삼상 역 유동층에서의 수력학적 특성

박희영, 조용준, 김사중, 강 용, 김상돈*

충남대학교 화학공학과

*한국과학기술원 화학공학과

Hydrodynamic Characteristics of a Three-Phase

Inverse Fluidized Bed

Hee-Young Park, Yong-Jun Cho, Sa-Jung 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

연속상(continuous phase)으로 액체를 사용하는 유동화는 액-고 시스템에서 윗쪽으로 액체가 흐르는 또는 기-액-고 시스템에서 기체와 액체가 위쪽으로 병류로 흐르는 통상적인 삼상 유동층과 밀접한 관계가 있다. 이러한 유동화 조건에서는 액체보다 큰 밀도의 입자층이 입자에 작용하는 중력과 반대방향인 위쪽으로 액체를 흐르게 함으로써 유동화 되어진다. 하지만 액체가 연속상이면서 입자 밀도가 액상보다 작을 경우 유동화는 입자에 작용하는 순수한 부력과 반대방향인 아래쪽으로 액체를 흐르게 함으로써 이루어질 수 있다. 이러한 형태의 유동화를 역 유동화(inverse fluidization)라 한다[1,2].

삼상 역 유동층은 크게 향류유동층(countercurrent fluidized bed)에 속하는데 여기에는 두가지 형태가 있다. 첫째는 연속상으로 액체를 사용하는 것과 두 번째는 연속상으로 기체를 사용하는 경우이다. 전자는 삼상 역 유동층으로 알려져 있고 후자는 난류접촉층(turbulent contacting bed)로 알려져 있다. 이러한 난류접촉층에 대한 연구는 액상 내로 기체를 흡수하기 위해 산업적으로 폭넓게 이용되고 있어 삼상 역 유동층보다 더 활발한 연구가 진행되고 있는 실정이다[3,4].

삼상 역 유동층은 일반적인 삼상 유동층의 장점인 접촉 효과가 좋고, 열 및 물질전달 효과가 탁월하다는 장점 외에도 역 유동화의 특성상 느린 액체 유속으로 인한 낮은 에너지 소비, 고체입자의 마모를 최소화 할 수 있다는 잇점 때문에 생화학, 폐수처리 쪽의 응용이 시도되고 있다. 이런 비슷한 잇점은 이론적으로 물보다 약간 큰 밀도를 가지는 입자를 사용한 병류 유동화로도 달성되어질 수 있지만 기체의 분출로 인한 입자의 비말동반이 일어나게 된다. 반면 삼상 역 유동화(three-phase inverse fluidization)는 이러한 문제를 나타내지 않는다는 잇점이 있다[5].

하지만 이런 역 유동층에 대한 연구는 외국에서도 약간의 시도만이 이루어지고 있으며 국내에서는 거의 전무한 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 이러한 삼상 역 유동층에서의 정압력강하(static pressure drop)를 측정하고 고체 입자의 체류량(holdup)과 층팽창(bed expansion)등을 측정하여 액체-고체 흐름영역을 규명하고 수력학적 특성을 고찰하고자 한다.

실험

본 연구에서 사용된 실험장치의 개략도를 Fig. 1에 나타내었다. 유동 입자로는 877.3kg/m3의 밀도를 갖는 구형의 Polypropylene(dp : 4mm)과 966.6kg/m3의 밀도를 갖는 Polyethylene(dp : 4mm)을 사용하였고, 연속액상(continuous liquid phase)으로는 물을, 분산상(dispersed phase)으로는 공기를 사용하였다.

실험 장치로 0.152m ID를 갖는 2m 높이의 아크릴 관을 사용하였고 운전영역의 높이는 1.6m이다. 삼상 역 유동층은 5개의 부분으로 구성되어 있는데 역류된 액체를 배출하는 액체 분리 부분과 액체 분산판 부분, 유동화 부분, 기체 분산판 부분 그리고 액체 배출 부분이다.

유동입자를 지지하기 위한 지지대는 스테인레스 스틸로 된 3mm의 구멍을 갖는 체(sieve)를 사용하였고 실제 유동화 영역의 높이를 결정짓는 1.6m의 높이에 설치되었다. 이것은 지지대 위로 적절한 수위를 유지함으로써 유동입자를 일정 높이에서 지지해주는 역할을 하며 또한 액체 분산판에서 나오는 물의 jet 흐름에 의해 직접 입자가 유동화 되는 것을 방지할 뿐만 아니라 액체의 jet흐름으로 인해 생성된 기포의 분산을 위해서 필요하다. 이 지지대는 아주 빠른 기체 유속에서는 지지대 바로 밑에 Slugging 현상을 방지하기 위해 제거할 수 있다[6].

물은 3mm 구멍을 가진 분산판을 통해 위에서 아래로 균일하게 흐르도록 했으며, 공기는 1mm 구멍을 가진 분산판을 통해 아래에서 위로 흐르도록 했다. 기체와 액체의 유속을 측정하기 위해 flowmeter를 사용하였으며 압력 tap은 작업영역의 탑벽에 0.4m의 간격을 두고 설치되었고 탑내의 정압력강하(static pressure drop)를 측정하기 위해 마노메터에 연결했다.

조업범위는 실제 조업범위인 최소유동화 속도 이상인 범위에서 측정하였으며 층의 공극률은 층 팽창을 직접 가시적으로 측정하기위해 탑벽에 눈금을 그려 넣어 보다 정확한 층 팽창 높이를 잴 수 있도록 한 후 결정되었다.

정상상태를 보다 쉽게 유지하도록 하기 위해 액체가 배출되는 배출관을 지지대 높이 보다 높은 위치까지 올린 다음 배출하도록 하였으며 실제 실험 역시 각 유속에 따른 정상상태를 유지한 후 실험 데이터를 얻었다.

결과 및 고찰

액-고 역 유동화에 대한 압력구배, 층 팽창 그리고 층의 공극률을 Fig. 2에 나타내었다. 압력구배는 최소유동화 속도와 일정유동화 속도를 넘는 유속에서 실험하였기 때문에 별다른 변화는 발견할 수 없었다. 하지만 층 팽창은 5cm/s의 액체 유속에서 급격히 팽창하였는데 이는 입자간의 항력과 물에 의한 부력보다 유속이 훨씬 크기 때문에 발생한다. 급격한 층 팽창과 더불어 층의 공극률 또한 급격한 기울기를 보이며 증가함을 알 수 있다.

966kg/m3 의 밀도를 가지는 Polyethylene 입자보다 877kg/m3의 밀도를 가지는 Polypropylene 입자의 역 유동화 실험에서 보다 압력이 높게 걸리는 건 두 입자간의 밀도차에 기인한다. 상대적으로 물과 근접한 밀도를 지닌 Polyethylene 입자는 보다 쉽게 유동화 된다. 이러한 경향은 층 팽창 Data나 층 공극률 Data 등에서도 나타난다.

3cm/s의 액체유속을 가진 기-액-고 삼상 역 유동층에서 기체유속에 따른 각 개별 상간의 체류량을 Fig. 3에 나타내었다. 밀도차에 기인하여 이 조건에서 이미 Polyethylene 입자는 완전히 기포 유동층 영역으로 접어들어 기체 분산판까지 입자들이 유동화 되는데 그로 인해 고체 체류량은 거의 변함이 없으며, 액체 체류량은 기체 유속이 증가함에 따라 조금 감소하였다.

Polypropylene의 경우 Polyethylene 보다 상대적으로 유동화 정도가 덜 되었으며 층 팽창에 따른 고체 체류량의 감소와 액체 체류량의 증가 현상이 나타났으며 기체 체류량 또한 증가하였다. 기체 유속에 따라 액체 체류량이 증가하는 것은 고체 체류량의 감소에 따른 것이기도 하지만 기-액간 병류 흐름에서도 그 원인을 찾을 수 있다. 두 입자간의 액체, 고체 체류량에서 교차하면서 차이가 나는 것은 초기 입자층의 높이에 기인한다.

5cm/s의 액체유속을 가진 기-액-고 역 유동현상에서도 같은 경향을 찾아 볼 수 있다. 같은 기체유속에서 액체 유속이 증가함에 따라 기체 체류량이 감소하는 경향을 알 수 있다. 이 같은 현상이 발생하는 이유는 층 내 기포의 합체가 줄어들기 때문이다.

이상과 같은 실험에서 다음과 같은 결론을 내릴 수 있다.

1.	액-고 역 유동화에서 일정 액체 유속 이상이 되면 층 팽창이 급격히 증	가하는데 이는 입자간 항력과 입자의 부력보다 액체유속이 더 세기 때	문이다.

2.	밀도가 액체보다 훨씬 적은 입자보다는 물과 근접한 밀도를 지닌 입자가 유동화	되기 더 쉽다.

3.	일정 기체 유속에서 액체 유속이 증가하면 기체 체류량은 감소한다.

4.	일정 액체 유속에서 기체 유속이 증가하면 액체 체류량은 증가한다. 이는	고체체류량의 감소에 기인한 탓도 있지만 기-액간 향류흐름에서도 그 원인을	찾을 수 있다.

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. Ibrahim. Y. A. A., Briens. C. L., Margaritis. A. and Bergongnou. M. :	AIChE. J., 42, 1889 (1996).

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

Fig 1	Experimental apparatus			Fig. 2	Pressure drop, bed expansion and the porosity in inverse liquid-solid fluidization
	1. Liquid distributor 2. Bed support 3. Gas distributor 4. Liquid collector 5. Gas flowmeter	6. Liquid flowmeter 7. Liquid reservoir 8. Bypass pump 9. Manometer 10. Compressor

Fig.3.	Holdup of individual phase in inverse gas-liquid-solid fluidization (UL = 3cm/s)		Fig.4	Holdup of individual phase in inverse gas-liquid-solid fluidization (UL = 5cm/s)