삼상 역 유동층에서 층 팽창 이완방법에 의한

유동 입자의 분산 거동 해석

손성모, 김현태, 강석환, 송평섭, 이찬기, 강 용↕

충남대학교 화학 공학과

Analysis of Dispersion Behavior of Fluidized Particles by Relaxation

Method in Three Phase Inverse Fluidized Bed

Sung Mo Son, Hyun Tae Kim, Suck Hwan Kang, Pyung Seob Song, Chan Gi Lee,

Young Kang↕

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University,

Taejon 305-764, Korea

서론

삼상 역 유동층은 고체 입자의 밀도가 액체보다 작기 때문에 기체는 유동층의 밑부분에서 상승방향으로 흐르는 반면, 액체는 관의 하향방향으로 흐르는 향류흐름에 의해 유동화 되기 때문에 액체상을 고체입자에 작용하는 순 부력에 반대방향으로 흐르게 하여 유동층의 윗부분부터 아랫방향으로 유동화 시킬 수 있다[1-2].

삼상 역 유동층은 상들간의 접촉 효과가 좋고, 열 및 물질 전달 효과가 좋고, 유동 입자에 작용하는 중력이 아닌 부력에 대하여 유동화 시키는 역 유동화의 특성을 이용할 수 있어서 유동 입자의 밀도가 액체보다 작은 경우나 다공성의 입자 그리고 미소입자를 이용할 수 있으며, 에너지 소비가 낮고 고체 입자의 마모를 최소화 할 수 있다는 장점도 있다. 또한 가스 방출에 의한 비말 동반 현상이 없기 때문에 고체 입자 체류량이 줄어들지 않으며, 삼상 역 유동층은 기체 유속만으로도 고체입자를 유동화 시킬 수 있기 때문에 여러 가지 생물공정과 폐수처리 등의 환경공학 그리고 생화학 그리고 다른 주변산업에도 그 응용성은 더욱 확대 될 수 있으며 현재 폐수처리 공정이나 생물공정에서 많은 연구가 이루어지고 있고 많은 공정에 이용되고 있다. 특히, 삼상 역 유동층은 유동입자의 둘레에 형성되는 생물학적 필름(biofilm)의 두께를 미세하게 조절할 수 있기 때문에 생물학적 폐수처리 및 반응, 효소고정화 등에 매우 유동하게 응용될 수 있다[3-5].

삼상 역 유동층에서 분산상으로 존재하는 고체 입자의 거동은 유동층의 수력학적

특성 뿐만 아니라 열전달 물질 전달등에 매우 중요한 영향을 미친다. 그러나 삼상 역 유동층의 수력학적 특성이나 열 전달, 물질전달특성등에 대한 연구가 이루어지고 있지만, 분산 입자의 거동에 대한 연구는 미흡하다.

따라서, 본 연구에서는 삼상 역 유동층에서 층 팽창 이완 법을 사용하여 유동층 내의 유동입자의 거동 해석에 대한 연구를 수행하였다.

이론

정상 상태로 조업되고 있는 삼상 역 유동층에서 기체의 유속을 계단 함수로 증가 시킬 경우 이에 따라 유동층의 팽창이 이루어지고 유동층내의 일정 시험 영역에서의 층 공극률 및 유동 입자의 체류랑의 변화가 나타난다. 유동층의 팽창 과정은 액체 유속이 변화 한후 일정시간 까지는 유동층 내 유동입자의 분포가 불균일한 불균일 팽창(heterogeneous expansion)이 일어나나 일정 시간 후에는 유동 입자가 층 내부에 균일하게 분포되는 균일 팽창 (homogeneous expansion)이 일어나며 서서히 새로운 정상 상태로 수렴해 간다.

유동층의 비 정상 상태 팽창과정에서 유동층이 불균일 팽창 형태로 변환되는 지점을 층 팽창 이완 지점(relaxaton point)이라 한다. 층 팽창 이완법으로 유동입자의 분산 거동을 해석하기 위해서는 조업변수에 따라 유동층 내부 시험 영역에서의 압력 변동을 측정한 후 그 histogram으로부터 시간의 변화에 따른 유동 입자의 체류량이나 유동층내부의 층공극률의 변화를 구하여야 한다. 삼상 역 유동층 내부에서의 압력 변동 histogram을 이용하여 유동입자의 분산 거동을 해석하기 위해서는 유동층의 팽창에 따른 유동입자의 빈도수를 구해야 한다.

유동층의 시험 영역(test section)에서 유동입자의 빈도수는 이 영역에서 고체 유동 입자의 물질수지로부터 구할 수 있는데, 이는 식 (1)과 같이 층공극률과의 함수 관계로 나타낼수 있다.

[eqn: {□(t)-□sub0 } over {□subR-{□sub0}} = exp(-Ft)]                          (1)

여기서 □0와 □R은 각가 새로운 정상 상태와 층팽창 이완점에서의 층공극률을 나타낸다. 한편 유동입자의 빈도수와 층공극률로부터 식 (2)에 의해 구할 수 있다.

[eqn: D sub p~ =~ F over 2 L^2 [{{(□sub0 -{1})(□sub R-{□sub0})} over {{(1-{□subR})}^2}}]]                (2)

여기서, L은 시험 영역의 위치를 나타낸다.

본 연구에서는 층공극률의 시간의 변화에 따른 응답자료와 층팽창 이완점에서의 층공극률 그리고 새로운 정상상태에서의 층공극률 자료들로부터 유동입자의 분산 계수를 각각 (1)과 (2)에 의해 구하였다.[6-7]

실험

본 연구에서 사용된 실험장치는 Fig.1.에서 보는 바와 같이 내경이 0.152m이고 높이가 2.5m인 아크릴 관을 사용하였다.

유동 고체입자로는 밀도가 877.3 kg/m3이고 직경이 0.004m 인 구형의 폴리프로필렌 입자와 밀도가 966.6 kg/m3이고 직경이 0.004m인 구형의 폴리에틸렌 입자를 사용하였으며, 여기서 밀도값은 실험에 의해 구한 평균 밀도값을 사용하였다. 또한, 연속액상(continuous liquid phase)으로는 물을, 기체분산상(dispersed phase)으로는 여과된 압축공기를 사용하였다. 기체 유속의 범위는 0.002∼0.008m/s에서 실험이 수행되었다.  유동입자의 역 유동을 위해 연속액상을 유동층의 상부에서 하부로 일정유속으로 균일하게 흐르게 하기 위해 다공판 형태의 액체 분산판을 사용하였는데, 액체 분산판은 직경 0.003m의 구멍을 삼각피치로 균일하게 배치하였다. 한편, 기체 분산상은 유동층의 하부에서 주입되어 상부로 상승하도록 하였는데 기체 분산상의 균일한 분포를 위해 유동층 하부 판에 직경 0.00635 m 의 관을 균일하게 4개 삽입하여 용접한 후 이 관에 직경 1mm의 오리피스를 일정간격으로 만들어 사용하였다.

유동층내의 압력 변화를 측정하기 위해서 액체분산판으로부터 70cm에 압력 탭을 설치하고 압력 센서(coppel electronics)를 이용하여 정압력 강하를 측정하였다. 압력 센서로 부너 나오는 전기적 신호는 증폭기를 거쳐 A/D변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환하였다. A/D변환기를 거친자료(100Hz)들은 데이터 획득장치(DT 2805 Lap Card)을 사용하여 sample의 크기를 각 실험조건에서 6000개가 되도록 하여 PC에 입력시킨 후 off-line process로 통계적으로 처리하여 해석하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2와 3은 각각 PP와 PE의 삼상역유동층에서 기체유속의 변화에 따라 비정상상태 거동에서 새로운 정상상태에 도달하는 양상을 시간에 따라 나타낸 것이다. 그림에서 볼 수 있듯이 UGi에 관계없이 동압압력변동곡선은 relaxation point를 지나는 것을 알 수 있다. 삼상 역 유동층 내부의 일정 시험영역에 유입된 유동입자는 relaxation point를 지나 균일팽창이 일어나면서 새로운 정상상태에 도달하게 된다.

Fig. 4와 5에는 기체유속의 변화에 따른 유동층 내부의 일정시험영역에서의 유동입자들의 요동빈도수와 분산계수에 미치는 영향을 나타내었다. 물과 밀도차가 상대적으로 작은 PE입자는 역유동층내에서 부력과 난류흐름에 의해 팽창이 잘되므로 입자들의 거동운동폭이 커짐에 따라 요동빈도수와 분산계수가 PP에 비해 모두 크게 나타났다.

참고문헌

1.	Fan, L.S., Gas-Liquid-Solid Fluidization Engineering, Butterworths,	Boston,Stoneham, MA (1989).

2.	Fan, L.S., Muroyama, K. and Chern, S.H.; Chem. Eng. J.,24, 143 (1982a).

3.	Garcia-Calderon, D., Buffiere, P., Moletta, R. and Elmaleh, S.; Wat. Res., 32, 3593 (1998).

4.	Garcia-Bernet, D., Buffiere, P., Elmaleh, S. and Moletta, R.; Wat. Sci. Tech., 38, 393 (1998).

5.	C. L. Briens, Y. A. A. Ibrahim, A. Margaritis, M. A. Bergougnou; Chem. Eng. Sci. 54, 4975(1999).

6.	Kang, Y and Kim, S.D.: Chem. Ind.&Technol., 13, 27(1995)

7.	Kang, Y., Woo, K.J., Ko, M.H., Kim, S.D.; HWAHAK KONGHAK, 33, 633,(1995)

Figure 1. Experimental apparatus :
1. Calming section	8. A/D convertor
2. Liquid distributor	9. Computer
3. Gas distributor	10. Reservoir
4. Vent line	11. Gas flow meter
5. Pressure Sensor	12. Liquid flow meter
6. Valve	13. Air compressor
7. Amplifier	14. Pump