점성 유체 액체-고체순환유동층에서 열전달계수

이찬기, 조용준, 강태규, 강 용, 김상돈*

충남대학교 화학공학과

한국과학기술원 화학공학과*

Heat transfer Coefficient in Liquid-Solid Circulating

Fluidized Beds in Viscous Liquid Medium

C.G. Lee, Y.J. Cho, T.G. Kang, Y. Kang and S.D. Kim*

Department of Chemical Engineering,

Chungnam National University, Taejon 305-764

*Department of Chemical Engineering, KAIST, Taejon 305-701

1. 서 론

액체-고체 유동층 반응기는 열전달 및 물질전달 효과가 탁월하며, 액체-고체상들 간의 접촉효율이 높을 뿐만 아니라, 혼합 효과가 좋아 촉매 반응기, 이온교환 수지를 이용한 특정 물질의 분리 및 회수, 흡착, 침강 및 폐수처리등 공업적으로 널리 활용되고 있어 이에 대한 많은 연구가 진행되어 오고 있다[1-3]. 그러나, 액체-고체 유동층은 액체의 유속을 유동고체입자의 종말속도 이내에서 조작해야 하며, 고체 촉매입자의 연속사용을 위해서는 촉매입자의 재순환이 추가로 요청되고 있다. 이와 같은 액체-고체 유동층의 단점을 보완한 것이 고체입자의 종말속도보다 높은 액체유속으로 운전되는 액체-고체 순환유동층인데, 기존의 비순환 액체-고체 유동층과 비교하면, 액체-고체 순환유동층은 높은 액체유속 상태에서 조작되기 때문에 높은 작업용량을 가지게 되고, 좀더 균일한 상체류량을 가지기 때문에 좀더 효과적인 상들 간의 접촉현상이 발생하게 되며, 발열반응시 고체의 순환은 열에너지를 층 내에서 매우 효과적으로 제거시키는 역할을 하여 반응기 내의 안정성을 유지한다는 등의 장점을 가지고 있다[4].

액체-고체 유동층의 수력학적인 특성과 전달현상에 관한 연구는 현재까지 많이 진행되고 오고 있으나, 액체-고체 순환유동층의 수력학적 특성과 이러한 특성의 변화가 전달현상에 미치는 영향에 대한 연구는 국내·외적으로 극히 미흡한 실정이다. 따라서, 본 연구에서는 액체-고체 순환유동층에서 액체유속 그리고 고체순환속도, 고체 입자의 크기등을 변화시키면서 액체 점도가 열전달현상에 미치는 영향을 고찰하였다.

2. 실 험

본 연구의 실험에 사용한 액체-고체 순환유동층 장치는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 상승관은 직경이 0.102m이고 높이가 3.5m인 아크릴 관을 사용하였다. 연속상의 분산판은 다공판 형태를 사용하였는데, 직경 3mm의 구멍을 삼각피치로 균일하게 배치하였다.

연속상인 액체로는 연속상인 액체로는 상온의 물(0.961mPa□s)과 CMC (1); 0.1wt%(11mPa□s), CMC(2) ; 0.2wt%(24mPa□s) 및 CMC(3) ; 0.3wt%(38mPa□s) 용액을 사용하였고, 고체 입자로는 직경이 1mm, 1.7mm, 2.1mm, 3mm이고 밀도가 2500kg/m3인 glass bead를 사용하였다.

액체-고체 순환유동층 장치는 고체입자를 유동화하여 유출시키는 상승부와 액체-고체 분리부 그리고 상승관 내에서 유출된 고체입자를 일정한 질량 flux로 다시 상승관에 주입시키는 내부 loop-seal로 구성되어 있다. Loop-seal의 하부와 측면에 일정한 유속의 액체를 주입하여 상승관으로 다시 유입되는 고체의 양을 조절하였고 순환되는 고체의 양은 butter fly valve를 이용하여 측정하였는데 본 연구에서 사용한 고체순환 속도는 2kg/m2·s∼8kg/m2·s이었다. 열전달특성 고찰 실험을 위해 상승관의 중앙에 Core 형태의 수직열원을 유동층 상승관 중앙의 액체분산판위에 설치하였다. 유동층 상승관 내부에서의 온도와 열원표면의 온도측정은 Iron-constantan J-type의 열전대를 사용하였고, 삼상순환유동층의 상승관에서 내부열원과 유동층간의 열전달계수는 열원에 가해진 열량(Q)과 열원표면과 유동층간의 평균 온도차 [eqn: Delta bar T `]를 구하여서 식(1)에 의해 구하였다.

[eqn: h``=``Q over{A CDOT Delta bar T}]                             (1)

상승관 내부에 수직으로 설치된 열원에 가해지는 열량(Q)은 전압을 조절할 수 있는 Power supply에 의해 일정하게 유지되도록 하였으며, 유동층의 상승관 내부의 온도는 유동층 Bulk영역의 온도를 측정하여 사용하였는데, 그 지점은 열원을 중심으로 축방향으로 일정거리에 4지점을 선정하여 각 지점온도의 평균값을 유동층 내부온도로 하였다.

3. 결과 및 고찰

Figure 2에는 연속상인 액체유속의 증가에 따른 각각의 고체입자들의 열전달계수의 변화양상을 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 열전달계수는 액체유속의 변화에 거의 영향을 받지 않았는데, 유동층에서의 열전달은 열원영역의 열전달이 율속단계이며, 열원영역의 열전달현상은 열원의 경계층 두께에 의해서 결정된다[5]. 경계층의 두께는 고체입자가 경계층과 접촉하는 횟수가 빈번할수록 그리고 액체유속이 증가할수록 얇아지게 되며 결과적으로 열전달계수는 증가한다. 순환유동층에서 액체유속의 증가에 따라 열전달계수가 변화하지 않는 이유는 액체유속의 증가로 인해 열원 경계층의 두께가 얇아져 열전달 계수가 증가하는 양상과 액체유속이 증가할수록 고체체류량이 감소[6]하여 고체와 열원간의 접촉빈도수가 감소함으로 발생하는 열전달계수의 감소양상이 서로 상쇄되기 때문인 것으로 사료된다.

고체순환속도가 열전달에 미치는 영향을 Fig. 3에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 고체순환속도가 커짐에 따라 열전달계수는 증가함을 알 수 있다. 일반적으로 액체-고체 유동층에서 열전달현상을 좌우하는 중요한 요인으로 고체입자와 열원간의 접촉빈도수(contacting frequency)와 상향유체요소(upward fluid element)의 방해효과를 들 수 있다[5,7,8]. 고체의 순환속도가 증가하면 상승관내의 액체체류량은 감소하고 고체체류량은 증가한다[7]. 고체체류량의 증가는 열원표면과 고체간의 더욱 빈번한 접촉빈도수를 나타내게 하여 열원주위의 경계층의 두께의 감소를 가져오며 따라서 열원영역의 열전달계수가 증가하는 결과를 나타내게 된다. Figure 4에는 고체순환속도가 6kg/m2일 때 고체 입자의 크기 따른 열전달계수을 나타내었는데, 고체 입자의 크기가 점점 커질수록 열전달계수는 증가함을 볼 수 있다. 이는 고체 입자의 크기가 커질수록 경계층과의 접촉효과가 좋아져 경계층의 두께가 감소하기 때문인 것으로 사료된다.

Fig. 5에는 액체 점도의 증가가 열전달계수에 미치는 영향을 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 열전달 계수는 액체의 점도가 증가할수록 감소하는 경향을 나타냄을 알 수 있다. 액체의 점도가 증가할수록 액체-고체 유동층에서 열전달현상을 좌우하는 중요한 요인인, 고체입자와 열원간의 접촉빈도수가 작아지기 때문인 것으로 사료된다.

액체-고체 순환 유동층에서 내부열원과 유동층간 열전달계수는 입자의 크기, 연속상유속, 고체순환속도, 점도에 의해 다음과 같이 상관식으로 나타낼 수 있었으며, Fig. 6에서와 같이 실험 결과와 잘 일치하는 것을 알 수 있다.

[eqn: h=e^8.3777` TIMES U_L^0.0096` TIMES Gs^0.09874`TIMESdp^0.15107`TIMES mu _L^-0.0152]        (2)

4. 결 론

액체-고체 순환유동층에서 열전달계수는 액체유속의 증가에 따라서는 거의 변화하지 않았고, 고체입자의 크기가 클수록 증가하였다. 또한,  일정한 액체유속에서 고체순환속도가 커질수록 고체의 체류량이 증가하여 고체입자가 열원의 표면과 접촉하는 contacting frequency가 증가하기 때문에 열전달 계수는 증가함을 알 수 있었다. 그리고 액체의 점도가 증가할수록 열전달 계수는 감소하였다.

5. 참고문헌

1. Al-Dibouni, M.R. and Garside, J. ; Trans. IChem. E., 57, 94(1979)

2. Ganguly, U.P. ; Can. J. Chem. Eng., 60, 470(1982)

3. Yutani, N., Otake, N., Too, J.R. and Fan, L.T. ; Chem. Eng. Sci., 37, 1079(1982)

4.	Han, S., Zhou, J., Jin, Y., Loh, K.C., Wang, Z. ; Chem. Eng. J., 70, 9(1998)

5.	Kang, Y and Kim, S.D. ; HWAHAK KONGKAK, 25, 81(1987)

6.	Kim, S.H., Cho, Y.J., Kany, Y. and Kim, S.D. ; Theories and Application

of Chemical Engineering, 5(1), 1999

7.	Kang, Y., Shu, I.S. and Kim, S.D. ; Chem. Eng. Commun., 34, 1(1985)

8.	Kim, S.D. and Kang, Y. ; Chem. Eng. Sci., 52, 3639(1997)

Fig.1. Experimental apparatus.

1.	Riser		12.	Low-pass Filter
2.	Down Comer		13.	A/D Convertor
3.	Hopper		14.	Computer
4.	L/S Separator		15.	G/L Distributor
5.	Pressure Tap		16.	Liquid Reservoir
6.	Butterfly Valve		17.	Pump
7.	Compressor		18.	Power Supply
8.	Control Valve		19.	Temperature Indicator
9.	Flowmeter		20.	Heater
10.	Resistivity Probe		21.	Thermocouple
11.	Amplifier