유동층에서 입자의 혼합과 분리

신동수, 송명진

계명대학교 공학부 화학공학과

Particle Mixing and Segregation in a Fluidzed Bed

Dong-Su Synn, Myung-Jin Song

Department of Chemical Engineering, Keimyung University, Daegu

1. 서론

유동층이란 고체입자가 채워진 층에 기체나 액체를 주입하여 유체와 같은 상태로 조업하는 것을 말한다. 유동층은 기포의 혼합 때문에 유동층 내에 열전달이 잘되어 층이 균일한 온도를 가지며, 수직벽이나 냉각관 같이 깊숙한 열교환 표면과 층 사이의 열전달 계수가 크다는 장점이 있으며, 기체와 고체의 접촉을 향상시키고, 빠르고 급격한 열전달, 연료 선택의 유연성, 향상된 고체혼합과 물질전달과 같은 특성이 있기 때문에 유동층 공정은 ⅰ) 건조, 흡착, 냉각, 냉동, 코팅, 이동, 열 조절, 먼지 여과(filtration), 항온조 등의 물리적 조작과 ⅱ) FCC, oxychlorination, phthalic anhydride 생산과 같은 촉매반응에 사용되는 화학반응기와 ⅲ) 석탄 연소, 석탄 가스화, 소성반응(calcination), 광물 배소(mineral roasting) 같은 무촉매와 에너지 변환공정 등에 널리 이용하고 있다.

혼합과 분리에 관해서는 현재까지 많은 연구가 진행되어 왔다. Bilbao, R. 등(1988)은 비정상상태 유동층에서 짚-모래 혼합물의 농도 profile을 예상한 모델을 제안한 바 있다. 이 모델은 정상상태에서 이런 혼합물을 사용하여 얻은 혼합과 분리 메커니즘(Bilbao, R. 1988)을 기초로 한다. Shen, L., M. Zhang과 Y. Xu(1995)는 유동층에서 고체 혼합의 역학을 연구하였으며, 이 모델에서는 위로 움직이는 wake 상(W)과 아래로 흐르는 emusion 상(E)으로 구성된 고체는 E상에서 확산한다고 한다. 고체 입자의 혼합 정도를 측정하기 위해 여러 문헌들(Kunii, D. & O. Levenspiel, 1991; Davidson, J. F., R. Clift & D. Harrison, 1985)에서 다양한 mixing index를 제안하고 있다. 본 연구에서는 아래에 정의된 mixing index를 사용한다(Rowe, P, N 등, 1974):

M=[eqn: {x } over { bar x }]                                       (1)

여기서 x는 층 상부의 jetsam 분율이고, [eqn: bar x]는 잘 혼합된 층의 분율이다. M=0은 완전 분리를 뜻하고, 상대적으로 M=1은 완전 혼합을 의미한다. 한편, 분리는 flotsam 입자의 크기, 공기 유속, jetsam과 flotsam 입자의 밀도비 그리고 층높이가 작아질수록 증가하는 경향을 가진다(Howard, J. R., 1989). 또한 순환 유동층에서 입자의 분리 양상은 직경과 밀도가 다른 2성분 고체의 두 그룹을 사용해서 연구하였다.

유동층에서 상승하는 기체 기포의 channelling은 고체입자의 전체적인 순환을 일으키는 반면, 이를 기포에 동반되는 wake 내에서는 주로 소규모의 입자 혼합이 일어난다. 넓은 입자분포나 밀도를 갖는 고체입자를 유동화시킬 때, 크거나 무거운 입자들은 층 바닥으로 가라앉는 경향이 있지만, 이들 고체들은 전체적인 입자순환을 갖는다. 기체유속을 가장 크거나 무거운 입자의 Umf 이하로 감소시킴에 따라 고체 입자들은 점차적으로 층 바닥에 가라앉게 된다. 여러 고체입자들의 혼합과 분리현상은 층 조건에 따라 평형과정이 존재한다.

많은 공정에서 밀도가 다른 여러 고체 혼합물을 유동화 시킬 경우가 있다. 이런 공정들에서 기체유속이 지나치게 크면 고체 입자들이 분리될 것이다. 이런 상황에서의 문제는 고체 입자의 크기비와 기체유속이며, 혼합과 분리현상의 평형에 대한 점도 고려하는 것이 중요하다.

본 연구는 밀도와 크기가 다른 입자(sand, CaCO3)로 구성된 유동층에서 실험을 수행하였으며, 사용 입자의 mixing ratio, segregation의 진행 상태 등을 고찰하였다.

2. 실험

1) 실험장치

본 실험에 사용된 실험장치는 Fig. 1과 같다. 유동층은 다공분산판을 가진 내경 0.07m, 높이 0.45m, 둘레 0.235m의 유리로 된 원통형 cylinder를 사용하였다. cylinder를 통한 공기 흐름은 bleed control balve로 조절한다. 고체 입자 유동층을 통한 압력강하는 분산판 윗쪽의 관상압력 probe로 조절한다. 유속 측정은 측정범위가 다른 2개의 flowmeter(24E, 14P)를 사용하였다.

2) 실험방법

시료로는 낙동강에서 채취해 깨끗이 씻어 말린 뒤 채 분리한 sand(462□)를jetsam으로 calcium carbonate(CaCO3, 212□)를 flotsam으로 사용하였다.

Mixing ratio는 물질의 혼합정도를 알기 위해 측정하는데, jetsam과 flotsam의 비, 경과시간, 유속 등의 조작 조건들을 달리 하면서 층으로부터 시료를 채취해 낸다. 채취한 시료의 전체 질량을 측정한 후, jetsam 입자를 분리하여 나머지 flotsam 입자의 질량을 측정한다. 그 data를 (1)식에 적용하여 각 변수에 따른 mixing ratio를 구했다.

Segregation의 진행상태는 동일시간(5min)동안 완전분리가 일어나는 지점까지의 유속을 변화시켜 층으로부터 분리되는 flotsam의 질량을 각각 측정하여 알아보았다.

3. 결과

Fig. 2는 유속변화에 따른 mixing ratio에 대한 입자농도의 영향을 나타낸다. 이 그림에 의하면 Bilbao. R. 등(1988)이 보고한 바와 같이 mixing ratio는 flostsam의 농도가 증가할수록 감소한다는 것을 보여준다.

Fig. 3은 같은 비율의 jetsam(30g)과 flotsam(30g)에 대해 동일 시간동안(5min)의 유속 변화에 따른 segregation의 진행상태를 보여준다. 동일 시간동안 유속이 증가할수록 분리율이 높아짐을 알 수 있다.

1. Blower	6. Thermocouple

2. Bleed control valve	7. Heating element

3. Tubular pressure drop	8. Variable transformer

4. Flow meters	9. Thermometer

5. Distributer

Fig. 1. Schematic Diagram of Fluid-bed Heat Transfer Unit.

4. 참고문헌

1) Avidan, A. and J. Yerushalmi, AIChE J., 31, 835(1985).

2) Bibao. R., et al., Powder Technol., 56, 149(1988).

3) Werther, J. and W. Xi, Ibid., 76, 39(1993).

4) Shen, L., M. Zhang, Y. Xu, Ibid., 84, 207(1995).

Fig. 2. Effect of flotsam particle concentration on the mixing ratio.

Fig. 3. Segregation of particles with operation velocities.