KR20100129943A - 고정층 반응기의 고성능 침니 트레이 - Google Patents

Abstract

본 발명은 반응기의 침니 트레이에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 침니 내부에서 기상 반응물과 액상 반응물이 잘 혼합되어 고정층 반응기의 촉매층 상에서 액상 반응물의 분산성능을 향상시킴으로써 액상 반응물의 흐름 균일도에 의한 촉매와의 접촉 효율과 이에 따른 반응 효율을 향상을 목적으로 한다.

상기 목적의 달성을 위하여 본원 발명의 침니 트레이는 복수의 관통공을 갖는 트레이, 및 상기 관통공에 수직 끼움 고정되며, 대향되게 관통된 하나 이상의 배출구가 형성된 침니를 구비하는 침니 트레이에 있어서, 상기 침니는 상기 트레이 하측으로 연장되고, 트레이의 법선 방향과 10 내지 40 ° 의 각도를 갖는 원뿔 형태의 하단부를 구비하는 것을 특징으로 한다. 이에 의하여 뛰어난 분산 성능에 따른 반응 효율의 향상을 달성할 수 있다.

침니, 트레이, 반응기, 배출구, 배출상수

Description

고정층 반응기의 고성능 침니 트레이{HIGH PERFORMANCE CHIMNEY TRAY FOR FIXED BED REACTOR}

본 발명은 반응기의 침니 트레이에 관한 것으로 더욱 상세하게는 침니 내부에서 기상 반응물과 액상 반응물이 잘 혼합되어 고정층 반응기의 촉매층 상에 액상 반응물을 균일하게 분산시켜 반응물의 분산성능을 향상시킴으로써 액상 반응물의 흐름 균일도에 따른 촉매와의 접촉효율과 이에 따른 반응효율을 향상시킬 수 있도록 한 고성능 침니 트레이에 관한 것이다.

일반적으로 촉매층 반응기는 석유화학 공장에 많이 사용되고 있으며, 촉매층에 액상과 기상의 반응물이 동시에 흐르면서 반응을 일으키는 방식으로서 액상과 기상 반응물이 하방으로 흐를 때를 컨커런트 플로우(concurrent flow)라 하며, 액상 반응물은 하방으로 기상반응물은 상방으로 흐를 때를 카운트커런트 플로우(countcurrent flow)라 한다. 이때 촉매층 내의 액상과 기상 반응물의 흐름 균일도에 따른 촉매와의 접촉효율의 정도에 따라 반응효율이 좌우된다. 또한, 침니 트레이는 상기 반응기에서 기상 및 액상 반응물이 동시에 하방으로 흘러내려갈 경우 사용되는 것으로 반응물들이 균일하게 촉매층 위로 분산될 수 있도록 하며 반응기 운전 조건에 따라서 필요한 침니의 수가 결정된다.

일반적으로 침니 트레이는 촉매 층 상단에 위치하며, 액상/기상 혼합물을 촉매 층으로 균일하게 분산시켜 촉매의 활용을 극대화 시키도록 하는 것이다. 침니 트레이 외부에는 액체가 일정 수위를 유지하면서 구멍을 통하여 침니 내부로 유입되고, 침니 내부로 유입되는 빠른 유속의 기체와 만나 트레이 하부 관통공에서 분산되는 것이다.

도 1은 촉매층 반응기에서의 침니 트레이의 일반적인 작동원리를 예시하고 있다. 촉매층 반응기는 일반적으로 트레이(1)와 촉매층(2) 사이에 상호 소정의 간격진 공간(4)이 필요하다. 상기 공간(4)은 기상 반응물이 반응기 전체를 통해서 균일한 압력으로 흘러 내려갈 수 있게 하며, 트레이(1)의 하단부에서 액상 반응물이 균일하게 분산될 수 있게 한다. 침니(3)는 소정직경과 길이를 갖는 환형상으로서 일반적으로 상단부와 하단부측에 소경직경을 갖고 관통 형성된 배출구(3a, 3b)를 구비하고, 다수의 트레이(1)가 관통공(1a)에 하단부가 수직으로 접합되어 배치된다.

도 2는 촉매층위로 액상 반응물의 보다 균일한 분산을 위한 반응기 침니 트레이에 관한 특허(대한민국 특허 제0421130호)로 소정직경을 갖는 복수의 관통공으로서 침니(3)의 하단부측에 침니의 외주면에 대한 접선방향(Tangential)으로 복수의 배출구가 상호 대향되게 관통 형성된다. 또한 상기의 배출구는 하단부 연부를 따라 소정각도로 경사진 경사면(1b)을 갖는다. 상기 경사면(1b)의 경사각이 증가함에 따라 촉매층 상에 액상반응물의 액적이 퍼지는 면적이 커지게 되며 액상 반응물 이 축을 중심으로 외향(Radial)으로 흘러가게 된다.

도 1과 같은 종래의 침니들은 침니(3)의 배출구(3a, 3b)를 통해서 흐르는 액상 반응물이 반대편의 침니 내벽과 부딪쳐 작은 액상입자로 부서진 후 트레이의 관통공(1a)으로 분사되어 촉매층(2) 위로 균일하게 분산시키고자 한 것이나, 일반적인 촉매층 반응기의 운전조건에서는 액상입자로 부서지기 보다는 침니(3)의 내측공간에서 일정한 흐름이 형성되어 트레이(1)의 관통공(1a) 하측 중앙으로 떨어지게 된다. 하지만, 침니의 관통공을 지난 액상반응물이 각 침니에 할당된 촉매층의 중앙부에 집중적으로 흘려내려 액상반응물의 채널링(Channeling) 현상을 일으키고, 촉매의 마모로 인한 반응기 압력 상승의 원인이 될 수 있다.

도 2의 대한민국 특허 제0421130호의 경우도 하단부에 접선방향의 배출구과 하단부 경사면(1b)의 경사각으로 인해 축을 중심으로 외향 분산시킴으로써 상기의 단점을 보완하였으나, 침니 상부가 노출되어 침니(5) 상부에서부터 액상 반응물이 혼입되어 분산성능을 저하시키고, 액상 반응물의 물리적 특성에 따라 액적이 하단부의 경사면(1b)을 타고 트레이(1) 하단부로 흘러내려 원하는 수준의 분산성능을 얻기 어려울 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 목적은 촉매층 위의 침니 트레이에 있어서 반응물의 분산성능을 개선하여 반응물과 촉매층 사이의 접촉효율을 향상시키고, 침니 상부가 노출되어 침니 위에서 쏟아지는 액체 반응물이 침니 내부로 유입되는 것을 방지할 수 있는 반응기의 침니 트레이와 적정한 침니 트레이의 배열을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 상기 침니 트레이를 이용하여, 반응물이 촉매층에 균일하고 적정하게 분포할 수 있도록 하는 침니의 배열을 갖는 침니 트레이를 제공하는 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 침니 트레이는 복수의 관통공을 갖는 트레이, 및 상기 관통공에 수직 끼움 고정되며, 하나 이상의 배출구가 형성된 다수의 침니를 구비하는 침니 트레이에 있어서, 상기 침니는 상기 트레이 하측으로부터 상기 트레이의 법선 방향과 10 내지 40 °의 각도를 이루도록, 일체로 형성되어 연장되는 원뿔 형태의 하단부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 구체예는상기 침니 트레이의 상부에 액상 반응물의 유입을 방지하는 상부커버, 침니의 접선방향과 기울어지게 대향 관통된 배출구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 침니 트레이를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 구체예는, 상기 침니 트레이를 활용하여, 촉매층 위에 액 상 반응물이 균일하고 적정한 분산을 이루도록 하기 위한, 각각의 침니가 침니에 대향 관통된 배출구가 서로 수직하도록 배열된, 액상 반응물의 분산 형태를 고려한 침니의 배열을 갖는 침니 트레이를 제공하는 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 촉매층 반응기 위로 액상 반응물의 균일한 분산을 위한 침니 트레이는 액상 반응물의 분산 성능에서 탁월한 성능개선을 이루어 반응물과 촉매의 접촉효율을 증대시켜 반응성을 증대시킬 수 있다.

이하 본 발명을 보다 상세히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은 반응기의 침니 트레이에 관한 것으로, 본 발명의 침니 트레이는 다수의 관통공을 갖는 트레이와, 상기 관통공에 끼움 고정되어 형성된 원통형의 침니, 상기 침니(5) 상부의 액상 반응물의 유입을 막고, 기상 반응물의 유량에 따라 개방 면적(Open Area)을 조절하여 기상 반응물의 유속을 빠르게 하는 상부 커버, 및 상기 침니의 하단부에서 연장되어 상기 트레이의 법선 방향과 10° 내지 40°의 각도를 이루어 하측으로 갈수록 직경이 증가하는 원뿔 모양으로 형성되는 하단부, 하단부의 접선방향에 대하여 기울어지게 서로 대향 관통된 배출구를 갖는 것을 특징으로 한다. 또한, 본 발명의 다른 구체예는 도 7에서와 같이 액상 반응물이 타원형으로 분산되어 촉매층 위로 분산 배출되는데, 이러한 반응물의 분산 형태를 고려하여, 각각의 침니의 대향 관통된 배출구가 다른 침니의 대향 관통된 배출구와 수직을 이루도록 배열된 침니의 배열을 구비하는 것을 특징으로 한다. 도 3에서 이러 한, 본 발명에 따른 촉매층 위로 액상 반응물의 균일한 분산을 위한 침니 트레이의 바람직한 실시예의 구성 및 결합구조가 도시되어 있다.

상기 침니에는 트레이 상부에 저장되어 있는 액상 반응물을 침니의 내벽 쪽으로 유입되도록 하기 위하여 대향되게 침니를 관통하여 형성되는 복수의 제1배출구를 갖는다.

도 5에서와 같이, 상기 배출구는 침니의 횡단면의 접선 방향과 기울어지게 대향 관통된다. 이는 유입되는 액상 반응물이 회전력을 받을 수 있도록 배출구가 일정의 각도를 가지게 하기 위하여 비스듬히 관통 형성되는 것이다. 일측의 제1배출구와 대향되게 형성된 타측의 제1배출구는 서로 동일한 각도로 기울어져 형성되어 액상 반응물이 회전력을 받는 방향이 동일하게 되도록 한다. 상기 제1배출구를 통해 침니 내로 유입되어 내려가는 액상 반응물은 제1배출구에 의하여 회전력을 받아 종심부의 액상 반응물의 유량이 감소하므로 이를 보충하기 위하여, 제1배출구 상측에 종심부로 액상 반응물이 유입되도록 대향되게 관통 형성되는 복수의 제2배출구를 갖는다. 상기 제2배출구는 종심부로 액상 반응물이 유입되도록 하여야 하므로, 도 4에서와 같이 침니 외부의 횡단면의 접선 방향과 수직한 형태로 관통 형성된다.

상기 침니(5) 상부는 액상 반응물의 유입을 막고, 기상 반응물의 유량에 따라 개방 면적(Open Area)을 조절하여 기상 반응물의 유속을 빠르게 하는 상부 커버가 위치한다. 상기 상부 커버(6)는 침니의 직경보다 큰 직경을 가지고, 그 끝단이 하측, 즉 침니 방향으로 절곡된 모자(hat)의 형태를 적용함으로써 침니 관통공에서 액상 반응물과 기상 반응물의 분산을 저해하는 액상 반응물의 유입을 차단하고, 침니 상부의 개방 면적을 줄여줌으로써 기체 반응물의 유속을 증가시켜 트레이 하부에서 액상 반응물이 퍼지는 면적을 증가시키는 것을 특징으로 한다. 트레이(1)는 소정 직경을 갖는 다수의 관통공이 소정의 배열을 갖고 관통 형성된다.

상기 침니(5)는 소정 직경과 길이를 갖는 양단부가 개방된 관형상으로서 복수의 제1 배출구(5a, 5b)와 복수의 제 2 배출구(5c), 및 원뿔 모양의 하단부(5d)를 갖는다. 상기 하단부는 상기 트레이 하측으로부터 상기 트레이의 법선 방향과 소정의 각도를 이루도록, 일체로 형성되어 연장되는 원뿔 형상을 갖는다. 이는 종래 대한민국 특허 제0421130호가 단지 일정 각도를 갖는 침니의 하단면을 통하여 분산의 효과를 달성코자 한 것과 달리, 상기 트레이 하부로 침니의 하단부가 내려와 형성되어 액상 반응물이 트레이 하부 벽면을 타고 흐르는 영향을 원천적으로 방지하였다.

상기 하단부의 경사 각도(θ)는 액상 반응물의 물성 및 유량 등을 고려하여 선택되고, 경사각도에 따라 촉매층(2) 상에 액상 반응물의 액적이 퍼지는 면적이 커진다. 바람직한 경사각도(θ)는 상기 트레이의 법선 방향에 대하여 10°~40°, 더욱 바람직하게는 25°~35°이다. 상기 각도가 10 미만이면 액상 반응물의 분산이 종심부에 집중되고, 40도 이상에서는 침니 하단부측 접선방향의 복수 관통공에 의한 액상 반응물의 분산이 충분하지 않아 액적이 원뿔 모양의 벽을 타고 흐르게 되므로 분산 효율이 떨어진다. 도 6은 경사 각도에 따른 분산성능을 나타내는 것이다. 도 6에서 보이는 바와 같이, 경사각도(θ)가 0인 경우에는 액상 반응물이 종 심부에 집중됨을 알 수 있고, 이에 비하여 각도가 늘어날수록 종심부에서 더 먼 거리까지 고르게 퍼짐을 알 수 있다.

상기 하단부는 촉매층으로부터 180~220mm 정도의 거리에 이격되게 위치하는 것이 바람직하다. 상기 하단부가 촉매층으로부터 180mm 이하로 이격되는 경우 액상 반응물이 충분히 퍼지지 못해 원하는 분산 성능을 얻지 못하게 되고, 액적이 집중되어 채널링 및 촉매의 마모를 일으킬 수 있다. 상기 하단부가 트레이로부터 220mm 이상의 거리에 위치하는 경우 액적의 분산 한계로 인해 충분한 분산을 얻지 못하고, 한정된 반응기 높이 하에서 촉매 충진 높이가 줄어들게 된다.

도 7은 본 발명에 따른 분산 단면 모양을 나타낸 것이다. 복수의 제 1배출구(5a, 5b)에 의해 액적이 회전력을 받기 때문에 촉매층 위로 떨어지는 액상 반응물의 모양이 원형이 아닌 타원형을 이루게 된다.

따라서, 반응물의 분산 형태를 고려하여, 침니는 도 8에서 도시된 바와 같이, 각각의 침니에 대향 관통되어 형성된 제1배출구는, 상기 제1배출구를 연장한 가상의 수선이 다른 침니에 구비된 제1배출구를 연결하는 가상의 연장선과 직교를 이루도록 형성되어, 트레이 상의 다수의 침니가 사각형 형태의 배열을 이루도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 상기 다수의 침니는 격자 형상으로 배열되고, 각각의 침니의 배출구가 다른 침니의 배출구와 수직하게 배열된다.

이는 액상 반응물이 촉매층에 더 고르게 분산되도록 하기 위함이다. 배출구가 동일한 방향으로 되게 침니가 배열되는 경우, 동일한 면적에 비하여 과도한 침니의 사용이 필요한 등으로 비용, 효율 면에서 좋지 못하고, 액상 반응물이 분산되 는 면적이 겹치게 되어 오히려 분산 효율을 저하시킬 수 있다. 반면, 본 발명에 따른 침니의 배열을 갖는 침니 트레이의 경우는 각각의 침니의 분산 형태를 고려함에 의하여 더 높은 분산 성능을 달성할 수 있다.

또한, 대한민국 특허 제0421130호를 참고하면 상기 침니의 외경과 내경의 차이(이하 침니 두께)는 액상 반응물이 제1배출구를 통과할 때 회전력을 주는 중요한 변수이다. 즉, 상기 침니 두께가 증가하면 회전력이 증가하나 이에 따른 배출상수(discharge coefficient: 크기가 작은 구멍에 유체가 통과할 때 흐름의 방해도를 나타내는 상수)는 감소하며, 최적의 운전을 위해서는 적절한 회전력이 중요하고, 이에 대한 실험결과로서 물의 경우에는 상기 침니 두께가 5mm 이상이면 필요한 회전력을 얻을 수 있다.

실시예

본 발명의 침니 트레이를 이용하여 분산 성능을 테스트하였다. 침니의 길이방향과 원뿔이 이루는 각도는 30°이었다. 또한, 침니 하단부가 촉매층으로부터 이격된 거리는 200mm이었다. 또한, 침니당 공기 유량은 50L/Min, 침니 당 액상 반응물의 유량은 9L/Min였다.

비교예1

상기 실시예와 공기, 액상 반응물의 유량을 동일하게 적용하고, 단지 종래의 침니 트레이를 사용하여 분산 성능을 테스트 하였다.

비교예2

기존의 대한민국 특허 제0421130호의 침니 트레이를 사용하여 동일한 공기, 액상 반응물의 유량에서 분산 성능을 테스트하였다.

상기 실시예와 비교예1의 분산 성능의 비교가 도 9에 나타나 있다. 여기서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 침니 트레이를 사용한 경우, 액상 반응물이 종래의 침니 트레이를 사용한 것에 비하여 더 고르게 퍼짐을 알 수 있다.

또한, 실시예와 기존 특허 제0421130호(비교예 2)의 분산 성능의 비교가 도 10에 나타나 있다. 기존 특허 제0421130호와 비교하여도, 액상 반응물이 더욱 고른 분포를 가짐을 알 수 있다. 이는 본 발명에 따른 침니 트레이의 경우, 기존 특허 제0421130호와는 다르게 트레이 하부로 침니의 하단부가 내려와 형성됨으로써, 트레이 하부 벽면을 타고 흐르는 액체를 원천적으로 차단함에 의하여, 기존의 특허 제0421130호의 경우 트레이 하부 경사각에 의해 일부의 액적이 트레이 하부 벽면을 타고 흘러감으로써 액적의 분산에 악영향을 미치는 경우보다 뛰어난 분산 효율을 보임을 나타내는 것이다.

도 9 및 10에서 q는 침니당 할당된 촉매층 표면의 임의의 점에서 단위면적당 당위시간당 액상 반응물이 흐르는 양을 나타내며, r은 할당된 촉매층 면적의 중심으로부터 거리이다.

도 1은 촉매층 반응기에서 침니 트레이의 일반적인 작동원리를 나타낸다.

도 2는 대한민국 특허 제0421130호의 침니 트레이를 나타내는 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 침니 트레이의 일구체예를 나타내는 것이다.

도 4는 도 3의 A-A'선을 단면하여 도시한 평단면도이다.

도 5는 도 3의 B-B'선을 단면하여 도시한 평단면도이다.

도 6은 원뿔 형태 하단부의 각도에 따른 분산 성능을 비교한 그래프이다.

도 7은 본 발명에 따른 침니 트레이의 분산 단면 모양을 나타내는 것이다.

도 8은 침니 트레이를 지난 반응물이 타원형으로 분산되는 것을 고려한 침니의 사각형 배열을 도시하는 배치도를 나타낸 것이다.

도 9는 실시예와 비교예1의 분산 성능을 비교한 그래프이다.

도 10은 대한민국 특허 제0421130호의 침니 트레이와 본 발명에 따른 침니 트레이의 분산 성능을 비교한 그래프이다.

※도면의 주요 부분의 설명

1: 트레이 2: 촉매층

3: 침니 3a: 액상 반응물 배출구

3b: 배출구 4: 트레이와 촉매층 사이의 간격

5: 본 발명의 침니 5a, 5b: 제1배출구

5d: 원뿔형태의 침니 하단부 6: 모자 형태의 침니 상부

Claims (6)

1. 복수의 관통공을 갖는 트레이, 및 상기 관통공에 수직 끼움 고정되며, 하나 이상의 배출구가 형성된 다수의 침니를 구비하는 침니 트레이에 있어서, 상기 침니는 상기 트레이 하측으로부터 상기 트레이의 법선 방향과 10 내지 40 °의 각도를 이루도록, 일체로 형성되어 연장되는 원뿔 형태의 하단부를 구비하는 것을 특징으로 하는 침니 트레이.
2. 청구항 1에 있어서, 상기 침니는 상부의 커버를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 침니 트레이.
3. 청구항 1에 있어서, 상기 침니의 하단부는 촉매층과 180 내지 220 mm 이격된 것을 특징으로 하는 침니 트레이.
4. 청구항 1에 있어서, 상기 하단부는 트레이의 법선 방향과 25 내지 35°의 각도를 갖는 것을 특징으로 하는 침니 트레이.
5. 청구항 1에 있어서, 상기 배출구는 침니 횡단면의 접선 방향과 기울어지게 대향 관통된 것을 특징으로 하는 침니 트레이.
6. 청구항 1 내지 5에 있어서, 상기 다수의 침니는 격자 형상으로 배열되고, 개별 침니에 대향 형성된 배출구의 관통부를 서로 연결한 가상의 선이 인접한 타침니 상에 구비된 배출구의 관통부를 서로 연결한 가상의 선과 직교 관계에 있는 것을 특징으로 하는 침니 트레이.

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