KR20240007046A - 하이브리드 열교환 방식의 리보일러 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 열교환 방식의 리보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 튜브를 따라 이동하는 증기가 증류탑에서 1차 열교환이 이루어진 후 외부로 배출될 때 배출되는 증기를 증류탑의 하부에 배치되는 리보일러에 재공급하여 리보일러를 통과하는 흡수제와 열교환이 이루어지도록 함으로써 열교환 효율을 향상시킨 하이브리드 열교환 방식의 리보일러에 관한 것으로, 이를 위해 본 발명은, 쉘의 내부를 따라 이동하는 증기와, 상기 쉘의 내부에 배치된 튜브를 따라 이동하는 유체가 열교환하면서 상기 유체에 포함된 이산화탄소를 포집하는 증류탑의 하부에 배치되어, 상기 유체와 열교환이 이루어진 이후의 증기를 전달 받는 것으로,
내부가 빈 컬럼(Column) 형태로 이루어지며 하단에서 흡수제(MEA LUQUID)가 인입된 후 상기 증류탑측으로 이동하는 베이스함체와,
상기 베이스함체의 내부에 배치되며, 상기 증류탑에서 배출되는 증기를 전달 받는 역류형 튜브를 포함한다.

Description

하이브리드 열교환 방식의 리보일러{Hybrid heat exchange reboiler}

본 발명은 하이브리드 열교환 방식의 리보일러에 관한 것으로, 보다 상세하게는 튜브를 따라 이동하는 증기가 증류탑에서 1차 열교환이 이루어진 후 외부로 배출될 때 배출되는 증기를 증류탑의 하부에 배치되는 리보일러에 재공급하여 리보일러를 통과하는 흡수제와 열교환이 이루어지도록 함으로써 열교환 효율을 향상시킨 하이브리드 열교환 방식의 리보일러에 관한 것이다.

알려진 바와 같이, 리보일러는 산업용 증류탑 바닥에 열을 제공하되 증기 형태의 열에너지를 계속 공급하기 위해 사용되는 열교환기로서, 화공 플랜트 등에서 혼합물을 분리하는 방법의 하나인 증류(distillation)공정에서 사용된다.

이러한 리보일러는 증류탑의 하부에서 계속 열을 공급하는 장치이며, 열은 바닥의 액체를 가열, 증발시켜 기체 형태로 공급하며, 증류탑에서 액체 원료를 가열하면 비등점이 낮은 성분이 먼저 증발하여 상부로 올라가고, 증발되지 않은 무거운 액체만 바닥에 모이게 된다.

상기의 리보일러는 설계하는 과정에서 중요한 요소 중의 하나로 운전에 적절한 방식을 선정하는 것인데, 일반적으로 원통 다관형, 즉 쉘 및 튜브 형태의 열교환기가 사용되지만 이를 운용하는 운전방식에 따라 스테인브(stab-in), 열사이펀(thermosiphon), 케틀(Kettle), 가열로(Fired), 강제순환(Forced Circulation) 으로 분류될 수 있다.

상기의 운전방식에 따른 분류를 간략히 설명하면, 스테인브는 내부(Internal)이라고도 불리우며 가장 간단한 형태의 리보일러 운전 방식이며, 증류탑 하부에 열교환기 튜브 번들을 직접 끼워 넣어 하부 액체를 직접 가열하여 기체를 발생시킨다. 그러나 증류탑의 크기에 따라 사용이 제한되고, 액체의 점도가 높은 경우 사용이 부적절한 단점이 있다.

열사퍼인 리보일러는, 펌프 없이 무동력으로 증류탑 하부 액체를 리보일러에 연속적으로 공급하는 운전 방식이므로 가장 많이 사용되는데, 증발하는 기체로 인해 기체와 액체가 혼합된 형태로 열이 공급되고, 기체로 인해 입구의 액체보다 밀도가 크게 줄어든다. 이러한 밀도 차이와 탑 내부 액체의 수두압(liquid head)으로 액체의 자연 순환(natural circulation)이 계속 안정적으로 이루어지도록 설계된 것이며, 수직형(Vertical), 수평형(Horizontal), 중간(Intermediate 또는 Once Through)로 세분화된다.

케틀 리보일러는, 비등 전용 열교환기인 K type 쉘을 사용하는 것으로, 쉘 내부에 댐(weir)을 설치하여 액위(liquid level)를 일정하게 유지할 수 있고, 기체만 탑에 공급되므로 대단히 안정적인 운전이 가능하고 비교적 큰 용량도 감당할 수 있다.

가열로 리보일러는 케틀 리보일러보다 훨씬 많은 용량의 열이 필요한 경우에 대량의 열전달이 가능한 가열로(fired heater)를 직접 사용하는 방식이다.

강제순환 리보일러는 펌프를 사용하여 액체를 강제로 리보일러에 공급하는 방식으로, 점도가 높은 유체 또는 장소 문제로 리보일러의 위치가 증류탑에 대해 멀리 있는 경우 등 강제 순환이 필요한 경우에 사용하며, 유체가 온도에 아주 민감해서 쁘라게 리보일러 순환이 요구되는 경우에 사용된다.

상기 쉘 및 튜브 열교환기는 내부에 튜브 다발이 구비된 쉘로 구성되는 것으로, 하나의 유체는 튜브의 내부를 따라 이동하고, 다른 유체는 튜브의 외부, 즉 쉘의 내부를 따라 이동하면서 두 유체 사이에 열이 교환된다.

교환이 이루어지는 열은 튜브측에서 쉘측 또는 반대로 튜브 벽을 통해 한 유체에서 다른 유체로 전달되며, 유체는 쉘 또는 튜브 측면에서 액체 또는 기체일 수 있다.

열교환 효율을 높이기 위해서는 열전달 면적을 크게 형성해야 하므로 튜브의 배치 개수를 증가시켜 폐열을 이용하는 방법이 있다.

대한민국 등록특허 제10-1172422호(2011.06.17., 공개)

본 발명은 증류탑의 하부에 배치되어 상기 증류탑에 공급된 고온의 증기가 1차 열교환이 이루어진 후 증류탑에서 배출되는 증기를 재활용함으로서 열교환 효율을 향상시키고, 특히 1차 열교환이 이루어진 이후에도 고온을 유지하는 증기와 응축수의 잠열을 이용함으로써 에너지 효율을 높일 수 있는 하이브리드 열교환 방식의 리보일러를 제공하는데 목적이 있다.

또한 본 발명은 인입된 흡수제와 증류탑에서 전달 받은 유체의 접촉 시간 및 접촉 면적을 넓히기 위하여 베이스함체의 구조를 개선하고, 상기 베이스함체에 배치되는 역류형 튜브를 흡수제의 이동 방향과 반대 방향으로 유체가 이동하도록 함으로써 증기 및 응축수와 흡수제의 열교환 효율을 높일 수 있도록 한 하이브리드 열교환 방식의 리보일러를 제공하는데 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 쉘의 내부를 따라 이동하는 증기와, 상기 쉘의 내부에 배치된 튜브를 따라 이동하는 유체가 열교환하면서 상기 유체에 포함된 이산화탄소를 포집하는 증류탑의 하부에 배치되어, 상기 유체와 열교환이 이루어진 이후의 증기를 전달 받는 것으로,

내부가 빈 컬럼(Column) 형태로 이루어지며 하단에서 흡수제(MEA LUQUID)가 인입된 후 상기 증류탑측으로 이동하는 베이스함체와,

상기 베이스함체의 내부에 배치되며, 상기 증류탑에서 배출되는 증기를 전달 받는 역류형 튜브를 포함한다.

또한 상기 역류형 튜브는, 상기 증류탑에서 전달 받은 증기가 상기 흡수제의 이동 방향에 대해 반대 방향으로 이동하도록 배치되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 베이스함체는, 상기 역류형 튜브가 배치되는 중앙부와, 상기 중앙부와 상기 컬럼 사이에 배치되는 탑바디와, 상기 중앙부의 하부에 배치되는 바텀바디를 포함하되, 상기 탑바디와 상기 바텀바디는, 각각 상기 중앙부의 외경에 비해 상대적으로 좁아지는 외경을 가지도록 형성되어 하단에서 상방으로 이동하는 흡수제의 체류 시간을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

이때 상기 탑바디와 상기 바텀바디에는, 중앙을 향해 점진적으로 좁아지는 직경을 가지도록 형성된 체류용 커버가 더 구비된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 체류용 커버는, 상기 탑바디와 상기 바텀바디의 일측 단부에 각각 배치되되, 상호 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어진 본 발명은, 증류탑에서 1차 열교환을 위해 사용된 이후의 증기를 전달 받아 인입된 흡수제와 열교환이 이루어지도록 함으로써 증기 및 응축수의 잠열을 활용할 수 있는 효과가 있다.

또한 본 발명은 흡수제와 역류형 튜브를 따라 이동하는 증기와 응축수의 접촉 시간을 증가시킴으로써 열교환 효율을 높일 수 있도록 한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 하이브리드 열교환 방식의 리보일러를 도시한 예시도.
도 2는 본 발명에 따른 하이브리드 열교환 방식의 리보일러가 컬럼에 결합된 상태를 도시한 예시도.
도 3은 본 발명을 구성하는 베이스함체를 도시한 예시도.
도 4는 본 발명에 따른 하이브리드 열교환 방식의 리보일러의 동작 상태를 도시한 상태도.

이하, 상기 목적 외에 본 발명의 다른 목적 및 특징들은 첨부 도면을 참조한 실시 예에 대한 설명을 통하여 명백히 드러나게 될 것이다.

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 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 하이브리드 열교환 방식의 리보일러의 바람직한 구현예를 설명하도록 한다.

먼저 본 발명에 따른 하이브리드 열교환 방식의 리보일러(1)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 쉘의 내부를 따라 이동하는 증기와, 상기 쉘의 내부에 배치된 튜브를 따라 이동하는 유체가 열교환하면서 상기 유체에 포함된 이산화탄소를 포집하는 증류탑의 하부에 배치되어, 상기 유체와 열교환이 이루어진 이후의 증기를 전달 받는 것으로, 내부가 빈 컬럼(Column) 형태로 이루어지며 하단에서 흡수제(MEA LUQUID)가 인입된 후 상기 증류탑측으로 이동하는 베이스함체(10)와, 상기 베이스함체(10)의 내부에 배치되며, 상기 증류탑에서 배출되는 증기를 전달 받는 역류형 튜브(20)를 포함한다.

상기 베이스함체(10)는, 내부가 비어 있고 상하 방향으로 연장된 기둥 형태로 이루어지고 증류탑(100)의 하부에 연결된다.

그리고 상기 베이스함체(10)에는 상기 증류탑(100)과 연통되어 증기 및 응축수를 전달 받는 인렛(11)과, 상기 역류형 튜브(20)의 길이 방향 일단이 결합되어 베이스함체(10)에서 열교환이 이루어진 이후 남은 응축수가 배출되는 아웃렛(12)이 구비된다.

상기 베이스함체(10)의 인렛(11)으로 전달되는 증기 및 응축수는 상기 증류탑(100)으로 공급된 고온의 증기가 유체와 1차 열교환이 이루어진 이후의 것으로, 이를 좀 더 상세히 살펴보면 증류탑으로 공급되는 증기는 약 200℃의 온도를 갖는다.

이러한 고온의 증기는 증류탑의 상방측에서 공급되어 하방으로 이동하면서 하방에서 상방으로 유체가 이동하도록 배치된 튜브와 맞닿아 튜브내에서 이동하는 상기 유체와 열교환이 이루어진다.

이후 고온의 증기는 증류탑의 하방측으로 이동한 후 증류탑에 형성된 배출구를 통해 외부로 배출되는데, 상기 배출구를 통해 배출되는 증기는 열교환을 진행하면서 온도가 낮아지며 이때 증기 중 일부는 응축수로 변환된다.

이러한 증기와 응축수는 증류탑의 외부로 배출되는 위치에서도 소정의 온도를 유지하고 있기 때문에 증류탑에서 1차 열교환에 사용된 증기 및 응축수라 하더라도 재활용이 가능하였고, 종래에는 이러한 증기 및 응축수의 활용도를 높이기 위해 증류탑을 구성하는 쉘의 길이 및 폭을 연장하여 증기의 체류 시간을 연장하는 구성이 사용되었다.

이와 같은 종래의 쉘을 이용하는 경우 증류탑의 전체 길이 및 부피가 커지는 문제점이 있고, 증류탑의 길이 및 부피가 커지는 경우 증류탑에 공급하기 위한 증기의 양도 증가하고, 증류탑의 설치에 필요한 면적 및 설치비용이 증가하는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명에서는 증류탑에서 1차 열교환에 사용된 증기 및 응축수를 전달 받아 이를 흡수제를 가열하기 위해 재활용하는데, 이를 위해 상기 베이스함체(10)에 형성된 인렛(11)을 통해 증류탑(100)에서 배출되는 증기 및 응축수를 전달 받아 베이스함체(10)의 내부를 이동하도록 한다.

이러한 베이스함체(10)는 상술한 바와 같이 내부가 빈 함체 형태로 이루어지며 인렛(11)과 아웃렛(12)이 상호 이격된 위치에 형성되며, 하단부에 흡수제가 인입되는 입구(13)가 구비된다.

상기와 같이 이루어진 베이스함체(10)는 증류탑(100)의 하부에 결합되어 증류탑에서 배출된 증기와 응축수를 상기 인렛(11)을 통해 전달 받고, 전달 받은 증기와 응축수는 베이스함체(10)에 배치되는 역류형 튜브(20)를 따라 이동하면서 상기 입구(13)를 통해 인입된 흡수제와 열교환이 이루어진다.

상기 역류형 튜브(20)는 내부가 빈 관체 형태로 이루어져 일단은 상기 인렛(11)에 결합되고 타단은 상기 아웃렛(12)에 결합되어 인렛(11)을 통해 전달 받은 증기 및 응축수가 이동하면서 상기 입구(13)를 통해 인입된 흡수제와 열교환이 이루어지도록 하는데, 여기서 상기 역류형 튜브(20)의 직경 및 절곡된 형태 등은 상기 베이스함체(10)의 내부 면적에 따라 변경될 수 있는 것으로 도면 중 도시된 직경 및 형태에 한정되지 않음은 물론이다.

본 발명에서 상기 역류형 튜브(20)의 배치 방향은 인입된 증기와 응축수가 이동하는 방향이 상기 입구(13)를 통해 인입된 흡수제의 이동 방향과 반대 방향을 이루도록 배치된다.

이러한 역류형 튜브(20)는 상대적으로 높은 온도를 가지면서 인입된 증기와 응축수는 높은 위치에서 낮은 위치로 이동하고, 상대적으로 낮은 온도를 가지면서 인입된 흡수체는 낮은 위치에서 높은 위치로 이동한다.

따라서 상기 증류탑(100)측과 인접한 위치인 상부에서는 상대적으로 높은 온도를 가진 증기와 응축수가 이동하고, 낮은 위치에서 높은 위치로 이동하는 과정에서 열교환이 이루어져 인입된 온도에 비해 상대적으로 높은 온도를 가지게 된 흡수제가 높은 위치에서 높은 온도를 가진 증기와 응축수와 접촉하여 열교환이 이루어져 온도를 상승시킨 상태에서 증류탑(100)측으로 이동한다.

상기와 같이 배치된 역류형 튜브(20)를 통해 입구(13)를 통해 인입된 흡수제의 온도를 상승시켜 증류탑으로 제공할 수 있고, 흡수제의 온도를 상승시키기 위한 열에너지를 증류탑에서 1차 열교환이 이후 배출되는 증기 및 응축수를 재활용하여 열에너지를 위한 추가적인 구성이 필요하지 않아 유지비용을 절감할 수 있고, 1차 열교환 이후 배출되는 증기 및 응축수의 잠열의 손실을 최소화할 수 있다.

한편 본 발명에서는 상기 역류형 튜브(20)와 흡수제의 접촉 시간을 증가시키기 위하여 상기 베이스함체(10)의 구조를 개선하였는데, 개선된 베이스함체(10)는, 상기 역류형 튜브(20)가 배치되는 중앙부(14)와, 상기 중앙부(14)와 상기 컬럼 사이에 배치되는 탑바디(15)와, 상기 중앙부(14)의 하부에 배치되는 바텀바디(16)를 포함하되, 상기 탑바디(15)와 상기 바텀바디(16)는, 각각 상기 중앙부(14)의 외경에 비해 상대적으로 좁아지는 외경을 가지도록 형성되어 하단에서 상방으로 이동하는 흡수제의 체류 시간을 증가시킨다.

즉, 상기 베이스함체(10)를 상기 역류형 튜브(20)가 배치되는 중앙부(14)와 상기 중앙부(14)의 상단과 하단에 각각 배치되되 각각이 상기 중앙부(14)의 외경에 비해 상대적으로 작은 직경을 가지도록 형성된 탑바디(15)와 바텀바디(16)로 구성하여 흡수체가 이동하는 경로의 면적이 바뀌도록 하여 이동하는 흡수체의 이동 경로가 변경되고, 이를 통해 흡수체와 역류형 튜브(20)가 접촉하는 시간을 늘려 열전달 효율을 높이다.

특히 본 발명에서는 상기 탑바디(15)와 바텀바디(16)에 각각 중앙을 향해 점진적으로 좁아지는 직경을 가지도록 형성된 체류용 커버(17)가 더 구비되어 이동하는 흡수체가 상기 체류용 커버(17)와 맞닿아 와류가 형성됨으로써 역류형 튜브(20)와 접촉하는 시간을 증가시켜 열전달 효율을 극대화할 수 있다.

여기서 상기 체류용 커버(17)에는 흡수체가 이동 가능하도록 상하 방향으로 관통 형성된 다수 개의 이동공(도면 중 미도시됨)이 더 구비되거나 상기 체류용 커버(17)가 방사상으로 배치된 다수 개의 판재의 결합으로 이루어진 우산대와 동일한 형태로 이루어질 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1 : 하이브리드 열교환 방식의 리보일러
10 : 베이스함체
11 : 인렛 12 : 아웃렛
13 : 입구 14 : 중앙부
15 : 탑바디 16 : 바텀바디
17 : 체류형 커버
20 : 역류형 튜브

Claims (5)

1. 쉘의 내부를 따라 이동하는 증기와, 상기 쉘의 내부에 배치된 튜브를 따라 이동하는 유체가 열교환하면서 상기 유체에 포함된 이산화탄소를 포집하는 증류탑의 하부에 배치되어, 상기 유체와 열교환이 이루어진 이후의 증기를 전달 받는 것으로,
   내부가 빈 컬럼(Column) 형태로 이루어지며 하단에서 흡수제(MEA LUQUID)가 인입된 후 상기 증류탑측으로 이동하는 베이스함체(10)와,
   상기 베이스함체(10)의 내부에 배치되며, 상기 증류탑에서 배출되는 증기를 전달 받는 역류형 튜브(20)를 포함한 하이브리드 열교환 방식의 리보일러.
2. 청구항 1에 있어서,
   상기 역류형 튜브(20)는,
   상기 증류탑에서 전달 받은 증기가 상기 흡수제의 이동 방향에 대해 반대 방향으로 이동하도록 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 열교환 방식의 리보일러.
3. 청구항 1에 있어서,
   상기 베이스함체(10)는,
   상기 역류형 튜브(20)가 배치되는 중앙부(14)와,
   상기 중앙부(14)와 상기 컬럼 사이에 배치되는 탑바디(15)와,
   상기 중앙부(14)의 하부에 배치되는 바텀바디(16)를 포함하되,
   상기 탑바디(15)와 상기 바텀바디(16)는,
   각각 상기 중앙부(14)의 외경에 비해 상대적으로 좁아지는 외경을 가지도록 형성되어 하단에서 상방으로 이동하는 흡수제의 체류 시간을 증가시키는 것을 특징으로 하는 하이브리드 열교환 방식의 리보일러.
4. 청구항 3에 있어서,
   상기 탑바디(15)와 상기 바텀바디(16)에는,
   중앙을 향해 점진적으로 좁아지는 직경을 가지도록 형성된 체류용 커버(17)가 더 구비된 것을 특징으로 하는 하이브리드 열교환 방식의 리보일러.
5. 청구항 4에 있어서,
   상기 체류용 커버(17)는,
   상기 탑바디(15)와 상기 바텀바디(16)의 일측 단부에 각각 배치되되, 상호 대칭되게 배치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 열교환 방식의 리보일러.

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