KR20180067634A - 물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스, 평행 유동 다운커머 트레이 - Google Patents

물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스, 평행 유동 다운커머 트레이 Download PDF

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Abstract

물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스, 평행 유동 다운커머 트레이 및 물질 전달 칼럼에서의 액체-증기 접촉을 위한 방법이 제공된다. 다중 패스, 평행 유동 다운커머 트레이는 트레이 표면 상의 개구를 상향으로 통과하는 상승하는 증기와 트레이 표면 상의 횡단하는 액체 사이의 접촉을 제공하도록 구성되는 적어도 4개의 물질 전달 데크를 갖는다. 트레이는 트레이의 중심축 부근에 배치되는 중심 다운커머 및 트레이의 에지 부근에 배치되고 중심축으로부터 이격되는 2개 이상의 주연부 다운커머를 추가로 포함하고, 4개의 물질 전달 데크 중 적어도 2개는 횡단하는 액체를 주연부 다운커머 내로 배출하도록 구성되고, 4개의 물질 전달 데크 중 2개는 횡단하는 액체를 중심 다운커머 내로 배출하도록 구성된다.

Description

물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스, 평행 유동 다운커머 트레이
본 발명은 물질 전달 칼럼(mass transfer column)에 관한 것으로, 보다 상세하게는 극저온 공기 분리 플랜트(cryogenic air separation plant) 내의 증류 칼럼(distillation column)과 같은 그러한 물질 전달 칼럼에 채용되는 다중 패스(multiple pass) 증기-액체 접촉 트레이(tray) 및 다운커머(downcomer) 조립체에 관한 것이다.
예를 들어 공기 분리 플랜트의 증류 칼럼에서와 같이 적어도 2개의 성분의 혼합물로부터 적어도 하나의 성분을 선택적으로 분리하기 위한 물질 전달 분야에서, 상향으로 유동하는 증기 또는 기체 스트림이 전형적으로 실질적으로 수평으로 정렬된 접촉 트레이 상에서 대체로 하향으로 유동하는 액체 스트림과 접촉된다. 종래의 증류 공정에서, 그러한 접촉은 상향으로 유동하는 증기 또는 기체 스트림이 혼합물의 보다 가벼운 성분, 즉 상대적으로 높은 휘발성을 가진 그러한 성분으로 선택적으로 부화(enriched)되도록 허용하는 한편, 대체로 하향으로 유동하는 액체 스트림은 상대적으로 낮은 휘발성의 보다 무거운 성분으로 선택적으로 부화된다. 다양한 유형의 기체-액체 접촉 트레이가 종래에, 각각의 기체 상과 액체 상 사이의 밀접한 접촉을 달성하기 위해 전술된 물질 전달 작업에 채용되었다. 다양한 유형의 접촉 트레이에 공통된 특징부는 하기의 단락에 간략하게 기술되는 다운커머, 위어(weir) 및 활성 영역(active area)이다.
종래의 증기-액체 접촉 트레이에서 개구(aperture)를 포함하는 트레이 데크(deck)의 영역은 흔히 접촉 트레이의 "활성 영역"으로 지칭되는데, 왜냐하면 증기-액체 상호작용이 트레이 내의 개구 위에서 발생하기 때문이다. 일반적으로, 트레이의 액체 및 기체 처리 용량은 트레이의 가용 활성 영역 및 다운커머의 면적에 의해 제한된다. 하강하는 액체 또는 상승하는 증기의 양이 트레이 용량을 초과하면, 혼입(entrained) 액체가 관련 증기 스트림으로부터 적절히 분리될 수 없거나 증기가 액체 스트림으로부터 분리될 수 없을 때 트레이의 범람(flooding)이 발생할 것이다.
위어가 또한 트레이 데크 내의 개구를 통해 버블링(bubbling)하는 증기와의 향상된 상호작용을 위해 액체가 트레이의 상부 표면 상에 축적되게 하도록 대부분의 증기-액체 접촉 트레이에 사용된다. 트레이 상에서의 증기 및 액체 상호작용은 바람직하게는 거품(froth)이 트레이 상에 축적되게 한다. 거품 내에서 액체 상이 실질적으로 연속적으로 유지되기 때문에, 거품 내에서 증기 및 액체 상호작용이 계속되며, 보다 큰 물질 전달 효율을 가져온다.
다운커머는 종래에 액체가 그것을 통해 하나의 트레이로부터 아래에 놓인 트레이로 배출되는 통로를 제공하도록 증기-액체 접촉 트레이와 조합하여 제공된다. 단일 패스(single pass) 트레이에서, 다운커머는 수직으로 인접한 트레이의 대향하는 단부들에 제공되어, 액체는 그것이 다음 하부 트레이로의 통과를 위해 다운커머에 진입하기 전에 하나의 트레이를 완전히 가로질러 유동하여야 한다. 하부 트레이 상의 액체는 이어서 반대 방향으로 트레이를 가로질러 유동하고, 다른 다운커머에 진입한다. 이러한 전후(back-and-forth) 유동 패턴은 액체가 증기-액체 접촉 트레이를 포함하는 칼럼의 부분을 통해 하강함에 따라 반복된다. 많은 2-패스 트레이에서, 하강하는 액체는 각각의 접촉 트레이 상에서 반대 방향들로 이동하는 2개의 스트림으로 분할된다. 중심 다운커머가 보통 교번 트레이 상에 제공되는 한편, 2개의 단부 다운커머가 수직으로 인접한 트레이의 대향하는 단부들에 배치되어, 2 패스 유동 패턴을 제공한다. 마지막으로, 다중 패스 접촉 트레이가 또한 이용되었고, 전형적으로 위어 부하(weir loading)를 감소시키기 위해 복수의 현 모양(chordal) 다운커머를 포함하도록 구성된다.
고압 증류 시스템은 흔히 고 액체 비율(high liquid rate) 접촉 트레이를 필요로 한다. 예를 들어, 매우 높은 액체 비율로 작동하는 접촉 트레이가 큰 액체 처리 능력을 가져야 하며, 이는 이어서 접촉 트레이 상의 다운커머의 적절한 크기설정 및 배향을 필요로 한다. 바꾸어 말하면, 고 액체 비율 증류 시스템에서의 이들 상 사이에서의 주어진 성분의 물질 전달의 효율이 주로 접촉 트레이 상의 다운커머의 구성에 의해 결정된다.
1936년에 더블유. 케이. 루이스(W. K. Lewis)에 의한 잘 알려진 고전적인 연구에서, 증기-액체 접촉 트레이의 물질 전달 효율이 혼합되지 않은 증기를 동일한 방향으로 각각의 연속 트레이를 가로지르는 액체 유동과 접촉시킴으로써 최대화될 수 있는 것으로 밝혀졌다(사례 2). 이러한 사례 2는 본 명세서에 사용되는 바와 같이, 단일 트레이 상에서의 액체 유동보다는 수직 인접 또는 연속 트레이 상에서의 액체 유동을 지칭하는 평행 유동으로 지칭된다. 루이스의 사례 2는 주어진 트레이 상에서의 물질 전달을 위한 구동력이 그러한 물질 전달이 트레이 상에서 발생하는 장소에 상관없이 거의 동일한 것을 보장한다. 이로 인해, 루이스의 사례 2에 따라 작동되는 트레이를 사용할 때 상당한 효율 증가가 획득될 수 있다.
몽켈반(Monkelbaan) 등의 미국 특허 제5,223,183호는 적어도 하나의 중심 다운커머를 구비하고 측부 다운커머가 없는 평행 유동 트레이를 교시한다. 각각의 트레이의 다운커머는 하나의 트레이 상의 다운커머가 위에 있는 트레이 상의 다운커머 바로 아래에 있도록 다른 트레이 상의 다운커머와 정렬된다. 하나의 다운커머의 출구는 다른 것의 입구 바로 위에 있다. 각각의 다운커머 위의 한 쌍의 경사진 액체 편향 배플(inclined liquid deflecting baffle)이 수직으로 인접한 다운커머의 출구 및 입구를 연결하고, 교차하는 액체 유동 경로를 제공한다. 다운커머 배플은 위에 있는 트레이로부터의 액체가 각각의 다운커머에 진입하는 것을 방지하고, 트레이 데크 상으로의 액체 유동의 방향을 한정한다. 배플의 경사진 표면은 또한 하강하는 액체에 수평 운동량을 부여하며, 이러한 수평 운동량은 트레이의 이러한 부분 또는 구역에 대해 트레이 상에 존재하는 액체 및 거품을 출구 다운커머의 입구를 향해 밀어내는 경향이 있다.
몽켈반 등의 미국 특허 제5,318,732호는 다운커머 입구 개방부로부터 외향으로 트레이 데크 표면을 가로질러 연장되는 무공 증류 데크(imperforate stilling deck)를, 증류 데크의 외측 단부에 부착되는 수직 입구 위어와 함께 제공함으로써 트레이 용량을 증가시키는 또 다른 평행 유동 다중 다운커머 유형 접촉 트레이를 교시한다. 입구 위어는 다운커머 측벽의 상향 연장부에 의해 형성되는 종래의 입구 위어에 더하여 사용되는 사전-위어(pre-weir)로서 기능할 수 있다. 또한, 증류 데크는 핀칭(pinching)을 감소시키는 데 도움을 주지만; 그것들은 또한 데크의 활성 영역을 감소시킨다.
쉬(Xu) 등의 미국 특허 제7,204,427호는 또 다른 추가의 평행 유동 다중 다운커머 유형 접촉 트레이를 교시한다. 개시된 실시예에서, 측부 다운커머가 중심 배플을 갖는 평행 유동 다중 다운커머 트레이 내에 통합되고, 다운커머는 액체를 아래에 있는 데크 상으로 지향시키는 경사진 측벽을 구비한다. 경사진 측벽은 또한 몽켈반 등의 미국 특허 제5,318,732호에 개시된 유형의 증류 데크에 대한 필요성 없이 하위 다운커머 입구에서 핀칭을 감소시키기 위해 이러한 입구 위에 추가의 용적부를 제공한다.
루이스 사례 2 평행 유동 패턴 및 다중 패스 트레이 구성의 특징 및 이득을 조합함으로써 전체 물질 전달 효율을 개선하는 개선된 고-용량 접촉 트레이가 필요하다.
본 발명은 물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스 다운커머 트레이로서 특징지어질 수 있으며, 다중 패스 다운커머 트레이는 (i) 트레이 표면을 갖는 환형 트레이(annular tray); (ii) 트레이에 부착되는 환형 지지 링(annular support ring); (iii) 환형 트레이의 트레이 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크 - 적어도 4개의 물질 전달 데크 각각은 트레이 표면을 관통하는 복수의 개구를 갖고, 각각의 물질 전달 데크는 적어도 2개의 다른 물질 전달 데크에 인접하게 배치되고 개구를 통과하는 상승하는 증기와 트레이 표면 상의 횡단하는 액체 사이의 접촉을 제공하도록 구성됨 -; 및 (iv) 물질 전달 데크로부터 액체를 수집하여 배출하도록 구성되는 복수의 다운커머를 포함한다. 복수의 다운커머는 환형 트레이의 중심축에 근접하게 배치되는 하나 이상의 중심 다운커머(central downcomer) 및 환형 지지 링에 근접하게 배치되고 중심축으로부터 이격되는 2개 이상의 주연부 다운커머(peripheral downcomer)를 포함하고, 각각의 다운커머는 하강하는 액체 유동을 위한 채널을 한정한다.
적어도 4개의 물질 전달 데크 중 적어도 2개는 횡단하는 액체를 2개 이상의 주연부 다운커머 내로 배출하도록 구성되고, 적어도 4개의 물질 전달 데크 중 적어도 2개는 횡단하는 액체를 하나 이상의 중심 다운커머 내로 배출하도록 구성된다. 또한, 적어도 4개의 물질 전달 데크 각각을 횡단하는 액체 유동은 적어도 2개의 인접한 물질 전달 섹션(mass transfer section)에서 횡단하는 액체 유동과 반대 방향이다.
다중 패스 다운커머 트레이는 물질 전달 데크 내의 개구가 복수의 구멍인 시브 트레이(sieve tray)일 수 있다. 선택적으로, 개구는 또한 물질 전달 데크를 가로지르는 액체의 이동을 촉진하기 위해 트레이 표면 내에 배치되는 복수의 증기-지향 슬롯(vapor-directing slot)을 포함할 수 있다. 대안적으로, 다중 패스 다운커머 트레이는, 개구가 복수의 개방부이고 이동가능 밸브(moveable valve) 또는 고정형 밸브 구조체(fixed valve structure)가 개방부 위에 배치되는 밸브 트레이(valve tray)일 수 있다.
다중 패스 다운커머 트레이는 또한 바람직하게는 하기의 특징부를 포함한다: (1) 각각의 다운커머에 근접하게 트레이 표면 상에 배치되고 하강하는 액체를 수용하여 하강하는 액체를 물질 전달 데크 중 하나 이상으로 확산시키도록 구성되는 복수의 액체 채널 구조체 또는 슈트(shoot); (2) 각각의 다운커머에 근접하게 배치되고 다운커머로의 횡단하는 액체 유동을 저지하도록 구성되는 복수의 위어; (3) 트레이 표면 상에 배치되는 액체 수용 팬(liquid receiving pan); (4) 액체 수용 팬 상에 배치되고 물질 전달 영역으로의 액체의 분배를 개선하도록 구성되는 천공된 배플(perforated baffle); (5) 액체 수용 팬과 하나 이상의 물질 전달 데크 사이에서 트레이 표면 상에 배치되는 하나 이상의 버블 형성 구조체(bubble forming structure); 및 (6) 트레이 표면 상에 배치되고 트레이 표면을 신중한 물질 전달 데크로 구분하도록 구성되는 하나 이상의 분할기(divider).
본 발명은 또한 물질 전달 칼럼으로서 특징지어질 수 있으며, 물질 전달 칼럼은 내부 표면 및 외부 표면을 가진 원통형 벽을 갖는 칼럼; 및 원통형 벽의 내부 표면에 부착되고 칼럼 내에 적층된 배향으로 배열되는 복수의 전술된 다중 패스 다운커머 트레이를 포함하고, 액체 유동은 칼럼 내의 인접 다중 패스 다운커머 트레이의 수직 연속 물질 전달 데크에서 평행 유형 유동 경로(parallel type flow path)를 따르고, 이로써 액체가 칼럼 내의 연속 다중 패스 다운커머 트레이를 통해 하강할 때, 하강하는 액체는 사행형(serpentine) 또는 반원형 유동 경로를 따라 아래로 칼럼을 통해 진행된다.
본 발명은 또한 물질 전달 칼럼에서의 액체-증기 접촉을 위한 방법으로서 특징지어질 수 있으며, 방법은 (a) 하강하는 액체를 물질 전달 칼럼 내에 적층된 배향으로 배열되는 복수의 다운커머 트레이로 지향시키는 단계 - 각각의 다운커머 트레이는 물질 전달 데크로부터 액체를 수집하여 배출하도록 구성되는 복수의 다운커머; 및 다운커머 트레이의 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크를 포함하고, 복수의 개구가 트레이 표면 상의 물질 전달 데크를 관통함 -; (b) 상승하는 증기를 물질 전달 칼럼을 통해 복수의 다운커머 트레이로 그리고 복수의 개구를 통하여 트레이 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크를 통해 지향시키는 단계; 및 (c) 개구를 통과하는 상승하는 증기와 트레이 표면 상의 물질 전달 데크 상의 하강하는 액체를 접촉시키는 단계를 포함한다. 물질 전달 칼럼에서의 액체-증기 접촉을 위한 전술된 방법은 추가로, 액체 유동이 물질 전달 칼럼 내의 인접 다운커머 트레이의 수직 연속 물질 전달 데크에서 평행 유형 유동 경로를 따르고, 액체가 물질 전달 칼럼 내의 연속 다운커머 트레이를 통해 하강할 때, 하강하는 액체가 사행형 또는 반원형 유동 경로를 따라 아래로 물질 전달 칼럼을 통해 진행되는 것을 특징으로 한다.
물질 전달 칼럼 내의 각각의 트레이 내에서, 복수의 다운커머는 환형 기부(annular base)의 중심축에 근접하게 배치되는 하나 이상의 중심 다운커머 및 다운커머 트레이의 주연부 에지에 근접하게 배치되고 중심축으로부터 이격되는 2개 이상의 주연부 다운커머를 포함한다. 또한, 다중 패스 다운커머 트레이 표면 상의 각각의 물질 전달 데크를 횡단하는 액체 유동은 동일한 트레이 표면 상의 인접 물질 전달 섹션을 횡단하는 액체 유동과 반대 방향이다.
본 명세서가 본 출원인이 본 발명으로 간주하는 발명 요지를 구체적으로 언급하는 청구범위로 결론을 맺지만, 본 발명이 첨부 도면과 함께 해석될 때 보다 명확하게 이해될 것으로 여겨진다.
도 1은 본 발명에 따른 물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스 다운커머 트레이의 도식적 도면.
도 2는 도 1의 물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스 다운커머 트레이의 평면도.
도 3은 도 2의 물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스 다운커머 트레이의 단면도.
도 4a 내지 도 4k는 본 발명에 따른 물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스 다운커머 트레이 상의 물질 전달 데크의 대안적인 실시예에 사용되는 고정형 밸브, 이동가능 밸브, 케이지형 밸브(caged valve), 버블 캡(bubble cap) 장치, 지향성 밸브(directional valve) 및 증기 지향 슬롯의 예를 도시한 도면.
이제 도면을 참조하면, 물질 전달 칼럼을 위한 다중 패스 다운커머 트레이(10)의 일 실시예가 도시된다. 다중 패스 다운커머 트레이(10)는 환형 에지(11), 상부 트레이 표면(12) 및 저부 트레이 표면(14)을 갖는 알루미늄 또는 스테인리스 강의 환형 트레이를 포함한다. 환형 지지 링(15)이 물질 전달 칼럼(도시되지 않음)의 내부 벽에 대한 연결을 용이하게 하기 위해 트레이의 환형 에지(11)에 부착된다. 예시된 실시예의 상부 트레이 표면(12) 상에, 트레이(10)를 통해 연장되어 증기가 저부 트레이 표면(14) 아래로부터 상부 트레이 표면(12) 위로 상승하도록 허용하여 증기가 물질 전달 데크 상의 임의의 횡단하는 액체와 상호작용하도록 하는 복수의 개구(29)를 각각 구비하는 4개의 물질 전달 데크(22, 24, 26, 28)가 있다. 예시된 실시예의 4개의 물질 전달 데크(22, 24, 26, 28)는 각각의 물질 전달 데크가 적어도 2개의 다른 물질 전달 데크에 인접하게 배치되도록 환형 트레이의 분리된 사분원(quadrant) 내에 배치된다. 다중 패스 다운커머 트레이(10)는, 물질 전달 데크들 중 2개 사이에서 환형 트레이(10)의 중심축(31)을 따라 배치되고 2개의 인접한 물질 전달 데크를 횡단하는 액체를 수집하여 아래에 놓인 트레이(도시되지 않음)로 배출하도록 구성되는 중심 다운커머(30)를 추가로 포함한다.
다중 패스 다운커머 트레이(10)는 또한, 중심축(25)으로부터 이격되고 환형 지지 링(15)에 근접하게 배치되는 2개의 주연부 배치(peripherally disposed) 다운커머(32, 34)를 포함한다. 각각의 주연부 배치 다운커머(32, 34)는 물질 전달 데크들 중 하나에 근접하고 그것과 유체 연통하도록 구성된다. 도면에서 볼 수 있는 바와 같이, 제1 주연부 배치 다운커머(32)는 물질 전달 데크(22)에 근접하게 배치되는 한편, 제2 주연부 배치 다운커머(34)는 물질 전달 데크(24)에 근접하게 배치된다. 중심 배치 다운커머(30)와 마찬가지로, 각각의 주연부 배치 다운커머(32, 34)는 인접한 물질 전달 데크를 횡단하는 액체를 수집하여 아래에 놓인 트레이(도시되지 않음)로 배출하도록 구성된다. 예시된 실시예에서, 중심 다운커머(30)는 한 쌍의 측방향 측벽(31) 및 측방향 측벽(31)을 연결하는 적어도 하나의 단부 벽(33)을 포함하여, 다중 패스 다운커머 트레이(10)로부터 유출되는 하강하는 액체 유동을 위한 중심 채널(35)을 한정한다. 마찬가지로, 주연부 다운커머(32, 34)는 각각 또한 한 쌍의 측방향 측벽(36) 및 측방향 측벽(36)을 연결하는 적어도 하나의 단부 벽(38)을 포함하여, 하강하는 액체 유동을 위한 주연부 채널(39)을 한정한다.
물질 전달 데크(22, 24, 26, 28)로부터 관련 다운커머(30, 32, 34)로의 횡단하는 액체 유동을 저지하도록 크기설정되고 구성되는, 각각의 다운커머(30, 32, 34)에 근접하게 배치되는 복수의 위어(40)가 상위 또는 상부 트레이 표면(12) 상에 배치된다. 각각의 다중 패스 다운커머 트레이(10)는 또한 상부 트레이 표면(12)을 신중한 물질 전달 데크로 구분하거나 분할하도록 위치되고 구성되는, 상위 또는 상부 트레이 표면(12) 상에 배치되는 하나 이상의 분할기(45A, 45B)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 분할기들 중 하나(45A)는 물질 전달 영역(22)과 물질 전달 영역(28)을 구분하는 반면에, 다른 하나의 분할기(45B)는 물질 전달 영역(24)과 물질 전달 영역(26)을 구분한다.
복수의 액체 채널 구조체 또는 슈트(50, 52, 54)가 각각의 다운커머(30, 32, 34)에 근접하게 상위 또는 상부 트레이 표면(12) 상에 배치된다. 액체 채널 구조체 또는 슈트(50, 52, 54)는 트레이(10) 위로부터 하강하는 액체를 지향시키고 하강하는 액체를 물질 전달 데크들(22, 24, 26, 28) 중 하나 이상으로 확산시키도록 구성된다. 슈트(50) 내에서 하강하는 액체 유동이 상위 또는 상부 트레이 표면(12) 상에 배치되는 액체 수용 팬(60) 내에 수용된다. 액체의 제1 부분이 액체 수용 팬(60)으로부터 버블 형성 구조체(65)를 통해 물질 전달 데크(22)로 주연부 배치 다운커머(32)를 향해 유동하는 한편, 액체의 제2 부분이 액체 수용 팬(60)으로부터 반대 방향으로 버블 형성 구조체(65)를 통해 물질 전달 데크(24)로 주연부 배치 다운커머(34)를 향해 유동한다.
각각의 주연부 배치 다운커머(32, 34)에 근접하게 배치되는 액체 채널 구조체 또는 슈트(52, 54)에 관하여, 하강하는 액체는 슈트(52)를 따라 아래로 상위 또는 상부 트레이 표면(12) 상에 배치되는 액체 수용 팬(62) 내로 유동하고, 버블 형성 구조체(65)를 통해 물질 전달 데크(28)로 중심 배치 다운커머(30)를 향해 지향된다. 유사하게, 슈트(54)를 따라 아래로 유동하는 하강하는 액체는 역시 상위 또는 상부 트레이 표면(12) 상에 배치되는 액체 수용 팬(64) 내에 수용되고, 버블 형성 구조체(65)를 통해 물질 전달 데크(26)로 역시 중심 배치 다운커머(30)를 향해 지향된다.
각각의 예시된 액체 채널 구조체 또는 슈트(50, 52, 54)는 바람직하게는 상위 또는 상부 트레이 표면(12)으로부터 수직으로 연장되는 한 쌍의 측방향 측벽(56) 및 측방향 측벽을 연결하여 하강하는 액체를 트레이(10)로, 보다 상세하게는 관련 액체 수용 팬(60, 62, 64)으로 전달하기 위한 램프(ramp)를 한정하는 단부 벽(58)으로 구성된다.
도시되지 않지만, 다중 패스 다운커버 트레이(10)는 액체 수용 팬(60, 62, 64) 상에 배치되는 하나 이상의 천공된 배플을 추가로 포함할 수 있다. 천공된 배플은 하강하는 액체를 감속시키고 물질 전달 영역에의 수용된 액체의 분배를 개선하기 위해 액체 수용 팬(60, 62, 64)의 특정 위치에 구성되고 배치된다.
다중 패스 다운커머 트레이(10)의 바람직한 실시예는 물질 전달 데크 내의 개구가 복수의 작은 구멍(29)을 포함하는 시브 트레이이다. 대안적으로, 도 4a 내지 도 4g에 도시된 바와 같이, 다중 패스 다운커머 트레이는, 각각의 물질 전달 데크 내의 개구가 복수의 개방부를, 개방부 위에 배치되는 이동가능 밸브(72), 개방부 위에 배치되는 고정형 밸브(74), 케이지형 밸브(76)와 함께 추가로 포함하는 밸브 트레이일 수 있다. 또한 추가로, 다중 패스 다운커머 트레이는 개방부(70) 위에서 물질 전달 데크 상에 배치되는, 도 4h 및 도 4i에 도시된 바와 같은 복수의 버블 캡 유형 장치(78)를 갖는 버블 캡 트레이일 수 있다.
선택적으로, 4개의 물질 전달 데크(22, 24, 26, 28) 내의 개구 중 일부는 대응하는 다운커머로의 물질 전달 데크를 가로지르는 액체의 이동을 촉진하도록 배향되는, 도 4j 및 도 4k에 도시된 바와 같은 증기-지향 슬롯(80) 또는 지향성 밸브(82)를 추가로 포함한다. 예를 들어, 물질 전달 데크(22) 내의 증기-지향 슬롯(80)은 주연부 배치 다운커머(32)를 향한(화살표 A의 방향) 액체의 이동을 촉진하도록 배향된다. 유사하게, 물질 전달 데크(24) 내의 증기-지향 슬롯(80)은 주연부 배치 다운커머(34)를 향한(화살표 B의 방향) 반대 방향으로의 액체의 이동을 촉진하도록 배향된다. 물질 전달 데크(26, 28) 내의 임의의 증기-지향 슬롯(80)이 중심 배치 다운커머(30)를 향한(각각 화살표 C 및 화살표 D의 방향) 액체의 이동을 촉진하도록 배향된다.
증기-지향 슬롯(80)이 있든 없든 간에, 전술된 트레이 유동 패턴은 4개의 물질 전달 데크(22, 24, 26, 28) 각각을 횡단하는 액체 유동이 2개의 인접한 물질 전달 섹션에서 횡단하는 액체 유동과 반대 방향이도록 설계된다. 예를 들어, 주연부 배치 다운커머(32)를 향한 물질 전달 데크(22)에서의 액체의 이동(화살표 A의 방향)은 물질 전달 데크(24)에서의 액체의 이동(화살표 B의 방향)과 반대이고, 물질 전달 데크(28)에서의 액체의 이동(화살표 D의 방향)과 반대이다. 유사하게, 주연부 배치 다운커머(34)를 향한 물질 전달 데크(24)에서의 액체의 이동(화살표 B의 방향)은 물질 전달 데크(22)에서의 액체의 이동(화살표 A의 방향)과 반대이고, 물질 전달 데크(26)에서의 액체의 이동(화살표 C의 방향)과 반대이다. 마찬가지로, 중심 배치 다운커머(30)를 향한 물질 전달 데크(26)에서의 액체의 이동(화살표 C의 방향)은 물질 전달 데크(24)에서의 액체의 이동(화살표 B의 방향)과 반대이고, 물질 전달 데크(28)에서의 액체의 이동(화살표 D의 방향)과 반대이다. 마지막으로, 중심 배치 다운커머(30)를 향한 물질 전달 데크(28)에서의 액체의 이동(화살표 D의 방향)은 물질 전달 데크(26)에서의 액체의 이동(화살표 C의 방향)과 반대이고, 물질 전달 데크(22)에서의 액체의 이동(화살표 A의 방향)과 반대이다.
전술된 다중 패스 다운커머 트레이는 복수의 트레이가 물질 전달 칼럼 내에 적층된 배향으로 배열되는 물질 전달 칼럼에 사용하기에 특히 적합하다. 중심 다운커머, 주연부 다운커머 및 인접 트레이의 각각의 물질 전달 데크와 슈트가 수직으로 정렬되도록 수직 정렬 방식으로 배열될 때, 이러한 배열은 루이스 사례 2 유형 평행 유동 배열을 달성한다. 바꾸어 말하면, 연속 트레이(즉, 위와 아래) 내의 4개의 물질 전달 데크 각각을 가로지르는 액체 유동이 동일한 방향이다. 본 발명은 유리하게는 연속 또는 인접 트레이들 사이의 평행 유동 배열을 주어진 트레이에 대한 다중 패스 유동 배열과 함께 이들 둘 모두를 조합한다. 그 결과, 수직으로 정렬되는 전술된 다중 패스 트레이를 갖는 칼럼의 물질 전달 효율이, 보다 짧은 평균 유동 경로(유사한 크기의 칼럼에 대해), 감소된 위어 부하, 및 주어진 트레이 내의 모든 물질 전달 데크 상에서의 또는 수직으로 정렬된 물질 전달 데크 상에서의 물질 전달에 대한 균일한 구동력으로 인해, 종래의 트레이 설계에 비해 크게 개선된다.
기체-증기 물질 전달 칼럼의 일 실시예는 내부 표면을 갖는 원통형 벽 및 원통형 벽의 내부 표면에 부착되는 복수의 전술된 다중 패스 다운커머 트레이를 구비하는 칼럼을 포함한다. 복수의 다중 패스 다운커머 트레이는 수직으로 정렬되고, 바람직하게는 복수의 연결 로드(connecting rod)(도시되지 않음)를 통해 수직으로 인접한 트레이에 연결되어 칼럼 내장품에 구조적 안정성을 제공한다.
제1 트레이 상의 각각의 물질 전달 데크를 횡단하는 액체 유동은 그러한 제1 트레이 상의 다른 물질 전달 데크와 대면하는(
Figure pct00001
) 다중-패스 유동 배열을 이루고, 또한 제1 트레이 위 및/또는 아래에 배치되는 칼럼 내의 인접 트레이의 수직 연속 물질 전달 데크에 관하여 평행 유형 유동 경로를 따른다. 액체가 칼럼 내의 연속 트레이를 통해 하강할 때, 하강하는 액체는 또한 사행형 또는 반원형 유동 경로를 따라 아래로 칼럼을 통해 진행된다.
본 발명이 바람직한 실시예 및 그것과 관련된 작동 방법에 관하여 기술되었지만, 개시된 다중 패스 다운커머 트레이 및 관련 방법에 대한 다수의 추가, 변경 및 생략이 첨부된 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어남이 없이 이루어질 수 있는 것이 이해되어야 한다.

Claims (32)

  1. 물질 전달 칼럼(mass transfer column)을 위한 다중 패스 다운커머 트레이(multiple pass downcomer tray)로서,
    트레이 표면을 갖는 환형 트레이(annular tray);
    트레이에 부착되는 환형 지지 링(annular support ring);
    환형 트레이의 트레이 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크(mass transfer deck) - 적어도 4개의 물질 전달 데크 각각은 트레이 표면을 관통하는 복수의 개구(aperture)를 갖고, 각각의 물질 전달 데크는 적어도 2개의 다른 물질 전달 데크에 인접하게 배치되고 개구를 통과하는 상승하는 증기와 트레이 표면 상의 횡단하는 액체 사이의 접촉을 제공하도록 구성됨 -; 및
    환형 트레이의 중심축에 근접하게 배치되는 하나 이상의 중심 다운커머(central downcomer) 및 환형 지지 링에 근접하게 배치되고 중심축으로부터 이격되는 2개 이상의 주연부 다운커머(peripheral downcomer)를 포함하는, 물질 전달 데크로부터 액체를 수집하여 배출하도록 구성되는 복수의 다운커머 - 각각의 다운커머는 하강하는 액체 유동을 위한 채널을 한정함 - 를 포함하고,
    적어도 4개의 물질 전달 데크 중 적어도 2개는 횡단하는 액체를 2개 이상의 주연부 다운커머 내로 배출하도록 구성되고, 적어도 4개의 물질 전달 데크 중 적어도 2개는 횡단하는 액체를 하나 이상의 중심 다운커머 내로 배출하도록 구성되고,
    적어도 4개의 물질 전달 데크 각각을 횡단하는 액체 유동은 적어도 2개의 인접한 물질 전달 섹션(mass transfer section)에서 횡단하는 액체 유동과 반대 방향인, 다중 패스 다운커머 트레이.
  2. 제1항에 있어서, 트레이는 시브 트레이(sieve tray)이고, 물질 전달 데크 내의 개구는 복수의 구멍을 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  3. 제1항에 있어서, 트레이는 물질 전달 데크 상에 배치되는 복수의 버블 캡(bubble cap) 유형 장치를 포함하는 버블 캡 트레이인, 다중 패스 다운커머 트레이.
  4. 제1항에 있어서, 물질 전달 데크 내의 개구는 물질 전달 데크를 가로지르는 액체의 이동을 촉진하기 위해 트레이 표면 내에 증기-지향 슬롯(vapor-directing slot)을 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  5. 제1항에 있어서, 트레이는 밸브 트레이(valve tray)이고, 각각의 물질 전달 데크 내의 개구는 복수의 개방부를, 개방부 위에 배치되는 이동가능 밸브(moveable valve)와 함께 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  6. 제1항에 있어서, 트레이는 밸브 트레이이고, 각각의 물질 전달 데크 내의 개구는 복수의 개방부를, 개방부 위에 배치되는 고정형 밸브 구조체(fixed valve structure)와 함께 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  7. 제1항에 있어서, 주연부 다운커머는 한 쌍의 측방향 측벽 및 측방향 측벽을 연결하는 적어도 하나의 단부 벽을 추가로 포함하여, 하강하는 액체 유동을 위한 채널을 한정하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  8. 제1항에 있어서, 하나 이상의 중심 다운커머는 한 쌍의 측방향 측벽 및 측방향 측벽을 연결하는 적어도 하나의 단부 벽을 추가로 포함하여, 다중 패스 다운커머 트레이로부터 유출되는 하강하는 액체 유동을 위한 채널을 한정하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  9. 제1항에 있어서, 트레이 표면 상에 배치되고 트레이 표면을 신중한 물질 전달 데크로 구분하도록 구성되는 하나 이상의 분할기(divider)를 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  10. 제1항에 있어서, 각각의 다운커머에 근접하게 배치되고 다운커머로의 횡단하는 액체 유동을 저지하도록 구성되는 복수의 위어(weir)를 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  11. 제1항에 있어서, 각각의 다운커머에 근접하게 트레이 표면 상에 배치되고 하강하는 액체를 수용하여 하강하는 액체를 물질 전달 데크 중 하나 이상으로 확산시키도록 구성되는 복수의 액체 채널 구조체 또는 슈트(shoot)를 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  12. 제11항에 있어서, 액체 채널 구조체 또는 슈트는,
    트레이 표면으로부터 수직으로 연장되는 한 쌍의 측방향 측벽;
    측방향 측벽을 연결하여 하강하는 액체를 트레이로 전달하기 위한 램프(ramp)를 한정하는 단부 벽; 및
    트레이 표면 상에 배치되는 액체 수용 팬(liquid receiving pan)을 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  13. 제12항에 있어서, 액체 수용 팬과 하나 이상의 물질 전달 데크 사이에서 트레이 표면 상에 배치되는 하나 이상의 버블 형성 구조체(bubble forming structure)를 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  14. 제12항에 있어서, 액체 수용 팬 상에 배치되고 물질 전달 영역에 걸친 액체의 분배를 개선하도록 구성되는 천공된 배플(perforated baffle)을 추가로 포함하는, 다중 패스 다운커머 트레이.
  15. 물질 전달 칼럼으로서,
    내부 표면 및 외부 표면을 가진 원통형 벽을 갖는 칼럼;
    원통형 벽의 내부 표면에 부착되고 칼럼 내에 적층된 배향으로 배열되는 복수의 다중 패스 다운커머 트레이를 포함하고,
    각각의 다중 패스 다운커머 트레이는,
    (i) 트레이 표면을 갖는 환형 기부(annular base);
    (ii) 기부에 부착되는 환형 지지 링;
    (iii) 트레이 표면을 관통하는 복수의 개구를 갖고 개구를 통과하는 상승하는 증기와 트레이 표면 상의 횡단하는 액체 사이의 접촉을 제공하도록 구성되는, 트레이 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크; 및
    (iv) 환형 기부의 중심축에 근접하게 배치되는 하나 이상의 중심 다운커머 및 환형 지지 링에 근접하게 배치되고 중심축으로부터 이격되는 2개 이상의 주연부 다운커머를 포함하는, 물질 전달 데크로부터 액체를 수집하여 배출하도록 구성되는 복수의 다운커머 - 각각의 다운커머는 액체 유동을 위한 채널을 한정함 - 를 추가로 포함하고,
    트레이 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크 각각을 횡단하는 액체 유동은 동일한 트레이 표면 상의 적어도 2개의 인접한 물질 전달 섹션에서 횡단하는 액체 유동과 반대 방향이고,
    액체 유동은 칼럼 내의 인접 다중 패스 다운커머 트레이의 수직 연속 물질 전달 데크에서 평행 유형 유동 경로(parallel type flow path)를 따르고,
    액체가 칼럼 내의 연속 다중 패스 다운커머 트레이를 통해 하강할 때, 하강하는 액체는 사행형(serpentine) 또는 반원형 유동 경로를 따라 아래로 칼럼을 통해 진행되는, 물질 전달 칼럼.
  16. 제15항에 있어서, 인접 다중 패스 다운커머 트레이를 서로 견고하게 연결하는 복수의 연결 로드(connecting rod)를 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  17. 제15항에 있어서, 다중 패스 다운커머 트레이는 물질 전달 데크 상에 배치되는 복수의 버블 캡 유형 장치를 추가로 포함하는 버블 캡 트레이인, 물질 전달 칼럼.
  18. 제15항에 있어서, 다중 패스 다운커머 트레이는 시브 트레이를 추가로 포함하고, 다중 패스 다운커머 트레이 상의 물질 전달 데크 내의 개구는 복수의 구멍을 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  19. 제15항에 있어서, 다중 패스 다운커머 트레이 상의 물질 전달 데크 내의 개구는 물질 전달 데크를 가로지르는 액체의 이동을 촉진하기 위해 트레이 표면 내에 증기-지향 슬롯을 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  20. 제15항에 있어서, 다중 패스 다운커머 트레이 중 하나 이상은 밸브 트레이이고, 밸브 트레이 상의 각각의 물질 전달 데크 내의 개구는 복수의 개방부를, 개방부 위에 배치되는 이동가능 밸브와 함께 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  21. 제15항에 있어서, 다중 패스 다운커머 트레이 중 하나 이상은 밸브 트레이이고, 밸브 트레이 상의 각각의 물질 전달 데크 내의 개구는 복수의 개방부를, 개방부 위에 배치되는 고정형 밸브 구조체와 함께 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  22. 제15항에 있어서, 다중 패스 다운커머 트레이 상의 주연부 다운커머는 한 쌍의 측방향 측벽 및 측방향 측벽을 연결하는 적어도 하나의 단부 벽을 추가로 포함하여, 주연부 다운커머 아래의 인접 트레이로의 하강하는 액체 유동을 위한 채널을 한정하는, 물질 전달 칼럼.
  23. 제15항에 있어서, 다중 패스 다운커머 트레이 상의 하나 이상의 중심 다운커머는 한 쌍의 측방향 측벽 및 측방향 측벽을 연결하는 적어도 하나의 단부 벽을 추가로 포함하여, 하나 이상의 중심 다운커머 아래의 인접 트레이로의 하강하는 액체 유동을 위한 채널을 한정하는, 물질 전달 칼럼.
  24. 제15항에 있어서, 트레이 표면 상에 배치되고 다중 패스 다운커머 트레이의 트레이 표면을 신중한 물질 전달 데크로 구분하도록 구성되는 하나 이상의 분할기를 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  25. 제15항에 있어서, 각각의 다운커머에 근접하게 배치되고 다운커머로의 횡단하는 액체 유동을 저지하도록 구성되는 복수의 위어를 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  26. 제15항에 있어서, 각각의 다중 패스 다운커머 트레이는, 각각의 다운커머에 근접하게 트레이 표면 상에 배치되고 수직으로 인접한 트레이로부터 하강하는 액체를 수용하여 하강하는 액체를 물질 전달 데크 중 하나 이상으로 확산시키도록 구성되는 복수의 액체 채널 구조체 또는 슈트를 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  27. 제26항에 있어서, 액체 채널 구조체 또는 슈트는,
    트레이 표면으로부터 수직으로 연장되는 한 쌍의 측방향 측벽;
    측방향 측벽을 연결하여 하강하는 액체를 트레이로 전달하기 위한 램프를 한정하는 단부 벽; 및
    트레이 표면 상에 배치되는 액체 수용 팬을 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  28. 제27항에 있어서, 각각의 다중 패스 다운커머 트레이는 액체 수용 팬과 하나 이상의 물질 전달 데크 사이에서 트레이 표면 상에 배치되는 하나 이상의 버블 형성 구조체를 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  29. 제27항에 있어서, 액체 수용 팬 상에 배치되고 물질 전달 영역에 걸친 액체의 분배를 개선하도록 구성되는 천공된 배플을 추가로 포함하는, 물질 전달 칼럼.
  30. 물질 전달 칼럼에서의 액체-증기 접촉을 위한 방법으로서,
    하강하는 액체를 물질 전달 칼럼 내에 적층된 배향으로 배열되는 복수의 다운커머 트레이로 지향시키는 단계 - 각각의 다운커머 트레이는 물질 전달 데크로부터 액체를 수집하여 배출하도록 구성되는 복수의 다운커머; 및 다운커머 트레이의 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크를 포함하고, 복수의 개구가 트레이 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크를 관통함 -;
    상승하는 증기를 물질 전달 칼럼을 통해 복수의 다운커머 트레이로 그리고 복수의 개구를 통하여 트레이 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크를 통해 지향시키는 단계;
    개구를 통과하는 상승하는 증기와 트레이 표면 상의 물질 전달 데크 상의 하강하는 액체를 접촉시키는 단계를 포함하고,
    액체 유동은 물질 전달 칼럼 내의 인접 다운커머 트레이의 수직 연속 물질 전달 데크에서 평행 유형 유동 경로를 따르고,
    액체가 물질 전달 칼럼 내의 연속 다운커머 트레이를 통해 하강할 때, 하강하는 액체는 사행형 또는 반원형 유동 경로를 따라 아래로 물질 전달 칼럼을 통해 진행되는, 방법.
  31. 제30항에 있어서, 복수의 다운커머는 환형 기부의 중심축에 근접하게 배치되는 하나 이상의 중심 다운커머 및 다운커머 트레이의 주연부 에지에 근접하게 배치되고 중심축으로부터 이격되는 2개 이상의 주연부 다운커머를 포함하고, 각각의 다운커머는 다운커머 아래에 위치되는 다운커머 트레이로의 하강하는 액체 유동을 위한 채널을 한정하는, 방법.
  32. 제30항에 있어서, 트레이 표면 상의 적어도 4개의 물질 전달 데크 각각을 횡단하는 하강하는 액체 유동은 동일한 트레이 표면 상의 인접 물질 전달 섹션을 횡단하는 하강하는 액체 유동과 반대 방향인, 방법.
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