KR101468556B1 - 유동층 장치 및 유동층 장치의 분산기 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 분산기에는, 분립체를 분산시키기 위하여 유체를 분사하는 적어도 하나의 관; 및 상기 적어도 하나의 관을 지지하는 지지부가 포함되고, 중력을 기준으로 할 때 하방으로 상기 유체를 분사하기 위하여, 상기 관의 하측면에 제공되는 홀이 포함된다. 이로써, 제조비용 절감, 조립 및 수리의 용이성 확보, 동작 안정성 확보, 유체 유동홀의 막힘현상개선, 압력손실의 저감, 다양한 형상의 유동층장치에 대한 적응성 향상이라는 효과를 얻을 수 있다.

Description

유동층 장치 및 유동층 장치의 분산기{FLUIDIZED BED REACTOR AND DISTRIBUTOR FOR THE SAME}

본 발명은 유동층 장치에 관한 것이다. 또한, 유동층 장치에 사용될 수 있는 유동층 장치의 분산기에 관한 것이다.

유동층 장치는, 입자지름이 작은 분립체를 용기에 넣고 다공판으로 예시가능한 분산기(distributor)로 유체를 흘려보내어, 상기 분립체를 유동화시키는 장치이다. 상기 분립체(유동화되는 물체를 의미할 수 있다)는, 상기 유체의 유속이 작을 때에는 입자가 정지된, 이른바 고정층 그대로이지만, 유속이 어느 정도 이상이 되면, 입자에 가해지는 유동저항과 중력이 같아져서, 분립체는 마치 끓는 액체처럼 손쉽게 유동할 수 있는 상태가 된다. 이 상태의 층을 유동층이라 하고 이와 같이 유동층을 만드는 장치를 유동층 장치라고 한다.

상기 유동층 장치는, 가스화, 폐기물처리, 및 열교환 분야 등에 다양하게 이용되고 있다. 정유분야를 예로 들면 유동층 크래킹 공정(Fluid Catalytic Cracking), 석탄 유동층 연소로 및 가스화, 폐기물 유동층 소각로, 유동층 건조장치, 유동층 코팅기, 유동층 배연 탈황, 및 유동층 폐열 회수에 사용되고 있다.

상기 유동층 장치는, 산업분야 및 적용상태에 따라서 다양한 구조와 형식으로 사용되고 있지만, 분립체와 유체 간의 혼합과 접촉을 좋게 하는 기본적인 성능에 더하여, 장치의 조립과 수리를 용이하게 할 필요성이 있고, 가능한 한 제조비용을 줄여야 할 필요가 있다.

한편, 상기 분산기는, 유동화시키는 유체를 유동층 장치의 내부로 고르게 분산시키는 기능을 수행하는 부분으로서, 분산기의 위에 분립체가 놓여서 분립체를 지지하는 역할을 수행하기도 한다.

상기 분산기로는, 예를 들어, 다공형, 관통형, 노즐형, 버블캡형 등의 구조가 있다. 상기 다공형은 판상으로 이루어진 분산기에 다수의 작은 홀이 가공되어 있는 형태로서, 분산기의 전후단에서의 압력손실이 크고, 홀의 막힘현상이 발생하는 문제점이 있다. 상기 관통형의 경우에는 유동층 장치의 운전 정지시에 관통홀이 막힐 수 있는 문제점이 있다. 상기 노즐형 및 버블캡형의 경우에는, 각각의 노즐을 별도로 제작하여 분산기에 설치해야 하기 때문에, 분산기의 구조가 복잡해지고 제작비용이 증가하는 문제점이 있다.

본 발명은 상기되는 배경에서 제안되는 것으로서, 유동층 장치의 제조비용 절감, 조립 및 수리의 용이성 확보라는 효과를 달성하고, 분산기 제작의 편리 및 제작비용의 절감, 동작 안정성 확보, 유체 유동홀의 막힘현상개선, 압력손실의 저감. 유동층장치의 형상에 따른 분산기 제공가능이라는 효과를 함께 달성할 수 있는 유동층 장치 및 유동층 장치의 분산기를 제안하고자 한다.

본 발명에 따른 유동층 장치는, 본체와, 상기 본체에 체결되어 유체를 분사하는 분산기가 포함되는 유동층 장치에 있어서, 상기 본체에는, 분립체가 저장되는 저장부, 및 상기 저장부의 적어도 어느 일측에서 상기 저장부보다 윗쪽에 위치하고 유체를 일시 저장하여 공급하는 헤더가 포함되고, 상기 분산기에는 적어도 하나의 관 및 상기 적어도 하나의 관을 지지하는 지지부가 포함되고, 상기 지지부는 상기 본체에서 상하방향으로 연장되는 안착홈에 끼워져서 지지되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 유동층 장치의 제작편리/수리편리/제조비절감의 효과를 얻을 수 있다.

여기서, 상기 적어도 하나의 관은 직선 또는 원형으로 연장되고, 상기 지지부는, 상기 본체의 벽과 함께 상기 헤더를 제공하는 일 격벽의 기능을 수행하는 유동층 장치. 이와 같은 작용에 따르면 제조비절감/제작편리/최적형태의 분산기 제공가능이라는 효과가 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 유동층 장치의 분산기에는, 분립체를 분산시키기 위하여 유체를 분사하는 적어도 하나의 관; 및 상기 적어도 하나의 관을 지지하는 지지부가 포함되고, 중력을 기준으로 할 때 하방으로 상기 유체를 분사하기 위하여, 상기 관의 하측면에 제공되는 홀이 포함되고, 상기 홀은 상기 관의 진행방향으로 길게 단속적으로 제공되는 슬릿형상의 홀로 제공되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 따르면, 분산기의 제작편리, 제작비용의 절감, 동작 안정성 확보, 유체 유동홀의 막힘현상개선, 압력손실의 저감, 및 다양한 형상의 분산기 제작가능이라는 효과를 얻을 수 있다.
더 바람직하게, 상기 슬릿형상의 홀은 서로 다른 높이 및 위치에 다수 개가 마련되고, 상기 홀은 상기 관의 하단을 기준으로 할 때 15도에서 75도의 범위에 마련될 수 있다. 이로써, 유동손실저감/홀제작편의/유동화작용충실의 효과를 얻을 수 있다.

삭제

더 바람직하게, 상기 적어도 하나의 관은 지름이 서로 다른 곡선형태이고, 상기 지지부는 상기 적어도 하나의 관을 서로 연결하여 유체를 연통시키는 연통관일 수 있다. 다른 방식으로 상기 적어도 하나의 관은 지름이 서로 다른 곡선형태이고, 상기 지지부는 각각의 상기 적어도 하나의 관에 개별적으로 연결되는 분지관일 수 있다. 또 다른 방식으로 상기 지지부는 상기 적어도 하나의 관의 양단을 지지할 수도 있다. 이러한 다양한 형태의 제공이 가능함으로써, 다양한 구조 및 형상의 유동층장치에도 최적의 분산기를 제공할 수 있다.

삭제

본 발명에 따르면, 유동층 장치의 제조비용 절감, 조립 및 수리의 용이성 확보라는 효과를 달성하고, 다른 측면에 따른 유동층 장치의 분산기에 따르면, 분산기 제작의 편리 및 제작비용의 절감, 동작 안정성 확보, 유체 유동홀의 막힘현상개선, 압력손실의 저감의 효과를 얻을 수 있다. 아울러서, 유동층 장치의 구조 및 형상이 달라지더라도 그 작용상의 효과를 충분히 얻을 수 있는 분산기를 얻을 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 유동층 장치의 분해 사시도.
도 2는 실시예에 따른 유동층 장치의 작용을 설명하는 도면.
도 3은 도 1의 A-A'의 단면도.
도 4는 관을 하측에서 바라본 도면.
도 5는 다른 실시예에 따른 원형의 분산기를 나타내는 도면.
도 6은 또 다른 실시예에 따른 원형의 분산기를 나타내는 도면.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 다만, 본 발명의 사상은 첨부되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 동일한 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명의 사상에 포함된다고 할 것이다.

도 1은 실시예에 따른 유동층 장치의 분해 사시도이다.

도 1을 참조하면, 본체(1)와, 상기 본체(1)에 별도의 부품으로 고정되는 분산기(2)가 도시된다.

상기 본체(1)에는 대략 사각형 상자로 제공되는 프레임(11)이 제공된다. 상기 프레임(11)에는, 분립체가 저장되는 부분으로서 저장부(13)가 마련되고, 상기 저장부(13)의 양측에 유체를 공급하는 부분으로서 헤더(16)가 마련된다. 도 1에서 상기 헤더(16)의 상측부분은 개방되는 것으로 도시되어 있으나, 이는 설명의 편의를 위한 것으로서 일체형으로 닫혀 있을 수 있고, 별도의 부품으로 닫혀 있을 수도 있다. 상기 저장부(13)는 상기 헤더(16)에 비하여 하측으로 조금 꺼져 있도록 할 수 있는데, 이로써 분립체의 저장량을 일정수준 이상으로 할 수 있다. 상기 프레임(11) 상단부의 상방으로는 별도의 부품이 더 올려져 있을 수도 있고, 프레임(11)이 단일체로서 상측으로 더 연장되어 있을 수도 있다. 이로써, 분산기(2)를 통과한 유체 및 분립체의 유동층이 형성되는 공간을 제공할 수 있다.

상기 분산기(2)에는, 적어도 하나 이상의 관(22)과, 상기 관을 관의 양측에서 지지하는 지지부(21)가 마련된다. 아울러, 상기 지지부(21)는 후술하는 바와 같이 격벽 및 고정구조로서의 기능을 함께 수행할 수 있다. 상기 관(22)에는 홀이 제공되어 관의 내부로 공급되는 유체가 유동층 장치의 내부로 분사되도록 한다. 상기 관의 단면은 원형으로 예시가능하지만 그에 제한된다고 할 수는 없다.

상기 지지부(21)는 프레임(11)의 안착홈(12)에 끼워진다. 이로써, 분산기(2)는 본체(1)에 안착될 수 있다. 이때 분산기(2)와 본체(1) 간에 유체의 누설 등을 막기 위하여 지지부(21)와 프레임(11)의 접촉부분에 실링 등이 되어 있을 수 있다. 따라서, 상기 지지부(21)는 고정구조로서의 기능을 수행할 수 있는 것이다. 상기되는 과정에 의해서 분산기(2)가 본체(1)에 고정됨으로써, 용접, 접착, 기계적 체결 등과 같은 복잡한 조립과정에 의해서 수행될 필요없이, 편리하고 저렴하게 유동층 장치를 제작할 수 있는 장점이 있다. 또한, 유동층 장치의 수리 시에도 편리하게 분산기(2)를 분리하여 수리할 수 있는 장점이 있다.

상기 분산기(2)가 상기 본체(1)에 안착되면, 상기 지지부(21)는 프레임(11)의 벽과 함께 헤더(16)구조를 제공하게 된다. 상기 헤더(16)는, 프레임(11)의 하면에 제공되는 매체공급부(15)를 통하여 공급되는 유체를 저장하는 부분이다. 따라서 상기 지지부(21)는 격벽의 기능도 수행할 수 있는 것이다. 상기 매체공급부(15)에는 공급관(14)이 연결되어 유동화 매체로서 기능하는 유체를 공급받는다. 상기 헤더(16), 매체공급부(15), 지지부(21), 및 공급관(14)은 프레임의 일측에 대해서만 설명을 하였지만, 그 반대쪽에도 도면에 제시된 바와 같이 마찬가지의 구조가 제공될 수 있을 것임은 용이하게 짐작될 것이다.

도 2는 실시예에 따른 유동층 장치의 작용을 설명하는 도면이다.

도 2를 참조하면, 공급관(14)과 매체공급부(15)를 통하여 공급되는 유체는, 헤더(16)의 내부에서 일차적으로 모인다. 상기 헤더(16) 내부의 유체는 적어도 하나 이상의 관(22)에 일정량씩 균일하게 공급된다. 공급된 유체는 관(22)에 형성되어 있는 홀을 통하여 유동층 장치의 내부로 공급된다. 이후에는 공급된 유체에 의해서 분립체가 중력을 이기고 유동할 수 있게 된다.

한편, 상기 저장부(13)의 바닥면에는, 유동층을 이루지 못할 정도로 크거나 무거운 분립체를 제거할 수 있도록 하기 위하여, 배출부(41)가 마련될 수 있다. 상기 배출부(41)는 유동층 장치의 작동이 일시적으로 중지되었을 때 등에, 분립체 찌꺼기를 제거하는 기능을 수행할 수 있다.

한편, 이미 설명된 바와 같이 상기 관(22)에는 홀이 제공되는데, 상기 홀의 구조 및 작용을 도 3 및 도 4를 참조하여 보다 상세하게 설명한다.

도 3은 도 1의 A-A'의 단면도이고, 도 4는 관을 하측에서 바라본 도면이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 관(22)에는 중력을 기준으로 할 때 경사지는 하방으로 홀이 제공되어 있다. 따라서, 관(22)을 통하여 배출되는 유체는 경사지는 하방으로 분사되고, 저장부(13)에 있는 분립체를 직접 및 간접으로 유동화시키게 된다. 유동화된 분립체는 관(22)의 사이 간격부를 통하여 관(22)의 상측으로 더 올라가서 유동층을 형성할 수 있다. 또한, 상기 홀이 관의 하방에 제공됨으로써, 유동층 장치의 시작 또는 정지 시에 낙하하는 분립체가 홀의 안으로 유입될 우려가 없다.

상기 홀(31)(32)(33)(34)은 슬릿형상으로서, 관(22)의 하측에서 일정한 각도범위 내로 마련될 수 있다. 바람직하게는, 수직방향에서의 각도(θ)는 15도에서 75도의 범위로 마련될 수 있다. 또한, 상기 수직방향의 각도가 75도를 넘어서 커지는 경우에는 수평유동이 강하고, 분립체에 가해져야 하는 수직방향의 유체 유동이 약해지기 때문에 바람직하지 않고, 상기 수직방향의 각도가 15도보다 작은 경우에는 수직하방의 유체 유동이 강하여 저장부(13) 내부에서의 난류생성기능이 약화될 우려가 있으므로 바람직하지 않다. 상기되는 설명에서 보는 바와 같이, 경사진 측방유동을 강화시킴으로써, 저장부(13) 내부에 있는 분립체에 대한 유동화 기능을 극대화시킬 수 있다.

또한, 상기 홀(31)(32)(33)(34)은 슬릿형상으로서, 관의 연장방향을 따라서 길게 단속적으로 제공된다. 이러한 슬릿형상의 관은, 관을 제작할 때 길이방향으로 일정주기로 홈을 제공하여서 제공할 수도 있고, 범용으로 제작된 관을 날카로운 부재로 긁어서 만들 수도 있다. 어느 경우나, 종래기술에서 본 바와 같이 다수의 홀을 뚫는 것에 비하여 간단한 제작공정을 거치게 되므로, 제작비용의 측면에서 우수하다. 또한, 상기 슬릿형상의 홀은 길이 방향으로 단속적으로 마련된다. 따라서 홀에서 분사되는 유체의 유속을 높여서 유동층 생성의 효과를 높일 수 있고, 관의 강도를 약화시키지 않는 장점을 얻을 수 있다.

또한, 상기 홀은 관의 최하단을 기준으로 할 때, 좌우양측으로 서로 다른 높이와 위치에 두 종류 이상 마련되어 있으므로, 유동화 유체의 분산효율이 높은 것은 짐작할 수 있을 것이다. 이는 서로 이격되는, 다수의 관상으로 제공되는 분산기에서 발생될 수 있는 유체의 확산이라는 문제점을 개선하기 위한 목적도 가지고 있다.

또한, 상기 홀은 슬릿형상으로 다수 개가 마련되어 있으므로 종래 점상으로 다수개가 제공되는 다공성 분산판의 형태에 비하여 압력손실이 저감되는 효과를 얻을 수 있는 것도 물론이다.

상기 실시예에서는 상기 관(22)이 양측 지지부(21)의 사이에서 직선형으로 제공되는 것으로 설명이 되어 있다. 그러나, 그와 같은 형태로 제한되지 아니하고, 원형 또는 곡선형 등의 다양한 형태로 제공될 수도 있다. 이러한 다른 형태는 유동층 장치의 단면 형태에 따라서 분산기가 달라지는 경우에 대응할 수 있을 것이다. 예를 들어, 본체(1)가 원형의 단면형상으로 제공되는 경우에는, 분산기(2)도 원형으로 제공되는 것이 바람직한 것이다. 도 5는 다른 실시예에 따른 원형의 분산기를 나타내는 도면이다.

도 5를 참조하면 원형관(42)이 동심원으로 세 개가 마련되고, 상기 원형관(42)으로 유체를 공급하는 헤더(41)가 마련된다. 상기 헤더(41)와 상기 원형관(42)이 연결되도록 하는 연통관(43)이 제공된다. 상기 원형관(42)에는 슬릿이 제공되어 유체를 분사하는 것도 이미 설명된 바와 같다. 상기 연통관(43)은 상기 원형관(42)을 지지하는 지지부로서의 역할도 수행한다.

다른 실시예에 따른 분산기의 작용은 이하와 같다. 먼저, 헤더(41)에 유체가 공급되고, 공급된 유체는 연통관(43)을 통하여 직경이 가장 큰 원형관(42)에 공급되어 분사된다. 이후에는 연통관을 통하여 중간 직경의 원형관(42)에 유체가 공급되고, 마지막으로 연통관을 통하여 작은 직경의 원형관(42)에 유체가 공급된다. 한편, 다른 실시예에서 원형관의 수는 더 늘거나 줄어들 수 있고, 헤더와 연통관의 수도 늘거나 줄어들 수 있다.

본 실시예에서도 슬릿의 형상 및 배치는 원래의 구조와 동일하게 제공될 수 있으므로, 유체의 하방분사에 따른 작용상의 효과, 슬릿의 제작과 작용상의 효과, 분사기의 장착 상의 편의점 등을 마찬가지로 얻을 수 있을 것이다.

도 6은 또 다른 실시예에 따른 원형의 분산기를 나타내는 도면이다.

도 6을 참조하면, 헤더(51)를 통하여 공급되는 유체는 분지관(531)(532)(533)으로 나뉘어진 다음에 공급된다. 각 분지관을 통과한 다음에는 각 분지관이 연결되어 있는 원형관(52)으로만 유체가 공급된다. 그러므로, 각각의 원형관(52)(도면에는 동심원으로서 직경이 다른 세 개의 원형관이 제시된다)에는 병렬적으로 유체가 공급될 수 있다. 이로써, 분사기의 동작시간이 빨라질 수 있을 것이다. 상기 분지관(531)(532)(533)은 원형관(52)을 지지하는 지지부로서의 역할도 수행할 수 있다.

상기 또 다른 실시예의 경우에도, 하방분사로 인한 작용, 슬릿의 제작과 작용 등의 효과를 마찬가지로 얻을 수 있을 것이다.

상기되는 실시예들에 따르면 유동층 장치의 형상이나 구조에 관계없이 다양한 형태 및 구조에 맞추어서, 분산기를 사각형, 원형, 및 곡선형 및 다양한 형태로 제작할 수 있음을 알 수 있다. 이와 같이 다양한 형태 변화에 따르더라도, 분산기를 통한 유체의 공급에는 지장이 없고, 유동층 장치의 동작에도 지장이 없는 것을 알 수 있다.

본 발명의 사상에 포함되는 다른 실시예를 더 제시한다. 상기 슬릿은 관의 단면에서 놓이는 각도에 따라서 네 가지의 종류로 달라지는 것으로 예시되어 있으나, 도시된 형태로 제한되지 아니하고, 네 가지가 아닌 여러 종류의 서로 다른 슬릿이 규칙 없이 제공될 수도 있다. 그러나, 제작의 편의 및 작용의 신뢰성 확보라는 측면에서 네 가지 종류의 슬릿이 제공되는 것이 편리한 것은 물론이다.

또한, 도면에는 세 개의 관이 제공되는 것으로 제시되어 있으나, 이 또한, 이에 제한된다고 할 수 없고, 네 개 또는 그 이상 또는 그 이하로 마련될 수도 있을 것이다.

또한, 실시예에서는 분산기로서 지지부와 관이 일체로 제공된 후에, 프레임의 안착홈에 끼워져서 편리하게 착탈이 가능한 형태를 제시하고 있으나, 그와 같은 형태로 제한되지 아니하고, 관이 프레임에 고정되는 형태로 제시될 수도 있을 것이다. 이는 본 발명의 관상의 분산기는 홀에 분립체가 끼워질 우려가 없으므로 수리의 필요가 적기 때문이다. 그러나, 관을 지지하는 지지부가 마련되고, 상기 지지부가 본체에 끼워지는 형태로 고정되는 것이 제작, 수리, 및 설치의 다각적인 면에서 편리할 것이다.

본 발명은, 종래 다양한 형태로 사용된 바가 있는 유동층 장치의 구조를 획기적으로 개선하여, 유동층 장치의 제조비용의 절감, 조립/수리/설치의 용이성 확보, 분산기의 제작편리, 동작 안정성 확보, 유체 유동홀의 막힘현상개선, 및 압력손실의 저감, 유동층장치의 형상에 맞는 분산기 제작가능이라는 효과를 달성할 수 있다. 이로써, 다양한 산업분야에 미칠 산업적인 효과가 크다고 할 것이다.

1:본체
2:분산기

Claims (9)

1. 본체와, 상기 본체에 체결되어 유체를 분사하는 분산기가 포함되는 유동층 장치에 있어서,
   상기 본체에는, 분립체가 저장되는 저장부, 및 상기 저장부의 적어도 어느 일측에서 상기 저장부보다 윗쪽에 위치하고 유체를 일시 저장하여 공급하는 헤더가 포함되고,
   상기 분산기에는 적어도 하나의 관 및 상기 적어도 하나의 관을 지지하는 지지부가 포함되고,
   상기 지지부는 상기 본체에서 상하방향으로 연장되는 안착홈에 끼워져서 지지되는 유동층 장치.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 관은 직선 또는 원형으로 연장되고,
   상기 지지부는, 상기 본체의 벽과 함께 상기 헤더를 제공하는 일 격벽의 기능을 수행하는 유동층 장치.
3. 분립체를 분산시키기 위하여 유체를 분사하는 적어도 하나의 관; 및
   상기 적어도 하나의 관을 지지하는 지지부가 포함되고,
   중력을 기준으로 할 때 하방으로 상기 유체를 분사하기 위하여, 상기 관의 하측면에 제공되는 홀이 포함되고,
   상기 홀은 상기 관의 진행방향으로 길게 단속적으로 제공되는 슬릿형상의 홀로 제공되는 유동층 장치의 분산기.
4. 삭제
5. 제 3 항에 있어서,
   상기 슬릿형상의 홀은 서로 다른 높이 및 위치에 다수 개가 마련되고, 상기 홀은 상기 관의 하단을 기준으로 할 때 15도에서 75도의 범위에 마련되는 유동층 장치의 분산기.
6. 제 3 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 관은 지름이 서로 다른 곡선형태이고,
   상기 지지부는 상기 적어도 하나의 관을 서로 연결하여 유체를 연통시키는 연통관인 유동층 장치의 분산기.
7. 제 3 항에 있어서,
   상기 적어도 하나의 관은 지름이 서로 다른 곡선형태이고,
   상기 지지부는 각각의 상기 적어도 하나의 관에 개별적으로 연결되는 분지관인 유동층 장치의 분산기.
8. 제 3 항에 있어서,
   상기 지지부는, 상기 적어도 하나의 관의 양단을 지지하는 유동층 장치의 분산기.
9. 삭제

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