KR100862940B1 - 유체 분배 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명에서 개시하는 혼합-분배-수집 장치(3)는 유체-고체 접촉 용기(1)의 고체 입자 베드(2)들 사이에 사용된다. 본 발명의 장치(3)는 고체 입자 유지 스크린(5), 유체 편향기(8), 통로(9), 유체 분배기(6), 및 흐름 조절기(7)들을 포함한다. 상기 흐름 조절기(7)는 벌집형 구조, 다공성 고체, 천공판, 스크린 또는 그리드로서 유체 분배기(6)의 개구 영역보다 더 큰 개구 영역을 가지며, 유체 분배기(6) 밑에 이 유체 분배기로부터 이격되어 배치된다. 본 발명의 장치(3)는 하류측 입자 베드를 교란시킬 할 수 있는 소정 유체 속도의 제트 및/또는 기타 난류를 제거 또는 최소화함으로써 유체 유동 특징을 향상시킨다. 예시적으로, 본 발명은 모사 이동 베드(Simulated Moving Bed; SMB) 흡착 분리 공정에 이용된다.
유체 혼합, 분배, 수집, 모사 이동 베드, SMB, 흡착 분리

Description

유체 분배 장치{FLUID DISTRIBUTION APPARATUS}
본 발명은 유체의 분배 및/또는 혼합에 사용되는 장치에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 고체 입자를 수용하는 용기에서 유동하는 유체를 분배 및/또는 혼합하는 장치에 관한 것이다. 본 발명은 예시적인 이용분야로서 모사 이동 베드(simulated moving bed:SMB) 흡착 분리 공정에서 이용될 수 있다.
유체가 고체 입자를 수용하는 용기를 통해 유동할 때에 유체를 혼합 및/또는 분배하는 여러 장치들이 본 기술분야에 공지되어 있다. 하나 이상의 그러한 장치가 용기내에 배치되어 고체 입자를 둘 이상의 베드들로 분할한다. 그러한 유체 분배장치의 사용은 용기의 단면적에 걸쳐 보다 균일한 유체 특성을 제공함으로써 공정의 효율성을 증가시킬 수 있다. 그러한 장치는 예를 들어, 유속의 변화 또는 채널링(channeling); 온도변화; 및 유체 조성의 변화를 제거하거나 최소화할 수 있다. 그러한 장치는 소위 "혼합-분배-수집기(mixer-distributor-collector)"로 불리어진다.
여러 형태의 혼합-분배-수집기들이 본 기술분야에 공지되어 있다. 예를 들어, SMB 흡착분리와 같은 흡착분리 또는 크로마토그래피 공정에서의 그러한 장치의 이용이 미국 특허 제3,214,247호; 제3,789,989호; 제4,378,292호; 및 제6,024,871호 등에 예시되어 있다. 그러한 장치의 공통적인 요소들은 아래와 같다: 1)상측 경계부가 장치 위에서 고체 입자의 베드를 유지하며 장치를 통하여 하방으로 유체의 유동을 허용하는 수단을 포함하며; 2) 유체 편향판이 상기 상측 경계부 밑에 이격되어 배치되고; 3) 유체 분배기가 유체 편향판 밑에 이격되어 배치되며; 4) 상기 유체 편향판을 관통하는 통로가 상측 경계부와 유체 분배기 사이의 유체 연통을 제공하고 있다. 상기한 공통의 요소들과 마찬가지로 많은 다른 요소들과, 이들에 대한 광범위한 변경이 본 기술분야에서 잘 알려져 있다.
그러한 혼합-분배-수집기의 바람직한 특징 또한 본 기술분야에서 잘 알려져 있다. 그러한 예는, 1) 최소의 부피를 가질 것; 2) 역류 혼합이 방지될 것; 3) 용기를 통하여 유동하는 액체를 수집하고 국부 농도 구배를 최소화하도록 완전히 혼합할 것; 4) 필요할 때 다른 유체 흐름의 도입 및 혼합을 할 수 있을 것; 5) 필요시 공정에 부정적인 영향을 주지 않고 용기로부터 유체 흐름을 제거할 수 있을 것; 및 6) 장치의 압력 강하를 최소화할 것 등이다. 끝으로, 혼합-분배-수집기는 용기의 단면적에 걸쳐 유체의 균일한 재분배를 수행하는 반면, 고속의 제트 흐름 및/또는 다른 유체 난류로 인하여 고체 입자의 하류측 베드를 교란하게 하는 것이 배제되어야 한다. 용어 "상류측"과 "하류측"은 본 명세서에서 통상적인 의미로 사용되며 용기에서 유체가 유동하는 전체적인 방향에 기초한 것이다. 따라서, 하류측은 용기에서 하방 또는 하측 지점과 동일하다.
McGraw-Hill(New York)에 의해 1997년 간행된 D. W. Green 등의 Perry's Chemical Engineers' Handbook, 제6-33 내지 6-34면에는 유동 채널에 걸쳐 충분히 균일한 저항을 제공하여, 채널 또는 공정 장치에서의 불균일 속도 프로파일을 고르게 하는 것이 알려져 있다. 여러 유체 흐름 조절기들 및 이들의 조합에 대한 상세한 연구들이 J. Tan-Atichat, H.M. Nagib, 및 R.I. Loehrke에 의해 "스크린 및 그리드와의 난류가 없는 상호 작용: 난류 크기들 사이의 균형(Interaction of free-stream turbulence with screens and grids : a balance between turbulence scales)", 유체 역학 저널 (1982), 114권 제501-528면에 제공되어 있다. 충분히 균일한 저항을 갖는 벌집형 구조, 스크린, 천공판, 프릿트 재료(fritted material)와 매시 블랭킷과 같은 다공성 고체, 그리드 및 이들의 조합체들과 같은 유체 흐름 조절기를 사용하여 혼합-분배-수집기의 하류측 또는 출구 영역에서 보다 균일한 재분배(보다 균일한 속도 프로파일)를 제공하는 것이 본 기술 분야에서 알려져 있다. 본 명세서에서 혼합-분배-수집기의 상기와 같은 요소는 "유체 분배기"로 언급된다.
종래 기술의 혼합-분배-수집기 장치는 큰 속도의 제트 흐름 및/또는 난류를 발생시킬 수 있으며, 이것은 용기를 통과하는 비교적 낮은 평균 유동 선속도에서도 장치 바로 아래쪽의 접촉 베드에서 입자들의 심각한 움직임을 초래하는 것이 발견되었다. 본 발명은 용기에서 낮은 평균 유체 선속도에서 하측의 고체 입자 베드에 대한 교란을 제거하기 위하여 유체 제트 및/또는 난류를 감소시킨다. 또한, 본 발명은 평균 유체 선속도가 4 내지 7배로 증가될 때에도 장치 아래쪽의 입자 베드에 대한 교란을 제거하거나 상당히 감소시킬 수 있다.
본 발명은 입자의 하류측 베드를 교란시키는 고속 제트 및/또는 난류를 제거 또는 최소화하는 보다 유용한 혼합-분배-수집기를 제공한다. 특히, 본 발명은 유체 분배기와 고체 입자의 하류측 베드 사이에 위치한 장치에 추가적으로 제공되는 다른 요소, 즉 흐름 조절기를 포함한다. 상기 흐름 조절기는 유체 분배기로부터 이격되고, 유체 분배기로부터 아래쪽의 입자 베드로 유체 연통을 제공하는 구멍들을 구비한다. 흐름 조절기는 유체 분배기의 개구 영역보다 더 큰 개구 영역을 갖는 벌집형 요소, 다공체, 천공판, 스크린 또는 그리드와 같은 장치이다.
도 1은 중간에 혼합-분배-수집기들이 있는 복수의 겹쳐진 입자 베드를 수용하고 있는 용기를 보여주는 용기의 측단면도이다.
도 2a 내지 도 2c는 용기들에 조립된 혼합-분배-수집기 구역들을 보여주는 용기의 단면 평면도이다.
도 3a 내지 도 3c는 본 발명의 추가적인 실시예들을 도 2a 및 도 2b에 표시된 단면 지시선을 따라 취한 단면도들이다.
본 발명은 용기내에 수용된 복수개의 베드들로 분할된 고체 입자들과 유체가 접촉하는 공정에 사용될 수 있다. 상기 용기는 주축을 따라 수직으로 배향되어 있다. 그러한 용기들은 통상적으로 원통형이며, 따라서 원형의 단면 형상을 갖지만, 본 발명은 용기의 그러한 단면 형상에 의해 제한되지 않는다. 상기 공정은 하나 이상의 그러한 용기들을 이용한다. 유체는 혼합-분배-수집기에 의해 분리되어 있는 고체 입자 베드를 통해 용기에서 하향으로 유동한다. 그러한 공정에는 무수히 많은 고체 입자들이 사용된다. 많은 특정 조성 및 물리적 형태를 갖는 그러한 재료의 그룹들의 비한정적인 예로는 흡착제, 레진, 촉매 및 불활성 재료들이 있다. 유체는 증기, 액체 또는 초임계 유체들일 수 있다. 본 발명은 다중의 유체상을 위해 의도되지는 않았지만, 유체는 실질적으로 한가지 상(phase)으로 모두 이루어진다면 다중의 유체 흐름들의 혼합물이거나 수많은 화합물들을 포함할 수 있다. 따라서, 한 실시예에서, 모든 유체가 같은 상을 갖는다. 그러나, 본 발명은 광범위의 혼합물 및 공정 조건들을 고려하여 적은 양의 제2의 상이 존재할 수 있게 할 수도 있다. 본 명세서에서 사용되는 "실질적으로 단일 상의 유체" 및 "사실상 한가지 상"이란 용어는 유체의 중량비로 적어도 95%가 한가지 상인 것을 의미한다. 마찬가지로, 본 명세서에서 유체가 실질적으로 액체라고 할 때, 그 의미는 유체의 중량비로 95%가 액체인 것을 의미한다. 예를 들어 다양한 반응 및 분리 공정들을 비롯한 수많은 그러한 공정들이 정제 산업 및 석유화학 산업에서 공지되어 있다. 하나의 실시예에서, 그 공정은 흡착 분리 공정이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참고하여 본 발명의 보다 상세한 설명과 여러 실시예들을 설명한다. 첨부 도면들은 오직 본 발명의 이해를 위하여 필요한 요소들을 보여주기 위하여 정확한 치수로 하지 않고 단순화한 개략도들이다. 첨부 도면은 본 발명의 실시예를 설명하기 위하여 제공된 것으로, 청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하고자 하는 것이 아님을 밝혀둔다.
도 1은 수직으로 간격을 두고 중첩된 복수개의 입자 베드(2)들을 수용하도록 된, 수직으로 배치된 용기(1)를 보여준다. 2개 내지 12개 또는 그 이상의 입자 베 드들이 단일의 용기에 제공될 수 있다. 상기 베드들은 본 발명에 따라 혼합-분배-수집기(3)에 의해 분리되어 있다. 최상층의 입자 베드 위에는 선택적으로 사용한 혼합-분배-수집기(3)도 도시되어 있다. 한가지 이상의 유체 흐름들이 유입 포트(4)를 통해 용기(1)의 상부로 도입된다. 유체 흐름은 용기를 통해 하방으로 유동하면서 각각의 입자 베드(2)와 혼합-분배-수집기(3)를 순차적으로 접촉하고, 도면에 도시하지 않은 유출 포트를 통해 용기의 하부로부터 제거된다. 용기의 최하층의 입자 베드 밑에도 선택적으로 혼합-분배-수집기(3)가 배치될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 상측 경계부(5), 유체 분배기(6) 및 흐름 조절기(7)들은 혼합-분배-수집기 장치(3)의 구성 요소들로서, 가상선으로 표시된 용기의 수직 축선, 즉 중심선(13)에 대해서는 실질적으로 직각으로 그리고 서로에 대해서는 실질적으로 평행하게 배치된다.
본 명세서에서 사용되는 "실질적 평행"이란 용어는 장치의 구성 요소들이 기본적으로 평행한 구조를 이루도록 전체적으로 간격을 두고 배치되어 있음을 의미한다. 축조, 설치시 또는 적재물 지지로 인하여 구성 요소들의 굽힘 또는 뒤틀림이 발생될 수 있다. 예를 들어, (상측 경계부의) 고체 입자 유지 스크린은 상당한 중량의 입자들을 지지할 때 얼마간의 상당한 변형을 나타낼 수도 있다. 이것이 구성 요소들이 서로에 대하여 실질적으로 평행하게 배치되어 있다고 하는 것으로부터 배제되지는 않는다.
본 명세서에서 사용된 "실질적 직각"이란 용어는 장치의 여러 구성 요소들이 대략 직각으로 배치되어 있음을 의미한다. 어떤 경우에는 장치의 축조, 설치시 또 는 하중 지지로 인하여 변형이 발생될 수 있다. 이로 인하여 구성 요소들이 주어진 축에 대하여 정확히 직교하지 않는 평면상에 위치할 수 있다. 따라서, 본 명세서에서 사용되는 "실질적 직각"이란 용어는 85도 내지 95도 범위내의 각도를 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
상측 경계부(5)는 장치 위의 고체 입자들을 유지하는 한편 장치를 통하여 하방으로 유동하는 것을 허용하도록 하는 데에 당업계에서 사용되고 있는 임의의 공지의 수단과 유사하다. 그러한 수단의 예로는 다양한 스크린, 그리드, 천공판들 및 이들의 조합체들을 포함한다. 하나의 실시예에서, 상측 경계부는 입자들을 그 위에 유지하기에 적합한 크기로 된 구멍들이 형성된 천공판과 스크린으로 구성되며, 다른 실시예에서는 "프로파일 와이어 스크린(profile wire screen)"으로 흔히 알려진 특정 형태의 그리드가 상측 경계부로 사용된다. 프로파일 와이어 스크린은 고체 입자들과의 프로파일 와이어의 외측면의 연장된 접촉으로 인해 막히는 것을 방지하도록 매우 일정하게 슬롯이 형성된 표면을 제공한다. 더욱이, 프로파일 와이어 스크린의 강성은, 슬롯 구멍에 관계없이, 각각의 평행하게 연장된 개별 프로파일 와이어들을 결합하는데 사용되는 지지용 바아의 간격과 두께에 따라 적합하게 설정될 수 있다. 통상적으로, 지지용 바아는 프로파일 와이어들의 내측면에서, 즉 고체 입자와 직접 접촉하지 않는 면에서 각각의 프로파일 와이어에 용접된다. 지지용 바아와 프로파일 와이어는 일반적으로 서로 직각으로 고정되지만, 다른 배치 각도도 알려져 있다. 프로파일 와이어 스크린은 (미국 미네소타주 St. Paul 소재의 U.S. Filter Company로부터 구입가능한) 존슨 스크린(Johnson Screen), 또는 전 세계의 다른 공급자들로부터 구입가능한 프로파일 와이어 스크린과 같이 업계에서 통상적으로 알려진 형태이다. 혼합-분배-수집기들의 상측 경계부는 그 구조와 관계없이 본 기술분야에서 고체 입자 유지 스크린으로서 언급된다.
유체 분배기(6)는 상측 경계부(5)와의 사이에 혼합기-분배-수집기의 용적(V)을 형성하도록 고체 입자 유지 스크린(상측 경계부)으로부터 아래로 이격되어 배치된다. 유체 편향판(8)이 상측 경계부(5)와 유체 분배기(6) 사이에서 이격되어 배치된다. 실질적으로 구멍이 없는 유체 편향판(8)은 장치의 용적(V) 내에 배치되어, 그 용적(V)을 상측 경계부(5)와 편향판(8) 사이에 위치한 상부 용적(14)과, 유체 분배기(6)와 편향판(8) 사이에 위치하는 하부 용적(15)으로 분할한다. 편향판(8)은 그 판에 구멍으로서 형성되어 장치의 상부 용적(14)과 하부 용적(15) 간에 유체 연통을 제공하는 통로(9)를 제공한다. 유체 편향판(8)은 상측 입자 베드 아래에서 용기의 단면적에 걸쳐 유체를 수집하는 기능을 하며, 유체가 충분히 압력 강하하면서 통로(9)를 통과하도록 강제됨에 따라 완전하게 혼합이 발생한다. 한 실시예에서 복수개의 통로가 사용될 수 있다. 한 실시예에서, 입자 베드 밑의 용기의 단면적 대 통로(9)의 단면적(s)의 비율은 5:1 내지 60:1이다. 다른 실시예에서, 입자 베드 밑의 용기의 단면적 대 통로의 전체 단면적(s)의 비율은 15:1 내지 30:1의 범위에 있다. 상기 통로는 어떠한 형상으로도 될 수 있지만, 그러나, 원형, 타원형 및 장방형과 같이 일정한 형상을 사용하는 것이 통상적으로 제조하기 용이하다. 상기 통로는 편향판을 관통하여 구멍을 커팅하거나 펀칭하는 등의 통상적인 방법으로 형성될 수 있다. 편향판(8)은 통로를 형성하는 구멍을 구비하는 기본적으로 불침투성의 편향판을 형성하도록 배치되어 통상적인 수단에 의해 고정 배치되는 복수개의 조각들로 구성될 수도 있다. 상기 통로는 편향판으로 완전히 둘러싸이거나, 통로가 도 1에 도시된 바와 같이 두개의 편향판 부분들 사이에 위치하는 것으로 보이도록 편향판을 완전히 가로지를 수 있다. 비교적 작은 직경의 칼럼에 대해서는 도 1에 도시된 바와 같이 단일의, 중앙의 통로로도 충분하지만, 후술하는 바와 같이 상업적 규모의 공정 처리를 위하여 다른 구조도 이용가능하다. 상기 통로(9)는 상측 경계부(5)와 유체 분배기(6) 사이의 구멍 위아래의 용적과 유체 편향판(8)을 관통하는 구멍을 포함하도록 형성된다. 이러한 구성을 이용함으로써, 상기 통로는 장치의 용적(V)을 완전히 관통할 수 있으며, 상측 경계부와 유체 분배기 사이의 유체 연통을 제공한다는 것을 확인할 수 있다.
장치의 용적(V)은 통상 항상 하나 이상의 기타 구성 요소들에 의해 부분적으로 점유된다. 예를 들어, 유체 분배기와 고체 입자 유지 스크린(상측 경계부) 사이의 분리를 유지하는 버팀 부재들이나 스페이서들과 같은 하나 이상의 지지부재들이 있을 수 있다. 지지부재들은 또한 그러한 구성 요소들과 편향판 사이를 분리하도록 사용될 수도 있다. 또한, 고체 입자 유지 스크린을 지지하고 보강하도록 칼럼을 가로질러 연장된 지지용 그리드나 하중 지지 바아들이 있을 수도 있다. 장치의 용적(V)내에 배치되는 다른 선택적인 그러나 흔히 사용하는 구성 요소들은 후술한다.
유체 분배기(6)는 용기에서의 유체의 일정한 속도 프로파일 또는 플러그 흐름(plug flow)을 유지하거나 용기의 단면적에 걸쳐 유체의 분배 또는 재분배를 수행한다. 이러한 기능은 예를 들어 원하는 반응을 달성하기 위해 촉매 베드와 접촉시킬 때에 유체의 일정한 체류 시간을 유지하거나, 흡착 분리 공정에서 원하는 성분의 분리를 달성하기 위하여 흡착제와 접촉시킬 때 이동 유체 상(mobile fluid phase)에서 적절한 조성 프로파일(composition profile)을 유지하기 위하여 중요하다. 유체의 균일한 속도 프로파일(플러그 흐름)을 향상 및/또는 유지하기 위하여 천공판, 스크린, 그리드, 다공성 고형체, 벌집형 요소 및 이들의 조합 등의 장치의 구조는 Perry의 Chemical Engineers' Handbook의 앞서 언급한 페이지에서 확인할 수 있는 바와 같이 본 기술분야의 숙련자들에 잘 알려져 있는 것으로서, 그 핸드북에서 압력 강하의 속도 수두(K)의 수는 10정도이다. 한 실시예에서 유체 분배기는 천공판과 인접한 스크린으로 구성된다. 다른 실시예에서, 유체 분배기는 프로파일 와이어 스크린이다.
흐름 조절기(7)가 유체 분배기(6)로부터 간격을 두고 그 아래에 배치된다. 본 명세서에서 사용되는 흐름 조절기란 용어는 도관이나 용기를 통하여 유체가 이동하는 형태를, 속도의 평균 및 변동 성분들에 영향을 주는 식으로 변경하는데 사용되는 장치를 의미한다. 그러한 흐름 조절기의 예로는 스크린, 그리드, 천공판, 벌집형 요소, 프릿트 재료나 매시 블랭킷과 같은 다공체 및 이들의 조합을 포함한다. 흐름 조절기(7)는 유체 분배기(6)에 의해 생성되거나 그로부터 발생될 수 있는 한편, 흐름 조절기가 없는 경우 하측의 입자 베드에 심각한 교란을 초래하는 유체 제트 흐름 및/또는 난류를 제거하거나 크게 감소시키는 작용을 한다. 하측의 입자 베드에 대한 교란은, 입자들이 작은 조각들로 분쇄되어 입자 베드의 일부분을 막아서 불균일 속도 프로파일(채널링) 및 허용할 수 없는 압력 강하를 초래하는 등의 작동 공정에 상당히 부정적인 영향을 끼칠 수 있다.
따라서, 본 발명의 혼합-분배-수집기는 아래와 같은 최소의 구성 요소들, 즉 상측 경계부(5), 유체 편향판(8), 통로(9), 유체 분배기(6) 및 흐름 조절기(7)들을 구비한다. 본 발명의 혼합-분배-수집기는 또한 흐름 조절기(7)가 유체 분배기(6)로부터 이격되어 있는 한편, 흐름 조절기의 개구 영역은 유체 분배기의 개구 영역보다 더 클 것을 필요로 한다. 즉, OAM/OAD의 비율은 1 보다 더 크며, 여기서 OAM은 흐름 조절기의 개구 영역이고, OAD는 유체 분배기의 개구 영역이다. 그러한 구성 요소들의 "개구 영역(open area)"은 본 명세서에서는 구성 요소의 전체 단면적(AT)으로 나눈 구멍들의 전체 단면적(Ao)을 백분율로 표시하여 정의되며, 여기서 이들 단면적들은 구성 요소의 "주 평면"에서 취해진다. 그러한 구성 요소의 "주 평면"은 전체적인 유체 흐름에 대해 직각으로 그 구성 요소를 통과하며 최소 Ao을 갖는 평면으로 정의된다.
본 발명의 혼합-분배-수집기 장치는 본 기술 분야의 숙련자들에게 잘 알려진 수단에 의해 제조 및 설치될 수 있다. 따라서, 본 발명의 장치는 의도된 특정의 공정의 온도 및 압력과 같은 작동 조건들을 견딜 수 있는 재료로 구성된다. 그러한 재료는 또한 접촉하는 유체와 양립할 수 있는 것이어야 한다. 보통 동일한 재료가 장치의 모든 구성 요소들에 대하여 사용되지만 필수적인 것은 아니다. 통상적으로, 대형의 용기의 경우에는 적어도 일부 구성 요소들은 적당한 금속으로 이루 어져서 입자의 상측 베드를 지지하는데 필요한 강성을 제공하도록 하는 것이 바람직하다. 그러한 장치는 용기 내측벽에 제공되는 지지링들, 용기의 셸(shell)로부터 연장된 지지 비임 및/또는 허브와 같은 수직의 지지부재들과 같은 임의의 공지된 수단에 의해 용기에서 지지될 수 있다. 그러한 장치는 공지된 여러 가지 방법으로 설치될 수 있다. 실험실용이나 벤치 스케일 유닛(bench scale unit)과 같은 소형의 용기는, 장착구를 갖는 수직 부분들 구비하여, 이 부분들 사이에 혼합-분배-수집기 장치가 여러 부분들 사이에 전체적으로 삽입될 수 있다. 상업적인 규모의 용기에서, 그러한 장치는 통상적으로 용기의 셸에 있는 작업자 전용 통로를 통해 설비되어 그 용기 내에서 조립되는 세그먼트들로 설계 및 제조된다. 장치의 각 구성 요소들은 복수개의 부품들로부터 개별적으로 조립될 수 있으며, 장치는 층별로 설치될 수 있다. 다른 실시예에서, 그러한 장치는 각 세그먼트가 그 장치의 모든 층 및 구성 요소를 포함하도록 설계된다. 이들 세그먼트는 용기의 단면에 걸쳐 장치를 형성하도록 배치 조립된다.
도 2a 내지 도 2c는 본 발명의 혼합-분배-수집기 장치의 상측 경계부 바로 밑의 높이에서 용기를 내려다 본 세그먼트의 배치의 세가지 예들을 보여준다. 즉, 도 2a 내지 도 2c에서는 본 발명 장치의 세그먼트들이 어떻게 배치되는지를 명확하게 보여주도록 고체 입자 유지 스크린이 도시되지 않았다. 도 2a에서, 용기는 원형 단면의 용기 셸(12) 및 수직 축(13)으로 나타낸 바와 같이 원통형이다. 리브(10)들이 인접한 세그먼트들 사이에서 측부 경계부들을 형성한다. 본 발명 장치의 세그먼트들은 용기 셸의 내측면에 통상 제거 가능한 방법으로 부착되는 지지 비 임 또는 그리드와 같은 공지된 수단으로 지지될 수 있다. 중앙의 10개의 세그먼트들과 우측의 현(弦)형 세그먼트에서는, 통로(9)가 유체 편향판(8)을 관통하고 이 유체 편향판에 의해 둘러싸인 단일의 장방형 구멍으로 도시되어 있다. 도 2a의 좌측의 현형 세그먼트는 통로(9)가 용기 셀을 따르도록 만곡될 수 있음을 나타내고 있다. 도 2b는 원통형 용기 또는 칼럼 내의 혼합-분배-수집기의 다른 가능한 구조를 보여준다. 이 실시예에서, 지지 허브(11)가 용기의 중심부에 위치한다. 상기 허브는 통상 용기의 수직 또는 중심축(13)과 일직선으로 정렬되는 파이프이다. 리브(10)가 세그먼트의 측벽을 형성하며, 지지 허브(11)로부터 방사상으로 배치되어 용기 셸의 내측면에 위치하는 입자 베드들의 외측 가장자리까지 연장된다. 이 실시예에서 리브들은 용접이나 볼트 체결과 같은 임의의 공지의 수단으로 용기 셸의 내측면과 지지 허브에 부착된다. 리브(10)는 혼합-분배-수집기를 지지하기에 충분한 강성을 갖도록 된다. 도 2b에서, 각 세그먼트의 통로(9)는 좁은 장방형의 구멍으로서 리브(10)들 사이에서 유체 편향판(8)을 완전히 가로지르게 형성된다. 상기 유체 편향판은 허브로부터 통로까지 연장된 내측부와 통로로부터 용기 셸까지 연장된 외측부로 구성된다고 할 수 있다. 한 실시예에서, 중앙의 지지 허브로부터의 통로까지의 거리 대 용기 내측면으로부터 통로까지의 거리의 비율은 2.9 내지 1.3의 범위에 있다. 장치의 용적(V) 내의 유체 편향판(8) 및 통로(9)는 복수개의 부분들로 형성될 수 있다. 도시하지 않은 다른 실시예에서는 통로(9)는 리브들 사이에서 유체 편향판을 가로지르는 두개의 원호형 부분으로 형성될 수 있다. 도 2c는 용기 셸(12)과 중심선(13)을 구비한 정사각 단면을 갖는 용기 내에서의 상기 장치 의 세그먼트들의 배치 구조를 보여준다. 각각의 세그먼트들은 제조와 조립을 단순화하기 위하여 동일한 구조를 갖는다. 그러나, 이러한 동일 구조는 반드시 필요한 것은 아니다. 상기 장치의 하나 이상의 세그먼트는 도 2c의 좌측에 도시된 다양한 통로(9) 구조로 예시한 바와 같이 다르게 형성될 수도 있다. 장치의 세그먼트 또는 유닛은 입자 베드 밑의 용기 단면에 걸쳐 장치를 형성하도록 조립될 수 있는 임의의 형태로도 설계될 수 있다. 장치의 각 세그먼트는 단일의 단면형상으로 될 수도 있지만, 그러나 상이한 세그먼트 구조의 수를 최소화하여 장치를 설계하는 것이 보다 효율적이다.
도 3a와 도 3b는 본 발명의 추가적인 세부 구성과 실시예를 보여준다. 도 3a와 도 3b의 도면들은 도 2a와 도 2b에 표시된 단면 지시선에 따라 취한 단면도들이다. 그러나, 도 3a와 도 3b에 도시된 추가적인 구성 요소들은 전술한 실시예와 다른 실시예를 제공한다. 도 3a에 도시된 실시예에서, 상측 경계부(5)는 천공판(17) 위에 겹쳐진 와이어 스크린(16)을 포함한다. 이 실시예에서, 각 세그먼트에는 자체적인 리브(10)가 마련되어, 인접하는 세그먼트들은 도 3a에 도시된 바와 같이 인접하는 리브들의 외측면을 따라 만나게 된다. 도시하지 않은 다른 실시예에서는, 단일의 리브(10)가 각 인접하는 세그먼트 사이에서 사용될 수 있다. 그러한 실시예에서는 리브들은 용기에 고정되어 상기 장치를 지지하기에 충분할 수 있다. 예를 들어, 나머지 구성 요소들로 미리 조립된 세그먼트는 리브의 저부 가로대(ledge) 상에 배치될 수 있다. 그러한 실시예 및 기타 실시예에서, 세그먼트를 획정하는 리브(10) 또는 벽들은 도시된 바와 같이 중실체로 되어 있는 반면, 도면에 도시하지 않은 다른 실시예에서는 동일 평면에 배치된 세그먼트들 사이에서 유체의 혼합을 허용하는 구멍들을 가질 수 있다. 도 3a에 도시된 다른 선택적인 구성 요소들은 도관(18)과 혼합 박스(19)를 포함한다. 상기 도관(18)은 공정에서 필요한 경우에 유체를 혼합-분배-수집기 장치의 용적(V) 안으로 도입 또는 그로부터 배출하기 위한 수단으로서 작용한다. 혼합-분배-수집기 장치에 단일 또는 복수개의 도관들을 연결하는 방법은 잘 알려져 있다. 또한, 각 세그먼트는 그 자신의 도관을 구비하고, 이들 도관을 용기 내의 분배 매니폴드에 연결함으로써 용기 셸을 관통하는 구멍의 필요한 수를 최소화할 수 있다는 것도 공지되어 있다. 따라서, 상기 도관들은 장치의 용적과 용기 셸 외측의 기타 장비들 간에 유체 연통을 제공한다. 도관(18)은 장치의 용적과 단순히 연통하게 될 수 있지만, 도관(18)은 장치의 용적(V) 내에 적어도 부분적으로 배치되는 혼합 챔버 또는 박스(19)에 연결되는 것이 보통이다. 복수 개의 혼합 박스 및/또는 그 혼합 박스 내에 배플의 사용에 대해서는 그들의 광범위한 구성이 알려져 있다. 도시된 실시예에서, 혼합 박스(19)는 장치의 상부 용적(14) 내에 위치하며 유체 편향판을 관통하는 구멍 위에 위치한다. 이 실시예에서, 혼합 박스(19)의 구멍들은 통로(9)와 협동하여 혼합-분배-수집기의 상부 용적(14)과 하부 용적(15) 간에 유체 연통을 제공한다. 혼합 챔버의 대부분은 통로에 대한 전술한 정의에 따라 통로(9) 내에 있음을 확인할 수 있다. 즉, 혼합 박스는 부분적으로 통로 내에 있게 된다. 도면에 도시하지 않은 다른 실시예에서, 전체 혼합 박스(19)가 통로 내에 있거나, 혼합 박스는 통로에 인접하여 위치한다. 상기 혼합 박스는 유체 편향판의 구멍을 막을 필요는 없다. 예를 들어, 혼합 박스의 저부 가장자리는 유체 편향판 위에 위치할 수 있다. 도면에 도시되지 않은 다른 실시예에서, 혼합 챔버는 통로 내에 배치되어 그 길이를 따라 연장된 파이프 또는 장방형 단면의 도관이다. 혼합 챔버(19)는 적어도 하나의 슬롯 또는 기타 구멍을 구비하여 혼합-분배-수집기의 용적과 유체 연통을 제공하게 된다. 따라서, 혼합 챔버는 유체가 통로를 통해 이동함에 따라 활발하게 혼합되는 장소에서 또는 그 부근에서 유체를 추가 및/또는 제거하도록 제공된다. 혼합 챔버 및/또는 배플의 배치는 유체의 흐름 방향을 변경시키고, 및/또는 상부 용적(14)에서부터 하부 용적(15)으로 유체가 이동하는 데에 이용할 수 있는 단면적을 감소시킴으로써 혼합 강도를 증가시키도록 사용될 수도 있다. 본 발명의 장치가 복수의 세그먼트로 형성되는 경우, 그 장치의 각 세그먼트가 사용될 실시예의 각각의 구성 요소를 구비하는 것이 통상적이지만 필수적인 것은 아니다. 본 발명 장치의 다른 선택적인 구성 요소로는 스플래시 플레이트(splash plate)(20)가 있다. 이 스플래시 플레이트(20)는 유체가, 본 실시예에서 천공판으로 된 유체 분배기(6)를 관통하기 전에 유체의 수직 방향의 운동량을 감소시키도록 사용될 수 있다. 이 실시예에서 흐름 조절기(7) 역시 천공판으로 도시되어 있다.
필요에 따라 흐름 조절기(7)는 도시한 바와 같이 유체 분배기로부터 이격된다. 한 실시예에서, 유체 분배기(6)와 흐름 조절기(7) 사이의 거리는 유체 분배기(6)의 매시 또는 피치의 함수이다. 상측 경계부(5), 유체 분배기(6) 및 흐름 조절기(7)와 같은 구성 요소들의 구멍 패턴 및 그 구멍 자체는 통상적으로 균일하지만, 필수적인 것은 아니다. 상기 구멍의 크기와 형상 및/또는 그 구멍의 패턴(레 이아웃)이 변화될 수 있도록 예를 들면 제조 공정으로 인한 자연적인 변화 및/또는 의도적인 변화가 부여될 수 있다. 한 실시예에서는, 그러한 구성 요소에 있어서의 구멍들의 평균 직경 또는 폭 또는 전장이 0.5 mm 내지 5 mm(0.02 내지 0.2인치)의 범위로 된다. 다른 실시예들에서는, 그러한 구멍들의 평균 직경 또는 폭 또는 전장은 0.1mm(0.004 인치)이다. 다양한 구성 요소들을 관통하는 구멍은 물론 실질적으로 다를 수 있다. 그러므로, 본 명세서에서 메시(M)는 구성 요소의 주 평면에서 인접하는 구멍들 사이의 평균 중심선간 거리로 정의된다. 본 실시예에서, 유체 분배기(6)의 바닥과 흐름 조절기(7)의 상부 사이의 거리(X)는 X/MD 비로 정의되는 것이 유효하며, 여기서 MD를 유체 분배기(6)의 메시이며, X/MD는 적어도 1이다. 다른 실시예에서, 상기 거리(X)는 X/MD 비가 2 내지 50의 범위 내일 때 유효하다. 또 다른 실시예에서, 유효 거리(X)는 4 내지 25 범위 내에 있는 X/MD 비에 의해 정해진다. 특정 실시예에서, 유효 거리(X)는 5 mm(0.2인치) 내지 20 mm(0.08인치) 범위 내에 있으며, 다른 실시예에서는 유효 거리(X)가 10mm(0.4인치) 내지 15 mm(0.08인치) 범위내에 있다. 장치의 구조적 일체성을 향상시키기 위하여, 상측 경계부(5), 유체 편향판(8), 유체 분배기(6) 및 흐름 조절기(7)는 각각 통상 리브들에 부착된다. 도면에 도시되지 않았지만 다른 선택적인 구성 요소에 대해서는 본 기술분야에서 잘 알려져 있다. 예를 들어, 유체의 전체적인 방향에 대하여 노출되는 비교적 작은 단면적을 갖는 강체를 스페이서로 사용하여 상기 장치의 구성 요소들의 필요한 수직 간격을 유지할 수 있다.
도 3b에 도시된 실시예에서, 상측 경계부(5)는 프로파일 와이어 스크린에 의해 형성되며, 이 프로파일 와이어(31)는 사다리꼴 형상의 단면을 갖는 것으로서, 그 사다리꼴 형상의 최대 단면이 입자 베드에 접촉하고 프로파일 와이어의 반대쪽 면이 장방향 지지용 바아(32)에 고정된다. 프로파일 와이어(31)와 지지용 바아(32)는 임의의 단면 형상을 가질 수 있으며, 동일한 스크린에서 다르게 형성될 수도 있다. 이 실시예에서, 유체 분배기(6)는 상기 상측 경계부와 같은 프로파일 와이어 스크린으로 형성될 수 있다. 도면에 도시하지 않은 다른 실시예에서, 상기 구성 요소들은 다른 구조를 갖는 프로파일 와이어 스크린으로 형성될 수 있다. 상기 구성 요소들은 또한 전술한 것과 다른 구조를 가질 수도 있다. 예를 들어, 한 구성 요소는 프로파일 와이어 스크린으로 이루어지는 한편, 다른 구성 요소는 천공판으로 이루어지거나, 하나의 요소는 벌집형 요소로 이루어지고 다른 구성 요소는 그리드로 이루어질 수 있다. 본 발명은 또한 도면에는 도시하지 않았지만 구성 요소들의 다양한 방향성에 대해 고려할 수 있다. 예를 들어, 벌집형 요소는 테이퍼진 구멍들을 가지며, 그 상면 또는 하면에 보다 작은 구멍을 갖도록 배향될 수 있다. 다른 요소들에서도 마찬가지로 단면 프로파일이 높이를 따라 변화되거나 비대칭으로 될 수 있다. 예를 들어, 프로파일 와이어 스크린과 같은 그리드는 해당 구성 요소의 하류측에 프로파일 와이어 또는 지지용 바아가 있도록 배향될 수 있으며, 슬롯과 같은 비대칭 패턴의 구멍들을 갖는 구성 요소는 그 수평면에서 회전시켜, 구멍들이 유체 속도의 수평 성분에 대하여 임의의 방식으로 방향성을 갖게 할 수 있다. 그러한 실시예에서, 도 3b의 프로파일 와이어 스크린은 수평면에서 90도 회전되어도, 유사한 도면이 단일의 프로파일 와이어의 측면과 복수개의 지지용 바들의 단면을 보여준다. 실시예에서, 베드 입자들의 평균 크기는 프로파일 와이어들 사이의 평균 구멍 크기의 적어도 두배이다. 도 3b에 도시된 바와 같이 혼합-분배-수집기의 단면도를 살펴보면 리브(10)의 내측면이 드러난다. 도 3b에서는 유체 편향판(8)이 계단 형태로 점점 얇아지고 있음이 도시되어 있는 데, 두 부분의 유체 편향판(8)에 있어서 그 편향판의 가장 얇은 부분이 통로(9)에 가장 근접해 있다. 도면에 도시되지 않은 다른 실시예에서, 유체 편향판(8)은 유사한 도면으로 나타냈을 때에 그 단면이 대체로 삼각형 또는 사다리꼴로 되게 테이퍼질 수 있다. 도관(18)은 혼합 박스(19)를 통하여 상기 장치의 용적과 연통하는 것으로 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이 혼합 박스(19)는 통로의 길이를 따라 연장하는 한편, 상기 장치의 상부 용적(14) 또는 하부 용적(15) 또는 이들 모두와 연통하도록 통로를 관통하는 장방형 챔버로 이루어질 수 있다. 이 실시예에서, 흐름 조절기(7)는 유체 분배기(6)로부터 이격된 천공판으로서 도시되어 있다. 그러나, 흐름 조절기는 전술한 흐름 조절기 그룹들 중 어느 하나로 될 수 있으며, 그러한 구성 요소는 흐름 조절기를 형성하도록 조합하여 사용될 수 있다. 도 3a에서 허브(11)의 우측에 도시된 바와 같은 혼합-분배-수집기는 허브(11)로부터 용기 셸(12)의 내측면으로 용기를 가로질러 연장되어서 환상의 입자 베드(2)를 분리시킨다. 단부판(21)들은 본 발명 장치의 구역들의 구조적 일체성을 더욱 향상시키도록 사용될 수 있는 선택적 구성 요소들이다. 상기 단부판(21)들은 도시한 바와 같이 허브와 용기 셸에 인접한 구역 단부들을 밀봉하는 기능을 할 수 있다. 이들 단부판들은 인접한 각 표면들의 곡률에 보다 근사하게 맞춰지도록 평면 또는 만곡 형상으로 될 수 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 도 3b에서 허브의 우측에 두개의 리브(10)(도면에서는 이들 중 하나만 도시됨), 두개의 단부판(21), 상측 경계부(5), 및 흐름 조절기(7)들에 의해 형성된 구역이 지지용 링(22)에 의해 용기 셸(12)에 부착되어 있다. 도 3a에서 허브(11)의 좌측에는 다른 실시예가 도시되어 있으며, 여기서는 본 발명의 장치의 각층이 별도의 지지용 링(22)들에 의해 고정된다. 그러한 실시예는 본 발명의 장치를 구역에 의해서라기 보다는 수평층들로 조립하고자 할 때 사용될 수 있다. 또한, 본 발명 장치의 구성 요소들을 부착하기 위한 지지용 링 또는 다른 수단들이 그 구성 요소들 사이의 요구되는 간격을 유지하기 위해 사용될 수 있음을 보여준다. 도 3b는 또한 본 발명의 다른 선택적 구조를 보여주고 있는데, 혼합-분배-수집기는 빈 공간부(23)로 표시된 바와 같이 고체 입자의 하측 베드로부터 이격되어 있다. 한 실시예에서, 흐름 조절기의 바닥으로부터 하측의 입자 베드의 상부까지의 거리는 3mm(0.1인치) 내지 38mm(1.5인치) 범위에 있다.
한 실시예에서, 본 발명은 모사 이동 베드(SMB) 흡착 분리 공정에 사용된다. 본 발명의 실시가 SMB 공정의 임의의 특정 형태 또는 임의의 특정 흡착/탈착 조합의 사용에 관한 것이거나 그에 한정되는 것으로 생각되지는 않는다. 모사 이동 베드(SMB) 흡착 분리의 수행을 위해 사용되는 일반적 기술은 관련 문헌에 잘 소개되어 있다. 예를 들어, 파라-크실렌의 회수를 위한 일반적인 개요는 Chemical Engineering Progress (Vol. 66, No 9)의 1970년 9월판의 70면에 제공되어 있다. 모사 이동 베드 기술은 또한 McGraw-Hill Book Company (1986)에 의해 간행된 R. A. Meyers의 석유 정제 방법 핸드북, 제8-85 내지 8-87면과, 2002년 John Wiley & Sons, Inc.에 의해 간행된 Kirk-Othmer Encyclopedia of Chemical Technology의 흡착 액체 분리(Adsorption, Liquid Separation)편에 개시되어 있다. 역류(countercurrent)형 모사 이동 베드 시스템이 미국 특허 제2,985,589호와 같은 이용 가능한 수많은 참조 문헌에 개시되어 있다. 이들 원리를 이용한 장치는 미국 특허 제3,706,812호에 개시된 파일럿 플랜트 규모로부터 상업적 석유화학 플랜트 규모에 이르기까지 크기가 다양할 수 있는 데, 이들의 유량은 시간당 수 cc에서 시간당 수천 갤론의 범위에 이른다. 대형 규모의 플랜트들은 통상적으로 각각 도관을 위한 포트를 갖는 회전 밸브를 채용하는 반면, 소형 규모의 고압 유닛의 경우에는 2개 또는 3개의 포트들을 갖는 밸브를 사용하는 경향이 있다. 본 발명은 미국 특허 제4,402,832호와 제4,478,721호에 개시된 것과 같은 흡착제의 병류 이동(cocurrent movement)을 모사하는 SMB 흡착 분리 공정에 이용될 수 있다. 액체 성분의 크로마토그래픽 분리에서 흡착제와 탈착제의 기능 및 특성들은 잘 알려져 있으며, 미국 특허 제4,642,397호의 내용을 참고할 수 있다. 한 실시예에서, 유체는 사실상 액체이다.
기존의 SMB 공정 유닛들은 본 발명에 따라 운전하도록 용이하게 개조될 수 있다. 본 발명의 실시하는 데에 있어서 그러한 유닛들의 운전 조건들을 크게 변경할 필요는 없다. 계획된 전환, 유닛의 수정 또는 흡착제의 재충전을 위하여 SMB 공정이 정지될 때 언제든지 변경할 수 있다. SMB 공정 유닛이 안전하게 공전 상태로 된 후에, 흡착제를 빼내고 기존의 혼합-분배-수집기가 제거된다. 본 발명에 따 른 새로운 혼합-분배-수집기들이 즉시 설치될 수 있다. 또는 기존의 혼합-분배-수집기들은 본 발명에 따른 흐름 조절기를 추가하여 간편하게 변경될 수 있다. 기존의 혼합-분배-수집기들이 복수의 세그먼트로 조립되어 있는 한 실시예에서, 흐름 조절기가 예를 들어 스페이서들 및/또는 지지 요소들을 리브나 유체 분배기에 부착시킴으로써 각각의 세그먼트에 최하측의 구성 요소층으로서 추가될 수 있다. 다른 실시예에서는, 흐름 조절기는 용기 셸에 부착하거나 기존의 혼합-분배-수집기에 부착함으로써 기존의 혼합-분배-수집기 밑에 용기의 전체 단면에 걸쳐 조립될 수 있다.
전술한 바와 같이, 흐름 조절기의 개구 영역(OAM)은 유체 분배기의 개구 영역(OAD)보다 더 커야 한다. 한 실시예에서, OAM/OAD의 비는 1.5 내지 15이다. 다른 실시예에서는 OAM/OAD의 비는 2.0 내지 20이다. 또 다른 실시예에서, OAM/OAD의 비는 2.5 내지 7이다. 한 실시예에서, 공정 조건들과 압력 강하의 속도 수두(K)의 수로부터 결정되는 OAD는 1% 내지 20% 범위이다. 또 다른 실시예에서, OAD는 6% 내지 12% 범위이다. 한 실시예에서, OAM은 25% 내지 50% 범위이다. 또 다른 실시예에서, OAM은 30% 내지 40% 범위이다. 전술한 바와 같이, 유체 분배기와 흐름 조절기를 특징짓는데 사용될 수 있는 변수는 MD와 MM으로 나타내는 메시(mesh)이다. 한 실시예에서, MD/MM의 비는 5보다 작다. 다른 실시예에서, MD/MM의 비는 3보다 작다. 또 다른 실시예에서 MD/MM의 비는 1.5 보다 작다. 앞에서 정의된 메시는 항상 양의 수이기 때문에, 두 메시값의 비도 양의 수이어야 한다.
본 발명의 향상된 성능을 입증하기 위하여 다음과 같은 일련의 시험을 실시하였다. 전체 장치는 직경이 457mm(18인치)인 수직으로 배향된 원통형의 플렉시글라스 칼럼(Plexiglas column)으로 구성된다. 액체(물)는 액체 공급 탱크에 연결된 펌프에 의해 대기 조건에서 칼럼의 상부로 도입되었다. 액체의 체적 유량은 칼럼에 펌프를 연결하는 배관의 압력을 조정함으로써 제어되며 유량계에 의해 모니터링된다. 물은 칼럼의 바닥으로부터 액체 공급 탱크로 배관을 통해 순환된다. 상측 경계부가 유체 유입구 밑에 508mm(20 인치) 지점에 있도록 혼합-분배-수집기를 배치함으로써 여러 혼합-분배-수집기들을 평가하였다. 모든 시험에서, 상측 경계부는 그리드에 의해 지지된, No. 100의 미국 표준 재료 시험협회(ASTM) 사양서 E-11 와이어 스크린으로 이루어졌다. 유체 편향판은 도 1에 도시된 것과 같은 것으로서, 칼럼의 직경을 따라 연장된 장방형의 통로에 의해 분리된 현형 단면을 갖고 실질적으로 일정한 두께를 갖는 두개의 강체판들로 구성된 것이다. 통로의 폭은 (유체 편향기의 두개의 부분들 사이의 거리) 127mm(5인치)이다. 모든 시험에서, 강체의 장방형 블럭은 혼합 박스를 형성하도록 통로의 길이 방향으로 그 길이 전체에 걸쳐 지지되었다. 이러한 강체 블럭의 각 측면과 유체 편향판의 대응 측면 사이의 간격은 3.6mm(0.14인치) 내지 14.2mm(0.56인치) 범위로 달리하였다. 강체 블럭은 통상 통로에서 중심을 두고 있지만, 일부 시험에서 강체 블럭은 나머지보다 편향판의 한쪽 가장자리에 1mm(0.04인치) 더 근접하게 배치되었다. 강체 블럭의 크기와 위치의 변화는 결과에서 현저한 영향을 주지 않는다. 시험에서 현저한 영향을 주지 않는 다른 변화는 통로 아래쪽에 스플래시 플레이트의 선택적 사용이었다. 유체 분배기는 표 1에 기재된 다양한 변수를 갖는 천공판 또는 프로파일 와이어 스크린이었다. 표 1에 기재된 변수들을 갖는 여러 천공판들이 흐름 조절기로서 사용되었다. 모든 경우에서 유체 분배기와 흐름 조절기 사이의 간격은 8mm(0.31인치)로 일정하게 유지되었다. 각 시험에서 직경 0.8mm(0.03인치)의 구형 고체 입자들로 이루어진 높이 51mm(2인치)의 레벨 베드가 혼합-분배-수집기 장치 밑에 배치되었다. 상기 장치의 저면과 입자 베드 상부 사이의 거리는 결과에 현저한 영향을 미치지 않게 하면서 9.5mm(0.375인치) 내지 38mm(1.5인치)로 달리하였다. 이들 고체 입자들은 물을 완전히 흡착한 다음 1.8g/cc의 밀도를 가졌다. 입자 밀도 또는 피스 밀도(piece density)로서 종종 지칭되는 그러한 밀도는 개별 구형 입자(pill)의 체적과 물을 흡착한 구형 입자의 중량으로부터 계산된다. 따라서 입자 밀도는 겉보기 밀도(bulk density)보다 더 큰 데, 그 이유는 겉보기 밀도는 동일한 중량으로부터 결정되지만, 체적은 중량에는 추가되지 않는 베드 내의 입자들 사이의 빈 공간 또는 간극의 체적을 포함하기 때문이다. 고체 입자 베드는 1.5mm(0.06인치) 공칭 직경의 유리 비드로 된 25mm(1인치) 높이의 베드에 의해 지지되며, 이 베드는 2.5mm(0.1인치) 공칭 직경의 유리 비드로 된 25mm(1인치) 높이의 베드 상에 놓이며, 이 베드 또한 6.3mm(0.25인치) 공칭 직경의 알루미늄 구로 이루어진 305mm(12인치) 높이의 베드 위에 놓이게 된다. 이러한 마지막 베드는 칼럼의 바닥 위에 616mm(24인치) 위치에 배치되는 No. 100 미국 표준 재료 시험협회(ASTM) 사양서 E-11 와이어 스크린으로 덮힌 그리드에 의해 지지되었다. 각 시험에 있어서, 51mm 높이의 고체 입자 베드는 평탄하게 되고 혼합-분배-수집기가 칼럼 내에 설치되었다. 칼럼은 입자 베드를 교란시키지 않으면서 서서히 물로 채워졌다. 시스템에 액체가 완전히 채워지면, 물의 유속을 하향 평균 선속도가 9mm/s(0.03ft/s)로 되게 증가시키고, 혼합-분배-수집기 밑의 입자 베드의 움직임을 시각적으로 관찰하였다. 입자 베드의 교란은 표 2에 기재한 바와 같이 정성적 척도로 분류하였다. 베드에 대한 영향을 판정한 다음, 평균 선속도를 증가시켜 또 다른 관찰을 행하였다. 표 3에 기재한 바와 같은 그 시험 결과는 혼합-분배-수집기(D) 및 특히 혼합-분배-수집기(E)의 성능 개선을 명확히 나타내었다.
혼합-분배-수집기의 변수
ID 유체 분배기 흐름 조절기
형태 개구 영역 메시(mm) 개구 영역 메시(mm)
A 프로파일 와이어 스크린 9.8% 1.3 사용하지 않음(종래기술)
B 천공판 0.35% 25.4 4.7% 20.8
C 천공판 2.0% 43.2 41% 2.4
D 천공판 6.0% 9.3 41% 2.4
E 프로파일 와이어 스크린 9.8% 1.3 41% 2.4
하측 입자 베드의 교란 정도
등급 설명
0 입자 움직임 없음
1 베드의 작은 부분에 제한된 미세한 움직임
2 베드에 천공된 구멍에 의해 나타나는 액체 제트
3 유동화에 의해 나타나는 난류 현상
4 ~25mm 이상의 베드에 생성된 오목 패턴(deep pattern)
여러 혼합-분배-수집기를 위한 하측 베드에 대한 교란 정도 및 평균 선속도
유체의 평균 선속도, mm/s(ft/s)
시험# 혼합-분배-수집기의 ID 9 (0.03) 15 (0.05) 21 (0.07) 27 (0.09) 36 (0.12) 61 (0.20)
표 2로부터의 교란 등급
1 A --- --- --- --- --- 4
2 A --- 3 3 --- 4 ---
3 A 2 3 4 --- --- ---
4 B 2 3 4 --- --- ---
5 C 2 2 4 --- --- ---
6 D 0 0 1 -- 4 --
7 E 0 0 0 --- 1 1
8 E 0 0 0 0 0 ---

Claims (10)

  1. 수직축(13)이 있는 용기(1)에서 상측과 하측의 고체 입자 베드(2)들 사이에 위치하는 혼합-분배-수집 장치(3)에 있어서,
    상측의 고체 입자 베드를 유지하는 한편, 유체 속도 프로파일을 갖는 유체의 혼합-분배-수집 장치(3)를 통한 하향 흐름을 허용하는 상측 경계부(5)와,
    상측 경계부(5) 밑에 그 상측 경계부로부터 이격되어 배치되고 유체 속도 프로파일의 균일성을 향상시키는 유체 분배기(6)와,
    상기 유체 분배기(6)와 상측 경계부(5) 사이에서 이들로부터 이격되어 배치되며 용기의 단면적에 걸쳐 수평으로 연장하는 유체 편향판(8)과,
    상기 상측 경계부(5)와 유체 분배기(6) 사이에서 유체 연통을 제공하도록 유체 편향판(8)을 통과하는 하나 이상의 통로(9)와,
    천공판, 스크린, 그리드, 다공성 고형체, 벌집형 요소 및 이들의 조합으로 이루어진 그룹에서 선택된 흐름 조절기(7)
    를 포함하며, 상기 상측 경계부(5), 유체 분배기(6) 및 흐름 조절기(7)들은 서로 실질적으로 평행하게 배향되는 한편, 용기의 수직축(13)에 대해 실질적으로 직교하며, 상기 흐름 조절기(7)는 거리(X) 만큼 유체 분배기(6) 밑에 이격되어 배치되며, 상기 흐름 조절기(7)은 개구 영역 OAM을 가지며, 이 개구 영역 OAM는 유체 분배기(6)의 개구 영역이 OAD라 할 때에 OAM/OAD의 비가 1보다 크게 되도록 되어 있는 것인 혼합-분배-수집 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 OAM은 25% 내지 50% 범위인 것인 혼합-분배-수집 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 OAD는 1% 내지 20% 범위인 것인 혼합-분배-수집 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 유체 분배기(6)와 흐름 조절기(7) 사이의 거리(X)는 유체 분배기의 메시(mesh)가 MD라 할 때에 X/MD의 비에 의해 정해지며, 이 X/MD의 비는 1 이상인 것인 혼합-분배-수집 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, MD는 유체 분배기의 메시이고, MM은 흐름 조절기의 메시라 할 때에, MD/MM의 비는 3 보다 작은 것인 혼합-분배-수집 장치.
  6. 제4항에 있어서, 상측 경계부(5)와 유체 분배기(6) 사이의 체적으로서 정의되는 장치 용적(V) 내외로 제2 유체 흐름을 추가 또는 취출하기 위한 도관(18)과,
    장치 용적(V) 내에 부분적으로 또는 전체적으로 배치되어 상기 도관(18)과 유체 연통하는 한편, 상기 장치 용적(V)과의 사이에 유체 연통을 제공하는 하나 이상의 구멍을 갖는 혼합 박스(19)를 더 포함하는 것인 혼합-분배-수집 장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 혼합-분배-수집 장치는 모사 이동 베드(simulated moving bed) 흡착 분리 공정의 흡착제 용기 내에 배치되고, 상기 혼합-분리-수집 장치는,
    용기의 수직축(13)과 동축으로 배치되는 중앙의 지지 허브(11)와,
    상기 중앙의 지지 허브(11)로부터 용기의 벽까지 수평으로 방사상으로 연장되는 한편, 상측 경계부(5)와 유체 분배기(6) 사이에서 연장하여, 상기 상측 경계부(5) 및 유체 분배기(6)와의 사이에 복수 개의 세그먼트 용적(segment volume)을 획정하는 복수 개의 리브(10)
    를 더 포함하며, 상기 유체 편향판(8)은 복수 개의 구역들로 분할되고, 이 구역은 각 세그먼트 용적 내에 위치하며, 각 구역은 상기 중앙의 지지 허브(11)로부터 각 세그먼트 용적의 외부까지 방사상으로 연장하여, 상기 상측 경계부(5)와 유체 편향판(8) 사이의 상부 용적과, 상기 유체 편향판(8)과 유체 분배기(6) 사이의 하부 용적을 획정하며,
    통로(9)는 유체 편향판(8)을 관통하여, 상기 세그먼트 용적 내의 상부 용적과 하부 용적 간에 유체 연통을 제공하며,
    혼합 박스(19)가 상기 통로(9)에 인접하여 각 세그먼트 용적 내에 부분적으로 또는 전체적으로 위치하는 한편, 혼합 박스(19)와 세그먼트 용적 간에 유체 연통을 제공하는 구멍을 갖고 있으며,
    유체 전달 도관(18)이 상기 혼합 박스(19)에 고정되어 그 혼합 박스(19)와 유체 연통하고 있고,
    상기 상측 경계부(5)는 프로파일 와이어 스크린(profile wire screen)을 포함하며, 상기 유체 분배기(6)는 프로파일 와이어 스크린을 포함하며, 상기 흐름 조절기의 개구 영역 OAM은 30% 내지 40% 범위인 것인 혼합-분배-수집 장치.
  8. 제7항에 있어서, 상기 유체 분배기(6)는 6% 내지 12% 범위의 개구 영역을 갖는 것인 혼합-분배-수집 장치.
  9. 제7항에 있어서, 상기 혼합 박스(19)의 일부분 또는 전체는 통로(9) 내에 부분적으로 또는 전체적으로 위치하는 것인 혼합-분배-수집 장치.
  10. 제1항 또는 제7항에 있어서, 상기 거리(X)는 5mm(0.2인치) 내지 20mm(0.8인치) 범위인 것인 혼합-분배-수집 장치.
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