A bubble column reactors have gained considerable attention due to its excellent mass transfer characteristics, simple operation and large gas-liquid interfacial area. The understanding of flow hydraulics is extremely important in the bubble column operation. However, comprehension of the bubble column hydrodynamics is yet to be in clear for industrial applications. Therefore, in order to provide a framework for more detailed consideration of hydrodynamics in the bubble column reactor. We focused on following topics.
First, mass transfer behavior on the bubble column was investigated. Either monoethylene glycol (MEG) solution or n-hexane was adopted as a liquid phase and argon was used as a gas phase. Experiment measuring mass transfer parameter revealed that the gas holdup and the mass transfer coefficient became lowered by the static liquid height increase due to the increase of bubble size. A sieve tray was introduced to offset the loss of mass transfer caused by static liquid height increase. Two sieve trays having different hole sizes were employed. Standard deviation of pressure and the bubble diameter were observed to understand the effect of the sieve tray on the mass transfer. Employing smaller size hole sieve (1 mm) resulted in reduced mass transfer due to the formation of gas cap, which appear below the sieve. Mass transfer was enhanced due to the reduction of bubble diameters without any gas cap formation by installing larger hole sieve (3 mm),. However, the effect of the sieve tray was weakened when the flow regime changes from homogeneous to heterogeneous.
Secondly, the transition of flow regimes was investigated with various gas-liquid systems in a bubble column. Analyzing the transition regime in the bubble column is important issue because considerable change in bubble characteristic and mass transfer behavior is accompanied. Various parameters of gas holdup, volumetric mass transfer coefficient, drift flux and pressure standard deviations in an acrylic column of 1.8 m in height and 0.2 m in diameter were investigated to precisely determine superficial gas velocity at the transition regime. Under the range of 2.5 to 5 in the ratio of static liquid height to diameter (H/D), the superficial gas velocity of the transition regime generally becomes higher with the lower liquid height. It was observed that obtained transition regime velocities determined by different parameter had similar value. Two correlations to decide gas holdup of homogeneous and heterogeneous flow regime were derived from the investigated gas holdup experimental data in this work. The correlation to determine the transition regime velocity was also suggested using the gas holdup correlation for homogeneous and heterogeneous flow regime.
Finally, bubble column with an external loop another type of bubble column, was investigated. The gas holdup of the BCR and BCR-EL was compared while maintaining same volume of the liquid phase. The riser and downcomer gas holdup in bubble column with external loop was less than gas holdup in original bubble column. However, result of gas desorption concentration measurement under same gas phase input revealed that reactor performance could be better even in high superficial gas velocity (0.10 m/s) operating with bubble column with an external loop. The observation of rise and descend velocity of bubble showed that ratio of bubble pass the downcomer continuously increase with increasing superficial gas velocity. For a sophisticated comparison, reactor modeling was carried out with Fisher-Tropsch synthesis reaction. The simulation result prevailed that the syngas conversion was high in BCR at homogeneous regime. In heterogeneous regime, BCR-EL has higher performance than BCR since high gas recycle to downcomer results in high syngas conversion ate the reactor bottom.
기포탑 반응기는 우수한 열 및 물질 전달 특성을 가지며 유지 및 운전이 비교적 용이하다는 장점 덕분에 흡착반응, 생물반응, 석탄액화반응, 산화 및 염소화 반응 등의 여러 산업적 공정에 널리 활용되고 있다. 하지만 이 같은 장점에도 불구하고 반응기 내부의 기포 거동이 복잡하고 다양한 상호 작용력이 존재하기 때문에 정밀한 반응기 해석에서는 한계를 보이고 있다. 따라서 본 연구에서는 여러가지 기-액계를 사용하여 기포탑 반응기 내의 물질 전달과 기체 흐름 체계에 관한 연구를 진행하였다.
챕터 1,2 에서는 전반적인 기포탑 반응기에 대한 문헌조사와 연구의 당위성에 관해 서술하였으며 챕터 3에서는 기포반응기에서 액체의 높이 상승에 대한 물질 전달 계수 및 기체의 분율 저하에 대해서 연구를 진행하였다. 에틸렌 글리콜과 물의 혼합 용액과 n-헥산 용액을 액체상으로 사용하였으며 기체상으로는 아르곤을 사용해주었다. 실험을 통해 액체상의 높이를 올려줌에 따라 물질 전달 계수 및 기체 분율이 어느정도 감소하는지를 확인하였고 기체의 공탑 속도를 변화시켜 주면서 기포의 크기와 그 분포를 알아보았다. 이후에는 액체상의 높이 증가에 대한 물질 전달 효율 감소를 체(sieve tray)를 컬럼 중간에 설치하여 이를 상쇄시켜보았다. 실험은 체를 구성하는 구멍의 크기에 따라 물질 전달 거동에 어떤 영향을 미치는지 확인하기 위해 서로 다른 구멍의 크기를 가지는 체를 사용하여 진행하였다. 체를 사용하였을 경우 전체적으로 물질 전달 계수가 상승하는 경향을 보여 주었지만 구멍의 크기가 작은 체를 사용할 경우는 반대의 결과가 나왔다. 에틸렌 글리콜과 물의 혼합용액을 액체상으로 사용하였을 때는 설치된 체 아래에 기체 캡이 생성되어 기체들이 체 밑에 정체되면서 물질전달을 저해하는 결과를 얻었다. 기포의 크기를 측정한 결과 체를 설치하는 경우에 전체적으로 낮은 크기가 나오는 것을 확인 하였으며 기포의 공탑 속도가 증가할수록 그 차이가 적어지게 되었다.
이후 챕터 4에서는 기체의 흐름 체계에 관하여 연구를 진행하였다. 기포의 공탑속도가 올라가면 기체의 흐름 체계가 바뀌게 되면서 기포의 거동의 경향이 바뀌게 된다. 연구에서 주로 관찰한 점은 균일계 영역에서 불균일계 영역으로 바뀌는 전이 영역의 위치에 대한 부분이다. 전이 영역을 측정하는 방법에는 여러가지가 있는데 이중에서 기체 분율과 물질 전달 계수 그리고 drift flux 곡선의 기울기를 관찰하여 전이 영역의 위치를 찾아내었다. 또한 기체의 공탑속도에 따라 각 액체의 높이에서 압력의 진동을 측정하는 방법으로도 전이 영역의 위치를 확인하였다. 4가지 방법을 사용한 결과 비슷한 결과를 얻을 수 있었고 이를 토대로 여러가지 기-액계에서 실험하여 균일계 및 불균일계 영역의 기체분율을 계산할 수 있는 모델을 제안하였다. 또한 이 두 모델을 토대로 전이 영역에서의 기체분율 및 기체 공탑 속도를 구할 수 있는 모델을 제안하였다.
마지막으로 챕터 5 에서는 기존의 기포탑 반응기와에서 조금 수정된 외부 순환 기포탑 반응기를 제작하여 두 반응기의 물질 전달 및 기포 거동의 차이를 확인하였다. 기존의 논문에서는 기포탑 반응기와 외부 순환 기포탑 반응기의 비교에 대해서 자세하게 다뤄진 문헌이 많이 없는 실정이기 때문에 이 같은 연구를 수행하였다. 기존의 논문에는 대부분 동일한 액체 높이에서 비교를 진행하였기에 액체의 부피를 고정한 상태로 두 반응기에 대한 비교를 진행 하였다. 기체 분율에 대한 실험을 했을 경우에는 기존의 논문과 비슷한 결과로 기포탑 반응기에서 우세한 결과를 보였다. 하지만 기존에 녹아있던 기체를 내보내고 새로운 기체가 액체에 녹는 과정을 반응이라고 가정 한 뒤 기존에 녹아있던 기체의 농도를 측정하는 실험을 한 결과 외부순환 기포탑 반응기에서 우세한 부분이 관찰되었다. 고정된 량의 기체를 서로다른 기체 공탑 속도로 컬럼에 넣어주었을 경우 기포탑 반응기에서는 기체 공탑 속도가 증가함에 따라 녹아있던 기체의 농도가 점점 감소하다가 증가하는 결과를 보여주었다. 이는 기체 공탑 속도가 증가함에 따라 전환율이 증가하다가 감소하는 것으로 볼 수 있는데 따라서 기포탑 반응기에서는 기체 공탑 속도가 높으면 높을수록 전환율에서는 손해를 보게 되는 셈이다. 하지만 외부 순환형 기포탑 반응기에서는 기체 공탑 속도가 높은 구간에서도 전환율이 증가하는 경향을 관찰하였다. 이 같은 이유를 알아보기 위해 기포의 상승 및 하강 속도를 관찰하였다. 그 결과 외부 순환형 기포탑 반응기에서는 기체 공탑 속도가 증가하여도 downcomer로 유입되는 기포의 량도 많아지기 때문에 기체 공탑 속도가 증가하여도 기존 기포탑 반응기와는 다른 경향을 보여줄 수 있던 것이다. 이후에는 정교한 분석을 위하여 Fisher-Tropsch 합성반응에 대한 반응기 모델링을 진행하였다. 반응 모델은 axial dispersion 모델을 사용하였으며 문헌 실험과의 비교를 통해 모델링 검증을 확인한 뒤 모델링을 통하여 기존 기포탑 반응기와 외부 순환형 기포탑 반응기의 성능을 비교하였다. 합성가스 전환율을 비교한 결과 기체 공탑 속도가 적은 균일계 영역에서는 기존의 기포탑 반응기가 우세하였지만 기체 공탑 속도가 큰 불균일계 영역으로 갈수록 외부 순환형 기포탑 반응기의 성능이 우세한 결과가 나왔다. 반응기의 높이에 따른 합성가스의 전환율을 관찰한 결과 반응기 밑부분에서 전환율차가 큰 것이 관찰되었다. 이는 불균일계에서 downcomer로 유입되는 기체의 양이 많아지기 때문에 상대적으로 높은 전환율을 얻을 수 있었기 때문에 외부 순환형 기포탑 반응기의 성능이 기존의 기포탑 반응보다 높게 나올 수 있었다고 설명할 수 있다.
