기체유동층에서 슬러그 빈도에 대한 온도의 영향

김 태 우, 문 영 섭, 박 동 수, 최 정 후

건국대학교 화학공학과

Effect of Temperature on the Slug Frequency in a Gas Fluidized Bed

Tae-Woo Kim, Young-Sub Moon, Dong-Su Park and Jeong-Hoo 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 영역에서는 기포유동층에 비해 층의 균일한 혼합이 저하되어 입자의 균일한 분산에 영향을 주게되며 정상상태 조업을 방해한다.  또한 슬러그가 층을 통과하면서 일어나는 압력요동에 의해 기계적인 충격이 가해지며 입자마모현상이 활발해지고 기체-고체간의 접촉효율, 공정처리능력, 물질 및 열전달 효과가 저감되므로 유동층의 적절한 조업과 유지관리를 위해서는 슬러그 특성에 대한 이해가 필요하게 된다.  한편 슬러깅 영역에 대한 대부분의 실험들은 상온에서 수행되었으며, 실제 반응기 조건에 적용을 위해서는 슬러그 특성에 미치는 온도의 영향을 보다 분명하게 규명하는 실험자료의 축적과 해석이 필요하다.

본 연구에서는 기포유동층에서 슬러그 영역으로의 전이유속인 최소슬러깅속도와 슬러그 특성치 중 슬러그 빈도에 미치는 온도의 영향을 해석하였다.  층내 압력요동신호의 해석에 의해 기포 또는 슬러그 빈도를 결정하고 유속변화에 따른 기포 또는 슬러그 빈도를 이용하여 최소슬러깅속도를 결정하며, 최소슬러깅속도에 미치는 온도의 영향과 슬러그 특성치 중에서 슬러그 빈도에 미치는 온도의 영향을 측정 및 고찰하였다.

실 험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 고온유동층 실험장치를 나타내고 있다.  유동층은 직경 0.1m, 총높이 2.1m인 스테인레스 스틸(SUS 316)로 제작되었으며, 층가열장치로는 용량 6KW 규격을 갖는 외부가열방식의 원통형 매몰히터 2개를 사용하였으며 유동층의 열손실을 최소화하기 위해서 유동층의 외벽을 ceramic wool로 단열하였다.  유동화기체로는 공기를 사용하였으며 가스미터(SINAGAWA, DC-2A)로 보정한 유량계(flow cell type; 10, 1Nm3/hr)로 정량되어 plenum에 위치한 수평관으로 주입되도록 하였다.  기체분배기는 multi-tuyere 형으로 직경 20mm tuyere 4개에 3mm hole 12개를 배치하였으며 입자의 통과를 방지하기 위해 체(ASTM 200mesh)를 깔았다. 기체출구(0.05m I.D.)는 분산판으로부터 1.97m 높이에 위치하며 기체는 직렬로 연결된 1, 2차 사이클론(standard portion: 0.1m, 0.075m I.D.)과 백필터를 거쳐서 대기로 배출되도록 하였다.

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

층 물질로는 FCC(평균입경 0.071mm)를 사용하였으며 대표적인 입도분포는 Table 1에 나타나 있다.

Table 1. Sieve analysis of particles

1. air compressor

2. filter

3. pressure regulator

4. flowmeter

5. electrically heated

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

Particles	FCC
Sieve size [□m]	weight fraction [-]
-600+425	-
-425+300	0.004
-300+212	0.006
-212+150	0.015
-150+106	0.172
-106+ 75	0.450
- 75+ 53	0.244
- 53+ 0	0.109

Fig. 1 Schematic diagram of fluidized bed.

결과 및 고찰

1. 최소슬러깅속도(Minimum slugging velocity, Ums)

Fig. 2(a)는 100℃, 평균측정높이(Hmea) 0.433m에서 FCC입자에 대해 유속변화에 따라 측정된 기포 또는 슬러그 빈도의 변화를 나타내고 있다.  기포 또는 슬러그 빈도는 유속이 증가함에 따라 증가하여 최대 값을 보인 후 감소하는 경향을 나타내었다.  본 연구에서는 Baeyens와 Geldart[1], DiMattia 등[2]의 보고에 나타난 바와 같이 유속에 따른 기포 혹은 슬러그 빈도의 경향이 증가하여 최대 값을 보인후 감소하는 경향을 보였으며 최대 값을 보이는 유속을 최소슬러깅속도(Ums)로 결정하였다.

Fig. 2(b)는 기포 혹은 슬러그 빈도에 따라 결정된 최소슬러깅속도를 층 온도와 측정높이에 따라 나타내고 있다.  평균측정높이(Hmea)가 분산판으로부터 0.195m 와 0.433m일 때 최소슬러깅속도는 층 온도가 증가함에 따라 증가한 후 일정해지는 경향을 나타내었으며, 측정높이가 높을수록 최소슬러깅속도는 감소하였다.  한편 Fatah와 Flamant[3]는 최소슬러깅속도에 미치는 온도의 영향에 대한 보고에서 층 온도가 증가함에 따라 최소슬러깅속도가 감소하는 것으로 보고하였다.  이와 같은 경향은 기포크기에 미치는 압력의 영향에 대한 기존 보고들과 관련하여 해석될 수 있다.  Choi 등[4]의 보고에 의하면 본 연구의 입자조건에서 온도가 증가하면 최소 유동화 속도는 감소하며 이와 같은 조건에서 기포 크기는 온도가 증가할수록 감소하는 것으로 보고되었다.  따라서 슬러깅이 시작되는 최소 슬러깅 속도는 층 온도가 증가함에 따라서 증가하게 되며, 이는 본 연구에서 측정된 결과와 일치한다.  또한 분산판으로부터의 높이가 증가할수록 기포크기는 증가하며 따라서 측정 높이가 증가할수록 최소슬러깅속도는 감소하게 된다.

Fig. 2 (a) Determination of Ums and (b) Variation of Ums with temperature.

2. 측정높이에 따른 슬러그 빈도

Fig. 3(a), (b), (c)는 슬러깅 영역에서 유동층 온도가 상온, 100℃, 300℃일 때 각각의 평균측정높이([eqn: rm H_mea]=0.195, 0.433m)에서 측정된 슬러그 빈도를 나타내고 있다.  Fig. 3(a)에서와 같이 상온에서는 슬러그 빈도가 측정 높이가 높을수록 감소하는 경향을 보였으나 그 크기는 크지 않았다.  한편 Fig.3(b), (c)에서 나타난 것과 같이 층 온도가 100℃, 300℃에서는 측정 높이의 증가에 따른 슬러그 빈도의 감소 현상이 뚜렷하게 나타났으며, 그 차이는 온도가 증가할수록 증가하여 측정 높이의 영향이 증가하는 것으로 나타났다.  이와 같은 결과는 기포유동층에서 기포 크기에 대한 온도의 영향으로 해석될 수 있다.  기포유동층에서 층 온도가 증가하면 기포 크기는 작아지고 반면에 기포 빈도는 증가된다.  이와 같은 현상은 기포 합체 빈도를 증가시키며 결과적으로 측정 높이에 따른 기포 빈도의 감소를 가속시킨다.  슬러깅 영역에서도 유사한 해석이 적용될 수 있는 것으로 사료되며, 같은 논리로 본 연구의 측정결과도 해석될 수 있을 것으로 사료되었다.

3. 온도 변화에 따른 슬러그 빈도

Fig. 4(a), (b)는 각각 일정한 측정 높이([eqn: rm H_mea]=0.195, 0.433m)에서 유동층 온도가 각각 상온, 100℃, 300℃인 경우에 유속의 변화에 따라 측정된 슬러그 빈도를 나타내고 있다.  Fig. 4(a)에서 나타난 바와 같이 평균측정높이가 0.195m에서 슬러그 빈도는 유동층 온도가 상온, 100℃, 300℃로 증가함에 따라서 증가하는 경향을 나타내었다.  본 조건의 기포 유동층의 경우에 층 온도가 증가함에 따라서 최소 유동화 속도가 감소하고, 기포크기도 감소하며, 반면에 기포 빈도는 증가한다.  결과적으로 본 연구의 측정 결과에 의하면 슬러그 유동층에도 유사한 논리가 적용될 수 있는 것으로 사료된다.  Fig. 4(b)에서는 층온도의 변화에 따른 슬러그 빈도의 변화가 뚜렷히 나타나지 않았다.  이 결과는 Fig.3에서 나타난 바와 같이 온도가 증가함에 따라서 측정높이의 증가에 따른 슬러그 빈도 감소 현상이 가속됨을 알 수 있다.  이와 같은 가속된 슬러그 빈도 감소 현상으로 인하여, 측정 높이 0.433m에서는 슬러그 빈도에 대한 온도의 영향이 측정 높이의 영향으로 상쇄되는 것으로 사료된다.

Fig. 3 Slug frequency versus gas velocity with variation of temperature.

Fig. 4 Slug frequency versus gas velocity. (a)[eqn: rm H_mea]=0.195m, (b)[eqn: rm H_mea]=0.433m.

결 론

측정된 최소슬러깅속도는 층 온도가 증가함에 따라 증가하며, 증가 경향은 온도가 증가함에 따라 감소하였다.  층 온도가 증가할수록 측정 높이에 따른 슬러그 빈도는 감소 경향은 증가하였다.  슬러그 빈도에 대한 온도의 영향은 측정 높이의 영향을 받아 낮은 측정높이에서는 온도가 증가함에 따라 슬러그 빈도가 증가하는 경향을 나타내었으나 측정높이가 증가하면 온도의 영향이 크게 감소되거나 반대의 경향으로 역전되는 것으로 사료되었다.

참고문헌

1. Baeyens, J. and Geldart, D., "An Investigation Into Slugging Fluidized Beds", Chem. Eng. Sci., 29, 255-265(1974).

2. DiMattia. D. G., Amvotte, P. R. and Hamdullahphu, F., "Slugging Characteristics of Group D Particles in fluidized Beds", Can. J. of Chem. Eng., 75, 452-459(1997).

3. Fatah, N. and Flamant, G., "Velocity at the Onset of Slugging in large Particle fluidized Systems at High Temperatures", in Fluidization and Fluid Particle Systems, J. Casal and J. Arnaldos, (eds.), P.103-110, Universitat Politecnica de Cataluya, Spain(1990).

4. Choi, J. H., Son, J. E. and Kim, S. D., "Generalized Model for Bubble Size and Frequency in Gas-Fluidized Beds", Ind. Eng. Chem. Res., 37(6), 2559-2564(1998).