KR20140101496A - 트레이 어셈블리 및 이를 포함하는 증류탑 - Google Patents

트레이 어셈블리 및 이를 포함하는 증류탑 Download PDF

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Abstract

본 발명은 증류탑 내부에 증류탑의 수평 단면 형상으로 마련되며 판면을 관통하여 기체가 상승하는 복수의 홀이 형성되는 다공판; 및 다공판의 판면을 관통하여 설치되며 다공판 상면에 일정 높이로 돌출되어 다공판의 상면에 흐르는 액체가 일정 높이를 초과하면 다공판의 하부로 하강하는 통로를 제공하는 복수의 파이프 유닛을 포함하는 증류탑 트레이 어셈블리를 제공하여, 다운커머의 역할을 다공판과 파이프 유닛이 대신하도록 함으로써 기체와 액체의 접촉면적이 증가되어 공정 처리량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

트레이 어셈블리 및 이를 포함하는 증류탑{Tray Assembly and Distillation Tower comprising the same}
본 발명은 트레이 어셈블리 및 이를 포함하는 증류탑에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 증류탑의 처리량을 증대시키기 위한 증류탑 내부의 트레이 어셈블리에 관한 것이다.
화학공정에서 비점이 다른 혼합물을 분리할 목적으로 사용하는 기체와 액체의 접촉장치로 충진탑(Packed Tower)과 다단탑(Tray tower)을 들 수 있는 데 이와 같은 분류는 기체와 액체를 접촉시키기 위해 탑 내부에 설치되는 구조물의 형태에 따른다.
다단탑은 탑 내에 여러 개의 트레이(Tray, 또는 단)를 설치하여, 하단에서 상승하는 기체(Vapor, 또는 Gas)와 상단에서 하강하는 액체(Liquid)가 트레이에서 서로 접촉하여 열 및 물질전달이 진행되도록 한다.
충진탑(Packed Tower)은, 탑 내에 충진물을 가득 채워 탑 상부에서 충진물 표면을 따라 고르게 흘러내리면서 하부에서 충진물과 충진물 사이의 공간을 통해 상승하는 기체와 연속적으로 접촉하면서 열 및 물질전달이 진행되도록 한다.
다단탑은, 트레이(Tray)에서만 기체와 액체가 접촉하는 불연속적인 형태인 반면, 충진탑은 충진물이 채워진 공간 전체에서 기체와 액체가 연속적으로 접촉하는 형태를 가지고 있다는 점에서 다르다.
이러한 이유로, 하나의 증류탑 내에 다단탑과 충진탑을 혼합하여 사용하고자 하는 경우, 구간을 분리하여 사용하는 것이 일반적이다.
도 1은 종래 증류탑을 내부 구조를 간략히 나타낸 축방향 단면도이고, 도 2는 도 1의 반경 방향 단면도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 가장 기본적인 형태의 트레이인 다공판(Sieve Tray)으로 구성된 다단탑에서 기체와 액체가 접촉하여 열 및 물질전달이 일어나는 과정을 설명한다.
상단(n-1번째 단, 101a)의 액체(Ln -1)는, 위어(weir, 103a)를 넘쳐흘러 n-1번째 단과 n번째 단에 걸쳐 수직으로 설치된 다운커머(downcomer, 102)로 유입된 후, n번째 단의 다공판(101b) 위를 수평으로 흘러 n번째 단의 위어(weir, 103b)를 넘쳐흘러 하단(n+1번째 단)으로 내려간다.
액체가 다공판 위를 수평으로 흐르는 동안, 하단(n+1번째 단)에서 n번째 단의 다공판(101b)에 설치된 여러 개의 홀(Hole, 104)을 통해 상승하는 기체 (Vn+1)와 접촉하면서 열 및 물질전달이 일어난다.
도 1에서, V 또는 L의 하첨자는 기체, 또는 액체가 떠나는 단의 숫자를 의미하며, 어두운 영역은 액체가 차치하는 부분을 나타낸다.
여기서, 다운커머(102)는 상단에서 흘러내리는 액체를 모아두었다가 n번째 단의 다공판(101b) 위로 흘려 보내는 댐과 유사한 역할을 하는데, 이를 위해 설치되는 다운커머가 차지하는 영역(105)에서는 기체와 액체가 접촉을 하지 못하므로 전체 다단탑의 단면적에서 기체와 액체의 접촉면적이 감소된다.
또한, 기체 또는 액체의 유량이 증가할수록 다운커머 내에 필요한 액체수위는 높아지게 되기 때문에 처리량을 증가시키기 위해서는 다운커머의 면적을 넓히거나 높이를 증가시켜야 한다.
결론적으로, 기존 다단탑의 처리량을 증대시키기 위해서는, 다운커머가 차지하는 면적을 감소시켜 기체와 액체가 접촉하는 면적을 증가시키거나, 또는 다운커머의 높이를 낮추어 트레이(Tray, 단) 수를 증가시켜야 하는데, 이와는 반대로 처리량이 증가할수록 다운커머의 높이와 면적이 오히려 증가되어야 하는 단점을 가지고 있기 때문에 이러한 단점을 보완하는 방향으로 트레이의 구조변경 연구가 진행되고 있다.
이에, 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 트레이탑 내부 구조물을 변경하여 기체와 액체의 접촉면적을 증가시키고 압력손실을 감소시킴으로써 트레이탑의 처리량을 증대시킬 수 있는 증류탑 트레이 어셈블리 및 이를 포함하는 증류탑을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 증류탑 내부에 증류탑의 수평 단면 형상으로 마련되며 판면을 관통하여 기체가 상승하는 복수의 홀이 형성되는 다공판; 및 상기 다공판의 판면을 관통하여 설치되며 상기 다공판 상면에 일정 높이로 돌출되어 상기 다공판의 상면에 흐르는 액체가 일정 높이를 초과하면 상기 다공판의 하부로 하강하는 통로를 제공하는 복수의 파이프 유닛을 포함하는 트레이 어셈블리를 제공한다.
상기 파이프 유닛은, 상기 다공판의 판면을 관통하여 설치되며 상기 다공판 상면에 일정 높이로 돌출되어 마련되는 파이프; 및 상기 파이프의 하단에 마련되어 상기 파이프 내부를 따라 하강하는 액체를 사방으로 분사시키는 씰을 포함할 수 있다.
상기 파이프 유닛은, 상기 파이프의 상부 외측을 감싸는 형태로 마련되어 상부에서 분사되는 액체가 상기 파이프로 직접 유입되는 것을 방지하는 배플을 더 포함할 수 있다.
상기 배플은 상단 측면을 따라 기체 배출구가 마련될 수 있다.
상기 다공판은, 버블캡(Bubble Cap) 또는 고정밸브(Fixed Valve)가 마련되어 상승하는 기체를 통과시킬 수도 있다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 내부에 트레이 어셈블리가 다단으로 마련되며, 상기 트레이 어셈블리는, 증류탑 내부에 증류탑의 수평 단면 형상으로 마련되며 판면을 관통하여 기체가 상승하는 복수의 홀이 형성되는 다공판; 및 상기 다공판의 판면을 관통하여 설치되며 상기 다공판 상면에 일정 높이로 돌출되어 상기 다공판의 상면에 흐르는 액체가 일정 높이를 초과하면 상기 다공판의 하부로 하강하는 통로를 제공하는 복수의 파이프 유닛을 포함하는 증류탑을 제공한다.
상기 증류탑은, 다단으로 마련되는 상기 트레이 어셈블리 사이에 마련되어 상부의 트레이 어셈블리에서 분사되는 액체와 하부에서 상승하는 기체를 접촉시키는 충진물을 더 포함할 수 있다.
상기 다공판은, 버블캡(Bubble Cap) 또는 고정밸브(Fixed Valve)가 마련되어 상승하는 기체를 통과시킬 수도 있다.
본 발명의 증류탑 트레이 어셈블리 및 이를 포함하는 증류탑에 따르면, 다운커머의 역할을 다공판과 파이프 유닛이 대신하도록 함으로써 기체와 액체의 접촉면적이 증가되어 공정 처리량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 다운커머가 제거됨으로써 단과 단 사이 간격을 감소시키는 대신 단과 단 사이에 충진물이 삽입된 형태의 다단탑을 구성할 수 있어 기체와 액체의 접촉 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.
도 1은 종래 증류탑을 내부 구조를 간략히 나타낸 축방향 단면도이다.
도 2는 도 1의 반경 방향 단면도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증류탑의 구조를 간략히 나타낸 축방향 단면도이다.
도 4는 도 3의 반경 방향 단면도이다.
도 5는 도 3의 증류탑 트레이 어셈블리에서 파이프 유닛의 확대 사시도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 증류탑의 구조를 간략히 나타낸 축방향 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 증류탑의 구조를 간략히 나타낸 축방향 단면도이고, 도 4는 도 3의 반경 방향 단면도이며, 도 5는 도 3의 증류탑 트레이 어셈블리에서 파이프 유닛의 확대 사시도이다.
이러한 도 3 내지 도 5는, 본 발명을 개념적으로 명확히 이해하기 위하여, 주요 특징 부분만을 명확히 도시한 것이며, 그 결과 도해의 다양한 변형이 예상되며, 도면에 도시된 특정 형상에 의해 본 발명의 범위가 제한될 필요는 없다.
이들 도면을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 일 실시예에 따른 증류탑(1)은, 내부에 트레이 어셈블리(200)가 다단으로 마련되어 각 단의 트레이 어셈블리(200)에서 액체와 기체가 접촉하면서 열 및 물질 전달이 일어난다.
트레이 어셈블리(200)는, 증류탑(1) 내부에 증류탑(1)의 수평 단면 형상으로 마련되며 판면을 관통하여 기체가 상승하는 복수의 홀(211, hole)이 형성되는 다공판(210)과, 다공판(210)의 판면을 관통하여 설치되며 다공판(210) 상면에 일정 높이로 돌출되어 다공판(210)의 상면에 흐르는 액체가 일정 높이를 초과하면 다공판(210)의 하부로 하강하는 통로를 제공하는 복수의 파이프 유닛(220)을 포함한다.
다공판(210)은 증류탑(1) 내부에 수평 방향으로 설치되며, 종래와 다르게 다운커머(downcomer)가 차지하는 공간 없이 증류탑(1)의 수평 단면 형상과 동일하게 마련된다. 다공판(210)에는 판면을 관통하여 복수의 홀(211)이 형성되어 다공판(210)의 하부에서 상승하는 기체가 홀(211)을 통하여 다공판(210)의 상부로 이동된다.
파이프 유닛(220)은, 다공판(210)의 곳곳에 설치되며 다공판(210)의 상면에 흐르는 액체가 일정 수위 이상이 되면 하부의 트레이 어셈블리(200)로 하강하도록 통로를 제공한다.
도 5를 참조하여 상세히 살펴보면, 파이프 유닛(220)은, 다공판(210)의 판면을 관통하여 설치되며 다공판(210) 상면에 일정 높이로 돌출되어 마련되는 파이프(221)와, 파이프(221)의 하단에 마련되어 파이프(221) 내부를 따라 하강하는 액체를 사방으로 분사시키는 씰(224)과, 파이프(221)의 상부 외측을 감싸는 형태로 마련되어 상부에서 분사되는 액체가 파이프(221)로 직접 유입되는 것을 방지하는 배플(222)을 포함한다.
파이프(221)는, 다공판(210)의 곳곳에 다공판(210)의 판면을 관통하여 삽입되며 다공판(210)의 상면에 일정 높이로 돌출된다. 따라서, 다공판(210)의 상면에 흐르는 액체는 일정 높이가 초과되면 파이프(221)를 통하여 다공판(210)의 하부로 이동될 수 있다.
씰(224)은, 파이프(221) 하단에 마련되어 파이프(221)를 통과하여 이동하는 액체가 그대로 하강하는 것을 방지하고 액체를 사방으로 분사시킨다. 즉, 씰(224)은 복수의 통로(224a)가 형성되도록 파이프(221) 하단을 막아 파이프(221)를 통하여 하강되는 액체가 복수의 통로(224a)로 분사되어 하부의 트레이 어셈블리(200)에 골고루 뿌려지게 한다.
배플(222, baffle)은, 파이프(221)의 상부 외측을 감싸는 형태로 마련되어 상부 트레이 어셈블리(200)에서 분사되는 액체가 파이프(221) 내부로 직접 유입되는 것을 방지한다. 즉, 배플(222)은 파이프(221)의 상부 일 영역을 감싸도록 마련되며 상단에 배플 햇(222a)을 형성하여 상부에서 분사되는 액체가 파이프(221) 내부로 직접 유입되는 것을 방지한다. 또한, 배플(222)의 상단 측면에는 기체 배출구(222b)가 형성되어 배플(222) 내부로 유입된 기체가 액체와 분리되어 상부로 빠져나갈 수 있다. 도 5에서, 배플 햇(222a)은 평면 형상으로 표현하였으나, 상부에서 분사되는 액체가 잘 흘러내릴 수 있도록 원뿔 형상 등으로 마련될 수도 있다.
이러한 구성을 갖는 증류탑(1)의 작용에 대해 설명하면 다음과 같다.
도 3을 참조하면, 상단(n-1번째 단)의 액체(Ln -1)는 n-1번째 단의 다공판(210)에 설치된 여러 개의 파이프 유닛(220)을 통해 아래 단(n번째 단) 위에 채워져 있는 액체표면으로 분사된다.
n번째 단위에 채워져 있는 액체(Ln -1)는 n-1번째 단에서 n번째 단의 다공판(210)에 설치된 여러 개의 홀(211)을 통해 위로 상승하는 기체(Vn -1)와 향류(counter-current)로 접촉하면서 열 및 물질 전달이 일어난다.
기체와 접촉한 후, 액체(Ln)는 n번째 다공판(210) 위에 설치된 여러 개의 파이프 유닛(220)을 통해 파이프(221) 내부로 들어가며 파이프(221) 하단에 설치된 씰(224, Seal)과 파이프(221) 사이의 복수의 통로(224a)를 통해 아래 단으로 분사된다.
도 3에서, V 및 L의 하첨자는 기체 및 액체가 떠나는 단의 숫자를 의미하며, 어두운 영역은 액체가 차치하는 영역을 나타낸다.
또한, 배플(222, Baffle)의 상부에 마련되는 배플 햇(222a, Baffle Hat)은 상부에서 분사되는 액체가 파이프(221)로 바로 유입되는 것을 방지하며, 액체와 함께 배플(222) 내부로 유입된 기체는 배플(222) 상부에 마련되는 기체 배출구(222b)를 통하여 액체와 분리되어 상부로 빠져나간다.
본 발명의 증류탑(1) 및 트레이 어셈블리(200)에 의하면, 기체와 액체의 접촉 면적이 증가하며, 단을 통해 상승하는 기체의 압력 감소량이 크게 줄어드는 장점이 있다. 또한, 클리어 리퀴드 헤드(Clear Liquid Head)를 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이와 같이, 본 발명의 증류탑(1) 및 트레이 어셈블리(200)에 의하면, 종래 증류탑(1)에 마련되는 다운커머의 역할을 다공판(210)과 파이프 유닛(220)이 대신하도록 함으로써 기체와 액체의 접촉면적이 증가되어 공정 처리량을 증가시킬 수 있는 효과가 있다.
한편, 이하에서는, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 증류탑(2)을 설명하면 다음과 같다. 단, 본 발명의 일 실시예에 따른 증류탑(1)에서 설명한 바와 동일한 것에 대해서는 그 설명을 생략하기로 한다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 증류탑의 구조를 간략히 나타낸 축방향 단면도이다. 도 6에 있어서, 도 3 내지 도 5와 동일한 참조부호는 동일한 부재를 나타내며 상세한 설명은 생략하기로 한다.
도 6을 참조하여 살펴보면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 증류탑(2)은, 본 발명의 일 실시예에 따른 증류탑(1)에서 다단으로 마련되는 트레이 어셈블리(200) 사이에 마련되어 상부의 트레이 어셈블리(200)에서 분사되는 액체와 하부에서 상승하는 기체를 접촉시키는 충진물(300)을 더 포함한다.
충진물(300)은 상부에서 분사되는 액체가 충진물(300) 표면을 따라 고르게 흘러내리면서 하부에서 충진물(300)과 충진물(300) 사이의 공간을 통해 상승하는 기체와 연속적으로 접촉하면서 열 및 물질전달이 진행되도록 한다.
이와 같이, 본 발명의 증류탑(2)에 의하면, 다운커머가 제거됨으로써 단과 단 사이 간격을 감소시키는 대신 단과 단 사이에 충진물(300)이 삽입된 형태의 다단탑을 구성할 수 있어 기체와 액체의 접촉 효율이 크게 향상되는 효과가 있다.
전술한 실시예들에서는, 증류탑(1, 2) 각 단의 트레이는 다공판(210)으로 마련되어 기체가 다공판(210)의 홀(211)을 통하여 상승하였지만, 본 발명의 권리범위에 이에 제한될 필요는 없으며 다공판(210)에 버블캡(Bubble Cap) 또는 고정밸브(Fixed Valve)가 마련되어 상승하는 기체를 통과시킬 수도 있다.
버블캡(Bubble Cap)은 액체유량이 기체유량보다 상대적으로 적을 경우, 홀을 통과한 기체의 힘에 의해 액체가 홀을 충분히 덮지 못하고 홀을 피해 흘러가는 제팅(jetting) 현상이 발생할 수　있으며 이를 방지할 목적으로 홀 상부에 뚜껑을 씌운 형태이다.
또한, 고정밸브(Fixed Valve)는 여러 개의 작은 홀을 통과하면서 발생되는 압력손실을 방지할 목적으로　홀 개수를 줄이고 홀 크기를 키우고(예를 들면, 4.5mm에서 25mm)　그 대신 홀 위에 열린 덮개를 씌운 형태이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1, 2 : 증류탑
200 : 트레이 어셈블리
210 : 다공판
211 : 홀
220 : 파이프 유닛
221 : 파이프
222 : 배플
222a : 배플 햇
222b : 기체 배출구
224 : 씰
224a : 복수의 통로
300 : 충진물

Claims (8)

  1. 증류탑 내부에 증류탑의 수평 단면 형상으로 마련되며 판면을 관통하여 기체가 상승하는 복수의 홀이 형성되는 다공판; 및
    상기 다공판의 판면을 관통하여 설치되며 상기 다공판 상면에 일정 높이로 돌출되어 상기 다공판의 상면에 흐르는 액체가 일정 높이를 초과하면 상기 다공판의 하부로 하강하는 통로를 제공하는 복수의 파이프 유닛을 포함하는 트레이 어셈블리.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 파이프 유닛은,
    상기 다공판의 판면을 관통하여 설치되며 상기 다공판 상면에 일정 높이로 돌출되어 마련되는 파이프; 및
    상기 파이프의 하단에 마련되어 상기 파이프 내부를 따라 하강하는 액체를 사방으로 분사시키는 씰을 포함하는 트레이 어셈블리.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 파이프 유닛은,
    상기 파이프의 상부 외측을 감싸는 형태로 마련되어 상부에서 분사되는 액체가 상기 파이프로 직접 유입되는 것을 방지하는 배플을 더 포함하는 트레이 어셈블리.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 배플은 상단 측면을 따라 기체 배출구가 마련되는 것을 특징으로 하는 트레이 어셈블리.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 다공판은,
    버블캡(Bubble Cap) 또는 고정밸브(Fixed Valve)가 마련되어 상승하는 기체를 통과시키는 것을 특징으로 하는 트레이 어셈블리.
  6. 내부에 트레이 어셈블리가 다단으로 마련되며,
    상기 트레이 어셈블리는,
    증류탑 내부에 증류탑의 수평 단면 형상으로 마련되며 판면을 관통하여 기체가 상승하는 복수의 홀이 형성되는 다공판; 및
    상기 다공판의 판면을 관통하여 설치되며 상기 다공판 상면에 일정 높이로 돌출되어 상기 다공판의 상면에 흐르는 액체가 일정 높이를 초과하면 상기 다공판의 하부로 하강하는 통로를 제공하는 복수의 파이프 유닛을 포함하는 증류탑.
  7. 제6항에 있어서,
    다단으로 마련되는 상기 트레이 어셈블리 사이에 마련되어 상부의 트레이 어셈블리에서 분사되는 액체와 하부에서 상승하는 기체를 접촉시키는 충진물을 더 포함하는 증류탑.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 다공판은,
    버블캡(Bubble Cap) 또는 고정밸브(Fixed Valve)가 마련되어 상승하는 기체를 통과시키는 것을 특징으로 하는 증류탑.
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