이성분입자계 유동층에서의 층팽창 연구

박 태 성, 장 현 태, 홍 성 창*, 도 동 섭

고려대학교 화학공학과, 경기대학교 화학공학과*

A Study on the Bed Expansion of Binary Particle System

in a Fluidized Bed

T. S. Park, H. T. Jang, S. C. Hong, D. S*. Doh

Dept. of Chem. Eng., Korea University, Seoul, Korea

*Dept. of Chem. Eng., Kyonggi University, Kyounggi Do, Korea

서 론

유동층 반응기는 반응기내에서 고체가 유체와 같이 거동하기 때문에 연속조업이 가능하며 물질전달 및 열전달의 우수성으로 인하여 많은 화학반응기 뿐만 아니라 물리적 조업에도 응용되고 있다.

유동층에서 고체입자가 유체에 의해 유동화될 경우, 일반적으로 최소유동화상태이상의 유속에서 층은 과잉공기에 의해 팽창되어 층내의 공극률 및 기포분율이 변하며 이에 대한 자료는 기포와 emulsion phase간의 가스분포와  기포크기, 기포속도등을 고찰하는데 사용될 수 있으며, 최근에 많은 관심의 대상이 되고 있는 연소 및 SOx, NOx의 제어반응등 유동층내에서의 화학반응에 대한 모델을 정립하고 실제 반응전환율의 예측하는에 매우 중요하다.

현재까지의 이에 대한 연구들은 주로 단일입자계를 대상으로 이루어졌으나 유동층장치에서 사용되는 고체반응물은 대부분이 다입자계로서 조업이 이루어지기 때문에 상대적으로 최소유동화속도가 작은 입자들은 층상부로, 최소유동화속도가 큰 입자는 층하부로 분급되는 현상이 발생한다.  이와 같은 분리현상이 발생할 경우 유동층 반응기의 효율이 감소되고 층하부에서 비유동화현상이 발생할 수 있으며 연속조업의 경우 입자의 배출위치에 따라 각 입자크기간의 체류시간이 변하는 등 많은 문제점이 나타날 수 있다.  따라서 다입자계에서는 입자크기, 형태등이 복잡하게 연관되고 층내의 거동도 매우 복잡하게 된다.  이러한 다입자계의 거동의 해석은 이성분계의 해석으로부터 얻을 질 수 있다.

이성분계 유동층에 대한 연구는 많은 연구자들이 flotsam과 jetsam을 정의하여 flotsam rich계와 jetsam rich계에서 층상부에서 일정한 jetsam의 농도를 이용하여 층내의 혼합정도에 대해서 수행되어져 왔다.  이성분계 유동층은 flotsam과 jetsam이 분율에 따라 각 유속에서 기포의 거동이 달라지게 되며 층내의 혼합의 정도와 층높이, 공극률등이 변하며 이들간에는 매우 밀접한 관계가 있다.

따라서 본 연구에서는 이성분계 유동층의 수력학적 특성 중요한 역할을 하는 기포와 고체입자의 거동을 파악하기 위해 층내의 압력요동특성치를 이용하여 입자크기 및 밀도차가 있는 이성분계에서 공극률, 기포분율, 층팽창등의 연구를 수행하였으며 아울러 이들 특성치와 층내의 혼합도와의 관계를 규명하기 위한 실험을 수행하였다.

실험장치 및 방법

본 연구에 사용한 실험장치는 Fig. 1과 같으며 크게 유동층부와 측정부로 구성되어 있다.  유동층은 공기압축기를 이용하여 유동층에 유동화공기를 공급하며 유동층에 공기가 주입되기 전에 유입공기의 damping을 막고 불순물을 제거하기 위하여 정압기와 공기정화기를 설치하였으며, 유속은 유량계를 사용하여 조절하였다.  유동층 기벽과 입자간 및 입자 상호간의 정전기 현상을 줄이기 위하여 내경 0.11m, 높이 1.3m의 아크릴 관에 원통형 stainless steel망을 충전시키고 물을 넣은 증습기를 설치하여 공기의 상대습도를 약 50%로 유지하여 유동층에 공급하였다.  유동층은 층내현상을 관찰 할 수 있도록 내경 0.11m, 높이 1.6m의 아크릴관으로 제작하였고, 기체분산판은 다공성의 sintered metal를 사용하였다.

측정부는 압력요동을 측정할 수 있는 압력전달기(Valcom Co. LTD., model VPRN, 1 psi)와 측정된 압력요동 신호를 통계처리할 수 있는 computer로 구성되어 있다.  압력전달기의 측정관은 1/8" stainless steel관을 사용하여 유동층내의 각높이에 따라 측정할 수 있도록 하였으며 유동층 내의 유동화물질이 관내부로 들어가는 것을 방지하기 위해 측정관 끝부분을 quartz wool로 봉하였다.

이성분계의 회분식 유동화특성실험은 유동층 내의 종횡비가 1인 상태에서 수행되었으며, 이 때 두 입자의 혼합비는 부피비율로 혼합하였다.  종횡비가 1이 되도록 부피비로 두 시료를 각각 준비하여 무게를 측정하고 유동층에 밀도가 상대적으로 작거나 크기가 상대적으로 작은 flotsam을 먼저 채운 후에 밀도와 크기가 상대적으로 큰 jetsam을 채운다.  층물질을 유동층에 채우고 정해진 유속에서 유동화시킨 후 층이 정상상태에 도달하였을 때 압력 전달기를 이용하여 압력요동신호를 측정하였으며 실험조건은 표 1에 나타내었다.

Table 1. Experimental conditions

Operating variables	Operating condtions
Aspect ratio(L/D)	1
Gas velocity(m/sec)	0.36 - 0.901
Particle size(mm)	0.359, 0.715
Flotsam volume fraction	0.1 - 0.9

유동층에서 압력요동 신호측정의 sampling time간격은 sample theorem을 이용하여 10ms로 하였으며, sampling 갯수는 1024개로 하였다.  압력요동의 데이타로부터 얻은 평균압력과 표준편차는 식(1)과 (2)에 나타내었다.

[eqn: mu_x ~~=~~lim from T->inf``int from 0 to T ``X(t) dt]	(1)

[eqn: S.D. ~~=~~ [ lim from T->inf ```1 over T ``` int from 0 to T ```(X(t) ~-~ mu_x )^2 dt ] ^{1over2}]	(2)

결과 및 고찰

층내의 공극율 및 기포분율로서 층팽창은 표현될 수 있으며 splash 영역이하의 층영역에서의 기포분율 및 공극율은 다음 식(3)과 (4)를 사용하여 축방향 압력구배로부터 계산가능하다.

[eqn: -``{dp} over {dh} ~~=~~ rho_b ``g ~~=~~ rho_p ``(1 ~-~ epsilon)``g]	(3)

[eqn: epsilon ~~=~~(1~-~delta_b )`` epsilon_mf ~~+ ~~ delta_b]	(4)

이성분계 유동층은 유속이 증가함에 따라 층하부에 주로 존재하는 jetsam입자가 층상부로 분급되며 더 높은 유속에서는 이성분계 입자의 혼합이 증진되어 층전체의 jetsam농도가 균일하게 되어 완전혼합상태가 된다.  이와 같이 층내는 유속에 따라 혼합의 정도가 다르며 각각의 경우 축방향 압력구배곡선도 다른 형태를 나타내게 된다.

그림 2는 모래 0.715mm 50vol.%, PMMA 0.715mm 50vol.% 계를 대상으로 분산판으로부터의 축방향 압력profile을 나타낸 그림이다.  유속이 증가함에 따라 압력 profile이 선형으로 되며 혼합이 양호하지 못한 낮은 유속에서는 전이점이 존재하게 된다.  따라서 압력구배가 일정한 경우 splash영역이하까지 층의 공극률은 일정하게 유지되며 (3), (4)식을 이용하여 층내 공극률 및 기포분율을 구할 수 있지만 혼합이 좋지 못할 경우는 불가능하며 층내의 혼합도와 관련시켜 고찰하여야 함을 알 수 있다.

참고문헌

1. Johnsson, F., Andersson, S. and Leckner, B., Powder Technol. 68, 117(1991).

2. Grace, J. R. and Clift, R., Chem. Eng. Sci., 29, 327(1974).

3. Glicksman, L. R. and McAndrews, G., Powder Technol., 42, 159(1985).

4. Chiba, S. et al., Powder Technol. 22, 255(1979).

5. Fitzgerald, T. J., EPRI Report, CS-1476, (1980).