이중관기포탑내에서의 이성체 알코올수용액중의 기액간 물질전달

김 병 철 , 김 상 열

동아대학교 공과대학 화학공학과

Gas-liquid mass transfer of isomer alcohol solutions

in a bubble column with a draft tube

Byoung Chul Kim, Sang Yeul Kim

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

서론

기포탑은 기포의 형태로 있는 불연속의 기체상이 연속상 내로 움직이는 접촉장치를 말하며, 장치의 구조가 간단하고, 장치의 단위부피당 물질 및 열전달 면적이 크며, 교반장치가 없어도 혼합효과가 클 뿐만 아니라 유체의 유량과 체류시간의 조절이 쉽다. 특히 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 산화장치, CO2 흡수탑, 중질유의 수소화 탈황, 동물세포 및 미생물 배양, 유기물의 염소화, 고정상 생물막 여과장치 등과 같은 화학공업분야에서 널리 사용되고 있다.

그럼에도 기포탑은 관경, 높이, 분산판 구조 등과 같은 기하학적 설계변수나 유동특성의 복잡성 때문에 실제에 있어서 생물학적 반응장치로 응용하기에 여러 가지로 설계자료가 부족한 실정이다. 따라서 기포탑에 있어서의 화학반응과 물질 및 열전달 과정은 탑의 운전조건과 유체의 물성 및 분산판의 기하학적 형태에 따라 많은 영향을 받고 있어 기포탑 내에서의 임계속도, 혼합특성은 기체와 액체의 접촉면적과 더불어 유동특성을 결정하는 중요한 인자로 많은 연구가 필요하다.

기포탑에 관해서는 Saha등[1]은 기포탑의 운전과 설계특성에 따른 총설을 발표하였고, Wallis[2]는 탑 내의 흐름 영역을 3가지 흐름 형태로 분류하였으며,  기체체류량(□G)에 관해서는 Akita와 Yoshida[3∼4], Ueyama등[5], A. Schumpe등[6∼7] 및 Kim등[8∼10]을 비롯한 많은 연구가 행해져 왔다. 그러나 기체체류량에 미치는 여러 가지 인자들 사이의 관계가 복잡하고 탑의 형태와 운전조건이 서로 다르기 때문에 현재까지 일반화된 이론이 거의 없는 실정이다

단일관 기포탑과 이중관 기포탑에 대한 비교 실험은 Koide등[11∼12]이 용액의 물성, 탑의 기하학적 형태, 겔 입자의 첨가 및 기체속도 등이 기체체류량과 액상용량물질전달계수에 미치는 영향을 검토하고 실험식을 무차원화 하였으며, 고체 현탁 기포탑에서 액체와 고체입자의 물리적 성질과 기체속도에 대한 기-액간 전이흐름 영역에서의 기체체류량과 액상용량물질전달계수에 대하여 연구하였다.

Salvacion등[13]은 겔 입자를 현탁시킨 기포탑에서 알코올을 첨가하여 물에 대한 알코올의 첨가가 기체체류량과 액상용량물질전달계수에  미치는 영향을 검토하여 흐름영역에 대한 실험식을 제안하였다. 따라서 본 연구는 용제, 주정 및 합성원료로 많이 이용되고 있는 알코올류 수용액을 사용하여 단일관 기포탑과 이중관 기포탑에서 기-액간 물질전달을 흡출관의 기하학적 형상인 직경과 높이, 분산판의 특성, 기체속도 및 용액의 농도에 따른 영향을 검토하여 이들 사이의 상관관계를 구명하여 산화장치, 폐수처리장치, 해양 녹조류 배양장치 등의 장치설계를 위한 자료로 이용코자 하였다.

실험

본 실험에 사용한 실험장치는 Fig. 1과 같다. 기포탑은 내경이 0.14m이고, 높이가 2.8m인 투명한 아크릴 원통으로 만들었다. 탑내의 흡출관의 내경은 0.05, 0.07,

0.09m를 각각 사용하였고, 흡출관의 높이는 1.0m로 하였다. 공기압축시 윤활유의 미스트를 제거하기 위해 흄 분리기를 사용하였으며, 또한 계절에 따라 변화하는 습도변화에 대한 유량변화 현상을 줄이기 위하여 축소와 확대에 의한 제습기를 부착하였다. 탑 하부의 기체분산기는 공경이 0.003m인 5개의 구멍이 뚫린 스테인레스판에 300mesh wire gauze를 덮고 그 위에 스테인레스림으로 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 용존산소농도(D.O)를 측정했다.

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus.

결과 및 고찰

1. 기체속도

Fig. 3에서 나타낸 바와 같이 기체의 유속(Ug)이 증가하면 □G와 KLa값은 모두 증가한다. 이때 iso-propanol, iso-butanol, n-propanol의 순으로 □G와 KLa가 크다. 이는 Fig. 2에서 나타낸 것과 같이 기포간의 반발력인 □/□의 값의 순서와 같음을 알 수 있으며 일반적으로 □/□의 값이 크면 □G와 KLa가 커짐에 기인된다. 그러나 KLa의 경우에는 □G에 비해 작게 나타나는데 이는 □/□의 값이 증가하면  KLa가 커지나 기포탑 내의 흡출관의 직경(Di)의 감소로 인하여 환형관의 순환공간의 감소로 인한 물질전달효과가 별로 없기 때문이다.

2. 용액의 농도

Fig. 4에서 보는 바와 같이 알코올 농도에 대하여 높은 유속에서는 농도가 증가할수록 □G는 커지나 낮은 유속에서는 농도에 무관하게 변화가 없었다. 이는 □G의 경우 Fig. 2에서 보여지는 바와 같이 □/□는 농도가 증가함에 따라 감소하기 때문이다. 그러나 KLa의 경우에는 높은 유속에서는 감소함을 알 수 있는데 이는 농도의 변화에 따른 □/□의 영향으로 인한 기포간의 합일현상이 빈번히 일어나 흡출관의 상부에서 하부로의 순환효과가 줄어들기 때문이다.

3.흡출관의 직경비

Fig. 5에 나타낸 바와 같이 높은 유속에서만 흡출관의 직경비가 증가함에 따라  □G는 다소 감소하나 그 외의 낮은 유속에서는 거의 일정하게 나타나며,  KLa는 흡출관의 직경비가 증가하면 KLa는 증가하는 것으로 나타났다. 이는 흡출관 내부의 단면적이 증가함으로서 환형관의 단면적이 감소하여 순환속도가 증가하게 되어 하강하는 기포의 동반량이 많아짐에 연유하고 있으며, 또한 물질전달효과가 크기 때문이다.

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] K. Akita and F. Yoshida : Ind. Eng. Chem. Procsee Des. Dev., 12(1), 76(1973)

[4] K. Akita and F. Yoshida : Ind. Eng. Chem. Procsee Des. Dev., 13(1), 84(1973)

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

[6] A. Schumpe, S. P> Godbole and Y. T. Saha : Chem. Ing. Tech., 55(9),             722(1982)

[7] A. Schumpe, W. D. Deckwer : Ind. Eng. Dhem. Process Des. Dev., 21(4),          706(1982)

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

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

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

[11] K. Koide, H. Sato and S. Iwamoto : J. Chem. Eng., Jap., 16(5), 407(1983)

[12] K. Koide, K. Horibe, H. Kitaguchi and N. Suzuki : J. Chem. Eng., Jap., 17(5),      547(1984).

[13] J. Salvacion, L. M. Murayama, K. Otaguchi and K. Koide : J. Chem. Eng., Jap.,      28, 435 (1995)

Fig.2	Effect of solution concentration on □/□.	Fig.3	Effect of UG on □G and KLa.

Fig.4	Effect of solution concentrations of alcohol on □G and KLa.	Fig.5	Effect of Di/Do on □G and KLa.