KR101743369B1 - 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체 분배장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 내경보다 작은 플랜지 타입의 유체 주입구를 갖는 유체-고체 접촉 용기 등의 흡착 베드 내에서의 유체 흐름 상 발생할 수 있는 채널링, 제트, 또는 기타 난류를 최소화하고 균일한 유체 유동 특성을 향상시킬 수 있도록 한 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체 분배장치에 관한 것으로서,
이성질체 혼합물로부터 흡착성질이 강한 물질과 흡착성질이 낮은 성분을 분리하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템에서 분리 칼럼으로 사용되는 흡착 베드(50)에 설치되며, 상기 흡착 베드(50)의 중심부 내경이 비해 작은 직경을 갖는 플랜지부(55)의 안쪽에 설치되며 상기 플랜지부(55)의 상측에 연결된 유체 유입구(56)로 유입되는 유체를 고르게 분배하는 1차 유체분배장치(10)와, 상기 흡착 베드(50)의 상부(52)에 위치하여 상기 1차 유체분배장치(10)를 통과한 유체를 고르게 분배하여 흡착 베드(50)의 중심부(51)로 공급하는 2차 유체분배장치(20)로 이루어지고, 상기 1차 유체분배장치(10)와 2차 유체분배장치(20)가 상하로 배치되는 것을 특징으로 한다.

Description

유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체 분배장치{Fluid Distribution Apparatus for Adsorbent Bed of Simulated Moving Bed Adsorption and Separation Process System}

본 발명은 이성질체 혼합물로부터 각각의 이성질체를 효과적으로 분리하기 위한 유사 이동층 흡착 분리 공정에서의 유체 분배 장치에 관한 것으로서, 특히 내경보다 작은 플랜지 타입의 유체 주입구를 갖는 유체-고체 접촉 용기 등의 흡착 베드 내에서의 유체 흐름 상 발생할 수 있는 채널링(channeling), 제트, 또는 기타 난류를 최소화하고 균일한 유체 유동 특성을 향상시킬 수 있도록 한 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체 분배장치에 관한 것이다.

일반적으로 사용되고 있는 회분식(batch type) 크로마토그래피는 흡착 메커니즘을 원리로 하는 분리 공정법으로서 고순도 분리와 실험실에서의 분석 등에 적합하기 때문에 고순도 생합성 화합물, 정밀 화학 합성물, 식품 첨가제 등의 분리 및 정제에 널리 이용되고 있다. 그러나, 이러한 회분식 크로마토그래피를 이용하는 분리 공정은 용매가 많이 소비되고, 분리하고자 하는 성분들의 흡착도 차이가 작은 경우에는 분리하기 어려우며, 나아가 대용량을 분리하거나 또는 연속적으로 분리하고자 하는 경우에 적합하지 못한 문제점을 지니고 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 방법의 하나로 실제 이동상(true moving bed: 'TMB') 흡착 분리 공정이 이용되고 있다. 이러한 TMB 공정은 열 교환기나 또는 추출 공정 등에서 효율적으로 적용되고 있는 향류흐름(counter current flow)의 개념을 도입한 것으로서, 고정상에 이동상과 반대방향의 흐름을 가하여 분리하고자 하는 혼합물의 용액이 칼럼으로 주입되면, 고정상에 대하여 흡착성질이 강한 것은 고정상의 흐름을 따라 칼럼 밖으로 유출되고 흡착성이 낮은 성분은 이동상을 따라 이동하게 한다.

TMB 공정에서는 두 물질간의 분리도의 차이가 크지 않더라도 순수한 물질을 얻을 수 있다는 장점이 있으나 두 물질의 농도분포 곡선의 양쪽 끝에서만 분리가 가능하다. 따라서 TMB 공정은 기존의 고정식 분리공정에 비해 많은 양의 충진제를 사용해야 하고, 충진제의 마찰과 유출 등으로 인해 정상상태의 조업이 매우 어려운 단점이 있다.

이러한 단점을 극복하기 위하여 고정상인 흡착제를 분리 칼럼에 충진시켜 고정시키고, 분리 칼럼 사이의 다중 액세스 라인을 이용하여 연결되는 포트(port)를 일정시간마다 이동시켜 고체상의 향류 이동을 모사하는 유사 이동층(simulated moving bed: SMB) 흡착 분리 공정이 개발되어 왔다. SMB 공정은 TMB 공정의 고정상 흐름에 대한 문제를 해결하기 위해 개발된 것으로 방향족 탄화수소의 혼합물에서 파라-자일렌(p-xylene)의 정제, 에틸벤젠의 분리, 키랄 화합물의 제조 공정 등에 적용되고 있다.

참고로, 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

유사 이동층(SMB) 흡착 분리 공정 시스템은 이성질체 혼합물로부터 흡착성질이 강한 물질과 흡착성질이 낮은 성분을 분리하는 시스템으로서, 도 1에 도시된 바와 같이, 유체-고체 접촉 용기인 흡착 베드(101)를 여러 개로 연결하여 구성하며, 각 흡착 베드(101)에는 흡착제가 들어 있고, 상기 흡착 베드(101) 간에는 순환 라인이 연결되어 순환 펌프(103)에 의해 유체는 순환되도록 구성되어 있다. 이때, 각 흡착 베드(101) 사이에는 4개의 포트가 위치하여 다중 액세스 라인(102)을 통해 각각 4개의 주 배관(104~107)에 연결되어 있다.

상기한 4개의 주 배관(104~107)은 유체 혼합물 유입 배관(104), 라피네이트 배관(107), 탈착제 유입 배관(105) 및 추출물 유출 배관(106)으로 이루어지고, 다중 액세스 라인(102)을 통해 흡착 베드(101) 사이의 포트와 연결되어 있다. 여기서, 상기 유체 혼합물 유입 배관(104)과 탈착제 유입 배관(105)은 흡착 베드(101)로 유체가 유입되는 배관이고, 상기 라피네이트 배관(107)과 추출물 유출 배관(106)은 각각 흡착 베드(101)로부터 유체가 유출되는 배관이다.

여기서, 상기 다중 액세스 라인(102) 및 각각의 포트, 주 배관 (104~107) 등에 대한 상세한 구성은 정해진 것이 아니며, 통상의 기술자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 수 있다.

라피네이트 칼럼(110)은 라피네이트 배관(107)을 통해 인출된 라피네이트 혼합 유체를 분리하여, 분리된 라피네이트를 드럼(111)을 통해 분리해내고, 분리된 탈착제 성분을 다시 탈착제로서 탈착제 배관(105)으로 순환시킨다. 그리고, 추출물 칼럼(108)은 추출물 배관(106)을 통해 인출된 추출물 혼합 유체를 분리하여, 분리된 추출물을 드럼(109)을 통해 분리해내고, 분리된 탈착제 성분을 다시 탈착제로서 탈착제 배관(105)으로 순환시킨다.

이러한 SMB 흡착 분리 공정에서는 실제로 고정상의 흐름이 없으며, 일정시간의 액세스 라인(102)의 포트와 주배관(14~17)의 연결 스위칭 간격에 따라 탈착제(desorbent), 추출물(extract), 유체 혼합물(feed) 및 라피네이트(raffinate)의 연결을 변화시켜서 가상의 고정상의 흐름을 만들어 순환하는 유체 이동상과의 향류 흐름을 모사한다.

따라서, SMB 흡착 분리 공정 특성상, 분리 칼럼 각각에서의 유체 흐름 특성이 매우 중요한데 분리 칼럼, 즉 유체-고체 접촉 용기 내에서는 고르고 균일한 유체의 흐름을 가져야 한다. 만일 균일한 흐름을 가지지 못하고 국부적인 채널링, 제트, 난류 등을 형성하는 경우는 유체가 정상적인 흐름을 갖지 않는 사점(dead point)을 형성하게 되어 가상의 고정상의 흐름에 따라 추출물 (extract) 주 배관과 연결되는 포트가 이동되어 왔을 때 분리되지 못한 혼합물이 섞여 최종 제품의 순도가 저하될 수 있다. 따라서 전통적인 방식의 유체-고체 접촉 용기를 여러 개로 배열하는 경우에는 유체가 유입되는 위치에 접촉 용기의 내경과 유사한 사이즈를 갖는 플랜지 타입으로 연결하여 이송된 유체가 접촉 용기로 유입되자마자 접촉 용기 수평 방향으로 바로 퍼질 수 있는 비교적 단순한 분배 장치를 사용한다. 그러나 이러한 경우에는 큰 플랜지 사이즈 때문에 플랜지 주변으로 접촉 용기의 높은 수준의 두께가 요구된다. 특히, 압력이 높은 공정 조건일수록 요구되는 두께는 훨씬 두꺼워진다. 따라서 용기 제작 가격이 높아지며 두께에 의해 중량이 증가하였기 때문에 토목 비용 또한 상승하며 유지 보수가 힘들어지는 단점이 있다.

한편, 이를 해결하기 위해 하나의 챔버 내 여러 개의 흡착층을 수직으로 배열하여 각각의 흡착층 사이에 포트를 배열하는 방법이 있으나 이 경우에는 포트를 중심으로 가급적 짧은 구간에서 위쪽의 유체를 수집하여 포트를 거쳐 아래로 다시 고르게 분배해야 하므로 굉장히 높은 수준의 복잡한 유체 수집 및 분배 장치 구조가 요구된다.

KR 10-2007-0086415 A CN 20-2762138 U CN 20-3139688 U WO 2010-002383 A1

본 발명은 상기한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서,

내경보다 작은 플랜지 타입의 유체 주입구를 갖는 유체-고체 접촉 용기 내 유체 유동 특성을 향상시킴으로써 유사 이동층 흡착 분리 공정을 포함한 다양한 공정에서 이러한 유체-고체 접촉 용기 사용을 보편화하고 이를 통해 용기의 제작 및 설치 비용, 유지 관리 비용 등을 최소화할 수 있도록 한, 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 고정상인 흡착제를 분리 칼럼에 충진시켜 고정하고, 분리 칼럼 사이의 다중 엑세스 라인을 이용하여 연결되는 포트를 일정 시간마다 이동시켜 고정상의 향류 이동을 모사하는 유사 이동층을 형성하여 이성질체 혼합물로부터 흡착성질이 강한 물질과 흡착성질이 낮은 성분을 분리하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템에서 분리 칼럼으로 사용되는 흡착 베드에 설치되는 유체분배장치에 있어서, 상기 흡착 베드의 중심부 내경이 비해 작은 직경을 갖는 플랜지부의 안쪽에 설치되며 상기 플랜지부의 상측에 연결된 유체 유입구로 유입되는 유체를 고르게 분배하는 1차 유체분배장치와, 상기 흡착 베드의 상부에 위치하여 상기 1차 유체분배장치를 통과한 유체를 고르게 분배하여 흡착 베드의 중심부로 공급하는 2차 유체분배장치로 이루어지고, 상기 1차 유체분배장치와 2차 유체분배장치가 상하로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 따르면, 상기 1차 유체분배장치는 상기 플랜지부의 상단으로부터 플랜지부의 전체 높이에 대하여 15~85% 범위에 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 유사 이동측 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 따르면, 상기 2차 유체분배장치는 상기 플랜지부의 내경보다는 크고 상기 흡착 베드의 중심부 내경보다는 작은 크기로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 따르면, 상기 플랜지부의 내경은 상기 흡착 베드의 중심부 내경의 80% 이하로 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 따르면, 상기 유체분배장치는 2단 이상 5단 이하의 다단 구조로 형성되되, 상기 2차 유체분배장치가 1단 이상 4단 이하인 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 따르면, 상기 1차 유체분배장치 및 제2차 유체분배장치는 다수의 구멍이 고르게 분산되어 형성된 원형의 분산판과, 상기 플랜지부의 내면 또는 흡착 베드의 상부 내측에 상기 분산판을 고정하는 고정부재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 따르면, 상기 1차 유체분배장치의 분산판은 상기 플랜지부의 내경에 비해 작은 직경으로 형성되어 상기 플랜지부를 따라 상하 이동되고, 상기 1차 유체분배장치의 고정부재는 중간 부분에 평형 구멍이 각각 형성되고 상기 플랜지부의 상단에 결합된 플랜지에 고정됨과 아울러 상기 분산판의 상면에 부착되어 상기 플랜지부의 내부를 4분할하는 4개의 고정판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 따르면, 상기 2차 유체분배장치의 분산판은 상기 플랜지부의 내경과 동일한 외경을 갖는 내측 분산판 및 외주면이 상기 흡착 베드의 상부 내면에 밀착되고 상기 내측 분산판과 간극 없이 결합되어 하나의 원형판을 이루는 외측 분산판으로 이루어지고, 상기 2차 유체분배장치의 고정부재는 상단 부분이 상기 1차 유체분배장치의 분산판 저면에 고정되고 상기 내측 분산판의 외측에 입설되는 4개의 내측 고정판과, 상면이 상기 흡착 베드의 상부 내면에 밀착되도록 경사지게 형성되며 상기 내측 고정판으로부터 일정 정도 이격된 위치에서 상기 외측 분산판에 설치되는 4개의 외측 고정판으로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 따르면, 상기 분산판에 형성되는 구멍은 원주면으로부터 중심 방향으로의 간격이 균일하고 원주 방향의 간격 역시 균일하도록 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 한다.

또, 본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 따르면, 상기 분산판에 형성되는 구멍은 인접한 각 구멍의 중점을 이은 선에 의해 형성된 면적과 그 면적 내에 위치한 구멍의 면적의 비가 균일해지도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치는 용기의 내경보다 작은 플랜지 타입의 유체 주입구를 갖는 유체-고체 접촉 용기 등의 흡착 베드에 대하여 베드 내 유체 유동 특성을 향상시켜 유사 이동층 흡착 분리 공정을 포함한 다양한 공정에서 이러한 유체-고체 접촉 용기 사용을 보편화 하고 이를 통해 용기의 제작 및 설치 비용, 유지 관리 비용 등을 최소화할 수 있게 되는 효과가 있다.

도 1은 통상적인 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 개략도.
도 2는 본 발명에 의한 유체분배장치가 구비된 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드가 도시된 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 유체분배장치가 도시된 구성도.
도 4는 본 발명의 요부인 1차 유체분배장치가 도시된 구성도.
도 5는 본 발명의 요부인 2차 유체분배장치가 도시된 구성도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치에 대하여 설명하면 다음과 같다.

본 발명에 의한 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치는, 고정상인 흡착제를 분리 칼럼에 충진시켜 고정하고, 분리 칼럼 사이의 다중 엑세스 라인을 이용하여 연결되는 포트를 일정 시간마다 이동시켜 고정상의 향류 이동을 모사하는 유사 이동층을 형성하여 이성질체 혼합물로부터 흡착성질이 강한 물질과 흡착성질이 낮은 성분을 분리하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템에서 분리 칼럼으로 사용되는 흡착 베드(50)에 설치된다.

구체적으로, 본 발명의 유체분배장치는 상기 흡착 베드(50)의 중심부 내경이 비해 작은 직경을 갖는 플랜지부(55)의 안쪽에 설치되며 상기 플랜지부(55)의 상측에 연결된 유체 유입구(56)로 유입되는 유체를 고르게 분배하는 1차 유체분배장치(10)와, 상기 흡착 베드(50)의 상부(52)에 위치하여 상기 1차 유체분배장치(10)를 통과한 유체를 고르게 분배하여 흡착 베드(50)의 중심부(51)로 공급하는 2차 유체분배장치(20)로 이루어지며, 상기 1차 유체분배장치(10)와 2차 유체분배장치(20)가 상하로 배치된 구조로 되어 있다.

그리고, 상기 흡착 베드(50)는 흡착제(54)가 적재되어 있는 중심부(21), 흡착제(24)의 상하에 각각 위치한 흡착제 고정구(58), 하부(53)의 비어 있는 공간을 최소화할 수 있는 비활성구(inert ball)(59), 분산된 유체를 모아주는 수집구(60), 수집된 유체가 용기에서 배출되는 유체 배출구(57)를 더 포함하며, 이러한 기타 장치들의 구성은 통상의 기술자에 의해 다양한 형태로 변경 실시될 수 있다.

여기서,상기 1차 유체분배장치(10)는 상기 플랜지부(55)의 상단으로부터 플랜지부(55)의 전체 높이에 대하여 15~85% 범위에 배치되는 것이 바람직하다. 만약, 이러한 구간보다 상부에 위치할 시, 유체 유입구(56)로부터 유입된 유체가 플랜지부의 횡 방향으로 고르게 퍼지지 못하고 주변에 비해 중심부 흐름이 높아질 수 있으며 하부에 위치할 시, 유체 유입구(56)와 플랜지부(55)의 1차 유체분배장치(10) 사이에 상대적인 공간이 넓어져, 내부에서 소용돌이치는 와류가 형성될 수 있으며, 이러한 현상을 방지하기 위해서는 보다 높은 수준의 유체 분배 장치의 형태가 요구된다.

또, 상기 2차 유체분배장치(20)는 상기 플랜지부(55)의 내경보다는 크고 상기 흡착 베드(50)의 중심부(51) 내경보다는 작은 크기로 형성되는 것이 바람직하다. 만약, 이보다 작거나 또는 큰 경우, 플랜지부(55)에서 분산되어 내려온 유체를 흡착 베드(50)로 고르게 분산시키지 못하거나 흡착제가 차지하는 부피의 감소를 초래할 수 있으므로 적절하지 않다.

그리고, 상기 플랜지부(55)의 내경은 상기 흡착 베드(50)의 중심부(51) 내경의 80% 이하로 형성되는 것이 바람직하다. 상기 플랜지부(55)의 내경이 이보다 커지게 되면, 상기 플랜지부(55)의 두께를 감소시켜서 얻는 이점보다 유체분배장치를 포함한 유체-고체 접촉용기의 설계 및 유지 보수가 어려워지는 단점이 커서 적절하지 않다.

또, 상기 유체분배장치는 2단 이상 5단 이하의 다단 구조로 형성되고, 하나의 1차 유체분배장치(10)를 제외한 나머지는 모두 2차 유체분배장치(20)가 1단 이상 4단 이하인 것이 바람직하다. 여기서, 상기 유체분배장치는 단수가 증가할수록 유체의 고른 분산에는 유리하나 설계가 복잡해지고 유지보수가 어렵다는 단점이 있다. 따라서, 균일한 유체 유동을 갖는 범위에서 개수는 최소화하는 것이 유리하며, 경우에 따라 균일한 흐름을 방해하지 않는 수준에서 유체분배장치가 위치하는 공간에 비활성 구슬 또는 흡착제 등을 채워 넣어 비어있는 공간을 최소화할 수도 있다.

상기 1차 유체분배장치(10) 및 제2차 유체분배장치(20)는 다수의 구멍(11')(21')이 고르게 분산되어 형성된 원형의 분산판(11)(21)과, 상기 플랜지부(55)의 내면 또는 흡착 베드(50)의 상부 내측에 상기 분산판(11)(21)을 고정하는 고정부재로 이루어진다.

구체적으로, 상기 1차 유체분배장치(10)의 분산판(11)은 상기 플랜지부(55)의 내경에 비해 작은 직경으로 형성되어 상기 플랜지부(55)를 따라 상하 이동되고, 상기 1차 유체분배장치(10)의 고정부재는 중간 부분에 평형 구멍(13)이 각각 형성되고 상기 플랜지부(55)의 상단에 결합된 플랜지에 고정됨과 아울러 상기 분산판(11)의 상면에 부착되어 상기 플랜지부(55)의 내부를 4분할하는 4개의 고정판(12)으로 이루어진다.

또, 상기 2차 유체분배장치(20)의 분산판(21)은 상기 플랜지부(55)의 내경과 동일한 외경을 갖는 내측 분산판(21a) 및 외주면이 상기 흡착 베드(50)의 상부 내면에 밀착되고 상기 내측 분산판(21a)과 간극 없이 결합되어 하나의 원형판을 이루는 외측 분산판(21b)으로 이루어지고, 상기 2차 유체분배장치(20)의 고정부재는 상단 부분이 상기 1차 유체분배장치(10)의 분산판(11) 저면에 고정되고 상기 내측 분산판(21a)의 외측에 입설되는 4개의 내측 고정판(22a)과, 상면이 상기 흡착 베드(50)의 상부 내면에 밀착되도록 경사지게 형성되며 상기 내측 고정판(22a)으로부터 일정 정도 이격된 위치에서 상기 외측 분산판(21b)에 설치되는 4개의 외측 고정판(22b)으로 이루어진다.

여기서, 상기 분산판(11)(21)에 형성되는 구멍(11')(21')은 원주면으로부터 중심 방향으로의 간격이 균일하고 원주 방향의 간격 역시 균일하도록 방사상으로 배치되는 것이 바람직하며, 상기 분산판(11)(21)에 형성되는 구멍(11')(21')은 인접한 각 구멍의 중점을 이은 선에 의해 형성된 면적과 그 면적 내에 위치한 구멍의 면적의 비가 균일해지도록 배치되는 것이 더욱 바람직하다.

한편, 본 발명에 따른 유체분배장치의 유동 특성 개선 여부를 확인하기 위하여, 컴퓨터를 이용한 전산 유체역학 모델 기법(CFD, computational fluid dynamic)으로 실험하였으며, 컴퓨터 프로그램으로는 ANSYS사에서 개발한 FLUENT 프로그램을 사용하였다.

<실시예 1>

먼저, 흡착 베드(50)에 해당하는 유체-고체 접촉 용기는 도 3과 같은 형태로 모사하였으며, 유체 유입구(56)의 크기는 4in, 플랜지부(55)의 내경은 580㎜, 흡착 베드(50)의 중심부(51) 내경은 1500㎜로 설정하고, 상기 흡착 베드(50)의 상부(52)는 접시 구형(torispherical head) 타입을 사용하였다. 상기 플랜지부(55)와 상부(52)는 내부의 유체분배장치를 제외하고는 비어 있는 공간으로 두었으며 흡착 베드(50)의 중심부(51)는 흡착제(54)가 고르게 채워져 있는 상황을 가정하여 종축 방향으로 균일한 차압이 발생하도록 설계하였다. 다만, 상부의 유체 유입구(56)를 통해 유입된 유체가 유체분배장치를 거쳐 균일하게 분포되었는지만을 판단하면 되므로, 판단에 불필요한 흡착 베드(50)의 하부(53) 설계는 생략하고 중심부(51)의 길이 1300㎜만 모사하였다. 그리고, 상기 플랜지부(55)에 제1 유체분배장치(10)를 배치하고, 상기 흡착 베드(50)의 상부(52)에 제2 유체분배장치(20)를 배치하였다.

상기 제1 유체분배장치(10)는 수 개의 구멍이 뚫어져 있는 분산판(11)과 이를 상단의 플랜지에 고정하는 고정판(12)으로 구성하였으며, 상기 고정판(12)에 의해 구획된 4개의 구역간 차압 발생 시, 균형을 이루어줄 수 있는 4개의 평형 구멍(13, equalizing hole)을 고정판(12)에 형성하였다. 상기 분산판(11)에는 내경이 20㎜인 구멍(11')을 그 중심에서 2줄의 균일한 간격의 방사상으로 형성하여, 원주 방향으로의 간격이 균일하게 배치하였다. 이때, 상기 구멍(11')의 개수는 안쪽 원주에서는 12개 바깥쪽 원주에서는 24개이다. 다만, 상기 분산판(11)은 고정판(12)에 의해 플랜지부(55)의 상부에 고정되어 플랜지 개폐 시, 탈착이 용이하도록 플랜지 내경보다 4㎜ 정도 작게 설계하여 플랜지부(55) 내벽과의 간극이 존재하도록 하였다.

또, 상기 제2 유체분배장치(20)는 복수 구멍(21')이 뚫어져 있는 두 개의 분산판(21; 21a, 21b)과 이들을 상단에 고정시키는 고정판(22; 22a, 22b)로 이루어지며, 외측 분산판(21b)은 외측 고정판(22b)를 통해 흡착 베드(50)의 상부(52) 내측에 고정하고, 상기 내측 분산판(21a)는 내측 고정판을 이용하여 상기 제1 유체분배장치(10)의 분산판 저면에 고정하여 플랜지부(55)의 상부에 결합된 플랜지와 함께 탈착이 가능하도록 하였다.

상기 내측 분산판(21a)과 외측 분산판(21b)은 간극 없이 하나의 원형 판을 이루도록 하고, 중심에서 6개의 균일한 방사상으로 형성되고 원주 방향으로의 간격이 균일하게 구멍(21')이 배치되어 있다. 이때, 구멍(21')의 내경은 10㎜이고 개수는 안쪽 원주에서부터 8개, 16개, 24개, 36개, 48개, 56개로 하였다. 이때, 상기 내측 분산판(21a)과 외측 분산판(21b)에 의해 형성되는 원형판의 크기는 지름이 1200㎜로 흡착 베드(50)의 상부 내벽과의 횡축 방향 간극이 1㎜가 되는 위치에 배치한다.

이 상태에서, 흡착 베드(50) 내에 점도가 0.00021 Pa·s이며 밀도가 559.47㎏/㎥의 액상 유체가 꽉 채워 넣고, 상기 플랜지부(55)의 상부에 위치한 유체 유입구(56)로부터 48.5㎥/hr 속도로 동일 특성의 유체가 유입되고 하부를 통해 동일 양만큼 빠져나가도록 모사하였다. 이때, 기존에 용기를 꽉 채우고 있던 유체를 '제1유체', 새로 유입되는 유체를 '제2유체'로 규정하고, 시간에 따른 제1유체와 제2유체의 분포를 통해 흐름의 가시적인 균일도를 확인하였다. 또한, 수치적인 균일도 판단을 위해 유체분배장치를 통과하여 흡착제(55)를 만나기 직전인 흡착 베드(50)의 중심부(51) 최상단과 상부가 만나는 지점의 횡단면에 대하여 다음과 같이 유체 흐름 균일도를 측정할 수 있는 수식을 통하여 값을 계산하였으며, 이를 균일도 지표(uniformity index)라 한다. 통상적으로, 유체의 흐름 균일도가 높을수록 균일도 지표는 1로 수렴하고 흐름 균일도가 낮을수록 균일도 지표는 0으로 수렴한다.

여기서,

는 I 단위 위치에서의 속도,

는 횡단면에 대한 평균 속도,

는 i 단위 위치의 면적을 의미한다.

<실시예 2>

상기 제2 유체분배장치(20)의 분산판(21)에 형성된 구멍의 개수 및 배열을 제외하고 나머지는 <실시예1>과 동일한 조건으로 실험을 실시하였다. 구체적으로 상기 제2 유체분배장치(20)의 내측 분산판(21a)와 외측 분산판(21b)가 간극 없이 하나의 원형 판을 이루도록 구성하였으며, 중심에서부터 4개의 균일한 방사상으로 형성되고 원주 방향으로의 간격이 균일하게 구멍(21')을 배치하되, 구멍(21')의 내경은 10㎜, 개수는 안쪽에서부터 각각 16개, 32개, 60개, 80개가 되도록 한 상태에서 실험을 실시하였으며, 전산 유체 역학 모델 기법 결과에 대해서도 표 1에 나타내었다.

<실시예 3>

상기 제2 유체분배장치(20)의 분산판(21)에 형성된 구멍의 개수 및 배열을 제외하고 나머지는 <실시예1>과 동일한 조건으로 실험을 실시하였다. 구체적으로 상기 제2 유체분배장치(20)의 내측 분산판(21a)와 외측 분산판(21b)가 간극 없이 하나의 원형 판을 이루도록 구성하였으며, 중심에서부터 4개의 균일한 방사상으로 형성되고 원주 방향으로의 간격이 균일하게 구멍(21')을 배치하되, 구멍(21')의 내경은 10㎜, 개수는 안쪽에서부터 각각 20개, 40개, 60개, 80개가 되도록 한 상태에서 실험을 실시하였으며, 전산 유체 역학 모델 기법 결과에 대해서도 표 1에 나타내었다.

<실시예 4>

상기 제2 유체분배장치(20)의 분산판(21)에 형성된 구멍의 개수 및 배열을 제외하고 나머지는 <실시예1>과 동일한 조건으로 실험을 실시하였다. 구체적으로 상기 제2 유체분배장치(20)의 내측 분산판(21a)와 외측 분산판(21b)가 간극 없이 하나의 원형 판을 이루도록 구성하였으며, 내측 분산판(21a)와 외측 분산판(21b) 사이의 경계 및 고정판(22)이 겹치는 위치를 제외하고 총 172개의 내경 10㎜의 구멍(21')이 삼각 배열(triangular type)되도록 한 상태에서 실험을 실시하였으며, 전산 유체 역학 모델 기법 결과에 대해서도 표 1에 나타내었다.

상기한 표 1을 참조하면, 위에서 설명한 다양한 실시예에서와 같이 용기의 내경보다 작은 플랜지(flange) 타입의 유체 유입구를 갖는 유체-고체 접촉 용기 내에서 본 발명의 유체분배장치를 통해 유체 흐름 속도 프로파일이 균일하게 분포하는 것을 확인하였으며, 유체 흐름 균일도 지표값(uniformity index) 또한 0.8 이상 가능한 것을 확인하였다.

이상으로 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 몇 가지 실시 예들과 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 특허청구범위에 기재된 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정과 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.

10...1차 유체분배장치
11...분산판
11'..구멍
12...고정판
13...평형 구멍
20...2차 유체분배장치
21...분산판
21'...구멍
21a...내측 분산판
21b...외측 분산판
22...고정판
22a...내측 고정판
22b...외측 고정판
50...흡착 베드
51...중심부
52...상부
53...하부
54..흡착제
55...플랜지부
56...유체 유입구
57...유체 배출구
58...흡착제 고정구
59...비활성구
60...수집구

Claims (10)

1. 고정상인 흡착제를 분리 칼럼에 충진시켜 고정하고, 분리 칼럼 사이의 다중 엑세스 라인을 이용하여 연결되는 포트를 일정 시간마다 이동시켜 고정상의 향류 이동을 모사하는 유사 이동층을 형성하여 이성질체 혼합물로부터 흡착성질이 강한 물질과 흡착성질이 낮은 성분을 분리하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템에서 분리 칼럼으로 사용되는 흡착 베드(50)에 설치되는 유체분배장치에 있어서,
   상기 흡착 베드(50)의 중심부 내경이 비해 작은 직경을 갖는 플랜지부(55)의 안쪽에 설치되며 상기 플랜지부(55)의 상측에 연결된 유체 유입구(56)로 유입되는 유체를 고르게 분배하도록, 다수의 구멍(11')이 고르게 분산되어 형성된 원형의 분산판(11) 및 상기 플랜지부(55)의 내면에 상기 분산판(11)을 고정하는 고정부재로 이루어진 1차 유체분배장치(10)와;
   상기 흡착 베드(50)의 상부(52)에 위치하여 상기 1차 유체분배장치(10)를 통과한 유체를 고르게 분배하여 흡착 베드(50)의 중심부(51)로 공급하도록, 다수의 구멍(21')이 고르게 분산되어 형성된 원형의 분산판(21) 및 상기 흡착 베드(50)의 상부 내측에 상기 분산판(21)을 고정하는 고정부재로 이루어진 2차 유체분배장치(20);로 이루어지고,
   상기 1차 유체분배장치(10)와 2차 유체분배장치(20)가 상하로 배치되는 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치.
2. 제1항에 있어서,
   상기 1차 유체분배장치(10)는 상기 플랜지부(55)의 상단으로부터 플랜지부(55)의 전체 높이에 대하여 15~85% 범위에 배치되는 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치.
3. 제1항에 있어서,
   상기 2차 유체분배장치(20)는 상기 플랜지부(55)의 내경보다는 크고 상기 흡착 베드(50)의 중심부(51) 내경보다는 작은 크기로 형성되는 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치.
4. 제1항에 있어서,
   상기 플랜지부(55)의 내경은 상기 흡착 베드(50)의 중심부(51) 내경의 80% 이하로 형성되는 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치.
5. 제1항에 있어서,
   상기 유체분배장치는 2단 이상 5단 이하의 다단 구조로 형성되고, 하나의 1차 유체분배장치(10)를 제외한 나머지는 모두 2차 유체분배장치(20)가 1단 이상 4단 이하인 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치.
6. 삭제
7. 제1항에 있어서,
   상기 1차 유체분배장치(10)의 분산판(11)은 상기 플랜지부(55)의 내경에 비해 작은 직경으로 형성되어 상기 플랜지부(55)를 따라 상하 이동되고,
   상기 1차 유체분배장치(10)의 고정부재는 중간 부분에 평형 구멍(13)이 각각 형성되고 상기 플랜지부(55)의 상단에 결합된 플랜지에 고정됨과 아울러 상기 분산판(11)의 상면에 부착되어 상기 플랜지부(55)의 내부를 4분할하는 4개의 고정판(12)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 2차 유체분배장치(20)의 분산판(21)은 상기 플랜지부(55)의 내경과 동일한 외경을 갖는 내측 분산판(21a) 및 외주면이 상기 흡착 베드(50)의 상부 내면에 밀착되고 상기 내측 분산판(21a)과 간극 없이 결합되어 하나의 원형판을 이루는 외측 분산판(21b)으로 이루어지고,
   상기 2차 유체분배장치(20)의 고정부재는 상단 부분이 상기 1차 유체분배장치(10)의 분산판(11) 저면에 고정되고 상기 내측 분산판(21a)의 외측에 입설되는 4개의 내측 고정판(22a)과, 상면이 상기 흡착 베드(50)의 상부 내면에 밀착되도록 경사지게 형성되며 상기 내측 고정판(22a)으로부터 일정 정도 이격된 위치에서 상기 외측 분산판(21b)에 설치되는 4개의 외측 고정판(22b)으로 이루어진 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치.
9. 제1항에 있어서,
   상기 분산판(11)(21)에 형성되는 구멍(11')(21')은 원주면으로부터 중심 방향으로의 간격이 균일하고 원주 방향의 간격 역시 균일하도록 방사상으로 배치되는 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치.
10. 제1항에 있어서,
    상기 분산판(11)(21)에 형성되는 구멍(11')(21')은 인접한 각 구멍의 중점을 이은 선에 의해 형성된 면적과 그 면적 내에 위치한 구멍의 면적의 비가 균일해지도록 배치되는 것을 특징으로 하는 유사 이동층 흡착 분리 공정 시스템의 흡착 베드용 유체분배장치.

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