가압 기체유동층에서 슬러그층과 난류유동층으로의 전이유속

이 우 진, 류 호 정, 문 영 섭, 김 태 우, 최 정 후

건국대학교 화학공학과

Onset Velocities to Slugging and Turbulent Fluidization

in a Pressurized Gas Fluidized Bed

Woo-Jin Lee, Ho-Jung Ryu, Young-Sub Moon, Tae-Woo Kim and Jeong-Hoo Choi

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

서 론

가압유동층은 상압 유동화 상태에서 압력을 상승시킨 유동층 시스템의 일종으로 연소로, 보일러 및 기타 반응기에 매우 효율적으로 적용·응용될 수 있으며 상압유동층의 장점외에 많은 장점들을 가지고 있다.  그러나 가압유동층은 가압 시스템을 사용하고 있으므로 이에 따른 조작변수의 변화와 실험의 어려움 및 scale-up 등 장치제작에 고려해야 할 문제점들이 많으므로 이에 대한 연구는 매우 중요하다.

가압유동층과 같이 장치의 소형화가 가능한 시스템, 특히 lab-scale의 실험장치에서는 기포크기가 층직경에 상당할 정도로 성장하게 되어 슬러그(slug)가 발생할 수 있다.  슬러깅 영역에서 조업할 경우 반응기에 기계적인 충격이 가해지며 입자마모현상이 활발해지고 기체-고체간의 접촉효율, 공정 처리능력, 물질 및 열전달 효과가 저감된다.  따라서 슬러깅 영역에서의 조업을 피하기 위해서는 슬러깅 영역이 시작되고 끝나는 유속인 최소슬러깅속도와 난류유동층 전이유속에 대한 이해가 필수적이다.

지금까지 여러 연구자들에 의해 가압유동층의 수력학특성에 미치는 압력의 영향에 대한 연구가 진행되었으나 주로 기포유동층영역에서 기포특성에 대한 연구와 난류유동층 전이유속에 대한 연구에 국한되었고 가압유동층에서 슬러깅영역에 대한 연구는 매우 미흡한 실정이다.

본 연구는 가압유동층에서 기포유동층에서 슬러깅영역으로 전이되는 유속인 최소슬러깅속도와 기포 또는 슬러깅영역에서 난류유동층으로 전이되는 유속인 난류유동층 전이유속에 미치는 압력의 영향을 해석하여 가압유동층에서 조업조건의 선정, 유지 및 이해에 도움을 주고 가압유동층 반응기의 설계 및 조업에 활용할 수 있는 기초자료를 얻고자 하였다.

실 험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 가압유동층 실험장치를 나타내고 있다.  유동층은 직경 0.055m, 높이 2.0m의 스테인레스 스틸(SUS 304)로 제작되었다.  유동화기체로는 공기를 사용하였으며 유량조절밸브와 질량유량계(mass flow meter, Brooks Instrument Co., Model 5863, 0-1000l/min, 0-5V output)를 거쳐서 plenum에 위치한 수평관으로 주입되도록 하였다.  기체분배기는 직경 2mm의 구멍이 사각피치(rectangular pitch)로 52개 뚫려있는 다공판(perforated plate)을 사용하였다.  기체출구(0.05m I.D.)는 분산판으로부터 1.95m 높이에 위치하며 사이클론(0.038m I.D.)은 중심부에 파이프(길이 1.7m)가 설치된 실린더 형태로 제작되었다.  사이클론을 통과한 기체는 let-down valve와 bag filter(상업용 Nomex filter)를 거쳐서 대기로 배출되도록 하였다.  층내 압력은 let-down valve 앞에 설치된 압력계(1-10Kgf/cm2)를 이용하여 측정하였다.  유동층 내부의 압력요동을 측정하기 위하여 분산판으로부터 일정 높이에 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.

층물질로는 FCC(평균입경 0.082mm, 입자밀도 1600kg/m3)와 모래(평균입경 0.256mm, 입자밀도 2622kg/m3)를 사용하였으며 대표적인 입도분포는 Table 1에 나타나 있다.

Particles	FCC	Sand
Sieve size [□m]	weight fraction [-]
-600+425	-	-
-425+300	-	-
-300+212	0.002	1.000
-212+150	0.026	-
-150+106	0.246	-
-106+ 75	0.493	-
- 75+ 53	0.184	-
- 53+ 0	0.049	-

Table 1. Sieve analysis of particles

1. air compressor

2. filter

3. pressure regulator

4. valve

5. mass flowmeter

6. fluidized bed

7. cyclone

8. pressure gauge

9. let-down valve

10. bag filter

11. data logger

12. pressure transducer

13. A/D converter

14. personal computer

Fig. 1 Schematic diagram of pressurized fluidized bed.

결과 및 고찰

1. 최소슬러깅속도(Minimum slugging velocity, Ums)

Fig. 2(a)는 2atm, 측정높이(Hmea) 0.575m에서 모래입자에 대해 유속변화에 따라 측정된 기포 또는 슬러그 빈도의 변화를 나타내고 있다.  차압형 압력신호의 해석을 통한 기포 또는 슬러그 빈도의 결정 방법은 기존의 보고[1]에 자세히 나타나 있다.  기포 또는 슬러그 빈도는 유속이 증가함에 따라 증가하여 최대점을 보인 후 감소하는 경향을 나타내었다.  본 연구에서는 Ryu 등[1]의 보고에 나타난 바와 같이 기포 또는 슬러그 빈도가 최대점을 보이는 유속을 최소슬러깅속도(Ums)로 결정하였다.

Fig. 2(b)와 (c)는 압력변화에 따른 FCC와 모래의 최소슬러깅속도 변화를 나타내고 있다.  FCC의 경우에는 2기압까지는 최소슬러깅속도를 측정할 수 있었으나 더 높은 압력에서는 최소슬러깅속도가 나타나지 않았다.  1기압부터 2기압까지 측정된 FCC의 최소슬러깅속도는 압력이 증가함에 따라 증가하였다.  한편 모래입자의 경우에는 1기압부터 6기압까지 최소슬러깅속도를 측정할 수 있었으며 FCC 입자의 경우와는 반대로 압력이 증가함에 따라 최소슬러깅속도가 감소하는 경향을 나타내었다.  이와 같은 경향은 기포크기에 미치는 압력의 영향에 대한 기존 보고들과 관련하여 해석될 수 있다.  기존의 보고들[2, 3]에서 Geldart 분류 A 입자의 경우에는 모든 압력범위에서 압력이 증가함에 따라 기포크기가 감소하는 것으로 보고된 반면 Hoffmann과 Yate[4], Rowe 등[5], Cai 등[6]의 보고에서 Geldart 분류 B 입자계의 경우에는 압력이 증가함에 따라 기포크기가 증가한 후 다시 감소하는 경향을 나타내었으며 특히 본 실험의 압력범위(1-6atm)에서는 압력이 증가함에 따라 기포크기가 증가하는 경향을 나타내었다.  따라서 Geldart 분류 A 입자계에 속하는 FCC 입자의 경우에는 압력이 증가함에 따라 기포크기가 감소하므로 층직경에 상당할 정도로 기포크기가 커지기 위해서는 더 높은 유속이 필요하게 되어 최소슬러깅속도가 증가하고 Geldart 분류 B 입자계에 속하는 모래 입자의 경우에는 반대의 경향을 나타내는 것으로 사료되었다.

Fig. 2 (a) Determination of Ums and (b), (c) Variation of Ums with pressure.

2. 난류유동층 전이유속(Onset velocity to turbulent fluidization, Uc)

난류유동층 전이유속을 결정하기 위해 각 실험조건에서 측정된 압력요동 신호의 평균, 평균진폭, 표준편차, 정규화된 표준편차((standard deviation)/mean)를 계산하였다.  Fig. 3(a)는 상압에서 차압형 압력변환기를 분산판 바로 위와 기체출구에 연결한 경우 유속변화에 따라 측정된 압력요동신호의 정규화된 표준편차 변화를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 정규화된 표준편차는 유속이 증가함에 따라 증가하여 최대점을 보인 후 다시 감소하는 경향을 나타내었으며 기존의 보고와 마찬가지로 정규화된 표준편차 값이 최대점을 보이는 유속을 난류유동층 전이유속으로 결정하였다.

Fig. 3(b)와 (c)는 압력변화에 따라 측정된 FCC와 모래입자의 난류유동층 전이유속 변화를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 FCC와 모래 입자 모두 압력이 증가함에 따라 난류유동층 전이유속이 감소하였으며 Yang과 Chitester[7], Saito 등[8], Cai 등[9], Tsukada 등[93]의 실험결과와 유사하였다.

3. 슬러깅 영역 고찰

Fig. 4(a)와 (b)는 FCC와 모래 입자에 대해 본 실험에서 압력변화에 따라 측정된 최소슬러깅속도와 난류유동층 전이유속의 변화를 나타내고 있다.  그림에서 유속이 최소유동화속도 이상이고 최소슬러깅속도 이하인 경우에 층 내부는 기포유동층 영역에 속하며, 유속이 최소슬러깅속도 이상이고 난류유동층 전이유속 이하인 경우에는 슬러깅 영역, 유속이 난류유동층 전이유속 이상인 경우에는 난류유동층 영역에 속하게 된다.  그림에 나타난 바와 같이 FCC의 경우 압력이 증가함에 따라 3기압 이후부터는 슬러깅 영역을 거치지 않고 난류유동층으로 전이되는 것을 알 수 있었으며 1기압부터 3기압 까지의 압력범위에서는 압력이 증가함에 따라 슬러깅 영역에 속하는 유속범위가 좁아지는 경향을 나타내었다.  모래입자의 경우 최소슬러깅속도와 난류유동층 전이유속 모두 압력이 증가함에 따라 감소하였으며 FCC 입자의 경우와 마찬가지로 압력이 증가함에 따라 슬러깅 영역에 속하는 유속범위가 좁아지는 경향을 나타내었다.  결과적으로 슬러깅 영역에서 조업되는 것을 피하기 위해서는 입자크기와 입자밀도가 작고 조업압력이 높은 시스템이 효과적인 것으로 사료되었다.

결 론

FCC의 경우에는 3기압 이상에서 슬러깅 영역이 존재하지 않고 기포유동층에서 난류유동층으로 전이되며, 모래의 경우에는 모든 압력범위에서 슬러깅 영역이 존재하였으나 압력이 증가함에 따라 슬러깅 영역에 해당하는 유속범위가 감소하였다.

Fig. 3. (a) Determination of Uc and          Fig. 4. Flow regime transition with pressure.

(b) Variation of Uc with pressure.

참고문헌

1. Ryu, H.J., Choi, J.H., Yi, C.K., Shun, D.W., Son, J.E. and Kim, S.D.: HWAHAK KONGHAK, 37(3), 472(1999).

2. King, D.F. and Harrison, D.: "Fluidization", edited by Matsen, J.M., Plenum Press, New York, 101(1980).

3. Barreto, G.F., Yates, J.G. and Rowe, P.N.: Chem. Eng. Sci., 38, 1935(1983).

4. Hoffmann, A.C. and Yates, J.G.: Chem. Eng. Commun., 41, 133(1986).

5. Rowe, P.N., Foscolo, P.U., Hoffman, A.C. and Yates, J.G.: "Fluidization IV", edited by Kunii, D. and Toei, R., Engineering Flundation, New York, 53(1984).

6. Cai, P., Schiavetti, M., De Michele, G., Grazzini, G.C. and Miccio, M.: Powder Technol., 80, 99(1994).

7. Yang, W.C. and Chitester, D.C.: AIChE Symp. Ser., 84, 10(1988).

8. Saito, Y., Kuwa, M. and Hashimoto, O.: AIChE Symp. Ser., 84, 102(1988).

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

10. Tsukada, M., Nakanishi, D. and Horio, M.: Int. J. of Multiphase flow, 19, 27(1993).