KR20090017131A - 증류장치용 고성능 듀얼 플로우 트레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 증류장치용 고성능 비 직 교류 트레이(Non-cross flow trays)에 관한 것으로, 다수개의 구멍이 형성된 듀얼플로우 트레이(Dualflow Tray)에 있어 서, 상기 트레이에 형성된 구멍에 돌출부를 형성하는 펀치(Punch)를 상기 트레이의 상부에서 가공하여 상기 트레이의 하부로 하방향 돌출부가 형성되도록 하고, 상기 하방향 돌출부를 경사지게 확관으로 구성하며, 상기 하방향 돌출부에 형성된 구멍으로는 액체가 흘러 내려가고 나머지 구멍으로는 기체가 흘러 올라가도록 분리 구성된다.

따라서, 상기와 같은 본 발명은 구조가 간단하여 제작이 용이하고, 트레이 (Tray)에 형성된 구멍 중 하방향 돌출부에 형성된 구멍으로는 주로 액체가 흐르기 때문에 기체와 액체의 접촉을 원활하게 하여 효율을 향상시켰다.

또한 돌출하여 구성한 구멍은 마찰이 적도록 형성됨으로써 동일한 구멍의 수로 더 많은 양의 유체를 처리할 수 있음으로 처리 용량을 증대할 수 있다.

더불어, 액체의 흐름을 위한 구멍은 액체 중에 존재하는 고체 입자에 의해 쉽게 막히지 않는 형상을 가지므로 증류장치를 운전하는 중에 트레이가 막히게 되는 현상을 방지하여 이로 인한 가동중단을 줄일 수 있는 매우 유용한 발명이다.

천공트레이(Perforated tray), 듀얼플로우 트레이(Dualflow tray), 고성능 트레이(High performance tray), 증류장치, 비 직 교류 트레이(Non-Cross flow tray)

Description

증류장치용 고성능 비 직 교류 트레이{High Performance Non-Cross flow tray for distillatory device}

본 발명은 증류장치용 고성능 비 직 교류 트레이(Non-Cross flow tray)에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 유체 접촉 및 분산장치 중 분별증류칼럼(Fractional Column) 및 다른 유사관련장치에 사용하기 위한 천공트레이(Perforated Tray)에 관한 것이다.

일반적으로 트레이(Tray)는 액체와 기체의 흐름 방향에 따라 크게 두 가지로 구분된다.

첫째로, 다운컴머(Downcomer)를 통해 하단부의 트레이(Tray)에 내려온 액체는 액티브 판넬(Active panel)에서 수평으로 흐르고, 기체는 액티브 판넬(Active panel)에 뚫린 구멍(hole)을 통해 수직 상승한다.

이러한 방식은 일반적인 트레이(Tray)의 형태로서 액체와 기체의 흐름의 방향을 대변하는 명칭으로서 직 교류 트레이(Cross flow tray)라고 불린다.

둘째로는 액체가 흘러 내려가는 다운컴머(Downcomer)가 없는 형태로서, 액티브 판넬(Active panel)에 형성된 구멍을 통해 액체가 내려가기도 하고 기체가 올라 오기도 한다.

상기와 같은 트레이(Tray)는 액체와 기체의 흐름 방향을 따라 비 직 교류 트레이(Non-Cross flow Tray) 또는 수직 교류 트레이(Vertical Cross flow Tray), 역류 트레이(Countercurrent flow Tray)등으로 불리운다.

또한 비 직 교류 트레이(Non-Cross flow Tray)의 종류로는 평평한 액티브 에어리어(active active)에 구멍만 뚫려 있는 가장 일반적인 형태인 "듀얼 플로우 트레이(Dual flow Tray)"와 용량을 크게 하기 위한 액티브 에어리어(Active area)를 주름(corrugation)형태로 만든 Stone & Webster사의 프로프리터리 트레이(Proprie -tary tray)인 리플 트레이 (Ripple Tray), 망상 전신금속(expanded metal)으로 제작하는 터보그리드(Turbo Grid)등이 있다.

상기한 비 직 교류 트레이(Non-Cross flow Tray)들은 액체의 정체(Liquid hold up)가 적고 그 형태가 복잡하지 않기 때문에 청소가 용이하므로, 고분자(Poly -mer) 생성 가능성이 있거나 고체입자(solid particle)가 있어 직 교류 트레이 (Cross flow tray)를 사용하면 액티브 판넬(Active panel)에 고체(solid)가 쌓일 우려가 있는 경우 주로 사용된다.

한편, 직 교류 트레이(Cross flow tray)는 오랜 세월에 걸쳐 개발되어 사용되고 있으며, 기존의 직 교류 트레이 (Cross flow tray)를 개조하여 용량을 증대시키고, 그 효율을 증대시킴으로써 산업의 발전에 기여해 오고 있다.

그러나 이러한 직 교류 트레이(Cross flow tray)들은 액체중에 고체입자가 있는 경우 등 특수한 경우 사용하기에 부적절하다.

도 1 및 도 2는 종래의 듀얼플로우 트레이(Dualflow Tray)를 도시한 것으로서, 트레이(10) 상에 일정한 간격으로 구멍(20)을 형성하여 액체가 투입되면 트레이(10)와 접하면서 상기 트레이(10)의 표면에 퍼지게 되고 이와 동시에 기체는 트레이에 형성된 구멍(20)을 통하여 통과하게 된다.

상기와 같이 종래의 듀얼플로우 트레이(Dualflow Tray)는 동일하게 형성된 구멍을 통해 액체와 기체가 무작위로 통과하게 되므로 액체의 출렁임이 크고, 액체와 기체의 접촉이 원활하지 않아 효율이 낮은 문제점이 있다.

한편, 듀얼플로우 트레이(Dualflow tray)에서 액티브 에어리어(Active area) 당 전체 구멍(hole)의 면적이 커질수록 처리용량은 증대하게 되나 구멍의 간격이 작아지면 효율이 저하되기 때문에 효율의 급격한 저하를 방지하기 위하여 약 25%를 초과하지 않도록 설계하게 된다.

이러한 제한적 요건이 곧 듀얼플로우 트레이(Dualflow tray)의 용량 한계가 된다.

본 출원인은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 판넬의 조인트 부분에도 구멍(hole)을 형성하여 처리용량을 증대하면서 효율도 최대로 할 수 있는 방법을 개발하여 출원(출원번호 10-2005-0070927)하였다.

한편 최근에는 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 듀얼 플로우 트레이 (Dualflow tray)에 구멍을 펀칭하여 제작할 때 일방향으로 돌출되게 펀칭(Punching )하여 중앙부는 구멍이 형성되고 상기 구멍의 외측으로는 돌출되게 형성하여 기체의 저항을 줄여 처리 용량을 증대시킬 수 있도록 한 것이 안출되었다.

그러나 상기의 방법은 트레이 상의 모든 구멍이 상부로 돌출되어 있기 때문에 듀얼플로우 트레이(Dualflow tray)를 사용하는 이유 중 하나인 고체입자에 의한 막힘 현상의 방지에는 오히려 방해가 될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서, 파울링 서비스(Fouling service)등의 경우에 사용되는 듀얼플로우 트레이(Dualflow tray)의 용량을 증대시키고 효율을 향상시키는 데 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 듀얼플로우 트레이(Dual flow tray)에 구멍(hole)을 펀치(Punch)로 형성할 때 돌출부가 상하로 돌출되어 형성되도록 함으로써 유체의 흐름에 대한 저항을 줄여 처리 용량을 증대시키고, 상기와 같이 액체 구멍과 기체 구멍을 구분함으로써 출렁임을 최소화하여 기·액접촉을 원활히 하며 효율을 최대로 할 수 있도록 한 것이다.

즉, 트레이(Tray)에 형성되는 구멍의 상부나 하단부에 돌출부를 형성하여 액체와 기체가 흐르는 전용 구멍을 형성하여 기체와 액체가 같은 구멍으로 통과할 때 발생되는 출렁임을 최소화하고 액체가 하부로 돌출된 구멍을 따라 원활히 흐르도록 함으로서 구멍이 막히는 현상을 방지하고 효율을 최대로 증진시킬 수 있도록 한 것이다.

상기와 같은 본 발명의 구성에 의하면, 첫째 듀얼 플로우 트레이에 형성된 액체가 흐르는 전용 구멍은 액체 흐름의 저항을 줄임으로써 트레이에 형성된 한 개의 홀당 액체의 처리 용량을 최대로 증진 시킨다.

또한 액체가 흐르는 구멍 이외의 나머지 구멍은 기체 처리를 위한 구멍이 되므로 전체적인 처리 용량이 증대된다.

둘째, 액체는 주로 모양이 개량된 구멍을 따라 흘러 내려가게 되므로 액체 중에 있는 고체입자(solid particle)가 이 액체가 흘러내리는 구멍을 따라 더욱 용이하게 빠져나갈 수 있어 파울링 서비스(Fouling service)에 더욱 강점을 가질 수가 있다.

셋째, 액체의 흐름을 위한 구멍은 액체 중에 존재하는 고체 입자에 의해 쉽게 막히지 않는 형상을 가지므로 트레이가 운전중 막히게 되는 현상을 방지하며, 이로 인한 증류장치의 가동이 정지되는 것을 줄일 수가 있다.

넷째, 본 발명은 구조가 간단하여 제작이 용이하다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수개의 구멍이 형성된 듀얼플로우 트레이(Dualflow Tray)에 있어서, 상기 트레이(10)에 형성된 구멍(20)에 돌출부를 형성하는 펀치(Punch)를 상기 트레이(10)의 상부에서 가공하여 상기 트레이(10)의 하부로 하방향 돌출부(30)가 형성되도록 하고, 상기 하방향 돌출부(30)를 경사지게 확관으로 구성하며, 상기 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)으로는 액체가 흘러 내려가고 나머지 구멍(20)으로는 기체가 흘러 올라가도록 분리 구성된다.

본 발명의 실시 예로 트레이(10)에 형성된 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)에 튜브(50)를 설치하여 구멍의 길이를 연장하여 구성하는 것도 바람직하다.

또한 본 발명의 다른 실시 예로 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)의 상부에 플레이트(60)구조물이나 밸브(61)를 설치함으로써 액체가 구멍을 통과할 때 심한 와류를 형성하여 흐름이 방해되는 것을 방지하도록 하는 것도 바람직하다.

본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면에 의거하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 3과 도 4는 본 발명에 따른 비 직 교류 트레이를 도시한 사시도와 정면도이다.

도 3과 도 4에 도시한 바와 같이 구멍 중 일부는 본 발명에 의해 펀칭하여 하향 확관함으로써 액체가 흘러 내려가는 구멍을 형성하고, 나머지 구멍은 종래의 펀칭방법을 통해 펀칭함으로써 기체가 흐르도록 한 트레이(10)를 도시한 것이다.

상기와 같은 트레이(10)는 액체에 고체 입자가 다량 포함되어 있어 트레이의 상방향으로 돌출부(31)를 형성하였을 경우 트레이(10)의 상부에 고체입자에 의한 막힘현상이 발생하는 경우에 적용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 제 1 실시 예를 도시한 개략 사시도이고, 도 6은 정면도이다.

도면에서 보는 바와 같이 듀얼플로우 트레이(Dualflow Tray)에 형성된 구멍 (20)을 상부와 하부에서 각각 가공하여 상기 트레이(10)의 상부와 하부로 돌출부 (30,31)가 형성되도록 함으로써 각각 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)으로는 액체 가 흘러 내려가고, 상방향 돌출부에 형성된 구멍(22)으로는 기체가 흘러 올라가도록 분리하여 구성되도록 하였다. 상기와 같은 상방향 돌출부에 형성된 구멍(22)으로 기체가 올라갈 때 기체 흐름의 저항이 적어지고, 하방향 돌출부에 형성된 구멍 (21)으로 액체가 내려갈 때 액체 흐름의 저항이 적어진다. 또한 상방향 돌출부에 형성된 구멍(22)으로는 구멍의 저항 특성 때문에 액체가 흘러 내려오기 어렵고, 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)으로는 기체가 통과하여 올라가기 어렵다. 즉 각각의 돌출부(30,31)를 통하여 액체와 기체가 저항이 작은 방향으로 흐르기 때문에 처리 용량을 증대할 수 있게 된다.

상기와 같은 본 발명의 트레이(Tray)와 종래의 트레이(Tray)의 성능을 비교하기 위하여 실험을 하였다. 실험에서 공기부하(Air load)와 압력강하 (Pressure drop) 및 공기부하(Air load)와 거품높이(Froth height)를 측정하였다.

실험에 사용된 트레이(Tray)의 칼럼지름(Column Diameter)은 480mm이고 16mm 구멍(hole)은 73개, 13mm구멍(hole)은 228개를 펀칭(Punching)하였다.

또한 본 발명에 의한 트레이(이하 'New tray' 이라 함)는 16mm구멍(hole)을 하향 확관하고, 13mm구멍(hole)은 종래의 펀칭방법을 통해 펀칭(Punching)한 것이며, 종래의 트레이(이하 'Old tray' 이라 함)는 상기 16mm구멍과 13mm구멍 모두 종래의 펀칭방법을 통해 펀칭 (Punching)하였다.

각 트레이에 대한 공기부하(Air load)와 압력강하(Pressure Drop)와의 관계에 대해 얻은 자료를 표 1에 정리하였으며 도 15에 도시하였고, 공기부하(Air load )와 거품높이(Froth height)와의 관계에 대한 자료는 표 2에 정리하였고, 도 16에 도시하였다. 표 2의 거품높이(Froth height)에 있어 높이에 대한 변하는 범위의 자료는 그 중간값을 취하여 도 16에 도시하였다.

본 발명에 의한 돌출부의 길이는 1mm 내지 15mm로 하는 것이 바람직하며, 실험에서는 제작의 용이성과 효과 제고를 고려하여 8mm로 제작하였다. 돌출부의 길이는 튜브(50)를 이용 더 길게 연장함으로써 효과를 더욱 높일 수 있다.

표 1. 본 발명에 의한 트레이와 종래의 트레이에서의 공기부하(Air load)와 압력강하(Pressure drop)와의 관계 (단 수부하(Water load)는 20m³/hr로 일정하게 유지)

	New tray			Old tray
Air Load(Nm3/hr)	380	500	700	380	500	700
Pressure Drop(mm H2O)	15	30	40	34	40	55

표 2. 본 발명에 의한 트레이와 종래의 트레이에서의 공기부하(Air load)와 거품높이(Froth Height)와의 관계 (단 수부하(Water load)는 20m³/hr로 일정하게 유지)

	New tray			Old tray
Air Load(Nm3/hr)	380	500	700	380	500	700
Froth Height(mm)	40	70	120∼150	75	90∼140	150-280

상기한 실험의 자료를 통해 본 발명에 의한 트레이는 동일한 수부하(Water load)에서 종래의 트레이보다 압력강하(Pressure drop)가 작고, 거품높이(Froth height)가 낮은 것을 알 수 있다. 압력강하(Pressure drop)가 작고 거품높이(Froth height)가 낮은 것은 액체가 구멍을 통과할 때 저항이 적고 용이하게 통과한 것이라 할 수 있다.

또한 상기 실험에서 0ld tray에서는 특정한 구멍으로 액체가 흘러 내려오지 않지만 New tray는 거의 모든 액체가 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)을 통해 흘러 내려오는 것이 관찰되었다.

상기 표 2에서 보는 바와 같이 거품높이(Froth height)가 변하는 범위는 New tray에서는 작고 Old tray에서는 크게 나타난 것으로 확인할 수 있다. 상기와 같은 결과로 Old tray에서 훨씬 더 많이 출렁거림을 알 수 있다.

따라서 상기 자료를 통해 본 발명에 의한 트레이는 종래의 트레이보다 전체적인 처리용량을 증대시키고 효율을 향상시킬 수 있는 것을 알 수 있다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시 예를 도시한 사시도이고, 도 8은 본 발명의 제 2 실시 예를 도시한 정면도이다.

도 7과 도 8에서 도시한 바와 같이 트레이(10)의 하방향 돌출부(30)를 튜브 (50)로 연장한 것이다. 또한 아래 방향으로 경사지게 돌출되어 형성되어 있기 때문에 액체가 경사부(40)가 형성된 구멍을 통하여 원활하게 이동할 수가 있고, 하방향 돌출부(30)에 튜브(50)를 설치함으로써 기체가 상승하기 더욱 어렵게 만든 것이다.

또한 도 9에서 도 14까지는 본 발명에 의한 다양한 실시 예를 도시한 것이다.

즉, 도 9 내지 도 12에 도시된 바와 같이 트레이(10)에 형성된 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)의 상단부에 플레이트(60)를 설치하여 액체의 와류를 방지함 으로써 액체가 더욱 원활하게 흐르도록 할 수 있다.

특히, 도 13 내지 도 14는 상방향 돌출부에 형성된 구멍(22)에 고정식 또는 유동식 밸브(61)를 설치한 것으로, 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)을 통해서는 액체가 원활히 내려오고 밸브가 형성된 구멍을 통해 액체가 내려오는 것을 더욱 확실하게 방지하기 위한 방법으로 적용할 수 있다.

상기와 같은 경우 특히 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)을 튜브(50)로 연장함으로써 효과를 더욱더 증대시킬 수 있다.

상기와 같이 도 9 내지 도 14에서 도시한 다양한 플레이트(60) 구조물을 통해 종래의 일반적인 듀얼플로우 트레이(Dualflow tray)를 개량할 수 있다.

본 발명은 유체 접촉 및 분산장치 중에서 분별증류칼럼(Fractional Column) 및 그와 유사한 관련장치에 사용할 수 있으며, 특히 파울링 서비스(Fouling service)에 이용될 수 있다.

도 1은 종래의 듀얼 플로우 트레이를 도시한 개략 사시도

도 2는 종래의 트레이(Tray)의 정면을 도시한 정면도

도 3은 본 발명에 따른 비 직 교류 트레이를 도시한 개략 사시도

도 4는 본 발명에 따른 비 직 교류 트레이를 도시한 정면도

도 5는 본 발명의 제 1 실시 예를 도시한 개략 사시도

도 6은 본 발명의 제 1 실시 예를 도시한 요부 절개 정면도

도 7은 본 발명의 제 2 실시 예를 도시한 개략 사시도

도 8은 본 발명의 제 2 실시 예를 도시한 단면도

도 9는 본 발명의 제 3 실시 예를 도시한 개략 사시도

도 10은 본 발명의 제 3 실시 예를 도시한 정면도

도 11은 본 발명의 제 4 실시 예를 도시한 개략 사시도

도 12는 본 발명의 제 4 실시 예를 도시한 정면도

도 13은 본 발명의 제 5 실시 예를 도시한 개략 사시도

도 14는 본 발명의 제 5 실시 예를 도시한 정면도

도 15는 본 발명에 의한 트레이와 종래 트레이와의 공기부하당 압력강하 비교 그래프

도 16은 본 발명에 의한 트레이와 종래 트레이와의 공기부하당 거품높이 비교 그래프

** 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 **

10: 트레이(Tray) 20: 구멍(Hole)

21: 하방향 돌출부에 형성된 구멍 22: 상방향 돌출부에 형성된 구멍

30: 하방향 돌출부 31: 상방향 돌출부

40: 경사부 50: 튜브(Tube)

60: 플레이트(Plate) 61: 밸브

Claims (5)

1. 다수개의 구멍이 형성된 듀얼플로우 트레이(Dualflow Tray)에 있어서,

   상기 트레이(10)에 형성된 구멍(20)에 돌출부를 형성하는 펀치(Punch)를 상기 트레이(10)의 상부에서 가공하여 상기 트레이(10)의 하부로 하방향 돌출부(30)가 형성되도록 하고, 상기 하방향 돌출부(30)를 경사지게 확관으로 구성하며, 상기 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)으로는 액체가 흘러 내려가고 나머지 구멍(20)으로는 기체가 흘러 올라가도록 분리 구성하여서 된 것을 특징으로 하는 증류 장치용 고성능 비 직 교류 트레이(Non-cross flow trays).
2. 제 1항에 있어서,

   하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)을 제외한 나머지 구멍(20)을 상기 트레이(10) 하부에서 가공하여 상부로 상방향 돌출부(31)가 형성되도록 함으로써 상방향 돌출부에 형성된 구멍(22)으로 기체가 흘러 올라가도록 구성된 것을 특징으로 하는 증류 장치용 고성능 비 직 교류 트레이 (Non-cross flow trays).
3. 제 1항에 있어서,

   상기 트레이(10)의 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)에 튜브(50)를 설치하여 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)의 길이를 연장한 것을 특징으로 하는 증류장치용 고성능 비 직 교류 트레이(Non-cross flow trays).
4. 제 1항에 있어서,

   상기 트레이(10)에 형성된 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)의 상부에 플레이트(60) 구조물을 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 증류장치용 고성능 비 직 교류 트레이(Non-cross flow trays).
5. 제 1항에 있어서,

   상기 트레이(10)에 형성된 하방향 돌출부에 형성된 구멍(21)을 제외한 나머지 구멍에 밸브(61)를 설치하여서 된 것을 특징으로 하는 증류장치용 고성능 비 직 교류 트레이(Non-cross flow trays).

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