고속유동층에서의 흐름영역의 전이특성

남궁 원, 김 성원, 김 상돈

한국과학기술원 화학공학과 및 에너지□환경연구센터

Characterization of flow regime transitions in a fast fluidized bed

Won Namkung, Sung Won Kim and Sang Done Kim

Dept. of Chem. Eng. and Energy & Environmental Research Center

KAIST, TaeJon, Korea

서론

고속유동층(fast fluidized bed)은 기존의 기포유동층에 비하여 높은 유속에서 조업되는 반응기로, 기체와 고체의 접촉효율이 좋고, 연소특성 및 환경저감특성이 우수하여 기-고 반응기에 널리 적용되고 있다. 고속유동층은 난류유동층과 pneumatic transport 사이에서 조업하며, 이에대한 정의가 몇몇 연구자들에 의하여 제안되었다. 초기에 Yerushalmi and Cankurt[1]는 minimum transport velocity 이상의 속도에서 고체순환속도의 변화에 대해 choking 이 일어나지 않는 영역으로 정의하였다. Li and Kwauk[2]은 상승관의 상부의 희박상과 하부의 농후상, 그리고 이 두지점 사이의 inflection point를 갖는 영역으로 정의 하였다. 후에 이 정의는 많은 연구자들에 의하여 채택되었다. 그러므로, 고속유동층에서 하부의 농후상영역과 상부의 희박상 영역은 일반적으로 관찰되는 현상이다. 따라서, 고속유동층에서 흐름영역의 전이가 일어날 때 하부의 농후상 영역과 상부의 희박상영역의 흐름특성을 동시에 이해하는 것이 필요하다. 최근까지 흐름영역(flow regime)에 대한 연구가 많이 수행되었지만, 흐름영역 사이의 전이속도와 이에대한 결정방법은 명확하게 정립되어 있지 않다. 또한, 대부분의 연구가 기포유동층과 난류유동층에서 이루어 졌기 때문에, 고속유동층에서의 흐름영역에 대한 이해가 부족한 실정이다.

그러므로, 본 연구에서는 FCC 와 silica sand 입자를 사용하여 고속유동층내의 흐름특성을 이해하고, 기상유속과 고체순환속도를 사용하여 고속유동층을 예측할 수 있는 흐름영역을 도시하였다.

실험

본 연구에 사용된 실험장치의 개략도를 Fig.1 에 나타내었다. 그림에서 보듯이 장치는 크게 상승관, 싸이클론, 호퍼와 loop-seal 로 구성되어 있다. 상승관은 내경이 0.1m 이고 분산판으로부터 상단까지의 높이는 5.3m 이다. 상승관은 내부의 흐름현상을 관찰하기 위하여 아크릴관으로 제작되었으며, 축방향으로 압력을 측정하기 위하여 압력탭을 설치하였다. 공기는 유량이 조절되어 상승관의 하부에서 분산판을 통하여 반응기내로 주입되었다. 비산되는 입자는 싸이클론에서 포집되어 호퍼에 저장되었다가 loop-seal을 통하여 원하는 양으로 조절되어 상승관내로 재주입되었다. 고체순환속도(Gs) 는 sampling tube에서 일정 높이에 입자가 쌓이는 시간을 측정하는 방법으로 결정하였다. 실험에 사용된 입자는 FCC 와 silica sand로써 Geldart group A, B 의 대표적인 입자이다. 이들 입자의 평균입경은 각각 65, 125□m 이고, 겉보기 밀도는 각각 1720, 3055 kg/m3 이다. 압력변이는 pressure transducer (Valydine P306D)를 사용하여 측정하였고, 여기서 나온 신호는 data acquistion system으로 보내져 저장된 후 IBM PC에서 off line으로 처리되었다. 압력변이 신호의 sampling은 10ms 간격으로 41초 동안 총 4100개의 data를 수집하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2 에 FCC와 silica sand 입자에 대해 emptying time method에 의해 transport velocity (Utr)를 측정한 결과를 나타내었다. 실험은 상승관에 일정량의 고체를 채운후에 입자의 재주입없이 일정한 기상유속에서 상승관내 압력을 측정하여 압력변화가 거의 없을 때의 시간을 측정하였다. 기상유속이 증가할수록 입자의 carryover 는 급격히 증가하여, 입자의 재주입이 없다면 반응기는 빠른 시간내에 비게 된다. 그림에서보듯이 기상유속 대 emptying time의 plot 으로부터 2개의 직선이 얻어졌다. Utr 은 이 두 직선이 교차하는 지점에 해당하는 기상유속으로 정의되며[3,4], Fig. 2(a)에서 보듯이 Utr 은 초기에 채워진 고체량에 영향을 받지 않는다. 여기서 구한 FCC 와 silica sand 입자에 대한 Utr 은 각각 1.4, 2.4 m/s로써 이것은 FCC 와 silica sand 입자의 경우 각각 Perales et al.[4] 과 Lee and Kim[5]이 제시한 상관식에 의하여 구한 값과 잘 일치하였다.

Fig. 3 에 반응기 상부의 희박상영역에서 기상유속이 고체체류량에 미치는 영향을 나타내었다. 유사한 실험조건에서 상부에서의 고체체류량은 FCC 가 silica sand 입자 보다 높은 값을 갖는데, 이것은 silica sand 가 FCC 보다 입자의 크기와 밀도가 커서 동일한 실험조건에서 비산되는 입자의 양이 적기 때문이다. 그림에서 보듯이 반응기 상부의 고체체류량은 초기에 기상유속의 증가에 따라 반응기 하부로 부터 비산되는 입자의 증가로 인하여 증가하였다. 기상유속이 더욱 증가하면 고체체류량은 최대값을 보인후 다시 감소하였다.  상부에서의 고체체류량이 최대값을 가질때의 기상유속을 Drahos et al.[6]은 choking velocity에 해당한다고 하였고, Bai et al.[7]은 이 유속을 turbulent 와 fast fluidization 사이의 전이속도로써, 이 속도를 Utr 로 정의하였다. 그러나, 본 실험에서의 결과값은 transport velocity를 크게 초과하였다.

Fig. 4에서 보듯이 반응기 상부에서의 고체체류량이 최대값을 가질 때 반응기 하부에서의 고체체류량은 기체속도에 대하여 saturation 값을 갖는다. 즉, 이때의 기상유속에서 고체순환속도를 증가시켜도 반응기 하부의 고체체류량은 더 이상 증가하지 않는다. 그리고, 이 조건에서 기상유속이 더욱 감소하여도 고체체류량의 큰 증가는 관찰되지 않는다. 이때의 유속은 비록, 접근 방법은 달라도 Bai and Kato[8]가 제시한 saturation carrying capacity을 갖는 기상유속과 일치하였다. 그러나, Bai and Kato[8]가 제안한 saturation carrying capacity에 대한 정의는 아직까지 논란의 여지가 있다. 그러므로, 본 연구에서는 이를 고속전이속도(fast transition velocity, UFT)로 정의하였다. 비록, Bai and Kato[8]는 일정유속에서 그들이 정의한 saturation carrying capacity에 해당되는 Gs*을 기준으로 하여, 고속유동층 영역을 S-shape 과 exponential 형태의 고체체류량분포를 갖는 두 개의 영역으로 구분하였지만, 실험장치 및 실험방법에 따라 S-shape의 고체체류량 분포가 형성되지 않는 경우도 있다. 그러므로, 고속유동층은 UFT을 기준으로 U<UFT 일 때 완전히 발달된 (fully developed) 농후상이 형성되는 fully developed region 과 U>UFT 일 때 반응기 하부에 농후상이 불완전하게 형성되어, 일정한 유속에서 Gs를 증가시키면 고체체류량의 큰 증가가 관찰되는 fast transition region 으로 구분할 수 있다.

Fig. 5 에 FCC와 silica sand 입자의 flow regime map을 도시하였다. 그림에서 emptying time 방법에 의하여 구한 Utr 은 captive beds 와 fast fluidization 사이의 최소전이속도를 나타내었다. 일반적으로 captive beds 와 fast fluidization 사이의 전이속도인 곡선 AB 는 Yousfi and Gau[9] 의 choking velocity 상관식을 사용하여 구할 수 있다[10,11]. 그러나, silica sand 입자의 경우 Yousfi and Gau[9]의 choking velocity 상관식은 실험치를 과소평가하는 반면에 Yang[12]의 choking velocity 상관식이 실험치를 가장 근접하게 묘사하였다. 그림에서 곡선 AC는 fast transition region 과 fully developed fast region 사이의 전이속도이고, 곡선 AD 는 fast transition region 과 pnuematic transport 사이의 전이속도 이다. 그림에서 곡선 AC와 AD는 본 연구에서 제시한 상관식으로써 실험치와 잘 일치하였다.

참고문헌

1. Yerushalmi, J. and Cankurt, N.T.: Powder Technol., 24, 187(1979).

2. Li, Y. and Kwauk, M.: in "Fluidization" eds. by J.R. Grace and J.M. Masten, Plenum Press, New York, 537(1980).

3. Han, G.Y., Lee, G.S. and Kim, S.D.: Korean J. Chem. Eng., 2, 141(1985).

4. Perales, J.F., Coll, T., Llop, M.F., Puigjaner, L., Arnaldos, J. and Casal, J.: in "CFB Technol. III", Pergamon Press, Oxford, 73(1991).

5. Lee, G.S. and Kim, S.D.: Powder Technol., 62, 207(1990).

6. Drahos, J., Cermak, J., Guardani, R. and Schugerl, K.: Powder Technol., 56, 41(1988).

7. Bai, D., Jin, Y. and Yu, Z.: Chem. Eng. Technol., 16, 303(1993).

8. Bai, D. and Kato, K.: J. Chem. Eng. Japan, 28(2), 179(1995).

9. Yousfi, Y. and G며, G.:Chem. Eng. Sci., 21, 1939(1974).

10. Biswas, J. and Leung, L.S.: Powder Tehcnol., 51, 179(1987).

11. Bi, H.T. and Grace, J.R.: Int. J. Multiphase Flow, 21(6), 1229(1995).

12. Yang, W.C.: Powder Technol., 35, 143(1983).