고온·고압의 기포유동층에서 기체의 RTD 및 혼합 특성

김지민, 한귀영, 조성호*,이창근*

성균관대학교 화학공학과

한국에너지기술연구소*

A Study of RTD and Gas Mixing in a Bubbling Fluidized Bed

at high Temperature and high Pressure

Jimin Kim, Gui Young Han, Sung Ho Cho*, Chang Keun Yi*

Dept. of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, 440-746

Korea Institute of Energy Research, Taejeon, 305-343*

1. 서론

석탄가스를 기존의 습식방법이 아닌 고온에서 바로 정제하여 현열까지 에너지로 이용하는 방법을 모색하면서 고온건식 탈황기술에 관한 연구가 시작되었다.   고온건식 탈황법은 고체상의 탈황제에 고온고압의 석탄가스가 접촉했을 때 선택적으로 H2S와 COS를 흡수, 제거하는 방식이다. 고온건식탈황을 위한 공정에서 유동층 고온건식공정은 재생탑의 결렬한 발열특성을 해결할 수 있으므로 주목을 받고 있다.

고온·고압의 유동층 반응기에 대한 성능실험으로 기체-고체간의 접촉 또는 혼합효율을 간접적으로 예측할 수 있는 수단은 기체의 체류시간분포(Residence Time distribution : RTD) 실험이다. 본 연구에서는 고온·고압의 유동층 반응기의 성능평가에 기초가 되는 기체의 RTD를 실험적으로 구하고, 유동층의 온도와 압력에 따른 축방향 입자의 농도분포와 기체의 RTD 자료의 상관관계를 알아보고자 한다. 또한, RTD 자료의 통계적 처리를 통하여 반응기 모사식에 사용되는 기체의 axial dispersion coefficient를 계산하고자 한다.

2. 실험

Table 1. Physical properties of particle

Particle name	EZ2
Mean size(□m)	123
Bulk density(kg/m3)	1061
Particle density(kg/m3)	1847

본 실험은 한국에너지기술 연구소에 설치되어 있는 bench scale의 기포유동층 장치를 이용하여 실험을 수행하였으며, 개략도는 Fig. 1 와 같다. 각각의 가스는 질량흐름 조절계(mass flow controller)에서 정량되어 가스 혼합기에서 혼합된 후 스팀  발생기에서 공급되는 스팀과 함께 가스예열기로 보내진다. 가스 예열기에서 약 400 ℃까지 예열된 후 반응기 하부로 유입된다. 유동층 반응기는 내경 10   cm, 높이 1.2 m 이다. 반응기는 4 개의 PID 자동   온도조절 히터에 의해 원하는 온도를 유지하도록   하였다. 반응기 내의 압력은 배기 가스관에 설치된   압력조절밸브에 의해서 조절된다. 배출 가스의 성   분분석은 H2S, SO2, H2 가스분석기에 의해서 연속   적으로 이루어진다. Tracer gas로는 수소를 사용하였으며, 실험에 사용한 입자로는 에너지기술 연구소에서 제조한 EZ2 탈황제를 사용하였으며 물리적 성질은 Table 1에 나타내었다. 실험시 유동층의 층높이는 분산판으로부터 40 cm 이었으며 tracer gas 는 분산판으로부터 10 cm 위에서 injection 하였다. 조업온도는 25, 200, 400, 600 ℃ 이었으며, 조업압력은 1, 2, 4, 5 atm 이었으며, 유속은 3, 5, 7 cm/s 로서 Umf의 5 - 10 배 범위였다.

Fig. 1. Schematic diagram of bubbling fluidized bed

experimental facility.

3. 결과 및 토론

Tracer 주입구 전과 검출부 후에는 분산이 일어나지 않는 Danckwerts(1953)의 닫힌 경계조건으로 실험을 수행하였다. 따라서 이 조건에 맞는 모델식을 이용하여 실험으로부터 얻은 tracer gas의 체류시간분포의 분산과 축방향분산(axial dispersion, Da)과의 관계를 결정 지어 Peclet 수를 구하였으며, Peclet 수로부터 Hepbasli(1998)가 제안한 식 (1)의 층 높이 변화 관계식으로부터 공극율을 예측하여 축방향분산(axial dispersion, Da) 값을 구할 수 있었다.

[eqn: R= { H} over { { H}^{* } } =0.5482 { d}`_{p } ^{-0.129 } {LEFT ( { U}_{g }- { U}_{mf } RIGHT ) }^{ 0.111}]                                      (1)

본 연구에서는 Peclet 수와 축방향분산 값으로부터 유동화 기체의 유속, 압력, 온도의 변화에 따른 기체 혼합 영향을 확인하였다.

분산계수에 대한 유동화 기체 유속의 영향을 알아보기 위하여 일정한 온도와 압력에서 유속의 변화에 따른 RTD 곡선을 구하였으며 Fig. 2에 나타내었다. Fig. 2에서 나타나는 특징으로는 유속이 증가함예 따라 C(t) 곡선이 더 좁아지며 날카로운 형태를 나타내고 있다. 즉, 기체의 유속이 증가할수록 체류시간과 분산이 감소하는 경향을 나타내고 있으며 이러한 경향은 Yates et al.(1973)의 실험 결과와 일치하고 있다. 반응기의 압력이 기체의 혼합에 어떠한 영향을 미치는지를 확인하기 위하여 일정한 온도와 유속에서 압력의 변화에 따른 RTD 곡선을 구하였으며 Fig. 3에 나타내었다. Fig. 3에서 보여지는 경향은 압력이 증가함에 따라 기체의 평균체류시간과 분산이 커짐을 나타내고 있다. 이러한 이유는 압력이 증가함에 따라 안정한 bubble의 크기가 작아지고, 개수가 증가하여 고체와 기체의 혼합이 증가하게 되므로 이러한 경향이 나타난다고                                       판단된다. 동일한 유속과 압력에서 온도의 변화에 따른 C(t) 곡선을 Fig. 4에 나타내었다. 온도가 증가함에 따라 기체의 체류시간과 분산이 커짐을 보이고 있는데, 이는 온도가 증가하게 되면 bubble의 밀도와 점도에 영향을 미치게 되어 bubble의 밀도는 감소하고 점도는 증가하게 된다. 이로 인하여 온도가 낮을 경우보다 상대적으로 bubble의 성장하기 어려우며, 따라서 bubble의 크기는 작아지게 된다. 이러한 이유로 고체와 기체의 혼합이 증가하게 되므로 체류시간과 분산이 증가하게 되는 것이다. 위에서 얻은 RTD 곡선으로부터 Peclet 수를 구하였으며 Fig. 5에 나타내었다. Peclet 수는 압력이 증가함에 따라 감소되며, 유속이 증가함에 따라 증가되는 것을 알 수 있다. 즉, 유속이 증가함에 따라 흐름에 의한 전달속도가 증가하여 Peclet 수가 증가하게 된다. 압력이 증가하게 되면 bubble의 크기가 작아짐에 따라 고체와 기체의 고른 접촉이 증가하게 되어 입자의 운동에 의한 기체의 back mixing이 증가되어 Peclet 수가 감소하는 것이다. 고온에서 유동층 반응기가 조업되는 경우 온도가 증가함에 따라 Peclet 수가 감소함을 보이고 있다. 이는 온도가 증가하게 되면 bubble의 밀도가 감소하고 점도가 증가함에 따라 bubble의 크기가 작아지게 되어 고체와 기체의 접촉효율이 증가하게 되어 기체의 체류시간이 길어지며, 따라서 Peclet 수가 감소하게 되는 것이다. Peclet 수로부터 압력과 온도에 대한 축방향분산 값을 구하였으며, 이를 Fig. 6에 나타내었다. 유동화 기체의 유속, 압력, 온도가 증가함에 따라 축방향분산값은 증가됨을 보이고 있는데, 이는 위와 동일한 이유로 고체와 기체의 접촉 효율이 증가하였기 때문이다. 본 연구의 축방향분산 값은 상온 상압에서 0.003 - 0.007 m2/s의 값을 보이고 있다. 이는 Schurerl(1967), Zuiderweg(1967), Baerns et al.(1963), Hiraki et al.(1968/69)의 실험 결과와 비교하여 보았을 때 실험조건을 고려하여 보면 축방향분산 값이 유사한 값을 나타낸다. 위 연구자들이 사용한 입자는 각각 크기가 다른 glass beads, sand, catalyst를 사용하였다. 즉, 입자의 물리적 성질은 기체의 축방향분산 계수에 그다지 영향을 미치지 않는다고 볼 수 있다. 축방향분산 값에 대한 유속의 영향을 없애기 위하여 상온 상압의 경우 Da/Ug에 대한 값을 구하여 Maria(1962), Gilliland (1952)의 실험결과와 비교하여 보았더니 본 실험의 값보다 0.3-0.5 정도 큰 값을 보였다. 이는 본 연구에 사용한 입자보다 작은 FCC 입자로 실험을 수행하였기 때문이며 이러한 경향은 Barns et al.(1963)의 결과에도 나타난다. 현재 고온 고압의 기포유동층에서 RTD 연구 결과는 매우 미미하므로 이에 대한 연구가 더욱 필요한 상황이다.

Fig. 2. Effect of gas velocity on C(t).

Fig. 4. Effect of operating temperature on C(t).

Fig. 3. Effect of operating pressure on C(t).

Fig. . Effect of operating pressure and temperature on the axial dispersion coefficient.

Fig. . Effect of operating pressure and temperature on the Peclet number.

4. 참고문헌

1. Bader, R., Findlay, J. and Knowlton, T. M., CFB Technology Ⅱ, 123(1988).

2. Baerns, M., Fetting, F. and Schugerl, K., Chem. Ind. Tech., 35, 609(1963).

3. Danckwerts, P. V., Chem. Eng. Sci., 2, 1(1953).

4. Gilliland, E. R. and Mason. E. A., Ind, Eng. Chem., 41, 1191(1949); 44, 218

(1952).

5. Hepbasli, A., Int. J. Energy Res., 22, 1365(1998).

6. Hiraki, I., Kunii, D. and Levenspiel, O., Powder Tech., 2, 247(1968/69).

7. Maria, F. D. and Longfield, J. E., Chem. Eng. Prog. Symp. Ser., 58, 16

(1962).

8. Schugerl, K., Proc. Intern. Symp. on Fluidization, 782(1967).

9. Yates, J. G. and Constans, J. A. P., Chem. Eng. Sci., 28, 1341(1973).

10. Zuiderweg, F. J., Proc. Intern. Symp. on Fluidization, 739(1967).