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전산유체역학을 이용한 이산화탄소 광물 탄산화 반응기 분석: 용액 내 고체 반응물 교반 향상을 위한 내부 구조 설계
CO2 Mineral Carbonation Reactor Analysis using Computational Fluid Dynamics: Internal Reactor Design Study for the Efficient Mixing of Solid Reactants in the Solution 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.5, 2016년, pp.612 - 620  

박성언 (서울대학교 화학생물공학부) ,  나종걸 (서울대학교 화학생물공학부) ,  김민준 (서울대학교 화학생물공학부) ,  안진주 (서울대학교 화학생물공학부) ,  이채희 ((주)아이시스텍) ,  한종훈 (서울대학교 화학생물공학부)

초록
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산화 칼슘 수용액을 통해 이산화탄소를 포집하는 수성 광물 탄산화 공정은 안정적으로 이산화탄소를 고립시킬 뿐 아니라 생성물의 부가 가치를 기대할 수 있는 대표적인 CCU (Carbon Capture & Utilization) 기술이다. 이 공정의 핵심은 고체 반응물인 산화칼슘의 용해 속도를 최대로 높이는 것인데, 이를 위해 반응기 전체에 고체 반응물이 균일하게 분포되도록 혼합하는 적절한 반응기의 설계가 필요하다. 본 논문에서는 하루에 40ton의 이산화탄소 포집이 가능한 파일럿 규모의 광물 탄산화 반응기를 대상으로, 반응기의 내부 구조 설계에 따라 고체 반응물의 분산도가 어떻게 변하는지에 대해 전산 유체 역학적 모델링(Computational Fluid Dynamics (CFD) modeling)을 통해 연구하였다. 교반 탱크 반응기(stirred tank reactor) 형태를 기반으로 외부 구조는 고정한 상태에서 교반기의 종류/갯수/지름/유격/회전 속도, 칸막이의 높이/너비를 변수로 선정하여 다양한 조합의 경우(case)들을 해석하였다. 각 설계 변수에 대한 민감도를 분석함으로써 각 변수의 영향을 파악하고, 중요한 변수를 판별할 수 있었다. 동시에 고체 부피 분율(solid volume fraction)의 높이 방향 표준 편차가 0.001에 가까운 균일한 분포를 만들 수 있는 내부 설계안을 제안하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Aqueous mineral carbonation process, in which $CO_2$ is captured through the reaction with aqueous calcium oxide (CaO) solution, is one of CCU technology enabling the stable sequestration of $CO_2$ as well as economic value creation from its products. In order to enhance the ca...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 탱크의 모양과 크기는 고정시킨 상태로 교반기(impeller)의 구조, 크기, 갯수, 위치, Baffle의 모양 등 반응기 내부 구조를 변경시켜가며 고체 반응물의 분산이 얼마나 균일하게 이루어지는 지를 분석하였다. 각 변수에 대하여 민감도 분석을 수행하함으로써 고체 분산도에 가장 큰 영향을 미치는 변수를 파악하고, 각 변수가 고체 분산도에 어떠한 영향을 주는 지 알 수 있었다. 또한 고체 반응물의 분산이 매우 균일하게 이루어지는 내부 구조의 조합을 찾아낼 수 있었다.
  • 하지만 이 값들의 형태 및 범위가 제각각이므로 민감도 분석 및 비교에 어려움이 있다. 따라서 각 변수마다 선정된 값들에 0 에서 1 사이의 값을 부여함으로 가능한 범위 내에서 해당 변수값이 어느 정도 수준인지를 알 수 있도록 하였다. 이를 Table 1의 괄호 안에 나타내었다.
  • 그러나 반응기의 모양과 특성에 따라 유동은 항상 달라지기 때문에 기존 연구 결과를 본 대상 공정에 적용할 수는 없다. 따라서 본 논문에서는 수성 광물 탄산화 반응기를 대상으로 내부 유동, 특히 고체 분산을 해석해보고자 하였다. 탱크의 모양과 크기는 고정시킨 상태로 교반기(impeller)의 구조, 크기, 갯수, 위치, Baffle의 모양 등 반응기 내부 구조를 변경시켜가며 고체 반응물의 분산이 얼마나 균일하게 이루어지는 지를 분석하였다.
  • 본 논문의 주된 목적인 고체 분산 정도를 평가하기 위해서는 고체 분산도를 정량적으로 나타낼 수 있는 척도가 필요하다. 이러한 척도로서 just-suspension speed (Njs), 고체 분포(solid distribution), cloud height 정도가 많이 사용된다[19].
  • 본 연구는 외부 탱크 모양과 가스 분산기의 모양은 고정한 채로, 내부 설계 변수 변경에 따라 고체 분산도가 어떻게 달라지는 지 분석하는 것을 목표로 하기 때문에 고체 분산도에 영향을 끼칠만한 적절한 내부 변수의 선정이 중요하다. 내부 변수는 크게 교반기와 baffle에 관한 항목들로 나누어 볼 수 있다.
  • 본 연구에서 얻은 해석 결과들을 통해 반응기의 내부 설계 변수들이 고체 반응물의 분산에 어떠한 영향을 주는 지 알 수 있었다. 동시에 고체 반응물을 균등하게 분포시키는 내부 설계 조합을 도출하였다.
  • 가장 아래 교반기와 중간 교반기 사이에는 기체 분산기(gas distributor)가 배치되어 있다. 본 연구에서는 기체의 분산에 대해서는 다루지 않기 때문에 기체 분산기에서 기체가 나오지는 않지만, 분산기 자체가 액체나 고체의 유동 방해물로 작용할 수 있기에 최대한 자세하게 구조를 묘사하였다. 실제 탱크는 위로 더 긴 모양이지만, 본 연구에서는 반응기 모델링 범위를 수두 높이까지로 한정하였기 때문에 반응기 높이를 수두 높이인 2.
  • 따라서 20가지의 케이스를 선택하여 민감도 분석을 행하였다. 이 20가지의 케이스들은 다른 변수들이 통제된 상황에서 각 변수의 값에 따라 고체 분산도가 어떻게 변하는 지 관찰하기 위한 목적으로 선택되었다. Basecase를 기준으로 한 가지 혹은 두 가지의 변수들을 변화시켜가며 여러 상황에서의 민감도 분석이 가능하도록 선택되었다.
  • 이러한 필요성을 인지함에 따라 본 연구에서는 하루에 이산화탄소 40 ton의 광물 탄산화 반응을 수행할 수 있는 파일럿 규모의 교반 탱크 반응기(stirred tank reactor)를 대상으로 고체 반응물의 분산도와 내부 설계 인자들의 상관 관계를 분석하고, 이를 토대로 적절한 반응기 내부 구조를 제안하고자 하였다. 대상 공정 내에 기체-액체 (CO2-용액), 고체-액체(CaO-용액)의 다상 물질 전달이 모두 포함되지만 이번 논문에서는 고체-액체 혼합에 관해서만 다루었다.

가설 설정

  • 반응 물질로는 액체인 25℃의 물과 고체인 산화칼슘 혼합물을 설정하였다. 이 때, 산화 칼슘 혼합물은 200 mesh의 입자 크기, 3,366 kg/m3의 밀도, 1.5 cP의 점성도를 가지는 물질로 가정하였다. 또한, 고체반응물은 전체 용액에서 5 vol%의 부피분율을 차지한다.
  • Impeller 의 회전을 모델링하기 위해서는 multiple reference frame (MRF) 방법을 사용하였다. 탱크 벽면과 impeller 날, 회전축, 가스 분사기 표면 등 반응기 내 모든 벽면에 대해 no-slip condition의 경계 조건을 주었으며, 회전축의 표면은 impeller와 같은 속도로 회전한다고 설정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
CCS기술은 무엇인가? 산업화 이래로 온실 가스의 환경적 위협이 점차 심각해짐에 따라 온실 가스 저감을 위한 기술 연구들이 많이 이루어지고 있다. 발전소 등에서 배출되는 이산화탄소를 포집하고 수송하여 해상 분지 등에 저장하는 CCS (Carbon Capture and Storage) 기술이 주된 연구 대상이었고, 최근에는 이산화탄소를 화학적 반응을 통해 유용한 생성물로 전환시키는 CCU (Carbon Capture and Utilization) 기술 또한 많은 관심을 받고 있다.
CCU은 무엇인가? 산업화 이래로 온실 가스의 환경적 위협이 점차 심각해짐에 따라 온실 가스 저감을 위한 기술 연구들이 많이 이루어지고 있다. 발전소 등에서 배출되는 이산화탄소를 포집하고 수송하여 해상 분지 등에 저장하는 CCS (Carbon Capture and Storage) 기술이 주된 연구 대상이었고, 최근에는 이산화탄소를 화학적 반응을 통해 유용한 생성물로 전환시키는 CCU (Carbon Capture and Utilization) 기술 또한 많은 관심을 받고 있다.
광물 탄산화 기술 중 대표적인 것은 무엇이 있나? 그 중, 광물 탄산화 기술은 이산화탄소를 산화 금속 성분을 포함한 광물계 물질과 반응시켜 포집하는 방법이다. 대표적으로, 산화 칼슘(CaO)을 포함한 석회와 반응시켜 침강성 탄산칼슘(Precipitated Calcium Carbonate, PCC)으로 전환하는 방법이 있다. 칼슘계 물질을 이용하는 광물 탄산화 기술의 경우, 포집된 이산화탄소를 다른 화합물로 바꿔 안정적으로 저장할 수 있을 뿐 아니라, 폐기물을 원료로 사용하거나 생성물인 PCC를 건설, 토목 소재로 활용해 부가적인 가치 창출이 가능하다는 장점이 있다[1,2].
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참고문헌 (23)

  1. Chae, S.-C., Jang, Y.-N. and Ryu, K.-W., "Mineral Carbonation as a Sequestration Method of $CO_2$ ," Journal of the Geological Society of Korea, 45(5), 527-555(2009). 

  2. Han, K., Rhee, C. H. and Chun, H. D., "Feasibility of Mineral Carbonation Technology as a $CO_2$ Storage Measure Considering Domestic Industrial Environment," Korean Chemical Engineering Research, 49(2), 137-150(2011) 

  3. Chen, Z. Y., O'Connor, W. K. and Gerdemann, S., "Chemistry of Aqueous Mineral Carbonation for Carbon Sequestration and Explanation of Experimental Results," Environ. Prog., 25(2), 161-166(2006). 

  4. Lackner, K. S., et al., "Carbon Dioxide Disposal in Carbonate Minerals," Energy, 20(11), 1153-1170(1995). 

  5. Montes-Hernandez, G., et al., "Mineral Sequestration of $CO_2$ by Aqueous Carbonation of Coal Combustion Fly-ash," J. Hazard. Mater., 161(2), 1347-1354(2009). 

  6. Jana, S. K. and Bhaskarwar, A. N., "Modeling Gas Absorption Accompanied by Chemical Reaction in Bubble Column and Foambed Slurry Reactors," Chem. Eng. Sci., 65(11), 3649-3659(2010). 

  7. Olajire, A. A., "A Review of Mineral Carbonation Technology in Sequestration of $CO_2$ ," Journal of Petroleum Science and Engineering, 109, 364-392(2013). 

  8. Jin, B. and Lant, P., "Flow Regime, Hydrodynamics, Floc Size Distribution and Sludge Properties in Activated Sludge Bubble Column, Air-lift and Aerated Stirred Reactors," Chem. Eng. Sci., 59(12), 2379-2388(2004). 

  9. Pangarkar, V. G., Design of Multiphase Reactors, Wiley, 30-46 (2014). 

  10. Zwietering, T. N., "Suspending of Solid Particles in Liquid by Agitators," Chem. Eng. Sci., 8(3-4), 244-253(1958). 

  11. Grenville, R. K., Mak, A. T. and Brown, D. A., "An Improved Correlation to Predict ''just suspension'' Speed for Solid-liquid Mixtures with Axial Flow Impellers in Stirred Tanks," North American Mixing Forum, June, Victoria, BC, Canada (2010). 

  12. Smith, J., Warmoeskerken, M. and Zeef, E., in C. S. Ho, and J. Y. Oldshue (Ed.), Flow conditions in vessels dispersing gases in liquids with multiple impellers, AIChE, New York, 107-115(1987). 

  13. Harris, C., et al., "Computational fluid dynamics for chemical reactor engineering," Chem. Eng. Sci., 51(10), 1569-1594(1996). 

  14. Kasat, G., et al., "CFD Simulation of Liquid-phase Mixing in Solid-liquid Stirred Reactor," Chem. Eng. Sci., 63(15), 3877-3885 (2008). 

  15. Murthy, B., Ghadge, R. and Joshi, J., "CFD Simulations of Gasliquid-solid Stirred Reactor: Prediction of Critical Impeller Speed for Solid Suspension," Chem. Eng. Sci., 62(24), 7184-7195(2007). 

  16. Micale, G., et al., "CFD Simulation of Particle Distribution in Stirred Vessels," Chem. Eng. Res. Des., 78(3), 435-444(2000). 

  17. Jafari, R., Chaouki, J. and Tanguy, P. A., "A Comprehensive Review of Just Suspended Speed in Liquid-solid and Gas-liquid-solid Stirred Tank Reactors," International Journal of Chemical Reactor Engineering, 10(1)(2012). 

  18. Bittorf, K. J. and Kresta, S. M., "Three-dimensional Wall Jets: Axial Flow in a Stirred Tank," AlChE J., 47(6), 1277-1284(2001). 

  19. Sharma, R. N. and Shaikh, A. A., "Solids Suspension in Stirred Tanks with Pitched Blade Turbines," Chem. Eng. Sci., 58(10), 2123-2140(2003). 

  20. Khopkar, A., et al., "Gas-liquid Flow Generated by a Rushton Turbine in Stirred Vessel: CARPT/CT Measurements and CFD Simulations," Chem. Eng. Sci., 60(8), 2215-2229(2005). 

  21. Ljungqvist, M. and Rasmuson, A., "Numerical Simulation of the Two-phase Flow in An Axially Stirred Vessel," Chem. Eng. Res. Des., 79(5), 533-546(2001). 

  22. Gohel, S., et al., "CFD Modeling of Solid Suspension in a Stirred Tank: Effect of Drag Models and Turbulent Dispersion on Cloud Height," International Journal of Chemical Engineering, 2012(2012). 

  23. Ding, J. and Gidaspow, D., "A Bubbling Fluidization Model Using Kinetic Theory of Granular Flow," AlChE J., 36(4), 523-538(1990). 

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