KR102368399B1 - 특히 정제 유닛에 탄화수소 공급원료를 주입하기 위한 주입 디바이스 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 가스에 의해 액체를 액적들로 미립화하도록 형성된 주입 디바이스 (10) 에 관한 것으로서, 상기 주입 디바이스는 보디 (12) 를 포함하며, 상기 보디는, 가스 공급 덕트에 연결되도록 의도된 가스 입구 오리피스 (14), 미립화된 액체를 배출하기 위한 출구 오리피스 (18), 및 상기 보디의 축선 방향을 따라 상기 입구 오리피스 (14) 를 상기 출구 오리피스 (18) 에 연결하는 직선형 내부 덕트 (20) 를 구비한다. 적어도 하나의 액체 공급 덕트에 연결되도록 의도된 적어도 2 개의 액체 입구 덕트들 (22, 24) 이, 반경방향으로 또는 실질적으로 반경방향으로 상기 보디 (12) 를 통과하고 상기 내부 덕트 내로 개방된다. 이 액체 입구 덕트들 (22, 24) 각각은 축선 (X1, X2) 을 가지며, 그들의 축선들이 상기 내부 덕트 내부로 연장되는 축선 (X) 상의 하나의 동일한 지점 (I) 에서 교차하도록 배치된다.
Description
본 발명은 주입 디바이스, 특히 정제 유닛, 특히 유체 접촉 분해 (FCC) 유닛의 탄화수소 공급원료 주입 디바이스에 관한 것이다.
정제 유닛에서 처리된 액체 탄화수소 공급원료는 일반적으로 공급원료를 처리하는 화학 반응(들)을 촉진할 고체 촉매와 접촉하게 된다. 이러한 접촉을 개선하고 반응의 수율을 최대화하기 위해, 이러한 액체 탄화수소 공급원료는 주입 디바이스에 의해 미세한 액적으로 미립화된다. 이러한 미립화는 액체 (액체 탄화수소 공급원료) - 고체 (촉매) 접촉 면적을 최대화하는 것을 가능하게 하고, 이는 열전달을 촉진하고 반응 구역 내의 탄화수소의 균질한 분포에 기여한다. 액적들의 최적 직경에 관한 실질적인 합의가 없지만, 일반적으로 직경이 촉매 입자의 직경과 동일한 정도의 규모, 즉 200 미크론 미만, 예를 들어 대략 50 내지 80 미크론인 액적을 형성하고자 한다.
일반적으로, 중공 원통형 보디와 2 개의 입구 개구 (이를 통해, 액체 탄화수소 공급원료 및 미립화 가스 (일반적으로 증기) 가 상기 보디에 각각 주입됨) 를 갖는 "2상" 주입 디바이스가 사용된다. 탄화수소 공급원료를 미립화하기 위해 탄화수소 공급원료와 미립화 가스가 접촉하게 되는 접촉 챔버가 보디 내부에 배치된다. 일단 미립화되면, 탄화수소 공급원료는 반응기 내로 개방되는 출구 개구를 통해 배출된다. 각각의 주입 디바이스는 출구 개구를 포함하는 주입 디바이스의 일 단부가 반응기 내부에 위치되도록 반응기 벽에 삽입된다. 특히, 공급원료가 반경 방향으로 도입되어 보디의 중심에 위치한 타깃에 충돌하여 액적의 형성을 야기하는 충격 주입 디바이스가 알려져 있다. 축선방향으로 유동하는 미립화 가스가 이 액적들을 보디의 출구에서 더 분리시키면서 동반할 수 있게 한다. 그러나, 그러한 주입 디바이스는 생산하기에는 복잡하고 비용이 많이 든다. 또한, 특히 주입되는 공급원료가 입자들을 함유하는 때에, 타깃 침식의 문제가 관찰될 수도 있고, 이는 타깃을 보강하는 것을 수반하며, 비용을 더 증가시킨다. 또한, 타깃을 그의 지지 플랜지와 접합하는 용접의 불량 문제가 사용 중에 관측되어, 단일 솔리드 부분으로부터 타깃과 플랜지를 제조할 필요가 있고, 이는 제조 비용을 상승시킨다.
점점 무거운 공급원료는 현재 정제 유닛에서, 특히 FCC 유닛에서 처리된다. 무거운 공급원료의 미립화는 인젝터에서 상당한 압력 강하를 초래하며, 이는 인젝터에 공급하는 공급원료의 압력을 증가시키는 결과를 갖는다. 그러면, 인젝터 출구에서 원하는 압력을 얻기 위해서는 강력하고 값비싼 펌프를 사용할 필요가 있다. 2상 주입 디바이스의 구성에 따라, 무거운 공급원료를 미립화하기 위해 미립화 가스의 유량을 상당히 증가시키는 것이 또한 필요할 수도 있다. 그러나, 더 많은 양의 미립화 가스를 주입하는 것은 전체 처리 비용을 증가시키며, 특히 미립화 가스가 증기인 때에, 원하지 않는 평행 반응들을 유도함으로써 반응 수율에 부정적인 영향을 미칠 수도 있다. 다량의 증기가 FCC 반응기에 주입되는 때에 그러하다. 그러므로, 미립화 가스 유량을 증가시키지 않는 것이 바람직하다. 더욱이, 다량의 증기의 주입은 특히 증기의 응축선을 위해 FCC 유닛의 하류에 있는 유출물 분리 유닛의 오버사이징을 필요로 하고, 이는 생산 비용을 증가시킨다.
공급원료를 미립화하기 위한 증기의 감소된 사용은 증기 스트림의 분배를 더 잘 제어하고 FCC 유닛의 민감한 구역, 예를 들어 촉매가 순환하는 밸브에 그 여분을 공급할 수 있게 하거나 또는 그렇지 않으면 촉매의 순환을 촉진하기 위해 라이저 바닥의 유동화 가스 ("가스 리프트") 의 양을 증가시킬 수 있게 한다.
마지막으로, 더 낮은 압력에서 작동하는 것이 가능하다면, 공급원료 예열 라인의 제조 중에 금속의 두께를 감소시킬 수 있고, 따라서 생산 비용을 줄일 수 있다.
따라서, 미립화 가스 유량 또는 사용된 펌프의 파워를 증가시키지 않으면서 무거운 공급원료와 사용될 수 있는, 주입 압력의 작은 강하만을 야기하는 주입 디바이스가 필요하다.
본 발명은 전술한 단점들을 적어도 부분적으로 극복하는 것을 목적으로 한다. 이 목적을 위해, 가스에 의해 액체를 액적으로 미립화하도록 형성된 주입 디바이스가 제안되며, 본 주입 디바이스는 보디를 포함하며, 상기 보디는
- 가스 공급 덕트에 연결되도록 의도된 가스 입구 오리피스,
- 미립화된 액체를 배출하기 위한 출구 오리피스, 및
- 상기 보디의 축선 방향을 따라 입구 오리피스를 출구 오리피스에 연결하는 직선형 내부 덕트를 구비하고,
상기 주입 디바이스는 적어도 하나의 액체 공급 덕트에 연결되도록 의도된 적어도 2 개의 액체 입구 덕트들을 포함하고, 상기 액체 입구 덕트들은 반경방향으로 또는 실질적으로 반경방향으로 상기 보디를 통과하고 상기 내부 덕트 내로 개방되고, 상기 액체 입구 덕트들 각각은 축선을 가지며, 상기 액체 입구 덕트들의 축선들이 상기 내부 덕트 내부로 연장되는 축선상의 하나의 동일한 지점에서 교차하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.
"축선" 이라는 표현은 주입 디바이스의 보디의 축선 방향에 평행하게 연장되는 라인을 의미하는 것으로 이해된다.
본 발명의 의미에서 입구 덕트의 축선은 입구 덕트 내에서 등거리 곡선을 참조하여 규정될 수 있으며, 등거리 곡선의 각 지점은 입구 덕트의 측벽들로부터 등거리로 연장된다. 그러면, 입구 덕트의 축선은 입구 덕트가 직선형일 때 이 등거리 곡선과 일치하며, 등거리 곡선은 직선이 된다. 입구 덕트가 축선방향 대칭을 가질 때, 입구 덕트의 축선은 그 대칭 축선에 대응한다. 입구 덕트가 곡선형일 때, 등거리 곡선도 또한 곡선형이다. 그러면, 입구 덕트의 축선은 내부 덕트로의 입구 덕트의 개구에서, 다시 말해 입구 덕트가 내부 덕트 내로 개방되는 곳에서 이 등거리 곡선의 접선에 해당한다. 따라서, 일반적으로, 입구 덕트의 축선은 액체 스트림이 액체 입구 덕트를 떠날 때의 액체 스트림의 방향에 해당한다. 바람직한 입구 덕트는 원통형 및/또는 절두 원추형이고, 대칭 축선을 갖는다.
본 발명에 따른 주입 디바이스의 액체 입구 덕트들의 특정 배치로 인해, 이 입구 덕트들을 통해 도입된 액체 제트들은 서로 충돌한다. 놀랍게도, 이러한 충격이 고체 타깃에 대해 일어나지 않지만, 이는 액적의 형성을 획득하기에 충분하다고 입증되고, 내부 덕트의 축선 방향을 따라 흐르는 가스에 의해 들어올려져서, 액적의 분류 (fractionation) 를 증가시킨다. 더욱이, 주입 디바이스의 입구와 출구 사이에서 작은 압력 강하가 관찰된다. 따라서, 강력하고 값비싼 펌프를 사용하지 않고도 그리고 가스 유량을 증가시키지 않고도 무거운 공급원료를 처리하는 것이 가능하다.
유리하게는, 액체 입구 덕트는 액체 입구 덕트를 나가는 유체 제트의 충격에 의해 형성된 액적의 즉각적인 들어올림 (sweeping up) 을 가능하게 하기 위해 가스 입구 오리피스의 바로 근처에 위치될 수도 있다.
유리하게는, 액체 입구 덕트는 내부 덕트의 주변에 규칙적으로 분포될 수도 있다.
유리하게 그리고 비제한적으로, 입구 덕트들의 축선은 보디의 중심 축선에서, 특히 상기 보디의 대칭 축선에서 교차할 수도 있다. 이는 일반적으로 보디의 대칭 축선에 중심맞춤된, 입구 오리피스의 반대 편에 유체 제트들의 충돌 지점을 위치시킴으로써 주입 디바이스의 효율을 향상시키는 것을 가능하게 할 수도 있다.
액체 입구 덕트들은 반경방향으로 또는 실질적으로 반경방향으로 주입 디바이스의 보디를 통과한다. 용어 "반경방향" 은 보디가 연장되는 축선 방향에 수직으로 연장되는 방향을 의미하는 것으로 이해된다. 입구 덕트의 축선이 실질적으로 반경방향인 경우, 반경 방향에 대해 예를 들어 최대 20°, 또는 심지어 최대 10°, 바람직하게는 최대 5°만큼 약간 기울어질 수도 있는 것으로 간주된다.
그러나, 주입 디바이스의 효율을 향상시키고 그 생산을 용이하게 하기 위해, 각 액체 입구 덕트의 축선은 유리하게는 상기 보디의 축선 방향에 수직으로 연장될 수도 있다. 따라서, 유리하게는 모든 입구 덕트의 축선은 하나의 동일한 반경방향 평면에서 연장될 수도 있다. 2 개의 입구 덕트들의 축선들은 이 덕트들이 서로 마주할 때 일치할 수도 있다. 그렇지만, 이용가능한 환경에 따라, 일부 (적어도 2 개) 의 입구 덕트가 동일한 반경방향 평면에 그들의 축선을 갖고 다른 (적어도 2 개) 입구 덕트가 다른 별개 반경방향 평면에 그들의 축선을 갖는 입구 덕트들을 고려하는 것이 가능하다.
액체 입구 덕트의 수는 가변적일 수도 있다. 그렇지만, 바람직하게는 서로 대향하게 위치된 2 개의 입구 덕트 (이들의 축선은 동일한 반경방향 평면에서 연장됨) 가 액적으로의 액체의 미립화를 획득하기에 충분하다. 단 2 개의 입구 덕트의 생산은 본 발명에 따른 인젝터의 제조를 추가적으로 용이하게 할 수도 있다.
그렇지만, 인젝터의 크기에 따라 다수의 입구 덕트를 고려하는 것이 가능하다.
액체 입구 덕트의 수는 짝수일 수도 있다. 이 경우, 입구 덕트는 쌍을 이루고, 동일한 쌍의 2 개의 덕트의 축선은 축선을 포함하는 동일한 평면에서 연장된다. 쌍을 이루는 2 개의 입구 덕트는 바람직하게는 서로 대향하게 위치된다.
그러면, 쌍의 액체 입구 덕트가 동일한 면적의 단면을 갖는 것이 유리할 수도 있다. 이는 액체 제트의 충돌 지점을 실질적으로, 입구 오리피스를 통해 보디로 진입하는 가스에 의해 동반되는 액적을 위한 선험적 최적 위치인 보디의 중심에 위치시키기 위해 각 입구 덕트의 액체 유량 및/또는 속도를 제어해야 하는 것을 피할 수 있게 할 수도 있다. 그러나, 쌍을 이루는 2 개의 입구 덕트는 동일한 면적의 단면을 가질 수도 있지만, 다른 쌍을 이루는 2 개의 입구 덕트의 단면의 면적과는 상이할 수 있다.
그러나, 모든 입구 덕트가 동일한 면적의 단면, 특히 동일한 단면을 갖는 것이 더 간단할 수도 있다.
액체 입구 덕트의 수는 또한 홀수, 예를 들어 적어도 3 개일 수 있다. 이 경우, 입구 덕트는 바람직하게는 보디의 주변에 규칙적으로 분포된다.
액체 제트의 충돌 지점을 보디의 중심에 위치시키도록 액체 유량 및/또는 속도의 제어를 회피하기 위해 모든 액체 입구 덕트가 동일한 면적의 단면, 특히 동일한 단면을 갖는 것이 바람직할 수도 있다.
유리하게 그리고 비제한적으로, 액체 입구 덕트는 내부 덕트 내로 돌출할 수도 있다. 이는 주입 디바이스의 보디의 내부 벽들을 따라 액체 유동의 형성을 피할 수 있게 할 수도 있다. 또한, 액체의 더 양호한 미립화가 관찰된다. 특히, 액체 입구 덕트가 내부 덕트 내로 돌출하지 않은 실시형태에 관하여, 동일한 액체 및 가스 유량에 대해, 액체 입구 덕트가 내부 덕트 내로 돌출하는 주입 디바이스는 주입 디바이스의 입구와 출구 사이의 압력 강하의 현저한 변화 없이 더 양호한 미립화를 허용한다. 예로써, 액체 입구 덕트는 미리 결정된 거리만큼, 특히 수 밀리미터 내지 수 센티미터, 예를 들어 4 내지 20 밀리미터만큼 돌출할 수도 있다. 내부에서의 액체 덕트의 연장은 액체 스트림이 가능한 효율적으로 충돌하도록 액체 입구 덕트 각각으로부터 상기 액체 스트림을 안내하는 것을 가능하게 한다.
각 액체 입구 덕트는 액체 공급 덕트에 직접 연결될 수도 있다. 이 경우, 특히 주입 디바이스 주위의 이용가능한 공간이 제한되는 때에, 액체 주입 덕트의 수를 예를 들어 2 개로 제한하는 것이 바람직할 수도 있다.
그러면, 제한된 환경에서 주입 디바이스의 위치결정을 가능하게 하기 위해, 상기 액체 입구 덕트가 상기 외부 챔버와 유체 연통하도록 배치된, 보디 외부의 그리고 보디와 동축상의 챔버를 제공하는 것이 유리할 수도 있다. 그러면, 이용가능한 공간에 따라 이 외부 챔버를 하나 이상의 액체 공급 덕트에 연결할 수 있다. 따라서, 공간이 매우 제한되는 때, 외부 챔버는 단일 액체 공급 덕트에 연결될 수도 있다. 이는 부가적으로, 본 발명에 따른 주입 디바이스가 설치되어야 하는 유닛의 수정을 피할 수 있게 할 수도 있고, 이러한 유닛은 일반적으로 각 주입 디바이스를 위한 단일 액체 공급 덕트를 포함한다.
이러한 외부 챔버는 액체가 다양한 액체 입구 덕트들 사이에 동등하게 분배되도록 유리하게 형성될 수도 있다.
상기 적어도 하나의 공급 덕트는 축선에 수직으로 또는 실질적으로 수직으로 위치될 수도 있다.
상기 적어도 하나의 액체 공급 덕트를 상기 외부 챔버에 접선 방향으로, 다시 말해 그 벽에 접선 방향으로 위치시키는 것이 또한 가능하다. 이는 외부 챔버의 내부 체적 전체에 걸쳐 액체의 실질적으로 일정한 속도를 유지하는 것을 가능하게 할 수도 있다.
외부 챔버는 회전 대칭을 갖는 형상, 예컨대 원통형 형상을 가질 수도 있고, 주입 디바이스의 보디는 또한 원통형 단면을 갖는다.
또한, 본 발명은 탄화수소 공급원료를 처리하기 위한 반응기, 특히 접촉 분해 반응기에 관한 것으로서, 본 반응기는 본 발명에 따른 적어도 하나의 주입 디바이스를 포함하고, 주입 디바이스는 그의 출구 오리피스가 상기 반응기 내로 개방되도록 위치결정된다.
또한, 본 발명은 적어도 하나의 반응기에서의 탄화수소 공급원료의 접촉 분해 프로세스에 관한 것이며, 탄화수소 공급원료는 상기 적어도 하나의 반응기에, 바람직하게는 연속적으로, 주입되고, 상기 탄화수소 공급원료는 본 발명에 따른 적어도 하나의 주입 디바이스의 액체 입구 덕트들을 통해 주입되고, 가스 입구 오리피스를 통해 각 주입 디바이스에 가스가 동시에 공급된다.
탄화수소 공급원료는 습관적으로, 주위 온도 내지 500℃, 예를 들어 80℃ 내지 300℃, 더 일반적으로는 200℃ 내지 300℃ 범위의 온도에서 적어도 부분적으로 액체 상태로 주입된다. 탄화수소 공급원료는 인젝터의 상류에서 대략 4 내지 8 bar 의 압력으로 주입될 수도 있다. 일반적으로, 본 발명에 따른 인젝터의 입구와 출구 사이의 공급원료의 압력 차는 1 내지 10 bar, 바람직하게는 2 내지 5 bar 인 반면, 종래 기술에 따른 충격 인젝터의 경우에는 동일한 분무화 품질을 획득하기 위해 입구와 출구 사이의 압력 차를 두 배로 하는 것이 필요하다.
사용되는 가스는 증기, 또는 탄화수소, 경질 올레핀 또는 이 기체들의 혼합물의 전환에 기인하는 기체성 유출물과 같은 임의의 다른 적합한 가스일 수도 있다.
유리하게는, 각 주입 디바이스에서, 탄화수소 공급원료에 대한 가스의 비율은 1.5 중량% 내지 5 중량%, 예를 들어 2 중량% 내지 4 중량% 일 수도 있다.
각 주입 디바이스에 공급하는 가스 및 탄화수소 공급원료의 유량은 유리하게는, 15 내지 80 t/h, 바람직하게는 40 내지 60 t/h 의 범위인 각 주입 디바이스의 출구에서의 탄화수소 공급원료 유량을 획득하도록 제어될 수도 있다. 이러한 제어는 펌프, 유량계 또는 다른 수단에 의해 통상적으로 획득될 수도 있다.
주입 디바이스의 액체 입구 덕트의 출구에서의의 탄화수소 공급원료의 속도는 10 내지 40 m/s, 예를 들어 이상적으로 15 m/s 일 수도 있다.
주입 디바이스의 입구 오리피스를 통해 진입하는 가스의 압력 강하는 임계 유동 체제에 상응하는 압력 강하의 60% 내지 110% 일 수도 있고, 80% 내지 100%, 예를 들어 90% 일 수도 있다.
이제, 본 발명은 비제한적인 첨부 도면을 참조하여 설명된다.
도 1 은 본 발명의 일 실시형태에 따른 주입 디바이스의 축선방향 단면도를 나타낸다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 주입 디바이스의 축선방향 단면도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b 는 종래의 충격 주입 디바이스 및 도 1 의 실시형태에 따른 주입 디바이스로 각각 획득된 스프레이의 사진이다.
도 4 는 배출 축선 (도 1 의 X 축선) 에 대한 거리의 함수로서 종래의 충격 주입 디바이스 (기준) 및 도 1 의 실시형태에 따른 주입 디바이스 (본 발명) 에 대한, 출구 오리피스로부터의 상대 거리에서의 스프레이 각도의 함수로서 평균 액적 크기의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 2 는 본 발명의 다른 실시형태에 따른 주입 디바이스의 축선방향 단면도를 나타낸다.
도 3a 및 도 3b 는 종래의 충격 주입 디바이스 및 도 1 의 실시형태에 따른 주입 디바이스로 각각 획득된 스프레이의 사진이다.
도 4 는 배출 축선 (도 1 의 X 축선) 에 대한 거리의 함수로서 종래의 충격 주입 디바이스 (기준) 및 도 1 의 실시형태에 따른 주입 디바이스 (본 발명) 에 대한, 출구 오리피스로부터의 상대 거리에서의 스프레이 각도의 함수로서 평균 액적 크기의 분포를 나타내는 그래프이다.
"실질적으로 평행하거나 수직" 이라는 표현은 평행하거나 수직한 방향으로부터 최대 ±20°, 또는 심지어 최대 10°, 또는 최대 5°만큼 벗어나는 방향을 의미하는 것으로 이해된다.
도 1 은 가스에 의해 액체를 액적들로 미립화하도록 형성된 주입 디바이스 (10) 를 나타낸다. 이 주입 디바이스 (10) 는 보디 (12) 를 포함하고, 보디는
- 가스 공급 덕트 (16) 에 연결된 가스 입구 오리피스 (14),
- 미립화된 액체를 배출하기 위한 출구 오리피스 (18), 및
- 보디의 축선 방향 (X) 을 따라 입구 오리피스 (14) 를 출구 오리피스 (18) 에 연결하는 직선형 내부 덕트 (20) 를 구비한다.
내부 덕트 (20) 는 가스 및 미립화된 액체를 위한 혼합 구역을 형성한다. 본 예에서처럼, 이는 보디 (12) 와 마찬가지로 일반적으로 원통형 형상을 갖는다.
일반적으로, 주입 디바이스 (10) 는 강, 특히 스테인리스 강 또는 다른 재료로 제조된 하나 이상의 부분들로서 제조될 수 있다.
본 발명에 따르면, 이 주입 디바이스 (10) 는 적어도 하나의 액체 공급 덕트에 연결되도록 의도된 적어도 2 개의 액체 입구 덕트들을 포함한다. 이 액체 입구 덕트들은 반경방향으로 또는 실질적으로 반경방향으로 보디 (12) 를 통과하여 내부 덕트 (20) 내로 개방된다. 이들 각각은 축선을 가지며, 이 축선들이 내부 덕트 내부로 연장되는 축선상의 하나의 동일한 지점에서 교차하도록 배치된다.
도 1 에 도시된 예에서, 주입 디바이스 (10) 는 액체 공급 덕트 (26, 28) 에 각각 연결된 2 개의 액체 입구 덕트들 (22, 24) 을 포함한다. 2 개의 덕트들 (22, 24) 각각은 여기에 일치하는 축선 (X1, X2) 을 갖는다. 축선은 축선 방향 (X) 과 일치하고, 이는 여기서 보디 (12) 및 내부 덕트 (20) 의 대칭 축선을 형성한다. 따라서, 축선들 X1, X2 는 지점 I 에서 축선 X 와 교차한다.
도 1 에 도시된 주입 디바이스의 내부 치수는, 타깃과의 충돌을 위한 충격 주입 디바이스에 통상적으로 사용되는 치수와 유사하며, 그 표면은 축선 (X) 을 포함하는 평면에서 연장된다. 예로서, 도시된 예에서처럼 보통 원형 형상인 개구 (22a, 24a) 및 입구 오리피스 (14) 의 내부 직경은 대략 1 인치, 즉 약 2.5 ㎝ 이다. 내부 덕트 (20) 의 내부 직경은 대략 3 내지 6 인치, 즉 대략 7 내지 16 ㎝ 일 수도 있고, 또는 심지어 선택적으로는 8 인치, 즉 약 20 ㎝ 에 달할 수도 있다. 도 1 에 도시된 바와 같이, 가스 공급 덕트 (16) 는 가스 유동 방향을 따라 수렴 형상, 여기서는 원추형 형상을 가져서, 그 입구에서 가스를 보디 (12) 의 내부 덕트 (20) 내로 가속시킬 수 있다. 유사하게, 또한 탄화수소 공급원료가 내부 덕트 (20) 에 진입하는 때에 탄화수소 공급원료의 가속을 유도하기 위해, 입구 덕트 (22, 24) 는 각각 이 덕트의 단면적에 비해 감소된 단면적을 갖는 개구 (22a, 24a) 를 통해 내부 덕트 (20) 내로 개방된다. 여기서, 입구 덕트 (22, 24) 는 원추형 형상을 갖고, 그의 개구 (22a, 24a) 는 원형이다.
입구 덕트 (22, 24) 가 보디 (12) 의 입구 오리피스 (14) 의 바로 근처에 위치된다는 점에 유의해야 한다. 이는 고체 타깃과의 충돌을 위해 충격 주입 디바이스 (20) 의 입구 덕트의 통상적인 위치에 대응하고, 가스에 의해 형성된 액적의 양호한 동반을 가능하게 한다.
미립화된 액체 스프레이가 나가는 주입 디바이스 (10) 의 단부는 일반적으로 둥글고, 예컨대 구형이다. 이 단부의 출구 오리피스 (18) 는 종래의 충격 주입 디바이스의 형상과 유사한 형상을 가질 수도 있고, 원하는 스프레이 형상의 함수로서 선택될 수도 있다. 원통형 또는 절두 원추형 오리피스, 슬릿 등일 수도 있다.
도 1 에 나타낸 주입 디바이스 (10) 는 다음과 같이 작동한다: 탄화수소 공급원료가 각각 화살표 F1, F2 의 방향을 따라 보디 (12) 의 내부 덕트 (20) 내로 덕트 (22, 24) 를 통해 주입된다. 미립화 가스 자체는 화살표 F3 의 방향을 따라 덕트 (16), 이어서 입구 오리피스 (14) 를 통해 내부 덕트 (20) 내로 도입된다. 덕트 (22, 24) 로부터의 2 개의 탄화수소 공급원료 제트들은 실질적으로 축선 (X) 상에 내부 덕트의 중심에서 서로 접촉하여, 액적의 형성을 유도한다. 이러한 액적은 주입 디바이스 (10) 의 출구 오리피스 (18) 까지 F3 방향으로 흐르는 가스에 의해 동반된다. 제트들의 충돌 지점 (I) 의 하류에 위치한 내부 덕트 (20) 의 구역에서, 탄화수소 공급원료의 액적들은 출구 오리피스 (18) 를 통해 나오기 전에 균질하게 가스와 혼합된다.
따라서, 도 1 에 나타낸 예에서, 입구 덕트 (22, 24) 는 2 개의 개별 탄화수소 공급원료 공급 덕트에 연결된다. 주입 디바이스의 주변이 제한되는 때, 이 배치는 너무 많은 공간을 차지할 수도 있다. 그러면, 도 2 에 나타낸 것처럼 주입 디바이스를 생산하는 것이 유리할 수도 있다.
도 2 에 나타낸 실시형태는 본질적으로 입구 덕트의 탄화수소 공급원료 공급에 의해 도 1 에 나타낸 것과 상이하다. 동일한 요소는 동일한 기호로 표기되며, 프라임 기호 "'" 가 추가된다.
도 2 에서, 주입 디바이스 (10') 는 각각 입구 개구 (14'), 출구 개구 (18'), 및 2 개의 입구 덕트 (22'; 24') 를 구비하는 보디 (12') 를 또한 포함한다. 선행하는 실시형태와 유사한 방식으로, 가스 공급 덕트 (16') 는 입구 개구 (14') 에 연결된다. 한편, 액체 입구 덕트 (22', 24') 는 더 이상 공급 덕트에 각각 연결되지 않고, 주입 디바이스 (10') 의 보디 (12') 를 동축선 방향으로 (coaxially) 둘러싸는 외부 챔버 (30') 와 유체 연통한다. 여기서, 외부 챔버 (30') 는 환형 형상의 단면을 갖고, 보디 (12') 는 원통형 형상을 갖는다. 입구 덕트 (22', 24') 는 대칭적으로 대향 배치되고, 그들의 축선 X'1, X'2 는 일치하고 지점 I' 에서 축선 X' 과 교차한다.
외부 챔버 (30') 는 자체로 단일 공급 덕트 (25') 와 유체 연통한다. 이 외부 챔버 (30') 는 액체가 2 개의 입구 오리피스 (22', 24') 사이에 동등하게 분배되도록 형성될 수도 있다. 예컨대 그리고 제 1 실시형태에 따르면, 2 개의 입구 오리피스 (22', 24') 사이의 동등한 분배는 이들이 액체 공급 덕트 (25') 로부터 등거리에 위치되는 때에 획득될 수도 있다. 제 2 실시형태에 따른 방법은 단부들 중의 하나 (60' 또는 70') 에서 외부 챔버 (30') 내로 개방되도록 덕트 (25') 를 측방향으로 이동시키는 것으로 구성되고, 상기 외부 챔버 (30') 는 플리넘 챔버 (50') 의 형상을 가지므로, 액체 공급 덕트 (25') 로부터 유래하는 스트림이 단부들 중의 다른 하나 (70' 또는 60') 에 위치된 입구 덕트 (22', 24') 를 통과하기 전에 벽 (40') 을 따라 지나도록 강제된다.
이 액체 공급 덕트 (25') 는 선행하는 예로부터의 입구 덕트 (22, 24) 와 유사한 형상, 즉 유체 유동 방향으로 단면이 감소하는 원추형 형상을 갖는다. 그들의 부분에 있어서, 입구 덕트 (22', 24') 는 각각 내부 덕트 (20 ') 내로 개구 (22'a, 24'a) 에서 개방된다. 이들 개구 (22'a, 24'a) 는 여기에서 각각 덕트 (22', 24') 의 단면보다 작은 단면을 갖는다. 그러나, 이들 단면은 덕트 (22', 24') 와 동일한 치수일 수 있다. 여기서, 덕트 (22', 24') 는 원통형 형상이고, 개구 (22'a, 24'a) 는 원형이다.
도 1 및 도 2 를 참조하여 나타낸 다양한 실시형태들에 있어서, 개구 (22a, 24a 또는 22'a, 24'a) 의 단면은 동일한 면적이며, 여기서는 동일하다.
도 2 에 나타낸 주입 디바이스의 작동은 도 1 의 주입 디바이스의 작동과 유사하며, 나타낸 화살표들은 다양한 유체들의 유동 방향을 보여준다.
본 발명은 설명된 실시형태들로 제한되지 않으며, 이 실시형태들에서 설명된 특정 형태들로 제한되지 않는다. 주입 디바이스의 치수 및 입구 덕트의 단면의 원하는 치수에 따라, 특히 2 개 초과의 입구 덕트, 예컨대 규칙적으로 분포된 3 개 또는 그 이상, 예컨대 4 개 이상의 입구 덕트를 생각할 수 있다.
예:
도 1 을 참조하여 설명한 것과 유사한 주입 디바이스를 물의 미립화에 대해 시험하였고, 가스는 공기이었다. 시험된 디바이스는 내부 덕트의 직경이 접촉 분해 반응기에서의 적용에 통상적으로 사용되는 디바이스의 직경보다 10 배 더 작게 되는 치수로 제조되었다.
시험된 주입 디바이스는 다음의 치수를 갖는다:
- 액체의 주입을 위한 내부 덕트 내로 개방된 개구의 직경: 1.56 ㎜,
- 가스의 주입을 위한 내부 덕트 내로 개방되는 개구의 직경: 1.58 ㎜,
- 내부 덕트의 직경: 8 ㎜,
- 내부 덕트의 길이: 132.5 ㎜,
- 출구 오리피스: 105°의 개구의 각도상 진폭 (angular amplitude) 및 두께 2.52 ㎜ 의 슬릿 (5.6 ㎜ 의 외부 반경을 갖는 형 단부에 형성된 슬릿).
동일한 치수를 갖는 종래의 충격 주입 디바이스가 또한 시험되었다. 이러한 종래의 충격 주입 디바이스는 단일 액체 입구 덕트 및 고체 타깃을 갖고, 축선 (X) 을 포함하는 그 충격 표면은 액체 입구 덕트에 대향하게 위치된다. 이러한 종래의 충격 주입 디바이스는 특허 US 4 434 049 에 기재된 것과 유사하지만, 상이한 형상의 출구 오리피스를 갖는다.
시험 조건은 다음과 같다:
- 물 유량: 226.2 ㎏/h,
- 공기 유량: 6.1 ㎏/h,
- 입구 오리피스에서의 가스의 속도: 300 m/s,
- 개구 (22a, 24a) 에서의 물의 속도: 15 m/s,
- 가스/액체 비율: 2.7 중량%.
획득된 스프레이 형상
도 3a, 도 3b 는 각 주입 디바이스에서 나오는 미립화된 액체 스프레이의 이미지를 나타낸다. 이들 이미지는 스트로보스코프를 사용한 직접 조명에 의해 검정 배경에 기록된다. 획득된 스프레이들은 유사한 형상을 갖는 것이 관찰되지만, 본 발명에 따른 디바이스로 획득된 스프레이가 더 조밀해 보인다.
압력 강하의 측정
시험된 주입 디바이스는 외기 중으로 확산되었다. 따라서, 입구에서의 액체의 상대 압력은 압력 강하와 동일하다. 측정은 입구 압력을 측정하는 압력계에 의해 수행되었다. 입구에서의 액체의 상대 압력은 종래의 충격 주입 디바이스의 경우 10 barg 에서 측정된다. 이 값은 계산에 의해 추정된 값 (8.2 barg) 보다 약간 더 높다. 입구에서의 액체의 상대 압력은 본 발명에 따른 주입 디바이스의 경우 2.6 barg 에서 측정되었고, 즉 3 내지 4 의 인자 (factor) 만큼 감소되었다.
액적
크기 및 그 분포의 측정
액적의 평균 크기 및 또한 주입 디바이스의 출구에서의 액적의 분포는 다음을 측정할 수 있는 레이저 회절분석 기술을 사용하는 입자 크기 분석기에 의해 측정되었다:
- 일 세트의 구형 또는 비구형 입자의 직경,
- 입자들의 공간 농도.
사용된 장치는, 10 ㎜ 의 직경 및 632 ㎚ 의 파장을 갖는 적색광의 빔을 생성하는 4 mW 의 출력을 갖는 헬륨-네온 가스 레이저를 사용하여 Malvern사가 판매하는 입자 크기 분석기이다. 입자들에 의해 전방으로 산란된 광은 동심원 고리들에 위치된 실리콘 포토다이오드들로 형성된 검출기를 포함하는, 레이저와 동일 평면상에 있는 수신부를 통해 푸리에 렌즈를 통해 수집된다. 이 수신부는 입자들의 제트를 가로지르는 레이저 빔으로부터 생성된 회절 패턴을 기록한다. 사용된 입자 크기 분석기의 측정 범위는 0.1 ㎛ ~ 1000 ㎛ 의 크기를 커버한다.
도 4 는 종래 기술에 따른 충격 인젝터 및 본 발명에 따른 인젝터의 성능의 상대적인 비교이다. y-축은 배출 축선 (도 1 의 축선 (X) 에 대응함) 에 평행한 출구 오리피스로부터 300 ㎜ 의 거리에서 측정된 액적의 평균 직경 값 (상대값, 임의 단위) 을 나타내며, x-축은 스프레이의 전체 폭에 걸쳐 배출 축선에 수직한 방향으로 이 배출 축선에 대한 측정 거리의 비에 대응하는 스프레이 폭 (또는 스프레이 각도) 의 상대 값 (상대 값, 임의 단위) 을 나타낸다. 환언하면, x-축의 값 0.0 은 배출 축선에서 수행된 측정에 해당하는 반면, 값 1.0 은 최대 스프레이 폭의 레벨로 행해진 측정에 해당한다.
본 발명에 따른 주입 디바이스 및 종래의 충격 주입 디바이스로 획득된 스프레이들은 유사하고 균질하다는 것이 관찰된다. 액적의 평균 크기는 150 ㎛ 미만이다.
결론적으로, 본 발명에 따른 주입 디바이스는 충격 주입 디바이스와 유사하지만 상당히 감소된 압력 강하를 갖는 액적들의 스프레이를 획득할 수 있게 하여, 강력한 펌프 또는 과도하게 많은 양의 증기를 사용해야 함이 없이 무거운 공급원료의 처리를 가능하게 한다.
Claims (13)
- 가스에 의해 액체를 액적들로 미립화 (atomize) 하도록 형성된 주입 디바이스 (10, 10') 로서, 상기 주입 디바이스는 보디 (12, 12') 를 포함하며, 상기 보디는
- 가스 공급 덕트에 연결되도록 의도된 가스 입구 오리피스 (14, 14'),
- 미립화된 액체를 배출하기 위한 출구 오리피스 (18, 18'), 및
- 상기 보디의 축선 방향을 따라 상기 입구 오리피스 (14, 14') 를 상기 출구 오리피스 (18, 18') 에 연결하는 직선형 내부 덕트 (20, 20')
를 구비하고,
상기 주입 디바이스는 적어도 하나의 액체 공급 덕트에 연결되도록 의도된 적어도 2 개의 액체 입구 덕트들 (22, 24; 22', 24') 을 포함하고,
상기 액체 입구 덕트들 (22, 24; 22', 24') 은 반경방향으로 상기 보디 (12, 12') 를 통과하고 상기 내부 덕트 (20, 20') 내로 개방되고,
상기 액체 입구 덕트들 (22, 24; 22', 24') 각각은 축선 (X1, X2; X'1, X'2) 을 가지며, 상기 액체 입구 덕트들의 축선들이 상기 내부 덕트 (20, 20') 내부로 연장되는 축선 (X, X') 상의 하나의 동일한 지점 (I, I') 에서 교차하도록 배치되고,
상기 액체 입구 덕트들 (22, 24; 22', 24') 은 상기 내부 덕트 내로 돌출하는 것을 특징으로 하는, 주입 디바이스 (10, 10'). - 제 1 항에 있어서,
상기 축선 (X, X') 은 상기 보디 (12, 12') 의 대칭 축선을 형성하는 것을 특징으로 하는, 주입 디바이스 (10, 10'). - 제 1 항에 있어서,
각 액체 입구 덕트 (22, 24; 22', 24') 의 축선 (X1, X2; X'1, X'2) 은 상기 보디의 축선 방향에 수직으로 연장되거나, 또는 동일한 반경방향 평면에서 상기 보디의 축선 방향에 수직으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 주입 디바이스 (10, 10'). - 제 1 항에 있어서,
상기 주입 디바이스는 짝수의 액체 입구 덕트 (22, 24; 22', 24') 를 포함하고, 상기 입구 덕트들은 쌍을 이루고, 동일한 쌍의 2 개의 덕트들의 축선들은 상기 축선을 포함하는 동일한 평면에서 연장되는 것을 특징으로 하는, 주입 디바이스 (10, 10'). - 제 1 항에 있어서,
상기 주입 디바이스는 홀수의 액체 입구 덕트를 포함하는 것을 특징으로 하는, 주입 디바이스 (10, 10'). - 제 1 항에 있어서,
모든 상기 입구 덕트들 (22, 24; 22', 24') 은 동일한 면적의 단면을 갖는 것을 특징으로 하는, 주입 디바이스 (10, 10'). - 제 1 항에 있어서,
상기 주입 디바이스는 상기 보디 (12') 의 외부에 그와 동축으로 있는 외부 챔버 (30') 를 포함하고, 상기 외부 챔버는 상기 액체 입구 덕트들 (22', 24') 이 상기 외부 챔버 (30') 와 유체 연통하도록 배치되고, 상기 외부 챔버는 적어도 하나의 액체 공급 덕트 (25') 에 연결되는 것을 특징으로 하는, 주입 디바이스 (10, 10'). - 제 7 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 액체 공급 덕트 (25') 는 상기 축선 (X') 에 대해 수직으로 연장되는 것을 특징으로 하는, 주입 디바이스 (10, 10'). - 탄화수소 공급원료를 처리하기 위한 반응기로서,
상기 반응기는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 주입 디바이스 (10, 10') 를 포함하고, 상기 주입 디바이스는 그의 출구 오리피스 (18, 18') 가 상기 반응기 내로 개방되도록 위치결정되는, 반응기. - 적어도 하나의 반응기에서의 탄화수소 공급원료의 접촉 분해 프로세스로서,
상기 탄화수소 공급원료는 상기 적어도 하나의 반응기에 주입되거나 또는 연속적으로 주입되고,
상기 탄화수소 공급원료는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 따른 적어도 하나의 주입 디바이스 (10, 10') 의 상기 액체 입구 덕트들을 통해 주입되고, 상기 가스 입구 오리피스 (14, 14') 를 통해 각 주입 디바이스 (10, 10') 에 가스가 동시에 공급되는, 접촉 분해 프로세스. - 제 10 항에 있어서,
각 주입 디바이스 (10, 10') 에서, 상기 탄화수소 공급원료에 대한 가스의 비율은 1.5 중량% 내지 5 중량%, 또는 2 중량% 내지 4 중량% 인 것을 특징으로 하는, 접촉 분해 프로세스. - 제 11 항에 있어서,
각 주입 디바이스 (10, 10') 에 공급하는 가스 및 탄화수소 공급원료의 유량은 15 내지 80 t/h, 또는 40 내지 60 t/h 의 범위인 각 주입 디바이스의 출구에서의 탄화수소 공급원료 유량을 획득하도록 제어되는 것을 특징으로 하는, 접촉 분해 프로세스. - 삭제
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