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1. 서론
입자층을 통한 유체의 상향 흐름은 자연계에서는 다공성 매체를 통한 지하수, 원유, 천연가스의 움직임에서 볼 수 있으며 공업적인 조작에서는 여과, 이온교환 및 촉매 반응기 등에서 쉽게 볼 수 있다. 특히, 입자가 느슨하게 충전되고 층을 통한 흐름에서 비롯되는 압력 강하가 층의 무게와 평형이 되면 유동화 현상이 일어난다. 자연적으로는 소위 "quick sands"로 유동화 상태가 일어나며 공업적으로는 건조, coating, 열전달 및 화학반응 등의 여러 조작에서 수행되어진다. 따라서 이러한 실험들을 통하여 고정층 및 유동층 실험 등을 통한 유동화에 대한 전반적인 이해를 하고자 한다.
2. 실험 목적 및 이론
2.1. 실험 목적
실험 목적은 입자층을 통한 유체의 상향 흐름을 관찰하고 이해하는 것이다. 입자층을 통과하는 유체의 흐름은 자연계에서 다공성 매체를 통한 지하수, 원유, 천연가스의 움직임에서 볼 수 있으며, 공업적으로는 여과, 이온교환, 촉매 반응기 등에서 쉽게 볼 수 있다. 특히, 입자가 느슨하게 충전되고 층을 통한 흐름에서 비롯되는 압력 강하가 층의 무게와 평형을 이루면 유동화 현상이 일어나는데, 자연적으로는 "quick sands"로 알려진 유동화 상태가 발생하며, 공업적으로는 건조, 코팅, 열전달, 화학반응 등의 여러 공정에서 활용된다. 따라서 이러한 고정층과 유동층 실험을 통해 유동화에 대한 전반적인 이해를 얻고자 하는 것이 실험의 목적이다.
2.2. 실험 이론
액체나 기체가 매우 낮은 속도로 고체 입자층을 통하여 위로 흐를 때 고체입자는 움직이지 않는다. 이를 고정층이라 하며, 이때의 압력강하는 Ergun 방정식에서 구할 수 있다. 유체의 속도를 조금씩 증가시키면 압력 강하와 각 입자에 작용하는 항력(drag)이 증가하여 결국 고체입자가 움직이기 시작하고 마침내 유체 속에 떠있게 된다. 이를 "유동층화"라 하며, 고체입자가 흐르는 유체 속에 완전히 떠있어 마치 유체 자체가 고체입자를 함유하는 진한(dense) 유체가 되는 상태를 말한다. 또한 이렇게 떠있는 고체입자층을 유동층이라 한다.
고정층일 경우 아주 낮은 유속(Reynold 수가 15 미만)에서는 Darcy 법칙이 적용되므로, 압력강하는 유속에 비례한다. 그러나 유속이 증가하면 불규칙한 유동이 발생하여 압력강하와 유속의 관계가 비선형적이 된다. 이 때 Ergun 식을 사용하여 압력강하를 계산할 수 있다. Ergun 식은 다음과 같다:
ΔP/L = (150μ(1-ε)²)/(ϕ²D²ε³)V + (1.75ρ(1-ε))/(ϕ²D²ε³)V²
여기서 ΔP는 압력강하, L은 충전층 높이, μ는 유체 점도, ε은 공극률, ϕ는 구형도, D는 입자 직경, ρ는 유체 밀도, V는 유속을 나타낸다.
유동층의 경우 유속이 높아질수록 유동층 높이가 증가하게 되며, 압력강하는 유속에 따라 일정한 값을 유지한다. 즉, 유동화가 시작되는 임계 유속 이상에서는 압력강하가 일정하게 유지되는 것이다. 이는 유동층 내부에서 입자들이 서로 충분히 유동하며 층 높이 변화로 압력강하 증가를 상쇄하기 때문이다.
따라서 본...
