KR830001025B1 - 유동화(fluidization) 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

유동화(fluidization) 장치

제1도는 본 발명의 특징을 구체화하는 유동층 장치의 단면도.

제2도는 제1도의 선 2-2에 따른 단면도.

제3도는 제2도의 선 3-3에 따른 단면도이다.

본 발명은 유동화(流動化)장치에 관한 것으로, 특히 유동층 조작(fluidized bed operation)을 수행하기 위한 개선된 장치에 관한 것이다. 다양한 화학 반응 및 건조와 같은 단위조작(unit operation)을 수행하기 위해 화학공업계에서 수년동안 유동층 장치가 사용되어 왔다. 통상의 유동층에서, 대개 가스류(流)인 상향이동하는 유체흐름내에 고체 상(相)이 현탁되어 그 고체입자들의 집단이 다소 비등액체(boilingliquid)와 같이 행동한다. 그 고체상은 유동화 가스의 흐름내에서 화학 반응을 촉진시키는 촉매일수 있고, 또는 유동화 가스와 반응하는 물질이어도 좋다. 또한, 그 고체상은 유동화 건조의 경우에서와 같이 유동화가스에 의해 처리되는 물질이어도 좋다.

유동층 시스템의 주요 잇점들중 하나는, 그 유동층에 형성된 높은 교류(攪流)가 그 유동층 자체내에서의 고체와 기체의 완전한 혼합은 물론 높은 열전달 특성을 제공한다는 사실로 부터 얻어진다. 그러나, 유동화 시스템은 단점들이 없는 것이 아니다. 당업자에 알려진 유동화 시스템의 단점들중 하나는, 고체가 장시간동안 고온하에 있게되는 반응기의 상부부분에서 "사지역(dead zone)"이 형성된다는 것이다. 전분과같은 몇몇 고체에서 자연 연소가 발생할 수 있어 발화 및 폭발을 야기한다. 이 문제는 선행 기술에서는 미합중국 특허 제4,075,766호에 기술된 임펠러(impeller)와 같은 기계적인 수단에의해 해결되었다. 또한, 유동층들은 채널링(channeling)으로 알려진 현상의 특징이 있고, 그리하여 기체가 고체상에 밀접히 접촉하지 않고 유동층을 통과하도록 고체상내에 가스 포켓트가 형성된다. 이들 문제들은, 특히 전분과 같이 유동화하는 것이 어려운 고체상의 유동화에서 심한것으로 본 기술에 알려져 있다. 유동화가 어려운 고체의 유동화에서의 중요한 개선은 미합중국 특허 제3,967,975호 및 제4,021,927호에 기술된 것과같은 유동화 방법 및 장치를 사용함에 의해 달성되었고, 그 특허들의 기술 내용이 본 출원명세서에 참조 되었다. 상기 특허들에서의 개선점이 또한 1978.12.15일 출원된 미합중국 특허원 제970,069호에도 기술되어있다 상기 특허들 및 특허원에서 이용되는 유동층 시스템은 상하부 유동화지역을 포함하는 3개의 다른 유동화 지역들을 가지고 있으며, 그 지역들의 각각에는 보다 완전한 혼합을 촉진하도록 하는 패들(paddle)타입의 교반기가 설치되어있다. 그 상하부 유동화 지역은 열전달매체에 의해 둘러싸인 다수의 관형(管形) 지역에 의해 서로 통하여 있고, 그리하여 그 유동층으로 또는 그 유동층으로부터의 대부분의열 전달이 그 관형유동지역의 벽돌을 통해 통과된다.

본 발명은, "사지역"의 형성을 방지하고, 그리하여 상부 체임버내에 다른방식으로 배치될 수 있는 유동화가능한 물질과 그체임버가 떨어져 있게하기 위한 기계적인 수단이 필요없도록 상부 체임버의 하부 수평부분에 평평한 표면이 없는 유동층 반응기의 개량에 관한 것이다.

본 발명은, 부착 또는 응집하는 경향을 갖는 고체물질, 특히 고체입자 물질을 유동화하기 위한 장치에 관한 것이다. 본 발명의 장치는, 그러한 입자 물질에 공급하는 화학 및 물리적 공정에 유용하다.

본 발명의 일실시예에 따라, 이 개선된 장치는 상부의 교반되고 유동화 되는 지역과 하부의 교반되고 유동화되는 지역 및 중간의 피유동화지역으로 구성된 유동화 시스템을 포함하며, 그 중간의 피유동화 지역은 상하부 피유동화 지역의 각각과 연통하는 다수의 관형지역으로 형성되어 유동화가스가 하부 피교반 피유동화 지역을 통하고 중간 피유동화 지역을 통하여 상부 피교반 피유동화 지역으로 상방으로 통과되어그 3개의 지역들의 각각에서 그 고체들을 유동화 시킨다. 본 발명에 의해 제공된 개선점은 상부 피유동화지역에 스페이서(spacer)수단이 제공되어 있다는 것이다. 그 스페이서 수단은 다수의 테이퍼(taper)된 개구를 가지고 있고, 그 개구들은 상기 스페이서 수단의 상부 표면에서 상접하여 있고 상기 스페이서 수단의 하부 표면에서는 떨어져 있다. 그 하부 표면상의 상기 개구는 상부 체임버의 상기 튜브들의 개방단부와 동심으로 연통하여 있어 상기 튜브들의 내부와 상부 체임버가 연통되게 한다.

본 발명의 개량은 다수의 관형지역들을 가지고 있고, 그 지역의 개방단부들이 상기튜브들의 내부와 상부 체임버를 연통시키는 다른 타입의 유동화 장치에도 적용될 수 있다.

본 발명의 장치는 덱스트린으로의 전분의 전화(轉化)에 사용하는 데 이상적으로는 적당하다. 그러나 당업자에의해 인식되는 바와같이, 본 발명의 장치는 유동층 시스템이 과거에 사용되었던 유동화 건조, 석유크랙킹조작, 등을 포함하는 다양한 다른 유동층 적용에도 적합하다. 예시를 위해, 이후 본 발명의 장치를 덱스트린으로의 전분의 전화와 관련하여 기술한다. 그러나 많은 다른 유동화 조작에 유사하게 사용될 수도 있음을 이해하기 바란다.

제1도에, 본 발명의 유동화 장치의 단면이 상세히 도시되어 있다. 그 장치는 10으로 나타낸 길다란 수직의 하우징을 가지고 있고, 그 하우징의 상부 부분에는 피유동화 물질의 공급을 위한 입구 수단 14를 가진 상부 체임버 12가 설치되어 있다. 또한 그 하우징 10에는 그의 저부에 하부체임버 16이 설치되어 있다. 그 상부 체임버 12와 하부 체임버 16은 교반기 수단 18 및 20을 각각 가지고 있다. 그 교반기 수단 18은 상부 체임버 12내에 회전 가능하게 장착된 축 22를 포함한다. 축 22상에는 다수의블레이드(blade)24가 장착되어 그 축과함께회전하며, 그 블레이드는 평편한 패들형태로 되어있다. 유사하게, 하부체임버 16의 교반기 수단 20은 회전자재한 축 26을 가지고 있고, 그 축에는 그와함께 회전 가능한 평편한 블레이드가 설치되어 있다. 교반기 수단 18에는 평편한 블레이드 24가 서로 엇갈린 위치에 설치되어 있고 그 블레이드 24들의 각각의 사이에 90°각도로 또다른 평편한 블레이드 30이 설치되어 있다. 이들 블레이들은 유동화 가스이 흐름 방향에 가로지르는 면으로 배치되는 평편한 표면을 제공한다. 하부 체임버 16내의 교반기 수단 20도 유사한 형상으로 되어 있다. 그 블레이드들의 몇몇 또는 모두는 도시된 것에 대해 각(角)을 가지고 배치되어 있다. 중간부분 32에서 그 하우징 10내에 다수의 튜브 34가 배치되어 있고 그 튜브들은 상부 체임버 12와 연통하여 있는 상단부 36과 하부 체임버 16과 연통하여 있는 하단부 38을 가지고 있다. 그 상단부 36은 스페이서 수단 70의 하부 표면상의 테이퍼된 개구 71과 동심적으로 연통하여 있다. 이렇게 하여, 입구 14에 도입된 피유동화 물질은 상부 체임버 12를 통하고 다수의 튜브 34를 통하여 하부 체임버 16으로 자체 중력에 의해 하방으로 흐른다. 그 하부 체임버 16에는 피유동화 물질의 배출을 위한 출구 수단 40이 설치되어 있다. 하부 체임버 16아래에는 플리넘(plenum)체임버 44가 배치되어 있다. 유동화 가스가 유동화 가스입구 수단 46을 통해 그 플리넘 체임버내로 도입되고, 소공(小孔)이 설치된 판 48을 통해 하부 체임버 16내로 도입된다. 중간 부분 32의 튜브들의 배치는 상당히 변경 될수도 있다. 하나의 적당한 배치가 제2도에 도시되어 있고, 이 도면에 도시된 바와같이 튜브 34는 중간 부분 32의 중심 주위에 일정한 모양으로 배열되어 있다. 적어도 그 관형 부분에는 열을 공급하고 또 그로부터 열을 제거하는 수단이 설치되어 있다. 이 목적을 위해, 부분 32는, 열교환 매체를위한 쟈켓트(Jacket)를 형성하고, 그 열교환 매체가 입구 수단 40에의해 부분 32로 공급되고 출구 수단 50에 의해 그 부분 32로 부터 제거된다. 또한, 많은 예에서상하부 체임버에도 열교환 수단을 설치하는것이 바람직하다. 이 목적을 위해, 상부 체임버 12를 둘러싸고 있는 쟈켓트 52가 제공되어있고, 그 쟈켓트 52에는 그 쟈켓트에 열교환 매체를 공급하기 위한 입구 수단 54와 그 쟈켓트로부터 열교환 매체를제거하기 위한 출구 수단 58이 설치되어 있다.

제1도에 도시된 바와같이, 상부 체임버 12의 열교환 쟈켓트 52는 입구 수단 14까지만 연장하여 있다. 도시된 예에서, 그 상부 체임버 12는 또한 도움(dome) 부분 58을 가지고 있고, 그 도움 부분으로 부터 출구 수단 6)에 의해 유동화 가스가 반응기로 부터 배출된다. 당업자가 알수 있는 바와같이, 유동화 가스는 출구 수단 6)으로 부터 제거될 뿐만 아니라 그 유동화 가스에 함유된 "미세물(fines)"이 그 가스와 함께 출구 수단 6)을 통해 배출된다. 유동화 가스의 선속도를 감소시켜 고체상의 함유입자를 분리하는 것을 보조하기 위해 단면적을 크게하여 상부 체임버를 형성하는 것이 가능하고 때로는 그것이 바람직하다. 이 목적들 위해 도움부분 자체의 단면적을 크게하거나 또는 전체 체임버 12의 단면적을 크게 한다.

유사하게, 하부 체임버 16에는 쟈켓트 62의 형태와 같은 열 교환 매체가 설치되어 있고, 그 열 교환매체가 입구 수단 64를 통해 그 쟈켓트에 공급되고 출구수단 66으로 부터 그 열교환매체가 그 쟈켓트로 부터 제거될 수 있다.

제2도 및 제3도는 본 발명에 청구된 개량점을 나타내고 있다. 스페이서 수단 70에는 테이퍼된 개구 71이 설치되어 있다. 그 스페이서 수단 70의 상측 부상에서 그 테이퍼된 개구 71이 접속부 72에 상접하에 있다. 그 테이퍼된 개구 71의 직경을 스페이서 수단 70의 상측부로 부터 스페이서 수단 70의 하측부로 점차 감소되어 있고, 그 스페이서 수단의 하측부상에서 상기 테이퍼된 개구 71들이 간격을 가지고 떨어져 있다. 스페이서 수단 70의 외연부 73과 상부 하우징 12의 접속부에 테이퍼된 부분 74를 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 목적은 상부 체임버에 수평의 평편한 표면을 없게 하는데 있다. 그리하여 본 명세서에 정의된 "사지역"의 형성이 방지된다. 그 목적은 제2도 및 제3도에 도시된 구조에 의해 달성된다.

본 발명의 장치를 이용하는 방법은, 광범위한 종류의 전분들의 덱스트린으로의 전화에 사용될 수 있다. 예를들면, 전분은 본 발명의 유동층 반응기에 공급하기 위해 산(酸)촉매, 바람직하게는 HCl과 혼합될 수 있다. 이 목적을 위해, 전분 1000중량부 당 20°Be'의 HCl 0.01-10.0중량부의 양의 산을 사용하는 것이 일반적으로 바람직하다. 이것은 0.001-0.10의 전분(건조 상태기준)의 그램당 산의 밀리그램 당량(當量)으로 표현되는 평균 페이스트 산도(酸度)에 대략 상응한다.

다음. 그 산성화된 전분은, 제조될 덱스트린의 타입에 다소 종속적인 온도로 유지되는 본 장치를 통과한다. 일반적으로, 그 전분은 유동층 반응기에서 93°-204℃ (200°-400℉)범위의 온도로 유지된다. 일반적으로 본 발명의 유동층 반응기내에서의 그 전분의 체류시간은 1시간 이하이며 대개 10-30분간이다. 그러나 소망의 덱스트린의 등급(grade)과 전화도에 따라 더 길거나 또는 더 짧은 체유시간이 이용될 수도 있다.

요구된다면, 그 공기 유동화 가스는, 제조될 덱스트린의 등급에 따라, 가열될 수도 있다. 일반적으로그 공기는 29.4°-177℃(85℉-350℉)범위내의 온도로 가열될 수 있다. 예를들면, 카나리아(Canary)덱스트린이 제조될 때 107°-154℃(225°-310℉)범위내의 온도가 통상 바람직하다. 유동화 가스로 공급된 공기는 전화 반응을 더 효과적으로 촉진시키기 위해 수분을 함유하는 것이 바람직하다. 일반적으로, 그 공기는 제조될 덱스트린의 등급과 공기의 온도에 따라. 15-80% 범위내의 상대 습도를 가져야 한다. 이렇게 하며, 유동층 반응기 내에서 전분에 물이나 산촉매가 직접 도입되는 것이 방지될 수 있고, 그리하여전분이 응집하는 경향을 감소시킨다. 당업자가 알수 있는 바와같이, 다른 유동화 매체도 사용될수 있다. 예를들어, 증기, 또는 약간의 수분을 함유하는 질소, 이산화탄소, 등과 같은 불활성 가스가 사용될 수도 있다. 또한, 요구된다면, 연소 조작으로 부터의 연도(煙道) 가스가 유동화 매체로 사용될수도 있다. 전분의 덱스트린화에서 본 발명이 이용되는 반응기의 관형 부분이 반응을 효과적으로 달성하는 데 필요한 모든열을 제공할 수 있기 때문에 유동화 매체가 덱스트린화되는 전분에 상당한 열을 부가하는 것은 필수적이 아니다.

상술한 장치의 개량은 당업자에 의해 다른 유동화 장치에도 사용될 수 있다. 본 발명의 일반적인 특징과 몇몇 특정 실시예를 기술하였으나 본 발명의 범위는 첨부된 청구의 범위에 기재되어 있다.

Claims (1)

1. 상부 체임버, 중간 체임버 및 하부 체임버를 형성하는 길고 직립의 하우징으로 구성되고, 상기 중간 체임버내측에 다수의 단부가 개방된 튜브들이 배치되어 있으며, 상기 튜브들의 각각의 그 개방된 단부들이 상기 튜브들의 내부를 상기 상부 및 하부 체임버와 연통하게된 유동화장치에 있어서, 상기 상부 체임버에 스페이서 수단이 제공되어 있고, 그 스페이서 수단이 다수의 테이퍼된 개구들을 가지고 있으며, 상기 개구들이 상기 스페이서 수단의 상측부에서 상접하여 있고 상기 스페이서 수단의 하측부에서 간격을 가지고 떨어져 있으며, 상기 하부측부상의 상기 개구들이 상기 체임버의 상기 튜브들의 개방된 단부들과 동심으로 연통하여 있어 상기 튜브들의 내부와 상기상부 체임버를 연통하게 하는 것을 특징으로 하는 유동화(流動化)장치.

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