[화학공학] 고정층 반응기 내부 유동 흐름(Bubble, Trickle, Mist, Fulse Flow)

지난 번 까지 FBR 반응기에 대한 개요와 FBR 반응기의 L/D에 대한 영향을 알아보았다. 금번에는 Liquid-Vapor Phase FBR 반응기 내부에서 Flow Rate에 따른 유동 흐름에 대해 알아보고자 한다. FBR 반응기 내 유동 흐름은 반응기 내부에 흐르는 반응물들의 유량(또는 유속)에 따라 아래 4종류로 나타낼 수 있다. ❶Trickle Flow ❷Pulse Flow ❸Spray Flow ❹ Bubble Flow. 하나씩 살펴보자. FBR 반응기에 대한 기초는 아래 글들을 참조하자.

[공부/공학(Engineering)] - [화학공학] 고정층 반응기(Fixed Bed Reactor, FBR)

[공부/공학(Engineering)] - [화학공학] 고정층 반응기 설계(Fixed Bed Reactor Design) 고려 사항(1)_L/D 정하기

 

 

FBR 반응기

 

1. Trickle Flow

- Trickle이라는 단어의 뜻은 얼굴에서 눈물이 흐르는 형상을 표현하며, 해당 Flow를 Trickle Down Flow라고도 한다.

- 이는 Low Vapor flow rate, Low Liquid flow rate에서 나타난다.

- 특히 FBR 반응기 중에서도 가장 선호되는 Flow 형태로 흔히 Trickle Bed Reactor(TBR)라고도 한다.

- 특징으로는 Liquid Phase의 Reactant가 고체 상태의 Catalyst 표면을 Film형태 또는 Rivulet(시냇물) 형태로 흐르게 되는데 여기서는 중력(inertial Force)보다는 촉매 사이사이의 Capillary Pressure가 지배적이기 때문이다.

- Trickle Flow의 regime을 더 증가시키고 싶다면 Catalyst Particle Size를 키우거나 Liquid의 Viscosity, Surface Tenstion을 낮춰야한다.

- 낮은 Pressure Drop, 낮은 Catalyst 마찰력을 갖기 때문에 해당 문제가 있는 반응기라면 선호될 수 있다.

- 다만 여타 다른 Flow보다는 Heat and Mass Transfer rate가 낮다.

- 보통은 trickle Flow가 많은 산업에서 선호된다.

 

FBR 반응기 내 유동 흐름 종류

2. Pulse Flow

- 다소 Moderate한 Liquid-Vapor Flow Rate에서 나타나는 Flow 형태이다.

- 다른 여타 Flow 형태보다 Regime이 굉장히 작기때문에 해당 Flow 형태로 Operating하는 것은 다소 무리가 있다.

- Trickle Bed의 이점은 가져가면서 Heat and Mass Transfer Rate가 더 높기 때문에 이상적인 Flow 형태이나 Operating하는 것이 특히 어렵다. 만약 diameter가 큰 Reactor라면 더욱 더 어려울 것이다.

 

3. Spray(mist) Flow

- High Vapor Flow Rate와 Low Liquid Flow Rate에서 나타나는 현상으로, 단어 그대로 Liquid가 Spray처럼 작은 Droplet(Mist)형태로 존재하는 Flow 형태이다.

- Droplet형태로 Liquid가 존재하기 때문에 Low Liquid Holdup, High Vapor-Liquid Mass Transfer rates를 갖는 것이 특징이다.

- Vapor Phase의 Reactant를 Recycle하는 것이 좋다.

 

4. Bubble Flow

- Low Vapor Flow Rate, High Liquid Flow Rate에서 나타나는 현상으로 Liquid가 반응기 내에 꽉찬 상태로 Catalyst를 지나가며 그 사이로 Vapor가 Bubble 형태로 존재하는 Flow 형태이다.

- Heat and Mass Transfer Rate가 굉장히 좋기 때문에 Liquid Component가 Limiting 이거나, 반응열이 굉장히 높은 Highly Exothermic Rxn이라면 고려해볼만하다.

- 하지만, 촉매가 지속적으로 Liquid에 담지되어 있기 때문에 Liquid에 취약한 촉매라면 촉매 강도를 키우거나 Diameter를 키울 필요가 있다.

 

5. 결론

오늘은 FBR(고정층반응기) 내에서의 Vapor-Liquid Flow Rate에 따른 Flow 형태에 대해 알아보았다. 그래프로 정리하면 아래 그림과 같이 나타낼 수 있다. 자신의 반응 조건에 따라 운전 범위를 정해 SOP에 반영해야하고, 만약 반응기 내부에서 어떤 문제가 생겼다면 Operating Point가 어디인지 부터 알고 시작해야 명확한 원인파악을 할 수 있을 것이다. 다음 글에서는 FBR 반응기 내에서 나타나는 특징 중 하나는 Liquid Holdup현상과 그에 따른 Hysteresis에 대해 알아보도록 하겠다.