KR100273813B1 - 기체-액체 접촉장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증가된 기체-액체 유동률 용량을 가지기 위해 제공되는 기체-액체 접촉장치에 관한 것으로서, 각 다공트레이는 부가의 상류다운커머가 주어지고, 이러한 상류다운커머는 이 장치에서 하류다운커머를 형성하는 종래의 다운커머에 바로 인접하며, 트레이밑의 거품영역 위의 높이에서 하단부를 밀봉하는 다공판이 주어지는 것을 특징으로 한다.

Description

기체-액체 접촉장치

제1도는 내부구조를 나타내기 위해 케이싱의 일부가 제거된 기체-액체 접촉장치의 길게 뻗은 부분의 사시도.

제2도는 본 발명을 입증하기 위해 사용되는 실험장치의 개략도.

제3도 내지 제6도는 본 발명에 따른 장치에 비교되는 비교가능한 단일의 종래의 다운커머, 기체-액체 접촉장치의 다른 유동률에서 거품높이에 의하여 용량을 조절하는 액체유동률을 나타내는 그래프.

제7도 내지 제9도는 본 발명의 다른 실시예의 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

2 : 케이싱 4,5,6,7,48 : 트레이

8,9,10,11 : 배수개구부 12,13,14,15 : 넘침위어(weir)

18 : 하류다운커머 20 : 상류다운커머

24 : 액체흐름방지 다공판 26 : 거품보유위어

52 : 분할방지장치 55 : 거품통로

56 : 단(段)(step)

본 발명은 기체-액체 접촉장치에 관한 것이다.

다운커머를 가지는 다공트레이는 기체와 액체를 접촉하는 산업용 컬럼에서 가장 널리 쓰이는 내부요소중 하나이다. 그러한 컬럼에서 액체는 트레이를 가로질러 트레이로부터 트레이까지 다운커머를 통해 아래로 흐르고, 기체는 액체를 거품이 일게하는 트레이를 통해 윗방향으로 투과한다. 낮은 액체 유동률에서는 보통 단일다운커머가 각 트레이에 사용된다. 그러나 높은 액체 유동률에서는 압력증류와 흡수의 경우에 따라 하나의 다운커머는 액체유동을 조절하기에 충분치 못할 수 있고 다운커머 넘침이 발생할 수 있다. 그러므로 예를들어 “컬럼용량증대를 위한 다수의 다운커머 트레이사용”, 유니온 카바이드사 1983년 간행,에서 보듯이, 다수의 다운커머가 각 트레이에 장치되어져야 한다.

다수의 다운커머는 종래방식으로 배열됨으로써 트레이상의 흐름액체를 둘, 넷 또는 균일한 여섯 흐름으로 분리하고, 즉 흐름액체를 각각이 다른 다운커머으로 흐르는 다수의 다른 짧은 흐름으로 분리한다. 이러한 종래의 장치에 의한 손실은 아래의 세가지 관점으로 나눌 수 있다.

(1) 복잡한 구조가 시공비를 증가시킨다.

(2) 짧은 액체통로는 각 트레이에서의 액체/증기 접촉시간을 줄임으로써 트레이 효율을 낮춘다.

(3) 트레이상의 액체흐름을 균일하게 둘, 넷 또는 여섯 흐름으로 분리하는 것이 거의 불가능함으로써, 각 트레이상에서 엄밀한 증기/액체의 부적정한 배급이 결과될 수 있다.

다운커머 넘침은 높은 트레이 압력강하와, 각 다운커머를 통한 과도하게 큰 유체마찰등과 같은 많은 요소에 의해서 야기될 수 있다. 각 다운커머 유입영역에서의 마찰헤드 손실은 아마도 가장 두드러진 것일 것이다. 그러므로 다운커머 용량은 대개는 유입마찰에 의해서 주로 제한된다.

트레이용량의 증가가 용량을 조절하는 액체다운커머에서의 증가와 유입영역에서의 마찰헤드 손실의 감소에 의해 이루어지는 기체-액체 접촉장치에 대한 필요성이 있다.

본 발명에 따르면,

a) 윗방향으로 뻗은 케이싱과,

b) 서로 다른 높이에서 케이싱을 분할하고, 작동중에 케이싱에서 하강하는 액체를 트레이를 걸쳐 흐르게 하기 위한 액체배수개구부를 가지며, 케이싱에서 상승하고 트레이의 구멍을 통해 투과하여 액체와 접촉하는 기체에 의해 트레이상에서 거품이 일게하는 일련의 다공트레이와,

c) 각각의 다공트레이에 대해,

i ) 액체흐름의 방향에 가로방향으로 배수개구부를 하류와 상류입구로 분할하는 넘침 위어와,

ii) 하류입구로부터 다운커머에서외 배출구까지 걸쳐있는 하류다운커머와,

iii) 상류입구로부터 하류다운커머 배출구로부터 거품이 이는 액체높이 위의 액체배출구까지 걸쳐있는 상류다운커머와,

iv) 작동중에 상류다운커머의 하부에서 흐르는 액체의 액체푸울(pool)을 형성하고, 하류다운커머로부터 거품이 이는 액체의 차단되지 않은 흐름위의 푸울로부터 액체를 분배하는 액체흐름방해다공판을 포함하는 기체-액체 접촉장치가 제공된다.

본 발명의 몇몇 실시예에서 거품보유 위어가 배수개구부 각각의 상류측에 제공되어진다.

본 발명의 다른 실시예에서 케이싱은 원통형이고, 각 배수개구부는 원의 분절로써 모양지어지고, 넘침위어는 배수개구부를 분할함으로써 하류다운커머의 단면이 배수개구부의 분절에 비해 상대적으로 작은 원의 분절로써 모양지어진다.

또 다른 실시예에서 각 다공트레이에 대해 분할방지장치는 케이싱에서 한단부에 밀봉되고 트레이에 걸쳐 뻗음으로써 타단부와 케이싱사이에 거품통로를 제공하며, 트레이의 액체배수개구부는 다운커머에 배열됨으로써 거품통로를 통해 엑체를 각 방지장치의 한쪽을 따라 흐르게 한 다음에 그 방지장치의 다른쪽을 따라 되돌아 흐르게 한다.

최소한 한개의 상류다운커머는 액체흐름방향으로의 통로의 단면적을 축소하기 위해 상부와 하부상승기사이에 단(段)으로 형성되어질 수 있고, 그 단은 액체를 투과할 수 있는 정도로 구멍이 내어질 수 있다.

단계상승기는 액체흐름방향으로 다운커머 통로단면을 점차적으로 축소하기 위해 경사지어질 수 있다.

방지장치는 하부상승기의 위로 향한 연장부를 형성하도록 제공될 수 있다. 각 배수개구부 바로 밑의 각 다공트레이부분은 윗방향으로 흐르는 기체에 대해 방지장치를 제공하기 위해 구멍이 없을 수 있다.

제1도에서는,

a) 윗방향으로 뻗은 케이싱(2)과,

b) 서로 다른 높이에서 케이싱(2)을 분할하고, 작동중에 케이싱(2)에서 화살표 “A”로 표시된 바와같이 하강하는 액체를 트레이(4∼7)를 걸쳐 흐르게 하기 위한 각각의 액체배수개구부(8∼11)를 가지며, 화살표“B”로 표시된 것처럼, 케이싱(2)에서 상승하고 트레이(4∼7)의 구멍을 통해 투과하여 액체와 접촉하는 기체에 의해 트레이(4∼7)상에서 거품이 일게하는 일련의 다공 트레이(4∼7)와,

c) 각각의 다공트레이(4∼7)에 대해,

i) 액체흐름의 방향(A)에 가로방향으로 배수개구부(8∼11)를 배수개구부(8)에 대해 각각 “16”과 “17”로 표시된 것과같은 하류와 상류입구로 분할하는 넘침위어(12∼15)와,

ii) 하류입구(16)로부터 다운커머(18)에서의 배출구(21)까지 걸쳐있는 하류 다운커머(18)와,

iii) 상류입구(17)로부터 하류다운커머(18)에서 하류다운커머배출구(21)로부터 거품이 이는 액체높이 위의 액체배출구(22)까지 걸쳐 있는 상류다운커머(20)와,

iv) 작동중에 상류다운커머(20)의 하부에서 흐르는 액체의 액체시일(sea1)을 형성하고, 하류다운커머(18)으로부터 거품이 이는 액체의 차단되지 않은 흐름위의 액체를 분배하는 액체흐름방지다공판(24)을 포함하는 일반적으로 “1”로 표시된 기체-액체 접촉장치가 도시되어 있다.

이 실시예에서 케이싱(2)은 원통형이고, 각 배수개구부(8∼11)는 원의 분절로써 모양되어지고, 각 넘침위어(12∼15)는 각각의 배수개구부(8∼11)를 분할함으로써, “16”으로 표시된 것과같은 하류다운커머의 단면이 배수개구부(8)의 분절에 비해 상대적으로 작은 원의 분절로써 모양지어진다. 또한 이 실시예에서, 배수개구부(8) 밑의 부분(19)과 같은 각 배수개구부(8∼11) 바로 밑의 각 다공트레이(4∼7)의 부분은 구멍이 없음으로써 윗방향으로 흐르는 기체에 대해 방지장치를 제공한다. 몇몇 실시예에서는 후술되 어지는 것처럼 배수개구부 “10”에 대해 “26”으로 표시된 것과 같은 거품보유 위어가 배수개구부(8∼11) 각각의 상류측상에 제공되어진다.

작동중에 액체는 케이싱(2)의 상부에 공급됨으로써 화살표 “A”에 의해 나타낸 경로를 따라 흐르고, 공지의 방식으로 케이싱(2)의 저단부로부터 빠져 나간다. 거품이 일은 액체는 화살표 “A”로 도시된 것과같이 각 트레이를 걸쳐 움직이고, 그것의 첫부분은 위어(12∼15)에 의해 막힘으로써 상류다운커머(17)와 같은 상류다운커머 아래로 흐르며, 거품이 일은 액체의 두번째 부분은 위어(12∼15)를 넘쳐 흐르고, 하류다운커머(16)와 같은 하류 다운커머 아래로 흐른다.

“16”과 같은 하류다운커머 아래로 흐르는 거품이 일은 액체는 “21”과 같은 배출구에 의해 다운커머를 빠져 나옴으로써 다음의 낮은 다공트레이에 걸쳐 흐르고 그 트레이상에서 거품이 발생된다. “20”과 같은 상류다운커머 안으로 흐르는 거품이 일은 액체는 “24”와 같은 방해다공판을 흐르는 액체상에 모이고, “20”과 같은 상류다운커머를 통한 기체의 상방향흐름에 대해 액체 푸울을 형성한다. 푸울로부터의 액체는 배출구(21)로 부터의 거품이 일은 액체상에 흩뿌려진다.

“26”과 같은 거품보유위어는 거품층의 바람직한 두께가 다공트레이(4∼7) 각각에서 유지되는 것을 확실하게 하는 것을 돕기 위해 제공되어질 수 있다.

본 발명을 실증하기 위해 사용되는 장치를 도시하는 제2도에서, 제1도에 도시된 것과 유사한 부품은 동일 참조번호에 의해 표시되고, 전술한 설명은 그것들을 설명하기 위해 차용될 수 있다. 이 장치에서는 두개의 시험트레이(4,5)가 사용되었다.

제2도에서 투명레진재료로 이루어진 케이싱은 상부의 공기구멍단부(30)와 하부의 공기플리넘챔버(32)를 가진다. 상단부(30)는 유동률 측정로우터미터(rotameter)(40,42)를 통해 수집탱크(38)로부터 재순환되는 물과 함께 회전펌프(36)에 의해 공급되는 물유입구(34)를 가진다. 하단부(32)는 공기플리넘 챔버(32)를 통해 다공트레이(48)로부터 수집탱크(38)까지 물을 배수하는 물배수관(44∼47)을 가진다. 회전공기송풍기(50)는 플리넘쳄버(32)에 압축 공기를 제공한다. 송풍기(50)로부터의 공기유동률은 열선풍속계에 의해 측정된다. 압력계는 트레이(5) 밑으로부터 트레이(4) 위까지의 공기압력 강하를 측정하는데에 사용된다.

작동중에 시험중 공기는 송풍기(50)에 의해 플리넘챔버(34)내로 불어지고 물은 유입구(34)를 통해 탱크(38)로부터 케이싱(2)의 머리부까지 순환된다.

시험을 시작하기 위해 물유동률은 물이 트레이(4)(5)(48)를 통해 아래방향으로 흐를 수 있을 정도의 바람직한 값에 고정된다. 공기송풍기(50)가 시동되고, 공기는 트레이가 투명케이싱(2)을 통해 거품이 이는 물로써 넘치는 것이 관찰될때까지 점차적으로 증가되어 흐른다.

시험은 주로 다운커머 부표길이와 바닥개구단 단면적에 관련한 용량을 조절하는 다운커머에 대한 효과에 대해 수행된다.

시험과 공기와 물 유동률과 트레이 압력강하와 거폼높이가 기록된다. 그 결과는 단지 하나의 다운커머를 예비하는 종래의 비교가능한 기체-액체 접촉장치와 비교된다.

후술하는 시험이 수행되고 그로부터 얻어진 결과가 주어진다.

후술하는 명칭은 시험결과의 제3도에서 제6도의 그래프에 사용된다.

Cb = 다운커머 용량계수 = Vb(p_v/(p_ℓ-p_v))^0.5

SDC = 2단 다운커머 (상류다운커머 + 하류다운커머)

E = 상류다운커머 바닥에서의 개방구 영역분율

GPM = 분당 갈론(미국), gal/min

L = 상류다운커머의 부표길이, 인치

Lw = 위어길이, 인치

Vb = 거품영역에 기초한 증기속도, ft/s

P_ℓ= 액체밀도, ℓb/ft³

P_v= 증기밀도, ℓb/ft³

σ = 액체표면응력, dyn/cm

a) 단일단과 2단다운커머 용량비교

제3도는 제3도에서 본 출원인의 2단 다운커머에 대한 종래의 단일다운커머 장치의 비교를 도표로 나타내고, 다운커머 용량계수는 분당갈론의 액체 물 유동률 “GPM/Lw”에 대해 인치별로 도시되어져 있다. 낮은 액체유동률에서 두장치의 용량은 거의 같다는 것을 알수 있을 것이다. 이에 대한 이유는 낮은 액체유동률에서 본 출원인의 상류다운커머의 순수액체가 다운커머바닥을 봉하기에 층분치 않고, 2단 다운커머가 종래의 단일다운커머와 같이 실행되는 것이다. 그러나, 액체유동률이 증가함에 따라 상류다운커머가 밀폐되어지고, 이 상류다운커머는 용량을 조절하는 여분의 액체에 기여된다. 다운커머 용량계수 Cb=0.25에서, 2단 다운커머를 통한 액체유동률은 단일다운커머를 통한 것보다 80%높고, 액체대 기체의 일정 몰유동비 (즉, L/V=일정상수)에서 액체유동용량은 50%높다.

b) 2단 다운커머용량에서 상류다운커머의 바닥개방면적의 효과

이 연구에서는 상류다운커머의 바닥에서 두개의 다른 단면면적(20%와 40%)이 사용됨으로써 다운커머용량에 대한 효과를 시험하였다. 제4도는 20% 개방면적 용량이 40%용량보다 큰 것을 보여준다. 시험결과는 상류다운커머 바닥에서 40%개방면적과 함께 다운커머바닥이 완전히 밀폐될 수 없다는 것을 보여준다. 상류다운커머가 밀봉되지 않을때에는 용량이 감소된다. 그러므로 바닥개방면적은 주의깊게 설계될 필요성이 있다. 적정한 개방면적은 기체/액체 유동률과 시스템특성과 다운커머부표길이, 그리고 머리부개방면적을 고려함으로써 선택되어진다. 게다가, 후술되어지는 것처럼 상류다운커머가 머리부 단면적이 바닥부의 단면적보다 큰 경사진 다운커머로써 설계되어지면 이는 기체흐름의 최소간섭과 다운커머에서 기체/액체의 최대분리를 허용한다는 것을 알게 될 것이다.

c) 2단 다운커머 용량에서 상류다운커머의 부표길이의 효과

상류다운커머에 대한 부표길이가 7인치인 2단 다운커머용량이 먼저 측정된다. 그 다음에 부표길이가 7인치에서 4인치로 짤리었다. 용량상 상류다운커머의 부표길이 효과가 제5도에 도시된다. 낮은 액체유동률에서 양자모두는 잘 밀봉될 수 없다. 결과적으로 그들 용량은 유사하다. 그러나 액체 유동률을 증가시킴에 따라 7인치 길이를 가진 다운커머는 그것이 4인치 길이를 가진 다운커머보다 나은 방식으로 밀봉될 수 있기 때문에 보다 높은 용량을 보여준다. 사실 트레이가 넘칠때에 압력강하는 보통 물의 3인치보다 더하였다. 그러므로 높은 액체유동률에서 일지라도, 4인치 부표길이를 가진 상류다운커머의 순수액체는 압력수두를 유지하기에 충분하지 않을 수 있다. 이것으로부터 상류다운커머 입구마찰이 조절요소가 아닌한 다운커머용량은 부표 높이의 증가와 함께 증가할 것이라는 것이 보여지게 될 것이다. 그러나, 최상의 결과로는 트레이밑의 거품은 상류다운커머의 바닥을 건드릴 수 없어야 한다.

d) 다운커머 용량에서 억제표면응력의 효과

다운커머 용량에서 표면응력의 효과를 연구하기 의해서 계면활성제의 ppm수준을 포함하는 공급수가 시험되었다. 엑체의 표면응력은 56dyn/cm로 측정되었다.

표 1은 단일단과 2단 다운커머 양자의 용량이 액체표면응력을 감소함으로써 감소하지만 본 출원인의 2단 다운커머용량은 종래의 단일다운커머의 용량보다 덜 감소한다는 것을 보여준다.

[표 1]

e) 단일단과 2단 다운커머를 가진 시이브트레이(sieve tray)의 위핑(weeping)과 덤핑(dumping)의 비교

제6도는 2단 다운커머를 가진 트레이의 위핑점과 덤핑점 양자가 단일단 다운커머트레이의 것보다 훨씬 낮다는 것을 보여준다. 사실, 상류다운커머를 위한 배출구위어가 없기 때문에 2단 다운커머를 가진 트레이의 덤핑점을 관찰하는 것은 매우 어려웠고, 트레이상의 엑체대부분은 상류다운커머를 통해 똑똑 떨어졌다. 낮은 기체유동률에서는 트레이상에 액체의 얇은 막만이 존재했다. 그러므로, 본 출원인의 2단 다운커머를 가진 트레이에 대해 위핑점과 덤핑점은 종래의 다운커머를 가진 것보다 보다 낮은 기체유동률에서 발생했다.

실험결과는 용량이 종래의 다운커머를 본 출원인의 2단 다운커머로 대체함으로써 증가될 수 있다는 것을 보여주었다. 용량은 2단 다운커머를 가짐으로써 일정액체대 기체비에서 50%, 그리고 일정 기체유동률, Cb=0.25에서 80% 증가한다는 것이 발견되었다. 이것은 보다 넓은 작동범위와 보다 높은 트레이 컬럼에 대한 보다 높은 턴-다운비로 귀착한다. 상류다운커머은 그것이 자동 밀봉될 수 있도록 주의 깊게 설계되어야 한다. 후술되어지는 것처럼 기체흐름에 대한 간섭을 최소화 하기 위해 상류다운커머를 경사지게 하는 것이 바람직하다.

제7도에서 제1도에 도시된 것과 유사한 부품이 동일 참조번호로써 표시되어 있고, 앞의 설명이 그것들을 설명하는데 차용된다.

제7도에서 분할방지장치(52)는 한단부(54)에서 케이싱(2)에 밀봉되고, 트레이(4)에 걸쳐 뻗음으로써 바깥단부(56)와 케이싱(2)사이에 거품통로(55)를 제공하며, “8”과 “9”와 같은 액체배출개구부는 “17”과 “18”과 같은 다운커머에 배열됨으로써 각 방지장치(52)의 한쪽을 따르고, 거품통로(55)를 통하여 화살표로 나타낸 것처럼 방지장치(52)의 다른쪽을 따라 되돌아 흐르는 액체를 발생시킨다.

제8도에서 상류다운커머(17)는 상부상승기(58)와 하부상승기(60)사이의 단(56)으로 헝성됨으로써 액체흐름방향(D)에서 통로의 단면적을 축소하고 그 단(56)은 액체를 투과시킬 수 있을 정도로 구멍내어져 있다.

제9도에서는 제8도에 나타낸 것과 유사한 부품이 동일 참조번호로 표시되어 있고 앞의 설명이 그것들을 설명하는데 차용되며, 상승기(64)(66)는 액체흐름의 방향(D)에서 다운커머 통로단면을 점차적으로 줄이도록 경사지어져 있다.

원한다면, 방지장치(68)가 하부상승기(66)의 윗방향연장부를 형성하게 제공될 수 있다.

점선과 “70”으로 나타낸 것처럼 경사지게 제1도에 도시된 상류다운커머는 본 발명의 범주이내이다.

본 발명은 종래의 1,2,3,4통과 트레이뿐만 아니라, 빙클리 등(미합중국 특허 제 4,956,127호)외에 나이(미합중국 특허 제 5,047,179호), 그리고 추앙과 에베라트(미합중국 특허 제 4,504,426호)에 의해 특허된 것과 같은 개선된 직교류트레이의 용량도 증가시킬 수 있다.

Claims (8)

1. a) 원방향으로 뻗은 케이싱과, b) 서로 다른 높이에서 케이싱을 분할하고, 작동중에 케이싱에서 하강하는 액체를 트레이를 흐르게 하기 위한 액체배수개구부를 가지며 케이싱에서 상승하고 트레이의 구멍을 통해 투과하여 액체와 접촉하는 기체에 의해 트레이상에서 거품이 일게하는 일련의 다공트레이와, c) 각각의 다공트레이에 대해, i) 액체흐름의 방향에 가로방향으로 배수개구부를 하류와 상류입구로 분할하는 넘침위어와, ii) 하류입구로부터 다운커머에서의 배출구까지 걸쳐 있는 하류다운커머와, iii) 상류입구로부터 하류다운커머 배출구로부터 거품이 이는 액체높이 위의 액체배출구까지 걸쳐 있는 상류다운커머와, iv) 작동중에 상류다운커머의 하부에서 흐르는 액체의 액체푸울을 형성하고, 하류다운커머로부터 거품이 이는 액체의 차단되지 않은 흐름위의 푸울로부터 액체를 분배하는 액체흐름방해다공판을 포함하는 것을 특징으로하는 기체-액체 접촉장치.
2. 제1항에 있어서, 각 배수개구부의 상류측상에 거품보유위어를 더 포함하는 것을 특징으로하는 기체-액체 접촉장치.
3. 제1항에 있어서, 케이싱이 원통형이고, 각 배수개구부는 원의 분절로써 모양지어지고, 넘침위어는 배수개구부를 분할함으로써 하류다운커머의 단면이 배수개구부의 분절에 비해 상대적으로 작은 원의 분절로써 모양지어지는 것을 특징으로하는 기체-액체 접촉장치.
4. 제1항에 있어서, 각 다공트레이에 대해 케이싱에서 한 단부에 밀봉되고 트레이에 걸쳐 뻗음으로써 타단부와 케이싱사이에 거품통로를 제공하는 분할방지장치와 트레이의 액체배수개구부가 다운커머에 배열됨으로써, 거품통로를 통해 액체를 각 방지장치의 한쪽을 따라 흐르게 한 다음에 그 방지장치의 다른쪽을 따라 되돌아 흐르게하는 것을 특징으로하는 기체-액체 접촉장치.
5. 제1항에 있어서, 각 배수개구부 바로 밑의 각 다공트레이의 부분은 작동중에 윗방향으로 흐르는 기체에 대해 방지장치를 제공하기 위해 구멍이 없는 것을 특징으로하는 기체-액체 접촉장치.
6. 제1항에 있어서, 최소한 하나의 상류다운커머가 상부와 하부상승기 사이에 단으로 헝성됨으로써 액체흐름의 방향으로 통로의 단면적을 축소하고, 그 단이 액체를 투과할 수 있도록 구멍이 형성되어 있는 것을 특징으로하는 기체-액체 접촉장치.
7. 제6항에 있어서, 하부상승기의 윗방향 연장부를 형성하는 방지장치를 더 포함하는 것을 특징으로하는 기체-액체 접촉장치.
8. 제6항에 있어서, 단 상승기가 액체흐름방향으로 다운커머 통로단면을 점차적으로 축소시키기 위해 경사져 있는 것을 특징으로하는 기체-액체 접촉장치.