KR101823643B1 - 상압 다탑 유동층의 차압조절방법, 차압조절장치, 그 차압조절장치를 갖는 다탑 유동층 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상압 다탑 유동층의 차압조절방법, 차압조절장치, 그 차압조절장치를 갖는 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 시스템에서, 복수의 유동층 간의 차압을 조절하기 위한 장치에 있어서, 상부측에 개방부를 갖고, 내부에 저장액이 저장된 차압보상용 액체탱크; 및 상기 차압보상용 액체탱크의 저장액으로 적어도 어느 하나가 침지되는 복수의 기체배출관;을 포함하여, 상기 저장액에 침지된 기체배출관의 높이에 따라 상기 유동층 간의 압력차인 차압을 조절하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절장치에 관한 것이다.

Description

상압 다탑 유동층의 차압조절방법, 차압조절장치, 그 차압조절장치를 갖는 다탑 유동층 시스템{Method and Apparatus for Adjustment of Pressure Difference in Multi Fluidized Beds System at Ambient Pressure, and Multi Fluidized Beds System including the Apparatus for Adjustment}

본 발명은 상압 다탑 유동층의 차압조절방법, 차압조절장치, 그 차압조절장치를 갖는 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 제 2 유동층의 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 다탑 유동층 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이 실제 다탑 유동층 시스템(100)에서는 제1사이클론(50)의 기체토출부(52)와 제2사이클론(60)의 기체토출부(62)를 통해 토출되는 기체의 미분(fine)의 제거를 위해서 필터(filter)를 사용하는 경우가 많으며, 배출기체에 수분이 포함된 경우 또는 배출기체의 온도가 높을 경우에는 열교환기를 설치하는 경우도 있으며, 열교환기 하부에는 응축수(condensed water)를 저장하기 위한 응축수 저장조가 설치되는 경우도 있다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 제1사이클론(50)의 기체토출부(52)에서 토출된 기체는 제1필터(71)를 통과하며 미분이 제거되고, 제1열교환기(72)를 거치면서 온도를 조절하게 되며 제1응축수저장조(73)가 설치되게 되고, 제2사이클론의 기체토출부(62)에서 토출된 기체역시 제2필터(81)를 통과하며 미분이 제거되고, 제2열교환기(82)를 거치면서 온도를 조절하게 되며, 제2응축수저장조(83)가 설치됨을 알 수 있다.

이와 같이 제1사이클론 후단 및 제2사이클론 후단에 여러 가지 설비들이 추가되면 기체배출 배관이 복잡해지고, 필터, 열교환기, 응축수 저장조 등을 거치면서 압력강하(pressure drop)가 발생하게 되며, 제1기체배출관(74)에 걸리는 압력(P1)과 제2기체배출관(84)에 걸리는 압력(P2)이 서로 다르게 형성될 수 있다.

일반적으로 제1유동층(20)에 주입된 제1유동화기체가 반응을 거친 후 제1기체배출관(74)(vent 1)을 통해 배출되는 기체량과 제2유동층(30)에 주입된 제2유동화기체가 반응을 거친 후 제2기체배출관(84)(vent 2)을 통해 배출되는 기체량이 상이한 경우가 많으므로 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)을 통한 압력강하가 상이한 경우가 대부분이며, 미분이 많이 발생하는 경우에는 시간이 경과함에 따라 필터를 통한 압력강하가 증가하므로 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)을 통한 압력강하가 변화하게 된다.

이와 같이 배관, 필터, 열교환기, 응축수 저장조 등을 통한 압력강하가 상이할 경우에는 두 반응기 사이에 차압(pressure difference)이 발생하게 되며, 다탑 유동층에서 두 반응기 사이에 발생하는 차압은 루프실(40)에 존재하는 고체층의 높이로 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 두 유동층 사이에 기체누설이 발생하거나 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.

도 6은 차압조절을 위해 압력제어밸브가 적용된 다탑 유동층 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 도 6에 도시된 바와 같이, 또 다른 방법으로는 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84) 후단 각각에 제1,제2압력제어밸브(pressure control valve)(75,85)를 설치하여 인위적으로 두 반응기 사이의 차압을 조절하는 방법을 사용하고 있다.

하지만 이러한 압력제어밸브를 사용하는 경우 비용이 많이 들며, 두 반응기 사이의 차압을 제어하기 위해 기체배출관의 단면적을 변화시키는 방법을 사용하므로 원하지 않더라도 두 반응기에 작용하는 압력이 증가할 수 있다.

만일 전체 시스템의 조업 압력이 고압인 경우에는 압력제어 밸브를 이용한 차압 제어가 용이할 수 있으나 상압 또는 낮은 압력에서 조업되는 시스템의 경우 압력제어밸브에 의해 전체 시스템의 압력이 증가할 수 있으며 이로 인해 상압 또는 낮은 압력에서 조업하기 위해 설계된 반응기의 안전성에도 문제가 있을 수 있다.

결과적으로 두 유동층 반응기 사이의 차압을 해소할 수 있으면서도, 비용이 많이 들지 않고, 유동층 반응기의 내부압력이 크게 증가하지 않는 기술이 요구되었다.

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, 차압 보상용 액체 탱크를 이용하여 두 유동층 반응기 사이의 차압을 해소할 수 있으면서도, 비용이 많이 들지 않고, 유동층 반응기의 내부압력이 크게 증가하지 않는 상압 다탑 유동층의 차압조절방법, 조절장치, 그 조절장치를 갖는 유동층 시스템을 제공하는데 그 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 시스템에서, 복수의 유동층 간의 차압을 조절하기 위한 장치에 있어서, 상부측에 개방부를 갖고, 내부에 저장액이 저장된 차압보상용 액체탱크; 및 차압보상용 액체탱크의 저장액으로 적어도 어느 하나가 침지되는 복수의 기체배출관;을 포함하여, 상기 저장액에 침지된 기체배출관의 높이에 따라 상기 유동층 간의 압력차인 차압을 조절하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절장치로서 달성될 수 있다.

또한, 복수의 상기 기체배출관 각각을 길이방향으로 이동시켜, 상기 저장액에 침지되는 기체배출관의 높이를 조절하는 높이조절수단을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 복수의 상기 기체배출관 각각의 압력을 실시간으로 측정하는 압력측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한,상기 압력측정부에서 측정된 압력값을 기반으로 복수의 유동층 간의 차압을 실시간으로 측정하는 차압측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 차압측정부에서 측정된 차압에 기반하여, 복수의 기체배출관이 저장액에 침지된 높이차를 연산하고, 연산된 높이차를 생성하도록 상기 높이조절수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 상기 제어부는 하기의 수학식 1에 의해 차압에 기반한 높이차를 연산하는 것을 특징으로 할 수 있다.

[수학식 1]

상기 수학식 1에서, P_H는 차압, P_a는 대기압, ρ는 저장액의 밀도, g는 중력가속도, △H는 높이차, g_c는 중력가속도 상수이다.

그리고, 복수의 상기 기체배출관 각각의 일측에 구비되어 높이조절수단에 의한 상기 기체배출관의 길이방향이동을 가이드하는 가이드부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 복수의 상기 기체배출관 각각에서 배출되는 기체의 혼합을 방지하기 위해, 상기 차압보상용 액체탱크 내를 구획하는 적어도 하나의 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 제어부는, 압력측정부에서 측정된 복수의 기체배출관 각각의 압력값과, 상기 차압측정부에서 측정된 차압, 및 연산된 높이차를 실시간으로 디스플레이하는 디스플레이부를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제2목적은, 각각에 유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 복수의 유동층과, 상기 유동층 각각의 토출부 측에 구비되어 상기 유동층에서 부유되어 토출된 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 시스템에서, 복수의 유동층 간의 차압을 조절하기 위한 방법에 있어서, 상부측에 개방부를 갖고, 내부에 저장액이 저장된 차압보상용 액체탱크 내부로 복수의 기체배출관을 삽입시키는 단계; 및 상기 유동층 간의 압력차인 차압을 조절하기 위해, 상기 저장액에 침지된 기체배출관의 높이를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절방법으로서 달성될 수 있다.

그리고, 상기 조절하는 단계는, 복수의 상기 기체배출관 각각을 길이방향으로 이동시키는 높이조절수단에 의해 상기 저장액에 침지되는 기체배출관의 높이를 조절하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 압력측정부가 복수의 상기 기체배출관 각각의 압력을 실시간으로 측정하는 단계; 및 차압측정부가 상기 압력측정부에서 측정된 압력값을 기반으로 복수의 유동층 간의 차압을 실시간으로 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

그리고, 상기 조절하는 단계는, 제어부가 상기 차압측정부에서 측정된 차압에 기반하여, 복수의 기체배출관이 저장액에 침지된 높이차를 연산하고, 연산된 높이차를 생성하도록 상기 높이조절수단을 제어하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또한, 디스플레이부가 상기 압력측정부에서 측정된 복수의 기체배출관 각각의 압력값과, 상기 차압측정부에서 측정된 차압, 및 연산된 높이차를 실시간으로 디스플레이하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

본 발명의 제3목적은, 다탑 유동화 시스템에 있어서, 앞서 언급한 제1목적에 따른 차압조절장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차압조절장치를 갖는 다탑 유동층 시스템으로서 달성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따르면, 차압 보상용 액체 탱크를 이용하여 두 유동층 반응기 사이의 차압을 해소할 수 있으면서도, 비용이 많이 들지 않고, 유동층 반응기의 내부압력이 크게 증가하지 않는 효과를 갖는다.

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 종래 다탑 연결 유동층 시스템의 부분 구성도,
도 2는 종래 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 차압조절을 위해 압력제어밸브가 적용된 다탑 유동층 시스템의 구성도,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절장치를 갖는 다탑 유동층 시스템의 구성도,
도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)이 동일한 높이로 차압보상용 액체탱크의 저장액에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도,
도 9a는 제1유동층의 압력이 제2유동층의 압력보다 큰 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 제2기체배출관(84)만이 H높이로 차압보상용 액체탱크의 저장액에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도,
도 9b는 제1유동층의 압력이 제2유동층의 압력보다 큰 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 제1기체배출관(74)은 H1 높이만큼, 제2기체배출관(84)은 H2높이로 차압보상용 액체탱크의 저장액에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도,
도 10a는 제2유동층의 압력이 제1유동층의 압력보다 큰 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 제1기체배출관(74)만이 H높이로 차압보상용 액체탱크의 저장액에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도,
도 10b는 제2유동층의 압력이 제1유동층의 압력보다 큰 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 제2기체배출관(84)은 H1 높이만큼, 제1기체배출관(74)은 H2높이로 차압보상용 액체탱크의 저장액에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)이 가이드부에 장착되고, 높이조절수단에 의해 높이가 조절될 수 있는 차압조절장치의 단면도,
도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)이 동일한 높이로 격벽이 설치된 차압보상용 액체탱크의 저장액에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도,
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부의 신호흐름을 나타낸 블록도,
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 상압 다탑 유동층의 차압조절방법의 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.

이하에서는 본 발명의 일실시에에 따른 다탑 유동층 시스템(100)에 적용되는 차압조절장치의 구성 및 기능에 대해 설명하도록 한다. 이하에서 설명되는 차압조절장치는 2탑연결 순환 유동층 시스템(100)에 적용되는 것을 실시예로 설명하지만, 2이상의 유동층이 연결된 시스템에도 적용될 수 있음은 자명하다.

먼저, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절장치를 갖는 다탑 유동층 시스템(100)의 구성도를 도시한 것이다. 그리고, 도 8은 본 발명의 일실시예에 따라 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)이 동일한 높이로 차압보상용 액체탱크(110)의 저장액(111)에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 차압조절장치가 적용되는 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 토출되어 제1필터(71)와 제1열교환기(72)와 제1응축수저장조(73)를 거쳐 제1기체배출관(74)을 통해 배출되게 된다.

또한, 제1사이클론(50)의 고체토출부(51)를 통해 토출된 고체는 지그재그 형태로 절곡된 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 순환된다.

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 순환되고 기체는 기체토출부(62)를 통해 토출되게 된다.

앞서 언급한 바와 같이, 제1사이클론(50)과 기체토출부(52)를 통해 토출된 기체는 제1필터(71), 제1열교환기(72), 제1응축수저장조(73)를 거쳐 제1기체배출관(74)을 통해 배출되어질 수 있고, 제2사이클론(60)의 기체토출부(62)를 통해 토출된 기체 역시 제2필터(81), 제2열교환기(82), 제2응축수저장조(83)를 거쳐 제2기체배출관(84)을 통해 배출될 수 있다.

그리고, 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절장치는 도 7에 도시된 바와 같이, 이러한 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)을 통해 배출되어지는 기체의 압력차 즉 제1유동층(20)과 제2유동층(30) 간의 차압을 조절하기 위한 장치이다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절장치는, 상부측에 개방부를 갖고, 내부에 저장액(111)이 저장된 차압보상용 액체탱크(110)를 포함하여 구성된다.

즉, 이러한 차압보상용 액체탱크(110) 내로 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)을 삽입하여 차압을 조절하게 된다. 제1유동층(20)과 제2유동층(30) 사이의 차압이 발생하지 않는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이, 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)이 저장액(111) 내로 침지된 높이를 동일하게 유지하거나, 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84) 모두를 차압보상용 액체탱크(110) 내의 저장액(111) 내로 침지시키지 않은 상태로 운전하게 된다.

도 9a는 제1유동층(20)의 압력이 제2유동층(30)의 압력보다 큰 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 제2기체배출관(84)만이 H높이로 차압보상용 액체탱크(110)의 저장액(111)에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 9a에 도시된 바와 같이, 제1압력측정부(151)에 의해 측정된 압력값(P1)과 제2압력측정부(152)에서 측정된 압력값(P2)의 차압(△P = P1 - P2)이 (+)인 경우, 즉, P1이 P2보다 큰 경우에는 도 9a에 도시된 바와 같이, 제2기체배출관(84)만을 H높이 만큼 차압보상용 액체탱크(110)의 저장액(111)에 침지시켜 차압을 보상하게 됨을 알 수 있다.

이때 제2기체배출관(84)이 차압보상용 액체탱크(110)에 잠기게 되는 깊이(H)에 따라 제2기체배출관(84) 후단에 작용하는 최종압력이 변화되며, 일반적으로 차압과 침지되는 기체배출관의 높이는 이하의 수학식 1과 같은 관계식으로 정의될 수 있다.

수학식 1에서, P_H1은 H1만큼의 액체 높이에 의해 작용하는 압력, P_a는 대기압, ρ는 저장액(111)의 밀도, g는 중력가속도, H1은 제2기체배출관(84)이 저장액(111)에 침지된 높이, g_c는 중력가속도 상수이다.

결과적으로 제2기체배출관(84)의 끝을 차압인 △P와 P_H1이 같아지는 깊이 H1 만큼을 잠기게 하면, 제1유동층(20)과 제2유동층(30) 사이의 차압이 상쇄되도록 조업할 수 있게 된다.

도 9b는 제1유동층(20)의 압력이 제2유동층(30)의 압력보다 큰 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 제1기체배출관(74)은 H1 높이만큼, 제2기체배출관(84)은 H2높이로 차압보상용 액체탱크(110)의 저장액(111)에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도를 도시한 것이다.

도 9b에 도시된 바와 같이, 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84) 모두를 차압보상용 액체탱크(110)에 잠기도록 할 수 있으며, 이 경우에는 이하의 수학식 2에 의해, 제1기체배출관(74)이 잠겨있는 깊이(H1)와 제2기체배출관(84)이 잠겨있는 깊이(H2)의 차이 △H(=H2-H1)에 의한 차압이 제1유동층(20)과 제2유동층(30) 사이의 차압과 동일하게 되도록 운전할 수 있다.

수학식 1에서, △P_H는 차압, P_a는 대기압, ρ는 저장액(111)의 밀도, g는 중력가속도, △H는 높이차, g_c는 중력가속도 상수이다.

도 10a는 제2유동층(30)의 압력이 제1유동층(20)의 압력보다 큰 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 제1기체배출관(74)만이 H1높이로 차압보상용 액체탱크(110)의 저장액(111)에 삽입된 상태의 차압조절장치의 단면도를 도시한 것이다. 그리고, 도 10b는 제2유동층(30)의 압력이 제1유동층(20)의 압력보다 큰 경우, 본 발명의 일실시예에 따라 제2기체배출관(84)은 H1 높이만큼, 제1기체배출관(74)은 H2높이로 차압보상용 액체탱크(110)의 저장액(111)에 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도를 도시한 것이다.

한편, 제1유동층(20)과 제2유동측 사이의 차압(P=P1-P2)이 (-)인 경우, 즉 P2가 P1 보다 큰 경우에는 도 10a에 나타낸 바와 같이 제1기체배출관(74)의 끝을 차압 보상용 액체탱크(110)에 잠기게 하여 차압을 보상할 수 있으며, 도 10b에 도시된 바와 같이 제1기체배출관(74) 및 제2기체배출관(84) 모두를 차압 보상용 액체탱크(110)에 잠기도록 하면서 제1기체배출관(74)이 잠겨있는 깊이(H2)와 제2기체배출관(84)이 잠겨있는 깊이(H1)의 차이(△H)에 의한 차압이 두 반응기 사이의 차압과 동일하게 되도록 설치한 후 운전할 수 있다.

한편, 앞서 언급한 바와 같이, 시간이 경과함에 따라 두 반응기 사이의 차압이 변화하는 경우에는 제 1 기제배출관(74)과 제 2 기체배출관(84)의 높이를 조절할 수 있는 높이 조절수단을 이용하여 수시로 두 반응기 사이의 차압에 대응하도록 각 배출관의 높이를 조절할 수도 있다. 즉, 실시간으로 측정된 차압에 대하여 제어부(170)가 차압을 보상할 수 있는 높이차를 연산하여, 제1높이조절수단(131)과 제2높이조절수단(134)에 의해 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)의 위치를 조절하여, 차압을 실시간으로 조절할 수 있게 된다.

또한, 도 11은 본 발명의 일실시예에 따라 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)에 제1높이조절수단(131)과 제2높이조절수단(134)가 장착되어, 높이조절수단에 의해 높이가 조절될 수 있는 차압조절장치의 단면도를 도시한 것이다. 지지대(120)의 상부측에 제1가이드부(미도시)와 제2가이드부(미도시)를 설치하여, 제1높이조절수단(131)에 의한 제1기체배출관(74)의 길이방향 이동과, 제2높이조절수단(134)에 의한 제2기체배출관(84)의 길이방향 이동을 가이드하도록 구성될 수 있다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절장치는 높이조절수단을 포함하여, 복수의 기체배출관 각각을 길이방향으로 이동시켜, 저장액(111)에 침지되는 기체배출관의 높이를 조절하게 된다.

도 11에 도시된 바와 같이, 2개의 기체배출관 즉, 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)을 포함한 경우, 제1기체배출관(74)을 길이방향으로 이동시키는 제1높이조절수단(131)과 제2기체배출관(84)을 길이방향으로 이동시키는 제2높이조절수단(134)을 포함하여 구성되게 된다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 차압조절장치는 압력측정부를 포함하여, 복수의 기체배출관 각각의 압력을 실시간으로 측정하게 된다. 즉, 제1기체배출관(74)의 압력을 실시간으로 측정하는 제1압력측정부(151)와 제2기체배출관(84)의 압력을 실시간으로 측정하는 제2압력측정부(152)를 포함하게 된다.

본 발명의 일실시예에 따른 차압조절장치에 적용되는 차압보상용 액체탱크(110)를 사용하면, 액체탱크(110)의 상부가 대기압이며, 제1기체배출관(74) 및 제2기체배출관(84)은 두 유동층 사이의 차압에 해당하는 만큼 액체에 잠기게 되고, 그 차압 만큼의 압력만 증가하게 되므로 각 반응기의 압력이 과도하게 증가하지 않는 상태에서 조업이 가능하다.

도 9b와 도 10b에 도시된 바와 같이 제1기체배출관(74) 및 제2기체배출관(84) 모두를 액체탱크(110)에 잠기게 할 경우에도, H1을 최소화하여 압력 증가를 최소화할 수 있다. 또한, 상압 상태의 차압보상용 액체탱크(110) 및 배출관 높이조절수단만 필요하므로 압력제어밸브에 비해 저렴한 비용으로 설치가 가능하다.

본 발명의 일실시예에 따른 차압보상용 액체탱크(110) 내부에 존재하는 저장액(111)은 제1기체배출관(74) 및 제2기체배출관(84)에서 배출되는 기체의 용해도에 따라 적절한 액체를 선정할 수 있다.

도 12는 본 발명의 일실시예에 따라 격벽(121)이 설치된 차압보상용 액체탱크(110)의 저장액(111)에 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)이 삽입된 상태의, 차압조절장치의 단면도를 도시한 것이다. 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)에서 배출되는 기체의 혼합을 최소화하기 위해서는 도 12에 도시된 바와 같이 차압보상용 액체탱크(110) 사이에 격벽(121)을 설치할 수도 있으며, 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)을 별도의 액체 탱크(110)에 잠기도록 구성할 수도 있다.

이하에서는 앞서 언급한 차압보상용 액체탱크(110)를 이용한 차압조절방법에 대해 설명하도록 한다. 먼저, 도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 제어부(170)의 신호흐름을 나타낸 블록도를 도시한 것이다. 그리고, 도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 상압 다탑 유동층의 차압조절방법의 흐름도를 도시한 것이다.

앞서 언급한 바와 같이, 본 발명의 일실시예에서는 복수의 유동층 간의 차압을 조절하기 위한 방법에 대한 것이다. 먼저, 상부측에 개방부를 갖고, 내부에 저장액(111)이 저장된 차압보상용 액체탱크(110) 내부로 복수의 기체배출관을 삽입시키게 된다. 2개의 유동층을 갖는 경우, 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)을 차압보상용 액체탱크(110) 내로 위치하도록 한다.

그리고, 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84) 각각으로 기체가 토출되게 되면(S1), 제1압력측정부(151)는 제1기체배출관(74)의 압력을 실시간으로 측정하게 되고, 제2압력측정부(152)는 제2기체배출관(84)의 압력을 실시간으로 측정하게 된다(S2).

그리고 차압측정부(160)에 의해 측정된 제1기체배출관(74)의 압력과 제2기체배출관(84)의 압력 간의 차압이 발생되는 경우(S3), 제어부(170)는 차압측정부(160)에서 측정된 차압에 기반하여, 이러한 차압을 보상할 수 있는 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)이 저장액(111)에 침지된 높이차를 연산하게 된다(S4).

그리고, 제어부(170)는 제1높이조절수단(130)과 제2높이조절수단(140)을 구동, 제어하여, 제1기체배출관(74)과 제2기체배출관(84)이 저장액(111)에 침지된 높이차가, 연산된 높이차를 생성하도록 한다.

또한, 이러한 단계에서, 디스플레이부(171)는 제1,제2압력측정부(151,152)에서 측정된 제1,제2기체배출관(84) 각각의 압력값과, 차압측정부(160)에서 측정된 차압, 및 연산된 높이차를 실시간으로 디스플레이하도록 구성될 수 있다.

또한, 차압측정부(160)는 제1압력측정부(151)에서 측정된 압력값과 제2압력측정부(152)에서 측정된 압력값을 기반으로 복수의 유동층 간의 차압을 실시간으로 측정하게 된다.

그리고, 제어부(170)는, 차압측정부(160)에서 측정된 차압에 기반하여, 복수의 기체배출관이 저장액(111)에 침지된 높이차를 연산하고, 연산된 높이차를 생성하도록 높이조절수단을 제어하게 된다.

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.

10:다탑 유동층 유닛
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
71:제1필터
72:제1열교환기
73:제1응축수저장조
74:제1기체배출관
75:제1압력제어밸브
81:제2필터
82:제2열교환기
83:제2응축수저장조
84:제2기체배출관
85:제2압력제어밸브
100:다탑 유동층 시스템
110:차압보상용 액체탱크
111:저장액
120:지지대
121:격벽
131:제1높이조절수단
134:제2높이조절수단
151:제1압력측정부
152:제2압력측정부
160:차압측정부
170:제어부
171:디스플레이부

Claims (12)

1. 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 시스템에서, 복수의 유동층 간의 차압을 조절하기 위한 장치에 있어서,
   상부측에 개방부를 갖고, 내부에 저장액이 저장된 차압보상용 액체탱크; 및
   상기 차압보상용 액체탱크의 저장액으로 적어도 어느 하나가 침지되는 복수의 기체배출관;을 포함하여,
   상기 저장액에 침지된 기체배출관의 높이에 따라 상기 유동층 간의 압력차인 차압을 조절하고,
   복수의 상기 기체배출관 각각을 길이방향으로 이동시켜, 상기 저장액에 침지되는 기체배출관의 높이를 조절하는 높이조절수단와, 복수의 상기 기체배출관 각각의 압력을 실시간으로 측정하는 압력측정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절장치.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 압력측정부에서 측정된 압력값을 기반으로 복수의 유동층 간의 차압을 실시간으로 측정하는 차압측정부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절장치.
   
5. 제 4항에 있어서,
   상기 차압측정부에서 측정된 차압에 기반하여, 복수의 기체배출관이 저장액에 침지된 높이차를 연산하고, 연산된 높이차를 생성하도록 상기 높이조절수단을 제어하는 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절장치.
   
6. [청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.]

   제 5항에 있어서,
   상기 제어부는 하기의 수학식 1에 의해 차압에 기반한 높이차를 연산하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절장치:
   [수학식 1]
   

   

   
   상기 수학식 1에서, △P_H는 차압, P_a는 대기압, ρ는 저장액의 밀도, g는 중력가속도, △H는 높이차, g_c는 중력가속도 상수이다.
   
7. 제 1항에 있어서,
   복수의 상기 기체배출관 각각에서 배출되는 기체의 혼합을 방지하기 위해, 상기 차압보상용 액체탱크 내를 구획하는 적어도 하나의 격벽을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절장치.
   
8. 각각에 유동화기체가 주입되어 고체를 유동화시키는 복수의 유동층과, 상기 유동층 각각의 토출부 측에 구비되어 상기 유동층에서 부유되어 토출된 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 시스템에서, 복수의 유동층 간의 차압을 조절하기 위한 방법에 있어서,
   상부측에 개방부를 갖고, 내부에 저장액이 저장된 차압보상용 액체탱크 내부로 복수의 기체배출관을 삽입시키는 단계; 및
   상기 유동층 간의 압력차인 차압을 조절하기 위해, 상기 저장액에 침지된 기체배출관의 높이를 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절방법.
   
9. 제 8항에 있어서,
   상기 조절하는 단계는,
   복수의 상기 기체배출관 각각을 길이방향으로 이동시키는 높이조절수단에 의해 상기 저장액에 침지되는 기체배출관의 높이를 조절하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절방법.
   
10. 제 9항에 있어서,
    압력측정부가 복수의 상기 기체배출관 각각의 압력을 실시간으로 측정하는 단계; 및
    차압측정부가 상기 압력측정부에서 측정된 압력값을 기반으로 복수의 유동층 간의 차압을 실시간으로 측정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절방법.
    
11. 제 10항에 있어서,
    상기 조절하는 단계는,
    제어부가 상기 차압측정부에서 측정된 차압에 기반하여, 복수의 기체배출관이 저장액에 침지된 높이차를 연산하고, 연산된 높이차를 생성하도록 상기 높이조절수단을 제어하는 것을 특징으로 하는 상압 다탑 유동층의 차압조절방법.
    
12. 다탑 유동화 시스템에 있어서,
    제 1항, 및 제4항 내지 제 7항 중 어느 한 항에 따른 차압조절장치;를 포함하는 것을 특징으로 하는 차압조절장치를 갖는 다탑 유동층 시스템.

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