기체-고체 반응기에서 열 전달 현상과 화학 반응의 상호 영향 - 니켈광 환원용 로터리 킬른 설계 응용 -

Abstract

반응기는 연속 흐름 반응기, 배치 반응기로 나눌 수 있으며, 목적과 용도에 따라 설계 방법과 운전 방법이 다르게 나타나고 있다. 기체 고체 연속 흐름 반응기는 베드층의 모양에 따라 고정층 베드, 이동식 베드, 복잡한 움직임을 보이는 베드로 나눌 수 있다. 고체층에 주입 되는 가스상은 고체상에 대한 상대적인 흐름 방향에 따라, 병류형, 향류형, 십자류형이 있다. 반응기의 종류와 목적에 따라 고체층의 모양은 다르지만, 기체상과 고체상이 서로 열을 전달 하고, 화학 반응에 의해 물질을 전달을 하게 되는 기작은 매우 유사하다. 또한 기체-고체 반응기는 사용 목적과 용도에 따라 다른 형상과 운전 방법을 사용하고 있으나, 설계 및 해석 절차는 비슷하다. 우선적으로 주입 물질에 대한 분석을 실시 하게 되며, 반응기를 완전 혼합된 0차원 반응기로 가정하고 열 및 물질 정산을 수행한다. 열 및 물질 정산을 통해 반응기에 들어가고 나가는 물질과 에너지의 양 및 상태를 알 수 있다. 열 및 물질 정산의 결과를 토대로 반응기의 종류 및 크기를 결정할 수 있으며, 비정상상태에서의 운전 조건에서의 해석이 수행된다. 기체-고체 연속 반응기에 대한 설계 및 해석을 위해 반응기에 주입 되는 환원제와 반응 물질에 대한 연구, 반응기 형상에 따른 영향에 대한 연구, 반응기에서의 열전달 현상, 반응기 내 성능 예측 및 시뮬레이션을 위한 모델링에 대한 연구, 파이롯트 규모 실험 및 실증 플랜트에서의 운전에 의한 연구 및 평가가 진행되고 있다. 본 연구에서는 기체-고체 반응기 모델 설계 개발을 위해 물리적, 화학적 현상을 포함한 반응기의 수학적 모델을 정립하는 것을 목적으로 하고 있으며, 반응기 모델 개발을 통한 열전달 현상과 화학 반응의 상호 영향을 확인해 보고자 한다. 그 대상 반응기로 니켈 제련 공정의 환원로로 사용되고 있는 간접 가열식 로터리 킬른을 선정하였고, 반응기에서 열 및 물질 전달과 화학 반응을 모사하고자 하였으며, 열 전달 현상과 화학 반응과의 상호 관계를 이해하고 목적에 맞는 설계 및 해석 방안을 고려하고자 하였다. 로터리 킬른 해석을 위해 기하학적 분석을 통한 체류시간, 처리량, 이송 속도를 분석하였고, 열 및 물질 정산으로 주입 되는 물질과 배출되는 물질의 양과 에너지를 파악하였으며, 열전달 현상을 통해 반응기에 전달 되는 열량을 분석하였으며, 화학 반응을 통해 소비되거나 발생하는 열량을 고려하였다. 화학 반응에 대해서는 열 분배 모델과 반응 속도 상수 모델을 적용하여 해석 모델을 정립하였으며, 철 산화물과 수소의 반응을 고려하였다. 두 가지 다른 모델을 통한 해석으로 화학 반응이 열량으로 전달 되는 현상을 확인할 수 있었다. 해석 결과로는 고체상, 기체상, 내부 벽면의 온도 분포, 철 산화물의 성상 변화, 수소와 화학 반응에 의해 발생한 수증기의 당량비 변화, 환원률을 살펴 보았으며, 두 가지 화학 반응 모델에 대한 결과를 비교하였다.