KR102074002B1 - 물질 전달 컬럼용 기재 - Google Patents

물질 전달 컬럼용 기재 Download PDF

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Abstract

본 발명은, 기재(1) 위에 가스 통과 개구가 분포되어 있고, 상기 기재 위로 유동하는 액체의 유동을 유도하기 위한 하나 이상의 배플(11)을 가지며, 하나 이상의 입구(3)를 통해 액체를 공급받는 것이 가능한, 물질 전달 컬럼용 기재에 관한 것이다. 상기 기재는 하나 이상의 입구(3), 유입된 액체를 2개의 스트림으로 분리하는 하나 이상의 분리 위어(5), 및 액체를 위한 2개 이상의 배출구(12) 또는 2개 이상의 입구(3) 및 하나 이상의 배출구(12)를 갖는다. 각각의 유동은 유로(7, 9)를 따라 배출구(12)까지 유동한다. 본 발명은 추가로 상기 기재를 포함하는 물질 전달 컬럼, 및 상기 기재 및 물질 전달 컬럼의 용도에 관한 것이다.

Description

물질 전달 컬럼용 기재{BASE FOR A MASS TRANSFER COLUMN}
본 발명은, 트레이 위에 가스 통과 개구가 분포되고 상기 트레이 위로 유동하는 액체의 유동 우회를 위한 하나 이상의 배플을 가지며, 하나 이상의 입구를 통해 액체를 공급받는 것이 가능한, 물질 전달 컬럼용 트레이에 관한 것이다.
물질 전달 컬럼은, 예를 들어 증류 컬럼, 흡수 컬럼 또는 스트리핑 컬럼으로서, 여기서 물질들은 액상과 가스상의 밀접한 접촉에 의해 분리된다. 여기서 상기 액상은 컬럼을 통해 상부로부터 바닥부로 진행하는 반면, 상기 가스상은 컬럼을 통해 바닥부로부터 상부로 진행한다. 적합한 내부(internal)에서 2개의 상들이 접촉한다. 사용된 내부는, 예를 들어, 일반적으로 베드 형태의, 불규칙한 팩킹, 규칙적인 팩킹, 또는 트레이를 포함한다. 이러한 트레이들은 종종 직교류 트레이로서 구성되되, 여기서 상기 액체는 한쪽의 트레이에 공급되어, 상기 트레이 위로 진행하고, 상기 공급 포인트의 반대편의 다운커머(downcomer)를 경유하여 상기 트레이로부터 빠져나간다. 가스가 액체를 통과하여 상승하는 물질 전달 요소가 상기 트레이에 수용되어 있다. 가스가 트레이에 공급되는 영역은 또한 "활성 영역"으로 지칭된다. 유입 다운커머(entering downcommer)에서, 및 배출 다운커머(exiting downcommer)에서, 액체는 비말동반된 가스로부터 분리된다. 따라서, 다운커머는, 하나의 트레이로부터 그 밑의 트레이까지 탈기된 액체를 위한 도관으로서 작용한다.
직교류 트레이 위에 사용되는 물질 전달 요소는, 예를 들어 시브 홀, 고정식 밸브, 이동식 밸브, 버블 캡(bubble cap), 또는 터널 캡(tunnel cap)이다. 숙련자들은, 적용례에 따라, 예를 들어 물리적 데이타, 가스 및 액체 체적, 작업의 주변 환경, 및 허용가능한 온도 또는 압력에 따라 구체적인 적용례에 적합한 물질 전달 요소를 선택한다. 시브 트레이 및 밸브 트레이는 일반적으로 유압식으로 밀봉되지 않는다.
시브 트레이 및 밸브 트레이로부터의 유압식 밀봉 부재의 결과로서, 상기 액체는, 배출 다운커머에 도달하기 이전에, 물질 전달 요소를 통하여 하부 트레이에 쏟아져 내릴 수 있다. 이러한 액체 우회로는, 가스와 액체 사이의 접촉의 감소를 유발하고, 따라서 바람직하지 않다. 바람직하지 않은 우회로는, 가스의 상방 유동에 의한 미리-쏟아짐(raining)을 방지하기에 충분히 큰, 이동 요소 내 가스 담지량을 선택함으로써, 예방될 수 있다. 그러나, 가스 우회로 영역의 개방비(opening ratio)는, 무한정 감소될 수 없는데, 그 이유는 감소된 가스 통과 영역이, 압력 강하에서의 급격한 상승을 동반하고, 이로써 공정의 효율에 부정적인 영향을 미치기 때문이다.
긴 액체 진행 길이를 갖는 트레이의 경우에, 예를 들어 큰 직경과, 그로 인한 유입 다운커머와 배출 다운커머 사이의 긴 거리를 갖는 경우에, 또는 트레이 위의 배플의 상응하는 배치에 의해 유입 다운커머로부터 순환 다운커머로 액체가 전환되는 경우에, 입구측으로부터 배출구 측으로 액체 구배가 확립된다. 이러한 문맥에서의 액체 구배란, 진행 길이에 따른 정지 압력-강하 성분의 감소를 의미한다. 특히, 액체의 유로가 배플 또는 다른 유동 가이드로 인하여 연장되는 트레인인 경우에, 이러한 트레이는 불규일한 가스발생(gassing)의 경향이 있고, 결국에는, 입구 영역에서의 쏟아짐의 경향이 있다.
그러나, 예를 들어 액체와 가스의 충분히 많은 접촉 시간이 수득되기 때문에, 긴 액체 진행 길이가 바람직할 수도 있다. 이러한 목적을 위해서, 예를 들어 독일특허출원 제 10 2007 036 190 호에는, 유입 다운커머 및 배출 다운커머를 트레이 위의 동일한 쪽에 배치하고 유입 다운커머와 배출 다운커머 사이에서 중심으로, 트레이 위의 액체가 우회하는 배플을 제공하는 것이 공지되어 있다. 유로의 추가 연장은, 예를 들어 많은 갯수의 배플을 제공함으로써 달성될 수 있어서, 액체는 상기 트레이 위에서 구불구불한 경로로 진행한다.
만약, 물질 전달 컬럼에서 수행되는 공정에서, 열의 공급 또는 제거가 필요한 경우, 예를 들어 온도 제어 매체가 유동하는 파이프의 형태로, 트레이 위에 열 전달 요소를 제공하는 것이 공지된 관행이다. 열 교환 표면을 최대화하기 위해서, 열 교환을 위해 사용되는 파이프라인은, 트레이 위에서 가능한 한 길게 진행하고, 상기 액체는 트레이 위의 배플에 의해서 이러한 파이프를 따라 안내된다. 이것은, 진행 길이가 의도적으로 상당히 길어짐을 의미한다. 이러한 효과는, 큰 컬럼 직경의 경우에 부양된다. 파이프라인이 트레이 위의 열 교환을 위해 사용되는 경우, 트레이의 균일한 가스발생이 추가로 방해된다는 점 및 따라서 이를 통한 쏟아짐(rainthrough)이 증가된 수준으로 발생한다는 점이 드러났다. 액체로부터 열을 제거하거나 트레이 위의 액체에 열을 공급하기 위해서, 온도 제어 매체가 유동하는 파이프는 전형적으로 여러개의 층들로 배치되고, 상기 파이프는 평행하게 놓인다. 각각 4개 내지 20개의 평행한 파이프를 포함하는 1개 내지 4개의 층을 사용하는 것이 유용하다. 열 전달 요소가 파이프의 형태로 배치되는 물질 전달 컬럼에서의 상응하는 트레이가 예를 들어 국제특허 공개공보 제 WO 2008/132096 호에 기술되어 있다.
액체는, 전형적으로 이것이 주입구 위어(inlet weir)를 경유하여 오버플로우하게 함으로써 트레이에 공급된다. 이러한 주입구 위어는 일반적으로 그 높이가 15 내지 250mm이다. 열 전달 요소가 상기 트레이 위에 제공되는 경우, 상기 액체는 개별적인 열 전달 요소들 사이에서 측면으로 유동하여, 종방향 유동 영역에 도달해야만 한다. 여기서, 종방향 유체 충돌을 동반하는 열 전달 요소 및 횡방향 유체 충돌을 동반하는 열 전달 요소 둘다의 경우, 물질 전달 컬럼의 트레이의 가스발생이 더더욱 어려워지고, 트레이는 보다 긴 액체 스트레치(stretch) 동안 끈덕지게 쏟아져 내린다는 점이 알려졌다. 물질 전달 컬럼의 일부 위에서의 쏟아짐 경향은, 담지량 감소에 따라 특히 부분적 담지량 범위에서 증가한다.
따라서, 본 발명의 목적은, 액체의 쏟아짐이 내구성 있게 감소되는 물질 전달 컬럼용 트레이를 제공하는 것이다. 또다른 목적은, 물질 전달 컬럼의 작업 범위를 하향으로 연장하는 것, 즉 액체의 쏟아짐 없이 또는 부분적 담지량 범위에서조차 낮은 수위의 액체의 쏟아짐으로, 가능한 한 물질 전달 컬럼을 작동하는 것이다.
이러한 목적은, 상기 트레이 위에 가스 통과 개구가 분포되어 있고 상기 트레이 위를 유동하는 액체의 유동 우회를 위한 하나 이상의 배플을 갖는, 물질 전달 컬럼용 트레이에 의해 달성되는데, 트레이에 하나 이상의 입구를 경유하여 액체를 공급하는 것이 가능하며, 상기 트레이는 하나 이상의 입구, 유입되는 액체를 2개의 스트림으로 분리하는 하나 이상의 분리 위어, 및 액체를 위한, 2개 이상의 배출구를 갖거나, 2개 이상의 입구 및 하나 이상의 배출구를 갖되, 각각의 스트림은 배출구까지 유로를 따라 유동한다.
액체를 2개의 스트림으로 나누는 결과로서, 트레이 위의 액체 진행 길이는 짧아진다. 이러한 결과로서, 상기 액체의 주입구 영역에서의 트레이의 가스발생은, 보다 쉬워지고, 그 결과 물질 전달 컬럼이 개시되는 경우, 균일하게 시작된다. 트레이를 통한 액체의 쏟아져내림(raining down); 및 그다음 트레이로의 액체 우회의 결과로서의 분리 효율 측면에서의 관련된 악화는 이러한 방식으로 효율적으로 감소될 수 있다. 트레이의 작업 범위는 이러한 방식으로 하향으로 연장되고, 이로써 비교적 작은 부분적 담지량에도 불구하고 작업을 가능하게 한다.
하나의 바람직한 실시양태에서, 트레이 위로의 유로는, 각각의 유로 길이가 실질적으로 동일하도록 설계된다. 유로 길이가 실질적으로 동일한 결과로서, 트레이 위로 유동하는 액체는 선택한 유로와는 독립적으로 트레이 위의 상응하는 체류 시간을 갖고, 결과적으로 예를 들어 흡수 컬럼에서 동일하게 처리되어서, 빠져나온 액체는 선택된 경로와 무관하게 각각의 경우 실질적으로 동일한 조성을 갖는 것을 보장한다.
유로 길이가 실질적으로 동일하도록 만들기 위해서, 분리 위어가, 서로 대칭인 트레이 위에 2개의 유로를 형성하도록 하는 것이 특히 바람직하다. 이러한 목적을 위해서, 분리 위어는, 예를 들어 대칭축으로서 작용한다.
본 발명의 트레이를 포함하는 물질 전달 컬럼에서, 하나의 가능성은, 각각 서로 동일한 디자인을 갖는 트레이를 제공하는 것이며, 여기서 하나의 트레이 중 2개 이상의 배출구가 서로 합쳐져서 그다음 트레이를 위한 입구를 형성한다. 그러나, 각각의 경우에 트레이를 교대로 제공하고, 이때 상부 트레이의 배출구가 각각의 경우 하부의 트레이를 위한 입구로서 사용되는 것이 바람직하다. 따라서, 상부 및 하부 트레이가 하나의 배출구 및 2개의 입구를 가지면, 각각의 경우에 2개의 배출구 및 1개의 입구를 갖는 트레이도 존재한다.
2개 초과의 유로가 제공되는 경우, 예를 들어 하나의 입구 및 2개 이상의 배출구를 갖는 트레이, 및 이들 밑에, 2개 이상의 입구 및 하나의 배출구를 갖는 트레이가 서로에 교대로 배치되는 것이 가능하고, 여기서 배출구의 갯수 또는 입구의 갯수는 각각의 경우에 유로의 갯수에 상응한다. 이러한 경우의 디자인은, 바람직하게는, 하나의 트레이의 배출구가 각각의 경우 아래에 놓인 트레이를 위한 입구를 형성하는 것이 바람직하다. 게다가, 개별적인 트레이 위의 유로가 일치하면, 트레이 위의 액체가 각각의 경우에 교대로 반대 방향으로 유동하는 것이 특히 바람직하다.
개별적인 트레이의 탈기를 위해서, 제공된 가스 통과 개구는, 예를 들어 시브 홀, 버블캡, 터널, 고정식 밸브 또는 이동식 밸브일 수도 있다. 가스 통과 개구가 시브 홀인 경우가 특히 바람직하다. 이러한 경우의 개별적인 시브 홀의 갯수 및 직경은, 컬럼을 통해 안내된 가스의 체적, 및 또한, 추가로 컬럼의 직경 및 이로써 트레이의 직경에 좌우된다.
컬럼에서 수행되는 물질 전달 공정이 열을 방출하는 것이거나 열을 공급할 필요가 있는 것인 경우, 트레이 위에 열 전달 요소를 배치하는 것이 추가로 바람직하다. 이러한 경우의 열 전달 요소는, 바람직하게는 트레이 위의 유로를 따라 배치된다. 트레이 위에 유로를 따라 열 전달 요소를 배치함으로써, 열 전달 요소 등을 따르는 액체의 유동이 열 전달 요소에 의해 가열되거나 냉각될 수 있다.
적합한 열 전달 요소는, 숙련자들에게 공지된 임의의 바람직한 열 전달 요소이다. 따라서, 예를 들어, 전기적으로 가열된 열 전달 요소가 가열을 위해 제공될 수도 있다. 그러나, 열 전달 요소로서, 온도 제어 매체가 유동하는 파이프라인을 제공하는 것이 바람직하다. 이러한 파이프라인은, 보다 바람직하게는 트레이 위의 유로에 대해 평행하게 연장된다.
수행되는 물질 전달 공정이, 열을 방출하는 것인 경우, 파이프라인은 이를 통해 유동하는 냉각제를 갖는다. 이러한 냉각제의 온도는 컬럼 내 액체의 온도 미만이고, 따라서 열이 냉각제에 의해 흡수될 수 있다. 상응하게, 열이 공급되어야만 하는 물질 전달 공정의 경우에, 고온 매체가 파이프를 통해 안내된다. 적합한 가열 매체의 예는, 여기서 스팀이다.
열 교환 영역을 확대하기 위해서, 유로 위의 구불구불한 형태로 파이프라인을 놓는 것이 가능하다. 이러한 경우에, 그다음 액체는 트레이 위에서 파이프라인 내 액체에 대해 동방향으로 또는 역류로 유동한다. 그러나, 파이프라인이 유로와 평행하도록 하기 위해서, 트레이 위의 액체가 파이프라인 내 온도 제어 매체에 대해 동방향으로 또는 역류로 유동하는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 열 교환 영역을 증가시키기 위해서, 2개 이상의 파이프라인이 유로 위에서 서로 나란히 평행하게 진행하는 경우, 특히 바람직하다. 유로 위에서 서로 나란히 평행하게 진행하는 여러개의 파이프라인은 층을 형성한다. 트레이 위의 액체의 높이 및 개별적인 파이프의 직경에 따라, 서로 위에 여러개의 층의 파이프라인을 제공하는 것이 가능하다. 이러한 경우에, 상기 파이프라인이 서로 위에 동일-높이로(flush) 배치될 수 있거나 각각의 경우 서로에 대한 오프셋을 동반하도록 배치될 수도 있다.
트레이 위의 유로의 폭에 따라, 서로에게 평행하게 4개 내지 20개의 파이프라인을 배치하는 것이 바람직하며, 이는 층을 형성한다. 서로 나란히 평행하게 6개 내지 16개의 파이프라인을 배치하는 것이 특히 바람직하다. 파이프라인의 층의 갯수는 바람직하게는 1 내지 6개, 보다 바람직하게는 1 내지 4개이다.
파이프라인에 온도 제어 매체를 공급하기 위해서, 예를 들어, 여기에 파이프라인이 연결되고 이를 통해 파이프라인이 온도 제어 매체로 충전되는, 트레이 위의 분배기를 배치하는 것도 가능하다. 파이프라인의 다른 말단에는, 온도 제어 매체가 수집되고 트레이로부터 빼내는 수집기가 존재한다. 온도 제어 매체를 공급할 수 있도록, 트레이가 수용되는 컬럼의 벽을 관통하는 하나 이상의 포트가, 상기 수집기 및 분배기를 각각 통과한다. 이러한 수집기 및 분배기는 또한 컬럼 벽에 대해 일체형일 수도 있다. 이러한 경우에, 파이프는 유밀한(fluid tight) 방식으로 플레이트를 완전히 채우고, 컬럼 벽 위의 포트에서는 개방되어 있다. 이것은 보다 우수한 접근, 뿐만 아니라 이와 관련하여, 외측으로부터 파이프의 수리를 위한 가능성을 생성한다.
온도 제어를 위해 사용되는 파이프라인은, 하나의 경우에, 트레이 위의 모든 유로로 연장될 수 있지만, 다르게는, 각각의 유로가 온도 제어를 위해 할당된 개별적인 파이프라인인 것도 가능하다. 그러나, 극도로 간단한 구성을 수득하기 위해서, 각각의 파이프라인이 모든 유로를 따라 진행하도록 하는 방식으로 파이프라인을 디자인하는 것도 바람직하다. 그 결과, 온도 제어 매체를 공급하기 위한 하나의 포트, 및 온도 제어 매체를 제거하기 위한 하나의 포트가 충분하다. 개별적인 파이프라인이 각각의 유로에 제공되는 경우, 온도 제어 매체를 위한 포트가 각각의 유로에 대해 제공되어야만 한다. 게다가, 또한, 파이프라인으로의 입구 및 배출구가 서로 나란히 배치되도록, 트레이 위의 모든 유로 위에 파이프라인을 빼서 다시 놓는 것도 가능하다. 이러한 파이프라인 체제는 결과적으로 온도 제어 매체에 대한 낮은 요구사항을 유발한다.
트레이 위의 액체를 균일하게 안내할 수 있도록, 각각의 입구가 입구 위어를 포함하는 것이 바람직하다. 입구 위어를 통해, 액체는 개별적인 유로로 유동한다. 상기 입구 위어는 바람직하게는 그의 높이가 15 내지 250mm이고, 보다 구체적으로는 25 내지 150mm이다. 입구 위어에는 바람직하게는 그의 상부측에 구조화된 가장자리가 제공된다. 구조화된 가장자리는, 예를 들어 지그재그, 물결모양, 또는 총안상(crenellated) 디자인을 가질 수도 있다. 게다가, 액체 입구의 경우 위어에 창을 제공하는 것도 가능하다. 이러한 창들은 교대로 제공될 수도 있거나, 또는 구조화된 가장자리에 부가적으로 제공될 수도 있다. 가장자리의 구조화, 및 창들은, 입구 위어의 전체 폭 위로 액체의 균일한 분포를 달성한다.
지그재그, 물결모양, 또는 총안상의 높이, 및 창의 크기는 분포될 액체의 체적에 좌우된다. 바람직하게, 지그재그 디자인의 개별적인 지그재그, 물결모양 디자인의 개별적인 물결모양, 또는 개별적인 총안상의 높이는 5 내지 50mm, 보다 바람직하게는 10 내지 25mm이다.
입구 위어를 통한 액체의 분배와는 다르게 또는 그 이외에, 트레이 위에 배치된 액체 분배기를 제공하고, 액체가 유로 위로 균일하게 분배되도록 하는 유출 개구를 제공하는 것도 가능하다. 이러한 목적을 위해서, 모든 유로에 액체 분배기를 통해 액체 유체가 공급되도록 하는 방식으로, 2개 이상의 유로 위에 액체 분배기를 배치하는 것이 필요하다. 액체 분배기의 바닥측과 트레이로의 유출 개구부 사이의 거리는, 트레이 위에 배치된 열 전달 요소의 최상위 포인트 위로 바람직하게는, 1 내지 50cm, 보다 바람직하게는 5 내지 30cm, 매우 바람직하게는 10 내지 15cm이다. 액체 분배기를 변하는 요구사항에 맞출 수 있도록, 예를 들어서 컬럼 내 상이한 액체 담지량의 결과로서, 예를 들어 나삿니 막대에 의해 조절가능한 방식으로 액체 분배기를 장착하는 것도 가능하다. 이러한 종류의 액체 분배기가 제공되는 경우, 이것은 전방 층(froth layer)으로 지칭되는, 트레이 위에 함유된 액체 위에 배치되는 것이 바람직하다.
액체 분배기의 디자인은, 예를 들어, 이것이 유출 개구부가 장착된 하우징을 포함하고, 상기 하우징이, 분배될 액체가 공급되는 오버플로우 용기를 수용하도록 한 것이다. 그다음, 상기 액체는 오버플로우 용기의 밖에서 하우징으로 진행하고, 이로부터 이것은 유출 개구부를 경유하여 아래에 놓인 트레이로 분배된다.
이러한 종류의 액체 분배기는 예를 들어 유럽특허출원 제 2008/054855에 개시되어 있다. 본 발명의 트레이와 함께, 개선된 개시 거동 및 부분적 담지 방향에서의 보다 큰 담지량 범위를 초래하는, 이러한 종류의 액체 분배기를 사용하면, 결과적으로 부분적 담지 용량에 대해 부가적 확대를 유발한다.
본 발명은 추가로 본 발명에 따라 설계된 트레이를 하나 이상 포함하는 물질 전달 컬럼을 제공한다. 바람직하게, 상기 물질 전달 컬럼 내 각각의 트레이는 전술한 바와 같은 구성을 갖는다. 물질 전달 컬럼이, 각각의 경우에 교대로, 2개의 배출구 및 하나의 입구를 갖는 트레이 및 2개의 입구 및 하나의 배출구를 갖는 트레이가 서로의 위에 배치되되, 각각의 경우 상부의 트레이의 배출구가 각각의 경우 아래에 있는 트레이의 입구를 형성하도록 설계되는 것이, 특히 바람직하다.
트레이의 각각의 배출구는, 액체가 아래에 있는 트레이의 입구로 안내되는 하나 이상의 배출 다운커머를 갖는 배출 영역을 포함한다. 이러한 배출 다운커머는 입구에서 끝나거나, 입구 위어에 의해 범위가 정해지거나, 또는 액체 분배기에서 끝난다. 배출 영역 내 배출 다운커머는 임의의 바람직한 배치일 수 있다. 따라서, 예를 들어, 2개의 배출 다운커머는 배출 영역의 맞은편에 제공되어 위치할 수도 있다. 다르게는, 배출 영역의 한쪽 측면에 서로 나란하게 2개 이상의 배출 다운커머가 존재할 수도 있다. 또한, 배출 영역에서 단지 하나의 배출 다운커머만이 제공되는 것이 가능하다. 또한, 각각의 유로를 위한 배출 다운커머를 제공하되, 여기서 모든 배출 다운커머가 아래에 놓인 트레이를 위한 조인트 입구에서 개방되는 것도 가능하다. 트레이로부터의 하나의 배출구의 경우에, 개별적인 유로의 액체를, 그다음 트레이에 적용하기 이전에, 배출 영역에서 혼합하는 것이 바람직하다. 이러한 혼합은 또한, 단지 하나의 조인트 배출 다운커머를 제공함으로써 달성될 수도 있다. 상기 혼합을 보조하기 위하여, 배출 영역 또는 배출 다운커머에서 고정식 혼합 요소를 제공하는 것도 가능하다.
본 발명의 트레이를 갖고 본 발명에 따라 형성된 컬럼이 질산의 제조를 위해 사용되는 것이 바람직하다. 이러한 경우에, 상기 컬럼은 흡수 컬럼으로서 작용하며, 여기서 작업 도중에 흡수 컬럼에서 생성된 흡수 열은, 트레이 위에 배치된 열 전달 요소를 통해 제거되고, 이러한 요소는 이러한 경우에 냉각 요소로서 설계된다.
질산의 제조를 위해서, 먼저 백금 메쉬 위에서 암모니아가 공기와 촉매작용으로 연소되어 일산화탄소 및 물이 형성된다. 이러한 반응은 과량의 산소와 함께 완전 연소로 수행된다. 일산화질소는 추가로, 과량의 산소에 의해 균일하게 이산화질소로 산화된다.
이산화질소는 가스 스트림으로써 흡수 컬럼에 공급된다. 액체로서, 물이 상부에서 흡수 컬럼에 첨가된다. 컬럼에서, 이산화질소는 물에 의해 흡수되어, 질산 및 일산화질소를 생성한다.
매우 많은 반응들이 흡수 컬럼에서, 가스상 및 액상 둘다로 진행된다. 발생하는 반응열 및 흡수열은, 트레이 위의 열 전달 요소에 의해 제거된다. 열 제거의 결과로서, 개별적인 반응들 내 평형이 적절하게 이동된다. 게다가, 흡수 컬럼의 상부에서의 NOx의 손실이 최소화되어야만 한다. 컬럼으로부터 제거된 생성물에 대한 사양의 성과는 컬럼 디자인에 매우 좌우된다. 본 발명에 따른 트레이를 갖는 흡수 컬럼을 사용하면, 질산의 제조 동안 액체 쏟아져 내림이 매우 감소되고, 아래방향으로 작업 범위의 팽창이 달성되어, 부분적 담지 용량을 개선한다.
상기 액체를, 예를 들어 배출 다운커머 또는 고리형 채널들의 경우, 예를 들어 외부 공급기를 경유하여, 또는 추가로 내부 액체 스트림을 경유하여, 컬럼에 첨가할 수도 있다. 이러한 액체는 입구 파이프를 경유하여, 예를 들어 컬럼의 외부로부터 및/또는 그 위에 배치된 트레이의 배출 다운커머를 통해, 또는 예를 들어 고리형 채널로부터의 파이프를 통해, 오버플로우 용기에 도달한다.
다운커머를 통한 가스의 우회 유동을 방지하기 위해서, 배출 다운커머 또는 고리형 채널의 파이프에 가스-기밀 마개를 제공하는 것이 필요하다. 이러한 목적을 위해서, 오버플로우 용기가 하우징 내부에 설치되어 있다. 배출 다운커머는 액체 수위 밑으로 오버플로우 용기로 개방되어 있다. 여기서 배출 다운커머는 액체쪽으로 바람직하게는 10 내지 200mm, 보다 바람직하게는 20 내지 100mm, 매우 바람직하게는 30 내지 50mm에서 개방되어 있다. 오버플로우 용기 내 액체 수위는, 오버플로우 용기의 높이에 의해 명시된다. 이것은, 액체 수위와 무관하게, 고리형 채널로부터 개방되어 있는 파이프 개구 또는 배출 다운커머가 하우징 내에서 밀봉됨을 보장한다. 오버플로우 용기로부터 하우징까지의 수직 거리는, 10 내지 250mm, 바람직하게는 20 내지 150mm, 보다 바람직하게는 10 내지 100mm이다. 상부 가장자리에서, 오버플로우 용기는 바람직하게는, 2 내지 20mm, 보다 바람직하게는 10 내지 15mm의 높이에서 일련의 오버플로우 잭(overflow jag)을 가져서, 하우징으로의 액체의 균일한 분포를 생성한다.
액체 분배기를 사용하여, 액체는, 액체 유통관의 가장 먼 지점에서 가능한 한 균일하게 열 전달 요소를 경유하여 그의 열 전달 매체의 공급 라인 또는 제거 라인까지 분배되어야만 한다. 유로를 따라 구불구불한 형태로 연장되는 열 전달 요소의 경우, 액체의 공급은 열 전달 요소를 경유하여 바람직하게는 중심이다.
침수된 액체 시스템을 사용하며, 배출 다운커머를 통해 우회 형태로 가스가 상승하는 것을 방지한다. 전체 가스가 트레이 내의 가스 통로 개구를 통해 유동하는 것을 보장한다. 하나 이상의 배출 다운커머가 아래에 놓인 트레이의 입구에서 액체 수위 밑에서 종결됨으로써 침수된 액체 시스템이 실현된다.
본 발명의 실시예를 도면에서 도시하고 하기의 설명에서 보다 상세하게 설명한다.
도 1은 2개의 유로를 갖는 본 발명에 따라 디자인된 트레이의 3차원 도면이다.
도 2는 2개의 유로를 갖는 본 발명에 따라 디자인된 트레이의 평면도이다.
도 3은 측면 입면도에서의 액체 분배기의 개략도이다.
도 4는 평면도에서의 도 3으로부터의 액체 분배기의 계략도이다.
도 1은, 2개의 유로를 갖는 본 발명에 따라 설계된 트레이의 3차원 도면을 도시한다.
본 발명에 따라 설계된 트레이(1)는 입구 영역(3)을 포함하는 입구를 갖되, 이를 통해 트레이(1)에 액체가 공급된다. 이러한 목적을 위해서, 액체는 입구 영역(3)으로부터 트레이(1)로 유동된다. 여기서 입구 영역(3)은 입구 위어에 의해 바람직하게 제한된다. 본 발명에 따르면, 액체는 분리 위어(5)에 의해 제 1 유로(7) 및 제 2 유로(9)로 분리된다. 본원에서 도시된 실시양태에서, 제 1 유로(7)와 제 2 유로(9)는 분리 위어(5)에 축 대칭으로 설계된다.
본원에서 도시된 실시양태에서, 유로(7, 9) 각각이 2개의 배플(11)을 갖고, 이 둘레에서, 액체가 나뉘어서 구불구불한 경로를 여행한다. 유로(7, 9)의 마지막에는, 배출 다운커머(12)가 배치되어 있다. 액체는 트레이로부터 배출 다운커머(12)를 통해 아래에 놓인 트레이 또는 바닥으로 유동하며, 이로부터 액체는 제거될 수 있다. 상기 트레이 밑에 추가 트레이가 위치하는 경우, 배출 다운커머(12)는 동시에 아래에 놓인 트레이를 위한 입구이다.
본 발명에 따르면, 상기 트레이 위에 위치한 열 전달 요소(13)가 존재하며, 여기서 도시된 실시양태에서, 이들은 파이프라인으로서 설계된다. 열 전달 요소(13)는 트레이 위에서 수행되는 물질 전달 공정에서 발생되는 열을 제거하기 위해서, 또는 열 전달 공정을 위해 요구되는 열을 공급하기 위해서 사용된다. 본 발명에 따른 트레이(1)를 갖는 물질 전달 컬럼이 질산의 제조에 사용되는 경우, 흡수열이 방출되고, 그다음 열 전달 요소(13)를 경유하여 제거될 수 있다. 충분히 넓은 열 전달 영역을 수득하기 위하여, 여러개의 파이프라인이, 온도 제어 매체가 파이프라인에 적용되는 분배기(15)로부터 수집기(17)까지, 트레이(1) 위에 형성된 유로(7, 9)를 경유하여 평행하게 열 전달 요소(13)로서 진행된다. 수집기(17)에서, 모든 파이프라인으로부터의 온도 제어 매체가 함께 진행하고 그다음 트레이로부터 배출될 수도 있다.
서로 나란하게 배치된 파이프라인들의 하나의 층이 배치되어 있는 본원에서 도시한 실시양태 이외에, 서로의 위에 하나 초과의 파이프라인층들이 배치되는 것도 가능하다. 이러한 경우, 파이프라인들은 각각 동일 평면으로 또는 서로 오프셋이도록 배치될 수도 있다. 사용된 파이프라인의 층들의 갯수는, 진행되는 작업에서, 파이프라인의 직경 및 트레이 위의 액체 수위의 높이에 좌우된다. 파이프라인의 층들의 갯수는, 작업 중 모든 파이프라인이 항상 액체에 의해 덮히도록 선택되어야만 한다.
본 발명에 따라 설계된 트레이로서, 2개의 유로를 갖는 트레이의 평면도가 도 2에 도시되어 있다.
트레이(1)에 입구 영역(3)을 경유하여 액체가 공급되는데, 상기 입구 영역(3)에는 위에 놓인 트레이로부터 2개의 배출 다운커머(3a, 3b)를 통해 액체가 공급된다. 상기 액체는 입구 위어(19)를 경유하여 트레이(1)에 유동된다. 입구 위어(19)의 전체 폭 위로의 액체의 균일한 분배는, 구조화된 상부 가장자리를 갖는 입구 위어(19)에 의해 달성된다. 상기 가장자리는 예를 들어 지그재그, 물결모양, 또는 총안상(renellated) 디자일을 가질 수도 있다. 대안으로, 액체가 이를 통해 분배되는 입구 위어(19) 내 창을 제공하는 것도 가능하다.
입구 영역(3)에서 끝나고 입구 영역(3)의 2개의 맞은편 측면에 배치되어 있는 것인, 위에 놓인 트레이의 2개의 배출 다운커머(3a, 3b)를 갖는 본원에서 도시된 변형 이외에, 입구 영역(3)에서 입구 위어(19)에 평행하게 하나 이상의 배출 다운커머가 배치되거나, 또는 컬럼 벽을 따라 배출 다운커머를 배치하는 것도 가능하다. 배출 다운커머(3a, 3b)를 통한 가스의 상향 상승을 피하기 위하여, 이는 바람직하게는 입구 영역(3) 내 액체 수위 밑에서 끝난다. 상응하게, 배출 다운커머(12)도 아래에 놓인 트레이의 입구의 액체 수위 밑에서 끝나서, 가스 통과를 방지한다.
입구 위어(19)가 오버플로우된 이후에, 액체는 2개의 유로(7, 9) 위로 분배된다. 액체의 유동은 본원에서 화살표로 도시하고, 입구(3)로부터 입구 위어(19)를 경유하여, 제 1 유로(7) 또는 제 2 유로(9)를 따라, 회합된 배출 다운커머(12)까지 진행된다.
트레이(1) 밑의 컬럼에 추가 트레이가 위치하는 경우, 그다음 상기 트레이는, 여기서 도시한 트레이가 배출 다운커머(12)를 갖는 위치에 각각의 입구를 갖는 것이 특히 바람직하다. 그다음, 액체는 개별적인 입구를 경유하여 제 1 유로(7) 또는 제 2 유로(9)까지 유동하고, 유로(7, 9)를 따라 도 2에서 도시된 방향과 반대방향으로 유동한다. 그다음, 액체는, 입구가 도 2에서 도시된 실시양태에 있는 위치에 놓인 배출구에서 수집된다. 여기서 도시된 트레이의 위에 배치된 트레이의 구성도 마찬가지이다.
도 1 및 2에 도시된 실시양태에서, 입구 영역(3)에 위치한 라이즈-쓰루 개구(20)가 추가로 존재하는데, 이것은 작업시에는 밀폐된다.
2개의 대칭 유로를 갖는 도 1 및 2에 도시된 실시양태 이외에, 대안으로 2개 초과의 유로를 제공하거나 유로를 비대칭을 만드는 것도 가능하다. 그러나, 유로의 갯수 및 디자인에 무관하게, 각각 실질적으로 동일한 길이의 개별적인 유로를 제공하는 것이 유리하다.
도 2에서 도시하는 바와 같이, 입구 위어(19)를 경유하여 액체를 도입하는 것의 대안으로서, 액체 분배기를 통한 액체의 분배도 가능하다. 이러한 종류의 액체 분배기는, 평면도로 도 4에, 측면도로 도 3에 개략적으로 도시되어 있다.
액체 분배기(21)는 하우징(23)을 포함하고, 상기 하우징(23)의 바닥측은 여기서 화살표로 개략적으로 도시된 유출 개구(25)를 갖는다. 유출 개구는, 예를 들어 하우징(23)의 기저부에 열(row)로 배치될 수도 있다. 이러한 경우에, 예를 들어 둥근 단면을 갖는 개별적인 구멍의 형태로 또는 슬롯으로서, 유출 개구(25)를 설계하는 것도 가능하다. 액체의 균일한 분포를 달성하기 위해서, 유출 개구(25)는 하우징(23)의 기저부 위에 균일한 분포로 배치된다.
액체 분배기(21)를 경유하여 분포될 액체는, 배출 다운커머(12)를 경유하여 오버플로우 용기(29)에 공급된다. 액체 분배기(21)가 컬럼 내 최상 트레이 위에 위치하는 경우, 바람직하게는, 액체는 액체 분배기로부터, 함침된 파이프를 통해 공급된다.
배출 다운커머(12)는 오버플로우 용기(29)로 개방되어 있고, 배출 다운커머(12)로부터의 배출구는 오버플로우 용기(29) 내 액체의 수위(31) 밑에 배치된다. 그 결과, 컬럼 내에서 가스에 대한 밀봉부가 생성되고, 그래서 어떠한 가스도 배출 다운커머(12)로 유출할 수 없다.
액체는 후속적으로 오버플로우 용기(29)로부터 하우징(23)으로 유동하고, 여기서, 이것은 오버플로우 용기(29)의 측벽 위로 유동한다. 하우징(23)으로부터, 그다음 액체는 유출 개구(25)를 통해 트레이(1)로 유동한다.
개별적인 유로로의 액체의 균일한 분포를 수득하기 위해서, 액체 분배기(21)는 분리 위어(5) 위에서 바람직하게는 중심에 위치한다.
도 3에서 도시된 실시양태에서, 열 전달 요소인 2개의 층들이, 트레이(1) 상의 액체의 온도 제어를 목적으로 제공되며, 상기 열 전달 요소는 각각 파이프라인의 형태로 설계되며, 개별적인 층들에서 서로의 위에 동일-높이로 배치된다. 열 전달 요소(13)는 트레이(1) 위에 존재하는 액체에 의해 완전히 덮힌다. 트레이(1) 위의 액체의 액체 수위는 기준 부호(33)에 의해 설계된다.
본 발명에 따르면, 액체 분배기(21)는 트레이(1) 위의 액체 수위(33) 위에 배치된다. 따라서, 액체는, 가스가 트레이 위의 액체에 영향을 주기 이전에, 먼저 액체 분배기(21)로부터 유출 개구(25)를 통과하여 가스를 지나 유동한다. 액체 분배기 내 액체의 유동이 도 3 및 도 4 각각의 경우에 화살표로 개략적으로 도시된다.
트레이 위의 액체의 분배를 위해, 유출 개구(25)는 바람직하게는 1 내지 30개의 열, 보다 바람직하게는 2 내지 20개의 열, 매우 바람직하게는 3 내지 7개의 열로 배치된다. 이러한 경우에, 각각의 열은 10 내지 50개, 바람직하게는 20 내지 40개의 구멍을 갖는다. 개별적인 열들은 하우징(23)의 외부 가장자리에 평행하게 배치되는 것이 바람직하다. 이러한 경우의 액체 분배기(21)의 방향은, 유출 개구(25)의 열이 열 전달 요소(13)의 파이프의 종방향 방향으로부터 30° 내지 90°의 각도로 바람직하게 배치되는 것이, 바람직하다. 이러한 배치는 모든 평행한 파이프(13) 위로 유동 방향으로 액체를 극도로 균일하게 분배하는 것을 허용한다.
유출 개구의 직경은, 바람직하게는 1 내지 30mm, 보다 바람직하게는 5 내지 20mm, 매우 바람직하게는 7 내지 12mm의 범위로 위치한다.
특히 균일한 액체 분배를 보장하기 위해서, 하우징(23)이 바닥측에서 2mm 이하의 새그(sag)를 갖고, 수위 구배가 1m 길이 당 1mm 미만으로 편평함을 갖는 것이 유리하다. 이러한 새그는, 물질의 적절한 선택에 의해, 또는 구조적 메저(measure), 예를 들어 강화 립에 의해 용이하게 수득될 수도 있다.
1 트레이
3 입구
3a, 3b 배출 다운커머
5 분리 위어
7 제 1 유로
9 제 2 유로
11 배플
12 배출 다운커머
13 열 전달 요소
15 분배기
17 수집기
19 입구 위어
20 라이즈-쓰루 개구
21 액체 분배기
23 하우징
25 유출 개구
29 오버플로우 용기
31 액체 수위
33 트레이(1) 위의 액체 수위

Claims (15)

  1. 트레이(1) 위에 가스 통과 개구가 분포되어 있고, 상기 트레이 위로 유동하는 액체의 유동 우회(flow diversion)를 위한 하나 이상의 배플(baffle)(11)을 갖는, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이로서,
    상기 트레이(1)가 하나 이상의 입구(3)를 통해 액체를 공급받는 것이 가능하고,
    상기 트레이(1) 위에 열 전달 요소(13)가 유로(7, 9)를 따라 배치되어 있고, 이때 상기 열 전달 요소는 냉각 요소로서 설계되고,
    상기 트레이가 하나 이상의 입구(3), 유입된 액체를 2개의 스트림으로 분리하는 하나 이상의 분리 위어(weir)(5), 및 액체를 위한 2개 이상의 배출구(12)를 갖거나 또는 2개 이상의 입구(3) 및 하나 이상의 배출구(12)를 가져서, 각각의 스트림이 유로(7, 9)를 따라 배출구(12)까지 유동하는,
    질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 유로(7, 9)의 길이가 동일하도록 상기 유로(7, 9)가 설계된, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  3. 제 1 항에 있어서,
    유동 우회를 위해 트레이(1) 위에 배플(11)이 배치되어, 구불구불한 유로(7, 9)가 상기 배플(11)에 의해 형성되는, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 분리 위어(5)가, 트레이(1) 위에 서로 대칭인 2개의 유로(7, 9)를 형성하는, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 가스 통과 개구가, 시브 홀(sieve hole), 버블 캡(bubble cap), 터널 캡(tunnel cap), 고정식 밸브 또는 이동식 밸브인, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 열 전달 요소(13)가, 온도 제어 매체가 유동하는 파이프라인인, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 파이프라인이 유로(7, 9)에 대해 평행하게 연장되는, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  8. 제 6 항에 있어서,
    서로에 대해 평행하게 배치된 4개 내지 20개의 파이프라인이 각각의 유로(7, 9)에 하나의 층을 형성하고, 1개 내지 4개의 층들이 서로 위에 적층된, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구(3)가, 액체를 개별적인 유로(7, 9)내로 유동시켜 통과시키는 입구 위어(19)를 포함하는, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 입구(3)가 액체 분배기(21)를 포함하며,
    상기 액체 분배기(21)가 트레이(1) 위에 배치되어 있고, 액체를 유로(7, 9) 상으로 균일하게 분배시키는 유출 개구(25)를 갖는, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 액체 분배기(21)가, 유출 개구(25)가 장착된 하우징(23)을 포함하고,
    상기 하우징(23)이, 분배될 액체가 공급되는 오버플로우 용기(overflow container)(29)를 수용하는, 질산을 제조하기 위한 흡수 컬럼용 트레이.
  12. 가스상과 액상의 밀접한 접촉을 위한, 질산 제조용 물질 전달 컬럼으로서,
    상기 액상이 액체 분배기를 통해 상기 물질 전달 컬럼의 상부(top)에 첨가되고, 상기 가스상이 가스 분배기를 통해 상기 물질 전달 컬럼의 바닥부(bottom)에 첨가되고,
    상기 가스상은 상기 물질 전달 컬럼의 상부에서 제거되고, 상기 액상은 상기 물질 전달 컬럼의 바닥부에서 제거되고,
    상기 물질 전달 컬럼이 제 1 항에 따른 트레이를 하나 이상 포함하는, 물질 전달 컬럼.
  13. 제 12 항에 있어서,
    제 1 항에 따른 트레이를 2개 이상 포함하되, 이때 각각의 트레이가, 교대로, 하나의 입구와 2개의 배출구를 갖고, 그 바로 위에 또는 그 바로 밑에 놓인 트레이가 2개의 입구 및 하나의 배출구를 갖고, 하나의 트레이의 하나 이상의 배출구가 아래에 놓인 트레이의 입구를 형성하는, 물질 전달 컬럼.
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