KR20050100406A - 분리 트레이 - Google Patents

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KR20050100406A
KR20050100406A KR1020057015522A KR20057015522A KR20050100406A KR 20050100406 A KR20050100406 A KR 20050100406A KR 1020057015522 A KR1020057015522 A KR 1020057015522A KR 20057015522 A KR20057015522 A KR 20057015522A KR 20050100406 A KR20050100406 A KR 20050100406A
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KR1020057015522A
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게리트 코닌
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
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    • B01D3/14—Fractional distillation or use of a fractionation or rectification column
    • B01D3/16—Fractionating columns in which vapour bubbles through liquid
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    • B01D3/20—Bubble caps; Risers for vapour; Discharge pipes for liquid
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
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Abstract

통상적으로 수직인 칼럼에 수평으로 설치하기 적합한 분리 트레이를 제공하는데, 이 분리 트레이는, 그 사이에 내부 공간을 형성하는 수평의 상부 벽과 수평의 하부 벽과, 유체를 1차 가스와 액체 농후 유체로 분리하기 위해 상기 내부 공간 안에 배치되는 적어도 하나의 1차 분리 장치를 포함하고, 이 1차 분리 장치는,
- 하단에서는 유체를 도입시키는 유체 입구를 가지고 상단에서는 1차 가스 배출구를 가지는 통상적으로 수직의 관상 통로로서,배출 통로가 상부 벽의 1차 가스 배출 개구까지 형성되어 있고,
- 상기 유체 입구 및 상기 1차 가스 배출구 사이에서 상기 통로에 배치되어, 정상 작동 중에 상기 스월 발생 수단의 하류에서 상기 통로의 내면 부근의 환형 영역에서 2차 가스를 포함하는 액체 농후 유체층을 형성시키는 스월 발생 장치를 포함하고,
- 상기 분리 트레이는 상기 1차 분리 장치로부터 액체 농후 유체를 제거하고 2차 가스로부터 동반(entrainment)된 액체를 제거하기 위한 2차 분리 수단까지 안내하기 위한 수단을 더 포함하며,
2차 가스로부터 동반된 액체를 제거하기 위한 상기 2차 분리 수단은 상기 상부 벽과 하부 벽 사이의 내부 자유 공간에 의하여 형성되고, 이 내부 공간은 그 하단부에 액체 제거 수단과 유체 소통하는 액체 배출구를 가지고 상단부에서는 상부 벽의 2차 가스 배출 개구까지 이르는 2차 가스 배출구를 가지며 상기 2차 가스 배출 개구는 상기 1차 가스 배출 개구와는 떨어져 있고 가스 제거 수단의 일부를 형성하고, 액체 농후 유체를 제거하고 안내하기 위한 상기 수단은 모든 액체 농후 유체를 하방으로 상기 내부 자유 공간안으로 도입시킨다.

Description

분리 트레이 {SEPARATION TRAY}
본 발명은 통상적으로 수직으로 된 칼럼(column)에 수평으로 설치되기에 적합한 분리 트레이에 관한 것이다. 특히, 이 칼럼은 가스/액체 혼합물을 분리하는데 적합한 칼럼일 수가 있다. 명세서 및 청구의 범위에서, 가스(gas)라는 용어는 증기도 포함하는 것으로 사용된다.
유럽 특허출원 NO. 0 083 811 B1 호는 그들 사이에 내부 공간을 형성하는 통상적으로 수평의 상부 벽 및 통상적으로 수평의 하부 벽, 상기 내부 공간으로 유체를 유입시키기 위한 수단, 상기 내부 공간으로부터 액체를 제거하기 위한 수단, 상기 내부 공간으로부터 가스를 제거하기 위한 수단, 유체를 1차 가스와 액체 농후 유체로 분리하기 위한 복수의 1차 분리 장치를 포함하는 분리 트레이를 개시하는데 상기 내부 공간 내에 배치된 각각의 1차 분리 장치는 다음을 포함한다.
- 그 하단에 유체 유입 허용 수단과 유체 소통하는 유체 입구를 가지며 그 상단에는 가스 제거 수단과 유체 소통하는 1차 가스 배출구를 가지는 통상적으로 수직의 통로.
- 상기 유체 입구 및 상기 가스 배출구 사이의 통로에 배치되어 정상 작동중에 스월 발생 수단의 상기 통로 하류의 내면 부근의 환형 지역에 액체 농후 유체를 포함하는 유체층을 형성시키는 스월 발생 장치.
- 상기 1차 분리 장치로부터 상기 액체 농후 유체의 적어도 일부를 제거하고, 2차 가스로부터 동반(entrainment) 된 액체를 제거하기 위한 2차 분리 수단으로 안내하기 위한 수단.
칼럼에 설치된 공지의 분리 트레이의 정상 작동 중에, 액체와 가스를 포함하는 유체는 하부 트레이에 있는 개구를 통하여 스월(swirl) 튜브라고도 부르는 1차 분리 수단으로 유입된다.
정상 작동 중에 상기 스월 튜브는 가스/액체 혼합물의 1차 분리를 수행한다. 이를 위해, 베인 조립체(vane assembly) 형태의 상기 스월 발생 수단은 가스/액체 혼합물에 회전운동을 부여하고, 이 회전운동에 의해서 상기 가스/액체 혼합물의 액적은 외측으로 내던져져 상기 관상 벽의 내면 상에 충돌하여 유착하게 된다.
각각의 스월 튜브 내로 공급된 상기 가스/액체 혼합물의 가스 성분 대부분은 동축의 1차 가스 배출 튜브를 통해서 상기 상부 벽 위로 배출된다.
소위 2차 가스인, 액체 및 보다 적은 부분의 가스 성분에 의하여 상기 스월 튜브 내벽의 환형 영역에 액체 농후 유체의 유동층이 형성된다. 특히, 벌크 액체층이 상기 관상 벽의 내면 상에 형성될 수 있다. 상기 액체는, 2차 가스와 함께, 일부분은 횡방향 또는 약간 상방으로 관상 벽의 배출 개구를 통하여, 그리고 일부분은 상기 스월 튜브의 상단에 있는 유체 통로를 통과한다.
벌크 액체는, 상기 내부 자유 공간에서 침전되어 하부 트레이 벽의 상부에 축적되고 이곳에서부터 상기 칼럼의 측벽의 배출구를 통하여 제거된다. 내부 자유 공간이라는 표현은 명세서 및 청구의 범위에서 상부 벽과 하부 벽 사이의 내부 자유 공간부, 임의의 1차 분리 장치의 외측, 스월 튜브 또는 다른 통로의 외측, 그리고, 특히, 1차 분리 장치로부터 2차 분리 장치(들)로 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 수단의 외측을 나타내기 위해 사용한다. 2차 가스는 상기 상부 벽의 배출구를 통하여 상기 내부 자유 공간을 빠져나간다.
상기 스월 튜브에서 액체 하중 및/또는 유속이 최대로 되는 전형적 조건하에서 액체는 상기 내부 자유 공간을 빠져나가는 2차 가스에 동반된다. 따라서 2차 가스는 1차 가스보다 더 습할 경우가 종종 있으며, 2차 분리 수단에서 2차 가스를 더욱 건조시킬 필요가 있다. 공지의 분리 트레이에서, 상기 내부 자유 공간을 상방으로 빠져나오는 2차 가스는 통로에 의하여 2차 분리 수단으로 안내되고 이곳에서 동반된 액체를 분리한다.
공지의 분리 트레이의 일 실시형태에 있어서, 동반된 액체를 2차 가스로부터 제거하기 위한 2차 분리 수단은 상부 벽 위에 배치된 여과(filter) 수단에 의하여 형성된다. 상기 여과 수단에 의해서 분리된 액체는 상기 칼럼 벽에 있는 별도의 측면 배출구를 통하여 배출된다. 그리고나서 건조된 2차 가스 유동은 상기 2차 분리 수단 위의 1차 가스 유동과 합쳐진다.
다른 실시형태에 있어서, 공지의 분리 트레이는 특수한 스월 튜브 형태의 2차 분리 수단을 포함한다. 2차 가스는 상기 상부 벽 위의 2차 가스-수집 공간에서 수집되고 통로를 통하여 하부 벽 아래로 안내 되어 상기 특수한 스월 튜브 내로 들어간다.
도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명의 제2 실시형태의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 분리 트레이 상의 스월 튜브의 제 1 배치를 나타내는 개략도이다.
도 4는 본 발명에 따른 분리 트레이 상의 스월 튜브의 제 2 배치를 나타내는 개략도이다.
도 5는 본 발명과 함께 사용하기에 적합한 스월 발생 수단의 평면도이다.
도 6은 도 5의 스월 발생 수단의 사시도이다.
본 발명의 목적은 공지의 분리 트레이보다 더 콤팩트하고, 제조가 더 용이한 분리 트레이를 제공하는 것이다.
본 발명은 통상적으로 수직인 칼럼에 수평으로 설치하기 적합한 분리 트레이를 제공하는데, 이 분리 트레이는, 그 사이에 내부 공간을 형성하는 통상적으로 수평의 상부 벽과 통상적으로 수평의 하부 벽과, 상기 내부 공간 안으로 유체를 도입시키기 위한 수단과, 상기 내부 공간으로부터 액체를 제거하기 위한 수단과, 상기 내부 공간으로부터 가스를 제거하기 위한 수단과, 유체를 1차 가스와 액체 농후 유체로 분리하기 위해 상기 내부 공간 안에 배치되는 적어도 하나의 1차 분리 장치를 포함하고, 이 1차 분리 장치는,
- 하단에서는 유체를 도입시키는 상기 수단과 유체 소통하는 유체 입구를 가지고 상단에서는 1차 가스 배출구를 가지는 통상적으로 수직의 관상 통로로서, 배출 통로가 이 1차 가스 배출구로부터 상부 벽의 1차 가스 배출 개구까지 형성되어 있고, 이 1차 가스 배출 개구는 상기 가스 제거 수단의 일부를 형성하는 상기 관상 통로와,
- 상기 유체 입구 및 상기 1차 가스 배출구 사이에서 상기 통로에 배치되어, 정상 작동 중에 상기 스월 발생 수단의 하류에서 상기 통로의 내면 부근의 환형 영역에서 2차 가스를 포함하는 액체 농후 유체층을 형성시키는 스월 발생 장치를 포함하고,
- 상기 분리 트레이는 상기 1차 분리 장치로부터 액체 농후 유체를 제거하고 2차 가스로부터 동반(entrainment)된 액체를 제거하기 위한 2차 분리 수단까지 안내하기 위한 수단을 더 포함하며,
2차 가스로부터 동반된 액체를 제거하기 위한 상기 2차 분리 수단은 상기 상부 벽과 하부 벽 사이의 내부 자유 공간에 의하여 형성되고, 이 내부 공간은 그 하단부에 액체 제거 수단과 유체 소통하는 액체 배출구를 가지고 상단부에서는 상부 벽의 2차 가스 배출 개구까지 이르는 2차 가스 배출구를 가지며 상기 2차 가스 배출 개구는 상기 1차 가스 배출 개구와는 떨어져 있고 가스 제거 수단의 일부를 형성하고, 액체 농후 유체를 제거하고 안내하기 위한 상기 수단은 모든 액체 농후 유체를 하방으로 상기 내부 자유 공간안으로 도입시킨다.
본 발명은 1차 분리 장치들 사이의 내부 자유 공간은 이 1차 분리 장치(들)를 빠져나가는 액체 농후 유체의 보다 효율적인 분리를 위해 이용될 수 있다는 생각에 근거한다. 종래 기술에서 내부 자유 공간은 액체 농후 유체로부터 벌크 액체의 큰 액적을 침전시키기 위해서만 이용됨으로써 상대적으로 습한 2차 가스가 얻어지지만, 본 발명의 트레이는 2차 가스로부터 동반된 액체를 제거하기 위해서 내부 자유 공간을 또한 사용하도록 배치된다. 이것은 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 수단이 하방으로 유체를 상기 내부 자유 공간 내로 도입시킴으로써 달성된다. 이러한 방법으로, 실제의 작업 조건하에서, 동반된 액체가 충분히 제거된 2차 가스가 얻어진다. 따라서 2차 가스는, 2차 가스 수집 공간, 즉, 2차 분리 수단에 도달하기 위해서 상부 벽 위로 안내될 필요가 없으므로 종래 기술에 공지된 것보다 더 콤팩트하고 더 간단하게 된다. 1차 가스의 액체 함유량은 통상 충분히 낮으므로 1차 가스는 내부 자유 공간으로 안내되지 않고 상부 벽에 있는 별도 배출구를 통해서 직접 제거된다.
다음의 설명에 구속되기를 바라지는 않지만, 본 출원인은 유체를 하방으로 도입시키는 것이 내부 자유 공간의 분리 효율에 몇 가지 긍정적인 효과를 가진다고 생각한다. 한편으로는, 상기 내부 자유 공간에서 종국적으로는 상승하는 2차 가스는 하방으로 분사되어 구부러진 궤도를 따라 유동함으로써, 2차 가스가 내부 자유 공간에서 따르게 되는 최단 유동 경로의 길이를 최대화한다. 또 한편으로는, 액체는 직접적인 궤도를 따라서는 내부 자유 공간 상부의 2차 가스 배출구에 도달할 수가 없다. 액체 및 2차 가스, 양자가 2차 가스 배출구에 이르는 최단 경로를 회피하여 활용 가능한 내부 자유 공간의 이용을 최대화함으로써, 모든 액체 농후 유체는 전체적인 유속이 상대적으로 느리며, 내부 자유 공간의 일 영역에 도달할 수가 있으며, 적합하게는 이 영역은 상기 내부 자유 공간의 하부 영역이다. 이러한 방법으로 동반된 액체를 분리하는데 이용될 수 있는 시간이 증가하여, 액체 농후 유체의 벌크 액적 보다 훨씬 더 작은 동반된 액체의 액적이 2차 가스로부터 분리될 수 있다. 바람직하게는, 거의 1차 가스만큼 액체 함량이 낮은 2차 가스가 얻어진다.
액체 농후 유체를 제거하고 상기 내부 자유 공간으로 안내하기 위한 수단은 하부 벽으로부터 시작하여 상부 벽과 하부 벽 사이의 공간의 50%, 바람직하게는 30% 내의 위치에서 배출구를 갖는다. 이러한 구성으로 상기 내부 자유 공간의 상부 영역의 배출구까지, 모든 2차 가스에 대한 충분히 긴 이동거리가 확보됨으로써 가스가 상기 내부 자유 공간에 머무는 시간은 동반된 액체로부터 침전이 발생할 수 있는 소정의 최소값 이상으로 된다.
유럽 특허 출원 공개 공보 No. EP 0048508 A 는 그 도 6 및 도 7 에서 스월 튜브가 일정하게 배치된 트레이를 개시한다. 인접하는 스월 튜브 사이에서, 스커트는 트레이의 상부 벽에 접속되도록 배치되다. 트레이의 중심에 있는 스월 튜브는 4개의 스커트에 의하여 둘러싸인다. 이러한 4개의 스커트에 의해서 형성된 각각의 상부 벽 부분에는 2차 가스 배출구가 배치된다. 공지의 트레이에는 동반된 액체를 2차 가스로부터 제거하기 위한 2차 분리 수단이 존재하지 않는다. 스커트는 스월 튜브로부터 배출되는 액체가 인접하는 스월 튜브로부터 배출되는 액체를 방해하는 것을 방지하는 역할을 한다.
작동 중에, 액체 농후 유체는 접선방향의 개구들을 통하여 스월 튜브를 빠져나가고, 통상 횡방향으로, 내부 자유 공간으로 들어간다. 그리고나서 2차 가스는 가장 가까운 2차 가스 배출 튜브를 통해서, 동반된 액체를 가지고, 상기 내부 자유 공간을 상방으로 빠져나간다. 상기 트레이 주위의 스월 튜브는 스커트에 의해서 완전히 둘러싸이지는 않으며, 상기 스커트는 상기 주위 부근의 내부 자유 공간에서 횡방향의 유체 소통을 가능하게 한다.
도면을 참조하여 본 발명을 실시예를 가지고 보다 더 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 분리 트레이 (2) 가 설치된 칼럼 (1) 을 나타내는 도 1을 참조한다. 분리 트레이 (2) 는 통상적으로 수직 칼럼 (1) 에서 수평으로 배치되는데, 이것은 칼럼 (1) 이 작동될 때의 통상의 배치이다.
상부 플레이트 (4) 및 하부 플레이트 (6) 는 분리 트레이 (2) 의 상부 벽과 하부 벽을 형성하고, 그들 사이에서 내부 공간 (8) 을 형성한다. 내부 공간 (8) 으로 유체가 들어갈 수 있도록 하는 수단이 개구 (10a, 10b, 10c) 의 형태로 하부 플레이트 (6) 에 제공되고, 내부 공간 (8) 의 하부 (12) 로부터 액체를 제거하기 위한 수단이 드레인 통로 (15) 의 형태로 하부 플레이트 (6) 에 제공된다. 내부 공간 (8) 의 상부 (18) 로부터 가스를 제거하기 위한 수단이 배출구 (20a, 20b, 20c; 21a, 21b, 21c, 21d) 및 배출구 (22) 의 형태로 상부 플레이트 (4) 에 제공된다.
도 1에서 보듯이, 유체를 1차 가스와 액체 농후 유체로 분리하기 위한, 스월 튜브 (25a, 25b, 25c) 형태의 3개의 1차 분리 장치가 내부 공간 (8) 에 제공되어 있다. 스월 튜브들은 내부 공간 (8) 내에 배치된다. 실제의 적용에 따라서는 본 발명에 따른 분리 트레이는 오직 하나의 스월 튜브를 포함할 수도 있지만, 예를 들어, 수백 또는 심지어 수천 개의 스월 튜브를 포함할 수도 있다. 스월 튜브의 입구는 하부 플레이트 (6) 아래로 신장 가능하다.
스월 튜브 (25a) 는 축 (29a) 을 가지는 원통형의 수직 관상 통로 (28a) 를 포함한다. 통로 (28a) 는 그 상류 단부(통상 하단부)에서 개구 (10a) 와 유체 소통되는 유체 입구 (30a) 를 가지고, 그 하류 단부(통상 상단부)에서는 1차 가스를 위한 배출구 (32a) 를 가지며, 이 배출구는 1차 가스 배출 통로 (34a) 를 통하여 배출구 (20a) 와 유체 소통되며, 상기 배출 통로는 관상 통로 (28a) 와 동축인 것이 바람직하다. 통로 (34a) 는 통로 (28a) 내로 일정 거리 만큼 들어가 있다.
통로 (28a) 의 하부에는 스월 발생 수단 (36a) 이 배치된다. 스월 발생 수단은 베인 조립체 형태를 가지는 것이 적합한데, 도 5를 참조하여 아래에 설명하는 형태인 것이 바람직하다. 액체 농후 유체층은 스월 발생 수단 (36a) 의 하류의 환형 영역 (37a) 을 흐르게 된다.
다음으로 1차 분리기로부터 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 수단을 설명한다. 관상 통로 (30a) 의 벽에는 적합하게는 수직 또는 경사 슬릿(slit)과 같은 형태의 배출구 개구 (40a) 가 제공된다. 이들 개구들은 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 상기 수단의 입구를 형성한다.
통로 (28a) 의 상부 위에는, 이 통로 (28a) 보다 다소 큰 직경을 갖는 캡(cap)형 복귀 스커트 (45a) 가 동심으로 형성되어 있다. 1차 가스 배출 통로 (34a) 는 복귀 스커트 (45a) 의 상단을 관통하는데, 상기 복귀 스커트는 통로 (34a) 와 밀봉식으로 결합 되어 있기 때문에 1차 가스 배출 통로 (34a) 의 하단부와 통로 (28a) 의 상단부 사이의 환형 영역 (46a) 으로부터의 유체는 상방으로는 스월 튜브 (25a) 를 벗어날 수가 없다. 환형 개구 (48a) 는 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 수단의 다른 입구를 형성하고, 환형 영역 (46a) 으로부터의 유체를 통로 (28a) 와 복귀 스커트 (45a) 사이의 외측 환형 영역 (50a) 내로 흘러들어가게 한다. 상기 복귀 스커트의 하단부는 배출구 (40a) 를 둘러싸며, 분리 트레이 (2) 의 내부 자유 공간으로 이어진 환형 배출구 (52a) 를 통로 (28a) 와 함께 형성한다. 내부 자유 공간 (55) 은, 상부 플레이트 (4) 및 하부 플레이트 (6) 사이에서 배출구 (52a) 와 다른 스월 튜브들의 각 환형 배출구의 하류에 있는 내부 공간부에 의하여 형성된다.
스월 튜브 (25b) 및 스월 튜브 (25c) 는 스월 튜브 (25a) 와 실질적으로 동일한 형태를 가진다.
분리 트레이 (2) 의 정상 작동 중에 가스/액체 유체 혼합물은 하부 플레이트 (6) 아래로부터 1차 분리 장치인 스월 튜브 (25a, 25b, 25c) 로 들어갈 수가 있다. 스월 발생 수단 (36a) 은 가스/액체 혼합물에 회전 운동을 부여하고, 이 회전 운동에 의하여 상기 가스/액체 혼합물의 액적은 외측으로 내쳐진다. 상대적으로 액체가 없는 가스는 스월 발생 수단의 하류인 축방향 영역을 상방으로 계속 유동하여 1차 가스로서 동심축의 통로 (34a) 를 통과하여 상기 분리 트레이 위로가서 상기 스월 튜브를 벗어나게 된다.
스월 발생 수단 (36a) 의 하류에 있는 환형 영역 (37a) 에는 액체 농후 유체층이 형성된다. 액적은 통로 (28a) 의 내벽에 충돌하여 액체 유동층을 형성한다. 또한, 2차 가스가 이 환형 영역에서 상방으로 유동할 것이고 액체가 가스 에 다시 동반될 수 있다. 환형 영역 (37a) 으로부터 배출구 (40a) 및 배출구 (48a) 를 통하여 액체 농후 유체가 제거되고, 복귀 스커트 (45a) 에 의하여 하방으로 안내되어 환형 배출구 (52a) 를 통하여 하방으로 내부 자유 공간 (55) 으로 들어간다.
큰 액적은 상기 내부 자유 공간의 하부에 즉시 침전되어 하부 플레이트 상부에 액체층을 형성한다. 액체는 이 층으로부터 드레인 통로 (15) 를 통하여 제거된다. 배출구 (52a) 를 떠나는 2차 가스는, 스월 튜브 사이의 거리가 가장 큰, 상기 내부 자유 공간의 하부 영역에 직접 들어간다. 따라서, 유속은 가스에 동반된 액체가 상기 액체층 내로 유착 및 침전되기에 충분히 낮다. 또한, 2차 가스는 상기 내부 자유 공간 (55) 내를 상방으로 유동하면, 동반된 액체로부터의 침전이 일어날 수 있다.
상기 상대적으로 액체가 없는 2차 가스는, 예컨대, 스월 튜브 사이에 배치 가능한 상부 플레이트 (4) 의 배출구 (21a, 21b, 21c, 21d) 를 통하여 상기 내부 자유 공간을 빠져나간다. 참조 부호 "22"로 나타내는 바와 같이, 2차 가스 배출구를 1차 가스 배출 통로 둘레에 환상으로 배치할 수도 있다.
액체의 대부분은 슬릿 (40a) 의 하단에서 스월 튜브 통로 (28a) 를 빠져나가고, 상기 슬릿의 상단을 통하여 그리고 환형 개구 (48a) 를 통하여 더 하류에서 상기 통로를 떠나는 액체 농후 유체 중의 가스 농도는 더 높게 된다. 유속이 높을 경우, 슬릿 (40a) 의 하단을 통하여 배출되어 복귀 스커트 (45a) 의 내벽에 충돌하는 액체는, 환형 영역 (50a) 에서 하방으로 유동하는 2차 가스에 어느 정도 다시 동반된다. 그러나 실제의 작업 조건하에서는, 상기 내부 자유 공간에서의 분리 효율의 증가가 이러한 효과를 보상하고도 남아서 최종의 효과는 득이 되는 것이며 충분히 건조된 2차 가스가 얻어진다.
이제 본 발명에 따른 분리 트레이 (102) 의 제 2 실시형태를 개략적으로 나타내는 도 2 를 참조한다. 도 1의 트레이 (2) 와 실질적으로 유사한 부분들은 동일한 참조 부호로 나타내기로 한다.
1차 분리 장치는 스월 튜브 (105a, 105b, 105c) 로 나타나 있다. 스월 튜브 (105a) 를 예를 들어 더욱 상세히 논하겠다. 다른 스월 튜브들은 유사하다. 원통형의 수직 관상 통로 (108a) 는 그 측벽에 개구가 제공되지 않는다. 상기 통로 (108a) 의 상단 (107a) 위에는 환형의 U 형 복귀 스커트 (109a) 가 바람직하게는 스월 튜브 (105a) 와 동축으로 배치되어 있다. 이러한 실시형태에 있어서, 복귀 스커트 (109a) 의 반경 방향 내측 부분은 스월 튜브 (105a) 의 1차 가스 배출구 (32a) 로부터 배출구 (20a) 까지의 1차 가스 배출 통로 (134a) 를 형성한다. 그러므로 1차 가스는 트레이 (102) 의 내부 자유 공간 (55) 으로 들어가지 않는다. 이 실시 형태의 복귀 스커트는 상부 플레이트 (110) 와 일체로 형성되어 상부벽 (112) 을 형성한다. 1차 가스 배출 통로 (134a) 의 하단과 통로 (108a) 의 상단 (107a) 사이의 환형 영역 (115a) 으로부터 온 유체를 위한 배출구는 통로 (108a) 의 상단과 복귀 스커트 (109a) (상부 벽 (112)) 사이의 환형 개구부 (108a) 로 형성된다. 환형 개구 (118a) 는 액체 농후 유체를 1차 분리 장치로부터 제거 및 안내하기 위한 수단의 입구를 형성하고, 통로 (108a) 의 상단과 복귀 스커트 (109a) 사이의 외측 환형 개구부 (119a) 는 상기 수단의 배출구를 형성한다. 내부 자유 공간 (55) 은, 배출구 (119a, 119b, 119c) 의 하류에서 벽 (112) 및 (116) 사이의 공간으로 형성된다.
상기 복귀 스커트의 하류 단부는 통로 (108a) 의 상단으로부터 하방으로 하부 플레이트에 더 가깝게, 관형 통로 길이의 적어도 10%가 되는 지점까지 형성되는 것이 바람직하다. 관형 통로의 길이는 상부 벽 (112) 과 하부 벽 (116) 사이의거리로 생각할 수가 있다. 만일 필요하다면, 2차 가스 배출구까지 2차 가스의 단축경로를 피하기 위해서, 복귀 스커트는, 스월 튜브 (105c) 에 대하여 참조 부호 "120c"로 나타낸 바와 같이, 내부 공간 (8) 안으로 하방으로 더욱 연장될 수도 있으며, 이러한 경우, 배출구 (119c) 는 액체 농후 유체를 더 하방에서 내부 자유 공간 (55) 안으로 도입시키게 된다. 이 경우에, 스월 튜브 (105c) 의 통로 (108c) 의 상단 (107c) 은 대략 상부 플레이트 (110) 의 평면에 있을 수 있다.
상기 복귀 스커트의 입구단은 액체 농후 유체의 유입 개구가 배출 개구 보다 상방에 위치되도록 배치될 수 있으며, 특히 상기 유입 개구는 상기 스월 튜브의 상단의 높이에 또는 그 보다 위에 배치될 수 있다. 이러한 경우는 스월 튜브 (105) 에 해당하는 것으로, 상단 벽 (112) 으로 형성된 복귀 스커트는 스월 튜브 (105) 의 상단 바로 위까지 이르며, 따라서 환형의 유입 개구 (118b) 는 스월 튜브 (118a, 118c) 에 대한 것보다 더 높은 위치에 형성된다.
본 실시 형태의 스월 발생 수단 (36a) 은 하부 벽 (116) 과 일체로 되어 있다. 도 2 의 실시 형태는 특히 콤팩트한 설계 및 저비용의 생산을 가능하게 한다.
본 실시 형태의 분리 트레이 (102) 의 정상 작동은 통상 도 1 에서의 트레이 (2) 의 정상 작동과 유사하다. 가스/액체 혼합물은, 아래로부터 1차 분리 장치, 예컨대 스월 튜브 (105a) 로 들어간다. 도 1을 참조하여 설명한 바와 같이, 스월 발생 수단은 액체 농후 유체층을 환형 영역 (37a) 에 형성시킨다. 상대적으로 액체가 없는 1차 가스는 바람직하게는 동축인 1차 가스 배출 통로 (20a, 20b, 20c) 를 통하여 분리 트레이 (102) 를 떠난다. 액체 및 2차 가스를 포함하는 액체 농후 유체는 개구 (118a) 를 통하여 통로 (108a) 로부터 제거되고, 복귀 스커트에 의하여 하방으로 안내되어 하방으로 내부 자유 공간 (55) 으로 들어간다. 액체는 침전되어 플레이트 (116) 상에서 액체 층을 형성할 것이며, 이 액체층은 배출구 (15) 를 통해서 제거된다. 2차 가스는 그의 운동량 때문에 계속 하방으로 유동함으로써 상기 내부 자유 공간의 대부분을 이용하여, 상기 내부 자유 공간에서의 상기 2차 가스의 체류 시간은 동반된 액체가 침전되기에 충분히 길게 된다. 별도의 2차 가스 배출구 (21a, 21b, 21c, 21d) 가 바람직하게는 복귀 스커트로부터 가능한 멀리 배치되는 것이 바람직하다(아래의 도 3 및 도 4의 설명을 참조). 다르게는, 스월 튜브 (105c) 에 대해 참조 부호 "22"로 나타낸 바와 같은 환형의 2차 가스 배출구를 배치할 수도 있다.
분리 트레이 상에 스월 튜브 및 별도의 2차 가스 배출 개구가 배열된 다른 두 예를 나타내는 개략적인 평면도인 도 3 및 도 4 를 참조한다. 상기 복귀 스커트 (210) 의 외주, 1차 가스 배출구 (220), 그리고 2차 가스 배출구 (221) 만이 표시되며, 여기서는 명확성을 위해서 이들 구성 요소 각각의 오직 하나에만 참조 부호들을 부여한다. 도 3의 배치에 있어서, 각각의 스월 튜브는 사각형 셀을 갖는 가상의 규칙적인 그리드의 코너 상에 배치된다. 4개의 이웃하는 스월 튜브 사이에 대칭으로 2차 가스 배출구가 배치되는 경우, 이들은 상기 복귀 스커트로부터 가장 멀리 떨어지게 된다. 또한, 이러한 배치에서 상기 2차 가스 배출구 아래에는 상당한 크기의 내부 자유 공간이 생긴다. 도 4 의 배치에 있어, 각각의 스월 튜브는 정삼각형 셀을 갖는 가상의 규칙적인 그리드의 코너 상에 배치됨으로써, 각각의 스월 튜브에는 6개의 최인접 스월 튜브들이 이웃해 있다. 상기 스월 튜브는, 도 3의 배치와 비교하여서, 서로 더 근접하게 놓일 수도 있으나, 이렇게 하면, 2차 가스 배출구는 상기 복귀 스커트에 더욱 근접하게 되고, 2차 가스 배출구 아래에 존재할 수 있는 내부 자유 공간은 더 작게 된다.
이제 본 발명과 함께 사용되기 적합한 스월 발생 수단 (300) 의 평면도 및 사시측면도를 나타내는 도 5 및 도 6을 참조한다.
스월 발생 수단은 금속 플레이트 (310) 로 일체 성형된 베인 (305) 에 의하여 형성된다. 상기 도시된 실시 형태의 8개의 각 베인 (305) 은 실질적으로는 부채꼴 부분(circle segment) 형태를 갖는다. 이러한 베인은, 도 5에 나타내듯이, 중심 (312) 둘레에 반경 방향의 절개부 (307) 및 원호형 절개부 (308) 를 적절히 만들고 각각의 부분적으로 절단된 부채꼴 부분을 반지름 (309) 을 중심으로 하여 금속 플레이트의 평면 밖으로 구부림으로써 용이하게 제작할 수 있다. 명확성을 위해서 참조 부호들은 상기 부채꼴 부분들 중의 오직 하나에만 부여한다.
절단이란 용어는, 구부려질 수 있는 부분을 형성하기 위해서 플레이트에 슬릿을 만들 수 있는 임의의 적절한 방법을 의미하는 것이다. 제작의 관점에서 볼 때, 상기 절개부를 제공하는 적절한 방법에는 펀칭(punching), 스탬핑(stamping)이 포함되며, 특히 상기 절개부를 레이저에 의해서 형성하는 것이 바람직하다.
도 5 에서 명확히 알 수 있듯이, 상기 베인들을 구부린 후에는 상기 스월 발생 수단은 위에서 보았을 때 닫혀있지 않다. 스월 튜브에 설치되었을 때, 양호한 스월 발생 및 그에 따른 양호한 분리 성능을 얻을 수 있다. 적당하게는 4개 내지 12 개의 베인이 배치된다. 바람직하게는 모든 베인은 동일 방향으로 금속 플레이트의 평면 밖으로 정상 작동중의 유체 유동 방향으로 구부려진다. 베인과 금속 플레이트 사이의 굽힘 각도는 10 도~60 도 일 수 있으며, 특정의 적용을 위하여는 최적화되어야 한다. 25 도~40 도에서 양호한 결과가 얻어졌다.
도 5 및 도 6 에 나타내듯이, 스월 발생 수단을 제조하기 위한 재료인 금속플레이트는 원형 플레이트 (310) 일 수 있다. 외측 림은, 예컨대, 점 용접에 의하여, 스월 튜브, 예를 들어 도 1 의 통로 (28a) 에 접속될 수 있다. 다르게는, 상기 외측 림은 분리 트레이의 하부 벽에 직접 부착될 수도 있다. 상기 스월 발생 수단을 하부 벽과 일체화할 수도 있다. 도 2의 하부 플레이트 (116) 는 베인을 하부 플레이트 (116) 로부터 직접 절단 및 굽혀서 형성된 이러한 스월 발생 수단 (36a, 36b, 36c) 을 나타낸다. 후자의 경우가 취급할 개별 구성요소가 보다 적기 때문에, 본 발명의 분리 트레이의 특히 효율적인 제조를 가능케 한다.
본 발명에 따른 분리 트레이는, 예를 들어, 액체와 가스를 포함하는 유체를 도입하기 위한 유체 유입 장치가 주 구성요소로써 제1 수직 위치 또는 구간에 배치되는 콤팩트한 고효율 분리 칼럼에 적용될 수 있으며, 이러한 경우 상기 분리 트레이는 상기 제1 위치 또는 구간 위에 배치된다. 칼럼으로부터 온 가스 및 액체를 위한 배출구들은 적절하게는 상기 칼럼의 정상부 및 바닥부에 각각 배치된다. 적절한 유체 유입 장치가, 예를 들어, 영국 특허 GB 1 119 699 에 개시되었다.
어떤 적용에 대하여는, 본 발명에 따른 수개의 트레이들을 칼럼에 수직방향으로 이격시켜 배치하는 것이 바람직하다.
본 발명의 분리 트레이는, 고압에서(예컨대, 50bar 이상) 가스/액체 분리를 행해야만 하는 경우에 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어서, 지하 가스 저장소로부터 가스 생산정(井)을 통하여 천연가스를 생산할 때, 가스/응축물 또는 가스/물 분리를 위하여 본 발명이 사용될 수 있다. 본 발명은 콤팩트하고 효율적인 분리 트레이를 제공하는데, 이 분리 트레이는 그것이 설치되는 고압 칼럼의 소형화를 가능하게 한다.
도 1 을 참조하여 참조 번호 "25a"로 나타낸 것과 같은 스월 튜브와 일반적으로 같은 단수의 스월 튜브를 포함하는 분리기를 사용하여 테스트 실험을 수행하였다. 상기 스월 튜브는 상부 플레이트 및 하부 플레이트를 가지면서, 수직으로 놓인 직경 300mm, 높이 500mm의 원통형 챔버에 동축으로 배치되었다. 스월 튜브는 직경 110mm, 길이 400mm의 원통형 스월 튜브 통로로 형성되었으며 상기 챔버의 하부 플레이트에 있는 입구로부터 상기 챔버의 그 상단까지 이른다. 도 5 및 도 6을 참조하여 설명하였듯이, 스월 발생 수단은 상기 입구에 배치된다. 상기 통로에는 길이가 260mm 이고 폭이 2mm 인 4개의 길이방향 슬릿이 제공되어, 상기 스월 튜브 통로의 외주 둘레에 대칭으로 배치된다. 상기 슬릿의 상단은 상기 스월 튜브 통로의 상단으로부터 40mm 이격되었다. 상기 통로의 상단 위에는 캡형 복귀 스커트가 동축으로 배치되는데 이 복귀 스커트는 상단부가 수평 플레이트에 의하여 폐쇄된 직경 140mm 의 원통형 복귀 스커트 통로에 의하여 형성된 것이다. 상기 수평 플레이트는 스월 튜브 통로의 상단으로부터 2mm 의 수직거리로 떨어져 놓임으로써, 환형의 개구를 형성한다. 동축의 제1차 가스 배출 통로가 길이방향 슬릿의 상단과 스월 튜브 통로의 상단 사이의 위치로부터 상방으로 복귀 스커트의 수평 플레이트와 상기 챔버의 상부 플레이트를 관통하여 형성되어 있다. 상기 챔버의 상부 플레이트에는 스월 튜브 및 복귀 스커트 외부의 상기 챔버의 자유 공간으로부터 온 2차 가스를 배출하기 위한 배출구가 배치된다. 2차 가스 배출구의 크기를 조정하면 발생 되는 2차 가스의 양이 변화할 수 있다. 챔버의 하부 플레이트에는 상기 챔버의 내부 자유 공간으로부터 온 액체를 배출하기 위한 배출 통로가 배치된다.
트리 에틸렌 글리콜(액체)과 공기의 혼합물인 유체를 분리하기 위한 실험이 대기 조건에서 시행되었다. 스월 튜브의 입구로 들어갈 때, 상기 혼합물은 0~400 kg/hour 의 액체와 250~800 m3/hour 의 가스를 포함했다. 액체가 없이, 550 m3/hour 의 가스 유동량에서 10 mbar의 건조 압력 강하가 측정되었다. 전체 가스의 약 20% 또는 그 이상이 2차 가스로서 분리기를 떠나도록 2차 가스 배출구를 조절하였을 때, 모든 범위의 가스/액체 유동량에 걸쳐서 1차 동반은 1% 또는 그 보다 양호했음이 발견되었다. 1차 동반은 1차 가스 배출 통로를 통하여 1차 가스에 동반되어 함께 분리기를 떠나는 전체 액체 유동의 분량으로 정의된다.

Claims (15)

  1. 통상적으로 수직인 칼럼에 수평으로 설치하기 적합한 분리 트레이에 있어서, 그 사이에 내부 공간을 형성하는 통상적으로 수평의 상부 벽과 통상적으로 수평의 하부 벽과, 상기 내부 공간 안으로 유체를 도입시키기 위한 수단과, 상기 내부 공간으로부터 액체를 제거하기 위한 수단과, 상기 내부 공간으로부터 가스를 제거하기 위한 수단과, 유체를 1차 가스와 액체 농후 유체로 분리하기 위해 상기 내부 공간 안에 배치되는 적어도 하나의 1차 분리 장치를 포함하고, 이 1차 분리 장치는,
    - 하단에서는 유체를 도입시키는 상기 수단과 유체 소통하는 유체 입구를 가지고 상단에서는 1차 가스 배출구를 가지는 통상적으로 수직의 관상 통로로서, 배출 통로가 이 1차 가스 배출구로부터 상부 벽의 1차 가스 배출 개구까지 형성되어 있고, 이 1차 가스 배출 개구는 상기 가스 제거 수단의 일부를 형성하는 상기 관상 통로와,
    - 상기 유체 입구 및 상기 1차 가스 배출구 사이에서 상기 통로에 배치되어, 정상 작동 중에 상기 스월 발생 수단의 하류에서 상기 통로의 내면 부근의 환형 영역에서 2차 가스를 포함하는 액체 농후 유체층을 형성시키는 스월 발생 장치를 포함하고,
    - 상기 분리 트레이는 상기 1차 분리 장치로부터 액체 농후 유체를 제거하고 2차 가스로부터 동반(entrainment)된 액체를 제거하기 위한 2차 분리 수단까지 안내하기 위한 수단을 더 포함하며,
    2차 가스로부터 동반된 액체를 제거하기 위한 상기 2차 분리 수단은 상기 상부 벽과 하부 벽 사이의 내부 자유 공간에 의하여 형성되고, 이 내부 공간은 그 하단부에 액체 제거 수단과 유체 소통하는 액체 배출구를 가지고 상단부에서는 상부 벽의 2차 가스 배출 개구까지 이르는 2차 가스 배출구를 가지며, 상기 2차 가스 배출 개구는 상기 1차 가스 배출 개구와는 떨어져 있고 가스 제거 수단의 일부를 형성하고, 액체 농후 유체를 제거하고 안내하기 위한 상기 수단은 모든 액체 농후 유체를 하방으로 상기 내부 자유 공간안으로 도입시키는 분리 트레이.
  2. 제 1 항에 있어서, 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 상기 수단은 하부벽으로부터 시작하여 상부 벽과 하부 벽 사이의 거리의 50%, 바람직하게는 30% 내의 위치에서 모든 액체 농후 유체를 내부 자유 공간안으로 도입시키는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 액체를 제거 및 안내하기 위한 상기 수단의 입구는 스월 발생 수단의 하류에 있는 1차 분리 장치의 관상 통로의 벽에 있는 하나 이상의 개구에 의하여 형성되고, 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 상기 수단은 상기 통로의 상부 위에 외부에 배치된 복귀 스커트를 포함하는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  4. 제 3 항에 있어서, 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 상기 수단의 다른 입구는 상기 관상 통로의 상단과 복귀 스커트 사이의 환형 개구부에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 상기 수단은 1차 분리 장치의 통로의 상단에서 입구를 가지며, 또한 상기 통로 상단의 입구로부터 시작하여 상기 통로 길이의 적어도 10% 만큼 하부 벽에 가까운 위치에서, 상기 액체 농후 유체를 내부 자유 공간 안으로 도입시키는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  6. 제 5 항에 있어서, 액체 농후 유체를 제거 및 안내하기 위한 상기 수단은 상부 벽과 일체로 형성된 복귀 스커트에 의하여 형성되는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항중 어느 한 항에 있어서, 1차 및 2차 가스를 위한 별도의 배출구가 상부 벽에 배치되는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  8. 제 3 항 내지 제 7 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 복귀 스커트는 환형의 U 형상인 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항중 어느 한 항에 있어서, 스월 발생 수단은 금속 플레이트로 형성되며, 세그먼트를 형성하기 위해 금속 플레이트에 슬릿을 제공한 후, 금속 플레이트의 평면 밖으로 상기 세그먼트를 굽혀서 만들어지는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  10. 제 9 항에 있어서, 각각의 세그먼트는 부채꼴 형태를 가지며, 상기 금속 플레이트의 평면 밖으로 반지름 둘레로 구부려지는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  11. 제 9 항 또는 제 10 항에 있어서, 상기 슬릿은 레이저 절단에 의하여 제공되는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  12. 제 9 항 내지 제 11 항중 어느 한 항에 있어서, 상기 스월 발생 수단은 상기 바닥 벽과 일체로 형성되는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  13. 제 1 항 내지 제 12 항중 어느 한 항에 있어서, 복수의 1차 분리 장치가, 규칙적인 특히 사각형 셀 또는 정삼각형 셀을 갖는 그리드의 코너 상에 배치되는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  14. 제 1 항 내지 제 13 항중 어느 한 항에 있어서, 칼럼에 설치되는 것을 특징으로 하는 분리 트레이.
  15. 가스와 액체를 포함하는 유체를 칼럼에서 분리하는데 사용되는 제 1 항 내지 제 14 항중 어느 한 항에 따른 분리 트레이의 용도.
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