본문내용
1. 실험 목적
1.1. 고정층과 유동층의 mechanism 이해
고정층은 고체입자가 충전된 수직관에 유체의 유속을 증가시켜도 고체입자는 움직이지 않아 입자 층의 높이가 변하지 않으나, 압력강하가 조금씩 증가하는 상태를 말한다. 유체가 고체 입자층을 아주 낮은 속도로 통과할 때 입자는 거의 움직이지 않으며, 이때 고체 입자층을 통한 압력강하는 Ergun 방정식으로 설명할 수 있다.
반면, 유동층은 유체의 속도를 점점 증가시키면 압력강하와 각 입자에 작용하는 항력이 증가하여 마침내 입자층이 올라가기 시작하면서 유체층에 현탁되는 상태를 말한다. 유동층이 형성되면 윗면이 수평을 유지하며, 입자의 상대적 밀도에 따라 큰 물체가 뜨거나 가라앉게 된다. 유동화된 고체는 액체와 같이 관이나 밸브를 통해 층으로부터 배출할 수 있어 고체 취급에 유리한 특징이 있다.
유체의 속도를 증가시키면 압력강하가 증가하지만 입자는 움직이지 않고 층 높이가 유지되다가, 어느 속도에서 층의 압력강하가 입자의 중력과 균형을 이루게 되면 입자가 움직이기 시작한다. 이후 유동층이 형성되면 압력강하는 일정하게 유지되나 유속 증가에 따라 층 높이가 계속 높아진다. 유량을 줄이면 압력강하는 일정하게 유지되면서 층 높이가 줄어들지만, 최종 층 높이는 처음 고정층보다 높게 나타난다. 이는 유동상태에서 천천히 침강한 고체보다 처음에 충전한 고체가 더 조밀하게 배열되기 때문이다.
따라서 고정층은 압력강하가 중요한 반면, 유동층은 층 높이 조절과 입자의 유동성이 중요한 특징을 가진다고 할 수 있다.
1.2. 고정층 및 유동층에서 압력손실과 유체유동조건 관계 조사
고체층을 통한 압력강하와 각 입자의 항력과의 관계는 총 입자를 통한 굽어진 통로의 고체 경계에 유체가 미치는 전체항력을 추산하여 얻을 수 있다. 액체나 기체가 고체 입자층을 통하여 아주 낮은 속도로 올라가면 입자는 거의 움직이지 않으며 이 경우에 고체 입자층을 통한 압력강하는 Ergun 방정식으로 주어진다. 이 방정식은 점성력과 관성력의 합으로 표현되며, 이때 가정된 사항은 실제 통로 대신에 단면적이 일정하고 평행한 같은 도관으로 가정하고, 통로 단면적의 크기 및 모양변화의 영향을 구하기 위해 통로벽의 단위면적 당 전체항력은 점성항력과 관성력의 합이라 가정했다. 또한 입자는 불규칙적으로 충진되어 있어서 어느 한 방향으로 배향되지 않으며, 거칠기의 영향은 무시하고, 입자의 크기와 모양이 같으며, 통로의 끝 또는 벽의 영향 또한 무시하였다. 이를 통해 도출한 Ergun 방정식은 다음과 같다. [ΔP/L] = [150(1-ε)μV0] / [ΦSD2p ε3] + [1.75ρV02(1-ε)] / [ΦSDpε3]
여기서 Φs는 구형도, Dp는 입자지름, ε은 공극률, V0는 공탑속도를 나타낸다. 이 Ergun 방정식은 고정층 충전탑에서 압력강하의 흐름을 가장 잘 설명한다고 알려져 있다. 이를 통해 고정층에서 유체의 유동조건과 압력손실의 관계를 파악할 수 있다.
한편 유체의 속도를 점점 증가시키면 압력 강하 및 각 입자에 대하여 항력이 증가하여 마침내 입자층이 올라가기 시작하며 유체층에 현탁된다. 이때 현탁물의 거동이 밀도가 큰 유체와 같다. 유동층이 형성되면 윗면은 수평으로 유지되며, 큰 물체는 현탁액에 대한 상대적인 밀도에 따라서 뜨거나 가라앉는다. 유동화 고체는 액체처럼 관이나 밸브를 통하여 층으로부터 배출시킬 수 있는데 이러한 유동성이 고체 취급에 유동화를 이용하는 장점이 된다.
유동층에서는 층에서의 압력강하가 유효속도에 비례한다. 속도를 점점 증가시키면 압력강하는 증가하지만 입자는 움직이지 않고 층 높이는 그대로 유지된다. 그러나 어떤 속도가 되면, 층에서의 압력강하가 입자에 대한 중력, 즉 층의 무게와 균형을 이루게 되며 그 이상 속도를 증가시키면 입자가 움직...
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