KR101340760B1

KR101340760B1 - 탈비말동반 배플 및 증류 타워

Info

Publication number: KR101340760B1
Application number: KR1020087021240A
Authority: KR
Inventors: 아룬 케이 샤마; 루톤 디 파텔; 데오도어 시더로폴로스; 브라이언 디 알버트; 얼빈 유 첸
Original assignee: 엑손모빌 리서치 앤드 엔지니어링 컴퍼니
Priority date: 2006-02-01
Filing date: 2007-01-31
Publication date: 2013-12-12
Also published as: JP2009525177A; US7981253B2; EP1991330A2; EP1991330B1; CA2637539C; KR20080100217A; US20070175746A1; JP5066532B2; WO2007089888A3; WO2007089888A2; CA2637539A1; ES2394936T3

Abstract

증류 타워, 특히 석유 상압 잔유의 분별증류에 사용되는 감압 증류 타워에 사용하기 위한 개선된 탈비말동반 장치는, 공급 구역의 아래 및 플래쉬 구역의 위에 위치하는 타워 부분에 배치되는 배플을 포함한다. 상기 배플은 스트리핑 구역 위의 개구형 플레이트 형태의 것이며, 그 바람직한 형태는 타워의 하측 부분으로부터의 증기가 압력 강하가 최소인 상태로 배플을 통해서 상향 이동할 수 있게 하기 위해 핀 사이에 개구를 갖는 정적 팬을 닮은 다수의 반경방향 핀 또는 블레이드를 포함한다. 배플의 핀은 유입되는 공급물 스트림이 핀의 상부 표면 위를 스치도록 유입 공급물로부터 30°내지 60°사이의 각도로 이격 배치되는 것이 바람직하다.

Description

탈비말동반 배플 및 증류 타워{DISTILLATION TOWER BAFFLE}

본 발명은 액체를 비등점이 상이한 각 유분(fraction)으로 분리하기 위해 사용되는 증류 타워용 배플에 관한 것이다. 이는 특히 석유의 분별증류에 사용되는 진공 증류타워에 적용될 수 있지만, 유입되는 액체로부터 분리된 성분의 재비말동반(re-entrainment)이 통상 다른 적용에서의 상압 타워(atmospheric tower) 및 분별증류기(fractionator)에 있어서 문제를 낳는 다른 형태의 타워와 유닛에도 사용될 수 있다.

상압 증류 장치, 감압 증류 장치 및 생성물 스트리퍼와 같은 분리 장치는 석유 정제 또는 석유화학 플랜트에 있어서 주요한 처리 장치이다. 상압 증류 장치 및 감압 증류 장치는 특정 규격에 적합한 공급원료(feedstock)를 필요로 하는 하류측 처리 장치를 위해 원유를 비등점에 따라 각 유분으로 분리하기 위해 사용된다. 원유의 초기 분별증류에 있어서, 원유 분리가 2단계로 이루어지고 제 1 단계에서는 원유 전체가 본질적으로 상압에서 분별증류되며 제 2 단계에서는 고비등점 탄화수소의 저부 스트림(bottom stream)[상압 잔유(殘油:resid)]이 상압 증류 장치로부터 상압을 하회하는 압력에서 작동되고 감압 증류 타워로 지칭되는 제 2 증류 장치로 이송되면 고효율 저비용이 달성된다. 감압 타워 내의 감소된 압력은 상기 장치가 공급물의 열유도 분해(thermally-induced cracking)를 방지하기 위해 상압 타워로부터의 저부 유분을 저온에서 각 유분으로 분리시킬 수 있다.

감압 증류 장치는 통상, 상압 증류 장치로부터 나오는 저부 스트림을, 정제업자의 필요에 따라 경질 감압 경유, 중질 감압 경유 또는 감압 증류물로서 분류될 수 있는 각종 가스 오일 스트림으로 분리한다. 증류될 수 없는 잔류물 또는 저부 유분은 감압 증류 장치로부터 액체 저부 스트림으로서 배출된다. 석유 정제에서의 증류 사용에 관한 추가 정보는 Petroleum Refining Technology and Economics, Gary, J. H.와 Handwerk, G. E., pp.31-51, Marcel Dekker, Inc.(1975), ISBN 0-8247-7150-8뿐 아니라 Modern Petroleum Technology, 제4판, Hobson, Applied Science Publishers, 1973, ISBN 0-8533-4487-6 및 기타 여러 저작물에서 찾아볼 수 있다.

상압 또는 감압 증류에 있어서, 보다 경질의 탄화수소는 기화되고, 비교적 중질의 탄화수소로부터 분리된다. 중질의 탄화수소는 기화되지 않을 수 있지만, 비말동반(entrainment)으로 인해 경질의 탄화수소 내로 운반될 수 있다. 이는 특히, 분리된 잔유 소적(小滴:droplet)이 유입 공급 스트림으로부터 플래쉬 오프(flash off)되고 있는 증기 중에 쉽게 비말동반되도록 타워로의 2상 공급 스트림이 일반적으로 난류 조건 하에 있게 되는 다수의 상업적 설계의 감압 타워에서 그러하다. 상기 비말동반은 바람직하지 않은 바, 그 이유는 첫째로, 고비등점 또는 증류불가능한 유분의 존재가 예를 들어 점성과 같은 물리적 특성을 위해서 바람직하지 않을 수 있으며, 둘째로 비말동반된 중질 탄화수소가 통상, 하류 처리에 사용되는 촉매를 못쓰게 만들 수 있는 바나듐 또는 니켈 화합물과 같은 금속-함유 화합물로 오염되기 때문이다. 일부 금속 오염물질이 기화에 의해 경질 유분에 진입하지만, 비말동반의 감소는 이들 오염물질이 농축되는 중질 유분인 금속 오염을 감소시키는 보다 효과적인 방법이다. 이러한 이유로, 본 발명은 타워나 그 작동 체제의 구조가 재비말동반 문제를 초래하는 경우 작동 압력에 관계없이 분별증류 또는 증류 타워에 적용될 수 있으며, 상압 타워, 감압 타워 및 고압 타워 또는 재비말동반의 감소가 바람직한 임의의 유닛에 적용될 수 있다.

증류 타워는 타워에 진입하는 2상 공급물에 원심력을 부여하기 위해 다양한 접선방향 진입 장치를 종종 사용한다. 공급 구역에서 포획되지 않은 소적은 공급 구역 바로 아래의 플래쉬 구역으로부터 상승하는 증기에 비말동반되며 공급 구역 위의 세척 구역으로 이동된다. 플래쉬 구역의 저부에 스트리퍼 트레이가 배치되어 있으면, 나선형 공급 와류가 상부 스트리퍼 트레이로부터의 잔유를 비말동반하는 경향이 있을 것이고, 트레이 상의 액체 풀(liquid pool)의 액체/거품 표면에 대한 공급 증기의 전단력에 의해 부분적으로 의존하는 액체 비말동반 정도를 증가시킬 것이다.

감압 증류에서의 비말동반을 감소시키기 위해 이전에 다양한 조치가 사용되거나 제안되어 있다. 플래쉬 구역과 액체 인출 지점 사이의 어느 지점에 데미스터(demister)나 와이어 메쉬 패드가 설치될 수 있다. 그러나 데미스터나 와이어 메쉬 패드는 중유 및 기타 물질에 의해 막히는 경향이 있고, 부식되는 경향이 있어서 부식에 의한 구멍이 생길 수 있거나, 또는 비말동반을 감소시키는데 효과적이지 못할 수 있다.

데미스터 패드 이외의 방법은 여러 용도에서 있어서 단지 제한적인 성공을 충족할 수 있다. 플래쉬 구역 위의 종래의 버블-캡(bubble-cap) 트레이는 증기가 버블-캡 트레이 상의 액체를 통과하게 할 수 있으며, 따라서 특히 전체 타워 압력 강하(위에서 아래로)가 가능한 한 적게 유지되어야 하는 진공 타워에서 과도할 수 있는 압력 강하를 생성할 뿐 아니라 증기가 액적(liquid droplet)을 재비말동반할 수 있게 한다.

구멍 형성된 판에 부착되는 다수의 라이저(riser)를 갖고 각 라이저의 상부에 배플이 부착된 침니 트레이(chimney tray)도 사용되었다. 액체/증기 분리를 향상시키기 위해 증기/액체 유동의 2방향 변화를 사용하고 버블-캡보다 압력 강하가 낮은 침니 트레이가 사용될 수 있지만, 비말동반을 감소시키기에는 여전히 완전히 효과적이지 못할 수 있다.

미국 특허 제 4,698,138 호(Silvey) 및 제 5,972,171 호(Ross)는 향상된 액체/증기 분리를 달성하기 위해 라이저에 기초하는 진공 타워용 탈비말동반(de-entrainment) 트레이를 기재하고 있다. 각종 적용에서 사용되는 다른 형태의 탈비말동반 장치는, 진공 타워의 스트리퍼 섹션의 상부에 배치된 대직경 라이저 위에 안착되는 수직 측부를 갖는 원추형 배플 형태를 취한 것이다. 이 장치는 효과적이지만, 비교적 큰 편이며, 적당한 수직 간극을 갖지 않는 기존 유닛에 설치하기에는 적합하지 않을 수 있다.

석유 증류용으로 사용되는 진공 타워에는 다른 문제가 발생할 수 있다. 상압 타워로부터의 저부 스트림은 진공 타워의 플래쉬 구역으로 이동하며, 이곳에서 스트림의 일부는 기화되어 타워의 상부에 있는 정류(rectification) 또는 세척 섹션으로 이동된다. 공급물의 액체(비기화) 부분은 타워의 하측 부분에 있는 스트리퍼 구역에서 트레이 상으로 낙하되며, 하부 스트리퍼 구역으로부터의 상승하는 증기 스트림에 의해서뿐 아니라 난류성 진입 공급물 스트림에 의해 기포 내에 교반될 수 있고; 거품의 액체 요소는 이후 상승하는 증기에 의해 픽업 비말동반되고 경질 유분에 의해 타워의 상측 부분으로 상승될 수 있다.

따라서, 분리된 액체가 특히 플래쉬 구역과 스트리퍼 구역 사이의 감압 및 상압 증류 칼럼에서 증류 타워 또는 칼럼의 증기 스트림 내에 재비말동반되는 정도를 감소시키기 위해 개선된 장치를 고안할 필요가 존재한다. 개선된 장치는 동시에, 감압 증류 장치에서 사용하기에 적절한 최소 압력 강하를 초래해야 한다.

본 발명은 분리된 액체가 칼럼 내의 증기 스트림에 재비말동반되는 정도를 효과적으로 감소시키는 개선된 증류 타워 또는 칼럼용 장치를 제공한다. 이 장치는 특히, 공급물로부터 분리된 액체를 함유하는 구역 위에 위치하는 공급물 유입구를 갖고 그 비말동반물이 실현가능한 정도로 감소되어야 하는 타워에 사용하기에 적합하다. 상기 장치는 특히 석유 상압 잔유를 분별증류하기 위해 사용되는 감압 증류 타워에 사용하기에 적합하다. 본 명세서에서, 이는 액체 잔유 유분이 증기 스트림 내에 비말동반되는 것을 감소시키는 동시에 공지된 형태의 탈비말동반 장치에 비해 타워의 체적을 적게 차지하는 능력을 갖는다. 상기 구조의 간단함은 또한 제조 및 설치를 경제적으로 만들뿐 아니라, 고장없는 작동 가능성을 제공한다. 이는 공급 장치의 형태에 관계없이 타워나 칼럼에 적용될 수 있으며, 따라서 후술하는 그 바람직한 형태에서는 접선방향 공급물 유입구를 갖는 특수 용도의 것이지만 접선방향 및 반경방향 공급 장치 양자에 적용될 수도 있다.

본 발명에 따르면, 증류 타워는 하부 스트리핑 구역, 상부 정류 구역, 및 상기 하부 스트리핑 구역과 정류 구역 사이의 플래쉬 구역을 갖는다. 스트리핑 구역과 정류 구역 사이에는 증류될 공급물용 유입구가 배치되는 바, 대개는 플래쉬 구역의 상부 내에서 이를 향하여 배치된다. 대개는 스팀인 스트리핑 매체용 유입구가 스트리핑 구역의 하부에 배치되며, 따라서 스트리핑 매체는 그 위의 플래쉬 구역으로부터 스트리핑 구역에 진입하는 고비등점 잔류 물질로부터 더 많은 휘발 성분을 제거하기 위해 스트리핑 구역을 통해서 상향 이동한다. 스트리핑 구역으로부터의 잔류 물질이 플래쉬 구역을 통해서 정류 구역으로 상승하는 증기 스트림에 재비말동반되는 정도를 감소시키기 위해, 증기가 스트리핑 구역으로부터 상향 이동하는 것은 허용하지만 증기가 플래쉬 구역으로부터 스트리핑 구역으로 하향 유동하는 것은 금지하는 배플 형태의 재비말동반 감소 장치가 스트리핑 구역의 상부에 제공된다. 이 배플은 간단한 개구형 플레이트 형태일 수 있거나, 또는 예를 들어 "달걀판" 배플 형태의 상향 증기 유동 통로에 의해 규정되는 상향 증기 유동용 통로를 갖는 가공 배플 형태일 수 있다.

가장 바람직한 형태에서, 재비말동반 감소 장치는 공급 구역 아래의 타워 부분에 위치되는 반경방향-루버형(louvered) 배플 형태를 취한다. 배플은 타워의 하측 부분에 있는 스트리핑 구역으로부터의 증기가 압력 강하가 최소인 상태로 배플을 통해서 상향 이동할 수 있게 하기 위해 핀 사이에 개구를 갖는 정적 팬(static fan)과 유사한 다수의 반경방향 핀 또는 블레이드 형태의 것이다. 배플의 핀은 유입되는 공급물 스트림이 핀의 상부 표면이나 에지 위로 스쳐가도록 배향되는 것이 바람직하지만, 후술하듯이 배플의 평면에 대해 임의 각도로 배향될 수도 있다.

본 발명의 일 양태는 공급 구역, 플래쉬 구역 및 세척 구역을 갖는 증류 타워에 설치되기 위한 탈비말동반 배플을 제공하는 것이다. 상기 배플은 다수의 반경방향 핀을 구비하며, 이러한 핀 사이에는, 증기가 타워의 배플 아래의 부분으로부터 상향으로 통과하도록 하는 개구를 갖는다. 각각의 핀은, 핀의 상부 에지가 하부 에지에 대해 타워로의 유입 공급물의 유동 방향으로 변위되도록 배플의 중심축을 통과하는 평면에 대해 각도적으로 경사진다. 바람직하게, 각각의 핀은 핀의 상부 에지가 하부 에지에 대해 타워로의 유입 공급물의 유동 방향으로 0°내지 180°의 각도로 변위되도록 배플의 중심축을 통과하는 평면에 대해 각도적으로 경사진다. 보다 바람직하게, 상기 각도는 30°내지 60°이며, 배플의 중심축에 대한 각 핀의 경사는 핀의 반경방향 길이를 따라서 일정하다.

배플은 중심 원형 허브 및 상기 중심 원형 허브로부터 이격되어 있는 외주 칼라를 구비한다. 상기 중심 허브와 외주 칼라 사이에는 다수의 반경방향 핀이 연장되어 있다. 상기 중심 허브는 액체가 배플을 지나서 하향으로 통과하도록 하기 위한 액체 하강관(downcomer)을 제공하는 개방 칼라(open collar)를 포함한다. 상기 중심 허브는 직립 원형 벽 부재 및 상기 벽 부재의 상부 위의 커버를 구비한다. 배플은 중심 원형 허브와 외주 칼라 사이에 이격되어 있는 적어도 하나의 중간 칼라를 더 구비할 수 있다. 중심 원형 허브와 하나의 중간 칼라 사이에서 제 1 세트의 핀이 연장되고, 중간 칼라와 외주 칼라 사이에서 제 2 세트의 핀이 연장된다.

각각의 탈비말동반 배플은 액체가 배플을 지나서 하향으로 통과하도록 적어도 하나의 액체 하강관을 갖는다. 이 하강관은 배플의 중심부에 설치될 수 있다. 대안적으로, 상기 하강관은 배플의 중심에서 벗어날 수도 있다. 복수의 하강관이 제공될 수 있을 것으로도 생각된다. 하강관은 상호 평행하게 연장될 수도 있고, 상호 비스듬하게 연장될 수도 있다.

이제 본 발명을 첨부도면을 참조하여 설명할 것이며, 여기에서 유사 도면부호는 유사한 요소들을 지칭한다.

도 1은 진공 타워의 간략화된 단면도로서, 진공 타워 내에서의 반경방향 루버 배플의 위치를 도시하는 도면,

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 반경방향 루버 배플의 등각도,

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 수정된 액체 하강관을 갖는 반경방향 루버 배플의 등각도,

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 수정된 액체 하강관을 갖는 반경방 향 루버 배플의 등각도,

도 5는 본 발명에 따른 중간 핀 지지 링을 갖는 반경방향 루버 배플의 등각도,

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 반경방향 루버 배플의 등각도,

도 7은 중심 칼라의 개구를 커버하는 원추형 캡을 갖는 본 발명에 따른 반경방향 루버 배플의 간략화된 단면도,

도 8은 중심 칼라의 개구를 커버하는 판을 갖는 도 7의 반경방향 루버 배플의 변형예의 간략화된 단면도.

이제 본 발명을 도면을 참조하여 더 상세히 설명할 것이다. 도 1은 감압 타워(20) 내의 배플(10) 위치를 도시하며, 간략함을 위해 타워의 하측 부분만 도시되어 있다. 공급물(F)은 역 채널 형태의 접선방향 유입 혼(horn)(23, 24)내로 공급되는 두 개의 반경방향 유입구(21, 22)를 통해서 타워(20)에 진입하며, 상기 혼은 아래로부터의 가열된 상승 증기의 유동 중에서 기화가 시작되는 장소인 플래쉬 구역(25)으로 공급물을 하향 이동시킨다. 두 개의 유입구가 도시되었지만, 본 발명이 그것에 제한되도록 의도되지 않는다. 단일 유입구 또는 복수의 유입구가 제공될 수 있을 것으로 생각된다. 유입 혼(23, 24)의 구조는 유입 공급물의 경로가 하향 나선으로 간주될 수 있도록 유입 공급물에 운동의 회전 벡터를 부여한다. 공급물은 공급물 유입 시스템에 의해 부여되는 운동의 회전 벡터를 갖고 타워의 공급/플래쉬 구역에 진입하며, (타워 축에 대한) 진입 공급물의 유동 방향은 도 2에 도시된 화살표(17)로 도시된다. 예를 들어 미국 특허 제 4,770,747 호 및 제 4,315,815 호에 도시된 구조와 같은 다양한 대안적 유입 혼 구조가 공지되어 있으며, 사용될 수 있다. 공급물은 타워의 공급 및 플래쉬 구역 내에서 그 특징적인 회전 유동 패턴을 유지하며, 플래쉬 구역(25)에서는 상승하는 증기 스트림과 혼합된다. 공급물로부터의 액적은 이들 구역 내에서 회전 운동에 의해 바깥쪽으로 스핀 회전되고, 플래쉬 구역에서 벽(26)에 수집된다. 액적은 이후 합체되어, 플래쉬 구역(25)의 경사 벽(26)과 스트리퍼 구역(30)의 상부에 설치된 배플(10)의 외주 칼라(11) 사이에 형성되는 원형 채널(27)로 하향 이동한다. 액체는 이후 도 2에 도시하듯이 배플(10)의 외부 칼라에 단수 또는 복수의 갭으로 형성된 하강관(16)을 통해서 스트리핑 구역에 있는 상부 스트리퍼 트레이(31) 상으로 그리고 이후에는 다음 트레이(32) 상으로 및 이어서 임의의 추가적인 스트리퍼 트레이로 하향 이동한다. 타워의 저부에 있는 재비등(reboil) 섹션(33)에는 스팀 스트리핑 매체용 유입구가 제공된다. 예를 들면 타워(20)의 외부에 도관을 형성함으로써 또는 액체가 채널(27)로부터 스트리퍼 구역(30)으로 이동시 통과할 수 있는 핀의 높이 아래에 다수의 포트를 갖는 배플에 높은 외주 칼라를 구비함으로써 스트리퍼 구역(30)을 향한 다른 액체 경로가 제공될 수 있다. 배플 아래 영역으로부터 올라오는 증기는 유입되는 공급물로부터 증발되는 증기와 합쳐져서 타워의 정류 구역으로 이동한다.

전술했듯이, 배플(10)은 단순한 개구형 판의 형태일 수 있다. 개구의 전체 단면적은 스트리핑 매체 및 공급물로부터의 스트리핑된 증기를 포함하는 스트리핑 구역으로부터의 증기가 상향 통과할 수 있도록 충분해야 한다. 판은 평면적이거나 비평면적일 수 있는 바, 예를 들면 개구형 넓은 원추 형태일 수 있다. 스트리핑 구역으로부터의 증기의 상향 유동은 플래쉬 구역에서의 유체의 회전 질량이 개구를 통해서 스트리핑 구역으로 하향 이동하지 못하게 하는 경향이 있으며 따라서 상부 스트리퍼 트레이 상의 액체가 플래쉬 구역에서의 증기/액체의 회전 질량에 재비말동반되는 정도를 감소시키는 역할을 한다. 플래쉬 구역에서 2상 유체에 바람직한 유동 패턴을 촉진하기 위해서, 개구를 통과하는 증기용 배플에 유동 베인이 제공될 수 있다. 이들 유동 베인은, 배플에 U자형 절취부를 펀칭 형성하고 금속 탭을 상향 절곡하여 증기 유동이 가능하도록 종방향 슬롯을 갖는 유동 베인을 형성하는 것만으로 제트 트레이 방식으로 제공될 수 있다. 유동 베인들은 동일 방향으로 또는 상이한 방향으로 배향될 수 있는 바, 예를 들면 모두 동일 방식으로 또는 두 개의 대향 방향으로 배향될 수 있다. 다른 가능성은 유동 베인을 그룹으로 형성하는 것인 바, 예를 들면 베인이 플래쉬 구역에 바람직한 유동 패턴을 제공하도록 배향되는 반복적 사각형으로 형성하는 것이다.

대안적으로, 상기 슬롯은 판의 중심부로부터 주위를 향해서 연장되는 반경방향 슬롯으로서 구성될 수도 있다. 다시, 개구의 전면적은 증기가 스트리퍼 구역으로부터 상향 유동할 수 있도록 충분할 것이며, 반경방향 슬롯들 사이의 천공되지 않은 영역은 증기가 상부 스트리퍼 트레이 상으로 하향 유동하지 못하게 하는 작용을 할 것이다. 이 형태에서, 배플은 후술하는 바람직한 반경방향 루버 배플(Radial Louver Baffle)과 유사하다.

배플의 다른 형태는, 스트리핑 구역으로부터의 증기를 위한 일련의 상향 유동 통로를 형성하기 위해 상호 교차되는 두 그룹의 세장형 스트립 또는 평판으로 구성되는 "달걀판" 형태 배플이다. 이들 판은 적소에 고정되어 배플의 평면에 대해 정확한 각도로 유지되도록 외주 칼라에 고정될 수 있다. 이들 교차되는 판은 스트리핑 구역으로부터 증기의 상향 유동을 쉽게 허용하는 반면에, 상부 스트리퍼 트레이 상의 액체가 플래쉬 구역에서 증기/액체의 회전 질량에 의해 포획 및 비말동반되는 것을 방지한다.

이들 배플이 재비말동반의 감소에 적합하지만, 바람직한 구성은 이제 도면과 함께 기술될 것이다. 반경방향 루버 배플로 지칭되는, 본 발명의 일 실시예에 따른 배플(10)의 기본 구성 요소가 도 2에 도시되어 있다. 완성체 배플(10)은 회전하지 않는 것임에도 불구하고 팬과 흡사하다. 배플은 배플(10)이 사용될 타워(20)의 내부에 들어맞는 크기의 외주 칼라(11)를 포함한다. 내측 중심 칼라(12)가 중심 허브를 형성한다. 중심 칼라(12)와 외주 칼라(11) 사이에는 팬의 블레이드와 유사한 다수의 반경방향 핀(13)이 연장된다. 도 1에는 단일 핀(13)이 도시되어 있다. 각각의 핀(13)은 유사한 구조를 갖는다. 각각의 핀(13)은 도 2 내지 도 5에 도시하듯이 대략 편평한 구조를 갖는다. 본 발명은 그러나 편평한 구조에 제한되도록 의도되지 않으며, 오히려 도 6에 도시된 주름진 구조를 포함하는 다른 구조들이 고려되고 본 발명의 범위에 잘 포함되는 것으로 간주될 것으로 생각된다. 핀(113) 내의 주름이나 절곡부는 핀의 안정성을 증가시키며, 비말동반된 성분의 수집을 향상시키는 작용을 할 수 있다. 핀(13 또는 113)은 내부 칼라(12)로부터 외측으로 연장된다. 핀의 최상 부분은 칼라(12)의 상부 에지 아래에 위치하지만 외주 칼라(11)의 최상 에지 위에 위치하는 것이 바람직하다.

도 2에 도시하듯이, 한 쌍의 평행 판(18, 19)이 핀(13)과 중심 칼라(12)의 레벨 아래에서 배플(10)을 가로질러 한쪽에서 다른쪽으로 연장되어, 중심에 위치하는 반경방향 액체 하강관(16)을 형성하며, 이 하강관의 각 단부에는 액체가 플래쉬 구역(25)의 원형 채널(27)로부터 배플(10) 아래의 스트리퍼 트레이(31)로 유동할 수 있도록 반경방향으로 대향하는 액체 유입구가 구비된다. 채널(27)로부터의 액체가 진입할 수 있도록 외주 칼라(11)는 판(18, 19)과 만나는 부위에서 차단된다. 중심 칼라(12)는 증기가 배플 아래의 구역으로부터 상향 이동하기 위한 추가 경로를 제공하기 위해 도 2 내지 도 6에 도시하듯이 개방된 상태로 남아있을 수 있거나, 또는 대안적으로 배플의 개방 영역이 그렇지 않을 경우 소요 증기 유동 성능을 위해 적합하면 원형 판에 의해 밀봉될 수 있다.

중심 칼라(12)가 증기 유동을 위해 개방 상태로 남아있으면, 이는 증기의 통과를 허용하고 예를 들어 스프레이 형태의 액적이 스트리퍼 구역으로 하향 이동하는 것을 방지하는, 구멍이나 슬롯이 형성된 판 또는 캡으로 커버될 수 있다. 상기 커버는 칼라(12)의 상부 에지와 커버(300) 사이에 증기 유동 경로를 허용하는 로드나 지주(strut)(301)에 의해 칼라(12)의 상부 에지에 지지되는, 도 8에 도시된 것과 같은 편평한 원형 판(300)에 의해 제공될 수 있다. 판(300)에는 증기의 통과를 허용하기 위한 구멍이 제공될 수 있다. 커버는 도 7에 도시하듯이 칼라의 상부 에지와 커버의 하부 주위 에지 사이에 증기 유동 경로를 허용하는 로드나 편평 지주(201)에 의해 칼라(12)의 상부 에지 위에 지지되는 돔형 또는 원추형 캡 또는 모자부(200)에 의해 제공될 수 있다. 상기 커버나 모자부에는 추가 증기의 통과를 허용하기 위한 슬롯이나 구멍(302)이 형성될 수 있다.

본 발명은 도 2에 개시된 배열에 제한되도록 의도되지 않으며, 예를 들어 도 3 내지 도 6에 도시된 것과 같은 다른 하강관 배열이 본 발명의 범위에 잘 포함되는 것으로 간주된다. 예를 들어, 도 3은 칼라(11)의 둘레 주위의 한 지점에 배치되는 단일 코드형 하강관(40)을 갖는, 도 2의 것과 유사한 반경방향 루버 배플을 도시한다(명료함을 위해 유사한 요소에 대한 도면부호는 생략됨). 이 경우, 평판(41)이 핀(13) 레벨 아래에서 칼라(11)의 원주 상의 한 지점으로부터 다른 지점으로 코드 형태로 연장되어 판(41)과 칼럼의 내측 곡면 사이에 액체가 통과할 수 있도록 하강관을 형성한다. 코드형 배열은, 평판(42, 43)이 판과 칼럼의 내측 곡면 사이에 두 개의 코드형 하강관(44, 45)을 형성하기 위해 칼라(11)의 원주방향 경로를 가로질러 연장되는 도 4(유사한 요소들은 도면부호 생략)에 도시하듯이 배플의 반경방향으로 대향하는 양측에 반복될 수 있다. 복수 개의 하강관의 형성은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 간주된다. 평판은 인접한 평판에 대해 각도를 갖고서 배치될 수도 있다. 이들 판은 도 4에 도시하듯이 평행할 수도 있다. 이들 판은 도 6에 도시하듯이 서로에 대해 직교할 수도 있다. 다른 배향 각도도 고려되며 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 간주된다.

반경방향 루버 배플의 핀(13, 113)은 배플의 평면에 대해 0°내지 180°의 임의 각도로 배향될 수 있는 바, 즉 배플의 평면에 배치될 수 있거나(이 경우 배플은 전술한 반경방향으로 슬롯형성된 배플이 됨), 또는 플래쉬 구역에서 2상 증기/액체 시스템의 회전 방향에 근접하거나 그로부터 멀어지는 상향 증기 유동 통로를 제공하도록 배향될 수 있다. 바람직한 구성은 핀이 스트리퍼 구역으로부터 상승하는 증기에 플래쉬 구역에서의 회전 방향과 동일한 방향으로 회전을 부여하는 것이다. 이 경우, 핀은 공급물이 플래쉬 구역에서의 그 회전 운동 중에 핀의 상부에 걸쳐서 "스쳐가도록(skim)" 만곡 배치된다. 핀이 2상 증기/액체 시스템의 회전 방향으로 향할 수 있지만, 회전 유동이 배플 아래의 챔버에 진입하여 액체 표면을 방해하여 추가 비말동반을 초래할 수 있으므로 바람직하지 않다.

일반적으로 말하면, 핀의 각도적인 배치는 각 핀의 평면과 배플의 중심축(이는 타워의 수직 축에 일치함)을 수직으로 통과하는 반경방향 평면 사이의 특징적 각도를 참조하여 기술될 수 있다. 이 각도는 -90°내지 +90°에서 변할 것인 바, 0°의 특징 각도는 수직 핀을 나타내고 90°의 각도는 반경방향으로 슬롯형성된 배플과 동등한, 배플의 평면에 평행한 핀을 나타낸다. 각도(- 또는 +값)의 의미는 플래쉬 구역에서의 증기/액체 시스템의 회전 방향에 대해 표현될 수 있다. 핀은 스트리퍼로부터 상승하는 증기에 대한 유동 통로를 규정하며, 이들 유동 통로는 플래쉬 구역에서의 회전과 동일한 회전 방향, 즉 플래쉬 구역에서의 2상 시스템의 유동 방향으로 상승 증기에 방향성을 부여하는 것이 바람직하다. 핀의 역 경사(플래쉬 구역 회전과 반대되는 증기 유동)는 일반적으로 바람직하지 않은 바, 그 이유는 이러한 경우에 핀은 유입되는 공급물의 하층을 "박리(peel off)"시키고 이를 상부 스트리퍼 트레이 상으로 인도하여 그곳에서 액체를 교반하고 재비말동반을 유도할 수 있기 때문이다. 소정 방향으로의 예를 들어 0°내지 30°의 낮은 특징 각도는, 핀의 축방향 또는 근사-축방향 배치에 의해 핀 사이에 합리적인 공간을 차지하는 배플 아래의 구역으로부터 양호한 상향 유동이 가능할 것이므로 양호한 증기 유동을 허용할 것이다. 통상, 상기 특징 각도는 배플의 중심 수직축에 대해 30°내지 60°가 될 것이며, 45°가 가장 바람직하다. 이 범위 내에서, 핀은 공급 스트림이 배플을 통해서 상부 스트리퍼 트레이의 구역으로 유동하는 것을 배제하거나 적어도 방해하는 동시에 아래 스트리퍼로부터의 상향 증기 유동에 적합한 영역을 제공하는 작용을 할 것이다. 이 바람직한 각도 배치는 또한 공급물이 유입되는 증기를 비말동반하도록 만곡형 배플 위로 이동함에 따라 이덕터(eductor)형 효과에 의해 배플 아래의 구역으로부터 증기를 제거하는데 효과적일 것이나, 공급 증기의 하향 이동이 핀에 의해 방해받기 때문에 스트리퍼 트레이로부터의 잔여 액체 재비말동반이 크게 배제된다.

임의의 주어진 서비스에서의 배플에 대한 최적 특징 각도는 공급물의 물리적 조성(지배적인 타워 조건 하의 증기/액체 비율), 공급 속도, 공급 속도에 대한 스트리핑 가스(스팀) 속도, 타워 직경, 배플에 대한 유입 혼의 위치, 상부 스트리퍼 트레이에 대한 배플의 위치와 같은 여러가지 변수에 종속되며, 이들 변수 사이의 관계는 특히 복잡하다. 대부분의 경우에, 전산 유체 역학은 주어진 경우에 대해 적절한 특징 각도(또는 각도 범위)를 나타낼 것이지만, 대부분의 경우 적정 결과를 위해서는 바람직한 범위 내에서 각도를 선택하는 것이 통상 충분할 것이다.

특징 각도는 핀의 반경방향 길이를 따라서 일정할 필요가 없으며, 실제로 핀 에 비행기 프로펠러와 같이 핀의 내측 단부에서 외측 단부까지 특징 각도가 변화하는 "비틀림"을 부여함으로써 이득을 보는 것이 유리할 수 있다. 특징 각도는 타워 설계 및 작동 변수에 따라서 핀의 길이를 따라 증가하거나 감소할 수 있다. 임의의 주어진 경우에 특징 각도에 대한 반경방향 변동의 최적값을 찾아내기 위해 전산 유체 역학 또는 실험이 사용될 수 있다.

비교적 큰 직경의 칼럼을 위한 배플이 겪을 수 있는 한 가지 문제점은, 반경방향 핀들이 그 길이를 따라서 지지를 요하며, 또한 반경이 증가할수록, 대응하여 각 핀 사이의 거리가 증가하고 개방 면적은 스트리퍼 구역으로부터의 증기 유출에 필요한 양을 증가시킬 수 있다는 것이다. 이들 문제를 둘다 해결하는 배플 형태가 도 5에 도시되어 있다. 배플의 이 변형예는 도 2에 도시된 것과 유사하지만(유사 요소에 대한 도면부호는 명료함을 위해 생략됨), 중심 칼라(51)와 외주 칼라(50) 사이에 위치하는 중간 핀 지지 링(60)을 갖는다. 중심 허브와 중간 칼라(60) 사이에는 상호 유사한 다수의 내부 반경방향 핀(52)이 연장되며 이는 각 단부에서 허브와 칼라에 체결된다. 하나 이상의 중간 칼라(60)가 제공될 수 있을 것으로 생각되며, 이는 복수의 핀 링을 생성할 것이다. 대구경 배플에는 핀이 필요한 강성을 갖도록 다수의 중간 칼라가 필요할 수 있다. 중간 칼라(60)와 외주 칼라(50) 사이에는 다시 상호 유사한 다수의 외부 핀(63)이 연장되며 이는 그 각 단부에서 두 개의 칼라에 체결된다. 외부 핀의 개수는 내부 핀의 개수와 다를 수 있으며, 그러할 경우 외부 핀의 개수는 대개 중간 칼라와 외주 칼라 사이의 넓은 면적을 감안하여 더 클 것이다. 마찬가지로, 큰 외부 면적이 큰 횡단직경을 갖는 핀을 수용할 수 있으므로 외부 핀은 내부 핀과 다른 크기 또는 형상을 가질 수도 있다. 액체 하강관은 도 3에 도시된 것과 마찬가지로 단일 코드 형태이다. 판(64)과 칼럼의 내부 곡면 사이에 하강관 유입구를 형성하기 위해 칼라(50)의 원주를 가로질러 평판(64)이 연장된다.

전산 유체 역학은 배플이 타워의 직경에 걸친 축방향 유동의 균일도 개선과 더불어 타워의 공급/플래쉬 구역에서 축방향 유속을 통상 14m/s의 높은 값에서 대략 2m/s로 감소시키는 능력을 나타냈다.

보다 간단한 개구형 판 배플과 다소 공유되는 바람직한 반경방향 루버 배플의 이점에는 이하의 것들이 포함된다:

- 저비용 신속 설치: 반경방향 루버 배플은 비교적 작고 복잡하지 않으며; 모자형 배플에서 필요한 용접을 다량 요구하지 않는다.

- 크기가 작아짐으로 인해 이용가능한 플래쉬 구역 체적을 덜 감소시키며, 플래쉬 구역 체적의 감소라는 바람직한 속성은 공급물 소적 포획 효율에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.

- 원추형 모자부보다 낮은 프로파일의 반경방향 루버 배플은 작은 플래쉬 구역을 갖는 타워에 설치될 수 있으며; 또한 기계적 비용이 높고 절단점이 감소되는 하나 또는 두 개의 스트리핑 트레이의 제거가 필요치 않다.

- 반경방향 루버 배플은 증기에 의해 이루어지는 '유턴(U-turn)'에 의한 전단력에 의해 액체를 재비말동반할 가능성이 있는 원추형 모자부 설계에 비해 재비말동반 가능성이 낮다.

- 반경방향 루버 배플은 압력 강하가 낮은 바, 이는 감압 타워에 있어서 매우 바람직한 속성이다.

당업자라면 본 발명의 범위 내에서 다양한 수정 및/또는 변형이 이루어질 수 있음을 알 것이다. 따라서, 본 발명은 청구범위 및 그 등가의 범위에 포함되는 모든 수정 및 변형을 망라하는 것으로 의도된다.

Claims

수직축을 갖는 석유의 분별증류를 위한 진공 증류 타워에 있어서,

공급 구역, 상기 공급 구역을 위한 적어도 하나의 접선방향 유입구를 갖는 플래쉬 구역, 상기 플래쉬 구역 아래에 배치되는 하부 스트리핑 구역, 상기 플래쉬 구역 위의 정류 구역, 및 상기 스트리핑 구역 위이지만 상기 플래쉬 구역의 아래에 위치된 탈비말동반 배플(de-entrainment baffle)을 포함하고,

상기 배플은 상기 타워의 축에 중심축을 갖고, 복수의 반경방향 핀을 포함하며,

상기 복수의 핀은 상기 배플 축에 대하여 반경방향으로 배치되며, 상기 타워의 내부 벽에서 외주 칼라까지 외향으로 연장되며, 상기 핀 사이에는, 증기가 상기 타워의 상기 배플 아래의 부분으로부터 상향으로 통과하도록 하는 반경방향 개구가 형성되는

진공 증류 타워.
제 1 항에 있어서,

각각의 핀은, 상기 핀의 상부 에지가 하부 에지에 대해 상기 타워로의 유입 공급물의 유동 방향으로 변위되도록 상기 배플의 중심축을 통과하는 평면에 대해 각도적으로 경사지는

진공 증류 타워.
제 2 항에 있어서,

각각의 핀은, 상기 핀의 상부 에지가 상기 하부 에지에 대해 상기 타워로의 유입 공급물의 유동 방향으로 0°내지 180°의 각도로 변위되도록 상기 배플의 중심축을 통과하는 평면에 대해 각도적으로 경사지는

진공 증류 타워.
제 3 항에 있어서,

상기 각도는 30°내지 60°인

진공 증류 타워.
제 2 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 배플의 중심축에 대한 각 핀의 경사는 상기 핀의 반경방향 길이를 따라서 일정한

진공 증류 타워.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

액체가 상기 배플을 지나서 하향으로 통과하도록 하기 위한 적어도 하나의 액체 하강관을 더 포함하는

진공 증류 타워.
제 6 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 액체 하강관은 상기 배플의 중심부에 배치되는

진공 증류 타워.
제 6 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 액체 하강관은 상기 배플의 중심에서 벗어나 있는

진공 증류 타워.
제 6 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 액체 하강관은 두 개의 이격된 액체 통로를 포함하는

진공 증류 타워.
제 6 항에 있어서,

상기 적어도 하나의 액체 하강관은, 하나의 하강관이 다른 하강관에 대해 각도를 갖고서 배치되는 적어도 두 개의 하강관을 포함하는

진공 증류 타워.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 복수의 반경방향 핀이 중심 원형 허브와 상기 외주 칼라 사이에서 연장되는

진공 증류 타워.
제 11 항에 있어서,

상기 중심 허브는 상기 배플을 통해서 액체를 하향으로 통과시키기 위한 액체 하강관을 제공하는 개방 칼라를 포함하는

진공 증류 타워.
제 11 항에 있어서,

상기 중심 허브는 직립 원형 벽 부재 및 상기 직립 원형 벽 부재의 상부 위의 커버를 포함하는

진공 증류 타워.
제 11 항에 있어서,

상기 반경방향 핀은 반경방향 주름을 갖는

진공 증류 타워.
제 11 항에 있어서,

상기 배플은 상기 중심 허브와 상기 외주 칼라 사이에 배치되는 적어도 하나의 중간 핀 지지 링을 구비하며, 핀들이 상기 중간 허브로부터 상기 중간 핀 지지 링을 향하여 그리고 상기 중간 핀 지지 링으로부터 상기 외주 칼라를 향하여 외측으로 연장되는

진공 증류 타워.