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CFD 모사 기법을 이용한 유입 유량에 의한 연속 완전혼화 반응조 수리거동 고찰에 관한 연구
CFD Simulation of the Effects of Inlet Flow rate on Hydraulic Behavior in Continuous Stirred-Tank Reactor (CSTR) 원문보기

대한환경공학회지 = Journal of Korean Society of Environmental Engineers, v.38 no.1, 2016년, pp.25 - 33  

이영주 (K-water 연구원 상하수도연구소) ,  오정익 (LH 연구원) ,  윤석민 (경상대학교 건축도시토목공학부 및 공학연구원) ,  김종오 (경상대학교 건축도시토목공학부 및 공학연구원) ,  박노석 (경상대학교 건축도시토목공학부 및 공학연구원)

초록
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본 연구에서는 수처리 공정에 적용하고 있는 CSTR 반응조를 대상으로 유입 유량이 다양하게 변동하는 경우 반응조 내부 수리 거동을 조사하고자 하였다. 유입 유량의 변동은 설계 유량 대비 10~100%까지 변화시켰으며, 각 경우를 CFD 기법을 이용하여 transient 상태의 추적자 실험을 모의하였으며, 모사 결과로부터 2차 정보를 추출하여 수리 거동 지표를 계산하여 유입 유량과 수리거동의 관계를 면밀히 조사하였다. 그 결과, 유입 유량이 증가할수록 Modal index와 ${\beta}$값이 증가하는 거동을 보였으며 Morrill index는 유입 유량과의 관계에서 국부적인 극소값을 가지는 유입 유량이 두 곳 나타났는데 각각 설계 유량의 20%되는 지점과 40%가 되는 지점이었다. 두 극소값이 나타나는 유입 유량보다 유량이 증가하면 다시 Morrill index가 증가하는 현상을 보여 이상적인 CSTR 반응조에 근접하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper describes three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) simulation of liquid-liquid flow and transient tracer tests in a full-scale continuous stirred-tank reactor (CSTR) used for drinking water treatment. To evaluate the effects of inlet flow rate on hydrodynamic behavior in the s...

주제어

#전산유체역학   #수리거동   #완전 혼화 반응조   #유입 유량 변동  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이에 본 연구에서는 수처리 공정에 적용하고 있는 CSTR 반응조를 대상으로 유입 유량이 다양하게 변동하는 경우 반응조 내부 수리 거동을 조사하고자 하였다. 유입 유량의 변동은 설계 유량 대비 10~100%까지 변화시켰으며, 각 경우를 CFD 상용 코드 CFX 14.
  • 이에 본 연구에서는 수처리 공정에 적용하고 있는 CSTR 반응조를 대상으로 유입 유량이 다양하게 변동하는 경우 반응조 내부 수리 거동을 조사하고자 하였다. 유입 유량의 변동은 설계 유량 대비 10~100%까지 변화시켰으며, 각 경우를 CFD 상용 코드 CFX 14.

가설 설정

  • 6은 상기 CSTR을 대상으로 CFD기법을 이용하여 추적자 실험을 transient 상태로 모사한 결과로부터 도출된 C-curve와 F-curve를 무차원으로 도시한 것이다. 모사 시 추적자로는 불화규소 5 mg/L를 주입하는 것을 가정하였으며, 해당 양을 pulse input 방식으로 주입한 후 1분 간격으로 유출부 쪽에서 관측하는 상황을 모사하였다.
  • 상부 자유 수면은‘free slip wall’을 적용함으로써 유체 속도를 구속하지 않았다. 실제 반응조의 깊이가 6 m가 넘어 깊이 방향으로 온도가 일정하지 않으나, 모사의 편의 및 측정이 불가하여 반응조 내부의 온도는 25℃로 가정하였다.
  • 2절에서 언급한 k-ε 모델을 적용하였다. 유입부의 유속은 모사 대상 CSTR 반응조 설계 유량이 10,000 m3/day임에설계유량의 10%가 유입되는 경우를 가정하고 시간에 따라 점차적으로 10%씩 증가하는 것을 가정하여 총 10가지 유입유량(10~100%)에 대해 문제를 해석하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
하수 처리에서 연속 완전혼화 반응조는 어떻게 적용 되는가? 수처리 공정에서 연속 완전혼화 반응조(Continuous stirredtank reactor, CSTR)는 대개 약품과 원수를 혼화하거나, 응집 및 응결을 도모하기 위해 광범위하게 적용된다. 또한 하수 처리에 있어서는 유입 원수의 농도를 균일하게 유지시키거나 SBR (Sequencing batch reactor) 시스템에 있어서 혐기 반응공정으로 적용되기도 한다. CSTR은 화공 분야 및타 산업분야에서도 많이 적용되고 있는데, 고체 입자의 현탁, 혼합성 액체의 균일 혼합, 액체 중에 작은 기포 형태로 기체의 분산, 비혼합성 제 2액체 중에 제 1액체의 분산에 의한 미세 액적의 유탄액(emersion) 또는 현탄액 생성, 그리고 액체의 코일 또는 재킷(Jacket) 사이의 열전달 촉진 등을 목적으로 사용된다.
수처리 공정에서 연속 완전혼화 반응조이 적용되는 목적은 무엇인가? 수처리 공정에서 연속 완전혼화 반응조(Continuous stirredtank reactor, CSTR)는 대개 약품과 원수를 혼화하거나, 응집 및 응결을 도모하기 위해 광범위하게 적용된다. 또한 하수 처리에 있어서는 유입 원수의 농도를 균일하게 유지시키거나 SBR (Sequencing batch reactor) 시스템에 있어서 혐기 반응공정으로 적용되기도 한다.
CSTR의 사용 목적은 무엇인가? 또한 하수 처리에 있어서는 유입 원수의 농도를 균일하게 유지시키거나 SBR (Sequencing batch reactor) 시스템에 있어서 혐기 반응공정으로 적용되기도 한다. CSTR은 화공 분야 및타 산업분야에서도 많이 적용되고 있는데, 고체 입자의 현탁, 혼합성 액체의 균일 혼합, 액체 중에 작은 기포 형태로 기체의 분산, 비혼합성 제 2액체 중에 제 1액체의 분산에 의한 미세 액적의 유탄액(emersion) 또는 현탄액 생성, 그리고 액체의 코일 또는 재킷(Jacket) 사이의 열전달 촉진 등을 목적으로 사용된다.
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참고문헌 (9)

  1. Levenspiel, O., Chemical Reaction Engineering, 3rd ed., John Wiley & Sons, New York(1999). 

  2. Kim, Y. I., Park, N., Jung, N., Kim, S. and Bae, B., "Application of Dispersion Number for Analysis of Tracer test in Sedimentation Basin," J. Korean Soc. Water and Wastewater, 21(2), 187-193(2007). 

  3. Lim, S., Hwang, J., Park, N., Kim, S. and Lim, K., "A Study on the Effect of the Inclined Structure on the Hydraulic Behavior Index within Sedimentation basin," J. Korean Soc. Water and Wastewater, 23(5), 517-526(2009). 

  4. Sahu, A. K., Kumar, P., Patwardhan, A. W. and Joshi, J. B., "CFD modelling and mixing in stirred tanks," Chem. Eng. Sci., 54, 2285-2293(1999). 

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  5. Kasat, G. R., Khopkar, A. R., Ranade, V. V., Pandit, A. B., "CFD Simulation of liquid-phase mixing in solid-liquid stirred reactor," Chem. Eng. Sci., 63, 3877-3885(2008). 

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  6. Khopkar, A. R., Kasat, G. R., Pandit, A. B. and Ranade, V. V., "CFD simulation of solid suspension in stirred slurry reactor," Ind. Eng. Chem. Res., 45, 4416-4428(2006). 

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  7. Kim, S., Choi, J., Park, N. and Wang, C., "Unsteady analysis of Hydraulic Behavior Characteristics in Water Treatment System Using CFD Simulation," J. Korean Soc. Water Wastewater, 27(2) 217-224(2013). 

  8. Park, N., Lim, S., Kim, S., Hwang, J. and Jung N., "Analysis of relationship between daily inflow rate fluctuation and surface wave transfer velocity in water treatment processes," J. Korean Soc. Water and Wastewater, 22(2), 239-243(2008). 

  9. Ding, J., Wang, X., Zhou, X., Ren N. and Guo, W., "CFD optimization of continuous stirred-tank (CSTR) reactor for biohydrogen production," Bioresour. Technol., 101, 7005-7013(2010). 

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