KR102233330B1 - 유체 분배 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 유체 분배 디바이스 (1) 로서,
- 개구들 (7) 을 포함하고 제 1 및 제 2 단부 (3, 4) 를 갖는 적어도 하나의 입구 튜브 (2); 및
- 주된 보디 (6) 를 포함하는 캡 (5) 으로서, 상기 주된 보디 (6) 는 렌즈 형상을 갖고 또한 입구 튜브 (2) 의 제 1 단부 (3) 를 향해 제 2 단부 (4) 의 방향으로 연장되는 스커트 (8) 에 의해 세장되는 원형 섹션을 갖고, 상기 캡 (5) 은 외측 표면 및 내측 표면을 갖고, 상기 캡은 상기 내측 표면을 통해 상기 튜브의 상기 제 2 단부 (4) 와 일체이고, 상기 주된 보디 (6) 에는 복수의 구멍들 (10) 을 제공되는, 상기 캡 (5)
을 포함하고,
상기 캡 (5) 은, 그의 외측 표면에 배치되어 상기 캡 (5) 의 주변부를 향해 또는 상기 주변부에서 유체를 배향시키거나 또는 유지시키도록 구성된 적어도 하나의 편향 수단 (14) 을 포함하는, 유체 분배 디바이스에 관한 것이다.
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을 포함하고,
상기 캡 (5) 은, 그의 외측 표면에 배치되어 상기 캡 (5) 의 주변부를 향해 또는 상기 주변부에서 유체를 배향시키거나 또는 유지시키도록 구성된 적어도 하나의 편향 수단 (14) 을 포함하는, 유체 분배 디바이스에 관한 것이다.
Description
본 발명은 분배될 유체의 용적 밀도보다 더 큰 용적 밀도를 갖는 단상성 (monophasic) 또는 다상성 (polyphasic) 주위 매체 (ambient medium) 에 단상성 또는 이상성 (diphasic) 유체를 분배하는 디바이스에 관한 것이다.
특히, 본 발명의 디바이스는 정제 또는 석유화학 유닛, 또는 바이오매스의 처리로부터 획득되는 공급물의 처리 유닛에서 마주치는 반응기에 적용된다.
특히, 본 발명의 디바이스는 경질 매체 또는 유동화 고체를 포함하는 매체에서의 가스 또는 가스 혼합물의 분배를 개선하기 위해 사용될 수 있다. 일례로서, 다음 장비에서의 사용에 특히 적합하다:
- FCC (유동화 촉매 분해) 프로세스를 위한 반응기;
- 촉매, 예컨대 촉매 분해용 촉매의 재생을 위한 반응기;
- 촉매의 유동층을 포함하는 반응기;
- 용기의 저부에 이상성 가스/액체 또는 가스/고체 스트림을 위한 입구를 가지며 상향유동 모드로 작동하는 수소첨가 또는 수소화분해 반응기;
- 슬러리 반응기;
- 스트리퍼, 건조기, 에어레이터 또는 가습기.
가스 분배 디바이스는, 용해 및 가스와 액체 또는 고체인 다른 상 사이의 균일한 혼합을 보장하기 위해 가스 또는 가스 혼합물이 균질한 방식으로 분배되어야 하는 때에 일반적으로 사용된다.
그러한 디바이스는 예컨대, 가스와 액체 사이 또는 가스와 유동화 고체 사이의 균질 분배를 요하는 반응을 수행하기 위해, 반응기의 용기 내에 채용된다. 일례로서, 촉매의 존재 하에서 수소인 가스 및 탄화수소 컷인 액체를 이용하는 수소첨가 반응이 인용될 수 있다. 우수한 촉매 성능 및 높은 변환을 획득하기 위해, 수소는 이상성 H2/탄화수소 혼합물의 촉매 층과의 접촉 전에 액체 탄화수소 상에 균질한 방식으로 분배되어야 한다.
또한, 이 디바이스는 가스를 채용하는 촉매의 재생 또는 활성화를 위한 반응기 내에 설치될 수도 있다. 인용될 수 있는 예가 옥시염소화에 의한 재생 프로세스 또는 촉매의 환원 및/또는 황화에 의한 활성화 프로세스이다.
마지막으로, 촉매 입자를 유동 상태로 유지하기 위해 촉매 층에 "유동화" 가스를 주입하는데 가스 분배기가 채용될 수도 있다.
문헌 US 5 571 482 는 촉매의 재생 동안에 촉매의 온도를 제어하는 기구 (촉매 냉각기) 를 개시한다. 그 기구는 2단계 촉매 재생 시스템과 함께 그리고 유동층 촉매 분해 프로세스 (FCC) 의 맥락에서 사용된다. 그 문헌에서, 재생기의 유동층의 조밀한 상에 촉매 및 유동화 가스를 분배하기 위해 "버섯" 타입 분배기가 사용된다.
도 1 을 참조하여 보면, 종래 기술의 "버섯" 타입 분배기는,
- 제 1 및 제 2 단부를 갖는 중공 가스 입구 튜브로서, 튜브를 통해 공급된 가스의 일부가 통과할 수 있는 개구들이 제공된 중공 가스 입구 튜브;
- 렌즈 형상의 캡으로서, 원형 섹션, 볼록한 외측 표면 및 오목한 내측 표면을 갖고, 상기 오목한 내측 표면을 통해 상기 튜브의 제 2 단부와 일체인 캡
을 포함한다. 캡은 가스가 통과할 수 있는 관통 구멍들을 또한 구비하고, 그의 자유 단부에, 중공 튜브의 제 1 단부를 향해 연장되는 원형 스커트를 또한 포함한다. 내부 용적은, 캡에 의해 한정되며 관통 구멍들을 통해 분배될 가스의 저장소로서 작용하는 용적으로서 규정된다.
작동시에, 입구 튜브의 개구들을 통해 벗어나는 가스는 그 아래에 하측 에지에 가까운 특정 높이까지 축적된다. 따라서, 캡의 상측면과 하측면 사이에, 가스 포켓의 높이 (Hgas) 곱하기 가스와 액체 상 사이의 밀도차 (rhoambient - rhogas) 곱하기 중력 상수 (g) 와 동일한 압력차가 수립된다:
이 압력차는 수정 (calibrated) 관통 구멍들에 의해 캡 아래에 그리고 전체 돌출 영역에 걸쳐 축적된 가스를 분배하는데 기여하고, 상기 수정 관통 구멍들의 개수와 간격은 구멍들의 총 운송 표면이 용기에 진입한 가스 전부가 통과하기에 충분하지 않도록 결정된다.
따라서, 캡 아래의 가스 포켓의 일정한 존재 및 분배기의 작동의 연속성을 보장하기 위해, 주입되어 튜브로부터 벗어나는 가스의 일부가 캡의 스커트의 하측 에지를 넘어 흘러나온다.
기능적으로 실행가능하지만, 이 가스 분배 디바이스는 더 향상될 수 있다. 실제로, 분배기의 (스커트에서) 하측 에지 아래로 흘러나오는 가스가 이 에지로부터 빠르게 분리되지 않고, 대조적으로, 가스에 부가되는 구심 이동을 형성하도록, 캡의 상측 표면에 가까이 남고 에지로부터 매우 멀리 캡의 상측 표면을 따라 계속 이동하는 것으로 드러났다. 그 결과, 가스는 가스가 분리되는 곳인 디바이스의 중심 축선을 향해 농축되는 경향을 갖고, 채널링 효과에 의해 용기의 중심에서 단일 제트를 형성한다. 더욱이, 캡의 구멍들을 통과하는 가스의 부분의 일부는 하측 에지로부터 유래하는 이 가스 플룸 (plume) 에 의해 붙잡혀서, 분배기의 중심 축선을 향해 또한 동반되고, 이로써 캡 위에서 가스의 불균일한 분배를 형성한다.
본 발명의 일 목적은 전술한 유체 분배기의 작동을 향상시키는 것, 특히 분배기에서 나오는 유체의 중심 플룸의 형성이라는 현상을 감소시키면서 상기 분배기에서 나오는 유체의 균일한 분배를 형성하는 "버섯" 타입 분배기를 제안하는 것이다.
따라서, 본 발명은, 유체 분배 디바이스로서,
- 개구들을 포함하고 제 1 및 제 2 단부를 갖는, 유체를 운송하는 (channelling) 적어도 하나의 수단; 및
- 종 형상의 주된 보디를 포함하는 캡으로서, 상기 주된 보디는 외측 표면 및 내측 표면을 갖고 또한 상기 내측 표면을 통해 유체를 운송하는 상기 수단의 상기 제 2 단부와 일체이고, 상기 주된 보디는 유체 운송 수단의 상기 제 1 단부를 향해 상기 제 2 단부의 방향으로 연장되는 스커트에 의해 세장되고 또한 복수의 구멍들을 구비하는, 상기 캡
을 포함하고,
상기 캡 (5) 은, 그의 외측 표면에 배치되어 상기 캡 (5) 의 주변부를 향해 또는 상기 주변부에서 유체를 배향시키거나 또는 유지시키도록 구성된 적어도 하나의 편향 수단 (14) 을 포함하는, 유체 분배 디바이스에 관련된다.
본 발명의 디바이스는, 캡의 외측 표면에 배치된 편향 수단의 추가 때문에, 도 1 의 종래 기술의 분배기에 비해 실질적인 개선이다. 본 발명의 내용에서, 용어 "편향 수단" 은, 스커트의 하측 에지 (또는 자유 단부) 로부터 벗어나는 유체가 캡의 외측 표면을 따라 상승하는 것을 방지할 수 있는 수단뿐만 아니라, 스커트의 하측 에지 (또는 자유 단부) 로부터 벗어나는 유체를 캡의 중심으로부터 편향시키고 제거하도록 설계된 수단을 나타내려는 것이다.
따라서, 이 편향 수단은 스커트의 하측 에지로부터 흘러나오는 유체를 상측 표면으로부터 분리시키기 위해 사용될 수 있고, 따라서 유체의 중심 플룸을 형성하는 결과를 가져오는 구심력을 감소시키거나 상쇄시킬 수 있다. 따라서, 유체의 균일한 분배가 향상되는데, 그 이유는 구멍들을 통과하는 유체의 일부가 분배기의 중심 축선을 향해 더 이상 흡입되지 않고, 대조적으로, 상기 구멍들의 위치설정에 따라 분배기의 돌출 영역 전체에 걸쳐 이상적인 방식으로 분배되는 유체의 독립적인 작은 방울 (예컨대, 유체가 가스인 때에는 버블) 을 형성하기 때문이다.
바람직하게는, 편향 수단은 주된 보디의 외측 표면에 배치되고 주된 보디와 일체이다.
바람직하게는, 유체 운송 수단은 튜브이다.
바람직하게는, 주된 보디는 원형 단면을 갖는 렌즈 형상이고 원통형 스커트에 의해 세장된다. 대안적으로는, 주된 보디는 원통형 스커트에 의해 세장되는 절두원뿔 형상을 갖는다.
편향 수단은 편향 표면을 포함하고, 편향 수단은 스커트의 축선과 0°~ 70°의 각도 (α) 를 형성한다.
유리하게는, 편향 표면은 상기 스커트와 본질적으로 일직선으로 되어 있고, 각도 (α) 는 0°와 본질적으로 동일하다. 따라서, 이 실시형태에서, 편향 수단은 스커트에 대해 상향의 그리고 실질적으로 수직의 방향으로 형성된다.
바람직한 실시형태에서, 편향 수단은 캡의 주변부에 배치된 연속적인 원형 플랜지를 형성한다. 바람직하게는, 플랜지는 스커트에 대해 상향의 그리고 실제로 수직의 방향으로 형성된다.
유리하게는, 분배 디바이스의 캡 아래에 안정적인 유체/주위 매체 계면을 유지하기 위해 (계면에서의 변동을 제한하기 위해), 스커트는 상기 스커트의 자유 단부에 위치된 노치들을 포함한다. 바람직하게는, 노치들은 형상이 삼각형 또는 직사각형이다.
분배 디바이스의 스커트가 노치들을 포함하는 때, 편향 수단은 상기 노치들 위에 위치되는 레벨에 배치된다.
유리하게는, 캡을 지나 유체의 균질한 분배를 보장하기 위해, 캡에 형성된 관통 구멍들은 규칙적인 패턴으로 동심으로 주된 보디에 배치된다. 바람직하게는, 관통 구멍들은 원형 단면을 갖는다.
본 발명의 내용에서, 유체는 바람직하게는 가스, 액체, 가스/액체 혼합물 또는 가스/고체 혼합물이다. 디바이스는 분배될 유체의 용적 밀도보다 더 높은 용적 밀도를 갖는 단상성 또는 다상성 주위 매체에 유체를 분배하기 위해 사용될 수 있다. 주위 매체는 예컨대, 가스, 액체, 가스/액체 혼합물, 또는 가스와 가스에 유동화된 고체의 혼합물이다.
본 발명의 분배기는, 액체이거나 또는 가스에 의해 유동화된 고체를 포함하는 상일 수도 있는 주위 매체에 유체가 균질한 방식으로 분배되어야 하는 가스인 경우에 특히 적용된다.
특히, 분배 디바이스는 가스 상과 액체 상의 양호한 혼합을 요하는 촉매 반응을 수행하기 위해 적용될 수 있다. 인용될 수 있는 비제한적인 예가, 분배될 가스 상이 수소를 주로 포함하고 주위 액체 매체가 탄화수소들의 혼합물로 구성되는 탄화수소의 수소처리이다. 용어 "수소처리" 는 예컨대, 탄화수소 컷의 수소화분해, 수소첨가탈황, 수소첨가탈질, 선택적 또는 완전한 수소화, 또는 수소첨가금속화 (hydrometallization) 를 나타내려는 것이다.
본 발명의 디바이스는 증기 분해로부터, 지방족 및/또는 나프탄계 컷에서의 방향족 화합물의 수소첨가로부터의 가솔린의 선택적 수소첨가의 경우에 그리고 방향족 컷에서의 올레핀의 수소첨가를 위해 또한 적용될 수 있다. 본 발명의 디바이스는 가스 상과 액체 상의 양호한 혼합을 요하는 다른 반응, 예컨대 부분적인 또는 완전한 산화 반응, 아민화, 아세틸산화, 암모니아산화 (ammoxidation) 및 할로겐화 반응, 특히 염소화 반응에 또한 적용될 수 있다.
마지막으로, 본 발명의 분배 디바이스는 본 디바이스에 의해 분배될 가스와 동일 또는 상이할 수도 있는 가스에 현탁된 고체 (예컨대, 촉매의 입자) 를 포함하는 유동화된 주위 매체에 가스의 분배를 위해 특히 적용된다.
본 발명은 용기 및 본 발명의 분배 디바이스를 포함하는 반응기에 또한 관한 것이다. 본 발명의 내용에서, 용어 "반응기" 는 분배 디바이스를 수용할 수 있는 용기를 포함하는 임의의 디바이스를 나타낸다. 이는 예컨대 화학적 변환 반응이 수행되는 반응기일 수도 있다.
일 실시형태에서, 본 발명의 반응기는 상기 분배기의 하류에 위치되는 과립 층 (granular bed) 을 포함한다. 용어 "과립 층" 은 입자 형상의 고체 입자들의 조립체를 의미하고, 이 입자는 임의의 형상을 갖지만, 일반적으로 대략 원통형 또는 구형이고, 대략 수 밀리미터의 전형적인 치수를 갖는다. 이 과립 고체는 유리하게는 촉매 활성을 갖는다. 바람직하게는, 본 발명의 혼합 및 분배 디바이스는 연속적으로 그리고 서로 분리된 하나 이상의 고정 과립 층을 포함할 수도 있는 반응기에 일체화된다.
대안적으로, 반응기는 촉매들의 유동층을 포함할 수도 있고, 분배 디바이스가 침지된다. 이러한 타입의 반응기는, 예컨대, 재생 가스를 사용하여 촉매를 재생하기 위해 채용되고; 이 경우, 용어 "재생기" 가 "반응기" 대신 사용될 수 있다.
본 발명은 탄화수소 공급물의 처리 프로세스 또는 과립 층에 포함된 촉매의 처리나 유동층 내의 촉매의 처리 프로세스에서의 전술한 것과 같은 반응기의 용도에 또한 관련된다. 본 발명의 내용에서, 용어 "촉매의 처리" 는 예컨대, 촉매의 환원 또는 황화와 같이, 촉매의 화학적 조성을 개질하는 임의의 처리를 의미하는 것이다.
본 발명의 다른 특징 및 이점은 도면을 참조한 이하의 설명으로부터 더 잘 이해되고 더 명확해질 것이다.
도 1 은 종래 기술의 분배 디바이스의 사시도이다.
도 2 는 예컨대, 종래 기술의 분배 디바이스를 구비한 반응기 또는 재생기의 용기일 수도 있는 용기의 내부의 사시도이다.
도 3 은 CFD (전산 유체 역학) 컴퓨터 모델링을 이용한, 종래 기술의 분배 디바이스를 통한 액체 및 가스 유동의 시뮬레이션의 일례를 보여준다.
도 4 는 본 발명에 따른 분배 디바이스의 제 1 실시형태의 사시도이다.
도 5 는 도 4 의 분배 디바이스의 단면도이다.
도 6 은 CFD (전산 유체 역학) 컴퓨터 모델링을 이용한, 도 4 의 분배 디바이스를 통한 액체 및 가스 유동의 시뮬레이션의 일례를 보여준다.
도 7 은 본 발명에 따른 분배 디바이스의 제 2 실시형태의 단면도이다.
도 8 은 도 7 의 분배 디바이스 중 사각형으로 둘러싸인 스커트 부분의 확대도이다.
도 2 는 예컨대, 종래 기술의 분배 디바이스를 구비한 반응기 또는 재생기의 용기일 수도 있는 용기의 내부의 사시도이다.
도 3 은 CFD (전산 유체 역학) 컴퓨터 모델링을 이용한, 종래 기술의 분배 디바이스를 통한 액체 및 가스 유동의 시뮬레이션의 일례를 보여준다.
도 4 는 본 발명에 따른 분배 디바이스의 제 1 실시형태의 사시도이다.
도 5 는 도 4 의 분배 디바이스의 단면도이다.
도 6 은 CFD (전산 유체 역학) 컴퓨터 모델링을 이용한, 도 4 의 분배 디바이스를 통한 액체 및 가스 유동의 시뮬레이션의 일례를 보여준다.
도 7 은 본 발명에 따른 분배 디바이스의 제 2 실시형태의 단면도이다.
도 8 은 도 7 의 분배 디바이스 중 사각형으로 둘러싸인 스커트 부분의 확대도이다.
일반적으로, 동일한 부재들은 도면에서 동일한 도면부호로 나타낸다.
도 1 은, 금속 또는 금속 합금 (탄소강, 저합금강, 오스테나이트 강) 으로부터 형성된 "버섯" 타입의 종래 기술에 따른 유체, 예컨대 가스 또는 가스들의 혼합물을 위한 분배 디바이스 (1) 를 보여준다. 이 디바이스는 제 1 및 제 2 단부 (3, 4) 를 갖는 입구 튜브 (2), 및 예컨대 용접, 나사결합, 웨징 (wedging) 또는 클립핑에 의해 상기 튜브 (2) 의 제 2 단부 (4) 에 설치되는 캡을 포함한다.
캡 (5) 은 입구 튜브 (2) 의 제 1 단부 (3) 의 방향으로 형성되는 스커트 (8) 에 의해 연장되는 종의 형상으로 주된 보디 (6) 에 의해 형성된다. 도 1 의 특별한 실시형태에서, 주된 보디 (6) 는 원형 단면을 갖는 렌즈 형상이고, 원통형 스커트에 의해 세장된다. 다른 실시형태에서, 본 발명의 디바이스의 주된 보디는 또한 절두원뿔 형상일 수도 있다.
캡 (5) 의 치수는 입구 튜브 (2) 의 섹션의 표면적보다 더 큰 표면적을 덮도록 되어 있다. 또한, 주된 보디의 직경은 내부에 디바이스가 위치되는 반응기의 내부 직경 (ID) 에 따라 선택된다. 바람직하게는, 주된 보디의 직경과 반응기의 내부 직경 (ID) 사이의 비는 0.1 ~ 0.8, 바람직하게는 0.5 ~ 0.7 이다. 일례로서, 주된 보디의 직경은 1 ~ 3 m 이다.
캡은 입구 튜브 (2) 의 반대 방향으로 캡 위로 돌출하는 볼록한 외측 표면, 및 입구 튜브 (2) 의 방향으로 돌출하는 오목한 내부 표면을 갖는다.
입구 튜브 (2) 는 유체, 예컨대 가스 또는 이상성 혼합물 ((가스/액체) 또는 (가스/고체)) 을, 도 2 에서 볼 수 있는 것처럼, 상기 디바이스 (1) 가 위치되는 용기의 내부에 공급할 수 있다.
입구 튜브 (2) 는 바람직하게는, 캡 (2) 의 중심, 즉 주된 보디 (6) 의 중심에 배치된다. 튜브 (2) 는 (도 1 에서 볼 수 있는 것처럼) 단면이 원형 또는 직사각형이거나 또는 유체가 입구 튜브 (2) 에서 나갈 수 있게 하는 임의의 다른 형상일 수도 있는 개구들 (7) 을 또한 포함한다. 개구들 (7) 은 바람직하게는, 튜브 (2) 의 상측 절반부에 배치된다.
도 1 에서 볼 수 있는 것처럼, 스커트 (8) 의 방향 및 입구 튜브 (2) 의 방향은 서로 실질적으로 평행하다. 그렇지만, 본 발명의 내용에서, 두 방향은 0°~ 45°의 각도를 형성할 수도 있다.
스커트 (8) 는 스커트 (8) 의 자유 단부와 연통하는 노치들 또는 컷아웃들 (9) (예컨대 삼각형 단면을 가짐) 을 또한 포함한다.
주된 보디 (6) 에는, 동심으로 배치되며 바람직하게는 규칙적인 패턴을 갖는 복수의 관통 구멍들 또는 오리피스들 (10) 이 제공된다. 오리피스들 (10) 은 일반적으로 5 ~ 50 ㎜, 바람직하게는 10 ~ 20 ㎜ 인 수정 직경을 갖는 단면에서 바람직하게는 원형이다. 구멍들의 밀도는 제곱 미터당 20 ~ 200 개일 수도 있다.
분배 디바이스 (1) 는 반응기의 용기 내에서 유체의 균일한 방산이 이루어져야 하는 반응기에서 사용된다. 특히, 이 디바이스는 가스 (또는 가스들의 혼합물) 와 액체 및/또는 고체 사이의 밀착을 필요로 하는 반응을 수행할 수 있다.
본 발명의 디바이스는 일반적으로, 가스 또는 가스들의 혼합물을 이용하여 예컨대 촉매 변환 반응 또는 촉매 전환 반응, 예컨대 환원 또는 황화에 의한 활성화 또는 재생 처리가 수행되는 반응기 내에 배치된다.
도 2 에서 볼 수 있는 것처럼, 분배 디바이스 (1) 는 디바이스 (1) 의 입구 튜브 (2) 의 일부를 수용하는 반응기 (11) 의 일체부를 형성하는 슬리브 (13) 를 이용하여 반응기 (11) 의 용기 (12) 의 하측 부분에 배치된다. 따라서, 분배될 유체가 상향유동 스트림으로서 용기 (12) 로 보내진다.
반응기 (11) 는 촉매들의 유동층을 함유하는 용기 (12) 를 포함하는 유동층 타입일 수도 있고, 즉 촉매의 입자들이 용기에 담긴 가스상 중에 현탁된다. 그러한 유동층 반응기 (또는 재생기) 는 특히 연소 가스를 이용하는 촉매의 재생을 위해, 예컨대 FCC 를 위해 사용된다. 그러한 적용에서, 현탁 상태의 가스와 고체로 본질적으로 구성된 주위 매체에 침지된 본 발명의 분배 디바이스 (1) 는 운송 가스 및 재생될 고체 촉매를 포함하는 이상성 혼합물을 공급받는다.
다른 적용에서, 용기 (12) 는 플레이트에 의해 지지되는 촉매의 과립 층 (도시 안 됨) 이 분배 디바이스 (1) 의 하류에 배치되어 있는 고정 촉매 층 반응기 타입의 반응기 (11) 에 포함된다. 그러한 상향유동 타입 반응기는 예컨대, 촉매 층의 상류에서 가스 (수소) 및 액체 (탄화수소 공급물) 의 양호한 분배를 요하는 탄화수소 공급물의 수소처리를 위해 사용된다. 이러한 적용을 위해, 처리될 액체 탄화수소 공급물을 갖는 혼합물로서 반응 가스를 포함하는 이상성 혼합물이 반응기 (11) 의 용기 (12) 내의 분배 디바이스 (1) 에 의해 반응기로 보내진다.
도 2 를 참조하여 보면, 캡 (5) 의 직경이 용기 (12) 의 내부 직경보다 더 작아서, 주입된 유체의 일부가 입구 튜브 (2) 의 개구들 (7) 로부터 벗어나고 용기 (12) 내에서 자유로이 이동할 수 있다는 것을 인식할 것이다.
이하에서, 분배될 유체가 가스이고 주위 매체가 그 가스보다 더 조밀한 액체인 경우에 분배 디바이스의 작동에 대해 설명한다.
가스는 입구 튜브 (2) 를 통해 보내지고 튜브의 개구들 (7) 을 통해 벗어나므로, 가스는 스커트 (8) 의 하측 에지에 가까운 특정 높이까지 캡 (5) 아래에 축적된다. 따라서, 캡의 상측면과 하측면 사이에, 가스 포켓의 높이 (Hgas) 곱하기 가스와 액체 상 사이의 밀도차 (rhoambient - rhogas) 곱하기 중력 상수 (g) 와 동일한 압력차가 수립된다:
이 압력차는 캡 (5) 아래에 축적된 분배될 유체를 분배하는데 기여하고, 그리고 나서 이 유체는, 구멍들의 총 운송 표면이 용기에 진입한 가스 모두가 통과할 수 없게 하도록 개수와 간격이 산출된 수정 구멍들 (10) 에 의해 돌출된 영역 전체에 걸쳐 벗어날 수 있다. 따라서, 캡 아래의 가스 포켓의 존재 및 분배 디바이스 (1) 의 연속 작동을 보장하기 위해, 주입된 가스의 일부가 튜브로부터 벗어나고 캡의 스커트의 하측 에지로부터 흘러나온다.
실제로, 더 느린 속도 (전형적으로 정상 유동 속도의 50%) 로 작동되는 때, 가스는 하측 에지로부터 여전히 흘러나오고 캡 아래에 가스 포켓이 여전히 형성되는 것이 보장된다.
압력 강하 공식 dP = ½ K rhogas (Vgas)2 은 구멍에서의 유량을 산출하기 위해 사용되고, 따라서 필요한 구멍의 총 개수를 결정하기 위해 사용된다.
상기 공식을 역으로 하면, 구멍의 개수를 위한 다음 식이 얻어진다:
여기서,
- Qv : 모든 구멍을 통과하는 가스의 체적 유량으로서, 이 자체는 총 가스 유량의 일부이다;
- dholes : 구멍의 직경;
- rhogas : 가스의 밀도;
- dP : 가스 포켓에 의해 부과되는 압력차;
- K : 압력 강하 계수로서, 구멍의 기하학적 형상에 따라 일반적으로 1.5 ~ 2.7 이다.
도 3 은 "Fluent" CFD (전산 유체 역학) 타입 컴퓨터 모델링 소프트웨어를 사용한 시뮬레이션의 결과로서, 종래 기술의 분배 디바이스의 캡 (5) 에서의 물질의 유동의 분포를 보여준다. 도 3 에서, 도면부호 "G", "L" 및 "L+G" 는 물질의 유동이 각각 가스, 액체 또는 가스/액체 혼합물에 의해 본질적으로 구성된다는 것을 나타낸다.
이제 도 3 을 참조하여 보면, 분배기 (1) 의 (스커트 (8) 에서) 하측 에지 아래로 흘러나오는 가스 (G) 가 이 에지로부터 빠르게 분리되지 않고, 대조적으로, 가스 (G) 에 부가되는 구심 이동이 생성되는 방식으로, 캡 (5) 의 상측 표면에 가까이 남고 에지로부터 멀리까지 캡의 상측 표면을 계속 추종하는 것을 알 것이다. 그 결과, 가스는 가스 자체가 분리되는 곳인 디바이스의 중심 축선을 향해 농축되는 경향을 갖고, 채널링 효과에 의해 용기의 중심에서 단일 제트를 형성한다. 더욱이, 캡 (5) 의 구멍들 (10) 을 통과하는 가스의 일부는 하측 에지로부터 유래하는 가스의 이 플룸에 의해 부분적으로 붙잡혀서, 분배기 (1) 의 중심 축선을 향해 또한 동반되고, 이로써 촉매 층의 방향으로 캡 (5) 위에서 액체에서의 가스의 불균일한 분배를 형성한다.
캡의 외측 표면을 따라 유동하는 유체의 플룸의 형성을 제한하거나 제거하기 위해, 본 출원인은 향상된 분배 디바이스를 개발하였다.
도 4 는 본 발명에 따른 분배 디바이스의 사시도이고, 도 5 는 도 4 의 선 AA 를 따른 본 발명에 따른 분배 디바이스의 단면도이다.
본 발명의 디바이스는 캡 (5) 의 외측 표면에 배치된 편향 수단 (14) 이 존재한다는 점에서 도 1 의 디바이스와 본질적으로 상이하다. 따라서, 도 1 의 디바이스 및 그의 작동 원리에 대해 설명한 특징들은, 설명에서 달리 언급되지 않는 한, 본 발명의 디바이스에 적용될 수 있다.
본 발명의 내용에서, 편향 수단 (14) 은 스커트 (8) 로부터 흘러나오는 유체의 유동을 캡 (5) 의 주변부를 향해 배향시키도록 또는 스커트 (8) 로부터 흘러나오는 유체의 유동을 캡 (5) 의 주변부에서 유지하도록 구성되고, 이로써 상기 유체가 외측 표면을 따라 상승하는 것을 방지한다. 도 4, 도 5 및 도 7 에 나타낸 것처럼, 편향 수단 (14) 은 바람직하게는, 주된 보디 (6) 의 외측 표면에 일체로 배치된다.
편향 수단은 일반적으로, 스커트 (8) 의 축선 (D) 과 0°~ 70°의 각도를 형성한다.
편향 수단 (14) 은 바람직하게는, 캡 (5) 주위에 형성되는 연속 플랜지이며, 이는 본질적으로 평평한 편향 표면 (15) 을 갖는다.
도 4 및 도 5 의 실시형태에서, 편향 수단 (14) 은 0°와 같은 각도 (α) 를 형성하는 원형 플랜지이고, 따라서 편향 표면 (15) 은 스커트 (8) 에 평행한 방향으로 그리고 상기 스커트 (8) 의 단부의 반대 방향으로 형성된다. 바람직한 실시형태에서, 편향 수단은 스커트 (8) 의 연장부 (리니어) 에 배치된 그리고 그에 수직한 플랜지이다.
이 편향 플랜지는 분배 디바이스의 캡 (5) 에 예컨대 용접된다.
특정 실시형태에서, 편향 수단 (또는 플랜지) 의 상측 자유 에지에는 난류 효과에 의해 유체 (예컨대, 가스) 의 작은 버블의 생성을 촉진하는, 예컨대 삼각형 또는 직사각형 형상의, 노치들이 제공된다.
도 4 및 도 5 의 실시형태에서 편향 수단의 존재가 분배 디바이스를 구비한 반응기 내에서의 액체 및 가스의 유동에 미치는 영향이 도 6 에 도시되어 있는데, 도면부호 "G", "L" 및 "L+G" 는 매체가 각각 가스, 액체, 또는 가스와 액체의 혼합물에 의해 본질적으로 구성된다는 것을 나타낸다.
종래 기술의 분배기에서처럼 가스의 중심 제트를 형성하는 것을 막기 위해 캡의 중심으로 되돌아가는 것을 방지하면서, 캡의 주변부에서 스커트 (8) 로부터 흘러나오는 가스의 유동을 유지하기 위해 본 발명의 디바이스가 사용될 수 있다는 것을 확인할 것이다. 편향 수단의 존재는 오리피스들 (10) 을 통해 캡 (5) 의 상측 표면으로부터 벗어나는 가스의 버블들의 주위 매체 (예컨대, 액체 매체 또는 가스/고체 매체) 에서의 균질 혼합 및 균질 분배를 또한 보장한다. 실제로, 오리피스들 (10) 을 통과하는 가스는 캡의 표면을 따라 스커트로부터 벗어나는 상승 가스로 인해 캡의 중심을 향해 흡입되지 않지만, 분배기의 돌출 영역 전체에 걸쳐 이상적인 방식으로 분배되는 독립적인 버블들을 형성한다.
가스 분배 디바이스의 다른 실시형태가 도 7 에 도시되어 있다. 본 디바이스는 도 5 의 실시형태와 유사하지만, 플랜지 (14) 가 스커트 (8) 의 축선 (D) 과 대략 45°의 각도 (α) 를 형성한다는 점에서 상이하다.
이 실시형태에서, 편향 표면은, 전술한 흡입 현상을 제한하거나 심지어 취소하기 위해, 스커트로부터 넘쳐흐른 유체의 유동을 캡 (5) 의 주변부의 외측을 향해 배향시키도록 구성된다.
도 4 및 도 5 를 참조하면, 편향 수단 (14) 의 편향 표면 (15) 의 길이 (l) 는 길이 (l) 가 0.5 H주된 보디 초과, 더 바람직하게는 2/3 H주된 보디 초과이도록 선택되고, 여기서 H주된 보디 는 주된 보디 (6) 의 내측 단부의 스커트 (8) 와의 교차점과 주된 보디 (6) 의 마루 (crest) 사이의 거리인 것으로 규정된다. 위에서 언급된 조건이 충족되는 경우, 편향 표면 (15) 이 수직방향으로 스커트 (8) 의 연장부인 때에 유체가 실제로 수직한 궤도를 따라 편향되는 것이 관찰된다.
노치들 (9), 예컨대 도 5, 도 7 및 도 8에 나타낸 것처럼 삼각형 형상의 노치들이 스커트 (8) 에 형성된다. 이 노치들 (9) 은 유리하게는, 캡 (5) 아래에 한정되는 용적 내의 분배될 유체/더 조밀한 주위 매체 계면에서의 진동 현상을 제한하기 위해 사용될 수 있다. 바람직하게는, 노치들 (9) 은 서로 충분한 거리에 있고, 따라서 분배될 유체의 개별 제트들이 캡 (5) 의 마루에 도달하기 전에 함께 혼합됨이 없이 상기 노치들로부터 형성되고 벗어난다.
이제 스커트가 노치들을 포함하는 경우인 도 8 을 참조하면, 편향 표면 (15) 의 길이 (l) 가 다음 조건들을 또한 충족시키고:
I편향기 > 0.4 Bmax, 바람직하게는 I편향기 > 0.5 Bmax, 더 바람직하게는 I편향기 > 0.7 Bmax
여기서, Bmax 는 스커트 (8) 의 단부로부터 측정된 노치의 폭이다.
바람직한 실시형태에서, 스커트 (8) 가 노치들을 포함하는 때, 스커트의 둘레에서의 노치들의 개수는 2 개의 연이은 노치들 사이의 거리 (E) 가 Bmax 의 2/3 초과, 바람직하게는 Bmax 의 3/4 초과이도록 선택된다.
유리하게는, E 및 Bmax 는 E + Bmax > 0.5 (H주된 보디 + H스커트) 이도록 선택되고, 여기서 H스커트 는 스커트 (8) 의 길이이다.
예로써, 본 발명에 따른 분배 디바이스는 다음의 특징을 갖는다:
- 종의 직경 : 1 ~ 3 m;
- 입구 튜브의 길이 : 0.5 ~ 2 m;
- H주된 보디 : 0.3 ~ 1 m;
- I편향기 : 0.2 ~ 0.5 m;
- 주된 보디를 통과하는 구멍들의 직경 : 5 ~ 50 ㎜;
- 주된 보디를 통과하는 구멍들의 밀도 : 제곱 미터당 20 ~ 200 개
- 노치들의 개수 : 10 ~ 30 개;
- 2 개의 연이은 노치들 사이의 거리 (E) : 50 ~ 300 ㎜;
- 노치들의 폭 Bmax : 50 ~ 250 ㎜.
Claims (15)
- 유체 분배 디바이스 (1) 로서,
- 제 1 및 제 2 단부 (3, 4) 및 개구들 (7) 을 포함하는, 유체를 운송하는 (channelling) 적어도 하나의 수단 (2); 및
- 종 형상의 주된 보디 (6) 를 포함하는 캡 (5) 으로서, 상기 주된 보디 (6) 는 외측 표면 및 내측 표면을 갖고 또한 상기 내측 표면을 통해 유체를 운송하는 상기 수단 (2) 의 상기 제 2 단부 (4) 와 일체이고, 상기 주된 보디는 유체 운송 수단 (2) 의 상기 제 1 단부 (3) 를 향해 상기 제 2 단부 (4) 의 방향으로 연장되는 스커트 (8) 에 의해 세장되고 (elongated) 또한 복수의 구멍들 (10) 을 구비하는, 상기 캡 (5)
을 포함하고,
상기 캡 (5) 은, 상기 주된 보디 (6) 의 상기 외측 표면에 상기 캡 (5) 의 주변부에 배치된 연속적인 원형 플랜지를 직접 형성하는 적어도 하나의 편향 수단 (14) 을 포함하고,
상기 적어도 하나의 편향 수단 (14) 은 상기 주된 보디 (6) 와 일체이고, 상기 캡 (5) 의 주변부를 향해 또는 상기 주변부에서 유체를 배향시키거나 또는 유지시키도록 구성된, 유체 분배 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 편향 수단 (14) 은 편향 표면 (15) 을 포함하고,
상기 편향 수단은 상기 스커트 (8) 의 축선 (D) 과 0°~ 70°의 각도 (α) 를 형성하는, 유체 분배 디바이스. - 제 2 항에 있어서,
상기 편향 표면 (15) 은 상기 스커트 (8) 와 일직선으로 되어 있고, 상기 각도 (α) 는 0°와 동일한, 유체 분배 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 스커트 (8) 는 상기 스커트 (8) 의 자유 단부에 위치된 노치들 (9) 을 포함하는, 유체 분배 디바이스. - 제 4 항에 있어서,
상기 노치들 (9) 은 형상이 삼각형 또는 직사각형인, 유체 분배 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 주된 보디 (6) 에 있는 상기 구멍들 (10) 은 규칙적인 패턴으로 배치되는, 유체 분배 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 구멍들 (10) 은 원형 단면을 갖는, 유체 분배 디바이스. - 제 1 항에 있어서,
상기 주된 보디 (6) 는 원형 단면을 갖는 렌즈 형상이고 또한 원통형 스커트 (8) 에 의해 세장되는, 유체 분배 디바이스. - 용기 (12) 및 상기 용기 (12) 내에 배치된 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 분배 디바이스를 포함하는 반응기 (11) 로서,
상기 분배 디바이스의 캡 (5) 의 섹션이 상기 용기 (12) 의 내부 섹션보다 더 적은, 반응기. - 제 9 항에 있어서,
상기 분배 디바이스는 상기 반응기 (11) 의 저부에 위치되는, 반응기. - 제 9 항에 있어서,
상기 분배 디바이스 (1) 의 하류에 배치된 촉매의 과립 층 (granular bed) 을 더 포함하는, 반응기. - 제 9 항에 있어서,
상기 반응기는 촉매들의 유동층을 포함하는, 반응기. - 제 9 항에 있어서,
상기 반응기는 탄화수소 공급물의 처리 프로세스 또는 촉매 처리 프로세스에서 사용되는, 반응기. - 삭제
- 삭제
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