삼상순환유동층에서 온도요동특성

남석희, 조용준, 이찬기, 강 용, 김상돈*

충남대학교 화학공학과

한국과학기술원 화학공학과*

Temperature Fluctuation Charicteristics in  Three Phase Circulating Fluidized bed

S.H. Nam, Y.J. Cho, C.K. Lee, Y. Kang and S.D. Kim*

Department of Chemical Engineering,

Chungnam National University, Taejon 305-764

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

1. 서 론

기체-액체-고체 삼상유동층은 촉매를 사용한 기체-액체 반응이나 heavy oil의 catalytic hydrocracking, 석탄액화, 생물반응공정 및 식품공정 등에 매우 효과적으로 사용될 수 있다. 고체가 촉매로 이용되는 반응계에서는 고체촉매의 비활성현상이 발생하게 되며 비활성된 고체입자는 외부에서 다시 활성화시킨 후 하강관을 통해 연속조작으로 다시 상승관 즉, 층 내로 유입되게 되는데 이러한 경우 효과적으로 작업을 수행할 수 있는 반응기가 삼상순환유동층반응기이다. 삼상순환유동층은 입자의 종말속도 보다 높은 기체 및 액체 유속 상태에서 조작되기 때문에 고체 입자의 혼합을 촉진시킬 수 있으며, 기존의 삼상유동층에서 발생할 수 있는 dead zone을 없앨 수 있기 때문에 기체-액체-고체간의 접촉효율을 더욱 증가시켜 반응전환율을 획기적으로 증가시킬 수 있고, 발열 반응 시 고체의 순환은 열에너지를 층 내에서 제거시키는 역할을 하여 반응기 내의 안정성을 잘 유지할 수 있다는 등의 장점을 가지고 있는 장치이다.[1]. 따라서 이와 같은 삼상순환유동층을 공업적으로 응용하기 위해선 내부에서 순환되고 있는 분산상들과 연속상인 액체상간의 접촉 등에 의해 나타나는 열전달 특성을 규명하는 것이 매우 중요한 일이라 할 수 있다. 본 연구에서는 그 중 삼상순환유동층의 열전달 특성과 밀접한 관련이 있는 온도요동특성을 고찰하고자 한다.

2. 실 험

본 연구에서 사용한 삼상순환유동층장치(Fig. 1)는 상승관의 직경이 0.102m 이고 높이가 3.5m인 아크릴 관을 사용하였다 연속상의 분산판은 다공판 형태를 사용하였는데, 직경 3mm의 구멍을 삼각피치로 균일하게 배치 하였으며 분산상의 주입을 위해서는 연속상 분배기 중간에 직경 6.35mm의 관을 삽입하여 용접한 후 이 관에 직경 1mm의 오리피스를 만들어 분산상과 연속상이 동일면에서 유동층 내에 주입되도록 하였다. 연속상인 액체로는 상온의 물을, 분산상인 기체로는 여과된 압축공기를 사용하였고, 고체 입자로는 직경이 2.1mm이고 밀도가 2500kg/m3인 유리구를 사용하였다. 실험 범위는 기체유속이 0.01∼0.07m/s이고 액체의 유속은 0.00∼0.31m/s 이었다. 실험장치는 고체입자를 유동화 하여 유출시키는 상승관과 상승관 상부의 액체-고체 분리부, 고체입자를 저장하는 hoper, 그리고 고체입자를 일정한 순환속도로 다시 상승관에 주입시키는 내부 Loop-seal로 구성되어 있다. Loop-seal의 하부와 측면에서는 일정한 유속의 액체를 주입하여 상승관으로 다시 유입되는 고체의 양을 조절하였고 순환되는 고체의 양은 Butter fly valve를 이용하여 실험적으로 하였는데 본 연구에 사용한 고체 순환 속도는 2∼8kg/m2·s 이었다

Heater로는 Immersed tube형인 , Iron-constantan으로 Fig. 1에 보는 바와 같이 Column의 중앙에 오도록 설치하였고 Thermocouple은 J-type으로 분산판으로부터 0.5, 0.9, 1.3, 1.7m의 높이에서 축방향 4지점에서 측정하였고 이 값들의 평균값을 사용하였다. 유동층 riser 내부에서의 온도요동은 Temperature-time 신호를 Volt-time 신호로 바꾸어 증폭기를 거쳐 A/D 변환기를 사용하여 A/D 변환기를 거친 자료(500Hz)들은 Data acquisition system 인 DT 2805 Lap Card를 사용하여 6초동안 3000개로 나타내었으며 이들 자료는 각 조건에서 Riser 내부의 온도요동 특성을 나타내는 전체 스펙트럼을 해석하는데 충분하였다.

3. 이 론

열전달 메카니즘

열전달은 크게 3가지 메카니즘으로 나뉘는데 전도, 대류, 복사로 나뉠 수 있다. 이들 중에서 온도가 매우 높은 경우(T>1000℃)를 제외하고는 일반적으로 실제 공정에서 많이 일어나는 열전달 현상은 전도 와 대류라고 할 수 있으며 본 연구에서의 삼상순환유동층 역시 대류현상에 의한 열전달이 대분분이라 할 수 있다. 다상흐름계에서 열전달계수는 열전대와 층간의 온도차에 의하여 나타나는 온도 변화에 의하여 나타낼 수 있으며 열전대에 가해준 열량 Q는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

Q = UA( Tt - Tbed)

여기서  Q   = 열원에가한 열량

U   = 열전달 계수

A   = 열원 표면적의 단면적

Tt   = 열원 온도

Tbed = 칼럼벽 온도

열전대는 일정 전류 I 에 의해서 가열되며 가열된 열량 Q는 열전대에서 측정된 저항에 의해 구해질 수 있다. 따라서 열전대에서부터 bed로의 열전달계수는 다음 식으로 나타난다.[2]

U = RtI2/A( Tt - Tbed )

여기서	Rt = 열전대에서 측정된 저항

I  = 일정전류

4. 결과 및 고찰

삼상순환유동층 내부에서 측정된 액체유속의 증가에 따른 온도요동신호의 예를 Fig.2. 에 나타내었다. 고체의 입자가 2.1mm인 경우 비순환유동층에서 순환유동층으로 전이되는 액체의 유속은 0.25m/s이다[5]. 삼상순환유동층 영역에서 Fig.2 (a)에 나타난 바와 같이 UL이 증가하면 온도요동의 폭은 점차 감소하였으며 평균온도차(□T)는 거의 변화 없이 일정하였다. 내부열원과 층간의 온도요동폭은 Fig.3과 같이 온도요동 평균값으로부터 벗어난 정도를 나타내는 표준편차로 정량화할 수 있으며 그림에서 나타난 바와 같이 UL이 0.25m/s에서 0.29m/s까지 증가함에 따라서 온도요동의 표준편차는 감소함을 알 수 있는데 이는 점점 정도가 감소하는 것을 나타낸다. 즉, 액체유속이 0.25m/s 이상이 되면 액체의 유속이 증가함에 따라 system의 거동은 소폭으로나마 비규칙성과 무작위성이 감소한다고 할 수 있다. 이는 삼상순환유동층에서 고체입자의 순환속도가 일정할 때, 액체의 유속이 증가함에 따라서 고체입자의 체류량이 감소하며 기체와 액체의 병류흐름에서 고체입자와의 충돌에 의한 난류발생정도가 감소하기 때문이으로 해석할 수 있다.

Fig.2 (b)에서는 일정 액체유속과 고체입자 순환속도에서 기체유속의 변화에 대한 온도요동을 나타내었고 (c)에서는 일정 기체유속과 액체유속에서 고체입자 순환속도의 변화에 대한 온도요동을 나타내었는데 □T는 작아지는 것으로 나타났다.  이 결과들에 대해서도 Fig.3.에서 온도요동편차를 나타내었는데 모두 증가하는 경향을 나타내었다.  기체유속이 증가함에 따라서는 유동층 내부의 기체 체류량이 증가하며 그 흐름거동도 매우 불규칙해지고 유동층 내부에서의 난류현상도 증가되기 때문에 불안정해지는 것으로 해석할 수 있다. 고체입자 순환속도의 증가는 고체 체류량을 증가시키는 결과를 가져오며 이는 유동층 내부에서 기체 액체흐름에 대한 상대적인 방해 효과를 가져와 파생적으로 발생하는 난류의 강도를 증가시킨다.

5. 결 론

삼상순환유동층에서  분산상인 기체유속과 고체순환속도가 증가함에 따라서 유동층내부에서의 고체와 열원경계면 간의 접촉빈도수가 증가하고 난류의 증가를 야기시켜 열전달계수는 커지지만 온도요동의 진폭 및 주기는 증가하였다. 그러나 삼상순환유동층 영역에서 연속상인 액체유속의 증가는 기체와 액체의 병류흐름에서 고체입자와의 충돌에 의한 난류발생정도의 감소로 온도요동의 전체적인 경향을 안정화시켰다.

6. 참고문헌

1. Shejieo, H., Jian, Z., Yong, J., Kai, C.L., Zhanwen, W. : Chemical Engineering	Journal, 70, 9(1998)

2. C.L. Briens, M. Del Pozo, C. Trudell, G. Wild "Measurement and modeling    of particle-liquid heat transfer in Liquid-soliid and gas-liquid-solid           fluidized beds" Chem. Eng. Sci. 54(1999)731-739

3. P, Galy-jammou, C. Briens, M. Bergougnou and J.F.Large "Local            particle-liquid heat transfer and hydrodynamics in three-phase fluidized       beds with light particles" Chem.Eng.Des.Dev., Vol.73,PartA.(Agust,1995) 661

4. W.Liang, Q. Wu, Z. Yu, Y. Jin and Z. Wang "Hydrodynamics of a Gas-     Liqud-Solid Three Phase Circulating Fluidized Bed" The Canadian Jour. of    Chem. Eng., Vol. 73(October,1995)656-661

5. S.H. Kim "Hydrodynamics and Pressure Fluctuation Characteristics in        Three-Phase Circulating Fluidized Bed" February, 2000

Fig1. Experimental Apparatus

1. Riser	12. Low-pass Filter

2. Down Commer	13. A/D Convertor

3. Hoppor	14. Computor

4. L/S Separator	15. G/L Distributor

5. Pressure Tap	16. Liquid Reservoir

6. Butterfly Valve	17. Pump

7. Compressor	18. Power Supply

8. Control Valve	19. Temperature Indicator

9. Flowmeter	20. Heater

10. Resistivity	21. Probe Thermocouple

11. Amplifier

(a)                     (b)                      (c)

Fig. 2. Temperature fluctuation with increaing UL, UG, GS respectively

Fig. 3. Standard deviation of temperature fluctuation with increaing UL,	UG, GS respectively