KR20110031270A - 유동층 증착 반응기로부터 과립상 및 미세 물질의 상부 제거를 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

유동층 증착 반응기로부터 과립상 물질의 상부 제거를 위한 장치 및 방법이 개시되어 있다. 반응기 상부로부터의 생성물의 제거는 분리 높이를 감소시킬 수 있고 층의 중량과 높이를 증가시키는 증착에도 불구하고 층 높이를 제어하는 패시브 수단을 제공한다. 분리 높이를 감소시키는 절약은 보다 짧은 전체 반응기 길이에서 보다 큰 유동층을 사용하게 하여, 반응기 비용을 감소시키면서 생산을 증가시킨다. 생성물 출구로부터 가스 입구의 분리는 가스 입구 영역이 생성물 출구보다 더 냉각되게 한다. 생성물 출구로부터 입구 가스에 의해 야기되는 생성물 연마의 분리는 생성물에서 시드의 손실을 감소시켜 보다 균일한 생성물을 생성한다. 동일한 장소에서 고온의 생성물과 고온의 가스의 제거는 단일의 단계에서 양자로부터 에너지를 회수하게 한다.

Description

유동층 증착 반응기로부터 과립상 및 미세 물질의 상부 제거를 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TOP REMOVAL OF GRANULAR AND FINE MATERIAL FROM A FLUIDIZED BED DEPOSITION REACTOR}

본 발명은 증착 반응기 분야에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 유동층 증착 반응기로부터 과립상 물질의 상부 제거를 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

유동층 반응기는 유동층이 통상 미세하게 분할된 가치가 큰 촉매로 이루어지는 화학 산업에서 전통이 오래되었는데, 상기 촉매로 인해 반응기를 촉매 손실을 방지하도록 설계해야 한다. 따라서, 유동층 표면 위에 큰 분리 높이를 필요로 하고 미세한 먼지를 포획하여 유동층으로 복귀시키도록 사이클론을 이용하는 실시가 개발되었다. 중력에 의해 가라앉게 되는 모든 입자가 가라앉은 높이를 추산하도록 전체 분리 높이, 즉 TDH(total disengaging height)라 부르는 개념이 개발되었다. 내부의 사이클론은 보다 미세한 먼지를 포획하여 유동층으로 복귀시키도록 상기 전체 분리 높이에 제공되었다. 촉매가 제거될 때마다, 촉매는 중력에 의해 바닥으로부터 제거되었다. 희박상(dilute phase)이라 부르는 다른 반응기 또는 운반 반응기는 모든 고형체를 반응기를 통해 상방으로 그리고 상부 밖으로 동반하지만, 이들 반응기는 인지 가능한 층을 구비하지 못했다. 이들 가스-고형체 반응기 개념이 가스가 층 미립자들을 성장시키도록 도입되는 증착 반응기의 설계에 적용된 경우에, 희박상 반응기는 주로 바람직스럽지 못한 미세한 먼지를 생성한다는 주요한 문제를 갖고 있다. 따라서, 증착 반응기의 대부분은 유동층이 되었고, 그래서 큰 분리 높이와 바닥의 고형체 출구를 갖는 유동층의 기본적인 설계가 사용되었다. 내부 사이클론의 사상은 사이클론 외측에서의 증착과 사이클론 출구를 폐색하는 일 없이 미립자를 재도입시키는 문제 때문에 좀처럼 사용되지 않았다. 일부 미세 먼지가 항상 만들어지기 때문에, 대부분의 증착 반응기는 먼지를 포획하고 사용되는 장비에 대한 손상을 방지하여 유출 가스를 회수하도록 외부의 사이클론 또는 필터를 구비한다. 따라서, 역사상의 방안은 바닥으로부터 생성물을 제거하고 생성물 손실을 최소화하기 위해 큰 분리 높이를 제공하며 외부의 먼지 제거를 이용하였다. 증착 반응기는 고순도 실리콘 증착에서 주로 사용되고, 미국 특허 제6,451,277호의 도 1b에서 Lord는 층의 상부 근처에서 비드를 제거한 다음 비드를 가열하여 층으로 복귀시키는 층 가열 방법을 기술하고 있다. 생성물(3)은 여전히 바닥으로부터 제거된다는 것을 유념해야 한다. 상기 특허에서, 이 층 가열 방법은 비드가 바닥으로부터 중력에 의해 제거된 다음에 재가열되고 펄스식 모드로 층에 복귀되는 바람직한 선택을 위하여 거절되었다. 미국 특허 제6,827,786호에서 Lord는 반응기의 측면을 따라 추가적인 가스 주입 지점을 사용하여 추가적인 실리콘을 생성하도록 층 높이가 증가된 이점을 갖는 다단계 증착 반응기를 상세하게 설명하고 있다. 이 설계에서, 연마에 의한 시드 발생은 외부 노즐 때문에 반응기를 따라 확산되고 일부 증착이 입구로부터 더 발생하지만, 대부분의 연마와 증착은 고형체 생성물이 제거되는 바닥에서 발생한다. Lord는 컬럼 3, 라인 25에서 생성물을 완전히 결정화하고 비드를 탈수소하기 위해 약간의 체류 시간과 온도를 필요로 하는 "드비어스(De Beers)" 종이를 논의하고 있다. Lord는 이 종이를 고온이고 체류 시간이 짧은 펄스식 비드 히터에서 논의하고 있다. Lord 및 그의 많은 인용 문헌은 유출 가스로부터의 에너지 회수를 논의하지 않고 있지만, Lord는 미국 특허 제5,798,137호와 제6,451,277호에서 유입 가스를 가열하도록 유출 생성물으로부터의 열을 이용하는 것을 논의하고 있다.

종래 기술의 주요 단점은 바닥 출구의 고유의 유동층 설계와 큰 분리 공간과 저온의 증착 가스를 도입함으로써 야기되는 고유의 상반되는 요구를 허용하는 것에 있는데, 이는 또한 고온의 생성물이 제거되는 지점과 동일한 지점에서 연마에 의한 시드 발생의 벌크를 제공한다. 여러 특허들에서 Lord는 가스 주입을 확산시킴으로써 열 및 시드 발생 문제를 처리하려고 하지만, 층을 완전히 유동화하기에 충분한 가스가 바닥에서 주입되어야 하기 때문에 이 방식으로 달성될 수 있는 것에는 한계가 있다. 필요한 결정화를 제공하기 위해서는 불가피하게 바닥의 온도가 800℃를 초과하게 유지되어야 하는데, 일부 시드가 생성물에 대해 유지될 수 없어 생성물이 파괴된 "시드 비드"에 의해 다시 오염된다. 고온과 높은 증착 가스 농도의 조합은 급속한 반응, 벽 증착의 증가, 응집 위험의 증가 및 폐색의 원인이 된다.

이 다단계 설계 방안은 또한 높은 반응기의 원인이 되고, 가격이 비싸며 제조는 단계들의 개수를 제한하고, 이에 따라 소정 직경의 반응기의 생산 용량을 제한하는 그러한 반응기용의 고순도 라이너를 제조하게 된다. 또한, 층 높이를 측정하고 적절한 양의 비드를 층으로부터 제거하도록 밸브를 개방시키고 퍼지 유동을 변동시킴으로써 층이 성장할 때에 층의 일부를 제거함으로써 교정 조치를 취하는 것이 필요하다. 에러나 고착된 밸브는 층이 너무 높거나 너무 낮은 상황의 원인이 될 수 있다. 이들 상태는 모두 바람직하지 못한 업셋이다.

본 발명의 주목적은 큰 생산성을 갖는 짧은 반응기를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 높이 제어의 패시브 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 보다 우수한 품질의 제품을 제공하는 것이다.

본 발명의 추가 목적은 반응기의 바닥에서 높은 온도의 필요성을 감소시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 폐색 위험을 감소시키는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 벽 증착 두께를 감소시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 생성물 제거 시스템에서 압력을 감소시키는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 에너지를 회수하는 것이다.

본 발명의 다른 목적 및 이점은 예시 및 일례로서 본 발명의 실시예가 기술된 첨부 도면과 함께 취한 이하의 설명으로부터 명백할 것이다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따르면, 유출 가스와 함께 반응기의 상부로부터 생성물의 제거와, 유출 가스로부터 과립상 생성물의 분리와, 생성물과 가스와 선택적인 추가의 먼지로부터의 동시적인 열 회수와, 열 회수를 포함하는, 유동층 증착 반응기로부터 과립상 물질의 상부 제거를 위한 장치 및 방법이 개시된다.

이 구성의 기술적인 이점은 패시브 높이 제어, 감소된 분리 높이, 보다 짧은 반응기 내에서 보다 큰 유동층, 생성물 출구로부터 가스 입구의 분리, 생성물 출구로부터 생성물 연마의 분리 및 소정의 반응기 직경에 대해 보다 낮은 자본과 작동 비용, 보다 우수한 품질의 생성물 및 보다 많은 처리량에 이를 수 있는 에너지 회수이다.

도면은 본 명세서의 일부를 구성하고 다양한 형태로 구현될 수 있는 본 발명의 모범적인 실시예를 포함한다. 몇몇의 경우에 본 발명의 다양한 양태는 본 발명의 이해를 용이하게 하기 위하여 과장되거나 확대된 상태로 도시될 수 있다는 것을 알아야 한다.
도 1은 바닥 제거와 큰 분리 공간을 갖는 종래 기술의 유동층 증착 반응기의 작동을 도시하는 개략도.
도 2a는 본 발명의 이점을 보여주도록 변경된 도 1과 동일한 개략도.
도 2b는 과립상 미립자 제거 메카니즘을 보여주는 반응기 상부의 상세도.
도 3은 열 회수가 통합된 생성물 분리기의 개략도.

여기서는 바람직한 실시예의 상세한 설명이 제공된다. 그러나, 본 발명은 다양한 형태로 구현될 수 있다는 것을 알아야 한다. 따라서, 여기에 개시된 구체적인 상세 내용은 제한으로서 해석되지 않고, 오히려 청구범위의 기초로서 그리고 실질적으로 임의의 적절하게 상세한 시스템, 구조 또는 방식에 본 발명을 채용하도록 당업자들에게 교시하기 위한 대표적인 기초로서 해석되어야 한다.

먼저 도 1을 참조하면, 소정 높이(144)의 오염물 용기 또는 라이너(111)와, 가스 도입 수단(112)과, 선택적인 가스 분배 수단(113)과, 바닥의 생성물 제거 수단(114)과, 층 가열 수단(115)과, 가스/먼지 혼합물 출구(116)와, 연결 수단(127)과, 먼지/가스 분리 수단(117)과, 먼지 제거 수단(118)과, 가스 출구(119)를 구비하는 통상적인 유동층 증착 반응기의 개략도가 도시되어 있다. 오염물 용기(111)는 가스 기포(121)에 의해 유동화되는 과립상층(120)을 둘러싸고, 평균 상부 높이(122)를 갖는데, 이 평균 상부 높이 위에는 층 위로 분출된 생성물 과립상(123)이 층 내의 임의의 충격으로부터 상승될 때에 원호를 그린 다음 감소된 분리 공간(124)에서 중력 하에 떨어지는 반면, 동반된 작은 먼지 미립자(125)는 계속 상방으로 분출되어 유출 가스(126)와 함께 가스/먼지 혼합물 출구(116)와 연결 수단(127)를 통해 배출된 다음 먼지/가스 분리 수단(117)에 진입하고, 대부분의 먼지(125)는 가스(126)로부터 제거된 다음 최종적으로 먼지 제거 수단(118)을 매개로 시스템에서 배출되는 반면, 가스(126)와 잔류 먼지는 출구(119)를 매개로 배출된다. 차압 미터(128)는 바닥의 생성물 제거 수단(114)과 가스 출구(119) 간의 압력차를 측정한다. 이 측정은 과립상층(120)의 높이(122)를 나타낸다. 바닥의 제거 수단(114)은 생성물 과립상(123)이 과립상층(120)으로 복귀되어 바닥의 생성물 제거 수단(114)에 의해 제거되도록 상부 높이(122)를 제어하여 분리 공간(124)을 유지하도록 사용된다. 이것은 매우 일반적인 개략도이고 특허 문헌들은 이들 요건을 충족시키도록 제안된 다양한 방법 및 장치들을 자세히 기술하고 있다. 2개 이상의 가스 입구를 구비하여 가스 분배 메카니즘을 피할 수 있다. 가열 수단은 많은 여러 종류의 것일 수 있고, 먼지 제거는 도시된 사이클론에 의해, 필터에 의해 또는 다른 가스 세정 장치에 의해 행해질 수 있다.

본 발명에 따르면, 도 2a는 도 1과 유사하지만, 유출 가스가 가스/먼지 분리 수단(217)에 진입하기 전에 삽입되는 가스/과립상 분리 수단(230)을 매개로 상부로부터 과립상 생성물을 제거하도록 변경된 개략도를 도시하고 있다. 추가의 변경은 층 높이 제어를 위해서는 필요하지 않은 도 1에 도시된 차압 트랜스미터(128)의 제거이다. 따라서, 본 발명은 소정 높이(244)의 오염물 용기 또는 라이너(211)와, 가스 도입 수단(212)과, 선택적인 가스 분배 수단(213)과, 선택적인 바닥의 생성물 제거 수단(214)과, 층 가열 수단(215)과, 가스/먼지/과립상 혼합물 출구(216)와, 제1 연결 수단(241)과, 과립상 제거 수단(231)을 갖춘 먼지/과립상 분리 수단(230)과, 선택적인 열 회수 수단(242)과, 추가의 연결 수단(229)과, 가스/먼지 분리 수단(217)과, 추가의 선택적인 열 회수 수단(243)과, 먼지 제거 수단(218)과, 가스 출구(219)를 구비한다. 오염물 용기(211)는 가스 기포(221)와 슬러그(240)에 의해 유동화된 과립상층(220)을 둘러싸고, 평균 상부 높이(222)를 가지며, 이 평균 상부 높이 위에서 층 위로 분출된 일부 과립상(223)은 층 내에서 임의의 충격으로부터 상승될 때에 원호를 그리고 감소된 분리 공간(224)에서 중력 하에 떨어지며, 일부의 과립상(236) 및 동반된 먼지 미립자(225)는 상방으로 계속 분출되어 유출 가스(233)와 함께 가스/먼지/과립상 혼합물 출구(216)와 연결 수단(241)을 통해 가스/과립상 분리 수단(230) 내로 배출되고, 이 가스/과립상 분리 수단에서 과립상은 과립상 제거 수단(231)을 매개로 제거된다. 잔류하는 가스와 먼지는 가스/먼지 상부 출구 튜브(229)를 통해 배출된 다음 가스/먼지 분리 수단(217)에 진입하고, 여기서 대부분의 먼지(225)가 가스(233)로부터 제거되고 최종적으로 먼지 제거 수단(218)을 매개로 시스템으로부터 배출되는 반면, 가스(233)와 잔류 먼지는 출구(219)를 매개로 배출된다.

큰 과립상의 제거를 달성하기 위하여, 평균 상부 높이(222)는 가스/먼지/과립상 혼합물 출구(216)에 매우 가깝고, 그 결과 층 위로 분출된 생성물 과립상(236)의 일부는 상승할 때에 원호를 그리지 않고 분리 공간(224)에서 중력 하에 떨어지지만, 동반된 먼지(225)와 함께 계속 분출되어 가스/먼지/과립상 혼합물 출구(216)를 빠져나간다. 평균 층 높이(222)가 출구(216)에 더 가깝기 때문에, 도 1에 도시된 종래 기술에 비해 층 높이(222)가 더 높고/높거나 전체 높이(244)가 더 짧을 수 있다.

도 2b를 참조하면, 생성물 과립상(236)이 가스 출구(216) 밖으로 운반되게 하는 다양한 메카니즘의 상세도가 도시되어 있다. 기본적인 메카니즘은 층(222)의 상부로부터 생성물 과립상(236)의 임의의 분출과 가스/먼지/과립상 출구(216) 밖으로 이들 과립상의 공기 운반이다. 또한, 층 높이는 가스 슬러그(240)의 형성으로 인해 상하로 흔들리고, 이는 층의 일부가 터져서 층 높이가 낮은 높이(234)까지 물러날 때까지 높은 높이(232)까지 층의 일부를 상승시킨다. 또한, 층은 층이 잠시 동안 출구 위에 있는 과도하게 큰 높이(235)에 도달할 수 있다. 출구 튜브(241)는 출구(216)에 도시된 바와 같이 90°로 부착되거나 수평 위로 또는 아래로 경사질 수 있다. 선택된 각도는 출구 튜브(214)에서의 가스 속도를 이용하여 표준 공기 운반 계산의 적용에 의해 결정될 수 있다.

이제, 도 3을 참조하면, 열 회수 시스템(301)이 통합되어 있고 고온 및 고순도 용례에 적절한 생성물 분리기(330)의 보다 상세한 도면이 도시되어 있다. 가스/먼지/과립상 혼합물(333)은 입구(357)를 통해 생성물 분리기(330)에 진입하고 관통부(358)를 매개로 열 회수 시스템(301)으로 나아가고, 이어서 가스와 먼지(356)는 상부로 분리되어 출구 튜브(329)를 매개로 배출되는 반면, 과립상(336)은 바닥의 출구(331)로 분리되어 퍼지 스트림(359)에 의해 유동화되고, 필요에 따라 취출된다.

열 회수 시스템(301)은 컨테이너(351) 내에 수용된 열 전달 유체(360)로 구성되는데, 컨테이너는 생성물 분리기의 벽으로부터 열(350)을 포획하도록 형성되고 열 전달 유체(360)를 위한 입구(354)와 출구(355)를 구비한다. 컨테이너는 물 또는 고온의 오일 등의 다양한 열 전달 유체를 사용할 수 있다. 컨테이너는 열 회수가 고온에서 가능하도록 압력 용기로 되는 것이 일반적으로 유리하다. 열은 벽으로부터 컨테이너로 복사, 전도 또는 대류에 의해 전달될 수 있고, 널리 알려진 열 전달 기법이 가스 및 고형체로부터 벽으로의 열 전달을 향상시키도록 사용될 수 있다. 유사하게, 널리 알려진 가스-고형체 제거 기법, 예컨대 사이클론 또는 필터가 가스-고형체 분리를 향상시키도록 사용될 수 있다.

특히 유리한 구성에 있어서, 열은 생성물 분리기의 고온 표면으로부터 압축된 컨테이너로의 복사에 의해 전달되는데, 컨테이너는 입구(354)와 스트림(353)을 통해 유입되어 출구(355)를 통해 배출되는 물(352)을 갖는다.

도 2를 이용한 일례는 다음과 같다. 컨테이너의 직경은 300 mm이고, 라이너(244)의 전체 높이는 7 m이며, 평균 층 높이(222)는 6 m이고, 높은 높이는 약 6.6 m이며 낮은 높이는 약 5.4 m이다. 컨테이너 상부에서의 가스 표면 속도는 4.7 ft/s(1.4 m/s)이다. 과립상의 평균 미립자 크기는 1 mm이고 종단 속도는 21.8 ft/s(6.56 m/s)이다. 따라서, 미립자 종단 속도는 가스 표면 속도의 4배이다. 이는 과립상을 반응기 밖으로 운반하기 위해서는, 층 바로 위의 영역에서의 국부 속도가 평균보다 4배 높은 국부 급상승을 가져야 한다는 것을 의미한다. 이 크기의 속도 급상승은 층 위의 약 20 cm에서 층의 상부에 가깝게 발생한다. 슬러그(240)는 약 1.2 m의 최대 길이를 갖고, 이에 따라 슬러그의 주기적인 성장 및 폭발은 낮은 높이와 높은 높이 사이에 1.2 m의 높이 변동을 제공한다. 슬러그가 폭발함에 따라, 반응기 밖으로 동반되는 과립상 미립자를 가속시킨다. 따라서, 과립상 제거는 슬러그(240)의 펄싱(pulsing)에 의해 변동된다.

대조적으로, 6 m의 평균 층 높이(122)를 갖는 유사한 작동 상태 하의 도 1의 경우에, 종래 기술 하에서 일반적으로 필요한 분리 공간을 허용하기 위해서는 전체 높이가 10 m가 된다.

반응기의 바닥에서의 과립상과 가스는 700℃이고, 이어서 가열되어 스트림(233)으로서 800℃의 온도로 출구(216)를 매개로 반응기에서 배출된다. 과립상과 가스는 가스와 고형체를 용기의 벽으로 가압하여 가스 대 벽의 열 전달을 향상시키는 접선 방향 입구를 통해 사이클론식 생성물 분리기(230)에 진입한다. 사이클론의 직경은 10 in(250 mm)이고 길이는 6 ft(1.8 m)이다. 이는 열 전달에 충분한 표면적을 제공하도록 고형체 제거만을 위해 필요한 것보다 길다. 가스와 과립상 양자는 600℃에서 배출된다. 먼지/가스 분리기(217)는 유사한 크기이지만 온도차의 감소 때문에 단지 약 절반의 열을 제거한다. 이어서, 가스와 먼지는 먼지/가스 분리기로부터 500℃에서 배출된다. 양자의 열 회수 시스템은 다양한 목적을 위한 설비에 유용하고 이에 따라 항상 수요가 있는 표준 효용인 150 psig 증기로서 열을 회수한다.

본 발명을 바람직한 실시예와 함께 설명하였지만, 본 발명의 범위를 기재된 특정한 형태로 제한하려는 의도는 없고 오히려 첨부된 청구범위에 의해 한정되는 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함될 수 있는 그러한 변경, 수정 및 등가물을 포함하도록 의도된다.

Claims (5)

1. 유동층 증착 반응기로부터 과립상 물질의 상부 제거를 위한 작동 방법 및 장치로서,
   바닥에 또는 바닥 근처에 있는 하나 이상의 가스 입구와 상부에 또는 상부 근처에 있는 하나 이상의 가스 및 고형체 출구를 갖는 설정 높이의 컨테이너와,
   유동화되고 가스 유동에 의해 증착되는 가변 높이의 과립상 미립자층과,
   가스/과립상 생성물 분리 수단과,
   과립상 미립자층의 높이가 안정적인 높이에 도달할 때까지 증가하도록 허용되는 작동 방법
   을 포함하는 작동 방법 및 장치.
2. 과립상 생성물을 분리하면서 열을 회수하기 위한 장치로서,
   하나 이상의 생성물 분리 수단과 하나 이상의 열 회수 수단을 구비하는 장치.
3. 제1항에 있어서, 하나 이상의 과립상 생성물 제거 수단이 바닥에 마련되는 것인 장치.
4. 제2항에 있어서, 열 회수 수단 중 하나 이상이 주로 열 회수 보일러에 대한 복사에 의한 것인 장치.
5. 제2항에 있어서, 상이한 평균 미립자 크기의 2개 이상의 생성물 스트림을 제공하도록 2개 이상의 분리 수단이 사용되는 것인 장치.
   

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