KR102066352B1 - 하단 재분배 장치를 이용한 유사 이동층 흡착 분리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 유사 이동층 흡착 분리장치는, 순환 흐름 배관을 구비하는 하나 이상의 흡착 체임버; 상기 흡착 체임버 내에 형성된 복수의 베드;, 상기 베드를 구획하고 흡착제를 지지하는 그리드; 상기 그리드를 유체 혼합물 유입 및 탈착제 유입 배관과, 라피네이트 혼합물 및 추출물 유출 배관에 연결시켜 주기 위한 로터리 밸브; 상기 흡착 체임버 내에서 중앙에 형성된 중앙 배관; 상기 중앙 배관에서 각각의 상기 그리드로 연결되는 그리드 연결 배관; 상기 중앙 배관에 구비되고 각각의 그리드로 연결되는 상기 그리드 연결 배관에 연결된 중앙 배관 분배기; 및 상기 로터리 밸브에서 상기 중앙 배관 분배기를 통하여 각각의 그리드에 연통되는 복수의 액세스 라인; 을 포함하여 이루어지고, 상기 그리드 연결 배관의 토출측 단부에는 분배 박스가 구비되며, 상기 분배 박스의 하부에는 개구부를 구비하는 하단 재분배 장치가 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

하단 재분배 장치를 이용한 유사 이동층 흡착 분리 장치{DEVICE FOR ADSORPTION AND SEPARATION IN SIMULATED MOVING BED USING LOWER RE-DISTRIBUTOR}

본 발명은 다른 크실렌 이성질체를 포함하는 방향족 탄화수소 혼합물에서 파라-자일렌(p-xylene)을 흡착 분리하는 것과 같은 공정 및 그에 사용하는 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 유사 이동층(Simulated Moving Bed: SMB) 흡착 크로마토그래피를 이용한 분리 공정에서, 상부로부터 흘러 내려오는 순환 흐름인 연속 흐름(continuous flow)과 신규로 주입되는 공급 흐름(feed flow) 사이의 혼합 및 분배 효율을 향상시키기 위한 하단 재분배 장치를 이용한 유사 이동층 흡착 분리 장치에서 유체 혼합 분배장치에 관한 것이다.

일반적으로 사용되고 있는 회분식(batch type) 크로마토그래피는 흡착메커니즘을 원리로 하는 분리공정법으로서 고순도 분리와 실험실에서의 분석 등에 적합하기 때문에 고순도 생합성화합물, 정밀화학 합성물, 그리고 식품첨가제 등의 분리, 정제에 널리 이용되고 있다. 그러나, 이러한 회분식 크로마토그래피를 이용한 분리공정은 이동상으로 사용되는 용매의 많은 소비량이 요구되고, 분리하고자 하는 성분의 흡착도가 차이가 적은 경우에는 분리가 어려우며, 나아가 대용량 분리 및 원료의 연속적인 분리에 부적합하다는 문제점을 지니고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 공개특허공보 제2001-51842호 등에서 언급하고 있는 실제 이동층(True Moving Bed: TMB) 흡착 분리 공정이 있는데, 이러한 TMB공정은 열교환기, 추출 등의 여러 공정에서 효율적으로 쓰이고 있는 향류흐름(counter current flow)의 개념을 도입한 것으로써 고정상에 이동상과 반대방향의 흐름을 가하여 분리하고자 하는 혼합물의 용액이 컬럼으로 주입되면, 고정상에 대하여 흡착성질이 강한 것은 고정상의 흐름을 따라 컬럼 밖으로 유출되고 흡착성이 낮은 성분은 이동상을 따라 이동하게 함으로써, 두 물질간의 분리도의 차이가 크지 않더라도 두 물질의 농도분포 곡선의 양쪽 끝에서만 분리가 가능하다면 순수한 물질을 얻을 수 있다는 장점이 있는 반면, 기존의 고정식 분리공정에 비해 충전제의 양을 증가시켜야 하고, 충전제의 마찰과 유출 등으로 인해 정상상태의 조업이 매우 어려운 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 고정상인 흡착제를 분리 칼럼에 충전시켜 고정시키고, 분리 칼럼 사이의 복수의 액세스 라인을 이용하여 연결되는 포트(port)를 일정시간마다 이동시켜 고체상의 향류 이동을 모사하는 유사 이동층(Simulated Moving Bed: SMB) 흡착 분리 공정이 개발되어 왔다. SMB 공정은 TMB 공정의 고정상 흐름에 대한 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로 방향족 탄화수소의 혼합물에서 파라-자일렌(p-xylene)의 정제, 에틸벤젠의 분리, 키랄 화합물의 제조 공정 등에 적용되고 있다. SMB 공정 중에서 상업적으로 적용되고 있는 대표적인 공정이 UOP사의 미국특허 제4,326,092호 및 제5,382747호에 개시되어 있으며, 통상적으로 이를 '파렉스(Parex) 공정'이라 지칭한다.

파렉스 공정은 하나 또는 두개의 긴 흡착 체임버를 여러 개의 베드(bed)(흡착 체임버 하나당 통상 12개)로 분할하여 서로 직렬로 연결하여 구성한다. 파렉스 공정과 같은 유사 이동층 흡착 분리 공정에서는 실제로 고정상의 흐름이 없으며, 일정시간의 로터리 밸브 회전 시간간격에 따라 탈착제(desorbent), 추출물(extract), 유체 혼합물(feed), 라피네이트(raffinate), 세척용 액체 등의 유입 및 유출 포트 위치를 이동상이 흐르는 방향으로 변화시키면, 각 포트를 중심으로 칼럼이 상대적으로 이동상이 흐르는 방향의 반대 방향으로 놓이게 된다. 이때, 로터리 밸브가 회전하는 시간간격을 스위칭 타임(switching time)이라 하며, 이렇게 가상의 고정상의 흐름을 만들어 이동상과 향류 흐름을 모사할 수 있다. 고정상으로 사용되는 흡착제는 상기 베드 내에 충전된다.

즉, 파렉스 공정에서는 탈착제(desorbent), 추출물(extract), 유체 혼합물(feed) 및 라피네이트(raffinate)의 각 포트의 위치를 연속적으로 이동시킬 수 없지만, 복수의 액세스 라인(multiple access line)을 설치하여 로터리 밸브(rotary valve)를 통해 일정 스위칭 타임(switching time) 간격을 주어 주기적으로 각각의 흐름을 이웃한 라인으로 이동시켜 줌으로써 거의 같은 효과를 얻을 수 있다는 것이다. 따라서, 유체 혼합물 유입 포트를 통해 주입된 물질 중 흡착력이 약한 물질은 이동상을 따라 라피네이트 유출 포트로 나오게 되며, 흡착력이 강한 물질은 흡착 체임버의 각 베드 내에서 흡착제에 흡착되고, 일정 스위칭 타임 간격에 따라 상대적으로 칼럼이 움직이게 되므로, 일정 시간이 지난 후 추출물 유출 포트를 통해 나오게 되어 있다.

이러한 유사 이동층(Simulated Moving Bed: SMB) 흡착 크로마토그래피를 이용한 분리 공정에서, 상부로부터 흘러 내려오는 순환 흐름인 연속 흐름(continuous flow)과 신규로 주입되는 공급 흐름(feed flow) 사이의 혼합 및 분배 효율을 향상시킬 필요가 있다.

특히, 유사 이동층에서 베드의 분할 각도를 늘려서 분할 개수를 줄이면 예컨대 분할 개수를 24개에서 12개로 줄이면, 종래의 직사각형 분배 박스를 구비하는 장치에서는 순환 흐름과 공급 흐름이 만나는 분배 박스의 바로 아래 부분에서만 혼합이 충분하고, 가장자리 부분 특히 베드의 중심부 쪽에서는 혼합이 불충분한 경향이 있었다.

1. 공개특허공보 제2001-51842호 2. 미국특허 제4,326,092호 3. 미국특허 제5,382,747호

유사 이동층에서 유체가 충전물의 층을 균일하게 분산하여 흐르지 않고 일부분을 통로로 하여 불균일하게 흐르는 현상인 편류 또는 채널링(channeling) 현상을 최소화하고 이동층 베드 내에 충전된 흡착제를 고르게 사용하여 전체 공정의 효율을 높일 수 있는 하단 재분배 장치가 구비된 혼합 분배 장치를 제공한다.

특히, 유사 이동층 흡착 분리 공정(SMB: Simulated Moving Bed)에서 상부로부터 흘러 내려오는 순환 흐름인 연속 흐름(continuous flow)과 신규로 주입되는 공급 흐름(feed flow) 사이의 혼합 및 분배 효율을 향상시키고, 흡착 체임버 내의 베드에서 파이 조각 형태로 구획하는 숫자를 줄일 수 있어 장치 제작비를 줄일 수 있는 분배기 박스를 최적화한 유사 이동층 흡착 분리 장치의 하단 재분배 장치가 구비된 혼합 분배 장치를 제공한다.

본 발명에 따른 유사 이동층에서 회전 흐름을 적용한 유체 혼합 분배장치는,

순환 흐름 배관을 구비하는 하나 이상의 흡착 체임버;

상기 흡착 체임버 내에 형성된 복수의 베드;

상기 베드를 구획하고 흡착제를 지지하는 그리드;

상기 그리드를 유체 혼합물 유입 및 탈착제 유입 배관과, 라피네이트 혼합물 및 추출물 유출 배관에 연결시켜 주기 위한 로터리 밸브;

상기 흡착 체임버 내에서 중앙에 형성된 중앙 배관;

상기 중앙 배관에서 각각의 상기 그리드로 연결되는 그리드 연결 배관;

상기 중앙 배관에 구비되고 각각의 그리드로 연결되는 상기 그리드 연결 배관에 연결된 중앙 배관 분배기; 및

상기 로터리 밸브에서 상기 중앙 배관 분배기를 통하여 각각의 그리드에 연통되는 복수의 액세스 라인;을 포함하여 이루어진다.

상기 액세스 라인의 공급 흐름을 상기 그리드로 전달하는 상기 그리드 연결 배관의 토출측 단부에는 분배 박스가 설치되어 있으며, 분배 박스의 둘레를 따라서 다수의 구멍이 구비되어 있다.

상기 분배 박스의 하부에는 하단 재분배 장치가 추가로 배치된다. 하단 재분배 장치에서, 공급 흐름과 순환 흐름의 혼합 유체가 배출되는 유출구멍은, 상기 혼합 유체가 상향으로 흐르도록 위쪽을 향해서 개구되어 있다.

유사 이동층 흡착 분리 공정(SMB: Simulated Moving Bed)에서 상부로부터 흘러 내려오는 순환 흐름인 연속 흐름(continuous flow)과 신규로 주입되는 공급 흐름(feed flow) 사이의 혼합 및 분배 효율을 향상시킬 수 있다. 유체간 혼합 및 분배 효율을 향상시킴으로써 체임버 내 데드 볼륨(dead volume)을 최소화하고 충전된 흡착제를 보다 균일하게 사용할 수 있도록 하여, 흡착 체임버 내의 베드에서 파이 조각 형태로 구획하는 숫자를 줄일 수 있어 장치 제작비를 줄일 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 유사 이동층에서 회전 흐름을 적용한 유체 혼합 분배장치에 사용되는 시스템의 일 실시예에 대한 개략도를 나타낸다.
도 2a는 흡착 체임버 내의 하나의 베드(12)에서 그리드를 상부에서 본 개념적인 사시도를 나타낸다.
도 2b는 하나의 베드에서 그리드로 연결되는 그리드 연결 배관과 중앙 배관이 이어지는 상태를 나타내는 도면이다.
도 3은 베드에 구비된 그리드 부분의 개략적인 수직 단면도를 나타낸다.
도 4는 각각의 그리드에 있어서, 그리드 연결 배관(124)의 토출측 단부와, 그리드 연결 배관의 토출측 단부에 연관된 분배 박스(130)와, 분배 박스(130)의 하부에 배치된 하단 재분배 장치(131)의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.
도 5는 CFD(Compuational Fluid Dynamics) 기법을 이용하여 유사 이동층에서의 유체 혼합 분배의 시뮬레이션을 실시한 결과를 시각적으로 나타낸 것이다.
도 6은 본 발명을 수치적으로 검증하기 위해 베드 내에 설정한 347개의 지점에서의 혼합 성능시험 결과를 나타낸다.

이하 본 발명의 내용을 첨부된 도면을 참조로 하여 아래에서 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 유사 이동층에서 하단 재분배 장치를 구비하는 유체 혼합 분배장치가 사용되는 시스템의 일 실시예에 대한 개략도를 나타낸다.

도 1에 따르면, 본 발명에 따른 유사 이동층에서 회전 흐름을 적용한 유체 혼합 분배장치에서는 흡착 체임버(10) 내에 베드(12)를 다층으로 구성하여 각각의 베드(12)가 상하로 직렬로 연결되어 있고, 각 베드(12)에는 흡착제가 충전되어 있다. 통상적으로 베드(12)의 개수는 각 체임버 별로 12개이나, 베드의 개수는 필요에 따라 조정 가능하다. 흡착 체임버는 1 개 이상이 사용된다.

상기 흡착 체임버 내의 각각의 베드(12)는 복수의 액세스 라인(14)을 통해 로터리 밸브(16)에 연결되어 있다. 상기 로터리 밸브(16)는 유체 혼합물 유입 및 탈착제 유입 배관(18)과, 라피네이트 혼합물 및 추출물 유출 배관(20)을 복수의 액세스 라인에 연결시켜 준다. 로터리 밸브의 상세한 구성은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 익히 알려져 있으므로 간략하게 도시하였다.

상기 복수의 액세스 라인(14)은 상기 로터리 밸브(16)와 상기 각각의 베드(12)를 연결시키는데, 유체 혼합물의 공급과 탈착제의 주입 및 추출물, 라피네이트(raffinate) 혼합물의 배출이 모두 동일한 액세스 라인을 통해서 시차를 두고 이루어진다. 흡착 체임버와 로터리 밸브(16, rotary valve)를 연결하여 주는 이 배관은 흡착 체임버의 베드(bed) 개수만큼 구비되며 베드 라인(bed line)이라고도 불린다.

흡착 체임버(10)의 상하부에는 순환 흐름(continuous flow)이 공급되는 순환 흐름 배관(22)이 연결된다. 이 순환 흐름 배관(22)은 다른 흡착 체임버에 연결될 수 있다.

이러한 유사 이동층 흡착 분리 장치에서는 실제로 고정상의 흐름이 없지만, 일정시간의 스위칭 간격에 따라 로터리 밸브(16)에서 탈착제(desorbent), 추출물(extract), 유체 혼합물(feed) 및 라피네이트(raffinate)의 배관의 연결 위치를 이동상이 흐르는 방향으로 변화시키면, 각 배관의 연결 위치를 중심으로 가상의 고정상의 흐름을 만들어 이동상과 향류(counterflow) 흐름을 모사할 수 있다. 고정상으로 사용되는 흡착제는 각각의 상기 베드(12) 내에 충전되며 일정 기간마다 교체하여 준다.

상기 유사 이동층의 시스템에서 유체 혼합물은 유체 혼합물 유입 배관(18)을 통해 로터리 밸브(16)와 연결되는 복수의 액세스 라인(14)을 통해 흡착 체임버(10) 내로 유입되고, 상기 흡착 체임버(10) 내의 각 베드(12)에 충전된 상기 흡착제와 접촉한다. 상기 베드(12)로부터 상대적으로 흡착력이 작은 라피네이트는 라피네이트 혼합물 유출 배관(20)으로 인출된다.

도 2a는 흡착 체임버 내의 하나의 베드(12)를 상부에서 본 개념적인 사시도를 나타내고, 도 2b는 그리드를 포함하는 부분의 개략적인 종단면도로서, 하나의 베드에서 그리드로 연결되는 그리드 연결 배관과 중앙 배관이 이어지는 상태를 나타낸다.

흡착 체임버(10)에서 각각의 베드(12)의 평면도는 대체로 원형이며, 베드(12)의 내부에는 흡착제(128)를 지지하는 공간인 그리드(121)가 다수 구획되어 파이 형태로 분할되어 구성되어 있다. 그리드(121)는 상기 베드(12)에서 구획되어 도시된 실시예에서는 12개의 파이 조각 형태를 이룬다. 흡착 체임버(10)에서 상하부 베드(12) 사이의 유체 이동은 각각의 그리드(121)를 통해 이루어지며, 각각의 그리드(121)는 중앙 배관(122)으로부터 그리드 연결 배관(124)을 통하여 연결되고, 상기 중앙 배관(122)에는 중앙 배관 분배기(126)가 구비되어 각각의 그리드 연결 배관(124)을 중앙 배관(122)과 연통시킨다.

또 상기 중앙 배관 분배기(126)에서 액세스 라인(14)이 상기 로터리 밸브(16)로 연결되어, 공급 유체가 로터리 밸브(16)와 상기 중앙 배관(122) 및 상기 그리드 연결 배관(124)을 통하여 각각의 그리드(121)로 주입된다.

상기 그리드(121)의 공간 내에는 상기 그리드 연결 배관(124)에 연결되는 분배 박스와 그 아래에 위치되는 하단 재분배 장치(131)가 구비되어 있다.

도 2b에서 보는 바와 같이, 베드(12) 내의 그리드(121)는 상하측이 스크린(121a)으로 되어 있어서 액상의 유체만을 통과시킴으로써 베드(12)의 격막 역할을 하면서 흡착제(128)를 지지한다.

도 3은 베드(12)에 구비된 그리드(121) 부분의 개략적인 수직 단면도를 나타낸다. 각각의 그리드는 독립적으로 나뉘어져 있기 때문에 한 개의 그리드에 대해서만 살펴보기로 한다.

중앙 배관(122)으로부터 그리드(121)로 연결하는 그리드 연결 배관(124)의 하부(토출측 단부)에는 분배 박스(130)가 구비되어 있으며, 본 발명에서 상기 분배 박스(130)는, 그림에는 원통형으로 예시하고 있으나 이에 한정되지 않으며 사각형, 직사각형 등 그 형상은 다양하게 할 수 있다. 분배 박스(130)의 하부에는 하단 재분배 장치(131)가 연결되어 있다.

흡착 체임버의 상부에서 흡착제(128)를 거쳐 흘러내려 오는 순환 흐름(continuous flow)은 스크린(121a)을 통과하여, 도면에서 화살표 방향으로 그리드의 격판(132)에 의해 유도되어 그리드(121)의 내부 공간(134)으로 흘러들어온다. 그리고 유체 혼합물 유입 및 탈착제 유입 배관(18)으로부터 로터리 밸브(16)를 거쳐 액세스 라인(14), 중앙 배관(122), 중앙 배관 분배기(126) 및 그리드 연결 배관(124)을 통해 그리드(121)로 공급되는 공급 흐름(feed flow)은 상기 분배 박스(130)에서 분배되어 상기 순환 흐름과 혼합된다. 그리하여 상기 순환 흐름의 용액과 상기 공급 흐름의 유체 혼합물, 탈착제, 라피네이트 등은 상기 분배 박스(130) 주위에서 혼합된 후 그 아래의 하단 재분배 장치(131)로 흘러들어가 하단 재분배 장치(131)에서 사방으로 다시 분배되어, 흡착제(128) 층과 다른 그리드로 흘러 내려가면서 흡착 체임버 내에서 이러한 과정을 반복한다.

한편, 일정 시간마다 상기 로터리 밸브(16)와 액세스 라인(14), 중앙 배관(122), 중앙 배관 분배기(126) 및 그리드 연결 배관(124)을 흐르는 유체의 흐름 방향이 바뀌도록 되어 라피네이트 혼합물 및 추출물이 상기 배관들의 역순으로 유출된다.

한편, 상기 분배 박스(130)의 구조와 상기 분배 박스(130)에서 그리드(121)로 나가는 구멍의 방향 등은 다양하게 할 수 있는데, 상기 분배 박스(130)는 도면으로 예시된 실시예에서는 원통형 구조를 이루고, 원통형 분배 박스(130)에는 공급 흐름을 그리드(121)로 배출하는 구멍이 상기 분배 박스(130)에서 법선 방향이 아닌 접선 방향(tangential direction)으로 되어 있다. 이러한 접선 방향으로 된 구멍에서 배출되는 공급 흐름은 회전흐름을 갖게 된다. 당연히 상기 분배 박스(130)의 형상은 사각형 등 다양하게 할 수 있고, 공급 흐름을 배출하는 구멍의 방향도 다양하게 할 수 있다.

한편, 분배 박스(130)를 원통형으로 하면서, 배출 구멍을 접선 방향으로 하는 경우, 상기 회전흐름으로 인해 난류성(turbulent)이 증가하고 결과적으로 흡착 체임버의 상부에서 흘러 내려와 유입되는 순환 흐름과 그리드 연결 배관(124)으로부터 공급되는 공급 흐름의 혼합이 원활해지는 경향이 있다.

이렇게 혼합된 유체는 다시 상기 분배 박스(130)의 아래에 위치하는 하단 재분배 장치(131)로 들어가서 그리드의 사방으로 분배되도록 되어 있다.

이처럼 공급 흐름과 순환 흐름 사이의 혼합 및 분배 효율을 향상시킴으로써, 베드(12)에서 분할 개수가 작아 그리드가 큰 파이 조각 형태를 이루는 경우에도, 흡착 체임버 내에서 데드 볼륨(dead volume)을 최소화하고 충전된 흡착제를 보다 균일하게 사용할 수 있게 된다. 즉, 흡착 분리 장치를 제조하는 비용을 줄일 수 있고, 흡착제를 교체하는 기간을 늘릴 수 있어서 가동 비용도 줄일 수 있게 된다.

실시예에서는 그리드(121)의 격판(132)은 도시된 바와 같이 계단식 형태로 되어 있으며, 이러한 형태는 위에서부터 내려오는 순환 흐름과, 로터리 밸브(16)와 중앙 배관(122)을 통해 주입되는 공급 흐름의 원활한 혼합을 위한 것이다. 즉, 상기 격판(132)이 계단식 형태로 되어 있어서 순환 흐름이 분배 박스(130) 주위로 집중되도록 유도한다. 물론 비스듬히 경사지게 형성하는 것도 가능하다. 상기 순환 흐름과 상기 공급 흐름이 상기 분배 박스(130) 주위에서 혼합된 후에는 골고루 분산되어 아래쪽의 흡착제(128)로 보내는 것이 바람직하다. 이를 위하여 상기 분배 박스(130) 하단에 하단 재분배 장치(131)가 구비된 것이다.

위에서 내려온 순환 흐름과 상기 분배 박스(130)에서 배출된 공급 흐름은 분배 박스(130) 주위에서 혼합된 후, 혼합된 유체는 분배 박스(30) 아래에 배치된 하단 재분배 장치(131)로 흘러들어가서 더욱 혼합되면서 그리드의 내부 공간(134)으로 골고루 분배된다.

그리드(121) 내에서 분배 박스(130)의 위치는 그리드 연결 배관(124)이 위치하는 지점을 기준으로 그리드 안쪽과 바깥쪽 부분의 면적 비가 1:1 되는 지점에 위치하는 것이 바람직하다.

도 4는 각각의 그리드에 있어서, 그리드 연결 배관(124)의 토출측 단부와, 그리드 연결 배관의 토출측 단부에 연관된 분배 박스(130)와, 분배 박스(130)의 하부에 배치된 하단 재분배 장치(131)의 일 실시예를 나타낸 사시도이다.

분배 박스(130)의 외측 둘레에는 다수의 구멍(136)이 구비되어 있다. 상기 분배 박스(130)는 예시된 도면에는 원통형으로 되어 있으나, 원통형에 한정되지 않으며, 사각형, 직사각형, 육각형 등 다양한 형상으로 구성하는 것도 가능하다. 도시된 바와 같이 상기 분배 박스(130)를 원통형으로 하는 경우, 상기 구멍(136)을 법선 방향이 아닌 비스듬한 경사 방향 또는 접선 방향(tangential direction)으로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 경사 방향 또는 접선 방향으로 형성된 구멍(136)에서 배출되는 공급 흐름은 회전흐름을 갖게 되어 난류성(turbulent)이 증가하고, 흡착 체임버의 상부에서 흡착제를 거쳐 흘러 내려와 그리드로 유입되는 순환 흐름과 그리드 연결 배관(124)으로부터 공급되는 공급 흐름의 혼합을 촉진한다.

이렇게 혼합된 유체는 그 아래의 하단 재분배 장치(131)로 들어가서 널리 퍼져 분배되도록 되어 있는데, 상기 하단 재분배 장치(131)는 상기 분배 박스(130)의 외측 둘레보다 더 바깥쪽으로 돌출하는 돌출부(131a)를 하나 이상 구비하고, 하단 재분배 장치(131)에서 상기 혼합된 유체를 배출하는 하나 이상의 유출구멍(131b)을 구비한다. 상기 돌출부(131a)는 상기 분배 박스(130)의 외측 둘레보다 더 바깥쪽으로 나왔다는 의미이며, 위에서 혼합된 유체를 받아 더 멀리 분배하기 위한 것이므로, 그 형상을 한정하는 것은 아니다. 상기 유출구멍(131b)은 각각의 돌출부(131a)에 하나 이상이 형성되어 있고, 상하좌우 어디라도 형성될 수 있으며, 바람직하기로는 상부에 구비되어 있어서 혼합 유체가 상향류로 배출되어 혼합과 분배 효율을 높이도록 한다. 상기 돌출부(131a)는 원형관 형태이든 사각관 형태이든 가능하며 어떠한 형태로도 할 수 있다. 상기 분배 박스(130)의 아래쪽에, 상기 하단 재분배 장치(131)는 개구부(131d)를 구비하여 상기 혼합된 유체를 수용하고, 상기 유출구멍(131b)을 통하여 배출하도록 되어 있다.

또, 상기 하단 재분배 장치(131)의 상부에는 상기 분배 박스(130) 주위에 유도벽(131c)이 형성되어 있어서, 혼합된 유체가 하부의 하단 재분배 장치(131)로 들어가도록 유도한다. 상기 유도벽(131c)은 상기 하단 재분배 장치(131)의 상부에 상기 개구부(131d) 둘레에 형성되어 있다. 상기 유도벽(131c)은 상기 하단 재분배 장치(131)와 상기 격판(132, 도 3 참조) 사이를 차폐하여 상기 혼합된 유체가 상기 하단 재분배 장치(131)의 개구부(131d)로 유입되도록 유도한다. 상기 유도벽(131c)은 어디에 고정되어 있어도 상관없으나, 상기 하단 재분배 장치(131)의 상기 개구부(131d) 둘레에 고정되거나 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 유도벽(131c)은 도면에는 원형으로 예시되어 있으나, 원형에 한정되지 않으며 사각형 등 어떠한 형태도 가능하다.

이러한 구성으로 이루어진 본 발명에 따른 하단 재분배 장치(131)를 사용함으로써 혼합효율과 분배효율이 더욱 높아지게 된다.

즉, 로터리 밸브와 중앙 배관을 거쳐 연결 배관(124)으로부터 공급되는 공급 흐름이 상기 분배 박스(130)로부터 외측으로 원주방향으로 회전하면서 방출됨으로써 위에서 흘러 내려오는 순환 흐름과 혼합되는 시간이 단축된다. 이렇게 혼합된 유체는 주위의 유도벽(131c)에 의하여 혼합이 가속됨과 함께 아래의 하단 재분배 장치(131)로 들어가도록 유도된다. 하단 재분배 장치(131)로 들어간 혼합 유체는 사방으로 전개되는 돌출부(131a)에 의하여 그리드의 공간 내로 널리 배분되어 고르게 분배된다.

이와 같이 본 발명에 따른 하단 재분배 장치(131)는 순환 흐름과 공급 흐름 사이의 혼합 및 분배 효율을 향상시키게 된다. 그리하여 흡착 체임버 내에서 유체가 흡착제에 접촉하지 않는 데드 볼륨(dead volume)을 최소화하고 충전된 흡착제를 보다 균일하게 사용할 수 있게 된다. 즉, 베드 내에서 그리드의 분할 개수를 줄여서 분할된 파이 조각 형태를 크게 하는 경우에도 장치의 작동성능이 유지될 수 있어서 장치의 제조 비용이나 유지 비용을 절감할 수 있게 된다.

도 5는 CFD(Compuational Fluid Dynamics) 기법을 이용하여 본 발명에 대하여 유사 이동층에서의 유체 혼합 분배의 시뮬레이션을 실시한 결과를 시각적으로 나타낸 것이다.

실험에서는, 예시적으로, 베드 운전 온도: 156℃, 베드 운전 압력: 11.5kg/㎠, 베드 직경 6.2m로 하였으며, 파이 구획수는 12개(파이 조각 1개의 각도는 30도)로 하였으며, 공급유체의 조성(단위 Vol%)은 Para-xylene (23.4), Meta-xylene (51.58), Ortho xylene (22.6). Ethyl-benzene (2.41), Toluene (0.01)이다. 그리고 순환 흐름의 유체는 PDEB(P-Diethylbenzene)로 하였다. 그리고 베드를 채우는 흡착제의 공극률은, 예시적으로, 0.337로 하였다.

도 5에서 왼쪽의 수직 바아는 혼합된 유체 중에서 공급 유체의 체적 비율(volume fraction)을 나타낸다. 일반적으로 공급 유체의 체적 비율이 0.2와 0.24 사이인 경우, 순환 흐름 유체와 혼합이 잘된 혼합 충분점(sufficient quality point)으로 정의하고 있다. 즉, 짙은 푸른 색은 공급 유체 부분이 거의 없어 혼합이 충분하지 못하고, 붉은 색은 거의 공급 유체로만 구성되어 혼합이 충분하지 못한 상태를 나타낸다.

그림을 보면, 본 발명에 따라 원통형 분배 박스와 하단 재분배 장치를 구비한 흡착 분리 장치에 적용한 실험 결과는 비교적 넓은 범위에 걸쳐, 잘 혼합된 상태인 공급 유체의 체적 비율이 0.2와 0.24 사이인 상태를 보이고 있다.

즉, 공급 흐름을 공급하고 나서 20초 후에는 전반적으로 넓은 영역에 걸쳐 균일하게 흘러가는 플러그 흐름(plug flow)에 가까운 흐름을 보이고, 일부 영역으로 집중되어 흘러나가는 채널링 현상이 생기지 않고, 유체가 지나가지 않는 데드 볼륨(dead volume)도 없는 것으로 판단된다.

도 6은 본 발명을 수치적으로 검증하기 위해 베드 내에 설정한 347개의 지점에서의 혼합 성능시험 결과를 나타낸다.

이러한 지점에서 잘 혼합된 상태인 공급 유체의 체적 비율이 0.2와 0.24 사이에 있는지 여부를 체크하였다. 각각의 포인트에서 컴퓨터 시뮬레이션으로 측정한 잘 혼합된 상태의 지점의 개수를 고려하면, 실험 시작 20초 후에 전반적으로 충분한 혼합이 이루어졌음을 보여준다.

즉, 본 발명에 따른 원통형 분배 박스와 하단 재분배 장치를 흡착 분리 장치에 적용하였을 때, 베드에서 그리드의 분할 개수를 24개에서 12개로 줄여 그리드의 파이 조각의 크기를 두 배로 크게 한 경우에도 순환 흐름 유체와 공급 흐름 유체 사이의 혼합이 충분하다는 것을 알 수 있다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 명세서에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 통상의 기술자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10: 흡착 체임버
12: 베드
14: 액세스 라인
16: 로터리 밸브
18: 유체 혼합물 유입 및 탈착제 유입 배관
20: 라피네이트 혼합물 및 추출물 유출 배관
22: 순환 흐름 배관
121: 그리드
121a: 스크린
122: 중앙 배관
124: 그리드 연결 배관
126: 중앙 배관 분배기
128: 흡착제
130: 분배 박스
131: 하단 재분배 장치
131a: 돌출부
131b: 유출구멍
131c: 유도벽
132: 격판
134: 내부 공간
136: 구멍

Claims (4)

1. 순환 흐름 배관을 구비하는 하나 이상의 흡착 체임버;
   상기 흡착 체임버 내에 형성된 복수의 베드;
   상기 베드를 구획하고 흡착제를 지지하는 그리드;
   상기 그리드를 유체 혼합물 유입 및 탈착제 유입 배관과, 라피네이트 혼합물 및 추출물 유출 배관에 연결시켜 주기 위한 로터리 밸브;
   상기 흡착 체임버 내에서 중앙에 형성된 중앙 배관;
   상기 중앙 배관에서 각각의 상기 그리드로 연결되는 그리드 연결 배관;
   상기 중앙 배관에 구비되고 각각의 그리드로 연결되는 상기 그리드 연결 배관에 연결된 중앙 배관 분배기; 및
   상기 로터리 밸브에서 상기 중앙 배관 분배기를 통하여 각각의 그리드에 연통되는 복수의 액세스 라인; 을 포함하여 이루어지는 유사 이동층 흡착 분리장치에 있어서,
   상기 액세스 라인의 공급 흐름을 상기 그리드로 전달하는 상기 그리드 연결 배관의 토출측 단부에 분배 박스가 설치되고,
   상기 분배 박스로부터 배출될 때 회전 흐름이 되는 공급 흐름과 상기 흡착 체임버의 상부에서 흘러내려 오는 순환 흐름을 함께 받아들이는 개구부를 가진 하단 재분배 장치가 상기 분배 박스의 하부에 설치되며,
   상기 하단 재분배 장치에는 상기 분배 박스의 외측 둘레보다 더 바깥쪽으로 돌출되는 돌출부가 구비되며,
   상기 돌출부의 상부측에는 공급 흐름과 순환 흐름의 혼합 유체를 상향류로서 배출하기 위한 유출구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는, 하단 재분배 장치를 구비하는 유사 이동층 흡착 분리장치.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 하단 재분배 장치는 상기 돌출부가 사방으로 전개되어 있는 것을 특징으로 하는, 하단 재분배 장치를 구비하는 유사 이동층 흡착 분리장치.
3. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 하단 재분배 장치의 상부에서 상기 분배 박스의 외측 둘레에 유도벽이 구비되는 것을 특징으로 하는, 하단 재분배 장치를 구비하는 유사 이동층 흡착 분리장치.
4. 청구항 1 또는 2에 있어서,
   상기 유출구멍은 상기 돌출부의 상부측에 복수 개가 형성되는 것을 특징으로 하는, 하단 재분배 장치를 구비하는 유사 이동층 흡착 분리장치.

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