[논문]테일러 반응기의 유동특성과 입자 체류시간에 관한 수치적 연구

이현권; 이상건; 전동협

doi:10.14478/ace.2014.1117

테일러 반응기의 유동특성과 입자 체류시간에 관한 수치적 연구
Numerical Studies of Flow Characteristics and Particle Residence Time in a Taylor Reactor 원문보기

공업화학 = Applied chemistry for engineering, v.26 no.1, 2015년, pp.67 - 73

이현권 (서울대학교 기계항공공학부) , 이상건 (서울대학교 기계항공공학부) , 전동협 (동국대학교 기계부품시스템공학과)

초록
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전산유체해석 기법을 이용하여, 테일러 반응기 내 유동특성과 입자의 체류시간에 대하여 연구하였다. 테일러 반응기는 반응기의 작동조건에 따라 내부 유동특성이 달라지므로, 입구주입속도와 반응기 회전속도 변화에 따른 테일러 반응기 내부의 유동특성 변화를 살펴보았다. 또한 테일러 와류(TVF)영역에서 리튬이온전지의 양극물질인 NMC입자의 반응기 내 체류시간을 측정하였다. 입구에서의 복잡한 화학반응은 고려하지 않았고 테일러 유동의 영향만 고찰하였다. 해석결과 반응기의 회전속도가 높고 반응물의 주입속도가 낮을수록 입자의 체류시간이 길어지는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Using a computational fluid dynamics technique, the flow characteristics and particle residence time in a Taylor reactor were studied. Since flow characteristics in a Taylor reactor are dependent on the operating conditions, effects of the inlet flow velocity and reactor rotational speed were investigated. In addition, the particle residence time of $LiNiMnCoO_2$ (NMC), which is a cathode material in lithium-ion battery, is estimated in the Taylor vortex flow (TVF) region. Without considering the complex chemical reaction at the inlet, the effect of Taylor flow was studied. The results show that the particle residence time increases as the rotating speed increased and the flow rate decreased.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 테일러 반응기 내벽의 회전속도 변화에 따른 반응기내 유동특성과 그에 따라 주입된 NMC 입자의 체류시간 변화에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 수치해석 모델의 검증을 위해 Wereley와 Lueptow의 실험 결과와 비교하였고 본 연구의 결과와 일치함을 확인하였다.
본 연구에서는 테일러 유동을 이용한 NMC의 혼합과정을 연구하기 위하여, 전산유체역학(CFD)을 이용하여 테일러 반응기의 3차원 유동을 전산모사하였다. 화학반응 과정이 비교적 빠른 속도로 일어나므로 입구에서 복잡한 화학반응이 완료되었다고 가정하여, 화학반응은 고려하지 않았고 유동의 영향만을 고려하였다.

가설 설정

주입된 물질은 NMC로 앞에서 언급한 바와 같이 입자의 밀도는 4700 kg/m³, 지름은 8 µm로 설정하였다. NMC의 생산 공정에서 반응기 내부에 주입된 반응물은 화학반응과 침전 과정을 거쳐 제품이 생산되지만 화학반응이 비교적 빠르고 입자의 성장 메커니즘이 명확하지가 않아, 본 연구에서는 리튬이온전지의 양극재로 주로 쓰이는 지름 8 µm의 입자가 반응기에 주입되었다고 가정하였다. 또한 반응기에(Ni_xMn_yCo_z)SO₄와 NH₃, NaOH, 3개의 반응물이 주입구로 주입되기 때문에 4개의 주입구 중 세 개의 주입구만 사용되었다.
따라서 반응기 내부 실린더의 회전속도에 의해 그 크기가 변하는 테일러 와류와 bypass 유동은 테일러 반응기에 주입된 입자의 체류시간과 밀접한 관계가 있는 것을 확인할 수 있다. 입구에서의 주입속도 또한 입자의 체류시간에 영향을 미친다. Figure 5에서볼 수 있듯이 동일한 레이놀즈 수의 경우에 입구에서의 유속이 감소할수록 입자의 체류시간은 증가하는 것을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 테일러 유동을 이용한 NMC의 혼합과정을 연구하기 위하여, 전산유체역학(CFD)을 이용하여 테일러 반응기의 3차원 유동을 전산모사하였다. 화학반응 과정이 비교적 빠른 속도로 일어나므로 입구에서 복잡한 화학반응이 완료되었다고 가정하여, 화학반응은 고려하지 않았고 유동의 영향만을 고려하였다. Figure 1에서 보는 바와 같이, lab-scale의 테일러 반응기를 대상으로 입구에서의 주입속도와 반응기 내벽의 회전속도가 테일러 유동 형성에 주는 영향을 알아보았고, 무차원 수에 따른 테일러 유동의 변화를 관찰하였다.

제안 방법

화학반응 과정이 비교적 빠른 속도로 일어나므로 입구에서 복잡한 화학반응이 완료되었다고 가정하여, 화학반응은 고려하지 않았고 유동의 영향만을 고려하였다. Figure 1에서 보는 바와 같이, lab-scale의 테일러 반응기를 대상으로 입구에서의 주입속도와 반응기 내벽의 회전속도가 테일러 유동 형성에 주는 영향을 알아보았고, 무차원 수에 따른 테일러 유동의 변화를 관찰하였다. 또한 반응기의 적절한 운전시간을 알아보기 위하여 테일러 반응기로 주입되는 반응물질의 체류시간을 수치적 방법을 이용하여 측정하였다.
NMC 입자들의 테일러 반응기 내에서의 체류시간을 알아보기 위하여 입자추적 모델을 이용하여 입자들의 체류시간을 측정하였다. 입자 추적(particle tracking)은 이산적인 입자들의 힘 균형에 관한 식으로 수행된다.
Figure 1에서 보는 바와 같이, lab-scale의 테일러 반응기를 대상으로 입구에서의 주입속도와 반응기 내벽의 회전속도가 테일러 유동 형성에 주는 영향을 알아보았고, 무차원 수에 따른 테일러 유동의 변화를 관찰하였다. 또한 반응기의 적절한 운전시간을 알아보기 위하여 테일러 반응기로 주입되는 반응물질의 체류시간을 수치적 방법을 이용하여 측정하였다.
반응기 내에 생성된 NMC 입자의 반응기 회전속도와 주입속도에 따른 입자 체류시간과 입자 분포를 알아보기 위하여 입자추적을 수행하였다. 화학반응이 빠른 속도로 이루어졌다는 가정 하에 계산을 수행하였으며, 반응기의 회전속도가 증가함에 따라 입자의 체류시간이 증가하는 경향을 나타내었고, 주입속도가 증가함에 따라 체류시간은 감소하였다.
반응기 내부 실린더의 회전속도가 증가함에 따라 반응기 내의 유동 형태는 CCF, TVF, WVF, TTVF 영역으로 구분되고 각 영역에서의 유동은 각각 다른 특징을 갖게 된다. 본 연구에서는 유동특성에 의한 영향을 배제하고 입자의 체류시간을 측정하기 위하여 반응기 내에 주입된 입자의 체류시간은 테일러 유동영역인 TVF 영역에 한정하여 측정하였다. 본 해석에서는 다양한 조건에서의 체류시간 측정을 위해, 비교적 높은 주입속도(0.
입자추적을 위하여 DPM (discrete phase model) 경계조건을 설정하였으며, 출구에 escape, 출구를 제외한 모든 경계에 reflect를 설정하였다. 해석에 사용된 각 경계조건들은 Table 2에 나타내었다.

대상 데이터

본 연구에 사용된 테일러 반응기의 CFD 모델은 Figure 2와 같다. 테일러 반응기의 치수는 Table 1에 표시하였다.
우측상단에 위치한 주입구를 통해서 작동유체가 주입되며, 주입된 작동유체는 혼합, 반응 과정을 거쳐 좌측 하단의 출구를 통해 빠져나가게 된다. 해석을 위하여 약 280만 개의 정규격자(mesh)를 사용하여 모델링하였다. 본 해석에 사용된 장비의 제원은 3.

데이터처리

수치해석 모델의 타당성 검증을 위하여 Wereley & Lueptow[2]의 실험결과와 비교, 분석하였다. Figure 3(a)는 축 방향의 좌표에 따라 해당좌표에서의 반경방향 속도성분을 비교한 것이고, Figure 3(b)는 반경방향의 좌표에 따라 해당좌표에서의 축 방향 속도성분을 비교한 것이다.

이론/모형

본 연구에서는 CFD해석 프로그램인 Fluent를 사용하여 시뮬레이션을 수행하였고, 연속방정식과 운동량방정식이 계산에 사용되었다.
해석을 위하여 약 280만 개의 정규격자(mesh)를 사용하여 모델링하였다. 본 해석에 사용된 장비의 제원은 3.3 GHz Dual CPU 6개이며 병렬처리법을 적용하여 수행되었다.

성능/효과

본 연구에서는 테일러 반응기 내벽의 회전속도 변화에 따른 반응기내 유동특성과 그에 따라 주입된 NMC 입자의 체류시간 변화에 대한 연구를 수행하였다. 먼저 수치해석 모델의 검증을 위해 Wereley와 Lueptow의 실험 결과와 비교하였고 본 연구의 결과와 일치함을 확인하였다. 이와 같은 결과를 바탕으로 본 연구에 사용된 모델의 타당성을 확인하였고, 레이놀즈 수의 증가에 따른 반응기 내에서 생성되는 테일러 유동의 변화(TVF와 WVF)를 확인하였다.
화학반응이 빠른 속도로 이루어졌다는 가정 하에 계산을 수행하였으며, 반응기의 회전속도가 증가함에 따라 입자의 체류시간이 증가하는 경향을 나타내었고, 주입속도가 증가함에 따라 체류시간은 감소하였다. 본 결과로부터 입자의 체류시간이 bypass 유동에 상당히 의존함을 알 수 있었다. 하지만 보다 정확한 입자의 체류시간 측정을 위하여 복잡한 화학반응과 입자의 성장과정을 포함한 공침반응 시뮬레이션은 앞으로 추진해야 할 과제로 남는다.
반응기 내에 생성된 NMC 입자의 반응기 회전속도와 주입속도에 따른 입자 체류시간과 입자 분포를 알아보기 위하여 입자추적을 수행하였다. 화학반응이 빠른 속도로 이루어졌다는 가정 하에 계산을 수행하였으며, 반응기의 회전속도가 증가함에 따라 입자의 체류시간이 증가하는 경향을 나타내었고, 주입속도가 증가함에 따라 체류시간은 감소하였다. 본 결과로부터 입자의 체류시간이 bypass 유동에 상당히 의존함을 알 수 있었다.

후속연구

하지만 보다 정확한 입자의 체류시간 측정을 위하여 복잡한 화학반응과 입자의 성장과정을 포함한 공침반응 시뮬레이션은 앞으로 추진해야 할 과제로 남는다. 본 연구결과는 산업현장에서 효율적인 테일러 반응기의 운영을 위한 자료로 사용될 것으로 기대된다.
본 결과로부터 입자의 체류시간이 bypass 유동에 상당히 의존함을 알 수 있었다. 하지만 보다 정확한 입자의 체류시간 측정을 위하여 복잡한 화학반응과 입자의 성장과정을 포함한 공침반응 시뮬레이션은 앞으로 추진해야 할 과제로 남는다. 본 연구결과는 산업현장에서 효율적인 테일러 반응기의 운영을 위한 자료로 사용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	테일러 반응기의 장점은?	외부 실린더와 내부 실린더로 구성된 동심환형관 형태의 혼합용기에서 외부 실린더는 고정되어 있고 내부 실린더만 회전할 경우, 혼합용기 내에는 테일러 유동(Taylor flow)이 발생하며 이러한 테일러 유동을 이용하여 반응물을 혼합, 생산하는 장치를 테일러 반응기(Taylor reactor)라고 한다[1]. 테일러 반응기는 반응물들을 테일러 와류의 특성을 이용하여 균일한 생성물을 얻는데 있어 뛰어난 성능을 가진다. 이러한 뛰어난 혼합성은 균일한 혼합 및 화학반응을 필요로 하는 다양한 산업분야에 폭넓게 적용될 수 있다[1].
	테일러 반응기란 무엇인가?	외부 실린더와 내부 실린더로 구성된 동심환형관 형태의 혼합용기에서 외부 실린더는 고정되어 있고 내부 실린더만 회전할 경우, 혼합용기 내에는 테일러 유동(Taylor flow)이 발생하며 이러한 테일러 유동을 이용하여 반응물을 혼합, 생산하는 장치를 테일러 반응기(Taylor reactor)라고 한다[1]. 테일러 반응기는 반응물들을 테일러 와류의 특성을 이용하여 균일한 생성물을 얻는데 있어 뛰어난 성능을 가진다.
	테일러 반응기가 회분식 반응기의 대안으로 떠오르는 이유는?	반면에 기존에 사용하던 회분식반응기는 반응물질을 한꺼번에 주입하고 충분한 혼합시간이 지난 후에 생성물을 얻는 비연속식 반응기의 특성을 가진다. 이러한 테일러 반응기의 연속성은 반응물의 반응기 내 체류시간을 줄여주어 시간적인 비용을 절감할 수 있으며, 또한 균일하고 양질의 생성물을 생성할수 있고 공정에서의 편의성을 제공한다. 이러한 이유로 테일러 반응기는 기존의 회분식 반응기의 대안으로 떠오르며, 이차전지 산업 및 결정화 등의 화학반응이 생산의 주된 절차가 되는 화공산업에서 활발히 연구, 개발되고 있다[9-11].

참고문헌 (18)

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저자의 다른 논문 :

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].

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