KR870001752B1

KR870001752B1 - 기체와 휘발성 액체 혼합방법

Info

Publication number: KR870001752B1
Application number: KR8201291A
Authority: KR
Inventors: 타란콘 그레고리오
Original assignee: 에드워이드 지. 그리어; 유니온 카바이드 코포레이션
Priority date: 1981-03-26
Filing date: 1982-03-25
Publication date: 1987-10-06
Also published as: AU8190882A; US4349358A; AU543771B2; PH17711A; JPS6017568B2; CA1169656A; KR830008714A; MX160886A; IN157864B; GB2096910A; BR8201633A; GB2096910B; ES510745A0; ES8307524A1; JPS57197026A; AR227712A1

Abstract

내용 없음.

Description

기체와 휘발성 액체 혼합방법

도면은 주조장 주형 경화조에 아민 촉매를 송출하는데 적용되는 본 발명의 방법을 나타내는 유통로의 개략도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1, 7 : 저장기 2, 8, 9, 11, 14, 15, 17, 18, 20, 23, 25 : 라인

3, 27, 28 : 펌프 4 : 여과기

5 : 탱크 6, 12, 21 : 열교환기

10 : 흡인기 13, 22 : 가열기

16 : 데미스터(demiser) 19 : 사용지점

24 : 재순환펌프 26 : 조절기

본 발명은 사용 지점에 기체상태 혼합물을 제공할 목적으로, 기체와 휘발성 액체를 혼합하는 방법에 관한 것이다.

특수목적지에 기체상태 혼합물을 보내기 위하여, 기체를 휘발성 액체와 혼합해야만 할 필요성이 공업적으로 많이 있다.

이 용도중의 하나는, 주조 공장에서 주형으로서 이용되는 샌드코어(sand core)를 제조하는 것이다. 샌드코아는 모래를 중합체수지와 혼합하고 그 혼합물을 성형공동(孔洞)에 주입시킴으로서 제조된다. 그 다음, 아민촉매/운반기체의 혼합물이 공동에주입되면 촉매는, 수지를 중합시키고 모래를 결합시켜, 자기-지지코어(self-supperting core)를 만든다.

또 하나의 용도는 연도 폐가스로부터 미립자를 제거하는 기술인, 정전 석출을 포함하고 있다. 석탄화력 발전소들은 연도폐가스가 대기중으로 배출될 수 있기 전에, 연도폐가스로부터 많은 양의 미립자를 제거할 필요가 있다. 보통의 제거방법인, 정전 석출의 효율은 오염된 기체가 석출기를 통과하기 전에, 아민기체와 혼합된다면 크게 개선된다.

샌드코어 공정 및 정전 석출에 관련하여 사용된 아민들은 휘발성 액체들이다. 일반적으로 그것들은 소량을 필요로 하지만, 낮은 농도이더라도 이들 액체를 공급기체 또는 공정기류에 분무하면, 균일하지 않고, 잘섞이지 않은 조성물을 얻게되며 그것은 비효율적인 공정수행을 초래한다. 문제는 공급기체의 유속이 일정치 못한데에 있다.

고정유속에서 잘 작용하도록 설계된 현재의 혼합기술 즉 가스속도가 무관한 가스-액체접촉의 일정계수를 초래하는 설계는 가변유속을 처리하기에 부적당하다.

따라서, 본 발명의 목적은 유속의 변이에도 불구하고 운반기체에 일정한 증기 농도가 얻어지는, , 공지의 혼합공정의 개량에 있다.

다른 목적과 장점은 이하 나타낼 것이다.

유속의 변화에 관계없이 일정한 조성을 가지는 기체혼합물을 제공하는, 기체와 휘발성액체를 혼합하는 방법이 발견되었다.

본 방법은

(a) 기체와 휘발성 액체로 구성된 혼합물을 미리 정한 비율로(층흐름과 반대되는)난류를 일으키기에 충분한 유속으로 튜브와 쉘열교환기 중 튜브측으로 도입하고 :

(b) 휘발성액체중 적어도 일부를 휘발시키기에 충분한 온도에서 가열유체를 열교환기의 셀측으로 도입하고 : 그것에 의해서 휘발성 액체가 증기상 및 액체상으로 분리되고 : 그리고

(c) 기체상과 증기상의 혼합물을 사용지점으로 보내고, 단계(a)로 도입하기 위해, 액체상을 기체와 혼합될 지점으로 액체상을 재순환시키는 것으로 이루어진다.

본 공정이 샌드코어를 제조하는데 특수하게 적용되는 것은 아래와 같다 :

질소와 트리에틸아민의 기체상태 혼합물을 사용지점에 즉 아민이 수지결합제의 중합과정에서 촉매로서 작용하여, 모래/수지 결합제 혼합물을 경화시키는 주조 성형경화지점에 보내는 공정은.

(a) 흡인기 중에서 질소기체와 액체트리에틸아민을 혼합하고 :

(b) 혼합물을 열교환기의 튜브측을 따라 통과시켜서, 그 혼합물이 미리 정한 압력과 미리정한 온도로 가열되고, 액체아민이 증기상과 액체 상으로 분리되고, 유속은 난류를 일으키기에 충분한 속도로 되고 :

(c) 단계(b)로 부터의 혼합물을, 한 구역〔이 구역에서, 액체아민이 바닥으로 떨어지고 단계(a)로 재순환되며, 질소와 아민의 기체상태 혼합물이 상부로 상승하여, 데미스터(deminter)(이곳에서, 동반액체아민의 작은 방울들이 기체상태 혼합물로부터 제거되어, 구역의 바닥으로 되돌아 옴)를 통과함〕을 통과시키며 :

(d) 사용 지점이 작동중에 있을 때, 사용지점으로 질소와 아민의 기체상태 혼합물을 통과시키고 :

(e) 사용지점이 작동중이 아닐때는, 기체상태 혼합물을 연속적으로 열교환기를 통해 재순환시키고, 그것에 의해 혼합물은 기체 상태가 유지되며, 필수적으로 응축이 일어나지 않게되는 것으로 이루어진다.

본 공정에 의해 얻어지는 기체상태 혼합물은 증기상태의, 기체와 휘발성 액체의 혼합물이다. 기체성분은 일반적으로 기체성분만으로 되었거나 또는 휘발성액체와 또한 공정성분들에 불활성인 기체들의 혼합물이다. 보통의 운반기체는 질소이나, 아르곤, 헬륨 및 이산화탄소와 같은, 다른 통상적인 기체들의 사용도 생각할 수 있다.

물론 휘발성 액체도 운반기체에 관한한 불활성이지만, 혼합물이 전달되어지고 있는 사용지점에 반응물 또는 촉매중 어느 하나로서 작용되고 몇몇의 다른 공정기능을 가지고 있는 일반적인 공정성분이다. 주조공장에서 주형경화용 촉매로서 사용되는 휘발성액체들의 예로는 트리에틸아민과 디메틸에틸아민이 있다.

본 공정에서 혼합하여 사용하게 되는, 다른 휘발성 액체들로는 에틸아민, 디에틸아민, 디메틸아민, 트리메틸아민 및 에틴올이 있다.

유속은 튜브와 셀 열교환기 중에서 튜브쪽에서 난류를 일으키기에 충분한 유속으로부터 약 100 SCFM(Standard cubic feet per minute)사이의 범위일수 있으며, 바림직하게 약 10 SCFM 내지 약 100 SCFM사이의 범위내이다.

공정온도는 약 20℃ 내지 약 120℃의 범위일 수 있으며, 바람직하게 약 30℃ 내지 약 90℃의 범위내에서이다. 공정압력은 약 0psig 내지 약 100psig의 범위일 수 있고, 보통 약 15psig내지 약 60psig에서 공정이 진행된다.

일단 장치에 대한 압력이 설정되면, 압력은 통상 일정하게 유지된다.

도면과 관련시켜보면 :

상기한 아민중의 하나와 같은, 휘발성액체를 저장기(1)에 저장한다. 펌프(3)에 의해서, 이 휘발성액체가 라인(2)을 통하여 펌프되며, 이 펌프는, 펌프밀폐부에서 누유되지않게 자력구동액체 펌프인 것이 바람직하다. 이 액체는, 라인(2)을 따라 흐르고, 여과기(4)를 통과하면서 불순물이 제거되며, 탱크(5)로 흘러들어, 탱크(5)의 바닥에 위치한 열교환기(6)에 다다르게 된다. 열교환기(6)으로부터, 아민이 흡인기(10)(혼합형 흡인기)에 도달할때까지, 라인(9)를 따라 진행된다.

운반기체, 예를들면 질소가 저장기(7)에 저장된다. 질소는 미리 조건이 설정된 조절기(26)를 거쳐서 라인(8)을 따라 흡인기(10)에 이르게 된다. 이 흡인기에서, 질소기체흐름에 의해 빨아들여진 액체아민의 양은 기체흐름속도에 비례한다. 기체/액체 혼합물은 라인(11)을 지나서 열교환기(12)의 튜브측에 이르게된다. 열교환기(12)의 튜브측에서(층류에 반대되는) 난류가 되도록 하기 위하여, 질소의 흐름을 일정하게하는 반면, 액체의 흐름(시간당파운드)을 난류가 얻어질 때까지 증가시킨다. 액체 가열온도를 약 5 내지 10액체 중량%각 증발하도록 조정한 후, 기체/액체혼합물의 파운드당 BUT값을 또한 일정하게 유지시킨다. 가열기(13), 라인(14), 펌프(27) 및 열교환기(12 및 6)의 셀측을 통과하는 가열유체는, 가열기(13)에 의해서 가열된다. 저항식 가열기 또는 다른통상적인 가열기가 여기에 사용될 수 있고 또한 가열기(22)에도 사용될 수 있으며 물/글리콜 부동혼합물과 같은 통상적인 가열유체가 또한 사용할 수 있다.

가열유체의 온도는 바람직하게 40℃ 내지 약 90℃의 범위내이다.

열교환기(12)의 튜브측에서 튜브의 크기 및 숫자를 변경시켜서, 효율을 증가시킬 수 있다. 우선 특정 시스템에서 사용될 최대유속을 결정한다. 그 다음. 최대흐름을 줄 최소 단면적의 튜브들을 사용해야 하고, 더 낮은 유속에서 난류를 일으킬, 상대적은 적은수의 튜브의 사용 또는 더 작은 단면적의 튜브의 사용인 일반적으로 더 높은 속력을 초래한다는사실을 명심하면, 최대흐름속도를 주도록, 특정크기의 튜브의 수를 설정한다. 많은 용도에 있어서, 지나치게 큰 열교환기가 보통 사용되지만, 본 공정에서는, 최대흐름을 얻는데 필요한 크기 이상의 크기는 사용하지 않는 것이 바람직하다. 본 공정에 사용되는 대표적인 열교환기는 각각 1/4인치의 내부 직경을 가지는 100내지 120개의 튜브를 사용한다. 혼합물이 열교환기(12)에 들어갈때, 액체에 대한 기체의 비율은 탱크(5)내의 액체아민의 수준으로 일정하게 유지하는 것이 바람직하다.

쉘측에 연결된, 조절된 가열유체온도의 열교환기(12)의 튜브측을 통과하는 2상류(二相流)의 난류에 의해서, 입열(heat input)이 기체유속에 비례하여 증가하게 된다. 유속의 증가에 의해서 얇은 열교환기(12)의 튜브내의 난류가 증가되어, 열교환기(12)내의 전체적인 열전달계수가 증가하게 된다. 즉, 튜브측의 기체/액체 혼합물로의 열전달속도는 튜브측의 난류가 더 커짐에 따라서 증가한다. 제시한 대로 여기서 일부의 액체 아민이 휘발하여, 휘발되는 양은 바람직하게는 적어도 질소 기체를 포화시키기에 충분해야 한다. 아민의 나머지는 액체로서 잔존한다. 가열기(13)의 온도, 계(system)의 압력, 흡인기(10)에서 액체에 대한 기체의 중량비가, 동일하게 유지되는한, 라인 (15)로 들어가는 질소 기체/아민의 증기 혼합물의 조성은 유속의 변화에 관계없이 동일하게 유지될 것이다.

질소/아민의 기체혼합물이 라인(18)을 통해서 사용지점(19)(즉 아민이, 수지결합제의 중합반응의 촉매로서 작용하여, 샌드/수직 결합제 혼합물을 경화시키는 주조공장의 성형경화장소)에 전달될 때, 라인(17)상의 압력조절기(도시되지 않았음)가 열려서, 이 혼합물이 라인(20)을 따라서 열교환기(21)를 통과하도록 하며, 이 열교환기는 공정라인들에서 아민액화를 최소화하기 위해서, 혼합물 이슬점이상으로 온도를 올려주고, 라인(17, 20 및 18)내의 열손실뿐만 아니라 조절기를 통과할때 생기는 팽창에 의한 온도손실을 보충해준다.

이 작용(라인(17)상의 압력조절기가 열려서 일어나는 작용)은 시스템의 압력강화를 일으켜서, 라인(8)상의 압력조절기(도시되지 않았음)를 열게하며, 이것에 의해서 질소가 질소흡인기(10)를 통과하게 한다. 여기서, 질소는 비례하는 양의 액체아민을 라인(11)으로 끌어들이고, 이 기체/액체 혼합물이 라인(11)을 통해서 열교환기(12)로 흐른다. 열교환기(12)는 수직으로 세워져서, 기체/액체혼합물의 튜브측을 통해서 위쪽으로 흐르게 하는 것이 바람직하다.

앞서 설명된대로, 열교환기(12)에서 혼합물을 공정온도로 가열되고 아민의 일부가 휘발되어, 질소기체를 포화시킨다. 그 다음, 휘발되지 않은 액체아민과 함께 질소 및 아민의 기체상태 혼합물은 라인(15)를 통해 약 15psig 내지 69psig의 압력하에 유지된 탱크(5)의 중심부근으로 흐른다. 탱크(5)는 상부에 데미스터(또는 상분리기)(16)와 하부에 열교환기(6)을 포함한다. 액체아민은 열교환기(6)위에 유지되나 탱크(5)의 중간 이하에 유지되는 것이 바람직하다. 유리된 액체 아민은 풀(pool)로 흐르고, 여기서 저장기(1)로부터의 액체아민과 합쳐진다. 동반액체야민(entrained li1quid amine)과 함께 기체상태 혼합물은 데미스터(16)로 상승하여, 여기서 동반액체는 제거되어, 탱크(5)의 바닥으로 떨어져 나머지의 액체아민에 합쳐진다. 데미스터(16)은 종래의 형이고 예를들여, 탱크(5)와 같은 직경과 6인치 높이의 스테인레스강 와이어 환상체(sire mesh)의 롤(roll) 또는 번들(bundle)로서 설명될 수 있다. 탱크가 더 커지면 그 직경도 더 커지며, 반대로 탱크가 작아지면 직경도 작아진다.

탱크(5)중의 액체아민의 수위는, 탱크(5)의 측면에 위치한 수준센서(level sensor, 도시하지 않았음)로 측정된다. 이 수준센서는 계량펌프(3)를 조절하여, 저장기(1)로부터의 아민을 공급한다. 이 저장기는 탱크, 드럼, 또는 실린더일 수 있다. 액체아민은 라인(15)의 수의 바로 아래의 수위에 유지된다.

대표적인 용도에 있어, 그 수위를 3인치 아래로 두게된다. 그 다음, 수준센서는 3인치의 액체아민이 저장될 때까지, 펌프(3)을 가동시키고, 그 다음 수준센서가 펌프를 중단시킨다.

열교환기(6)은 칼란드리아형(calandria-type) 열교환기 번들일 수 있다. 그 작용은, 언제나 최저온도, 예를들어 약 30℃ 내지 약 90℃의 범위의 온도에 액체아민을 유지시켜서, 열교환기(12)에 대한 수요를 감소시켜 장시간 미작동후에, 거의 동시의 순간작용을 가능케하는 것이다.

상기한 바와같이, 열교환기(6)용 가열유체는 열교환기(12)를 통과한 후, 라인(14)을 흐른다.

열전대(도시하지 않음)가 열교환기(12 및 221)의 상부간격(head spacd)에 삽입되어, 각각의 가열기(13 및 22)를 제어하고, 가열유체내의 고온차단체(도시하지 않음)를 가동시켜서 가열기에 해를 주는 액체의 과열을 장지하는 것이 바람직하다. 2차 유체에 의한 아민의 간접 가열은, 아민의 적열 가열 소자(red got heating element)와 접촉하는 데서 일어날 수 있는 폭발위험을 사실상 제거해준다.

질소/아민 기체 재순환계는, 사용지점(19)가 폐쇄되었을 때, 기체상태 혼합물이 흐르도록 하기 위해서 제공한다. 기체를 일정하게 순환, 가열시킴으로써 공정라인은, 순간적인 시동을 가능케하고 장치가 작동조건에 이를 때까지 기다리는 동안의 장시간 지연을 없애는 작동온도, 압력 및 조성에 항상 유지된다.

재순환펌프(24)는 사용지점(19)에 있는 매니폴드(도시하지 않음)로부터의 공정가스를 라인(25 및 20)을 통해서 열교환기(21)로 끌어들어서 내보내며 이 열교환기(21)에서는 공정가스가 재가열되어 사용지점 매니폴드로 되돌아가게 된다.

대표적으로, 분당 약 30내지 40표준 입방피드(SCFM)의 유속이 유지된다. 정상 가동중에 이 유속은 파이프라인중의 아민의 응결을 방지하기에 충분하다. 그러나 폐쇄 또는 잘 쓰지 않는 동안에는 재순환계가 요구되는 조성과 적당한 송출 온도를 보증해준다.

열교환기(21)에 공급되는 가열유체는 가열기(22)에서 가열되며 펌프(28)의 도움으로 라인(23)을 통해 재순환 된다.

재순환펌프(24)의 기능을 제공하기 위하여 사용되는 장치는 바람직한 순서대로, 자기 동력통신기(magnetic-drive vane blower) ; 이 중 밀봉압축기 : 및 고수준 자기 동력펌프에 의해서 펌프되는 동력으로서 액체 아민을 사용하는 제트펌프(jet pump)순이다.

소량의 아민이 누출되어도, 심각한 해, 건강상위험 및 폭발 위험이 있기 때문에, 재순환펌프(24)는 완벽하게 밀봉되어야만 한다. 따라서 통상적으로 밀봉된 액체펌프 또는 송풍기는, 축밀봉부 주위로 부터의 소량의 누출도 치명적이기 때문에 이 목적에 부적당하다.

이 제한때문에, 이 목적을 위해서 설계된 시일-리스 자기구동 유닛, (seal-less magnetic drive unets)과 이중밀봉 압축기중의 어느 하나가 적합하다고 생각된다.

다음 실시예들은 본 발명을 설명해준다.

[실시예 1 내지 6]

이 실시예들은, 도면과 상기한 장치에서 상기한 과정과 조건에 따라서 수행된다.

저장기(1)로 부터의 휘발성 액체로, 탱크(5)를 작동수준(라인(15)의 바로 아래)까지 채우고, 탱크(5)를 공정중에 소비하는 액체의 중량을 알 수 있게 저울위에 둔다. 실시예 1내지 4에서는 트리에틸아민이 휘발성 액체가 사용되고, 실시예 5 및 6에서는 에탄올이 사용된다.

모든 실시예에 있어 사용된 운반기체는 질소이다.

각각의 실시예에 있어 15분씩 2회 조작이, 각각 다른 4가지 질소유속에 대해서 행해졌다. 각 조업회수마다, 가스는 액체로 포화되었다.

흡인기(10)로의한 질소흐름에 따른, 모든 실시예들의 일정 조건은 다음과 같다.

각기 실시예에 대한 일정 조건은 다음과 같다.

[실시예]

계산되고 분석된, 몰 % 및 % 편차와, 흡인기(10)로의 트리에틸아민 또는 에탄올의 흐름에 대한, 각각 실시예들의 일정조건은 다음과 같다 :

[실시예 1]

[실시예 2]

[실시예 3]

[실시예 4]

[실시예 5]

[실시예 6]

상기 계산은 다음과 같이 하였다 :

A=질소의 분자량=28.01

B=트리에틸아민의 분자량=101.19

B=에탄올의 분자량=46.07

C=13.8 파운드당 표준 입방피트

D=온도에 따른 액체의 증기압

E=조작시간=15분

F=분당표준 입방피트(SCFM) 단위로 표시된 질소의 유속

G=E당 파운드 단위로 표시된 액체의 중량

H=분석기에 의해 판독된 기페중 액체의 농도

P=탱크(5)의 압력

I=질소의 분당파운드=질소의 질량유속==

=

J=질소의 분당파운드-몰=질소의몰 유속=

=

K=액체의 분당 파운드=액체의 질량유속=

=

L=액체의 분당파운드-몰=액체의몰 유속=

=

M=전체몰유속=질소의 분당파운드-몰+액체의 분당파운드-몰=J+L

N=몰 %(계산치)=라인(15)에 따라 열교환기(12)를 빠져나오는 기체중의 액체의 몰농도=전체몰 유속으로 나눈 액체의 몰 유속=(

)　÷(

+

)×100

Q=라인(15)에 따라 열교환기(12)를 빠져나오는 기체중의 액체의 이론적인 몰농도=

×100

R=기체중의 액체의 몰 농도의 %편차(계산치)=

×100

S=기체중의 액체의 몰 농도의 편차 %(분석치)=

×100

Claims

(a) 미리 정해진 비율과, 미리 정해진 압력의, 기체와 휘발성액체로 구성된 혼합물을 10 SCFM 내지 100 SCFM의 유속으로 튜브와셀 열교환기중 튜브측으로 도입하고 :

(b) 40℃ 내지 90℃의 온도로 가열유체를 열교환기의 셀측에 도입하여, 회발성액체를 증기상과 액체상으로 분리하고 :

(c) 기체와 증기상의 혼합물을 사용지점에 전달하고,액체상을 단계(a)로 도입하기 위해서, 액체상이 기체와 혼합될 지점으로, 재순환시킴으로 구성되는 유속의 변화에 관계없이 기체내에 일정한 증기 농도를 가지는 기체상태 혼합물을 제공하기 위하여, 기체와 휘발성 액체를 혼합하는 방법.
제1항에 있어서, 단계(b)에서 기체가 휘발성 액체의 증기로 포화됨을 특징으로 하는 기체와 휘발성 액체의 혼합방법.
제1항에 있어서, 단계(b)에서 5내지 10중량 %액체 아민이 증기상으로 변환됨을 특징으로 하는 기체와 휘발성 액체의 혼합방법.
제1항에 있어서, 기체가 질소이고, 휘발성액체가 트리에틸아민임을 특징으로 하는 기체와 휘발성액체의 혼합방법.