Hydrodynamic properties such as axial solid holdup, radial and axial gas mixing characteristics have been determined in risers of circulating fluidized beds (0.05 m-i.d. $\times$ 6.4 m-high and 0.03 m-i.d. $\times$ 7.2 m- high). The solid particle used in this study was FCC catalyst having a mean diameter of 71 $\mum$ and an apparent density of $1969 kg/m^{3}$.
To characterize the fast fluidization regime, the transport velocity to the fast fluidized bed has been determined by the emptying time and the maximum solids circulation rate methods. The effects of solid circulation rate, gas velocity and bed diameter on the axial solid holdup have been determined in risers of circulating fluidized bed. The axial solid holdup increases with solid circulation rate but decreases with gas velocity. Under the same operating conditions, the solid holdup becomes smaller and more uniform with increasing the bed diameter.
The fast fluidization regime can be divided into the two regions depending on the operating conditions. One is fully developed fast fluidization region where the solid holdup in the upper region of the riser shows the maximum value with increasing gas velocity at a given solid circulation rate, which indicates dense region forms in the bottom of the riser. The other is the fast transition region without the dense region in the bottom of the riser, but the axial solid holdup distribution exists at this condition.
The transition velocity to fast fluidization regime ($U_{FT}$) and the transition velocity ($U_{FD}$) to pneumatic transport regime in terms of Reynolds numbers have been correlated as a function of Archimedes number and a dimensionless group ($G_{s}/\rho_{g}U_{t}$) with the data of the present and previous studies as: $Re_{FT}$ = $0.782 Ar^{0.251}(\frac{G_{5}}{\rho_{g}U_{t}})^0.415$$Re_{FD}$ = $0.865 Ar^{0.252}(\frac{G_{5}}{\rho_{g}U_{t}})^0.388$
Consequently, the fast fluidization regions can be defined by the choking velocity, $U_{FT}$ and $U_{FD}$.
The effects of operating variables (gas velocity and solid circulation rate) on radial gas dispersion coefficient ($D_{r}$) have been determined. The radial gas dispersion coefficient ($D_{r}$) increases with increasing solid circulation rate, but decreases with gas velocity at a given solid circulation rate, since $D_{r}$ is dependent on solid hold up in the riser.
The radial gas dispersion coefficients in terms of P$\acute{e}$clet number has been correlated with the dimensionless groups with the data of the present and previous studies as: $Pe_{r}$=$1.065(\frac{D_{t}U_{g}\rho_{g}}{\mu_{g}})^{0.317}(\frac{G_{s}}{\rho_{g}U_{g}})^{-0.188}(\frac{d_{p}}{D_{t}})^{-0.124}(\frac{\rho_{s}}{\rho_{g}})^{0.266}$
The axial gas mixing characteristics have been determined in a circulating fluidized bed from the gas residence time distribution (RTD). The axial gas dispersion coefficient increases with increasing gas velocity at a given solid circulation rate and with increasing solid circulation rate at a constant gas velocity. Also, the axial gas dispersion coefficient increases with increasing column diameter. The axial gas dispersion coefficients in terms of P$é$clet number has been correlated with the dimensionless groups with the data of the present and previous studies as: $Pe_{a}$=$1.230(\frac{D_{t}U_{g}\rho_{g}}{\mu_{g}})^{-0.317}(\frac{G_{s}}{\rho_{s}U_{t}})^{-0.472}(\frac{d_{p}}{D_{t}})^{0.727}(\frac{\rho_{s}}{\rho_{g}})^{1.456}$
The effect of static mixer internals on bed hydrodynamic and axial gas mixing characteristics has been determined in a riser of circulating fluidized bed. Two types of static mixer were used with variations of superficial gas velocity and solid circulation rate. The riser pressure drop increases with increasing solid circulation rate due to the resistance between solid and static mixer and these values are higher than those in the empty column. With the static mixer, the axial solid holdup in the riser increases and its distribution become uniform along the height reducing the solids acceleration length at the bottom of the riser.
The slip velocity between gas and solids has been determined from the differential pressure drop for the easiness in scale-up. The slip velocity increases with the solid hold up at a constant gas velocity and there appears to be a unique relationship between the solid hold up and the slip velocity, regardless of the existence of the static mixer in the riser. The obtained dimensionless slip velocity ($U_{sl}/U_{g}$) is correlated with the experimental variables as: $U_{sl}/U_{g}$=$1.612(1-\epsilon)^{0.153}$
The axial gas dispersion coefficient without the static mixer in the riser increases with increasing solid circulation rate. However, with the R-R configuration static mixer in the riser, the axial gas dispersion coefficient decreases with increasing solid circulation rate and the axial gas dispersion coefficients are much smaller than those without static mixer.
순환유동층 반응기의 상승관에서 (0.05 m-i.d.$\times$6.4 m-high; 0.03 m-i.d.$\times$ 7.2 m-high) 축방향 고체 체류량, 반경방향 및 축방향 기체 혼합특성과 같은 수력학적 특성을 결정하였다. 본 연구에 사용된 고체 입자는 71$\mum$의 평균입도와 1969 kg/$m^3$의 비중을 갖는 FCC 촉매이다. 순환유동층 반응기의 상승관에서 고체순환속도, 기상유속 및 층 직경에 축방향 고체 체류량에 미치는 영향을 결정하였다. 고체 체류량은 고체순환속도가 증가할수록 증가하였고 기상유속이 증가할수록 감소하였다. 또한, 동일한 조업조건에서 층 직경이 증가할수록 고체 체류량은 감소하면서 일정해졌다.
고속 유동층 영역은 조업조건에 따라 두 가지의 영역으로 나눌 수 있다. 처음 영역은 완전 발달 고속 유동층 영역으로 주어진 고체순환속도에서 기상유속이 증가함에 따라 상승관의 상부에서 고체 체류량이 최대값을 보이는데 이것은 상승관의 하부에 농후상 영역이 형성되었음을 의미한다. 두번째 영역은 고속 전이 영역으로 상승관의 하부에 농후상은 형성되지 않지만 축방향으로의 고체 체류량의 분포가 존재하게 된다. 조업변수(기상유속, 고체순환속도)가 반경방향의 기체혼합계수 (Dr)에 미치는 영향을 결정하였다. 반경방향 기체혼합계수는 고체순환속도가 증가할수록 증가하지만 주어진 고체순환속도에서 기상유속이 증가할수록 감소하였다. 이것은 반경방향 기체혼합계수가 상승관 내에서의 고체 체류량에 의해 영향을 받기 때문이다.
축방향 기체혼합 특성은 순환유동층 반응기에서 기체체류시간분포(RTD) 측정을 통해 결정하였다. 축방향 기체혼합계수는 주어진 고체순환속도에서 기상유속이 증가할수록 그리고 일정한 기상유속에서 고체순환속도가 증가할수록 증가하였다. 또한, 축방향 기체혼합계수는 층 직경이 증가할수록 증가하였다.
순환유동층 반응기의 상승관에서 정적믹서 방해반이 층 내의 수력학적 특성 및 축방향 기체혼합 특성에 미치는 영향을 결정하였다. 기상유속과 고체순환속도를 변화시키면서 두가지 타입의 정적믹서를 사용하였다. 상승관 내의 압력강하는 고체순환속도가 증가할수록 증가하였는데 이것은 입자와 정적믹서간의 저항에 의한 것으로 상승관 내에 정적믹서가 설치되어 있지 않을 때의 값보다 훨씬 컸다. 정적믹서가 설치되어 있는 경우, 상승관 하부의 입자 가속 영역의 길이가 짧아지면서 상승관 내의 축방향 고체 체류량은 증가하였고 그 분포는 상승관 높이를 따라 균일해졌다. Slip velocity는 일정한 기상유속에서 고체 체류량이 증가할수록 증가하였고 상승관 내에 정적믹서의 존재 유무와 상관없이 고체 체류량과 slip velocity 사이에는 특별한 관계가 성립하였다.
상승관 내에 정적믹서가 설치되어 있지 않은 경우, 축방향 기체 혼합계수는 고체순환속도가 증가할수록 증가하였다. 그러나, R-R 배열형태를 갖는 정적믹서가 상승관 내에 설치되어 있는 경우, 축방향 기체혼합계수는 고체순환속도가 증가할수록 감소하였고 그 값 또한 정적믹서가 설치되어 있지 않은 경우보다 훨씬 작았다.
