KR20060129295A - 기체-액체 접촉 트레이 - Google Patents

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KR20060129295A
KR20060129295A KR1020067014845A KR20067014845A KR20060129295A KR 20060129295 A KR20060129295 A KR 20060129295A KR 1020067014845 A KR1020067014845 A KR 1020067014845A KR 20067014845 A KR20067014845 A KR 20067014845A KR 20060129295 A KR20060129295 A KR 20060129295A
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게리트 고닌
아세시 피스바나타 사스트리
만프레트 하인츠 푀터
루빈 케이스 화이트
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쉘 인터내셔날 리써취 마트샤피지 비.브이.
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    • 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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Abstract

일반적인 수직 기둥에 수평 장착용으로 적합한 기체-액체 접촉 트레이로서, 상기 트레이는, 트레이 플레이트에는 바닥면과 상면 사이에 기체 통로가 제공되며, 상기 트레이 플레이트 상에는 트레이 플레이트의 가상 직경선에 의해 규정된 2 개의 반원형 트레이 영역이 있는 실질적으로 둘레가 원형이며 상면과 바닥면을 갖는 트레이 플레이트, 및 트레이 플레이트의 상면으로부터 트레이 아래로 액체를 유도하기 위하여 각 다운커머가 트레이 플레이트에 설치된 입구의 개구로부터 다운커머 트레이 아래의 출구의 개구로 신장된 총 3 개의 다운커머를 포함하고, 상기 다운커머 중 2 개는 한 반원형 트레이 영역의 코너에 설치되고, 제 3 다운커머는 직경선에 수직인 트레이의 반경을 실질적으로 따라서 타 트레이 영역에 설치된다.
기체-액체 접촉 트레이, 다운커머

Description

기체-액체 접촉 트레이{GAS-LIQUID CONTACTING TRAY}
본 발명은 기체와 액체가 역방향으로 접촉하는 일반적인 수직 기둥에서 수평 장착에 적합한 기체-액체 접촉 트레이에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 상면과 바닥면이 있는 둘레가 실질적으로 원형인 트레이 플레이트를 포함하는 트레이에 관한 것으로, 이 트레이 플레이트에는 상면과 바닥면 사이에 기체 통로가 제공되며, 여기에는 액체를 트레이 플레이트의 상면에서 트레이 아래로 유도하는 1개 이상의 다운커머 (downcomer) 가 설치되어 있으며, 각 다운커머는 트레이 플레이트에 설치된 입구의 개구로부터 트레이 아래의 다운커머 출구의 개구로 신장된다. 본 발명에 따른 트레이는 약 1m 이상, 특히 1.2m 이상, 및 약 2m 이하, 특히 1.8m 이하의 비교적 작은 직경의 기둥에서 사용될 수 있다는 장점이 있다.
본 명세서 또는 특허청구범위에 사용된 기체라는 용어에는 증기도 포함된다. 또한, 액체라는 용어에는 거품 (froth) 도 포함된다.
효율적인 기체-액체 접촉 트레이의 디자인을 위해 직경이 1 ~ 2m 인 비교적 작은 기체-액체 접촉 기둥에 대한 시도가 계속되고 있다.
종래 디자인의 경우, 단일 세그멘트식 다운커머 (single segmental downcomer) 가 기둥의 각 트레이에 설치되어 있다. 세그멘트식 다운커머에서는 다운커머 입구의 개구가 벽면 근처에 설치되어 다운커머 입구의 개구 주변 액체의 일부가 트레이의 둘레 (기둥 벽면) 를 따라서 흐른다. 수직 기체/액체 접촉 기둥의 경우, 일련의 트레이들이 기둥 축에 대하여 180도 회전하는 이러한 복수개의 트레이들이 적층되어 있어서, 각 트레이는 다운커머 입구의 개구의 직경방향 반대편에 위치한 액체 수급 영역의 바로 위 트레이의 다운커머 출구로부터 액체를 공급받는다. 그러나, 이 디자인에는 단점이 있다.
한 가지 단점은 트레이를 넘어가는 액체의 유로 길이가 비교적 길다는 것으로, 이는 트레이의 직경에서 다운커머의 폭을 뺀것과 같다. 비록 이 점이 처음에는 장점으로 생각될 수 있을지라도, 일반적인 작동 중 액체 수급영역과 다운커머 입구의 개구 사이에서 비교적 큰 액체 높이의 구배가 트레이에서 발생한다. 액체의 이러한 부적절한 분포는, 다운커머 입구의 개구 근처의 낮은 액체 높이 영역에 있는 기체 통로를 통해 기체가 주로 지나가기 때문에, 트레이의 효율 및 성능을 감소시킨다. 또한, 가장 높은 액체 높이에서, 액체가 기체 통로로 스며들 수 있기 때문에 트레이의 성능이 제한된다.
단일 세그멘트식 다운커머로 인한 또 다른 문제점은, 소위 데드 존 (dead zone) 이라 칭하는 트레이를 범람하는 액체의 유동 패턴이 수급 영역과 다운커머 입구의 개구 사이의 중간인 기둥의 벽면 근처에서 형성된다는 것이다. 유동 패턴을 향상하기 위한 특별한 조치가 취해지지 않는다면, 데드 존은 트레이의 효율을 감소시키는 결과를 초래한다.
또 다른 단점은 기둥에 하중이 큰 액체가 있는 경우에, 트레이의 효율을 떨어뜨리지 않고서는 큰 다운커머 입구의 개구를 제공하는 것이 불가능하다는 것이다. 액체 하중은 유동 파라미터
Figure 112006052277418-PCT00001
의 관점으로 표현될 수 있으며, 여기에서 Vl 및 Vg는 각각 단위시간당 공급되는 액체 및 기체의 부피이며, ρl 및 ρg는 각각 액체 및 기체의 밀도를 나타낸다. 액체의 하중이 클 경우, 유동 파라미터는 약 0.1 이상이다.
예컨대 총 트레이 단면적의 20% ~ 27% 또는 그 이상으로 큰 다운커머 입구의 개구를 제공하기 위해서는, 매우 넓은 세그멘트식 다운커머가 사용되어야만 한다. 그러나, 이러한 다운커머 입구의 길이는 여전히 비교적 짧다. 본 발명의 명세서 및 특허청구범위에서 사용되는 다운커머 입구의 길이라는 용어는 트레이로부터 액체를 공급받을 수 있는 다운커머의 둘레길이를 의미한다. 이 길이는 트레이에서 최소 액체 높이를 제공하기 위해 종종 위어 (weir) 와 함께 제공된다. 따라서, 다운커머 입구의 길이는, 설치된 위어가 없음에도 불구하고 종종 위어 길이로도 표현된다.
비교적 큰 다운커머 입구 영역과 비교적 짧은 다운커머 입구의 길이의 조합은 바람직하지 못한데, 왜냐하면 입구의 길이가 액체 취급 성능의 제한 요인이 되기 때문이다. 이는 트레이의 액체 높이를 비교적 많이 증가시키고, 그 결과 일반적으로 바람직하지 않은 조기 제트-범람 (premature jet-flooding) 현상을 초래 하게 되므로, 결국 트레이의 성능을 제한하게 된다.
더 작은 기둥에서 더 긴 다운커머 입구의 길이를 제공하기 위한, 소위 이중 패스 (two-pass) 트레이라는 대안적인 디자인이 있다. 이 디자인에는 기둥에 교차로 적층된 2 종류의 트레이가 사용된다. 첫번째 종류의 트레이에는 각각 트레이의 직경방향 반대편에 설치된 2개의 세그멘트식 다운커머가 있다. 두번째 종류의 트레이에는 트레이의 직경을 따라서 단일의 직사각형 다운커머가 있는데, 이 다운커머는 인접한 트레이의 세그멘트식 다운커머와 평행하게 설치된다. 이러한 이중 패스 디자인에서, 액체의 유로 길이는 트레이 직경에서 다운커머 폭을 뺀 값의 절반에 해당한다.
이중 패스 트레이의 디자인에도 단점은 있다. 첫째는, 2 종류의 상당히 다른 트레이가 제조되어야 한다는 점이다. 둘째는, 한 종류의 트레이가 일반적으로 제한을 받는다는 것이고, 따라서 완벽하게 균형잡힌 디자인이 거의 불가능하게 된다. 예컨대, 이 2 종류의 트레이에서 다운커머 입구의 길이는 상당한 차이를 보인다. 셋째로, 단일 직경의 다운커머가 구비된 트레이에서는, 상하 트레이 간에 일반적으로 다운커머의 어느 쪽의 트레이 영역 사이에서도 유체 연동 (fluid communication) 이 일어나지 않는다. 따라서, 양 측면에서 액체의 높이가 서로 달라질 수 있으며, 트레이 아래에서 증기 연동이 일어나지 않게 되고, 이는 결국 트레이의 효율을 떨어뜨린다. 원리적으로, 증기 연동 문제를 완화하기 위하여 유체 연동 채널이 양 측면 사이에 설치될 수도 있지만, 이는 트레이의 복잡성과 비용을 증가시킨다.
종종 보다 큰 트레이에 적용되는 또 다른 트레이 디자인의 경우, 트레이의 둘레와 가상 직경선 사이에 복수개의 평행 다운커머가 설치된다. 이러한 트레이 디자인의 예들은 미국특허 제6,460,833호, 제6,494,440호, 및 제6,588,735호에 개시되어 있다. 2개의 트레이 부분에 설치된 다운커머는 동일하고, 즉 일 트레이 부분은 트레이의 중심을 약 180도 회전하여 타 영역로 전환될 수 있다. 다운커머의 총 개수는 짝수이다. 각 트레이 부분에는 가상 직경선에 수직인 선을 따라서 최소 1개 이상의 실질적으로 직사각형 다운커머가 설치된다. 또한, 각 트레이 부분에는 가상 직경선과 트레이 둘레 사이의 코너에 1개의 세그멘트식 다운커머가 설치될 수 있다. 2개 트레이 부분의 다운커머들은 엇갈리게 설치된다. 기둥의 인접한 트레이들은 가상 직경선을 거울로 하여 서로 거울 상 (mirror image) 을 형성한다.
트레이에 이런 식으로 다운커머를 배치하는 것은 약 2m 이상의 직경을 갖는 비교적 큰 기둥에서 효과가 있다. 물론 비교적 작은 기둥에도 적용될 수 있지만, 상당한 고려를 통해 유로 길이를 제한하는 디자인을 해야하며, 이때에도 이 길이는 트레이 부분의 인접 다운커머 사이 길이의 대략 절반에 해당하기 때문에 그렇게 작아지지 않는다. 이는 특히 충분한 액체 취급 성능을 제공하기 위해 트레이에 비교적 큰 다운커머 입구 영역의 제공이 필요한 경우이다. 새로운 기둥을 위해, 최소한의 유로 길이를 제공하기 위해 보다 큰 직경을 선택할 수 있겠지만, 이는 기존 장치를 개조하기 위해서는 불가능하다.
예컨대, 공지된 배치에서 트레이 부분당 직사각형 다운커머 1개와 세그멘트 식 다운커머 1개가 구비된 경우에, 만일 다운커머 입구의 총 면적이 트레이의 총 단면적의 18% 미만이라면, 예컨대 가상 직경선에 평행한 250mm의 유로 길이는 예컨대 직경이 1.5m인 트레이에서만 실현될 수 있다.
본 발명의 목적은 특히 작은 기둥에서 액체 취급 성능이 높은 기체-액체 접촉 트레이, 견고하고 효율적인 작동이 가능한 트레이, 및 비용면에서 경쟁력있는 트레이의 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따라 일반적인 수직 기둥에 수평 장착용으로 적합한 기체-액체 접촉 트레이가 제공되는데, 상기 트레이는,
- 트레이 플레이트에는 바닥면과 상면 사이에 기체 통로가 제공되며, 상기 트레이 플레이트 상에는 트레이 플레이트의 가상 직경선에 의해 규정된 2 개의 반원형 트레이 영역이 있는 실질적으로 둘레가 원형이며 상면과 바닥면을 갖는 트레이 플레이트, 및
- 트레이 플레이트의 상면으로부터 트레이 아래로 액체를 유도하기 위하여 각 다운커머가 트레이 플레이트에 설치된 입구의 개구로부터 다운커머 트레이 아래의 출구의 개구로 신장된 총 3 개의 다운커머를 포함하고,
상기 다운커머 중 2 개는 한 반원형 트레이 영역의 코너에 설치되고, 제 3 다운커머는 직경선에 수직인 트레이의 반경을 실질적으로 따라서 타 트레이 영역에 설치된다.
본 발명은 뚜렷한 장점을 가진 기체-액체 접촉 트레이의 디자인을 제공하는데, 여기에는 트레이의 일 부분의 코너에 2 개의 다운커머 (이하 "코너 다운커머") 및 실질적으로 트레이의 반경을 따르는 1 개의 다운커머 (이하 "반경 방향 다운커머", 다운커머가 반경의 길이 전체에 걸쳐 신장될 필요는 없음) 가 있다.
본 발명에 따른 트레이가 인접한 트레이들이 기둥 축에 대하여 180도 만큼 서로에 대하여 상대적으로 회전되어 기둥에 적층될 때, 상부 트레이의 바로 아래 트레이로의 투영은 가상 직경선을 거울 축으로 하여 아래 트레이의 다운커머의 거울상을 만든다. 상부 트레이의 한 트레이 부분에 있는 2 개의 코너 다운커머 출구는 하부 트레이의 반경 방향 다운커머 입구에 대해 대칭으로 배치되고, 상부 트레이의 반경 방향 다운커머 출구는 하부 트레이의 코너 다운커머 입구사이에 대칭으로 배치된다. 따라서, 2 종류의 트레이를 제작할 필요가 없다.
양 트레이 부분에서 반경 방향 다운커머 1 개에 대하여 하프-세그멘트식 (코너) 다운커머 2개로 다운커머의 배치는 매우 다르다. 이러한 비대칭의 결과로서, 다운커머 입구의 길이, 다운커머 입구 면적 및 다운커머 입구의 길이와 다운커머 입구 면적의 비는 일반적으로 양 트레이 부분에서 다르다. 본 발명에 앞서, 혹자는 비대칭이 트레이 성능 및/또는 효율을 제한하는 심각한 문제를 야기할 것이라고 예상하였을 수 있는데, 이는 양 트레이 부분에 걸쳐 액체가 불균등하게 분포할 잠재성이 있기 때문이다. 하지만, 출원인은 문제점이 없는 비대칭을 실제로 실현하였다. 양 트레이 부분 사이의 어떠한 불균등한 액체 분포도 액체 높이의 큰 구배를 초래하지 않는데, 이는 트레이 부분 사이에 개방된 액체 연동 및 가장 인접한 다운커머로의 액체의 최대 유로 길이가 고작 트레이 직경의 절반에서 트레이 플레이트 높이에서의 다운커머 길이 (소위, 꼭대기 폭) 를 뺀 값으로 너무 길지 않기 때문이다. 만일 필요하다면, 예컨대 코너 다운커머의 폭과 모양, 및/또는 반경 방향 다운커머 폭의 적절한 선택 등으로, 양 트레이 부분의 다운커머 입구의 길이 및/또는 다운커머 입구 면적은 각각 조정될 수 있으며, 따라서 적절하게 균형잡힌 디자인이 얻어진다.
적절하게는, 양 하프-세그멘트식 (코너) 다운커머 모두의 다운커머 입구 면적에 대한 반경 방향 다운커머의 다운커머 입구 면적의 비는 0.75 ~ 1.25, 바람직하게는 0.9 ~ 1.1 이다.
적절하게는, 양 하프-세그멘트식 (코너) 다운커머 모두의 다운커머 입구의 길이에 대한 반경 방향 다운커머의 다운커머 입구의 길이의 비는 0.75 ~ 1.25, 바람직하게는 0.9 ~ 1.1 이다.
본 발명에 따른 3 개의 다운커머를 구비한 디자인은 트레이 (거품 영역) 에 걸쳐 액체의 평균 유로 길이를 제공하는데, 이 길이는 심지어 직경이 1m ~ 2m인 소형 기둥 및 트레이의 총 단면적에 대하여 20 ~ 27% 및 그 이상의 비교적 큰 다운커머 입구 면적에서도 양호한 기체/액체 접촉에 충분한 길이이다. 그러나, 이 디자인은 8% 까지 또는 그 이하의, 예컨대 다운커머 입구 면적이 10 또는 15% 작은 경우에도 적합하다.
본 발명에 따른 트레이는 트레이 부분을 분리하는 가상 직경선에 평행한 비교적 큰 다운커머 입구 길이 부분을 갖는다. 그럼에도, 출원인은 액체 우회 (liquid bypassing) 에 문제가 없다는 것을 알아냈다. 액체 우회라는 용어는 다운커머 출구으로부터 하부 트레이의 타 트레이 부분에 있는 가장 인접한 다운커머의 입구을 향한 직접적인 액체 흐름을 말한다. 하부 트레이의 가상 직경선을 따라서 코너 다운커머 입구의 개구의 측면에 높은 배플 (baffle) 이 설치된 코너 다운커머 사이를 우회하는 액체의 영향을 측정하기 위한 실험이 수행되었다. n-부탄/iso-부탄 분리 실험에서, 이러한 배플을 설치하는 것은 트레이 효율을 상당하게 향상시키지 못하는 것을 알게 되었는데, 여기서 트레이 효율은 평형 물질 연동에 대한 증기상에서 얻어진 물질 연동의 분율로 규정된다. 그러나, 배플이 설치되었을 때, 트레이의 성능이 상당히 낮아진다는 것을 알게 되었다.
단일 세그멘트식 트레이 및 이중 패스 트레이와 비교할 때, 본 발명에 따른 트레이의 장점은 트레이의 액체 높이를 낮게 하여 트레이의 고효율을 가능케하는 결과를 가져오는 다운커머 입구의 길이가 길다는 것이다.
본 발명의 트레이는 이러한 장점을 이용하여 접촉 트레이에 인접하고 1개 이상의 원심 분리 장치가 구비된 분리 트레이를 배치하는데 사용될 수 있다. 특히, 접촉트레이는 분리트레이와 일체로 형성될 수 있다.
본 발명은 이제 첨부된 도면을 참조하여 더욱 상세하게 설명될 것이다.
도 1 은 본 발명에 따른 기체-액체 접촉 트레이의 개략적인 평면도이다.
도 2 는 본 발명에 따른 컬럼에 분리 트레이가 함께 구비된 접촉 트레이의 개략적인 특정 실시예이다.
도 1 을 참고하여 설명한다. 트레이 (1) 는 실질적으로 원형 둘레 (6) 를 갖는 트레이 플레이트 (5) 를 포함한다. 둘레를 따라서 지지 링 (7) 이 설치되어 있으며, 이 지지 링 (7) 에 의해서 트레이가 수직 기둥에 평행하게 설치될 수 있다 (도시되지 않음). 트레이 플레이트에는 상면과 바닥면이 있으며, 도 1 에서 상면 (8) 을 볼 수 있다. 트레이 플레이트의 바닥면과 상면 사이에는 기체 통로 (10) 가 제공되며, 이 기체 통로 (10) 는 세공 (sieve hole), 이동식 밸브, 고정식 밸브, 또는 공지기술로 알려진 기타 기체 통로일 수 있다. 기체 통로 (10) 는 트레이 플레이트의 몇몇 위치에만 도시되어 있지만, 기본적으로 다운커머가 없는 전체 트레이 플레이트의 빈 위치로 확장이 가능하다. 기둥의 더 높은 트레이의 다운커머 바로 아래의 액체 수급영역에 특별 통로를 설치하거나 통로를 설치하지 않는 것도 가능하다. 통로가 제공된 영역은 통상 거품 영역 (bubble area) 이라고 부른다.
2개의 반원형 트레이 부분 (14, 15) 은 트레이 플레이트 (5) 의 가상 직경선 (18) 에 의해 규정된다. 트레이에는 트레이 플레이트의 상면으로부터 트레이 아래로 액체를 유도하기 위한 3개의 다운커머 (21, 22, 23) 가 배치되어 있다. 각 다운커머는 트레이 플레이트에 배치된 입구의 개구 (26, 27, 28) 로부터 트레이 아래의 다운커머 바닥 플레이트 (31, 32, 33) 까지 신장된다. 바닥 플레이트에는 출구의 개구가 배치되어 액체 유동을 적절히 제약하며, 도시된 실시예의 출구의 개구는 직각 슬롯 (36, 37, 38) 형태이다. 도면에 보이는 바와 같이, 바닥 플레이트는 각 입구의 개구보다 작은 단면적을 가지며, 경사진 다운커머 측벽에 의해 연결되므로, 즉 도시된 다운커머는 소위 경사 다운커머 (sloped downcomer) 이다. 적절한 다운커머는 소위 절두형 다운커머 (truncated downcomer) 이며, 이는 바닥 플레이트가 수직 기둥에서 트레이가 층층으로 설치될 때, 아래쪽 트레이 플레이트상에서 액체 수급 영역 위에 다소의 거리로 설치된다는 것을 의미한다. 트룬케이트형 다운커머는 트레이 아래의 트레이 간격을 50% ~ 90% 로 적절하게 확장시킨다. 트레이 간격은 기둥의 인접한 2개의 트레이 플레이트의 상면 사이의 거리로 규정될 수 있다. 적절한 트레이 간격은 0.2m ~ 1m 이다.
다운커머들 중 2개가 반원형 트레이 부분 (14) 의 코너 (41, 42) 에 배치되는데, 이 코너는 가상 직경선 (18) 과 둘레 (6) 에 의해 규정된다. 코너 다운커머 (41, 42) 는 실질적으로 하프-세그멘트식 다운커머 (half-segmental downcomer) 이다. 각 하프-세그멘트식 다운커머 입구의 개구 (26, 27) 는 직경선 (18) 에 수직한 직선형 장측면 (46, 47), 직경선 (18) 에 대향하고 평행한 직선형 단측면 (48, 49), 및 둘레 (6) 에 인접한 곡선형 후측면 (50, 51) 으로 규정된다. 제작 비용을 절감하기 위해서는 평판 또는 도시된 후측면의 곡면을 따르는 다각형 선을 따라 적절하게 조립되는 다수의 평판으로부터도 후측벽의 제조가 가능하여야 한다는 것이 명백하다.
제 3 다운커머 (23) 가 타 트레이 영역 (15) 에 배치되고, 직경선 (18) 에 수직한 트레이의 반경 (44) 을 따라서 실질적으로 신장된다. 반경 방향 다운커머 (23) 는 소위 직사각형 다운커머이며, 여기에서 입구의 개구 (28) 는 반경 (44) 으로부터의 거리가 동일하고 반경 (44) 과 평행한 2개의 장측면 (53, 54) 및 2개의 단측면 (55, 56) 에 의해 규정된다. 측면 (55) 은 선택된 거리에서 직경선과 마주보며 평행하다. 둘레 (6) 에 인접한 측면 (56) 은, 예컨대 제조 비용을 최소화하기 위하여 도시된 것과 같이 곡선형이거나 직선형일 수도 있다는 것은 명백할 것이다.
도면에는 기둥에서 바로 위에 있는 더 높은 트레이의 바닥 플레이트 (61, 62, 63) 의 투영도 (projection) 도 트레이 플레이트 (5) 상에 도시되어 있다.
기둥에서 트레이 (1) 가 정상 작동되는 동안, 액체는 트레이 (1) 상의 투영 영역 (61, 62, 63) 에서 수급 될 것이다. 액체는 일반적으로 인접한 다운커머 입구를 향해 흘러갈 것이며, 트레이의 여러 지점에서의 액체의 주요 흐름 방향은 화살표 (65) 로 지시되어 있다. 이렇게 액체가 흘러가는 동안, 기체는 기체 통로 (10) 를 통해 거품을 일으킬 수 있으며, 이로 인해 기체와 액체의 밀접한 접촉을 달성할 수 있으며, 결국 열 및/또는 물질의 연동이 일어날 수 있다.
액체는 다운커머 (21, 22, 23) 의 입구의 개구 (26, 27, 28) 에 의해 수급되며, 다운커머 출구 (36, 37, 38) 를 통과하여 바로 아래 트레이로 흘러간다. 각 코너 다운커머 (21, 22) 의 다운커머 입구의 길이는 각각 장측면과 단측면의 총 길이 ((46, 48) 및 (47, 49)) 로 형성된다. 직사각형 다운커머 (23) 의 다운커머 입구의 길이는 측면 (53, 54, 55) 들의 총 길이로 형성된다.
본 발명에 따르면, 다운커머의 더 짧은 측면들이 비교적 큰 백분율로 트레이의 총 다운커머 입구의 길이에 기여한다. 본 발명 이전에는 액체가 트레이 부분의 액체 수급 영역으로부터 타 트레이 영역의 인접한 다운커머 입구부로, 예컨대 영역 "61" 로부터 다운커머 "22" 로, "62" 에서 "21" 로, 및 "63" 에서 "23" 으로, 쉽게 흐를 수 있기 때문에 이 점이 트레이 효율에 상당한 영향을 미친다고 생각되었다. 이러한 효과는 특히 코너 다운커머에서 일어난다고 여겨졌다. 이전에 알려진 모든 다른 종류의 트레이 디자인과 다르게, 트레이 부분 (14) 에는 직사각형 다운커머가 없으므로, 2개의 코너 다운커머가 이 한 트레이 부분에서 모든 다운커머를 구성한다.
이러한 효과에 대하여 연구하기 위하여, 영역 "61" 과 다운커머 "22" 사이, 및 영역 "62" 와 다운커머 "21" 사이에서 직접적인 플럭스 (flux) 를 방지하는 배플이 있거나 없는 상황에서 실험을 수행하였다. 전술한 바와 같이, 배플이 없는 상황에서는 트레이 효율에 대한 미세한 효과가 관찰되었지만, 배플이 있는 상황에서는 트레이 성능의 상당한 감소가 있었다. 직경선에 평행한 적절한 유로 길이는, 예컨대 150mm, 200mm, 250mm, 또는 300mm와 같이 소정의 제한을 상회하여 적절하게 선택되었다.
이제 본 발명에 따른 트레이의 예가 도 1 에 도시된 부분들을 참고하여 정량적으로 설명될 것이다. 예로서 주어진 트레이의 직경은 1500mm이다. 지지 링 (7) 의 폭은 50mm이며, 1400mm의 효과적인 트레이 직경을 두었다. 직사각형 다운커머의 상단 폭 (입구 측면 (55) 의 길이) 은 356mm이고, 코너 다운커머의 상단 폭 (측면 (48, 49) 의 길이) 은 330mm이다. 측면들 (48, 49, 55) 은 직경선 (18) 과 50mm 간격되어 직경선 (18) 과 평행하게 나아가는데, 이는 필요할 수 있는 지지 빔 (support beam) 을 선 (18) 을 따라서 설치하기 위해서이다. 동일 트 레이 부분의 다운커머와 인접 액체 수급 영역 사이의 평균 거리로 계산되는 유로 길이는 281mm인데, 이는 트레이의 양호한 효율을 얻기에 충분한 길이이며, 이 레이아웃에서의 다운커머 입구부의 총 면적은 트레이 단면적의 27% 에 이른다. 충분히 높은 트레이 효율 및 성능에 충분한 다운커머 입구부의 길이를 유지하면서 유로 길이와 다운커머 입구부의 총 면적의 이와같은 조합을 얻는 것은 불가능하다. 유로 길이를 250mm이상으로 유지하면서, 총 1m ~ 2m 사이인 트레이 직경의 또는 이의 15% 이상의 상대적 다운커머 입구 영역을 제공하는 것이 가능하며, 20% 이상이 1.2m ~ 2m 사이의 기둥 직경으로 제공될 수 있다.
트레이상의 다운커머 입구부의 총 길이는 3458mm이며, 그 중 가상 직경선 (18) 을 따르는 길이는 1016mm이다. 직사각형 다운커머 (23) 는 총 다운커머 입구부 면적의 48%, 다운커머 입구부 길이의 47%를 차지하며, 나머지는 두개의 하프-세그멘트식 다운커머 (21, 22) 에 동일하게 분포된다. 양 트레이 부분에 있는 다운커머들의 기하학적인 모양이 크게 다름에도 불구하고, 본 발명에 따른 트레이는 트레이 부분 간에 놀랍도록 균형잡힌 다운커머 레이아웃을 제공하는 것이 가능하다. 균형잡힌 디자인이란 양 트레이 영역간에 교차 흐름 (cross-flow) 을 최소화 한다는 의미이다.
도 1 에 제시된 실시예를 통해 다운커머의 모양이 다를 수 있다는 것을 명백히 알 수 있다. 예컨대, 다운커머 (21) 의 더 긴 직선면 (46) 과 배면 (50) 으로 규정된 하프-세그멘트식 다운커머 입구부의 뾰족한 코너 모양은 다운커머 입구부 길이와 다운커머 면적의 비의 미세 조정을 위하여 수정될 수 있다. 뾰족한 코너는 예컨대 측면 (48) 에 평행한 추가적인 직선 면에 의해 잘려나갈 수 있으며, 이로인해 코너 다운커머의 제조가 단순해지고 경제적이 될 수 있다. 코너 다운커머 입구의 개구의 더 긴 측면과 배면은 수 개의 직선 면에 의해 연결될 수도 있다.
이하, 본 발명에 따른 트레이의 특정 실시예가 도 2 를 참조하여 설명될 것이다. 이 실시예에서, 본 발명에 따른 접촉 트레이는 미국특허 제5,885,488호에 개시된 장점을 살려 분리 트레이와 일반적인 방법으로 조합하여 사용되었다.
도 2 는 내부에 본 발명에 따른 수개의 접촉 트레이 (103a, 103b, 103c) 가 수직으로 적층되어 배치된 수직 원통형 기둥 (100) 의 개략도이다. 도 1 에서 이미 사용된 도면 부호에 부가기호 a, b, 또는 c를 붙였으며, 이는 동일하거나 유사한 부분을 지칭한다. 기둥 (100) 은 기둥의 축을 따라 종단면이 도시되었으며, 여기서 트레이는 반원형 트레이 부분을 규정하는 트레이의 가상 직경선을 따라 배치되거나 지면과 평행하게 배치된다. 트레이 (103a, 103c) 는 동일한 방향성을 갖는데, 즉 각 다운커머가 서로의 상부 (top) 에 배치된다. 중간에 위치한 트레이 (103b) 는 180도 회전되었다. 도면에서 트레이 (103a, 103c) 는 반경 방향 다운커머 (23a, 23c) 만을 도시하고 있으며, 타 트레이 (103b) 는 코너 다운커머 (21b, 22b) 만을 도시하고 있다. 예컨대, 트레이 (103a) 의 다운커머 (23a) 와 같은 다운커머는 접촉 트레이로부터 출구 (예, 33a) 로 액체를 유도하기 위해 바로 인접한 하부 접촉 트레이 (예, 103b) 의 거품 영역 위로 어느 정도 이격되어 배치된다. 거품 영역은 점선으로 지시되었다.
기체-액체 접촉 트레이와 더불어 분리 트레이 (113a, 113b) 도 설치된다. 분리 트레이 "113a" 는 접촉 트레이 "103a" 아래에 설치되고, 분리 트레이 "113b" 는 접촉 트레이 "103b" 아래에 설치된다. 각 분리 트레이에는 다수의 원심분리 장치 (120) 가 제공되며, 이 장치는 트레이 위의 해당 거품영역에 적절하게 분포된다. 분리 장치의 개수는 통상 거품 영역의 ㎡당 10 ~ 30개이다.
분리 트레이 (113a, 113b) 는 기둥에서의 방향을 제외하고는 실질적으로 유사하다. 분리 장치 (120) 는 바로 위 접촉 트레이의 다운커머가 신장된 플레이트 (125a, 125b) 에 의해 지지된다. 각 분리 장치 (120) 는 튜브형 도관인 소용돌이 관 (swirl tube) 을 포함하는데, 플레이트 (125a) 의 개구에 대응하는 이 관의 입구는 관의 하영역에 있다. 소용돌이 관의 내부에는, 예컨대 국제특허출원 공개번호 WO 2004/073836 에 개시된 소용돌이 분배 수단 등의 날개 (vane) 어셈블리와 같은, 소용돌이 날개 (vane) 가 적절히 제공된 소용돌이 분배 수단 (128) 이 있다.
소용돌이 관 (123) 에는 고리형 U-턴 변류기 (130) 와 같은 복귀 스커트가 제공되는데, 이 스커트는 소용돌이 관의 상영역에 걸쳐 설치된다. 타 소용돌이관도 유사하다.
각 분리 트레이에는 분리 트레이로부터 액체를 제거하는 수단이 다운커머 또는 다운커머 관 (135, 136, 137) 의 형태로 추가적으로 제공되는데, 이 수단은 플레이트의 입구의 개구로부터 하방으로 신장된다. 예컨대, 분리 트레이 "113a" 의 다운커머 "135" 는 다운커머 "21b" 안으로 개방되는데, 순서대로 접촉 트레이 "103c" 위로 개방된다.
더 많은 분리 및 접촉 트레이가 설치될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 실제로, 기둥의 최하부 분리 트레이에 부속된 다운커머는 기둥의 하부 안으로 개방될 것이다.
정상 작동 중, 트레이 (103c) 아래에 있는 기둥 하부의 기체 입구 (도시되지 않음) 를 통해서 기체가 기둥 (100) 으로 공급된다. 트레이 (103a) 위에 있는 기둥 상부의 액체 입구 (도시되지 않음) 를 통해서 액체가 기둥 (100) 으로 공급된다. 기둥 (100) 에서, 기체와 액체는 수평 접촉 트레이 (103a, 103b, 103c) 상에서 접촉하여, 물질 및/또는 열을 연동하며, 접촉 후에는 기둥 (100) 상부의 기체 출구 (도시되지 않음) 및 기둥 (100) 하부의 액체 출구를 통해 기체와 액체가 기둥 (100) 으로부터 제거된다. 잉여 액체는 다운커머 (21a, 21b, 21c, 22a, 22b, 22c, 23a, 23b, 23c)(도 2 에 다운커머를 모두 도시하지는 않음) 를 통해 접촉 트레이 (103a, 103b, 103c) 로부터 제거된다. 일부 액체는 상승하는 기체와 비말을 형성할 것이다.
기둥의 성능은 액체 유동률 (flow rate) 의 함수로서 기체의 최대 유동률에 의해 결정되는데, 여기에서 기체의 최대 유동률은 상승하는 기체에 의한 액체의 비말이 시작되는 지점에서의 기체의 유동량이다. 분리 트레이 (113a, 113b) 는 비말을 감소시킴으로서 기둥의 성능을 향상시키는 기능을 한다.
분리 트레이 (113a, 113b) 의 소용돌이 관 (120) 에서, 상승하는 기체는 비말 액체와 함께 소용돌이 분배 수단에 의해 원심 운동하게 되고, 액체는 밖을 향하 여 분출되고 소용돌이 관의 내벽 또는 그 주변을 따라서 현저하게 위로 유동한다. 소용돌이 관의 상영역에서, 액체는 내면으로부터 이탈될 것이며, U-턴 변류기 (130) 에 의해 포획되어 분리 트레이의 각 바닥 플레이트를 향해 유도된다. 거기에서부터, 액체는 바로 아래의 분리 트레이의 다운커머 안으로 개방된 다운커머 (135, 136, 137) 를 통해 제거되어, 액체는 접촉 트레이 아래의 제 2 분리 트레이의 거품 영역으로 유도된다.
소용돌이 관의 수직 축 부근에서 상승하는 액체 (대부분은 기체) 는 포획되지 않고 위에 있는 접촉 트레이를 향하여 상승할 수 있다.
일련의 접촉 트레이 간의 특정한 수직 거리는 600 mm 이지만, 예컨대 300 mm 와 같은 더 짧은 거리도 가능하다. 접촉 트레이와 바로 아래의 분리 트레이와의 거리는 통상 200 mm 이다. 예컨대 아래의 분리 트레이 (도 2에서, 트레이 "103a" 와 "113a", "103b" 와 "113b") 와 같이, 접촉 트레이는 기둥에 장착되기 전에 인접한 분리 트레이와 일체로 형성될 수 있다.

Claims (9)

  1. 일반적인 수직 기둥에 수평 장착용으로 적합한 기체-액체 접촉 트레이로서, 상기 트레이는,
    - 트레이 플레이트에는 바닥면과 상면 사이에 기체 통로가 제공되며, 상기 트레이 플레이트 상에는 트레이 플레이트의 가상 직경선에 의해 규정된 2 개의 반원형 트레이 영역이 있는 실질적으로 둘레가 원형이며 상면과 바닥면을 갖는 트레이 플레이트, 및
    - 트레이 플레이트의 상면으로부터 트레이 아래로 액체를 유도하기 위하여 각 다운커머가 트레이 플레이트에 설치된 입구의 개구로부터 다운커머 트레이 아래의 출구의 개구로 신장된 총 3 개의 다운커머를 포함하고,
    상기 다운커머 중 2 개는 한 반원형 트레이 영역의 코너에 설치되고, 제 3 다운커머는 직경선에 수직인 트레이의 반경을 따라서 실질적으로 타 트레이 부분에 설치되는 것을 특징으로 하는 기체-액체 접촉 트레이.
  2. 제 1 항에 있어서, 양 코너 다운커머 입구의 개구의 총면적에 대한 반경 방향 다운커머 입구의 개구의 면적의 비는 0.75 ~ 1.25, 바람직하게는 0.9 ~ 1.1 인 것을 특징으로 하는 기체-액체 접촉 트레이.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 3 개의 모든 다운커머 입구의 개구의 총 면 적은 트레이의 총 단면적의 20% 이상을 차지하는 것을 특징으로 하는 기체-액체 접촉 트레이.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서, 반경 방향 다운커머 입구의 개구가 반경 방향 다운커머 입구의 길이를 규정하고, 코너 다운커머 입구의 개구가 코너 다운커머 입구의 총 길이를 규정하며, 반경 방향 다운커머 입구의 길이에 대한 코너 다운커머 입구의 총 길이의 비가 0.75 ~ 1.25, 바람직하게는 0.9 ~ 1.1 인 것을 특징으로 하는 기체-액체 접촉 트레이.
  5. 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서, 각 코너 다운커머 입구의 개구는 가상 직경선에 평행한 측면과 직경선에 수직인 측면, 및 트레이의 둘레와 실질적으로 합치되는 측면을 갖는 것을 특징으로 하는 기체-액체 접촉 트레이.
  6. 제 5 항에 있어서, 트레이의 둘레와 실질적으로 합치되는 측면은 적어도 부분적으로는 직선을 따라서 형성된 것을 특징으로 하는 기체-액체 접촉 트레이.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 직경선에 수직인 측면과 트레이의 둘레와 실질적으로 합치되는 측면은 다운커머 입구의 개구의 1 개 이상의 추가적인 측면에 의해 연결되는 것을 특징으로 하는 기체-액체 접촉 트레이.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서, 분리 트레이는 접촉트레이에 인접하게 배치되며, 분리 트레이에는 1 개 이상의 원심 분리 장치가 제공되는 것을 특징으로 하는 기체-액체 접촉 트레이.
  9. 제 8 항에 있어서, 접촉 트레이는 분리 트레이와 일체로 형성된 것을 특징으로 하는 기체-액체 접촉 트레이.
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