KR101914250B1 - 열교환 및/또는 물질 전달 컬럼을 위한 가스분배기 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 높은 진입 속도 및 과열 공급 가스를 조절할 수 있는 장치에 관한 것으로서, 상기 과열 공급 가스는, 응축되고, 과열 공급가스 온도에 노출됨으로써 코크스화 되는 경향이 있는 일부 고비점 성분, 예를 들어 아스팔텐 및 다핵 방향족 물질을 포함한다. 상기 과열 공급 가스는 또한, 하나의 또는 복수의 공급 노즐로부터 균일한 가스 분포를 위한 정적 유동 체제까지, 메인 분별증류(MF) 컬럼 내의 접촉 장치까지 공급되는 미세 고체 촉매를 포함한다.
Description
본 발명은 일반적으로, 열교환 및/또는 물질 전달 컬럼으로 균일한 가스 유동을 부여하는 “F-플루트(Flute)” 형의 가스 분배기에 관한 것으로서, 특히, 유체 촉매 크래킹 유닛(FCCU) 시설에서 메인 분별증류(MF) 컬럼의 트레이들이나 패킹에 균일한 가스 유동을 부여하는 가스 분배기에 관한 것이다.
고용량 분별증류탑에서 균일한 증기 분포를 부여하는 것은 고성능 컬럼(column) 설계에서 가장 도전적인 측면 중의 하나이다. 산업 내 종래 장치에서는 MF 컬럼의 공급 노즐의 직상방 부분으로 유입 공급 가스를 균일하게 분배시키려고 시도하여 왔다. 예를 들면, 베이퍼 혼(Vapor Horn)과 쇠펜테터(Schoepentoeter)는 각각 전매특허의 증기 입구 혼(horn) 및 베인형 입구 장치로서 가스/액체 혼합물을 용기나 컬럼으로 유입시킨다. 그러나 이들 장치는, 두 장치 모두에서 공급 가스가 냉각됨에 따라, 가장 무거운 성분들, 예를 들면, 아스팔텐(asphaltenes)이 응축되기 시작하여 침착되거나 장치의 차가운 표면에 부착되기 때문에 문제가 있는 것으로 판명되었다. 더욱이, 고온의 공급 가스가 추가적이고 연속적인 접촉을 하면, 축합된 아스팔텐으로부터 수소 원자가 떨어져 나올 뿐만 아니라, 침착물로부터 더 경량의 물질이 떨어져 나와서, 이 물질이 코크스로 전환되도록 한다. 시간이 지남에 따라서, 코크스 침착물은 상당한 크기로 성장하여 가스의 유동에 간섭을 초래하고. 그 결과, 장치는 MF 컬럼으로부터 제거되어야만 한다.
양호한 혼합과 균일한 분배를 보장하려는 문제를 해결하기 위하여 노력했던 전형적인 종래 기술의 장치는 다음과 같다: Lee 등의 미국 특허 제8,286,952호는 가스-액체 접촉 컬럼용 증기 분배기를 개시한다; Koojiman 등의 미국 특허 제8,025,718호는 유체 입구 장치를 개시한다; Kurukchi 등의 미국 특허 제7,744,067호는 삼상 증기 분배기를 개시한다; Christiansen 등의 미국 특허 제459,001호는 베인형 디퓨저를 개시한다; Jacobs 등의 미국 특허 제7,281,702호는 유체 혼합 및 분배를 위한 장치 및 방법을 개시한다; Laird 등의 미국 특허 제7,104,529호는 증기 분배장치를 개시하고, 상기 장치의 증기 혼은 일련의 베인을 가지고, 상기 베인의 크기는 증기 분배기의 입구노즐로부터의 거리가 증가함에 따라 증가한다; 미국 특허 제6,997,445호는 방사형 공급 원통형 분별증류 컬럼으로 가스-액체 혼합물을 유입시키는 장치 및 방법을 개시한다; Lee 등의 미국 특허 제6,948,705호는 가스-액체 접촉 장치를 기재하고, 이 장치에서 가스 스트림, 예를 들어 수증기는 환형 증기 혼을 통하여 컬럼에 공급된다; Laird 등의 미국 특허 제6,889,961호는 공급의 스월링을 감소시켜 분배를 향상시키기 위하여 하부 중간 천이 부분에 배플을 구비한 변경된 증기 분배기를 기재하였다; Laird 등의 미국 특허 제6,889,962호는 컬럼에 대한 입력 유동의 균일한 분포를 제공하면서 액적이 혼입하지 않도록 입력 공급물을 순환시키는 환형의 입구 증기 혼을 개시하였다; Lanting 등의 미국 특허 제6,309,553호는 복수의 분리유닛을 가진 상 분리기, 상향 유동식 반응기, 및 상 분리 방법을 개시한다; Moser의 미국 특허 제6,341,765호는 장치로 유체를 인피드하기 위한 방법을 개시한다; Yeoman 등의 미국 특허 제5,632,933호는 하우징의 내벽에 복수의 출구 및 컬럼의 폭에 대하여 입력 증기 스트림의 분배를 위한 일련의 유동 조향 베인을 가지는 환형의 양방향 가스 유동 장치를 기재한다; Hsieh 등의 미국 특허 제5,605,654호는 분산형으로 증기 스트림을 공급하기 위한 일련의 포트들을 가지는 환형의 하우징을 구비한 증기 분배기를 개시한다; Gohara 등의 미국 특허 제5,558,818호는 균일하게 분포된 연도 가스 입구를 구비한 습식 연도 가스 스크러버를 개시한다; Yeoman의 미국 특허 제5,632,933호는 물질 전달 및 열교환 컬럼들에서 증기 분배를 위한 방법 및 장치를 개시한다; Lee 등의 미국 특허 제5,106,544호는 방향성 유동 베인과 360도 환형 하우징을 구비한 입구 혼의 조합을 기재한다; Pielkenrood의 미국 특허 제4,435,196호는 비혼합성 가스성 액체 및/또는 고체 성분들의 혼합물을 처리하고, 기밀된 내압력 탱크를 구비한 복수상 분리기를 개시한다; Miura의 미국 특허 제3,651,619호는 가스 정화 장치를 개시한다; 그리고 Henby의 미국 특허 제3,348,364호는 액 분리기를 구비한 가스 스크러버를 개시한다.
상기 문제를 해결하기 위해 노력했던 일부 다른 종래기술의 장치는 다음과 같다: Laird 등의 미국 공개 출원 제2005/0146062호는 물질 전달 및 열교환 컬럼에서 균일한 증기 분배를 용이하게 수행하기 위한 방법 및 장치를 개시한다; Laird 등의 미국 공개 출원 제2005/0029686호는 물질 전달 컬럼용 유체 스트림 공급 장치를 개시한다; 그리고 Laird 등의 미국 공개 출원 제2003/0188851호는 물질 전달 및 열교환 컬럼에서 균일한 분배를 위한 방법 및 장치를 개시한다.
이에 관한 추가적인 선행기술의 참고문헌은 다음을 포함한다: McPherson, L.J.: "Causes of FCC Reactor Coke Deposits Identified"; O&GJ, September 10, 1984, pp 1 39; NPRA Question and Answer Session, 1986, (Transcripts) Heavy Oil Processing, Question 12, pp 45; Lieberman, N.P.: "Shot Coke: its origins and prevention": O&GJ, July 8, 1985. pp 45; Christopher Dean et.al. "FCC Reactor Vapor Line Coking," Petroleum Technology Quarterly Autumn 2003; Christopher Dean et.al. "Process Equipment Specification and Selection," Petroleum Technology Quarterly Autumn 2004; Hanson D.W. et.al. "De-Entrainment and Washing of Flash-Zone Vapor in Heavy Oil Fractionators," HCP, July 1999, 55-60; Scott W. Golden et.al. "Correcting Design Errors can Prevent Coking in Main Fractionators," Oil & Gas J. Nov. 21, 1994, 72-82; Dana G. Laird. "Benefit of Revamping a Main Fractionator," Petroleum Technology Quarterly; Winter 2005. David Hunt et.al. ; "Minimizing FCC Slurry Exchanger Fouling," Petroleum Technology Quarterly Winter 2008; Mark Pilling et.al.; "Entrainment Issues in vacuum Column Flash Zones," Petroleum Technology Quarterly; Winter 2010.
증기 혼(horn)을 이용하는 대부분의 장치에서, 입구 유동은 증기 피드에 사이클론 효과를 가지는 일방향성이라는 점에 주의할 필요가 있다. 이런 종류의 장치에서, 배플이나 베인은 입구 스트림의 원형 유동을 방향 잡아주고 붕괴시키기 위하여 사용된다.
이와 같이, MF 컬럼으로의 고속의 과열 공급 가스를 냉각시킬 수 있고, 슬러리 축적 부분의 바닥까지 공급 분배장치 내에 부착물이나 코크스의 침착없이 공급 가스를 분배할 수 있는 가스 분배 장치는 관련 기술의 진전을 의미하는 것이고, 오랫동안의 필요성을 해결하게 될 것이다.
본 발명은 열전달 및/또는 물질 전달 컬럼을 위한 가스분배기에 관한 것이다. 가스 분배기는 상기 컬럼 내에 위치하며, 상기 컬럼의 쉘 벽을 통하여 연장되어, 공급 가스를 실질적으로 수직이고, 상기 가스분배기 내의 환형 내측 개방영역으로의 적어도 하나의 개구부를 포함하는 내측 원통형 디플렉터 벽으로 향하도록 하기 위한 적어도 하나의 공급 가스 유입 노즐을 포함한다. 상기 가스분배기는 상기 내측 원통형 디플렉터 벽을 연장하며 상기 쉘 벽의 윤곽에 상응하는 바닥부를 더 포함한다. 상기 바닥부는 상기 컬럼 내에서 컬럼 배수구로의 개구부를 포함하며, 공급 가스 유입 노즐 상방으로 상기 내측 원통형 디플렉터 벽과 쉘 벽 사이에 구비되어 상기 쉘 벽과 상기 내측 원통형 디플렉터 벽 사이에 일반적으로 원주방향의 가스 유동 채널를 정의하며, 적어도 하나의 개구부를 포함하는 일반적으로 수평인 천장을 포함한다.
또한, 본 발명은 열교환 및/또는 물질 전달 컬럼 내의 공급 가스 분배방법에 관한 것이다. 상기 방법은: 과열 공급 가스를 공급 가스 유입 노즐을 통하여 쉘 벽과 내측 원통형 디플렉터 벽 사이로 전달하는 단계로서, 상기 유입 노즐은 컬럼의 상기 쉘 벽을 통하여 일반적으로 원주방향의 가스 유동 채널로 연장되고, 상기 원주방향 가스 유동 채널은 상기 쉘 벽, 바닥부 및 적어도 하나의 상기 컬럼 내의 내측 환형 개방영역으로의 개구부를 가지는 상기 내측 원통형 디플렉터 벽, 및 상기 유입 노즐의 상방의 천장 사이에 형성되는 단계; 액체가 상기 천장의 복수의 개구부들을 통과하여 상기 원주방향 가스 유동 채널 내를 통과할 때, 상기 가스를 액체의 역방향 유동과 접촉시킴으로써 상기 과열 공급 가스를 냉각하는 단계; 상기 액체가 상기 천장의 복수의 개구부들을 통과한 이후에 원주방향의 가스 유동 채널를 형성하는 상기 내측 원통형 디플렉터 벽 및 상기 쉘 벽의 내측을 상기 액체의 역방향 유동으로 적시는 단계; 및 상기 과열 공급 가스를, 상기 내측 원통형 디플렉터 벽의 적어도 하나의 개구부 및 상기 천장의 복수의 개구부들을 통하여, 상기 천장 및 컬럼 내의 환형 내측 영역의 상방의 영역으로 환기시키어 상기 컬럼 내에서 상기 과열 공급 가스의 균일한 분배를 제공하는 단계를 포함한다.
청구된 가스분배기는 단순한 디자인이고 컬럼에 용이하게 설치되어 컬럼으로 들어오는 가스의 균일한 수평방향 및 수직방향 분배를 제공한다. 본 발명의 F-플루트 가스분배기는 이하의 이점을 제공한다: F-플루트 가스분배기 내부의 과열 반응기 복수상(multiphase) 공급 가스를 F-플루트 가스분배기 천장으로부터의 슬러리 액의 샤워링을 통한 밀접한 접촉에 의하여 냉각함; 공급 가스의 온도를 즉각적으로 감소시킴으로써 주 분별증류 쉘의 온도가 그 설계 온도 이상의 높은 스킨 온도로 되는 가능성을 감소시킴; F-플루트 가스분배기는 공급 노즐과 슬러리 축적부 간의 요구되는 거리를 약 2.5 m 이상 감소시키며, 탑의 전체 T-T 길이를 감소시킴; 공급 노즐과 내화물로 된 가스 이송라인 모두의 크기를 증가시키기 위한 개조시에 F-플루트 가스분배기를 이용하는 것은 원가 절감에 유효한 대안이 됨; 완전히 적셔진 F-플루트 가스분배기 내부는 코크스 침착과 성장을 초래하는 건조 고온점 형성을 방지함; 슬러리 축적부에 대한 부적절한 가스 분배가 없어지므로 패킹에 대하여 좀 더 균일한 가스 분배에 도움이 되며, 결과적으로 슬러리부에서 더 효과적인 열전달을 구현하여, 요구되는 슬러리 축적부 길이가 감소하는 결과를 얻음; 그리고, 슬러리 축적부에서의 균일한 가스분배로 오일 세척부에 슬러리 액이 혼입되는 것을 감소시키고, 오일 세척부의 필요성을 완전히 없앨 수도 있음.
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도 1a는 열교환이나 물질 전달 컬럼 내에 구현된 F-플루트 디자인을 가지는 청구된 가스 분배기의 실시 예의 단면도이다.
도 1b는 F-플루트 가스분배기의 등각 3차원 도면으로서, 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트, 환기창, 내측 원통형 디플렉터 벽이 연장된 바닥부분뿐만 아니라, 천공 평판 천장 부분, 굴뚝을 가지는 천공 평판 부분, 및 높은 모자형 천장부를 가지는 본 발명의 실시 예를 보인다.
도 1c는 본 발명의 F-플루트 가스 분배기의 일 실시 예의 굴뚝을 구비한 평면 천공판 및 높은 모자형 천장 부분의 3차원 도면이다.
도 2a는 본 발명의 F-플루트 가스 분배기의 일 실시 예의 막대-판 천장 부분의 3차원 도면이다.
도 2b는 F-플루트 가스분배기의 등각 3차원 도면으로서, 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트, 환기창, 내측 원통형 디플렉터 벽이 연장된 바닥 부분뿐만 아니라, 막대-판 천장 부분을 구비한 본 발명의 실시 예를 보인다.
도 3a는 본 발명의 F-플루트 가스 분배기의 일 실시 예의 천공 평판 천장 부분의 3차원 도면이다.
도 3b는 F-플루트 가스분배기의 등각 3차원 도면으로서, 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트, 환기창, 내측 원통형 디플렉터 벽이 연장된 바닥 부분뿐만 아니라, 천공 평판 천장 부분을 구비한 본 발명의 실시 예를 보인다.
도 4a는 본 발명의 F-플루트 가스 분배기의 일 실시 예의 천공 골판(corrugated plate) 천장 부분의 3차원 도면이다.
도 4b는 F-플루트 가스분배기의 등각 3차원 도면으로서, 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트, 환기창, 내측 원통형 디플렉터 벽이 연장된 바닥 부분뿐만 아니라, 천공 골판 천장 부분을 구비한 본 발명의 실시 예를 보인다.
도 5는 과열 공급 가스 및 슬러리 액의 온도(℃) 및 유량(kg/hr)을 패킹 입구, 가스분배기 출구(즉, 플루트 출구) 및 가스 분배기 입구(즉, 플루트 입구)에서 그래프로 표현한 것이다.
도 6은 3개의 다른 크기의 분별증류 주탑, 즉, 37KBPD 시스템, 90KBPD 시스템 및 125KBPD 시스템으로서, 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 분별증류 주탑의 원가 비율을 그래프로 표현한 것이다.
도 7은 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비하지 않은 경우, 패킹 입구 하부의 주 분별증류 컬럼의 단면에서 가스 분배 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 8은 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 경우, 패킹 입구 하부의 주 분별증류 컬럼의 단면에서 가스 분배 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 9는 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비하지 않은 경우, 패킹 입구 하부의 주 분별증류 컬럼의 단면에서 가스 분배의 수직방향 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 10은 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 경우, 패킹 입구 하부의 주 분별증류 컬럼의 단면에서 가스 분배의 수직방향 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 11은 공급 가스 입구 노즐 높이에 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 경우, 가스 분배의 수직방향 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 12는 본 발명의 F-플루트 가스분배기의 단면도로서, 실례로, ㎜ 단위의 치수 및 초고액위(HHLL), 고액위(HLL) 및 저액위(LLL) 위치를 의미하는 마킹을 표시한다.
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도 1a는 열교환이나 물질 전달 컬럼 내에 구현된 F-플루트 디자인을 가지는 청구된 가스 분배기의 실시 예의 단면도이다.
도 1b는 F-플루트 가스분배기의 등각 3차원 도면으로서, 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트, 환기창, 내측 원통형 디플렉터 벽이 연장된 바닥부분뿐만 아니라, 천공 평판 천장 부분, 굴뚝을 가지는 천공 평판 부분, 및 높은 모자형 천장부를 가지는 본 발명의 실시 예를 보인다.
도 1c는 본 발명의 F-플루트 가스 분배기의 일 실시 예의 굴뚝을 구비한 평면 천공판 및 높은 모자형 천장 부분의 3차원 도면이다.
도 2a는 본 발명의 F-플루트 가스 분배기의 일 실시 예의 막대-판 천장 부분의 3차원 도면이다.
도 2b는 F-플루트 가스분배기의 등각 3차원 도면으로서, 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트, 환기창, 내측 원통형 디플렉터 벽이 연장된 바닥 부분뿐만 아니라, 막대-판 천장 부분을 구비한 본 발명의 실시 예를 보인다.
도 3a는 본 발명의 F-플루트 가스 분배기의 일 실시 예의 천공 평판 천장 부분의 3차원 도면이다.
도 3b는 F-플루트 가스분배기의 등각 3차원 도면으로서, 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트, 환기창, 내측 원통형 디플렉터 벽이 연장된 바닥 부분뿐만 아니라, 천공 평판 천장 부분을 구비한 본 발명의 실시 예를 보인다.
도 4a는 본 발명의 F-플루트 가스 분배기의 일 실시 예의 천공 골판(corrugated plate) 천장 부분의 3차원 도면이다.
도 4b는 F-플루트 가스분배기의 등각 3차원 도면으로서, 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트, 환기창, 내측 원통형 디플렉터 벽이 연장된 바닥 부분뿐만 아니라, 천공 골판 천장 부분을 구비한 본 발명의 실시 예를 보인다.
도 5는 과열 공급 가스 및 슬러리 액의 온도(℃) 및 유량(kg/hr)을 패킹 입구, 가스분배기 출구(즉, 플루트 출구) 및 가스 분배기 입구(즉, 플루트 입구)에서 그래프로 표현한 것이다.
도 6은 3개의 다른 크기의 분별증류 주탑, 즉, 37KBPD 시스템, 90KBPD 시스템 및 125KBPD 시스템으로서, 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 분별증류 주탑의 원가 비율을 그래프로 표현한 것이다.
도 7은 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비하지 않은 경우, 패킹 입구 하부의 주 분별증류 컬럼의 단면에서 가스 분배 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 8은 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 경우, 패킹 입구 하부의 주 분별증류 컬럼의 단면에서 가스 분배 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 9는 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비하지 않은 경우, 패킹 입구 하부의 주 분별증류 컬럼의 단면에서 가스 분배의 수직방향 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 10은 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 경우, 패킹 입구 하부의 주 분별증류 컬럼의 단면에서 가스 분배의 수직방향 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 11은 공급 가스 입구 노즐 높이에 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 경우, 가스 분배의 수직방향 속도의 크기 윤곽선을 컬러로 수치 유체 동력학적 시뮬레이션한 것을 보인다.
도 12는 본 발명의 F-플루트 가스분배기의 단면도로서, 실례로, ㎜ 단위의 치수 및 초고액위(HHLL), 고액위(HLL) 및 저액위(LLL) 위치를 의미하는 마킹을 표시한다.
본 발명은 열교환 및/또는 물질 전달용 컬럼에 사용되며, 공급 가스 스트림으로부터의 가스를 컬럼의 내부 주위에 균일하게 분배하는 가스분배기에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 높은 유입 속도의 과열 공급 가스 스트림의 상태를 조절하여 공급 가스 스트림으로부터의 가스가 컬럼의 내측 주변부 내에서 고르게 분배되도록 하는 가스 분배기에 관한 것이다.
청구된 가스분배기는 FCCU 반응기 산물의 비등점 성분이 이들의 이슬점 온도에 매우 가깝게 냉각되는 경우에 코크스의 형성을 회피하는데 특히 효율적이다. 이 산물은 냉점이 있을 경우, 응축될 수 있고, 또는, 일부 반응 산물 성분은 축합하여 공급 가스 유입 온도에서 비휘발성이 되는 큰 분자를 형성할 수 있다. 냉점은 부적절한 단열이나, 플랜지 등의 피팅 주위의 높은 열손실에 기인할 수 있으며, 응축을 용이하게 한다. 만일 이 침착된 액이 용기 내 고체 표면상에서 충분한 체류 시간을 가지면, 코크스는 이송라인이나 용기 벽 상에 축적하기 시작한다. 일단, 코크스가 형성되면, 추가되는 코크스는 좀 더 성장하기 쉬운 표면을 가지게 된다.
FCC 반응기로 가는 공급원료(feedstock) 내의 나프텐은 FCC 촉매에 의해 효율적으로 크랙되지 않고, 그래서 고온의 반응기 배출가스와 함께 MF 컬럼으로 이송된다. 최근의 FCC 촉매 형성은 결과적으로 수소이송 반응 촉매의 높은 사용을 초래하였고, 좀 더 많은 올레핀의 산출을 선호하는 높은 반응기 온도에서 작동하게 되었으며, 무거운 방향족 물질의 공급과 연관되어 고 비등점 다핵 방향성 물질(PNA)을 생산하게 되었는데, 이것은 MF 컬럼 입구의 위치에서 더욱 용이하게 응축된다. 이 PNA가 컬럼 내의 고체 표면상에서 응축하며, 용이하게 코크스를 형성한다. 고 희토류 제올라이트 FCC 촉매는 2차적인 수소 이송 반응의 결과로서 나프텐으로부터 방향족 물질을 형성하려 한다. 이 방향족 물질은 추가적인 열 반응을 거쳐서 코크스를 형성할 수 있다.
코크스 형성은 다음의 두 가지 독립된 메커니즘으로 설명되어 왔다: (i) "아스팔틱 코크스(Asphaltic Coke)"는, 솔류타이징 오일이 열적으로 크랙되면서 형성되고 잔류하는 대형 아스팔텐과 수지 분자가 형상에 많은 변화 없이 고체 구조(코크스)를 형성하도록 침착되어 형성되고, (ⅱ) "열적 코크스(Thermally Coke)"는 방향족 고리의 가교에 의해 생성된다.
반응기로의 과열된 공급 가스 스트림으로부터 가스분배기까지의 제1 응축 액적은 아스팔텐이나 수지와 같은 무거운 오일이 풍부하게 되기 쉽다. 이 물질이 MF 컬럼의 저속 영역의 거친 금속 표면에 도달하면, 오래 머무는 동안 용매 오일이 서서히 증발하고, 침전에 의하여 코크스를 형성한다. 일단, 코크스가 침착되면, 그곳은 더 많은 응축된 액적이 거친 표면상에 침착하여 코크스 부위를 성장하게 하는 이상적인 부위가 된다.
본 발명에서 이용되는 코크스의 형성을 최소화하는 두 가지 기본적 원리가 있는데, 첫 번째는 베어 금속 표면으로부터의 열손실을 방지하여 데드 스팟을 회피하는 것이고, 두 번째는 고체 표면을 습하게 유지하는 것이다. 본 발명에서, 반응기 배출물질(즉, 가스 분배기로의 과열된 공급 가스)은 메인 컬럼으로 유입되고, 차가운 환류 슬러리와 직접 접촉을 통하여 냉각된다. MF 컬럼은 패킹, 쉐드(shed)(배플) 또는 디스크나, 도우넛형 트레이를 이용하여 두 개 스트림, 즉, 공급 가스 스트림과 슬러리 액으로부터의 스트림을 접촉시킨다. 패킹/트레이는 고온의 가스가 통과해야만 하는 액체의 시트를 생성함으로써 작동한다. 이상적으로는, 가스와 액체는 균일하게 분배된다. 그러나 실제로는, 이러한 균일한 가스와 액체의 분배는 일어나지 않는다. 액체와 가스 분배는 일반적으로 미흡하므로, 패킹, 쉐드, 디스크나 도우넛형 트레이는 이들의 정격 용량 미만으로 잘 채워진다.
종래기술 장치에서는 가스와 액체의 분배가 잘못됨으로 인하여, 일부 경우에는, MF 컬럼 유입 노즐의 50% 이상이 설계속도의 2배인 70m/sec를 훨씬 넘게 가스 속도를 높이는 코크스로 막힌다. 그러므로 더 많은 가스가 유입 노즐로부터 컬럼을 180도 돌아 즉, 공급 노즐의 바로 반대쪽의 컬럼의 영역으로, 상방으로 유동하여 그 고속의 가스 속도 영역에서 패킹이나 쉐드(배플) 트레이의 국부적인 넘침 현상을 초래한다. 초기의 액체 분배가 톱 패킹/트레이까지 균일하다고 가정하면, 패킹/트레이를 떠나는 가스 온도는 유입 노즐로부터 180도에서 더 높아지고, 악성 가스분배가 된다. 유입 노즐로부터 직상방으로 180도 위치의 패킹/트레이 상방의 가스 공간에 위치한 온도센서를 구비한 컬럼은 50℃까지의 온도차를 가진다. 일단, 패킹 트레이가 넘치면, 차가운 슬러리가 슬러리부 패킹 직상방의 패킹 세척오일 트레이에 혼입한다. 그 결과, 세척오일 트레이를 거치는 압력 강하는 증가하고, 유닛 내의 압력 균형에 충격을 가중시킨다.
상기 공급 가스 상방의 슬러리부의 가스 및 액체의 악성 분배는 본 발명의 F-플루트 가스 분배기에 의해 해소된다. 본 실시 예의 가스 분배기는 슬러리 환류 베드로 들어가는 더 많은 균일한 유동을 부여하고 고온 부식성 환경을 견디며, 손상과 코크스화에 저항한다.
종래의 접선형 분배기(예를 들면, Vapor Horns, Vane Inlet Devices, 및 V-Baffles) 및 경방향 유동 멀티베인 분배기(예를 들면, Schoepentoeter)는 모두 코크스화나 부식, 또는 두 가지 모두 때문에 FCCU 주 분별증류기에서 작동할 수 없음이 입증되었다. 미흡하게 설계된 분배기는 코크스화 되어 가스 유동이 방해받을 정도가 되고, 결국 조기 셧다운에 이른다.
본 발명의 발명자들은 스태거드(staggered) 파이프 플레이트 분배기가 작동도중 코크스를 자유 상태로 남겨두면서 가스를 대략 분배할 수 있다는 점에 주목한다. 스태거드 파이프 플레이트 분배기는, 컬럼 내에서 타원형 링상에 공급 가스와 슬러리 액이 분배기 카운터를 통하여 유동하는 공급 노즐 상방의 가스 상향 유동 방향으로 향하는 각도로 놓이는, 스태거드 파이프를 포함한다. 코크스화를 극복하기 위한 분배기의 성공은 유동하는 슬러리 액에 의하여 분배기 파이프들에 응축되는 아스팔텐 액적에 대한 즉각적이고 연속적인 세척 동작에 기인한다. 그러나 이러한 분배기는 상기 패킹 부분으로의 가스 분배의 제한적인 향상을 제공한다.
만일 슬러리 환류부가 적합하게 설계된다면, 혼입 현상은 아주 적을 것이고, 세척 작동이 필요 없게 된다. 그러나 혼입 현상이 많아지면, 적합한 해결방법은 슬러리 환류부를 고쳐서 혼입을 줄이는 것이다. 따라서, 세척 오일부는 목적에 기여하지 못하여 생략할 수 있다.
세척 오일부 코킹을 일으키는 두 가지 주요 메커니즘이 있다. 첫 번째는 세척 오일부로의 슬러리 환류액의 혼입이고, 두 번째는 세척오일 트레이 상부의 국부적인 고온 영역이다. 일부 경우에는, 양쪽 다 동시에 발생하여 속성으로 코크스 형성을 일으키고, 최종적으로 예상외의 셧 다운을 초래한다.
슬러리 환류액이 환류부로부터의 가스에 혼입하여 세척오일 트레이가 과중하게 로드되어 배수시킬 수 없을 경우, 또는, 블로잉(즉, 가스 유량이 크고 액체 유량이 작을 때)이 발생한 경우, 코크스가 형성된다. 혼입액은 반드시 연장된 체류시간이 주어지고 상대적으로 높은 국부적 온도에 놓이므로, 혼입 그 자체만으로는 문제가 아니다. 더욱이, 국부적 온도는 액체 유량이 극도로 적을 경우에 아주 높을 수 있으므로, 코크스 형성에 이상적인 조건이 된다.
Vapor Horn 및 Schoepentoeter와 같은 종래기술 장치는 MF 컬럼 내에서 공급 가스 유입 노즐의 직상방의 부분으로 공급 가스 스트림을 균일하게 분배하는데 성공하지 못하였다. 이것은, 공급 가스 스트림이 이들 장치 내부를 냉각시키고 아스팔텐을 포함한 가장 무거운 성분이 응축하기 시작하고 장치의 차가운 표면상에 침착하거나 부착하기 때문이다. 고온의 공급 가스와 연속적인 접촉으로, 가벼운 물질들이 침착물로부터 제거된다. 또한, 수소 원자의 축합 아스팔텐으로부터의 제거는 코크스화로의 천이를 초래한다. 시간이 지남에 따라, 코크스 침착물은 성장하여 심각한 크기가 되고, 가스 유동에 지장을 초래한다. 결과적으로, 장치들은 MF 컬럼으로부터 제거되어야만 한다.
공급 가스 스트림의 가스와 슬러리 액 사이에 발생하는 열교환과 물질 전달의 효율성을 증가시키기 위하여, 가스는 컬럼의 수평 단면에 걸쳐서, 특히 가스가 패킹으로 들어오는 하부의 가스-액체 계면에서 균일하게 분배되는 것이 중요하다. 공급 가스 스트림이 공급 가스 유입 노즐로부터 가스분배기 없이 패킹 하부의 컬럼으로 유입되면, 가스의 모멘텀이 가스가 패킹으로의 진입 이전에 원하는 수평방향 분배를 저해할 수 있다.
또한, 메인 분별증류 컬럼에서 패킹된 슬러리부의 최적화 작동을 위하여, 액체 막의 균일한 분배와 패킹을 통한 가스 유동이 요구된다. 적정한 액체 분배의 역할이 논쟁거리가 되지는 않았지만, 종래기술 장치는 컬럼 내의 가스 초기 분배를 무시하여 왔다. 컬럼 내의 초기 가스 분배의 중요성은, 짧은 바닥부를 가지는 대직경 컬럼이나 적은 압력 강하의 패킹을 고려할 때, 더욱 명확해진다. 따라서, 본 실시 예의 F-플루트 가스분배 시스템은, 예를 들면, 과열 FCC 반응기 가스(즉, 과열 공급 가스 스트림)를 컬럼 내로 유입시키고 컬럼의 전체 단면상에서 균일하게 분배한다.
이것을 달성하기 위하여, 공급 가스 스트림의 속도는 공급 가스 유입 노즐과 패킹 및/또는 상기 트레이부 사이의 짧은 거리에 걸쳐서 감소될 필요가 있다. 동시에, 공급 가스 유입 노즐은 적절하지 않게 컬럼 단면을 차단하지 않아야 하며, 과도한 압력강하를 일으키지 않아야 한다. 경제적인 이유로, 노즐과 패킹/트레이 간에는 최소 거리가 바람직하며, 그러므로, 효율적인 가스분배 장치가 매우 필요해진다.
본 발명의 청구된 가스분배기는 종래기술 장치의 문제점에 대한 해결책을 제공한다. 본 가스분배기는 열교환 및/또는 물질 전달 컬럼을 위한 것이다. F-플루트 디자인은 통상 수직 중심축을 가지는 개방형 내부 쉘 컬럼을 이용하여 과열 공급 가스 스트림의 균일한 분포를 제공한다. 적어도 하나의 공급 가스 유입 노즐이 컬럼 쉘의 벽을 통하여 연장되고 과열된 공급 가스 스트림을, 공급 가스 유입 노즐로부터 내측에 방사형으로 이격되어 있고 일반적으로 환형인 수직 내측 원통형 디플렉터 벽을 향하도록 하고, 그 결과 공급 가스는 원주방향으로 진행하게 된다. 가스 분배기는 또한 내측 디플렉터 벽과 컬럼 쉘 사이로 연장되는 천장과 바닥을 포함하여, 톱 부분을 실질적으로 밀폐하고, 분배기의 바닥부를 원통형 또는 원추형으로 컬럼 배수구로 연장한다. 따라서, F-플루트 가스 분배기는 공급 가스가 패킹부로 직접 통과하는 것을 방지한다.
청구된 가스분배기는 공급 가스 스트림을 가스분배기 상부의 컬럼 슬러리부로부터의 슬러리 액의 반대방향 유동과 접촉시킴으로써 냉각시키는 "F-플루트" 디자인을 가진다. 이와 같이, 슬러리 액은 공급 가스 스트림과 접촉하면서 부분적으로 증발하고, 공급 가스 스트림을 냉각시키게 된다. 하방으로 유동하는 슬러리 액은 공급 가스 스트림에 미세 고체 촉매가 존재한다면 이들을 "세척"하고 분리한다.
공급 가스 스트림의 냉각된 가스는 원주방향의 내측 원통형 디플렉터 벽에 설치된 양쪽 환기창과 F-플루트 가스분배기의 천장에 있는 가스 개구를 통하여 F-플루트 가스분배기를 벗어난다. F-플루트 가스분배기의 천장(즉, 지붕)은 실질적으로 수직인 원주방향 내측 원통형 디플렉터 벽의 상단과 컬럼 쉘의 내부벽 사이의 공간을 점유한다. 이와 같이, 천장은 공급 가스 유동 채널의 상단을 정의하며 공급 가스 유동 채널을 컬럼 내에서 F-플루트 가스분배기 상부에 있는 내측 전체 단면 개방영역과 분리한다. 내측 전체 단면 개방영역 상부의 패킹부로부터의 슬러리 액은 천장의 종류에 따라서 천장 상부에 약 25~50㎜ 높이에 부분적으로 모인다. 본 발명에서 아래에 더 충분히 기술되듯이, 다양한 수단에 의해 슬러리 액은 공급 가스 유동 채널 내의 공급 가스 스트림을 통하여 폭포 또는 샤워처럼 하강한다.
본 발명의 실시 예에 따르면, F-플루트 가스분배기의 천장은 천공 평판 부분, 또는 금속 평판으로 형성된 세그먼트로서 약 1~1.5 인치의 구멍(즉, 평판 부분 상에 균일하게 분포된 구멍)을 포함한다. 이 부분이나 세그먼트는 일반적으로 환형의 원주방향 내측 원통형 디플렉터 벽 및 컬럼 쉘의 벽 내부 사이에서 천장을 형성하기 위하여 서로 맞추어지거나 결합하도록 설계된다. 천장을 형성하는 부분은, 예를 들면, 외주 림에 용접될 수 있다. 평판 부분과 세그먼트는 공급 가스 스트림의 냉각된 가스와 슬러리 액 모두를 천공부(구멍)를 통하여 유동하도록 해주며, 이때 천장의 정상부에 모이는 슬러리 액의 양은 감소한다. 구체적으로, 천장의 구멍은 가스와 슬러리 액이 동일한 천공부를 교번하여 통과하도록 하여 신속한 세척효과를 제공한다. 종전 같으면 가스와 같이 운반되는 형성된 코크스 입자는 모두 액체와 접촉함으로써 추출되며, 유동하는 슬러리 액과 같이 아래쪽으로 세척된다. 이러한 점에서, 천장의 복수의 구멍은 하방으로 유동하는 슬러리 액을 샤워와 같은 형태로 분배하여, 액체의 표면 접촉 면적을 크게 생성함으로써, 공급 가스 스트림의 상향 유동 가스와의 열/물질 전달 상호작용을 향상시킨다. 천공 평판 부분을 이용함으로써 액체가 지붕에 잡히는 것을 감소시키고 최소화할 수 있다.
본 발명의 다른 실시 예에서, 복수의 구멍과 F-플루트 가스분배기 천장은 가스 굴뚝을 구성하며, 이 굴뚝은 공급 가스 유동 채널 내의 공급 가스로부터의 냉각된 가스를 가스분배기 상방과 패킹 트레이 슬러리 부분 하방의 컬럼의 내측 전체 단면 개방영역으로 진입하도록 해준다. 천장의 굴뚝은 복수의 천장 구멍에 둘러싸이며, 슬러리 액은 복수의 구멍을 통과하여 공급 가스 스트림을 샤워하면서, 슬러리 축적 부분으로부터의 슬러리 액은 천장의 정상부에 모인다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르면, F-플루트 가스분배기 천장은 막대-판 부분, 또는, 외주 림에 약 1인치 이격되어 용접되는 스태거드 막대로 구성된 세그먼트를 구비할 수 있다. 막대-판 부분은 가스와 슬러리 액을 스태거드 막대 사이의 공간을 통하여 유동하도록 해준다. 이러한 디자인은 상향유동 가스를 하향유동 슬러리 액과 밀접하게 접촉하도록 해주며, 따라서, 막대-판 부분의 정상부에 거품을 생성시킨다. 그러나 막대 정상부에 모이거나 유지되는 슬러리 액은 최소량이다.
본 발명의 또 다른 실시 예에 따르면, F-플루트 가스분배기 천장은 외주 림에 용접된 천공 골판 금속 시트로 형성되는 천공 골판 부분 또는 세그먼트를 포함한다. 골판 상의 천공부(즉, 구멍)는 가스와 슬러리 액 모드를 교번적으로 통과하도록 한다. 더욱이, 골판 시트는 가스와 액체 양쪽 모두 천장을 통과하도록 해주는 증가된 표면과 개방 영역(즉, 추가적인 구멍)을 제공한다. 나아가서, 골판 시트는 지붕상에 모이거나 유지되는 액체를 최소화한다.
본 발명은 굴뚝 외에도 상기한 천장 디자인, 예를 들면, 천공 골판 부분의 천공 평판 부분 및 막대-판 부분과의 조합을 더 연구한다. 또한, 청구된 F-플루트 가스분배기가 코크스 침착을 방지하도록 슬러리 액으로 완전히 습해진 표면을 제공할 뿐만 아니라, 고도로 스무스하면서/또한 폴리싱된 금속표면으로 이루어진다는 점에서 본 발명은 종래기술의 가스분배기와는 다르다.
F-플루트 가스분배기는 그 상부의 슬러리 축적부에 종전에 볼 수 없던 균일하고 고른 가스 분배를 생성한다. 청구된 F-플루트 가스분배기의 장점은 본 발명에서 제시되는 도면의 다음 설명에 의하여 좀 더 완전하게 이해될 수 있다.
도 1a는 본 발명의 일 실시 예를 보여준다. 도 1a에서 F-플루트 가스분배기(10)는 일반적으로 열교환 및/또는 물질 전달을 위한 컬럼(1) 내에 있는 것으로 도시된다. 컬럼(1)은 메인 분별증류기, 증류, 흡착, 스트리핑, 급냉 오일 및/또는 급냉수 타워, 디코킹 타워, 및 수퍼 분별증류기를 포함하지만, 이들에 한정되지 않는 임의 타입의 열교환 및/또는 물질 전달용 컬럼일 수 있다. 컬럼(1)은 원형, 타원형, 정사각형, 직사각형, 및 다른 다각형의 단면을 포함하지만, 이들에 한정되지 않는 임의의 원하는 형상으로 이루어질 수 있다. 도 1a의 컬럼(1)은 개방식 내부 쉘로서 일반적으로 수직 중심축과 일반적으로 환형의 형상을 가진다. F-플루트 가스분배기(10)는 임의 형상의 임의의 열고환 및/또는 물질 전달 컬럼을 수용하도록 설계될 수 있다.
도 1a에서, 공급 가스 유동 채널(14)은 컬럼(1)의 쉘 벽(15)의 내부, 내측 원통형 디플렉터 벽(12), 및 천장(11) 사이에 형성된다. F-플루트 가스분배기(10)는 컬럼 쉘 벽(15)의 윤곽을 수용하는 원추형일 수 있는 바닥부(13)를 더 포함한다. 고속의 과열 공급 가스(30)는 적어도 하나의 가스 유입 노즐(20)을 통하여 컬럼(1)의 높이 방향과 일반적으로 수직인 방향으로 공급 가스 유동 채널(14)에 유입된다. 과열 공급 가스(30) 유동은, 원심력 및 과열 공급 가스(30)가 F-플루트 가스분배기(10)로 유입되는 높은 유량에 기인하여, 공급 가스 유동 채널(14)을 통하여 컬럼(1)의 일반적으로 원통형의 외측 컬럼 쉘 벽(15)을 따라 원주방향으로 진행한다.
F-플루트 가스분배기(10)의 내측 원통형 디플렉터 벽(12) 및 천장(11)은, 당업자에게는 공지된 바와 같이, 휘발성 화학물질, 액체, 고형 입자의 고속 과열 가스(30)에 의한 유동에 의하여 쉽게 열화되지 않을, 열교환 및/또는 물질 전달 과정에 적합한 임의의 고온 강 재질로 구성될 수 있다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 과열 공급 가스(30)는 F-플루트 가스분배기(10) 내부의 가스 유동 채널(14) 주위를 원주 방향으로 유동한다. 가스 유입 노즐(20)로부터의 과열 공급 가스(30)는 과열 가스가 냉각되면서 고체와 액체가 분리되는 가스 유동 채널(14)을 통하여 유동한다. 과열 공급 가스(30)의 가스는 복수의 수단을 통하여 공급 가스 유동 채널(14)로부터 제거된다. 첫 번째 수단은 내측 원통형 디플렉터 벽(12) 내에 구비되는 환기창(21)을 포함한다. 환기창(21)은 냉각된 가스가 공급 가스 유동 채널(14)을 빠져나가게 해준다. 본 발명의 일 실시 예에서, 환기창(21)의 개수는 약 10개 내지 30개이다. 환기창(21)은 약 1m×0.6m까지의 임의의 크기일 수 있다. 환기창(21)을 통하여 공급 가스 유동 채널(14)을 빠져나간 가스는 내측 원통형 디플렉터 벽(12)의 원통 형상 및 F-플루트 가스분배기(10)의 환형 구성에 의하여 형성되는 내측 개방 영역(23) 내로 유동한다. 가스는 다시 상향으로 진행하여 F-플루트 가스분배기(10)의 상방에 위치한 컬럼(1)의 접촉 패킹 및/또는 트레이(40)까지 뿐만아니라 컬럼(1)의 내측 전체 단면 개방영역(25)까지 진행한다.
과열 공급 가스(30)로부터의 가스가 분리되어 F-플루트 가스분배기(10)의 상방에 있는 컬럼(1)의 내측 전체 단면 개방 영역(25)으로 향하게 하는, 도 1a에 도시된 추가적인 수단은 F-플루트 가스분배기(10)의 천장(11)에 위치한다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 천장(11)은 굴뚝(24)을 포함하며, 굴뚝은 과열 공급 가스(30)로부터의 냉각된 가스가 상향으로 컬럼(1)의 내측 전체 단면 개방 영역(25)까지, 그리고, F-플루트 가스분배기(10)의 상방에 위치한 컬럼(1)의 접촉 패킹 및/또는 트레이(40)까지 진행하도록 한다.
굴뚝(24)은, 복수 상의 과열 공급 가스(30)로부터의 가스가 굴뚝(24)을 통하여 가스 유동 채널(14)을 빠져나가도록 하는 속도를 조절하는 높은 모자(41)(도 1c 참조)를 장착할 수 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 굴뚝(24)의 개수는 가스 유동 채널(14)의 길이 1m당 약 1~3개 범위에 있다. 굴뚝(24)들의 단면적은 약 0.1~0.4m2이며, 높은 모자(41)는 굴뚝(24) 상방으로 약 100~300mm, 그리고 단면적은 약 0.1~0.4m2 또는 그보다 크게 구축된다.
도 1a는 F-플루트 가스분배기(10)의 원추형 바닥부(13)를 보여주며, 바닥부는 바닥부 개구(16) 및 F-플루트 가스분배기(10) 직하방에 위치한 컬럼(1)의 컬럼 배수구(28)로 액체를 보내는 적어도 하나의 오버플로우 개구(27)를 포함한다. 오버플로우 개구(27)는 내측 개방 영역(23) 내부나 상방의 가스로부터 컬럼 배수구(28)로 분리된 액체의 배수를 위하여 구비된다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 오버플로우 개구(27)의 개수는 약 4~6개이다. 오버플로우 개구(27)는 F-플루트 가스분배기(10)의 내측 개방 영역(23) 내부로 샤워링되거나 비처럼 내리는 모든 액체를 수용하는 크기가 되며, 바닥부 개구부(16)와 연통되는 배수 파이프(18)가 막힌 경우 오버플로우 배수로 역할을 한다. 또한, 도 1a는 고고 액위(HHLL), 정상 액위(NLL) 및 저액위(LLL)를 의미하는 마킹을 보여준다.
도 1b는 컬럼(1) 외측의 F-플루트 가스분배기(10)의 3차원 등각도로서, 가스분배기는 천장 부분(29A, 29C)(29B, 29D는 도 1b에 미도시)을 포함하는 천장(11); 및 내측 원통형 디플렉터 벽(12)을 포함하며, 내측 원통형 디플렉터 벽(12)은 당업자에게 공지의 종래 기술로 환형으로 결합되어 내측 원통형 디플렉터 벽(12)을 제공하기 위한 벽 세그먼트(12a)를 포함한다. 도 1b는 또한, F-플루트 가스분배기(10)의 원추형 바닥부(13)를 보여준다. 본 발명의 일 실시 예에 따르면, 내측 원통형 디플렉터 벽(12)은 벽 세그먼트(12a)를 포함하는데, 이들은 주어진 보수용 통로를 통과할 수 있는 폭으로 치수를 맞추어 구비된다. 환기창(21)은 내측 원통형 디플렉터 벽(12)의 둘레의 몇 개의 벽 세그먼트(12a)에 위치한다. 환기창(21)은 벽 세그먼트(12a)나 내측 원통형 디플렉터 벽(12)을 절단하여 형성될 수 있다. 벽 세그먼트(12a)가 내측 원통형 디플렉터 벽(12)을 제공하기 위하여 사용될 경우에, 벽 세그먼트(12a)는 F-플루트 가스분배기(10)의 내측 개방영역(23)을 형성할 때까지 환기창(21)을 포함하면서 환형 형태로 연속된다. 공급 가스 유동 채널(14)을 형성하는 벽 세그먼트(12a)는 일반적으로 균일한 사이즈, 즉, 높이 및 폭을 가진다.
도 1b는 천장 부분(29A, 29C)을 포함하는 천장(11)을 보여주고, 천장 부분은 고체 강판(미도시), 금속제 천공 평판 부분(29C) 및 가스가 F-플루트 가스분배기(10)의 외부로 그리고 컬럼(1)의 내측 전체 단면개방 영역(25) 내부로 유동하도록 하는 굴뚝 및 높은 모자(29A)(도 1c도 참조)를 갖는 천공 평판부를 포함할 수 있다.
도 1c에 도시된 바와 같이, 굴뚝과 높은 모자(29A)를 구비한 각각의 천공 평판 부분은 적어도 두 개의 굴뚝(24) 및 복수의 천공, 즉, 구멍(42)을 구비한다. 구멍(42)은 굴뚝 사이에 뚫리고, 정확히 충분한 액체를 유지하여 기밀을 생성하도록 치수가 맞춰진다.
도 1a 및 1b에서, F-플루트 가스분배기(10)의 원추형 바닥부(13)는 원추형으로 형성되어 컬럼(1)의 하부를 수용하며 컬럼 배수구(28)로 진입한다. 또한, 원추형 바닥부(13)는 바닥 세그먼트(13a)를 포함할 수 있는데, 이들은 서로 연결되어 컬럼(1)의 형상을 추가로 수용하면서, 공급 가스 유동 채널(14)의 하부까지 원추형상을 형성하며 내측 원추형 디플렉터 벽(12)을 연장시킨다. 도 1a 및 1b에 도시된 것처럼, F-플루트 가스분배기(10)의 바닥부(13)는 원추형으로 형성되지만, 열교환 및/또는 물질 전달 컬럼의 하부를 수용하고, 내측 원통형 디플렉터 벽(12)을 연장하여 액체와 고체 입자를 컬럼 배수구로 보낼 수 있도록 하는 요구에 적합한 어떤 형상이라도 사용될 수 있다는 점이 고려된다. 원추형 바닥부(13)의 세그먼트는 보수용 통로를 통과할 수 있는 폭으로 크기가 결정된다.
원추형 바닥부(13)는 두 가지 목적을 달성한다: 먼저, 공급 가스 유입 노즐(20)로부터의 가스가 F-플루트 가스분배기(10)의 개구부, 즉, 환기창(21), 굴뚝(24)을 통과하지 못하도록 방지하는 것; 또한, F-플루트 가스분배기(10)의 내측 개방영역(23)으로부터 액적이 컬럼 배수구(28)로 배수되는 것을 액체의 혼입 가능성 없이 활성화 시키는 것이다. 다시 말하면, 가스는 F-플루트 가스분배기(10)의 외부로 떨어지는 액적으로부터 분리된다. 원추 형상은 탑의 스웨이지 부분의 윤곽을 따른 것이고, 액체가 신속히 배수되게 해주고, 액체가 증기 스트림에 다시 혼입하는 것을 방지한다.
본 발명의 일 실시 예에 따르면, 과열 공급 가스(30)는 F-플루트 가스분배기(10)의 공급 가스 유동 채널(14) 내를 순환할 때, 천장 부분의 구멍(42)으로부터 낙하하는 컬럼 슬러리 액적의 역방향 유동에 의하여 냉각된다. 이 효과로, 가스분배기를 포함하지 않은 컬럼과 비교하여, F-플루트 가스분배기(10) 내부의 열 전달을 증가시키는데. 그 이유는: (i) F-플루트 가스분배기(10) 내부의 과열 공급 가스(30)의 속도는 컬럼 내의 가스 속도보다 크다(이러한 슬러리 액적을 지나가는 과열 공급 가스(30)의 속도 증가의 효과는 열전달율을 향상시킨다); (ⅱ) 이러한 과열 공급 가스(30)의 빠른 속도와 난류성은 F-플루트 가스분배기(10) 내부의 슬러리 액적을 공기역학적으로 붕괴시켜, 열 및 물질 전달을 위한 그들의 계면 영역 면적을 증가시킨다; (ⅲ) F-플루트 가스분배기(10)는 증가된 대류 열전달을 위하여 증가된 습화 표면을 제공한다; 그리고, (ⅳ) F-플루트 가스분배기(10)는 패킹에 대하여 균일한 가스 분포를 생성하고, 텅빈 타워 내부로 노즐에 의한 분출로 야기되는 액적과 가스의 분리를 방지한다. 이러한 모든 장점의 이로운 결과는 F-플루트 가스분배기가 가스로부터 슬러리 액적으로의 열전달을 증가시키고, 이것으로 주어진 열 및 물질 전달량에 대하여 작은 길이의 탑/컬럼으로 대처할 수 있게 하는 것이다.
대안적으로, 도 2a에 도시한 바와 같이, 본 발명의 F-플루트 가스분배기(10)의 천장(11)은 막대-판 부분(29B)으로 구성될 수 있다. 도 2a에 도시한 바와 같이, 막대-판 부분(29B)은 서로 간에 최소한 약 1~1.5인치 간격을 가지며 외곽 림에 용접될 수 있는 스태거드 막대(43)를 포함한다. 스태거드 막대(43)는 도 2b에 도시된 바와 같이, 예를 들어 헤링본 형상, 대각선 형상 등의 하나 이상의 다양한 패턴의 조합으로 위치할 수 있다. 막대-판 부분(29B)은 가스와 슬러리 액이 스태거드 막대 사이의 공간을 통하여 유동하도록 해준다. 따라서 공급 가스 유동 채널(14)로부터의 상향 유동 가스를 하향 유동 슬러리 액에 밀접하게 접촉시키게 되어, 막대-판 부분(29B)의 상부에 거품을 형성하기 시작하게 된다. 스태거드 막대(43) 상에는 적은 양의 슬러리 액이 유지된다. 그러나 도 2b의 천장부 디자인은 도 1b에 도시한 굴뚝과 높은 모자를 구비한 천공 평판 부분과 비교하여, 천장 부분에 유지된 슬러리 액을 감소시킨다.
도 3a는 F-플루트 가스분배기(10)의 또 다른 대안을 제공하며, 여기서 천장부는 천공 평판 부분(29C)을 포함한다. 천공 평판 부분(29C)은 구멍(42)을 갖도록 천공된다. 천공 평판 부분(29C)은 강판으로 형성되며 외곽 림에 용접될 수 있다. 천공 평판 부분(29C)의 구멍(42)은 가스와 슬러리 액 모두를 교번적으로 통과하도록 한다. 동일한 천공부를 통한 교번적인 가스와 액체의 역방향 유동은, 형성되어 가스와 같이 이송되어온 어떤 코크스 입자라도 신속하게 세척하는 효과를 제공한다. 고체 입자는 접촉한 액체에 의하여 추출되어 유동하는 슬러리 액과 함께 하방으로 세척된다. 천공 평판 부분(29C)은, 도 3b에 도시된 바와 같이, 천장(11)의 상부에 유지된 액체의 최소화를 구성하여 제공하는 가장 단순한 것이다.
도 3b는 천장(11)을 포함하는, 컬럼(1) 외부의 F-플루트 가스분배기(10)의 등각도로서, 천장(11)은 천장 부분(29C)(29A, 29B, 29D는 도 3b에 미도시) 및 내측 원통형 디플렉터 벽(12)을 포함하고, 디플렉터 벽은 당업자에게 공지된 종래 기술에 의하여 환형 형태로 상호 결합되어 내측 원통형 디플렉터 벽(12)을 형성하는 벽 세그먼트(12a)를 포함한다. 또한, 도 3b에는 F-플루트 가스분배기(10)의 원추형 바닥부(13)가 도시된다. 내측 원통형 디플렉터 벽(12)은 벽 세그먼트(12a)로 구성되며, 환기창(21)은 내측 원통형 디플렉터 벽(12)을 둘러싸는 몇 개의 벽 세그먼트(12a)에 위치한다. 공급 가스 유동 채널(14)을 형성하는 세그먼트(12a)는 일반적으로 크기, 즉, 높이와 폭이 균일하여 가스가 내측 개방영역(23)에 들어가도록 한다.
도 4a는 천공 골판 부분(29D)을 포함하는 F-플루트 가스분배기(10)의 천장(11)에 대한 또 다른 대안을 보여준다. 도 4a에서, 천공 골판 부분(29D)은 강판으로 형성되며 외곽 림에 용접될 수 있다. 골판 상의 천공부(즉, 구멍(42))는 가스와 슬러리 액 모두를 교번적으로 통과하도록 한다. 천공 골판 부분(29D)의 골판은 지붕을 통과하는 가스와 액체 모두에게 증가된 유효 면적을 제공한다. 동일한 천공 골판 구멍을 통한 교번적인 가스와 액체의 역방향 유동은, 형성되어 가스와 같이 이송되어온 어떤 코크스 입자라도 신속하게 세척하는 효과를 제공한다. 이러한 입자는 접촉하는 액체에 추출되어 유동하는 슬러리 액과 함께 컬럼 배수구(28)로 하방으로 세척된다. 또한, 천공 골판 부분(29D)은 지붕 상에 유지된 액체를 최소화한다. 이러한 타입의 천공 골판 부분(29D)을 구비한, 도 4b에 도시한 F-플루트 가스분배기(10)는 코크스 부착에 가장 높은 저항성을 제공하므로, 주 분별증류 컬럼에 이용시 선호되는 옵션이다.
현재 주장된 F-플루트 가스분배기(10)는 상기한 천장부 중의 어떤 조합이라도 이용할 수 있다.
도 5는 과열 공급 가스 및 슬러리 액의 온도 및 트래픽(즉, 가스와 액체의 유량(kg/hr))을 그래프로 보인 것이다. 온도와 유량은 F-플루트 가스분배기의 입구 영역, 즉, 도 1a의 가스 공급 노즐에서부터 패킹 입구까지의 과열 공급 가스에서 측정되었다. 슬러리 액(도 1a의 슬러리 액 분배기(44)를 통하여 컬럼(1)으로 들어가는)과 F-플루트 가스분배기로 들어가거나 나오는 과열 가스 스트림의 양쪽에 대한 시뮬레이션된 트래픽과 온도이다. 이 그래프 표현은 과열 공급 가스는 본 발명의 F-플루트 가스분배기로 약 560℃의 온도로 진입하며 즉각 약 420℃까지 F-플루트 가스분배기의 공급 가스 유동 채널에서 슬러리 액을 증발시킴으로써 급냉된다. 따라서, 가스의 질량 유량은 약 500,000kg/hr로부터 최대 약 1,600,000kg/hr까지 증가하고, 이와 유사하게, 액체 유량은 약 1,100,000에서 1,550,000kg/hr로 그리고 약 450,000kg/hr까지 증가하거나 감소한다. 과열 공급 가스로부터의 가스는 F-플루트 가스분배기(flute outlet)를 약 1,200,000kg/hr의 속도 및 약 410℃의 온도로 벗어난다.
도 6은 도 1의 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 세 개의 다른 크기의 주 분별증류탑을 개조하는 비용을 그래프로 표현한 것이다. 기존의 주 분별증류탑에 대한 종래의 개조에서는 탑의 공급 노즐(들)을 교체하고, 공급 노즐까지의 내화물로 된 이송라인의 길이의, 즉, 공급 노즐 직경의 5~7배에 상당하는 길이의, 한 부분을 개조/오리지널 디자인 용량의 비율에 따른 단면적에 비례하여 스웨이징 하는 것을 요구한다. 이러한 정교한 작업은 F-플루트 가스분배기를 설치함으로써 회피할 수 있는데, 이것은 급냉된 공급 노즐 상방의 패킹의 하방에서 과열 공급 가스를 고르게 분배할 수 있기 때문이다. 도 6에 제시된 비용 이점은, 공급 노즐을 교체하고 이송라인을 스웨이징하는 덕트 작업과 비교할 때, 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 사용하는 경우에 현저하다. 즉, 3만7천 배럴/일("KBPD")의 유닛에서 약 100%의 비용 절감이 되며, 90KBPD의 유닛에서는 400% 이상의 비용 절감, 또한 두 개 덕트의 125KBPD의 유닛에서는 약 400%의 비용 절감이 된다.
도 1a의 청구된 F-플루트 가스분배기의 향상된 가스 분배를 보이기 위하여, 수치유체역학(CFD) 시뮬레이션이 준비되었고, 그 결과는 도 7 내지 11에 제시된다. 도 7 내지 11의 수치 유체역학 시뮬레이션은 주 분별증류 컬럼에서 단면 내에서의 가스분배 속도 크기의 3차원적 윤곽을 보여준다. 도 7 내지 11의 수치 유체역학 시뮬레이션은 각각 F-플루트 가스분배기가 구비된 경우와 구비되지 않은 경우에 대하여, 패킹 입구보다 5cm 하방의 주 분별증류 컬럼의 단면 내에서의 가스 분배를 보여준다. 공급 가스 유입 노즐은 각각의 도면, 즉 도 7~11의 왼쪽에 위치한다. 수치 유체역학 시뮬레이션은 도 12에 보인 치수(mm 단위)를 가진 F-플루트 가스분배기에 대한 것이다. 그러나 가스 분배는, 본 발명의 F-플루트 디자인이 해당 용기에 맞추어 비례적으로 형성되면, 어떤 크기의 용기에 대해서도 향상될 수 있다.
도 7 및 8은 각각 F-플루트 가스분배기가 구비된 경우와 구비되지 않은 경우에 대하여, 패킹 입구보다 5cm 하방의 주 분별증류 컬럼의 단면 내에서의 가스분배의 가스 분배속도 크기 윤곽의 CFD 시뮬레이션 모델이다. 비교 값은 최고 대비 평균 속도(PAV) 레벨로 측정될 수 있다. 도 7 및 8에서, PAV 레벨은 0.00~8.38의 수치 범위이다. 비어있는 컬럼, 즉, 도 7의 F-플루트 가스분배기가 없는 컬럼은 PAV 크기가 평균속도 레벨의 8.38배이다. 도 7은 공급 가스 유입 노즐을 벗어나서 분별증류 컬럼의 반대편으로 향하는, 높은 PAV 레벨을 갖는 큰 타원형 윤곽으로 표시된 지배적인 속도 크기 윤곽을 보여준다. 큰 타원형 윤곽은 낮은 PAV 레벨을 가지는 좁은 속도 크기 윤곽에 의하여 분리된다. 도 7의 속도 크기 윤곽의 패턴은 컬럼의 단면 내에서 극도로 불균일한 속도 분포를 표현한다. 그러나 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 구비한 경우, 즉, 도 8의 경우에는 PAV 크기는 4.45로서, 비어있는 컬럼에 비하여 47% 작다. 도 8에 제시된 컬럼의 단면 내에서의 실질적으로 균일한 속도 크기 윤곽은, 윤곽의 균일성과 높은 PAV 레벨이 없다는 사실로서 예시된다.
도 9 및 10은 컬럼의 패킹 하방 5cm에서의 수직방향 가스 분배속도 크기 윤곽(즉, 가스 분배 패턴)의 CFD 시뮬레이션 모델이다. 도 9는 비어있는 컬럼(즉, 본 발명의 F-플루트 가스분배기가 없는 경우)에 대한 수직방향 가스 분배속도 크기 윤곽을 보여주고, 도 10은 본 발명의 F-플루트 가스분배기가 구비된 경우에 대한 수직방향 가스 분배속도 크기 윤곽을 보여준다. PAV 레벨은 -0.50~2.81의 수치 범위에 있다. 도 9의 비어있는 컬럼의 시뮬레이션은 평균속도 레벨의 2.8배로 PAV 수직 성분을 측정하는데, 평균 속도 레벨은 공급 가스 유입노즐을 벗어나서 분별증류 컬럼의 반대편을 향하는, 높은 PAV 레벨을 갖는 두드러진 타원형 속도 크기 윤곽으로 표시된다. 이러한 수직방향 속도크기 윤곽은 컬럼의 패킹 하방에서의 가스의 극도로 불균일한 속도 분배를 나타낸다. 그러나 도 10의 F-플루트 가스분배기를 구비한 컬럼은, 비어있는 컬럼보다 25% 낮은 2.1의 PAV 수직 성분이 측정된다. 시뮬레이션 모델은, 본 발명의 F-플루트 가스분배기가 속도 균일성을 향상시키며, 따라서 이들을 설치하면 패킹 영역에 대한 가스 분배를 향상시킨다는 것을, 명확하게 설명한다.
도 11은 청구된 본 발명의 F-플루트 가스분배기 내부의 공급 가스 유입 노즐 높이에서의 과열 공급 가스 속도 크기 윤곽(즉, 가스 분배 패턴)의 CFD 시뮬레이션 모델이다. 본 시뮬레이션은 청구된 F-플루트 가스분배기의 공급 가스 유동 채널 및 내측 개방영역의 대부분에서의 균일한 속도 크기 윤곽을 명확하게 설명한다.
또한, 청구된 F-플루트 가스분배기는 액적 분포의 자우터(Sauter) 평균 직경(SMD)을 감소시켜서 열 및 물질 전달을 향상시킨다. 공기역학적 붕괴에 기초한 추정에서, F-플루트 가스분배기 내부의 액적의 SMD는 F-플루트 가스분배기가 없는 컬럼의 경우보다 33% 작을 것이다. 따라서, 액체와 가스 사이의 계면 영역을 증가시키어 열 및 물질 전달을 증가시킨다.
다음의 표 1은 도 1의 F-플루트 가스분배기가 구비된 경우와 구비되지 않은 경우의 SMD의 추정값의 차이를 보여준다.
| 디자인 | SMD(mm) | 열전달(Watt/°K) |
| 비어있는 컬럼 | 4.0 | 4.2E05 |
| F-플루트 가스분배기(10) | 2.7 | 5.5E05 |
F-플루트 가스분배기 내의 복수의 환기창은 내측 원통형 디플렉터와 벽 전체에 걸쳐 위치하며, 천장 전체에 걸쳐서 위치하는 굴뚝은 냉각된 과열 공급 가스가 분배기로부터 컬럼의 내측 완전 개방 단면 영역으로 빠져나와 아주 느려지고 균일한 속도로 F-플루트 가스분배기 상방이나 컬럼의 내부에 위치한 패킹 또는 트레이들에 분배된다.
F-플루트 가스분배기의 벽, 즉, 내측 원통형 디플렉터 벽, 내측 원통형 디플렉터 벽을 연장하는 원추형 바닥부 및 F-플루트 가스분배기의 외부 벽을 이루는 컬럼 쉘 벽의 내측은 슬러리 액으로 완전하게 젖는다. 내측 원통형 디플렉터 벽, 원추형 바닥부 및 컬럼 쉘 벽의 내측은 완전하게 젖는데, 그 이유는 천장이 내측 원통형 디플렉터 벽 및 컬럼 쉘 벽의 내측과 연결 장치, 예를 들어 도웰(dowel), 원형림, 용접 막대나 브라켓 등을 통하여 연결됨으로써, 복수의 개구부를 포함하여 슬러리 액이 내측 원통형 디플렉터 벽, 원추형 바닥부 및 컬럼 쉘 벽의 내측을 수직방향으로 낙하하고 이들을 젖게 하기 때문이다.
F-플루트 가스분배기 내의 과열 공급 가스 성분 중 고비점 성분의 어떤 응축은 액체 슬러리 상에서 발생하며, 유동하는 슬러리 액을 즉각 혼합하고 MF 컬럼의 컬럼 배수구로 하향 세척한다. 따라서, 아스팔텐을 포함하는 과열 공급 가스의 응축된 액적이 고체 벽 표면에 부착하는 것이나 긴 시간 동안 고온의 과열 공급 가스에 노출되는 현상을 방지한다. 이 현상들은 코크스 입자 형성과 그 성장의 주요 원인이고, 종래기술 가스분배기의 실패를 야기하는 현상이다.
또한, 공급 가스 유입 노즐로부터의 과열 공급 가스의 팽창은 F-플루트 가스분배기 내부의 천장 부분으로부터의 슬러리 액의 샤워링과 함께, 미세 고체 촉매가 과열 공급 가스로부터 분리되고, 많은 양의 슬러리 액과 함께 컬럼 배수구로 이송되는 것을 촉진하며, 이것은 컬럼 벽이나 내부에 부식 문제를 일으키지 않으면서 실행된다. 만일, 미세 고체 촉매와 코크스 입자가 컬럼의 입구 위치에서 과열 공급 가스로부터 효율적으로 분리되지 않고 과열 공급 가스와 함께 슬러리 축적부까지 통과되어 패킹에 침착된다면, 컬럼의 공급 가스 냉각 효율은 감소한다. 또한, 컬럼은 미세 고체 촉매와 코크스 입자의 제거를 위하여 좀 더 빈번한 세척이 필요하게 된다.
또한, 현재 청구된 F-플루트 가스분배기는 그 상방에 위치한 컬럼 부분의 패킹에서, 즉, 내측 전체 단면 개방 영역 내의 냉각된 과열 공급 가스에서, 최대 로컬 가스속도를 현저하게 감소시킨다는 것을 보였다. 이러한 로컬 가스속도의 감소는 가스 압력의 더욱 균일한 분배라는 결과를 내며, 그리고 종국적으로, 상부 컬럼 부분에서 더 양호한 분별 증류뿐만 아니라 슬러리 부에서 좀 더 효율적인 열전달이라는 결과를 낸다. 패킹이나 트레이 상에서의 균일한 가스 분배는 적정한 열 및 물질 전달에 긴요하다. 높은 정도의 열교환과 분별증류를 위한 균일한 분배는 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 이용함으로써 달성될 수 있는데, 이로써 주어진 물질 및 열전달 컬럼/MF 컬럼의 용량에 대한 종래 디자인되던 용량 프로파일이 전통적으로 인식되던 한계를 훨씬 벗어나게 될 수 있다. 그 결과, 동일한 컬럼에서 본 발명의 가스분배 장치를 채용하지 않은 유사 장치에 비교하여 좀 더 높은 용량이 된다. 본 발명의 F-플루트 가스분배기는 컬럼 내의 패킹이나 트레이 하부에서 최대 로컬 속도를 현저하게 감소시켜, 패킹/트레이 하부의 속도 프로파일을 향상시킨다.
본 발명은 균일한 분배뿐만 아니라, 슬러리 축적부로 좀 더 낮은 온도의 가스 유동을 제공하며, 이 두 가지 팩터는 요구되는 컬럼 직경의 감소라는 결과를 낳는다. 상기한 타워 부분에 대한 좀 더 균일한 바닥 가스의 분배는 컬럼 내부의 열 및 물질 전달 효율을 향상시키며 전체적인 컬럼 높이의 감소로 연결된다.
본 발명의 신규한 특징들은 어떤 공지의 종래 가스분배기보다 우월한 정도로 균일한 가스 분배를 생성함을 보였다. 현재 청구된 F-플루트 가스분배기는 그 내부의 컬럼의 입구에서 슬러리 액의 샤워링을 통하여 공급 가스를 냉각함으로써 낮은 컬럼 스킨 온도를 제공한다.
청구된 가스분배기는, 과열 공급 가스가 컬럼 벽을 쳐서 드라이 스팟을 생성하고 컬럼 벽이 컬럼 쉘의 설계 온도 이상으로 상승하는 것을 초래하는 "제팅(jetting)"을 감소시키거나 제거할 수 있다. 이러한 점에서, 청구된 F-플루트 가스분배기는, 부식성 미세 촉매를 포함하는 과열 공급 가스의 제팅 효과를 제거함으로써 컬럼 쉘(즉, 벽)의 부식을 회피할 수도 있다. 부식성 미세 촉매는 컬럼 벽에 연속적으로 고속으로 충돌하여 공급 노즐의 정 반대편 영역에서 국소적인 부식을 초래하거나 컬럼 쉘이 얇아지는 현상을 초래한다. 본 발명의 F-플루트 가스분배기를 사용하면, 그 내부의 슬러리 액을 샤워링함으로써 미세 촉매를 제거할 것이고, 과열 공급 가스와 컬럼 쉘의 벽이 직접 접촉이 없어질 것이다.
본 발명이 어떤 버전들에 대해서는 상당히 상세 부분까지 기술되었지만, 다른 버전들도 가능하고, 예시된 버전의 변경, 치환 및 등가 버전들은 본 명세서의 이해와 도면의 연구를 통하여 당업자에게 명확해질 것이다. 또한, 본 발명 실시 예 버전들의 다양한 특징들은 다양한 방식으로 조합되어 본 발명의 추가적인 버전들을 제공할 수 있다. 나아가서, 어떤 용어는 명확한 설명을 위하여 사용된 것이며 본 발명을 한정하지 않는다. 그러므로 첨부된 어떤 청구항들도 본원에 포함된 특정 버전들의 서술된 내용에 한정되어서는 아니되며, 본 발명의 진정한 사상과 범주에 속하는 이러한 변경, 치환, 등가물 모두를 포함하여야 한다.
Claims (38)
- 열교환 또는 물질 전달 컬럼용 가스분배기에서,
상기 가스분배기는 상기 컬럼 내에 위치하며,
상기 가스분배기 내부에 환형 내측 개방 영역으로의 적어도 하나의 개구부를 포함하는 실질적으로 수직인 내측 세그먼트 원통형 디플렉터 벽에 수직으로 공급 가스가 향하도록 상기 컬럼의 장축에 실질적으로 수직인 상기 컬럼의 쉘 벽을 통하여 연장되는 적어도 하나의 공급 가스 유입 노즐;
상기 내측 원통형 디플렉터 벽을 연장하고, 상기 쉘 벽의 윤곽에 상응하며, 상기 컬럼 내에서 컬럼 배수구로의 바닥부분 개구부를 포함하는 바닥부; 및
상기 내측 원통형 디플렉터 벽과 상기 쉘 벽 사이에서 상기 공급 가스 유입 노즐 상방에 구비되어 상기 쉘 벽과 상기 내측 원통형 디플렉터 벽 사이에 형성된 원주방향의 가스 유동 채널을 정의하며, 적어도 하나의 개구부를 포함하는 수평인 천장을 포함하는 가스분배기. - 청구항 1에서, 상기 컬럼은 주 분별증류 컬럼인 가스분배기.
- 청구항 1에서, 상기 바닥부는 원추형이고 상기 컬럼의 상기 쉘 벽의 윤곽에 상응하는 가스분배기.
- 청구항 1에서, 상기 컬럼은 상기 가스분배기 상방에 패킹 또는 트레이를 더 포함하는 가스분배기.
- 청구항 1에서, 상기 천장은 적어도 하나의 천장 부분을 포함하는 가스분배기.
- 청구항 5에서, 상기 적어도 하나의 천장 부분은 적어도 하나의 천공부, 또는 굴뚝을 구비한 평판인 가스분배기.
- 청구항 6에서, 상기 적어도 하나의 굴뚝은 높은 모자를 구비한 가스분배기.
- 청구항 5에서, 상기 천장 부분은 적어도 1인치 상호 이격된 막대를 포함하는 가스분배기.
- 청구항 5에서, 상기 천장 부분은 골이 진 것으로서 적어도 하나의 천공부 또는 굴뚝을 구비한 가스분배기.
- 청구항 1에서, 상기 천장과 상기 내측 원통형 디플렉터 벽 사이 및 상기 천장과 상기 쉘 벽 사이에는 복수의 개구부가 있는 가스분배기.
- 청구항 5에서, 상기 천장 부분은, 적어도 하나의 천공부 또는 굴뚝을 구비한 평판, 적어도 1인치 상호 이격된 막대를 포함하는 부분, 및 적어도 하나의 천공부 또는 굴뚝을 구비한 골진 천장 부분으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나인 가스분배기.
- 청구항 1에서, 상기 개구부는 환기창인 가스분배기.
- 청구항 1에서, 상기 바닥부는 적어도 하나의 오버플로우 개구부를 더 포함하는 가스분배기.
- 청구항 1에서, 상기 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트는 보수용 통로를 통과하도록 치수가 맞추어진 가스분배기.
- 청구항 5에서, 상기 천장부분은 보수용 통로를 통과하도록 치수가 맞추어진 가스분배기.
- 청구항 1에서, 상기 바닥부분은 바닥부분 세그먼트를 포함하는 가스분배기.
- 청구항 1에서, 상기 바닥부분 개구부와 유동 연결되는 배수 파이프를 더 포함하는 가스분배기.
- 열교환 또는 물질 전달 컬럼 내의 공급 가스 분배 방법으로서,
상기 방법은,
상기 컬럼의 쉘 벽을 통하여 연장하고 상기 컬럼의 장축에 실질적으로 수직이며 실질적으로 수직인 내측 원통형 디플렉터 벽에 수직으로 공급 가스가 향하도록 하는 공급 가스 유입 노즐을 통하여 과열 공급 가스를 전달하는 단계;
여기서, 상기 내측 원통형 디플렉터 벽은, 상기 내측 원통형 디플렉터 벽을 연장하고 상기 쉘 벽의 윤곽에 상응하며 상기 컬럼 내에서 컬럼 배수구로의 바닥부분 개구부를 포함하는 바닥부와, 상기 내측 원통형 디플렉터 벽과 상기 쉘 벽 사이에서 상기 공급 가스 유입 노즐 상방에 구비되어 상기 쉘 벽과 상기 내측 원통형 디플렉터 벽 사이에 형성된 원주방향의 가스 유동 채널을 정의하며, 복수의 개구부를 포함하는 수평인 천장을 구비하며,
액체가 상기 천장의 복수의 개구부를 통과하여 상기 원주방향 가스 유동 채널 내를 통과할 때, 상기 가스를 상기 액체의 역방향 유동과 접촉시킴으로써 상기 과열 공급 가스를 냉각하는 단계;
상기 액체가 상기 천장의 복수의 개구부를 통과한 이후, 상기 내측 원통형 디플렉터 벽과, 상기 원주방향의 가스 유동 채널을 형성하는 상기 쉘 벽의 내측을 상기 액체의 역방향 유동으로 적시는 단계; 및
상기 내측 원통형 디플렉터 벽의 적어도 하나의 개구부 및 상기 천장의 복수의 개구부를 통하여 상기 과열 공급 가스를 상기 천장의 상방 영역과 상기 컬럼 내의 상기 환형 내측 영역으로 환기시키어 상기 컬럼 내에서 상기 과열 공급 가스의 실질적으로 균일한 분배를 제공하는 단계를 포함하는 공급 가스 분배 방법. - 청구항 18에서, 상기 공급 가스 유량은 상기 가스 유동 채널로 진입시 500,000kg/h로부터 상기 천장의 복수의 개구부 및 상기 내측 원통형 디플렉터 벽의 상기 적어도 하나의 개구부를 떠날 때의 1,200,000kg/h까지 증가하는 공급 가스 분배 방법.
- 청구항 18에서, 상기 공급 가스 온도는 상기 가스 유동 채널로 진입시 560℃로부터 상기 천장의 복수의 개구부 및 상기 내측 원통형 디플렉터 벽의 상기 적어도 하나의 개구부를 떠날 때의 420℃까지 감소하는 공급 가스 분배 방법.
- 청구항 18에서, 상기 천장과 상기 내측 원통형 디플렉터 벽 사이 및 상기 천장과 상기 쉘 벽 사이에 복수의 개구부가 있는 공급 가스 분배 방법.
- 청구항 18에서, 상기 바닥부는 원추형인 공급 가스 분배 방법.
- 청구항 18에서, 상기 컬럼은 주 분별증류 컬럼인 가스분배기.
- 청구항 18에서, 상기 컬럼은 상기 가스분배기 상방에 패킹 또는 트레이를 더 포함하는 가스분배기.
- 청구항 18에서, 상기 천장은 적어도 하나의 천장 부분을 포함하는 가스분배기.
- 청구항 25에서, 상기 적어도 하나의 천장 부분은 평판인 가스분배기.
- 청구항 18에서, 상기 천장부분은 적어도 하나의 굴뚝을 포함하는 가스분배기.
- 청구항 25에서, 상기 천장 부분은 적어도 1인치 상호 이격된 막대를 포함하는 가스분배기.
- 청구항 25에서, 상기 천장 부분은 골이 진 가스분배기.
- 청구항 18에서, 상기 천장과 상기 내측 원통형 디플렉터 벽 사이 및 상기 천장과 상기 쉘 벽 사이에는 복수의 개구부가 있는 가스분배기.
- 청구항 25에서, 상기 천장 부분은, 적어도 하나의 굴뚝을 구비한 평판, 적어도 1인치 상호 이격된 막대를 포함하는 부분, 및 적어도 하나의 굴뚝을 구비한 골진 천장 부분으로 구성된 군에서 선택된 적어도 하나인 가스분배기.
- 청구항 18에서, 상기 원통형 디플렉터 벽의 상기 개구부는 환기창인 가스분배기.
- 청구항 18에서, 상기 바닥부는 적어도 하나의 오버플로우 개구부를 더 포함하는 가스분배기.
- 청구항 18에서, 분할된 내측 원통형 디플렉터 벽 세그먼트는 보수용 통로를 통과하도록 치수가 맞추어진 가스분배기.
- 청구항 18에서, 상기 천장부분은 보수용 통로를 통과하도록 치수가 맞추어진 가스분배기.
- 청구항 18에서, 상기 바닥부분은 바닥부분 세그먼트를 포함하는 가스분배기.
- 청구항 27에서, 상기 굴뚝은 높은 모자를 포함하는 가스분배기.
- 열교환 또는 물질 전달 컬럼 내의 공급 가스 분배 방법으로서,
상기 방법은,
상기 컬럼의 쉘 벽으로 통하여 연장하는 공급 가스 유입 노즐을 통하여, 상기 컬럼의 쉘 벽, 바닥부와 상기 컬럼 내의 내측 환형 개방영역으로의 적어도 하나의 개구부를 갖는 내측 원통형 디플렉터 벽, 및 상기 쉘 벽과 상기 내측 원통형 디플렉터 벽 사이의 상기 유입 노즐의 상방의 천장 사이에 형성된 원주방향의 가스 유동 채널로 과열 공급 가스를 전달하는 단계;
액체가 상기 천장의 복수의 개구부를 통과하여 상기 원주방향 가스 유동 채널 내를 통과할 때, 상기 가스를 상기 액체의 역방향 유동과 접촉시킴으로써 상기 과열 공급 가스를 냉각하는 단계;
상기 액체가 상기 천장의 복수의 개구부를 통과한 이후, 상기 내측 원통형 디플렉터 벽과, 상기 원주방향의 가스 유동 채널을 형성하는 상기 쉘 벽의 내측을 상기 액체의 역방향 유동으로 적시는 단계; 및
상기 내측 원통형 디플렉터 벽의 적어도 하나의 개구부 및 상기 천장의 복수의 개구부를 통하여 상기 과열 공급 가스를 상기 천장의 상방 영역과 상기 컬럼 내의 상기 환형 내측 영역으로 환기시키어 상기 컬럼 내에서 상기 과열 공급 가스의 실질적으로 균일한 분배를 제공하는 단계를 포함하는 공급 가스 분배 방법.
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