삼상유동층의 흐름특성

김상돈, 강 용*, 이동현*

한국과학기술원 화학공학과

*충남대학교 화학공학과

Flow Characteristics

in Three-Phase Fluidized Beds

S.D. Kim, Y. Kang*, D.H. Lee*

Department of Chemical Engineering,

KAIST, Taejon 305-701

*Department of Chemical Engineering,

Chungnam National University, Taejon 305-764

1. 서 론

두 종류의 비혼합성 유체로 유동화시키는 조작으로 이루어지는 삼상유동층은 각 상들간의 접촉이 매우 효과적이고, 유동층내에서의 압력강하를 줄일 수 있으며, 열전달 및 물질전달 효과가 다른 다상반응기나 접촉공정에 비하여 뛰어나게 우수하므로 삼상유동층 반응기의 응용은 최근에 와서 촉매를 사용한 기-액반응 또는 흡수, 흡착, 탈착 및 침강등의 접촉공정과 이온교환 수지를 사용한 특정물질의 분리 및 회수, 폐수처리 그리고 발효, 효소고정화 둥의 생물학적 공정뿐만 아니라 oil의 수소화 및 탈황공정, 석탄의 액화공정등 다각적으로 폭넓게 응용되고 있다[1∼2].

본 연구에서는 삼상유동층에서 수력학적인 특성을 좌우하는 흐름영역에 대한 특성 및 분류법 그리고 흐름영역 전이현상을 측정할 수 있는 측정방법과 현재까지 진행된 흐름영역도에 대한 개략적인 고찰을 하고자 한다.

2. 흐름영역의 분류법

2.1. 층높이의 변화에 따른 분류

액-고 유동층에 기체를 주입함으로써 층챙창이나 층수축의 현상이 관찰되는데 평균입경이 큰 입자의 경우 기체유속의 증가에 따라 층높이가 단조증가한다. 그러나 고체입자가 작은 입자이면 형성된 유동층에 기체유속을 주입함에 따라 초기 층높이가 감소했다가 증가함을 알 수 있다.  Steward와 Davidson[3]은 액체유동층을 통한 기포의 상승은 고체입자와 거의 무관한 액체 wake가 기포와 같은 속도로 동반되므로 유동층에 있는 입자를 유동화 시킬 수 있는 액체의 평균유속이 감소하여 층수축현상이 일어난다고 정량적으로 보고하였다.

2.2. 기포거동에 따른 분류

Kim 등[4]은 삼상유동층에서 기포거동으로부터 기포분쇄영역, 기포합체영역 및 슬러그 흐름영역 등 세 가지 흐름영역으로 구별하였다. 기포분쇄영역에서 분산판으로부터 생성된 기포가 액체난류세기와 입자의 관성력으로부터 분쇄되므로 기포크기분포는 상대적으로 작고 균일해진다. 그러므로 이러한 흐름영역은 기체와 액체유속이 작고 입자크기가 크며 무거운 유동층에서 관찰할 수 있다. 이러한 영역에서 액체혼합과 고체혼합은 상대적으로 적으므로 반경방향 기포크기와 속도분포는 거의 평판 분포를 나타낸다. Zhang 등[5]은 기-액계 및 삼상유동층에서 흐름영역을 분리된 기포흐름(discrete bubble flow), 분산된 기포흐름(dispersed bubble flow), 합체된 기포흐름(coalesced bubble flow), 슬러그 흐름(slug flow), 휘젓는 흐름(chum flow), 가교흐름(bridging flow)과 고리모양흐름(annular flow)로 구분하여 각 흐름의 전이영역을 측정하였다.

3. 측정방법

3.1. Visual 관측법

흐름영역과 흐름영역의 전이에 대한 많은 연구가 visual 관측으로 얻어졌다. 비록 visual 관측은 흐름형태에 관한 많은 정보를 제고할지라도 다상유동의 상대적인 불투명한 성질에 의하여 투명한 관에서조차 정량적인 측정 없이는 흐름전이 영역을 구별하는 것은 매우 어렵다.

3.2. 압력변동(Pressure Fluctuation) 측정법

유동층에서 압력변동 특성은 많은 연구자들에 의해서 연구되어 왔으나, 압력변동특성이 매우 복잡한 난류계에 대한 종합적인 정보를 포함하고 있고 이들에 대한 종합적인 정보를 포함하고 있고 이들에 대한 해석방법은 그 한계성 및 복잡성을 갖고 있다. 압력변동은 많은 유동층에서 발생하는 것으로 관찰되어져 왔고, 압력변동이 유동화 상태의 질을 나타내는 지표(index)를 정의하는데 사용되어져 왔으며, 진폭이 작고 주기가 빠른 압력변동이 유동화의 상태가 균일하고 좋은 것으로 여겨진다. 유동층에서 압력변동의 특성은 입자특성, 시스템의 기하학적 구조, 층의 조업압력 그리고 유동화 매체로 사용되는 유체의 흐름형태의 복합적인 함수이다.

Tamarin[6]은 압력변동의 원인을 층의 상부 경계면을 통하는 기포들과 유동층의 표면에서 이탈하는 기포들로 인한 유동층 높이의 변동이 압력변동을 일으킨다고 발표하였고, Kang 등[7]은 기포들의 거동특성이 압력변동을 야기시키는 주요 요인이라고 발표하였다.

3.3. 탐침법(Probes Methods)

여러 가지 형태의 탐침(probe)이 다상유동의 국부적인 특성과 흐름영역을 구별하기 위하여 사용되었는데, 예들 들면 전도도탐침(conductivity probe)방법, 저항탐침방법 및 광섬유 탐침을 이용하는 방법등 여러 가지 방법이 사용되고 있다. Fig. 1은 기포특성을 측정하기 위한 광섬유탐침의 여러 가지 형태를 나타내었다.

4. 흐름영역도

삼상유동층에서 흐름영역도는 2가지가 제시되었다. 하나는 drift flux이론을 근거로 한 것이며 다른 하나는 기체와 액체의 공탑속도에 의한 차원좌표를 이용한 것이다. Drift flux 이론을 근거로 흐름영역을 제시한 대표적인 예는 Han 과 Kim[8]이 발표한 Fig. 2와 같이 나타내었으며, 기체와 액체의 공탑속도에 의한 차원자표를 이용한 대표적인 예는 최근에 Zhang 등[5]이 발표한 Fig. 3과 같이 나타내었다.

Fig. 4는 삼상유동층에서 흐름영역에 관한 영역도를 발표한 여러 연구자들의 자료를 근거로 기체와 액체의 공탑속도에 의한 차원좌표를 이용하여 나타내었다. 그림에서 보는바와 같이 삼상유동층의 흐름영역은 여러 연구자들의 내용이 서로 상이하다. 이러한 이유는 삼상유동층에 사용된 고체입자의 크기 및 밀도가 서로 상이하고, 액상의 점도등 물리적 성질 및 유동층 직경이 차이에 의한 것과 각 연구자들의 측정방법이 서로 다르기 때문이라고 해석된다. 예들 들면 고체입자의 크기나 밀도의 차이에 따라서는 Fig. 5에서 보는 바와 같이 유동층과 고정층의 경계의 차이에 의한 흐름영역의 상이함이 나타나고, 액체의 점도와 차이에의한 흐름영역도의 구분은 Han 과 Kim[8]의 발표자료에서 보는 바와 같이 크게 차이가 남을 알 수 있다. 그러나 무엇보다도 여러 연구자들간의 측정방법에 의한 차이가 가장 크다고 사료된다. 삼상유동층이 삼차원이므로 visual 방법으로는 정확한 흐름영역의 전이를 구분하기 어려우며, pressure fluctuations에 의한 방법은 Z hang 등[5]이 지적한 바와 같이 압력신호가 먼 거리에서 전송되므로 그들을 해석하여 흐름영역의 전이에 과한 정확한 구별은 어렵다는 판단된다. 최근에 전도탐침을 이용한 기포의 발생빈도 및 기포의 평균크기나 분포에 의한 통계적 자료처리에 의한 영역구분은 향후 유동층 흐름영역에 관한 연구에 좋은 기초가 될 수 있지만 현재 상태에서는 각각의 흐름영역에 대한 실험자료가 충분하지 않다.

5. 결 론

삼상유동층은 기-액-고체상간의 격렬한 혼합이 일어나고 각 상간의 접촉이 빈번한 다상유동이므로 각 상간의 동특성을 파악하기 위해서는 삼상유동층의 조업변수의 범위에 따를 흐름영역을 파악하여야 한다. 삼상유동층의 흐름영역의 변화에 의하여 각 상의 체류량뿐만 아니라 열 및 물질전달등 모든 전달현상과 화학반응이 일어나는 경우에는 반응의 수율에도 커다란 영향을 미칠 수 있다. 현재까지의 연구결과는 삼상유동층의 조업영역이 낮은 슬러그 흐름영역 이하에서의 연구가 대부분을 차지하고 있기 때문에 확대된 조업영역에서의 연구가 필요하며, 각 흐름영역에 대한 경계 및 전이에 대한 좀더 많은 실험자료 및 상관식이 제시되어야 한다.

또한, 현재까지의 연구결과는 액체상의 물리적성질 즉 액상의 점도 및 표면장력 등의 변화와 고체입자의 물리적 성질에 따른 연구결과가 미흡하므로, 향후 삼상유동층에서의 흐름영역에 관한 많은 연구가 필요하다고 사료된다.

6. 참고문헌

1. Lee, D.H., Kim, J.O. and Kim, S.D. : Chem. Eng. Comm., 119, 179(1993)

2. Kang, Y. and Kim, S.D. : Chem. Ind. Tech., 13, 27(1995)

3. Steward, P.S.B. and Davidson, J.F. : Chem. Eng. Sci., 19, 319(1964)

4.	Kim, S.D., Baker, C.G.J. and Bergounou, M.A. : Can. J. Chem. Eng., 50,	695(1972)

5.	Zhang, J.P., Grace, J.R. and Epstein, N. : Chem. Eng. Sci., 52, 3979(1997)

6. Tarmarin, A.I. : Int. Chem. Eng., 50(1964)

7.	Kang, W.K., Sugherland, J.P. and Osberg, G.L. : I&EC Fundam., 6,	449(1967)