KR20010015778A

KR20010015778A - 슬러리내에 가스를 상방으로 분사하는 방법 및 분사기와,가스 분배 그리드

Info

Publication number: KR20010015778A
Application number: KR1020007004154A
Authority: KR
Inventors: 창민; 코울랄로글로우콘스탄틴에이; 슈에드워드씨
Original assignee: 나체만 제시카 알; 엑손 리써치 앤드 엔지니어링 컴파니
Priority date: 1997-10-21
Filing date: 1998-10-14
Publication date: 2001-02-26
Also published as: BR9813878A; EP1034031B1; AR014923A1; AU9801398A; EP1034031A1; WO1999020385A1; DE69806960T2; AU737425B2; ZA989520B; NO20001811D0; CA2303307C; JP2001520114A; CA2303307A1; US6199835B1; NO20001811L; US6076810A; KR100536391B1; DE69806960D1

Abstract

슬러리 반응기를 위한 가스 분배 그리드(106)는 다른 가스 및 액체 불침투성의 판(82)을 관통하여 연장되고 그것을 횡단하여 수평으로 배열된 다수의 가스 분사기(10)를 포함한다. 분사기(10)는 입구 단부인 하나의 단부에 가스 압력 감소 보어(14) 및 상향으로 개방된 원추형체(30)내로 개방된 다른 단부를 구비한 양단부에 개방된 스로트(20)를 구비한다. 분사기내의 흐름 전환 수단(26)은 슬러리 고형물이 스로트(20)에 들어가는 것을 방지하고, 스로트(20)내에서 보어(14)를 빠져 나가는 고속 가스 제트에 의해 마멸된다. 가스 분사기가 그리드의 상부 표면위로 돌출하지 않고, 평평한 공간이 경사진 필러(94) 등의 수단에 의해 제거되어 그리드의 상부에 고형물의 축적을 방지하도록 하는 것이 바람직하다. 챔퍼(13)는 보어와 스로트의 접합부에 존재하여 스로트에 들어오는 가스 제트의 자유 팽창을 방지하도록 할 수 있다. 이것은 슬러리 반응기내의 반응 탄화수소 합성 슬러리내에 가스를 분사하기에 유용하고, 동시에 촉매 마멸 및 비활성화를 감소시킨다.

Description

슬러리내에 가스를 상방으로 분사하는 방법 및 분사기와, 가스 분배 그리드{THROAT AND CONE GAS INJECTOR AND GAS DISTRIBUTION GRID FOR SLURRY REACTOR}

가스가 액체내에 미립 고형물을 포함하는 슬러리내에 상방으로 분사되어야 하는 많은 응용예가 있다. 이들 응용예로는 석탄 액화(coal liquefaction), 잔유 정제(resid refining), 다른 수소 첨가 공정, 슬러리 탄화수소 및 산소 첨가 화합, 폐수 처리 등을 포함한다. 가스는 수평의 가스 분배 그리드를 통하여 슬러리내에 전형적으로 상방으로 분사되며, 그 그리드는 판 또는 트레이(tray)로 또한 불리고, 반응기 또는 다른 용기내의 슬러리의 하부에, 플리넘으로 불리는 가스 공간 또는 공극(cavity)상에 위치된다. 트레이는 슬러리내에 가스를 상방으로 균일하게 분배시키기 위한 그것을 관통하여 연장되는 다수의 가스 분사기를 포함한다. 이들 가스 분사기는 공지된 바와 같은 트레이내의 수직 홀 및 기포 캡 등일 수 있다. 이들 트레이와 연관된 문제는 가스 압력이 강하하는 경우 고형물의 마멸 및 분사기의 막힘을 포함한다. 가스 분사기의 고형물 막힘이 결코 바람직하지 못한 반면에 일부 응용에 있어서는 그것은 고형물의 마멸을 피하는데 또한 중요하다. 일 특정예는 수소(H₂) 및 일산화탄소(CO)의 혼합물을 포함하는 합성 가스(synthesis gas; syngas)가 합성 가스를 탄화수소로 변환하는 효과적인 반응 조건에서 반응기내의 슬러리를 관통하고 그내에 상방으로 기화되는 슬러리 탄화수소 합성(HCS) 공정이며, 그것의 적어도 일부가 반응 조건에서 액체로 된다. 이러한 공정에 있어서, 슬러리는 탄화수소 슬러리 액체내의 고형물 촉매 입자 및 가스 기포를 포함하며, 슬러리 액체는 액체 HCS 생성물을 포함한다. 3상(three phase) 슬러리를 함유한 반응기는 미국 특허 제 5,348,982 호에 개시된 바와 같이 슬러리 "기포 칼럼(bubble columns)"으로 종종 불리운다. 탄화수소 합성의 바람직한 수준을 제공하기 위해 슬러리내에 상방으로 분사된 합성 가스의 양은 액체내에 분산된 촉매 입자를 유지하는데 필요한 양보다 전형적으로 많다. 이러한 공정(및 다른 공정)에서 부딪치는 문제는 촉매 입자에 의한 가스 분사기의 막힘, 미립자를 생성하고 촉매 손실을 초래하는 가스에 의해 촉매 입자의 마멸 및 반응기의 하류에서 유닛의 막힘과, 트레이상의 평평한 공간상에 정착하는 촉매 및 하부의 플리넘 공간내에 분사기를 통하여 아래로 낙하하는 촉매의 비활성화를 포함한다. 따라서, 이러한 문제의 어떤 것을 감소시키거나 배제하는 가스 분사 수단을 사용하는데 본 기술 분야에서 개선되어야 한다.

발명의 요약

본 발명은 고형물 마멸 및 분사기 막힘을 감소시키면서, 미립 고형물을 함유한 슬러리내에 가스를 분사하는데 유용한 가스 분사 수단에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스로트 및 원추형 가스 분사기에 관한 것이고, 슬러리의 하부에 전형적으로 위치된 다른 가스 및 액체 불침투성 수평의 판 또는 트레이를 통과하여 수직으로 연장되고 그것을 횡단하여 수평으로 배열되거나 분포된 다수의 가스 분사기를 포함하는 가스 분배 그리드에 관한 것이다. 일 실시예에 있어서, 가스 분사기의 모두 또는 일부는 그리드의 일체부로 형성된다. 가스 분사기는 양단부에서 개방된 스로트 또는 신장된 중공(hollow) 제 1 가스 팽창 영역을 포함하며, 하나의 단부는 제트(jet)의 외측으로부터 보어의 출구인 오리피스를 지나 스로트내에까지 가스가 통과되는 관통 보어를 구비한 가스 입구이고, 다른 하류 단부는 원추형일 수 있는 상향 및 외향으로 연장된 제 2 가스 팽창 영역내에 개방된다. 스로트 및 원추형체의 접합부에서 내부 숄더(shoulder)는 흐름 전환 수단을 제공하며, 그 수단은 스로트를 빠져 나가는 가스 제트내에 반경방향 내향으로 원추형체의 벽을 따라 아래로 침투하는 슬러리에 직접 향하게 하여 슬러리 고형물의 마멸 및 스로트의 막힘을 방지하도록 한다. 본 발명의 전형적인 분사기에 있어서, 이러한 숄더의 내경은 스로트의 내경과 실질적으로 동일하고, 그것의 외경은 원추형체의 하부의 내부 벽에서 원주방향으로 끝난다. 가스 분사기내의 흐름 전환 수단 또는 숄더의 부재가 마멸에 의해 미세 입자 사이즈로 미립 고형물의 중대하고 실질적인 분해를 초래할 수 있다는 것이 알려져 왔다. 이들 미립자는 오버헤드(overheads)내의 반응기의 상방으로 외부로 운반되고, 액체 필러를 통하여 상류 유닛내에까지 또한 통과한다. 이것은 촉매의 연속적이고 실질적인 손실을 초래하고, 하류 유닛내에 슬러지(sludge)를 형성하고, 또한 그 슬러지는 유닛을 막히게 할 수 있고 결국 생성물로부터 분리되어야 한다. 보어를 통한 압력 강하는 그것의 직경 또는 횡단면의 면적에 의해 결정되며, 그 직경 또는 면적은 스로트의 그것 보다 작다. 스로트의 직경 및 종횡비는 ① 스로트를 통하여 상방으로 흐르는 팽창 가스 제트가 스로트를 빠져 나가고 원추형체에 들어가기 전에 내부 스로트 벽과 접촉하도록 보장하고, 오리피스 직경의 조합에 있어서, ② 슬러리에 접촉하는 원추형체내의 바람직한 가스 속도를 이루게 하는 사이즈를 갖는다. 스로트내에 접촉하는 이러한 벽은 가스 제트의 외부 외주면에서 속도를 충분히 진전시키도록 허용함으로써 원추형체에 들어가는 가스류의 보다 균일한 속도 프로파일(profile)을 얻고, 스로트내에 아래로 고형물이 스며나오게 하는 제트의 외부 외주면에서 흐름의 교란 및 불균일을 방지하는데 중요하며, 그곳에서 고형물은 협소하고 보다 작은 오리피스를 관통하여 스로트에 들어가는 보다 고속의 가스 제트에 의해 마멸될 것이다. 스로트는 10:1 보다 작은 길이 대 직경비[종횡비(aspect ratio)], 바람직하게는 8:1 보다 작은 직경비를 갖는다. 또한, 이러한 종횡비는 팽창 가스 제트의 외부 외주면이 스로트를 빠져 나가기 전에 스로트의 내부 벽에 접촉하고, 바람직하게는 스로트 출구의 상류에 한정된 거리에서 접촉을 하게 하여 안전 여유(예를 들면, 스로트 길이의 적어도 10%)를 제공하도록 하는 충분한 크기를 갖어야 한다. 보어, 스로트, 숄더 및 원추형체의 종축선이 모두 일치하는 것이 바람직하다. 바람직하게, 내부 원추형체 벽의 각도가 슬러리 고형물이 가로놓이는 각도 보다 크게 하여 고형물이 원추형체내에 쌓이는 것을 방지하도록 한다. 바람직한 실시예에 있어서, 보어, 스로트, 숄더 및 원추형체는 모두 그들의 종축선에 수직한 원형의 횡단면을 갖는 반면에 다른 횡단면이 바람직하다면 채용될 수 있다. 슬러리의 하부에서 수평의 다른 가스 및 액체 불침투성 판 및 트레이를 관통하여 수직으로 연장되고 그것을 횡단하여 수평으로 배열되거나 정렬된 다수의 이들 분사기는 트레이내의 각 가스 분사기를 횡단하고 관통하는 완전 균일한 압력 강하 및 부합하는 균일한 가스 분사 속도로서 슬러리내에 상방으로 가스를 균일하게 분배시킨다. 이것은 슬러리내에서 바람직한 가스 처리량(throughput), 트레이내의 분사기의 수, 분사기 보어의 직경 및 분사기 보어의 상류에서 가스 압력에 의해 결정된다.

그리드를 횡단하는 분사기의 밀폐 팩킹(packing)은 그리드의 상부상의 평평한 표면의 양을 실질적으로 감소시킨다. 다른 실시예에 있어서, 분사기의 어느 부분도 그리드 판의 상부를 지나 연장되지 않는다. 이들 두가지 형상은 슬러리 고형물이 침전하는 그리드상에 사공간(dead space)의 양을 최소화한다. 고형물의 적어도 일부분이 슬러리 탄화수소 합성(HCS) 촉매인 HCS 공정의 경우에 있어서, 감소된 고형물 침전(settling)은 촉매 불활성화를 감소시킨다. 가스 분배 그리드는 반응기 하부에서 합성 가스 저장소 또는 플리넘 영역위에 전형적으로 위치된다. 합성 가스 공급은 압력 제동기로서 작용하는 그리드 아래의 플리넘내로 통과되고, 가스 제트내에 오리피스의 직경, 제트의 수 및 가스 압력의 조합에 있어서, 그리드내의 각 분사기에 들어가는 합성 가스의 양이 동일하도록 보장한다.

압력 감소 보어를 관통하여 스로트 또는 제 1 팽창 영역내에까지 통과하는 가스는 스로트를 관통하여 흐르는 반경방향 외향으로 연장된 가스 제트로서 오리피스를 빠져 나가고, 원추형체에 들어가기 전에 내부 벽에 접촉한다. 이러한 접촉은 스로트로부터 원추형체 또는 제 2 팽창 영역내에까지 빠져 나가는 제트의 외부 외주면에 많은 에너지가 직접 향하게 함으로 중요하다. 이것은 스로트를 빠져 나가는 제트의 외주면에서 충분한 가스 속도 및 매스(에너지)를 제공하여 고형물이 보어로부터 스로트에 들어오는 상대적으로 고속인 가스 제트에 의해 미립자로 마멸될 수 있는 곳인 스로트내에 아래로 슬러리가 침투하는 것을 방지하도록 한다. 또한, 그것은 외부 외주면과 제트의 중앙부 사이의 가스 속도의 차이를 감소시키고, 더나아가 가스가 슬러리에 접촉할 때 입자의 마멸을 감소시킨다. 가스 제트가 스로트를 빠져 나갈 때, 환형의 숄더 때문에 스로트 및 원추형체의 접합부에서 내부 원추형체 벽에 접촉하지 않는다. 일 실시예에 있어서, 숄더의 내부 외주면은 그것의 출구에서 스로트의 내부 벽에 인접하고, 외경은 원추형체의 하부에서 내부 원추형체 벽에 외주방향에서 끝난다. 숄더는 아래로 흐르는 슬러리를 반경방향 내향으로 전달함으로써 원추형체의 벽 아래로 침투하는 슬러리를 위한 흐름 전환기로서 작용한다. 내부 원추형체 벽을 따라 아래로 흐르는 슬러리는 숄더에 도달하고, 스로트를 빠져 나가는 상방으로 흐르는 팽창 제트와 만나는 곳에서 아래로 오는 슬러리를 반경방향 내향으로 밀어내고, 위의 슬러리 몸체내에 상방으로 되돌아오는 슬러리가 스며나오게 운반한다. 팽창 가스 제트가 원추형체를 통과하여 상방으로 이동할 때, 슬러리에 접촉하고, 기포 캡 등으로서 이룰 수 있는 것보다 큰 순수 상향 속도를 갖는 기포내로 분쇄시킨다. 다른 실시예에 있어서, 오리피스는 스로트내에 들어갈 때 가스 제트의 자유 팽창을 방지하는 다른 수단(오리피스 및 스로트의 형상에 의존함)이나 원추형체 또는 챔퍼내에 개방되며, 그것에 의해 팽창 가스 제트내에서 만들어 지고, 스로트 상방으로 원추형체 내로 이동할 때 외부 제트 외부면에서 다른 흐름 교란 및 표면장력파(ripples)와 같은 요동을 야기하거나 교란시키고, 또한 제트 자체내의 요동을 야기할 수 있는 것을 형성하는 것으로부터 후방 소용돌이(swirls) 및 와류(eddies)가 방지한다. 그러한 교란은 내로 들어오는 보다 고속의 가스 제트에 의해 마멸되는 곳인 스로트내에 아래로 슬러리 고형물이 스며나오게 하도록 허용할 수 있다. 따라서, 원추형체 및 챔퍼는 팽창 가스 제트를 안정화하고, 또한 가스류의 감소에 의해 고형물의 스로트를 청정하게 하는 점에서 잇점이 있다는 것이 알려졌다.

본 발명은 스로트(throat) 및 원추형 가스 분사기 및 그것을 포함한 가스 분배 그리드(grid)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 스로트 및 원추형 가스 분사기에 관한 것으로, 고형물 마멸 및 분사기 막힘을 감소시키면서, 미립 고형물(particulate solids)을 함유한 슬러리(slurry)내로 가스를 분사하기 위한 다수의 이러한 분사기를 포함하는 가스 분배 그리드에 관한 것이다.

도 1은 가스 분배 그리드의 일체부로서 본 발명의 가스 분사기의 개략적인 부분 단면도,

도 2는 도 1의 다른 실시예의 도면,

도 3은 본 발명의 가스 분사기를 위한 교체 가능한 오리피스 조립체의 개략적인 도면,

도 4는 가스 분사기의 스로트의 하부에 원추형체 또는 챔퍼내에 상방으로 개방되는 오리피스의 개략적인 도면,

도 5a는 오리피스를 빠져 나가고 오리피스에 바로 인접한 자유 팽창 영역을 구비한 스로트의 벽에 접촉하는 팽창 가스 제트의 도면,

도 5b는 도 5a의 자유 팽창 영역을 제거하기 위하여 원추형체 또는 챔퍼내에 개방되는 오리피스의 도면,

도 6은 본 발명의 가스 분사기 및 그리드의 다른 실시예의 개략적인 부분 단면도,

도 7a는 짧은 원통형의 가스 분배 그리드의 실시예의 측면도,

도 7b는 짧은 원통형의 가스 분배 그리드의 실시예의 평면도,

도 8은 그리드의 상부상의 평평한 영역을 제거하기 위한 아치형의 피라미드형 스페이서(spacer)의 사시도,

도 9는 피라미드형 스페이서의 위치를 도시한 것으로 그리드의 일부분의 평면도,

도 10은 본 발명의 가스 분배 그리드를 포함하는 슬러리 탄화수소 합성 반응기의 개략적인 단순 단면도.

도 1을 참조하면, 본 발명의 가스 분사기(10)는 부분적인 형태로 도시된 수평 디스크형의 스틸판(32)을 포함하는 슬러리 반응기의 가스 분배기 그리드의 일체부로 도시되어 있고, 트레이를 횡단하여 수평으로 배열되고, 그것을 수직으로 관통하여 연장되는 다수의 가스 분사기를 포함하며, 가스 분사기(10)의 단지 하나만이 편의를 위하여 도시되어 있다. 그리드 또는 판의 상부 및 하부가 참조부호(34) 및 참조부호(36)로 표시되어 있다. 가스 분사기(10)는 판을 관통하여 수직으로 연장되며, 보어(14)의 상부 단부인 오리피스(orifice)(12)를 관통하여 스로트(20)내로 개방되는 외주면 벽(16)에 의해 규정된 원통형 보어(14)를 포함한다. 오리피스는 숄더(shoulder) 또는 챔퍼(18)를 통하여 스로트(20)내에 상방으로 개방된다. 숄더(18)는 오리피스(12)가 날카로운 에지 오리피스인 것을 의미하는 수평이고 평평한 것으로 도시된 반면에 일 실시예에 있어서, 하기에 설명되는 바와 같이 오리피스의 둘레로부터 내부 스로트 벽(22)까지 상부방향 외향으로 개방된다. 후자의 경우에 있어서, 오리피스로부터 연장된 경사진 개구부(opening) 또는 챔퍼는 스로트내에 상방으로 오리피스를 빠져 나가는 가스 제트의 자유 팽창을 억제한다. 스로트(20)는 외주면 벽(22)에 의해 규정된 원통형 보어이다. 가스는 보어를 관통하여 통과하고, 도 5에 도시되고 하기에 상세히 설명되는 원추형의 팽창 가스 제트로서 스로트(20)내로 오리피스인 보어의 상부 단부의 외부로 빠져 나간다. 보어를 관통하는 가스의 통로(passage)는 그것의 압력을 감소시켜 스로트내의 가스 압력이 보어의 상류(즉, 그리드 아래의 플리넘내의)의 압력 보다 낮도록 한다. 동일 분야에 숙련된 자에 의해 공지된 바와 같이, 스로트에 들어오는 가스 제트는 대략 10° 내지 20° 및 보다 전형적으로 15° 내지 20°의 범위를 갖는 사잇각을 갖는다. 팽창 가스 제트의 속도는 제 1 팽창 영역 또는 스로트(20)를 관통하여 통과함에 따라 감소된다. 스로트(20)의 종횡비(aspect ratio) 또는 길이 대 직경비는 제트의 바람직한 속도 감소를 허용하는 크기를 갖고, 동시에, 참조부호(24)에서 스로트를 빠져 나가고 제 2 가스 팽창 영역 또는 원추형체(30)내에 상방으로 들어가기 전에, 팽창 가스 제트가 스로트의 외주면 내부 벽(22)에 접촉하도록 보장한다. 일반적으로, 종횡비는 팽창 가스 제트가 스로트의 벽에 접촉하도록 보장하기 위해서는 적어도 2가 될 것이다. 반면에, 가스 흐름이 감소할 경우 슬러리 고형물에 의한 스로트의 막힘을 방지하기 위하여 최대 종횡비는 8 또는 10 보다 크지 않아야 한다. 상류 가스 압력이 감소하거나 가스 흐름이 일시적으로 정지하는 경우, 분사기는 슬러리 고형물로 채워질 것이며, 대략 8 또는 10 보다 큰 종횡비는 압력이 회복될 때 고형물을 가스가 외부로 밀어내는 것을 방해할 수 있고, 그것에 의해 분사기를 막히게 하고 작동 불가능하게 한다. 또한, 팽창 가스 제트는 스로트 출구의 상류에서 충분히 스로트 벽에 접촉하여 스로트 길이의 대략 25%부터 대략 75%까지 대략의 범위을 갖을 수 있는 안전 인자를 제공하도록 하는 것이 바람직하다. 상술한 바와 같이, 이러한 접촉은 본 발명의 가스 분사기의 기본적인 형태로서, 스로트 출구(24)에서 벽(22) 바로 근처에 충분한 가스 속도가 원추형체의 측면 아래로 스며나오는 슬러리가 스로트에 들어오는 것을 방지하도록 보장하게 한다. 또한, 이것은 스로트의 상부 또는 출구(24)를 횡단하여 보다 균일한 수평 가스 속도 프로파일(profile) 흐름으로 귀결한다. 스로트(20)는 환형의 숄더(26)로서 도시된 수평 원주방향의 흐름 전환 수단에서 반경방향 상향 및 외향으로 연장된 제 2 가스 팽창 영역(30)내로 개방된다. 영역(30)은 원추형이고, 특히 트레이의 상부 부분내에서 절단된 절두 원추형의 외부면 벽(28)에 의해 규정된 바와 같은 절두 원추형이다. 영역(30)에 있어서, 가스의 속도는 촉매 입자 마멸을 유발하지 않고, 아직 여전히 슬러이내의 고형물을 부유시키기에 충분하며, 슬러리 반응기의 경우에 있어서, 바람직한 반응기의 출력을 이루기에 충분한 가스 흐름율을 제공하는 수준으로 더 감소된다. 슬러리 탄화수소 합성 반응기내에 합성 가스를 분사하는 경우에 있어서, 효율적인 탄화수소 합성을 위해 필요한 가스 흐름율은 촉매 부유물을 위해 필요한 것보다 전형적으로 크다. 팽창 가스 제트는 영역(30)내의 슬러리와 접촉하고, 슬러리를 통하여 상방으로 올라가는 기포내로 부서진다. 벽(28)을 따라 원추형체의 내부를 따라 아래로 스며나오는 슬러리는 반경방향 내향의 방향 및 속도를 그에게 전달하는 숄더(26)에 도달하며, 그 결과로서 슬러리는 스로트 출구(24)의 외부 상방으로 흐르는 가스 증기내로 직접 향하게 된다. 이것은 위의 슬러리 몸체내에 상방으로 되돌아서 아래로 흐르는 슬러리를 들어 올리고, 반면 그것이 마멸되는 곳인 스로트내에 아래로 슬러리의 침투를 최소화한다. 숄더의 사용은 촉매 마멸을 20배 정도 감소시킬 수 있다고 알려져 왔다. 오리피스, 스로트 및 원추형체의 가장 효율적인 횡단면이 원형인 반면에 동일한 경우에 있어서 하나 또는 그 이상의 이들 요소는 원형 이외의 다른 횡단면을 갖는 것은 가능하다. 원형 이외의 다른 횡단면의 경우에 있어서, 직경은 횡단면 면적의 제곱근을 П로 나누어 등가의 직경을 구하며, 등가의 직경은 스로트의 종횡비를 결정하는데 사용된다.

도 2는 도 1과 유사한 본 발명의 실시예를 도시하고 있으나, 보어 및 스로트가 스크류 나사산(58)에 의해 표시된 트레이내의 결합하는 나사산을 갖는 보어내로 스크류 체결되는 단일, 원통형 및 외부 나사산을 갖는 조립체(40)라는 점이 다르다. 보어(44), 보어 벽(46), 오리피스(42), 스로트(50) 및 벽(42)은 도 1에 도시된 것과 동일한 것이다. 그러나, 원통(40)의 상부(54)의 내부 부분은 스로트 및 원추형체의 접합부에서 흐름 전환 숄더를 형성한다. 조립체(40)는 원추형체의 하부에서 환형의 숄더(56)와 함께 만나는 곳에서 트레이내에 상방으로 스크류 체결된다. 숄더(56)와 접촉하지 않는 원통부(40)의 상부의 그러한 부분은 환형의 흐름 전환 수단을 형성한다. 따라서, 이러한 실시예에 있어서, 오리피스 및 스로트 조립체는 용이한 교체를 위해 트레이에 제거 가능하거나 분리 가능하게 부착된다. 다른 실시예는 도 3 등에서 간단히 도시된 교체 가능한 오리피스 조립체 등과 같이 동일 분야에서 숙련된 자에게는 자명할 것이다. 따라서, 도 3에 있어서, 교체 가능한 조립체(58)는 스로트(20)의 하부에서 결합 보어내에 상방으로 스크류 체결된다. 도 4는 도 1의 보어(14)가 챔퍼 또는 원추 형상의 벽(15)을 통하여 스로트(20)내에 상방으로 개방되는 또다른 실시예를 도시하고 있다. 이러한 실시예에 있어서, 오리피스(12)의 외부 상방으로 빠져 나가는 팽창 가스 제트는 원추형체 또는 챔퍼에 의해 도 3의 실시예에서와 같이 오리피스 바로 근처의 스로트 벽(22)에 외부로의 자유 팽창이 방지된다. 이것은 도 5a 및 도 5b에 도시되어 있다. 따라서, 도 5a 및 5b에 있어서, 사잇각()을 갖는 2개의 물결 무늬의 선으로 표시된 팽창 원추형의 가스 제트는 오리피스(12, 12')를 빠져 나가고, 참조부호(25)에서 스로트(20)의 내부 원통형의 벽(22)과 접촉한다. 도 5a에 있어서, 날카로운 에지 오리피스(12)를 감싸는 공간(11)은 가스 제트 부분의 자유 팽창을 허용한다. 오리피스(12')를 빠져 나가는 가스 제트의 자유 팽창이 도 5b의 실시예에 있어서의 원추 또는 챔퍼 형상의 벽(13)에 의해 방지된다. 오리피스 바로 근처의 원추형체 또는 챔퍼의 존재는 팽창 가스 제트의 외부 외주면에서 가스 흐름내의 교란을 방지하며, 또한 오리피스의 상류에서 가스 압력이 보다 낮아지거나 정지하는 동안에 스로트를 막히게 할 수 있는 고형물을 보다 용이하게 가스가 외부로 날려 보내는 것을 가능하게 한다는 것이 관찰되었다. 원추형체의 각도는 각 경우에 대하여 실험적으로 결정되어야 하나, 일반적으로 슬러리내에 고형물이 놓이는 각도 보다 사잇각을 작게 하여 내부 원추형체 벽상에 슬러리 고형물이 쌓이는 것을 방지하도록 한다. 대체로, 사잇각은 140° 보다 작으며, 일부 실시예에 있어서는 90° 보다 작을 것이다.

이제 도 6을 참조하면, 본 발명의 가스 분사기는 도 1의 것과 대부분 유사한 것으로 도시되어 있으나, 예외적으로 가스 분배 트레이의 일체부는 아니다. 이러한 실시예에 있어서, 가스 분사기는 상부에서 하부까지 트레이를 관통하여 연장된 결합 보어(72)에 도시되지 않은 적절한 수단(예를 들면, 스크류 나사산)에 의해 부착되는 분리 유닛이다. 따라서, 도 6으로 돌아오면, 가스 분사기(60)는 그것의 하류 단부에서 오리피스(64)를 규정하는 원통형 보어(62)를 포함한다. 오리피스(64)는 스로트 또는 제 1 팽창 영역인 보다 큰 직경의 원통형 보어(66)내에 상방으로 개방된다. 보어(66)는 환형의 숄더(68)를 통하여 중공(hollow)의 원추형 제 2 팽창 영역(70)내에 상방으로 개방되며, 그 숄더(68)는 슬러리의 반경방향의 흐름 전환 수단이다. 원추형체의 각도는 슬러리내에 고형물이 놓이는 각도 보다 작게 하여 내부 원추형체 벽상에 고형물의 축적을 방지하도록 한다. 이러한 실시예에 있어서, 심지어 다수의 이러한 분사기가 트레이의 표면을 횡단하여 수평으로 배열될 때, 각 분사기는 원추형체 아래에 트레이(32)의 상부상에, 분사기(60)를 위해 참조부호(74)로 표시된 환형의 평평한 표면이 될 것이다. 상방으로 올라가는 가스와 접촉하지 않을 때 불활성화하는 촉매 입자를 슬러리 고형물이 함유하는 경우에 있어서, 원추형체에 의해 상부에서 경계(74)상의 이러한 공간 및 영역(76)은 사공간(a dead space)이고, 그내에 촉매 입자가 축적되고 불활성화할 것이다. 그러므로, 그러한 경우에 있어서 도 1 또는 도 2의 실시예와 유사한 실시예가 바람직하고, 그렇지 않다면 다른 수단이 사공간을 막는데 사용되거나 그것을 관통하여 가스를 통과시켜 촉매의 축적을 방지하도록 한다.

도 7a 및 도 7b는 본 발명에 따른 짧은 원통형의 가스 분배 그리드 또는 트레이의 실시예의 측면도 및 평면도를 각각 개략적으로 도시하고 있으며, 그내에 그리드는 도 1에 도시한 것과 유사한 방법으로 그리드를 관통하여 연장되고 그리드를 횡단하여 수평방향으로 배열된 본 발명의 다수의 가스 분사기를 포함한다. 그러나, 이러한 실시예에 있어서, 그리드는 스크류 또는 볼트(도시되지 않음)와 같은 적절한 수단에 의해 함께 조립되고 지탱되는, 2개의 분할 원형 또는 디스크형의 판(82, 84)으로 형성된다. 그리드의 상판(82)은 각 분사기를 위한 제 2 가스 팽창 영역을 만드는 그것을 관통하여 연장된 다수의 원추형 공극(86)을 포함한다. 하판(84)은 그것을 관통하여 연장되고 도시된 바와 같이 각 원추형체의 종축선과 동축인 개별 동심의 결합 스로트 및 오리피스 공극[간단히 참조부호(88, 90)로 표시함]을 포함한다. 스로트 직경은 상판(82)내의 각 개별 및 결합 원추형 공극의 하부보다 작아서, 상판 및 하판이 완전한 그리드를 형성하도록 결합될 때 환형의 흐름 전환 숄더(92)가 형성되도록 한다. 평면도가 하기에 설명되는 도 7b 및 도 9에서 보다 상세하게 도시되어 있다. 각 원추형체가 그것의 인접한 이웃하는 것에서 비록 어떻게 밀폐된다 하더라도, 도 7b에서 참조부호(96)로 표시된 원추형체 사이에 트레이의 상부상에서 평평한 공간이어야 한다. 촉매가 그상에 정착하고 비활성화하는 이러한 공간은 도 8의 사시도 및 도 9의 평면도에 도시된 아치형의 피라미드형 스페이서(94)에 의해 쉽게 감소되고 심지어 제거된다. 도시된 실시예에 있어서, 스페이서의 상부는 둥근 상부 스크류(도시되지 않음)가 평평한 공간상에서 스페이서를 체결하는데 사용되는 것과 같이 약간 평평하고 적절한 수단이 있다. 도 9는 스페이서 및 분사기의 평면도에 대해 보다 상세히 도시하고 있다.

도 10은 도 7a 및 도 7b에 도시된 본 발명의 가스 분배 그리드를 포함하는 본 발명의 공정에서 사용하는 슬러리 HCS 반응기의 개략적인 단순 단면도이다. 도 10으로 돌아오면, 내에 슬러리(104)를 함유한 원통형의 쉘(102)을 포함하는 슬러리 HCS 반응기를 도시하고, 그 슬러리(104)는 도 7에 도시된 타입의 본 발명의 가스 분배 그리드(106)에 의해 지지되며, 예외적으로 단순화를 위해 가스 분사기는 아주 상세하게 도시되어 있지는 않다. 그리드는 플리넘 공간(108)상에 수평으로 배치된 하나 또는 그 이상의 원형의 금속판을 포함하며, 그 금속판은 위에 슬러리를 지지하고, 그리드의 평평한 수평의 표면을 횡단하여 수평으로 배열되고 그것을 관통하여 수직으로 연장된 다수의 가스 분사기를 포함한다. 그리드의 외부 외주면은 반응기의 내부 표면과 함께 시일(seal)을 형성한다. 그리드 아래의 중공 공간 또는 플리넘(108)은 공급 가스 압력 변동을 고르도록 하는 제동기 및 가스 저장소(reservoir) 모두이다. 합성 가스 공급은 공급 라인(107)을 지나 플리넘 공간(108)내의 반응기에 들어가고, 그리드를 관통하여 연장된 가스 분사기를 통하여 슬러리(104)내에 상방으로 분배된다. 작은 원은 가스 기포를 나타내고, 채워진 원은 촉매 입자를 나타낸다. 슬러리내에 담긴 상자(110)에 의해 간단히 도시된 여과 수단은 촉매 입자로부터 합성 반응의 액체 탄화수소 생성물을 분리하며, 액체는 라인(112)을 지나 회수되고 다른 공정 및 개량 공정으로 보낸다. 반응기의 상부내의 액체 및 고체 유리(disengaging) 공간(114)은 탄화수소 합성 반응의 가스 생성물 및 미반응된 합성 가스를 모으고, 라인(116)을 지나 가스를 다른 공정 및 반응물 회복 및 개량 공정으로 보내는 것 같이 반응기의 외부로 그들을 보낸다. 예시하였으나 국한하지 않는 예시를 목적으로, 30 ft의 직경의 반응기에 있어서, 그리드는 각 분사기를 횡단하여 대략 20 lb/in²이상으로 압력을 낮춘 만개 정도의 가스 분사기를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시에 있어서 다양한 다른 실시예 및 변경이 상술한 본 발명의 목적 및 정신으로부터 벗어나지 않는 한 동일 기술 분야에서 숙련된 자에게 명백하고, 그 자에 의해 용이하게 제조될 수 있다는 것은 이해될 것이다. 따라서, 여기에 첨부된 청구항의 목적은 상술된 정확한 설명에 국한하지 않고자 하나, 청구항은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 숙련된자에 의해 등가로 취급되는 모든 형태 및 실시예를 포함하고 본 발명에 귀속하는 특허 가능한 신규성의 모든 형태를 포함하는 것으로 해석하고자 한다.

Claims

가스 분사 방법에 있어서,

압력 감소 영역을 관통하여 가스를 통과시키는 단계로서, 입구 및 출구를 구비한 제 1 팽창 영역을 관통하여 통과되는 팽창 가스 제트를 형성하도록 하며, 그내에서 상기 제트가 팽창하고 상기 영역의 내부 벽과 접촉하며, 그것에 의해 다음에 상기 제 1 영역을 빠져 나가고, 입구 및 출구를 구비한 제 2 팽창 영역을 관통하여 통과되는 상기 제트의 외부 외주면에 많은 가스 흐름을 제공하며, 그내에서 상기 제트는 팽창을 계속하고 상기 제 2 영역을 빠져 나가며, 상기 제 1 영역에 들어가는 상기 가스 제트가 상기 제 1 영역의 입구 바로 근처에서 자유 팽창하도록 허용하지 않으며, 상기 제 2 영역의 입구가 상기 제 1 영역 바로 근처에 존재하는

가스 분사 방법
제 1 항의 가스 분사 방법을 이용하는 가스 분사기에 있어서,

상기 제 1 가스 팽창 영역이 종축선을 구비하고 양단부에서 개방되고 상기 입구 단부에 압력 감소 보어를 구비하며, 동시에 다른 출구 단부는 상기 제 2 가스 팽창 영역의 하부 단부 입구내에 개방되는 신장된 중공 도관을 포함하며, 상기 제 2 영역은 종축선을 구비하고 양단부에서 개방되고 상기 제 2 영역으로부터 상기 제 1 영역을 향하여 흐르는 유체에 반경방향으로 내향의 흐름 방향을 전달하기 위하여 상기 제 1 및 제 2 가스 팽창 영역의 접합부 바로 근처에 위치된 흐름 전환 수단을 구비한 상향 및 외향으로 연장된 중공 도관을 포함하는

가스 분사기.
제 2 항에 있어서,

상기 보어가 상기 제 1 팽창 영역의 직경보다 작은 직경을 갖는

가스 분사기.
제 3 항에 있어서,

상기 흐름 전환 수단이 상기 제 2 팽창 영역의 상기 하부에서 내부 벽에 인접한 외부 외주면을 구비한 환형의 셀프를 포함하는

가스 분사기.
제 4 항에 있어서,

상기 오리피스 및 상기 제 1 및 제 2 팽창 영역의 종축선이 모두 일치하는

가스 분사기.
제 5 항에 있어서,

상기 보어 및 제 1 영역이 원통형이며, 상기 영역이 상기 영역 사이의 접합부 바로 근처에 그것의 보다 작은 단부를 구비한 절두 원추형인

가스 분사기.
제 6 항에 따른 다수의 가스 분사기를 포함하는 가스 분배 그리드에 있어서,

다른 가스 및 액체 불투과성 트레이를 횡단하여 수평으로 배열되고 그것을 관통하여 연장된

가스 분배 그리드.
제 7 항에 있어서,

상기 분사기의 상기 제 1 영역의 종횡비가 2:1 보다 크며, 상기 각 분사기의 적어도 일부분이 상기 트레이의 일체부인

가스 분배 그리드.
제 8 항에 있어서,

상기 트레이가 하판에 체결된 상판을 포함하며, 상기 각 분사기의 상기 제 2 영역이 상기 상판의 일체부인

가스 분배 그리드.
제 9 항에 있어서,

상기 제 2 영역이 상기 상판의 상부 표면 상방으로 연장되지 않으며, 평평한 공간 배제기가 상기 그리드의 상부에 평평한 표면상에 존재하는

가스 분배 그리드.