분무증발법을 이용한 폐수처리 반응기 설계 최적화를

위한 분무특성 Simulation

박정희·함승주·김우식

연세대학교 공과대학 화학공학과

The design of spray drying wastewater

treatment process using CFD

Chung-Hee Park·Seung-Joo Haam·Woo-Sik Kim

Dept. of Chemical Engineering, College of Engineering, Yonsei Univ.

서론

현재 산업폐수 중 고농도 유기계 또는 무기계 폐수는 일반적인 물리 화학적인 방법이나 생물학적인 방법으로는 처리가 곤란하고, 습식산화(Wet Oxidation Process) 또는 증발농축법에 의해서 처리되고 있지만 처리 가능한 적용대상이 제한적이며 열교환기 등 장치 내부의 폐쇄 현상, 열에너지의 효율적 이용 등 여러 가지 문제점을 가지고 있다[1].

분무증발법에 의한 고농도 폐수처리기술은 고농도 폐수를 배출하는 전 산업분야에 제한없이 적용이 가능하고 저온에서 처리하기 때문에 고온 소각법이나 증발농축법에 비해서 월등하게 경제적인 처리방법이 될 것으로 예상된다. 여기서는 분무증발법을 이용한 반응기 설계의 최적화를 위한 Simulation을 Fluent/Uns 4.2를 이용하여 수행하였으며 Simulation에 필요한 data는 실험을 통하여 얻은 값을 입력하였다. 그리고 Dryer 내부에서 와류 발생을 억제하기 위해 Baffle을 장착한  반응기의 Simulation을 수행하였다.

이론

1) Turbulence Model of the simulation

본 연구에서는 Jones와 Launder에 의해서 제안된 Standard k-□model을 적용하였다. 이 모델에서 Turbulence의 효과는 turbulent kinetic energy(k)와 dissip- ation rate(□)에서 계산된 □eddy"나 □turbulent" viscosity에 의해서 표현된다[2].

2) 적용 방정식

- Continuous Phase(Air, Eulerian mode): 3차원 cylinderical coordinates           에서 Continuity Equation : [eqn: r {partial rho} over {partial t} = - ( {partial (r rho v_r )} over {partial r} + {partial (rho v_theta )} over {partial theta} + r{ PARTIAL (rho v_z )} over {partial z})]

Equation of Motion : [eqn: { PARTIAL ( rho v_z )} over {partial t} = - [DEL ·rho bar v ` bar v ] -[ del ·bar tau ] + { partial p} over {partial z} - del p]

- Discrete Phase(Droplet, Lagrangian mode) : 3차원 cylinderical coordinates      에서 Continuity Equation : [eqn: {D rho} over {D t} = - rho ( DEL ·bar v )]

Equation of Motion :

[eqn: rho ({ PARTIAL v_z} over {partial t} + v_r { PARTIAL v_z} over {partial r} + v_ theta over r { PARTIAL v_z} over {partial theta} + v_z { PARTIAL v_z} over {partial z} ) = -{ partial p} over {partial z} - ( 1 over r {partial (rv_r )} over {partial r} + 1 over r {partial tau _{theta z}} over {partial theta} + { PARTIAL tau_{zz}} over {partial z}) + rho g_z]         [eqn: rho {D v_z} over Dt = -{ partial p} over {partial z} - ( 1 over r {partial (rv_r )} over {partial r} + 1 over r {partial tau _{theta z}} over {partial theta} + { PARTIAL tau_{zz}} over {partial z}) + rho g_z]

3) Geometry and Computational grid of the spray dryer

반응기의 형태는 Fig 1.과 같다. Hot Gas Inlet에서 뜨거운 공기가 들어가고 Wet Gas Outlet 부분에서 증발과정을 거친 공기가 빠져나온다.

Grid는 Fig 1.과 같이 속도가 빠른 부분은 계산이 충분히 이루어져야 하므로 Grid size를 작게 하였으며 상대적으로 속도가 느린 반응기의 중간부분은 Grid size를 크게 하였다.

3) SMD(sauter's mean diameter) : 액적군의 총 체적에 대한 총 표면적이 비, 즉 분사된 액체가 주위 기체와 표면을 통해 접촉하기 위하여 얼마나 잘 미립화하였는가를 보여주는 척도이다[3].

[eqn: bar d_32 = {SUM (d^3 TRIANGLE n )} over {SUM (d^2 TRIANGLE n )}]   ----- (1)

d : 액적의 직경 , n : 액적의 수

실험

1) 노즐의 입경측정

노즐은 1/2 Inch Pneumatic nozzle (B1/4J-SS + SU42-316SS600, Spraying Systems Co., Korea)을 사용하였으며 액침법을 이용하여 측정하였다. 액침법은 유막(oil film)에 액적을 짧은 순간동안에 채집하는 방법이다. 사용될 유막의 특성은 spray할 물질이 녹아서는 안되며 채집한 액적들이 원래 입경을 변화시키지 않고 구형을 유지시키거나 액막 내에서 액적들이 움직이거나 합착 및 분열이 일어나지 않는 물질이어야 한다. 여기서 spray에 사용한 물질은 물이므로 윤활유를 사용하여 액적을 채집하였다. 채집한 액적은 카메라를 이용해 확대 촬영하고 이를 디지털 영상으로 바꾼 후 액적의 diameter를 측정하였으며 충분한 수의 액적의 diameter를 측정하여 SMD를 계산하였다.

2) 노즐의 분무각 측정

CCD 카메라로 촬영하여 그 각을 측정하였다. 분무각은 최외각을 재지 않고 분무유량을 고려한 각을 분무각으로 하였다.

3) simulation

- Simulation 1.

폐수의 처리 유량은 dryer의 경제성을 고려하여 1200 L/hr이상이 되어야 한다. 따라서 1/2 Inch Pneumatic nozzle (B1/4J-SS + SU42-316SS600, Spraying Systems Co., Korea)노즐을 Fig 1.의 노즐의 위치에 3개를 장착하여 Simulation하였다. 따라서 노즐 1개당 유량은 420 L/hr이며 그에 따른 수압은 2.8 kgf/cm2 ,공기압은 3.6 kgf/cm2이다.

. Hot Gas Inlet : 수분을 함유하지 않은 순수한 공기로 가정 온도 455K, 유속은 14.734 m/s이다.

. 노즐 1 : 분무되는 입자의 diameter와 분무각은 입경측정실험에서 얻어진 값을 입력하였으며 분무되는 물질은 물로 하였다. 노즐에서 분사되는 형태는 Cone형 분사형태로 설정하였으며 Streamline의 수는 20, 분무입자의 온도는 303K이며 Total Flow Rate는 0.116667 kg/s 이다. 노즐 2와 3의 경우도 노즐 1의 조건과 같이 입력하였다.

- Simulation 2.

Fig 2.와 같이 반응기 내부에 Baffle을 달고 Simulation 1.과 같은 조건으로 Simulation하였다.

결과 및 토론

1) 노즐의 분무각의 측정결과 28。였으며 Fig 3.에 나타내었다.

2) 액적의 diameter는 500여개의 입자를 Sampling하였으며 분포곡선은 Fig 4.에 나타내었으며 액침법에 의해 촬영된 액적의 사진은 Fig 5.에 나타내었다. 식 (1)에 의하여 계산한 결과 SMD는 183.43□m가 나왔다.

3) 위의 data를 이용하여 simulation한 결과 baffle을 장착하지 않은 Simulation 1.의 경우 증발율은 78.12%가 나왔으며 내부유동 결과를 Fig 6.에 나타내었다. Hot Gas Inlet부분에서 와류가 발생하여 그 부분에서 반응기에 스케일링현상의 우려가 있다.

4) 같은 조건에서 Fig 2.와 같이 baffle을 장착한 Simulation 2의 경우에는 Simulation 1과 같이 와류가 발생하지 않고 바로 증발을 거친 후 반응기를 빠져나가게 되며 증발율은 77.73%로 Simulation 1과 큰 차이가 없었으며 내부 유동결과를 Fig 7.에 나타었다.

5) 100%에 가까운 증발율을 얻기 위해서는 Hot gas의 온도를 높이거나 분무유량을 줄여야 할 것으로 생각된다.

Fig 4. Distribution of the droplet size

6) 본 연구에서는 액적의 diameter를 SMD값을 대표값으로 입력하여 Simulation하였다. 그러나 좀더 정확한 Simulation을 위해서는 액적의 분포에 따른 Simulation이 필요하리라 생각되며 현재 수행중에 있다.

Fig 5. picture of droplets

Fig 6. Simulation 1.

Fig 7. Simulation 2

참고문헌

1. 산업폐수처리공학, 임재명/신항식/정재춘, 신광문화사(1996)

2. Flunet/Uns & Rampant 4.2 User's Guide Volume 2, First Edition,(1997)

3. 액체의 미립화, 이상용, 민음사, 서울(1996)

4. Comparison of superheated steam and air operated spray dryers using        computational fluid dynamics., A. Frydman et al., Drying technology,          16(7), 1305-1338(1998)

5. Master, K., Spray drying handbook, Halstread Press(1985)

6. Handbook of industrial drying, Arun S. Mujumdar,

Marcel Dekker, Inc(1988)