Sieve Plate Column에서 발생하는 Foaming현상에 관한 연구

윤 호병, 홍 원희

한국과학기술원 화학공학과

Study on Foaming Phenomena in The Sieve Plate Column

Ho Byung Yoon, Won Hi Hong

Department of Chemical Engineering,

Korea Advanced Institute of Science and Technology

서론

탄화수소 분리장치의 초기 start-up과정에 있어서 foaming현상 때문에 계산해서 얻은 값보다 적은 기체유속에서 flooding이 발생된다. 따라서 분리하고자하는 물질이 증류나 흡수 조작을 할 때 foam이 발생하는 정도를 알아보는 것이 필요한 일이 되었고, 그것을 각 물질의 물성으로 나타내는 것

현재까지 foam이나 froth height에 대해서 연구된 것으로는 frothing factor를 이용하여 froth height를 예측한 것과 현상학적인 model을 제시해서 maximum froth height를 이론적으로 계산하는 것 등이 있다.

본 연구에서는 distillation simulator를 이용해서 탄화수소 혼합물과 순수 탄화수소에 대해서 foam test를 해보고 foam의 특성을 나타낼 수 있는 물성이나 무차원 수의 관계를 알아보고자 한다.

실험

(1)시약

본 실험에서 사용한 탄화수소는 n-Heptane, Cyclohexane, Toluene등이며 표 1.에 각 물질의 물성을 나타내었다.

표 1 사용 시약의 상온에서 물리적 성질

시약	밀도(g/□)	표면장력 (mN/m)	몰 질량	순도	비고
n-Heptane	0.6837	21.12	100.20	>99%	Yakuri
Cyclohexane	0.7785	28.48	84.16	>99.5%	Junsei
Toluene	0.8660	28.5	92.14	>99.9%	Baker
Water	0.99697	73.49	18.00	Distillated

(2)실험장치및 방법

본 실험에서 사용한 실험장치의 diagram을 그림 1.에 나타내었다.

test column은 직경이 50mm이며 plate는 hole diameter가 2mm이고 square pitch인 것을 사용했다. 표 2에 실험조건과 사용한 실험장치의 규격에 대해서 나타내었다.

Figure 1 Schematic diagram for experimental apparatus

실험방법은 우선 reservoir에 실험물질을 채운 후에 weeping을 막기 위해서 먼저 air tank와 연결된 valve를 열어 air를 column안으로 흘려 보낸 후에 시약을 column안에 채우게 된다. 그리고 valve를 조절해서 air의 유량을 조절해서 foam이 발생하는 것을 관찰하게 된다. 이때 시간에 따라서 foam height가 변하기 때문에 정상상태에 도달될 때까지 실험을 하였다.

또 liquid flow rate의 영향을 보기 위해서 liquid를 circulation시킬 때 그 유량을 조절해서 실험을 하였다.

표 2.

Temperature ( ℃ )	10 - 20
Pressure ( atm )	1
Flow Gas	Air
Gas Flow Rate ( cm / s)	6.73 - 4.35
Liquid Flow Rate ( ml / s )	1.4817 - 0.3035
Column Diameter ( mm )	50
Hole Diameter ( mm )	2

결과 및 토론

가. air의 유속변화에 따른 foam height변화

Air의 유속이 작은 영역에서는 air 유속 증가에 따라서 foam height도 증가 하게 된다. 그러나 air의 유속이 계속 증가 하다가 일정한 속도가 되면 foam height는 maximum을 나타내게 되고 그후에는 감소하게 된다. 이와 같은 현상이 발생하는 이유는 column의 조업조건이 cellular foam region에서 froth region으로 전이되기 때문이며 maximum foam height일 때보다 air의 유속이 증가 하게되면 froth region이 된다.

나. 혼합물의 농도변화에 따른 변화

표 1에서 나타낸 것 처럼 Toluene이 표면장력이 보다더 크며 밀도 또한 높다. 순수 Toluene이 순수 n-Heptane보다 foam이 발생하는 정도가 더 심하지만 그 농도가 진해질수록 foam이 많이 발생하는 것은 아니며 두성분의 농도가 비슷해질 때 farm이 가장 많이 발생하는 결과가 나왔다.

다. 표면장력과 밀도 효과

foam height에 영향을 미치는 조업조건과 물리적인 성질 등을 가지고 차원해석을 해보면 foam height는 Weber number의 함수임을 알 수 있다.

라.liquid flow rate의 효과

Liquid flow rate의 변화에 따른 foam height발생정도에 대한 실험 물질은 Cyclohexane과 Toluene의 혼합물이다. liquid flow rate의 증가는 직접적으로 foam height증가를 초래하며 air의 공급속도가 클수록 foam height는 급격히 증가 한다.

참고문헌

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