KR20060043294A - 유체흐름을 혼합하기 위한 설비 - Google Patents

Abstract

덕트에서 유체흐름을 혼합하기 위한 설비로서, 이 설비는 제1의 주 흐름이 이동하는 상기 덕트내에서 위치된, 전면과 후면을 갖는 적어도 하나의 혼합장치를 포함하며, 상기 적어도 하나의 혼합장치는 상기 제1의 주 흐름의 통과를 허용하도록 덕트보다 상당히 더 낮은 총 단면적을 결정하며, 여기서 적어도 하나의 혼합장치는 주 고체 판 본체로부터 밖으로 연장되는 하나 이상의 돌출부를 구비한 고체 판이다.

덕트, 혼합장치, 돌출부.

Description

유체흐름을 혼합하기 위한 설비{ARRANGEMENT FOR MIXING OF FLUID STREAMS}

도 1은 본 발명에 따른 연도(flue) 가스 섹션의 개략적인 수직 단면도를 나타낸다.

도 2는 정사각형 덕트내에 위치된 본 발명에 따른 혼합기의 단면도를 나타낸다.

도 3은 종래의 원형 혼합 장치에 대하여 본 발명에 따른 혼합 장치의 압력 손실의 함수로서 혼합도를 설명하는 그래프를 나타낸다.

기술분야

본 발명은 덕트내에 적어도 하나의 혼합장치가 위치되어 있는 덕트내 유체 흐름의 혼합을 위한 설비에 관한 것이며, 구체적으로는 본 발명은 이러한 설비를 위한 신규한 혼합장치에 관한 것이다.

본 발명은 구체적으로 연도 가스 세정시 산 미스트로부터 질소산화물의 환원 및 황산의 환원을 포함하는 이용분야에 사용하기에 적합하도록 제조된 이 형태의 설비에 관련된다.

배경기술

덕트 또는 채널에서 상호작용하는 단일 유체 흐름 또는 몇가지 유체 흐름의 적당한 혼합은 덕트를 통과하는 주 유체 흐름에 횡단하는 속도 성분들의 발생에 의해 비교적 난류 영역의 존재를 요한다. 예를 들어서 하나 이상의 유체 흐름들간의 적당한 혼합을 달성하기 위해, 덕트(채널)을 따라 일정한 거리가 요구된다. 종래에는 이것은 소위 혼합 거리로서 채널 직경에 의해 정량화된다. 본 명세서에서, 혼합 거리는 제1 혼합장치가 놓이는 지점으로부터 흐름의 원하는 혼합이 달성되는 지점까지의 거리로서 간주된다. 혼합은 존재하는 질량 흐름, 속도, 온도 및 종들의 농도에 의해 수반된 흐름의 성질들의 단일화를 의미한다. 혼합거리는 특히 유체흐름의 유형, 상대 부피 흐름 및 유체 흐름내의 종들의 농도에 따라 1-100 채널 직경의 범위내에서 다양할 수 있다. 본 특허 명세서에서 유체 흐름은 기체, 액체 또는 기체에 현탁된 입자들의 흐름, 예를 들면, 에어로졸이 될 수 있다. 에어로졸은 기체에 분산된 매우 작은 입자들이 모인 것을 의미한다.

혼합거리의 감소는 크게 바람직하고 정지 혼합기, 즉, 움직임이 없는 혼합장치의 제공에 의해 달성될 수 있다. 이들은 기본적으로 구동부가 없고 유체 흐름이 혼합되거나 교반되어 정지 혼합기를 통과하는 장치들이다. 정지 혼합기 근처에 국소 난류가 조장되며 결과적으로 혼합기와 접촉하여 하나이상의 유체 흐름들의 균질화가 달성될 수 있다.

정지 혼합기의 사용은 그것들의 용도가 덕트에서 상당한 압력 손실이 비용면의 에너지 손실의 부수적 효과와 함께 자명하다는 불이익을 갖는다. 주 압력 손실 은 양호한 혼합이 극단적으로 중요한 이용분야에서 받아들여질 수 있으나, 압력 손실에 의해 비교적 낮은 불이익과 함께 상호작용하는 흐름들의 양호한 혼합을 부여할 수 있는 효율적인 정지 혼합기 또는 정지 혼합기 설비를 위한 필요가 여전히 있다.

상호작용하는 흐름의 양호한 혼합은, 예를 들어서 기체상 공해물질이 발생되는 연소 설비 또는 고온로로부터의 연도가스를 기체 세정하는 것에 관련된 이용분야와 구체적으로 관련된다. 주 가스 흐름에 의해 운반된 공해물질이 질소산화물 (NO_x)인 경우에 암모니아와 같은 환원제가 제2 흐름의 활성 종으로서 주입된다. 이 공정에서 제2 흐름에 의해 포함되는 암모니아의 양은 주 흐름의 부피 흐름보다 훨씬 더 낮다. 결과적으로 소량의 암모니아의 사용은 기체혼합물의 균일성 또는 혼합도에 대한 더 큰 요구를 부여한다. 혼합된 기체는 촉매 유닛을 향해 이동하는데, 여기서 질소의 산화물이 암모니아와의 반응에 의해 유리 질소로 환원된다.

제1의 주 흐름을 운반하는 덕트에 주입된 제2 흐름의 출구 개구는 덕트의 벽으로부터 안쪽으로 짧은 거리로 단지 돌출해 있을 수도 있기 때문에, 덕트의 중심을 향하여 예를 들어서 암모니아와 같은 제2 흐름의 활성 종의 농도는 감소하여 따라서 불량한 혼합에 기여하는 경향이 있다. 실질적으로 같은 농도의 암모니아가 덕트의 전체 단면을 통하여 우세한 반면에 주 흐름은 촉매 유닛을 향해 이동하는 것이 필수적이다. 주입된 암모니아의 불량한 혼합 또는 불량한 균일성은 촉매 유 닛을 통해 반응되지 않은 원하지 않는 수준의 암모니아 통과 뿐만 아니라 스택에서 더 높은 NO_x 수준을 반드시 수반할 수도 있다.

다른 이용분야들도 포함될 수 있는데, 예를 들면 황산의 제조로부터 산-미스트 형성의 감소가 포함된다. 황산의 응축의 동안에, 황산 미스트가 발생된다. 이 산 미스트는 작은 황산 방울들로 구성되는 에어로졸로서 보여질 수 있다. 황산 제조 공장으로부터 산 미스트의 이탈에 관한 환경적 요구는 매우 엄격하고 산 미스트 방출을 조절하기위한 몇가지 방법들이 공개되었다. 예를 들어서, EP 특허 No. 419, 539에 기술되어 있는 것과 같은 공개된 방법 중 한가지는 더 큰 황산 방울들의 발생을 자극하기 위해 황산의 응축을 위한 핵형성 시드로서 작용하는 기체내 작은 입자들의 존재에 의존한다. 이들 방울들은 응축이 핵형성 시드의 존재에서 일어나는 것보다 훨씬 더 크고, 따라서 그것들의 후속 여과가 더 용이하고 더 효율적이며 이로써 환경상의 허용되는 수준내로 산 미스트의 이탈을 가져온다. 이 공정에서, 예를 들어서 1㎛ 미만의 직경을 갖는 핵형성 시드는 입자 현탁물(전기 용접으로 발생된 금속산화물로부터의 스모크, 연료 연소로부터의 스모크, 예를 들면, 실리콘 오일의 연소로부터 발생된 스모크)로서 이송 공기에 황산의 응축에 앞서 첨가될 수 있다. 핵형성 시드를 포함하는 흐름을 도입하는 적당한 방법은 EP 특허 No. 419, 539에 기술되어 있다. 공정의 성공은 핵형성 시드가 황산 증기와 상호작용하는 능력에 의존한다. 이 상호작용은 혼합에 앞서 촉진된다.

상당한 압력 손실 없이 유체 흐름의 충분한 혼합을 위해 제공하기 위한 적당 한 혼합장치, 구체적으로 정지 혼합기의 필요성은 본 분야에서 잘 인식되어 있다.

US 특허 No. 4,527,903은 형태가 다양할 수 있는 소용돌이 삽입 표면을 포함하는 주 흐름으로 배출되는 적어도 두 흐름의 혼합을 위한 시스템을 개시한다. 이 인용문헌의 도 5 내지 도 10은 소용돌이 삽입 유닛을 위한 넓은 범위의 형태들, 예를 들면, 원형, 포물선 또는 다이아몬드 베이스를 나타낸다. 소용돌이 삽입 표면은 냉각 타워에 사용될 수 있고, 여기서는 두 다른 흐름이 주 흐름으로 배출되며, 또는 스택 및 파이프라인 시스템에 사용될 수 있다.

US 특허 No. 6,135,629는 몇가지 유체 흐름의 혼합을 위한 혼합장치 또는 삽입 구조물의 배치를 개시한다. 삽입 구조물은 직선을 따라 접어 ω 또는 w 단면을 형성하고 따라서 그것들은 종래의 삽입 구조물보다 더 얇고 중량이 더 가볍다. 이것들은 시스템의 기계적 설계가 개선되는 방식으로 삽입 구조물을 고정하기 위해 비교적 가벼운 지지물의 포함을 허용한다. 인용된 종래의 삽입 구조물 또는 비교적 무거운 지지물 구조물을 요하는 일반적 장치는 원형, 타원형, 난형, 포물선, 편능형 또는 삼각형인 것으로 나타나 있다. 본 발명의 목적은 구조물 및 지지물의 중량을 감소시킴으로써 일반적 장치를 개선하기 위한 것이다.

US 특허 No. 5,456,533은 채널 벽으로부터 거리를 둔 장착 아이템에 부착된 편향기를 포함하는 흐름 채널에서 정지 혼합 요소를 개시한다. 편향기는 주 흐름 방향에 상대적인 각을 형성하고 다른 형태들의 것이 될 수 있다. 이 인용문헌의 도 3a-도 3d는 예를 들어서 실질적으로 원형 및 삼각형 형태를 갖는 편향기를 나타낸다.

EP 1,170,054 B1은 흐름에 영향을 주도록 흐름 채널내에 위치된 빌트인 표면을 포함하는 기체와 다른 뉴토니안(Newtonian) 액체를 혼합하기 위한 혼합기를 개시한다. 빌트인 표면은 주 흐름 방향에 횡단하여 위치되어 있고 부분적으로 겹친다. 이것은 빌트인 표면에 의해 흐름의 속도 프로파일의 균일화를 제공한다. 이것은 빌트인 표면이 둥근 디스크, 델타 형태로 되거나 삼각형 기본 형태를 갖는 디스크 또는 타원형 또는 포물선 형 디스크일 수 있다고 언급되어 있다. 혼합기는 매우 짧은 혼합 거리내에서 흐름 채널에서 흐름의 신속한 혼합을 가능하게 한다.

US 특허 No. 5,547,540은 기체를 냉각하고 기체에 첨가된 고체 입자를 건조시키는 장치를 개시하는데 여기서 입구라인의 입은 쇼크 확산기의 형태이다. 쇼크 확산기의 영역내에는 하나 또는 몇개의 삽입물이 선두 에지 소용돌이를 내도록 배치되어 있다. 이 인용문헌에서 도3 내지 도 9는 몇가지 형태, 예를 들면, 원형, 삼각형 및 타원형을 나타낸다. 이 인용문헌에서 도 8 및 도 9는 혼합의 강도를 증가시키기 위해서 프로파일된 형태, 예를 들면 도 8에서 V형 삽입물 및 삽입물을 안정화시키기 위해서 각진 에지를 가진 삽입물을 묘사한다.

EP 638,732 A 는 낮은 비용 및 낮은 압력 손실에서 균일한 흐름을 보장하기 위해 확산기의 팽창 영역에서 원형의 빌트인 표면의 사용을 기술한다.

EP 1,166,861 B1은 흐름 채널이 흐름에 영향을 주는 디스크를 함유하는 정지 혼합기를 개시하는데 여기서 디스크는 또한 기체의 제2 흐름의 통과를 위한 챔버를 포함하고, 상기 챔버는 디스크의 뒷쪽에 위치되며 또한 출구 개구부를 구비한다. 이 챔버는 제2 흐름을 운반하는 도관에 일체로 연결되어 있다. 이것은 짧은 혼합 섹션에서 흐름의 신속한 혼합을 허용한다.

모든 이들 명세서의 공통된 것은 정규적인 형태로 되어 있는 혼합장치의 이용이다. 정규적인 형태로 된 혼합장치는 비중공의 단면을 가지며 실질적으로 원형, 사다리꼴, 타원형, 다이아몬드 모양, 삼각형 등인 형태를 제공하는 혼합장치를 의미한다. 즉, 혼합장치의 주변 또는 본체로부터 외측으로 연장되는 돌출부가 없다.

더욱 정교한 정지 혼합기가 US 특허 Nos. 4,929,088 및 5,605,400에 개시되어 있다. 이것들은 장치의 주변으로부터 안쪽으로 향한 돌출부 또는 돌기를 갖는 비교적 고가의 중공의 혼합장치를 기술한다.

US 특허 No. 4,929,088은 결합 표면, 즉 채널 벽으로부터 예각으로 안쪽으로 하나 이상의 경사진 탭이 돌출하는 도관내에서 흐름의 혼합을 유도하는 간단한 정지 혼합기를 기술하는데, 탭이 흐름의 방향으로 경사지도록 되어 있다. 정지 혼합기는 흐름의 통과를 허용하기 위해 중공이고 그것의 원주는 실질적으로 채널, 예를 들면, 벽 파이프의 원주에 실질적으로 대응한다. 혼합장치는 흐름 채널의 원주로부터 안쪽으로 향한 돌출부를 갖는 것으로 볼 수 있다.

US 특허 No. 5,605,400은 혼합 요소 내부에 배치된 수많은 소위 나선 날 본체를 포함하는 유체의 통과를 위한 원통형 혼합 요소를 기술한다. 이들 본체는 혼합 요소의 길이를 따라 나선상으로 연장되는 수 많은 유체 통로를 형성하도록 배치되어 있다. 날 본체는 원통형 혼합 요소에 독립적으로 형성되어 있고 거기에 예를 들어서 용접에 의해 결합되어 있다. 이것은 원통형 요소 및 날 본체가 연합하여 형성되어 있는 유사한 혼합 요소들과 비교하여 비교적 저가로 생산되는 높은 혼합 효율의 정지 혼합기를 가져오는 것으로 언급되어 있다.

US 특허 No. 4,034,965는 중앙의 편평부와 반대쪽으로 굽은 귀들을 갖는 정지 혼합기를 기술한다. 반대쪽으로 굽은 귀들은 도관에서 유체 흐름에 실질적으로 횡으로 배치되어 있는 한편, 상기 중앙 편평부의 평면은 도관의 길이방향 축으로 배치되도록 의도되어 있다. 귀들은 그것들의 외부 주변에서 일반적인 들어맞음을 위해 또는 바람직하게는 도관 벽에 대해 "스프링"에 구성된다.

더욱 더 정교한 정지 혼합기는, 다수의 더 작은 구획을 형성하는 더 작은 주름잡힌 부분들로 세분되는 채널을 포함한다. 이 설비는 흐름을 개별 흐름들로 분할하여 흐름들 사이에서 강한 상호작용이 조장되도록 한다. 그 후, 개별 흐름은 균질한 혼합물이 형성되도록 다시 방향을 잡는다. 이 타입의 정지 혼합기 (Sulzer SMV 가스 혼합기)는 비교적 낮은 압력 손실을 갖는 양호한 혼합을 제공한다. 그러나, 그것은 훨씬 고가이고, 정규 형태 정지 혼합장치를 이용할 때보다 제 2의 흐름을 주 유체 흐름에 도입하기 위하여 더 많은 수의 주입 지점을 필요로한다.

상업적으로 허용 가능한 범위의 압력 손실에 대처하기 위하여, 정규 형태를 갖는 더 간단한 혼합 장치는, 주어진 입사각에서 제 1의 주 흐름이 혼합장치의 전면에 충돌하는 방식으로 종래의으로 위치된다. 예를 들어, EP 1,170,054는, 실질적으로 주 흐름 방향을 횡단하여 배치되고 주 흐름 방향에 대하여 40° 내지 80°, 바람직하게는 60°의 각도를 형성하는 둥근 디스크 같은 정규 형태 본체의 배열을 기재한다. 입사각은 주 유체 흐름 방향과 혼합장치의 단면을 따라 정의되는 평면 사이에 형성되는 각이다.

매우 높은 입사각, 예를 들어 90°를 가짐으로써 혼합 장치가 제 1의 주 흐름의 주 방향에 대하여 횡단하여 위치되는 것과, 낮은 입사각, 예를 들어 0°를 가짐으로써 제 1의 주 흐름의 주 방향과 가지런히 정렬되는 것 사이의 절충이 필요하다는 것이 이해될 것이다. 전자에서는, 주 흐름 방향을 횡단하는 평면 상의 혼합기의 돌출된 면적은 혼합 장치의 단면적과 동일하다. 이 구조는 혼합장치의 후면 상의 난류 영역의 생성을 촉진하지만, 큰 압력 손실을 부여한다. 입사각이 0°인 후자의 배열에서는, 혼합장치는 주 흐름에 어떠한 영향도 주지 않는다. 주 흐름 방향을 횡단하는 평면 상의 혼합기의 돌출된 면적은 0이고, 결과적으로, 난류 영역이 조장되지 않고 빈약한 혼합 결과가 생긴다. 그러나, 압력 손실은 매우 낮다. 주 흐름 방향을 횡단하는 평면 상의 혼합기의 돌출된 면적이 중요하다. 더 높은 돌출면은 혼합기의 후면 상에 더 높은 난류영역의 발생을 수반하여 이로써 흐름의 더 양호한 혼합을 수반한다. 따라서, 압력 손실면에서 최소한의 불이익을 받으면서 혼합의 정도를 증가시킬 수 있기 위하여 주 유체 흐름의 관점에서 최적의 입사각을 갖는 혼합장치의 설비를 제공하는 것이 바람직할 것이다.

그러므로, 당업계에서 직면하는 주요 과제는, 혼합장치에 의하여 미쳐지는 높은 압력 손실에 의하여 부여되는 시스템의 에너지 효율을 손상시킴 없이, 덕트를 따라 비교적 짧은 혼합거리 내에서 상호작용하는 유체흐름을 상호작용시키는 양호한 혼합을 얻는 것이 요망된다는 것이다.

대안으로, 종래 혼합장치, 특히 예를 들어 원형 또는 타원형의 기본 정규 형태를 갖는 혼합기로부터 얻어진 혼합과 비교하여 상업적으로 허용 가능한 범위의 압력 손실 범위 내에서, 단일 유체 흐름 또는 적어도 두 개의 만나는 유체 흐름들의 더 양호한 혼합의 달성을 위한 수단을 발견할 수 있는 것이 요망된다. 게다가, 최소의 압력손실로, 저비용으로, 및 간단한 수단을 제공함에 의하여 유체 흐름의 효율적인 혼합의 과제를 해결할 수 있는 혼합장치를 제공할 수 있는 것이 바람직할 것이다.

특히 종래의 정규 형태의 혼합장치, 예를 들어 원형이나 타원형 혼합기에서 직면하는 다른 과제는 직사각형이나 정사각형 덕트 내에서 이들의 위치배정은 덕트의 모서리 영역과 그 근처에서 비교적 빈약한 혼합을 가져올 수 있다는 것이다.

따라서, 본 발명자들은 공지의 정규 형태 혼합 장치, 특히 실질적으로 원형 또는 타원형 혼합기를, 양호한 혼합과 덕트 내에서 혼합거리가 감소시키는 부수적 효과를 제공하는 점에서 훨씬 효율적이 되도록 재설계하는 것이 바람직하다는 것을 인식하게 되었다. 특히, 본 발명자들은 만약 이런 모든 것이 상업적으로 허용 가능한 범위의 압력손실 내에서 종래의 정규 형태 혼합기보다 더 양호한 정도의 혼합을 유도하는 혼합 장치를 달성한다면 바람직하리라는 것을 인식하였다.

본 발명에 따르면, 본 발명자들은 덕트 내 유체 흐름을 혼합하기 위한 설비를 제공하는데, 상기 설비는: 제 1의 주 흐름이 통과하여 이동하는 상기 덕트 내에 위치된, 전면 및 후면을 갖는 적어도 하나의 혼합장치를 포함하는데, 적어도 하나 의 혼합 장치는, 상기 제 1의 주 흐름의 통과를 허용하도록 덕트보다 상당히 더 낮은 전체 단면적을 결정하며, 여기서 적어도 하나의 혼합 장치는 상기 제 1의 주 흐름의 이동 방향에 대하여 실질적으로 횡단하도록 배치되고, 주 고체 플레이트 본체로부터 바깥쪽으로 연장되는 하나 이상의 돌출부를 구비하는 고체 플레이트이다.

고체 플레이트는 스트림 흐름에 대하여 실질적으로 횡단하여 배열되고 상기 흐름을 폐쇄 공간 내에서 방향전환시키거나 제어할 수 있는 금속 또는 다른 재료의 어떤 시트를 의미한다. 주 고체 플레이트는 상기 고체 플래이트를 구성하고 그것으로부터 돌출부가 나타나는 정규 형태, 예를 들어 원형의 본체를 의미한다.

놀랍게도, 고체 플레이트에서 돌출부가 제공됨으로 인하여 유체 흐름의 혼합 정도가 상당히 증가함이 발견되었다. 돌출부는 고체 플레이트 주위의 침체 영역에서, 특히 정사각형이나 직사각형 덕트에서의 모서리나 그 근처에서의 흐름을 포획하고 추가적 이동을 제공하는 팔과 같은 역할을 하는 것으로 믿어진다. 침체 영역은 그것의 이동 방향에서 주 흐름의 속도 프로파일의 속도 벡터 형성부가 짧아지는, 즉 속도가 0으로 접근하는 구역으로 이해된다. 고체 플레이트는 제1의 주 흐름에 대하여 실질적으로 횡단하여 가지런히 정렬되므로 고체 플레이트는 주 혼합 요소로서 작용하고 따라서 그것의 후면 상에 비교적 큰 소용돌이를 조장하는 것이 이해될 것이다. 돌출부는 작은 소용돌이를 조장함으로써 고체 플레이트의 전면 상에 흐름의 충돌에 의하여 발생되는 주 혼합을 돕는데, 이 작은 소용돌이는 고체 플레이트의 후면 상의 더 큰 소용돌이에 이행된다.

여러 환경에서 하나 이상의 유체 스트림이 제 1의 주 유체 스트림과 혼합되 어야 하므로, 본 발명은 이 목적을 위한 설비를 또한 제공한다. 그러므로, 바람직한 구체예에서, 본 발명자들은 덕트 내 유체 스트림을 혼합하기 위한 배열을 제공하는데, 상기 배열은: 제 1의 주 흐름이 통과하여 이동하는 상기 덕트 내에 위치하는, 전면 및 후면을 갖는 적어도 하나의 혼합장치로서, 상기 제 1의 주 흐름의 통과를 허용하도록 덕트보다 상당히 더 낮은 전체 단면적을 결정하는 혼합장치와; 상기 제 1의 주 흐름이 이동하는 상기 덕트 내로 적어도 하나의 제 2의 흐름을 도입시키기 위한 주입 수단으로서, 적어도 하나의 제 2의 흐름을 적어도 하나의 혼합장치의 후면의 적어도 하나의 일부 영역 상으로 충돌시키는 것을 제공하도록 적응된 주입수단을 포함하며, 적어도 하나의 혼합장치는 상기 제 1의 주 흐름의 이동 방향에 대하여 실질적으로 횡단하도록 배치되고, 주 고체 플레이트 본체로부터 바깥쪽으로 연장되는 하나 이상의 돌출부를 구비한다.

제 1의 주 흐름은 질소 산화물을 함유하는 연도 가스이고 상기 제 2의 흐름은 따라서 질소 산화물 환원제, 예를 들어 암모니아나 요소를 함유하는 유체이다. 전형적으로 상기 제 1의 주 흐름의 부피 유량은 적어도 하나의 제 2의 유체 흐름의 부피 유량보다 활씬 더 크다. 제 2의 흐름에 대한 상기 제 1의 주 흐름의 부피 유량의 비율은 1000:1 까지, 예를 들어 100:1 또는 10:1 이다.

제 1의 주 흐름은 또한 응축성 황산 증기를 함유하는 연도 가스이고, 황산 방울의 형성을 위한 핵형성 시드로 작용할 수 있는 입자를 함유할 수 있다.

본 발명자들은 정규 형태 혼합 장치, 특히 원형 혼합기와 비교할 때 본 발명의 혼합장치는 주 유체흐름에 대하여 덜 방해되는 것을 발견하였다. 본 발명의 혼 합장치는 돌출부 사이에 그것들의 주변에서 어느 정도의 간극 또는 빈 공간을 포함하여 주 유체 흐름에 대하여 비교적 낮은 저항을 가져오고, 따라서 압력 손실을 더 감소시킨다. 본 발명의 혼합장치의 잇점은 고체 플레이트(혼합장치)의 후면 상의 국소 난류영역의 조장 뿐 아니라, 주 유체 흐름이 고체 플레이트의 전면 상에 충돌함에 따라 그것에 대한 방해가 감소되는 것에도 기인한다.

본 발명에서, 혼합 장치는 덕트의 길이를 황단하여 및 길이를 따라 나란한 관계로 위치하는 것이 바람직하다. 혼합장치는 또한 덕트 내를 이동하는 주 유체 흐름에 대하여 기울어진 배열을 형성하도록 배치되기도 한다. 기울어진 배열은 주 흐름에 대하여 비교적 낮은 저항이 제공되고 바람직하지 않은 압력손실에 의하여 부여되는 불이익이 감소되는 잇점을 가져온다. 혼합장치는 주 흐름이 그것의 주 이동 방향으로부터 벗어나도록 강제함으로써 혼합 또는 흐름의 균질화를 더 촉진하도록 중첩 또는 편향영역을 형성하도록 배열되기도 한다. 원형 정지 혼합기를 이용하는 이러한 설비는 EP 특허 No. 1,170,054에 개시된다.

본 발명의 구체적 구체예에서, 본 발명의 혼합장치에 의하여 망라되는 전체 단면적은 혼합기가 정규 형태, 예를 들어 원형인 단면적에 대응한다. 이 같은 방법으로, 덕트내 혼합된 흐름의 자유 통과를 제공하는 전체 단면적이 실질적으로 일정하게 유지된다.

돌출부는 어떤 형태도 가질 수 있지만, 주 고체 플레이트 본체로부터 바깥쪽을 가리키도록 점차 가늘어지는 형태를 갖는 것이 바람직하다. 돌출부의 수는 다양할 수 있으며; 오직 하나의 돌출부만을 가질 수도 있지만, 두 개 내지 여섯 개, 바람직하게는 네 개 또는 다섯 개, 가장 바람직하게는 다섯 개의 돌출부를 가지는 경우 혼합의 관점에서 더 양호한 결과가 얻어진다. 각 개별 돌출부의 단면적은 다양할 수 있으나, 적어도 두 개의 돌출부가 실질적으로 동일한 단면적을 나타내는 것이 바람직하다. 돌출부라는 용어는 주 고체 플레이트로부터, 예를 들어 그것의 주변으로부터 튀어나온 고체 플레이트의 영역으로서 이해되는데, 주 고체 영역은 원형, 타원, 삼각형, 델타형, 장사방형 등의 정규 형태를 갖는다. 돌출부는 바람직하게는 주 고체 플레이트 본체의 단면적에 의하여 정의되는 동일한 평면에서 바깥쪽으로 연장되지만, 그것은 또한 상기 평면에 대하여 각도를 형성하도록 바깥쪽으로 연장될 수도 있다. 돌출부는 고체 플레이트의 전면을 향하여 기울어질 수 있거나, 즉 주 유체 흐름을 향할 수 있거나, 고체 플레이트의 후면을 향하여 기울어질 수 있다.

본 발명의 다른 유리한 구체예에서, 한 둘출부는 본체로부터 단지 약간만 떨어져서 연장되고 적어도 하나의 제 2의 유체 흐름의 출구 근처 및 실질적으로 아래에 위치하는 영역에 대응한다. 그러므로, 주입수단, 예를 들어 암모니아를 주 흐름 내로 도입하기 위한 덕트는 적어도 하나의 제 2의 흐름이 고체 플레이트의 후면의 적어도 하나의 일부 영역 상에 충돌 또는 접촉을 제공하도록 적합하게 되어 있다. 이 같은 방식으로, 제 2의 흐름의 역류가 방지되고, 즉 제 2의 흐름이 고체 플레이트 (혼합장치) 아래 방향으로 그것의 전방부로 이동하는 것을 방지한다. 대신에, 제 2의 흐름은 하류로, 즉 고체 플레이트의 후면 상에 조장되는 난류 내로 위로 방향을 잡는다.

본 발명의 결과로, 혼합의 정도 또는 혼합 효율은 주어진 혼합거리 또는 주어진 (상업적으로 허용 가능한) 압력 손실 범위 내에서 개선된다. 예를 들어 원형 혼합장치에 대한 혼합에 있어서 이 개선은 정량될 수 있다 (도 3에 제공된 예와 관련하여 이후 기재 참조). 본 발명의 잇점은 또한 압력 손실의 점에서도 알 수 있다. 즉, 이제는 종래 원형 혼합장치를 작동할 때 일반적으로 가능한 것보다 낮은 압력 손실로도 작동하는 것이 가능하다. 다시 말해, 원형 혼합기의 사용과 비교하여 동일한 정도의 혼합을 얻기 위하여 필요한 덕트 내의 혼합거리가 감소하였다. 덕트 내의 혼합거리는 종래의 원형 혼합기를 사용하는 것에 비하여 (막대하게) 상당히 감소될 수 있다. 예를 들어, 정사각형 덕트 내의 단일 혼합장치를 포함하는 설비에 대하여, 주어진 정도의 혼합을 달성하기에 필요한 혼합거리가 원형 혼합장치를 사용할 때의 3개의 수력학적 직경들로부터 본 발명의 혼합기를 사용할 때 2개의 수력학적 직경으로 감소될 수 있다.

본 발명의 결과로, 간단한 수단에 의하여 연도 가스 세척 조작에서 황산의 제조 동안에 산 미스트를 더욱 감소시키는 것이 이제 가능하다. 전형적인 공정은 가스-가스 열교환기에서의 연도 가스를 예열하고 뒤이어 연도 가스의 SO₂를 촉매적 변환기에서 SO₃로 촉매적으로 산화하는 것을 포함한다. 그 후, 촉매적 변환기로부터의 가스는 상기 가스-가스 열교환기를 통과함으로써 그것의 온도가 약 200 내지 300 ℃로 감소된다. 촉매적 변환기로부터의 가스를 그 후 소위 H₂SO₄ 응축기에서 후속 냉각에 더 노출시켜 약 100 ℃로 냉각시킴으로써 SO₃가 수증기와 반응하여 농 축된 H₂SO₄ 로서 응축된 H₂SO₄ -수증기를 생산한다.

본 발명의 하나 이상의 혼합장치는 상기 황산 응축 단계 상류의 어떤 지점에 유리하게 위치될 수 있는데, 예를 들어 상기 SO₂ 대 SO₃ 촉매적 변환기에 들어가는 이송 가스를 운반하는 덕트 내, 또는 촉매적 변환기와 상기 가스-가스 열교환기 사이의 후속 덕트에 위치할 수 있다. 바람직하게는, 하나 이상의 혼합장치는 상기 가스-가스 열교환기와 H₂SO₄ 응축기 사이의 덕트에 위치한다.

전기-용접으로부터의 스모크, 연료 연소로부터의 스모크, 예를 들어 미네랄이나 실리콘 오일의 연소로부터의 스모크로부터 발생되는 입자 현탁물로서, 예를 들어 1 ㎛ 미만의 직경을 갖는 핵형성 시드가 첨가될 수 있다. 예를 들어, 식물성 기름에 비하여 상당한 양의 핵형성 시드가 생길 수 있기 때문에 실리콘 오일의 연소로부터의 스모크가 특히 유리하다. 핵형성 시드는 황산의 응축 전에 이송 공기 내로 첨가될 수 있다. 핵형성 시드를 포함하는 흐름을 도입하는 적당한 방법이 EP 특허 제 419,539 호에 기재되어 있다.

입자 현탁물 형태의 핵형성 시드는, 적어도 하나의 혼합장치가 위치하는 동일한 덕트에 제 2의 흐름으로서 첨가될 수 있다. 입자 현탁물 형태의 핵형성 시드는 또한 적어도 하나의 혼합장치 상류의 다른 덕트 내로 첨가될 수도 있다. 예를 들어, 핵형성 시드는 SO₂ 대 SO₃ 촉매적 변환기로 들어가는 이송 가스가 통과하여 이동하는 덕트 내로 첨가될 수 있다. 바람직하게는, 핵형성 시드가 가스-가스 열교환기의 상류 덕트 내로 첨가될 때, 적어도 하나의 혼합장치는 상기 가스-가스 열교 환기와 H₂SO₄ 응축기 사이의 덕트에 위치된다.

발명의 상세한 설명

본 발명을 첨부 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1에서 질소산화물의 환원을 위한 연도 가스 섹션은 연도 가스(2)가 통과하는 직사각형 섹션을 가진 덕트(1)를 포함하고 있다. 연도 가스는 z방향으로 이동하는 제 1의 주 유체 흐름을 나타내고 혼합장치(3)의 전방 면과 충돌하는데, 이것은 상기 제 1의 주 유체 흐름의 이동방향에 대하여 실질적으로 횡단하는 방향으로 배치되어 있다. 혼합기(3)는 주 유체 흐름(2)의 이동 방향에 대하여 입사 각(α)로 위치해 있다. 제 2의 유체 흐름(4)은 혼합장치(3), 즉 고체 플레이트의 배면(3')에서 덕트(5)을 통해 주입된다. 혼합장치(3)는 주 흐름(3)이 통과함에 따라 소용돌이 또는 난류(6)를 조장하여, 제 2의 흐름(4)을 운반하고 유체 흐름들(2,4)을 혼합되게 한다. 혼합장치(3)의 배면(3')에서 조장된 난류(6)는 소용돌이형 섹션을 포함하여 여기에서 주 흐름 방향(z)에 횡단하는 방향으로 즉, y방향으로 흐름이 부분적으로 흐르기 때문에 양호한 혼합이 이루어진다. 더 큰 덕트에서, 부가적인 혼합장치(3'')가 배치될 수 있어서 채널의 전체적인 단면을 통해서 양호한 혼합을 제공할 수 있다. 2차 흐름(4)을 위한 부가적인 덕트(5')이 배치될 수 있다. 더 하류에는 촉매 유닛(7)이 제공될 수 있다.

도 2를 참조하면, 단일 혼합장치(3)의 전방 면이 도시되어 있다. 혼합장치는 원형의 주 고체 플레이트 본체(10)로부터 외부로 뻗은 삼각형 돌출부(9)로 이루 어진 고체 플레이트이다. 돌출부는 주 고체 플레이트 본체의 단면에 의해 정의된 동일 평면에서 바깥쪽으로 뻗어 있다. 혼합장치(3)는 측 길이(S1,S2)를 가진 덕트(8)내에 위치한다. 덕트는 임의의 형상을 가질 수 있지만, 바람직하게 정사각형(S1=S2)이거나 직사각형(S1≠S2)이다. 제 1의 주 유체 흐름(2)의 입사 각(α)은 본 도면에서 90°와 상응한다. 제 2의 가스 흐름은 혼합장치(3)의 배면(3')에 충돌하고 그리고 작은 돌출부(11)는 상기 제 2의 흐름(4)이 혼합기(3)의 전방 섹션으로 역류하는 것을 방해하는 테일(tail)로서 작용한다.

주 고체 플레이트 본체 주위의 점선(12)은 원형의 베이스 형상을 가진 동등한 혼합장치(13)의 반경(Rc)을 가지고 그 단면 면적은 혼합장치(3)의 단면적에 해당하는 단면도를 나타낸다. 비교 목적을 위해서, 혼합장치(3)의 단면적이 정규 베이스 형상, 여기에서는 원형으로 된 대응하는 혼합장치(13)의 단면적과 동일하게 하였지만, 반드시 그럴 필요는 없다. 정규 베이스 형상은 예를들면, US 특허 No. 4,527,903의 도 4 내지 도 8에 개시된 바와같이, 원형이 아닌 것으로도 가능하다.

돌출부의 형상은 도 2에서와 같이 반경(R)의 원형의 베이스 형상을 가진 주 고체 플레이트 본체(10)로부터 바깥쪽으로 경사지도록 하는 것이 바람직하다. 여기에서 돌출부는 삼각형이지만, 예를 들면 사각형, 타원형 또는 델타형의 형상으로도 가능하다. 돌출부의 갯수와 형상은 단일 혼합장치 내에서 다양할 수 있어서 어떤 돌출부는 다른 돌출부보다 더 바깥쪽으로 뻗을 수 있다. 돌출부는 원한다면 짧거나 길게 할 수 있지만, 반경(R)을 증가시키거나 감소시킴으로써 추가하거나 감소된 재료는 주 본체(10) 내에서 추가하거나 감소되어 전체적인 단면적은 실제로 일 정하게 유지되는 것이 바람직할 수 있다.

도 2의 혼합장치에서, 4개의 주 삼각형 돌출부(9)가 보조 돌출부(11)와 함께 도시되어 있다. 단지 하나의 주 돌출부(9)를 가진 혼합장치(3)를 가지는 것도 역시 가능하지만, 주 돌출부(9)의 수는 역시 4개 또는 5개 이상으로 할 수 있는데, 예를 들면 6개 내지 10개 그리고 그 이상이 될 수도 있다. 정사각형 또는 직사각형의 덕트의 모서리에서 유체 흐름의 혼합을 개선하기 위해서, 주 돌출부(9)의 수는 약 4개를 유지하는 것이 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시예에서, 주 돌출부(9)는 혼합장치(3)를 둘러싸는 측 길이(S1,S2)를 가진 가상의 직사각형의 모서리에 위치한다. 각각의 돌출부(9,11)는 각(θ)에 상응하는 구역만큼 벌어져 있다. 각(θ)은 20°내지 45°로 다양할 수 있지만, 25°내지 35°의 범위가 바람직하고, 보통은 20°내지 45°, 더 바람직하게는 30°내지 40°, 가장 바람직하게는 약 30°이다. 돌출부(9)의 연장부(SW)는 도 2에 도시된 실시예에서 SW＞2·(Rc-R)인 것이 바람직하다. 혼합장치의 전체 단면적은 혼합장치(3)를 둘러싸는 측 길이(S1,S2)를 가진 가상의 직사각형 또는 정사각형의 50% 내지 70% 또는 80% 이다.

고체 플레이트는 금속, 유리섬유, 플라스틱 등의 재료로 만들 수 있다. 고체 플레이트를 언급할 때, 강성 또는 비강성 플레이트의 여러가지 형태를 포함하는데, 이것은 주 유체 흐름의 영향에 의해 구부러질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다. 바람직하게는, 고체 플레이트는 금속으로 만든, 예를 들면 5-20mm 두께의 비교적 얇은 플레이트이고 유체 흐름의 통과 동안에 구부러지지 않는다.

보조 돌출부(11)는 상기 설명한 바와 같이 그 주된 목적이 제 2의 흐름이 고체 플레이트의 전방부 내로 역류하는 것을 방지하는 것이므로 생략할 수 있다. 주입 수단(5)의 출구에 대하여 혼합장치(3)의 위치설정은 예를 들면 제 2의 흐름(4)이 혼합 장치(3)의 중심 영역 근처의 배면(3')에 충돌하게 함으로로써 제 2의 흐름(4)의 역류를 최소화하는 방식으로 배치될 수 있다. 따라서, 기본적으로 주입 수단에 상응하는 제 2의 흐름의 출구는 적어도 하나의 혼합장치(3)의 배면(3')의 적어도 하나의 일부 영역으로의 제 2의 흐름(4)의 충돌을 제공하도록 적합하게 구비되어 있다. 이러한 충돌 영역은 보조 돌출부(11)가 위치하는 고체 플레이트의 영역에서 각(θ) 만큼 주어진 영역에서 실질적으로 간격이 벌어져 있다.

도 3은 종래의 원형 혼합장치(13)와 본 발명에 따른 혼합장치(3) 사이의 비교 예를 도시하고 있다(도 2의 삼각형 돌출부를 가진 원형 혼합기). 양 혼합기는 동일한 단면적을 가지고 있다. 혼합 정도는 200×200mm의 치수를 가진 정사각형 덕트에서 측정된 압력손실의 함수로서 제공된다. 이러한 덕트에 대해 R의 전형적인 값은 50-100mm의 범위, 예를 들면 77mm이다. 3개의 수력학적 직경에 대응하는 혼합 거리에서 비교가 행해졌는데, 수력학적 직경은 유체 흐름 단면적(S1·S2)의 4배와 습윤 원주(2·(S1+S2))의 비율로 정의된다. 도 3에서 혼합 정도는 소위 언믹스드니스(Unmixedness)로 실제로 나타내는데; 즉, Y축을 따라 언믹스드니스의 값이 더 낮아질수록 주 가스 흐름의 트레이서(tracer) 가스의 혼합이 더 양호해 진다.

도 3의 언믹스드니스는 S. Matlok, P.S. Larsen, E. Gjernes 및 J. Folm- Hansen "OFA로 코너-연소된 보일러의 1:60 스케일 모델에서의 혼합 연구" in 8^th International Symposium on Flow Visualization, 1998, 페이지 1-1 내지 1-6 및 첨부 도면에 따른 레이저 시트 시각화 방법에 따라 결정되었다. 이러한 레이저 방법은 덕트에서 임의의 혼합 거리에서, 즉 제 1의 혼합장치가 위치하는 지점으로부터의 거리에서 안개처럼(오일 스모크) 뿌려진 트레이서 가스와 같은 어떤 종의 농도를 단지 정량하는 역할을 한다. 하지만, 당업자라면 다른 종래의 방법도 역시 적합하다는 것을 알 것이다. 예를 들면, 메탄과 같은 트레이서 가스를 주입하고 주어진 혼합 거리에서 그 농도를 측정하는데 적절한 트레이서 가스 분석기를 사용할 수 있다.

도 3의 언믹스드니스는 예를 들면, 주어진 혼합 거리에서 덕트의 폭을 따라 안개처럼(오일 스모크) 뿌려진 트레이서 가스같은 종의 농도의 평균값(Mean)과 표준편차(RMS)의 비를 취함으로써 정의되는데, 여기에서 3개의 수력학적 직경이 있다. 그러므로, 비(RMS/Mean)가 낮을수록 덕트의 폭을 따라 농도의 평균값으로부터의 편차가 낮아지고 그리고 결과적으로 혼합이 더 양호해진다. 덕트를 따라 이동하는 주 흐름에 대하여 트레이서 가스를 이송하는 부 흐름의 체적 유량 비는 대략 1:100이 된다.

도 3에서 X축을 따른 압력손실은 예를 들면, 압력강하계수(ε)로서 속도 헤드의 수에 의하여 종래의 방식으로 다음 관계식으로 주어진다.

△P= ε·(1/2 ρ·v²)

여기에서, △P는 압력손실(Pa)이고 그리고 1/2 ρ·v²는 덕트의 주어진 혼합 거리에서 속도 헤드(Pa)를 나타내고;

ρ는 흐름의 밀도(kg/m³)를 나타내고; 그리고

v는 그 속도(m/s)이다.

압력강하계수는 혼합장치의 전방 섹션쪽으로 덕트에서의 흐름의 입사 각(α)과 서로 관련이 있어서, 곡선에서 8과 9 사이의 압력강하계수는 약 90°의 입사각에 상응하고, 0의 압력강하계수는 0 °의 입사각에 상응한다.

본 발명에서, 입사각이 10 °내지 80 °의 범위, 특히 20 °내지 60 °사이에 있을 때 유리한 결과가 원형 혼합장치에 대한 혼합 또는 압력손실의 점에서 유리한 결과가 얻어진다. 바람직하게는, 입사각은 30 °내지 50 °사이이고, 더 바람직하게는 35 °내지 45 °사이이다.

도 3은 압력강하계수의 상업적으로 적절한 범위, 즉, 0.5 내지 3 사이의 범위를 나타내고, 삼각형 돌출부를 가진 본 발명에 따른 혼합장치는 동일한 단면적을 가진 원형 혼합장치와 비교할 때 동일한 값의 RMS/Mean(언믹스드니스)에 대해 상당히 낮은 압력강하계수를 가지고 있다. 따라서, 본 발명은 주어진 압력강하계수에서 원형 혼합장치와 비교하여 상당히 양호한 혼합이 달성된다. 특정 실시예로서, 상업적으로 적절한 압력강하계수 2에서 종래의 원형 혼합기의 RMS/Mean(언믹스드니스)의 값은 약 0.24인데 반해, 도 2의 본 발명의 장치는 0.12이다. 다른 특정 실시예로서, 미리 정해진 0.2의 허용가능한 RMS/Mean의 값에 대하여, 도 2의 원형 혼 합장치는 약 3의 압력강하계수를 가져오는데 반해, 도 2의 본 발명의 장치는 약 1의 압력강하계수를 가져온다. X축을 따르는 압력강하계수에서 1 내지 3의 범위는 약 2mbar에 상당한다. 700,000Nm³/h의 주 부피 흐름을 가진 종래의 발전소에서는 1mbar의 압력손실은 발전소의 감가 상각 시간에 대하여 대략 150,000 유로(EUR)의 벌과금이 부여된다.

본 발명의 혼합장치는 종래의 혼합장치를 작동할 때 일반적으로 가능한 것보다 낮은 압력 손실로도 작동하는 것을 가능하게 하였다. 즉, 종래의 혼합기의 사용과 비교하여 동일한 정도의 혼합을 얻기 위하여 필요한 덕트 내의 혼합거리가 감소되어 종래의 정규 형태 혼합기보다 더 양호한 정도의 혼합을 유도하는 혼합 장치를 달성하였다.

Claims (9)

1. 덕트(1)에서 유체 흐름을 혼합하기 위한 설비로서,

   제 1의 주 흐름(2)이 통과하여 이동하는 상기 덕트(1) 내에 위치된, 전면 및 후면(3')을 갖는 적어도 하나의 혼합장치(3)를 포함하는데, 적어도 하나의 혼합 장치(3)는, 상기 제 1의 주 흐름(2)의 통과를 허용하도록 덕트(1)보다 상당히 더 낮은 전체 단면적을 결정하며,

   적어도 하나의 혼합 장치(3)는 상기 제1의 주 흐름의 이동 방향에 실질적으로 횡단하여 배치된 고체 플레이트이고 주 고체 플레이트 본체(10)로부터 바깥쪽으로 연장되는 하나 이상의 돌출부(9,11)를 구비한 것을 특징으로하는, 덕트(1)에서 유체 흐름을 혼합하기 위한 설비.
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1의 주 흐름(2)이 이동하는 상기 덕트(1)로 적어도 하나의 제2의 흐름(4)의 도입을 위한 주입 수단(5)을 더 포함하며, 주입 수단(5)은 적어도 하나의 혼합 장치(3)의 후면(3')의 적어도 일부 영역에 적어도 하나의 제2 흐름(4)의 충격을 제공하도록 적합하게 되어 있는 것을 특징으로 하는 설비.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 덕트(1)는 정사각형 또는 직사각형인 것을 특징으로 하는 설비.
4. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주 고체 플레이트 본체(10)의 형태는 실질적으로 원형 또는 타원형인 것을 특징으로 하는 설비.
5. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 돌출부(9,11)는 주 고체 플레이트 본체(10)로부터 바깥쪽으로 점점 가늘어지는 것을 특징으로 하는 설비.
6. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 혼합 장치(3)는 덕트(1)의 길이를 가로질러 길이를 따라 나란한 관계로 위치되고, 이때 유체 흐름의 혼합(2,4)이 일어나는 것을 특징으로 하는 설비.
7. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 혼합 장치(3)는 적어도 하나의 혼합 장치(3)의 정면에서 제1의 주 흐름(2)의 입사각(α)이 10 °내지 80 °, 바람직하게는 30 °내지 50 °인 것을 특징으로 하는 설비.
8. 제 5항에 있어서, 주 돌출부(9)는 SW＞2·(Rc-R) 및 θ가 20°내지 45°의 범위, 더 바람직하게는 30°내지 40°인 것을 특징으로 하는 설비.
9. 전술한 항 중 어느 한 항에 있어서, 적어도 하나의 혼합 장치(3)는 적어도 하나 이상의 주 돌출부(9)를 포함하나, 보조 돌출부(11)는 포함하지 않는 것을 특 징으로 하는 설비.

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