KR100377584B1 - 하류반응기용2상분배기시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분배기 트레이 및 상기 트레이를 통과하여 연장된 다수개의 개방 말단의 수직홈통을 포함하는 하류 반응기내에서 고체로 된 고정 베드 표면을 가로질러 증기 및 액체를 균일하게 인도하는 분배기 시스템에 관한 것이다. 수직홈통의 제 1 배열은 트레이수준위 구멍의 수직 이격된 입면도를 다수개 갖는다. 수직 홈통의 제 2 배열은 수직홈통의 상기 제 1 배열에서 구멍의 상부 입면도중의 하나로서 상기 트레이 수준위 실질적으로 거의 동일한 높이에서 구멍의 하나이상의 입면도를 갖는다. 상기 제 2 배열은 구멍의 가장 낮은 입면도에 상응하는 구멍의 입면도를 갖지 않으며 그외의 구멍의 낮은 입면도를 수직홈통의 제 1 배열로 가질 수 있다. 수식 홈통의 제 2 배열에서 가장 낮은 구멍이 존재하지 않으므로써 액체 높이가 제 1 배열내 하부로부터 두 번째 구멍의 입면도 아래 떨어지는 경우, 소정의 액체높이에서 상기 분배기 트레이를 통과하는 액체 흐름률을 감소시킨다. 이는 가장 낮은 구멍위 액체 높이를 최대화하며 분해기가 평형하지 않은 경우에도 우수한 분배능을 보존한다.

Description

하류 반응기용 2상 분배기 시스템

본 발명은 하나 또는 그 이상의 고체 고정층을 구비한 하류 반응기에 사용하기 위한 기체-액체 분배기 시스템에 관한 것이다. 본 발명의 분배기 시스템은 고체 촉매 상에서 액체와 증기 간의 혼합상 반응을 수행하는 데 특히 유용하다.

고정층 반응기는 전형적으로 하나 또는 그 이상의 고체 미립자 촉매층을 함유하는데, 이 촉매층 위를 기체상, 액체상 또는 기체/액체 혼합상이 하방 유량으로 통과한다. 반응기의 최적 성능은 모든 촉매가 상기 처리 유체(들)와 충분히 접촉하는 경우에 얻어진다.

고정층 반응기에서는 각 쌍의 층들 사이에 기체 또는 액체가 주입되도록, 용기 전체에 수직으로 배치된 다중 고체층을 사용하는 것이 일반적이다. 층간 주입은 소모된 반응물을 재충전시키거나, 발열 반응 후에 처리 유체를 급냉시키거나, 또는 서로 다른 원료 스트림을 도입시키기 위해 필요할 수 있다. 층들이 서로 다른 촉매를 함유하는 경우에는, 단일 용기 내에 다소 상이한 반응 영역들을 계단식으로 설정할 수 있다. 모든 경우, 각 촉매층의 정상부에서 유체 분배가 양호하게 이루어지는 것이 중요하다.

전형적으로, 고정층 반응기에 사용되는 분배기 설계는 2가지 목적을 갖는다. 제1 목적은 커버리지의 완전성이고, 이것은 통상 분배기가 촉매 위로 유체를 분산시키는 지점들의 수를 최대화시키는 것을 포함한다. 제2 목적은 커버리지의 균일성이고, 이것은 각 지점으로부터 분산되는 유체의 양이 반응기를 횡단하는 방향에 있어서 동일한 것이 필요하다. 상기 2가지 목적 중, 커버리지의 균일성은 시판용 반응기에서 실제적으로 분배기의 완전한 수평화를 보장하는 것이 불가능하므로, 달성 하기가 보다 어렵다. 전형적으로, 부정확한 조립 및 장착으로 인해 시판용 반응기 직경을 횡단하는 분배기 입면도에 있어서 3.18 mm(1/8") 내지 12.7 mm(l/2")의 변형이 초래되며, 19.1 mm(3/4") 만큼의 큰 치수 변형도 측정된다. 비록 처음에는 수평화가 완전히 이루어질 수 있다고 하더라도, 반응기 내부가 열적으로 팽창하고 상당량의 정하중을 받기 때문에, 상기 완전한 수평화는 쉽게 변형되는 경향이 있다. 전형적으로, 분배기 설계는 수평에 있어서 기저선 변형을 수용하고 가능한 한 이러한 시스템의 변형에 민감하지 않도록 시스템을 고안하는 것이 필요하다.

고정층 반응기 내에서의 불량한 유체 분배는 심각한 결과를 낳을 수 있다. 불량한 미시적 분배, 즉 각 분배점의 영역 내에서 편재 분산되는 경우, 반응물의 접촉이 지연되고 또한 사용되지 않는 고체 영역이 생긴다. 불량한 거시적 분배, 즉 상기 반응기를 횡단하여 전체적으로 분배되는 경우. 측면 온도 구배, 상분리의 가능성 및 추가로 층을 따라 내려가는 반응물을 제약하는 결점이 초래된다. 이같은 불량한 각 분배 유형의 전체적인 영향은 촉매 활성을 눈에 띄게 저하시키고 또한 제품 규정을 충족하지 못하게 할 가능성이 있다. 또한, 만성적으로 불량한 분배는고체층 일부의 폐색(plugging), 과도한 압력 강하 및 시스템의 조기 정지를 일으킬 수 있다.

많은 상이한 유형의 분배 수단이 공지되어 있다. 가장 간단한 분배 수단은 천공 판 또는 슬롯 판을 단지 1개만을 포함한다. 기타 분배 수단은 다양한 형태의 오리피스, 위어(weir), 슬롯 또는, 기체/액체 유량의 바람직한 균일성을 촉진하기 위한 보다 복잡한 디바이스를 구비하고 있다.

미국 특허 제2,898,292호에서는 액체 오버플로우를 위해 상부 림 내에 노치를 구비한 복수개의 수직 개방 관으로 구성된 분배 수단을 교시하고 있다. 기체 및 액체는 고체 표면을 교란시키지 않도록 9.2 m/초(30 ft/초)를 초과하지 않는 속도로 촉매층 상에 도입된다.

미국 특허 제3,146,189호에서는 액체가 짧은 관을 거쳐 고체층 위를 통과하는 반면, 기체가 상기 고체층 내로 하방으로 연장된 보다 크고 보다 긴 관을 통과하는 분배기 트레이를 개시하고 있다. 이러한 유형의 분배기는 혼합상 반응 용도로 적합하지 않다. 왜냐하면, 이 유형의 분배기는 기체 및 액체를 혼합물로서 상기 촉매 상에 도입시키기보다는 그것들을 분리시키는 작용을 하기 때문이다.

미국 특허 제3,353,924호는 분배기를 통과하는 액체 유량이 트레이 위의 액체의 수준이 증가함에 따라 증가하도록 긴 수직 슬롯을 측부에 구비한 관들로 이루어진 기체-액체 분배기를 제공한다. 상기 디바이스의 간단한 유체 역학 분석은 상기 관을 통과하는 유량이 하기 수학식 1의 방정식에 따라서 액체 높이에 따라 변화 한다는 것을 보여준다:

제곱 종속 관계는 삼각형 노치의 높이 대 밑변 폭의 비에 좌우된다. 또한, 상기 액체 유량은 정상적으로는 관을 통과하나, 액체는 높은 액체 속도에서 오버플로우에 의해 통상 기체 유량을 위해 설계된 별도의 연관을 통과하기도 한다. 이러한 작동 동안 상기 관 및 연관을 통과하는 액체 유량은 매우 다르다.

미국 특허 제3,685,971호는 어떠한 유형의 슬롯 또는 노치도 구비하지 않은 관 분배기를 제공한다. 이것은 수평하지 않은 트레이 상에서의 액체 유량이 나머지 것들은 거의 배제하고 트레이 상의 가장 낮은 관을 선호하므로 유효성이 가장 낮은 관 분배기 유형이다. 액체 오버플로우를 측정하는 데 관의 정상부에 임의 유형의 슬롯 또는 노치를 사용하는 것은 완전히 매끄러운 관 림에 비해 개선된 사항이다.

미국 특허 제4,126,539호는 림과 트레이 데크 사이에 원형 구멍 뿐만 아니라 상부 림 내에 장방형 노치가 존재하는 관 분배기를 구비한 기체-액체 분배기 시스템을 개시하고 있다. 이 특허는 관 정상부에 있는 장방형 노치(위어)가 트레이 위 액체 높이를 한정하며, 상기 원형 구멍은 액체 수준이 노치 아래로 떨어지는 경우 트레이의 관을 통과하는 유량을 존재하게 한다는 점을 교시하고 있다. 그러므로, 이 특허는 상기 분배기 시스템이 전술한 미국 특허 제3,353,924호의 시스템과 유사한 방법으로 위어에서 작용한다는 점을 교시하고 있다.

상기 미국 특허 제4,126,539호에 개시된 유형의 분배기는 액체 높이가 관의 상부 림 내에 있는 장방형 노치의 아래에 그리고 원형 구멍 위에 존재하도록 조작할 수 있다. 이러한 조작은 전술된 종래 기술에 비해 매우 큰 개선점이 된다. 왜냐하면, 상기 대부분의 액체 유량은 수직 하방으로 통과하는 기체에 의해 전단되는분사물로서 구멍을 통과하기 때문이다. 상기 전단 작용은 상기 액체를 파괴함으로써 상기 유체가 촉매층에 도달하기 전에 기체-액체 접촉을 개선시킨다. 이러한 경우, 상기 원형 구멍에 대한 액체 유량과 액체 수준 간의 관계는 하기 수학식 3의 방정식으로 표현할 수 있다.

[수학식 3]

Q = C x h^0.5

상기 식 중,

Q = 관을 통과하는 체적 유량,

h = 구멍(들)의 중심선 위 액체 높이, 및

C =상수.

본 명세서에서 논의한 기술 중, 미국 특허 제4,126,539호의 분배기의 그러한 사용은 수준 변동에 대한 액체 유량의 민감도의 최소화를 제공하는데, 장방형의 노치는 상기 구멍을 통해 전체 유량이 이송될 수 없는 경우 비정상적으로 높은 액체 속도에 대해 사용된다. 상기 분배기의 그러한 사용 단점은 트레이 상의 액체 수준을 상기 구멍의 정상부와 바닥부 사이로 떨어 뜨리는 낮은 액체 유량 속도에서 발생한다. 이러한 조건 하에서는 상기 유량 방정식 3이 더 이상 유지되지 않으며 액체 높이에 대한 1. 5 제곱-종속 관계가 미국 특허 제3,353,924호의 슬롯 관에 관하여 전술한 것과 유사하게 분배기를 수평화 변동에 매우 민감하게 만든다. 낮은 액체 수준은 상기 원형 구멍의 크기를 보다 작게함으로써 최소화시킬 수 있으나, 약6.35 mm(1/4") 미만의 구멍 직경은 폐색 가능성 때문에 실용적이지 못하다. 따라서, 소정의 반응기에 대해서는 구멍을 갖는 하향관에 유효한 최소 액체 속도가 존재하게 되고, 그 최소 액체 속도 이하에서는 우수한 분배가 보장될 수 없게 된다.

트레이 위 액체 수준을 제어하도록 측부에 천공된 구멍을 갖고 있는 수직 하향관을 구비한 기체-액체 분배기를 설계하는 것은 공지되어 있다. 그러나, 상기 하향관들은 그 위에 각각 동일한 수, 크기 및 위치의 구멍을 갖도록 제작되므로 매우 낮은 액체 속도에서는 전술한 불량한 성능으로 인해 어려움이 있다.

고정층 반응기용 기체-액체 분배기가 수년동안 연구되고 개량되어 왔으나. 여전히 시판용 반응기에서는 반응물의 불량한 분배의 증거가 통상 관찰되고 있다. 일반적으로, 발열 공정에서 불량한 온도 분배는 층의 다른 부분에 비해 한 부분에서 더 큰 유체 유량을 나타낸다. 급속한 압력 강하가 이루어지면 종종 정체된 유량 영역 또는 불충분한 반응물의 영역에 의해 층 내에서 코크스화(coking)가 일어난다. 2∼3년 작동시킨 후 고정층 유니트를 보수하는 경우 새로운(변색되지 않은) 촉매가 때때로 발견되는데, 이는 유량이 우회한다는 것을 나타낸다. 이러한 발견은 기체-액체 분배기 내 유체 유량의 적어도 일부 양태가 잘 이해되지 못하고 있음을 나타내는 것이다. 그러나, 석유 정제 산업 및 기타 산업에서의 대중 수요 및 정부 규제는 더욱 엄격한 조작 및 신뢰할 만한 최적 반응기 성능에 대한 보다 큰 필요성과 함께 화학 생성물들로부터 특정한 화합물을 제거할 것을 지시하고 있다. 반응기 내에서의 유효한 분배는 이러한 요구를 충족시키는 데 있어서 중요하다.

본 발명은 낮은 유량 속도에서 수준 변동에 대한 과도한 민감도를 제거함으로써 종래의 분배기 트레이가 지닌 문제점들을 해소한 것이다. 둔감도는 동일한 트레이 상에 기체-액체 유량에 대해 상이한 수의 구멍을 갖는 2가지 이상의 상이한 하향관 유형을 제공하여 매우 낮은 속도에서 상기 관의 단지 일부만이 액체를 통과 시키도록 함으로써 이루어진다. 서로 다른 세트의 관 위에 있는 구멍 크기를 전략적으로 결정함으로써 단지 몇 개의 관만이 작동하는 경우에도 반응기 일부 및 전부에 걸쳐 균일한 액체 분산이 유지된다.

본 발명의 기체-액체 분배기는 종래의 관 분배기에 비해 증가된 액체 배제 성능을 제공함과 동시에, 우수한 기체-액체 미시적 분배 및 거시적 분배를 유지한 다. 배제(turndown)란 반응기 설계 용량보다 작은 용량에서의 작동을 말한다. 본 명세서에 사용된 바와 같이, 상기 용어 "배제" 또는 "액체 배제"란 정상 설계율의 50% 또는 그 이하에 해당하는 비율을 나타내는 것으로, 이는 또 다른 유니트 내에서 처리 실패(process upset), 또는 유용한 스트림의 손실에 기인하여 발생할 수 있거나 또는 열 방출 또는 압력 강하와 같은 작동 상의 제한을 피하기 위해 발생할수 있다. 또한, 액체 배제는, 예컨대 코우크스화 결과로서, 촉매 노화를 보상하는데 사용된다. 본 발명은 모든 하향관 상에 동일한 크기의 구멍을 갖는 종래의 트레이를 사용하여 가능한 것보다 현저히 감소된 액체 처리량 조건에서 분배기 트레이상에 더 높은 평균 액체 수준을 제공한다. 이러한 보다 높은 액체 수준은 촉매층 상에 보다 균일한 유량의 분산을 유도한다.

본 발명에 따르면, 분배기 트레이 및 상기 트레이를 통과하여 연장되고 말단부가 개방된 복수개의 수직 하향관을 포함하는, 하류 반응기 내에서 고체 고정층의표면을 통과하여 증기 및 액체를 균일하게 유도하기 위한 분배기 시스템이 제공된다. 제1 배열 하향관은 트레이 수준 위에 복수개의 수직 이격된 구멍 입면도를 갖는다. 제2 배열 하향관은 제1 배열 관 내의 상부 구멍 입면도 중 하나와 실질적으로 동일한 트레이 수준 위 높이에서 하나 이상의 구멍 입면도를 갖는다. 그러나, 제2 배열은 제1 배열 관 내의 최저 구멍 입면도 및 가능한 기타 하부 구멍 입면도에 해당하는 구멍 입면도를 전혀 갖지 않는다. 제2 배열 관 내에 최저 구멍이 없으면 소정의 액체 높이가 상기 제1 배열 바닥부에서 두 번째 구멍 입면도보다 낮은 경우 그 액체 높이에서 분배기 트레이를 통과하는 액체 유량은 감소된다. 이는 최저 구멍 위 액체 높이를 최대화시켜서 분배기가 한 점으로부터 또 다른 한점으로 수준 변동하는 경우에도 우수한 분배능을 유지한다.

본 발명의 구체적인 양태에 따르면. 제1 및 제2 배열 하향관은 상기 트레이 상에 정돈되어 낮은 액체 속도 조건에서 상기 제1 배열로부터 배출되는 액체 분무 패턴들의 중첩을 최적화시킴으로써 상기 2가지 배열의 관이 모두 액체를 통과시키는 조건 하에서와 적어도 실질적으로 동일하게, 반응기를 횡단하는 액체 분배를 제공한다. 제1 배열의 관만이 액체를 통과시키는 경우, 본 발명의 바람직한 실시태양은 층의 커버리지(coverage)가 2가지 배열 모두 액체를 통과시키는 경우의 약 80% 내지 약 95% 이상이 될 것으로 예상된다. 본 발명의 이러한 양태를 달성하기 위해 하향관은 발산식 원추형 배출 분무가 이루어질 정도의 크기를 가져야 한다. 크기가 적당한 경우, 하향관으로부터 나오는 배출 유량 패턴은 기체 중에 분산된 액체 소적의 적어도 실질적으로 균일한 원추형 분무 패턴으로, 10° 내지 40°의 원추각을이룬다.

본 명세서에서 사용된 용어 "구멍 입면도"란 상기 정의된 제1 또는 제2 배열 하향관을 교차하는 수평면을 의미하는데, 상기 정의된 배열의 각 하향관은 이 평면내에 하나 이상의 구멍을 갖는다.

제1 및 제2 배열의 하향관 수는 동일하거나 상이할 수 있다. 또한, 제1 및 제2 배열은 임의의 간편한 피치(예 정사각형, 삼각형 또는 기타 형상) 상에 전개될 수 있으나, 바람직한 배치는 각각의 배열이 자체적으로 균일한 반복 패턴을 이루는 것이다. 예를 들면, 정사각형 피치의 위치를 체스판의 검정색 정사각형 및 백색 정사각형에 해당하는 것으로 간주하는 경우 상기 제1 배열은 모두 백색 정사각형이고 제2 배열은 모두 검정색 정사각형일 수 있다. 따라서, 2개의 관마다 하나씩은 적어도 하부 구멍 입면도가 부족하다. 다시 예를 들면, 제1 배열은 모두 백색 정사각형및 교번하는 검은색 정사각형으로 이루어질 수 있으며 상기 제2 배열은 남아 있는 검정색 정사각형일 수 있다. 이 경우, 4개의 관마다 하나씩은 몇 개의 구멍이 부족하다. 제2 배열 내 관의 분율이 일단 전체 관의 50%를 초과하면 상기 커버리지의 효율은 저하된다. 한편, 상기 제2 배열 내 관의 분율이 약 15% 이하로 떨어지는 경우 액체 배제의 향상 이점이 감소한다. 따라서, 바람직한 배치는 2개 관 중 하나 내지 7개 관 중 하나를 제2 배열로 하는 것이다. 다시 말하면, 제1 배열의 하향관수는 전체 하향관의 50% 내지 86%이다. 7개 중 하나의 배치는, 제2 배열의 각 관이 제1 배열의 6개의 관에 의해 한정된 육각형의 중앙에 위치하는 삼각형 피치 상에서 용이하게 이루어진다.

또한, 하향관은 제1 배열의 구멍 입면도 2개와 제2 배열의 구멍 입면도 1개와 같이, 적은 수의 구멍 입면도를 가질수 있는데, 제2 배열 입면도는 제1 배열의 상부 구멍 입면도에 해당한다. 또한, 상기 제1 배열은 구멍 입면도를 2개 이상 가질 수 있고, 제2 배열은 제1 배열에 비해 하나 이상 적은 수의 구멍 입면도를 갖는다. 액체 배제 용량을 확장하는 필수적인 특징은 바다부 구멍 입면도가 제1 배열의 관 상에만 존재한다는 점이다. 또한, 각 입면도는 상기 관 원주 둘레에 임의의 방식으로 정렬된 1개 이상의 구멍을 가질 수 있는데, 이는 이하에서 기술하는 바와 같이, 소정의 입면도에서 상기 구멍의 특정 배열이 아닌 구멍의 총면적에 의해 유량 행태가 결정되기 때문이다.

하기 표는 제1 및 제2 배열 내에 존재하는 구멍 입면도에 관한 본 발명의 가능한 실시태양을 나타낸 것이다. 하기 표 1은 5개 또는 그 이상의 구멍 입면도를 포함하는 것에까지 쉽게 확장시킬 수 있다. 모든 경우에서 구멍 입면도 1번은 바닥부에 있는 것이다.

[표 1]

본 발명의 바람직한 실시태양은 소정의 반응기 역할에 따라 예상되는 액체 및 기체 속도의 범위에 좌우된다. 일반적으로, 최대 액체 배제는 제2 배열의 구멍 입면도(들)이 제1 배열의 최상 구멍 입면도(들)에 해당하는 경우에 이루어진다. 예를 들면, 구멍이 4개인 경우, 최대 액체 배제는 제2 배열이 입면도 2 및 4, 입면도 2만을 또는 입면도 3만을 갖는 경우와는 반대로, 입면도 3 및 4 또는 4만을 갖는 경우에 이루어진다. 그러나, 2차적인 고려사항, 예를 들면 정상적인 액체 속도에서 상기 제1 및 제2 배열을 통과하는 유량을 보다 양호하게 균형을 시키는 경우, 특히 작은 액체 유량의 작동 지속기간을 제한해야할 수 있을 것으로 예상되는 경우를 고려해 보면 전자의 경우 중 하나가 바람직할 수 있다.

본 발명의 분배 시스템은 수소가 탄화수소와 반응하여 연료 또는 윤활 제품을 생성하는 신규한 또는 개선된 히드로처리(hydroprocessing) 유니트에서 특히 유용하게 사용된다. 이 유니트는 전형적으로 몇 달 내지 몇 년간 단일한 촉매 충전재에 대해 운전되며, 촉매 활성이 운전 개시 시부터 운전 종료 시까지 감소됨에 따라 온도 및 수소 순환 속도를 모두 증가시킴으로써 반응 속도를 유지한다. 보다 높은 온도와 보다 높은 수소 속도는 운전이 진행함에 따라 반응기 내의 증기 분획을 점차 더 크게함으로써, 상기 분배기(들)을 통과하는 액체 속도를 점차 감소시킨다. 히드로처리 반응기의 가장 고온인 층이 작동 사이클의 종점 근처에서 100% 증기에 이르는 것은 예외적인 일이 아니다. 본 발명은 이러한 유니트에 직접 적용할 수 있으며 트레이 상의 액체 수준이 감소함에 따라 분배가 더욱 불량하게 되는 선행 기술의 문제점을 해소함으로써, 증량하는 스트림 시간이 매우 중요할 수 있는 경우 사이클의 종점으로 향하더라도 촉매의 최대 사용을 유지한다.

도 1은 본 발명에 따른 분배기 시스템의 실시태양을 보여주는 고정층 반응기 정상부의 수직 단면도이다.

도 2는 도 1을 라인 II-II을 따라 절단한 분배기 시스템의 횡단면도이다.

도 3은 도 1의 실시태양에서 사용된 2가지 분배기 하향관의 상세도이다.

도 1에 도시된 것과 같은 전형적인 고정층 히드로처리 반응기에서, 예열된 오일 스트림(10)은 수소 함유 기체(12)와 혼합되어 유입관(15)을 통해 하류 반응기(14)의 정상부로 공급된다. 사이클의 개시 시에 288 내지 316℃(550 내지 600℉)일 수 있는 원료 유입구 온도에서 원료/수소 혼합물은 대개 2상 스트림이다. 증기상은 전형적으로 수소 및 이와 함께 재순환되는 가벼운 기체(예, 메탄 및 에탄)를 함유하며 그외에도 상기 오일 원료(10)로부터 증발된 가장 가벼운 탄화수소를 함유한다. 상기 반응기(14)로 유입되는 혼합상 스트림의 증기 대 액체의 정확한 비는 작동 온도와 압력, 도입되는 수소 함유 기체의 양 및 탄화수소 원료의 유형과 끊는점 범위에 좌우된다. 이러한 모든 인자들은 작동 사이클 중 변화될 수 있고 실제로 변화하기 때문에 상기 유입구 증기 분율은 스트림상에서의 시간에 따라 매우 다양하다. 종래의 히드로처리 반응기에 대한 사이클 종료 온도는 사이클 개시 온도 보다 약 56∼111℃(100∼200℉) 높을 수 있다.

유입구 관(15)을 통해 유입되는 2상 스트림은 수직 부품(16)에 의해 지지되어 있는 타겟판(13)에 충돌하고 섬광팬(17)[경우에 따라서는 거친 분할 분배기 (rough-cut distributor)라 칭하며, 여기에서는 증기상이 액체상과 분리된다] 상에서 방사상으로 분산된다. 상기 타겟판(13)은 원료 스트림의 유입 운동량을 지탱하는 기능을 한다. 그렇지 않을 경우 섬광팬(17)이 마모된다. 섬광팬(17) 및 그 위의 액체는 복수개의 막대(20)에 의해 외곽에서, 그리고 수직 부품(22)에 의해 중앙 아래에서 지지된다. 섬광팬(17)과 반응기 벽 사이에는 섬광팩(17) 외곽 둘레의 증기 유량을 방해하는 어떠한 부착물도 존재하지 않으나, 섬광팬(17)의 수직벽(28)은 유사한 액체 유량을 막는다. 섬광팬 또는 거친 분할 분배기(17)는 다른 형태를 취할 수 있으며, 또한 용도에 따라서는 완전히 생략할 수도 있다. 원료 혼합물의 액체 부분은 섬광팬(17)의 외곽 둘레에 배열되어 있으며 분배기 트레이(18)로 유도하는 많은 하강 관(30)을 통해 하방으로 흐른다. 또한, 증기의 일부는 상기 액체를 따라 하강 관(30)을 통과하는 반면, 나머지는 벽(28) 및 상기 섬광팬(17)의 외곽 둘레를 흐른다. 이러한 방식으로, 2가지 상은 모두 분배기 트레이(18) 상의 액체 표면에과도하게 기포를 형성하거나 잔물결을 일으키지 않고 상기 트레이(18)에 대해 정적인 방법으로 분배한다. 또한, 상기 하강 관(30)은 분배기 트레이(18)에 장착되어 섬광팬(17)을 지지한다. 상기 하강 관(30)의 저부에는 분배기 트레이(18) 상에 기체-액체 혼합물을 통과시키기 위한 수직 노치(31)가 존재한다.

상기 분배기 트레이(18) 위에는 다수의 증기/액체 하향관(36)이 배열되어 있다. 섬광팬(거친 분할 분배기)(17)이 없는 경우, 각각의 하향관(36)은 유입하는 액체 유량의 운동량을 흡수하도록 상부 림 위에 이격시킨 캡을 구비할 수 있다. 하향관(36)의 위치는 균일한 격자(grid)를 형성하는 것이 바람직하나, 일부 관의 위치는 지지 빔 또는 기타 내장 부재를 벗어나도록 격자에서 이탈할 수도 있다. 하향관(36)은 하나 또는 그 이상의 관 직경만큼 트레이(18)의 아래 위로 연장되어 있는, 말단부가 개방된 수직 배치 관이다. 임의의 하향관(36) 상의 최저 구멍은, 상기 액체상 중에 이송되는 스캐일, 슬러지 또는 기타 고체 물질이 트레이(18)를 통과하여 고체층으로 가는 것을 막기 위해 트레이(18)의 정상부 표면 위로(구멍의 중심에서) 6.35 mm(1/4 in) 내지 수 mm(in)인 것이 적당하다. 따라서, 하향관(36)이 존재함으로써 트레이(18) 상에 액체의 푸울(pool)이 유지된다. 통상 바람직하게는 하향관(36) 내에서 적어도 바닥부의 구멍, 보다 더 바람직하게는 몇 개의 구멍은 괴어 있는 액체 중에 완전히 함침된다.

전형적으로 고체층은 촉매의 수준을 유지하고 촉매층(43) 위 처리 유체의 초기 분배를 향상시키기 위해 수 인치의 비활성 물질(40)로 토핑한다.

상기 관(36)은 증기 유량과 액체 유량을 실직적으로 모두 분배한다. 일부 트레이는 소량의 액체가 트레이를 통해 직접 통과하도록 데크(deck) 상에 몇 개의 배수 구멍을 갖는 것을 특징으로 한다. 그러나, 상기 배수 구멍을 통과하는 유량은 일반적으로 하향관을 통과하는 것에 비해 무시할 정도로 작다. 배수 구멍은 작동이 정지된 동안 트레이에서 액체를 완전히 배수시키기 위해 제공되는 것으로서, 배수 구멍이 없다면 관 상의 최저 구멍도 데크의 상당히 위에 존재하므로 배수할 수 없다.

시판용 히드로처리 반응기의 직경은 전형적으로 1.8 내지 5.5 m(6 내지 18 ft)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 대부분의 경우 상기 분배기 트레이(18)는 반응기(14) 내에 조립된 다양한 형상을 지닌 복수개의 구간(24)으로 이루어지며 반응기(14)의 내곽 둘레에 이격된 지지 러그(26)에 볼트로 조인 플랜지 빔(25)에 의해 지지되어 있다. 상기 트레이(18)는 구간(24)으로서 조립되고 수송되는데, 이들 구간은 각각 한 치수를 따라 상기 반응기(14)의 상단에 있는 통로(45)를 통과할 정도로 충분히 작다. 하향관(36)은 일반적으로 미리 장착되며 조립 중에 각각의 구간내에서 용접된다. 구간(24)은 반응기 내에서 1회 볼트로 조이고 상기 빔(25)에 대해 개스킷 처리한다. 보다 덜 빈번한 경우이지만, 상기 분배기 트레이(18)는 반응기(14)의 처음 조립중 적소에 용접되는 단일 고체 원형판으로 이루어진다. 고체 분배기 트레이는 누수의 가능성을 없애주나, 반응기 내로의 출입 및 보수가 엄격히 제한된다. 일단 분배기 트레이(18)가 적소에 배치되면, 상기 섬광팬(17) 및 타겟판(13)이 그 위에 조립된다.

도 3은 한쌍의 하향관(36)을 상세히 도시한 것이다. 이 실시태양에서, 제1배열의 하향관(33)은 정사각형 격자 상의 매 교번 위치를 포함하며, 제1 배열의 하향관(33) 각각은 관 내부와 유체 전달되는 트레이(18) 위에 수직 이격된 2개의 구멍(39,40)을 구비한다. 제2 배열의 하향관(34) 또한 정사각형 격자 상의 매 교번 위치를 포함하나, 제2 배열의 하향관(34) 각각은 제1 배열 하향관(33) 내의 상부 구멍(39)과 거의 동일한 입면도에서 1개의 구멍(41)을 갖는다.

제1 배열의 하향관(33) 내의 상부 구멍(39) 및 제2 배열의 하향관(34) 내의 구멍(41)은 크기가 동일하지 않는 것이 바람직하다. 본 발명은 2가지 배열 모두의 상부 구멍의 크기가 동일한 경우에도 여전히 종래의 관 분배기 트레이에 비해 액체 배제 및 분배가 우수하나, 이러한 바람직한 실시태양에서는 후술한 구체적인 방정식에 따라 구멍의 크기를 정하는 것을 포함한다.

따라서, 트레이(18) 상의 액체 높이가 상부 구멍 입면도보다 낮은 기간 동안에는 제2 배열의 하향관(34) 내의 하부 구멍이 존재하지 않으므로 트레이(18) 상의 액체 높이는, 소정의 액체 유량 속도에서 트레이(18) 상의 모든 하향관이 동일한 구멍을 갖는 경우 얻게 되는 것보다 더 높아지게 된다.

본 발명의 양태는 하향관(36)으로부터 배출구 스트림이 분배기 트레이(18)와 촉매층(42) 상에 위치한 비활성 층(40) 사이의 비교적 정체된 기체에 운동량을 손실하기 때문에 상기 스트림이 원추형 분무로 발산한다는 발견에 기인한다. 발산 정도는 액체 및 기체 유량 속도, 유체 특성 및 하향관(36)의 치수에 좌우된다. 전형적인 피치 상에서는 상기 원추형 배출구 분무가 서로 접근하거나 부분적으로 중첩된다. 이러한 이유로, 고체층(40) 정상부에서의 액체 커버리지는, 단하나의 구멍을갖는 제2 배열의 관(34)이 액체를 전혀 통과시키지 않는 경우에도 최소로 보장된다. 이러한 커버리지는 전형적으로 모든 하향관(36)이 액체를 통과시키는 경우에 얻어진 커버리지의 80% 내지 95% 이상이며 100% 커버리지에 접근할 수도 있다.

제1 및 제2 배열의 하향관(36)은 유량이 비정상적으로 높은 기간 동안 액체를 안내하도록 정상부 림 내에 하나 이상의 노치(38)를 규정하는 것이 바람직하다. 높은 유량은 설계 공급 속도보다 더 높은 일정 간격의 공급 속도, 유입 액체의 계획되지 않은 서지(surge) 또는 매우 드물게는 대다수 하향관 구멍의 폐색에 의한 트레이 위 액체 높이의 일반적인 상승으로 인하여 발생할 수 있다. 상기 노치는 림에 노치를 형성하지 않는 경우 발생하게 되는 것보다 트레이가 불완전하게 수평화되었을 때 액체 높이에 대한 액체 유량의 보다 덜한 민감도를 갖게 된다. 상기 노치는 장방형, 삼각형, 반원형 또는 다양한 기타 형상일 수 있으며, 독립되어 있고, 하향관 내의 어떠한 구멍과도 연결되지 않는다.

본 발명은, 제1 및 제2 배열의 하향관(36)이 상이한 직경을 가질 수 있거나 또는 각 배열이 다양한 직경의 관들을 함유할 수 있음을 교시하고 있다. 각 배열의 관내에 있는 구멍은 원형, 타원형, 정사각형, 장방형, 삼각형 또는 기타 다른 형상을 비롯한 어떠한 형상이라도 가능하며 이 또한 본 발명의 범주내에 있다. 유사하게, 각각의 입면도에서 구멍의 수 및 배치는 하향관의 원주 둘레에 임의의 방식으로 배열된 하나 또는 그 이상의 것일 수 있다. 후술하는 방정식에서는, 소정의 입면도에서 구멍들의 총면적만이 관계한다. 총면적은, 일단 결정되면, 하향관 벽을 관통하는 구멍의 임의의 형상과 배치 및 임의의 수에 의해 상기 입면도에서 달성될수있다.

구멍 입면도를 2개 이상 포함하는 제1 또는 제2 배열의 하향관의 경우, 소정의 구멍이 그 위 및/또는 아래에서 직접 구멍으로부터 각도 좌표로 약간씩 변위하는 것은 바람직하나 필수적이지는 않다. 예를 들면, 하부 구멍을 위에서 보았을 때, 0° 또는 180°의 각도로 놓여진 것으로 간주한다면, 그 위에 있는 구멍은 바람직하게는, 10° 내지 170° 또는 190° 내지 350°로 놓여져야 한다. 점차 보다 위로 갈수록 구멍들은 관의 외곽 둘레에 가능한 한 균일하게 분배되어야 한다. 단지 2개의 구멍 입면도가 존재하는 경우, 제2 입면도의 구멍은 위에서 보았을 때 제 1 입면도의 구멍에 대해 90° 또는 270° 각으로 이격되는 것이 가장 바람직하다.

도 1이 고정층 반응기의 정상부 층에 적용된 본 발명을 보여주는 것이나, 본 발명은 층들 사이에 기체 또는 액체의 첨가 혹은 배출 여부와 무관하게 다층 반응기의 임의의 2개 층 사이에 동일하게 적용할 수 있다. 전형적으로, 상기 처리 유체내의 액체 및 증기 분획은 반응기의 정상부에서 바닥부에 이르기까지 변화한다. 이 변화가 큰 경우, 다층 유니트 전체에 걸쳐 다양한 트레이 상에서 서로 다른 치수의 구멍 및 하향관을 사용하는 것이 바람직할 수 있다. 이와 같은 바람직한 양태는 동일하지 않은 트레이를 사용하는 경우에 드는 더 높은 단가 및 각각의 위치에 정확한 트레이를 장착하는 데 필요한 추가의 주의 사항에 대한 경중을 고려해야 한다.

기체-액체 하류용 분배기를 고찰하는 데 있어서는, 전형적으로 하나 이상의 작동 모드를 고려하여 총 기체 속도 및 총 액체 속도가 각각 특정된 일련의 경우를 얻는다. 유체 속도는 우세한 온도 및 압력에서 적용 가능한 열역학 이론 및 하기측정되는 유체 특성(기체 밀도, 기체 점도, 액체 밀도, 액체 점도 및 액체 표면장력)을 사용하여 처리 조건에서 결정되어야 한다.

반응기 직경은 유체 분배 이외의 고려사항(예, 이용 가능한 공간)에 의해 결정되며 트레이 설계 공정의 착수 단계에서 알 수 있을 것으로 생각된다. 이러한 직경을 기준으로, 하향관의 대략적인 갯수는 피치 간격을 채택함으로써 결정된다. 최대 커버리지를 위해, 전형적으로 피치는 가능한 한 실용적으로 작은 것을 선택한다. 즉, 하향관은 조립이 허용되는 한 서로 근접하게 배치한다. 통상의 피치는 커버리지 최대화의 중요성에 따라 0.3 내지 0.6 m(1 내지 2 ft)로부터 수 cm(in)에 이르기까지 다양하다. 허용 가능한 피치는 전형적으로 트레이 지지빔 및 기타 내부 부품의 위치에 의해 제한된다. 일단 하향관의 수를 알면, 이 지점에서 모든 하향관들이 유사한 것으로 간주하여 1개의 하향관 당 기체 및 액체 속도를 계산한다.

이후, 결정해야할 변수는 하향관의 직경이다. 하향관의 직경이 너무 크면, 분배기 트레이 상에 존재하는 관의 수가 제한된다. 하향관의 직경이 너무 작으면, 분배기 트레이를 횡단하는 압력 강하가 지나치게 커진다. 이러한 극치들의 차이는 전형적으로 수 cm(in)에서 1.3 cm(약 1/2") 미만에 이르는 직경 범위이다. 용이한 관 크기는 연속적으로 직경을 미세하게 조정할 수 있는 제1 패스(pass) 계산에 대하여 선택한다. 또한, 동일한 트레이 상에 복수 직경을 사용할 수도 있다.

제1 배열의 하향관, 즉 모든 구멍을 갖는 관은 액체 유량 속도가 가장 높은 경우의 설계로 먼저 설계된다. 하기 방정식들은 2가지 입면도에서 구멍들을 갖는 하향관에 대해 제시되었으나, 상기 방정식은 3개 또는 그 이상의 구멍 입면도를 갖는 관에까지 쉽게 확장된다. 전술한 바와 같이, 소정의 입면도에서 구멍 총면적이 계산되는데, 이 총면적은 상기 입면도에서 하향관 벽을 관통하는 임의 수의 구멍들에 의해 구할 수 있다. 그러므로, 본 명세서에 사용된 용어 "구멍(들)"이란 소정의 입면도에서 하향관 내에 있는 하나 또는 그 이상의 구멍을 의미한다.

임의의 단일한 입면도에서, 액체 높이 대 액체 유량 속도에 관한 방정식은 하기 수학식 4의 방정식과 같다:

[수학식 4]

상기 식 중,

h =트레이 정상부 표면 위 액체 높이,

H = 트레이 정상부 표면 위 구멍 중심의 높이,

A = 한 입면도에서 구멍(들)의 총면적,

ρ_L및 ρ_G= 액체 밀도 및 기체 밀도, 및

Q_L및 Q_G= 1개의 하향관 당 액체 체적 유량 속도 및 기체 체적 유량 속도, 및

f 및 g = 하향관 구멍에서 압력 균형에 의해 용이하게 얻어지는 함수.

f 및 g 함수를 정의하는 물리적 제한요소는 하기 2가지 위치, 즉 괴어있는 액체의 정상부 표면과 상기 상들이 압력 평형으로 복귀하는 관의 내부점에서 액체와 기체 간의 압력 균등이다.

2개 구멍 하향관(33)과 같은 2개 입면도 관을 설계하는 데 있어서, 상기 수학식 4의 방정식을 상부 구멍(39)에 대해서 한 번, 그리고 하부 구멍(40)에 대해서 한 번씩 대입한다. 즉, 상이한 H 값들 및 서로 다를 수 있는 A 값들을 사용하여 미지의 4개의 미지수(h_상부,Q_L상부,h_하부,Q_L하부)로 2개의 방정식을 만든다. 상기 시스템을 종결시키는 데 필요한 나머지 2개의 방정식은 다음과 같다:

[수학식 5]

h_상부= h_하부

[수학식 6]

Q_L상부+ Q_L하부= Q_L

상기 수학식 5의 방정식은 상부 및 하부 구멍을 지배하는 액체 높이가 동일할 것을 요하며, 상기 수학식 6의 방정식은 상부 및 하부 구멍을 통과하는 액체 유량의 합은 1개의 하향된 당 총 액체 유량과 동일할 것을 요한다. 제1 배열 관들의 설계는 트레이를 통과하는 최대 액체 유량 속도 기대값에 대한 상부 구멍(39) 및 하부 구멍(40)의 면적(A) 및 위치(H) 값을 선택하는 단계, 시행착오법에 의해 상기 수학식 4, 5 및 6의 방정식을 풀어서 트레이 상의 액체 높이(H)를 결정하는 단계 및 액체 높이(h)가 만족스럽거나 또는 상부 구멍 위 소정의 수준이 될 때까지 상기 구멍의 면적(A) 및 위치(H)를 조절하는 단계로 이루어진다.

제2 배열의 하향관(34) 내의 구멍은 상기 2개 구멍 하향관(33)과 동일한 높이(h)에서 동일한 액체 분량(Q_L)을 통과시키는 데 필요한 각 관 내 구멍(44)의면적(A)에 대해 상기 방정식 4를 풀므로써 크기가 정해진다. 이런 계산은 또한 모든 하향관이 액체를 통과시킬 것으로 예상되는 가장 높은 액체 유량 속도를 갖는 경우에 대해 특정된 것이다. 이는 또한 상기 면적(A)이 복잡한 방식으로 방정식 4에서 2개의 항으로 표현되기 때문에 시행착오법 계산이다.

분배기 트레이에 대해 가장 높은 것으로 간주되는 액체 유량의 경우에 대하여 구멍의 크기를 정한 후, 하향관의 어떠한 분획이 제2 배열로 되어야 하는지를 결정함으로써 하부 구멍을 제거하기 위해 가장 낮을 것으로 예상되는 액체 유량 속도의 경우에 대하여 시스템을 평가한다. 상기 평가는 제1 배열의 관에 상기 수학식 4의 방정식을 적용하여 1개의 하향관 당 어떠한 액체 유량 속도로 하부 구멍의 위, 상부 구멍의 아래의 액체 높이가 적절하게 얻어지는가를 결정함으로써 이루어진다. 그 결과, 1개의 하향관 당 실제 유량 Q_L보다 더 큰 일부 값 Q_L이 얻어진다. 실제치 Q_L대 목적치 Q_L ^*의 비는 제1 배열 구성원이 되어야 하는 관의 분획이다. 그 나머지 관은 제2배열로 설계된다. 보통 이 단계는 수회 반복해야 한다. 왜냐하면, 제2 배열 관들의 분획은 균일한 격자 간격에 상응해야 하는 것이 바람직하기 때문이다. 종종 이러한 단계 동안 구멍의 크기를 약간씩 조절하는 것이 필요하다. 또한, 경우에 따라서는, 그대신 제2 배열 관의 고정 분획을 용이한 격자 간격에 해당하도록 하고 허용할 수 있는 액체 수준을 체크하는 것도 바람직하다.

일단, 각 배열의 하향관 수를 정하고 구멍 크기를 알면, 제1 패스 설계가 완성된다. 상기 계산은 제1 배열 및 제2 배열의 하향관을 통과하는 기체 속도가 동일하다는 가정(이는 일반적으로 정확하지는 않다)을 기초로 하기 때문에 상기 제1 패스 설계에 따라 조절해야 한다. 기체 유량의 분배는 제2 배열 하향관을 횡단하는 압력 강하에 대한 제1 배열 하향관을 횡단하는 압력 강하에 의해 결정된다. 양 세트의 하향관이 액체를 통과시키는 경우, 각 세트의 구성원 관들을 횡단하는 압력 강하는 유사하나, 전체적으로 동일하지는 않다. 왜냐하면, 2가지 유형의 관내에 존재하는 상이한 수의 액체 분사물들은 다소 상이한 정도의 전단력을 생성하기 때문이다. 제1 배열 하향관만이 액체를 통과시키는 경우, 기체 유량은 제2 배열의 관을 조금 더 선호한다. 왜냐하면, 상기 제2 배열 관 내의 유효한 유량 면적은 그 내부에 액체가 부재함으로 인해 더 커지기 때문이다. 하기 수학식 7의 압력 강하 방정식은 기체 유량의 분석을 제공한다:

[수학식 7]

상기 식 중.

△p = 하향관의 총 길이에 걸친 압력 강하,

A_p= 하향관 내 유량에 대한 횡단면적,

Q_L및 Q_G= 1개의 하향관 당 액체 체적 유량 속도 및 기체 체적 유량 속도.

ρ_L및 ρ_G= 액체 밀도 및 기체 밀도,

μ_L및 μ_G= 액체 점도 및 기체 점도,

σ_L= 액체 표면 장력.

= 상부 림과 정상부 구멍 사이 하향관의 길이에 있어서의 압력 손실 및

= 하향관의 정상부 구멍과 하부 림 사이 하향관의 2상 구간에서의 압력 손실.

상기 수학식 7의 방정식에서,는 상부 림과 정상부 구멍 사이 하향관의 길이에 있어서의 압력 손실을 나타내는 함수이다. 이는 상부 림 내에서의 노치의 수및 노치 유형에 따라 특정된다. 상기 함수는 하향관의 정상부 구멍과 하단 사이 2상 구간 내의 압력 손실을 나타내는 함수이다. 이는 구멍의 수, 구멍의 입면도 및 구멍의 관 원주 둘레에서의 상대적인 위치에 따라 특정된다. 각 유형의 하향관에 대한 기체 유량은 제1 배열 하향관에 대해 한번, 그리고 제2 배열 하향관에 대해 한번씩 상기 수학식 7의 방정식을 대입함으로써 소정의 설계 경우에 대하여 결정된다. 최대 유량의 경우, Q_L값은 각 배열의 관에 대해 실질적으로 동일하나, 기타 설계의 경우, 특히 유량이 낮은 경우, Q_L값은 현저히 다르다. 사용하고자 하는 Q_G값은 액체 높이에 대하여 수학식 4의 방정식에서 사용된 것으로, 초기 계산 동안에는 제1 및 제2 배열에 대하여 동일하다. 수학식 7의 방정식을 사용하여 하향관의 제1 배열 및 제2 배열을 횡단하는 압력 강하를 계산한다. 압력 강하가 동일한 경우, 상기 설계는 일관성이 있고 완전한 것이다.

그러나, 제1 패스 계산 후 상기 압력 강하는, 하향관의 제2 배열이 비작동일때 유량이 낮은 경우에도 기체의 속도가 동일한 것으로 추정되므로 동일할 수가 없다. 따라서. 하향관의 제1 배열에 대한 기체 유량 속도가 추정되고, 하향관의 제2 배열에 대한 기체 유량 속도가 상기 추정된 제1 배열 기체 유량과 총 기체 유량 간의 차이로서 얻어지며, 기체 분배 정도가 모든 설계의 경우에 대한 액체 높이 및 압력 강하 방정식들을 조화시키는 지점에 도달할 때까지 전술한 모든 계산법이 반복 사용되는, 외부 루우프 반복이 실행되어야 한다. 이 과정은 수동식 계산으로는 실용적이지 않고, 디지탈 컴퓨터에 의해 수행하는 것이 바람직하다. 이들 방정식을 푸는 적당한 수치 계산 기법은 뉴튼-라프슨 방법이다. 상기 수학식 1 내지 7의 방정식은 무차원이다. 즉, 임의의 일정한 세트의 단위가 사용될 수 있다.

설계 과정은, 하향관의 직경 및 위치, 구멍의 크기 및 위치와 전술한 기타 세부사항에 따라 모든 설계의 경우에서의 구멍의 바닥부 입면도 위로, 그리고 가능한 한 많은 설계의 경우에서의 구멍의 보다 높은 입면도 위로 액체 높이가 설정되는 경우, 성공적으로 완료된다. 본 발명의 최대 이점을 실현하기 위한 근본적인 요건은 제1 배열의 하부 구멍이 모든 경우에 함침되며, 제2 배열의 관이 비작동하는 경우 제1 배열의 하향관이 최대 커버리지를 제공하도록 트레이 상에 배열되는 것이다.

Claims (10)

1. 분배기 트레이:

   상기 트레이를 통과하여 연장되어 있고 말단부가 개방된 복수개의 수직 하향관;

   상기 트레이 수준 위에 수직 이격된 구멍 입면도를 복수개 갖는 하향관의 제 1 배열; 및

   상기 제1 배열의 구멍 입면도 중 하나 이상과 실질적으로 동일한 트레이 수준 위 높이에서 구멍 입면도를 가지며, 상기 제1 배열의 최저 구멍 입면도에 해당하는 구멍 입면도를 갖지 않는 하향관의 제2 배열

   을 포함하고,

   소정의 액체 높이에서 분배기 트레이를 통과하는 액체 유량 속도는 상기 액체 높이가 제2 배열의 최저 구멍의 입면도보다 낮은 경우 감소됨으로써, 제1 배열의 최저 구멍 입면도 위 액체 수준을 최대화하는 것이 특징인,

   고체 고정층의 표면을 거쳐 하향하는 증기 및 액체를 유도하기 위한 2상 분배기 시스템.
2. 제1항에 있어서,

   상기 하향관의 제1 및 제2 배열은 크기를 정하고 트레이 상에 배열하여, 상기 트레이 상의 액체 높이가 상기 제2 배열의 최저 구멍 입면도보다 낮은 경우, 상기 액체 높이가 상기 제2 배열의 최저 구멍 입면도보다 높은 경우에 얻어지는 것과 실질적으로 동일한 고체 고정층 표면의 액체 커버리지를 제공하는 것이 특징인 시스템.
3. 제1항에 있어서,

   상기 하향관의 제1 및 제2 배열은 크기를 정하고 트레이 상에 배열하여, 상기 트레이 상의 액체 높이가 상기 제2 배열의 최저 구멍 입면도보다 낮은 경우, 트레이의 액체 높이 변동에 기인하여, 상기 액체 높이가 제2 배열의 최저 구멍 입면도 보다 높은 경우에 얻어지는 것과 실질적으로 동일한 액체 분배의 둔감도를 제공하는 것이 특징인 시스템.
4. 제1항에 있어서,

   상기 제1 배열의 하향관은 수직으로 이직된 2개의 구멍 입면도를 가지며, 상기 제2 배열의 하향관은 제1 배열의 하향관 내 상부 구멍 입면도와 동일한 중심선 입면도에서 1개의 구멍 입면도를 갖는 것이 특징인 시스템.
5. 제4항에 있어서,

   제1 배열의 수직 이격된 2개의 입면도 각각 및 제2 배열의 1개의 입면도에서 각 하향관 내에 단일한 구멍이 존재하는 것이 특징인 시스템.
6. 제5항에 있어서,

   제1 배열의 각 하향관 내 하부 구멍은 위에서 보았을 때 10° 내지 170° 또는 190° 내지 350° 만큼 정상부 구멍으로부터 원주위를 변위하는 것이 특징인 시스템.
7. 제1항에 있어서 ,

   상기 제1 배열의 하향관은 수직 이격된 3개 이상의 구멍 입면도를 갖는 것이 특징인 시스템.
8. 제1항에 있어서,

   상기 제1 및 제2 배열의 하향관 내 구멍은 하기 수학식 4의 액체 높이 방정식에 따라 크기를 정하고, 상기 액체 높이 방정식은 하향관의 제1 배열에 대해서 한번, 그리고 하향관의 제2 배열에 대해서 한번씩 대입하되, 각각의 구멍을 지배하는 액체 높이(h)가 동일하고, 모든 구멍을 통과하는 액체 유량의 합이 상기 트레이를 통과하는 전체 액체 유량과 동일해야 한다는 제한요소에 따른 것이 특징인 시스템:

   수학식 4

   상기 식 중,

   h = 트레이 정상부 표면 위 액체 높이,

   H = 트레이 정상부 표면 위 구멍 중심의 높이,

   A = 한 입면도에서 구멍(들)의 총면적,

   ρ_L및 ρ_G= 액체 밀도 및 기체 밀도,

   Q_L및 Q_G= 1개의 하향관 당 액체 체적 유량 속도 및 기체 체적 유량 속도, 및

   f 및 g = 하향관 구멍에서 압력 균형에 의해 용이하게 얻어지는 함수.
9. 제1항에 있어서,

   제1 배열의 하향관은 총 하향관의 75%를 차지하고 체스판의 백색 정사각형 및 교번하는 검정색 정사각형에 해당하는 위치에서 정사각형 격자 상에 배열되며, 제2 배열의 하향관은 총 하향관의 25%를 차지하며 체스판의 나머지 검정색 정사각형에 해당하는 위치에서 정사각형 격자 상에 배열된 것이 특징인 시스템.
10. 제8항에 있어서,

    제1 배열의 하향관과 제2 배열의 하향관 간의 기체 유량의 분배는 상기 수학식 4의 액체 높이 방정식 및 하기 수학식 7의 압력 강하 방정식을 동시에 풀어서 결정하는 것이 특징인 시스템:

    수학식 7

    상기 식 중,

    △p = 하향관의 총 길이에 걸친 압력 강하,

    A_P= 하향관 내 유량에 대한 횡단면적,

    Q_L및 Q_G= 1개의 하향관 당 액체 체적 유량 속도 및 기체 체적 유량 속도,

    ρ_L및 ρ_G= 액체 밀도 및 기체 밀도,

    μ_L및 μ_G= 액체 점도 및 기체 점도,

    σ_L= 액체 표면 장력,

    = 상부 림과 정상부 구멍 사이 하향관 길이에 있어서의 압력 손실, 및

    Ψ= 하향관의 정상부 구멍과 하부 림 사이 하향관의 2상 구간에서의 압력 손실.