KR890000172B1 - 입자층의 유동화 방법 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

입자층의 유동화 방법

본 발명은 산업용 유동층을 제공하기 위해 입자층을 유동화하는 방법에 관한 것이다.

유동층은 물질의 가열과 냉동을 위한 다수의 용도로 사용된다. 유동층은 좋은 열전달 특성 및 균일한 층온도분포를 나타내며, 열이나 냉온을 저장할 수 있기 때문에 빨리 작동되는 능력을 가지고 있다. 가열이나 냉각부하량이, 가열이나 냉각을 제공하는 유동화가스흐름의 능력을 상당히 초과할 경우, 보통 열교환판이나 코일을 이용하도록 유동층은 설계된다.

간단한 형태로서, 유동층은 입자들이 분리되게 하여 유체처럼 행동할 수 있게 하기에 충분한 속도로 가스나 액체를 통과시키는 분배판상에 지지된 입자성질의 층이다. 유동상에 영향을 주는 중요한 물리적 성질로는 입자크기의 분포, 입자밀도, 유체의 점도, 그리고 유체의 밀도이다. 더우기, 유동화가스의 점도는 온도의 감소와 더불어 급격히 떨어지게 되어 유동화흐름을 증가시킨다.

층을 유동화하기 위한 한 방법은 펄싱(pulsing)으로 알려져 있는 방법인데, 여기서의 펄싱은 가스나 액체의 유동화 흐름이 개폐상태를 주기적으로 갖는 것을 일컫는다. 펄싱은 의도한 열처리나 냉동방법을 수행하기 위한 층내에서 충분한 유동화를 유지하는데에 필요한 가스나 액체의 양을 감소시키는 것으로 알려져 있다. 유감스럽게도, 층이 가열 또는 냉동용으로 사용될 경우, 개폐펄싱을 실제 사용하면 열교환장치를 통해 균일한 흐름을 주지 못하며, 유동층자체로 사용할 경우도 마찬가지이다. 이렇게 균일한 흐름이 이루어지지 않으면 열교환기내에 슬러깅(slugging)이 생기게되고 그리고/또는 층내에 일정한 온도와 압력을 유지할 수 없게 된다. 그 현상은 차례로 바로 그 가스나 액체의 효용면에 있어서 비효율적이 되며 공정내역이 불가능하게 되어, 그 기체나 액체로 그 먼저번것에 대하여 펄싱기술에 의해 연속적으로 흐르게끔 한다.

만일 슬러깅을 피하고 가스효율의 손실이 없이 일정한 온도와 압력을 얻으려면 유동충전물을 이용하는데 대해 다른 장치가 필요하다는 점은 명백하다.

본 발명의 목적은 유동화입자층에 관한 방법에 있어서, 층을 유동화상태로 유지시키는데 사용된 가스의 양을 감소시킴고 더불어 일정한 가스의 흐름, 온도 그리고 압력을 얻을 수 있는 개선된 방법을 제공하는 데 있다.

다른 목적들과 이점들은 다음 기술로부터 명백해질 것이다.

본 발명에 따르면, 층을 통해 연속적으로 가스를 흘러보냄에 의하여 유동입자층에 관한 방법에 있어서 개선된 방법이 발견되었다. 개선된 방법은 적어도 두 구역으로 나뉜 층을 포함하며, 차례로 한번에 한 구역으로 각 구역에 연속적으로 가스를 주입시키며, 전입자층이 유동화상태를 유지하기에 충분한 양으로 연속적으로 가스를 공급한다.

이러한 냉동방법에 적합한 유동화방법 및 시스템은 1981년 5월 23일 출원인 미국특허출원번호 제246,916호에 나타나 있으며, 그것은 본 발명의 참고문헌으로서 사용되었다.

상기 특허출원은 i) 냉각유체를 층(bed)와 간접접촉하게 하고, ii) 유체를 간접접촉구역에서 증발시켜 층을 냉각시키고, 그리고 iii) 단계 ii)로부터 배출된 증기를 이용하여 층을 유동화시키고, 더욱더 냉각하고, 단계(ii) 또는 (iii)에서의 상기 냉각은 주변온도에서 미리 결정된 냉각온도로 구성되는 층입자가 20이하의 레이놀드 수를 갖는 유동화층을 조절하기위한 공정에 있어서, 특정방정식에 따라 층의 온도가 변화함으로써 연속적으로 또는 단계적으로 변하는 증기의 최소유동하는 질량흐름으로 구성됨을 특징으로하는 유동화층의 조절방법에 관한 것이다.

본 방법이 수행되는 온도는, 층이 저온으로 조작될 때 영하 250℉의 낮은 온도에서부터 층이 열처리방법으로 사용될 경우 2200℉까지의 높은 온도까지 범위에 해당한다. 장치, 공정물질, 유동화될 충전물에 대해 불활성인 가스나 액체이면 방법에 사용될 수 있다. 냉동이 요구될 경우는, 액체질소와 같은 여러가지의 저온유체가 사용될 수 있으며, 가열공정에서는 질소나 공기가 유동을 제공하기 위해 사용된다. 동일한 가스나 액체가 열교환기에서 열교환매개물로 사용될 수도 있으며, 또는 층에 직접제공되더라도 본 발명에서 고려된 유동화 방법과 장치가 통상적으로 공지된 것이라는 점을 주목해야 한다. 그러나, 필수적인 부분에 대해 다음에 약간의 기술을 한다.

층내에 사용되는 입자는 알루미나, 모래, 유리, 도라지가루, 금속, 소금 또는 공정에 사용된 다른 물질에 대해 불활성이며 어느 정도 이상으로 깨지지 않는 비교적 미세한 물질이면 사용될 수 있다. 입자의 직경은 보통 약 44μ-약177μ정도의 범위이다.

일반적으로 유동층은 두 제어조건을 가지고 있다 : 층의 온도와 유동흐름등의 이러한 조건들은 수동적으로 제어되어 왔으며, 특별히 냉동방법에 대해서는 층의 온도와 유동흐름을 자동제어하며 필요한 인원을 최소로 하는 것이 바람직하다.

다음의 사항은 본 발명을 수행하는 냉동유동층시스템에 관한 것이다. 열처리시스템 뿐만 아니라 확대 또는 축소된 다른 유사한 시스템도 역시 적당히 적용될 수 있다.

유동상시스템의 중요한 부분은 두 개의 동심원원통을 포함한 유동층 용기인데, 두 원통은 그 사이에 5인치 퍼얼라이트(perlite)단열에 의해 분리되어 있다. 내부 원통은 높이가 44인치이며, 직경은 48인치이다. 내부 원통의 내면을 따라, 길이 50ft, 외경 3/4인치의 구리로 된 4개의 열전달 코일이 평행하게 연결되어 있으며 그것은 약 4인치 정도의 부분을 차지하여 층 내에 빈 부분을 약 40인치가 된다. 나선형구조를 가진 가스분배단은 내부 원통의 기저부(基底部)를 포함하며 외부원통의 기저부보다 9인치 높이 위치시킨다. 이렇게 형성된 높이 9인치의 공간은 플리넘(plenum)을 형성하는데, 이것은 동일한 4개의 4분원으로 나뉘어져 있으며, 각각 4분원에 독립적으로 가스가 공급된다. 용기는 층의 유동화되지 않았을 경우 축적되는 습기를 막기 위하여 정화시스템과 커버(cover)를 갖추고 있다. 액체질소는 저장탱크로부터 공급되며, 가스상태의 질소는 장치내에 다른 공급처로부터 공급된다. 이 두가지 모두 간단한 파이프 조작으로 이루어진다. 시스템의 정상 조업중에, 액체질소는 저장탱크로부터 공기식 제어밸브를 통해 전달되어, 외부의 가스상태의 질소와 혼합되어 평행하게 연결되어 있는 4개의 열전달 코일내부로 흐르게 된다. 열은 층으로부터 코일을 통해 액체질소로 전달되어, 그 결과로 액체질소는 기체상태의 질소로 증발하게 된다. 현재 층온도, 예를 들면, 금속부분에 대해 약 영하 120℉로 있는 가스상태의 질소는 코일을 통해 플리넘 공급선으로 흘러가서, 오리피스 미터(orifice meter)를 거쳐, 층에 유동흐름을 제공하기 위해 플리넘으로 들어가게 된다. 상기한 바와같이 층내에 위치한 코일내부에 상에 대해 외부적인 지점, 그러나 가까운, 지점으로부터 액체와 기체상태의 질소가 주입된다.

상기 지점은 층으로부터 1ft이내에 위치하며, 바람직하기로는 6인치이내이다. 온도제어기는 압력변환기와 더불어 층의 온도를 감지하여 시스템내에 주입되는 액체질소의 양을 조절하도록 공기식 제어밸브를 개폐시킨다. 주위의 기체상태의 질소가 흐르기 시작할때의 압력은 가스조절기의 기설정점(pre-setting)에 의해 제어된다. 예를 들면 120℉와 같이 원하는 층의 온도가 선정되고 온도제어기와 가스조절기가 고정된다. 냉동이 시초에는 액체질소가 필수적으로 사용된다. 층의 온도가 접차 120℉로 접근함에 따라, 층의 온도와 코일의 출구온도가 약 120℉로 유지되는 실질적인정상상태에 도달할때까지 주위가스는 액체질소내로 공급된다. 그리하여, 온도제어기와 가스조절기 사이에서 층의 열하중과 열손실이 보상된다. 코일로부터 플리넘 공급선으로 공급되는 혼합물은 최대 대기온도였던 질소가스와 증발된 액체질소의 혼합물이라는 것은 이해할 것이다.

층내에 평행하게 연결된 둘 또는 그 이상의 열전달코일의 이러한 위치는 코일내의 낮은 유체속도에 대해 충분한 흐름단면적 뿐만아니라 냉동제가 증발하기 위해 충분한 열전달면적을 제공한다. 전형적인 코일로는 원형의 감겨진 튜브코일이 있다. 각기 한 원의 튜브는 서로 접하거나 또는 접하고 있지 않아도 상관없다. 그 모습은 마치 코일형태의 용수철과 같다. 튜브의 길이가 직경코일의 갯수는 층의 크기에 의해 결정되는 반면, 통상적인 층의 크기는 즉, 각기 코일내의 튜브의 길이는 약 10-약 100ft정도의 범위이며, 코일의 갯수는 약 2-6, 코일을 형성하는 튜브의 직경은 약 0.25-1.0인치 정도의 범위이다. 비록 각기 코일에 사용되는 튜브의 길이가 비교적 길지만, 코일형 튜브가 차지하는 공간은 예를 들면, 부피가 약 12-300in³이며 그러한 경우 코일의 직경은 약 6-80in정도로 작은 공간을 차지한다. 상내에 코일의 위치는 가능하면 코일가까이에 층의 모든 입자들이 올 수 있도록 위치시킨다. 각기 사분원에 한개의 코일을 갖도록 층을 사분원들로 나누는 것은 코일 배열에 좀 더 바람직한 방법이다. 코일형 튜브 대신에 평판형 코일과 같은 열전달장치가 사용될 수도 있지만, 코일형 튜브가 더 바람직하다. 튜브로 선택된 물질은 구리이지만, 그러나 알루미늄과 같이 높은 열전도도를 가진 물질도 사용이 가능하다. 액체질소, 주위가스, 주위가스와 증발된 액체질소의 혼합물에 대한 전형적인 유량은 분당 약 4-150 표준ft³(scfm)이다.

상기한 바와같이 가스와 증발된 액체질소의 혼합물이 코일출구를 떠난후에 유동화가스로 사용된다. 이 가스는 층내에서 수행되고 있는 일련의 특별한 방법중에 연속적으로 플리넘으로 전달된다. 플리넘이 4분원으로 나뉘어진 특수한 경우에는, 바람직하기로는 유동화가스를 두가지 방법으로 주입한다. 한방법은 플리넘은 각기 사분원으로부터 펄스형태의 가스를 연속적으로 배출하여, 그것에 의해 어느 주어진 순간에 단지 한 사분원에 대해서만 가스가 흐르도록 제한하는 것이다. 유량과 각기 사분원으로부터의 일련의 펄스는 층의 표면에서 버블링이 생기지 않는 지점까지 전체층을 들어올리기에 충분하다. 상기 크기의 층에 대하여, 만족할만한 유동하유량은 약 10-100scfm의 범위이며 연속적인 펄스의 갯수는 분당 약 1-120개의 범위이다.

유동화가스를 주입시키는 두번째 방법은 서로 대각선쪽에 있는 사분원을 한조로하여, 한 사분원에서 한 펄스를 배출하여 연속적으로 가스펄스 두개를 동시에 배출시키는 것이다. 그리하여 사분원의 각 조는 교대로 전체층이 유동화상태를 유지하도록 해준다.

본 발명에 따른 펄스 유동화 과정중에서 층을 통한 유동화가스의 평균질량 흐름속도는 다음의 식으로부터 결정될 수 있다 : A=B/C

상기식에서 : A=평균 질량 흐름속

B=순간 질량 흐름속도

C=

연속적인 사분원 펄싱의 경우, C는 4이며, 대각선쪽을 한조로하는 연속 펄싱의 경우, C는 2가 된다.

본 공정을 수행하도록 층을 나눈 갯수는 2개에서부터 실제 사용에서의 제한 갯수까지의 범위이다. 바람직한 갯수는 2-8이지만, 그러할 경우에는 플리넘으로부터 층에 유동화가스를 제공하기 위하여 회전가스주입기가 사용된다는 점을 고려해야한다. 여하튼, 가스는 층의 동일한 크기로 된 부분에 전달되어야만 하며, 가스의 각기 펄스는 서로 같은 양이어야 한다.

특별히 본 발명은, 층내에 한 지점에 가스가 주입되는 연속유동화를 이용할 경우 유동화되지 않던 미세한 공기포화 가능한 분말이 층의 충전물로 사용될 경우 적합하다. 또한 시스템으로부터 재순환되지 않는 값비싼 가스를 사용할 경우에 매우 유리하다. 시스템을 상기 방법으로 개조하는 것이 물론 시스템을 연속펄싱이 없이 연속적인 유동화 방법 또는 개폐형펄싱을 이용한 공정으로 쉽게 변환될 수 있도록 설립되는 것을 배제하는 것은 아니다. 그 이유는 이러한 기술들이 특별한 경우에는 유리할 수도 있기 때문이다. 더우기 연속펄싱은 층내에 잠겨있는 물체로부터 열전달율을 조절 할 수 있다. 즉, 펄스의 주기를 증가시키면 열전달이 증진되며, 주기를 감소시키면 열전달율을 감소하게 된다.

본 방법의 연속적인 펄싱은 많은 경우에 있어서, 펄싱을 사용하지 않은 연속 유동화방법과 개폐펄싱을 사용한 방법보다 50%까지 가스를 절약할 수 있을 뿐아니라, 개폐펄싱의 경우 나타나는 유동흐름의 방해에 의한 압력파동과 층 붕괴의 가능성을 배제할 수 있다.

Claims (2)

1. 층을 통해 가스를 연속적으로 통과시켜 층속에 잠겨있는 물체와 더불어 열교환을 위해 사용되는 입자층을 유동화시키기 위한 방법에 있어서, 층은 2 또는 그 이상의 구역으로 나누어지고, 가스는 개별적으로 각각의 구역속으로 순차적으로 유입되고, 가스의 흐름 및 가스공급기의 회전운동이 유동화입자의 층속에 잠겨진 물체와 원하는 열교환속도를 얻고, 입자들의 전체층을 유동화상태로 유지하기에 충분한 속도임을 특징으로 하는 입자층의 유동화방법.
2. 제1항에 있어서, 층이 2 내지 8구역으로 나누어짐을 특징으로 하는 방법.