KR20070052318A - 변화 가능한 밀도로 챔버에 입자 베드를 충전하는 방법 - Google Patents

변화 가능한 밀도로 챔버에 입자 베드를 충전하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 고체 입자를 밀도 조절 가능하게 챔버에 채우는 방법에 관한 것으로, (a) 제1 고체 입자(A)와, 상기 제1 고체 입자(A)와 용해 특성이 다른 제2 고체 입자인 고체 희석제(B)의 혼합물로 챔버를 채우는 단계; 및 (b) 상기 제1 고체 입자(A)에 대하여는 용해력이 없고 제2 고체 입자(B)에 대하여는 높은 용해력을 가지는 용매를 (a)단계에서 채워진 고정 베드에 통과시켜, 고체 희석제(B)를 모두 제거하고 챔버 내에 제1 고체 입자(A)만 남기는 단계;를 포함한다.
입자 베드, 고체 입자, 고체 희석제, 용해 특성, 용해력

Description

변화 가능한 밀도로 챔버에 입자 베드를 충전하는 방법{METHOD FOR FILLING A CHAMBER WITH A BED OF VARIABLE DENSITY PARTICLES}
본 발명은 입자 베드의 밀도를 조절하면서 고체 입자를 챔버에 충전하는 방법에 관한 것이다.
특히 본 발명은 화학 또는 전기화학, 석유 또는 석유화학 유형의 고정 베드를 가지는 반응기에, 원구, 알갱이, 실린더, 정제, 막대 형태, 또는 기타 다른 모든 형태를 가지며 상대적으로 작은 크기를 가지는 분리된 고체 입자들을 채우는 방법에 관한 것이다. 상기 입자들은 특히 그 크기가 경우에 따라 수십 분의 일 밀리미터에서 몇 센티미터에 이르기까지 다양한 모노 또는 멀티로브(lobe) 유형의 원구 형태, 정제 형태 또는 가장 빈번하게는 사출 형태로 된 분자체 또는 촉매일 수 있다.
아래에서는 본 발명의 적용에 관하여 언급될 것이다. 하지만 본 발명의 가장 적합한 적용 방법은 특히 필요한 경우 충전되는 입자 베드의 밀도를 조절하여 챔버 에 고체 입자를 채우는데 적용되는 방법이다.
고체 촉매 입자로 화학 반응기 고정 베드를 충전하는 분야와 관련하여, 아래와 같은 두 유형의 기본적인 충전 기술로 구분될 수 있다:
- 첫째, "Sock loading"이라는 영어 용어로 일반적으로 알려져 있는 전통적인 기술로서, 반응기의 상부에서 일반적으로 유연한 특성의 핸들 상부 단부 내에 촉매 입자를 넣는 방법이다. 이는 중력을 이용하여 상기 핸들의 다른 쪽 단부를 통해 반응기의 바닥에, 이어서 형성 중인 고정 베드 상에 촉매 입자들을 축적한다.
- 둘째, 고 밀도의 충전 기술로서, 상기 첫 번째 기술과 마찬가지로 반응기의 상부를 통해 촉매 입자를 유입하기는 하지만, 입자가 낙하하는 동안 일반적으로 이동이 가능하며 적당한 전향장치(deflector)를 갖추고 챔버의 상부 파트에 위치하는 도구를 통해 상기 입자들을 분산시키는 방법이다. 이는 입자들이 자유롭게 위치되는 충전 전방면 상으로 "강수 효과"를 통해 입자들을 개별적으로 떨어지게 한다.
"Sock loading" 유형의 충전 기술로 얻어진 촉매 베드는 밀도가 높지 않고 비균질한 특성을 나타내는 반면, 강수 효과 방식의 충전 방법의 경우 충전은 고 밀도의 균질한 특성을 나타낸다.
고정 베드식 화학 반응기에 강수 효과 방식의 충전을 용인하게 해주는 장치 및 방법들이 유럽특허 EP007854, EP16246, EP769462, EP482991 및 프랑스특허 FR2766386 및 FR2721900에 기술되어 있다.
통상적으로 사용되는 강수 효과 방식의 다양한 충전 기술의 장점은 주어진 반응기 부피 내에서 전통적인 충전 기술(sock loading)보다 20% 이상에 이르는 촉매 양을 충전할 수 있으면서, 챔버 내에서 사용 가능한 공간을 효율적으로 사용할 수 있다는 점이다.
촉매 베드의 전체 부피 내에서 균등한 유출 및 반응 동역학을 조장해주는 촉매 입자들의 상당히 규칙적인 분포를 통해 고 밀도로 충전된 고정 촉매 베드의 높은 균질성이 얻어진다. 반면, 핸들의 도움을 필요로 하는 전통적인 충전 기술(sock loading)은 반응기의 효율성을 감소시키는 원인이 되는 선호 반응 매질의 통로 형성을 이루게 된다. 아울러, 밀도가 높은 촉매 베드는 작동 수명 중 거의 침하하지 않는 장점을 나타낸다. 이때 나타나는 침하는 일반적으로 촉매 베드 높이의 1 내지 2% 이상을 초과하지 않는다. 반면에 전통적 충전의 경우, 예컨대 sock loading 방식의 경우 상기 침하는 8 내지 10%에 도달할 수 있다.
현재 높은 밀도의 충전 기술이 시장에서 큰 몫을 차지하고 있음에도, 고 밀도 베드는 동등한 높이의 저 밀도 고정 베드에 비해 상대적으로 충전량 손실(△P)이 크다는 사실 때문에 지금까지 이러한 기술의 일반화는 제동이 걸려왔다. 즉, 고 밀도의 베드에서 주어진 압력에 대한 반응 매질의 흐름은 저 밀도 베드에서 보다 적다. 달리 말하면, 동일한 반응 공급량을 얻기 위하여 더 높은 압력을 가하여야 한다. 아울러, 고 밀도의 충전 기술의 특징 중 한가지는 얻어지는 밀도가 본질적으로 지정학적 특성과 촉매의 알갱이 표면 상태에만 종속되어 필연적이라는 점이다. 즉, 사용되는 장치 및 방법을 조절하여 통제할 가능성이 없다는 말이다.
그러므로 당업자는 지금까지 균질성의 문제를 보이며 동시에 시간이 경과함에 따라 베드에 심한 침하가 발생하는 단점을 가진 저 밀도 촉매 베드 및 뛰어난 반응 효율성을 나타내는 반면 상당히 큰 충전량의 손실(△P)을 야기하는 균질한 고 밀도 촉매 베드 중 한 가지를 선택해야만 했다.
프랑스특허 FR 281224는 밀도가 높진 않지만 균질성을 나타내는 충전을 획득할 수 있도록 충전할 챔버 내에 담긴 액체 내에서의 강수 효과식 충전 방법을 제안한다. 불행히도, 충전할 입자에 대해 불활성이어야 하는 상기 액체는 충전 장소에서 항상 사용 가능한 것이 아니며, 또는 상기 입자들의 특정 물리-화학적 특성으로 인해 입자가 액체 내에 가라앉지 못한다.
따라서, 균질하며 동시에 상대적으로 밀도가 낮은 촉매 베드를 얻을 수 있는 고정 촉매 베드를 가진 반응기를 충전하는 방법에 대한 요구가 존재해왔다.
이미 알려진 반응기 충전 방법들을 개선하고자 하는 연구의 틀 내에서 본 출원인은 고 밀도 베드가 나타내는 밀도와 (sock loading 방식을 통해 획득되는) 저 밀도 베드가 나타내는 밀도 사이의 밀도를 가지는 균질한 촉매 베드의 획득을 용이하게 하는 새로운 충전 방법을 완성하였다. 이 새로운 방법은 "고체 희석제", 즉 촉매와 동시에 반응기 내에 유입되어 적당한 용매를 이용한 단순한 용해 작용을 통해 반응기 작동 전 또는 작동 개시 시 제거되는 고체 희석제를 이용한 고체 입자의 충전 방법이다. 상기 용매는 반응 성분을 통해 직접 구성될 수 있다. 반응기 시동 전 또는 시동 시 제거되는 고체 희석제의 양이 많아질수록 촉매 베드의 최종 밀도는 낮아질 것이다. 그러므로 촉매와 함께 유입되는 고체 희석제의 양을 조절하여 베드의 최종 밀도를 조절할 수 있을 것이다.
그러므로, 본 발명은 조절 가능한 밀도로 고체 입자를 화학 반응기 등의 챔버에 충전하는 방법으로서 다음의 단계들을 포함하는 방법을 그 대상으로 한다:
(a) 제1 고체 입자(A)와, 상기 제1 고체 입자(A)와 용해 특성이 다른 제2 고체 입자인 고체 희석제(B)의 혼합물로 챔버를 채우는 단계; 및,
(b) 상기 제1 고체 입자(A)에 대하여는 용해력이 없고 제2 고체 입자(B)에 대하여는 높은 용해력을 가지는 용매를 (a)단계에서 채워진 고정 베드에 통과시켜, 고체 희석제(B)를 모두 제거하고 챔버 내에 제1 고체 입자(A)만 남기는 단계.
이 두 고체 입자들(A 및 B)의 혼합물로 챔버를 채우는 방법은 핸들을 이용하는 전통적 충전 기술(sock loading)을 이용할 수도 있겠지만, 여기서는 챔버의 전체 바닥면 상에 그리고 생성 중인 촉매 베드의 표면 상에 물질 입자들이 놓이게 하는 "강수 효과"라 불리는 기술을 이용할 것이다. 이 강수 효과식 충전 기술은 속이 찬 또는 속이 빈 중앙 회전 축을 갖춘 장치를 이용할 것이다. 상기 축 상의 여러 높이에 축의 회전 속도에 따라 축에서 점점 더 멀어지는 예컨대 고무로 된 가요성 띠들이 배치된다. 위에서 설명된 것처럼, 이러한 충전 방법을 통해 부여된 여러 밀도들의 범위 내에서 최종 촉매 베드의 밀도를 자유롭게 조절할 수 있다. 고체 입자(A) + 고체 희석제(B)의 촉매 혼합물 내에서 고체 희석제(B)의 양적 비율이 높아지면 높아질수록, 최종 충전 밀도는 점점 더 낮아질 것이다. 하지만 당업자는 상기 고체 희석제(B)의 양이, 특히 촉매 입자의 형태 및 촉매 입자와 고체 희석제 입자 사이의 크기의 비율에 종속되는 값인 특정 최고 한계를 넘지 말아야 할 것이라는 점을 쉽게 이해할 수 있을 것이다. 실제로, 고체 희석제(B)의 특정 한계값 이상에서 촉매 베드는 고체 희석제의 용해 후 구조적으로 불안정해질 것이고, 중력 효과 및 반응 매질의 흐름의 효과 하에서 전체적으로 침전될 것이다. 그 결과 원치 않는 흐름로가 생성된다.
본 출원인은 연구가 진행되는 동안 고체 입자(A) + 고체 희석제(B)의 혼합물 내에서 고체 희석제(B)의 부피비가 일반적으로 20 내지 30% 이상을 초과하지 말아야 한다는 점을 깨닫게 되었다. 여기서 "부피비"란 고체 입자(A) 및 고체 희석제(B)를 더한 부피 값에 대한 고체 희석제(B) 부피의 비율을 일컫는다. 최고 한계값은 고체 입자(A) 및 고체 희석제(B)가 거의 동일한 크기를 가질 경우, 그리고 고체 희석제 입자들의 거의 전체가 촉매 입자들 사이의 간격을 형성하는데 사용되는 경우 약 20% 근처 값을 나타낸다. 반면에, 고체 희석제의 크기가 고체 입자의 크기보다 훨씬 적을 경우, 그리고 고체 희석제 입자들의 분량(fraction)이 촉매의 미세공 또는 움푹 파인 곳 내에 위치하거나, 또는 촉매 입자들 사이의 간격을 야기하지 않으면서 촉매 입자들 사이의 틈새에 위치하는 경우 양적 비율 한계 값은 30% 이상을 나타낼 수 있다.
그 결과, 본 발명의 방법에서, 고체 희석제(B)를 통한 제1 고체 입자(A)의 용해 비율, 즉 상기 (a)단계의 혼합물 내의 부피비 V(A)/(V(A)+V(B)) (여기서, V(A) = 고체 입자(A)의 부피, V(B) = 고체 희석제(B)의 부피)는 1 내지 30%, 바람직하게는 2 내지 20%, 특히 바람직하게는 3 내지 15% 이다.
본 발명에 따른 방법은 원칙적으로 어떤 유형의 고체 입자에도 적용 가능하며, 특히 화학적 방법 분야에서 통상 사용되는 고정 촉매 베드용 알갱이 촉매에 적용 가능하다. 이러한 촉매들은 어떠한 형태도 가질 수 있다. 예를 들어, 원구, 다면체, 속이 찬 또는 속이 빈 원통, 이중-삼중 또는 그 이상으로 분할된 섹션을 가진 길게 놓인 물건의 형태 등을 가질 수 있으며, 제멋대로의 형태를 가질 수도 있다. 이 입자들은 일반적으로 0.6 내지 12 mm의 평균 직경을 가지며, 바람직하게는 0.7 내지 8 mm, 특히 바람직하게는 0.8 내지 3 mm 의 평균 직경을 가진다. 여기서 "직경"이라는 용어는 알갱이의 가장 큰 크기를 말한다. 그 직경은 일반적으로 0.8 내지 3mm의 값을 가지며, 당업자들이 "압출되었다"고 부르는 막대형태의 입자들의 경우, 그 길이는 통상적으로 2 내지 4 mm, 특히 2.5 내지 3.5 mm 사이에 있다.
본 발명에 따른 방법은 원칙적으로 어떠한 유형의 챔버와 어떠한 유형의 고체 입자에도 적용될 수 있지만, 챔버는 일반적으로 원통 형태를 나타내는 고정 베드식 화학 반응기인 것이 바람직하다. 특히 처리할 성분이 반응 유체와 동일 방향으로 작동하는 화학 반응기인 것이 좋다. 고체 물질은 촉매, 특히 탄화수소 충전물(hydrocarbon charges)의 수소처리용, 수소분해용, 수소마감처리용, 또는 수화처리용 촉매 등의 하나 또는 다수의 금속을 지지하는 알루미나 및/또는 실리콘을 포함하는 촉매인 것이 좋다.
본 발명에 따른 방법은 재생 촉매 또는 개조 촉매 분야에서 특히 유용하다. 실제로, 이러한 촉매들은 일반적으로 제1차 사용 시 그 크기가 상당히 감소하며, 그 결과 높은 밀도의 충전 방법을 통해 채워지는 반응기에서의 이들의 재사용이 제한되거나, 심지어는 금지될 수도 있다. 실제로, 2.7 mm 이하의 평균 길이를 가진 촉매 입자들의 고 밀도 베드의 상당한 충전량 손실(△P)은 용인될 수 없다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 밀도를 감소시키는 장점을 나타낼 수 있으며, 그 결과 작은 크기의 알갱이들로 된 재생 촉매로 구성된 베드의 충전량 손실을 감소시키게 된다.
그러므로 본 발명에 따른 방법의 바람직한 일 실시 형태에 있어서, 고체 입자는 3.2 mm 이하, 특히 2.7 mm 이하의 평균 길이를 가진 재생 촉매 또는 개조 촉매이다.
본 발명에 따른 방법에서 사용되는 고체 희석제(B)는, 고체 입자(A)가 용해되지 않는 용매에 용이하게 용해될 수 있도록, 고체 입자(A)의 용해 특성과는 상당히 다른 용해 특성을 나타내며, 상온에서 고체 상태로 된 모든 입자 물질이 사용될 수 있다. 물론 당업자는 사용되는 특정 촉매의 활성 및 선별성을 변조시키지 않는 화합물 중에서 이러한 고체 희석제를 선택하여야 할 것이다.
상기 특성을 나타내는 고체 희석제의 예로서, 상온에서 고체 상태인 탄화수소를 들 수 있다. 특히 파라핀, 합성 또는 천연 폴리머, 유기 또는 미네랄 염, 모노머 또는 올리고머 또는 폴리머 당 및 이 모두의 혼합물 등을 들 수 있다. 바람직한 일 실시 형태에 있어서, 고체 희석제는 액체 반응 매질에 의해 용해될 수 있는 것으로 선택된다. 그러므로 고체 희석제는 반응기 시동 단계에서 제거될 수 있으며, 특별히 별도의 제거 단계를 사용하지 않아도 될 것이다.
그러므로 탄화수소의 수소처리 분야에서, 고체 희석제는 파라핀, 특히 아주 적은 물방울의 형태를 가진 파라핀 등의 유기용해 분자들 중에서 선택되는 것이 좋다.
본 발명에 따른 방법의 (b)단계에서, 고체 희석제(B)를 제거하기 위해 사용되는 용매의 특성은 사용되는 고체 희석제의 화학적 특성에 종속된다. 이 희석제가 염 또는 극성(polar) 화합물일 경우, 용매는 물 또는 수성 혼합물 등의 극성 액체인 것이 좋다. 소수성(hydrophobic) 고체 희석제의 경우에는 비극성의 용매를 선택하는 것이 좋다. 이 모든 경우에 있어서, (b)단계의 용매에서 고체 희석제의 용해도는 상온(20℃)에서 적어도 질량 대비 0.5% 이상이다. (b)단계를 상온 이상의 온도에서 실시할 수 있으며, 그렇게 하여 용매 내에서 고체 희석제(B)의 용해도를 증대시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 상당히 유연한 특성으로 인해 다른 방법들과 구분될 수 있다. 실제로, 본 방법을 통해 침전된 고체 입자 물질의 베드를 위해 추구되는 평균 밀도를 목표 수행방식으로 획득할 수 있을 뿐 아니라, 특정 반응속도에 잘 적용되거나 또는 알갱이 물질 베드의 특정 구역에서만 나타나는 문제점들을 해결하게 해주는 특정 "밀도 프로필"을 가진 베드들을 정확히 맞춤 형식으로 준비할 수도 있다.
그러므로 예를 들어, 반응기의 하부 구역에 높은 밀도를 보존하면서, 고체 불순물이 촉매 베드를 막아버릴 수 있는 상부 구역에서는 베드의 밀도를 감소시키는 것이 유용할 수 있다. 이를 위하여, 거의 밀도를 나타내지 않는, 즉 고체 희석제로 희석된 촉매층으로 반응기의 상부를 채우고, 이어서 밀도가 높은, 즉 고체 희석제로 희석되지 않은 촉매층으로 반응기의 나머지 부분을 채우는 것이 유용할 수 있다.
본 발명에 따른 방법의 또 다른 적용예로서, 반응이 진행됨에 따라 촉매 베드의 상부 및 하부 사이에서 반응 매질의 점성이 변화하는 반응기에 본 발명의 방법이 사용될 수 있다. 이러한 유형의 반응기에서의 반응 매질의 유동은 상이한 밀도의 구역들의 결합 덕분에, 다시 말해 반응 매질이 약한 점성을 나타내는 구역에서는 높은 밀도의 베드와, 반대로 반응 매질이 상대적으로 높은 점성을 나타내는 구역에서는 낮은 밀도의 베드의 결합에 의해 최적화될 수 있다.
그 결과, 본 발명에 따른 방법의 일 실시 형태에 있어서, 상기 챔버의 일부 높이 부분은 상기 고체 입자(A)과 고체 희석제(B)의 혼합물로 채워지고, 상기 챔버의 나머지 높이 부분은 고체 희석제(B)로 희석되지 않은 고체 입자(A)로 채워진다.
물론, 점진적으로 변하는 밀도의 기울기를 나타내는 고정 베드의 충전을 고려할 수도 있다. (a)단계에서, 입자 혼합물 내의 고체 입자(A)와 고체 희석제(B)의 각각의 비율을 충전이 진행되는 동안 점진적으로 변화시킴으로써, 다양한 밀도를 가진 베드를 얻을 수 있다. 이처럼 획득된 조성물의 밀도 기울기는 고체 희석제(B)의 용해 후의 베드의 밀도 기울기를 통해 측정될 것이다.
위에서 기술된 다양한 실시예들(동일한 밀도를 가진 베드, 높은 밀도 구역 및 낮은 밀도 구역을 가진 베드, 점진적 밀도 기울기를 가진 베드)은 한정된 분량의 고체 입자(A) 및 고체 희석제(B)를 포함하는 즉시 사용 가능한 혼합물 또는 일련의 다양한 혼합물들을 챔버 내로 유입함으로써 실현될 수 있을 것이다.
여러 다양한 밀도 구역을 포함하는 베드의 형성, 특히 점진적 밀도 기울기를 가진 베드의 형성은 공정 중 챔버 내에 유입하기 직전 또는 유입하는 동안 고체 입자(A)와 고체 희석제(B)의 혼합을 실행되는 것이 좋다.
이러한 공정 중 혼합 실행은 특정 고체의 분배구에서 지속적으로 유입되는 고체 희석제(B)를 공급구에서 유입되는 고체 입자(A) 내에 공급하여, 혼합기 특히 적당한 평형 혼합기를 이용하여 상기 두 성분(A 및 B)을 혼합하여 실행된다.
두 성분(A 및 B)의 공정 중 혼합은 다음을 포함하는 장치를 이용하여 실현될 수 있다:
- 고체 입자(B)의 한정되고 통제된, 고정되거나 또는 가변적인 양을 지속적으로 분배해주는 분배 수단(분배구),
- 상기 분배구에서 유입되는 고체 입자(B)를 제1 고체 입자(A)에 유입해주는 유입 수단(인젝터),
- 균일한 혼합물을 얻을 때까지 상기 고체 입자들(A 및 B)을 혼합하는 혼합기.
고체 입자(A) 및 고체 희석제(B)의 혼합을 공정 중 실행하는 장치는 첨부된 도면들을 참조하여 아래에서 더욱 상세하게 기술될 것이다.
도 1은 본 발명에서 사용되는 두 성분(A 및 B)의 혼합물을 현장에서 형성하는 장치를 나타내는 일반적인 도면,
도 2는 도 1의 장치에서 사용될 수 있는 분배구를 도시한 도면,
도 3은 도 1의 장치에서 사용될 수 있는 인젝터의 제1 실시예를 도시한 도면,
도 4는 도 1의 장치에서 사용될 수 있는 인젝터의 제2 실시예를 도시한 도면,
도 5는 도 1의 장치에서 사용될 수 있는 평형 혼합기를 도시한 도면,
도 6은 고체 희석제(B)에 의항 고체 입자(A)의 희석률에 따른 촉매 베드의 충전량 손실의 정도를 나타내는 그래프이다.
도 1은 지속적으로 유입되는 고체 입자들(A 및 B)의 혼합 장치를 나타내고 있다. 혼합물은 충전 장치의 상부에서 챔버로 유입된다. 일반적으로 알갱이 촉매인 제1 고체 입자(A)는 유입구(4)를 통하여 유입되며, 제2 고체 입자인 고체 희석제(B)는 다른 유입구(2)로 유입된다. 상기 유입구(2)를 통하여, 일정한 양 또는 가변적인 양의 고체 희석제(B)가 분배구(1)에 공급된다. 분배구(1)를 통해 지속적으로 분배되는 고체 희석제(B)는 인젝터(3)에 의하여 중력 및 공급 효과를 받아 유입구(4)를 통하여 공급되는 제1 고체 입자(A) 내로 "인젝트"된다. 이렇게 모여진 두 고체 입자들은 이어서 혼합기(5)를 통과하면서 서로 혼합된다. 혼합기는 일련의 평형 혼합기인 것이 바람직하다. 혼합기(5)로부터 빠져나오는 제1 고체 입자(A) 및 고체 희석제(B)의 혼합물은 이어서 하나 이상의 구멍(6)을 통과하여 반응기(8)의 챔버 내로 유입된다. 모터에 의하여 회전되며 하나 이상의 전향부(7)(예컨대, 고무 형태의 가요성 물질로 구성된 띠)를 가진 상기 반응기 내에 놓인 축(9)은 제1 고체 입자(A) 및 고체 희석제(B)의 입자들을 개별적으로 축적할 수 있도록 마치 빗방울을 흩뿌리듯 고정 베드의 표면부에 뿌려준다. 만일 상기 구성 요소들(6,7,9)이 훌륭한 강수 효과식 축적을 보장해준다면, 해당 분야에서 이미 알려진 다른 장치들이 본 발명에 따른 방법과 함께 결합되어 사용될 수 있을 것이다.
도 2는 특정 고체 입자(고체 희석제(B))의 한정된 양을 분배해줄 수 있으며, 또한 통제된 방식으로 상기 분배 양에 변화를 가할 수 있는 분배기(1)의 일 실시예를 도시한 것이다.
분배기(1)는 풀리(11a, 11b) 및 유입구(2)로 구성된 유닛으로 작동하는 무한궤도 연동 벨트(10)로 구성되어 있다. 상기 유입구는 풀리(11b) 근처에서 상기 벨트(10) 바로 위에 놓인다. 유입구(2) 배출 통로(2a)의 하부 단부 및 벨트(10)의 상부 사이의 거리(D)는 고체 희석제(B) 직경의 1 내지 10배 사이이며, 특히 1 내지 3배 사이에 포함되는 것이 바람직하다. 상기 벨트의 상부는 진동폭 및 진동수의 조절이 가능한 진동기(12)와 접촉된다. 상기 거리(D)의 변형, 벨트(10) 회전 속도의 변형, 진동기의 진동폭 및/또는 진동수의 변형을 통해 유입구(2)에서 나와 운반 벨트를 통하여 이동되는 고체 희석제(B)의 양을 상당히 유연하게 조절할 수 있다. 고체 희석제(B)는 유입구(2) 반대편에 놓인 벨트(10)의 단부에서 모여져 인젝터 쪽으로 옮겨진다.
도 3은 두 고체 입자의 혼합물을 현장에서 (또는 공정 과정에서) 형성하는데 사용할 수 있는 인젝터의 제1 실시예를 도시한 것이다. 여기서 인젝터(3)는 고체 입자(A)를 담고 있는 유입구(4)의 배출 통로(4a) 벽을 관통하며, 고체 입자(A)로 채워진 배출 통로의 중앙 구역으로 통하는 가는 도관(13)으로 형성된다. 따라서, 배분기(1)(도시되지 않음)에서 가는 도관(13)을 경유하여 도달한 고체 희석제(B)는 다음 단계에서 고체 입자(A)와 혼합될 수 있도록 고체 입자(A)의 중심부로 유입된다.
도 4는 고체 희석제(B)를 고체 입자(A) 내에 유입하는 인젝터의 제2 실시예를 도시한 것이다. 이 인젝터(3)는 상부가 벌어져 있는 통로(14)로 형성된다. 고체 입자(A)를 담고 있는 유입구(4)의 배출 통로(4a)는 상기 통로(14)의 벌어진 상부에서 통로(14)의 상부 가장자리(15)보다 낮은 높이까지 삽입된다. 고체 희석제(B)는 유입구의 배출 통로(4a) 및 통로(14)의 벌어진 상부 가장자리(15) 사이의 공간을 통해 고체 입자(A) 내로 유입되며, 중력 효과로 인젝터(3)의 아래쪽에 놓인 혼합기(도시되지 않음)로 내려가는 고체 입자(A)에 의해 함께 움직인다. 도 3의 실시예와는 반대로, 여기서는 고체 희석제(B)가 고체 입자들(A)의 중앙부로 유입되지 않고 고체 입자들(A)의 가장자리부로 유입된다.
도 5는 평형 혼합기(5a,5b,5c) 유닛을 나타내고 있다. 각각의 평형 혼합기는 바람직하게는 상호 평행하게 놓이는 다수의 비스듬한 내벽(15)을 포함하며, 상기 내벽들은 그 사이 사이에 비스듬한 공간이 형성되어 있어, 이 공간을 통해 고체 입자(A) 및 고체 희석제(B)의 혼합물이 중력 효과에 의해 통과된다.
제1 혼합기(5c)의 비스듬한 내벽(15)을 통해 한정되는 면들이 이 혼합기(5c)의 아래쪽에 배치되는 제2 혼합기(5b)의 비스듬한 내벽을 통해 한정되는 면들을 차 지할 수 있도록 배치된 다수의 혼합기들의 결합을 통해 고체 입자들(A 및 B)은 혼합되어 균질화되는 효과를 나타낸다. 또 다른 평형 혼합기들 또는 상호 겹쳐 놓일 수 있는 평형 혼합 요소들이 종래 기술을 통해 알려져 있으며, 이들이 두 고체 입자들의 만족스러운 균질화를 보장할 수 있다면 사용될 수도 있다.
실시예 1
특정 촉매 베드의 충전량 손실에 대한 고체 희석제 분량의 효과
조리용 굵은 소금(고체 희석제) 및 개조 후에 획득되며 Akzo Nobel 사에 의해 상업화되어 있는 촉매 KF756 (석유 충전물의 수소 처리를 위해 사용되는 코발트, 몰리브덴, 알루미나를 기초로 함)를 혼합하여 4 혼합 시리즈를 준비한다. 이 재생 촉매는 직경 1.3 mm 및 평균 길이 2.4 mm를 가진 4개의 잎 모양 형태로 되어 있다. 이를 위해, 굵은 소금 180 ml, 300 ml, 600 ml, 900 ml(혼합 전의 양)에 대하여 각각 5.8 리터, 5.7 리터, 5.4 리터, 5.1 리터(혼합 전의 양)의 촉매를 첨가하고, 이어서 각각의 혼합물을 눈으로 봐서 균질한 것처럼 보이는 혼합물을 획득할 때까지 균질화 기기를 통과하게 한다.
커다란 제1 원구 층을 포함하는 기둥을 높은 밀도의 충전 방식에 따라 촉매/소금의 혼합물로 채우고, 이처럼 획득된 베드를 제2 원구 층으로 덮고, 이어서 소금이 완전히 용해될 때까지 물과 함께 천천히 분리시킨다. 그리고 상온에서 10 Nm3/h보다 적은 양의 공기를 6 내지 7시간 동안 통과하게 하면서 기 형성된 촉매 베 드를 건조시킨다. 동일한 방식으로 "희석되지 않은" 촉매, 즉 고체 희석제로서의 소금을 포함하고 있지 않은 촉매를 처리한다.
상기 다섯 개의 촉매 베드(희석률 : 0%, 3%, 5%, 10%, 15%) 각각에 대해 상이한 공기량(2 내지 8 Nm3/h 사이에 포함되는)에서의 충전량 손실을 측정한다. 그리고 각각의 공기량 및 각각의 희석률에 대해 이와 같이 밀도가 저하된 베드의 충전량 손실과 밀도가 높은 베드(희석률 0%)의 충전량 손실과의 관계를 계산한다.
도 6은 촉매의 희석률에 따른 상기 관계의 평균값(상이한 공기량에 대한)을 나타내고 있다. 촉매 베드의 희석률이 증대하면 희석률 0%에서 1의 값을 나타내는 상기 관계는 점진적으로 감소한다. 이 커브의 기울기, 즉 희석률(%)에 대한 △P의 손실은 희석률이 약할 경우 더욱 심하게 나타난다. 그러므로 희석률이 부피 대비 3%일 경우 입자 베드의 충전량 손실은 약 20% 정도의 감소값을 나타낸다.
목표를 정하고 이를 추구하는 방식을 따르는 본 발명에 따른 방법을 통해, 높은 밀도의 충전 기술에 따라 침착되는 촉매 베드의 밀도를 조절할 수 있으며, 그 결과 충전량 손실을 조절할 수 있다는 것을 상기 실시예를 통해 알 수 있다. 본 발명에 따른 방법은 챔버 내에서 알루미나, 활성 탄소 유형 또는 분자체 유형의 흡수 베드를 충전하는 방법에 관한 것일 수도 있다. 또한 처리할 성분이 반응 성분과 반대 방향으로 순환하는 화학 반응기 내에서 촉매 베드의 충전을 위해 사용될 수도 있다.

Claims (21)

  1. 조절 가능한 밀도로 고체 입자를 챔버에 충전하는 방법으로서,
    (a) 제1 고체 입자(A)와, 상기 제1 고체 입자(A)와 용해 특성이 다른 제2 고체 입자인 고체 희석제(B)의 혼합물로 챔버를 채우는 단계; 및,
    (b) 상기 제1 고체 입자(A)에 대하여는 용해력이 없고 제2 고체 입자(B)에 대하여는 높은 용해력을 가지는 용매를 (a)단계에서 채워진 고정 베드에 통과시켜, 고체 희석제(B)를 모두 제거하고 챔버 내에 제1 고체 입자(A)만 남기는 단계;를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 고체 희석제(B)에 의한 상기 제1 고체 입자(A)의 희석률, 즉 (a)단계에서 혼합물의 부피비 V(A)/(V(A)+V(B))는 1 내지 30%, 바람직하게는 2 내지 20%, 더 바람직하게는 3 내지 15%인 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 제1 고체 입자(A)와 고체 희석제(B)의 혼합물은 챔버 내로 유입되기 직전 또는 유입 중 혼합되는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 혼합물은 상기 고체 희석제(B)를 제1 고체 입자(A)에 유입하여 두 성분(A 및 B)을 혼합함으로써 얻어지는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 고체 희석제(B)는 고체 입자 분배구를 통하여 유입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 고체 입자(A)는 공급구를 통하여 유입되는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제4항에 있어서,
    상기 두 성분(A 및 B)의 혼합은 혼합기, 특히 적절한 평형 혼합기에 의하여 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 두 고체 물질(A 및 B)의 혼합물로 챔버를 채우는 단계는 핸들을 이용하는 충전, 또는 바람직하게는 강수 효과식 충전에 의해 실행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 강수 효과식 충전은 속이 찬 또는 속이 빈 중앙 회전 축을 갖춘 장치를 통해 실행되며, 상기 축 상의 여러 높이에 축의 회전 속도에 따라 축에서 점점 더 멀어지는 가요성 띠들이 배치되는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 입자(A)의 평균 직경은 0.6 내지 12 mm, 바람직하게는 0.7 내지 8 mm, 더 바람직하게는 0.8 내지 3 mm인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 희석제(B)의 평균 직경에 대한 상기 고체 입자(A)의 평균 직경의 비는 0.1 내지 10, 바람직하게는 0.2 내지 5, 더 바람직하게는 0.9 내지 1.1인 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 화학 반응기이며, 상기 고체 입자(A)는 촉매인 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 촉매는 하나 이상의 금속을 지지하는 알루미나 및/또는 실리콘을 포함 하는 촉매인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제12항 또는 제13항에 있어서,
    상기 촉매는 3.2 mm 이하, 특히 2.7 mm 이하의 평균 길이를 가지는 재생 촉매 또는 개조 촉매인 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제1항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 희석제는 파라핀, 합성 또는 천연 폴리머, 유기 또는 미네랄 염, 모노머 또는 올리고머 또는 폴리머 당, 또는 이들의 혼합물로 형성된 그룹에서 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제12항 내지 제15항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 희석제는 반응기 내에서 순환하는 액체 반응 매질에 의해 용해될 수 있도록 선택되는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 상기 챔버의 일부 높이 부분은 상기 고체 입자(A)과 고체 희석제(B)의 혼합물로 채워지고, 상기 챔버의 나머지 높이 부분은 고체 희석제(B)로 희석되지 않은 고체 입자(A)로 채워지는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제1항 내지 제16항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 (a)단계에서, 상기 혼합물 내의 고체 입자(A)와 고체 희석제(B)의 각각의 비율은 충전이 진행되는 동안 변경되어 고정 베드에 조성물 구배를 형성하는 것을 특징으로 하는 방법.
  19. 제1항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
    한정된 분량의 고체 입자(A) 및 고체 희석제(B)를 포함하는 즉시 사용 가능한 혼합물 또는 일련의 다양한 혼합물들을 상기 챔버 내로 유입하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제1항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고체 입자은 알루미나, 활성 탄소 유형 또는 분자체 유형의 흡수 물질인 것을 특징으로 하는 방법.
  21. 제1항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 챔버는 처리되는 성분이 반응 성분과 반대 방향 또는 동일 방향으로 순환하는 반응기인 것을 특징으로 하는 방법.
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