Bubble column reactors have a wide range of applications in industry including fermentation and coal liquefaction, owing to their intrinsic advantages, such as high heat and mass-transfer rates, low operating and maintenance costs, lack of moving parts, simple construction, operation versatility, and large interfacial area. However, the hydrodynamics of these reactors is quite complex. Moreover, despite the extensive research in this field, elucidation of the design and scale-up of such reactors is far from complete. In this thesis, individual design elements (such as reactor dimension, gas distributor, redistributor, and gas recycling system) within bubble column were studied identifying their influences on the hydrodynamic behavior of bubbles. Those design elements were applied to pilot-scaled slurry bubble column for Fischer-Tropsch synthesis (FTS).
Firstly, the possible events during bubble formation on an orifice were investigated using a rectangular bubble column. At the high gas flow rate, the bubble formation process was complicated by diverse events, such as wake effect, channeling, and orifice-induced turbulent flow. The detachment period could be used to discern the bubble formation steps because it was strongly affected by the above events. The bubble size distribution around the orifice was also analyzed to gain a clearer understanding of the bubble formation process. Above the rate of 3.0 dm3/min through a single orifice, the detachment period converged to a value of 25 msec irrespective of the orifice diameter. The bubble size distribution also showed little difference in this range of gas flow rate. This could be explained by the development of turbulent flow around the orifice. A 0.15-m in-diameter bubble column was tested to investigate the effect of orifice-induced turbulent flow on the regime transition in which the homogeneous flow regime is converted into the heterogeneous flow regime in the column. Obvious distinction between the orifice- and column-induced transitions was observed.
Secondly, more detailed distinction was given to regime transition. In contrast to common observa-tions, the gas hold-up graph with the superficial gas velocity could be categorized into three flow regimes: homogeneous, pseudo-homogeneous and heterogeneous flow regimes. The formation of large bubbles caused a transition from the homogeneous to the pseudo-homogenous flow regime, in which large bubbles rose vertically without oscillatory turbulence. According to the results from the dynamic gas disengagement (DGD) technique, large bubbles began to form at the transition superficial gas velocity to the pseudo-homogeneous flow regime. The transition to a heterogeneous flow regime was initiated by the turbulent movement of large bubbles. The transition superficial velocities to pseudo-homogeneous and heterogeneous flow regimes, ut1 and ut2, decreased with increasing liquid viscosity below a critical viscosity and converged to a certain value above that viscosity.
Thirdly, a trayed bubble column was suggested to improve gas hold-up in a tall bubble column. The sieve tray was used as the partitioning plate. The main effect of the sieve tray could be categorized into the additional drag force and bubble break-up depending on the sieve pore size. When the sieve pore size was smaller than the Sauter diameter of the bubble swarm, the movement of rising bubbles was interrupted by the drag force applied by the surrounding mesh lines. On the other hand, when the sieve pore size was larger than the Sauter diameter, the bubbles were affected by the additional bubble break-up. After the bubbles penetrated the sieve tray, the bubble size distribution shifted to a smaller one and the Sauter diameter decreased.
Fourthly, we focused on changes in the hydrodynamic parameters during the initial FTS reaction and identified the effect of the oxygenated byproduct on the bubble behavior and catalytic performance in the slurry bubble column. The Fischer-Tropsch reaction was performed using a pilot-scale slurry bubble column reactor (SBCR) and a lab-scale continuous stirred tank reactor (CSTR). In contrast to the CSTR, a transitory induction period was observed in the SBCR. We measured the hydraulic pressure for the constant slurry thick-ness during FTS reaction. The FT wax product was regularly withdrawn using a metal filter and analyzed for density, oxygen concentration, and compositional analysis. The liquid density was affected by the dilution of the initial liquid media by fresh FT product for the whole reaction time of 180 hrs. On the other hand, the ox-ygen concentration increased sharply for the initial 85 hrs and then reached the steady state. Accordingly, the gas hold-up and CO conversion were enhanced for the same period. The increase in the gas hold-up could be explained by the coalescence inhibition effect of oxygenated compounds, which were the main byproducts when iron-based catalysts were used. The dynamic gas disengagement technique was employed to identify the coalescence inhibition effect of alcohol in the hydrocarbon system using a cylindrical acrylic bubble column.
Lastly, we investigated the bubble formation process on the orifice when alcohols are added continu-ously in the form of vapor dispersed in the gas phase. The effect of alcohol on gas hold-up was investigated in two different methods to add alcohol into a column. In the first method, a weighed amount of ethanol was poured into the column before the gas hold-up measurement (batch mode). In the second method, we added ethanol continuously in the form of vapor dispersed in the gas phase (continuous mode). The continuous mode was more effective in improving the gas hold-up in a heterogeneous flow regime than the batch mode. On the other hand, it had a negative effect on gas hold-up in a homogeneous flow regime. To investigate these phenomena in more detail, we measured the detachment period, bubble size distribution, and bubble break-up frequency during bubble formation in the continuous mode.
기포탑 반응기는 우수한 열/물질 전달특성, 낮은 운전/유지 비용, 건설의 용이함 및 넓은 계면면적 등의 장점을 바탕으로 석탄액화공정과 같은 산업공정에 널리 활용된다. 다만 반응기 내부의 물질거동이 매우 복잡하기 때문에 반응기의 설계 및 스케일-업에 많은 어려움이 따른다. 본 논문에서는 반응기 내부의 개별 설계요소(반응기 크기, 기체 분배기, 재분산판 및 기체 재순환 장치)들이 기포의 거동에 미치는 영향을 탐구하였다. 이를 통해 도출된 설계요소들은 Fischer-Tropsch(FT) 합성공정을 위한 파일럿 규모의 슬러리 기포탑 반응기에 적용되었다.
먼저, 기체 분배기의 오리피스에서 기포가 형성될 때 발생하는 다양한 단위 현상들을 분석하였다. 특히 높은 기체유량에서의 기포 형성은 wake 효과, channeling 및 orifice-induced turbulent flow에 의하여 영향을 받았다. 이러한 단위현상들을 정량적으로 분석하기 위하여 bubble detachment period라는 개념을 도입하였다. 이와 함께 오리피스 주변에 형성되는 기포의 크기분포를 측정하였다. 하나의 오리피스를 통과하는 기체유량이 3.0 dm3/min이상이 되면 오리피스 크기에 상관없이 detachment period가 특정값(25 msec)으로 수렴함을 관찰할 수 있었다. 이는 오리피스 주변에 형성되는 강한 와류에 의한 것으로 보인다. 나아가 이러한 강한 와류는 기포탑 반응기 내에서 균일계 흐름영역에서 불균일계 흐름영역으로의 전이를 야기하였다. 기존의 연구 결과들에 따르면, 기포탑 반응기의 직경에 대한 일정한 기체 선속도에서 전이가 일어난다는 column-induced regime transition이 일반적으로 받아들여졌다. 하지만 본 연구를 통하여 기포가 형성되는 과정에서 orifice-induced regime transition이 나타나고 이는 column-induced regime transition과 경쟁관계에 있음을 확인하였다.
유체 흐름영역에 대한 좀더 세분화된 구분이 이루어졌다. 즉, 기존의 일반적인 관찰과는 달리 기체 선속도에 대한 기체 체류량의 그래프를 분석하였을 때, 균일계, 준균일계 및 불균일계 흐름영역으로 구분할 수 있었다. 낮은 기체 선속도에서는 작고 균일한 기포가 형성되어 상호간 작용없이 수직 상승운동하는 균일계 흐름영역을 형성한다. 기체 선속도가 증가하면 큰 기포가 형성되기 시작하지만 기포간 상호작용은 크게 증가하지 않는다. 이러한 영역은 준균일계 흐름영역으로 구분하였다. 기체 선속도가 보다 증가함에 따라 준균일계 흐름영역은 강한 와류의 특성을 갖는 불균일계 흐름영역으로 전이된다. 따라서 본 연구에서는 두 개의 흐름영역 전이(균일계 흐름영역 -> 준균일계 흐름영역 -> 불균일계 흐름영역)를 구분할 수 있었으며, 각각의 전이가 발생하는 기체 선속도(ut1, ut2)를 연속상의 점도에 따라 정량적으로 측정할 수 있었다.
높이가 큰 기포탑 반응기의 성능을 향상시킬 수 있는 다단 기포탑 반응기에 대하여 연구를 수행하였다. 각 단을 구분하는 판으로는 sieve tray를 사용하였다. Sieve tray의 주요 효과는 tray의 기공사이즈에 따라 ‘기포에 작용하는 drag force의 증가’와 ‘추가적은 bubble break-up’으로 구분할 수 있었다. 즉, 기공크기가 bubble의 sauter 직경보다 작을 경우에는 상승하는 기포가 tray를 통과하기 위하여 추가적인 drag force를 극복해야 한다. 반면, sauter 직경보다 클 경우에는 기포와 tray의 상호작용에 의하여 bubble break-up이 증가하였다.
위에서 도출된 설계요소들을 반영하여 실제로 기포탑 반응기를 Ficher-Tropsch 공정에 적용하였으며 이에 대한 운전결과를 수력학적 관점에서 해석을 하였다. 같은 촉매와 반응조건 하에서 슬러리 기포탑 반응기와 CSTR 반응기를 이용하여 Fischer-Tropsch 반응을 수행하였다. CSTR에서와는 대조적으로 슬러리 기포탑 반응기에서는 초기 85시간 동안 반응전환율이 급격하게 상승하는 induction period가 나타났다. 이를 해석하기 위하여 FT 반응이 수행되는 동안 슬러리 기포탑 반응기 내부에서의 수력학적 변화를 실시간으로 관찰하였다. 반응기 내부의 슬러리는 반응에 의해 생성된 왁스에 의하여 희석되어 점차적으로 밀도가 감소하였다. 반면 슬러리에 포함된 oxygenate의 농도는 반응초기 85시간 동안 급격하게 증가하고 이후로 일정한 값을 유지하였다. 같은 기간 동안 기체 체류량과 반응전환율도 일정한 상승을 보였다. 이는 생성된 oxygenate 부산물의 coalescence inhibition 효과에 기인한 것으로 해석된다.
마지막으로, 알코올이 기체상에 분산되어 연속적으로 기포탑 반응기에 투입될 때의 수력학적 영향에 대하여 살펴보았다. 기체 체류량에 알코올의 첨가가 미치는 영향을 분석하기 위하여 두 개의 다른 알코올 첨가방법을 사용하였다. 첫 번째 방법에서 일정량의 알코올을 미리 연속상에 첨가하였다(batch mode). 다른 방법에서는 기체상에 분산된 상태로 연속적으로 알코올을 투입하였다(continuous mode). 불균일계 흐름영역에서는 후자의 경우가 기체 체류량 향상에 보다 효과적이었던 반면 균일계 흐름영역에서는 이와 반대 경향을 보였다. 이러한 현상을 보다 세부적으로 살펴보기 위하여 continuous mode에서 bubble detachment period, 기포 크기 분포 및 bubble break-up frequency에 대한 체계적인 분석을 수행하였다.
