KR19990067207A - 화학적 및 물리적 공정용 순환 유동층 장치 - Google Patents

화학적 및 물리적 공정용 순환 유동층 장치 Download PDF

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세포 루오투
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티파니 알로 ; 카리 케스키바리 ; 크리스티나 코르피
네스테 오와이
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Abstract

본 발명은 제 2 단위공정이 제 1 단위공정에서 오염된 미립자를 재생시키는 역할을 하는, 미립자 매질을 사용하는 두 개의 독립된 단위공정으로 구성된 물리적 및 화학적 공정의 수행에 적합한 장치에 관한 것이다. 그 장치는 제 1 단위반응의 수행용 제 1 반응기(1-3); 제 2 단위반응의 수행용 제 2 반응기(4-6); 제 1 반응기(1-3)와 제 2 반응기(4-6) 사이에 위치한, 오염된 미립자를 제 1 반응기로부터 제 2 반응기로 전달하기 위한 제 1 전달 채널(20); 및 제 2 반응기(4-6)와 제 1 반응기(1-3) 사이에 위치한, 재생된 미립자를 제 2 반응기로부터 제 1 반응기로 전달하기 위한 제 2 전달 채널(29)을 포함한다. 본 발명에 따르면, 제 1 반응기(1-3)는 축방향 환형 단면의 반응 공간을 가지는 순환 유동층 반응기를 포함하고, 제 2 반응기(4-6)는 제 1 반응기를 대칭적 동심형으로 포위한 순환 유동층 반응기를 포함하여, 제 2 반응기도 축상 환형 단면의 반응 공간을 가진다. 본 발명에 따르는 구조는 높이 대 직경비가 작은 큰 설비를 실행하는 것을 가능하게 하여, 설비의 족문/공간 필요가 최소화되고, 열팽창과 관련된 문제가 본질적으로 감소된다.

Description

화학적 및 물리적 공정용 순환 유동층 장치
화학 및 에너지 산업에서 다수의 공정은 두 개의 독립된 촉매적, 비촉매적 또는 물리적 단위공정을 포함한다. 화학적 공정에서, 제 1 단위공정은 목적하는 화학 반응을 달성하기 위하여 수행되고, 제 2 단위공정은 공정에서 사용된 불활성 또는 촉매 미립자를 재생시키는 역할을 한다. 본 명세서에서, 재생이란 용어는 단순히 고체의 재가열을 의미하거나, 미립자가 촉매인 경우에는, 재가열에 의한 그의 재활성화를 의미할 수 있다. 유사하게, 물리적 공정에서 고체 매질은 한 단위공정으로부터 다른 단위공정으로 열 또는 목적하는 생성물을 전달하기 위해 사용될 수 있다. 종종, 화학적 및 물리적 공정은 서로 연결된다: 예를 들면, 촉매적 분해에서, 화학 반응은 반응기 및 재생기 둘 다에서 일어나고, 물리적 공정으로 보완된다(단위공정 사이에 열 및 물질의 전달).
실제로, 한 가스 흐름으로부터 다른 것으로의 열교환은 공정 및 에너지 생성 기술에서 가장 중요한 작업 중의 하나이다. 오늘날, 두 개의 열교환 형태가 일반적으로 사용되며, 그들은 각각 작동 원리에 따라 관류식 또는 재생식 열교환기라고 불리운다.
관류식 열교환기에서, 열에너지는 흐름을 서로로부터 분리시키는 비투과성 벽을 통하여 전달된다. 기본적인 형태의 관류식 열교환기에서, 열에너지는 매질의 한 흐름으로부터 다른 흐름으로 벽을 경유하여 직접 전도된다. 관류식 열교환기의 구체적인 부그룹은 열전달 매질이 두 개의 관류식 열교환기 사이에서 순환되는 소위 중간 순환 관류식 열교환기를 포함한다. 그러한 열교환기는 예를 들면, 고활성 흐름이 사고시에 제 2 순환과 혼합할 수 없도록 하는 것이 반드시 필요한 원자력 발전소에서 사용된다.
또 다른 중간 순환 관류식 열교환기의 예는 연소 챔버 외부에 위치한 과열장치가 설치된 유동층 보일러에 의해 형성된다; 이러한 보일러에서, 연소 챔버에서 가열된 모래는 독립된 유동층 과열장치에서 냉각된다. 그러한 열교환기의 예가 예를 들면, 미합중국 특허 제4,552,203호에 개시되어 있다. 관류식 열교환기의 중요한 제한은 열교환기 용기벽 재료의 부식, 침식 및 내열성과 관련된다. 현재까지는, 큰 기계적 또는 화학적 응력을 나타내는 조건에서 이용할 수 있는 어떠한 실질적 벽재료도 없다. 관류식 열교환기에서 가능한 최고 온도는 종종 벽 재료의 강도에 의해 제한된다. 더욱이, 관류식 열교환기는 고가이고, 그들의 제어 가능성에서 제한된다. 그러나, 우수한 제어가능성이 중간 순환 관류식 열교환기에서 달성될 수 있다.
재생식 열교환기에서, 열에너지는 가열된 열전달 매질이 에너지를 냉각기 흐름으로 직접 접촉하에 방출하도록 한 다음, 냉각된 열전달 매질을 다시 가열기 흐름과 직접 접촉시켜 재가열하는 방식으로 전달된다. 재생식 열교환기는 그들의 작동 원리에 따라 주기적 및 연속적 작동 형태로 더 분류된다.
주기적 작동 재생식 열교환기에서는, 가열기 및 냉각기 흐름이 단일 고체 구조(solid structure)를 경유하여 주기적으로 통과되며, 고체 구조는 이에 의해 열에너지를 교호로 저장하고 방출한다.
연속적 작동 재생식 열교환기에서는, 열저장 매질이 한 흐름으로부터 다른 흐름으로 연속적으로 재순환된다. 가장 잘 알려진 형태의 연속적 작동 재생식 열교환기는 다공질 구조의 회전 열교환기 디스크가 열에너지를 한 물질 흐름으로부터 다른 물질 흐름으로 전달하는 륭슈트룀(Ljungstroem) 재생식 열교환기이다. 이 재생식 열교환기는 예를 들면, 염화리튬 페이스트로 코팅된 표면에 습기 전달을 추가로 제공하는 공기조화 재생식 열교환기와 같이, 다른 응용을 위해 변형되어 왔다.
고정된 형태의 접촉하는 열전달 요소를 가지는 상기한 종류의 재생식 열교환기외에, 과립형의 열전달 매질에 기초한 재생식 열교환기가 당업계에 공지되어 있다.
과립형 열전달 매질을 고정층 상태로 가지는 몇가지 다른 형태의 재생식 열교환기가 알려져 있고, 이 때 열전달 매질은 베드의 층 사이에서 기계적으로 재순환된다.
독일 특허 제3,225,838호는 가스 흐름 사이의 열전달을 위하여 과립화된 열전달 매질(예를 들면, 자기 펠릿)을 사용한다. 과립형 베드 물질은 유동화되고, 이에 의해 펠릿이 깨끗하게 유지되며, 열교환기의 막힘을 피할 수 있다. 미합중국 특허 제4,307,773호는 기포 유동화된 베드 층을 기초로 한 재생식 열교환기 시스템이 고온의 오염된 유체 흐름의 가스로부터 열회수를 위해 사용되는 또 다른 형태의 공정 및 장치를 개시하고 있다.
상기 특허 외에, 독립하고 평행하며 기포 유동화된 베드 층들로 존재하는 과립형 물질의 교호 가열/냉각에 기초한, 상이한 형태의 재생식 열교환기가 공지되어 있다. 영국 특허 제2,118,702호는 하방으로 드리블링(dribbling)하는 고정 베드 층들에 기초한 재생식 열교환기를 개시하고 있다.
과립형 물질의 고정된 열전달 요소 및 고정된 적층 영역에 기초한 재생식 열교환기의 중요한 문제는 그들을 깨끗하게 유지하는 방법이다. 또한, 흐름이 서로 혼합되는 것을 막는 것도 이러한 재생식 열교환기에서 밀폐 문제의 원인이 된다. 아울러, 열전달 물질에 형성되는 온도차는 열전달 요소 또는 물질의 수명을 제한하는 기계적 응력을 부여한다. 적층된 고정층 재생식 열교환기의 단점은 흐름을 고정된 베드 층들로 전달하는 것이다. 더욱이, 고정된 베드 층들은 분명히 흐름의 방향으로 불가피한 온도 구배를 야기하고, 층의 온도를 제어하기 어렵다.
두 개의 독립된 단위공정을 수행하는 유동층 반응기 시스템에 기초하여 가장 일반적으로 사용되는 공정 중의 하나는 FCC 설비이며, 이것은 탄화수소의 촉매적 분해를 위한 것이고, 주로 빠른 유동화 흐름 상태로 작동되는 수직관(반응기), 희석된 현탁상으로 작동되는 촉매와 반응 생성물의 싸이클론 분리기, 및 유동층 상태로 작동되는 대용량 재생기로 구성된다. FCC 설비의 예는 미합중국 특허 제4,957,617호에 예시된 실시태양이 대표적이다.
촉매적 유동층 반응기의 다른 응용의 예는 다음과 같다:
- 촉매적 개질,
- 프탈산 무수물 또는 말레산 무수물의 제조,
- 메탄의 산화적 이량화,
- 피셔-트롭쉬(Fischer-Tropsch) 합성,
- 탈수소,
- 메탄, 에탄, 및 유사 알칸의 염소화 및 불소화, 및
- 메탄올의 올레핀 또는 가솔린으로의 변환.
유동층 반응기를 사용하는 비촉매적 공정의 예는 다음과 같다:
- 열분해.
- 촉매 재생, 및
- 가스화 공정.
적합한 물리적 공정의 예는 다음과 같다:
- 건조,
- 두 가스 사이의 열교환, 및
- 흡착.
유동층 반응기에서, 흐름 속도는 사용되는 열전달 물질의 물리적 성질에 따라 적응되어야 하고, 재생기의 제어 범위는 최소 유동화 속도와 압축공기 운반 속도 사이에서 제한된다. 실제로, 이것은 재생기의 열전달 매질이 굵은 과립형 크기를 가지거나, 사용된 흐름 속도가 낮게 유지되어야만 한다는 것을 의미한다. 더욱이, 열전달 매질을 유동 베드 층들 사이에서 독립된 흐름의 과도한 혼합을 피하는 방식으로 재순환하는 것은 문제가 있다. 이 문제는 열전달 흐름 사이의 높은 압력차에서 두드러지게 된다. 여기서, 일반적으로 기계적 밸브를 사용하는 것이 필요하며, 그의 마손 및 온도 제한은 이러한 종류의 재생기의 이점의 본질적인 부분을 제거한다. 종래의 유동층 및 고정층 재생기는 열전달 매질을 하부 유니트로부터 상부 유니트로 재순환하기 위한 기계적 또는 압축공기 전달 장치의 사용을 필요로 한다. 설비 및 공정 기술의 관점에서, 그러한 전달 장치는 실행하기가 거의 불가능하다.
상기 단점에 대한 본질적인 개선이 핀랜드 특허 제924,438호에 기재된 실시태양에 의해 제공되고, 여기서 설비는 2 이상의 평행하게 연결된 순환 유동층 반응기(이하, "CS" 반응기라고 함)를 포함한다. 화학적 공정 중, 촉매적 분해 또는 탈수소 공정은 상기 특허에 개시된 설비 구성을 기초로 건설될 수 있다. 그러나, 이러한 장치의 기술적 수단은 보다 상세히 후술될 어떤 문제를 포함하는데, 그 문제는 그들의 한계가 극복될 수 없는 한, 이러한 반응기 장치의 완전한 이용을 방해한다. 가장 어려운 문제 중의 하나는 쓰기 불편한 높이를 가지는 거대 설비의 건설을 강요하는 CS 반응기들 사이에서 순환하는 고체의 긴 수평이동 거리와 관련된다.
따라서, 많은 CS 반응기가 서로 인접하게 배열되는 경우에, CS 반응기를 불편하게 높게 하지 않고 고체의 안정한 순환을 달성하는 것이 실제로 불가능하다. 또한, 열전달 매질을 위한 전달 채널의 디자인은 건설 문제를 부여한다. 아울러, 인접하게 위치한 CS 반응기에 필여한 족문(footprint)도 과도하게 크게될 것이다.
본 발명은 미립자 매질을 사용하는 두 개의 독립된 단위공정으로 구성된 화학적 및 물리적 공정을 수행하기 위한 청구의 범위 제1항의 전제부에 따르는 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 그러한 장치는 제 1 단위공정을 수행하기 위한 반응기, 제 2 단위공정을 수행하기 위한 재생기, 및 상기 반응기와 상기 재생기 사이에 배열된 상기 미립자 매질을 반응기로부터 재생기로 전달하기 위한 전달 채널과 재사용을 위해 재생된 미립자 매질을 재생기로부터 반응기로 귀환시키기 위한 그 사이의 귀환 채널을 포함한다.
본 발명의 목적은 상기한 종래기술의 문제점을 극복하고, 물리적 및 화학적 공정을 수행하기 위한 완전히 새로운 종류의 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 목적은 내부가 반응기로서 작용하고 외부가 재생기로서 작용하는 두 개의 동심형 반응기의 형태로 장치를 제조함으로써 달성된다. 그래서, 두 반응기의 반응 공간은 원주형 또는 부분 원추형의 두 개의 동심형으로 위치한 외피면 사이의 외피간 수직 공간을 포함하고, 이에 의해 외피간 수직 공간은 적어도 본질적으로 축방향 환형인 단면을 가진다.
보다 구체적으로, 본 발명에 따르는 장치는 청구의 범위 제1항의 특징부에 기술된 것이 주특징이다.
본 발명의 주요 장점은 하기와 같다:
1. 장치에서 CS 반응기들의 대칭적 동심형 구조는 큰 설비에서 열전달 매질의 수평이동 거리를 최소화한다.
2. 본 발명에 따르는 구조는 높이 대 직경비가 작은 큰 설비를 실행하는 것을 가능하게 하다.
3. 설비의 족문/공간 필요가 최소화된다.
4. 설비의 열팽창 문제가 본질적으로 감소된다.
5. 설비는 소형이고, 튼튼하며, 설치가 용이한 본체를 형성한다.
6. 설비에 열전달 매질을 위한 다수의 출입 노즐이 제공될 수 있어, 재생기의 CS 반응기에서 혼합하는 수평 고체를 제어하기가 더 용이하다. 이러한 특징은 장치의 몇몇 CS 반응기가 물리적 및 화학적 반응을 실시하기 위해 사용되는 경우에 실질적으로 중요할 수 있다.
본 발명의 개념에 따르면, 두 개의 순환 유동층 반응기가 대칭적 동심형으로 제조되어, 상승하는 부유 촉매의 수직 채널은 본질적으로 축방향 환형인 단면을 가진다. 수직 채널은 배플(baffle)에 의해 부분 채널들로 분리될 수 있다. 반응기는 적어도 본질적으로 수직인 경축을 가지므로, 본 명세서에서 반응기의 단면이란 용어는, 달리 명시하지 않는 한, 수평 단면을 의미하는 것으로 이해되어야 한다. 수직 채널은 설비의 화학적 또는 물리적 반응 공간으로서의 역할을 한다. 대칭적 구조의 본질적 성질 및 결과는 수직관에 연결된 싸이클론도 축방향 대칭 구조를 가진다는 것이다.
이하, 본 발명 및 그의 이점을 상세한 설명에 의해, 특히 촉매적 분해 및 열전달 공정에 적합한 장치의 바람직한 실시태양의 약측면도를 예시하고 있는 첨부된 도면을 참조로 보다 구체적으로 설명하고자 한다.
본 발명은 주로 오일 정제 및 석유화학 산업의 화학적 공정에서 사용하고자 하나, 다수의 그의 장점이 식품 산업의 건조 공정 및 금속 산업 및 요업의 열교환 공정과 같은 다수의 기타 화학적 및 물리적 공정에서도 이용될 수 있다.
구조
본 발명의 최대 장점은 그것이 독립된 장치들의 조합에 기초한 설비 설계를 사용함으로써 가능한 것보다 더 소형인 장치들의 건설을 용이하게 하여, 본질적으로 더 작은 족문 및 더 용이한 설치를 가능하게 한다는 것이다. 소형 구조의 또 다른 장점은 장치의 유지 및 제조가 더 간단하고 저렴할 것이라는 것이다.
단열 라이닝이 압력 외피의 온도를 구성 재료에 의해 규정된 어떤 한계 아래로 유지하기 위하여 화학적 산업의 반응기에서 주로 필요하다. 라이닝의 디자인에서는, 통상적으로 규모 경제의 법칙이 지배한다: 설비 크기가 증가되는면, 최종 생성물의 제조된 양에 대해 더 적은 라이닝이 필요하다. 이 법칙은 일반적으로 최대 필요 용량의 단일 장치의 현장 건설을 초래하여, 그 유니트의 방해받지 않은 기능이 때때로 플랜트의 전 작동에 중대하게 된다. 대조적으로, 본 발명에 따른 반응기 장치는 유사한 용량의 설비에 비하여 더 작은 외부 표면적을 가지며, 그것은 라이닝이 덜 필요하다는 것을 의미한다. 더 작은 라이닝 재료 질량 때문에, 신규 장치는 더 가벼운 구조를 가질 수 있고; 심지어 장치는 직렬 제조 및 작업장 재조정을 위해 최적화된 기준척도 구조(modular construction)로 휴대용으로 디자인되어, 필요한 공정 흐름 용량을 제공하기 위한 현장에서의 평행 연결(예를 들면, 2-6pcs.)에 적합할 수 있다. 그래서, 재조정을 위해 필요한 반응기 유니트가 설계로부터 단절되고 재조정을 위해 작업장으로 이동될 수 있다. 따라서, 설비 유지가 일반적으로 공정 플랜트의 다른 예정된 폐쇄와 동시성을 가져야 하는, 예를 들면, FCC 단위들로 존재하는 종래기술에 비해 본질적인 개선이 제공된다.
경제적 및 구조적 디자인 인자에 의해 단열 두께가 어떤 실제적 한계를 넘어 증가할 수 없기 때문에, 공정 설비에서 열손실의 양은 장치의 외부 표면적에 의해 결정된다. 그것의 소형 구조 때문에, 본 발명에 따르는 신규한 반응기 구조는 종래 설비에 비해 본질적으로 감소된 열손실을 달성한다.
아울러, 상이한 온도에서 작동하는 설비의 전달 파이프 및 요소의 열팽창은 종종 고가의 벨로우즈 보정판 및 기타 장치에 의존함으로써 해결되어야만 하는 디자인 문제를 야기한다. 본 발명에 따르는 실시태양은 열팽창에 대해 우수한 접근을 제공한다: 장치에서 대부분의 요소는 축방향 및 방사상으로 자유롭게 팽창할 수 있다.
유동 역학
종종, 플랜트 설비 설계 및 치수는 한 장치로부터 다른 장치로 미립자의 이동 거리에 의해 규정된다. 본 발명에 따르는 실시태양은 적당한 반응기와 재생기 사이의 수평이동 거리를 짧게 유지하여, 설비의 높이를 낮게 하고, 어떠한 복잡한 기계적 및 압축공기 전달 시스템도 불필요하게 할 수 있도록 하는 장점을 제공한다. 더욱이, 고체들은 본 발명에 따르는 구조에서 유니트들의 동심형 대칭 배열에 의해 축방향 환형 단면의 전 영역에 걸쳐 분포되기 용이하다.
관련된 화학적 반응이 촉매적 분해 또는 탈수소를 포함하는 경우에, 반응기 및 재생기는 본 발명자들에 의해 출원된 유사 특허출원에 개시된 축방향 환형 단면의 수직관을 기초로 하는 구조를 가질 수 있고, 공정 자체는 핀랜드 특허 제941,528호에 개시된 설비 구성을 기초로 하여 거기에 개시된 모든 필수 구성요소를 포함할 수 있다. 유니트들을 본 발명에 따라 동심형 대칭 방식으로 배열하여, 구조 및 유동 역학의 관점에서 상당한 이점을 얻을 수 있다: 본 실시태양은 촉매와 가스상 공급물 사이의 접촉 시간의 개선된 제어를 제공하고; 오일 또는 가스 공급물이 반응기 단면에 걸쳐 균일하게 분포될 수 있으며; 어떠한 중요한 문제도 유니트들의 열팽창에 의해 부여되지 않는데, 그것은 동심형으로 설치된 유니트들이 서로 방해받지 않는 방식으로 작동할 수 있기 때문이다. 촉매적 분해를 위해 최적화된 반응기를 가지는 본 발명의 바람직한 실시태양에서, 반응기 및 재생기는 동심형으로 설치되어, 고체 또는 촉매는 제 1 반응기 공간으로부터 다른 것으로 축방향 환형 단면의 채널을 경유하여 순환된다. 축방향 환형 단면은 제 1 반응기 공간을 포위하고 있는 대응하는 축방향 환형 단면의 또 다른 반응 공간(재생기)에 연결된다. 또한, 제 2 반응기 공간으로부터 제 1 반응기 공간으로의 귀환 채널도 축방향 환형 단면의 채널에 의해 유리하게 형성된다. 미립자는 반응 공간으로 고체 입구를 경유하여 흐르고, 고체를 공급 분무 노즐의 수준까지 운반하는 수직관에서 하부로부터 수직방향으로 흐르는 예비유동화 가스와 반응기의 축방향 환형 수직 채널에서 혼합될 것이다. 분무 노즐로부터 소적들로 분무된 가스 또는 액체 공급물은 고온 고체 흐름과 접촉할 때 증발할 것이다. 공급물 증발 때문에, 고체 흐름 속도는 증가할 것이다. 그러나, 흐름 속도가 최소 유동화 속도 보다 상당히 크기 때문에, 고체는 가스 흐름 속도 보다 약간 더 느린 속도로 가스 흐름을 뒤따를 것이다. 반응 공간의 상부 말단에 위치한 반응기의 다입구 싸이클론에 의해 형성되는 분리 유니트는 고체 현탁물로부터 미립자의 분리를 수행한다. 싸이클론으로부터, 고체는 재생 후에 축방향 환형 하방 귀환 다리(leg)를 경유하여 반응기로 되돌려진다. 반응 생성물 가스는 싸이클론의 중심관을 경유하여 제거된다.
이하, 본 발명을 첨부된 도면을 참조하면서 보다 상세히 설명하고자 한다.
신규한 구조에 따르는 장치는 축방향 환형 수직 단면의 내부 반응기 및 오염된 촉매 입자 또는 냉각된 열전달 매질 고체가 재생되고 공정으로 귀환될 수 있는 외부 재생기를 포함한다.
하기에서, 순환 고체는 "CS"라 약칭하고, 실시예의 공정은 액체 탄화수소를 공급물로서 사용하는 촉매적 분해이다.
도면을 참조로, 본 발명에 따르는 장치의 바람직한 실시태양은 중간 외피(intermediate shell, 22)에 의해 분리된 두 개의 동심형인 원주형 CS 반응기를 포함하는데, 그의 내부 CS 반응기는 "반응기"라 하고, 외부 CS 반응기는 "재생기"라 한다.
반응기 유니트는 세 개의 동심형으로 설치된 본질적으로 원주형인 관(1,2 및 3)으로 제조되는데, 관간 공간은 축방향 환형 단면의 공간(20, 19 및 13)을 형성한다. 관은 스틸 또는 균등한 합금으로 제조될 수 있다. 이 중에서, 목적하는 반응은 공간(13)에서 수행된다. 관들은 그의 경축이 동심형 수직으로 배열되도록 설치된다. 축방향 환형 수직 공간(13) 위에, 관(2 및 3)의 연장으로서, 외부벽에 고정된 루버형(louvered) 날개(14)를 가지는 다입구 싸이클론(14, 17)이 설치된다. 싸이클론에는 생성물 가스의 제거용 중심관(21)이 제공되는 반면, 전달 채널(19 및 20)은 싸이클론에서 가스상으로부터 분리된 고체의 제거를 위한 내부 스틸관(3)의 내부 공간에 제공된다.
반응기 외피(3) 내부에서, 재생기 유니트는 세 개의 동심형으로 설치된 본질적으로 원주형인 관(4, 5 및 6)을 포함하는데, 그의 관간 공간은 축방향 환형 단면의 공간(29, 28 및 24)를 형성한다. 이 중에서, 촉매 재생은 공간(24)에서 수행된다. 내부로부터, 압력 외피(6)은 단열재 층(7)으로 라이닝되어, 외피 온도를 외피 강도에 합리적인 수준으로 유지시킨다. 반응기와 유사하게, 축방향 환형 공간(24) 위에, 날개가 원주형 관(5)이나 압력 외피(6)에 부착된 다입구 싸이클론(25, 26)이 설치된다. 싸이클론에는 재생기에서 형성된 퇴적 가스(stack gas)의 제거용 중심관(30)이 제공되는 반면, 전달 채널(28 및 29)는 싸이클론에서 가스상으로부터 분리된 촉매 고체의 제거를 위해 스틸관(5 및 6)에 의해 제공된다.
반응기의 유동화 가스 흐름은 도면에서 참조 번호 8로서 표시된다. 가스 흐름(8)은 반응 공간에 유동화 기부(12)를 통해 유입되고, 그 위에서 귀환 채널(20)을 경유하고 밸브(31)을 경유하여 유입되는 촉매와 먼저 혼합된 다음, 수직 반응기의 더 높은 위치에서 공급 파이프(16)의 분무 노즐(17)을 경유하여 주입된 공급물 흐름(10)과 혼합되며, 그렇게 함으로써 공급물은 반응 공간에서 증발된다. 혼합된 가스 흐름(8 및 10)은 가스상으로 축방향 환형 수직관(13)을 따라 이동함과 동시에, 비말동반되는(entrained) 촉매를 반응기 싸이클론의 날개(14)로 운반한다. 촉매는 열을 공급물의 증발로 방출하고, 반응이 수직관(13)에서 일어남으로써, 그의 온도는 하강한다. 날개(14)로부터, 가스 및 비말동반되는 촉매 고체는 내부 반응기 싸이클론 챔버(17)의 내부로 접선방향으로 유입되고, 거기서 촉매 고체는 싸이클론 내부벽(18)에 충돌하여 고체 전달 채널(19 및 20)에 떨어짐으로써 분리된다. 필요한 경우, 촉매 고체의 일부가 축방향 환형 채널(19)를 경유하여 반응기 저부 영역으로 넘쳐흐름(overflow)으로서 귀환될 수 있다. 채널(19)가 장치의 기능에 본질적이지는 않지만, 몇몇 경우에는 반응에 유리할 수 있다. 채널(20)에서, 촉매 고체는 농후상으로 하방으로 드리블링하여, 고체 전달 채널(20)을 경유한 반응기와 재생기 사이의 가스 흐름의 혼합이 억제될 것이다. 반응기 싸이클론에 유입된 가스 흐름(11)은 내부 싸이클론의 중심관(21)을 경유하여 반응기로부터 유출된다. 반응기로부터 재생기로의 촉매 고체 흐름은 원주형 제어 요소가 설치된 밸브(31)에 의해 제어되는데, 그것은 바(32)에 의해 기계적으로 이동가능하도록 배열된다.
재생기는 반응기 주위에, 이러한 유니트들이 농후상의 촉매 고체로 충전된 전달 채널(29)에 의해 서로로부터 분리되도록 개조된다. 반응기와 유사하게, 재생기는 장치 외피에 의해 형성된 두 개의 원주형 외피면과 외피의 내부에 설치된 반응관 사이의 외피간 수직 공간에 위치한다. 상기 반응관과 상기 반응기의 외부 원주형 외피 구조 사이에 상기 고체 전달 채널(29)를 제공하기 위하여 원주형 벽이 추가로 설치된다. 산소 함유 가스 흐름(9)는 재생기에 유동화 분배기 저부(23)을 경우하여 유입되고, 축방향 환형 수직 채널(24)에서 상승함과 동시에 촉매 고체를 재생기 싸이클론의 날개(25)로 운반한다. 재생기에서, 촉매 고체의 표면에 축적될 수 있는 코크스 및 그의 구멍에 침투될 수 있는 유기 화합물은 산화, 즉 수직 채널(24)에서 연소되고, 이에 의해 촉매 온도가 증가된다. 재생기 싸이클론 챔버(26)은 반응기 위에 적절하게 위치한다. 싸이클론 챔버(26)에서, 고체는 싸이클론 벽(27)에 충돌한 다음, 채널(28 및 29)로 떨어짐으로써 분리된다. 귀환 채널(29)는 촉매 고체를 반응기로 되돌린다. 귀환 채널에 유입되지 못한 과량의 고체는 채널(28)을 경유하여 넘쳐흐름으로서 재생기 저부 영역으로 다시 떨어질 것이다. 촉매 또는 유사한 미립자는 내부 귀환 채널에서 그의 이동 동안에 유동화 상태로 유리하게 유지되고, 따라서 제어 밸브는 불필요하다. 재생기의 퇴적 가스(12)는 재생기 싸이클론의 중심관(30)을 경유하여 제거된다. 귀환 채널(29)에서 농후상으로 서서히 하방 드리블링하는 고체는 반응기와 재생기의 가스 공간 사이의 전달을 방해한다. 재생기로부터 반응기로의 고체 흐름 속도는 밸브(33)의 원주형 제어 요소를 거기에 연결된 바(34)에 의해 기계적으로 이동시킴으로써 제어된다.
핀랜드 특허출원 제941,528호에 개시된 촉매적 분해 공정의 모의 시험을 위하여, 동심형으로 에워싸는 방식으로 제조된 두 개의 순환 유동층 반응기를 단일 유니트로 하는 소위 콜드 모델(cold model)이 건설되었다. 재생기의 외부 직경은 465mm이고, 내부 직경은 365mm인 반면, 반응기의 외부 직경은 360mm이고 내부 직경은 300mm이었다. 장치는 촉매 순환 속도를 2kg/s까지 증가시킴으로써 작동되었고, 그것은 오일 공급 속도가 500kg/h이고 촉매 대 오일비가 15인 파일럿 공정에 충분한 양이다. 작동 중, 재생기 싸이클론 입구 흐름 속도는 5.6m/s이고, 촉매의 단면 질량 흐름 속도는 200kg/m2s 초과이었다. 이러한 작동 조건에서, 싸이클론의 퇴적 가스 방출 노즐을 경유한 촉매의 캐리-오버(carry-over)는 전혀 검출되지 않고, 시스템의 조합은 아무런 문제가 없었다.
분명히, 기술된 실시태양의 상세는 본 발명의 영역 및 정신을 벗어나지 않고 변형될 수 있다. 예를 들면, 내부 반응기는 상술한 재생기의 것과 유사한 구조를 가지는 다수의 동심형 대칭 외부 반응기에 의해 포위될 수 있다.

Claims (10)

  1. 제 2 단위공정이 제 1 단위공정에서 오염된 미립자를 재생시키는 역할을 하는 미립자 매질을 사용하는 두 개의 독립된 단위공정을 포함하는 물리적 및 화학적 공정의 수행용 장치로서,
    - 제 1 단위반응의 수행용 제 1 반응기(1-3),
    - 제 2 단위반응의 수행용 제 2 반응기(4-6),
    - 제 1 반응기(1-3)와 제 2 반응기(4-6) 사이에 위치한, 오염된 미립자를 제 1 반응기로부터 제 2 반응기로 전달하기 위한 제 1 전달 채널(20), 및
    - 제 2 반응기(4-6)와 제 1 반응기(1-3) 사이에 위치한, 재생된 미립자를 제 2 반응기로부터 제 1 반응기로 전달하기 위한 제 2 전달 채널(29)을 포함하는 장치에 있어서,
    - 제 1 반응기(1-3)가 축방향 환형 단면의 반응 공간을 가지는 순환 유동층 반응기를 포함하고,
    - 제 2 반응기(4-6)가 제 1 반응기를 대칭적 동심형으로 포위한 순환 유동층 반응기를 포함하여, 제 2 반응기도 축상 환형 단면의 반응 공간을 가지며,
    - 상기 반응기들에 다입구 싸이클론(14, 17; 25, 26)에 의해 형성되는 기체 및 고체 분리수단이 설치된 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서, 제 1 반응기(1-3) 및/또는 제 2 반응기(4-6)의 반응 공간이 두 개의 동심형으로 위치한 원주형 및/또는 원추형 외피면들 사이에 형성된 외피간(intershell) 수직(riser) 공간을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 반응 공간이 분할 배플(partition baffle)에 의해 평행 흐름 구간들로 분리되는 것을 특징으로 하는 장치.
  4. 제3항에 있어서, 평행 흐름 구간이 두 개의 동심형으로 설치된 원주형 외피면들 사이에 반응 공간의 경축에 평행하게 정렬된 배플 판을 스패닝(spanning)함으로써 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제3항에 있어서, 본질적으로 축방향 환형인 단면의 반응 공간이 원형으로 등거리 이격된 평행 반응관들에 의해 형성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 두 개의 동심형으로 설치된 원주형 외피면들 사이에, 수직 반응기의 경축을 따라 나선형으로 뻗은 배플 판이 스패닝되는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 상기 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 제 1 반응기(1-3) 및/또는 제 2 반응기(4-6)가 적어도 본질적으로 수직인 경축을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 상기 항들 중의 어느 한 항에 있어서, 제 1 반응기(1-3) 및/또는 제 2 반응기(4-6)가 수직 높이의 함수로서 변하는 수직 흐름 단면을 가지는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 싸이클론의 날개(14; 25)가 부분적으로 또는 완전히 수직 채널 내부에 위치한 싸이클론 챔버(17; 26)의 주위에 원형 루버(louver)형으로 개조되어, 복수의 유입 가스 흐름용 평행 입구 채널을 형성할 수 있는 루버로서 작용하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 제 1 고체 전달 채널(20)이 두 개의 원주형 또는 부분적 원추형 외피면(1, 21)들 사이의 외피간 수직 공간에 의해 형성되는 축방향 환형 단면의 채널을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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