외부순환형 공기리프트 반응기의 수력학적 특성에 관한 비분산액체높이의 영향

허순욱, 최근호

대전산업대학교 화학공학과

Effect of Unaerated Liquid Height on Hydrodynamic Characteristics of an External-Loop Airlift Reactor

Heo Soon Uk, Keun Ho Choi

Department of Chemical Engineering, Teajon National University of Technology

서론

공기리프트반응기는 Lefrancois[1]에 의해 1995년에 발명되었는데, 반응기내의 유체를 두 부분으로 나누어 그 중 한 부분에만 기체를 유입시킴으로써 두 부분의 밀도차이와 기체상승작용으로 인해 유체를 순환시켜 혼합효과를 얻는 일종의 기-액 접촉기이다. 공기리프트반응기의 경우, 설계가 간편하고 혼합효과가 뛰어나며 높은 물질전달계수를 갖고 열 전달 효과가 뛰어나면서도 상대적으로 낮은 에너지를 요구한다는 장점 때문에 최근 들어 완전교반조반응기(continuous stirred tank reactor)에 대치될 수 있는 생물반응기로서 각광을 받고 있다. 현재 공기리프트반응기는 단세포단백질(single cell protein)의 생산 같은 대규모 미생물공정 뿐만 아니라 2차 대사물질(metabolites)의 생산, 화학공정으로서 고체가 촉매인 삼상공정, 폐수처리 공정, 반응물이 슬러리인 반응 등에 다양하게 이용되고 있다[2].

지금까지의  문헌을 살펴보면 기-액 분리기내의 비분산 액체높이는 공기리프트 반응기의 성능에 큰 영향을 미치는 인자임을 알 수 있다. 그러나, 지금까지 외부순환형 공기리프트 반응기내에서 수행된 기체체류량, 순환액체속도 그리고 혼합시간 등과 같은 수력학적 특성치에 대한 기-액 분리기내의 비분산액체높이의 영향을 연구한 결과는 그리 많지 않다. 따라서, 본 연구에서는 기-액 분리기내의 비분산액체높이([eqn: h~])와 기체속도 그리고 상승관 단면적에 대한 하강관 단면적의 비([eqn: A_d / A_r~])가 외부순환형 공기리프트 반응기내의 기체체류량과 순환시간, 혼합시간 등과 같은 수력학적 특성치에 미치는 영향에 대해 체계적인 연구를 수행하였다.

실험

본 실험에 사용된 실험장치의 개략도는 Fig. 1과 같다. 외부순환형 공기리프트반응기의 장치는 크게 상승관(I.D.=14.8 cm)과 하강관(I.D.= 0.108, 0.079, 0.049 cm), 기-액 분리기(26×70×30 cm) 그리고 두 관의 하부를 연결하는 연결관(I.D.=10.8 cm)으로 구성되어 있다. 탑 내의 각 부위에서의 기체체류량을 측정하기 위해 압력 텝을 상승관에 2개(H=0.4, 1.5 m), 하강관에 2개(H=0.607, 0.707 m 또는 H=0.607, 0.907 m)를 각각 설치하였다.

본 실험에서는 기상으로 압축공기를 사용하였고, 액상으로는 수돗물을 사용하였다. 실험은 반회분식으로 수행하였다. 모든 실험은 상온의 대기압하에서 실시하였다. 기체유량을 2∼18 cm/s범위에서 변화시켰고, 기-액 분리기내의 비분산액체높이를 2∼20 cm로 변화시켰으며, [eqn: A_d / A_r~]을 0.57, 0.31, 0.12로 변화시키면서 실험하였다.

상승관과 하강관내의 기체체류량은 각 부위의 상하에 설치한 두 개의 압력 텝에 연결된 수주마노미터의 높이 차를 두 개의 압력 탭간의 거리로 나눈 값으로 구하였다. 한편, 총괄기체체류량은 상승관 기체체류량과 하강관 기체체류량의 값들을 사용하여 구하였다. 액체의 순환시간과 혼합시간은 추적자로 소량(10 cc)의 3 M KCl 용액을 사용하는 추적자 임펄스방법(tracer impulse method)으로 구하였다. 상승관에서의 순환액체속도([eqn: U_Lr])는 반응기내에 들어있는 전체 액체가 효과적으로 순환된다는 가정 하에 반응기내에 들어있는 액체의 부피([eqn: V_L])와 순환시간 그리고 반응기 치수를 사용하여 구하였다.

결과 및 고찰

Fig. 2와 Fig. 3은 상승관 단면적에 대한 하강관 단면적의 비가 일정([eqn: A_d / A_r =0.57~])할 때에 상승관 기체체류량과 하강관 기체체류량에 대한 기-액 분리기내의 비분산 액체높이의 영향을 각각 나타낸 것이다. 대략 [eqn: h~]가 [eqn: h=8] cm로 증가할 때까지는 [eqn: h~]가 증가함에 따라서 상승관 기체체류량과 하강관 기체체류량 그리고 총괄 기체체류량 모두가 급격히 감소하나, [eqn: h=8] cm이상에서는 상승관 기체체류량과 하강관 기체체류량 그리고 총괄 기체체류량 모두는 거의 일정한 경향을 보여주고 있다. 비분산 액체높이가 증가할수록 기-액 분리기에서의 기포의 체류시간이 증가하므로 기포분리의 가능성이 증가한다. 따라서, 비분산 액체높이가 증가할수록 기-액 분리기에서 보다 많은 기포가 분리되기 때문에 하강관 기체체류량은 감소하였다. 또한, 일반적으로 기체속도가 일정할 때에 순환액체속도가 증가하면 기포의 속도가 빨라져서 기체의 체류시간이 감소하는 것으로 알려져 있다. 따라서, [eqn: h~]가 8 cm에 도달할 때까지는 순환액체속도가 증가하지만 [eqn: h=8] cm이상에서는 [eqn: h]가 증가하여도 순환액체속도가 거의 증가하지 않기 때문(Fig. 4)에 상승관 기체체류량과 하강관 기체체류량과 총괄 기체체류량은 [eqn: h=8] cm일 때까지는 [eqn: h]가 증가함에 따라서 감소하지만 [eqn: h]가 그 이상으로 증가하면 거의 일정하게 유지됨을 알 수 있다.

Fig. 5는 기체속도에 따라서 순환시간에 대한 기-액 분리기내의 비분산 액체높이의 영향을 나타내고 있다. 순환시간은 [eqn: h=4] cm 까지는 [eqn: h]가 급격히 감소하였고 [eqn: h=4] cm이상에서는 거의 일정하였다. Fig. 4와 Fig. 5의 결과가 얻어지는 것은[eqn: h=8] cm까지는 [eqn: h~]가 증가함에 따라서 액체순환의 구동력인 상승관 기체체류량과 하강관 기체체류량의 차이가 급격히 증가하나 [eqn: h=8] cm이후에는 [eqn: h]가 증가하여도 그 차이가 거의 증가하지 않기 때문이라고 설명할 수 있다.

Fig. 6은 기체속도에 따라서 혼합시간에 대한 기-액 분리기내의 비분산 액체높이의 영향을 나타내고 있다. 공기리프트반응기에서 기-액 분리기는 완전교반조반응기와 비슷한 혼합성능을 보이며 하강관에서의 유체흐름은 플러그흐름(plug flow)인 것으로 알려져 있다. [eqn: A_d / A_r~]의 값이 일정할 때에 [eqn: h~]가 증가함에 따라서 혼합시간은 점차 감소하는데, 이는 [eqn: h~]가 증가할수록 순환액체속도가 증가할 뿐만 아니라 혼합성능이 좋은 기-액 분리기의 부피가 증가하기 때문이다.

한편, 기체속도가 증가함에 따라서 상승관 기체체류량과 하강관 기체체류량 그리고 총괄 기체체류량은 모두 증가하였으나 순환시간과 혼합시간은 감소하였다. 이는 기체속도가 증가함에 따라서 상승관내의 기포밀도가 증가하고 이에 따라 순환액체속도도 증가하기 때문이다. 또한, [eqn: A_d / A_r~]가 증가할수록 상승관 기체체류량, 총괄 기체체류량, 순환시간 그리고 혼합시간은 감소하는 반면에 하강관 기체체류량은 증가하였다. 이는 [eqn: A_d / A_r~]가 증가함에 따라서 하강관 내에서의 마찰에 의한 에너지의 손실이 감소하고 이로 인하여 순환액체속도가 증가하기 때문으로 설명할 수 있다.

참고 문헌

1. Lefrancois, M.H., Mariller, C.C. and Mijane, J.V., Brevet d'Invention, France, No.1102200 (1988).

2. Merchuk, J.C. and Siegel, H., J. Chem. Tech. Biotechnol., 41, 105 (1988).