입상물질이 현탁된 2중관기포탑내에서 기포의 거동과 물질전달

강성준·한승완·김상렬

동아대학교 화학공학과

Mass Transfer and Behaviour of Gas in GAC particle Suspended Solution Bubble Column

with Draught Tube

Sung Joon Kang· Seung Wan Han· Sang Yeul Kim

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

서  론

이중관기포탑은 용액의 조성을 쉽게 균일화 할 수 있고 안정된 대류순환을 통해 열전달이나 물질전달을 위한 접촉면적을 높일수 있어 흡수탑, 탈취탑, 석유화학, 폐수처리, 폭기조 및 발효공업에 널리 이용되고 있으며, 최근에는 생체 고정화 기술의 발달과 함께 균체의 효소등을 이용하는 생체 촉매 반응장치나 식물세포등의 배양장치인 생화학 반응장치로서도 그 중요성이 커지고 있다. Koide등은 단일기포탑과 이중관 기포탑에서의 임계기체속도, 액순환속도, 압력차 및 계면활성제의 영향을 검토하고 나아가서 이들 장치에서의 뉴튼류와 비뉴튼류, 현탁 부유물의 특성에 따른 실험을 행하여 상관관계를 수식화 하였다.

본 연구는 기포탑에 입상활성탄을 첨가하여 기체유속, 입자의 농도와 크기 및 흡출관의 직경변화가 기체체류량과 액상용량물질전달계수에 미치는 영향을 검토하여 이들 사이의 상관관계를 구명함으로써 폐수처리, 분진제거시설, 탈취탑, 생화학적 반응기 및 해양 녹조류 배양등의 반응장치 설계와 운전조작을 위한 기초자료를 제시하고자 한다.

실험장치 및 방법

1.실험 장치

본 실험에 사용된 장치는 Fig. 1과 같다.

1. Column    2. Draught tube

3. DO meter sensor 4. DO meter

5. Perforated plate

6. Gas chamber

7. Ball valve

8. Compressor

9. Oil water separator

10. Saturator

11. Regulator

12. Manometer

13. Filter

14. Pressure regulator

15. Nitrogen cylinder

16. Liquid injector

17. Check valve

18. Heat exchanger

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus.

기포탑은 내경이 9.4cm, 높이가 200cm인 투명한 아크릴 원통으로 기포탑내에 내경이 3.0∼7.0cm이고 높이가 80cm인 흡출관을 설치하였으며, 탑하부에 설치된 0.5cm 뚜께의 기체분산판은 구멍 지름이 0.3cm인 5개의 구멍이 뚫린 아크릴 판이다. 공기는 공기압축기에 유입되기 전에 별도로 제작된 무기섬유질 여과필터로 4회 여과 후 압축하였다. 공기의 실험에 사용된 기체의 유속 UG는 3.034∼12.349cm/sec로 하였으며, 입자의 농도 V/V%가 5∼15%범위이고, 압력설정을 위해서 수은 마노미터를 통과한 공기가 분산판을 통해 탑속으로 분산시켰다. 용액중에 존재하는 용존산소를 제거하기 위하여 질소 실린더를 설치하였으며 볼밸브를 통하여 질소는 탑의 하부에서 공급하였다. 그리고 탑내의 온도는 열교환기에 의해 25±0.5℃로 유지하였다.

2. 실험재료

본 실험에 공급된 물은 이온교환수이며 비중은 Gay-Lussac형 비중병으로, 표면장력은 Du No□y 표면장력계(Fisher Model 20)로 측정하였으며 점도는 Ostwald점도계로 측정하였다. 또한 용액중의 산소확산계수는 문헌에서 구했으며, 활성탄은 신광화학제품으로서 야자껍질을 원료로 만든 것으로 이들 물성치를 Table 1에 나타내었다.

Table 1. Properties of deionized water at 25℃ and particles.

deionized water				GAC particles
□L 〔g/cm3〕	□L 〔g/cm·sec〕	□L 〔dyne/cm〕	DL×105 〔cm2/sec〕	□S 〔g/cm3〕	dP 〔cm〕
0.9971	89.4	71.96	2.42	1.3887	0.279 0.128 0.095

3. 실험방법

용존산소의 측정은 산소센스(YSI CO. INC., U. S. A., 5739 Field Probe)를 통한 산소측정기(YSI CO. INC., U. S. A., Model 58)를 사용하였다. 먼저 용액중의 산소가 없어질 때까지 기포탑내로 질소를 공급하여 용액중의 산소를 제거한 다음 초기 산소농도 C0를 측정한 후, 볼밸브를 열어 공기를 유속에 따라 일정시간 기포탑 속으로 분산시킨 후 밸브를 잠그고 이 때의 산소농도 C를 측정하였다. 또한, 포화산소농도 C*는 공기를 용액중에서 충분히 포화시킨 후 측정하였다. 산소의 흡수와 탈리과정을 기체공급시간 t에 따라 3번 실행하고 산소농도 C와 시간 t의 관계를 얻었다.

결과 및 고찰

1. 입자 농도

Fig. 2는 흡출관 높이가 80cm, 흡출관 직경을 3cm, 정지액위를 105cm로 하여 1.28mm 활성탄의 입자 농도 변화에 따른 기체체류량과 액상용량물질전달계수의 변화를 나타내었으며, 이 경우 농도 증가에 따라 기체체류량은 변화가 없었으나 액상용량물질전달계수는 높은 유속에서 증가하였다. 이는 입자의 농도가 증가하면 충돌 횟수가 잦아서 기포의 합체 현상을 억제시키기 때문이다.

2. 입자 크기

Fig. 3은 흡출관 높이가 80cm, 흡출관 직경이 3cm, 정지액위를 105cm로 하여 입자의 농도를 10%를 넣어 각 기체유속에서 활성탄의 입자 크기 변화에 따른 기체체류량과 액상용량물질전달계수의 영향을 나타낸 것으로, 입자의 크기가 커질수록 기체체류량은 감소하였으나 액상용량물질전달계수는 변화가 없었다. 이는 입자의 직경이 커짐에 따라 단위입자의 표면적에 대한 중량비가 증가하여 부유성과 순환유속이 감소되어 기-액의 원활한 접촉을 방해하기 때문이다.

Fig. 2. Effect of □S on □G and KLa.    Fig. 3. Effect of dp on □G and KLa.

3. 기체체류량과 액상용량물질전달계수의 상관식

기포탑내에서 뉴튼유체인 물의 기체체류량과 액상용량물질전달계수를 기체유속, 용액의 물성 및 흡출관의 기하학적 형태등에 따라 무차원화하면 다음과 같다.

3.1. 기체체류량

실험결과 자료 108개를 다중회귀분석을 통해 여러가지 파라미터와 기체체류량과의 관계를 무차원화하면 식(1)과 같다.

[eqn: epsilon_G over {(1-epsilon_G )^4} = 9.4380×10^-4 (Re)^0.9480 (□_s )^0.1267 left({d_p} over d_pR right)^0.0635 left({D_i} over D_o right)^-0.1224] (1)

이 때 상관계수는 92.4%이며 식(1)으로 부터 얻어진 계산치를 실험치와 비교한 결과 Fig. 4에 나타낸 바와 같이 양호한 결과를 얻었다.

3.2. 액상용량물질전달계수

실험결과 자료 108개를 다중회귀분석을 통해 여러가지 파라미터와 액상용량물질전달계수와의 관계를 무차원화하면 식(2)과 같다.

[eqn: K_L a D_o^2 over D_L = 2.4202×10^4 (Re)^0.4384 (□_s )^0.0479 left({d_p} over d_pR right)^-0.0292 left({D_i} over D_o right)^-0.0127 (epsilon_G )^0.7111]   (2)

이 때 상관계수는 92.2%이며 식(2)로 부터 얻어진 계산치와 실험치를 비교한 결과 Fig. 5에 나타낸 바와 같이 양호한 결과를 얻었다.

Fig. 4. Comparison of □G values calculated by        Fig. 5. Comparison of KLa values calculated by

Eq. (1) with those experimental in this work.          Eq. (2) with those experimental in this work.

결  론

실험한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다. 기체체류량과 액상용량물질전달계수는 기체유속과 흡출관의 직경이 증가함에  따라 증가하였고, 입자의 농도가 증가함에  따라 증가하였으나 흡출관의 직경이 7cm인 경우에는 변화가 없었다. 입자의 크기가 증가함에 따라 기체체류량은 감소하였으나 액상용량물질전달계수는 영향이 없었다. 그러나 흡출관의 직경이 7cm인 경우, 입자의 크기에 대한 영향은 거의 없었다. 기체유속, 용액의 물성, 입자의 크기와 농도 및 흡출관의 직경비에 따라 기체체류량과 액상용량물질전달계수의 상관식을 구한 결과 각각 식(1)과 식(2)로 나타났다.

참고문헌

1. Fan, Liang-Shin, Butterworth Publishers, U. S. A., 453(1989).

2. Xing, X-H., H. Honda, N. Shiragami and H. Unno, J. Chem. Eng. Japan,

25, 89(1992).

3. Nguyen-Tien, K., A. N. Patwari, A. Schumpe and W.-D. Deckwer, AIChE

Journal, 31, 194(1985).

4. Koide, K., T. Yasuda, S. Iwamoto and E. Fukuda, J. Chem. Eng. Japan,

16, 7(1983).

5. Koide, K., K. Kurematsu, S. Iwamoto, Y. Iwata and K. Horibe, J. Chem.

Eng. Japan, 16, 413(1983).