KR102535871B1 - Experimental apparatus and method for improving production efficiency of bio-oil - Google Patents

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Abstract

바이오오일의 생산효율을 향상시키기 위한 실험방법 및 그 장치가 개시된다. 본 발명의 장치는 유동화 가스를 반응기 하단에서 투입하기 위한 유동화 가스 유량을 조절할 수 있는 볼 유량계를 포함하는 가스 투입부와 고형 부산물을 저장하는 고형 부산물 저장탱크와 저장탱크 내 고형 부산물을 반응기 안으로 투입하는 스크류 모터를 포함하는 시료 투입부, 분산판의 형상변화(원형, 정사각형, 직사각형)에 따른 3가지 종류의 기포유동층 반응기, 유동화 가스 투입 온도를 조절하는 가열체, 가스 투입 온도를 측정하는 온도센서, 기포유동층 반응기 내부로 고형 부산물을 투입하는 모터의 속도를 조절 가능한 속도 제어장치, 기표유동층 반응기에서 실시간으로 압력을 측정하는 압력센서, 상기한 온도, 압력 데이터를 저장하는 저장장치를 포함하는 제어부를 포함하여 구성함으로써 유동화 가스의 유량을 조절하면서, 실시간으로 측정되는 압력 데이터를 통하여 기포유동층의 압력강하 선도 도출이 가능하며, 이 선도를 통해 유동층 설계에 가장 중요한 설계 인자인 최소 유동화 속도를 구할 수 있다.An experimental method and apparatus for improving the production efficiency of bio-oil are disclosed. The apparatus of the present invention includes a gas input unit including a ball flowmeter capable of adjusting the flow rate of the fluidization gas for inputting the fluidization gas from the bottom of the reactor, a solid by-product storage tank for storing solid by-products, and a solid by-product storage tank for injecting the solid by-products into the reactor. A sample inlet including a screw motor, three types of fluidized bed reactors according to the change in the shape of the dispersion plate (circular, square, rectangular), a heating element for controlling the input temperature of the fluidized gas, a temperature sensor for measuring the input temperature of the gas, A control unit including a speed controller capable of adjusting the speed of a motor for injecting solid by-products into the bubbled fluidized bed reactor, a pressure sensor for measuring pressure in real time in the bubbled fluidized bed reactor, and a storage device for storing the temperature and pressure data described above. It is possible to derive the pressure drop diagram of the bubble fluidized bed through the pressure data measured in real time while adjusting the flow rate of the fluidizing gas, and through this diagram, the minimum fluidization speed, which is the most important design factor in fluidized bed design, can be obtained.

Description

바이오오일의 생산효율 향상 장치 및 그 방법{Experimental apparatus and method for improving production efficiency of bio-oil}Apparatus and method for improving production efficiency of bio-oil {Experimental apparatus and method for improving production efficiency of bio-oil}

본 발명은 바이오오일의 생산효율 향상 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 분산판을 포함하는 기포유동층 반응기도 분산판 형상 변화에 따라 원형, 정사각형, 직사각형의 단면을 갖게 하고 기포유동층 반응기의 하단에서 공기를 불어넣어 반응기 내의 분립체를 유동화시키는 구조로 유동화 가스의 유량과 분산판의 형상을 변화시켜 가면서 기포 유동층 반응기의 특성을 살펴볼 수 있는 바이오오일의 생산효율 향상 장치 및 그 방법에 관한 것이다.The present invention relates to an apparatus for improving the production efficiency of bio-oil, and more particularly, a fluidized bed reactor including a dispersion plate also has a circular, square, or rectangular cross section according to a change in the shape of the dispersion plate, and air is released from the bottom of the fluidized bed reactor. It relates to a bio-oil production efficiency improvement device and method that can examine the characteristics of a bubble fluidized bed reactor while changing the flow rate of a fluidizing gas and the shape of a dispersion plate with a structure in which powder or grain in the reactor is fluidized by blowing.

입자 지름이 작은 분립체를 반응기와 같은 용기에 넣고, 하단에서 분산판과 같은 정류기를 거쳐 가스 또는 액체를 흘려보내면, 유속이 작을 때에는 고정층이라 불리우는 입자가 정지된 상태이지만, 유속이 어느 정도 이상이 되면, 입자에 가해지는 유동저항과 중력이 같아져서 분립체는 마치 끓는 액체처럼 손쉽게 유동할 수 있는 상태가 된다. 이 현상이 유동화이며, 이 상태의 층이 유동층이다.Powder or granular material having a small particle diameter is placed in a container such as a reactor, and gas or liquid is passed through a rectifier such as a dispersion plate at the lower end. When the flow rate is small, the particles, called a fixed bed, are in a stationary state, but when the flow rate exceeds a certain level, When this happens, the flow resistance and gravity applied to the particles become the same, so that the powder or granular material becomes a state in which it can easily flow like a boiling liquid. This phenomenon is fluidization, and the layer in this state is a fluidized bed.

유동층에서는 용기 내의 입자가 거의 균일하게 혼합되어, 입자와 유체의 접촉이 좋고 온도조절이 손쉬워, 간단한 장치로 다량의 분립체를 연속적으로 처리하여 그 일부를 빼내거나 공급할 수가 있다. In the fluidized bed, the particles in the container are mixed almost uniformly, the contact between the particles and the fluid is good, and the temperature control is easy, so that a large amount of powder or granular material can be continuously processed with a simple device and a part thereof can be taken out or supplied.

반응기 하부에 있는 다공 분산판으로 유동화 가스를 주입하면 분산판 위에 불활성 분립체(대표적으로 모래)가 유동을 시작한다. 이때 반응기 내의 압력 강하가 층 면적당 고체의 무게가 같아지면 이때 고체들이 상호 움직임을 갖기 시작하는데 이 상태를 최소 유동화 상태라고 하며, 이때의 기체 속도를 최소 유동화 속도(minimum fluidization velocity)라고 한다. When fluidizing gas is injected into the perforated dispersion plate at the bottom of the reactor, the inert powder (typically sand) starts to flow over the dispersion plate. At this time, when the pressure drop in the reactor becomes the same as the weight of the solid per bed area, the solids start to move mutually. This state is called the minimum fluidization state, and the gas velocity at this time is called the minimum fluidization velocity.

이후 계속적으로 유속을 증가시키면 압력 강하는 거의 일정하게 유지되지만 고체층이 팽창하면 고체들의 거동은 전적으로 액체와 같은 특성을 보이기 시작한다. 또한, 층은 큰 공주의 형태로 통과하는 기체들이 출현하여 이를 기/액계에서와 유사하게 기포라고 부르며 이 기포의 거동은 층을 매우 격렬하게 끓는 액체와 같은 형상으로 만든다. 이러한 현상을 기포 유동층(bubbling fluidized bed)이라고 한다.When the flow rate is continuously increased thereafter, the pressure drop remains almost constant, but when the solid layer expands, the solids begin to behave entirely like liquids. In addition, the gas passing through the layer appears in the form of a large ball, which is called a bubble similar to the gas/liquid system, and the behavior of this bubble makes the layer a very violently boiling liquid-like shape. This phenomenon is called a bubbling fluidized bed.

상기 기포 유동층은 고정층에 비해 열전달률이 우수하기 때문에 바이오매스를 에너지화하는 방법 중에 하나인 열분해 공정에서 주로 활용되고 있다. 열분해는 반응온도 450 내지 550℃ 범위의 무산소 조건에서 수행하는 바이오매스의 열화학적 변환 공정으로서, 투입된 바이오매스가 가스, 촤(char)로 변환되어 반응기에서 배출된다. 하지만, 촤의 경우, 유동층 반응기 내 모래 위에 얇은 층으로 축적되고 이러한 층은 공정의 연속운전을 방해한다.Since the bubbling fluidized bed has an excellent heat transfer rate compared to the fixed bed, it is mainly used in a pyrolysis process, which is one of the methods of energizing biomass. Thermal decomposition is a thermochemical conversion process of biomass performed under anoxic conditions at a reaction temperature of 450 to 550 ° C., and the input biomass is converted into gas and char and discharged from the reactor. However, in the case of char, it accumulates as a thin layer on the sand in the fluidized bed reactor, and this layer hinders the continuous operation of the process.

상기 최소 유동화 속도는 유동층 설계에 있어 가장 중요한 설계인자이며, 이러한 최소 유동화 속도와 유동층 내 고형 부산물의 혼합-분리 특성을 해석하기 위한 mixing index를 도출하기 위해서는 반응기 하단에서 투입되는 유동화 가스의 유속과 분산판의 형상을 변화시켜 가면서 특성을 살펴볼 수 있다.The minimum fluidization speed is the most important design factor in designing the fluidized bed. Characteristics can be observed while changing the shape of the plate.

따라서, 본 발명은 상기한 특성들을 파악함으로써, 바이오오일의 생산효율을 향상시키기 위한 실험방법 및 그 장치를 제공하고자 하는 것이다.Therefore, the present invention is to provide an experimental method and apparatus for improving the production efficiency of bio-oil by identifying the above characteristics.

KR 등록특허공보 제10-0983074호(2010.09.13)KR Registration Patent No. 10-0983074 (2010.09.13)

이러한 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 기포유동층 내부의 분산판 형상 변화에 따른 최소 유동화 속도를 도출하고, 반응기 내 고형 부산물 혼합-분리 현상을 해석하여 바이오오일의 생산효율 향상 장치 및 그 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.The present invention to solve these problems derives the minimum fluidization rate according to the change in the shape of the dispersion plate inside the fluidized bed and analyzes the mixing-separation phenomenon of solid by-products in the reactor to provide a device and method for improving the production efficiency of bio-oil aims to

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바이오오일의 생산효율 향상 장치는 원형, 정사각형, 직사각형 형상의 분산판을 포함하는 원형, 정사각형, 직사각형의 단면을 가지는 기포유동층 반응기와 상기 기포유동층 반응기 내부에 유동화 가스를 투입하는 유동화 가스 투입부, 상기 기포유동층 반응기 내부에 고형 부산물을 투입하는 고형 부산물 시료 투입부, 상기 기포유동층 반응기의 측면에 구비되어 실시간으로 압력을 측정하는 압력센서, 상기 압력센서에서 실시간 측정한 압력을 수신하여 데이터 저장장치에 저장함과 동시에 측정된 압력 데이터를 통하여 유동화 가스의 유량을 조절하여 기포유동층의 압력강하 선도 도출이 가능하도록 동작하는 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 도출된 선도를 통해 유동층 설계 인자인 최소 유동화 속도를 구하도록 구성함으로써 달성될 수 있다.To solve these problems, an apparatus for improving the production efficiency of bio-oil of the present invention is a fluidized bed reactor having a circular, square, or rectangular cross section including a circular, square, or rectangular dispersion plate and a fluidized gas inside the bubbled fluidized bed reactor. A fluidizing gas inlet for injecting, a solid by-product sample inlet for injecting solid by-products into the fluidized bed reactor, a pressure sensor provided on the side of the bubbled fluidized bed reactor to measure pressure in real time, and a pressure sensor measured in real time A controller that operates to receive and store the pressure in a data storage device and adjust the flow rate of the fluidizing gas through the measured pressure data to derive a pressure drop diagram of the bubbled fluidized bed, wherein the controller operates to derive a pressure drop diagram of the fluidized bed through the derived diagram. It can be achieved by configuring to obtain the minimum fluidization speed, which is a design factor.

상기 제어부는 상기 유동화 가스 투입부에 연결되어 있는 스테인레스관을 가열하는 가열체, 온도와 압력데이터를 저장하는 데이터 저장장치, 기포유동층 반응기 하단으로 투입되는 유동화 가스의 온도를 측정하는 온도센서, 기포유동층 반응기 내부로 고형 부산물을 투입하는 스크류 모터의 속도를 조절하는 속도 제어 장치를 더 포함할 수 있다.The control unit includes a heating element for heating the stainless pipe connected to the fluidization gas inlet, a data storage device for storing temperature and pressure data, a temperature sensor for measuring the temperature of the fluidization gas introduced to the bottom of the bubble fluidized bed reactor, and a bubble fluidized bed. A speed control device for adjusting the speed of the screw motor for introducing the solid by-product into the reactor may be further included.

한편, 이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 원형, 정사각형, 직사각형 형상의 분산판을 포함하는 원형, 정사각형, 직사각형의 단면을 가지는 기포유동층 반응기를 포함하는 바이오오일의 생산효율 향상 장치를 이용한 생산 효율 향상 방법은 (a)상기 기포유동층 반응기 내부에 유동화 가스와 고형 부산물을 투입하는 단계와 (b)상기 기포유동층 반응기의 측면에 구비된 압력센서를 이용하여 실시간으로 압력을 측정하는 단계, (c)상기 (b)단계에서 실시간 측정한 압력을 수신하여 측정된 압력 데이터를 통하여 유동화 가스의 유량을 조절하는 단계, (d)상기 (c)단계의 유량 조절을 통하여 기포유동층의 압력강하 선도를 도출하는 단계를 포함하여 상기 (d)단계에서 도출된 선도를 통해 유동층 설계 인자인 최소 유동화 속도를 구할 수 있다.On the other hand, production efficiency improvement using a bio-oil production efficiency improvement device including a fluidized bed reactor having a circular, square, or rectangular cross section including a circular, square, or rectangular dispersion plate of the present invention to solve these problems. The method includes (a) introducing a fluidizing gas and a solid by-product into the fluidized bed reactor, (b) measuring the pressure in real time using a pressure sensor provided on the side of the fluidized bed reactor, (c) the above Receiving the pressure measured in real time in step (b) and adjusting the flow rate of the fluidizing gas through the measured pressure data, (d) deriving a pressure drop diagram of the bubble fluidized bed through the flow rate control in step (c) above The minimum fluidization speed, which is a fluidized bed design factor, can be obtained through the diagram derived in step (d), including

따라서, 본 발명의 바이오오일의 생산효율 향상 장치 및 그 방법에 의하면, 기포유동층 반응기 하단에서 볼 유량계를 통해 투입되는 유동화 가스의 유량을 조절하면서, 실시간으로 측정되는 압력 데이터를 통하여 기포유동층의 압력강하 선도 도출이 가능하며, 이 선도를 통해 유동층 설계에 가장 중요한 설계 인자인 최소 유동화 속도를 구할 수 있다. Therefore, according to the bio-oil production efficiency improvement device and method of the present invention, the pressure drop in the bubbled fluidized bed is reduced through pressure data measured in real time while controlling the flow rate of the fluidizing gas introduced through the ball flowmeter at the bottom of the fluidized bed reactor. It is possible to derive a diagram, and through this diagram, the minimum fluidization speed, which is the most important design factor for fluidized bed design, can be obtained.

또한, 본 발명의 바이오오일의 생산효율 향상 장치 및 그 방법에 의하면, 고형 부산물을 투입하여 반응기 내 불활성 분립체와 부산물의 혼합-분리 현상을 해석하기 위한 mixing index를 도출할 수 있다.In addition, according to the bio-oil production efficiency improvement device and method of the present invention, it is possible to derive a mixing index for analyzing the mixing-separation phenomenon of inert granular material and by-products in the reactor by introducing solid by-products.

도 1은 바이오오일의 생산효율을 향상시키기 위한 실험을 수행하는 장치의 주요 구성도,
도 2는 원형, 정사각형, 직사각형의 형상을 가지는 분산판의 모습을 도시한 도면,
도 3은 원형, 정사각형, 직사각형의 단면을 가지는 기포유동층 반응기를 도시한 도면,
도 4는 본 발명의 바이오오일의 생산효율 향상 방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 5는 본 발명의 최소 유동화속도를 구하는 방법을 설명하기 위한 참고도면,
도 6은 도출된 Mixing Index의 예시 그래프이다.
1 is a main configuration diagram of an apparatus for performing an experiment to improve the production efficiency of bio-oil;
2 is a view showing the shape of a dispersion plate having a circular, square, or rectangular shape;
3 is a view showing a bubbling fluidized bed reactor having a circular, square, or rectangular cross section;
Figure 4 is a flow chart for explaining the method for improving the production efficiency of bio-oil of the present invention;
5 is a reference diagram for explaining a method for obtaining the minimum fluidization speed of the present invention;
6 is an exemplary graph of the derived Mixing Index.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정 해석되지 아니하며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.The terms or words used in this specification and claims are not limited to the usual or dictionary meanings, and the inventor can properly define the concept of the term in order to explain his or her invention in the best way. Based on this, it should be interpreted as a meaning and concept consistent with the technical spirit of the present invention.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 및/또는 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.Throughout the specification, when a certain component is said to "include", it means that it may further include other components without excluding other components unless otherwise stated. In addition, terms such as “… unit”, “… unit”, “module”, and “device” described in the specification mean a unit that processes at least one function or operation, which is implemented as a combination of hardware and/or software. It can be.

명세서 전체에서 "및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시 가능한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 또는 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.Throughout the specification, the term "and/or" should be understood to include all possible combinations from one or more related items. For example, the meaning of “a first item, a second item and/or a third item” may be presented from two or more of the first, second or third item as well as the first, second or third item. A combination of all possible items.

명세서 전체에서 각 단계들에 있어 식별부호(예를 들어, a, b, c, ...)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 한정하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.Throughout the specification, identification codes (e.g., a, b, c, ...) for each step are used for convenience of explanation, and the identification code does not limit the order of each step, and each step Unless the specific order is clearly stated in context, it may occur in a different order from the specified order. That is, each step may occur in the same order as specified, may be performed substantially simultaneously, or may be performed in the reverse order.

이하, 도면을 참고하여 본 발명의 일실시예에 대하여 설명한다.Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 바이오오일의 생산효율을 향상시키기 위한 실험을 수행하는 장치의 주요 구성도이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 원형, 정사각형, 직사각형 형상을 가지는 분산판의 모습을 도시한 그림이다. 도 3은 본 발명에 실시예에 따른 원형, 정사각형, 직사각형의 단면을 가지는 기포유동층의 반응기의 모습을 도시한 그림이다.1 is a main configuration diagram of an apparatus for performing an experiment to improve the production efficiency of bio-oil according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a dispersion plate having a circular, square, or rectangular shape according to an embodiment of the present invention. It is a picture showing the appearance of 3 is a diagram showing the appearance of a fluidized bed reactor having a circular, square, or rectangular cross section according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 바이오오일의 생산효율을 향상시키기 위한 실험을 수행하는 장치는 도 1에 도시된 바와 같이, 반응기 하단의 유동화 가스 투입부(100), 고형 부산물 시료 투입부(200), 기포유동층 반응기(300) 및 제어부(400)를 포함할 수 있다.As shown in FIG. 1, the apparatus for performing experiments to improve the production efficiency of bio-oil of the present invention includes a fluidizing gas input unit 100 at the bottom of the reactor, a solid by-product sample input unit 200, a bubble fluidized bed reactor ( 300) and a control unit 400.

유동화 가스 투입부(100)는 기포유동층 반응기(300) 내부에 유동화 가스를 투입하는 모듈이다. 유동화 가스는 에어컴프레셔(미도시)와 같은 장치와 스테인레스관을 매개로 연결되어 기포유동층 반응기(300) 하단으로 주입된다. 가스의 주입은 기포유동층 반응기(300) 하단에 부착되어 있는 볼 유량계(110)를 통하여 이루어지며, 투입되는 가스의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 스테인레스관은 제어부(400)에서 조정하는 가열체(410)와 가스의 투입 온도를 측정하여 제어부(400)의 데이터 저장장치(420)로 측정 온도를 송신하는 온도센서(430)가 부착되어 있다.The fluidization gas input unit 100 is a module for injecting the fluidization gas into the fluidized bed reactor 300 . The fluidizing gas is connected to a device such as an air compressor (not shown) via a stainless pipe and is injected into the lower portion of the bubbled fluidized bed reactor 300. The gas is injected through the ball flowmeter 110 attached to the bottom of the fluidized bed reactor 300, and the heating element 410 controlled by the controller 400 uses a stainless pipe to keep the temperature of the injected gas constant. ) and a temperature sensor 430 for measuring the input temperature of the gas and transmitting the measured temperature to the data storage device 420 of the control unit 400 is attached.

고형 부산물 시료 투입부(200)는 고형 부산물 저장탱크(210)에서 기포유동층 반응기(300) 내부로 고형 부산물을 투입하는 스크류 모터(220)로 구성된 모듈이다. 스크류 모터(220)의 속도는 제어부(400)에 포함되어 있는 속도 제어 장치(440)로 제어된다.The solid by-product sample input unit 200 is a module composed of a screw motor 220 for injecting solid by-products from the solid by-product storage tank 210 into the fluidized bed reactor 300 . The speed of the screw motor 220 is controlled by the speed control device 440 included in the controller 400.

기포유동층 반응기(300)는 다양한 단면의 형상을 가지며, 기포유동층 반응기(300)의 측면에는 실시간으로 압력을 측정하여 제어부(400)의 데이터 저장장치(420)로 데이터를 송신하는 압력센서(320)가 부착되어 있다.The fluidized bed reactor 300 has various cross-sectional shapes, and on the side of the fluidized bed reactor 300, a pressure sensor 320 measures pressure in real time and transmits data to the data storage device 420 of the controller 400. is attached.

도 2의 원형, 정사각형, 직사각형의 형상을 가지는 분산판의 모습을 도시한 도면과 도 3의 원형, 정사각형, 직사각형의 단면을 가지는 기포유동층 반응기를 도시한 도면을 참고하면, 기포유동층 반응기(300)는 다양한 단면의 형상으로 구성되어 있음을 알 수 있다.Referring to the drawing showing the appearance of the dispersion plate having a circular, square, and rectangular shape in FIG. 2 and the drawing showing a fluidized bed reactor having a circular, square, and rectangular cross section in FIG. It can be seen that is composed of various cross-sectional shapes.

도면을 참고하면, 도 2의 반응기 내부의 분산판(310)의 원형, 정사각형, 직사각형 형상 변화에 따라 도 3에 도시한 바와 같이 원형, 정사각형, 직사각형의 단면을 가지는 형상을 갖을 수 있다.Referring to the drawing, as shown in FIG. 3 according to the change in the circular, square, or rectangular shape of the distribution plate 310 inside the reactor of FIG. 2, it may have a shape having a circular, square, or rectangular cross section.

제어부(400)는 상기한 스테인레스관 가열체(410), 온도와 압력데이터를 저장하는 데이터 저장장치(420), 기포유동층 반응기(300) 하단에서 주입되는 유동화 가스의 온도를 측정하는 온도 센서(430), 기포유동층 반응기(300) 내부로 고형 부산물을 투입하는 스크류 모터(220)의 속도를 조절하는 속도 제어 장치(440), 기포유동층 반응기(300) 측면에 부착되어 반응기 내부의 압력을 측정하는 압력센서(450)를 포함한다.The control unit 400 includes the stainless tube heating element 410, a data storage device 420 for storing temperature and pressure data, and a temperature sensor 430 for measuring the temperature of the fluidized gas injected from the bottom of the bubble fluidized bed reactor 300. ), a speed controller 440 for controlling the speed of the screw motor 220 for introducing solid by-products into the fluidized bed reactor 300, a pressure attached to the side of the fluidized bed reactor 300 to measure the pressure inside the reactor A sensor 450 is included.

상술한 구성의 바이오오일의 생산효율을 향상시키기 위한 실험방법 및 그 장치에 의하면, 유동화 가스의 유량을 조절하면서, 실시간으로 측정되는 압력 데이터를 통하여 기포유동층의 압력강하 선도 도출이 가능하며, 이 선도를 통해 유동층 설계에 가장 중요한 설계 인자인 최소 유동화 속도를 구할 수 있는 것이다.According to the above-described experimental method and device for improving the production efficiency of bio-oil, it is possible to derive a pressure drop diagram of a fluidized bed through pressure data measured in real time while adjusting the flow rate of the fluidizing gas, and this diagram Through this, the minimum fluidization speed, which is the most important design factor for fluidized bed design, can be obtained.

또한, 고형 부산물을 투입하여 반응기 내 불활성 분립체와 부산물의 혼합-분리 현상을 해석하기 위한 mixing index를 도출할 수 있다.In addition, a mixing index can be derived to analyze the mixing-separation phenomenon of inert powder and granular material and by-products in the reactor by introducing solid by-products.

상술한 장치를 이용한 본 발명의 생산 효율 향상 방법에 대하여 설명한다.The production efficiency improvement method of the present invention using the above-described device will be described.

도 4는 본 발명의 생산 효율 방법을 설명하기 위한 흐름도로서, 도시된 바와 같이, 먼저, 원형, 정사각형, 직사각형 형상의 분산판을 포함하는 원형, 정사각형, 직사각형의 단면을 가지는 기포유동층 반응기를 이용하여 기포유동층 반응기 내부에 유동화 가스와 고형 부산물을 투입하는 단계를 실행한다(S100).Figure 4 is a flowchart for explaining the production efficiency method of the present invention. As shown, first, using a bubbling fluidized bed reactor having a circular, square, or rectangular cross section including a circular, square, or rectangular dispersion plate A step of introducing a fluidizing gas and a solid by-product into the fluidized bed reactor is performed (S100).

단계 S100에서 기포유동층 반응기 내부에 유동화 가스와 고형 부산물을 투입되면, 상기 기포유동층 반응기의 측면에 구비된 압력센서를 이용하여 실시간으로 압력을 측정한다(S200).When the fluidization gas and the solid by-product are introduced into the fluidized bed reactor in step S100, the pressure is measured in real time using a pressure sensor provided on the side of the fluidized bed reactor (S200).

단계 S200에서 실시간 측정한 압력을 수신한 제어부는 측정된 압력 데이터를 통하여 유동화 가스의 유량을 조절하는 단계를 수행한다(S300).The control unit receiving the pressure measured in real time in step S200 performs a step of adjusting the flow rate of the fluidizing gas through the measured pressure data (S300).

단계 S300에서의 유량 조절을 통하여 기포유동층의 압력강하 선도를 도출하는 단계(S400)를 수행하여 도출된 선도를 통해 유동층 설계 인자인 최소 유동화 속도를 구하는 것이다.The step (S400) of deriving the pressure drop diagram of the bubble fluidized bed through the control of the flow rate in step S300 is performed to obtain the minimum fluidization rate, which is a fluidized bed design factor, through the derived diagram.

도 5의 본 발명의 최소 유동화속도를 구하는 방법을 설명하기 위한 도면을 참고하면, 유동층 반응기 형상 및 공탑속도(superficial gas velocity) 변화에 따른 유동층의 압력강하 선도를 도시한 것이다. Referring to the drawing for explaining the method for obtaining the minimum fluidization velocity of the present invention of FIG. 5, a pressure drop diagram of the fluidized bed according to the shape of the fluidized bed reactor and the superficial gas velocity change is shown.

유동층 설계에 가장 중요한 설계 인자인 최소유동화속도(minimun fluidization velocity)를 구하였으며, 유동 안정 영역 및 fast fluidization으로 가는 choking영역 등을 구하였다. 공탑속도 변화에 따른 유동현상을 관찰하여 보면 공탑속도가 아주 적은 경우에는 고체입자 사이로 기체가 통과하면서 정체된 고체입자 층을 형성하게 되는데 이때 압력강하는 고체입자 층의 무게와 같아질 때까지 증가하며, 입자 층의 별다른 움직임은 보이지 않는다. The minimum fluidization velocity, which is the most important design factor for fluidized bed design, was obtained, and the stable flow region and the choking region leading to fast fluidization were obtained. Observation of the flow phenomenon according to the change in superficial velocity shows that when the superficial velocity is very small, gas passes between the solid particles to form a stagnant solid particle layer. At this time, the pressure drop increases until it becomes equal to the weight of the solid particle layer , no appreciable movement of the particle layer is seen.

이 영역을 고정층(fixed bed)라 부르며, 유체가 충전 층을 관통하지 못하는 유속으로 결정된다. 이러한 고정층 영역이 일정한 지점까지 계속 이어지다가 최대 압력강하를 보인 후 급격하게 감소하는 것이 확인되는데, 이후 공탑속도를 일정한 속도로 더 증가시키면 고체입자가 조금씩 부유하고 압력강하 감소 및 천이 현상이 발생하게 된다. 이때의 공탑속도를 최소 유동화 속도라고 하며 도면에서 빨간 선은 각 형상별 도출된 최소 유동화 속도 조건을 나타낸다. This region is called a fixed bed, and the flow rate at which the fluid does not pass through the packed bed is determined. It is confirmed that this fixed bed area continues to a certain point, shows a maximum pressure drop, and then rapidly decreases. After that, if the superficial velocity is further increased at a constant speed, the solid particles float little by little and the pressure drop decreases and a transition phenomenon occurs. . The superficial velocity at this time is called the minimum fluidization velocity, and the red line in the figure represents the minimum fluidization velocity condition derived for each shape.

도면을 참고하면, 도출한 각 형상별 공탑속도 변화에 따른 압력강하 선도를 통해 분산판 형상 및 컬럼 형상 변화에 따라 크게 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 고정층 영역에서 압력강하는 고체입자 층의 무게와 같아질 때까지 증가하고 기포 유동 영역으로 들어설 때 압력강하의 감소량은 형상 변화에 따라 크게 차이를 보이지 않는 다는 것을 알 수 있다.Referring to the drawing, it can be confirmed that there is no significant difference according to the change in the shape of the dispersion plate and the shape of the column through the pressure drop diagram according to the change in superficial velocity for each shape derived. It can be seen that the pressure drop in the fixed bed region increases until it becomes equal to the weight of the solid particle layer, and the decrease in pressure drop when entering the bubble flow region does not show much difference according to the shape change.

이하, 투입되는 유동화 가스의 유속과 분산판의 형상을 변화시켜 가면서 특성을 살펴볼 수 있는 최소 유동화 속도와 유동층 내 고형 부산물의 혼합-분리 특성을 해석하기 위한 mixing index를 도출하는 구체적 방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a specific method for deriving a mixing index for analyzing the mixing-separation characteristics of solid by-products in the fluidized bed and the minimum fluidization speed at which the characteristics can be observed while changing the flow rate of the injected fluidization gas and the shape of the dispersion plate will be described. .

수학식 1의 Kramer의 Mixing Index 도출식을 이용하여 계산한다.It is calculated using Kramer's Mixing Index derivation formula in Equation 1.

[수학식1][Equation 1]

Figure 112021013989568-pat00001
Figure 112021013989568-pat00001

상기 수학식 1에서 Xi는 각 샘플링 셀에서 char의 질량 분율을 나타내고 σ0 2는 불활성 분립체(모래)와 고형 부산물(char)이 완전히 분리(segregate)되었을 때 고형 부산물의 질량 분율의 표준 편차이다. σr 2는 불활성 분립체와 고형 부산물이 완전히 혼합되었을 때 고형 부산물의 질량 분율의 표준 편차이다. M = 1은 완전한 혼합을 나타내고 M = 0은 완전한 분리를 나타낸다.In Equation 1, X i represents the mass fraction of char in each sampling cell, and σ 0 2 is the standard deviation of the mass fraction of the solid byproduct when the inert granular material (sand) and the solid byproduct (char) are completely separated. am. σ r 2 is the standard deviation of the mass fraction of the solid by-product when the inert granular material and the solid by-product are completely mixed. M = 1 represents complete mixing and M = 0 represents complete separation.

유동층 반응기 내 공기의 속도는 공탑속도를 최소유동화 속도로 나누어 무차원화하였다. 공탑속도

Figure 112021013989568-pat00002
에서는 유동층 고체 입자와 char가 서로 분리되지 않고 혼합된 상태를 유지하며, 이후 공탑속도가 증가할수록 유동층 고체 입자와 char는 기포 유동과 밀도차에 의해 분리되며 mixing index는 감소한다. Mixing index는 세 유동층 반응기 형상 모두
Figure 112021013989568-pat00003
에 최소로 나타나며, 이는 모래와 char가 최대로 분리된 상태를 의미한다. 이후
Figure 112021013989568-pat00004
를 기점으로 공탑속도가 증가할수록 모래와 char는 서로 혼합되며 mixing index는 증가한다. 유동층 column 형상에 의한 두 고체 혼합물의 mixing index는 U/Umf=1.14 이하에서는 원형 형상이 최소로 나타나고, U/Umf=1.14 이상에서는 직사각 형상이 최소로 나타난다.The air velocity in the fluidized bed reactor was dimensionless by dividing the superficial velocity by the minimum fluidization velocity. tower speed
Figure 112021013989568-pat00002
In , the fluidized bed solid particles and char do not separate from each other and remain mixed. As the superficial velocity increases, the fluidized bed solid particles and char are separated by bubble flow and density difference, and the mixing index decreases. Mixing indices for all three fluidized bed reactor geometries
Figure 112021013989568-pat00003
, which means that sand and char are separated to the maximum. after
Figure 112021013989568-pat00004
As the superficial velocity increases from , sand and char are mixed together and the mixing index increases. The mixing index of the two solid mixtures by the fluidized bed column shape has a circular shape at a minimum when U/Umf = 1.14 or less, and a rectangular shape at a minimum when U/Umf = 1.14 or higher.

상술한 과정으로 도출된 Mixing index는 도 6에 예시되어 있다.The Mixing index derived through the above process is illustrated in FIG. 6 .

상기 도 6의 Mixing index 그래프에서 확인할 수 있듯이, 공탑속도가 최소유동화 속도보다 클 경우, 직사각 형상에서 불활성 분립체와 고형 부산물의 혼합도가 가장 낮은 것을 확인하였으며, 바이오오일 생산 효율 증대에 필수 조건인 연속공정 설계을 위한 고형 부산물 분리 장치의 적용을 위해서는 직사각 형상이 가장 유리할 것으로 사료된다. 따라서 추후 바이오오일 생산을 위한 급속열분해 hot-bed 장치 형상은 직사각 형상을 고려하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.As can be seen in the Mixing index graph of FIG. 6, when the superficial speed is greater than the minimum fluidization speed, it was confirmed that the mixing degree of inert granular material and solid by-products was the lowest in the rectangular shape, which is an essential condition for increasing bio-oil production efficiency. It is considered that the rectangular shape is most advantageous for the application of the solid by-product separation device for continuous process design. Therefore, it is judged that it is desirable to consider a rectangular shape for the shape of the rapid pyrolysis hot-bed device for future bio-oil production.

상술한 본 발명의 바이오오일의 생산효율 향상 장치 및 그 방법에 의하면, 기포유동층 반응기 하단에서 볼 유량계를 통해 투입되는 유동화 가스의 유량을 조절하면서, 실시간으로 측정되는 압력 데이터를 통하여 기포유동층의 압력강하 선도 도출이 가능하며, 이 선도를 통해 유동층 설계에 가장 중요한 설계 인자인 최소 유동화 속도를 구할 수 있다. According to the bio-oil production efficiency improvement device and method of the present invention described above, while controlling the flow rate of the fluidizing gas introduced through the ball flowmeter at the bottom of the fluidized bed reactor, the pressure drop in the bubbled fluidized bed is reduced through pressure data measured in real time. It is possible to derive a diagram, and through this diagram, the minimum fluidization speed, which is the most important design factor for fluidized bed design, can be obtained.

또한, 본 발명의 바이오오일의 생산효율 향상 장치 및 그 방법에 의하면, 고형 부산물을 투입하여 반응기 내 불활성 분립체와 부산물의 혼합-분리 현상을 해석하기 위한 mixing index를 도출할 수 있는 것이다.In addition, according to the bio-oil production efficiency improvement device and method of the present invention, it is possible to derive a mixing index for analyzing the mixing-separation phenomenon of inert powder or granular material and by-products in the reactor by introducing solid by-products.

이상에서 본 발명은 기재된 구체예에 대하여 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허 청구범위에 속함은 당연한 것이다.Although the present invention has been described in detail with respect to the specific embodiments described above, it is obvious to those skilled in the art that various changes and modifications are possible within the scope of the technical idea of the present invention, and it is natural that these changes and modifications fall within the scope of the appended claims.

100: 유동화 가스 투입부 200: 고형 부산물 시료 투입부
300: 기포유동층 반응기 400: 제어부
100: fluidization gas input unit 200: solid by-product sample input unit
300: fluidized bed reactor 400: control unit

Claims (11)

직사각형 형상의 분산판을 포함하고, 측면에는 실시간으로 압력을 측정하여 데이터를 송신하는 압력센서가 부착되고, 직사각형의 단면을 가지는 기포유동층 반응기;
상기 기포유동층 반응기 내부에 유동화 가스를 투입하는 유동화 가스 투입부;
상기 기포유동층 반응기 내부에 고형 부산물을 투입하는 고형 부산물 시료 투입부;
상기 압력센서에서 실시간 측정한 압력을 수신하여 데이터 저장장치에 저장함과 동시에 측정된 압력 데이터를 통하여 유동화 가스의 유량을 조절하여 기포유동층의 압력강하 선도 도출이 가능하도록 동작하는 제어부;
상기 유동화 가스 투입부에 연결되어 있는 스테인레스관을 가열하는 가열체;
온도와 압력데이터를 저장하는 데이터 저장장치;
기포유동층 반응기 하단으로 투입되는 유동화 가스의 온도를 측정하는 온도센서;및
상기 기포유동층 반응기 내부로 고형 부산물을 투입하는 스크류 모터의 속도를 조절하는 속도 제어 장치;
를 포함하고,
상기 제어부는
유동층 반응기 형상 및 공탑속도(superficial gas velocity) 변화에 따른 유동층의 압력강하 선도를 이용하여 유동층 설계 인자인 최소 유동화 속도를 구하며,
상기 유동화 가스 투입부는
스테인레스관을 매개로 연결되어 상기 기포유동층 반응기 하단으로 유동화가스를 주입하며, 가스의 주입은 상기 기포유동층 반응기 하단에 부착되어 있는 볼 유량계를 통하여 이루어지며, 투입되는 가스의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 스테인레스관은 상기 제어부에서 조정하는 가열체와 가스의 투입 온도를 측정하여 제어부의 데이터 저장장치로 측정 온도를 송신하는 온도센서가 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 바이오오일의 생산효율 향상 장치.
A bubbling fluidized bed reactor comprising a rectangular dispersion plate, having a pressure sensor for measuring pressure in real time and transmitting data to a side thereof, and having a rectangular cross section;
a fluidization gas input unit for injecting fluidization gas into the bubble fluidized bed reactor;
a solid by-product sample inlet unit for injecting solid by-products into the fluidized bed reactor;
A control unit that receives the pressure measured by the pressure sensor in real time, stores it in a data storage device, and at the same time adjusts the flow rate of the fluidizing gas through the measured pressure data to derive a pressure drop diagram of the bubbled fluidized bed;
a heating element for heating the stainless pipe connected to the fluidization gas inlet;
a data storage device for storing temperature and pressure data;
A temperature sensor for measuring the temperature of the fluidizing gas introduced to the bottom of the bubble fluidized bed reactor; And
a speed control device for adjusting the speed of a screw motor for injecting solid by-products into the fluidized bed reactor;
including,
The control unit
Using the pressure drop diagram of the fluidized bed according to the shape of the fluidized bed reactor and the superficial gas velocity, the minimum fluidization velocity, which is a fluidized bed design factor, is obtained,
The fluidizing gas input unit
It is connected through a stainless pipe to inject fluidized gas into the bottom of the bubbled fluidized bed reactor, and the gas is injected through a ball flowmeter attached to the bottom of the bubbled fluidized bed reactor. In order to keep the temperature of the injected gas constant The bio-oil production efficiency improvement device, characterized in that the stainless pipe is attached with a temperature sensor for measuring the input temperature of the heating body and gas adjusted by the control unit and transmitting the measured temperature to the data storage device of the control unit.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 최소 유동화 속도는
유체가 충전층을 통과하지 못하는 고정층(fixed bed)의 유속을 결정하고, 이러한 고정층 영역이 최대 압력강하를 보인 후 급격하게 감소한 지점에서 공탑속도를 일정한 속도로 증가시켜 고체입자가 부유하는 압력강하 감소 및 천이현상이 발생하는 때의 공탑속도로 결정되는 바이오오일의 생산효율 향상 장치.
The method of claim 1,
The minimum fluidization rate is
Determine the flow rate of the fixed bed where the fluid does not pass through the packed bed, and increase the superficial velocity at a constant rate at the point where the pressure drop rapidly decreases after the area of the fixed bed shows the maximum pressure drop, thereby reducing the pressure drop in which solid particles float. and a bio-oil production efficiency improvement device determined by the superficial speed when the transition occurs.
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