기계적 교반유동층에서 온도변화에 따른 미세입자의 유동화특성

류 호 정, 백 진 영*, 배 달 희, 한 근 희, 진 경 태, 최 정 후**

한국에너지기술연구원 유동층기술연구센터

*대전대학교 환경공학과

**건국대학교 화학공학과

Effect of Temperature on Minimum Fluidization Velocity of Cohesive Particle

in a Mechanical Agitated Fluidized Bed at High Temperature

H. J. Ryu, J. Y. Paek*, D. H. Bae, K. H. Han, G. T. Jin and J. H. Choi**

Fluidization Research Center, Korea Institute of Energy Research, Taejeon 305-343

*Dept. of Environmental Engineering, Taejon Univ., Taejeon, 300-716

**Dept. of Chemical Engineering, Konkuk Univ., Seoul 143-701

서 론

광촉매, 입자코팅, granulation, 건조 등 여러 분야의 상용공정에서 응집성이 있는 미세입자를 취급하고 있으며 유동층 형태의 반응기가 고려되고 있으나 Geldart 분류 C 입자계에 속하는 미세입자의 경우에는 유동화 상태를 유지하기 어려우며 고체층의 한 부분으로 기체가 흘러가는 channelling 현상이 발생하여 열 및 물질전달이 현저히 저하되는 단점이 있기 때문에 유동화공정의 사용이 제한되고 있는 실정이다[1].

미세입자의 경우 고온에서 기체점도의 변화와 함께 고체표면의 물리적 또는 화학적 성질변화에 의해 최소유동화속도의 예측이 어려우며 고체의 녹는점 이하의 온도에서 유속을 높게 유지해도 유동화가 이루어지지 않는 defluidization 현상이 일어난다.  이러한 현상들에 의해 Geldart 분류 C 입자계에 속하는 미세입자의 유동화특성은 Geldart 분류 A, B, D 입자와는 다른 경향을 나타낸다.  하지만 지금까지 최소유동화속도에 대한 여러 변수들의 영향에 대한 보고는 주로 Geldart 분류 A, B, D 입자계에 대해 발표되어 왔으며 C 입자계의 최소유동화속도에 대한 연구는 주로 입자크기의 영향에 대해 집중적으로 이루어져 왔다.  미세입자의 흐름특성에 영향을 미치는 주된 인자는 수력학적 힘(hydrodynamic force) 보다는 입자간의 힘(interparticle force)이며 이러한 입자간의 힘을 예측하고 해석하는데는 많은 어려움이 따른다.

플러그 또는 채널의 형성 없이 원활하게 유동화를 이루기 위한 방법으로 굵은 입자를 첨가하는 방법, 분산판에 주입되는 기체 주입구의 형상을 변화시키거나 방향을 변경하여 와류에 의해 channel의 형성을 막는 방법[2], 유동층에 진동(vibration)을 가하거나[3, 4] 층내에 기계적인 교반기를 설치하여 channel을 없애는 방법[2, 5] 등이 사용되고 있다.

기존의 연구들을 종합적으로 고려하면 대부분의 연구들이 상온에서 수행되어 미세입자의 유동화특성에 미치는 온도의 영향에 대한 실험자료가 부족한 실정이며 기계적인 교반기를 사용한 경우에 교반속도의 영향에 대한 명확한 해석이 부족한 실정이다.  본 연구에서는 Geldart 분류 C 입자계의 유동화특성에 미치는 교반속도와 온도의 영향을 살펴보기 위해 기계적 교반기가 설치된 고온유동층을 이용하여 교반속도를 0∼60 RPM, 온도를 25∼800□까지 변화시키면서 층 및 분산판의 압력강하를 측정하였다.

실 험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 기계적 교반유동층을 나타내고 있다.  유동층은 내경 0.05m, 두께 0.003m의 스테인레스 스틸(SUS 310)로 제작되었으며, 높이 0.165m, 0.695m, 0.445m의 단관을 플랜지로 연결하여 총 높이 1.305m가 되도록 하였다.  유동화 기체는 가스미터로 보정된 질량유량계(MFC)를 통해 plenum에 위치한 수평관(0.013m I.D.)으로 주입되도록 하였다.  기체분배기(distributor)는 직경 0.5mm의 구멍이 사각피치로 12개 뚫려있는 다공판(perforated plate)을 사용하였으며 입자의 통과를 방지하기 위해 체(ASTM 200mesh)를 깔았다.  기체출구에서 배출된 기체는 필터를 거쳐서 대기로 배출되도록 하였다.  유동층 내부의 교반을 위해 기계적 교반기를 설치하였다.  교반을 위한 모터는 1/4마력, 삼상모터로 10:1의 감속기를 사용하였다.  교반날은 날이 2개인 pitched-blade 형태로 분산판으로부터 높이 0.03, 0.08, 0.13, 0.18, 0.23m 높이에 총 5개를 설치하였으며 층 벽과의 간격은 3mm 이내로 설치되었다.  교반기의 회전속도(RPM)는 tachometer에 의해 측정되었으며 RPM controller와 indicator에 의해 조절 및 측정되었다.  층 가열장치는 용량 4.5kW의 원통형 매몰히터를 사용하였으며 K-type 열전대와 heater controller에 의해 조절되었다.  유동층 내부온도와 압력강하는 분산판으로부터 -0.045, 0.045, 0.315, 0.635, 1.04에 위치한 열전대와 압력탭에서 측정하였다.  분산판의 압력강하는 분산판 하부 -0.045m와 분산판 상부 0.045m에 위치한 압력탭을 물마노미터와 연결하여 측정하였으며 층의 압력강하는 분산판으로부터 0.045m와 0.64m에 위치한 압력탭을 물 마노미터 및 차압형 압력변환기(Validyne, Model P24D)를 이용하여 측정하였다.  차압형 압력변화기에 의해 측정된 압력요동신호는 전압(-5∼+5V)-시간 신호로 바뀌어 자료수집계(data acquisition system, Real Time Devices Inc., Model AD2110)를 거쳐서 PC에 저장하였다.  각 실험조건에서 압력신호는 초당 100개의 신호(100Hz)를 100초간 측정하였다.

실험에 사용한 입자는 공업용 bentonite 입자로, 평균입경 3.7□m, 입자밀도 1681kg/m3으로 Geldart 분류 C 입자계에 속하는 입자를 사용하였다.

미세입자의 최소유동화속도를 측정하기 위해 고정층 높이는 0.2m로 입자를 채우고 유동층의 온도와 교반속도를 원하는 조건으로 유지하면서 층의 압력요동이 규칙적인 경향을 보일 때를 정상상태로 간주하여 물 마노미터와 차압형 압력변환기를 이용하여 분산판의 압력요동과 층의 압력강하를 측정하였다.  Channelling의 형성 여부를 확인하고 이력현상(hysteresis)을 관찰하기 위해 유동화속도를 증가시키는 경우와 감소시키는 경우를 모두 실험하였다.  실험변수로는 교반속도(0, 15, 30, 45, 60 RPM)와 온도(상온, 245, 400, 600, 800□)를 고려하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2는 상온에서 교반을 시키지 않는 경우와 60 RPM으로 교반을 시킬 경우에 유속을 증가시킬 때와 감소시킬 때 유속변화에 따른 층 및 분산판의 압력강하를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 Geldart 분류 C 입자계에 속하는 입자의 유동화 형태는 교반속도에 따라 많은 차이를 보였다.  교반을 시키지 않은 경우에 유속이 증가함에 따라 분산판과 층의 압력강하가 계속적으로 증가한 후 임의 유속에 도달하면 층의 압력강하가 급격히 감소하는 현상을 보였다.  이와 같은 경향은 층이 유동화상태에 도달하였다기 보다는 고체층에 channel이 형성되어 channel을 통해 기체가 통과하기 때문에 압력강하가 급격히 감소하는 것으로 사료되었다.  60RPM으로 층내 고체를 교반시킨 경우에도 유속이 증가함에 따라 층의 압력강하가 증가한 후 감소하여 일정한 값을 유지하였으나 최소유동화상태 이상에서 압력강하 차이는 교반을 시키지 않은 경우에 비해 작게 나타났다.

고체층에 channel의 형성 여부는 시간에 따라 측정된 압력신호를 통해서 알 수 있다.  교반을 시키지 않은 경우에는 주어진 유속에서 압력강하 값이 임의 수준을 유지하다가 channel이 형성되는 순간부터 갑자기 감소하는 반면, 교반을 시키는 경우에는 유속을 증가시키면 즉각적으로 압력강하 값이 감소하는 현상을 나타내었다.

본 연구에서 교반을 시키지 않은 경우에는 모든 온도에서 이와 같은 channelling 현상이 일어났으며 압력강하값이 최대값을 나타내는 경우를 channelling이 시작되는 유속(Uch)으로 정의하였다.

유속을 감소시키면서 층과 분산판의 압력강하를 측정한 경우에는 이력현상에 의해 유속을 증가시키면서 측정한 경우에 비해 최소유동화속도가 작게 나타났다.

Fig. 2. Bed and distributor pressure drop versus gas velocity.

Fig. 3은 RPM 변화에 따른 최소유동화속도(Umf)의 변화와 온도변화에 따른 최소채널링속도(Uch) 및 최소유동화속도의 변화를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 RPM이 증가함에 따라 최소유동화속도가 감소한 후 다시 증가하였으며 이와 같은 경향으로 미루어 층을 유동화 시키기 위해 필요한 송풍기 동력비가 최소인 최적의 교반속도가 존재하는 것을 알 수 있었다.  온도변화에 따른 최소채널링속도와 최소유동화속도의 변화를 살펴보면 최소채널링속도와 최소유동화속도 모두 온도가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다.  이와 같은 경향은 미세입자의 경우 기체의 밀도보다는 점도의 영향이 증가하기 때문에 온도가 증가함에 따라 기체점도가 증가하므로 최소채널링속도와 최소유동화속도가 증가하는 것으로 사료되었다.  고체층을 교반하지 않은 경우(Uch)와 교반한 경우(Umf)를 비교하면 고체층을 교반한 경우의 최소유동화속도가 교반하지 않은 경우의 최소채널링속도에 비해 작게 나타났으며 유속을 증가시키면서 측정한 경우가 유속을 감소시키면서 측정한 경우에 비해 크게 나타났다.  또한 온도가 증가함에 따라 이력현상에 의한 최소유동화속도 차이가 증가하는 경향을 나타내었다.  최소유동화속도를 예측하기 위한 기존의 상관식들은 온도가 증가함에 따라 최소유동화속도가 감소하는 것으로 예측된다.  따라서 미세입자의 최소유동화속도 변화를 예측하기 위해서는 새로운 상관식의 제시가 필요한 것으로 사료되었다.

Fig. 3. Effects of RPM and temperature on Uch and Umf.

감 사

본 연구는 과학기술부 국가지정연구실사업의 일환으로 수행되었습니다.  연구비지원에 감사드립니다.

참고문헌

1. Iwadate, Y. and Horio, M.: Powder Technol, 100, 223(1998).

2. Park, J.H., Kim, J., Cho, S.H., Han, K.H., Yi, C.K. and Jin, G.T.: Korean J. Chem. Eng., 16(5), 659(1999).

3. Noda, K., Mawatari, S. and Uchida, S.: Powder Technol., 99, 11(1998).

4. Marco, E., Santos, A., Menendez, M. and Santamaria, J: Powder Technol., 92, 11(1998).

5. Tsujimoto, H., Yokoyama, T., Huang, C.C. and Sekiguchi, I.: Powder Technol., 113, 88(2000).