화학공학실험 | 고정층과 유동층

 

 

 

TIP

 

 

1. 고정층과 유동층에서 유체 압력손실을 측정하고 계산한다.
2. 유동화의 조건을 이해하고 최소유동화속도를 측정한다.
3. 유동화의 형태를 관찰하고 이해한다.
4. 공업적 공정에서 고정층과 유동층의 응용을 조사한다.

 

 

 

고정층 (固定層,fixed bed)

용기 내에 고체 입자를 충전해서 고정된 층을 말한다. 즉, 유체의 속도를 증가시키면 고체입자는 움직이지 않아 입자층의 높이는 변하지 않고 압력강하는 조금 더 변하는 상태를 말한다. 또한, 반응 유체를 통해 층과의 접촉으로 반응 조작을 실행한다. 층을 고정해서 사용하기 때문에 충전물의 마모가 적고, 형상, 크기, 용량 등을 자유롭게 선택할 수 있으므로 접촉 시간의 조절이 용이하다. 흡수, 흡착, 증류, 유출 등의 여러 장치에 사용되고 있다.

 

 

유동화(Fluidization)

가스나 액체 등의 연속상내에서 분산상인 고체입자가 연속상이 공급하는 운동에너지에 대하여 유체와 유사한 운동을 나타내는 현상이다. 특히 충전층에 충전입자가 느슨하게 충전되고 층을 통한 흐름에서 비롯되는 압력 강하가 층의 무게와 평행이 되면 유동화 현상이 일어난다.

 

유동층내의 다공성 분산판에 충진 시킨 고체입자에 유동화매체인 기체나 액체를 유동층의 하부에 주입 시키면서 유체의 유속 증가에 따른 고체 층 내의 압력강하를 측정하면 초기에는 고체층인 상태에서 압력 강하의 증가를 나타내다가 층 내입자군의 무게와 유체 공급에너지가 동일해지는 순간 고정층 상태가 파괴되면서 유동화입자의 움직임이 시작되는데 이때의 유체 속도를 “최소 유동화속도”라고 하며 이 이후에는 입자의 움직임이 매우 활발한 유동층상태가 되어 입자와 입자간의 접촉과 운동성이 증가하며 유체혼합도 매우 활발한 상태가 된다.

 

즉, 유속을 조금씩 증가시키면, 압력 강하와 개별 입자에 대한 항력이 증가하여, 마침내 입자들이 움직이기 시작하고 유체 중에 현탁된다. 현탁물은 밀도가 큰 유체와 거동이 마찬가지이므로, 완전 현탁 입자의 상태를 기술하는데 유동화(fluidization) 및 유동층(fluidized bed)이라는 술어를 사용한다.

 

 

유동층(fluidized bed)

유동층은 물리적 공정 또는 화학적 공정을 통하여 광범위한 분야에 응용되고 있다. 유동화란 가스나 액체 등의 연속상내에서 분산상인 고체입자가 연속상이 공급하는 운동에너지에 의하여 유체와 유사한 운동을 나타내는 현상이다. 고체 입자를 통한 유체의 상향흐름은 자연계에서 다공성매체를 통한 지하수 또는 원유 등에서 볼 수 있다.

 

 

실험 방법

1. 입자의 밀도와 공극율 측정

1) glass beads의 sample을 일정량 취하여 부피와 질량을 칭량한다.

 

2) mass cylinder에 유리구슬을 넣고 구슬표면까지 들어가는 물의 양을 측정한 다.

 

3) 다음 식으로 밀도와 공극율을 계산한다.

 

 

4) 층높이 변화가 일어나는 최소유동화속도에서와 유동층에서의 공극율은 계산해 서 구해야 한다.

 

2. 압력강하 측정

1) 탱크에 물을 2/3 정도 채워 준다.

 

2) 건조된 glass beads 일정량을 취하여 질량을 칭량하고 column에 약 30cm가 되게 채운다.

 

3) 각 지점의 수두차를 측정하는 밸브를 모두 열어 둔다.

 

4) column tank 하부에 있는 배수 밸브를 닫아 놓는다.

 

5) rotameter의 control valve를 열어놓고, pump를 가동시켜 column 으로 물이 공급되면 유량계를 약 10L/min 정도로 조정한다. 이 이상의 유량에서는 입자 가 넘쳐흐르게 되므로 주의해야 한다.

 

6) column에 달린 각 지점의 밸브를 열고 manifold관에 공기가 없도록 조작한 다.

 

7) column 상단부의 마노미터 측정밸브만 열고 다른 부위의 밸브는 닫는다.

 

8) 유체를 흘려 보낼 때 manometer 관에 공기가 없도록 한 후 manometer 상 단의 air pin 을 열어 공기압력을 주어 수두차가 생기게 하여 압력강하를 측 정한다.

 

9) 유속을 점차 낮춰 가면서 유동화 현상을 관찰하고 유동층 높이, 압력강하, 최 소유동화속도에서의 층 높이(고정층 높이), 유속을 서서히 낮추어 0으로 될 때까지 압력강하 등을 측정한다.

 

10) 같은 유량에서 2회 이상 실험한다.

 

 

 

[화학공학실험]고정층과 유동층 실험 레포트