KR20170119186A - 분배기 및 이를 포함하는 하강류 촉매 반응기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 분배기 및 이를 포함하는 하강류 촉매 반응기에 관한 것으로, 본 발명의 일 측면에 따르면, 분산 트레이의 상부면에 고정되는 상부 하강관과, 상부 하강관에 장착된 캡 및 분산 트레이의 하부면에 고정되며, 상부 하강관과 유체 이동 가능하게 연결된 하부 하강관을 포함하며, 상기 하부 하강관은, 바닥면 및 바닥면과 분산 트레이를 연결하는 측면을 가지며, 상기 측면에는 둘레 방향을 따라 떨어져 위치한 복수 개의 개구부가 마련되고, 상기 개구부에는 하부 하강관의 중심을 향하여 연장된 유동 가이드가 마련된 분배기가 제공된다.

Description

분배기 및 이를 포함하는 하강류 촉매 반응기{Distributor and Down-flow catalytic reactor comprising the same}
본 발명은 분배기 및 이를 포함하는 하강류 촉매 반응기에 관한 것이다.
일반적으로 하강류 촉매 반응기는 기체(gas)-액체(liquid)의 혼합 공정을 수반한다. 이러한 공정에서, 액체상이 기체(gas) 또는 증기(vapor) 상과 혼합되고, 혼합물은 반응기 내의 고체 충전층(packed bed) 상을 통과하면서 반응이 일어난다. 상기 반응기에서는, 기체 및 액체 상이 고체 상의 촉매 충전 층과 접촉하기 이전에 적절히 혼합되고, 균일하게 분배되어야 한다.
도 1은 일반적인 하강류 촉매 반응기(10)를 나타내는 개념도이다.
상기 반응기(10)는 유입구(11)를 갖는 하우징(12)과 하우징(12) 내에 배치된 분산 트레이(20)와 상기 분산 트레이(20)에 마련된 복수 개의 분배기(30)를 포함한다. 또한, 상기 분산 트레이(20)는 액체 상이 통과할 수 있는 복수 개의 홀(hole)을 가질 수 있다.
또한, 분배기(30)는 침니(chimney)(또는 '하강관'이라고도 함)(31)와 상기 침니(31)를 둘러싸도록 마련되는 캡(cap)(32)을 포함한다. 상기 침니(31)는 상부를 통하여 기체 상이 들어갈 수 있는 중공부를 갖는 실린더형 구조를 갖는다.
도 2는 일반적인 분배기(40)를 나타내는 사시도이다.
도 2를 참조하면, 상기 분배기(40)는 분산 트레이(20)의 상부면(21, 도 1 참조)에 고정된 상부 하강관(41)과 분산 트레이(20)의 하부면(22)에 고정된 하부 하강관(42)과 상부 하강관(41)에 장착된 캡(43)을 포함한다.
또한, 상기 상부 하강관(41)과 상기 하부 하강관(42)은 유체 이동 가능하게 연결되며, 전술한 침니를 구성한다. 또한, 상부 하강관(41)은 그 상부면과 캡(43)의 사이 공간을 통해 기체 상이 유입될 수 있는 실린더형 구조물이고, 기체 상은 상부 하강관(41)에서 하부 하강관(42)으로 이동하게 된다. 상부 하강관(41)의 측면에는 액체 상이 유동할 수 있는 홀(45)이 마련된다. 유입구(11)를 통해 유입된 액체상은 분산 트레이(20)에 쌓이고 상부 하강관(41)의 홀(45)의 높이까지 도달하면, 상부 하강관(41)의 내부로 유입되고, 기체 상과 함께 촉매층으로 흐르게 된다.
이때, 분배기(30)를 통과한 후 기체-액체의 혼합 및 분배가 잘될수록 반응이 잘 일어나고, 촉매 사용 효율이 높아진다. 따라서, 상기 분배기(30)의 혼합 및 분배 성능은 하강류 촉매 반응기(10)에서 중요한 역할을 한다.
본 발명은 혼합 및 분배 효율이 높은 분배기 및 이를 포함하는 하강류 촉매 반응기를 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제로 한다.
상기한 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 분산 트레이의 상부면에 고정되는 상부 하강관과, 상부 하강관에 장착된 캡 및 분산 트레이의 하부면에 고정되며, 상부 하강관과 유체 이동 가능하게 연결된 하부 하강관을 포함하며, 상기 하부 하강관은, 바닥면 및 바닥면과 분산 트레이를 연결하는 측면을 가지며, 상기 측면에는 둘레 방향을 따라 떨어져 위치한 복수 개의 개구부가 마련되고, 상기 개구부에는 하부 하강관의 중심을 향하여 연장된 유동 가이드가 마련된 분배기가 제공된다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 유입구를 갖는 하우징과, 상기 하우징 내부에 배치된 분산 트레이 및 상기 분산 트레이에 장착되는 복수 개의 분배기를 포함하는 하강류 촉매 반응기가 제공된다. 또한, 각각의 분배기는, 상기 분산 트레이의 상부면에 고정되는 상부 하강관과 상부 하강관에 장착된 캡 및 분산 트레이의 하부면에 고정되며, 상부 하강관과 유체 이동 가능하게 연결된 하부 하강관을 포함한다. 또한, 상기 하부 하강관은, 바닥면 및 바닥면과 분산 트레이를 연결하는 측면을 가지며, 상기 측면에는 둘레 방향을 따라 떨어져 위치한 복수 개의 개구부가 마련되고, 상기 개구부에는 하부 하강관의 중심을 향하여 연장된 유동 가이드가 마련된다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 일 실시예와 관련된 분배기 및 이를 포함하는 하강류 촉매 반응기는, 높은 혼합 및 분배 효율을 갖는다.
도 1은 일반적인 하강류 촉매 반응기를 나타내는 개념도이다.
도 2는 일반적인 분배기를 나타내는 사시도이다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예와 관련된 분배기를 나타내는 사시도이다.
도 4는 도 3에 도시된 하부 하강관을 나타내는 사시도이다.
도 5는 도 4에 도시된 하부 하강관의 단면도이다.
도 6은 관통홀을 갖는 하부 하강관을 나타내는 사시도이다.
도 7은 도 3에 도시된 분배기를 이용한 시뮬레이션 결과이다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예와 관련된 분배기를 나타내는 사시도이다.
도 9는 도 8에 도시된 하부 하강관을 나타내는 사시도이다.
도 10은 도 8에 도시된 분배기를 이용한 시뮬레이션 결과이다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 분배기 및 이를 포함하는 하강류 촉매 반응기를 첨부된 도면을 참고하여 상세히 설명한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
도 3은 본 발명의 제1 실시예와 관련된 분배기를 나타내는 사시도이고, 도 4는 도 3에 도시된 하부 하강관을 나타내는 사시도이며, 도 5는 도 4에 도시된 하부 하강관의 단면도이다.
또한, 도 6은 관통홀을 갖는 하부 하강관을 나타내는 사시도이고, 도 7은 도 3에 도시된 분배기를 이용한 시뮬레이션 결과이다.
본 발명의 일 실시예와 관련된 하강류 촉매 반응기는 유입구(11, 도 1 참조)를 갖는 하우징(12, 도 1 참조)과 하우징(12) 내부에 배치된 분산 트레이(20) 및 상기 분산 트레이(20)에 장착되는 복수 개의 분배기(100)를 포함한다. 또한, 분산 트레이(20)는 복수 개의 유동홀(21)을 가질 수 있다.
도 3을 참조하면, 본 발명의 제1 실시예와 관련된 분배기(100)는 상기 분산 트레이(20)의 상부면(21)에 고정되는 상부 하강관(110)과 상기 상부 하강관(110)에 장착된 캡(130) 및 분산 트레이(20)의 하부면(22)에 고정되며, 상기 상부 하강관(110)과 유체 이동 가능하게 연결된 하부 하강관(120)을 포함한다. 또한, 상기 상부 하강관(110)은 분산 트레이(20) 상부면에 쌓이는 액체 상을 상부 하강관(110) 내부로 유입시키기 위한 복수 개의 홀(111)을 갖는다.
또한, 상부 하강관(110)은 제1 직경 및 제1 높이를 갖는다. 또한, 상부 하강관(110)은 중공의 실린더 형상을 갖는다. 또한, 상기 상부 하강관(110)의 유동공간은 상부 하강관(110)의 높이방향(도 4의 y축 방향)을 따라 양 단부가 각각 개방되도록 마련된다.
또한, 하부 하강관(120)은 제2 직경 및 제2 높이를 갖는다. 또한, 하부 하강관(120)은 중공의 실린더 형상을 갖는다. 또한, 상기 하부 하강관(120)의 유동공간은 상부 하강관(110) 측으로 개방되도록 마련된다.
여기서, 제2 높이는 제1 높이보다 작을 수 있고, 제1 직경과 제2 직경을 동일할 수 있다. 또한, 상부 하강관(110)과 하부 하강관(120)은 각각 중공의 실린더 형상을 가지며, 각각의 중심축이 동일 축 상에 위치하도록 배치될 수 있다.
도 4 및 도 5를 참조하면, 상기 하부 하강관(120)은, 바닥면(121) 및 바닥면(121)과 분산 트레이(20)를 연결하는 측면(122)을 갖는다. 또한, 상기 측면(122)에는 둘레 방향을 따라 떨어져 위치한 복수 개의 개구부(123)가 마련된다. 또한, 상기 개구부(123)에는 하부 하강관(120)의 중심(C)을 향하여 연장된 유동 가이드(124)가 마련된다.
또한, 유동 가이드(124)는 개구부(123)에 대하여 하부 하강관(120)의 중심(C)을 향하여 기울어지도록 마련될 수 있다. 또한, 상기 유동 가이드(124)는 상부 하강관(110)으로부터 하부 하강관(120)으로 유입된 유체(기체 상과 액체 상의 혼합)에 회전 운동을 부여하도록 마련될 수 있다. 또한, 상기 유동 가이드(124)는 적어도 일부영역이 곡면으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 유동 가이드(124)의 면적은 개구부(123)의 면적과 동일할 수 있다. 또한, 복수 개의 개구부(123)들의 면적의 합은 하부 하강관(120)의 바닥면(121)의 면적과 같거나 클 수 있다.
한편, 상기 개구부(123)는 높이 방향(y축 방향)에 따른 길이가 폭 방향(x축 방향)에 따른 길이보다 크게 형성될 수 있다. 이때, 상기 유동 가이드(124)는 개구부(123)의 장변 측과 연결될 수 있다.
도 6을 참조하면, 상기 하부 하강관(120)의 바닥면(121)에는 상기 개구부(123)의 면적보다 작은 면적을 갖는 관통홀(125)이 형성될 수 있다.
도 7의 (a)는 도 2에 도시된 분배기(40)를 이용한 시뮬레이션 결과이고, 도 7의 (b)는 도 3에 도시된 분배기(100)를 이용한 시뮬레이션 결과이다. 도 7은 분산 트레이(20) 통과 후, 액체 상의 흐름을 나타내며, 본 발명의 분배기(100)가 종래 분배기(40)에 비해 기체-액체의 분배 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한, Mf(Maldistribution Factor)값을 측정한 결과, 본 발명의 분배기(100)가 종래 분배기(40)에 비해 낮은 MF값을 갖는 것을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 제2 실시예와 관련된 분배기(200)를 나타내는 사시도이고, 도 9는 도 8에 도시된 하부 하강관(220)을 나타내는 사시도이며, 도 10은 도 8에 도시된 분배기(200)를 이용한 시뮬레이션 결과이다.
도 8을 참조하면, 분배기(200)는 상기 분산 트레이(20)의 상부면(21)에 고정되는 상부 하강관(110)과 상기 상부 하강관(110)에 장착된 캡(130) 및 분산 트레이(20)의 하부면(22)에 고정되며, 상기 상부 하강관(110)과 유체 이동 가능하게 연결된 하부 하강관(220)을 포함한다. 또한, 상기 상부 하강관(110)은 분산 트레이(20) 상부면에 쌓이는 액체 상을 상부 하강관(110) 내부로 유입시키기 위한 복수 개의 홀(111)을 갖는다. 제1 실시예의 분배기(100)와 제2 실시예의 분배기(200)는 하부 하강관(120, 220)의 개구부(123, 223)의 형상 및 유동 가이드(124, 224)의 장착 구조에서만 차이를 갖는다.
상기 하부 하강관(220)은, 바닥면(221) 및 바닥면(221)과 분산 트레이(20)를 연결하는 측면(222)을 갖는다. 또한, 상기 측면(222)에는 둘레 방향을 따라 떨어져 위치한 복수 개의 개구부(223)가 마련된다. 또한, 상기 개구부(223)에는 하부 하강관(220)의 중심을 향하여 연장된 유동 가이드(224)가 마련된다.
또한, 유동 가이드(224)는 개구부(223)에 대하여 하부 하강관(220)의 중심을 향하여 기울어지도록 마련될 수 있다. 또한, 상기 유동 가이드(224)는 상부 하강관(110)으로부터 하부 하강관(220)으로 유입된 유체(기체 상과 액체 상의 혼합)에 회전 운동을 부여하도록 마련될 수 있다. 또한, 상기 유동 가이드(224)는 적어도 일부영역이 곡면으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 유동 가이드(224)의 면적은 개구부(223)의 면적과 동일할 수 있다. 또한, 복수 개의 개구부(223)들의 면적의 합은 하부 하강관(220)의 바닥면(221)의 면적과 같거나 클 수 있다.
도 9를 참조하면, 개구부(224)는 높이 방향(y축 방향)에 따른 길이가 폭 방향(x축 방향)에 따른 길이보다 작게 형성될 수 있다. 이때, 상기 유동 가이드(225)는 개구부(224)의 장변 측과 연결될 수 있다.
도 10의 (a)는 도 2에 도시된 분배기(40)를 이용한 시뮬레이션 결과이고, 도 10의 (b)는 도 8에 도시된 분배기(200)를 이용한 시뮬레이션 결과이다. 도 10은 분산 트레이(20) 통과 후, 액체 상의 흐름을 나타내며, 본 발명의 분배기(200)가 종래 분배기(40)에 비해 기체-액체의 분배 성능이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 또한, Mf(Maldistribution Factor)값을 측정한 결과, 본 발명의 분배기(200)가 종래 분배기(40)에 비해 낮은 MF값을 갖는 것을 확인하였다.
위에서 설명된 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대한 통상의 지식을 가지는 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.
10: 하강류 촉매 반응기
11: 유입구
20: 분산 트레이
30, 100, 200: 분배기
31: 침니
32: 캡
110: 상부 하강관
120: 하부 하강관
130: 캡

Claims (19)

  1. 분산 트레이의 상부면에 고정되는 상부 하강관;
    상부 하강관에 장착된 캡; 및
    분산 트레이의 하부면에 고정되며, 상부 하강관과 유체 이동 가능하게 연결된 하부 하강관을 포함하며,
    상기 하부 하강관은, 바닥면 및 바닥면과 분산 트레이를 연결하는 측면을 가지며, 상기 측면에는 둘레 방향을 따라 떨어져 위치한 복수 개의 개구부가 마련되고, 상기 개구부에는 하부 하강관의 중심을 향하여 연장된 유동 가이드가 마련된 분배기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    유동 가이드는 개구부에 대하여 하부 하강관의 중심으로 향하여 기울어지도록 마련된 분배기
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 가이드는 상부 하강관으로부터 하부 하강관으로 유입된 유체에 회전 운동을 부여하도록 마련된 분배기
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 유동 가이드는 적어도 일부영역이 곡면으로 형성된 분배기.
  5. 제 1 항에 있어서,
    개구부는 높이 방향에 따른 길이가 폭 방향에 따른 길이보다 크게 형성된 분배기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 유동 가이드는 개구부의 장변 측과 연결되는 분배기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    개구부는 높이 방향에 따른 길이가 폭 방향에 따른 길이보다 작게 형성된 분배기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 유동 가이드는 개구부의 장변 측과 연결되는 분배기.
  9. 제 1 항에 있어서,
    복수 개의 개구부들의 면적의 합은 바닥면의 면적과 같거나 큰 분배기.
  10. 제 1 항에 있어서,
    하부 하강관의 바닥면에는 상기 개구부의 면적보다 작은 면적을 갖는 관통홀이 형성된 분배기.
  11. 제 1 항에 있어서,
    상부 하강관과 하부 하강관은 각각 중공의 실린더 형상을 가지며,
    각각의 중심축이 동일 축 상에 위치하도록 배치된 분배기.
  12. 유입구를 갖는 하우징;
    상기 하우징 내부에 배치된 분산 트레이; 및
    상기 분산 트레이에 장착되는 복수 개의 분배기를 포함하며,
    각각의 분배기는, 분산 트레이의 상부면에 고정되는 상부 하강관;
    상부 하강관에 장착된 캡; 및
    분산 트레이의 하부면에 고정되며, 상부 하강관과 유체 이동 가능하게 연결된 하부 하강관을 포함하고,
    상기 하부 하강관은, 바닥면 및 바닥면과 분산 트레이를 연결하는 측면을 가지며, 상기 측면에는 둘레 방향을 따라 떨어져 위치한 복수 개의 개구부가 마련되고, 상기 개구부에는 하부 하강관의 중심을 향하여 연장된 유동 가이드가 마련된 하강류 촉매 반응기.
  13. 제 12 항에 있어서,
    유동 가이드는 개구부에 대하여 하부 하강관의 중심으로 향하여 기울어지도록 마련된 하강류 촉매 반응기.
  14. 제 13 항에 있어서,
    상기 유동 가이드는 상부 하강관으로부터 하부 하강관으로 유입된 유체에 회전 운동을 부여하도록 마련된 하강류 촉매 반응기.
  15. 제 13 항에 있어서,
    상기 유동 가이드는 적어도 일부영역이 곡면으로 형성된 하강류 촉매 반응기.
  16. 제 12 항에 있어서,
    개구부는 높이 방향에 따른 길이가 폭 방향에 따른 길이보다 크게 형성된 하강류 촉매 반응기.
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 유동 가이드는 개구부의 장변 측과 연결되는 하강류 촉매 반응기.
  18. 제 12 항에 있어서,
    개구부는 높이 방향에 따른 길이가 폭 방향에 따른 길이보다 작게 형성된 하강류 촉매 반응기.
  19. 제 18 항에 있어서,
    상기 유동 가이드는 개구부의 장변 측과 연결되는 하강류 촉매 반응기.
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