기체유동층에서 슬러그특성 및 난류유동층 전이유속

이 우 진, 류 호 정, 고 상 진, 김 태 우, 최 정 후, 김 상 돈*

건국대학교 화학공학과

*한국과학기술원 화학공학과

Slug Properties and Transition Velocity to Turbulent Fluidization

in a Gas Fluidized Bed

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

Department of Chemical Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701

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

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.  기포유동층 또는 슬러깅 유동층에서 유속이 계속적으로 증가하면 기포 또는 슬러그가 분쇄되어 작은 기포 또는 공극(void)이 되는 현상을 보이는데, 이 유속을 난류유동층 전이유속(Uc)으로 정의한다.

지금까지 여러 연구자들에 의해 최소슬러깅속도(Ums), 슬러그 빈도(fs), 슬러그 길이(Ls), 슬러그 상승속도(Us)등의 슬러그특성에 미치는 유속, 층직경, 입자크기, 입자밀도 등의 영향에 대한 연구가 진행되어 왔으며, 난류유동층 전이유속에 미치는 층직경, 입자크기, 입자밀도, 온도, 압력, 입도분포, 입자구형도 등의 영향에 대한 연구가 진행되어 왔다.  그러나 슬러그특성에 미치는 분산판으로부터의 높이영향에 대해서는 보고가 제한적이거나 서로 다른 결과가 보고된 바 있고, 난류유동층 전이유속에 대한 층직경의 영향에 대해서도 서로 다른 결과가 보고된 바 있으며 분산판으로부터의 높이변화에 따른 Uc의 변화에 대한 보고는 매우 제한되어 있다.  따라서 슬러그특성과 난류유동층 전이유속에 미치는 여러 변수들의 영향을 보다 분명하게 고려하기 위해서는 넓은 실험범위에서 보다 광범위한 연구를 통한 확인 및 실험자료의 축적이 필요한 실정이다.  또한 슬러그특성과 난류유동층 전이유속에 대한 기존의 연구들은 제한적인 실험범위에서 이루어져 왔으며 슬러깅영역에서 난류유동층으로 전이되는 경우에 슬러그빈도, 슬러그크기, 슬러그상승속도등의 수력학특성 변화에 대한 고찰이 부족한 실정이다.

본 연구에서는 기포유동층영역에서부터 난류유동층영역까지의 실험범위에서 흐름영역의 전이유속과 각 흐름영역에서의 수력학특성을 고찰하기 위하여 층물질로 FCC와 모래를 사용하여 입자특성, 유속(U), 층직경(Dt), 분산판으로부터의 높이(H)를 변화시키면서 최소슬러깅속도, 슬러그 빈도, 슬러그 길이, 슬러그 상승속도, 난류유동층 전이유속을 측정 및 고찰하였다.

실험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 두 개의 유동층 실험장치를 나타내고 있다.  유동층 A는 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.  유동층 B는 직경 0.1m, 총높이 2.5m이며 내부흐름의 관찰이 가능하도록 아크릴 관으로 제작되었다.  분배기는 multi-tuyere 형으로 직경 20mm의 tuyere 4개에 각각 직경 3mm의 구멍 12개를 배치하였다.  두 유동층 모두 유동화기체로는 공기를 사용하였으며 plenum에 위치한 수평관으로 주입되도록 하였다.  각각의 유동층에는 유동층 내부의 압력요동을 측정하기 위하여 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 FCC와 모래의 대표적인 입도분포 및 물성을 나타낸다.  실험변수로는 입자특성, 유속, 층직경, 측정지점의 높이를 변화시켰으며, 측정된 압력신호를 이용하여 최소슬러깅속도, 슬러그 빈도, 슬러그 길이, 슬러그 상승속도, 난류유동층 전이유속을 결정하였다.

1. air compressor 2. pressure regulator 3. valve 4. mass flowmeter 5. fluidized bed 6. cyclone 7. sparger 8. pressure gauge 9. let-down valve 10. bag filter 11. data logger 12. DP transducer 13. A/D converter 14. PC	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. DP transducer 11. A/D converter 12. PC 13. data logger

Fluidized bed A                         Fluidized bed B

Fig. 1 Experimental apparatus.

Table 1. Sieve analysis and properties of particles

Sieve size Particle	-600 +425	-425 +300	-300 +212	-212 +150	-150 +106	-106 +75	-75 +53	-53 +0	[eqn: rm bar d_p] [mm]	□p [kg/m3]	Geldart group
Sand	0.150	0.432	0.302	0.065	0.034	0.015	0.002	0.000	0.286	2651	B
FCC	0.000	0.000	0.002	0.026	0.246	0.493	0.184	0.049	0.082	1600	A

결과 및 고찰

주어진 실험조건에서 측정된 압력신호를 이용하여 최소슬러깅속도, 슬러그특성 및 난류유동층 전이유속을 해석하였으며 압력신호의 해석방법은 기존의 보고[1, 2]와 동일한 방법을 사용하였다.

1. 최소슬러깅속도(minimum slugging velocity, Ums)

Fig. 2는 FCC 입자를 사용하여 층직경 0.1m, 최소유동화상태의 층높이(Hmf) 0.85m, 분산판으로부터의 높이 0.35-0.40, 0.45-0.50m에서 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 증가에 따라 기포빈도가 증가하고, 계속적으로 유속의 증가하면 기포의 합체가 활발히 일어나 슬러그가 형성되며, 슬러그의 합체에 의한 크기증가로 인해 슬러깅 영역에서는 슬러그빈도가 감소하기 때문으로 사료되었다.  기존의 보고[3, 4]와 유사하게 기포 또는 슬러그 빈도가 최대점을 보이는 유속을 최소슬러깅속도(Ums)로 결정하였다.

Fig. 3은 입자특성, Dt, Hmf 및 H의 변화에 따른 Ums의 변화를 나타내고 있다.

각각의 입자와 층직경에서, 분산판으로부터의 높이가 증가함에 따라 기포크기가 증가하여 낮은 유속에서 슬러그가 형성되므로 측정위치가 증가함에 따라 Ums가 감소하였으며 층직경이 증가함에 따라 Ums가 증가하는 일반적인 경향을 나타내었다.  또한 측정된 Ums는 Hmf가 증가함에 따라 증가하였다.  FCC와 모래의 Ums를 비교하면 층직경 0.055m의 경우에는 FCC와 모래입자의 최소슬러깅속도 차이가 적었으며 층직경 0.1m의 경우에 FCC의 최소슬러깅속도가 모래의 최소슬러깅속도에 비해 크게 나타났는데 이와 같이 입자밀도와 입자크기가 작은 FCC 입자의 최소슬러깅속도가 모래의 경우와 유사하거나 더 크게 나타나는 것은 Geldart 분류 A 입자계의 경우 기포의 분쇄에 의해 Geldart 분류 B 입자계에 비해 기포크기가 작기 때문으로 사료되었다.

Fig. 2 Determination of Ums.          Fig. 3 Variation of measured Ums.

2. 난류유동층 전이유속(Uc)

Fig. 4는 FCC 입자에 대해 층직경 0.055m에서 차압형 압력변환기를 분산판으로부터 0.025m와 1.945m 높이에 연결하여 유속변화에 따른 유동층 전체의 압력요동을 측정하여 계산한 정규화된 표준편차(normalized standard deviation)의 변화를 나타내고 있다.  기존의 보고와 마찬가지로 유속이 증가함에 따라 최대점을 보인 후 감소하는 경향을 보였으며 최대점을 보이는 유속을 Uc로 결정하였다.

Fig. 5는 FCC 입자에 대하여 층직경과 분산판으로부터의 높이변화에 따라 측정된 난류유동층 전이유속 변화를 나타내고 있다.  분산판으로부터의 높이가 증가함에 따라 기포크기가 증가하여 최대안정기포크기(maximum stable bubble diameter)에 빨리 도달하여 더 낮은 유속에서도 기포 또는 슬러그가 분쇄될 수 있으므로 높이증가에 따라 난류유동층 전이유속이 감소하였다.  한편 난류유동층 전이유속에 미치는 층직경의 영향은 작은 것으로 나타났다.

3. 난류유동층 전이유속에서의 수력학특성

기존 보고들에 의하면 난류유동층 전이유속에서 기포 또는 슬러그가 분쇄되어 작은 기포 또는 공극(void)이 되는 것으로 보고되고 있다.  본 연구에서도 난류유동층 전이유속 이상에서 슬러그가 분쇄되는 현상을 시각적으로 관찰할 수 있었다.  Fig. 6과 Fig. 7은 슬러깅영역과 난류유동층영역에서 슬러그빈도(fs)와 슬러그길이(Ls), 슬러그 상승속도(Us)를 비교하여 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 fs는 슬러깅영역에서는 유속증가에 따라 감소하였으나 난류유동층영역에서는 유속이 증가함에 따라 슬러그의 분쇄에 의해 증가하였으며 Ls와 Us는 슬러깅영역에서는 유속이 증가함에 따라 증가하였으나 난류유동층영역에서는 슬러그의 분쇄에 의해 감소하는 경향을 나타내었다.

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

Fig. 6 Variation of measured fs.      Fig. 7 Variation of measured Ls & Us.

참고문헌

1. Ryu H. J., Choi, J. H., Kim, S. D., Son, J. E., Shun, D. W. and Lee, C. K.:  Theory and Application of Chem. Eng. 3(2), 2921(1997).

2. Ryu, H. J., Lee, W. J. and Choi, J. H.: Theory and Application of Chem. Eng. 4(2), 2861(1998).

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

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