KR20110100315A - 병류 접촉 장치 내 액체 분배 개선 - Google Patents

Abstract

유체 분배 시스템, 특히 증기-액체 접촉을 수행하기 위해 사용되는 모듈을 포함하는 장치에 액체를 분배하기 위한 것들이 기재된다. 대표적인 액체 분배 시스템은 복수의 하강유로에 분배하기 위해 정렬된 복수의 출구 토수구를 구비하는 연장된 트로프를 포함한다. 하강유로는 트로프에 대해 비평행(예컨대 직교) 정렬될 수 있고, 및/또는 트로프의 수는 유체가 분배되는 하강유로의 수 미만일 수 있다.

Description

병류 접촉 장치 내 액체 분배 개선{IMPROVED LIQUID DISTRIBUTION IN CO-CURRENT CONTACTING APPARATUSES}

본 발명은 분별 증류 또는 다른 물질 및/또는 열 전달 조작과 같은 증기-액체 접촉을 수행하기 위한 접촉 장치에 관한 것이다. 본 발명은 더욱 상세하게는 고용량, 고효율 병류 증기-액체 접촉을 제공하는 데에 사용되는 접촉 모듈에 액체를 분배하기 위한 액체 분배 시스템에 관한 것이다.

분별 트레이 및 패킹과 같은 증기-액체 접촉 장치를 사용하여 특히 석유 및 석유 화학 산업에서 매우 다양한 분리를 수행한다. 예컨대 분별 트레이를 이용하여 탄화수소를 유사한 상대 휘발도 또는 비점을 갖는 분획으로 분리한다. 이러한 분획은 나프타, 디젤 연료, LPG 및 중합체와 같은 석유 정련 및 석유 화학 가공의 원유 유래 생성물을 포함한다. 일부 경우, 트레이를 이용하여 동일한 화학적 또는 기능적 등급의 다른 것들로부터 특정 화합물, 예컨대 알콜, 에테르, 알킬 방향족, 단량체, 용제, 유기 화합물 등을 분리한다. 트레이는 또한 가스 가공 및 흡착 분리 조작에 사용한다. 상이한 이점 및 단점을 갖는 매우 다양한 트레이 및 다른 접촉 장치가 개발되어 있다.

분별 트레이 및 패킹은 예컨대 상기 설명한 용도에서 증류 장치에 사용되는 종래의 증기-액체 접촉 장치의 우세한 형태이다. 트레이의 경우, 통상적인 분별 컬럼은 분리의 용이성(상대적인 휘발도 차이) 및 소정 생성물 순도에 따라 10 내지 250 개의 이들 접촉 장치를 이용할 것이다. 종종 컬럼 내 각각의 트레이의 구조는 유사하지만, 수직 인접 트레이에 대해서 상이할 수도 있음(예컨대 교대)도 공지되어 있다. 트레이를 보통 컬럼의 트레이 간격으로 지칭되는 균일한 수직 거리로 수평으로 장착한다. 그러나, 이 거리는 컬럼의 상이한 부분마다 다를 수 있다. 트레이를 종종 컬럼 벽의 내면에 용접된 고리에 의해 지지한다.

분별 증류는 종래에는 전반적인 하향 액체 흐름 및 상향 증기 흐름을 갖는 직교류 또는 역류 접촉 장치에서 수행되어 왔다. 장치의 몇몇 지점에서, 기상 및 액상이 접촉하여 기상 및 액상이 성분을 교환 가능하게 하고, 서로 증기-액체 평형에 가능한 한 가까이 접근하거나 이를 달성한다. 그 다음, 증기 및 액체를 분리하고, 이들의 각각의 방향으로 이동시킨 후, 상이한 단에서 다른 양의 적당한 유체와 재차 접촉시킨다. 다수의 종래의 증기-액체 접촉 장치에서, 증기 및 액체를 각각의 단에서 직교류 정렬로 접촉시킨다. 대안적인 장치는, 장치 내 전체적인 흐름이 계속 역류 상태에 있으면서, 액상 및 기상 사이의 각각의 단의 실제 접촉이 적어도 부분적으로 병류 물질 전달 구역에서 수행된다는 점에서, 종래의 다수 단 접촉 시스템과는 상이하다.

종래의 트레이를 이용하는 분별 증류 공정 동안, 컬럼의 바닥에서 생성되는 증기는 대량의 액체를 지지하는 트레이의 데킹(decking) 영역 위에 펼쳐진 다수의 작은 천공을 통해 상승한다. 증기가 액체를 통과하여 포말로 지칭되는 기포의 층을 생성시킨다. 포말의 표면적이 크면 트레이 위의 기상과 액상 사이의 조성 평형을 확립하는 것을 돕는다. 그 다음, 포말이 증기 및 액체로 분리되게 한다. 증기-액체 접촉 동안, 증기는 액체에 휘발성이 더 적은 재료를 잃어서, 증기가 각각의 트레이를 통해 상향 통과하면서 조금 더 휘발성이 된다. 동시에, 액체가 트레이로부터 트레이로 하향 이동하면서, 액체 중 휘발성이 더 적은 화합물의 농도가 증가한다. 액체가 포말로부터 분리되어 다음 하부 트레이로 하향 이동한다. 이 계속적인 포말 형성 및 증기-액체 분리는 각각의 트레이 위에서 수행된다. 따라서, 증기-액체 접촉 장치는 상승하는 증기와 액체의 접촉, 및 그 후 2개의 상을 분리하고 상이한 방향으로 흐르게 하는 2가지 기능을 수행한다. 단계가 상이한 트레이 위에서 적절한 회수만큼 수행될 경우, 다수의 평형 단의 분리가 달성될 수 있어 화학적 화합물의 상대적인 휘발도를 기준으로 한 이의 효과적인 분리가 이루어진다.

이러한 분리를 개선하기 위한 노력으로 패킹 및 트레이를 포함하는 다수의 상이한 유형의 증기-액체 접촉 장치가 개발되어 왔다. 상이한 장치는 상이한 이점을 갖는 경향이 있다. 예컨대, 다수의 하강유로(downcomer) 트레이는 높은 증기 및 액체 용량, 및 유의적인 범위의 조작 속도에 걸쳐 효과적으로 기능하는 능력을 갖는다. 구조화된 패킹은 낮은 압력 강하를 나타내는 경향이 있으며, 이것이 이를 저압 또는 진공 조작에서 유용하게 한다. 천공 데크(deck)는 효과적인 접촉 장치이지만, 특히 분별 개구 면적이 크더라도 상대적으로 작은 데크 면적에서 사용시 컬럼 내에 높은 압력 강하를 초래할 수 있다. 임의의 증기-액체 접촉 장치의 성능을 평가하는 데에 사용되는 2가지 중요한 변수는 용량 및 효율이다. 그러나, 이들 모두 증기-액체 접촉 장치에서 액체 또는 증기의 불균일 분배(maldistribution)가 일어나는 경우 손상될 수 있다. 액체 또는 증기의 불균일 분배는 하나의 단에서 다음 단으로 전달되어 장치의 용량 및 효율을 전체적으로 감소시키는 경향이 있다.

공지된 증기-액체 접촉 장치의 특정 예는 예컨대 수평 층으로 배치된 다수의 구조 유닛 내 증기 및 액체의 병류 접촉을 위한 US 6,682,633에 기재된 것을 포함한다. US 5,837,105 및 관련된 US 6,059,934는 트레이를 가로질러 펼쳐진 다수의 병류 접촉 단면을 갖는 분별 트레이를 개시한다.

상기 논의된 이슈 및 다른 고려를 해결한 다른 장치 및 이들 장치를 삽입한 기구가 본 명세서에서 참고로 인용하는 US 7,424,999에 기재되어 있다. 이들 장치는 수평 단 내의 접촉 모듈로서, 종래의 트레이 유사 구성과는 상이하다. 하나의 단의 모듈이 하단(inferior stage), 상단(superior stage) 또는 양쪽의 모듈에 대해 비평행으로 회전한다. 접촉 모듈은 적어도 액체 분배기(하강유로), 및 접촉 부피부(contacting volume)를 함께 한정하는 디미스터(demister)(증기-액체 분리기), 즉 병류 유동 채널(flow channel)을 포함한다. 상승하는 증기가 접촉 부피부에 진입하고, 액체 분배기로부터 배출되는 액체를 혼입(entrainmnent)한다. 상승하는 증기 및 혼입된 액체는 접촉 부피부 내에서, 증기 및 액체를 분배 또는 분리하여 접촉 후 이들 스트림을 각각 상향 또는 하향으로 개별적으로 유동시킬 수 있는 디미스터로 병류로 운반된다. 디미스터에서 나오는 액체는 수용 팬(receiving pan)으로 유동한 후, 덕트(duct)를 통해 하향 이동한다. 단일 수용 팬과 관련된 덕트 각각은 액체를 하위 접촉단의 개별 하강유로로 보낸다. 디미스터에서 나가는 증기는 수용 팬 위의 유체 전달 부피부로 유동한 후, 상위 접촉단의 접촉 부피부로 유동한다.

상기 기재된 장치 및 다른 것들은 증류 컬럼과 같은 증기-액체 접촉 장치에 다양한 수준으로 도입될 수 있는 공급물을 비롯한 유체의 효과적인 분배를 필요로 한다. 예컨대, 병류 유동 채널을 갖는 모듈을 포함하는 단을 이용하는 장치의 경우, 유체(예컨대 액체 컬럼 공급물)가 이 단의 각각의 모듈에 소정 단 위에 도입되는 방식은 장치의 전반적인 성능에 유의적인 영향을 미친다. 특히, 고용량, 고효율의 접촉 장치의 각각의 단은 10개 이상의 개별적인 증기-액체 부피부를 가질 수 있다. 접촉 모듈의 각각의 하강유로에의 유체의 최적 전달, 및 결과적으로 각각의 접촉 부피부 또는 병류 유동 채널에의 유체의 최적 전달은 따라서 개선을 추구하기 위해 노력을 계속 하도록 촉구한 중요한 도전 과제이다.

발명의 개요

본 발명은 증기-액체 접촉 장치로의, 예컨대 입구 외부로부터 장치(예컨대 외부 액체 공급물 입구)로의 액체 공급물 및 다른 유체의 개선된 분배 시스템의 발견과 관련되어 있다. 분배 시스템은 특히 증기-액체 접촉을 수행하는 데에 사용되는 접촉 모듈로의, 특히 병류 유동 채널을 한정하는 접촉 모듈로의 유체의 전달에 적용 가능하며, 여기서 하강유로로 분배되는 액체는 이어서 병류 유동 채널로 배출되고, 여기서 상승하는 증기와 접촉하고 이에 의해 혼입된다. 중요한 고려점은 최적으로는 각각의 모듈로의 액체 공급물과 같은 유체를 전달하는 능력이다. 예컨대 들어오는 액체 공급물 스트림의 경우, 액체가 도입되는 소정 단의 각각의 접촉 모듈의 길이, 특히 각각의 디미스터의 길이에 비례하여 액체를 분배하는 능력이 특히 요망된다. 이 목적은 하강유로의 수 뿐 아니라 액체가 분배되어야 하는 상이한 길이의 하강유로의 수에도 영향을 미치는 증기-액체 접촉 장치(예컨대 증류 컬럼)의 크기에 따라 더욱 더 달성하기 어려워진다.

본 명세서에 기재된 분배 시스템에 의해 해결되는 다른 고려점은 장치 내에서 흐르는 증기 및 분배되는 액체 사이의 접촉을 유리하게는 피하거나 또는 최소화할 수 있는 능력이다. 병류 유동 채널을 포함하는 것과 같은 고용량, 고효율 접촉 장치를 보통 증류 컬럼 내 액체에 대한 높은 증기 속도 및 이에 따른 높은 감수도(susceptibility)를 이용하는 서비스, 또는 혼입시키기 위해 이들 접촉 장치를 이용하는 증기-액체 접촉 장치에 사용한다. 효과적인 분배 장치는 따라서 작동 용량의 측면에서 장치에 어떤 제약도 없이 원하지 않는 액체 혼입을 피하거나 또는 적어도 최소화해야 한다.

따라서, 본 발명의 구체예는 증기-액체 접촉 장치(예컨대 병류 유동 채널을 포함하는 접촉 모듈을 이용하는 증류 또는 분별 컬럼)의 전반적인 성능을 개선 또는 최적화하는 데에 효과적인 비율로 그리고 동시에 다수의 영역으로 유체를 효과적으로 분배할 수 있는 유체 분배 시스템, 특히 액체 분배 시스템에 관한 것이다. 이러한 유체 분배 시스템은 또한 유리하게는 상향류 증기에 분배되는 액체의 혼입을 최소화한다. 대표적인 분배 시스템은 복수의 출구 토수구(spout)를 구비하는 1 이상의 연장된 트로프(trough)를 포함한다. 분배 시스템은 또한 장치 외부의 입구 및 1 이상의 연장된 트로프 모두와 유체 연통된 예비 분배 배관(piping)을 포함할 수 있다. 이러한 시스템은 병류 유동 채널을 한정하는 복수의 접촉 모듈을 포함하는 접촉단과 병용시(에컨대 하나의 단에서 다음 단으로 직교 배열됨) 특히 유리하다.

따라서, 본 발명의 대표적인 구체예는 병류 유동 채널을 한정하는 고용량, 고효율 접촉단과 함께 액체 분배 시스템을 포함하는 증기-액체 접촉을 위한 장치에 관한 것이다. 다른 구체예는 트로프에 대해 비평행 정렬된 복수의 하강유로에의 분배를 위해 정렬된 복수의 토수구를 구비하는 1 이상의 연장된 트로프를 포함하는 액체 분배 시스템에 관한 것이다.

특정 구체예에서, 액체 분배 시스템은 복수의 출구 토수구를 구비하는 1 이상의 연장된(예컨대 수평으로 연장된) 트로프 및 2 이상의 접촉 모듈을 구비하는 접촉단을 포함한다. 각각의 접촉 모듈은 1 이상의 병류 유동 채널 가까이에 출구를 갖는 1 이상의 하강유로, 병류 유동 채널 가까이의 입구 표면 및 수용 팬 위쪽의 출구 표면을 갖는 디미스터 뿐 아니라, 수용 팬과 유체 연통된 상부 단부를 갖는 1 이상의 덕트를 포함한다. 각각의 덕트의 하부 단부는 하단의 개별 하강유로와 유체 연통될 수 있다. 또한, 접촉 모듈은 장치 내 바로 하단의 접촉 모듈에 대하여 (예컨대 90°의 각으로) 회전될 수 있다. 이 회전 정도는 장치 내 다른 인접 접촉 모듈에 대해 사용되는 회전 정도와 일치할 수 있거나 또는 상이할 수 있다.

다른 특정 구체예에서, 본 발명은 병류 증기-액체 접촉을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다. 상기 장치는 장치에 대한 외부 유체 입구, 및 복수의 출구 토수구를 구비하는 1 이상의 연장된 트로프 양쪽과 연통된 예비 분배 배관을 포함하는 액체 분배 시스템을 포함한다. 액체 분배 시스템은 2 이상의 접촉 모듈 및 복수의 수용 팬을 구비하는 접촉단 위쪽에 있다. 접촉 모듈 각각은 이격된 한 쌍의 실질적으로 평행한 디미스터, 및 디미스터 사이에 위치하고 디미스터의 표면과 함께 한 쌍의 병류 유동 채널을 한정하는 하강유로를 포함한다. 디미스터의 입구 표면은 병류 유동 채널과 유체 연통되어 있고, 하강유로는 병류 유동 채널과 유체 연통된 출구를 가지며, 디미스터는 복수의 수용 팬의 개별 수용 팬 위쪽에 출구 표면을 갖는다. 또한, 액체 분배 시스템의 출구 토수구는 접촉 모듈의 하강유로와 유체 연통되어 있다. 특정 구체에에 따르면, 각각의 수용 팬은 1 이상의 덕트를 가지며, 하나의 수용 팬의 각각의 덕트는 하단의 개별 하강유로에 대한 유체 연통을 제공한다. 다른 특정 구체예에서, 접촉 모듈은 장치 내 바로 하단의 접촉 모듈에 대해 비평행 정렬되어 있다. 대안적으로 또는 함께, 트로프는 하강유로에 대하여 비평행 정렬되어 있다.

상기 기재된 구체예 중 임의의 것에서, 액체 분배 시스템 트로프(들)의 출구 토수구는 접촉 모듈의 하강유로에의 액체 분배를 위해 정렬된다. 출구 토수구의 수는 따라서 일반적으로 트로프가 유체 연통된(즉, 트로프가 유체를 분배하는) 하강유로의 수와 적어도 동일할 것이다. 그러나, 종종 복수의 토수구를 트로프로부터 하강유로에의 분배에 대한 각각의 수직 정렬된 영역에서 사용한다. 출구 토수구는 경사질 수 있거나, 또는 임의의 적절한 단면 형상, 예컨대 원형, 직사각형(예컨대 정사각형), 타원형 또는 다각형을 가질 수 있다. 상이한 형상의 조합이 가능하다. 출구 토수구는 일반적으로 트로프의 바닥에, 예컨대 바닥 표면 또는 면에 위치하지만, 이는 트로프의 한쪽에 또는 반대 쪽에 위치할 수도 있으며, 토수구에서 나가는 액체가 바로 하위 단에서 접촉 모듈의 하강유로에 진입하도록 하는 구성이 주로 고려된다.

유리하게는, 대표적인 분배 시스템의 트로프의 수는 분배 시스템이 공급하는 접촉단의 하강유로의 수 미만일 수 있다. 대표적인 구체예에서, 예컨대 트로프 및 이들 트로프와 유체 연통된 하강유로의 수는 각각 2 내지 4 개이다. 장치 내 인접 접촉단과 마찬가지로, 액체 분배 시스템의 트로프(들)는 바람직하게는 트로프가 유체 분배를 위해 정렬된 바로 하단의 하강유로에 대해 회전된다. 통상적으로, 예컨대 트로프는 직교하여 연장되도록 회전되는데, 이는 트로프가 하강유로에 대하여 90°(예컨내 80 내지 100°)의 각으로 회전됨을 의미한다. 예비 분배 배관을 보통 트로프 또는 더욱 통상적으로 복수의 트로프로 가는 (예컨대 외부 입구로부터 증기-액체 접촉 장치로 가는) 액체 공급물 스트림과 같은 유체의 분배에 사용한다.

액체 취급 용량을 증가시키거나 또는 흐름 관리를 개선하기 위해, 확장된 슈트(expanded chute) 또는 다른 흐름 유도 부재(flow directing element)를 사용하여 트로프의 출구 토수구로부터 트로프의 출구 토수구 아래의 접촉단의 접촉 모듈의 하강유로로 액체를 안내할 수 있다. 일구체예에 따르면, 각각의 트로프는 확장된 슈트 또는 다른 흐름 유도 부재와 일체형일 수 있다[예컨대 트로프(들)를 하나의 조각으로 형성시킬 수 있거나, 또는 용접하거나, 죄거나(bolting), 묶거나, 또는 (예컨대 밀봉 방식으로) 확장된 슈트에 고정하거나 고착할 수 있음]. 대안적인 구체예에 따르면, 트로프는 물리적으로 부착되지 않고 하나 또는 복수의 확장된 슈트 또는 도관과 액체 연통될 수 있거나 또는 이를 공급할 수 있다. 예컨대 트로프의 출구 토수구 또는 복수의 출구 토수구는 (예컨대 트로프가 확장된 슈트 입구 내부에 출구 토수구를 구비할 경우, 슈트 상부로부터 또는 슈트 내부로부터) 거기로 액체를 분배하기 위해 1 이상의 확장된 슈트 또는 도관 가까이에 있을 수 있다. 예컨대 밀봉 방식으로 확장된 슈트 또는 다른 흐름 유도 부재에 트로프를 부착하는 것은 장치 내 상향 상승 증기에 의한 트로프에서 나오는 액체의 혼입을 방지한다. 그러나, 일부 경우, 트로프(들)의 출구 토수구와 액체 도관으로 흐름을 이동시키는 부재 사이의 공간이 탈기 목적을 위해 요망된다.

일부 구체예에 따른 액체 분배 시스템은 증기-액체 접촉 장치 내 접촉단 모두 위에, 예컨대 (i) 병류 유동 채널을 한정하는 모듈을 포함하는 고용량, 고효율 접촉단 모두, (ii) 종래의(예컨대 트레이) 접촉단 모두, 또는 (iii) 이러한 유형의 단 양쪽 모두 위에 위치할 수 있다. 그러나, 다른 구체예에서, 액체 분배 시스템은 증기-액체 접촉 장치 내 중간 위치 또는 높이에, 예컨대 상위 접촉단 아래에 위치할 수 있다. 대표적인 구체예에서, 액체 분배 시스템이 임의로 예비 분배 배관을 통해 증기-액체 접촉 장치 내 중앙 구역에 대한 외부 공급물 입구와 유체 연통되어 있을 경우, 상위 접촉단은 공급물 입구 및 액체 분배 시스템 모두의 상부에 또는 그 위에 있을 수 있으며, 액체가 분배되는 접촉단은 공급물 입구 및 액체 분배 시스템 모두의 하부에 또는 그 아래에 있을 수 있다. 이 경우, 액체 분배 시스템 위 또는 상부의 접촉단은 액체 분배 시스템이 액체를 분배하는 접촉단에서 접촉 모듈의 하강유로를 직접 공급하는(즉, 이 하강유로와 액체 연통된) 덕트를 가질 수 있다. 그렇지 않으면, 이 상위 접촉단은 액체 분배 시스템의 트로프(들)와 유체 연통된 덕트를 가질 수 있다.

위 접촉단이 바로 하위 접촉단 또는 액체 분배 시스템의 하강유로를 직접 공급하는지의 여부에 관계 없이, 상위 접촉단의 덕트의 수는 종종 상위 접촉단과 하위 접촉단 사이의 액체 분배 시스템을 수용하기 위해 감소될 것이다. 따라서, 하위 접촉단은 장치의 대부분의 또는 모든 다른 접촉단에서 사용되는 덕트의 수에 대표적인 덕트의 수를 가질 수 있는 반면(예컨대 상부 단부는 이 접촉단의 수용 팬과 연통함), 상위 접촉단의 덕트의 수는 종종 이 대표적인 수 미만일 것이다. 액체 분배 시스템이 장치 내 중간 위치, 수준 또는 단에 대한 외부 액체 공급물 입구와 연통하는 다른 구체예에서, 액체 분배 시스템의 연장된 트로프는 예컨대 공급물 입구로부터 바로 하위 접촉단으로 액체를 수집 및 분배하기 위한 굴뚝 트레이의 형태를 취하면서 상부 주변에서 개구될 수 있다.

다른 구체예에 따르면, 상기 논의된 바의 액체 분배 시스템 및 접촉단을 포함하는 장치는 추가로 바닥의 하위 접촉단을 포함할 것이다. 종종, 이 바닥 접촉단은 상기 논의된 상위 접촉단과 같이 다른 접촉단에 사용되는 대표적인 수 미만인 덕트의 수를 가질 것이다. 감소된 수의 덕트는 예컨대 이 접촉단의 덕트가 장치에 대한 바닥 증기 공급물 입구 아래로 연장되도록 하기 위한 바닥 접촉단의 설치를 용이하게 할 수 있다.

상기 논의된 바의 대표적인 접촉단은 적어도 모듈(예컨대 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9 또는 10 개의 모듈)을 포함하며, 각각은 2개의 디미스터와 관련된 하강유로를 구비한다. 대표적인 접촉단은 수용 팬과 평행하게 교대로 배열된 모듈을 구비하며, 여기서 단 내 수용 팬의 수는 일반적으로 각각의 단의 양쪽 단부에 말단 수용 팬이 배치되어 있기 때문에 하강유로의 수를 1만큼 초과하지 않을 것이다.

본 발명의 추가의 구체예는 상기 기재한 바와 같은 액체 분배 시스템, 및 병류 유동 채널을 한정하는 접촉 모듈을 구비하는 접촉단 모두를 포함하는 장치에서 스트림을 병류 유동 채널에 통과시키는 것을 포함하는 증기 및 액체 스트림의 접촉 방법에 관한 것이다.

본 발명에 관한 이들 및 다른 구체예는 하기 상세한 설명으로부터 명백해진다.

도 1은 접촉 모듈을 구비하는 접촉단을 포함하는 대표적인 장치의 단면 개략도이다.
도 2는 대표적인 개별 접촉 모듈의 단면 개략도이다.
도 3 내지 5는 모든 접촉단 위에 위치하고 또한 상위 접촉단 아래에 위치하는 액체 분배 시스템을 포함하는 대표적인 장치의 단면 개략도이다. 상위 접촉단 아래에 위치하는 분배 시스템은 상이한 흐름 구성을 갖는다. 덕트의 수가 감소된 바닥 접촉단도 도시된다.
도 6은 하단의 접촉 모듈의 하강유로와 유체 연통된 트로프를 구비하는 대표적인 액체 분배 시스템의 평면도이다.
도 7은 병류 유동 채널을 한정하는 하단의 접촉 모듈의 하강유로로 액체를 이동시키는 확장된 슈트를 포함하는 트로프를 구비하는 액체 분배 시스템을 도시한다.
도 8 내지 11은 액체 분배 시스템을 수용하기 위한 다양한 양의 덕트를 구비하는 접촉단의 평면도이다.
도면 전체에서 동일 또는 유사한 특징부를 도시하는 데에 동일한 참조 부호를 사용하였다. 도면은 본 발명의 예시 및/또는 수반되는 원리를 이해하기 위한 것이다. 본 개시의 지식을 가진 당업자에게는 용이하게 명백한 바와 같이, 본 발명의 다양한 다른 구체예에 따른 기구, 접촉 모듈 또는 액체 분배 시스템은 부분적으로 이의 특정 용도에 따라 결정되는 구성 및 부품을 가질 것이다.

상세한 설명

도 1은 용기(10) 내에 단을 포함하는 고효율, 고용량 증기-액체 접촉 장치를 도시한다. 용기(10)는 통상적으로 원주형 단면을 갖는 외부 쉘(11)을 포함한다. 용기(10)는 예컨대 증류 컬럼, 흡수기, 직접 접촉 열 교환기 또는 증기-액체 접촉의 수행에 사용되는 다른 용기일 수 있다. 용기(10)는 상위 접촉단(12), 중간 접촉단(13) 및 하위 접촉단(14)을 포함하는 접촉단을 포함하며, 이에 의해 인접 접촉단은 서로 비평행, 특히 직교 관계로 정렬된다. 분별 또는 증류 컬럼은 통상적으로 10 내지 250 개 이상의 이러한 접촉단을 포함한다. 이들 단의 접촉 모듈(20)의 설계는 실질적으로 컬럼 전체에서 균일할 수 있지만, 이는 또한 예컨대 컬럼의 상이한 부분에서의 유체 유속의 변화에 적응하기 위해 달라질 수 있다. 간단히, 단 3개의 접촉단을 도 1에 도시한다.

증류 컬럼과 같은 장치는 몇 개의 섹션을 포함할 수 있으며, 각각의 섹션은 다수의 접촉단을 가짐을 이해할 것이다. 또한, 섹션 사이에 및/또는 섹션 내에 복수의 유체 공급물 도입 및/또는 유체 생성물 토출(withdrawal)이 있을 수 있다. 증류에 사용되는 종래의 접촉 장치(예컨대 트레이 및/또는 패킹)를 본 명세서에 기재된 접촉단을 갖는 섹션과 같은 장치의 상이한 및/또는 동일한 섹션(예컨대 상부 및/또는 하부)에서 양립시킬 수 있다.

도 1의 구체예에 따르면, 접촉단(13)의 바로 상단(12) 및 바로 하단(14)에 대해 접촉단(13)을 90° 회전하는 것이 바로 인접한 단에 직교하는 방향으로의 액체 분배를 가능하게 하여 액체 불균일 분배를 감소시킨다. 다른 구체예에서, 수직으로 인접한 접촉단은 단마다 동일할 수 있거나 다를 수 있는 상이한 정도의 회전으로 배향될 수 있다. 각각의 접촉단(12, 13, 14)은 복수의 접촉 모듈(20) 및 수용 팬(26)을 포함한다.

도 2에 도시된 바와 같이, 접촉 모듈(20)은 한 쌍의 증기-액체 분리기 또는 디미스터(24) 사이에 위치한 액체 분배기 또는 하강유로(22)를 포함할 수 있다. 하강유로(22) 및 디미스터(24)는 함께 병류 유체 접촉 부피부 또는 병류 유동 채널(56)을 한정한다. 접촉 모듈(20) 외에, 각각의 단은 또한 복수의 수용 팬(26)을 포함하며, 각각의 수용 팬(26)은 복수의 덕트(28)를 갖는다. 하강유로(22)에 대한 입구(32)는 바로 상위 접촉단의 수용 팬의 덕트(28)와 맞물리도록 구성된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 디미스터(24)로부터 나오는 증기를 차단하고, 일반적으로 흘러 나오는 유체가 수용 팬(26) 위의 유체 전달 부피부(58) 내에서 서로를 방해하는 경향을 감소시키기 위해, 2개의 인접 접촉 모듈(20) 사이에 수직 배플(21)을 임의로 포함시킨다. 수직 배플(21)을 인접 접촉 모듈(20)의 디미스터 사이에 그리고 이에 실질적으로 평행하게 위치시킬 수 있다. 도 2에 따르면, 하강유로(22)는 상부에 입구(32)를, 그리고 하부에 1 이상의 출구 개구부를 갖는 출구(34)를 갖는다. 2개의 경사진 하강유로 벽(30)이 하향 방향으로 하강유로(22)를 점점 가늘어지게 한다. 출구(34) 가까이의 실질적으로 V자형인 하강유로(22)의 바닥은 도 2에 도시된 바와 같이 각지거나, 만곡되거나 또는 편평할 수 있다. 단계형 또는 경사형 및 단계형과 같은 다양한 상이한 형상의 하강유로를 갖는 대안적인 구체예가 가능하다. 추가의 구체예에서, 하강유로의 단면 형상은 직사각형(예컨대 정사각형)일 수 있거나, 또는 이는 만곡형, 비규칙형일 수 있거나, 또는 그렇지 않으면 액체를 거기에 전달하기 위한 기하학 및 소정의 병류 유동 채널을 한정하기 위해 구성될 수 있다. 도시된 바의 V자형 하강유로는 각각의 단(12)의 하부의 디미스터(24)와 하강유로 벽(30) 사이의 큰 접촉 부피부와, 확대된 덕트(28)를 수용하고 액체 취급능을 증가시키기 위한 상부의 큰 하강유로 입구(32)의 조합을 제공한다.

하강유로 출구(34)는 일반적으로 하강유로(22)의 바닥 가까이에 1 이상의 열로 배열된 복수의 홈, 천공 또는 다른 유형의 개구부를 갖는다. 하강유로 개구부는 하강유로의 벽(30) 및/또는 바닥에 위치할 수 있다. 작동시, 하강유로(22) 내 액체 높이(도시되지 않음)는 상승하는 증기가 출구(34)를 통해 하강유로에 진입하는 것을 방지하기 위한 씰(seal)을 제공한다. 하강유로 출구(34)의 개구부는 바람직하게는 하강유로(22)의 길이 방향을 따라 분포되며, 이는 액체가 하나의 하강유로로부터 아래쪽 하강유로로 직접 흐르는 것을 방지하도록 돕기 위해, 아래쪽 하강유로 위에 있는 하강유로(22)의 일부에서 개구부의 크기 또는 수가 변화하거나 개구부가 제거되도록 배열될 수 있다.

도 2에 따르면, 디미스터(24)의 열은 유닛 사이에서 씰을 형성하고 실질적으로 접합점을 통한 유체 누수를 방지하기 위해, 수(male) 및 암(female) 끝판(end plate)을 포함하는 복수의 개별 디미스터 유닛(40)으로부터 조립할 수 있다. 디미스터 열의 유닛을 접합하는 다른 방식은 볼트, 클립, 핀, 클램프 또는 밴드와 같은 적절한 패스너(fastener)의 사용을 포함한다. 수 및 암 탭 및 홈 조합과 같은 기전은 빠른 조립 및 해체의 장점을 제공할 수 있다. 용접도 가능하다. 디미스터(24)의 모듈 구성은 제작자로 하여금 다양한 길이의 디미스터 열(24)로 조립하려는 하나의 또는 적은 수의 표준 크기로의 디미스터 유닛을 제조 가능하게 한다. 특히 짧은 디미스터 열(24)에, 또는 장치의 치수 및 다양한 이용 가능한 표준 크기 디미스터 유닛에 따라 하강유로(22)의 길이를 맞추기 위해, 몇몇 맞춤 크기의 디미스터 유닛이 요구될 수 있다. 디미스터 유닛은 단일 유닛으로 형성된 디미스터의 전체 열보다 가볍기 때문에, 모듈 설계는 접촉 모듈(20)의 조립을 용이하게 하는 추가의 이점을 갖는다. 그러나, 일부 구체예에 따르면, 단일 디미스터 유닛은 또한 완전한 디미스터(24)일 수 있다.

디미스터(24)는 증기 스트림으로부터 액적을 탈혼입(de-entrainment)하는 데에 사용된다. 일례는, 디미스터를 통과하는 유체 스트림이 수 회의 방향 변화를 거쳐, 혼입된 액적이 분리 구조의 일부 및 디미스터의 바닥으로 하향하는 흐름에 영향을 미치도록 하는, 다양한 채널 및 루버(louver)을 갖는 바람개비형 디미스터와 같은 연무(mist) 제거기이다. 디미스터(또는 증기-액체 분리 장치)를 위한 분리 구조의 예는 메쉬 패드(mesh pad) 또는 직물사(woven thread)이다. 이들 구조의 조합도 사용할 수 있다. 디미스터 유닛(40) 내 분리 구조의 설계에 있어서 다수의 변경이 가능하며, 유동하는 증기 스트림으로부터 혼입된 액체를 분리하는 데 있어서 이들 구조의 유효성이 중요한 고려 사항이다. 이 유효성은 액적이 고체 표면에 영향을 미치게 하는 유체 흐름의 차단의 수와 상호 관련되어 있는 것으로 생각된다. 다수의 막힌 단부를 갖는 구조가 액체 분리의 촉진을 초래하면서 비교적 정지된 구역을 형성할 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전체적인 장치의 성능 및/또는 구조 건전성을 추가로 개선하기 위해, 다양한 임의의 부재가 디미스터(24)와 협동하거나 및/또는 이에 삽입될 수 있다. 예컨대, 입구 표면으로서의 천공된 입구 플레이트(42), 출구 표면으로서의 천공된 출구 플레이트(44), 및 구멍 없는 최상부 플레이트(45)가 도시되어 있다. 천공된 플레이트는 디미스터(24)와 협동할 수 있는 유량 조작기(flow manipulator)의 하나의 유형이다. 디미스터(24)에 대한 유량 조작기의 다른 비제한적인 예는 팽창 금속, 다공성 고체, 메쉬 패드, 스크린, 격자, 메쉬, 프로필 와이어 스크린 및 하니컴(honeycomb)을 포함한다. 유량 조작기의 분별 개구 영역이 디미스터(24)의 분리 효율 및 압력 강하 모두에 영향을 미침이 밝혀졌다. 유량 조작기의 분별 개구 영역은 디미스터(24)의 분리 효율 및 압력 강하를 최대화하기 위해 디미스터의 상이한 측 및 동일한 측에서 달라질 수 있다. 다양한 유형의 유량 조작기를 단일 디미스터에 사용할 수 있다. 다른 구체예에서, 유량 조작기를 디미스터의 입구 및 출구 표면 중 일부 또는 어느 하나에 사용하지 않는다.

입구 표면(42)의 천공된 입구 플레이트 또는 다른 유량 조작기는 하강유로(22) 가까이에 있다. 천공된 출구 플레이트(44)는 또한 천공된 입구 표면(42) 반대편의 디미스터 측 대부분에 그리고 디미스터 유닛(40)의 바닥을 따라 연장된다. 구멍 없는 최상부 플레이트(45)는 액체가 최상부로부터 직접 디미스터 유닛(40)에서 나오는 것을 방지하고, 증기-액체 분리 효율을 증가시킨다. 구멍 없는 최상부 플레이트(45)는 양측에 구부러진 스트립을 갖는데, 하나는 벽에 부착하기 위한 것으로 하강유로 벽(30) 다음에 오고, 나머지는 천공된 출구 플레이트(44)와 연결하기 위한 것으로 디미스터(40)의 천공된 출구 플레이트(44) 다음에 온다. 천공된 출구 플레이트(44)의 최상부로부터 소정 거리 아래로 연장되는 구멍 없는 스트립은 또한 증기-액체 분리 효율을 개선하는 것으로 밝혀졌다. 스트립은 통상적으로 디미스터 출구의 높이의 5 내지 30%, 일반적으로 10 내지 20%를 커버하도록 연장된다.

하강유로(22)의 개구부 중 1 이상이 하강유로(22) 내 액체 높이(25)에 의해 완전히 밀봉되지 않을 때, 증기는 상단으로부터의 또는 하강유로 출구(34)를 통한 액체 흐름을 갖는 하강유로(22)에 진입할 수 있다. 하강유로(22) 내 증기가 이의 입구(32)로부터 적절히 배기(venting)되지 않을 경우, 이는 덕트(28) 쪽으로 떠밀릴 것이고, 이것이 덕트를 통한 액체 흐름을 막아서 장치의 이른 범람 및 심한 혼입을 초래할 수 있다. 따라서, 덕트(28)와 하강유로(22) 사이의 공극 또는 덕트(28) 사이의 하강유로(22)의 최상부의 개구부를 통해 하강유로(22) 내 증기를 배기하는 것이 일반적으로 유리하다. 덕트(28)의 바닥은 액체가 하강유로(22)로 유동하도록 1 이상의 개구부, 예컨대 복수의 구멍 또는 하나의 연속 홈 또는 단일의 더 큰 개구부로 개구된다. 정상적인 작동 조건 하에서, 덕트(28)는 덕트(28) 내 액체에 의해 동적으로 또는 하강유로(22) 내 액체에 의해 정적으로 증기 흐름에 대해 밀봉된다.

디미스터(24)의 입구 표면(42)과 하강유로(22)의 인접 벽(30) 사이의 부피부는 도 2에 도시된 바와 같이 유체 접촉 부피부 또는 병류 유동 채널(56)을 형성한다. 증기 및 액체의 병류 흐름이 병류 유동 채널(56)에서 접촉한 후, 증기 및 액체가 분리되기 전에 디미스터 유닛(40) 내 유체 접촉이 계속된다. 디미스터(24)의 입구 표면(42)에 있는 천공된 플레이트 또는 다른 유량 조작기는 디미스터(24)를 통한 유체 흐름 분배를 개선하고, 증기-액체 분리를 개선한다. 입구 표면(42)에 있는 유량 조작기는 또한 유체 접촉 및 물질 전달을 개선할 수 있다. 수용 팬(26) 위 및 이것이 지지하는 디미스터 열(24) 사이의 부피부는 유체 전달 부피부(58)를 한정한다. 디미스터(24)의 열은 도 2에 도시된 바와 같이 수직선으로부터 각을 갖고 배향되어, (이 부피부 내 감소하는 증기 흐름에 맞추기 위해) 바닥에서 최상부로 갈수록 부피가 감소하는 병류 유동 채널(56), 및 (이 부피부 내 증가하는 증기 흐름에 맞추기 위해) 바닥에서 최상부로 갈수록 부피가 증가하는 유체 전달 부피부(58)의 개선된 기하학을 제공할 수 있다.

중간 단(12)의 접촉 모듈(20)을 통한 유체 흐름은 상단의 덕트(28)와 협동하여 이 상단의 몇 개의 수용 팬(26)에 의해 하강유로(22)로 이동되는 상단으로부터의 액체 흐름을 포함한다. 하강류로(22) 내 액체 높이(25)를 형성하는 액체는 출구(34)를 통해 하강유로(22)에서 나가서, 병류 유동 채널(56)에 진입한다. 병류 유동 채널(56) 내 상향 증기 속도는 진입하는 액체를 혼입하기에 충분하다. 디미스터 유닛(40)의 입구 표면(42)으로 증기를 상승시켜 혼입된 액체를 위로 운반한다. 증기 및 액체는 디미스터 유닛(40) 내에서 상기 논의된 바와 같이 구조를 분리함으로써 분리되어, 분리된 증기가 디미스터 유닛(40)에서 나가서 대개 출구 표면(44)을 통해 유체 전달 부피부(58)로 간다. 분리된 증기는 그 다음 상위 접촉단(12)의 병류 유동 채널(56)로 상향 이동을 계속한다. 분리된 액체는 출구 표면(44)의 바닥 부분을 통해 디미스터 유닛(40)에서 나가서, 수용 팬(26) 위로 흐른다. 그 다음, 수용 팬(26)은 분리된 액체를 복수의 덕트(28)로 이동시키며, 소정 수용 팬의 덕트(28) 각각은 액체를 상이한 아래쪽 하강유로(22)로 이동시킨다.

다른 구체예에 따르면, 천공된 입구 플레이트(42) 대신에, 메쉬 패드와 같은 다공성 블랭킷 층을 이용하여 디미스터 유닛(40)에 대한 입구를 커버할 수 있다. 이 다공성 블랭킹의 사용은 특히 더 높은 증기 속도로의 작동 동안 증기-액체 분리를 개선하는 것으로 밝혀졌다. 다공성 블랭킷은 액적 탈혼입에 사용되는 종래의 메쉬 재료의 것, 또는 소위 "연무 제거기"일 수 있다. 이는 통상적으로 표면적이 크고 압력 강하가 낮은 블랭킷을 형성하는, 매우 느슨한 직물 가닥을 포함할 것이다. 메쉬 블랭킷은 미세 방울 응집, 및 분리기에의 액체 분배를 위한 것이다. 대안적인 구성은 디미스터 유닛(40) 내부의 분리 구조에 오목 자국의 메쉬를 장착하는 것을 수반한다.

각각의 단의 하강유로 및 수용 팬은 용접 또는 다른 종래의 수단에 의해 용기 벽 또는 외부 쉘의 내면에 고착된 지지 고리에 의해 지지될 수 있다. 하강유로 및 이의 관련된 수용 팬은 이를 작동 동안 소정 위치 또는 컬럼 높이에 유지시키고 소정 접촉 영역 외부로 단을 가로지르는 유체 누출을 방지하기 위해, 지지 고리에 죄거나, 클래핑(clamping)하거나 또는 고정시킬 수 있다. 2개의 접촉 모듈 사이에 위치하는 수용 팬 및 모듈과 용기 쉘 또는 외부 벽 사이에 위치하는 것들을 각각 중앙 및 말단 수용 팬으로 지칭한다. 따라서, 중앙 수용 팬은 2개의 인접 접촉 모듈이 공유한다. 다른 구체예에서, 한 쌍의 수용 팬을 각각의 접촉 모듈에 삽입한다. 이러한 모듈은 단을 가로질러 실질적으로 평행한 정렬로 배열될 경우, 각각의 쌍의 인접 하강유로 사이에 2개의 수용 팬이 있도록 모듈이 인접한다.

따라서, 각각의 접촉단은 일반적으로 수용 팬, 덕트 및 하강유로의 배열을 가짐을 이해할 것이며, 수용 팬은 장치 또는 용기의 단면 영역을 가로질러 이격되고 소정 단 위에 실질적으로 평행하게 배열된다. 접촉 모듈의 하강유로는 동일한 접촉단의 인접 수용 팬의 각각의 쌍 사이에 위치하여, 수용 팬 및 접촉 모듈의 교호 패턴을 형성한다. 이들 접촉 모듈의 디미스터는 일반적으로 어느 한쪽 위에 열을 지어 실질적으로 하강유로의 길이 방향으로 구동한다. 복수의 덕트가 하단의 하강유로 입구로 하나의 단의 수용 팬을 통해 연장되며, 특정 수용 팬을 통해 연장되는 덕트 각각은 상이한 아래쪽 하강유로로 액체를 이동시킨다. 덕트의 최상부는 보통 수용 팬의 수평 표면과 동일 평면에 있어, 임의의 차단 없이 액체가 수용 팬으로부터 덕트로 자유롭게 유동할 수 있다. 다른 구체예에서, 덕트가 개구부를 통해 맞춰질 경우, 덕트는 수용 팬의 수평 표면에 받쳐지는 립(lip)을 가짐으로써 수용 팬으로부터 걸릴 수 있다. 덕트는 또한 수용 팬의 아래쪽 표면에 장착될 수 있다.

본 발명의 측면은 예컨대 장치 외부의 입구부로부터 임의의 특정 단의 하강유로에의 액체의 분배를 최적화하기 위한 시스템에 관한 것이다. 특정 해당 단은 예컨대 증류 컬럼의 위쪽 응축기로부터 액체가 분배되어야 하는 최상단을 포함한다. 또한, 증기-액체 접촉 장치로 가는 액체 공급물은 종종 중간 단 위에 도입되며, 효과적으로 분배되어야 한다. 소정 단의 하강유로 뿐 아니라 이의 관련된 병류 유동 채널 및 디미스터는 보통 장치의 단면에 걸쳐 길이가 다르기 때문에, 이들 하강유로에 분배되는 액체의 양도 달라야 한다.

특히, (1) 접촉 모듈의 소정 하강유로에 의해 수용된 액체의 양은 그 하강유로와 관련된 디미스터의 총 길이에 비례하고, 또한 (2) 하강유로의 각각의 측으로부터 분배되는 액체는 그 측 위의 디미스터의 길이에 비례하는 것이 바람직하다. 이들 요건은, 임의로 장치 외부의 액체 공급원으로부터 트로프(들)로의 예비 분배 배관을 구비하는 1 이상의 연장된 트로프를 복수의 출구 토수구로부터 하강유로로 액체를 분배하는 데에 사용하는 액체 분배 시스템을 이용하여 실질적으로 또는 완전히 달성될 수 있다. 상기 요건 (1) 및 (2)는 트로프가 특정 하강유로 및 하강유로의 측면과 연통하는 위치에서 트로프의 출구 토수구(또는 액체 출구) 면적을 변경하여 충족시킬 수 있다.

도 6은 증기-액체 접촉 장치의 외부 쉘(11)에 의해 한정된 단면의 실질적 일부를 가로질러 수평으로 연장되는 2개의 트로프(62)를 구비하는 대표적인 액체 분배 시스템(60)을 도시한다. 2개의 연장된 트로프 각각은 장치의 외부 입구(66)로부터 트로프(62) 하부 또는 아래의 4개의 하강유로(22) 각각에 예컨대 액체 공급물 스트림으로부터의 액체의 소정 부분을 전달하기 위한 복수의 출구 토수구(64)를 구비한다. 액체 분배 시스템(60)이 장치의 접촉단 모두 위에 위치하도록, 예컨대 하강유로(22)는 용기의 최상부 또는 가장 상위 접촉단의 것일 수 있다. 액체 분배 시스템(60)은 또한 2개 트로프의 액체 분배 시스템의 각각의 트로프(62)와 연통하는 "H형" 파이프 분배기로서 도시된 이 경우에서 관련된 분배 배관을 구비한다. 대형 증기-액체 접촉 장치(예컨대 증류 컬럼)의 경우, 하강유로(22) 내부의 액체 이동 거리를 최소화하고 액체 분배를 추가로 개선하기 위해, 2개를 초과하는 트로프를 포함하는 추가의 트로프 분배의 수평 층이 도 6에 도시된 2개 트로프의 액체 분배 시스템 아래에 포함될 수 있다. 도 6에 도시된 바와 같이, 트로프(62)는 하강유로(22)에 대해 직교하여 또는 수직으로 연장되어, 각각의 트로프(62)가 출구 토수구(64)를 통해 하부 하강유로(22) 모두와 개별적으로 유체 연통된다.

따라서, 트로프(62)의 바닥 또는 그 가까이에 있는 출구 토수구(64)는 하강유로(22)와 교차하거나 또는 이와 수직 정렬된 영역으로 개구되어 있다. 필요할 경우, 예컨대 교차 또는 수직 정렬된 면적이 트로프로부터 하강유로(또는 하강유로의 특정 부분)로 분배되는 액체의 특정 유속에 불충분할 경우, 트로프(62)의 토수구(64)로부터 하강유로(22)로 액체를 이동시키기 위해 도 7에 도시된 바의 슈트(70)와 같은 흐름 유도 부재를 이용하거나 또는 트로프의 폭을 증가시켜 이 수직 정렬된 분배 또는 전달 면적을 증가시킬 수 있다. 일반적으로, 트로프(62)의 바닥과 트로프가 액체를 공급 또는 분배하는(즉, 트로프가 액체 연통하는) 하강유로(22)의 최상부 사이의 공극 또는 공차를 최소화하는 것이 바람직하다. 예컨대, 트로프(62)의 바닥과 이의 관련 하강유로(22)의 최상부 사이의 통상적인 틈은 15 ㎝(6 인치) 미만이며, 종종 1㎝(0.4 인치) 내지 10 ㎝(4 인치) 범위이다. 도 7에 도시된 바와 같이, 병류 유동 채널(56) 또는 증기-액체 접촉 영역은 하강유로(22)의 각각의 측면 위에 있다.

도 8은 액체를 하부 단(lower stage) 또는 하단의 4개의 하강유로(22b)로 운반하는 상부 단(upper stage) 또는 상단의 4개의 접촉 모듈과 관련된 4개의 하강유로(22a)를 포함하는 대표적인 접촉단의 평면도를 도시한다. [예컨대 (미도시된) 수용 팬으로부터 연장되는] 총 16개의 덕트(28a)가 하단으로 이 액체를 전달하는 데에 사용됨을 예시하기 위해 상부 단의 특징부의 일부를 뺐다. 다수의 하강유로 및 접촉 모듈을 포함하는 단에 대해, 효과적인 액체 전달을 위해 일반적으로 더 많은 덕트가 필요하다.

도 3은 장치의 최상부(모든 접촉단 위)에 위치하고 또한 액체 공급물 입구(66)의 위쪽에 있는 접촉단(12) 아래에 위치한 액체 분배 시스템(60a, 60b)을 구비하는 대표적인 증기-액체 접촉 장치(10)를 도시하며, 공급물 입구는 이번에는 중간 접촉단(13) 위에 있다. 따라서, 2개의 분배 시스템(60b)의 하부는 중간 액체 공급물 분배기(또는 중간 액체 공급물 분배 시스템)로서 작용한다. 이 분배 시스템(60b)을 수용하기 위해, 상단(12)과 중간 단(13) 사이의 공간은 다른 수직 인접 접촉단에 사용되는 것에 비해 증가한다. 접촉단(12)과 접촉단(13) 사이의 공간의 증가에도 불구하고, 상단(12)으로부터 나오는 액체는 그럼에도 정상적인 방식으로 접촉단(13)의 하강유로와 유체 연통되어 있는 이 단으로부터의 덕트를 통해 전달된다. 상단(12) 아래의 액체 분배 시스템(60b)은 상기 논의된 바와 같이 연장된 트로프를 포함할 수 있다. 액체 공급물 입구와 유체 연통된 예비 분배 배관은 액체 공급물을 이번에는 접촉단(13)의 하강유로에 분배하는 출구 토수구를 구비하는 이들 연장된 트로프에 액체 공급물을 분배한다. 액체는 상단(12)으로부터 역시 접촉단(13)의 하강유로로 덕트에 의해 운반되며, 이 구체예에 따르면, 이 액체는 중간 액체 공급물 분배 시스템(60b)의 트로프(62)를 우회한다. 도 3의 상부 액체 분배 시스템(60a)은 또한 액체가 분배되는 하강유로에 대해 수직으로 연장된 상기 논의된 바의 트로프를 포함할 수 있다. 유리하게는, 이 비평행 정렬로 인해 사용되는 트로프의 수가 도 6에 도시된 바와 같이 하강유로의 수 미만이 된다.

도 8의 이전 설명에 관해, 정상 접촉단 위의 덕트 사이의 수평 공간은 한정될 수 있음이 명백하다. 따라서, 중간 공급물 분배기 위의 상위 접촉단(12)에 대하여, 증기-액체 접촉 장치 내 다른 단의 모든 다른 또는 유의적인 분획에 대표적인 덕트의 수를 가질 수 있는 접촉단(13)에 사용되는 것들에 비해 더 적은 수의 덕트를 사용할 수 있다. 중간 공급물 분배기에 대한 장치 내 공간을 유지하기 위해 더 적은 수의 덕트를 사용하는 것을 도 4에 도시하였는데, 여기서는 예컨대 이 장치에 대한 대표적인 수인 4열이 아닌 2열의 덕트를 사용한다. 이들 덕트(28)는 상단(12)으로부터 이 경우에는 중간 액체 공급물 분배 시스템(60b)의 트로프(62)로 액체를 전달한 후, 도 10의 중간 액체 공급물 분배 시스템의 트로프(62)의 평면도에 의해 예시될 수 있는 바와 같이, 접촉단(13)의 하강유로로 액체를 분배한다.

도 8의 평면도와 유사한 상단 및 하단의 하강유로(22a, 22b)의 구성을 도 9에 도시한다. 그러나, 도 9는 대표적인 구체예로 하위 접촉단에 더 적은 하강유로를 수용하기 위해 어떻게 단에서 덕트(28a)의 수를 감소시킬 수 있는지를 도시한다. 마찬가지로, 도 3 내지 5에 도시된 바와 같이, 감소된 수의 덕트를 이용하여 접촉단(12)으로부터 아래쪽 트로프(62)로, 또는 바닥 접촉단(15)으로부터 바닥 증기 입구(75) 아래로, 그리고 최종적으로 배수구(sump; 76)로 액체를 전달할 수 있다. 배수구로 안내하는 덕트(28)를 유동 액체에 의해 동적으로 또는 배수구 내 액체 수준에 의해 정적으로(수력으로) 이의 바닥에서 밀봉할 수 있다. 바닥 단으로부터 증기 입구(75) 아래로 덕트(28)로부터 나온 액체를 배출하는 것은 유리하게는 배출된 액체가 혼입되는 것을 방지한다. 또한, 바닥 단(15)으로부터의 감소된 수의 덕트(28)를 증기 입구(75) 또는 다른 구조물 주위에 이 단을 설치하는 것을 용이하게 하기 위해 전략적으로 위치시킬 수 있다. 예컨대 도 11은 용기 벽(11)의 원주 주위의 주변에 위치한 덕트(28)의 시스템을 도시한다.

도 5는 중간 액체 공급물 분배 시스템(60b)이 상부 주변에서 개구되고 이에 따라 중간 액체 공급물 뿐 아니라 액체를 상위 접촉단(12)으로부터 인접한 하위 접촉단(13)으로 분배하기 위한 굴뚝 트레이로서 작용하는 연장된 트로프(62)를 갖는다. 도 5는 또한 바닥 단(15)으로부터 연장되며 바닥 단(15)으로부터 배수구로 액체를 이동시키는 도관(28)의 바닥에 부착된 추가의 씰(seal) 팬(71)을 도시한다.

전반적으로, 본 발명의 측면은 증기-액체 접촉을 수행하기 위한 접촉 모듈에서의, 특히 액체 및 증기 흐름이 큰 조건 하에서의 고용량, 고효율의 접촉에 사용되는 병류 접촉 모듈에서의 액체 분배 시스템의 용도에 관한 것이다. 당업자는 본 명세서에 기재된 장비 및 관련 방법의 이점, 및 다른 용도에서의 이의 적합성을 인지할 것이다. 본 개시의 관점에서, 다른 유리한 결과를 얻을 수 있음을 이해할 것이다. 본 개시로부터 얻은 지식을 가진 당업자는 본 개시의 범위를 벗어나지 않고 상기 장비 및 방법에 다양한 변화를 이룰 수 있음을 인지할 것이다. 이론적인 또는 관찰된 현상 또는 결과를 설명하기 위해 이용되는 기전은 예시적인 것으로만 해석되어야 하며, 어떠한 방식으로든 청구 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다.

Claims (10)

1. a) 복수의 출구 토수구(spout)를 구비하는 1 이상의 연장된 트로프(trough)를 포함하는 액체 분배 시스템; 및
   b) 2 이상의 접촉 모듈을 구비하는 접촉단
   을 포함하는 병류 증기-액체 접촉을 수행하기 위한 장치로서,
   상기 각각의 접촉 모듈은
   i) 1 이상의 병류 유동 채널(flow channel) 가까이에 출구를 갖는 1 이상의 하강유로(downcomer);
   ii) 상기 병류 유동 채널 가까이의 입구 표면 및 수용 팬(receiving pan) 위쪽의 출구 표면을 갖는 디미스터(demister); 및
   iii) 상기 수용 팬과 유체 연통된 상부 단부 및 하부 단부를 갖는 1 이상의 덕트(duct)
   를 포함하며,
   각각의 덕트의 상기 하부 단부는 하단(inferior stage)의 개별 하강유로와 유체 연통되어 있고;
   상기 출구 토수구는 상기 접촉 모듈의 상기 하강유로에의 액체 분배를 위해 정렬되며, 상기 분배 시스템의 트로프의 수는 상기 접촉단의 하강유로의 수 미만인 수행 장치.
2. 제1항에 있어서, 상기 접촉 모듈은 상기 장치 내 바로 하단의 접촉 모듈에 대해 회전되는 것인 수행 장치.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 트로프는 상기 하강유로에 대해 회전되는 것인 수행 장치.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 분배 시스템은 상기 트로프로 공급물 스트림을 분배하기 위한 예비 분배 배관(piping)을 더 포함하는 것인 수행 장치.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 출구 토수구는 상기 하강유로와 유체 연통된 확장된 슈트(expanded chute) 가까이에 있거나, 또는 상기 트로프는 상기 확장된 슈트와 일체형인 것인 수행 장치.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 액체 분배 시스템은 상기 장치 내 상위 접촉단의 아래에 위치하고, 상기 상위 접촉단은 상기 장치에 대한 공급물 입구의 위쪽에 있고, 상기 접촉단은 상기 공급물 입구의 아래쪽에 있는 것인 수행 장치.
7. 제6항에 있어서, 상기 상위 접촉단은 (i) 상기 접촉단의 상기 하강유로 또는 (ii) 상기 1 이상의 연장된 트로프와 유체 연통된 복수의 덕트를 포함하고, 상기 상위 접촉단의 덕트의 수는 상기 접촉단의 덕트의 수 미만인 것인 수행 장치.
8. 제1항에 있어서, 상기 접촉단의 아래쪽에 바닥 접촉단을 더 포함하고, 바닥 덕트의 수가 상기 접촉단의 덕트의 수 미만인 것인 수행 장치.
9. 장치에 대한 외부 유체 입구, 및 복수의 출구 토수구를 구비하는 1 이상의 연장된 트로프 양쪽과 연통된 예비 분배 배관을 포함하는 액체 분배 시스템을 포함하는, 병류 증기-액체 접촉을 수행하기 위한 장치로서, 상기 액체 분배 시스템은 2 이상의 접촉 모듈 및 복수의 수용 팬을 구비하는 접촉단의 위쪽에 있고, 상기 접촉 모듈 각각은
   a) 이격된 한 쌍의 실질적으로 평행한 디미스터; 및
   b) 상기 디미스터 사이에 위치하고 상기 디미스터의 입구 표면과 함께 한 쌍의 병류 유동 채널을 한정하는 하강유로(여기서, 상기 디미스터의 상기 입구 표면은 상기 병류 유동 채널과 유체 연통되어 있고, 상기 하강유로는 상기 병류 유동 채널과 유체 연통된 출구를 가지며, 상기 디미스터는 상기 복수의 수용 팬의 개별 수용 팬 위쪽에 출구 표면을 가짐)
   를 포함하며;
   상기 출구 토수구는 상기 접촉 모듈의 상기 하강유로와 유체 연통되어 있는 수행 장치.
10. 1 이상의 연장된 트로프에 대해 비평행 정렬된 복수의 하강유로에 분배하기 위해 정렬된 복수의 출구 토수구를 구비하는 1 이상의 연장된 트로프를 포함하는 액체 분배 시스템.

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