KR20090076773A - 증기-액체 분배 장치 - Google Patents

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Abstract

하강류 용기에서 동시 발생하는 2상의 스트림에서 사용을 위한 액체-증기 분배 장치는:
자체 지지 구조물(빔) 및 트레이 패널의 형태로 제작되고 설치되었을 때 이음부 및 트레이와 용기 벽 사이에서 본질적으로 누출이 없을 트레이를 형성하는 다수의 BOXVLT를 포함하며;
상기 수평의 자체-지지 구조물은 적어도 하나의 열의 동일 크기 구멍들이 뚫려있는 바닥플레이트로 구성되며, 각각의 구멍은 상기 빔의 구멍들과 동일한 기하학적 단면 모양을 가지는 튜브 또는 어떤 다른 기하학 모양의 형태인 길다란 하강류 채널(하강관)이 설비되고, 하강류 채널은 동시 발생하는 2상의 스트림을 위한 입구를 제공하며, 상기 하강류 채널의 적어도 2개는 각각의 하강류 채널의 적어도 하나의 벽 부분에 그것을 따라서 부착되는 보통의 라이저 캡이 설비되고, 하강류 채널의 입구에 이격되어 장착된다.
하강류, 분배 장치, 자체-지지 구조물

Description

증기-액체 분배 장치{VAPOUR-LIQUID DISTRIBUTION DEVICE}
본 발명은 하강류 용기에서 동시 발생하는 2상에서 사용을 위한 액체-증기 분배 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 액체와 증기 층의 분배를 개선하는 다중증기 리프트 튜브(BOXVLT로서 언급됨)를 조합하는 보통의 헤더의 형태인 액체 분배 장치에 관한 것이며, 다수의 이들 BOXVLT는 촉매적 반응에서 열 및 조성물의 평형을 이루기 위하여 용기의 단면 영역을 가로질러 조립된다. 본 장치는 특히 수소가공(hydroprocessing) 반응기에서 유용하다.
공지된 설계의 액체 분배 장치는 5개의 카테고리 중 한 가지로 분류된다. 첫째는, 그것이 촉매 베드에 접촉하기 전에 액체가 다중 스트림으로 조직적으로 세분화되기 위한 일련의 트로프(trough) 및 월류웨어(overflow weir)이다. 이 형태는 종종 액체 접촉기 또는 역전류 흡수체로 사용된다. 이 형태의 예는 미국 특허 No. 5,192,465에 기재된다.
두 번째 형태의 액체 분배 장치는 구멍이 뚫린 수평 트레이이다. 이는 구멍 주변에서 톱니모양의 웨어를 가질 수도 가지지 않을 수도 있다. 이 트레이는 또한 증기 흐름을 위한 침니(chimney)를 가질 수 있다. 이런 형태의 분배장치는 더 정교 한 최종 액체 분배 트레이와 함께 가공하지 않은 액체 분배를 위해 사용될 수 있다. 이런 형태의 예는 미국 특허 No. 4,836,989에 개시되어 있다.
세번째 흔한 형태의 액체 분배 장치는 침니 트레이이다. 이 장치는 전형적으로 수평 트레이 상의 정사각형 또는 삼각형 피치(pitch)에 레이아웃된 다수의 스탠드 파이프를 사용한다. 스탠드 파이프는 전형적으로 액체의 통과를 위해 측면에 구멍을 가진다. 스탠드파이프의 꼭대기는 침니의 중앙을 통해 증기가 흘러내리도록 열린다. 일부 설계는 증기 흐름의 대부분을 조종하기 위해 특별한 증기 하강관 침니를 사용한다. 이 형태는 미국 특허 Nos. 4,126,540 및 3,353,924로부터 공지되어 있다.
네번째 형태의 액체 분배 장치는 버블 캡 트레이이다. 이 장치는 수평 트레이에서 규칙적인 피치 패턴으로 레이아웃된 다수의 버블 캡을 사용한다. 버블캡은 스탠드파이프에서 동심원적으로 중심에 놓인 캡과 함께 형성된다. 캡의 측면은 증기 흐름을 위해 슬롯팅된다. 미국 특허 No. 5,158,714에 기재된 바와 같이 캡 하에서 액체 흐름은 증기와 함께, 환상(annular) 영역에서 위쪽으로 흐르고 이어서 스탠드파이프의 중심을 통해 아래쪽으로 흐른다.
공지의 트로프형 분배 장치는 기계적으로 복잡하고 수평에 매우 민감하다. 트로프 간 전이의 설계에 의존하여, 분배의 질은 또한 손상되기 쉽다.
공지의 구멍이 뚫린 플레이트 설계는 침니 설계와 유사하다. 침니 설계는 그것이 액체/증기 부하의 더 넓은 범위를 위해 설계될 수 있고 덜 부착성이기 때문에 바람직하다.
추가로 공지된 형태의 액체 분배 장치는 튜브 내에서 상승류 영역 및 하강류 영역을 만드는 하나 이상의 짧은 다리의 상승관을 설비한 긴 다리의 하강관의 형태로 증기 리프트 튜브를 제공하는 구멍이 뚫린 트레이이다. 미국 특허 No. 5,942,162에 추가로 기재된 바와 같이 짧은 다리의 상승관의 측면은 슬롯팅되며, 증기와 동시에 발생하는 액체 흐름은 상류 영역에서 위쪽으로 증기 흐름에 의해 리프팅되고 기본적인 촉매 베드에 하강류 영역을 통해 증기와 함께 고르게 분산된다.
침니형 설계에 비하여 증기 리프트 튜브 장치의 이점은 증기 리프트 튜브로 가능한 상당히 더 넓은 턴다운(turndown) 범위이다. 액체 흐름이 감소됨에 따라, 적절하게 설계된 침니는 더 길어지거나 또는 측면에 뚫리는 더 작은 구멍을 가져야만 한다. 가공 공차, 작동 부하에 기인하는 설치 및 편향의 관리 때문에, 모든 분배 장치가 용기 내 동일 수준에 있는 것은 아니다. 턴다운의 일부 수준에서, 일부 구멍은 액체로 덮일 것이고 나머지는 그렇지 않을 것이다. 이것은 트레이 하부 표면에 비하여 불균일한 액체 분배를 초래한다.
액체와 증기 층의 분배를 개선하는 다중증기 리프트 튜브를 조합하는 보통의 헤더의 형태인 액체 분배 장치를 제공한다.
본 발명은 하강류 용기에서 동시 발생하는 2상의 스트림의 분배를 위한 액체-증기 분배 장치이며:
지지 빔 및 트레이 패널로서 작용하며 설치되었을 때 구조물의 이음부 및 형성된 트레이와 용기의 내벽 사이에서 본질적으로 누출이 없을 트레이를 형성하는 다수의 수평의 자체-지지 구조물을 포함하며;
상기 수평의 자체-지지 구조물의 각각은 적어도 하나의 열의 동일 크기 구멍들로 뚫려있는 바닥플레이트로 구성되며, 각각의 구멍은 상기 바닥플레이트의 구멍들과 동일한 기하학적 단면 모양을 가지는 튜브 또는 기하학 모양의 형태인 길다란 하강류 채널이 설비되고, 하강류 채널 각각은 동시 발생하는 2상의 스트림을 위한 입구를 구비하며, 상기 하강류 채널의 적어도 2개는 각각의 하강류 채널의 적어도 하나의 벽 부분에 그것을 따라서 부착되는 보통의 라이저 캡이 설비되고, 하강류 채널의 각각의 입구에 이격되어 장착된다.
하강류 채널과 보통의 라이저 캡의 조합은 BOXVLT으로서 언급된다.
본 발명에 따르는 자체-지지 구조물은 용기에서 수평적으로 지지되고 그것의 에지는 가스켓(gasket)과 함께 인접한 자체-지지 구조물의 에지 또는 트래이 패널 에 조여져있고 또는 다른 방법으로 밀봉되어 용기의 단면을 덮는 본질적으로 누출이 없는 표면을 제공한다.
자체-지지 구조물/트레이 패널의 바닥플레이트는 그것의 표면을 가로질러 균일하게 이격된 구멍들에 의해 구멍이 뚫려 있으며, 이 구멍들은 바닥플레이트 상의 적어도 하나의 열로 분포된다. 구멍은 원, 정사각형, 직사각형 또는 다른 어떤 기하학적 모양일 수 있다. 모든 경우에, 최적화된 패턴을 사용하여 모든 구멍들 간의 대체로 균일한 공간을 제공하도록 하며 그리고 BOXVLT의 다수의 열에 의해 형성되는 전체 트레이를 가로지르는 수평 트레이 면적에 대한 구멍의 대체로 고른 비율을 제공하도록 한다.
보통의 라이저 캡으로 덮인 2개의 하강류 채널로 구성되는 최소 하나의 BOXVLT는 적어도 2개의 드립 포인트를 가지는 각 자체-지지 구조물/트레이 패널 상에서 증기 리프트 튜브 장치를 만든다.
본 발명에 따르는 증기 리프트 튜브 장치는 개념으로는 버블 캡 장치와 유사하지만 몇 가지의 이점을 가진다. 증기 리프트 튜브 장치가 더 작기 때문에, 반응기 내부에서 다수의 빔을 나란히 배열함으로써 만들어지는 더 많은 수를 분배 트레이에 위치시켜 액체의 더 양호한 분배를 달성할 수 있다. 더 작은 공간에 대해, 이들 갭의 크기는 더 작다. 트레이 하부의 전반적인 습윤 효율은 더 큰 피치보다 더 작은 피치에서 우수하다.
본 발명에 따르는 분배 장치의 구체적 이점은 그것의 단순함이며, 이는 공정 조건에 의해 배척되는 최적의 크기로 제작하고 설치하는 것을 더 용이하고 저렴하 게 만든다.
많은 공정에서, 본 발명은, 예를 들어, 수소가공 반응기를 사용할 것이고, 시간에 걸쳐 그리고 턴다운 작동 동안 증기와 액체상 비율 및 물리적 특성에서 광범위한 변화가 있을 수 있다. 가공 공차 및 설치의 관리 때문에, 분배 트레이 수평에서 피할 수 없는 변화가 있을 것이다. 입구 분배기 또는 퀀치 영역 믹서로부터 분배 트레이로의 액체 점적은 불균일하게 분배될 수 있고 이는 스플레싱, 웨이브 또는 유압헤드 때문에 트레이를 가로지르는 액체 높이 기울기를 초래할 수 있다. 증기 리프트 튜브 개념을 사용하는 최적화된 액체 분배기 설계는 트로프 분배기, 단순 관통된 플레이트 분배 트레이, 침니형 분배 트레이 또는 집중적 버블 캡 분배 트레이의 최적화된 설계로부터 얻을 수 있는 것보다 트레이 하부에 더 많은 액체 분배를 제공하는 것이 가능하다.
본 발명의 분배 장치는 전형적으로 수소가공 반응기에서 사용될 것이다. 전체 반응기 단면 부분에 걸쳐 액체 반응물의 고른 분배를 획득함으로써, 주어진 수준에서 모든 촉매가 균일하게 젖는다. 따라서,주어진 수준에서 모든 촉매는 동일한 효율에서 작용하며, 이는 반응기의 전반적인 효율을 증가시킨다. 추가적으로, 균일한 액체 분배는 반응기를 가로질러 균일한 방사형 온도 프로파일을 유지한다.
본 발명의 한 구체예에서, 적어도 2개의 하강류 채널은 하강류 채널의 2개의 반대편 벽에 그리고 이를 따라서 부착되는 보통의 라이저 캡으로 덮여있고 T-유사 모양의 단면을 가지는 증기 리프트 튜브를 제공한다.
추가 구체예에서, 증기 리프트 튜브는 보통의 라이저 캡을 가지는 적어도 2 개의 하강류 채널을 설비함으로써 반전된 U와 유사한 단면을 가지는 모양이며, 이것은 각각의 하강류 채널의 1개의 벽 부분에 그리고 이를 따라서 부착된다.
또 다른 구체예에서, 빔의 바닥쪽의 드립 에지는 빔을 통해 뻗치는 하강류 채널 또는 빔에 부착되는 분리 채널 부분에 의해 각 구멍이 만들어진다. 드립 에지는 빔에서의 돌출 또는 동등한 수단에 의해 추가로 형성될 수 있다.
하강류 채널이 수평의 자체-지지 구조물 상의 모든 지점에서 동일한 높이를 가지는 것은 바람직하다.
또한 라이저 캡은 그것의 안쪽으로 하나 이상의 수직 슬롯 컷을 가지며 슬롯 높이는 하강류 채널의 입구의 높이에서 또는 그 아래에서 끝나는 것이 바람직하다.
다른 바람직한 구체예에서, 라이저 캡의 입구의 끝은 수평 빔의 수준 위쪽에서 끝나고 따라서 2상의 스트림에서 액체는 라이저 캡의 낮은 부분으로의 흐름으로부터 방해되지 않는다.
본 발명의 분배 장치는 전체 반응기 단면 부분에 걸쳐 액체 반응물의 고른 분배를 획득함으로써, 반응기의 전반적인 효율을 증가시킨다.
액체-증기 분배 설계 컨셉(자체-지지 구조물로서 언급됨)은 도 1 및 도 2에서 보여진다. 장치는 반응기 내벽의 한 쪽으로부터 반응기 내벽의 다른 쪽으로 뻗치는 한 개 또는 다수의 BOXVLT (1), 가스가 새지 않는 설치를 위하여 반응기 내벽(나타내지 않음)의 곡률에 대응하는 곡률로 구부러지는 스커트 (2)로 구성된다. 자체-지지 구조물의 세로 에지 (7)는 또한 하나 이상의 BOXVLT(보이지 않음)와 함께 장착되는 자체-지지 구조물(보이지 않음) 또는 비-자체-지지 트레이 패널 중 하나와 함께 조립되어 적합하게 되는 선형이다. 모든 이음부는 본질적으로 누출이 없을 것이다. 각각의 BOXVLT는 2개 이상의 하강관 (4)으로 덮이는 보통의 라이저 캡으로 구성된다. 하강관 (4)은 모양, 크기 및 패턴의 레이아웃이 다양할 수 있다(예는 도 3을 참고). 각각의 하강관은 바닥플레이트 (3)에서 만들어지는 구멍에 끼워진다. 각각의 하강관 (4) 사이의 하나 이상의 수직 슬롯 (6)은 라이저 캡 (5)의 안쪽벽으로 잘려진다. 슬롯의 상부는 하강관 (4)의 입구 끝(보이지 않음)에 또는 그 아래에 있다.
도 3은 라이저 캡의 위쪽을 향한 BOXVLT를 통한 단면(섹션 B-B)이다. 도 3A는 직선 패턴으로 라이저 캡의 양 벽에 배열되고 고정되는 정사각형 하강관을 가지는 BOXVLT이다. 도 3B는 또한 직선 패턴으로 라이저의 단 하나의 벽에 배열되고 고정되는 직사각형 하강관을 가진다. 도 3C는 도 3A와 유사하지만, 원형의 하강관을 가진다. 도 3D는 삼각형 패턴인 원형의 하강관으로 나타난다.
추가의 개선된 분배 효율, 즉, 2상 흐름의 분배 이상에 대한 낮은 감도는 3A-C에서 보여지는 바와 같은 하강류 채널 간에 분리 플레이트 (8)를 장착함으로써 획득될 수 있다.
본 발명의 작동에서, 액체 수준은 자체 지지 구조물의 형태로 및 트레이 패널로서 각각 BOXVLT들을 구비한 다수의 빔에 의해 만들어지는 트레이 상에서 정해질 것이다. 부품은 기밀/액밀 방식으로 그것들의 에지를 따라서 및 반응기 벽을 따 라서 조립된다. 이렇게 형성된 트레이 상의 액체 수준은 보통의 라이저 캡 (5)의 바닥 이상일 것이지만, 라이저 캡에서 슬롯의 상부 (6)보다 아래이다. 증기는 보통의 라이저 캡과 다수의 하강류 채널에 의해 구성되는 BOXVLT의 내부와 외부 사이의 압력 강하를 만드는 슬롯을 통해 통과할 것이다. BOXVLT 내부의 낮은 압력으로 인해, 액체 수준은 BOXVLT의 외부보다 내부에서 더 높을 것이다. 증기 및 액체는 하강류 채널 (4)의 입구에서 벽 위쪽으로 흘러가는 액체를 들어올리는 증기와 함께 라이저 캡 내부에서 혼합될 것이다. 바닥플레이트 (3) 하부의 구멍에서, 액체 및 증기는 추가로 풀어질 것이며 액체는 하강관 (4)의 드립 에지에서 배출된다.
도 1은 최소한 하나의 빔으로 구성되고, 라이저 캡, 하강관 및 바닥플레이트를 포함하며, 이들의 조합물은 「발명의 실시를 위한 구체적인 내용」의 기재에서 박스 증기 리프트 튜브 또는 BOXVLT로서 확인되는, 최저 하나의 빔으로 구성되는 자체-지지 구조물의 투시도를 보여준다.
도 2는 3개의 BOXVLT를 가지는 자체-지지 구조물의 투시도를 보여준다.
도 3 (A-D)은 다양한 모양과 다양한 패턴을 가지는 하강관의 다른 레이아웃의 예들과 함께 BOXVLT 단면도(하부에서 본 것)를 보여준다.

Claims (8)

  1. 하강류 용기에서 동시 발생하는 2상의 스트림의 분배를 위한 액체-증기 분배 장치로서:
    지지 빔 및 트레이 패널로서 작용하며 설치되었을 때 구조물의 이음부 및 형성된 트레이와 용기의 내벽 사이에서 본질적으로 누출이 없을 트레이를 형성하는 다수의 수평의 자체-지지 구조물을 포함하며;
    상기 수평의 자체-지지 구조물의 각각은 적어도 하나의 열의 동일 크기 구멍들로 뚫려있는 바닥플레이트로 구성되며, 각각의 구멍은 상기 바닥플레이트의 구멍들과 동일한 기하학적 단면 모양을 가지는 튜브 또는 어떤 다른 기하학 모양의 형태인 길다란 하강류 채널이 설비되고, 하강류 채널의 각각은 동시 발생하는 2상의 스트림을 위한 입구를 구비하며, 상기 하강류 채널의 적어도 2개는 각각의 하강류 채널의 적어도 하나의 벽 부분에 그것을 따라서 부착되는 보통의 라이저 캡이 설비되고, 하강류 채널의 각각의 입구에 이격되어 장착되는 것을 특징으로 하는 액체-증기 분배 장치.
  2. 제1항에 있어서, 하강류 채널은 수평의 자체-지지 구조물 상의 모든 지점에서 동일한 높이를 가지는 것을 특징으로 하는 액체-증기 분배 장치.
  3. 제1항에 있어서, 라이저 캡은 그것의 안쪽으로 하나 이상의 수직 슬롯 컷을 가지며 슬롯 높이는 하강류 채널의 입구의 높이에서 또는 그 아래에서 끝나는 것을 특징으로 하는 액체-증기 분배 장치.
  4. 제1항에 있어서, 라이저 캡의 입구의 끝은 자체-지지 구조물의 바닥플레이트의 수준 위에서 끝나는 것을 특징으로 하는 액체-증기 분배 장치.
  5. 제1항에 있어서, 보통의 라이저 캡은 각각의 하강류 채널의 2개의 반대편 벽에 부착되는 것을 특징으로 하는 액체-증기 분배 장치.
  6. 앞선 청구항 중 어느 한 항에 있어서, 분배 플레이트는 하나 이상의 상기 하강류 채널 사이에 배열되는 것을 특징으로 하는 액체-증기 분배 장치.
  7. 앞선 청구항 중 어느 한 항에 따르는 액체-증기 분배 장치를 포함하는 2상의 스트림이 동시 발생하는 하강류 용기.
  8. 앞선 청구항 중 어느 한 항의 하나 이상의 액체-증기 분배 장치를 구비하는 반응기.
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