KR101822117B1 - 고압 다탑 유동층의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고압 다탑 유동층의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템에 대한 것이다. 보다 상세하게는 각각에 유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 복수의 유동층과, 상기 유동층 각각의 토출부 측에 구비되어 상기 유동층에서 부유된 기체, 고체 중 기체를 기체배출관을 통해 배출시키는 복수의 사이클론과, 상기 유동층 사이에 구비되어 복수의 유동층 사이의 기체 혼합과 고체 역흐름을 방지하는 루프실을 갖는 다탑 유동층 시스템으로서, 압력을 상승시키는 과정과 고압 상태에서 유동층 사이에 발생할 수 있는 차압변화에 대응할 수 있는 차압제어장치에 있어서, 복수의 상기 유동층 중 적어도 어느 하나의 내부압력을 실시간으로 측정하는 압력측정부; 복수의 상기 유동층 중 두 개의 유동층 사이의 차압값을 실시간으로 측정하는 차압측정부; 및 상기 기체배출관 각각에 구비되며, 상기 압력측정부에서 측정된 값을 기반으로 유동층의 압력을 조절하거나, 상기 차압측정부에서 측정된 차압값을 기반으로 유동층의 압력을 조절하는 압력제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 다탑 유동층의 차압제어장치에 관한 것이다.

Description

고압 다탑 유동층의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템{Method and Apparatus for Pressure Difference Control in Multi Fluidized Beds System at High Pressure Condition and Multi Fluidized Beds System including the Apparatus for Pressure Difference Control}

본 발명은 고압 다탑 유동층의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템에 대한 것이다.

여러 개의 유동층이 연결된 형태인 다탑 유동층 시스템(multi fluidized beds system)은 고정층 반응기에 비해 열 및 물질전달이 우수한 유동층 반응기의 장점과 함께 각 반응기 사이에 고체순환이 가능한 점에서 서로 다른 반응이 동시에 일어나는 기체-고체 반응에 널리 사용되고 있다.

다탑 유동층 시스템(100)의 가장 간단한 사용예는 2탑 연결 순환유동층(two interconnected circulating fluidized bed)형태로서 도 1은 다탑 연결 유동층 시스템(100)의 부분 구성도를 도시한 것이다.

도 1에 도시된 같이, 두 개의 유동층, 즉, 제1유동층(20)(fluidized bed 1)과 제2유동층(30)(fluidized bed 2))이 연결되어 있으며, 제1유동층(20) 하부의 제1유동화기체 유입부(21)를 통해 제1유동화기체가 주입되고, 제2유동층(30) 하부의 제2유동화기체 유입부(31)를 통해 제2유동층(30)의 반응을 위한 제2유동화기체가 별도로 주입된다.

제1유동층(20)과 제2유동층(30) 사이에는 각각의 유동층 반응기에 주입되는 유동화기체의 혼합을 방지하고, 두 유동층 사이의 차압(differential pressure) 발생에 의해 일어날 수 있는 고체의 역흐름을 방지하기 위해 루프실(40)(loop seal)을 설치한다.

또한, 도 1에 도시된 바와 같이, 제1유동층(20)과 루프실(40) 사이에는 제1사이클론(50)이 구비되며, 제2유동층(30)의 토출부(32)와 연결된 제2사이클론(60)이 구비되게 됨을 알 수 있다.

다탑 유동층 시스템(100)의 일례로 2탑 연결 순환유동층의 고체순환방법을 도 1에 근거하여 설명하면, 도 1에 도시된 제1유동층(20)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, 제1유동층(20)의 제1유동화기체유입부(21)에서 주입되는 제1유동화기체에 의해 고체입자가 부유하여 비산되고, 비산된 기체와 고체의 혼합물은 토출부(22)를 통해 토출되어 제1사이클론(50)에 유입된 후, 제1사이클론(50)에서 고체입자는 분리되어 고체토출부(51)를 통해 하부로 배출되고 기체는 제1사이클론(50) 상부의 기체토출부(52)를 통해 배출되게 된다.

제1사이클론(50)의 고체토출부(51)를 통해 배출된 고체는 루프실(40)의 상부로 도입되며, 중력에 의해 하강한 후, 루프실(40) 하부의 제3유동화기체유입부(41)에서 주입되는 제3유동화기체에 의해 유동화되어, 루프실(40) 양쪽의 높이가 같아지도록 유동화된다.

계속적으로 고체가 주입되면, 주입되는 고체량 만큼 고체공급관(42)을 통해 배출되어 제2유동층(30)으로 공급된다. 제2유동층(30)에 공급된 고체는 제2유동층(30) 하부의 제2유동화기체유입부(31)에서 공급되는 제2유동화기체에 의해 유동화된 후, 제1유동층(20)과 제2유동층(30) 사이에 연결된 고체배출관(33)을 통해 제1유동층(20)으로 재순환된다.

도 2는 압력제어장치를 갖는 다탑 유동층 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 즉, 도 2는 도 1에 도시된 유동층 시스템(100)을 고압조건에서 운전하기 위해서 제1유동층(20)과 제2유동층(30)의 압력을 제어하기 위한 압력제어장치가 적용된 것이다.

이러한 도 2에 따른 압력제어장치는 제1유동층(20)의 압력을 실시간으로 측정하는 제1압력측정부(110)와 제2유동층(30)의 압력을 실시간으로 측정하는 제2압력측정부(120), 그리고, 제1압력측정부(110)에서 측정된 압력값을 기반으로 제어되는 제1압력제어밸브(111)와, 제2압력측정부(120)에서 측정된 압력값을 기반으로 제어되는 제2압력제어밸브(121)를 포함하여 구성된다.

각각의 제1,제2압력제어밸브(111,121)는 제1,제2기체배출관(70,80)의 개구비(opening ratio)를 변화시키는 방법, 즉, 단면적을 변화시키는 방법을 통해 제1,제2유동층(20,30)의 압력을 변화시킬 수 있다. 압력제어밸브(111,121)는 최종적으로 유지되고자 하는 압력, 즉 목표 압력값(P_SP, set point pressure value)과 현재 압력값(P_PV, present pressure value)을 비교하여 압력제어밸브(111,121)의 개구비를 증가시키거나 감소시키는 구동방법을 결정하며, 이를 위해 앞서 언급한 바와 같이 제1,제2유동층(20,30)의 압력을 측정하기 위한 제1,제2압력측정부(110,120)가 필요하다.

제1압력측정부(110)는 실시간으로 제1유동층(20)의 현재 압력값을 측정하여 제1압력제어밸브(111)로 신호를 보낸다. 제1압력제어밸브(111)에서는 목표 압력값에 비해 현재 압력값이 낮은 경우(P_SP > P_PV)에는 제1압력제어밸브(111)의 개구비를 감소시켜 제1유동층(20)의 내부압력이 증가하도록 하며, 목표 압력값에 비해 현재 압력값이 높은 경우(P_SP < P_PV)에는 제1압력제어밸브(111)의 개구비를 증가시켜 제1유동층(20)의 내부압력이 감소되도록 한다. 이러한 작동은 제1압력측정부(110)에서 측정된 현재 압력값이 변동되거나, 목표 압력값이 변동되면 계속적으로 반복되며 제2유동층(30)에서도 동일한 제어방식에 의해 압력이 제어된다.

이와 같이 압력제어밸브(111,121)를 사용하는 경우 밸브의 움직임에 의해 각각의 유동층 반응기 내부의 압력이 달라지므로 순간적으로 두 반응기 사이의 차압(differential pressure)이 발생하게 되며, 각 유동층의 사이클론 후단에 여러 가지 설비들이 추가되면 기체배출 배관이 복잡해지고, 필터, 열교환기, 응축수 저장조 등의 설비를 거치면서 압력강하(pressure drop)가 발생하게 되어 차압이 발생할 수도 있다. 이와 같이 두 유동층 사이에 차압이 발생하는 경우, 이 차압은 루프실의 높이 차이로 반영된다.

도 3은 제1유동층(20)의 압력(P1)이 제2유동층(30)의 압력(P2)보다 큰 경우의 루프실(40)의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 4는 제2유동층(30)의 압력이 제1유동층(20)의 압력보다 큰 경우의 루프실(40)의 단면도를 도시한 것이다.

두 유동층 사이의 차압(P)을 P1-P2로 정의할 때(P=P1-P2), 제1유동층(20)의 압력이 더 높은 경우(P1 > P2 및 P > 0)에는 도 3에 도시된 바와 같이 루프실(40)의 왼쪽 고체층 높이가 오른쪽의 고체층 높이에 비해 낮아지게 되며, 양쪽의 높이 차이(△H)는 두 반응기 사이의 차압(P=P1-P2)이 (+)로 커질수록 더욱 증가하게 된다.

한편, 사이클론을 통해 루프실(40)로 연속적으로 고체가 유입될 경우 고체가 배출될 수 있는 최소 높이인 H2까지는 고체가 차오르므로 H2의 높이는 거의 변화되지 않는다. 하지만 두 유동층 사이의 차압이 (+)로 더욱 커지게 되면 루프실(40)에는 고체입자가 존재할 수 없게 되며 이로 인해 제1유동층(20)과 제2유동층(30) 중에서 압력이 높은 유동층에서 압력이 낮은 유동층으로 기체흐름이 발생하게 되어 두 반응기 사이의 기체 누설방지가 불가능해 진다.

반대로, 제1유동층(20)의 압력과 제2유동층(30)의 차압(P=P1-P2)이 0보다 작은 경우, 즉 제 2유동층의 압력이 더 높은 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이 고체가 배출되기 위한 높이인 H2는 변화되지 않는 반면, H1이 증가하게 되며, 양쪽의 높이 차이(△H)는 P가 (-)로 커질수록 더욱 증가하게 된다.

또한, 도 5는 제2유동층(30)의 압력이 제1유동층(20)의 압력보다 커서 루프실(40)의 고체층이 제1사이클론(50)의 고체토출부(51)를 폐쇄시킨 상태의 단면도를 도시한 것이다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 P2가 P1에 비해 매우 큰 경우에는 루프실(40) 왼쪽의 고체층 높이가 제1사이클론(50)의 고체토출부(51) 높이까지 증가할 수 있으며, 이로 인해 제1사이클론(50)에서 포집된 고체가 루프실(40) 하부로 이동하지 못하고 기체와 함께 제1사이클론(50) 상부로 배출되어 유동층에 사용되는 입자가 손실될 수 있다.

이와 같이 두 유동층 반응기 사이의 차압에 의해 제1유동층(20)과 제2유동층 (30) 사이에서 기체가 누설되거나 사이클론 하부 배출구가 폐색되어 사이클론의 효율이 저하되는 것을 방지하기 위한 방법으로 기존 기술에서는 루프실(40)의 길이를 증가시키는 방법을 사용하고 있으나 루프실(40)의 길이가 증가하면, 도 1에 도시된 제1유동층(20)의 길이도 함께 증가해야 하므로 장치비가 증가하는 단점이 있다.

제1유동층(20)과 제2유동층(30) 사이에 차압이 발생하는 경우 사용할 수 있는 또 다른 해결 방법으로는 고압 조건에서 각 압력제어밸브(111,121)의 목표 압력값을 변화시키는 방법을 사용할 수 있다.

예를 들어 제1유동층(20)의 목표 압력값이 10 bar이고, 두 반응기 사이의 차압(P=P1-P2)이 0.02 bar 만큼 형성되는 경우(즉 제1유동층(20)의 압력이 0.02 bar 만큼 높은 경우)에는 제2유동층(30)의 목표 압력값을 10.02 bar로 설정하여 두 반응기 사이의 차압을 상쇄할 수 있다.

하지만 이 방법은 두 유동층 사이의 차압이 안정적으로 유지되는 경우에만 사용할 수 있으며 두 유동층 사이의 차압이 자주 변화되는 경우에는 여러 번의 조작이 필요하다는 단점이 있다.

한편, 2탑 유동층 시스템의 고압 운전을 위해 상압에서부터 목표 압력까지 압력을 증가시키는(pressurization) 과정에서 각 압력제어밸브에 목표 압력값을 설정해야 하며, 목표 압력값에 접근하지 않은 경우 압력제어밸브는 지속적으로 밸브를 닫은 상태로 유지된다. 이 과정에서 두 개의 유동층에 주입되는 기체량과 각 유동층 후단의 배관 및 추가설비가 다를 수 있으므로 필연적으로 차압이 발생하게 된다.

이후, 각 유동층의 현재 압력값이 목표 압력값에 근접하면 압력제어밸브의 개구비가 증가하게 되며 이 과정에서 각 유동층 내부의 압력이 감소하게 된다. 하지만, 두 개의 유동층에서 압력제어밸브가 열리는 시점과 개구비의 차이가 발생하게 되며, 이로 인해 급격한 차압 변화가 발생하게 된다.

이와 같이 2탑 유동층 시스템의 압력을 증가시키는 과정에서 발생할 수 있는 과도한 차압 발생을 최소화하기 위한 방법으로 목표 압력값을 단계적으로 상승시키는 방법을 사용할 수 있다.

즉, 앞서 예와 같이 목표 압력값이 10 bar인 경우, 루프실에서 상쇄할 수 있는 차압(예를 들어 0.02 bar) 범위 이내에서 단계적으로 목표 압력값을 증가시키는 방법을 사용할 수 있다(즉, 상압(0 bar gauge))에서 제 1 유동층의 목표 압력값을 0.02 bar로 입력한 후 두 유동층의 차압이 안정화 되면 제 2 유동층의 목표 압력값을 0.02 bar로 입력, 다시 두 유동층의 차압이 안정화되면 제 1 유동층의 목표 압력값을 0.04 bar로 입력, 이 과정을 최종 목표 압력값까지 반복). 하지만 이와 같은 방법을 사용하면 압력을 상승시키는 시간이 오래 걸리는 단점이 있다.

결과적으로 다탑 유동층 시스템에서 압력을 상승시키는 과정과 고압 조건에서 두 유동층 사이에 발생할 수 있는 차압 변화에 대응하면서 안정적인 압력 상승 또는 압력 유지가 가능한 제어 방법 및 장치가 필요하다.

대한민국 등록특허 제0563909호 대한민국 등록특허 제1426333호 대한민국 등록특허 제134089호 대한민국 등록특허 제1330126호

따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 일실시예에 따르면, 루프실의 길이 증가 없이도 두 유동층 사이의 차압 변화를 상쇄할 수 있으며, 제1유동층(20)의 압력이 상승하는 과정에서 제2유동층(30)은 목표 차압값을 유지하면서 함께 압력이 상승되고 고압 조건에서 제1유동층(20)의 압력이 순간적으로 변화하는 경우에도 제2유동층(30)은 목표 차압값을 유지하면서 고압조건을 유지하므로 안정적인 조업이 가능한, 고압 다탑 유동층의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 2탑 유동층 시스템의 압력을 상승시키는 과정에서 제1압력제어밸브가 지속적으로 밸브를 닫은 상태로 유지되는 경우에도 차압이 발생하면 제2압력제어밸브가 구동될 수 있으며, 이를 통해 두 유동층 사이의 차압이 해소될 수 있으며, 또한 단계적으로 목표 압력값을 입력하는 기존 방법에 비해 간편하고 빠르게 압력을 상승시킬 수 있고 2탑 유동층 시스템의 압력을 하강시키는 과정에서도 원하는 차압을 유지할 수 있는, 고압 다탑 유동층의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템을 제공하는데 목적이 있다.

한편, 본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 제1목적은, 각각에 유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 복수의 유동층과, 상기 유동층 각각의 토출부 측에 구비되어 상기 유동층에서 부유된 기체, 고체 중 기체를 기체배출관을 통해 배출시키는 복수의 사이클론과, 상기 유동층 사이에 구비되어 복수의 유동층 사이의 기체 혼합과 고체 역흐름을 방지하는 루프실을 갖는 다탑 유동층 시스템으로서, 압력을 상승시키는 과정과 고압 상태에서 유동층 사이에 발생할 수 있는 차압변화에 대응할 수 있는 차압제어장치에 있어서, 복수의 상기 유동층 중 적어도 어느 하나의 내부압력을 실시간으로 측정하는 압력측정부; 복수의 상기 유동층 중 두 개의 유동층 사이의 차압값을 실시간으로 측정하는 차압측정부; 및 상기 기체배출관 각각에 구비되며, 상기 압력측정부에서 측정된 값을 기반으로 유동층의 압력을 조절하거나, 상기 차압측정부에서 측정된 차압값을 기반으로 유동층의 압력을 조절하는 압력제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 다탑 유동층의 차압제어장치로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 압력측정부에서 측정된 압력값과, 상기 차압측정부에서 측정된 차압을 기반으로, 압력제어밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 제어부에 의해 상기 압력측정부에서 측정된 압력값을 기반으로 제어되는 압력제어밸브는, 목표 압력값을 설정받고, 압력측정부에서 측정된 현재 압력값이 목표 압력값과 상이한 경우, 제어부는 현재 압력값이 목표 압력값이 되도록 상기 압력제어밸브를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 제어부에 의해 상기 차압측정부에서 측정된 차압값을 기반으로 제어되는 압력제어밸브는, 목표 차압값을 설정받고, 차압측정부에서 측정된 현재 차압값이 목표 차압값과 상이한 경우, 제어부는 현재 차압값이 목표 차압값이 되도록 상기 압력제어밸브를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 제1유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 제1유동층과, 제2유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 제2유동층과, 상기 제1유동층의 토출부 측에 구비되어 상기 제1유동층에서 부유된 기체, 고체 중 기체를 제1기체배출관을 통해 배출시키는 제1사이클론과, 상기 제1유동층과 제2유동층 사이에 구비되어 기체 혼합과 고체 역흐름을 방지하는 루프실과, 상기 제2유동층의 토출부 측에 구비되어 상기 제2유동층에서 부유된 기체, 고체 중 기체를 제2기체배출관을 통해 배출시키는 제2사이클론과을 갖는 다탑 유동층 시스템으로서, 압력을 상승시키는 과정과 고압 상태에서 제1유동층과 제2유동층 사이에 발생할 수 있는 차압변화에 대응할 수 있는 차압제어장치에 있어서, 상기 제1유동층의 내부압력을 실시간으로 측정하는 제1압력측정부; 제1유동층과 제2유동층 사이의 차압값을 실시간으로 측정하는 차압측정부; 및 상기 제1기체배출관 일측에 구비되며, 상기 제1압력측정부에서 측정된 값을 기반으로 제1유동층의 압력을 조절하는 제1압력제어밸브; 및 상기 차압측정부에서 측정된 차압값을 기반으로 제2유동층의 압력을 조절하는 제2압력제어밸브를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 다탑 유동층의 차압제어장치로서 달성될 수 있다.

또한, 상기 제1압력측정부에서 측정된 현재 압력값을 기반으로 상기 제1압력제어밸브를 제어하고, 상기 차압측정부에서 측정된 현재 차압값을 기반으로 제2압력제어밸브를 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 제1압력제어밸브는, 목표 압력값을 설정받고, 제1압력측정부에서 측정된 현재 압력값이 목표 압력값과 상이한 경우, 제어부는 현재 압력값이 목표 압력값이 되도록 상기 제1압력제어밸브를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 제2압력제어밸브는, 목표 차압값을 설정받고, 차압측정부에서 측정된 현재 차압값이 목표 차압값과 상이한 경우, 제어부는 현재 차압값이 목표 차압값이 되도록 상기 제2압력제어밸브를 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 각각에 유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 복수의 유동층과, 상기 유동층 각각의 토출부 측에 구비되어 상기 유동층에서 부유된 기체, 고체 중 기체를 기체배출관을 통해 배출시키는 복수의 사이클론과, 상기 유동층 사이에 구비되어 복수의 유동층 사이의 기체 혼합과 고체 역흐름을 방지하는 루프실을 갖는 다탑 유동층 시스템으로서, 압력을 상승시키는 과정과 고압 상태에서 유동층 사이에 발생할 수 있는 차압변화에 대응할 수 있는 차압제어방법에 있어서, 압력측정부에서 측정된 압력값을 기반으로 제어되는 압력제어밸브의 작동방법은, 압력제어밸브가 목표 압력값을 설정받는 단계와, 상기 압력측정부가 유동층의 내부압력을 실시간으로 측정하는 단계와, 현재 압력값이 상기 목표 압력값과 상이한 경우 상기 현재 압력값이 상기 목표 압력값에 도달하도록 제어부가 상기 압력제어밸브를 제어하는 단계를 포함하고, 차압측정부에서 측정된 차압값을 기반으로 제어되는 압력제어밸브의 작동방법은, 압력제어밸브가 목표 차압값을 설정받는 단계와, 상기 차압측정부가 유동층 사이의 현재 차압값을 실시간으로 측정하는 단계와, 상기 차압측정부에서 측정된 현재 차압값이 목표 차압값과 상이한 경우, 제어부는 현재 차압값이 목표 차압값이 되도록 상기 압력제어밸브를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 다탑 유동층의 차압제어방법으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제4목적은, 다탑 유동층 시스템에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 차압제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 다탑 유동층 시스템으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 제5목적은, 다탑 유동층 시스템에 있어서, 앞서 언급한 제2목적에 따른 차압제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 다탑 유동층 시스템으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 루프실의 길이 증가 없이도 두 유동층 사이의 차압 변화를 상쇄할 수 있으며, 제1유동층(20)의 압력이 상승하는 과정에서 제2유동층(30)은 목표 차압값을 유지하면서 함께 압력이 상승되고 고압 조건에서 제1유동층(20)의 압력이 순간적으로 변화하는 경우에도 제2유동층(30)은 목표 차압값을 유지하면서 고압조건을 유지하므로 안정적인 조업이 가능한 효과를 갖는다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따르면, 2탑 유동층 시스템의 압력을 상승시키는 과정에서 제1압력제어밸브가 지속적으로 밸브를 닫은 상태로 유지되는 경우에도 차압이 발생하면 제2압력제어밸브가 구동될 수 있으며, 이를 통해 두 유동층 사이의 차압이 해소될 수 있으며, 또한 단계적으로 목표 압력값을 입력하는 기존 방법에 비해 간편하고 빠르게 압력을 상승시킬 수 있고 2탑 유동층 시스템의 압력을 하강시키는 과정에서도 원하는 차압을 유지할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 명세서에 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 일실시예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 그러한 도면에 기재된 사항에만 한정되어 해석 되어서는 아니 된다.
도 1은 다탑 연결 유동층 시스템의 부분 구성도,
도 2는 압력제어장치를 갖는 다탑 유동층 시스템의 구성도,
도 3은 제1유동층의 압력이 제2유동층의 압력보다 큰 경우의 루프실의 단면도,
도 4는 제2유동층의 압력이 제1유동층의 압력보다 큰 경우의 루프실의 단면도,
도 5는 제2유동층의 압력이 제1유동층의 압력보다 커서 루프실의 고체층이 제1사이클론 고체토출부를 폐쇄시킨 상태의 단면도,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차압제어장치를 갖는 다탑 유동층 시스템의 구성도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 8a은 본 발명의 일실시예에 따른 제1압력제어밸브의 제어방법 흐름도,
도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2압력제어밸브의 제어방법 흐름도를 도시한 것이다.

이상의 본 발명의 목적들, 다른 목적들, 특징들 및 이점들은 첨부된 도면과 관련된 이하의 바람직한 실시예들을 통해서 쉽게 이해될 것이다. 그러나 본 발명은 여기서 설명되는 실시예들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 오히려, 여기서 소개되는 실시예들은 개시된 내용이 철저하고 완전해질 수 있도록 그리고 통상의 기술자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 제공되는 것이다.

본 명세서에서, 어떤 구성요소가 다른 구성요소 상에 있다고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 형성될 수 있거나 또는 그들 사이에 제 3의 구성요소가 개재될 수도 있다는 것을 의미한다. 또한 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.

본 명세서에서 기술하는 실시예들은 본 발명의 이상적인 예시도인 단면도 및/또는 평면도들을 참고하여 설명될 것이다. 도면들에 있어서, 막 및 영역들의 두께는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다. 따라서 제조 기술 및/또는 허용 오차 등에 의해 예시도의 형태가 변형될 수 있다. 따라서 본 발명의 실시예들은 도시된 특정 형태로 제한되는 것이 아니라 제조 공정에 따라 생성되는 형태의 변화도 포함하는 것이다. 예를 들면, 직각으로 도시된 영역은 라운드지거나 소정 곡률을 가지는 형태일 수 있다. 따라서 도면에서 예시된 영역들은 속성을 가지며, 도면에서 예시된 영역들의 모양은 소자의 영역의 특정 형태를 예시하기 위한 것이며 발명의 범주를 제한하기 위한 것이 아니다. 본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.

본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

아래의 특정 실시예들을 기술하는데 있어서, 여러 가지의 특정적인 내용들은 발명을 더 구체적으로 설명하고 이해를 돕기 위해 작성되었다. 하지만 본 발명을 이해할 수 있을 정도로 이 분야의 지식을 갖고 있는 독자는 이러한 여러 가지의 특정적인 내용들이 없어도 사용될 수 있다는 것을 인지할 수 있다. 어떤 경우에는, 발명을 기술하는 데 있어서 흔히 알려졌으면서 발명과 크게 관련 없는 부분들은 본 발명을 설명하는데 있어 별 이유 없이 혼돈이 오는 것을 막기 위해 기술하지 않음을 미리 언급해 둔다.

본 발명의 일실시예에서는, 다탑 유동층 시스템(100)에서 압력을 상승시키는 과정에서 두 유동층 사이에 발생할 수 있는 차압 변화에 대응하면서 안정적인 압력 상응 또는 압력 유지가 가능한 방법을 제시한다.

이하에서는 본 발명의 일실시예에 따른 고압 다탑 유동층의 차압제어장치의 구성 및 기능 그리고 차압제어방법에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

이하에서 설명되는 차압제어장치는 2탑 연결 순환 유동층 시스템에 적용되는 것을 실시예로 설명하지만, 2 이상의 유동층이 연결된 시스템에도 적용될 수 있음은 자명하다.

먼저, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 차압제어장치를 갖는 다탑 유동층 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(150)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다.

도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 차압제어장치가 적용되는 고압 다탑 유동층 시스템(100)은, 앞서 언급한 바와 같이, 제1유동층(20) 하단의 제1유동화기체유입부(21)를 통해 제1유동화기체가 주입되어 제1유동층(20) 내의 고체입자가 부유하여 비산되고, 비산된 기체와 고체의 혼합물은 토출부(22)를 통해 토출되어 제1사이클론(50)으로 유입되게 됨을 알 수 있다. 제1사이클론(50)에서 고체입자가 분리되어, 기체는 기체토출부(52)를 통해 제1기체배출관(70)으로 토출되어 배출된다.

또한, 제1사이클론(50)의 고체토출부(51)를 통해 토출된 고체는 루프실(40)로 유입되어, 루프실(40) 하부의 제3유동화기체유입부(41)를 통해 주입되는 제3유동화기체에 의해 유동화되며, 고체의 지속적인 주입에 의해 주입되는 고체량만큼 고체공급관(42)을 통해 제2유동층(30)으로 유입되게 된다. 제2유동층(30)의 하단의 제2유동화기체 유입부(31)를 통해 제2유동화기체가 주입되어 유동화된 후, 고체배출관(33)을 통해 제1유동층(20)으로 재순환된다.

그리고, 제2유동층(30)에서 부유되어 비산된 기체와 고체 혼합물은 토출부(32)를 통해 제2사이클론(60)으로 유입되고 제2사이클론(60)에서 고체입자가 분리되어 하부의 고체순환관(63)을 통해 제2유동층(30)으로 재순환되고 기체는 기체토출부(62)를 통해 토출되게 된다. 또한, 제2사이클론(60)의 기체토출부(62)를 통해 기체는 제2기체배출관(80)으로 토출되어 배출된다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 차압제어장치는 도 6에 도시된 바와 같이, 고압에서 조업되는 다탑 유동층 시스템(100)의 압력을 상승시키는 과정에서 제1유동층(20)과 제2유동층(30) 사이에 발생할 수 있는 차압변화에 대응하면서 안정적인 압력상승 또는 압력 유지가 가능하게 하기 위한 방법을 제시하게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 차압제어장치는 도 6에 도시된 바와 같이, 제1유동층(20)의 내부압력을 실시간으로 측정하는 제1압력측정부(110)를 포함하고, 또한, 제1유동층(20)과 제2유동층(30) 사이의 차압값을 실시간으로 측정하는 차압측정부(130)를 포함하여 구성된다. 구체적 실시예에서 차압측정부(130)의 (+)측은 제1유동층(20)에 연결하고 (-)측은 제2유동층(30)에 연결하여 두 유동층 사이의 차압을 측정한다.

또한, 제1기체배출관(70) 일측에 구비된 제1압력제어밸브(111)는, 제1압력측정부(110)에서 측정된 값을 기반으로 제1유동층(20)의 압력을 조절하게 되고, 제2기체배출관(80) 일측에 구비된 제2압력제어밸브(121)는 차압측정부(130)에서 측정된 차압값을 기반으로 제2유동층(30)의 압력을 조절하게 된다.

즉, 제어부(150)는 도 7에 도시된 바와 같이, 제1압력측정부(110)에서 측정된 현재 압력값을 기반으로 제1압력제어밸브(111)를 제어하고, 상기 차압측정부(130)에서 측정된 현재 차압값을 기반으로 제2압력제어밸브(121)를 제어하게 된다.

이하에서는 제1압력제어밸브(111)의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 8a는 본 발명의 일실시예에 따른 제1압력제어밸브(111)의 제어방법 흐름도를 도시한 것이다.

제1압력제어밸브(111)는 도 8a에 도시된 바와 같이, 제1압력제어밸브(111)가 목표 압력값을 설정받게 된다(S1), 그리고, 제1압력측정부(110)가 유동층의 내부압력을 실시간으로 측정하게 된다(S2).

그리고, 현재 압력값이 목표 압력값과 상이한 경우(S3), 현재 압력값이 목표 압력값에 도달하도록 제어부(150)가 제1압력제어밸브(111)를 제어하게 된다(S4).

즉, 제1압력제어밸브(111)는 도 2에 도시된 기존 방법과 마찬가지로 목표 압력값(P_SP)을 입력하고, 제1압력측정부(110)로부터 현재 압력값(P_PV)을 수신하여 목표 압력값에 비해 현재 압력값이 낮은 경우(P_SP > P_PV)에는 제1압력제어밸브(111)의 개구비를 감소시켜 제1유동층(20)의 내부압력이 증가하도록 한다. 또한, 목표 압력값에 비해 현재 압력값이 높은 경우(P_SP < P_PV)에는 제1압력제어밸브(111)의 개구비를 증가시켜 제1유동층(20)의 내부압력이 감소되도록 한다.

이하에서는 제2압력제어밸브(121)의 작동방법에 대해 설명하도록 한다. 도 8b는 본 발명의 일실시예에 따른 제2압력제어밸브(121)의 제어방법 흐름도를 도시한 것이다.

차압측정부(130)(differential pressure sensor)에서 측정된 차압값을 기반으로 제어되는 제2압력제어밸브(121)의 작동방법은, 먼저, 제2압력제어밸브(121)가 목표 차압값을 설정받게 되고(S10), 차압측정부(130)가 유동층 사이의 현재 차압값을 실시간으로 측정하게 된다(S20).

그리고, 차압측정부(130)에서 측정된 현재 차압값이 목표 차압값과 상이한 경우(S30), 제어부(150)는 현재 차압값이 목표 차압값이 되도록 제2압력제어밸브(121)를 제어하게 된다(S40).

즉, 제2압력제어밸브(121)는 차압측정부(130)에서 측정한 차압에 의해 구동된다. 먼저 루프실에서 상쇄할 수 있는 차압 범위 이내의 값으로 목표 차압값(P_TD, target differential pressure value)을 입력한다.

압력의 변화, 기체유량의 변화, 제1압력제어밸브(111)의 구동 등에 의해 두 유동층 사이의 현재 차압값(P_PD, present differential pressure value)이 목표 차압값을 벗어나게 되면 제2압력제어밸브(121)가 구동하게 된다.

보다 상세하게 설명하면, 제2압력제어밸브(121)는 현재 차압값(P_PD)과 목표 차압값(P_TD)의 차이(P_D=P_PD-P_TD)가 (+)인 경우에는 제2압력제어밸브(121)의 개구비를 감소시키고, (-)인 경우에는 제2압력제어밸브(121)의 개구비를 증가시킨다.

예를 들어 현재 차압값이 0.02 bar(P_PD=0.02)이고 목표 차압값이 0 bar(P_TD=0)인 경우, P_D는 (+)이므로 목표 차압값에 접근할 때까지 제2압력제어밸브(121)의 개구비는 감소하게 되며, 제2유동층(30)의 압력이 증가하므로 현재 차압값(P_PD)은 감소하게 된다.

다른 예로 현재 차압값이 0.02 bar이고, 목표 차압값이 0.04 bar인 경우, P_D는 (-)이므로 제2압력제어밸브(121)의 개구비를 증가시켜 현재 차압값을 증가시키게 된다.

본 발명의 실시예에서 제1유동층(20)은 현재 압력값을 이용하여 제1압력조절밸브를 제어하고, 제2유동층(30)은 현재 차압을 이용하여 제2압력조절밸브를 제어하는 방법을 설명하였으나 이와 반대로 제 2 유동층은 현재 압력값을 이용하여 제 2 압력조절밸브를 제어하고, 제1유동층(20)은 현재 차압을 이용하여 제1압력조절밸브를 제어하는 방법도 사용할 수 있으며, 3탑 이상의 다탑유동층의 경우에는 압력제어와 차압제어를 적절하게 분배하여 사용할 수 있다.

또한 도 2에 도시된 시스템에 도 6에 도시된 시스템을 함께 사용하여(즉, 압력측정부 2개(제1압력측정부(110), 제2압력측정부(120))와, 차압측정부(130) 1개 동시 사용), 압력을 증가시키는 과정에서는 도 6에 설명한 차압제어 방식을 사용하고, 압력이 안정화된 경우에는 도 2에 설명한 압력제어 방식을 사용할 수도 있다.

또한, 도 6에서 차압측정부(130)가 제1압력제어밸브(111)와 제2압력제어밸브(121) 전단에 연결한 경우만을 설명하였으나 다탑 유동층 시스템에서 각 유동층 사이의 차압을 측정할 수 있는 다른 위치에 연결하는 것도 가능하며 (+), (-)측의 방향이 바뀌어도 무방하다.

또한, 상기와 같이 설명된 장치 및 방법은 상기 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.

20:제1유동층
21:제1유동화기체 유입부
22:제1유동층 토출부
30:제2유동층
31:제2유동화기체 유입부
32:제2유동층 토출부
33:고체배출관
40:루프실
41:제3유동화기체 유입부
42:고체공급관
50:제1사이클론
51:제1사이클론 고체토출부
52:제1사이클론 기체토출부
60:제2사이클론
61:제2사이클론 고체토출부
62:제2사이클론 기체토출부
63:고체순환관
70:제1기체배출관
80:제2기체배출관
100:다탑 유동층 시스템
110:제1압력측정부
111:제1압력제어밸브
120:제2압력측정부
121:제2압력제어밸브
130:차압측정부
150:제어부

Claims (11)

1. 제1유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 제1유동층과, 제2유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 제2유동층과, 상기 제1유동층의 토출부 측에 구비되어 상기 제1유동층에서 부유된 기체, 고체 중 기체를 제1기체배출관을 통해 배출시키는 제1사이클론과, 상기 제1유동층과 제2유동층 사이에 구비되어 기체 혼합과 고체 역흐름을 방지하는 루프실과, 상기 제2유동층의 토출부 측에 구비되어 상기 제2유동층에서 부유된 기체, 고체 중 기체를 제2기체배출관을 통해 배출시키는 제2사이클론을 갖는 다탑 유동층 시스템으로서, 압력을 상승시키는 과정과 고압 상태에서 제1유동층과 제2유동층 사이에 발생할 수 있는 차압변화에 대응할 수 있는 차압제어장치에 있어서,
   상기 제1유동층의 내부압력을 실시간으로 측정하는 제1압력측정부;
   제1유동층과 제2유동층 사이의 차압값을 실시간으로 측정하는 차압측정부;
   상기 제1기체배출관 일측에 구비되며, 상기 제1압력측정부에서 측정된 값을 기반으로 제1유동층의 압력을 조절하는 제1압력제어밸브;
   상기 제2기체배출관 일측에 구비되며, 상기 차압측정부에서 측정된 차압값을 기반으로 제2유동층의 압력을 조절하는 제2압력제어밸브; 및
   상기 제1압력측정부에서 측정된 현재 압력값을 기반으로 상기 제1압력제어밸브를 제어하고, 상기 차압측정부에서 측정된 현재 차압값을 기반으로 제2압력제어밸브를 제어하는 제어부를 포함하고,
   제1압력제어밸브는, 목표 압력값을 설정받고, 제1압력측정부에서 측정된 현재 압력값이 목표 압력값과 상이한 경우, 제어부는 현재 압력값이 목표 압력값이 되도록 상기 제1압력제어밸브를 제어하고,
   제2압력제어밸브는, 목표 차압값을 설정받고, 차압측정부에서 측정된 현재 차압값이 목표 차압값과 상이한 경우, 제어부는 현재 차압값이 목표 차압값이 되도록 상기 제2압력제어밸브를 제어하는 것을 특징으로 하는 고압 다탑 유동층의 차압제어장치.
   
2. 제1유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 제1유동층과, 제2유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 제2유동층과, 상기 제1유동층의 토출부 측에 구비되어 상기 제1유동층에서 부유된 기체, 고체 중 기체를 제1기체배출관을 통해 배출시키는 제1사이클론과, 상기 제1유동층과 제2유동층 사이에 구비되어 기체 혼합과 고체 역흐름을 방지하는 루프실과, 상기 제2유동층의 토출부 측에 구비되어 상기 제2유동층에서 부유된 기체, 고체 중 기체를 제2기체배출관을 통해 배출시키는 제2사이클론을 갖는 다탑 유동층 시스템으로서, 압력을 상승시키는 과정과 고압 상태에서 제1유동층과 제2유동층 사이에 발생할 수 있는 차압변화에 대응할 수 있는 차압제어방법에 있어서,
   제1압력측정부에서 측정된 압력값을 기반으로 제어되는 제1압력제어밸브의 작동방법은,
   제1압력제어밸브가 목표 압력값을 설정받는 단계와, 상기 제1압력측정부가 제1유동층의 내부압력을 실시간으로 측정하는 단계와, 현재 압력값이 상기 목표 압력값과 상이한 경우 상기 현재 압력값이 상기 목표 압력값에 도달하도록 제어부가 상기 제1압력제어밸브를 제어하는 단계를 포함하고.
   차압측정부에서 측정된 차압값을 기반으로 제어되는 제2압력제어밸브의 작동방법은,
   제2압력제어밸브가 목표 차압값을 설정받는 단계와, 상기 차압측정부가 제1유동층과 제2유동층 사이의 현재 차압값을 실시간으로 측정하는 단계와, 상기 차압측정부에서 측정된 현재 차압값이 목표 차압값과 상이한 경우, 제어부는 현재 차압값이 목표 차압값이 되도록 상기 제2압력제어밸브를 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 다탑 유동층의 차압제어방법.
   
3. [청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

   다탑 유동층 시스템에 있어서,
   제 1항에 따른 차압제어장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 다탑 유동층 시스템.
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