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1. 서론
입자층을 통한 유체의 상향 흐름은 자연계에서 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 "quick sands"로 유동화 상태가 일어나며 공업적으로는 건조, coating, 열전달 및 화학반응 등의 여러 조작에서 수행되어진다. 따라서 이러한 실험들을 통해 고정층 및 유동층에 대한 전반적인 이해를 하는 것이 이 실험의 목적이다.
2. 실험 목적
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 충진되고 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 본 장치를 통하여 고정층 및 유동층 실험 등을 통한 유동화에 대한 전반적인 이해를 하는 데에 실험 목적이 있다.
3. 실험 이론
3.1. 고정층에서의 유체 흐름
고정층에서의 유체 흐름은 액체나 기체가 매우 낮은 속도로 고체 입자층을 통하여 위로 흐를 때를 의미한다. 이 때 고체 입자는 움직이지 않고 고정된 상태를 유지하게 된다. 고정층에서의 압력강하는 Ergun 방정식을 통해 계산할 수 있다.
Ergun 방정식은 낮은 유속 영역에서 잘 적용되며, 층류 흐름 항과 난류 흐름 항으로 구성되어 있다. 층류 흐름 항은 유체의 점성력이 지배적인 경우에 해당하며, 난류 흐름 항은 관성력이 지배적인 경우에 해당한다.
Ergun 방정식은 다음과 같이 표현된다:
ΔP/L = 150μ(1-ε)²V_0 / (φ²d_p²ε³) + 1.75ρ(1-ε)V_0² / (φd_pε³)
여기서,
ΔP = 압력강하
L = 충전층 높이
μ = 유체의 점도
ε = 충전층의 공극률
V_0 = 공탑 속도 (superficial velocity)
φ = 구형도
d_p = 입자의 직경
ρ = 유체의 밀도
이 식에 따르면, 압력강하는 유체의 속도, 유체의 물성, 충전층의 물성에 따라 달라진다. 고정층에서는 유속이 증가할수록 압력강하가 선형적으로 증가하게 된다.
즉, 고정층에서는 유체의 흐름이 층류 형태로 일어나며 Darcy의 법칙이 적용되어 압력강하와 유속이 정비례 관계를 보인다. 따라서 유체의 속도가 증가하면 압력강하도 증가하지만, 고체 입자는 움직이지 않고 고정된 상태를 유지하게 된다.
3.2. 유동화 현상
유동화 현상이란 고체 입자가 느슨하게 충진되어 있는 층을 통해 유체가 흐를 때 압력강하가 입자에 작용하는 중력의 무게와 균형을 이루면서 입자가 움직이기 시작하고 마침내 유체 속에 완전히 떠있게 되는 현상이다. 이때 마치 유체 자체가 고체 입자를 함유하는 진한(dense) ...
