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건식 $CO_2$ 포집공정 효율 향상을 위한 열교환형 유동층 반응기 열설계 원문보기

기계저널 : 大韓機械學會誌, v.53 no.6 = no.391, 2013년, pp.46 - 50  

조형희 (연세대학교 기계공학부)

초록
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유동층기술은 물리반응 공정, 화학반응 공정, 에너지 변환공정 등 다양한 산업 분야에 오랫동안 적용되어 왔다. 이 글에서는 여러 산업분야 중 최근 환경 분야에 적용된 유동층 반응기 설계기술, 특히 건식흡수제를 이용한 다단 $CO_2$ 포집공정용 유동층 반응기 설계를 위한 유동층 열교환기 설계 기술에 대해 소개 하고자 한다.

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
건식 흡수공정에 유동층 운전으로 인하여 어떠한 문제점이 발생하는가? 이러한 유동층은 부유하는 입자들의 넓은 표면적이 높은 혼합효과와 열/물질전달 효과를 나타내기 때문에 입자들의 코팅, 건조, 가열 및 연소, 냉각 혹은 기타 화학반응 공정에 많이 적용되고 있다. 하지만 유동층 운전은 층(bed) 물질이 항상 유동하고 있기 때문에 입자간 충돌에 의한 마모 그리고 입자와 반응기간의 충돌에 의한 반응기 손상과 더불어 입자들의 응집(agglomeration)과 소결(sintering) 등이 발생할 수 있는 단점이 있다.
유동층 공정은 공탑 속도에 따라 어떻게 분류할 수 있는가? 유동층 공정은 반응기 내의 유속(공탑속도: superficial gas velocity)에 따라 분류할 수 있으며, 공탑 속도의 증가에 따라 고정층(fixed bed), 기포 유동층(bubbling fluidized bed), 슬러깅 유동층(slugging fluidized bed), 난류 유동층(turbulent fluidized bed), 고속 유동층(fast fluidized bed), 그리고 이동층(pneumatic transport)으로 구분되며 공정의 목적과 특성에 맞게 각각 사용되어야 한다. 특히, 입자들의 유동화 특성은 각각의 유동층을 구성하는 입자들의 특성에 의해 구분되어 진다.
공정에 가장 많이 적용되는 대표적 유동층 형태인 기포 유동층과 순환 유동층의 특징은 무엇인가? 공정에 가장 많이 적용되는 대표적 유동층 형태로는 기포 유동층(BFB: Bubbling Fluidized Bed)과 순환 유동층(CFB: Circulating Fluidized Bed)을 들 수 있다. 기포 유동층은 Geldart’s Group B 입자들로 구성된 유동층에서 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity: Umf) 이후에 일반적으로 나타나는데, 반응기 내부의 밀집된 입자들의 공극 사이로 유동화 가스가 흘러가면서 부분적으로 기포형태를 나타내게 되며 이때 형성되는 기포의 크기, 빈도, 속도 등에 의해 전체적인 혼합 및 전달 특성 등이 달라지게 된다. 특히, 기포유동층의 기포의 생성과 배열은 유동화 가스가 주입되는 분사판(distributor)의 배열과 형태에 따라 크게 영향을 받게 되며 공정의 특성에 맞게 다양한 형태의 분사판이 적용되고 있다. 또한, 순환 유동층은 난류 유동층 이후 속도영역(critical velocity: Use)에서 운전되는데, 높은 유동화 속도에 의해 반응기(riser)에서 비산되는 입자들을 사이클론을 통해 포집하여 다시 반응기내로 순환시키는 유동층이다. 주로 Geldart’s Group A 입자들(catalytic)을 사용하며, 높은 운전속도에 의한 층 확장(bed expansion)이 커짐에 따라 입자들이 분포가 희박하게 되어 기포 유동층에서와는 구분되는 입자분포 특성이 나타난다. 이러한 유동층 내부에서의 층 물질의 다양한 분포와 거동은 유동층 반응기 내부에서의 열전달 특성에 큰 영향을 미치게 된다.
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