KR102444874B1 - 가스/액체 접촉 타워용 트레이 조립체 - Google Patents

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Abstract

화학 공정 타워 내의 개선된 가스/액체 접촉용 트레이 조립체는 트레이 데크 및 다운코머(downcomer)를 포함한다. 다운코머의 상부에는 혼합기가 제공되고 다운코머의 플로어(floor)에는 분배기가 부착된다. 혼합기는 트레이 상의 아웃렛 위어weir)에 평행한 적어도 하나의 혼합 배플을 포함한다. 분배기는 다운코머의 플로어를 향해 하향 연장되고 이 다운코머의 플로어로부터 이격되어 있는 복수의 이격된 흐름 유도 플레이트를 포함한다. 조합시에, 혼합기 및 분배기는 하부 트레이 데크의 표면을 가로지르는 액체 흐름에도 영향을 끼친다.

Description

가스/액체 접촉 타워용 트레이 조립체{TRAY ASSEMBLY FOR GAS/LIQUID CONTACT TOWER}
본 발명은 화학 공정 타워 내의 가스/액체 접촉용 트레이 조립체에 관한 것이다.
반응 및 분리를 포함하는 화학 공정에서 사용되는 가스-액체 접촉기에 대한 몇몇 트레이 디자인이 공지되어 있다. 각각의 디자인에서, 트레이는 타워 내의 가스와 액체 사이의 접촉을 위해 타워 내에 위치되어 있다. 큰 직경의 타워용 트레이는 예를 들어 M.J. Lockett의 "증류 트레이 입문(Distillation Tray Fundamentals)"(1986)에 기술된 바와 같이 트레이에서의 액체 흐름의 부적정한 분포(maldistribution)에 취약하다. 트레이에 대한 액체 흐름의 부적정한 분포가 트레이 효율에 영향을 끼친다는 것도 공지되어 있다. 이는 Wijn, E.F., The Chemical Engineering Journal, 제63권, 167-180쪽(1996)에 발표된 "트레이 효율에 대한 다운코머 레이아웃 패턴의 영향(The effect of downcomer layout pattern on tray efficiency)"을 참조하라.
액체 흐름의 부적정한 분포를 교정하기 위한 몇몇 트레이 디자인이 발명되었으며, 그 대표적인 예는 다음과 같다: Keller에게 허여된 미국 특허 제3,729,179호(1973); Nutter 등에게 허여된 미국 특허 제3,747,905호(1973); Biddulph 등에게 허여된 미국 특허 제5,269,976호(1993); Lee 등에게 허여된 미국 특허 제5,453,222호(1995); Lee 등에게 허여된 미국 특허 제6,371,455호(2002); Fischer에게 허여된 미국 특허 제6,817,596호(2004); 및 Lee 등에게 허여된 미국 특허 제8,070,142호(2011).
위에 명시된 특허들은 액체가 다운코머를 떠나서 더 균일한 패턴으로 바로 아래에 있는 트레이를 가로질러 흐를 수 있도록 하는 다양한 다운코머 디자인을 개시한다. 그러나, 트레이 데크가 직사각형이 아니기 때문에, 액체가 트레이를 가로질러 아웃렛 다운코머로 어느 정도의 거리를 이동할 때, 약간의 불균일이 발생한다. 예상외로, 유압 구배(hydraulic gradient)가 없기 때문에 다운코머에 진입하는 액체는 측방 혼합을 겪지 않는 것으로 나타났다. 다중 트레이 타워에서, 다운코머 혼합의 부족은 타워 아래로 전파되는 농도 구배를 발생시킬 수 있다. 모든 종래의 특허들은 트레이의 인렛에서 액체를 분배하여 트레이에 걸친 액체 분배의 개선을 목표로 하는 다운코머 분배기 디자인을 개시하고 있지만, 다운코머의 상부에는 다운코머에 진입하는 액체가 균일한 조성을 가지도록 하는 어떠한 수단도 포함하지 않는다.
이전의 노력에도 불구하고, 부적정한 분포 문제를 해결할 필요가 여전히 존재한다. 본 발명은 신규의 액체 분배기와 신규의 액체 혼합기를 모두 포함하는 다운코머를 제공함으로써 부적정한 분포 문제를 해결한다.
본 발명의 트레이 조립체는 화학 공정 타워에 사용하기 위한 개선된 트레이 디자인을 포함한다. 트레이 조립체는 그 인렛의 혼합기와 그 아웃렛의 분배기를 갖는 다운코머를 포함한다.
조합시, 혼합기 및 분배기는 다운코머 바로 아래에 있는 트레이 표면에 걸친 액체 흐름을 상대적으로 균일하게 하여, 정체된 영역의 형성을 방지한다. 최종적인 결과는 종래의 트레이 조립체와 비교할 때 트레이 용량 및 효율이 높아진다.
다운코머 내의 액체 혼합은 물질 이송(mass transfer) 효율을 향상시키고 최적화시킨다는 것이 밝혀졌다. 이는 다운코머의 중심에 위치되고 다운코머의 플로어(floor)로부터 이격된 적어도 하나의 수직 배플을 포함하는 다운코머 인렛에 혼합기를 제공함으로써 달성된다. 바람직하게, 배플은 유체 흐름 방향에서 다운코머 인렛 위어(weir)에 실질적으로 평행하게 이 다운코머 인렛 위어의 다운스트림에 있다.
일 실시 예에서, 혼합기는 타워 벽의 외주를 향해 외측으로 흐름을 유도하기 위한, 복수의 이격된 수직으로 연장하는 주름 배플(corrugated baffles) 형태이다.
분배기는 수직에 대해 다양한 각도로 배치되고 바로 아래에 있는 트레이 데크로부터 이격되어 있는 복수의 이격된 흐름 유도 플레이트의 형태이며, 아래에 있는 트레이의 유체 수용/분배 영역에 걸쳐 실질적으로 균일하게 유체 흐름을 유도한다.
도 1은 본 발명에 따른 트레이 조립체의 일 실시 예의 등각 투상도이고;
도 2는 도 1의 트레이 조립체의 단부도이고;
도 3은 혼합기의 세부 사항을 도시하는 트레이 조립체의 일 단부에 대한 등각 투상도이고;
도 4는 트레이 조립체에 사용되는 분배기의 등각 투상도이고;
도 5는 도 4의 분배기의 평면도이고;
도 6은 도 5의 분배기의 단부도이며;
도 7a 및 도 7b는 트레이 데크 상에서의 액체 흐름 비교 테스트의 시간 경과 시퀀스를 도시하는데, 도 7a는 종래의 시스템에 대한 결과를 도시하고, 도 7b는 본 발명에 따른 트레이 조립체에 대한 결과를 도시한다.
증류 타워용의 가스-액체 접촉에 사용되는 트레이 조립체가 이하에 설명된다. 트레이 조립체는 일 단부에 다운코머를 갖는 트레이를 포함한다. 다운코머는 볼트 결합 또는 용접과 같은 종래의 수단에 의해 천공된 플로어(perforated floor)의 하부에 서스펜드(suspend)되어 있는 혼합기 및 분배기를 포함한다. 혼합기는 다운코머의 인렛 개구부에 있다. 혼합기는 적어도 하나의 주름 혼합 배플을 포함한다. 배플의 수는 다운코머의 치수 및 작동 조건에 의존한다. 2개 이상의 배플이 제공되는 경우, 이들 배플은 서로 이격되어 아웃렛 위어(outlet weir)에 실질적으로 평행하게 배열된다. 배플은 수직으로 장착되고, 다운코머의 천공된 하부 플로어를 향해 하향으로 연장되고 이로부터 이격되어 있다.
분배기는 서로 이격되어 있고 통상적인 수단, 예를 들어 브래킷에 의해 천공된 다운코머 플로어의 하부에 부착되어 있는 복수의 플레이트를 포함한다. 복수의 플레이트는 바로 아래에 있는 트레이 조립체로부터 이격되어 있다. 분배기 플레이트의 목적은 유체 흐름을 하부 트레이의 수용, 버블링/포말(froth) 개시 영역에 걸쳐 실질적으로 균일하게 분할하고 유도하여, 이와 같이 형성된 포말을, 아래에 있는 트레이를 가로지르는 분기(divergent) 흐름 패턴으로 유도하면서 트레이 상의 벌크 흐름 방향에 수직인 대략 동일한 액체 체류 시간을 달성한다.
혼합기와 분배기의 조합은 다운코머에서 더욱 균일한 액체 농도를 제공하고 다운코머 바로 아래의 트레이에 걸쳐 더욱 균일한 액체 흐름을 제공한다. 혼합기 및 분배기의 통합된 디자인은 다른 설계에 존재하는 액체 흐름 및 액체 농도의 부적정한 분포를 감소시켜 트레이에서의 가스-액체 접촉의 효율을 향상시킨다.
도 1을 참조하면, 일반적으로 도면 부호 10으로 표시된 트레이 조립체는 일반적으로 도면 부호 12로 표시된 실린더형 화학 공정 타워 내에 설치된다. 트레이 조립체(10)는 C형 프레임 조립체(19)에 의해 타워 벽(16)의 내부에 부착된다. 트레이 조립체는 천공(perforation)(33)들을 포함하는 트레이 데크(30)를 포함한다. 트레이 데크(30)는 하나 또는 수개의 섹션으로 형성될 수 있고, 일반적으로 도면 부호 14로 표시된 적어도 하나의 다운코머는 인접한 트레이 데크(30)들 사이에서 액체-증기 혼합물을 이송하기 위해 트레이 데크(30)의 아웃렛 에지에 위치된다. 다운코머(14)는 타워 벽(16), 경사진 내벽(18), 상부의 인렛 개구부(31) 및 다운코머로부터 아웃렛을 한정하는 천공(41)들을 포함하는 플로어(40)에 의해 형성된다. 경사진 벽(18)은 하향으로 테이퍼(taper)진다. 경사진 벽(18)의 측면 에지는 유체 기밀 시일(21)들에 의해 타워 벽(16)에 부착된다. 수평 다운코머 플로어(40)는 플레이트(42) 및 리벳들에 의해 경사진 벽(18)에 부착된다. 또한, 플로어(40)의 외부 에지는 유체 기밀 시일에 의해 타워 벽(16)에 부착된다. 인접한 트레이의 다운코머는 서로 정반대의 타워에 배열된다.
트레이 데크(30)는 그 일 측면으로부터 세그먼트가 제거된 원형이고, 얻어진 인렛 개구부(31)는 다운코머(14)에 대한 인렛을 한정한다. 인렛 개구부(31)에서의 수직 아웃렛 위어(32)는 트레이 데크(30) 상에서의 액체-증기 혼합물의 깊이를 유지하고 다운코머(14) 내로 액체-증기 혼합물을 도입시킨다. 아웃렛 위어(32)는 다운코머의 인렛 개구부(31)를 가로 질러 연장되고, 그 단부에서 수평 스트립(32a)에 의해 지지체(19) 및 타워 벽(16)에 유체 기밀 방식으로 부착된다.
수직으로 이격된 복수의 트레이 데크(30)는 하나의 트레이 조립체(10)의 다운코머(14)가 바로 아래에 있는 트레이 데크의 인렛 분배/수용 영역(30a) 위에 위치하도록 배향된다.
도 1의 트레이 데크는 버블/포말 형성을 개시하기 위한 천공(33)들을 갖는 인렛 분배 영역(30a) 및 천공(33)들을 갖는 다운스트림 패널 섹션(30b)을 포함한다. 트레이 데크(30)는 인렛 분배 영역(30a)으로부터 다운코머 인렛 개구부(31)로 연장한다. 인렛 영역(30a)에서의 포말 개시는 천공(33)들의 주위로 플랜지(도시되지 않음)를 상향으로 연장시키는 것과 같은 다양한 종래 수단에 의해 달성될 수 있다. 트레이 조립체(10)는 복수의 다운코머(14)를 포함할 수 있다.
다운코머(14)는 타워(12)의 벽(16)의 내부 표면에 인접하며, 벽(16)의 내부 표면의 일부분과 경사진 벽(18)에 의해 일측에 한정(bounded)된다. 벽(18)은 바로 아래에 있는 트레이 데크(30)의 인렛 영역(30a)을 향해 트레이 데크(30)의 에지 길이에 걸쳐 하향으로 연장한다. 다운코머 벽(18)의 하부 에지와 아래의 트레이 데크(30) 사이에는 갭이 존재하며, 갭은 다운코머 벽(18)의 폭의 전부 또는 대부분을 따라 연장된다.
도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 아웃렛 위어(32)는 수평 플레이트(32a) 및 리벳들에 의해 벽(18)의 상부에 부착된다. 경사진 벽(18)은 리벳을 사용하여 벽(18)의 하부 에지에 플로어(40)을 부착하기 위한 브래킷(42)을 포함한다. 용접과 같은 다른 고정 수단이 조립체의 요소들을 상호 연결하는데 사용될 수 있다.
혼합기는 다운코머(14)의 상단부에 장착된다. 혼합기는 아웃렛 위어(32)에 대해 그리고 서로에 대해 실질적으로 평행하게 다운코머의 상부 중앙에 위치된 2개의 이격된 주름 혼합 배플(35)들에 의해 형성된다. 배플(35)들은 내부 다운코머 벽(18)에 부착된 핀(52)으로부터 서스팬드된다. 도 3에 가장 잘 도시된 바와 같이, 주름 배플(35)들은 다운코머(24) 내에서 유체 흐름을 유도하기 위해 교번하는 리지(35a)들 및 홈(35b)들을 포함한다. 도 2에 도시된 바와 같이, 수직 중심의 일 측면에서, 리지(35a)들 및 홈(35b)들은 중앙으로부터 외측으로 경사져 있으며, 중앙의 다른 측면에서 리지들 및 홈들은 반대 방향으로 외측으로 경사져 있다. 배플(35)들은 다운코머(14)의 높이의 약 절반까지 수직으로 하향 연장되어, 액체 흐름이 다운코머 벽의 외측으로 향하게 한다. 혼합 배플(35)들은 다운코머(14)의 상부 부분의 중심에 위치되어 다운코머의 상부 부분의 약 70%를 차지하며, 상부 부분의 나머지 30%는 개방되어 있다. 바람직하게, 리지(35a)들 및 홈(35b)들은 x 및 y 방향 모두에서, 즉 수직 및 수평 방향으로의 혼합을 제공하기 위해 45°만큼 경사진다. 배플(35)들이 다운코머의 대략 절반 아래로 연장되기 때문에, 주변 영역으로 유도되는 대부분의 유체는 배플 아래의 중심 영역으로 다시 흐를 것이고, 압력 강하없이 혼합 효과를 생성할 것이다. 따라서, 다운코머의 용량은 혼합기 배플들에 의해 저해되지 않는다. 배플들은 단단하거나 천공 될 수 있다.
일반적으로 50로 표시된 분배기가 다운코머의 하부에 제공된다. 도 4 내지 도 6에 가장 잘 도시된 바와 같이, 분배기(50)는 바로 아래에 있는 데크의 유체 수용 영역에 걸쳐 실질적으로 균일하게 유체 흐름을 유도하기 위해 프레임 부재(52)에 부착되어 있는 복수의 이격된 플레이트들(51a 및 51b)을 포함한다. 2개의 중앙 플레이트(51a)들은 수직으로 연장된다. 외부 플레이트(51b)들은 수직에 대해 다양한 각도로 연장된다. 플레이트들(51a, 51b)의 각도 및 크기는 상이한 트레이 치수뿐만 아니라 상이한 액체 및 가스 유량에서 균일한 액체 분포를 제공하도록 디자인된다.
바람직하게, 플레이트들(51a, 51b)은 일정 치수, 즉 다운코머 플로어(40)와 바로 아래에 있는 트레이 데크(30) 사이의 거리의 적어도 50 내지 80%의 높이로 이루어진다. 이들의 길이는 바람직하게 플로어 폭의 30 내지 70%이다.
혼합기(50)는 다운코머에서의 향상된 액체 혼합에 필요한 물질 이송 효율을 최적화하기 위해 사용된다. 혼합기 디자인은 용량에 영향을 미치지 않고 다운코머에서의 비교적 균일한 액체 농도를 달성한다.
작동시, 공급 또는 환류 액체가 제1 트레이 데크(30) 상의 다운코머(14)에서 증류 타워(12)에 공급되고, 타워 벽으로부터 이격된 아웃렛 에지를 향해 그리고 아웃렛 위어(32)를 통해 다운코머 내로 데크를 가로질러 포말의 형태로 흐른다. 액체-증기 혼합물은 아웃렛 위어(32)를 통해 그리고 배플들(35)을 통해 하향으로 흐르고, 다운코머 플로어의 개구부를 통해 흐른다. 하부 분배기(50)는 액체 흐름이 아래의 트레이 데크의 인렛 부분으로 향하게 한다. 분리된 유출 증기는 타워(12)를 통해 상향으로 유도되어 트레이 데크(30) 상에 수집되며, 액체는 트레이 데크(30) 아래에 수집된다. 상승하는 증기로부터의 배압은 액체/포말이 데크의 천공을 통해 배수(weeping)되기보다는 데크(30)를 가로 질러 다음 다운코머(14)으로 흐르게 한다.
도 7a 및 도 7b를 참조하여 증명된 바와 같이, 예시된 실시 예가 종래 기술의 가스-액체 접촉기보다 트레이 데크(30)에 걸쳐 더 균일한 흐름을 제공한다는 것이 실험을 통해 밝혀졌다. 테스트는 다운코머의 인렛(31)에서 액체로 염료를 주입하고, 염료 주입 후 간격을 두고 아래의 트레이의 영역을 통해 흐르는 패턴을 조사하는 단계를 포함한다. 도 7a 및 도 7b는 직경 1.3m의 기둥에서 공기-물을 이용한 파일럿 플랜트 테스트의 결과를 도시한다. 도 7a는 종래의 트레이 조립체를 사용한 테스트의 결과를 도시한다. 도 7b는 도 1 및 도 2의 트레이 조립체를 포함하는 테스트 결과를 도시한다. 본 발명의 장치를 사용하는 테스트 동안, 실질적으로 균일한 흐름이 10, 35, 70 및 120초의 시간 시퀀스에 걸쳐 관찰된다는 것을 알 수 있다. 또한, 트레이 버블링 영역에서의 정체된 액체 풀(pool) 또는 역행 흐름은 관찰되지 않았다.
본 발명의 장점이 증기 및 액체의 넓은 유속 범위에 걸쳐 제공되는 것이 실험적으로 입증되었는데, 이는 종래 기술에 기재된 바와 같은 트레이의 상부 표면에 걸쳐 배열된 배플 또는 디플렉터(deflector)와 같은 다른 액체 분배 제어 수단의 경우에는 해당되지 않는다.
따라서, 오랫동안 추구한 목표인, 다운코머에서의 더 균일한 액체 농도에 기인한 높은 트레이 효율 및 트레이 조립체(10)의 데크(30) 전체에 걸쳐 더욱 균일하게 분포된 액체 흐름이 다운코머 상단의 혼합기 및 하부 데크(30)의 인렛 분배 영역 상의 다운코머(40)의 하부에 있는 분배기를 통합함으로써 달성된다. 다운코머에서의 혼합기 및 분배기 둘다의 통합은 종래 기술의 트레이 디자인과 비교할 때 가스-액체 접촉 타워에서의 사용에 상당한 이점을 제공한다.
전술한 구조는 상이한 유형의 타워에 대한 트레이를 설계하는데 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
상기 트레이 디자인은 상대적으로 높은 용량 및 효율을 허용하며, 트레이 데크에 걸친 체적(volumetric) 액체 흐름의 분포가 액체가 흐르는 모든 경로에서 본질적으로 유사하다. 트레이 조립체를 사용하여 얻을 수 있는 이점 중 일부는 트레이 데크 상에 정체 영역 및 역류가 있는 영역을 포함하지 않는 것이며, 따라서 물질 이송을 위해 트레이 데크의 전체 영역을 효율적이고 효과적으로 활용할 수 있다.
본 명세서에서, 단어 "포함하는"은 비제한적인 의미로 사용되는데, 그 단어를 수반하는 항목이 포함되지만 특별히 언급되지 않은 항목이 제외되지 않는다는 것을 의미한다.
단수 부정 관사 "a"에 의한 요소에 대한 참조는 문맥상 그러한 요소가 하나만 존재할 것을 명백히 요구하지 않는 한, 그 요소가 하나 이상 존재할 가능성을 배제하지 않는다.
10 : 트레이 조립체 14 : 다운코머
16 : 타워 벽 18 : 경사진 내벽
19 : C형 프레임 조립체 21 : 유체 기밀 시일
30 : 트레이 데크 31 : 상부 인렛 개구부
32 : 아웃렛 위어 33 : 천공
40 : 플로어 41 : 천공

Claims (10)

  1. 트레이 조립체가 부착될 수 있는 벽을 갖는 화학 공정 타워 내의 가스/액체 접촉용 트레이 조립체로서, 상기 트레이 조립체는:
    인렛 분배 영역, 다운스트림 영역, 및 타워에 설치될 때 타워 벽으로부터 이격된 상기 인렛 분배 영역의 아웃렛 에지 다운스트림을 갖는 천공된 트레이 데크로서, 상기 인렛 분배 영역은 상기 다운스트림 영역보다 높은 레벨에 있어서, 아웃렛 에지를 향하여 트레이 데크를 가로 지르는 유체 흐름을 촉진시키는 트레이 데크;
    인접한 수직으로 이격된 트레이 데크들 사이에서 액체/증기 혼합물을 이송하기 위한 다운코머로서, 상기 다운코머는 인렛, 타워벽으로부터 이격된 경사진 다운코머 벽, 타워 내에 설치될 때, 액체/증기 혼합물을 트레이 데크로부터 바로 아래에 있는 트레이 데크의 인렛 분배 영역으로 배출하기 위한 아웃렛을 포함하고, 상기 다운코머 벽은 아웃렛 에지로부터 타워 벽을 향해 하향 및 외측으로 연장되며, 타워 벽에 연결된 측면 에지들을 구비하는 다운코머;
    다운코머 벽의 하부 에지로부터 타워 벽까지 연장되는 천공된 플로어;
    다운코머의 상부 인렛 단부의 중앙에 위치하는 복수의 이격된 혼합 배플을 포함하는 다운코머의 상부 인렛 단부 내에 있는 혼합기로서, 상기 혼합 배플은 서로 평행하며 액체 흐름이 타워 벽을 향해 외측으로 하향하도록 혼합 배플의 중심으로부터 외측으로 하향 연장하는 교번하는 리지 및 홈을 포함하여, 내부에 유압 구배를 생성하지 않으면서 유체를 혼합하는 혼합기; 및
    상기 천공된 플로어에 대향하는 다운코머 벽의 측면 상의 다운코머 벽의 바닥 단부에 연결된 프레임 부재, 및 상기 프레임 부재와 천공된 플로어의 바닥면으로부터 하향 연장된 복수의 이격된 플레이트를 포함하여, 바로 아래에 있는 트레이 데크의 인렛 분배 영역에 걸쳐 상기 다운코머 아래에서 액체/증기의 흐름을 실질적으로 균일하게 유도하는 분배기;를 포함하는, 트레이 조립체.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 트레이 데크 보다 높은 액체 깊이를 제공하기 위해 트레이 데크의 아웃렛 에지 상에 아웃렛 위어를 포함하는 것을 특징으로 하는 트레이 조립체.
  3. 삭제
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 인렛 분배 영역은 포말 형성 수단을 포함하며, 인렛 분배 영역 및 다운스트림 영역은 상향의 가스 흐름을 허용하도록 천공되어 있는 것을 특징으로 하는 트레이 조립체.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 리지 및 홈은 수평 및 수직 방향 모두에서 혼합을 수행하기 위해 수직에 대해 45도의 각도로 경사진 것을 특징으로 하는 트레이 조립체.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 혼합 배플은 다운코머 높이의 약 절반까지 수직으로 하향 연장되고, 상기 혼합 배플은 상기 다운코머의 상부 부분의 중심에 위치되며, 상기 다운코머의 상부 부분의 70%를 차지하는 것을 특징으로 하는 트레이 조립체.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 플레이트는 다운코머 플로어와 다음의 하부 트레이 데크 사이의 수직 거리의 50% 내지 80%의 높이와 플로어 폭의 30 내지 70%의 길이를 갖는 것을 특징으로 하는 트레이 조립체.
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