KR101666047B1 - 유동층 공정용 루프실 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 2단 연결 순환유동층에 배치되는 루프실의 루프실유입관에 운전 중 압력변화 등에 의해 고체입자가 차올라서 발생되는 싸이클론의 효율 저하 및 고체입자 손실을 방지할 수 있는 유동층 공정용 루프실에 관한 것으로, 싸이클론으로부터 고체입자가 유입되는 버퍼탱크; 상기 버퍼탱크의 하부에 연결되는 루프실유입관; 상기 루프실유입관과 루프실연결관으로 연결되어 고체입자가 상향으로 이동되는 루프실배출상승관; 및 상기 루프실배출상승관의 단부에 일체로 연결되어 고체입자를 하향 또는 하향으로 경사지게 배출하는 루프실배출하강관을 포함한다.

Description

유동층 공정용 루프실{Loop Seal for Fluidized Bed Process}
본 발명은 유동층 공정용 루프실에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2탑 연결 순환유동층에 배치되는 루프실의 루프실유입관에 운전 중 압력변화 등에 의해 고체입자가 차올라서 발생되는 싸이클론의 효율 저하 및 고체입자 손실을 방지할 수 있는 유동층 공정용 루프실에 관한 것이다.
2탑 연결 순환유동층(Two-interconnected Circulating Fluidized Bed)은 열 및 물질전달이 우수한 유동층 반응기의 장점과 함께 고체입자순환이 가능한 점에서 서로 다른 두 개의 반응이 동시에 일어나는 기체-고체 반응에 널리 사용되고 있다.
일반적으로 2탑 연결 순환유동층(100)은 도 1에 도시되는 바와 같이, 제1유동층(102)과 제2유동층(114)이 서로 연결되어 있으며, 두 개의 유동층(102,114) 사이에는 각각의 유동층 반응기에 주입되는 기체의 혼합을 방지하고, 두 유동층 사이의 차압(differential pressure) 발생에 의해 일어날 수 있는 고체입자의 역흐름을 방지하기 위해 루프실(loop seal)(112)을 설치한다.
상기 제1유동층(102)에는 제1유동화가스공급관(104)가 설치되어, 제1유동화가스가 유입되며, 상기 제2유동층(114)에도 제2유동화가스공급관(124)이 설치되어 제2유동화가스가 유입된다. 상기 제1유동화가스 및 제2유동화가스는 기체-고체의 반응에 따라 적합하게 선택된다.
상기 제1유동층(102)은 고체입자의 순환을 위해 기체유속이 입자의 종말속도(Terminal velocity)보다 높은 유속에서 조업되는 고속유동층(High velocity fluidized bed) 또는 이동층(transport bed) 조건에서 조업되는 경우로, 상기 제1유동화가스공급관(104)에서 주입되는 제1유동화가스에 의해 고체입자가 부유하여 비산된다.
그리고, 상기 제1유동층(102)의 제1배출관(106)에는 상기 제1유동층(102)에서 비산된 기체와 고체입자의 혼합물을 분리하기 위한 제1싸이클론(108)이 배치되고, 상기 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)이 상기 루프실(112)과 연결된다. 또, 상기 제1싸이클론(108)의 제1기체배출관(110)으로 분리된 기체가 배출된다.
또. 상기 제2유동층(114)에는 제2싸이클론(118)이 제2배출관(116)을 통해 연결되어, 상기 제2유동층(114)에서 발생되는 기체를 제2기체배출관(122)을 통해 외부로 배출하고, 제2고체배출관(120)을 통해 분리된 고체입자를 다시 상기 제2유동층(114)에 복귀시킨다. 그리고, 상기 제2유동층(114)에는 제2유동층배출관(123)을 통해 고체입자를 상기 제1유동층(102)에 공급하여 고체입자를 순환시키게 된다.
상기 루프실(112)에는 루프실유동화가스공급관(113)을 통해 루프실유동화가스가 공급되며, 이를 통해 상기 루프실(112) 내의 고체입자가 상기 제2유동층(114)으로 이동하게 된다. 한편, 상기 루프실유동화가스공급관은 루프실 하부 좌우에서 양쪽으로 공급되는 경우도 있다.
상기 루프실(112)에 대해서 도 2 내지 도 4를 참조하여 자세히 설명한다. 상기 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)으로 배출되는 고체입자는 상기 루프실(112)의 루프실유입관(126)으로 도입되며, 중력에 의해 하강한 후 상기 루프실(112) 하부의 루프실연결관(128)으로 주입되는 루프실유동화가스에 의해 유동화되어, 상기 루프실연결관(128)의 양측의 루프실유입관(126)과 루프실배출상승관(129)의 높이가 같아지도록 유동화 된다.
상기 루프실계속적으로 고체입자가 주입되면, 도 2에 표시된 바와 같이 루프실배출상승관(129)의 배출측높이(H2)와 루프실유입관(126)의 유입측높이(H1)가 같아지도록 고체입자가 차오르게 되고, 추가로 주입되는 고체입자량 만큼 상기 루프실배출상승관(129)과 연결된 루프실배출하강관(130)을 통해 배출되어 상기 제2유동층(114)으로 공급된다. 이 경우는, 제1유동층(102)의 압력(P1)과 제2유동층(114)의 압력(P2)의 차이(△P=P2-P1=0)가 없는 상태이며, 이를 정상상태라고 한다.
그러나, 제1유동층(102)의 압력(P1)과 제2유동층(114)의 압력(P2)이 변화하여, 두 반응기 사이의 차압(differential pressure)이 발생하는 경우, 이 차압은 상기 루프실(112)의 높이 변화로 반영된다.
먼저, △P가 0보다 작은 경우, 즉 제1유동층(102)의 압력(P1)이 제2유동층(114)의 압력(P2)보다 더 높은 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 루프실(112)의 루프실유입관(126)의 고체입자층 높이(H1)가 상기 루프실배출상승관(129)의 고체입자층 높이(H2)에 비해 낮아지게 되며, 양쪽의 높이 차이(△H)는 △P의 절대값이 커질수록 더욱 증가하게 된다. 한편, 상기 제1사이클론(108)을 통해 루프실(112)로 연속적으로 고체입자가 유입될 경우 고체입자가 배출될 수 있는 최소 높이인 H2까지는 고체입자가 차오르므로 상기 루프실배출상승관(129)에서 고체입자층의 높이(H2)는 거의 변화되지 않는다.
반대로, △P가 0보다 큰 경우, 즉 제2유동층(114)의 압력(P2)이 제1유동층(102)의 압력(P2)보다 더 높은 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이 고체입자가 배출되기 위한 높이인 루프실배출상승관(129)에서 고체입자층의 높이(H2)는 변화되지 않는 반면, 루프실유입관(126)의 고체입자층 높이(H1)가 증가하게 되며, 양쪽의 높이 차이(△H)는 △P의 절대값이 커질수록 더욱 증가하게 된다.
한편, 2탑 연결 순환유동층 공정이 가압조건에 사용되는 경우를 예로 들면, 제1유동층(102)과 상기 제2유동층(114)의 압력을 제어하기 위해 배출기체의 유량을 조절하는 제어밸브(control valve) 등을 사용하게 되며, 밸브의 움직임에 의해 각각의 유동층 반응기 내부의 압력이 달라지므로, 두 반응기 사이의 차압(△P)이 변하게 된다.
또, 기체가 배출되는 배관에 일시적인 막힘현상이 있거나, 상기 제1사이클론(108)으로 유입되는 기체/고체입자 혼합물의 농도가 순간적으로 변화하여 유로의 단면적이 변화하게 되면, 각 유동층 반응기의 압력이 변화하며, 이로 인해 두 반응기 사이의 차압이 달라지게 된다.
특히, P2가 P1에 비해 매우 큰 경우에는 루프실유입관(126)의 고체입자층 높이(H1)가 루프실유입관(126)의 전체높이(HL), 심하게는 상기 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)까지 차오를 수 있으며, 이로 인해 상기 제1싸이클론(108)에서 포집된 고체입자가 상기 루프실(112)로 이동하지 못하고 기체와 함께 상기 제1싸이클론(108)의 제1기체배출관(110)을 통해 배출되어 유동층에 사용되는 입자가 손실될 수 있다.
한편, 두 반응기 사이의 압력요동이 큰 경우에는 일시적으로 상기 루프실(112)을 통과하여 배출되는 고체입자량이 상기 제1고체배출관(111)을 통해 상기 루프실(112)로 유입되는 고체입자속도보다 낮아질 수 있으며, 이 경우에도 루프실유입관(126)에 고체입자가 쌓이게 되며 이로 인해 상기 제1사이클론(108)의 효율이 저하될 수 있다.
이와 같이 두 반응기 사이의 차압이나 루프실(112)을 통과하여 배출되는 고체입자량과 상기 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)을 통해 루프실로 유입되는 고체입자속도의 차이에 의해 상기 제1고체배출관(111)이 폐색되어 상기 제1싸이클론(108)의 효율이 저하되는 것을 방지하기 위한 방법으로, 루프실유입관(126)의 전체길이(HL)를 증가시키는 방법을 사용할 수 있으나, 루프실유입관(126)의 전체길이(HL)가 증가하면, 상기 제1유동층(102)의 길이도 함께 높아져야 하므로 장치비가 증가하는 단점이 있다.
한국특허 제10-1264793호
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 2단 연결 순환유동층에 배치되는 루프실의 루프실유입관에 운전 중 압력변화 등에 의해 고체입자가 차올라서 발생되는 싸이클론의 효율 저하 및 고체입자 손실을 방지할 수 있는 유동층 공정용 루프실을 제공하는 데에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 싸이클론으로부터 고체입자가 유입되는 버퍼탱크; 상기 버퍼탱크의 하부에 연결되는 루프실유입관; 상기 루프실유입관과 루프실연결관으로 연결되어 고체입자가 상향으로 이동되는 루프실배출상승관; 및 상기 루프실배출상승관의 단부에 일체로 연결되어 고체입자를 하향 또는 하향으로 경사지게 배출하는 루프실배출하강관을 포함하는 루프실이다.
상기 버퍼탱크의 용량(VB)은 정상상태에서 상기 루프실유입관, 상기 루프실연결관, 및 상기 루프실배출상승관에 채워지는 전체 고체입자의 부피(VL) 이상인 것을 특징으로 한다.
또, 상기 버퍼탱크의 하부에는 경사부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또, 상기 경사부의 경사각은 고체입자의 안식각 이상인것을 특징으로 한다.
본 발명에서 제안된 버퍼탱크를 가지는 루프실에 의하면, 제2유동층의 압력이 증가하여 루프실유입관의 고체입자층 높이가 높아질 경우에도, 루프실에 있던 고체입자 전체를 버퍼탱크에 수용할 수 있으므로 사이클론 고체배출관 높이에는 도달하지 못하게 되어 사이클론의 효율 저하를 방지할 수 있다.
또한, 루프실 직경에 비해 부피가 큰 버퍼탱크를 사용함으로써 루프실 높이의 증가를 최소화할 수 있으며, 제1유동층 반응기의 높이 증가를 최소화할 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 2단 연결 순환유동층의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 루프실에서 정상상태인 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 루프실에서 고체입자유입측 압력이 고체입자배출측 압력보다 큰 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1의 루프실에서 고체입자유입측 압력이 고체입자배출측 압력보다 작은 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 유동층 공정용 루프실의 개략적인 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 5에서 도면부호 200은 본 발명의 실시예에 따른 루프실을 지시한다. 상기 루프실(200)은 루프실유입관(206)의 상측으로 버퍼탱크(202)가 설치되는 것이 특징이다.
따라서, 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)에 상기 버퍼탱크(202)가 연결된다. 그리고, 상기 버퍼탱크(202)의 하부는 상기 루프실유입관(206)과 연결되어 고체입자의 하강을 유도하기 위하여 경사부(204)를 가진다. 이 때, 상기 경사부(204)의 경사각(θ)은 고체입자가 쌓이는 것을 방지하기 위해 고체입자의 안식각(repose angle)보다 크게 선정한다. 여기서, 안식각이란, 분립체(粉粒體)를 깔때기 등에서 조용하게 평면상에 떨어뜨리면 원뿔 모양으로 쌓이는데 이 원뿔의 모선(母線)과 수평면이 이루는 각을 그 분립체의 안식각이라고 한다.
또, 상기 루프실유입관(206)과 상기 루프실배출상승관(210)은 루프실연결관(208)에 의해 연결되어 대략 U자구조를 가지게 된다. 그리고, 상기 루프실배출상승관(210)에는 루프실유동화가스를 공급하는 루프실유동화가스공급관(214)이 연결된다. 그리고, 상기 루프실배출상승관(210)의 단부에는 루프실배출하강관(212)이 일체로 연결된다. 이 결과, 상기 루프실배출상승관(210)에서 상승된 고체입자가 상기 루프실배출하강관(212)을 통해 하향 또는 하향으로 경사지게 배출된다.
상기 루프실유입관(206)의 길이(HL)는 루프실배출상승관(210)의 높이(HR)와 같거나 이보다 높게 형성된다. 즉, 정상상태에서는 루프실배출상승관(210)의 고체높이(H2)와 루프실유입관(206)의 고체높이가 같게 형성되며, 고체입자가 유입되어 상기 루프실유입관(206)의 높이(HL)보다 고체입자의 높이가 높아지는 경우에는 모두 상기 버퍼탱크(202)의 영역에 두어서, 루프실유입관(206)의 높이(HL) 이상으로 유입되는 고체입자가 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)에 도달하지 않도록 하는 완충효율을 최대한으로 확보할 수 있다.
이 결과, 상기 버퍼탱크(202)의 높이(H3)와 상기 루프실유입관(206)의 길이(HL)를 합쳐 루프실유입측 전체길이(HT)를 이루게 되며, 이는 종래기술에 따른 루프실유입관(126)의 높이(HL)와 같거나 작을 수 있다. 따라서, 제1유동층(102)의 길이를 종래와 동일하게 하거나, 더 줄일 수 있으므로 장치비를 감소시킬 수 있다.
상기 버퍼탱크(202)의 단면형상은 원형 또는 다각형 형태로 제작할 수 있다. 그리고, 버퍼탱크(202)의 고체입자를 수용할 수 있는 용량(VB)은 정상상태에서 상기 루프실유입관(206), 상기 루프실연결관(208), 및 상기 루프실배출상승관(210)에 채워지는 전체 고체입자의 부피(VL)보다 크게 선정하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 루프실유입관(206)의 높이 이상으로 고체입자가 차오르더라도 상기 버퍼탱크(202)는 부피(VL)만큼 더 수용할 수 있어서, 싸이클론이 폐색되는 현상을 방지할 수 있게 된다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 2탑 연결 순환유동층 102: 제1유동층
104: 제1유동화가스공급관 106: 제1배출관
108: 제1싸이클론 110: 제1기체배출관
111: 제1고체배출관 112,200: 루프실
113,214: 루프실유동화가스공급관 114: 제2유동층
116: 제2배출관 118: 제2싸이클론
120: 제2고체배출관 122: 제2기체배출관
123: 제2유동층배출관 124: 제2유동화가스공급관
126,206: 루프실유입관 128,208: 루프실연결관
129,210: 루프실배출상승관 130,212: 루프실배출하강관
202: 버퍼탱크 204: 경사부

Claims (4)

  1. 싸이클론으로부터 고체입자가 유입되는 버퍼탱크;
    상기 버퍼탱크의 하부에 연결되는 루프실유입관;
    상기 루프실유입관과 루프실연결관으로 연결되어 고체입자가 상향으로 이동되는 루프실배출상승관;
    상기 루프실배출상승관의 단부에 일체로 연결되어 고체입자를 하향 또는 하향으로 경사지게 배출하는 루프실배출하강관을 포함하며,
    상기 버퍼탱크의 용량(VB)은 상기 루프실유입관(206), 상기 루프실연결관(208), 및 상기 루프실배출상승관(210)에 채워지는 전체 고체입자의 부피(VL) 이상으로 형성되며, 상기 루프실유입관(206) 내에 고체입자가 유입되어 배출되는 과정에 고체입자들의 배출이 적체되어 상기 루프실유입관(206)의 높이(HL)보다 고체입자의 높이가 높아지는 경우에는 모두 상기 버퍼탱크(202)의 영역에 수용되도록 하여서, 루프실유입관(206)의 높이(HL) 이상으로 유입되는 고체입자가 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)에 도달하지 않도록 하여 싸이클론이 폐색되지 않게 완충효율을 상기 버퍼탱크(202)가 최대한으로 확보할 수 있도록 구성한 것을 특징으로 하는 루프실.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 버퍼탱크의 하부에는 경사부가 형성되는 것을 특징으로 하는 루프실.
  4. 제3항에 있어서, 상기 경사부의 경사각은 고체입자의 안식각 이상인 것을 특징으로 하는 루프실.
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JP2001504548A (ja) * 1996-10-30 2001-04-03 ヴォエスト―アルピーネ インデュストリーアンラーゲンバウ ゲーエムベーハー 反応容器からキャリアガスにより排出される微粒固体物を再循環するプロセス

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