KR100360108B1 - 유동층 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로 그 목적은, 기체-고체의 반응공정에서 반응기내로 주입되는 미반응 고체들의 체류시간을 증진시키는 동시에, 이와 같은 미반응 고체들이 반응된 고체들과 섞이어 배출됨으로써, 유동층 반응기의 반응율이 저하되는 것을 방지하여 반응효율을 증진시키도록 하는 데에 있다.

따라서, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 반응기(1) 몸체 내부 중앙부분에 설치되는 제 1 격벽부재(9)와, 그 외곽으로 설치되는 제 2 격벽부재 (10)로서 반응기(1)내에 형성되며 유입관(3) 및 배출관(4)이 통하는 제 1,3 유동실(6)(8)과 상기 제 1,3 유동실(6)(8) 사이에 형성되는 제 2 유동실(7)을 포함하고, 상기 제 1 격벽부재(9)와 제 2 격벽부재(10)는 입자들의 제 1 및 제 2 유동실(6)(7)로의 흐름을 가능토록 서로 단차를 갖도록 형성되고, 상기 제 2 격벽부재(10)의 하부에는 제 2 유동실(7)에서 부터 제 3 유동실(8)로의 입자흐름을 가능하게 하는 개구부(5)가 형성되는 유동층 반응기를 제공한다.

Description

유동층 반응기{FLUIDIZED BED REACTOR}

본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로 보다 상세히는, 기체-고체의 반응공정에서 반응기내로 주입되는 미반응 고체들의 체류시간을 증진시키는 동시에, 이와 같은 미반응 고체들이 반응된 고체들과 섞이어 배출됨으로써, 유동층 반응기의 반응율이 저하되는 것을 방지하여 반응효율을 증진시킬 수 있도록 반응효율이 향상된 유동층 반응기에 관한 것이다.

일반적으로 현재 제철산업에서는 고로에 의한 용선생산을 주로 수행하고 있는데 이와 같은 고로에 의한 철강생산은 열효율과 생산성 측면에서 우수한 공정이지만, 이와 같은 고로작업을 위하여는 통기성 및 열원확보를 위한 괴상의 정립광,소결광 및 양질의 코크스가 전제되어야 하는데, 결국 세계적으로 산출되고 있는 대략 80% 이상의 8mm 이하 분광을 직접 사용하기에는 상기 전제와 같은 별도의 공정이 필요한 문제가 있는 것이다.

따라서, 최근에는 별도의 처리작업을 거치지 않고 8mm 이하의 분광을 직접 고로에 사용할 수 있도록 하기 위한 유동층 반응기에 대한 연구가 제철산업분야에서 활발하게 이루어 지고 있다.

즉, 최근 상업화를 목적으로 개발중인 대표적인 것이 유동층을 이용한 분철광석의 환원공정인데, 융용환원제철방식중 예비환원공정을 거치는 한국과 오스트리아가 공동으로 개발중인 FINEX 공정과, 일본의 DIOS공정 및, 오스트레일리아의 HISMELT방식과 직접 제철방식인 오스트리아의 FINMET 공정등이 있다.

즉, 이와 같은 공정에 관련된 유동층 반응기의 잇점은 입자들의 유체 흐름같은 특성으로 인하여 간단한 조작으로도 연속작업이 가능하고, 분철광석의 환원에 있어서는 미립자의 통기성확보가 용이하며, 고체와 기체의 빠른 혼합으로 인하여 고체와 기체사이의 열 및 물질 이동효율이 높고 반응기내 온도 및 농도분포가 균일하다는 것이다.

그러나, 이에 반하여 유동층내 고체의 빠른 혼합속도로 인하여 입자들의 체류시간이 불균일하여 지고, 새로 장입된 미반응 입자가 이미 반응기내에서 반응된 입자에 섞여 배출됨으로써, 입자들의 반응율이 저하되는 단점이 문제가 있는 것이다.

이러한 역혼합 즉, 미반응 입자와 반응된 입자의 혼합을 막기위한 종래의 유동층 반응기를 도 1에서 도시하고 있다.

즉, 도 1에서 도시한 바와 같이, 반응기체 주입구(101)상에 설치되는 유동층 반응기(100)의 내부 하측의 분산판(102)상에 삼발형 격벽(105)을 설치하고, 상기 격벽(105) 중앙에는 입자들이 통하는 개구(106)(107)들이 각각 형성되고, 유동층 반응기(100)의 몸체 외곽에는 입자들의 유입 및 배출을 위한 유입관(103) 및 배출관(104)이 서로 반대쪽에 각각 연결되어 있다.

따라서, 유입관(103)을 통하여 반응기(100)내에 유입된 입자들은 격벽(105)에 의해 형성된 제 1,2 및 3 유동실(108)(109)(110)을 통하여 배출관(104)으로 배출되는 것이다.

여기서 반응기체는 반응기체 주입구(101)와 분산판(102)을 통하여 유동층 반응기(100)내로 주입된다.

그러나, 상기와 같은 종래의 유동층 반응기(100)에 있어서는, 유입된 입자가 격벽(105)의 개구(106)(107)를 통하여 물질이동이 이루어 지기 때문에 원활한 흐름이 어렵게 되는 문제가 있는 것이다.

다음, 도 2에서는 상기와 같은 입자들의 원활한 흐름이 어려운 종래 유동층 반응기(100)의 문제를 해결하기 위한 종래의 다른 유동층 반응기(200)를 도시하고 있다.

즉, 도 2에서 도시한 바와 같이, 반응기체 주입구(201)상에 설치된 유동층 반응기(200)의 내부 분산판(202)상에는 반응기(200)의 상부 중앙에 설치된 유입관(203)을 통하여 유입된 입자들이 롤형태로 유동층 반응기(200)내에 설치된 롤형 격벽(205)의 중심에서 부터 외곽으로 흐르면서 반응기(200)의 외곽에 연결된 배출관(204)을 통하여 배출되는 것이다.

즉, 도 1 에서와 같이 종래에 격벽(105)으로 3개의 유동실을 형성시키어 반응을 수행하면서 개구(106)(107)를 통하여 입자가 흐르는 것에 비하여 도 2에서의 종래의 다른 유동층 반응기(200)는 롤형태로 하나의 유동실을 따라 입자가 흐르면서 배출되기 때문에, 입자들의 흐름이 보다 원활한 것이다.

그러나, 상기와 같은 종래의 다른 유동층 반응기(200)에 있어서는, 상술한 바와 같이 종래에 비하여 입자들의 흐름은 양호하게 되지만, 실제 유동층 반응기(200)의 제작 및 설치작업시 내부구조 즉, 나선형의 롤형태로 된 격벽(205)을 설치하게 되어 유동층 반응기(200)의 제작 및 설치작업이 어렵게 되는 것이다.

본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점들을 개선시키기 위하여 안출된 것으로서 그 목적은, 서로 다른 높이의 2개의 원통형 격벽을 통하여 입자들의 반응이 수행되어 입자들의 흐름은 원활하게 하면서도 내부 구조는 간단하여 제작 및 설치작업이 용이함은 물론, 내부격벽의 단차에 의하여 입자들의 체류시간을 증진시킴으로서 미반응 및 반응입자가 혼합 배출되는 역혼합을 미연에 방지시킬 수 있도록 한 유동층 반응기를 제공하는 데에 있다.

도 1은 종래의 유동층 반응기를 도시한 개략 사시고

도 2는 종래의 다른 유동층 반응기를 도시한 개략 사시도

도 3은 본 발명에 따른 유동층 반응기를 도시한 개략 사시도

도 4는 본 발명인 유동층 반응기의 다른 실시예를 도시한 개략 사시도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

1.... 유동층 반응기 2.... 분산판

3,4.... 유입 및 배출관 5,5'.... 개구부

6,7,8.... 제 1-3 유동실 9,10.... 제 1,2 격벽부재

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 기술적인 구성으로서 본 발명은,유동층 반응기에 있어서, 반응기 몸체 내부 중앙부분에 설치되는 제 1 격벽부재와, 그 외곽으로 설치되는 제 2 격벽부재로서 반응기내에 형성되며 유입관 및 배출관이 통하는 제 1,3 유동실과 상기 제 1,3 유동실 사이에 형성되는 제 2 유동실을 포함하고,

상기 제 1 격벽부재와 제 2 격벽부재는 입자들의 제 1 및 제 2 유동실 흐름을 가능토록 서로 단차를 갖도록 형성되고, 상기 제 2 격벽부재의 하부에는 제 2 유동실에서 부터 제 3 유동실로의 입자흐름을 가능하게 하는 개구부가 형성되는 유동층 반응기를 마련함에 의한다.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3에서는 본 발명인 유동층 반응기(1)를 부분절개하여 사시도로서 도시하고 있다.

즉, 도 3에서 도시한 바와 같이, 본 발명인 유동층 반응기(1)는 반응기 바닥에 설치되는 분산판(2)상에 설치되는 2개의 격벽부재 즉, 반응기(1) 몸체 내부 중앙부분에 설치되는 제 1 격벽부재(9)와, 상기 제 1 격벽부재(9)의 외곽으로 설치되는 제 2 격벽부재(10)를 구비한다.

그리고, 상기 제 1,2 격벽부재(9)(10)는 반응기(1)의 제작을 용이하게 하도록 원통형상의 격벽판으로 형성되어 있으며, 상기 제 1 격벽판(9)의 내측에는 유동층 반응기(1)의 상부 중앙부분을 통하여 삽입되는 입자들을 유입시키는 유입관(3)의 출구가 통하도록 연결되고, 상기 유동층 반응기(1)의 반응 입자들이 배출되는 배출관(4)의 유동층 반응기(1)의 몸체 외곽부분에 연결된다.

다음, 상기와 같은 유동층 반응기(1)는 상기 제 1,2 격벽판(9)(10)에 의하여 상기 유동층 반응기(1)의 내부에는 상기 유입관(3)이 통하는 제 1 유동실(6)과 상기 배출관(4)이 통하는 제 3 유동실(8), 그리고 상기 제 1,3 유동실(6)(8)사이에 형성되는 제 2 유동실(7)을 구비한다.

또한, 상기 제 1 격벽부재(9)와 제 2 격벽부재(10)는 입자들의 제 1 및 제 2 유동실(6)(7)로의 흐름을 가능토록 서로 단차 즉, 제 1 격벽판(9)이 제 2 격벽판(10)보다 분산판(2)에서 부터 높이가 작도록 형성되고, 상기 제 2 격벽판(10)의 하부에는 제 2 유동실(7)에서 부터 제 3 유동실(8)로의 입자흐름을 가능하게 하는 개구부(5)가 형성된다.

그리고, 상기 제 2 격벽판(10)에 형성된 개구부(5)는 제 2 격벽판(10)의 원주방향을 따라 사각형상으로 절개된 사각개구로서 형성되어 입자들의 흐름을 가일층 원활토록 구성된다.

상기와 같은 구성으로 이루어 진 본 발명의 작용을 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 3에서 도시한 바와 같이, 유동층 반응기(1)의 상부에 수직하게 연결되는 유입관(3)을 통하여 입자들이 유동층 반응기(1)의 내측 중앙부분에 설치된 제 1 격벽부재(9) 즉, 원통형상의 격벽판(9)으로 형성되는 제 1 유동실(6)내로 유입된다.

다음, 상기 제 1 유동실(6)내로 유입된 입자들은 상기 제 1 격벽판(9)의 외곽으로 유동층 반응기(1)의 몸체 내부에 설치된 제 2 격벽부재(10) 즉, 원통형상으로 상기 제 1 격벽판(9) 보다는 높이가 높은 제 2 격벽판(10)으로서 형성되는 제 2 유동실(7)측으로 상기 제 1 격벽판(9)의 개구된 상부를 통하여 흐르게 된다.

따라서, 입자들은 상기 제 1 격벽판(9)에 의한 제 1 유동실(6)에 유입된후 제 1 유동실(6)의 상부를 통하여 제 2 유동실(7)로 흐르게 됨으로써, 입자들의 흐름을 방해하는 구조가 없어 입자들의 흐름은 원활하면서도 그 체류시간이 길게 유지되어 유동층 반응기의 반응효율을 향상시키는 것이다.

다음, 제 2 유동실(7)로 흐른 입자들은 상기 제 2 격벽판(10)의 하부에 그 원주를 따라 사각형상으로 개구된 사각개구(5)를 통하여 제 2 격벽판(10)과 반응기(1)의 몸체 사이에 형성된 제 3 유동실(8)로 흐르게 된다.

이때, 상기 제 2 격벽판(10)에 형성된 개구부(5)가 그 원주를 따라 다수개가 사각형상으로 절개 형성됨으로써, 도 1에서와 같이 개구홀을 통하여 입자들의 흐름이 이루어 지는 것에 비하여 보다 원활한 입자흐름이 가능하게 되는 것이다.

그리고, 상기 제 3 유동실(8)까지 흐른 입자들은 상기 유동층 반응기(1)의몸체 외곽으로 연결된 배출관(4)을 통하여 배출되며, 결국 서로 단차를 갖는 제 1,2 격벽판(9)(10)사이에 형성되는 제 1,2 유동실(6)(7)에서 입자들의 체류가 지연되면서 상기 제 2 격벽판(10)에 형성된 사각개구(5)를 통하여 원활하게 제 3 유동실(8)로 흐르게 되어 본발명인 유동층 반응기(1)에 의하면 내부 구조가 간단하여 제작 및 설치가 용이하면서도 입자들의 체류시간은 지연되고 흐름은 원활하여 ㅜ반응효율이 극히 향상되는 것이다.

도 4는 본 발명인 유동층 반응기의 다른 실시예를 도시한 개략 사시도인데, 이와 같은 본 발명의 다른 실시예인 유동층 반응기(1)의 특징은 제 2 격벽판(10)에 설치된 개구부(5')를 원형으로 절개된 개구홀(5')로 형성시킨 것이다.

즉, 제 2 유동실(7)에서 제 3유동실(8)로 흐르는 입자의 유동을 제어하여 입자들의 반응기(1)에서의 체류시간을 지연시키도록 하여 예를 들어, 고체입자와 기체의 반응시 고체입자의 분포가 많을 경우에는 상기 개구홀(5')이 형성된 반응기를 사용하면 미반응 입자를 줄이어 보다 반응기의 반응효율을 높일 수 있는 것이다.

이하, 본 발명의 실시예를 설명하면 다음과 같다.

상기와 같은 본 발명의 반응기(1)로서 분철광석의 유동환원실험을 향하였는데, 유동층 반응기(1)의 전체 높이는 분산판(2)을 기준으로 6m 로 하였으며, 반응기의 내경은 0.74m로 형성시켰다.

또한, 상기 유동층 반응기(1)의 제 1 및 제 2 격벽판(9)(10)의 높이는 각각1m 및 1.5m로 형성시키어 0.5m의 단차를 주었으며, 상기 제 1 격벽판(9) 및 제 2 격벽판(10)의 직경은 0.43m 와 0.60m 로 하였다.

이때, 분철광석의 입도분포는 - 0.05 mm의 입도가 4.6%, 0.05-0.15mm의 입도가 5.4% , 0.15- 0.5mm 의 입도가 16.8% 이고, 0.5-4.75mm의 입도가 59.4% 및, 4.75-8mm dm 입도가 13.8% 로 분포되었으며, 반응기내의 가스압력은 2.0kgf/㎠ 이었으며, 유동층 반응기(1)내에서의 유속은 1.6m/s로 하였다.

이와 같은 실시예를 통하여 입자의 흐름이 원활하면서도 장시간에 걸친 유입 및 배출조업이 수행되었으며, 배출된 입자중에 미반응된 입자는 전혀없었으며, 반응율도 90%에 가깝게 나타내었다.

이와 같이 본 발명인 유동층 반응기에 의하면, 서로 다른 높이의 2개의 원통형 격벽을 통하여 입자들의 반응이 수행되어 입자들의 흐름은 원활하게 하면서도 내부 구조는 간단하여 제작 및 설치작업이 용이함은 물론, 내부격벽의 단차에 의하여 입자들의 체류시간을 증진시킴으로서 미반응 및 반응입자가 혼합 배출되는 역혼합을 미연에 방지시킬 수 있는 우수한 효과가 있다.

본 발명은 특정한 실시예에 관련하여 도시하고 설명하였지만, 이하의 특허청구범위에 의해 마련되는 본 발명의 정신이나 분야를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양하게 개조 및 변화될수 있다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진자는 용이하게 알수 있음을 밝혀두고자 한다.

Claims (3)

1. 유동층 반응기(1)에 있어서,

   반응기(1) 몸체 내부 중앙부분에 설치되는 제 1 격벽부재(9)와, 그 외곽으로 설치되는 제 2 격벽부재(10)로서 반응기(1)내에 형성되며 유입관(3) 및 배출관(4)이 통하는 제 1,3 유동실(6)(8)과 상기 제 1,3 유동실(6)(8) 사이에 형성되는 제 2 유동실(7)을 포함하고,

   상기 제 1 격벽부재(9)와 제 2 격벽부재(10)는 입자들의 제 1 및 제 2 유동실(6)(7)로의 흐름을 가능토록 서로 단차를 갖도록 형성되고, 상기 제 2 격벽부재(10)의 하부에는 제 2 유동실(7)에서 부터 제 3 유동실(8)로의 입자흐름을 가능하게 하는 개구부(5)가 형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1,2 격벽부재(9)(10)는 원통형상의 격벽판으로 형성되며, 상기 제 2 격벽부재(10)에 형성된 개구부(5)는 제 2 격벽부재(10)의 원주방향을 따라 사각형상으로 절개된 사각개구로서 구성되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기
3. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 격벽부재(10)에 형성된 개구부(5')는 제 2 격벽부재(10)의 원주방향을 따라 호형으로 절개된 개구홀로서 형성되어 입자들의 반응을 조정토록 구성되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기