가압 기체유동층에서 수력학 특성

이 우 진, 류 호 정, 고 상 진, 김 태 우, 최 정 후

건국대학교 화학공학과

Hydrodynamics in a Pressurized Gas-Fluidized Bed

W. J. Lee, H. J. Ryu, S. J. Ko, T. W. Kim, J. H. Choi

Department of Chemical Engineering, Konkuk 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 하며, 유속이 계속적으로 증가하는 층 전체에 걸쳐 기포나 슬러그가 분쇄되어 작은 기포 또는 공극(void)이 되는 현상을 보이는데, 이 유속이 난류 유동층으로의 전이유속(transport velocity to turbulent fluidization, Uc)으로 정의 된다. 입자크기와 입자밀도가 작은 입자의 경우에는 대칭형의 axial slug가 형성되며, 입자크기와 입자밀도가 큰 Geldart분류 D 입자계의 경우에는 wall slug나 flat slug(square-nosed slug)가 형성된다. 한편 Geldart A 입자계의 경우에는 기포의 합체와 함께 분쇄가 일어나므로 일반적으로 슬러깅이 일어나지 않는 것으로 보고되어 왔다[1].

지금까지 여러 연구자들에 의해 최소슬러깅속도(Ums), 슬러그 빈도(fs), 슬러그 길이(Ls), 슬러그 상승속도(Us)등의 슬러그특성에 미치는 유속, 측정높이, 고정층높이, 층직경, 입자크기, 입자밀도, 온도 등의 영향에 대한 연구가 진행되어 왔다. 그러나 슬러그특성에 미치는 압력영향에 대해서는 보고가 제한적이고 Uc에 미치는 압력영향에 대해서는 그 결과가 미약하고 폭넓지 못해 보다 광범위한 연구를 통한 확인 및 실험자료의 축적이 필요한 실정이다.

본 연구에서는 최소유동층영역에서부터 난류유동층영역까지의 실험범위에서 흐름영역의 전이유속과 각 흐름영역에서의 수력학특성을 고찰하기 위하여 층물질로 FCC와 모래를 사용하여 입자특성, 유속(U), 압력(P), 측정높이(Hmea)를 변화시키면서 최소유동화속도, 최소슬러깅속도, 슬러그 빈도, 슬러그 길이, 슬러그 상승속도, 난류유동층으로의 전이유속을 측정 및 고찰하였다.

실험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 가압유동층 실험장치를 나타내고 있다. 직경 0.055m, 총높이 2.0m이며 스테인레스 스틸(SUS 304)로 제작되었다.  분배기는 직경 2mm의 구멍이 사각피치(rectangular pitch)로 52개 뚫려있는 다공판(perforated plate)을 사용하였다. 유동화기체로는 공기를 사용하였으며 공기압축기를 이용하여 regulator, filter를 거쳐 plenum에 위치한 수평관으로 주입되도록 하였다.  유동층 내부의 압력요동을 측정하기 위하여 압력점을 설치(분산판으로부터 0.025m 이상부터 0.1m 간격)하였으며 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.

각 압력점은 유동화 기체의 유출을 막기위해 Swazlok으로 처리되었고 편리한 탭의 위치변경을 위해 착탈식 커플링을 사용하였다. 유속은 배출라인의 let-down valve를 조절하여 MFM(질량유량계, Mass Flowmeter, Brooks Instrument. range: 0 ∼1000 slpm)과 Data loger(Molytek, Model 2702)를 통해 output signal range 0∼5V로 읽혀졌다. Table 1은 층물질로 사용된 FCC와 sand의 대표적인 입도분포 및 물성을 나타낸다.

결과 및 고찰

주어진 실험조건에서 측정된 압력신호를 이용하여 최소유동화속도, 최소슬러깅속도, 슬러그특성 및 난류유동층 전이유속을 해석하였으며 압력신호의 해석은 기존의 보고[2]와 동일한 방법을 사용하였다.

1. 최소유동화속도(minimum fluidizing velocity, Umf)

Fig. 2는 최소유동화속도의 결정방법을 나타낸다. 유속이 증가하면 층내 압력강하는 증가하다가 일정한 값을 나타내기 시작하는데 이때를 최소유동화속도로 결정하였다. Ergun[3]과 Wen과 Yu[4]식은 층내 압력이 증가함에 따라 최소유동화속도(minimum fluidizing velocity, Umf)가 감소하는 것으로 예측된다. 그러나 기존의 연구에 의하면 Umf에 대한 압력영향은 입자의 크기에 따라 다르게 나타나는데, Geldart A 입자의 경우 압력영향을 거의 받지 않고 Geldart B 입자의 경우에 감소정도가 작은 것으로 보고되었으며, Geldart D 입자의 경우 20bar까지 Umf가 급격히 감소하는 것으로 보고되었다[5]. Fig. 3은 본 연구에서 측정한 sand(Geldart B)의 압력증가에 따른 Umf변화를 나타내는데 압력이 증가하여도 Umf에는 큰 변화가 없었다.

Saxena와 Vogel[6]은 834kPa까지 가압시켜 Ergun식[3]에 따라 Umf가 감소한다고 보고하였고, Kawabata 등[7]은 2D bed에서 sand를 이용하여 800kPa까지 가압실험한 결과 역시 Umf가 감소함을 보고하였다.

2. 최소슬러깅속도(minimum slugging velocity, Ums)

Fig. 4는 유속이 증가함에 따라 기포 또는 슬러그의 빈도의 변화를 보여주고 있는데 유속이 증가함에 따라 기포 또는 슬러그의 빈도가 증가하여 최대점을 보인후 감소하는 경향을 나타내었으며 기포 또는 슬러그빈도가 거의 일정해지거나 감소하기 시작하는 유속을 최소슬러깅속도(Ums)로 결정하였다. Fig. 5는 압력, 입자특성의 변화에 따른 Ums의 변화를 나타내고 있다. Ums는 압력이 증가함에 따라 Geldart분류 B 입자계인 sand에서 큰 변화를 보이지 않았지만 약간의 감소경향이 나타났으며 Geldart분류 A 입자계인 FCC의 경우 본 연구에서는 압력이 증가함에 따라 Ums가 증가하였다.

3. 슬러그 특성

Fig. 6은 압력, 유속의 변화에 따른 FCC입자의 슬러그 길이(Ls)의 변화를 보여주고 있다. Cai 등[8]의 보고에 나타난 기포크기의 변화와 유사하게 낮은 유속에서는 압력이 증가할수록 슬러그 길이(Ls)가 증가하다가 감소하였고 높은 유속에서는 압력이 증가할수록 감소하는 것으로 나타났으며, 각 압력에서 유속이 증가함에 따라 Ls는 선형적으로 증가하였다.

4. 난류유동층 전이유속(Uc)

Fig. 7은 압력변화에 따른 모래입자의 난류유동층 전이유속(Uc)의 변화를 나타낸다. 유속이 증가함에 따라 유동층 내의 압력요동을 측정하여 계산한 평균진폭(mean amplitude)이 감소하기 시작하는 유속을 Uc로 결정하였다. 기존의 보고[9]와 유사하게 압력이 증가함에 따라 Uc가 감소였으며 측정높이가 증가함에 따라 감소하였다. 그러나 FCC의 경우에는 Fig. 6에서 보는바와 같이 압력이 증가하면 높은 유속에서 Lb 또는 Ls가 감소하므로 본 연구의 유속영역에서는 Uc가 나타나지 않았다.

Table 1. Sieve analysis and properties of

particles.

Materials Properties	Sand	FCC
Apparent density [kg/m3]	2622	1600
Bulk density [kg/m3]	1310	847
Voidage at minimum fluidizing condition [-]	0.50	0.47
Sphericity of particles [-]	0.62	0.87
Mean particle diameter [mm]	0.256	0.082
Geldart classification	B	A
Size distribution
Sieve size [□m]	Weight fraction [-]
-600+425	-	0.000
-425+300	-	0.000
-300+212	1.000	0.002
-212+150	-	0.026
-150+106	-	0.246
-106+ 75	-	0.493
- 75+ 53	-	0.184
- 53+ 0	-	0.049

1. air compressor  2. pressure regulator 3. valve 4. mass flowmeter 5. fluidized bed 6. cyclone 7. pressure gauge 8. let-down valve 9. bag filter 10. data logger 11. DP transducer 12. A/D converter 13. Analyzing computer

Fig. 1 Experimental apparatus.

Umf

Fig. 2 Determination of Umf.          Fig. 3 The effect of pressure on Umf.

Ums

Fig. 4 Determination of Ums and Uc          Fig. 5 Variation of measured Ums

Fig. 6 Variation of measured Ls or Lb      Fig. 7 The effect of pressure and

Hmea on Uc

참고문헌

1. Davidson, J. F., Clift, R. and Harrison, D.: Fluidization, Chapter 3, 2nd ed.,

Academic press, London, 122(1985).

2. Ryu, H. J., Lee, W. J. and Choi, J. H.: Theory and Application of Chem. Eng.

4(2), 2681(1998).

3. Ergun, S.: Chem. Eng. Prog. 48, 89(1952).

4. Wen, C. Y. and Yu, Y. H.: J. AIChE, 12, 610(1996).

5. Rowe, P. N.: Chem. Engng Sci, 39, 173-174(1984).

6. Saxena, S. C. and Vogel, G. J.: Trans Instn Chem. Engrs, 55, 184-189(1977).

7. Kawabata, J., Yumiyama, M., Tazaki, Y., Honma, S., Chiba, T., Sumiya, T. and,

Ehdo K.: J. Chem Engng Japan, 14, 85-89(1981).

8. Cai, P., Schiavetti, M., De Michele, G., Grazzini, G.C., Miccio, M.: Powder

Technology, 80, 99-109(1994).

9. Cai, P., Jin, Y., Yu, Z. Q., Wang, Z. W.: AIChE Symp. Ser., 85(270), 37(1989).