KR20020077442A - 가스-액체 트레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 기포 영역과, 이 기포 영역내에서 공간을 형성하는 하나 이상의 직사각형 다운커머 구멍을 포함하는 가스-액체 접촉 트레이로서, 상기 다운커머 구멍 위에는 복수의 구멍을 가진 차폐판이 설치되고, 이 차폐판은 상기 직사각형 다운커머의 양 길이 측면으로부터 연장하는 가스-액체 접촉 트레이를 개시한다.

Description

가스-액체 트레이 {GAS-LIQUID TRAY}

본 발명은, 기포 영역과 다운커머 (downcomer) 구멍을 포함하는 개선된 가스-액체 접촉 트레이에 관한 것이다. 이러한 트레이는, 맥그로우-힐 인코포레이티드 (McGraw-Hill Inc.) 의 키스터 헨리 지 (Henry Z. Kister) 가 1992년에 펴낸 "증류 디자인(Distillation Design)" 의 259-267면에 기재된 바와 같은 증류 칼럼 내장부재로 잘 알려져 있다.

전술한 바와 같은 가스-액체 접촉 칼럼의 액체 유동 및/또는 가스 유동을 증가시키려고 하는 경우에는, 최대의 부하가 관찰된다. 부하가 커지면, 플러딩 (flooding) 이라고 알려진 현상으로 인하여, 칼럼이 액체-가스 접촉장치 또는 분리장치로서 기능하지 못하게 된다. 플러딩이라 함은, 칼럼 내부에 액체가 과도하게 누적되는 것을 말한다. 잘 알려진 플러딩 기구로는 다운커머 백업 (back-up), 제트 플러딩, 및 다운커머 쵸킹 (choking) 이 있다. 이들 기구는, 맥그로우-힐 인코포레이티드의 키스터 헨리 지가 1992년에 펴낸 "증류 디자인" 의 267-291면에 기재되어 있다. 이 간행물에 따르면, 다운커머 백업은, 다운커머 내측에서의 액체의 빌드업 (build-up) 으로 인하여 액체가 트레이상에 백업을 일으켜 그 트레이상에 액체 누적을 불러 일으키는 것이라고 되어 있다. 다운커머에서의 액체 높이는, 트레이 압력강하, 트레이상의 액체 높이, 다운커머에서의 마찰손실,및 다운커머 슬롯 면적에 의하여 결정된다. 제트 플러딩이나 연행 플러딩은, 가스의 속도가 너무 빨라 액체가 액적이나 거품에 의해 트레이상으로 연행하기 때문에 일어난다. 결국, 액체가 누적되어 플러딩이 발생한다. 다운커머 쵸킹은, 다운커머에서의 통기된 액체의 속도가 너무 빠르기 때문에 일어난다. 소정의 속도에서는, 다운커머와 다운커머 입구에서의 마찰손실이 과대해져 거품형태의 가스-액체 혼합물 (거품) 이 트레이 아래로 전달될 수 없게 되며, 이로 인하여 트레이상에 액체가 누적되게 된다. 거품이라 함은 트레이상에 존재하는 임의의 가스-액체 혼합물을 의미하는 것으로, 임의의 유동 형태에 좌우되는 것은 아니다.

US-A-3231251 호는, 소위 거품비결합 가스투과 요소를 구비한 가스-액체 접촉 트레이를 개시하고 있다. 이 요소는, 다운커머 구멍과, 거품으로 채워지는 기포 영역의 윗공간 사이에 위치한다. 또한, 이 요소는 위어 (weir) 로부터 다음의 트레이로 위로 수직하게 연장한다. 이 개시된 요소는, 직물 또는 편물로 주름처리한 와이어 메쉬이다. 상기 공보에 따르면, 이러한 트레이를 구비한 칼럼의 액체 취급 능력이 개선된다.

그러나, US-A-3231251 호에 따른 트레이는, 편물 메쉬는 오염에 민감하다고 하는 단점을 갖는다. 또다른 단점은, 상기 요소가 다음의 트레이까지 연장한다는 것이다. 이러한 점에 따르면, 결국, 개시된 거품비결합 요소는 다중의 다운커머를 포함하는 복잡한 트레이 레이아웃에 대한 적합성이 떨어진다. 또다른 단점은, 상기 요소가 2개의 트레이에 고정된다는 것이다. 이러한 구성에 따르면, 칼럼에 트레이를 설치하는 작업이 더 복잡해진다. 또다른 단점은, 이러한 트레이는 고유한 기계적 안정성이 충분하지 못하다는 것이다.

FR-A-2046521 호는, 트레이를 구비한 칼럼에서 가스와 액체를 접촉시키는 방법을 개시하고 있다. 이들 접촉 트레이 사이에는 자유롭게 유동하는 혼합 향상제가 존재한다. 이 향상제는 거품에 존재하는 고체 요소이다. 이들 고체 요소가 부분 다운커머를 통해 하부 트레이로 흐르는 것을 회피하기 위해, 거품으로 채워지는 공간과 다운커머 구멍 사이에는 차폐판이 존재한다.

본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 트레이의 효율이 증가하고 그 다운커머의 거품 취급 능력이 증가한 가스-액체 접촉 트레이를 제공함으로써, 상기 US-A-3231251 호에 따른 트레이의 단점을 갖지 않도록 하는 것이다.

이러한 목적은, 이하의 트레이, 즉 기포 영역과, 이 기포 영역내에서 공간을 형성하는 하나 이상의 직사각형 다운커머 구멍을 포함하는 가스-액체 접촉 트레이로서, 상기 다운커머 구멍 위에는 복수의 구멍을 가진 차폐판이 설치되고, 이 차폐판은 상기 직사각형 다운커머의 양 길이 측면으로부터 연장하는 가스-액체 접촉 트레이에 의해 달성된다.

본 출원인은, 본 발명에 따른 트레이가, 차폐판을 갖지 않는 트레이에 비하여 개선된 능력을 갖는 것을 발견했다. 또다른 이점은, 본 발명의 트레이는 하나 이상의 직사각형 다운커머, 및 선택적으로 하나 이상의 부분 다운커머를 포함하는 복잡한 트레이 레이아웃에 적용될 수 있다는 것이다. 또다른 이점은, 상기 차폐판이 단지 하나의 트레이에만 고정되기 때문에 트레이를 칼럼에 설치하는 것이 더 간단해진다는 것이다. 본 발명의 또다른 이점은 후술하는 설명을 통해서 더명확해질 것이다.

직사각형으로 형성된 다운커머는 그 폭이 그 길이보다 작다. 본 발명에 따른 직사각형 다운커머는 그 신장 측면 양쪽에 기포 영역을 갖는다. 차폐판은, 기포 영역 위의 위치로부터 다운커머 구멍으로 이동하는 거품과 상호작용하도록 하여 위치한다. 차폐판은, 당해 차폐판이 다운커머 구멍의 하나의 길이 측면에서 시작하여, 적어도 트레이 레벨 위로 개방하는 다운커머 위로 진행하여, 다운커머의 반대쪽 길이 측면에서 종결하는 것이면, 어떠한 형태의 것이어도 된다. 차폐판은, 직사각형 다운커머 구멍의 길이축선을 따라서 보았을 때 1개, 2개 또는 그 이상의 훅크를 갖고서 예컨대 훅크 형태로 형성되거나 또는 만곡될 수도 있다. 직사각형 다운커머의 2개의 외부 단부에는, 거품으로 채워지는 공간과 당해 직사각형 다운커머 구멍간의 구멍이 존재할 수도 있다.

바람직한 실시형태에 있어서, 상기 차폐판은 구멍이 형성된 2개의 직사각형 평판으로 이루어진다. 각 평판은, 다운커머의 대응하는 길이 측면으로부터 다운커머 구멍의 상부위치까지 연장하여 서로 만나며, 바람직하게는 그곳에서 함께 고정된다. 바람직하게는, 각 평판과 수직면이 이루는 각도는 60도 보다 작고, 더 바람직하게는 30도 보다 작다.

직사각형 다운커머에는 바람직하게는 안티-점프 배플 (anti-jump baffle) 이 설치되는데, 이 안티-점프 배플은, 바람직하게는 다운커머 구멍의 길이 중심을 따라서, 다운커머 구멍의 길이방향으로 다운커머 구멍내에 수직하게 위치한다. 이 안티-점프 배플은, 바람직하게는, 트레이 간격의 30 내지 80% 만큼 트레이 레벨 위로 연장한다. 이 안티-점프 배플의 하부 단부는 트레이 레벨로부터 다운커머 하부 단부로 연장할 수도 있다. 바람직하게는, 상기 안티-점프 배플은, 차폐판을 다운커머 구멍 위에서 안티-점프 배플의 상부 부분에 고정함으로써, 차폐판에 의해 지지된다. 이러한 구성에 따르면, 안티-점프 배플의 통상적인 지지구조가 부분적으로 또는 전체적으로 차폐판에 의해 대체될 수 있기 때문에 유리하다.

바람직하게는, 상기 차폐판은, 트레이 거리의 15 내지 95% 이하만큼, 더 바람직하게는 트레이 거리의 50 내지 80% 만큼 트레이 레벨 위로 연장한다. 상기 트레이 거리는, 본 발명에 따른 트레이를 구비한 가스-액체 접촉 칼럼에 있어서의 2개의 연속 접촉 트레이간의 거리이다. 바람직하게는, 상기 트레이 거리는 0.2 내지 1 m 이다.

상기 차폐판에는 구멍이 형성되는데, 이들 구멍은 어떠한 형태이어도 되며 또한 선택적으로는 유동안내수단을 구비할 수가 있다. 또한, 이들 구멍은, 거품이 당해 차폐판을 통해 다운커머 구멍으로 용이하게 연속적으로 유동할 수 있도록 하는 충분한 크기로 형성될 수 있다. 차폐판 구멍의 바람직한 크기는, 자우터 평균직경 (Sauter mean diameter) 과 수리학적 직경을 이용하여 결정된다. 이 자우터 평균직경은, 거품의 기포 또는 액적의 표면적 평균직경과 체적 평균직경과의 지수이다(1982년, 헤미스피어 퍼블리싱 코포레이션(Hemisphere publishing corporation)의 헷스로니 쥐(Hetsroni G.)의 다상 장치 핸드북(Handbook of Multiphase systems), 10-105면 참조). 트레이 위에는 형태에 따라 거품에 기포나 액적이 존재할 수 있다. 바람직하게는, 상기 차폐판 구멍의 수리학적 직경은, 거품에 존재하는 액적 또는 기포의 자우터 평균직경의 0.8배 이상, 더 바람직하게는 1배 이상, 가장 바람직하게는 1.5배 이상이다. 최대 수리학적 직경은 바람직하게는 100 mm, 더 바람직하게는 50 mm 이다.

상기 차폐판은, 바람직하게는, 가스-액체 접촉 칼럼내에서의 조건을 견디어 낼 수 있는 충분한 강도를 지닌 평판, 만곡판, 또는 훅크판이다. 바람직하게는, 상기 차폐판은 구멍이 형성된 금속판, 더 바람직하게는 스테인레스강으로 제조된다. 이러한 차폐판의 순 자유면적, 또다르게는 차폐판 면적에 대한 구멍 면적은 바람직하게는 25 내지 80% 사이이다. 개구 영역은 차폐판 높이의 함수로서 변할 수 있으며, 차폐판의 상부 부분에는 바람직하게는 더 작은 개구 영역이 존재한다. 상기 차폐판 구멍은, 바람직하게는, 구멍을 펀칭, 드릴링 또는 밀어내는 것에 의해, 또는 기계적 커팅이나 레이저 커팅에 의해 형성된다. 가장 바람직한 차폐판은, 그 유용성, 제조의 간단함, 및 강도때문에 신장 금속으로 제조된다. 일반적으로 이러한 신장 금속은, 그 길이가 신장하고 높이가 짧은 슬릿 형태의 구멍을 갖는다. 이러한 슬릿은, 예컨대 사다리꼴, 마름모형, 또는 육방형 형태를 가질 수도 있다.

바람직하게는, 트레이상에는 위어 (weir) 가 존재한다. 위어는, 기포 영역과 다운커머 구멍과의 경계에 또는 그 주위에 위치하는 장치로서, 기포 영역의 상부 표면상에 미리 선택된 소정량의 액체가 존재하는 것을 보증하기 위한 것이다. 위어의 높이는 후술하는 바와 같은 공지의 디자인으로 알려진 종래의 값으로부터 선택될 수도 있다. 차폐판은, 바람직하게는, 위어의 상부에 위치하거나, 또는위어와 나란히 위치할 수도 있다. 선택적으로, 상기 차폐판과 위어는, 미리 선택된 소정량의 액체를 유지하기 위해, 그 하부 단부에 구멍을 갖지 않거나 또는 아주 소수의 구멍을 갖는 하나의 부재로 조합될 수 있다. 위어를 구비한 현존의 트레이는, 현존하는 위어의 상부에 차폐판을 고정함으로써 적합하게 개장된다.

상기 위어는, 적합하게는, 다운커머 구멍을 향하여 흐르는 액체의 방향으로 경사질 수도 있다. 트레이의 액체 취급 능력을 더 증가시키기 위하여, 바람직하게는 상기 오버플로우 위어가 기포 영역 쪽으로 경사진다. 즉, 오버플로우 위어의 상부로부터 오버플로우 위어의 하부로 이어지는 가상선은 트레이의 수평면과 각도 α를 형성하는데, 이 각도는 80°보다 작고, 더 바람직하게는 30°보다 크다. 오버플로우 위어의 높이는, 바람직하게는, 25 mm 내지 트레이 간격 높이의 1/6 의 범위이며, 여기서 트레이 간격이라 함은, 트레이를 칼럼에 설치했을때의 2개의 연속 접촉 트레이간의 거리이다.

본 발명에 있어 트레이의 기포 영역에 사용되는 가스 구멍의 종류는 중요하지 않다. 가능한 구멍의 예로는, 체 트레이 구멍, 밸브 트레이 구멍, 기포 캡 구멍, 및 고정 밸브 구멍이 있다. 이들 구멍의 예는, 전술한 키스터의 일반 텍스트북의 260-267 면에서 찾아볼 수 있고, 또한 US-RE-27908, US-A-5120474, WO-A-9828056, WO-A-9737741, US-A-5911922, US-A-3463464, 및 US-A-5454989 호에서도 찾아볼 수 있다.

직사각형 다운커머의 수직 형상은 본 발명에 있어 중요하지 않다. 선택적으로, 다운커머 벽은, 트레이가 사용된 칼럼의 수직 축선에 대해서 경사질 수도 있다. 본 발명은, 예컨대 GB-A-1422132 호 및 GB-A-1422131 호에 기재된 바와 같은 다중의 다운커머 디자인에 특히 적합하다.

본 발명의 바람직한 실시형태에 있어서는, 차폐판이, 후술하는 트레이 레이아웃을 가지는 가스-액체 접촉 트레이와 조합하여 설치된다. 즉, 이러한 레이아웃에 따르면, 트레이가 직경선에 의해 2개의 트레이 단면부로 분할되고, 각 트레이 단면부는 직사각형 다운커머 열 (row) 을 구비하며, 다운커머는, 각 트레이 단면부의 다운커머의 단부가 상기 직경선과 교대로 직면하도록 하여, 당해 직경선에 대해 수직하게 배치된다. 바람직하게는, 각 트레이 단면부에 있어서 직경선과 칼럼 벽과의 교차부에는 부분 다운커머가 존재한다. 연속 트레이들은, 가스-액체 칼럼에 설치될 때에, 바람직하게는, 다운커머 레이아웃에 관하여 서로 거울상이며, 직경선을 따라 거울상으로 배치된다. 이러한 소위 적층 배치에 의하면, 가스-액체 접촉 트레이가 효율적인 것이 되는 것으로 입증되었다. 이러한 트레이 레이아웃에 상기 차폐판을 조합함으로써, 더 효율적인 가스-액체 접촉 트레이가 얻어진다.

이하, 본 발명을 도 1 을 참고로 하여 더 상세히 설명한다. 도 1 은 본 발명에 따른 가스-액체 트레이의 일부를 나타내는 직사각형 다운커머의 3차원 도면이다.

도 1 은 가스-액체 접촉 트레이 (3) 의 기포 영역 (2) 내에 이격되어 위치한 직사각형 다운커머 (1) 를 나타낸 것이다. 단순화를 위해, 도면에는 단 하나의 다운커머 (1) 만을 도시하였다. 위어 (4) 와 다운커머 구멍 (5) 이 도시되어 있다. 다운커머 구멍 (5) 의 신장 측면 (8,9) 에 위치한 각각의 위어 (4,4') 로부터는 2개의 평판으로 이루어진 신장 금속판 (10,11) 이 차폐판 (6) 으로서 연장해 있다. 이들 신장 금속판 (10,11) 은, 당해 신장 금속판이 안티-점프 배플 (12) 을 지지하도록 하여, 다운커머 구멍 (5) 의 상부 지점에서 상기 안티-점프 배플 (12) 에 고정되어 있다. 도 1 은 또한, 다운커머 벽 (7) 과, 칼럼 벽 (13) 의 일부를 나타내고 있다.

본 발명에 따른 트레이는 바람직하게는 가스-액체 접촉 칼럼에 사용되는데, 이 칼럼에는 서로 축방향으로 이격된 트레이가 설치된다. 바람직한 가스-액체 접촉 칼럼은 증류 칼럼 및 흡수 칼럼이다. 흡수과정에서 있어서는, 하향 이동하는 액체가 상향 이동하는 가스와 접촉하며, 또한 가스로부터 액체로는 또는 그 반대로는 하나 이상의 성분이 전달된다. 증류과정에 있어서는, 끓는점의 차이로 인하여 공급물로부터 하나 이상의 성분이 분리된다. 증류과정에 있어서, 일반적으로 상기 공급물은 칼럼의 중간위치에 공급되는데, 트레이는 입구위치의 상하에 존재한다. 이러한 칼럼에는, 리보일러, 응축 및 환류 수단이 추가로 설치된다. 거품에는, 자유롭게 유동하는 고체상의 혼합 향상 요소가 존재하지 않는다.

차폐판의 단순함 때문에, 이러한 차폐판을 현존의 증류 칼럼에 설치하고 또한 본 발명에 따른 트레이에 이르는 것이 매우 용이하다. 이처럼, 현존의 증류 칼럼의 효율을 증가시키는 방법이 간단히 제공된다.

Claims (11)

1. 기포 영역과, 이 기포 영역내에서 공간을 형성하는 하나 이상의 직사각형 다운커머 구멍을 포함하는 가스-액체 접촉 트레이로서, 상기 다운커머 구멍 위에는 복수의 구멍을 가진 차폐판이 설치되고, 이 차폐판은 상기 직사각형 다운커머의 양 길이 측면으로부터 연장하는 가스-액체 접촉 트레이.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 차폐판은 신장 금속으로 형성되는 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 트레이.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상기 차폐판은, 각 평탄부가 상기 다운커머 구멍의 하나의 길이 측면으로부터 위로 연장하도록 되어 있는 2개의 직사각형 평탄부를 포함하고, 이들 2개의 평탄부는 상기 다운커머 구멍의 상부위치에서 고정되는 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 트레이.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 차폐판의 각 평탄부의 평면과 수직면이 이루는 각도는 60도 보다 작은 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 트레이.
5. 제 1 항 내지 제 4 항중의 어느 한 항에 있어서, 상기 직사각형 다운커머 구멍에는, 당해 다운커머 구멍의 길이 중심을 따라 수직하게 위치한 안티-점프 배플이 설치되는 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 트레이.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 안티-점프 배플은 상기 차폐판에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 가스-액체 접촉 트레이.
7. 제 1 항 내지 제 6 항중의 어느 한 항에 따른 복수의 트레이를 포함하는 칼럼.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 차폐판의 상기 트레이 레벨 위로의 수직 높이는 트레이 간격의 50 내지 80% 의 사이이고, 이 트레이 간격은 2개의 연속 트레이간의 거리인 것을 특징으로 하는 칼럼.
9. 기포 영역과 하나 이상의 직사각형 다운커머 구멍을 구비하고서 축방향으로 이격된 복수의 트레이를 포함하는 현존의 가스-액체 접촉 칼럼을 개장하는 방법으로서, 제 1 항 내지 제 6 항중의 어느 한 항에 따른 트레이 또는, 제 7 항 또는 제 8 항에 따른 칼럼을 얻을 수 있도록 상기 트레이에 차폐판을 부가하는 방법.
10. 제 7 항 또는 제 8 항에 따른 칼럼 또는 제 9 항의 방법에 의해 얻어지는 칼럼을 증류 또는 흡수 칼럼으로서 사용하는 용도.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 차폐판 구멍의 수리학적 직경은, 트레이 위의 거품에 존재하는 액적 또는 기포의 자우터 평균직경 (Sauter mean diameter) 보다 적어도 1.5배 큰 것을 특징으로 하는 용도.