Characteristics of Particle Flow and Heat Transfer in Liquid-Particle Swirling Fluidized Beds

(1)

액체-입자 Swirling 유동층에서 유동입자 흐름 및 열전달 특성

손성모·강석환·강 용^†·김상돈*

충남대학교화학공학과

305-764

대전시유성구궁동

220 *

^{한국과학기술원}^{생명화학공학과}

305-701

대전시유성구구성동

373-1 (2006

^년

3

^월

24

^일^접수

, 2006

^년

6

^월

16

^일^채택

)

Characteristics of Particle Flow and Heat Transfer in Liquid-Particle Swirling Fluidized Beds

Sung-Mo Son, Suk-Hwan Kang, Yong Kang

^†

and Sang-Done Kim*

School of Chemical Engineering , Chungnam National University , 220 , Gung-dong , Yuseong-gu , Daejeon 305-764 , Korea

*Department of Chemical and Biomolecular Engineering , KAIST , 373-1 , Guseong-dong , Yuseong-gu , Daejeon 305-701 , Korea (Received 24 March 2006, accepted 16 June 2006)

요 약

직경이

0.102 m

^이고^높이가

2.5 m

^인^액체

-

^입자

swirling(

^나선

)

^흐름^{유동층에서}^유동^입자의^흐름^및^열전달^특성을

고찰하였다

.

^액체유속

(U

L

),

^유동^입자의^크기

(d

p

)

^그리고^연속상인^액체의^나선^유도흐름^액체량의^비

(R

S

)

^가^유동층^내

유동입자의체류량유동층내부열원과유동층간의총괄열전달계수에미치는영향을검토하였다

.

^액체

-

^입자^나선흐

름유동층에서입자체류량은입자의크기와나선유도흐름액체량의비가증가함에따라서증가하였으나

,

^{액체유속의}

증가에따라서는감소하였다

.

^유동층^내부에서^나선^유도^흐름^액체량의^비가

0.1~0.3

^인^경우에^유동^입자의^국부체류

량은유동층중심부에서큰값을나타내었으나

, R

S의값이

0.5

^일^때는^반경^방향^입자^체류량은^거의^균일한^분포를

보이며

, R

S의값이

0.7

^일^때는^유동층^중심부의^입자^체류량이^{상대적으로}^감소하는^경향을^{나타내었다}

.

^유동층^내부

열원과유동층간의열전달특성은열원표면과유동층간의온도차요동자료의위상공간투영과

kolmogorov

엔트로피 해석으로고찰할수있었으며

,

나선유도흐름액체량의비

(R

S

)

가

0.1

에서

0.5

까지증가할수록온도차요동자료의위상

공간투영은점점안정되고규칙성이증대되는상태를나타내고

, kolmogorov

엔트로피값은감소하는경향을나타내었

다

.

열원표면과유동층간의온도차요동자료의

kolmogorov

엔트로피값은액체의유속이증가함에따라최대값을 나타내었다

.

열원과유동층간의총괄열전달계수는액체유속

,

층공극률

,

나선유도흐름액체량의비가증가함에따 라서최대값을나타내었으며

,

유동입자의크기가증가함에따라증가하였다

.

내부열원과유동층간의총괄열전달 계수가최대값을나타낼때의액체의유속조건에서온도차요동자료의

kolmogorov

엔트로피의값도최대값을나타 내었다

.

액체

-

입자나선흐름유동층에서입자체류량과열전달계수를무차원군의상관식으로나타낼수있었다

.

Abstract −

Characteristics of particle holdup and heat transfer were investigated in a liquid-particle swirling fluidized bed whose diameter was 0.102 m and 2.5 m in height. Effects of liquid velocity, particle size and swirling liquid ratio(R

S

) on the particle holdup and immersed heater-to-bed overall heat transfer coefficient were examined. The particle holdup increased with increasing particle size and swirling liquid ratio but decreased with increasing liquid velocity.

The local particle holdup was relatively high in the region near the heater when the R

S

value was 0.1~0.3, but the radial particle holdup was almost uniform when the R

S

value was 0.5, whereas, when the R

S

value was 0.7, the local particle holdup was relatively low in the region near the heater. The heat transfer characteristics between the immersed heater and the bed was well analyzed by means of phase space portraits and Kolmogorov entropy(K) of the time series of temperature difference fluctuations. The phase space portraits of temperature difference fluctuations became stable and peri- odic and the value of Kolmogorov entropy tended to decrease with increasing the value of R

S

from 0.1 to 0.5. The Kolmogorov entropy exhibited its maximum value with increasing liquid velocity. The value of overall heat transfer coefficient(h) showed its maximum value with the variation of liquid velocity, bed porosity or swirling liquid ratio, but it increased with increasing particle size. The value of K exhibited its maximum at the liquid velocity at which the h value

†

To whom correspondence should be addressed.

E-mail: [email protected]

(2)

attained its maximum. The particle holdup and overall heat transfer coefficient were well correlated in terms of dimen- sionless groups of operating variables.

Key words: Liquid-particle Swirling Fluidized Bed, Temperature Fluctuations, Particle Holdup, Heat Transfer Coefficient

1. 서 론

촉매반응기나이온교환수지를이용한특정물질의분리및회수

,

흡착

,

침강및폐수처리등공업적으로널리이용되는액체

-

입자 유동층반응기는열전달및물질전달효과가우수하며

,

^액체

-

^입자들

간의접촉효율이높고

,

^혼합^효과가^좋은^장점을^가지고^있다

[1, 2].

그러나액체

-

입자유동층반응기의생산능력이나특정성분분리 또는폐수처리용량을높이기위해서는액체의유속이높은범위 에서조작되는것이요구되는데

,

^액체

-

^입자^{유동층에서}^액체의^유속

이높은범위에서는층의팽창으로인하여입자체류량이매우감 소하게되므로액체

-

입자의접촉효율이현저히감소할뿐만아니 라유동층내의열전달계수도심각한감소를가져온다

.

이와같은 한계를극복하기위해최근액체

-

입자순환유동층에대한연구가

활발히진행되고있다

[3-6].

액체

-

입자유동층반응기나접촉공정에서촉매입자나입자반응 물

,

흡수제또는흡착매체인유동입자의체류량은전체반응기나 공정의효율및기능의결정에직결되므로같은유속의유동조건 에서액체상이나고체유동입자의체류량을조절할수있는공정의 개발은매우중요하다

.

즉

,

액체의같은유속범위에서장치나시스 템의큰변화없이액체

-

입자의접촉효율을증가시키고

,

유동층내 부에서액체

-

입자의불균일상흐름을상대적으로규칙적으로하여 액체와입자의접촉강도를증가시킬뿐만아니라

,

^{무작위적이며}^재

현성이떨어지는공정거동의조절능력을증가시킬수있는방안에 대한연구가절실히요청되고있다

.

한편

,

액체

-

입자유동층에서액체와입자간의접촉이나반응은공 정이나반응기내부의반응온도와직접적으로연관되며

,

^유동층과

같은연속공정에서반응기의가열이나냉각은반응기외부의열매 체나내부열원에의해조절되므로이들공정이나반응기에서열전

달현상은반응기의성능결정에도중요한역할을한다

[1, 2].

또한

,

액체와입자계면에서의흡착이나흡수및액체

-

^입자^반응은^액체

의점도나표면장력

,

밀도는중요한물리적성질들에의해큰영향 을받는데

,

이들물리적성질들은온도의함수이므로액체

-

입자유 동층의계면에서의반응성이나물질전달현상을규명하는데있어 열전달현상은중요한요소로작용한다고할수있다

.

따라서본연구에서는기존액체

-

입자유동층의단순성과경제적 특성을그대로유지하기위해공정의큰변화없이도액체와입자 간의접촉효율이나접촉강도를기존의액체

-

입자유동층계보다효 과적으로증가시키기위한방법의하나로액체의주입흐름을나선

흐름

(swirling)

^으로^유도하여^액체

-

^입자^유동^흐름^거동의^규칙성을

증가시키고자하였으며

[7],

이와같은연속성흐름공정의변화가 유동층내부에서입자체류량과온도요동그리고열전달현상의 향상에미치는영향을고찰하였다

.

이와같은연구결과는지금까 지의방법으로매우어려웠던액체

-

^입자^유동층^반응기나^공정의^효

과적인조절

(control)

과결점진단에획기적인공학적정보를제공

할수있어서액체

-

입자유동층반응기의성능향상에공헌할수있 을것으로예견된다

.

2. 실 험

본연구에서사용한실험장치는

Fig. 1

에서볼수있듯이직경

이

0.102 m

이고높이가

2.5 m

인아크릴관을사용하였다

.

연속상인

액체는물을사용하였으며

,

^분산상인^{유동입자로는}^밀도가

2,500 kg/m

³

인유리구슬을사용하였다

.

^본^연구의^{실험범위는}^{액체유속이}

3.5~17.2 cm/s

이었으며

,

입자의크기는

1.7~6.0 mm

이었다

.

유동층 내부의나선흐름유동을유도하기위하여유동층하부액체의분산 판으로부터

0.2 m

^높이에서^{나선유도흐름}^액체를^{투입하였는데}

,

^액

체분산판을통해관의하부에서유입되는액체의부피를기준으로 나선유도흐름주입액체량의비인

R

S

(V

2

/V

1

)

는

0~0.7

이었다

.

액체연

속상의주입을위한분산판은개구비가

12.8

％인다공판형태를사

용하였으며

,

직경

3 mm

의구멍을삼각피치로균일하게배치하였다

.

일정유동조건에서유동층내부시험영역의압력은압력변환기

(Validyne, Model P24D)

를사용하였으며

,

압력차측정은직경이

6.5 mm

Fig. 1. Experimental apparatus.

1. Fluidized bed 18. Liquid pump

2. Distributor 19. Air compressor

3. Liquid calming section 10. Gas filter & regulator

4. Liquid weir 11. Thermocouple

5. Liquid reservoir 12. Temperature indicator

6. Flowmeter 13. Power supply

7. Control valve 14. Heater

(3)

인관

(tube)

^을^{사용하였는데}

,

^이^관들은^나선흐름

(swirling)

^액체^주

입부로부터

0.1 m

의위치에서

0.2 m

간격으로유동층벽면에설치

하였고

,

관의끝은층물질의유입을막기위하여

200 mesh

의망을

부착하였다

.

유동층시험영역에서액체및유동입자상들의평균 체류량은정압강하법에의해구하였다

[7].

^{유동입자의}^반경방향^국

부체류량

(local particle holdup)

을측정하기위하여차압변환기를

나선흐름유도흐름액체투입구로부터

0.2 m

의위치에서열원벽면 으로부터

0.8 cm, 1.6 cm, 2.4 cm, 3.2 cm

지점에설치하였으며차압

변환기센서의간격은

4 cm

^이었다

.

유동층내부에서열전달계수측정을위해유동층의중앙에직경

이

0.03 m,

길이가

1 m

인카트리지형태의수직열원을분산판위에

설치하였다

.

유동층내부에서의온도와열원표면의온도측정은

J-type

^의^열전대를^{사용하였고}

,

^액체

-

^입자^유동층의^{내부열원과}^유

동층간의열전달계수는열원에가해진열량

(Q)

과열원표면과유동

층간의평균온도차

T

를구하여

[8] (1)

식에의해구하였다

.

(1)

열원과유동층간의평균온도차는시간의변화에따른온도차요

동

(fluctuation)

을측정하여구하였다

.

열원과유동층간의온도차요동

특성을분석하기위하여측정된온도요동신호로부터다차원의상공 간투영

(multidimensional phase space portraits)[8,9]

^과

kolmogorov

^엔

트로피

[10]

를구하였다

.

실험적으로측정된온도요동신호의시간

에따른변화자료

X(t)

를재구성하여

(2)

식과같은벡터자료를만

들었으며이자료를이용하여상공간투영을구하였다

.

(2)

여기서

,

τ =

k·

∆

t, k = 1, 2, 3, ...

이며

, p

는벡터

Z(t)

의차원이된다

.

내부열원과유동층간열전달계

(system)

^의^온도^요동^현상에^내

재된동역학적특성을정량적으로분석하기위하여온도차요동자

료의

kolmogorov

엔트로피

(entropy)

를구하였는데

,

이는다차원

(multi-dimension)

의계

(system)

에서

(3)

식과같이정의되므로

, (3)

측정된

data

의조합확률의상관계수로부터

(4)

식에의해구하였다

[9].

(4) 3. 결과 및 고찰

3-1. 입자 체류량(εs)

액체

-

입자나선흐름

(swirling)

유동층에서액체의유속이입자체

류량

(

εs

)

에미치는영향을

Fig. 2

에나타내었다

. Fig. 2

에서볼수있 듯이액체의유속이증가함에따라입자체류량이감소하는것을 알수있는데

,

이는유동층내부에서나선흐름을유도하기위한액 체의유속이증가함에따라서유동층내유동입자의층팽창높이가 증가하기때문에입자체류량이감소한다고할수있다

.

이와같은 현상은액체의나선흐름이없는일반액체

-

^입자^{유동층에서도}^찾

아볼수있다

[1, 2].

액체

-

입자나선흐름

(swirling)

유동층에서입자의크기가입자체

류량

(

εs

)

Fig. 3

에나타내었다

. Fig. 3

에서볼수있 듯이입자의크기가증가함에따라서입자체류량이증가하는것을 알수있는데

,

이는액체

-

입자유동층에투입되는액체의양이동일 한조건에서유동입자의층팽창이입자의크기가증가함에따라감 소하기때문이라할수있다

.

즉

,

유동입자의크기가증가함에따 라서상승액체에의해유동입자에작용하는부력보다유동입자에

작용하는중력의영향이증가하기때문이라할수있다

.

한편

, Fig. 3

에서액체의유속이증가함에따라εs에작용하는나선흐름유체의

h Q

A

∆

T ---

=

Z

i( )

t =

[

X i

( ⋅∆

t

),

X i

( ⋅∆

t +

τ) …, ,

X i

( ⋅∆

t p 1 +

(

–

))τ

,

]

i 1 2 3 =

, , , ,…[

m p 1 –

(

–

)

k

]

K P i

( 1, , ,

i

2…

i

d)

log

2

P i

(1, , ,

i

2…

i

d)

i1, ,

∑

… id

d ∞

lim

→ r 0

lim

→ τ

lim

→0

=

K 1

_τ

--- C

^d( )

r C

d 1+ ( )

r --- ln

=

Fig. 2. Effects of U

L

on ^ε

S

in liquid-particle swirling fluidized beds.

Fig. 3. Effects of d

p

on ^ε

S

in liquid-particle swirling fluidized beds

(R

S

=0.3).

(4)

비

(R

S

)

의영향은감소하는것을알수있는데

,

이는액체유속이증 가함에따라유동층의팽창이심각하여져서유동층의조절부피

(control volume)

가증가하므로나선흐름을유도하는나선흐름유

체에의해전달되는힘즉

,

운동량이상대적으로작아지기때문으 로해석할수있다

.

액체

-

^입자^나선흐름

(swirling)

^{유동층에서}^{나선흐름유도를}^위해^유

동층에주입되는

2

차액체량의주액체량에대한비

(R

S

)

가입자체 류량

(

εs

)

Fig. 4

에나타내었다

. Fig. 4

에서볼수있 듯이

,

모든경우에나선흐름유도를위한

2

차액체를주입하면동일 조건에서입자체류량은증가하는것을알수있는데

,

^본^연구의^범위

에서

10~13

％까지입자체류량을중가시킬수있었다

.

이는액체

-

입자

유동층에나선흐름유도액체를투입하면액체

-

입자유동층에투입 되는액체의양이동일한조건에서유동입자의팽창이상대적으로 감소하기때문이다

.

^즉

,

^유동^입자의^층^팽창^감소는^층밀도의^증가

를가져와입자체류량은증가한다고할수있다

.

한편

, Fig. 4

에서

R

S의증가가εs의증가에미치는영향은유동입자의크기가작은경 우가유동입자의크기가큰경우보다더욱크게나타남을알수 있는데

,

이는유동입자의크기가작아질수록나선흐름유도액체 의주입에의해유동입자의나선흐름이쉽게유도되기때문이라고 해석할수있다

.

3-2.온도차 요동특성

액체

-

^입자^나선흐름

(swirling)

^{유동층에서}^내부^열원과^유동층간

의온도차요동의전형적인예를나선흐름유도를위해유동층에주

입되는

2

차액체량의비

(R

S

)

의증가에따라

Fig. 5

에나타내었다

.

Fig. 5

에서볼수있듯이나선흐름액체량의비가증가함에따라

온도차요동의진폭이감소하였으며

,

^평균^온도차

(T)

^도^감소함을^알

수있다

.

이는나선흐름액체량의비가증가함에따라같은액체

유속조건에서유동층내의층팽창이감소하여층밀도를증가시키기 때문에유동입자가열원경계층에서열원표면과충돌할때접촉 효율및접촉강도가증가하게되며

,

따라서유동층과열원사이의 평균온도차는감소한다고할수있다

.

^또한

,

^나선^흐름^유동^액체

의주입으로유동층내에나선흐름이유도되어유동입자거동의규 칙성이상대적으로증가하여평균온도차요동의진폭은감소한다 고할수있다

.

하지만

,

나선흐름유체량의비가

0.5

보다증가하여

0.7

^이^되면^평균^온도차와^진폭은^다시^증가하는^경향을^{나타내었다}

.

이와같은열원표면과유동층간의온도차요동특성을도식화하 여나타내기위하여시간의흐름에따른온도요동시계열을다차

원의위상공간에투영으로

Fig. 6

에나타내었다

. Fig. 6

에서볼수

있듯이나선흐름유체의양이증가함에따라서온도요동의위상 공간투영은중심으로모이는것을알수있고

,

위상공간투영의중 심이점점작은값을나타내는것을알수있다

.

이는나선흐름유 체의주입비가증가함에따라열원표면과유동층간의온도차요동 이안정화되고

,

^평균^온도차가^감소하기^{때문이라고}^할^수^있다

.

액체

-

입자나선흐름

(swiring)

유동층에서액체유속의증가에따

라유동층내부에서나타나는온도차요동의

kolmogorov

엔트로피

Fig. 4. Effects of R

S

on ^ε

S

in liquid-particle swirling fluidized beds(U

L

=0.103 m/s).

Fig. 5. Typical temperature difference fluctuations in the liquid-parti-

cle swirling fluidized beds(d

p

=3 mm, U

L

=13.7×10

²

m/s).

(5)

의변화를

Fig. 7

에나타내었다

. Fig. 7

에서볼수있듯이액체의유 속이증가함에따라온도차요동자료의

kolmogorov

엔트로피는증 가하다감소하는경향을나타내었다

.

^이는^액체^유속이^증가함에^따

라유동입자의흐름거동이활발해져열원표면과유동입자간의 접촉과충돌현상이증가하기때문에이로인한열원과유동층간의

온도차요동자료의엔트로피값을증가시키지만

,

^액체^유속이^더

욱증가하게되면입자체류량이매우감소하기때문에유동입자의 거동이열원과유동층간의온도차변화에미치는영향이상대적으 로감소하게되어온도차요동자료의엔트로피값이감소한다고할

수있다

[8, 10].

^하지만

,

^나선흐름^유도를^위한

2

^차^액체^주입량의

증가에따라서는유동층내온도차요동자료의

kolmogorov

엔트로 피값은점점감소하였는데

,

이는나선흐름액체주입량의증가에 따라유동입자의흐름거동이상대적으로규칙적인거동을나타내 기때문이라할수있다

.

3-3. 열전달특성

액체

-

입자나선흐름

(swirling)

유동층에서액체의유속의증가가

유동층내부열원과유동층간의총괄열전달계수에미치는영향을

Fig. 8

에나타내었다

. Fig. 8

에서볼수있듯이

,

총괄액체의유속이

증가함에따라서열전달계수값은증가하다가최대값을가진후 다시감소하는경향을나타내었다

.

액체유속이증가함에따라서입 자의유동이시작되어

,

유동층내의유동입자의거동이활발해짐에 따라서내부열원과연속상이액체사이에형성되는열적경계층의 두께를감소시키기때문에유속이상대적으로작은영역에서액체 의유속이증가함에따라열전달계수는증가한다고할수있다

[1, 2, 7].

하지만

,

액체의유속이더욱증가하게되면유동층내의열

전달시험영역내에서입자체류량이심각하게감소하여유동입자 의충돌과접촉에의해서열원주위에형성된경계층의두께를감 소시키는역할이상대적으로감소하기때문에유속의증가에의한 유동층내부의난류현상의증가에도불구하고열전달계수는감소

하게된다고할수있다

[1, 2, 8].

이와같은현상은액체체류량이열전달계수에미치는영향을 분석함으로써더욱뚜렷이할수있다

.

액체

-

입자나선흐름

(swirling)

유동층에서 액체체류량의증가가열전달계수에미치는영향을

Fig. 9

^에^{나타내었다}

. Fig. 9

^에서^볼^수^있듯이

,

^액체^체류량이^증가

함에따라서열전달계수는증가하다최대값을가진후다시감소 하는것을알수있다

.

앞에서도언급하였듯이액체체류량이적은

Fig. 6. Typical exmple of phase space portraits of temperature difference fluctuations(d

p

=3 mm, U

L

=13.7×10

²

m/s).

Fig. 7. Effects of liquid velocity on the Kolmogorov entropy of temperature difference fluctuations with variation of swirling ratio (d

p

=1.7 mm).

Fig. 8. Effects of U

L

on h in liquid-particle swirling fluidized beds.

(6)

영역에서는유동입자가열원경계층두께를감소시키지만

,

액체체 류량이큰영역에서는입자체류량이감소하여열원경계층의두께 를감소시키지못하기때문에열전달계수는감소한다고할수있다

.

액체

-

입자나선흐름

(swirling)

유동층에서유동입자의크기가열

전달계수에미치는영향을

Fig. 10

에나타내었다

. Fig. 10

에서볼

수있듯이

,

^입자의^크기가^증가함에^따라서^열전달^계수가^증가하

는것을알수있다

.

입자의크기가증가함에따라서같은유속범 위에서입자체류량이증가할뿐만아니라입자의크기가작은입

자에비해큰입자가같은액체유속에서운동량이더크기때문에 열원경계층의두께를더욱감소시켜열전달계수가증가한다고 할수있다

[1, 2].

액체

-

입자나선흐름

(swirling)

유동층에서나선흐름유도를위해유

동층에투입되는

2

차주입액체량의비

(R

S

)

가열전달계수에미치

는영향을

Fig. 11

^에^{나타내었다}

. Fig. 11

^에서^{나선흐름유도를}^위해

유동층에투입되는

2

차주입액체량의비가증가할수록열전달계 수는증가하다가

R

S값이

0.4~0.5

일때최대값을나타낸후다시감 소하는것을알수있다

.

나선흐름액체의비가증가함에따라서 유동층에나선흐름액체를투입하지않은것에비해유동입자의층 팽창이감소하여시험영역에서의입자체류량이증가하고

,

유동입 자흐름의규칙성이상대적으로증가하여유동입자와열원표면 간의접촉과충돌효율이증대되어열원과유동층간의총괄열전 달계수가 증가하게 된다

.

^그러나 ^{나선흐름유도}^액체의^비를

0.4~0.5

이상으로증가시키면전체입자체류량은약간증가하게

되나나선흐름유도유체의운동량이너무커져서유동입자들을 열원이아닌유동층내부로분산시켜유동입자와열원표면간의 효과적인접촉과충돌을저해하며총괄열전달계수는오히려감

소한다고할수있다

.

^즉

, Fig. 12

^에서^볼^수^있듯이

,

^{나선흐름유도}

액체량의비가증가하게되면유동입자의평균체류량은증가하 면서반경방향의유동입자체류량도점점균일하여지는것을알 수있다

. Fig. 12

에서

R

S의값이

0.5

가되면

R

S의값이

0.3

인경우 보다유동입자체류량이증가하면서반경방향체류량도거의균일 하게되었다

.

그러나

R

S의값이

0.7

이되면

,

유동입자에작용하는 원심력이크게증가하여유동입자가내부열원주위보다유동층내 부로더많이분포하는것을알수있다

.

액체

-

입자유동층에서나 선흐름유도액체의투입으로열전달계수는

15~20

^％까지^증가시

킬수있었다

(Fig. 9).

Fig. 9. Effects of ^ε

L

on h in liquid-particle swirling fluidized beds.

Fig. 10. Effects of d

p

on h in liquid-particle swirling fluidized beds.

Fig. 11. Effects of R

S

on h in liquid-particle swirling fluidized beds.

(7)

본연구의실험범위에서유동입자체류량과총괄열전달계수 를실험변수들로구성된무차원군의상관식으로식

(5)~(6)

으로나

타낼수있었는데

,

각식들의상관계수는각각

0.96, 0.93

이었다

.

(5)

(6) (6)

식을만족시키는실험범위는

0.2

≤εS≤

0.55

이었다

.

4. 결 론

본연구의결과다음과같은결론을얻었다

.

(1)

액체

-

입자유동층에서나선흐름유도액체의주입은일반유 동층과비교하여같은실험조건에서입자의체류량을

10~13

％그 리고내부열원과유동층간의열전달계수를

15~20

％증가시킬수 있었다

.

(2)

액체

-

입자나선흐름유동층에서입자체류량은유동입자의크 기와나선유도흐름액체량의비

(R

S

)

의증가에따라서증가하였으나

,

액체유속의증가에따라서는감소하였다

.

유동층내부에서

R

S의값

이

0.1~0.3

^인^경우에^유동^입자의^{국부체류량은}^유동층^{중심부에서}

큰값을나타내었으며

, R

S의값이

0.5

일때는거의균일한분포를 나타내나

R

S의값이

0.7

일때는유동층중심부의입자체류량이상 대적으로감소하는경향을나타내었다

.

(3)

^열원^표면과^유동층간^온도차^요동^자료의^위상^공간^투영은

나선유도흐름액체량의비

(R

S

)

^가

0.1

^에서

0.5

^까지^{증가할수록}^점

점안정되고규칙성이증대되는경향을나타내었고

, kolmogorov

엔

트로피값은감소하는경향을나타내었다

.

^액체의^유속이^증가함에

따라서는

kolmogorov

엔트로피값은최대값을나타내었다

.

(4)

나선흐름유동층에서열원과유동층간의총괄열전달계수 는액체유속

,

층공극률

,

나선유도흐름액체량의비가증가함에따 라서최대값을나타내었으며

,

^유동^입자의^크기가^증가함에^따라^증

가하였다

.

(5)

액체

-

입자나선흐름유동층에서입자체류량과열전달계수를 다음과같은무차원군의상관식으로나타낼수있었다

.

0.2

≤εS≤

0.55 사용기호 A : column area [m

²

]

c

p

: specific heat [J/kgK]

D : column diameter [m]

d

p

: particle size [mm]

g : gravity acceleration [m/s

²

] h : heat transfer coefficient [W/m

²

K]

k

L

: thermal conductivity of liquid phase [W/mK]

L : fluidized bed length [m]

P : pressure [mmH

2

O]

Q : heat flow rate [W]

R

S

: swirling ratio of continuous liquid phase

∆

T : temperature difference [K]

U

L

: superficial liquid velocity [m/s]

V

1

: primary liquid stream [m

³

/s]

V

2

: secondary liquid stream [m

³

/s]

그리이스문자

ε

: holdup

µ : liquid viscosity [Pa.s]

ρ

: density [kg/m

³

]

아래첨자

L : liquid phase S : particle phase

참고문헌

1. Fan, L. S., “Gas-Liquid-Solid Fluidization Engineering, Butter- worths,” Stonehair, MA.(1989).

2. Kim, S. D. and Kang, Y., “Heat and Mass Transfer in Three- phase Fluidized Beds; An Overview,” Chem. Eng. Sci .,

⁵²

(21), 3639-3660(1997).

3. Kang, Y., Cho, Y. J., Lee, C. G., Song, P. S. and Kim, S. D.,

“Radial Liquid Dispersion and Bubble Distribution in Three- phase Circulating Fluidized Beds,” Can. J. Chem. Eng .,

⁸¹

(3),

εs

715.5 d

^p(^ρ^S

–

^ρ^L)

U

L

µL

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞^–^0.654

d

p

D---

⎝ ⎠⎛ ⎞^1.036( )

R

S^0.026

= hd

p(

1 –

εS)

k

LεS

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

0.584 C

_⎝^⎛

--- k

^p^µL^L_⎠^⎞^0.536

d

p(ρS

–

ρL)εL

U

L

µLεS

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞^0.672

d

p

D---

⎝ ⎠⎛ ⎞^0.367

= R

S

( )^0.01

εs

715.5 d

^p(^ρ^S

–

^ρ^L)

U

L

µ_L

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞^–^0.654

d

p

D---

⎝ ⎠⎛ ⎞^1.036( )

R

S^0.026

= hd

p⁽

1 –

^εS⁾

k

LεS

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

0.584 C

_⎝^⎛

--- k

^p^µL^L_⎠^⎞^0.536

d

p(ρS

–

ρL)εL

U

L

µLεS

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞^0.672

d

p

D---

⎝ ⎠⎛ ⎞^0.367

= R

S

( )^0.01

Fig. 12. Radial distirbution of particle holdup in liquid-particle swirl-

ing fluidized beds(U

L

=10.2 cm/s, d

P

=6.0 mm).

(8)

1130-1138(2003).

4. Kang, S. H., Lee, C. G., Song, P. S., Kang, Y., Kim, S. D. and Kim, S. J., “Radial Liquid Dispersion and Chaotic Behavior of Liq- uid-solid Flow in Liquid-solid Circulating Fluidized Beds,” Korean Chem. Eng. Res. ,

42

(2), 241-247(2004).

5. Zhu, J. X., Zheng, Y., Karamanev, D. G. and Bassi, A. S., “(Gas) Liquid-solid Circulating Fluidized Beds and Their Potential Applications to Bioreactor Engineering,” Can. J. Chem. Eng .,

78

(1), 82-94(2000).

6. Zheng, Y. and Zhu, J. X., “The Onset Velocity of a Liquid-solid Circulating Fluidized Bed,” Powder Technol .,

114

(3), 244-251 (2001).

7. Son, S. M., Shin, H. J., Kang, S. H., Kang, Y. and Kim, S. D.,

“Characteristic of Phase Holdups and Pressure Fluctuations in a Three-Phase Swirling Fluidized Bed,” J. Korean Ind. Eng. Chem.

15

(6), 652-658(2004).

8. Shin, K. S., Song, P. S., Lee, C. G., Kang, S. H., Kang, Y., Kim, S. D. and Kim, S. J., “Heat Transfer Coefficient in Viscous Liq- uid-Solid Circulation Fluidized Beds,” AIChE J. ,

51

(2), 671-677 (2005).

9. Van der Bleek, C. M. and Shouten, J. C., “Deterministic Chaos New tool in Fluidized Bed Design and Operation,” Chem. Eng , J. ,

53

(1), 75-87(1993).

10. Cho, Y. J., Song, P. S., Kim, S. H., Kang, Y. and Kim, S. D.,

“Stochastic Analysis of Gas-liquid-solid Flow in Three-phase Circulating Fluidized Beds,” J. Chem. Eng. Japan .,

34

(2), 254-261 (2001).

11. Grassberger, P. and Procaccia, I., “Estimation of the Kolmogorov

Entropy from a Chaotic Signal,” Physical review A ,

28