수평관 기류수송의 경계유속에 관한 연구

박 은 호, 홍 성 선, 이 창 근*, 조 성 호*, 진 경 태*

충북대학교 화학공학과

한국에너지기술연구소 유동층기술연구센터*

Characteristic of critical velocity in horizontal pneumatic transport

Eun-Ho Park, Sung-Sun Hong, Chang-Keun Yi*, Sung-Ho Cho*, Gyoung-Tae Jin*

Department of Chemical Engineering, Chung-Buk National University

Fluidization Research Center, Korea Institute of Energy Research*

서 론

Pneumatic transport란 기체를 사용하여 수송관을 통한 입자의 수송을 말하며, 밀가루, 석회석, 석탄 등과 같은 입자의 수송에 사용되고 있다. 과거에는 흐름의 안정성의 확보 측면에서 suspension형태 즉, 희박상의 사용이 주로 이용되었으나, 최근 수송관과 입자의 마모 감소, 수송기체의 절감, 사이클론 포집효율 증가, 정전기의 감소, 입자의 고유성질 유지 등의 장점을 들어 농후상 수송방식으로 전환이 이루어지고 있다[1,2].  농후상 수송은 크게 안정한 영역(stratified and dune flow)과 불안정한 영역(plug or extrusion flow)으로 나눌 수 있으며, 이 영역을 구분 짓는 유속을 critical velocity라 한다[3].  즉, critical velocity는 수송관의 막힘을 가져오는 가장 높은 유속을 말하며 결정 방법은 입자가 수송되는 동안의 차압변화를 측정하여 급격한 변화를 보이는 점으로 판별될 수 있다[4].  그러므로, 입자의 안정적이고 연속적인 수송을 위해서는 critical velocity보다 높은 유속에서 운전을 해야한다.  그러나 농후상 영역에 대한 연구의 부족으로 인한 자료의 부족과 연구자의 주관적인 성향이 깊이 작용하여 아직까지 용어와 정의에 있어 통일성을 기하지 못해 많은 혼란을 가져오고 있다.

본 연구에서는 고온건식 탈황 공정에서 고체의 연속적이고 안정적인 순환을 위해 수평관에서의 고체 흐름 특성을 파악하고, 농후상 수송의 안정한 영역과 불안정한 영역을 구분 짓는 critical velocity를 찾아 장치의 scale-up시 설계자료로 활용하고자 두개의 차압계를 사용하여 critical velocity를 뚜렷하게 측정하는 방안을 제시하였다.

이 론

Critical velocity란 수평관의 흐름에 있어 안정한 영역과 불안정한 영역을 나누는 경계점으로서, 입자가 수송되는 동안의 차압의 변화를 측정, 분석하여 결정되어진다. 안정한 영역에서의 차압의 변화는 비교적 균일한 형태를 보이나 관의 막힘을 가져오는 불안정한 흐름에서는 급격한 증가를 나타내며, 심한 압력 강하 요동을 동반한다.

Critical velocity의 이론적인 정의는 다음과 같이 나타낼 수 있다[5].  여기서 H, D, A1은 각각 입자층의 높이, 수송관의 직경, 수송관의 단면적 A를 채우고 있는 suspended particle flow의 면적을 의미한다.

H = D or A1 = 0

Decreasing

Velocity

Fig. 1 수평관에서 유속 감소에 따른 흐름 형태 변화

실 험

Fig. 2는 실험에 사용된 고체순환 상온장치이다. 재질은 Plexi-glass로 만들어져 있으며, 오른편의 riser는 밑 부분이 내경 0.05m×높이 0.63m, 윗부분은 내경 0.035m×높이 4.65m이며, 두 부분이 길이 0.17m의 reducer관에 의해 연결되어 있다. 왼편의 반응기는 내경 0.16m×높이 1.25m의 유동층 반응기로 공기분산판과 연결되어 있으며, 고체순환량을 측정하기 위해  load cell hopper를 설치하였다. 유속의 조절은 mass flow controller를 사용하여 수평관, 반응기, riser로 독립적으로 보내져서 각각의 유속을 제어할 수 있다.

Fig. 2. (a)는 수평관의 상세도 이다. 수평관의 길이는 1.8m, 직경은 0.034m이며, 반응기 쪽에서 0.72m 떨어진 부분에 0.24m의 간격을 둔 차압변환기를 설치하였다. 기존의 실험은 수평관의 윗부분에서만 압력변화를 측정하여 critical velocity를 측정하였는데 반해 본 실험에서는 수평관의 윗부분(DP 1)과 0.02m 아래(DP 2)의 같은 위치에 차압변환기를 설치하여 critical velocity를 측정하였다. 같은 위치에 높이가 다른 두 개의 차압변환기를 설치함으로써 흐름의 형태도 예측 가능하며, critical velo- city에 이르면 관이 막히게 되므로 두 개의 차압변환기가 동시에 급격한 압력변동을 보이게 될 것이다.

( a )

Fig. 2 고체순환 상온 장치

본 실험에 사용된 입자는 전력연구원에서 제조한 아연계 탈황제를 사용하였다. 입자의 평균입경은 67.2□, 입자 밀도는 2010□/□, bulk density는 1320□/□, 종말속도는 0.27m/s이다.

결과 및 고찰

Fig. 3은 수평관의 유속변화(4.5∼6.6m/s)에 따른 DP 1과 DP 2에서의 차압 변화와 흐름 형태를 나타낸다.  유속 6.6m/s에서는 희박상의 흐름과 비슷하게 대부분의 입자가 부유상태로 수송되는 stratified flow를 보이며, 관의 바닥을 bouncing하거나 sliding하는 입자를 관찰할 수 있었으며, 관의 아랫부분이 희박상에 비해 높은 농도를 가지고 있다.  이때 DP 1과 DP 2는 부유상태로 수송되는 입자의 마찰저항에 의한 차압의 변화를 나타내며, DP 1, DP2 모두 50mmH2O 이

(stratified flow)

Ug = 6.6 m/s

(immature dune flow)

Ug = 5.3 m/s

(dune flow)

Ug = 4.9 m/s

(plug flow)

Ug = 4.5 m/s

Fig. 3 수평관 유속변화에 따른 차압변화와 흐름 형태의 변화

하의 비교적 균일한 값을 보였다.  5.3m/s에서는 dune flow로 성장중인 흐름으로 DP 1은 부유 상태의 입자에 의해, DP 2는 입자층의 상단에서 sliding되는 입자의 영향과 부유 상태로 수송되는 입자에 의한 차압 변화를 나타내어 DP 2가 간헐적으로 DP 1에 비해 증가된 모습을 볼 수 있었다.  4.9m/s에서는 완전한 dune flow로 성장한 흐름으로 입자층의 상부는 dune의 형태로 빠른 움직임을 보이며, 하부는 느린 속도로 이동한다.  이때 DP 1은 부유 상태의 입자에 의해, DP 2는 입자층에 의한 차압의 변화를 나타내게 된다.  4.5m/s에서는 이전의 차압 변화와는 다르게 급격하게 증가되는 부분이 나타났다.  급격한 차압 증가의 원인이 바로 관 전체를 층을 이뤄 지나가는 plug flow의 영향으로 해석 될 수 있으며, 이때의 유속을 critical velocity로 결정하였다.  다음은 Muschelknautz와 Wojahn (M-W)[5]에 의해 제안된 식으로 본 실험에서 구한 critical velocity와 비교해 보았다.

M-W correlation : [eqn: u_cr over root{gD}~=~0.25root{{rho_s (1-epsilon)} over rho_g}]

여기서, [eqn: u_cr] : critical velocity, g : gravitational acceleration, D : pipe diameter          [eqn: rho_s] : particle density, [eqn: rho_g] : gas density

[eqn: epsilon] : voidage of a loosely packed bed of particles

M-W 상관식에 의한 critical velocity는 4.7m/s로 본 실험에서 측정한 4.5m/s와 근사한 값을 나타내었다.

이상의 결과로부터 아연계 탈황제(입경 67.2□)는 직경 0.034m를 갖는 수평관에서 4.5m/s의 critical velocity를 가지며, 높이가 다른 차압계를 설치함으로서 수평관내의 흐름 형태(stratified flow → dune flow → plug flow)를 예측할 수 있었다.

상압 자료를 토대로 가압 시스템에서의 입자 흐름 특성과 경계유속에 대하여 실험할 예정이다.

감 사

본 연구는 과학기술부 국가지정연구실사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비 지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. K. Konrad, Powder Technology, 49, 1-35(1986)

2. O. Molerus, Powder Technology, 88, 309-321(1996)

3. J. Hong, Y. Shen and Shu-lin Liu, Powder Technology, 77, 107-114(1993)

4. J. Hong, Y. Shen and Y. Tomita, Powder Technology, 84, 213-219(1995)

5. J. Hong and Y. Tomita, Int. J. Multiphase Flow, 21, 646-665(1995)