고체 입자의 표면 성질이 삼상역유동층의 수력학적

특성에 미치는 영향

한희동·최호석·강 용·↕김상돈

충남대학교 화학공학과, 한국과학기술원 화학공학과

Effect of the Surface Property of Solid Particles on the Hydrodynamics Characteristics of Three-Phase Inverse Fluidized Bed.

Hee-Dong Han·Ho-Suk Choi·Yong Kang·Sang-Done Kim↕

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University, 220 Kung-dong Yusong-gu, Teajon 305-764, Korea

↕Department of Chemical Engineering Korea Advanced Institute of Science and Technology, 373-1 Kusong-dong, Yusong-gu, Taejon 305-701, Korea

1. 서   론

삼상유동층 공정이란  기체, 액체, 고체 계에서의 유동하는 기체와 액체의 공통된 흐름이 주된 계를 이루는 반응기를 말한다. 이러한 공정의 다상계 반응기에 관련된 많은 연구가 보고되고 있는 실정이며, 최근에는 역유동층에 대한 연구가 활발히 진행중이다. 삼상역유동층의 특징은 액체보다 밀도가 작은 고체를 사용하여 유체와의 밀도차이를 이용하여 유동을 시키는 공정을 말한다[1]. 삼상역유동층의 가장 중요한 장점은 낮은 유체속도와 적은 에너지, 그리고 고체의 파손없이 유동화를 시킬 수 있다는 것이다. 이러한 공정은 액체상에 기상을 주입함으로써 기-액상의 평균 밀도가 감소하는 것이 원인이 되어 기체의 양이 많아지면서 입자의 유동화의 결과로써 나타난다. 대부분의 연구에서 유동층의 높이는 시각적인 측정이나 정압구배(static pressure profile)에 의해 측정되며, 일반적으로 최소 유동화속도와 마찰계수는 층의 팽창과 압력강하로부터 얻어진다[2]. 삼상역유동층에서 입자의 직경, 반응기의 직경, bubble의 속도, 그리고 입자의 크기 등은 입자의 flow rate에 영향을 주는 중요한 변수로 작용하며, 흐름의 안정도는 입자 크기의 분포, terminal pressure, 그리고 공급되는 기체의 속도에 의해 좌우된다. 또한 입자의 밀도와 액체가 비슷할 때 더욱 작은 액체 순환비로 쉽게 유동화가 이루어지며 이때 삼상역유동층은 가장 효율적인 상태가 된다. 그러나, 삼상역유동층 반응기 내에서의 액체, 기체, 고체의 흐름유형은 매우 복잡하다. 그러므로 이러한 흐름현상을 지배하는 기본원리가 중요한 문제로 나타나기 시작하였다. 따라서 삼상역유동층 반응기내에서의 국부흐름 특성에 관한 실험적 이론적 조사가 선행되어야 한다. 최근에는 경제적으로 저렴할 뿐만 아니라 밀도가 액상보다 작은 LDPE(Low Density  Polyethylene)bead를 이용한 연구가 많이 이루어지고 있는 실정이다.

본 연구의 목표는 친유성 물질인 LDPE bead와 LDPE bead의 표면을 산화처리하여 친수성으로 표면의 성질을 변화시킨 LDPE bead의 수력학적 특성을 삼상역유동층 반응기 내부의 정압을 측정하여 규명하는 것이다. 부가적으로 Comte[3]가 제시한 모델과 본 실험의 결과를 비교하여 친수성 입자의 혼합에 따른 임계유동화 속도의 변화를 관찰하는 것이다.

2. 실   험

본 연구에 사용한 삼상역유동층 장치는 상승관의 직경이 11.5cm이고 높이가 2m인 아크릴 관으로 제작되었다(Fig.1). 고상으로는 HANWHA CHEMICAL CO.으로부터 제공받은 LDPE 입자로써, 순수한 LDPE 입자와 Chlorosulfonic acid로 표면처리를 하여 친수성기를 도입한 입자를 사용하였다. 본 실험에서 사용한 LDPE 입자의 물성을 Table 1에 나타내었다. 액상으로는 증류수를 사용하였으며 기상으로는 Compressor로부터 주입되는 공기를 사용하였다.

한편, LDPE 입자의 표면처리를 위하여 10mM ferric chloride 용액에 입자를 넣고, 30℃에서 3시간 동안 강하게 교반시킨 후, 담체 표면의 화학적 에칭을 위한 Chlorosulfonic acid 처리를 위하여 처리 용액[ClSO3H : CCl4 = 2 : 1 (w/w)]에 입자를 넣고 실온에서 교반하여 4시간 동안 반응시킨 후 입자를 꺼내 증류수로 세척한 후 건조 시켰다[4].

3. 결과 및 고찰

3-1. 친유성 입자가 수력학적 특성에 미치는 영향

Fig. 2는 180cm의 column에서 입자들의 양을 변화시키며 압력강하를 측정한 것이다. 반응기 하부에서 가스를 주입시킬 경우 부유하고 있는 고체 입자가 하강을 하기 시작한다. 이때 압력의 변화가 발생하는데 직선이 교차되는 부분은 two-phase와 three-phase의 경계를 나타내 주는 자료가 된다. Fig. 2(a)와(b)를 비교해보면 입자의 양이 증가할수록 낮은 유속에서 층 팽창의 정도가 더욱 증가함을 알 수 있다. Fig. 2는 모두 친유성담체에 대한 결과이다 이 그래프로부터 우리는 Comte가 제시한 UGc(Critical gas velocity)를 발견하였고 우리의 결과와 Comte의 결과를 비교하여 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 2의 결과로부터 압력의 변화를 측정하여 입자의 공극률을 확인하여 보았다. 이때 가스속도의 범위는 0.083∼4.104cm/sec 사이에서 결정지어 졌으며 입자의 양은 column의 높이에 비례하여 10∼40% 사이에서 결정되어 졌다. Fig. 4는 column내부에서 입자가 column의 전체에 균일하게 유동화 되기 시작하는 가스의 속도를 예측 할 수 있게 해준다. Fig. 4로부터 입자의 양이 증가할수록 UGc는 감소한다는 사실을 발견할 수 있다.

3-2. 친유성 입자와 친수성 입자가 수력학적 특성에 미치는 영향

Fig. 2(a)와 Fig. 3은 Hbo/Hto=20%인 지점까지 입자를 채운 후 친유성입자와 친수성입자의 비율을 바꾸어 주면서 실험을 실시한 결과이다. Fig. 2(a)는 친유성 입자가 100%일 경우이고 점차적으로 비율을 바꾸어 주면서 실험을 실시하였다. 비율의 변화는 100, 70, 30%의 비율을 두고 실험을 실시하였다. Fig. 2(a)와 3을 비교하여 보면 친수성입자의 비율이 증가할수록 같은 가스속도 하에서 팽창되는 유동층의 길이가 증가하며 임계유동화 속도는 감소함을 알 수 있다. 그러므로 순수한 입자의 표면을 산화처리함으로써 표면의 성질을 친수성 입자로 바꾸어 준 것이 삼상역유동층 내부의 유동 효율을 증가시킬 수 있다는 사실을 발견할 수 있었다. Fig. 5는 입자의 공극률과 임계유동화 속도와의 관계를 보여준다. R(1-□S/□L)은 0.903으로 결정지어졌다. 친유성입자의 G(silp velocity)값은 41.765cm/sec인 것에 반해 친유성, 친수성기의 혼합 입자는 G값이 40.246cm/sec로 더욱 하강한다는 사실을 알 수 있었다. 이는 입자의 표면 처리 과정을 통하여 표면을 친수성으로 바꾸어 준 입자의 영향으로 사료된다. 한편 혼합담체는 Hbo/Hto=20%일 때를 기준으로 비율을 바꾸어 주며 실험을 진행하였고, 가장 작은 비율일(Untreated bead:treated bead=30:70)때의 G값이 가장 낮게 나타났다. 이와 같은 결과를 Choi[4]의 실험결과와 비교하여 본 결과 Choi는 반응기의 크기가 직경이 10.7cm, 높이가 50cm인 반응기를 사용하였으므로 G값이 더욱 작아졌다고 사료된다. 그렇기 때문에 유동층반응기 내부에서 G값이 더욱 작게 나타난 것이다. 이때 G는 입자의 상태에 의존을 하게 된다. 우리의 실험결과를 Comte와 비교하였을 경우에 우리가 사용한 sparger는 perforated plate를 사용하였고 입자의 크기 또한 유사했다. 이 결과로부터 G는 입자의 형태와 기포의 유착현상에 관련이 있다고 할 수 있다. 따라서 Fig. 6과 같은 그래프를 도출해 낼 수 있었다. Fig. 6은 Comte의 모델과 Choi의 실험결과 그리고 이번 실험의 결과를 비교한 그림이다. 이때 Fig. 6으로부터 우리는 Comte의 모델보다 가스의 임계속도가 더 작다는 것을 발견하였다. 그리고 Comte의 모델보다 입자의 홀드업과 밀도의 상태가 더 작게 나타난다는 것을 발견하였다. 이러한 이유는 distributor와 반응기 크기에 대한 영향에 대한 결과이다.

본 연구에서는 LDPE 입자를 chlorosulfonic acid로 처리하였을 경우 약간의 밀도 상승이 관찰되었다. 관찰된 것처럼 LDPE 입자의 밀도 증가와 입자 표면의 친수성기 도입으로 인하여 처리된 입자의 임계유동화속도는 더욱 낮게 나타났다.

본 연구의 결과를 토대로 유동층 내부의 입자는 친유성보다는 친수성입자가 유동화에 유리하며, 반응기에 충진해야 하는 입자의 량이 증가할수록 저유속(기체흐름을 위한 낮은 동력비)에서도 유동화가 가능함을 알 수 있었다.

Table 1. Physical property of LDPE bead

	average diameter (mm)	thickness (mm)	average density (g/cm3)	void fraction	sphericity
Untreated bead	4.4	1.6	0.907(s=0.0020)	0.357(s=0.0055)	0.45
Treated bead	4.4	1.6	0.926(s=0.0057)	0.408(s=0.0010)	0.45

※s(standard deviation)

(1)	Main column	(2)	Weir
(3)	Manometer	(4)	Air-Liquid distributor
(5)	Flow meter	(6)	Compressor
(7)	Rotameter	(8)	Pump
(9)	Liquid reservior

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus

(a)(b)

Fig. 2. Axial pressure profile with respect to column height

(a) Column height(Hbo/Hto=20%); (b) Column height(Hbo/Hto=40%)

(a)(b)

Fig.3.Axial pressure profile with respect to column height(Hbo/Hto=20%)

(a)untreated beads : treated beads=70:30; (b)untreated beads : treated beads=30:70

Fig. 4. Changes of the critical fl-      Fig. 5. Variations of the gas ve-

uidization velocity with                locity with solid holdup

respect to particle loads

Fig. 6. Comparison of predicted values with experimental result

참고문헌

[1]Pierre. B., Rene, M., Some hydrodynamic characteristics of inverse three phase fluidized-bed reactors, Chem.. Eng. Sci., 54, 1233-1242(1999)

[2]Karamanev. D., Nikolov. L., Bed expansion liquid-solid inverse fluidization, AIChE J. 38(1992)

[3]Comte. M. P.,Bastoul. D.,Hebrard. G.,Roustan. M., and Lazarova. V., Hydrodynamics of a three-phase fluidized bed-the inverse turbulent bed, Chem. Eng. Sci., 52, 3971(1997)

[4]Choi. H. S., and Shin. M. S., Hydrodynamics study of two different inverse fluidized reactors for the application of wastewater treatment, Korea  J. Chem.Eng., 16(5), 670-676(1999)