기체유동층에서 슬러그특성

류 호 정, 이 우 진, 최 정 후

건국대학교 화학공학과,

Slug Properties in a Gas Fluidized Bed

Ho-Jung Ryu, Woo-Jin Lee, Jeong-Hoo Choi

Department of Chemical Engineering, Kon-Kuk University, Seoul 143-701

서론

기체유동층에서 최소유동화속도 이상으로 유속이 증가하면 기포가 출현하게 되며 분산판에서 생성된 기포는 상승하면서 합체되어 성장하여 기포의 직경이 층직경에 상당할 정도로 커지게 되는데, 이를 슬러깅(slugging)이라 한다.

슬러깅 영역에서 슬러그의 흐름특성은 기체체류시간, 열 및 물질전달, 고체접촉효율등을 지배하는 중요한 인자로서 지금까지 여러 연구자들에 의해 연구가 진행되어 왔으나 슬러깅영역의 복잡한 흐름특성과 실험방법의 제한등으로 인해 다른 흐름영역에 비해 실험자료가 적은 실정이다[1].  또한 슬러그특성에 영향을 미치는 인자들에 대한 기존의 보고들은 주로 유속, 층직경, 입자크기나 입자밀도 등의 영향에 대해 보고되어 왔으나, 최소유동화상태의 층높이(Hmf)와 분산판으로부터의 높이(H)의 영향에 대한 보고는 많지 않으며, 명확한 해석이 부족한 실정이다.  따라서 슬러그특성에 대한 최소유동화상테의 층높이와 높이의 영향을 보다 분명하게 규명하기 위해서는 보다 광범위한 연구를 통한 확인 및 실험자료의 축적이 필요한 실정이다.

본 연구에서는 기체유동층에서 슬러그특성을 고찰하기 위하여 층물질로 모래입자를 사용하여 유속, 최소유동화상태의 층높이(Hmf), 측정지점의 높이(H)를 변화시키면서 최소슬러깅속도, 슬러그 빈도, 슬러그 길이, 슬러그 상승속도 등을 측정 및 고찰하였다.

실험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 유동층 실험장치를 나타내고 있다.  유동층은 직경 0.1m, 총높이 2.5m이며 내부흐름의 관찰이 가능하도록 아크릴 관으로 제작되었다.  유동화기체로는 공기가 사용되었으며, plenum에 위치한 수평관으로 주입되도록 하였다.  분배기는 multi-tuyere 형으로 직경 20mm의 tuyere 4개에 각각 직경 3mm의 구멍 12개를 배치하였다.  유동층 내부의 압력요동을 측정하기 위하여 분산판으로부터 16개의 압력점을 설치하였으며, 각 압력점에서의 압력신호는 압력변환기(차압형, validyne, P24D Model)를 사용하여 전압(±5V)-시간 신호로 바꾸어 자료수집계(data acquisition system, Real time devices Inc., AD2110 Model)를 거쳐서 PC에 저장하였다.  각 실험조건에서 압력신호는 100Hz의 주파수로 10000개를 수집하였다.

Table 1은 층물질로 사용된 모래의 대표적인 입도분포 및 물성을 나타낸다.  실험변수로는 유속(0.108-0.45m/s), 측정지점의 높이(0.325-0.35, 0.375-0.40, 0.425-0.45, 0.475-0.50, 0.75-0.80, 0.85-0.90, 0.95-1.00m), 최소유동화상태의 층높이(0.85, 0.95, 1.05, 1.15, 1.25m)를 변화시켰으며, 측정된 압력신호를 이용하여 최소슬러깅속도, 슬러그 빈도, 슬러그 길이, 슬러그 상승속도등을 결정하였다.

1. air compressor

2. filter

3. pressure regulator

4. flowmeter

5. fluidized bed

6. cyclone 1

7. cyclone 2

8. bag filter

9. sample pot

10. differential

pressure transducer

11. A/D converter

12. personal computer

13. data logger

Table 1 Sieve analysis of sand

Particls : sand
□p : 2561kg/m3 p : 286□m Umf : 0.108m/s
Sieve size(□m)	Wt. frac.
-600+425	0.150
-425+300	0.432
-300+212	0.302
-212+150	0.065
-150+106	0.034
-106+ 75	0.015
- 75+ 53	0.002

Fig. 1 Experimental apparatus.

결과 및 고찰

1. 압력신호 해석

각 실험조건에서 측정된 압력신호는 기준값(reference value)을 기준으로 조밀상(emulsion phase)과 기포상(bubble phase)으로 나뉘며 프로그램을 사용하여 smoothing을 거친 후 기포 또는 슬러그가 수직으로 상승하지 않는 경우와 합체와 분쇄현상에 의한 신호를 filtering 하였다.  슬러그 빈도는 식(1), 슬러그 상승속도는 각각의 위치에서 측정한 압력신호의 cross-correlation function에 의해 시간지연(time delay, □)을 결정하여 식(2)와 같이 계산하였으며, 슬러그길이는 압력탭과 슬러그의 평균접촉시간(Bm)을 이용하여 식(3)에 의해 계산하였다.

Slug frequency, fs = (number of slugs) / (total sampling time)	(1)

Slug rising velocity, Us = (distance between tips) / (time delay, □)	(2)

Vertical slug length, Ls = Us×Bm	(3)

2. 최소슬러깅속도(minimum slugging velocity, Ums)

Fig. 2는 Hmf 1.15m, 분산판으로부터의 높이 0.85-0.90, 0.95-1.00m에서 유속변화에 따라 측정된 기포 또는 슬러그빈도의 변화를 나타내고 있다.  기포 또는 슬러그의 빈도는 유속이 증가함에 따라 증가하여 최대점을 보인후 감소하는 경향을 나타내었다.  이와 같은 경향은 기포유동층 영역에서는 과잉공기량의 중가에 따라 기포빈도가 증가하고, 계속적으로 유속의 증가하면 기포의 합체가 활발히 일어나 슬러그가 형성되며, 슬러그간의 합체에 의한 크기증가로 인해 슬러깅 영역에서는 슬러그빈도가 감소하기 때문으로 사료되었다.  Baeyens와 Geldart[2], DiMattia 등[3]은 기포 또는 슬러그빈도가 증가하여 일정해지기 시작하는 유속을 Ums로 정의하였으며, 본 연구에서는 이와 유사하게 기포 또는 슬러그 빈도가 최대점을 보이는 유속을 최소슬러깅속도(Ums)로 결정하였다.

Fig. 3은 H와 Hmf의 변화에 따른 Ums의 변화를 나타내고 있다.  분산판으로부터의 높이가 증가함에 따라 기포크기가 증가하여 낮은 유속에서 슬러그가 형성되므로 측정위치가 증가함에 따라 Ums가 감소하였다.  또한 측정된 Ums는 Hmf가 증가함에 따라 증가하였는데, 이와 같은 경향은 Ho 등[4]의 보고와 관련하여 해석할 수 있다.  Ho 등[4]은 슬러그 위쪽에 존재하는 고체(plug solid)에 미치는 상승력(upward force)이 하강력(downward force)보다 커질 경우에 슬러깅이 일어나며, 상승력은 상승하는 기체에 의해 야기되고, 하강력은 슬러그 상부의 고체무게와 고체와 벽사이의 전단력(shear force)에 의해 일어난다고 보고하였다.  따라서 Hmf가 증가하면 슬러그 상부의 고체무게와 전단력이 증가하므로 슬러그가 형성되기 위해서는 유속(upward force)이 증가해야 하기 때문으로 사료되었다.  Ums에 대한 Hmf 의 영향은 H가 증가함에 따라 감소하였으며 H변화에 따른 Ums의 감소경향은 Hmf가 증가함에 따라 증가하였다..

Fig. 2 Determination of Ums.              Fig. 3 Ums with H and Hmf.

3. 슬러그 빈도(slug frequency, fs)

본 연구의 실험범위에서 층의 아래부분에서는 flat sug(horizontal void)가, 상부에서는 wall slug가 관찰되었고 중간영역에서는 flat slug가 분쇄되어 생성된 axial slug, wall slug와 작은 기포가 함께 존재하였다.  작은 기포는 다시 슬러그와 합체되었으며 주로 wall slug 형태로 상승하였다.

Fig. 4에 나타난 바와 같이 측정된 fs는 유속증가에 따라 감소하였고 유속이 더욱 증가하면 fs의 감소경향이 둔화되었다.  이와 같은 경향은 유속이 증가함에 따라 기포 또는 슬러그의 합체가 활발하게 일어나 슬러그의 크기가 증가하기 때문으로 사료되었다.  또한 H와 Hmf가 증가함에 따라 슬러그끼리의 합체가 빈번하게 일어나므로 fs가 감소하였다.

`

Fig. 4 Slug frequency with U, H and Hmf.

4. 슬러그 상승속도(slug rising velocity, Us)

Fig. 5에 나타난 바와 같이 측정된 Us는 유속이 증가함에 따라 과잉기체량의 증가로 인해 증가하였으며 측정높이와 Hmf가 증가함에 따라 기포 또는 슬러그의 합체에 의한 슬러그 크기의 증가로 인해 증가하였다.

Fig. 5 Slug rising velocity with U, H and Hmf.

5. 슬러그 길이(vertical slug length, Ls)

Fig. 6에 나타난 바와 같이 측정된 Ls는 유속이 증가함에 따라 분산판에서의 초기기포크기, 기포빈도의 증가와 기포합체의 증가로 인해 증가하였으며, 측정지점의 높이, Hmf가 증가함에 따라 기포 또는 슬러그의 합체에 의해 증가하였다.

Fig. 6 Vertical slug length with U, H and Hmf.

참고문헌

1. Cui, S., Zhou, H. and Ji, F., in "Fluidization," edited by Kwauk, M. and Kunii, D., Elsevier, Amsterdan, 75(1985).

2. Baeyens, J. and Geldart, D.:  Chem. Eng. Sci., 29, 255(1974).

3. DiMattia, D. G., Amyotte, P. R. and Hamdullahpur, F.: Can. J. of Chem. Eng., 75, 452(1997).

4. Ho, T. C., Yutani, N., Fan, L. T. and Walawender, W. P.: Powder Technol., 35, 249(1983).