KR101381843B1 - 유체 분배 매체를 포함하는 용기 - Google Patents

Abstract

매체의 외부면에 포함되는 유체 분배 채널들을 가지는 랜덤하게 배향된 세라믹 매체의 베드를 포함하는 용기가 개시된다. 채널들은 유체를 포획하며 이의 방향을 변경하며 그에 의해 용기에 있는 유체의 분배를 개선한다.

Description

유체 분배 매체를 포함하는 용기{VESSEL CONTAINING FLUID DISTRIBUTION MEDIA}

본 출원은 2009년 2월 16일에 출원된 미국 가출원 제61/152,912호의 이익을 청구하고 있다.

본 발명은 일반적으로 유체가 베드를 통과함에 따라 점점 더 큰 영역에 걸쳐 유체의 방향을 변경함으로써 유체의 분배를 개선시키는데 사용되는 랜덤하게 배향된 세라믹 매체의 베드(bed)에 관한 것이다. 더 구체적으로는, 본 발명은 촉매 반응 활성 물질, 흡착제 또는 활성 탄소와 같은 물질을 포함할 수 있는 구성요소들의 층에 걸쳐 유체를 재분배시키는 화학 반응기의 격납 용기의 일 단부에 위치하는 베드 토핑 매체(bed topping media)를 대상으로 한다.

화학 반응기에서 유체의 부적정한 분배를 감소시키는데 사용될 수 있는 유체 분배 물질을 개시하는 특허의 일 예는 미국특허 제6,291,603호이다.

미국특허 제6,291,603호

본 발명은 매체의 외부면들에 유체 전환 채널들을 포함함으로써 랜덤하게 배향된 세라믹 매체의 베드에 제공되는 유입 유체 흐름의 개선된 재분배를 제공한다. 채널들은 유체가 베드를 통과해 흐를 때 유체의 일부분을 포획하고 그 다음에 이의 방향을 변경하도록 구성된다. 몇몇 상황에서, 매체는 유체가 유입되는 유체의 초기 방향에 대해 수직으로 흐르게 할 수 있다.

일 실시예에서, 본 발명은 유체 유입 포인트 및 베드를 포함하는 용기를 포함한다. 베드는 이의 내부에 배치되는 복수의 개개의 요소들을 포함하는 제1 층을 포함한다. 제1 층에 있는 요소들의 적어도 과반수는(at least a majority of elements) 랜덤하게 배향된 세라믹 매체를 포함한다. 세라믹 매체는 이의 내부에 형성되는 하나 이상의 유체 전환 채널들을 가지는 외부면을 포함한다. 베드는 또한 구성요소들의 과반수(a majority of components)가 세라믹 매체와 물리적으로 상이한 구성요소들을 포함하는 제2 층을 포함한다. 베드의 제1 층은 제2 층과 유체 유입 포인트 사이에 배치된다.

도 1은 본 발명의 용기를 포함하는 화학 반응기의 단면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 제1 층에서 사용되는 세라믹 매체의 제1 실시예의 사시도이다.
도 3은 도 1에 도시된 제1 층에서 사용되는 세라믹 매체의 제2 실시예의 단부도이다.
도 4는 유체 분배 패턴의 이론상의 단면도이다
도 5는 액체 분배 시험 장치의 개략도이다.
도 6은 도 5에 도시된 시험 장치의 중앙 영역, 중간 영역 및 외부 영역의 도면을 도시한다.
도 7은 압력 강하 대 질량 속도의 그래프이다.

여기에 사용되는 바와 같이, 문구 "화학 처리 장치"는 하나 이상의 원재료를 받아들이며 그 다음에 이를 장치로부터 배출되는 하나 이상의 최종 제품으로 화학적으로 및/또는 물리적으로 변환시키는 탱크, 버너, 연소 챔버, 배관 설비 등과 같은, 설비를 설명하도록 의도된다. 변환은 원재료를 최종 제품으로 변환하기 위해 촉매를 이용하는 화학 반응; 탈착 또는 흡착; 원재료의 상태에 대한 물리적인 변화(예를 들어, 액체와 기체 사이); 및/또는 원재료의 온도의 증가나 감소를 포함할 수 있다. 화학 반응기는 다양한 목적을 위한 화학약품 제조 산업에 널리 사용되며 위의 문구인 화학 처리 장치의 일 부분으로 간주된다. 화학 반응기는 변환 공정이 일어나는 용기를 포함할 수 있다.

둘 이상의 반응물들이 최종 제품을 제조하기 위해 상호 작용할 수 있는 반응 영역을 그 내부에 가지는 용기에 제공함으로써 최종 제품을 생성하는 화학 반응기는 또한 반응 영역의 일 단부에 위치하는 베드 토핑 재료의 층 및 반응 영역의 타 단부에 위치하는 베드 서포트 재료의 층을 포함할 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 베드 토핑 재료의 예는 세라믹 구체들과 망상조직 발포체들을 포함한다. 베드 토핑 재료의 하나의 기능은 베드 토핑 재료의 층의 고정된 영역 상에 제공되는 유입 유체를 받아 들이고, 그 다음에 유체가 베드 토핑 층을 통과하여 나갈 때 더 큰 영역에 걸쳐 유체의 방향을 변경하는 것이다. 유입 유체는 하나 이상의 노즐을 포함할 수 있는 분배기로 통상적으로 알려진 기계 장치를 통해 베드 토핑 층에 제공될 수 있다. 분배기는 "유체 유입 포인트"로 여기서 설명될 수 있다. 용어 "유체 유입 포인트"는 또한 베드 토핑 층에 하나 이상의 유체를 일괄적으로 또는 개별적으로 제공하는 단일 파이프 또는 복수의 파이프들을 설명할 수 있다. 유입되는 유체가 베드 토핑 층과 접촉할 때, 유체는 본질적으로 유입 유체 분배 패턴을 형성한다. 유체가 토핑 재료의 베드를 나갈 때, 유체는 본질적으로 최종 유체 분배 패턴을 형성한다. 세라믹 구체로 이루어지는 베드 토핑이 유입되는 유체의 알맞은 재분배를 제공하는 것으로 알려져 있지만, 구체를 사용하여 재분배를 실질적으로 증가시키기 위한 지속적인 필요가 구현되지 않았다. 유사하게, 망상조직 세라믹 발포체로 이루어진 베드 토핑은 세라믹 재료를 통과하는 유동 통로를 한정하는 복수의 웹 부재들을 포함할 수 있다. 웹 부재들은 유입되는 유체를 반응기를 통해 흐르는 복수의 더 작은 유체 흐름들로 세분한다. 더 큰 단일 흐름의 더 작은 많은 흐름들로 세분하는 것은 몇몇 산업 공정에 적합할 수 있지만, 만약 화학 반응기의 작동이 하나 이상의 유체들의 폭 넓고 균등한 분배에 의존한다면 유입 유체 분배 패턴보다 훨씬 더 큰 영역에 걸쳐 유체의 측방향 재분배가 필요할 수 있다.

이제 도면들 및 더 구체적으로는 도 1을 참조하면, 용기(12), 기계적 분배기(14), 및 배출 배관 설비(16)를 포함하는 화학 반응기(10)의 단면도가 도시된다. 용기는 랜덤하게 배향된 세라믹 매체(22)의 제1 층(20), 세라믹 펠릿의 표면에 부착되는 촉매 활성 금속을 포함하는 구성요소들(26)의 제2 층(24), 및 베드 서포트 매체(30)의 제3 층(28)을 포함하는 베드(18)를 수용한다. 여기에 사용된 바와 같이, 만약 세라믹 매체가 유체 전환 채널들을 가지며 구성요소들이 유체 전환 채널들을 가지지 않는다면 제1 층에 있는 세라믹 매체는 제2 층에 있는 구성요소들과 물리적으로 상이한 것으로 간주된다. 더구나, 제1 층에 있는 적어도 대부분의 요소들이 랜덤하게 배향된 세라믹 매체라면 제1 층(20)은 랜덤하게 배향된 세라믹 매체가 아닌 요소들을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 제1 층에 있는 모든 요소들은 그 내부에 포함된 유체 전환 채널들을 가지는 세라믹 매체이다. 유사하게, 제2 층을 구성하는 세라믹 구성요소들은 모두 외부면에 유체 전환 채널들을 가지지 않으며 그에 따라 제1 층에 있는 매체와 상이하게 된다. 그러나, 만약 적어도 대부분의 제2 층의 구성요소들이 제1 층에 있는 세라믹 매체와 물리적으로 상이하면 본 발명의 이점이 구현될 수 있다. 다시 도 1을 참조하면, 제2 층은 또한 반응 영역으로 설명될 수 있다. 베드(18)는 알려진 높이를 가지며 제1 층은 베드의 높이의 20% 미만을 차지한다. 제2 층은 베드의 높이의 50%를 초과하여 차지할 수 있다. 만약 원한다면, 제3 층은 제2 층의 하부에 위치하는 스크린으로 대체될 수 있다. 상표 deltaP™에 의해 확인되는, 적합하며 상업적으로 이용 가능한 베드 서포트 매체가 미국, Ohio 주, Stow의 Saint-Gobain NorPro로부터 이용 가능하다.

도 2는 도 1에 도시된 바와 같은 용기(12)의 제1 층(20)으로 사용하기에 적합할 수 있는 세라믹 매체(22)의 일 실시예의 사시도를 개시한다. 매체는 외주 벽(32), 제1 단부(34), 제2 단부(36), 및 제1 단부로부터 제2 단부로 연장되는 네 개의 유체 전환 채널들(38, 40, 42 및 44)을 포함한다. 이 실시예에서, 네 개의 유체 전환 채널들은 동일한 단면 형상을 가진다. 도 3에 도시된 바와 같이, 채널의 형상은 변경될 수 있다. 적당한 매체의 선택적인 형태인 개구부(46)는 매체를 통과하는 내부 통로를 한정하며 또한 제1 단부에서부터 제2 단부로 연장된다. 개구부(46)의 형상, 크기 및 존재는 유체 전환 채널들의 성능에 영향을 끼치지 않으면서 상당히 변경될 수 있다.

제1 층(20)에 사용하기 위한 적당한 매체(48)의 다른 실시예의 단부도가 도 3에 도시된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 매체의 외주면에 접촉한 다음(화살표(50) 참조) 외주 벽의 곡선 표면을 지나 하나 이상의 유체 전환 채널들로 흐르는(화살표(52 및 54) 참조) 유체의 일부분을 채널이 효과적으로 포획하며 전환하고 유체의 적어도 일부분이 매체의 단부로 방향이 변경된다는 조건 하에, 유체 전환 채널들의 단면 형상은 변경될 수 있다. 수직의 각도로 외주 벽에 충돌하며, 그 다음에 유체 전환 채널로 들어가 이를 통과하여 흐르며, 그에 의해 유체의 유동의 방향을 변경하는 유체는 수평으로 변위된 유체로서 여기에 정의된다. 여기에 설명되는 유체 전환 채널들을 가지는 복수의 랜덤하게 배향된 매체는 매체를 통해 흐르는 유체가 유체 유동의 초기 방향에 대하여 거의 90°로 빠르게 전환되게 할 것이다. 유체가 제1 매체를 접촉하고 그 다음에 이로부터 나가며, 그 다음에 제2 매체에 접촉하고 이로부터 나가며, 그 다음에 제3 매체에 접촉하고 이로부터 나갈 때 전환은 반복적으로 일어난다.

외부면에 형성되는 유체 전환 채널들을 가지는 매체가 도 1에 도시된 것과 같은 용기에 사용되며 매체가 유체의 유입 포트와 구성요소들의 제2 층 사이에 배치되는 제1 층을 형성할 때, 세라믹 매체의 유체 전환 채널들은 제1 층을 통과하는 수많은 유체 분산 통로를 형성하는데 협력한다. 유체 분산 통로는 유입 포트를 떠난 후에 그리고 제2 층과 접촉하기 전에 유체가 흐르는 둘 이상의 매체에 형성되는 둘 이상의 채널들을 포함한다. 만약 유체가 제1 매체에서 유체 전환 채널을 통해 흐르며 그 다음에 제2 매체에서 다른 유체 전환 채널을 통해 흐른다면, 유체는 유체 분산 통로를 통해 흐른 것으로 간주된다. 만약 유체가 먼저 제1 층을 통해 흐르고 그 다음에 제2 층을 통해 흐른다면 유체가 흐르는 방향은 중요하지 않다. 하향 유동식 화학 반응기에서, 중력은 유체가 분배기로부터 제1 층을 통과하고 그 다음에 제2 층을 통과해서 아래쪽으로 흐르게 한다. 상향 유동식 화학 반응기에서, 유체의 유입 포인트는 용기의 하부의 근처에 위치하며 제1 층은 제2 층의 아래에 위치한다. 펌프 또는 유사한 장치가 유체를 제1 층을 통과하고 그 다음에 제2 층을 통과해서 상부측으로 보내기 위해 사용된다.

도 4에 도시된 바와 같이, 유체가 복수의 매체를 통과해 흐를 때 유체에 의해 생성되는 유체 분배 패턴의 이론상의 단면도는 원뿔 형상의 영역(화살표(56 및 58) 참조)과 유사할 수 있으며 원뿔의 상부(60)는 유체(62)가 매체의 상부면과 접촉하는 포인트이며 원뿔의 하부(64)는 유체가 복수의 매체의 하부를 나갈 때 유체에 의해 생성된 패턴이다. 매체의 유체 전환 채널들은 두 개의 목적을 동시에 달성할 수 있다. 첫째, 매체를 통해 흐르는 유체는 유체가 매체의 베드를 통과함에 따라 점점 더 넓어지는 영역에 걸쳐 방향이 변경된다. 수직 이동의 단위당 수평 변위의 양은 도 4의 원뿔의 중심을 한정하는 라인(66)과 같은 라인과 화살표(56)에 의해 표시되는 바와 같은 원뿔의 가장 가까운 측면 사이의 각도로 한정되는 매체 베드의 유체 분배 각도를 계산하기 위해 측정되고 사용될 수 있다. 15° 이상과 같은 큰 유체 분배 각도가 10° 이하와 같은 작은 유체 분배 각도보다 바람직하다. 큰 유체 분배 각도를 가지는 것에 추가하여, 그 내부에 포함되는 유체 분배 채널들을 가지는 매체는 유리하게도 원뿔 형상의 분산 영역의 내부에 유체의 균등한 분배를 제공한다. 원뿔 형상의 영역의 내부에 있는 유체의 균등한 분배와 큰 유체 분배 각도 모두를 달성하는 것은 큰 분배 각도와 원뿔의 내부에서 불균일한 분배, 또는 원뿔의 내부에서 균등한 분배와 작은 유체 분배 각도 중의 어느 하나를 달성하는 것보다 바람직할 수 있다.

유체가 복수의 매체를 통해 이동됨에 따라 점점 더 넓어지는 패턴으로 유체를 효과적으로 전환하기 위해, 매체의 물리적 특성과 같은 파라미터들, 매체의 유체 전환 채널들, 및 복수의 매체들이 독립적으로 또는 바람직하게는 서로 조합이 되어 변경될 수 있다. 유체의 수평 변위에 영향을 끼치기 위해 변경될 수 있는 채널의 특성은 채널의 폭, 채널의 깊이, 채널의 길이 및 채널의 단면 형상을 포함한다. 유사하게, 유체의 수평 변위에 영향을 끼치기 위해 변경될 수 있는 매체의 특성은 채널들의 중심선 사이의 회전 각도, 및 매체의 길이에 대한 최대 직경의 비를 포함한다. 유체의 수평 변위에 영향을 끼치기 위해 변경될 수 있는 베드의 하나의 특성은 베드의 깊이이다.

채널들과 관련하여, 유체 전환 채널은 얼마간의 유체가 채널에 쉽게 들어가는 것을 허용하며 그 다음에 유체가 매체의 일 단부까지 채널을 통해 이동될 때까지 채널로부터 유체의 적어도 일부분의 누출을 억제하도록 구성될 수 있다. 도3의 채널(68)의 깊이는 매체의 최대 직경(D_max)의 대략 17%이다. 채널의 깊이는 매체의 최대 직경의 15%와 25% 사이의 깊이일 수 있다. 매체의 최대 직경의 10%와 45% 사이의 깊이를 가지는 채널들이 실현 가능하다. 채널(70)을 한정하는 벽들과 같이, 대체로 서로 평행한 마주보는 벽들에 의해 한정되는 채널들에 대해, 채널의 폭은 마주보는 벽들(72 및 74) 사이의 거리를 측정함으로써 결정된다. 대체로 평행한 벽들을 가지는 채널들과 대조적으로, 채널(76)과 같은 채널이 채널의 개구부의 크기를 감소시키는 돌출부(78)를 가지도록 설계될 수 있다. 돌출부를 포함하는 채녈들에 대해, 개구부의 폭은 돌출부의 마주보는 부분들 사이의 거리이며, 돌출부들(80 및 82)을 보라. 만약 채널의 상부로부터 채널의 하부로 가면서 채널의 폭이 점점 좁아진다면, 채널의 폭은 채널의 깊이의 절반에서 마주보는 벽들 사이의 폭으로서 정의된다. 도 3의 채널(84), 화살표(86)을 보라. 적절하게 작용하는 채널들은 1.2:1.0과 3.0:1.0 사이의 깊이 대 폭의 비를 가질 수 있다. 1.2:1.0보다 작은 깊이 대 폭의 비를 가지는 채널들은 채널에서 유체를 유지하기에 너무 얕을 수 있다. 적절하게 작용하는 채널들은 2:1와 20:1 사이의 길이 대 폭의 비를 가질 수 있다.

위에 표시된 바와 같이, 매체의 유체 분배 성능에 영향을 끼치는 매체의 하나의 특성은 채널들 사이의 회전 각도이다. 회전 각도는 채널(68)의 중심선(90)과 인접한 채널(70)의 중심선(92)의 교차점(88)에 의해 형성되는 각도로서 정의된다. 도 3에 도시된 바와 같이, 채널들은 매체가 네 개의 채널들을 가지도록 서로 90°로 배치될 수 있다. 최소 세 개의 동일하게 이격된 채널들도 사용 가능하지만, 네 개의 동일하게 이격된 채널들이 바람직하다. 다섯 개 또는 여섯 개의 동일하게 이격된 채널들 중의 어느 하나를 가지는 매체가 실현 가능하다. 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 매체에서 각각의 채널의 단면 형상은 동일할 수 있다. 그러나, 도 3에 도시된 바와 같이, 채널들의 단면 형상은 각각의 채널에 대해 동일할 필요가 없다. 게다가, 층에 있는 모든 매체는 동일할 필요가 없다.

용기에 있는 세라믹 매체의 층의 유체 분배를 개선하기 위해 변경될 수 있는 다른 매체의 특성은 L:D 비로 여기서 정의되며, 0.5:1.0에서부터 2.5:1.0까지의 범위일 수 있는, 매체의 직경에 대한 길이의 비이다. 만약 이 비가 0.5:1보다 작다면, 매체는 유체의 유동에 대해 수직인 단부들로 배향되는 경향이 있을 것이며 이는 수평 방향으로 유체를 분산시키는 채널들의 능력에 악영향을 끼친다. 만약 매체의 길이 대 직경의 비가 2.5:1.0보다 크다면, 아주 대부분의 매체는 초기 유체 유동의 방향에 대해 수직으로 배향되는 경향이 있을 수 있으며 이는 베드의 내부에서 압력 강하를 과도하게 증대시킬 수 있다. 베드의 내부의 압력 강하가 허용 가능한 수준을 초과하여 증대된다면 반응기는 정지되어야 한다.

많은 유체의 적절한 분배를 달성하기 위해 변경될 수 있는 베드의 특성과 관련하여, 평균 베드 깊이는 매체의 길이의 적어도 5배이어야 한다. 몇몇 적용에서, 평균 베드 깊이는 매체의 길이의 적어도 10배일 수 있다. 만약 최소 베드 깊이가 너무 얕다면, 매체는 유체의 분배에 거의 영향을 끼치지 않을 것이다.

도 2 및 도 3에 도시된 세라믹 매체를 포함하는, 본 발명의 용기에 유용한 세라믹 매체는 매체에 대해 충분한 강도를 제공하며 사용될 유체와 상용성이 있는 임의의 세라믹 재료로부터 형성될 수 있다. 예를 들어, 천연 또는 합성 점토, 장석, 제올라이트, 근청석, 알루미나, 실리카 또는 이들의 혼합물과 같은 재료들이 사용될 수 있다. 점토는 일반적으로 알루미나 및 실리카의 혼합된 산화물이며 백토, 볼 점토, 내화 점토, 차이나 점토, 및 이와 유사한 것과 같은 재료를 포함한다. 적당한 점토는 볼 점토와 내화 점토와 같은, 높은 가소성의 점토이다. 점토는 약 11 내지 13 meq/100 gm의 메틸렌 블루 인덱스("MBI")를 가질 수 있다. 용어 "장석"은 소다, 칼륨 및 석회를 가지는 알루미나의 실리케이트를 설명하기 위해 여기서 사용된다. 석영, 지르콘 샌드, 장석 함유 점토, 몬모릴로나이트, 하석 섬장암, 및 이와 유사한 것과 같은 다른 구성요소들이 또한 다른 세라믹 형성 구성요소들의 양에 대해 소량으로 존재할 수 있다.

세라믹 베드 토핑 매체를 제조하기 위해 함께 소성되는 재료들은 미세 분말 형태로 공급될 수 있으며 물 및/또는 결합제, 압출 보조제, 윤활제, 및 압출 공정에 도움이 되는 이와 유사한 것과 같은 처리 보조제의 첨가에 의해 형체를 이룰 수 있는 혼합물로 제조될 수 있다. 혼합물은 원하는 형상을 성취하기 위해 압출 또는 드라이 프레싱 기술을 사용하는 프레싱과 같은 몇몇 상이한 기술을 사용하여 처리될 수 있다. 예를 들어, 초기 압출 공정의 다음에 원하는 길이가 되도록 압출의 방향에 수직으로 절단될 수 있다. 초기 건조는 물을 제거하기 위해 사용될 수 있다. 이는 상대적으로 약한 구조의 미가공 재료(greenware)를 파괴시키는 것을 피할 수 있으며 약 120℃보다 낮은 온도에서, 그리고, 일 실시예에서는, 약 70℃보다 낮은 온도에서 실행될 수 있으며 약 5시간 동안 지속될 수 있다. 그 다음에 몸체들은 일반적으로 1.5%보다 작은 겉보기 공극률, 그리고 일 실시예에서, 0.7%보다 작은 겉보기 공극률을 가지는 조밀한 몸체를 형성하기 위해 높은 온도, 예를 들어, 1100℃에서부터 1400℃까지의 최대 온도, 일 실시예에서, 적어도 1200℃에서, 그리고 다른 실시예에서, 약 1250℃에서 처리될 수 있다. 그러나, 공극률은 몇몇 적용들에 대해 약 15%까지일 수 있다. 소성 온도는 어느 정도는 요소들의 조성에 의존할 수 있으며, 일반적으로, 재료의 대부분이 낮은 공극률을 달성하기에 충분할 수 있다. 이는 일반적으로 30 내지 80%까지의 겉보기 공극률 또는 재료 내부의 구멍들을 가지며, 그에 따라 유체가 매체의 재료 내부의 구멍들을 통과하는 것을 허용하는 것보다 오히려 유체 전환 채널에서 유체를 포획하는데 적합하지 않을 수 있는 망상조직 세라믹 몸체들과 대조가 된다.

세라믹 매체는 주로 산화 실리콘과 산화 알루미늄(알루미노 실리케이트)가 포함되는 결과로 생기는 몸체를 형성하기 위해 점토와 장석 및 다른 소량의 구성요소들의 혼합물로부터 제조될 수 있다. 예를 들어, 요소들을 형성하는데 사용되는 혼합물은 적어도 약 90%의 세라믹 형성 성분들과 나머지(일반적으로 약 10%까지)의 처리 보조제들을 포함할 수 있다. 세라믹 형성 성분들은 20 내지 99%의 산화 알루미늄과 0 내지 80%의 산화 실리콘을 포함할 수 있다. 처리 보조제들은 소성 중에 대부분이 증발될 수 있다. 물이 혼합물이 원하는 형태로 만들어지며 소성 중에 이 형상을 유지하는 것을 가능하게 하기에 충분한 양으로 첨가되기 전에 건조 성분들은 완전히 혼합될 수 있다. 일반적으로, 첨가되는 물의 양은 건조 성분들의 혼합물의 100 gm 당 12에서부터 30 ml까지일 수 있다. 그 다음에, 형상화할 수 있는 혼합물은 형상이 1100℃에서부터 1400℃까지의 최대 온도에서 가마 내에서 소성되기 전에 원하는 형상을 형성하기 위해 몰딩되거나 압출될 수 있다. 가마의 온도는 50 내지 90℃/hr의 속도로 증가될 수 있으며 가마가 상온까지 냉각되는 것이 허용되기 전에 하소 온도에서의 체류 시간은 1시간에서부터 4시간까지일 수 있다.

세라믹 매체들이 압출이나 건조-프레싱 공정에 의해 제조되는 경우에, 이들은 요소에 대해 대칭 축을 제공하는 본질적으로 균일한 단면을 하나의 축 방향을 따라 가질 수 있다.

도 2에 도시된 매체를 포함하는 상이한 베드 토핑 매체의 유체 분배 특성들을 평가하기 위해, 도 5에 도시된 액체 분배 시험 장치가 제조되었으며 지금 설명되는 바와 같이 작동되었다. 시험 장치는 양쪽의 단부들에서 개방되며 매체(102)의 베드를 수용하며 수직으로 배향되는 관 형상의 옹벽(100), 베드의 위에 위치하는 기계적 분배기(104), 베드의 하부에 위치하며 용기의 중심과 동심원상으로 정렬되는 제1 분할기 링(106) 및 제2 분할기 링(108), 및 링들의 하부에 위치하는 복수의 유체 수집통들(110, 112, 114, 116 및 118)을 포함하였다. 도 6은 시험 장치의 평면도이다. 링들은 제1 분할기 링이 중앙 영역(120)을 한정하며, 제2 분할기 링과 제1 분할기 링이 중간 영역(122)의 경계를 한정하기 위해 협력하며, 제2 분할기 링과 옹벽이 외부 영역(124)의 경계를 한정하도록 조심스럽게 배치되었다. 각각의 영역들은 베드의 표면적의 1/3을 차지하였다. 도 2에 도시된 충분한 양의 매체가 점토, 장석, 및 유기 압출 보조제들의 혼합물로서 약 25 중량 퍼센트의 알루미나 및 68 중량 퍼센트의 실리카를 포함하며 물과 결합되는 혼합물을 형성함으로써 만들어졌다. 혼합물의 일부분은 다이를 통해 압출되며, 길이들로 절단되며, 세라믹 매체를 형성하기 위해 대략 1200℃의 온도에서 소성되었다. 평가 테스트는 복수의 매체를 시험 장치에 로딩함으로써 시작되었다. 매체는 18 cm의 일정한 깊이로 로딩되었으며 대략 5 mm x 5 mm인 한정된 사각형 형상의 개구부들을 가지는 와이어 메시 서포트 스크린(126)의 상부에 고정되었다. 분배기는 도 5에 도시된 바와 같은 커넥터 배관 설비(128) 및 커넥터 배관 설비(128)에 고정되며 시험 장치의 중심(109)으로부터 반경방향으로 분배되며 도 6에 보여지는 여덟 개의 수평 아암들(130)을 포함하였다. 여덟 개의 수평 아암들 각각은 세 개의 개구부들(132)을 포함하였으며, 그에 의해 아암을 따라 균일하게 이격되며 노즐로 기능을 하는 전체 24개의 개구부들을 초래하였다. 24개의 개구부들 중의 16개는 중앙 영역의 위에 배치되었다. 24개의 개구부들 중의 8개는 중간 영역의 위에 배치되었다. 개구부들 중의 어느 것도 외부 영역의 위에 배치되지 않았다. 각각의 개구부(132)의 직경은 대략 8 mm이었다. 각각의 영역에서 흐르는 물의 양을 측정하며 그에 의해 유체 분배 패턴을 결정하기 전에, 물이 베드로부터 흐를 때 물의 양을 포획하여 측정하지 않고 대략 30분 동안 물이 분배기를 통해 그리고 매체의 베드의 상부로 흐르는 것을 허용함으로써 매체가 완전히 습윤되는 것이 허용되었다. 매체가 습윤된 후에, 유체는 18.9 l/min(분당 5 갤런)의 속도로 매체 베드로 흐르는 것이 허용되었다. 각각의 노즐을 통과하는 물의 평균 유량은 대략 0.79 l/min(분당 0.208 갤런)이었다. 위에 설명된 바와 같이, 물이 매체의 베드의 개개의 부재들과 접촉할 때, 물이 매체의 유체 분배 채널들에 의해 전환됨에 따라 물은 점점 더 넓어지는 영역에 걸쳐 흘렀다. 물이 매체의 베드를 나와서 와이어 메시 스크린을 통해 흐른 후에, 물은 각각이 중앙 영역, 중간 영역 및 외부 영역에 상응하는 일련의 원형 통들(134, 136 및 138)에 수집되었다. 각각의 통의 액체의 양이 측정되었으며 그 다음에 각각의 통의 액체의 중량 퍼센트가 계산되었다.

위에 설명된 시험 장치가 두 개의 상업적으로 이용 가능한 베드 토핑 매체와 도 2에 도시된 매체의 유체 분배 특성을 평가하는데 사용되었다. 두 개의 상업적으로 이용 가능한 매체는 통상 19 mm Pentaring들과 19 mm 세라믹 볼들로 알려져 있다. Pentaring들과 세라믹들 볼 모두는 USA, OH, Stow에 있는 Saint-Gobain NorPro로부터 상업적으로 이용 가능하다. Pentaring들은 일 단부로부터 관찰될 때 중앙에 위치한 허브와 허브로부터 외주 벽까지 반경방향으로 연장되는 다섯 개의 동일하게 이격된 스포크들을 가지는 왜건 휠을 닮은 세라믹 매체이다. 스포크들과 벽은 Pentaring 매체를 통과하는 다섯 개의 삼각형 형상의 개구부들을 한정한다. Pentaring들은 높이가 10 mm이며 직경이 19 mm이었다. 위에서 설명된 각각의 베드 토핑들이 평가될 때 중앙 영역, 중간 영역 및 외부 영역으로 흐르며 kg/min으로 측정된 물의 양이 아래의 표 1에 보여진다. 중앙 영역과 중간 영역으로 흐르는 물의 양들 사이의 퍼센트 편차는 표의 우측에 있는 열에 보여진다.

	중앙 영역 kg/min	중간 영역 kg/min	외부 영역 kg/min	중앙 영역과 중간 영역 사이의 퍼센트 편차
19 mm Pentaring들	9.5	10.9	2.0	14.7
19 mm 세라믹 볼들	8.0	11.0	1.6	37.5
Fig. 2에 도시된 매체	8.1	7.4	2.5	8.6

도 2에 도시된 매체에 대한 중앙 영역과 중간 영역 사이의 퍼센트 편차가 8.6%이었으며 Pentaring들이나 세라믹 볼들에 대한 중앙 영역과 중간 영역 사이의 퍼센트 편차가 각각 14.7%와 37.5%이었기 때문에 데이터는 매체의 외부면에 포함된 유체 전환 채널들을 가지는 매체가 Pentaring들이나 세라믹 볼들보다 더 많은 물의 측방향 분배를 제공하였다는 것을 분명하게 보여준다.

데이터는 유체 분배 채널들을 가지는 매체가 동일한 베드 깊이에서 평가될 때 다른 베드 토핑 매체들 중의 어느 하나보다 더 큰 수평 변위를 제공하였다는 결론을 지지한다. 본 발명의 용기에 사용하기에 적합한 매체는 시험 장치의 중앙 영역에서의 분배와 이의 중간 영역에서의 분배 사이에 12%보다 작은 차이를 가진다. 바람직하게는, 차이는 10% 미만이다.

유체가 제1 층을 통과할 때 유체의 측방향 재분배를 제공하는 것에 추가하여, 제1 층에 있는 세라믹 매체는 본질적으로 베드 토핑의 제1 층이 없는 베드에 걸친 압력 강하와 비교할 때 베드에 걸친 압력 강하에 영향을 끼친다. 그러나, 외부면에 포함되는 유체 분배 채널들을 가지는 세라믹 매체는 유리하게도 19 mm 세라믹 구체들 또는 19 mm Pentaring들로 이루어지는 제1 층보다 압력 강하의 더 작은 증가를 제공한다. 세라믹 구체들, Pentaring들 및 도 2에 도시된 세라믹 매체들에 대한 압력 강하 대 질량 속도의 그래프가 도 7에 도시된다. 라인(138)은 단지 구체만을 평가할 때 획득된 데이터를 나타낸다. 유사하게, 라인들(140 및 142)은 각각 단지 Pentaring 및 도 2에 도시된 세라믹 매체를 평가할 때 획득된 데이터를 나타낸다. 그래프는 압력 강하는 구체들에 대해 가장 빠르게 증가되며 외부면에 유체 전환 채널들을 가지는 세라믹 매체에 대해 가장 빠르지 않게 증가된다는 결론을 지지한다. 유체가 세라믹 매체의 베드를 통과할 때 상대적으로 낮은 압력 강하와 유체의 폭넓고, 균일한 수평 분배의 조합이 화학 반응기의 작동을 위한 바람직한 특성들일 수 있다.

위의 설명은 단지 특정한 실시예들에 대한 설명으로 간주된다. 본 발명의 변형들은 본 기술분야에서 숙련된 사람과 본 발명을 만들거나 사용하는 사람에게 일어날 것이다. 그러므로, 도면들에 도시되며 위에서 설명된 실시예들이 단지 설명을 위한 것이며 특허법의 원칙들에 따라 해석되는 바와 같은 다음의 청구항들에 의해 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것이 아니라는 것이 이해된다.

Claims (14)

1. 유체 유입 포인트 및 베드를 포함하는 용기로서,
   상기 베드는 제1 층의 내부에 배치되는 복수의 개개의 요소들을 포함하는 상기 제1 층으로서, 상기 제1 층에 있는 요소들의 적어도 과반수는 랜덤하게 배향된 세라믹 매체들을 포함하며, 상기 세라믹 매체들은 이의 내부에 형성되는 하나 이상의 유체 전환 채널들을 가지는 외부면을 포함하는 상기 제1 층: 및 구성요소들의 과반수는 상기 세라믹 매체들과 물리적으로 상이한 구성요소들을 포함하는 제2 층을 포함하며; 상기 베드의 상기 제1 층은 상기 제2 층과 상기 유체 유입 포인트 사이에 배치되는 것을 특징으로 하는 용기.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 층의 상기 세라믹 매체만이 그 내부에 형성되는 유체 전환 채널들을 가지는 외부면을 포함하는 것을 특징으로 하는 용기.
3. 제1항에 있어서,
   상기 제1 층의 매체는 제1 단부, 제2 단부 및 이들 사이에 연장되는 상기 유체 전환 채널들을 포함하는 것을 특징으로 하는 용기.
4. 제2항에 있어서,
   상기 제1 층의 매체는 각각 단부들 사이에 연장되는 외주 벽 및 상기 외주 벽에 형성되는 상기 유체 전환 채널들을 포함하는 것을 특징으로 하는 용기.
5. 제4항에 있어서,
   상기 외주 벽은 상기 매체의 최대 직경을 한정하며 상기 유체 전환 채널의 깊이는 상기 매체의 최대 직경의 10 퍼센트를 초과하는 것을 특징으로 하는 용기.
6. 제5항에 있어서,
   각각의 상기 유체 전환 채널의 깊이는 상기 매체의 최대 직경의 15 퍼센트를 초과하는 것을 특징으로 하는 용기.
7. 제5항에 있어서,
   각각의 상기 유체 전환 채널의 깊이는 상기 매체의 최대 직경의 40 퍼센트를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 용기.
8. 제6항에 있어서,
   각각의 상기 유체 전환 채널의 깊이는 상기 매체의 최대 직경의 25 퍼센트를 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 용기.
9. 제1항에 있어서,
   각각의 상기 유체 전환 채널은 길이와 폭을 가지며 상기 채널의 길이 대 폭의 비는 2:1을 초과하며 20:1을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 용기.
10. 제1항에 있어서,
    각각의 상기 유체 전환 채널은 깊이와 폭을 가지며 상기 채널의 깊이 대 폭의 비는 1.2:1.0을 초과하며 3.0:1.0을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 용기.
11. 제1항에 있어서,
    상기 매체들의 과반수는 길이와 단면 직경을 가지며 상기 매체의 길이 대 직경의 비는 0.5:1.0을 초과하며 2.5:1.0을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 용기.
12. 제1항에 있어서,
    상기 베드는 베드 깊이를 한정하며 상기 제1 층은 상기 베드 깊이의 20 퍼센트 미만을 차지하는 것을 특징으로 하는 용기.
13. 제1항에 있어서,
    상기 매체들의 과반수는 동일한 길이를 가지며 상기 제1 층의 최소 깊이는 상기 매체의 길이보다 적어도 5배 더 큰 것을 특징으로 하는 용기.
14. 제1항에 있어서,
    상기 제2 층의 구성요소들은 촉매 반응 활성 금속, 흡착제, 질량 전달 매체, 열 전달 매체 및 여과 매체로 이루어지는 그룹으로부터 선택되는 재료를 포함하는 것을 특징으로 하는 용기.

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