KR880001776B1 - 고정층 다단식 유체-고체의 접촉장치 - Google Patents

고정층 다단식 유체-고체의 접촉장치 Download PDF

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Abstract

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Description

고정층 다단식 유체-고체의 접촉장치
제1도는 외부용기(1)의 수직축을 따라 절취한 본 발명 장치의 횡 단면도이다.
제2도는 유체분사 팬(4)과 유체분사파이프(5)의 중심을 절취한 횡 단면도이다.
제3도는 환상 분사링(3)위의 수평면을 따라 절취하여 유체분사 팬의 하부에서 관찰한 본 장치 일부의 횡 단면도이다.
제4도는 제3도와 같은 위치의 수직면을 절취한 횡 단면도로서, 중앙파이프를 둘러싸고 있는 환상의 유체분사링 간의 정면관계를 도시하는 것이다.
제5도는 장치의 중앙부 부근의 수평면을 절취한 횡단면도로서, 내표면간에 연장되어 있는 둥근쟁반 모양의 유체분사 팬 층을 도시하는 것이다.
본 발명은 고체물질 고정층을 유체와 접촉시키는 데 유용한 장치에 관한 것이다.
본 발명은 흡착분리공정에서와 같이 유체의 흐름을 흡착제와 접촉시키는 데 관한 것이다. 특히, 고체물질의 원통형 베드의 몇개의 중간지검에 위치하여 유체 흐름을 첨가 또는 제거할 수 있는 유체분사-수집장치에 관한 것이다. 유체분사-수집장치는 고형물질의 각층 사이에 이 장치를 통해 수직으로 이동하는 유체를 혼합하는 역할도 한다.
그러므로, 본 발명은 컬럼의 중심으로 부터 방사상으로 다른 거리에 있는 유체의 조성이 균일하도록 충진된 컬럼을 통해 수직으로 흐르는 유체를 혼합하는 장치에 관한 것이다.
유체-고체 접촉장치는 반응기 및 흡착영역으로서 광범위하게 사용되고 있다. 이러한 장치들은 고체 접촉물질로 된 원통형 매스를 포함하는 통상의 원통형 컬럼이다.
고체 접촉물질은 촉매 또는 고체흡착제이다.
유체는 컬럼의 주축을 따라 고체의 원통형매스를 통해 흐르며, 컬럼의 일단부로 부터 다른 단부로 또는 컬럼의 한 중간지점에서 다른 지점으로 흐를 수도 있다.
가동효율을 극대화 하려면, 컬럼의 횡단면의 모든 지점에서 유체의 조성과 유속이 균일해야 한다. 이러한 상태의 흐름을 플러그 플로우(충진류)라 하는데, 이로부터 벗어나려는 유체의 자연적 성향을 방지하기 위해, 유체가 컬럼길이를 따라 흐르는 동안 재혼합하는 장치를 개발하였다. 이런 재혼합 장치 중 가장 적절한 것은 미합중국 특허 제3,523,762에 기술되어 있는 것이다.
고체-유체 접촉컬럼, 특히 고체층이 움직이는 것과 같은 컬럼은 컬럼 양단부의 중간에 하나 이상의 유체공급 또는 제거위치를 구비한다.
이러한 위치에서는 각각 공급 또는 제거되는 유체가 컬럼의 전 횡단면을 따라 분산 또는 수집되는 것이 바람직하다.
또는 이러한 위치에서 유체의 출입이 없을 때는 컬럼을 통해 흐르는 유체를 재혼합하는 것이 바람직하다.
미합중국 특허 제3,214,247호에 기술된 장치는 상기한 두 기능을 다 할 수 있고 구조도 적절하다고 생각된다.
이 장치의 구조는 수평 상하 입자유지 스크린과 이 스크린 사이에 위치한 2개의 수평 무공흐름전환판으로 되어 있다. 유체를 공급하거나 제거할 때는 흐름전환판 사이의 중앙 지점에 실시하는데, 외부용기의 측면에서 내부로 연장되어 있는 도관을 사용한다.
이런 장치는 흡착컬럼용으로 고안된 것이다.
미합중국 특허 제3,598,541호와 제3,598,542호는 컬럼의 중간지점에서 유체를 공급하는 유체접촉장치에 대한 것이다. 이 장치는 원래 고온반응기에서 하향흐름의 유체에 냉각증기를 공급하기 위해 고안된 것이다.
미합중국 특허 제2,317,449와 2,369,478호는 중앙파이프를 사용한 고정층 비방사형 흐름 반응기에 관한 것이다.
촉매는 용기의 외벽에 의해 지지되는 수평층에 수용되고, 중앙파이프는 촉매를 통과하는 유체를 수집한다.
본 발명은 고체흡착제를 함유하는 대구경의 수직컬럼에 사용하도록 된 유체-고체접촉장치를 제공한다. 특히, 흡착제의 수직원통형 층의 유체를 혼합, 첨가 또는 제거하는 수단에 의해 다수의 영역으로 분할되어 상기 층내의 흡착 및 탈착영역의 이동이 흡착제의 이동층과 같이 되도록 하는 컬럼에 사용하도록 된 것이다. 상기 장치는 용기내에 걸려 있는 유체분사 팬의 수평층과, 유체를 유체분사 팬으로 또한 유체분사 팬으로 부터의 유체를 이송하는데 사용되는 유체분사 수단에 그 주 특징이 있다.
본 발명의 일실시예에 있어서, 유체-고체접촉장치는, 수직주축과 원통형 외벽으로 구성되는 외부용기와, 외부용기내에 위치하며 외부용기의 주축을 따라 정렬되어 있는 수직 중앙파이프와, 각층이 중앙파이프와 용기의 외벽간에 연장되어 있는 평면링 형태인 유체분사 팬의 수직으로 이격된 복수의 수평층과, 유체분사 팬의 상기 층간에 위치한 고체입자층과, 유체분사 팬의 수직인접층의 중간위치에서 중앙파이프에 장착된 복수의 환상유체 분사링과, 각 유체분사기로 부터 유체분사 팬에 인접위치한 환상유체분사링 중 하나로 연장되어 있는 유체분사파이프와, 각 유체분사링으로 부터 외부용기의 외측지점에서 대략 수평하게 연장되어 있는 유체이송 도관으로 구성되는 것을 특징으로 한다. 각 유체분사 팬은 쐐기형 구조를 가지며, 중앙파이프와 외벽간에 연장되어 있는 2개의 무공측면판과, 측면판간에 수평하게 연장되어 있는 상측 스프린과, 측면판간에 수평하게 연장되어 있는 하측 스크린과, 측면판간에 수평하게 연장되어 제1 및 제2스크린간의 동일 수평면에 위치하는 제1 및 제2의 무공흐름전환판으로 구성되고, 상기 제1 및 제2흐름전환판은 대략 균등한 간극으로 분리되며, 이 간극은 유체분사 파이프가 유체분사 팬과 교통하는 위치에서 유체 반사 팬을 횡단하여 연장된다.
본 발명은 고체물질, 예를 들어 촉매, 고정화 효소 또는 흡착제 등의 분할 원통형 층을 유체와 접촉시켜야 하는 공정에 적용시킬 수 있다. 유체라 하면 기체상 혼합물 또는 액체만이나, 본 발명은 기체가 혼합된 흐름에 이용하기 보다는 액상의 유체에 이용하는 것이 바람직하다.
특히 본 발명은 적어도 2가지의 다른 화합물이나 이성질체를 함유하고 있는 원료를 분리하는데 있어, 두 화합물 또는 이성절체에 대해 선택적 흡착성을 갖고 있는 물질의 고정 베드를 통과시키는 방법에 대한 것이다.
따라서 본 발명이 모든 액체-고체 접촉공정에 적용될 수도 있지만, 본 발명의 상세한 설명에서는 분리공정에 중점을 두었다.
본 발명의 장치는 선택적 흡착물질층의 이동이 고체물질층의 역류에 영향을 주고, 공급 및 방출되는 흐름같은 각종 출입흐름에 영향을 주는 공정에 이용하는 것이 바람직하다.
이러한 현상은 흡착제층의 길이를 따라 흡착영역과 같은 각종 영역의 위치가 주기적으로 이동함으로써 부분적으로 일어난다.
이와 같은 흡착영역의 위치 이동은 유체가 흡착층으로 들어가는 지점과 흡착층에서 제거되어 나오는 지점을 주기적으로 한쪽 방향으로 전진시킴으로써, 점진적으로 수행된다. 흡착층을 따라 각각의 유입 유출지점에 의해 구획됨으로써 영역의 위치가 변화될 뿐, 흡착층자체는 고정되어 있어서 움직이지 않는다.
이런 유동층 공정에 있어서, 유체가 플러그 플로우로 흡착층을 통해 흐르도록 하는 것이 중요하다. 즉, 층의 전 횡단면을 통해 모든 지점에서 균일한 속도와 조성을 갖는 유체에 위해 흡착층의 전 횡단면이 균일하게 적시어지는 것이 바람직하다.
특정 흡착층의 분리 능력과 용량은 층을 통과하는 수직흐름의 균일성 정도의 지배를 받는데, 그 이유는 불균일 흐름일 경우, 역 혼합, 층일부에서 흡착제의 불충분한 이용, 그리고 층으로 부터 유출되는 흐름이 라피네이트 또는 탈착물질과 같이 공정중에 존재하는 불필요한 물질로 희석되는 일이 생기기 때문이다.
선택적 흡착제를 사용하여 각종 탄화수소 화합물들을 분리하는 일은 석유, 화학 및 석유화학 공업에 널리 알려져 있다.
흡착 방법은 분별법으로 분리하기가 어렵거나 분리할때 비용이 많이 드는 화합물에 흔히 이용되고 있다.
선택적 흡착제를 사용하는 이러한 형태의 분리 공정에는 에틸 벤젠을 크실렌 혼합물에서 분리하는 경우, 불포화 지방산을 포화 지방산에서 분리하는 경우, 개환 올레핀을 개환 파라핀에서 분리하는 경우, 노르말파라핀을 이소파라핀에서 분리하는 경우, 파라크실렌 같은 특이한 크실렌 이성질체를 C8방향족 혼합물에서 분리하는 경우 등이 있다. 일반적으로, 이런 공정의 특징은 선택적으로 흡착되는 물질이 비선택적으로 흡착되는 물질과 분자당 탄소수가 동일하며 끓는 점이 상당히 유사하다. 또한, 흡착분리 방법은 끓는점 범위가 넓은 2 이상의 탄화수소류 혼합물로부터 특정한 탄화수소를 회수할 경우에 이용된다. 예를 들면 C10-C14노르말 파라핀을 C10-C14이소파라핀의 혼합물로 부터 이런 방법으로 분리된다.
흡착 분리 공정에는 세개의 연속적인 기본 단계가 필요하다. 첫번째 단계에는, 흡착제를 흡착증진 조건에서 흡착되는 특정 화합물을 함유한 흐름과 접촉시켜야 하는 것이다. 이 흡착단계는 흡착제가 화합물을 충분히 흡착하여 거의 평형에 이르기에 충분한 시간동안 계속되어야 한다. 두번째 단계는 흡착이 잘되는 화합물과 그렇지 않은 화합물 두 가지가 모두 흡착제에 존재하는 동안 후자의 물질이 빠져나오도록 다른 물질과 흡착제를 접촉시키는 것이다. 이 단계에서는 흡착되지 않은 화합물을 대체한 물질과 잘 흡착이 되는 물질을 충분량 함유하는 흡착입자들 사이에 빈공간을 만들게 된다.
흡착분리공정의 세번째 단계는 흡착한 물질을 탈착시키는 것이다. 이것은 온도와 압력조건을 변화시켜 행한다. 그러나 이동층 공정에 있어서는 흡착제를 탈착 흐름과 접촉시켜서 행한다. 탈착 흐름은 흡착제로부터 흡착된 물질을 제거할 수 있는 화합물을 함유하기 때문에, 흡착된 물질을 회수함으로써 흡착제를 재사용할 수 있게 된다. 단당류의 분리시에는 물을 탈착제로 사용할 수 있다.
분리공정중 사용된 흡착제층은 단일용기 또는 2이상이 연결된 용기내에 수용할 수 있다.
증기상 유체의 경우엔 수평으로 정렬된 용기를 사용할 수도 있지만 수직으로 정렬된 용기가 바람직하다. 흡착제층의 길이를 따라 다수의 지점에 적절한 개구부와 도관을 구비하여 유체를 보충하거나 회수할 수 있게 한다. 이들 각각의 지점에서는 액체 분사기-수집기에 의해 층의 단면이 압축되어 본 장치의 액체분사기-수집기의 층과 유사하게 작용하는 것이 바람직하다. 이러한 목적의 종래 장치는 미합중국 특허 제3,208,833호, 제3,214,247호 및 제3,523,762호에 개시되어 있다. 이 분사기-수집기는 흡착제의 원통형층을 따라 플러그 플로우를 형성시키고 보존하도록 구비한 것이다.
흡착영역과 다른 유사이동층 공정에서 이용된 영역의 점증적 이동은 유체를 공급하고 회수하는 실제 지점을 다음의 지점으로 주기적으로 진출시킴으로써 달성할 수 있다.
이와 같은 유체 출입 지점의 변화는 각 영역의 처음과 끝부분 양쪽에서 일어날 수 있다. 즉, 한 영역의 이동때마다 그 영역이 처음과 끝을 표시하는 경계는 두 인접한 지점사이의 비교적 일정한 거리만큼 이동될 것이다. 공급 또는 제거흐름과 같은 주 흐름중 하나가 흡착제층으로 들어가고 이에 해당하는 배출류가 빠져나오는 두 지점은 적어도 2이상의 미사용된 잠재적 유체이동 지점에 의해 서로 분리되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 공급 흐름을 흡착영역의 한 지점으로 들여보내고 7개 이상의 회수지점을 거쳐 흐르게 하고, 라피네이트 흐름으로서 흡착층으로 부터 나오는 지점에 이르게 하기 전에 7개의 분사기-수집기를 거치게 한다. 흐름의 공급과 회수지점의 주기적이동은 주 영역의 대부분에 영향을 주지 않는다.
멀티플-밸브 분기관 또는 멀티플-포트 회전밸브를 사용하여 많은 다른 지점에서의 유체흐름을 절환시킬 수 있다.
중앙 디지탈 제어기를 사용하여 회전밸브나 분기관의 작동을 조절하는 것이 바람직하다. 흡착제층이 이동하는 것과 같은 작업의 상세한 설명과 회전밸브에 대해서는 미합중국 특허 제2,985,589호 ; 제3,040,777호 : 제3,192,945호 : 제2,957,485호 : 제3,201,491 : 제3,291,726호 및 제3,732,325호에 기술되어 있다.
본 발명은 상업적으로 실시가능하고 현존하는 선택적 흡착제라면 어떤 것이라도 사용하여 실시할 수 있다.
따라서 흡착제는 자연물 또는 인공물이 가능하고, 사출물, 펠릿 또는 구형 등의 형태로 할 수도 있다. 흡착제 또는 숯, 알루미나, 실리카 또는 각종 점토와 이들의 혼합물을 사용할 수도 있다.
흡착제는 분자체로서 공지되어 있는 형상선택 제올라이트로 구성되는 것이 바람직하다.
"현상선택"이란 크기와 형태에 따라 분자를 분리하는 제올라이트의 성능을 의미하며, 이것은 제올라이트의 구멍구조의 횡 단면적 직경이 비교적 균일하게 고정되어 있기 때문이다.
제올라이트는 합성 알루미노 실리케이트 결정으로 구성되는 것이 바람직하다. 순수한 제올라이트는 비교적 연질의 분말성이므로 통상사용되는 분자체는 점토나 알루미나 같은 결합제를 첨가하여 좀더 강한 내마모성의 흡착제 입자로 제조한다. 흡착제의 입경은 20 내지 40 메쉬 범위인 것이 바람직하다.
분리공정에서 사용되는 특정 흡착제는 분리하고자 하는 물질에 따라 선택한다. 예를 들어, Ⅰ-A족과 Ⅱ-A족 금속에서 선택한 양이온을 함유한 X형 또는 X형 제올라이트는 크실렌 이성질체를 분리하는데 사용할 수 있다.
포화 탄화수소류로 부터 올레핀 탄화수소의 분리는 미합중국 특허 제3,720,604호에 기술된 구리교환 Y형 제올라이트를 사용하여 행할 수 있다.
노르말 파라핀 탄화수소류를 이소파라핀 탄화수소류로 부터 분리할 경우에 바람직한 흡착제는 5옹스트롬의 비교적 균일한 직경을 가지는 것으로서 유니온 카바이드 코오포레이션(Linde Division)에서 생산된 5A형 분자체이다.
케토스를 알도스에서 분리하는 경우에는, 원소의 주기율표의 Ⅱ-A족의 양이온을 함유하는 X형 제올라이트를 흡착제로서 사용하는 것이 바람직하다. 이때, 양이온으로는 바륨이나 스트론튬이 바람직하다.
프룩토스와 글루코스를 분리하는 데는 바륨과 칼륨, 또는 바륨과 스트론륨의 양이온 쌍을 함유하는 X형 제올라이트를 사용하는 것이 바람직하다.
이동층의 기술을 이용한 단당류의 분리에 대해서는 미합중국 특허 제4,226,639호와 제4,226,977호에 더 자세한 사항이 기재되어 있다. 프록토스를 생산하는 공정에 분리기술을 통합시킨 방법이 미합중국 특허 제4,206,284호에 설명되어 있다.
본 발명은 특히, 프룩토스와 글루코스 등과 같은 수용성 천연물질을 분리하는데 사용하되는 대규모 처리 유닛에 관한 것이다. 이런 수용성 물질들은 비교적 고체함량이 높은 액체로 처리된다. 이로 인해, 처리흐름 특히 공급류는 이동층 시스템전에 대부분이 처리되는 석유유도체의 흐름에 비해 훨씬 점도가 높다. 점성유체의 큰 흐름 속도와 다른 설계인자로 인해 흡착 컬럼의 직경이 5m 이상으로 커질 수도 있다. 이런 인자들은 고체가 많은 공정흐름의 하류에서 불균일 유체 흐름과 분포불량 등의 경향을 증가시킨다는 사실이 밝혀졌다.
전술한 바와 같이 흡착제층의 여러 다른 지점을 일정하지 않게 흐르는 유체는 총 흡착력과 분리력간의 균형을 성취할 수 있는 최적 작업 조건을 저하시킨다. 따라서 흡착제층의 횡 단면의 모든 지점에서 유체의 유속과 조성이 동일한 것이 바람직하다.
다른 종류의 화합물을 유사 이동층 분리법에 의해 분리하는 장치와 공정을 제공하는 것이 본 발명의 목적이며, 많은 유량에 사용할 수 있는 유사이동층의 유체-고체 접촉 장치를 제공하는 것이 본 발명의 다른 목적이다.
또한, 고점도 유체의 분리공정중, 흡착제와 액체를 접촉시키고, 그 유체의 효율적인 혼합을 가능하게 하는 장치를 제공하고, 프룩토스와 글루코스의 흡착 분리를 위한 유사이동베드 공정에 사용하기 위한 장치를 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
본 발명의 구조와 조작방법에 대해서는 도면에 의거하여 설명할 수 있다.
제1도는 대표적인 실시예에 의거하여 제작한 장치의 수직주축을 따라 절취한 횡단면도이다. 전체 장치에 사용된 수평유체분사 팬의 여러층 중 소수만 도시함으로써 장치를 확대 도시하였다.
통상 규모의 장치에는 20 내지 30개의 유체분사 팬의 층이 있다. 이 장치는 장치의 다른 부품들을 둘러싸고 있는 한개의 외부용기(1)를 구비한다. 이 외부용기는 상부와 하부가 타원형 헤드에 연결된 긴 원통모양으로 되어 있어서 유체의 출입지점을 제외하고는 유체가 출입하지 못하도록 성형되어 있다. 외부용기의 주축은 용기를 통과하는 흐름이 증기인 경우, 수평면으로 배향된 장치를 사용할 수도 있지만 수직인 것이 바람직하다.
두번째로 중요한 장치의 부품은 무공중앙파이프로서, 외부용기축을 중심으로 하여 집중되어 있다.
중앙파이프는, 수많은 짧은 실린더가 연결되거나 겹쳐 쌓인 것으로서 외부용기의 상단과 하단까지 닿도록 설치할 필요는 없고, 후술하는 바와 같이 유체분사 팬의 말단층들 사이에서 설치하는 것으로 충분하다. 즉, 수직컬럼에 있어 중앙파이프는 유체분사 팬의 하부층에서 상부층까지 상향연장되기만 하면 되는 것이다.
중앙파이프의 하단은 캡(22)로 밀폐되고 중앙파이프는 스커트(23) 또는 유사한 수단으로 지지되어 중앙파이프가 용기하부의 넓은 면적에 걸쳐 지지하는 중량을 분산시키는 것이 바람직하다.
용기의 상단에는 평평한 둥근쟁반 모양의 판(9)이 고정되어 있어서 용기의 도움형 부분이 흡착제가 들어 있는 용기의 하부와 분리된다. 이 판은 장치의 상단에 형성된 빈공간에 사용할 유체가 들어가는 것을 막는다.
이와 마찬가지로 제2의 둥근쟁반 모양의 무공판이 용기의 하부에 위치하여 하부의 도움형부분을 밀폐한다.
하부의 판은 용기의 하단에 콘크리이트를 부어 얇게 만든 판으로 지지할 수 있다. 상부와 하부의 두 판 사이의 공간에서 장치가 실제로 가동되는데 이곳에 흡착제 또는 다른 고체 입자 물질이 놓여진다. 장치의 상단 및 하단에는 입자를 담을 수 있는 스크린(10)이 구비되어, 장치 중간 부분의 입자형물질을 저장하고, 흡착제층의 말단부분에서 공급, 방출되는 유체의 수집과 분산을 위한 낮은 환상공간을 제공한다.
장치의 상부판 및 하부판(9) 사이의 내부공간은 다수의 유체분사 팬(4)층으로 나누어져 있다. 각층은 여러개의 쐐기형 팬(4)으로 구성되어 있으며, 이것은 원형으로 중앙파이프 주위에 분산되어 있고, 이것의 내부 첫단부는 중앙파이프(2)에 고정된 지지링(8)에 의해 지지되고, 외부의 둘째단부는 외부용기의 원통형 내면에 부착되어 있는 지지링(7)에 의해 지지되어 있다.
유체분사 팬의 각층은 환형흡착제 베드를 지지하고 있고, 이 베드는 인접한 층 사이의 공간을 채우고 있다.
공정흐름은 다수의 수평유체 전달도관(6)을 통해 장치에 출입하는데, 이관은 용기외부의 적절한 파이프나 밸브에서 중앙파이프 위에 설치되어 있는 다수의 환형 유체분사링(3)까지 연장되어 있다. 단일 유체 전달도관은 각각의 환형 유체분사링과 통하고 각 유체분사링은 이것과 연결된 유체분사 팬의 층위에 놓이는 것이 바람직하다.
유체가 전달도관(6)을 통해 용기속으로 흐른다고 가정할때, 이 유체는 중앙파이프를 둘러싸고 있는 환형 분사링으로 흘러들어간 후 다수의 작은 유체분사파이프(5)를 통해 방사상으로 흘러나가게 된다.
각 파이프를 통해 흐르는 유체는 처음에는 방사상으로 외향한후 하향하여 유체분사 팬으로 흘러간다.
각각의 유체분사 파이프의 하단은 유체분사 팬이 내부공간과 통한다. 따라서 용기로 들어간 유체는 유체분사 팬의 이 내부공간으로 유입된 다음, 유체분사 파이프의 하단에 부착된 출구 분사기에 의해 팬에 대해 병렬로 분사된다. 다음에, 유체는 팬의 횡 단면의 모든 위치에 대하여 수평하게 흐른다. 유체가 장치에서 제거될때, 유체는 유체분사 팬에 있는 2개의 입자를 담는 스크린 중의 하나를 통해 흐른후, 유체분사 파이프와 연결되어 있는 팬의 중앙위치로 흐른다.
이이서 유체가 유체분사파이프와 환형 유체분사링을 통해 흐르며, 이 링에서는 여러 다른 분사 파이프를 통해 도착한 유체를 단일 수평유체 전달도관으로 보내어 장치 밖으로 제거한다. 장치의 상단 및 하단에서는 유체분사 팬의 층이 충분하지 못하여 이런 기능은 전술한 판(9)에 인접한 입자보유 스크린(10)의 단일층에 의해 수행된다.
제2도는 유체분사 팬의 중심을 통과하는 수직평면을 따라 절취한 단일유체분사 팬(4)횡 단면의 상세도이다.
분사 팬의 외단부에는 굽은 수직 말단판(12)이 외부용기(1)의 원통형 내면에 부착되어 있는 지지링(7)에 의해 지지되어 있다. 분사 팬의 내단부에는 수직중앙 파이프(2)의 외면에 고정된 다른 지지링(8)에 의해 지지되어 있다.
말단판들의 끝부분들은 분사 팬의 내(제1)단부와 외(제2)단부간에 연장되어 있는 측판(11)에 부착되어 있다.
이들 4개의 지지판은 "쐐기모양"용기를 형성하여 분사 팬의 나머지 부품들을 수용하게 된다. 이 쐐기 모양은 실제로 말단판(13)으로 인하여 끝이 절단된 쐐기모양이다.
수많은 수직스크린 지지립(19)은 분사 팬에 대해 병렬로 연장되어 있어서 두 개의 측판을 연결한다. 립의 대부분은 측판의 옆의 지지선반 위에 느슨하게 놓여 있는 것이 바람직하다.
상부의 입자보유 스크린(14)은 지지립(19)에 대하여 수평으로 뻗어있고 하부의 입자보유 스크린(15)은 유체분사 팬의 하부면에 대하여 수평으로 뻗어있다.
하부의 입자보유 스크린은 유체분사 팬에 대하여 전후로 연장되어 있는 수평흐름 충격판(16)에 의해 둘로 분리된다.
이 판은 분사 팬에 병렬로 연장되어 내부 흐름전환판(21)과 외부흐름전환판(20)사이에서 유체분사 팬을 가로질러 생긴 간극바로 밑에 있다. 흐름전환판은 평평한 수평무공판으로서 흐름충격판(16)위의 대향단부사이에 있는 간극을 제외하고는 측판간의 유체분사 팬 내부의 전횡단면을 횡단하여 연장되어 있다. 간극 바로 위에는 직사각형 상자 구조물(17)이 위치하는데, 이것은 유체분사기로서의 역할을 행하며 분사기 팬을 횡단하여 병렬로 연장되어 있다.
다수개의 비교적 작은 구멍(18)들이 분사기 하부에 위차하여 분사기의 길이를 따라 유체의 흐름이 균일하게 흐르도록 한다. 유체분사 파이프(5)는 분사기(17)상부의 구멍을 통해 분사기(7)와 연결된다. 분사파이프와 다른 단부는 중앙파이프에 장착되어 있는 환형유체분사링(3)에 연결되어 있다.
제2도를 다시 참조해 보면, 컬럼을 통해 하향하는 유체는 상부입자보유 스크린(14)을 통해 유체분사 팬으로 유입된 후, 흐름전환판(20) 및 (21)의 상부표면을 횡단하여 수평하게 흘러서 두판의 간극에 이른다. 분사 팬에 유체를 첨가 또는 제거하지 않은 경우, 상기 위치에서 수평하게 흐르는 유체는 상기 간극에서 함께 흐름에 따라서 서로 혼합되어 흐름충격판(16)으로 보내진다.
이어서, 유체는 유체전환판과 하부입자보유 스크린(15)사이에 형성된 공간내의 분사 팬의 횡단면에 분사된다. 이와 같이 유체분사 팬은 전장치를 통해 하향하는 유체가 용기의 횡단면의 모든 위치에서 대략 균일한 조성을 가지도록 하는 중간단계 혼합장치로서의 역할을 한다.
분사기(17) 아래에서 혼합된 유체는 장치의 셀 또는 중앙파이프를 통해 자유롭게 이동한다. 이에 따라, 분사 팬에 유입되는 유체 및 부유고형물의 혼합과 재분사가 완료되는데, 이것은 본 장치의 주 장점이다.
유체가 분사 팬의 높이에서 장치로 유입되는 경우, 환형분사링으로 부터 유체분사 파이프를 통해 수평 분사기(17)로 흐른다. 다음에는 분사기의 하부에 있는 구멍을 통해 간극 전체에 퍼져 그리드안의 주흐름에 유입된후, 간극을 통해 하향하여 아래의 충격판 양측간의 공간으로 들어간다. 하부 스크린 위의 열린공간에서 압력강하가 비교적 낮아지므로, 유체가 하부스크린을 통해 흡착제로 유입되기 전에 우수한 재분사가 일어나게 된다.
유체가 용기로 부터 회수될 때, 유체는 유체 전환판에 수평하게 간극으로 흐르고 분사기(17)하부의 구멍을 통해 분사파이프(5)로 들어간다.
제3도는 외부용기(1)의 벽과 중앙파이프(2)사이의 유체분사 팬(4)의 횡단면도이다. 큰 유체 전달도관(6)은 외부용기의 한 지점으로 부터 중앙 파이프에 장착되어 있는 환형 유체분사링(3)으로 유체를 운반한다.
유체는 분사 파이프(5)를 통해 아래로 흘러서 유체분사 팬에 대해 병렬로 연장되어 있는 분사기(17)로 들어간다. 본 명세서에서 사용한 "병렬로"의 의미는 유체분사 팬의 제1단 및 제2단간의 라인에 대략 수직으로 유체분사 팬을 횡단하는 방향을 가리키는 것이다. 굽은 내부 말단판(13)은 평평한 지지링(8)에 지지되어 있으며, 링은 분사링(3)라애의 중앙 파이프에 고정되어 있다.
외부 수직 말단판(12)는 지지링(7)에 같은 방법으로 지지되어 있다. 두개의 측판(11)은 두 개의 굽은 말단판에 연결되어 말단이 잘린 쐐기 모양을 형성한다. 스크린 지지립(19)는 측판(11)양측간에 병렬로 연장되어 있다. 상부입자보유스크린(14)는 유체분사 팬의 일부에서만 도시하였다.
제4도는 제3도의 분사기(17)에 대한 수직단면도로서 중앙파이프(2)를 향해 수평으로 관찰한 것이다. 유체분사파이프(5)는 유체분사링(3)에서 분사기(17)의 내부까지 연장되어 있다. 분사기(17)은 수직측판(11)간의 간의 좌우에서 작동하고 구멍(18)은 분사기의 하부면 전체에 퍼져 있다.
수평흐름전환판(21)의 테두리는 2개의 전환판간의 간극에 접하고 있음을 도면에서 알 수 있다. 흐름 충격판(16)과 지지링(8)도 도시되어 있다. 상부 및 하부입자 보유 스크린은 각각 분사기(17)과 흐름 충격판(16)뒤에 위치하기 때문에 본 도면에는 도시하지 않았다.
제5도는 다수의 유체분사 팬이 중앙파이프(2)주위에 배열되어 둥근쟁반모양층을 형성하여 이 층위에 있는 외부용기(1)의 공간과 이층 아래에 있는 공간을 분리한다. 단일유체전달도관(6)은 환형 유체분사링(3)에 연결되어 있고, 작은 유체분사 파이프(5)는 환상링으로 부터 외향으로 방사상으로 분포되어 있다. 유체분사 파이프는 분사기(17)위로 뻗어 있다.
유체분사 팬에 인접한 측판은 매우 가깝게 도시되어 있는데, 그 간격은 1.0-1.5㎝가 바람직하다. 이것은 고체 입자가 입자층마다 점차 침전되어 빈 공간을 채우게 된다.
가외의 입자들을 필요한 경우, 상부층에 첨가할 수도 있다. 또한, 필요한 경우 밀봉하거나 제거할 수도 있다. 밀봉하지 않은 경우, 각층의 팬은 수직인접층의 간극이 서로 중첩되지 않도록 정렬하는 것이 바람직하다. 이로 인해 입자가 서서히 이동하나, 고체층이 이동하는 것이 아니라 충진된 층이 유지되는 것이다.
5개의 도면에 의거하여 설명한 본 발명의 일실시예는 설명을 목적으로 하는 것으로서, 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명은 다양하게 변경실시할 수 있다. 본 기술분야에 통상의 지식을 가진자라면 쉽게 알 수 있기 때문에, 발명의 주요 부품만을 명확히 예시하기 위해 간략화된 것으로서, 통로, 용접부분, 내부지지체, 브레이싱 및 구멍은 생략했다.
본 장치에 사용되는 분사 팬의 수는 15 내지 30이며, 대규모의 상업적 용기에는 일반적으로 20이다.
각 유체분사파이프가 각 유체분사 팬에 사용되는 경우, 유체분사링에 구멍을 많이 내야 한다. 이렇게 하면 유체 분사링이 약해져 좋지 않은 장치가 된다. 필요한 파이프수를 줄이기 위해, 하나의 유체분사파이프가 2-4개의 인접 유체분사 팬에 사용되는 것이 바람직하다. 따라서, 각 파이프는 인접 유체분사 팬의 측판위의 한 지점에서 유체 분사링으로 부터 방사상 배열되는 것이 바람직하다. 이런 유체분사파이프는 두개의 유체분사 팬이 있는 분사기에 부착된 2개의 도관으로 분기된다.
본 장치는 개별유닛으로 간주되는 다수의 개별 유체분사 팬으로 구성되거나, 각각 충분한 수의 유체분사 팬으로 구성되어 용기를 횡단하는 하나의 층을 형성하는 소수의 수평액체 분사수단으로 구성되는 것으로 볼 수 있다. 즉, 유체분사 팬의 각층은 장치의 한 부품으로 볼 수 있다.
따라서, 본 발명의 일실시예는 수직주축과 원통형 외벽을 가지는 외부용기와, 외부용기내에 외부용기의 주축을 따라 집중되어 위차한 수직무공중앙파이프와, 수직으로 이격배치된 복수의 수평 유체분사단으로 구성되고, 각 유체분사수단은 중앙파이프와 용기외벽간에 연장되어 있는 둥근쟁반 모양의 형태이며, 유체분사수단내에는 유체의 수직흐름을 최상부 및 최하부 유체분사수단간에 위치한 임의의 두지점간의 유체분사수단을 통해 상향 또는 하향하도록 하는 한편 고체 입자의 수직흐흠이 유체분사수단을 통해 흐르는 것을 방지하는 수단이 구비되어 있으며, 유체분사수단은 유체분사수단을 통해 수직으로 흐르는 유체가 중앙파이프와 용기외벽간의 중간 1/3 지점에 위치한 혼합영역으로 흐르게 하는 수평유체분사판과 유체분사수단의 상기 혼합영역에서 유체를 첨가 또는 제거하는 수단으로 구성되는 액체-고체 접촉 장치인 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제2실시예에 있어서, 유체-고체 접촉장치는 수직 주축과 원통형 외벽을 가지는 외부용기와, 외부용기내에 외부용기의 주축을 따라 배열된 수직중앙파이프와, 수직으로 이격배치된 복수의 유체분사 팬 수평층으로 구성되고, 각 유체분사수단은 중앙파이프와 용기외벽간에 연장되어 있는 둥근쟁반 모양의 형태이며, 상기 각 유체분사 팬은 중앙파이프에 인접한 제1단부와 용기외벽에 인접한 제2단부를 가지는 쐐기형 구조를 가지며 (ⅰ) 중앙파이프와 외벽간에 연장되어 있는 2개의 무공측판과, (ⅱ) 양측판간에 병렬로 수평하게 연장되어 있는 상부스크린과, (ⅲ) 양측판간에 병렬로 수평하게 연장되어 있는 하부 스크린과, (ⅳ) 양측판간에 병렬로 수평하게 연장되어 상부 스크린과 하부 스크린간에 이격배치되어 있는 제1 및 제2무공흐름 전환판으로 구성되고, 제1 및 제2흐름전환판은 높이가 대략 동일하고 제1흐름전환판은 유체분사 팬의 제1 및 제2단부간의 한 지점에서 유체분사 팬을 횡단하여 병렬로 연장되어 있는 대략 균일한 간극에 의해 제2 흐름전환판과 분리되며, 유체전달수단은 제1 및 제2흐름전환판간의 상기 간극에서 각 유체분사 팬과 연결됨과 동시에 외부 용기의 외측 지점까지 연장되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기 실시예에 있어서, 유체전달 수단들은 전술한 기본요소들과 유사하며 유체흐름판을 횡단하여 좌우로 연장되어 있는 흐름전향판사이의 간극위에 위치한 유공수평도관을 통해 각 분사 팬의 상부 및 하부 스크린 사이의 공간과 연결되는 것이 바람직하다. 또한, 유체전달수단은, 각 유체분사 팬에서 중앙파이프에 장착된 환형유체분사링까지 뻗은 유체분사파이프로 구성되고, 각 유체분사 팬층에는 분리된 유체분사링이 있고, 환형유체분사링은 이것과 관계된 유체분사 팬층위에 위치하는 것이 바람직하다.
각각의 대형유체분사관을, 유사이동층분리공정에 이용되는 분리흡착제층을 제공하기 위한 대표적인 실시예에서 사용하는 경우에는, 이들 유체분사도관을 용기의 외측으로 연장되어 회전밸브 또는 밸브매니폴드장치에 접속되며, 상기 회전밸브는 각 공정류의 흐름이 흡착제층으로 출입하는 위치를 변화시키는 데에 이용된다. 유체분사 팬층사이의 용기내에 형성된 환형공간은 과립형흡착제로 채워진다. 공급흐름은 수평유체전달도관에 의해 정해진 다수의 유입지점중 하나를 통하여 장치내로 유입된다음, 환형분사링, 분사파이프 및 분사 팬을 통해 흡착제층으로 흘러들어간다. 이어서, 공급흐름은 다수의 황형흡착공간을 통하여 하방으로 흐르고, 이 하향흐름은 유체분사 팬층을 통과하면서 각 통로에서 혼합된다. 공급흐름성분 중 흡착되지 않은 것은 유체분사 팬층 중 하나로 유입되고 나서 이에 대응하는 유체분사파이프 및 유체분사링으로 흘러들어간 다음, 수평유체전달도관을 통하여 외부로 배출되므로써 장치에서 제거된다. 이러한 공정흐름은 통상적으로 라피네이트흐름이라 칭한다. 장치에서 배출된 상기 라피네이트흐름 및 기타 흐름은 회전밸브 또는 회전매니폴드장치로 귀환된다. 이와 동시에, 탈착제흐름이라 불리워지는 다른 공정흐름은, 별도의 유체전달도관을 통하여 다른 지점에서 장치내로 유입되고, 상술한 것과 같은 방식으로 액체분사수단을 통하여 장치의 횡단면을 가로질러 분사된다.
탈착제흐름은 이미 흡착제입자에 흡착된 공급흐름성분을 당해 흡착제입자로부터 제거하는 데에 이용된다. 공급흐름에서 이탈된 성분을 회수한 상기 탈착제흐름은, 추출흐름이라 불리는 공정흐름이 되어 장치로부터 제거된다. 또한, 유사이동층 흡착공정에서는 통상적으로 하나 이상의 다른 영역이 이용되며, 이들 영역에는 플러시흐름 또는 세척흐름이라 불리는 흐름이 통과하면서 흡착제층의 간극으로부터 공급흐름 또는 탈착제흐름의 잔류성분을 제거하게 된다. 어떤 유사이동층공정, 예를 들면 과당 및 포도당의 분리공정에서는 정제영역을 이용한다. 정제작업은 추출흐름의 일부를 정제영역의 상류측 경계에서 당해 정제영역으로 통과시키므로써 행할수 있으며, 이들 물질은 흡착제층을 통과하면서 흡착제입자의 공극 또는 표면으로부터 라피네이트물질을 제거한다.
흡착분리공정은 증기상 및 액상조건 모두에서 행할 수도 있지만 액상을 사용하는 것이 바람직하다. 흡착 및 제거조작은 본질적으로 같은 조건에서 행하는 것이 바람직하다. 흡착증진 조건에 있어서, 압력은 흡착제층에 존재하는 액체상의 화합물을 유지하기에 충분하여야 한다.
대기압에서 50기압까지의 압력을 이용할 수 있으나 1.0 내지 32 게이지 압력이 바람직히다. 적당한 작업온도 범위는 20℃ 내지 250℃이나 40℃ 내지 100℃가 바람직하다.
본 발명의 장치는 표준디자인과 안전번호 및 지침을 고려한 후, 유사한 용기와 장치에 사용되는 통상의 재료로 제작할 수 있다.
외부용기는 섬유강화수지나 플라스틱 같은 합성재로 제조할 수도 있지만, 외부용기 및 장치의 요소는 강철로 제조하는 것이 바람직하다. 강철을 사용하면, 대부분의 분리공정에서 조성되는 환경은 심한 부식이나 침식문제를 일으키지 않는다.
그러나, 단당류를 분리하거나 식품용으로 한정된 제품을 생산하기 위한 장치의 경우에는 장치의 부품 중 외부용기는 스테인레스 스틸로 제조하는 것이 바람직하다.
이동층의 작업중, 용기의 중간지점에서 방출되는 추출흐름과 같은 흐름은 수직용기를 통과하는 전체수직 흐름 중의 일부분이어야 한다.
나머지 흐름은 용기의 상부와 하부를 연결하는 "펌프어라운드"루프에 의해 유지된다.
따라서, 최상단과 최하단의 유체전달도관(6)을 통해 흐르는 유체는 제1도에 도시한 바와 같이 동일방향으로 흐른다.

Claims (5)

  1. (a) 수직주축과 원통형외벽을 가지는 외부용기(1)을 구비하고, (b) 외부용기(1)내에 외부용기의 주축을 따라 배열된 수직무공 중앙파이프(2)를 구비하고, (c) 유체분사 팬(4)의 수직 이격된 복수의 수평층을 구비하고, 상기 각층은 중앙파이프(2)와 용기외벽간에 연장되어 있는 평판링의 형태이고, (d) 유체분사 팬(4)의 수직인접층의 중간지점에서 중앙파이프(2)상에 장착된 복수의 환상유체분사링(3)을 구비하고, (e) 각 유체분사 팬(4)로부터 환상유체분사링(3) 중 하나로 연장되어 있는 유체분사파이프(5)를 구비하고, (f) 각 환상유체분사링으로부터 외부용기의 외측지점까지 연장되어 있는 유체전달도관(6)을 구비하는 것을 특징으로 하는 유체-고체 접촉장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 각 유체 분사팬(4)은 중앙파이프(2)에 인접한 제1단부와 용기의 외벽에 인접한 제2단부를 가지며, (ⅰ) 중앙파이프(2)와 외벽간에 연장되어 있는 2개의 무공측판(11)과, (ⅱ) 상기 양측판간에 병렬로 수평하게 연장되어 있는 상부스크린(14)와, (ⅲ) 상기 양측판간에 병렬로 수평하게 연장되어 있는 하부 스크린(15)와, (ⅳ) 상기 양측판간에 병렬로 수평하게 연장됨과 동시에 상부 스크린과 하부 스크린간에 이격배치되어 있는 제1무공흐름전환판(20)과 제2무공흐름전환판(21)로 구성되는 쐐기형 구조물이며, 상기 제1 및 제2흐름전환판(20) 및 (21)은 높이가 대략 동일한 높이에 위치하며, 제1흐름전환판(20)은 유체분사 팬(4)의 제1 및 제2단부간의 한 지점에서 유체분사 팬을 횡단하여 병렬로 연장되어 있는 대략 균일한 간극에 의해 제2 흐름전환판(21)과 분리되는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 유체분사파이프(5)는 상기 간극위에 위치하며 유체분사 팬(4)을 횡단하여 병렬로 연장되어 있는 분사기(17)을 통해 각 분사 팬과 상부 스크린과 하부 스크린간의 공간과 연결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 간극 아래에 위치한 무공흐름충격판(16)은 유체분사 팬(4)의 일부를 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제2항에 있어서, 상기 간극은 유체분사 팬(4)의 제1 및 제2단부간 거리의 1/3 지점에 위치하는 것을 특징으로 하는 장치.
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