KR100219951B1 - 중질 탄화수소 공급물 분사방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 노즐, 및 증질 공급물을 상승관 반응기에 분사시키기 위해 노즐을 사용하는 FCC 방법에 관한 것이다. 액체 공급물 스트림은 분사증기를 방사형으로 외부에서 내부로 충돌시킴에 의 해 환형의 팽창지역에서의 충돌 플러그로 방출시킨 다음 유출구로 분포시킨다. 방출지역 유출구에서 배플, 및 오리프스 유출구는 상승기 반승기에서 공급물 분사 및 공급물 /FCC 촉매 접촉을 증가 시킨다. 노즐은 액체를 다른 반응기층에 걸쳐 분포시키거나, 액체를 증류 컬럼에 첨가시키는데 사용된다.

Description

중질 탄화수소 공급물 분사방법

제 1도 및 2도(선행기술)는 180° 슬럿 캡 노즐 유출구의 다른 도면이다.

제 3도 및 4도는 단축 슬럿 노즐 유출구의 도면이다.

제 5도는 본 발명에 따른 바람직한 조즐의 단면도이다.

제 6도 및 7도는 저압강하 플러그 및 배플의 다른 도면이다.

제 8도는 초기 분사부의 단면도이다.

제 9도는 다수의 피드노즐을 갖는 FCC 상승관 반응기의 단면도이다.

제 10도는 바람직한 앵커링 수단을 나타내는 팽창 플러그의 단면도이다.

※ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1. FCC 상승곤 반응기 10. 노즐

20. 노즐 25. 프랜지

30. 분사액체유입구 32. 환형지역

33. 홀 36. 초기분사화부분유출구

50. 충돌플러그 60. 배플

본 발명은 증질 탄화수소 공그물 분사에 관한 것이다. 더욱 특히, 본 발명은 액체 공급물을 증류 실험 또는 FCC 상승관 반응기와 같은 정유 공정으로 분사시키는 방법 및 액체 분사장치에 관한 것이다.

정유에서 FCC 상승관 반응기 바닥에서의 공급물 분사가 문제라는 것은 오랜동안 알려져 왔다. 시간당 수톤의 가열, 재생된 크래킹 촉매를 다량의 증질오일 공급물과 접촉시키기가 어려우므로, 상승관 반응기 바닥에서 공급물의 완전한 증발을 수행시키기가 어렵다. 문제 부분은 FCC 유니트에서 더욱더 증질 공급물을 사용한다는 것이다. 많은 FCC 유니트에서는 현재 5내지 20% 상당량의 잔유 또는 비증류성 물질을 공정화하고 있다. 이들 물질은 분류기에서 증발이 거의 불가능하며 따라서 두번째 미만내의 FCC상승관 반응기로 이들을 증발시키는 것이 중대한 의무가 된다.

문제 부분은 피드 노즐(feed nozzle)이 가스오일과 같은 쉽게 증발할 수 있는 공급물 첨가에 대해서는 완전히 만족스러우나, 더 증질인 공급물에 대해서는 적합하지 않다는 것이다. 문제점은 두가지이다. 더욱 중질인 공급물은 이들의 높은 비점 때문에 증발하기 어렵다는 것과 중질 공급물이 고온에서 조차도 FCC 상승관내에 존재하는 이들의 높은 점도때문에 분사가 어렵다는 것이다.

더욱 중질인 공급물을 처리하거나 더욱 경질인 공급물의 증발을 증대시키기 위한 정유 공정의 노력을 간단히 살펴보고자 한다.

재생 촉매/공급물 접촉을 증대시키는 한가지 노력은 촉매쪽에서 있었는데, 즉 촉매를 상승관으로 부드럽게 올려보내는 리프트가스(lift gas)의 사용이다. 다른 접근은 촉매 분포가 희박하게 되면, 오일 분포(다중 노즐을 통해)도 마찬가지로 희박하게 된다는 것을 생각하였다.

스팀 첨가를 증가시키는 것은 더욱 중질인 공급물을 처리하는 통상의 관행이다. 스팀 분사를 증가시키는 것은 일반적으로 현존피드노즐을 지나는 압력강하의 증가를 발생시키고, 원유수(souir water)의 생성을 증가시킨다. 공급물 분포에서의 어떤 증대가 일반적으로 수득될지라도 원유수 생성이 증가되는 문제, 및 공급물을 노즐 유출구로 투입시킬수 있는 압력상의 제한은 단순한 스팀비율의 증가로 부터의 발전을 제한시킨다.

촉매/오일 분포에 대한 관심 및 더 많은 스팀으로 현존 노즐작동을 좋게하는 것이외에도, 정유공정에서는 다른 노즐 디자인을 고려했다. 특정의 매우 효과적인 노즐 디자인이 개발되었으나, 이들은 효과적인 작동을 위해 노즐을 지나는 비통상적인, 높은 압력 강하를 필요로 한다. 정유공장은 가능한 저압에서 공급물 노즐을 작동시켜서 장비비용 및 작동비용 모두를 절감하고자 한다.

여러 유니트들은 피드 압력에서 제한을 받으며, 많은 자본의 증대가 고압강하 노즐 사용에 필요로 된다. 가압 액체 스트림의 개발은 또한 상당량의 에너지를 소모한다.

노즐 개발에 대한 개요가 문헌에 잘 기술되어 있다[Fluid Catalytic Cracking Report : 50 years of Catalytic Cracking ; A. A. Aviden et al., Oil Journal, Jan 8, 1990, 50 p]. 개공파이프 또는 슬럿(slot), 충격, 스파이럼(spiral) 및 크리티칼 밴투리 (critical venturi)노즐이 모두 시도되었다.

개공 파이프 또는 슬럿 노즐은 굵고 불규칙한 방울크기를 제공하고, 중질 공급물을 FCC상승관 반응기로 주입하는데 완전하게 적합하지는 않다.

오일 및 스팀 혼합물을, 정밀한 크기를 갖는 벤투리 부분을 통해 더 큰 중간 챔버로 통과시켜, 제한된 노즐을 통해 방출시키는 크리티칼 벤투리노즐은 매우 작은 방울 크기를 수득할 수 있다. 이들 방울들은 스파이럴 노즐에 의해 생성되는 방울보다 더 적은 시간내에 완전히 증발시킬 수 있으나, 이로한 노즐은 고압액체 방울을 필요로 하며, 좁은 분무 패턴을 전개한다.

혼합 접근법, 즉 저속의 오일 스트림(20 내지 50 ft/sec {6 내지 15 m/s})을 분사하기 위해 고속스팀(1000 내지 1800 ft/set {30 내지 549 m/s})을 사용하는 것이 미합중국 특허 출원 제 3654140 호에 기술되어 있다. 고속스팀은 에너지를 저속 액체에 공급한다. 미합중국 특허출원 제 3654140 호의 제 2 도는 핵을 덮는 고속 스팀 스트림에 의해 작은 방울로 쪼개지는 원추형의 액체로써 방출되는 오일을 나타낸다. 이 디자인은 미합중국 특허출원 제 3152065 에서 나타낸 노즐 보다 개선된것이며, 초기의 노즐은 액체를 제한 개공의 팽창 스팀 스트림 상부에 접촉시키기 위해 중심 스팀파이프에 대해 원형인 구역으로 통과시키는 것을 특징으로 개발하였다. 액체 스트림에 원심적 성분을 제공하는 것은 대체로 액체를 노즐 사이드로 분포시켜 분사에 방해를 주게된다. 액체가 원추형으로 분출되어,노즐 중심지역에서 고속 스팀 스트림에의해 충돌되지 않는다.

수많은 노즐 디자인이 있고, 이들 대부분이 단순하여 분리하기가 어렵지만, 이들은 방울 형성에 있어서 하나 이상의 다음 메카니즘에 관계함으로써 임의적으로 분류할 수 있다.

수축/팽창이 FCC 공급물 노즐에 가장 광범위하게 사용된 형태이다. 1내지 5중량% 분사스팀 및 중질의 예비가열시킨 공급물의 혼합물은 슬럿 또는 써큘라 오리피스(circalar orffice)를 통과하여 스프레이를 형성한다.

혼합/팽창은 오리피스가 뒤따르는 선회날개의 사용을 수반한다. 시어링(searing)은 작은 방울로 스스로 쪼개지는 노즐 공급물 스트림의 박막 시트(sheet)를 떼어냄으로써 액체를 분사한다.

가스 제트 노즐은 분사 가스 스트림을 스트림을 다중 오리피스로 통과시켜 액체 스트림을 충돌시킨다. 레츨러(Lechler) 노즐이 이런 타입의 노즐로서 좋은 예가 된다.

충돌 노즐은 고체 표면상에서 액체를 고속 충격시켜 분사한다. 스노우제트(snowjet)노즐이 이런 타입이다.

이들 타입의 노즐은 일련로 간단하게 적층시켜 분사를 증대시킬수 있는 것처럼 보이지만, 실제에는 불가능하다. 추가의 단계를 이용해서 분사를 증대시킬 수 있거나, 증대시킬수 없을 수 있지만, 항상 압력강하가 커질것이며, 간단한 적층으로는 이것 단독의 유니트 작동을 방해할 것이다. 노즐성능을 증대시키는 많은 시도는,분사장치를 적층시킨 것에 의한 것과 같이 성능을 저하시킨다. 슬럿 오리피스 노즐에다 선회날개(swirl vane)의 부착이 시도되었으나, 이것이 분포를 악화시키는 것으로 밝혀졌다.

FCC 유니트에서, 1또는 2년 이상의 수행기간이 통상적이므로 노즐은 또한 견고하고 믿을만 해야만 한다. FCC 유니트는 추가의 제약을 가진다. 탄화수소 공급물은 항상 약 50내지 200 psig(446 내지 1480 Kpa)의 특정압력에서 공급된다. 대형의 이들 스트림 및 공급물을 더 고압으로 펌프하는데 필요한 에너지 비용, 및 고압펌프의 용이한 부착을 자주 방해하는 위치제약 때문에 낮은 오일 압력으로 잘 작동되는 노즐을 갖는 것이 매우 중요하다.

중간 또는 고압 스트림이 언제나 쉽게 이용될 수 있으며 분사화에 바람직한 것으로는 중간 압력 스트림이나, 정유하는 사람은 언제나 그의 사용을 최소화 하고자 한다. 중간 또는 고압 스트림이 정유공정에 유용하게 상용되는 것이며, 이들을 사용하게 되면 FCC 상승관 및 하단부 공정화 장치의 대부분을 불활성 물질로 채우게 된다. 정유하는 사람은 또한 촉매분포, 및 상승관 부식 관계 때문에 너무 많은 스팀을 사용하거나 노즐로 부터의 높은 방출속도를 갖는 것을 꺼려한다.

또다른 제약은 촉매가 상승관의 사이드부분으로 통과됨이 없이, 노즐을 통과하는 물질은 가능한 노즐에 의해 유동하는 촉매의 많은 양과 접촉되어야만 한다는 것이다.

이것은 또한 수직 또는 사이드로 설치되든지, 사용된 노즐이 비교적 적어서 상승관으로의 가열 촉매의 유동을 분열시키지 않도록 하는것이 유리하다.

본 발명의 한가지 양상에 따라, 하기로 이루어진 분사 노즐이 제공된다.

분사 가스를, 방사형으로 외부에서 내부로 유동시켜, 액체 탄화수소를 함유하는 유동 스트림으로 충진시킴으로써 상기 액체 공급물 스트림을 부분적으로 분사시키고, 핵지역에는 덜 분사되고 주변지역에는 더 많이 분사된 부분 직경 및 단면적을 갖는 부분 분사된 제트(jet)를 생성하는 초기 분사화 부분;

상기 초기 분사화 부분의 하단부와 접근해 있으며, 상기 초기 분사화 부분의 직경이하의 직경을 갖는 충돌부분;

적어도 상기 부분 분사된 제트만큼 큰 단면적을 가지며 상기 부분 분사된 제트의 단면적보다 적어도 1.5배 큰 단면적을 갖는 노즐 배렬과 연결되는, 상기 충돌 부분 둘레의 환형 팽창지역 ; 및 상기 노즐 배렬 말단에서 상기 노즐배럴의 단면적보다 적은 단면적을 갖는 노즐 유출구.

바람직하게는, 상기 초기 분사부분은 긴 피드파이프를 포함하는데, 이것은 액체 공급물 원료와 연결되는 상단부, 막히지 않거나 개방된 유출구를 갖는 하단부 및 파이프 주위에 상기 유출구의 하나의 공급을 파이프 직경내에 방사상으로 배치되어 뚫려있는 긴 공급물 파이프를 갖는 다수의 분사 가스 주입홀을 갖으며, 분사 가스용 유입구 및 상기 다수의 분사 가스 주입홀을 포함하는 유출구를 갖는 분사 가스 분포부분으로 이루어진다.

상기 충돌부분은 상기 초기 분사화 부분에 축으로 배열된 상단부 및 하단부를 갖는 원주형 플러그를 포함하는 것이 적합하다. 상기 플러그의 상단부에는 바람직하게 원추형 말단 부분이 20°보다 크지 않은 각도를 갖는다.

플러그는 그의 하단부 말단에서 지지될 수 있으며, 지지체가 바람직하게는 X형 또는 십자형의 지지체 수단으로 이루어지며, 여기서 지지체 수단이 지지체 수단 바로 상부에 액체 유동에 이용할 수 있는 면적의 40내지 60% 의, 액체 유동에 직각이 되는 단면적을 갖으며, 상기 지지체 수단은 그곳을 통해 유동하는 액체를 몇개의 스트림으로 분활시킨다. 원주형 플러그용 하단부 지지체는 그곳을 유동하는 액체를 4개의 파이형 스트림으로 분활시킨다. 상기 환형 팽창지역의 유출구는 상기 원주형 플러그용 상기 하단부 지지체로 이루어질 수있다.

환형의 팽창지역이 바람직하게는 상기 노즐 배럴과 함께 축으로 배열되고 상기 노즐 배열과 인접한 유출구를 갖는다. 환형의 팽창지역이 바람직하게는 상기 분사 부분과 인접한 유입구를 갖는 역전된 원추부분으로 이루어지며, 노즐 배럴은 원주형이 바람직하다.

노즐 유출구는 장방형 슬럿 개공을 갖는 둥글거나 180°보다 작아서 스프레이 각도가 35 내지 120°, 더욱 바람직하게는 50 내지 90°을 이룬다.

환형의 팽창지역은 적어도 상기 부분 분사된 제트의 단면적만큼 큰 단면적 크기 보다 2배 더 큰 단면적을 갖는 노즐 배럴과 연결된다.

한가지 구조중에는 노즐 유출구가 플랫 팬ㅎㅇ 스프레이 형성에 적합한 슬럿 또는 노즐을 포함하며, 상기 노즐 배럴은 길이 및 직경을 가지는데, 직경에 대한 길이의 비는 3 : 1 내지 15 : 1, 바람직하게는 3 : 1 내지 6 : 1 및, 더욱 바람직하게는 4 : 1 의 범위이다. 노즐 유출구가 이상적으로는 단일의 장방형 노취 유출구를 포함한다.

상기 환형의 챙창지역에서, 노즐 배럴이 바람직하게는 상기 부분 분사된 제트의 단면적 크기에 1.5 내지 6 배인 단면적을 갖는다. 더욱 바람직하게는 노즐 배럴이 상기 부분적으로 분사된 제트의 단면적 크기보다 4배 더 큰 단면적을 갖는다.

본 발명의 또다른 양상에 따른 본 발명은 중질 공급물을 상승관 크래킹 반응기 수단에서 촉매적으로 크래킹시켜 크래킹된 생성물 및 소비된 촉매를 생성하고, 소비된 촉매는 스트리핑 수단에서 스트리핑시켜 촉매 재생수단에서 재생시켜 상기 상승관 반응기로 재순환시킨는 가열 재상촉매를 생성하는 유동화된 촉매적 크래킹 공정에 관한 것이며, 여기에는 적어도 하나의 상기 서술된 바의 다단계 분사 공급물 노즐을 사용하여 상기 상승관 반응기의 바닥부분에 공급물을 주입시킨다.

또다른 양상에 따른 본 발명은 상기 서술된 노즐을 사용하여 액체 탄화수소 공급물 및 분사 스팀을 상기 분류수단의 증기상 지역에 투입시킴을 특징으로 하여, 정상대기에서 액체인 탄화수소 공급물을 증기/액체 분류 수단에 투입시키는 방법을 제공한다.

또다른 양상에 따른 본 발명은 촉매적 수소첨가 전환 반응조건에서 가스 및 액체 탄호수소를 함유하는 수소를 촉매의 고정층위의 증기로 가득찬 지역에 투입시키고 촉매의 상기 고정층을 통새 상기 액체 및 수소를 하부로 통과시켜 수소 첨가 전환된 생성물, 상기 정상대기에서 액체인 탄화수소공급물, 및 상기 언급된 노즐을 사용하는 상기 고정 층 공급물 상단에 증기로 가득찬 지역에 첨가되는 적어도 일부의 상기 가스를 함유하는 수소를 생성하는 정상대기에서 액체인 탄화수소 스트림의 촉매적 수소첨가 전환에 관한 수소첨가 전환방법을 제공한다.

본 발명에 따른 노즐은 방울 형성에 있어 몇가지 상이한 메카니즘으로 구성되며, 너무 높은 오일 공급물의 압력이 필요하거나, 상승관 반응기 벽에 충돌시킴 없이 비교적 저량의 분사 액체에 대해 효과적으로 분사시킨다. 노즐은 스러깅(slugging) 특성을 나타내지 않으며 수직 또는 경사지게 설치할 수도 있고, 이것은 사이드로 설치된 노즐을 갖는 상승관 반응기에서 사용할 수 있다. 디자인은 견고하고 컴팩트하고, 촉매는 그 주위를 쉽게 유동한다.

하기는 첨부한 도면에 관한 설명이다.

제 1 도 및 2 도(선행기술)는 180°슬럿 캡 노즐 유출구의 다른 모습이며,

제 3 도 및 4 도는 단축 슬럿 노즐 유출구의 도면이고,

제 5 도는 초기 분사화부분, 저압 강하 플러그 및 배플(또한 팽창부분역활을 한다.)및 단축슬럿 노즐 유출구를 갖는 본 발명에 따른 바람직한 노즐의 단면도이며,

제 6 도 및 7 도는 저압강하 플러그 및 배플의 다른 모습이고,

제 8 도는 초기 분사화 부분의 단면도이며,

제 9 도는 다수의 피드노즐을 갖는 FCC 상승관 반응기의 단면도이고,

제 10 도는 바람직한 앵커링(anchoring)수단을 나타내는 팽창 플러그의 단면도이다.

FCC 피드노즐, 또는 최소한의 피드노즐 유출구에 관한 기술의 설명은 제 1 및 2 도에 나타내었다. 노취(notch) 도는 슬럿(slot)(85')이 있는 노즐(80')의 말단에서는 액체 공급물을 FCC 상승관으로 스프레이 한다. 노즐(80')의 공급물 상단부는 분사된 스팀 혼합물, 또는 기타 분사되는 유동물, 및 일반적으로 최소량의 증발된 탄화수소 공급물을 갖는 액체 탄화수소 공급물이 된다. 스럿 오리피스(85')는 일반적으로 노즐(80')의 절제 또는 구멍을 뚫은 부분이다. 전형적으로 슬럿 오리피스는 180°개공성을 갖으며, 슬럿 오리피스를 포함하는 파이프 또는 말단 캡(80') 직경의 15내지 60% 만큼의 넓이 또는 개공부를 갖는다.

이들 오리피스 노즐, 또는 상기 언급한 문헌[Oil and Gas Journal report]에서 나타낸 것에서는 오일 및 스팀이 파이프로 주입되며, 오리피스의 말단부는 직경이 축소된다. 노즐은 오일 및 분사화 스팀에 고속을 제공함으로써 오일을 분사시키거나, 분산시킨다. 미미한 결과가 수득되는데, 특히 중질인 경우에는 공급물을 증발시키기가 어렵다. 이들 노즐은 쉽게 증발할 수 있는 공급물 예를 들어 오일을 공정화 할시에는 만족스럽지만, 약 5 중량% 이상이 미증욱 명백해진다. 이 문제점은 다량의 액체 공급물이 거의 분사되지 않는다는 것이다. 많은 액체 방울들은 증발에 장시간이 소요되거나, 전혀 증발되지 않아 코크를 형성하다. 어떤 유니트에서의 공급물은 촉매가 완전히 활성을 잃은 후에도 증발되지 않는다.

본 발명의 FCC 공정 및 노즐은 중질 오일을 미세하게 분사된 방울로 형성시키기 위해 몇가지 메카니즘을 사용한다. 바람직한 노즐의 분사화 3 단계 또는 메카니즘의 개략도는 1 차적으로 제 5도에 나타내고, 계속해서 여러 도면에 나타내었다. 간단하게는 노즐이 초기 분사화 부분, 저업강하 충돌 및 팽창부분 및 오리피스 팁(tip)을 갖는다.

중질 오일 또는 중질 액체 공급물은 유입구(20)을 통해 노즐(10)의 분사화 챔버(22)에 충진된다. 플랜지 어셈블리(flange assembly)(45)는 플랜지(47)및 FCC상승관 반응기로 이어지는 노즐 실드(shield)(82)와 짝으로 연결된다.

오일은 항상 액상으로써 유입구(20)로 들어오며, 스팀이 유동액체에 가로방향으로 주입됨으로써 챔버(22)를 통해 유동되므로 오일은 상당량이 분사된다. 스팀은 분사되는 유동물 유입구(30)을 통해 들어온다. 각각, 유입구(20)및 (30)주위에 있는 플랜지(35) 및 (25)는 스팀 및 오일라인의 필드(field) 연결부 역활을 한다.

스팀은 분사챔버(22)와 노즐(10)의 벽(31) 사이에 있는 환형의 공간(32)로 토입된다. 스팀은 바람직하게는 파이프벽(34)을 통해 직각으로 구멍이 뚫린 다수의 홀(hole)을 통과한다.

중질 오일 공급물은 골고루 혼합되어 많은 양이 분사되는데, 이는 유입구(20)로 부터 초기 분사구역의 유출구(36)로 통과되기 때문이다. 따라서 액체는 축방향으로 흐르고, 가스는 지역(22)를 둘러싼 환형지역(32)을 방사형으로 통과한다.

지역(22) 부분의 그의 유출구 말단을 나타내는 제8도는 어떻게 스팀이 환형 스팀 통로(32)로부터 파이프(34) 내의 홀(33)을거쳐 지역(22)로 투입되고, 그곳을 통과하여 유동하는 액체 공급물이 분사되는가를 보여준다. 각8 개의 홀의 2개의 열이 바람직하다.

제 5도는 이부분의 유출구(36)의 상부스팀의 1 또는 2개 파이프내에 있는 스팀홀(33)의 바람직한 배열을 나타낸다. 바람직하게는 스팀홀은 유출구(36)의 0.5 인치(1.3cm)이내에 있다. 원한다면, 스팀주입홀(33)은 상부로 바꾸거나, 슬럿, 튜브,도는 중질 오일 공급물이 첨가된 최소량의 스팀과 같은 추가의 스팀 주입수단으로 대치할 수있다.

유출구(36)으로 부터 분사된 이상 혼합물은 저압강하 충돌 및 팽창부분으로 방출된다.

제 1 단계는 오일/스팀 혼합물을 바람직하게는 분사화 챔버(22)의 단면적보다 적은 단면적을 갖는 충돌 플러그(50)은 파이프(34) 단면적의 30내지 60%의 단면적을 갖게된다. 파이프(34)가 1.5 인치(3.8cm) 스케듈(schedule)(80)파이프라면, 플러그(50)의 단면적은 약 1 인치(2.5cm)가 된다. 이것은 압착시키기에 충분한 크기이다.

플러그(50)은 노즐의 이 부분을 통해 분사된 오일 및 스팀을 효과적으로 팽창시키는 저압강하 팽창 지역내에 놓아야 한다. 파이프(34) 내의 지역(22)의 유출구의 ID 와 비슷하거나 동일한 ID를 갖는 잘린 역전 원추부분(60), 및 중심선으로 부터 , 5 내지 30°, 바람직하게는 10 내지 25°및 가장 바람직하게는 15° 의 각도를 사용하는 것이 팽창으로 인한 압력손실을 최소할 것이다.

벤투리메타(ventari meter) 또는 카부레터(carburettor)에서 사용된 것과 같은 더 복잡한 기하체가 사용될 수 있으나, 이러한 형태는 제작하기가 어려우며 더 비경제적이다. 핀(50)은 유출구(36)의 반경 0.5인치(1.3cm)이상과 동일한 크기로 액체 유동의 방향을 따라, 초기 분사부분 유출구(36)과 다소 떨어져 있거나, 뒤에 있을 수 있다.

역전 원추부분(60)의 각도, 및 유축구(36)으로 부터의 충돌 플럭(50)의 후진된 용적은 최소한 파이프 (34)내에 유동하는 유동물이 이용할 수있는 단면적을 제공하기에 충분해야 한다. 플러그를 포함하는 파이프의 최소 개공면적은 적어도 파이프(34) 단면적의 130% 이상이 바람직하다. 본 발명에서는 최대공간이 피드 파이프(34)의 개공면적에 약 1.4 배를 제공한다고 믿어진다.

제 7 도는 바람직한 충돌 플로그(50)의 단면도이다. 플러그(50)의 주요목적은 분사된 오일 및 스팀 혼합물을 충격시켜 추가로 분사화가 발생되게 하는 충격기 역활이다. 바람직하게는 플러그의 말단이2 또는 3°내지 약 15 또는 20°, 및 이상적으로는 약 10° 범위의 저각으로 절단한다. 경사 각도는 액체에 대해 강한 충격을 주고 플러그 반대쪽으로 유동물을 분사시켜 분사가 잘 되도록 하는 동시에, 플러그 주위에 균일하게 유동되고, 팽창부분 다음에는, 플러그(50)말단의 하부로 통과된다. 플러그는 분사된 혼합물을 파이프의 중심 팽창부분으로 통과시킨다.

팽창부분은 노즐 유출구를 통하는 파이프 또는 튜브의 구멍과 거의 동일한 유출구 직경을 갖어야 한다. 배플은 분사된 공급물이 통과되는 4개의 파이프형 개공을 특징으로 하는, 거의 십자형 또는 X자형이 바람직하다. 제 6 도에 내부를 보여주는 이들 배프ㅍ은 바람직하게는 팽창부분의 유출구 직경의 15내지 35%, 이상적으로는 20 내지 30%와 동일한 스포크 넓이를 갖는다. 바람직한 디자인은 3인치 (7.6cm)이내의 파이프 사용을 위해 0.5인치(1.3cm)두께를 갖는 배플 플레이트 및 0.69인치(1.8cm)넓이를 갖는 각 스포크가 있는 배플을 나타낸 것이다.

배플 디자인은 노즐 배럴의 횡부분을 지나는 방울들을 분포시키는데 적합한 방법을 제공하며, 충돌 플러그(50)을 지탱하기에 충분한 금속 또는 기타 물질을 제공하낟. 다른 방법으로는 플레이트에 뚫은 2,3 또는 4개 이상의 홀을 갖는 고형 플레이트를 사용하는 것이다. 구멍을 뚫은 4개 홀을 갖는 고형 플레이드를 사용하면 제 6 도에서 점선으로 나타내는 X배플과 거의 똑같이 유체역학적으로 작용할 것이다.

배플(65)의 정확한 형태 또는 배치와는 상관없이 단지 배플을 지나는 적합한 압력 강하만이 있을수 있도록 하는 충분한 개공 면적을 갖는 것이 중요하다. 일반적으로 적어도 팽창부분의 출입구 단면적의 25%의 개공면적이 제공되는ㄴ 것이 적합하다.

제 10 도에서는 노즐에서의 어셈블리의 적합한 위치를 안전하게 유지하기 위해 핀(67)이 지탱하는 플러그 및 배플 어셈블리를 윤활시키는 적합한 방법을 보여준다.

배플(65)는 스팀 및 오일을 더욱 잘 혼합시키며, 팽창 부분의 노즐 하부를 안정하게 유지시키고, 노즐 유출구의 상부, 즉 노즐 유출구의 구멍(bore)은 균일한 방울 크기 및 스프레이 농도를 갖는 분사된 혼합물로 채워진다. 이 목적을 위해 스파이럴 믹서(spiral mizer), 선회날개, 또는 여러 기하체의 배플 부분을 팽창부분의 유출구의 상부 또는 하부에, 또는 바로 근처에 삽입할 수 있으나, 동일한 결과가 필연적인 것은 아니다.

플러그, 또는 플러그 및 배플의 사용과 연관된 작은 압력강하가 있으나, 시스템은 혼합물을 분사시키는데 이 압력강화를 효과적으로 사용한다.

본 발명의 방법 및 장치는 분사된 혼합물을 상승관 반응기로 방출시키는데 통상의 오리피스기술을 사용할 수있다. 일반적으로, 이러한 오리피스는 오리피스 횡단면이 오리피스 상부스트림에 꼭 맞는 스누트(snout)또는 배럴의 단면적보다 상당히 작을때 작 작동된다. 스누트 : 슬럿면적을 광법하게 변할 수 있으나 3.8 : 1 비율이 좋은 결과를 준다.

오리피스는 스파이럴 노즐과 같은 오리프스팁의 상부 보다 작거나 꼭맞는 추가의 분사화 수단을 가질 수있으나, 이들은 일반적으로 필요하지 않으며, 압력강하, 복잡성 및 과다한 실패율이 증가하게 된다.

제 6도에서는 슬럿 오리피스를 노취 또는 슬럿(85)형태로 나타내었다. 이것은 180°보다 작은 각도를 갖는 플랫 팬 스프레이를 이룬다.이것은 사이드 도는 원주형으로 설치된(mount)노즐을 사용하는 FCC에 적합하다. 노즐이 수직으로 설치되었을시에는, 원형 오리피스 유출구가 바람직하다.

원한다면, 오리피스를 오리피스의 상부 또는 하부에 꼭맞은, 약간 적은, 쐐기 또는 편류판 수단 또는 블럭으로 작동시킬 수 있다. 이들은 노즐을 통해 압력강하를 증가시킬 수 있으며, 증가된 분사 효능이 증가된 압력 강하를 언제나 정당화시킬 수 있는 것은 아니다. 선회 날개가 성능을 감소시키는 듯 하다. 근본적으로 오리피스로 이루어진 오리피스 유출구, 바람직하게는 팬형 스프레이로 한정되는 슬럿화된 오리피스로 작동하는 것이 적합하다.

슬럿화된 오리피스가 사이드로 설치된 노즐에 유리한데, 이는 이러한 형태가 분사된 혼합물을 상승관 반응기에 효과적으로 분포시키는 것이 실험으로 나타나기 때문이다. 제 1 또는 제 2 도에 나타낸바와 같은 선행기술의 슬럿 오리피스가 사용될 지라도, 제 3 또는 제 4도에 나타낸 바와 같은 캡의 탄젠트선으로 부터 떨어져서, 단축된 슬럿 오리피스는 캡 탄젠트선으로 절제된 슬럿 오리피스에 의해 생성되는 것보다, FCC에 대해 더 좋은 스프레이 각도인 대략 79 내지 80° 의 스프레이 각도를 생성하게 된다.

이렇게 작아진 스프레이 각도를 이용함으로써 슬럿화된 오리피스는 상승관벽을 침범하는 것 없이 상승관 반응기의 벽근처에 쌍으로 설치할 수 있다. 다른 방법으로는 벽침범으로부터 어떤 보호를 제공하는 상승관 벽으로 부터 거리를 증가시킴으로써, 노즐 어셈블리는 상승관 반응기로 더 삽입시킬수 있다.

제 9도는 FCC상승관 반응기(1) 바닥에서의 FCC피드노즐(10)을 배치하는 좋은 방법을 나타낸다.

본 발명의 공급물 혼합 노즐의 효과는 오리피스 팁노즐, 및 스파이럴 유출구를 갖는 오리피스 팁 노즐을 포함하는 몇가지 통상의 디자인과 비교하였다.

이 실험은 FCC 유니트에서의 노즐성능을 예시하는데, 유용성이 증명된 표준시험 과정을 사용하여 공기/물 혼합물로 수행하였다. FCC유니트에는 물/공기 혼합물이 전혀 주입되지는 않지만, 우연하게도 이들 물/공기 혼합물의 유동성 특징은 FCC 유니트에 사용된 스팀/중질 오일 공급물의 것과 유사하다.

이 실험은 두단계 - 초기 스크린 시험 및 더 정밀한 시험으로 수행되었다. 스크림 실험은 노즐 방출속도 225 및 300 ft/s(69 및91 m/s), 및 분산공기 비율 1.9 및 4.8 중량% 을 4개로 조합시켜 실행하였다. 관찰은 고속 셔터능을 갖는 비데오 카메라로 수행하는데, 유동패턴 및 더 명백한 크기를 갖는 방울들을 포획하여 찍는데 사용되었다. 수평에 대해 30°에 위치한 노즐을 이용하여, 사이드 설치된 노즐을 갖는 많은 상업용 FCC 의 노즐 방향을 모의 시험(simulate)하여 시험을 수행하였다. 공기는 대형 유동 압축기를 사용하여 100psig(791kKpa)로 공급되었다. 높은 액체 유속 또는 유압이 필요할 시에 원심 펌프가 사용되는데, 유속은 터빈(tubine)또는 오리피스 유량계로 측정한다. 모든 노즐에 대해 동일한 시험 과정이 사용되기 때문에, 사용된 과정이 결정적인 것은 아니다.

표준 상업용 노즐 - 현재 FCC 유니트에 상업적으로 사용되는 노즐은 Y유입구내에 오일 유입구(물 유입구)및 스팀(오일) 유입구를 갖는 길이가 3 인치(7.6cm)의 스케듈(40)파이프로 이루어지며, 따라서 분사되는 유동물은 경사로 및 액체 유동 방향으로 첨가된다. 제 1 도에서 나타낸것과 유사한 반원형, 장방형 슬럿을 갖는 캡을 통해 방출되기 전까지 두 유동물은 3ft(0.9m)가량 함께 유동한다. 분사 및 방울분포 모두가 미약하다. 대형방울들은 팬형태의 플래트 스프레이의 중심 및 가장자리 지역에 남아있는 반면, 공기의 대부분은 이들 대형 방울지역사이를 통과한다. 공기 및 수압강하는 비교적 작다. 이 노즐, 및 대부분의 다른 것들은, 더 높은 방출속도를 갖는 시험 경우보다 스프레이가 더 균일하고, 덜 굵다. 3 인치(7.6cm)캐논의 2 상 지역내의 슬러깅(slugging)은 더 높은 유속에서 발견된다.

스파이럴(spiral) - 상업적으로 이용되는 스파이럴 노즐이 또한 시험되었다. 이것은 물 및 공기를 미리 혼합시킬 상부가 있는 3 인치 (7.6cm)캐논상에 설치된다. 이 노즐은 스파이럴 절제된 평면으로써 내부 원주형 유동으로부터 시트를 분활시킴에 의해 작동된다. 30°시험각에서 큰방울들은 바닥에 대부분 남아있고, 미세한 방울들은 꼭대기에 있으므로 이노즐은 성능이 미약하다. 수압이 증가할때 분포가 실질적으로 증대되나, 평균 방울크기가 또한 증가한다. 거의 수직으로 설치되었을때 노즐이 대부분 효과적이다. 공기 및 수압강하는 적당하게 낮다. 물이 스파이럴 시트에 대부분 남아 있으므로 스프레이는 유동내에 틈을 갖는다. 스프레이의 각도는 또한 대략 60°로 적당하다.

레츨러(lechler)초음속 - 이 노즐은 물이 원주형 핵으로 수직 충돌되는 4 개의 원주 행렬을 따라 배치된, 3/16 인치(0.48cm)오리피스에 나타나는 16개의 공기 제트로 수렴하는 부분을 갖는다. 노즐은 그리고 나서 발산 부분을 갖는다. 이 노즐이 스프레이의 외부 가장자리 주위에서 분사화가 잘되나, 매우 큰 방울들은 중심에 남아 있는다. 이것은 저속제트로 인하여, 공기제트가 물로 미약하게 관통하는 결과를 주리라 예측할 수 있다. 배압을 생기게 하는 공기 제트가 영향을 끼쳐 표준 조건에 보다 액체 압력강하가 22 내지 45 psi(152 sowl 310 Kpa)높아지게 한다. 액체 압력강하는 공기유속을 현저하게 변화시킨다. 공기 압력강하는 17 내지 28 psi(117 내지 193Kpa)범위로 낮다. 노즐에 의해 생성되는 스프레이 각도는 매우 좁다.

스노우제트 - 스프레이 시스템 주식회사(spraying systems Co.)가 제작한 이 노즐은 공기 및 물을 충돌 실린더 쪽에 위치한 아주 작은 오리피스를 통해 혼합 챔버로 공급시킨다. 반원형 슬럿을 갖는 2.5ft(0.76cm)스누트는 상업용 FCCU 요구조건과 일치하는 스프레이 패턴 및 방출속도를 생성하기 위해 그 말단상에 부착한다. 이 디자인은 매우 높은 액체 압력강하가 있지만, 우수한 분사 및 방울 분포가 소득된다. 유속이 낮을때에는 굵은 방울들이 스프레이 가장자리에 나타나기 시작한다. 액체 압력강하가 디자인 중심점에서 33psi(228Kpa) 내지 160 psi(1103Kpa)이하 범위로 높은 반면, 공기 압력강하는 20 내지 55 psi(138 내지 379 Kpa)이다. 두개의 다른 캡이 또한 시험되었으며, 이들은 눈제조에 사용되는 더 작은 것이었다. 이들은 압력강하 및 방출속도가 증가되는 더 작은 출구 오리피스를 갖으나, 또한 우수한 분사가 수득된다. 이들 작은 축구의 오리피스노즐은 스프레이 패턴이 너무 작고, 방출속도가 너무 높아 FCC노즐로서 많은 실전에 이용될 수 없다.

개조 - 몇가지 개조를 하여 일종의 표준디자인이 제작되었는데, 어떤 것은 성능이 저하되었거나, 업력강하의 허용할 수 없는 증가가 있었다.

상기 언급한 표준 상업용 노즐의 선회날개 상부위 부착은 가장자리에서 굵은 방울들을갖는, 굉장히 뒤틀린 S자형 스프레이를 생성하게 된다.

내부 선회날개를 갖는 상업적으로 이용되는 노즐상에 슬럿 오리프스 유출기를 사용할 시에, 선회는 가장자리쪽에 큰 물방울이 생기게 하는 반면, 공기는 중간을 통해 통과한다.

본 발명 - 3 개 부분 또는 단계, 즉 초기 분사화부분, 저압강하 팽창부분이 있는 충돌 플러그, 및 오리피스 유출구를 갖는 노즐 사용하여 우수한 분사를 수득할 수있었다. 노즐의 모든 부분이 목적 결과를 수득하기 위해 함께 작동된다. 어떤 통상의 노즐기술이 노즐의 어떤 부분에 사용될 수 있는데, 예를들어 선행기술의 것과 유사한 초기 분사화 부분 또는 오리피스 유출구가 사용될 수 있으나, 성능의 저하가 있었다. 각 부분 또는 단계는 각 부분을 장치시킨 실험적 작동에 따라 하기에서 더욱 상세하게 검토하게 된다.

공급물의 분사화는 노즐에서의 기본적인 제 1 단계이다. 분사화 부분은 레츨러 초고속 노즐과 약간 닮았으며, 동일하지는 않다. 차이점은 하기과 같이 나타낼수 있다. 본 발명의 디자인은 점차적으로 수렴하는 부분을 필요로 하지 않으며, 긴 직선 파이프로 간단하게 사용할 수있다. 4 지점(홀의 4 가리)에 분사한 종류를 첨가하기 보다는, 분사화 증기가 정확한 2 지점(2 고리)을 통해 첨가된다. 가스쪽에 이용될수 있는 압력 강하를 완전히 이용할 수 있도록 공기홀 크기를 만든다.

레츨러 초고속 및 유사한 타입의 노즐은 가장자리 주위에는 잘 작동되나, 핵에는 문제가 있는데, 그것은 큰 방울들이 스프레이의 중심에 남아있는 경향이 있게 된다. 가스비율을 더욱 높이는 것은 분사를 증대시키거나, 액체 압력강하에 있어 현저한 변화를 유발시킬 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 디자인은 2 줄 또는 고리의 홀을 사용하는데, 분사화 가스에서 이용할 수 있는 모든 압력 에너지를 최고로 사용할 수 있다.

분사화 증기를 다수의 방사형으로 오리피스를 통해 액체의 핵으로의, 적어도 제 1 단계 주입은 잘 진행된다. 이 부분이 유출구의 하나의 파이프 직경내에 위치한 4 개의 오리피스의 한 고리가 대체로 최소한의 형태가 되나, 각 8개 오리피스의 2열을 사용하는 것이 최적이라 믿어진다.

저압 강하 팽창부분을 갖는 충돌 플러그는 본 발명의 중요부분이다. 가장 간단한 것으로는, 유동하는 방향에서 측정된 것으로 상부 부분 또는 공급 파이프의 25 내지 15%, 바람직하게는 30 내지 60%, 및 가장 바람직하게는 약 50 내지 55% 범위의 단면적을 갖는 단일 충돌 플러그만으로 구성됨을 필요로 한다.

충돌플러그가 20°미만, 바람직하게는 약 10°의 저각 절제된 충돌 플러그 주위에 유동을 편향시키는 절제 또는 원형 표면을 가질때 특히 유용하다. 플러그는 공급물을 충돌시켜 추가로 분사화가 발생되게 하는 충돌기로 작용한다. 경사절제는 플러그 말단부에서 유동을 플러그 주위의 환형 개공으로 균일하게 통과시킨다. 제 7 도는 원형 말단부의 바람직한 충돌플러그(50)를 나타낸다. 플러그 둘레의 환형면적, 또는 개공면적은 적어도 피드파이프의 개공면적 만큼 커야 한다. 시험한 절제플러그에 대한 최적 개공 면적은 공급 파이프 개공면적의 약 1.4배가 되어야 하는 것으로 믿어진다. 비교적 큰 개공면적, 및 충돌핀의 편향작용은 특히 공급파이프의 중심 유동지역에 남아있을 수 있는 대형 방울들이 더 분사되도록 한다. 환상의 면적은 적어도 부분적으로 면적 60과 같은 팽창면적으로 정의하는 것이 바람직하며, 노즐 ID 는 비교적 좁은 분사화지역(22)으로 부터 노즐 유출구의 훨씬 큰지역(62) 상부으로 이동 시킨다.

오일 공급 파이프에서 부터 대형 노즐 파이프까지의 팽창면적 중심선으로 부터 측정된 바의 전체적인 각도가 바람직하게는 5°내지 30°, 및 가장 바람직하게는 10°내지 20°이다. 이 경사각은 팽창으로 인한 압력손실을 최소화하는데, 파이프의 급작스런 팽창이 발생됨으로 인한 단순한 손실보다는 유용한 압력을 공급원료의 분사에 사용할 수 있도록 하는 것이다. 제 5 도에 나타낸15°는 최적치라 믿어진다.

벤투리 부분과 같은 더욱 다른 형태를 사용하는 것은 압력강하를 더 감소시킬 수 있다. 다른 형태에 따른 비싼 비용이 압력강하에서 최저한으로 감소시킬 수 없듯이, 바람직한 플러그 디자인도 이것과 관련된 저압 강하를 갖는다.

팽창지역 말단에는 노즐 유출구의 상부 스트림 구역에서의 방울에 대한 추가의 혼합 및 균일한 분포에 효과적인 배플이 있는 것이 바람직하다. 바람직한 배플은 유동이 4개의 큰 파이형 오리피스를 통해 균일하게 분포시키는 십자형 수단이다.

선행기술의 많은 노즐 디자인과 마찬가지로 봄 발명에 따른 노즐은 특정 타입의 오리피스 유출구에 가장 적합하게 작동된다.

당업계에 공지된 어떤 통상의 오리피스 유출구[상기 언급된 문헌(Oil Gas Journal Article)에서 나타낸 것]가 사용될 수 있더라도, 본 디자인은 제 3 도 및 4 도에 나타낸 것과 같은 슬럿 캡 유출구에 가장 적합하게 작동된다. 써큘라 오리피스가 수직 설치된 노즐에 사용될 수 있는 반면, 슬럿 형성된 다소 넓은 팬형 스프레이는 FCC상승관 주변 둘레에 원주형으로 설치된 노즐에 사용될 수 있다

FCC에서 사용하기 위해서는 슬럿 개공 면적이 150 내지 450ft/s(46 내지 137m/s), 바람직하게는 200 내지 350ft/s(61 내지 107m/s), 및 가장 바람직하게는 약 300ft/s(91m/s)의 방출속도를 제공하는 크기가 되어야 한다. 가열촉매와 잘 혼합시키기에 충분한 노즐 프스페이에 충분한 에너지를 주는 높은 방출속도가 되나 촉매를 통과시키지 못하게 변화시키거나 상승관 반대 쪽에 충돌시킬정도로 높지 않다.

노취형 출구의 플랫 팬형 스프레이를 이루는 노취 또는 슬럿 유출구가 사용될 시, 오리피스를 고정시키는 긴 스누트 또는 노즐 배럴을 포함할때 조차도 배플 및 오리피스간에는 강한 상호작용이 있다. 충돌 플러그의 하부 스트림에 꼭맞는 배플은 슬럿 유출구가 사용될시 성능이 확실히 증가된다. 분사된 스트림을 일반적으로 써큘라 분포를 플랫팬형 스프레이로 이동시킴으로서 성능면에서 확실한 감소가 있는것 같다. 배플을 사용하고, 파이형 스프레이가 노즐배럴에서 혼합시키도록 슬럿 오리피스의 노즐 배럴 상부가 충분히 길다면 좋은 분사화가 유지될 것이다. 스누트의 최적 길이 또는 슬럿 오리피스 및 배플 사이의 파이프 길이는 약 4개의 파이프 직경만 하거나, 더짧거나 긴 길이도 허용될 수 있는 결과를 준다.

일련의 정량(스크리닝) 및 정성시험을 수행하였다. 제 5 도에 나타낸 것과 매우 유사한 노즐을 시험에 사용하였다. 기본적 노즐 디자인은 분사화부분(두개의 상이한 것을 시험했음), 플러그가 파이 형태의 개공 배플 하부 스트림을 갖는 충돌 플러그 및 말단부에서의 수평 슬럿과 캡을 갖는 3 인치 길이(7.6cm)의 파이프로 이루어진다. 두개의 분사 부분을 시험하였는데, 하나는 팽창지역내의 물의 핵상에 45℃ 로 충돌시키는 8개의 5/32 인치(0.4cm)의 환상의 공기 오리피스를 갖는 것이다. 이것은 도면에 나타내지 않았다. 두번째의 바람직한 디자인으로는 팽창지역의 상부에 설치한 16개의 1/8인치(0.32cm)의 환형의 공기 오리피스를 사용했다.

시험된 노즐은 아래쪽으로 수직이 되게 방향을 정해 분석 장치를 설치했다. 방울크기 분석기는 비디오 카메라의 광선내에 있는 좁은 틈을 통과하는 분무 부분의 흑백영상을 관찰하는데 사용되었다. 13mm의 틈 길이가 실험에 사용되었다. 방울은 스트로빔(strobing)크세는 레이저를 이용해 뒤에서 쪼였다. 통계적인 확신을 얻기위해, 적어도 10,000 방울을 분석하여 데이타를 수득하였다. 일반적으로 분산으로 인하여, 잘못하여 큰 방울을 포함시키는 것을 방지하기 위해 본 발명에서는 모든 방울들의 용적이 10 용적% 이상으로 분포되는 특정의 단일 방울은 제외시켰다. 이것은 거의 일어나지 않으며, 일어난다 하더라도 각 시험중에 다수의 방울수를 셈으로써 일어날 가는성은 감소된다. 층 방울에서 집단의 직경을 동일 용적/표면적 비를 갖는 구의 직경으로 정의된 사우더(sauter)평균 방울 크기로서 방울 크기를 계산하였다. 그 다음, 상대 방울크기는 각 세트의 시험에 대해 계산하였다. 시험은 공기의 양을 변화시키면서, 노즐 방울 속도를 달리하면서 수행하였다.

슬럿 오리피스 유출구의 유효성을 측정하기 위해 추가의 시험을 수행하였다. 모든 시험에는 동일한 노즐 본체에 두가지 유형의 부사화 부분을 사용하였다. 한세트의 시험에서는 어떠한 충돌 플러그 또는 캡도 사용하지 않았다. 이것은 비교적 좁은 스프레이 각도인20°내지30°을 생성한다. 다른 일련의 시험에서는 캡으로 있는 0.8×2.9 인치 (2×7.4cm)슬럿을 노즐의 말단에 부착시킨다. 시험은 표 Ⅰ및 Ⅱ에서 두개의 그룹으로 나타내었으며, 첫번째는 공기를 팽창부분으로 방출시키는 8개의 오리피스에 관한 것이고, 두번째는 제 5도에 나타낸 바와 같이 16개의 오리피스에 관한 것이다.

표 Ⅰ및 표 Ⅱ를 비교하면 16개의 오리피스 노즐 디자인이 8개의 오리피스 디자인 보다 활실히 더 작은 방울 크기로 분무시킨다는 것을 보여준다. 16개의 홀디자인에서 스팀제트는 수직방향으로 공급물을 충돌시켜서, 유용한 스팀유속 및 압력의 최대한의 효용을 제공한다.

몇가지 중요한 영향을 주는 변수가 또한 표 Ⅰ의 데이타로 부터 분석할 수 있다. 방출속도 및 스팀 중량%가 노즐의 성능에 확실히 영향을 미치는 두가지이다. 일정한 스팀 중량% 에서 방출속도가 증가할때, 분사가 증대된다. 이것은 또한 스팀 중량%에서도 마찬가지이며, 스팀량이 공급물의 양에 대해 증가할 때 (일정한 방출 속에서), 분사가 증대된다. 300 내지 225ft/s(91 내지 68 m/s) 방출속도 및 5 내지 2 중량% 스팀에서 노즐의 성능이 급격히 감퇴되나, 이들 값 이하에서는 성능 감소는 더욱 급격하다.

표 Ⅲ 에서는 노즐의 분사성능에 미치는 플러그 및 배플부분,및 슬럿시킨 캡의 영향에 대해 조사했다. 8개 및 16개의 스팀 오리피스에 대한 표에서는 플러그 및 배플, 및 슬럿 캡을 첨가시킴에 따라 분사가 증대된다는 것을 명백히 나타낸다. 그러나 2 개의 노즐을 비교해 볼때는 이들 부분을 첨가함으로 얻어 증대되는 정도는 8 개 홀 디자인에 더욱 크다는 것을 나타낸다. 이것은 충돌지점에서 16 개의 홀 디자인에 의해 진행되는 초기 분사화가 매우 좋기 때문인데, 즉 추가의 분사화 하부의 공간이 그 보다 크지 않기 때문이다. 데이타는 8 개의 홀디자인에서 플러그 및 배플 및 슬럿 캡에 의한 증대정도가 30 내지 53% 인 반면, 16 개의 홀 디자인에서의 증대 정도는 단지 10 내지 15% 이다. 이것은 16개의 홀이 공급을 분사시키는데 최고의 작동을 하며, 플러그 및 캡이 약간의 분사를 추가하는 동시에 스프레이 패턴의 분포 및 형성을 주로 담당한다.

이들 시험은 본 발명에 따른 노즐은 초기 분사,충격, 및 팽창을 조합시켜 매우 잘 작동된다는 것을 보여준다. 노들은 정유 및 석유화학 공정에서 광범하게 응용될 수 있으며, 꼭 필요한 것은 아니다. 바람직한 디자인에서 미세홀은 단지 고압스팀을 초기 분사화 부분으로 투입시키는데 사용된다. 탄화수소오일(또는 기타 액체 공급물)에 의해 노즐이 축축해있는 부분은 비교적 개방적인데, 즉 충돌 플러그(50) 둘레 유동이 이용할 수 있는 단면적이 초기 분사화 부분(22)에서 유동체 유동이 이용할 수있는 단면적 보다 크다.

수소처리기에 적용시킴으로써, 이러한 노즐의 사용은 촉매 유용성을 확실히 증대시키고 수소처리화 촉매의 고정층을 통한 공급물의 채널링(channelling)을 최소화 시킬것이다.

수소 첨가 크래커에 적용시킴에 따라, 본 발명의 노즐의 사용은 수소첨가 크래킹 층을 통해 이동되어 악화시키는 고온의 집중지역을 발생 시킬수 있는 액체의 비균일 분포를 방지함으로서 공정의 효용성 및 안정성을 크게 증대시킬 것이다. 노즐은 수소첨가 크래커에 액체 공급물을 투입시키고/시키거나 액체를 중단시키는데 사용할 수있다.

본 발명의 노즐은 또한 본질적으로 고형이 없는 특정의 증기/액체상을 특정의 정유 유니트 공장에 투입시키는데 사용할 수도 있다.

공급물을 선회날개가 있는 오리피스 팁 노즐을 통해 투입시킨다면 패킹(packing)된 타워의 효율성은 크게 증대될 것이다. 이러한 적용으로 이상 공급물로 전재하는 증가기 일반적으로 액체를 패킹된 컬럼에 분포시키기에 충분하게 될 것이다.

[표 1]

[표 2]

[표 3]

Claims (21)

1. 중질 공급물을 상승관 크래킹 반을기 수단에서 촉매적으로 크래킹시켜 크래킹 된 생성물 및 소비된 촉매를 생성하고, 소비된 촉매는 스트리핑 수단에서 스트리핑하여 촉매 재생수단에서 재생시켜 상기 상승관 반응기로 재순환시키는 가열 재생촉매를 생성시키는데, 여기에서 상기 상승관 반응기 바닥부에 공급물을 주입하기 위해서는 적어도 하나의 다단계 분사 공급 노즐이 사용되며 상기 노즐은 분사 가스를, 방사형으로 외부에서 내부로 유동시켜 액체 탄화수소를 함유하는 유동 스트림에 충진 시킴으로써 상기 액체 공급물 스트림을 부분적으로 분사시키고 핵지역에는 덜 분사되고 주변지역에는 더욱 분사된 직경 및 단면적을 갖는 부분 분사된 제트를 생성시키는 초기 분사화 부분;

   상기초기 분사화 부분의 직경 이하의 직경을 가지며 상기 초기 분사화 부분의 하부와 근접해 있는 충돌부분;

   적어도 상기 부분 분사된 제트만큼 큰 단면적을 가지며 적어도 상기 부분 분사된 제트의 단면적 보다 1.5배 큰 단면적을 갖는 노즐 배럴과 연결된 상기 충돌 부분 둘레의 환형의 팽창지역 및 상기 노즐배럴의 발단에서 상기 노즐 배럴의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 노즐 유출구를 포함함을 특징으로 하는 유동화 촉매적 크래킹 방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 초기 분사화 부분이 상단부는 액체 공급물의 공급원과 연결되고, 하단부에는 막히지 않았거나 개방된 출구가 있으며 다수의 분사 가스 주입홀이 파이프 주위에 방사상으로 배치되어 뚫려 있는 상기 유출구의 하나의 공급물 파이프 직경내에 긴 공급물 파이프, 및 분사 가스용 유입구 및 상기 다수의 분사 가스 주입홀을 포함하는 유출구를 갖는 분사 가스 분포 부분으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법
3. 제 1항에 있어서, 상기 충돌부분이 상기 초기 분사 부분과 함께 축방향으로 배열된 상단부 및 하단부를 갖는 원주형 플러그를 포함함을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 플러그의 상단부가 20°이하의 각도를 갖는 원추형 말단부를 갖는 방법.
5. 제 3항 또는 4항에 있어서, 플러그가 그의 하단부에서 지지됨을 특징으로 하는 방법
6. 제 5항에 있어서, 하부 지지체가 X 형 또는 십자형의 지지체 수단을 포함하며, 여기에서 지지체 수단은 지지체 수단 바로 상부 액체 유동에 이용할 수 있는 면적의 40 내지 60%이며, 액체 유동에 대해 직각을 이루는 단면적을 가지며, 상기 지지체 수단이 이곳을 통해 유동하는 액체를 몇개의 스트림으로 분활시킴을 특징으로 하는 방법.
7. 제 1 항에 있어서, 환형의 팽창지역이 상기 분사화 부분과 근접해 있는 유입구를 갖는 역전된 원추부분으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
8. 제 1항에 있어서 상기 노즐 유출구가 오리피스로 이루어짐을 특징으로 하는 방법
9. 제 8항에 있어서, 상기 노즐 유출구가 장방형 슬럿 개공을 갖는 둥글거나180°반구의 캡으로 이루어짐을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9항에 있어서, 슬럿 개공이 180°미만이고 35 내지 120°의 스프레이 각도를 생성함을 특징으로 하는 방법.
11. 제 9항에 있어서, 슬럿개공이 180°미만이고 40 내지 190°의 스프레이 각도를 생성함을 특징으로 하는 방법.
12. 제 1항에 있어서, 상기 충돌부분 둘레의 상기 환형의 팽창지역이 적어도 상기 부분 분사된 제트의 단면적 만큼 큰 단면적을 가지며, 상기 팽창지역이 상기 부분 분사된 제트의 상기 단면적 크기에 적어도 2배되는 단면적을 갖는 노즐 배럴과 연결됨을 특징으로 하는 방법.
13. 제 6항에 있어서, 상기 노즐 유출구가 플랫 팬형 스프레이 형성에 적합한 슬럿 또는 노취로 이루어지고, 상기 노즐 배럴이 직경에 대한 길이의 비가 3 : 1 내지 15 : 1이 되는 길이와 직경을 가짐을 특징으로 하는 방법.
14. 제 13항에 있어서, 상기 노즐 배럴의 직경에 대한 길이의 비가 4 :1임을 특징으로 하는 방법.
15. 제 1항에 있어서, 상기 환형의 팽창지역에서 노즐 배럴이 상기 부분 분사된 제트의 단면적 크기 보다 1.5 내지 6배 더 큰 단면적을 갖는 방법.
16. 제 15항에 있어서, 상기 환형의 팽창 지역내에서 노즐 배럴이 상기 부분 분사된 제트의 단면적 크기보다 4배 더 큰 단면적을 갖는 방법.
17. 중질 공급물을 상승관 크래킹 반응기 수단에서 촉매적으로 크래킹시켜 크래킹된 생성물 및 소비된 촉매를 생성하고, 소비된 촉매는 스트리핑 소단에서 스트리핑하여 촉매 재생수단에서 재생시켜 상기 상승관 반응기로 재순환시키는 가열 재생촉매를 생성시키는데, 여기에서 상기 상승관 반응기 바닥부에 공급물을 주입하기 위해서는 적어도 하나의 다단계 분사 피드 노즐이 사용되며, 상기 노즐은 분사가스를 방사형으로 외부에서 내부로 유동시켜 액체 탄화수소를 함유하는 유동 스트림으로 충진시킴으로써 상기 액체 공급물 스트림을 부분적으로 분사시키고 부분 분사된 제트를 생성시키는 초기 분사화 부분;

    상기 초기 분사화 부분 직경보다 크지 않은 직경, 원추 말단부가 20℃ 이하의 각도를 갖는 원주형 플러그를 포함하는 상기 충돌부분, 상기 초기 분사화 부분과 함께 축으로 배열된 상단부 및 하단부를 가지며, 여기에서 플러그가 그의 하단부에서 지지됨을 특징으로 하는 상기 초기 분사화 부분의 하단과 근접하며 이것과 함께 축으로 배열된 충돌부분;

    상기 충돌부분을 둘러싼 유입구 및 상기 부분 분사된 제트의 단면적 보다 적어도 1.5배 더 큰 단면적을 갖는 노즐 배럴과 근접해 있는 유출구를 가지며, 여기서 상기 유출구가 지지체 수단 바로 상부의 액체 유동에 이용할 수 있는 면적의 40 내지 60% 이며 액체 유동에 대해 직각을 이루는 단면적을 갖는 X 형 또는 십자형의 충돌 플러그 지지체 수단을 함유하며, 상기 충돌 플러그 지지체 수단이 팽창지역 유출구를 통해 4 개의 파이형 스트림으로 유동하는 액체를 분활시키는 적어도 상기 부분 분사된 제트만큼의 단면적을 갖는 상기 충돌부분을 둘러싸고 이것과 함께 축으로 배열된 환형의 팽창지역 ; 및 단면적 및 직경에 대한 길이가 3 : 1 내지 6 : 1 인 길이 및 직경을 가지며, 플랫 팬형 스프레이를 생성하기에 적합한 단일 장방형노취 유출구, 상기 노즐 배럴의 단면적보다 작은 단면적을 갖는 상기 노취유출구를 갖는 상기 팽창지역 유출구와 인접하고, 이것과 함께 축으로 배열된 원주형 노즐 배럴을 포함함을 특징으로 하는 유동화 촉매적 크래킹 방법.
18. 축, 직경 및 단면적을 갖는 일반적으로 원주형인 표면, 제 1 말단부, 제 2 말단부, 제 1말단에서 제 2 말단까지 이어지는 구멍, 제 1 말단부와 연결된 액체 공급물 유입구, 상기 실린더를 통해서 구멍이 뚫려 있으며 제 2말단부의 하나의 직경내의 방사형으로 분포된 다수의 분사가스 유입구를 갖는 초기 분사기, 상기 초기 분사기의 축과 함께 축 방향으로 배열된 축, 제 1 말단부, 제 2 말단부, 직경을 갖는 일반적으로 원주형인 플러그, 분사화 부분 근처의 플러그 제 1말단부 및 플러그 제 2말단부를 가지며, 상기 플러그가 상기 초기 분사기와 함께 축방향으로 배열되고 상기 플러그 제 1말단부는 상기 초기 분사기의 상기 제 2 말단부와 개공 유동물 교환이 있을 충돌 분사기,

    20°미만의 각도를 갖는 역전된 원추, 상기 초기 분사기의 상기 제 2말단부와 연결된 그의 정점 근처의 제 1말단부 및 노즐 배럴과 연결된 제 2말단부로 이루어지고, 상기 충돌 분사기를 둘러싼 환형의 팽창지역, 및 상기 초기 분사기와 축방향으로 배열되는 축, 적어도 상기 초기 분사기의 직경크기의 1.5배인 직경, 상기 환형의 팽창지역의 제 2말단부와 연결된 제 1말단부 및 오리피스유출구와 연결된 제 2말단부를 갖는 원주형 노즐 배럴로 이루어짐을 특징으로 하는 분사화 노즐.
19. 제 18항에 있어서, 노즐 배럴이 상기 초기 분사기 직경보다 적어도 2배 더 큰 직경을 갖는 방법.
20. 제 19항의 노즐을 사용하여 정상대기에서 액체인 탄화수소 공급물 및 분사화 스팀을 상기 분류수단의 증기상지역에 투입시킴을 특징으로 하여 상기 액체 공급물을 증기/액체 분류수단에 투입시키는 방법.
21. 제 19항의 노즐을 사용하여 정상대기에서 액체인 탄화수소 공급물 및 가스를 함유하는 상기 수소의 최소량을 상기 고정층 위의 상기 증기로 가득찬 지역에 투입시킴을 특징으로 하여, 가스 및 액체 탄화수소를 함유하는 수소를 촉매의 고정층 위에 증기로 채워진 지역에 투입시키고 촉매적 수소첨가 전환 반응조건에서 촉매의 상기 고정층을 통해 아래로 액체 및 수소를 통과시켜 수소 첨가되어 전환된 생성물을 제조하는 정상대기에서 액체인 탄화수소 스트림을 촉매적 수소 첨가 전환시키는 수소 첨가 전환 방법.