유동층 공정에서 사이클론, 분산판 및 공기상자 설계를 위한 소프트웨어 프로그램 개발

류 호 정*, 한 근 희, 배 달 희, 조 성 호, 이 승 용

한국에너지기술연구원 유동층기술연구팀

Development of Software Programs for Design of Cyclone, Distributor and Plenum

in Gas Fluidized Beds

Ho-Jung Ryu*, Keun-Hee Han, Dal-Hee Bae, Sung-Ho Jo, Seung-Yong Lee

Fluidization Research Team, Korea Institute of Energy Research, Daejeon, 305-343, Korea

*hjryu@kier.re.kr

서론

상용 유동층 공정의 핵심기술은 각각의 반응기 또는 두 반응기 사이에 입자를 포집, 이송, 주입, 순환 및 배출하는 기술로서 이와 같은 기술들은 원활한 공정 유지에 필수적이며 반응기 사이의 압력유지, 각 공정에서 가스가 서로 혼합되는 것을 방지하는 효과도 기대할 수 있다.  유동층 반응기에서 비산되는 입자를 포집하기 위해서는 cyclone이 주로 사용되며 입자를 반응기로 재순환 또는 주입할 경우에는 loopseal, L-valve 및 pneumatic transport 기술을 사용할 수 있다.  또한 유동층으로의 균일한 기체분배를 위해서는 기체분산판과 플래넘(plenum)의 적절한 선정과 설계가 필수적이다.  본 연구에서는 유동층 공정설계에 필수적인 핵심요소기술 설계에 도움을 주기 위해 1) 다공판 및 bubble cap tuyere 형태의 기체분산판 설계 프로그램, 2) 표준비율을 갖는 사이클론의 설계 및 입도별 포집효율 계산 프로그램, 3) 수평 및 수직 주입식 공기상자 설계 프로그램을 개발하였다.  본 연구에서 개발된 프로그램은 Visual basic 5.0으로 coding 되었으며 기체분산판 설계 프로그램은 Distributor design wizard, 사이클론 설계프로그램은 Cyclone design wizard, 플래넘 설계 프로그램은 Plenum design wizard로 명명되었다.

핵심 요소기술 설계 프로그램들은 사용자의 편의를 위해 마우스와 키보드를 이용하여 화면상에서 직접 설계자료를 입력할 수 있으며 계산결과를 화면에서 직접 확인할 수 있다.  계산결과를 저장하는 방법으로 screen capture를 이용할 수 있다.  모니터 화면에 계산결과가 나타난 상태에서 [Alt]+[Print screen]을 누르면 계산결과 화면이 클립보드에 저장되어, 다른 프로그램에서 붙이기([Ctrl]+[V])를 할 수 있다.

핵심요소기술 설계 프로그램들은 크게 초기화면, 주화면(자료입력 및 계산내용 선택), 계산결과 출력화면으로 나눌 수 있으며 자세한 사용방법은 프로그램과 함께 제공되는 매뉴얼에 나타내었다.

프로그램의 개요 및 이론적 배경

1. Distributor design wizard

Distributor design wizard 프로그램은 Fig. 1과 같이 유동층에서 가장 널리 사용되고 있는 perforated plate와 bubble cap tuyere에 대해 주어진 설계자료 읽어 균일한 기체분배를 위한 설계값들을 계산해준다.  계산방법으로는 Kunii와 Levenspiel[1]에 설명된 방법을 사용하였으며 프로그램의 계산에 필요한 입력자료는 유동층 직경, 입자밀도, 입자크기, 최소유동화상태의 공극율, 고정층 높이, 기체밀도, 기체점도, 층내 기체유속 등이며 계산결과로 출력되는 자료는 층내 압력강하, 분산판을 통한 압력강하, 유동층 내부 기준 Reynolds 수, 계산에 사용된 orifice coefficient, 오리피스를 통한 기체유속, 층단면적과 orifice의 opening area ratio, hole diameter에 따른 단위면적당 필요한 hole 개수, 층 단면적을 기준으로 hole diameter에 따른 필요한 hole 개수, 삼각, 사각 pitch를 고려할 경우의 pitch 수치, bubble cap tuyere일 경우 hole diameter에 따른 tuyere의 직경, bubble cap tuyere일 경우 분산판 바닥으로부터 hole 중앙까지의 높이, bubble cap tuyere일 경우 repose angle을 고려한 tuyere cap angle 등이다.

2. Cyclone design wizard

Cyclone design wizard 프로그램은 유동층에서 비산되는 입자의 포집을 위해 가장 널리 사용되고 있는 cyclone을 설계하는 프로그램으로, Lapple 이론[2]을 바탕으로 Fig. 2와 같이 standard proportion을 갖는 cyclone을 설계하기 위해, 주어진 설계자료 읽어 설계값을 계산해준다.  프로그램의 주입자료는 유동층 직경, 층내 기체유속, 입자밀도, 기체점도 등이며 계산결과로 출력되는 자료는 사이클론 입구 및 출구유속, 표준비율에 의한 사이클론 각 부분의 치수, cyclone cut diameter, 임의로 선정된 입자크기에 대한 포집효율 등이다.

3. Plenum Design Wizard

Plenum design wizard 프로그램은 분산판으로의 균일한 기체분배를 위한 공기상자(air box, plenum)를 설계하는 프로그램으로, Fig. 3과 같이 기체가 plenum에 수평으로 주입되는 경우와 수직으로 주입되는 경우에 대해, Litz [3]의 이론을 바탕으로, 주어진 설계자료 읽어 설계값을 계산해준다.  프로그램의 주입자료는 유동층 직경, 층내 기체유속, 기체유입구 직경, 기체밀도 등이며 계산결과로 출력되는 자료는 수평으로 주입하는 경우의 plenum 높이, 수직으로 주입하는 경우의 plenum 높이, 수평으로 주입되는 경우의 주입구 중앙과 분산판과의 거리, Plenum을 통한 압력강하 등이다.

Fig. 3 Plenum dimension.

Fig. 2. Cyclone dimension.

Fig. 1. Distributor dimension.

프로그램의 실행

Fig. 4는 Distributor design wizard 프로그램을 실행하였을 때의 예로, perforated plate를 선택하여 계산하였을때의 결과를 나타낸다.  그림에 나타난 바와 같이 계산결과 화면에는 계산결과는 물론 입력자료도 함께 나타나며 원하는 구멍의 직경에 따라 전체 개수를 계산해준다.  또한 임의로 지정된 구멍 직경 대신에 원하는 직경을 입력한 후 [다시 계산] 버튼을 누르면 그 직경에 대해 전체 개수는 물론 피치까지도 자동적으로 계산해 준다.  또한 동일한 입력자료에 대해 bubble cap tuyere의 경우를 계산하려면 [Bubble cap tuyere ?] 버튼을 누르면 결과화면이 bubble cap tuyere의 경우로 바뀌면서 계산결과가 나타나게 된다.  계산에 고려된 이론과 간략한 계산방법은 [도움말] 버튼을 눌러 알 수 있다.  Bubble cap tuyere의 경우에는 tuyere 위에 고체입자가 쌓이는 것을 방지하기 위해 고려해야 하는 repose angle 자료도 함께 제공한다.

Fig. 4. Distributor design wizard execution example.

Fig. 5. Cyclone design wizard execution example.

Fig. 5는 cyclone design wizard를 실행하였을 때의 계산결과 화면의 예로, 그림에 나타난 바와 같이 주어진 입력자료를 바탕으로 사이클론의 입구유속이 20m/s 이상이 되는 조건을 기준으로 하여 적절한 사이클론의 치수를 결정해 준다.  계산된 사이클론 내통경(D2)을 바꾸고 싶은 경우에는 D2 값을 변경한 후 [다시 계산] 버튼을 누르면 입력된 D2 값을 기준으로 다른 부분의 치수가 결정된다.  또한 입도별 포집효율의 경우에는 임의로 지정된 입도 이외에 원하는 입도를 입력한 후 [다시 계산] 버튼을 누르면 원하는 입도에 대한 포집효율이 계산되어 표시된다.  계산에 고려된 이론과 간략한 계산방법은 [도움말] 버튼을 눌러 알 수 있다.

Fig. 6. Plenum design wizard execution example.

Fig. 6은 Plenum design wizard 프로그램을 실행하였을 때 계산결과 화면의 예로, 그림에 나타난 바와 같이 주입자료와 계산 결과가 함께 표시된다.  입력자료를 변화시켜 다시 계산하고자 할 경우에는 [계산결과 보기] 버튼을 눌러 다시 계산할 수 있으며 계산에 고려된 이론과 간략한 계산방법은 [도움말] 버튼을 눌러 알 수 있다.  또한 수평주입과 수직 주입 모두에 대한 결과를 같은 화면에서 확인할 수 있으며 각 경우의 압력손실도 함께 계산된다.  수평입력의 경우에는 다시 주입된 입력자료를 바탕으로 압력손실값을 다시 계산할 수 있다.

Distributor, Cyclone, Plenum design wizard 프로그램의 입력자료로 필요한 기체밀도 및 점도에 대한 값들은 FACE 프로그램에서 계산할 수 있으며 고온, 고압에서 혼합기체의 밀도와 점도를 계산만을 위한 프로그램으로 DenVisGas 프로그램도 함께 개발하였다.

본 연구에 의해 개발된 프로그램의 저작권은 한국에너지기술연구원에 있으며 프로그램심의조정위원회에 프로그램 등록을 마쳤다(등록번호 2002-01-12-589, 2002-01-12-590, 2002-01-12-591).  본 연구에서 개발된 Cyclone, Distributor, Plenum design wizard program은 유동층 공정의 설계과정에서 필요한 반복계산을 쉽게 할 수 있도록 도와줄 수 있으며 유동층 설계에 대한 교육자료로도 활용될 수 있을 것이다.

참고문헌

1. Kunii, D. and Levenspiel, O.: □Fluidization Engineering□, 2nd ed., Butterworth -Heinemann (1991).

2. Crawford, D.: "Air Polution Control Theory", 1st ed., McGraw-Hill Inc. (1976).

3. Litz, W.J.: Chem. Eng., November, 162(1972).