KR20150045895A - 분산기용 침니, 및 이를 포함하는 분산기 및 수첨 반응기 - Google Patents

Abstract

본 발명은, (i) 상면 및 하면이 개방되어 있는 원기둥 및 (ii) 상기 원기둥의 하면으로부터 이격되어 설치되는 꼭지부가 평평한 원뿔 형상의 하단 부재를 포함하는 분산기용 침니로서, 상기 원기둥의 상면에 가스 유입부가 형성되어 있고, 상기 원기둥의 측면에 상단 오리피스 홀과 하단 오리피스 홀이 각각 형성되어 있는 분산기용 침니에 관한 것으로, 본 발명의 침니 및 이를 포함하는 분산기는 분산 효율이 극대화되어 이를 포함하는 수첨 반응기에서 분산기와 촉매 층 사이에 설치되는 그레이딩 물질 층을 최소화할 수 있고, 이를 통하여 수첨 반응기의 크기를 줄이고, 제작 비용을 최소화할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.

Description

분산기용 침니, 및 이를 포함하는 분산기 및 수첨 반응기{CHIMNEY FOR DISTRIBUTOR, A DISTRIBUTOR AND A HYDROTREATER REACTOR COMPRISING SAME}

본 발명은 분산기용 침니, 및 이를 포함하는 분산기 및 수첨 반응기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 수첨 반응기에 사용되는 분산기용 침니, 및 이를 포함하는 분산기, 상기 분산기를 포함하는 수첨 반응기에 관한 것이다.

일반적으로 수첨(hydrotreater) 반응기는 원유로부터 증류된 물질에 존재하는 황, 질소 및 방향족 고분자 함유물질과 같은 불순물의 농도를 낮추기 위해 정유(refining) 공정에 많이 사용되고 있으며, 촉매 층에 액상과 기상의 반응물이 동시에 흐르면서 반응을 일으키는 방식으로서, 이때 촉매 층 내의 액상과 기상 반응물의 흐름 균일도에 따른 촉매와의 접촉효율의 정도는 반응효율에 큰 영향을 준다.

따라서, 반응효율을 극대화 하기 위해서는 촉매 층의 상부에 설치되는 분산기의 성능이 우수할 것이 요구된다.

상기 분산기는 침니를 포함하고 있으며, 상기 침니는 반응기에서 기상 및 액상 반응물이 동시에 하방으로 흘러내려갈 경우 반응물들이 균일하게 촉매 층 위로 분산될 수 있도록 하는데, 반응기의 운전 조건에 따라서 필요 침니의 수가 결정된다.

도 1에는 종래의 분산기를 통한 기상 및 액상 반응물의 분산 형태가 모식적으로 나타나 있다. 도 1을 참조하면, 도 1의 (a)에 도시된 형태의 분산기(10)는 기상 반응물이 유입되는 침니(11)와 액상 반응물이 유입되는 침니(12)가 별도로 형성되어 있고, 이를 통하여 각각 기상 반응물과 액상 반응물이 유입되는데, 액상 반응물이 상기 액상 반응물이 유입되는 침니(12)의 중심부를 중심으로 흘러내려가므로 촉매 층(30) 위로 균일하게 분산이 이루어지지 않는다. 또한, 도 1의 (b)에 도시된 형태의 분산기(10)는 기상 반응물과 액상 반응물이 하나의 침니(13)를 통하여 유입되어 기상 반응물과 액상 반응물의 균일한 혼합은 도모할 수 있지만, 상기 기상 반응물과 액상 반응물이 혼합된 유체는 마찬가지로 침니(13)의 중심부를 중심으로 흘러내려가게 되므로, 역시 촉매 층(30) 위로 균일하게 분산이 이루어지지 않는다. 이에 따라, 상기 반응물의 유체(40)가 촉매 층(30)에 도달하기 전에 촉매 층(30)의 보호와 미립자 퇴적으로 인한 압력 강하를 줄여주고, 상기 반응물의 유체(40)가 촉매 층(30)에 어느 정도 균일하게 분산이 이루어질 수 있도록 적절한 깊이의 그레이딩 물질(grading material) 층(20)을 필요로 한다.

상기 침니의 형상 및 분산기 내에서의 배치를 최적화 한다면, 분산기가 높은 효율을 가지도록 하여, 촉매 층 상에 위치하는 그레이딩 물질의 양을 최소화 할 수 있으며, 이에 따라 수첨 반응기의 크기를 줄이면서도, 수첨 반응기의 성능을 향상시킬 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.

따라서, 분산기가 높은 효율을 가질 수 있도록 최적화 된 새로운 형상의 침니 및 이를 포함하는 분산기, 및 이러한 분산기를 포함하는 수첨 반응기의 개발이 필요하다.

미국 특허 제 4,836,989호 미국 특허 제 4,126,540호

따라서, 본 발명의 목적은 분산기가 경제적이면서도 높은 효율을 가질 수 있도록 최적화 된 새로운 형상의 침니 및 이를 포함하는 분산기, 및 이러한 분산기를 포함하는 수첨 반응기를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 (i) 상면 및 하면이 개방되어 있는 원기둥 및 (ii) 상기 원기둥의 하면으로부터 이격되어 설치되는 꼭지부가 평평한 원뿔 형상의 하단 부재를 포함하는 분산기용 침니로서, 상기 원기둥의 상면에 가스 유입부가 형성되어 있고, 상기 원기둥의 측면에 상단 오리피스 홀과 하단 오리피스 홀이 각각 형성되어 있는 분산기용 침니를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 침니를 복수 개 포함하는 분산기를 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 분산기를 포함하는 수첨 반응기를 제공한다.

본 발명의 침니 및 이를 포함하는 분산기는 분산 효율이 극대화되어 이를 포함하는 수첨 반응기에서 분산기와 촉매 층 사이에 설치되는 그레이딩 물질을 최소화할 수 있고, 이를 통하여 수첨 반응기의 크기를 줄이고, 제작 비용을 최소화할 수 있는 효과를 발휘할 수 있다.

도 1은 종래의 분산기를 통한 기상 및 액상 반응물의 분산 형태를 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 일례에 따른 침니의 측면도(a) 및 정면도(b)이다.
도 3은 본 발명의 일례에 따른 침니의 하단 부재의 하면의 플레이트를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일례에 따른 침니의 원기둥의 단면을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일례에 따른 침니가 복수 개 배열되어 본 발명의 또 다른 일례에 따른 분산기를 이루는 경우의 침니의 배열 형태를 보여주는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일례에 따른 분산기를 통한 기상 및 액상 반응물의 분산 형태를 모식적으로 나타낸 도면이다.

본 발명의 분산기용 침니는 (i) 상면 및 하면이 개방되어 있는 원기둥 및 (ii) 상기 원기둥의 하면으로부터 이격되어 설치되는 꼭지부가 평평한 원뿔 형상의 하단 부재를 포함하며, 상기 원기둥의 상면에는 가스 유입부가 형성되어 있고, 상기 원기둥의 측면에는 상단 오리피스 홀과 하단 오리피스 홀이 각각 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

상기 침니의 가스 유입부를 통하여 기상 반응물, 즉 수소가 대부분인 가스(hydrogen-rich gas)가 유입되며, 유입된 기상 반응물은 원기둥의 높이 방향을 따라 아래쪽으로 이동한다.

전체 침니를 대상으로 상기 가스 유입부에 해당하는 원기둥의 기둥면의 단면적은 수첨 반응기의 표면적에 대해 10 내지 30%이며, 상기 범위일 때, 기상 반응물의 유속에 의한 압력 강하를 최소화 하고, 이와 같은 적절한 압력 강하로 상기 침니를 포함하는 분산기의 분산 효율을 도모하게 된다.

상기 상단 오리피스 홀과 하단 오리피스 홀을 통하여 액상 반응물이 유입되며, 유입된 액상 반응물은 상기 가스 유입부를 통하여 유입된 기상 반응물과 접촉할 수 있다.

상기 상단 오리피스 홀과 하단 오리피스 홀은 각각 4개일 수 있으며, 상기 침니를 수평으로 자른 단면을 위에서 내려다 보았을 때, 하나의 상단 오리피스 홀과 맞은편의 상단 오리피스 홀을 잇는 선이, 하나의 하단 오리피스 홀과 맞은편의 하단 오리피스 홀을 잇는 선과 이루는 각도가 30 내지 60˚, 바람직하게는 40 내지 50˚일 수 있다. 이와 같이, 상단 오리피스 홀과 하단 오리피스 홀을 함께 포함하는 경우, 수첨 반응기의 운전시 액상 반응물이 다량인 경우에 상단 오리피스 홀 및 하단 오리피스 홀을 통하여 원활히 분산되도록 할 수 있으며, 액상 반응물이 소량인 경우에도 하단 오리피스 홀을 통하여 분산이 효율적으로 이루어지도록 할 수 있다. 또한, 하나의 상단 오리피스 홀과 맞은편의 상단 오리피스 홀을 잇는 선이, 하나의 하단 오리피스 홀과 맞은편의 하단 오리피스 홀을 잇는 선과 이루는 각도가 30 내지 60˚, 바람직하게는 40 내지 50˚이므로, 침니 내부로 다 방향에서 액상 반응물이 유입되어 보다 효율적으로 분산이 이루어질 수 있다.

상기 오리피스 홀의 크기는 특별히 제한되지 않으나, 예컨대 3 내지 12 mm, 바람직하게는 4 내지 10 mm일 수 있다.

상기 하단 부재는 상기 침니의 원기둥과 체결 부재를 통하여 체결될 수 있다.

상기 하단 부재는 하면과 측면이 이루는 각도가 30 내지 70˚, 바람직하게는 40 내지 60˚인 원뿔 형상으로, 원뿔의 상단 꼭지부가 잘려나간 형태, 즉, 꼭지부가 평평한 형태의 원뿔 형상으로 이루어져 있으며, 상기 원기둥의 하면으로부터 이격되어 설치되어 있다.

상기 하단 부재의 상면은 원형의 개구부로 이루어져 있고, 하면은 복수개의 관통 홀을 포함하는 플레이트로 이루어져 있어, 상기 침니의 원기둥 내로 유입된 기상 반응물 및 액상 반응물은 상기 하단 부재의 개구부로 유입되고, 상기 하단 부재의 플레이트의 관통 홀을 통하여 유출되어 아래의 그레이딩 물질 및 촉매 층으로 가게 된다.

이때, 상기 침니의 직경이 상기 하단 부재의 상면 개구부의 직경보다 크고, 상기 하단 부재의 하면의 직경에 비해 작으므로 침니의 내벽을 따라 흐르는 액상 반응물은 상기 하단 부재의 측면의 경사면을 따라 흐르게 된다.

따라서, 침니를 통과한 기상 반응물 및 액상 반응물은 하단 부재 내부를 거쳐 상기 하단 부재의 플레이트의 관통 홀을 통하여 유출되거나, 상기 하단 부재의 측벽을 따라서 흐르게 됨으로써 분산되게 된다.

상기 관통 홀의 개수는 8 내지 25개, 바람직하게는 10 내지 20개이고, 상기 관통 홀의 직경은 5 내지 18 mm, 바람직하게는 8 내지 15 mm인 것이 상기 하단 부재의 플레이트를 통한 분산 효율을 높일 수 있다.

상기 플레이트에서 상기 관통 홀 사이의 거리는 일정할 수 있고, 인접하는 3개의 관통 홀을 잇는 삼각형은 정삼각형일 수 있다. 상기 플레이트에 이와 같은 형태로 관통 홀이 형성되어 있는 경우 분산 효율을 보다 높일 수 있다.

상기 침니가 복수 개 배열되어 본 발명에 따른 분산기를 이룬다.

상기 분산기는 상기 침니와 상기 침니가 배열되는 침니 트레이를 포함할 수 있으며, 상기 침니 트레이에 포함되어 있는 복수 개의 관통공에 상기 침니가 위치하여 분산기를 이룰 수 있다. 상기 침니가 상기 관통공에 위치할 때, 상기 침니의 원기둥은 상기 침니 트레이의 상부에 위치하고, 상기 침니의 하단 부재는 상기 침니 트레이의 하부에 위치할 수 있다.

상기 복수 개의 침니는, 인접하는 침니와 100 내지 200 mm의 피치(pitch), 바람직하게는 150 내지 190 mm의 피치를 갖고, 인접한 침니들이 정삼각형의 꼭지점에 해당하는 부분에 위치하는 형태로 배열될 수 있다. 상기 침니가 상기한 범위의 피치 범위를 가지고 상기와 같은 형태로 배열됨으로써, 상기 분산기가 반응기에 설치되어 사용되는 경우, 반응기의 벽 구역(wall region)에서도 유체의 흐름이 일어날 수 있다.

상기 분산기에 포함되는 침니의 수는 특별히 제한되지 않고, 반응기의 직경과 상기 침니의 피치에 따라 결정될 수 있으며, 예컨대 300 내지 1,800개, 바람직하게는 600 내지 1,600개일 수 있다.

본 발명에 따른 분산기는 수첨 반응기에 포함되어 사용될 수 있으며, 따라서 본 발명은 분산기를 포함하는 수첨 반응기를 제공한다.

이하, 본 발명의 침니를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 해당 도면은 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐 본 발명의 범주가 그것에 의해 한정되는 것은 아니다.

도 2에는 본 발명의 일례에 따른 침니의 측면도(a) 및 정면도(b)가 도시되어 있다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일례에 따른 침니(100)는 상면 및 하면이 개방되어 있는 원기둥(110) 및 원기둥(110)의 하면(112)으로부터 이격되어 설치되는 꼭지부가 평평한 원뿔 형상의 하단 부재(120)를 포함한다. 하단 부재(120)는 원기둥(110)과 체결 부재(130)를 통하여 체결될 수 있다.

도 3에는 하단 부재(120)의 하면(122)의 플레이트가 도시되어 있다. 도 2 및 3을 참조하면, 하단 부재(120)의 상면은 원형의 개구부(121)로 이루어져 있고, 하면(122)은 복수개의 관통 홀(123)을 포함하는 플레이트로 이루어져 있고, 경사면은 복수개의 관통 홀(123)을 포함하는 플레이트보다 10 내지 15mm 만큼 연장되어 외벽을 타고 흐르는 유체의 분산 효과를 극대화 하였다. 하단 부재(120)의 하면(122)과 측면이 이루는 각도 α는 30 내지 70˚, 바람직하게는 40 내지 60˚일 수 있으며, 하단 부재(120)의 측면이 경사지게 하면(122)에 대해 경사지게 형성되어 있으므로, 원기둥(110)의 하면(112)으로부터 전달되는 유체가 하단 부재(120)의 측면을 따라 추가적으로 분산될 수 있다.

도 3을 통하여 알 수 있듯이, 관통 홀(123) 사이의 거리는 일정할 수 있고, 인접하는 3개의 관통 홀(123)을 잇는 삼각형은 정삼각형일 수 있다.

침니(100)가 침니 트레이(200)에 배열되어 본 발명의 일례에 따른 분산기를 이루는 경우, 침니 트레이(200)에 포함되어 있는 관통공에 침니(100)가 위치할 때, 침니(100)의 원기둥(110)은 침니 트레이(200)의 상부에 위치하고, 침니(100)의 하단 부재(120)는 침니 트레이(200)의 하부에 위치할 수 있다.

침니(100)의 원기둥(110)의 상면에는 가스 유입부(111)가 형성되어 있고, 원기둥(110)의 측면에는 상단 오리피스 홀(113)과 하단 오리피스 홀(114)이 각각 형성되어 있다.

도 4에는 본 발명의 일례에 따른 침니(100)의 원기둥(110)의 단면이 도시되어 있다. 상단 오리피스 홀(113)과 하나의 하단 오리피스 홀(114)은 도 2에 나타나 있는 바와 같이 원기둥(110) 상에 위·아래로 일직선 상에 위치할 수도 있지만, 도 4에 나타낸 바와 같이, 하나의 상단 오리피스 홀(113)과 맞은편의 상단 오리피스 홀(113)을 잇는 선(116)이, 하나의 하단 오리피스 홀(114)과 맞은편의 하단 오리피스 홀(114)을 잇는 선(117)과 이루는 각도를 θ라고 할 때, 상기 θ가 30 내지 60˚, 바람직하게는 40 내지 50˚가 되도록 형성되어 있을 수 있다.

이와 같이, 원기둥(110)의 단면을 내려다 볼 때, 상단 오리피스 홀(113)과 하단 오리피스 홀(114)이 엇갈리게 형성되어 있는 경우, 수첨 반응기의 운전시 액상 반응물이 원활히 분산되도록 할 수 있으며, 침니(100) 내부로 다 방향에서 액상 반응물이 유입되어 보다 효율적으로 분산이 이루어질 수 있다.

도 5에는 본 발명에 따른 침니(100)가 복수 개 배열되어 본 발명에 따른 분산기를 이루는 경우의 침니의 배열 형태를 보여주는 도면이다.

도 5를 참조하면, 복수 개의 침니(100)가 배열될 때, 인접하는 침니(100)와의 간격을 피치(pitch)로 정의할 수 있으며, 상기 피치는 100 내지 200 mm, 바람직하게는 150 내지 190 mm일 수 있으며, 인접한 침니(100)들은 정삼각형의 꼭지점에 해당하는 부분에 위치하는 형태로 배열될 수 있다.

이와 같은, 본 발명에 따른 분산기는 분산 효율이 높아 효과적으로 기상 반응물과 액상 반응물이 혼합된 유체를 촉매 층 위로 균일하게 분산시킬 수 있다. 구체적으로, 본 발명에 따른 분산기는 침니의 하단 부재(120)의 하면이 복수개의 관통 홀(123)을 포함하는 플레이트로 이루어져 있고, 하단 부재(120) 측면이 경사지게 형성되어 있을 뿐만 아니라, 경사면은 복수개의 관통 홀(123)을 포함하는 플레이트보다 10 내지 15mm만큼 연장되어 있어, 상기 플레이트의 관통 홀(123)과 상기 하단 부재(120)의 측면을 이용하여 효과적으로 유체를 분산시킬 수 있다.

도 6에는 본 발명의 일례에 따른 분산기를 통한 기상 및 액상 반응물의 분산 형태를 모식적으로 나타낸 도면이다.

도 6을 참조하면, 본 발명의 일례에 따른 분산기는 침니(100)를 통해 분산되는 유체(500)가 침니(100)의 하단 부재를 통하여 넓은 범위로 균일하게 촉매 층(400) 상에 분산되므로 분산 효율이 높으며, 따라서 그레이딩 물질 층(300)의 깊이를 얕게 최소화 할 수 있어, 전체적인 반응기의 크기를 줄이고, 반응기의 제작에 소요되는 비용을 저감할 수 있는 등의 효과를 발휘할 수 있다.

10: 분산기 11: 기상 반응물이 유입되는 침니
12: 액상 반응물이 유입되는 침니 13: 침니
20: 그레이딩 물질 층 30: 촉매 층
40: 반응물의 유체 100: 침니
110: 원기둥 111: 가스 유입부
112: 원기둥의 하면 113: 상단 오리피스 홀
114: 하단 오리피스 홀
116: 하나의 상단 오리피스 홀과 맞은편의 상단 오리피스 홀을 잇는 선
117: 하나의 하단 오리피스 홀과 맞은편의 하단 오리피스 홀을 잇는 선
120: 하단 부재 121: 하단 부재의 개구부
122: 하단 부재의 하면 123: 관통 홀
130: 체결 부재 200: 침니 트레이
300: 그레이딩 물질 층 400: 촉매 층
500: 반응물의 유체

Claims (13)

1. (i) 상면 및 하면이 개방되어 있는 원기둥 및 (ii) 상기 원기둥의 하면으로부터 이격되어 설치되는 꼭지부가 평평한 원뿔 형상의 하단 부재를 포함하는 분산기용 침니로서,
   상기 원기둥의 상면에 가스 유입부가 형성되어 있고, 상기 원기둥의 측면에 상단 오리피스 홀과 하단 오리피스 홀이 각각 형성되어 있는 분산기용 침니.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 상단 오리피스 홀과 하단 오리피스 홀을 각각 4개 포함하는, 분산기용 침니.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 침니를 수평으로 자른 단면을 위에서 내려다 보았을 때, 하나의 상단 오리피스 홀과 맞은편의 상단 오리피스 홀을 잇는 선이, 하나의 하단 오리피스 홀과 맞은편의 하단 오리피스 홀을 잇는 선과 이루는 각도가 30 내지 60˚인, 분산기용 침니.
   
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 하단 부재의 하면과 측면이 이루는 각도가 30 내지 70˚인, 분산기용 침니.
   
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 침니의 직경이 상기 하단 부재의 상면 개구부의 직경보다 크고, 상기 하단 부재의 하면의 직경에 비해 작은, 분산기용 침니.
   
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 가스 유입부에 해당하는 원기둥의 기둥면의 단면적이 수첨 반응기의 표면적에 대해 10 내지 30%인, 분산기용 침니.
   
7. 제 1 항에 있어서,
   상기 하단 부재의 상면이 원형의 개구부로 이루어져 있고, 하면이 복수개의 관통 홀을 포함하는 플레이트로 이루어져 있으며, 경사면은 복수개의 관통 홀을 포함하는 플레이트보다 10 내지 15mm만큼 연장되어 있는, 분산기용 침니.
   
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 관통 홀의 개수가 8 내지 25개인, 분산기용 침니.
   
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 관통 홀의 직경이 5 내지 18 mm인, 분산기용 침니.
   
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 관통 홀 사이의 거리가 일정하고, 인접하는 3개의 관통 홀을 잇는 삼각형이 정삼각형인, 분산기용 침니.
    
11. 제 1 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 따른 침니를 복수 개 포함하는, 분산기.
    
12. 제 11 항에 있어서,
    상기 복수 개의 침니가, 인접하는 침니와 100 내지 200 mm의 피치(pitch)를 갖고, 인접한 침니들이 정삼각형의 꼭지점에 해당하는 부분에 위치하는 형태로 배열되는, 분산기.
    
13. 제 11 항에 따른 분산기를 포함하는 수첨 반응기.

Images