전산유체역학을 이용한 초미세 TiO2 미립자 제조용

확산형 화염 반응기의 해석

신 상 철, 김 교 선

강원대학교 공과대학 화학공학과

Analysis of Diffusion Flame Reactor to Prepare Ultrafine TiO2 Particles by Using Computational Fluid Dynamics

Sang-Cheol Shin, Kyo-Seon Kim

Department of Chemical Engineering, Kangwon National University

Chuncheon, Kangwon-Do, Korea

서론

산업의 발달에 따라 환경문제는 갈수록 심각해지고 있다. 특히 수질오염원의 종류가 다양해지고 계속 새로운 오염물질이 생성됨으로 인하여 기존의 수질오염물의 수처리 방법만으로는 한계에 부딪히고 있다. 기존의 처리법으로는 화학적 처리, 생물학적 처리 등이 있으나, 이러한 기존의 수처리 기술은 2차 오염물질 생성이라는 공통의 문제점을 지니고 있다[1].

따라서 기존 공정들의 문제점들을 극복할 수 있는 새로운 폐수처리 기술에 대한 연구가 요구되었고, 그 중에서 광촉매 반응을 이용한 폐수처리가 2차 오염물질의 발생이 없고 상온 및 상압에서 운전이 가능하며 태양광 에너지 및 인공의 조명광을 사용할 수 있는 장점으로 인해 대체 기술로서의 관심을 끌고 있다[1].  최근에는 광화학적으로 안정하고 효율도 비교적 높은 TiO2가 우수한 광촉매로 인정받고 있으며, 대부분 광촉매 연구에서 사용되고 있다[2-4].  1970년대 초기에 광촉매의 연구는 물로부터 수소를 생성시키는 연구가 Fujishima[5]와 Honda[5]에 의해서 처음 시도되었으며 광촉매 반응을 이용한 폐수처리 연구는 1980년대 초 Ollias[6] 등에 의해서 처음 시도되었고 이들은 빛이 조사된 TiO2 광촉매 상에서 할로겐화 탄화수소가 분해되는 것을 관찰하였다.

TiO2 광촉매의 반응에 있어서 TiO2 광촉매의 비표면적, 기공의 크기, 입자크기, 입도분포 및 rutile/anatase의 조성비는 분해효율에 큰 영향을 끼치게 된다.  이러한 TiO2 광촉매 및 무기 산화물, 질화물, 탄화물은 에어로졸 공정을 통해 원하는 완전한 물성을 갖는 입자를 얻을 수 있으며 보통 10∼100□의 크기의 미립자를 제조할 수 있다.  에어로졸 반응기 중에서 확산형 화염 반응기는 6∼600□범위의 분말을 생산할 수 있으며, 고순도 미분체 제조, 비표면적이 넓은 미분체 제조, 다공성의 미분체 제조 및 미분체의 크기를 다양하게 변화 시킬 수 있는 장점이 있다[1,2].

초미립 TiO2 입자를 에어로졸 공정 중에서 실제 공업화된 제조방법 중 가장 일반적인 확산형 화염 반응기를 이용하여 제조할 경우, TiO2의 입자크기와 rutile/anatase의 조성비는  공정변수인 반응기 온도, 전체기체 유량, 초기 SiCl4 공급농도에 따라 크게 변화하는 것으로 알려져 있으며 이러한 공정변수 중에서 반응기 온도는 TiO2의 입자크기와 rutile/anatase의 조성비에 가장 큰 영향을 미치는 것으로 알려져 있다[1,2].

본 연구에서는 전산유체역학을 이용하여 확산형 화염 반응기의 화염을 상용 CFD(Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어인 PHOENICS를 사용하여 해석하였으며, 불꽃 온도를 직접 측정할 수 있는 R-type 연전대와 비접촉으로 측정 가능한 방사온도계(TR-630A, MINOLTA)를 이용하여 수치모사 값과 비교하였다.

실험

Fig.1은 본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도이다.  실험에 사용된 반응기는 확산형 화염반응기로서 광섬유 모재 제조 및 fumed silica 합성에 이용되는 토치와 비슷한 디자인으로 설계되었다.  5개의 동심원 구조로 이루어진 본 확산형 화염 반응기는 최외경이 직경 2.5□로서 초미세 TiO2 미립자 제조시에 중앙으로 반응물인 TiCl4가 원반기체인 N2와 함께 투입되며 두 번째와 세 번째 동심원에는 연소반응에 필요한 산소와 도시가스가 각각 들어가게 된다.  도시가스의 주요 연료 성분은 프로판(약 60%)과 질소(약 30.5%), 산소(약 8%), 부탄(약 1.5%)이며 발열량은 약 15000kcal/□이다.  네 번째 동심원에는 N2를 sheath gas로서 투입하여 반응기 내 화염 모양을 plug flow에 가까운 형태로 유지하도록 하였다.       본 실험에서는 확산형 화염 반응기의 불꽃 온도를 측정하기 위하여 첫 번째 동심원에 반응물인 TiCl4를 공급하지 않은 상태에서 확산형 화염 반응기의 온도를 측정하였으며 확산형 화염 반응기의 화염온도는 그 모양의 특성상 초기에는 화염이 생성되는 중앙부가 바깥쪽보다 낮다.  화염의 온도는 화염의 상부 가장 높은 온도를 기준으로 하였다.

실험에 사용된 O2의 양은 500-1450□/min으로 하였고 매 조건마다 질소를 sheath gas로 사용하여 반응기 화염을 안정화 시켰다. Sheath gas로 사용된 질소는500-1450□/min로서 질소의 출구속도가 내부의 연료/산소 출구속도와 일치하게 함으로써 기체흐름이 plug flow 흐름을 유지하도록 하였다.  실험에 사용된 도시가스의 유량은 150-260□/min로 공급하였으며 산소와 도시가스의 비율을 조절하여 화염의 온도를 조절하였다.  각 조건에서의 Reynolds number(NRe)는 약 40정도(전체기체 유량=1400□/min, 기체 평균온도=820K)로 계산되어지며 laminar flow로 간주할 수 있다.  버너 바깥쪽에서 연료인 도시가스와 산소가 확산에 의해 혼합되어 연소반응이 일어나며 다량의 연소열이 발생한다.  화염온도의 정밀한 측정을 위해 1.5□ 두께의 R-type 열전대를 이용하여 온도를 측정하였으며 화염 전방 약 30□ 부근에 600-3000℃의 폭넓은 범위의 온도를 측정할 수 있는 방사온도계를 설치하여 화염의 온도를 측정하였다. 이 때 반응기 중앙부에서 축방향 및 반경방향으로 이동하며 반응기 상부 위치별 온도를 측정하였다.

Fig. 1 Schematic of experimental apparatus.

결과

본 연구에서는 확산형 화염반응기의 화염의 온도를 측정하기 위하여 산소/연료의 유량비를 조절하여 화염의 Tmax를 변화시키며 확산형 화염반응기 내의 온도분포를 상용 CFD(Computational Fluid Dynamics) 소프트웨어인 PHOENICS를 사용하여 해석하였으며, 불꽃 온도를 직접 측정할 수 있는 R-type 연전대와 비접촉으로 측정 가능한 방사온도계(TR-630A, MINOLTA)를 이용하여 측정하였다.

Fig. 2에서는 Tmax가 1235K일 때 중앙에서 반경방향으로의 거리(r) 변화에 따른 화염반응기 내 온도분포를 thermocouple로 측정한 결과를 축방향(z)에 따라 각각 나타냈다.  전체기체 유량(Q)이 1400□/min이면서 연료/산소의 유량비가 0.15일 때의 온도측정 결과로써 z가 약 0.6-1.2□에서 반경(r)이 0.6□부근에서 화염반응기로 유입되는 산소와 연료가 혼합되면서 상당량의 연소열을 발생하므로 기체온도가 높게 나타나고 있다.  z가 약 2.2□, 5.0□일 때는 연소반응이 종결되고 열전달에 의해 주위로 열이 방출되므로 기체온도가 점차로 감소하고 있음을 보이고 있다.  반응기 바깥쪽에 질소를 sheath gas로 첨가하였을 때 화염이 안쪽으로 모이게 되어 질소유량이 낮을 때(〈1500□/min)는 약간의 온도상승 효과(20-100K)를 관찰할 수 있었으나, 질소의 유량이 너무 높아지면(〉3000□/min)질소에 의한 냉각효과에 의해 오히려 화염의 온도가 낮아짐을 관찰할 수 있었다.  Fig. 3는 전체기체 유량을 1400□/min으로 고정시키고 산소와 도시가스의 비율을 조절하여 Tmax를 변화시켰을 때 측정된 온도분포이다.  z가 약 2□가 될 때까지는 연소반응으로 온도가 급격히 증가하여 약 2□ 부근에서 Tmax로 나타나고 있으며, 약 2□ 이후 반응이 종결되고 열전달에 의해 기체온도가 점차 감소하고 있음을 보여주고 있다.

화염 전방 약 30□ 부근에 방사온도계를 설치하여 화염의 온도를 측정한 결과 thermocouple로 측정한 온도분포와 동일한 온도 구배의 형태를 나타내었지만 방사온도계로 측정한 결과는 화염의 중앙부에서는 1125K로 약 75K정도가 낮게 나타났으며 연소반응이 활발하게 일어나는 z이 0.6□부근에서는 약 100K정도 높게 나타나 반응기 반경방향의 온도는 정확히 일치하지 않았다.

Fig. 2 The temperature profiles of gas   stream for Tmax=1330K as a function    of radial distance(Q=1400□/min).

Fig. 3 The temperature profiles of gas    stream for along the axial               distance for various Tmax(Q=1400□/min).

Fig.4는 CFD를 이용하여 화염반응기내에서 유체의 속도분포 함수가 fully developed되는 과정을 보여주는 그림이다.  본 연구에서 사용된 유체의 NRe는 약 40으로서 유체가 fully developed되는데 필요한 entry length는 약 55□정도이나 본 연구에서 사용한 반응기는 12□이므로 fully developed되는 과정에 있음을 알 수 있다.

Johannessen[7] 등과 주[8] 등의 CFD를 이용한 연구결과에 의하면 확산형 연소반응기의 화염온도는 반응기체 유량, 산소/연료비, 공급기체의 위치 등에 따라 변화하였으며, 특히 sheath gas를 사용하지 않은 Johannessen[7]의 연구에서는 반응기 중앙에서부터 반응물/공기/메탄으로 공급하였 을 경우 메탄이 공급되는 공기와 반응기 주위 공기의 양쪽방향 확산으로 인해 화염 온도가 높고, 화염의 크기가 크게 형성됨을 알 수 있다.

Fig. 4 The developing velocity profiles by CFD

참 고 문 헌

1. Hoffmann M.R., Martin S.T., Choi W.Y. and Bahnemann D.W., J. Chem. Rev. 95, P69, 1995.

2. Herrmann J.M., Catalysis Today, 53, p115-129, 1999.

3. Serpone N., J. Photo. Chem. and Photo. Bio. A: Chemistry, 104, pp12, 1997.

4. Lindner M. and Bahnemann D.W., J. Solar Energy Engineering, 119. pp120, 1997.

5. Fujishima A. and Honda K., Bull. Chem. Soc, Jpn., 44, pp1148, 1971.

6. Childs L. P. and Ollis D. F., J. Catalysis, 66, p383, 1980.

7. Johannessen T., Pratsinis S. E. and Livbjerg H., Chemical Enginnering Science, 55, pp177-191, 2000.

8. Ju J.S., Shin S.B., Lee H.S., Lee M.W. and Hong C.S., HWAHAK KONGHAK, 37, 6, pp850-856, 1999.