KR100571106B1 - 물질이동탑내 방사형 분사관의 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 예를 들어 순수제조설비, 복수탈염설비, 오폐수처리설비, 화학반응시설 등에 설치되어 여과, 흡착, 이온교환, 이온교환수지 재생, 화학반응공정 및 화학세정액 분사공정 등을 수행하는 물질이동탑 또는 물질이동조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 공정들에서 유량의 균등분배를 목적으로 설치되어 여과, 흡착, 이온교환 등 물질이동공정과, 화학반응 및 화학세정공정 등의 효율 향상을 위해 유입 유량이 전단면에 균등하게 분배될 수 있게 하는 물질이동탑내 방사형 분사관의 설계방법에 관한 것이다.

본 발명은 수처리설비, 화학, 환경설비 중 각종 여재층을 충전할 물질이동 탑 내에 설치되어 유입 유량의 분배를 위해 허브에 연통된 방사형 유량 분사관의 분사면에 분사구멍들을 배치 설계하는 방법에 있어서, 상기 탑의 반경부분에 위치한 한 개의 방사형 분사관(1)의 분사 분할면(1a)의 수(Ln)는 다음 [16]식을 만족하고, 상기 분사 분할면(1a)에 단열 또는 다열방식으로 배치되는 다수 개의 분사구멍(3) 들은 허브(4)를 기준으로 외측으로 갈수록 그 간격들이 점진적으로 좁아지는데, 상기 분사구멍(3)의 위치(Hn)들은 다음 [18]식에 의해 결정되고, 상기 분사구멍(3) 들의 총 설치 갯수(N_TH)와 그 직경(

)은 다음 [19]식과 [23]식에 의해 각각 결정 되어지는 것을 특징으로 하는 물질이동탑내 방사형 분사관의 설계방법.

[16]

(여기서, n은 탑의 직경기준 분사 분할면 수, 즉 허브를 포함한 분사관의 분사구멍 열수, D₁은 허브(4)의 직경, D_n은 물질 이동탑의 직경)

[18]

(여기서,

은 분사 분할면의 경계인 원의 직경 D_n-1과 D_n 사이의 분사 분할면의 너비, n은 탑의 직경기준 분사 분할면 수,

은 허브(4)의 직경,

은 허브의 반경)

[19]

(여기서,

은 분사관 당 분사구멍의 수,

은 분사관 수)

[23]

(여기서 q_H는 각 분사구멍(3)의 분사유량, u는 분사유량의 선속도)

Description

물질이동탑내 방사형 분사관의 설계방법{The Design Method for Radial Distributor of the Mass Transfer Tower}

도 1(A),(B),(C)는 본 발명에 따른 방사형 분사관이 적용되는 다양한 물질이동탑들을 개략적으로 나타낸 종 단면도들,

도 2(D),(E),(F)는 일반적인 물질이동탑 내에 설치되는 분사관의 종류를 나타낸 평면도들,

도 3은 본 발명을 설명하기 위해 일예로 수직형 물질이동탑을 나타낸 종 단면도,

도 4(G),(H),(I)는 본 발명에 따른 방사형 분사관의 설계를 설명하기 위한 수직형 물질이동탑의 단면분할을 나타낸 도면들로서, 특히 (I)는 확대 단면 분할도이다.

도 5는 본 발명과 종래 방사형 분사관에 형성된 분사구멍의 배치도,

도 6은 본 발명과 종래 분사관을 비교하여 분사유량의 선(또는 공간)속도 차를 나타낸 물질이동탑 내 개략 종 단면도들,

도 7은 본 발명과 종래 분사관을 비교하여 여재층의 유동현상을 나타낸 물질이동탑 내 개략 종단면도들이다.

-도면의 주요부분에 대한 부호설명-

1 : 분사관(Lateral; Distributor), 1a : 분사 분할면,

2 : 여재층, 3 : 분사구멍,

4 : 허브(Hub), 5 : 유량,

6 : 유동현상,

10 : 물질이동탑(Mass Transfer Tower).

본 발명은, 예를 들어 순수제조설비, 복수탈염설비, 오폐수처리설비, 화학반응시설 등에 설치되어 여과, 흡착, 이온교환, 이온교환수지 재생, 화학반응공정 및, 화학세정액 분사공정 등을 수행하는 물질이동탑 또는 물질이동조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 상기 공정들에서 유량의 균등분배를 목적으로 설치되어 여과, 흡착, 이온교환 등 물질이동공정과, 화학반응 및 화학세정공정 등의 효율향상을 위해 유입유량이 전단면에 균등하게 분배될 수 있게 하는 물질이동탑내 방사형 분사관의 설계방법에 관한 것으로, 원판형 기기의 상, 하부에 세정약품 또는 세척액 등을 투입하는 단일관 또는 다관의 분사노즐 등에도 적용할 수 있다.

주지된 바와 같이 순수제조설비, 복수탈염설비, 오폐수처리설비, 화학반응시설 등에는 여과, 반응, 세척 내지는 세정공정을 위해 여과탑(일명 여과조라 칭함), 흡착반응조, 화학반응탑, 이온교환수지탑, 이온교환수지재생탑, 화학세정 및 세척 탑들이 설치되어 있으며, 이들에 투입되는 유량은 여재층을 통과 할 때 여과, 흡착, 이온교환 또는 화학반응 등이 이루어져서 품질기준을 만족시키는 유체로 방출되어진다.

통상 수처리 설비를 비롯한 화학, 환경설비 등 각종 여재를 충전한 물질 이동 공정 중 이 물질이동탑(또는, 물질이동 vessel 이라 칭함)은 대략 3가지 종류로 구분 되는바, 즉 도 1과 같이 횡렬식 또는 방사형 분사관(1)과 여재층(2)을 갖추면서 주로 이온교환수지탑에 적용되는 구형(Spherical type) 물질이동탑{도 1(A) 참조}과, 다양한 분사관(1)과 여재층(2)을 구비하면서 주로 이온교환수지탑, 재생탑 또는 활성탄탑 등에 적용되는 수직형(Vertical Type) 물질이동탑{도 1(B) 참조}, 및 횡렬식 또는 격자형 분사관(1)과 여재층(2)을 갖추고 분자시브(Molecular sieve) 등에 적용되는 수평형(Horizontal type) 물질이동탑{도 1(C) 참조}이다.

그리고 상기 각각의 물질이동탑에는 도 1에 도시된 바와 같이 여재층(2)으로 유량의 균등분배를 위해 유량 분사관(1)이 설치되어 있으며, 이 유량 분사관(1)은 도 2(D),(E),(F)에 도시된 바와 같이 방사형 분사관(D 참조), 횡(종)렬식 분사관(E 참조) 및 격자형 분사관(F 참조)으로 구분되고, 이들 분사관(1)에 각각 분사 분할면(1a)에는 분사구멍(3) 들이 균등한 간격으로 다수개 형성되어 있다(도 5의 종래구조 참조).

여기서 본 발명은 방사형 분사관에 형성되는 분사구멍들의 설계방법을 제공하기 위함을 미리 밝힌다.

종래 구형 물질이동탑내에 설치되어 여재층으로 유량의 균등배분을 위한 유 량 분사관 중 방사형 분사관은 도 5의 종래 구조와 같이 이 방사형 분사관(1)의 허브(4)를 중심으로 등간격으로 분사구멍(3) 들이 균일하게 반복 형성되어 있었다.

이러한 균등간격의 분사구멍(3)들을 갖춘 종래 방사형 분사관(1)은 여재층(2) 상부 단면에 도 6과 같이 이 여재층(2)으로 분사되는 유량(5)이 탑내 전단면에 걸쳐 균일한 유량분배가 이루어지지 않는바, 즉 분사구멍(3) 들을 통해 분사되는 유량의 선속도 차이와 통수유속 차이에 의해 여재층(2) 상부에는 분사되는 유량(5)의 유동현상(6) 발생과 유속이 빠르고 유량이 집중되는 부위의 여재층(2)이 과포화됨에 따라 채수 종점에 조기 도달하는 등 여재층(2)의 이용률을 저하시키는 문제점이 있었다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 수처리설비를 비롯한, 각종 화학, 환경설비 중 여재층이 충전된 물질이동탑에 설치되는 유량 분사관에서 분사되는 유량의 균등 분배를 통해 여재탑 통과 유체에 고른 선속도를 제공하여 여재층의 이용률 향상이 이루어지는 물질이동탑내 방사형 분사관의 설계방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 여재층을 구비한 물질이동탑내에 설치되어 유량을 여재층으로 분사하는 유량 분사관의 분사구멍들을 설계하는 방법에 있어서, 여재탑 통과 유체의 고른 선속도 유지를 위해 분사유량의 균등분배가 이루어지도록 상기 분사관에 분사구멍들을 분할 형성시키는 설계방법으로 되어 있다.

이하 본 발명을 첨부된 도면들을 참조로 상세히 설명한다.

도 1은 여러 종류의 물질이동탑들을 나타낸 것이고, 도 3은 그 중 일예로 본 발명이 적용되며, 가장 많이 사용되는 방사형 분사관(1)을 갖춘 수직형 물질이동탑을 도시한 것이다.

그리고 본 발명의 상세한 설명에 앞서, 본 발명은 수직형 또는 구형 물질이동탑내에 설치되는 방사형 분사관의 분사구멍들을 설계하는 방법이며, 종래 구조와 동일 부분에 대해서는 동일한 참조부호함을 미리 밝힌다.

도 3은 본 발명에 따른 방사형 분사관(1)의 분사 분할면(1a)에서 유량 분사구멍(3) 들을 설계하기 위해 물질이동탑(10)의 개략도이며, 도 2(D)는 이의 단면 분할도를 나타낸다.

먼저 상기 물질이동탑(10)으로 공급되는 유량(Q)의 선속도(U)는 다음 [1]식에 의해 구할 수 있다.

(A_T : 물질이동탑의 전단면적)

그리고 도 2(D)의 방사형 분사관(1)은 도 3과 같이 물질이동탑(10) 내에 통상 6개 또는 8개가 설치되나, 본 발명에서는 수식 유도의 편의를 고려하여 물질이동탑내에 1개의 분사관이 직경부분에 설치되어 있다고 가정한다.

가. 유량 균등분배를 위한 분사관의 분할 및 분사구멍의 위치계산

1) 분사관의 분할

상기 분사 분할면(1a)의 허브(4)측 유량과 이 방사형 분사관(1)의 첫 번째 분사구멍(3)의 유량은 동일해야 한다. 즉 유량(Q)의 선속도(U)가 일정해야 하므로 도 4의 (H,I)를 참조하면, D₁측의 단면적 A₁과 그 바깥쪽 원환형태의 A₂가 같아야 한다(A₁=A₂).

따라서,

(

: 허브의 단면적,

: 허브의 직경)

이므로

,

여기서 [2]식을 대입하면,

,

한편, 상기 [6]식을 도 4(I)를 참조로 증명하여 보면,

이므로, [5]식에 [7]식을 대입하면,

,

,

,

[7]식에 [8]식을 대입하면,

,

으로,

임을 알 수 있다.

또,

이므로

또한 상기 [10]식을 도 4(I)를 참조로 증명하기 위하여,

[9]식을 다시 풀어보면 다음과 같다.

이므로

에

를 대입하면,

즉 ,

도면을 보면

[11]식에 [12]식을 대입하면,

=

=

=

[13]식과 [6]식을 [12]식에 대입하면.

여기서,

,

,

를 종합하면 다음과 같은 식이 얻어진다.

〔 n : 탑의 직경 기준 분사 분할면의 수 즉, 허브를 포함한 분사관(1)의 분사 구멍(3)의 열수

:허브의 직경,

물질이동탑의 직경〕

결국 허브(4)의 직경

과 물질이동탑(10)의 직경

이 주어지면, [15]식으로 분사 분할면의 수 n을 구하고, 이를 [14]식에 대입하여 각 분사 분할면에 대한 직경을 구한다.

그러나 실제의 분사관(1)은 허브(4)를 중심으로 방사형으로 설치되므로, 물질이동탑(10)의 직경

에 한 개만의 분사관(1)이 설치되었다고 가정하고 산출한 [15]식은 다음의 [16]식과 같이 정리된다.

상기 물질이동탑(10)의 반지름에 위치한 1개의 방사형 분사관(1)의 분사 분할면(1a)의 수 Ln은 다음과 같다.

한편 허브(4)의 직경(

)이 지나치게 작을 경우, 분사 분할면(1a)의 수(Ln)가 너무 많아져서 분사관(1)의 제작이 어려워지는 문제가 발생하는데, 이때는 상기 허브(4)의 직경보다 약간 더 넓은 가상의 직경(

)을 설정하면 된다.

2) 분사구멍 위치계산

[8]식과 [13]식으로 부터 분사 분할면의 경계인 원의 직경 D_n-1과 D_n 사이의 분사 분할면의 너비

은 다음과 같이 정리된다.

또한 허브(4)를 중심으로 하는 각 분사관(1)에 대한 분사 분할면에서의 분사구멍(3)의 위치는 각 지점의 중심 부분이 되어야 하고, 방사형으로 배치된 실제의 분사관(1)은 물질이동탑(10)의 반지름 상에 위치하므로, 각 분사관(1) 별 분사구멍(3)의 위치 계산식은 다음과 같다.

H1 :

,

H2 :

H3 :

……,

Hn :

[여기서 Hn : 분사 분할면 n에서의 분사구멍의 위치,

, r₁ : 허브의 반경]

나. 분사 구멍수 및 직경 계산

1) 총 분사구멍 수의 계산

설치하고자 하는 분사관의 수와 각 분사관의 분사 분할면 별로 분사구멍의 수가 산출되면, 허브를 포함한 전체 분사관의 총 분사구멍 수가 계산된다.

〔

:총 분사구멍 수,

:분사관 당 분사구멍 수(=n),

:분사관 수〕

2) 분사구멍의 직경 계산

총 분사구멍 수(

)가 산출되면 유입되는 유량(Q)으로부터 각 분사구멍의 분사유량(q_H)을 구할 수 있다.

Q =

(

:분사구멍의 분사유량)

여기서

이므로

(

:분사구멍의 단면적, u : 선속도)

또,

이므로

분사구멍의 직경(D_H)은

다. 설계식 적용 전, 후의 분사 분할 단면적 비교

다음은 본 발명에 따른 설계식 적용 전, 후의 분사구멍 별 분사 분할 단면적을 비교한 표이다.

(표 1)

여기서 표 1을 참조하여 설계식 전용 전, 후의 분사 분할 단면적 차이를 다음과 같이 나타낼 수 있다.

분사 분할 단면적 차이 = 종래 분사구멍 분할 단면적 - 본 발명 분사구멍 분할 단면적

△

△

즉, n번째 분사구멍에서의 분사면적은 종래 구조가 본 발명보다 (2n-2)배 만큼 넓다.

이는 본 발명 대비 종래 구조의 분사유량이

배의 비율로 분사되는 형태이므로,

정도의 여재가 이용되지 못함을 알 수 있다.

한편, 도 5와 같이 본 발명의 분사관(1)에 적용 형성되는 분사구멍(3) 들은 허브(4)의 중심측에서 외곽측으로 가면서 그 간격들이 점진적으로 감축되어 배치되어지나, 종래 분사관(1)의 분사구멍(3) 들은 균등한 간격으로 배치 형성되어 있다.

그리고, 본 발명과 종래 방사형 분사관이 설치된 물질이동탑들을 도시한 도 6 및 도 7과 같이 본 발명은 방사형 분사관(1)의 분사구멍(3) 들에서 균일한 선속도로 분사되는 분사유량에 의해 여재층(2)이 안정된 형태를 보여주고 있으나, 종래에는 분사관(1)의 분사구멍(3) 들에서 분사되는 유량의 선속도 차이에 의해 여재층(2)의 상부가 유동하는 현상을 보여준다.

상기와 같이 본 발명에 따른 물질이동탑내 방사형 분사관의 설계방법은 순수제조설비, 복수탈염설비, 오폐수처리설비, 화학반응설비 등에 설치되어 여과공정, 흡착공정, 이온교환공정, 이온교환수지 재생공정, 화학반응공정 등에서 방사형 분사관에 적용되면서 다음과 같은 유무형의 잇점 들을 갖게 된다.

가. 유형 효과

1) 물질이동 효율 상승

여과, 흡착, 이온교환 등 물질이동 공정과, 화학 반응기, 화학 세정액의 균등분배에 의한 수율 등에서 10∼30%의 효율 상승이 예상됨.

2) 재생효율 상승

재생약품 주입 분사관의 분사면 개선을 통한 균등 분사에 의한 재생율 증가, 즉 재생효율 상승이 기대됨.

3) 물질이동 효율 상승에 의한 재생 에너지 절감

통액 및 재생시 물질이동 효율 상승에 의한 여재 이용률 증가는 재생주기 연장, 즉 재생횟수를 감축시켜 재생비용 절감으로 효과를 나타냄.

나. 무형효과

1) 운전품질 향상

물질이동탑내 유량의 균일한 분배를 통한 최적 물질이동이 가능해져 출구 유체의 순도 향상 등 운전품질 향상.

2) 설비수명 연장

각 단위 기기의 운전시간 연장, 즉 재생 주기가 길어짐에 따라 설비가 받는 기계적, 화학적 스트레스가 경감됨에 따른 설비수명 연장.

Claims (1)

1. 수처리설비, 화학, 환경설비 중 각종 여재층을 충전할 물질이동탑 내에 설치되어 유입 유량의 분배를 위해 허브에 연통된 방사형 유량 분사관의 분사면에 분사구멍들을 배치 설계하는 방법에 있어서,

   상기 탑의 반경부분에 위치한 한 개의 방사형 분사관(1)의 분사 분할면(1a)의 수(Ln)은 다음 [16]식을 만족하고, 상기 분사 분할면(1a)에 단열 또는 다열방식으로 배치되는 다수 개의 분사구멍(3) 들은 허브(4)를 기준으로 외측으로 갈수록 그 간격들이 점진적으로 좁아지는데, 상기 분사구멍(3)의 위치(Hn)들은 다음 [18]식에 의해 결정되고, 상기 분사구멍(3) 들의 총 설치 갯수(N_TH)와 그 직경(

   

   )은 다음 [19]식과 [23]식에 의해 각각 결정되어지는 것을 특징으로 하는 물질이동탑내 방사형 분사관의 설계방법.

   

   (여기서, n은 탑의 직경기준 분사 분할면 수, 즉 허브를 포함한 분사관의 분사구멍 열수,

   

   은 허브(4)의 직경,

   

   은 물질이동탑의 직경)

   

   (여기서,

   

   은 분사 분할면의 경계인 원의 직경 D_n-1과 D_n 사이의 분사 분할 면의 너비, n은 탑의 직경기준 분사 분할면 수,

   

   은 허브(4)의 직경,

   

   은 허브의 반경)

   

   (여기서,

   

   은 분사관 당 분사구멍의 수,

   

   은 분사관 수)

   

   (여기서 q_H는 각 분사구멍(3)의 분사유량, u는 분사유량의 선속도)

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