삼상 역 유동층의 열전달 특성

김상우, 박희영, 조용준, 강 용↕, 김상돈．

충남대학교 화학공학과

．한국과학기술원 화학공학과

Heat Transfer Characteristcs of Three Phase

Inverse Fluidized Bed

Sang-Woo Kim, Hee-Young Park, Yong-Jun Cho, Yong Kang↕ and Sang-Done Kim．

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University,

Taejon 305-764, Korea

*Department of Chemical Engineering, Korea Advanced Institute of Science and Technology, Taejon 305-701, Korea

서론

삼상 역 유동층은 전통적인 삼상 유동층의 장점인 접촉 효과가 좋고, 열 및 물질 전달 효과가 탁월하다는 장점 외에도 중력이 아닌 부력에 반하여 유동화 시키는 역 유동화의 특성을 이용할 수 있으므로 다공성의 입자나 미소입자 등의 사용에도 그 용도를 확장시킬 수 있다 하겠다. 삼상 역 유동층은 대부분의 경우 입자의 겉보기 밀도가 작거나 매우 미소한 입자를 사용하게 되므로 느린 액체 유속으로 유동화가 되기 때문에 에너지 소비가 낮으며, 고체 입자의 마모를 최소화 할 수 있다는 장점도 있다. 또한 기체 유속만으로도 유동화가 가능하기 때문에 생물학적 폐수처리, 생화학 그리고 다른 주변산업에도 그 응용성은 더욱 확대 되어지고 있다. 또한 생물학적 폐수처리 및 반응, 효소고정화 등에 매우 유용하게 응용될 수 있다 하겠다[1-5].

그러나, 삼상 역 유동층에 대한 연구는 현재 매우 미흡하며 국내·외적으로 이제 시작단계에 있는 실정이라 하겠다[6-8]. 다만, 기체-액체상이나 액체-고체상의 접촉을 다루는 이상 역 유동층(Two-Phase Inverse Fluidized Bed)이나 난류 접촉층에 대한 연구들이 지금까지 꾸준히 이루어지고 있다 삼상 역 유동층이 그 응용분야인 폐수처리나 생화학 분야의 반응기로 사용될 경우 반응기나 접촉공정의 온도를 일정온도로 유지해야 하는 경우가 빈번함에도 불구하고 삼상 역 유동층에서 열전달현상에 관한 연구는 국내·외를 막론하고 거의 이루어지지 않았다. 따라서, 본 연구에서는 삼상 역 유동층의 공업적 응용에 중요한 필수적 공학적 자료인 열전달 특성에 대해 고찰하였다.

실험

본 연구에서 사용된 실험장치는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 직경이 0.152 m ID이고 높이가 2.5 m인 아크릴 관을 사용하였다.

유동 고체입자로는 밀도가 394.1kg/m3이고 평균직경이 4.1 mm인 펄라이트의 입자를 사용하였다. 펄라이트는 자체 기공이 많아서 물을 많이 흡수한다. 따라서 본 연구에서는 펄라이트를 하루정도 물에 담구어 실험하였다. 그때의 펄라이트의 밀도는 676.6kg/m3값이 측정되었다. 연속액상(continuous liquid phase)으로는 물을, 기체분산상(dispersed phase)으로는 공기를 사용하였다.

유동입자의 역 유동을 위해 연속액상을 유동층의 상부에서 하부로 일정유속으로 균일하게 흐르게 하기 위해 다공판 형태의 액체 분산판을 사용하였는데, 액체 분산판은 직경 3 mm의 구멍을 삼각피치로 균일하게 배치하였다. 한편, 기체분산상은 유동층의 하부에서 주입되어 상부로 상승하도록 하였다.

열전달 특성을 고찰하기 위해서 유동층 중앙에 직경이 0.0254 m 인 열원을 설치하였다. 유동층 내부와 열원간의 온도측정을 위하여 iron-constantan 재질의 J-type 열전대를 사용되었다. 유동층 내부의 온도는 유동층 중심부와 유동층 컬럼 벽면의 중간지점에 액체 분산판으로부터 0.3 m 하단부터 축방향으로 0.15 m의 간격을 두고 4개의 열전대를 설치하였으며 이들 각 열전대에서 얻어지는 값의 평균값을 유동층 내부온도로 하였다. 열원표면의 온도는 같은 재질의 J-type의 열전대 4개를 열원표면에 부착시켜 각 실험조건에서의 평균값으로 열원표면의 온도를 구하였다.

본 연구의 조업범위는 액체유속이 0-7 cm/s, 기체유속이 0.2-1.0 cm/s를 넘지않은 범위에서 실험하였다.

유동층 내부에서 내부 열원과 유동층간의 총괄 열전달 계수는 열원에 가해진 열량과 열원표면과 유동층간의 온도차로부터 아래의 식에 의해 계산하였다.

[eqn: h={q}over{A{( { T}_{ h} - { T}_{b})}}]	(1)

[eqn: q = { { V}^{2 } } over {R }]                  (2)

상승관 내부에 수직으로 설치된 열원에 가해지는 열량(q)은 전압을 조절할 수 있는 Power supply에 의해 일정하게 유지되도록 하였다.

결과 및 고찰

삼상 역 유동층에서 기체의 유속이 증가하면, 유동층 내에 존재하는 상승기포의 체류량이 증가하게 되며, 이로 인해 액체의 흐름효과도 증가하게 되어 부유입자들을 분산시키는 결과를 가져와 유동층의 높이도 증가하게 된다. 따라서, Fig. 2에서 보는 바와 같이 기체의 유속이 증가하면 유동층의 높이 증가와 상승기포의 체류량의 증가를 가져와 층공극률이 증가한다고 할 수 있다.

삼상 역 유동층에서 기체의 유속이 내부 열원과 유동층간의 열전달계수에 미치는 영향을 Fig. 3에 나타내었다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 기체의 유속이 증가함에 따라 열전달 계수는 증가한다. 이와 같은 현상은 삼상 유동층에서와 유사하게 설명할 수 있다[9-11]. 즉, 삼상 역 유동층에서 기체의 유속이 증가하면 상승 기포의 체류량이 증가하며 수도 많아져서 기포와 기포들간의 접촉과 합체 뿐만 아니라 연속 액상과 분산 유동입자들과도 접촉하면서 유동층 내에  난류현상을 증가시킨다고 할 수 있다. 이와 같은 난류 현상의 증가는 유동층 내부에 작은 마이크로 소용돌이 현상을 유발하여 내부 열원과 유동층간의 열전달 저항을 감소시켜 열전달 계수를 증가시킨다고 할 수 있다. 뿐만 아니라, 기체 유속의 증가는 유동입자의 거동도 보다 활발하게 증가시키는데 이들 입자들은 유동층 내부에서 내부열원과 접촉하면서 내부열원 주위에 형성된 boundary layer의 두께를 감소시켜 열전달 현상을 증대시키는 역할을 하게된다.

한편, Fig. 4는 삼상 역 유동층에서 액체의 유속이 열전달 계수에 미치는 영향을 나타내었다. 이 그림에서 볼 수 있듯이 열전달 계수는 액체의 유속이 증가함에 따라 증가하였다가 액체의 유속이 더욱 증가하면 다시 감소하는 경향을 나타내어, 액체유속의 증가에 따라 최대값을 나타냄을 알 수 있다. 이와 같은 현상은, 역 유동층에서 액체 하강속도가 증가하게 되면 부유 입자들의 유동영역인 층의 팽창을 가져오며 이에 따라 입자들이 유동하면서 활발하게 연속액상 뿐만 아니라 내부열원과도 효과적으로 접촉하면서 층 내의 난류강도를 증가시킨다고 할 수 있다. 따라서, 액체 유속이 증가하면 내부열원과 유동층 간의 열전달 계수가 증가한다고 할 수 있다. 그러나, 액체 유속이 더욱 증가하면 유동층의 팽창이 더욱 커지며 유동고체 입자와 열원 표면간의 접촉 효과와 난류 강도가 감소하여 액체 유속의 증가에 따라 열전달 계수는 약간 감소한다고 할 수 있다. 따라서, 삼상 역 유동층에서 열전달 계수는 액체유속이 증가함에 따라 최대값을 나타낸다고도 할 수 있다. 층공극율에 따른 열전달 계수를 Fig. 5에 나타내었다.

참고문헌

1.	Garcia-Calderon, D., Buffiere, P., Moletta, R. and Elmaleh, S. : Wat. Res. 32, 3593 (1998).

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3.	Chern, S.H., Muroyama, K. and Fan, L.S. : Chem. Eng. Sci., 38, 1167 (1983).

4.	Choi, H.S. and Shim, M.S. : KJChE, 16, 670 (1999).

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6. Nikolov, V., Farag, I. and Nikov, I. : Bioprocess Eng., 23, 427 (2000).

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8.	Park, H.Y., Cho, Y.J., Lee, C.K. and Kang, Y. : Proc. of International Symposium on Chemical Engineering, pp. 305-311, Feb. 8-11, Cheju Island (2001).

9.	Kang, Y., Suh, I.S. and Kim, S.D. : Chem. Eng. Com., 34, 1 (1985).

10.	Kang, Y. and Kim, S.D. : HWAHAK KONGHAK, 25(4), 81 (1987).

11.	Kang, Y., Kim, J.S., Woo, K.J., Nam, C.H., Kim, S.H. and Kim, S.D. : HWAHAK KONGHAK, 36(2), 275 (1998).

	Fig. 1. Schematic diagram of a three-phase Inverse fluidized bed : 1. Calming section 10. Amplifierr 2. Liquid distributor 11. Lab Cardr 3. Heater 12. Computer 4. Gas distributor 13. Vent liner 5. Thermocouples 14. Gas flow meter 6. Pressure sensor 15. Liquid flow meter. 7. Manometer 16. Air compressor 8. Thermocouple 17. Pump 9. Power supply 18. Reservoir
Fig. 2. Effects of liquid velocity on the bed porosity in three-phase inverse fluidized beds.	Fig. 3. Effects of gas velocity on h in three-phase inverse fluidized beds
Fig. 4. Effects of liquid velocity on h in three-phase inverse fluidized beds	Fig. 5. Effects of bed porosity on h in three-phase inverse fluidized beds