[논문]점성유체 액/고 순환유동층에서 입자의 순환속도

홍성규; 장형륜; 임대호; 유동준; 강용

doi:10.9713/kcer.2016.54.5.706

점성유체 액/고 순환유동층에서 입자의 순환속도
Solid Circulation Rate in a Viscous Liquid-Solid Circulating Fluidized Bed 원문보기

Korean chemical engineering research = 화학공학, v.54 no.5, 2016년, pp.706 - 711

홍성규 (충남대학교 응용화학공학과) , 장형륜 (충남대학교 응용화학공학과) , 임대호 (충남대학교 응용화학공학과) , 유동준 (충남대학교 응용화학공학과) , 강용 (충남대학교 응용화학공학과)

초록
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점성유체 액체-고체 순환유동층에서 고체순환속도의 특성에 대해 고찰하였다. 주액체유속, 2차액체의 유속, 유동입자의 크기, 액체의 점도 그리고 입자의 재순환을 위한 장치에서 입자 저장층의 높이가 입자의 순환속도에 미치는 영향을 검토하였다. 입자의 순환속도는 주액체의 유속, 2차액체의 유속, 액체의 점도 그리고 입자저장층의 높이가 증가함에 따라 증가하였으나, 유동입자의 크기가 증가함에 따라서는 감소하였다. 순환유동층의 상승관에서 유동입자의 상승속도는 주액체유속과 2차액체의 유속비($U_{L1}/U_{L2}$)와 유동입자의 크기가 증가함에 따라 감소하였다. 상승관에서 입자의 미끄러짐속도 즉, 연속액상의 유속과 유동입자의 상승속도비($U_L/U_S$)는 연속 액상의 점도가 증가함에 따라 감소하였으나, 유동입자의 크기가 증가함에 따라 증가하였다. 본 연구에서 구한 고체 순환속도는 실험변수 및 무차원군의 함수들로 상관식을 얻을 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Characteristics of solid circulation rate in the liquid-solid circulating fluidized beds with viscous liquid medium were investigated. Effects of primary and secondary liquid velocities, particle size, liquid viscosity and height of solid particles piled up in the solid recycle device on the solid circulation rate were considered. The solid circulation rate increased with increasing primary and secondary liquid velocities, liquid viscosity and height of solid particles in the downcommer, but it decreased with increasing particle size. The particle rising velocity in the riser decreased with increasing the ratio of $U_{L1}/U_{L2}$ and particle size. The slip velocity of liquid and particle, $U_L/U_S$, decreased with increasing liquid viscosity but it increased with increasing particle size. The values of solid circulation rate were well correlated in terms of operating variables and dimensionless groups.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

분산상으로 존재하는 고체유동입자가 순환되는 속도에 대한 연구는 몇몇 연구자들에 의해 수행되었으나 대부분 장치의 개발과 실험적측정이 어려우므로 진행에 어려움을 겪고 있다[10-16]. 따라서 본 연구에서는 점성유체 액체-고체 순환유동층에서 입자의 순환속도에 대해 고찰하였다. 주액체와 2차액체의 유속, 입자의 크기, 하강관에서 입자가 쌓인 높이 그리고 연속액상의 점도가 고체유동입자의 순환속도에 미치는 영향을 검토하였다.
상승관에서 흐르는 두 상들 간의 접촉효과는 두 상들의 상대적인 상승속도의 차에 큰 영향을 받으므로, 본 연구에서는 연속 액상의 점도가 액체-고체상들의 상승속도 비인 U_L/U_S에 미치는 영향을 고찰하였다. 즉, Fig.

제안 방법

상승관에 유입되는 주액체는 상승관 밑 부분에 설치된 액체분산판을 통해 유입시켰으며 액체유량기로 유속을 측정하였다. 고체입자 하강관 하부에 설치한 입자의 순환장치에 2차액체를 분산판을 통해 유입하였으며, 이 유속을 조절하고 유량을 측정하였다. 상승관의 상부에 위치한 액체와 고체의 분리영역은 밀도에 의해 액체상과 고체입자가 분리되도록 하였으며 분리된 액체는 액체저장조로 보내지고 고체 유동입자는 중력에 의해 하강관으로 내려가 입자저장조에 쌓여서 저장입자층을 형성하도록 하였다.
2m의 간격으로 4개의 지점에 압력탭과 압력변환기를 설치하여 압력강하를 측정하였다. 고체입자순환속도는 일정한 운전조건의 정상상태에서 나비모양 발브(Butterfly Valve)를 사용하여 하강관에 쌓인 입자의 양을 측정하여 얻었으며, 실험오차를 줄이기위하여 같은 조건에서 3~4회 실시하여 평균값으로 결정하였다[17-20]. 연속액상인 액체의 점도를 변환시키기 위하여 CMC (Carboxymethyl Cellulose)수용액을 사용하였는데 Brookfield LVDVII Viscometer로 측정된 겉보기 점도(Apparent Viscosity) 범위는 1.
순환유동층은 상승관, 액체-고체 분리영역 그리고 고체입자 순환장치 등 3개의 부분으로 구성되었다[17-20]. 상승관에 유입되는 주액체는 상승관 밑 부분에 설치된 액체분산판을 통해 유입시켰으며 액체유량기로 유속을 측정하였다. 고체입자 하강관 하부에 설치한 입자의 순환장치에 2차액체를 분산판을 통해 유입하였으며, 이 유속을 조절하고 유량을 측정하였다.
상승관의 상부에 위치한 액체와 고체의 분리영역은 밀도에 의해 액체상과 고체입자가 분리되도록 하였으며 분리된 액체는 액체저장조로 보내지고 고체 유동입자는 중력에 의해 하강관으로 내려가 입자저장조에 쌓여서 저장입자층을 형성하도록 하였다. 상승관에서 압력강하를 측정하기 위하여 고체입자가 재순환되는 입구로부터 0.5m 윗부분에서부터 0.2m의 간격으로 4개의 지점에 압력탭과 압력변환기를 설치하여 압력강하를 측정하였다. 고체입자순환속도는 일정한 운전조건의 정상상태에서 나비모양 발브(Butterfly Valve)를 사용하여 하강관에 쌓인 입자의 양을 측정하여 얻었으며, 실험오차를 줄이기위하여 같은 조건에서 3~4회 실시하여 평균값으로 결정하였다[17-20].
고체입자 하강관 하부에 설치한 입자의 순환장치에 2차액체를 분산판을 통해 유입하였으며, 이 유속을 조절하고 유량을 측정하였다. 상승관의 상부에 위치한 액체와 고체의 분리영역은 밀도에 의해 액체상과 고체입자가 분리되도록 하였으며 분리된 액체는 액체저장조로 보내지고 고체 유동입자는 중력에 의해 하강관으로 내려가 입자저장조에 쌓여서 저장입자층을 형성하도록 하였다. 상승관에서 압력강하를 측정하기 위하여 고체입자가 재순환되는 입구로부터 0.
따라서 본 연구에서는 점성유체 액체-고체 순환유동층에서 입자의 순환속도에 대해 고찰하였다. 주액체와 2차액체의 유속, 입자의 크기, 하강관에서 입자가 쌓인 높이 그리고 연속액상의 점도가 고체유동입자의 순환속도에 미치는 영향을 검토하였다.

대상 데이터

고체유동입자는 직경이 0.5, 1.0, 2.0 그리고 3.0 × 10-3m이고 밀도가 2500Kg/m3 인 유리구슬을 사용하였다.
본 연구의 실험에 사용한 장치는 Fig. 1에서 보는 바와 같은 직경 0.102m이고 높이가 3.5m인 액체-고체 순환 유동층을 사용하였다. 순환유동층은 상승관, 액체-고체 분리영역 그리고 고체입자 순환장치 등 3개의 부분으로 구성되었다[17-20].
연속액상인 액체의 점도를 변환시키기 위하여 CMC (Carboxymethyl Cellulose)수용액을 사용하였는데 Brookfield LVDVII Viscometer로 측정된 겉보기 점도(Apparent Viscosity) 범위는 1.0~38.9 × 103Pa·s 이었다.

성능/효과

상승관에 직접 유입되는 주액체의 유속과 하강관에 유입되는 2차액체의 유속, 연속액상인 액체의 점도 그리고 하강관에 쌓이는 저장입자층의 높이가 증가함에 따라 고체입자들의 순환속도는 증가하였으나 유동입자의 크기가 증가함에 따라 고체입자의 순환속도는 감소하였다. 상승관에서 상승하는 유동입자의 속도는 주액체유속과 2차액체유속의 비와 유동입자의 크기가 증가함에 따라 감소하였다.
상승관에 직접 유입되는 주액체의 유속과 하강관에 유입되는 2차액체의 유속, 연속액상인 액체의 점도 그리고 하강관에 쌓이는 저장입자층의 높이가 증가함에 따라 고체입자들의 순환속도는 증가하였으나 유동입자의 크기가 증가함에 따라 고체입자의 순환속도는 감소하였다. 상승관에서 상승하는 유동입자의 속도는 주액체유속과 2차액체유속의 비와 유동입자의 크기가 증가함에 따라 감소하였다. 상승관에서 연속상인 액체의 유속과 분산상인 고체유동입자의 상승속도비는 연속상인 액체의 점도가 증가함에 따라 감소하였으나, 유동입자의 크기가 증가함에 따라 증가하였다.
상승관에서 상승하는 유동입자의 속도는 주액체유속과 2차액체유속의 비와 유동입자의 크기가 증가함에 따라 감소하였다. 상승관에서 연속상인 액체의 유속과 분산상인 고체유동입자의 상승속도비는 연속상인 액체의 점도가 증가함에 따라 감소하였으나, 유동입자의 크기가 증가함에 따라 증가하였다. 이와 같은 결과는 점성유체 액체-고체 유동층에서 액체의 유속이 증가하면 상승관에서 일어나는 난류현상의 강도가 감소하나 유동입자의 크기가 증가하면 난류현상의 강도가 증가하는 것을 설명해주는 중요한 단서가 된다고 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액체-고체 유동층에 대한 연구가 활발한 이유는?	액체-고체 유동층은 연속액상에서 입자들을 유동화하므로 입자의 동특성을 활용할 수 있어서 공정 내부에서 열전달이나 혼합효과가 뛰어나고 액체-고체의 물질전달도 우수할 뿐만 아니라 연속적으로 운전이 가능하므로 생산효율이나 공정의 수율을 극대화 할 수 있는 등 다양한 장점을 가지고 있으므로 이에 대한 많은 연구들이 꾸준히 진행되었다[1-4]. 액체-고체 유동층은 연속액상의 유속이 유동입자의 최소유동화속도(Umf)와 종말속도(terminal velocity)의 사이에서 운전해야 액체와 고체 유동입자들의 효과적인 접촉이 이루어지므로 액상의 유속에 의한 제한을 탈피하기 위한 연구들이 진행되고 있다.
	액체-고체 순환유동층의 가장 큰 특성인 고체유동입자의 순환에 대한 연구가 어려운 이유는?	액체-고체 순환유동층의 가장 큰 특성인 고체유동입자의 순환에 대한 정보는 그러나 현재 국내·외를 막론하고 매우 미흡한 실정이다. 분산상으로 존재하는 고체유동입자가 순환되는 속도에 대한 연구는 몇몇 연구자들에 의해 수행되었으나 대부분 장치의 개발과 실험적측정이 어려우므로 진행에 어려움을 겪고 있다[10-16]. 따라서 본 연구에서는 점성유체 액체-고체 순환유동층에서 입자의 순환속도에 대해 고찰하였다.
	액체-고체 순환유동층은 기존의 액체-고체 유동층에 비해 어떤 점이 좋은가?	액체-고체 유동층의 많은 장점들을 그대로 활용하면서도 공정의 운전범위를 효과적으로 넓히고 공정의 생산효율을 극대화시키기 위해 도입된 액체-고체 순환유동층에 대한 연구는 현 시점에서 이러한 의미에서 매우 긴요하다고 하겠다. 액체-고체 순환유동층에서는 유동입자가 연속적으로 순환되므로 기존의 액체-고체 유동층에 비하여 액체의 유속이 빨라 액체-고체가 접촉하면서 흐르는 과정에서 발생되는 난류현상이 증가하여 열전달 및 물질전달의 효과가 뛰어난 것으로 발표되고 있다[5-9].

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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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