, pp. 522-526 수직관에서중력에의한고체하강속도 류호정 *, 박재현 선도원 이승용 한국에너지기술연구원온실가스연구단 305-343 대전시유성구장동 71-2 (2011 년 11 월 23 일접수, 2011 년 12 월 30 일채택 ) Solid Descending Velocity by Gravity in a Vertical Downcomer Ho-Jung Ryu*,, Jaehyeon Park, Do-won Shun and Seung-Yong Lee Greenhouse Gas Department, Korea Institute of Energy Research, 71-2 Jang-dong, Yuseong-gu, Daejeon 305-343, Korea (Received 23 November 2011; accepted 30 December 2011) 요 약 수직고체하강관에서고체하강속도를측정할수있는편리한실험방법을제시하였으며 Geldart 분류 A, B, D 입자를사용하여수직관의직경및입자특성변화에따른고체하강속도를측정및고찰하였다. 초기입자장입량변화에따른고체하강속도의변화는크지않았으며고체하강관직경이증가함에따라고체흐름속도, 고체순환속도및고체하강속도가증가하는경향을나타내었다. 특히고체하강속도의경우모든입자에대해하강관의직경이증가함에따라직선적으로증가하는경향을나타내었으며, Geldart 분류 A 및 B 입자와 Geldart 분류 D 입자의결과가확실하게구별되는경향을나타내었다. 측정된고체하강속도를바탕으로 Geldart 분류 A 및 B 입자계와 D 입자계에대한고체하강속도상관식을제시하였으며측정값과유사한값을예측할수있었다. Abstract New experimental method to measure solid descending velocity in a vertical downcomer was presented and effects of downcomer diameter and particle properties on descending velocities for Geldart group A, B, and D particle have been measured and investigated. The effect of initial solid inventory on solid descending velocity was negligible. However, solid flow rate, solid circulation rate and solid descending velocity increased as the downcomer diameter increased. Moreover, solid descending velocity increased linearly as the downcomer diameter increased and showed distinguishable trend for Geldart group D particle from Geldart group A and B particles. Empirical correlations of solid descending velocity for Geldart group D and Geldart group A and B particles have been derived based on the measured values. The correlations could predict well the solid descending velocities. Key words: Downcomer, Solid Circulation, Solid Descending Velocity, Fluidized Bed 1. 서론 유동층반응기에서고체하강관 ( 수직관및경사관 ) 은호퍼 (hopper) 에서의고체배출, 사이클론에서포집된고체의재순환, 2탑유동층반응기에서의고체순환등을위해널리사용되고있다. 일반적으로고체하강관에서는원활한고체흐름을위해추가적인기체를주입하기도하지만기체주입에의한생성물의희석, 추가적인기체주입에필요한설비비의절감등을위해중력에의해고체를하강시키는경우도사용되고있다. 고체하강관에서고체하강속도 ( 고체순환속도 ) 에관한정보는고체하강관의적절한직경선정을위해매우중요한인자이다. 원하는고체순환속도를얻을수있는직경보다작은직경을선정할경우고체 To whom correspondence should be addressed. E-mail: hjryu@kier.re.kr 이논문은서울과학기술대학교손재익교수님의정년을기념하여투고되었습니다. 하강관에서고체순환속도가제한되며고체순환루프의한지점에서정체가일어나고체순환유지가어려워지게된다. 또한적정직경보다큰직경을선정할경우전체시스템의고체충진량 (solid inventory) 이과도하게증가하여초기고체필요량증가, 입자마모손실증가, 온도유지를위한에너지비용증가등에의해공정의경제성이저하되는단점이있다. 유동화기체가주입되지않는고체하강관에서고체순환속도에대한기존연구들은매우제한적인실정이다. Knowlton[1] 은 0.038 m 의직경을갖는호퍼하부에연결된수직관에서모래입자에대해관의길이변화에따른고체하강속도의변화를측정및고찰하였으며관의길이가증가함에따라고체하강속도가증가하고, 입자크기가큰입자들 (173, 523 µm) 의경우관의길이가증가함에따라고체하강속도가증가한후증가경향이둔화되는것으로보고하였다. 한편유동화기체가주입되는고체하강관의경우 Geldart 분류 A 입자계에대해서는수직고체하강관의직경변화에따른고체순환속도의변 522
수직관에서중력에의한고체하강속도 523 화범위에대해보고된바있으며 [2], Geldart 분류 B 입자에대해서는경사진고체하강관에대해직경변화에따른고체순환속도의변화범위에대해보고된바있다. 기존의연구결과를종합적으로고려하면, 유동화기체가주입되지않는 standpipe 또는 downcomer에서직경변화에따른고체순환속도변화에대한보고는제한적인실정이다. 또한고체하강관에서의고체하강속도의정확한측정을위해서는반복실험에의한확인이필요하며, 이를위해서는하부로이송된고체를고체하강관상부로다시이송시켜야하므로실험이어려운단점이있다. 따라서, 관심의대상이되는입자에대해수직관에서고체하강속도를측정할수있는편리한실험방법의제시와함께수직관의직경및입자특성변화에따른고체하강속도를측정하여적절한직경을선정할수있는방법의제시가필요하다. 본연구에서는수직고체하강관에서고체하강속도를측정할수있는편리한실험방법을제시하였으며 Geldart 분류 A, B, D 입자에대한하강속도를측정및고찰하였고, 이를바탕으로고체하강속도에대한상관식을제시하였다. 2. 실험 Fig. 1. Geldart s classification of five particles (adapted from Geldart [6]). 2-1. 입자본연구에서는 Geldart 분류 A, B, D 입자계를모두실험해보기위해 CO 2 흡수제 (CO 2 absorbent, KX35T5)[3], 유리구슬 (glass bead), 모래, 산소공여입자 (oxygen carrier, Co x O y /CoAl 2 O 4 )[4,5], Polypropylene 등다섯종류의입자를사용하였다. Table 1에는각입자의평균입경, 벌크밀도및겉보기밀도를나타내었으며 Fig. 1에는본연구에사용된입자들의 Geldart 분류 [6] 를나타내었다. 그림에나타난바와같이 CO 2 흡수제의경우 Geldart 분류 A 입자계에속하는것으로나타났으며, 유리구슬의경우 A 입자계와 B 입자계의경계에속하고, 모래입자와산소공여입자의경우 B 입자계, polypropylene의경우 D 입자계에속하는것으로나타났다. Polypropylene 입자의경우실린더모양을갖고있으며양쪽의직경이다르다. Fig. 1에서 polypropylene 입자를도시하기위한입자크기는상당직경 (equivalent diameter) 을계산하여나타내었다. 2-2. 실험장치 Fig. 2와 3에는고체하강속도측정에사용된실험장치의사진과내부장치의상세도면을나타내었다. 그림과같이실험장치는모래시계형태로아크릴을이용하여제작되었으며모래시계모양의중앙에내경을알고있는수직관을두고, 원뿔기둥모양의고체장입부가양쪽에설치된형태로제작하였다. 양측의고체장입부는동일하게사용하되, 가운데의수직관부분을교체하여사용할수있도록하였으며수직관의내경을 0.0127, 0.0254, 0.0508, 0.0762, 0.1016 m (0.5, 1, 2, 3, 4 inch) 로변경할수있도록제작하였다. 원뿔기둥모양의고체장입부에서수직관으로연결되는부분의각도는 15 o 로동일하게 Fig. 2. Photos of experimental apparatus. 제작하였으며수직관의길이는모두 0.3 m가되도록제작하였다. 장치의중앙부에는모래시계양측의고체장입부플랜지를지지하기위한서포트 (support) 가설치되었으며, 서포트에축을설치하여회전할수있도록하였고, 180 o 씩회전한후정지할수있도록 stopper를설치하였다. 또한실험장치가회전한후수직으로정지되어있는지를확인하기위해서포트에수평수직계를설치하여각도를확인하였다. Table 1. Physical properties of five particles Particles Size or dimension [µm] Bulk density [kg/m 3 ] Apparent density [kg/m 3 ] CO 2 absorbent (KX35T5) 88.2 1002 1251 Glass bead 84.5 1456 2427 Sand 159 1224 2575 Oxygen carrier (Co x O y /CoAl 2 O 4 ) 159 1026 3970 Polypropylene D 1 910, D 2 1140, H 1520 514 883
524 류호정 박재현 선도원 이승용 Fig. 3. Detail dimension of experimental appatus. 이와같이모래시계형태의실험장치를사용함으로써반복실험을용이하게진행할수있었다. 2-3. 실험및해석방법각실험조건에서먼저고체입자의무게를측정한후, 모래시계형태의고체장입부한쪽에고체입자를충진하였다. 고체입자가충진된고체장입부를모래시계의하부에장착하고, 상부에는비어있는고체장입부를장착한후실험장치중앙에설치된손잡이를 180 o 회전시켜하부의입자를상부로이동시켰다. 상부로이동한고체장입부내부의입자가수직관을통과하여하부의고체장입부로모두이동하여비워지는시간을측정하는방법 (emptying time method) 을사용하였으며각실험조건에서 10회반복실험후평균값을계산하였다. 주어진입자무게와고체가비워지는시간 (t) 을이용하여고체흐름속도 (solid flow rate, W s ) 를다음식 (1) 과같이계산하였으며, 각고체하강관의단면적을적용하여식 (2) 와같이고체순환속도 (solid circulation rate, G s ) 를계산하였고, 고체하강관의단면적과벌크밀도를적용하여식 (3) 과같이고체하강속도 (solid descending velocity, V s ) 를각각계산하였다 [7]. initial solid inventoru W W s = = ------ 0 [kg/s] emptying time t (1) W G [kg/m 2 s = ------ s s] A (2) V s W s ρ b = ------------ [m/s] (3) A 3. 결과및고찰 3-1. 초기입자무게의영향본실험에서사용한다섯가지입자들중유리구슬의경우충분한양을보유하고있었으나다른입자들의경우고체장입부의일부분만을채울수있는양을확보하고있는경우가있었다. 따라서본연구에서는고체장입부에채워지는입자량 ( 무게 ) 의변화에따른고체하강속도의변화를측정하였으며, 이를통해초기입자무게의영향을먼저고찰하였다. Fig. 4에는고체입자로유리구슬을사용했을때, 모래시계형태의고체장입부에채워지는초기입자무게의변화에따른고체하강속도 Fig. 4. Effect of initial solid inventory on solid descending velocity. 의변화를나타내었다. 그림에나타난바와같이고체하강관의직경이 0.0127, 0.0254, 0.0508 m일때모두에대해초기입자무게변화 (1.1~23 kg) 에따른고체하강속도의변화는크게나타나지않았으며이를통해각입자에대해보유하고있는입자량을이용하여실험한결과가각입자의특성을대표할수있음을확인하였다. 향후실험에서 CO 2 흡수제, 유리구슬, 모래, 산소공여입자, polypropylene 입자의실험결과는각입자의초기충전량이 16, 23, 19.4, 9.92, 7.75 kg 인경우의실험결과를나타낸다. 3-2. 고체하강관직경의영향 Fig. 5에는고체하강관직경의변화에따른다섯종류입자의고체흐름속도, 고체순환속도및고체하강속도의변화를비교하여나타내었다. Fig. 5(a) 에나타난바와같이고체흐름속도 (solid flow rate, kg/s) 는하강관의직경이증가함에따라급격히증가하는경향을나타내었다. 한편 Fig. 5(b) 에나타난바와같이고체하강관직경의영향이함께고려된고체순환속도 (solid circulation rate, kg/m 2 s) 로나타낸경우고체하강관의직경이증가함에따라직선적으로증가하는경향을나타내었다. 또한 Fig. 5(c) 에나타난바와같이고체하강관의직경과고체입자의벌크밀도가함께고려된고체하강속도 (solid descending velocity, m/s) 로나타낸경우모든입자에대해하강관의직경이증가함에따라고체하강속도가직선적으로증가하는경향을나타내었으며, Geldart 분류 A 및 B 입자계에속하는 CO 2 흡수제, 유리구슬, 모래및산소공여입자와, Geldart 분류 D 입자계에속하는 polypropylene 입자의경우가확실하게구별되는경향을나타내었다. 결과적으로고체하강관직경의영향과입자특성의영향을함께고려하기위해서는고체흐름속도, 고체순환속도, 고체하강속도중에서하강관직경의영향및입자벌크밀도가함께고려된특성값인고체하강속도를고려하는것이적합한것으로사료되었다. 한편 Fig. 5에서 Geldart 분류 D 입자계에속하는 polypropylene 입자의경우, 하강관의직경이 0.0127 m (0.5 inch) 인경우연속적인고체하강이일어나지않았으며측정값의편차가크게나타나결과에표시하지않았다. Fig. 5에나타난바와같이 Geldart 분류 A 및 B 입자계의경우입자의종류와관계없이거의유사한고체하강속도값을나타내었으며 Geldart 분류 D 입자계의경우 A 및 B 입자계와는다른값을나
수직관에서중력에의한고체하강속도 525 For Geldart group A and B particles: V s =0.02896+2.091 D t (r 2 =0.918) (4) For Geldart group D particle: V s =0.2195+1.485 D t (r 2 =0.998) (5) 4. 결론 유동층공정에서사용되는고체하강관의적절한직경선정을위해수직관에서고체하강속도를측정할수있는편리한실험방법을제시하였고 Geldart 분류 A, B, D 입자를사용하여수직관의직경및입자특성변화에따른고체하강속도를측정및해석하였다. 초기입자장입량변화에따른고체하강속도의변화는크게나타나지않았으며고체하강관직경이증가함에따라고체흐름속도, 고체순환속도및고체하강속도가증가하는경향을나타내었다. 특히입자의벌크밀도와고체하강관의직경이고려된고체하강속도의경우모든입자에대해고체하강관의직경이증가함에따라고체하강속도가직선적으로증가하는경향을나타내었으며, Geldart 분류 A 및 B 입자와 Geldart 분류 D 입자의결과가확실하게구별되는경향을나타내었다. 측정된고체하강속도를바탕으로 Geldart 분류 A 및 B 입자계와 D 입자계에대한고체하강속도상관식을각각제시하였으며측정값과유사한값을예측할수있었다. 감 사 본연구는 2011 년도지식경제부의재원으로한국에너지기술평가원 (KETEP) 의지원을받아수행한연구과제입니다 (2011201020004B). 사용기호 Fig. 5. Effect of downcomer diameter on (a) solid flow rate, (b) solid circulation rate, and (c) solid descending velocity. A : crosssectional area of standpipe or downcomer [m 2 ] D 1 D 2 D t : one side diameter of cylindrical polypropylene particle [µm] : another side diameter of cylindrical polypropylene particle [µm] : diameter of standpipe or downcomer [m] G s : solid circulation rate [kg/m 2 s] H : height of cylindrical polypropylene particle [µm] t : time [s] V s W 0 W s : solid descending velocity [m/s] : initial solid inventory [kg] : solid flow rate [kg/s] 그리이스문자 ρ b : bulk density of solid [kg/m 3 ] Fig. 6. Comparison between measured and calculated solid descending velocities (symbols : measured values, lines : calculated values by equation (4) and (5)). 타내었다. 본연구에서는고체하강속도와하강관직경의관계를수식화하기위해실험결과를바탕으로다음의식 (4) 및 (5) 와같이상관식을도출하였으며측정값과계산값을비교하여 Fig. 6에나타내었다. 그림과같이식 (4) 와 (5) 에의해예측된값은측정값과유사한값을나타내었다. 참고문헌 1. Knowlton, T. M., Proceedings of the 6th International Conference on Fluidized Bed Combustion, Atlanta, Georgia(1980). 2. Kunii, D. and Levenspiel, O., Fluidization Engineering, 2nd ed., Butterworth-Heinemann, MA(1991). 3. Kim, K. C., Kim, K. Y., Park, Y. C., Jo, S. H., Ryu, H. J. and Yi, C. K., Study of Hydrodynamics and Reaction Characteristics of K-based Solid Sorbents for CO 2 Capture in a Continuous System Composed of Two Bubbling Fluidized-bed Reactors,
526 류호정 박재현 선도원 이승용 Korean Chem. Eng. Res.(HWAHAK KONGHAK), 48(4), 499-505(2010). 4. Ryu, H. J., Jin G. T., Lim, N. Y. and Bae, S. Y., Reaction Characteristics of Five Kinds of Oxygen Carrier Particles for Chemicallooping Combustion, Trans. Korean Hydrogen Energy Society, 14(1), 24-34(2003). 5. Ryu, H. J. and Jin, G. T., Reactivity and Attrition Resistance of Three Oxygen Carrier Particles for Chemical-looping Combustor, Trans. Korean Hydrogen Energy Society, 15(3), 208-209 (2004). 6. Geldart, D., Gas Fluidization Technology, 1st ed., John Wiley & Sons Ltd., Chichester(1986). 7. Kunii, D. and Levenspiel, O., Fluidization Engineering, 1st ed., John Wiley and Sons Inc., New York, NY(1969).