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[국내논문] 바이오매스 급속열분해 반응기내 열전달 특성
HEAT TRANSFER CHARACTERISTICS IN A FAST PYROLYSIS REACTOR FOR BIOMASS 원문보기

한국전산유체공학회지 = Journal of computational fluids engineering, v.15 no.1 = no.48, 2010년, pp.9 - 16  

최항석 (한국기계연구원, 그린환경에너지기계연구본부)

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The characteristics of flow and heat transfer in a bubbling fluidized bed are investigated by means of computational fluid dynamics (CFD). To simulate two-phase flow for the gas and solid flows, Eulerian-Eulerian approach is applied. Attention is paid for a heat transfer from the wall to fluidized b...

Keyword

#반응기   #열전달   #유동층   #이상유동   #혼합  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구는 유동층 반응기를 이용하여 바이오매스(biomass) 를 급속열분해(fast pyrolysis)하는 반응로에서, 전산유체역학을 이용하여 반응기내의 열전달 특성에 관한 연구를 수행하였다. 참고로 급속열분해 기술은 반응기 외부에서 전달된 열을 유동화(fluidization)되고 있는 유동매체를 통하여 대상 시료에 급속히 전달하는 기술이며, 이러한 경우 기체상 및 고체상의 유동형태가 시료로의 대류열전달에 많은 영향을 미친다.
  • 참고로 유동층 열분해 반응기의 경우, 버너나 전기로를 이용하여 유동층 반응기의 벽면을 가열하여 간접적으로 유동층 내부를 가열해 주는 방법이 널리 사용된다. 따라서 본 연구에서는 이러한 경우를 대상으로, 외부에서 유동층 반응기의 벽면으로 열이 가해졌을 경우, 기체상 및 고체상의 유동에 의해 열이 어떻게 전달되어 가는지를 살펴보았다. 유동층내 기체상과 고체상의 해석을 위하여 Eulerian-Eulerian방법을 사용하였으며, 유동층의 운전조건 변화에 따른 유동영역(flow regime)에 따라 유동층 반응기내의 열전달 특성이 어떻게 변하는지 살펴보았다.
  • 본 계산에서 사용된 반응기의 형상, 계산영역 및 계산조건은 아래의 Table 1에서 보여준다. 본 연구에서는 유동층 반응기의 유동영역(flow regime)에 따른 열전달 특성을 살펴보기 위해, 질소의 주입속도를 달리하여 계산을 수행하였다. 따라서, case1, case2 및 case3에 대하여 각각 계산을 수행하였으며, 각각의 경우 반응기내 유동이 기포유동(bubbling fluidization), 최소유동(minimum fluidization) 및 슬러그유동 (slugging fluidization)의 유동 양상을 나타낸다.
  • 본 연구에서는 바이오매스(biomass)를 급속열분해(fast pyrolysis)를 하는 유동층 반응기내 기체와 고체간의 이상유동에 대하여 전산유체역학을 이용한 수치해석을 수행하였다. 급속열분해 기술은 무산소 분위기에서, 반응기 외부에서 유입된 열을 유동화(fluidization)되고 있는 유동매체를 통하여 대상 시료에 급속히 전달하는 기술이며, 이러한 경우 기체상 및 고체상의 유동형태가 대류열전달에 많은 영향을 미친다.
  • 급속열분해 기술은 무산소 분위기에서, 반응기 외부에서 유입된 열을 유동화(fluidization)되고 있는 유동매체를 통하여 대상 시료에 급속히 전달하는 기술이며, 이러한 경우 기체상 및 고체상의 유동형태가 대류열전달에 많은 영향을 미친다. 따라서 본 연구에서는 이러한 경우를 대상으로, 외부에서 유동층 반응기의 벽면으로 열이 가해졌을 경우 기체상 및 고체상의 유동에 의해 어떻게 열이 전달되어 가는지를 살펴보았다. 유동 층내 기체상과 고체상의 해석을 위하여 Wachem et al.
  • 결과적으로 고온의 벽면으로 부터의 열전달을 나타내는 Nusselt수가 슬러그유동에서 가장 크게 나타난다. 이상의 결과에서, 유동층내 기포유동 및 이에 따른 와유동에 의한 열전달 증대 효과와 유동층 반응기의 운전조건에 따른 유동영역 변화에 대한 열전달 특성을 파악 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
유동층 반응기는 어떤 기술인가? 특히, 기계화학 플랜트 공정 중 화합물간의 반응 율을 높이기 위한 유동층 반응기가 산업 현장에서 널리 사용되고 있으며, 고체연료를 이용하는 연소로 또는 보일러에도 사용되고 있다. 이러한 유동층 반응기는 고체상으로 구성된 유동매체에 가스상 또는 액체상의 유체를 불어넣어 유동매체인 고체 입자들을 유동시키는 기술이다. 특히, 유동층 반응기는 가스상과 고체상의 유동간의 활발한 상호작용으로 비교적 높은 열전달율을 나타낸다.
유동층 반응기 내의 열전달에 관한 연구로 어떤 것이 중점적으로 이루어져 왔는가? 따라서, 유동층 반응기 내의 열전달에 관한 연구는 유동층 보일러에 대해서도 많이 다루어져왔다. 특히, 유동층내에 열전달관을 삽입하여 유동매체의 유동에 의한 열전달 특성을 살펴보는 실험적인 연구가 중점적으로 이루어져 왔다[1-4]. 반면 유동층 반응기의 열전달 특성에 관하여 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics)을 이용한 수치해석적 연구는 실험적 연구에 비해 드물게 이루어졌고, 유동층내 원형관 주위의 평균 열전달율에 관한 연구가 주로 이루어졌다[5,6].
유동층 반응기의 목적은? 유동층 (fluidized bed) 기술은 다상(multiphase)간의 혼합, 열전달 및 화학 반응율을 증가시키기 위하여 다양하게 개발되어 왔다[1]. 특히, 기계화학 플랜트 공정 중 화합물간의 반응 율을 높이기 위한 유동층 반응기가 산업 현장에서 널리 사용되고 있으며, 고체연료를 이용하는 연소로 또는 보일러에도 사용되고 있다. 이러한 유동층 반응기는 고체상으로 구성된 유동매체에 가스상 또는 액체상의 유체를 불어넣어 유동매체인 고체 입자들을 유동시키는 기술이다.
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참고문헌 (10)

  1. 1991, Kunii, D. and Levenspiel, O., Fluidization Engineering, Butterworth-Heinemann, Newton. 

  2. 1995, Pence, D.V. et al., "Deterministic Chaotic Behavior of Heat Transfer in Gas Fluidized Beds," J. Heat Transfer, Vol.177, pp.465-472. 

  3. 2006, Friedman, J. et al., "Heat Transfer to Small Horizontal Cylinders Immersed in a Fluidized Bed," Trans. ASME, J. Heat Transfer, Vol.128, pp.984-989. 

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  4. 2007, Natale, F.D. et al., "Surface to Bed Heat Transfer in Fluidized Beds: Effect of Surface Shape," Powder Technology, Vol.174, pp.75-81. 

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  5. 1999, Schmidt, A. and Renz, U., "Eulerian Computation of Heat Transfer in Fluidized Beds," Chemical Engineering Science, Vol.54, pp.5515-5522. 

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  6. 2000, Schmidt, A. and Renz, U., "Numerical Prediction of Heat Transfer in Fluidized Beds by a Kinetic Theory of Granular Flows," Int. J. Therm. Sci., Vol.39, pp.871-885. 

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  7. 2001, Wachem, B.G.M. et al., "Comparative Analysis of CFD Models of Dense Gas-Solid Systems," AIChE Journal, Vol.47, pp.1035-1051. 

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  8. 1993, Syamlal, M. et al., "MFIX Documentation Theory Guide," Technical Note, DOE/METC-94/1004, NTIS/DE94000087, U.S. Department of Energy, Office of Fossil Energy, Morgantown Energy Technology Center Morgantown, WV, National Technical Information Service, Springfield, VA. 

  9. 2005, Hulme, I. et al., "CFD Modeling and Validation of Bubble Properties for a Bubbling Fluidized Bed," Ind. Eng. Chem. Res., Vol.44, pp.4254-4266. 

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  10. 1988, Syamlal, M. and O'Brien, T.J., "Simulation of Granular Layer Inversion in Liquid Fluidized Beds," Int. J. Multiphase Flow, Vol.14, pp.473-481. 

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