KR20030065538A - 액체 혼합용 교반실을 갖는 혼합 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, (i) 실질적으로 수평의 수집 트레이; (ii) 상기 수집 트레이의 상부 면과 직접 유체소통하는 상단부 및 하단의 배출 개구를 가지는, 수집 트레이 아레에 설치된 액체 혼합용 교반실로서, 이 교반실은 그 내경의 적어도 0.35 배의 길이를 갖는 교반실; 및 (iii) 액체 및 가스의 하강 유동을 위한 다수의 개구 또는 다운코머 (downcomers) 가 제공되며, 상기 교반실 아래에 배치된 실질적으로 수평의 분배 트레이를 포함하는 다중 베드 하강유동 반응기 내의 액체 혼합용 혼합 장치에 관한 것이다. 본 발명은 또한 그러한 혼합 장치를 포함하는 다중 베드 하강유동 반응기 및 탄화수소 공정에서의 그러한 반응기의 용도에 관한 것이다.

Description

액체 혼합용 교반실을 갖는 혼합 장치 {MIXING DEVICE COMPRISING A SWIRL CHAMBER FOR MIXING LIQUID}
본 발명은 다중 베드 (bed) 하강유동 반응기에서 유체를 혼합하는 혼합 장치와, 상기 장치를 갖는 다중 베드 하강유동 반응기 및, 탄화수소 공정에서의 상기 장치의 용도에 관한 것이다.
다중-베드 하강 반응기는 아래 위로 설치된 다수의 반응 베드를 통해 가스 및 액체가 동시에 하방으로 유동하는 반응기이다. 그러한 반응기는 촉매 디왁싱 (dewaxing), 하이드로트리팅 (hydrotreating) 및 하이드로크래킹 (hydrocracking) 과 같은 다양한 공정을 효과적으로 하기 위한 화학 및 원유 정제 산업에 이용된다. 이러한 공정에서 액체 상은 통상적으로 가스 상과 혼합되고 이러한 혼합 유체는 상기 반응 베드 내에 수용된 입자 촉매 위를 통과하게 된다. 반응 베드를 상기 유체가 동시에 통과함에 따라, 반응 베드에서 액체 및 가스의 분포가 불균일하게 되는 경향이 있어, 반응 정도 및 온도 분포에 나쁜 결과를 주게 된다. 다음의 하부 반응 베드로 진입하는 유체에서 균일한 액체 및 가스 및 온도의 분포를 얻기 위해, 많은 다양한 유형의 유체 혼합 장치가 통상적으로 반응 베드 사이에 배치된다. 이러한 장치는 액체-액체, 가스-가스, 및 가스-액체 혼합, 그리고 다음의 하부 반응 베드에 대한 혼합 유체의 균일한 분포를 제공한다
그러한 유체 혼합 장치는 당해 분야에서 공지이다. 공지된 유체 혼합 장치는 예를 들어 EP716881, WO97/46303, 및 WO99/28024 호에 공지되어 있으며, 상대적으로 낮은 수직 길이를 가짐으로써, 상기 장치에 필요한 공간 및 부피가 최소로 된다는 잇점이 있다.
그러나, 이러한 공지된 작은 길이 혼합 장치는 가스 및/또는 액체 부하가 그들의 평균치로부터 현저히 변할 경우, 즉 높은 턴-다운 비 (turn-down ratio) 에서 유체 혼합이 적절하지 못하다는 단점을 가지는 점이 밝혀졌다. 정상치로부터의 현저한 편차는, 예를 들어 반응기의 수정 이후, 상기 반응기가 일부를 구성하는 공정 라인-업의 수정 이후, 또는 상이한 목적을 위한 기존 반응기의 사용 후에 발생한다.
그러므로, 가스 및 액체 부하의 넓은 범위에 대해, 즉 높은 턴-다운 비에서 양호한 유체 혼합 성능을 제공하는 유체 혼합 장치가 당해 분야에서 요구된다. 본 발명의 일 목적은 높은 턴-다운 비에서 혼합 장치의 길이와 유체 혼합 성능 사이의 적정을 찾는 것이다.
특정 길이 및 지름비를 갖는 교반실에서 액체-액체 혼합이 수행되는 혼합장치를 이용함으로써, 통상적으로 정상부하의 33% 와 같은 낮은 부하에서 200% 와 같은 높은 부하까지 이르는 가스 및 액체 부하의 넓은 범위에 걸쳐 뛰어난 혼합 성능이 얻어질 수 있음이 밝혀졌다.
따라서, 본 발명은,
(i) 실질적으로 수평인 수집 트레이;
(ii) 상기 수집 트레이의 상부 면과 직접 유체소통하는 상단부 및 하단의 유출 개구를 가지는, 수집 트레이 아래에 설치된 액체 혼합용 교반실로서, 이 교반실은 그 내경의 적어도 0.35 배의 길이를 갖는 교반실; 및
(iii) 액체 및 가스의 하강 유동을 위한 다수의 개구 또는 다운코머 (downcomers) 가 제공되며, 상기 교반실 아래에 배치된 실질적으로 수평인 분배 트레이를 포함하는, 다중 베드 하강유동 반응기에서 유체를 혼합하는 혼합 장치에 관한 것이다.
특히 높은 턴-다운 비에서 적절한 유체 혼합을 위해, 상기 교반실은 그 내경의 적어도 0.50 배의 길이, 더욱 바람직하게는 그 내경의 적어도 0.65 배의 길이를 가지는 것이 바람직하다. 상기 혼합 장치의 길이 및 그에 따라 상기 반응기 내에서 차지하는 부피를 제한하기 위해, 상기 길이는 일반적으로 그 내경보다 1.5 배보다 크지 않을 것이다.
여기서 상기 교반실의 길이는 그 입구의 하부 지점과 그 유출구 사이의 수직 거리를 의미한다. 다각형 교반실의 경우, 여기서 그 내경은 대면하는 측벽 사이의 상기 교반실의 중심축을 통한 최대 횡단 거리를 의미한다.
본 발명에 따른 상기 혼합 장치는 하나 이상의 교반실을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 혼합 장치는 그 중심 종축을 따라 배치된 하나의 교반실을 갖는다.
상기 교반실의 상단부가 상기 수집 트레이의 하단 지점의 상부면과 직접 유체 소통하는 경우에, 상기 혼합 장치의 실질적으로 수평인 수집 트레이는 만곡되거나 또는 원추형일 수 있다. 여기서 실질적으로 수평인 트레이는 수평면에 대해 수직인 대칭축을 갖는 트레이를 의미한다. 바람직하게는, 상기 수집 트레이는 평평하다.
바람직하게는, 상기 수집 트레이에는, 본 수집 트레이 위에 배치된 가스 유입구 및 상기 수집 트레이의 하부면 수준 또는 그 아래에 배치된 가스 유출구가 제공되며, 상기 수집 트레이를 통해 신장하는 바람직하게는 하나 이상의 다운코머 형태의 가스 통과 수단이 추가적으로 제공된다. 상기 다운코머에는 바람직하게는 상기 가스 유입구 위에 배치된 유체 편향 플레이트가 제공된다. 상기 가스 유출구는 축방향 또는 반경방향일 수 있다. 바람직하게는, 상기 다운코머는 압력 강하를 최소화하기 위해 상기 가스를 반경방향 유출구로 보내는 만곡된 플레이트와 결합된 반경방향 유출구를 가진다.
다중-베드 하강유동 반응기의 상기 반응 베드 사이의 유출물의 냉각을 수행하기 위해 상기 수집 트레이 위에 배치된 켄치 유체 (quench fluid) 를 분배하기 위한 수단을 추가적으로 포함할 수 있다. 켄치 유체를 분배하기 위한 수단은 당업계에서 공지이며, 예를 들어 EP427733, US3787189 및 US3855068 호에 기술되어 있다.
상기 혼합 장치는, 상기 유체가 하부 반응 베드에 진입하기 이전에 균일한 기체 및 액체의 분배를 얻기 위해 상기 교반실의 유출구 아래에 분배 트레이를 가진다. 적절한 분배 트레이는 예를 들어 EP716881, EP715544, 및 US5989502 호로부터 당업계에 공지되어 있다. 바람직한 분배 트레이는 EP716881 호에 기술된 것이다.
본 발명의 상기 혼합 장치는 상기 교반실과 상기 분배 트레이 사이에 설치된 실질적으로 수평의 예비-분배 트레이를 추가적으로 포함할 수 있다. 이러한 예비-분배 트레이는 당업계에서 공지이다. 상기 예비-분배 트레이는 둥글거나, 사각형 또는 삼각형일 수 있으며 바람직하게는 상기 분배 트레이의 직경보다 작은 직경을 가진다. 바람직하게는, 상기 예비-분배 트레이는 그 주변에 오버플로우 위어 (weir) 가 제공된다. 상기 트레이는 바람직하게는 그 외주 주위에 배치된 다수의 개구가 제공된다. 예비-분배 트레이를 가짐으로써 상기 분배 트레이 위로 액체가 보다 균일하게 분산될 수 있도록 하고 액체-액체 상호작용 및 액체 평형을 돕는 잇점이 있다.
본 발명은 또한 수직으로 이격된 바람직하게는 촉매 입자 베드인 반응 베드, 및 인접하는 반응 베드 사이에 상기된 혼합 장치를 포함하는 다중 베드 하강유동 반응기에 관한 것이다.
그러한 반응기는 하나 이상의 기체 및/또는 액체용 입구와 반응기 유출물 용의 하나 이상의 유출구 및 통상적으로 촉매 입자 베드인 두개 이상의 연속적인 반응 베드를 가지며, 각 베드는 지지 트레이에 놓여진다. 적절한 지지 트레이의 구조는 당업계에서 공지이다. 예를 들어, 통상적으로 적용되는 지지 트레이는 지지 빔에 의해 지지되는 시브 플레이트와 같은 하나 이상의 투과성 플레이트를 포함하며, 상기 촉매 베드는 상기 투과성 플레이트에 놓인다. 상기 촉매 베드에서 발생하는 반응에서 생성된 기체 및 액체 생성물은 다음의 촉매 베드 또는 유출구로 상기 투과성 플레이트를 통해 전달된다. 그러한 반응기는 통상적으로 탄화수소 오일의 하이드로프로세싱 (hydroprocessing) 에 이용된다.
또다른 태양에 있어서, 본 발명은 상기된 탄화수소 공정, 바람직하게는 촉매 디왁싱, 하이드로트리팅 (hydrotreating), 하이드로크레킹 (hydrocracking), 또는 하이드로디설퍼리제이션 (hydrodesulphurisation) 에서 정의된 다중 베드 하강 반응기의 용도에 관한 것이다.
본 발명에 따른 혼합 장치 및 반응기가 개략적인 도 1 및 2 를 통해 실시예에 의해 개시된다. 도면에서 유사한 부분은 동일한 참조 번호를 사용하였다.
도 1 은 본 발명에 따른 혼합 장치 및 이 혼합 장치의 위와 아래에 배치된 촉매 베드의 실시형태를 도시하는 본 발명에 따른 반응기의 종방단면부이다.
도 2 는 도 1 에 도시된 혼합 장치의 기체용 다운코머의 종단면을 도시하며, 상기 단면은 도 1 의 도시 평면에 대해 수직인 평면에서 II-II 선을 통한 것이다.
도 1 에서 측벽 (1) 의 일부 및 다중-베드 반응기의 두개의 인접하는 촉매 베드 (2a 및 2b) 가 도시되어 있다. 상기 촉매 베드 (2a 및 2b) 는 지지 빔 (도시되지 않음) 에 의해 지지되는 시브 플레이트 (3) 에 지지된다. 본 발명에 따른 혼합 장치 (5) 는 촉매 베드 (2a 및 2b) 사이에 배치된다. 상기 혼합 장치 (5) 는 평평한 수평의 수집 트레이 (6) 및 이 수집 트레이 (6) 아래에 배치된 교반실 (7) 을 포함한다. 상기 교반실 (7) 은 수집 트레이 (6) 의 상부면 (9) 과 직접 유체 소통하는 개방 상단 (8), 그 하단에서의 유출구 (10), 교반실을 통과하는 액체에 교반 작용을 부과하기 위한 수단 (11) 을 가진다. 상기 혼합 장치(5) 는 상기 수집 트레이 (6) 를 통해 신장하는 세개의 기체용 다운코머 (12) (단지 하나의 다운코머만 도시됨) 형태의 가스 통과를 위한 수단을 포함한다. 다수의 다운코머 (14) 가 제공된 분배 트레이 (13) 가 교반실 (7) 아래에 배치되며, 오버플로우 위어 (16) 및 다수의 개구 (17) 를 포함하는 예비-분배 트레이 (15) 가 교반실 (7) 과 분배 트레이 (15) 사이에 배치된다. 상기 혼합 장치는 켄치 링 (18) 을 추가적으로 포함한다.
도 1 에 도시되는 상기 혼합 장치의 정상적인 작동동안, 촉매 베드 (2a) 로부터의 유출물이 켄치 링 (18) 으로부터의 켄치 유체에 의해 냉각된다. 상기 액체 유출물은 수집 트레이 (6) 에 수집되며, 교반실의 상단 개구 (8) 를 통해 교반실 (7) 로 유입한다. 교반실 (7) 에서, 교반 수단 (11) 에 의해 액체에 교반 운동이 부과된다. 예를 들어, 접하는 유입구, 상기 교반실의 측벽의 내벽면에 부착된 교반 베인 (vane) 또는 베플 (baffle) 등과 같은 유체에 교반 작용을 부과하기 위한 적절한 수단이 당업계에 공지되어 있다. 상기 액체에 부과되는 교반작용과 상기 교반실의 길이의 조화를 통해 액체 및 기체의 넓은 범위에 걸쳐 뛰어난 액체-액체 혼합이 이루어진다. 교반실 (7) 에서 얻어지는 액체-액체 혼합의 정도가 가스 부하에 실질적으로 독립적이라는 점이 본 발명에 따른 혼합 장치의 장점이다. 상기 혼합된 액체는 유출구 (10) 를 통해 상기 교반실 (7) 을 나간다. 바람직하게는, 액체의 교반 운동을 정지시키고 그리하여 와류를 증대시켜 액체-액체 혼합을 보다 개선하기 위해 상기 교반실 (7) 에는 유출구 (10) 부근에 베인 (도시되지않음) 등이 제공된다.
촉매 베드 (2a) 로부터의 유출 가스가 가스용 다운코머 (12) 를 통해 수집 트레이 (6) 를 통과한다. 상기 유출 가스의 일부는 교반실 (7) 을 통해 수집 트레이 (6) 를 통과한다. 유출 가스중 얼마가 가스 통과용 수단을 통과할지 및 상기 교반실을 통과할지는, 기체 및 액체 부하 및 상기 교반실의 입구의 크기, 형상 및 위치 그리고 상기 가스 통과용 수단의 유입구에 의존한다는 점이 이해될 수 있다.
대안적으로는, 본 발명에 따른 상기 혼합 장치는 별도의 가스 통과용 수단을 포함하지 않으며, 이 경우 모든 유출 가스는 상기 교반실을 경유하여 상기 수집 트레이를 통과할 것이다.
본 발명에 따른 상기 혼합 장치에서, 가스-가스 혼합은 켄칭 및 기체 (12) 용 다운코머 및/또는 교반실 (7) 을 통한 기체의 통과에 의해 영향을 받는다.
교반실 (7) 을 떠나는 액체는 예비-분배 트레이 (15) 에 쌓이고, 예비-분배 트레이로부터 관통 개구 (17) 를 통과하여 또는 상기 오버플로우 위어 (16) 를 넘어 밑에 있는 트레이 (13) 로 간다.
기체는 상기 예비-분배 트레이 (15) 에 의해 편향되며 상기 분배 트레이 (13) 로 유동한다.
상기 분배 트레이 (13) 에서 평형된 기체 및 액체 상이 모이게 된다. 상기 분배 트레이 (13) 는 두가지 기능을 한다. 첫째로, 상기 유체가 하부 반응 베드 (2b) 에 들어가기 이전에 액체 및 기체를 균일하게 분배하며, 두번째는, 액체-가스 상호작용을 제공하기 위해 액체와 기체 사이에 접촉이 발생하도록 한다.
도 2 에서, 도 1 의 가스용 다운코머 (12) 중의 하나가 보다 상세히 도시된다. 상기 다운코머 (12) 는 상기 수집 트레이 (6) 위에 배치된 기체 유입구 (19), 수집 트레이 (6) 아래에 배치된 반경방향 기체 유출구 (20), 가스 유입구 (19) 위에 배치된 유체 편향 플레이트 (21), 및 상기 다운코머를 통과하는 기체를 반경방향 유출구 (20) 로 진행하게 하는 만곡된 플레이트 (22) 를 가진다.

Claims (7)

  1. (i) 실질적으로 수평인 수집 트레이;
    (ii) 상기 수집 트레이의 상부 면과 직접 유체소통하는 상단부 및 하단의 유출 개구를 가지는, 수집 트레이 아래에 설치된 액체 혼합용 교반실로서, 이 교반실은 그 내경의 적어도 0.35 배의 길이를 갖는 교반실; 및
    (iii) 액체 및 가스의 하강 유동을 위한 다수의 개구 또는 다운코머가 제공되며, 상기 교반실 아래에 배치된 실질적으로 수평인 분배 트레이를 갖는 다중 베드 하강유동 반응기에서 유체를 혼합하는 혼합 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 교반실의 길이가 그 내경의 0.5 배 이상, 바람직하게는 0.65 배 이상인 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  3. 제 1 항 또는 2 항에 있어서, 상기 수집 트레이에는 바람직하게는 이 수집 트레이를 통해 신장하는 하나 이상의 다운코머 형태의 가스 통과를 위한 수단이 추가적으로 제공되며, 상기 다운코머에는 상기 수집 트레이 위에 배치된 가스 유입구 및 상기 수집 트레이 하부면과 동일 높이 또는 이 수집 트레이 아래에 배치된 기체 유출구가 제공된 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  4. 제 1 항 내지 3 항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 수집 트레이 위에배치되어 켄치 유체를 분배하기 위한 수단을 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  5. 제 1 항 내지 4 항 중의 어느 하나의 항에 있어서, 상기 교반실과 상기 분배 트레이 사이에 설치된 실질적으로 수평인 예비-분배 트레이를 추가적으로 포함하는 것을 특징으로 하는 혼합 장치.
  6. 수직으로 이격된 바람직하게는 촉매 입자 베드인 반응 베드, 및 인접하는 베드 사이에 상기 제 1 항 내지 5 항 중의 어느 하나의 혼합 장치를 포함하는 다중 베드 하강유동 반응기.
  7. 상기 제 6 항에 기재된 바의 다중 베드 하강유동 반응기를 탄화수소 공정에서 사용하는 상기 반응기의 용도.
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