기체 유동층에서 슬러그 빈도

고 상 진, 문 영 섭, 최 정 후

건국대학교 화학공학과

Slug Frequency in a Gas Fluidized Bed

Sang-Jin Ko, Young-Sub Moon and Jeong-Hoo Choi

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

서 론

기체 유동층은 고체가 채워진 용기에 분산판(distributor)을 통해 적정량의 기체를 고르게 주입시킴으로서 형성된다. 분산판에서 생성된 기포는 상승하면서 서로의 충돌에 의해서 합체되어 성장하고 유속이 증가함에 따라 기포크기가 급격히 증가하여 마침내 기포의 직경이 층직경과 같아지는 현상을 보이는데 이를 슬러깅(slugging)이라 한다[1]. 슬러깅 영역에서는 층의 압력요동이 증가하고 반응기에 기계적인 충격이 가해지며 균일한 유동층 조업이 어렵고 입자의 혼합, 열전달 및 물질전달 특성등이 나빠지며 hot spot이나 dead zone을 발생시켜 정상상태 조업을 방해하게 된다. 따라서 슬러깅 영역은 대부분의 유동층 조업조건에서 피해야 할 조업범위이다. 본 연구는 기포 유동층에서 슬러깅 영역으로의 전이유속인 최소 슬러깅 속도와 슬러그 특성치 중 슬러그 빈도에 미치는 측정높이의 영향을 해석하여 기체 유동층에서 적절한 조업조건의 선정, 유지 및 유동화 흐름영역에 대한 이해에 도움을 주고 실제 반응기의 설계 및 조업에 활용할 수 있는 기초자료를 얻고자 하였다. 층 내 압력 요동 신호의 해석에 의해 기포 또는 슬러그 빈도를 결정하고 유속변화에 따른 기포 또는 슬러그 빈도의 변화를 이용하여 최소 슬러깅 속도를 결정하며, 최소 슬러깅속도에 미치는 측정높이(분산판으로부터의 높이)의 영향, 슬러그 특성치 중 슬러그 빈도에 영향을 미치는 유속, 측정높이(분산판으로부터의 높이), 입자특성의 영향을 측정 및 고찰하였다.

실 험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 기체 유동층 실험장치를 나타내고 있다. 기체 유동층은 내경 0.1m, 두께 0.01m의 아크릴관으로 제작되었으며, 높이 0.5m×2ea, 0.1×5ea, 0.6m와 0.4m의 단관을 플랜지로 연결하여 분산판으로부터의 높이가 2.5m가 되도록 하였다. 유동화기체는 plenum(SUS 304)에 위치한 수평관(32mm I.D.)으로 주입되도록 하였다. 분배기(distributor)는 multi-tuyere형으로 직경 20mm tuyere 4개에 각각 3mm hole 12개를 배치하였다. 유동층의 측방향 압력분포를 측정하기 위해 분산판으로부터 34개(-0.04, 0.03, 0.075, 0.10, 0.125, 0.15, 0.175, 0.20, 0.225, 0.25, 0.275, 0.30, 0.325, 0.35, 0.375, 0.40, 0.425, 0.45, 0.475, 0.50, 0.70, 0.75, 0.80, 0.85, 0.90, 0.95, 1.00, 1.05, 1.20, 1.30, 1.40, 1.50, 2.05, 2.35m)의 압력점을 두고 압력변환기와 연결하였다. 기체출구(0.05m I.D.)는 분산판으로부터 2.45m 높이에 위치하며, 기체는 1, 2차 사이클론(standard portion : 각각의 내경은 0.15, 0.1m)과 백필터(상업용 Nomex filter)를 거쳐서 대기로 배출되도록 하였다.

유동화기체로는 공기가 사용되었으며, 75Nm3/h(15HP)의 용량을 갖는 압축기로 공급되고, 압력조절기(regulator)와 수분제거용 prefilter를 거친 후, 가스미터 (SINAGAWA, DC-2A)로 보정한 유량계(flow cell type : 60, 10, 1.2, 1Nm3/hr)로 정량되어 유동층에 공급되었다.

Table 1  Characteristics of particles

Materials Properties	FCC	glass bead
Apparent density [kg/m3]	2457	2486
Bulk density [kg/m3]	873	1488
Voidage at minimum fluidizing condition [-]	0.64	0.40
Mean particle diameter [mm]	0.070	0.168
Geldart classification	A	B
Size distribution
Sieve size [□m]	Weight fraction [-]
-600+425	―	―
-425+300	0.004	―
-300+212	0.006	―
-212+150	0.015	0.807
-150+106	0.172	0.193
-106+ 75	0.450	―
- 75+ 53	0.244	―
- 53+ 0	0.109	―

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. differential pressure transducer,

11. A/D converter, 12. personal computer

Fig. 1 Experimental apparatus.

결과 및 고찰

1. 압력신호 해석

차압형 압력변환기를 연결하여 압력요동신호를 측정한 후 신호를 분석하여 기포 또는 슬러그 빈도수를 결정할 수 있었다. 분산판으로부터 상승한 기포가 압력점을 지나갈 때 나타나는 전형적인 압력신호는 압력점에 기포가 닿았을 경우 압력신호는 감소하기 시작하며 기포가 압력점을 통과하였을 경우 압력신호는 다시 증가하게 된다. 압력변환기로부터의 신호가 감소한 후 다시 증가하기 시작하는 지점을 기포 또는 슬러그가 압력점을 지나간 것으로 고려하였다. 슬러그의 frequency는 다음과 같이 결정하였다.

slug frequency, fs=(number of slugs)/(total sampling time)   (1)

2. 최소 슬러깅속도

압력변환기를 통해 얻은 압력신호를 분석한 결과 기포 또는 슬러그 빈도수는 유속이 증가함에 따라 증가하여 최대점으로 보인 후 감소하는 경향을 나타내었다. 이와 같은 경향은 기포 유동층 영역 이후 계속적으로 유속이 증가하면 기포의 합체가 일어나 슬러그가 형성되며, 슬러깅 영역에서는 유속이 증가함에 따라 슬러그의 합체에 의한 크기증가로 슬러그 빈도가 감소하기 때문이며 최대점에서 유속이 최소 슬러깅속도로 정의된다[2, 3].

Fig. 2는 FCC의 측정높이의 변화에 따라 측정된 최소 슬러깅속도의 변화를 나타내고 있다. 측정된 최소 슬러깅속도는 측정높이가 증가함에 따라 감소하였다.     Fig. 3은 glass bead입자에 대한 측정높이변화에 따른 측정된 최소 슬러깅속도의 변화를 나타내고 있으며 FCC입자와 마찬가지로 최소 슬러깅속도는 측정높이가 증가함에 따라 감소하였다. Fig. 2와 Fig. 3의 점선으로 나타낸 부분은 Choi 등[4]의 식에 의하여 Geldart[5]의 정의조건(기포직경/층직경=0.45)으로 계산된 값을 나타내고 있다.

Fig. 2 Minimum slugging velocity      Fig. 3 Minimum slugging velocity versus

versus measured height(FCC).        measured height(glass bead).

3. 슬러그 빈도

Fig. 4와 5는 주어진 유속과 측정높이에 따른 슬러그빈도의 변화를 나타내고 있다. 측정된 슬러그 빈도는 유속이 증가함에 따라 감소하였다. 이와 같은 경향은 유속증가에 따른 과잉기체속도의 증가가 슬러그의 개수(빈도)증가보다는 기포 또는 슬러그 간에 합체에 의한 슬러그 길이 증가에 더 큰 영향을 미치기 때문으로 사료되었다. 측정높이가 증가함에 따라 슬러그 빈도는 감소하였다.

Fig. 4 Effect of gas velocity and     Fig. 5 Effect of gas velocity and height

height from the distributor           from the distributor plate on slug

plate on slug frequency(FCC).        frequency(glass bead).

Fig. 6과 7은 같은 측정높이에서 FCC입자와 glass bead입자에 대하여 측정된 슬러그 빈도수의 변화를 나타내고 있다. 그림에서 나타난 바와 같이 FCC 입자의 슬러그 빈도수가 glass bead 입자의 슬러그 빈도수보다 큰 값을 나타내고 있는데 이와 같은 경향은 Geldart 분류 A 입자계가 Geldart 분류 B 입자계에 비해 기포의 분쇄효과와 기포흐름 분율(bubble flow fraction)이 크기 때문에 상대적으로 슬러그 빈도는 Geldart 분류 A 입자계가 더 크게 나타나는 것으로 사료되었다

.

Fig. 6 Effect of excess gas velocity    Fig. 7 Effect of excess gas velocity

and particle properties on slug          and particle properties on slug

frequency (Hmea : 0.43, 0.78m).          frequency (Hmea : 0.83, 0.93m).

결 론

측정높이가 증가함에 따라 최소 슬러깅속도는 감소하였다. 슬러그 빈도는 유속이 증가함에 따라 증가하고 측정높이가 증가함에 따라 감소하였다. FCC입자의 슬러그 빈도수가 glass bead입자의 빈도수보다 큰 값을 나타내었다.

참고 문헌

1. Kunii, D. and Levenspiel, O., Fluidization Engineering, 2nd ed.,               Butterworth-Heinemann (1991).

2. Luca, L. De., Felice, R. Di. and Foscolo, P. U., "Slugging Behavior of          Fluidized Beds of Large Particles", Powder Technology, 69, 171-175(1992).

3. Noordergraaf, I. W., Van Dijk, A. and Van Den Bleek, C. M., "Fluidization     and Slugging in Large-Particle Systems", Powder Technology, 52, 59-68(1987).

4. Choi, J. H., Son, J. E., and Kim, S. D., "Generalized Model for Bubble Size and

Frequency in Gas-Fluidized Beds", Ind. Eng. Chem. Res., 37(6), 2559-2564(1998).

5. Geldart, D., "The Size and Frequency of Bubble in Two- and Three-dimensional

Gas-Fluidized Beds", Powder Technology, 4, 41-55(1970/71).