유동층에서 Overflow 및 Underflow Standpipe의 특성 연구

김지민, 한귀영, 이창근*

성균관대학교 화학공학과

한국에너지기술연구소*

Characteristics of Overflow and Underflow Standpipe in a Fluidized Bed

Ji Min Kim, Gui Young Han, Chang Keun Yi*

Dept. of Chemical Engineering, Sungkyunkwan University, Suwon, 440-746

*Korea Institute of Energy Research, Taejeon, 305-343

1. 서론

Standpipe는 순환유동층(Circulating Fluidized Bed : CFB)에서 중요한 부분으로 미립자 고체를 낮은 압력으로부터 높은 압력으로 이송시키는데 사용된다[1]. 순환유동층은 고속의 기체와 크기가 작은 고체입자간의 긴밀한 접촉을 통하여 비교적 대규모의 여러 가지 화학적, 물리적 작업을 수행하는 유동층 기술의 한 분야로 이는 상승관, 사이클론, 고체 재순환부로 구성되어 있으며 Standpipe는 고체 재순환부의 하나이다[2]. 순환유동층 조업시 공장에서 반응기가 정지되는 대부분의 문제는 화학반응과 관련된 것이 아니라 고체의 주입부나 재순환부에서 발생한다[3]. Standpipe는 오랜 기간동안 사용되어 왔음에도 불구하고 pipe내의 부적당한 압력형성하에서 고체의 전이가 이루어지므로 불안정한 상태로 이용되어 왔으며 작동방법에 대한 이해가 아직 미미하고 실험, 관찰, 경험에 의해 설계 사용되고 있다[4]. 이러한 이유로 고체재순환부에 대한 최적의 설계는 순환유동층 공정에서 안전하면서도 안정적이고 경제적인 조업을 수행하는데 핵심요소가 된다.

따라서 본 연구에서는 overflow 및 underflow standpipe 에서 유속, standpipe의 직경(dsp) 그리고 각 입자크기에 따른 고체 이송량을 측정하여 각 standpipe에 대한 조업변수에 따른 상관관계식을 도출하고자 한다.

2. 실험

본 연구에서 사용되어진 실험장치는 고체입자의 흐름을 관찰할 수 있도록 아크릴 관(acrylic resin column)을 사용하여 제작되었으며 upper fluidized bed,    lower fluidized, 분산판으로 구성되어 있다. 내경은 10 cm, 전체높이 120 cm 이다. 반응기의 벽면에는 upper fluidized bed, lower fluidized bed, 분산판, 반응기 전체의 압력강하를 측정하기 위하여 4개의 pressure tap을 설치하였고, 입자의 유출을 막기 위하여 60 micron의 필터를 사용하였으며 각각의 pressure tap은 4개의 pressure transducer와 연결하여 data acquisition unit를 통하여 각각의 압력강하를 전압값으로 측정하여 컴퓨터에 저장하였다. 입자의 원활한 이송을 위하여 standpipe로 유입되는 유동화 gas의 양을 줄이고 upper fluidized bed의 활발한 유동을 시키기 위하여 Figure 1과 같이 유동화 gas를 우회시켜 standpipe에 설치된 분산판(porous plate)으로 유입되게 제작하였다. Overflow standpipe는 내경(dsp) 2.53, 1.14 cm, 길이 10 cm 로 제작하였으며, underflow stand-pipe는 내경(dsp) 2.53, 1.14 cm, 높이 5 cm, 길이 40 cm 로 각각 2 개씩 총 4 개를 제작하여 실험을 수행하였다. Figure 1에 standpipe 부분에 점선이 overflow standpipe이며, 실선이 underflow standpipe 형태이다. 실험은 상온(20 ℃), 상압(1 atm)에서 수행하였고, 공기를 유동화 gas로 사용하였다. 실험방법은  overflow standpipe의 경우 stand- pipe가  lower fluidized bed 부분에 닿을 수 있도록 일정높이 만큼 입자를 채우고 standpipe 입구부분을 고무마개로 blocking 하고 upper   fluidized bed에 일정한 양의 입자를 채운다. 그리고 원하는 유동화 gas의 유량을 선택한 후 upper fluidized bed의 유동상태가 정상상태에 도달했을 때, 고무마개를 제거하면 입자는 lower fluidized bed로 이송이 되며 각 부분의 압력강하 (□P)를 data acqusition을 통하여 2초 단위로   data를 컴퓨터에 저장하였다. Under-flow standpipe의 경우에는 over-  flow standpipe와 같은 방법으로 실험을 수행하였고, 다른 점은 lower fluidized bed 부분에 입자를 채우지 않고 upper fluidized bed 부분에만 일정량의 입자를 채운 후 실험을 수행하였다.

Figure . Schematic diagram of standpipe

experimental facility

실험 변수로는 유동화 gas의 유속(Ug), standpipe의 직경(dsp) 그리고 입자의 종류를 사용하여 각 변수에 따른 □P의 변화로부터 이송량의 특성을 살펴보았다. 사용되어진 입자의 물리적 특성은 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Physical properties of particles

Particle Properties	Sand	Sand
Mean diameter (□m)	280	147
Bulk density (g/cm3)	1.850	1.877
Particle density (g/cm3)	2.65	2.78
Minimum fluidized velocity (cm/s)	7.20	2.29

3. 결과 및 고찰

3-1. Overflow standpipe

Figure 2는 overflow standpipe를 사용하였을 경우 Ug의 변화에 따른 입자의 이송량의 변화를 나타낸 그림이다. 그림에서 알 수 있듯이 overflow standpipe일 경우 Ug가 증가함에 따라 입자의 이송량이 증가함을 확인할 수 있다. 이러한 이유는 overflow standpipe는 standpipe의 출구부분이 lower fluidized bed에 잠겨있고 입자가 거의 packed bed와 dense fluidized 형태로 이송이 진행되는데, Ug가 증가하면 upper fluidized bed의 유동이 활발히 진행되고, 또한 lower fluidized bed에 bubbling 또는 slugging이 더욱 많이 발생하면서 입자가 더 많이 이송되는 것으로 판단된다. 한편 작은 입자의 경우 그림에서 보듯이 Ug가 어느 유속 이상으로 증가하게 되면 입자의 이송이 감소하는 경향을 나타내며 이는 standpipe내로 유동화 기체의 유입이 증가하기 때문이라고 여겨진다. 한편 입자크기에 대한 영향은 미미하였다.

Figure . Effect of Ug on the solid mass flowrate in an overflow standpipe

위의 실험결과로부터 overflow standpipe의 경우 입자의 이송량에 대한 상관관계식을 구하였으며 그 결과는 다음과 같다.

W [kg/hr] = 2.9733[eqn: { ({ d}_{sp }[cm] )}^{2.7262 }][eqn: {({{U}_{g}} over {{U}_{mf}})}^{1.5861 }], [eqn: {({{U}_{g}} over {{U}_{mf}})}] < 5.0

상관관계식과 실험결과의 비교를 Figure 4에 나타내었다.

3-2. Underflow standpipe

Figure 3은 underflow standpipe를 사용할 경우 Ug의 변화에 따른 입자의 이송량의 변화를 나타낸 것이다. 그림에서 보듯이 overflow standpipe 와는 다르게 Ug가 증가함에 따라 입자의 이송량이 감소함을 알 수 있다. 이는 overflow stand-pipe와는 달리 underflow standpipe는 lower fluidized bed와 떨어져 있으므로 유동화 gas가 상대적으로 standpipe내로 많이 유입되어 standpipe내의 입자가 dense fluidized와 lean fluidized 형태가 공존하면서 이송되어지기 때문이다.

Overflow standpipe와 같은 방법으로 입자의 이송량에 대한 상관관계식을 구하였으며 overflow와는 달리 이송량에 대한 입자크기의 영향이 분명하게 나타났다. 이 영향을 NRe.p로 표시하였다. 그 결과는 다음과 같다.

W [kg/hr] = 53.3467[eqn: { ({ d}_{sp }[cm]) }^{2.4178 }][eqn: {({{U}_{g}} over {{U}_{mf}})}^{-0.8499}][eqn: { ({ N}_{Re.p }) }^{-0.3618 }]

상관관계식과 실험결과의 비교를 Figure 4에 나타내었다.

Figure . Effect of Ug on the solid mass flowrate in an underflow standpipe

Figure 4. Comparision of experimental data with calculated values

4. 참고문헌

1. J. C. GINESTRA, S. RANGACHARI and R. JACKSON : Powder Technolo    gy, 27, 69-84(1980)

2. V. Rudolph, Y. O. Chong, D. J. Nicklin : CIRCULATING FLUIDIZED BED    TECHNOLOGY Ⅲ, 49-64(1990)

3. L. S. LEUNG : Powder Technology, 16, 1-6(1977)

4. L. S. LEUNG and P. J. JONES : Powder Technology, 20, 145-160(1978)