순환식 슬러리기포탑의 성능 개선을 위한  방안 연구

*박 찬 진 □ 도 동 섭

*시립 인천전문대학 환경공업과

고려대학교  화학공학과

A Study on the Method of Improvement for the Performance

of Circulating Slurry Bubble Column

*Park Chan Jin, Doh Dong Sup

*Junior College of Inchon, Department of Environmental Eng.

Korea University, Department of Chemical Engineering

서   론

슬러리이중기포탑은 기체, 액체, 고체 삼상간에 이루어 지는 물질과 에너지의 복잡한 상호작용(Interaction)으로 인하여 현상에 대한 해석이 쉽지 않으나 장치의 단순성과 넓은 응용성(Wide applicability)으로 인하여 다상간의 화학반응이나 신속한 혼합이 필수적인 제반 공정 즉, 액상촉매반응(Liquid phase catalytic reaction), 생물학적 폐수처리(Biological wastewater treatment)나 발효공정(Fermentation process)등 다양한 분야에 이용되어 오고 있다.   특히 기계적인 교반과는 달리 유입기체가 연속상(Continuous phase)을 통하여 상승하면서 액체교반을 수행하게 되는데, 이때의 기체는 기포의 형태로 연속상인 액상을 유동화 시키는 동시에 기체와 액체에 존재하는 특정물질을 상간이동(Interphase transport) 시키는 역할을 동시에 수행하게 되므로 장치의 소요에너지를 최소화할수 있는 특징이 있다.   반면에 액상내의 기포가 액체의 점도, 이온강도 및 계면장력 등의 영향으로 인하여 기포합체(Bubble coalescence)와 같은 현상을 갖게 되므로 효율적인 물질전달에 요구되는 계면적의 감소로 상간물질이동 측면으로 볼때에는 바람직하지 못한 경향을  나타내게 된다. 또한 액상내에 미세한 입자가 존재하는 슬러리의 경우 기포의 합체는 더욱 두드러지게 된다.

본연구에서는 이와 같은 기포합체를 저지하므로써 기-액물질전달을 증진시키는 방안으로 기포를 분쇄하는 효과를 나타내는 기포분쇄물질을 첨가하는 방법과 기포합체영역에 일정한 크기의 스크린(Screen)을 설치하는 방법에 대하여 비교분석하고 이때의 제반 수력학적 특성을 고찰 하여전달현상학적인 해석을 수행 하므로써 슬러리이중기포탑의 성능증진방안을 총론적으로 고찰 하고자 한다.

실   험

본연구에 사용된 기포탑의 형식을 Fig. 1 에 도시하였다. 즉 액체순환방식에 따른 내부 및 외부순환식 기포탑으로서 내부순환식기포탑의 경우 OD 15 cm, ID 9 cm 및 H 150 cm 이고 외부순환식기포탑의 경우 주관 ID 9 cm, 순환관 ID 6 cm 그리고 H 150 cm 로서 아크릴관을 이용하여 제작하였다. 또한 사용된 기포분쇄입자는 재질이 세라믹(Ceramic), 고무(Rubber)인 입자들을 Cylindrical, Hexahedral 및 Hollow cylindrrical 형태로 선정하고 여러가지 크기의 입자들을 실험에 사용하였다. Screen 의 경우에는 각각 Opening size가 6, 8, 12 mesh 인 스크린을 선택하였으며 슬러리의 미세고체입자로는 Glass beads를 선택하였는데 기포의 합체를 야기하면서 기체에 의한 완전현탁(Complete suspension)이 가능한 평균입경 100 □ 의 입자를 입자농도 3, 6, 9 vol% 로 변화시키면서 실험을 수행 하였다.

또한 기체로는 압축공기를 사용하였는데 압력조절장치를 통과 시킨 기체를 유량계와 밸브를 이용하여 각 조건별 일정유속을 유지 하면서 탑내에 공급 하였으며, 액체는 일정온도로 유지시킨 Tap water 를 이용하였다.  한편 기-액접촉면적의 증감은 층팽창높이(Bed expansion height)의 측정에서 총괄기체체류량(Overall gas holdup)을, 그리고 각각의 관벽에 설치된 압력측정 tap에서 국부기체체류량(Local gas holdup)의 변화를 산출하여 산정 하였다.

기체의 유입속도는 기포탑의 흐름영역상 기포의 합체가 발생되는 Slug flow 영역을 포함하도록 내관 또는 주관의 크기를 기준으로 공탑속도 0∼10 cm/sec 까지 변화시켰으며 액체의 순환현상을 관찰하기 위하여 추적자주입에 의한 RTD 곡선을 전도도측정법으로 수행하고 이 자료를 A/D converter를 경유하여 PC 에 전산입력 처리 하였다.

결과 및 고찰

실험 결과 본 연구에서 사용된 기포분쇄물질은 기포합체의 경향이 비교적 크게 나타나는 슬러리 농도영역에서, 그리고 탑내 액체의 흐름영역 (Flow regime)의 분류에 의하면 전이영역(Transition flow) 및 슬러그흐름(Slug flow)영역에서 내부순환식 그리고 외부순환식의 경우에 모두 기체체류량의 증진 효과를 나타내었다. 또한 입자형태로 구분할 경우Hexahedral 보다는 Cylindrical 형태의 입자에서 더욱 효과적인 기체체류량 증진효과를 나타내었으며 동일한 형상과 크기에 대하여는 밀도가 큰 입자일수록 기체체류량의 증진 효과가 크게 나타났다.

기포의 분쇄에 영향을 미치는 물질의 효과는 연속상(Continuous phase)인 액체의 제반 물성치에 따라 달라지며 이때의 물성치 로는 액체의 점도, 밀도 그리고 표면장력 등이 있는데 미세입자가 존재하는 슬러리상의 경우에는 물성치의 변화가 발생하므로써 기포분쇄의 효과가 더욱 두드러지게 된다.

한편 스크린을 설치한 후의 기포의 분쇄는 스크린의 Opening size가 큰 6, 8 mesh 의 경우 효과가 나타났으나 12 mesh 스크린의 경우에는 효과가 나타나지 않았다.  그리고 기포의 분쇄효과는 전반적으로 스크린을 설치 하였을 경우 보다는 기포분쇄입자를 사용하였을 경우에 더 우수한 것으로 나타났다.

이와 같은 경향은 스크린의 경우 기포의 분쇄효과가 일회성인 반면에 기포분쇄입자는 탑내에서 다양한 운동성을 가지고 기포와의 충돌을 통하여 기포를 파괴 시키므로써 기포합체를 방지하기 때문이며 이에 따라  기-액물질전달속도가 전체적인 공정효율에 큰 영향을 미치는 경우에는 적절한 분쇄입자를 사용하면 큰 효과를 기대할 수 있을 것으로 사료된다.

한편 지금까지 설명한 바와 같은 기포분쇄 효과를 정량적으로 설명하기 위하여 본 연구에서는 탑내 유동화가 이루어 지고 있는 영역에 대한 유체의 유동도를 체류시간분포와 에너지수지식에서 산출한 유체순환속도를 이용하여 나타내었다.  또한 기포분쇄에 의한 기-액계면의 증가 경향을 기-액 계면간의 에너지 소산속도(Energy dissipation rate)를 산출하여 설명하고 동시에 축방향분산모델에 의한 분산계수를 산출하여 기포의 경향에 따라 영향을 받게 되는 액상내 물질의 분산정도를 계산하였다.        그 결과 기포의 분쇄효과가 두드러질수록 에너지소산속도가 증가되었는데 이것은 기-액물질전달의 중요한 요소인 기-액 계면의 미시적 eddy 발생 증가에 기인 한다고 하겠다.

그러나 액체의 순환속도는 기포의 분쇄효과가 크게 나타날수록 감소하였으며 이는 기포탑에서 액체순환에 중요한 요소인 주관과 순환관의 기체체류량차가 기포가 분쇄될수록 감소되어 나타나는 현상이며 이에 따라 액상내 물질의 혼합속도와 확산속도도 감소되는 경향을 나타내었다.

한편 동일한 기체속도에 대하여 기포분쇄효과는 외부순환식보다는 내부순환식기포탑에서 크게 나타났으며 이것은 동일한 기체유속에서 탑내에 형성되는 유체의 순환속도 및 기포합체의 정도에 따라 나타나는 현상이라고 할 수 있다.

결   론

결론적으로 순환식기포탑의 경우 기포의 분쇄를 보다 효과적으로 기대할 수 있는 것은 내부순환식 기포탑이며 스크린보다는 분쇄입자를 이용하는 것이 물질전달 개선효과를 얻을 수 있으나 이에 따른 액체순환속도 감소로 인한 혼합속도를 증가시킬 수 있는 방안이 모색 되여야 할 것으로 생각된다.

REFERENCES

1. vant Riet, K.: "Basic Bioreactor Design", Marcel Dekker, (1991).

2. Fan,L.S.: "Gas-Liquid-Solid Fluidization Engineering", Butter-

worths, (1989).

3. Cheremisinoff,P.N.: :Handbook of Water & Wastewater Treatment

Technology", Marcel Dekker, (1995).

ID 9                     OD 15

	ID 6		Turbulent Mixing Zone		Turbulent Mixing Zone
	LIquid Down Flow ↓	←	Liquid Upward Flow ↑
								Liquid Down Flow
					Liquid Down Flow		Liquid Upward Flow
					↓		↑	↓
							ID 9
		→
	H 150		GAS ↑				H 150
						GAS ↑

(a) External Looping             (b) Internal Looping

Fig.1. Types of Circulating Slurry Bubble Column

(* All scales are in centimeters)