고정층과 유동층 실험

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고정층과 유동층 실험에 대한 보고서 자료입니다.

목차

실험 3. 고정층과 유동층 실험

1. 서론

2. 이론
(1). 고정층 (fixed bed)
(1-1). 고정층(fixed bed)에서의 압력강하와 각 입자의 항력과의 관계
(1-2).고정층(fixed bed)의 응용
(2). 유동층(fluidized bed)
(2-1). 유동화(fluidization) 조건
(2-1-1). 최소 유동화속도
(2-2). 유동층(fluidized bed) 형태
(2-3). 유동층의 팽창
(2-4). 유동화의 응용
(2-5). 유동화의 장점과 단점

참고문헌

본문내용

음과 같이 된다.
입자가 아주 크면 층류 항이 무시되므로, 은 입자의 제곱근에 따라 변한다. 일 때는 다음과 같은 식이 된다.
그림 2.12에는 정지 공기 중에서 낙하하는 개별 입자의 종말침강속도를 함께 보였다. Reynolds수가 작을 때는 와 이 모두 , , 에 따라 변하며, 비는 주로 최소 유동화속도일 때의 공극률에 따라 변한다.
그림 2.12 20℃, 1atm의 공기를 사용한 최소 유동화 속도 및 종말 속도
()
(2-2). 유동층(fluidized bed) 형태
a. 입자상 유동화(particulate fluidization)
최소 유동화속도에 관한 식은 기체 뿐 아니라 액체어도 적용할 수 있지만, 이상에서는 액체와 기체로 유동시켰을 때의 층 모양이 크게 달라지는 경우가 많다. 모래를 물로 유동시키면 입자들이 멀리 떨어져서 움직인다. 속도가 증가하면 운동이 한층 격렬해지지만, 특정 속도에서 층의 평균 밀도는 층의 모든 단면에서 마찬가지가 된다. 이를 입자상유동화(particulate fluidization)라 하며, 고속에서 층이 크면서도 균일하게 팽창할 때 나타나는 특성이다.
b. 기포상 유동화(응집성 유동화)
공탑속도가 보다 다소 크면, 기체의 대부분은 고체가 거의 들어있지 않은 기포 또는 공극 형태로 층을 통과하며, 소량만 입자 사이의 유로로 흐른다. 입자들은 제멋대로 움직이며 유체가 받쳐주기는 하지만, 기포 사이의 공간에서는 공극률이 초기 유동화(incipient fluidization)일 때와 거의 마찬가지이다. 이러한 층의 불균일성은 입자의 응집에 기인하는 것으로 생각하여 처음에는 응집성 유동화라 했지만, 입자가 서로 들러 붙는다는 증거가 없으므로, 이러한 현상은 기포상 유동화라 하는 편이 좋을 것이다.
c. 난류성 유동화(급속 유동화)
기체의 공탑속도가 보다 아주 커지면 기포상 유동화에서 난류성 유동화(turbulent fluidization)로 전이 되는데, 이를 급속 유동화(fast fluidization)라고도 한다. 층이 아주 크게 팽창하여 기포의 분산상이 더 이상 존재하지 못하게 되면 이러한 전이가 일어난다.
d. 순환 유동층
기체 유속이 더욱 커지면, 공급된 입자가 모두 기체 흐름에 동반되어 배출되지만, 사이클론으로 분리하여 장치의 바닥으로 반송하면 장치 안에 고체를 체류시킬 수 있다.. 이러한 장치에는 뚜렷한 고체층이 없음에도 불구하고 순환 유동층(circulating fluid bed)이라 한다.
(2-3). 유동층의 팽창
유동화 형태에 관계없이 공탑속도가 증가하면 층이 팽창하며, 전체 압력 강하는 일정하게 유지되므로 이 증가하면 단위 길이 기준의 압력 강하가 감소한다.
(2-31)
a. 입자상 유동화
입자상 유동화에서는 층이 균일하므로, 조금 팽창된 층에 관해서는 고정층에 사용되는 Ergun식을 적용해도 비슷하게 맞을 것으로 예상된다. 입자 사이의 흐름이 층류라 가정하고 Ergun식의 첫 항을 사용하면 팽창층에 관한 다음 식이 얻어진다.
(2-32)
위의 식은 최소 유동화 속도를 나타낸 식과 비슷하지만, 이 식에서는 가 독립변수이고 이 종속변수이다. 식 (2-31)에 따르면, 이 보다 크면 이 에 비례한다. 팽창층 높이는 으로부터 구할 수 있으며, 초기 유동화에서의 L과 값은 다음 식으로 구한다.
물 속에서 큰 입자의 입자상 유동화에서는 층의 팽창이 식(2-32)에서 추산한 것보다 커지는데, 압력 강하가 부분적으로는 유체의 운동에너지에 따라 달라지므로 의 증가율을 상쇄하려면 의 증가가 커야 하기 때문이다. 팽창 자료는 Lewis 등이 제안한 실험식으로 상관시킬 수 있다.
(2-33)
그림2.31 층 팽창에 관한 식(2-33)의 지수 m
(2-4). 유동화의 응용
유동화법을 광범하게 사용하기 시작한 것은 석유 공업에서 유동층 접촉 분해법을 개발하면서부터이다. 현재는 일반적으로 유동층 대신에 라이저(riser) 또는 수송관 반응기(transport-line reactor)를 사용 하지만, 촉매 재생에는 여전히 유동층 반응기를 사용한다. 아크릴로니트릴의 합성과 같은 촉매 프로세스나 기-고 반응에서는 유동화를 이용한다. 석탄의 유동층 연소도 관심의 대상인데, 이 방법을 사용하면 보일러 비용을 절감하고 오염물 방출을 줄일 수 있다. 광석의 배소(roasting), 미세 고체의 건조, 기체의 흡착등에서도 유동층이 이용된다.
(2-5). 유동화의 장점과 단점
a. 장점
유동화의 기본적인 장점은 층을 통과하는 유체에 의해 고체를 격렬하게 교반할 수 있고, 발열량이나 흡열량이 큰 경우에도 실질적으로 층에 온도 구배가 생기지 않도록 하면서 고체를 혼합할 수 있다는 점이다. 고체의 운동이 격렬하면, 벽이나 층 안의 냉각관을 향한 열전달속도가 커진다. 또 고체의 유동성을 이용하여 고체를 한 용기에서 다른 용기로 쉽게 옮길 수도 있다.
b. 단점
기-고 유동화의 기본적 단점은 기체와 고체의 불균일한 접촉이다. 기체의 대부분은 기포의 형태로 층을 통과하며, 기체 둘레의 얇은 쉘(shell), 즉 기포구름에서만 소량의 고체가 직접 기체와 접촉한다.
또 다른 단점으로는 용기 내면의 침식과 고체의 마모로 인한 미세 고체의 손실 등을 들 수 있다. 이러한 문제는 설계를 적절히 함으러서 쉽게 해결할 수 있다.
기호설명
지름, m, ft
충전층에서 유로의 상당 지름
구형 입자의 지름
Fanning 마찰계수, 무차원
입자에 접근하는 유체의 질량속도,
중력가속도,
원통형 입자의 길이,
초기 유동층 높이
압력,
정체점 압력
Reynolds 수, 무차원
단일 입자의 표면적,
부피평균유속,
공탑속도
최소 유동화 공탑속도
그리스 문자
층전층 또는 유동층에서의 압력 강하
밀도차,
고체층의 공극률(부피분율)
유동화의 최소 공극률
식(1-11)과 (1-12)의 상수
식(1-13)과 (1-14)의 상수
절대 점도, cP,
밀도,
입자 밀도
접근 유체의 밀도
구형도
참고문헌
1) Warren L. McCabe 저. Unit Operations of Chemical Engneering 5판. (주)사이텍미디어출판
2)노윤찬, 서교택 저. 화학공학실험. 진영사출판

키워드

고정층,   유동층,   공학실험,   유동화,   충진층,   유동층의 팽창,   유동화조건,   유체역학