액체금속 기포탑은 고온에서 운전되고, 반응기 내부의 불투명성으로 인하여 실험적으로 수력학적 특성을 파악하는 것이 쉽지 않다. 본 연구는 level-set volume-of-fluid (LS-VOF) 모델 기반의 computational fluid dynamics (CFD)를 이용하여 삼원소 합금인 액체 NiBiSe과 메탄기체를 사용하는 액체금속 기포탑에서 표면장력과 접촉각 변화에 따른 수력학적 특성을 조사하였다. 3개의 서로 다른 Se 함량(0, 1, 그리고 5 mol%)을 갖는 NiBiSe에 대하여 표면장력(σ)은 각각 0.389, 0.317, 0.31 N/m이고, 2개의 접촉각(θ)은 120°와 150°을 설정하였다. 이러한 6개 경우에 대하여 바닥면 중앙에 3.18mm의 노즐이 설치된 동일한 직사각형 기포탑 구조와 기포흐름영역을 갖는 공탑속도(uG) 0.39 mm/s에서 시간평균 기체체류량((α_G ) ̅)은 0.29–0.33%, 시간/부피평균 기포크기(⟨(d_32 ) ̅⟩)는 6.54–8.05 mm, 그리고 기포의 비표면적(⟨(a_s ) ̅⟩)은 1.70–2.09 m²/m³이었다. 기포크기는 표면장력대비 밀도비(γ)와 밀접한 연관성을 갖으며, γ값이 최대인 Ni27Bi72Se1 액체금속 기포탑에서 최소 d32를 보여주었다. 큰 접촉각(θ=150°)은 기포탑 바닥면에서 형성되는 초기기포부피를 크게 만들기 때문에 작은 접촉각(θ=120°)을 갖는 기포탑의 기포크기 보다 더 큰 경향을 보였다. 본 연구는 수소생산을 위한 메탄 열분해 액체금속기포탑 반응기의 성능예측 및 설계에서 수력학적 특성에 대한 이론적 근거를 제공한다.

It is impractical to experimentally characterize hydrodynamics of molten-metal bubble columns (MMBCs) operated at high temperatures due to intrinsic opacity. This study investigated hydrodynamics of MMBCs with tertiary NiBiSe alloys and CH4 gas using a computational fluid dynamics (CFD) model based on level-set volume-of-fluid (LS-VOF), changing surface tension (σ) and contact angle (θ). σ of NiBiSe alloys containing 0, 1, and 5 mol% Se was 0.389, 0.317, and 0.31 N/m, respectively, while θ was set to 120° and 150°. The six simulation cases were conducted in a rectangular MMBC with a centrally located bottom nozzle (diameter: 3.18 mm) at a superficial gas velocity of 0.39 mm/s under the bubbling flow regime. The time-averaged gas holdup ((α_G ) ̅) ranged 0.29–0.33%, the time- and volume-averaged bubble size (⟨d_32 ̅⟩) was 6.54–8.05 mm, and the interfacial area (⟨a_s ̅⟩) was 1.70–2.09 m²/m³. The ratio (γ) of density to σ was strongly related to d32, and the minimum d32 was observed in a Ni27Bi72Se1 MMBC exhibiting the highest γ. Since the volume of initial bubbles formed at the column bottom increased with increasing θ, larger θ resulted in larger d32. This study offers theoretical hydrodynamic foundation for hydrogen production in MMBCs via methane pyrolysis.

Hydrogen Molten-metal bubble column reactor Computational fluid dynamics NiBiSe system Bubble size distribution