KR101709754B1 - 기체분배장치 및 기체 분배비율을 조절하는 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 기체분배장치가 필요한 하우징의 내부를 상부공간과 하부공간으로 분리하는 침니트레이; 상기 침니트레이 상부면에 구비되어 상부공간과 하부공간을 연통시키는 침니; 천정과 상기 천정에 연결된 측벽을 포함하는 구조를 가지며, 상기 침니의 외부에 침니와 이격된 상태로 고정되며, 침니 상단부의 홀(hole)로부터 공급되는 기체를 상부공간으로 배출하는 기체배출구가 형성되도록 침니의 외부를 커버하는 캡; 상기 하우징의 상부공간에 액체를 공급하는 액체공급수단; 및 상기 하우징의 상부공간으로부터 액체를 배출시키는 액체배출수단;을 포함하며, 상기 기체배출구의 크기는 상기 액체공급수단 및 액체배출수단 중 어느 하나 이상에 의해 상기 침니트레이 위에 수용되는 액체 높이를 조절하는 것에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 기체분배장치 및 상기 장치를 사용하는 기체의 분배비율 조절방법을 제공한다.

Description

기체분배장치 및 기체 분배비율을 조절하는 방법{VAPOR SPLITTER and METHOD FOR ADJUSTING VAPOR SPLIT RATIO}
본 발명은 분리벽형 증류컬럼처럼 기체를 서로 다른 공간에 분배하는 비율을 조절하고자 하는 장치에서 사용할 수 있는 기체분배장치 및 상기 장치를 이용하는 기체 분배비율을 조절하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 석유, 정유, 화학 및 정밀화학과 유해가스 또는 유기물의 제거를 위하여 공업적으로 사용되고 있는 증류, 흡수 및 냉각을 위한 장치로 컬럼(Column)이 있는데, 이는 기액 접촉을 통해 원하는 물질을 분리하거나 흡수 또는 응축하는 것이다.
최근에는 에너지 절약 및 투자비 절감을 위해 두 성분 이상을 분리하기 위한 방법으로 분리벽형 증류 컬럼(Dividing Wall Column, Divided Wall Column, Partitioned Distillation Column)이 사용 된다. 이는 2개 이상의 컬럼의 기능을 하나의 컬럼으로 합친 구조로서 컬럼의 상부와 하부뿐 아니라 측면에서도 하나 이상의 배출구를 구비하고 컬럼 내부는 세로방향으로 일정구간에 벽을 설치하여 두 개 이상의 분리공간으로 나누어지는 특징이 있다. 이 분리벽형 증류 컬럼은 상부측에서 공급되는 액체를 하부 두 개 이상의 분리공간으로 원하는 비율로 분배를 해주어야 하고, 이때 액체 분배장치에서 액체의 분배 비율을 조정하게 된다.
그러나, 상기와 같은 종래의 증류, 흡수 및 냉각을 위한 장치는 컬럼 내 두 개 이상의 분리공간으로 분배되는 액체의 공급 비율만 조절할 뿐 컬럼 내의 기체 분배는 조절할 수 없는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해 컬럼 내의 기체가 통과하는 일반적인 침니트레이(Chimney tray)의 침니(Chimney) 사이즈를 다르게 설계하여 기체의 분배 비율을 정하고 있다. 그런데 이러한 구조는 설계시 정해진 대로 기체 분배 비율을 유지할 수 있을 뿐, 운전의 변화에 따라 기체 분배 비율을 조절할 수 없으므로 분리벽형 증류탑의 주목적인 에너지 절감의 최상의 목적을 달성하기 어려운 문제가 있다.
기체 분배비율을 조절하는 다른 방법은, 컬럼 내부에서 기체가 상부로 상승하지 못하도록 막고 기체 배관을 컬럼 밖으로 연결하여 기체 유량조절 밸브로 조절하는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 설치를 위해 많은 공간이 필요할 뿐 아니라, 유량 조절 밸브에 의해 압력 손실이 큰 문제가 있다.
기체 분배비율을 조절하는 또 다른 방법은, 기체가 통과하는 위치에 다공판을 설치하고 다공판 위에 액체 레벨이 형성되도록 설계하여 기체가 이 액체 레벨을 뚫고 통과하게 함으로써, 액체 레벨을 서로 다르게 유지하면 기체가 통과하는 저항이 다르므로 기체 분배비율을 다르게 조절하는 것이다. 그러나 이러한 방법은 기체가 액체 레벨을 뚫고 통과해야 하기 때문에 액면에서 비말이 발생하여 증류 컬럼 운전 성능에 지장을 주게 된다.
본 발명과 관련된 선행기술로 대한민국 공개특허공보 제2010-0092349호(명칭: 분리벽으로 분할되는 공간들의 압력이 균등한 분리벽형 증류탑), US8,562,792 B2(명칭: VAPOR AND LIQUID FLOW CONTROL IN A DIVIDING WALL FRACTIONAL DISTILLATION COLUMN) 등이 있다.
대한민국 공개특허공보 제2010-0092349호 미국 특허공보 8,562,792 B2
본 발명은 종래기술의 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 간단한 구조를 가지면서도 서로 다른 공간들 사이의 기체분배비율을 용이하게 조절할 수 있는 기체분배장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 시스템의 운전 조건을 변경하더라도 그에 따라 운전중 기체 분배비율을 변경하는 것이 용이하고 기체의 분배 비율을 연속적으로 정밀하게 제어할 수 있는 기체분배장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 본 발명은 상기 기체분배장치를 사용하는 기체의 분배비율 조절방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은
기체분배장치가 필요한 하우징의 내부를 상부공간과 하부공간으로 분리하는 침니트레이;
상기 침니트레이 상부면에 구비되어 상부공간과 하부공간을 연통시키는 침니;
천정과 상기 천정에 연결된 측벽을 포함하는 구조를 가지며, 상기 침니의 외부에 침니와 이격된 상태로 고정되며, 침니 상단부의 홀(hole)로부터 공급되는 기체를 상부공간으로 배출하는 기체배출구가 형성되도록 침니의 외부를 커버하는 캡;
상기 하우징의 상부공간에 액체를 공급하는 액체공급수단; 및
상기 하우징의 상부공간으로부터 액체를 배출시키는 액체배출수단;을 포함하며,
상기 기체배출구의 크기는 상기 액체공급수단 및 액체배출수단 중 어느 하나 이상에 의해 상기 침니트레이 위에 수용되는 액체 높이를 조절하는 것에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 기체분배장치를 제공한다.
상기 기체배출구는
(a) 캡에 형성되는 하나 이상의 홀(hole)로만 형성되거나,
(b) 하나 이상의 홈을 포함하는 캡의 측벽 하단부와 캡과 침니트레이의 상부면의 결합구조에 의해 형성되는 하나 이상의 홀(hold)에 의해 형성되거나,
(c) 캡의 측벽이 침니트레이의 상부면에 닿지 않은 상태에서, 캡과 침니의 조합 구조에 의해 형성되는 공간에 의하여 형성되거나,
(d) 캡의 측벽의 일부가 침니트레이의 상부면에 닿아서 캡, 침니 및 침니트레이 상부면의 조합 구조에 의해 형성되는 공간에 의하여 형성되거나,
(e) 상기 (b), (c) 또는 (d)의 기체배출구와 함께 캡의 천정 또는 측벽에 형성된 하나 이상의 기체배출구를 더 포함하는 형태로 형성될 수 있다.
상기 기체배출구는 원형, 타원형, 다각형, 도우넛형 및 슬릿 형태로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성될 수 있다.
상기 캡의 측벽은, 천정으로부터의 길이가 가장 짧은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분의 아래까지 도달하도록 형성될 수 있다.
상기 기체배출구는 캡의 측벽에 형성되며 기체배출구 중 가장 높은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분보다 아래에 위치하도록 형성될 수 있다.
상기 캡은 하우징 혹은 침니에 고정수단에 의해 고정되거나, 침니 트레이의 상면에 닿는 측벽 하단부의 일부 또는 전부에 의하여 고정될 수 있다.
상기 캡의 천정의 상부면에는 액체의 흐름을 유도하기 위한 유로가 형성되며, 상기 유로는 기체배출구와 다른 방향으로 형성될 수 있다.
상기 액체공급수단은 노즐(Nozzle), 유량조절밸브(Valve), 다공판(Perforated plate), 다운커머(Downcomer), 트레이, 팩킹, 스프레이 장치, 기액 접촉 장치, 및 기체 응축장치 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합으로 구성될 수 있다.
상기 액체배출수단은 노즐(Nozzle), 유량조절밸브(Valve), 다공판(Perforated plate), 및 다운커머(Downcomer) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합으로 구성될 수 있다.
상기 액체배출수단은 침니 트레이에 설치되는 유량조절밸브일 수 있으며, 상기 유량조절밸브는 길이방향으로 제1연통홀이 형성되며 상기 제1연통홀과 연통되게 상기 상부공간 및 하부공간으로 각각 뚫어져 형성되는 제1유량조절용 홀이 구비되는 고정몸체와, 상기 제1연통홀에 회전 가능하게 설치되고 길이방향으로 제2연통홀이 형성되며, 회전에 의해 상기 제1유량조절용 홀과 상기 제2연통홀을 선택적으로 연통시키는 제2유량조절용 홀이 구비되는 회전몸체와, 상기 회전몸체의 일측에 연결되어 상기 회전몸체를 회전시키는 밸브부재를 포함할 수 있다.
상기 제1유량조절용 홀은 상기 고정몸체의 길이방향을 따라 직선 또는 사선으로 길게 형성된 장홀과, 상기 고정몸체의 길이방향을 따라 설정간격을 두고 직선 방향 또는 사선 방향으로 형성된 복수의 원형홀, 복수의 사각홀, 복수의 타원형 홀 중 선택된 1종 또는 이들의 믹스(mix) 조합 중 어느 하나일 수 있다.
상기 제2유량조절용 홀은 상기 회전몸체의 길이방향을 따라 직선 또는 사선으로 길게 형성된 장홀과, 상기 회전몸체의 길이방향을 따라 설정간격을 두고 직선 방향 또는 사선 방향으로 형성된 복수의 원형홀, 복수의 사각홀, 복수의 타원형 홀 중 선택된 1종 또는 이들의 믹스(mix) 조합 중 어느 하나일 수 있다.
상기 회전몸체에 형성되는 제2연통홀 및 제2유량조절용 홀은 상기 회전몸체에 상, 하부가 연속되게 뚫어 형성하거나, 상기 회전몸체에 상,하부가 연속되게 단속적으로 복수 개의 구멍을 뚫어 형성할 수 있다.
상기 밸브부재는 수동, 유압, 전기, 기압, 수압, 기어 중 선택된 1종 또는 이들의 조합에 의해 작동되는 것일 수 있다.
상기 기체분배장치는 상부공간에 공급되는 액체를 외부로 배출하고, 하부공간에서 상승하는 기체를 상부공간으로 배출시키기 위한 공정에 사용될 수 있다.
상기 기체분배장치는 2개 이상의 컬럼의 기능을 하나의 컬럼으로 합친 분리벽형 증류탑, 또는 두 개 이상의 공간에 기체의 분배 비율을 조절하고자 하는 장치에 적용될 수 있다.
또한, 본 발명은
기체분배장치가 필요한 하우징의 내부를 상부공간과 하부공간으로 분리하는 침니트레이;
상기 침니트레이 상부면에 구비되어 상부공간과 하부공간을 연통시키는 침니; 천정과 상기 천정에 연결된 측벽을 포함하는 구조를 가지며, 침니 상단부의 홀로부터 공급되는 기체를 상부공간으로 배출하는 기체배출구가 형성되도록 침니의 외부를 커버하는 캡;
상기 하우징의 상부공간에 액체를 공급하는 액체공급수단; 및
상기 하우징의 상부공간으로부터 액체를 배출시키는 액체배출수단;을 포함하는 기체분배장치를 사용하는 기체의 분배비율 조절방법으로서,
상기 액체공급수단 및 액체배출수단 중 어느 하나 이상에 의해 상기 침니트레이 위에 수용되는 액체의 높이를 조절하여 기체배출구의 크기를 조절함으로써 기체의 분배비율을 조절하는 것을 특징으로 하는 기체의 분배비율 조절방법을 제공한다.
상기 기체분배장치에 기술된 내용은 본 발명의 기체의 분배비율 조절방법에 그대로 적용될 수 있다.
상기 캡의 측벽은, 천정으로부터의 길이가 가장 짧은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분의 아래까지 도달할 수 있다.
상기 기체배출구는 캡의 측벽에 형성되며 기체배출구 중 가장 높은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분보다 아래에 위치할 수 있다.
본 발명의 기체분배장치는 침니를 이격된 상태로 커버하고 있는 캡에 하나 이상의 기체배출구를 형성하고 침니트레이 상의 액체의 높이를 조절하는 것에 의해 기체배출구의 크기를 조절함으로써 매우 효과적으로 기체의 분배비율을 조절할 수 있다.
또한, 본 발명의 기체분배장치는 이 장치를 포함하는 시스템의 운전 조건을 변경하더라도 그에 따라 운전중 기체 분배비율을 변경하는 것이 용이하고 기체의 분배 비율을 연속적으로 정밀하게 제어할 수 있다.
또한, 본 발명의 기체분배장치는 분리벽형 증류탑 등에 적용할 때 그의 작동 성능을 향상시켜 에너지 절감 효율을 높이는 효과를 제공한다.
본 발명의 기체의 분배비율 조절방법은 상기 기체분배장치를 사용함으로써 매우 효율적으로 기체의 분배비율 조절하는 효과를 제공한다.
본 발명의 기체분배장치는 기체의 분배비율을 조절하는 용도 외에, 분리벽형 증류탑이 아닌 일반적인 증류탑 혹은 흡수탑이나 반응기의 하부에서 공급되는 기체를 상부 공간에 고르게 분포하도록 압력 강하를 조절하는 용도로 사용될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 장치의 하부에서 공급되는 기체의 양이 설계시와 다르게 변화 할 경우 본 발명의 기체분배장치를 사용하여 압력강하를 변화 시킴으로서 침니 트레이 상부로 배출되는 기체의 분포를 고르게 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 기체분배장치를 모식적으로 도시한 단면도이다.
도 2 내지 도 6은 본 발명의 기체분배장치에 사용되는 캡, 침니, 및 침니트레이의 다양한 결합 형태를 예시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 기체분배장치에서 사용되는 캡의 일 실시 형태를 예시하는 사시도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 의한 기체분배장치가 적용된 분리벽형 증류 컬럼을 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 의한 기체분배장치로 도 8의 A부분을 확대하여 나타낸 도면이다.
도 10a는 본 발명의 일 실시예에 의한 기체분배장치에서 침니 및 캡 부분에서 기체가 배출되는 면적을 나타낸 도면이다.
도 10b는 본 발명의 일 실시예에 의한 제1공간과 제2공간에 본 발명에 의한 기체분배장치와 일반적인 기체분배장치가 설치된 예를 나타낸 도면이다.
도 10c는 본 발명의 기체분배장치에서 다양한 높이로 형성되는 기체배출구를 나타내는 도면이다.
도 11a, 11b 및 도 11c는 본 발명의 기체분배장치에서 사용될 수 있는 다양한 형태의 액체배출수단을 예시한 도면이다.
도 12는 캡의 홀 주위에 구비될 수 있는 기체 유도판 또는 액면 요동 방지판, 및 Louver를 예시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 기체분배장치에 있어서 비말 방지를 위해 캡 상부에 액체를 유도하기 위한 유로를 형성하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 14a, 14b 및 14c는 본 발명의 기체분배장치에서 사용될 수 있는 다양한 형태의 기체분배장치를 예시한 사시도이다.
도 15는 본 발명의 실시예에 의한 기체분배장치에 적용될 수 있는 유량조절밸브의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 실시예의 의한 유량조절밸브의 단면(a) 및 작동(b)을 나타낸 도면이다.
도 17은 본 발명의 실시예에 의한 유량조절밸브에서 유량조절용 홀의 형상을 나타낸 도면이다.
도 18 및 도 19는 본 발명의 다른 실시예에 의한 유량조절밸브가 배출라인에 하나 또는 둘 이상이 설치되는 예를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명하기에 앞서 관련된 공지기능 및 구성에 대한 구체적 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그에 대한 설명은 생략하기로 한다.
아래 설명과 도면은 당업자가 설명되는 장치와 방법을 용이하게 실시할 수 있도록 특정 실시예를 예시한다. 다른 실시예는 구조적, 논리적으로 다른 변형을 포함할 수 있다. 개별 구성 요소와 기능은 명확히 요구되지 않는 한, 일반적으로 선택될 수 있으며, 과정의 순서는 변할 수 있다. 몇몇 실시예의 부분과 특징은 다른 실시예에 포함되거나 다른 실시예로 대체될 수 있다.
본 발명의 기체분배장치는, 도 1에 도시된 바와 같이, 기체분배장치가 필요한 하우징(10)의 내부를 상부공간(20)과 하부공간(30)으로 분리하는 침니트레이(11); 상기 침니트레이 상부면에 구비되어 상부공간과 하부공간을 연통시키는 침니(110); 천정과 상기 천정에 연결된 측벽을 포함하는 구조를 가지며, 상기 침니의 외부에 침니와 이격된 상태로 고정되며, 침니 상단부의 홀(hole)로부터 공급되는 기체를 상부공간으로 배출하는 기체배출구가 형성되도록 침니의 외부를 커버하는 캡(120); 상기 하우징의 상부공간에 액체를 공급하는 액체공급수단(170); 및 상기 하우징의 상부공간으로부터 액체를 배출시키는 액체배출수단(180);을 포함하며,
상기 기체배출구의 크기는 상기 액체공급수단(170) 및 액체배출수단(180) 중 어느 하나 이상에 의해 상기 침니트레이(11) 위에 수용되는 액체 높이를 조절하는 것에 의하여 조절되는 것을 특징으로 한다.
상기 하우징(10)은 분리된 2개의 이상의 공간을 포함하는 것으로서 그 형태는 특별히 한정되지 않는다.
상기 캡(120)의 침니의 외부에 대한 이격 상태는 이격에 의해 침니의 상단부의 홀(hole)로부터 공급되는 기체가 상기 기체배출구를 통하여 상부공간으로 배출될 수 있는 상태라면 특별히 한정되지 않는다.
상기 기체배출구는
(a) 캡에 형성되는 하나 이상의 홀(hole)로만 형성되거나,
(b) 하나 이상의 홈을 포함하는 캡의 측벽 하단부와 침니트레이의 상부면의 결합구조에 의해 형성되는 하나 이상의 홀(hold)에 의해 형성되거나,
(c) 캡의 측벽이 침니트레이의 상부면에 닿지 않은 상태에서, 캡과 침니의 조합 구조에 의해 형성되는 공간에 의하여 형성되거나,
(d) 캡의 측벽의 일부가 침니트레이의 상부면에 닿아서 캡, 침니 및 침니트레이 상부면의 조합 구조에 의해 형성되는 공간에 의하여 형성되거나,
(e) 상기 (b), (c) 또는 (d)의 기체배출구와 함께 캡의 천정 또는 측벽에 형성된 하나 이상의 기체배출구를 더 포함하는 형태로 형성될 수 있다.
상기 (a)와 같이 기체배출구(121)가 캡(120)에 형성되는 하나 이상의 홀(hole)로만 형성되는 형태로는 도 2에 도시된 형태를 들 수 있다. 즉, 상기 (a)의 경우의 기체배출구(121)의 형태는 캡(120)의 측벽 하단부 전체가 침니트레(11)이 상부면에 고정되고 캡의 측벽 및/또는 천정에 기체배출구가 형성되는 형태이다.
상기 캡에 형성되는 하나 이상의 기체배출구의 형태는 특별히 한정되지 않는다. 즉, 원형, 타원형, 다각형, 및 슬릿 형태 등 어떠한 형태라도 적용이 가능하다.
상기 캡(120)에 형성되는 하나 이상의 기체배출구의 형성 위치는 특별히 한정되지 않으며, 필요에 따라 적절한 위치에 생성할 수 있다.
예를 들어, 상기 기체배출구가 침니트레이(11) 상부면과 가깝게 형성되는 경우, 적은량의 액체로도 액체의 높이에 의한 기체분배량의 조절을 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 상기 기체배출구는 캡(120)의 측벽에 형성되되, 침니의 상단부보다 낮은 위치에 형성되는 것이 기체분배량의 조절범위를 넓히기 위하여 바람직할 수 있다. 즉, 기체배출구가 침니(110)의 상단부 보다 높게 형성되는 경우는 액체의 높이를 침니(110)의 상단부 이상으로 조절할 수 없기 때문에 기체분배량의 조절에 한계가 있을 수 있다.
상기 (b)와 같이 기체배출구가 하나 이상의 홈을 포함하는 캡(120)의 측벽 하단부와 과 침니트레이(121)의 상부면의 결합구조에 의해 형성되는 하나 이상의 홀(hole)에 의해 형성되는 형태로는 도 3에 도시된 형태를 예로 들 수 있다. 즉, 캡(120)의 측벽에는 측벽의 말단부로부터 홈이 형성되어 있고, 그 홈과 침니트레이(121)의 상부면이 조합되어 기체배출구(121)를 형성한다.
상기 기체배출구는 침니의 상단부보다 낮은 위치에 형성되는 것이 기체분배량의 조절범위를 넓히기 위하여 바람직할 수 있다. 즉, 기체배출구가 침니의 상단부 보다 높게 형성되는 경우는 액체의 높이를 침니의 상단부 이상으로 올릴 수 없기 때문에 기체분배량의 조절에 한계가 있을 수 있다.
상기 (c)와 같이, 기체배출구가 캡(120)의 측벽이 침니트레이(121)의 상부면에 닿지 않고, 캡과 침니의 조합 구조에 의해 형성되는 공간에 의하여 형성되는 형태로는 도 4에 도시된 형태를 들 수 있다. 즉, 캡(120)의 측벽의 길이가 짧아서 침니트레이(121)의 상부면에 닿지 않으며, 기체배출구(121)는 캡의 측벽과 침니 사이의 공간에 의해서 형성된다.
이 형태의 경우, 상기 캡의 측벽은, 천정으로부터의 길이가 가장 짧은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분의 아래까지 도달하여야 원활하게 기체배출량을 조절할 수 있으며, 기체분배량의 조절범위도 넓힐 수 있다. 즉, 캡의 측벽의 천정으로부터의 길이가 가장 짧은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분보다 높은 곳에 위치하는 경우에는 액체의 높이를 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분 이상으로 올릴 수 없기 때문에 기체분배량의 조절에 한계가 있을 수 있다.
상기 형태는 캡의 측벽 하단부로부터 위쪽으로 형성되는 원, 타원, 다각형, 슬릿형 등의 다양한 홈을 더 포함하는 형태도 포함한다.
상기 (d)와 같이 기체분출구가 캡의 측벽의 일부가 침니트레이의 상부면에 닿아서 캡, 침니 및 침니트레이 상면의 조합 구조에 의해 형성되는 공간에 의하여 형성되는 형태로는 도 5에 도시된 형태를 들 수 있다. 즉, 캡(120)의 측벽의 일부가 침니트레이(121)의 상부면에 닿으며, 상기 침니트레이(121)의 상부면에 닿지 않은 측벽 단부, 침니트레이의 상부면 및 침니에 의해서 형성되는 공간이 기체배출구(121)를 형성하는 형태이다.
상기 (e)의 형태 즉, (b), (c) 또는 (d)의 기체배출구와 함께 캡의 천정 또는 측벽에 형성된 하나 이상의 기체배출구를 더 포함하는 형태로는 도 6에 도시된 형태를 들 수 있다. 상기 캡의 천정 또는 측벽에 형성되는 기체배출구는 원형, 타원형, 다각형, 및 슬릿 형태로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 형태로 형성될 수 있다.
도 7은 본 발명의 기체분배장치에서 사용되는 캡(120)의 일 실시 형태를 예시한다. 그러나 본 발명에서 캡의 형태는 특별히 한정되지 않으며, 상술한 바와 같이 기체배출구를 형성할 수 있는 형태라면 어떠한 형태로도 구성될 수 있다. 예를 들어, 캡은 측벽에 다양한 형태의 홈이 형성된 형태, 측벽이 사선으로 비스듬하게 절단된 형태 등으로 구성될 수 도 있다.
본 발명의 침니(110)의 형태는 하부공간의 기체를 상부공간으로 전달할 수 있는 형태라면 특별히 한정되지 않는다. 상기 침니(110)는 침니트레이(11)에 하나 이상이 설치될 수도 있다.
도 14a, 14b 및 14c는 본 발명의 기체분배장치에서 사용될 수 있는 다양한 형태의 기체분배장치를 예시한다.
본 발명의 기체분배장치에 있어서, 상기 기체배출구 중에는 캡의 천장에 형성되는 기체배출구도 포함될 수 있다. 그런데, 캡의 천장에 기체배출구가 형성되는 경우 상부에서 떨어지는 물이 기체배출구로 들어가거나, 분출되는 기체와 부딪혀 비말을 형성할 수도 있으므로, 이러한 문제를 방지할 수 있도록 hat을 형성하는 것이 바람직하다.
본 발명의 기체분배장치에 있어서, 상기 침니 및 캡의 단면 형상은 특별히 한정되지 않으며, 각각 독립적으로 원형, 타원형 또는 다각형일 수 있다.
상기 캡은 하우징 혹은 침니에 고정수단에 의해 고정되거나, 침니트레이의 상면에 닿는 측벽 하단부의 일부 또는 전부에 의하여 고정될 수 있다.
상기 캡의 천정의 상부면에는 액체의 흐름을 유도하기 위한 유로가 형성될 수 있으며, 상기 유로는 기체배출구와 다른 방향으로 형성되는 것이 바람직하다.
본 발명의 기체분배장치에서 액체공급수단(170)으로는 이 분야에 공지된 것이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 노즐(Nozzle), 유량조절밸브(Valve), 다공판(Perforated plate), 다운커머(Downcomer), 트레이, 팩킹, 스프레이 장치, 기액 접촉 장치, 및 기체 응축장치 등이 사용될 수 있으며, 이들은 1종 이상의 조합에 의해 액체공급수단을 구성할 수도 있다. 또한, 상기와 같은 특별한 장치에 의해 구성되는 것이 아니더라도, 다른 장치나 시스템에 의해 자연스럽게 액체가 공급될 수 있는 구조를 갖는 것이라면, 본 발명의 액체공급수단으로 사용될 수 있다.
본 발명의 기체분배장치에서 액체배출수단(180)으로는 이 분야에 공지된 것이 제한 없이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 노즐(Nozzle), 유량조절밸브(Valve), 다공판(Perforated plate), 다운커머(Downcomer) 등이 사용될 수 있으며, 이들은 1종 이상의 조합에 의해 액체배출수단을 구성할 수도 있다.
상기 액체배출수단을 사용하여 침니트레이 상의 액체의 높이를 조절하는 방법으로는 예를 들어, 1) 노즐을 하우징 벽에 높이가 다르게 여러 개 설치하여 선택적으로 개방하거나, 2) 노즐을 침니트레이의 낮은 위치에 하나만 설치하고 노즐에 유량조절밸브를 설치하여 배출 유량을 조절하거나, 3) 유량조절밸브를 침니트레이에 직접 설치하거나, 4) 침니트레이 낮은 부분에 다공판을 여러 개 설치하여 각 다공판 하부를 분리된 공간으로 구성하고 각 분리된 공간에 on/off 밸브를 설치하여 선택적으로 개방하거나, 5) 침니트레이에 연결된 하부 방향으로 다운커머를 설치하고 침니트레이 상부에 둑을 설치하여 둑의 높이를 다르게 하는 방법 등을 들 수 있다.
상기 액체배출수단은, 도 15 내지 도 17에 도시된 바와 같이, 침니 트레이에 설치되는 유량조절밸브일 수 있으며, 상기 유량조절밸브는 길이방향으로 제1연통홀이 형성되며 상기 제1연통홀과 연통되게 상기 상부공간 및 하부공간으로 각각 뚫어져 형성되는 제1유량조절용 홀이 구비되는 고정몸체와,
상기 제1연통홀에 회전 가능하게 설치되고 길이방향으로 제2연통홀이 형성되며, 회전에 의해 상기 제1유량조절용 홀과 상기 제2연통홀을 선택적으로 연통시키는 제2유량조절용 홀이 구비되는 회전몸체와,
상기 회전몸체의 일측에 연결되어 상기 회전몸체를 회전시키는 밸브부재를 포함할 수 있다.
상기 기체분배장치는 상부공간에 공급되는 액체를 외부로 배출하고, 하부공간에서 상승하는 기체를 상부공간으로 배출시키기 위한 모든 시스템에 사용될 수 있다.
상기 외부로는 상부공간의 외부 또는 하부공간을 들 수 있으며, 상기 액체는 상부공간의 외부로 배출한 후 다시 하부공간으로 공급될 수도 있다.
상기 기체분배장치는 2개 이상의 컬럼의 기능을 하나의 컬럼으로 합친 분리벽형 증류탑, 또는 기체를 두 개 이상의 공간에 비말 동반 없이 적은 압력 손실로 분배 비율을 조절하고자 하는 장치 등에 유용하게 사용될 수 있다.
상기 기체분배장치는 기체의 분배비율을 조절하는 용도 외에, 분리벽형 증류탑이 아닌 일반적인 증류탑 혹은 흡수탑이나 반응기의 하부에서 공급되는 기체를 상부 공간에 고르게 분포하도록 압력 강하를 조절하는 용도로 사용될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 장치의 하부에서 공급되는 기체의 양이 설계시와 다르게 변화 할 경우 본 발명의 기체분배장치를 사용하여 압력강하를 변화 시킴으로서 침니 트레이 상부로 배출되는 기체의 분포를 고르게 할 수 있다.
또한, 본 발명의 기체의 분배비율 조절방법은
기체분배장치가 필요한 하우징의 내부를 상부공간과 하부공간으로 분리하는 침니트레이; 상기 침니트레이 상부면에 구비되어 상부공간과 하부공간을 연통시키는 침니; 천정과 상기 천정에 연결된 측벽을 포함하는 구조를 가지며, 침니 상단부의 홀로부터 공급되는 기체를 상부공간으로 배출하는 기체배출구가 형성되도록 침니의 외부를 커버하는 캡; 상기 하우징의 상부공간에 액체를 공급하는 액체공급수단; 및 상기 하우징의 상부공간으로부터 액체를 배출시키는 액체배출수단;을 포함하는 기체분배장치를 사용하는 기체의 분배비율 조절방법으로서, 상기 액체공급수단 및 액체배출수단 중 어느 하나 이상에 의해 상기 침니트레이 위에 수용되는 액체의 높이를 조절하여 기체배출구의 크기를 조절함으로써 기체의 분배비율을 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 기체분배장치에서 기술된 내용은 상기 기체의 분배비율 조절방법에 모두 적용될 수 있다. 따라서 이하에서 중복되는 내용은 기재를 생략한다.
상기에서 기체의 분배비율 조절방법은 “기체의 분포정도 조절방법”으로 다르게 표현될 수도 있다.
이하 본 발명의 기체분배장치를 2개 이상의 컬럼의 기능을 하나의 컬럼으로 합친 분리벽형 증류탑에 적용한 예를 사용하여 더욱 상세하게 설명한다.
본 발명의 기체분배장치는, 도 8 및 도 9에 도시된 바와 같이, 제1구간(31)의 상부에서 공급되는 액체를 제 1구간으로부터 배출하고, 제2구간(41)의 하부에서 상승하는 기체는 제1구간(31)으로 배출시킨다. 제1구간(31)으로 배출된 기체는 제1구간(31) 내의 패킹이나 트레이, 혹은 스프레이 공간 등 기액 접촉 구간(17)으로 공급될 수 있다.
기액 접촉 구간(17)은 제1구간(31)으로 배출되는 기체를 공급받고 응축하여 액상으로 분리하는 응축기일 수 있다.
기체분배장치는 침니트레이(11,21) 상에서 액면의 높이 조절로, 침니(110)의 상부와 측면을 이격된 상태로 커버하고 있는 캡(120) 사이에 형성된 공간의 면적을 조절하여 기체의 분배 비율을 조절할 수 있다.
상기 도 8에서 (A-1)은 기체분배장치의 액체배출수단인 노즐에 유량 조절발브가 연결된 예이며, (A-2)는 기체분배장치에 액체배출수단으로써 유량 조절발브가 직접 연결된 예이며, (A-3)는 기체분배장치의 액체배출수단인 노즐에 유량 조절펌프가 연결된 예이며, (A-4)는 기체분배장치의 액체배출수단인 노즐에 펌프와 유량 조절발브가 연결된 예이다.
상기 예시된 기체분배장치 외에 도 2 내지 6에 예시된 기체분배장치 중 어떠한 형태라도 상기 분리벽형 증류탑에 적용이 가능하다.
도 10a에 도시된 바와 같이, 캡(120)은 저면이 침니트레이(11)의 바닥면에 닿도록 설치될 수 있으며, 기체배출구(121)는 캡(120)의 저면부터 소정높이(a)까지 형성되되 침니(110)의 높이(b)보다는 낮은 위치까지 형성될 수 있다. 이는 홀 (121)을 통해 제1구간(31)의 액체가 침니(110)로 유입되는 것을 방지하면서 홀의 개방된 면적을 최대한 활용하여 기체 분배를 하기 위한 것이다.
여기서, 액면의 높이가 "c"이면 기체배출구(121)를 통해 기체가 배출되는 면적은 "d"가 된다. 액면의 높이 "c"를 조절함에 따라 기체가 나오는 면적 "d"가 조절될 수 있다.
도 10b에 예시된 바와 같이, 제1공간과 제2공간에 설치된 각 침니트레이(11,21)의 침니(110)와 캡(120) 및 기체배출구(121)의 설계를 다르게 하거나 동일하게 하고, 혹은 제1공간과 제2공간에 일반적인 침니트레이(14)와 본 발명에 의한 침니트레이(11,21)를 각각 선택적으로 설치하여 본 발명에 의한 침니트레이(11,21)가 설치된 측의 액면을 상기와 같이 조절함으로써 제1공간과 제2공간에 기체 분배 비율을 조절할 수도 있다.
도 10c에 도시된 바와 같이 기체배출구(121)는 다양한 높이로 구성될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 본 발명의 기체분배장치는 제1 구간(31) 혹은 제1구간(31)과 제2구간(41)을 각각 제1공간(31a,41a)과 제2공간(31b,41b)을 포함하는 복수 개의 분배공간으로 구획하는 세로 분리벽(15)을 더 포함할 수 있다.
이 경우, 침니(110)와 캡(12)은 제1구간(31)을 제1공간(31a)과 제2공간(31b)을 구획하는 침니트레이(11) 및 제2구간(41)을 제1공간(41a)과 제2공간(41b)으로 구획하는 침니트레이(21)에 각각 설치되거나 선택적으로 설치될 수 있다.
단, 제2구간(41)은 제1공간(41a)과 제2공간(41b)으로 분리하지 않고 하나의 공간으로 구성될 수도 있다.
침니트레이(11)에는 액체배출수단의 일환으로 다운커머(127)를 설치 할 수 있으며 이 때, 침니트레이상의 액면의 높이는 침니트레이(11) 상부 제1구간 내에 설치되는 둑(16)의 높이를 다르게 하여 조절할 수 있다.
상기 둑(16)의 상단면은 침니(110)보다는 낮고 캡(120)에 구비된 기체배출구(121)의 최상단선보다는 높게 형성하여 기체 분배비를 최대 0%:100%로 조절할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 다운 커머(127)의 하단면은 제2구간(41) 공간의 액면보다 낮게 되도록 다운커머 실링 구조(126)를 설치하여 통상 운전시 기체가 다운 커머를 통해 상부로 올라가지 않도록 하는 것이 바람직하다.
상기 다운 커머(127)와 둑(16)은 판형 혹은 배관형으로 구성할 수 있다.
또한, 상기 액체배출수단(129)은 도 11a와 같이 다공판(124)으로 구성될 수도 있으며, 액면의 높이는 다양한 개구면적을 갖는 다공판(124)의 선택적 조합에 의해 조절 가능하다. 또한, 다공판을 이용한 액면 조절은 도 11b와 같은 방법으로 컬럼 외부에 설치하여 이용할 수도 있다.
유량조절밸브(130) 혹은 유량 조절펌프(160)는 제1구간(31) 상에서 배출되는 액체의 양을 조절함으로써 액면의 높이를 조절하여 캡(120) 측면의 기체배출구(121)를 통해 기체가 통과하는 개방된 면적을 조절하는 역할을 한다.
액체배출수단(129)은 침니트레이(11,21) 중 상대적으로 낮은 위치를 형성하는 것이 바람직하며 단차부(13,23)에 하나 이상이 설치될 수 있다.
그러나, 도 11c와 같이 액체배출수단을 제1구간상 어느 높이에 하나 이상을 설치하여 총 개구 면적에 의해 혹은 개방된 액체배출수단의 위치에 따라 침니트레이 내부의 액면의 높이를 조절 할 수도 있다.
상기 기체분배장치 상부에 비말 방지를 위해 엔트레인먼트 방지 장치(125)를 설치할 수 있다.
또한, 상기 캡의 홀 주위에는 도 12에 도시된 바와 같이 기체 안내판 혹은 액면 요동 방지판(155), Louver(156) 등을 설치하여 침니트레이 상의 액면의 출렁거림을 방지 할 수 있다.
또한, 상기 캡(120)의 상단면에는 도 13a, 도 13b에 도시된 바와 같이 상부에서 낙하하는 액체와 캡(120)의 기체배출구(121)에서 배출되는 기체가 부딪혀서 비말이 형성되지 않도록 유로를 형성할 수도 있다.
제1 구간에서 배출되는 액체의 유량을 조절하는 유량 조절발브는 액체의 흐름 유량을 조절하는 어떠한 발브라도 사용할 수 있다. 있으며, 도 15 및 도 16에 도시된 바와 같이, 유량조절밸브(130)는 고정몸체(131), 회전몸체(141), 밸브부재(147)를 포함한 발브를 사용함으로써 더욱 미세한 조절이 가능할 수 있다.
고정몸체(131)는 길이가 긴 원통형상으로 형성되며, 단차부(13,23)에 일체로 설치될 수 있다. 단차부(13,23)는 액체의 수위 조절이 용이하도록 침니트레이(11,21)의 일부를 하방으로 단차지게 형성한 것이다.
고정몸체(131)는 길이방향으로 제1연통홀(133)이 형성되며 제1연통홀(133)과 연통되게 상부 및 하부로 각각 뚫어져 형성되는 제1유량조절용 홀(135,136)이 구비된다. 한 쌍의 제1유량조절용 홀(135,136)은 고정몸체(131)의 상, 하부에 대칭되게 형성될 수 있다.
회전몸체(141)는 고정몸체(131)의 제1연통홀(133)에 회전 가능하게 설치된다.
회전몸체(141)는 길이방향으로 제2연통홀(143)이 형성되며 회전에 의해 제1유량조절용 홀(135,136)과 제2연통홀(143)을 선택적으로 연통시키는 한 쌍의 제2유량조절용 홀(145,146)이 구비된다. 한 쌍의 제2유량조절용 홀(145,146)은 회전몸체(141)의 상, 하부에 대칭되게 형성될 수 있다.
도 17에 도시된 바와 같이, 고정몸체(131)에 형성되는 제1유량조절용 홀(135,136)은 고정몸체(131)의 길이방향을 따라 직선으로 형성된 장홀(a) 또는 사선으로 길게 형성된 장홀(b), 고정몸체(131)의 길이방향을 따라 설정간격을 두고 직선 방향 또는 사선 방향으로 형성된 복수의 원형홀(c), 복수의 사각홀(d), 복수의 타원형 홀(e) 중 선택된 1종 또는 이들의 믹스(mix) 조합 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
회전몸체(141)에 형성되는 제2유량조절용 홀(145,146)은 회전몸체(141)의 길이방향을 따라 직선으로 형성되는 장홀(a) 또는 사선으로 길게 형성된 장홀(b), 회전몸체(141)의 길이방향을 따라 설정간격을 두고 직선 방향 또는 사선 방향으로 형성된 복수의 원형홀(c), 복수의 사각홀(d), 복수의 타원형 홀(e) 중 선택된 1종 또는 이들의 믹스(mix) 조합 중 어느 하나로 이루어질 수 있다.
제1유량조절용 홀(135,136)과 제2유량조절용 홀(145,146)은 도 16에 도시된 구성 중 하나를 선택하고 혼합하여 적용할 수 있다.
도 17의 (a)에 도시된 장홀을 제1유량조절용 홀(135,136) 형상으로 채용하고, 도 17의 (e)에 도시된 사선 방향으로 형성된 복수 개의 타원 홀을 제2유량조절용 홀(145,146) 형상으로 채용하는 경우, 제1유량조절용 홀(135,136)과 제2유량조절용 홀(145,146)이 연통되는 부분의 면적을 더욱 미세하게 조절할 수 있어 액체의 공급 비율을 더 정확하게 조절할 수 있다.
또한, 도 16에 도시된 바와 같이, 회전몸체(141)에 형성되는 제2연통기체배출구(121) 및 제2유량조절용 홀(145,146)은 회전몸체(141)에 상, 하부가 연속되게 뚫어 일체로 형성하거나, 회전몸체(141)에 상, 하부가 연속되게 단속적으로 복수 개를 뚫어 형성하는 것이 바람직하다.
여기서, '단속적으로는' 제2유량조절용 홀(145,146)을 기계 가공에 의해 형성시 끊어지는 부분이 있도록 형성하는 것으로, 도 17에 도시된 (c),(d),(e) 형상이 해당한다. 단속적으로 끊어지는 부분이 있도록 회전몸체(141)에 제2유량조절용 홀(145,146)을 형성하면 유량조절밸브(130)의 강도가 보강될 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 밸브부재(147)가 작동하여 제1유량조절용 홀(135,136)에 대한 제2유량조절용 홀(145,146)의 오픈 정도를 조절할 수 있다.
밸브부재(147)는 회전몸체(141)의 일측에 연결되어 회전몸체(141)를 회전시키는 역할을 하는 것으로, 밸브부재(147)의 회전에 의해 회전몸체(141)가 회전하고 회전몸체(141)의 제2유량조절용 홀(145,146)이 고정몸체(131)의 제1유량조절용 홀(135,136)과 연통되어 제1구간(31)의 액체를 제2구간(41)으로 배출할 수 있다.
즉, 고정몸체(131)의 제1유량조절용 홀(135,136)과 회전몸체(141)의 제2유량조절용 홀(145,146)이 연통되는 면적에 따라 액체의 배출 양이 조절될 수 있다.
밸브부재(147)는 수동, 유압, 전기, 기압, 수압, 기어 중 선택된 1종 또는 이들의 조합에 의해 작동될 수 있다. 밸브부재(147)는 컬럼(10)의 외부로 노출되는 유량조절밸브(130)에 설치될 수 있다.
액체배출수단(129)은 단차부(13,23)에 하나만 설치될 수도 있으나, 많은 유량을 처리하기 위해 또는 다량조절과 미세조절을 구분하여 운전하기 위해 하나 이상이 설치될 수 있으며 유량 조절발브(130)는 액체배출수단으로써 단차부에 직접 부착하여 사용(도8: A-2)할 수도 있다.
한편, 도 18 및 도 19에 도시된 바와 같이, 기체분배장치는 제1구간(31)의 액체를 제2구간(41)으로 배출하도록 침니트레이(11,21)에 연결되는 배출라인(153)을 더 포함하며, 유량조절밸브(130)는 배출라인(153)에 하나 또는 둘 이상이 설치될 수도 있다.
유량조절밸브(130,130a)가 배출라인(153)에 둘 이상 설치되는 경우 다량조절과 미세조절을 선택적으로 수행할 수 있다.
유량조절밸브(130,130a)는 배출라인(153)에 설치되는 경우 세로 방향으로 설치될 수 있다. 그러나 유량조절밸브(130,130a)는 필요에 따라 배출라인(153)에 가로 방향으로도 설치될 수 있다.
상기 유량 조절발브 외에 일반적으로 사용되는 유량 조절발브를 사용하더라도 상기 침니트레이에서 액면 조절은 가능하다.
이하 본 발명의 기체분배장치의 작용을 예를 들어 설명한다.
본 발명의 기체분배장치는, 도 9에 도시된 바와 같이, 제1구간(31)의 상부에서 액체가 공급되면 침니트레이(11,21)에 의해 형성되는 제1구간(31) 상의 제1공간(31a)과 제2공간(31b)에 각각 모아지게 되며, 각 공간을 형성하는 침니트레이(11,21)에 설치된 액체배출수단(129)을 통해 배출 된다.
예를 들어, 제1구간(31)의 제1공간(31a)과 제2공간(31b)에 공급된 액체에 의해 제1구간(31)의 제1공간(31a)과 제2공간(31b)에 각각 액체가 모아지게 되고 각 공간의 액체배출수단(129)을 통해 배출되는 액체 양에 의해 제1구간(31)의 제1공간(31a)과 제2공간(31b)의 액면의 높이가 조절된다.
이때, 제1구간(31)의 상부에서 낙하하는 액체는 침니(110) 상부를 덮고 있는 캡(120)에 의해 침니(110) 내부로 유입되지 않는다.
제1구간(31)의 제1공간(31a)과 제2공간(31b)의 액면의 높이는 각 침니(110)를 커버하고 있는 캡(120)에서 기체가 배출되는 기체배출구(121)의 면적을 제어하여 기체의 배출 면적을 제어하게 된다.
즉, 도 10a에 도시된 바와 같이, 기체가 배출되는 캡(120)의 기체배출구(121) 면적(d)을 액면의 높이(c)로 제어하여 제1구간(31)의 제1공간(31a)과 제2공간(31b)으로 배출되는 기체의 분배 비율을 각각 조절할 수 있다.
예를 들어, 제1공간(31a)과 제2공간(31b)에 액체 공급 비율이 1:1이 되도록 설계되고, 기체 공급 비율도 1:1이 되도록 설계되었을 경우, 정상적으로 운전할 때는 설계된 대로 분배 비율이 유지된다. 그러나 증류 컬럼으로 공급되는 유체의 조성이 변하거나 원하는 생성물의 농도를 달리하고자 할 때는 각 공간에 공급되는 액체나 기체의 공급 비율을 변화시켜야 한다.
이때, 액체가 제1공간(31a)과 제2공간(31b)에 공급되는 비율을 1.2:0.8로 변화시키면, 제1공간(31a)과 제2공간(31b)에 설치되어 있는 기액 접촉구간에서 압력 강하 차이가 설계와 다르게 변화하게 되어 제1공간(31a)에서 압력 강하가 제2공간(31b)에서의 압력 강하보다 커지게 된다.
그러면 제2구간(41)에서 상승하는 기체는 이러한 압력 강하의 변화 때문에 기체가 상승하는 저항 차이가 생겨 기체가 제2공간(31b)으로 더 많이 공급되게 한다.
이렇게 되면 액체 양이 많아진 제1공간(31a)에 오히려 기체 양이 적어지게 되어 증류컬럼의 운전에 좋지 않은 영향을 주게 된다. 따라서 액체 분배 비율이 변할 때 기체 분배 비율을 원하는 대로 조절하는 것은 매우 중요하다.
상기와 같은 경우에 제1공간(31a)에 기체가 더 공급되도록 하기 위해 제2공간(31b)에 비해 제1공간(31a)에서 상승한 압력강하에 해당하는 만큼 제2공간(31b)에 구비된 캡(120) 액면 위로 개방된 기체배출구(121) 면적을 줄여주면, 기액 접촉구간에서 생긴 압력강하 차이를 보상하게 되어 기체는 제1공간(31a)과 제2공간(31b)에 균등하게 분배될 수 있다.
여기서, 제1공간(31a)에 액체 공급양이 1.2:0.8로 증가하였으므로, 이에 해당하는 만큼 제2공간(31b)에 액면 위로 개방된 기체배출구(121)을 더욱 줄여주면 기액 접촉구간에서 원하는 대로 기체와 액체의 비를 조절할 수 있다.
상기와 반대로, 기체분배장치의 액면의 높이 조절은 제1공간(31a)의 액면을 낮추는 방법으로 조절함으로써, 압력 강하가 과다하게 커지는 것을 방지할 수 있다.
액면의 높이는 예를 들어, 도 11a에 도시된 바와 같이 액체배출수단으로서 구비된 다공판(124)에 의해 조절될 수 있는데, 이 때 다공판은 하나 이상 설치 될 수 있고, 각 다공판은 동일한 홀 면적을 갖거나 서로 다른 홀 면적을 가지며 이 다공판 하부는 각각 분리되어 있으며, 각각 분리된 공간 하부 혹은 측면에는 발브가 연결되어 있어 선택적으로 개폐한 발브에 따라 상부의 다공판을 통과한 액체가 배출되므로 액면의 높이가 조절되는 방법이다.
상기 다공판은 도 11b에 도시된 바와 같이 컬럼(10) 외부에 설치하여 제1구간의 액면의 높이를 조절하는데 사용 될 수 있다.
또한, 도 11c에 도시된 바와 같이 액체배출수단으로서 구비된 노즐(129)의 높이를 다르게 하나 이상 설치하여 상기 노즐(129)에 연결된 유량 조절발브를 일부 혹은 전부 선택적으로 개방하거나 밀폐하는 방법으로 조절할 수 있다. 상기 노즐(129)은 동일한 높이에 여러 개를 설치하여 개방되는 총면적에 따라 배출되는 액체의 양을 조절함으로써 액면의 높이를 조절할 수도 있다.
또한, 액면의 높이는 도 9의 A-2에 도시된 바와 같이 액체배출수단으로서 구비된 유량 조절발브(130)의 개폐 정도를 조절하는 방법으로 조절할 수 있다.
또한, 액면의 높이는 도 9의 A-1에 도시된 바와 같이 액체배출수단으로서 구비된 노즐(129)에 연결된 유량 조절발브(130)의 개폐 정도를 조절하는 방법으로 조절할 수 있다.
또한, 액면의 높이는 도 9의 A-3에 도시된 바와 같이 액체배출수단으로서 구비된 노즐(129)에 연결된 유량 조절펌프(160)의 유량을 조절하는 방법으로 조절할 수 있다.
또한, 액면의 높이는 도 9의 A-4에 도시된 바와 같이 액체배출수단으로서 구비된 노즐(129)에 연결된 펌프와 이에 연결된 유량 조절발브(130)의 개폐정도를 조절하는 방법으로 조절할 수 있다.
또한, 액면의 높이는 액체배출수단으로서 구비된 다운 커머(127) 상부 제1구간에 설치되는 둑(16)의 높이를 조절하여 조절할 수ㄷ 있다.
상술한 기체분배장치와 기체 분배비율 조절 방법은 액면의 높이 조절로 기체 분배 비율을 제어하므로, 에너지 절감을 목표로 하는 분리벽형 증류탑 등에 적용하여 에너지 절감과 작동 성능을 향상시킬 수 있다.
또한, 유량조절밸브(130)는 제1유량조절용 홀(135,136) 및 제2유량조절용 홀(145,146)을 도 17에 도시된 형상에서 선택적으로 조합하여 채용함으로써 액체 배출 유량조절을 가능하게 할 수 있다.
또한, 유량조절밸브(130)는 침니트레이(11,21)에 직접 한 개 이상 설치하여 다량조절 및 미세조절을 구분하여 운전할 수 있도록 할 수 있다.
또한, 유량조절밸브(130)는 제1구간(31)의 액체를 제2구간(41)으로 배출하도록 침니트레이(11,21)에 연결되는 배출라인(153)에 하나 이상 설치되어 액체의 배출시 다량조절 및 미세조절을 구분하여 운전할 수 있다.
상술한 기체분배장치는, 기체 분배 비율을 조절하기 위해 기체 배출부에 기계적 장치를 부착하여 컬럼 외부에서 작동 시키는 대신, 액면의 높이를 조절하여 각 침니(110)를 커버하는 캡(120)의 개방된 기체배출구(121)의 면적 혹은 캡(120A)의 측면 하단부와 액면 사이에 개방된 면적을 조절함으로써 기체 분배비율을 조절하는 방법을 제공한다.
또한 상술한 기체분배장치는, 본 발명의 기체분배장치는 기체의 분배비율을 조절하는 용도 외에, 분리벽형 증류탑이 아닌 일반적인 증류탑 혹은 흡수탑이나 반응기의 하부에서 공급되는 기체를 상부 공간에 고르게 분포하도록 압력 강하를 조절하는 용도로 사용될 수도 있다. 이러한 경우, 상기 장치의 하부에서 공급되는 기체의 양이 설계시와 다르게 변화 할 경우 본 발명의 기체분배장치를 사용하여 압력강하를 변화 시킴으로서 침니 트레이 상부로 배출되는 기체의 분포를 고르게 할 수 있는 효과가 있다.
본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10: 하우징(컬럼) 11,21: 침니트레이
13,23: 단차부 14: 일반적인 침니트레이
15: 세로 분리벽
16: 둑(weir) 17: 기액 접촉 구간
20: 상부공간 30: 하부공간
31: 제1구간 31a: 제1공간
31b: 제2공간 41: 제2구간
41a: 제1공간 41b: 제2공간
110: 침니(Chimney) 120: 캡(Cap)
121: 기체배출구 123: 홈
124: 액체배출수단(Perforated plate) 125: 엔트레인먼트 방지장치
126: 다운커머 실링구조 127: 액체배출수단(다운커머)
128: 컬렉터 트레이 129: 액체배출수단(노즐)
130: 액체배출수단(유량조절밸브) 132: 액체 유입구
131: 고정몸체 133: 제1연통홀
135,136: 제1유량조절용 홀 141: 회전몸체
143: 제2연통홀 145,146: 제2유량조절용 홀
147: 밸브부재 153: 배출라인
154: 기체 안내판(Guide plate) 155 : Deflection plate
156: Louver 160: 유량 조절펌프
170, 190: 액체공급수단 180: 액체배출수단

Claims (14)

  1. 하우징의 내부를 상부공간과 하부공간으로 분리하는 침니트레이;
    상기 침니트레이 상부면에 구비되어 상부공간과 하부공간을 연통시키는 침니;
    천정과 상기 천정에 연결된 측벽을 포함하는 구조를 가지며, 상기 침니의 외부에 침니와 이격된 상태로 고정되며, 침니 상단부의 홀(hole)로부터 공급되는 기체를 상부공간으로 배출하는 기체배출구가 형성되도록 침니의 외부를 커버하는 캡;
    상기 하우징의 상부공간에 액체를 공급하는 액체공급수단; 및
    상기 하우징의 상부공간으로부터 액체를 배출시키는 액체배출수단;을 포함하며,
    상기 기체배출구의 크기는 상기 액체공급수단 및 액체배출수단 중 어느 하나 이상에 의해 상기 침니트레이 위에 수용되는 액체 높이를 조절하는 것에 의하여 조절되는 것을 특징으로 하는 기체분배장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체배출구는
    (a) 캡에 형성되는 하나 이상의 홀(hole)로만 형성되거나,
    (b) 하나 이상의 홈을 포함하는 캡의 측벽 하단부와 캡과 침니트레이의 상부면의 결합구조에 의해 형성되는 하나 이상의 홀(hold)에 의해 형성되거나,
    (c) 캡의 측벽이 침니트레이의 상부면에 닿지 않은 상태에서, 캡과 침니의 조합 구조에 의해 형성되는 공간에 의하여 형성되거나,
    (d) 캡의 측벽의 일부가 침니트레이의 상부면에 닿아서 캡, 침니 및 침니트레이 상부면의 조합 구조에 의해 형성되는 공간에 의하여 형성되거나,
    (e) 상기 (b), (c) 또는 (d)의 기체배출구와 함께 캡의 천정 또는 측벽에 형성된 하나 이상의 기체배출구를 더 포함하는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 기체분배장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 기체배출구는 원형, 타원형, 다각형, 도우넛형 및 슬릿 형태로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상으로 구성되는 것을 특징으로 하는 기체분배장치.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 캡의 측벽은, 천정으로부터의 길이가 가장 짧은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분의 아래까지 도달하는 것을 특징으로 하는 기체분배장치.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체배출구는 캡의 측벽에 형성되며 기체배출구 중 가장 높은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분보다 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 기체분배장치.
  6. 청구항 1에 있어서,
    상기 캡은 하우징 혹은 침니에 고정수단에 의해 고정되거나, 침니 트레이의 상면에 닿는 측벽 하단부의 일부 또는 전부에 의하여 고정되는 것을 특징으로 하는 기체분배장치.
  7. 청구항 1에 있어서,
    상기 캡의 천정의 상부면에는 액체의 흐름을 유도하기 위한 유로가 형성되며, 상기 유로는 기체배출구와 다른 방향으로 형성되는 것을 특징으로 하는 기체분배장치.
  8. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체공급수단은 노즐(Nozzle), 유량조절밸브(Valve), 다공판(Perforated plate), 다운커머(Downcomer), 트레이, 팩킹, 스프레이 장치, 기액 접촉 장치, 및 기체 응축장치 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합으로 구성된 것을 특징으로하는 기체 분배장치.
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 액체배출수단은 노즐(Nozzle), 유량조절밸브(Valve), 다공판(Perforated plate), 및 다운커머(Downcomer) 중에서 선택되는 1종 또는 2종 이상의 조합으로 구성된 것을 특징으로하는 기체 분배장치.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체분배장치는 상부공간에 공급되는 액체를 외부로 배출하고, 하부공간에서 상승하는 기체를 상부공간으로 배출시키기 위한 공정에 사용되는 것을 특징으로 하는 기체분배장치.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 기체분배장치는 2개 이상의 컬럼의 기능을 하나의 컬럼으로 합친 분리벽형 증류탑,
    또는 두 개 이상의 공간에 기체의 분배 비율을 조절하고자 하는 장치에 적용되는 것을 특징으로 하는 기체 분배장치.
  12. 하우징의 내부를 상부공간과 하부공간으로 분리하는 침니트레이;
    상기 침니트레이 상부면에 구비되어 상부공간과 하부공간을 연통시키는 침니; 천정과 상기 천정에 연결된 측벽을 포함하는 구조를 가지며, 침니 상단부의 홀로부터 공급되는 기체를 상부공간으로 배출하는 기체배출구가 형성되도록 침니의 외부를 커버하는 캡;
    상기 하우징의 상부공간에 액체를 공급하는 액체공급수단; 및
    상기 하우징의 상부공간으로부터 액체를 배출시키는 액체배출수단;을 포함하는 기체분배장치를 사용하는 기체의 분배비율 조절방법으로서,
    상기 액체공급수단에 의해서 액체를 공급하면서 하우징의 상부공간의 침니트레이 위에 모아진 액체를 상기 액체배출수단을 통하여 배출하되, 상기 액체공급수단 및 액체배출수단 중 어느 하나 이상에 의해 상기 침니트레이 위에 수용되는 액체의 높이를 조절하여 기체배출구의 크기를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기체의 분배비율 조절방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 캡의 측벽은, 천정으로부터의 길이가 가장 짧은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분의 아래까지 도달하는 것을 특징으로 하는 기체의 분배비율 조절방법.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 기체배출구는 캡의 측벽에 형성되며 기체배출구 중 가장 높은 부분이 상기 침니의 상단부에서 가장 낮은 부분보다 아래에 위치하는 것을 특징으로 하는 기체의 분배비율 조절방법.
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