KR101732409B1 - 하향류 촉매 반응기용 유동 분배 장치 - Google Patents

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스티븐 엑스. 송
랄프 이. 킬렌
로날드 케이. 미커
스티븐 에이. 사우어스
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셰브런 유.에스.에이.인크.
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Abstract

본 발명은 분체 촉매 재료의 적어도 하나의 촉매층 위에서, 적어도 하나의 기상 및 적어도 하나의 액상을 포함하는 하향류 다상 혼합물의 분배를 개선하기 위해 유체 분배 도관 또는 침니와 결합하는 유체 분배 장치에 관한 것이다. 액상 및 기상을 수용하기 위한 유체 분배 장치는 상단부 및/또는 그 높이의 상부 부분에서 하나 이상의 개구를 갖고, 이 개구들을 통해 기상이 들어갈 수 있고, 그리고 장치 내의 혼합 공동으로 개방되어 있는 가스도관을 갖는다. 유체 분배 장치는 액체 유입을 위해 하나 이상의 측방향 개구를 더 포함한다. 측방향 개구 또는 개구들은 액체가 내부 혼합 공동으로 개방되어 있는 액체 도관으로 들어갈 수 있게 허용한다. 혼합 공동은 액상과 기상 사이에 밀접한 접촉을 가능하게 한다. 따라서 본 발명의 유동 분배 장치는 평평하지 않은 트레이를 위해 개선된 공차를 제공한다.

Description

하향류 촉매 반응기용 유동 분배 장치{Flow distribution device for downflow catalytic reactors}
본 발명은 하향류 다중층(multi-bed) 촉매 반응기를 위한 유동 분배 장치에 관한 것이다. 이러한 형식의 반응기들은 촉매 탈랍(dewaxing), 수소화처리(hydrotreating), 수소화피니싱(hydrofinishing), 및 수소화 분해와 같은 다양한 반응들을 실시하기 위해 화학적 석유 정제 산업에 사용되고 있다. 현재의 유동 분배 장치는 액체와 증기 사이의 혼합상 반응들을 실시하는 데에 특히 유용하다. 특히, 본 발명은 연속적인 촉매층의 상단부 위에서 분배기 판을 떠나는 가스 및 액체의 분배 및 혼합을 향상시키기 위한 장치에 관한 것이다. 분배기 장치는 가스-액체 혼합물이 고체 촉매 입자의 층들을 통과하는 촉매 반응기들에 특히 적합하고, 특별히 정유(oil refining) 작업에서 수소화처리 및 수소화 분해에 사용되는 하향류 촉매 반응기들에 적합하다.
많은 촉매 프로세스들은 일련의 개별적인 촉매층들을 포함하는 반응기들에서 수행되고 있다. 액체 또는 혼합상 액체/증기 혼합물을 미립자 고체들의 충전층들(packed beds)로 통과시키는 화학적 석유 정제 및 기타 산업들에 사용된 반응기들은 다양한 다른 프로세스를 위해 사용되고 있다. 석유 정제 산업에서의 그러한 프로세스들의 대표는 촉매탈랍, 수소화처리, 수소화설푸리세이션(hydrosulfurisation), 수소화피니싱, 및 수소화 분해이다. 이러한 프로세스들에서 액상은 통상 기상 또는 증기상과 혼합되고, 혼합물은 하향류 반응기의 충전층에 유지되어 있는 미립자 촉매를 통과한다.
하향류 반응기들에서, 가스 및 액체는 촉매층들로 들어가기 전에 반응기의 수평 단면을 가로질러 적절하게 혼합되어 균일하게 분배되는 것이 필요하다. 균일한 분배는 촉매의 효율적인 이용, 감소된 촉매 상단층 소모, 향상된 수율, 향상된 제품 품질, 및 증가된 실행길이(run lengths)를 보장하는데 도움을 준다. 일반적으로, 다중층 하향류 촉매 반응기에서, 다수의 촉매층이 반응기 내에 배열되고, 가스 및 액체의 적절한 혼합을 위한 분배기 시스템이 2개의 연속 촉매층 사이의 영역에 배열된다. 이러한 영역은 보통 촉매층 아래에 가스 주입라인을 구비하고, 이에 의해 추가의 가스가 주입되어 이전의 촉매층에서 이미 소비된 가스를 보충하게 된다. 주입된 가스는 또한 냉각 기체(quench gas)로 작용할 수 있다. 일반적으로, 주입된 가스는 수소이거나 수소를 포함한다. 상위(above-lying) 촉매층으로부터 하향으로 떨어지는 액체는 수집기 트레이상에 축적될 수 있다. 다음에 담금질 기체 및 액체는 혼합실로 들어가며, 혼합실에서 액체의 소용돌이 운동이 제공된다. 이것이 액체의 양호한 혼합을 가능하게 하고, 이에 의해 액체의 균일한 온도 상태를 가능하게 한다. 가스-액체 혼합은 또한 혼합실내에서 일어난다. 혼합실로부터 나오는 유체는 전향기(deflector) 또는 충돌판으로 하향 낙하하고, 이로써 유동이 액체 통과를 위한 다수의 하향 개구를 갖는 제1 분배기 트레이로 재지향된다(redirected). 횡단면 액체 유동 분배를 위해, 하향류 개구들은 하나 이상의 도관, 또는 침니(chimney)들을 포함할 수 있다. 침니는 개방된 상단부와, 하나 이상의 개구를 갖는 원통형 구조물이며, 상기 개구들은 침니 높이의 상부에 있고 이 개구들을 통해 기상이 들어갈 수 있다. 기상은 침니 실린더의 길이를 통해 하향으로 이동한다. 침니의 하부는 액체 유동을 위한 하나 이상의 측방향 개구를 가질 수 있고, 상기 측방향 개구를 통해 액상이 침니의 원통형 구조물로 들어가서 기상과 접촉할 수 있다. 액체가 분배기 트레이상에 축적됨에 따라, 액체는 침니에 있는 측방향 개구 또는 개구들을 덮는 레벨까지 상승하여, 가스의 통과가 불가능하게 되고 그리고 액체가 상기 측방향 개구 또는 개구들을 통해 원통형 구조물 내로 들어갈 수 있다. 가스 및 액체는 침니의 하단에 있는 개구를 경유하여 유출하고 분배기 트레이를 통과하여 하위(underlying) 촉매층으로 가게 된다. 두 위상들 사이의 유일한 제한된 혼합은 액체 흐름 주위의 작은 난류 때문에 원통형 구조물 내에서 발생한다.
양호한 유동 분배 장치는 다음의 4가지 필요조건들을 충족해야 한다; 즉 가스 및 액체 속도의 범위에 걸쳐 촉매층으로 공급물의 균일한 분배를 제공할 것; 분배기 트레이의 어떠한 평탄하지 않음(out-of-levelness)(이하' 비평탄도'라고 함)을 허용할 것; 양호한 가스-액체 혼합 및 열교환을 제공할 것; 및 하위 촉매층을 충분히 적시기 위해 최소 촉매층 높이를 필요로 할 것. 침니 내로 흐르는 액체 유동을 위한 구동력이 트레이에서의 정적 액체 높이이기 때문에, 표준 침니들은 분배기 트레이의 평탄도로부터의 일탈에 대해 부족한 공차로 인하여 이러한 기준들을 충족하는데 부족할 수 있다. 또한 침니들은 하위 촉매층으로 향하는 유체들의 차선의 분무 배출이 된다.
유동 분배기 디자인에서 중요한 고려사항들 중의 하나는 장치로부터 나오는 액체 및 가스의 배출 패턴이다. 표준 침니 분배기는 촉매층과 액체의 단지 몇개의 포인트 접촉만을 제공한다. 그 결과, 분배기는 촉매 표면을 적절하게 적시는 일정한 높이를 취하여 필요한 촉매 반응이 일어나게 한다. 촉매층의 짧은 길이에서는 더욱 균일하고 일관성 있는 분무 패턴과 더욱 균일한 촉매 웨팅(wetting; 젖어서 축축함)이 요구된다. 본 발명의 목적은 지속적인 분무로서 촉매층의 상단부에 걸쳐 유체의 균일한 분배를 달성하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 비평탄도의 분배기 트레이에 사용하기 위해 유동 분배 디자인에 대해 공차(tolerance)를 향상시키는 것이다.
다중층 촉매 반응기들의 성능을 최대화하기 위해서, 가스 및 액체의 양호한 혼합을 가능하게 하며 하위 촉매층으로 가스/액체 혼합물을 균일하게 분배하는 침니들이 중요하다. 하나의 구현예에서, 본 발명은 다상(poly-phase) 유체를 분체(granular solid)에 분배하기 위한 유동 분배 장치로서, 가스 도관의 방사상 직경(radial diameter)보다 큰 방사상 직경을 갖는 혼합 공동(cavity) 내로 기상을 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 도관으로서, 상기 가스 도관은 가스 입구 개구로부터 하부 가스 도관 개구를 통해 상기 혼합 공동 내로 연장되고, 상기 가스 도관 개구는 액상을 상기 혼합 공동 내로 주입하기 위해 제공되는 액체 도관의 하부 범위보다 낮지 않게 배치되는, 상기 적어도 하나의 가스 도관; 및 유동 분배 장치로부터 배출되는 액상 및 기상을 가속화하여 분산하기 위한 다상 노즐로서, 상기 노즐은 상기 혼합 공동에 고정적으로 연결되며 동축상으로 정렬되어 있는 노즐 입구를 갖는, 상기 다상 노즐을 포함하는, 유동 분배 장치를 제공한다.
다른 구현예에서, 본 발명은 분체 촉매 재료의 적어도 하나의 촉매층 위에서, 적어도 하나의 기상과 적어도 하나의 액상을 포함하는 하향 유동 다상 혼합물을 분배하기 위한 적어도 하나의 침니를 갖는 분배기 트레이로서, 상기 침니는 이 침니 내에 새로 장착(retrofit)되어 있는 하나의 유동 분배 장치를 포함하는, 상기 분배기 트레이를 제공하며, 상기 유동 분배 장치, 가스 도관의 방사상 직경보다 큰 방사상 직경을 갖는 혼합 공동 내로 기상을 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 도관으로서, 상기 가스 도관은 가스 입구 개구로부터 하부 가스 도관 개구를 통해 상기 혼합 공동 내로 연장되고, 상기 가스 도관 개구는 액상을 상기 혼합 공동 내로 주입하기 위해 제공되는 액체 도관의 하부 범위보다 낮지 않게 배치되는, 상기 적어도 하나의 가스 도관; 및 유동 분배 장치로부터 배출되는 상기 액상 및 기상을 가속화하여 분산하기 위한 다상 노즐로서, 상기 노즐은 상기 혼합 공동에 고정적으로 연결되며 동축상으로 정렬되어 있는 노즐 입구를 갖는, 상기 다상 노즐을 포함한다.
도 1은 본 발명의 유동 분배 장치의 한 구현예의 개략 절단 측면도이다.
도 2는 반응기 용기의 구성에서 본 발명의 유동 분배 장치의 간략하고 개략적인 투시 측면 절단도이다.
본 발명은 하나의 구현예에서 분체 촉매 재료의 적어도 하나의 촉매층 위에서, 적어도 하나의 기상과 적어도 하나의 액상을 포함하는 하향 유동 다상 혼합물을 분배하기 위한 유체 분배 장치이다. 액상 및 기상을 수용하기 위한 유체 분배 장치는 기상이 들어갈 수 있는, 상단부 및/또는 그 높이의 상부에서 하나 이상의 개구를 갖고, 그리고 장치 내에 있는 혼합 공동으로 개방되어 있는 가스 도관을 갖는다. 유체 분배 장치는 액체 유입을 위한 하나 이상의 측방향 개구를 추가로 포함한다. 측방향 개구 또는 개구들은 내부 혼합 공동으로 개방되어 있는 액체 도관으로 액체가 들어갈 수 있게 허용한다. 혼합 공동은 액상과 기상 사이에 밀접한 접촉을 허용한다. 가스 입구 튜브는 혼합 공동보다 더 좁아서 벤투리형(venturi type) 효과를 일으키고, 유체 분배 장치 내부에서 저압을 발생시킨다. 차압(또는 압력차)은 액상을 액체 도관을 통해 혼합 공동으로 "끌어당기는" 데 도움을 준다. 따라서, 트레이상에서의 정적 액체 높이 외에, 측방향 개구들을 통과하는 액체 유동 속도가 비교적 좁은 가스 도관의 벤투리 효과에 의해 적어도 부분적으로 결정된다. 따라서 본 발명의 유동 분배 장치는 종래 기술의 침니들보다 비평탄도의 트레이를 위해 더 큰 공차를 허용한다. 유체(혼합된 기상 및 액상)는 유체 분배 장치에서 테이퍼지고 경사진 벤투리 출구를 통해 더 넓은 분무 패턴으로서 배출된다. 유체 분배 장치를 가로지르는 압력 강하는 에너지 절약을 위해 그리고 상단 층상의 소모를 감소시키기 위해 최소로 된다.
본 발명의 유체 분배 장치는 하향류 촉매 반응기들에서 사용될 수 있다. 하향류 촉매 반응기에서 본 발명의 유동 분배 장치는 기상 및 액상의 혼합을 가능하게 하고 이 유체들을 양호하게 분산된 분무로서 예를 들어 하위 촉매층상에 분배한다. 여기서 사용된 바와 같이, 가스, 액체, 및 이들의 조합은 "유체" 또는 "유체들"로서 지칭된다.
본 발명의 유동 분배 장치는 분배 트레이 조립체(assembly)에서 선재하는(preexisting) 침니 내에 삽입될 수 있다. 그러한 새로 장착 작업에서 선재하는 침니 내에 삽입될 수 있는 유동 분배 장치는 따라서 침니 삽입물(insert)로서 지칭될 것이다. 새로운 반응기 디자인에서 유동 분배 장치는 침니 대신에 분배 장치 내에 직접 설치될 수 있다. 일반적으로, 본 발명의 유체 분배 장치는 사이즈가 직경 약 1인치 내지 직경 약 4인치의 범위를 가질 수 있으며, 더 작거나 더 큰 직경들이 적용예에 따라 가능하다. 몇가지 그러한 구현예들에서, 본 발명의 유체 분배 장치는 사이즈가 직경 약 1.5인치 내지 직경 약 3인치의 범위를 가질 수 있다. 하향류 촉매 반응기에 사용하기 위한 본 발명의 유체 분배 장치의 개수는 달라질 수 있고 그리고 하향류 촉매 반응기에서 필요한 유동속도 및 기타 조건들에 따라 선택된다. 본 발명의 유체 분배 장치의 개수를 위한 선택 프로세스는 하향류 촉매 반응기에서 표준 침니들의 수를 결정하기 위한 종래 선택 프로세스와 유사하다.
구현예들에서, 유동 분배 장치는 새로 장착 적용예에서 채용될 수 있다. 선재하는 침니가 사용될 수 있고 유동 분배 장치가 현재의 침니 내에 삽입될 수 있다. 예를 들어, 도 1은 유동 분배 장치(1)가 삽입물로서 채용될 수 있고, 여기서 장치의 직경은 분배기 트레이(85) 내의 선재하는 침니 내로 삽입되어 필수적으로 침니벽(4)과 유체 밀봉부(fluid tight seal)를 형성하도록 되어 있다. 도 2는 또한 분배기 트레이상에서 유동 분배 장치(1)를 포함하여 침니들의 분배를 도시한다. 구현예들에서, 유체 분배 장치는 침니(65)의 하단에서부터, 침니(65)의 하단과 침니(70)의 상단 사이의 거리보다 50% 또는 75% 더 큰 높이까지 위로 연장된다. 본 발명은 새로 장착 적용을 위해 다른 사이즈의 다양한 선재하는 침니들 내로 삽입되도록 하는 치수를 가질 수 있다. 치수화(scaling)는 선재하는 침니의 내부 직경을 측정하고 그리고 본 발명의 유동 분배 장치의 치수가 선재하는 침니의 내부 직경보다 더 작도록 정함으로써 달성될 수 있다. 구현예들에서, 장치의 외부 직경은 약 1.5인치 내지 약 3인치의 범위를 가질 것이며, 더 작거나 더 큰 직경들이 배제되지 않으며 적용에 따라 다를 것이다. 다른 구현예들에서, 본 발명은 독립형 유체 분배 장치로서 사용될 수 있다.
새로 장착 및 새로 미장착(non-retrofit) 구현예들 모두에서, 외부벽(5)은 원통형 구조물을 형성한다. 상단 캡핑부(capping portion)(6)는 외부벽(5)에 의해 형성된 원통형 구조물을 덮고, 원통형 외부벽과 밀폐 연결된다. 상단 캡핑부(6)는 적어도 하나의 가스 입구 개구(10)를 포함한다. 구현예들에서, 가스 입구 개구는 직경이 약 0.1인치 내지 약 1.0인치의 범위를 갖고, 더 작거나 더 큰 직경들이 배제되지 않으며 적용에 따라 달라질 수 있다. 몇가지 그러한 구현예들에서, 가스 입구 개구는 직경이 약 0.3인치 내지 약 0.7인치의 범위를 갖는다. 구현예에서, 상단 캡핑부(6)는 중심에 위치된 단일 가스 입구 개구(10)를 포함한다. 가스 입구 개구(10)는 가스 유동을 위해 축방향 가스 도관(15)으로 개방되어 있다. 가스 도관(15)은 혼합 공동(25)으로 개방되어 있는 하부 가스 도관 개구(20)를 갖는다. 구현예들에서, 가스 도관(15)은 혼합 공동(25)과 동축상에 있다. 구현예들에서, 가스 도관은 수직 방향으로 위치한다. 가스가 가스 도관을 통해 흐름에 따라, 혼합 공동(25) 내의 압력과 가스 입구 개구(10)의 압력 사이에 차압이 생성된다. 유동 분배 장치의 내부에서의 낮은 상대 압력과 유동 분배 장치의 외부에서의 높은 상대 압력 사이의 이러한 차압은 액체들을 하나 이상의 측방향 개구(35)들을 통해 유동 분배 장치의 내부로 구동하는데 도움을 준다. 적어도 부분적으로 상술한 차압으로 인한 액체 유동 때문에, 비평탄도의 어떠한 트레이도 액체 유동에 효과를 적게 미칠 수 있다. 예를 들어, 측방향 액체 개구 또는 개구들이 액체 레벨(60)의 표면보다 아래에 있는 한, 비평탄도의 트레이에 의해 초래된 어떠한 액체 유동 차이는 최소로 되는데, 왜냐하면 어떠한 차압이 비평탄도의 트레이로 인하여 가변하는 액체 레벨에 기여하는 것과 대조적으로 대부분의 액체 유동은 가스 유동에 의해 초래된 차압에 의해 결정되기 때문이다.
구현예들에서, 액체 도관(35)은, 혼합 공동(25)으로 향하는 가스 도관 개구(들)(20)가 액체 도관(35)의 하부 범위(75)와 같은 높이(수직 차원에서)에 있는 수평면상에 있도록 배치되어 있다. 일부 구현예들에서, 가스 도관 개구(20)는 액체 도관(35)의 하부 범위(75)와 상부 범위(80) 사이의 수평면상에 있다. 일부 구현예들에서, 가스 도관 개구(20)는 액체 도관(35)의 상부 범위(80)와 일치하는 수평면상에 있다. 일부 구현예들에서 가스 도관 개구(20)는 액체 도관(35)의 상부 범위(80)보다 낮지 않은 수평면상에 있다.
적어도 액체 도관의 하부 범위와 같은 높이에 있는 수직 가스 도관(20)과 수평 액체 도관(35)의 조합은 액체 유동을 위해 현재의 측면 홀(들)(30)을 갖는 현재의 침니 내에 새로 장착 적용으로서 사용될 수 있는 유동 분배 장치를 제공한다.
측방향 개구들의 개수는 필요한 유동 속도에 의존하여 달라질 수 있다. 도 1의 구현예는 액체 유동을 위해 하나의 측방향 개구를 도시한다. 다른 구현예들에서, 액체 유동을 위해 하나 이상의 측방향 개구가 사용될 수 있다. 구현예들에서, 다중 측방향 개구들은 서로에 대하여 동일한 수평면상에 있다. 구현예들에서, 측방향 개구는 직경이 약 0.2인치 내지 약 0.75인치의 범위를 가질 수 있고, 더 작거나 더 큰 직경이 배제되지 않으며 적용에 따라 달라진다. 일부 그러한 구현예들에서, 측방향 액체 입구는 0.25인치 내지 0.60인치 사이의 직경을 갖는다. 구현예들에서, 액상을 위한 측방향 개구(30)는 원형이고, 원통형 액체 통로(35)의 개구를 형성한다. 일부 그러한 구현예들에서, 원통형 액체 도관의 축선은 수평방향으로 위치한다. 일부 그러한 구현예들에서, 측방향 개구의 축선은 가스 도관을 향하여 반경방향에 있으며, 즉 가스 도관에 대해 수직이다. 원통형 액체 도관(35)은 혼합 공동(25)으로 개방되어 있는 원형 출구 개구(40)를 갖는다. 구현예들에서, 액체는 액체 도관 내에서 가스 도관에서의 가스 유동에 대해 수직방향으로 흐른다. 일부 그러한 구현예들에서, 액체 도관으로부터 흘러나오는 액체의 적어도 일부분(또는 모두)은 수직방향으로 가스 도관으로부터 흘러나오는 가스와 접촉한다. 일반적으로, 혼합 공동(25)은 원통형 가스 도관(15)의 방사상 직경 A보다 크며 그리고 액체 도관(35)의 방사상 직경 C보다 큰 방사상 직경 B를 갖는다. 혼합 공동의 형상은, 혼합 공동이 유체 유출 전에 유입하는 기상 및 액상의 혼합을 허용하기에 충분한 체적을 갖는 한 변화될 수 있다. 혼합 공동(25)의 베이스에서 그리고 측방향 액체 개구(30) 아래에는 경사지며 테이퍼진 다상 출구 노즐(46)이 있다. 다상 노즐(46)은 혼합 공동(25)의 방사상 직경B보다 작은 방사상 직경 D를 갖는다. 구현예에서, 다상 노즐(46)의 노즐 입구(45)는 혼합 공동(25)에 고정적으로 연결되어 동축상으로 정렬되어 있다. 일부 그러한 구현예들에서, 노즐 입구는 가스 도관과 동축상으로 정렬되어 있다. 노즐 입구(45)는 혼합 공동의 베이스에서 중앙에 배치되고 원통형 외부벽(5)과 동축상에 있다. 노즐의 형상은 혼합실에서 배출되는 액상 및 기상을 가속화하여 분산함으로써 유출 유체들에 벤투리 효과를 부여한다. 구현예들에서, 노즐의 경사(bevel)는 5도 내지 85도 사이에 있고, 여기서 경사의 각도는 다상 노즐(46)을 양분하며 상단 캡핑부에 평행한 평면에서 측정되어 있다. 일부 그러한 구현예들에서, 경사는 30도 내지 60도 사이, 예로서 45도 이다.
유체들은 다상 노즐(46)을 통해 흐르며, 하단 벽(55) 내에서 중앙에 배치되어 있는 하단 개구(50)를 통해 분배 장치에서 유출된다. 하단 개구(50)의 방사상 직경 E는 다상 노즐(46)의 가장 많이 제한된 부분의 방사상 직경(도면에서 D)보다 크다. 유체들은 하단 개구를 통해 분배 장치에서 유출될 때 많이 분포된 분무 패턴을 가지므로 하위 촉매층(도시 안 됨)의 균일한 웨팅을 보장하게 된다. 한 구현예에서, 다상 노즐은 내부 벽(49)을 포함한다. 한 구현예에서, 내부 벽(49)은 경사져 있다. 일부 그러한 구현예들에서, 내부 벽의 경사는 노즐 개구를 양분하는 평면에서 측정될 때, 5도 내지 85도 사이에 있다. 일부 그러한 구현예들에서, 내부 벽의 경사는 30도 내지 60도 사이, 예를 들어 45도이다.
다른 구현예에서 내부 벽은 평평할 수 있다. 평평하다는 것은 내부 벽이 하단 벽(55)에 평행하고 및/또는 측벽(5)에 수직이라는 뜻이다. 구현예에서, 하단 개구는 하단 벽의 방사상 직경 F보다 작은 방사상 직경 E를 갖는다. 다른 구현예에서, 하단 개구는 하단 벽의 방사상 직경 F와 동일한 방사상 직경 E를 가지며, 즉 하단 개구는 분배 장치의 전체 베이스 면적을 가로지른다.
본 발명의 유동 분배 장치는 종래 기술의 침니들보다 비평탄도의 트레이를 위해 더 큰 공차를 허용한다. 덧붙여, 본 발명의 유동 분배 장치는 경제적 이득 및 디자인 유연성을 추가로 제공하면서 새로 장착 적용에 사용될 수 있다. 노즐의 디자인 및 확산 노즐 때문에 분배기 아래의 촉매 표면을 균일하게 완전히 적시는 분무 배출 패턴이 달성될 수 있다.
실시예
실시예 1(비교)
2개의 동일한 침니들 A 및 B가 11인치 직경 테스트 셀 내에 설치되면서 비평탄도의 트레이를 시뮬레이트(simulate)하기 위해 침니 A는 침니 B보다 대략 0.25인치 작게 하였다. 침니들은 대략 6인치 이격되어 있었다. 각 침니의 직경은 2.5인치이었다. 0.5인치 직경의 치수를 갖는 2개의 측방향 개구가 침니들 A 및 B 각각의 하단 보다 1.0인치 위에 위치해 있었다. 2.6 GPM(gallon per minute)의 유동 속도를 갖는 물과 8 scfm(standard cubic feet per minute)의 유동 속도를 갖는 공기가 사용되어 히향류 촉매 반응기에서의 조건들을 시뮬레이트하였다. 물이 측방향 개구들을 통해 침니들로 들어갔고, 가스는 상단 개구를 통해 들어갔다. 액체 유동 속도는 각각의 침니를 통해 측정되었다. 침니 A는 58.5%의 유동 속도를 가졌고, 침니 B는 41.5%의 유동 속도를 가졌다.
실시예 2(본 발명)
실시예 1에서 개략 설명된 실험이 각각의 침니 A 및 B 내로 삽입된 본 발명의 유동 분배 장치에 의해 반복되었다. 유동 속도들은 다시 각각의 침니를 통해 측정되었다. 침니 A는 49.3%의 유동 속도를 가졌고, 침니 B는 50.7%의 유동 속도를 가졌다.
상기 실시예들은 본 발명의 유동 분배 장치가 새로 장착형 적용(실시예 2)에서 침니 삽입물로서 사용되었을 때 삽입물 없는 침니들(실시예 1)보다 비평탄도의 트레이에 대해 더 큰 공차를 보여주고 있음을 증명하고 있다. 덧붙여, 가스/액체 혼합은 실시예 1과 비교할 때 실시예 2에서 개선되었고, 실시예 2의 분무 패턴은 실시예 1의 분무 패턴에 비하여 더 넓고 균일하였다. 따라서, 본 발명의 유동 분배 장치는 종래 침니와 비교할 때 유동 분배 장치로서 사용하는 데에 개선된 특성들을 증명하였다.

Claims (19)

  1. 다상 유체(poly-phase fluid)를 분체(granular solid)에 분배하기 위한 유동 분배 장치로서, 하기를 포함하는 유동 분배 장치:
    a. 가스 도관(gas conduit)의 방사상 직경보다 큰 방사상 직경을 갖는 혼합 공동(mixing cavity) 내로 기상을 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 도관으로서, 상기 가스 도관은 상단 캡핑부(top capping portion)의 중심에 위치된 가스 입구 개구(gas inlet opening)로부터 하부 가스 도관 개구를 통해 상기 혼합 공동 내로 연장되고, 상기 가스 도관 개구는 액상을 상기 혼합 공동 내로 주입하기 위해 제공되는 액체 도관의 하부 범위(lower extent)보다 낮지 않게 배치되는 가스 도관; 및
    b. 상기 유동 분배 장치로부터 배출되는 상기 액상 및 기상을 가속화하여 분산하기 위한 다상 노즐로서, 상기 노즐은 상기 혼합 공동에 고정적으로 결합되며 동축상으로 정렬되어 있는 노즐 입구를 갖는 다상 노즐.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 가스 도관은 원통형인 유동 분배 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 가스 도관은 수직방향으로 위치하는 유동 분배 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 가스 도관 개구는 상기 액체 도관의 하부 범위와 상부 범위 사이에서 수평면상에 있는 유동 분배 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가스 도관 개구는 상기 액체 도관의 상부 범위보다 낮지 않은 수평면상에 있는 유동 분배 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 다상 노즐은 하단 출구를 추가로 포함하는 유동 분배 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상단 캡핑부는 원통형 외부벽과 유체 밀폐 연결되고, 또한 상기 상단 캡핑부는 상기 상단 캡핑부의 중심에 위치되는 가스 입구를 포함하는 유동 분배 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 다상 노즐은 상기 혼합 공동과 유체 연통(fluid communication)하는 노즐 입구를 포함하는 유동 분배 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가스 입구의 직경은 0.1 인치 내지 1 인치인 유동 분배 장치.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 가스 입구의 직경은 0.3 인치 내지 0.7 인치인 유동 분배 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 하나 이상의 측방향 액체 입구(lateral liquid inlet)의 직경은 0.2 인치 내지 0.75 인치인 유동 분배 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 외부벽의 직경은 1 인치 내지 4 인치인 유동 분배 장치.
  13. 제6항에 있어서,
    상기 하단 개구의 직경은 상기 다상 노즐의 직경보다 큰 유동 분배 장치.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 다상 노즐의 경사는, 다상 노즐 개구를 양분하는 평면에서 측정될 때, 30도 내지 60도 사이인 유동 분배 장치.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 다상 노즐은 경사진 내부벽을 추가로 포함하는 유동 분배 장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 내부벽의 경사는, 다상 노즐 개구를 양분하는 평면에서 측정될 때, 30도 내지 60도 사이인 유동 분배 장치.
  17. 제1항에 있어서,
    침니(chimney)를 추가로 포함하는 유동 분배 장치.
  18. 분체 촉매 재료의 적어도 하나의 촉매층 위에서, 적어도 하나의 기상과 적어도 하나의 액상을 포함하는 하향 유동 다상 혼합물을 분배하기 위한 적어도 하나의 침니를 갖는 분배기 트레이(distributor tray)로서, 상기 침니는 상기 침니 내에 새로 장착되어 있는 하나의 유동 분배 장치를 포함하고, 상기 유동 분배 장치는 하기를 포함하는 분배기 트레이:
    a. 가스 도관(gas conduit)의 방사상 직경보다 큰 방사상 직경을 갖는 혼합 공동(mixing cavity) 내로 기상을 주입하기 위한 적어도 하나의 가스 도관으로서, 상기 가스 도관은 상단 캡핑부(top capping portion)의 중심에 위치된 가스 입구 개구(gas inlet opening)로부터 하부 가스 도관 개구를 통해 상기 혼합 공동 내로 연장되고, 상기 가스 도관 개구는 액상을 상기 혼합 공동 내로 주입하기 위해 제공되는 액체 도관의 하부 범위(lower extent)보다 낮지 않게 배치되는 가스 도관; 및
    b. 상기 유동 분배 장치로부터 배출되는 상기 액상 및 기상을 가속화하여 분산하기 위한 다상 노즐로서, 상기 노즐은 상기 혼합 공동에 고정적으로 결합되며 동축상으로 정렬되어 있는 노즐 입구를 갖는 다상 노즐.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 침니는, 상기 액체 도관과 동축상에 있는 액체 유동을 위한 측방향 개구를 갖는 분배기 트레이.
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