KR101376917B1 - 유동화 고체층으로 기체 스트림을 주입하는 장치 - Google Patents

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Abstract

기체 분배 장치에서 사용을 위한 주입 노즐이 개시된다. 일 측면에서, 주입 노즐은 유체 유입구 및 유체 유출구를 가지는 튜브를 포함할 수 있으며, 상기 유입구는 다수의 유동 제한 오리피스를 포함한다. 다른 측면에서, 본 발명에 개시된 실시예는 기체 분배 장치에서 사용을 위한 주입 노즐에 관련된 것이고, 주입 노즐은 유체 유입구 및 유체 유출구를 가지는 튜브를 포함하고, 상기 유체 유입구는 유동 제한 장치를 둘러싸는 링형 오리피스를 포함한다. 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐은 용기 내에서 사용되는 기체 분배 매니폴드에 배치될 수 있고, 예를 들어, 용기는 여러 가지 중에서 중합 반응, 폐촉매 재생성 및 석탄 가스화를 수행한다.

Description

유동화 고체층으로 기체 스트림을 주입하는 장치{DEVICES FOR INJECTION OF GASEOUS STREAMS INTO A BED OF FLUIDIZED SOLIDS}
본 발명에 개시된 실시예는 일반적으로 유동화 고체층으로 기체 스트림을 주입하는 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명에 개시된 실시예는 주입 노즐에 관한 것이다.
정제 및 화학 처리 산업뿐만 아니라 다른 처리 산업에 있어서, 미세하게 분해된 고체층으로 기체 스트림을 주입하여 층의 단면을 통해 기체를 균일하게 확산시키는 것은 종종 필수적이다. 기체의 주입은 기체와 고체간의 화학 작용 및/또는 기체와 고체간의 대량 전송 작업의 목적을 달성하기 위하여 기체 매체와 고체층과의 균일하고 밀착적인 접촉을 증진시키기 위하여 설계된다.
일반적으로 유동층으로 기체를 주입하는 장치는 홀을 가지는 평면 그리드 플레이트(flat grid plate), 파이프 그리드 시스템 또는 연속된 동심윈의 링으로 구성된다. 분배기는 층 전체로 기체의 분배를 가능한 촉진시키기 위하여 층의 단면만큼을 물리적으로 덮도록 설계된다. 기체는 중심 소스로부터 평판 플레이트 분배기의 아래 공간으로 도입되거나 파이프 그리드의 메인 헤더 및/또는 링 분배기로 도입된다. 기체는 중심 소스로부터 파이프 그리드 및/또는 링 시스템의 전역을 흘러, 다수의 노즐을 통해 층으로 흐르며, 다수의 노즐은 층으로 기체를 균일하게 분배한다. 플레이트 그리드 분배기는 상부의 기체 및/또는 고체층의 중량에 의해 가해지는 압력을 잘 견디기 위하여 일반적으로 완전한 평판이 아닌 위쪽으로 약간 나오거나 아래쪽으로 약간 들어가게 형성된다. 플레이트 그리드 분배기는 노즐을 포함할 수도 있고 포함하지 않을 수 있으나, 일반적으로는 층으로 기체가 흐를 수 있도록 플레이트에 형성된 홀의 패턴만을 사용한다. 고체의 유체층을 위한 기체 분배기의 다른 실시예들은 돔형의 분배기를 포함하고, 이는 “머쉬룸(mushroom)” 분배기로 불린다.
기체 매체의 균일한 분배를 달성하기 위하여, 일반적으로 주입 노즐은 단면부를 가지도록 설계되며, 단면부는 주입 노즐을 통해 분배 헤더로부터 고체층으로 기체의 흐름이 발생하도록 압력강하를 야기한다. 주입 노즐에 걸친 양의(positive) 압력강하의 유지는 배출지점에서의 층의 압력에 발생할 수 있는 차이에도 불구하고 기체가 모든 주입 노즐에 균등하게 흐르는 것을 보장한다. 기체가 고체층을 통해 위쪽으로 흐르면, 층은 “유동화”되고 액체로 동작하기 시작한다. 이러한 고체의 유동화층은 유사한 밀도 및 깊이의 액체에서와 동일한 방식으로 층의 깊이 및 기체/고체 혼합물의 밀도에 비례하여 압력을 가할 것이다. 일반적으로, 이러한 유동화 고체층의 깊이는 수 피트(feet)에서 30 피트 이상의 범위를 가질 수 있고, 유동화 고체층의 밀도는 수 pcf(Pounds per Cubic Foot)에서 40 pcf를 넘는 범위까지 측정되는 것을 볼 수 있다. 유동화 고체의 기둥에 의해 가해지는 결과적인 압력은 작게는 1 psi(Pound per Square Inch)에서 높게는 10 psi 이상의 범위를 가질 수 있다. 게다가, 고체층은 종종 매우 불안정하고, 이는 층의 어느 한 지점에서의 압력은 시간에 따라 변동하고 주어진 층의 깊이에서 지점마다 달라질 수 있음을 의미한다. 이러한 이유로, 층내의 기체 분배기 위치에서 예상되는 압력 변동을 극복하기 위하여 충분한 압력강하를 가지는 기체 분배기를 설계하는 것이 중요하다. 기체 분배기의 설계를 위한 일반적인 “경험 법칙”은 최소 압력강하는 하향의 주입 노즐에 대한 층 압력강하의 15%가 되어야 하고 상향의 분배기에 대한 층 압력강하의 30%가 되어야 한다는 것이다.
기체 매체의 균일한 분배를 위한 최소 압력강하를 유지하는 것에 더하여, 또한 주입 노즐은 상대적으로 빠른 속도로 기체를 층으로 배출하도록 설계되어야 한다. 기체 속도가 너무 느린 경우, 압력 진동은 일시적으로 고체가 반대방향으로 압력을 받도록 야기할 수 있고, 고체를 층으로부터 주입 노즐로 흐르게 할 수 있다. 고체가 고체 덩어리로 되는 경우, 고체의 지속적인 침식작용 및/또는 주입 노즐의 막힘으로 인해 주입 노즐의 부식을 야기할 수 있으므로, 이러한 주입 노즐으로의 고체의 역류는 바람직하지 않다. 게다가, 고체가 주입 노즐쪽으로 과도한 압력을 받는 경우, 고체는 메인 헤더로 들어갈 수 있고, 메인 헤더에서 고체는 하류에서 더 먼 하나 이상의 주입 노즐에서 배출될 기체의 흐름에 의해 픽업될 수 있다. 이러한 후자의 경우, 고체가 헤더로 들어간 노즐로부터 하류의 하나 이상의 주입 노즐에서 심각한 부식을 초래할 수 있다. 주입 노즐로의 고체의 역류를 방지하기 위하여, 일반적으로 노즐에서의 속도는 특정 최소값 이상으로 유지되어야 하고, 일반적으로 특정 최소값은 20fps(Feet Per Second)를 넘는다.
유동층에서 기체 분배기를 계속해서 괴롭히는 문제는 고체층으로 배출되는 지점에서 주입 노즐의 부식이다. 오랜 시간 동안 주입기의 배출단에서 고체 입자의 영향은 주입기 팁의 점진적인 마모를 야기할 것이다. 마모의 증가로, 노즐의 말단은 헤더를 관통하여 통과하는 주입 노즐의 접촉 부분을 파괴할 만큼 심하게 뒤쪽으로 침식될 수 있다. 그 결과 헤더에 홀이 생성되고 분배기의 성능을 잃게 된다. 이러한 문제가 발생하면, 그리드 또는 링의 성능을 복원하기 위하여 상당한 비용과 시간의 소비가 요구된다.
미세하게 분해된 고체의 층을 사용하는 석유 정제 산업에서 널리 사용되는 공정 중의 하나는 유체 촉매 분해(FCC: Fluid Catalytic Cracking) 공정이다. FCC 공정은 가솔린 및 가벼운 탄화수소와 같이 더 유용한 가벼운 보일링(boiling) 제품을 생산하기 위하여 무거운 보일링 기체 오일 스트림의 분해를 위해 사용된다. FCC 공정은 가솔린의 보일링 범위 내에 놓여 있는 작은 분자를 형성하기 위하여 기체 오일 원료의 탄소-탄소 원자 결합을 파괴하는데 사용하기 위해 분말 형태의 고체 촉매를 사용한다. 가솔린 제품 이외에도, FCC 공정은 프로판 및 부탄과 같은 가벼운 기체를 상당량 생산하며, 이들은 유용한 제품으로 재생 및 변환된다. 유체 촉매 분해는 석유 정제의 “변환” 공정에서 가장 널리 사용되고, 1940년대 초반 공정 초기부터 하루에 수백만 배럴의 FCC 용량이 설치되어 왔다. 따라서, FCC 공정은 미국뿐만 아니라 전세계 대부분의 석유 정제에서 경제적으로 가장 가치 있고 일반적으로 가장 수익성 있는 공정이다.
FCC 공정에서 사용되는 촉매는 미세하게 분해된 고체로, 고체는 결정 및 비결정 형태로 주로 실리카(silica) 및 알루미나(alumina)로 구성된다. 분말 촉매의 사용은 FCC 공정의 성공에 기여하기 위한 핵심 기능이고 “유동화”라고 알려진 공정 작업의 전체 부분의 발전을 이끈다. 미세하게 분해된 분말 촉매는 공기 또는 다른 기체에 의해 적절히 분무 또는 “유동화” 되는 경우에 액체로서 동작할 수 있다. 유동화 분말은 액체로서, 선의 흐름을 만들 수 있고 용기 내에서 레벨을 형성할 수 있을 것이다. 또한, 유동화 분말은 액체로서, 용기 내부 또는 수직 스탠드파이프(Standpipe) 내에서 혼합물의 밀도 및 깊이에 비례하게 압력수두(hydraulic pressure head)를 생성할 것이다. 또한, 기체가 충분한 속도를 가지고 있는 경우, 분말은 기체 스트림에 의해 압축 공기로 전송될 수 있다. 용기 간에 분말 촉매를 흐르게 하는 능력은 실행 가능한 촉매 분해 공정의 발전에 상당한 도움이 되었다. 초기 촉매 팔레트의 혼합층을 사용하는 시도는 분해의 부산물인 “코크(coke)” 침전물의 제거를 위해 촉매를 자주 재생성해야 하는 점에서 큰 문제가 있었다. 일부 수소 및 황을 가지는 탄소로 주로 구성된 코크는 촉매를 비활성화시키고, 코크는 연소 단계에 의해 반드시 제거되어야 한다. “유동화” 촉매를 사용함으로써, 촉매는 FCC 유닛의 반응용기와 재생성용기 사이를 계속적으로 순환할 수 있으며, 이로 인해 반응단계 및 재생성단계를 수행하기 위한 순환 공정이 필요없다.
FCC 공정에서 많은 용량의 공기가 촉매로부터 코크를 제거하고 촉매 활동을 회복시키기 위한 재생성 용기에서 사용된다. 일반적으로 공기는 파이프 그리드 또는 링형 분배기에 의해 코크화된 촉매층으로 주입된다. 또한, FCC 공정은 스트리핑(stripping)부에서 대형 파이프 또는 링형 분배기를 사용하고, 스트리핑부는 촉매를 재생성기로 보내기 전에 함유된 탄화수소를 제거하기 위하여 폐촉매(spent catalyst)를 스트림에 접촉시킨다. 소형 파이프 또는 링형 분배기는 FCC 공정의 다른 곳에서 “유동화” 또는 분무 상태에서 분말 촉매를 유지하기 위하여 스트림 또는 공기 중 어느 하나를 주입하기 위하여 사용된다. 앞에서 설명한 바와 같이, FCC 공정의 각 구역에서 사용하는 주입 노즐은 부식이 될 수 있다.
부식의 유해효과 감소와 분배기의 수명 연장을 위하여 주입 노즐의 디자인을 개선하기 위한 다수의 시도가 있었다. 이러한 시도는 단단하고 부식에 잘 견디는 주입 노즐을 만들기 위한 신형 합금 또는 세라믹 물질의 사용, 금속 오버레이(overlay) 또는 내화물질 층과 같은 단단한 재료를 통한 주입 노즐의 배출단 보호, 및/또는 노즐 디자인의 변경을 포함한다.
FCC 재생성기를 위한 현대 최신의 공기 분배기 디자인은 파이프 그리드 분배기 및 2단계 주입 노즐 디자인을 사용한다. 이러한 설계는 도 1a에 보여지며, 도 1a는 FCC 재생성기의 원형 단면을 덮기 위한 삼각 배열내의 3개의 동일한 그리드로 구성된 파이프 그리드 분배기의 평면도이다. 도 1b는 파이프 그리드 중 하나의 입면도로, 그리드를 지지하는 3개의 가지(branch)를 가지는 바닥으로부터 들어가는 방법을 도시한다. 모든 그리드는 공기가 배출되는 지점에서 가능한 한 균일한 압력을 가지도록 분말 촉매층 내 동일한 높이에서 설치된다. 도 1c는 그리드 암(arm) 중 하나의 단면을 나타내는 것으로, 수직으로부터 45˚ 아래방향으로 배열된 노즐을 나타낸다. 이러한 파이프 그리드 디자인은 촉매층의 단면에 걸쳐 공기를 물리적으로 분배하기에 매우 효율적인 것으로 입증되어 코크의 연소가 매우 균일하다.
도 1d은 공기 주입 노즐 중 하나의 단면도로, 공기 주입 노즐은 2단계 또는 “보르다(Borda)”라고 불리는 튜브를 이용한다. 도 1e 내지 도 1h는 그리드 암 중 하나의 내부에 그리드 배열의 다양한 도면을 보여준다. 금속 그리드 암은 촉매 입자의 마모 작용에 의한 부식으로부터 그리드 암 및 주입 노즐의 최종길이를 보호하기 위한 부식 저항 내화물질로 덮힌다.
보르다 튜브 또는 2단계 노즐은 유입구 말단에서 동심원의 오리피스(orifice)를 가지는 직선의 튜브로 구성된다. 보르다 튜브 디자인에 있어서, 오리피스는 그리드에 걸쳐 공기 분배의 균일성을 개선시키기 위하여 충분한 압력강하를 제공할 수 있는 크기를 가지고, 일반적으로 압력강하는 1 ~ 3 psi 이다. 오리피스는 큰 직경의 튜블러 섹션(tubular section) 뒤에 오고, 튜블러 섹션은 고체 층으로의 배출 속도가 과도한 부식 및/또는 촉매의 소모를 야기하지 않도록 하기 위하여 기체의 속도를 늦춘다. 예를 들어, “Fluid Catalytic Cracking(Joseph W. Wilson, Penwell Publishig, 1997)"의 140 - 141페이지에서는 FCC 응용에서 주입 노즐로 보르다 튜브를 사용하는 것을 개시하고 있다.
튜브내에서 흐름이 다음의 노즐 오리피스로 완전히 이동하도록 하는 보르다 튜브의 바람직한 길이는 튜브 직경의 최소 6배이다. 이는 실험을 통해 정립되었으며, 노즐이 너무 짧은 경우에 배출에서 흐름은 요동치게 될 것이고 노즐 팁에서 과도한 부식이 발생할 것이다.
비록 보르다 튜브 디자인 및 노즐의 생성시 단단한 물질의 사용 및/또는 노즐 팁의 보호는 FCC 서비스에서 그리드 분배기 수명의 향상을 가져오나, 이러한 디자인은 여전히 부식 마모가 발생하고, 부식 마모는 그리드 암에서 개별적인 노즐의 정기적인 교체 또는 전체 그리드 암의 교체를 요구한다. 예정된 정지 시간 동안 이러한 수리를 하는 것은 어려우며, 정기보수를 수행하기 위하여 요구되는 시간이 증가할 수 있다.
미국특허(US 4,223,843)에는 FCC 촉매 재생성 공정을 위해 사용되는 공기 분배기의 다른 예를 개시하고 있다. 개시된 바에 의하면, 공기 분배기는 헤더 링 내 및 원통의 하우징 내에 복수의 노즐을 포함하고, 각 노즐에는 고압의 공기를 분사하기 위한 확산 구멍이 형성된다. 각 노즐의 확산 구멍은 폐촉매의 파괴 없이 최대의 공기 속도를 제공하기 위하여 7˚ 보다 작은 반각(half angle)으로 형성된다.
미국특허(US 4,460,130)는 중심 구멍을 가지는 매니폴드(manifold)의 외부에 배치되는 주입 노즐 및 노즐에서부터 중심 통로로 연장된 유입구를 개시한다. 유동 방향에서 노즐내의 중심 구멍의 단면은 유입구 구멍의 적어도 하나의 지점만큼 작아서, 유입구 및 노즐을 관통하는 중앙의 통로로부터 흐르는 기체 내 압력 강하의 주요 부분은 노즐에 의해 생성된다. 중심 구멍은 분출 및 와류 형성을 방지하기 위하여 15˚ 보다 작은 각도로 표면상으로 나누어진다.
부식 마모를 줄이는 기체 분배 장치에 대한 기술의 필요성은 여전히 존재한다.
일 측면에서, 본 발명의 실시예는 유동화 고체층으로 기체 스트림을 주입하는 장치에 관련된 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명에서 개시된 실시예는 주입 노즐에 관련된 것이며, 주입 노즐은 주입 노즐의 부식을 감소시키거나 방지하도록 하는 기체 속도 프로파일을 얻을 수 있다.
한 측면에서, 본 발명에 개시된 실시예는 기체 분배 장치에서 사용하기 위한 주입 노즐에 관련된 것으로, 상기 주입 노즐은 유체 유입구 및 유체 유출구를 가지는 튜브를 포함하되, 상기 유입구는 복수의 유동(flow) 제한 오리피스(orifice)를 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명에 개시된 실시예는 기체 분배 장치에서 사용하기 위한 주입 노즐에 관련된 것으로, 상기 주입 노즐은 유체 유입구 및 유체 유출구를 가지는 튜브를 포함하되, 상기 유체 유입구는 유동 제한 장치를 둘러싸는 링형 오리피스를 포함한다.
다른 측면에서, 본 발명에 개시된 실시예는 기체 분배 장치에 관련된 것으로, 상기 기체 분배 장치는 복수의 주입 노즐 및 기체 소스와 유체를 교환하는 분배 매니폴드(manifold)와, 분배 매니폴드 및 유체 유출구 내에 배치되는 유체 유입구를 포함하는 복수의 주입 노즐 각각을 포함하고, 상기 유체 유입구는 복수의 유동 제한 오리피스를 포함한다. 다른 실시예에서, 상술한 기체 분배 장치는 용기 내에 배치될 수 있고, 예를 들어, 기체 분배 장치는 중합 반응, 폐촉매 재생성 또는 석탄 가스화를 수행하는 용기 내에서 기체를 분배한다.
다른 측면에서, 본 발명에 개시된 실시예는 기체 분배 장치에 관련된 것으로, 상기 기체 분배 장치는 복수의 주입 노즐 및 기체 소스와 유체를 교환하는 분배 매니폴드와, 분배 매니폴드 및 유체 유출구 내에 배치되는 유체 유입구를 포함하는 복수의 주입 노즐 각각을 포함하고, 상기 유입구는 유동 제한 장치를 둘러싸는 관형 오리피스를 포함한다. 다른 실시예에서, 상술한 기체 분배 장치는 용기 내에 배치될 수 있고, 예를 들어, 기체 분배 장치는 중합 반응, 폐촉매 재생성 또는 석탄 가스화를 수행하는 용기 내에서 기체를 분배한다.
다른 측면 및 장점은 아래의 설명 및 첨부한 청구항으로부터 알 수 있을 것이다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐은 안정한 속도 프로파일, 주입 노즐 유출구에서 균일한 속도 및 음의(negative) 유동 속도를 가지는 제한된 지역 중에서 하나 이상의 장점을 제공할 수 있다. 장점으로서, 이러한 주입 노즐은 부식 감소, 촉매 소비 감소 및 기체 분배의 개선 중에서 하나 이상의 결과를 얻을 수 있다.
도 1a(평면도) 및 도 1b(입면도)는 종래 기술의 파이프 그리드(grid) 분배기를 보여준다.
도 1c는 보르다(Borda) 튜브 주입 노즐을 포함하는 도 1a의 종래 기술의 파이프 그리드 분배기의 그리드 암(arm)의 단면도이다.
도 1d는 도 1c에서 사용된 보르다 튜브의 상세도이다.
도 1e 내지 도 1h는 도 1c의 그리드 암 내의 보르다 튜브 배열의 다양한 투시도를 나타낸다.
도 2a(단면도) 및 도 2b(유입구 말단 도면)는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 보여준다.
도 3a(단면도) 및 도 3b(유입구 말단 도면)는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 보여준다.
도 4a(단면도) 및 도 4b(유입구 말단 도면)는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 보여준다.
도 5a(단면도) 및 도 5b(유입구 말단 도면)는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 보여준다.
도 6a(단면도) 및 도 6b(유입구 말단 도면)는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 보여준다.
도 7a(단면도) 및 도 7b(유입구 말단 도면)는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 보여준다.
도 8a(단면도) 및 도 8b(유입구 말단 도면)는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 보여준다.
도 9a(단면도) 및 도 9b(유입구 말단 도면)는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 보여준다.
도 10은 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 포함하는 파이프 분배기 그리드 암의 단면도이다.
도 11은 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 포함하는 파이프 분배기 그리드 암의 단면도이다.
도 12는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 포함하는 평판 플레이트 분배기를 포함하는 용기의 단면도이다.
도 13은 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 포함하는 평판 플레이트 분배기를 포함하는 용기의 단면도이다.
도 14a 내지 도 14e는 CFD(Computation Fluid Dynamics) 분석으로부터 발생된 표준 보르다 튜브 주입 노즐에 대한 내부 유동 패턴을 보여준다.
도 15a 내지 도 15k는 오리피스로부터의 분출의 불안정성과 이동성 및 불안정성이 어떻게 튜브의 말단까지 존재하는지 나타내는 표준 보르다 튜브 주입 노즐의 CFD 애니메이션으로부터 연속된 프레임을 보여준다.
도 16a 내지 도 20은 CFD 분석을 기반으로 보르다 튜브 및 변형된 보르다 튜브에 대한 내부의 유동 패턴을 보여준다.
도 21 내지 도 25는 CFD 분석을 기반으로 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐에 대한 내부의 유동 패턴을 보여준다.
도 26 내지 도 31은 표준 보르다 튜브에 대한 내부의 유동 패턴에 대해 CFD 분석을 기반으로 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐에 대한 내부의 유동 패턴을 비교한다.
일 측면에서, 본 발명의 실시예는 유동화 고체층으로 기체 스트림을 주입하는 장치에 관련된 것이다. 더욱 상세하게는, 본 발명에서 개시된 실시예는 주입 노즐에 관련된 것이며, 주입 노즐은 주입 노즐의 부식을 감소시키거나 방지하도록 하는 기체 속도 프로파일을 얻을 수 있다.
예를 들어, 주입 노즐은 기체 분배 매니폴드(manifold)와 유체를 교환하는 유체 유입구 및 용기와 유체를 교환하는 유체 유출구를 가질 수 있다. 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐의 유체 유입구는 노즐 축에 병렬, 수직 또는 가로지르는 하나 이상의 유체 경로를 포함할 수 있다. 유체 경로는 노즐에 걸쳐 요구되는 압력강하, 안정한 기체 속도 프로파일, 노즐 유출구에서 집중될 수 있는 균일한 속도 프로파일 및 유동화로 존재하는 고체 입자의 소모를 야기할 수 있는 속도보다 작은 최대 속도 중 하나 이상의 결과를 얻을 수 있도록 노즐상에 분포 및 디자인될 수 있다.
도 2 내지 도 9는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐의 예를 도시한다. 주입 노즐의 형상은 도면에서 일반적인 원형/원통형으로 도시되어 있으나, 예를 들어 정사각형, 직사각형, 육각형, 팔각형 등의 다른 형상/프로필이 사용될 수 있다. 여기서 이러한 형상의 직경을 언급하는 경우, 직경은 원형 이외의 형상에 대한 등가 직경으로 이해한다.
이제 도 2a(단면도) 및 도 2b(유입구 말단 도면)을 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 도시한다. 주입 노즐(10)은 유체 유입구 말단(14) 및 유체 유출구(16)를 가지는 튜브(12)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유체 유입구(14)는 튜브(12)를 관통하여 튜브(12)의 둘레에 분포된 복수의 방사형 유동 제한 오리피스(17)로 형성될 수 있다. 여기서 사용되는 “복수”는 비록 다른 수를 가지도록 도시된 경우에도 2개 이상을 의미한다. 도 2b에서 도시된 바에 의하면, 기체의 흐름이 오직 방사형 유동 제한 오리피스(17)를 거쳐 튜브(12)로 흐르도록 하기 위하여, 유입구 말단은 유동 구멍을 가지지 않는 백 플레이트(18)에 의하여 막혀있을 수 있다.
방사형 유동 제한 오리피스(17)의 직경 및 수는 튜브(10)를 통해 요구되는 압력강하에 의존한다. 복수의 방사형 유동 제한 오리피스(17)는 둘레에 가로 줄지어 튜브(12)를 관통하여 분포될 수 있다. 다른 실시예들은 방사형 유동 제한 오리피스의 추가적인 둘레의 줄들을 포함할 수 있다.
튜브 유출구의 내경(DT) 대 방사형 유동 제한 오리피스의 직경(Do)의 비율은 2:1보다 클 수 있다. 다른 실시예들에서, 튜브 유출구의 내경(DT) 대 방사형 유동 제한 오리피스의 직경(Do) 비율은 2:1 ~ 20:1 범위 내일 수도 있다.
복수의 방사형 유동 제한 오리피스는 유입구에 인접한 튜브의 유입구 축 말단으로부터 길이가 L인 지점에서 튜브를 관통하여 배치될 수 있다. 몇몇 실시예에서 길이 L은 유체 유출구(14) 내경의 2배보다 작을 수 있고, 다른 실시예들에서 길이 L은 유체 유출구(14) 내경의 1.5배보다 작을 수 있고, 또 다른 실시예들에서 길이 L은 유체 유출구(14) 내경의 1배보다 작을 수 있고, 또 다른 실시예들에서 길이 L은 유체 유출구(14) 내경의 0.5배보다 작을 수 있다. 다른 실시예들에서, 방사형 유동 제한 오리피스(17)는 제조 및 구조적 안정성을 위하여 가능한 축 말단에 근접하게 위치할 수 있다.
이제 도 3a(프로파일 도면) 및 도 3b(유입구 말단 도면)을 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 도시한다. 주입 노즐(20)은 유체 유입구(24) 및 유체 유출구(26)를 가지는 튜브(22)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유체 유입구(24)는 유입 플레이트(28)를 관통하여 축 방향으로 분포된 축형 유동 제한 오리피스(27)로 형성될 수 있다.
도 3b에서 도시된 바에 의하면, 축형 유동 제한 오리피스(26)는 규칙적인 간격으로 유입구 플레이트(28)에 분포될 수 있다. 규칙적인 간격의 사용은 제조상의 용이함과 구조적 안정성을 제공할 수 있다. 더 중요하게, 규칙적인 간격의 축형 유동 제한 오리피스(27)는 균일하고 집중된 유동 프로파일의 생성을 제공할 수 있다.
도 3a 및 도 4a를 비교하면, 여기서 유사 부호는 유사 구성을 나타내고, 축형 유동 제한 오리피스(27)는 길이 L0 를 가질 수 있고, 길이 L0 는 요구되는 압력 강하 또는 속도 프로파일을 달성하기 위하여 조절될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 길이 L0 는 축형 유동 제한 오리피스(27) 내에서 유동이 안정화되도록 하고, 따라서 더 균일한 속도 프로파일로 오리피스를 나오고, 상응하여 유체 유출구(26)에서 더 균일한 속도 프로파일을 얻는다. 예를 들어, 일 실시예에서 길이 L0 는 축형 유동 제한 오리피스(27) 직경의 적어도 4배일 수 있으며, 다른 실시예에서 길이 L0 는 축형 유동 제한 오리피스(27) 직경의 적어도 5배일 수 있다.
또한, 오리피스 유출구 말단(32)에서 유체 유출구(24)까지의 길이는 안정적이고 균일한 속도 프로파일을 생성하기에 충분하여야 한다. 몇몇 실시예에서 튜브의 축길이 대 복수의 유동 제한 오리피스 축 길이의 비율은 적어도 4:1이 될 수 있고, 다른 실시예들에서 5:1 ~ 50:1 내의 범위를 가질 수 있다.
축형 유동 제한 오리피스(27)의 수 및 직경은 튜브(10)를 통해 요구되는 압력강하에 의존할 수 있다. 몇몇 실시예에서 튜브 유출구의 내경 대 축형 유동 제한 오리피스의 직경 비율은 2:1 보다 클 수 있으며, 다른 실시예들에서 2:1 ~ 20:1 내의 범위를 가질 수 있다.
도 5a(프로파일 뷰) 및 도 5b(유입구 말단 도면)에 도시된 바에 의하면, 여기서 유사 부호는 유사 구성을 나타내고, 축형 유동 제한 오리피스(26)는 경사지게 형성될 수 있다. 예를 들어, 축형 유동 제한 오리피스(26)는 오리피스 유입구 말단(30)에서 오리피스 유출구 말단(32)으로 직경이 증가할 수 있고, 몇몇 실시예에서 외경은 최대 15˚ 인 각도 α 로 경사질 수 있고, 다른 실시예들에서 각도 α 는 5˚ ~ 15˚ 사이일 수 있고, 또 다른 실시예들에서 각도 α 는 7.5˚ ~ 12.5˚ 사이일 수 있다.
이제 도 6a(프로파일 도면) 및 도 6b(유입구 말단 도면)를 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 도시한다. 주입 노즐(60)은 유체 유입구(64) 및 유체 유출구(66)를 가지는 튜브(62)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 유체 유입구(64)는 유동 제한 장치(70)를 둘러싸는 링형 오리피스(68)로 형성될 수 있다. 도 6a에 도시된 바에 의하면 유동 제한 장치(70)는 튜브(62)의 유입구 말단의 중앙에 유예된(suspended in) 디스크(70D)를 포함할 수 있다.
링형 오리피스(68)의 너비 W 는 다른 요인들 중에서 노즐(60)을 통해 요구되는 압력강하에 의존할 수 있다. 몇몇 실시예에서 디스크(70D)의 직경은 튜브(62) 내경의 0.5 ~ 0.95 배의 범위일 수 있고, 다른 실시예들에서 튜브(62) 내경의 0.6 ~ 0.85 배 일 수 있다.
도 6a 및 도 7a를 비교하면, 여기서 유사 부호는 유사 구성을 나타내고, 유동 제한 장치(70)는 길이 LA 를 가질 수 있고, 길이 LA 는 요구되는 압력 강하 또는 속도 프로파일을 달성하기 위하여 조정될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 길이 LA 는 링형 오리피스(68) 내에서 유동이 안정화되도록 하고, 따라서 더 균일한 속도 프로파일로 오리피스를 나오고, 상응하여 유체 유출구(26)에서 더 균일한 속도 프로파일을 얻는다. 예를 들어, 길이 LA 는 적어도 너비 W 의 4배일 수 있고, 다른 실시예들에서 적어도 너비 W 의 5배일 수 있다.
또한, 링형 오리피스 유출구 말단(72)에서 유동 유출구(66)까지의 길이는 안정적이고 균일한 속도 프로파일을 생성하기에 충분해야 한다. 몇몇 실시예에서 튜브의 축길이 LT 대 링형 유동 오리피스의 길이 LA 의 비율은 적어도 4:1 일 수 있고, 다른 실시예들에서 5:1 ~ 50:1 내의 범위를 가질 수 있다.
도 8a(프로파일 도면), 도 8b(유출구 말단 도면), 도 9a(프로파일 도면) 및 도 9b(유출구 말단 도면)에 도시된 바에 의하면, 여기서 유사 부호는 유사 구성을 나타내고, 링형 유동 오리피스(68)는 경사지게 형성될 수 있고, 예를 들어 원뿔 형상일 수 있는 유동 제한 장치(70)의 사용을 통해 경사지게 형성될 수 있다. 예를 들어, 링형 유동 오리피스(68)는 오리피스 유입구 말단(72)에서 오리피스 유출구 말단(74)으로 직경이 증가할 수 있고, 몇몇 실시예에서 외경은 최대 15˚ 인 각도 β 로 경사질 수 있고, 다른 실시예들에서 각도 β 는 5˚ ~ 15˚ 사이의 값일 수 있고, 또 다른 실시예들에서 각도 β 는 7.5˚ ~ 12.5˚ 사이의 값일 수 있다. 도 9a에서 도시된 바에 의하면, 원뿔형 유동 제한 장치(70c)의 유출구 말단은 절단될 수 있다(결과적으로 원뿔대형 유동 제한 장치(70F)를 형성함).
앞에서 설명한 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐은 안정된 속도 프로파일을 제공할 수 있다. 이러한 주입 노즐은 노즐 유출구에서 집중된 균일한 속도 프로파일을 제공할 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 주입 노즐은 입자 소모를 야기할 수 있는 높은 속도 또는 국부적인 분출을 가지는 영역(area)의 생성을 방지할 수 있다. 추가적으로, 본 발명에서 개시된 주입 노즐은 노즐 유출구의 가까이에서 음의(negative) 축 방향의 속도를 가지는 영역의 생성을 방지할 수 있고, 따라서 낮은 노즐의 부식율을 얻는다.
앞에서 설명한 주입 노즐은 가스 분배 장치에 배치될 수 있다. 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐은 단지 기상(gaseous phase)을 유동화 고체층으로 분배하는 모든 종류의 분배 장치에 사용될 수 있다. 예를 들어, 분배기는 여러 가지 중에서 평판 플레이트 분배기, 파이프 그리드(grid) 시스템, 링 분배기, 돔형 분배기 및 머쉬룸(mushroom) 분배기를 포함할 수 있다. 여기서 분배기는 다양한 반응 또는 기체 및 고체간의 대량 전송을 수행하는 용기 내에 배치될 수 있고, 용기는 여러 가지 중에서 FCC 촉매 재생성 용기, 기체-상태 중합 용기, 석탄 가스화 및 철광석 환원을 포함할 수 있다.
이제 도 10 및 도 11을 참조하면, 여기서 유사 부호는 유사 구성을 나타내고, 기체 분배 장치에 배치되는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐이 도시된다. 기체 분배 장치(80)는 복수의 주입 노즐(84) 및 기체 소스와 유체를 교환하는 기체 분배 매니폴드(82)를 가지는 링형 분배기(미도시)를 포함할 수 있다. 각각의 주입 노즐은 분배 매니폴드 내에 배치되는 유체 유입구(86) 및 유체 유출구(88)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도 10에 도시된 바와 같이, 유체 유출구(88)는 기체 분배 매니폴드(82)의 바깥 둘레에 근접하여 위치할 수 있다. 다른 실시예들에서, 도 11에 도시된 바와 같이, 유체 유출구(88)는 기체 분배 매니폴드(82)의 바깥 지점에서 끝날 수 있다.
유사하게 이제 도 12 및 도 13을 참조하면, 여기서 유사 부호는 유사 구성을 나타내고, 기체 분배 장치에 배치되는 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐이 도시된다. 기체 분배 장치(90)는 용기(92) 내의 평판 플레이트 분배기(91)를 포함하고, 용기(92)는 복수의 주입 노즐(95) 및 기체 소스(94)와 유체를 교환하는 기체 분배 매니폴드(93)를 가진다. 각각의 주입 노즐은 분배 매니폴드 내에 배치되는 유체 유입구(96) 및 유체 유출구(97)를 포함할 수 있다. 몇몇 실시예에서, 도 12에 도시된 바와 같이, 유체 유출구(97)는 평판 플레이트(99)의 상면(98)에 근접하여 위치할 수 있다. 다른 실시예들에서, 도 13에 도시된 바와 같이, 유체 유출구(97)는 평판 플레이트(99)의 상면(98) 위 지점에서 끝날 수 있다.
앞에서 언급한 바와 같이, 예를 들어 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐은 FCC 촉매 재생성을 위하여 사용되는 기체 분배 장치에서 사용될 수 있다. 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐은 추가적으로 분해 공정의 다른 부분에서도 사용될 수 있고, 예를 들어 미국특허(US 5,314,610)의 도 1에 관한 설명 및 도면과 같으며, 이는 본 발명에서 인용문헌으로 포함되어 있다. 미국특허(US 5,314,610)에서 설명된 바에 의하면, 기체 분배 장치는 스트림 또는 질소와 같은 스트리핑(stripping) 매체를 촉매 분해 반응 용기로 주입하기 위해 사용되거나, 폐촉매로부터의 코크(coke)의 연소 및 제거를 위한 산소 또는 공기의 주입을 위해 사용될 수 있다.
실시예
다음의 실시예는 모델링 기술로부터 얻을 수 있고 비록 이러한 작업은 실제로 이루어졌으나, 과거에 발명자들은 적용규칙을 준수하는 실시예를 제시하지 못했다.
본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐의 시뮬레이션은 전산유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics, 이하 'CFC'라 함)을 이용하여 보르다(Borda) 튜브와 수정된 보르다 튜브를 비교한 것이다. 도 14 내지 도 17에서 도시된 바에 의하면, CFD는 주어진 주입 노즐의 형태로부터의 결과인 유동 패턴의 조사 및 비교를 위해 사용된다. 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐은 유동 불안정성에 대한 가능성 및 노즐 팁에서의 부식 마모에 대한 가능성을 감소시킬 수 있음을 보여 줄 것이다. CFD 연구는 각 주입 노즐의 모의 형태에 대해 동일한 조건을 사용하여 수행되며, 공기 유동 및 압력강하는 각 디자인에 대하여 동일하다.
비교 실시예 1
도 14a 내지 도 14e를 참조하면, 유동화 층에서 기체 분배기를 위해 널리 사용되는 표준 보르다형 주입 노즐에 대한 CFD 결과가 도시된다. 노즐의 길이는 9인치이며, 노즐은 유출구에서 1.5인치의 내경을 가지고, 유입 오리피스의 직경은 1.04인치이다. 도 14a는 기체 분배 헤더의 단면도로, 헤더, 보르다 튜브 및 고체층 주위의 내부 유동 속도 벡터를 나타낸다. 예상되어지는 대로, 기체가 오리피스를 통해 가속되고 오리피스의 보르다 튜브 하류의 큰 직경 내로 분기하면서 고속 분출(jet)이 존재한다.
도 14b는 헤더의 단면 및 보르다 튜브를 관통하고 고체층 밖으로 자른 단일 평면상의 속도 벡터를 보여준다. 평판은 헤더에서 일반적인 기체 유동의 방향과 병렬이 되도록 맞추어진다. CFD 결과는 오리피스에서 나가는 기체 분출은 헤더에서의 기체 유동에 의해 영향을 받는 것을 나타낸다. 게다가, CFD 영상은 기체 분출이 안정적이지 않고, 기체 분출이 보르다 튜브 내에서 좌우로 흔들리는 것을 보여준다.
도 14c 및 도 14d는 2개의 다른 방향에서 보여주는 오리피스로부터 기체 분출(jet)의 스냅샷(snapshots)을 확대한 것으로, 첫 번째 도면은 헤더에서의 기체 유동의 방향이고 두 번째 도면은 기체 유동의 방향에 수직이다. 이러한 도면으로부터 오리피스에서 분출이 헤더에서의 기체 유동에 의한 영향을 받는 것은 명확하다.
도 14e는 헤더에서 기체의 유동 방향에 병렬로 존재하는 평면의 방향을 가지는 보르다 튜브의 중심을 관통하는 단일 평면에 따른 도면이다. 노즐이 최소로 요구되는 길이 대 직경(길이/직경)의 비율인 6.0을 가짐에도 불구하고, 기체 분출의 불안정성이 노즐의 말단을 지나 유동화 고체층으로 지속되는 것을 발견하는 것은 놀라운 일이다. 게다가, 기체 분출의 불안정성은 실제로 튜브의 일부분에서 음의 축 방향의 속도를 야기한다. 노즐 유입구의 말단 도면을 도시한 도 15a와 보르다 튜브 내에서 좌우로의 분출 이동을 보여주는 보르다 튜브 주입 노즐의 CFD 분석으로부터의 연속된(동일한 시간 간격) 스냅샷을 포함하는 도 15b 내지 도 15k에 도시된 바와 같이, CFD 연구의 영상 버전은 음의 속도 지역은 안정하지 못하고 튜브 내에서 좌우로 움직이는 것을 보여준다. 이러한 결과로부터 기체가 튜브 내에서 역방향으로 분출되는 경우, 이러한 노즐이 디자인이 높은 속도에서만 픽업 및 발생되는 음의 축 방향 속도의 지역으로 고체를 역류하게 할 수 있음이 명확하다. 불안정한 기체 분출의 작용은 일정시간 동안 사용한 후의 노즐의 유형에서 관찰된 마모 패턴과 일치한다.
비교 실시예 2 내지 5
이제 도 16 내지 도 20을(비교 실시예 1 내지 5) 참조하면, 수정된 다양한 주입 보르다 튜브 형태를 관통하는 축 방향의 평면에 따른 스냅샷을 보여준다. 모든 주입 노즐은 주입기에 걸쳐 2.1psi의 일정한 압력강하를 제공하는 크기의 오리피스 구멍들을 이용한 유입구 압력의 동일한 조건 하에서 평가된다. 각 노즐의 길이는 9인치이고, 각 노즐은 1.5인치의 내경을 가진다(길이/직경 비는 6).
비교 실시예 1(반복) - 도 16a는 단일 오리피스를 가지는 표준 보르다 튜브이고, 이전에 보여준 도 14 및 도 15는 참조를 위하여 여기서 다시 보여준다.
비교 실시예 2 - 도 17에서, 보르다 튜브는 오리피스간에 0.75인치의 간격을 가지는 이중 오리피스(각각의 길이는 1/4인치이고 1.04인치의 내경을 가짐)를 포함한다. 표준 보르다 튜브와의 비교에 의하면, CFD 결과는 분출 안정성의 개선이 없거나 노즐 튜브에서 음의 축 방향 속도의 지역이 존재함을 나타낸다.
비교 실시예 3 - 도 18에서, 오리피스는 하류 말단에서 짧은 경사부를 포함한다. 다시, CFD 결과는 분출 안정성의 개선이 없거나 노즐 튜브에서 음의 축 방향 속도의 지역이 존재함을 나타낸다.
비교 실시예 4 - 도 19a(프로파일 도면) 및 도 19b(노즐 유입구의 말단 도면)에서, 오리피스의 두께는 1/4인치에서 1인치 길이까지 증가한다. 이러한 배치는 CFD 결과에서 적은 불안정성을 보여준다. 그러나, 음의 속도 지역의 위치가 더 안정화됨에도 불구하고, 음의 축 방향 속도의 지역은 여전히 존재한다.
비교 실시예 5 - 도 20a(프로파일 도면) 및 도 20b(노즐 유입구의 말단 도면)에서, 굵은 노즐은 오리피스의 유출구 말단에서 긴 경사부를 포함한다. 이러한 배치는 매우 안정된 속도 프로파일을 보여준다. 그러나, 기체 분출은 튜브 내에서 집중되지 않고, 안정적이지만 상대적으로 큰 음의 축 방향 속도의 지역이 있다.
도 16a 내지 도 16e에서 보르다 튜브 및 수정된 보르다 튜브의 CFD 분석은 불안정한 유동 및/또는 음의 축 방향 속도를 보여주고, 이는 기체 주입 노즐에서 요구되지 않는 유동 특성이다.
실시예 1 내지 5
이제 도 21 내지 도 25를(실시예 1 내지 5) 참조하면, 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐을 관통하는 축 방향의 평면에 따른 스냅샷 도면을 도시한다. 모든 주입 노즐은 비교 실시예 1 내지 5(주입기에 걸쳐 2.1psi의 일정한 압력강하를 제공하는 크기의 오리피스 구멍들을 이용한 동일한 유입구 압력)와 같이 동일한 조건하에서 평가된다. 각 노즐의 길이는 9인치이고, 각 노즐은 1.5인치의 내경을 가진다(길이/직경 비는 6).
실시예 1 - 도 21a(프로파일 도면) 및 도 21b(노즐 유입구의 말단 도면)는 도 6a 및 도 6b에 관련하여 설명된 실시예에서 보여주는 것과 유사한 오리피스의 CFD 분석을 도시한다. 오리피스 구성은 주입 노즐의 유입구 중심에서 유예된(suspended in) 평판 디스크(직경은 0.75 인치이고 길이는 1/4 인치임)를 둘러싸는 링형 구멍을 포함한다. 이러한 노즐은 매우 안정된 속도 프로파일을 가진다. 그러나, 속도 프로파일은 유출구에서 집중되지 않는다. 게다가, 역류가 일어날 수 있는 국지적 영역이 있을 수 있고, 이러한 노즐을 생산하는 것은 어려울 수 있다.
실시예 2 - 도 22a(프로파일 도면) 및 도 22b(노즐 유입구의 말단 도면)는 도 9a 및 도 9b에 관련하여 설명된 실시예에서 보여주는 것과 유사한 오리피스의 CFD 분석을 보여준다. 오리피스 구성은 링형 오리피스 구멍을 형성하기 위하여 노즐의 유입구에 유예된(suspended in) 경사진 원뿔을 포함한다. 이러한 노즐은 안정성 관점에서 도 21a 및 도 21b와 동일하게 수행되고, 속도 프로파일이 노즐 튜브에서 거의 완벽하게 집중되어 개선된 것을 보여준다. 그러나, 이러한 노즐을 생산하는 것은 어려울 수 있다.
실시예 3 - 도 23a(프로파일 도면) 및 도 23b(노즐 유입구의 말단 도면)는 도 3a 및 도 3b에 관련하여 설명된 실시예에서 보여주는 것과 유사한 오리피스의 CFD 분석을 보여준다. 이러한 오리피스 구성은 단일 오리피스 배치와 동일한 압력강하를 제공하는 7개의 작은 오리피스들을 포함한다. 이러한 배치는 상당히 안정한 속도 프로파일을 보여주고, 노즐 출구에서 속도 프로파일은 매우 균일하다. 음의 축 방향 속도의 지역이 일부 있으나, 이는 노즐의 절반인 유입구에 국한되고 노즐 팁에 도달하지 않는다.
실시예 4 - 도 24a(프로파일 도면) 및 도 24b(노즐 유입구의 말단 도면)은 도 4a 및 도 4b에 관련하여 설명된 실시예에서 보여주는 것과 유사한 오리피스의 CFD 분석을 보여준다. 오리피스 구성은 얇은 오리피스 플레이트(1/4 인치)가 두꺼운 플레이트(1 인치)로 변경되는 것을 제외하고 실시예 3과 유사하게 다수의 오리피스(7홀) 배치를 포함한다. 두꺼운 오리피스 플레이트의 포함은 실시예 3에 비하여 속도 프로파일의 안정성을 개선하고, 또한 주입 노즐 유출구에서 매우 균일한 속도 프로파일을 보여준다. 게다가, 속도 프로파일이 균일하게 되는 시점은 실시예 3의 얇은 오리피스 배치보다 더 일찍 발생한다.
실시예 5 - 도 25a(프로파일 도면) 및 도 25b(노즐 유입구의 말단 도면)는 도 2a 및 도 2b에 관련하여 설명된 실시예에서 보여주는 것과 유사한 오리피스의 CFD 분석을 보여준다. 오리피스 구성들은 8개의 홀을 가지는 다수의 오리피스 배치를 포함하고, 8개의 홀은 백 플레이트상에 위치되기 보다는 튜브의 측면으로 이동된다. 백 플레이트상에는 구멍이 없다. 다시, 오리피스 부분은 이전의 모든 배치와 동등한 조건을 유지하도록 2.1psi의 동일한 전체 노즐 압력강하를 제공하기 위한 크기를 가진다. CFD 연구는 이러한 배치가 안정성, 균일한 속도 프로파일을 야기하는 것을 보여준다. 영상으로 된 CFD 결과에서, 속도 프로파일에서 검출된 움직임은 거의 없다. 게다가, 노즐 디자인은 비교 실시예 1의 표준 보르다 튜브에 비해 제조하는 것이 용이하다.
실시예 6 - 도 26 내지 도 31은 도 2a 및 도 2b에 도시된 것과 유사한 오리피스의 CFD 분석과 비교 실시예 1(도 16에 도시되고 편의를 위해 도 27, 도 29 및 도 31로 반복하고, 여기서 도 27a, 도 29a 및 도 31a는 프로파일 도면을 나타내고, 도 27b, 도 29b 및 도 31b는 노즐 유입구의 말단 도면을 나타냄)의 표준 보르다 튜브의 CFD 분석을 비교한 것이다. 오리피스 구성들은 8개의 홀(도 26a(말단 도면) 및 도 26b(노즐 유입구의 프로파일 도면)), 6개의 홀(도 28a(말단 도면) 및 도 28b(노즐 유입구의 프로파일 도면)) 및 4개의 홀(도 30a(말단 도면) 및 도 30b(노즐 유입구의 프로파일 도면))을 가지는 다수의 오리피스 배치를 포함하고, 홀은 백 플레이트상에 위치되기 보다는 튜브의 측면으로 이동된다. 백 플레이트상에는 홀이 없다. 다시, 오리피스 부분은 이전의 모든 배치와 동등한 조건을 유지하도록 2.1psi의 동일한 전체 노즐 압력강하를 제공하기 위한 크기를 가진다. CFD 연구는 이러한 배치가 표준 보르다 튜브에 비하여 안정성, 균일한 속도 프로파일(시간 동안 진동 감소)을 야기하는 것을 보여준다. 또한, CFD 연구는 8개부터 6개, 4개로 홀의 변경은 유출구 속도에서 균일성을 개선하는 것을 보여준다.
앞에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 개시된 실시예에 따른 주입 노즐은 안정한 속도 프로파일, 주입 노즐 유출구에서 균일한 속도 및 음의 유동 속도를 가지는 제한된 지역 중에서 하나 이상의 장점을 제공할 수 있다. 장점으로서, 이러한 주입 노즐은 부식 감소, 촉매 소비 감소 및 기체 분배의 개선 중에서 하나 이상의 결과를 얻을 수 있다.
본 발명은 제한된 수의 실시예를 포함하지만, 본 발명의 이득을 갖는 당업자는 본 발명의 범주를 벗어나지 않는 다른 실시예가 고안될 수 있음을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 범주는 단지 첨부되는 특허청구범위에 의해서만 제한되어야 한다.

Claims (33)

  1. 유체 유입구, 유체 유출구, 내경(inner diameter) 및 축 길이를 가지는 튜브를 포함하되,
    상기 유체 유입구는 상기 튜브의 축 말단상에 분포된 복수의 유동(flow) 제한 오리피스(orifice)를 포함하고,
    상기 복수의 유동 제한 오리피스는 상기 튜브를 관통하여 둘레에 분포된 복수의 방사형(radial) 유동 제한 오리피스를 포함하고,
    상기 복수의 방사형 유동 제한 오리피스는 상기 유입구에 인접한 상기 튜브의 유입구 축 말단으로부터 길이 L 의 상기 튜브를 관통하여 배치되고, 상기 길이 L은 튜브 내경의 2배보다 작은, 주입 노즐.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 튜브 유체 유출구의 내경 대 적어도 하나의 상기 유동 제한 오리피스의 직경 비율은 2:1보다 큰, 주입 노즐.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 튜브의 축 길이는 상기 튜브 유체 유출구 내경의 5배인, 주입 노즐.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 유동 제한 오리피스는 상기 튜브와 축 방향으로 정렬되는, 주입 노즐.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 튜브의 축 길이 대 상기 복수의 유동 제한 오리피스 중 적어도 하나의 축 길이 비율은 4:1인, 주입 노즐.
  7. 제1항에 있어서,
    둘레에 위치한 상기 복수의 유동 제한 오리피스에 인접한 튜브의 축 말단은 막혀 있는, 주입 노즐.
  8. 삭제
  9. 유체 유입구 및 유체 유출구를 가지는 튜브를 포함하되,
    상기 유체 유입구는 유동(flow) 제한 장치를 둘러싸는 링형 오리피스를 포함하고,
    상기 유동 제한 장치는 상기 유입구의 중앙에 유예되어 있는(suspended in) 디스크를 포함하는 주입 노즐.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 유동 제한 장치는 원뿔 또는 원뿔대 형상인, 주입 노즐.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 링형 오리피스의 너비는 상기 튜브 내경의 0.05배에서 0.25배 사이인, 주입 노즐.
  13. 제9항에 있어서,
    상기 유동 제한 장치의 길이는 상기 튜브 길이의 0.1배에서 0.9배 사이인, 주입 노즐.
  14. 유체 유입구, 유체 유출구, 내경(inner diameter) 및 축 길이를 가지는 튜브를 포함하는 복수의 주입 노즐 및 기체 소스와 유체를 교환하는 분배 매니폴드(manifold)를 포함하되,
    상기 복수의 주입 노즐 중 적어도 하나의 유체 유입구는 상기 분배 매니폴드 및 유체 유출구 내에 배치되고,
    적어도 하나의 상기 주입 노즐의 상기 유체 유입구는 상기 주입 노즐의 축 말단상에 분포된 복수의 유동(flow) 제한 오리피스(orifice)를 포함하고,
    복수의 방사형 유동 제한 오리피스가 상기 유입구에 인접한 상기 튜브의 유입구 축 말단으로부터 길이 L 의 상기 튜브를 관통하여 배치되고, 상기 길이 L은 튜브 내경의 2배보다 작은, 기체 분배 장치.
  15. 삭제
  16. 제14항에 있어서,
    상기 유체 유출구는 상기 분배 매니폴드의 외측 둘레에 인접한, 기체 분배 장치.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 튜브 유출구는 상기 분배 매니폴드의 외측 둘레의 외부인, 기체 분배 장치.
  18. 제14항에 있어서,
    상기 튜브 유출구의 내경 대 적어도 하나의 상기 유동 제한 오리피스의 직경 비율은 2:1보다 큰, 기체 분배 장치.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 튜브 유출구의 내경 대 적어도 하나의 상기 유동 제한 오리피스의 직경 비율은 2:1보다 큰, 기체 분배 장치.
  20. 제14항에 있어서,
    상기 튜브의 길이는 상기 튜브 유출구 내경의 5배인, 기체 분배 장치.
  21. 제14항에 있어서,
    상기 복수의 유동 제한 오리피스는 상기 튜브와 축 방향으로 정렬되는, 기체 분배 장치.
  22. 제14항에 있어서,
    상기 튜브의 축 길이 대 상기 복수의 유동 제한 오리피스 중 적어도 하나의 축 길이 비율은 4:1인, 기체 분배 장치.
  23. 삭제
  24. 삭제
  25. 삭제
  26. 삭제
  27. 삭제
  28. 삭제
  29. 삭제
  30. 삭제
  31. 삭제
  32. 내부에 배치되는 제14항의 기체 분배 장치를 포함하는 용기.
  33. 제32항에 있어서,
    상기 용기는 폐촉매 재생성기, 중합 반응 용기 및 석탄 가스화로 구성되는 그룹으로부터 선택되는, 용기.
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