Draught관을 갖는 삼상 공기리프트 반응기에서 수력학 특성

이헌창, 김종철, 김태옥

명지대학교 화학공학과

Hydrodynamics in a Three Phase Airlift Reactor with a Draught Tube

Hern-Chang Lee, Jong-Cheal Kim, Tae-Ok Kim

Dept. of Chemical Engineering, Myong Ji Univsersity, Yong In 449-728

서 론

폐수처리공정, 생물화학공정 등의 분야에서 미생물이나 고정화효소의 효율적인 이용과 고체촉매나 반응물 등이 존재하는 3상반응기는 주로 고체가 반응물이고 유동층이 형성되는 유동층반응기와 고체가 기-액반응을 증진시켜주는 inert형인 촉매나 효소로 이용되는 3상기포탑(BC)과 공기리프트반응기(ALR)가 있다.

BC와 ALR는 기계적 교반장치가 없어 전단응력이 적으며 장치가 단순하고 반응중 발생하는 열의 제거와 대형화가 용이하다는 장점이 있어 널리 사용되고 있다.  특히 ALR는 상승관과 하강관의 정수압차이에 의해 유체의 재순환이 형성되기 때문에 미반응물의 반응기회를 제공하고 유체의 체류시간을 신축성있게 조절할 수 있을 뿐만 아니라 에너지 요구량이 교반반응기의 약 1/3로 매우 적고 유체순환에 의한 유체의 상승속도가 커서 유체혼합이 우수한 장점을 가지고 있어서 생물반응기에 매우 유용하다.

이와 같은 3상반응기의 성능을 해석하고 설계자료와 조업조건을 결정하기 위하여 기체와 고체의 유동상태, 압력강하, 상 체류량, 순환시간, 혼합시간, 고체입자의 최소유동화속도, 임계속도, 그리고 액체의 순환속도 등의 수력학 특성, 기체와 액체의 혼합특성, 각 상간의 물질전달속도와 열전달속도, 그리고 반응특성 등에 관한 연구가 진행되고 있다.  삼상 ALR의 특성에 미치는 인자로는 기체와 액체속도, 기체와 액체의 분산방법, 고체입자의 직경과 농도, 유체의 물리적 성질, 반응기의 형태와 구조 등이 있다.

그러나 3상계의 ALR는 유체의 흐름지역이 여러개이고 고체입자의 유동상태와 기-액흐름특성이 복잡하여 최근에 연구가 진행되고 있으며 특히 연속흐름계에 대한 해석은 거의 보고된 바 없다.

따라서 본 연구는 운동량이 커서 삼상계나 고점도 유체계에서 유리한 기-액동시주입노즐을 기체분산기로 사용한 draught관을 갖는 내부순환 ALR가 삼상생물반응기로 활용되도록 공기-물-유리구슬계의 ALR에서 반응기의 설계와 조업의 기초자료를 얻기 위하여 수력학 특성을 해석하였다.

실험방법

반응기는 내경이 6 cm, 외경이 7 cm이고 높이가 120 cm인 상승관과 내경이 11 cm, 높이가 148 cm인 하강관, 그리고 바닥부분의 내경이 45°인 원추형으로 구성되었으며 실험장치는 Fig. 1과 같다.

실험은 공기-물-유리구슬(0.3 cm직경)계의 내부순환 ALR에서 기체속도(0-1.78 cm/s), 액체속도(0-1.78 cm/s)와 고체입자의 농도(0-90 g/□)를 변화시키면서 유동상태의 전이조건(즉, 최소유동화속도와 고체입자가 순환하기 시작하는 임계속도), 국부 흐름지역의 평균 기체체류량(역마노미터법과 이상공극률측정기 사용), 그리고 추적자의 충격-응답곡선을 측정하고 각 유동상태에서 반응기 전체에 대한 평균 기체체류량과 평균 순환시간, 그리고 액체의 공탑순환속도를 산출하였다.

1. Airlift reactor 2. Pressure tap 3. Water jacket 4. Single nozzle 5. Rotameter/manometer 6. Valve 7. Circulation pump 8. Storage tank 9. Temperature controler 10. Conductivity cell	11. Conductivity meter 12. Recorder 13. Two-phase flow meter 14. Air humidifier 15. Pressure gauge 16. Holding tank 17. Air compressor 18. Tracer injection point 19. Constant temperature bath 20. Pressure sensor

결과 및 고찰

1. 유동상태의 전이조건

최소유동화속도와 임계유체속도는 Fig. 2와 같이 고체입자의 농도가 증가할수록 증가하였으며 약 1 cm/s이하의 낮은 액체속도에서는 전이기체속도가 액체속도에 거의 무관하게 일정하지만 약 1 cm/s이상의 높은 액체속도에서는 액체속도가 증가할수록 액체의 운동에너지의 증가로 다소 급격히 감소하였다.  또한 최소유동화속도는 액체속도가 낮을수록 고체입자의 농도변화에 대해 민감하게 변화하지 않았으나 90 g/□의 농도에서는 반응기의 하부에 상당한 양의 고체입자가 충전층을 형성하여 급격히 증가하였다.  그러나 순환층으로 전이되는 기체속도는 고체입자의 농도증가에 따라 거의 비례적으로 증가하였다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus.

상승관에서 기포의 흐름특성은 액체속도가 증가할수록 분산기포흐름을, 그리고 기체속도가 높을수록 슬러그흐름을 나타내었고 10g/□의 농도에서는 기포의 분산정도가 2상계와 거의 유사하였으나 고체농도의 증가에 따

라 기포합체가 증가하였다.  그리고 하강관은 전 실험범위에서 기포흐름을 나타내었다.

2. 기체체류량

상승관과 하강관에서의 평균 기체체류량은 기체와 액체속도가 증가할수록 증가하였으나 액체속도는 기체속도의 영향보다는 매우 적었다.  그리고 고체입자의 농도 증가에 따라 고체입자의 유동상태와 기포의 흐름특성이 변화되어 기체체류량이 다양하게 변화하였다.  또한 순환층영역에서 약 30 g/□에서는 고체입자의 농도가 증가할수록 기포합체가 억제되어 기체체류량이 2상계에서보다 다소 증가하였으나 그 이상의 농도에서는 오히려 고체입자가 기포의 흐름을 방해하여 기포합체현상에 의해 기체체류량이 감소하였다.  그리고 상승관의 경우에 유동층영역에서는 균일한 고체입자의 분포로 기포가 분산되어 순환층영역에서보다 약 2배의 큰 기체체류량을 나타내었다.

또한 기체속도가 낮은 유동층영역에서 하강관에서의 기체체류량은 낮은 액체의 재순환흐름으로 기포가 하강관으로 순환되지 않고 기-액분리기에서 반응기의 외부로 방출되어 기체체류량은 영의 값을 나타내었다.

기체 및 액체속도가 증가할수록 강한 난류흐름을 형성하는 기-액분리기에서 평균 기체체류량은 액체속도보다 기체속도에 크게 영향을 받으며 고체입자의 유동상태에 무관하게 거의 비슷한 값과 경향을 나타내었다.

3상계에서 평균 기체체류량은 고체입자의 농도가 30 g/□인 경우에 대하여 나타낸 Fig. 3에서와 같이 기체속도와 액체속도가 증가할수록 증가하며 액체속도보다 기체속도의 영향이 매우 큼을 알 수 있었다.  또한 고체입자의 유동상태에 따라 기체와 액체속도의 영향이 다소 차이가 있었으나 고체농도에 거의 무관하게 비슷한 값과 경향을 나타었는데 이것은 유동화영역에서 상승관에서의 기체체류량이 순환층영역에서보다 약 2배의 기체체류량을 가지나 하강관에서는 기체체류량이 영의 값을 갖게 되어 이들 값이 서로 상쇄되기 때문이다.  특히, 기-액동시주입노즐에서는 생성기포경이 크고 기포의 상승속도가 커서 다른 분산기에서보다 상당히 적은 기체체류량을 나타내었다.

3. 평균 순환시간 및 액체의 순환속도

평균 순환시간은 기체속도가 증가할수록 감소하였고 액체속도의 영향은 Fig. 4에서와 같이 고체입자의 유동상태에 따라 변화하여 순환시간이 액체속도의 증가에 따라 순환층영역에서는 다소 감소를, 임계영역에서는 증가후 감소를, 그리고 유동층영역에서는 오히려 증가하였다.  또한 다양한 고체입자의 농도에서 얻은 평균 순환시간은 고체농도가 증가할수록 고체입자의 부유를 위한 에너지 손실로 다소 증가하였고 순환층영역보다 유동층영역에서 상당히 큰 값을 나타내었다.

평균 체류시간을 이용하여 산출된 상승관에서 슬러리의 평균 순환속도는 Fig. 5과 같이 평균 순환시간의 변화경향과 반대의 현상을 나타내었으며 유동층영역

에서는 고체입자의 부유증가로 순환층영역에서보다 약 ½이하의 적은 값을 나타내었다.  그리고 30 g/□이하의 고체농도에서는 평균 순환속도가 2상계에서와 거의 비슷한 값을 나타내었으나 그 이상의 농도에서는 오히려 낮은 값을 나타내었다.

특히 Fig. 6에서와 같이 기체분산기로 단일노즐을 사용한 경우에 평균 순환속도는 다른 기체분산기를 사용한 2상 및 3상계의 경우보다 큰 값을 나타내어 3상계의 ALR에서 매우 유용함을 밝힐 수 있었다.  이때 순환층영역의 ALR에서 에너지소멸속도를 사용하여 본 연구에서 제시된 에너지수지식으로부터 산출된 평균 순환속도는 실험값과 매우 잘 일치하였다.

참고문헌

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