요인으로 작용한다. 따라서, 물질전달효율을 증대하기 위해서는 상기 스프래싱 현상을 최소화할 것이 요구되는데, 본 발명의 기액 물질전달 장치를 이용하면, 액체층위에 거품층을 안정적으로 많이 보유할 수 있어서 상기 거품층이 스프래싱 현상을 막아주는 완충지대(buffer zone)로 작용하게 된다.By using the gas-liquid mass transfer device of the present invention, in particular, the gas velocity limit value can be increased. In the case of a conventional conventional plate, the material transfer efficiency acts as a deterrent because a splashing phenomenon of the liquid occurs when the flow rate of the gas is faster than the design reference value. Therefore, in order to increase the material transfer efficiency, it is required to minimize the splashing phenomenon. By using the gas-liquid mass transfer device of the present invention, the foam layer can be stably held because the foam layer can be stably held on the liquid layer. It acts as a buffer zone to prevent the phenomenon.

종래의 체판의 경우에는 거품이 발생하는 즉시 하강관(downcomer)으로 흘러가 버리기 때문에 거품을 이용할 수가 없었고, 칼럼면적의 약 10%가 하강관으로 할애되어야 하기 때문에 칼럼 전체를 이용할 수 없다는 단점을 지니고 있었다. 이러한 문제점을 본 발명의 장치를 이용함으로써 상당부분 극복될 수 있다.In the case of the conventional sieve plate, bubbles cannot be used because bubbles flow down to the downcomer as soon as they occur, and the entire column cannot be used because about 10% of the column area must be allocated as a downcomer. . This problem can be largely overcome by using the device of the present invention.

전술한 바와 같이, 본 발명에 의한 기액 물질전달 장치를 이용하면 대형 반응탑에서 흔히 발생하는 편류현상을 현저히 줄일 수 있다. 즉, 통상적인 대형 반응탑의 경우에는 면적이 넓은 트레이가 설치되는데, 이 때 트레이상의 일부분이 함몰되거나 수평균형이 무너짐으로서 액체를 고르게 분배할 수 없는 경우가 발생한다. 그러나, 제1도에서 보듯이, 본 발명의 기액 물질전달 장치의 격자의 4개 측면의 하부는 격자간의 액체교환을 막아줄 수 있도록, 천공되지 않고 막힌 구조로 되어 있기 때문에, 상단에서 유입되는 액체가 함몰부분으로 집중되거나 융기된 부분에서 액체가 떠나는 현상을 방지함으로써 극도의 편류현상을 막아주게 된다.As described above, by using the gas-liquid mass transfer device according to the present invention, it is possible to significantly reduce the drift phenomenon commonly occurring in a large reaction tower. That is, in the case of a typical large reaction tower, a tray having a large area is installed. At this time, the liquid may not be evenly distributed because a portion of the tray is recessed or the number average type collapses. However, as shown in FIG. 1, the lower part of the four sides of the lattice of the gas-liquid mass transfer device of the present invention has a non-perforated and clogged structure to prevent the liquid exchange between the lattice, so that the liquid flowing from the upper end This prevents extreme drifting by preventing liquid from leaving in the concentrated or raised areas.

본 발명에 의한 기액 물질전달 장치는 복수개의 단위 격자가 상호 인접된 구조로 되어 있고, 트레이상에 간단하게 설치될 수 있어서, 장치설계상 수평제한치와 기체의 속도제한치가 증대되고, 거품과다 현상을 줄일 수 있음은 물론, 저렴한 가격으로 용이하게 설치할 수 있다는 장점을 지닌다. 따라서, 본 발명의 장치를 반응탑 내부의 트레이상에 설치함으로써 공정의 안정성 및 효율성을 획기적으로 증대시킬 수 있다.The gas-liquid mass transfer device according to the present invention has a structure in which a plurality of unit grids are adjacent to each other, and can be simply installed on a tray, so that the horizontal limit value and the gas speed limit value are increased in the design of the device, and the bubble excessive phenomenon is prevented. Not only can it be reduced, it can be easily installed at a low price. Thus, by installing the apparatus of the present invention on a tray inside the reaction column, it is possible to significantly increase the stability and efficiency of the process.

Claims (1)

상호 인접하는 복수개의 단위 격자를 포함하며, 각각의 단위 격자는 육면체 형태로서 상면과 하면이 개방되어 있고, 4개의 측면의 상부에는 거품 및 액체의 자유로운 소통을 가능하게 하는 복수개의 구멍이 형성되어 있고, 하부는 단위 격자간의 액체교환을 막아줄 수 있도록 천공되지 않고 막힌 구조로 되어 있는 것을 특징으로 하는 기액 물질전달 장치.It includes a plurality of unit grids adjacent to each other, each unit grid has a hexahedral shape, the upper and lower surfaces are open, a plurality of holes formed in the upper portion of the four sides to allow free communication of bubbles and liquids And the lower part of the gas-liquid substance transfer device is characterized in that the structure is not perforated but blocked to prevent the liquid exchange between the unit grid.
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KR970009841A (en) * 1995-08-17 1997-03-27 링핑거; 스타인 호프 Mass transfer in plate columns and devices therefor

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KR970009841A (en) * 1995-08-17 1997-03-27 링핑거; 스타인 호프 Mass transfer in plate columns and devices therefor

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