In this study, characteristics of Taylor-Couette (T.C.) flow was investigated using experiment and CFD simulation. T.C. flow is generated between two co-axial cylinders by the rotating inner cylinder and stationary outer cylinder. The T.C. flow device has been applied in various areas. To apply T.C. flow reactor in a variety of fields, characterization of reactor is essential. Previous researches have been limited to batch type T.C. flow reactor. Characterization of continuous T.C. flow reactor has not been reported extensively in operating condition.
Flow regime and flow motion in a T.C. flow were studied. Flow regime changed depending on Taylor number. We confirmed flow regime using rheoscopic fluid. From simulation of fluid flow, velocity vector was displayed for confirmation of flow regime and streamline used to estimate flow motion and number of vortex revolution. The number of vortex revolutions was decreasing with increasing inner cylinder rotation speed during rotation of a big circle. Number of vortex revolution was from 5.77 to 0.65 during a big circle.
Residence time distribution (RTD) in a T.C. flow reactor was investigated. We conducted experiment and simulation in a wide range of operating condition. Residence time distribution is an essential information for the characterization of continuous device. From residence time distribution, we can confirm mixing property of reactor. Effect of inner cylinder rotation speed was investigated on residence time distribution. In vortex flow regime, RTD became narrower than RTD without rotation. In turbulent flow regime, variance of RTD increased by increasing rotation speed. Peak time of RTD came earlier with an increase of rotation speed. CFD simulation was conducted to understand the shift of peak time with rotation speed. Axial velocity data was extracted from simulation results. Due to increased average axial velocity, RTD was peak time of RTD came earlier by increasing rotation speed. Effect of inlet flow rate was also studied. RTD became broader with lower intensity by decreasing flow rate. Peak time of RTD came faster with a decrease of inlet flow rate.
Effect of size and density of particle were studied on the particle residence time in a T.C. flow reactor. We prepared particle injection and separation apparatus for particle RTD experiment. In the system, we simulated and described particle trajectory and particle residence time by CFD software. Residence time was analyzed more than 1,000 particles for each particle size and particle density from simulation results by discrete phase model. Particle RTD became broader and peak time of particle RTD appeared later with an increase of particle size at 1.5 g/mL. Influence of particle density was also investigated for 1.06 and 1.5 g/mL. When particle density is close to fluid density, particle RTD follows fluid RTD. Particle position in a T.C. flow reactor was analyzed by CFD simulation. Particle coordinate information was extracted and analyzed from particle trajectory depending on time for different particle size and density. Particle density was higher in outer region with increasing size and density.
Based on this research, we described characteristics of a T.C. flow reactor in a wide range of operating condition and a T.C. reactor including particle. Results of RTD and particle RTD will provide a basis to control reaction time and degree of mixing in a T.C. reactor. These flow characteristics and RTD information would be useful to apply continuous T.C. flow reactor in industry.
테일러 쿠에트 흐름은 쿠에트 흐름을 발생시킬 수 있는 동일한 축을 가지는 두 개의 원통사이에서 발생하는 흐름이다. 이 흐름은 외부 원통은 고정되어 있고 내부 원통이 회전함에 따라 발생한다. 테일러 쿠에트 흐름 발생 장치는 Couette(1890)가 유변 물성을 측정하기 위한 장치로 최초 고안되었다. 이 장치에서 내부 원통의 회전 속도가 증가함에 따라 층류 쿠에트 흐름에서 규칙적인 와류가 발생하고 이러한 흐름의 불안정성에 대한 연구를 Taylor(1923)가 발표하면서 테일러 쿠에트 흐름에 대한 다양한 연구들이 진행되어 왔으며, 이러한 연구를 바탕으로 넓은 분야에 테일러 쿠에트 흐름 발생장치를 활용하여 왔다.
이와 같은 새로운 형태의 장치를 다양한 분야에 적용할 때 반응기의 특성을 파악하는 것이 선행되어야 할 것이다. 장치 특성에 대한 연구는 장치를 실제 적용했을 때 나타날 수 있는 결과를 예측하는 정보를 제공하며, 시간과 자원의 절약을 기대 할 수 있다. 테일러 쿠에트 흐름 발생장치의 특성에 대한 연구는 회분식 장치에 한정되어 진행되어 왔다. 한편, 연속식 테일러 쿠에트 흐름 발생장치 특성에 대한 연구는 미미하며 극히 좁은 조건에 대한 결과만 보고되었다. 반응기 특성을 철저히 분석하지 않고 연속식 테일러 쿠에트 흐름 발생장치를 활용하게 되면 오히려 장치의 잘못된 활용으로 인하여 비용과 시간을 낭비하는 결과를 얻게 될 것이다. 그러므로 다양한 조건에서 테일러 쿠에트 흐름 발생장치의 특성에 대한 폭넓은 연구가 필요하다.
테일러 쿠에트 흐름 발생 장치는 흐름의 특성을 이용하므로 조건 변화에 따른 흐름 특성을 파악하는 것이 중요한 요소가 될 것이며, 내부 실린더의 회전 속도가 주요 운전 변수가 될 것이다. 특히, 연속식 장치의 특성을 파악하는데 있어서 필수적인 정보 중의 하나가 체류시간분포이다. 체류시간은 추적하는 물질이 반응기 속에 들어가서 출구를 통해 나올 때까지 머무른 시간을 말한다. 체류시간은 실제 장치에서 단일 값으로 나타나지 않고 어떤 분포를 보이는데, 이러한 체류시간분포를 통하여 장치의 혼합 특성을 확인할 수 있다. 또한, 화학반응이 있는 경우에 체류시간 분포는 장치 내부에서 반응물의 반응시간을 결정하는 중요한 정보를 제공한다. 이는 장치를 디자인하거나 장치를 활용할 때 공정을 예측하고 제어하기 위해 필수적이다.
본 연구에서는, 테일러 쿠에트 흐름 발생장치의 흐름 특성 및 체류시간 특성을 연구하였다. 회분식 및 연속식 장치 내부에서의 흐름 형태에 대한 연구를 통하여 공정 조건의 흐름에 대한 영향을 실험과 시뮬레이션을 통하여 기존 발표된 연구결과와 잘 일치하는 것을 확인 하였다. 특히 연속식 테일러 쿠에트 흐름 발생장치에서의 체류시간 특성에 대한 연구를 진행 하였다. 내부 원통의 회전 속도가 체류시간 분포에 어떠한 영향을 미치는지 연구를 진행하였다. 회전하지 않는 조건에서부터 최대 1000 rpm 의 내부 실린더 회전속도에 이르기까지 폭넓은 범위에서의 체류시간분포 특성을 분석하였다. 내부 원통의 회전에 따른 흐름 형태 및 체류시간분포의 변화를 전산유체역학 상용프로그램을 통하여 모사하고 이를 검증하였다. 또한 출입흐름속도가 체류시간분포에 미치는 영향에 대한 실험 및 전산 모사를 진행하였다.
많은 실제의 공정들은 유체에 입자를 포함한 경우가 많다. 기존 체류시간 분포에 대한 연구결과를 바탕으로 입자의 크기와 밀도에 따라서 입자의 체류시간 특성이 어떻게 변화하게 될 것인지에 대하여 연구를 진행하였다. 이러한 시스템에서의 입자의 거동과 체류시간 특성에 대하여 전산유체역학 상용프로그램을 통하여 모사하고 이를 통하여 현상을 설명하고자 하였다.
본 연구의 결과는 테일러 쿠에트 흐름 발생장치의 특성에 대한 폭넓은 연구를 바탕으로, 다양한 연구 분야에서 실제 테일러 쿠에트 흐름 발생장치의 활용에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
