이중관 기포탑에서 에탄올 수용액 중의 기체체류량과 액상용량물질전달계수

정옥진·한승완·김상렬

동아대학교 공과대학 화학공학과

Gas holdup and volumetric liquid phase mass transfer coefficient of ethanol aqueous solution in a bubble column with draft tube.

Ok Jin Joung, Seung Wan Han and Sang Yeul Kim

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

서론

이중관 기포탑은 칼럼 내에 흡출관을 부착한 형태로 기계적인 교반장치가 필요하지 않을 뿐만 아니라 고체로 인한 막힘의 문제가 없기 때문에 운전비용이 저렴하고 장치의 보수가 거의 필요로 하지 않으며 용액의 조성을 쉽게 균일화할 수 있는 장점을 가지고 있으므로 흡수탑, 추출장치, 발효조, 건조 장치, Fischer-Tropsch, 폭기조, 촉매반응 장치 등과 같은 화학공업 분야에서 널리 사용되고 있다. 또한 생체고정화 기술의 발달과 함께 균체 및 효소 등을 이용하는 생체 촉매반응 장치나, 식물 세포의 성장과 바다 속의 녹조류 특성 변화를 관찰할 수 있으므로 이중관 기포탑의 중요성이 더욱 높아지고 있다.

기포탑에 관해서는 Shah등[1]은 기포탑의 운전과 설계 특성에 따른 총설을 발표하였고, Wallis[2]는 탑 내의 흐름 영역을 3가지 흐름 형태로 분류하였으며, 탑 내의 유체 혼합 특성에 대해서도 Ulbrecht와 Baykara[3], Pandit와 Joshi[4], Guy등[5]이 연구하였으며, 가스홀드엎에 관해서는 Akita와 Yoshida[6∼7], Ueyama등[8], 및 Kim등[9∼13]을 비롯한 많은 연구가 행해져 왔다.

그럼에도 기포탑은 관경, 높이, 분산판 구조 등과 같은 기하학적 설계변수나 유동특성의 복잡성 때문에 실제에 있어서 생물학적 반응장치로 응용하기에 여러 가지로 설계 자료가 부족한 실정이다.

따라서 본 연구는 용제, 주정 및 합성원료로 많이 이용되고 있는 에탄올 수용액을 사용하여 기-액간 물질전달을 단일관 기포탑과 이중관 기포탑에서 흡출관의 기하학적 형상인 직경과 분산판의 특성 및 기체속도에 따른 영향을 검토하여 이들 사이의 상관관계를 구명하여 폐수처리, 해양 녹조류 배양 및 양조장치 등의 장치 설계를 위한 기초 자료로 이용코자 하였다.

실험

본 실험에 사용한 기포탑은 내경이 0.14m이고, 높이가 2.8m인 투명한 아크릴 원통으로 만들었다. 탑내의 흡출관의 내경은 0.05, 0.07, 0.09m를 각각 사용하였으며, 흡출관의 높이는 1.0m로 하였다. 탑 하부의 기체분산기는 공경이 0.003m인 5개의 구멍이 뚫린 스테인레스 판에 300mesh wire gauze를 덮고 그 위에 스테인레스 림으로 고정시켰다.

실험에 사용된 기체의 유속은 0.0205∼0.1134m/s로 하였으며, 탑내의 액체의 온도는 자동온도조절기를 통해 열교환기에 의해 25±0.2℃로 유지했으며 액체가 펌프에 의해 산소 센서로 유입되기 전에 완전히 기체와 액체를 분리시켜 액체만을 유입하기 위해 액체 싸이클론을 설치하여 용존산소농도를 측정했다.

결과 및 고찰

1. 기체속도

저농도 에탄올 수용액(0.5∼1.5vol.%)과 고농도 에탄올 수용액(10∼40vol.%)에서의 기체 유속에 따른 □G와 KLa는 모두 증가하나 저농도에서의 □G는 기포간의 반발력인 [eqn: d `sigma `/d`c]가 크기 때문에 높은 기체 유속에서는 증가폭이 커진다. 이는 [eqn: d `sigma `/d`c]가 크기 때문에 기포의 합일현상이 적어지고 낮은 속도에서는 기포의 합일과 분산이 유사하기 때문이며, 높은 속도에서는 도입되는 기체의 부피 증가에 따른 기-액의 접촉면적이 증가하여 탈포 및 배출 기체량이 감소하기 때문이다.

2. 용액의 농도

Fig. 1에서 보는 바와 같이 저농도 에탄올 수용액에서 에탄올 농도에 대한 □G는 에탄올의 농도가 증가함에 따라 증가하고, KLa는 에탄올의 농도가 증가함에 따른 변화가 거의 없었다. 이는 기포간의 반발력인 [eqn: d `sigma `/d`c]가 크기 때문에 기포간의 합일 현상이 일어나는 빈도가 적고, 이로 인한 난류효과가 없기 때문에 KLa의 변화가 거의 없었다.

Fig. 2는 고농도 에탄올 수용액에서 에탄올 농도에 대한 □G는 에탄올의 농도가 증가함에 따라 감소하고, KLa는 에탄올의 농도가 증가함에 따라 증가하는 것을 보여준다. 이는 기포간의 반발력인 [eqn: d `sigma `/d`c]가 작기 때문에 기포간의 합일 현상이 일어나는 빈도가 많고, 이로 인한 난류효과로 KLa가 증가하였다.

3. 흡출관의 직경비

Fig. 3과 4에 나타낸 바와 같이 저농도 에탄올 수용액에서 기포탑과 흡출관의 직경비에 따른 □G는 흡출관의 직경비가 증가함에 따라 □G가 증가하지만 고농도 에탄올 수용액에서는 □G가 감소한다. 이는 저농도 에탄올 수용액의 [eqn: d `sigma `/d`c]가 크기 때문에 기포간의 반발력이 커서 흡출관에서의 기포간의 합일현상이 적어지고, 단일관 기포탑에서는 환형부분이 없기 때문이고, 또한 기포탑과 흡출관의 직경비가 증가하면 흡출관 내부의 단면적이 증가함으로서 환형관의 단면적이 감소하여 순환 속도가 증가되어 하강하는 기포의 동반량이 증가함에 연유된다. 그러나 고농도 에탄올 수용액은 기포간의 반발력이 작아 흡출관에서의 기포간의 합일현상이 많아지고, 기포탑과 흡출관의 직경비가 클수록 기포간의 합일현상의 기회가 많아지기 때문이다.

기포탑과 흡출관의 직경비에 따른 KLa는 흡출관의 직경비가 증가함에 따라 KLa가 모두 증가한다. 이는 흡출관의 직경비가 증가함에 따라 흡출관에서의 기-액계면 접촉효과가 증가하기 때문인 것으로 나타났다.

참고 문헌

[1] Y. T. Saha, B. G. Kelkar, S. P. Godbole and W. -D. Deckwer :

AIChE. J., 28(353), (1982).

[2] G. B. Wallis : "One Dimensional Two Phase Flow", McGraw Hill, New

York(1969)

[3] J. J. Ulbrecht and Z. S. Baykara :  Chem. Eng. Commun., 10, 165(1981).

[4] A. B. Pandit and J. B. Joshi :  Chem. Eng. Sci., 38, 1189(1983).

[5] C. Guy, P. J. Carreau and J. Paris : Can. J. of Chem. Eng., 64,

23(1986).

[6] K. Akita and F. Yoshida. : Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 12(1),

76(1973).

[7] K. Akita and F. Yoshida. : Ind. Eng. Chem. Process Des. Dev., 13(1),

84(1974).

[8] K. Ueyama and T. Miyauchi : Kagaku Kogaku Ronbunshu, 3, 19,(1977).

[9] Kim, J. B., Sohn, J. E. and Kim S. Y. : J. KIChE, 9, 3(1971).

[10] Kim, J. B., Sohn, J. E. and Kim S. Y. : J. KIChE, 12, 297(1974).

[11] Kim, J. B., Sohn, J. E. and Kim S. Y. : J. KIChE, 13, 217(1975).

[12] Kim, S. Y. and Mok, Y. S. : J. KIChE, 25(2), 201(1987).

[13] Yun, Y. W., Kim, S. Y. and Kim, D. Y. : J. KSEE, 16(3), 365(1994).

Fig.1	Effect of solution concentration on □G and KLa. (low concentration)	Fig.2	Effect of solution concentration on □G and KLa. (high concentration)

Fig.3	Effect of Di/Do on □G and KLa. (low concentration)	Fig.4	Effect of Di/Do on □G and KLa. (high concentration)

Fig.5	Comparisons of experimental and estimated □G value.(low concentration)	Fig.6	Comparisons of experimental and estimated KLa value.(low concentration)

Fig.7	Comparisons of experimental and estimated □G value.(high concentration)	Fig.8	Comparisons of experimental and estimated KLa value.(high concentration)