47(6)-02(강 용).fm

Size: px

Start display at page:

Download "47(6)-02(강 용).fm"

창걸 류(유)
5 years ago
Views:

1 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 47, No. 6, December, 009, pp 가압삼상슬러리기포탑의설계및 Scale-up 을위한수력학적 Similarity 해석 서명재 임대호 진해룡 강용 정헌 * 이호태 * 충남대학교화학공학과 대전시유성구궁동 0 * 한국에너지기술연구원청정화석연료연구센터 대전시유성구장동 71- (009 년 8 월 13 일접수, 009 년 9 월 15 일채택 ) Analysis of Hydrodynamic Similarity of Pressurized Three-Phase Slurry Bubble Column for its Design and Scale-up Myung Jae Seo, Dae Ho Lim, Hae Ryong Jin, Yong Kang, Heon Jung* and Ho Tae Lee* Department of Chemical Engineering, Chungnam National University, 0 Gung-dong, Yuseong-gu, Daejeon , Korea *Synfuel Research Group, Korea Institute of Energy Research, 71- Jang-dong, Yuseong-gu, Daejeon , Korea (Received 13 August 009; accepted 15 September 009) 요 약 가압으로운전되는삼상슬러리기포탑에서기포체류량과압력강하를목적함수로하여기포탑의설계및 scale-up 을위한수력학적 similarity 를고찰하였다. 또한, 본연구에서선택한각실험변수가기포탑의직경변화에따라기포탑내기포체류량에미치는영향을분석하였다. 슬러리기포탑에서기체체류량및압력강하의결정에영향을미치는주요인자로써기체유속 (U G ), 연속슬러리상의점도 (μ SL, ) 및표면장력 (ρ SL ), 운전압력의변화에따라변화하는기체상의밀도 (ρ G ) 와슬러리밀도 (ρ SL ) 의차 (ρ SL -ρ G ), 기포탑내부에서단위길이당압력강하 (ΔP/L), 기포탑의직경 (D) 그리고기포탑에서다상흐름에작용하는중력의영향을고려하기위해중력가속도 (g) 등을선정하였다. 선정된 7 개의슬러리기포탑의수력학적특성에영향을미치는파라메타들과 3 개의기본차원들로부터차원해석에의해수력학적특성을지배하는 4 개의무차원군을도출하였다. 도출된무차원군인레이놀즈수, 프라우드수그리고웨버수등이기포탑에서기포체류량에미치는영향을검토하였다. 기포탑내부에서의압력강하와기체체류량등을무차원군의상관식으로부터효과적으로예측할수있었다. 본연구의결과는가압슬러리기포탑의설계및 scale-up 등에매우유용한정보를제공할수있을것으로사료된다. Abstract Hydrodynamic similarity was investigated in pressurized three-phase slurry bubble columns by selecting the bubble holdup and pressure drop as objective functions, for the ective design and scale-up of it. In addition, ects of operating variables on the bubble holdup with variation of column diameter were also analyzed. Gas velocity(u G ), viscosity(μ SL, ) and surface tension(ρ SL ) of slurry phase, density difference between the slurry and gas phases(ρ SL -ρ G ) depending on the operating pressure, pressure drop per unit length(δp/l), column diameter(d) and gravitational acceleration(g) were chosen as governing parameters in determining the bubble holdup and pressure drop in the column. From the dimensional analysis, four kinds of dimensionless groups were derived from the 7 parameters and 4 fundamental dimensions. Effects of dimensionless groups such as Reynolds, Froude and Weber numbers on the bubble holdup in the column were discussed. The pressure drop and bubble holdup could be predicted from the correlation of dimensionless groups ectively, which could be used as useful information for the design and scale-up of pressurized slurry bubble columns. Key words: Similarity, Three-Phase Slurry, Bubble Column, Scale-up 1. 서론 수송이편리한액체연료를합성가스나석탄등의고체로부터생산하기위해서는기체, 액체그리고고체입자들의접촉과반응이 To whom correspondence should be addressed. kangyong@cnu.ac.kr 이논문은 KAIST 김상돈교수님의정년을기념하여투고되었습니다. 매우중요한데삼상슬러리기포탑은이와같은반응에매우효과적인반응기로알려져있다. 특히, 가압의삼상슬러리기포탑반응기는 Fisher-Tropsch 반응과같은불균일촉매반응을매우효과적으로수행할수있기때문이다 [1-4]. 그러나, 가압의삼상슬러리기포탑반응기의설계나 scale-up 그리고최적조업조건설정이나결점진단등을위한공학적자료는국내 외를막론하고매우부족할뿐만아니라또각국에서에너지안보차원에서보안을유지하고있기때 70

2 가압삼상슬러리기포탑의설계및 Scale-up 을위한수력학적 Similarity 해석 71 문에기술도입도매우어려운실정이다. 이와같은가압의삼상슬러리기포탑반응기에서는기체, 액체및고체입자들의접촉과흐름에의해반응이일어나는동력학적계를이루므로반응기내에서의열전달및물질전달이나각상의접촉과혼합등이매우불규칙적이며비선형적이므로이들반응기의설계나 scale-up을위한주요파라메타값들에대한예측은매우어려운실정이다 [5-8]. 불균일상반응기내부에서의전달현상과흐름현상들은슬러리기포탑반응기의직경변화에따라서도매우다양한형태로바뀌는데이는슬러리기포탑반응기에서불균일상으로존재하는기포의특성이변화하기때문으로해석되고있다 [9-11]. 대부분의다상반응기의경우실험실적규모의장치나공정을산업적으로활용하고공업화하기위해서는그규모를크게하여야하는데, 반응기의규모를크게할때에반응기의직경은반응기자체의특성결정에매우중요한설계요소로알려져있는데, 이는반응기의직경변화에따라다상의접촉이일어나는반응기내에서의수력학적흐름과접촉현상그리고열및물질전달특성들이매우변화하기때문이다 [3,4,1]. 기포탑의직경변화가수력학적특성에미치는영향에대한연구로는기포탑의직경변화가액체의재순환속도에미치는영향등이검토되고있으며, 기포탑에서반경방향에대한기체체류량변화와축방향의액체속도분포를예측할수있는상관식들이제시되고있다 [1,]. 가압의상태로운전되는삼상슬러리기포탑반응기의설계및 scale-up 등을위해서는반응기의 scale이변화함에따라반응기내부에서진행되는반응특성과반응물질그리고생성물질들의거동에대한고찰이매우중요한정보를제공할수있다. 특히, 합성가스등기체의원료로부터액체생성물을생산하는합성석유생산공정과같은경우에는기체-기체반응에서고체입자의촉매가사용되므로이들각상들의흐름거동과상과상들간의접촉거동들은반응의전환율과수율그리고생성물의선택도등의결정에매우중요한요소가된다 [3,4,13,14]. 이와같은다상들간의접촉과흐름거동을동반하는삼상슬러리반응기는동력학적계를이루므로반응기의산업적활용을위해 scale을증대시킬경우반응기의 scale의변화는이들각상들의흐름거동과접촉강도및흐름영역 (flow regime) 등의수력학적인변화를가져오게된다. 따라서반응기의 scale의변화에따라반응전환율등반응특성을그대로유지하기위해서는반응기 scale의변화를단순한산술적인변화만을고려하여서는안되며반응기전체의수력학적특성의변화를고려하여야한다. 즉, 반응기의 scale의변화에따른반응 system의수력학적 similarity를고찰함으로써반응기의 scale의변화에도불구하고목적하는반응의전환율을유지할수있도록 system을설계하고반응조건을설정할수있다. 그러나, 삼상슬러리기포탑반응기의 scale-up에대한연구는국내 외적으로매우미흡하여기포탑반응기의공업화에큰걸림돌이되어왔다. 따라서, 본연구에서는가압삼상슬러리기포탑반응기의설계및 scale-up에필요한주요정보를제공하고자삼상슬러리기포탑반응기에서수력학적현상의 similarity 를고찰하였다.. 실험본연구에서사용한가압슬러리기포탑 (pressurized slurry bubble column) 은 Fig. 1에서보는바와같이직경이 0.051, 0.10 그리고 Fig. 1. Experimental apparatus 1. Main column 9. Needle valve. Gas distributor 10. Globe valve 3. Pressure prove 11. Liquid flowmeter 4. Sampling tap 1. Gas flowmeter 5. Pressure sensor 13. Slurry pump 6. A/D converter 14. Slurry reservoir 7. Computer 15. N distributor 8. Compressor 16. N bomb 0.15 m이고높이가 1.5 m인 stainless steel로제작된스텐리스관을사용하였다 [1-14]. 실험이진행되는동안기포탑내부에서주어진운전조건에맞는압력을일정하게유지하기위하여가압기포탑에압력조절장치를부착하였으며기포탑계를 sealing을하였다. 본연구의실험변수로는운전압력, 기체유속, 액상의점도그리고슬러리농도및기포탑관의직경을선정하였다. 기포탑에서연속상인액상으로는물과 CMC(Carboxy Methyl Cellulose) 수용액을, 기체로는 filtering이된압축공기를사용하였다. 기포탑계내에서기체유속의범위는 0.0~0.16 m/s, 시스템압력의범위는 0.1~1.0 MPa, 액상의점도는 1.0~38 mpas 범위에서, 그리고슬러리농도는밀도가,500 kg/ m 3 이고입도가 0.4~0.7 μm인 glass bead를 0~0 wt% 의범위에서변화시키면서실험을수행하였다. 기체를균일한압력으로유지하고일정한유속으로기포탑내부에주입하기위하여공기여과기 (filter) 가부착된공기압축기를사용하였으며, 유입되는기체의양을조절하기위하여공기유량기 (rotameter) 를설치하였으며니들밸브로그양을조절하였다. 액체는 1톤유량의액체탱크에서 3마력의공업용펌프를사용하여밸브와액체유량기 (flowmeter) 를통해기포탑의관에공급하였다. 본연구에서사용한액상의물성은 Table 1에나타내었다. 가압기포탑내부의압력을측정하기위해기포탑의벽면에압력센서를설치하여일정운전조건에서가압삼상슬러리기포탑이정상상태에서도달하였을때압력강하및압력차요동을측정하였다. 이들압력변환기로측정된기포탑내부의압력차로부터 DT-VEE 프로그램상에서실시간 (real-time) on-line으로기체와액체의체류량 이구하여지도록하였으며압력변환기로부터측정된 pressure-time 신호자료들은증폭기 (amplifier) 와 low-pass filter를거친후, A/D 변 Korean Chem. Eng. Res., Vol. 47, No. 6, December, 009

7 서명재 임대호 진해룡 강용 정헌 이호태 Table 1. Physical properties of continuous liquid medium Liquid Medium Apparent Viscosity μ SL, 10 3 (Pa.s) Surface Tension σ SL 10 3 (N/m) Density ρ SL (kg/m 3 ) Water 0.96 7.

1001 Aqueous Solution of CMC(0. wt%) 4.0 73.

3 7 서명재 임대호 진해룡 강용 정헌 이호태 Table 1. Physical properties of continuous liquid medium Liquid Medium Apparent Viscosity μ SL, 10 3 (Pa.s) Surface Tension σ SL 10 3 (N/m) Density ρ SL (kg/m 3 ) Water Aqueous Solution of CMC(0.1 wt%) Aqueous Solution of CMC(0. wt%) Aqueous Solution of CMC(0.3 wt%) n-1 1) μ SL, =Kγ SL, (16,17), γ SL,n-1 =,800 ε U G U G L ---- [17] ε L 환기를이용하여아날로그신호를디지털신호로변환시켰으며이들의자료를데이터획득장치 (data acquisition system, DT-805 Lab- Board, DT-VEE software) 를사용하여 PC에저장하였다 [1-14]. 또한, 기포탑에서기포의흐름에의한기포의특성을측정하고자 resistivity probe를기포탑의중앙에위치하도록설치하여기포탑내부에서슬러리를통과하며상승하는기포의크기와빈도수, 상승속도및기포체류량을측정하였다. 이렇게측정된신호는 DT-VEE 프로그램상에서 on-line으로나타나게하였으며자료의재현성을고찰하기위하여 ~4회반복측정하였다. 3. 결과및고찰 삼상슬러리기포탑에서수력학적특성을결정하는주요인자중의하나는슬러리기포탑내부에분산상으로존재하는기포의흐름특성이라할수있다. 따라서, 기포의 bubbling 현상의 similarity 해석을위하여각실험조건에서기포의체류량을측정하였다. 삼상슬러리기포탑에서기체의유속과기포탑의직경이기포의체류량 (ε G ) 에미치는영향을 Fig. 에나타내었다. Fig. 에서볼수있듯이기포탑내부에기포의체류량은기체유속이증가함에따라증가하였으나기포탑의직경이증가함에따라감소하는것을알수있다. 이는가압슬러리기포탑에서기포탑의직경이증가함에따라같은운전조건에서슬러리의체류량이증가하기때문에상대적으로기포의체류량은감소한다고설명할수있다 [3,4,1]. 또한, 기체유속의증가에따라기포체류량이증가하는경향은기포탑의직경이증가함에따라감소하였다. Fig.. Effects of U G & D on ε G Fig. 3. Effects of P & D on ε G 삼상슬러리기포탑에서운전압력과기포탑직경이기포의체류량에미치는영향을 Fig. 3에나타내었다. Fig. 3에서기포탑내에기포의체류량은운전압력이증가함에따라증가하였으며이와같은현상은기포탑의직경이증가함에따라점점감소하였다. 가압슬러리기포탑에서운전압력의증가는기포의크기를작게하여기포의상승속도를작게하여주므로일정유속조건에서기포탑에유입된기체는크기가작은기포로존재하므로그빈도수는매우증가하게된다. 기포탑에서기포의상승속도는기포에작용하는부력의크기가큰영향을미치는데기포의크기가작은경우에는자연히기포의상승속도가감소하게되어기포들이기포탑내부에서머무는체류시간 (residence time) 이증가하게되므로기포탑내부에기포의체류량이증가한다고할수있다. 가압기포탑에서운전압력이증가하면기포의크기가작아짐과동시에작은기포들의크기의차가크지않으므로이들기포들이기포탑에머무는체류시간도크게다르지않으므로기포탑내부에서기포의체류시간분포와기포크기의확률밀도함수등은매우좁고뾰족한모양을나타내는것으로보고되고있다 [14,15]. 또한 Fig. 3에서기포탑의운전압력이증가함에따라기체체류량이증가하는경향은기포탑의직경이증가함에따라점점감소하는것으로나타나는데, 이는기포탑의직경이증가함에따라일정유속의운전조건에서기포탑에유입되는기체의양이점점증가하므로기포탑내부에존재하는기포의개수즉, 빈도수가같은유속조건의직경이작은기포탑의경우보다많이증가하게되나, 이들기포들이움직일수있는기포탑내부의공간이점점증가하여져서이들기포들끼리서로접촉하여합체 화학공학제 47 권제 6 호 009 년 1 월

4 가압 삼상슬러리 기포탑의 설계 및 Scale-up을 위한 수력학적 Similarity 해석 73 Fig. 4. Effects of μsl & D on εg Fig. 5. Effects of SC & D on εg (coalescence)할 수 있는 확률이 증가하지 않을 뿐만 아니라 슬러리 상과의 빈번한 접촉과 마찰에 의해 기포의 크기는 오히려 작아지지 만[1,13], 기포탑 직경의 증가에 따라 넓어진 공간에 머무는 슬러 리 상의 체류량이 상대적으로 증가하기 때문에 운전압력의 증가에 따른 기체 체류량의 증가 경향은 기포탑의 직경이 증가함에 따라 점점 감소된다고 할 수 있다. 가압 삼상 슬러리 기포탑 반응기의 수력학적 similarity를 검토하 기 위하여 수력학적 계의 parameter를 7개 선정하였다. 수력학적 주 요 parameter로는 삼상 슬러리 기포탑 반응기에서 분산상으로 존재 하는 기포의 특성과 체류량 그리고 반응기 내부에서 생성되는 난류 현상(turbulence)에 직접적인 영향을 미치는 것으로 보고되고 있는, 삼상 슬러리 기포탑에서 연속액상의 점도와 기포탑의 직경이 기 포의 체류량에 미치는 영향을 Fig. 4에 나타내었다. Fig. 4에서 볼 수 있듯이 기포탑 내부의 기포 체류량은 연속액상의 점도가 증가함 에 따라 감소하였으며 이와같은 연속액상의 점도가 기포체류량에 미치는 영향은 기포탑의 직경이 증가함에 따라 점점 감소하였다. 가압 슬러리 기포탑에서 연속 슬러리 상의 점도가 증가함에 따라 기포의 체류량이 감소하는 것은 연속액상의 점도가 증가함에 따라 기포탑 내부에서 상승하는 기포의 크기가 증가하게되는데[4,1-15], 기포의 크기가 증가하면 기포에 작용하는 부력(buoyance force)도 증가하게 되어 기포의 상승속도가 증가하여 기포의 기포탑 내부에 서의 체류시간이 감소하게 되므로 기포의 체류량이 감소한다고 할 수 있다. 한편, 기포탑의 직경이 증가하면 기포탑 내부에 존재하는 기포들의 흐름거동 영역이 넓어지게 되어 기포와 기포간의 접촉에 의한 합체현상이 감소하게 되므로 기포의 크기는 작아지게 된다. 이 와같은 현상은 기포탑 내부에 기포 체류량을 증가시키는 효과가 있 지만, 이와동시에 기포탑의 직경 증가에 따라 기포탑 내부에 액체 의 체류량이 증가하게 되므로 기포 체류량 증가를 막아주는 효과가 있다. 이들 두 가지의 효과가 기포탑 내부에 기포 체류량의 변화에 영향을 미치기 때문에 기포탑의 직경이 증가함에 따라 연속액상의 점도가 기포 체류량에 미치는 영향은 약간 감소하는 것으로 해석할 수 있다. 삼상슬러리 기포탑에서 슬러리 상에 포함된 고체의 분율과 기포 탑의 직경이 기포의 체류량에 미치는 영향을 Fig. 5에 나타내었다. Fig. 5에서 볼 수 있듯이 기포탑 내부에 기포의 체류량은 슬러리 상에 포 함된 고체입자의 분율이 증가함에 따라 기포의 체류량은 감소하였 으며 이와같은 경향은 기포탑의 직경이 증가함에 따라 감소하는 경 향을 나타내었다. 기체유속(UG)과, 기포탑 반응기 내부에서 연속상을 이루는 액체상 의 흐름거동과 기포-액체상의 접촉 흐름에 영향을 미치는 액상의 점 도(μSL,)와 슬러리 기포탑 내부에서 기포의 생성 및 합체와 분해 등에 영향을 미치는 액체상의 표면장력(σSL), 슬러리 기포탑이 가압 상태로 운전되므로 가압상태로 운전되는 삼상 슬러리 기포탑의 운 전압력변화에 따른 액체상의 밀도와 기체상의 밀도 차(ρSL-ρG), 기 포와 액체 그리고 슬러리 상의 흐름과 접촉거동에 의한 기포탑 내 부에서의 압력강하(ΔP/L), 기포탑반응기의 직경(D), 그리고 기포탑 반응기가 수직형태이므로 슬러리 기포타 반응기 내부에서 흐름거동을 하는 기체나 슬러리 상은 중력의 영향을 받으므로 중력가속도(g) 등을 선택하였다. 본 연구의 실험에서 고려된 주요변수인 이들 parameter 로부터 차원해석(dimensional analysis)에 의해 식 (1)과 같은 4개의 무차원 군을 얻었다. 즉, 본 연구에서 고려된 파라메터의 수는 7개 이고 이들 파라메터들의 기본 차원은 3개이므로 차원해석에 의해 본 연구에서 사용한 실험 시스템을 지배하는 무차원 군을 4개 얻을 수 있었다. DUG ( ρsl ρg ) UG UG μsl, ( ΔP L )D, F , , = 0 UG μsl, gd σsl μsl, (1) 식 (1)에서 두 번째 무차원 군은 레이놀즈 수(Reynolds number) 이고 세 번째 무차원 군은 프라우드 수(Froude number)인데, 두 번 째 무차원 군과 네 번째 무차원 군을 곱하여 식 ()와 같은 새로운 무차원 군인 웨버 수(Weber number)를 얻을 수 있었다. DUG ( ρsl ρg ) DUG ( ρsl ρg ) UG μsl, = σsl μsl, σsl () 따라서, 식 (1)과 ()에서 가압슬러리 기포탑 내부에서의 압력강하 를 나타내는 항을 다른 항들의 함수로 나타내면 식 (3)를 얻을 수 있다. Korean Chem. Eng. Res., Vol. 47, No. 6, December, 009

5 74 서명재 임대호 진해룡 강용 정헌 이호태 Fig. 6. Effects of Re on ε G Fig. 7. Effects of Fr on ε G ( ΔP L)D k DU G( ρ SL ρ G ) a U G b DU G ( ρ SL ρ G ) = U G μ SL, μ SL, gd, σ SL c = kre a Fr b We c (3) (4) 본연구의실험결과식 (3) 에서각계수를다중선형방법 (multilinear regression method) 으로구한결과식 (4) 를얻었으며이식의상관계수는 0.99로실험결과와잘일치하였다. ( ΔP L)D = 0.80 Re 0.96 Fr 1.04 U G μ SL, We 0.05 (5) 본연구에서구한가압슬러리기포탑의수력학적유사성 (similarity) 을지배하는각각의무차원군들이기포탑의수력학적거동중가장중요한요소중의하나인기포체류량에미치는영향을검토하고자무차원군의하나인 Re 수가기포체류량에미치는영향을 Fig. 6에나타내었다. Fig. 6에서볼수있듯이본연구에서도출된무차원군인레이놀즈수의변화는기포탑내부의기포체류량에거의선형적인영향을나타냈으며기포탑의직경이 m에서 0.15 m로변화하여도레이놀즈수의영향은거의변화하지않는것을알수있다. Fig. 6에서본연구에서정의된레이놀즈수의증가에따라기포탑내부의기체체류량은점점증가하는것을알수있다. 가압슬러리기포탑에서도출된무차원군인프라우드수 (Fr) 가슬러리기포탑내부의기포체류량에미치는영향을 Fig. 7에나타내었다. Fig. 7에서볼수있듯이프라우드수 (Fr) 가증가함에따라기포탑내부의기체체류량은단조감소하는것을알수있다. Fig. 7 에서도기포탑의직경이 m에서 0.15 m로변화하여도프라우드수가기포탑내부의기포체류량에미치는영향은거의변화하지않는것을알수있다. 가압슬러리기포탑에서도출된무차원군인웨버수 (We) 가슬러리기포탑내부의기포체류량에미치는영향을 Fig. 8에나타내었다. Fig. 8에서볼수있듯이가압기포탑에서기포체류량은본연구에서도출된무차원군인웨버수 (We) 의증가에따라기포탑의 Fig. 8. Effects of We on ε G in three-phase slurry. 직경이 0.051에서 0.15 m로변함에도불구하고단조증가하는것을알수있다. 즉, 기포탑에서기포체류량은무차원군인웨버수 (We) 와밀접한연관성을가지고있음을알수있다. 가압슬러리기포탑에서기포체류량은기포탑에서의단위길이당압력강하 (ΔP/L) 를측정하여식 (6) 을사용하여구할수있었다. ΔP L= [ ρ SL ε G ( ρ SL ρ G )]g (6) 한편, 본연구의실험범위에서기포탑의단위길이당압력강하 (ΔP/ L) 의값을무차원군들의관계식인식 (3) 또는 (4) 를이용하여일정한운전조건에서구할수있으므로이렇게구한기포탑단위길이당압력강하의값을이용하여식 (5) 와 (6) 으로부터기포탑내부의기포체류량을계산할수있는데, 실험적으로측정한기포체 화학공학제 47 권제 6 호 009 년 1 월

6 가압삼상슬러리기포탑의설계및 Scale-up 을위한수력학적 Similarity 해석 75 ( ΔP L)D = 0.80 Re 0.96 Fr 1.04 U G μ SL, We 0.05 감 사 본연구는한국에너지기술연구원의지원 (A7-80) 으로이루어졌으며귀기관에감사드립니다. 사용부호 Fig. 9. Correlation of ε G in terms of dimensionless groups. 류량과상관식을이용한기포체류량을 Fig. 9에서비교하여나타내었다. Fig. 9에서볼수있듯이실험적으로측정한기포체류량과상관식으로부터계산된기포체류량은상관계수 0.97의범위로잘맞는것을알수있다. 특히, 본연구의실험범위인기포탑의직경이 m에서 0.15 m로변화함에따라서도상관식으로부터얻은기포체류량값은실제측정한값과큰차이를보이지않는것을알수있다. 따라서, 본연구의결과얻은수력학적유사성을나타내기위한무차원군들의상관식은기포탑의직경, 기체유속, 액체점도및표면장력, 운전압력그리고슬러리상에포함된고체입자의농도등이변화함에따라기포탑의기포체류량예측에매우유효하게사용할수있다고사료된다. 4. 결론본연구의결과다음과같은결론을얻을수있었다. (1) 가압삼상슬러리기포탑에서기포체류량은기체유속이증가함에따라증가하고기포탑의직경이증가함에따라감소하였으며, 기체유속증가에따라기포체류량이증가하는경향은기포탑의직경이증가함에따라감소하였다. () 기포탑에서운전압력이증가함에따라기포체류량은증가하였으며이와같은경향은기포탑의직경이증가함에따라감소하였다. (3) 기포탑에서연속액상의점도와슬러리상에포함된고체입자의함유율이증가함에따라기포체류량은감소하였으며, 이와같은경향은기포탑의직경이증가함에따라감소하였다. (4) 가압삼상슬러리기포탑의수력학적특성을제어하는주요무차원군 4개를차원해석에의해얻을수있었으며이들무차원군들은기포탑의기포체류량과압력강하등수력학적파라메타들과긴밀한상관성을나타내었다. (5) 본연구의결과다음과같은기포탑의직경이변화하여도적용할수있는수력학적 similarity를나타내는무차원군의상관식을얻을수있었다. a 1 : constant in Eqs. (3) & (4) a : constant in Eqs. (3) & (4) a 3 : constant in Eqs. (3) & (4) D : column diameter[m] Fr : Froude Number [-] gd d b : bubble size[cm] K : fluid consistency index[pa.s] k : constant in Eq. (3) L : length in the column[m] n : flow behavior index[-] P : pressure[n/m ] P : pressure drop[n/m ] Re : Reynolds Number[-] S C : solid content[wt%] U G : gas velocity[m/s] U L : liguid velocity[m/s] DU We : Weber Number G ( ρ SL ρ G ) [-] 그리이스문자 γ SL, : shear rate[1/s] ε G : bubble hold up[-] μ SL, : liquid viscosity[mpa.s] ρ G : gas density[kg/m 3 ] ρ SL : gas density[kg/m 3 ] : liquid surface tension[n/m] σ SL U G σ SL 참고문헌 1. Deckwer, W.-D., Bubble column reactors, John Wiley and Sons, New York(199).. Fan, L. S., Gas-liquid-solid fluidization engineering, Butterworth Publishers, Stoneham, Ma, USA(1989). 3. Krishna, R. and Sie, S. T., Design and Scale-up of the Fischer- Tropsch Bubble Column Slurry Reactor, Fuel Processing Techno., 64, (000). 4. Krishna, R., de Swart, J. W. A., Ellenberger, J., Martina, G. B. and Maretto, C., Gas Holdup in Slurry Bubble Columns : Effect of Column Diameter and Slurry Concentrations, AIChE J., 43, (1997). 5. Kang, Y., Park, S. H. and Kim, S. D., Wavelet Transform Analysis of Pressure Fluctuation Signals in a Pressurized Bubble Col- Korean Chem. Eng. Res., Vol. 47, No. 6, December, 009

7 76 서명재 임대호 진해룡 강용 정헌 이호태 umn, Chem. Eng. Sci., 56, (001). 6. Kang, Y., Cho, Y. J., Park, S. J., Fan, L. T. and Kim, S. D., Characterization of Pressure Signals in a Bubble Column by Wavelet Transform, J. Chem. Eng. Japan, 34, (001). 7. Kang, S. H., Son, S. M., Kang, Y., Bae, J. W. and Jun, K. W., Effect of Pressure Fluctuations on the Heat Transfer Characteristics in a Pressurized Slurry Bubble Column, KJChE, 5, (008). 8. Kang, Y., Cho, Y. J., Woo, K. J. and Kim, S. D., Dynamic Characteristics of Heat Transfer Coicient in Pressurized Bubble Columns with Viscous Liquid Medium, Chem. Eng. Processing, 41, (00). 9. Behkish, A., Lemoine, R., Sehabiague, L., Oukaci, R. and Morsi, B. I., Gas Holdup and Bubble Size Behavior in a Large-Scal Slurry Bubble Column Reactor Operating with on Organic Liquid Under Elevated Pressures and Temperatures, Chem. Eng. J., 18, 69-84(007). 10. Maretto, C. and Krishna, R., Modelling of a Bubble Column Slurry Reactor for Fischer-Tropsch Synthesis, Catal Today, 5, 79-89(1999). 11. Gandhi, B., Prakash, A. and Bergougnou, M. A., Hydrodynamic Behavior of Slurry Bubble Column at High Solids Concentrations, Powder Technol., 103, 80-94(1999). 1. Shin, I. S., Son, S. M., Kim, U. Y., Kang, Y., Kim, S. D. and Jung, H., Multiple Effects of Operating Variables on the Bubble Properties in Three-Phase Slurry Bubble Columns, Korean J. Chem. Eng., 6, (009). 13. Li, H. and Prakash, A., Influence of Slurry Concentrations on Bubble Population and Their Rise Velocities in a Three-Phase Slurry Bubble Column, Powder Technol., 113, (000). 14. Kang, Y., Cho, Y. J., Woo, K. J., Kim, K. I. and Kim, S. D., Bubble Properties and Pressure Fluctuations in Pressurized Bubble Columns, Chem. Eng. Sci., 55, (000). 15. Wilkinson, P. M. and van Dierendonck, L. L., Pressure and Gas Density Effects on Bubble Break-up and Gas Hold-up in Bubble Columns, Chem. Eng. Sci., 45, (1990). 16. Kawase, Y. and Moo-young, M., Influence of Non-newtonian Flow Behaviour on Mass Transfer Inbubble Columns with and Without Draft Tubes, Chem. Eng. Commun., 40, 67-83(1986). 17. Schumpe, A., Decker, W.-D. and Nigam, K. D. P., Gas-Liquid Mass Transfer in Three-Phase Fluidized Beds with Viscous Pseudplastic Liquids, Can. J. Chem. Eng., 67, 873(1989). 화학공학제 47 권제 6 호 009 년 1 월

42(2)-19.fm

42(2)-19.fm Korean Chem. Eng. Res., Vol. 42, No. 2, April, 2004, pp. 241-247 액체 - 고체순환유동층에서액상의반경방향혼합및액체 - 고체 Chaotic 흐름거동강석환 이찬기 송평섭 강용 김상돈 * 김승재 ** 충남대학교화학공학과 305-764 대전시유성구궁동 220 * 한국과학기술원생명화학공학과 305-701 대전시유성구구성동