KR101672295B1 - 기-액 혼합 분배 장치, 다관형 열교환기 - Google Patents

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Abstract

기-액 혼합 분배 장치가 개시된다. 본 기-액 혼합 분배 장치는, 쳄버, 복수의 기체 분사 노즐, 및 복수의 액체 분사 노즐을 포함하는 믹싱 헤드 및 믹싱 헤드와 연결 형성되어 믹싱 헤드에 액체를 공급하는 액체 공급부를 포함하고, 믹싱 헤드에서 분사된 액체 및 기체가 균일하게 섞이도록, 믹싱 헤드에 형성된 복수의 기체 분사 노즐 및 복수의 액체 분사 노즐은 균일하게 섞여 분포할 수 있다.

Description

기-액 혼합 분배 장치, 다관형 열교환기{GAS-LIQUID MIXING AND DISTRIBUTING APPARATUS, SHELL AND TUBE TYPE HEAT EXCHANGER}
본 발명은 기-액 혼합 분배 장치, 다관형 열교환기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수직 설치되는 다관형(Shell and Tube type) 열교환기 및 상기 다관형 열교환기의 튜브 쪽으로 기체 및 액체 두 가지 상의 유체를 혼합 투입하는 기-액 혼합 분배 장치에 관한 것이다.
열교환기는 고온의 유체로부터 전열벽을 통해 저온의 유체로 열을 전달시키는 장치를 통칭한다. 열교환기는 그 사용목적 및 기능에 따라 가열기, 냉각기, 증발기, 응축기로 분류될 수 있으며 전열벽 형태에 따라 이중관형, 다관형, 평판형 및 기타 특수형 열교환기로 분류 될 수 있으며 이들 중 다관형 열교환기가 가장 널리 사용되고 있다.
다관형 열교환기는 정유 및 석유화학 공장에 널리 사용되고 있으며, 예를 들면 방향족 전화반응 (Aromatic Reforming), 트랜스알킬레이션반응 (Trans-Alkilation Reaction), 이성화반응 (Isomerization Reaction) 및 나프타, 제트유, 디젤유 수첨탈황반응 (Naphtha, Jet-Oil, Diesel Oil Hydro Desulfurization Reaction), 등과 같은 반응루프 (Reaction Loop)에서 고온의 반응기 유출물과 저온의 기-액 혼합 유체를 서로 열교환시켜 고온의 반응기 유출물로부터 폐열을 회수하기 위해 사용되고 있다.
이러한, 다관형 열교환기에서 기체 및 액체 두 가지 상의 혼합 유체가 튜브 쪽으로 투입되는 경우, 기체 및 액체가 같은 비율로 균등하게 분배 투입되도록 하는 것은 열교환기의 열전달 성능, 수력학적 성능, 기계적 안정성을 확보하는데 매우 중요하다.
그러나, 기체 및 액체의 비중 차이에 의한 수력학적 특성의 차이로 각 튜브로 투입되는 기체 및 액체의 혼합비율에 차이가 발생하며, 때로는 액체가 불규칙하게 흐르는 써지(Surge) 현상도 일어나게 된다.
이러한 현상이 일어나면 각 튜브 안쪽을 흐르는 유체 및 바깥쪽을 흐르는 유체 사이의 온도차(Temperature Difference) 및 열전달계수(Film Coefficient)에 편차가 발생하게 되고 각 튜브의 금속온도(Tube Metal Temperature)에도 편차가 발생하게 된다.
이러한 편차는 열교환기의 열전달 성능을 저하시키고 압력 손실을 증가시킬 뿐 아니라 튜브 금속 온도차에 의한 열팽창 차이는 튜브 번들(Tube Bundle) 및 팽창 조인트(Expansion Joint)에 과도한 스트레스를 유발 기계적 안정성 및 장치 수명을 떨어뜨리게 된다.
또한, 액체가 간헐적으로 불규칙하게 흐르는 써지가 발생하면 열교환기 유출물 및 튜브의 금속 온도가 일정 진폭 안에서 불규칙하고 급격히 변동하게 되며 이런 급격한 변동은 공정 안정성을 해칠 뿐 아니라 장치 수명도 급격히 떨어뜨린다.
한편, 종래에 이용되던 기-액 혼합 유체가 투입되는 다관형 열교환기에도 상술한 문제점들이 존재하였다. 도 1을 참조하면, 종래의 다관형 열교환기는 튜브로 기체 및 액체를 같은 비율로 균일하게 투입하기 위한 어떤 장치도 설치하지 않거나(도 1의 (a)), 튜브 시트(Tube Sheet) 아래 다공판을 설치하여 튜브로 투입되는 기체/액체 분배 비율을 일부 개선하는 방법(도 1의 (b))을 사용하였다. 그러나 다공판으로는 고밀도 액체가 갖는 모멘텀(Momentum)에 의한 액체 쏠림 현상을 근본적으로 막을 수 없었고, 밀도차 및 중력에 의한 액체 미끄러짐(Slip) 현상에 수반되는 써지 현상도 막을 수 없었다. 특히 생산공정의 대형화 및 열 회수율 제고에 따라 열교환기가 대형화되면서 기체 및 액체 불균등 분배 및 써지 현상은 여러 가지 문제를 야기하였다.
이를 개선하기 위해 튜브 시트 아래 다공판을 설치하고 액체를 다공판 위로 바로 투입하는 방법(도 1의 (c))이 사용되기도 하였으나, 이 방법 역시 액체가 가운데로 쏠리는 현상을 막을 수는 없었다.
따라서, 업계에서는 기체 및 액체 두 가지 상의 혼합 유체가 튜브 쪽으로 투입되는 대형 열교환기의 경우, 다관형 열교환기 대신 고가이며 유지보수가 불편한 용접판형(Welded Plate Type) 열교환기를 사용하였다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 기체 및 액체를 균일하게 혼합하고, 혼합된 유체를 다관형 열교환기의 복수의 튜브로 균등하게 분배하여 투입하는 기-액 혼합 분배 장치, 이를 이용한 다관형 열교환기를 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치는, 쳄버(Chamber), 복수의 기체 분사 노즐, 및 복수의 액체 분사 노즐을 포함하는 믹싱 헤드 및 상기 믹싱 헤드와 연결 형성되어 상기 믹싱 헤드에 액체를 공급하는 액체 공급부를 포함하고, 상기 믹싱 헤드에서 분사된 액체 및 기체가 균일하게 섞이도록, 상기 믹싱 헤드에 형성된 복수의 기체 분사 노즐 및 복수의 액체 분사 노즐은 균일하게 섞여 분포할 수 있다.
그리고, 상기 복수의 기체 분사 노즐은, 상기 기-액 혼합 분배 장치가 설치된 다관형 열교환기의 기체 공급부에서 공급된 기체를 분사하고, 상기 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합 유체는, 상기 다관형 열교환기의 튜브 시트를 통하여 튜브에 공급될 수 있다.
또한, 상기 복수의 기체 분사 노즐은 상기 쳄버를 관통하여 형성된 튜브형 노즐로 형성되고, 상기 복수의 액체 분사 노즐은 상기 쳄버 상판에 형성된 오리피스형(Orifice) 노즐로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 믹싱 헤드는, 상기 쳄버의 상판 중 상기 액체 공급부에 연결되는 영역에 쌓인 액체 더미(Liquid Stack)를 분쇄하기 위한 액체 더미 분쇄 노즐;을 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 믹싱 헤드는 각각 복수의 기체 분사 노즐 및 복수의 액체 분사 노즐로 구성된 복수의 열을 포함하고, 상기 복수의 열의 홀수 열에 포함된 액체 분사 노즐과 짝수 열에 포함된 액체 분사 노즐은 액체 분사 방향이 서로 반대가 되도록 형성될 수 있다.
그리고, 상기 액체 공급부는, 액체 공급 주관 및 상기 액체 공급 주관에 연결 형성된 복수의 액체 공급 지관을 포함하는 다지관 형태로 구현되어 상기 믹싱 헤드에 액체를 공급할 수 있다.
또한, 상기 복수의 기체 분사 노즐은 상기 쳄버를 관통하여 형성된 튜브형 노즐로 형성되고, 상기 복수의 액체 분사 노즐은 상기 튜브형 복수의 기체 분사 노즐 각각의 벽에 형성된 오리피스형 노즐로 형성될 수 있다.
그리고, 상기 다관형 열교환기의 튜브들의 열팽창 또는 수축에 따라 상기 믹싱 헤드가 상하로 이동 가능하도록, 상기 믹싱 헤드와 상기 액체 공급부는 슬라이딩 결합될 수 있다.
한편, 상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시 예에 따른 다관형 열교환기는, 쉘의 내부에 설치되는 복수의 튜브, 상기 튜브의 일 단이 결합이 되는 하부 튜브 시트, 상기 하부 튜브 시트 및 상기 튜브를 향하여 기액 혼합 유체가 공급되도록 내부에 격벽이 형성된 하부 헤드, 상기 하부 헤드의 내부에 믹싱 헤드가 설치되고, 상기 기액 혼합 유체를 생성하는 기-액 혼합 분배 장치 및 상기 기-액 혼합 분배 장치에서 이용될 기체를 공급하는 기체 공급부를 포함하고, 상기 기-액 혼합 분배 장치는, 쳄버(Chamber), 복수의 기체 분사 노즐, 및 복수의 액체 분사 노즐을 포함하는 믹싱 헤드 및 상기 믹싱 헤드와 연결 형성되어 상기 믹싱 헤드에 액체를 공급하는 액체 공급부를 포함하고, 상기 믹싱 헤드에서 분사된 액체 및 기체가 균일하게 섞이도록, 상기 믹싱 헤드에 형성된 복수의 기체 분사 노즐 및 복수의 액체 분사 노즐은 균일하게 섞여 분포할 수 있다.
그리고, 상기 하부 헤드는, 상단 면적이 하단 면적보다 넓은 원뿔대 형상일 수 있다.
또한, 상기 액체 공급부의 공급 압력이 기 설정된 압력보다 큰 경우, 상기 믹싱 헤드는 상기 하부 헤드의 하단 영역에 설치 가능하고, 상기 액체 공급부의 공급 압력이 기 설정된 압력보다 작은 경우, 상기 믹싱 헤드는 상기 하부 헤드의 중단 영역에 설치 가능할 수 있다.
그리고, 상기 열교환기는, 투입된 고온의 반응기 유출물과 상기 기액 혼합 유체를 서로 열교환시켜 상기 고온의 반응기 유출물로부터 폐열을 회수할 수 있다.
또한, 상기 하부 헤드의 하단 영역에는, 상기 하부 헤드의 하단 영역에 설치된 믹싱 헤드와의 간극 사이로 상기 기체 공급부에서 공급되는 기체가 새나가는 것을 최소화하는 밀폐링이 형성될 수 있다.
그리고, 상기 믹싱 헤드의 측면에는, 상기 간극 사이로 새나가는 기체를 향하여 액체를 분사하기 위한 복수의 액체 분사 노즐이 형성될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 기-액 혼합 분배 장치를 다관형 열교환기에 설치함으로써, 열전달 성능을 개선하여 장치비를 줄일 수 있다.
또한, 본 발명에서 제안하는 기-액 혼합 분배 장치를 다관형 열교환기에 설치함으로써, 기액 상분배 문제로 야기되는 열교환기의 기계적 안정성 및 공정 안정성 문제를 해결하여 가격이 비싸고 유지보수가 불편한 용접판형 열교환기를 가격이 싸고 유지 보수가 편한 다관형 열교환기로 대체할 수 있다.
도 1은 종래 기술에 따른 다관형 열교환기를 설명하는 도면이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 다관형 열교환기를 개략적으로 나타내는 구조도 이다.
도 3은 본 발명의 일 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치를 나타내는 구조도 이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치를 나타내는 구조도 이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치를 나타내는 구조도 이다.
도 6은 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치를 나타내는 구조도 이다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 분사형 다관형 열교환기의 기-액 혼합 분배 장치 및 밀폐링 구조를 구체적으로 나타내는 구조도 이다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저속 분사형 다관형 열교환기의 기-액 혼합 분배 장치 및 슬라이딩 조인트의 구조를 구체적으로 나타내는 구조도 이다.
이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다양한 실시 예에 대하여 구체적으로 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 다관형 열교환기를 개략적으로 나타내는 구조도 이다. 도 2를 참조하면, 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 다관형 열교환기(100)는 액체 분사 속도에 따라 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1) 및 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)로 분류될 수 있다.
즉, 기-액 혼합 분배 장치(110)의 액체 공급부(111)의 액체 공급 압력이 기 설정된 압력보다 커서 액체 분사 노즐(112-3)의 액체 분사 속도가 빠른 경우, 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1)로 분류될 수 있다.
또한, 기-액 혼합 분배 장치(110)의 액체 공급부(111)의 액체 공급 압력이 기 설정된 압력보다 작아서 액체 분사 노즐(112-3)의 액체 분사 속도가 느린 경우, 저속 분사형 다관형 열교환기로 분류될 수 있다.
도 2(a)의 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1) 및 도 2(b)의 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)를 참조하면, 기-액 혼합 분배 장치(110)의 설치 구조를 제외하고 기본적인 구성 요소는 동일할 수 있다.
구체적으로, 도 2(a) 및 도 2(b)를 참조하면, 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1) 및 저속 분사형의 다관형 열교환기(100-2)는 고온의 반응기 유출물 등과 같은 고온의 유체가 투입되는 유입부(151), 고온의 반응기 유출물 등과 같은 고온의 유체가 배출되는 제1 배출부(153), 기액 혼합 유체가 배출되는 제2 배출부(152), 상기 유입부(151), 제2 배출부(153)가 형성된 쉘(150), 쉘(150)의 내부에 설치되는 복수의 튜브(140), 튜브(140)의 일 단이 결합이 되는 하부 튜브 시트(130), 하부 튜브 시트(130) 및 튜브(140)를 향하여 기액 혼합 유체가 공급되도록 내부에 격벽이 형성된 하부 헤드(120), 기액 혼합 유체를 생성하는 기-액 혼합 분배 장치(110), 복수의 튜브(140)의 열팽창 또는 수축에 따라 팽창 또는 수축 가능하게 형성된 팽창 조인트 (Expansion Joint)(170), 기-액 혼합 분배 장치(110)에 사용될 기체를 공급하는 기체 공급부(160)를 포함할 수 있다.
여기서, 하부 헤드(120)는, 상단 면적이 하단 면적보다 넓은 원뿔대 형상일 수 있고, 하부 헤드(120)의 내부에는 기-액 혼합 분배 장치(110)의 믹싱 헤드(112)가 설치될 수 있다.
다만, 하부 헤드(120)의 내부에서 기-액 혼합 분배 장치(110)의 믹싱 헤드(112)가 설치되는 위치는, 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1) 및 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)에 따라 상이할 수 있다.
구체적으로, 도 2(a)와 같이, 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1)의 기-액 혼합 분배 장치(110)의 믹싱 헤드(112)는 하부 헤드(120)의 하단 영역에 설치될 수 있다.
다만, 액체 공급 압력이 충분하지 않은 경우, 투입 액체의 압력 손실(즉, 분사 속도)을 낮추기 위해, 도 2(b)와 같이, 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)의 액체 분사 노즐은 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1) 대비 상대적으로 훨씬 큰 직경으로 설계될 수 있다. 또한, 도 2(b)와 같이, 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)의 기-액 혼합 분배 장치(110)의 믹싱 헤드(112)는 하부 튜브 시트(130)에 가까운 하부 헤드(120)의 중단 영역에 설치될 수 있다.
따라서, 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)는 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1) 보다 더 넓은 분사 노즐 설치 면적을 확보할 수 있고, 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1) 보다 하부 튜브 시트(130) 가까이 설치되어 기액 혼합 유체가 분리되지 않고 그대로 각 튜브 입구까지 도달하는데 유리할 수 있다.
이러한, 다관형 열교환기(100)는 투입된 고온의 반응기 유출물 등과 같은 고온의 유체와 기-액 혼합 분배 장치(110)에서 생성된 기액 혼합 유체를 서로 열교환시켜 고온의 유체로부터 폐열을 회수할 수 있다.
이하에서는, 도 3 내지 6을 참조하여, 상술한 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1) 및 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)에 사용되는 기-액 혼합 분배 장치(110)에 대해서 구체적으로 설명하기로 한다.
도 3(a)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치를 나타내는 평면도 이고, 도 3(b)는 본 발명의 일 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치의 IIIB-IIIB 단면도 이다.
도 3(a), (b)를 참조하면, 기-액 혼합 분배 장치(110)는 쳄버(Chamber)(112-1), 복수의 기체 분사 노즐(112-2), 및 복수의 액체 분사 노즐(112-3)을 포함하는 믹싱 헤드(112) 및 상기 믹싱 헤드(112)와 연결 형성되어 상기 믹싱 헤드(112)에 액체를 공급하는 액체 공급부(111)를 포함할 수 있다.
여기서, 복수의 기체 분사 노즐(112-2)은 쳄버(112-1)를 관통하여 형성된 튜브형 노즐로 형성되고, 복수의 액체 분사 노즐(112-3)은 상기 쳄버(112-1) 상판에 형성된 오리피스형(Orifice) 노즐로 형성될 수 있다.
또한, 믹싱 헤드(112)에서 분사된 액체 및 기체가 균일하게 섞이도록, 믹싱 헤드(112)에 형성된 복수의 기체 분사 노즐(112-2) 및 복수의 액체 분사 노즐(112-3)은 균일하게 섞여 분포할 수 있다.
구체적으로, 믹싱 헤드(112)는 각각 복수의 기체 분사 노즐(112-2) 및 복수의 액체 분사 노즐(112-3)로 구성된 복수의 열을 포함할 수 있다. 예를 들어, 믹싱 헤드(112)의 상판이 원의 형태로 구현되는 경우, 제1 반지름을 가진 제1 동심원에 대응되는 제1 열 부터 제n 반지름을 가진 제n 동심원에 대응되는 제n 열 각각에는 복수의 기체 분사 노즐(112-2) 및 복수의 액체 분사 노즐(112-3)로 구성될 수 있다.
이 경우, 각각의 열에는 기체 분사 노즐(112-2) 및 액체 분사 노즐(112-3)이 순차적으로 위치할 수 있고, 각각의 노즐(112-2,112-3)의 인접 영역에는 서로 다른 노즐(112-2,112-3)이 위치할 수 있다. 예를 들어, 기체 분사 노즐(112-2)의 인접 영역에는 액체 분사 노즐(112-3)이 위치하고, 액체 분사 노즐(112-3)의 인접 영역에는 기체 분사 노즐(112-2)이 위치할 수 있다.
이러한, 본 발명에 따른 기-액 혼합 분배 장치(110)가 도 2(a)와 같은 고속 분사형 다관형 열교환기에 설치되는 경우, 투입되는 기체 및 액체는 많은 개수의 골고루 섞여 분포된 노즐(112-2,112-3)을 통해 분사되므로, 분사와 동시에 기체 및 액체의 혼합이 이루어지고, 고속으로 분사된 액체의 이젝터(Ejector) 원리에 의한 기체 흡입/혼합 효과 및 고속의 액체가 일으킨 강한 터뷸란스 (Turbulance)에 의해 2차로 기체 및 액체의 혼합이 이루어질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 기-액 혼합 분배 장치(110)가 도 2(b)와 같은 저속 분사형 다관형 열교환기에 설치되는 경우, 투입되는 기체 및 액체는 많은 개수의 골고루 섞여 분포된 노즐(112-2,112-3)을 통해 분사되므로, 분사와 동시에 기체 및 액체의 혼합이 이루어지고, 고속으로 분사된 액체의 이젝터 효과 및 터뷸란스 효과에의한 기체 및 액체의 혼합 효과는 없으나, 상대적으로 더 빨리 분사된 기체가 일으키는 터뷸란스 효과에 의해 2차로 기체 및 액체의 혼합이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 기-액 혼합 분배 장치(110)가 생성한 기액 혼합 유체는 다관형 열교환기(100)의 하부 튜브 시트(130)를 통하여 복수의 튜브(140)에 공급될 수 있다.
한편, 믹싱 헤드(112)는, 쳄버(112-1)의 상판 중 액체 공급부(111)에 연결되는 영역에 쌓인 액체 더미(Liquid Stack)를 분쇄하기 위한 액체 더미 분쇄 노즐(113)을 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 액체 공급부(111)가 연결되는 부분(ex. 도 3의 경우 원 형상 쳄버의 중앙 부분)에는 쳄버(112-1)를 수직 관통하는 튜브형 기체분사 노즐을 설치할 수 없으므로, 액체 분사 노즐(112-3)도 설치되지 않을 수 있다. 이 경우, 기체 및 액체 분사 노즐(112-2,112-3)이 배열되지 않은 쳄버(112-1) 상판 위에는 불안정한 원뿔 형태의 액체 더미가 쌓일 수 있다.
이 경우, 액체 더미 분쇄 노즐(113)은 쌓여있는 액체 더미에 기체를 주입하여 액체 더미를 잘게 부술수 있다.
한편, 본 발명의 다른 실시 예에 따르면, 기-액 혼합 분배 장치(110)는 도 4와 같은 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 4(a)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치를 나타내는 평면도 이고, 도 4(b)는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치의 IVB-IVB 단면도 이다.
도 4(a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치(110)는 액체 분사 노즐(112-3)이 기체 분사 노즐(112-2)을 향하여 액체를 분사하는 구조라는 점에서, 도 3의 기-액 혼합 분배 장치의 구조와 상이할 수 있다.
이 경우, 짝수 열에 포함된 액체 분사 노즐(112-3)의 액체 분사 방향과 홀수 열에 포함된 액체 분사 노즐(112-3)의 액체 분사 방향이 서로 반대가 되도록 구조가 형성될 수 있다.
구체적으로, 믹싱 헤드(112)는 각각 복수의 기체 분사 노즐(112-2) 및 복수의 액체 분사 노즐(112-3)로 구성된 복수의 열을 포함할 수 있고, 이 경우, 복수의 열의 홀수 열에 포함된 액체 분사 노즐(112-3)은 제1 원주(Tangential)방향으로, 짝수 열에 포함된 액체 분사 노즐(112-3)은 제1 원주 방향과 반대 방향인 제2 원주 방향으로 액체를 분사할 수 있다.
이러한, 본 발명에 따르면, 홀짝수 동심원에 배열된 액체 분사 노즐(112-3)의 분사 방향을 서로 반대로 하면 홀짝수 동심원에서 유체 회전 방향이 서로 반대가 되어, 원심력에 의한 액체의 쏠림 현상을 최소화하면서 혼합 효율을 극대화 시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 기-액 혼합 분배 장치(110)는 도 5와 같은 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 5(a)는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치를 나타내는 평면도 이고, 도 5(b)는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치의 VB-VB 단면도 이다.
도 5(a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치(110)는 액체 공급부(111)가 다지관(Manifold) 형태의 구조라는 점에서, 도 3 내지 4의 기-액 혼합 분배 장치의 구조와 상이할 수 있다.
구체적으로, 액체 공급부(111)는 액체 공급 주관(111-1) 및 액체 공급 주관에 연결 형성된 복수의 액체 공급 지관(111-2)을 포함하는 다지관 형태로 구현되어 믹싱 헤드(112)에 액체를 공급할 수 있다.
이러한, 본 발명에 따르면, 액체 공급부(111)를 쳄버(112-1) 여러 곳에 연결할 수 있어, 기액 분사 노즐(112-2,112-3)을 효과적으로 배열 할 수 있다.
한편, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, 기-액 혼합 분배 장치(110)는 도 6과 같은 구조로 형성될 수 있다. 구체적으로, 도 6(a)는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치를 나타내는 평면도 이고, 도 6(b)는 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치의 VIB-VIB 단면도 이다.
도 6(a) 및 (b)를 참조하면, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치(110)는 복수의 기체 분사 노즐(112-2)의 각각의 측벽에 복수의 액체 분사 노즐(112-3)을 형성하여 기체 및 액체를 기체 분사 노즐(112-2) 안에서 혼합 분출시키는 구조라는 점에서, 도 3 내지 5의 기-액 혼합 분배 장치의 구조와 상이할 수 있다.
구체적으로, 복수의 기체 분사 노즐(112-2)은 쳄버를 관통하여 형성된 튜브형 노즐로 형성되고, 복수의 액체 분사 노즐(112-3)은 튜브형 복수의 기체 분사 노즐(112-2) 각각의 측벽에 형성된 오리피스형 노즐로 형성될 수 있다.
한편, 이는 본 발명의 일 예시일 뿐, 다른 실시 예에 따르면, 기체 및 액체의 압력 손실을 줄이기 위해 튜브 형태의 기체 분사 노즐(112-2) 상부의 구경을 키워 여기에 액체 분사 노즐(112-3)을 뚫을 수도 있다.
이러한, 본 발명의 또 다른 실시 예에 따른 기-액 혼합 분배 장치(110)는 도 2(b)와 같은 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)에 설치되는 경우 더 유용할 수 있다. 구체적으로, 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)는 넓은 노즐 설치 면적이 확보되는 장점이 있으나, 반대로 기체 분사 노즐(112-2) 및 액체 분사 노즐(112-3) 설치 간격이 길어져 기액 혼합 효율이 떨어질 수 있는 문제점이 있다. 다만, 본 발명에 따르면, 기체 및 액체를 기체 분사 노즐(112-2) 안에서 혼합 분출킴으로써 상술한 문제점을 해결할 수 있다.
이하에서는, 도 7 내지 8을 참조하여, 상술한 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1) 및 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)의 구조에 대해서 보다 구체적으로 설명하기로 한다.
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 고속 분사형 다관형 열교환기를 구체적으로 나타내는 구조도 이다. 도 7을 참조하면, 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1)는 하부 헤드(120)의 하단 영역에 설치되고, 믹싱 헤드(112)와 하부 헤드(120)의 하단 영역의 간극 사이로 기체 공급부(160)에서 공급되는 기체가 새나가는 것을 최소화하는 밀폐링(121)을 포함할 수 있다.
구체적으로, 고속 분사형 기-액 혼합 분배 장치(110)의 효과적인 기액 혼합을 위해서는 믹싱 헤드(112) 및 하부 헤드(120)의 하단 영역 사이의 간극을 가능한 작게 만들어 간극 사이로 기체가 새나가는 것을 최소화해야 한다. 그러나 믹싱 헤드(112)를 설치하기 위해서는 내경이 하부 헤드(120)의 하단 영역 보다 작은 팽창 조인트(170)를 통과시켜야 하므로 믹싱 헤드(112) 외경을 키워 간극을 좁히는 데는 한계가 있다. 다만, 본 발명에 따르면, 밀폐링(121)을 이용하여 믹싱 헤드(112)와 하부 헤드(120)의 하단 영역의 간극 사이로 기체 공급부(160)에서 공급되는 기체가 새나가는 것을 최소화할 수 있다.
한편, 밀폐링(121)을 설치하더라도 상기 간극 사이로 기체가 새나가는 것을 완전히 막을 수는 없다.
따라서, 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 믹싱 헤드(112)의 측면에는 간극 사이로 새나가는 기체를 향하여 액체를 분사하기 위한 복수의 액체 분사 노즐(112-3)이 형성될 수 있다. 이러한, 본 발명에 따르면, 간극 사이로 새나간 기체에 액체를 분사해 믹싱 헤드(112) 상부 노즐로 분사된 기액 혼합물과 동일 혼합 비율의 기액 혼합물로 만들 수 있다.
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 저속 분사형 다관형 열교환기를 구체적으로 나타내는 구조도 이다. 도 8을 참조하면, 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)는 하부 헤드(120)의 중단 영역에 설치될 수 있다. 그리고, 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)의 튜브(140)들의 열팽창 또는 수축에 따라 믹싱 헤드(112)가 상하로 이동 가능하도록, 믹싱 헤드(112)와 액체 공급부(111)는 슬라이딩 결합(122)할 수 있다.
구체적으로, 고속 분사형 다관형 열교환기(100-1)의 믹싱 헤드(112)는 하부 헤드(120)의 하단 영역에 위치하는 바, 튜브(140)들의 열팽창 또는 수축에 따라 믹싱 헤드(112)가 상하로 이동 가능한 구조를 가지고 있다.
다만, 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)의 믹싱 헤드(112)는 하부 헤드(120)의 중단 영역에 위치하는 바, 튜브(140)들의 열팽창 또는 수축에 따라 믹싱 헤드(112)가 상하로 이동이 자유롭지 못한 구조를 가지고 있다.
따라서, 본 발명에 따르면, 믹싱 헤드(112)의 하부에 외경이 액체 공급부(111)의 내경 보다 조금 작은 관(Pipe)를 설치하고, 액체 공급부(111) 내부에 끼워 넣어, 믹싱 헤드(112)와 액체 공급부(111)는 슬라이딩 결합(122)할 수 있다. 이 경우, 슬라이딩 결합(122) 사이의 간극으로 기체가 새어 들어가거나 또는 액체가 새어 나오는 것을 최소화 하기 위해서 간극을 가능한 한 작게 설계할 수 있다. 이에 따라, 저속 분사형 다관형 열교환기(100-2)의 믹싱 헤드(112)는 튜브(140)들의 열팽창 또는 수축에 따라 상하로 이동 가능할 수 있다.
한편, 상술한 슬라이딩 결합(122)이 형성되는 경우, 도 5의 다지관 형태의 액체 공급부(111)는 슬라이딩 결합(122)의 액체 공급부(111) 상부 및 쳄버(112-1) 하부에 부착 설치될 수 있다.
한편, 상술한 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 기체는 튜브형 노즐을 통하여 분사되고, 액체는 오리피스형 노즐을 통하여 분사되는 것을 예시로 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다. 예를 들어, 기체 중량 유량이 액체 중량 유량에 비해 매우 작은 공정 조건에서는 분사 노즐의 설계/제작 및 배열의 용이성을 위해 기체 및 액체 분사 노즐의 위치를 서로 바꾸어 설치할 수 있다. 즉 기체를 쳄버 상판 오리피스형 노즐로 분사하고 액체를 쳄버를 관통하는 튜브형 노즐로 분사하도록 설계할 수도 있다. 이 경우, 도 3에 도시된 액체 더미 분쇄관(113) 대신 동일 목적의 액체더미 분쇄공을 쳄버(112-1) 상판 중앙에 설치될 수 있다. 또한, 기-액 혼합 분배 장치(110)에 사용될 액체를 공급하는 액체 공급부(111)는 기체를 공급하는 기체 공급부로 대체될 수 있고, 기-액 혼합 분배 장치(110)에 사용될 기체를 공급하는 기체 공급부(160)는 액체를 공급하는 액체 공급부로 대체될 수 있다.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.
100 : 다관형 열교환기 110 : 기-액 혼합 분배 장치
120 : 하부 헤드 130 : 하부 튜브 시트
140 : 튜브 150 : 쉘
151 : 유입부 152 : 제1 배출부
153 : 제2 배출부 160 : 기체 공급부
170 : 팽창 조인트

Claims (16)

  1. 기-액 혼합 분배 장치에 있어서,
    쳄버(Chamber), 복수의 기체 분사 노즐, 및 복수의 액체 분사 노즐을 포함하는 믹싱 헤드; 및
    상기 믹싱 헤드와 연결 형성되어 상기 믹싱 헤드에 액체를 공급하는 액체 공급부;를 포함하고,
    상기 믹싱 헤드에서 분사된 액체 및 기체가 균일하게 섞이도록, 상기 믹싱 헤드에 형성된 복수의 기체 분사 노즐 및 복수의 액체 분사 노즐은 균일하게 섞여 분포하고,
    상기 복수의 기체 분사 노즐은 상기 기-액 혼합 분배 장치가 설치된 열교환기의 기체 공급부에서 공급된 기체를 분사하고,
    상기 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합 유체는 상기 열교환기에 투입된 고온의 유체와의 열교환에 이용되는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환기는 다관형 열교환기이고,
    상기 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합 유체는, 상기 다관형 열교환기의 튜브 시트를 통하여 튜브에 공급되는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 기체 분사 노즐은 상기 쳄버를 관통하여 형성된 튜브형 노즐로 형성되고,
    상기 복수의 액체 분사 노즐은 상기 쳄버 상판에 형성된 오리피스형(Orifice) 노즐로 형성되는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 믹싱 헤드는,
    상기 쳄버의 상판 중 상기 액체 공급부에 연결되는 영역에 쌓인 액체 더미(Liquid Stack)를 분쇄하기 위한 액체 더미 분쇄 노즐;을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 믹싱 헤드는 각각 복수의 기체 분사 노즐 및 복수의 액체 분사 노즐로 구성된 복수의 열을 포함하고,
    상기 복수의 열의 홀수 열에 포함된 액체 분사 노즐과 짝수 열에 포함된 액체 분사 노즐은 액체 분사 방향이 서로 반대가 되도록 형성되는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 액체 공급부는,
    액체 공급 주관 및 상기 액체 공급 주관에 연결 형성된 복수의 액체 공급 지관을 포함하는 다지관 형태로 구현되어 상기 믹싱 헤드에 액체를 공급하는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
  7. 제2항에 있어서,
    상기 복수의 기체 분사 노즐은 상기 쳄버를 관통하여 형성된 튜브형 노즐로 형성되고,
    상기 복수의 액체 분사 노즐은 상기 튜브형 복수의 기체 분사 노즐 각각의 벽에 형성된 오리피스형 노즐로 형성되는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
  8. 제2항에 있어서,
    상기 다관형 열교환기의 튜브들의 열팽창 또는 수축에 따라 상기 믹싱 헤드가 상하로 이동 가능하도록, 상기 믹싱 헤드와 상기 액체 공급부는 슬라이딩 결합되는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
  9. 다관형 열교환기에 있어서,
    쉘의 내부에 설치되는 복수의 튜브;
    상기 튜브의 일 단이 결합이 되는 하부 튜브 시트;
    상기 하부 튜브 시트 및 상기 튜브를 향하여 기액 혼합 유체가 공급되도록 내부에 격벽이 형성된 하부 헤드;
    상기 하부 헤드의 내부에 믹싱 헤드가 설치되고, 상기 기액 혼합 유체를 생성하는 기-액 혼합 분배 장치; 및
    상기 기-액 혼합 분배 장치에서 이용될 기체를 공급하는 기체 공급부;를 포함하고,
    상기 기-액 혼합 분배 장치는,
    쳄버(Chamber), 복수의 기체 분사 노즐, 및 복수의 액체 분사 노즐을 포함하는 믹싱 헤드; 및
    상기 믹싱 헤드와 연결 형성되어 상기 믹싱 헤드에 액체를 공급하는 액체 공급부;를 포함하고,
    상기 믹싱 헤드에서 분사된 액체 및 기체가 균일하게 섞이도록, 상기 믹싱 헤드에 형성된 복수의 기체 분사 노즐 및 복수의 액체 분사 노즐은 균일하게 섞여 분포하는 것을 특징으로 하는 다관형 열교환기.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 하부 헤드는,
    상단 면적이 하단 면적보다 넓은 원뿔대 형상인 것을 특징으로 하는 다관형 열교환기.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 액체 공급부의 공급 압력이 기 설정된 압력보다 큰 경우, 상기 믹싱 헤드는 상기 하부 헤드의 하단 영역에 설치 가능하고,
    상기 액체 공급부의 공급 압력이 기 설정된 압력보다 작은 경우, 상기 믹싱 헤드는 상기 하부 헤드의 중단 영역에 설치 가능한 것을 특징으로 하는 다관형 열교환기.
  12. 제9항에 있어서,
    상기 열교환기는, 투입된 고온의 유체와 상기 기액 혼합 유체를 서로 열교환시켜 상기 고온의 유체로부터 폐열을 회수하는 것을 특징으로 하는 다관형 열교환기.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 하부 헤드의 하단 영역에는,
    상기 하부 헤드의 하단 영역에 설치된 믹싱 헤드와의 간극 사이로 상기 기체 공급부에서 공급되는 기체가 새나가는 것을 최소화하는 밀폐링이 형성된 것을 특징으로 하는 다관형 열교환기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 믹싱 헤드의 측면에는,
    상기 간극 사이로 새나가는 기체를 향하여 액체를 분사하기 위한 복수의 액체 분사 노즐이 형성된 것을 특징으로 하는 다관형 열교환기.
  15. 기-액 혼합 분배 장치에 있어서,
    쳄버(Chamber), 복수의 기체 분사 노즐, 및 복수의 액체 분사 노즐을 포함하는 믹싱 헤드; 및
    상기 믹싱 헤드와 연결 형성되어 상기 믹싱 헤드에 기체를 공급하는 기체 공급부;를 포함하고,
    상기 믹싱 헤드에서 분사된 액체 및 기체가 균일하게 섞이도록, 상기 믹싱 헤드에 형성된 복수의 기체 분사 노즐 및 복수의 액체 분사 노즐은 균일하게 섞여 분포하고,
    상기 복수의 액체 분사 노즐은 상기 기-액 혼합 분배 장치가 설치된 열교환기의 액체 공급부에서 공급된 액체를 분사하고,
    상기 기체 및 액체가 혼합된 기액 혼합 유체는 상기 열교환기에 투입된 고온의 유체와의 열교환에 이용되는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 복수의 액체 분사 노즐은 상기 쳄버를 관통하여 형성된 튜브형 노즐로 형성되고,
    상기 복수의 기체 분사 노즐은 상기 쳄버 상판에 형성된 오리피스형(Orifice) 노즐로 형성되는 것을 특징으로 하는 기-액 혼합 분배 장치.
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