층 공극률 (bed voidage)
쉽게 풀면
구슬을 통에 가득 채워도 구슬 사이에는 빈틈이 남습니다. 층 공극률은 통 전체 부피 가운데 이 빈틈이 차지하는 비율로, 같은 크기의 구를 무작위로 채우면 대략 0.4 정도가 나옵니다. 유체는 이 빈틈을 지나가므로, 공극률이 크면 유체가 쉽게 흐르고 작으면 압력 손실이 커집니다.
왜 중요한가
충전층의 압력 손실을 구하는 에르군 방정식에서 공극률은 세제곱 형태로 들어가기 때문에, 조금만 달라져도 결과가 크게 바뀝니다. 또 반응기 부피 중 실제 촉매가 차지하는 양을 결정하므로 공간속도와 전환율 계산의 기준이 되고, 유동층에서는 층이 팽창한 정도를 나타내는 운전 지표로도 쓰입니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
공극률이 압력 손실 계산의 필수 입력값임을 보여줍니다.
유동층에서 공극률이 운전 상태에 따라 변한다는 점을 나타냅니다.
조금 더 깊게 보면
층 공극률은 입자의 형상과 크기 분포, 충전 방법, 그리고 관 지름 대 입경 비에 따라 달라집니다. 관 벽 근처에서는 입자가 규칙적으로 쌓이지 못해 공극률이 국부적으로 커지는 벽 효과가 나타나며, 관 지름이 입경의 10배 이하이면 벽을 따라 유체가 몰리는 채널링이 문제가 됩니다. 입자 내부의 세공이 차지하는 공간은 층 공극률에 포함되지 않고 입자 세공률로 따로 다루므로, 두 값을 곱해 반응기 전체의 유체 보유 부피를 계산합니다.
주의할 점
입자 사이의 빈 공간을 뜻하는 층 공극률과 입자 내부 구멍을 뜻하는 세공률은 이름이 비슷하지만 전혀 다른 값이며, 압력 손실에는 전자가, 내부 확산에는 후자가 관여합니다. 또한 유동층에서는 공극률이 고정값이 아니라 유속에 따라 변하는 운전 변수라는 점도 함께 기억해야 합니다.