유동화 실험(Fluidization)

목차

1. 실험 제목

2. 실험 목적

3. 이 론
◈ Fluidization
◈ 고체 입자층에 액체나 기체가
◈ Ergun equation
◈ 고체층을 통한 흐름
◈ 유동화 조건
◈ Sphericity ＆ Void fraction
◈ 유동층 실험
◈ Minimum fluidization velocity

4. 실험 장치 및 준비물

5. 실험방법

6. 주의 사항

7. 예상 결과

8. Reference

본문내용

나타낸다고 보아야 한다. 를 측정하려면, 층을 격렬하게 유동화 시켰다가 기체를 멈추어 침강시킨 다음, 유량을 점점 증가시켜서 층이 팽창되기 시작하도록 한다. 보다 재현성 있는 값은 고정층 및 유동층에서의 압력강하선의 교점에서 구하기도 한다.
◈ Sphericity ＆ Void fraction
① sphericity
- 구형이 아닌 입자의 상당 지름은 그 입자와 부피가 같은 구의 지름으로 정의하는데, 이는 구의 표면적과 입자의 실제 표면적의 비로서 정의된다. 구의 경우, 이므로, 어떤 입자이든지 다음 관계가 있다.
② Void fraction
- 공극률은 층의 전체부피(공극과 고체)에 대한 공극 부피의 비로서 정의된다. 그러나 불규칙 충전탑에서는 빈 탑의 단면적에 대한 모든 통로의 단면적의 비가 공극률과 같아진다.
공극률은 입자의 형상 및 입자크기의 분포, 입자크기와 탑지름의 비, 입자크기의 형상 방법 등에 따라 달라진다. 일반적으로 공극에 차는 물의 양을 계산한 층의 전체 부피와 비교하여 정한다. 입자가 다공질이면, 입자가 가지는 물은 제외하여 공극률이 층의 외부 공극률을 나타내도록 하여야 한다.
◈ 유동층 실험
- 층에서의 압력강하와 단위 면적 기준의 총 무게가 같다고 하고, 대체된 유체의 부력을 고려하면, 최소 유동화속도에 관한 식을 구할 수 있다.
초기유동화에서 ε이 최소 공극률 이다(입자 자체가 다공질이면 ε는 층의 외부 공극률이다). 따라서,
For water column에서
고정층의 압력차를 구하기 위한 Carman-Kozeny의 식은 다음과 같이 표현된다.
= Size of particles in microns
= Height of bed (m)
= Viscosity of water (10-3 Nsm-2)
= Kinetic viscosity of water (10-6 Nsm-2)
= Density of water (kgm-3)
= Particle density (kgm-3)
= Bed voidage = 1.0-mass of particles/(particle density total bed volume)
Re = Average Reynolds\' number based on superficial velocity
( ) which is dimensionless.
유량 Q가 단위 Liter/second로 측정되고 가 ms-1을 단위로 갖는 평균 표면 속도라면,
where A=Bed cross-sectional area
베드에 걸리는 압력차 h가 단위 mmH2O로 측정될 때
where
이고 따라서 처음 식은 다음과 같이 된다.
유동화 상태에서의 압력차는 다음방정식을 사용하여 예측 될 수 있다.
◈ Minimum fluidization velocity :
- 충전층에서의 압력강하에 대한 Ergun equation을 이용하여 초기 유동화에 적용하면 최소 유동화에 대한 2차식이 된다. 즉,
입자가 아주 작으면, Ergun equation에서 층류 항만이 중요하다. 일 때, 최소 유동화 속도의 식은 다음과 같다.
여러 가지 실험에 따르면, 은 입자의 2.0 제곱보다 다소 작게 변하며, 꼭 점도에 역비례하는 것은 아니다. 예상한 지수값이 다소 달라지는데, 이는 Ergun equation의 둘째 항을 무시한 것에 따른 다소의 오차와 입도에 따른 공극률 의 불확실성이 를 계산할 때의 주된 오차가 될 것이다.
에 대한 의존도는 입자 300까지는 유지되며, 유동화의 응용은 대개 입도 30～300 범위이다. 그러나, 석탄 연소층의 유동화에서처럼 입도 1 이상인 입자를 유동화 시키는 경우도 있다. 아주 큰 입자인 경우에는 층류 항이 무시되며, 은 입도의 제곱근에 따라 달라진다. 일 때의 식은 다음과 같다.
4. 실험 장치 및 준비물
① water pump ② flow control valve
③ flow meter④ switch (on, off)
⑤ drain valve⑥ manometer
⑦ manometer tap manifold⑧ manometer level control valve
⑨ manifold air vent⑩ test section
⑪ glass beads basket⑫ sump tank
-충진물(Beeds) : 충진물은 Channeling현상을 막기 위하여 탑의 직경의 1/8이하에 해당하는 물질로 선택
-Rota meter
-Scale
5. 실험방법
① 압력강하와 공기유속의 보정 그래프를 그린다.
② 공탑의 부피를 계산하고 충진물을 채운 뒤에 물을 채워 물의 부피를 통해 Porosity를 측정한다.
③ 입자가 완전히 유동화 할 때까지 유속을 증가시키며 압력손실을 측정한다.
④ 유속을 점점 감소시키며 압력손실을 측정한다.
⑤층의 높이가 유속에 따라 변할 경우는 그 높이를 측정한다.
⑥ 크기가 다른 충진물에 대해서도 실험해 본다.
6. 주의 사항
① 유체를 올려 보낼 때 입자가 서로 붙어 있으므로 준비된 막대로 입자를 휘저어
주어서 유체가 고르게 흐르도록 한다.
② 측정 실험 시 넘쳐 흘러나온 glass beads가 pump tank에 들어가지 않도록 받는 용기의 금속제 망위에 쌓이는 beads를 막대를 이용하여 휘저어 주어야 한다.
③ 실험이 끝나면 장치 내의 모든 부분의 물을 배수하여 주어야 한다.
7. 예상 결과
①유속에 따른 층의 높이 및 압력강하
☞유속이 빠를수록 층의 높이 및 압력 강하가 높아진다.
②충진물 입자의 크기에 따른 최소유동화속도
☞입자의 크기의 증가에 따른 최소유동화속도가 증가한다.
8. Reference :
단위 조작 / warren L. MacCabe /한국 맥그로우 힐/ 2001 / p 167～168
화학공학실험 / 성기천 외 2 / 사이텍미디어 2000 / p 221, p 455～456
단위조작입문 / 박창호 외 4 / 지인당 / p 180～184
단위조작 / 김승재 외 2명 / 동화기술 / p 130～134, p 503～504
/ 이화영 외 3 / McGrew-Hill / p 454～507
분리공정원리 / 김선근, 김성형 외 2 / 교보문고 / p 236～240, p 403～407

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유동화 실험(Fluidization),   Fluidization,   Ergun equation