Fluent를 이용한 유동층 건조기의 CFD 해석

정두환, 윤도영, 김상용*

광운대학교 화학공학과, 한국생산기술연구원*

A CFD Analysis of Fluidized-Bed Dryer using Fluent

D.-H. Jung,  D.-Y. Yoon, S.-Y. Kim*

Department of Chemical Engineering, Kwangwoon University, Seoul 139-701

*Korea Institute of Industrial Technology, Chonan 330-820

서론

건조공정은 피건조물에 열원을 공급하여, 피건조물로부터 수분을 증발시키는 열과 물질이 동시에 전달되는 공정이다.  또한 열원 또는 증발수분의 유동은 운동량의 전달이 수반되므로 건조공정의 해석은 매우 복잡하다.  관련연구는 건조중의 물질 및 열의 이동을 연구하는 기초적인 공학과 건조장치의 개발과 설계 그리고 장치특성의 해석을 하는 장치공학 두 분야로 나뉠 수 있다. 현재 국내에서 사용되는 산업용 건조기는 국가 총 에너지 생산량의 1.2%를 함유하며 또한 대부분의 산업분야에 매우 광범위하게 사용되어 지고 있으며 거의 모든 완제품은 건조공정을 거치지 않은 것이 없을 정도로 중요하다고 할 수 있다. 그러나 건조기의 중요성에 비추어 볼 때의 건조기의 생산 자급도는 약 70%정도에 그치고 있으며, 국내의 경우에는 에너지의 효율적인 활용 및 절약방안에 대한 시도가 기술집약적인 방법이 아닌 현장경험에 의존하고 있는 실정이다.  따라서 고부가가치형 피건조물용 건조장치로 적합한 유동층건조기, 분무형건조기, 진동조합식 건조기등은 대부분 수입에 의존하고 있다. 따라서 이러한 기술적인 난점을 극복하기 위하여는 건조에 관한 기초적인 연구들과 함께 건조기내의 열유동의 해석이 필수적일 것이다.  즉, 외국의 경우에는 건조기내의 열유동의 해석에 의하여 건조기의 설계 및 운영조건의 변경에 관한 인자들을 체계적으로 도출하고 있음을 주목하여야 한다.  이와같은 배경하에 본 연구에서는 막강한 적용능력을 갖고 있는 상업용 코드인 Fluent(ver.5)를 이용하여, 유동층건조기에 대한 열유동을 해석하고자 한다.  유동층건조기는 기존의 유동층 소각기에 대한 정보를 활용할 수 있을 뿐아니라, 운영비용이 기타의 건조기에 비하여 저렴하므로 슬러지를 비롯한 다양한 피건조물의 건조에 활용될 수 있을 것이다.  따라서 본 연구를 통하여 확보되는 자료들의 상업용 코드의 건조공정의 해석기법의 확보는 물론 실제의 건조장치의 설계 및 조업인자의 도출에 있어서 많은 도움을 줄 것이다.

모델링

본 연구에서는 피건조물로써 수분을 많이 함유한 탄산칼슘(CaCO3)을 피건조물로 설정하고, 가열매체로는 고온의 공기(Air)를 사용하는 것으로 설정하였다. 건조기 내부에서의 유체유동은 대표적인 CFD(Computational Fluid Dynamics) 코드인 Fluent(ver. 5)를 이용하여 모사하였다.  Fluent 는 유한체적법(Finite Volume Method)에 기초하며, GUI 방식으로 열유체의 이동현상을 해석하는데 있어서 널리 사용된다.  본 유동층 건조기에 대한 건조공정의 해석에 적용되는 가정은 다음과 같다.

(1) 건조기는 그림에 나타나 있듯이 2차원의 1:3 선대칭으로 가정된다.

(2) 유체의 흐름은 고속의 난류로 가정되며, Eulerian-Lagrangian 근사에         의하여 해석되어진다.

(3) 본 건조기에서 주요역할을 하는 것은 가열매개체인 고온의 공기이며,       정상상태하에서 건조가 이루어진다.

(4) 본 건조기에서 사용된 공기는 압축성 유체이며 이상기체 법칙을 따른       다. 건조기 내부에서 물질의 밀도는 압력 및 온도가 이상기체 방정식       에 따른다는 가정 하에 계산되어졌다.

(5) 위와 같은 조건하에서 건조기 내부의 열, 물질, 운동량등을 해석하기       위하여 적절하게 원통형 좌표계에서 지배 방정식들이 사용된다.

이로부터 일반적인 연속방정식, 운동량방정식, 열수지식과 물질수지식이 원통형 좌표계에 도입된다.  본 모델링에서는 회전유동은 고려하지 않는다.  또한 시료의 물성치, 입구와 출구 및 경계에서의 조건들은 다음에 보이듯이 적절하게 선택하였다.

전산모사

본 연구에서는 피건조물인 탄산칼슘(CaCO3)이 반응기 안에 채워져 있으며 고온의 공기가(973K) 가열원이 되어 건조되는 회분건조기를 바탕으로 전산모사를 실시하였다. 이와 같은 건조기에서는 체류시간이 불규칙하게 분포되며 작은 입자들은 본질적으로 유동화된 기체의 출구 온도까지 가열된다. 즉 들어가는 기체가 아무리 뜨겁다고 하더라도 기체가 빨리 혼합되어 실질적으로는 층 전체를 통하여 출구기체 온도로 균일하게 되는 것이다. 본 연구에서 사용된 유동층 건조기는 그림1에 잘 나타나 있다. 건조기는 가로와 세로의 비율이 1:3이 되도록 설계되었으며 건조기의 벽은 외부공기와 단열상태(300k)를 유지하였다.  이와같은 조건들에 대하여 Pre-processor 인 GAMBIT에서 대상물의 기하구조를 모사하고, 이를 바탕으로하여 수치해석 프로그램인 Fluent(ver. 5)에서 전산을 수행하게 된다.  전산 결과들은 적절한 Post-processor를 활용하여 각종 필요한 정보들을 그래픽화면으로 도출하게 된다.  따라서 본 연구에서 건조기의 모사는 2D를 사용하였고 Mesh는 96×17의 분포를 갖게 모델링하였다. 본 모델링에 사용된 공기의 물성치 및 초기조건을 표1과 표2에 나타내었다.

표 1 공기의 입구조건

Vg(m.s-1)	Tg(K)	Ma(Kg/Kg gas)	Ms(Kg/Kg gas)	I(%)	L(m)
0.125	973	0.9925	0.0075	5	0.0035

표2.기상에서의 Air의 물성치

	property	unit	correlation used in the simulation
Air	□S	wn-1K-1	1.3×10-3+9.11×10-5Tg-2.52×10-8Tg2
	Cps	kJkg-1K-1	0.99-1.71×10-5Tg+1.91×10-7Tg2
	□a	Pa·s	3.53×10-6+5.54×10-8Tg-1.7×10-11Tg2

결과 및 검토

본 연구의 Fluent에 의한 전산모사의 결과들은 그림 1-그림4에 나타나 있다. 그림 1은 건조기내부의 온도분포를 나타내고 있다.  각 지점에서 온도에 대한 정보는 관련된 피건조물의 함수율 및 물성을 환산하는데 있어서 중요한 역할을 하게 된다.  따라서 온도의 분포를 관찰하면 습도의 영역도 예측할 수 있다. 젖은 고체가 고체의 수분 함유율에 해당하는 습도보다도 더 낮은 습도를 갖는 공기와 접속하게 되면 기체는 수분을 잃고 공기와 평형을 이루기까지 건조되어 진다. 그림에서 보면 가열매개체인 기체는 처음에는 빨리 그리고 나중에 온도차인 구동력이 감소함에 따라 서서히 냉각하게 되고 기체의 습도는 기화된 액체가 자꾸 편승됨에 따라 점점 서서히 올라가게 된다.  그림2와 3은 각각 압력분포 및 기체의 유동속도를 나타낸 것이다.  압력은 피건조물의 누적에 의한 정압과 기체의 유동에 의한 유동화압력의 평형관계를 보여주고 있다.  즉, 그림 2는 유동화에 필요한 기체의 압력을 나타낸다.  결국 기체의 압력은 기체의 유동을 유발하고 있으므로, 그 형태는 그림 3에 보이듯이 유사한 형태로 나타난다. 한편, 그림 4는 건조기내의 난류에너지분포를 나타내어 주고 있는데 분포가 규칙적인 형태를 보이고 있는 이유는 피건조물의 불안정한 양이 건조기 내부의 벽과의 표면반응으로 인해 안정화된 결과로 이번 전산모사에서 피 건조물과 건조기 벽과의 표면반응을 고려하지 않아서 생긴 오차로 보여진다.  본 연구에서 수행한 전산모사는 실험적으로 수행되는 유동층 건조기의 설계를 실제제작에 앞서 정확도 및 효율을 측정할 수 있는 매우 효과적일 것이다.

참고문헌

1. McCabe, W.L., Smith, J.C. and Harriot, P.: "Unit Operations of            Chemical Engineering," 5th Ed, McGraw-Hill, 1993.

2. Master, K.: "Deposit free spray drying: a dream or a reality," Proc.        10th IDS Cracovie, pp. 52-60, 1990.

3. 김명배:□국내 산업용 건조기의 기술현황 및 전망,□ 화학공업과 기술, 15,      298, 1997.

4. Berger, D. and Pe, D.C.T.: Int. J. Heat Mass Transfer, 16. 293, 1957.

5. 일본분체공학회:□최신분체기술핸드북,□ pp. 515-559, 1990.

그림 1. 건조기내의 온도분포           그림 2. 압력분포

그림 3. 속도분포                       그림 4. 난류에너지 분포