KR20090117728A - 유동 상 스파저 - Google Patents

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KR20090117728A
KR20090117728A KR1020097016531A KR20097016531A KR20090117728A KR 20090117728 A KR20090117728 A KR 20090117728A KR 1020097016531 A KR1020097016531 A KR 1020097016531A KR 20097016531 A KR20097016531 A KR 20097016531A KR 20090117728 A KR20090117728 A KR 20090117728A
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sec
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KR1020097016531A
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래이몬드 에이 코코
핑 카이
에릭 비 포거
스티브 에이 스미스
필립 피 리스태크
Original Assignee
다우 글로벌 테크놀로지스 인크.
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Abstract

본 발명은, 분산기 파이프가 45.7m/sec 미만의 v에서 분산기 파이프를 떠나는 기체 속도의 경우 수직으로부터 약 12.5°이상 기울어져 있고, 45.7m/sec 이상의 v에서 분산기 파이프를 떠나는 기체 속도의 경우 수직으로부터 약 12.5°exp[0.00131v] 이상 기울어져 있는, 기체-함유 공급물을 유동 상으로 주입하기 위한 스파저에 관한 것이다.

Description

유동 상 스파저{FLUIDIZED BED SPARGER}
본 발명은 유동상 반응기 또는 가공기 분야, 특히 공급물 유체를 이로 이동시키기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
유동 상 반응기는 전형적으로 가공 공급물 또는 유동 유체(예를 들면 기체)를 상의 바람직한 위치, 바람직하게는 열 제거 또는 첨가를 위한 선택적인 내부 코일 및 촉매 이월을 최소화하기 위한 선택적인 외부 또는 내부 사이클론으로 전달하는 하나 이상의 유체 분배기가 장착된 수직 원통형 용기이다. 일부 반응기는 또한 입자 이월을 최소화할 목적으로 감소된 기체 속도를 달성하고/달성하거나 바람직하지 않은 희석 상 반응을 억제하기 위해 꼭대기에 팽창된 구획을 갖는다. 미립자 고체 물질(예를 들면 촉매 입자)은 분배기에서 나온 유체에 의해 유동화되고, 유체와 입자 사이의 밀접한 접촉은 기체 상과 고체 상 사이의 우수한 열/물질 전달을 보장하여, 결과적으로 유동화된 상 반응기 내부에서 균일한 온도를 달성하게 한다. 함침된 코일, 물 재킷, 유체 그 자체의 유동화에 의해, 또는 일부 다른 열 전달 매질에 의해 반응 열이 제거되거나 추가될 수 있다.
기체-고체 유동 상에서, 비록 (미국 특허 제4,588,790호에 도시된 바와 같이) 일정 양의 액체(예를 들면 응축물) 또한 분배기를 통해 기체와 함께 공급될 수 있긴 하지만, 분배기는 흔히 "기체 분배기"로서 언급된다. 일반적으로, 유동 상 반응기 중의 기체 분배기는, 안정한 유동화를 달성하기 위해 반응기의 전체 횡 단면적을 가로질러 균일하게 기체를 도입하고자 하거나, 또는 상의 일부 위치, 예를 들면 측면-공급기 또는 비-1차 분배기로 전달하고자 한다. 바람직하게는 기체 분배기는 장기간(예를 들면 몇년)동안 막히거나, 파괴되거나, 다른 유형의 기계적인 파손 없이 조작될 수 있고, 고체 입자의 분배기의 업스트림으로의 시프팅(sifting) 또는 역류가 최소화될 수 있고, 상 물질의 마멸을 최소화할 수 있고, (일부 유형의 분배기의 경우) 조작동안 상 물질의 중량을 기계적으로 지지할 수 있다.
유동 상 반응기에서 사용될 수 있는 많은 유형의 분배기가 있다. 흔한 분배기는 유동 상 물질의 중량을 또한 지지할 수 있는 분배기 플레이트/그리드, 및 유동 상 물질의 중량을 기계적으로 지지하지 않는 스파저(sparger)(이는 또한 다중 파이프 분배기로도 공지되어 있다)를 포함한다([Kunii and Levenspiel, Fluidization Engineering, 2nd Edition Buttworth-Heinenman, 1991]). 플레이트/그리드 중에, 천공된 플레이트, 다공성 플레이트(예를 들면 소결된 금속 플레이트), 버블 캡이 있는 플레이트, 원뿔 그리드 등이 있다.
문헌[Kunii and Levenspiel, Fluidization Engineering, 2nd Edition Buttworth-Heinenman, 1991]은 하향 노즐(분산기 파이프)에서 나가는 기체가 다운-플로 제트(down-flow jet)(이는 또한 초기 제트라 불린다)의 형태로 상으로 들어온 다고 제100면 및 도 7(b)에 개시하고 있다. 제트는 노즐의 일부 거리의 다운스트림의 경우 입자 상으로 침투한 후, 비교적 작은 버블(소위 "초기 버블")로 변형되고 변화된다. 초기 버블 및 모든 다른 버블은 항상 위쪽으로 이동한다. 위로 가는 방향에서, 초기 버블은 주위로부터 기체를 흡수할 수 있고/있거나 압력을 감소시켜서 더 커질 수 있다.
버블의 제어되거나 최소화된 성장이 바람직하다. 비교적 큰 버블이 내부에 더 많은 기체를 갖기 때문에, 기체가 주위 입자(예를 들면 촉매 입자)와 접촉할 기회가 더 적어진다. 비교적 큰 버블은 또한 더 작은 버블보다 더 빨리 위쪽으로 이동하고, 이는 상에서 더 짧은 기체 잔류 시간을 생성하고, 이는 또한 기체 상과 고체 상 사이의 접촉을 감소시킨다. 종종 버블은 더 작아지도록 (예를 들면 배플에 의해) 고의적으로 파괴될 수 있다.
미국 특허 제4,198,210호는 석탄 기화 공정에서 석탄 입자의 상과 같은 유동 상으로 고온 기체를 기체 분배시키기 위한 라이닝된 방출 노즐을 갖는 기화기를 개시하고 있다. 노즐은 예정된 길이 동안 균일한 직경을 갖는 오리피스(orifice) 구멍을 갖고, 이는 이들 노즐 파이프의 말단까지의 모든 방향으로 발산하는 내경을 갖는 연결된 노즐 파이프로 연장된다. 노즐은 축방향으로 배열되어 있고, 분배기 주 축을 통과하는 수직 평면에 대해 비스듬히(예를 들면 15 내지 45°) 방사상으로 배치되어 있다. 노즐은 기체 주입 파이프의 하부면 일부를 따라 반대 면상에서 서로 엇갈린다. 이 특허에 따르면 "유동 기체 흐름이 중단되거나 차단될 때 임의의 고체 흐름이 기체 분배기 파이프로 역류할 가능성을 감소시키고 우수한 기체 분배 를 달성하기 위해, 노즐은 수평 면에 대해 유체로부터 아래쪽으로 멀어지도록 비스듬히 배열되어 있다." 발산 노즐 파이프에 적합한 길이는 약 1/2 내지 약 2인치의 범위일 수 있는 노즐 외부 말단 직경의 4 내지 8배이다. 노즐을 떠나는 적합한 기체 속도는 개시되어 있지 않고, 기체 속도와 노즐 각 사이의 관계도 개시되어 있지 않다.
미국 특허 제5,391,356호는 다수의 서로 떨어진 위치로부터의 다수의 서로 이격된 방출 관을 포함하는 유동 상 반응기 중의 유체 분배기에 관한 것이다. 수직 유동 분산기는 출구 개구의 업스트림 관에 위치하지만, 기울어져 있는 분산기에 대해서는 언급하지 않았다. 이들 유동 분산기는 매니폴드 암에 연결되는 대신 유동 분배를 위한 출구 개구의 업스트림 관에 위치하고, 이들 분산기 파이프 사이의 거리와 길이를 계산하기 위한 식이 제공되어 있다.
미국 특허 제3,298,793호는 지지 촉매용 바닥 플레이트 및 기체 분배를 위해 플레이트에 탑재된 수평 매니폴드 스파저를 갖는 촉매 반응기를 개시하고 있다. 오리피스를 나가는 기체 속도를 감소시키고자 하는 여러 장치가 개시되어 있다. 스파저는 고른 분배 패턴으로 배치된 다수의 구멍을 갖는다. 오리피스 보다 더 큰 직경을 갖는 분산기 튜브가 바닥 플레이트에서 기체로 하여금 고체를 유동화시키도록 한다. 다르게는, 분산기 튜브가 바닥 플레이트에 부착되어 있고, 바닥 플레이트가 구멍이 있는 그리드 플레이트이다. 분산기 튜브는 그리드 플레이트에 있는 구멍보다 더 큰 직경을 갖는다. 분산기 튜브는 처음에는 그리드 플레이트로부터 위쪽으로 연장된 후, 구부러져서 기체가 그리드 플레이트에서 수직으로 아래쪽을 향하게 한다. 다른 디자인에서, 분산기 플레이트는 그리드 플레이트로부터 위쪽으로 연장되고, 그리드 플레이트의 표면에서 기체가 측방향을 향하게 하는 천공된 캡을 갖는다. 이런 배열에서, 거친 물질(필터 상)이 분산기 플레이트 주위에 팩킹되고, 미세 고형물이 그리드 플레이트 아래의 플레넘(plenum)으로 들어가는 것을 방지하기 위해 캡을 씌운다. 그러나, 플레이트 상에 탑재되지 않고 혼자 서 있는 스파저는 이 특허에서 언급되지 않았다.
미국 특허 제4,223,843호는 유동화 촉매 크래킹("FCC") 유동 상 재생기를 위한 공기 분배기 장치이고, 여기서 노즐은 고압 공기에 연결되는 원통형 하우징 상의 헤더(header) 고리에 설치된다. 각각의 노즐은 7° 미만의 절반-각도를 갖는 발산되거나 나팔꼴로 퍼지는 구멍을 갖는다. 이 특허에 개시되어 있는 유일한 유형의 스파저는 헤드 링에 의해 지지된 스파저이다.
미국 특허 제4,443,551호는 FCC 유동-상 재생기에서 특히 사용된 촉매 상으로 공기를 전달하는 장치 및 방법을 개시하고 있고, 여기서는 입자가 노즐로 끌어당겨지는 것을 감소시킴으로써 노즐에서의 내부 침식이 감소되고 전력 소비가 감소된다. 이 방법은 공기 고리를 통해 고속 공기를 공급하고, 공기 고리에서 공기의 흐름에 대해 30 내지 75°의 각도에서 공기 고리에 부착되어 있는 노즐을 통해 기체를 아래쪽으로 편향시킴을 포함한다.
발명의 요약
유동 상 반응기 또는 다른 유동 상 장치에서 기체-함유 공급물을 분배하기 위한 개선된 장치가 당분야에서 요구되고 있다. 바람직하게는, 개선된 장치를 이용하면 반응기에서 기체-함유 공급물이 보다 균일하게 공급되고, 촉매 마멸이 더 적고, 초기 버블의 유착이 더 적고, 함침된 반응기 내부, 예를 들면 스파저 매니폴드 암의 외부 표면 및 분산기 파이프의 침식이 더 적어질 것이다.
본 발명은 기체-함유 공급물을 유동 상으로 주입하기 위한 스파저를 포함한다. 스파저는 기체 함유 공급물의 공급원에 연결된 주 파이프, 및 기체-함유 공급물을 안내하기 위해 주 파이프에 연결된 하나 이상의 매니폴드 암을 포함한다. 매니폴드 암은 기체-함유 공급물을 매니폴드 암으로부터 스파저 외부에 위치한 유동 상으로 안내하기 위해 여기에 연결된 하나 이상의 노즐을 갖는다. 노즐은 오리피스와 분산기 파이프를 포함한다. 기체-함유 공급물은 유속에서 노즐을 통과하고, 기체-함유 공급물은 기체-함유 공급물 속도, v에서 분산기 파이프를 나간다. 45.7 m/초 미만의 v에서 분산기 파이프를 나가는 기체-함유 공급물 속도의 경우, 분산기 파이프는 수직으로부터 약 12.5°이상 기울어져 있다. 45.7m/초 이상의 v에서 분산기 파이프를 나가는 기체-함유 공급물 속도의 경우, 분산기 파이프는 수직으로부터 약 12.5°exp[0.00131v] 이상 기울어져 있다.
본 발명의 한 양태에서, 스파저는 둘 이상의 분산기 파이프를 갖고 있고, 각각의 분산기 파이프는 팁(tip)을 갖는다. 임의의 2개의 분산기 파이프 사이의 최소 수평 거리는
Figure 112009048300301-PCT00001
(여기서, u0는 상의 바닥에서의 표면 기체 속도이고, umf는 최소 유동 속도이고, k1의 값은 약 0.5 내지 약 2.5이고, k2의 값은 약 1 내지 약 2.25이다) 이상이다. 다른 양태에서, 노즐당 0.0003m3/초 이상에서 노즐을 통과하는 기체-함유 공급물 유속의 경우, k1의 값은 약 0.55 내지 약 1.1이고, k2의 값은 약 1 내지 약 1.25이고; 노즐당 0.0003m3/초 미만에서 노즐을 통과하는 기체-함유 공급물 유속의 경우, k1의 값은 약 2.4 내지 약 5.1이고, k2의 값은 약 2 내지 약 2.25이다. 오리피스는 약 1 내지 약 30mm의 크기를 갖는다. 본 발명의 다른 양태에서, 분산기 파이프의 팁을 떠나는 기체-함유 공급물의 속도는 약 75m/sec 이하, 바람직하게는 약 47.5m/sec 이하, 보다 더 바람직하게는 약 21.3m/sec 이하이다.
본 발명의 다른 양태에서, 하나 이상의 분산기 파이프는, 45.7 m/초 미만의 v에서 분산기 파이프를 나가는 기체-함유 공급물 속도의 경우 수직으로부터 약 18.5°이상 기울어져 있고, 45.7m/초 이상의 v에서 분산기 파이프를 나가는 기체-함유 공급물 속도의 경우 수직으로부터 약 18.5°exp[0.00131v] 이상 기울어져 있다.
한 양태에서, 하나 이상의 분산기 파이프가 표면-경화 공정에 의해 처리되어왔다. 다른 양태에서, 하나 이상의 분산기 파이프의 길이는, 22°의 원뿔 각에서 오리피스의 중심점에서 출발하여, 발산 기체 흐름의 충돌 길이의 약 1 내지 약 2배이다. 다른 양태에서, 스파저를 가로지르는 압력 강하는 유동 상을 가로지르는 압력 강하의 약 10% 내지 약 100%이다.
한 양태에서, 스파저는 버블링 유동화 상황 또는 교란 유동화 상황 하에서 조작되는 유동 상에서 사용된다.
도면은 본 발명의 한 형태를 예로서 도식적으로 나타낸 것으로, 본 발명을 한정하고자 하는 것은 아니고, 여러 도면에서 유사한 참고 번호가 상응하는 부분을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 스파저의 양태를 함유하는 유동 상 반응기의 도식적 횡단면도이다.
도 2a는 도 1의 평면 A-A를 따라 보았을 때의 스파저의 도식적 횡단면도이다.
도 2b는 도 1의 평면 A-A를 따라 보여지는 매니폴드 암과 노즐의 측면도이다.
도 3은 본 발명의 노즐의 한 양태의 도식적 횡단면도이다.
도 4는 22° 원뿔 각에서 오리피스의 중심점에서 출발된, 발산 기체 흐름의 충돌 길이의 도식도이다.
많은 유형의 스파저, 특히, 상이한 입자 성질, 예를 들면 입자 크기, 입자 크기 분포, 밀도 및 구형을 이용하여 유동 상에서 사용되는 것들이 본 발명으로부터 이점을 얻을 수 있다. 기체-고체 유동 상 반응기에서 사용되는 본 발명의 스파저는 동종 유동화, 버블 유동화, 교란 유동화, 슬러깅(slugging) 및 빠른 유동화([Kunii and Levenspiel, Fluidization Engineering, 2nd Edition Buttworth-Heinenman, 1991])와 같은 상이한 흐름 상황 하에서 조작될 수 있다. 본 발명의 스파저는 상업적인 밀집 상 유동 상 반응기에서 흔히 사용되는 버블링 및 교란 흐름 상황에서의 이용에 특히 연관되어 있다.
본 발명의 스파저를 사용할 수 있는 반응의 예는 화학적 촉매 반응(예를 들면 염화 탄화수소의 산화, 촉매적 옥시클로라이드화, 아크릴로니트릴을 생성하는 프로필렌의 촉매적 암목사이드화(ammoxidation)), 석유의 유동화된 촉매 크랙킹(FCC), 석탄 연소 및 기체화 및 중합이다.
본 발명의 스파저는 기체-함유 공급물의 공급원에 연결된 하나 이상의 주 파이프(이는 또한 "주 매니폴드"로도 공지되어 있다)를 포함하고, 하나 이상, 일반적으로 다수의 브랜치 매니폴드(또한 "매니폴드 암"으로 알려져 있다)가 주 파이프에 연결되어 기체-함유 공급물을 많은 스트림으로 나눈다. 노즐은 브랜치 매니폴드를 따라 존재하여 기체-함유 공급물을 상으로 전달한다. 노즐의 일부로서, 분산기 파이프 또는 슈라우드(shroud) 파이프로 공지된 파이프의 비교적 작은 부분이 매니폴드의 벽 상의 구멍(또는 "오리피스")의 다운스트림에 위치한다. 분산기 파이프는 오리피스 외부로의 기체-함유 공급물의 흐름을 안정화시키고, 입자가 매니폴드 파이프쪽으로 끌리는 것을 방지한다.
각각의 분산기 파이프의 팁에서 나온 기체-함유 공급물은 유동 상 중에서의 기체-함유 공급물 속도보다 상당히 더 높은 속도를 갖는 기체 제트 또는 버블의 형태로 상에 들어간다. 상에 들어가는 제트 및 버블은 이들이 접촉하는 표면 상에 강한 "모래 폭풍" 또는 침식 효과를 미칠 수 있다. 따라서, 분산기 파이프의 각도에 의해 제어되는 기체-함유 공급물의 주입 각도는 분산기 파이프(특히 외부 표면), 스파저의 다른 부분, 및 심지어 반응기 벽의 침식 정도를 결정한다.
스퍼저-형 기체 분배기를 갖는 유동 상에서, 이웃한 노즐들 또는 이들의 분산기 파이프 사이의 수평 거리가 버블 크기를 결정하는데 중요하다. 2개의 분산기 파이프가 매우 근접한 경우, 이들에서 나온 초기 버블은 이들이 형성된 직후에 유착될 수 있고, 그런 다음, 버블이 초기 버블의 유착이 없는 경우보다 더 커질 것이다. 더 큰 버블은 작은 버블보다 더 빨리 위로 이동한다. 따라서, 큰 버블의 비교적 큰 모멘텀이 또한 스파저(외부 표면) 및 부근의 함침된 표면에 대한 침식 심각성을 증가시킨다. 이웃 분산기 파이프 사이의 거리가 너무 크면, 기체-함유 공급물(횡-단면적)의 분배 균일성이 감소된다. 기체-대-고체 매스 이동이 버블 내부의 "건드려지지 않은" 기체의 비교적 큰 부피에 의해 감소되고, 보다 많은 기체가 고체 상과의 충분한 접촉 없이 큰 버블로서 상을 "우회"할 수 있기 때문에, 과도한 버블 유착으로부터 발생한 비교적 큰 버블은 또한 반응기에서 화학적 반응에 부정적인 영향을 미칠 수 있다.
오리피스와 분산기 파이프 각각의 직경 또한 중요하다. 적절한 오리피스 직경은 주로 스파저를 가로지른 전반적인 압력 강하를 결정하지만, 분산기 파이프 직경은 상에 들어오는 제트 속도에 영향을 미친다. 분산기 파이프 직경이 너무 적으면, 나가는 기체-함유 공급물 스트림이 입자 마멸을 야기할 수 있는 매우 높은 초기 속도를 갖는다. 한편, 오리피스 직경과 분산기 파이프 직경 둘 모두가 너무 크면, 이에 의해 스파저를 가로지른 작은 압력 강하가 생성되고, 스파저가 불안정해지고, 기체-함유 공급물의 분포가 반응기의 횡단면을 가로질러 균일하지 않을 수 있다. 또한, 분산기 파이프 직경이 너무 크면, 스파저는 상으로 들어가는 기체 주입의 충분한 모멘텀을 제공하지 못할 수 있고, 이는 기체 상과 고체 상 사이의 바람직한 밀접한 접촉에 부정적인 영향을 미친다. 이런 경우, 상에서의 열 및 매스 이동이 감소된다.
분산기 파이프의 길이 또한 스파저 성능에 영향을 미친다. 매우 짧은 분산기 파이프는 기체-함유 공급물의 제트를 안정화시키지 않는다. 입자가 분산기 파이프에 들어가고 오리피스에 접근할 수 있고, 이는 입자 마멸을 증가시킨다. 분산기 파이프가 너무 길면, 기체-함유 공급물의 제트가 추가로 안정화되지 않고, 매니폴드 암과 접촉하는 버블이 원하는 것보다 더 큰 크기를 가질 수 있다. 입자는 또한 와동에 의해 분산기 파이프로 다시 전달될 수 있다. 이상적인 분산기 파이프 길이는 기체-함유 공급물의 제트를 안정화시키기에 충분히 길다(즉, 분산기 파이프의 출구에서 완전히 전개된 교란 유동에 이른다).
이제 도면, 먼저 도 1에 대해 상세히 살펴보자면, 유동 상 반응기가 일반적으로 참고 번호 1로 명명된다. 유동 상 반응기(1)는 기체-고체, 액체-고체 또는 기체-액체-고체 접촉 과정이 일어나는 반응기 용기(2)를 포함한다. 반응기에서, 곱게 미분된 고체 입자(예를 들면 유동 상 촉매)의 상(3)이 스파저(4)를 통해 들어오는 가공 유체(기체, 또는 액체, 또는 기체-액체 혼합물)에 의해 들려서 현탁("유동화")된다.
본 발명의 공정 공급물은 기체-함유 공급물이고, 이는 기체 상태인 공급물을 약 51중량% 이상 포함하는 공급물이다.
도 2a를 설명하자면, 기체-함유 공급물의 이동을 위한 반응기 용기(2)가 배치되어 있고, 예시적인 스파저(4)가 본 발명에 따라 구축되어 있다. 스파저(4)는 주 매니폴드(5), 벽(7)이 있는 하나 이상의 매니폴드 암(6) 및 매니폴드 암 상의 하나 이상의 노즐(8)을 포함한다.
도 2b를 설명하자면, 기체-함유 공급물(12)은 주 매니폴드(5)를 통해 매니폴드 암(6)으로 공급되어 오리피스(10)를 통해 분산 공급되어 분산기 파이프(8)로 나가서 반응 용기(2)에 함유된 유동화된 촉매(3)로 간다. 바람직하게는, 주 매니폴드의 임의의 부분 또는 매니폴드 암에서 기체-함유 공급물의 속도는 24m/sec를 초과하지 않고; 24m/sec를 초과하는 속도는 매니폴드 암을 가로지른 과다한 압력 강하를 생성할 수 있고, 촉매 마멸을 증가시킬 수 있고, 스파저의 침식을 증가시킬 수 있다.
도 2a를 살펴보자면, 매니폴드 암(6)은 또한 여러 노즐(8)을 함유한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 각각의 노즐은 오리피스(10)의 다운스트림에 분산기 파이프(9)를 갖는다. 노즐의 분산기 파이프는 매니폴드 암에 (예를 들면 용접에 의해) 고정되어 기체-함유 공급물 스트림을 오리피스(10) 외부로 안내하여 유동 상 반응기(2)를 횡방향으로 가로지르는 기체-함유 공급물의 분배를 제공한다. 분산기 파이프 각각은 팁(11)에서 종결된다. 각각의 분산기 파이프는 내부 벽(15) 및 외부 벽(16)을 갖는다. 오리피스는 전형적으로 직선 또는 나팔 형태의 작고 둥근 구멍으로, 이의 직경은 약 1 내지 약 30mm 범위이다. 분산기 파이프는 바람직하게는 부식과 침식에 대해 높은 내성을 갖는 금속으로 제조되고, 예를 들면 표면 강화 공정으로 처리된 것들이다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 매니폴드 암(6)은 주 매니폴드(5)로부터 횡방향으로 외부로 연장된다. 즉, 매니폴드 암(6)은 주 매니폴드(5)에 대해 직각으로, 또는 T-자 형태 또는 "물고기 뼈" 형태로 연장된다. 한 양태에서(도시되지 않음), 매니폴드 암은 이에 연결된 하나 이상의 2차 수준 또는 다중 수준 매니폴드 암을 갖는다. 매니폴드 암은 동일하거나 상이한 크기일 수 있다. 한 양태에서, 스파저는 주 매니폴드, 여러 매니폴드 암 및 각각의 매니폴드 암 상의 여러 노즐을 포함한다.
높이가 2피트 이상인 유동 상의 경우, 스파저 압력 강하는 바람직하게는 상 압력 강하의 약 10% 내지 50%이다. 높이가 2피트 미만인 유동 상의 경우, 바람직한 스파저 압력 강하는 상 압력 강하의 약 30% 내지 100%이다. 스파저를 가로지른 충분한 압력 강하는 하나 이상의 주입기 및/또는 하나 이상의 추가 스파저가 제 1 스파저 위쪽에 위치한 양태에서 증가된 역할을 수행한다. 이런 양태에서, 불충분한 제 1 스파저 압력 강하는 기체 우회, 바람직하지 않은 과도한 버블 유착, 채널링, 더 높은 촉매 마멸 및/또는 더 높은 침식 속도를 생성하기가 더 쉽다.
도 4는 발산 기체 흐름의 충돌 길이를 나타낸다. 이 길이(13)는 오리피스로부터, 22°원뿔 각도에서 오리피스(14)의 중심으로부터 진행되고 분산기 파이프(9)의 내부 벽(15)을 가로지르는 선에 의해 한정된 점까지 분산기 파이프를 따라 가는 직선 거리이다. 바람직한 분산기 파이프 길이는 충돌 길이의 약 1 내지 3배이다. 최소 분산기 파이프 길이는 22°원뿔 각도에서의 발산 기체 흐름의 충돌 길이보다 더 긴 임의의 길이이고, 바람직하게는 이 길이의 2배이다. 분산기 파이프 직경은 바람직하게는 분산기 파이프의 팁에서의 바람직한 제트 속도에 상응한다.
비교적 높은 속도로 위쪽으로 이동하고 이들과 함께 입자를 운반하는 버블에 의해 야기되는 스파저 침식을 방지 또는 감소시키기 위해, 45.7m/sec 미만에서 분산기 파이프를 나가는 기체-함유 공급물의 속도, v의 경우, 분산기 파이프는 수직으로부터 약 12.5° 이상, 바람직하게는 약 18.5° 이상 기울어져 있다. 분산기 파이프를 나가는 기체-함유 공급물의 속도가 45.7m/sec 이상인 경우, 분산기 파이프는 수직으로부터 약 12.5°exp[0.00131v] 이상, 보다 바람직하게는 수직으로부터 약 18.5°exp[0.00131v] 이상 기울어져 있다. 또한, 분산기 파이프의 출구는 불필요한 버블 유착을 방지하고 침식을 감소시키기 위해 이웃한 분산기 파이프의 출구로부터 충분한 거리에 있다.
분산기 파이프는 제트 충불을 방지하고, 따라서 촉매 마멸을 감소시키기 위해 수평으로 서로 충분히 이결되어 있다. 임의의 2개의 분산기 파이프의 팁 사이의 최소 수평 거리에 대한 상관 관계는 식
Figure 112009048300301-PCT00002
(상기 식에서, u0는 상의 바닥에서의 표면 기체 속도이고, umf는 최소 유동 속도(입자 성질의 함수)이고, k1의 값은 약 0.5 내지 약 2.5이고, k2의 값은 약 1 내지 약 2.25이다)에 의해 표현될 수 있다. 바람직하게는 노즐 당 0.0003m3/sec 이상에서 노즐을 통과하는 기체 유속의 경우 k1은 약 0.55 내지 약 1.1이고, k2는 약 1 내지 약 1.25이고, 노즐 당 0.0003m3/sec 미만에서 노즐을 통과하는 기체 유속의 경우 k1은 약 2.4 내지 약 5.1이고, k2는 약 2 내지 약 2.25이다.
바람직한 제트 속도(즉, 분산기 파이프의 팁을 떠나는 기체-함유 공급물의 속도)는 촉매의 유형(예를 들면 마멸-내성 촉매 대 마멸되기 쉬운 촉매)에 따라 달라질 것이다. 심한 마멸은 심지어 촉매 수집 장치(예를 들면 밀집된 상으로부터 비말동반되는 입자의 대부분을 회수하기 위한 내부 또는 외부 사이크론, 및/또는 기체 속도를 추가로 감소시키기 위해 더 큰 직경을 갖는 반응기의 위쪽 부분의 확장된 구획)가 사용되는 경우에 조차 상 물질의 상당한 손실을 야기할 수 있다. 일반적으로 마멸-내성 촉매의 경우, 제트 속도는 75m/sec를 초과하지 않고, 바람직하게는 47.5m/sec를 초과하지 않고, 가장 바람직하게는 30.5m/sec를 초과하지 않는다. 마멸되기 쉬운 촉매의 경우, 제트 속도는 일반적으로 21.3m/sec를 초과하지 않고, 바람직하게는 15m/sec를 초과하지 않는다. 분산기 파이프의 직경은 바람직한 제트 속도를 달성하기 위해 변화될 수 있다.
하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위해 제공되지만, 이의 범위를 한정하고자 함이 아니다.
실시예 1(본 발명의 일부가 아닌 비교예):
유동 상중의 입자가 젤다트 입자 분류(Geldart Particle Classification(Geldart, 1972)]의 A 그룹에 속하는 마멸되기 쉬운 촉매 입자이고, 기상 산화제가 여러 매니폴드 암이 있는 매니폴드 파이프를 포함하는 스파저를 통해 상으로 공급된, 상업적인 규모의 유동화 상 반응기 중에서 염화 탄화수소의 촉매적 산화가 일어났다. 반응기는 약 0.2m/sec의 표면 기체 속도로, 버블 유동 상황 하에서 수행되었다.
매니폴드 암에는 약 6.35mm의 벽 두께를 갖는 여러 개의 수직 하향 분산기 파이프가 구비되어 있다. 분산기 파이프의 길이는, 22° 원뿔 각도에서 오리피스의 중심점에서 시작된, 발산 기체 흐름의 충돌 길이의 약 5.9배이다. 2개의 인접한 분산 파이프 사이의 중심에서 중심까지의 거리는 임의의 2개의 분산기 파이프 사이의 최소 수평 거리의 약 2.1배이다. 스파저를 통한 기체-함유 공급물을 조절하여 상을 적절히 제어한다. 분산기 파이프 팁의 팁에서의 기체-함유 공급 속도는 약 24m/sec를 초과하였다. 조작한지 6달 후의 오픈-반응기 조사시, 많은 분산기 파이프가 분산기 파이프 벽을 통한 구멍의 성질에서 침식 손상을 겪고 있는 것으로 발견되었다. 분산기 파이프 대체가 요구되었다. 촉매 손실이 측정되었다. 2단 사이클론 시스템의 이용에도 불구하고, 조작 동안의 촉매 손실 속도는 시간당 상 횡단면 제곱 미터당 약 1.84kg이었고, 주로 입자 마멸에 의한 것이었다.
실시예 2: 본 발명의 스파저 장치의 한 양태
실시예 1의 스파저를 본 발명의 한 양태의 스파저로 대체한 점을 제외하고는 실시예 1과 동일한 반응기 및 조작 조건을 이용하여 염화 탄화수소의 촉매적 산화를 수행하였다. 스파저의 분산기 파이프는 수직으로부터 20°로 측정되었고, 분산기 파이프의 팁에서의 기체-함유 공급물 속도는 약 9m/sec였다. 분산기 파이프의 길이는, 22°원뿔 각도에서 오리피스의 중심점에서 출발된, 발산 기체 흐름의 충돌 길이의 약 3.4배였다. 2개의 이웃한 분산 파이프 사이의 중심에서 중심까지의 거리는 임의의 2개의 분산기 파이프 사이의 최소 수평 거리의 약 2.3배였다. 6개월동안 조작한 후, 오픈-반응기 검사는 침식으로 인한 분산기 파이프의 가장 심한 벽-두께 감소가 0.8mm 이하임을 발견하였다. 촉매 손실 또한 측정되지 않았다. 조작 동안, 촉매 손실은, 입자 마멸의 감소로 인해, 시간당 상 횡단면적 제곱 미터당 약 0.74kg이었다.
본 발명(특히 하기 청구범위의 내용)에서 단수형의 사용은, 달리 명확하게 나타나 있거나 내용상 명확하게 아닌 경우를 제외하고는, 단수형과 복수형 둘 모두를 포함하고자 한다. 본원에서 값의 범위를 언급하는 것은, 본원에 달리 지시되지 않은 한, 그 범위에 포함되는 각각의 분리된 값을 개별적으로 언급하는 것의 단축된 방법으로 작용하고자 하는 것이고 각각의 개별적인 값은 본원에 개별적으로 언급된 것처럼 본 명세서에 혼입되어 있다. 본원에 개시된 모든 방법은, 달리 명확하게 개시되어 있거나 내용상 명확하게 아닌 경우를 제외하고는, 임의의 적합한 순서로 수행될 수 있다. 본원에 제공된 임의의 및 모든 실시예 또는 예시적인 용어(예를 들면 "예를 들면")는 본 발명을 단지 더 잘 나타내고자 함이고, 달리 청구되 지 않은 본 발명의 범위에 제한을 가하고자 하는 것이 아니다. 본 명세서의 어떤 언어도 본 발명의 실시에 필수적인 임의의 비-청구된 요소를 나타내고자 하는 것은 아니다.
본 발명을 실시하기 위해 본 발명자에게 공지되어 있는 가장 좋은 방식을 포함한, 본 발명의 바람직한 양태가 본원에 개시되어 있다. 물론, 이들 바람직한 양태의 변형이 전술된 개시 내용으로 보아 당 분야의 숙련자에게는 명확할 것이다. 본 발명자는 당 분야의 숙련자가 적절하게 이런 변형을 이용할 것이고, 본 발명자는 본원에 구체적으로 개시되지 않은 발명도 실시하고자 한다. 따라서 본 발명은, 적용되는 법에 의해 허용되는 한, 이후에 첨부된 특허청구범위에 개시된 대상의 모든 변형 및 등가물을 포함한다. 더욱이, 본원에 달리 개시되어 있거나 내용상 명확하게 아닌 경우가 아닌 한, 이의 가능한 모든 변형된 상기 개시된 요소의 임의의 조합이 본 발명에 포함된다.

Claims (12)

  1. 기체-함유 공급물의 공급원에 연결된 주 파이프;
    기체-함유 공급물을 안내하기 위한 주 파이프에 연결된 하나 이상의 매니폴드 암;
    매니폴드 암으로부터 스파저의 외부에 위치한 유동 상으로 기체-함유 공급물을 안내하기 위한 매니폴드 암에 연결된 하나 이상의 노즐;
    을 포함하며, 여기서, 하나 이상의 노즐이 오리피스 및 분산기 파이프를 포함하고, 기체-함유 공급물이 유속으로 노즐을 통과하고, 기체-함유 공급물이 기체 속도, v에서 분산기 파이프를 떠나고, 45.7m/sec 미만의 v에서 분산기 파이프를 떠나는 기체 속도의 경우 분산기 파이프가 수직으로부터 약 12.5°이상 기울어져 있고, 45.7m/sec 이상의 v에서 분산기 파이프를 떠나는 기체 속도의 경우 분산기 파이프가 수직으로부터 약 12.5°exp[0.00131v] 이상 기울어져 있는,
    기체-함유 공급물을 유동 상으로 주입하기 위한 스파저(sparger).
  2. 제 1 항에 있어서,
    2개 이상의 분산기 파이프가 있고, 각각의 분산기 파이프가 팁(tip)을 갖고 있고, 여기서, 임의의 2개의 분산기 파이프의 팁 사이의 최소 수평 거리가
    Figure 112009048300301-PCT00003
    (여기서, u0는 상의 바닥에서의 표면 기체 속도이고, umf는 최소 유동 속도이고, k1의 값은 약 0.5 내지 약 2.5이고, k2의 값은 약 1 내지 약 2.25이다) 이상인, 스파저.
  3. 제 2 항에 있어서,
    노즐당 0.0003m3/초 이상에서 노즐을 통과하는 기체 유속의 경우, k1의 값이 약 0.55 내지 약 1.1이고, k2의 값이 약 1 내지 약 1.25이고; 노즐당 0.0003m3/초 미만에서 노즐을 통과하는 기체 유속의 경우, k1의 값이 약 2.4 내지 약 5.1이고, k2의 값이 약 2 내지 약 2.25인, 스파저.
  4. 제 3 항에 있어서,
    유동 상이 버블링 유동화 상황 또는 교란 유동화 상황 하에서 조작되는, 스파저.
  5. 제 1 항에 있어서,
    오리피스가 약 1 내지 약 30mm의 크기를 갖는, 스파저.
  6. 제 1 항에 있어서,
    분산기가 표면 경화 공정으로 처리된, 스파저.
  7. 제 1 항에 있어서,
    스파저를 가로지른 압력 강하가 유동 상을 가로지른 압력 강화의 적어도 약 10% 내지 약 100%인, 스파저.
  8. 제 1 항에 있어서,
    분산기 파이프의 팁을 떠나는 기체 속도가 약 75m/sec 이하인, 스파저.
  9. 제 8 항에 있어서,
    분산기 파이프의 팁을 떠나는 기체 속도가 약 47.5m/sec 이하인, 스파저.
  10. 제 9 항에 있어서,
    분산기 파이프의 팁을 떠나는 기체 속도가 약 21.3m/sec 이하인, 스파저.
  11. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 분산기 파이프의 길이가, 22°원뿔 각도에서 오리피스의 중심점에서 출발된, 발산 기체 흐름의 충돌 길이의 약 1 내지 2배인, 스파저.
  12. 제 1 항에 있어서,
    하나 이상의 분산기 파이프가, v가 45.7m/sec 미만인 경우, 수직으로부터 약 18.5°이상 기울어져 있고, v가 45.7m/sec 이상인 경우 수직으로부터 약 18.5°exp[0.00131v] 이상 기울어져 있는, 분산기.
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