KR102518088B1 - 복수의 하부 루프실을 구비한 순환 유동층 시스템 - Google Patents

복수의 하부 루프실을 구비한 순환 유동층 시스템 Download PDF

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Abstract

본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템은, 각각이 유동화 기체를 주입받는 복수의 유동층 반응기와 복수의 유동층 반응기 각각으로부터 배출되는 기체와 고체를 분리하는 복수의 사이클론을 포함하는 순환 유동층 시스템으로서, 상기 복수의 유동층 반응기는 적어도 제1 유동층 반응기 및 제2 유동층 반응기를 포함하고, 상기 제1 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자가 유입되어 상기 제2 유동층 반응기로 배출되는 상부 루프실, 상기 제2 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자를 상기 제1 유동층 반응기로 배출하여 순환시키는 하부 루프실을 포함하고, 상기 하부 루프실은, 중력 방향에서 서로 다른 높이에 배치되는 제1 하부 루프실 및 제2 하부 루프실을 포함한다.

Description

복수의 하부 루프실을 구비한 순환 유동층 시스템{CIRCULATING FLUIDIZED BED SYSTEM WITH MULTIPLE LOWER LOOP SEALS}
본 발명은 기체-고체 반응에서 널리 사용되는 순환 유동층 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 고체 순환 제어를 용이하게 할 수 있는 2탑 연결 순환 유동층 시스템에 관한 것이다.
기체-고체 유동층(Fluidized bed)은 유동층 반응기 내부에 고체입자를 장입한 후, 반응기 하부에 기체를 주입하여, 고체입자를 부유시킴으로써 고체입자들의 거동을 유체의 거동과 유사해지도록 변화시키는 장치이다.
고체입자를 유동화시키면 기포유동층(입자에 따라 기포가 발생하지 않고 유동화 되는 경우도 있음) 조건으로 변화되며, 유동층 내부의 밀집상(dense-phase)에 존재하는 고체입자들은 액체와 매우 유사한 거동을 나타내게 되며 다른 접촉방식에 비해 고체와 기체간의 접촉효율이 매우 뛰어나다. 특히 2탑 연결 순환 유동층(Two-interconnected Circulating Fluidized Bed) 시스템은 열 및 물질 전달이 우수한 유동층 반응기의 장점과 함께 고체순환이 가능한 점에서 서로 다른 두 개의 반응이 동시에 일어나는 기체-고체 반응에 널리 사용되고 있다.
도 1은 종래의 2탑 연결 순환 유동층 시스템을 도시한 도면이다.
도 1에 도시한 바와 같이, 일반적으로 2탑 연결 순환 유동층 시스템(1)은 2개의 유동층 반응기(11, 12)가 연결되어 있으며, 두 개의 유동층 반응기(11, 12) 사이에는 각각의 유동층 반응기에 주입되는 기체의 혼합을 방지하고, 두 개의 유동층 반응기(11, 12) 내부에서 차압(differential pressure) 발생에 의해 일어날 수 있는 고체의 역흐름을 방지하기 위해 루프실(loop seal)(3, 4)을 설치할 수 있다.
일반적인 2탑 연결 순환 유동층 시스템(1)에 있어서의 고체 순환에 대해 설명하면, 제1 유동층 반응기(11)의 하부에 유동화 기체(g1)를 주입하는 것에 의해 고체 입자가 부유하여 비산되고, 비산된 기체와 고체의 혼합물은 제1 사이클론(5)에 유입된 후, 고체 입자는 분리되어 하부로 배출되고 기체는 제1 사이클론(5) 상부로 배출되게 된다. 하부로 배출된 고체 입자는, 상부 루프실(3)로 도입되고, 중력에 의해 하강하여 상부 고체 하강관(31)에 도달한다. 상부 고체 하강관(31)에 도달한 고체 입자는, 상부 루프실(3) 하부에서 주입되는 유동화 기체(g3)에 의해 유동화 되어 상부 고체 상승관(32)을 통해 상승하고, 이 때 상부 고체 하강관(31)과 상부 고체 상승관(32)에 작용하는 압력이 동일할 경우, 상부 고체 하강관(31)과 상부 고체 상승관(32) 내에 존재하는 고체 입자의 높이가 동일하게 된다. 계속해서 고체 입자가 주입되어 상부 고체 하강관(31) 내의 높이가 증가하면 상부 고체 상승관(32)의 높이도 함께 증가하게 되고 그 결과 상부 고체 상승관(32) 내부의 고체 입자 높이가 상부 고체 배출관(33)의 하부 높이와 같아지게 되면 상부 루프실(3)에 추가적으로 주입되는 고체량만큼 상부 고체 배출관(33)을 통해 제2 유동층 반응기(2)로 고체입자가 공급되게 된다.
제2 유동층 반응기(12)에 공급된 고체는, 제2 유동층 반응기(12)의 하부로 공급되는 유동화 기체(g2)에 의해 비산하여 제2 사이클론(6)에 유입되어 고체 입자는 분리되어 다시 제2 유동층 반응기(12)로 유입되고, 기체는 제2 사이클론(6) 상부로 배출된다. 제2 유동층 반응기(12) 내부의 고체입자는 하부 루프실(4)에 도입된 후 하부 루프실(4)의 하부로 주입되는 유동화 기체(g4)에 의해 유동화되어, 제1 유동층 반응기(11)로 재순환된다.
이 때, 하부 루프실(4)에 주입되는 유동화 기체(g4)의 유량을 조정하는 것에 의해 고체의 순환 속도를 조절할 수 있다. 즉, 제2 유동층 반응기(12)로부터, 하부 루프실(4)의 하부 고체 유입관(41)을 통해 고체가 하부 루프실(4)로 유입되고, 유입된 고체는 하부 고체 하강관(42)을 통해 하강하고 고체 유입에 따라 하부 고체 상승관(43)까지 채우게 된다. 이 상태에서 유동화 기체(g4)의 유량을 변화시키는 것에 의해 고체가 하부 고체 배출관(44)을 통해 배출되는 고체량을 변화시킬 수 있고 따라서 전체 시스템의 순환 속도를 변화시킬 수 있다. 이와 같은 연속적인 고체의 유입과 배출이 있는 조건에서, 제1 유동층 반응기(1)의 압력이 증가하는 경우 제2 유동층 반응기(2)과의 관계에서 압력차가 발생하게 되어 해당 차이만큼 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층 높이가 증가하게 된다. 이 경우, 하부 루프실(4)에 주입되는 유동화 기체(g4)의 유량이 동일한 경우에도 고체 순환 속도가 크게 증가하여 원하는 제어를 얻을 수 없게 되고, 또한 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층의 높이가 크게 증가하여 제2 유동층 반응기(2)에 주입되는 유동화 기체(g2)가 상승하면서 발생하는 기포의 크기가 증가함에 따라 슬러깅(slugging)이 발생하여 전체 시스템의 운전이 어려워 질 수 있다는 문제가 있다.
또한 이와 반대로, 제2 유동층 반응기(2)의 압력이 증가하는 경우, 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층 높이가 감소하게 되고, 이 경우 하부 루프실(4)에 주입되는 유동화 기체(g4)의 유량이 동일한 경우에도 고체 순환 속도가 크게 감소하여 원하는 제어를 얻을 수 없게 되고, 또한 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층의 높이가 크게 감소하여 또한 제2 유동층 반응기(2) 내에서 일어나는 반응에 필요한 기체-고체간 접촉시간을 충분히 확보할 수 없다는 문제가 있다. 아울러 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층의 높이가 더욱 감소하여 하부 루프실(4)의 하부 고체 유입관(41)보다도 낮아질 경우에는 하부 루프실(4)로의 고체 유입이 중단되어 고체 순환이 일어나지 않는다는 문제도 있다.
이러한 문제를 해결하기 위하여 하부 루프실(4)의 하부 고체 유입관(41)의 위치를 제2 유동층 반응기(2)에서 비교적 높은 부분에 위치하도록 하는 구성을 사용할 수도 있다(over-flow 형태). 그러나 이 경우에는, 제2 유동층 반응기(2) 내부에서의 고체층 높이를 충분히 유지할 수 있다는 장점이 있으나, 상부루프실(3)과 하부루프실(4) 모두 유입된 고체량만큼 고체가 배출되므로 하부루프실(4)을 통한 고체순환속도 제어는 불가능하며, 전체 시스템의 고체 순환 속도는 초기 장입한 고체량에 의존하게 된다. 따라서 고체 순환 속도를 증가시키려면 초기 고체 장입량을 증가시켜야 하는데, 초기 고체장입량이 과도한 경우 제1 유동층 반응기(1)에서 상부로 부유시킬 수 있는 최대 고체순환량(saturation carrying capacity)에 비해 많은 양의 고체가 제1 유동층 반응기(1)로 유입될 수 있으며, 이 경우 제1 유동층 반응기(1) 하부에 고체가 쌓이게 되면서 폐색(choking)되어 더 이상 고체가 순환되지 않는 조건이 발생할 수 있다는 문제가 있다. 또한 장입된 고체 입자의 마모, 파쇄 등에 의한 손실이 발생할 경우 고체순환속도가 감소하게 되어 지속적인 보충(make-up) 없이는 일정한 고체순환속도를 유지할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명은 이와 같은 종래의 순환 유동층 시스템에서의 한계를 해결하기 위하여 도출된 것으로, 다양한 한계 조건에서도 고체 순환 속도를 용이하게 제어하면서 안전한 조업이 가능한 순환 유동층 시스템을 제공하는 것을 과제로 한다.
그러나, 본 발명의 실시예들이 해결하고자 하는 과제는 상술한 과제에 한정되지 않고 본 발명에 포함된 기술적 사상의 범위에서 다양하게 확장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템은, 각각이 유동화 기체를 주입받는 복수의 유동층 반응기와 복수의 유동층 반응기 각각으로부터 배출되는 기체와 고체를 분리하는 복수의 사이클론을 포함하는 순환 유동층 시스템으로서, 상기 복수의 유동층 반응기는 적어도 제1 유동층 반응기 및 제2 유동층 반응기를 포함하고, 상기 제1 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자가 유입되어 상기 제2 유동층 반응기로 배출되는 상부 루프실, 상기 제2 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자를 상기 제1 유동층 반응기로 배출하여 순환시키는 하부 루프실을 포함하고, 상기 하부 루프실은, 중력 방향에서 서로 다른 높이에 배치되는 제1 하부 루프실 및 제2 하부 루프실을 포함한다.
상기 제1 하부 루프실은 상기 제2 유동층 반응기로부터 고체 입자가 배출되는 제1 하부 유입관을 포함하고, 상기 제2 하부 루프실은 상기 제2 유동층 반응기로부터 고체 입자가 배출되는 제2 하부 유입관을 포함하며, 상기 제2 하부 유입관은 상기 제1 하부 유입관에 비해 중력 방향에서 하부에 위치할 수 있다.
상기 제2 유동층 반응기 내부에 존재하는 고체가 이루는 고체층의 높이는, 상기 제2 유동층 반응기 내부의 바닥면으로부터 상기 제2 하부 유입관까지의 높이 이상이고, 상기 제2 유동층 반응기 내부의 바닥면으로부터 상기 제1 하부 유입관까지의 높이 이하일 수 있다.
상기 제1 하부 루프실은 상기 제1 하부 유입관과 순차로 연결된 제1 하부 하강관, 제1 하부 상승관 및 제1 하부 배출관을 포함하고, 상기 제2 하부 루프실은 상기 제2 하부 유입관과 순차로 연결된 제2 하부 하강관, 제2 하부 상승관 및 제2 하부 배출관을 포함하고, 상기 제1 하부 배출관은 상기 제2 하부 배출관과 연결될 수 있다.
상기 하부 루프실에 주입되는 유동화 기체는, 상기 제1 하부 하강관과 상기 제1 하부 상승관 사이, 및 상기 제2 하부 하강관과 상기 제2 하부 하강관 사이에 각각 주입될 수 있다.
상기 하부 루프실에 주입되는 유동화 기체의 유량 제어를 통해 상기 고체 입자의 순환 속도를 조절할 수 있다.
상기 제2 유동층 반응기 내부에 존재하는 고체가 이루는 고체층의 높이가, 상기 제2 유동층 반응기 내부의 바닥면으로부터 상기 제1 하부 유입관까지의 높이와 동일할 경우, 상기 제1 하부 하강관과 상기 제1 하부 상승관 사이에 유동화 기체가 주입하여 상기 제2 유동층 반응기로부터 상기 제1 하부 유입관으로 고체를 배출시킬 수 있다.
상기 제2 유동층 반응기 내부에 존재하는 고체가 이루는 고체층의 높이가, 상기 제2 유동층 반응기 내부의 바닥면으로부터 상기 제1 하부 유입관까지의 높이보다 낮을 경우, 상기 제2 하부 하강관과 상기 제2 하부 상승관 사이에 유동화 기체를 주입하여 상기 제2 유동층 반응기로부터 상기 제2 하부 유입관으로 고체를 배출시킬 수 있다.
상기 제1 하부 하강관과 상기 제1 하부 상승관 사이, 및 상기 제2 하부 하강관과 상기 제2 하부 상승관 사이 모두에 유동화 기체를 주입하여 고체 순환 속도를 향상시킬 수 있다.
상기 상부 루프실은, 고체가 유입되는 상부 고체 하강관, 상기 상부 고체 하강관과 연결되는 상부 고체 상승관 및 상기 상부 고체 상승관과 연결되어 상기 제2 유동층 반응기로 고체를 배출하는 상부 고체 배출관을 포함하고, 상기 제2 유동층 반응기에서 상기 상부 고체 배출관은 상기 하부 루프실보다 상부에 배치될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 유동층 반응기 내부의 고체 높이나 압력 등의 변화에도 유연하게 대처하여 고체 순환 속도를 용이하게 제어하고 또한 조업시 안전성을 유지할 수 있는 순환 유동층 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 종래의 2탑 연결 순환 유동층 시스템을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 도 2에서 하부 루프실과 제2 유동층 반응기 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 4는 도 3에서 제2 유동층 반응기 내의 고체층 높이가 낮아지는 경우를 설명하기 위한 도면이다.
이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 여러 실시예들에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예들에 한정되지 않는다.
본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 동일 또는 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙이도록 한다.
또한, 도면에서 나타난 각 구성의 크기 및 두께는 설명의 편의를 위해 임의로 나타내었으므로, 본 발명이 반드시 도시된 바에 한정되지 않는다. 도면에서 여러 층 및 영역을 명확하게 표현하기 위하여 두께를 확대하여 나타내었다. 그리고 도면에서, 설명의 편의를 위해, 일부 층 및 영역의 두께를 과장되게 나타내었다.
또한, 층, 막, 영역, 판 등의 부분이 다른 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 할 때, 이는 다른 부분 "바로 위에" 있는 경우뿐 아니라 그 중간에 또 다른 부분이 있는 경우도 포함한다. 반대로 어떤 부분이 다른 부분 "바로 위에" 있다고 할 때에는 중간에 다른 부분이 없는 것을 뜻한다. 또한, 기준이 되는 부분 "위에" 또는 “상에” 있다고 하는 것은 기준이 되는 부분의 위 또는 아래에 위치하는 것이고, 반드시 중력 반대 방향을 향하여 “위에” 또는 “상에” 위치하는 것을 의미하는 것은 아니다.
또한, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 명세서 전체에서, "평면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 위에서 보았을 때를 의미하며, "단면상"이라 할 때, 이는 대상 부분을 수직으로 자른 단면을 옆에서 보았을 때를 의미한다.
이하에서, 도 2 및 도 3을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템에 대해 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템을 도시한 도면이고, 도 3은 도 2에서 하부 루프실과 제2 유동층 반응기 부분을 확대하여 도시한 도면이다.
도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 순환 유동층 시스템(100)은, 제1 유동층 반응기(10), 제2 유동층 반응기(20) 및, 각각의 반응기로부터 배출되는 기체와 고체를 분리하기 위한 제1 사이클론(50), 제2 사이클론(60)을 포함한다. 또한, 제1 유동층 반응기(10)로부터 배출된 고체 입자를 제2 유동층 반응기(20)로 유입시키는 경로에 배치되는 상부 루프실(30) 및 제2 유동층 반응기(20)로부터 배출된 고체 입자를 제1 유동층 반응기(10)로 재차 유입하여 고체를 순환시키는 경로에 배치되는 하부 루프실(40)을 포함한다. 이 때, 하부 루프실(40)은, 중력 방향에서 서로 다른 높이에 배치되는 제1 하부 루프실(410) 및 제2 하부 루프실(420)을 포함한다.
제1 유동층 반응기(10)의 하부에는, 제1 유동화 기체(g10)가 주입되고, 이에 의해 내부에 장입된 고체 입자가 부유하여 비산된다. 주입되는 유동화 기체는 반응에 필요한 기체를 사용할 수도 있으며, 스팀을 사용하여 유동화시키고 배출된 후에는 응축하여 분리할 수도 있고, 불활성기체를 사용할 수도 있다. 비산된 기체와 고체의 혼합물은 제1 사이클론(50)에 유입된 후, 고체 입자는 분리되어 하부로 배출되고 기체는 제1 사이클론(50) 상부로 배출되게 된다. 하부로 배출된 고체 입자는, U자관 형태의 상부 루프실(30)로 도입되어, 중력에 의해 하강하여 상부 고체 하강관(310)에 도달한다. 상부 고체 하강관(310)에 도달한 고체 입자는, 상부 루프실(30) 하부에서 주입되는 제3 유동화 기체(g30)에 의해 유동화 되어 상부 고체 상승관(320)을 통해 상승하고, 이 때 상부 고체 하강관(310)과 상부 고체 상승관(320)에 작용하는 압력이 동일할 경우, 상부 고체 하강관(310)과 상부 고체 상승관(320) 내에 존재하는 고체 입자의 높이가 동일하게 된다. 계속해서 고체 입자가 주입되어 상부 고체 하강관(310) 내의 높이가 증가하면 상부 고체 상승관(320)의 높이도 함께 증가하게 되고 그 결과 상부 고체 상승관(320) 내부의 고체 입자 높이가 상부 고체 배출관(330)의 하부 높이와 같아지게 되면 상부 루프실(30)에 추가적으로 주입되는 고체량만큼 상부 고체 배출관(330)을 통해 제2 유동층 반응기(20)로 고체입자가 공급되게 된다.
이러한 상부 루프실(30)을 구비함으로써, 제1 유동층 반응기(10)와 제2 유동층 반응기(20) 사이의 기체 혼합을 막고, 고체층 높이에 해당하는 압력만큼 두 반응기 사이의 차압을 상쇄할 수 있다. 또한 이러한 상부 루프실(30)에서는, 고체가 추가적으로 도입되면 상부 루프실(30) 양측의 높이가 같아지도록 상부 고체 배출관(330)을 통해 고체가 배출되고 따라서 상부 루프실(30)의 경우 해당 구성을 통해 고체 순환 속도를 제어하기는 어렵고, 주어진 조건 내에서 상부 루프실(30)로 유입되는 고체만큼 배출하는 역할을 한다.
상부 루프실(30)을 거쳐 제2 유동층 반응기(20)에 공급된 고체는, 제2 유동층 반응기(20)의 하부로 공급되는 제2 유동화 기체(g20)에 의해 비산하여 제2 사이클론(60)에 유입되고, 여기에서 고체 입자는 분리되어 다시 제2 유동층 반응기(20)로 유입되고, 기체는 제2 사이클론(60) 상부로 배출된다. 제2 유동층 반응기(20) 내부의 고체입자는 하부 루프실(40)에 도입된 후 하부 루프실(40)의 하부로 주입되는 유동화 기체(g40, g50)에 의해 유동화되어, 제1 유동층 반응기(10)로 재순환된다.
하부 루프실(40)은 제2 유동층 반응기(20)의 높이 방향(중력 방향)을 기준으로, 상부에 배치되는 제1 하부 루프실(410) 및 하부에 배치되는 제2 하부 루프실(420)을 포함한다. 제1 하부 루프실(410)은, 제2 유동층 반응기(20)로부터 하측으로 경사지게 형성되어 고체 입자가 유입되는 제1 하부 유입관(411), 제1 하부 유입관(411)과 연결되어 고체 입자가 중력 방향으로 하강하도록 구성되는 제1 하부 하강관(412), 제1 하부 하강관(412)과 연결되어 고체 입자가 상승할 수 있도록 구성되는 제1 하부 상승관(413) 및 제1 하부 상승관(413)과 연결되어 고체 입자를 배출하는 제1 하부 배출관(414)을 포함한다. 또한, 제1 하부 하강관(412)과 제1 하부 상승관 (413) 사이, 즉 제1 하부 루프실(410)의 하부에는 제4 유동화 기체(g40)가 주입될 수 있는 장치가 구비될 수 있다.
제2 하부 루프실(420)은, 제2 유동층 반응기(20)로부터 하측으로 경사지게 형성되어 고체 입자가 유입되고, 제1 하부 유입관(411)보다 하부에 위치하는 제2 하부 유입관(421), 제2 하부 유입관(421)과 연결되어 고체 입자가 중력 방향으로 하강하도록 구성되는 제2 하부 하강관(422), 제2 하부 하강관(422)과 연결되어 고체 입자가 상승할 수 있도록 구성되는 제2 하부 상승관(423) 및 제2 하부 상승관(423)과 연결되어 고체 입자를 배출하는 제2 하부 배출관(424)을 포함한다. 또한, 제2 하부 하강관(422)과 제2 하부 상승관 (423) 사이, 즉 제2 하부 루프실(420)의 하부에는 제5 유동화 기체(g50)가 주입될 수 있는 장치가 구비될 수 있다.
제1 하부 루프실(410)과 제2 하부 루프실(420)의 배출관(414, 424)는 도 2와 도3에 도시한 바와 같이 서로 연결되어 있다. 따라서 하부 루프실(40)로부터 배출된 고체 입자는 최종적으로 동일한 하나의 경로를 통해 제1 유동층 반응기(10)로 도입될 수 있다.
이하에서는 도 4를 더욱 참조하여 본 발명의 일 실시예에서의 고체 순환에 대해 보다 상세히 설명한다.
도 4는 도 3에서 제2 유동층 반응기 내의 고체층 높이가 낮아지는 경우의 제어를 설명하기 위한 도면이다.
우선, 제1 하부 루프실(410)의 하부에, 제4 유동화 기체(g40)를 주입하고, 제2 하부 루프실(420)의 하부에는 제5 유동화 기체(g50)를 주입하지 않은 경우를 시작 조건으로 설명한다. 이와 같이 제5 유동화 기체(g50)를 주입하지 않으면, 제2 하부 루프실(420) 내부는 유동화 되지 않은 고정층 상태이므로, 제2 하부 루프실(420)을 통한 고체의 이동은 불가능해진다.
제1 하부 루프실(410)의 경우, 제1 하부 유입관(411)이 비교적 상부에 위치하는 형태, 즉 over-flow 형태이므로 상부 루프실(30)과 유사하게 루프실에 유입된 고체량만큼 고체입자를 배출하게 된다. 즉, 제1 유동층 반응기(10)로부터 상부 루프실(30)을 통해 제2 유동층 반응기(20)로 고체입자가 유입되면 제2 유동층 반응기(20)의 고체층(S)의 높이(H10)가, 제1 하부 유입관(411)의 아래 높이(H11), 즉 제2 유동층 반응기(20)의 바닥면으로부터 제1 하부 유입관(411)의 시작부분까지의 높이만큼 높아지고, 해당 높이와 같아지면(즉, H10=H11) 제2 유동층 반응기(20)로부터 제1 하부 루프실(410)로 고체입자가 배출된다. 이 상태에서 제1 하부 루프실(410)에서는, 제4 유동화 기체(g40)에 의해 유동화된 고체 입자가 제1 하부 상승관(413)을 채우고 이어서 유입된 고체만큼 제1 하부 배출관(414)을 통해 고체 입자가 배출된다.
한편, 제1 유동층 반응기(10)와 제2 유동층 반응기(20)의 압력변동에 의해 발생하는 차압에 의해 제2 유동층 반응기(20)의 고체층(S) 높이(H10)가 제1 하부 루프실(410)의 제1 하부 유입관(411)의 아래 높이(H11)보다 낮아지게 되면, 제2 유동층 반응기(20)로부터 제1 하부 루프실(410)로 고체가 유입될 수 없으므로 고체순환은 중지된다. 이 때 다시 고체 순환이 발생하도록 하기 위해서는, 상부 루프실(30)로부터 제2 유동층 반응기(20)에 고체가 유입되어 제2 유동층 반응기(20)의 고체층(S)의 높이(H10)가 제1 하부 유입관(411)의 아래 높이(H11)에 도달해야만 한다.
따라서 이와 같이 고체순환이 정지되어 있는 경우를 피하거나 고체순환속도를 추가적으로 증가시키고자 하는 경우에는 제1 하부 루프실(410)에 제4 유동화 기체(g40)를 주입하고 있는 상태에서, 제2 하부 루프실(420)에 추가로 제5 유동화 기체(g50)을 주입하여 제2 하부 루프실(420) 내부를 유동화 상태로 변화시켜 제2 하부 루프실(420)을 통해서도 고체가 배출되도록 할 수 있다.
제2 하부 루프실(420)의 경우, 제2 하부 유입관의 아래 높이(H12), 즉 제2 유동층 반응기(20)의 바닥면으로부터 제2 하부 유입관(421)의 시작부분까지의 높이보다, 상부에 존재하는 고체량이, 제 1 하부 루프실(410)의 경우보다 많으므로, 제 1 하부 루프실(410)에 비해 높은 고체 순환 속도를 얻을 수 있다. 이 상태에서는 도 4에 도시된 바와 같이 제2 유동층 반응기(20)의 고체층(S)의 높이(H10)는 높은 고체순환속도(즉, 높은 고체배출속도)에 의해 초기의 고체층(S) 높이보다 낮아지게 되고(H10 < H11), 따라서 제 1 하부 루프실(410)을 통한 고체순환은 일어나지 않게 된다.
즉, 종래 over-flow 형태의 하부 루프실만을 사용하는 경우와는 달리 본 발명의 일 실시예에서와 같이 제1 하부 루프실(410)과 함께 제2 하부 루프실(420)을 추가로 구비하는 것에 의해 제2 하부 루프실(420)을 함께 구동하여 고체순환속도의 제어가 가능하다. 뿐만 아니라, 고체입자의 마모, 파쇄 등에 의한 손실이 발생하거나 두 유동층 사이의 압력변동이 발생하여 제 2 유동층 반응기(20) 내부의 고체층(S) 높이(H10)가 제1 하부 유입관(411)의 높이(H11)보다도 낮아지는 경우에도 고체순환이 정지되지 않고 유지될 수 있다.
또한, 순간적인 압력변동에 의해 제2 유동층 반응기(20) 내부의 고체층(S) 높이(H10)가 갑자기 증가하는 경우에도 고체층(S) 높이(H10)가 제1 하부 유입관(411)의 아래 높이(H11)에 도달하게 되면, 고체 입자가 제1 하부 루프실(410)를 통해 배출될 수 있기 때문에, 제2 유동층 반응기(20) 내에서의 고체층(S) 높이(H10)를 제1 하부 유입관(411)의 아래 높이(H11) 이하로 유지할 수 있다. 즉, 본 발명에 일 실시예에 따른 복수의 하부 루프실(40)을 구비하는 경우에는, 순간적인 압력변동에 의해 제2 유동층 반응기(20) 내의 고체층(S) 높이(H10)가 증가하는 경우에도, 도 3, 4에 표시된 제1 하부 유입관(411)의 아래 높이(H11) 이상으로 고체층(S)의 높이가 증가하지 않기 때문에, 제2 유동층 반응기(20)의 고체층(S) 높이 증가에 따른 슬러깅(slugging) 현상을 방지할 수 있다.
한편, 제1 유동층 반응기(10)와 제2 유동층 반응기의 압력변동에 의해 제2 유동층 반응기(20)의 고체층(S) 높이(H10)가 제2 하부 유입관(421)의 아래 높이(H12) 이하로 감소한 경우에는, 제2 하부 루프실(420)에 대한 제5 유동화 기체(g50)의 주입을 중단하거나 감소시켜서 제2 하부 루프실(420) 내부를 고정층(fixed bed) 상태로 변화시킨 후 제 2 유동층 반응기(20) 내부로 고체를 재순환시키는 것에 의해 제 2 유동층 반응기(20) 내의 고체층(S) 높이(H10)가 증가하도록 한 후 다시 제5 유동화 기체(g50)를 주입하여 고체순환을 다시 시작하는 방법이 사용될 수 있다. 이 때, 종래의 단일 하부루프실, 특히 제2 유동층 반응기(20)의 하부에 배치된 하부 루프실을 사용하는 경우에는, 고체순환이 재개되고 고체 순환 속도가 아주 높은 경우 제2 유동층 반응기(20)의 고체층(S) 높이(H10)가 급격하게 증가하여 위험한 상황이 초래될 수 있으나 본 발명의 일 실시예에서와 같이 복수의 하부 루프실(410, 420)을 사용하는 경우에는 제2 유동층 반응기(20)의 고체층(S) 높이(H10)가 제1 하부 유입관(411)의 아래 높이(H11)에 도달하면 제1 하부 루프실(410)을 통해 고체입자가 배출되므로 고체층(S) 높이(H)가 더 이상 증가하지 않고 제1 하부 유입관(411)의 아래 높이(H11) 이하가 되도록 유지될 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 의하면, 하부 루프실(40)로서 중력 방향에서 상, 하부로 배치된 복수의 하부 루프실(410, 420)을 사용하는 것에 의해, 제2 유동층 반응기(20) 내부의 고체층(S) 높이(H10)가 낮은 조건 (H10<H11)에서도, 제2 하부 루프실(420)을 구동하는 것에 의해 고체 순환의 유지가 가능하며, 또한, 제1 및 제2 하부 루프실(410, 420) 모두에 유동화 기체를 주입하면서 그 유량을 제어하는 것에 의해 폭 넓은 고체 순환 속도의 제어가 가능하여 제1 하부 루프실(410)의 제1 하부 유입관(411)과, 제2 하부 루프실(420)의 제2 하부 유입관(421) 사이에서 고체층(S) 높이(H)를 유연하게 제어할 수 있다. 또한, 급격한 압력 변동이 있더라도 제1 하부 루프실(410)의 제1 하부 유입관(411)의 아래 높이(H11) 이상으로 고체층(S) 높이(H)가 상승하는 것을 방지할 수 있는바, 반응기에서의 안전성을 유지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
100: 순환 유동층 시스템
10: 제1 유동층 반응기
20: 제2 유동층 반응기
30: 상부 루프실
40: 하부 루프실
50: 제1 사이클론
60: 제2 사이클론
410: 제1 하부 루프실
420: 제2 하부 루프실
411: 제1 하부 유입관
412: 제1 하부 하강관
413: 제1 하부 상승관
414: 제1 하부 배출관
421: 제2 하부 유입관
422: 제2 하부 하강관
423: 제2 하부 상승관
424: 제2 하부 배출관

Claims (10)

  1. 각각이 유동화 기체를 주입받는 복수의 유동층 반응기와 복수의 유동층 반응기 각각으로부터 배출되는 기체와 고체를 분리하는 복수의 사이클론을 포함하는 순환 유동층 시스템으로서,
    상기 복수의 유동층 반응기는 적어도 제1 유동층 반응기 및 제2 유동층 반응기를 포함하고,
    상기 제1 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자가 유입되어 상기 제2 유동층 반응기로 배출되는 상부 루프실,
    상기 제2 유동층 반응기로부터 배출된 고체 입자를 상기 제1 유동층 반응기로 배출하여 순환시키는 하부 루프실을 포함하고,
    상기 하부 루프실은, 중력 방향에서 서로 다른 높이에 배치되는 제1 하부 루프실 및 제2 하부 루프실을 포함하고,
    상기 제1 하부 루프실은 상기 제2 유동층 반응기로부터 고체 입자가 배출되는 제1 하부 유입관을 포함하고,
    상기 제2 하부 루프실은 상기 제2 유동층 반응기로부터 고체 입자가 배출되는 제2 하부 유입관을 포함하며,
    상기 제2 하부 유입관은 상기 제1 하부 유입관에 비해 중력 방향에서 하부에 위치하는 순환 유동층 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 제2 유동층 반응기 내부에 존재하는 고체가 이루는 고체층의 높이는, 상기 제2 유동층 반응기 내부의 바닥면으로부터 상기 제2 하부 유입관까지의 높이 이상이고, 상기 제2 유동층 반응기 내부의 바닥면으로부터 상기 제1 하부 유입관까지의 높이 이하인 순환 유동층 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 제1 하부 루프실은 상기 제1 하부 유입관과 순차로 연결된 제1 하부 하강관, 제1 하부 상승관 및 제1 하부 배출관을 포함하고,
    상기 제2 하부 루프실은 상기 제2 하부 유입관과 순차로 연결된 제2 하부 하강관, 제2 하부 상승관 및 제2 하부 배출관을 포함하고,
    상기 제1 하부 배출관은 상기 제2 하부 배출관과 연결되어 있는 순환 유동층 시스템.
  5. 제4항에서,
    상기 하부 루프실에 주입되는 유동화 기체는, 상기 제1 하부 하강관과 상기 제1 하부 상승관 사이, 및 상기 제2 하부 하강관과 상기 제2 하부 하강관 사이에 각각 주입될 수 있는 순환 유동층 시스템.
  6. 제5항에서,
    상기 하부 루프실에 주입되는 유동화 기체의 유량 제어를 통해 상기 고체 입자의 순환 속도를 조절하는 순환 유동층 시스템.
  7. 제5항에서,
    상기 제2 유동층 반응기 내부에 존재하는 고체가 이루는 고체층의 높이가, 상기 제2 유동층 반응기 내부의 바닥면으로부터 상기 제1 하부 유입관까지의 높이와 동일하거나 높은 경우,
    상기 제1 하부 루프실에 유동화 기체를 주입하여 상기 제2 유동층 반응기로부터 상기 제1 하부 유입관으로 고체를 배출시키는 순환 유동층 시스템.
  8. 제5항에서,
    상기 제2 유동층 반응기 내부에 존재하는 고체가 이루는 고체층의 높이가, 상기 제2 유동층 반응기 내부의 바닥면으로부터 상기 제1 하부 유입관까지의 높이보다 낮을 경우,
    상기 제2 하부 루프실에 유동화 기체를 주입하여 상기 제2 유동층 반응기로부터 상기 제2 하부 유입관으로 고체를 배출시키는 순환 유동층 시스템.
  9. 제5항에서,
    상기 제1 하부루프실과 제2 하부 루프실 모두에 유동화 기체를 주입하여 고체 순환 속도를 향상시키는 순환 유동층 시스템.
  10. 제1항에서,
    상기 상부 루프실은, 고체가 유입되는 상부 고체 하강관, 상기 상부 고체 하강관과 연결되는 상부 고체 상승관 및 상기 상부 고체 상승관과 연결되어 상기 제2 유동층 반응기로 고체를 배출하는 상부 고체 배출관을 포함하고,
    상기 제2 유동층 반응기에서 상기 상부 고체 배출관은 상기 하부 루프실보다 상부에 배치되는 순환 유동층 시스템.
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