환경공학적 응용을 위한 Three Phase Air-lift Bubble              Column 설계에 관한 전달현상학적 고찰

*박 찬 진

시립 인천전문대학 환경공업과

On the Transport-phenomenological Consideration about the    Design of Three phase Air-lift Bubble Column for the Appli-

cations in the Environmental Engineering

*Park Chan Jin

Junior College of Inchon, Department of Environmental Eng.

다상반응기(multiphase reactor)는 화학공정이나 환경분야의 오염물질처리공정에서 광범위하고 보편적으로 이용되어 온 장치이며 그 예로서 석유잔유분(oil residuals)의 수소화탈황 공정과 유동화(fluidization)를 이용한 결정화공정, 촉매산화공정 및 석탄액화공정이나 Fisher-Tropsch 합성공정 그리고 석회유를 이용한 배가스 습식탈황공정 및 생물학적 폐수처리공정 등이 있다.

이와 같은 다상반응기에서 Gas-Liquid-Solid 의 삼상system 은 연속상(continuous phase)내에서 유동화되는 고체입자의 밀도 및 크기와 이에 수반되어야 할 장치의 특성에 따라 분류할 수 있으며 미세입자가 유동화 되는 소위 삼상슬러리 반응기(Three Phase Slurry Reactor)는 다음과 같이  구분할 수 있다.

1) Bubble Column Slurry Reactor : 고체입자는 상승기포에너지에 의하여 액상중에서 유동화되며 액체의 입출력이 없는 회분식(batch

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*시립인천전문대학 환경연구소장

type)이 많고 액상반응물질의 회분식전환에 이용됨.  주로 미세입자가 존재하거나 생성되는 경우와 반응기의 직경 대 높이(D/H)비가 클 경우에 적합함.

2) Stirred Slurry Reactor : 고체입자는 기계적 교반(mechanical agitation)과 상승기포에 의하여 유동화되는데 직경 대 높이(D/H)비가 작을 경우에 적합함.

3) Three Phase Fluidized Reactor : 공급되는 액체의 에너지에 의하여 고체입자가 유동화되며 비교적 큰 입자에 적합함.

환경오염물질 처리공정은 오염물질(pollutant)이 존재하는 하나의상(phase)에서 인접한 다른 상으로의 물질이동에 의하여 이루어지며 이때에 화학반응이 수반되는 경우가 일반적이다.  이러한 경우에 슬러리계에서는 액상중 고체입자의 거동(behavior)이 반응기효율에 중요한 인자로 작용하기 때문에 입자의 유동화를 촉진하기 위한 다양한 방법이 연구되어 왔다.

그중에서 반응기내의 불규칙적인 유체의 움직임을 안정하게 하므로써 신속한 액체순환을 유도하여 고체입자를 현탁시키는 방법과 2) 나 3)의 경우처럼 기계적 교반을 실시하거나 액체의 강제유입으로 입자의 부유를 가능하게 하는 방법이 있는데 본고찰에서는 기포유입과 동시에 재순환류 유도에 의하여 슬러리 유동화가 가능한 경우를 논하고자 한다.

슬러리의  안정된 순환이 이루어지는 슬러리 이중기포탑(Air-lift

Slurry Bubble Column)에서는 system 내 다상류의 흐름영역(flow regime)과 거시적 관점에서의 물질 및 에너지 수지와 화학반응 발생시의 반응속도론 그리고 물리/화학적 변화에 대한 고찰이 매우 중요하고도 유용하다고 할 수 있다.

화학반응이 수반되는 순환식 슬러리반응기를 환경공업 분야에서 사용하기 위하여 장치 설계에서 고려 하여야 할 요소는 [그림 1] 과 같이 나타낼 수 있다.

HYDRO- DYNAMICS	Characteristics of the Three Phase Fluidization - Phase Holdups - Interfacial Areas - Bubble & Particle Size Distributions - Properties of Liquid Phase
MIXING	Residence Time Distribution of Continuous Phase (STATE OF MACRO-MIXING)
				D E S I G N of Air-lift Slurry Bubble Column
BUBBLE DYNAMICS	Bubble Dynamics , Coale- scence and Breakage of Gas Bubbles (STATE OF MICRO-MIXING)
TRANS- PORT	Heat, Mass transfer & Chemical Reactions in Slurry Bubble Column
ENERGY DISSIPA- TION	Energy Dissipation Rate in the System

[ FIG.1 ] Design parameters for Air-lift Slurry Bubble Column

한편 슬러리반응기에 유입되는 기체는 기포의 형태로 고체의 유동화와 액상의 혼합에 필요한 제반에너지를 공급하는 동시에 물질을 공급하거나 탈거(stripping)하는 역할을 하게 되는데 특히 반응기 내부에 액체의 순환을 구분짓는 흐름경로를 설정해 주면 규칙적인 슬러리의 순환과 이로 인한 신속한 액체흐름의 형성으로 반응기의 유동화가 가능하여 진다.

특히 입자가 촉매일 경우 액체와 고체입자간 접촉효율을 높이기 위하여 반응기 하부에 입자가 쌓여서는 안되나 입도가 비교적 큰 경우(입도 100 □m 이상)에는 입자의 불균일 분포로 반응기효율의 저하 가능성이 있으며 이에 따라 반응기설계시 입자의 임계유속, 과 이에 따른 유체의 흐름영역(Flow regime), 상체류량과 혼합정도를 반드시 고려하여야 한다. 입자의 현탁에는 Complete suspension과 Homogeneous suspension이 있으며 특히 생물학적 폐수처리공정에서는 미생물의 고정화에 따른 고체입자의 완전유동화가 매우 중요한 변수라고 할 수 있다.

일반적인 기-액 기포탑과 달리 슬러리이중기포탑에서 고려 하여야 할 사항은 전술한 바와 같이 액상내에 존재하는 고체입자의 거동과 이에 의한 각상의 영향 그리고 기포크기분포(Bubble size distribution)이며 이에 의하여 기포상승속도 및 반응기내에 형성되는 슬러리 순환속도가 산출될 수 있다.  아울러 열전달과 물질전달을 고려한 혼합특성을 반응기내 추적자에 의한 체류시간분포를 이용하여 산출할 수 있어 거시적 관점에서의 삼상류의 흐름특성을 파악할 수 있다.  한편 오염물질 처리공정과 같이 발생되는 상간 물질전달과 이에 수반되는 화학반응속도 이론을 조합하여 효율향상인자 및 반응기 규모에 미치는 반응속도의 영향을 파악할 수 있게 된다.   그리고 슬러리반응조에서는 제반 항목별 에너지의 소요량을 구하는 것이 중요하며 이에 관련되는 변수가 에너지소산속도(Dissipation rate of energy)이다.  삼상슬러리 반응기는 용도가 다양하여 많은 산업적 응용과 함께 다양한 연구가 이루어져 오고 있으며 유동화 현상의 복잡성 때문에 보다 체계적이며 이론적인 접근이 요구되며 앞으로 이에 대한 지속적인 연구가 필요하다고 생각된다.

REFERENCES

1. Fan,L.S.: "Gas-Liquid-Solid Fluidization Engineering", Butter-

worths, (1989).

2. Rodrigues, A.E., et. al.: "Multiphase Chemical Reactors", Vol.

II, Sijthoff & Noordhoff, (1981).

3. Kang,Y.,Nah,J.B. Choi,S.W. & Kim,S.D.:  Proceedings of the

Third Asian Conference  on Fluidized-Bed  & Three Phase

Reactors, Kyungju, Korea(1992).