점성 유체 삼상순환유동층에서 기-액 물질전달 특성

김사중, 조용준, 이찬기, 강 용↕, 김상돈．

충남대학교 화학공학과

．한국과학기술원 화학공학과

Mass Transfer Characteristics  of Three-Phase Circulating Fluidized Beds in Viscous Liquid Medium

Sa-Jung Kim, Yong-Jun Cho, Chan Gi Lee, Yong Kang↕ and Sang-Done Kim．

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University,

Taejon 305-764, Korea

*Department of Chemical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Taejon 305-701, Korea

서론

삼상 순환유동층은 유동입자가 기체, 액체, 고체의 삼상이 흐르는 상승관에서 상승하여 하강관을 거쳐 재순환되는 계이므로, 유동입자의 크기나 밀도 그리고 물리적 특성에 관계없이 기체와 액체의 유속을 자유롭게 조절할 수 있어서 삼상의 접촉효율을 극대화하면서도 기존의 삼상 유동층과 비교하여 액체의 유속 및 유동고체 입자의 크기, 밀도등 운전조건을 매우 확장할 수 있다는 큰 장점을 가지고 있다[1-4]. 뿐만 아니라, 삼상 순환유동층은 유동입자를 상승관과 하강관을 통하여 순환시키면서 유동입자의 표면처리나 가공 등이 용이하여 상승관에서 기체나 액체 등과 접촉하여 비활성화된 촉매나 흡착, 흡수제들의 재활성화에 매우 효과적으로 적용할 수 있어서 삼상 유동층 반응기나 접촉기 그리고 흡수나 흡착공정을 매우 효율적으로 수행할 수 있는 것으로 알려지고 있다[5-8]. 또한, 대부분의 생물공정이나 반응기에서는 유동입자가 다공성이며 밀도가 작아 삼상유동층을 사용할 경우 유동입자의 최소유동화속도가 매우 작으므로 이에 따른 액체의 유속조절이 전체 반응의 전환율에 미치는 영향이 커서 그 제약조건이 많아 사용에 큰 제한을 받아왔으나, 삼상 순환유동층을 사용함으로써 이와같은 제한점을 극복할 수 있다 하겠다. 그러나, 삼상 순환유동층에 대한 연구는 국내·외를 막론하고 이제 시작단계에 있으며 이를 공정에 응용하기에는 수력학적 특성과 열 및 물질전달 등 전달현상에 대한 정보가 매우 긴요하다 하겠다[9-10].

따라서, 본 연구에서는 삼상 순환유동층의 상승관에서 기체와 액체간의 물질전달특성을 고찰하였으며, 기체와 액체유속, 유동입자의 순환속도 그리고 유동입자의 크기 등을 변화시키면서 액체의 점도가 기체-액체간의 부피물질전달계수에 미치는 영향을 규명하였다. 본 연구의 결과는 삼상 순환유동층 반응기나 접촉기의 운전이나 설계 그리고 제어 등에 필수적인 공학적 자료를 제공할 수 있을 것으로 사료된다.

실험

본 연구의 실험에 사용한 삼상 순환유동층(Circulating Fluidized Beds)의  상승관은 직경이 0.102m이고 높이가 3.5m인 아크릴 관을 사용하였다[1,4,10]. 삼상 순환유동층은 Fig. 1에서 보는 바와 같이 고체입자를 유동화하여 유출시키는 상승관과 상승관 상부의 기체-액체-고체 분리부, 고체입자를 저장하는 hopper, 그리고 고체입자를 일정한 순환속도로 다시 상승관에 주입시키는 내부 loop-seal로 구성되어 있다. 액체연속상의 분산판은 다공판 형태를 사용하였는데, 직경 3mm의 구멍을 삼각피치로 균일하게 배치하였으며 기체분산상의 주입을 위해 액체연속상 분배기에 직경 6.35mm의 관을 삽입하여 용접한 후 이 관에 직경 1mm의 오리피스를 만들어 기체 분산상과 액체연속상이 동일면에서 유동층 내에 주입되도록 하였다. 연속상인 액체로는 CMC(1) ; 0.1wt%, CMC(2) ; 0.2wt% 및 CMC(3) ; 0.3wt%용액을 사용하였고 분산상인 기체로는 여과된 압축공기를 사용하였고, 고체입자로는 직경이 1.0, 1.7, 2.1, 3.0mm이고 밀도가 2500kg/m3인 유리구를 사용하였다. Loop-seal의 하부와 측면에서는 일정한 유속의 액체를 주입하여 상승관으로 다시 유입되는 고체의 양을 조절하였고, 순환되는 고체의 양은 butterfly valve를 이용하여 실험적으로 측정하였는데[1,4,9,10] 본 실험에서 고체순환속도의 범위는 2∼8 kg/m2s이다.

본 연구의 주요 실험변수로는 기체유속(0.01∼0.09m/s), 액체유속(0.12∼0.43m/s), 고체순환속도(2∼8kg/m2s) 및 입자크기(1.0∼3.0mm)를 선정하였으며, 삼상 순환유동층의 상승관에서 기체-액체 부피물질전달계수의 결정은  연속상의 축방향 용존산소량을 측정하여 축방향 분산모델을 적용하여 구하였다[6,11]. 삼상 순환유동층의 상승관내에서 액상의 축방향 용존산소량의 변화를 측정하기 위하여 상승관의 고체유동입자가 재순환되는 재투입구로   부터 0.3m의 높이에서부터 고체유동입자 재 투입구의 맞은편 벽면에 0.3m 높이에 따라 7개의 액체시료 sampling tap을 설치하였다. 일정실험 조건에서 액상의 시료채취는 상승관의 축방향 각 위치에서 시료채취 밸브가 일정시간 동시에 열리도록 solenoid valve와 기-액 분리기를 사용하여 채취하였다. 채취된 시료의 용존산소량 측정은 상온에서 교반되는 DO-meter(YSI Inc. 59BC-115V)를 사용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

삼상 순환유동층의 상승관에서 기체-액체 부피물질전달계수(kLa)는 삼상유동층이나 기포탑의 물질전달 특성연구에 적용되어온 축방향 분산 모델[6]을 적용하였다. Fig. 2에서 보는 바와 같이 기체유속이 증가함에 따라 증가하고 액체의 점도가 클수록 작아짐을 알 수 있다. 이는 일정 유동입자와 액체유속 그리고 고체입자의 순환속도 조건에서 상승관의 단위부피에 투입되는 기체공기의 양이 증가함에 따라 공기에 포함된 산소 양의 공급도 증가되기 때문이라 할 수 있다. 뿐만아니라, 삼상이 흐르는 상승관에서 기체 유속의 증가는 상승관내에 기체 체류량의 증가를 가져와 분산상으로 존재하는 기포에 의한 기체-액체 계면에서의 난류현상도 증가되어 기체-액체간의 부피물질전달에 도움이 된다고 할 수 있다. 또한 액체의 점도에 따른 영향은 Figs 2, 3, 4, 5에서 볼 수 있듯이 삼상 순환유동층의 상승관에서 액체 점도의 증가에 따라 감소하는 경향을 나타었는데, 이는 삼상 순환유동층에서 액체 점도의 증가는 기체체류량의 감소를 가져오기때문으로 설명할 수 있다.  그러나, 삼상 순환유동층의 상승관에서 액체 유속의 증가는 Fig. 3에서 보는 바와같이 기체-액체 부피물질전달 계수에 큰 영향을 미치지 못하는 것으로 나타났다. 이는 상승관에서 액체의 유속이 증가함에 따라 상승관 내부의 난류 현상의 증가를 가져와 기체-액체의 계면이 보다 효율적으로 접촉할 수 있어 기체-액체 간의 물질 전달현상을 증가시키는 것으로 작용하는 반면, 상승관의 단위부피당 액체의 체류량이 증가하게 됨으로써 기체의 체류량이 감소하는 결과를 가져와[8] 기체-액체의 접촉면적이 감소하는 효과가 되어 결국 기체-액체 부피 물질전달 계수를 감소하게 하는 작용을 한다. 이 두 가지의 상반된 효과 때문에 삼상 순환유동층의 상승관에서 액체 유속의 증가는 기체-액체 부피물질전달 계수에 큰 영향을 미치지 못한다고 할 수 있다. 삼상유동층에서 액체유속의 변화에 따른 기체-액체 부피물질 전달 계수가 크게 변화하지 않는 것도 이와 유사한 이유 때문으로 보고되고 있다[11]. 상승관에서 유동 고체입자의 순환속도(GS)가 기체-액체 부피 물질전달 계수에 미치는 영향을 Fig. 4에 나타내었다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 기체-액체 부피물질 전달계수는 고체입자의 순환속도가 증가함에 따라 증가됨을 알 수 있고 특히, 기체유속이 낮은 경우(UG=0.01m/s)보다 기체 유속이 증가할수록 kLa값이 증가하는 것으로 나타났다. 삼상 순환유동층의 상승관에서 유동 고체입자의 순환속도가 증가함에 따라 상승관내에 존재하는 유동 고체입자의 체류량이 증가하게 되어 상승하는 기체-액체의 병류 흐름장에 작용하는 방해효과(hindrance effect)의 증가를 가져오는데 이와 같은 현상은 상승관내의 난류현상의 증가를 가져와 기체-액체 계면에서 물질전달현상을 증가시킨다고 볼 수 있다. 이와 같은 효과는 기체의 유속이 증가함에 따라 증가하기 때문에 기체유속이 낮은 경우보다 증가할수록 GS의 변화가 kLa에 작용하는 영향은 증가한다고 할 수 있다. 한편, 삼상 순환유동층의 상승관에서 유동 고체입자의 크기가 기체-액체 부피 물질전달에 미치는 영향을 Fig. 5에 나타내었다. 유동입자의 크기가 변화함에 따라 이들의 최소유동화 속도인 Ut가 변화하기 때문에 이들 입자들은 순환시키기 위한 액체의 유속에 큰 차이가 있어서 dP가 kLa에 미치는 영향의 고찰에서는 UL-Ut를 매개 변수로 하였다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 일정 유동화 조건 즉, UL-Ut가 일정할 때 입자의 크기(dP)가 증가함에 따라 기체-액체 부피 물질전달 계수는 증가하는 경향을 나타내었다. 상승관에서 유사한 유동 조건일 경우 기체-액체의 상승병류흐름에 의해 유동입자에 작용하는 drag force가 증가하는 만큼 입자의 크기가 증가하면 그 입자에 의한 이들 기체-액체 상승 흐름에 대한 방해효과도 증가하게 될 뿐만 아니라, 유동화되며 파생되는 에너지의 손실 또한 증가하여 상승관 내의 난류현상의 증가를 가져와 기체-액체 계면에서의 부피 물질전달계수는 증가한다고 볼 수 있다.

참고문헌

1.	Kim, S. J., Cho, Y. J., Kang, Y., Kim, S. D. and Park, S. H.: HWAHAK

KONGHAK, in press.

2.	Kim, S. D. and Kang, Y. : Chem. Eng. Sci., 52, 3639(1997).

3.	Liang, W., Wu, Q., Yu, Z., Jin, Y. and Wang, Z.: Can. J. Chem. Eng., 73,	656(1995).

4. Shin, K. S., Cho, Y. J., Kang, Y. and Kim, S. D.: HWAHAK KONGHAK,

39, 91(2001).

5.	Han. S., Zhou, J., Loh, K. C. and Wang, Z.:Chem. Eng. Sci., 70, 9(1998).

6.	Liang, W. G., Wu, Q. W., Yu, Z. Q., Jin, Y. and Bi, H. T.:AIChE J., 41,

267(1995).

7.	Yang, W. G., Wang, J. F., Chen, W., Jin, Y.:Chem. Eng. Sci., 54 , 5293

(1999).

8. Zhu, J. X., Zheng, Y., Karamanev, D. G. and Bassel, A. S,:Can. J.Chem.	Eng., 78, 82(2000).

9.	Kim, S. H., Cho, Y. J., Song, P. S., Kang, Y. and Kim, S. D. :	HWAHAK KONGHAK, 37, 916(1999).

10.Cho, Y. J., Song, P. S., Kim, S. H., Kang, Y., and Kim, S. D. : J. Chem.	Eng. Japan, 34, 254(2001).

11.	Lee, D. H., Kim, J. O., Han, J. H. and Kim, S. D.: HWAHAK KONGHAK,	31, 118(1993).

	Fig. 1 Schematic diagram of a three-phase cirulating fluidized bed : 1. Riser 11. DO meter 2. Down comer 12. Filter & regulator 3. Hopper 13. N2 tank 4. L/S Separator 14. G/L Distributor 5. Pressure tap 15. Liquid Reservoir 6. Butterfly valve 16. Pump 7. Compressor 17. N2 injection distributor 8. Control valve 18. Temperature controller 9. Flowmeter 19. Purge tank 10. Sampling vessel
Fig. 2. Effects of UG on kLa in the riser of three-phase circulating fluidized beds(GS=2kg/m2s, dP=2.1mm).	Fig. 3. Effects of UL on kLa in the riser of three-phase circulating fluidized beds(GS=2kg/m2s, dP=2.1mm).
Fig. 4. Effects of GS on kLa in the riser of three-phase circulating fluidized beds(UL=0.28m/s, dP=2.1mm).	Fig. 5. Effects of dP on kLa in the riser of three-phase circulating fluidized beds(UG=0.03m/s,GS=2kg/m2s).