[논문]혼화 및 유동특성에 미치는 라인믹서 내 혼합요소의 영향

유대겸; 이계복

doi:10.5762/kais.2018.19.10.437

초록
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본 연구에서는 라인믹서 내의 압력손실과 혼화성능에 대한 혼합요소의 영향을 해석하였다. 기체와 액체가 혼합된 고농도 오존수 장치는 단체급식시설의 살균 및 소독, 양식장의 수질관리 등 다양한 분야에서 사용되고 있다. 그러나 기존에 사용되는 장치는 가압방식을 사용하여 부피가 매우 크다. 최근에는 기후 변화로 강수량이 감소하여 지하수 및 지표수의 오염으로 음용수의 살균은 매우 중요하다. 따라서 기존의 장치와 대비하여 작은 공간을 사용하면서도 정수기능을 갖는 라인믹서형 기체-액체 혼합장치의 개발이 필요하다. 본 연구에서는 라인믹서 장치 내에 삽입한 혼합요소인 static mixer의 개수, 오리피스의 형태와 개수, 오리피스에 부착된 베인의 모양에 따른 유입유체의 혼화상태와 유동특성을 전산유체역학 모사를 통해 해석하고 혼화상태에 미치는 영향을 평가하였다. 곡면의 베인을 부착한 오리피스를 라인믹서에 사용한 경우 static mixer를 사용한 경우와 비교하여 비슷한 혼화정도를 나타내면서 압력손실양은 50% 이상 감소하는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study investigates the effect of the mixing elements on the pressure loss and mixing performance in line mixer. The high density ozone water devices mixed with gas and liquid are used in various fields such as sterilizing of group feeding facilities and water quality management at a fish farm. ...

This study investigates the effect of the mixing elements on the pressure loss and mixing performance in line mixer. The high density ozone water devices mixed with gas and liquid are used in various fields such as sterilizing of group feeding facilities and water quality management at a fish farm. Due to the decrease in rainfall due to climate change, pasteurization of drinking water from ground water and surface water is extremely important. Therefore, it is intended to develop a line-mixed gas liquid mixer with a small amount of space. In this study, the effects of the number of static mixers and the types and the number of the orifice used in line mixer on the volume fraction and the pressure loss were studied by CFD simulation. The pressure drops of line mixer with orifice which curved vanes were attached to were down to more than 50 percent of that of line mixer with static mixer whereas the mixing performance of the former was similar to that of the latter.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1. Schematic of gas-liquid mixer
그림 Fig. 2. Shape of static mixer and orifice
그림 Fig. 3. Mesh structure of mixer with static mixer and orifice
그림 Fig. 4. Grid dependency test on different mesh number
$Fig. 5. Volume fraction at the exit of gas-liquid mixer$ 그림 Fig. 5. Volume fraction at the exit of gas-liquid mixer
그림 Fig. 6. Streamline in the gas-liquid mixer
$Fig. 7. Volume fraction standard deviation at the exit and pressure loss in the gas-liquid mixer$ 그림 Fig. 7. Volume fraction standard deviation at the exit and pressure loss in the gas-liquid mixer
$Table 1. Standard deviation of volume fraction and pressure loss from inlet to exit$ 표 Table 1. Standard deviation of volume fraction and pressure loss from inlet to exit

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 현재 현장에서 사용하고 있는 static mixer는 압력손실이 크기 때문에 같은 혼화정도를 나타내면서 압력손실을 감소시킬 수 있는 혼합요소(mixing element)를 제안하기 위해 전산유체해석을 통해 라인믹서에 사용된 혼합요소인 오리피스의 형태와 개수, 오리피스에 부착된 베인의 모양에 따른 유입유체의 혼화상태와 압력손실을 포함한 유동특성을 해석하고 혼화상태에 미치는 혼합요소의 영향을 평가하였다.

가설 설정

오리피스를 사용한 경우는 관에 연결된 급 확대관 안에 오리피스 3개가 들어 있는 구조로 첫 번째 오리피스와 세번째 오리피스는 같은 구조이며 가운데 오리피스만 가운데 구멍이 뚫린 구조로 되어 있다. 모든 오리피스에서 유동면적은 확대관 이전 관의 유동면적과 동일하다. 부력의 영향으로 오존이 부상하는 것을 고려하여 오리피스의 구멍을 아래 부분에 집중시킨 구조와 압력손실을 줄이기 위해 오리피스의 개수를 줄이고 오리피스에 베인을 부착한 모델을 제안하여 혼화와 유동특성을 해석하였다.
본 수치해석에서 사용한 다상유동 모델은 Eulerian-Eulerian, inhomogeneous 모델이고[10-12], 분산상(dispersed phase)의 평균 직경은 0.1mm로 가정하였다. 온도는 등온조건이므로 에너지 방정식은 고려하지 않았고, 상변화 역시 없다고 가정하였다.
서로 다른 두 유체의 유동을 해석하기 위해 이상 유동을 모사하는 방법으로 두 상은 서로 다른 속도를 가지며 두 상의 미소길이의 공간상에는 서로 평형을 이룬다고 가정한다. 본 연구에서는 CFD 상용코드인 CFX 17.
1mm로 가정하였다. 온도는 등온조건이므로 에너지 방정식은 고려하지 않았고, 상변화 역시 없다고 가정하였다.

제안 방법

모든 오리피스에서 유동면적은 확대관 이전 관의 유동면적과 동일하다. 부력의 영향으로 오존이 부상하는 것을 고려하여 오리피스의 구멍을 아래 부분에 집중시킨 구조와 압력손실을 줄이기 위해 오리피스의 개수를 줄이고 오리피스에 베인을 부착한 모델을 제안하여 혼화와 유동특성을 해석하였다.
전산유체해석을 통해 라인믹서 내 혼합요소(static mixer, 오리피스와 베인)에 따른 유입된 기체와 액체의 혼화상태와 유동특성을 해석하고 혼화상태에 미치는 영향을 평가하여 다음의 결론을 얻었다.
2는 혼화를 위해 사용된 혼합요소인 static mixer와 오리피스의 형상을 나타낸다. 현장에서 많이 사용되는 element수가 4개인 static mixer를 대조군(기본 경우)으로 선정하고 element의 개수를 늘인 경우(6개)와 압력손실을 줄이기 위해 오리피스의 형태와 오리피스의 개수를 변경시키고 오리피스에 베인을 부착한 경우와 혼화정도와 압력손실을 수치해석을 통해 비교하였다. 오리피스를 사용한 경우는 관에 연결된 급 확대관 안에 오리피스 3개가 들어 있는 구조로 첫 번째 오리피스와 세번째 오리피스는 같은 구조이며 가운데 오리피스만 가운데 구멍이 뚫린 구조로 되어 있다.
현재 현장에서 사용되고 있는 라인믹서 내에 설치한static mixer와 같은 혼화정도를 나타내면서 압력손실을 감소시킬 수 있는 혼합요소(mixing element)를 제안하기 위해 현장에서 많이 사용되는 element수가 4개인 static mixer를 대조군(기본 경우)으로 선정하고 element의 개수를 늘인 경우(6개)와 압력손실을 줄이기 위해 오리피스의 형태와 개수를 변경시키고 오리피스에 베인을 부착한 경우의 혼화상태와 유동특성을 해석하고 혼화상태에 미치는 영향을 평가하였다.

이론/모형

격자의 모양은 주로 육각격자(polygonal cell)의 격자구조를 가지고 있다. 격자는 곡관이 들어가 있는 곳의 격자를 우수하게 만드는 curvature 방법과 좁은 공간에서는 조밀하게 넣는 proximity 방법을 적용하여 구성하였다. 그리고 전체 모델의 Cell 크기를 조절하여 혼화실 내부의 한부분에서 격자크기가 커지는 것을 방지 하였다.
라인믹서 내 연속상(물)의 Reynolds 수는 16,000 정도로 난류모델은 연속상(continuous phase)의 경우 SST Model을 사용하였다.
서로 다른 두 유체의 유동을 해석하기 위해 이상 유동을 모사하는 방법으로 두 상은 서로 다른 속도를 가지며 두 상의 미소길이의 공간상에는 서로 평형을 이룬다고 가정한다. 본 연구에서는 CFD 상용코드인 CFX 17.2를,유동장의 격자 생성은 ANSYS Meshing을 사용하였다[9]. 3차원 비정상 유동에 대한 연속방정식, 운동방정식(Navier-Stokes equation) 들은 직교 좌표계(Cartesian coordinates, x, y, z)에서 다음과 같은 형태를 갖는다.
물 입구의 질량유량은 1ton/h이며, 오존 입구의 질량유량은 물의 질량유량의 1ppm을 적용하여 물과 오존의 질량유입량의 비를 1ppm의 비율로 맞추었다. 혼화기 내부의 벽의 경계조건은 비활조건(no-slip condition)을 적용하였다.

성능/효과

1. Static mixer를 사용한 경우 4개의 element를 사용한 경우 균일한 분포(표준편차 0.52)를 갖는 혼화 상태를 얻을 수 있었지만 6개를 사용한 경우에 혼화상태는 향상되지는 않았고 압력손실은 46% 증가하였다.
2. 오리피스를 사용한 경우 오리피스에서 멀어짐에 따라 밀도 차에 의한 부력으로 기체가 부상하므로 오리피스의 구멍을 하단부에 설치하는 것이 혼화에 유리하게 작용하는 것을 확인하였다.
3. 곡면의 베인을 부착한 오리피스를 사용한 경우가 static mixer를 사용한 경우와 비교해서 비슷한 혼화상태를 나타내면서 압력손실은 50% 넘게 감소하였다.
Static mixer를 사용한 경우는 출구에서 체적분률의 표준편차가 작으므로 오존분포가 균일하다고 예측할 수 있으나 입구와 출구사이의 압력손실이 사용하지 않은 경우에 비교해 6배 이상으로 커지는 것을 알 수 있다. 그러나 본 연구에서 제시한 곡면의 베인을 부착한 오리피스를 사용한 경우는 표준편차 크기로부터 현재 많이 사용되는 static mixer를 사용한 경우와 거의 비슷하게 오존이 균일한 분포를 보여주는 것을 알 수 있고 압력 손실양은 static mixer를 사용한 경우에 비해 50% 넘게 감소하는 것을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	가압용해 방식에서 고용량의 고농도 미세기포를 발생시키기 위해 필요한 것은?	그러나 기존의 사용되는 장치는 혼화 및 유동특성에 미치는 라인믹서 내 혼합요소의 영향 가압방식을 사용하여 부피가 매우 크다[3]. 가압용해 방식은 용해조를 통해 기체-액체 접촉을 늘리는 방식으로 고농도, 고용량의 미세기포 발생에 적합하여 산업현장에 많이 적용되고 있으나 고용량의 고농도 미세기포를 발생하기 위해서는 용해조가 반드시 필요하다. 미세기포 발생 용량이 늘어날수록 용해조의 크기도 커지게 되며, 설비 또한 복잡하다.
	라인믹서는 무엇인가?	라인믹서는 관로 내에 고정된 혼합 요소(mixing element)를 사용하여 혼합될 두 유체가 관로를 통과할 때 연속적으로 유동방향 전환의 과정을 반복하여 혼합시키는 장치이다. 라인 믹서는 1950년대부터 개발되기 시작하여 초기에는 수처리 공정에서 응집, 살균 등과 관련된 압력손실, 혼합율, 물질전달 등의 설계 변수의 측정과 상관관계식을 유도하는 연구가 수행되었다[4-8].
	라인믹서 출구에서 압력손실에 대한 예측을 위해 최근 많이 사용되고 있는 방법과 그 장점은?	혼화기 내부의 유동을 실험적인 방법으로 분석한다는 것은 시간적으로도 물질적으로도 소모가 많이 된다. 하지만 컴퓨터를 이용한 수치 해석적 방법을 이용하면 내부의 유동상태, 수두차이, 압력분포, 속도 벡터 등을 쉽게 계산이 가능하고 최근 많이 사용되고 있다.

참고문헌 (12)

L. Vrale, R. M. Jorden, "Rapid Mixing in Water Treatment", Journal of American Water Works Association, Vol. 63, No.1, pp.52-58, 1971. DOI: https://dx.doi.org/10.1002/j.1551-8833.1971.tb04027.x

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S. L. Dixon, Fluid Mechanics and Thermodynamics of Turbomachinery, Butterworth Heinemann, 1998.
H. C. Kim, S. Lee, "Pump diffusion flash mixing (PDFM) for improving coagulation process in drinking water treatment", Separation and Purification Technology, Vol.52, No.1, pp.117-125, 2006. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.seppur.2006.03.022

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M. Stec, P. M. Synowiec, "Numerical method effect on pressure drop estimation in the $Koflo^{(R)}$ static mixer", INZYNIERIA I APARATURA CHEMICZNA, Vol.54, No.2, pp.48-50, 2015.
O. S. Galaktionov, P. D. Anderson, G. W. M. Peters, H. E. H. Meijer, "Analysis and optimization of Kenics Static Mixers", International Polymer Processing, Vol.18, No.2, pp.138-150, 2003. DOI: https://dx.doi.org/10.3139/217.1732

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D. M. Hobbs, "Characterization of a Kenics Static Mixer Under Laminar Flow Condition", Ph.D Thesis, The State University of Newjersy, 1997.
C. Kim, N. Park, M. Y. Kim, "Numerical Investigation of the Flow and Mixing Characteristics with the Static Mixer in a Catalytic Combustor for the MCFC Power Plant System", Transactions of the KSME, B, Vol.33, No.3, pp.149-155, 2009. DOI: https://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2009.33.3.149

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D. S. Lee, H. G. Kim, M. Y. Ha, Y. H. Park, I. M. Pak, "Mixing Effect by the Geometry of Static Mixer with Turbulent In-Situ Mixing Process", Transactions of the Korean Society of Mechanical Engineers - B, Vol.29, No.12, pp.1307-1312, 2005. DOI: https://dx.doi.org/10.3795/KSME-B.2005.29.12.1307
ANSYS CFX-17.2, ANSYS Inc., 2016.
E. Lang, P. Drtina, F. Strieiff, M. Fleischli, "Numerical simulation of the fluid flow and the mixing process in a static mixer", International Journal of Heat and Mass Transfer, Vol.38, No.12, pp.2239-2250, 1995. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/0017-9310(94)00351-U

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Z. Shang, J. Lou, H. Li, "A novel Lagrangian algebraic slip mixture model for two-phase flow", Chemical Engineering Science, Vol.102, pp.315-323, 2013. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.ces.2013.08.017

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K. Gonda, K. Kadota, Y. Deki, Y. Tozuka, A. Shimosaka, Y. Shirakawa, J. Hidaka, "Fabrication of composite particles by liquid-liquid interfacial crystallization using an ultrasonic spray nozzle", Powder Technology, Vol.269, pp.401-408, 2015. DOI: https://dx.doi.org/10.1016/j.powtec.2014.09.042

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