KR20110061324A - 반응기용 급랭 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 급랭부 및 혼합부를 구비하는 반응기의 급랭존 장치에 관한 것으로, 급랭부 및 혼합부를 구비하는 급랭 장치에 있어서, 상기 급랭부는 급랭부 전 영역에 걸쳐 와류(Swirl)를 형성하도록 급랭 유체를 분사시키기 위하여 중심부로부터 방사상으로 분기된 유체 분배관이 설치되고, 바닥면에는 하나 이상의 제1 유체 배출구가 형성되며, 상기 혼합부는 상기 제1 유체배출구의 하방에 각각 위치하는 경사 배플(baffle); 상기 경사 배플이 상기 혼합부의 외벽과 내벽 사이에서 분할된 공간에 위치하도록 형성된 하나 이상의 칸막이; 및 상기 경사 배플 및 칸막이에 의하여 혼합된 유체가 배출되는 제2 유체 배출구를 구비, 또한 제2 유체 배출구에 가이드(Guide)를 달아 추가적인 와류를 형성하여, 기·액 접촉을 극대화 시키는 효과를 얻을 수 있다.
급랭부, Quench, 혼합장치, 분배장치, Quench Pipe

Description

반응기용 급랭 장치{Quenching Assembly For a Reactor}
본 발명은 반응기의 반응열을 제거하기 위한 급랭 장치에 관한 것이다.
정유 공정의 대부분의 반응은 발열반응이며, 생성되는 반응열을 제거하기 위하여 대부분 촉매층 간에 급랭 영역(quenching zone)을 구비하고 있다. 급랭 영역은 상단의 촉매층에서 내려오는 고온의 가스 및 액체가, 급랭 영역으로 주입되는 냉각 유체와 혼합되어 특정 온도 이하로 균일하게 냉각되도록 하는 역할을 한다.
일반적으로 급랭 영역은 크게 급랭 박스와 혼합 박스로 구성된다. 급랭 박스에서는 상층 촉매층에서 떨어지는 유체를 급랭 링(Quench Ring) 또는 급랭 파이프(Quench Pipe)를 이용, 급랭 유체(Quench Fluid)를 분사하여 1차적인 혼합을 통해 온도를 낮춘다.
보다 높은 효율을 위하여 상기 유체와 급랭 유체를 혼합 박스로 흘러 보낸 다음 2차 혼합을 한다. 현재 급랭 영역의 동향은 상기 급랭 유체의 체류시간을 최대한 길게 하여 유체와 접촉이 보다 많이 일어나게 하는 것이다. 이러한 것을 구현하기 위하여 와류(Swirl)를 유발하는 기구학적인 메커니즘을 이용하고 있다.
통상적인 급랭 영역 혼합 장치의 예로 미국특허 제3,353,924호, 미국특허 제3,541,000호, 미국특허 제4,669,890호 및 미국특허 제5,152,967호를 포함한다. 이들 장치들 중 일부는 그 구조가 복잡하며 막힘 현상이 빈번히 일어난다. 또한, 다른 일부는 원하는 정도로의 혼합을 위하여 상당한 공간이 요구된다. 어떠한 것들은 큰 압력 강하를 발생시킴에 따라 사용이 적합하지 않다.
따라서, 본 발명의 목적은 향상된 급랭 성능을 갖는 급랭 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 목표를 달성하기 위하여, 본 발명에서는 급랭부 및 혼합부를 구비하는 급랭 장치에 있어서, 상기 급랭부는 급랭 유체를 분사시키기 위하여 중심부로부터 방사상으로 분기된 유체 분배관이 설치되고, 바닥면에는 하나 이상의 제1 유체 배출구가 형성되며, 상기 혼합부는 상기 제1 유체배출구의 하방에 각각 위치하는 경사 배플(baffle); 상기 경사 배플이 상기 혼합부의 외벽과 내벽사이에서 분할된 공간에 위치하도록 형성된 하나 이상의 칸막이; 및 상기 경사 배플 및 칸막이에 의하여 혼합된 유체가 배출되는 제2 유체 배출구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상기 유체 분배관은 반응기 외부로부터 유체를 도입하는 유체 도입관과 연결된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상기 유체 분배관은 상기 방사상으로 분기된 형상의 유체 분배관은 일단부가 방사상의 중심부에 위치하고 타단부가 상기 중심부보다 높게 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상기 경사 배플은 상기 제1 유체배출구로부터 직하한 유체가 접촉하면서 하방으로 흐르도록 경사지게 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상기 급랭부는 바닥면에 다수의 배플이 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상대적으로 유체의 수위를 높여야 할 필요성이 있을 경우, 상기 급랭부는 하방으로 갈수록 단면적이 줄어드는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상기 혼합부는 바닥면에 다수의 배플이 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상기 하나 이상의 제1 유체 배출구는 상기 혼합부의 내벽과 외벽 사이의 공간에 위치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상기 하나 이상의 제1 유체 배출구는 상기 급랭부의 외벽과 동심원을 이루어 배치되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상기 유체 분배관은 그 길이 방향을 따라 다수의 유체 배출공이 형성된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 일구체예에서는, 상기 혼합부 내벽에 위치한 제 2유체 배출구에는 유체가 와류를 일으키게 하게 하는 가이드가 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 급랭 장치의 사용에 의하여 단일 평면이 아닌 급랭 영역의 3차원 공간 모두에서 와류를 형성할 수 있고, 혼합박스에서도 난류의 극대화를 유발하여 보다 효율적인 혼합이 이루어질 수 있다.
또한, 혼합 박스의 내부 벽면에 배출구를 형성하여 이를 통과하면서 혼합이 이루어질 수 있으며, 배출구의 원통형 홀 내부에도 가이드를 형성하여 유체가 와류 운동을 하면서 떨어지도록 하여 기·액 접촉을 극대화시킬 수 있다.
본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다.
그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명을 보다 명확히 설명한다.
기존에는 일반적으로 단순히 링 형태 또는 단일 파이프 형태의 급랭 유체 분사기가 쓰였다면 본 발명의 급랭 장치는 급랭 파이프를 이용하되 기·액 접촉시간을 늘리기 위하여 와류 효과를 구현하도록 설계하였다.
도 1에서 본 발명에 따른 급랭부를 개략적으로 도시한다.
본 발명의 급랭 장치는 급랭 유체가 도입되어, 상부의 촉매층을 통과한 반응물들과 접촉하게 되는 급랭부(31), 및 상기 급랭 유체 및 촉매층을 통과한 반응물들이 보다 더 혼합되도록 하는 혼합부(41)를 구비한다.
상기 급랭부는 급랭 유체를 분사시키기 위하여 중심부로부터 방사상으로 분 기된 유체 분배관(33)이 설치되고, 바닥면에는 하나 이상의 제1 유체 배출구가 형성된다.
상기 유체 분배관(33)은 급랭부의 중심부분에서 다수의, 바람직하게는 2개 이상의 가지로 나누어진 방사상으로 분기된 형태이다. 다시 말하면, 2개 이상의 파이프가 유체 분배관의 중심부로부터 분지되어 연장된 형태이다.
상기 유체 분배관은 상기 방사상으로 분기된 형상의 유체 분배관은 일단부가 방사상의 중심부에 위치하고 타단부가 상기 중심부보다 높게 형성된 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 분기된 유체 분배관(33)의 각 가지는 급랭부의 수평면에 대하여 특정 기울기를 가지고 상방을 향하여 연장된 형태이다. 이렇듯 본 발명의 유체 분배관(33)은 평면이 아닌 3차원 공간 전체로 연장된 형태를 지님으로 급랭부의 전체 영역에서 와류를 일으킬 수 있도록하며, 급랭 유체가 보다 오랜 시간 반응물과 접촉하여 온도를 낮추는데 용이하도록 한다.
또한, 상기 유체 분배관(33)에는 그 길이 방향을 따라 다수의 유체 분출공이 형성되어 있다. 일반적으로 유체 분배관의 일단에서만 유체의 배출이 일어나는 경우는 유체간의 접촉시간이 짧아지는 문제점이 있다. 또한, 유체 간의 접촉시간도 짧아지게 되어 혼합 성능이 떨어지고 원하는 급랭 효과를 얻기에도 적절치 않다. 따라서, 상기 유체 분배관(33)의 길이 방향을 따라 다수의 유체 분출공을 형성함으로서, 최대한 넓은 영역에서 급랭 유체를 급랭부로 도입시킴에 따라, 유체 간의 접촉 면적 및 접촉 시간을 향상시킬 수 있다. 따라서, 통상적인 경우보다 뛰어난 급 랭 효율을 얻을 수 있다.
특히, 본 발명의 급랭 장치의 급랭부 설계와 통상적인 급랭부 설계와의 차이점은, 통상적인 기술이 단일 평면에서 와류 효과를 유발하여, 제한된 영역에서만 유체 사이의 접촉이 일어나는 반면, 본 발명의 급랭 유체 도입 파이프는 다수의 가지 파이프가 일정 각도를 이루어 상방으로 연장된 형태를 이룸으로써, 급랭부의 3차원 공간 모두에서 급랭유체의 분출을 가능하게 함에 따라, 급랭부 전체에 대하여 와류를 유발할 수 있다는 장점이 있다.
또한, 상기 급랭부의 바닥면에는 다수의 배플(baffle)(34)이 설치될 수 있다. 배플의 형태는 원형, 다수의 각진 직선 형태, 등 다양할 수 있다.
또한, 상대적으로 유체의 수위를 높여야 할 필요성이 있을 경우, 상기 급랭부를 원추대 형태로 하여 유체의 수위를 상대적으로 조절할 수 있다. 이는 유체의 수위를 조절하고자 할 때, 즉 유량이 상대적으로 적어서 수위를 원하는 정도로 높일 수 없는 경우, 상기 급랭부를 아래로 갈수록 단면적이 줄어드는 형태로 형성하게 되면, 적은 유량인 경우에도 원하는 만큼으로 수위를 높일 수 있게된다. 상기에서 설명을 위하여 원추대라는 문구를 사용하였으나, 하방으로 갈수록 단면적이 줄어드는 형태의 급랭부 모양이라면 어느 것이라도 상관없다.
본 발명의 일구체예에서는 급랭부의 바닥면에서의 배플(34)의 배치는 상기 제1 유체 배출구와 상기 급랭부의 외벽(36) 사이에 위치되고 두개 이상의 배플이 일정한 간격을 두고 제1 유체 배출구를 감싸는 형태일 수 있다.
또한, 상기 배플은 반응물 및 유체의 흐름을 방해하는 방향으로 설치되는 것이 바람직하다. 이는 급랭 유체 및 반응물의 혼합이 보다 잘 일어나도록 하기 위함이다.
도 2에서 본 발명에 따른 혼합부를 개략적으로 도시한다. 상기 도면을 참고하면, 본 발명에 따른 급랭 장치에서, 혼합부는 상기 제1 유체배출구의 하방에 각각 위치하는 경사 배플(baffle); 상기 경사 배플이 상기 혼합부의 외벽과 내벽사이에서 분할된 공간에 위치하도록 형성된 하나 이상의 칸막이; 및 상기 경사 배플 및 칸막이에 의하여 혼합된 유체가 배출되는 제2 유체 배출구를 구비하는 것을 특징으로 한다.
통상적으로 혼합부는 박스형태로서 단일 원형 실린더 타입이다. 여기서도 원형의 실린더 형태의 혼합부에 대하여 설명하나, 본 발명이 이에 제한되는 것은 아니다.
통상적인 혼합부는 상부의 급랭부에서 떨어지는 유체가 도입되는 유체 도입부와, 박스 안을 채우고 있는 급랭 유체가 혼합되도록 상기 유체 도입부와 마주하는 방향으로 유체 배출구를 배치한 것처럼 설계되어 있는 형태이다. 이러한 통상적인 혼합박스는 형상이 단순하다는 장점은 있으나 효율성 측면에서는 Well-Mixing이 일어나고 있다고 보장할 수만은 없다.
따라서 혼합의 효율성을 높이기 위하여 본 발명의 혼합부는, 하나의 혼합부를 다수의 구역, 바람직하게는 2개 이상의 구역, 보다 바람직하게는 6개의 구분된 구역으로 분할된다. 이러한 구역 분할을 위하여 상기 혼합부의 내부에는 칸막 이(42)가 형성되어 있다.
또한, 상기 혼합부의 구분된 구역마다, 도입된 유체의 난류 발생을 일으키기 위하여, 바닥면에 배플(미도시)이 형성될 수 있다. 이러한 배플은 상기 혼합존의 바닥면에서 일정 높이를 가지고 형성되며, 수직한 형태로 이루어진 얇은 판상이다. 상기 배플은 일정 각도를 이루어 꺽여질 수 있고, 둥근 형태를 가질 수도 있다.
상기 혼합부의 상기 경사 배플은 상기 제1 유체배출구로부터 직하한 유체가 접촉하면서 하방으로 흐르도록 경사지게 설치된 것을 특징으로 한다.
다시 말하면, 상기와 같은 바닥면에 소정의 높이를 가진 배플과 함께 또는 단독으로, 상기 혼합존은 상기 급랭부의 제1 유체 배출구(35) 하부 방향으로 상기 혼합부의 바닥면과 소정의 각을 이루어 형성된 다수의 경사 배플(baffle)(43)을 구비할 수 있다.
즉, 도입된 유체의 난류성의 극대화 유발을 위하여 미끄럼틀과 같은 배플(baffle)을 달아 상기 급랭부로부터 도입되는 유체가 이를 타고 내려와서 혼합박스의 벽면에 부딪혀 Well-Mixing을 유발하도록 설계하였다.
이러한 경사 배플은 상기 급랭부(31)의 제1 유체 배출구(35) 각각의 하부에 위치하여, 유체가 도입시 미끄러짐을 유발토록 하였다.
뿐만 아니라, 상기 혼합박스는 상기 급랭부의 제1 유체 배출구(35)의 하부마다 구분된 각각의 구역이 형성되고, 각각의 경사배플(43)을 갖는 형태일 수 있다. 이러한 경우, 상기 급랭부에서 각각의 제1 유체 배출구(35)를 통하여 상기 혼합부로 유체가 배출된다.
상기 혼합부로 도입된 유체는 각각의 제1 유체 배출구(35) 하부에 형성된 경사 배플(43)을 따라 미끄러져 난류를 일으키게되고, 상기 혼합존의 각각의 구분된 구역에서 칸막이(42), 외벽(48), 및 배플 등에 부딪히면서 추가적인 혼합을 일으키게 되어 혼합성능의 향상을 가져온다.
상기 혼합부의 내벽(44)에는 혼합된 유체가 반응기의 추가적인 반응 또는 반응물의 배출이 이루어지도록 유체를 아래로 배출시키기 위한 제2 배출구(45)가 형성된다. 이러한 내벽(44)에 형성된 제2 배출구(45)를 통하여 상기 혼합된 유체는 하부로 배출되게 되는데 동심원 형태의 원통형 홀(47)을 통하여 추가적인 혼합이 일어날 수 있다.
배출구를 내부벽면에 뚫어 이를 지나면서 혼합이 일어나게 하였다.
상기 내벽(44)에 의하여 정의된 가운데 원통형 홀(47)로 떨어질 때에도 가이드(Guide)(46)를 형성하여 유체가 와류 운동을 하면서 떨어지게 하므로써, 기·액접촉을 극대화 하도록 하였다. 따라서, 이러한 가이드(46)에 의하여 보다 더 우수한 혼합 능력을 가질 수 있다.
도 3 및 도 4는 각각 본 발명에 따른 급랭 장치가 적용된 반응기, 및 본 발명에 따른 급랭 장치가 적용된 반응기의 일단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
상기 도면에서도 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 급랭장치에 의하여, 반응기의 상부로부터 본 발명의 급랭부로 도입되는 반응물은 경사진 유체 분배관(33)에서 분출되는 급랭 유체와 급랭부의 전체 부분에서 접촉될 수 있다.
또한, 제1 유체 배출구(35)를 통하여 상기 혼합부(41)로 급랭 유체 및 반응물이 도입되면, 경사배플(43)에 의하여 미끄러져 내려오면서 와류 등이 유발되어 추가적인 혼합이 이루어지는 등의 효과를 얻을 수 있는 것이다.
도 5에서는 본 발명의 급랭부가 상기 설명된 바와 같이 원추대 형태인 것이 도시되어 있다.
도 5에서 상기 급랭부(51)는 두개 이상의 급랭유체 분배관(53), 급랭 유체 도입관(52), 두개 이상의 배플(54), 및 하나 이상의 제1 유체 배출부(55)를 구비한 것은 상기 설명된 본 발명의 급랭부와 동일하다. 다만, 급랭부의 외벽(56)이 상기 설명된 급랭부와는 다르게 하방으로 갈수록 그 단면적이 줄어드는 형태를 갖는다.
이러한 형상으로 급랭부가 디자인되어 있어, 상대적으로 유체의 수위를 높여야 할 필요성이 있을 경우에 유량이 상대적으로 적은 경우라도 유체의 수위를 상대적으로 조절할 수 있는 장점이 있다.
상기에서 설명을 위하여 원추대라는 문구를 사용하였으나, 하방으로 갈수록 단면적이 줄어드는 형태의 급랭부 모양이라면 어느 것이라도 상관없다.
또한, 상기 급랭부(51)의 하부에는 혼합부(61)가 위치한다. 상기 혼합부(61)은 앞서 언급된 본 발명의 혼합부와 동일한 형태이다. 즉, 상기 급랭부(51)에서 일차적으로 급랭 유체와 혼합된 유체가 제1 유체 배출부(55)를 통하여 혼합부(61)로 도입되고, 도입된 유체는 경사배플(63)에 의하여 미끄려져 각각의 분할된 영역에서 추가적으로 혼합된다. 하나 이상의 분할된 영역은 칸막이(62)에 의하여 나뉘어져 있다. 각각의 나뉘어진 영역에서 혼합된 유체는 혼합부의 외벽(68)과 동심원을 이루는 내벽(64)에 형성된 하나 이상의 제2 유체 배출부(65)를 통하여 배출된다. 이 때, 원통형 홀(67)에 가이드(66)가 형성될 수 있다. 상기 가이드(66)는 제2 유체 배출부(65)를 통하여 배출된 유체가 와류를 형성하도록 하여 추가적으로 혼합될 수 있게 하여, 본 발명의 급랭 장치가 보다 뛰어난 혼합 성능을 가질 수 있게 한다.
한편 본 발명은 기재된 설명에 의하여 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형을 할 수 있음은 이 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들 역시 본 발명의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 급랭부를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 혼합부를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 급랭 장치가 적용된 반응기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 급랭 장치가 적용된 반응기의 일단면도를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명에 따른 원추형 급랭부가 적용된 급랭 장치를 개략적으로 나타낸 것이다.
※도면 주요 부분의 부호의 설명
31, 51 급랭부 32, 52 유체 도입 파이프
33, 53 유체 분배관 34, 54 급랭부 배플
35, 55 제1 유체 배출구 36, 56 급랭부 외벽
41, 61 혼합부 42, 62 칸막이
43, 63 경사 배플 44, 64 혼합부 내벽
45, 65 제2 유체 배출구 46, 66 가이드
47, 67 원통형 홀 48, 68 혼합부 외벽

Claims (12)

  1. 급랭부 및 혼합부를 구비하는 급랭 장치에 있어서,
    상기 급랭부는 급랭 유체를 분사시키기 위하여 중심부로부터 방사상으로 분기된 유체 분배관이 설치되고, 바닥면에는 하나 이상의 제1 유체 배출구가 형성되며,
    상기 혼합부는 상기 제1 유체배출구의 하방에 각각 위치하는 경사 배플(baffle); 상기 경사 배플이 상기 혼합부의 외벽과 내벽사이에서 분할된 공간에 위치하도록 형성된 하나 이상의 칸막이; 및 상기 경사 배플 및 칸막이에 의하여 혼합된 유체가 배출되는 제2 유체 배출구를 구비하는 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 유체 분배관은 반응기 외부로부터 유체를 도입하는 유체 도입관과 연결된 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  3. 청구항 1에 있어서, 상기 유체 분배관은 상기 방사상으로 분기된 형상의 유체 분배관은 일단부가 방사상의 중심부에 위치하고 타단부가 상기 중심부보다 높게 형성된 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  4. 청구항 1에 있어서, 상기 경사 배플은 상기 제1 유체배출구로부터 직하한 유체가 접촉하면서 하방으로 흐르도록 경사지게 설치된 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  5. 청구항 1에 있어서, 상기 유체 분배관은 2개 이상의 가지로 분기된 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  6. 청구항 1에 있어서, 상기 급랭부는 바닥면에 다수의 배플이 설치된 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  7. 청구항 1에 있어서, 상기 혼합부는 바닥면에 다수의 배플이 설치된 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  8. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 제1 유체 배출구는 상기 혼합부의 내벽과 외벽 사이의 공간에 위치되는 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  9. 청구항 1에 있어서, 상기 하나 이상의 제1 유체 배출구는 상기 급랭부의 외벽과 동심원을 이루어 배치되는 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  10. 청구항 1에 있어서, 상기 유체 분배관은 그 길이 방향을 따라 다수의 유체 배출공이 형성된 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  11. 청구항 1에 있어서, 상기 급랭부는 하방으로 갈수록 단면적이 줄어드는 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
  12. 청구항 1에 있어서, 상기 혼합부 내벽에 위치한 제 2유체 배출구에는 유체가 와류를 일으키게 하게 하는 가이드가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 급랭 장치.
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