전산유체역학을 이용한 교반탱크 내 효율적인 가스 분산을 위한 모델 제안 및 검증

Abstract

교반탱크(Stirred Tank)는 다양한 형태의 회전하는 임펠러로부터 단상(single-phase) 또는 다상(multiphase)의 유체를 혼합하는데 사용되고 있다. 이러한 교반탱크는 식품, 의약, 화학업종 등 다양한 분야에서 재료의 가공 및 화학적 반응을 위하여 사용되고 있으며, 재료의 물성과 상(phase)에 따라 여러 가지 형태의 적합한 임펠러가 사용된다. 일반적인 액상형태의 재료를 혼합하는 교반탱크의 성능은 임펠러 블레이드의 크기와 형태 및 피칭된 각도에 따라 변화하며, 회전하는 임펠러로부터 교반기 내 다양한 형태의 유동을 만들게 된다. 그리고 이러한 유동의 성능은 다양한 방법으로 평가 할 수 있다. 한편 탱크 내 두 가지 상 (액체_연속상, 기체_분산상)이 존재하고 서로 상호작용을 일으킨다고 가정 할 때 교반의 목적은 교반탱크 내 존재하는 액체에 가스의 분산을 최대화 하는 것으로 생각 할 수 있다. 가스 분배기 (Sparger)로부터 교반탱크 내부로 주입된 가스는 회전하는 임펠러의 의해 확산 및 분산되며 탱크 내 액상의 원료와 접촉하게 된다. 주입된 가스는 임펠러의 의해 내부의 유동을 띄며 존재하기도 하지만, 부력이 작용하여 탱크 상부의 배기를 통해 배출되게 된다. 따라서 교반탱크 밖으로 배출되지 않고 교반탱크 내부에 머물고 있는 가스의 총량(체적분률의 총합)과, 분산의 형태를 확인함으로써 다상의 유체를 혼합하는 교반탱크의 성능을 평가 할 수 있다. 본 연구에서는 전산유체역학 (CFD)을 사용하여 실제 현업에서 사용중인 교반탱크를 모델링 하고, 회전하는 임펠러의 난류에 의한 가스의 분산상을 확인하였다. 그리고 가스 분산을 최적화하기 위해 보다 효율적인 교반탱크를 설계하고자, 다양한 임펠러와 가스분배기를 모델링하여 해석함으로써, 적합한 모델을 찾을 수 있었다. Disk Turbine, Pitched Blade, Rushton Turbine, 총 3가지 형태의 임펠러와, 파이프 및 링 형태의 가스분배기를 모델링하여 해석을 진행하였으며, Pitched Blade와 링형태의 가스분배기를 구성한 교반탱크에서 가장 가스의 분산 성능이 뛰어난 것을 확인 할 수 있었다. 임펠러의 끝단 아래에 파이프 형태의 가스분배기와 달리 링 형태의 가스분배기는 임펠러의 수직 하부에 위치하여 액체의 유동장을 따라 탱크 전체로 확산하여 가스가 분산되는 것을 확인 할 수 있었다. 전산유체역학 해석기법으로는 액체와 같은 연속상에 기체 분산상이 존재 할 때 가스의 분산형태를 해석하는 Eulerian 모델을 사용하였으며, Standard k-ε 모델을 사용하여 난류해석을 하였다. 다상난류유동 해석 모델로는 Mixture 모델을 사용하였으며, MRF (Multiple Reference Frame) 모델을 사용하여 회전하는 임펠러의 해석을 진행하였다.