충전층 흐름의 압력강하(A+)

본 내용은 " [단위조작실험]충전층 흐름의 압력강하(A+) " 의 원문 자료에서 일부 인용된 것입니다. 2023.03.09

문서 내 토픽

• 1. 충전층 흐름의 압력 강하

  충전층은 화학공정에서 기체흡수탑, 증류, 반응기, 여과기 등에 사용되는데, 공정설계 및 운전조건 최적화를 위해 충전층을 지나는 유체흐름의 유속과 충전층에 걸리는 압력강하의 관계가 기본적으로 필요하다. 충전층 내에서 임의적으로 채워진 충전물 사이, 즉 공극으로 유체가 흐르므로 이를 수학적으로 완전히 해석하기는 어려워 수학적 모델링 방법을 주로 사용한다. 모델링을 통해 유체 평균속도와 압력차의 상관 관계를 해석해보면 실제 유로는 모양이 불규칙하고, 단면적과 배향이 다양하며 서로 얽혀 있어 채널이 불규칙하고, 굽어 있는 등 수식화가 어렵지만 모세관 모델에서는 균일한 원형 유로가 있으며 고체의 전체 표면적과 그 사이의 공극 면적이 층의 단면을 이룬다는 가정하게 유로의 상당 지름을 구할 수 있게 한다.

• 2. 유동화 현상

  유체의 속도가 증가함에 따라 압력차와 고체 입자들의 항력이 증가하면서 입자가 유체중에 떠있는 상태에 도달하게 된다. 이 때, 충분히 유체 중 떠있게 되면 고정층이 유동층이 된다. 즉 유체의 속도가 커지면 고정된 충전입자가 유동하기 시작하는데, 이를 초기 유동화 속도라고 한다. 입자에 작용하는 force balance를 이용하면 초기 유동화속도는 다항식의 해로 표현된다. 유동화 형태에 관계없이 공탑 속도가 증가하면 층이 팽창한다. 그러나 전체 압력 강하는 일정하게 유지되므로 공극률이 증가하면 단위 길이 기준의 압력 강하가 감소한다.

• 3. 압력강하 이론식

  충전층 흐름의 압력 강하는 Kozeny-Carman 식, Burke-Plummer 식, Ergun 식 등을 이용하여 나타낼 수 있다. Kozeny-Carman 식은 레이놀즈 수가 1 이하의 흐름에 잘 적용되고, Burke-Plummer 식은 레이놀즈 수가 1000 이상에서 사용할 수 있다. Ergun 식은 레이놀즈 수 범위에 관계없이 모든 곳에서 적용 가능한 압력강하를 구할 수 있다.

• 4. 실험 결과 분석

  이번 실험에서는 충전층을 지나는 유체 흐름의 유속과 압력차의 관계를 구하고 초기 유동화 속도를 실험적으로 측정하였다. 실험 결과, 유량이 증가할수록 압력차가 증가하는 경향을 보였으며, 실험값과 이론값(Ergun 식)이 유사한 결과를 나타냈다. 다만 일부 오차 요인으로 인해 정확한 일치는 어려웠다. 오차 요인으로는 초기 유동화 속도 측정 시 변인 통제 부족, 공극률 및 구형도 가정의 한계, Ergun 식의 적용 범위 등이 있었다.

• 5. 유동화 속도 및 범위

  최소 유동화 속도는 고정층에서 유동층으로 바뀔 때의 속도를 의미하며, 이를 측정하면 유동화가 일어날 때 충전 입자들에 작용하는 힘의 균형을 알 수 있다. 또한 유동화 속도의 상한은 입자의 동반 배출을 야기하므로, 이를 고려하여 적절한 유동화 속도 범위를 선정해야 한다. 입자의 크기, 모양, 밀도 등에 따라 유동화 거동이 달라지므로 이를 고려한 최적 운전 조건 설정이 필요하다.

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• 1. 주제2: 유동화 현상

  유동화 현상은 충전층 공정에서 매우 중요한 개념입니다. 입자들이 유체의 흐름에 의해 부유 상태로 존재하게 되면 열 및 물질 전달 특성이 크게 향상되어 공정 효율이 높아질 수 있습니다. 유동화 속도와 범위를 정확히 예측하는 것은 공정 설계 및 운전에 필수적입니다. 유동화 이론과 실험 결과를 종합적으로 분석하여 유동화 특성을 이해하고, 이를 바탕으로 최적의 공정 조건을 도출하는 것이 중요할 것 같습니다.

• 2. 주제4: 실험 결과 분석

  충전층 내 압력 강하와 유동화 특성에 대한 실험 결과 분석은 매우 중요합니다. 실험을 통해 얻은 데이터를 바탕으로 이론식의 정확성을 검증하고, 공정 설계 및 운전을 위한 기초 자료를 확보할 수 있습니다. 실험 조건, 측정 방법, 데이터 분석 등 전 과정에서 신중한 접근이 필요하며, 통계적 분석 기법을 활용하여 결과의 신뢰성을 높일 수 있습니다. 또한 실험 결과와 이론 모델의 비교 분석을 통해 모델의 개선 방향을 도출할 수 있을 것입니다.