삼상순환유동층에서 액상의 축방향분산계수

조용준, 김사중, 강 용, 김상돈*

충남대학교 화학공학과

*한국과학기술원 화학공학과

Axial Dispersion Coeffcient of Liquid Phase

in Three-Phase Circulating Fluidized Beds

Yong-Jun Cho, Sa-Jung Kim, Yong Kang and Sang-Done Kim*

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University,

Taejon 305-764 Korea

*Department of Chemical Engineering, KAIST

Taejon 305-701, Korea

1. 서 론

기체-액체-고체 삼상순환유동층은 고체가 층내부에서만 유동하는 기존의 삼상유동층과는 달리 고체입자의 종말속도 이상으로 연속상의 유속을 증가시켜 고체입자를 상승관 밖으로 유출시키고 하강관을 거쳐 고체순환장치를 이용하여 다시 상승관안으로 순환시키는 장치로 최근들어 다상반응기, 생물반응기 그리고 다상의 접촉계등에서 그 중요성이 인식되면서 활발한 연구가 진행되고 있는데, 특히 유동입자의 밀도가 매우 작거나 입자의 크기가 매우 작은 경우 또는, 고체유동입자가 다공성인 촉매이거나 흡착제 또는 흡수제 등일 경우에 매우 효과적으로 응용될 수 있는 것으로 보고되고 있다[1∼3].

삼상순환유동층은 기존의 일반적인 삼상유동층에서 발생할 수 있는 dead zone을 효과적으로 없앨 수 있는 다상접촉공정이므로 기체-액체-고체간의 접촉효율을 더욱 증가시킬 수 있으며, 높은 기상 및 액상유속 상태에서 운전되므로 단위시간당 처리용량이 크며, 반응물의 양과 조건을 조절할 수 있는 운전조건의 폭이 넓어서 다상반응기로 사용될 경우 반응전환율을 획기적으로 증가시킬 수 있는 반응기로 평가받고 있다. 하지만 최근까지 삼상순환유동층의 기초적인 수력학적특성 및 이들의 복합적인 상호작용결과 발생되는 전달현상등에 대한 연구는아직 활발하게 진행되고 있지 않은 실정이다. 따라서 본 연구에서는 삼상순환유동층에서 기상 및 액상유속 그리고 고체순환속도의 변화에 따른 액상의 축방향분산계수를 실험적으로 구함으로써 고찰하였으며 이와 같은 연구결과는 삼상순환유동층의 산업적 응용에 필수적인 기초자료가 될 것으로 사료된다.

2. 실 험

본 연구에 사용된 실험장치는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 상승관으로 직경이 0.102m이고 높이가 3.5m인 아크릴관을 사용하였다. 실험장치는 상승관과 상승관 상부의 액체-고체 분리부, 하강관 그리고 고체순환을 위한 inner loop-seal로 구성되어 있으며 순환되는 고체의 양은 butterfly valve를 이용하여 실험적으로 측정하였다[1∼3].

액상의 축방향분산계수를 측정하기 위해서 추적자 주입방법[1, 6, 7]을 사용하였다. 추적자로는 1.0N의 NaCl용액을 사용하였으며, 관내 추적자의 주입은 주어진 실험조건에서 정상상태에 도달된 다음 고체입자 순환지점의 10cm 상부의 관중앙에서 점주입(point source) 시켰다. 관내에서 추적자의 농도분포는 추적자의 점추입상부 15, 30, 45, 60cm 지점에 각각 4개의 전기전도도탐침을 설치하여 측정하였다. 전기전도도탐침은 직경 6mm의 plastic tube에 0.3mm직경의 백금 wire를 사용하였다.

축방향의 추적자 농도변화는 축방향으로 설치된 4개의 탐침들과 conductivity bridge를 통해 정류, filter 및 증폭과정을 거쳐 전기적 신호로 변환된 후 data logging system으로 유입되어 컴퓨터에 저장되었다. 이때 얻어진 전기적 신호는 출력볼트(output voltage)와 conductance와의 보정곡선을 이용하여 농도로 변환하여 사용하였다.

액체와 기체의 유속범위는 각각 0.25∼0.33 m/s, 0.01∼0.07 m/s이었고, 고상으로는 직경이 2.1mm이고 밀도가 2,500kg/m3인 유리구를 사용하였으며 이들의 순환속도는 2∼8 kg/m2s 이었다.

추적자 주입 후 정상상태에서 측정된 추적자의 반경방향 농도분포로부터 액상의 반경방향확산계수는 axially dispersed plug-flow model을 사용하여 구하였는데, axially dispersed plug-flow model의 식은 다음과 같다.

[eqn: {d^2 C} over {dZ^2 } = -{ U_L over epsilon _L }over{D_Z} {dC}over{dZ}]	(1)

(1)식을 Z=0 ; C=Co, Z=∞; C=0의 경계조건에 대해서 정리하면 (2)식으로 표현되는 해를 얻을 수 있으며, (2)식을 이용하여 축방향에 따른 추적자의 농도분포를 측정하여 액상의 축방향분산계수를 실험적으로 구할 수 있다.

[eqn: { C} over {C_0 } = exp -{ U_L over epsilon _L }over D_Z Z]	(2)

3. 결과 및 고찰

추적자의 축방향 농도분포로부터 액상의 축방향 분산계수를 구하였는데, 기체유속이 0.01m/s에서 0.07m/s로 증가함에 따라서 Fig. 2에서 보는 바와 같이 액상의 축방향 분산계수는 모든 액체유속의 범위에서 단조증가 하는 것을 볼 수 있다. 삼상유동층에서 액상의 축방향 분산계수는 기포의 axial movement와 liquid wake에 의해 크게 좌우되며, 특히 액체요소(liquid element)들의 축방향으로로 빠른 움직임이 삼상유동층에서 축방향 혼합(mixing)을 유발하는 주요한 요인이 된다[4, 5]. 따라서 기체유속이 증가함에 따라 기포의 크기와 크기분포가 커지게 되며 기포하부에 많은 선회류(vortex)를 형성시켜 축방향 분산계수를 증가시키는 역할을 하는 기포의 wake가 커지게 되어 혼합이 원활하게 발생되기 때문에 기체유속의 증가는 액상의 축방향 분산계수를 증가시키는 결과를 초래한다.

기체유속이 0.03m/s로 일정하고 고체순환속도가 2, 4, 6, 8 kg/m2s일 경우 액체유속 증가에 따른 액상의 축방향 분산계수 변화양상을 Fig. 3에 나타내었다. Fig.3에서 볼 수 있듯이  모든 고체순환속도에서 액체유속이 증가함에 따라 축방향 분산계수는 약간 감소함을 알 수 있다. 삼상유동층에서 액체유속이 증가하게되면 높은 층공극률, 기포의 분쇄 그리고 축방향으로 고체의 진동(oscillation)현상 증가라는 3가지의 현상을 유발하게 되는데[5, 6], 전자의 2가지는 축방향분산계수를 감소시키는 작용을 하고 마지막 항은 축방향분산계수를 증가시키는 작용을 한다. 삼상순환유동층은 연속상인 액상의 유속이 매우 높기 때문에 기포의 크기 및 크기분포는 작아지고, 액체체류량이 크고 상대적으로 고체의 체류량은 작아지기 때문에 고체입자의 진동운동에 의해 발생하는 고체입자의 방해효과는 급격하게 감소하게 되어 결과적으로 액체유속의 증가는 액상의 축방향 분산계수를 감소시키게 된다.

삼상순환유동층에서 고체입자의 직경이 2.1mm, 액체유속이 0.29m/s로 일정하고 기체유속이 0.01∼0.07m/s일 경우에 고체순환속도(solid circulation rate)가 2kg/m2s에서 8kg/m2s로 증가함에 따른 액상의 축방향 분산계수의 변화를 Fig. 4에 나타내었다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 고체순환속도가 증가하면 고체체류량이 증가하게 되고 고체입자의 축방향으로의 진동운동이 증가하게 되어 모든 기체유속범위에서 고체순환속도가 증가함에 따라서 축방향 분산계수는 증가함을 알 수 있다.

Kang 등[5]은 이상 및 삼상유동층에서 액상의 혼합정도를 에너지소비속도(energy consumption rate)와 난류강도(turbulent intensity)를 가지고 효과적으로 설명하였는데, 본 연구에서 액상의 축방향 혼합현상에 미치는 에너지소비속도와 난류강도의 영향을 Fig.5에 나타내었다. Fig.5에서 볼 수 있듯이 일정액체유속에서 기체유속과 고체순환속도가 증가함에 따라서 에너지소비속도와 난류강도는 증가함을 알 수 있으며, 이러한 변수들의 증가가 결과적으로 액상의 축방향분산계수를 증가시키는 작용을 한다는 것을 알 수 있다.

4. 결 론

삼상순환유동층의 상승관에서 액상의 축방향 혼합특성을 알아보고자 축방향의 추적자 농도분포로부터 axially dispersed plug-flow모델을 사용하여 액상의 축방향 분산계수를 구한 결과 기체유속이 증가함에 따라 액상의 축방향 분산계수는 기체유속이 증가함에 따라서 증가하였으며, 연속상인 액체유속의 증가는 축방향 분산계수를 감소 시켰다. 고체순환속도가 증가하게 되면 고체체류량이 커지고 고체입자들의 진동운동에 의한 난류강도가 커질 뿐 아니라, 난류강도를 증가시키기 때문에 고체순환속도가 증가함에 따라서 액상의 축방향 분산계수는 증가하였다.

5. 참고문헌

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

2.	Cho, Y.J., Song, P.S., Kim, S.H., Kang, Y. and Kim, S.D. : J. Chem.	Eng. Japan, in press(2000)

3.	Nam, S.H., Cho, Y.J., Kang, Y. and Kim, S.D. : HWAHAK	KONGHAK, in press(2000)

4.	Klinkenberg, A.A., Krajenbrinkm, H.J. and Lauwerier, H.A. : Ind.	Eng. Chem., 45, 1202(1953)

5.	Kang, Y.  and Kim, S.D. : Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 25,	717(1986)

6.	Kang, Y.  and Kim, S.D. : HWAHAK KONGHAK, 24, 277(1986)

7.	Kang, Y. and  Kim, S.D. : HWAHAK KONGHAK, 25, 394(1987)

Fig.1. experimental apparatus

1. Riser	10. Conductivity probe

2. Down comer	11. Conductivity bridge

3. Hopper	12. Low-pass filter

4. L/S separator	13. A/D convertor

5. Tracer inlet	14. Computer

6. Butterfly valve	15. G/L reservoir

7. Compressor	16. Liquid reservoir

8. control valve	17. Pump

9. Flowmeter	18. Tracer tank