KR100492827B1 - 화학 공정 타워용 동반 감소 조립체 - Google Patents

Abstract

본 발명은 화학 공정 타워(12)에서의 동반 감소 및 물질 전달을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 장치는 공정 타워 트레이(49)의 밑면에 인접하게 배치된 제2 유형의 패킹층(102, 예컨대 와이어 메쉬)이 조립된 조립식 패킹층(104, 예컨대 파형판)을 포함한다. 이중층(100)은 상승 증기류로의 액체 동반을 감소시켜 물질 전달을 위한 추가 구역을 제공한다.

Description

화학 공정 타워용 동반 감소 조립체{CHEMICAL PROCESS TOWER DEENTRAINMENT ASSEMBLY}

본 발명은 화학 공정 타워에 관한 것으로, 특히 상승 증기류에 동반되는 액체를 감소시켜 물질 전달을 효율적으로 개선시키기 위한 트레이식 타워(trayed tower)용 동반 감소/물질 전달 조립체(deentrainment/mass transfer assembly)에 관한 것이며, 이것으로 제한되지 않는다.

증류탑 등의 화학 공정 타워는 다성분 스트림으로부터 선택된 성분을 분리시키기 위해 이용된다. 일반적으로, 그러한 기체-액체 접촉탑은 트레이 또는 패킹을 이용하며, 이들의 조합을 이용하기도 한다. 최근에, 대부분의 트레이탑 설계에서는 소위 "버블 캡(bubble caps)"을 체 및 밸브 트레이(sieve and valve trays)로 교체하려는 경향이 있었으며, 임의 방식[덤핑식(dumped)] 또는 조립식 패킹의 패킹식 탑이 그 대중성으로 인해 스트림에서의 성분 분리를 개선시키기 위해 트레이와 조합하여 이용되어 왔다.

탑의 성공적인 분류(fractionation)는 액상과 기상 사이의 밀접한 접촉에 따라 좌우된다. 트레이 등의 일부 증기 및 액체 접촉 장치는 비교적 큰 압력 강하 및 비교적 많은 액체 보유를 특징으로 한다. 다른 유형의 증기 및 액체 접촉 장치, 즉 조립식 고효율 패킹도 소정의 적용 분야에서 대중화되고 있다. 그러한 패킹은 작은 압력 강하 및 적은 액체 보유를 갖기 때문에 에너지 측면에서 효율적이다. 그러나, 이러한 성질은 종종 조립식 패킹이 장착된 탑을 안정적이고 일관된 방법으로 운전하는 것을 어렵게 한다. 또한, 대다수의 적용 분야는 단순히 트레이의 사용만을 요구한다.

분류탑 트레이는 일반적으로 두 개의 형태, 즉 직교류 및 역류(cross-flow and counter flow)로 구성된다. 트레이는 일반적으로 복수개의 구멍을 갖는 고체 트레이 또는 데크로 구성되고 타워 내에 고정된 지지링(supporting rings) 상에 설치된다. 직교류 트레이에서, 증기는 구멍을 통해 상승하고 "활성(active)" 영역을 통해 트레이를 가로질러 이동하는 액체와 접촉한다. 이러한 영역에서 액체 및 기체의 혼합 및 분류가 일어난다. 액체는 상부의 트레이로부터 수직 채널에 의해 트레이 상으로 도입된다. 이러한 채널은 일반적으로 입구 하강관(Inlet Downcomer)이라고 불린다. 액체는 트레이를 가로질러 이동하여 일반적으로 출구 하강관(Exit Downcomer)이라고 불리는 유사한 채널을 통해 배출된다. 그러한 하강관은 촉매 증류의 경우에 액상 화학 반응을 수행할 정도로 충분한 부피의 액체가 있는 곳에 위치된다. 하강관의 위치는 일반적으로 액체의 유동 패턴을 결정한다. 두 개의 하강관이 있고 액체가 각각의 트레이에서 두 개의 스트림으로 분리되는 경우에, 이러한 트레이는 2 유로 트레이라고 불린다. 트레이의 대향 측면 상에 단지 하나의 입구 및 하나의 출구 하강관이 있는 경우에, 이러한 트레이는 단일 유로 트레이라고 불린다. 두 개 이상의 유로에 대해, 이러한 트레이는 다중 유로 트레이라고 불리기도 한다. 유로의 개수는 일반적으로 요구되는 액체 비율이 증가됨에 따라 증가한다. 그러나, 증기/액체 접촉을 가장 직접적으로 수행하는 것은 트레이의 활성 영역이다.

트레이의 모든 영역이 증기/액체 접촉에 대해 활성인 것은 아니다. 예컨대, 입구 하강관의 하부 영역은 일반적으로 활성 입구 영역이라고 부르는 비교적 최근의 특허에 나타난 바와 같은 경우를 제외하고는 일반적으로 고체 구역이다. 증기/액체 접촉을 위해 트레이의 보다 넓은 영역을 얻으려는 시도로써, 하강관이 경사져 있는 경우도 있다. 트레이의 최대 증기/액체 취급 용량은 일반적으로 활성 또는 기포 영역(Bubbling Area)의 증가에 따라 증가한다. 그러나, 기포 영역을 증가시키기 위해 하강관을 경사지게 할 수 있는 정도에 대해서는 한계가 있으며, 그렇지 않다면 채널은 지나치게 작아질 것이다. 이는 액체의 유동을 제한하고/또는 액체에 구속되거나 하강관에서 발생되는 증기의 결합 해제를 제한하여 액체를 하강관에서 역류시켜, 트레이의 정상적인 최대 증기/액체 취급 용량을 미리 제한한다.

상기 논의된 유형의 기체-액체 접촉 트레이 기술은 많은 성능 문제를 나타낸다. 이러한 기술의 예는 여러 개의 종래 특허에 나타나 있으며, 이러한 것으로는 글리치, 인크(Glitsch, Inc.)에게 각각 특허된 미국 특허 제3,959,419호, 제4,604,247호 및 제4,597,916호와, 일본 도꾜도 소재의 미쓰비시 쥬고교 가부시끼 가이샤(Mitsubishi Jukogyo Kabushiki Kaisha of Tokyo, Japan)에게 특허된 미국 특허 제4,603,022호가 있다. 다른 성능 측면은 배플, 판 및 동반 감소 장치의 사용에 의해 종래 기술에 나타나 있다. 예컨대, 모두 메릭스 코포레이션(Merricks Corporation)에게 특허된 미국 특허 제4,105,723호 및 미국 특허 제4,132,761호는 공정 타워 내에 위치된 특별한 배플 및 동반 감소 구조를 나타낸다. 미국 특허 제5,262,094호[카알 추앙(Karl Chuang) 등]도 분류 트레이의 하부에 배치된 패킹 재료 베드의 이용을 개시하고 있다.

상기 언급된 바와 같이, 분류 트레이의 저부면에 밀접한 패킹 재료의 베드형 층을 이용하는 것은 당업계에 알려져 있다. 상기 언급된 미국 특허 제5,262,094호는 "결합 해제 지대(disengagement zone)"와 같은 트레이 직하부의 위치라고 언급되어 있다. 상기 논의된 다른 기술 발전뿐만 아니라 소정의 장점이 그러한 것과 공존하지만, 그러한 장치 중 대다수는 오늘날 요구하는 운전 변수를 충족시키는 화학 공정 타워를 위한 최대 용량 및 효율을 제공하지 못한다. 예컨대, 하나의 문제는 신규 타워 및 기존 탑 내로의 그러한 패킹 재료의 설치 방식이다. 전체 조립체를 트레이 직하부에 장착하는 것이 항상 가능한 것은 아니다. 조립체, 취급 및 관련 크기 문제뿐만 아니라 조립 장착에 대한 고려도 있어야 한다. 기존 타워는 타워의 기존 하드웨어에 대해 관련 크기, 취급 및 장착 측면을 고려하지 않고 조립체로 개조될 수 없다.

화학 공정 타워의 효율을 최대화시키기 위해 동반 감소 및 물질 전달 모두를 제공하는 조립체를 제공하는 것은 본 발명의 장점이다. 개조 구성의 조립체 등을 제공하는 것도 본 발명의 장점이다. 본 발명은 설치 및 조립시의 동반 감소 및 물질 전달 효율을 융통성 있게 제공한다. 다른 패킹 재료를 갖는 조립식 패킹을 이용하고, 분리된 트레이 패널-패킹 조립체를 이용함으로써, 본 시스템은 분류 공정을 수행하도록 동반될 수 있다. 타워의 액체는 하부에 놓인 트레이로 후방 아래로 단순히 편향되는 것이 아니고, 대신에 물질 전달을 효과적으로 성취하기 위해 상승 증기에 포획되어 상호 작용된다. 이와 같이, 본 발명은 단순히 동반 감소에 관한 것이 아니라, 기존 타워에서 개조될 수 있는 조립체의 동반 감소 및 물질 전달에 관한 것이다.

도1은 화학 공정 타워에 대한 논의에서 참조를 위해 타워 내부의 여러 측면을 나타내기 위해 여러 부분들이 절결된 패킹식 교환 타워의 부분 사시도이다.

도2는 증기 터널 설계를 갖는 소정의 공정 타워 내에 고정된 본 발명의 동반 감소 조립체의 개략 측단면도이다.

도3은 타워의 하부 구역으로부터 취한 본 발명의 동반 감소 조립체의 사시도이다.

도4는 도3의 선 4-4를 따라 취한 도3의 조립체의 확대 측단면도이다.

도5는 본 발명의 동반 감소 조립체를 위한 장착 구조의 대안 실시예의 사시도이다.

본 발명은 물질 전달을 제공하고 액체 동반 통로를 감소시키기 위한 액체-증기 보유 조립체에 관한 것이다. 특히, 본 발명의 하나의 실시예는 증기가 상호 작용 및 물질 전달을 위해 상향으로 유동하는 트레이들 상으로 그리고 트레이들을 가로질러 액체가 하향으로 유동하는 유형의 화학 공정 타워용 물질 전달 조립체를 포함한다. 본 발명의 하나의 실시예는 상승 증기류를 수용하기 위해 트레이의 밑면에 인접하게 고정된 이중층 패킹 조립체를 포함한다. 이러한 조립체는 물질 전달의 표면을 제공하기 위해 증기에 동반되는 액체를 수집하도록 된 조립식 패킹으로부터 형성된 적어도 하나의 층을 갖는다.

다른 태양에서, 상기 기재된 발명은 와이어 메쉬일 수도 있는 다른 패킹 재료를 갖는 이중층 조립체의 제2 층을 포함한다. 이러한 조립체는 분리된 조립체의 개별 트레이 패널에 고정된다. 본 발명의 하나의 실시예에서, 분리된 조립체는 서로 결합되어 장착 브래킷에 의해 트레이 패널의 밑면에 고정된다.

다른 태양에서, 상기 기재된 발명은 파형 조립식 패킹을 갖는 적어도 하나의 패킹층을 포함하며, 패킹의 파형부는 마주보는 관계로 서로에 대해 각을 이룬다. 파형 패킹은 표면 처리부를 갖는 평면 영역을 포함한다. 파형 패킹의 평면 영역의 표면 처리부는 패킹을 관통하여 형성된 구멍을 포함할 수도 있다.

또 다른 태양에서, 본 발명은 타워 내에 배치된 트레이들 상에서 그리고 트레이들을 가로질러 액체가 하향으로 유동하고 액체와의 상호 작용 및 물질 전달을 위해 트레이를 관통하여 증기가 상향으로 상승하는 유형의 화학 공정 타워의 상승 기체로부터 동반된 액체를 제거하는 방법을 포함한다. 이러한 방법은 증기의 상승류를 수용하기 위해 이중층 조립체를 타워 내에 제공하는 단계를 포함한다. 다음에, 조립체는 타워 내의 트레이의 밑면에 인접하게 고정되고, 상승 증기는 상승 증기와의 물질 전달 및 타워의 효율 개선을 위해 조립체의 표면상의 증기 내에 동반된 액체를 수집하기 위해 통과한다.

본 발명의 다른 태양에서, 본 발명은 적어도 하나의 동반 감소 조립체를 화학 공정 타워의 기체-액체 접촉 트레이에 장착하기 위한 수단을 포함한다. 장착 수단은 접촉 트레이의 분리된 패널의 밑면으로의 고정을 제공하는 지지 브래킷과, 브래킷에 의한 위치 설정 및 고정을 위해 상기 트레이 패널과 거의 동일한 폭 및 길이를 갖는 적어도 하나의 패킹층을 포함한다. 이러한 방식으로, 화학 공정 타워의 기체-액체 접촉 트레이의 선택부 및/또는 모두에는 운전 효율을 최대화시키기 위해 동반 감소 조립체가 끼워질 수 있다. 또한, 동반 감소 조립체와 동반 감소 패킹 및 패널 조립체는 개별적으로 조립되어 타워의 초기 조립 및 기존 타워의 개조 모두를 위해 화학 공정 타워 내로 로딩된다.

다른 실시예에서, 본 발명은 지지 브래킷이 개재되는 구성으로 상하부에서 가로 방향으로 연장되는 복수개의 지지 스트럿에 의해 패킹에 고정되는 상기 기재된 패킹층 트레이 패널 조립체를 포함한다. 하나의 실시예에서, 중간 결합은 트레이 패널 하부로의 고정을 추가로 향상시키기 위해 패킹 조립체의 과도한 이동을 효과적으로 제한하도록 패킹층의 주위에 이용될 수도 있다.

본 발명의 보다 철저한 이해와 추가 목적 및 장점을 위해, 이제는 첨부 도면과 관련하여 취해진 다음 설명을 참조하여야 한다.

우선 도1을 참조하면, 타워 내부의 여러 측면을 나타내기 위해 여러 부분이 절결된 패킹식 교환 타워 또는 탑의 부분 사시도가 도시되어 있다. 도1의 교환탑(10)은 참조를 위해 제시된 것일 뿐, 반드시 상용으로 수용 가능한 화학 공정 타워 조립체를 나타내는 것은 아니다. 도1에 도시된 것은 복수개의 패킹 베드층(14; bed layer)과 내부에 배치된 트레이를 갖는 원통형 타워(12)이다. 복수개의 인도(16, manways)도 타워(12)의 내부 구역으로의 접근을 용이하게 하기 위해 유사하게 구성된다. 측면 스트림 인출 라인(20)과, 측면 액체 공급 라인(18)과, 측면 스트림 증기 공급 라인 또는 보조 가열 장치(reboiler) 복귀 라인(32)도 제공된다. 순환류 복귀 라인(34)은 타워(12)의 상부에 제공된다.

운전 시에, 액체(13)는 순환류 복귀 라인(34) 및 측면 액체 공급 라인(18)을 통해 탑(10) 내로 공급된다. 액체(13)는 타워를 통해 하향으로 유동하여 결국에는 측면 스트림 인출 라인(20) 또는 저부 스트림 출발(takeoff) 라인(30)에서 타워에 남는다. 이러한 하향 유동에서, 액체(13)는 일부 재료가 트레이 및 패킹 베드를 통과함에 따라 이러한 재료로부터 증발하는 액체로부터 이러한 재료가 감소되고, 증기 스트림으로부터 이러한 재료로 응축되는 재료에 의해 증가되거나 부가된다. 증기 스트림(15)은 본 명세서에 나타낸 바와 같이 타워(12)를 통해 상향으로 상승한다.

계속해서 도1을 참조하면, 교환탑(10)이 명료화를 위해 대략 절반으로 절단되어 있다. 도1에서, 교환탑(10)은 타워(12)의 상부에 배치된 오버헤드 라인의 증기 출구(26)와, 보조 가열 장치(도시되지 않음)에 결합된 저부 스트림 출발 라인(30) 주위의 타워 하부 구역에 배치된 하부 스커트(28)를 포함한다. 보조 가열 장치 복귀로(32)는 트레이 및/또는 패킹 베드층(14)을 통해 상향으로 증기를 리사이클링시키기 위해 스커트(28)의 상부에 배치된 상태로 도시되어 있다. 응축기로부터의 역류는 복귀 라인(34)을 통해 상부 타워 구역(23)에 제공되며, 역류는 상부 패킹 베드(38)를 가로질러 액체 분배기(36) 전체에 분배된다. 상부 패킹 베드(38)가 조립식 패킹 유형으로 보일 수도 있다. 상부 패킹 베드(38) 하부의 교환탑(10) 구역은 도면 설명을 위해 도시되고, 상부 패킹 베드(38)를 지지하는 지지 그리드(41) 하부에 배치된 액체 수집기(40)를 포함한다. 액체를 재분배하도록 된 액체 분배기(42)도 마찬가지로 그리드(41) 하부에 배치된다. 제2 유형의 분배기(42a)는 생략선(43, cut-line) 하부에서 베드층(14) 상부에 배치된 상태로 도시되어 있다. 교환탑(10)에는 타워 내부 배열이 단지 개략적이고 각종 부품의 배열을 참조하기 위해 제공된다는 사실을 도면을 통해 설명하기 위해 생략선(43)이 제공된다.

계속해서 도1을 참조하면, 교환탑(10)의 트레이 조립체도 도면을 설명하기 위해 도시되어 있다. 대부분의 경우에, 공정탑은 패킹만, 트레이만, 또는 패킹 및 트레이의 조합을 포함한다. 그러나, 도1은 전체 타워 및 그 운전의 논의를 위한 조합이다. 트레이식 교환탑은 대개 본 명세서에 도시된 유형의 복수개의 트레이(48)를 포함한다. 대다수의 경우에, 트레이(48)는 밸브 또는 체 트레이이다. 그러한 트레이는 구성면에서 구멍 또는 슬롯이 형성된 판을 포함한다. 증기 및 액체는 트레이에서 또는 트레이를 따라 결합하여, 일부의 조립체에서 역류 유동 배열로 동일한 개구를 통해 유동하는 것이 가능하다. 최적의 상태에서, 증기 및 액체 안정성 수준에 도달한다. 이하에 보다 상세하게 기재되어 있지만, 하강관의 이용에 의해, 이러한 안정성은 상승 증기가 하강 액체와 혼합되는 것이 가능한 비교적 느린 유동 속도에 의해 성취될 수도 있다. 일부의 실시예에서, 하강관은 사용되지 않으며, 증기 및 액체는 각각의 압력이 변함에 따라 교대로 동일한 개구를 사용한다.

도1에서, 직교류 트레이(48 및 49) 및 하강관(53 및 69)이 도시되어 있다. 트레이(48 및 49)는 구멍형, 밸브형 또는 슬롯형 표면(50)을 나타내는 종래의 설계이다. 이러한 특정한 실시예에서, 복수개의 둥근 밸브가 도시된다. 상부의 트레이(49) 및 그 직하부의 트레이(48) 배열은 본 발명의 원리에 따라 구성된 동반 감소 조립체(100)의 하나의 실시예이다. 동반 감소 조립체(100)는 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다.

이러한 타워를 계획하고 구성하는데 상술된 것 이외의 많은 설계 태양이 고려된다. 물론, 액체 및 증기 유동이 고려되어야 한다. 유사하게, 부식도 마찬가지로 패킹식 타워의 각종 요소에 대해 고려되며, 재료의 선택, 설계 및 타워 내부의 조립은 대부분의 경우에 이러한 고려의 결과이다. 도1에 도시된 바와 같은 공정탑의 분석은 마찬가지로 화학 공학회(Chemical Engineering)의 1984년 3월 5일자 간행본에 있는 제목이 "패킹식 탑 내부(Packed Column Internals)"인 길버트 첸(Gilbert Chen)의 논문에도 보다 상세하게 설명되어 있으며, 이는 참조를 위해 본 명세서에 합체되어 있다.

이제 도2를 참조하면, 본 발명의 동반 감소 조립체의 여러 실시예의 개략 측단면도가 도시되어 있다. 트레이(48, 49)는, 구멍이 형성되고 미니 밸브(MINI VALVE) 및 통기 챔버(51a)가 설치된 대체로 평면인 패널이다. 글리치, 인크에 특허된 미국 특허 제5,453,222호에 기재된 유형의 반원추형인 벽(54)이 사용될 수도 있다. 유사하게, 다른 트레이 표면 및 하강관 설계도 물론 본 발명의 원리에 따라 사용될 수도 있다.

계속해서 도2를 참조하면, 액체(13)는 상부에 배치된 트레이(48)로부터 대체로 반원추형인 벽(54)을 포함하는 코드형 하강관(53) 하부로 이동한다. 하강관(53)의 대체로 반원추형인 벽(54)은 통기 챔버(51a)로부터의 증기류를 위한 터널을 제공하며, 이러한 터널은 통기 챔버(51a)를 통과한 증기에 수평-수직 유동 벡터 조합을 제공한다. 액체(13)는 하강관(53) 하부의 트로프부(51)의 통기 챔버(51a)로부터 배출되는 배출 증기(15)와 결합한다. 통기 구역 하부의 하부 하강관으로부터 탈출하는 동반된 기체는 직접 통기 챔버(51a) 내로 및 통기 챔버(51a)를 통해 상승할 수 있다. 이러한 구체적인 실시예에서, 통기 챔버(51a)가 없다면, 하강관으로부터 탈출하는 기체 중에 구별되는 증기류가 없어서, 모든 증기는 종래 기술의 활성 구역(52)을 통해 상승하려고 할 것이다. 이러한 결합은 트레이(49)의 중심 활성 구역(52)을 가로질러 배출된 증기 및 액체의 유동 방향을 제어하며, 대체로 반원추형인 벽(54)의 테이퍼는 수평-수직 유동 조합 특성을 증기에 부여한다. 통기 챔버(51a)는 과도한 증기압이 트로프부(51)를 통과한 다음에 보다 많은 문제를 발생시키기 보다 오히려 적절한 타워 운전을 용이하게 하는 유동 구조 내로 배출되는 것이 가능하다. 예컨대, 미국 특허 제5,453,222호에 기재된 바와 같이, 벽(54)의 증기 터널은 초킹을 방지하고 증기 액체 상호 작용을 촉진시키며, 동반된 액체는 유동 구조로 인해 배출되도록 도입된다. 상기 활성 구역(52)의 복수개의 구멍을 통과하는 잔류 상승 증기(15)는 거품(61, froth)을 생성시키기 위해 수직으로 상승할 수도 있다. 거품 또는 "폼(foam)"은 액체(13)의 상태가 연속적인 통기 구역(a region of aeration)이다. 거품(61)이 존재하지 않거나 불연속적으로 되는 경우에, 기체 연속 체제로의 전환은 상향으로의 기체의 "분무"를 나타낼 수 있다.

계속해서 도2를 참조하면, 동반 감소 조립체(100)는 각각의 상부 트레이(48) 및 하부 트레이(49) 하부에 고정된다. 동반 감소 조립체(100)는 이중 패킹층 조립체를 포함하는 것으로 개략 도시되어 있다. 각각의 동반 감소 조립체(100)의 상부층(102)은 와이어 메쉬와 같은 다른 패킹 재료로 형성된다. 와이어 메쉬층(102) 하부에 배치된 하부층(104)은 조립식 패킹으로 형성된다. 특정한 조립체 및 패킹 유형은 이하에서 보다 상세하게 설명될 것이다. 도면 설명을 위해 본 명세서에 나타낸 것은 논의를 위해 탑(12) 내에 위치된 동반 감소 조립체(100)의 개략도이다. 동반 감소 조립체(100)를 위한 지지는 이하에 나타나 있고 보다 상세하게 논의될 것이다. 이와 같이, 상기 동반 감소 조립체(100)를 제거하기 위한 지지 그리드(106)의 개략도가 도시되어 있다. 본 발명의 원리에 따라 각종의 지지 구성이 가능하며, 하나의 특정한 구성이 이하에 설명될 것이다.

계속해서 도2를 참조하면, 거품(61)은 트레이(49)의 폭을 가로질러 대향 단부(65)까지 일점쇄선(63)에 의해 도시된 비교적 균일한 높이로 연장되며, 위어(67)는 기포 높이(63)를 유지시키기 위해 설치된다. 이 지점에서 누적된 거품은 위어(67) 상부를 거쳐, 트로프부(71)의 통기 챔버(51a) 상에서 액체가 누적되어 분산되는 대체로 반원추형인 구역(70) 내로 하향으로 기포를 운반하는 관련 하강관(69) 내로 유동한다. 트로프부(71)는 도면 설명만을 위해 개략적인 방식으로 본 명세서에 도시되어 있다. 단일 직교류 판을 위한 구멍 영역은 판의 활성 길이 및 거품(61)이 생성되는 지대를 이룬다. 본 발명의 동반 감소 조립체(100)는 다중 하강관 구성에도 적용 가능하다는 것을 주목하여야 하며, 여기에서 하강관 및 트로프부(51 및 71)는 트레이의 중간 영역에 위치될 수도 있다. 활성 통기 챔버(51a)에 의해 전체 활성 영역을 증가시킴으로써, 보다 큰 용량이 성취된다.

이제 도3을 참조하면, 타워(12)로부터 제거되어 하부 구역으로부터 본, 도1에 도시된 일반적인 유형의 동반 감소 조립체(100)의 일부 사시도가 도시되어 있다. 동반 감소 조립체(100)에는 다른 패킹 재료를 포함하는 상부층(102)이 형성된다. 양호한 실시예에서, 이러한 패킹 재료는 와이어 메쉬이다. 이러한 유형의 와이어 메쉬 패킹은 오랫동안 공정 타워에 사용되어 왔다. 와이어 메쉬는 일반적으로 침입 구역을 통한 순환 경로를 취하도록 통과하는 유체를 실제로 요구하는 미로형 교차 와이어를 제조하는 0.028 ㎝(0.011 인치) 직경의 와이어로 제조된다. 이러한 일반적인 유형의 메쉬 패킹은 발명의 명칭이 "분류탑 등을 위한 패킹(Packing for Fractionating Column and the Like)"인 미국 특허 제3,218,048호에 기재되어 있다. 미국 특허에 기재된 바와 같이, 와이어 스트랜드는 내부 스트랜드 개구가 통과하는 액체에 의해 상부에 막이 형성되는 것이 아니라 액체가 스트랜드의 표면을 따라 스트랜드 사이의 모세관 통로를 통해 유동할 수도 있는 동시에 기체의 통로를 위해 개방되도록 된 크기의 메쉬를 갖는 섬유층을 형성하도록 직조되거나 편조되거나, 아니면 조립된다. 이러한 섬유는 비 피복 메쉬(non-filming mesh)라고 불린다. 이는 본 발명의 원리에 따라 상부층(102)에 사용될 수도 있는 와이어 메쉬 유형의 하나의 예에 불과하다.

계속하여 도3을 참조하면, 메쉬 패킹(102) 하부에 놓인 조립식 패킹(104)은 복수개의 파형판(120)으로부터 형성되는 것이 양호하다. 화학 공정 산업에서는 각종 조립식 패킹 요소가 사용되어 왔으며, 여러 개의 구성이 글리치, 인크에게 특허된 미국 특허에 나타나 있다. 그러한 특허 중 하나인 미국 특허 제4,950,430호는 인접한 시트의 파형이 서로 교차하면서 서로 평행하게 대체로 수직하게 정렬되어 배열된 복수개의 판(120)를 포함하는 증기 액체 접촉을 위한 조립식 타워 패킹을 제시하고 있다. 상기 특허에 기재된 바와 같이, 시트에서 상기 패킹 내의 액체 및 증기 모두의 분포를 수행하기 위한 복수개의 구멍이 제공된다. 본 발명의 원리에 따라 판(120) 상에 있는 그러한 구멍 및/또는 다른 표면 처리부가 이용될 수도 있다. 글리치, 인크에 특허된 미국 특허 제4,604,247호는 본 발명의 원리에 따라 이용될 수도 있는 표면 처리부의 다른 실시예를 제시하고 있다.

상기에 따르면, 시트(126)는 인접하는 판(120)이 마주보는 관계로 배치될 때에 교차하도록 파형 절첩선(122)이 각도를 이루어 배열된 상태로 도시되어 있다. 이러한 방식으로, 다수의 트로프 또는 대체로 삼각형인 단면 통로가 형성되며, 이는 기체 유동이 관련되는 한 상향으로 각도를 이루고 액체 유동이 관련되는 한 하향으로 각도를 이루며, 통로는 상부가 개방되어 있고 대향으로 각도를 이룬 시트의 다른 경로와 반복하여 교차한다. 삼각형 형상의 통로(124)는 이와 같이 파형 시트(126)에 의해 한정되며, 이는 상향으로 연장되어 상부 패킹층(102)에 연결된다. 표면 처리부(130)는 상기에 기재된 바와 같이 도면 설명을 위해 파형 시트(132)의 일부 상에 개략 도시되어 있다. 표면 처리부(130)는 다양한 형상 및/또는 구멍의 표면 불규칙성을 포함할 수도 있다. 특정한 적용 분야를 위해 다양한 표면 패턴이 포함될 수도 있다. 마찬가지로, 본 발명의 원리에 따라 구멍 없는 매끄러운 시트가 이용될 수도 있다.

이제 도4를 참조하면, 본 발명의 동반 감소 조립체(100)의 측단면도가 도시되어 있다. 도3 및 도4는 상용 장치보다는 시험탑에 가까운 크기비의 상기 동반 감소 조립체를 도시하고 있으며, 이러한 장치에서 트레이의 직경은 대체로 상기 동반 감소 조립체의 높이를 훨씬 초과한다. 상기에도 불구하고, 본 명세서에 나타낸 바와 같은 메쉬 패킹층(102)은 조립식 패킹층(104) 상부에 배치된다. 동반 감소 조립체(100)는 도2에서와 같이 타워에 설치된 것으로 도시되어 있지는 않지만, 지지 그리드(140)의 하나의 실시예는 공정탑 내의 거의 모든 트레이 하부에 놓인 동반 감소 조립체(100)를 지지하는 것으로 도시되어 있다. 다른 지지 구성이 도5에 대해 이하에서 설명된다. 본 실시예의 지지 그리드(140)는 수직 요소 또는 브래킷(144)에 근접한 복수개의 수평 지지 요소(142)를 포함한다. 브래킷(144)은 타워 요소 및 그 인접부에 용접되거나 아니면 고정될 수도 있다. 지지 그리드의 다른 실시예도 동반 감소 조립체(100)를 대체로 둘러싸고 상기 동반 감소 조립체를 공정탑 트레이에 고정하는 케이지를 포함할 수도 있다.

시험

본 발명에 대한 하나의 실험에서, 증류 시험은 고정된 미니-밸브 트레이의 밑면에 부착된 특별한 동반 감소 고정구를 사용하여 수행되었다. 시험은 상용과 유사한 메탄올/물 시스템, 즉 99% 농도의 메탄올에서 수행되었다. 특별한 동반 감소 고정구는 메쉬 패킹과 글리치, 인크에 의해 제조된 유형의 조립식 패킹의 조합을 수납하였다. 시험의 결과는 동반 감소 고정구를 갖는 고정된 미니-밸브 트레이가 액체 동반으로 인한 급격한 효율 감소 없이 동일한 고효율을 유지하는 동시에 통상적으로 고정된 미니-밸브 트레이에 비해 적어도 15% 성능 개선을 제공한다는 것을 나타내었다.

이제 도5를 참조하면, 복수개의 패널부(202, 204 및 206)로부터 구성된 기체 액체 접촉 트레이의 사시도가 도시되어 있다. 제1 패널부(202)는 동반 감소 조립체(212)를 하부에 고정하였다. 동반 감소 조립체(214 및 215)도 각각 패널(204 및 205) 하부에 장착된다. 각각의 조립체(212, 214 및 215)는 각각의 패널부(202, 204 및 206)의 길이 및 폭과 거의 동일한 길이 및 폭으로 구성된다. 본 명세서에 나타낸 바와 같이, 동반 감소 조립체(212, 214 및 215)는 제1 조립식 패킹층(220)과 메쉬 패킹 등 제2 유형의 패킹으로 형성된 패킹층(222)을 포함한다. 본 발명의 원리 및 공정탑의 운전 표준에 따라 각종 패킹층이 가능하다.

계속해서 도5를 참조하면, 패킹 조립체(212, 214 및 215)는 복수개의 브래킷(230)에 의해 트레이 패널(202, 204 및 206)에 고정되며, 각각의 트레이 패널은 상기 패널의 밑면으로부터 현수된다. 브래킷(230)은 패킹층(220 및 222) 하부에 놓인 하부 가로 방향 스트럿(232)의 지지에 있어서 서로에 대해 대체로 평행하게 이격된 관계로 정렬된다. 하부 종방향 스트럿(234)은 가로 방향 스트럿(232)에 연결되어 가로 방향 스트럿에 의해 지지된다. 상부 가로 방향 스트럿(233)도 브래킷(230)에 의해 지지되고 종방향 스트럿(236)을 지지한다. 스트럿(232, 233, 234 및 236)은 이와 같이 그 사이에 패킹층(220 및 222)을 개재하고 상기 패킹층을 상기 트레이 패널에 구조적으로 연결한다. 특정한 패킹 재료 및/또는 공정 타워 내부의 운전 세부 사항에 따라 하부 스트럿(232 및 234) 또는 상부 스트럿(233 및 236)의 변형이 필요할 수도 있다. 중간 결합부(240)도 마찬가지로 구조적인 안정성을 위해 포함될 수도 있다. 중간 결합부(240)는 중간 결합부의 내부로의 두 개의 패킹 재료의 고정 측면에서 패킹층(220 및 222)의 단부를 따라 중간에 배치되도록 구체적으로 나타나 있다. 중간 결합부는 트레이로의 삽입 및/또는 타워로부터의 제거를 위한 패킹 조립체의 취급성 개선뿐만 아니라 패킹 조립체의 구조적인 일체성도 향상시킨다.

계속해서 도5를 참조하면, 특정한 트레이(200)의 개별 패널(202, 204, 206)에는 타워의 운전을 향상시키기 위해 하나 이상의 패킹층이 끼워질 수도 있다. 일부의 경우에서, 도5에는 도시되어 있지 않지만, 소정의 패널은 상기 패킹이 조립되지 않을 수도 있다. 기존의 타워도 마찬가지로 트레이 표면의 기존 구멍을 이용함으로써 그러한 조립체로 개조될 수도 있다. 도5에 도시된 바와 같이, 통상 원형 밸브(252)를 포함하는 기류 구멍(250)은 브래킷(230)의 고정을 위해 이용되었다. 도5에서, 볼트(251) 등 종래의 나사 부재는 브래킷(230) 및 트레이 구멍(250)을 통해 연장되어 패킹층(220 및 222)의 고정을 위해 종래의 너트(252)에 의해 고정된다.

본 발명의 방법 및 장치의 양호한 실시예가 첨부 도면에 도시되고 상기 상세한 설명에 기재되어 있지만, 본 발명은 개시된 실시예에 제한되지 말아야 할뿐만 아니라, 다음의 청구범위에 기재된 바와 같은 본 발명의 기술 요지로부터 벗어나지 않고도 다수의 재배열, 변형 및 치환이 가능하다는 것을 이해하여야할 것이다.

Claims (31)

1. 증기가 액체와의 상호 작용 및 물질 전달을 위해 상향으로 유동하는 트레이들 상으로 그리고 트레이들을 가로질러 액체가 하향으로 유동하는 유형의 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체에 있어서,

   상승 증기류를 수용하기 위해 상기 트레이들 중 하나에 인접하게 고정되고, 물질 전달 표면을 제공하기 위해 상기 증기에 동반되는 액체를 수집하도록 된 조립식 패킹으로부터 형성된 적어도 하나의 층을 갖는 이중층 패킹 조립체를 포함하며,

   상기 조립식 패킹은 복수개의 파형판을 포함하며,

   인접한 패킹판의 파형은 마주보는 관계로 서로에 대해 각을 이루며, 각각의 상기 파형판은 표면 처리부를 갖는 평면 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
2. 제1항에 있어서, 상기 이중층 조립체 중 제2 층이 다른 패킹 요소를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
3. 제1항에 있어서, 상기 조립체가 상기 트레이들 중 하나의 밑면에 고정되는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
4. 제1항에 있어서, 상기 조립체가 하부 구조물에 의해 상기 트레이에 고정되는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
5. 제4항에 있어서, 상기 하부 구조물이 금속 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
6. 제4항에 있어서, 상기 하부 구조물이 플라스틱 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
7. 삭제
8. 삭제
9. 제1항에 있어서, 상기 평면 영역의 상기 표면 처리부가 상기 파형판을 통해 형성된 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
10. 액체가 상기 타워 내에 배치된 트레이들 상으로 그리고 트레이들을 가로질러 하향으로 유동하고 증기가 상기 액체와의 상호 작용 및 물질 전달을 위해 상기 트레이를 통해 상향으로 상승하는 유형의 화학 공정 타워에서 상승 기체로부터 동반된 액체를 제거하는 방법에 있어서,

    적어도 하나의 조립식 패킹층을 포함하는 이중층 패킹 조립체를 형성하는 단계와,

    증기 상승류를 수용하기 위해 상기 조립체를 상기 타워 내에 위치 설정하는 단계와,

    상기 조립체를 상기 타워 내의 트레이의 밑면에 인접하게 고정하는 단계와,

    역류를 위해 증기 및 액체를 상기 타워 내로 도입하는 단계와,

    상기 증기와의 물질 전달 및 상기 타워의 효율 개선을 위해 상기 조립체의 표면 상에서 상기 증기 내에 동반된 액체를 수집하는 단계를 포함하고,

    상기 조립식 패킹은 복수개의 파형판을 포함하며, 인접한 패킹판의 파형은 마주보는 관계로 서로에 대해 각을 이루며, 각각의 상기 파형판은 표면 처리부를 갖는 평면 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 삭제
12. 제10항에 있어서, 상기 이중층 패킹 조립체를 형성하는 상기 단계가 다른 패킹 요소로부터 상기 조립체를 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 삭제
14. 제10항에 있어서, 상기 조립체를 트레이의 밑면에 인접하게 고정하는 상기 단계가 하부 구조물에 의해 상기 조립체를 상기 트레이에 고정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제14항에 있어서, 상기 하부 구조물은 금속 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제14항에 있어서, 상기 하부 구조물은 플라스틱 그리드를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 삭제
18. 삭제
19. 제10항에 있어서, 상기 평면 영역의 상기 표면 처리부는 상기 파형판을 통해 형성된 구멍을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 대체로 역류의 트레이 횡단 액체 및 트레이 관통 기체를 수용하도록 배치된 기체 액체 트레이를 갖는 유형의 기체 액체 접촉 타워용 동반 감소 조립체에 있어서,

    기체-액체 동반 감소를 위한 적어도 하나의 패킹 조립체와,

    상기 타워 내의 분할형 조립체를 위해 상기 패킹 조립체를 상기 트레이 패널 중 상기 적어도 하나의 상기 저부 측면에 고정하기 위한 수단을 포함하고,

    상기 트레이는 가로지르는 액체 유동을 위한 상부 측면과 관통하는 상승 기류를 수용하기 위한 저부 측면을 갖는 복수개의 패널로 구성되며, 상기 트레이 패널 중 적어도 하나는 상기 패킹 조립체의 폭과 거의 동일한 폭을 가지는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
21. 제20항에 있어서, 상기 고정 수단은 상기 트레이 패널의 밑면에 고정하도록 구성된 복수개의 앵글 브래킷을 포함하며, 상기 브래킷은 제1 단부에서 상기 트레이 패널에 고정되도록 그리고 대향한 제2 단부에서 상기 패킹 조립체 지지 수단에 고정되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
22. 제21항에 있어서, 상기 패킹 조립체 지지를 위한 수단은 지지 시에 상기 패킹 조립체 하부에서 연장되는 상기 브래킷의 상기 제2 단부에 고정하도록 된 장착 스트럿을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
23. 제22항에 있어서, 상기 패킹 조립체의 고정을 위해 상기 트레이 패널 하부에서 상기 패킹 조립체를 가로질러 연장되는 상부 패킹 조립체 지지 스트럿을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
24. 제23항에 있어서, 상기 스트럿은 상기 패킹 조립체의 지지를 위해 상기 브래킷들 사이에서 연장되는 긴 금속판을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
25. 제20항에 있어서, 상기 패킹 조립체는 조립식 패킹을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
26. 제25항에 있어서, 상기 패킹 조립체는 패킹 조립체와 조립된 다른 유형의 제2 패킹 재료를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
27. 제26항에 있어서, 상기 다른 유형의 패킹 재료는 와이어 메쉬 패킹을 포함하는 것을 특징으로 하는 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
28. 개별 패널들로 구성되고 내부에 고정된 트레이들을 갖는 유형의 화학 공정 타워에서 운전 범위를 확대시키고 효율을 유지시키는 동시에 동반을 감소시키는 방법에 있어서,

    조립식 패킹을 제공하는 단계와,

    조립식 패킹으로부터 동반 감소 고정구를 형성하는 단계와,

    상기 화학 공정 타워 트레이를 위한 상기 동반 감소 고정구를 상기 화학 공정 타워 트레이의 상기 패널들 중 하나의 크기와 대체로 동일한 크기의 분리된 베일로 구성하는 단계와,

    상기 화학 공정 타워 내에 개별 장착하기 위해 상기 동반 감소 고정구의 상기 개별 베일을 상기 트레이 패널들 중 개별 패널의 밑면에 장착하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
29. 제28항에 있어서, 상기 동반 감소 고정구를 구성하는 단계는 상기 조립식 패킹 상에 위치 설정하도록 된 적어도 하나의 층의 와이어 메쉬 패킹을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
30. 제27항에 있어서, 상기 조립식 패킹은 복수개의 파형판을 포함하며, 인접한 패킹판의 파형은 마주보는 관계로 서로에 대해 각을 이루며, 각각의 상기 파형판은 표면 처리부를 갖는 평면 영역을 포함하는 것을 특징으로 화학 공정 타워용 동반 감소 및 물질 전달 조립체.
31. 제29항에 있어서, 상기 조립식 패킹은 복수개의 파형판을 포함하며, 인접한 패킹판의 파형은 마주보는 관계로 서로에 대해 각을 이루며, 각각의 상기 파형판은 표면 처리부를 갖는 평면 영역을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.