순환형슬러리기포탑의 성능증진을 위한 열전달특성 연구

박 찬 진

시립 인천전문대학 환경공업과

A Study on the Heat Transfer Characteristics for the Performance

Enhancement of Circulating Slurry Bubble Column

Park Chan Jin

Junior College of Inchon, Department of Environmental Eng.

서   론

순환형슬러리유동층은 다상간의 활발한 움직임으로 인한 높은 혼합속도와 신속한 온도제어가 가능하여 특히 온도변화에 민감한 제반 공정, 즉 생물화학공정이나 촉매공정 등에 매우 적합하다. 특히 고정층(fixed bed)이 지니고 있는 단점으로 공정중 발생되는 국부지역의 과열에 의한 시스템이상을 유동층에서는 방지할 수 있어 non-iothermal process에 응용될수 있다.   또한 슬러리기포탑에서는 입도가 100-120 micron 이하인 미세입자가 유동화입자이므로 입자의 종말침강속도가 작고 최소유동화에 필요한 운동에너지가 낮으므로 입자는 단순히 기체유입에 의해서도 유동화가 가능해지게 된다.

한편 슬러리유동층의 열전달특성을 결정하는 가장 중요한 요소는 기포의 동적 특성이며 이것은 기포의 거동에 따라 열에너지의 이동에 필요한 유체의 거시적 motion 이 결정되기 때문이다.   아울러 미세입자 특성에 따른 슬러리상의 점도, 비열 등의 제반 물성치도 중요한 변수로 작용한다.

본연구에서는 이러한 순환형 슬러리기포탑내에 기포합체를 방지하기 위한 기포분쇄입자를 첨가 하였을 때의 열전달 특성을 고찰하고 이론적인 해석을 실시하여 반응기의 온도제어에 관한 설계자료를 제시 하고자 한다.

실   험

본연구에 사용된 기포탑은 슬러리순환이 반응기내에서 이루어지는 내부순환형으로 OD 15 cm, ID 9 cm 그리고 H 150 cm 이며 아크릴관을 이용하여 제작하였다. 기포분쇄입자는 전보문에서 사용하였던 것과 동일한 것으로 재질이 세라믹(ceramic), 고무(rubber)인 입자들을 cylindrical, hexahedral 및 hollow cylindrrical형태로 선정하고 실험에 사용하였다.

슬러리상은 미세고체입자로서 glass bead를 선택하였는데 기포의 합체를 야기하면서 기체에 의한 완전현탁(complete suspension)이 가능한 평균입경 100 micron 의 입자를 입자농도 3, 6, 9 wt.% 로 변화시키면서 실험을 수행 하였다.

열전달속도의 측정은 immersion형 heater 와 슬러리상 간의 온도차를 시간흐름에 따라 Fig.1 에 표시한 것과 같이 반응기내 일정지점에 장착시킨 열전대를 이용하여 A/D변환후 IBM-PC 에 입력시키고 전산처리 하였다. 기체로는 압축공기를 각 조건별로 일정유속을 유지 하면서 탑내에 공급 하였으며, 액체로는 tap water 를 이용하였다.  기-액접촉면적의 증감은 층팽창높이(bed expansion height)의 측정에서 총괄기체체류량(overall gas holdup)을, 그리고 각각의 관벽에 설치된 압력측정 tap에서 국부기체체류량(local gas holdup)의 변화를 산출하여 산정 하였다.

실험범위는 흐름영역상 bubbly 흐름영역에서 기포의 합체가 발생되는 slug 흐름영역을 포함 하도록 공탑속도 0∼10 cm/sec 에서 변화시켰으며 동일한 조건에서 슬러리의 순환현상을 관찰하기 위하여 추적자주입에 의한 RTD 곡선을 전도도측정법으로 수행하고 이 자료를 A/D converter를 경유하여 PC 에 전산입력 처리 하였다.

[Table.1] Operating Condition

EXPERIMENTAL VARIABLES		RANGE OF OPERATIONS
Superficial Gas Velocity		0 - 10 cm/sec
Slurry Concentrations		0 - 9 wt. % (dp = 100 micron)
Bubble-breaking Particles	Shape	Hollow cylindrical	Hexahedral	Cylindrical
	Concentn	0-4 wt%	0-4 wt%	0-4 wt%
	Size(cm)	L1.0 OD1.0 ID0.7 (spgr 2.30)	1□1□2 (spgr 1.43)	L1.0 D1.0 (sp gr 1.18)

결과 및 고찰

본연구에서 실시한 열전달실험은 내부순환형 슬러리유동상과 내부가열기 사이의 열전달속도를 측정한 것으로 가열면과 유동상간에 존재하는 열전달저항과 유체혼합에 의한 온도균일화효과에 따라 열전달 특성이 결정된다고 할 수 있다.

우선 슬러리상의 열전달속도는 액체의 경우보다 크게 나타났으며 이러한 경향은 슬러리의 농도가 증가할수록 더욱 뚜렷하게 나타났다.  이러한 경향은 전열벽면과 액상간의 열전달속도가 미세입자의 활발한 운동에 따라 증진되고 입자농도 증가에 따라 기포합체가 발생되며 이로 인한 기포크기의 증가가 슬러리상의 난류혼합을 촉진시키므로써 나타난다고 할수 있겠다.  이러한 사실은 슬러리상의 열전달특성에 가장 중요한 인자가 삼상류의 흐름영역(flow regime)이라는 사실에서도 확인할 수가 있다.

한편 기포의 분쇄에 따라 열전달속도도 증가되었으며 이것은 기포분쇄입자가 슬러리 유동화에 의하여 불규칙적으로 움직이면서 슬러리입자의 신속한 이동을 촉진시키고 아울러 전열면과 슬러리상간의 열에너지교환을 활발하게 유도하기 때문이며, 아울러 열전달의 중요한 인자인 에너지소산속도(energy dissipation rate)를 증가시키므로써 발생되는 결과라고 할 수 있다.  Fig.2 에 열전달현상과 기포탑 최적설계간의 관련성을 정리하였으며 그림에서 알수 있듯이 전달현상의 관점에서 열전달은 온도에 민감한 공정의 경우 매우 중요한 설계변수가 된다고 할 수 있다.

기포분쇄에 따른 열전달속도의 증가를 수력학적 관점에서 정량적으로 설명하기 위하여 유동화시의 슬러리 순환과 확산 특성을 추적자주입에 의한 자극/응답법을 이용하여 분석하였는데 슬러리의 순환속도는 기포의 분쇄효과가 크게 나타날수록 감소되었고 액상내 물질의 혼합속도와 확산속도도 감소되는 경향을 나타내었다.

그러나 전술한 바와 같이 기포분쇄입자의 활발한 움직임으로 전열면과 슬러리상간 열에너지 교환이 신속하게 이루어지므르써 열전달속도가 증가되는 것으로 사료된다.

그러므로 삼상슬러리기포탑에서 기포합체의 발생으로 공정효율이 저하될 경우 일정한 농도범위 내에서 기포분쇄입자를 첨가하면 전술한 바와 같이 온도 제어특성과 물질전달 특성이 개선되므로 기포탑 성능증진에 기여를 할 것으로 생각된다.

결   론

순환형 슬러리기포탑의 성능을 증진 시키기 위한 방안으로 기포분쇄입자를 첨가한 다음 온도제어 효율화를 위한 열전달 특성을 고찰한 결과 열전달 속도와 물질전달속도를 증진할 수 있었으며 이러한 경향을 에너지소산속도와 자극/응답법에 의한 슬러리순환특성에 의하여 설명할 수 있었다.

REFERENCES

1. Park, C.J.: "Proceedings of the 5th Asian Conference on Fluidized-Bed      & Three Phase Reactors", The Chinese Institute of Chemical            Engineers(1996).

2. Gidaspow,D.: Multiphase Flow and Fluidization,Academic Press(1994).

3. Park, C.J.: "Proceedings of '97 KIChE Spring Meeting", KIChE(1997).

4. Fan,L.S.: "Gas-Liquid-Solid Fluidization Engineering", Butterworths, (1989).

OD 15cm

□ Heating element ↑ slurry flow T Thermocouples						OPTIMAL DESIGN OF CIRCULATING SLURRY BUBBLE COLUMN
										↑↑
↘↘ ♭♭ ↖↖ ♩♩
					Hydro- dynamics					Transport mechanism				Energy dissipation
T	T	T
	ID 9cm	T
					RTD model -Bubble Dynamics -Holdups -Circulations -Particle & Liquid property					Heat & Mass transport -Thermal Control -Homogeni- zation -Flow regime				Interfacial Phenomena -Kolmogoroff theory -Macroscopic Energy Balance
T	↑↑ T
									→		←
									←		←
↓↓	↑↑	↓↓
T	□□ □ T □ T	H 150cm T
										↑↑
					Prevention of Bubble Coalescence					Enhancement of Transport Rate
	↑↑
									→
	Gas sparger

Fig.1.Specifications of circulating   Fig.2. Flow stream of optimal design

slurry bubble column          of circulating slurry bubble column