순환유동층 상승관에서 이상 (기체-고체) 흐름의 수력학적 특성

Abstract

순환유동층 반응기의 상승관에서 (0.05 m-i.d.$\times$6.4 m-high; 0.03 m-i.d.$\times$ 7.2 m-high) 축방향 고체 체류량, 반경방향 및 축방향 기체 혼합특성과 같은 수력학적 특성을 결정하였다. 본 연구에 사용된 고체 입자는 71$\mum$의 평균입도와 1969 kg/$m^3$의 비중을 갖는 FCC 촉매이다. 순환유동층 반응기의 상승관에서 고체순환속도, 기상유속 및 층 직경에 축방향 고체 체류량에 미치는 영향을 결정하였다. 고체 체류량은 고체순환속도가 증가할수록 증가하였고 기상유속이 증가할수록 감소하였다. 또한, 동일한 조업조건에서 층 직경이 증가할수록 고체 체류량은 감소하면서 일정해졌다. 고속 유동층 영역은 조업조건에 따라 두 가지의 영역으로 나눌 수 있다. 처음 영역은 완전 발달 고속 유동층 영역으로 주어진 고체순환속도에서 기상유속이 증가함에 따라 상승관의 상부에서 고체 체류량이 최대값을 보이는데 이것은 상승관의 하부에 농후상 영역이 형성되었음을 의미한다. 두번째 영역은 고속 전이 영역으로 상승관의 하부에 농후상은 형성되지 않지만 축방향으로의 고체 체류량의 분포가 존재하게 된다. 조업변수(기상유속, 고체순환속도)가 반경방향의 기체혼합계수 (Dr)에 미치는 영향을 결정하였다. 반경방향 기체혼합계수는 고체순환속도가 증가할수록 증가하지만 주어진 고체순환속도에서 기상유속이 증가할수록 감소하였다. 이것은 반경방향 기체혼합계수가 상승관 내에서의 고체 체류량에 의해 영향을 받기 때문이다. 축방향 기체혼합 특성은 순환유동층 반응기에서 기체체류시간분포(RTD) 측정을 통해 결정하였다. 축방향 기체혼합계수는 주어진 고체순환속도에서 기상유속이 증가할수록 그리고 일정한 기상유속에서 고체순환속도가 증가할수록 증가하였다. 또한, 축방향 기체혼합계수는 층 직경이 증가할수록 증가하였다. 순환유동층 반응기의 상승관에서 정적믹서 방해반이 층 내의 수력학적 특성 및 축방향 기체혼합 특성에 미치는 영향을 결정하였다. 기상유속과 고체순환속도를 변화시키면서 두가지 타입의 정적믹서를 사용하였다. 상승관 내의 압력강하는 고체순환속도가 증가할수록 증가하였는데 이것은 입자와 정적믹서간의 저항에 의한 것으로 상승관 내에 정적믹서가 설치되어 있지 않을 때의 값보다 훨씬 컸다. 정적믹서가 설치되어 있는 경우, 상승관 하부의 입자 가속 영역의 길이가 짧아지면서 상승관 내의 축방향 고체 체류량은 증가하였고 그 분포는 상승관 높이를 따라 균일해졌다. Slip velocity는 일정한 기상유속에서 고체 체류량이 증가할수록 증가하였고 상승관 내에 정적믹서의 존재 유무와 상관없이 고체 체류량과 slip velocity 사이에는 특별한 관계가 성립하였다. 상승관 내에 정적믹서가 설치되어 있지 않은 경우, 축방향 기체 혼합계수는 고체순환속도가 증가할수록 증가하였다. 그러나, R-R 배열형태를 갖는 정적믹서가 상승관 내에 설치되어 있는 경우, 축방향 기체혼합계수는 고체순환속도가 증가할수록 감소하였고 그 값 또한 정적믹서가 설치되어 있지 않은 경우보다 훨씬 작았다.