KR101836453B1 - 분리 컬럼의 공급물 섹션 - Google Patents

Abstract

본 발명은 분리 컬럼들 내의 공급물 분배 장치 및 그 작동 방법에 관한 것이다. 특히 본 발명은 증류 컬럼들에 관한 것이며, 그 증류 컬럼 내부에서 공급물 스트림은 그 컬럼의 상류에서 실질적으로 액상, 또는 가스와 액체의 혼합물이나, 그 공급물은 컬럼으로 진입하기 이전에 증발 또는 더욱더 증발된다. 더 구체적으로, 공급물 분배 장치는 컬럼으로 진입하기 이전에 또는 그 컬럼으로 진입할 때 공급물이 증발되게 하는 복수의 개구를 함유하며 그 개구들은 작동 중에 임계 조건으로 유지된다. 상당한 장점은 본 발명의 공급물 분배 장치들의 실시 및 사용을 통해 달성된다.

Description

분리 컬럼의 공급물 섹션 {FEED SECTION OF A SEPARATION COLUMN}

본 발명은 일반적으로 분리 컬럼들에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 증류 컬럼들에 관한 것이며, 그 증류 컬럼 내부에서 공급물 스트림은 그 컬럼의 상류에서 액상, 또는 가스와 액체의 혼합물이나, 그 공급물은 컬럼으로 진입하기 이전에 증발하거나 더욱더 증발한다. 그와 같은 컬럼들은 컬럼의 섹션을 함유하며, 그 섹션의 내측으로 공급물 유동이 하나 또는 그보다 많은 입구들로부터 지향된다. 이러한 분야에서는 그와 같은 컬럼들로의 공급물 스트림의 도입을 개선하고 그와 같은 섹션들 내측으로의 공급물 분배를 개선할 필요가 있다.

플래싱(flashing)은 공급물 스트림의 적어도 일부분이 컬럼의 우세 압력(prevailing pressure)으로 감소될 때 상들을 변화시키는 증류 컬럼들에서 일반적인 현상이다. 따라서 컬럼으로 진입하는 결과적인 공급물 스트림은 가스/액체 혼합물이다. 처리 요건들에 기초하여, 그와 같은 공급물을 컬럼으로 능률적이고 효과적으로 도입하는 것은 적용에 있어서 어려움이 입증되었다.

상부 분리 섹션인 공급물 입력 측 위치 위에 있는 하나 이상의 섹션이 있을 때, 표준 요건은 공급물 스트림의 가스 부분이 상부 분리 섹션으로 균일하게 분배되어야 한다는 것이다. 관련 요건은 이상적으로 가스 유동의 국부적인 속도 피크들이 없어야 한다는 것이다. 하부 분리 섹션인 공급물 입력 측 위치 아래에 있는 하나 이상의 섹션이 있을 때, 표준 요건은 공급물 스트림의 임의의 액체 부분이 하부 분리 섹션으로 지향되고 수집되어야 한다는 것이다. 하부 분리 섹션은 액체 분배기로의 입구와 같은 특정 위치를 함유할 수 있다.

하나의 산업적 용례는 공급물 스트림의 압력을 컬럼 자체 내에 바람직한 압력으로 감소시키는 컬럼 상류의 장치에 의해서 공급물 스트림들의 압력을 감소시킴으로써 컬럼들 내측의 대량의 플래싱을 피하는 것이다. 상류 장치를 빠져나와서 정상적으로 파이프를 경유하여 컬럼으로 이동하는 공급물 스트림은 상당한 분량의 가스를 갖는 가스/액체 혼합물이다. 대량의 가스는 파이프 내측의 가스/액체 혼합물의 유동 속도를 낮게 유지하기 위해서 파이프가 비교적 큰 직경을 가져야 하거나, 파이프의 직경이 작은 경우에 결과적인 유동이 파이프의 내측에 바람직하지 않은 높은 속도를 갖는다는 것을 의미한다.

대형 파이프를 갖는다면 그 파이프는 컬럼의 공급물 스트림 섹션의 더 높은 높이를 요구하기 때문에 바람직하지 않다. 이는 디자인 비용, 건설 비용, 작동 비용 및 유지 비용들에 악영향을 끼치는 컬럼에 필요한 전체 높이를 증가시킨다. 대형 파이프의 라우팅(routing)은 또한 더욱 어려우며 더 많은 양의 공간을 차지하며 더 고가이다. 소형 파이프들을 갖는 것에 대한 단점은 가스/액체 혼합물의 고 유동 속도 및 다른 특징들로 인해서 부식 문제점들의 위험이 증가한다는 점이다.

종종, 상류 장치는 제어 밸브 형태인 유동 제어 수단이다. 제어 밸브는 압력 감소의 대부분을 가능하게 한다. 이러한 압력 감소 단계에 의해 생성된 상당한 분량의 가스는 그와 같은 밸브들의 디자인과 사이징(sizing)에 있어서 추가의 문제점들을 부과한다. 이는 출구 조건들이 입구 조건들과 매우 상이하게 됨으로 인한 것이다. 2 상(가스/액체 혼합물) 유동으로 인해 컬럼 상류의 밸브뿐만 아니라 밸브 하류의 파이핑의 위치는 유동 불안정 및 부식에 의해 만들어지는 문제점들을 피하기 위해 주의깊게 디자인되어야 한다.

현재의 산업적 용례의 예들 및 논의는 H. Kister에 의한 증류 작동(McGraw-Hill에 의해 간행된 책, ISBN 0-07-034910-X), 구체적으로 도 2.2j에서 발견할 수 있으며, 전술한 처리 요건들을 만족시키기 위해서 컬럼으로의 접선 진입을 사용하여 설명하고 있다.

R.F. Strigle Jr에 의한 충전탑(Packed Tower) 디자인 및 적용들[(Gulf Publishing Co에 의해 간행된 책(1994년 2판), ISBN 0-88415-179-4]에는 공급물 스트림의 압력이 컬럼의 압력으로 감소될 때 가스/액체 혼합물들을 생성하는 공급물 스트림들을 위한 몇몇의 예들이 도 10-15 및 10-16에 주어져 있다. 일 예는 플래싱이 발생하는 챔버를 사용한다. 제 2 예에서, 컬럼의 벽들을 따르는 원형 채널이 제공되며 공급물은 그 채널의 위로 그리고 그 내측으로 지향된다. 양 예들은 작은 직경을 갖는 컬럼들에 적용될 것이다.

플래싱 공급물 스트림들과 관련한 전술한 조건들이 특히 우세한 몇몇 특정 예들은 오일 정제소 및 석유화학 플랜트들; 특히 대기 및 압력 증류 컬럼들, 및 특정적으로 진공 증류 컬럼들이다. 몇몇 진공 증류 컬럼들의 특정 위치는 컬럼으로 리턴하는 리보일러(reboiler)이며, 여기서 가스/액체 혼합물이 리보일러로부터 컬럼으로 도입되며, 리보일러는 증발 수단으로서의 역할을 한다.

본 기술 분야의 당업자 중의 하나는 전술한 조건들 및 관련 문제점들이 플래싱 공급물이 시스템 내에 존재하는 모든 접촉 장치들에 적어도 어느 정도는 존재한다는 것을 인정할 것이다.

본 발명의 목적은 접촉 장치 컬럼으로 플래싱 공급물 스트림의 도입 및 분배를 촉진시키는 것이다.

공급물 분배 장치 내의 하나 또는 그보다 많은 바람직한 위치들에서 공급물 스트림의 플래싱을 실질적으로 가능하게 하는 공급물 분배 장치를 제공하는 것이 목적이다.

본 발명의 여러 실시예들에서, 바람직한 플래싱 위치(들)는 공급물 분배 장치의 내부 그리고 접촉 장치 컬럼의 외벽의 외측이다. 임의의 실시예들에서, 이는 공급물 스트림의 압력을 상기 위치(들)까지 충분히 높은 압력에서 공급물 스트림의 압력을 유지함으로써 부분적으로 달성된다. 압력을 유지하는 것은 플래싱 또는 증발이 발생하는 공급물 분배 장치 내측에서 충분한 압력 강하를 제공하는 개구들을 배열함으로써 임의의 실시예들에서 달성된다. 더욱 구체적으로, 공급물 스트림의 플래싱은 스트림이 개구들을 통해 유동하고 그 개구들을 통한 유동이 쵸크(또는 임계) 조건들에 있을 때 실질적으로 일어난다.

추가로, 없거나 다른 공급물 분배 장치들에 의한 분배와 비교해서 공급물 위치 위의 분리 섹션의 횡단면적을 따라 더욱 균일하게 공급물을 플래싱함으로써 생성되는 가스를 분배하는데 사용될 수 있는 공급물 분배 장치를 제공하는 것이 본 발명의 임의의 실시예들의 목적이다.

본 발명의 임의의 실시예들의 추가의 목적은 공급물 위치 위의 분리 섹션으로 도입되는 그대로 공급물로부터 플래싱되는 가스의 적어도 일부분에 대한 최대 크기의 국부적인 속도를 감소시키기 위해 공급물 분배 장치를, 홀로 또는 공급물을 더욱 균일하게 분배하는 것과 함께 사용하는 것이다.

본 발명의 임의의 실시예들의 추가의 목적은 공급물 입구 섹션 아래의 분리 섹션으로부터 다가오는 가스에 의해 균일하게 공급물을 플래싱함으로써 생성되는 가스의 이상적인 혼합을 촉진시키는 것이다.

도 1은 증류 컬럼의 개략도이며,
도 2a는 개방 원추형 공급물 분배 장치의 경우에 컬럼의 섹션에 대한 평면도이며,
도 2b는 도 2a의 섹션의 측면도이며,
도 3a는 구획된 원추형 공급물 분배 장치의 경우에 컬럼의 섹션에 대한 평면도이며,
도 3b는 도 3a의 섹션의 측면도이며,
도 4는 원추형 공급물 분배 장치를 갖는 섹션의 측면도이며,
도 5는 개방 원추형 공급물 분배 장치를 갖는 컬럼의 하부 섹션의 측면도이며,
도 6a는 외벽(50)을 갖는 컬럼의 섹션 및 그 컬럼의 외벽을 둘러싸는 타이어 형상의 챔버(52)를 갖는 공급물 분배 장치의 실시예의 평면도이며,
도 6b는 외벽(50)을 갖는 컬럼의 섹션 및 그 컬럼의 외벽을 둘러싸는 타이어 형상의 챔버(52)를 갖는 공급물 분배 장치의 실시예의 평면도이며,
도 6c는 도 6b의 컬럼 및 공급물 분배 장치의 절단면(A-A)의 측면도이다.

다수 형태들의 접촉 장치 컬럼들 및 그의 변형들이 있다. 표준 접촉 장치 컬럼들의 몇몇은 증류 컬럼들, 스트리핑 컬럼들 및 흡수 컬럼들이다. 단일 목적을 갖는 컬럼들 이외에도, 몇몇 접촉 컬럼들은 두 개 또는 그보다 많은 표준 공정(즉, 증류 및 흡수)들의 조합이다. 게다가, 충전 컬럼들 및 트레이 컬럼들과 같은 범주들이 있다. 본 기술분야의 당업자 중의 하나는 그와 같은 플래싱 공급물 조건들이 적어도 잠재적으로 존재하는, 구체적으로 열거되지 않았지만 인정된 것들 이외에 위에서 열거된 모든 형태의 접촉 장치들 및 그 변형들에 본 발명을 적용할 수 있다는 것을 인정할 것이다.

도 1은 하나의 주 공급물 입구(2) 및 두 개의 출구(3,4)들을 갖는 진공 증류 컬럼으로서의 접촉 장치 컬럼(1)을 도시한다. 주 공급물 입구 위치 위에 제공되는 분리 섹션(5) 및 그 아래에 제공되는 분리 섹션(6)에 의해 공급물로부터 분리될 각각의 제품을 위해 하나의 출구가 제공된다. 주 공급물(2) 이외에도, 주 공급물 입구 위에 위치되는 역류인 리턴 공급물 입구(7) 및 컬럼의 하부 섹션에 위치되는 리보일러 리턴인 공급물 입구(8)가 있다. 간략화를 위해, 진공을 생성하는 시스템은 생략되었다.

공급물 입구 섹션은 도 2a 및 도 2b에 더 상세히 제시된다. 도 2a는 접촉 장치 컬럼의 내측 부분을 둘러싸는 접촉 장치 컬럼(10)의 측벽을 도시한다. 컬럼(10)의 외측에 부착된 것은 공급물 분배 장치(14)이다. 공급물 분배 장치는 라인(12)으로부터 공급물(15)에 의해 공급물된다.

공급물 분배 장치는 공급물 스트림이 공급물 분배 장치 내의 몇몇 지점에서 유동하며, 컬럼으로의 진입 이전에 임계(쵸크) 조건에 있도록 형성된다. 예를 들어, 적어도 부분적으로는 라인(12) 내의 유체 컬럼의 감소된 높이와 유동 마찰 모두로 인한 공급물의 압력이 감소하기 때문에, 공급물 유동은 현저하게 증발한다. 공급물 분배 장치(14)는 형성된 2상 혼합물의 통행을 허용하도록 선택된 횡단면적을 가진다. 횡단면적은 비교적 작으며 그러므로 유동이 쵸크 조건이 되는 원인이다. 이러한 쵸킹(chocking)은 공급물 분배 장치를 통해 달성될 수 있는 최대 유동 속도를 설정한다.

실제로, 공급물(15)은 정상 작동 중에 질량 유동 속도 및 제 1 압력에서 라인(12)을 통해 유동한다. 접촉 컬럼은 제 1 압력보다 더 낮은 제 2 압력에서 유지된다. 공급물이 공급물 분배 장치를 빠져나갈 때, 압력차에 기초하여 공급물의 액체 부분은 팽창하고 증발할 것이며, 공급물은 각각의 임의의 개구(단일 개구가 도 2, 도 4 및 도 5에 도시되는 반면에 다중 개구들이 도 3 및 도 6에 도시된다)들로부터 컬럼으로 진입할 것이며, 공급물 분배 장치(14) 내측의 몇몇 지점에서의 공급물 유동은 임계(쵸크) 조건들에 있을 것이다.

공급물 입구에서의 질량 유동 속도에 기초하여, 컬럼 내의 제 1 압력과 제 2 압력 사이의 차이가 접촉 컬럼으로 진입하는 공급물의 양에 더 이상 영향을 끼치지 못하는 지점이 있다. 이는 쵸킹 현상으로 인해 공급물 분배 장치(14)를 통해 많은 공급물들이 통과할 가능성이 없다는 사실로 인한 것이다. 제 2 압력을 낮추는 것에 의해서 공급물 분배 장치를 통해 컬럼으로 진입하는 공급물의 양에 영향을 주지 않는 지점은 임계 지점으로서 정의된다. 임계 지점으로부터 임계 지점 아래의 모든 압력들까지의 모든 제 2 압력들에 대해서, 공급물 분배 장치(14)를 통한 유동이 임계 또는 쵸크 조건에 있을 수 있다는 것이 고려된다.

그러므로, 공급물 분배 장치의 전체 횡단면적은 임계 조건이 장치를 통한 유동에 대해 달성되도록 되어야 한다. 전체 횡단면적은 하나의 설비로부터 다른 설비까지 변할 수 있으며 그 면적은 각각의 설비에서 작동 조건들, 예를 들어 작동 질량 유동 속도, 작동 온도 범위, 작동 압력 범위, 유동 성분, 등에 따라 확실하게 작용하도록 선택된다. 전체 횡단면적의 선택은 표준 계산들을 통해서 또는 컴퓨터식 유체 동력학 소프트웨어와 같은 수단들의 도움으로 선택될 수 있다.

공급물 유동이 임계(쵸크) 조건에 있을 때 단지 최대 유동 속도를 증가시키기 위한 수단만이 전체 횡단면적을 증가시키거나 제 1 압력을 증가시킬 것이다.

공급물 스트림(15)은 접촉 컬럼의 벽(10)의 외측으로 공급물 분배 장치(14)로 진입한다. 도 2a 및 도 2b의 본 예에서, 공급물 분배 장치(14)는 일반적으로 원추형 또는 사다리꼴 형상을 가진다. 공급물 분배 장치(14)는 공급물 라인(15)과 컬럼(10) 사이에 팽창 챔버를 함유한다. 팽창 챔버는 공급물 라인(12)의 횡단면적보다 더 큰 횡단면적을 가진다. 형상이 원추형/사다리꼴로서 일반적으로 도시되었지만, 본 기술분야의 당업자 중의 하나는 본 발명의 범주로부터 이탈함이 없는 다양한 규칙적이고 불규칙한 모든 형상들을 인정할 것이다.

공급물 분배 장치는 접촉 컬럼들에 사용되는 본 기술분야의 당업자에게 공지된 침니 트레이(chimney tray) 및/또는 다른 장치 또는 장치들과 함께 사용될 수 있다. 그와 같은 공지된 장치들은 링 채널, 여러 적합하게 위치된 플래시 박스들, 또는 아래의 분리 섹션으로부터 다가오는 가스(26)가 공급물 섹션을 통해 통과할 수 있게 하거나/하고 공급물 분배 장치로부터 및/또는 위의 분리 섹션(그와 같은 섹션이 존재한다면)으로부터 기인된 액체를 수집할 수 있는 다른 기하학적 형상체들일 수 있다.

본 실시예가 공급물을 컬럼으로 도입하기 위한 단일 공급물 라인(12)에 연결된 단일 공급물 분배 장치(14)를 도시하고 있지만, 컬럼의 섹션으로 하나 또는 그보다 많은 추가의 공급물들을 도입하는 하나 또는 그보다 많은 추가의 공급물 분배 장치 및 라인 조립체들이 있을 수 있다. 추가로, 단일 공급물 분배 장치가 하나보다 많은 공급물 라인에 의해 공급물될 수 있다.

팽창 챔버의 크기와 형상과 함께, 공급물 분배 장치의 개구들의 크기와 수는 공급물이 상당한 증발이 발생하는 지점에 도달할 때까지 공급물 분배 장치(14) 내측의 공급물이 실질적으로 액상으로 유지되는 방식으로 선택될 수 있다. 공급물 분배 장치의 상기 특징들은 또한 공급물 분배 장치(14)로의 공급물이 가스/증기의 분량을 가질 수 있도록 디자인되고 선택될 수 있다.

작동 및 유지 비용을 최소화하기 위해서, 공급물 라인(12) 내에서 실질적으로 액체인 유동을 유지하는 것이 바람직하다. 그 유동을 실질적으로 액상으로 유지하기 위한 조건들은 예를 들어, 공급물 그 자체뿐만 아니라 접촉 컬럼의 상류에서 발생하는 임의의 공정들에 적어도 일부가 기초가 된다. 공급물 분배 장치(14)의 전체 횡단면적의 적절한 치수와 배치를 선택하는 것은 접촉 컬럼 섹션에 앞서서 그리고 상기 장치 내의 바람직한 위치에서 공급물의 증발이 발생할 수 있게 한다.

도 2a 및 도 2b는 접촉 컬럼의 중앙 부분에 있는 공급물 분배 장치의 실시예를 도시한다. 도 2b에서, 액체 분배기(21) 및 분리 수단(22), 예를 들어 충전 층(packed bed)을 갖는 하부 분리 섹션이 공급물 분배 장치(14) 아래에 도시된다. 하부 분리 섹션은 가스 스트림(26)을 방출하는 것을 도시한다. 접촉 컬럼으로의 공급물 입구가 도시된 대로 위치될 때, 침니 트레이 및 침니들(도시 않음)의 추가가 유리할 수 있다. 가스 스트림(26)은 침니들을 통해 그리고 최종적으로 상부 분리 섹션으로 유동할 것이다. 공급물 입구 섹션의 위에는 분리 수단(20), 예를 들어 충전 층을 갖는 상부 분리 섹션이 도시된다.

본 발명의 실시예에 따른 공급물 입구 섹션은 도 3a 및 도 3b에 더 상세히 제시된다. 도 3a는 접촉 장치 컬럼의 내측 부분을 둘러싸는 접촉 장치 컬럼(10)의 측벽을 도시한다. 컬럼(10)의 외측에 부착된 것은 복수의 개구(18A,18B,24)(도시됨)들을 갖는 공급물 분배 장치(14)이다. 공급물 분배 장치에는 라인(12)에 의해 공급물(15)이 공급물된다.

공급물 분배 장치의 중요한 특징은 구멍(예를 들어, 16A 및 16B)들을 통해 컬럼 내측으로의 공급물 스트림 유동이 임계(쵸크) 상태에 있다는 것이다. 그 유동은 구멍(18A,18B,24)에서 쵸크되며 이러한 쵸킹은 구멍들을 통해 달성될 수 있는 최대 유동 속도를 설정한다.

공급물(15)은 질량 유동 속도 및 제 1 압력에서 라인(12)을 통해 유동한다. 접촉 컬럼은 제 1 압력보다 더 낮은 제 2 압력에서 유지된다. 공급물이 공급물 분배 장치를 빠져나갈 때, 압력차에 기초하여 공급물의 액체 부분은 팽창하고 증발할 것이며 그 공급물은 각각의 개구로부터 컬럼으로 진입하며 구멍들을 통한 공급물 유동은 임계(쵸크) 조건들에 있을 것이다.

공급물 입구에서의 질량 유동 속도에 기초하여, 컬럼 내의 제 1 압력과 제 2 압력 사이의 차이가 접촉 컬럼으로 진입하는 공급물의 양에 더 이상 영향을 끼치지 못하는 지점이 있다. 이는 쵸킹 현상으로 인해 공급물 유동 경로 장치 개구들을 많은 공급물들이 빠져나갈 수 있는 가능성이 없기 때문이다. 제 2 압력을 낮추는 것에 의해서 구멍들을 통해 컬럼으로 진입하는 공급물의 양에 영향을 주지 않는 지점은 임계 지점으로서 정의된다. 임계 지점으로부터 임계 지점 아래의 모든 압력들까지의 모든 제 2 압력들에 대해서, 구멍들을 통한 유동이 임계 또는 쵸크 조건에 있을 수 있도록 고려된다.

그러므로, 컬럼으로의 공급물 분배 장치의 각각의 개구의 크기, 및 공급물 분배 장치의 개구들의 전체 면적은 임계 조건들이 구멍들을 통한 유동에 대해 달성되도록 되어야 한다. 이들 크기들은 하나의 설비로부터 다른 설비까지 변할 것이며 그 크기들은 각각의 설비에서 작동 조건들에 따라 확실하게 작용하도록 선택된다. 각각의 개구의 크기, 개구의 전체 수 및 전체 개구의 면적에 대한 선택은 표준 계산들을 통해서 또는 컴퓨터식 유체 동력학 소프트웨어와 같은 수단들의 도움으로 선택될 수 있다.

공급물 유동이 임계(쵸크) 조건에 있을 때, 단지 최대 유동 속도를 증가시키기 위한 수단만이 전체 구멍 면적을 증가시키거나 제 1 압력을 증가시킬 것이다.

공급물 스트림(15)은 접촉 컬럼의 벽(10)의 외측으로 공급물 분배 장치(14)로 진입한다. 도 3a 및 도 3b의 본 예에서, 공급물 분배 장치(14)는 일반적으로 원추형 또는 사다리꼴 형상을 가진다. 공급물 분배 장치(14)는 공급물 라인(15)과 컬럼(10) 사이에 팽창 챔버를 함유한다. 팽창 챔버는 공급물 라인(12)의 횡단면적보다 더 큰 횡단면적을 가진다. 팽창 챔버와 컬럼의 내측 사이의 파티션(17)은 컬럼 벽(10)의 일부일 수 있거나/있고 이는 공급물 분배 장치(14)의 일체형 부분일 수 있다.

본 예에서, 파티션(17)은 복수의 개구들을 포함한다. 도면에 도시된 바와 같이, 공급물 분배 장치(14)의 상부 쪽으로 두 개의 개구(18A,18B)가 있다. 추가로, 공급물 분배 장치(14)의 바닥에 개구(24)가 되시되어 있다. 개구들의 수, 개구들의 개별적인 크기들 및 위치들은 컬럼의 특정 작동 조건들에 기초하여 파티션(17)에 대해 변할 수 있다. 공급물 분배 장치의 바닥 쪽의 하나 또는 그보다 많은 개구(예를 들어, 24)들은 챔버의 바닥에 축적되는 임의의 액체가 팽창 챔버를 빠져나갈 수 있게 한다. 그러나, 개구들의 치수들은 개구들을 통한 공급물 유동(예를 들어, 16A,16B,24)이 쵸크 조건에 있도록 되어야 한다.

공급물 분배 장치는 침니 트레이와 함께 사용될 수 있거나, 대안으로 본 기술 분야의 당업자에게 공지된 다른 장치들이 사용될 수 있다. 그와 같은 공지된 장치들은 링 채널, 여러 적합하게 위치된 플래시 박스들, 또는 아래의 분리 섹션으로부터 다가오는 가스(26)가 공급물 섹션을 통해 통과할 수 있게 하고 공급물 분배 장치 및 위의 분리 섹션(그와 같은 섹션이 존재한다면)으로부터 기인된 액체를 수집할 수 있는 다른 기하학적 형상체들일 수 있다.

본 예가 공급물을 컬럼으로 도입하기 위한 단일 공급물 라인(12)에 연결된 단일 공급물 분배 장치(14)를 도시하지만, 하나 또는 그보다 많은 추가의 공급물들을 컬럼의 섹션으로 도입하기 위한 하나 또는 그보다 많은 추가의 공급물 분배 장치 및 라인 조립체들일 수 있다. 추가로, 단일 공급물 분배 장치는 하나보다 많은 공급물 라인에 의해 공급물될 수 있다.

팽창 챔버의 크기와 형상과 함께, 공급물 분배 장치의 개구들의 크기와 수는 공급물이 컬럼 섹션으로 진입할 때까지 공급물 분배 장치(14) 내측의 공급물이 실질적으로 액상으로 유지되는 방식으로 선택될 수 있다. 공급물 분배 장치의 상기 특징들은 또한 팽창 챔버 내측의 공급물이 가스/증기의 분량을 가질 수 있도록 디자인되고 선택될 수 있다. 따라서 컬럼의 공급물 입구 섹션 내측으로 개구들을 통해 유동할 때 입구 스트림은 증발되거나 더욱 증발되며 동시에 쵸크 조건들에 있게 된다.

파티션(17) 내의 개구들은 컬럼의 벽(10)의 구멍들 절취부, 파티션(17)의 구멍들 절취부 또는 컬럼 벽, 파티션 재료 및/또는 공급물 분배 장치에 부착된 노즐들일 수 있다. 이들이 컬럼 또는 다른 파티션 재료의 벽 표면의 구멍들 절취부인 예에서, 이들은 플라즈마 절단기, 기계식 절단기, 기계식 스탬프 또늘 레이저와 같은 임의의 주지된 수단에 의해 절단될 수 있다. 구멍들이 노즐들인 예에서, 노즐들은 간단한 또는 복잡한 디자인일 수 있으며 공급물 분배 장치, 파티션 또는 컬럼 벽과 일체로 제작될 수 있다. 대안으로, 노즐들은 공급물 분배 장치, 파티션 또는 컬럼 벽에 영구적으로 또는 제거가능하게 부착/커플링될 수 있다. 노즐들의 부착을 위한 수단의 예들은 용접, 접착 또는 노즐들의 대응 나사산들과 함께 지지 표면 내의 나사산 개구들을 제공하는 것이다.

개구들의 크기, 형태 및 배치는 공급물 입력 측 특징들, 접촉 컬럼 입구 섹션 내측의 환경적 특징들, 바람직한 공급물 분배 또는 이의 조합에 기초하여 선택된다. 작동 비용과 유지 비용을 최소화하기 위해서, 공급물 라인(12) 내에서 실질적으로 액체인 유동을 유지하는 것이 바람직하다. 그 유동을 실질적으로 액상으로 유지하기 위한 조건들은 공급물 그자체뿐만 아니라 접촉 컬럼의 상류에서 발생하는 임의의 공정들에 기초한다. 팽창 챔버의 치수들과 함께 개구들의 적절한 치수 및 배치의 선택은 접촉 컬럼 섹션에 대한 바람직한 위치들에서 공급물의 증발을 허용한다.

도 3a 및 도 3b는 접촉 컬럼의 중앙 부분에서의 공급물 분배 장치의 특정 실시를 도시한다. 도 3에서, 공급물 분배 장치(14a)의 아래에 액체 분배기(21) 및 분리 수단(22)(즉, 충전탑)을 갖춘 하부 분리 섹션이 도시된다. 이러한 하부 분리 섹션은 가스 스트림(26)을 방출한다. 접촉 컬럼으로의 공급물 입구가 도시된 바와 같이 위치될 때, 침니 트레이 및 침니들(도시 않음)의 추가가 유리할 수 있다. 가스 스트림(26)은 침니들을 통해 유동하며 최종적으로 상부 분리 섹션으로 유동할 것이다. 공급물 입구 섹션의 위에는 분리 수단(20)(예를 들어, 충전탑)을 갖춘 상부 분리 섹션이 있다.

도 4는 공급물 분배 장치(23)의 다른 예를 도시한다. 공급물 분배 장치(23)는 도 3a 및 도 3b와 유사하게, 바람직하게 액상인 공급물 유동(15)을 갖는 공급물 라인(12)을 컬럼 섹션에 연결한다. 그러나 공급물 분배 장치(23)의 팽창 챔버는 컬럼 내측으로 직접적으로 개방된다. 즉, 공급물 분배 장치(23)에 대해 설명한 바와 같이 공급물 분배 장치와 컬럼 내측 사이에 분할부가 없거나 실질적으로 없다.

공급물 분배 장치(23)는 공급물 라인(12)과 컬럼 내측 사이의 한 지점의 양측에 파티션(28)을 가진다. 도면에서, 파티션(28)의 위치가 팽창 챔버와 공급물 라인(12)의 접합부에 도시된다. 그러나 파티션(28)은 컬럼 벽(10)에 앞서서 공급물 분배 장치(23)의 팽창 챔버 내부의 다른 위치나 공급물 라인(12) 내부에 조금 위치될 수 있다. 파티션(28)은 공급물(32)이 증발되거나 더 증발되게 하며 컬럼 섹션으로 진입하게 하는 하나 또는 그보다 많은 개구들을 가질 수 있다.

하나 또는 그보다 많은 개구(30)들은 도 3a 및 도 3b의 예에 대해 설명한 것들과 유사하다. 상기 개구들의 치수와 위치 및 파티션 위치는 공급물 분배 장치(23)의 팽창 챔버로 진입하는 공급물(32)이 임계(쵸크) 조건에 있도록 선택된다.

도 4는 일단 컬럼 섹션 내측에 증발된 공급물 유동(32)을 더욱 균일하게 분배하기 위한 수단의 예시인 평판(26)을 또한 도시한다. 평판은 솔리드, 슬레이트화, 패턴화, 격자화(grated) 또는 이와는 달리, 증발된 공급물 유동(32)이 상부 분리 섹션(20)을 따라 균일하게 또는 더욱 균일하게 분배되게 하도록 형성/성형될 수 있다.

특정 실시예들에서, 스트림이 컬럼으로부터 취해지는 유동 루프가 있으며, 그 스트림은 가열되고 그 후에 스트림은 컬럼으로 재도입된다. 스트림이 재도입되는 섹션의 예가 도 5에 도시된다. 임의의 재도입된 스트림은 또한 공급물로 고려될 수 있다. 컬럼으로부터 취해진 스트림은 스트림이 컬럼으로 재도입될 때 실제로 임의의 추가의 열에 의해 증발(플래싱)의 발생을 유발함을 의미하는 그의 버블 포인트에 종종 있게 된다.

도 5는 접촉 장치 컬럼의 내측 부분을 둘러싸는 접촉 장치 컬럼의 측벽(40)을 도시한다. 컬럼 섹션은 공급물 라인(46)을 가진다. 공급물 스트림(45)은 이전에 설명된 루프 또는 예를 들어 리보일러(44) 내에서 가열된 이후에 컬럼으로 재도입된 공급물이다. 도면에 도시된 바와 같이, 액체 공급물(43)은 라인(42)을 통해 접촉 컬럼의 바닥으로부터 취해진다. 그 후 그 라인은 공급물을 리보일러(44)로 가져가며 그 리보일러에서 가열하고 공급물(45)을 컬럼 쪽으로 라인(46)을 통해 보낸다. 공급물 분배 장치(47)는 도 2a 및 도 2b의 공급물 분배 장치(14)에 대해 설명된 것과 유사한 챔버를 가지며 증발된 공급물(48)을 재도입한다. 그러나, 공급물 분배 장치는 본 발명의 임의의 실시예들에 따른 것일 수 있다. 공급물 입구의 위에는 분리 수단(49), 예를 들어 충전 층이 도시된다.

도 6a는 공급물 라인(54) 및 공급물 유동(55)을 갖는 도 2 및 도 3의 실시예들의 것과 유사한 팽창 챔버를 갖는 공급물 분배 장치(56)를 가지는 본 발명의 실시예를 도시한다. 그러나, 공급물 분배 장치는 접촉 컬럼의 외측 벽(50)의 원주를 둘러싸는 타이어형 챔버(52)를 더 포함한다. 타이어형 챔버(52)와 컬럼의 내측 부분 사이에는 일련의 개구(58)들이 배열된다. 개구들은 도 3a 및 도 3b에 대해 설명된 개구들과 유사한 방식으로 기능한다.

도 6b는 공급물 입구(54)와 타이어형 챔버(52) 사이의 파이프-형 연결부를 갖는 도 6a에 유사한 실시예를 도시한다. 파이프-형 연결부는 공급물 입구(54)의 연속체일 수 있거나, 타이어형 챔버(52)와 동일하거나 유사하거나 상이한 직경의 원통형 챔버 또는 원통형-형태의 챔버 부분일 수 있다.

도 6a 및 도 6b 모두에 도시된 바와 같은 개구(58)들은 접촉 컬럼의 외측 벽(50)을 통해 절단된 개구들일 수 있다. 개구들은 또한 노즐들 또는 증발 또는 더 많은 증발, 그리고 쵸크 조건에 있는 동안, 챔버(52)로부터 접촉 컬럼의 내측 부분으로 공급물이 통과할 수 있게 하는 다른 수단일 수 있다. 도 6a에 따른 예는 공급물이 개구(58)들을 통해 접촉 컬럼으로 진입하기 이전에 일부 양의 증발이 챔버(56)에서 발생할 수 있게 한다. 도 6b에 따른 예에서, 주요 증발은 공급물이 개구(58)들을 통해 접촉 컬럼의 내측으로 진입할 때 발생한다. 어느 한 경우에, 개구(58)들을 통한 유동은 쵸크 조건 또는 임계 조건에 있다.

도 6c는 도 6b에 도시된 섹션의 절단도를 도시한다. 절단도로부터 개구(58)들은 접촉 컬럼의 외벽(50)을 통해 절단된 둥근 개구들로서 도시된다. 타이어형 챔버의 챔버는 컬럼의 좌우측들을 따라 볼 수 있다. 개구(58)는 공급물 입구의 정반대에 도시된다. 추가로, 도 6b 및 도 6c에서 볼 수 있듯이, 공급물 입구로부터 컬럼으로 공급물이 유동하기 위한 직접적인 경로는 없다.

그러므로, 컬럼 벽은 파티션으로서 역할을 하며 공급물은 챔버(52)의 주변으로 그리고 챔버를 통해 편향된다.

예들에서, 각각의 개구의 횡단면적 및 모든 개구들의 전체 횡단면적은 모든 개구들을 통한 유동이 쵸크 조건에 있도록 선택된다. 각각의 개구들의 횡단면적은 동일하거나 유사할 수 있다. 추가로, 개구들의 횡단면적은 컬럼 벽의 원주 주위에서 변화할 수 있다.

게다가, 챔버(52)가 컬럼의 원주를 완전히 에워싼 것을 도시하지만, 챔버는 완전 360도에는 못 미쳐서 정지할 수 있다. 즉, 공급물 분배 장치는 컬럼 섹션의 원주의 단지 일부만을 둘러쌀 수 있다. 추가로, 챔버의 형상 및/또는 치수들은 일정할 수 있거나 공급물 분배 장치가 둘러싸는 원주를 따라 변할 수 있다. 챔버 크기, 형상, 및 심지어 방위에 대한 다수의 변형들이 본 발명의 범주로부터 이탈함이 없이 실시될 수 있으며 예를 들어, 타이어형 챔버의 후면은 공급물 입구에 비해서 정면으로 수직으로 상승 또는 하강될 수 있다.

앞선 도면들에 대해 논의된 바와 같이, 공급물 분배 장치 개구들 위로 컬럼의 하부 부분 및 분리 섹션(59)으로부터 다가오는 공급물 유동(61)이 도 6c에 도시된다. 하나 또는 그보다 많은 장치들은 도입된 공급물 유동과 유동(61)의 균일한 및/또는 균질한 혼합 및/또는 분리 섹션(59)의 표면을 따른 공급물의 균일한 분배를 촉진하기 위해서 공급물 입구를 갖는 접촉 컬럼의 섹션 내부에 그리고 그 섹션 주변에서 사용될 수 있다.

도 6a 내지 도 6c의 실시예와 같은 그리고 그 실시예와 유사한 실시예들은 비교적 작은 직경들을 갖는 컬럼들, 예를 들어 1 미터 정도의 직경을 갖는 컬럼들에 특히 아주 적합하다. 그러나, 각각의 실시예는 컬럼 상의 배치에 대한 예를 도시하기 위해 예시되었으나 컬럼의 특별한 배치 또는 컬럼의 형태로 제한되어서는 안 된다.

이전의 실시예들에 대해서, 대부분의 증발은 설명된 챔버들 및/또는 개구들 내에서 발생한다. 그러나, 도 2b, 도 3b, 도 4, 도 5 및 도 6c에 도시된 공급물 입구 내의 굽힘부 내부에서는 종종 증발 양이 사소하며 때때로는 그 양이 상당하다. 이러한 굽힘부는 여기서 주로 논의된 바와 같이 공급물 입구 파이프의 일부일 수 있거나 공급물 입구 파이프가 실질적으로 수직하고 비-굽힘 방위로 공급물 분배 장치에 연결되도록 공급물 분배 장치의 일부일 수 있다.

공급물의 플래싱이 공급물 입구 섹션 내측의 또는 공급물 분배 장치 내의 바람직한 위치들에서 발생할 수 있는 공급물 분배 장치의 배치는 접촉 장치 컬럼들이 더 효율적으로 작동할 수 있게 한다. 추가로, 여러 예들 및 실시예들이 접촉 컬럼 상의 그리고 접촉 컬럼 내의 특정 위치들에 대해서 설명되었지만, 각각은 다른 예들에 대해서 논의된 바와 같은 다양한 다른 위치들 또는 추가의 위치들에서 사용될 수 있다. 하나 보다 많은 공급물 분배 장치가 임의의 주어지 컬럼 섹션 상에 사용될 수 있으며 그 섹션에 사용될 임의의 다른 공급물 분배 장치와 동일할 필요는 없다.

추가로, 본 발명에 따라 공급물 분배 장치를 디자인하는 것은 공급물 라인 내의 공급물이 접촉 컬럼 섹션 이전의 공급물 라인 내에서 액체 또는 실질적으로 액상으로 유지될 수 있게 한다. 이는 증류 시스템의 복잡성뿐만 아니라 가스 상의 유해한 효과들을 감소시키거나, 높은 백분률의 가스 상이 접촉 컬럼으로 이어진 입구들 및 파이프들로 유동한다. 그러나, 공급물이 그 내부에 많은 증기를 가질 때, 그러나 공급물이 실질적으로 액체일 때와 같이 공급물의 유해한 효과들을 감소시키는 모든 장점들 얻지 않고도 본 발명의 장치가 사용될 수 있다는 것을 본 기술 분야의 당업자들에게 인정될 것이다. 본 기술 분야의 당업자들의 하나는 또한 본 발명의 범주로부터 이탈함이 없는 여기서 설명되지 않은 공급물 유동 경로 장치들로부터 본 발명에 대한 추가의 장점들 그리고 공급물 유동 경로 장치들, 침니들, 트레이들의 다양한 기하학적 형상들 그리고 개구들 및 노즐들의 디자인들을 인정할 것이다.

Claims (16)

1. 공급물 분배 장치를 포함하는 접촉 컬럼 섹션으로서,
   - 공급물 분배 장치로 적어도 부분적으로 액체인 공급물을 도입하기 위한 공급물 라인 입구와,
   - 횡단면적을 가지며 공급물 라인 입구와 컬럼 사이의 챔버, 및
   - 유동이 쵸크 조건이 되게 하는, 동시에 유동이 컬럼의 섹션의 내측 부분으로 진입하기 이전에 적어도 부분적으로 증발되게 하는 쵸킹 수단(choking means)을 포함하고,
   상기 쵸킹 수단은 컬럼의 섹션의 내측 부분과 공급물 라인 입구 사이의 지점에서 챔버 내부의 파티션이며, 상기 파티션은 하나 또는 그보다 많은 개구들을 가지며, 상기 개구들 각각은 개구를 통한 공급물 유동이 쵸크 조건이 되게 하고 동시에 적어도 부분적으로 증발시키도록 선택된 개구 면적을 가지는,
   공급물 분배 장치를 포함하는 접촉 컬럼 섹션.
   
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 파티션은 접촉 컬럼 섹션의 외벽의 일부분인,
   접촉 컬럼 섹션.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 쵸킹 수단은 액체의 수두(hydraulic head)에 의해 또는 액체와 증기 혼합물의 수두에 의해 공급물에 압력 증가를 유발하는 장치인,
   접촉 컬럼 섹션.
   
5. 제 4 항에 있어서,
   상기 장치는 벤드와 같은 파이프 피팅, 밀봉된 하나의 분기부(branch)를 갖는 T- 접합 또는 공급물 라인 입구가 컬럼에 부착된 챔버의 단부보다 낮은 레벨에 있게 하는 유사한 장치인,
   접촉 컬럼 섹션.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 챔버의 횡단면적은 공급물 입구의 횡단면적보다 더 큰,
   접촉 컬럼 섹션.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 챔버는 접촉 컬럼의 외벽의 일부분을 적어도 부분적으로 에워싸는,
   접촉 컬럼 섹션.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 챔버는 접촉 컬럼 섹션의 원주를 완전히 둘러싸며 상기 쵸킹 수단은 챔버와 접촉 컬럼의 내측 부분 사이에 배열되는 복수의 개구들이며, 상기 개구들 각각은 개구를 통한 공급물 유동이 쵸크 조건이 되게 하고 동시에 적어도 부분적으로 증발시키도록 선택되는 개구 면적을 가지는,
   접촉 컬럼 섹션.
   
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 접촉 컬럼 섹션의 위, 아래 또는 위 그리고 아래에 분리 섹션이 있으며 상기 분리 섹션은 분리, 증류, 열 전달, 추출, 수세 작동 또는 흡수를 위한 것인,
   접촉 컬럼 섹션.
   
10. 제 1 항에 있어서,
    상기 공급물 분배 장치는 접촉 컬럼 섹션의 내측의 외측에 위치되는,
    접촉 컬럼 섹션.
    
11. 제 10 항에 있어서,
    상기 공급물 분배 장치는 접촉 컬럼 섹션의 내측 부분을 한정하는 접촉 컬럼 섹션의 외벽에 부착되는,
    접촉 컬럼 섹션.
    
12. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 추가의 공급물 분배 장치를 더 포함하는,
    접촉 컬럼 섹션.
    
13. 접촉 컬럼 섹션의 작동 방법으로서,
    - 접촉 컬럼 섹션의 외벽에 부착되는 공급물 분배 장치로 액체 또는 적어도 부분적으로 액체인 공급물을 공급물 입구를 경유하여 공급하는 단계, 및
    - 쵸크 조건에 있는 공급물 분배 장치의 쵸킹 수단을 통해 통과할 때 공급물이 적어도 부분적으로 증발되게 하는 단계를 포함하고,
    상기 쵸킹 수단은 컬럼의 섹션의 내측 부분과 공급물 라인 입구 사이의 지점에서 챔버 내부의 파티션이며, 상기 파티션은 하나 또는 그보다 많은 개구들을 가지며, 상기 개구들 각각은 개구를 통한 공급물 유동이 쵸크 조건이 되게 하고 동시에 적어도 부분적으로 증발시키도록 선택된 개구 면적을 가지는,
    접촉 컬럼 섹션의 작동 방법.
    
14. 제 13 항에 있어서,
    상기 공급물 분배 장치는,
    - 횡단면적을 가지며 공급물 라인 입구와 접촉 컬럼 사이에 위치된 챔버, 및
    - 공급물 분배 장치를 접촉 컬럼의 외측 부분에 부착하기 위한 수단을 포함하는,
    접촉 컬럼 섹션의 작동 방법
    
15. 접촉 컬럼용 공급물 분배 장치로서,
    - 횡단면적을 가지며 공급물 라인 입구와 접촉 컬럼 사이에 위치된 챔버와,
    - 공급물 라인 입구로부터 유동이 쵸크 조건이 되게 하는, 동시에 유동이 컬럼의 섹션의 내측 부분으로 진입하기 이전에 적어도 부분적으로 증발되게 하는 쵸킹 수단(choking means), 및
    - 공급물 분배 장치를 접촉 컬럼의 외측 부분에 부착하기 위한 수단을 포함하고,
    상기 쵸킹 수단은 컬럼의 섹션의 내측 부분과 공급물 라인 입구 사이의 지점에서 챔버 내부의 파티션이며, 상기 파티션은 하나 또는 그보다 많은 개구들을 가지며, 상기 개구들 각각은 개구를 통한 공급물 유동이 쵸크 조건이 되게 하고 동시에 적어도 부분적으로 증발시키도록 선택된 개구 면적을 가지는,
    접촉 컬럼용 공급물 분배 장치.
    
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 공급물 분배 장치는 상기 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 따른 접촉 컬럼 섹션과 협력하도록 구성되는 것을 특징으로 하는,
    접촉 컬럼용 공급물 분배 장치.

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