유동층 시스템내 차압센서를 이용한 분철광석의 유동특성

목차

1. 서 론

2. 실험
2.1 시료 및 가스 매체

2.2 실험장치

2.3 실험방법

2.4 실험조건

2.5 입도범위

3. 실험결과 및 고찰
3.1 최소유동화속도

3.2 이론적인 계산식21)과 측정치와 비교

3.3 기포 유동층

본문내용

성을 고려해 볼 때 반응기에 존재하는 큰 입자의 스티킹(sticking) 방지를 위해 가장 큰 입자가 원활히 유동되며 작은 입자가 비산되지 않을 정도의 유속이 적정한 것으로 사료된다. 본 실험에서는 이 상태를 기포 유동층으로 규정한다. 반응기내 고체분율은 반응기 하부의 농후영역(dense region)과 상부의 회박영역(dilute region)에서 각각 다르며, 동일 높이에서 반경 방향별로 입자분포가 달라 다소 차이가 있다30). 일반적으로 농후영역과 희박영역이 구분되는 유동층에서 고체분율(εs : holdup)은 장입되는 물질의 종류에 따라 다소 차이가 있으나, Kunii31) 등은 반응기 하부의 농후영역에서 고체분율은 기포 유동층일 때 0.40-0.55, 난류 유동층일 때 0.22-0.40, 수송층 등의 고속 유동층에서는 0.16-0.22 범위로 보고하였고, Morooka32) 등은 FCC(fluid catalytic cracking)용 촉매입자에 대해 고체분율을 측정한 결과, 기포 유동층일 때 0.2-0.4 범위로 보고하고 있다. 그림 9는 질소 분위기에서 단일입도 및 1-5 mm 범위의 입도에 대해 고정층에서 장입입도가 비산되지 않는 기포 유동층까지 유속을 증가시켰을 때, 반응기내 철광석 잔류량과 높이를 측정하여 층내 고체분율(εs : holdup) 및 공극율(εb : voidage)을 구한 것으로 고체분율은 입도에 큰 차이 없이 고정층일 때 0.5-0.55이며, 최소유동화속도에서는 0.35-0.5, 기포 유동층 범위의 유속에서는 0.2-0.35였다. 이는 Kunii 등이 보고한 기포 유동층 범위는 본 실험의 고정층과 최소유동화속도 범위에 속하며, 난류 유동층 범위가 본 실험에서 규정한 기포 유동층 범위에 해당하였으며 Morooka 등이 보고한 결과와 잘 일치함을 보였다. 그림 10은 그림 6에서 구한 최소유동화속도와 그림 9에서 입자의 비산이 없이 유동이 원활한 기포 유동층에 해당하는 유속과의 비를 나타낸 것으로, 이 결과로부터 적정 유동화 유속범위는 입자의 크기 및 가스종류에 따라 다소 차이가 있지만 그림에서 보듯이 본 실험조건에서는 단일입자의 경우는 최소유동화속도의 약 1.2-1.4 배 범위가 적정유속으로 나타나고 있으며, 1-5 mm 범위를 가지는 입자의 경우는 최소유동화유속의 약 1.25 배가 적정유속임을 알 수 있다. 그러나 실제 고온반응에서는 고체입자 및 가스의 밀도와 점도가 달라 적정 유속에 다소 차이가 있을 것으로 예상된다.
3.4 차압변화에 의한 고체분율
반응기내 분철광석의 유동현상을 확인할 수 있는 방법중의 하나로서 차압센서에 의한 방법이 있다. 또한 유동층을 스케일 업(scale-up) 할 때 반응기 높이 결정과 반응효율에 영향을 미치는 고체와 기체간의 접촉 상황을 명확히 파악하기 위해서는 유동층내 높이별 고체입자의 분율을 알아야 한다. 이와 같은 고체입자의 분율은 높이 방향으로 압력손실을 측정하여 결정되는데, 입자간 또는 반응기벽에서의 마찰손실이 무시될 때 두 지점간의 압력손실
(TRIANGLE P / TRIANGLE L)
이 반응기내 존재하는 고체농도에 비례하므로 입자의 고체분율은 식 (7)로 나타낼 수 있다33).
△P_h,i over L~ =~ {( rho _p - rho _f ) epsilon _s~ g_n} over g_c
(7)
epsilon _s ~= ~{△P_h,i ~ g_c} over {L~g_n~ ( rho _p - rho _f )}
epsilon _s ~=~ 1-epsilon_b
여기서
△P_h,i
는 i 지점 높이에서 하부와의 차압,
epsilon _s
는 고체분율,
epsilon _b
는 층내 공극율,
g_c
는 차원상수이다. 본 실험에서는 반응기내 높이 방향으로 7개의 차압센서를 설치하여 테이타 출력 시스템을 통하여 연속적으로 반응기내 압력변화를 관찰하였다. 그림 11은 1-5 mm 분철광석의 기포 유동층 유속인 2.5 Nm/s 범위에서 시간에 따른 유동층 반응기내 압력변화를 나타낸 것으로 반응초기 5 분까지의 압력이 급격히 감소함을 보이고 있는데, 이것은 초기분화에 의한 미분이 반응기 외부로 비산함으로써 반응기내 미분철광석 양이 줄어듬에 기인한 것이다. 이러한 상온에서 분화는 고체입자간 및 입자와 벽면과의 마찰에 의해 발생한다. 고온에서는 열충격 및 환원분화에 의한 미분의 증가 및 환원에 의한 철광석중 산소량의 감소에 의해 반응기내 고체입자의 전체 중량이 더욱 감소할 것으로 예측된다. 그림 12는 반응기 높이별로 차압을 10 분간 측정하여 그 평균값으로부터 반응기내 존재하는 고체입자의 분율을 구한 것으로, 반응기 하부에는 상대적으로 큰 입자의 고체분율이 높은 농후영역(dense region)이 존재하며, 상부로 갈수록 고체분율은 감소하여 200 cm 이상에서는 고체입자가 거의 존재하지 않는 회박영역(dilute region)이 존재함을 알 수 있었다. 대부분의 입자가 존재하는 100 cm 이하 높이에서의 고체분율은 약 0.2-0.3 정도로 앞서 언급한 기포 유동층 범위이다. 이 결과로부터 연속적인 차압센서를 설치하여 그 값을 측정함으로써 높이방향으로 존재하는 입자의 분포도를 초기 장입입도와 비교함으로써 예측할 수 있으며, 반응기 높이방향별 고체분율 즉 무게변화도 알 수 있다. 그림 13은 장입량 변화와 함께 입자의 유동형태 즉 공극상태에 따라 반응기내 존재하는 입자의 높이를 식 (8)에 의해 계산하였으며, 이를 시료 장입후 30 분동안 주어진 유속에서 미분의 비산없이 안정된 유동을 할 때 측정한 값과 비교하였다.
H_fb~ = W over {(1- epsilon_fb ) A_t ~rho _p}
(8)
H_f~ = W over {(1- epsilon_f ) A_t ~rho _p}
여기서
H_fb , H_f
는 고정층 및 유동화상태에서 입자의 층높이,
epsilon _fb , epsilon _f
는 고정층 및 유동화상태에서 공극율, W는 시료 장입량,
A_t
반응기 단면적을 나타낸다. 이때 유동형태에 따른 고체분율
(epsilon_s = 1- epsilon_b )
값은 반응기내 압력손실

키워드

유동층 시스템,   차압센서,   분철광석 유동특성