KR20160117946A - 고체층 높이 조절이 가능한 유동층 공정용 루프실 - Google Patents

고체층 높이 조절이 가능한 유동층 공정용 루프실 Download PDF

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Abstract

본 발명은 2탑 연결 순환유동층에 배치되는 루프실 양측 반응기의 압력변화가 있는 경우에도 원활하게 고체입자를 배출하면서도 루프실에 장입되어 있는 고체량을 저감시킬 수 있는 루프실에 관한 것으로, 싸이클론으로부터 고체입자가 유입되는 루프실유입관; 상기 루프실유입관과 루프실연결관으로 연결되어 고체입자가 상향으로 이동되는 루프실배출상승관; 상기 루프실배출상승관의 높이에 따라 복수개가 설치되어 고체입자를 하향 또는 하향으로 경사지게 배출하는 루프실배출하강관; 및 상기 복수의 루프실배출하강관 중 어느 하나를 선택적으로 개방하도록 상기 루프실배출상승관과 각각의 루프실배출하강관 사이에 설치되는 배출선택밸브를 포함하는 루프실이다.

Description

고체층 높이 조절이 가능한 유동층 공정용 루프실{Loop Seal for Fluidized Bed Process with Changeable Height of Solid}
본 발명은 유동층 공정용 루프실에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 2탑 연결 순환유동층에 배치되는 루프실 양측 반응기의 압력변화가 있는 경우에도 원활하게 고체입자를 배출하면서도 루프실에 장입되어 있는 고체량을 저감시킬 수 있는 루프실에 관한 것이다.
2탑 연결 순환유동층(Two-interconnected Circulating Fluidized Bed)은 열 및 물질전달이 우수한 유동층 반응기의 장점과 함께 고체입자순환이 가능한 점에서 서로 다른 두 개의 반응이 동시에 일어나는 기체-고체 반응에 널리 사용되고 있다.
일반적으로 2탑 연결 순환유동층(100)은 도 1에 도시되는 바와 같이, 제1유동층(102)과 제2유동층(114)이 서로 연결되어 있으며, 두 개의 유동층(102,114) 사이에는 각각의 유동층 반응기에 주입되는 기체의 혼합을 방지하고, 두 유동층 사이의 차압(differential pressure) 발생에 의해 일어날 수 있는 고체입자의 역흐름을 방지하기 위해 루프실(loop seal)(112)을 설치한다.
상기 제1유동층(102)에는 제1유동화가스공급관(104)이 설치되어, 제1유동화가스가 유입되며, 상기 제2유동층(114)에도 제2유동화가스공급관(124)이 설치되어 제2유동화가스가 유입된다. 상기 제1유동화가스 및 제2유동화가스는 기체-고체의 반응에 따라 적합하게 선택된다.
상기 제1유동층(102)은 고체입자의 순환을 위해 기체유속이 입자의 종말속도(Terminal velocity)보다 높은 유속에서 조업되는 고속유동층(High velocity fluidized bed) 또는 이동층(transport bed) 조건에서 조업되는 경우로, 상기 제1유동화가스공급관(104)에서 주입되는 제1유동화가스에 의해 고체입자가 부유하여 비산된다.
그리고, 상기 제1유동층(102)의 제1배출관(106)에는 상기 제1유동층(102)에서 비산된 기체와 고체입자의 혼합물을 분리하기 위한 제1싸이클론(108)이 배치되고, 상기 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)이 상기 루프실(112)과 연결된다. 또, 상기 제1싸이클론(108)의 제1기체배출관(110)으로 분리된 기체가 배출된다.
또. 상기 제2유동층(114)에는 제2싸이클론(118)이 제2배출관(116)을 통해 연결되어, 상기 제2유동층(114)에서 발생되는 기체를 제2기체배출관(122)을 통해 외부로 배출하고, 제2고체배출관(120)을 통해 분리된 고체입자를 다시 상기 제2유동층(114)에 복귀시킨다. 그리고, 상기 제2유동층(114)에는 제2유동층배출관(123)을 통해 고체입자를 상기 제1유동층(102)에 공급하여 고체입자를 순환시키게 된다.
상기 루프실(112)에는 루프실유동화가스공급관(113)을 통해 루프실유동화가스가 공급되며, 이를 통해 상기 루프실(112) 내의 고체입자가 상기 제2유동층(114)으로 이동하게 된다. 한편, 상기 루프실유동화가스공급관은 루프실 하부 좌우에서 양쪽으로 공급되는 경우도 있다.
상기 루프실(112)에 대해서 도 2 내지 도 4를 참조하여 자세히 설명한다. 상기 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)으로 배출되는 고체입자는 상기 루프실(112)의 루프실유입관(126)으로 도입되며, 중력에 의해 하강한 후 상기 루프실(112) 하부의 루프실연결관(128)으로 주입되는 루프실유동화가스에 의해 유동화되어, 상기 루프실연결관(128)의 양측의 루프실유입관(126)과 루프실배출상승관(129)의 높이가 같아지도록 유동화된다.
상기 루프실(112)에 계속적으로 고체입자가 주입되면, 도 2에 표시된 바와 같이 루프실배출상승관(129)의 배출측높이(H2)와 루프실유입관(126)의 유입측높이(H1)가 같아지도록 고체입자가 차오르게 되고, 추가로 주입되는 고체입자량 만큼 상기 루프실배출상승관(129)과 연결된 루프실배출하강관(130)을 통해 배출되어 상기 제2유동층(114)으로 공급된다. 이 경우는, 제1유동층(102)의 압력(P1)과 제2유동층(114)의 압력(P2)의 차이(△P=P2-P1=0)가 없는 상태이며, 이를 정상상태라고 한다.
그러나, 제1유동층(102)의 압력(P1)과 제2유동층(114)의 압력(P2)이 변화하여, 두 반응기 사이의 차압(differential pressure)이 발생하는 경우, 이 차압은 상기 루프실(112)의 높이 변화로 반영된다.
먼저, △P가 0보다 작은 경우, 즉 제1유동층(102)의 압력(P1)이 제2유동층(114)의 압력(P2)보다 더 높은 경우에는, 도 3에 도시된 바와 같이 상기 루프실(112)의 루프실유입관(126)의 고체입자층 높이(H1)가 상기 루프실배출상승관(129)의 고체입자층 높이(H2)에 비해 낮아지게 되며, 양쪽의 높이 차이(△H)는 △P의 절대값이 커질수록 더욱 증가하게 된다. 한편, 상기 제1사이클론(108)을 통해 루프실(112)로 연속적으로 고체입자가 유입될 경우 고체입자가 배출될 수 있는 최소 높이인 H2까지는 고체입자가 차오르므로 상기 루프실배출상승관(129)에서 고체입자층의 높이(H2)는 거의 변화되지 않는다.
반대로, △P가 0보다 큰 경우, 즉 제2유동층(114)의 압력(P2)이 제1유동층(102)의 압력(P1)보다 더 높은 경우에는, 도 4에 도시된 바와 같이 고체입자가 배출되기 위한 높이인 루프실배출상승관(129)에서 고체입자층의 높이(H2)는 변화되지 않는 반면, 루프실유입관(126)의 고체입자층 높이(H1)가 증가하게 되며, 양쪽의 높이 차이(△H)는 △P의 절대값이 커질수록 더욱 증가하게 된다.
P2가 P1에 비해 큰 경우에는 루프실유입관(126)의 고체입자층 높이(H1)가 루프실유입관(126)의 전체높이(HL1), 심하게는 상기 제1싸이클론(108)의 제1고체배출관(111)까지 차오를 수 있으며, 이로 인해 상기 제1싸이클론(108)에서 포집된 고체입자가 상기 루프실(112)로 이동하지 못하고 기체와 함께 상기 제1싸이클론(108)의 제1기체배출관(110)을 통해 배출되어 유동층에 사용되는 입자가 손실될 수 있다. 상기 제1싸이클론(108)의 효율이 저하되는 것을 방지하기 위한 방법으로, 루프실유입관(132)의 전체길이(HL2)를 도 5의 루프실(115)와 같이 증가시킬 수 있다.
이와 같은 방법에 의해 두 반응기 사이의 차압(P)을 감당할 수 있는 고체층의 높이(H)가 증가하므로 두 반응기 사이의 차압을 극복할 수 있다. 하지만 도 5와 같이 루프실(115)을 설치할 경우 P1이 P2에 비해 큰 경우가 발생하면 도 6에 도시된 바와 같이 루프실(115) 내부의 고체층 높이가 결정되며 루프실에서 두 반응기 사이의 차압을 감당할 수 있는 고체층의 최대높이(△Hmax)에 제한이 있으므로 이에 해당하는 압력차이(Pmax, P1 > P2) 이상이 되면 루프실(115)을 통해 두 반응기의 기체가 혼합되며 원활한 고체순환이 어려워진다.
이를 방지하기 위한 방법으로 도 7과 같이 루프실유입관(132)의 높이와 루프실배출상승관(134)의 높이를 함께 증가시키는 방법이 사용될 수 있다(이에 따라 루프실하강배출관(136)의 높이도 함께 증대함). 하지만 이 경우 P1이 P2보다 큰 경우에 도 6에 비해 △Hmax가 증가하는 장점이 있으나 P1과 P2가 동일한 정상상태에서도 루프실유입관(132)의 고체높이(H3)와 루프실 배출상승관의 고체높이(H4)가 도 2의 H1, H2에 비해 높아지게 되므로 루프실에 장입하여야 하는 고체입자량이 증가하는 단점이 있으며, P2가 P1보다 큰 경우에 도 5에 비해 두 반응기 사이의 차압(P)을 감당할 수 있는 고체층의 높이(H)가 감소하는 단점이 있다. 따라서, 이에 대한 기술적 보완이 시급하다.
한국특허 제10-052742호
상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 2탑 연결 순환유동층에 배치되는 루프실 양측 반응기의 압력변화에 의해 루프실유입관(126)의 고체높이와 루프실배출상승관(129)의 고체높이가 변화하는 것에 대응하면서도 루프실에 장입되어 있는 고체량을 저감시킬 수 있는 루프실을 제공하는데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 싸이클론으로부터 고체입자가 유입되는 루프실유입관; 상기 루프실유입관과 루프실연결관으로 연결되어 고체입자가 상향으로 이동되는 루프실배출상승관; 상기 루프실배출상승관의 높이에 따라 복수개가 설치되어 고체입자를 하향 또는 하향으로 경사지게 배출하는 루프실배출하강관; 및 상기 복수의 루프실배출하강관 중 어느 하나를 선택적으로 개방하도록 상기 루프실배출상승관과 각각의 루프실배출하강관 사이에 설치되는 배출선택밸브를 포함하는 루프실이다.
정상상태일 때 고체입자의 높이를 기준높이로 하여, 상기 기준높이와 같은 높이의 루프실배출하강관과, 상기 기준높이보다 낮은 높이의 하나 이상의 루프실배출하강관과, 상기 기준높이보다 높은 높이의 하나 이상의 루프실배출하강관이 배치될 수 있다.
본 발명에서 제안된 복수의 루프실배출하강관과 배출선택밸브를 가지는 루프실에 의하면, 제1유동층 또는 제2유동층의 압력이 증가하여 루프실유입관과 루프실배출상승관의 고체입자층 높이가 변화해도 탄력적으로 대응이 가능하며 루프실에 장입되는 고체량을 감소시킬 수 있다.
도 1은 종래기술에 따른 2단 연결 순환유동층의 구조를 나타낸 개략도이다.
도 2는 도 1의 루프실에서 정상상태인 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 3은 도 1의 루프실에서 고체입자유입측 압력이 고체입자배출측 압력보다 큰 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1의 루프실에서 고체입자유입측 압력이 고체입자배출측 압력보다 작은 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 5는 P2가 P1보다 큰 경우를 대응하기 위해 도 2의 루프실에 비해 루프실유입관의 높이를 증가시킨 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 6은 도 5의 루프실에서 P1이 P2보다 큰 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 7은 도 2의 루프실에 비해 루프실유입관과 루프실배출상승관의 높이를 증가시킨 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 유동층 공정용 루프실의 개략적인 단면도이다.
도 9는 도 8의 유동층 공정용 루프실에서 정상상태인 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 10은 도 8의 루프실에서 고체입자유입측 압력이 고체입자배출측 압력보다 큰 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
도 11은 도 8의 루프실에서 고체입자유입측 압력이 고체입자배출측 압력보다 작은 경우, 고체입자의 높이를 나타낸 단면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 하기의 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하며, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 8에서 도면부호 200은 본 발명의 실시예에 따른 루프실을 지시한다. 상기 루프실(200)은 루프실배출상승관(206)에 복수의 루프실배출하강관(208,210,212)이 설치되는 것이 특징이다.
상기 루프실(200)은 싸이클론과 연결되는 루프실연결관(202)과, 상기 루프실배출상승관(206)이 루프실연결관(204)에 의해 연결되어 대략 U자구조를 가지게 된다. 그리고, 상기 루프실배출상승관(206)에는 루프실유동화가스를 공급하는 루프실유동화가스공급관(220)이 연결된다.
그리고, 상기 루프실배출상승관(206)에는 높이에 따라 복수의 루프실배출하강관(208,210,212)이 연결된다. 이 때, 상기 복수의 루프실배출하강관(208,210,212) 중에서 어느 하나 만을 선택적으로 개방하기 위하여, 상기 루프실배출상승관(206)과 각각의 루프실배출하강관(208,210,212) 사이에 배출선택밸브(214,216,218)가 설치된다.
상기 배출선택밸브(214,216,218)는 솔레노이드 밸브, MOV, AOV 등 공지의 기술에 따른 밸브 중에서 선택하여 사용할 수 있다.
이 결과, 상기 루프실배출상승관(206)에서 상승된 고체입자가 배출선택밸브(214,216,218)에 의해 선택되어 개방되는 루프실배출하강관(208,210,212) 중 어느 하나로 하향 또는 하향으로 경사지게 배출된다.
상기 루프실유입관(206)의 길이(HL3)는 복수의 루프실배출하강관(208,210,212) 중 가장 높은 루프실배출하강관(212)의 높이(H7)보다 높게 형성된다.
상기 루프실배출하강관(208,210,212)의 설치 개수는 설계자에 의해 선택될 수 있으며, 바람직하게는 정상상태에서의 루프실배출상승관(206)의 높이(실시예에서는 H6, 도 9 참조)를 기준으로 하여 루프실배출하강관(210)을 설치하고, H6보다 높은 높이(H7)를 가지는 루프실배출하강관(212)과, H6보다 낮은 높이(H5)를 가지는 루프실배출하강관(208)을 배치할 수 있다.
즉, 정상상태에서는 루프실배출하강관(210)의 설치높이(H6)와 루프실유입관(206)의 고체높이가 같게 형성되며, 유입측의 압력이 높은 경우에는 루프실배출하강관(212)의 설치높이(H7)와 루프실유입관(206)의 고체높이가 같게 형성되고, 배출측의 압력이 높은 경우에는 루프실배출하강관(208)의 설치높이(H5)와 루프실유입관(206)의 고체높이가 같게 형성된다.
즉, 정상상태에서는 배출선택밸브(216)를 열고, 다른 배출선택밸브(214, 218)는 잠근 상태에서 운전하게 되며, 도 9와 같이 루프실배출하강관(210)의 설치높이(H6)와 루프실유입관(206)의 고체높이(H8)가 같게 형성된다.
유입측의 압력이 높은 경우에는 배출선택밸브(218)을 열고, 나머지 배출선택밸브(214,216)는 잠근 상태에서 운전하게 되며 도 10과 같이 루프실배출상승관의 고체높이는 루프실배출하강관(212)의 설치높이(H7)와 같게 형성되는 반면 루프실유입관의 고체높이(H8)는 루프실배출하강관(212)의 설치높이(H7)에 비해 낮게 형성된다.
배출측의 압력이 높은 경우에는 배출선택밸브(214)를 열고, 나머지 배출선택밸브(216,218)는 잠근 상태에서 운전하게 되며 도 11과 같이 루프실배출상승관의 고체높이는 루프실배출하강관(208)의 설치높이(H5)와 같게 형성되는 반면 루프실유입관의 고체높이(H8)는 루프실배출하강관(208)의 설치높이(H5)에 비해 높게 형성된다
따라서, 운전조건에 따라 변화하는 루프실 내 고체높이를 하나의 루프실(200)로 모두 대응할 수 있으므로, 루프실 설계변경에 따른 비용을 감소시킬 수 있으며, 루프실의 전체길이를 과도하게 증가시키는 경우에 비해 고체장입량을 감소시킬 수 있다.
상기와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만 해당 기술 분야의 숙련된 당업자라면 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 2탑 연결 순환유동층 102: 제1유동층
104: 제1유동화가스공급관 106: 제1배출관
108: 제1싸이클론 110: 제1기체배출관
111: 제1고체배출관 112,115,117,200: 루프실
113,214: 루프실유동화가스공급관 114: 제2유동층
116: 제2배출관 118: 제2싸이클론
120: 제2고체배출관 122: 제2기체배출관
123: 제2유동층배출관 124: 제2유동화가스공급관
126,132,202: 루프실유입관 128,204: 루프실연결관
129,134,206: 루프실배출상승관
130,136,208,210,212: 루프실배출하강관

Claims (2)

  1. 싸이클론으로부터 고체입자가 유입되는 루프실유입관;
    상기 루프실유입관과 루프실연결관으로 연결되어 고체입자가 상향으로 이동되는 루프실배출상승관;
    상기 루프실배출상승관의 높이에 따라 복수개가 설치되어 고체입자를 하향 또는 하향으로 경사지게 배출하는 루프실배출하강관; 및
    상기 복수의 루프실배출하강관 중 어느 하나를 선택적으로 개방하도록 상기 루프실배출상승관과 각각의 루프실배출하강관 사이에 설치되는 배출선택밸브를 포함하는 루프실.
  2. 제1항에 있어서, 정상상태일 때 고체입자의 높이를 기준높이로 하여, 상기 기준높이와 같은 높이의 루프실배출하강관과, 상기 기준높이보다 낮은 높이의 하나 이상의 루프실배출하강관과, 상기 기준높이보다 높은 높이의 하나 이상의 루프실배출하강관이 배치되는 것을 특징으로 하는 루프실.
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