경사진 유동층에서 유동입자의 축방향 혼합 특성

김성훈, 조용준, 윤종성, 최길수, 고명한, 강 용, 김상돈*

충남대학교 화학공학과

한국과학기술원 화학공학과*

Axial Mixing Characteristics of Fluidized Particles

in Tapered Fluidized Beds

S.H. Kim, Y.J. Cho, J.S. Youn, K.S. Choi, M.H. Ko, Y. Kang and S.D. Kim*

Department of Chemical Engineering,

Chungnam National University, Taejon 305-764

*Department of Chemical Engineering, KAIST, Taejon 305-701

서 론

유동층은 고체가 담겨진 층 내에 분배기를 통해 기체를 연속적으로 주입하므로써 입자가 유동성을 띠게 하는 일종의 반응기로, 온도와 입자간의 균일한 분포, 입자를 통한 적은 확산저항, 반응 중에도 입자의 연속적인 조작, 높은 열전달 및 물질전달 계수, 높은 축방향 및 반경방향 혼합, 촉매 입자의 손실 감소로 인한 비용 절감 등 많은 장점을 가지고 있다.  이러한 유동층에서 고체 혼합연구는 수많은 물리, 화학적 공정을 설계하고 운전하는데 필수적이므로 유동층 내의 희박상과 조밀상 간의 물질 및 열전달을 결정하는 중요한 열쇠가 되고 있다.  그러나, 기존의 실린더형태의 고체 혼합에서 효율적인 운전을 하기 위해서는 고체 혼합기 내부에서 유동되는 고체 반응물의 크기가 일정하여야 하였다.  즉, 유동입자의 크기 분포가 넓으면 넓을수록 유동층 혼합공정 내부에 투입되는 공기의 양이나 유속 계산 등에 많은 어려움이 있었다[1-3].

따라서 본 연구에서는 기체와 고체의 접촉효율이 매우 좋은 경사진 유동층을 이용하였고, 서로 상이한 두 종류의 유동입자를 포함하는 경사진 유동층에서 축방향 혼합특성을 연구하기 위해 혼합지수를 사용하였다. 이 혼합특성을 결정하기 위해 공기 유량, 혼합시간, 측정높이 등의 변수로부터 floatsam 및 jetsam 입자의 최소유동화유량, 혼합시간 및 혼합정도 등을 결정하였다[4,5].

이 론

고체 입자의 혼합에 있어서, 혼합정도를 정의하는 일은 쉽지 않다.  두 가지 고체 입자가 전체적으로 균일하다고 할지라도 국부적으로는 균일하지 못하다.  그러므로 혼합상태를 정량적으로 표시하는 방법은 확률적 이론으로 가능하며, 이러한 방법은 혼합장치의 혼합성능을 표시할 수는 있으나, 혼합물의 혼합된 상태를 나타내는 성질에 의해서 표시되는 것이다.  혼합정도를 표시할 수 있는 모델은 혼합물에 필요한 물성과 관계 있는 항이 포함되어야 함은 물론이고 측정하기 쉬워야하며, 다양한 혼합 장치에 보편적으로 적용될 수 있어야 한다.  층 내에서 고체입자를 혼합할 때, 혼합된 물질의 일정량을 임의 시간에 채취하면, 그 시료내의 성분조성은 통계적으로 변하는데 이 통계학적 변량을 혼합도의 측정 정도로써 사용하였다.  층 내에 혼합물로부터 축방향으로 여러 군데에서 국부적으로 소량의 시료를 채취 분석하여 혼합의 효과를 정량적으로 표시할 수 있는 모델을 연구하였다.  따라서 본 실험에서는 혼합정도를 표시하는 방법으로 혼합지수(mixing index)를 사용하였다.

혼합물 내에 들어 있는 첨가물질 (tracer) 즉, flotsam의 총 혼합물 질량에 대한 평균농도 분율을 [eqn: barX`]라고 정의하고, 혼합된 층 내의 여러 부분에서 임의로 소량의 시료를 취하여, 각 시료를 분석한 다음 첨가물질의 농도분율 Xi를 측정할 수가 있다.

이때 임의의 시료채취 부분 (sampling port)에서 혼합지수 (IMi)를 다음과 같이 정의하였다.

[eqn: IM~ =~ IM_i~ =~ X_i ~~/~~bar{X}]	(1)

여기서 혼합지수 (IMi) 이 1이면 완전혼합, 0이면 완전 분리 상태를 의미한다.

유동입자의 분리 및 혼합에 있어서 상대적으로 밀도가 크거나 큰 입자는 아래로 가라앉고, 반대로 밀도가 낮거나 작은 입자는 위로 부상하는데 아래로 가라앉는 입자를 jetsam, 위로 부상하는 입자를 flotsam이라고 정의한다. 그러나 밀도가 크거나 큰 입자들만이 항상 아래로 가라앉는 것이 아니라 밀도가 낮거나 작은 입자간의 상대적인 양에 따라 위로 부상하기도 한다.

실 험

본 연구에 사용한 실험 장치를 Fig. 1에 나타내었다.  유동화에 사용된 bed는 높이가 각 1m인 스테인레스로 제작된 두 개의 칼럼으로 연결되어 있으며, 상부 칼럼은 내경이 0.102m인 경사지지 않은 관이며, 하부 칼럼은 입구 내경 0.029m에서 4.2°경사로 상부 칼럼으로 연결되어 있다.

시료채취를 위하여 공기 분배기로부터 0.2, 0.4, 0.6, 0.8 m인 지점에 0.013m 의 시료 채취구를 만들었으며, 시료 채취 중 층 내부에 있는 시료의 층 밖 누출 방지 및 운전 중 시료 채취를 위하여 볼벨브를 설치하였다.

경사유동층 내의 압력강하를 측정하기 위하여 공기 분배기로부터 0.4, 0.6 m 높이의 벽면에 0.013m 구멍을 뚫어 마노미터와 연결하였다.  이때 층 내 입자들이 마노미터로 유입되는 것을 방지하기 위하여 유동층 안쪽 벽면에 200mesh의 스크린을 부착하였다.  또한 비말동반되는 미세한 입자를 포집하기 위해 사이클론을 설치하였다.

본 연구에 사용한 기체 분배기의 노즐 크기는 5mm 로 하였으며, 사용한 압축공기는 15마력의 compressor를 사용하여 filter, regulator를 거쳐 gas rotameter로 기체 유량을 조절하여, 분배기를 통과해서 tapered fluidized bed로 유입되도록 하였다.

본 연구에 사용된 시료는 0.3 ∼ 1.0 mm 의 Glass Bead 5종류를 사용하였으며, 총 5kg의 시료를 사용하였고, 이중 floatsam은 30%, jetsam은 70%로 하여 실험하였으며, 유동입자는 초기에 jetsam은 하부에, floatsam은 상부에 투여한 후 혼합특성을 살펴보았다.  그리고 사용한 유량은 과잉유량(Q-Qmf)으로 1∼8 m3/h의 범위에서 실험하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 유입되는 기체의 유량 변화에 따른 경사유동층에서 최소유동화유량 및 압력차의 변화를 나타낸 것이다.  Fig. 2에서 볼 수 있듯이, 경사유동층에서 유동입자에 따른 최소유동화유량은 각 입자의 최대점에서 결정하였고, 이 최대점에서 유동화되기 시작함을 알 수 있었다. 또한 입자가 유동화된 이후에 압력의 변동의 크기가 커짐을 알 수 있었다.  이는 일반적인 유동층 장치가 아닌 경사진(tapered) 유동층 장치의 특성상 층 하부와 상부의 단면적 차이가 크기 때문에 유동화가 이루어진 이후의 층 내부 압력변동은 매우 큰 변화를 나타내고 있음을 단적으로 나타낸다고 할 수 있다.

Fig. 3 는 시간의 변화에 따른 혼합지수(mixing index)의 변화 즉, 혼합정도를 나타낸 것이다.  Fig. 3에서 볼 수 있듯이, 혼합이 일어나기 전의 초기 상태에서 일정 시간이 지남에 따라 혼합이 되어지는 정도를 볼 수 있는데, 약 35초 후에 혼합이 거의 완료되어 그 이상의 시간이 지나더라도 층 내의 혼합정도의 변화가 거의 없는 것을 알 수 있었다.

Fig. 4는 시료채취구의 높이가 0.4m이고 입자가 0.5mm 70% : 0.3mm 30%, 0.6mm 70% : 0.3mm 30%, 0.7mm 70% : 0.5mm 30%, 1.0mm 70% : 0.7mm 30% 의 경우를 나타낸 것으로, 과잉유량의 증가에 따라 혼합지수(IM)이 증가하는 것을 볼 수 있는데, jetsam과 floatsam 각각의 크기가 작을수록 완전 혼합, 즉, 혼합지수가 1로 수렴하는데 더 작은 유량과 더 높은 혼합효율을 얻을 수 있음을 알 수 있었다.  또한, floatsam의 크기가 일정할 경우, jetsam입자의 크기가 작은 경우에 더욱 원활한 혼합이 이루어짐을 볼 수 있는데, 이는 입자의 크기가 작은 경우에 혼합을 더욱 촉진시키는 입자의 수직운동이 더욱 원활히 발생하기 때문임을 알 수 있었다.

결론

본 연구의 결과, 경사유동층에서 최소유동화유량 후의 압력변화는 유량이 증가할수록 계속 커지고 있음을 알 수 있었다.  floatsam 과 jetsam의 크기 차이가 클수록 혼합에 걸리는 시간이 커졌고, 혼합의 정도가 작아짐을 알 수 있었다.  또한, 층 상부에서 보다는 하부에서 보다 더 활발한 혼합을 보이며, 고체 입자의 크기가 작을수록 낮은 유량에서 혼합이 이루어짐을 알 수 있었다.

참고문헌

1. Kwant G., Prins W., and van	Swaaij W.P.M. : Powder	Technology, 82, 279(1995).

2. Webster G.H. and Perona J.J. :	AIChE J. 34, 1398(1988)

3. Geldart D.  : Powder Technology,	7, 285(1973).

4. Wen, C.Y. and Yu, Y.H. : Chem.	Eng. Progr. Symp. Ser., 62, No	62,100(1966)

5. Rowe, P.N. and Nienow, A.W. :	Chem. Eng. Sci., 30, 1365(1975)

Fig. 2. Relations between pressure drop and gas flow rate in the bed.

Fig. 3. Effects of mixing time on local mixing index in the bed

(0.6mm 70% : 0.3mm 30%).

Fig. 4. Effects of gas flow rate on mixing index in the bed

(0.5mm 70% : 0.3mm 30%, 0.6mm 70% : 0.3mm 30%,

0.7mm 70% : 0.5mm 30%, 1.0mm 70% : 0.7mm 30%).