수평관에서의 흐름형태가 유동층 반응기의 고체순환에 미치는 영향

채현규, 김의식, 이봉희, 조성호*, 진경태*, 이창근*

충북대학교 화학공학과, 한국에너지기술연구소*

Effects of Flow Pattern at Horizontal Tube

on Solid Circulation in Fluidized Process

H.K. Chae, Y.S. Kim, B.H. Lee, S.H. Cho*, G.T. Jin*, C.K. Yi*

Department of Chemical Engineering, Chungbuk National University

Korea Institute of Energy Research*

1. 서론

본 연구에서는 고온건식 탈황공정개발의 일환으로 상온 상압에서 두 유동층 반응기 사이의 고체순환 및 수력학적인 특성들을 알아보았다. 두 개의 유동층 반응기를 가진 순환공정은 기체에 의해서 부유된 고체를 마치 유체와 같이 취급할 수 있으므로 온도조절이 용이하고 대용량의 연속공정이 가능하여 고온건식 탈황공정을 비롯한 FCC와 고체 폐기물의 가스화 그리고 철광석의 환원공정 등 기-고반응의 여러 분야에 적용되었다. 이러한 고체입자의 연속 순환공정에서 고체수송체계와 수력학적 흐름 특성은 공정의 성패를 좌우하는 중요한 요소이다. 본 연구는 두 개의 반응기를 갖는 유동층 공정에서 수평관에서의 유속변화에 따른 고체순환량과 층밀도를 측정하여 공정설계시 필요한 기초data를 제공하고, 다른 기체수송체계의 기초자료로 활용하는데 그 목적이 있다.

2. 실험장치 및 방법

가. 입자의 특성

본 입자에 사용된 입자는 아연계 탈황제를 사용하였다. 아연계 탈황제의 평균 입경은 67.2 □, 입자 밀도 (particle density)는 2.01 g/□, bulk 밀도는 1.32 g/□이었고, 최소 30 □에서 최대 200 □까지 고른 정상분포 (normal distribution)를 보여주고 있다.  ASTM attrition resistance (ASTM 95-5757)는 7.7SLPM의 조건에서 78.8%의 마모도를 갖는 입자이다.

나. 변수들의 운전 조건

<표 1> 변수들의 운전 조건

변 수	범 위
초기 충전량, Ws	25 kg
수평관에서의 기체 유속, Uht	0 - 5.5 m/s
riser 상부에서의 기체 유속, Urs,t	1.51 - 3.41 m/s
반응기 1, 2에서의 기체 유속, Urt	0.045 m/s
loopseal에서의 기체 유량, Qloop	3.0 l/min

다. 실험장치 및 운전조건

[그림 1]은 두 개의 유동층 반응기를 가진 상온 고체순환장치이다. 장치의 재질은 Plexi-glass로 만들어져 있으며, 왼편의 riser는  아래 부분이 내경 50 □에 높이  630 □이고, 윗부분은 내경 35 □에 높이 4,650 □이며, 두 부분이 길이 170 □의 reducer관에 의해서 연결되어 있다. 두 개의 반응기는 내경 160 □에 높이 1250 □의 유동층 반응기로 하부에 공기 분산판이 연결되어 있다. Riser와 위 반응기는 loopseal에 의해서 연결되어있는데, loopseal 위에는 load cell hopper를 설치하여 고체순환량을 측정하도록 하였다. Loopseal의 출구는 위반응기의 분산판에서 290 □ 위쪽에 연결되어 있다. 아래반응기는 standpipe와 내경 0.034m인 수평관에 의해서 riser에 연결되어 있고 양 반응기 사이의 slide valve는 PID 제어기를 통하여 양 반응기의 층 높이를 조절한다. 공기압축기로부터 유입되는 공기의 유량은 mass flow controller를 사용하여 조절한다. 각 압력점에는 차압변환기를 연결하여 상대압을 측정하며, 측정된 실험치는 PLC를 거쳐 컴퓨터에 저장되었다.

[그림 ] 두 개의 반응기를 가진

고체순환장치의 개략도

3. 결과 및 고찰

가. 수평관에서의 유속증가에 따른 흐름형태의 변화

수평관에서의 유속이 0.05∼0.5m/s일때는 continuous dense phase flow, 0.5∼2.0m/s일때는 dune and slugging flow, 2.0m/s이상의 유속에서는 suspension (pneumatic) transport의 흐름형태가 나타났다. Dune flow는 흐름과 멈춤이 반복된다. Dune flow가 멈추었을 때 순간적으로 쌓인 수평관의 압력이 standpipe를 통하여 반응기2쪽으로 작용하여 역흐름이 발생하였다.

[그림 2] 수평관에서의 유속변화에 따른 고체 순환량의 변화

[그림 3] 수평관에서의 유속변화에

따른 압력강하

나. 수평관에서의 흐름이 continuous dense phase flow

[그림 2]에서는 수평관의 유속이 0.015 m/s이하에서 유속증가에 따른 고체 순환량의 변화를 나타내었다. 유속이 증가할수록 고체 순환량은 증가하였고, 역흐름도 발생하지 않았다. 이것은 수평관이 continuous dense phase flow와 같이 아주 적은 유속의 유동화 상태에서의 운전도 가능함을 나타낸다. 수평관이 L-valve와 같이 운전되면 riser에서의 층밀도를 충분히 유지시켜 또 다른 반응기로서 활용할 수 있고 고체 이송 가스의 양을 줄이고 고체 입자의 마모도 감소시키며 역흐름을 방지하는 역할까지도 수행할 수 있다. 고체 순환량의 결정단계는 수평관에서의 흐름형태가 continuous dense phase flow와 같은 흐름에서는 riser에서의 유속, dune and slugging flow에서는 수평관의 유속, suspension (pneumatic) transport에서는 slide valve의 열림 정도가 됨을 알 수 있었다.

[그림 3]에서는 수평관의 유속이 0.15 m/s이하의 비교적 적은 유속에서의 압력강하를 나타내었다. 수평관에서의 유속이 0.15 m/s이하의 비교적 적은 유속에서의 고체의 흐름형태는 수평관의 하부에서는 꽉 채워진 고체 입자들이 천천히 이송되었고 상부에서는 아주 작은 dune flow가 생성되었고 이러한 흐름형태는 L-valve에서의 흐름형태와 동일하다. 유속이 증가함에 따라서 압력강하는 점차 감소하였고 역흐름도 발생하지 않는 안정된 흐름을 보였다.

다. 수평관에서의 흐름이 Suspension (Pneumatic) transport

[그림 4]에서는 수평관에서의 유속이 1.5 m/s이상에서 유속증가에 따른 고체 순환량의 변화를 나타내었다. 고체순환량은 전체적으로 높게 나타났으나 1.5 m/s에서부터 순환량이 감소하여 3 m/s이상부터 일정해지는 경향이 나타났다. Suspension (Pneumatic) flow의 흐름영역에서는 안정적인 운전이 가능하나 입자의 마모가 크고 고체 이송 가스의 양이 늘어나는 단점이 있다.

[그림 5]에서는 수평관의 유속이 1.5 m/s이상의 비교적 큰 유속에서의 압력강하를 나타내었다. 수평관에서의 압력강하는 유속의 증가에 의한 고체 입자의 흐름형태의 변화에 따라 크게 변화하였다. 수평관에서의 유속이 0.5∼2.0 m/s까지는 dune and slugging flow의 흐름형태를 보이며 큰 압력강하의 요동이 나타났고 그 때 수평관에 쌓인 압력이 반응기2쪽으로 작용하여 역흐름이 발생하였다. 2.0 m/s이상의 유속에서는 점차 압력강하가 감소하면서 suspension (pneumatic) flow의 흐름형태를 나타내었다.

[그림 5] 수평관에서의 유속변화에

따른 압력강하

[그림 4] 수평관에서의 유속변화에 따른 고체 순환량의 변화

라. 수평관에서의 유속변화에 따른 riser에서의 공극율 변화

수평관에서의 유속이 증가함에 따라서 그와 연결된 riser에서의 유속도 역시 증가하고 수평관에서의 고체흐름형태에 따라서 고체 순환량은 변화한다. Riser에서의 층밀도는 riser에서의 유속이 작고 고체 순환량이 클수록 크게 나타난다. 수평관에서의 흐름이 continuous dense phase flow일 때는 riser에서의 유속증가에 따라서 각각 turbulent fluidization과 fast fluidization 그리고 pneumatic conveying으로 변화하였고 dune and slugging flow와 suspension (pneumatic) flow에서는 층밀도를 높게 유지할 수 없어 모두 pneumatic conveying으로 유지하였다. 층밀도를 높이면 역흐름이 발생하였다.  [그림 6]은 수평관의 유속이 1.5 m/s이상의 비교적 큰 유속에서 유속증가에 따른 riser에서의 공극율의 변화를 나타내었다. Riser에서의 유속이 2.52 m/s이상으로 공극율은 모두 0.95이상으로 pneumatic transport의 흐름을 보임을 알 수 있다.

[그림 6] 수평관에서의 유속변화에

따른 riser에서의 공극율 변화

4. 결론

두 개의 반응기를 갖는 고체 순환 시스템에서 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 첫 번째로 수평관에서의 유속이 0.05∼0.5m/s일때는 continuous dense phase flow, 0.5∼2.0m/s일때는 dune flow, 2.0m/s이상의 유속에서는 suspension (pneumatic) transport의 흐름형태가 나타났다. Dune flow에서는 역흐름이 발생하였다. 두 번째로 수평관에서의 흐름이 continuous dense phase flow일 때의 고체순환량은 수평관의 유속이 증가함에 따라서 조금씩 증가하였고, 수평관에서의 흐름이 suspension (pneumatic) transport일 때의 고체순환량은 점차 감소하다가 10 kg/m2s에서 일정하게 유지되었다.

감사의 글

본 연구는 대체에너지 선도기술개발(G7)사업의 일환으로 수행되었습니다. 연구비지원에 감사드립니다. 탈황제를 공급하여주신 한국에너지기술연구소 안영수, 한문희 박사님과 전력연구원 류청걸, 위영호 박사님께 감사를 드립니다.

참고문헌

1. 이창근, 배달희, 선도원, 진경태, 손재익 ;□두 개의 loopseal을 갖는 KIER 고온   순환 유동층 공정에서의 압력균형곡선□, 화학공학, 37(4), p.604 (1999)

2. Kunii, D. and Levenspiel, O. ; Fluidization Engineering, 2nd ed. p.384,        Butterworth-Heinemann, Stoneham, USA(1991)