KR20060128941A - 물질 전달용 세라믹 충전 부재 - Google Patents

물질 전달용 세라믹 충전 부재 Download PDF

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하싼 에스. 닉나프스
로버트 엘. 밀러
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생-고뱅 세라믹스 앤드 플라스틱스, 인코포레이티드
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Abstract

본 발명의 세라믹 충전 부재(10)는 길이(L) 및 부재의 직경을 한정하는 길이에 대해 수직인 최대 치수(D)를 한정하는 방향으로 대칭인 평면을 갖는 본질적으로 원주형인 구조물(12)을 갖는다. 당해 부재는 부재를 관통하는 복수의 통로(18)를 경계짓는 복수의 내부 격막(16)을 갖는다. 당해 부재는 넓은 개방 면적을 갖는다.
세라믹 충전 부재, 원주형, 통로, 격막, 면적.

Description

물질 전달용 세라믹 충전 부재{Ceramic packing element for mass transfer applications}
본 발명은 충전 부재(部材)에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 종종 "불규칙(random)" 또는 "덤프(dumped)" 충전재라고 하는 유형의 충전 부재, 특히 유체 유동을 촉진시키기 위한 복수의 관통 통로를 갖는 충전 부재에 관한 것으로, 특히 이에 대하여 기재할 것이다.
불규칙 또는 덤프 충전재는 물질 또는 열 전달 공정이 발생하는 탑 단위장치를 충전시키는 데 사용된다. 특히 중요한 적용은 탑을 통하여 유동하는 폐 기체로부터 이산화황을 제거하는 것과 같은, 물질 전달 적용에 이러한 세라믹 부재를 사용하는 것이다. 효율을 최대화하는 데 있어서 중요한 인자는 탑의 상부와 기저 사이의 압력차를 가능한 한 작게 유지하는 것이다("압력 강하"라고 함). 이를 보장하기 위하여, 충전 부재는 유동에 대한 최소의 저항을 나타내어야 한다. 이는 매우 개방된 구조에 의해 촉진된다. 그러나, 유동에 대한 저항이 감소되어 얻어지는 이익은 충전 부재로 통과하는 2개의 유체 상 사이의 물질 전달 효율의 감소에 의해 종종 상쇄된다. 추가로, 개방 구조는 탑 속의 부재들을 함께 포개어지도록 하여 제2 부재의 공간 내에 하나의 충전 부재의 일부가 관통하도록 한다. 따라서, 부재의 디자인은 부재들이 함께 포개어지는 경향을 최소화시키도록 하는 것이 중요하다.
또 다른 적용은 반응기를 통과하는 뜨거운 유체와의 최대한 효과적인 접촉을 제공하는 것이 바람직한 열 회수 작동에 있다.
세라믹 충전 부재는 압출 또는 건식 가압 공정에 의해 제조될 수 있으며, 따라서 부재에 대한 대칭 축을 제공하는 하나의 축 방향에 따라 본질적으로 균일한 횡단면을 갖는다. 몇 개의 이러한 형상은 매우 간단한 것에서 복잡한 것까지 당해 기술분야에 기재되어 있다. 모두 본질적으로 원주 형상을 기본으로 하고 원주 형상 내에서 주로 내부 구조가 상이하다. 가장 단순한 구조는 내부 구조가 전혀 없는 기본 원주형이다. 이러한 유형의 구조는 종종 라시히(Raschig) 환이라고 하며, 수 년 동안 공지되어 왔다. 내부 구조를 갖는 웨건-휠(wagon-wheel) 형상이 미국 특허공보 제3,907,710호 및 제4,510,263호에 기재되어 있다. 기타 포선 형상, 예를 들면, 미국 특허공보 제5,747,143호에 기재되어 있는 것이 제안된 바 있다. 보다 복잡한 구조는 미국 의장 특허공보 제445,029호 및 미국 특허공보 제6,007,915호, 제6,387,534호 및 제6,699,562호에 기재되어 있다. 통상적으로, 사용되는 구조물은 최대 치수가 약 8㎝ 이하이다. 구조는 통상적으로 약 25% 이하의 개방 면적을 갖는다.
본 발명은 신규하고 위에서 언급한 문제 등을 극복하는 개선된 세라믹 충전 부재 및 이의 사용방법을 제공한다.
요약
한 측면에 따라, 세라믹 충전 부재가 제공된다. 충전 부재는 길이 및 부재의 직경을 한정하는 길이에 대해 수직인 최대 치수를 갖는 본질적으로 원주형인 구조물을 포함한다. 부재에는 교차하여 복수의 통로를 경계짓는 복수의 내부 격막이 제공된다. 부재는 각각 개방 면적이 약 50 내지 80%인 제1 면 및 제2 면을 경계짓는다.
또 다른 측면에 따라, 세라믹 충전 부재가 제공된다. 충전 부재는 길이 및 부재의 직경을 한정하는 길이에 대해 수직인 최대 치수를 갖는 본질적으로 원주형인 구조물을 포함한다. 직경은 10㎝ 이상이다. 복수의 내부 격막이 교차하여 부재를 관통하는 복수의 통로를 경계지으며, 당해 격막의 두께는 0.12 내지 0.8㎝이다.
본 발명의 이점은 다음 기재내용을 숙독하고 첨부한 도면을 검토시 당업자에게 바로 명백할 것이다.
본 발명은 다양한 성분 및 성분들의 배열 및 다양한 단계 및 단계 배열의 형태를 취할 수 있다. 도면은 바람직한 양태를 예시하려는 것일 뿐이며 본 발명을 이것으로 제한하려는 것이 아니다.
도 1은 본 발명에 따르는 충전 부재의 상면도이고,
도 2는 도 1의 충전 부재의 측면도이고,
도 3은 도 1의 충전 부재의 투시도이고,
도 4는 4개의 통상적인 충전 부재와 비교한 본 발명의 충전 부재로부터 형성된 층(bed)에 대한 동일한 물질 전달 효율에서의 소정의 압력 강하 페널티의 컴퓨터로 발생시킨 플롯이며,
도 5는 4개의 통상적인 충전 부재와 비교한 본 발명의 충전재로부터 형성된 층의 상대 효율의 플롯이다.
도 1과 관련하여, 세라믹 충전 부재(10)는 내부 공간(14)을 경계짓는 외면 함유 구조물(12)을 포함한다. 복수의 립(rib) 또는 격막(16)은 내부 공간(14)을 복수의 관통 통로 또는 채널(18)로 나눈다.
함유 구조물(12)은 본질적으로 원주 형상이고 이는 완전한 원주형과, 둥근 원주 형상이 다소 납작하여 타원형 횡단면 뿐만 아니라 5개 이상의 측면을 갖는 규칙적 및 불규칙적 다각형을 형성하는 형상을 포함하는 것으로 이해된다. 도 1의 함유 구조물(12)은 평활한 외부 표면(19)을 갖는 원주형이지만, 대안적으로 융기된 표면 또는 기타 외부의 표면을 가질 수 있다고 여겨진다.
본 발명의 맥락에서, 용어 "격막들"은 원주형 함유 구조물의 하나의 내부 부분을 또 다른 부분 및/또는 또 다른 격막과 연결시키는 구조적 구성원을 나타내는 데 사용된다. 이는 따라서, 부재의 직경 또는 최대 치수 이하의 길이를 갖는 구조물을 포함한다. 예시된 양태에서, 격막(16) 각각은 이의 제1 말단부 및 제2 말단부에서 함유 구조물(12)과 연결되는 코드를 한정한다.
도 2와 관련하여, 부재(10)는 부재의 길이(L)와 평행한 하나 이상의 대칭 평면(S)을 가지며, 이는 회전 중심축(R)을 통과한다. 세 개의 대칭 평면(S1), (S2) 및 (S3)이 예시된 양태에 나타나 있다. 회전 중심축이란, 부재가 동일한 형태에 대하여 360/(대칭 평면의 수)의 각도로 이의 중심축 둘레로 회전할 수 있음을 의미한다. 도 1의 경우, 각도는 따라서 120°이다.
도 1에 예시된 관통 통로 또는 채널(18)은 일반적으로 균일한 형상이다. 구체적으로, 격막에 의해서만 경계지어지는 이러한 통로는 삼각형의 균일한 크기를 갖는 한편, 함유 구조물(12)에 의해 부분적으로 정의된 통로는 함유 구조물의 만곡 형상을 조절하는 형상이다. 또한, 채널중 몇 개는 나머지 채널보다 커서 부재를 통한 강화된 유동을 제공할 수 있다고도 여겨진다. 예를 들면, 확장 채널이 2개 이상의 삼각형 채널을 조합하여 형성될 수 있다.
도 1 내지 3의 부재(10)는 회전축(R)을 따르는 길이(L) 및 회전축에 직각인 최대 치수(D)를 가질 수 있으며, 이는 충전 부재의 직경을 한정한다. 충전 부재의 횡단면은 부재의 길이와 일치한다. D:L 비는 약 1 내지 약 15, 하나의 양태에서, 2.7 내지 6, 또 다른 양태에서, 약 4.0 내지 6.0이다. 도면에서 D:L 비는 약 4.6이다. 구조가 압출되는 경우, 대칭축(R)은 구조물의 압출 방향일 수 있다.
하나의 양태에서, 충전 부재의 직경(D)은 10㎝ 이상이며, 또 다른 양태에서, D는 12㎝ 이상이다. 충전 부재의 직경은 약 20㎝ 이하, 보다 바람직하게는, 약 16㎝ 미만이다. 하나의 특정 양태에서, 직경(D)은 약 14㎝이다. 약 10㎝ 미만의 직경에서는 격막 및/또는 외면 구조물의 두께가 상응하게 감소되지 않는 경우, 층을 가로지른 압력 강하가 증가하는 경향이 있다. 그러나, 압출 공정에 의해 바로 제조될 수 있는 최소 격막 두께에 제한이 있다.
보다 넓은 충전 부재는 충전 부재 층을 가로질러 보다 낮은 압력 강하를 달성한다. 그러나, 통상적인 충전 부재의 크기 확장으로 층 효율의 강하가 수득된다. 기대하지 않게도 충전 부재 특성, 예를 들면, 압력 강하 및 상대적 효율은 충전 부재의 면적을 주의깊게 조절함으로써 바람직한 범위에서 이러한 큰 크기에 대해서도 유지될 수 있다고 밝혀졌다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 부재는 상부 및 하부 노출 면(20) 및 (22)를 각각 경계짓고, 이는 길이(L)에 일반적으로 수직으로 연장된다. "면적"은 충전 부재에 의해 점유된 노출 면의 면적으로서 정의되며, 면의 총 면적의 백분율로서 표현한다. 도 1의 양태에 대하여, 총 면적은 (D/2)2이다. 면적 및 100%에서 면적을 감산한, "개방 면적"은 충전 부재의 중요한 2가지 파라미터, 즉 충전 부재의 층을 가로지른 압력 강하 및 층의 효율에 영향을 미친다. 효율은 충전 부재에 의해 회복되는 물질 전달률(열 에너지)의 척도이며, 비교 충전 부재의 물질 전달률의 비로서 표현될 수 있다. 층을 가로지른 압력 강하는 동일한 물질 전달 효율에 대한 압력 강하를 측정하여 비교할 수 있다.
개방 면적은 약 40% 이상일 수 있으며, 약 80% 이하, 또는 그 이상일 수 있다. 하나의 양태에서, 개방 면적은 45% 이상이고, 또 다른 양태에서는 50% 이상이며, 또 다른 양태에서는 약 55% 이상이다. 하나의 양태에서, 개방 면적은 70% 이하이고, 또 다른 양태에서는 65% 이하이며, 또 다른 양태에서는 60% 이하이다. 하나의 특정 양태에서, 개방 면적은 약 55%이다. 이러한 범위의 개방 면적에 대하여, 충전 부재는 유사한 크기의 상업용 충전 부재보다 우수하며, 훨씬 작은 충전 부재, 예를 들면, 최대 치수가 약 3/5에 불과한 통상적인 새들(saddle)형 충전 부재보다도 우수하게 작동할 수 있다.
충전 부재의 층의 충전 부재의 개방 면적은, 형성된 충전 부재 사이의 면적의 약간의 변화를 발생시키는 압출 공정에서 형성되는 경우, 평균 값일 수 있다.
면적은 격막(16)의 폭(W1) 및 격막의 수에 좌우된다는 것이 인정된다. 격막이 지나치게 협소한 경우, 충전 부재는 층에서 분쇄되는 경향이 있다는 것이 밝혀졌다. 예를 들면, 약 14㎝의 세라믹 충전 부재의 경우, 격막의 폭(W1)은 0.12㎝ 이상이고, 하나의 양태에서 0.2㎝ 이상이며, 하나의 특정 양태에서 약 0.3㎝일 수 있다. 격막 폭(W1)은 약 0.8㎝ 이하이고, 하나의 양태에서, 약 0.5㎝ 미만일 수 있다. 외면 벽(10)의 폭(W2)은 0.12㎝ 이상이고, 하나의 양태에서 0.2㎝ 이상이며, 하냐의 특정 양태에서, 약 0.3㎝일 수 있다. 벽 폭(W2)은 약 1.4㎝ 이하이고, 하나의 양태에서 약 1㎝ 미만일 수 있다.
직경(D)에 대한 격막 폭(W1)의 비는 약 0.01 내지 약 0.03일 수 있다. 하나의 양태에서, W1/D는 약 0.015 내지 0.027이다.
도 1에 나타낸 하나의 양태에서는, 3개의 세트로 배열된 9개의 격막이 존재하며, 이들은 120°의 각으로 다른 세트와 각각 떨어져 있다. 그러나, 충전 부재의 크기에 따라, 보다 많거나 적은 수의 격막이 사용될 수 있음이 인정된다. 격막은 교차점(24)에서 다른 격막과 교차한다. 바람직하게는, 2개의 인접한 교차점(24) 사이의 거리는 약 4㎝ 미만, 보다 바람직하게는 약 3.0 내지 3.5㎝이다.
충전 부재의 길이(L)는 약 0.4 내지 약 10㎝일 수 있다. 하나의 양태에서, L은 1 내지 6㎝이다. 하나의 특정 양태에서, L은 약 3㎝이다.
세라믹 부재(10)는 천연 또는 합성 점토, 제올라이트, 근청석, 알루미나, 지르코니아, 실리카 또는 이들의 혼합물 등의 어떠한 적합한 세라믹 물질로부터라도 형성될 수 있다. 배합물은 결합제, 압출 보조제, 기공 형성제, 윤활제 등과 혼합하여 압출 공정을 보조하고/하거나 목적하는 다공도 또는 의도하는 용도의 표면적을 발생시킬 수 있다.
세라믹 충전 부재를 압출 또는 건식 가압 공정으로 제조하는 경우, 이는 부재에 대한 방사상 대칭축 또는 대칭 평면을 제공하는 하나의 축 방향에 따라 본질적으로 균일한 횡단면을 가질 수 있다.
부재(10)는 물질 및 열 전달용으로 또는 촉매 성분이 부착된 기재로서 사용될 수 있다. 물질 전달 용도는 제1 유체와 제2 유체 사이의 하나 이상의 성분의 형태의 물질 전달을 포함하며, 유체는 액체이거나 액체와 기체일 수 있다. 세라믹 부재는 액체 상에 대한 습윤 표면의 제공체로서 작용하여, 유체 사이의 성분들의 전달을 촉진시킨다. 예시적인 물질 전달 용도는 유동 기체 스트림으로부터의 기체 성분, 예를 들면, 이산화황의 제거를 포함한다. 세라믹 부재의 중요한 물질 전달 용도는 황산 플랜트 흡수제에 있다.
예를 들면, 부재(10)는 충전 부재의 층을 형성하는 탑 또는 컬럼으로 충전시킬 수 있다. 컬럼은 수평으로 또는 수직으로 배향될 수 있다.
예시적인 열 전달 용도는 고온 기체의 스트림으로부터의 열 회수를 수반한다. 이러한 용도의 예는 폐 기체 스트림으로부터 어떠한 가연성 물질이라도 연소시키는 기능을 하는 플랜트에 결합된 열 재생기에서 찾을 수 있다. 이러한 재생기에서는 배출 기체 스트림으로부터의 열 가치가 처리되는 도입 폐 기체를 가열시키는 데 사용되어 연소성 물질을 연소시키는 데 필요한 연료 비용을 최소화시키도록 하는 것이 효율적인 작동에 중요하다.
그러나, 부재는 표면적이 부재가 이의 할당된 작업을 수행하는 효율을 결정하는 중요한 인자인, 어떠한 적용에서도 유리하게 사용될 수 있다.
본 발명의 영역을 한정하려는 것은 아니지만, 다음 실시예는 세라믹 충전 부재의 효과를 나타낸다.
도 1에 따라 형성된 세라믹 충전 부재로부터 형성된 층에 대해 이론적으로 계산하였다. 부재의 직경(D)은 14㎝, 벽 두께(W2)는 0.6㎝, 격막 폭(W1)은 0.3㎝, 길이(L)는 3㎝였다.
도 4는 최대 치수가 7.6㎝인 새들형 충전 부재로부터 형성된 동일한 층과 비교한, 충전 부재의 층의 이론적으로 측정한 상대적 압력 강하를 나타낸다. 압력 강하는 새들형 충전 부재를 상대 압력 강하 1로 하여, 동일한 물질 전달 효율의 층에 대해 측정한다. 결과를 또한 제품 1, 2 및 3으로 표시한 시판품으로부터 형성된 3개의 층과 비교한다. 제품 1은 3개의 홀을 갖고 전체 치수가 약 5㎝×7.6㎝×20.3㎝인 파형 충전 부재이다. 제품 2는 관통공을 갖는 개질된 새들형으로 상표명 세세베(Cecebe) HP™ 포르셀라인 새들 팩킹(Porcelain Saddle Packing)(제조원: Noram-Ceceba, 캐나다 브리티시컬럼비아주 밴쿠버 소재)으로 판매중이다. 제품 3은 플렉세라믹(Fleceramic)™ 구조화 충전 시스템(제조원: Koch Knight LLC, 오하이오주 이스트 캔톤 소재)으로서 시판중인 다층 구조를 갖는 충전 부재이다.
새들 및 시판중인 충전 부재 층 모두는 도 1의 충전 부재로부터 형성된 층보다 높은 압력 강하 페널티를 가지며, 이는 층을 통한 유동을 유지시키는 데 있어서 본 발명의 충전 부재가 보다 우수함을 나타낸다.
큰 유동을 제공하는 충전 부재는 효율성 감소를 동반하여 손해를 입는다는 것이 일반적으로 예상된다. 그러나, 도 5에 나타낸 결과는 새들 및 2개의 시판 제품과 비교한, 본 발명의 충전 부재의 우수한 물질 전달 효율을 나타낸다.

Claims (23)

  1. 길이(L) 및 부재의 직경을 한정하는 길이에 대해 수직인 최대 치수(D)를 갖는 본질적으로 원주형인 구조물(12)을 포함하고, 교차하여 복수의 관통 통로(14)를 경계짓는 복수의 내부 격막(16)을 포함하며, 제1 면 및 제2 면(20, 22)을 경계짓는 세라믹 충전 부재(10)로서,
    제1 면 및 제2 면(20, 22)의 개방 면적이 50 내지 80%임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  2. 제1항에 있어서, 개방 면적이 약 65% 미만임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  3. 제2항에 있어서, 개방 면적이 약 60% 미만임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  4. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 본질적으로 원주형인 구조물이 부재의 길이를 한정하는 방향으로 대칭 평면(S1, S2, S3)을 포함함을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  5. 제1항 내지 제4항 중의 어느 한 항에 있어서, 길이에 대한 직경의 비가 2.7 내지 6.0임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  6. 제5항에 있어서, 길이에 대한 직경의 비가 4.0 내지 6.0임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  7. 제6항에 있어서, 길이에 대한 직경의 비가 4.5 내지 5.0임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  8. 제1항 내지 제7항 중의 어느 한 항에 있어서, 20개 이상의 통로를 포함함을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  9. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 통로의 적어도 일부의 횡단면이 삼각형임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  10. 제1항 내지 제9항 중의 어느 한 항에 있어서, 최대 치수가 10㎝ 이상임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  11. 제10항에 있어서, 최대 치수가 12 내지 20㎝임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 제1 면과 평행한 격막의 두께(W1)가 0.12㎝ 이상임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  13. 제12항에 있어서, 격막 두께가 0.2 내지 0.5㎝임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서, 직경에 대한 격막 두께의 비가 약 0.01 내지 약 0.03임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  15. 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 제1 면과 평행한 구조물의 두께(W2)가 0.12㎝ 이상임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  16. 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 있어서, 충전 부재의 모든 격막이 제1 말단부와 제2 말단부를 포함하고, 제1 말단부와 제2 말단부에 인접한 원주형 구조물과 연결되어 있음을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  17. 제1항 내지 제16항 중의 어느 한 항에 있어서, 세라믹이 천연 점토, 합성 점토, 알루미나, 제올라이트, 근청석, 지르코니아, 실리카 및 이들의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 물질로 제조됨을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  18. 각각의 부재가 길이(L) 및 부재의 직경을 한정하는 길이에 대해 수직인 최대 치수(D)를 갖는 본질적으로 원주형인 구조물(12)을 포함하고, 교차하여 복수의 관통 통로(14)를 경계짓는 복수의 내부 격막(16)을 포함하며, 제1 면 및 제2 면(20, 22)을 경계짓는, 불규칙적으로 배열된 세라믹 충전 부재(10)의 층(bed)으로서,
    제1 면 및 제2 면(20, 22)의 평균 개방 면적이 50 내지 80%임을 특징으로 하는, 불규칙적으로 배열된 세라믹 충전 부재의 층.
  19. 열을 전달하고/하거나 물질 전달이 유체 상 사이에서 발생하는 표면을 제공하는, 제1항 내지 제17항 중의 어느 한 항에 따르는 세라믹 충전 부재를 포함하는 층을 통하여 유체 스트림을 유동시킴을 특징으로 하여, 열을 유체 스트림으로 전달하거나 유체 스트림으로부터 전달하고/하거나, 유체 상들 사이에서 물질을 전달하는 방법.
  20. 제19항에 있어서, 물질 전달이 유체 상들 사이에서 기체상 황 화합물을 전달함을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  21. 본질적으로 원주형인 구조물(12)이 길이(L) 및 10㎝ 이상인 부재의 직경을 한정하는 길이에 대해 수직인 최대 치수(D)를 갖고, 두께가 0.12 내지 0.8㎝인 복수의 내부 격막(16)이 교차하여 부재를 통한 복수의 통로(14)를 경계지음을 특징으 로 하는, 세라믹 충전 부재(10).
  22. 제21항에 있어서, 제1 면 및 제2 면(20, 22)을 경계짓고, 제1 면 및 제2 면(20, 22)의 개방 면적이 약 40 내지 80%임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
  23. 제21항에 있어서, 제1 면 및 제2 면(20, 22)을 경계짓고, 제1 면 및 제2 면(20, 22)의 개방 면적이 50% 이상임을 특징으로 하는 세라믹 충전 부재.
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