KR100536391B1

KR100536391B1 - 가스 분사 방법, 가스 인젝터 및 가스 분배 그리드

Info

Publication number: KR100536391B1
Application number: KR10-2000-7004154A
Authority: KR
Inventors: 창민; 코울랄로글로우콘스탄틴에이; 슈에드워드씨
Original assignee: 엑손 리써치 앤드 엔지니어링 컴파니
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2005-12-12
Also published as: AR014923A1; US6199835B1; DE69806960D1; CA2303307A1; NO20001811L; DE69806960T2; BR9813878A; CA2303307C; AU737425B2; NO20001811D0; JP2001520114A; KR20010015778A; ZA989520B; AU9801398A; US6076810A; EP1034031B1; EP1034031A1; WO1999020385A1

Abstract

슬러리 반응기를 위한 가스 분배 그리드(106)는 다른 가스 및 액체 불투과성의 플레이트(82)를 관통하여 연장되고 그것을 횡단하여 수평으로 배열된 다수의 가스 인젝터(10)를 포함한다. 인젝터(10)는 입구 단부인 하나의 단부에 가스 압력 감소 보어(14) 및 상향으로 개방된 원추형부(30)내로 개방된 다른 단부를 구비한 양단부에 개방된 스로트(20)를 구비한다. 인젝터내의 유동 전환 수단(26)은 슬러리 고형물이 스로트(20)에 들어가는 것을 방지하고, 스로트(20)내에서 보어(14)를 빠져나가는 고속 가스 제트에 의해 마모된다. 가스 인젝터가 그리드의 상부 표면위로 돌출하지 않고, 평평한 공간이 경사진 필러(94) 등의 수단에 의해 제거되어 그리드의 상부에 고형물의 축적을 방지하도록 하는 것이 바람직하다. 챔퍼(13)는 보어와 스로트의 접합부에 존재하여 스로트에 들어오는 가스 제트의 자유 팽창을 방지하도록 할 수 있다. 이것은 슬러리 반응기내의 반응 탄화수소 합성 슬러리내에 가스를 분사하기에 유용하고, 동시에 촉매 마모 및 비활성화를 감소시킨다.

Description

가스 분사 방법, 가스 인젝터 및 가스 분배 그리드{THROAT AND CONE GAS INJECTOR AND GAS DISTRIBUTION GRID FOR SLURRY REACTOR}

본 발명은 스로트(throat) 및 원추형 가스 인젝터, 그리고 그것을 포함한 가스 분배 그리드(grid)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스로트 및 원추형 가스 인젝터, 그리고 고형물 마모 및 인젝터 막힘을 감소시키면서, 미립 고형물(particulate solids)을 함유한 슬러리(slurry)내로 가스를 분사하는데 유용한 다수의 이들 인젝터를 포함하는 가스 분배 그리드에 관한 것이다.

액체내에 미립 고형물을 포함하는 슬러리내에 가스가 상방으로 분사되어야 하는 많은 응용예가 있다. 이들 응용예로는 석탄 액화(coal liquefaction), 잔류물 정제(resid refining), 다른 수소화 공정, 슬러리 탄화수소 및 산소 첨가 합성, 폐수 처리 등을 포함한다. 가스는 통상적으로 수평의 가스 분배 그리드를 통하여 슬러리내에 상방으로 분사되고, 그 그리드는 플레이트 또는 트레이로도 불리며, 반응기 또는 다른 용기내의 슬러리의 바닥에, 그리고 플리넘으로 불리는 가스 공간 또는 공극(cavity)상에 위치된다. 트레이는 슬러리내에 가스를 상방으로 균일하게 분배시키기 위해 그것을 관통하여 연장된 다수의 가스 인젝터를 포함한다. 이들 가스 인젝터는 공지된 바와 같은 트레이내의 수직 구멍 및 기포 캡 등일 수 있다. 이들 트레이와 연관된 문제는 가스 압력이 강하하는 경우 고형물의 마모 및 인젝터의 막힘을 포함한다. 가스 인젝터의 고형물 막힘이 결코 바람직하지 못한 반면에 일부 응용에 있어서는 그것은 고형물의 마모를 피하는데 또한 중요하다. 일 특정예는 수소(H₂) 및 일산화탄소(CO)의 혼합물을 포함하는 합성 가스(synthesis gas; syngas)가 합성 가스를 탄화수소로 변환하는 효과적인 반응 조건에서 기포를 형성하여 반응기내의 슬러리를 통과하는 슬러리 탄화수소 합성(HCS) 공정이며, 그것의 적어도 일부가 반응 조건에서 액체로 된다. 이러한 공정에 있어서, 슬러리는 탄화수소 슬러리 액체내에 고체 촉매 입자 및 가스 기포를 포함하며, 슬러리 액체는 액체 HCS 생성물을 포함한다. 3상(three phase) 슬러리를 수용하는 반응기는 미국 특허 제 5,348,982 호에 개시된 바와 같이 슬러리 "기포 기둥(bubble columns)"으로 종종 불리운다. 소망 수준의 탄화수소 합성을 달성하기 위해 슬러리내에 상방으로 분사된 합성 가스의 양은 액체내에 분산된 촉매 입자를 유지하는데 필요한 양보다 통상적으로 많다. 이러한 공정(및 다른 공정)에서 발생하는 문제는 촉매 입자에 의한 가스 인젝터의 막힘, 미립자를 생성하고 촉매 손실을 초래하는 가스에 의해 촉매 입자의 마모 및 반응기의 하류에서 유닛의 막힘과, 트레이상의 평평한 공간상에 정착하는 촉매 및 하부의 플리넘 공간내에 인젝터를 통하여 아래로 낙하하는 촉매의 비활성화를 포함한다. 따라서, 이러한 문제를 감소시키거나 제거하는 가스 분사 수단을 사용하는데 본 기술 분야에서 개선되어야 한다.

발명의 요약

본 발명은 고형물 마모 및 인젝터 막힘을 감소시키면서, 미립 고형물을 함유한 슬러리내에 가스를 분사하는데 유용한 가스 분사 수단에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스로트 및 원추형 가스 인젝터, 그리고 통상적으로 슬러리의 하부에 위치되며 다른 가스 및 액체에 대해 불투과성인 수평의 플레이트 또는 트레이를 통과하여 수직으로 연장되고 그것을 횡단하여 수평으로 배열되거나 분포된 다수의 가스 인젝터를 포함하는 가스 분배 그리드에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 가스 인젝터의 모두 또는 일부는 그리드의 일체부로 형성된다. 가스 인젝터는 양단부에서 개방된 스로트 또는 기다란 중공형 제 1 가스 팽창 영역을 포함하며, 하나의 단부는 제트(jet)의 외측으로부터 보어의 출구인 오리피스를 지나 스로트내로 가스가 진행하는 보어를 구비한 가스 입구이고, 다른 하류 단부는 원추형일 수 있으며 상향 및 외향으로 연장된 제 2 가스 팽창 영역내에 개방된다. 스로트 및 원추형부의 접합부에서 내부 숄더는 유동 전환 수단을 제공하며, 그 수단은 스로트를 빠져나가는 가스 제트내에 반경방향 내향으로 원추형부의 벽을 따라 아래로 침투하는 슬러리에 직접 향하게 하여 슬러리 고형물의 마모 및 스로트의 막힘을 방지하도록 한다. 본 발명의 전형적인 인젝터에 있어서, 이러한 숄더의 내경은 스로트의 내경과 실질적으로 동일하고, 그것의 외경은 원추형부의 하부의 내부 벽에서 원주방향으로 끝난다. 가스 인젝터내의 유동 전환 수단 또는 숄더의 부재가 마모에 의해 미세 입자 사이즈로 미립 고형물의 상당한 실질적인 분해를 초래할 수 있다는 것이 알려져 왔다. 이들 미립자는 상방으로 이동하여 반응기를 빠져나가, 액체 필터를 통과하여 하류 유닛내로 진행한다. 이것은 촉매의 연속적이고 실질적인 손실을 초래하고, 하류 유닛내에 슬러지(sludge)를 형성하고, 또한 그 슬러지는 유닛을 막히게 할 수 있고 결국 생성물로부터 분리되어야 한다. 보어를 통한 압력 강하는 그것의 직경 또는 횡단면의 면적에 의해 결정되며, 그 직경 또는 면적은 스로트의 그것보다 작다. 스로트의 직경 및 종횡비는 ① 스로트를 통하여 상방으로 흐르는 팽창 가스 제트가 스로트를 빠져나가고 원추형부에 들어가기 전에 내부 스로트 벽과 접촉하도록 보장하고, 오리피스 직경의 조합에 있어서, ② 슬러리에 접촉하는 원추형부내의 소망 가스 속도를 달성하는 사이즈를 갖는다. 스로트내의 이러한 벽 접촉은 가스 제트의 외연에서 속도를 충분히 진전시키도록 허용함으로써 원추형부에 들어가는 가스류의 보다 균일한 속도 프로파일을 얻고, 고형물이 스로트내에 흘러들어 좁고 보다 작은 오리피스를 통해 스로트에 유입되는 보다 고속의 가스 제트에 의해 고형물을 마모시키는 제트의 외연에서의 유동의 교란 및 불균일을 방지하는데 중요하다. 스로트는 10:1 보다 작은 길이 대 직경비[종횡비(aspect ratio)], 바람직하게는 8:1 보다 작은 직경비를 갖는다. 또한, 이러한 종횡비는 팽창 가스 제트의 외연이 스로트를 빠져나가기 전에 스로트의 내부 벽에 접촉하고, 바람직하게는 스로트 출구의 상류에 한정된 거리에서 접촉을 하게 하여 안전 여유(예를 들면, 스로트 길이의 적어도 10%)를 제공하도록 하는 충분한 크기를 가져야 한다. 보어, 스로트, 숄더 및 원추형부의 종축선이 모두 일치하는 것이 바람직하다. 바람직하게, 내부 원추형부 벽의 각도가 슬러리 고형물이 가로놓이는 각도 보다 크게 하여 고형물이 원추형부내에 쌓이는 것을 방지하도록 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 보어, 스로트, 숄더 및 원추형부는 모두 그들의 종축선에 수직한 원형의 횡단면을 갖는 반면에 다른 횡단면이 바람직하다면 채용될 수 있다. 슬러리의 하부에서 수평의 다른 가스 및 액체 불투과성 플레이트 및 트레이를 관통하여 수직으로 연장되고 그것을 횡단하여 수평으로 배열되거나 정렬된 다수의 이들 인젝터는 트레이내의 각 가스 인젝터를 횡단하고 관통하는 상당히 균일한 압력 강하 및 그에 따른 균일한 가스 분사 속도로서 슬러리내에 상방으로 가스를 균일하게 분배시킨다. 이것은 슬러리내로의 소망 가스 처리량(throughput), 트레이내의 인젝터의 수, 인젝터 보어의 직경 및 인젝터 보어 상류의 가스 압력에 의해 결정된다.

그리드를 횡단하는 인젝터의 밀폐 팩킹(packing)은 그리드의 상부의 평평한 표면의 크기을 실질적으로 감소시킨다. 다른 실시예에 있어서, 인젝터의 어느 부분도 그리드 플레이트의 상부를 지나 연장되지 않는다. 이들 두가지 특징은 슬러리 고형물이 침전하는 그리드상에 무효 공간(dead space)의 양을 최소화한다. 고형물의 적어도 일부분이 슬러리 탄화수소 합성(HCS) 촉매인 HCS 공정의 경우에 있어서, 감소된 고형물 침전(settling)은 촉매 불활성화를 감소시킨다. 가스 분배 그리드는 반응기 하부에서 합성 가스 저장소 또는 플리넘 영역위에 전형적으로 위치된다. 합성 가스 공급은 압력 댐퍼로서 작용하는 그리드 아래의 플리넘내로 통과되고, 가스 제트내에 오리피스의 직경, 제트의 수 및 가스 압력의 조합에 있어서, 그리드내의 각 인젝터에 들어가는 합성 가스의 양이 동일하도록 보장한다.

압력 감소 보어를 관통하여 스로트 또는 제 1 팽창 영역내에까지 통과하는 가스는 스로트를 관통하여 흐르는 반경방향 외측으로 연장된 가스 제트로서 오리피스를 빠져나가고, 원추형부에 들어가기 전에 내부 벽에 접촉한다. 이러한 접촉은 스로트로부터 원추형부 또는 제 2 팽창 영역내에까지 빠져나가는 제트의 외연에 많은 에너지가 직접 향하게 함으로 중요하다. 이것은 스로트를 빠져나가는 제트의 외연에서 충분한 가스 속도 및 질량(에너지)을 제공하여 고형물이 보어로부터 스로트에 들어오는 상대적으로 고속인 가스 제트에 의해 미립자로 마모될 수 있는 곳인 스로트내에 아래로 슬러리가 침투하는 것을 방지하도록 한다. 또한, 그것은 제트의 외연과 중앙부 사이의 가스 속도의 차이를 감소시키고, 또한 가스가 슬러리에 접촉할 때 입자의 마모를 감소시킨다. 가스 제트가 스로트를 빠져나갈 때, 환형의 숄더 때문에 스로트 및 원추형부의 접합부에서 내부 원추형부 벽에 접촉하지 않는다. 일 실시예에 있어서, 숄더의 내주부는 그것의 출구에서 스로트의 내부 벽에 근접하고, 외경은 원추형부의 하부에서 내부 원추형부 벽에 외주방향에서 끝난다. 숄더는 아래로 흐르는 슬러리를 반경방향 내향으로 전달함으로써 원추형부의 벽 아래로 침투하는 슬러리를 위한 유동 전환기로서 작용한다. 내부 원추형부 벽을 따라 흘러내리는 슬러리는 숄더에 도달하고, 스로트를 빠져나가 상방으로 흐르는 팽창 제트와 만나는 곳에서 하강하는 슬러리를 반경방향 내측으로 밀어내고, 이는 계속적으로 슬러리를 위쪽의 슬러리 몸체내로 복귀시킨다. 팽창 가스 제트가 원추형부를 통해 상방으로 이동할 때, 팽창 가스 제트는 슬러리와 접촉하고, 기포 캡 등을 이용하여 달성할 수 있는 것보다 큰 순수 상방 속도를 갖는 기포로 분쇄된다. 다른 실시예에 있어서, 오리피스는 원추형부 또는 챔퍼 또는 다른 수단(오리피스 및 스로트의 형상에 의존함)내로 개방되어 가스 제트가 스로트내에 들어갈 때 가스 제트의 자유 팽창을 방지하며, 그리하여 팽창 가스 제트내에서 형성되어 스로트를 지나 원추형부 내로 이동할 때 제트의 외연에서 표면장력파(ripples)와 같은 요동 및 다른 교란을 야기하고, 또한 제트 자체내의 불안정을 야기할 수 있는 후방 소용돌이(swirls) 및 와류(eddies)가 형성되는 것을 방지한다. 그러한 요동은 슬러리 고형물이 슬러리내로 흘러들게 하여, 유입되는 보다 고속의 가스 제트에 의해 슬러리 고형물이 마모된다. 따라서, 원추형부 또는 챔퍼는 팽창 가스 제트를 안정화하고, 또한 가스류의 감소에 의해 고형물의 스로트를 세척하는 이점이 있음이 밝혀졌다.

도 1은 가스 분배 그리드의 일체부로서 본 발명의 가스 인젝터의 개략적인 부분 단면도,

도 2는 도 1의 실시예의 변형예를 도시한 도면,

도 3은 본 발명의 가스 인젝터를 위한 교체 가능한 오리피스 조립체의 개략도,

도 4는 가스 인젝터의 스로트 하부의 원추형부 또는 챔퍼내에 상방으로 개방된 오리피스의 개략도,

도 5a는 오리피스를 빠져나가, 오리피스에 근접한 자유 팽창 영역을 구비한 스로트의 벽에 접촉하는 팽창 가스 제트의 도면,

도 5b는 도 5a의 자유 팽창 영역을 제거하기 위하여 원추형부 또는 챔퍼내로 개방된 오리피스의 도면,

도 6은 본 발명의 가스 인젝터 및 그리드의 다른 실시예의 개략적인 부분 단면도,

도 7a는 짧은 원통형의 가스 분배 그리드의 실시예의 측면도,

도 7b는 짧은 원통형의 가스 분배 그리드의 실시예의 평면도,

도 8은 그리드의 상부상의 평평한 영역을 제거하기 위한 아치형의 피라미드형 스페이서의 사시도,

도 9는 피라미드형 스페이서의 위치를 도시한 것으로 그리드의 일부분의 평면도,

도 10은 본 발명의 가스 분배 그리드를 포함하는 슬러리 탄화수소 합성 반응기의 개략적인 단순 단면도.

도 1을 참조하면, 본 발명의 가스 인젝터(10)는 트레이를 횡단하여 수평으로 배열되고 그것을 수직으로 관통하여 연장되는 다수의 가스 인젝터(10)(편의상 하나만 도시됨)를 포함하는 수평 디스크형의 스틸 플레이트(32)(부분적으로 도시됨)를 포함하는 슬러리 반응기의 가스 분배기 그리드(106)의 일체부로 도시되어 있다. 그리드 또는 플레이트의 상부 및 하부는 참조부호(34) 및 참조부호(36)로 표시되어 있다. 가스 인젝터(10)는 플레이트를 관통하여 수직으로 연장되며, 보어(14)의 상부 단부인 오리피스(12)를 관통하여 스로트(20)내로 개방되는 외주면 벽(16)에 의해 규정된 원통형 보어(14)를 포함한다. 오리피스는 숄더 또는 챔퍼(18)를 통하여 스로트(20)내에 상방으로 개방된다. 숄더(18)는 수평으로 평평한 것으로 도시되어 있고, 이는 오리피스(12)가 날카로운 에지 오리피스인 것을 의미하지만, 일 실시예에서는 하기에 설명되는 바와 같이 오리피스의 주변부로부터 내부 스로트 벽(22)까지 상방 외향으로 개방된다. 후자의 경우에 있어서, 오리피스로부터 연장된 경사진 개구부 또는 챔퍼는 스로트내에 상방으로 오리피스를 빠져나가는 가스 제트의 자유 팽창을 억제한다. 스로트(20)는 외주면 벽(22)에 의해 규정된 원통형 보어이다. 가스는 보어를 통과하여, 도 5에 도시되고 하기에 상세히 설명되는 원추형의 팽창 가스 제트로서 오리피스인 보어의 상부 단부를 빠져나가 스로트(20)내로 유입된다. 보어를 통과하는 가스의 통로는 그것의 압력을 감소시켜 스로트내의 가스 압력이 보어의 상류(즉, 그리드 아래의 플리넘내의)의 압력 보다 낮도록 한다. 당업자들에게 공지된 바와 같이, 스로트에 들어오는 가스 제트는 대략 10° 내지 20° 및 보다 전형적으로 15° 내지 20°의 범위를 갖는 사잇각을 갖는다. 팽창 가스 제트의 속도는 제 1 팽창 영역 또는 스로트(20)를 통과함에 따라 감소된다. 스로트(20)의 종횡비 또는 길이 대 직경비는 제트의 소망 속도 감소를 허용하는 크기를 가지며, 동시에 참조부호(24)에서 스로트를 빠져나가 제 2 가스 팽창 영역(30)[이하, 원추형부(30)라 함]내에 상방으로 들어가기 전에, 팽창 가스 제트가 스로트의 외주면 내부 벽(22)에 접촉하는 것을 보장한다. 일반적으로, 종횡비는 팽창 가스 제트가 스로트의 벽에 접촉하는 것을 보장하기 위해서는 적어도 2가 될 것이다. 반면에, 가스 유동이 감소할 경우 슬러리 고형물에 의한 스로트의 막힘을 방지하기 위하여 최대 종횡비는 8 또는 10 보다 크지 않아야 한다. 상류 가스 압력이 감소하거나 가스 유동이 일시적으로 정지하는 경우, 인젝터는 슬러리 고형물로 채워질 것이며, 대략 8 또는 10 보다 큰 종횡비는 압력이 회복될 때 가스가 고형물을 외부로 밀어내는 것을 방해할 수 있고, 그것에 의해 인젝터를 막히게 하고 작동이 불가능하게 한다. 또한, 팽창 가스 제트는 스로트 길이의 대략 25%부터 대략 75%까지 대략의 범위를 가질 수 있는 안전 계수를 제공하도록 스로트 출구의 상류에서 충분히 스로트 벽에 접촉하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 이러한 접촉은 본 발명의 가스 인젝터의 기본적인 형태로서, 스로트 출구(24)에서 벽(22) 바로 근처에 충분한 가스 속도가 원추형부의 측면 아래로 흘러드는 슬러리가 스로트에 들어오는 것을 방지하는 것을 보장한다. 또한, 이것은 스로트의 상부 또는 출구(24)를 횡단하여 보다 균일한 수평 가스 속도 프로파일 유동을 발생시킨다. 스로트(20)는 환형의 숄더(26)로서 도시된 수평 원주방향의 유동 전환 수단에서 반경방향 상향 및 외향으로 연장된 원주형부(30)내로 개방된다. 원추형부(30)는 원추형이며, 특히 트레이의 상부 내측으로 절결된 절두 원추형의 외부면 벽(28)에 의해 규정된 바와 같은 절두 원추형이다. 원추형부(30)에 있어서, 가스의 속도는 촉매 입자 마모를 유발하지 않으면서, 여전히 슬러리내의 고형물을 부유시키고, 슬러리 반응기의 경우에 있어서 소망의 반응기 출력을 달성하기에 충분한 가스 유동 속도를 제공하기에 충분한 수준으로 더 감소된다. 슬러리 탄화수소 합성 반응기내에 합성 가스를 분사하는 경우에 있어서, 효율적인 탄화수소 합성을 위해 필요한 가스 유동 속도는 촉매 부유물을 위해 필요한 것보다 통상적으로 크다. 팽창 가스 제트는 원추형부(30)내의 슬러리와 접촉하고, 기포가 되어 슬러리를 통해 상방으로 올라간다. 벽(28)을 따라 원추형부의 내부를 따라 흘러내리는 슬러리는 반경방향 내측으로 속도를 부여하는 숄더(26)에 도달하며, 그 결과로서 슬러리는 스로트 출구(24) 외부로 상승하는 가스 증기내로 향하게 된다. 이는 흘러내리는 슬러리를 위쪽의 슬러리 본체내로 다시 상승시키는 한편, 그것이 마모되는 곳인 스로트내로 슬러리가 흘러들어가는 것을 최소화한다. 숄더의 사용은 촉매 마모를 20배 정도 감소시킬 수 있는 것으로 밝혀졌다. 오리피스, 스로트 및 원추형부의 가장 효율적인 횡단면은 원형으로 생각되지만, 동일한 경우에 있어서 하나 또는 그 이상의 이들 요소는 원형 이외의 다른 횡단면을 갖는 것은 가능하다. 원형 이외의 다른 횡단면의 경우에 있어서, 직경은 π로 나눈 횡단면 면적의 제곱근인 등가 직경으로 구해지며, 등가 직경은 스로트의 종횡비를 결정하는데 사용된다.

도 2는 도 1과 유사한 본 발명의 실시예를 도시하고 있지만, 보어 및 스로트는 단일의 원통형 수나사 조립체(40)로서 스크류 나사(58)로 표시된 트레이내의 정합 나사형 보어내로 스크류 체결되는 점이 상이다다. 보어(44), 보어 벽(46), 오리피스(42), 스로트(50) 및 벽(52)은 도 1에 도시된 것과 동일한 것이다. 그러나, 원통(40)의 상부(54)의 내부 부분은 스로트 및 원추형부의 접합부에서 유동 전환 숄더를 형성한다. 조립체(40)는 원추형부의 하부에서 환형의 숄더(56)와 만나는 위치까지 트레이내 상방으로 스크류 결합되어 올라간다. 숄더(56)와 접촉하지 않는 원통부(40)의 상부는 환형의 유동 전환 수단을 형성한다. 따라서, 이러한 실시예에 있어서, 오리피스 및 스로트 조립체는 용이한 교체를 위해 트레이에 제거 가능하거나 분리 가능하게 부착된다. 다른 실시예는 도 3 등에 간단히 도시된 교체 가능한 오리피스 조립체 등과 같이 당업자에게는 자명할 것이다. 따라서, 도 3에 있어서, 교체 가능한 조립체(58)는 스로트(20)의 하부에서 정합 보어내에 상방으로 스크류 체결된다. 도 4는 도 1의 보어(14)가 챔퍼 또는 원추 형상의 벽(15)을 통하여 스로트(20)내에 상방으로 개방되는 또다른 실시예를 도시하고 있다. 이러한 실시예에 있어서, 오리피스(12)의 외부 상방으로 빠져나가는 팽창 가스 제트는 원추형부 또는 챔퍼에 의해 도 3의 실시예에서와 같이 오리피스 바로 근처의 스로트 벽(22)에 외부로의 자유 팽창이 방지된다. 이것은 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 따라서, 도 5a 및 도 5b에 있어서, 사잇각()을 갖는 2개의 물결 무늬의 선으로 표시된 팽창 원추형의 가스 제트는 오리피스(12, 12')를 빠져나가, 참조부호(25)에서 스로트(20)의 내부 원통형의 벽(22)과 접촉한다. 도 5a에 있어서, 날카로운 에지 오리피스(12)를 감싸는 공간(11)은 가스 제트 부분의 자유 팽창을 허용한다. 오리피스(12')를 빠져나가는 가스 제트의 자유 팽창이 도 5b의 실시예에 있어서의 원추 또는 챔퍼 형상의 벽(13)에 의해 방지된다. 오리피스 바로 근처의 원추형부 또는 챔퍼의 존재는 팽창 가스 제트의 외연에서 가스 유동내의 교란을 방지하며, 또한 오리피스의 상류에서 가스 압력이 보다 낮아지거나 정지하는 동안에 스로트를 막히게 할 수 있는 고형물을 가스가 보다 용이하게 외부로 날려 보내는 것을 가능하게 한다는 것이 관찰되었다. 원추형부의 각도는 각 경우에 대하여 실험적으로 결정되어야 하나, 일반적으로 슬러리내에 고형물이 놓이는 각도 보다 사잇각을 작게 하여 내부 원추형부 벽상에 슬러리 고형물이 쌓이는 것을 방지하도록 한다. 대체로, 사잇각은 140°보다 작으며, 일부 실시예에 있어서는 90°보다 작을 것이다.

이제 도 6을 참조하면, 본 발명의 가스 인젝터는 가스 분배 트레이의 일체부가 아닌 것을 제외하면, 도 1의 것과 대부분 유사한 것으로 도시되어 있다. 이러한 실시예에 있어서, 가스 인젝터는 상부에서 하부까지 트레이를 관통하여 연장된 결합 보어(72)에 도시되지 않은 적절한 수단(예를 들면, 스크류 나사산)에 의해 부착되는 분리 유닛이다. 따라서, 도 6을 다시 참조하면, 가스 인젝터(60)는 그것의 하류 단부에서 오리피스(64)를 규정하는 원통형 보어(62)를 포함한다. 오리피스(64)는 스로트 또는 제 1 팽창 영역인 보다 큰 직경의 원통형 보어(66)내에 상방으로 개방된다. 보어(66)는 환형의 숄더(68)를 통하여 중공(hollow) 원추형의 제 2 팽창 영역(70)내에 상방으로 개방되며, 그 숄더(68)는 슬러리의 반경방향의 유동 전환 수단이다. 원추형부의 각도는 슬러리내에 고형물이 놓이는 각도보다 작게 하여 내부 원추형부 벽상에 고형물의 축적을 방지하도록 한다. 이러한 실시예에서는 다수의 이러한 인젝터가 트레이의 표면을 횡단하여 수평으로 배열된 경우에도, 각 인젝터에 대해서 원추형부 아래의 트레이(32) 상부상에 인젝터(60)에 대해 참조부호(74)로 표시된 환형의 평평한 표면이 존재할 것이다. 상방으로 올라가는 가스와 접촉하지 않을 때 불활성화하는 촉매 입자를 슬러리 고형물이 함유하는 경우에 있어서, 원추형부에 의해 상부에서 경계(74)상의 이러한 공간 및 영역(76)은 내부에 촉매 입자가 축적되고 불활성화되는 무효 공간이다. 그러므로, 그러한 경우에 있어서 도 1 또는 도 2의 실시예와 유사한 실시예가 바람직하고, 그렇지 않다면 다른 수단이 무효 공간을 막는데 사용되거나, 또는 그것을 관통하여 가스를 통과시켜 촉매의 축적을 방지하는데 사용된다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 짧은 원통형의 가스 분배 그리드 또는 트레이의 실시예의 측면도 및 평면도를 각각 개략적으로 도시한 것으로, 그리드는 도 1에 도시한 것과 유사한 방법으로 그리드를 관통하여 연장되고 그리드를 횡단하여 수평방향으로 배열된 본 발명의 다수의 가스 인젝터를 포함한다. 그러나, 이러한 실시예에 있어서, 그리드는 스크류 또는 볼트(도시되지 않음)와 같은 적절한 수단에 의해 함께 조립되어 유지되는 2개의 분리된 원형 또는 디스크형의 플레이트(82, 84)로 형성된다. 그리드의 상부 플레이트(82)는 다수의 원추형 캐비티(86)를 관통하여 각 인젝터를 위한 제 2 가스 팽창 영역이 형성된다. 하부 플레이트(84)는 각기 동심상으로 정합하는 스로트 및 오리피스 캐비티[간단히 참조부호(88, 90)로 표시함]를 포함하며, 이들은 하부 플레이트(84)를 관통하여 연장되고 도시된 바와 같이 각 원추형부의 종축선과 동축을 이룬다. 스로트 직경은 상부 플레이트(82)내의 각 개별 및 결합 원추형 공극의 바닥보다 작으며, 그리하여 상부 플레이트 및 하부 플레이트가 결합하여 완성된 그리드를 형성할 때 환형의 유동 전환 숄더(92)가 형성된다. 평면도가 하기에 설명되는 도 7b 및 도 9에서 보다 상세하게 도시되어 있다. 이웃한 각 원추형부가 얼마나 근접하든지 간에, 도 7b에서 참조부호(96)로 표시된 원추형부 사이의 트레이의 상부에 평평한 공간이 있어야 한다. 촉매가 그상에 정착하여 비활성화되는 이러한 공간은 도 8의 사시도 및 도 9의 평면도에 도시된 아치형의 피라미드형 스페이서(94)에 의해 쉽게 감소되고 심지어 제거된다. 도시된 실시예에 있어서, 스페이서의 상부는 약간 평평하며, 상부가 둥근 스크류(도시되지 않음)와 같은 적절한 수단이 스페이서를 그러한 평평한 공간상에 고정하는데 사용된다. 도 9는 스페이서 및 인젝터의 평면도를 보다 상세히 도시하고 있다.

도 10은 도 7a 및 도 7b에 도시된 본 발명의 가스 분배 그리드를 포함하는 본 발명의 공정에서 사용하는 슬러리 HCS 반응기의 개략적인 단면도이다. 도 10으로 돌아오면, 슬러리(104)를 내부에 수용하는 원통형 쉘(102)을 포함하는 슬러리 HCS 반응기가 도시되어 있으며, 슬러리(104)는 도 7에 도시된 타입의 본 발명의 가스 분배 그리드(106)에 의해 지지되며, 이것은 단순화를 위해 상세하게 도시되어 있지는 않다. 그리드는 플리넘 공간(108)상에 수평으로 배치된 하나 또는 그 이상의 원형 금속 플레이트를 포함하며, 이 금속 플레이트는 그 위에 슬러리를 지지하고, 그리드의 평평한 수평의 표면을 횡단하여 수평으로 배열되고 그것을 관통하여 수직으로 연장된 다수의 가스 인젝터를 포함한다. 그리드의 외주면은 반응기의 내부 표면과 함께 시일(seal)을 형성한다. 그리드 아래의 중공 공간 또는 플리넘(108)은 공급 가스 압력 변동을 완화하는 댐퍼이자 가스 저장소이다. 합성 가스 슬러리는 공급 라인(107)을 통해 플리넘 공간(108)내의 반응기로 유입되고, 그리드를 관통하여 연장된 가스 인젝터를 통하여 슬러리(104)내에 상방으로 분배된다. 작은 원은 가스 기포를 나타내고, 채워진 원은 촉매 입자를 나타낸다. 슬러리내에 담긴 상자(110)로 간단히 도시된 여과 수단은 촉매 입자로부터 합성 반응의 액체 탄화수소 생성물을 분리하며, 액체는 라인(112)을 지나 회수되고 다른 공정 및 개량 공정으로 보낸다. 반응기의 상부내의 액체 및 고체 유리(disengaging) 공간(114)은 탄화수소 합성 반응의 가스 생성물 및 미반응 합성 가스를 모으고, 라인(116)을 지나 테일 가스로서 반응기의 외부로 그들을 보내며, 가스를 다른 공정 및 반응물 회복 및 개량 공정으로 보낸다. 비제한적인 예시의 방법에 의하면, 30ft의 직경의 반응기에 있어서, 그리드는 각 인젝터를 횡단하여 대략 20 lb/in²이상까지 압력을 낮춘 10,000개 정도의 가스 인젝터를 포함할 수 있다.

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가스가 슬러리에 접촉하기 전에 가스 압력이 감소하고, 또한 슬러리 고형물의 마모가 감소하도록, 슬러리 액체내에 미립 고형물을 포함하는 슬러리내에 가압하에서 가스를 상방으로 분사하는 가스 분사 방법에 있어서,

가스 입구 및 출구 단부를 구비한 중공형 압력 감소 영역(14)을 통하여 가압하에서 가스를 유동시키고, 상기 중공형 압력 감소 영역을 통과할 때 가스의 압력을 감소시켜 상기 중공형 압력 감소 영역의 오리피스(12, 12') 출구 단부에서 감압된 가스 제트를 생성하고,

종축선의 각 대향 단부에서 가스 입구 및 출구를 구비한 종축선 및 상기 오리피스(12, 12')보다 크며 팽창 가스 제트의 유동 방향에 수직인 횡단면 면적을 가진 종방향의 중공형 제 1 가스 팽창 영역(20)의 바닥내에 상기 오리피스가 상방으로 개방되며, 그것에 의해 상기 감압 제트가 상기 오리피스(12, 12')를 빠져나와 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)내에 직접 유입되며, 이는 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)내로 가스가 유입됨에 따라 오리피스에 근접한 상방으로 유동하는 가스 제트의 자유 팽창을 방지하고,

상기 팽창 가스 제트의 반경방향 외연부는 출구의 상류인 상기 제 1 가스 팽창 영역의 내측 벽(22)에 상부에서 접촉하고, 상방으로 유동하는 제트의 외연부로 보다 많은 가스 유동이 향하게 하여 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)의 상부를 빠져나가는 상기 제트의 보다 균일한 속도 프로파일을 형성하고, 슬러리 고형물이 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)내로 유입되도록 하는 유동 교란을 방지하도록 하며, 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)의 상방 외측으로 유동하는 상기 가스 제트가, 종축선의 각 대향 단부에서 가스의 입구 및 출구를 구비한 종축선을 구비하고 상기 제 2 가스 팽창 영역(70)의 종축선에 평행한 상향 유동 방향으로 그 횡단면의 면적이 증가하는 제 2 가스 팽창 영역(70)의 바닥으로 직접 유입되며, 그것에 의해 상기 상방 유동 가스가 반경방향 외측으로 팽창하고 상기 제 2 가스 팽창 영역(70)을 통하여 상방으로 유동할 때 지속적으로 압력이 감소한 다음에 출구를 빠져나와 위쪽의 상기 슬러리내로 유입되며,

가스 유동 방향에 수직인 상기 제 2 가스 팽창 영역(70)으로의 가스 입구의 횡단면의 면적은 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)의 상기 출구의 횡단면 면적 보다 작지 않고, 가스 유동 방향에 수직인 상기 제 2 가스 팽창 영역(70)의 출구가 그것의 입구 보다 크며,

유동 전환 수단(26, 68)이 상기 제 1 및 제 2 가스 팽창 영역의 접합부에 근접하여 위치되어, 상기 제 1 가스 팽창 영역으로부터 상기 제 2 가스 팽창 영역으로 진행하는 상방 유동 가스에 반경방향 내측 유동 방향을 부여하여 상기 제 2 가스 팽창 영역 위쪽의 슬러리가 상기 제 1 가스 팽창 영역내로 흘러내리는 것을 방지하며, 그것에 의해 슬러리가 다시 상방으로 진행하여 제 2 가스 팽창 영역을 빠져나가는

가스 분사 방법.
제 11 항에 따라 슬러리내에 가스를 상방으로 분사하기 위한 가스 인젝터에 있어서,

압력 감소 영역(14)이 기다란 중공형 도관 또는 보어를 포함하며, 이 도관 또는 보어의 종축선이 제 1 가스 팽창 영역(20) 및 제 2 가스 팽창 영역(70) 모두의 종축선과 실질적으로 일치하는

가스 인젝터.
제 12 항에 있어서,

상기 유동 전환 수단은 환형의 쉘프(shelf)(26, 54)를 포함하며, 그것의 외주면이 상기 제 2 가스 팽창 영역의 하부에서 내측 벽에 근접하며, 상기 팽창 가스 제트가 그것의 거리의 적어도 약 10%의 그것의 출구로부터 일정 거리 상류에서 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)의 내측 벽과 접촉하고, 가스 유동 방향에 수직한 상기 제 1 가스 팽창 영역의 횡단면의 면적이 실질적으로 일정하고, 상기 3개 영역 모두의 종축선이 인젝터를 통과하는 상기 가스 유동 방향에 실질적으로 평행한

가스 인젝터.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

상기 압력 감소 및 제 1 가스 팽창 영역은 원통형의 도관을 포함하며, 상기 제 2 가스 팽창 영역은 그것의 작은 단부가 상기 제 1 가스 팽창 영역과의 사이의 접합부에 근접한 절두 원추형인

가스 인젝터.
제 12 항 또는 제 13 항중 어느 한 항에 있어서,

상기 오리피스에 근접한 상기 제트의 자유 팽창을 방지하는 상기 수단은 오리피스에서 시작하는 상향 외측으로 확대되는 절두 원추형 챔퍼(chamfer)(13, 15)를 포함하는

가스 인젝터.
제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,

제 1 가스 팽창 영역의 종횡비가 10:1 보다 작은(예를 들어, 2:1 내지 10:1의 범위)

가스 인젝터.
제 12 항에 따른 가스 인젝터를 다수 포함하는 가스 분배 그리드에 있어서,

상기 가스 인젝터가 다른 가스 및 액체에 대해 불투과성인 트레이를 관통하여 연장되고 그것을 횡단하여 수평으로 배열된

가스 분배 그리드.
제 17 항에 있어서,

상기 트레이가 상부 플레이트(82) 및 하부 플레이트(84)를 포함하며, 각 인젝터의 제 2 가스 팽창 영역이 상기 상부 플레이트의 일체부인

가스 분배 그리드.
제 18 항에 있어서,

상기 제 2 가스 팽창 영역이 플레이트의 상부 표면 아래로 연장되는

가스 분배 그리드.
제 19 항에 있어서,

상기 압력 감소 및 제 1 가스 팽창 영역이 하부 플레이트(84)에 분리 가능하게 부착된

가스 분배 그리드.
제 19 항 또는 제 20 항에 있어서,

평평한 공간 제거기(eliminators)가 상기 그리드의 상부에서 평평한 표면상에 존재하는

가스 분배 그리드.
가스가 슬러리에 접촉하기 전에 가스 압력이 감소하고, 또한 슬러리 고형물의 마모가 감소하도록, 슬러리 액체내에 미립 고형물을 포함하는 슬러리내에 가압하에서 가스를 상방으로 분사하는 가스 인젝터에 있어서,

가스 입구 및 출구 단부를 구비한 중공형 압력 감소 영역(14)을 통하여 가압하에서 가스를 유동시키고, 상기 중공형 압력 감소 영역을 통과할 때 가스의 압력을 감소시켜 상기 중공형 압력 감소 영역의 오리피스(12, 12') 출구 단부에서 감압된 가스 제트를 생성하고,

종축선의 각 대향 단부에서 가스 입구 및 출구를 구비한 종축선 및 상기 오리피스(12, 12')보다 크며 팽창 가스 제트의 유동 방향에 수직인 횡단면 면적을 가진 종방향의 중공형 제 1 가스 팽창 영역(20)의 바닥내에 상기 오리피스가 상방으로 개방되며, 그것에 의해 상기 감압 제트가 상기 오리피스(12, 12')를 빠져나와 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)내에 직접 유입되며, 이는 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)내로 가스가 유입됨에 따라 오리피스에 근접한 상방으로 유동하는 가스 제트의 자유 팽창을 방지하고,

상기 팽창 가스 제트의 반경방향 외연부는 출구의 상류인 상기 제 1 가스 팽창 영역의 내측 벽(22)에 상부에서 접촉하고, 상방으로 유동하는 제트의 외연부로 보다 많은 가스 유동이 향하게 하여 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)의 상부를 빠져나가는 상기 제트의 보다 균일한 속도 프로파일을 형성하고, 슬러리 고형물이 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)내로 유입되도록 하는 유동 교란을 방지하도록 하며, 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)의 상방 외측으로 유동하는 상기 가스 제트가, 종축선의 각 대향 단부에서 가스의 입구 및 출구를 구비한 종축선을 구비하고 상기 제 2 가스 팽창 영역(70)의 종축선에 평행한 상향 유동 방향으로 그 횡단면의 면적이 증가하는 제 2 가스 팽창 영역(70)의 바닥으로 직접 유입되며, 그것에 의해 상기 상방 유동 가스가 반경방향 외측으로 팽창하고 상기 제 2 가스 팽창 영역(70)을 통하여 상방으로 유동할 때 지속적으로 압력이 감소한 다음에 출구를 빠져나와 위쪽의 상기 슬러리내로 유입되며,

가스 유동 방향에 수직인 상기 제 2 가스 팽창 영역(70)으로의 가스 입구의 횡단면의 면적은 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)의 상기 출구의 횡단면 면적 보다 작지 않고, 가스 유동 방향에 수직인 상기 제 2 가스 팽창 영역(70)의 출구가 그것의 입구 보다 크며,

유동 전환 수단(26, 68)이 상기 제 1 및 제 2 가스 팽창 영역의 접합부 바로 근처에 위치되어, 상기 제 1 가스 팽창 영역으로부터 상기 제 2 가스 팽창 영역으로 진행하는 상방 유동 가스에 반경방향 내측 유동 방향을 부여하여 상기 제 2 가스 팽창 영역 위쪽의 슬러리가 상기 제 1 가스 팽창 영역내로 흘러내리는 것을 방지하며, 그것에 의해 슬러리가 다시 상방으로 진행하여 제 2 가스 팽창 영역을 빠져나가며,

압력 감소 영역(14)이 기다란 중공형 도관 또는 보어를 포함하며, 이 도관 또는 보어의 종축선이 제 1 가스 팽창 영역(20) 및 제 2 가스 팽창 영역(70) 모두의 종축선과 실질적으로 일치하며,

상기 유동 전환 수단은 환형의 쉘프(shelf)(26, 54)를 포함하며, 그것의 외부 외주면이 상기 제 2 가스 팽창 영역의 하부에서 내측 벽에 근접하며, 상기 팽창 가스 제트가 그것의 거리의 적어도 약 10%의 그것의 출구로부터 일정 거리 상류에서 상기 제 1 가스 팽창 영역(20)의 내측 벽과 접촉하고, 가스 유동 방향에 수직한 상기 제 1 가스 팽창 영역의 횡단면의 면적이 실질적으로 일정하고, 상기 3개 영역 모두의 종축선이 인젝터를 통과하는 상기 가스 유동 방향에 실질적으로 평행하며,

상기 압력 감소 및 제 1 가스 팽창 영역은 원통형의 도관을 포함하며, 상기 제 2 가스 팽창 영역은 그것의 작은 단부가 상기 제 1 가스 팽창 영역과의 사이의 접합부에 근접한 절두 원추형이며,

상기 오리피스에 인접한 상기 제트의 자유 팽창을 방지하는 상기 수단은 오리피스에서 시작하는 상향 외측으로 확대되는 절두 원추형 챔퍼(13, 15)를 포함하며,

제 1 가스 팽창 영역의 종횡비가 10:1 보다 작으며(예를 들어, 2:1 내지 10:1의 범위),

다수의 가스 인젝터가 다른 가스 및 액체에 대해 불투과성인 트레이를 관통하여 연장되고 그것을 횡단하여 수평으로 배열되어 가스 분배 그리드를 구성하는

가스 인젝터.