[논문]기포탑에서 작은기포와 큰기포의 크기 구별

서명재; 진해룡; 임대호; 임호; 강용; 전기원

doi:10.9713/kcer.2012.50.2.304

기포탑에서 작은기포와 큰기포의 크기 구별
Size Verification of Small and Large Bubbles in a Bubble Column 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.50 no.2, 2012년, pp.304 - 309

서명재 (충남대학교 화학공학과) , 진해룡 (충남대학교 화학공학과) , 임대호 (충남대학교 화학공학과) , 임호 (충남대학교 화학공학과) , 강용 (충남대학교 화학공학과) , 전기원 (한국화학연구원)

초록
AI-Helper

동력학적 기체유출방법(dynamic gas disengagement method)과 이중전기저항 탐침방법(dual electrical resistivity probe method)을 동시에 사용하여 기포탑에서 큰 기포와 작은 기포의 크기를 구별하였다. 기포탑의 일정한 운전조건에서 기포탑 내부에 체류하는 큰 기포와 작은 기포의 체류량은, 기포탑에 유입되는 기체의 유입을 차단한 후 시간의 흐름에 따른 기포탑 내부의 압력강하 변화를 측정하여 동력학적 기체유출방법에 의해 측정하였다. 기포의 크기와 빈도수는 동력학적 기체유출방법에 의해 큰 기포와 작은 기포의 체류량을 측정하는 동일한 운전조건에서 측정하였으며 이들 자료들로부터 기포의 크기에 따른 기포의 체류량을 결정하였다. 기포탑에서 큰 기포와 작은 기포의 크기결정은 동력학적 기체유출방법에 의해 얻은 큰 기포와 작은 기포의 체류량과 이중전기저항 탐침법에 의해 구한 크기의 범위를 아는 기포들의 체류량을 비교하여 결정하였다. 여과된 압축 공기와 물을 기체상과 연속액상을 사용하였으며, 기포탑의 직경은 0.102 m이고 높이는 1.5 m이었다. 기포탑에서 큰 기포와 작은 기포의 경계 크기는 4.0~5.0 mm 이었는데, 기체의 유속이 낮은 범위에서는 큰 기포와 작은 기포의 경계 크기가 5.0 mm 정도이었으나 기체의 유속이 상대적으로 큰 범위에서는 큰 기포와 작은 기포의 경계 크기가 4.0 mm 정도가 되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Size verification of small and large bubbles in a bubble column was investigated by employing the dynamic gas disengagement (DGD) method and dual electrical resistivity probe (DRP) method, simultancously. The holdups of large and small bubbles in the bubble column in a given operating condition were obtained by means of the DGD method by measuring the pressure drop variation in the column with a variation of time after stopping the gas input into the column. The size and frequency of bubbles were measured by the DRP method in the same operating condition, from which the bubble holdup of each range of size was obtained. The verification of size in determining the large or small bubbles was decided by comparing the holdups of large or small bubbles measured by the DGD method with that measured by the DRP method. Filtered compressed air and tap water were used as a gas and a continuous liquid medium. The diameter and height of the bubble column were 0.102 m and 1.5 m, respectively. The demarcation size between the large and the small bubbles in the bubble column was 4.0~5.0 mm; the demarcation size was about 5.0 mm when the gas velocity was in the relatively low range, but about 4.0 mm when the gas velocity was in the relatively high range, within this experimental conditions.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

즉, Zhang 등[13]이나 DeSwart 등[14]은 기포탑에서 작은 기포의 크기를 1mm보다 작은 기포로 분류하였으나 Krishna 등[15,16]은 기포탑에서 큰 기포와 작은 기포의 크기 구분을 4mm로 하기로 하고 또 때에 따라 7mm로 하기도 하였다. 따라서, 본 연구에서는 동력학적 기체유출(DGD) 방법과 이중전기저항탐침(Dual Electrial Resistive Probe, DRP)방법을 사용하여 기포탑에 존재하는 기포들이 큰 기포와 작은 기포로 구별될 때 그 크기의 한계를 규명하고자 하였다.
이는 기포의 크기가 크면 기포탑에서 기포의 상승속도가 크기 때문에 상대적으로 빨리 기포탑에서 유출되기 때문으로 해석할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 이들 압력강하의 변화경계를 기포탑 내부에 존재하는 큰 기포와 작은 기포의 체류량 결정 경계로 하였으며, 이와같은 기포탑 내부의 압력강하 변화자료로부터 기포탑내부에 존재하는 큰 기포와 작은 기포들의 체류량을 구하였다.

제안 방법

Fig. 4와 같은 기포의 크기에 따른 확률밀도함수는 기포의 크기에 따른 빈도수를 나타내므로, 이들 자료들로부터 일정한 기포탑의 조업조건에서 기포크기 분포의 메디안(median)값을 구하여 기포크기의 평균값을 구하였다. 또한 일정조업 조건에서 기포의 크기에 따른 기포의 빈도수 자료로부터 기포의 크기에 따른 기포의 체류량을 구할 수 있었다[17-19].
기포탑 내부에 존재하는 기포의 크기와 기포의 크기에 따른 기포들의 빈도수를 구할 수 있으므로 이들 자료를 통계적으로 처리하여 기포크기의 확률 밀도함수를 구하였다[13-15]. 기포탑 내부에 존재하는 기포의 크기에 따른 확률밀도함수의 전형적인 예를 Fig.
기포탑 내부에서 상승하는 기포의 크기를 측정하기 위하여 이중 전기저항 탐침(dual electrical resistivity probe)을 사용하였다. 이중 전기저항 탐침의 tip은 2mm의 간격이 되도록 제작되었으며 기포탑의 기체 분산판으로부터 0.
연속상인 액체로는 물을 그리고 기체상으로는 여과된 압축공기를 사용하였다. 기포탑 내부의 일정영역에서 압력강하 변화를 측정하기 위하여 기체 분산판으로부터 0.2m 떨어진 위치에서부터 0.2m 간격으로 압력탭을 설치하였다. 압력탭에 의해 측정된 압력변동신호는 압력센서와 압력변화기를 거치면서 볼트-시간의 신호로 바뀌어 증폭기와 휠터 그리고 A/D 변화기에 의해 디지털 신호로 변환되어 데이터 획득장치(DT-2805 Lab Card, DT-VEE Software)에 의해 PC에 입력시켜 저장되었다.
압력변동 신호의 자료는 500 Hz의 속도로 측정하였으며 자료의 길이를 25,000 이상으로 하여 각 실험조건에서 압력강하의 특성을 분석할 수 있도록 하였다[17-21].
탐침에 의해 기포의 흐름에 따른 전기저항의 변화를 츨정하기 위해 탐침에 5 V의 전압을 가하였으며 전기저항 변화 신호는 증폭기와 A/D 변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환 후 자료수집장치(Data Acquistion System)에 의해 컴퓨터에 저장하였다. 전기저항 탐침에 의한 자료의 수집은 1,000 Hz의 속도로 하였으며 자료의 크기는 각 실험조건에서 30,000 개가 되도록 30초간 수집하였다[17-21].
기포탑에서 상대적으로 큰 기포와 작은 기포의 체류량을 결정하기 위해서는 동력학적 기체유출 측정방법(Dynamic Gas Disengagement)을 사용하였다[1,5]. 즉, 기포탑이 일정한 기체유속의 조건으로 정상상태로 운전될 때, 기체의 유입을 step 함수로 차단한 후 기포탑 내부에 존재하던 기포들이 기포탑에서 유출되면서 기포탑 내부의 압력 강하 변동을 측정하여 상대적으로 큰 기포와 작은 기포들의 체류량을 결정하였다.
4m의 높이에 설치하였다. 탐침에 의해 기포의 흐름에 따른 전기저항의 변화를 츨정하기 위해 탐침에 5 V의 전압을 가하였으며 전기저항 변화 신호는 증폭기와 A/D 변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환 후 자료수집장치(Data Acquistion System)에 의해 컴퓨터에 저장하였다. 전기저항 탐침에 의한 자료의 수집은 1,000 Hz의 속도로 하였으며 자료의 크기는 각 실험조건에서 30,000 개가 되도록 30초간 수집하였다[17-21].

대상 데이터

본 연구에 사용한 실험장치는 Fig.1에서 보는바와같은 직경이 0.102m이고 높이가 1.5 m인 스텐레스강을 사용하여 제작한 기포탑을 사용하였다. 연속상인 액체로는 물을 그리고 기체상으로는 여과된 압축공기를 사용하였다.
5 m인 스텐레스강을 사용하여 제작한 기포탑을 사용하였다. 연속상인 액체로는 물을 그리고 기체상으로는 여과된 압축공기를 사용하였다. 기포탑 내부의 일정영역에서 압력강하 변화를 측정하기 위하여 기체 분산판으로부터 0.

이론/모형

기포탑에서 상대적으로 큰 기포와 작은 기포의 체류량을 결정하기 위해서는 동력학적 기체유출 측정방법(Dynamic Gas Disengagement)을 사용하였다[1,5].

성능/효과

Fig. 8에서 불 수 있드시 기포탑 내부에 존재하는 큰 기포와 작은 기포의 경계 크기를 2~3 mm 정도로 선정하면 기포탑 내부에 존재하는 작은 기포의 체류량 분율은 실제량보다 적어지며 또 이 기포틀의 경계 크기를 6~7 mm 정도로 선정하면 기포탑 내부에 존재하는 작은 기포의 체류량 분율은 실제량보다 매우 큰 값을 나타냄을 알 수 있다. 따라서, Fig.
기포탑에서 크기가 비교적 큰 기포와 상대적으로 작은 기포의 경계를 나타내는 경계 크기를 동력학적 기체 유출 방법과 전기저항 탐핌법을 동시에 사용하여 기포의 특성을 고찰함으로써 규명할 수 있었다. 연속액상으로 물을 그리고 분산기체상으로는 여과된 압축공기를 사용한 기포탑계에 존재하는 상대적으로 큰 기포와 작은 기포의 경계 크기는 4.
8에서 불 수 있드시 기포탑 내부에 존재하는 큰 기포와 작은 기포의 경계 크기를 2~3 mm 정도로 선정하면 기포탑 내부에 존재하는 작은 기포의 체류량 분율은 실제량보다 적어지며 또 이 기포틀의 경계 크기를 6~7 mm 정도로 선정하면 기포탑 내부에 존재하는 작은 기포의 체류량 분율은 실제량보다 매우 큰 값을 나타냄을 알 수 있다. 따라서, Fig. 5~8의 결과로부터 본 연구의 실험범위에서 기포탑 내부에 존재하는 큰 기포와 작은 기포의 경계 크기는 4~5 mm 정도가 적합하다고 판단되는데, 기체의 유속이 작은 범위에서는 경계 크기가 5 mm 정도가 되며 기체위 유속이 큰 범위에서는 기포의 경계 크기가 4 mm 정도가 된다고 할 수 있다.
또한, 이 경우에도 Fig. 5에서와 같이, 기체의 유속이 비교적 낮은 범위 UG=0.04~0.06 m/s)에서는 εBS/εBL 값이 큰 기포와 작은 기포의 경계 크기를 5 mm로 선정했을 때의 (εBS/εBL)값에 접근하였으며, 기체 유속이 비교적 큰 범위에ㅐ서는 큰 기포와 작은 기포의 경계 크기를 4 mm로 선정하였을 때의 (εBS/εBL)값에 접근하는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	기포탑의 특성은 기포탑 내부공정에서 생성되어 상승하는 기포의 특성에 큰 영향을 받게 되는데, 그 이유는?	연속상인 액상에 분산상인 기포가 존재하는 기포탑은 기체 반응물을 연속적으로 액상반응물과 매우 효과적으로 접촉시킬 수 있는 특성이 있을 뿐만 아니라 기체상에 포함된 특정성분을 액체상으로 전달하거나 액체상에 있는 특정성분을 기체상으로 전달하기가 용이하여 배기가스에 포함된 이산화탄소나 황화합물 또는 질소화합물 등의 기체를 포집하거나 특정성분의 회수 등에 매우 광범위하게 사용될 수 있다[1, 2]. 기포탑의 특성은 기포탑 내부공정에서 생성되어 상승하는 기포의 특성에 큰 영향을 받게되는데 이는 기포의 흐름특성에 따라 기포탑 내부에서의 수력학적특성뿐만 아니라 기체-액체간계면에서의 물질전달과 공정내부에서 열전달 등의 전달현상도 변화하기 때문이다[3-8]. 기포의 흐름특성 중에서 특히 기포의 크기는 일정 조업조건에서 기포의 상승속도와 기포의 빈도수 등에도 큰 영향을 미치므로 반응기나 공정내부에 존재하는 기포의 체류량과 직접적인 관계가 있다.
	연속상인 액상에 분산상인 기포가 존재하는 기포탑의 특징은 무엇인가?	연속상인 액상에 분산상인 기포가 존재하는 기포탑은 기체 반응물을 연속적으로 액상반응물과 매우 효과적으로 접촉시킬 수 있는 특성이 있을 뿐만 아니라 기체상에 포함된 특정성분을 액체상으로 전달하거나 액체상에 있는 특정성분을 기체상으로 전달하기가 용이하여 배기가스에 포함된 이산화탄소나 황화합물 또는 질소화합물 등의 기체를 포집하거나 특정성분의 회수 등에 매우 광범위하게 사용될 수 있다[1, 2]. 기포탑의 특성은 기포탑 내부공정에서 생성되어 상승하는 기포의 특성에 큰 영향을 받게되는데 이는 기포의 흐름특성에 따라 기포탑 내부에서의 수력학적특성뿐만 아니라 기체-액체간계면에서의 물질전달과 공정내부에서 열전달 등의 전달현상도 변화하기 때문이다[3-8].
	기포의 크기에 대한 정보가 기포탑을 활용한 연구와 설계 등에 매우 중요한 제어인자인 이유는?	기포탑의 특성은 기포탑 내부공정에서 생성되어 상승하는 기포의 특성에 큰 영향을 받게되는데 이는 기포의 흐름특성에 따라 기포탑 내부에서의 수력학적특성뿐만 아니라 기체-액체간계면에서의 물질전달과 공정내부에서 열전달 등의 전달현상도 변화하기 때문이다[3-8]. 기포의 흐름특성 중에서 특히 기포의 크기는 일정 조업조건에서 기포의 상승속도와 기포의 빈도수 등에도 큰 영향을 미치므로 반응기나 공정내부에 존재하는 기포의 체류량과 직접적인 관계가 있다. 따라서, 기포의 크기에 대한 정보는 기포탑 연구와 기포탑을 활요한 여러 다상 흐름공정의 설계와 조작 등에 매우 중요한 제어인자가 되어 왔다.

참고문헌 (21)

Dechwer, W. D., Bubble Column Reactors, John Wiley and Sons Ltd.,(1992).
Nigam, K. D. P. and Schumpe, A., Three-phase Spagered Reactors.
Kim, S. D. and Kang, Y., "Hydrodynamics, Heat and Mass Transfer in Inverse and Circulating Three-Phase Fluidized-Bed Reactors for Waste Water Treatment," Studies Sur. Sci. Cat, 159, 103-108 (2006).
Kang, Y., Lee, K. I., Shin, I. S., Son, S. M., Kim, S. D. and Jung, H., "Characterisics of Hydrodynamics, Heat and Mass Transfer in Three-phase Inverse Fluidized Beds," Korean Chem. Eng. Res. (HWAHAK KONGHAK), 46, 451-464(2008).
Krishna, R. and Sie, S. T., "Design and Scale-up of the Fischer-Tropsch Bubble Column Slurry Reactor," Fuel Process. Technol., 64, 73-105(2000).

상세보기
Lim, D. H., Jang, J. H., Kang, Y. and Jun, K. W., "Axial and Radial Distributions of Bubble Holdup in a Slurry Bubble Column with Pilot Plant Scale," Korean Chem. Eng. Res. (HWAHAK KONGHAK), 49, 200-205 (2011).

원문보기 상세보기
Jin, H. R., Song, Y. H., Kang, Y., Jung, H. and Lee, H. T., "Holdup Characteristics of Small Bubbles in a Viscous Slurry Bubble Column," Korean Chem. Eng. Res. (HWAHAK KONGHAK), 49, 83-88(2011).

원문보기 상세보기
Behkish, A., Lemoine, R., Schabiaque, L., Qukaci, R. and Morsi, B. L., "Gas Holdup and Bubble Size Behavior in a Large-Scale Slurry Bubble Column Reactor Operating with on Organic Liquid under Elevated Pressure and Temperature," Chem. Eng. J., 128, 69-84(2007).

상세보기
Chem, Z., Zheng, C. and Hofmann, H., "Local Bubble Behavior in Three-Phase Fluidized Beds," Can. J. Chem. Eng., 76, 315-318 (1998).

상세보기
Matsuura, A. and Fan, L. S., "Distribution of Bubble Properties in a Gas-Liquid-Solid Fluidized Bed," AIChE J., 30, 894-903 (1984).

상세보기
Saberi, S., Shakourzaduu, K., Bastoul, D. and Militzer, J., "Bubble size and Velocity Measurement in Gas-Liquid Systems: Application of fiber optic technique to Pilot Plant Scale," Can. J. Chem. Eng., 70, 253-257(1995).
Wang, T., Wang, J., Yang, W. and Jin, Y., "Bubble Behavior in Gas-Liquid-Solid Three-phase Circulating Fluidized Beds," Chem. Eng. J., 84, 397-404(2001).

상세보기
Zhang, L., Li, T., Ying, W. and Fang, D., "Rising and Decending Bubble Size Reactor," Chem. Eng. Res. Des., 86, 1143-1154(2008).

상세보기
De Swart, J. W. A., Van Vliet, R. E. and Krishina, R., "Size, Structure and Dynamics of Large Bubbles in a Two-Dimensional Slurry Bubble Column," Chem. Eng. Sci., 51, 4619-4629(1996).

상세보기
Krishna, R. and Van Bate, J. M., "Simulting the Motion of Gas Bubbles in a Liquid," Nature, 398, 208(1999).

상세보기
Krishna, R., Van Baten, J. M., Wrseanu, M. I. and Ellenkerger, J., "Design and Scale up of a Bubble Column Slurry Reactor for Fischer - Tropsch Synthesis," Chem. Eng. Sci., 56, 537-545(2001).

상세보기
Son, S. M., Song, P. S., Lee, C. G., Kang. S. H., Kang, Y. and Kusakabe, K., "Bubbling Behavior in Gas-Liquid Countercurrent Bubble Column Bioreactors," J. Chem. Eng. Japan, 37, 990-998(2004).

상세보기
Son, S. M., Kang, S. H., Kim, U. Y., Kang, Y. and Kim, S. D., "Axial Variation and Distribution of Bubble Properties in Gas/ Liquid Countercurrent Fluidized Beds," Korean Chem. Eng. Res. (HWAHAK KONGHAK), 42, 235-240(2004).
Son, S. M., Kang, S. H., Kim, U. Y., Kang, Y. and Kim, S. D., "Bubble Properties in Three-Phase Inverse Fluidized Beds with Viscous Liquid Medium," Chem. Eng. Processing, 46, 763-741(2007).
Shin, K. S., Song, P. S., Lee, C. G., Kang, S. H., Kang, Y., Kim, S. D. and Kim, S. J., "Heat Transfer Coefficient in Viscous Liquid-Solid Circulation Fluidized Beds," AIChE J., 51, 671-677(2005).

상세보기
Cho, Y. J., Song, P. S., Kim, S. H., Kang, Y. and Kim, S. D., "Stochastic Analysis of Gas-Liquid-Solid Flow in Three-Phase Circulating Fluidized Beds," J. Chem. Eng. Japan, 34, 254-261(2001).

상세보기

저자의 다른 논문 :

LOADING...

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증