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CPFD 시뮬레이션을 통한 Shroud 노즐 및 수직 구조물이 설치된 기포 유동층 반응기 내에서의 기포 흐름 해석
CPFD Simulation of Bubble Flow in a Bubbling Fluidized Bed with Shroud Nozzle Distributor and Vertical Internal 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.5, 2016년, pp.678 - 686  

임종훈 (성균관대학교 화학공학과) ,  배건 (성균관대학교 화학공학과) ,  신재호 (성균관대학교 화학공학과) ,  이동호 (한화케미칼 중앙연구소) ,  한주희 (한화케미칼 중앙연구소) ,  이동현 (성균관대학교 화학공학과)

초록
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본 연구에서는 내경 0.3 m, 높이 2.4 m인 기-고 유동층 반응기 내에서 수직 방향의 내부 구조물과 shroud 노즐 분산판이 기포 흐름에 미치는 영향을 CPFD (Computational Particle-Fluid Dynamics)를 이용하여 모델링을 수행하였다. 층 물질로는 Metal-grade 실리콘 입자(MG-Si)가 사용되었으며 $d_p=149{\mu}m$, ${\rho}_p=2,325kg/m^3$, $U_{mf}=0.02m/s$이다. 전체 층물질의 양은 75 kg이며 정적층(static bed) 높이는 0.8 m이다. 수직 내부 구조물이 기포 상승속도에 미치는 영향을 파악하였다. 내부 구조물이 분산판으로부터 0.45 m 높이에 설치되었을 때 기포의 분쇄가 일어났다. 유동층의 압력강하 및 수직 고체체류량 분포는 내부 구조물의 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타났다. 하지만 내부 구조물이 제트에 너무 가까운 경우 기포가 분쇄되지 않고 내부 구조물을 우회하여 상승하였으며 내부 구조물이 없는 경우나 0.45 m 높이에 설치된 경우에 비해 더 빠른 속도로 상승하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The effect of internal and shroud nozzle distributor to bubbling fluidized beds which has the size of $0.3m-ID{\times}2.4m-high$ column was modeled by CPFD (Computational Particle-Fluid Dynamics). Metal-grade silicon particles (MG-Si) were used as bed materials which have $d_p=149{\m...

주제어

질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
CPFD의 활용 분야는? 따라서 CPFD는 기존의 Eulerian-Eulerian 방식을 기반으로 한 CFD의 약점을 개선하여 기체-고체 유동층 해석에 최적화된 해석 도구로 볼 수 있다. 따라서 최근에 들어 CPFD 를 이용한 유동층 해석을 수행하는 연구자가 늘고 있으며 석탄가스화, 바이오매스 분해, 화학순환연소(CLC: Chemical Looping Combustion) 등 유동층 반응기가 활용되는 분야 전반에 걸쳐 널리 활용되는 것으로 보고되고 있다[6].
CPFD의 장점은? MP-PIC 모델은 기체 흐름에 대해서는 Eulerian 방식, 입자 흐름에 대해서는 Lagrangian 방식을 적용하여 두흐름의 해석을결합시키는 Eulerian-Lagrangian 방식을채택하고있다. EulerianEulerian 방식을 이용하는 기존 전산유체역학(Computational Fluid Dynamics, CFD) 에 비하여 기체-고체 흐름의 계산이 안정적이다. 또한 computational particle이라는 개념을 적용하여 입자분포함수(particle distribution function)를 이용하여 입자의 움직임을 추적함으로써 기존 CFD에 비해 계산 시간이 빠르다. 따라서 CPFD는 기존의 Eulerian-Eulerian 방식을 기반으로 한 CFD의 약점을 개선하여 기체-고체 유동층 해석에 최적화된 해석 도구로 볼 수 있다.
CPFD는 무엇인가? CPFD (Computational Particle-Fluid Dynamics)는 MP-PIC (multiphase particle in cell) 모델[5]을 기반으로 하여 개발된 기체-고체 유동층에 특화된 구조해석 도구이며 대표적인 상용 프로그램으로 Barracuda®가 있다. MP-PIC 모델은 기체 흐름에 대해서는 Eulerian 방식, 입자 흐름에 대해서는 Lagrangian 방식을 적용하여 두흐름의 해석을결합시키는 Eulerian-Lagrangian 방식을채택하고있다.
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참고문헌 (26)

  1. Jiang, P., Bi, H. T., Jean, R. H. and Fan, L. S., "Baffle Effects on Performance of Catalytic Circulating Fluidized Bed Reactor," AIChE J., 37, 1392-1340(1991). 

  2. Zheng, C. G., Tung, Y. K., Xia, Y. S., Hun, B. and Kwauk, M., "Voidage Redistribution by Ring Internals in Fast Fluidization," Fluidization, 91, 168-177(1991). 

  3. Zheng, C. G., Tung, Y. K., Li, H. Z. and Kwauk, M., "Characteristics of Fast Fluidized Beds with Internals," Fluidization VII, 275-284(1992). 

  4. Zhu, J. X., Salah, M. and Zhou, Y. M., "Radial and Axial Voidage Distributions in Circulating Fluidized Bed with Rign-type Internals," J. Chem. Eng. Jpn., 30, 928-937(1997). 

  5. Snider, D. M., "An Incompressible Three-Dimensional Multiphase Particle-in-Cell Model for Dense Particle Flows," J. of Computational Physics, 170, 523-549(2001). 

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  7. Lim, J. H., Shin, J. H., Bae, K., Kim, J. H., Lee, D. H., Han, J. H. and Lee, D. H., "Hydrodynamic Characteristics of Bubbles in Bubbling Fluidized Bed with internals," Korean J. Chem. Eng., 32(9), 1938-1944(2015). 

  8. Lim, J. H., Lee, Y., Shin, J. H., Bae, K., Han, J. H. and Lee, D. H., "Hydrodynamic Characteristics of Gas-solid Fluidized Beds with Shroud Nozzle Distributors for Hydrochlorination of Metallurgical-grade Silicon," Powder Technology, 266, 312-320(2014). 

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  10. Ergun, S., "Fluid Flow Through Packed Columns," Chem. Eng. Prog. 48, 89-94(1952). 

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  14. Lim, J. H., Bae, K., Shin, J. H., Kim, J. H., Lee, D. H., Han, J. H. and Lee, D. H., "Effect of Particle-Particle Interaction on the Bed Pressure Drop and bubble Flow by Computational Particle- Fluid Dynamics Simulation of Bubbling Fluidized Beds with Shroud Nozzle," Powder Technology, 288, 315-323(2016). 

  15. Andrews, M. J. and O'Rourke, P. J., "The Multiphase Particle-incell (MP-PIC) Method for Dense Particulate Flows," Int. J. Multiphase Flow. 22, 379-402(1996). 

  16. O'Rourke, P. J., Zhao, P. and Snider, D., "A Model for Collisional Exchange in Gas/liquid/solid Fluidized Beds," Chem. Eng. Sci., 64, 1784-1799(2009). 

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  20. Karimipour, S. and Pugsley, T., "A Critical Evaluation of Literature Correlations for Predicting Bubble Size and Velocity in Gas-solid Fluidized Beds," Powder Technology, 205, 1-14(2011). 

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  22. Mori, S. and Wen, C. Y., "Estimation of Bubble Diameter in Gaseous Fludized Beds," AIChE J., 21, 109-115(1975). 

  23. Merry, J. M. D., "Penetration of Vertical Jets Into Fluidized Beds," AIChE J., 21, 507-510(1975). 

  24. Knowlton, T., Karri, R. and Cocco, R., "PSRI Fluidization Seminar and Workshop," Particulate Solid Research Inc.(2011). 

  25. Rudisuli, M., Schildhauer, T. J., Biollaz, S. M. A. and van Ommen, J. R., "Bubble Characterization in a Fluidized Bed with Vertical Tubes," Ind. Eng. Chem. Res., 51, 4748-4758(2012). 

  26. Jin, Y., Wei, F. and Wang, Y., "Effect of Internal Tube and Baffles," Handbook of Fluidization and Fluid-Particle Systems, Ed. By W. C. Yang, Marcel Dekker, New York(2003). 

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