KR20200108664A - 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법 - Google Patents

고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR20200108664A
KR20200108664A KR1020190027627A KR20190027627A KR20200108664A KR 20200108664 A KR20200108664 A KR 20200108664A KR 1020190027627 A KR1020190027627 A KR 1020190027627A KR 20190027627 A KR20190027627 A KR 20190027627A KR 20200108664 A KR20200108664 A KR 20200108664A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
pressure
fluidized bed
valve
reactor
bed system
Prior art date
Application number
KR1020190027627A
Other languages
English (en)
Inventor
백점인
김의식
류호정
이도연
남형석
진경태
이창근
선도원
박재현
배달희
조성호
이승용
박영철
문종호
이동호
Original Assignee
한국전력공사
한국에너지기술연구원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국전력공사, 한국에너지기술연구원 filed Critical 한국전력공사
Priority to KR1020190027627A priority Critical patent/KR20200108664A/ko
Priority to US16/445,917 priority patent/US10569247B1/en
Publication of KR20200108664A publication Critical patent/KR20200108664A/ko

Links

Images

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/1809—Controlling processes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/005—Separating solid material from the gas/liquid stream
    • B01J8/0055—Separating solid material from the gas/liquid stream using cyclones
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/1818—Feeding of the fluidising gas
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J8/00—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes
    • B01J8/18—Chemical or physical processes in general, conducted in the presence of fluids and solid particles; Apparatus for such processes with fluidised particles
    • B01J8/1872—Details of the fluidised bed reactor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00539—Pressure
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00008—Controlling the process
    • B01J2208/00548—Flow
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01J—CHEMICAL OR PHYSICAL PROCESSES, e.g. CATALYSIS OR COLLOID CHEMISTRY; THEIR RELEVANT APPARATUS
    • B01J2208/00—Processes carried out in the presence of solid particles; Reactors therefor
    • B01J2208/00796—Details of the reactor or of the particulate material
    • B01J2208/00938—Flow distribution elements

Abstract

본 발명은 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 개의 압력제어밸브를 이용한 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법에 관한 것으로서, 유동층 반응기; 상기 유동층 반응기 내부의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 유동층 반응기에 연결되어 비산되는 입자를 회수하고 배출가스를 방출하는 사이클론부; 상기 사이클론부와 상기 압력센서에 연결되어 상기 배출가스를 단속하는 제1 밸브; 상기 사이클론부에 연결되어 상기 배출가스 중 상기 제1 밸브가 단속하는 배출가스 이외의 배출가스를 수동으로 단속하는 제2 밸브; 를 포함하는 고압 유동층 시스템을 제공하여, 압력변동이 크게 나타날 수 있는 고압 유동층 반응기의 압력제어에 있어서, 자동으로 개폐되는 제1 밸브와 수동으로 개폐하는 제2 밸브를 조합하여 사용함으로써 반응기내 압력변동을 감소시켜 반응기 운전안정성을 향상시킬 수 있는 강점이 있다.

Description

고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법{High pressure fluidized bed system and the pressure control method of it}
본 발명은 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 두 개의 압력제어밸브를 이용한 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법에 관한 것이다.
기체-고체 유동층(이하 유동층) 시스템은 반응기 내부에 기체 분산판(gas distributor)이 설치되어 유동층 장치 내부 공간을 상하부로 구획한다.
도 5는 종래 기술의 고압 유동층 반응기로서, 구획된 하부공간에는 기체가 주입되고, 기체 분산판을 통해 기체가 골고루 분산되어 상부공간에서는 분체가 유동된다.
기체 분산판 하부의 공간은 기체도입실(플레넘, plenum) 또는 바람상자(wind box)라고도 한다.
유도층 시스템에서 반응기 내의 기체-고체 혼합물의 특성은 유동층에 주입되는 기체의 유속에 의해 달라진다.
도 6은 가스의 유속에 따른 유동화 흐름영역 및 그에 따른 고체층의 압력강하(차압) 변화를 나타낸다.
유동층 시스템에서 유속이 낮을 경우에는 기체는 단순히 고체입자 사이의 공간을 흐르며, 기체흐름으로 인한 고체의 움직임은 거의 없다.
이와 같은 상태의 입자층을 고정층(fixed bed)이라고 한다.
기체유속이 증가함에 따라 고체층에서의 압력강하는 고체층의 무게와 역학적인 평형에 도달할 때까지 증가한다.
압력강하가 고체층의 무게에 상응하는 역학적인 평형에 도달하면, 기체에 의해서 고체에 가해지는 항력(drag force)이 중력과 같아지며, 고체들이 흔들리고 상호 움직임을 갖기 시작한다.
이와 같은 상태를 최소유동화상태(minimum fluidization condition)라고 하며 이때 기체의 공탑속도를 최소유동화속도(Umf, minimum fluidization velocity)라고 한다.
이후 계속적으로 유속이 증가하면 압력강하는 거의 일정하게 유지되지만 고체층이 팽창된다.
또한, 고체들은 서로 분리되어 거동하고 층은 전체적으로 액체와 같은 특성을 보이기 시작한다.
층을 유동화시키고 남은 과잉의 기체는 층을 큰 공극의 형태로 통과하며 이를 기-액계에서와 유사하게 기포(bubble)라고 부른다.
최초로 기포가 생성되는 유속을 최소기포속도(minimum bubbling velocity)라고 하고 이와 같은 현상이 나타나는 유동층을 기포유동층(bubbling fluidized bed)이라고 한다.
분산판에서 생성된 기포는 상승하면서 서로 충돌하며 합체되어 성장한다.
기포 합체 현상은 유속이 증가할수록 심해지며 직경이 작은 유동층의 경우 기포의 직경이 층직경과 같아지며 기포층과 고체층이 서로 분리되어 보이는 현상을 나타낸다.
이와 같은 현상을 슬러깅(slugging)이라고 한다.
슬러깅 상태에서 유속을 계속하여 증가시키면 슬러그(slug)를 작은 기포로 분쇄하거나 기포층의 경우 기포의 빈도수를 증가시켜 층의 균일도가 향상된다.
이를 난류유동층(turbulent fluidized bed)이라 한다.
난류 유동층에서 유속을 더욱 증가시키면 입자가 일정한 고체층 형태로 머물러있지 못하고 유동층 상부로 떠오르게 되며 비산되어 유동층 밖으로 유출된다.
이렇게 유동층 밖으로 비산된 입자는 사이클론 등의 고체입자 포집장치에 의해 포집되어 유동층으로 재순환된다.
한편, 높은 압력에서 작동되는 고압 유동층 시스템의 경우, 반응기 내부의 압력을 제어하는 것이 매우 중요하다.
도 7은 종래 기술의 고압 유동층 반응 시스템이다.
압력센서(Pressure sensor)는 반응기의 내부 압력을 측정할 수 있도록 마련된다.
압력제어밸브(Pressure control valve)는 반응기의 내부 압력(P)이 원하는 압력(Pset)에 도달되도록 기체배출라인의 유로를 개폐한다.
즉, 반응기의 내부 압력(P)이 원하는 압력(Pset)보다 높은 경우에는 압력제어밸브가 열려서 반응기 내부 압력을 낮춘다.
한편, 반응기의 내부 압력이 원하는 압력보다 낮은 경우에는 압력제어밸브가 닫혀서 반응기 내부의 압력을 유지할 수 있다.
종래의 고압 유동층 시스템은 단일의 압력제어밸브를 이용하여 반응기 내부 압력을 조절하여 왔다.
종래의 고압 유동층 시스템에서 대기압부터 원하는 압력까지 압력을 상승시키는 경우는 다음과 같다.
먼저, 반응기 내부의 압력(P)은 원하는 설정압력(Pset)보다 낮은 상태이다.
따라서, 압력제어밸브는 완전히 닫히게 되며, 주입되는 기체는 밖으로 배출되지 못하고 반응기 내부에 계속 존재하게 된다.
이와 같이 기체가 계속적으로 반응기 내부로 주입되면서 반응기 내부의 압력은 계속적으로 증가하게 된다.
기체 주입 과정에서 반응기의 내부 압력(P)이 원하는 압력(Pset)보다 높아지게 되면 압력제어밸브를 개방하여 기체를 배출하여 반응기의 압력을 낮추게 된다.
이 때, 반응기 내부의 기체를 외부로 배출하는 과정에서 반응기의 압력이 원하는 압력 보다 낮아지는 시점에 도달하게 된다.
그러면 다시 압력제어밸브를 닫아서 반응기의 압력을 다시 상승시켜 원하는 압력이 되도록 하고 있었다.
한편, 이와 같이 반응기 내부의 기체 압력이 감소하면, 유동층 내부의 기체는 부피가 증가한다.
반대로, 반응기 내부의 기체 압력이 증가하면, 유동층 내부의 기체는 부피가 감소한다.
이와 같은 과정 동안에 유동층 내부 압력의 변화에 따라 유동층 내부의 기체 부피가 변화하므로 유동층 내부의 기체유속은 계속적으로 변하게되며, 더불어 유동화 흐름영역 또한 변하게 된다.
특히 대기압에서부터 반응기의 압력을 상승시켜 원하는 압력으로 맞추는 과정에서 압력제어밸브가 완전히 닫혀 있다가 처음으로 개방되는 경우, 압력이 증가하는 동안에는 반응기 내부 압력이 급격히 감소하게 된다. 또한, 압력제어밸브가 처음으로 개방되면서 내부 기체의 팽창에 의해 유속이 급격히 증가하여, 유동층 반응기 내부의 고체가 비산될 수 있다.
비산된 고체는 사이클론으로 유입되어 고체는 분리되어 하부로 이송되어 유동층으로 재순환되며, 기체는 사이클론 상부로 배출된다.
특히, 고체의 비산량이 많아 사이클론의 처리량 한계를 초과하게 되는 경우가 문제된다.
즉, 이와 같은 경우는 압력제어밸브가 고체에 의해 폐색되거나 고체가 압력제어밸브를 통과하여 배출되면서 고체가 유실되는 문제가 발생한다.
또한, 유동층 내부의 고체와 주입되는 기체의 반응에 의해 기체가 소모되거나 발생되는 경우, 반응기 내부에 존재하는 기체의 부피가 변하게 되므로 반응기 내부압력이 변화된다.
즉, 고체입자의 반응성 변화에 따라 반응기 내부 압력이 변화된다.
압력 제어밸브는 반응기 내부압력 변화에 따라 개방과 폐쇄를 반복하게 된다.
이때, 반응기 내부의 기체유속이 함께 변하게 되며, 기체의 체류시간 역시 변화하게 된다.
결국, 기체-고체의 반응성이 변화되어 반응에 의해 발생 또는 소모되는 기체량이 변화되므로 유동층 반응기 내부의 압력이 더욱 급격히 증가 또는 감소하는 문제가 있었던 것이다.
KR 1822111 B1 KR 1822117 B1 KR 1716644 B1 KR 0582164 B1
위와 같은 문제점을 극복하기 위한 본 발명은 반응기 내부의 압력변화가 급격하게 일어나는 것이 방지되는 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법을 제공하는 것에 목적이 있다.
유동층 반응기; 상기 유동층 반응기 내부의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 유동층 반응기에 연결되어 비산되는 입자를 회수하고 배출가스를 방출하는 사이클론부; 상기 사이클론부와 상기 압력센서에 연결되어 상기 배출가스를 단속하는 제1 밸브; 상기 사이클론부에 연결되어 상기 배출가스 중 상기 제1 밸브가 단속하는 배출가스 이외의 배출가스를 수동으로 단속하는 제2 밸브; 를 포함하는 고압 유동층 시스템을 제공한다.
또한, 상기 제2 밸브의 허용유량은 상기 제1 밸브의 허용유량보다 적은 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템을 포함한다.
또한, 상기 제1 밸브는 상기 압력센서가 측정한 압력값과 설정된 압력값의 차이에 의해 자동으로 제어되고, 상기 제2 밸브는 개구비가 제로가 아닌 상태에서 수동으로 제어되는 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템을 포함한다.
또한, 상기 제2 밸브의 개구비는 상기 유동층 반응기 내부 압력의 변화속도에 비례하여 증감되는 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템을 포함한다.
또한, 유동층 반응기; 상기 유동층 반응기 내부의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 유동층 반응기에 연결되어 비산되는 입자를 회수하고 배출가스를 방출하는 사이클론부; 상기 사이클론부와 상기 압력센서에 연결되어 상기 배출가스를 단속하는 제1 밸브; 상기 사이클론부에 연결되어 상기 배출가스 중 상기 제1 밸브가 단속하는 배출가스 이외의 배출가스를 수동으로 단속하는 제2 밸브; 를 포함하는 고압 유동층 시스템의 내부 압력 제어 방법에 있어서, 상기 유동층 반응기 내부 압력을 목표값으로 설정하기 위한 제1 밸브 셋팅단계; 상기 제2 밸브를 완전히 개방시킨 상태에서 상기 유동층 반응기 내부로 기체를 주입하는 기체주입단계; 상기 제2 밸브의 개구비를 감소시키는 단계; 상기 유동층 반응기 내부의 압력 변동폭을 낮추도록 제어되는 제1 밸브 작동단계;를 포함하는 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법을 제공한다.
또한, 상기 제2 밸브의 허용유량은 상기 제1 밸브의 허용유량보다 적은 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법을 포함한다.
또한, 상기 제1 밸브는 상기 압력센서가 측정한 압력값과 설정된 압력값의 차이에 의해 자동으로 제어되고, 상기 제2 밸브는 수동으로 제어되는 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법을 포함한다.
또한, 상기 제2 밸브의 개구비의 감소 속도는 상기 유동층 반응기 내부 압력의 변화속도에 비례하여 제어되는 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법을 포함한다.
또한, 유동층 반응기; 상기 유동층 반응기 내부의 압력을 측정하는 압력센서; 상기 유동층 반응기에 연결되어 비산되는 입자를 회수하고 배출가스를 방출하는 사이클론부; 상기 사이클론부와 상기 압력센서에 연결되어 상기 배출가스를 단속하는 제1 밸브; 상기 사이클론부에 연결되어 상기 배출가스 중 상기 제1 밸브가 단속하는 배출가스 이외의 배출가스를 수동으로 단속하는 제2 밸브; 를 포함하는 고압 유동층 시스템의 내부 압력 제어 방법에 있어서, 상기 유동층 반응기로 기체가 주입되는 단계; 상기 제1 밸브는 상기 유동층 반응기 내부 압력에 따라 개구비가 제어되고, 제2 밸브는 설정압력에 도달할 때까지 완전히 닫혀 있지는 않은 상태를 유지하는 단계; 상기 설정압력에 도달하면 상기 제1 밸브를 닫으면서, 상기 제2 밸브를 100% 개방시키는 단계; 상기 제2 밸브의 개구비를 제어함으로써 상기 설정압력을 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법을 포함한다.
또한, 상기 제2 밸브의 허용유량은 상기 제1 밸브의 허용유량보다 적은 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법을 제공한다.
위와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 압력변동이 크게 나타날 수 있는 고압 유동층 반응기의 압력제어에 있어서, 자동으로 개폐되는 제1 밸브와 수동으로 개폐하는 제2 밸브를 조합하여 사용함으로써 반응기내 압력변동을 감소시켜 반응기 운전안정성을 향상시킬 수 있는 강점이 있다.
둘째, 갑작스러운 압력감소를 억제함으로써 반응기 내 기체 유속이 증가 및 그에 따른 반응기 외부로의 고체 비산량 증가를 방지할 수 있기 때문에 압력제어밸브 막힘 현상 및 고체 입자 유실 등의 문제점들을 사전 예방할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 유동층 시스템이다.
도 2는 실험을 위해 고압 유동층 시스템에 차압형 압력변환기가 설치된 모습이다.
도 3은 종래 기술에 따른 단일의 압력제어밸브를 이용한 실험그래프이다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 유동층 시스템을 이용한 실험결과이다.
도 5는 종래 기술의 고압 유동층 반응기이다.
도 6은 가스의 유속에 따른 유동화 흐름영역 및 그에 따른 고체층의 압력강하(차압) 변화를 나타낸다.
도 7은 종래 기술의 고압 유동층 반응 시스템이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 구체적으로 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용한다.
제 1, 제 2등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제 1 구성요소는 제 2구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제 2 구성요소도 제 1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는" 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다.
일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않아야 한다.
유동층 반응기(100)는 내부에 유동화 입자(120)가 마련된다.
유동층 반응기(100)의 하부에는 유동화 입자(120) 아래로 가스가 공급되는 가스공급부(130)가 형성된다.
유동층 반응기(100)의 상부에는 반응기 내부의 가스가 방출되는 배출부(110)가 형성된다.
배출부(110)는 사이클론부(300)에 연결된다.
사이클론부(300)는 유동층 반응기(100)로부터 비산되는 입자를 회수하고 배출가스는 방출한다.
제1 밸브(410)와 제2 밸브(420)는 사이클론부(300)에 연결된다.
제1 밸브(410)는 사이클론부(300)와 압력센서(200)에 연결되어 사이클론부(300)로부터 방출되는 배출가스를 단속할 수 있다.
이 때, 제1 밸브(410)는 압력센서(200)가 측정한 압력값과 설정된 압력값의 차이에 의해 자동으로 제어될 수 있다.
제2 밸브(420)는 사이클론부(300)에 연결되어 사이클론부(300)로부터 방출되는 배출가스 중 제1 밸브(410)가 단속하는 배출가스 이외의 배출가스를 수동으로 단속할 수 있다.
이 때, 제2 밸브(420)는 개구비(opening ratio)가 제로가 아닌 상태에서 수동으로 제어되는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 제2 밸브(420)의 개구비는 유동층 반응기(100) 내부 압력의 변화속도에 비례하여 증감되는 것이 바람직할 수 있다.
다시 말해서, 제2 밸브(420)의 개구비는 유동층 반응기(100) 내부 압력의 변화속도가 빠른 경우 증가되고, 유동층 반응기(100) 내부 압력의 변화속도가 느린 경우 감소될 수 있다.
압력센서(200)는 제1 밸브(410)와 유동층 반응기(100)에 각각 연결되도록 설치되어 유동층 반응기(100) 내부의 압력을 측정한다.
보다 상세하게는, 제1 밸브(410)는 유동층 반응기(100)의 내부 압력을 측정하는 압력센서(200)와 연결된다.
제1 밸브(410)는 반응기 내부 압력(P)과 원하는 설정압력(Pset)의 차이에 따라 자동으로 개폐되는 자동제어밸브이다.
제1 밸브(410)는 완전히 개방되거나 완전히 폐쇄될 수 있는 밸브이다.
한편, 제2 밸브(420)는 별도의 압력센서(200) 없이 사용자가 임의로 개구비를 설정할 수 있다.
즉, 제2 밸브(420)는 임의로 정해진 개구비를 가진 상태에서 운전되는 밸브이다.
두 개의 압력제어밸브(410)는 사이클론부(300)의 상부에 형성된 배출구측에 연결된다.
제1 밸브(410)는 자동으로 유동층 반응기(100) 내부 압력에 따라 개구비를 제어한다.
제2 밸브(420)가 완전히 닫혀 있지 않은 상태, 즉 개구비가 0이 아닌 상태로 운전될 때 유동층 반응기(100)로 주입된 기체의 일부가 제1 밸브(410)을 통해서 배출되며, 나머지는 제2 밸브(420)를 통해서 배출된다.
따라서, 유동층 반응기(100) 내부의 압력이 증가하거나 감소하는 경우 일부의 기체는 제2 밸브(420)를 통해 배출될 수 있다.
특히 제1 밸브(410)가 완전히 폐쇄되는 경우에도 일부의 기체는 제2 밸브(420)를 통해 배출될 수 있게 된다.
즉, 제1 밸브(410) 만을 사용하는 경우와 비교하여 반응기 내부의 압력변화가 적어지게 되는 것이다.
대기압에서부터 반응기의 압력을 상승시켜 원하는 압력으로 맞추는 과정을 설명하면 다음과 같다.
대기압 상태에서 제1 밸브(410)에 원하는 압력(Pset)을 설정하면, 반응기 내부의 압력(P)이 원하는 압력(Pset)에 비해 낮기 때문에 제1 밸브(410)는 완전히 닫히게 된다.
이 후 제2 밸브(420)를 모두 개방한 개구비 100% 상태에서 유동층 시스템에 기체를 주입한다.
이 때에도 제2 밸브(420)는 완전히 개방되어 있기 때문에 기체는 제2 밸브(420)를 통해 배출된다.
이때, 제2 밸브(420)의 개구비가 너무 큰 경우는 제1 밸브(410)가 폐쇄된 경우라 할지라도 압력이 상승하지 않는 경우가 발생할 수 있다.
따라서, 이 경우 제2 밸브(420)의 개구비를 감소시켜 줌으로써 제1 밸브(410)에 의해 압력을 제어할 수 있도록 하는 것이 바람직할 수 있다.
이때, 제2 밸브(420)의 개구비는 반응기 내부 압력의 변화속도에 따라 변화시킬 수 있는 것이 바람직할 수 있다.
제1 밸브(410)의 개구비가 급격히 변화하는 경우에는 제2 밸브(420)의 개구비를 증가시켜 제2 밸브(420)를 통해 지속적으로 배출되는 기체의 유량을 증가시키는 것이 보다 바람직할 수 있다.
한편, 제2 밸브(420)를 통해 배출되는 기체가 너무 많아지면 제1 밸브(410)가 폐쇄된 경우라도 압력이 상승하지 않는 경우가 발생될 수 있다.
이 경우 제2 밸브(420)는 제1 밸브(410)에 비해 적은 유량을 제어할 수 있는 밸브로 선정하는 것이 보다 바람직할 수 있다.
즉, 제2 밸브(420)의 허용유량은 제1 밸브(410)의 허용유량보다 적은 것이 바람직할 수 있다.
다음으로 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법을 설명한다.
유동층 반응기(100)는 내부에 유동화 입자(120)가 마련된다.
먼저, 제1 밸브 셋팅단계에서는 유동층 반응기(100) 내부 압력을 목표값(목표압력값)으로 설정한다.
다음으로, 기체주입단계는 제2 밸브(420)를 완전히 개방시킨 상태에서 유동층 반응기(100) 내부로 기체를 주입시킨다.
다음으로 제2 밸브의 개구비를 감소시키는 단계를 갖는다.
다음으로 제1 밸브 작동단계는 유동층 반응기(100) 내부의 압력 변동폭을 낮추도록 제어된다.
이 때, 제2 밸브(420)의 허용유량은 제1 밸브(410)의 허용유량보다 적은 것이 사용되는 것이 바람직할 수 있다.
또한, 제1 밸브(410)는 압력센서(200)가 측정한 압력값과 설정된 압력값(목표압력값)의 차이에 의해 자동으로 제어되는 것이 바람직할 수 있다.
한편, 제2 밸브(420)는 수동으로 제어될 수 있으며, 제2 밸브(420)의 개구비의 감소 속도는 유동층 반응기(100) 내부 압력의 변화속도에 비례하여 제어되는 것이 바람직할 수 있다.
다음으로 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 실험 결과를 종래기술에 따른 실험 결과와 비교하여 설명한다.
도 2는 실험을 위해 고압 유동층 시스템에 차압형 압력변환기가 설치된 모습이다.
유동층 반응기(100)는 내경 0.052 m, 높이 1.2 m 이며, 유동층 반응기(100) 하부에서 0.014 m/s에 해당하는 질소를 유동화기체로 주입하였다.
유동화 입자(120)는 평균입자크기가 101 μm이고, 벌크밀도가 994 kg/m3이며, 최소유동화속도가 0.0068 m/s인 입자를 사용하였으며, 유동층 반응기(100)에는 0.6 m의 높이로 장입하였다.
유동층 반응기(100)에는 두 개의 차압형 압력변환기(differential pressure tranducer)(600), 즉 제1 차압형 압력변환기(610)와 제2 차압형 압력변환기(620)를 각각 설치하였다.
그 중 하나인 제1 차압형 압력변환기(610)의 경우 유동층 바닥에서부터 0.09 m와 0.99 m에 설치된 압력탭에 연결하여 차압을 측정하였다.
다른 하나인 제2 차압형 압력변환기(620)의 경우 유동층 바닥에서부터 0.09 m와 0.39m에 설치된 압력탭에 연결하여 차압을 측정하였다.
각각의 위치에서 측정된 차압은 각 위치에서 유동층 내부에 존재하는 고체층의 높이에 비례하는 값을 의미한다.
유동층 내부의 압력은 압력변환기(Pressure Transducer, PT)(500)에 의해 측정되었다.
실험은 상온에서 진행되었으며 절대압 1 bar에서 6 bar까지 압력을 상승시키는 동안 유동층 반응기(100) 내부의 압력(PT에 의해 측정)과 제1 차압형 압력변환기(610) 및 제2 차압형 압력변환기(620)에 의해 각각 측정되었다.
도 3은 종래 기술에 따른 단일의 압력제어밸브를 이용한 실험그래프이며, 도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 유동층 시스템을 이용한 실험결과이다.
먼저 도 3을 참조하여 종래 기술에 따른 단일의 압력제어밸브를 이용한 실험 결과를 설명한다.
유동층 반응기(100) 내부의 압력은 1 bar부터 증가한 후, 6 bar 에 도달하면 압력제어밸브가 열리면서 다소 감소한 후, 일정기간 동안 요동하면서(A구간 참조) 최종적으로는 6 bar로 제어되었다.
유동층 내부의 차압은 압력이 증가하는 동안 급격하게 요동하였으며(B 구간 참조), 유동층 내부 압력이 원하는 압력인 6 bar에 도달하면 압력제어밸브가 열리면서 기체가 급격하게 팽창하여 제2 차압형 압력변환기(620) 및 제1 차압형 압력변환기(610)에서 측정되는 값이 급격하게 증가한 후, 요동하면서 정상상태 값으로 수렴하는 현상을 나타낸다(C 구간 참조).
다음으로 도 4를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고압 유동층 시스템을 이용한 실험결과를 설명한다.
두 개의 압력제어밸브에 의해 유동층 반응기(100)의 압력을 제어하는 경우이다.
제2 밸브(420)는 제1 밸브(410)에 비해 처리유량이 절반이다.
제2 밸브(420)는 수동으로 30%를 개방한 상태이다.
유동층 반응기(100) 내부의 압력은 1 bar부터 증가한 후, 6 bar에 도달하면 압력제어밸브가 열리면서 다소 감소한 후, 최종적으로는 6 bar로 제어되었다.
두 개의 압력제어밸브(400)를 사용하는 경우, 원하는 압력(6 bar)에 도달하는 시간은 다소 늦어졌지만, 원하는 압력에 도달한 후 압력의 요동은 감소하는 결과를 나타내었다(A 구간 비교).
유동층 내부의 차압은 압력이 증가하는 동안 다소 완만하게 증가, 감소하는 경향을 나타내었으며(B 구간 비교), 유동층 내부 압력이 원하는 압력인 6 bar에 도달한 후에 제2 차압형 압력변환기(620) 및 제1 차압형 압력변환기(610)에서 측정되는 값의 변화가 크지 않음을 확인할 수 있었다(C 구간 비교).
100 : 유동층 반응기
200 : 압력센서
300 : 사이클론부
410 : 제1 밸브
420 : 제2 밸브
500 : 압력변환기
610 : 제1 차압형 압력변환기
620 : 제2 차압형 압력변환기

Claims (10)

  1. 유동층 반응기;
    상기 유동층 반응기 내부의 압력을 측정하는 압력센서;
    상기 유동층 반응기에 연결되어 비산되는 입자를 회수하고 배출가스를 방출하는 사이클론부;
    상기 사이클론부와 상기 압력센서에 연결되어 상기 배출가스를 단속하는 제1 밸브;
    상기 사이클론부에 연결되어 상기 배출가스 중 상기 제1 밸브가 단속하는 배출가스 이외의 배출가스를 수동으로 단속하는 제2 밸브; 를 포함하는,
    고압 유동층 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 밸브의 허용유량은 상기 제1 밸브의 허용유량보다 적은 것을 특징으로 하는,
    고압 유동층 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 밸브는 상기 압력센서가 측정한 압력값과 설정된 압력값의 차이에 의해 자동으로 제어되고,
    상기 제2 밸브는 개구비가 제로가 아닌 상태에서 수동으로 제어되는 것을 특징으로 하는,
    고압 유동층 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제2 밸브의 개구비는 상기 유동층 반응기 내부 압력의 변화속도에 비례하여 증감되는 것을 특징으로 하는,
    고압 유동층 시스템.
  5. 제1항의 고압 유동층 시스템에 의한 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법에 있어서,
    상기 유동층 반응기 내부 압력을 목표값으로 설정하기 위한 제1 밸브 셋팅단계;
    상기 제2 밸브를 완전히 개방시킨 상태에서 상기 유동층 반응기 내부로 기체를 주입하는 기체주입단계;
    상기 제2 밸브의 개구비를 감소시키는 단계;
    상기 유동층 반응기 내부의 압력 변동폭을 낮추도록 제어되는 제1 밸브 작동단계;를 포함하는,
    고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 제2 밸브의 허용유량은 상기 제1 밸브의 허용유량보다 적은 것을 특징으로 하는,
    고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 제1 밸브는 상기 압력센서가 측정한 압력값과 설정된 압력값의 차이에 의해 자동으로 제어되고,
    상기 제2 밸브는 수동으로 제어되는 것을 특징으로 하는,
    고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 제2 밸브의 개구비의 감소 속도는 상기 유동층 반응기 내부 압력의 변화속도에 비례하여 제어되는 것을 특징으로 하는,
    고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법.
  9. 제1항의 고압 유동층 시스템에 의한 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법에 있어서,
    상기 유동층 반응기로 기체가 주입되는 단계;
    상기 제1 밸브는 상기 유동층 반응기 내부 압력에 따라 개구비가 제어되고, 제2 밸브는 설정압력에 도달할 때까지 완전히 닫혀 있지는 않은 상태를 유지하는 단계;
    상기 설정압력에 도달하면 상기 제1 밸브를 닫으면서, 상기 제2 밸브를 100% 개방시키는 단계;
    상기 제2 밸브의 개구비를 제어함으로써 상기 설정압력을 유지시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 제2 밸브의 허용유량은 상기 제1 밸브의 허용유량보다 적은 것을 특징으로 하는 고압 유동층 시스템 내부 압력 제어 방법.
KR1020190027627A 2019-03-11 2019-03-11 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법 KR20200108664A (ko)

Priority Applications (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190027627A KR20200108664A (ko) 2019-03-11 2019-03-11 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법
US16/445,917 US10569247B1 (en) 2019-03-11 2019-06-19 Installation and operation method of dual control valves in a high pressure fluidized bed system

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020190027627A KR20200108664A (ko) 2019-03-11 2019-03-11 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR20200108664A true KR20200108664A (ko) 2020-09-21

Family

ID=69590677

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020190027627A KR20200108664A (ko) 2019-03-11 2019-03-11 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법

Country Status (2)

Country Link
US (1) US10569247B1 (ko)
KR (1) KR20200108664A (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230070905A (ko) * 2021-11-15 2023-05-23 한국에너지기술연구원 단면적 변화를 통한 유동층 내부 기체 유속조절시스템 및 기체 유속조절방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100582164B1 (ko) 2001-08-27 2006-05-23 재단법인 포항산업과학연구원 분체 기류 수송량 제어장치
KR101716644B1 (ko) 2014-03-12 2017-03-15 엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니 샌드 트랩을 갖는 분할 유동 파이프 분리기
KR101822117B1 (ko) 2015-11-26 2018-01-29 한국에너지기술연구원 고압 다탑 유동층의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템
KR101822111B1 (ko) 2015-11-26 2018-03-09 한국에너지기술연구원 고압 다탑 유동층의 압력상승과 하강과정에서의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6301546B1 (en) * 1999-01-22 2001-10-09 Exxon Research And Engineering Company Process for detecting and monitoring changes in properties of fluidized bed solids by pressure difference fluctuation measurement
KR100756310B1 (ko) 2006-02-07 2007-09-07 한국화학연구원 입자형 다결정실리콘 제조용 고압 유동층반응기
KR101701693B1 (ko) * 2008-08-12 2017-02-13 슈빙 바이오셋 폐루프 건조 시스템 및 방법
KR101767335B1 (ko) 2016-03-17 2017-08-24 한국에너지기술연구원 고온 고압 유동층 시스템의 고체층 높이 측정 장치, 측정방법 및 그 측정장치를 갖는 유동층 시스템

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR100582164B1 (ko) 2001-08-27 2006-05-23 재단법인 포항산업과학연구원 분체 기류 수송량 제어장치
KR101716644B1 (ko) 2014-03-12 2017-03-15 엑손모빌 업스트림 리서치 캄파니 샌드 트랩을 갖는 분할 유동 파이프 분리기
KR101822117B1 (ko) 2015-11-26 2018-01-29 한국에너지기술연구원 고압 다탑 유동층의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템
KR101822111B1 (ko) 2015-11-26 2018-03-09 한국에너지기술연구원 고압 다탑 유동층의 압력상승과 하강과정에서의 차압제어장치, 차압제어방법 및 그 차압제어장치를 갖는 고압 다탑 유동층 시스템

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20230070905A (ko) * 2021-11-15 2023-05-23 한국에너지기술연구원 단면적 변화를 통한 유동층 내부 기체 유속조절시스템 및 기체 유속조절방법

Also Published As

Publication number Publication date
US10569247B1 (en) 2020-02-25

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4482275A (en) Method and apparatus for distributing powdered particles
Bi et al. Types of choking in vertical pneumatic systems
US5469994A (en) Apparatus and method for dosing a particulate phase present in a gas/particle flow from a fluidized bed
Geldart et al. The behaviour of L-valves with granular powders
JPS61162425A (ja) 流体化し得る粉状材料の流量制御式分配装置
KR101729360B1 (ko) 과립 또는 미세 물질을 공급하기 위한 고압 공급장치 및 그 구동방법
US5538162A (en) Apparatus and method for dosing
AU2010305044A1 (en) Metering system, dense phase conveying system and method for supplying bulk material in powder form
KR20200108664A (ko) 고압 유동층 시스템 및 그의 내부 압력 제어 방법
US2916441A (en) Process and apparatus for controlling the rate of addition of fluidized particles
Passos et al. Prediction of the maximum spoutable bed height in two-dimensional spouted beds
KR101264793B1 (ko) 하부루프실을 구비한 유동층 반응장치
US5707198A (en) Method and device for discharging particulate material from a pressurized container
Yang et al. Impact of operating conditions on the performance of the external loop in a CFB reactor
SE437140B (sv) Forfarande och anordning for sjelvreglering vid pneumatisk transport
Li et al. Hydrodynamic behaviour of aerogel powders in high-velocity fluidized beds
JP5042021B2 (ja) 重合反応器からポリマーを排出する方法
US4167819A (en) Pressure regulator
US4459071A (en) Solids flow regulator
US2609249A (en) Nonmechanical solids valve
JPS5934605B2 (ja) 定流量輸送装置
KR20180039168A (ko) 잠금 호퍼에서 벌크 물질의 증가된 가압
US10143986B2 (en) Fluidized bed system having sparger capable of minimizing blockage by solids and controlling method thereof
Knowlton Standpipes and nonmechanical valves
JPH07163857A (ja) 流動床からの気体と固体の流れの中に存在する固体を配量供給するための装置及び方法

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E902 Notification of reason for refusal