삼상슬러리흐름의 영역전이와 다상반응기성능의 상관관계

박 찬 진

시립 인천전문대학 환경공업과

On the Correlation Between the Flow Regime Transition of Three Phase

Slurry Flow and the Performance of Multiphase Reactor

Park Chan Jin

Junior College of Inchon, Department of Environmental Eng.

서   론

일반적으로 기체-액체-고체(Gas-Liquid-Solid)의 삼상이 존재하는 다상류(Multiphase Flow)는 주로 오염물질의 처리에서 많은 응용성을 갖고 있어 폐수의 생물학적 처리나 액상 오염물질의 활성탄흡착과 생물학적 처리 및 석탄 액화탈황 등에서 자주 활용 되는 분야라고 할 수 있다.

이때에 미세고체입자를 포함하고 있는 슬러리상(Slurry Phase)을 기포공급 운동에너지에 의하여 교반 하므로써 조업을 수행할 때 이를 삼상슬러리유동화라고 한다.  이 방법은 기계적인 교반과 비교해 볼 때에 유입기체가 슬러리교반을 진행하는 동시에 상간 물질이동을 통한 분리공정의 역할도 수행하게 되어 입자보호는 물론 장치 에너지사용을 최적화 할수 있는 특징이 있다.   그러나 미세입자는 물질이동이 진행될 때 물질전달의 중요한 설계요소인 계면 접촉면적을 감소시키는 작용을 하므로 공정효율을 저하시키게 된다.

본연구에서는 기포가 합체될 때와 물질이동속도 증진을 위하여 기포분쇄를 유도하였을 때의 삼상슬러리반응기 특성을 Drift Flux Approach Method를 이용하여 다상류 흐름영역 측면에서 분석 하였다.  그러므로써 흐름 영역과  장치 성능의 상호관계를 고찰하여 다상반응기의 성능 제고 방안을 제시하였다.

실  험

본연구에 사용된 기포탑은 외부 슬러리 순환방식을 채택하여 Fig.3  에서 볼수 있듯이 주관이 ID 10.0 cm 이고 순환관 ID 6.0 cm 그리고 높이 150 cm 의 규격으로 아크릴관을 이용하여 제작하였다. 또한 흐름영역 전이를 관찰하기 위하여 사용된 슬러리 미세입자는 Glass Bead 를 선택하였는데 기포의 합체를 야기하면서 기체에 의한 완전현탁(Complete Suspension)이 가능한 평균입경 100 □ 의 입자를 입자농도 3, 6, 9 vol% 로 첨가하였고 기포분쇄입자는 전에 발표된 본연구자의 보문에 의거하여 효율이 가장 우수한 재질이 세라믹(Ceramic)인 Hollow Cylindrical 입자를 2,3,4 wt% 의 농도로 주입하여 기포분쇄시의 영역전이를 관찰 하였다.

한편 유동화 에너지를 공급하는 기체로는 공기를 사용하였는데 공기압축기에서부터 압력조절장치를 통과한 기체를 조건별 일정유속으로 조절하면서 장치내에 공급 하였다.  한편 일정온도로 유지시킨 Tap water 를 액상으로 선택 하였고 기-액접촉면적의 증감과 평균기포크기는 층팽창높이(Bed Expansion Height) 측정과 Sauter 평균기포경의 상관관계를 이용하여 산출하였다. 관벽에 설치된 압력측정 tap으로부터 국부 기체체류량(Local Gas Holdup)의 변화를 산출하였으며 슬러리의 유속은 거시적에너지 수지식에 의거 수치모사로서 계산하였다.

기포탑의 흐름영역은 Dispersed Bubbly 흐름에서부터 기포의 합체가 지배적인 Slugging 흐름 영역에 속하도록 주탑의 크기를 기준으로 공탑속도 0∼10 cm/sec 까지 변화시켰다. 슬러리의 순환현상을 관찰하기 위하여 추적자주입법을 이용하여 RTD 곡선을 A/D converter 로 처리한 다음 PC 에 전산입력 처리 하였다.

결과 및 고찰

본 연구에서 실시된 장치내 다상류 흐름은 Fig.1 에 의하면 Dispersed Bubbly 흐름에서 Slug 흐름까지(영역 AA, AC, AD) 다양하게 속하고 있으나 기-액 이상류 보다 미세슬러리입자를 첨가한 삼상류의 경우 Bubbly 흐름에서 전이영역을 거쳐 Slug 흐름영역으로 진입하는 기체속도가 감소되는 것으로 나타나 미세입자에 의한 기포합체 현상이 흐름영역의 전이를 전반적으로 촉진시킴을 알 수 있었다.  또한 이와 같은 흐름영역 전이는 슬러리입자의 농도가 증가할수록 더욱 진행됨을 알 수 있었다.

한편 Fig.2 는 Drift Flux 와 기체체류량과의 관계를 이용하여 흐름영역을 나타낸 그림이며 이때의 Drift Flux , VGL 는 다음과 같이 표현할 수 있다.

[eqn: V_GL = {[(1-epsilon_G )/epsilon_L}]{(U_G epsilon_L - U_L epsilon_G ~)}]                           (1)

본실험의 경우에는 슬러리농도가 높을 경우 Transition영역(그림의 BB하단부)에 위치하다가 기포가 분쇄되면서 Dispersed Bubbly 흐름영역(그림의 BC 영역)쪽으로 이동하였다.  이는 기포분쇄시 주관과 순환관 사이의 기체체류량 차의 감소로 인한 슬러리유속의 감소와 기체체류량의 증가로 인하여 발생되는 현상으로 해석할 수 있다. 즉, 동일한 슬러리입경과 농도조건에서 기포분쇄에 의한 슬러리유속과 기체체류량의 변화가 흐름영역의 전이를 유도하며 본연구의 경우 대부분 BC 영역으로의 전이를 나타내었다.   결국 슬러리상의 기포분쇄입자는 흐름영역을 미세입자로 인한 Transition 영역이나 Coalesced Bubbly 흐름영역에서 Dispersed Bubbly 영역으로 전이시킨다고 할수 있겠다.

한편 기포분쇄입자를 첨가하였을 때 기-액물질이동속도는 전술한 것처럼 흐름영역이 Coalesced Bubbly에서 Dispersed Bubbly 조건으로 전이 될 때에 높은 값을 나타내어 기체로 물질을 공급하거나 탈거(destripping)하는 물질이동장치로서의 효율이 높아짐을 확인할 수 있었다.

이처럼 기-액물질이동이 중요한 접촉장치(Contactor)의 경우 기포가 작은 크기로 분쇄 되는 것이 기-액접촉면적의 증가를 초래하므로 유리하나 체류시간분포곡선으로 산출한 액상혼합시간을 보면 Slugging 흐름과 비교할 때 Dispersed Bubbly 흐름영역으로 이동시 액상혼합시간이 증가되어 교반  혼합조(Homogenizer)로서의 장치효율은 감소하게 된다.  즉, 기포크기 증가로 전이영역을 지나 Slug 흐름영역으로 접근 할수록 액상내 난류형성으로 혼합효과가 제고된다고 할수 있겠다.  기포크기에 의한 다상반응기의 혼합도와 물질이동속도의 상반되는 경향이 장치성능을 결정하게 되는 것이다.

결   론

슬러리가 기포교반에 의하여 유동화되는 삼상슬러리기포탑의 장치성능을 혼합과 물질이동효율 측면에서 Drift Flux Approach method 에 의거한 흐름영역과 상관시켰으며 특히 기포합체를 방지하기 위한 기포분쇄물질 첨가시에 흐름영역의 이동을 두가지 효율 측면에서 비교분석하여 다상반응기로서의 삼상슬러리장치의 설계조건을 제시하였다.

REFERENCES

1. Rehm, H.J. & Reed, G. : "Biotechnology - Measuring, Modelling &

Control", 2nd ed.,VCH, (1991).

2. Fan,L.S.: "Gas-Liquid-Solid Fluidization Engineering", Butter-

worths, (1989).

3. Park,C.J. : Proceedings of '97 KIChE Spring Meeting, 3, 1(1997).

15 10 UG (cm/s) 5 0	AB Slugging Flow Coalesced Bubbly Regime Flow Regime AA (Heterogeneous) Experimental Conditions AC Transition Regime Dispersed Bubbly Flow AD Regime (Homogeneous)
	0 5 10 20 50 100

Column diameter (cm) (mm/s)

Fig.1. Flow Regime Chart Based on Ug & Column diameter

60 50 40 VD (mm/s) 20 10	Coalesced Bubbly Transition Regime Flow Regime BB BA Experimental Conditions BC Dispersed Bubbly Flow Regime
	0 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30

ID 6.0		Turbulent Mixing Regime
Downward Slurry Flow ↓↓	←	Upward Slurry Flow ( Main Flow Regime ) ↑↑
		ID 10.0
	→
Height	150.0	GAS ↑

[eqn: epsilon_G]

Fig.2. Drift Flux of Gas vs Gas Holdup with Flow Regime       Fig.3. Three Phase Slurry Flow System