KR101131004B1 - 기체-액체 분배 트레이 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2상 동시 하향 유동 용기에 사용하기 위한 액체-기체 분배 장치에 관한 것으로서, 구멍으로 천공된 평탄한 수평 트레이를 포함하고, 수평 트레이를 통하는 각각의 천공은 기체 리프트 튜브에 장착되며, 기체 리프트 튜브는 하나 이상의 가늘고 긴 상향 유동 다리 및 하향 유동 다리로 구성되어, 상향 유동 구역과 하향 유동 구역 사이에 하나 이상의 상향 유동 구역과 하향 유동 구역을 형성하고, 전이 구역 내 및/또는 기체 리프트 튜브의 전이 구역에 인접한 상향 유동 또는 하향 유동의 영역에 배열된 블러프 몸체를 포함한다.
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기체-액체, 하향 유동 장치, 트레이, 천공, 기체 리프트 튜브, 전이 구역, 블러프 몸체, 용기

Description

기체-액체 분배 트레이{VAPOUR-LIQUID DISTRIBUTION TRAY}
본 발명은 2상 동시 하향 유동 용기에 사용하기 위한 액체-기체 분배 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 본 발명은 열 및 조성 평형을 달성하기 위하여 트레이 아래의 용기의 단면적에 걸친 액상 및 기상의 분배를 개선하는 기체 리프트 튜브가 장착된 액체 분배 트레이에 관한 것이다. 본 발명의 장치는, 특히 수소화공정 반응기에 유용하다.
액체 분배 장치의 공지된 디자인은 5 개의 카테고리 중 하나에 있다. 첫번째 것은 액체가 베드를 접촉하기 전에 다중 스트림으로 체계적으로 세분하기 위한 일련의 홈통 및 배수로 위어(overflow weir)이다. 이 유형은 흔히 액체 수축기 또는 역류 흡수기에 사용된다. 이 유형의 예는 미국 특허 제5,192,465호에 기재되어 있다.
제2 유형의 액체 분배 장치는 천공된 수평 트레이이다. 이것은 천공 주변에 톱니형 위어를 갖거나 갖지 않을 수도 있다. 또한, 트레이는 기류를 위한 연통을 갖출 수 있다. 이 유형의 분배 장치는 보다 복잡한 최종 액체 분배 트레이와 함께 거친 액체 분배에 사용될 수 있다. 이 유형의 예는 미국 특허 제4,836,989호에 개시되어 있다.
제3의 통상적인 유형의 액체 분배 장치는 연통형 트레이이다. 이 장치는 통상적으로 수평 트레이 상의 규칙적인 정사각형 또는 정삼각형 피치 패턴 상에 놓인 다수의 수직관을 사용한다. 통상적으로, 수직관은 액체의 통로에 대한 측면 내에 구멍을 가진다. 수직관의 상부는 연통의 중심을 통하여 기체가 하향 유동할 수 있도록 개방되어 있다. 일부 디자인은 기류의 벌크를 취급하기 위한 특정한 기체 강하관 연통을 사용한다. 이 유형은 미국 특허 제4,126,540호 및 제3,353,924호에 공지되어 있다.
제4 유형의 액체 분배 장치는 버블 캡 트레이이다. 이 장치는 수평 트레이 상의 규칙적인 피치형 패턴 상에 놓인 다수의 버블 캡을 사용한다. 버블 캡은 수직관 상에 동심으로 중심 위치된 캡으로 형성된다. 캡의 측면은 기류에 대하여 홈이 형성되어 있다. 미국 특허 제5,158,714호에 기재되어 있는 바와 같이, 캡 아래의 액류는, 기체와 함께, 환상 영역에서 상향 유동한 다음, 수직관의 중심을 통하여 하향 유동한다.
또 다른 공지된 유형의 액체 분배 장치는 튜브 내에서 상향 유동 구역 및 하향 유동 구역을 형성하는 하나 이상의 짧은 다리가 달린 상승관을 갖춘 긴 다리가 있는 강하관의 형태로 기체 리프트 튜브를 구비한 천공된 트레이이다. 미국 특허 제5,942,162호에 더 기재되어 있는 바와 같이, 짧은 다리가 있는 상승관의 측면은 기체 리프트 튜브 내에 홈이 있으며, 기체와 동시에 유동하는 액체는 상향 유동 구역에서 상향으로 기류에 의하여 리프트되고, 기체와 함께 하향 유동 구역을 통하여 밑에 있는 촉매 베드로 고르게 분배된다.
발명의 개요
본 발명은 2상 동시 하향 유동 용기에서 사용하기 위한 개선된 액체-기체 분배 장치이다. 본 발명의 가장 넓은 구체예에 따른 분배 장치는 구멍이 천공되어 있는 수평 트레이를 포함한다. 각각의 천공은 기체 리프트 튜브에 장착되는데, 이는 하나 이상의 가늘고 긴 상향 유동 다리 및 하나의 하향 유동 다리로 구성되고, 하나 이상의 상향 유동 구역과 하향 유동 구역을 형성하며, 상향 유동 구역과 하향 유동 구역 사이에 전이 구역을 형성한다. 장치의 분배 성능을 개선하기 위하여, 블러프 몸체(bluff body)가 기체 리프트 튜브의 전이 구역 내 및/또는 기체 리프트 튜브의 전이 구역에 인접한 상향 유동 또는 하향 유동 구역의 영역 내에 배열된다.
상기에서 사용되고, 하기 상세한 설명에서 사용되는 용어 "블러프 몸체"는 상당한 유동 저항을 일으키지 않으면서 상향 유동 구역에서 하향 유동 구역으로 이동하는 유체 형태에 관한 성형체를 의미한다.
블러프 몸체는 유동 안정성을 개선하는 임의의 형태로 형성될 수 있으며, 이로써 트레이의 편평도에 대하여 더 낮은 분배 민감성을 형성한다.
블러프 몸체의 유용한 형상은 기체 리프트의 다리를 향하여 굴곡된 가이드 베인(vane) 및/또는 첨부 도면에 도시된 바와 같은 페어링(fairing)이다.
본 발명에 따른 트레이는 용기에 수평으로 지지된다. 트레이는 구분형 또는 중실형 플레이트일 수 있다. 구분형 또는 중실형이건, 모든 트레이 단부는 개스킷에 조여지거나, 아니면 밀봉되어 본질적으로 누설이 없는 표면을 제공한다.
트레이는 그 표면을 가로질러 고르게 이격된 구멍에 의해 천공된다. 구멍은 원형, 사각형, 직사각형 또는 임의의 다른 기하 형상일 수 있다. 구멍은 사각형, 삼각형, 방사상 또는 다른 대칭 패턴 상에 최적으로 이격된다. 수평 트레이가 구분형이라면, 천공 구멍은 각각의 트레이 섹션 상에서 최적으로 위치될 수 있다. 모든 경우에서, 최적화된 패턴은 모든 천공 사이에 거의 균일한 이격을 제공하고, 전체 수평 트레이를 가로질러 천공 구멍 면적 대 수평 트레이 면적의 대략 균일한 비율을 제공도록 사용된다.
본 발명의 한 구체예에서, 각각의 천공은 가이드 베인 및/또는 페어링이 장착되어 있는 M자형 기체 리프트 튜브에 갖추어져 있다. 기체 리프트 튜브는 기밀하도록 하는 방식으로 트레이에 부착되어 있다.
다른 구체예에서, 기체 리프트 튜브는 역 U자 형태로 형성되어 있다.
트레이의 바닥면 상에, 점적 단부는 트레이를 통하여 연장하는 기체 리프트 튜브의 강하기 다리에 의하거나, 또는 트레이에 부착된 개별 튜브 피스에 의하여 각각의 천공에 대하여 형성될 수 있다. 점적 단부는 트레이 상의 압출에 의하거나, 또는 동등한 수단에 의하여 더 형성될 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는 본 발명의 기체 리프트 튜브의 제1 구체예의, 각각 측면도, 정면도, 상면도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 또 다른 구체예의 단면도이다.
도 3a, 도 3b, 도 4 및 도 5는 본 발명의 특정 구체예에 따른 블러프 몸체의 상이한 형태의 단면도를 나타낸다.
도 1에 도시된, 본 발명의 특정 구체예에 따른 기체 리프트 튜브에서, M자형 기체 리프트 튜브의 하향 유동 다리(1)는 지지 트레이(2) 내 천공에 걸치거나 천공을 통하여 장착된다. 상향 유동 다리(3a 및 3b)는 하향 유동 다리(1)의 각각의 측벽 상에 부착되고, 다리(1)보다 더 짧아서 트레이(2) 표면 위의 다리(3a 및 3b)의 입구 개구(7a 및 7b)를 상승시킨다. 상향 유동 다리(3a 및 3b) 및 하향 유동 다리(1)는 상향 유동 구역(4a 및 4b) 및 하향 유동 다리(1) 하향 유동 구역(8)을 형성한다. 전이 구역(5)은 다리(3a, 3b)와 다리(1) 사이에서 형성된다. 전이 구역(5)에는 가이드 베인(6)이 장착되어 있다. 그러한 형상의 기체 리프트 튜브는 수직 유동 방향으로 짧은 상향 유동 다리(3a 및 3b)의 벽 내에서 입구 단부(7a 및 7b)를 통하여 상향 유동 구역(4a 및 4b)으로 트레이를 가로지르는 유동 경로를 제공한다. 그 다음, 유동을 전이 구역(5) 내에서 수평 방향으로, 그 후 하향 유동 구역(8)에서 수직 방향으로 밀어낸다. 최종적으로, 기체 및 액체의 유동은 트레이(2)의 바닥면의 하향 유동 다리(8) 저부에서 출구 단부(9)를 통하여 충전된다.
수직 슬롯(11)(도 1a)은 다리(1)에 대향하는 다리(3a 및 3b)의 측벽으로 절결된다. 슬롯(11)의 상부는 한 줄로 또는 전이 구역(5) 아래에 있다. 대안으로, 2 이상의 슬롯은 더 긴 다리(1)의 벽에 인접하거나 또는 대향하여 다리(3a 및 3b)의 측벽에 절결될 수 있다.
전술한 튜브의 작동에서, 액위는 트레이(2) 상에서 설정된다. 기체 리프트 튜브 상의 액위는 다리(3a, 3b)의 입구(7a, 7b) 위 및 슬롯(11)의 상부 아래에 있 다. 기체는 슬롯을 통과하고, 상향 유동 구역(4a, 4b)과 기체 리프트 튜브의 외면 사이에 압력 강하를 형성한다. 기체 리프트 튜브 내부의 압력 강하로 인하여, 액위는 기체 리프트 튜브 바깥보다 상향 유동 구역에서 더 높다. 기체와 액체는 상향 유동 구역(4a, 4b) 내에서 혼합되고, 기체는 액체를 리프트하여 상향으로 전이 구역(5)으로 유동시킨다. 액체는 부분적으로 해제되는 한편, 다리(3a, 3b 및 1)의 연결벽 위로, 그리고 하향 유동 구역(8)을 통하여 하향으로 유동한다. 구역(8)의 출구(9)에서, 액체와 기체는 더 해제되어 액체는 점적 단부(10)로 배수된다.
도 2에 도시된 구체예에서, 기체 리프트 튜브는 역 U자형이다. 튜브는 트레이(2)에 장착된 단일 상향 유동 다리(3) 및 하향 유동 다리(1)를 갖춘다. 다리는 단일 상향 유동 구역(3a), 전이 구역(5) 및 하향 유동 구역(8)을 형성한다. 전이 구역(5)은 가이드 베인(4)을 갖춘다. 이 구체예는 분배 트레이 상의 저 액체 및 기체 로딩에 특히 유용한 반면에, 도 1에 도시되고 전술한 기체 리프트 튜브는 넓은 범위의 기체-액체 로드에 걸쳐서 작동하도록 설계될 수 있다.
페어링을 가진 본 발명의 구체예는 도 3a 및 도 3b에 도시되어 있다. 이 구체예에서, 페어링(12)은 전이 구역(5)에 인접한 영역에서 하향 유동 구역(도 3a) 또는 상향 유동 구역(도 3b)에서 하향 유동 다리(1) 상에 배열된다.
도 4는 하향 유동 다리(1)의 상부 상에 페어링(12)과 가이드 베인(6)을 둘 다 가진 구체예를 도시한다.
도 5는 충돌판(13)이 전이 구역(5)에 제공된 구체예이다.
본 발명의 바람직한 구체예에서, 수평 트레이(2)는 대다수의 소형 천공을 구 비하며, 이 각각은 구멍 면적이 1 ㎠ 내지 25 ㎠이다. 총 천공 구멍 면적은 수평 트레이 표면적의 4 내지 33%이다. 주변부에 대한 상향 유동 구역 단면적의 비율은 마찰 압력 강하 및 벽 효과를 감소시키기 위하여 4 mm 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 분배 장치가 사용된 반응기 및 공정, 예를 들면 수소화공정 반응기에서, 경시적인 기상 및 액상 속도와 물성에, 그리고 턴다운 작동 중에 넓은 변동이 일어날 수 있다. 제조 공차 및 설치 관리로 인하여, 분배 트레이 평탄화에는 피치못할 변동이 있을 것이다. 입구 분배기 또는 켄치(quench) 구역 혼합기로부터 분배 트레이로 로딩하고자 하는 액체는 불균일하게 분배될 수 있으며, 튐, 파동 또는 수두에 기인하여 트레이를 가로지르는 액체 높이 구배를 초래할 수 있다. 본 발명의 개념을 사용하는 최적화된 액체 분배기 디자인은 다른 유형의 분배기의 최적화된 디자인으로부터 얻어질 수 있는 것보다 트레이 아래에 개선된 액체 분배를 제공할 것이다.
전체 반응기 단면적에 대한 액체 반응물의 균일한 분배에 의하여, 소정 레벨의 모든 촉매는 균일하게 습윤된다. 따라서, 소정 레벨의 모든 촉매는 동일한 효율로 작동하여, 반응기의 전체 효율을 증가시킨다. 또한, 균일한 액체 분배는 반응기에 대한 균일한 방사상 온도 프로필을 유지시킨다. 이는 피크 반응기 온도를 최소화시켜서 코킹(cocking) 및 촉매 탈활성화 속도를 감소시킨다. 따라서, 반응기는 보다 효율적으로 더 장기간의 사이클 길이로 작동한다.
본 발명에 따른 기체 리프트 튜브는 미국 특허 제5,942,162호에 기재된 기체 리프트 튜브의 개선이고, 반응기 내 분배 트레이의 평탄성 배치에 대하여 더 낮은 감도를 제공한다.
미국 특허 제5,942,162호에 기재된 바와 같은 기체 리프트 트레이와 본 발명의 기체 리프트 트레이의 비교 테스트를 10 내지 30 톤/시간/㎡ 범위의 액체 하중으로 수행하였다. 본 발명에 따른 기체 리프트 트레이는 공지된 트레이로 사용된 것과 동일한 작동 조건에서 30% 이상의 감도 개선을 제공하였다. 테스트에서, 동일한 치수를 가진 M자형 기체 리프트 튜브를 사용하였지만, 다만 본 발명에 따른 튜브는 가이드 베인 형태의 블러프 몸체를 전술한 바와 같이 배치하였다.

Claims (5)

  1. 2상 동시 하향 유동 용기에 사용하기 위한 액체-기체 분배 장치로서,
    구멍으로 천공된 평탄한 수평 트레이를 포함하고, 수평 트레이를 통하는 각각의 천공은 기체 리프트 튜브에 장착되며,
    기체 리프트 튜브는 하나 이상의 가늘고 긴 상향 유동 다리 및 하나의 하향 유동 다리로 구성되어, 하나 또는 둘의 상향 유동 구역, 하나의 하향 유동 구역 및 상향 유동 구역과 하향 유동 구역 사이에 전이 구역을 형성하고, 기체 리프트 튜브의 하나 또는 둘의 상향 유동 다리는 하향 유동 다리를 따라 장착되고, 상기 기체 리프트 튜브는 전이 구역 내 또는 기체 리프트 튜브의 전이 구역에 인접한 상향 유동 또는 하향 유동 구역의 영역 내에 배열된 블러프 몸체를 포함하는 액체-기체 분배 장치.
  2. 제1항에 있어서, 블러프 몸체는 기체 리프트 튜브의 다리를 향하여 굴곡된 가이드 베인으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 액체-기체 분배 장치.
  3. 제1항에 있어서, 블러프 몸체는 페어링(fairing)으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 액체-기체 분배 장치.
  4. 제3항에 있어서, 하나 이상의 페어링은 튜브의 전이 구역에 인접한 하향 유동 다리 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 액체-기체 분배 장치.
  5. 제1항에 있어서, 블러프 몸체는 충돌판으로서 형성되는 것을 특징으로 하는 액체-기체 분배 장치.
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