PACK 분석을 위한 전산유체역학 기법 적용

Jun 23, 2023

Scientific Reports 12권, 기사 번호: 6588(2022) 이 기사 인용

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측정항목 세부정보

본 연구에서는 비표면적이 1300m2/m3인 혁신적인 와이어 거즈 구조의 패킹인 PACK-1300XY를 전산유체역학(CFD) 접근 방식을 통해 특성화했습니다. 실제로, 이 패킹의 다양한 특징(이론적 플레이트와 동일한 높이, 습윤/건식 압력 강하 및 물질 전달 효율)은 Eulerian-Eulerian 다상 시나리오를 사용하는 3차원 CFD 접근 방식을 사용하여 흐름 영역을 분석하여 분석되었습니다. 결과는 CFD 예측과 실험 측정 사이의 평균 상대 편차가 16%(습압 강하의 경우), 14%(건식 압력 강하의 경우), 17%(질량 전달 효율의 경우)인 것으로 나타났습니다. 수치적 발견과 실험적 관찰 사이의 이러한 탁월한 수준의 일관성은 분리 프로세스의 신뢰할 수 있는 시뮬레이션을 위한 CFD 기반 접근 방식의 유용성을 승인합니다.

이온성 액체 기반1,2 및 마이크로바이저 보조3 흡수, 흡착4,5,6,7, 막8, 순환 정제9, 유동화10,11,12와 같은 분리 기술은 다양한 응용 분야에서 폭넓게 적용됩니다. 증류탑은 상대적인 변동성을 고려하여 공급원료와 제품 스트림을 분리하는 가장 잘 알려진 공정일 것입니다13,14,15. 증류탑은 가스와 액체 흐름16 사이의 역류 흐름 방식을 쉽게 처리할 수 있습니다. 이와 관련하여 트레이17 및 패킹18이 장착된 증류탑은 두 가지 주요 범주입니다. 후자는 두 개의 무작위 패킹과 구조화된 패킹으로 나뉩니다.

구조용 패킹은 낮은 압력 강하, 높은 분리 효율성, 다양한 작업에 대한 적응성20 등 다양한 이점을 갖고 있어 대규모 분리탑21 및 국내 화학 산업에 선택되었습니다. 화학적 절차의 분리 성능을 자세히 설명하기 위해 한 종류의 구조화된 포장, 즉 골판지 포장이 인기가 있습니다. 그 재료는 역관 방향으로 나란히 배열된 금속, 세라믹 및 플라스틱일 수 있습니다. 따라서 다공성은 약 90%이며 매력적인 비표면적 범위는 250~750m2/m324입니다.

증류탑의 건식 및 습윤 압력 강하는 각각 기상 및 컬럼 높이를 가로지르는 역류 기체-액체 흐름과 관련됩니다25. 더욱이, 이론단(HETP)과 동등한 높이와 액체 보유력은 패킹26,27의 또 다른 필수 특성입니다. 또한, 패킹된 베드의 분리 효율은 패킹의 물질 전달을 나타내는 HETP 값을 통해 정의되었습니다. 이러한 매개변수 사이에는 비례 관계가 있다는 점에 유의해야 합니다.

패킹 전체의 유체 흐름에 대한 수치 연구 중에서 전산 유체 역학(CFD)은 실험 측정의 경제적 비용을 줄이는 효율적인 방법입니다. 또한, 이 계산 방법의 또 다른 이점은 다양한 요인의 효과를 추정할 수 있다는 것입니다. 이러한 목적을 달성하기 위해 몇몇 연구자들은 내부 스크립트와 소프트웨어의 조합이 될 패킹의 흐름 시뮬레이션을 위한 정확한 모델을 도입하기 위해 효과적인 계산 방식을 제공하는 정확한 이산화 방법과 솔루션 알고리즘을 개발했습니다. 이 목적에 익숙하다36.

최근 몇 년 동안 원자 규모의 기체-액체 경계면37,38 구성 요소의 농축은 물질 전달 메커니즘39,40,41에 중요한 영향을 미칩니다. 더욱이, 몇몇 CFD 기반 연구에서는 다르게 구조화된 패킹의 다상 유동 거동을 조사했습니다. 더욱이, 골판지 포장 시트의 상업적 사용에 대한 경험적 표현에 대한 연구는 다른 계산 작업에서 제시되었습니다.