액체-액체-고체 유동층 추출 칼럼에서 액적의 분포 특성

강태규, 조용준, 이찬기, 강 용*

*충남대학교 화학공학과

Liquid Drop Distribution Characteristics in a Liquid-Liquid-Solid

Fluidized Bed Extraction Column

Tae-Gyu Kang, Yong-Jun Cho, Chan-Gi Lee and Yong Kang*

*Dept. of Chemical Engineering, Chungnam National University,

Daeduk Science Town, Taejon 305-764, Korea

1. 서 론

유동층 반응기는 유체와 고체사이의 접촉효과가 다른 조작들보다 효율적이므로 물리적, 화학적, 생물학적 공정 등의 다양한 응용 및 산업적 적용되었으며 이론 및 응용에 대한 기초를 확립하기 위하여 많은 연구가 전개되어지고 있다.

액-액 및 액-액-고 유동층은 다른 다상 공정에 비하여 각 상들의 효과적인 접촉 효율 때문에 높은 열전달 및 물질전달 속도를 가지고 있으며 이로인해 액체-액체 접촉기(contactor), 촉매를 사용한 액체-액체 반응기 및 액체-액체 추출탑(extraction column) 그리고 침출(leaching)장치로 폭넓게 이용되고 있다. 또한 기존의 액체 분무형 추출탑이나 접촉기 그리고 반응기에 비해 액체 또는 고체 속에 함유된 특정성분의 추출효율이나 반응 전환율이 월등히 높게 나타났기 때문에 그 효용도가 더욱 증가할 것으로 예상된다[1-2].

액체-액체 다상 유동층에 대한 국내외적인 연구를 살펴보면 액체-액체-고체 계에서 유동층 내부에 분산상과 연속상의 체류량과 혼합 및 확산에 대한 연구와 액체-액체 간의 물질전달계수와 접촉면적에 대한 연구들이 진행되었으며, 유동층 내부에 존재하는 분산상인 액적의 크기와 액적의 모양 그리고 액적의 분포 등에 대한 모델링과 해석 등에 대한 연구가 진행되어 왔다. 그러나, 이와같은 연구에도 불구하고 다상 간의 수력학적 특성 및 접촉, 혼합 특성 그리고 액적의 분포 특성 등의 복잡한 거동은 여전히 연구가 미흡한 실정이다.

따라서, 본 연구에서는 분리공정에서 추출공정의 산업적 응용에 필수적이라 할 수 있는 액적의 분포 특성을 규명하였다[3-6]. 액적의 수직길이와 상승속도와 같은 액적의 특성은 전기 저항 탐침법(Electrical-Resistivity probe method)을 이용하여 축방향 및 반경방향으로 측정하였다. 추가적으로 액체-액체-고체 유동층에서 액적의 분포와 압력요동들(pressure fluctuations)간의 관계를 규명하기 위해 압력요동을 측정하고 분석하였다.

2. 이 론

액체-액체-고체 유동층 및 삼상유동층에서 액적 및 기포특성에 대한 연구는 액적 또는 기포크기 및 크기분포, 상승속도, 빈도수 그리고 분율 등의 특성에 대한 연구가 행하여 졌으며, 액적 및 기포특성을 연구하는 방법으로는 다음과 같은 방법등이 있다.

사진기술 방법에 의한 대부분의 액적 및 기포의 특성 실험은 2차원 유동층에서 주로 이루어졌다. 이는 액적 및 기포의 특성을 연구할 때 2차원 유동층에서 액적 및 기포의 거동을 쉽게 구분할 수 있고 눈으로 식별이 가능하기 때문에 널리 사용되고 있다. 그러나, 2차원 유동층에서 slug현상이 발생할 경우 정확한 액적 및 기포의 크기를 알 수 없다는 단점도 보고되고 있다[7].

X-ray 방법에 의한 액적 및 기포의 특성 실험은 X선이 좋은 투과성을 지니므로 3차원 유동층에서도 액적의 거동을 측정할 수 있어서 2차원 유동층보다는 정확한 액적크기 및 형태를 측정할 수 있지만 X선의 흡수 현상 때문에 층두께가 50cm이상인 유동층에서는 사용하기 어렵다는 단점을 가지고 있다.

정전용량 탐침(Capacitance probe) 방법에 의한 연구는 유동입자가 비전도성인 경우에 사용 가능한 방법으로 두 탐침에서 정전용량(Capacitance) 차이를 감지하여 액적의 특성을 알아내는 방법으로 정전용량 탐침에 연결된 도관의 길이는 노이지를 방지하기 위해서 짧아야 하며, 보정하기 어렵다는 단점을 가지고 있다.

압력요동(pressure fluctuations) 방법에 의한 액적의 특성연구는 유동층에서 액적에 의한 압력변동을 측정하여 액적이나 기포의 거동을 해석하는 방법이다. 이 방법은 상체류량을 구하기 위해 측정해야 하는 층내부의 압력신호를 통계적으로 해석하여 액적의 특성을 관찰 할 수 있다. 따라서 기존의 방법들보다 짧은 시간에 육안으로 확인하지 않고도 액적의 특성을 예측할 수 있다는 장점을 지니고 있다.

전기저항탐침법(Electrical-Resistivity probe method)은 연속상이 액상인 경우에 사용할 수 있는 방법이다. 즉, probe tip이 연속상과 접촉하면 전기를 통하고, 분산상(액적)과 접촉하면 전기를 통하지 않는 원리를 이용하여 액적의 특성을 알아내는 방법으로, 이 방법은 기포의 상부에 탐침이 닿는 위치 및 단일기포의 크기와 형태를 정확히 알 수 없지만, 많은 액적을 측정하여 평균액적의 길이를 구하여 통계적인 액적의 형태를 예측할 수 있다.

전기저항탐침에 의해 측정된 전기적인 신호는 분산상과 연속상으로 나뉘게 되는데, 연속상의 경우에는 최대값을 분산상의 경우에는 최소값을 가지게 된다. 따라서, 탐침의 두 tip 간의 신호시간차이를 이용하여 액적상승속도, 액적의 수직길이 그리고 빈도수 등을 구할 수 있다.

3. 실 험

본 연구에서 사용한 액체-액체 및 액체-액체-고체 유동층 장치는 Fig. 1.에서 보는것과 같이 상승관의 직경이 0.102m이고 높이가 2.5m인 스틸칼럼을 사용하였다. 연속상으로는 물(water)이 사용되었고 분산상으로는 경유(kerosene)이 사용되었으며 고체 입자로는 밀도(□p)가 2500kg/m이고 직경(dp)이 1.0, 2.1, 3.0, 6.0mm인 유리구슬이 사용되었다. 연속상의 분산판은 다공판 형태를 사용하였고, 직경 3mm의 구멍을 삼각피치로 균일하게 배치하였으며 분산상의 주입을 위해서 직경 6.35mm의 관을 삽입하였고 이 관에 직경 2mm의 오리피스를 만들어 분산상과 연속상이 동일면에서 유동층 내에 주입되도록 하였다. 액적의 특성은 전기저항 탐침(Electric resistivity probe)방법을 이용하였으며 반경방향으로 r/R이 0, 0.3, 0.6, 0.9인 지점에서 축방향으로 Z/H가 0.2, 0.4, 0.6 그리고 0.8인 지점에서 각각 측정하였다. 전기저항탐침 간의 거리는 2.0mm이였다. 탐침의 전압은 1.75 volt였으며 탐침으로부터 나오는 전기적 신호는 증폭기를 거쳐 A/D 변환기를 사용하여 디지털 신호로 변환하였다. A/D변환기를 거친 자료(500Hz)들은 데이터 획득장치(DT 3001 Lap Card)를 사용하여 컴퓨터에 입력시킨 후 off-line process로 통계적으로 처리하여 해석하였다. 총 샘플링 시간은 15초로 측정하였으며 압력요동 또한 데이터 획득 장치를 이용하여 측정하였다.

4. 결과 및 고찰

액체-액체-고체 유동층에서 일반적인 압력요동의 예는 Fig.2에서 보여주고 있다. 압력요동의 위상 공간 투영과 상관차원은 액체-액체-고체 유동층에서 압력요동과 액적의 분포특성의 관계를 분석하기 위해 조사되었다. Fig.3에서는 평균액적길이(Dd)와 액적의 상승속도(Vd)에 관한 연속상 유속(UC)의 영향을 보여주고 있다. 이 그림에서 보듯이 1mm의 유리구슬에서는 증가하는 연속상의 유속과 더불어 액적길이는 거의 변화 없이 약간 증가하였지만 액적이 상승속도는 연속상의 유속이 증가함에 따라 항상 증가하였다. Fig.4에서는 분산상의 증가와 함께 평균액적길이와 액적의 상승속도가 증가하고 있음을 보여주고 있다. 또한 고체입자의 직경이 커지면 커질수록 평균액적길이와 액적의 상승속도가 감소하고 있음을 알 수 있다. 1mm 고체입자가 사용되었을 경우 평균액적의 길이는 고체입자 없이 액체-액체 유동층에서 측정된 평균액적의 길이보다 크다는 것을 알 수 있다. 액적의 상승속도는 액적의 길이와 비례하며 또한 분산상과 함께 액적상승속도의 증가 경향은 분산상과 평균액적길이의 관계와 유사성을 가지고 있는 것으로 사료된다. Fig.5에서는 액적의 분포를 간편하게 볼 수 있도록 수밀도 확률함수(Probability number density function)의 값들을 그림과 같이 표현하였다. 축방향과 반경방향의 액적크기분포는 Fig.6에서 보여주고 있다. 이 그림에서 반경방향 액적크기는 고체입자의 직경이 증가할수록 그 경사가 평평해짐을 보여 주고 있다. 또한 액적의 평균크기는 축방향의 Z/H비가 증가할수록 함께 증가함을 알 수 있었다.

5. 참고문헌

1.	Kim, S.D. and Kang, Y., Chem. Eng. Sci., 52, 3639(1997).

2.	Kim, S.D. and Kang, Y., In Mixed-Flow Hydrodynamics, Advanced in	Engineering Fluid Mechanics Series(N.P. Cheremisinoff Edn.), Gulf Pub.	Co., Howston, 1996.

3.	Kim, J.S., Woo, K.J., Kang, Y., Nam, C.H. and Kim, S.D., J. Chem. Eng.

Japan, 34, 185(2001).

4.	Kim, S.D., Kim, J.S., Nam, C.H., Kim, S.H. and Kang, Y., Chem. Eng. Sci.,	54, 5173(1999).

5.	Woo, K.J., Kim, J.S., Kang, Y. and Kim, S.D., Chem. Eng. Tech., 24,

8(2001).

6.	Kang, Y., Kim, J.S., Woo, K.J., Nam, C.H., Kim, S.H. and Kim, S.D.,

Hwahak Konghak, 36, 275(1998).

7.	Mori, S. and Wen, C.Y., AIChE J., 21, 109(1975).