KR20180113209A - 용기 내의 유동을 용이하게 하기 위한 처리 요소의 사용 - Google Patents

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KR20180113209A
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Abstract

베드 용기 내에서 하나 이상의 스트림의 유동의 분배를 용이하게 하는 방법이 제공된다. 베드 용기 내에는 다수의 작동 구역을 포함하는 내부 재료 및 구조가 배치된다. 일 유형의 작동 구역은 하나 이상의 고체 프로세싱 재료 베드로 구성된 프로세싱 구역일 수 있다. 다른 유형의 작동 구역은 처리 구역일 수 있다. 처리 구역은 프로세싱 구역으로 공급되는 하나 이상의 스트림의 분배를 용이하게 할 수 있다. 분배는 공급 스트림과 프로세싱 구역에 포함된 프로세싱 재료 사이의 접촉을 용이하게 할 수 있다.

Description

용기 내의 유동을 용이하게 하기 위한 처리 요소의 사용
본 출원은 2016년 3월 28일자로 출원된 미국 가출원 제 62/314,069호, 2016년 2월 12일 출원된 미국 가출원 제62/294,768호; 및 2016년 9월 14일자로 출원된 미국 특허 출원 제15/265,405호의 우선권과 이익을 청구하며, 이들 각각의 내용은 본원에 참조로서 통합된다.
현재 개시된 주제는 공정 산업에서 이용되는 용기 내에서 스트림의 유동을 용이하게 하는 것에 관한 것이다.
산업계에 설치되고 운영되는 베드 용기의 개수는 전 세계적으로 총 수 만명에 달한다. 베드 용기는 대개 직경이 4 내지 18 피트, 높이가 10 내지 100 피트 이상인 대형이다. 이러한 베드 용기의 체적은 실질적으로 베드 용기 내부로 채워진다. 매년, 차단되거나 건설되고 의뢰되는 베드 용기의 개수는 총 수백 개다. 이러한 베드 용기의 설계된 수명은 일반적으로 수십 년으로 측정된다. 산업에서 사용되는 베드 용기는 의도된 프로세싱 작업을 용이하게 하는 하나 이상의 고체 프로세싱 재료 요소의 베드를 포함할 수 있는 적절한 내부를 포함한다. 이러한 고체 프로세싱 재료 요소는 예를 들어, 반응 촉진 촉매 및 체 및 흡수제를 포함하는 매스 전달 촉진제를 포함할 수 있다. 베드 용기 및 그 내용물은 베드 용기 소유자에 의한 매우 큰 투자를 나타낸다.
(용기의 시동부터 용기의 차단까지) 통상적인 베드 용기 "온-오일" 작동 사이클의 정상적인 길이는 수 개월 또는 수년 단위로 측정된다. 정상 작동은 일반적으로 베드 용기 내부가 성능 한계에 도달하거나 또는 온도 또는 압력과 같은 베드 용기 작동 조건이 작동 한계를 초과할 때 중단된다. 이러한 차단에는 전형적으로 베드 용기 내부의 재생, 수리 및/또는 교체에 이어 작동의 재개가 뒤따른다.
베드 용기에 유입되는 스트림에 대한 유동 분배를 촉진시키기 위해 적합한 물질을 이용하는 것이 당업계에 공지되어 있다. 이러한 분배의 목적은 스트림을 베드 용기 프로세싱 재료와의 스트림 접촉을 개선시키는 리뷸렛(rivulets)으로 세분하는 것이다. 3차원 망목은 유동 분배를 촉진시키는 것으로 알려져있다. 예를 들어, 미국 특허 제6,258,900호, 제6,291,603호 및 제7,265,189호는 각각 망목 재료를 기술하고 있다.
많은 베드 용기는 베드 용기에 설치된 고체 프로세싱 재료 요소의 베드를 가로 질러 및 그 전체에 걸쳐 효과적이고 효율적인 스트림 유동 분배를 포함하는 베드 용기 내부의 효과적이고 효율적인 활용을 유지하는 것과 관련된 문제점에 직면해 있다. 스트림 유동 분배가 부적절하면 작은 스트림 리뷸렛이 더 큰 스트림으로 합쳐져 스트림 유동 채널링이 생기므로 베드 용기 프로세싱 내부의 일부를 우회할 수 있게 된다.
베드 용기 내에서의 스트림 유동 채널링은 작동 조건(예를 들어, 공급 스트림의 조성 변화), 작동 혼란(예를 들어, 파워 서지/컷, 펌프 결함 등)의 변화, 또는 베드 용기 내부의 자연적 또는 가속화된 노화로 인해 시간이 지남에 따라 발생할 수 있고 변할 수 있다. 채널링은 서로 접촉하는 작은 유체 스트림 또는 다른 베드 용기 내부 또는 베드 용기 자체와의 접촉에 의해 유착이 촉진될 때 발생할 수 있다. 채널링은 과다 노출 및 과소 사용된 베드 용기 내부 재료 및 과다 노출 재료의 영역을 초래하기 때문에 바람직하지 못하다. 전자의 경우 베드 용기 생산성 및 수익성이 크게 저하될 수 있다. 후자는 날카로운 온도 구배가 용기와 그 내부에 손상을 입히는 소위 "핫스팟"을 초래할 수 있다.
이러한 상황에 대처하는 하나의 접근법은 성능이 허용될 수 없는 수준까지 저하될 때까지 적당한 베드 용기 성능 저하를 허용하고 용기를 작동시키는 것이었다. 이 때, 베드 용기는 차단되어 베드 용기 내부를 조정, 재생 또는 교체할 수 있다. 이러한 작동 모드는 베드 용기 생산성 및 수익성의 손실을 수반하는 "온 오일" 작동 시간을 감소시킨다.
또 다른 접근법은 베드 용기 내의 적절한 위치에 하나 이상의 종래의 구조화된 엔지니어링 장치를 설치하여 베드 용기의 단면 내에서 및 베드 용기의 단면을 가로지르는 유동 재분배를 용이하게 하고, 이렇게 함으로써, 베드 용기 내부와의 스트림 유동 접촉을 증가시키고(고체 프로세싱 재료의 베드 포함) 및 스트림 유동 채널링의 부정적인 영향을 줄이다. 이러한 종래의 장치는 전형적으로 베드 용기의 내부에 형상 맞춤되고 베드 용기 내에서 10 피트까지의 깊이를 차지할 수 있는 공학 장비 구조를 포함한다. 이러한 장치는 설계, 제작, 설치, 작동 및 유지 보수에 비용이 많이 들고, 특수하게 숙련된 인력이 수행해야 한다. 이러한 종래의 장치는 또한 다른 베드 용기 내부로부터의 분리를 보장하기 위해 복잡한 모니터링 및 격납 시스템을 필요로 한다. 촉매 반응기의 예에서, 이는 "촉매 격납" 장비 및 수단을 통해 촉매로부터 종래의 재분배 장치를 분리하는데 적용된다. 촉매 격납의 모든 손실은 프로세스 및 안전 위험을 초래할 수 있다. 촉매 격납이 보장되도록 하기 위해 상당한 조치가 취해지고 베드 용기 공간이 확보된다. 그런 종래의 재분배 및 격납 장비의 존재 및 안정적이고 제어된 작업을 유지하기가 어렵기 때문에 베드 용기 자체의 파열을 초래할 수 있는 베드 용기 쉘 핫스팟의 발생을 포함하여 문제를 야기할 수 있다.
이러한 종래의 구조화된 공학 장치의 존재는 촉매와 같은 보다 생산적이고 보다 수익성 있는 베드 용기 내부에 의해 소비될 수 있는 공간을 소비한다. 그러한 구조화된 공학적 장치의 일례 및 유동 분배기로서의 그 사용은 일리노이주, 데스 플레인즈의 UOP, LLC에게 2008년 1월 1일에 허여된 미국 특허 제7,314,551호에 개시되어 있다.
이 기술 분야의 개선이 요구된다.
현재 개시된 주제에 따라, 용기 내에서 하나 이상의 스트림의 유동의 분배 및 재분배를 용이하게 하는 방법의 다양한 예시적인 실시예가 제공된다. 스트림에는 액체 및 증기 스트림, 이 둘의 조합 및 두 가지의 혼합물이 포함될 수 있다. 용기는 프로세싱에 사용되는 고체 재료 베드(이하 "베드 용기"라 칭함)를 포함하는 것들을 포함할 수 있다.
특정 예시적인 실시 양태에서, 베드 용기에서 하나 이상의 스트림의 유동의 분배 및 재분배를 개선하는 방법이 제공된다. 베드 용기는 하나의 최상부 프로세싱 구역 및 최상부 프로세싱 구역의 하류에 위치된 하나 이상의 프로세싱 구역을 갖는 베드 용기 내에서 서로에 대해 수직으로 위치된 하나 초과의 프로세싱 구역을 갖도록 구성될 수 있다. 프로세싱 구역은 고체 프로세싱 재료 요소의 베드를 포함할 수 있다. 재분배 처리 구역은 상류 프로세싱 구역에서 나가고 상기 하류 프로세싱 구역으로 들어가는 스트림의 유동의 효과적이고 효율적인 재분배를 용이하게 하기 위해 상류 프로세싱 구역의 하류 및 하류 프로세싱 구역의 상류에 배치될 수 있다. 이러한 재분배 처리 구역의 주요 목적 중 하나는 상류 프로세싱 구역을 빠져 나와 하류 프로세싱 구역으로 진입하는 스트림의 하류 프로세싱 구역의 단면적을 가로지른 분산을 용이하게 하는 것이다. 재분배 처리 구역을 빠져 나와 하류 프로세싱 구역으로 유입되는 스트림은 작은 개별 스트림 리뷸렛으로 세분될 수 있는데, 이것은 상류 프로세싱 구역으로부터 재분배 처리 구역으로 들어가는 채널링된 스트림보다 개선된 것이다. 분산된 스트림 리뷸렛은 하류 프로세싱 구역에 포함된 고체 프로세싱 재료 요소의 베드와의 접촉 및 그 이용의 개선에 영향을 미친다. 베드 용기의 이용 및 성능은 상기 재분배 처리 구역의 존재를 배제한 베드 용기 구성의 이용 및 성능과 비교하여 상당히 개선될 수 있다.
특정 예시적인 실시 양태에서, 베드 용기에 걸친 다양한 위치 내에서 또는 다양한 위치에서 하나 이상의 스트림에 대한 유동 분배를 개선시키는 방법이 제공된다. 하나 이상의 스트림은 베드 용기 내의 상류 프로세싱 구역 및 하류 프로세싱 구역을 통과할 수 있다. 상류 프로세싱 구역 및 하류 프로세싱 구역은 각각 하나 이상의 고체 프로세싱 재료 요소의 베드를 포함할 수 있다. 하나 이상의 스트림은 또한 상류 프로세싱 구역과 하류 프로세싱 구역 사이에 위치한 적어도 하나의 재분배 처리 구역을 통과할 수 있다. 재분배 처리 구역은 하나 이상의 스트림의 유동을 재분배하는 프로세싱 재료를 포함할 수 있다. 상류 프로세싱 구역의 고체 프로세싱 재료 요소의 베드는 투과성 배리어에 의해 바로 하류 재분배 영역의 처리 재료로부터 분리될 수 있다. 대안적으로, 상류 프로세싱 구역 재료는 물리적 장비 또는 그 사이의 배리어 없이 즉시 하류 재분배 처리 구역에서 처리 재료에 직접 인접하여 접촉할 수 있으므로, 상류 프로세싱 구역으로부터의 고체 프로세싱 재료 요소가 바로 하류의 재분배 처리 구역에서 처리 재료와 적어도 부분적으로 혼합되어 고체 프로세싱 재료 요소와 처리 재료 모두를 포함하고 프로세싱 및 스트림 분배 처리 기능성을 갖는 콤보 구역을 생성할 수 있다. 이러한 이동은 일반적으로 재분배 처리 구역 재료의 깊이의 처음 몇 인치에 국한된다. 고체 프로세싱 재료 요소는 고체 프로세싱 재료 요소가 이동되는 재분배 처리 구역에 포함된 처리 재료의 층의 부분의 부피의 20 % 이상을 차지할 수 있다.
재분배 처리 구역은 상류 프로세싱 구역의 하류에서 여기에 직접 인접하여, 상류 프로세싱 구역으로부터의 고체 프로세싱 재료 요소 중 일부가 재분배 처리 구역으로 이동하여 그 안에 혼합된 고체 프로세싱 재료 요소 및 처리 재료를 갖는 콤보 구역을 생성할 수 있다. 특정 예시적인 실시예에서, 상류 프로세싱 구역과 바로 하류의 처리 구역 사이에 용기 내에 배치된 물리적 장치 또는 배리어가 없다. 상류 프로세싱 구역의 고체 프로세싱 재료 요소는 바로 하류의 재분배 처리 구역에 포함된 처리 재료의 층으로 이동될 수 있다. 이러한 이동은 일반적으로 재분배 처리 구역 재료의 처음 몇 인치로 제한된다. 고체 프로세싱 재료 요소는 고체 프로세싱 재료 요소가 이동되는 재분배 처리 구역에 포함된 처리 재료의 층의 그 부분의 부피의 20 % 이상을 차지할 수 있다. 특정 예시적인 실시 양태에서, 고체 프로세싱 재료 요소는 처리 구역에서 재료와 초기에 혼합되어, 다른 구역으로부터의 이동의 필요 없이 공동 혼합이 달성된다.
재분배 처리 구역은 1 피트 이하의 깊이를 가질 수 있다. 재분배 처리 구역은 2 피트 이하의 깊이를 가질 수 있다. 재분배 처리 구역은 4 피트 이하의 깊이를 가질 수 있다.
재분배 처리 구역은 처리 재료를 포함할 수 있다. 이러한 재료는 베드 용기의 내부 치수에 일치하는 적어도 하나의 고정된 형태 맞춤 재료 층으로 이루어질 수 있다. 섬유 메시와 같은 이러한 형태 맞춤 재료는 스트림 유동 재분배를 용이하게 하는 다공성 구조를 제공한다. 대안적으로, 처리 재료는 복수의 처리 요소로 구성될 수 있다. 처리 요소는 개별 처리 요소일 수 있다. 처리 요소는 층으로 배치될 수 있다. 처리 요소는 무작위로 패킹된 처리 요소일 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 세라믹 망목일 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 준 타원체 형상을 가질 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 3축 타원체 형상을 가질 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 편평한 회전 타원형을 가질 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 장구 구형 형상을 가질 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 연탄 형상을 가질 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 비대칭 회전 타원형을 가질 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 비구면 타원형을 가질 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 그 안에 형성된 적어도 하나의 개구를 가질 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 관통하여 형성된 적어도 하나의 개구를 가질 수 있다. 하나 이상의 처리 요소는 그 표면 상에 형성된 하나 이상의 돌기를 가질 수 있다. 돌기는 플루트, 핀, 스트럿, 필라멘트, 스파이크 또는 헤어 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 복수의 처리 요소를 포함하는 재분배 처리 구역이 프로세싱 구역의 바로 하류에 배치되는 베드 용기 내 및 베드 용기 전체에 걸친 하나 이상의 스트림의 유동 분배를 개선하는 방법이 제공된다. 이러한 구성에서, 상류 프로세싱 구역의 고체 프로세싱 재료 요소는 재분배 처리 구역으로 이동하여, 재분배 처리 구역의 처리 요소와 혼합되어 고체 프로세싱 재료 요소 및 처리 요소 및 이들의 기능성을 모두 갖는 콤보 구역을 형성할 수 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 복수의 처리 요소를 포함하는 재분배 처리 구역이 프로세싱 구역의 바로 하류에 배치되는 베드 용기 내 및 베드 용기 전체에 걸쳐 하나 이상의 스트림의 유동 분배를 개선하는 방법이 제공된다. 이러한 구성에서, 상류 프로세싱 구역의 고체 프로세싱 재료 요소는 재분배 처리 구역의 처리 요소와 혼합되어 고체 프로세싱 재료 요소 및 처리 요소 및 이들의 기능성 모두를 갖는 콤보 구역을 형성한다.
도 1a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 다수의 구역을 갖는 베드 용기의 부분 단면 측면도이다.
도 1b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따라 그 사이에 투과성 배리어를 갖는 베드 용기의 인접한 구역의 확대도를 갖는 복수의 구역을 갖는 베드 용기의 부분 단면도이다.
도 2a는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 복수의 구역을 갖는 베드 용기의 부분 측 단면도이다.
도 2b는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 베드 용기 내의 2개의 인접한 구역 사이의 콤보 구역의 확대도를 가진 복수의 구역을 갖는 베드 용기의 부분 단면도이다.
도 3은 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 빈 테스트 용기에 대한 유동 재분배 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 랜덤하게 패킹된 3/4 인치 지지 볼 테스트 요소의 베드에 대한 유동 재분배 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 예시적인 실시예에 따른 무작위로 패킹된 처리 요소의 베드에 대한 유동 재분배 테스트 결과를 나타내는 그래프이다.
본 개시된 주제가 바람직한 실시예와 관련하여 설명될 것이지만, 본 개시된 주제를 그 실시예로 한정하려는 의도는 아니라는 것을 이해할 것이다. 반대로, 첨부된 청구범위에 의해 정의된 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함될 수 있는 모든 대안, 수정 및 등가물을 포함하는 것으로 의도된다.
본 발명의 주제에 따라, 베드 용기 내에서 하나 이상의 스트림의 유동의 재분배 및 측 방향 재분산을 용이하게 하는 방법의 다양한 예시적인 실시예가 제공된다.
현재 개시된 주제에서 설명된 바와 같은 "재분배"의 개념은 베드 용기 내에 포함된 내부를 가로 지르는 프로세스 스트림의 분할 및 분산에 관한 것이다. 이러한 분할 및 분산은 스트리밍 채널을 야기하며, 기껏해야 베드 용기 내에 설치된 프로세싱 구역의 설계된 성능의 달성을 방해하고, 최악의 경우 운영 위험을 증가시키는 안전하지 않은 작동 상황을 야기하는 네거티브 스트림 합병 효과에 대응하도록 배치된 재분배 처리 구역에 의해 촉진된다
특정 예시적인 실시예에서, 이러한 베드 용기 내에 배치되는 것은 내부 재료 및 구조는 물론 다수의 작동 구역이다. 일 유형의 작동 구역은 하나 이상의 고체 프로세싱 재료 베드로 구성된 프로세싱 구역일 수 있다. 제2 유형의 작동 구역은 처리 구역일 수 있다. 처리 구역은 프로세싱 구역에서 나가거나 또는 여기에 들어오는 하나 이상의 스트림의 분배 및 분산을 용이하게 할 수 있다. 분배는 스트림과 프로세싱 구역에 포함된 고체 프로세싱 재료 요소의 베드 사이의 접촉을 용이하게 할 수 있다. 상류 프로세싱 구역과 하류 프로세싱 구역 사이에 위치한 처리 구역은 재분배 처리 구역으로 불릴 수도 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 재분배 처리 구역은 베드 용기에서 이용될 수 있다. 재분배 처리 구역은 고체 프로세싱 재료 요소의 하류 프로세싱 구역 베드를 가로 질러 그리고 그 전체에 걸쳐 원하는 스트림 유동 재분배 및 재분산을 용이하게 하기에 충분한 깊이 및 위치에서 처리 재료를 포함할 수 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 재분배 프로세싱 재료는 베드 용기의 내부 치수에 일치하는 적어도 하나의 고정된 형태 맞춤 재료 층으로 이루어질 수 있다. 대안적으로, 재분배 처리 재료는 랜덤하게 또는 달리 처리 구역 층으로 패킹되는 복수의 개별 처리 요소의 형태일 수 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 개별 재분배 처리 요소는 디스크, 구, 링, 왜건 휠, 중공 튜브 등을 포함하는 다양한 형상 및 크기를 가질 수 있다. 하나 이상의 재분배 처리 요소는 그 내부에 및/또는 그를 통해 적어도 하나 이상의 개구를 가질 수 있다. 하나 이상의 재배치 처리 요소는 플루트, 핀, 스트럿, 필라멘트, 스파이크 또는 헤어를 포함할 수 있지만 이에 한정되지는 않는 표면 상에 형성된 하나 이상의 돌기를 가질 수 있다. 하나 이상의 재분배 처리 요소는 세라믹 망목일 수 있다. 망목은 요소 내부에 그리고 요소를 통해 복수의 상호 연결된 유체 유동 경로를 형성하는 하나 이상의 개방 셀을 갖는 것으로 특징 지워진다. 이러한 경로에는 구불 구불한 기하학적 형상이 있을 수 있다. 개구, 요철 및 상호 연결된 내부 유체 유동 경로를 갖는 이러한 재분배 처리 요소는 스트림 유동 분할 및 재분배를 용이하게 하는 큰 표면적을 갖는다. 이러한 재분배 처리 요소를 이하 "처리 요소"라고 한다.
특정 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 처리 요소는 준 타원체 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 하나 이상의 준 타원체 형상 처리 요소는 3축 타원형을 가질 수 있다. 준 타원체 형상 처리 요소 중 하나 이상은 또한 편평 타원체 형상을 가질 수 있다. 준 타원체 형상 처리 요소 중 하나 이상은 또한 장축 타원체 형상을 가질 수 있다. 준 타원체 형상의 처리 요소 중 하나 이상은 연탄 형상을 가질 수 있다. 준 타원체 형상의 처리 요소 중 하나 이상은 또한 비대칭 회전 타원형을 가질 수 있다. 준 타원체 형상 처리 요소 중 하나 이상은 또한 비구면 타원형을 가질 수 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 장축, 편평형 및 비대칭 형상의 준 타원체는 3개의 모든 형태로 일반화될 수 있는 하나의 수학적 모델을 가질 수 있다. 예를 들어, 편평하고 장축 형상의 회전 타원체는 다음 공식에 따라 일반 비대칭 타원체(a=b, b=c 또는 a=c)의 특수한 경우 또는 이러한 모양과 실질적으로 유사한 형상일 수 있다.
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특정 예시적인 실시예에서, 연탄 형상은 각 실린더의 타원형 면의 장축이 동일 평면인 2개 이상의 타원형 실린더의 체적 교차점 또는 이러한 형상과 실질적으로 유사한 형상으로 정의될 수 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 베드 용기 내의 재분배 처리 구역은 1 피트 이하의 깊이를 가질 수 있다. 또는 재분배 처리 구역의 깊이가 2 피트 이하일 수 있다. 대안적으로 재분배 처리 구역의 깊이가 4 피트 이하일 수 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 복수의 무작위로 패킹된 개별 처리 요소를 포함하는 재분배 처리 구역은 2개의 구역 사이에 임의의 배리어 없이 상위 프로세싱 구역의 바로 하류에 배치될 수 있다. 이러한 구성에서, 상부 프로세싱 구역의 개별 고체 프로세싱 재료 요소는 하류 재분배 처리 구역의 처리 요소 층의 상단 수 인치 내로 이동하여 이들 요소와 혼합될 수 있다. 전형적인 처리 요소는 특정 예시적인 실시예에서 각각의 고체 프로세싱 재료 요소의 크기의 각각 50 배까지이다. 일부 고체 프로세싱 재료 요소의 경우, 처리 요소는 특정 예시적인 실시예에서 개별 고체 프로세싱 재료 요소의 크기의 100 배 이상이 될 수 있다. 일부 고체 프로세싱 재료 요소의 경우, 처리 요소는 특정 예시적인 실시예에서 개별 고체 프로세싱 재료 요소의 크기의 200 배 이상이 될 수 있다.
하류 재분배 처리 구역의 처리 요소와 상부 프로세싱 구역으로부터의 개별 고체 프로세싱 재료 요소의 혼합은 특정 예시적인 실시예에 있어서, 고체 프로세싱 재료 요소가 상기 고체 프로세싱 재료 요소가 이동되는 재분배 처리 구역의 그 부분의 부피의 20 % 이상을 소비하게 한다. 혼합된 고체 프로세싱 재료 요소 및 처리 요소를 포함하는 그러한 구역은 본 명세서에서 "콤보 구역(combo-zone)"으로 언급될 수 있고, 고체 프로세싱 재료 요소는 재분배 처리 구역과 혼합되고 및/또는 재분배 처리 구역으로 이동되어, 처리 구역에 존재하는 처리 요소와 혼합된다. 콤보 구역은 베드 깊이의 적절한 양을 소비하면서 베드 용기 내에서 수행되는 프로세싱 및 재분배 기능을 동시에 저렴하게 향상시키기 때문에 특히 유용한다.
콤보 구역 재료의 혼합을 용이하게 하기 위해, 베드 용기 재료에 대한 로딩 절차는 순차적 로딩을 요구할 수 있는데, 예를 들어, 재분배 구역에 포함된 일부 처리 재료의 부분적인 로딩, 이어서 고체 프로세싱 재료 요소의 부분적인 로딩, 이어서 프로세싱 재료 요소에 의해 후속되는 처리 요소의 부가적인 부분적인 로딩이다. 특정 예시적인 실시예에서, 이러한 방식으로 로딩하는 것은 용기 내의 하나의 구역에서 다른 구역으로 재료의 이동을 용이하게 하고 공정 조작 중에 콤보 구역에서 상기 재료를 혼합시키는 것을 용이하게 할 것이다. 특정 예시적인 실시 양태에서, 재료는 또한 용기 내에서 하나의 구역으로부터 다른 구역으로 임의의 재료가 이동해야 할 필요 없이 콤보 구역에서 재료의 혼합이 초기에 달성되도록 로딩 동안 혼합될 수 있다.
재분배 처리 구역은 재분배 처리 구역을 빠져 나가고 하류 프로세싱 구역에 진입하는 유체 스트림의 유동의 재분배 및 재분산을 효율적으로 촉진함으로써 바로 하류 프로세싱 구역의 이용 및 성능을 향상시키기에 충분한 깊이 및 위치일 수 있다 .
재분배 처리 구역은 추가의 프로세싱 재료(예를 들어 촉매)와 같은 보다 생산적인 용도를 위해 값 비싸고 위험한 종래의 구조화된 엔지니어링 장치 및 자유 귀중한 용기 체적(즉, 베드 깊이)의 필요성을 제거할 수 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 베드 용기 내부는 다중 프로세싱 구역, 처리 구역 및/또는 콤보 구역을 포함하도록 구성될 수 있다. 전체 베드 용기 성능은 각 구역의 적절한 성능에 달려 있다. 프로세싱 기능을 갖는 구역은 상기 프로세싱 구역을 통과하는 스트림이 프로세싱 구역 내의 고체 프로세싱 재료 요소와 효과적으로 상호 작용하는 정도에 따라 설계된 기능을 수행할 수 있다. 처리 기능이 있는 구역은 적절하게 분배된 스트림이 프로세싱 기능이 있는 구역으로 전달되도록 보장할 수 있다. 베드 용기 그 자체의 치수 제약 내에서, 베드 용기 성능을 최대화하는 것은 재료를 처리함으로써 소비되는 공간(즉, 베드 깊이)을 최소화하고 프로세싱 재료 요소에 의해 소비되는 공간(즉, 베드 깊이)을 최대화함으로써 전형적으로 달성될 수 있다. 예를 들어, 특정 예시적인 실시예에서, 본 개시된 주제는 쌀의 크기에서 콘 커널의 크기에 이르는 비교적 작은 개별 요소로 이루어진 고체 프로세싱 재료 요소의 프로세싱 구역에 관한 것이다.
종래의 해결책에 비해, 본 개시된 주제는 유리하게 다음과 같은 스트림 유동 재분배 옵션을 제공한다: (i) 설계, 제작, 설치, 운영 및 유지 보수 비용이 저렴하고 덜 복잡하며, (ii) 베드 용기 내의 자유 체적(즉, 베드 깊이)은 추가의 고체 프로세싱 재료 요소와 같은 보다 생산적인 베드 용기 내부로 보다 양호하게 채워질 수 있고, (iii) "억제(containment)" 관련 시설과 관련된 운영 위험을 회피하고, (iv) 스트림과 베드 용기 프로세싱 재료 간의 접촉 및 상호 작용의 증가를 통해 베드 용기 성능 및 수익성을 향상시킨다.
베드 용기 내에서 하나 이상의 스트림의 유동을 재분배하기 위한 방법의 다양한 예시적인 방법의 실시예가 본 명세서에 제공된다. 이제 도 1a를 참조하면, 베드 용기(10)는 2개의 프로세싱 구역(40, 60)이 내부에 배치된 것으로 도시되어 있다. 베드 용기(10)는 하나 이상의 유입 스트림(100)이 유입구(20)에서 베드 용기(10)에 진입하고 하나 이상의 생성 스트림(600)이 유출구(70)에서 베드 용기(10)을 빠져 나올 수 있도록 하향 유동 구성으로 도시되어 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 입력 스트림(100)은 용기로 들어가고 요소(35)를 포함하는 "상단 베드" 구역(30)을 통과한다. 상단 베드 구역은 프로세싱 구역(40)의 단면을 가로 질러 입력 스트림(100)의 분배를 용이하게 할 수 있다. 상단 베드 구역은 또한 유입 스트림(100)에 포함된 미립자 오염 물질의 여과를 용이하게 할 수 있다. 상단 베드 구역은 또한 입력 스트림(100)에 포함된 원하지 않는 종을 완화할 수 있다. "상단 베드" 구역(30)을 나가는 스트림(200)은 프로세싱 구역(40)에 들어가기 전에 이러한 바람직한 특성을 가질 것이다.
특정 예시적인 실시예에서, 프로세스 스트림(200)은 프로세스 영역(40)에서 프로세싱되고, 결과적인 프로세스 스트림(300)은 구역(40)을 빠져 나간다. 처리 요소(55)를 포함하는 재분배 처리 구역(50)은 제1 프로세싱 구역(40)의 하류에서 베드 용기(10)에 제공될 수 있다. 특정 예시적인 실시예에서, 하나 이상의 스트림(300)의 유동은 하류 프로세싱 구역(60)으로 도입되기 전에 재분배 처리 구역(50)에서 분할되고 재분배될 수 있다.
도 1b는 프로세싱 구역(40 및 60) 사이에 배치된 처리 요소(55)를 포함하는 재분배 구역(50)의 확대도를 도시한다. 이 실시예에서, 침투성 배리어(80)는 프로세싱 구역(40)과 재분배 구역(50) 사이에 배치되어 프로세싱 구역(40)을 재분배 처리 구역(50)으로부터 분리하고 프로세싱 구역 재료(45)의 이동을 방지하고, 스트림 유동(300)이 구역(40)을 통과하여 구역(50)으로 통과하게 허용한다. 즉, 재분배 처리 구역(50)은 상류 프로세싱 구역(40)에 직접 인접하고, 구역(40)으로부터의 프로세싱 재료(45)가 구역(50)으로 이동할 수 없지만 스트림 유동이 배리어(80)를 통과할 수 있도록 구역(50)과 구역(40) 사이에 투과성 배리어(80)가 배치된다. 특정 예시적인 실시예에서, 투과성 배리어(80)는 와이어 스크린 메시일 수 있다.
도 2a 및 도 2b는 도 1a 및 도 1b와 유사한 베드 용기 구성을 도시한다. 그러나, 도 2b의 확대도에 도시된 바와 같이, 상부 프로세싱 구역(40)과 재분배 처리 구역(50) 사이에는 배리어가 설치되지 않는다. 그러한 실시예에서, 콤보 구역이(도 2b에 도시된 바와 같이) 형성될 수 있고, 여기서 프로세싱 구역 재료(45)의 개별 요소는 재분배 구역 처리 요소(55)의 층의 상단 수 인치 내로 이동하여 이와 혼합될 수 있다.
프로세싱 구역과 재분배 처리 구역 사이의 배리어 제약이 없는 이러한 콤보 구역 구성은 다음과 같은 이점을 갖는다: (i) 그러한 배리어의 설계, 제조, 설치, 운영 및 유지 보수의 필요성 및 비용을 제거하고, (ii) 그러한 배리어를 설치하는 데 필요한 공간을 줄이고, (iii) 원하는 유동 재분배를 달성하는데 필요한 공간을 최소화하고, (iv) 배리어가 없는 공간에서 프로세싱 구역 재료를 추가함으로써 프로세싱 구역 성능이 향상될 수 있으며, (v) 콤보 구역에서 프로세싱 구역 재료의 존재로 인해 추가의 프로세싱 구역 성능을 추가하고 (vi) 스트림과 용기의 프로세싱 구역 재료 간의 상호 작용을 증가시킴으로써 베드 용기의 성능 및 수익성을 증가시킨다.
소정의 예시적인 실시예에서, 콤보 구역은 재배치 처리 구역(50)의 깊이의 처음 몇 인치를 포함할 것이다. 이것은 실질적으로 용기를 채우는 작동 구역이 100 피트 이상인 베드 용기와 관련이 있다. 소정의 예시적인 실시예에서, 콤보 구역은 재배치 처리 구역(50)의 약 처음 2 인치의 깊이를 포함할 것이다. 소정의 예시적인 실시예에서, 콤보 구역은 재배치 처리 구역(50)의 대략 처음 6 인치 깊이를 포함할 것이다. 소정의 예시적인 실시예에서, 콤보 구역은 재배치 처리 구역(50)의 깊이의 처음 12 인치를 포함할 것이다.
도 1a에 도시된 바와 같이, 특정 예시적인 실시예에서, 프로세싱 구역(40)으로부터 프로세싱 구역(60) 및/또는 용기(10) 내의 다른 하부 위치 구역으로의 프로세싱 스트림 유동의 재분배를 용이하게 하기 위해 재분배 처리 구역(50)은 용기(10)의 상부 영역 또는 그 부근에 위치될 수 있다. 이와 관련하여, 도 1a에 도시된 바와 같이 구역으로부터 하류에 위치하는 용기(10) 내의 스트림(500 및 600) 사이에 배치된 하나 이상의 프로세싱 구역 및 재분배 구역이 있을 수 있다.
특정 예시적인 실시예에서, 스트림 유동 재분배는 스트림을 재분배 구역 처리 요소의 표면과 접촉시킴으로써 주로 촉진된다. 이들 표면은 처리 요소의 외부 표면 및 처리 요소의 내부 표면을 포함한다. 처리 요소의 내부 구조는 개구, 요철 및 복수의 상호 연결된 내부 유체 유동 경로에 의해 형성된 넓은 표면적을 생성한다.
특정 예시적인 실시 양태에서, 개별 처리 요소의 표면적은 내부 표면적의 70 % 내지 90 %일 수 있고 나머지는 외부 표면적일 수 있다. 결과적으로, 주어진 부피의 처리 요소에 대해, 보다 조밀하게 패킹되는 처리 요소 형상은 보다 덜 조밀하게 패킹되는 처리 요소 형상보다 더 많은 표면적을 제공한다. 따라서, 패킹된 처리 요소의 부피 당 스트림 유동 재분배 성능은 패킹 밀도가 증가함에 따라 증가한다. 이는 패킹 밀도가 증가함에 따라 감소하는 패킹된 처리 요소 사이의 외부 보이드 공간에도 적용된다.
특정 예시적인 실시 양태에서, 베드 용기에서 원하는 수준의 스트림 유동 재분배를 달성하기 위해 처리 구역에서 요구되는 재료의 양은 주로 처리 요소 외부의 공극을 포함하지 않는 재료의 총 부피의 함수이다. 원통형 망목에 비해, 준 타원체 형상의 처리 요소는 개개의 요소 사이에 보이드 공간이 보다 적게 패킹되는 경향이 있다. 예를 들어, 준 타원체 형상 처리 요소의 처리 구역은 원통형 망목의 처리 구역에 대해 40 내지 55 %와 비교하여 25 내지 35 %의 외부 보이드 공간을 가질 수 있다. 스트림 유동 재분배의 원하는 수준을 달성하기 위해, 이것은 동등한 양의 원통형 망목에 의해 형성된 것보다 작은 깊이의 준 타원체 형상 처리 요소의 처리 구역을 생성할 수 있다. 이것은 베드 용기의 공간을 절약한다.
또한, 하나 이상의 프로세스 스트림의 유동을 재분배하기 위한 개별적인 처리 요소의 처리 구역의 능력은 각각의 처리 요소가 그 이웃하는 요소와 갖는 접촉 포인트의 개수에 부분적으로 의존한다. 접촉 포인트를 최대화하면 처리 구역을 통한 스트림 유동 재분배가 용이해진다. 준 타원체 처리 요소의 처리 구역은 원통형 또는 구형의 망목의 등가 층보다 60 내지 90 % 더 많은 접촉 포인트를 가질 수 있다.
본 개시된 주제의 더 나은 이해를 용이하게 하기 위해, 특정 실시 형태의 특정 양태에 대한 다음의 예가 제시된다. 이하의 예들은 본 발명의 범위를 제한하거나 정의하도록 읽어서는 안 된다.
실험이 본 명세서에 개시된 주제의 예시적인 실시예에 따라 상류 베드 용기 프로세싱 구역을 나가고 베드 용기 재분배 처리 구역을 통과하는 프로세스 스트림의 완화/제거/단절/감소를 포함하는 프로세스 스트림 재분배를 설명하기 위해 수행되었다
직경이 약 12 인치이고 높이가 36 인치를 초과하는 수직 원통형 용기를 포함하는 제조된 시험 구조체가 조립되었다. 용기의 중심점 위에 위치한 노즐을 사용하여 액체를 용기 내로 통과시켰다. 원통형 용기는 최대 36 인치의 깊이의 무작위로 패킹된 시험 요소의 베드를 위한 충분한 공간을 제공했다. 직경이 각각 1/4"인 300개 이상의 구멍이 용기의 바닥을 통해 규칙적인 그리드 패턴으로 천공되었다. 각각의 구멍은 구멍을 통해 용기를 나가는 액체를 수집하고 측정하기 위해 사용되는 플라스틱 튜브에 개별적으로 연결되었다. 이러한 구멍은 용기의 단면적의 2차원 그리드 구역을 나타낸다. 각 구멍을 통해 수집된 액체는 용기의 단면적을 가로 지르는 입구 액체의 분포를 나타낸다.
액체가 노즐을 통해 용기 내로 펌핑되었다. 액체 스트림은 상업용 베드 용기의 프로세싱 구역에서 발생하는 채널화된 스트림을 에뮬레이트한다. 한 번의 시험 작동에서, 용기는 비어 있었다. 다른 시험 작동에서는 다양한 유형과 깊이의 시험 요소가 설치되었다. 각각의 시험 작동에서, 용기의 바닥에 있는 튜브에 연결된 구멍을 통해 액체의 대표적인 양을 얻기에 충분한 시간이 경과되었다. 데이터 수집 및 분석은 시험 요소가 시험 요소 베드를 통해 액체를 측면으로 분산시키고 용기 바닥의 구멍을 통해 용기를 빠져 나가는 시험 요소의 능력을 보여주는 그래픽 플롯을 생성하였다.
시험 요소가 용기 내에 배치되는 통상적인 작동에서, 액체는 시험 요소 주위를 통과하여 흐르면서 분산되고, 그리드 구역 구멍을 통해 용기를 빠져 나와서 아래의 튜브 내에 수집된다. 각 튜브에 수집된 물의 양을 측정하고, 요소가 유동 재분배를 용이하게 하는 정도를 보여주는 그래프가 준비된다.
유동 재분배 테스트 결과의 그래픽 플롯이 도 4 내지 도 6에 도시되어 있다. 용기 그리드 구역의 구멍에 연결된 튜브를 통해 회수되는 액체의 양이 표시된다. 도 4는 빈 시험 용기에 대한 유동 재분배 시험 결과를 도시한다. 도 5는 랜덤하게 패킹된 3/4" 지지 볼 시험 요소의 베드에 대한 유동 재분배 시험 결과를 도시한다. 도 6은 본 발명에 따른 무작위로 패킹된 처리 요소의 베드에 대한 결과를 도시한다.
도 4에 도시된 바와 같이, 용기 내에 시험 요소가 없고 액체가 빈 실린더 내로 흐를 때, 튜브의 뱅크는 결과(Lfact)에 의해 측정될 때 측 방향으로 분배되는 액체의 단지 5 % 초과를 나타낸다. 5 % 초과의 결과는 용기의 중심선 구멍을 통과한 액체를 포함하며, 사실상 모든 액체가 용기 그리드 구역의 중심 또는 그 근처의 구멍을 통해 용기에서 빠져나왔다는 것을 나타낸다. 도 5에서, 무작위로 패킹된 지지 볼의 베드는 용기 그리드 구역을 가로 질러 액체의 55 % 초과의 측 방향 분배를 달성하였다. 도 6에서, 본 발명에 따른 무작위로 패킹된 처리 요소의 베드를 사용하는 시험 작동은 용기 그리드 구역을 가로 질러 액체의 92 % 초과의 측 방향 분배를 달성하였다.
이러한 시험 결과로부터, 본 발명의 주제에 따른 처리 요소의 베드가 상류 프로세싱 구역에서 배출되는 채널링된 액체 스트림의 재분배를 용이하게 할 수 있음을 알 수 있다. 상기 재분배된 스트림은 그 후 스트림과 하루 스트림 프로세싱 구역의 프로세싱 구역 요소 사이의 개선된 접촉을 제공하는 측 방향 분산된 스트림으로서 하류 프로세싱 구역에 진입할 수 있다.
본 개시된 주제는, 당업자에게 명백한 수정 및 균등물이 명백할 것이므로, 도시되고 설명된 구성, 작동, 정확한 재료 또는 실시예들의 정확한 세부 사항들로 한정되지 않는다. 따라서, 현재 개시된 주제는 첨부된 청구범위의 범위에 의해서만 제한된다.

Claims (27)

  1. 프로세스 용기에서 하나 이상의 스트림의 유동 분포를 개선하는 방법에 있어서,
    상기 하나 이상의 스트림을 상기 프로세스 용기 내의 상류 프로세싱 구역 및 하류 프로세싱 구역을 통과시키는 단계 - 상기 상류 프로세싱 구역 및 하류 프로세싱 구역 각각은 하나 이상의 프로세싱 재료 베드를 포함함 - ; 및
    상기 하나 이상의 스트림을 상기 상류 프로세싱 구역과 하류 프로세싱 구역 사이에 위치한 재분배 처리 구역을 통과시키는 단계 - 상기 재분배 처리 구역은 처리 요소를 포함하고, 상기 재분배 처리 구역은 상기 상류 프로세싱 구역을 빠져 나가는 스트림의 스트림 채널링을 완화시키고, 상기 하류 프로세싱 구역 내의 상기 하나 이상의 스트림의 유동의 측 방향 재분배에 영향을 미침 -
    를 포함하는, 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재분배 처리 구역은 상류 프로세싱 구역으로부터의 소정의 프로세싱 재료가 재분배 처리 구역으로 이동하여 프로세싱 구역 기능 및 처리 구역 기능 모두를 갖는 콤보 구역을 생성할 수 있도록 상류 프로세싱 구역에 직접 인접하는 것인, 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 재분배 처리 구역은 상류 프로세싱 구역에 바로 인접하고, 투과성 막은 재분배 처리 구역과 상류 프로세싱 구역 사이에 배치되어, 상기 상류 프로세싱 구역으로부터의 프로세싱 재료는 재분배 처리 구역으로 이동할 수 없지만 스트림 유동은 막을 통과할 수 있는 것인, 방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상류 프로세싱 구역과 하류 재분배 구역 사이에 용기 내에 배치된 물리적 장비가 없는 것인, 방법.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 프로세싱 재료는 재분배 처리 구역에 포함된 처리 요소의 층 내로 수 인치의 깊이로 이동하는 것인, 방법.
  6. 제2항에 있어서,
    상기 프로세싱 재료는 상기 프로세싱 재료가 이동된 재분배 처리 구역에 포함된 처리 요소의 층의 상기 부분의 부피의 적어도 20 %를 차지하는 것인, 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 재분배 처리 구역은 1 피트 이하의 깊이를 갖는 것인, 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 재분배 처리 구역은 2 피트 이하의 깊이를 갖는 것인, 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 재분배 처리 구역은 4 피트 이하의 깊이를 갖는 것인, 방법.
  10. 제2항에 있어서,
    상기 재분배 처리 구역은 복수의 처리 요소를 포함하는 것인, 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소는 개별적인 처리 요소인 것인, 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 개별 처리 요소는 상기 베드 용기의 내부 치수에 맞는 형태인 것인, 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소는 무작위로 패킹된 처리 요소인 것인, 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 세라믹 망목(reticulates)인 것인, 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 준 타원체 형상을 갖는 것인, 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 3축 타원형을 갖는 것인, 방법.
  17. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 편평 타원체 형상을 갖는 것인, 방법.
  18. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 장축 타원체 형상을 갖는 것인, 방법.
  19. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 연탄 형상을 갖는 것인, 방법.
  20. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 비대칭 회전 타원형인 것인, 방법.
  21. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 비구면 타원형을 갖는 것인, 방법.
  22. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 그 안에 형성된 적어도 하나의 개구를 갖는 것인, 방법.
  23. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 관통하여 형성된 적어도 하나의 개구를 갖는 것인, 방법.
  24. 제10항에 있어서,
    상기 처리 요소 중 하나 이상은 그 표면 상에 형성된 하나 이상의 돌기(asperities)를 갖는 것인, 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    돌기가 플루트, 핀, 스트럿, 필라멘트, 스파이크 또는 헤어 중 하나 이상을 포함하는 것인, 방법.
  26. 내부에 배치된 고체 프로세싱 재료의 베드를 포함하는 2개 이상의 프로세싱 구역을 갖는 프로세스 용기에서 하나 이상의 스트림의 유동 분포를 개선하는 방법에 있어서,
    상기 프로세싱 구역 사이에 적어도 하나의 재분배 처리 구역을 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 재분배 처리 구역은 스트림 채널링을 완화시키고 재분배 처리 구역을 통해 스트림의 유동을 재분배하도록 동작 가능한 복수의 처리 요소를 포함하며, 상기 프로세싱 재료는 재분배 처리 구역 내의 처리 요소와 혼합되어 프로세싱 재료 및 처리 요소 모두와 함께 콤보 구역을 형성하는, 방법.
  27. 내부에 배치된 고체 프로세싱 재료의 베드를 포함하는 2개 이상의 프로세싱 구역을 갖는 프로세스 용기에서 하나 이상의 스트림의 유동 분포를 개선하는 방법에 있어서,
    상기 프로세싱 구역 사이에 적어도 하나의 재분배 처리 구역을 배치하는 단계를 포함하고,
    상기 재분배 처리 구역은 스트림 채널링을 완화시키고 재분배 처리 구역을 통해 스트림의 유동을 재분배하도록 동작 가능한 복수의 처리 요소를 포함하며, 재분배 처리 구역의 상류에 배치된 프로세싱 구역 내의 프로세싱 재료는 재분배 처리 구역으로 이동하여 재분배 처리 구역의 처리 요소와 혼합되어 프로세싱 재료 및 처리 요소 모두와 함께 콤보 구역을 형성할 수 있는, 방법.
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