테일러 반응기의 유동 특성과 입자 체류시간에 관한 수치적 연구

Abstract

화학 산업에서는 고품질의 화합물을 경제적인 비용으로 생산하기 위한 연구가 끊임없이 진행되고 있다. 테일러 반응기는 기존에 사용하던 회분식 반응기와는 달리 연속생산이 가능한 형태의 반응기로 생산시간을 단축할 수 있고 고른 혼합 성능을 갖고 있기 때문에 양질의 화합물을 생산할 수 있는 장점이 있다. 최근에는 이러한 테일러 반응기의 사용이 점차 늘어나고 있다. 본 연구에서는 테일러 반응기의 3차원 시뮬레이션을 통해 반응기의 회전속도, 입구에서의 주입속도와 같은 운전조건에 따른 유동특성에 대해 연구하고 입자추적을 통한 체류시간 측정으로 생산비용 절감을 위한 적절한 운전시간을 확인하였다. 결과적으로 반응기 내부의 유동은, 유동 특성을 구분하는 무차원 수인 임계 테일러 수에 의해 구분되고 이는 반응기의 형상과 내부 실린더의 회전속도, 그리고 반응기 내에 있는 반응물질의 축 방향 이동속도에 의해 결정되었다. 그리고 반응기 내 입자의 체류시간은 입구에서의 주입유속이 낮아질수록, 반응기 내부실린더의 회전속도가 높아질수록 길어지는 것을 확인할 수 있었다. 이와 같은 결과는 테일러 반응기를 사용하는 산업현장에 경제적인 생산을 위한 가이드라인을 제공할 수 있을 것이다.

In chemical industry, it is important to produce high quality product at a reasonable cost. The Taylor reactor attracts much attention because this can produce product continuously, resulting in the reduction of production time. Also, the Taylor reactor can produce high quality product using its evenly mixing performance. In this study, flow characteristics are investigated depending on operating condition such as inner cylinder rotation speed and fluid flow rate at inlet using 3-D numerical simulation. And particle residence time is also calculated using particle tracking simulation method. As a result, flow characteristics in a Taylor reactor is classified by Taylor number. And geometry of reactor, inner cylinder rotation speed and axial velocity in a Taylor reactor are major factors that affect flow characteristics. Particle residence time increase when fluid flow rate decrease at inlet and inner cylinder rotation speed increase. The results would help to find appropriate operation time to produce cathode material and save the manufacturing cost.