KR102012629B1 - 다층 하향류 반응기용 분배장치 - Google Patents

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수자타 데갈레산
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Abstract

본 발명은 수소첨가분해기와 같이 탄화수소처리 반응기와 같은 다층 하향류 반응기에 액체와 가스를 분배하는 장치와 방법에 관한 것이다. 상기 장치는 중앙의 가스 통로(30)가 제공된 실질적으로 수평의 수집 트레이(20)를 포함한다. 상기 중앙 가스 통로를 하방으로 관통하는 가스는 선회기(100)에 의해 강제로 선회운동하게 된다. 이러한 선회운동은, 가스가 선회흐름(108)으로서 중앙 가스 통로를 떠나도록 수직의 선회축(106) 주위로 선회방향(107)을 갖는다. 상기 수집 트레이 위에, 냉각 유체는, 수평면에서 볼 때 선회운동(107)에 적어도 부분적으로 대향된, 토출방향의 가스속에 토출된다.

Description

다층 하향류 반응기용 분배장치{DISTRIBUTOR DEVICE FOR A MULTIPLE-BED DOWNFLOW REACTOR}
본 발명은 다층 하향류 반응기용 분배장치, 그러한 분배장치를 포함하는 다층 하향류 반응기, 그러한 분배장치와 반응기를 탄화수소 처리에 사용하는 용도, 다층 하향류 반응기에서 액체와 가스를 분배하는 분배방법에 관한 것이다.
복수의 중첩된 반응 베드들을 포함하는 다층 하향류 반응기들은 촉매 탈랍, 수소화처리 및 수소화분해와 같은 여러 프로세스들에 영향을 주기 위한 화학적 및 석유 정제산업에서 사용되고 있다. 이러한 프로세스에서, 통상적으로 액상은 기상과 혼합되고, 반응 베드에서 유지된 입상의 촉매를 통과하게 된다. 유체가 동시에 반응 베드를 통과함에 따라, 상기 반응 베드에 걸친 액체와 가스의 분포는 불균일하게 되는 경향이 있어 반응 정도 및 온도 분포에 관한 좋지 않은 결과를 수반한다. 액체와 가스의 균일한 분포와, 다음의 하측 반응 베드로 들어오는 유체의 온도의 균일한 분포를 달성하기 위하여, 많은 여러 종류의 유체 분배장치가 통상적으로 반응 베드들 사이에 배치된다.
그러한 유체 분배장치가 EP-A- 716881에 알려져 있다. 상기 장치는 다층 하향류 반응기의 반응 베드들 사이에 사용하기 위한 유체 분배장치를 개시한다. 상기 공지된 장치는,
실질적으로 수평의 수집 트레이로서, 중앙의 가스 통로 및 상기 중앙의 가스 통로 주위의 액체 통로가 제공된, 상기 수집 트레이;
선회기(swirler)로서, 상기 선회기는, 상기 중앙의 가스 통로 주위에서 상기 수집 트레이 위에 배치되고, 베인들을 구비하며, 상기 베인들은 선회 방향을 한정하고, 또한 가스가 수직의 선회축 주위에서 상기 선회 방향으로 선회하는 선회흐름으로서 상기 중앙의 가스 통로를 떠나도록, 상기 중앙의 가스 통로를 통과하는 가스에 선회 운동을 부여하도록 배치된, 상기 선회기; 및
상기 수집 트레이 위에 위치하고, 상기 가스가 상기 선회기로 들어오기전에 냉각 유체(quench fluid)를 가스에 토출 방향으로 토출하도록 배치된 하나 이상의 토출 노즐을 포함한다.
통상적인 동작 중에는, 상측 반응 베드로 부터 하강하는 액체는 수집 트레이에 수집되어 액체층을 형성하도록 축적되어 액체 통로를 덮게 되어서 그 통로를 통한 가스 흐름이 배제된다. 상기 반응기의 하측부로의 가스 흐름은 수집 트레이 위에 배치된 선회기와 중앙 가스 통로 주위 및 후속적으로 중앙 통로를 통과한다. 상기 선회기로 유입될 때, 베인들이 가스에 선회운동을 부여하여 가스가 중앙의 가스 통로를 통해 수집 트레이 밑에 있는 혼합 챔버로 하향 이동할 수만 있도록 한다. 이러한 가스의 선회흐름의 선회 방향은 선회기의 베인에 의해 한정되고 기본적으로 수직의 선회축 주위이다. 상기 가스의 선회 운동은 가스-가스 상호 작용과 따라서 가스 상의 평형을 촉진한다. 상기 수집 트레이에 수집된 액체는 액체 통로를 통해 가이드 도관들로 들어간다. 상기 가이드 도관들은 분사노즐을 구비하고, 상기 분사 노즐은 액체를 중앙의 가스 통로로 부터 나오는 선회 가스속으로 분사한다. 이와같이 선회 가스로 분사된 액체는 분사방향으로 분사 노즐을 떠난다.
다음의 하측 반응 베드로 유입되는 유체들의 온도의 균일한 분포와 액체와 가스의 균일한 분포를 달성하기 위하여, EP-A-716881의 것과 같은 유체 분배장치에는 흔히, 가스가 선회기로 들어가기 전에 가스속에 냉각 유체를 토출하기 위해 하나 이상의 토출 노즐이 제공된다. 이러한 목적으로, EP-A-716881의 실시예들중 하나는 수집 트레이 위에 배치되는 냉각 링을 갖는다. 상기 냉각 링의 내측에는 다수의 토출 노즐들이 제공된다. 사용중에 냉각 유체는 상측의 베드를 통과하여 선회기로 들어가는 가스에 토출된다. EP-A-716881는 토출 노즐의 토출 방향에 대해서는 아무런 언급도 없다. 이러한 토출 노즐들이 냉각 링의 내측에 배치되고 냉각 링의 내측 방향으로 향하여 있는 것을 도면에서만 볼 수 있다. 그러나, 실제로는 압력 강하와 그 결과 에너지 손실을 방지하기 위하여, 이들 토출 노즐들은 수평면으로 지향되며, 토출방향이 선회기에 의해 부여된 선회류의 선회 방향과 (부분적으로) 같은 방향이 되도록 토출방향은 반응기의 중심과 토출 노즐 사이에 연장된 반경방향에 대하여 각도를 이루고 있음이 밝혀졌다.
본 발명에서와 마찬가지로 EP-A-716881의 토출 방향은 화살표로 표시된 소위 토출 벡터로 수학적으로 표시될 수 있다. 다시, 본 발명에서와 마찬가지로 EP-A-716881의 토출 벡터는 직교하는 3개의 벡터 성분들의 세트로 표시될 수 있다: 선회축에 직각으로 연장된 반경방향 토출 벡터, 선회축에 평행한 방향으로 연장된 축방향 토출 벡터, 및 선회축에 대해 접선방향으로 연장된 접선 방향의 토출 벡터. 이러한 표현들을 고려하여, EP-A-716881의 토출 방향은 - 서두에 기재된 바와같이 - 아래와 같이 표현될 수 있는 것으로 실제로 밝혀졌다: 축방향의 토출 벡터는 토출이 수평방향일 때 그 길이는 0을 갖는다(이것은 없다는 의미임); 반경방향의 토출 벡터는 토출 노즐에서 볼 때, 반응기의 중심을 향한다(이것은 선회축에 해당한다); 그리고 접선 방향의 토출 벡터는 토출 노즐에서 볼 때, 선회 방향과 같은 방향으로 향한다.
본 발명의 목적은 청구항 1의 전제부에 따른 개선된 분배장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따라, 상기 목적은 다층 하향류 반응기에 액체와 가스를 분배하는 분배장치를 제공함으로써 달성되며, 상기 분배 장치는,
실질적으로 수평의 수집 트레이로서, 중앙의 가스 통로 및 상기 중앙의 가스 통로 주위의 액체 통로가 제공된, 상기 수집 트레이;
선회기로서, 상기 선회기는, 상기 중앙의 가스 통로 주위에서 상기 수집 트레이 위에 배치되고, 베인들을 구비하며, 상기 베인들은 선회 방향을 한정하고, 또한 가스가 수직의 선회축 주위에서 상기 선회 방향으로 선회하는 선회흐름으로서 상기 중앙의 가스 통로를 떠나도록, 상기 중앙의 가스 통로를 통과하는 가스에 선회 운동을 부여하도록 배치된, 상기 선회기; 및
상기 수집 트레이 위에 위치하고, 상기 가스가 상기 선회기로 들어오기전에 냉각 유체를 가스에 토출 방향으로 토출하도록 배치된 하나 이상의 토출 노즐;
을 포함하며,
상기 토출 방향은, 상기 선회축에 직각으로 연장된 반경방향 토출 벡터, 상기 선회축에 평행하게 연장된 축방향 토출 벡터, 및 상기 선회축에 대해 접선방향으로 연장된 접선방향 토출 벡터로 구성된 직교하는 3개의 토출 벡터들의 세트로 나타내지며;
상기 토출 노즐은, 토출된 냉각 유체의 토출 방향의 접선방향 토출 벡터가 상기 선회 방향에 대향하여 향하도록 지향된다. 상기 접선 방향의 토출 벡터는 0보다 큰 길이를 갖는 (즉, 접선 방향의 토출 벡터가 0보다 크다) 화살표로 표현되는 방향으로 지향된다.
상기 접선 방향의 토출 벡터가 선회방향에 대향되게 향한다는 것은, 수평면에서 볼 때, 토출방향이 선회 방향에 적어도 부분적으로 역흐름인 것을 의미한다. 토출방향이 선회방향에 부분적으로 대향되기 때문에, 압력 강하와 에너지 손실이 발생된다. 예상되는 결과는 본 발명의 분배장치가 제공된 반응기의 성능 저하일 것이다. 그러나, 실험은 그 반대로 보여주었다.
실시에서 알려진 바와같이, 반경방향 토출 벡터가 반응기의 중심을 향하여 지향되고 접선 방향 토출 벡터가 선회방향과 같은 방향으로 지향되도록 반경 방향에 대한 각도를 이루는 수평면의 토출방향을 갖는 - EP-A-716881에 따른 제 1 분배장치가 제공된 제 1 반응기의 성능은, 토출 노즐들의 방향을 제외하고는 제 1 분배장치와 같은 제 2 분배장치가 제공된 동일 제 1 반응기의 성능과 비교되었다. 냉각 유체는 두 경우에서, 토출되는 유체의 온도 보다 낮은 온도를 갖는 수소 가스였다. 비교 연산 모델 연구는, 유체가 분배장치에 이어서 베드로 들어오는 (수평) 레벨에서, 본 발명을 적용하면, 수평면에서 볼 때, 촉매 베드에 걸쳐 유체 온도의 표준 편차가 50% 감소되는 것으로 나타났다. 이러한 표준 편차는 본 발명에서 '출구 표준 편차'라 호칭된다. 이러한 표준 편차의 감소는 촉매 열화를 감소시켜서 반응기가 더 길게 계속하여 작동할 수 있게 한다. 하루의 작동 연장은 약 백만 유로의 이익 증가와 등가로 될 수 있음을 고려하면, 이러한 표준 편차의 감소는 대단히 의미있는 중요성을 가진다.
토출 노즐에 대하여, 통상의 사용시에, 토출 노즐로 부터 나오는 유체의 흐름은 본 발명에 따라 대체로 가스 흐름일 것이지만, 본 발명에 따라 상기 흐름은 액체와 가스의 혼합물인 것을 배제하지 않는다. 탄화수소 처리 분야에서, 냉각 유체는 일반적으로 수소 가스로, 선택적으로 첨가제로서 라이트 탄소(light carbons)를 포함한다. 또한, 토출 노즐에 대하여, 이러한 노즐로 부터 토출방향으로 나오는 흐름은 제트(jet) 형상, 팬(fan) 형상, 콘(cone) 형상 등으로 될 수 있다. 상기 토출 방향은 메인 방향이 될 것이다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 토출 노즐은 토출방향의 반경방향 토출 벡터가 선회축으로 향하도록 지향된다. 상기 반경방향 벡터가 본 실시예에서 일 방향을 지향할 때, 0 보다 큰 길이를 갖는 화살표로 표현된다(즉, 반경방향의 토출 벡터는 0 보다 크다). 반경방향 토출 벡터가 선회축을 향한다는 것은, 토출 방향이 수평면에서 볼 때, 완전하지는 않지만 부분적으로 선회 방향에 역방향인 것을 의미한다. 이것은 선회흐름에 걸친 온도의 균일성을 개선하며, 그 이유는 토출된 냉각 유체가 선회흐름의 중심에 보다 잘 도달할 수 있기 때문인 것으로 추정된다.
모의 계산은, 상기 분사 노즐의 관련된 반경방향 토출 벡터와 토출 방향이 2.5°보다 큰, 적어도 5°의 각도를 형성할 때, 소위 '출구 표준 편차"의 감소가 얻어지고, 이러한 감소는 상기 각도가 적어도 7.5°, 적어도 10°일 때, 크게 됨을 보인다. 또한, 모의 계산은, 상기 각도가 35°보다 크게 될 때 상기한 '출구 표준 편차'의 감소 효과가 사라지고, '출구 표준 편차'의 상당한 감소는 상기 각도가 30°보다 크게 될 때 감소되는 것을 보여준다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 분사 노즐의 관련된 반경방향 토출 벡터와 토출 방향이 [7.5°, 30°] 사이의 범위에서와 같이 [5°, 35°] 사이의 범위 또는 [7.5°, 25°] 사이 범위에서와 같이 [15°, 25°] 범위 사이의 범위의 각도로 형성된다. 여기서, 본 명세서 전체에 걸쳐, '['와 ']' 표시는 각각의 값이 그 범위에 포함됨을 의미하고, ','의 표시는 '까지'를 포함하는 의미하는 것임을 주목해야 한다.
토출 방향과 관련 반경방향 토출 벡터 사이의 각도에 대하여, 이 각도는 도(degree)로 표현되며, 여기서 360°는 원을 의미하는 것임을 주목해야 한다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 분배장치는 또한 수집 트레이와 분배 트레이 사이에 한정된 혼합 챔버를 더 포함한다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 중앙의 가스 통로는 둑(weir)으로 둘러싸인다. 상기 둑은 가스 통로로 액체가 들어 오는 것을 방지한다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 분배장치는 중앙의 가스 통로 위에 배치되고 중앙의 가스 통로 전체를 덮는 커버를 더 포함한다. 상기 커버는 수직 하향 방향에서 중앙의 가스 통로에 유체가 접근하는 것을 방지한다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 분배장치는 상기 수집 트레이 밑에 배치된 하나 이상의 가이드 도관을 포함하며, 상기 가이드 도관들은 액체를 수납하기 위해 수집 트레이의 액체 통로와 연통된 제 1 단부와; 상기 제 1 단부에 의해 수납된 액체를 분사 방향에서 선회흐름으로 분사하도록 배치된 분사 노즐이 제공된 제 2 단부를 갖는다. 토출 노즐의 토출 방향과 같이, 상기 분사 노즐의 분사 방향은 선회축에 직각으로 연장된 반경방향 분사 벡터, 선회축에 평행하게 연장된 축방향 분사 벡터 및 선회축에 대해 접선 방향으로 연장된 접선방향 분사 벡터로 구성된 3개의 직교하는 분사 벡터들의 세트로서 정의될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 '분사'와 '토출'의 용어에 대하여, 이들 용어들은 물리적으로 다른 의미를 갖는 것을 의도한 것이 아니고, 이들 다른 용어들은 선회(용어 '분사')와 냉각(용어 '토출')과 관련된 것을 구별하려는 의도임을 유의해야 한다. 또한, 분사 노즐에 대해서는, 노즐에서 분사 방향으로 나오는 흐름은 제트 형상, 팬 형상, 콘 형상 등으로 될 수 있음을 유의해야 한다. 상기 분사 방향은 메인 방향이다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 분배장치는 실질적으로 수평의 사전-분배 트레이를 더 포함하며, 상기 사전-분배 트레이는 중앙의 가스 통로 밑, 분배 트레이 위 및 본 실시예에서는 하나 이상의 가이드 도관들의 선택적인 분사 노즐 보다 아래에 배치되며, 상기 사전-분배 트레이에는 그 주변부에 오버플로(overflow) 둑과, 상기 주변부 부근에 다수의 개구부들이 제공되어 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 하나 이상의 가이드 도관들은 중앙의 가스 통로 주위에 분포된 적어도 8개의 가이드 도관들을 포함한다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 하나 이상의 가이드 도관들의 분사 노즐들은 동일 수평면내에 놓이게 배치된다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 하나 이상의 토출 노즐들은 동일 수평면내에 놓이도록 선회축 주변에 배치된 다수의 노즐을 포함한다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 분배장치는 수집 트레이 밑에 배치된 실질적으로 수평의 분배 트레이를 포함하며, 상기 분배 트레이에는 액체와 가스의 하향류를 위한 다수의 하향유로들이 제공되며; 상기 각각의 하향유로는 직립형의 단부-개방 튜브를 선택적으로 포함하고, 이 튜브는 그 속으로의 액체의 유입을 위해 그 측부에 구멍을 구비한다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치의 다른 실시예에 따라, 상기 토출 노즐들은 동일 수평면에 놓이도록 배치된다. 상기 동일 평면은 추가적인 실시예에 따라, 수직 방향에서 볼 때 베인들과 동일 레벨에 놓일 수 있다.
제 2 양태에 따라, 본 발명은 다층 하향류 반응기에 관한 것으로, 상기 반응기는 예를들어 촉매인 고형의 접촉 물질의 수직으로 이격된 베드들과, 인접한 베드들 사이에 배치된 분배장치를 포함하며, 상기 분배장치는 본 발명의 상기한 제 1 양태에 따른 분배장치이다.
제 3 양태에 따라, 본 발명은 수소화처리 및/또는 수소화분해 방법에서와 같은 탄화수소 처리에 본 발명의 제 1 양태에 따른 분배장치를 사용하는 용도에 관한 것이다.
제 4 양태에 따라, 본 발명은 수소화처리 및/또는 수소화분해 방법에서와 같은 탄화수소 처리에 본 발명의 제 2 양태에 따른 하향류 반응기를 사용하는 용도에 관한 것이다.
제 5 양태에 따라, 본 발명은 수소화분해기와 같이 탄화수소 처리 반응기와 같은 다층 하향류 반응기에서 액체와 가스를 분배하는 분배방법에 관한 것으로, 상기 분배방법은,
중앙의 가스 통로가 제공된 실질적으로 수평의 수집 트레이를 포함하는 분배 장치를 사용하며;
상기 중앙의 가스 통로를 하방으로 관통하는 가스는, 그 가스가 상기 중앙의 가스 통로를 선회흐름으로서 떠나도록 수직의 선회축 주변의 선회방향을 갖는 선회운동을 하도록 강제되고;
액체는 상기 수집 트레이에서 수집되며;
상기 수집 트레이 위의 장소에서, 가스가 선회기로 들어오기 전에, 기체상태의 냉각 유체와 같은 냉각 유체가 토출방향으로 상기 가스에 토출되며, 상기 토출방향은 수평면에서 볼 때 상기 선회방향에 적어도 부분적으로 대향된다.
제 5 양태에 따른 다른 실시예에 따라, 상기 토출방향은 선회축에 직각으로 연장된 반경방향의 토출벡터와, 선회축에 평행하게 연장된 축방향 토출 벡터 및 선회축에 대하여 접선방향으로 연장된 접선 방향의 토출 벡터로 구성된 3개의 직교하는 토출 벡터의 세트로 표시되고; 상기 접선 방향의 토출 벡터는 선회 방향에 대향된다. 본 실시예에서, 반경방향의 토출 벡터는 선회축 방향으로 지향될 수 있다. 제 5 양태에 따른 다른 실시예에 따라, 토출 방향 및 관련된 반경방향 토출 벡터는 [5°, 35°] 범위의 각도, 바람직하게는 [7.5°, 30°] 범위와 같은 각도, 더 바람직하게는 [7.5°, 25°] 범위와 같은 각도, 또는 [15°, 25°] 범위의 각도가 바람직하다.
본 발명은 첨부 도면을 참고하여 예에 의해 보다 상세히 설명된다.
도 1은 본 발명에 따른 분배장치를 구비한 다층 하향류 반응기의 개략적인 수직 단면도.
도 2는 3개의 직교 벡터 성분의 세트로 한정된 3차원 표현을 개략적으로 보여준다.
도 3은 수집 트레이(20)에 대한 도 1의 화살표 Ⅲ에 따른 도면.
도면들에서 동일한 부품들은 같은 도면 부호로 표시되어 있다.
도 1은 상측 베드(15)와 하측 베드(115) 사이 영역의 다층 하향류 반응기 부분의 단면도이다. 상기 상측 베드(15)와 하측 베드(115) 사이의 영역에는 분배장치(2)가 제공된다. 반응기의 일반적인 구성은 통상적인 것으로 분배 트레이의 지지체와 같은 세부 사항들은 도면의 간략화를 위해 도시되어 있지 않았다.
본 실시예에서, 반응기(1)의 벽(5)과 지지 그리드(10)는 고형의 접촉 물질, 예를들어 입상의 촉매의 상측 베드(15)를 지지하며, 상기 상측 반응 베드 위로 촉매 반응물질이 유동하고 적어도 부분적으로 생성물로 변환된다. 상기 지지 그리드(10)는 (도면에 미도시된) 통로들을 구비하고 통상적인 형태이다. 촉매는 지지 그리드(10) 위에 직접 배치되거나 (미도시된) 지지 볼(balls) 층 위에 배열되어 액체와 가스가 상측 베드(15)에서 벗어나 지지 그리드(10)를 통하여 하향으로 유동하는 것을 허용하며, 상기 지지 볼들은 지지 그리드(10)에 배치된다.
상기 분배장치(2)는 둑(35) 주변의 액체 통로(40)와 둑(35)에 의해 둘러싸인 중앙의 가스 통로(40)가 제공된, 레지(ledge:25)에서 지지되는 실질적으로 수평의 수집 트레이(20)를 포함한다. 실질적으로 수평의 분배 트레이(45)는 수집 트레이(20) 밑에 위치한다. 분배 트레이(45)에는 액체와 가스의 하향 유동을 위한 다수의 관형의 하향유로(50)가 제공된다. 커버(55)는 수집 트레이(20)의 중앙 가스 통로(30) 위에 위치하여 전체 중앙 가스 통로를 덮으며, 상측 베드(15)로 부터 나오는 가스가 중앙의 가스 통로(30)에 축방향으로 접근하는 것이 방지된다. 혼합 챔버(60)는 수집 트레이(20)와 분배 트레이(45) 사이에 한정된다. 제 1 단부(70)와 제 2 단부(76)를 갖는 가이드 도관(65)들이 수집 트레이(20) 밑에 배열된다. 상기 가이드 도관(65)들의 제 1 단부(70)들은, 수집 트레이(20)에 의해 수집된 액체를 수납하기 위해 수집 트레이(20)의 액체 통로(40)와 연통된다. 각각의 제 2 단부(76)에는 혼합 챔버(60)로 개방된 분사 노즐(75)이 제공된다.
상기 분배장치(2)는 가이드 도관(65)과 분배 드레이(45) 사이에 배치된 실질적으로 수평의 사전 분배 트레이(80)를 더 포함하며, 상기 사전 분배 트레이(80)에는 그 주변부에 오버플로 둑(85)과 그 주변부 부근에 다수의 개구부(90)가 제공된다.
정상 작동중에, 상측 반응 베드(15)로 부터 내려오는 액체는 수집 트레이(20)에 수집되며, 액체 통로(40)를 덮는 액체 층을 형성하도록 축적되어서 그것을 통한 가스 흐름이 배제된다. 상기 반응기(1)의 하부로의 가스 흐름은 커버(55)에 의해 상부에서 닫힌 선회기(100)로 통한다. 상기 선회기에는 수직의 베인부재(95)와 그 베인부재(95)들 사이에 수평의 가스 통로(105)가 제공된다. 상기 상측 반응 베드(15)로 부터 내려온 가스는 커버(55)에 의해 편향되어 먼저 반경방향 외측으로 유동하고 선회기(100)의 수평의 가스 통로(105)를 향해 반경방향 내측으로 유동한다. 가스가 수평의 가스 통로로 들어오면, 수평의 가스 통로(105)와 나란히 배열된 베인부재(95)들이 가스에 선회운동을 부여하여 중앙의 가스 통로(30)를 통해 하향으로 이동하여 아래쪽의 혼합 챔버(60)로 들어가게 한다. 이렇게 가스에 부여된 선회운동의 결과, 수집 트레이(20)의 하측에서, 가스는 수직의 선회축(106)을 중심으로 선회방향(107)으로 선회하는 선회흐름(108)으로서 중앙의 가스 통로(30)를 떠난다. 상기 선회방향(107)은 베인부재(95)들에 의해 한정되고 도 1에 표시된 바와같은 선회방향(107)으로 되거나 대향방향으로 될 수 있다. 가스의 선회운동은 가스-가스 상호 반응과 나아가서 가스상의 평형을 촉진시킨다.
수집 트레이(20)의 액체는 액체 통로(40)를 통과하여 가이드 도관(65)으로 유입되어 통과한다. 도면의 간략화를 위해 오직 두개의 가이드 도관(65)과 그에 대응된 액체 통로(40) 만이 도 1에 도시되어 있다. 상기 가이드 도관(65)의 제 2 단부(76)에서 분사노즐(75)들은, 정상작동중에, 분사노즐(75)로 부터 나온 액체 흐름이 수집 트레이(20) 밑의 장소에서 중앙의 가스 통로(30)에서 오는 가스의 선회흐름(108) 속으로 분사되도록 배치된다.
가이드 도관(65)으로 부터의 액체는 사전-분배 트레이(80)에서 축적되고 개구부(90)를 통해 또는 때로는 오버플로 둑(85)을 대신하여 하측의 분배 트레이(45)로 하향 이동한다. 상기 수집 트레이(20)와 사전-분배 트레이(80) 사이의 수직 거리(X)와 상기 사전-분배 트레이(80)와 분배 트레이(45) 사이의 수직 거리(Y)는, X/Y가 1 - 3 범위에 있도록 관련되는 것이 바람직하다. 가스는 상기 사전-분배 트레이(80)에 의해 편향되고 분배 트레이(45)로 유동한다.
상기 분배 트레이(45)는 두개의 목적을 갖는다. 첫째, 유체가 하측 반응 베드(115)로 들어가기전에 액체와 가스를 균일하게 분배하고, 둘째, 액체-가스 상호반응을 제공하기 위해 액체와 가스 사이의 접촉을 허용하는 것이다.
분배 트레이(45)는 다수의 관형의 하향유로(50)를 구비한 실질적으로 수평의 플레이트(110)를 포함하여 하측 반응 베드(115) 에 걸쳐 액체와 가스의 많은 분배 포인트들을 제공한다. 각각의 하향유로(50)는 직립의 (실질적으로 수직인) 단부-개방 튜브를 포함하며 상기 튜브는 플레이트(110)의 개구부를 통해 연장된다. 상기 각각의 튜브는 튜브로의 액체 유입을 위해 그 측부에 구멍(120)을 (또는 구멍들을) 가지며, 상기 구멍(120)은 정상 작동중에 플레이트(110)에 형성된 액체 풀의 상면 밑에 위치한다. 구멍(120)들의 전체 수와 크기는 요구되는 유량에 따라 선택될 것이다. 가스는 하향유로(50)의 상부로 들어와 관통하여 하측 반응 베드(115)로 하향된다. 상기 하향 유로(50)에서 가스와 액체 상들의 친밀한 혼합이 발생된다.
분배장치는 냉각(quench) 유체를 분배하는 수단을 더 포함한다. 상기 수단은 토출 노즐(130)들이 제공된 냉각링(125)을 포함한다. 상기 냉각링(125)은 지지 그리드(10)와 수집 트레이(20) 사이에 위치한다.
정상 작동중에, 냉각 유체는 냉각링(125)의 토출 노즐(130)들을 통해 반응기로 방출될 수 있으며, 여기서 상측 반응 베드(15)로 부터 내려온 액체 및 가스와 접촉된다. 상기 냉각 유체는 반응물질(예를들어, 수소화처리 또는 수소화분해 공정의 수소가스), 프로세스 생성물 또는 불활성 물질일 수 있다.
본 발명의 상세한 내용을 보다 자세히 설명하기 전에, 본 발명을 정의하도록 사용된 일반적인 수학적 배경을 설명하기 위해 먼저, 도 2를 설명한다.
힘, 운동, 속도, 방향 등과 같은 물리적 실체들은 3D(3 차원적) 환경에서, 도 2의 방향 벡터(D)로서 표현될 수 있다. 그러한 3D-벡터는 3D 환경의 각 차원의 한 벡터 성분으로 분해될 수 있다. 그래서 벡터(D)는 말하자면 3개의 벡터 성분들로 표현된다. 이들 3개의 벡터 성분들의 합은 벡터(D)이다. 3D 환경은 여러 방법으로 생성될 수 있다. 흔히 사용되는 방법은 3개의 직교하는 벡터 성분들의 세트로 정의된 3D 환경이다. 그와 같이 3개의 직교하는 벡터 성분들의 세트에서, 각각의 벡터 성분은 다른 두 벡터 성분들에 대해 직각으로 연장된다. 도 2의 방향 벡터(D)에서, 상기 방향 벡터(D)는 제 1 벡터 성분(R), 그 벡터 성분(R)에 직각인 제 2 벡터 성분(A) 및 상기 벡터 성분(R)과 벡터 성분(A) 모두에 직각인 제 3 벡터 성분(T)으로 분해될 수 있다.
본 발명을 정의하기 위한 목적으로, 상기 벡터 성분(R,T, A)들은 혼합 챔버(60)에서 가스의 선회 운동과 관련된다. 이는 다음의 결과로 된다:
- 반경방향 벡터 성분(R) - 청구항 1에서 청구된 반경방향 토출 벡터 - 은 벡터(D)의 시작점으로 부터 선회축(106)까지 연장되고 선회축(106)에 직각이다;
- 축방향 벡터 성분(A) - 청구항 1에서 청구된 축방향 토출 벡터 - 는 선회축(106)에 평행하게 연장되고 상기 반경방향 벡터 성분(R)에 직각이다;
- 접선방향 벡터 성분(T)- 청구항 1에서 청구된 접선방향 토출 벡터 - 는 선회 흐름의 접선방향으로 연장되고 상기 반경방향 벡터 성분(R)과 축방향 벡터 성분(A) 모두에 직각이다.
도 2와 청구항 1을 참고하면, 원(200)은 노즐의 표면 개구를 매우 개략적으로 나타내며(그 표면은 화살표(D)와 일치하는 표면에 직각인 법선 벡터를 갖는다), 화살표(D)는 노즐(200)에서 나온 유체 흐름 방향을 나타낸다 - 청구항 1에서 청구된 토출방향. 또 2에서 또한 선회방향(107)은 선회축(106)을 중심으로 원형의 화살표로서 표시되어 있다. 도 2에서 볼 수 있듯이, 접선방향의 토출 벡터는 선회방향(107)에 대향된 방향으로 되어 있다. 상기 토출 방향(D)은 또한 부분적으로 선회방향에 대향되고 - 선회 흐름에서의 축방향의 운동과 선회 흐름에서의 원심효과를 무시함 - 접선 방향의 토출 벡터는 선회 방향에 대향된다. 노즐(200)들의 위치에서 볼 때, 상기 접선 방향의 토출 벡터(T)는 말하자면 노즐(200)들의 위치에서 선회흐름에 대한 역류이다.
이제 본 발명에 대한 보다 상세한 설명을 하기로 한다. 도 3은 도 1의 화살표 III에 따른 수집 트레이(20) 위에서의 도면이다. 본 도면은 원형의 냉각링(125), 토출노즐(130), 선회방향(107)을 결정하는 베인(95)들을 구비한 선회기(100), 상기 토출노즐(130)로 부터 나온 흐름의 방향(150)(이 방향은 '토출방향(150)'으로 호칭되며 도 2의 화살표(D)에 비교된다), 토출방향(150)의 반경방향 성분(151)(이 반경방향 성분은 '반경방향 토출 벡터(151)'로 호칭되고 도 2의 화살표(R)에 비교된다), 토출방향(150)의 접선방향의 성분(152)(이 접선방향 성분은 '접선방향의 토출 벡터(152)'로 호칭되고, 또한 도 2의 화살표(T)와 비교된다) 및 - 수평면에서 볼 때- 반경방향 토출 벡터(151)에 대한 토출방향(150)의 각도(α)를 보여준다. 상기 토출방향(150)은 도 1과 3의 실시예에서, 실제로 수평면에 있음을 고려할 때, 각도(α)는 반경방향 토출 벡터(151)와 실제 토출방향(150) 사이의 각도와 같다(주: 소위 축방향 토출벡터-도 2의 화살표(A)에 비교됨-는 본 경우에서 토출방향은 수평면이기 때문에 0의 값을 가지므로 없다(이 수평면은 반경방향 및 접선방향의 토출 벡터(150, 151, R, T)들에 의해 한정된 평면이다)).
전술한 바와같이, 본 출원인은 토출노즐(130)의 토출방향(150)을 적어도 부분적으로 선회방향에 대향되게 하는 것은 아래와 같은 결과를 낳음을 발견하였다:
- 수평면에서 볼 때, 선회흐름에 걸친 온도의 균일성 개선;
- 유체가 분배장치(2)에 이어서 베드(115)로 들어오는 수평의 분배 트레이(45)의 (수평의) 레벨에서 반응기에 걸친 유체 온도의 표준 편차의 감소(표준편차는 '출구 표준편차'라 호칭된다).
반경방향 토출벡터(151)(즉, 선회방향과 적어도 부분적으로 대향된)에 대하여, 각도 α= -20°에서(즉, 선회방향과 적어도 부분적으로 같은 방향에서) 그리고 α= 20°에서의 수평의 토출방향(150)으로, 수소첨가분해 반응기의 실제 운전에서의 모의 계산은 - 액상은 스위치 오프됨 - 가스가 냉각제로서 사용될 때 α= 20°에서의 소위 '출구 표준편차'가 α= -20°에서 보다 약 50% 작은 것을 보였다. 또한, α= -10°와 α= 10°에 대한 모의 계산은 가스를 냉각제로서 사용할 때 α= 10°에서의 '출구 표준편차'가 α= -10°에서 보다 약 50% 더 작은 것을 보여주었다. 이 결과는 새로운 촉매 교체가 필요한 보수 전까지 반응기를 보다 길게 (약 1달 더 길게) 사용할 수 있는 것으로 나타났다. 소위 '출구 표준편차'는 α≥5°와 α≤35°(따라서 α= [5°, 35°]) 에 대하여 감소되고, α= [5°, 25°] 범위에서도 동일한 것으로 나타났다. 토출방향이 선회방향에 대해 적어도 부분적으로 대향될 때, '출구 표준편차'의 감소에 대한 설명은, 선회기(100)로 들어오는 냉각 가스의 대향 분사로 인해, 더운 프로세스 가스와 찬 냉각 가스 사이의 상호 작용이 향상되었다고 할 수 있다.
상기 선회축(106)은 실시예들에서 중앙의 가스 통로(30)의 수직의 중심축과 일치하는 점을 고려하면, 본 발명에서 사용된 선회축(106)은 - 실제적인 실시에서 - '중앙의 가스 통로의 수직의 중심축'으로 이해될 수 있다.

Claims (15)

  1. 다층(multiple-bed) 하향류 반응기에서 액체와 가스를 분배하는 분배 장치(device)로서,
    상기 분배 장치는,
    실질적으로 수평의 수집 트레이(20)로서, 중앙의 가스 통로(30) 및 상기 중앙의 가스 통로 주위의 액체 통로(40)가 제공된, 상기 수집 트레이;
    선회기(swirler:100)로서, 상기 선회기는, 상기 중앙의 가스 통로(30) 주위에서 상기 수집 트레이(20) 위에 배치되고, 베인들(95)을 구비하며, 상기 베인들은 선회 방향(107)을 한정하고, 또한 가스가 수직의 선회축(106) 주위에서 상기 선회 방향으로 선회하는 선회흐름(swirl:108)으로서 상기 중앙의 가스 통로(30)를 떠나도록, 상기 중앙의 가스 통로(30)를 통과하는 가스에 선회 운동을 부여하도록 배치된, 상기 선회기; 및
    상기 수집 트레이 위에 위치하고, 상기 가스가 상기 선회기(100)로 들어오기전에 냉각 유체(quench fluid)를 가스에 토출 방향으로 토출하도록 배치된 하나 이상의 토출 노즐(130);
    을 포함하며,
    상기 토출 방향(D, 150)은, 상기 선회축(106)에 직각으로 연장된 반경방향 토출 벡터(151, R), 상기 선회축(106)에 평행하게 연장된 축방향 토출 벡터(A), 및 상기 선회축(106)에 대해 접선방향으로 연장된 접선방향 토출 벡터(152, T)로 구성된 직교하는 3개의 토출 벡터들의 세트로 나타내지며;
    상기 토출 노즐은, 토출된 냉각 유체의 토출 방향의 접선방향 토출 벡터(152, T)가 상기 선회 방향(107)에 대향하여 향하도록 지향된 것을 특징으로 하는, 분배 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 토출 노즐은, 상기 냉각 유체의 상기 토출방향의 상기 반경방향 토출 벡터(151, R)가 상기 선회축(106)으로 향하도록 지향된 것을 특징으로 하는 분배 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 토출 노즐(130)의 상기 토출방향(150, D) 및 관련 반경방향 토출 벡터(151, R)는 5°보다 큰 각도를 한정하는 것을 특징으로 하는 분배 장치.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 토출 노즐(130)의 상기 토출 방향(150, D) 및 관련 반경방향 토출 벡터(151, R)는 적어도 10°의 각도를 한정하는 것을 특징으로 하는 분배 장치.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 토출 노즐(130)의 상기 토출 방향(150, D) 및 관련 반경방향 토출 벡터(151, R)는 최대 35°의 각도를 한정하는 것을 특징으로 하는 분배 장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 토출 노즐(130)의 상기 토출 방향(150, D) 및 관련 반경방향 토출 벡터(151, R)는 최대 30°의 각도를 한정하는 것을 특징으로 하는 분배 장치.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 토출 노즐(130)의 상기 토출 방향(150, D) 및 관련 반경방향 토출 벡터(151, R)는 [5°, 35°] 범위의 각도를 한정하는 것을 특징으로 하는 분배 장치.
  8. 제 1 항에 있어서,
    - 상기 분배 장치는 상기 수집 트레이(20)와 분배 트레이(45) 사이에 한정된 혼합 챔버(60)를 더 포함하며; 그리고
    - 상기 중앙의 가스 통로(30)는 둑(weir:35)으로 둘러싸이고,
    - 상기 분배 장치는 상기 중앙의 가스 통로 위에 배치되고 중앙의 가스 통로 전체를 덮는 커버(55)를 더 포함하며; 그리고
    - 상기 분배 장치는, 상기 중앙의 가스 통로(30) 밑에, 상기 분배 트레이(45) 위에 그리고 존재하는 경우에 선택적인 하나 이상의 가이드 도관(65)들의 선택적인 분사노즐(75)들 보다 낮게 배치된 실질적으로 수평의 사전-분배 트레이(80)를 더 포함하고, 상기 사전-분배 트레이(80)는 그 주변부에 오버플로(overflow) 둑(85)과 상기 주변부 부근에 다수의 개구부(90)들을 갖고; 그리고
    - 상기 수집 트레이(20) 밑에 배치된 하나 이상의 가이드 도관(65)들을 포함하며,
    상기 가이드 도관들은,
    액체를 수납하기 위해 상기 수집 트레이(20)의 액체 통로(40)와 연통된 제 1 단부(70)와;
    상기 제 1 단부(70)에 의해 수납된 액체를 분사 방향에서 상기 선회흐름(108)으로 분사하도록 배치된 분사 노즐(75)이 제공된 제 2 단부(76);
    를 구비하고;
    선택적으로,
    상기 하나 이상의 가이드 도관(65)들은 상기 중앙의 가스 통로(30) 주위에 분포된 적어도 8개의 가이드 도관(65)들을 포함하며; 그리고
    상기 하나 이상의 가이드 도관들의 상기 분사 노즐(75)은 동일 수평면에 놓이도록 배치되고; 그리고
    - 상기 분배 장치는, 상기 수집 트레이(20) 밑에 배치된 실질적으로 수평의 분배 트레이(45)를 더 포함하며, 상기 분배 트레이(45)에는 액체와 가스의 하향류를 위한 다수의 하향유로(downcomer:50)들이 제공되며; 각각의 하향유로는 직립형의 단부-개방 튜브를 선택적으로 포함하고, 상기 튜브는 상기 튜브로의 액체의 유입을 위해 그 측부에 구멍을 구비하며; 그리고
    - 상기 하나 이상의 토출 노즐은 동일 수평면에 놓이도록 상기 선회축 둘레에 배치된 다수의 토출 노즐들을 포함하는 것을 특징으로 하는 분배 장치.
  9. 고형의 접촉물질로 된 수직으로 이격된 층(bed)들과, 인접 층들 사이에 배치된, 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에서 정의된 분배 장치를 포함하는 다층 하향류 반응기.
  10. 수소화처리 및/또는 수소화분해 처리에서와 같은 탄화수소 처리에 사용하는 제 1 항 내지 제 8 항 중의 어느 한 항에 따른 분배 장치의 사용 방법.
  11. 수소화처리 및/또는 수소화분해 처리에서와 같은, 수소화분해와 같은 탄화수소 처리에 사용하는 제 9 항에 따른 다층 하향류 반응기의 사용 방법.
  12. 수소화분해기와 같은 탄화수소 처리 반응기와 같은 다층 하향류 반응기에서 액체와 가스를 분배하는 분배 방법으로서,
    중앙의 가스 통로(30)가 제공된 실질적으로 수평의 수집 트레이(20)를 포함하는 분배 장치(2)를 사용하며;
    상기 중앙의 가스 통로(30)를 하방으로 관통하는 가스는, 그 가스가 상기 중앙의 가스 통로를 선회흐름(108)으로서 떠나도록 수직의 선회축(106) 주변의 선회방향(107)을 갖는 선회운동을 하도록 강제되고;
    액체는 상기 수집 트레이(20)에서 수집되며;
    상기 수집 트레이(20) 위의 장소에서, 가스가 선회기(100)로 들어오기 전에, 기체상태의 냉각 유체와 같은 냉각 유체가 토출방향(150, D)으로 상기 가스에 토출되며, 상기 토출방향은 수평면에서 볼 때 상기 선회방향(107)에 적어도 부분적으로 대향된, 분배 방법.
  13. 제 12 항에 있어서, 상기 토출방향(150, D)은 상기 선회축(106)에 직각으로 연장된 반경방향 토출벡터(151, R), 상기 선회축(106)에 평행하게 연장된 축방향 토출 벡터(A) 및 상기 선회축(106)에 대하여 접선방향으로 연장된 접선방향 토출 벡터(152, T)로 구성된 3개의 직교하는 토출 벡터들의 세트로 표시되며;
    상기 냉각 유체를 토출하는 토출 노즐은 상기 접선방향 토출 벡터(152, T)가 상기 선회축(106)에 대향하여 향하도록 지향된 것을 특징으로 하는 분배 방법.
  14. 제 13 항에 있어서, 상기 반경방향 토출벡터(151, R)는 상기 선회축(106)으로 지향된 것을 특징으로 하는 분배 방법.
  15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 상기 토출 방향(150, D) 및 관련 반경방향 토출 벡터(151, R)는 수평면에서 볼 때, [5°, 35°] 범위의 각도(α)를 한정하는 것을 특징으로 하는 분배 방법.
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