KR20000005244A - 대용량 증기-액체 접촉 트레이 - Google Patents

Abstract

수평 유동 통로로 개구(38)를 통해 증기를 수직 상향 유동하도록 재지향시키는 복수의 개구(38)와 관련된 고정 지붕 구조물(42)을 포함하는 증기-액체 접촉 트레이(26)가 제공된다. 각 고정 지붕 구조물(42)은 트레이의 관련된 개구 위로 이격되고 중첩하는 대체로 평면의 편향기(44)를 포함한다. 편향기는 한 단부에서 트레이(26)에 연결되고, 다른 단부에서 편향기(44)에 연결된 단부판(46)에 의해 트레이(26)에 결합된다. 한 실시예에서 편향기(44)는 트레이에 대해 경사져 바람직하게는 증기 흐름을 한 방향으로 지향시키거나, 증기 흐름을 동일한 일반적 방향으로 지향된 동일한 부분들로 분할한다. 개구(38) 및 편향기(44)는 증기를, 그리고 이에따라 액체를 액체 정체 및 구배가 문제되는 트레이의 영역들로 밀어내도록 배열된다. 트레이의 유입구 단부의 액체 수용 영역에 가장 근접한 개구의 열의 고정 지붕 구조물(42)은 단부 판들이 수용 영역을 벗어나는 액체의 진입에 대해 개구를 차폐하도록 지향된다. 루버형 지붕 구조물(42)이 제1 열의 개구들 중 적어도 일부와 관련 사용되어 개구들의 이어지는 열에서 개구(38)을 통해 스미는 액체의 진입을 감소시키면서 액체의 더 신속한 거품 발생이 얻어지게 한다.

Description

대용량 증기-액체 접촉 트레이

증기-액체 접촉 트레이는 상향 유동하는 증기 흐름과 하향 유동하는 액체 흐름 사이의 접촉을 용이하게 하기 위해 질량 전달 및 교환 칼럼에서 사용된다. 트레이는 칼럼 내에 수평으로 배치되어 그위를 액체 흐름이 가로질러 유동할 수 있는 수평면을 제공한다. 트레이는 통상적으로 고체 시트형 재료로 형성되고, 트레이를 통해 상향 유동하는 증기가 트레이의 상부면을 가로질러 유동하는 액체와 상호작용할 수 있게 허용하는 복수의 개구를 포함한다. 체 트레이(sieve tray)로 알려진 트레이에서 개구는 칼럼의 작동중 개구를 통해 상향 통과하는 증기의 압력이 액체가 개구를 통해 하향 통과하는 것을 제한하거나 방지하기에 충분한 작은 크기이다. 다른 종류의 트레이에서 이동가능 밸브 또는 버블 캡과 같은 고정 구조 요소가 개구 위에 제공되어 액체의 하향 통과를 밀봉할 수 있다.

하향 유도부(downcomer)가 전술한 증기-액체 접촉 트레이와 조합 사용되어 액체가 한 트레이로부터 그 아래의 트레이로 하향 통과하는 액체 통로를 제공한다. 단일 통과 트레이 배열에서 하향 유도부는 수직으로 인접한 트레이의 대향 단부에 제공되어 액체가 다음의 하부 트레이로 통과를 위해 하향 유도부로 들어가기 전에 입구 단부로부터 출구 단부로 한 트레이를 완전히 가로질러 유동하여야 하게 한다. 그후 액체는 하부 트레이를 가로질러 반대 방향으로 유동하고, 동일한 전후 방식으로 하부 트레이로 통과되어 가로지르기 위해 관련된 하향 유도부로 진입한다. 이중 통과 트레이 배열에서 트레이는 각 트레이상에 대향 방향으로 이동하는 2개의 흐름으로 분할된다. 중심 하향 유도부가 모든 다른 트레이에 제공되고 2개의 단부 하향 유도부가 중간 트레이의 대향 단부에 위치되어 이중 통과 유동 패턴을 제공한다.

둑이 또한 통상적으로 증기-액체 접촉 트레이의 출구 단부에 사용되어 액체가 트레이의 상부면에 축적되게 하여 트레이 데크의 개구를 통해 상향으로 기포를 형성하는 증기와의 상호작용을 향상시킨다. 증기-액체 접촉 트레이의 개루를 포함하는 트레이 데크의 영역은 트레이의 "활성 영역"이라 하며, 이는 증기 액체 상호 작용이 이 영역의 트레이 위에서 일어나기 때문이다. 활성 영역은 통상적으로 위에 놓인 트레이와 관련된 하향 유도부의 출구 바로 아래에 위치한 트레이 데크의 입구 단부에서의 영역을 포함하지 않는다. 하향 유도부 출구 아래의 트레이의 이 영역은 하향 유도부 수용 영역이라 하며, 통상적으로 하향 유도부로부터의 수직 유동 토출을 수용하는 고체 판이고, 이를 수평으로 재지향시켜 트레이를 가로질러 유동하게 한다.

전술한 종류의 종래의 트레이와 관련된 한가지 문제는 액체가 트레이를 가로질러 불균형하게 유동하기 쉽다는 것이다. 원형 트레이의 폭은 입구 단부로부터 트레이의 중간 지점까지 액체 유동의 방향으로 증가하고, 그후 중간 지점으로부터 출구 지점까지 감소하기 때문에 액체는 트레이의 중심부를 따라 우선적으로 유동하는 경향이 있다. 이는 종종 트레이 성능을 감소되게 하며, 이는 액체가 트레이의 횡방향 가장자리 또는 다른 부분을 따라 정체하거나 불균일한 구배를 형성하기 때문이다. 액체 정체 및 불균일 구배를 감소시키려는 이전의 시도는 증기를 수직으로부터 수평 유동 통로로 재지향시키는 개구의 사용을 포함한다. 그러므로 개구는 개구 근처의 액체가 재지향된 증기의 방향으로 유동하게 한다. 윌리암스(Williams) 등의 미국 특허 제3,417,975호 및 브루커트(Bruckert) 등의 미국 특허 제3,282,576호에 개시된 것과 같이 규칙적 체형 구멍(regular sieve-type opening)이 개구와 조합 사용된다. 증기 재지향 개구 및 체형 구멍의 이 조합이 원하는 결과를 얻을 수 있지만, 트레이의 제조는 시간을 소모하는 공정이며, 이는 별도의 기계가 체형 구멍을 먼저 형성하고 그후 증기 재지향 개구를 형성하기 위해 반드시 사용되어야 하기 때문이다. 그러므로 더 용이하게 제조될 수 있고 트레이를 가로지르는 그리고 가장 자리를 따른 원치않는 구배와 액체 정체를 감소시키는 향상된 트레이를 제공할 필요가 있다.

증기-액체 접촉 트레이의 설계시 중요한 다른 고려 사항은 증기 취급 용량을 증가시키고 그러므로 트레이의 효율을 증가시킬 필요성이다. 체 트레이에서 이는 통상적으로 트레이상의 개방 영역을 증가시키기 위한 개구의 수 및/또는 크기를 증가시킴으로서 달성된다. 그러나 트레이의 성능은 증가된 양의 액체가 개방 영역을 통해 통과할 때 또는 누설(weep)될 때 설계 증기 유량보다 낮은 유량의 단점을 가질 수 있다. 이 문제를 극복하기 위해 버블 캡(bubble cap) 또는 압력 감응 밸브가 개구 위에 제공될 수 있어 낮은 증기 유량에서 구멍을 통한 액체 누설량을 감소시킨다. 밸브는 트레이 성능을 향상시키는 것으로 믿어지는 수직 유동 통로보부터 수평 유동 통로로의 증기의 편향의 장점을 갖는다. 이들 밸브는 트레이에 필요한 유지 보수 및 경비를 현저하게 증가시키므로, 적어도 일부 응용에서는 개방 영역 위로 고정된 편향기를 사용하는 것이 바람직하다.

본 발명은 일반적으로 질량 전달 및 교환 칼럼에 관한 것이고, 더 자세하게는 이같은 칼럼 내에 사용된 증기-액체 접촉 트레이에 관한 것이다.

첨부 도면은 명세서의 일부를 구성하고, 동일한 참조 부호는 동일한 부품을 나타낸다.

도1은 본 발명에 따라 구성된 증기-액체 접촉 트레이를 사용하는 질량 전달 칼럼의 일부 절취 사시도이다.

도2는 화살표 방향으로 도1의 선 2-2를 따라 취한 수평 단면에서의 칼럼의 평면도이고, 증기-액체 접촉 트레이 중 하나를 도시한다.

도3은 도2의 참조 부호 3에 의해 지시된 영역 내에서 취한 증기-액체 접촉 트레이의 확대 부분 평면도이다.

도4는 증기-액체 접촉 트레이에 형성된 고정 지붕 개구의 한 실시예의 확대 부분 사시도이다.

도5는 화살표 방향으로 도4의 선5-5를 따라 취한 도4에 도시된 고정 지붕 개구의 측면도이다.

도6은 지붕이 측면에서 측면으로 경사지는 고정 지붕 개구의 변형예의 확대 부분 사시도이다.

도7은 화살표 방향으로 도6의 선 7-7을 따라 취한 도6에 도시된 고정 지붕 개구의 측면도이다.

도8은 지붕이 한 단부로부터 다른 단부로 경사지는 고정 지붕 개구의 다른 변형예의 확대 부분 사시도이다.

도9는 화살표 방향으로 도8의 선 9-9를 따라 취한 도8에 도시된 고정 지붕 개구의 측면도이다.

도10은 트레이의 유입구 단부에서 개구들의 제1열의 증기-액체 접촉 트레이에 위치된 고정 지붕 개구의 다른 실시예의 확대 사시도이다.

도11은 도6 내지 도10에 도시된 고정 지붕 개구의 변형예를 채용한 증기-액체 접촉 트레이의 다른 실시예의 확대 부분 평면도이다.

도12는 종래의 체 트레이와 본 발명의 증기-액체 접촉 트레이의 증기 취급 용량을 비교하는 그래프이다.

본 발명의 한 목적은 트레이의 횡방향 가장자리를 따르는 것을 포함하여, 액체 정체가 더 일어나기 어렵고 더 균일한 액체 유동이 얻어지도록 지향성 증기 유동이 트레이를 가로지르는 액체 유동에 조력하게하는 고정 지붕 개구(fixed roof aperture)를 갖는 증기-액체 접촉 트레이를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 지향성 증기 유동이 트레이를 가로지르는 원하는 액체 유동에 조력하고, 고정 지붕 구조물이 트레이의 액체 수용 영역에 인접하여 위치된 개구들로의 액체의 진입에 대항하여 차폐하도록 배열된 고정 지붕 구조물을 포함하는 개구들을 갖는 증기-액체 접촉 트레이를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 편향된 증기로부터 발생하는 진공의 영향하에 하향 유도부 수용 영역으로부터 액체가 인출되게 하기 위해 트레이의 출구 단부 방향으로 증기가 편향되도록 트레이의 액체 수용 영역에 인접하여 지향된 전술한 고정 지붕 구조물들의 일부를 갖음으로써, 액체 및 증기 사이의 더 효율적인 질량 전달과 액체의 더 신속한 거품 발생을 용이하게 하는 용이하게 하는 증기-액체 접촉 트레이를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 트레이를 가로지르는 더 균일한 액체 유동을 제공하고 허용가능한 수준의 액체 포획 및 누설로 증가된 증기 취급 용량이 얻어질 수 있게 허용하는 고정 지붕 개구를 갖는 증기-액체 접촉 트레이를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 개구와 체형 구멍의 조합이 아닌 단지 고정 지붕 개구만을 사용하여 원하는 균일한 액체 유동과 질량 전달 효율을 제공함으로써, 고정 지붕 개구 및 체형 구멍 모두를 형성하는 데 필요한 별도의 공정 단계 없이 용이하게 제조될 수 있는 증기-액체 접촉 트레이를 제공하는 것이다.

이들 목적 및 다른 목적들을 위해 상승하는 증기 및 하강하는 액체 사이의 접촉과 상호작용을 용이하게 하기 위해 질량 전달 칼럼 내에 배치되는 증기-액체 접촉 트레이가 제공된다. 트레이는 상부에 위치한 하향 유도부의 토출 단부의 아래에 위치하고 그로부터 액체를 수용하는 입구 단부에서 액체 수용 영역을 갖는 적어도 부분적으로 평면인 판과, 판으로부터 액체를 제거하고 이를 하부에 위치한 트레이로 지향시키기 위해 판의 출구 단부에 위치한 하향 유도부와, 상기 액체 수용 영역 외측의 활성 영역에서의 상기 판의 복수의 구멍들 - 상기 구멍들은 입구 단부로부터 출구 단부로 상기 판을 가로질러 유동하는 액체와 상호작용하는 증기의 상향 통과를 허용하는 크기이고, 상기 액체 수용 영역에 인접하여 이를 따라 연장되는 열로 배열됨 - 과, 상기 각 구멍과 관련된 고정 지붕 구조물을 포함하고, 각 상기 고정 구조물은 관련된 구멍을 통해 수직 상향 유동하는 증기와 접촉하고 증기를 하나 이상의 대체로 수평의 유동 통로로 편향시키기 위해 관련된 구멍 위에 이격되고 그 상부에 위치하는 편향기와, 상기 관련된 구멍에 인접한 판으로 편향기의 대향 단부들을 연결하는 단부판들을 포함하고, 구멍의 제1열의 상기 구멍들과 관련된 고정 지붕 구조물들 중 일부는 관련된 구멍들 주위의 그리고 위의 액체 수용 영역을 떠나는 액체를 편향시키기 위해 액체 수용 영역과 대면하게 단부 판들을 위치시키도록 배향되고, 구멍의 제1열의 상기 구멍들과 관련된 남아 있는 고정 지붕 구조물들의 사실상 모두는 관련된 구멍들 주위 및 위의 액체 수용 영역을 떠나는 액체를 편향시키고, 관련된 구멍들로부터 상향 유동하는 증기의 사실상 모두를 상기 제1 열의 구멍을 따라 상기 증기와 혼합됨에 의해 액체의 기포 발생을 용이하게 하도록 판의 출구 단부를 향한 방향으로 재지향시키기 위해, 액체 수용 영역에 가장 근접한 가장자리를 따라 판에 연결된 편향기를 갖는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 양태는 더 균일한 액체 유동을 제공하고 트레이의 증기 취급 용량 및 효율성을 증가시키기 위해 트레이를 작동시키는 방법에 관련된다.

도면을 자세히 보면, 우선 도1은 본 발명의 복수의 증기-액체 접촉 트레이(26)가 위치한 개방된 내부 구역(24)을 한정하는 원통형 외부 셸(22)을 포함하는 질량 전달 또는 열교환 칼럼(20)을 도시한다.

칼럼(20)은 분별 증류 제품을 얻기 위한 것을 포함하여 액체 및 증기 흐름을 처리하는 데 사용되는 종류의 것이다. 칼럼(20)은 수직으로 신장되고, 도시된 원통형 외에 다각형을 포함한 적절한 임의의 형태를 갖출 수 있다. 칼럼(20)의 치수는 그안에서 수행되는 원하는 처리 작업에 필요한 것에 따라 선택될 수 있다. 마찬가지로 외부 셸로부터 선택되는 재료는 처리 작업에 상응하고 적절한 강성을 갖는 다양한 재료로부터 선택될 수 있다.

칼럼의 단지 일부분만이 도시되었으며, 이는 이들 종류의 칼럼의 일반적 구조가 당업자에게 공지되었기 때문이다. 하나 이상의 액체 흐름이 칼럼으로 지향될 수 있으며, 하나 이상의 증기 흐름이 또한 칼럼에 지향되거나 공지된 방식으로 칼럼 내에서 생성될 수 있다. 패킹의 베드와 같은 내부 구조물이 액체 및 증기 흐름의 원하는 처리를 수행하기 위해 트레이(26)를 포함하는 칼럼의 도시된 부분의 위 및/또는 아래의 영역에 통상적으로 위치할 수 있다. 연결부, 공급 라인, 제품 제거 및 리플럭스 흐름, 및 재가열기, 응축기 등의 다른 적절한 칼럼 부품들은 종래 기술에 속한 것으로 도시되지 않았다.

본 발명의 증기-액체 접촉 트레이(26)는 일반적으로 공지된 공정 변수에 기초하여 선택된 인접 트레이들 사이의 수직 간격으로 수평으로 배치된다. 각 트레이(26)는 대체로 평면이고 칼럼(20)의 수평 단면을 완전히 가로질러 연장된다. 트레이(26)는 시트 재료로부터 형성될 수 있으며, 통상적으로 칼럼(20) 내에서 일어나는 증기 및 액체 처리와 상응하는 다양한 금속으로 구성되나 반드시 그렇지는 않다. (도시되지 않은) 적절한 브라켓이 칼럼 셸(22)의 내부면상에 트레이를 지지하는 데 사용된다.

각 트레이(26)는 한 트레이로부터 다음 하부 위치 트레이의 입구 단부(29)로 하향으로 액체가 유동하게 하는 통로를 제공하는 하향 유도부(30)에 인접하여 위치한 출구 단부(28)에서 구멍을 갖는다. 하향 유도부(30)는 벽(32) 및 셸(22)이 액체 한정 통로를 형성하도록 그 대향 횡방향 단부에서 칼럼 셸(22)에 연결된 대체로 평면이고 수직 연장된 벽(32)에 의해 형성된다. 물론 하향 유도부가 트레이의 다른 곳에 위치하는 경우와 같이, 하향 유도부 구성에서 셸(22)의 모두 또는 일부분을 사용하는 대신에 추가 벽이 제공될 수 있는 것이 이해된다. 하향 유도부 벽(32)은 트레이(26)의 출구 단부(28)에 연결되고 하부 위치 트레이(26) 위의 미리 선택된 거리의 위치에 하향으로 연장된다.

하향 유도부(30)는 액체가 칼럼(20)을 통해 하강하면서 반드시 전후 방식으로 각 트레이를 완전히 가로질러 이동하도록 이어지는 트레이(26)들의 대향 단부에 위치한다. 이 종류의 유동 패턴은 단일 액체 흐름이 입구 단부(29)로부터 출구 단부(28)로 각 트레이(26)를 가로질러 유동하기 때문에 단일 통과 배열이라 한다. 본 발명의 원리는 2개 이상의 하향 유도부들이 각 트레이(26)에 위치되고 단일 액체 흐름은 2개 이상의 흐름으로 분할되는 이중 통과 또는 다른 복수 통과 트레이에도 적용가능하다.

각 트레이(26)는 또한 액체가 둑을 넘쳐 흘로 하향 유도부(30)로 진입하기 전에 트레이상의 소정의 깊이까지 액체가 축적되게 하도록 트레이(26) 위로 상향 연장되는 선택적인 둑(34)을 포함한다. 둑(34)은 통상적으로 하향 유도벽(32)의 수직 연장부로 형성되나, 필요에 따라 별도의 부품으로 형성될 수도 있다. 둑(34)은 통상적으로 상부 위치 트레이(26)와 관련된 하향 유도부(30)의 하부 토출 단부 위의 수준에서 종료되는 높이를 갖는다. 이는 하향 유도부의 토출 단부가 트레이상의 액체 수준 아래에 잠기게 하여 증기가 하향 유도부(30)로 상향 유동하는 것을 밀봉한다.

도2를 보면 각 트레이(26)는 바람직하게는 그 입구 단부(29)에서 대체로 무공의(imporforate) 액체 수용 영역(36)을 포함한다. 액체 수용 영역(36)은 대체로 평면이고 상부 배치 하향 유도부(30)의 하부 토출 단부의 사실상 완전히 아래에 위치하는 크기이다. 액체 수용 영역(36)은 토출된 액체의 하향 운동량을 편향시키고 이를 출구 단부(28)의 방향으로 트레이(26)를 가로질러 재지향시키는 역할을 한다. 액체 수용 영역(36)이 대체로 무공이지만, 본 명세서에 참고로 포함된 미국 특허 제5,480,595호에 개시된 형태의 지향성 루버 또는 다른 구멍 뚫린 구조물이 필요에 따라 액체 수용 영역에 포함될 수 있다.

도3 내지 도5를 보면 각 트레이(26)는 액체를 트레이로부터 제거하는 하향 유도부(30)와 액체 수용 영역(36) 사이의 구역에서 트레이(26)를 통해 완전히 연장되는 복수의 대체로 균일하게 이격된 구멍(38)들을 포함한다. 구멍(38)은 직사각형 형상을 갖으나, 필요에 따라 다른 형태도 가능하며, 증기가 트레이(26)를 통해 상향 통과하여 트레이의 상부면상에 걸쳐 유동하는 액체와 상호작용할 수 있게 허용하는 역할을 한다. 이들 구멍(38)를 포함하는 트레이의 구역은 그위에서 일어나는 증기-액체 상호작용 때문에 "활성 영역(40)"으로 알려져 있다.

각 구멍(38)은 다양한 종류의 고정 지붕 구조물 중 하나에 의해 덮어진다. 도4 및 도5에 도시된 종류의 고정 지붕 구조물(42)은 구멍(38)의 위에 이격되고 트레이(26)와 대체로 평면인 대체로 직사각형의 평면 편향기(44)를 포함한다. 고정 지붕 구조물(42)은 또한 편향기(44)의 대향 단부들을 트레이(26)에 연결하는 경사진 평면 직사각형 단부판(46)을 포함한다. 단부판(46)은 편향기(44)를 트레이에 부착시킬 뿐 아니라 직사각형 구멍(38)의 장축의 단부를 폐쇄하는 역할을 한다. 구멍(38)을 통해 상향 유동하는 증기는 그러므로 2개의 대체로 동등한 부분들로 분할되고 고정 지붕 구조물(42)의 편향기(44)에 의해 편향된 후 구멍의 단축을 따라 대향 수평 방향들로 유동하도록 강제된다. 단부판(46)은 또한 구멍(38)의 장축 방향으로 유동하는 액체로부터 구멍을 차폐하는 역할을 한다. 필요한 곳에서 단부판(46)은 액체를 구멍(38) 주위로 그리고 상향으로 이격되게 편향시켜, 액체의 운동량이 구멍을 통해 유동하는 증기에 의해 인가되는 상향 압력을 극복함으로써 액체가 구멍에 진입하게 할 기회를 감소시킨다. 편향기(44) 및 경사진 단부판(46)은 당업자에게 공지된 기법을 사용하는 것 등에 의해 관련된 구멍(38)을 형성하도록 제거되는 트레이(26)의 부분들로부터 형성될 수 있는 것을 유의하라. 편향기(44)는 정사각형, 사다리꼴, 타원, 마름모 또는 원형을 포함하는 다른 형상으로 형성될 수도 있다.

고정 지붕 구조물(42)은 다양한 측면에서 변동되면서도 구멍(38)을 통과하는 증기를 편향되게 하고 구멍(38)을 액체의 진입에 대해 차폐하는 원하는 목적을 달성할 수 있다. 예를 들어 편향기(44) 및 단부판(46)은 호형 구조로서 형성될 수 있다. 또는 도6 및 도7에 도시된 바와 같이, 편향기(44) 및 단부판(46)은 증기가 2개의 불균등한 부분으로 나뉘어 지고 증기의 더 많은 양이 바람직하게는 직사각형 구멍(38)의 단축을 따른 한 방향으로 깔때기 모양의 좁은 통로를 따라 유동하게 하도록 한 방향으로 경사진 사다리꼴로서 형성될 수 있다. 도8 및 도9에 도시된 또 다른 실시예에서, 편향기(44) 및 단부판(46)은 직사각형 구성이나 단부판(46) 중 하나가 다른 것보다 짧아 편향기(44)가 구멍(38)의 장축을 따라 상향으로 각도를 이루게 한다. 이 실시예에서 또한 증기 흐름은 2개의 대체로 동일한 부분이나 구멍(38)의 단축 및 장축 사이의 각도로 지향된 부분들로 분할된다. 그러므로 편향기(44) 및 단부판(46)의 경사는 한 방향으로의 증기의 바람직한 유동을 일으키거나 증기의 대체로 동일한 부분들의 유동 각도를 변동시키기 위해 변동될 수 있는 것을 유의하라.

구멍(38)은 통상적으로 트레이(26)를 가로지르는 액체 유동 방향에 수직 또는 평행하게 연장되는 긴 치수를 갖는 패턴으로 배열되나, 어떤 응용에서는 긴 치수는 평행 및 수직 방향 사이의 각도로 연장될 수도 있다. 마찬가지로 편향기(44)의 긴 치수는 통상적으로 관련된 구멍의 긴 치수와 동일한 일반적 방향으로 연장되나 반드시 그렇지는 않다. 다른 바람직한 배열에서 구멍은 액체 유동 방향에 수직으로 연장되는 대체로 균일하게 이격된 복수의 열로 배열된다. 이어지는 열들의 구멍(38)들은 액체 유동에 평행한 방향으로 행으로 정렬되어 트레이(26)의 활성 영역(40)을 가로질러 분포된 구멍(38)들의 대체로 정사각형 그리드를 형성한다. 각 열 및 행의 관련된 편향기(44) 및 인접한 구멍(38)들의 긴 치수의 방향은 액체 유동의 방향에 대해 평행으로부터 수직으로 번갈아 변동된다. 교호하는 방향으로 연장되는 구멍 및 편향기의 이 배열은 각 구멍(38)을 통해 상향 통과하는 증기가 고정 지붕 구조물(42)에 의해 형성된 대체로 수직인 토출 구멍이 아니고 인접한 지붕 구조물의 경사진 단부판(46)과 만나게되는 방향으로 재지향되게 허용한다. 이 방식으로 고정 지붕 구조물은 수직 유동 증기를 소정의 대체로 수평의 유동 통로로 재지향시킴으로써 원하는 기포 발생 및 증기-액체 상호 작용을 촉진시킨다. 전술한 방식의 증기 토출 통로의 배향에 의해 증기의 운동량은 액체에 더 효과적으로 전달되고 트레이(26)의 전체 활성 영역(40)에 걸친 액체의 더 균일한 분산 및 혼합을 용이하게 한다. 구멍(38) 및 편향기(44)의 다른 배열이 또한 가능하다. 예를 들어 구멍 및 편향기의 인접한 열들이 정렬된 모든 다른 열들의 구멍과 삼각형 패턴을 갖추도록 옵세될 수 있다. 또한 구멍(38) 및/또는 편향기는 액체 유동 방향에 평행한 방향과 같은 모두 동일한 일반적 방향으로 연장될 수 있다.

액체 수용 영역(36) 주위의 그리고 이를 따른 적어도 제1열의 구멍(38)이, 액체의 고속, 고밀도 및 높은 운동량이 액체를 트레이를 통해 누설되게 되는 구멍으로 강제할 수 있기 때문에 액체 수용 영역(36)을 벗어나는 액체로부터 차폐되어야 하는 것으로 결정되었다. 구멍들 중 일부의 이 차폐는 관련된 고정 지붕 구조물의 편향기(44) 및 단부판(46)이 구멍(38) 위 및 주위의 액체 유동을 재지향시키기 위해 배향되게 하도록 구멍을 그 장축이 트레이(26)의 출구 단부(28) 방향으로 연장되게 지향시킴으로서 이루어진다. 증기는 액체 수용 영역(36)을 벗아날 때의 액체 유동 방향에 대체로 수직인 횡방향으로 이들 구멍 및 지붕 구조물을 벗어나 액체 운동을 더욱 제어하고 액체의 기포 발생을 용이하게 한다.

본 발명에 의하면, 트레이 성능이 제1열의 구멍들 중 일부와 관련하여 루버형 고정 지붕 구조물(48)의 배치에 의해 눈에 띄게 증가될 수 있음이 우연히 발견되었다. 루버형 지붕 구조물(48)은 도10에 도시되어 있고, 편향기(44)가 상류 가장자리를 따라 트레이에 연결되어 편형기의 반대 또는 하향 가장자리에 형성된 토출 개구를 따라 모든 증기가 탈출한다는 점을 제외하고는 구조물(42)와 유사하다. 구조물(48)은 바람직하게는 편향기(44)의 단부를 트레이에 연결하는 단부판(46)을 포함하나 단부판은 어떤 응용에서는 생략될 수도 있다. 도3에 도시된 바와 같이, 제1열의 구멍(38)에서 전술한 바와 같이 배향된 고정 지붕 구조물(42)와 교호하는 방식으로 사용될 수도 있다. 다른 패턴도 물론 가능하며 어떤 응용에서는 바람직할 수도 있다. 루버형 고정 지붕 구조물과 관련된 구멍(38)은 통상적으로 구멍의 짧은 치수가 트레이(26)의 출구 단부(28)의 방향으로 연장되도록 배향된다. 이 배향은 구멍의 긴 치수를 액체 유동 방향과 대체로 수직으로 위치시켜 구멍으로부터 토출되는 증기가 액체 수용 영역을 벗어나는 액체의 더 큰 부분을 따라 분산될 수 있게 한다. 구조물(42)와 조합된 이들 루버형 지붕 구조물(48)의 사용이 제1열의 구멍들중 관련된 구멍(38)에 진입하는 액체에 대해 차폐할 뿐만 아니라 액체의 더 빠른 기포 발생에 기여하여 트레이상의 구멍들의 이어지는 열들을 통해 누설되는 액체의 양을 감소시키는 것을 알게되었다.

도6 내지 도9에 도시된 지향성 고정 지붕 구조물(42a 및 42b)가 도4 및 도5에 도시된 고정 지붕 구조물(42) 대신에 사용되거나 그와 조합하여 사용될 수 있는 것을 유의하라. 한 예가 도11에 도시되어 있으며, 구멍(38)들의 제2 및 이어지는 열들의 구멍들은 지향성 고정 지붕 구조물(42a 및 42b)에 의해 차폐된다. 도11의 화살표에 의해 개략적으로 도시된 바와 같이, 이들 고정 지붕 구조물(42a 및 42b)은 상류 방향에 비해 더 많은 양의 증기가 하류 방향으로 토출되게 한다. 그러므로 지향성 구조물(42a 및 42b)는 하류 방향의 액체 및 증기를 트레이(26)의 출구 단부(28)를 향해 우세하게 지향시키는 경향이 있다. 도2에 도시된 것과 같은 다른 실시예에서, 지향성 고정 지붕 구조물(42a 및 42b)은 활성 영역(40)의 횡방향 구역(40a) 내부 및 인접부와 같은, 액체가 정체하거나 구배가 발생하기 쉬운 구역에 집중될 수 있다. 구조물(42a 및 42b)은 바람직하게는 도2에 화살표로 개략적으로 도시된 바와 같이 횡방향 구역(40a) 내로 그리고 그것을 통해 증기 및 액체 흐름을 지향시키도록 배향된다. 증기 흐름을 대략 동일한 대향 부분들로 분할하는 다른 고정 지붕 구조물(42)은 액체 정체 및 구배가 별 문제되지 않는 활성 영역(40)의 중심 구역(40b)에 집중될 수 있다. 비교적 작은 직경 트레이와의 연결과 같은 액체 정체 및 구배가 문제가 되지 않는 응용에서, 고정 지붕 구조물(42)은 구조물(42a 및 42b)와 조합되어서가 아니고 전체 활성 영역을 통해 사용될 수 있다. 또한 다른 구역에서보다 트레이의 특정 구역에 더 많은 고정 지붕 구조물이 위치될 수 있음을 유의하라. 예를 들어 활성 영역(40)의 중심부에는 더 적은 구조물이 위치하고 활성 영역(40)의 횡방향 부분(40a)에 구조물들이 집중될 수 있다. 다른 변형예에서는 각 구멍(38)의 긴 치수가 액체 유동의 일반적 방향으로 연장될 수 있고, 지향성 고정 지붕 구조물(42a 및 42b)은 증기 그러므로 액체를 트레이(26)의 횡방향 부분(40a)이나 다른 문제 영역을 통해 지향시키기 위해 사용된다.

도12를 보면, 현저히 향상된 트레이 성능이 전술한 고정 지붕 구조물(42, 48)을 사용하여 얻어질 수 있는 것을 알 수 있다. 본 발명에 따라 구성되고 구조물(42, 48)의 하향 가장 자리에서의 수직 평면에서 측정되었을 때 총 18.4%의 개방 면적과, 관련된 구멍(38)들의 수평 평면에서 측정되었을 때 13.2%의 개방 면적을 갖는 트레이(26)가 여러 구멍 직경과 총 개방 면적을 갖는 체 트레이와 비교하여 시험되었다. 트레이(26)는 더많은 양의 개방 면적을 갖는 것을 포함하여 체 트레이들 각각에 대해 비교되었을 때 10% 액체 포획율에 기초한 더 높은 상대 액체 및 기체 용량을 가졌다.

전술한 것으로부터 본 발명이 그 구조에 고유한 다른 장점들과 함께 전술한 모든 목적을 달성하는 데 아주 적합한 것임을 알 수 있다.

다른 특징 및 조합을 참조하지 않고 어떤 특징 및 조합이 유용하게 사용가능한 것이 이해된다. 이는 청구범위의 범주 내이다.

본 발명의 범주로부터 벗어남이 없이 많은 실시예가 가능하므로 전술한 모든 사항 및 도면에 도시된 것들은 예시적이며 제한적이 아닌 것으로 이해된다.

Claims (23)

1. 상승하는 증기 및 하강하는 액체 사이의 접촉과 상호작용을 용이하게 하기 위해 질량 전달 칼럼 내에 배치되는 증기-액체 접촉 트레이에 있어서,

   상부에 위치한 하향 유도부의 토출 단부의 아래에 위치하고 그로부터 액체를 수용하는 입구 단부에서 액체 수용 영역을 갖는 적어도 부분적으로 평면인 판과,

   판으로부터 액체를 제거하고 이를 하부에 위치한 트레이로 지향시키기 위해 판의 출구 단부에 위치한 하향 유도부와,

   상기 액체 수용 영역 외측의 활성 영역에서의 상기 판의 복수의 구멍들 - 상기 구멍들은 입구 단부로부터 출구 단부로 상기 판을 가로질러 유동하는 액체와 상호작용하는 증기의 상향 통과를 허용하는 크기이고, 상기 액체 수용 영역에 인접하여 이를 따라 연장되는 열로 배열됨 - 과,

   상기 각 구멍과 관련된 고정 지붕 구조물을 포함하고,

   각 상기 고정 구조물은 관련된 구멍을 통해 수직 상향 유동하는 증기와 접촉하고 증기를 하나 이상의 대체로 수평의 유동 통로로 편향시키기 위해 관련된 구멍 위에 이격되고 그 상부에 위치하는 편향기와, 상기 관련된 구멍에 인접한 판으로 편향기의 대향 단부들을 연결하는 단부판들을 포함하고,

   구멍의 제1열의 상기 구멍들과 관련된 고정 지붕 구조물들 중 일부는 관련된 구멍들 주위의 그리고 위의 액체 수용 영역을 떠나는 액체를 편향시키기 위해 액체 수용 영역과 대면하게 단부 판들을 위치시키도록 배향되고,

   구멍의 제1열의 상기 구멍들과 관련된 남아 있는 고정 지붕 구조물들의 사실상 모두는 관련된 구멍들 주위 및 위의 액체 수용 영역을 떠나는 액체를 편향시키고, 관련된 구멍들로부터 상향 유동하는 증기의 사실상 모두를 상기 제1 열의 구멍을 따라 상기 증기와 혼합됨에 의해 액체의 기포 발생을 용이하게 하도록 판의 출구 단부를 향한 방향으로 재지향시키기 위해, 액체 수용 영역에 가장 근접한 가장자리를 따라 판에 연결된 편향기를 갖는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
2. 제1항에 있어서, 상기 구멍들은 상기 판이 놓인 평면에서 긴 치수와 짧은 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
3. 제2항에 있어서, 상기 구멍들은 그중 일부는 그 긴 치수가 판의 입구 단부 및 출구 단부 사이의 방향으로 연장되고 다른 것들은 대체로 수직 방향의 긴 치수를 갖도록 배열된 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
4. 제3항에 있어서, 상기 편향기들중 적어도 약간은 판이 위치하는 평면에 대체로 평행한 평면에 위치한 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
5. 제4항에 있어서, 상기 편향기들중 다른 것은 판이 위치한 평면에 대해 경사진 평면에 위치한 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
6. 제3항에 있어서, 상기 편향기들 중 적어도 약간은 판이 위치한 평면에 대해 경사진 평면에 위치한 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
7. 제3항에 있어서, 판의 상기 활성 영역은 판의 입구 단부 및 출구 단부 사이에서 단부에서단부로 연장되는 중심부와 중심부의 대향 측면들상의 횡방향 부분을 포함하고, 활성 영역의 횡방향 부분들의 구멍과 관련된 상기 편향기들중 적어도 일부는 상기 증기를 상기 출구 단부를 향해 우세하게 편향시키기 위해 판이 놓인 평면에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
8. 제1항에 있어서, 상기 액체 수용 영역은 대체로 증기 및 액체에 대해 무공인 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
9. 제1항에 있어서, 상기 구멍 및 상기 편향기는 대체로 직사각형인 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
10. 제2항에 있어서, 상기 편향기들은 상기 구멍들의 긴 치수와 대체로 같은 방향으로 연장되는 긴 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
11. 상승하는 증기 및 하강하는 액체 사이의 접촉과 상호작용을 용이하게 하기 위해 질량 전달 칼럼 내에 배치되는 증기-액체 접촉 트레이에 있어서,

    상부에 위치한 하향 유도부의 토출 단부의 아래에 위치하고 그로부터 액체를 수용하는 입구 단부에서 액체 수용 영역을 갖는 적어도 부분적으로 평면인 판과,

    판으로부터 액체를 제거하고 이를 하부에 위치한 트레이로 지향시키기 위해 판의 출구 단부에 위치한 하향 유도부와,

    상기 액체 수용 영역 외측의 활성 영역에서의 상기 판의 복수의 구멍들 - 상기 구멍들은 입구 단부로부터 출구 단부로 상기 판을 가로질러 유동하는 액체와 상호작용하는 증기의 상향 통과를 허용하는 크기이고, 상기 액체 수용 영역에 인접하여 이를 따라 연장되는 열로 배열됨 - 과,

    상기 각 구멍과 관련된 고정 지붕 구조물을 포함하고,

    각 상기 고정 구조물은 관련된 구멍을 통해 수직 상향 유동하는 증기와 접촉하고 증기를 하나 이상의 대체로 수평의 유동 통로로 편향시키기 위해 관련된 구멍 위에 이격되고 그 상부에 위치하는 편향기와, 상기 관련된 구멍에 인접한 판으로 편향기의 대향 단부들을 연결하는 단부판들을 포함하고,

    구멍의 제1열의 상기 구멍들과 관련된 고정 지붕 구조물들 중 일부는 관련된 구멍들 주위의 그리고 위의 액체 수용 영역을 떠나는 액체를 편향시키기 위해 액체 수용 영역과 대면하게 단부 판들을 위치시키도록 배향되고,

    구멍의 제1열의 상기 구멍들과 관련된 남아 있는 고정 지붕 구조물들의 사실상 모두는 관련된 구멍들 주위 및 위의 액체 수용 영역을 떠나는 액체를 편향시키고, 관련된 구멍들로부터 상향 유동하는 증기의 사실상 모두를 상기 제1 열의 구멍을 따라 상기 증기와 혼합됨에 의해 액체의 기포 발생을 용이하게 하도록 판의 출구 단부를 향한 방향으로 재지향시키기 위해, 액체 수용 영역에 가장 근접한 가장자리를 따라 판에 연결된 편향기를 갖고, 판의 상기 활성 영역은 판의 입구 및 출구 단부들 사이에서 단부에서 단부로 연장되는 중심부와 중심부의 대향 측면상의 횡방향 부분들을 포함하고, 활성 영역의 횡방향 부분들의 구멍들과 관련된 상기 편향기들중 적어도 일부는 상기 출구 단부를 향해 상기 증기를 우세하게 편향시키기 위해 판이 놓이는 평면에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
12. 제11항에 있어서, 상기 구멍들은 상기 판이 놓인 평면에서 긴 치수와 짧은 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
13. 제12항에 있어서, 상기 구멍들은 그중 일부는 그 긴 치수가 판의 입구 단부 및 출구 단부 사이의 방향으로 연장되고 다른 것들은 대체로 수직 방향의 긴 치수를 갖도록 배열된 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
14. 제13항에 있어서, 상기 편향기들중 적어도 약간은 판이 위치하는 평면에 대체로 평행한 평면에 위치한 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
15. 제13항에 있어서, 상기 액체 수용 영역은 대체로 증기 및 액체에 대해 무공인 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
16. 제12항에 있어서, 각 상기 편향기는 관련된 구멍의 긴 치수와 대체로 같은 방향으로 연장되는 긴 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
17. 제1항에 있어서, 질량 전달 칼럼 내에 위치한 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
18. 상승하는 증기 및 하강하는 액체 사이의 접촉과 상호작용을 용이하게 하기 위해 질량 전달 칼럼 내에 배치되는 증기-액체 접촉 트레이에 있어서,

    상부에 위치한 하향 유도부의 토출 단부의 아래에 위치하고 그로부터 액체를 수용하는 입구 단부에서 액체 수용 영역을 갖는 적어도 부분적으로 평면인 판과,

    판으로부터 액체를 제거하고 이를 하부에 위치한 트레이로 지향시키기 위해 판의 출구 단부에 위치한 하향 유도부와,

    상기 액체 수용 영역 외측의 활성 영역에서의 상기 판의 복수의 구멍들 - 상기 구멍들은 입구 단부로부터 출구 단부로 상기 판을 가로질러 유동하는 액체와 상호작용하는 증기의 상향 통과를 허용하는 크기임 - 과,

    상기 각 구멍과 관련된 고정 지붕 구조물을 포함하고,

    상기 활성 영역은 판의 입구 단부 및 출구 단부 사이에서 단부에서 단부로 연장되는 중심부와 중심부의 대향 측면상의 횡방향 부분들을 포함하고,

    각 상기 고정 구조물은 관련된 구멍을 통해 수직 상향 유동하는 증기와 접촉하고 증기를 하나 이상의 대체로 수평의 유동 통로로 편향시키기 위해 관련된 구멍 위에 이격되고 그 상부에 위치하는 편향기와, 상기 관련된 구멍에 인접한 판으로 편향기의 대향 단부들을 연결하는 단부판들을 포함하고,

    활성 영역의 중심부의 구멍들과 관련된 편향기들중 적어도 일부는 판이 위치한 평면에 대체로 평행한 평면에 위치되고, 활성 영역의 횡방향 부분들의 구멍들과 관련된 상기 편향기들중 적어도 일부는 상기 증기를 상기 출구 단부를 향해 우세하게 편향시키기 위해 판이 놓이는 평면에 대해 경사진 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
19. 제18항에 있어서, 상기 편향기들중 다른 것들은 상기 증기를 활성 영역의 상기 횡방향 부분들을 향해 우세하게 편향시키기 위해 판이 놓이는 평면에 대해 경사진 평면에 위치하는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
20. 제18항에 있어서, 각 고정 지붕 구조물의 상기 단부판들중 하나는 트레이의 입구 단부 및 출구 단부들 사이의 액체 유동 방향에 대해 대면하는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
21. 제18항에 있어서, 상기 구멍들은 상기 판이 위치하는 평면에서 긴 치수와 짧은 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
22. 제21항에 있어서, 각 상기 편향기는 관련된 구멍의 긴 치수 방향에 평행하게 연장되는 긴 치수를 갖는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.
23. 제18항에 있어서, 상기 편향기는 직사각형, 정사각형, 사다리꼴, 타원, 마름모 및 원형을 포함하는 집단으로부터 선택된 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 증기-액체 접촉 트레이.