KR20050004804A

KR20050004804A - 유체 혼합 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20050004804A
Application number: KR10-2004-7014343A
Authority: KR
Inventors: 게리 이. 야콥스; 스티븐 스터핀; 아담 에스. 밀리켄
Original assignee: 플루오르 코포레이션
Priority date: 2002-03-14
Filing date: 2003-03-13
Publication date: 2005-01-12
Also published as: JP2005519747A; US7172179B2; JP4392247B2; CA2473783A1; AU2003218165A1; EP1490166A4; EP1490166A1; CA2473783C; KR100581461B1; WO2003078038A8; WO2003078038A1; US20050082696A1; US20020175427A1; MXPA04008767A

Abstract

버블캡(400)은 하나 이상의 슬롯(495) 및 수직판(420)을 갖춘 캡(300)을 포함하며, 4 cm 이상의 스커트 높이(460)로 형성되어 1.5*스커트 높이(cm)+[슬롯 길이(cm)-노출된 슬롯 높이(cm)]이 7.5와 같거나 그 이상이 되며, 액체 유체 및 가스 유체가 상기 수직판(420)과 상기 캡(430) 사이의 공간에서 동시에 상향 유동하도록 배치된다.

Description

유체 혼합 방법 및 장치 {METHODS AND APPARATUS FOR MIXING FLUIDS}

많은 대규모 공정은 특히, 촉매 반응기 및 대규모 분류탑(fractionation column)을 포함하며, 유체의 혼합을 수반한다. 이러한 혼합은 항상 간단한 문제는 아니며, 특히 유체가 다중상(예를 들어, 액체 및 가스/증기)를 갖는 경우, 및 많은 양이 급속하게 혼합되는 경우에 더욱 그러하다. 수 많은 혼합 장치들이 공지되어 있으며, 이러한 장치들 중 일부는 야콥스(Jacobs) 등에게 허여(2000년 8월)된 US 6098065 호에 개시되어 있으며, 본 원에서 참조된다. 야콥스 등은 다수의 개량물을 제시하였으며, 그 중 일부는 분류판 상에서 이격되어 있는 버블캡(bubble cap)을 포함한다.

버블캡은 일반적으로 수직판 및 캡을 포함하며, 상기 수직판 및 캡은 유체가 상기 수직판과 캡 사이의 공간에서 상향 유동한 후 방향을 바꿔 상기 수직판 내의 통로를 통해 하향 유동하도록 배열된다. 와류 안내 장치(swirl director)가 없는 경우에, 유체 유동 경로는 일반적으로 이를테면 역 "U" 자형을 갖게 된다. 버블캡은 일반적으로 분류판에 부착되고, 수직판을 지나는 통로는 분류판 내의 구멍과 합류한다. 버블캡은 종종 다수의 측면 슬롯을 포함하며, 이러한 슬롯은 수직판과 캡사이의 환형 공간으로 기체상(gas phase)의 진입을 가능하게 한다. 가스는 상기 환형 공간에 존재하는 액체를 운반한다. 예를 들어, 쉬히(Shih) 등에게 허여(1992년 10월)된 미국 특허 제 5,158,714 호를 참조할 수 있으며, 이는 본 원에서 참조된다.

캡에 대한 수직판의 위치를 유지하기 위해 몇몇 기구들이 있어야 한다. 이러한 목적을 위해 외팔보 아암이나 그 외 다른 스페이서들을 사용하는 것이 공지되어 있다. 예를 들어, 넬슨(Nelson) 등에게 허여(1999년 11월)된 미국 특허 제 5,989,502 호 및 히쓰(Heath) 등에게 허여(1981년 12월)된 4,305,895 호를 참조할 수 있으며, 각각은 본 원에서 참조된다. 종래에, 이러한 스페이서들은 소정의 유동 효과(flow effect)를 최소화하고 비용을 감소시키기 위해 항상 최소 크기였었다. 따라서, 종래 기술상의 스페이서들은 오로지 위치 유지 기능(positioning function)만을 제공하고, 유체 유동 또는 혼합에 물질적으로 기여하지 않는다.

스커트 높이(skirt height)가 유체 유동 및 혼합에 물질적으로 영향을 미치는 것으로 알려져 있다. 예를 들어, "최적 버블캡 트레이 설계(Optimum Bubble-Cap Tray Design)", 볼스, 윌리엄, 엘.(Bolles, William L.),석유 가공에 관한 4개의 연속물, 제 11 권 제 2 호 65쪽 내지 80쪽 ; 제 11 권 제 3 호 82쪽 내지 95쪽 ; 제 11 권 제 4 호 72쪽 내지 79쪽 ; 제 11 권 제 5 호 109쪽 내지 120쪽(a four part series inPetroleum Processing, Vol. 11, No.2, pp65-80; Vol. 11, No.3, pp82-95; Vol. 11, No.4, pp72-79, Vol. 11, No.5, pp109-120)를 참조할 수 있으며, 이는 본 원에서 참조된다. 이러한 일련의 문헌에서, 볼스는 분류탑에 통상적으로 사용되는 형태의 버블캡에 대한 설계 방법론을 제시한다. 이러한 탑에서, 증기 유동은 버블캡 트레이(bubble cap tray)를 통해 상부를 향하고 액체 유동은 버블캡 트레이를 가로질러 횡방향을 이룬다. 이러한 유동은 일반적으로 역류(countercurrent flow)로서 설명된다. 볼스의 문헌 중 제 11 권, 제 3 호, 87쪽(Vol. 11, No.3, p87)에서, 1.3 cm 내지 3.8 cm의 스커트 높이가 제안되고, 이보다 큰 스커트 높이는 불리할 것이라고 제안한다. 상기 문헌에는 3.8 cm 이상의 스커트 높이에 대해 본 출원인이 인지하고 있는 학설, 제안, 또는 동기가 존재하지 않는다.

반대로, 발라드(Ballard) 등(U.S. 3,218,249)은 증기 및 액체의 동시 하향 유동을 위한 혼합 및 분류 수단으로서 버블캡의 사용을 제시한다. 발라드 등은 "하강 유로(downcomer)를 통한 가스의 유동이 밀폐되지 않는 한 트레이 위의 실질적으로 무 간격(no distance)에 상응하는 레벨로부터 트레이 위로 약 1 피트의 간격에 이르는 분류 트레이 상부의..." 소정의 간격의 스커트 높이를 제시한다. 추가적으로, 발라드 등은 "중력에 의해 증기상으로부터 벗어나 하강 유로 캡 내의 슬롯 깊이 아래의 레벨까지 트레이(18)상에 채워지며, 이러한 레벨은 주로 캡 당 가스 유량에 의해 결정되는 액상... . 물론, 슬롯 개구들 중 일부가 상기 개구를 통해 증기의 진행을 허용하기 위해 액체 표면 위에 노출될 필요가 있다. 캡이 어떠한 슬롯도 구비하지 않는 경우, 트레이 상의 액체 레벨은 동일한 이유로 캡의 바닥 테두리 아래일 것이다. 슬롯이 없는 캡이 사용되는 경우에, 바닥 림과 트레이 사이의 틈은 그 아래로 가스 및 액체의 진행을 수용하도록 유지되어야 한다."는 것을제시한다. 명백하게, 슬롯 구비 캡을 통한 증기 유동이 실질적으로 무 간격에 이르기까지 스커트 높이를 감소시킴으로써는 차단될 수 없기 때문에, 발라드 등에 의해 제시된 스커트 높이의 치수적 범위는 특히, 슬롯을 구비하지 않은 캡에 적용된다. 여기에는 슬롯 구비형 버블캡에 적합한 특정 치수 범위에 대하여는 제시되지 않는다.

쉬히 등(U.S. 5,158,714)은 수직판을 빠져 나가는 액체의 분류를 개선하기 위해 분류판의 사용을 제시한다. 갬보그(Gamborg) 등(U.S. 5,942,162)은 액체 분류의 균일성을 개선하기 위해, 캡이 수직판에 비-동심이 되도록 변형되는 슬롯형 버블캡의 사용을 제시한다. 갬보그 등은 증기 상승 튜브로서 이러한 변형된 버블캡을 설명하며, 여기서 캡은 상부유동 튜브로 지칭되고 수직판은 하부유동 튜브로 지칭된다. 그럼에도 불구하고, 유체 유동 경로는 역 "U" 자형이며, 먼저 상부유동 튜브를 통해 상향으로 유동한 후, 하부유동 튜브를 통해 하향으로 유동한다. 제이콥스 등(U.S. 6,098,965)은 수직판을 빠져 나가는 액체의 분류를 개선하기 위해 수직판 베인 및/또는 과녁판(target plate)의 사용을 제시한다. 위에서 인용된 특허를 제외하고, 본 출원인은 증기 및 액체의 동시적 하부 유동을 위한 분류 및 혼합 수단으로서 버블캡의 사용에 있어 기술적인 진보를 개시하는 공개 영역(public domain)의 어떤 다른 정보도 알고 있지 않다.

버블캡을 사용하는 일부 시스템은 버블캡의 상류 방향 유체의 거친 분류(rough distribution)를 제공한다. 스탄겔런드(Stangeland) 등에 허여된 특허(U.S. 5,690,896, 1997년 11월)는 버블캡 트레이 위에 직접적으로 위치되는 천공판(perforated plate)을 포함하는 거친 분류를 위한 장치를 개시한다. 이러한 접근에 있어, 천공은 기체상 및 액체상 유체 모두를 지나야 한다. 결과적으로, 이러한 트레이 상의 일반적 액체 레벨은 매우 낮을 수 있으며, 따라서 거친 분류의 양호도에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 그로트(Grott) 등에게 허여된 특허(U.S. 5,837,208, 1998년 11월)는 원통형 벽에 의해 에워싸인 천공된 트레이로 구성되는 거친 분류를 위한 장치를 개시한다. 이러한 접근에 있어, 기체상 유체는 천공된 트레이와 반응기 벽 사이의 환형 영역을 통해 유동할 수 있으며, 액체상 유체는 주로 구멍을 통해 유동할 수 있다. 이러한 접근의 하나의 단점은 환형 하부유동 기체상이 버블캡 트레이 상의 액체 표면을 교란하여, 버블캡 트레이의 성능에 부정적인 영향을 미칠 수 있다는 것이다. 결국, 상기 접근 모두에 있어서, 천공된 트레이는 버블캡 트레이로의 통로 점검 및 보수를 제한한다.

따라서, 버블캡 트레이 및 거친 분류 기구에 대한 개선을 포함하는, 유체의 혼합 및 분류를 위한 개선된 방법 및 장치에 대한 필요성은 여전하다.

본 발명의 분야는 유체 혼합 및 분류에 관한 것이다.

도 1은 종래 기술상의 버블캡의 수직 단면도이며,

도 2a는 본 발명의 일 양태에 따른 버블캡의 수직 단면도이며,

도 2b는 도 2a의 라인 2B-2B를 따라 취해진 버블캡의 수평 단면도이며,

도 3은 감소된 캡 길이에 의해 증가된 스커트 높이 및 다중 칸막이를 갖춘 다른 버블캡의 수직 단면도이며,

도 4는 증가된 수직판 높이에 의해 증가된 스커트 높이 및 다중 칸막이를 갖춘 또 다른 버블캡의 수직 단면도이며,

도 5는 미끄럼 슬롯을 도시하는 도 2a 및 도 2b의 버블캡의 측면도이며,

도 6은 유체의 교차-유동을 도시하는, 다중 버블캡을 갖춘 분류판의 사시도이며,

도 7a는 갈매기형 베인을 갖춘 분류 장치의 사시도이며,

도 7b는 라인 7B-7B를 따라 취해진 도 7a의 분류 장치 및 주변 장치의 수직 단면도이며,

도 7c는 라인 7C-7C를 따라 취해진 도 7b의 분류 장치의 갈매기형 베인의 수평 단면도이며,

도 8은 판형 베인의 수평 단면도이며,

도 9는 엇갈린 채널형 베인(staggered channel-type vane)의 수평 단면도이다.

일면, 본 발명은 버블캡이, 이하 "수직판/캡 길이"로 지칭되는 거리인 수직판의 상부와 캡의 바닥부 사이에서 측정되는 거리의 50 % 이상의 길이까지 연장되는 칸막이에 의해 분리되고 수직판 및 캡을 구비하는 장치 및 방법을 제공한다. 바람직한 실시예에서, 칸막이는 바람직하게는 수직판/캡 길이의 70 % 이상이며, 보다 바람직하게는 수직판/캡 간격의 90 % 이상이다. 칸막이는 수직판 및 캡 양쪽 또는 둘 중 하나에 부착될 수 있으며, 둘 이상의 이러한 칸막이가 있을 수 있다.

다른 측면에서, 본 발명은 수직판 및 캡이 트레이를 통해 지나는 액체 체적 속도(volumetric rate)에 적합한 스커트 높이를 제공하기 위해 협력하는 장치 및 방법을 제공한다. 액체 표면 아래의 수직판 및 캡 부분은 트레이를 교차 유동하는 액체에 대한 수력 저항(hydraulic resistance)으로서 작용한다. 이러한 수력 저항으로 인해 트레이 상의 액체 깊이는 변하게 된다. 액체가 상기 트레이에 유입되는 트레이 상의 영역에서의 액체 깊이가 크면 클 수록, 액체가 교차 유동에 의해 도달되는 트레이 상의 영역에서의 액체 깊이는 작아진다. 액체 깊이의 이러한 다양성은 트레이 데크 자체의 레벨로부터의 물리적 다양성 만큼이나 액체 분류의 균일성에 불리하게 작용한다.

스커트 높이를 증가시킴으로써, 액체 교차 유동에 대한 수력 저항이 감소된다. 특별한 적용예에 대한 바람직한 스커트 높이는 무엇보다 트레이를 통해 흐르는 액체 체적 속도에 의존한다. 낮은 액체 속도에 대해서는, 4 cm 이상의 스커트 높이를 갖는 버블캡이 바람직하다. 보다 높은 액체 속도에 대해서는, 5 cm 이상의 스커트 높이를 갖는 버블캡이 보다 바람직하며, 이보다 더 높은 액체 속도에 대해서는, 7 cm 이상의 스커트 높이를 가지는 버블캡이 보다 바람직하다. 대규모 반응기에서 가능한 매우 높은 액체 속도에 대해서는, 8 cm 또는 그 이상의 스커트 높이를 갖는 버블캡이 고려된다. 특별히 높은 스커트 높이는 바람직하게는 특히 짧은 캡을 사용하기 보다 특히 긴 수직판을 사용함으로써 얻어진다.

또 다른 측면에서, 본 발명은 갈매기형 베인 및 판(chevron-type vane and plate)[예를 들어, 혼합 챔버 바닥부 및 비산 데크(splash deck)]이 유체의 거친분류를 후속 분류 트레이(또는 다수의 분류 트레이)에 제공하기 위해 협력하는 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 다양한 목적, 특징, 측면 및 장점들은 유사한 숫자가 유사한 부분을 나타내는 첨부 도면에 따라 이하의 바람직한 실시예의 상세 설명으로부터 보다 명백하게 될 것이다.

도 1에서, 종래 기술인 버블캡(10)은 일반적으로 스페이서(40)에 의해 분리되는 캡(30) 및 수직판(20)을 포함한다. 버블캡(10)은 분류판(15)에 부착된다. 스페이서(40)는 수직판(20) 및 캡(30)에 비해 길이면에서 매우 짧으며, 스커트 높이(60)는 4 cm 이하이다. 버블캡을 통한 유체 유동 경로(70)는 일반적으로 역 "U"자형이다.

도 2a 및 2b에서, 버블캡(100)은 일반적으로 다수의 칸막이(140)에 의해 분리되는 캡(130) 및 수직판(120)을 포함한다. 버블캡은 유체를 국부적으로 혼합하기 위해 분류판(115)과 협동한다(본 원에서 사용된 것처럼, "유체"라는 용어는 특히, 기상 또는 액상 혹은 2개 이상의 상들의 혼합물을 포함하여 유동하는 것을 의미한다. 또한, 상기 용어는 대규모 공정에서 분류되고 혼합되는 소정의 유체를 포함한다).

수직판(120)은 상부(122) 및 수직판(120) 상부(122)와 분류판(115) 상부(116) 사이의 간격에 의해 형성되는 수직판 높이(125)를 갖는다. 수직판(120)은 내부 통로(190)를 형성한다. 고려되는 수직판은 혼합되는 유체의 부식성 및 온도에 따라 탄소강, 스테인레스 강 혹은 다른 합금, 플라스틱 및 세라믹을 포함하는소정의 적합한 재료로 형성될 수 있다. 또한, 이러한 수직판은 사실상 소정의 적합한 전체 치수를 가질 수 있다. 전체적인 형상 또한 변형에 종속된다. 비록, 원형 수평 단면적을 가지는 관형 수직판이 바람직하지만, 타원형, 정사각형, 직사각형 또는 그 외 다른 수평 단면적을 갖춘 관형 수직판을 제공하는 것도 고려된다. 수직판은 심지어 그 길이를 따라 일정한 통로를 가질 필요가 없다. 바람직한 수직판은 또한 통로의 내부(도시되지 않음) 또는 그 위에 와류 안내 장치(150)를 구비할 수 있다.

캡(130)은 상부(132), 바닥 엣지(134) 및 캡(130)의 상부(132)와 캡(130)의 바닥 엣지(134) 사이의 간격에 의해 형성되는 캡 길이(135)를 갖는다. 또한, 상기 캡(130)은 분류판(115)의 상부(116)와 캡(130)의 바닥 엣지(134) 사이의 간격으로 형성되는 스커트 높이(160)를 갖는다. 고려되는 캡은 혼합되는 재료의 부식성 및 온도에 따라 탄소강, 스테인레스 강 혹은 다른 합금, 플라스틱 및 세라믹을 포함하는 소정의 적합한 재료로 다시 형성될 수 있다. 바람직한 캡은 연관된 수직판의 수평 단면적과 유사한 형상의 수평 단면적을 갖지만, 다른 형상의 단면적을 가질 수도 있다. 예를 들어, 원통형 단면의 수직판이 직사각형 단면 캡을 가질 수 있다.

스커트 높이(160)는 수직판 높이(125), 캡 길이(135), 및 수직판(120)의 상부(122)와 캡(130)의 상부(132) 사이의 간격의 함수이다. 바람직한 버블캡은 4 cm 이상의 스커트 높이를 제공하도록 협력하는 캡(130) 및 수직판(120)을 갖는다. 보다 바람직한 버블캡은 4.5 cm 이상의 스커트 높이를 가지며, 보다 더 바람직한 버블캡은 5 cm 이상, 7 cm 이상, 8 cm 이상, 및 10 cm 이상의 스커트 높이를 갖는다. 매우 높은 스커트 높이는 비록, 모든 결합 형태가 고려될 수 있지만, 바람직하게는 특히 짧은 캡을 사용하는 것보다 특히 긴 수직판을 사용함으로써 얻을 수 있다.

작동에 있어 어떠한 특별한 이론이나 고려된 양태에 한정됨이 없이, 본 발명의 발명자는 분류판(115)의 상부(116)에서 이동하는 유체의 횡방향-유동이 강화된다는 점에서 4 cm 이상의 스커트 높이가 유리하다는 것을 고려한다. 또한, 수력학적 계산은 분류판(115)의 상부(116)를 가로지르고 이어서 수직판(120)과 캡(130) 사이의 공간(180) 및 수직판의 통로(190)를 따라 이동되는 액체상의 양에 따라, 8 cm 또는 그 이상의 스커트 높이가 유리할 수 있다는 것을 보여준다. 비록, 현재로서는 바람직한 실시예로 간주되지 않지만, 분류판 상의 버블캡이 전체적으로 동일한 높이를 가질 필요는 없다는 것 또한 고려된다. 예를 들어, 일부 스커트 높이는 5 cm 이하일 수 있는 반면에, 다른 일부는 5 cm 이상일 수 있다. 그와 달리, 전체 스커트 높이가 5 cm 이상일 수 있으며, 일부는 7 cm 이상일 수 있다. 적어도 부분적으로는 유체가 분류판의 어느 부분으로 유입되는 가에 의존하기 때문에, 상대적으로 높은 스커트 높이를 가지는 버블캡이 분류판의 원주 주위에 위치되거나 다른 방식으로 위치되는 것도 유리할 수 있다.

그와 달리, 슬롯이 연장될 수 있다. 바람직한 슬롯은 길이가 6 cm 이상일 수 있으며, 보다 바람직하게는 길이가 9 cm 이상, 보다 더 바람직하게는 길이가 10 cm 이상, 가장 바람직하게는 길이가 12 cm 이상일 수 있다.

도 2a 및 도 2b에서의 칸막이(140)는 바람직하게는, 반드시 캡(130)의 측벽으로부터 수직판(120)의 측벽에 이르는 전체 간격으로 연장된다. 칸막이는 수직판(120)의 상부(122)에 인접하여 위치된다. 그러나, 다른 실시예 또한 고려된다. 예를 들어, 칸막이는 일반적으로 수직판(120)과 캡(130) 사이의 공간(180)에서 유동하는 유체의 수력학적 동태(hydraulics)에 상당한 영향을 미치기에 충분히 긴 것으로 고려된다.

바람직한 칸막이(140)는 수직판/캡 길이의 50 % 이상, 바람직하게는 70 %, 보다 바람직하게는 90 % 이상의 길이를 가짐으로써 유체 수력학적 동태에 영향을 미친다. 대안적인 실시예(도시되지 않음)에 있어서, 칸막이는 캡의 상부로부터 캡의 바닥 엣지(134)에 이르기까지 전체적으로 연장될 수 있다. 칸막이는 연속적일 필요는 없으며, 칸막이들의 길이의 합이 수직판/캡 길이의 50 % 이상에 달하는 한, 다수의 보다 짧은 칸막이들로 구성될 수 있다. 또한, 고려되는 칸막이들(도시되지 않음)은 그들이 수직판(120)과 캡(130) 사이의 공간(180)으로 상승하는 유체에 와류(swirl)를 부과하는 방식으로 비-수직적으로 위치될 수 있다. 추가적으로, 칸막이의 소정의 적합한 개수는 특히, 2개, 3개, 4개, 5개, 또는 6개의 칸막이를 포함하여, 소정의 기존의 버블캡에서 사용되는 것이 고려된다.

칸막이(140)는 수직판, 캡 또는 상기 수직판 및 캡 모두에 부착될 수 있다. 이러한 부착은 직접적 또는 간접적일 수 있다. 칸막이들 중 일부는 캡에 대한 수직판의 위치를 유지하는데 기여할 수 있으며, 일부는 큰 기여를 하지 않거나 전혀 기여하지 않을 수 있다. 바람직한 부착 방법은 가접 용접, 스티치 용접(stitch welding), 또는 소정의 다른 용접 수단과 같은 용접을 포함한다. 칸막이는 소정의적합한 재료 또는 다수의 재료를 포함할 수 있다. 와류 안내 장치(150)는 수직판(120)의 상부(122)에 부착된다. 와류 안내 장치(150)는 수직판(120)과 캡(130) 사이의 공간(180)으로부터 주위의 유동 경로(circumferential flow path) 내의 수직판 통로(190)로 유체(170)를 안내하며, 이로 인해, 유체(170)가 수직판 통로(190)를 벗어남에 따라, 수직판(120)의 내부벽의 보다 균일한 침윤(wetting) 및 유체(170)의 고리형 방출 형태의 명백한 결과를 가져온다. 와류 안내 장치는 수직판(120)과 연관될 수 있으며, 또는 용접이나 소정의 다른 적합한 방법에 의해 수직판(120)에 부착될 수 있다. 작동시에, 유체(170)는 분류판(115)의 상부(116)와 캡(130)의 바닥 엣지(134) 사이에 위치되며 스커트 높이(160)에 의해 형성되는 개구(117)를 통해 버블캡(100)으로 유입된다. 만약, 버블캡(100)이 측면(130) 상에 하나 이상의 슬롯을 구비한다면, 유체는 상기 슬롯을 통해서도 버블캡으로 유입될 것이다. 그 후, 유체(170)는 수직판(120)과, 캡(130)과 두개의 칸막이(140) 사이의 공간(180)으로 유입된다. 그 후, 유체(170)는 유체(170)가 혼합되는 와류 안내 장치(150) 및 상기 공간(180)을 통해 상향 유동한다. 그 후, 유체(170)는 수직판(120)으로 유입되어 수직판 통로(190)를 통해 하향 유동한다. 캡 길이(135)는 도 1의 캡 길이(35)보다 짧으며, 이로 인해 스커트 높이(160)는 도 1의 스커트 높이(60)보다 길다. 경사진 분류 트레이(115)로 인해 두개의 인접하는 버블캡(100)이 상이한 높이인 경우에, 두개의 칸막이(140) 및 스커트 높이(160)는 도 1의 두개의 인접한 버블캡(10)에서 보다 두개의 인접 수직판 사이에서의 유체(170)의 보다 균일한 분할을 가능하게 한다.

분류판(115)은 바람직하게는 약 90 cm 내지 약 610 cm의 직경 및 약 0.15 cm 내지 약 1 cm의 두께를 갖는 원형이다. 이러한 크기는 일반적으로 분류판이 사용되는 반응기의 크기에 의존한다. 일반적으로, 바람직한 분류판은 비록, 탄소강, 플라스틱 및 세라믹을 포함하는 소정의 적합한 재료도 고려되지만, 스테인레스 강 및 그 외 다른 합금으로 제조된다. 비록, 더 적거나 더 많은 수의 버블캡 역시 고려되지만, 전형적인 분류판(115)은 약 60 내지 약 1200개의 버블캡을 지지한다. 수직판(120)은 일반적으로 분류판(115)에서 회전되어, 수직판 통로(190)가 분류판(115) 내의 구멍(118)과 일치하게 된다.

다른 형태의 버블캡에 대해 위에서 참조되며 야콥에게 허여된 특허에서 개시된 것과 같이, 분류판(115)은 갇힌 혼합(chambered mixing) 및/또는 거친 분류가 상류 흐름을 이룰 수 있기 때문에, 실질적으로 재-분류판을 포함할 수 있다. 따라서, 분류판(115)이 소정의 혼합 반응기의 다른 과정 및 장치에 대해 소정의 적합한 위치에 놓일 수 있다는 것은 명백해질 수 있다.

도 3에서, 버블캡(200)은 상기 버블캡(200)이 두개의 칸막이(140) 대신에 네개의 칸막이(240)를 갖는다는 것을 제외하고는 도 2a 및 도 2b의 버블캡(100)과 유사하다. 도 3에서 네개의 칸막이(240)는 두개의 칸막이로된 두 세트로 구성되며, 각각의 세트는 공간(280) 내의 별개의 수직 평면에 배치된다. 각각의 세트 내에서, 두개의 칸막이는 공간(280) 내의 하나의 수직 평면 내에 배치되고, 공간(280) 내에서 분리된다. 결과적으로, 유체(270)는 수직판(220), 캡(230) 및 상기 네개의 칸막이(240) 사이에 형성되는 공간(280)을 통해 흐를 수 있다.

도 4에서, 버블캡(300)은 상기 버블캡(300)이 수직판 높이(125)보다 짧은 수직판 높이(325) 및 캡 길이(135)보다 짧은 캡 길이(335)를 가진다는 것을 제외하고는 도 2a 및 도 2b의 버블캡(100)과 유사하다. 이러한 결과로 인해 비록, 수직판 높이 및 캡 길이가 상이하지만, 버블캡(100)의 스커트 높이(160)와 동일한 스커트 높이(360)를 나타내게 된다.

도 5에서, 버블캡(400)은 원통형 만곡 측면(433)을 가지며, 여기에 다수의 측면 슬롯(495)이 배치된다. 다수의 측면 슬롯(495)의 각각은 캡(430)의 바닥부(434)까지 하향 연장되어 소정의 주어진 슬롯(495)의 슬롯 길이(497)는 상부(496)로부터 캡(430)의 바닥부(434)에 이르는 거리이다. 슬롯 높이(498)는 슬롯(495)의 상부(496)와 분류판(415)의 상부(416) 사이의 거리로서 형성된다. 무엇보다도, 이러한 측면 슬롯(495)으로 인해, 혼합되고 분류되는 유체(470)가 버블캡(400) 내로 통과할 수 있다.

도 5의 버블캡(400)은 비록 네개만 도시되어 있지만, 여덟개 이상의 슬롯(495)을 갖는다. 슬롯 길이(497)는 7 cm이고, 슬롯의 높이(498)는 11 cm이다. 다른 실시예에서, 슬롯 길이(497)는 약 4 내지 약 30 cm 내일 수 있는 것으로 고려된다. 비록, 삼각형이나 다른 테이퍼진 형상, 지그재그 형상 등과 같은 소정의 다른 적합한 형상을 가질 수 있지만, 통상적으로 슬롯(495)은 일반적으로 직사각형이다. 도 6에서, 분류판(516)은 다수의 버블캡(500)을 포함한다. 유체(570)는 분류판(516) 상에서 지그재그(550) 형태로 유동하며, 수직판(520) 및 캡(530)은 교차 유동에 대한 수력 저항을 발생시킨다. 교차 유동하는 유체(570)의 일부(555)는 버블캡에 의해 혼합되고 분류된다. 다수의 버블캡(500)은 다양한 인자에 따라 양적으로 다양할 수 있다. 상기 인자들 중 두개는 각각 단위 분류 트레이 영역 당 캡의 수에 영향을 미치는 캡의 중심간 거리, 및 반응기 혹은 유체를 혼합하고 분류하기 위해 사용되는 소정의 다른 대규모 공정의 크기이다. 추가적으로, 다수의 버블캡(500)은 유체의 대칭적 분포를 위해 소정의 방식으로, 바람직하게는 대칭적으로 분류판(516) 상에서 분포될 수 있다. 교차-유동(550)을 수정하기 위해 분류판(516) 상에 또는 분류판(516) 내에 배치되는 톱니형, 채널형, 배플(baffle)형 또는 그 외 다른 형태의 경로(도시되지 않음)일 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

도 7a, 7b 및 7c에서, 거친 분류 장치(600)는 다수의 갈매기형 베인(610)을 포함한다. 상기 베인은 혼합 장치(620)와 비산 데크(630) 사이에 배치된다. 상기 비산 데크(630)로 인해 혼합 장치를 빠져 나가는 유체가 경로(613)를 따라 갈매기형 베인(610)에 의해 형성되는 통로(612)를 통해 외향으로 유동하게 된다. 비산 데크(630)는 바람직하게는 구멍이 없지만, 유체의 일부가 후속 분류 트레이(650)(최종 분류 트레이가 될 수 있음)로 하향 유동할 수 있게 하는 오리피스(도시되지 않음)를 포함할 수 있다.

참고적으로, 도 7b는 후속 분류 트레이(또는 다수의 분류 트레이)(650) 아래의 촉매 베드(catalyst bed)(640), 및 반응기 벽(660)을 도시한다.

바람직한 실시예에서, 갈매기형 베인(610)은 혼합 챔버의 실질적으로 구멍이 없는 마루부(도시되지 않음)의 하부, 실질적으로 구멍이 없는 비산 데크(630)의 상부, 및 상류 혼합 챔버(도시되지 않음)의 출구 오리피스(또는 다수의 오리피스)(620)의 주위에 위치된다. 이에 따라 형성되는 베인 통로(612)는 상기 통로를 통해 유동하는 유체가 바람직하게는 두 번 이상 방향을 바꾸고 상류측 혼합 챔버와 하류측 후속 분류판(650) 사이의 유체 소통에 유일한 수단을 제공하도록 한다. 갈매기형 베인(610)으로 인해 베인 통로(612)를 빠져 나가는 유체의 보다 균일한 속도 프로파일을 얻을 수 있으며, 따라서 후속 분류 트레이(650)로의 유체의 보다 효율적인 거친 분류를 제공하게 된다. 내부의 혼합되는 유체에 와류를 발생시키는 혼합 챔버와 연동되어 사용될 때, 갈매기형 베인(610)은 유체 속도의 접선 방향 성분을 감소시키는 역할도 한다. 혼합 챔버의 중심 출구 오리피스와 동심인 원형 배치(layout) 내에 배열될 때, 갈매기형 베인(610)은 베인 통로(612)를 빠져 나가는 액체 방출 유형을 증진시켜, 액체가 환형 링(도시되지 않음) 내의 후속 분류 트레이(650)에 제공되도록 한다. 만약, 액체에 의해 생성되는 링의 직경이 최적에 근접한다면, 이러한 환형 링 공급 유형은 액체를 후속 분류 트레이(650)에 공급하는데 상당히 효율적인 방법이다. 최적 링 직경은 최종 분류 트레이(650)의 형상에 의존적이며 수력학 계산에 의해 결정될 수 있다. 비록, 갈매기형 베인이 도 7a, 7b, 및 7c에 도시되었지만, 다른 유동 재방향식 베인(flow redirecting-type vane)이 고려된다. 여러 예들이 도 8 및 도 9에 도시된다.

도 8의 물결판 형 베인(710)은 베인 통로(712)를 형성하기 위해 이격되며, 상기 통로는 유체가 상기 통로를 통해 유동하도록 유동 경로(713)를 제공한다.

도 9에서, 엇갈린 형상의 채널형 베인(810)은 베인 통로(812)를 형성하기 위해 이격되며, 상기 통로는 유체가 상기 통로를 통해 유동하도록 유동 경로(813)를제공한다.

명확하게 하면, 다수의 슬롯 및 슬롯 길이와 스커트 높이의 다수의 상이한 결합체는 상업적으로 중요한 것으로 고려된다. 이하의 표는 이러한 결합체의 일부를 열거한다.

액체 표면 아래의 캡 및 수직판의 일부는 트레이를 교차 유동하는 액체에 대한 수력 저항체로서 작용한다. 도 5를 다시 참조하면, 상기 트레이 데크 위의 액체 표면의 높이는 스커트 높이(460)에 슬롯 길이(496)를 더하고 노출된(또는 매몰되지 않은) 슬롯 높이를 뺀 값과 동일하다. 가스는 노출된 각각의 슬롯(495) 부분을 통해 캡과 수직판 사이의 공간으로 유입된다.

수직의 직사각형 슬롯을 구비하는 버블캡에 대해, 상기 노출된 슬롯 높이는 아래의 방정식으로부터 산출될 수 있다.

노출된 슬롯 높이(cm) = 44.2*X^0.52, 여기서

여기서,

Q_v= 캡을 통해 유동하는 증기/가스 체적 속도(사실상 m³/min),

W_s= 평균 슬롯 폭(cm),

N_s= 슬롯의 개수,

ρ_v= 증기/가스 밀도(kg/m³), 및

ρ_l= 액체 밀도(kg/m³).

유사한 방정식들이 유도될 수 있으며, 사다리꼴 또는 삼각형 슬롯과 같은 대체 형상의 슬롯을 위해 노출된 슬롯 높이를 계산하는데 사용될 수 있다. 슬롯 폭은 0.1 cm 내지 2.5 cm 또는 그 이상에 이르기까지 다양할 수 있다. 바람직한 슬롯 폭은 0.25 cm 내지 1.25 cm 이다. 사용된 슬롯의 개수는 예를 들어, 캡 크기와 형상, 및 캡을 통해 유동하는 가스 체적 속도에 따라 1 내지 10 또는 그 이상으로 광범위하게 다양할 수 있다.

다시 말해, 독창적인 주요 사항은 1개, 3개, 5개 또는 7개 이상의 슬롯을 구비하는 캡, 및 4 cm 이상의 스커트 높이로 구성되어 1.5*스커트 높이(cm)+[슬롯 길이(cm)-노출된 슬롯 높이(cm)]≥7.5, 15, 22.5, 또는 30이 성립되고, 액체 유체와 가스 유체가 수직판과 캡 사이의 공간으로 동시에 상향 유동하도록 취해지는 수직판을 포함하는 버블캡에 있다.

이에 따라, 유체 혼합 및 분류에 대한 적용예 및 특별한 실시예가 개시된다. 그러나, 이미 개시된 것외에 수많은 변형례들이 본 원의 발명의 개념에서 벗어남이 없이 실현 가능하다는 것이 당업자에게 명백해야 한다. 따라서, 독창적인 주요 사항은 첨부된 청구범위의 취지에 한정되는 것은 아니다. 더 나아가, 명세서 및 청구범위를 해석함에 있어서, 모든 용어는 문맥에 일치하여 가능한 가장 광범위하게 해석되어야 한다. 특히, "포함하다" 및 "포함하는"이라는 용어는 명백히 인용되지 않은 다른 부재, 부품, 또는 단계와 결합하거나 사용 또는 제시될 수 있는 인용 부재, 부품 또는 단계를 지시하는 비-배타적 방식으로 부재, 부품 또는 단계를 언급하는 것으로 해석되어야 한다.

Claims

1개 이상의 슬롯 및 수직판을 갖춘 캡을 포함하며,

4 cm 이상의 스커트 높이로 형성되어 1.5*스커트 높이(cm)+[슬롯 길이(cm)-노출된 슬롯 높이(cm)]≥7.5 가 성립하고,

액체 유체 및 가스 유체가 수직판과 캡 사이의 공간에서 동시에 상향 유동하도록 배치되는,

버블캡.

제 1 항에 있어서,

1.5*스커트 높이(cm)+[슬롯 길이(cm)-노출된 슬롯 높이(cm)]≥15 인,

버블캡.

제 1 항에 있어서,

1.5*스커트 높이(cm)+[슬롯 길이(cm)-노출된 슬롯 높이(cm)]≥22.5 인,

버블캡.

제 1 항에 있어서,

1.5*스커트 높이(cm)+[슬롯 길이(cm)-노출된 슬롯 높이(cm)]≥30 인,

버블캡.

3개 이상의 슬롯 및 수직판을 갖춘 캡을 포함하며,

액체 유체 및 가스 유체가 상기 수직판과 상기 캡 사이의 공간에서 동시에 상향 유동하도록 배치되는,

버블캡.

제 5 항에 있어서,

버블캡.

제 5 항에 있어서,

버블캡.

제 5 항에 있어서,

버블캡.

5개 이상의 슬롯 및 수직판을 갖춘 캡을 포함하며,

버블캡.

제 9 항에 있어서,

버블캡.

제 9 항에 있어서,

버블캡.

제 9 항에 있어서,

버블캡.

7개 이상의 슬롯 및 수직판을 갖춘 캡을 포함하며,

버블캡.

제 13 항에 있어서,

버블캡.

제 13 항에 있어서,

버블캡.

제 13 항에 있어서,

버블캡.