삼상 역 유동층에서 액체점도의 변화에 따른 열전달 특성

박희영, 조용준, 김상우, 강 용, 김상돈*

충남대학교 화학공학과

*한국과학기술원 화학공학과

Heat Transfer Characteristics with variation of Liquid viscosity in a Three-Phase Inverse Fluidized Bed

Hee-Young Park, Yong-Jun Cho, Sang-woo Kim, Yong Kang and Sang-Done Kim*

Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University,

Taejon 305-764, Korea

*Dept. of Chemical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Taejon 305-701, Korea

서론

전통적인 삼상유동층에서는 고체입자의 밀도가 연속상(Continuous Phase)인 액체보다 크며, 액체와 기체를 상승방향 병류(Cocurrent)로 흐르게 함으로써 유동화 된다. 하지만 삼상 역 유동층은 고체입자의 밀도가 액체보다 작기 때문에 기체는 유동층의 밑부분에서 상승방향으로 흐르는 반면, 액체는 관의 하향방향으로 흐르는 향류(countercurrent) 흐름에 의해 유동화 된다 [1-4].

이러한 삼상 역 유동층은 일반적인 삼상 유동층의 장점인 접촉 효과가 좋고, 열 및 물질전달 효과가 탁월하다는 장점 외에도 중력이 아닌 부력에 반하여 유동화 시키는 역 유동화의 특성을 역 유동화의 특성을 이용할 수 있으므로 다공성 입자나 미소입자 등의 사용에도 그 용도를 확장시킬 수 있다 하겠다. 느린 액체 유속으로 인한 낮은 에너지 소비, 고체입자의 마모를 최소화 할 수 있다는 잇점이 있으며 특히, 기체유속만으로도 유동화가 가능하기 때문에 생물학적 폐수처리, 생화학 그리고 다른 주변 산업에도 그 응용성은 더욱 확대 될 수 있을 것으로 예견된다. 특히, 유동입자의 둘레에 형성되는 생물학적 필름의 두께를 미세하게 조절할 수 있기 때문에 생물학적 폐수처리 및 반응, 효소고정화 등의 분야에 매우 유용하게 응용될 수 있다 하겠다 [5].

그러나, 이러한 삼상 역 유동층에 대한 연구는 외국에서도 약간의 시도만이 이루어지고 있으며 국내에서는 거의 전무한 실정이다. 다만, 이상 역유동층(two-phase inverse fluidized bed)이나 난류 접촉층에 대한 연구들이 지금까지 꾸준하게 이루어 지고 있는 실정이다 [6].  삼상 역 유동층이 폐수처리나 생화학 분야의 반응기로 사용될 경우 반응기나 접촉공정의 온도를 일정온도로 유지해야 하는 경우가 빈번함에도 불구하고 삼상 역 유동층에서 열전달 현상에 관한 연구는 국내·외를 막록하고 거의 이루어지지 않았다.

따라서, 본 연구에서는 이러한 삼상 역 유동층의 공업적 응용에 중요한 필수적 자료인 열전달 특성에 대해 고찰하였으며 특히 액체 점도의 변화가 열전달 특성에 미치는 영향을 검토하였다.

실험

본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 실험에 사용된 유동 고체입자로는 4종류를 사용하였는데 877.3kg/m3의 밀도를 갖는 구형의 Polypropylene(dp : 4mm)과 966.6kg/m3의 밀도를 갖는 Polyethylene(dp : 4mm), 그리고 846.2kg/m3 의 밀도를 가지는 판상 모양의 Polypropylene(4x4x1mm)과 896.4kg/m3의 밀도를 갖는 판상 모양의 Polyethylene(4x4x2)을 사용하였다. 연속액상(continuous liquid phase)으로는 물을, 기체분산상(dispersed phase)으로는 여과된 압축공기를 사용하였으며, 연속액상을 CMC(1) : 0.1wt%, CMC(2) : 0.2wt%, CMC(3) : 0.3wt%로 각각 변화시켜 가며 실험하였다.

실험 장치로는 0.152m ID를 갖는 2.5m 높이의 아크릴 관을 사용하였다. 유동입자의 역 유동을 위해 연속액상을 유동층의 상부에서 하부로 일정유속으로 균일하게 흐르게 하기 위해 다공판 형태의 액체 분산판을 사용하였는데, 액체 분산판은 직경 3mm의 구멍을 삼각피치로 균일하게 배치하였다. 한편 기체 분산상은 유동층의 하부에서 상부로 상승하도록 하였는데 기체 분산상의 균일한 분포를 위해 유동층 하부 판에 직경 1mm의 오리피스를 일정간격으로 배치한 기체분산판을 사용하였다.

열전달 특성을 고찰하기 위해서 유동층 중앙에 직경이 0.0254m, 길이가  2.0m인 열원을 설치하였고 일정한 열량을 공급할 수 있도록 전원공급기(power supply)와 연결하였다. 유동층 내부와 열원간의 온도를 측정하기 위해 iron-constantan 재질의 J-type의 열전대를 사용하였다. 유동층 내부의 온도는 유동층 중심부와 유동층 컬럼 벽면의 중간지점에 액체 분산판 으로부터 0.3m 하단부터 축방향으로 0.15m의 간격을 두고 4개의 열전대를 설치하였으며 이들 각 열전대에서 얻어지는 값의 평균값을 유동층 내부온도로 하였다. 열원표면의 온도는 같은 재질의 J-type의 열전대 4개를 열원표면에 부착시켜 각 실험조건에서의 평균값으로 열원표면의 온도를 구하였다.

결과 및 고찰

삼상 역 유동화에서 액상의 점도의 변화가 열전달 계수에 미치는 영향을 각 유동입자에 따라 Fig. 2에 나타내었다. 그림으로부터 알 수 있듯이 액상의 점도가 증가함에 따라 열전달 계수값은 감소함을 알 수 있다. 판상 형태의 유동고체입자가 구형고체입자에 비해 좀더 액상점도에 민감한 영향을 받는 것을 알 수 있으며 이는 구형보다는 액상의 유속이나 부력에 영향을 보다 많이 받는 판상 형태에서 기인한 것으로 해석할 수 있다.

삼상 역 유동층에서 기체의 유속이 내부 열원과 유동층 간의 열전달 계수에 미치는 영향을 점도의 변화에 따라 구형의 polyethylene 입자와 판상형태의 polypropylene 입자를 예로 들어 Fig. 3에 나타내었다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 기체의 유속이 증가함에 따라 열전달 계수는 단조 증가함을 알 수 있다. 이와 같은 현상은 점도가 증가함에 따라서도 같은 현상을 나타낸다. 이러한 기체 유속에 따른 열전달 계수의 단조증가 현상은 삼상 유동층에서와 유사하게 설명할 수 있는데 기체의 유속이 증가하면 상승 기포의 체류량이 증가하며 기포와 기포들간의 접촉과 합체 뿐만 아니라 유동층 내에 난류현상을 증가시킨다. 이러한 난류의 증가는 유동층 내부에 작은 마이크로 소용돌이(micro eddy)현상을 유발하여 내부 열원과 유동층간의 열전달 저항을 감소시킴으로 인해 열전달 계수를 증가시킨다고 할 수 있다[5,7-8]. 뿐만 아니라, 기체유속의 증가로 인하여 유동입자의 거동이 보다 활발하게 증가함으로써 내부열원 주위의 얇은 막과 부딪혀 막 두께를 감소하는 효과를 가져와 열전달 계수가 증가한다고 설명 할 수 있다. 이러한 현상은 액상의 점도가 증가하여도 그대로 나타나며 단지 유동고체입자의 거동이 점도가 증가할수록 감소하게 되어 열전달 계수는 액상점도의 증가에 따라 감소하게 됨을 알 수 있다. 삼상 역 유동층에서 액체의 유속이 열전달 계수에 미치는 영향을 Fig. 4에 나타내었는데 이 그림에서 볼 수 있듯이 열전달 계수는 액체의 유속이 증가함에 따라 증가하였다가 액체의 유속이 더욱 증가하면 다시 감소하는 경향을 나타내어. 액체 유속의 증가에 따라 최대값을 나타냄을 알 수 있다.  이런 현상은 점도가 증가하여도 그대로 유지 되는데, 액상의 유속이 증가함에 따라 층의 팽창이 일어나며 이에 따라 입자들이 유동하면서 연속 액상 뿐만 아니라 내부열원과도 효과적으로 접촉하면서 층 내의 난류강도를 증가시킨다고 할 수 있다. 액상 유속에 따라 열전달 계수가 최대값을 보이는 이유는 층의 팽창이 과도하게 일어나 상대적으로 유동입자의 난류강도가 줄어들었기 때문으로 해석할 수 있다. 그림에서 볼 수 있듯 액상의 점도를 변화 시키지 않았을 경우 열전 달 계수는 판상형태가 훨씬 크지만 점도가 변하면서 구형의 열전달 계수가 더 큼을 알 수 있다. 이는 순수한 물일 경우 판상 고체 입자의 거동이 층내 난류강도를 증가시키는데 도움을 주나 점도가 증가할수록 그 효과가 감소되어 나타나는 결과라 하겠다. 삼상 역 유동층에서 유동고체입자의 밀도가 열전달계수에 미치는 영향을 Fig. 5에 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 밀도가 증가함에 따라 열전달 계수가 증가함을 알 수 있는데 이는 유동고체 입자의 형태보다 고체입자가 가지고 있는 밀도가 열전달 계수에 더 큰 영향을 미친다는 것을 알 수 있으며, 이러한 현상은 점도가 증가하면 더욱 뚜렷해짐을 알 수가 있다.

이상과 같은 실험에서 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

1. 삼상 역 유동층에서 액상의 점도가 증가함에 따라 열전달 계수는 감소한다.

2. 삼상 역 유동층에서 기상의 유속이 증가함에 따라 열전달 계수는 단조증가함을 알 수 있는데 이는 층내 난류현상의 증가와 입자의 거동이 활발해 지기 때문이다.

3. 삼상 역 유동층에서 유동입자의 거동은 열전달 계수에 밀접한 영향을 미치는데 이런 유동입자의 거동은 그 유동입자의 형태보다는 밀도에 많은 영향을 받는다.

참고문헌

1.	Fan. L. S., Muroyama, K. and Chern, S. H. : Chem. Eng. J., 24, 143	(1982a).

2.	Fan. L. S., Muroyama, K. and Chern, S. H. : Chem. Eng. Sci., 37, 1570	(1982b).

3. Fan. L. S., Ohio State Univ., America (1989).

4.	Fan. L. S., Muroyama, K. and Chern, S. H. : Chem. Eng. Sci., 38, 1167	(1983).

5. Kang, Y., Sub, I.S. and Kim, S.D. : Chem. Eng. Com., 34, 1 (1985).

6.	Legile. P., Menard. G., Laurent. C., Thomas. D. and Bernis. A. : Int.	Chem. Eng., 32, 41 (1992).

7. Kang, Y. and Kim, S.D. : J. KIChE, 25(1), 81 (1987).

8. Kang, Y., Kim, J.S., Woo, K.J., Nam, C.H., Kim, S.H. and Kim, S.D. : J. KIChE., 36(2), 275 (1998).

Fig 1	Experimental apparatus
	1. Carming section 2. Liquid distributor 3. Heater 4. Gas distributor 5. Thermocouples 6. Pressure sensor 7. Manometer 8. Thermocouple 9. Power supply	10. Amplifier 11. Lab card 12. Computer 13. Vent line 14. Gas flow meter 15. Liquid flow meter 16. Air compressor 17. Bypass pump 18. Reservoir