KR101352676B1 - 와류 접촉단을 구비한 증기-액체 접촉 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 하나 이상의 와류 접촉단을 구비한 용기를 포함하는 증기-액체 접촉 장치, 예컨대 반응기 및 증류 칼럼 (및 반응 증류 장치)에 관한 것이다. 하나 이상의 단은 접촉 후 상이한 상들의 효과적인 분리에 더하여 이들 상의 효과적인 접촉을 위한 높은 계면적을 제공한다.

Description

와류 접촉단을 구비한 증기-액체 접촉 장치{VAPOR-LIQUID CONTACTING APPARATUSES WITH VORTEX CONTACTING STAGES}
본 발명은 반응기, 분별 증류 칼럼 또는 증기 및 액체 스트림 사이에 매스 및/또는 열 전달을 수행하는 다른 장치에서의 증기-액체 접촉에 관한 것이다. 본 발명은 더 구체적으로 하나 이상의 와류 접촉단을 포함하는 증기-액체 접촉 장치에 관한 것이다.
화학 및 정련 기술 전체에서 중요한 목적은 증기 및 액체 상 사이의 접촉 효율을 개선시키는 것이다. 현재, 접촉상 사이의 계면적 및 난류를 증가시켜 매스 전달 속도를 일정하게 증가시킴으로써 증기-액체 매스 및/또는 열 전달 속도 증가를 이용할 수 있는 매우 다양한 다상 반응 및 분리 공정이 존재한다. 이들 공정은 일반적으로 임의의 다양한 종래 증기-액체 접촉 장치를 사용한다. 상대 휘발성에 기초하여 성분들을 분리하기 위한 증류 공정은 예컨대 용기 내부의 복수의 단에서 증기-액체 접촉을 개선시키는 분별 트레이 및 팩킹에 의존한다.
석유 및 석유 화학 공업에서, 액화 석유 가스, 나프타, 디젤 연료 및 기타 증류 탄화수소 유분 등을 비롯한 석유 정련 및 석유 화학 공정의 원유 유래 생성물과 같은 소정 비점 범위를 갖는 유분을 분리하기 위하여 분별 트레이 및 다른 접촉 장치가 사용된다. 일부 경우, 특정 화합물을 동일한 화학적 또는 작용적 부류의 다른 화합물, 예컨대 알콜, 에테르, 알킬방향족, 단량체, 용매, 무기 화합물 등으로부터 분리하기 위하여 접촉 장치가 사용된다. 일반적인 분별 증류 칼럼은 칼럼 내부의 접촉단에 10∼250 개의 분별 트레이를 이용한다. 구체적인 단수는 분리 용이성(상대 휘발성 차) 및 소정 생성물 순도에 따라 달라진다. 흔히 칼럼에서 각 트레이의 구조는 유사하나, 수직으로 인접하는 트레이에 대하여 구조가 상이(예컨대, 교호)할 수 있는 것도 공지이다.
따라서, 종래의 분별 증류 공정은 용기 내부에서 각각 전체적으로 상향 및 하향 흐름을 갖는 증기 및 액체 상을 접촉시키는 다수의 단을 포함한다. 여러 구분된 접촉 단에서, 증기 및 액체 상의 성분들은 증기-액체 평형을 달성하거나 가능한 이에 근접하기 위하여 교환된다. 생성되는 증기 및 액체 분획은 이후 분리되어, 각 방향으로 이동하고, 상이한 단에서 다른 양의 적절한 유체와 다시 접촉한다.
증기-액체 접촉 장치와 같이 다공판을 갖는 종래의 트레이에 의하여, 칼럼의 바닥에서 발생한 증기는 다수의 작은 구멍을 통해 상승하여, 액체량을 지지하고 구분된 영역 및/또는 구역으로 나뉠 수 있는 트레이의 판 영역에 걸쳐 퍼진다. 증기가 액체를 통과함으로써 프로스(froth)라 불리는 기포층이 발생한다. 프로스의 표면적이 크면 트레이 상에서 증기 및 액체 사이의 조성 평형을 달성하는 데 도움이 된다. 이후 프로스는 증기 및 액체로 분리될 수 있다. 증기-액체 접촉 동안, 증기는 덜 휘발성인 물질을 액체로 손실하므로 각 트레이를 통과하여 위로 올라감에 따라 약간 더 휘발성이 된다. 동시에, 액체가 프로스로부터 분리되어 트레이들을 거쳐 하향 이동할 때 액체 내의 덜 휘발성인 화합물의 농도가 증가한다. 따라서, 증기-액체 접촉 장치는 상승하는 증기와 액체를 접촉시킨 후 두 상이 분리되어 상이한 방향으로 흐를 수 있게 하는 두 기능을 수행한다. 상이한 트레이들에서 적당한 회수로 (예컨대 연속식으로) 단계를 수행하는 경우, 다수의 분리 평형단이 달성될 수 있어, 화학적 화합물들이 그 상대 휘발성에 기초하여 효과적으로 분리된다.
이러한 분리 개선의 노력으로 팩킹 및 트레이를 비롯한 많은 다른 유형의 증기-액체 접촉 장치가 개발되었다. 상이한 장치들은 상이한 이점을 갖는다. 예컨대, 상기 개시된 다공판 트레이는 효율적인 접촉 장치이나, 특히 판 면적이 비교적 작을 경우, 심지어 분획 개방 면적이 높을 경우에도 칼럼 내에서 높은 압력 강하를 유발할 수 있다. 다중 하강관 트레이는 증기 및 액체 용량이 높고 상당한 범위의 작동 속도에 걸쳐 효과적으로 기능할 수 있다. 구조화된 팩킹은 압력 강하가 낮아, 저압 또는 진공 조작에서 유용하다. 분별 트레이와 같은 임의의 증기-액체 접촉 장치의 성능을 평가하기 위하여 사용되는 두 주요 파라미터는 용량 및 효율이다. 용량은 연속 트레이에서 효과적으로 접촉하여 플러딩 없이 이것으로 전달될 수 있는 증기 및 액체의 총량을 의미한다. 효율은 트레이에서 트레이로 일어나는 증기 및 액체 상 사이의 매스 전달의 효과 또는 평형 접근을 의미한다. 중요하게는, 분별 증류 및 스트립핑과 같은 분리 공정에서 긴밀한 상간 접촉은, 생성되는 상이 접촉 후 분리 또는 탈리될 수 있는 정도에만 유리하다.
분별 증류 칼럼 또는 유사 분리 용기에서 상 사이의 전체 흐름은 향류이나, 이들 용기 내부의 접촉단에서 사용되는 많은 유형의 종래 증기-액체 접촉 장치는 접촉 상들 사이에서 직교류, 병류 또는 다른 흐름 방향을 유도할 수 있다. 평행한 흐름 트레이를 이용하는 접촉단은 예컨대 US 5,223,183호, US 5,318,732호 및 US 7,204,477호에 개시된다. 병류 접촉을 이용하는 것들은 예컨대 US 6,682,633호, US 5,837,105호, US 6,059,934호 및 US 7,424,999호에 개시된다. 증기 및 액체 사이에 단위 부피당 높은 계면적을 달성하는 와류 원심분리 기포발생 층을 형성하는 교대 증기-액체 접촉 장치의 사용은 문헌[Kuzmin, A. O. et al, "Vortex centrifugal bubbling reactor" CHEM. ENG. JOURNAL. 107: 55-62 (2005)]에 개시된다.
특히 접촉 효율 및 이후의 분리 효율 모두에서 증가된 효율을 갖는 점에서 개선된 증기-액체 장치가 계속 추구되고 있다.
발명의 개요
본 발명의 양태는 증기 및 액체 상 사이에 와류 원심분리 접촉을 수행하기 위한 장치를 갖는 하나 이상의 접촉단을 이용하는 증기-액체 접촉 장치와 관련된다. 본 접촉단 및 장치는 증기-액체 접촉을 실시하기 위하여 와류 기포형성 층을 발생시키기 위해 현재 사용되는 것들과 관련된 몇몇 단점을 극복한다. 이들 단점은 취급될 수 있는 증기:액체 흐름 비율 범위에서의 실제적인 한계를 포함하는데, 이것은 상업적인 응용의 가능한 범위를 좁힌다. 또한, 종래의 장치는 와류의 원심분리 작용에 의하여 증기로부터 액체를 적절하게 분리하지만(즉, 액적이 장치에서 나가는 증기 흐름에 실질적으로 혼입되지 않음), 액체로부터 증기 기포를 분리하는 것은 탈기된 액체를 형성하기 위한 분리 구역을 이용하지 않고는 증기 흐름이 액체 상을 통과하기 때문에 여전히 문제이다. 예컨대 분별 증류에서 사용될 때, 액체 흐름 내 증기의 혼입은 (예컨대, 이론단에 상당하는 높이 HETP에 기초한) 단 효율을 감소시키거나, 또는 심지어 접촉 장치 또는 전체 장비의 플러딩을 유발하여 운전 불능이 될 수 있다. 증기 혼입의 경향은 액체 흐름이 증가함에 따라 증가하므로 높은 증기 혼입은 증기-액체 접촉 장치 및 이것을 이용하는 장비의 전체 용량을 실제적으로 제한할 수 있다.
따라서, 본 발명의 구현예는 하나 이상의 와류 접촉단을 갖는 용기를 포함하는 증기-액체 접촉 장치, 예컨대 반응기 및 증류 칼럼 (및 반응 증류 장치)에 관한 것이다. 하나 이상의 단은 접촉 후 상이한 상들의 효과적인 분리 외에 이들 상의 효과적인 접촉을 위한 높은 계면적을 제공하여, (처음 조성에 대하여 상이한 최종 조성을 갖는) 증기 및 액체가 단(들)으로부터 제거되며 제거된 상들에서 각각 액체 및 증기의 혼입이 감소된다. 상기 단들은 특히 최대 증기 및/또는 액체 흐름 및 증기:액체 흐름 비율의 조작 가능한 범위에 있어서 와류 기포발생 방식으로 작동하는 공지된 장치의 한계를 더 방지한다. 와류 접촉단 및 연관 장치는 유리하게는 종래의 증기-액체 접촉에 사용된 것에 비하여 압력 강하가 낮다. 또한, 반응기, 증류 칼럼 또는 다른 증기-액체 접촉 장치에서 사용되는 경우, 상기 장치들은 높은 기계적 통합성, 합리적인 비용 및 설치 및 검사의 용이성을 제공한다.
따라서, 본 발명의 특정 구현예는 와류 접촉단을 포함하는 증기-액체 접촉 장비에 관한 것이다. 와류 접촉단은 원형 단면을 갖는 접촉 구역을 포함하는데, 이 원형 단면의 반경은 접촉 구역의 축 높이의 적어도 일부를 따라 일반적으로 감소하나(즉, 접촉 구역은 이러한 축 높이 부분을 따라 점차 줄어듬), 종종 접촉 구역의 정상부에서 일정한 원형 단면을 갖는다. 접촉 구역은 (액체가 액체 입구를 통해 도입될 수 있는) 바닥면, 테이퍼형 내면 및 상기 바닥면과 내면 사이에 배치된 원통형 접선 흐름 배향 장치 사이에 규정된다. 접선 흐름 배향 장치는 일반적으로 바닥면 및 테이퍼형 내면의 둘레 섹션에 또는 이 근처에 위치되고 예컨대 접선 흐름 방향을 부여하는 안내 선회 깃을 통해 접촉 구역으로의 증기 흐름을 위한 입구를 제공한다. 따라서, 증기 및 액체 입구 모두, 예컨대 각각 접선 방향 및 축 방향으로, 접촉 영역에 보통 제공되고, 접촉 구역에서 나오는 상들을 분리하기 위하여 증기-액체 분리 장치가 사용된다.
증기-액체 분리 장치는 내부 직경을 갖고 테이퍼형 내면의 정상부를 형성하는 원형 입구면을 포함할 수 있다. 증기-액체 분리 장치의 이 입구면은 접촉 구역과 유체 연통된다. 증기-액체 분리 장치의 대향 외부 출구면은 예컨대 입구면과 동심이고 더 큰 외부 직경을 가질 수 있다. 외부 출구면은 임의로 증기-액체 분리 장치의 다른 면(예컨대, 바닥 출구면)과 함께 접촉 구역으로부터 분리된 (또는 탈리된) 증기 및 액체 스트림을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 대표적인 구현예에서, 분리된 증기는 주로 입구면 반대쪽의 출구면을 통해 흐르는 반면, 분리된 액체는 주로 바닥 출구면을 통해 흐른다.
본 발명의 다른 구현예는 장치의 수직 배치된 원통형 외피 내에 상기 개시된 바와 같은 복수의 와류 접촉단을 포함하는 다단 증기-액체 접촉 장치에 관한 것이다. 다단의 경우, 하나의 단의 증기-액체 분리 장치의 출구면은 바로 위의 (상부) 접촉단의 증기 입구 및 바로 아래의 (하부) 접촉단의 액체 입구와 유체 연통된다. 액체 입구와의 연통은 접촉 구역을 규정하는 테이퍼형 내면에 대향하는 만곡된 외면에 의하여 정의되는 유로를 따라 만곡된 외면이 끝나는 하나 이상의 액체 하강관을 통해 제공될 수 있다.
운전 동안 안정한 와류 형성을 유지하는 것을 돕고 액체 취급 용량을 향상시키며 제작을 단순화하고 비용을 절감시키는 특정 구현예에서, 접촉 구역에서 배출되는 액체의 유로의 일부를 규정하는 만곡된 외면은, 복수의 와류 접촉단 외부에서 보통 이것을 둘러싸는 고리형 공간의 구분된 섹션에서 연장되는 복수의 액체 하강관 세그먼트에서 종결된다. 유리하게는, 액체 하강관 세그먼트는 바로 위 및/또는 바로 아래 와류 접촉단의 다른 액체 하강관 세그먼트들 사이에서 방사상으로 배치될 수 있다. 본 명세서에 개시된 다단 장치에 대한 응력을 감소시키고 기계적 통합성을 더 개선시키기 위하여, 연속 접촉단의 접선 흐름 배향 장치는 와류 스핀 방향이 교대로 역전되도록 교대하는 시계/반시계 방향으로 입구 증기를 와동시키도록 배열될 수 있다.
본 발명의 추가의 구현예는 복수의 와류 접촉단을 포함하는 다단 증기-액체 접촉 장치에 관한 것이다. 각 단은 바로 아래의 와류 접촉단의 액체 입구와 유체 연통된 액체 하강관 및 바로 위의 와류 접촉단의 증기 입구와 유체 연통된 출구면을 갖는 증기-액체 분리 장치를 구비한다.
본 명세서에 개시된 바와 같은 증기-액체 접촉을 실시하기 위하여 이들 단에서 사용되는 장치 및 와류 접촉단은, 매스 전달을 위한 높은 계면적을 갖는 접촉, 접촉 후 효율적인 상 분리, 광범위한 증기:액체 흐름 비율 및 절대 흐름 비율에 걸쳐 양호한 성능, 낮은 압력 강하 및 단순화된 제작이 요망되는 임의의 장비에서 사용될 수 있다. 하나 이상의 접촉단을 반응기, 증류 칼럼, 흡수기, 스트립퍼 등에서 사용할 수 있다. 대표적인 구현예에서는, 복수의 접촉단을 증류에 사용한다. 따라서, 본 발명의 추가의 구현예는 증기 및 액체 스트림의 접촉 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 본 명세서에 개시된 바와 같은 와류 접촉단의 (예컨대, 각각 접선 방향 및 축 방향으로) 증기 입구에 증기를 공급하고 액체 입구에 액체를 공급하는 것을 포함한다.
증류 방법의 경우, 증기 및 액체 스트림은 단-대-단 접촉 동안 보통 내부에서 발생되는데, 액체는 일반적으로 아래로 흐르고 하나 이상의 더 고비등 성분들이 계속해서 농후해지며, 증기는 일반적으로 위로 흐르고 하나 이상의 더 저비등 성분들이 계속해서 농후해진다. 그러나, 일부 접촉단에는 칼럼 탑상으로의 액체 환류, 칼럼 바닥으로의 증기 재비기 회귀 또는 증기 또는 액체로서 또는 증기 및 액체 분획을 모두 갖는 칼럼 공급물과 같은 외부 스트림이 공급될 수 있다.
본 발명에 관한 이들 구현예 및 다른 구현예는 이하의 상세한 설명으로부터 명백하다.
도면의 간단한 설명
도 1은 종래의 와류 접촉단의 측면도이다.
도 2는 방사상 배열된 증기-액체 분리 장치의 판을 유지하기 위한 외부의 슬롯 보유 링을 도시한 것이다.
도 3은 다수의 와류 접촉단을 갖는 대표적인 증기-액체 접촉 장치의 측면도이다.
도 4는 도 3의 증기-액체 접촉 장치를 통한 액체 흐름을 도시한다.
도 4B는 도 3의 증기-액체 접촉 장치를 통한 증기 흐름을 도시한다.
도 5A는 액체 하강관에 공급하는 접촉 구역 바로 아래의 접촉 구역까지 바닥면을 통해 연장되는 딥 파이프 도관을 구비한 액체 하강관의 말단부를 도시한 것이다.
도 5B는 액체 하강관에 공급하는 접촉 구역 바로 아래의 접촉 구역까지 바닥면을 통해 연장되는 트로프(trough) 도관을 구비한 액체 하강관의 말단부를 도시한 것이다.
도 6은, 액체 흐름 방향이 도시된, 와류 접촉단에 대하여 외부의 고리형 공간의 섹션에서 연장되는 액체 하강관 세그먼트를 도시한다.
도면 전체를 통해 동일하거나 유사한 특징을 나타내는 데 동일한 참조 번호를 사용한다. 본 도면은 본 발명 및/또는 포함된 원리의 도시를 위한 것으로 이해되어야 한다. 본 개시 내용의 지식을 가진 당업자에게 이미 명백한 바와 같이, 본 발명의 여러 다른 구현예에 따른 와류 접촉단 및 이들 단을 포함하는 장치는 부분적으로는 그 특정 용도에 의하여 결정되는 배치 및 부품을 가질 것이다.
상세한 설명
본 발명의 양태는 성능과 기계적 설계 및 설치 및 검사/보수의 용이성 면에서 상기 논의한 바와 같이 다수의 이점을 갖는 개선된 와류 접촉단의 발견과 연관된다. 도 1은 와류 접촉단(10)과 연관된 일부 기본적 특징을 도시하는 측면도이다. 접촉단(15)에서, 고도로 분산된 증기-액체 혼합물의 스피닝 와류는 원심력 장에서 생성되어 유지될 수 있다. 특히, 와류는 증기가 증기 입구(22)를 통해 유입된 후 접선 흐름 배향 장치(19)가 액체 입구(17)를 통해 유입되는 액체를 회전시킬 때 접촉 구역(15)에서 발생된다. 원통형 용기의 축과 실질적으로 일치하는 회전축에 의한 유입 증기의 원형 회전은 예컨대 링 형상 구조로 배열된 접선 슬릿 및 다수의 안내 날개를 구비한 접선 흐름 배향 장치(19)를 이용하여 설정될 수 있다.
접촉 구역(15)은 원형 단면을 가지며, 상기 원형 단면의 직경은 바닥면(20) 위의 축 높이에서 접선 흐름 배향 장치(19)를 가로지른 거리(예컨대, 내부 직경)이거나 또는 내면(21)을 점차 가늘게 함으로써 규정되는 개구를 가로지른 거리이다. 따라서, 접촉 구역(15)의 단면 직경은 일반적으로 도 1에 도시된 접촉단(10)에서 바닥에서 꼭대기로 갈수록 감소될 수 있다. 접촉 구역(15)은 바닥면(20), 테이퍼형 내면(21) 및 이들 면(20, 21) 사이에서 이들 면의 둘레 섹션에 근접하게 (즉, 접촉 구역(15)의 축 중심으로부터 떨어져) 배치된 접선 흐름 방향 장치(19) 사이에 규정된다. 따라서, 액체는 바닥면(20)을 통해 접촉 구역(15)과 연통하는 액체 입구(17)를 통해 일반적으로 축 흐름 방향으로 접촉 구역(15)으로 유입될 수 있다. 액체 입구(17)는 접선 흐름 배향 장치(19)보다 접촉 구역(15)의 중심축 (또는 접촉단(10)을 함유하는 용기의 중심축)에 더 가깝다.
따라서, 순환하는 증기는 보통 가장 좁은 단면을 갖는 접촉 구역 개구부 또는 정상부 출구(23)를 통해 접촉 구역(15)에서 배출될 수 있다. 접촉 구역(15)에서 배출된 후, 증기 부피는 접촉단(10)을 수용하는 용기 또는 컨테이너의 전체 직경을 수용하는 출구(23) 위에서 팽창된다. 순환하는 증기의 원심력은 출구(23)에서 나오는 증기로 운반되는 임의의 액체를 용기 주변으로 배향시켜, 접촉 구역 출구(23) 위의 팽창된 직경 공간에서 증기-액체 분리가 일어날 수 있다. 분리된 액체는 이후 테이퍼형 내면(21)에 대향하는 접촉 구역(15) 외부의 만곡된 외면(24)을 가로질러 하방으로 흐를 수 있다. 따라서, 내면 및 대향 외면(21, 24)은 일반적으로 평활하고 접촉 구역(15)에서 안정한 회전 와류를 유지할 수 있는 흐름 배향 배플(25)의 표면일 수 있다. 내면 및 대향 외면은 일반적으로 만곡되나, 직선을 따라 비스듬하게 가늘어지는 테이퍼형 내면 및/또는 똑바른 사선의 대향 외면과 같은 평면도 가능하다. 중심 블레이드 로터(도시되지 않음)와 같은 추가의 요소를 이용하여 소용돌이 흐름을 증대시킬 수 있으나, 이러한 요소는 선택적이다. 만곡된 외면(24)을 따라 다시 아래로 흐르는 분리된 액체는 액체 드레인(26)으로 향할 수 있다.
접촉 구역에서 나오는 증기 및 액체를 분리하기 위하여 원심력에만 의존하기 보다는, 원치 않는 혼입 유체, 특히 분리된 액체 중 혼입된 증기의 양을 예컨대 도 3에 도시된 다단 증기-액체 접촉 장치에 도시된 바와 같은 증기-액체 분리 장치를 이용하여 현저히 감소시킨다. 편의상 3개의 연이은 접촉단(10)이 도시되어 있으나, 증류 칼럼과 같은 장치내의 총 단수는 흔히 더 많은 것으로 이해된다. 본 명세서에 개시된 와류 접촉단과 함께 다른 유형의 접촉단(예컨대 다공판 트레이)을 사용할 수 있다. 또한, 간략을 위해, 유체 도입 및 배출(예컨대, 공급물, 탑상 응축기 액체 및 바닥 재비기 증기의 도입 및 분류된 생성물의 배출)을 위한 외부 입구 및 출구 라인은 도시되어 있지 않다.
도 1에서와 같이, 각 접촉 구역(15)은 바닥면(20), 테이퍼형 내면(21) 및 접선 흐름 배향 장치(19) 사이에 규정되며, 관련된 증기 입구(22) 및 액체 입구(17)를 구비한다. 그러나, 도 3에서, 증기-액체 분리 장치(30)는 테이퍼형 내면(21)의 정상부를 형성하는 입구면(31)으로 도시된다. 증기-액체 분리 장치(30)의 이 입구면(31)은 접촉 구역(15)과 유체 연통된다. 따라서, 증기-액체 분리 장치(30)는 접선 흐름 배향 장치(19)와 같이 링 형상일 수 있다. 도 3에 도시된 구현예에서, 상기 링의 입구 (또는 내부) 면(31)은 접촉 구역(15)의 정상부에서 최소 직경을 제공하여, 증기-액체 분리 장치(30)에 의하여 제공되는 테이퍼형 내면(21)의 정상부는 직경이 일정한 부분이 된다.
도 3에서는, 도 1의 와류 접촉단과 달리, 유체가 정상부 개구를 통해 축상으로 접촉 구역(15)으로부터 배출되는 것이 아니라 증기-액체 분리 장치(30)의 입구면(31)을 통해 방사상 방향으로 전향된다. 증기-액체 분리 장치(30)에서 동심판 (또는 분리판) 형태의 연무 제거기와 같은 물리적 분리 구조는 증기 및 액체 스트림을 접촉 후 원심력 및 증력만으로 분리하여 소정 분리를 달성하는 이점을 제공한다. 특히, 입구면(31)을 통해 강제되는 배출 유체는 분리 또는 탈리된 증기 및 액체 스트림으로서 출구면(32, 33)을 통해 나오기 전에 물리적 분리 구조와 접촉해야 한다. 비교적 콤팩트한 공간에서 효과적인 분리가 제공된다.
도 3에 도시된 구현예에서, 이들 출구면 중 하나는 입구면(31)과 동심이고 링 형상의 증기-액체 분리 장치(30)의 더 큰 직경을 갖는 외부 출구면(32)이다. 외부 출구면(32) 아래에 증기-액체 분리 장치(30)의 바닥 출구면(33)이 있다. 증기-액체 분리 장치(30)의 입구면(31), 외부 출구면(32) 및 바닥 출구면(33)을 통한 유체 통과는 예컨대 이들 면에서 다공판을 이용함으로써 이들 면이 적어도 부분적으로 개방될 경우 달성될 수 있다. 대조적으로, 물리적 분리 구조와의 유의적인 접촉 없이 유체가 증기-액체 분리 장치(30)에서 배출되는 것을 방지하기 위하여 정상부 면(34)은 무공성일 수 있다. 또한, 별도의 두 출구면(32, 33)이 도 3에 도시되나, 다른 구체예에서는 단 하나의 출구면이 필요할 수 있다. 예컨대, 별도의 출구면(32, 33)이 더 이상 구분되지 않도록 외부 출구면(32) 및 바닥 출구면(33) 사이의 코너 접합부가 만곡될 수 있다.
증기-액체 분리 장치에서 사용하기 위한 적당한 물리적 분리 구조의 한 예는 복수의 방사상 스택형 판을 포함한다. 상기 분리 장치는, 접촉 구역(15)에서 나오는 (예컨대, 증기 및 액체 분획을 모두 함유하는) 유체가, 표면을 제공하고 유체 유로를 복잡하게 하여 효과적으로 증기-액체 분리를 달성하는 스택형 판 사이에서 방사상 외부로 흐르도록 판이 방사상으로 스택킹되게 배열될 수 있다. 따라서, 일 구현예에서, 증기-액체 분리 장치(30)는 링 형상의 복수의 판을 포함한다. 이들 판은 접촉 구역(15)의 정상부 주위에 방사상 배열로 유지될 수 있으며, 상기 판의 내부 직경은 증기-액체 분리 장치(30)의 입구면의 적어도 일부를 형성한다.
상기 판의 방사상 배열은 특정 구현예에서 슬롯 보유 링을 이용하여 유지될 수 있다. 도 2는 방사상 배열에서 외부 슬롯(45)을 이용하여 판을 고정하기 위한 대표적인 외부 슬롯 보유 링(40)을 도시한다 (예컨대, 이들 판의 평면이, 팽창될 경우, (i) 외부 슬롯 보유 링(40), (ii) 방사상 판 및 보유 링이 둘러싸는 접촉 구역(15) 및/또는 접촉 구역(15)을 포함하는 증기-액체 접촉 장치의 중심축과 일치하는 공통선에서 교치하도록). 따라서, 외부 슬롯 보유 링(40)은 내부 둘레(47)에 절삭 가공된 복수의 슬롯(45)을 갖는다. 방사상으로 스택킹된 판을 유지 또는 보유하기 위하여 외부 슬롯 보유 링(40)과 결합되어 사용되는 내부 보유 링(도시되지 않음)은 유사한 고리 형상을 가지나, (예컨대, 접촉 구역의 정상부 섹션의 직경에 맞는) 더 작은 내부 직경과 더 작은 외부 직경 및 그 둘레에 슬롯을 갖는다.
증기-액체 분리 장치에 사용하기 위한 다수의 적당한 분리 구조가 가능하다. 이들 구조는 예컨대 다양한 채널 및 미늘살을 구비한 날개형 연무 제거기와 같은 연무 제거기를 포함하며, 연무 제거기를 통과한 유체가, 임의의 혼입 액적이 분리 구조 부분에 충돌하여 연무 제거기의 바닥까지 아래로 흐르도록 하는 방향으로 여러 변화를 거친다. 공지된 증기-액체 분리 구조체의 다른 예는 메시 패드 또는 직조사이다. 이들 연무 제거기 기술의 조합도 이용될 수 있다. 연무 제거기를 위한 다양한 분리용 (또는 분리) 구조, 이들 구조와 협력하는 다공판 및 무공판, 및 이들 구조 및 판의 배향은 예컨대 US 7,424,999호 7 칼럼, 16∼64 라인 및 9 칼럼, 61 라인 내지 11 칼럼 30 라인에 상세히 개시되며, 이 내용은 본 명세서에 참고로 포함된다.
도 3의 다단 증기-액체 접촉 장치에서 접촉 구역(15)을 통한 액체 및 증기 상의 흐름은 도 4A 및 4B에 나타낸다. 도 4A에 나타낸 바와 같이, 액체는 증기-액체 분리 장치(30)의 각 입구면(31)을 통해 각 단의 접촉 구역(15)에서 배출된다. 분리된 액체는 주로 테이퍼형 내면(21)에 대향하는 접촉 구역(15) 외부의 만곡된 외면(24)과 연통하는 바닥 출구면(33)을 통해 나온다. 따라서, 분리된 액체는 만곡된 외면(24) 아래로 빠져 나가며, 상기 만곡된 외면 위에는 이 액체 중에 잔존하는 임의의 증기 기포의 추가 분리에 충분한 공간이 있다. 액체 유로는 만곡된 외면(24)이 종결되는 액체 하강관(35)에 의하여 도 4A에 더 규정된다. 액체 하강관(35)은 바로 아래의 또는 하부의 각 와류 접촉단의 액체 입구(17)와 유체 연통된다. 특히 액체 하강관(35)은 증기-액체 분리 장치(30)의 바닥 출구면(33)을 통해 와류 접촉단에서 배출되는 분리된 액체를 이들 액체 입구(17)로 향하게 한다. 도 3, 4A, 및 4B에 도시된 바와 같이, 주어진 와류 접촉단의 액체 하강관(35)은 모두 바로 아래의 각 와류 접촉단 주위 (또는 이의 외부)의 고리형 공간에서 연장될 수 있다. 따라서, 이들 고리형 공간은 본 명세서에 개시된 바와 같이 와류 접촉단을 둘러싸는 증기-액체 접촉 장치의 고리형 영역에 포함될 수 있다.
도 4B는 와류 접촉단(10)을 통한 증가의 흐름을 도시한다. 특히, 접촉 구역(15)에서 배출되는 증기는 증기-액체 분리 장치(30)의 입구면(31)을 통해 흐르고 혼입된 액체를 운반한다. 혼입 액체의 함량이 실질적으로 감소된 분리된 증기는 이후 주로 입구면(31)의 반대쪽에 있고 입구면(31)보다 큰 직경을 갖는 외부 출구면(32)을 통해 이 장치(30)로부터 나온다(예컨대, 대향 면(31, 32)은 링 형상의 증기-액체 분리 장치(30)의 동심 내면 및 외면임). 증기-액체 분리 장치(30)의 외부 출구면(32)은 바로 위의 또는 상부의 와류 접촉단(10)의 증기 입구(22)와 유체 연통된다.
본 발명의 양태는, 와류 접촉단에서 배출되는 액체를 적당한 접촉 구역, 즉 장치의 바로 아래 단의 접촉 구역으로 효과적으로 전달하기 위한, 상기 개시된 바와 같은 액체 하강관의 용도와 관련된다. 일반적으로, 와류 접촉단으로부터 배출되는 액체 안의 임의의 증기 기포의 혼입된 분획은 플러딩 경향을 발생시킬 수 있다. 이러한 잠재적인 플러딩 경향에 대처하기 위하여, 분리된 액체가 와류 접촉단으로부터 바로 아래의 단으로 흐르게 할 수 있는 액체 하강관의 채널 또는 파이프는 자기 환기 흐름을 위해 충분히 큰 사이즈여야 한다. 적당한 치수 부여 관계는 예컨대 문헌[Sewell, A., "Practical Aspects of Distillation Column Design", THE CHEMICAL ENGINEER, 299/300: 442 (1975)]에 나와 있는데, 이것은 소정의 자기 환기 흐름을 위해 요구되는 최소 평균 수압 직경을 예측하는 데 사용될 수 있다.
적당한 하강관 치수 부여 외에, 안정한 와류의 형성 및 유지가 가능하도록 증기-액체 접촉 장치 및 그 와류 접촉단의 축 대칭성이 보존되어야 하므로 단에서 단으로의 액체 경로는 더 복잡해진다. 또한, 액체를 연속 접촉단으로 통과시키기 위한 액체 하강관의 채널은 이상적으로는 각 단에서 액체 입구를 통해 와류 주변부에서 이 액체를 균일하게 분산시켜야 한다. 대칭성을 증가시키는 것은 유리하게도 액체가 그 중심축 주위에서 불균일 방식으로 와류 접촉 구역으로 유입되는 경우에 비하여 광범위한 흐름 비율에 걸쳐 안정한 조작을 제공한다. 기계적 관점으로부터의 다른 고려는 일반적인 증기-액체 접촉 장치의 수직 원통형 외피에서 유출되고 재유입되는 분리 액체용 배관을 피하는 것인데, 이러한 외부 배관은 상당한 설치 노동 및 비용을 요하기 때문이다.
도 3, 4A 및 4B에 도시된 외부 고리형 하강관(35)은 다수의 와류 접촉단을 갖는 증기-액체 접촉 장치에서 액체의 전달과 관련된 이러한 고려를 유리하게 다룬다. 운전시, 분리 액체는 접촉 구역(15) 외부의 흔히 만곡된 외면(24)으로부터 수집되어 이들 구역의 외부 주위에 배치된 고리형 영역 또는 공간으로 빠져 나간다. 이 공간에서 연장되는 하강관(35)은, 다양한 와류 접촉단으로부터, 종종 증기-액체 접촉 장치 자체의 중심축인 접촉 구역(15)의 중심축 주위에 대칭으로 배치된 액체 입구 바로 아래로, 바람직하게는 이것을 통해 적절한 와류 접촉단까지 분리된 액체를 전달한다.
하강관(35)에서 배출되는 분리 액체의 이러한 전달을 위한 특정 구조가 도 5A 및 5B에 도시된다. 이들 구조는 분리된 액체가 하강관(35)으로 빠져 나가는 외면(24)과 연통하는 부분 (예컨대 상부 부분) 반대쪽의 액체 하강관(35) 말단 부분(예컨대 하부 부분)에서 또는 그 근처에서 연장된다. 더 구체적으로, 상기 연장되는 구조는 액체의 일부 또는 전부를 바닥면(20)을 통해 접촉 구역(15)으로 도입하기 위한 도관 역할을 한다. 상기 논의한 바와 같이, 액체 입구(17)를 제공하는 이들 액체 도관은 바람직하게는 각 접촉 구역(15)의 중심축 주위에 분포된다. 도 5A의 구체예에서, 액체가 하강관(35)을 통해 제공되는 와류 접촉단 바로 아래의 와류 접촉단에 있는 이 접촉 구역으로 통하는 액체 입구는 액체 하강관(35)의 말단 부분으로부터 연장되는 하나 이상의 딥 파이프 도관(50)을 포함한다. 도 5B의 구현예에서, 하강관(35)으로부터 연장되는 도관은 바로 아래의 접촉 구역(15)에 액체 입구의 일부 또는 전부를 제공하는 트로프 도관(55)이다. 도 5A 및 5B에서 딥 파이프 도관(50) 또는 트로프 도관(55)의 배치는 이들 도관(50, 55)이 관련 접촉 구역을 부분적으로 규정하는 바닥면(20) 아래로 연장되도록 하는 배치이다. 일반적으로, 바닥면(20) 아래로 연장된 후 바닥면(20)을 통해 상방으로 유도되는 도관의 배향은 고정적인 액체 레벨을 제공할 수 있고 이로써 증기가 액체 입구를 통해 접촉 구역(15)으로 유입되는 것을 방지하기 위한 (즉, "블로우 바이(blow by)" 증기 제거를 위한) 액체 씰의 보장을 도울 수 있다.
일반적으로, 복수의 액체 하강관(35)은 상기 논의한 바와 같이 주어진 와류 접촉단으로부터 상기 와류 접촉단 외부의 고리형 공간 내의 인접하는 아래의 와류 접촉단으로 액체를 전달할 수 있다. 따라서, 임의의 두 특정 단 사이에서 액체를 전달하기 위한 액체 하강관은 고리형 공간의 구분된 섹션에서 연장되고 바람직하게는 이 고리형 공간에서 균일한 방사상 간격 또는 원주 간격을 갖고 배치된 액체 하강관 세그먼트 형태일 수 있다. 주어진 단의 몇몇 하강관의 이러한 균일한 간격은 접촉단의 양호한 대칭성을 제공하는 것을 도울 수 있다. 접촉 구역에 대한 대칭성 및 효과적인 방사상 분포가 유지되는 특정 구체예에서, 이들 방사상으로 이격된 하강관 세그먼트로부터 연장되는 복수의 도관(예컨대, 5A 및 5B의 딥 파이프 또는 트로프)은 접촉 구역의 중심축 주위에 균일하게 이격된 방사상 위치에서 바닥면을 통해 직접 아래의 접촉 구역과 연통한다
따라서, 상기 논의된 바와 같은 증기-액체 분리 장치에서 배출되는 분리 액체의 유로를 제공하는 주어진 와류 접촉단의 외면은 복수의 와류 접촉단 외부의 고리형 공간에 배치된 구분된 방사상 섹션에서 연장되는 복수의 액체 하강관 세그먼트에서 종결될 수 있다. 도 3에 도시된 바와 같이, 액체 하강관(35)의 바닥은 바로 아래의 접촉단의 액체 하강관(35a)의 정상부 아래로 연장된다. 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이, 고리형 공간(60)은 교대하는 하강관과 세그먼트들로 나뉠 수 있다. 특히, 고리형 공간(60)의 구분된 방사상 이격된 섹션에서 연장되는 주어진 접촉단의 액체 하강관 세그먼트(35')는 바로 아래의 와류 접촉단의 액체 하강관 세그먼트(35a') 및 바로 위의 와류 접촉단의 액체 하강관 세그먼트(35b') 사이에 방사상으로 배치된다. 도 6에서 수평 화살표는 액체가 N번째 및 N+1번째 접촉단에서 배출되고 여기로 유입되는 대표적인 수평 레벨을 도시한다.
다른 구현예에서, 일련의 파이프가 고리형 공간 내의 하강관 세그먼트를 대체할 수 있는데, 상기 파이프들은 증기-액체 접촉 장치의 수직벽 내부에 배치된다. 그러나, 파이프의 사용은 유동 면적을 감소시키며 (따라서 더 큰 전체 용기 직경을 필요로 할 수 있으며) 결과적으로 제조가 더 복잡할 수 있다(예컨대, 추가의 용접). 그러나, 파이프는 또한 벽에서 더 효과적으로 액체 씰을 제공하여, 바로 아래의 와류 접촉단으로의 액체 누출에 대한 우려를 완화시킬 수 있다. 본 개시 내용의 지식을 가진 당업자라면 임의의 주어진 증기-액체 접촉 예를 위해 파이프 또는 고리형 하강관 세그먼트를 이용하는 것 간의 균형을 이해할 것이다.
또다른 특정 구현예에서, 와동하는 내부 유체의 토크에 의하여 유발되는 용기 상의 기계적 응력은 교대하는 와류 접촉단에서 소용돌이의 방향을 역전시킴으로써 감소된다. 이로써 교대하는 단에서 유래하는 토크가 효과적으로 서로 상쇄되고 전체 응력 감소로 증기-액체 접촉 장치 용기의 용기 벽을 더 얇게 할 수 있어 비용이 절감될 수 있다.
본 발명의 전체적인 양태는 반응기 및 증류 칼럼과 같은 임의 수의 증기-액체 접촉 장치의 성능을 개선시키기 위하여 하나 이상의 와류 접촉단을 사용하는 것에 관한다. 당업자라면 본 명세서에 개시된 장치, 접촉단 및 관련 방법의 이점 및 다른 응용에서의 이들의 적합성을 인식할 것이다. 본 개시 내용의 관점에서, 다른 유리한 결과가 얻어질 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본 개시 내용으로부터 얻어진 지식을 갖는 당업자는 본 개시 내용의 범위로부터 일탈하지 않으면서 상기 장비 및 방법에 다양한 변경을 할 수 있음을 인지할 것이다. 이론적 또는 관찰되는 현상 또는 결과를 설명하기 위하여 사용된 메카니즘은 첨부된 청구범위의 범위를 어떤 식으로든 제한하지 않고 단지 예시적으로만 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. (a) 원형 단면을 갖고, 바닥면(20), 테이퍼형 내면(21) 및 이들 사이에서 바닥면(20)과 테이퍼형 내면(21)의 둘레 섹션에 근접하게 배치된 원통형 접선 흐름 배향 장치(19) 사이에 규정된 접촉 구역(15);
    (b) 상기 접선 흐름 배향 장치(19)와 연통하는 증기 입구(22);
    (c) 상기 바닥면(20)을 통해 상기 접촉 구역(15)과 연통하는 액체 입구(17); 및
    (d) 상기 테이퍼형 내면의 정상부를 형성하고 상기 접촉 구역(15)과 유체 연통하는 입구면(31)을 포함하는 증기-액체 분리 장치(30)
    를 포함하는 와류 접촉단(10)을 포함하는 증기-액체 접촉 장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 증기-액체 분리 장치(30)는
    (dl) 입구면(31)과 동심이고 더 큰 직경을 갖는 대향 외부 출구면(32), 및
    (d2) 바닥 출구면(33)
    을 추가로 포함하는 것인 접촉 장치.
  3. 제2항에 있어서, 증기-액체 분리 장치(30)의 입구면(31), 대향 외부 출구면(32) 및 바닥 출구면(33)은 각각 다공판을 포함하는 것인 접촉 장치.
  4. 제1항에 있어서, 증기-액체 분리 장치(30)는 슬롯 보유 링(40) 사이에 방사상 배열로 유지되는 복수의 판을 포함하는 것인 접촉 장치.
  5. 제2항에 있어서, 증기-액체 분리 장치(30)의 대향 외부 출구면(32)은 바로 위의 와류 접촉단(10)의 증기 입구(22)와 유체 연통하는 것인 접촉 장치.
  6. 제2항에 있어서, 증기-액체 분리 장치(30)의 바닥 출구면(33)은 테이퍼형 내면(21)과 대향하는 접촉 구역(15) 외부의 만곡된 외면(24)과 유체 연통하는 것인 접촉 장치.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항의 증기-액체 접촉 장치의 와류 접촉단(10)의 증기 입구(22)에 증기를 공급하고 액체 입구(17)에 액체를 공급하는 것을 포함하는 증기 및 액체의 접촉 방법.
  8. (a) 접촉 구역(15)의 바닥면(20)과 유체 연통하는 액체 입구(17);
    (b) 원통형 접선 흐름 배향 장치(19)를 통해 상기 접촉 구역(15)과 유체 연통하는 증기 입구(22); 및
    (c) 테이퍼형 내면(21)의 정상부를 형성하고 상기 접촉 구역(15)과 유체 연통하는 입구면(31)을 포함하는 증기-액체 분리 장치(30)
    를 포함하는 복수의 와류 접촉단(10)을 구비한 수직 배치된 원통형 외피를 포함하는 다단 증기-액체 접촉 장치로서,
    상기 접촉 구역(15)은, 원형 단면을 갖고, 바닥면(20), 상기 바닥면(20) 위의 테이퍼형 내면(21) 및 이들 사이에서 바닥면(20)과 테이퍼형 내면(21)의 둘레 섹션에 근접하게 배치된 원통형 접선 흐름 배향 장치(19) 사이에 규정된 것인 다단 증기-액체 접촉 장치.
  9. 제8항에 있어서, 증기-액체 분리 장치(30)가
    (dl) 바로 위의 와류 접촉단(10)의 증기 입구(22)와 유체 연통하고 입구면(31)과 동심인 대향 외부 출구면(32), 및
    (d2) 테이퍼형 내면(21)과 대향하는 접촉 구역(15) 외부의 외면과 유체 연통하는 바닥 출구면(33)
    을 추가로 포함하는 다단 증기-액체 접촉 장치로서,
    상기 외면이, 바로 위 및 바로 아래의 와류 접촉단(10)의 액체 하강관 세그먼트 사이에 방사상으로 배치되고 복수의 와류 접촉단(10) 외부의 고리형 공간의 구분된 섹션에서 연장하는 복수의 액체 하강관 세그먼트에서 종결되는 것인 다단 증기-액체 접촉 장치.
  10. 제1항에 기재된 복수의 와류 접촉단(10)을 포함하는 다단 증기-액체 접촉 장치로서, 상기 와류 접촉단은 각각 증기-액체 분리 장치(30)를 구비하고, 상기 증기-액체 분리 장치는 (i) 바로 위의 와류 접촉단의 증기 입구(22) 및 (ii) 바로 아래의 와류 접촉단의 액체 입구(17)와 유체 연통하는 액체 하강관과 유체 연통하는 출구면을 갖는 것인 다단 증기-액체 접촉 장치.
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