기체유동층에서 최소슬러깅속도에 대한 온도의 영향

고 상 진, 류 호 정, 문 영 섭, 김 태 우, 최 정 후

건국대학교 화학공학과

Effect of Temperature on Minimum Slugging Velocity

in a Gas Fluidized Bed

S. J. Ko, H. J. Ryu, Y. S. Moon, T. W. Kim and J. H. Choi

Department of Chemical Engineering, Konkuk University, Seoul 143-701

서 론

기체유동층에서 최소유동화속도 이상으로 유속이 증가하면 기포가 출현하게 되며 분산판에서 생성된 기포는 상승하면서 합체되어 성장하여 기포의 직경이 층직경에 상당할 정도로 커지게 되는데, 이를 슬러깅(slugging)이라 한다.  슬러깅 현상은 lab-scale의 실험장치와 같이 층직경이 작은 소규모 유동층에서 주로 발생하며 슬러깅 영역에서 조업할 경우 반응기에 기계적인 충격이 가해지며 입자마모현상이 활발해지고 기체-고체간의 접촉효율, 공정 처리능력, 물질 및 열전달 효과가 저감된다.  따라서 슬러깅 영역에서의 조업을 피하기 위해서는 슬러깅 영역이 시작되는 유속인 최소슬러깅속도에 대한 이해가 필수적이다.

지금까지 여러 연구자들에 의해 최소슬러깅속도에 미치는 층직경, 측정높이, 분산판의 형태, 입자크기, 입자의 구형도, 최소유동화상태의 층높이, 기체의 종류, 압력의 영향에 대한 연구가 진행되어 왔으며 최소슬러깅속도를 예측하기 위한 여러 가지 상관식들이 제시되어 왔다[1].  그러나 최소슬러깅속도에 미치는 온도의 영향에 대한 연구는 매우 제한되어 있다.  최소슬러깅속도에 대한 연구로 Fatah와 Flamant[2]는 내경 0.1m의 유동층에서 입자크기 1.18-3.57mm, 입자밀도 3950kg/m3의 알루미나 입자를 층물질로 사용하여 20-700℃의 온도변화에 따른 최소슬러깅속도의 변화를 측정 및 고찰하였으며 온도의 영향을 고려하여 최소슬러깅속도에 대한 상관식을 제시하였다.  그러나 Fatah와 Flamant[2]의 연구는 Geldart 분류 D 입자계에 속하는 입자만을 사용하여 실험하였으므로 다른 입자계에 대한 연구결과의 축적이 필요한 실정이다.  또한 최소슬러깅속도에 대한 상관식의 경우 기체의 밀도와 점도를 상관식의 변수로 고려한 상관식이 제시되어 있으나 대부분의 상관식이 상온에서 측정된 결과를 기준으로 유도되었으며 실제 반응온도에서 적용 가능한지에 대한 시험이 필요하다.

본 연구에서는 기체유동층에서 최소슬러깅속도에 미치는 온도의 영향을 고찰하기 위하여 층물질로 Geldart 분류 A 입자계에 속하는 FCC 입자를 사용하여 온도를 변화시키면서 최소슬러깅속도를 측정 및 고찰하였다.

실 험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 고온유동층 실험장치를 나타내고 있다. 유동층은 직경 0.1m,  총높이 2.1m인 스텐레스관(SUS 316)으로 제작되었으며, 층가열장치로는 용량 6KW 규격을 갖는 외부가열방식의 원통형 매몰히터 2개를 사용하였으며 유동층의 열손실을 최소화하기 위해서 유동층의 외벽을 ceramic wool로 단열하였다.  유동화기체로는 공기가 사용되었으며, plenum에 위치한 수평관으로 주입되도록 하였다. 분배기는 multi-tuyere 형으로 직경 20mm의 tuyere 4개에 각각 직경 3mm의 구멍 12개를 배치하였다.

기체출구는 분산판으로부터 1.97m 높이에 위치하며, 기체는 직렬로 연결된 1, 2차 사이클론과 백필터를 거쳐서 대기로 배출되도록 하였다.  1차 사이클론에서 포집된 층물질은 로터리밸브를 거쳐서 분산판으로부터 높이 0.42m에 설치된 재순환관을 통하여 유동층으로 재주입 되었다.

축방향 온도분포는 분산판으로부터 축방향으로 설치된 8개의 K-형(chromel-alumel) 열전대와 data logger(Molytek Model 2702)로 연속적으로 측정하였다.  유동층 내부의 압력요동을 측정하기 위하여 분산판으로부터 축방향으로 14개의 압력점을 설치하였으며, 각 압력점에서의 압력신호는 압력변환기(차압형, Validyne, P24D Model)를 사용하여 전압(±5V)-시간 신호로 바꾸어 자료수집계(data acqusition system, Real time devices Inc., AD2110 Model)를 거쳐서 PC에 저장하였다.  각 실험조건에서 층내 압력요동신호는 100Hz의 주파수로 10000개를 수집하였다.

층물질로 사용된 FCC 입자의 평균입경은 91□m(-106+75□m), 입자밀도는 2083kg/m3이었다.  유동층 온도는 5∼300℃로 변화시켰으며 고정층높이는 0.5m였다.

각 실험조건에서 측정된 압력신호는 기준값(reference value)을 기준으로 조밀상(emulsion phase)과 기포상(bubble phase)으로 나뉘며 프로그램을 사용하여 smoothing을 거친 후 기포 또는 슬러그가 수직으로 상승하지 않는 경우와 합체와 분쇄현상에 의한 신호를 filtering 하였다.  기포 또는 슬러그의 빈도는 다음 식에 의해 계산되었다.

Bubble or slug frequency, fb or fs = (number of bubble or slugs) / (total sampling time)

1. air compressor

2. filter

3. pressure regulator

4. flowmeter

5. fluidized bed

6. cyclone 1

7. cyclone 2

8. bag filter

9. diverter

10. sample pot

11. rotary valve

12. heater

13. differential pressure transducer

14. A/D converter

15. personal computer

16. data logger

Fig. 1 Experimental apparatus

결과 및 고찰

Fig. 2는 100℃에서 두 개의 차압형 압력변환기를 각각 0.10-0.15m와 0.24-0.29m에 연결하였을 때 유속변화에 따라 측정된 기포 또는 슬러그 빈도의 변화를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 측정된 기포 또는 슬러그 빈도는 유속이 증가함에 따라 증가하여 최대점을 보인 후 감소하는 경향을 나타내었다.  이와 같은 경향은 기포유동층 영역에서는 과잉공기량이 증가함에 따라 기포빈도가 증가하고, 계속적으로 유속이 증가하면 기포의 합체가 활발히 일어나 슬러그가 형성되며 슬러깅 영역에서는 유속이 증가함에 따라 슬러그의 합체에 의한 크기증가로 인해 슬러그 빈도가 감소하기 때문으로 사료되었다.  본 연구에서는 Ryu 등[1]의 보고에 나타난 바와 같이 기포 또는 슬러그 빈도가 최대점을 보이는 유속을 최소슬러깅속도(Ums)로 결정하였다.

Fig. 3은 온도변화에 따라 측정된 최소슬러깅속도의 변화를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 온도가 증가함에 따라 최소슬러깅속도가 감소하였으며 Fatah와 Flamant[2]의 결과와 유사하였다.

Fig. 2 Determination of Ums.            Fig. 3 Minimum slugging velocity

versus bed temperature.

Fig. 4는 본 연구에서 온도변화에 따라 측정된 최소슬러깅속도와 기존 상관식과의 비교를 나타내고 있다.  Rems는 최소슬러깅속도에서의 Reynolds 수를 의미하며 다음과 같이 계산하였다.  식에서 dp, □g, □는 각각 입자크기, 기체 밀도, 기체점도를 의미한다.

[eqn: rm Re_ms ~=~ {d_p U_ms rho_g } over mu]

상관식의 계산에서 최소유동화속도는 Wen과 Yu[3]의 상관식에 의해 계산된 값을 대입하였다.  그림에 나타난 바와 같이 기존의 모든 상관식이 온도가 증가함에 따라 최소슬러깅속도가 감소하는 것으로 예측하였다.  기존의 상관식들중 기체의 밀도와 점도의 항을 포함하지 않은 Stewart와 Davidson[4], Baeyens와 Geldart[5], Luca 등[8], DiMattia 등[9]의 상관식에 의해 계산된 최소슬러깅속도가 온도 증가에 따라 감소하는 경향을 나타내는 것은 그들의 상관식이 최소유동화속도의 항을 포함하고 있으며 Wen과 Yu[3]의 상관식에 의해 계산된 최소유동화속도는 온도가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타나기 때문으로 사료되었다.  그림에 나타난 바와 같이 기존의 상관식들중 Baeyens와 Geldart[5]의 상관식이 본 실험의 측정값과 가장 유사한 경향을 나타내었으며 최소슬러깅속도에 대한 온도의 영향을 고려한 Fatah와 Flamant[2]의 상관식은 측정값에 비해 과도하게 예측되었다.

Symbols : measured values

Lines : calculated velues

(1) Stewart and Davidson [4]

(2) Baeyens and Geldart [5]

(3) Broadhurst and Becker [6]

(4) Lee and Kim [7]

(5) Fatah and Flamant [2]

(6) Luca et al. [8]

(7) DiMattia et al. [9]

Fig. 4 Comparison between measured minimum slugging velocity with

calculated values from previous correlations.

결 론

본 연구에서 측정된 최소슬러깅속도는 온도가 증가함에 따라 감소하였으며 기존의 상관식들 중에서 Baeyens와 Geldart[2]의 상관식이 측정값과 가장 좋은 일치를 보였다.

감사의 글

본 연구는 1999년도 건국대학교 학술연구비 지원에 의한 논문임

참고문헌

1. Ryu, H.J., Choi, J.H., Yi, C.K., Shun, D.W., Son, J.E. and Kim, S.D.: HWAHAK KONGHAK, 37(3), 472(1999).

2. Fatah, N. and Flamant, G.: "Fluidized bed and fluid particle systems", Universitat Politecnica de Cataluya, Spain, 103(1990).

3. Wen, C.Y. and Yu, Y.H.: AIChE J., 12, 610(1966).

4. Stewart, P.S.B. and Davidson, J.F.: Powder Technology., 1, 61(1967).

5. Baeyens, J. and Geldart, D.: Chem. Eng. Sci., 29, 255(1974).

6. Broadhurst, T. E. and Becker, H.A.: AIChE J., 21(2), 238(1975).

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

8. Luca, L.De, Felice, R.Di. and Foscolo, P.U.: Powder Technology., 69, 171(1992).

9. DiMattia, D.G., Amyotte, P.R. and Hamdullahphu, F.: Can. J. of Chem. Eng., 75, 452-459(1997).