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문제 정의
- 또한 혼합성능의 측면으로부터 보아도 교반용기 바닥의 방해판이 유효성이 증명되었다. 따라서 본 연구에서는 저 전단 교반조형 반응기로서 교반용기 바닥에 방해판을 설치하여 교반 임펠러를 저 회전으로 조작하는 경우 여러 가지 특성 즉, 유동특성 및 입자부유특성에 대하여 실험적으로 검토하여 생물반응기로서의 가능성에 대해 평가하였다.
제안 방법
- 그래서 본 실험에서는 부유한 입자가 임펠러까지 도달하는데 필요한 회전수로서 “부유화회전수 Nc”로 정의 하여 임펠러조건, 교반용기 바닥의 방해판 조건을 여러 가지로 변화시켜 측정하였다.
- 다음으로 임펠러 및 교반용기 바닥의 방해판을 여러 가지 조건으로 변화시켜 부유화 회전수를 측정한 결과를 나타내었다.
- 입자부유특성에 관한 실험은 교반용기 바닥의 방해판이 입자부유에 미치는 영향을 명확히 하기위해 추적자로서 이온교환수지(dp = 780μm, ρ = 1500kg/m3)를 교반용기 내에 투입하여 입자의 부유과정을 관찰, 촬영 하였다.
- 입자의 크기가 일정하면 거의 비례하나 오차가 생겨 보정을 위해 입자의 중량분율 항을 고려해 넣고 입자밀 도와 입자직경에 관한 지수와 비례정수를 중회귀 분석으로 구하여 보정된 상관식을 얻어야 보다 정확한 부유화회전수를 나타낼 수 있으나 본 연구에서는 입자 크기가 일정하여 보정을 하지 않고 부유화회전수를 나타내었다. 실험에는 수돗물을 이용하였다.
대상 데이터
- 실험 장치는 혼합특성에서 연구한 실험장 치와 같은 장치를 이용하였다[13]. 교반 임펠러는 패들 임펠러를 이용하였고 교반용기 바닥의 방해판도 패들 형상의 방해판을 이용하였다. 패들 형상의 방해판을 사용한 것은 예전부터 가장 많이 사용한 전통적인 임펠러이고 또한 일반적인 교반용기에서 방해판의 형태가 직사각형 형태를 가지고 있어 이와 유사한 형태를 고려하였다.
- 1에 나타내었다. 실험 장치는 혼합특성에서 연구한 실험장 치와 같은 장치를 이용하였다[13]. 교반 임펠러는 패들 임펠러를 이용하였고 교반용기 바닥의 방해판도 패들 형상의 방해판을 이용하였다.
- Table 1에 유동특성에 대한 실험조건을 나타내었다. 실험에 사용한 교반 액으로는 수돗물을 사용하였다.
- 입자의 크기가 일정하면 거의 비례하나 오차가 생겨 보정을 위해 입자의 중량분율 항을 고려해 넣고 입자밀 도와 입자직경에 관한 지수와 비례정수를 중회귀 분석으로 구하여 보정된 상관식을 얻어야 보다 정확한 부유화회전수를 나타낼 수 있으나 본 연구에서는 입자 크기가 일정하여 보정을 하지 않고 부유화회전수를 나타내었다. 실험에는 수돗물을 이용하였다. Table 2에 임펠러 및 방해판의 조건을 나타내었다.
이론/모형
- 교반 임펠러는 액 자유표면 부근에 설치하고 방해판은 교반용기 바닥에 완전 밀착하여 설치하였다. 먼저 유동특성에 대한 실험방법은 교반조의 흐름에 대해 일반적으로 잘 이용하고 있는 알루미늄 입자 추적자 주입법[2, 11, 14-16]을 이용하여 사진촬영을 하였다. 촬영은 슬릿 빛의 굴절을 막기 위해 교반용기를 각조에 넣어 촬영하였다.
- ”로 정의 하여 임펠러조건, 교반용기 바닥의 방해판 조건을 여러 가지로 변화시켜 측정하였다. 부유화회전수는 Baldi등 [18]의 모델을 이용 하여 측정하였다.
성능/효과
- 3에 나타 내었다. 교반용기 바닥에 방해판이 없는 경우는 작은 선회운동을 하면서 상승해가는 반면에 교반용기 바닥에 방해판이 있는 경우는 축방향의 흐름이 강하고 교반용기 바닥 중심으로부터 상승류가 강하게 일어나는 것을 확인 되었다. 이사실로부터 교반용기 바닥의 방해판은 보통의 방해판과 마찬가지로 2차 순환류를 촉진시키는 것을 알았다.
- 교반조 바닥에 방해판을 설치한 경우 입자부유가 각단에서 양호하게 잘 일어나는 것을 알았다. 이것은 방해 판에 의해서 촉진된 2차 순환류 때문이라 사료된다.
- 교반 임펠러 날 매수의 영향은 적게 나타났다. 또한 교반용기 바닥의 방해판의 날 매수가 많으면 오히려 입자부유에 악영향을 미치는 것을 알았다. 즉, 방해판의 중심의 혼합 불량부에 입자가 모여 부유에 방해가 됨을 알았 다.
- 이를 규명하기 위하여 교반용기 바닥에 방해판을 설치하여 임펠러를 저 회전으로 조작하여 혼합특성을 이미 규명한[13] 결과 교반용기 바닥에 방해판을 부착함으로서 혼합시간이 감소하였고 이것은 교반용기 바닥의 방해판이 일반적인 방해판과 마찬가지로 교반용기 중심에 형성된 고체부피 회전부를 감소시키는 역할을 하였음을 알 수 있었다. 또한 혼합성능의 측면으로부터 보아도 교반용기 바닥의 방해판이 유효성이 증명되었다. 따라서 본 연구에서는 저 전단 교반조형 반응기로서 교반용기 바닥에 방해판을 설치하여 교반 임펠러를 저 회전으로 조작하는 경우 여러 가지 특성 즉, 유동특성 및 입자부유특성에 대하여 실험적으로 검토하여 생물반응기로서의 가능성에 대해 평가하였다.
- 또한 앞 절의 유동특성에서 보고한 방해판의 유무에 의한 교반용기 바닥 중심으로부터 상승류가 다르게 나타나는 것이 입자부유 상태의 관찰로부터도 확인되었다. 방해판이 있는 경우 입자는 교반용기 위로 직진으로 상승하는 반면에 방해판이 없는 경우 선회운동을 동반하면서 상승하여가는 모양이 확인되었다.
- 본 연구 실험범위 내에서는 교반임펠러의 최적조건은 np= 6, d/D = 0.5, b/d = 0.3이고 교반용기 바닥의 방해 판의 최적조건은 nb = 6, db/D = 0.5, bw/D = 0.05 로 나타났다.
- 알루미늄 입자 추적법을 이용한 유동상태의 가시화 실험으로부터 교반용기 바닥에 방해판을 부착하면 교반 용기 바닥 중심으로부터 상승류가 증대하여 교반이 촉진 됨을 알았다.
- 교반용기 바닥에 방해판이 없는 경우는 작은 선회운동을 하면서 상승해가는 반면에 교반용기 바닥에 방해판이 있는 경우는 축방향의 흐름이 강하고 교반용기 바닥 중심으로부터 상승류가 강하게 일어나는 것을 확인 되었다. 이사실로부터 교반용기 바닥의 방해판은 보통의 방해판과 마찬가지로 2차 순환류를 촉진시키는 것을 알았다. 또한 이 순환류 촉진 작용은 자유표면의 소용돌이의 깊이가 감소하는 것으로 부터도 확인되었다.
- 이상 결론으로부터 교반용기 바닥에 방해판이 부착된 교반용기는 생물반응기로의 적용을 고려하면 저 회전에서도 입자가 부유하는데 충분한 유동상태를 얻었고 적절한 설계조건하에서는 혼합불량부도 존재하지 않는 점에서 우수한 생물반응기라 사료된다.
- 이상의 교반용기 바닥의 방해판의 날 매수, 방해판 직경, 방해판 높이의 영향을 여러 조건에서 실험을 한 결과 교반 임펠러의 최적조건을 nb , db /D 및 bw /D 는 각각 6, 0.5 및 0.05로 나타내었다.
- 이상의 여러 조건에서 실험을 한 결과 교반 임펠러의 최적조건을 np, d/D 및 b/d는 각각 6, 0.5 및 0.3으로 나타내었다.
- 입자부유 실험으로부터 에크만 경계층의 발달에 의해 입자부유가 촉진됨을 알았다.
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