이 보고서는 지식경제부에서 시행한 지식경제 기술혁신사업기술개발 …nens.kookmin.ac.kr/research/report/slurry_eti.pdf · 시스템 내부 유동장의

Kookmin-New Energy Lab(K-NEL) ------------------------------------------ 국민대학교 신에너지 연구실 연구보고서

copyright@국민대학교 신에너지연구실, Email:[email protected]. tel:02-910-4818







주 의

1. 이 보고서는 지식경제부에서 시행한 지식경제 기술혁신사업 기술개발 보고서이다.

2. 이 기술개발내용을 대외적으로 발표할 때에는 반드시 지식경제부에서 시행한

지식경제 기술혁신사업의 기술개발결과임을 밝혀야 한다.

mailto:[email protected].






제 출 문

지식경제부장관 귀하

본 보고서를 “고농도 슬러리 분산 시스템 운영 및 시제품 생산을 위한 전산해석 연구”

(개발기간：2009.10.01 ~ 2010.9.30.)과제의 3단계 보고서로 제출합니다.

2010. 08. 23

주관기관명 (ː재)한국석회석신소재연구재단

참여기관명 ː국민대학교 산학협력단

총괄책임자 ː 정태용

＂ : 신동훈

＂ : 남진현

참여연구원 ː 박경서

＂ ː 조찬영

＂ ː 장성필

＂ ː 조지훈

＂ ː 최현수

＂ ː 진경민

지식경제 기술혁신사업 공통 운영요령 제31조에 따라 보고서 열람에 동의합니다.



단계보고서 초록

과제번호 A2009-0103

과제명 고농도 슬러리 분산 시스템 운영 및 시제품 생산을 위한 전산해석 연구

키워드 전산 유체 역학(CFD)/탄산칼슘/슬러리/교반 반응조/유동/혼합/서스펜션

개발목표 및 내용

1. 단계최종목표

본 연구는 탄산칼슘 분체 가공 및 기능성 제품 생산을 위한 고농도 슬러리 분산 시스템의 운영 방안 도출을 기본

목표로 한다. 형상 및 운전조건이 분산 시스템을 구성하는 여러 stirred tank 내부의 유동장 및 혼합, 분산 거동에

미치는 영향을 전산유체역학(CFD)적 접근방법을 통해 분석한다. 해석결과를 활용하여 고품위, 고농도 슬러리 생산

을 위한 분산 시스템의 보완 및 최적 운전조건 설정을 도모한다. 파일럿 플랜트 및 양산 설비 스케일 모두에 대해

전산해석을 수행하여 용량증대 시에 발생할 수 있는 문제점을 평가하고 이를 통해 향상된 운영 방안을 도출한다.

2. 개발내용 및 결과

교반 탱크 내부의 유동 해석 및 가시화 실험의 비교를 통해 MRF와 SM 기법 모두 전체적인 유동장을 유사하게 예

측하는 것으로 나타났다. 두 가지 기법 모두 유체가 임펠러로 흡입되어 벽면으로 토출되는 전체적인 순환 패턴 및

임펠러 회전날 끝단에서의 유체속도를 유사하게 예측하였다.

하지만 전체적인 유동 형태 이외에 SM 기법의 해석결과가 MRF 기법의 해석결과에 비해 회전영역 내부 유적선에

서 임펠러 상부의 소용돌이 형상의 흡입유동을 예측하고 있다. 이는 격자계의 이동유무에 따른 차이라 생각되며,

MRF 기법은 회전체 형상 효과가 중요하지 않은 유동에 대한 경우 사용이 적절할 것이라 판단된다. 즉, 형상효과가

무시되는 경우 특정 시점의 유동장을 나타내는 MRF의 해석결과를 정상상태에서의 유동장으로 간주하여도 무방하

다.

반면에 특정 형상을 갖는 회전체의 회전이 전체 유동장에 미치는 영향을 무시할 수 없을 경우에는 SM 기법이 사

용되어야 한다. 즉, 격자계의 이동을 통해 회전체의 회전에 의한 형상효과를 정확하게 고려할 수 있다. 따라서 임펠

러의 형상효과에 따라 내부 유동형태가 변화하는 교반 탱크의 경우 MRF에 비해 SM 기법이 더 적절하다. 또한 해

석결과 실험 결과를 비교한 결과 측면에서 SM 기법은 MRF에 비해 시간에 따른 교반탱크 내부 비정상 유동패턴의

파악 및 강화된 소용돌이 예측을 통해서 MRF에 비해 내부유동 형태의 정확한 예측이 가능할 것으로 판단된다.

Eulerian multi-phase 방법으로 해석한 탄산칼슘 분산에 대한 표준편차와 소요동력 분석에 대한 결과로는 Rushton

turbine type이 Pitched paddle type에 비해 교반 효율에 있어서 유리한 것으로 나타났다. Pitched paddle의 임펠러

회전방향 따른 유체의 토출 시 상부에 비해 하부로의 토출을 유도할 경우 혼합에 더욱 유리한 것으로 나타났다.

3. 기대효과(기술적 및 경제적 효과)

○국내 부존 비금속 광물의 고부가가치 활용

○국내 분체 가공 기술 및 기능성 제품 생산 기술의 향상

○슬러리 분산 시스템의 최적 운전조건을 통한 제품의 생산성 향상

○기능성 제품의 제조기술 개발로 부가가치 향상과 관련제품의 수입대체

○다양한 교반 반응조에 대해 적응 가능한 전산유체역학 해석기술의 확립

4. 적용분야

○파일럿 플랜트 및 양산화 설비의 슬러리 분산 시스템 설계 최적화



요 약 문

1. 제목

고농도 슬러리 분산 시스템 운영 및 시제품 생산을 위한 전산해석 연구

2. 연구개발의 목적 및 필요성

(1) 기술적 측면

○ 현재 국내 수요량의 대부분을 우리나라에서 생산하고 있으나, 고부가가치를 가지는 기능성 분체

는 수입에 의존하고 있는 실정임. 따라서, 고부가가치 분체의 제조기술 개발이 요구됨. 이에 CFD

해석은 실제 산업에서 적용되는 다양한 물질을 해석할 수 있어 해석기법 개발의 효용이 크며, 동

시에 학술적인 가치도 크다고 하겠음

(2) 산업ㆍ경제적 측면

○ 국내 비금속 광물의 매장량은 전체 광물 자원의 83%를 차지하나 전반적인 광물 처리 기술 낙후

로 수입에 의존하고 있음. 이에 탄산 칼슘 슬러리 분산 시스템의 운영 및 시제품 생산 공정과 관

련된 전산해석 및 지원의 본 과제는 시스템의 운영의 안정화에 기여하며 국내 관련 업체들의 경

쟁력 강화에 기여함

(3) 정책적 측면

○ 본 사업을 통하여 부가가치가 높은 소재 개발 및 제품 다양화 기술을 확립함으로써 국가자원의

효율적 이용은 물론 지역경제의 활성화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라 주변기업들에 대한 기술개

발에 대한 의지를 심어줄 수 있는 기회가 될 것으로 기대됨.

3. 연구개발의 내용 및 범위

○ 슬러리 분산 시스템 해석을 위한 기초 조사

① 슬러리 점도 실험 모델식 선정

② 슬러리 분산성과 여러 지표간의 상관관계 검토

③ 슬러리 서스펜션의 해석 모델 및 물성 관계식 선정

○ 시스템 내부 유동장의 CFD 해석

① stirred tank 형상, 운전조건에 따른 유동해석 결과

○ 실험결과와의 비교를 통한 전산해석 모델의 검증

① 축소모델에서의 유동장 가시화 실험결과, 해석결과와의 비교

○ 시스템 내부 혼합 및 분산 거동의 CFD 해석

① stirred tank 설계, 운전조건 변화에 따른 혼합거동 해석결과

② 다상 모델을 이용한 슬러리의 서스펜션 분산거동의 해석결과

○ 실험결과와 비교를 통한 전산해석 모델의 검증

① 축소모델에서의 혼합거동 가시화 실험결과, 해석결과와의 비교



4. 연구개발결과

교반 탱크 내부의 유동 해석 및 가시화 실험의 비교를 통해 MRF와 SM 기법 모두 전체적인 유동장을 유사

하게 예측하는 것으로 나타났다. 두 가지 기법 모두 유체가 임펠러로 흡입되어 벽면으로 토출되는 전체적

인 순환 패턴 및 임펠러 회전날 끝단에서의 유체속도를 유사하게 예측하였다.

하지만 전체적인 유동 형태 이외에 SM 기법의 해석결과가 MRF 기법의 해석결과에 비해 회전영역 내부 유

적선에서 임펠러 상부의 소용돌이 형상의 흡입유동을 예측하고 있다. 이는 격자계의 이동유무에 따른 차이

라 생각되며, MRF 기법은 회전체 형상 효과가 중요하지 않은 유동에 대한 경우 사용이 적절할 것이라 판

단된다. 즉, 형상효과가 무시되는 경우 특정 시점의 유동장을 나타내는 MRF의 해석결과를 정상상태에서의

유동장으로 간주하여도 무방하다.

반면에 특정 형상을 갖는 회전체의 회전이 전체 유동장에 미치는 영향을 무시할 수 없을 경우에는 SM 기

법이 사용되어야 한다. 즉, 격자계의 이동을 통해 회전체의 회전에 의한 형상효과를 정확하게 고려할 수 있

다. 따라서 임펠러의 형상효과에 따라 내부 유동형태가 변화하는 교반 탱크의 경우 MRF에 비해 SM 기법

이 더 적절하다. 또한 해석결과 실험 결과를 비교한 결과 측면에서 SM 기법은 MRF에 비해 시간에 따른

교반탱크 내부 비정상 유동패턴의 파악 및 강화된 소용돌이 예측을 통해서 MRF에 비해 내부유동 형태의

정확한 예측이 가능할 것으로 판단된다.

Eulerian multi-phase 방법으로 해석한 탄산칼슘 분산에 대한 표준편차와 소요동력 분석에 대한 결과로는

Rushton turbine type이 Pitched paddle type에 비해 교반 효율에 있어서 유리한 것으로 나타났다. Pitched

paddle의 임펠러 회전방향 따른 유체의 토출 시 상부에 비해 하부로의 토출을 유도할 경우 혼합에 더욱 유

리한 것으로 나타났다.

5. 연구개발결과의 활용계획

파일럿 플랜트 및 양산화 설비의 슬러리 분산 시스템 설계 최적화







S U M M A R Y

Stirred tanks are widely used in various industries for mixing operation and chemical

reactions for single or multiple phase fluid systems. In this study, a numerical study

was conducted to predict the mixing characteristics in simple stirred tanks. To design

an agitator of high performance, quantity data of flow characteristics are analyzed

herein. The flow in a stirred tanks is simulated by multiple reference frame (MRF)

and the sliding mesh (SM) technology of a commercial CFD code (Fluent 6.2). The

results of the flow simulation are evaluated in terms of the mixing efficiency.

Dispersion of high concentration calcium-carbonate slurry is analyzed by using Eulerian

multi-phase model. Rushton turbine type and Piched paddle type for agitating blade

are compared. MRF method is more efficient than SM method because of low

computational load, however, SM method is considered to be more accurate. Rushton

type blade has higher performance than the Piched paddle type blade.

CONTENTS

Chapter1 Introduction

Section1 The importance and necessity of developing technology

Section2 The domestic and overseas related technology

Section3 The techenical and economic ripple effects expected developing technology

Chapter2 Technology development of information and methods

Section1 The final goal, and evaluation methods

Section2 Step goals and evaluation methods

Section3 Annual development of information and range of development

Chapter3 Results and future plans

Section1 Stage research and development results

- Stage research and development timelines

- Promote research and development stage performance



- Each agency / company-specific promotion details

- Development results

Section2 Market Status and commercialization prospects

Section3 Planning the next steps

Section4 Corporate financial health status



목 차

제 1 장 서론

제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성

제 2 절 국내 ․ 외 관련 기술의 현황

제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 ․ 경제적 파급 효과

제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 1 절 최종 목표 및 평가 방법

제 2 절 단계 목표 및 평가 방법

제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위

제 3 장 결과 및 향후 계획

제 1 절 단계 연구개발 결과

- 단계 연구개발 추진 일정

- 단계 연구개발 추진 실적

- 각 기관/기업별 추진 내역

- 기술개발 결과(유형 및 무형 성과)

제 2 절 시장 현황 및 사업화 전망

제 3 절 차기 단계 계획

제 4 절 기업 재무건전성 현황



제 1 장 서론

제 1 절 개발기술의 중요성 및 필요성


○ 석회석(limestone; CaCO3)을 비롯한 비금속 광물 분체는 플라스틱, 고무, 도료, 제지, 접착제

등 정밀화학 산업 분야에서 충전재(filler) 혹은 기능성 부여제로서 다량 이용됨.

○ 화학공업용 탄산칼슘의 국내 수요는 약 200만 톤/년으로, 대부분 플라스틱 공업용으로의 사

용이 집계됨. 그러나, 부가가치가 높은 기능성 소재로서 제지, 고무공업 및 정밀화학, 전

기․전자 세라믹 공업 등에서도 사용됨.

○ 현재 국내 수요량의 대부분을 우리나라에서 생산하고 있으나, 고부가가치를 가지는 기능성

분체는 수입에 의존하고 있는 실정임. 따라서, 고순도 및 고백색도의 제품, 분체 입자 크기

의 미립화 및 균질화, 분체 표면의 기능화 및 형상조절 등 고부가가치 분체의 제조기술 개

발이 요구됨.

○ 탄산칼슘 제조 파일럿 플랜트는, 원료를 투입한 후 여러 단계의 공정을 거쳐 생산하는 기존

의 복잡한 공정 대신에, 간소화된 공정을 통해 고부가가치의 화학분야에서 광범위하게 사용

될 수 있는 고품위, 고농도(60%) 슬러리를 생산할 수 있음.

○ 슬러리 제조 파일럿 플랜트는 crusher, homogenizer, storage 등 여러 단계의 교반 탱크(stirred

tank)로 구성된 분산 시스템을 갖추고 있으며, 이러한 stirred tank에서의 유체의 유동, 혼합, 분산

은 제조된 탄산칼슘 슬러리의 분산 안정정과 유동성에 큰 영향을 미침.

○ 전산유체역학(CFD)는 화학공업, 식품산업 등 산업계의 다양한 분야에서 사용되는 교반 반

응조 (stirred tank reactor)의 해석에 사용되고 있음. CFD 해석은 실험으로 측정하기 어려운

다양한 정보들을 제공하므로 교반기(agitator)의 형상이나 위치, 개수, 회전 속도 등 다양한

설계, 운전 조건을 설정하는 최적화 툴임.

○ CFD 해석은 stirred tank 내의 ① 뉴턴, 비뉴턴 단상 액체, ② 액체/기체 혼합물(bubble

reactor나 aeration 해석), ③ 액체/액체 혼합물(emulsion 제조), ④ 액체/고체 혼합물

(suspension 해석) 등 실제 산업에서 적용되는 다양한 물질을 해석할 수 있어 해석기법 개

발의 효용이 크며, 동시에 학술적인 가치도 크다고 하겠음.







<stirred tank CFD 해석의 예시: Kasat et al. (2008) & Panneerselvam et al. (2008)>

Stirred tank 형상모델

유동장 해석결과

고체입자(suspension) 농도 분포




○ 국내 비금속 광물의 매장량은 약 9,945,467톤 가량으로 전체 광물 자원의 83%를 차지하며

금액으로 환산하면 총 70조원의 가치를 가지는 것으로 분석됨. 그러나, 현실적으로는 오히

려 매년 약 1,415백만불 가량의 자원이 해외로부터 수입되고 있음.

○ 이는 광물에 대한 파․분쇄, 초미립화, 고순도화, 합성 및 복합화, 슬러리 분산 기술 등 전반

적인 광물 처리 기술의 낙후로 인하여 고부가가치 소재로 활용하지 못하고 대부분 저가의

원광상태로 판매되기 때문임.

○ 탄산칼슘 제조 파일럿 플랜트는 고부가가치의 고농도(60%) 슬러리를 간편한 공정을 통해

생산하므로, 국내 원료광물의 고급화 기술의 개발로 국내자원의 고부가가치 활용과 국내 산

업의 경쟁력의 확보에 필요함.

○ 탄산칼슘 슬러리 분산 시스템의 운영 및 시제품 생산 공정과 관련된 전산해석 및 지원의 본

과제는 시스템의 운영의 안정화에 기여하며, 따라서 국내 관련 업체들의 경쟁력 강화에 기

여할 것임.


○ 비금속 광물 자원 중 국내 최대의 부존광물(매장량 약 400억톤)인 석회석은 시멘트, 제철․

제강, 토목․건축, 환경, 농업 및 정밀화학공업 등에 주로 이용되고 있으며, 장기적 또는 안

정적인 원료공급 측면에서 볼 때, 가장 양호한 자원으로 2003년도 기준으로 생산량은 9,077

만톤, 시장가치는 약 13조원/년에 이름.

○ 그러나 산업 고도화에 따른 원료 수요의 다양화 및 질적 요구 충족에 대한 노력이 부족했으

며, 매장량 및 활용도를 고려하지 않은 광종별 동일한 연구개발 지원으로 효율성 및 종합적

인 국가 비금속 자원수급 계획이 미흡함.

○ 따라서, 비금속 광물의 75%를 차지하고 있는 석회석 자원에 대한 선택과 집중이 필요한 것

으로 판단되며, 이에 따른 비즈니스 모델 개발과 타 비금속 광물에 대한 시너지 효과를 유

발할 수 있음.

○ 현재 국내 비금속 자원 광산을 중심으로 비금속 자원의 고부가가치화를 위한 산업이 부재한

상태이며, 오직 풍부한 석회석 자원을 이용한 시멘트 산업 및 석회 산업만이 지역경제의 버

팀목 역할을 하고 있는 실정임.



○ 따라서 본 사업을 통하여 부가가치가 높은 소재 개발 및 제품 다양화 기술을 확립함으로써

국가자원의 효율적 이용은 물론 지역경제의 활성화를 도모할 수 있을 뿐만 아니라 주변기

업들에 대한 기술개발에 대한 의지를 심어줄 수 있는 기회가 될 것으로 기대됨.

제 2 절 국내 ․ 외 관련 기술의 현황

(1) 국외기술현황

○ 미국, 유럽을 중심으로 한 선진국의 경우에는 대규모 지하자원 개발에 따라, 산출물량의 고

급 원료화 기술을 꾸준히 개발하고, 제품의 다양화를 위한 기술의 산업화 실적이 우수함.

○ 일본의 경우에는 원료자원의 부존형태가 국내의 경우보다는 우수하여 다양한 산업계의 요

구에 부응하는 제품의 생산이 이루어지고 있음.

○ 제품 다양화 기술은 원료광물의 고급/고순도화, 분체의 미립화/제품균일화, 미분체의 표면

특성 변환기술, 용도에 따른 조립화 기술 및 미립화 공정에서 저에너지 분쇄기술 등으로 요

약되는데, 기술 선진국의 경우엔, 이러한 기술의 산업화와 관련 장비의 개발에 역점을 두고

있으며, 자국의 수출물량 확보를 위하여 관련 기술의 공개를 엄밀하게 회피하고 있는 실정

임.

○ 일본의 탄산칼슘 제조회사의 제품과 운용을 소개하면, 白石(shiraishi)化學의 경우에는 탄산

칼슘 제품 종류가 16종에 이르고 있으며, Ube 社의 경우에는 시멘트부터 석회, 탄산칼슘에

이르는 제품을 모두 생산하고 있는 등 원료소재의 다양한 이용, 제품의 다양화에 의한 수요

시장의 요구에 부응하는 생산체계를 가지고 시장을 확보하고, 원료소재의 특성에 부합되는

제품을 생산하고 있음.

○ 미국의 경우에는 방해석을 정제하여 제품의 고급화를 도모하고 있으며, 제품의 다양화로 세

계적인 판매 시스템을 운용하고 있으며, 유럽과 같이 제지공정과 페인트공업에서는 슬러리

제품의 보편화를 통하여 생산자와 수요자의 연계공정 운영에 따른 부가가치 창출을 도모하

고 있음.

(2) 국내기술현황

○ 국내의 경우 고급 탄산칼슘 미분체 제조에 필요한 원료광물의 고급/고순도화, 입자크기의

미립화/입도 균일화, 미분체 표면특성 조절기술, 조립화에 의한 용도 다양화 기술에 대한



연구는 일부 연구소 및 학계에서 산발적으로 수행되고는 있으나 산업화 실적은 없음.

○ 기능성 부여를 위한 분체 표면 개질기술은 일부 외국계 회사에서만 실시함에 따라 시장이 편중 됨.

○ 산업의 다양화 및 고급화로 인한 고기능성 및 고부가가치의 제품 수요가 증가되고 있으나,

이들 제품은 대부분 수입에 의존하고 있기 때문에 경쟁력/경제성 확보를 위해서는 업계의

기술역량 강화가 필요함.

○ 페인트, 플라스틱, 제지, 고무, 안료 등의 화학공업 등을 중심으로 한 특수기능 제품의 시장

규모와 제품의 다양화 요구가 증가됨으로 이러한 기능성 소재의 수입대체를 위한 기술개발

이 필요한 실정임.

○ 국내의 경우 대부분 영세업체를 중심으로 구성되어 있으므로, 기술개발 능력이 결여되어 수

요시장의 제품다양화에 능동적인 대처가 어렵고, 경제성의 확보/대처능력이 미약한 실정.

○ 특히, 신소재 및 정밀소재 분야에서는 출발물질 또는 중간 생산 단계에서의 분체 소재의 정

제 및 가공 기술과 취급공정이 최종제품의 성능에 결정적인 영향을 미치게 됨은 잘 알려진

사실임에도 불구하고 아직까지 관련 연구는 체계적으로 이루어지고 있지 못한 실정.

○ 환경법의 강화에 따른 산립훼손/공해방지 등에 운영 압박을 받고 있으며, 근로자의 3D업종

기피 등으로 기술개발에 대한 어려움 가중됨.

○ 국내 산발적인 석회석 관련 제품에 대한 영세성을 면하기 위해서는 장기적/단계별 기술개발과 고부가

가치의 탄산칼슘 제조기술 개발에 의한 수입의존도를 경감하는 처방이 필요함.

(3) 특허현황

○ 국내

번호 특허명 보유기관명 출원일

1탄산칼슘을 함유하는 신규한 무기 안료, 이를

함유하는 수성 현탁액 및 이의 용도 옴야 디벨로프먼트 아게 2005-7017486

2습식분쇄 및 분급에 의한탄산칼슘의 제조 방법

이대생 2002-0032687

3건식분쇄 및 분급에 의한

탄산칼슘 미분말의 제조 방법 이대생 2002-0032686

4제지공장 폐수를 재사용 하기위한 폐수처리 방법

정인 2005-0047492







5경질 탄산칼슘, 그 제조 방법 및그것을 사용한 제지 내전용전료

오쿠타마 고교 가부시키가이샤

2005-7023086

6황토를 이용한 항균 기능성 백판지

및 그 제조 방법세림제지 주식회사 2004-0043713

7 고표면적 소각 생성물 이머리스 피그먼츠 아이엔시 2004-7006573

8난연 도공액, 이를 이용한 난연 도공지의 제조 방법

및 이로부터 제조된 난연 도공지 신호제지 주식회사 2003-0029881

9석회석 슬러지를 원료로 한 입방형 침강성 탄산칼슘

및 그 제조 방법 한국지질자원연구원 2003-0021290

10석회석 슬러지를 원료로 한 콜로이드형 침강성

탄산칼슘 및 그 제조 방법 한국지질자원연구원 2003-0021289

11제지폐수 처리 방법 및

그 처리수를 이용한 제지 방법 삼성엔지니어링 주식회사

양인모1999-0046907

12 제지공정에서 셀룰로즈 섬유로 무기충전제를 관강 (管腔) 부하하는 방법

미네랄스 테크놀러지스 인코포레이티드

마아빈 제이 파우웰1999-7007040

13 산성 수성 매질에서의 탄산칼슘의 용도 미네랄스 테크놀러지스

인코포레이티드 마아빈 제이 파우웰

1999-7005825

14재활용 되는 제지 공정수의

칼슘 경도 조절 방법 한국화학연구소 김충섭 1998-0053566

15 무독성 형광색지의 제조 방법 한솔제지 주식회사 차동천 1997-0076709

16 탄산칼슘의 제조법 유규재 1996-0039234

17 제지 슬러지를 이용한 건축용 내장재 및 그 제조 방법

최종태 1997-0025206

18탄산칼슘의 정제 방법 (METHOD FOR

PURIFICATION OF CALCIUM CARBONATE)

미네랄즈 테크놀로지즈 인코포레이티드마빈 제이.파웰

1997-7003355

19 축광지 및 그 제조 방법 한솔제지 주식회사 구형우 1996-0017840

20 0.1~1.0㎛의 탄산칼슘 제조법 유군재 1996-0014366

21 패각을 주원료로 하여 습식법 및 수열법을 이용한 기능성 세라믹분말의 제조 방법

김판채 1995-0025928

22 감열기록용지의 제조 방법 한솔제지 주식회사 구형우 1995-0023421

23 색감열기록 장치의 제조 방법 한솔제지 주식회사 구형우 1995-0000630

24제지 페 슬러지 및 각종 섬유질 폐기물을 원료로

하여 건축자재를 제조하는 방법 라상덕 1993-0007600

25 옵셋 윤전 도공지의 제조 방법 신무림제지 주식회사 이동욱 1993-0001795

26 판지 도공용 프리코팅 조성물 세림제지 주식회사 이동욱 1991-0022482

27 제지 슬럿지를 원료로 한 고체연료 및 그 제조 방법 라상덕 1991-0000755



○ 미국

28 양이온성 분산액, 및 미립물질의 양이온화 방법 헤르큘레스 인코포레이티드 스티븐 에이치. 마르코위츠

1991-0023104

29 신문고지의 탈묵 방법 전주제지 주식회사 김인호 1989-0001635

30 탈묵펄프에 의한 중성지의 제조 방법 전주제지 주식회사 김인호 1988-0015953

31제지용 보유 보조제 시스템으로서 의 침전 탄산칼슘

- 양이온성 전분 결합제 화이자 인코포레이티드 윌리암 데이비스 헌

1989-0007593

번호 특허명 보유기관명 출원일

1

Purified Precipitated Calcium Carbonate andPurified Calcium Silicate

Compounds, a Method for Their Production, andTheir Use as Paper Fillers

G.R. INTERNATIONAL,INC.

2006-420001

2High gloss calcium carbonate coating compositionsand coated paper and paper board manufactured

from sameDimmick 2001-526343

3Paper and paper coating products produced using

multi-phase calcium silicate hydratesMathur 2004-831526

4Process for the production of platy precipitatedcalcium carbonates, product produced thereby,

and paper incorporating same

Specialty Minerals(Michigan) Inc.

2003-456706

5Apparatus for making a web of paper or board

containing calcium carbonateValmet Corporation 2003-695896

6Use of recycled calcium carbonate in the

treatment of a paper, board or nonwoven productValmet Corporation 2003-687194

7

Process for regulating the porosity and printingproperties of paper by use of colloidal

precipitated calcium carbonate, and papercontaining such colloidal precipitated calcium

carbonate

J. M. Huber Denmark ApS 1999-701261

8Apparatus for making a web of paper or board

containing calcium carbonateMetso Paper Oy 2003-695896

Multi-phase calcium silicate hydrates, methods fortheir preparation, and improved paper and

pigment products produced therewith

G.R. International, Inc.(A Washington Corporation)

2000-649413

10Process for producing a paper web having

calcium carbonate filler byintroducing carbon dioxide to the pulp

AGA Aktiebolag(Lidingo, SE)UPM-Kymmene Corporation

(Helsinki, FI)2000-623380

11Method of improving the brightness of calcium

carbonate filled paperMinerals Technologies Inc. 1997-790144



○ 일본

12 Photographic paper containing calcium carbonate Eastman Kodak Company 2000-545213

13Method for producing pulp and paper with

calcium carbonate fillerPulp and Paper Research

Institute of Canada1999-271921

14Aragonitic precipitated calcium carbonate pigment

for coating rotogravure printing papersMinerals Technologies Inc. 1997-857549

15Ink jet recording paper incorporating novel

precipitated calcium carbonate pigmentMinerals Technologies, Inc. 1997-837191

16Calcium carbonate pigments for coating paper and

paper boardColumbia River Carbonates 1995-580762

17Repulping wet strength paper and paperboard

with persulfate and a carbonate bufferHercules Incorporated 1995-479489

18Ink jet recording paper incorporating novel

precipitated calcium carbonate pigmentDonigian 1995-407422

19Acid-stabilized calcium carbonate, process for its

production and method for its use in themanufacture of acidic paper

Pfizer Inc. 1990-628319

20Pigment mixture for the paper industry consistingof calcium carbonate, dolomite or mixtures thereof

and a talc-kaoline mixturePluss-Staufer AG 1990-604345

21Acid-stabilized calcium carbonate, process for its

production and method for its use in themanufacture of acidic paper

Pfizer Inc. 1990-491366

22

Calcium carbonate, calcium carbonate pigment,process for preparing same, coating compositionfor information recording paper and information

recording paper

Shiraishi Central LaboratoriesCo., Ltd.

1989-296963

23Paper having calcium sulfate mineral filler for use

in the production of gypsum wallboardUnited States Gypsum

Company1984-621956

24Paper having calcium sulfate mineral filler for use

in the production of gypsum wallboardUnited States Gypsum

Company1983-462629

25Methods of making combined titanium dioxide

and calcium carbonate and opaque papercontaining the resulting combination

P. H. Glatfelter Co. 1975-605216

26Ultrafine natural calcium carbonates as coating

pigments in coated papersPluss-Staufer AG 1973-406430

번호 특허명 보유기관명 출원일호

1 판지의 제조 방법 HARIMA CHEM INC 2005-349971

2무기 입자 그 제조 방법 및

그것을 사용한 종이 NEW OJI PAPER CO LTD 2005-301389



3 이산화탄소의 해양에의 격리·저장 방법 NEW OJI PAPER CO LTD 2005-170209

4 연속 기록 용지NIPPON PAPER

INDUSTRIESCO LTD

2005-095749

5 아라고나이트계 침상 탄산칼슘의 제조 방법

NIPPON PAPERINDUSTRIES

CO LTD2005-097673

6 벌키지의 제조 방법NIPPON PAPER

INDUSTRIESCO LTD

2004-303629

7 위스커형 탄산칼슘의 제조 방법NIPPON PAPER

INDUSTRIESCO LTD

2005-057414

8제지 공정용 세제 및 초지용 펠트의

세척 방법KURITA WATER IND LTD 2004-197674

9제지용 경질 탄산칼슘 슬러리

및 이것을 이용한 인쇄용 도공지

MITSUBISHI PAPER MILLSLTD,

NIPPON SHOKUBAI COLTD

2004-031269

10 경질 탄산칼슘-실리카 복합물NIPPON PAPER

INDUSTRIES CO LTD2004-027483

11 제지 슬러지로부터의 백색 안료 또는 백색 전료의 제조 방법 및 그 설비

DAIO PAPER CORP 2003-206500

12 제지용 충전제 NATIONAL INSTITUTE OFADVANCED INDUSTRIAL

& TECHNOLOGY2003-071084

13제지 오니 폐기물로부터의탄산칼슘 회수 방법 및 장치

UEDA YUKI KUMAGAISHINOBU OTSUKI HIDETA

SHIODA TAKAAKI2003-053508

14 탄산칼슘의 제조 방법KANAI KIYOSHINANRI

YASUTOKU2003-027490

15 탄산칼슘의 제조 방법

KANAIKIYOSHITAKAHASHI

KAZUTOKONNOHARUOGOTO

TAKANORINANRIYASUTOKU

2003-019021

16 제지 슬러지의 처리 제어 방법 및 처리 제어 설비TSUKISHIMA KIKAI CO

LTD2002-287445

17 제지 슬러지의 처리 제어 방법 및 처리 제어 설비TSUKISHIMA KIKAI CO

LTD2002-287444

18제지 슬러지로부터의 전료 제조 방법 및 이것을

충전한 종이

MINAMITOSHIAKIYASHIRO

JUN2002-264095

19친수성 유기 화합물에 의하여 물리/화학 수식된

변성 광물 결정 및 그 제조 방법 및 그것을 이용한 신규 재료

MITSUBISHI PAPER MILLSLT

2002-244952

20 제지 슬러지의 처리 방법 및 처리 설비TSUKISHIMA KIKAI CO

LTD2002-201418







21 제지 슬러지의 처리 방법 및 처리 설비TSUKISHIMA KIKAI CO

LTD2002-164249

22 섬유상 물질로 표면이 피복된 탄산 칼슘

KONNOHARUONAKAMURA

MITSUTOSHIOCHITAKASHINANRI

YASUTOKU

2002-128271

23 섬유형 칼슘 실리케이트 탄산염 및 그 제조 방법KONNO HARUONANRI

YASUTOKU GOTOTAKANORI

2002-090246

24 제지용 신규 복합물 및 그 합성 방법FUJITA

KAZUYUKINAGAHARAMASARUOCHI TAKASHI

2002-009529

25탄산칼슘 함유 복합 기재, 그 제조 방법 및 그것을

이용한 도공지OKUTAMA KOGYO CO

LTD2001-225501

26 탄산칼슘의 제조 방법GOTO TAKANORIKONNO

HARUOK ANAIKIYOSHINANRI YASUTOKU

2001-092343

27 탄산칼슘 위스커의 제조 방법NIPPON PAPER

INDUSTRIESCO LTD

2001-034134

28 아라고나이트 결정계 탄산칼슘의제조 방법

NIPPON PAPERINDUSTRIES

CO LTD2001-030184

29침상 또는 섬유상 형태를 한 칼사이트형 탄산칼슘

및 그 제조 방법NEW RAIMU

KENKYUSHA:KK1999-130422

30 탄산칼슘의 제조 방법NIPPON PAPER






33 판상 탄산칼슘의 제조 방법 TAKITA YUSAKUISHIHARA 1994-129477

34 제지용 경질 탄산칼슘의 제조 방법HOKUETSU PAPER MILLS

LTD1992-116750

35 제지용 경질 탄산칼슘의 제조법HOKUETSU PAPER MILLS

LTD1992-116749

36능면체정계 탄산칼슘 및

그 제조를 위한 가속열 숙성 방법PFIZER INC 1991-073996



(4) 현 기술상태의 취약성

기술의 문제점 제품의 문제점

○ 원료특성에 부합되는 제품 제조기술의 미비

○ 미분체 제조 및 제품별 가공 공정 기술 미비

○ 기능부여기술, 실용화기술 미비에 따른 제품다

양화 미비

○ 탄산칼슘 미분체의 표면 특성 조절기술미비에

의한 제품다양화 조절 미약

○ 원료소재의 특성에 부합되는 특성화 제품제조기

술의 부족에 의한 부가가치 향상 부족.

⇩

원료특성에 부합되는 탄산칼슘 미분체 및 슬러리 제조기술 개발

⇩

미분체 표면개질에 의한 기능성 부여기술 개발

⇩

용도 다양화 기술 개발



제 3 절 기술개발 시 예상되는 기술적 ․ 경제적 파급 효과


○ 교반기 회전에 의한 stirred tank 내 고농도 슬러리의 유동, 혼합, 분산 거동을 예측하는

CFD 해석 모델 및 기법을 개발함.

○ 전산해석을 통해 슬러리 분산 시스템 내부의 유동, 혼합, 분산에 대한 기초자료를 제시함.

이를 통해 분산 공정에 대한 통찰이 가능하며 운영 방안의 도출.

○ 실제 형상을 고려한 정교한 해석을 통해 향상된 분산성 및 유동성을 가진 고농도 슬러리 분

산 시스템의 최적 운전조건 결정. 또한 파일럿 플랜트, 양산 설비 등 용량 변경에 따른 시스

템 설계 및 운영의 기초 자료를 제시함.

○ 고농도 슬러리 생산 설비의 각 단위 공정의 안정화에 기여하고, 플랜트 운전기술 확보함.


○ 원료광물의 특성에 부합되는 차별화된 미분체 제조기술을 개발 및 적용함으로써 국내 자원

의 유효활용을 극대화 함.

○ 저품위 자원의 고품위화 및 기능성을 향상시키는 가공기술의 개발을 통해 국내 자원의

고부가가치 활용을 유도함.

○ 수요자의 요구에 부합되는 제품의 제조기술 개발로 국내 제품의 부가가치 향상과 관련제품의

수입대체 효과.

○ 참여업체를 중심으로 효율적 공정 개발기술 지원을 통한 국내 자원의 고부가가치 활용의 유

도, 미 이용 자원의 활용 효과를 기대할 수 있음.

○ 불순물 제어, 미립화 및 입도제어 과정에서의 기술개발 및 공정개선을 통해 제조원가를 절

감하여 국내 산업의 대외 경쟁력을 향상시킴.


○ 우리나라에는 탄산칼슘 제조업체가 25여 개의 회사가 있으며, 이들의 대부분이 국내산 원료

광물을 이용하여 제품을 제조하고 있음.

○ 국내 실정에 부합되는 기술 개발은 관련 산업계의 기술력 향상에 많은 도움이 될 것이며, 개

발된 관련 기술의 보급 환경은 양호함.

○ 일부 수입사용하는 고기능성 탄산칼슘의 제조기술의 개발에 따라 수입대체가 가능하며, 국

내 산업계는 물론 수요업계의 경쟁력 향상에도 기여함.



(4) 활용방안

○ 전산해석을 통해 얻어진 stirred tank 내부 유동장, 혼합, 분산의 결과는 안정적인 운영을 위

한 기초자료 활용될 것임. 이를 통해 향상된 분산성 및 유동성을 가진 고농도 슬러리의 생

산 설비가능함.

○ 교반기 회전에 의한 혼합을 유도하는 stirred tank는 화학공정, 식품공정 등 다양한 산업에

서 널리 적용되고 있음. 따라서 전산해석 모델 및 기법의 개발은 그 산업적 활용도가 매우

클 것임.

○ 대량 생산뿐 아니라 중소업체에 적합한 소량 다품종 설비의 슬러리 분산 시스템 설계에 적

용되어 관련 산업의 경쟁력 향상에 기여함.

(5) 연구개발의 SWOT 분석

(강점)

국내 보유 비금속 광물 중 저품위 석회석 등 부가가치화 의식 고조됨

소량 다품종의 원료 소재화로 중소업체 적합

(약점)

기반 기술 부재

전문 인력 부재

제조업체 영세화

(위기)

기존 다국적 기업에 의한 시장 지배력 큼

일본 등 선진 기업들의 공격적 마케팅 (가격 경쟁력)

(기회)

소재 산업의 국산화 인식 증가

고순도 원료 소재화 기술 확보로 관련 산업 선두적 지위 확보







제 2 장 기술개발 내용 및 방법

제 1 절 최종 목표 및 평가 방법

(1) 최종목표

본 연구는 국내 주요 비금속 광물 자원인 석회석을 원료로 제품의 고품위 기능화를 통해

고부가가치 창출을 목표로 하는 ETI 자원개발 분야 핵심사업인 “비금속 광물자원의

화학공업용 고기능 분체 가공기술 개발”의 위탁과제로, 고농도 슬러리 제조를 위한 슬러리

분산 시스템의 최적 운영 방안의 도출을 기본 목표로 한다.

우선 액체/고체의 다상 혼합물로서 고농도 슬러리의 전산해석 모델 및 기법을 확립하고,

이를 통해 분산 시스템 내의 슬러리의 유동, 혼합, 분산의 거동을 stirred tank 실제 형상

및 운전조건을 고려하여 해석하고 공정 보완 및 운영을 위한 기초자료로 제시한다. 파일럿

플랜트에서의 실험자료 및 축소모델 실험을 통해 해석모델의 검증을 수행하며, 최종적으로

대용량의 양산 설비에 적합한 슬러리 분산 시스템의 운영 방안을 도출한다.

본 연구를 통해 제시될 기초 자료는 다양한 용량의 슬러리 분산 시스템의 효율적인 운영

및 설계에 기여할 것이며, 아울러 본 연구에서 제시될 전산해석 기법은 산업계에서

사용되는 다양한 교반 반응조의 효율적인 해석에 기여할 것이다. 또한 주관기관 과의

긴밀한 협조를 통하여 산업체 수요에 충족할 수 있는 기술개발과 새로운 용도 창출 등

사업화 추진을 통하여 소규모 영세 업체들의 자생력을 확보하는 효과도 가질 것이다.



제 2 절 단계 목표 및 평가 방법

구분(연도) 세부연구목표 가중치 평가의 착안점 및 기준

1차년도(2008)

2차년도(2008)

•슬러리 분산 시스템 해석을 위한 기초 조사

20%

—고농도 슬러리의 거동에 대한 유효 점도 모델 결정—유속, 전단응력, 난류강도, 와도 등을 슬러리 분산성 지표로 검토—고체/유체 다상 슬러리 해석의 기법 및 물성 모델식 결정

—stirred tank 실제 형상을 고려한 정상상태/비정상상태 유동장 해석—형상 설계, 운전조건 변경에 따른 유동패턴, 유속분포, 전단응력분포, 난류강도 분포 등 기초 자료 제시

—축소모델에서의 유동패턴 실험, 해석결과와 비교 검증—주관기관의 파일럿 실험자료를 통한 비교 검증

•시스템 내부 유동장의 CFD 해석 50%

•실험결과와 비교를 통한 해석 모델의 검증

30%

3차년도(2009)

•시스템 내부 혼합 및 분산 거동의 CFD 해석

50%

—비정상상태 유동장 전산해석을 바탕으로 스칼라 양의 혼합 거동의 해석—형상 설계, 운전조건 변경에 따른 혼합 거동의 기초 자료 제시—고체/유체 다상 서스펜션 해석에 의한 슬러리 분산 효율의 기초 자료 제시

—축소모델에서의 혼합거동 실험, 해석결과와 비교 검증

—형상 설계 및 운전조건에 따른 해석 자료 및 최적의 운영 방안 제시

•실험결과와 비교를 통한 전산해석 모델의 검증

20%

•양산설비 용량에 대한 분산 시스템 운영 방안 도출

30%



제 3 절 연차별 개발 내용 및 개발 범위

(1) 2차년도

개발목표 고농도 슬러리 분산 시스템의 기초 운영 자료 제시

주관기관

○ 슬러리 분산 시스템 해석을 위한 기초 조사

⇒ 전산해석을 위한 고농도 슬러리의 유효 점도 모델 결정

⇒ 슬러리의 분산성과 유체역학의 유속, 전단응력, 난류강도, 와도 등과

의 상관관계 조사, 분산성 지표로 검토

⇒ 고농도 슬러리를 고체/유체 서스펜션으로 고려하는 다상 모델의 검

토, 탄산칼슘 슬러리에 적합한 고체/고체, 고체/액체 간 상호작용 모

델식 결정

① 슬러리 점도 실험 모델식 선정

② 슬러리 분산성과 여러 지표간의 상관관계 검토

③ 슬러리 서스펜션의 해석 모델 및 물성 관계식 선정

○ 시스템 내부 유동장의 CFD 해석

⇒ 파일럿 플랜트의 여러 stirred tank 실제 형상 및 운전조건을 고려하

여, 시스템 내부의 유동장 해석

⇒ stirred tank 설계, 운전조건 변화에 따른 유동패턴, 유속, 전단응력,

난류강도 분포 등의 기초 자료 제시

④ 파일럿 플랜트의 분산 시스템의 유동해석 결과

⑤ stirred tank 형상, 운전조건에 따른 유동해석 결과

○ 실험결과와의 비교를 통한 전산해석 모델의 검증

⇒ 적절한 비율의 축소모델을 대상으로 시스템 내부의 유동패턴의 가시

화 실험을 수행하고, 이를 해석결과와 비교하여 해석모델 검증

⇒ 시간에 따른 소요동력 변화데이터 등 파일럿 플랜트에 대한 실험자

료를 확보하여 해석모델의 검증에 활용

⑥ 축소모델에서의 유동장 가시화 실험결과, 해석결과와의 비교

⑦ 파일럿 플랜트의 실험자료에 대한 해석결과와 비교

위탁기관

참여업체



(2) 3차년도

개발목표 양산 설비 용량의 고농도 슬러리 분산 시스템의 운영 방안 도출

주관기관

○ 시스템 내부 혼합 및 분산 거동의 CFD 해석

⇒ 파일럿 플랜트 stirred tank 실제 형상 및 운전조건을 적용하여 비정

상상태 유동장 해석하고, 이를 바탕으로 단순 스칼라 양의 혼합 및

섞이지 않는 두 유체의 혼합 거동의 해석

⇒ stirred tank 설계, 운전조건 변화에 따른 혼합 패턴, 혼합 속도 등

운전 자료 제시

⇒ 고체/유체 다상 서스펜션 해석을 통한 고농도 슬러리의 분산성을

평가, 운전 자료 제시

① 파일럿 플랜트의 분산 시스템 내 단상, 이상 혼 거동 해석결과

② stirred tank 설계, 운전조건 변화에 따른 혼합거동 해석결과

③ 다상 모델을 이용한 슬러리의 서스펜션 분산거동의 해석결과

○ 실험결과와 비교를 통한 전산해석 모델의 검증

⇒ 축소모델에서의 혼합거동의 가시화 실험을 수행하고, 해석결과와 비

교하여 해석모델 검증

④ 축소모델에서의 혼합거동 가시화 실험결과, 해석결과와의 비교

○ 양산설비 용량에 대한 분산 시스템 운영 방안 도출

⇒ 분산 시스템의 형상 및 운전조건에 선정에 대한 기초 자료 제시

⑤ 선정된 양산설비 시스템의 유동장 해석결과

⑥ 선정된 양산설비 시스템의 혼합, 분산거동 해석결과

위탁기관

참여업체







제 3 장 결과 및 향후 계획

제 1 절 단계 연구개발 결과

- 단계 연구개발 추진 일정

1차년도

일련

번호개발내용

추진일정 기간(주)1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

1

2

3

2차년도

1슬러리 유효점도 모델, 다상 해

석기법의 선정 및 검토12

2전산유체역학을 이용한 비정상

유동장의 해석24

3축소모델 가시화 실험을 통한

유동 해석의 검증32

4유동의 전산해석을 통한 파일럿

시스템 운전 평가 제시12

3차년도

1슬러리 분산성 평가를 위한 지

표 검토, 다상 해석기법 선정12

2CFD를 이용한 비정상 혼합, 다

상 슬러리의 분산 거동 해석28

3축소모델 가시화 실험을 통한

혼합, 분산 거동 해석의 검증28

4양산화 설비 용량에 대한 분산

시스템 최적 운영 방안 도출24



- 단계 연구개발 추진 실적

1) 2차년도 연구개발 추진실적

○ 형상 모델

효율적인 전산유체역학 해석기법의 선정을 위하여 우선 간단한 교반탱크(stirred tank) 및 임펠러

(impeller) 형상을 고려하였다. 즉, Fig. 1-1과 같이 기존의 해석 논문들[1,2,3,4]에서 다루어진 기하학적

형상을 참조하여 교반탱크 모델을 생성하였다. 임펠러 형상은 6개의 회전날(blade)을 갖는 표준적인

디스크 타입의 Rushton 터빈 형태를 갖는 것으로 가정하였다. 또한 교반탱크 내 회전유동을 조절하

기 위한 배플(baffle plate)도 탱크 내벽의 옆면 각각 90° 위치에 생성하였다.

Fig. 1-1 Stirred tank specification of reference

Fig. 1-2는 간략화 된 슬러리 분산 시스템의 형상을 나타낸다. 이러한 간단한 형상 모델을 통해 다

양한 해석 기법을 검토하고 격자 생성 시 문제점을 평가하여, 해석의 정확도와 계산시간에 있어서 효

율적인 해석 기법의 선정하도록 하였다. 슬러리 분산 시스템의 본격적인 전산해석에서는 교반탱크 및

임펠러의 실제 형상을 고려하여 해석을 수행할 것이다.

Fig. 1-2 Geometry of stirred tank Fig. 1-3 Geometry of impeller



Fig. 1-3에서 볼 수 있듯이 임펠러 주위의 격자는 매우 복잡하게 만들어지며, 실제 격자생성에 있어서

가장 오랜 작업시간을 필요로 한다. 따라서 격자생성 시 고속으로 회전하는 임펠러 주위영역에 대한

격자밀도를 크게 설정하여 해석의 정확도를 확보하였으며, 반면 교반탱크의 나머지 영역에서는 격자

밀도를 줄여 해석 시간의 최적화를 도모하였다. 교반탱크 내 유동을 안정화하기 위한 배플을 Figs.

1-2 또는 1-3에서 확인할 수 있다. 형상모델 및 생성된 격자의 정보는 Table 1-1에 정리하였다.

Element Parameter (m) Grid No.(EA) Mesh Type

Tank (H☓W☓L)1,366☓0.683☓0.683

(Cylinder)180000 HEX. Cooper

Impeller 1.0☓0.228☓0.228 70000 HEX. Map

Table 1-1 Geometry and mesh information for stirred tank simulation

○ 해석 모델

본 교반탱크의 CFD 해석에는 상용코드인 Fluent 6.2(Fluent Inc.)를 사용하였다[5]. 본 해석의 목표

는 우선 임펠러 회전에 의한 교반탱크 내 유체의 유동을 해석하고 이를 통해 전산유체역학을 이용한

회전유동의 처리 기법의 검토에 있다. 따라서 가장 기본 유체인 물이 교반탱크 내부에 존재한다고 가

정하여 해석을 수행하였다. Table 1-2는 해석에 사용된 물의 물성을 나타낸다. 향후 분산시스템의 실

제 해석에서는 측정을 통해 얻어진 탄산칼슘 슬러리의 물성치를 이용하여 해석이 수행될 것이다.

Table 1-2에서 임펠러의 회전 속도는 1200 rpm(125.66 rad/s)으로 가정되었으며, 이는 회전 중심으

로부터 약 10 cm 떨어진 회전날 끝단에서의 12m/s의 속도에 해당한다. 따라서 이러한 고속의 회전

에 의한 유동현상을 해석하기 위해서 난류모델인 모델을 적용하였다.

Property Parameter

Density (kg/m3) 998.2

Viscosity (kg․m/s) 0.001003

Temperature (K) 298.15

Rotate velocity (rpm) 1200

Reference pressure (bar) 0

Table 1-2 Fluid properties of liquid water

교반탱크 내의 회전 유동은 CFD 프로그램 Fluent에서 두 가지 해석기법에 의해 처리된다. 첫 번째

기법은 격자의 이동 없이 여러 개의 서로 다른 좌표계를 혼용하여 해석하는 MRF(Multiple Reference

Frame) 기법으로, 비교적 간단한 해석모델 설정으로 교반탱크 내 정상(steady) 상태 회전 유동을 해석

할 수 있으나 비정상(unsteady) 상태에 대한 해석은 불가능하다. 두 번째 기법은 Fluent의 이동격자



처리능력을 이용한 sliding mesh 기법이다. 이 방법에서는 서로 독립적인 두 개 이상의 격자공간이

상대속도를 가지고 이동하는 상황을 해석할 수 있어 정상 상태뿐만이 아니라 비정상 상태까지 해석

이 가능하다. 그러나 sliding mesh 기법은 격자생성 및 모델설정에 MRF 기법보다 많은 노력과 시간

이 필요하다.

본 진도 보고서에서는 우선 MRF 기법을 이용하여 교반탱크 내부의 정상상태 회전유동의 해석결과

를 제시한다. MRF 해석을 위하여 Fig. 1-4처럼 임펠러 주위의 고속 회전영역을 설정하여 회전

(rotational) 좌표계를 지정하고, 외부의 영역은 고정(stationary) 좌표계로 지정한다. 고속 회전영역 좌

표계에 일정한 각속도를 부여하여 임펠러 회전에 의한 모멘텀(momentum) 전달을 고려하게 된다.

Fig. 1-4 Two domains for MRF simulation

MRF 기법은 그 해석 기법의 단순함으로 인해 sliding mesh 기법보다 먼저 검토되었다. 또한 MRF

에서 사용된 격자는 sliding mesh 기법에 직접적인 적용은 불가능하나 격자 구성방법에 있어서 유사

점이 크므로, 향후 교반탱크 내 비정상상태 유동해석을 위한 복잡한 격자계 구성의 기초가 된다.

○ Tank 내 속도 분포

MRF 기법을 이용하여 해석한 교반탱크 내부의 정상상태 속도분포가 Figs. 1-5와 1-6에 나타내어져

있다. stirred tank 내부의 전체 속도분포를 나타낸다. Fig. 1-5는 전체적인 속도분포를 나타내며, Fig.

1-6은 다섯 개의 수평면에서의 속도분포를 보여준다. 해석결과 회전날 끝단에서의 속도가 약 14.6

m/s로 가장 크게 나타났으며, 이 값은 임펠러 회전날의 속도와 거의 유사하다. 전체적인 유동은 교반

탱크의 상부와 하부에서 임펠러 방향으로 흡입되어 임펠러에 의해 회전 모멘텀을 받아 탱크 벽면 방

향으로 고속으로 토출되며, 이후 벽면에 부딪힌 후 대순환하는 구조를 갖는다. Fig. 1-6의 해석결과

유동은 임펠러의 회전에 의해 상, 하부 모두 반시계 방향으로 회전하는 경향을 나타내며, 임펠러와의

거리가 멀어질수록 회전속도는 점차 감소하는 것으로 나타난다.







Fig. 1-5 Velocity distribution in stirred tank Fig. 1-6 Velocity distribution in horizontal planes

in stirred tank

○ 유동패턴 및 혼합

Fig. 1-7은 유동패턴을 보다 자세하게 관찰하기 위해 유동선(path line)을 가시화한 것이다. Figs. 1-5

와 1-6에서 관찰된 바와 같이 탱크 내부의 유체는 상부와 하부 모두 임펠러 방향으로 흡입된 후 벽면

방향으로 고속으로 토출되는 형상을 유선으로 나타내고 있다. 유선의 분포가 상, 하부 모두 고르게

분포하고 있어 유체 혼합이 잘 이루어지는 것으로 판단되어진다. Fig. 1-8은 전산해석 결과 얻어진 교

반탱크 내 유체 난류강도의 분포로, 난류 운동에너지(turbulent kinetic energy)가 5, 10, 20, 40 m2/s2

인 등에너지 표면(iso-surface)을 나타낸다. 이러한 난류 운동에너지는 주유동 성분과 독립적인 섭동성

분의 크기와 관련되어지며, 따라서 난류 운동에너지가 큰 영역에서 더욱 활발한 혼합이 이루어진다.

Fig. 1-8에서와 같이 회전날 부근에서 가장 높은 난류 에너지가 관찰되며, 따라서 비정상 상태 해석

시 격자생성에 있어서 주의가 필요하며, 해석결과의 검토에서도 중요하다.

Fig. 1-7 Path lines in stirred tank Fig. 1-8 Turbulent kinetic energy in stirred tank



2) 3차년도 연구개발 추진실적

○ 해석 모델

전산유체역학 해석에는 기본적인 교반 탱크(stirred tank) 및 임펠러(impeller) 형상이 고려되었다.

즉, Fig. 1과 같이 기존의 연구에서 다루어진 기하학적 형상을 참조하여 교반탱크 모델을 생성하였

다.(14-17) 임펠러 형상은 6개의 회전날(blade)을 갖는 표준적인 디스크 타입의 Rushton turbine 형태와

4개의 회전날이 수평방향과 30°의 경사를 이루는 Pitched paddle 형태로 가정하였다. 임펠러와 교반

탱크 최하단면의 거리는 0.1 m 이며, Rushton turbine과 Pitched paddle type의 임펠러 직경은 모두

0.15 m로 가정하여 격자를 구성하였다.

전체 형상에 대한 해석을 수행할 경우 격자수의 증가로 인해 많은 시간이 소요되었다. 따라서 해석

시간을 위해 Fluent 6.2에서 제공되는 Periodic boundary condition을 이용하여 해석을 수행하였다.

격자 구성 시 Rushton turbine type은 6개의 회전날을 갖는 임펠러의 형상을 고려하여 탱크 전체 체

적을 60°로 분할하였으며, 45° 부분에 배플 (baffle)을 생성하였다. 또한 4개의 회전날을 갖는 Pitched

paddle type의 경우 전체 체적의 1/4인 90° 영역에 대한 격자를 구성하였으며, Rushton turbine과 동

일한 위치에 배플을 생성 후 해석을 수행하였다.

Fig. 2와 3은 본 연구에서 고려된 교반 탱크 시스템의 전체적인 격자를 보여주고 있다. 이러한 형

상 모델을 통해 해석 기법을 검토하고 격자 생성 시 문제점 및 해석의 정확도에 있어서 효율적인 해

석 기법의 선정에 대해서도 언급한다.

Fig. 2와 3에서 볼 수 있듯이 고속으로 회전하는 임펠러 주위의 격자는 매우 조밀하게 구성되었다.

이 영역은 교반 탱크 내에서 유동장의 형태가 가장 복잡한 영역이며, 해석의 정확도를 확보하기 위하여

격자밀도를 높게 설정하는 것이 필요하다. 실제 해석 모델의 격자생성 시에도 임펠러 부분의 격자생성

이 가장 오랜 시간을 필요로 하는 작업이었다. 교반 탱크의 나머지 영역에서는 해석 시간의 최적화를

위하여 밀도를 줄여 격자를 생성하였다. 형상모델 및 생성된 격자의 정보는 Table 1에 정리하였다.



Fig. 1 Geometry of the stirred tank considered in this study.

Parameter(H×W×L)

Grid no.(EA)

Mesh type

Rushton turbine

0.4m×0.3m×0.3m

62,665HEX Cooper

and

HEXPitched paddle 69,585

Table 1 Geometry and mesh information for stirred tank simulation.



○ 해석 방법

2.2.1 Multiple Reference Frame

MRF 기법에서는 회전영역에 일정한 각속도의 회전(rotational) 좌표계를 설정하여 임펠러 회전에

의한 운동량 전달을 고려하게 된다. MRF는 비교적 간단한 해석모델의 설정을 통해 교반 탱크 내 회

전유동을 해석할 수 있다. 그러나 MRF를 통해 얻어진 해석 결과는 특정 시점에서의 유동장으로 이해

되어야 한다.

2.2.2 Sliding Mesh

SM 기법은 격자의 이동을 통해 임펠러의 회전효과를 처리하는 기법이다. SM 기법은 서로 독립적

인 두 개 이상의 격자공간이 상대속도를 가지고 이동하는 상황을 해석할 수 있어 정확한 비정상 상

태의 해석이 가능하다. 그러나 SM 기법은 격자생성 및 모델설정에 MRF 기법보다 많은 노력과 시간

이 필요하다.

○ 해석모델

1. Navier-stokes 방정식

기본적인 교반탱크 내부 유동 해석에 있어서 기본이 되는 Navier-stokes 방정식은 점성을 가진 유

체의 운동을 기술하는 비선형 편미분 방정식이다.

∂∂

∂∂

∂∂

∂∂∂

(1)

위 식 (1)에서 각 기호는 그 시각, 위치에서의 는 속도, 는 단위 체적 당 걸리는 외력, 는 밀

도, 는 압력, 는 점성계수를 나타낸다.

위 식 (1)을 벡터를 이용하여 정리하면 아래 식 (2)와 같은 형태로 나타낼 수 있다.

∂∂

∙∇

∇∆ (2)

Navier-stokes 방정식은 뉴턴의 운동방정식()에 기반하고 있으며, 좌변이 가속도항을 나타내

며, 우변이 유체에 작용하는 단위 질량 당 힘을 나타낸다.

2. 난류모델

교반 탱크의 해석에는 상용 CFD 코드인 Fluent 6.2(13)를 사용하였다. 회전에 의한 유동현상을 해석

하기 위해서 다음과 같은 난류모델을 적용하였다.

(3)







(4)

위 식 (3) 과 (4)는 각각 난류운동에너지() 및 난류 운동에너지 소산율( )의 지배방정식이다.(5)

3. Eulerian multi-phase 모델

Eulerian multi-phase method(14)은 유동영역에 공존하는 각 상이 서로의 상에 침투하는 것으로 취

급하여 수치해석 하는 방법으로 각 상에 대하여 질량과 운동량 보존 방정식을 풀이한다. 각 상에 의

하여 채워진 유동영역의 부분은 체적분율로 주어지고, 각 상은 각각의 속도와 압력 물리적인 성질을

갖는다. Eulerian multi-phase method의 지배 방정식은 다음과 같다.

∂∂

∇∙ (5)

∇∙∇∙ (6)

(7)

(8)

여기서 ‘'는 각 상의 체적분율을 나타낸다. 하첨자 ’' 와 ‘' 는 각각 분산상과 연속상을 참조한

다. 각 상의 운동량은 서로 다른 상의 모든 힘의 합과 같은 것으로 나타난다. 각 상이 교환하는 운동

량은 항력, 가상력, 양력으로 구성되며, 각상이 내부에 포함하는 내부 힘은 로 나타낸다.

대부분의 고체입자의 유동의 분석에서 고체 입자의 밀도는 유체의 밀도보다 높다. 따라서 이러한

유체 내부의 고체 입자의 분산을 해석하기 위하여 식 (9) 같은 Schiller-Naumann 방법을 고려하였다.

≤ ≤

(9)

은 유체와 고체 입자사이의 상대속도를 나타낸다. 고체입자의 퍼짐과 고체입자 사이의 충돌

때문에 생기는 전단력을 고려하였다. 그리고, 식 (6)의 내부 힘은 다음과 같이 표현된다.

max ∇ (10)

max (11)



식 (11)의 표현은 각 단위격자의 최고 분율이 0.63으로 제한되는 것을 의미한다. 이것은 고체입자

간의 충돌과 누적으로 인하여 단위격자에서의 입자 체적분율은 제한된다.

Fig. 4 Definition of stationary and rotational domains for simulation of the stirred tank.

교반 탱크의 전체 높이는 0.4 m 이지만 탱크 내 물이 존재하는 것은 전체 체적의 75 %이므로 0.3m

높이로 물이 존재한다는 가정 하에 해석을 수행하였으며, 해석 시 사용된 물의 물성은 Table 2에

정리되어 있다. Table 2의 운전조건에서 임펠러의 회전 속도는 180 rpm (18.45 rad/s)으로

가정되었으며, 이는 중심으로부터 약 0.075 m 떨어진 회전날 끝단에서의 1.38 m/s 정도에 해당한다.

시간에 따른 탄산칼슘 슬러리와 물의 혼합 정도를 파악하기 위해 Eulerian multi-phase method와

회전유동의 비정상상태 해석기법인 SM을 혼용하여 해석을 수행하였다. 교반기 내부의 임펠러 회전속

도는 앞서 해석한 속도와 동일하게 180 rpm이며 평균적인 분산상의 체적비율은 전체 교반기의 53%

를 차지하도록 설정하였다.

수치해석 시 안정된 초기조건을 제공하기 위해 탱크 상부와 하부에는 각각 물과 고농도의 탄산칼



슘이 슬러리가 존재한다고 가정하였으며, 탄산칼슘 슬러리는 탱크 하부에 정체 후 안정화 단계의 상

태로 가정을 하였다. 위의 식 (8)과 같이 단위 셀 내의 체적분율은 0.63으로 제한되므로 탄산칼슘 슬

러리 내부의 탄산칼슘의 체적분율은 0.5로 설정하였다.

비뉴톤 유체의 경우 시간에 따라 전단변형률이 변화하므로 실제적인 조건을 이용한 해석이 매우

어려운 실정이다. 따라서 해석 조건 설정 시 전단변형률은 0.5로 가정 후 실험을 통해 얻어진 Fig. 5

의 그래프를 통한 슬러리의 점도를 선정하여 해석을 수행하였다. 이를 바탕으로 탄산칼슘 슬러리가

안정화되었을 경우 슬러리 농도를 나타내는 Table 3을 이용하여 슬러리의 밀도는 1460 kg/m3 로 가

정하였다.

참고적으로 해석에 사용된 유체와 같은 비뉴톤-유체의 비-항복응력에 대한 모델은 다음 식 (9)와 같

이 표현 가능하다.

(9)

는 농도 함수, 는 질량 분율을 나타내며, 이에 대한 관계는 아래 식 (10)에 잘 나타나있다.

(10)

여기서 은 농도와 상관없이 0.506으로 일정하다.

Property Parameter

Density (kg/m3) 998.2

Viscosity (kg/m․s) 0.001003

Temperature (K) 298.15

Rotational speed (rpm) 180

Reference pressure (bar) 1

Table 2 Fluid properties (liquid water) and operation conditions.



Fig. 5 Rheological property of each concentration slurry.

Concentration, (wt %) Density, (kg/m3)

35 1258

40 1342

45 1410

50 1460

55 1540

60 1630

65 1704

70 1765

Table. 3 Slurry density, depending on the concentration.







○ 해석결과

① Multiple reference frame 유동 해석결과

- Rushton turbine type

Fig. 6은 Rushton turbine type 교반 탱크의 내부속도 분포에 대한 MRF 해석결과를 나타낸다.

Fig. 6은 교반 탱크 내 전체적인 속도분포를 나타내며, Fig. 7은 임펠러 회전날 중앙 등속도 표면

(iso-surface)의 속도 분포에 대한 등속선 프로파일을 나타낸다. 해석결과 회전날 끝단에서의 속도는

1.4 m/s로 가장 크게 나타났으며, 이 값은 해석 초기에 설정된 임펠러 회전속도인 1.38 m/s와 유사

하다.

전체적인 유동은 교반 탱크의 상부와 하부에서 임펠러 방향으로 흡입된다. 이후 회전 모멘텀으로

인해 고속으로 토출되며, 토출된 물이 탱크 벽면 방향으로 부딪혀 대순환하는 구조를 갖는다. Figs. 6

과 7에서 임펠러의 회전에 의해 상, 하부 모두 반시계 방향으로 회전하는 유동이 관찰되며, 임펠러와

의 거리가 증가함에 따라 속도는 점차 감소하는 것을 나타낸다.

Fig. 8은 유동패턴을 보다 자세하게 관찰하기 위한 유적선(path line)을 나타낸 것이다. Figs. 6과 7

에서 관찰된 것과 같이 상, 하부 모두에서 임펠러 방향으로 흡입된 후 벽면 방향으로 고속으로 토출

되는 형상은 Fig. 8의 유적선에서도 잘 관찰된다. 탱크 내부의 물은 정체영역이 거의 없이 유적선이

고르게 분포하고 있는 것으로 나타났다.

Fig. 9는 전산해석으로 얻어진 난류운동의 분포를 각각 0.186 m2/s2 간격인 등에너지 표면으로 나

타낸 것이다. 최대 난류 운동 에너지(turbulent kinetic energy)는 약 1.12 m2/s2로 나타났다.

이러한 난류 운동에너지는 주유동 성분과 독립적인 섭동성분의 크기와 관련되며, 즉 유체 혼합의

지표가 된다. 따라서 Fig. 9와 같이 가장 높은 난류 에너지가 관찰되는 회전날 부근에서 가장 활발한

혼합이 기대된다. 따라서 유체의 혼합이 중요한 공정에서는 회전날 부근과 같은 혼합이 활발한 영역

의 격자를 조밀하게 생성하여한다.



Fig. 6 Fluid velocity distribution in the Rushton turbine stirred tank.: MRF

Fig. 7 Fluid velocity contour profile in the rushtin turbine stirred tank.: MRF



Fig. 8 Path-line in the Rushton turbine stirred tank.: MRF



Fig. 9 Turbulent kinetic energy distribution in the Rushton turbine stirred tank.: MRF

- Pitched paddle type

Figs. 10과 11은 Pitched paddle type 교반 탱크의 내부속도 분포에 대한 MRF 해석결과를 나타낸

다. 최대속도는 약 1.66 m/s로 나타났으며, Rushton turbine type과 같이 임펠러와의 거리가 증가함

에 따라 속도는 점차 감소하였다. 전체적인 유동은 임펠러의 형상 및 회전방향의 영향으로 인해 물이

탱크 하부방향에서 임펠러로 흡입 후 Rushton turbine type과 유사하게 회전 모멘텀을 받아 탱크 벽

면방향으로 토출되며, 이후 벽면에 부딪혀 대순환하는 구조를 나타냈다.

Fig. 11은 교반 탱크 내부 유동에 대한 유적선을 나타낸다. Pitched paddle type의 경우 Rushton

turbine type과 마찬가지로 정체영역이 거의 나타나지 않으며, 고르게 분포하는 것으로 나타난다.

Fig. 12는 난류 운동에너지 분포를 0.074 m2/s2로 분할 후 총 6 개의 등에너지 표면으로 나타낸 결

과이다. 최대 난류 에너지는 0.446 m2/s2 로 임펠러 회전날 끝단에서 최대를 나타내는 것으로 나타났

다.







Fig. 10 Fluid velocity distribution in the Pitched paddle stirred tank.: MRF

Fig. 11 Fluid velocity contour in the Pitched paddle stirred tank.: MRF



Fig. 12 Path-line distribution in the Pitched paddle stirred tank.: MRF



Fig. 13 Turbulent kinetic energy distribution in the Pitched paddle stirred tank.: MRF

② Sliding mesh 해석결과

- Rushton turbine type

Fig. 14와 15는 SM 기법을 이용하여 임펠러가 6초 간 회전했을 경우의 교반 탱크 내부 속도분포를

나타낸다. 해석 결과 회전날 끝단에서의 속도가 약 1.95 m/s로 나타났으며, 전체적인 유동은 MRF를

이용한 결과와 유사하게 나타났다.

Fig. 15는 임펠러 회전에 의한 내부속도 변화를 1초 단위로 나누어 동속선으로 나타낸 결과이다.

임펠러의 상, 하부로 토출된 물이 탱크 벽에 부딪혀 임펠러 방향으로 대순환되는 구조이므로 샤프트

(shaft)가 위치한 탱크 중앙부의 속도가 가장 낮게 나타난다. 또한 임펠러 회전 후 4초에서 6초의 내

부 속도분포가 유사한 것으로 나타냈다. 이는 임펠러 회전 시작 후 과도상태를 지나 정상상태 유동형

태를 나타내는 것으로 판단된다.

Fig. 16은 SM 기법으로 얻어진 유적선(path line)으로 MRF 해석결과와 마찬가지로 교반 탱크 내부

에 고르게 분포되는 것으로 판단된다. 그러나 MRF 기법에 비해 SM 기법의 결과는 보다 강화된 회전

유동을 예측하고 있으며 특히 임펠러의 상부와 하부에서는 소용돌이 형태의 유동이 크게 나타난다.

Fig. 17은 난류 운동 에너지를 0.0098 m2/s2 간격의 등에너지 표면으로 나타낸 결과로 임펠러 주위

에서 0.0598 m2/s2로 최대값을 나타냈다.



Fig. 14 Fluid velocity distribution in the Rushton turbine stirred tank.: SM







Fig. 15 Fluid velocity contour in the Rushton turbine stirred tank.: SM



Fig. 16 Fluid velocity path line in the Rushton turbine stirred tank.: SM



Fig. 17 Turbulent kinetic energy distribution in the Rushton turbine stirred tank.: SM

- Pitched paddle type

Fig. 18은 6초 간 임펠러 회전 후 Pitched paddle type의 내부 속도분포를 나타낸 것이다. 회전날

끝단에서의 속도는 약 1.8 m/s로 나타났다. 전체적인 유동은 MRF 결과와 유사하며, 임펠러의 경사각

으로 인해 흡입된 물이 탱크 하부로 토출되어 탱크 벽에 부딪혀 상부로 이동 후 임펠러로 재 흡입되

는 대순환 구조를 나타낸다.

Fig. 19는 임펠러 회전에 의한 내부속도 변화를 1초 단위의 동속선(velocity-contour)으로 나타낸 결

과이다. 임펠러 회전 후 4초부터 6초까지 내부 속도분포가 유사한 것으로 나타났다.

Fig. 20은 내부 유동 형태를 나타내기 위한 유적선으로, 교반 탱크 내부의 유동은 고르게 분포되는

것으로 판단되며, 유체 혼합시 대체적으로 잘 이루어지는 것으로 판단된다.

Fig. 21은 난류운동 에너지를 0.0085 m2/s2의 등에너지 표면으로 나타낸 결과이다. 최대 난류 강도

에너지는 0.024319 m2/s2로 나타났으며, MRF 해석결과인 0.446 m2/s2 와 차이를 나타냈다. 이는 특정

시점에서의 정상상태와 유사한 해석결과를 나타내는 MRF 기법과 달리 SM 기법은 시간에 따른 비정

상 상태를 해석하기 때문에 해석결과에서 차이를 나타내는 것으로 판단되어진다.



Fig. 18 Fluid velocity distribution in the Pitched paddle stirred tank.: SM







Fig. 19 Fluid velocity contour in the Pitched paddle stirred tank.: SM



Fig. 20 Fluid velocity path line in the Pitched paddle stirred tank.: SM



Fig. 21 Turbulent kinetic energy distribution in the Pitched paddle stirred tank.: SM

③ Eulerian multi-phase method 해석결과

Fig. 22는 임펠러의 회전날이 4개인 Rushton turbine type에 대한 교반 탱크 내부의 탄산칼슘 체적

분율 등선을 나타낸 결과이다. 임펠러 회전으로 인한 교반이 진행됨에 따라 평균 체적분율은 점차 감

소하여 15초에서 약 0.299로 나타났다.

Fig. 23은 Pitched paddle type의 임펠러가 반시계 방향 즉, 유체가 하부방향으로 토출될 경우에 대

한 체적분율 변화를 나타낸 것이다. 교반 시작 후 15초의 탄산칼슘의 평균 체적분율은 약 0.294로 나

타났다

Fig. 24는 Pitched paddle type 의 임펠러가 시계 방향으로 회전하여 상부방향으로 토출될 경우에

대한 체적분율 변화를 나타낸 것이다. 15초 이후 탄산칼슘의 평균 체적분율은 약 0.292로 나타난다.

Figs. 25와 26은 보다 더 나은 탄산칼슘의 유동형태를 파악하기 위해 유적선을 이용해 나타낸 결과

이다. Eulerian multi-phase method를 이용한 해석 결과는 앞선 MRF 와 SM을 이용한 해석 결과와

동일한 유동패턴이 나타낸다.

위의 체적분율 등선을 이용한 교반탱크 내부의 교반정도를 파악하는 것은 어렵다. 따라서 교반 탱

크 내부의 회전유동에 의한 교반 및 혼합의 정량적 데이터를 제시하기 위해 수치해석 결과와 식 (11)

을 이용하여 교반기 내부에 퍼져있는 탄산칼슘의 표준편차를 구하였다.

(11)

'' 는 전체 교반기 내부의 고체입자의 체적분율을 나타내고, '' 는 고체입자의 평균 체적분율



을 나타낸다. 또한 교반 탱크 전체 체적에 대한 표준편차를 얻기 위해 각 노드의 체적 및 교반기 전

체체적을 이용하였다. 이러한 표준편차 계산을 위한 Rushton turbine type과 Pitched paddle type의

전체 체적은 각각 0.0035 m3과 0.0053 m3이다

Fig. 27은 임펠러의 형태와 Pitched paddle type의 회전방향에 따른 탱크 내부 탄산칼슘의 체적분

율 표준편차를 나타낸 결과이다. 세 경우 모두 표준편차가 15 초까지 서서히 줄어드는 것으로 나타났

다. 회전 방향에 따른 Pitched paddle type의 체적분율 표준편차를 나타낸 결과는 임펠러 회전 방향

에 따라 유체가 하부로 토출되었을 경우 0.126를 나타냈으며, 상부로 토출되는 경우에 0.159를 나타냈

다. 이는 임펠러의 반시계 방향의 회전에 의해 유체가 하부로 토출 시 교반에 더욱 유리한 것으로 판

단된다.

또한 임펠러의 형태에 따른 해석결과 Rushton turbine type은 약 0.095로 가장 낮은 값을 나타냈다.

이는 Pitched paddle type에 비해 Rushton turbine type이 효율이 높은 것을 나타낸다.

Fig. 28은 임펠러 종류 별 교반 시 시간에 따른 필요 동력을 결과이다. 15초 후 반시계방향으로 회

전하는 Pitched paddle type과 Rushton turbine type은 각각 11.76 W와 10.6 W로 유사하게 나타났으

며, 시계방향으로 회전하는 Pitched paddle type은 2.6 W로 가장 낮은 값을 나타냈다.

이는 Pitched paddle의 임펠러 회전방향에 따른 유동특성으로 인해 상부로 토출될 경우 하부로 토

출되는 경우에 비해 동력소요가 크지 않은 것으로 나타났다. 또한 Rushton turbine type은 임펠러 회

전날의 상, 하부 모두에서 유체가 토출되며, 회전날의 단면적이 Pitched paddle type에 비해 크기 때

문에 교반 초기의 소요동력이 큰 것으로 나타나지만, 교반이 진행됨에 따라 Pitched paddle type에

비해 낮은 소요동력이 필요한 것으로 나타났다.

따라서 교반 탱크 내부의 탄산칼슘의 체적분율과 교반 소요동력을 이용하여 분석한 결과 밀도 차

가 큰 두 상의 혼합에 있어서 Pitched paddle type에 비해 Rushton turbine type이 더욱 적절한 것으

로 판단된다.









Fig. 22 Calcium-carbonate volume fraction contour in the Rushton turbine

stirred tank.: Eulerian multi-phase method





Fig. 23 Volume fraction contour in the Pitched paddle stirred tank.

(counter clockwise): Eulerian multi-phase method









Fig. 24 Volume fraction contour in the Pitched paddle stirred

tank(clockwise): Eulerian multi-phase method



Fig. 25 Fluid velocity path line in the Rushton turbine

stirred tank.: Eulerian multi-phase



Fig. 26 Fluid velocity path line in the Pitched paddle

stirred tank.: Eulerian multi-phase







0 2 4 6 8 10 12 140.08

0.10

0.12

0.14

0.16

0.18

0.20

0.22

0.24

0.26 Piched blade (4 blade, clockwise) Piched blade (4 blade, counter clockwise) Ruston turbine (4 blade)

Stan

dard

dev

iatio

n (s

)

Time (s)

Fig. 27 Comparison of calcium-carbonate suspension quality.

0 2 4 6 8 10 12 140

2

4

6

8

10

12

14

16 piched paddle (4 blade, clockwise) piched paddle (4 blade, counterclockwise) rushton turbine (4 blade)

Powe

r (w)

Time (s)

Fig. 28. Rotational axis power consumption comparison.



○ 가시화 실험

- 개념도

Fig. 29. Visualization device P&ID

Fig. 30. Experiment equipments. (agitator, tank)

○ 실험결과

Fig. 31은 가시화 실험 결과를 25 fps 단위로 나누어 촬영한 결과이다. 임펠러 회전에 따

라 중앙 부분의 물이 상부와 하부로 토출된 후 임펠러에 의한 회전 모멘트로 인해 반시계

방향으로 회전하며, 하부에 정체되어 있던 탄산칼슘이 상하부 고르게 분산되는 것을 잘 나

타내고 있다. 이는 탱크 내부 유동 형태가 정체영역이 없이 고르게 분포됨을 나타낸다. 따라

서 이러한 실험 결과는 MRF와 SM 기법을 이용하여 해석한 탱크 내부 유동 해석패턴과 유

사한 경향성을 나타낸다.



Fig. 31. Rotation flow pattern in stirred tank (25 fps)



○ 결 론

교반 탱크 내부의 유동 해석 및 가시화 실험의 비교를 통해 MRF와 SM 기법 모두 전체적인 유동

장을 유사하게 예측하는 것으로 나타났다. 두 가지 기법 모두 유체가 임펠러로 흡입되어 벽면으로 토

출되는 전체적인 순환 패턴 및 임펠러 회전날 끝단에서의 유체속도를 유사하게 예측하였다.

하지만 전체적인 유동 형태 이외에 SM 기법의 해석결과가 MRF 기법의 해석결과에 비해 회전영역

내부 유적선에서 임펠러 상부의 소용돌이 형상의 흡입유동을 예측하고 있다. 이는 격자계의 이동유무

에 따른 차이라 생각되며, MRF 기법은 회전체 형상 효과가 중요하지 않은 유동에 대한 경우 사용이

적절할 것이라 판단된다. 즉, 형상효과가 무시되는 경우 특정 시점의 유동장을 나타내는 MRF의 해석

결과를 정상상태에서의 유동장으로 간주하여도 무방하다.

반면에 특정 형상을 갖는 회전체의 회전이 전체 유동장에 미치는 영향을 무시할 수 없을 경우에는

SM 기법이 사용되어야 한다. 즉, 격자계의 이동을 통해 회전체의 회전에 의한 형상효과를 정확하게

고려할 수 있다. 따라서 임펠러의 형상효과에 따라 내부 유동형태가 변화하는 교반 탱크의 경우 MRF

에 비해 SM 기법이 더 적절하다. 또한 해석결과 실험 결과를 비교한 결과 측면에서 SM 기법은 MRF

에 비해 시간에 따른 교반탱크 내부 비정상 유동패턴의 파악 및 강화된 소용돌이 예측을 통해서

MRF에 비해 내부유동 형태의 정확한 예측이 가능할 것으로 판단된다.

Eulerian multi-phase 방법으로 해석한 탄산칼슘 분산에 대한 표준편차와 소요동력 분석에 대한 결

과로는 Rushton turbine type이 Pitched paddle type에 비해 교반 효율에 있어서 유리한 것으로 나타

났다. Pitched paddle의 임펠러 회전방향 따른 유체의 토출 시 상부에 비해 하부로의 토출을 유도할

경우 혼합에 더욱 유리한 것으로 나타났다.







제 2 절 시장 현황 및 사업화 전망

○ 최근 국내 페인트 및 플라스틱 공업 등 탄산칼슘 수요 제품의 생산호조에 힘입어 국내 시장

은 2000년 이후 점진적으로 확대되고 있음.

○ 따라서, 탄산칼슘 제조공정의 에너지 저감화/용도다양화/제품다양화를 위한 기술개발이 우

선적으로 고려되는 시점임.

○ 제지산업의 경우에는 초지생산에서 염기성으로의 전환 및 고급화에 힘입어 염기성 분체의

사용량이 증가추세임.

○ 플라스틱, 페인트 및 고무공업에서도 기능성 제품을 위하여 미분체의 표면특성 개질에 의한

고기능성 탄산칼슘 및 용도다양화를 위한 조립제품의 수요는 계속적인 증가추세를 나타냄.

○ 저품위 자원의 효율적 활용을 통한 용도 개발과 부가가치 향상 기술 확보가 필요함.



제 3 절 차기 단계 계획

PIV장비 설치에 관련된 그 후 계획

개념도

사진(첨부)

향후계획



제4절 기업 재무건전성 현황

- 과제명 : 고농도 슬러리 분산 시스템 운영 및 시제품 생산을 위한 전산해석 연구

- 주관기관 : (재)한국석회석신소재연구재단

항 목 해당사항기재

최근년도말 부채비율(300%이상, 500%이상)

(산식 : 부채총계/자기자본총계×100)

ㅇ 계산결과 : ○○%

ㅇ 계산식 및 수치기재

최근년도말 유동비율

(산식 : 유동자산/유동부채×100)



자본잠식여부(법정관리, 화의기업여부) ㅇ

이자보상비율

(산식 : 영업이익/이자비용)



3개년도 계속 적자 기업(kisline활용)

(판단기준 : 손익계산서 상의 당기순이익

(손실)로서 판단)

ㅇ

2007년 2008년 2009년

(수치기재) (수치기재) (수치기재)

외부감사 기업의 경우 최근년도

감사의견이 “한정”인 경우ㅇ

중소기업 해당여부 ㅇ

-상시근로자수가 1천명 이상인 기업

ㅇ 근로자수 : ○○명

-자산총액이 5천억원 이상인 법인 또는 그러한 법인이 기업 발행주식 총수의 30%이상을 소유하고 있는 기업

ㅇ

-상호출자제한 기업집단에 속하는 회사 ㅇ

기타 특이사항 ㅇ




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이 보고서는 지식경제부에서 시행한 지식경제 기술혁신사업기술개발 …nens.kookmin.ac.kr/research/report/slurry_eti.pdf · 시스템 내부 유동장의