이중관 기포탑내에서의 저농도 알코올류 용액중의 기액간 물질전달

정옥진·한승완*·김상렬

동아대학교 공과대학 화학공학과, *(주)새한엔바텍

Gas-liquid mass transfer of dilute alcohol solutions

in a bubble column with a draft tube.

Ok Jin Joung, Seung Wan Han* and Sang Yeul Kim

Department of Chemical Engineering, Dong-A University

*SAEHAN Environment Technology Co., Ltd.

서론

이중관 기포탑은 칼럼내에 흡출관을 부착한 형태로 기계적인 교반장치가 필요하지 않을뿐만 아니라 고체로 인한 막힘의 문제가 없기 때문에 운전비용이 저렴하고 장치의 보수가 거의 필요하지 않으며 용액의 조성을 쉽게 균일화할 수 있는 장점을 가지고 있으므로 흡수탑, 추출장치, 발효조, 건조장치, Fischer- Tropsch, 폭기조, 촉매반응장치 등과 같은 화학공업 분야에서 널리 사용되고 있다. 또한 생체고정화 기술의 발달과 함께 균체 및 효소 등을 이용하는 생체촉매반응장치나, 식물 세포의 성장과 바다 속의 녹조류의 특성 변화를 관찰 할 수 있으므로 이중관 기포탑의 중요성이 더욱 높아지고 있다.

기포탑에 관해서는 Saha등[1]은 기포탑의 운전과 설계특성에 따른 총설을 발표하였고, Wallis[2]는 탑내의 흐름영역을 3가지 흐름형태로 분류하였으며, 탑내 유체 혼합특성에 대해서도 Guy등[3]이 연구하였으며, 기체체류량(□G)에 관해서는 Akita와 Yoshida[4∼5], Ueyama등[6] 및 Kim등[7∼9]을 비롯한 많은 연구가 행해져 왔다.

Kim등[8]은 n-프로판올과 iso-프로판올 수용액에서의 기체체류량을 측정하여 그 결과를 용액의 물성치와 기포탑의 기하학적 특성에 대해 하나의 무차원식을 얻은 바 있고, Po□arac등[10]은 단일분산판을 가진 단일관 기포탑에서의 메탄올, 에탄올, iso-프로판올, n-부탄올 수용액에서의 기체체류량과 액상용량물질전달계수(KLa)를 각각 하나의 무차원식으로 보고한 바 있다. 그러나 Po□arac등[10]의 무차원식을 다공분산판을 가진 이중관 기포탑에 적용시킬 경우 실측치와의 벗어남이 매우 크므로 본 연구에서는 이에 관하여 Po□arac등[10]의 무차원식에서 수정된 무차원식을 유도하였으며, 그리고 새로이 고안된 무차원식을 폐수처리, 해양 녹조류 배양 및 생체촉매반응장치등의 장치설계를 위한 기초자료로 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

Fig. 2에 나타낸 바와 같이 기체의 유속(UG)이 증가하면 □G와 KLa는 모두 증가한다. 이때 □G는 탄소수의 증가에 따라 증가하며 이는 Fig. 1에서 나타난 것과 같이 알코올의 탄소수가 증가하면 □/□의 값이 탄소수의 증가에 따라 감소하는데서 연유한다. 그러나 KLa의 경우는 Fig. 1의 □/□의 영향보다는 이중관의 상부와 하부에서의 교반현상에 의한 상호혼합 작용의 영향이 큰 효과를 미치기 때문에 탄소수의 영향이 작게 나타났다.

2. 용액의 농도

Fig. 3에서 보는 바와 같이 용액의 농도가 증가하면 □G는 증가하지만 KLa는 변화가 거의 없었다. 이는 □G의 경우 Fig. 1의 □/□가 농도 증가에 따라 감소하는데서 연유한다. 그러나 KLa의 경우 n-프로판올보다 에탄올이 더 크게 나타나는 것은 메탄올과 n-프로판올의 □/□의 감소폭보다 에탄올의 감소폭이 적기 때문인데 이것은 다른 알코올 수용액보다 에탄올의 점도의 영향이 더욱 더 크기 때문이다.

3. 흡출관의 직경비

Fig. 4에 나타낸 바와 같이 흡출관의 직경비가 증가함에 따라 □G는 다소 증가하지만 KLa는 변화가 거의 없었다. 이는 기포탑과 흡출관의 직경비가 증가하면 흡출관 내부의 단면적이 증가함으로서 환형관의 단면적이 감소하여 순환속도가 증가되어 하강하는 기포의 동반량이 많아짐에 연유한다. 그러나 KLa의 경우 에탄올의 수치가 다소 높아지는데 이는 앞의 경우와 마찬가지로 에탄올의 점도의 영향이 커서 □/□의 감소폭이 적기 때문이다.

Fig.1	Effect of solution concentration on □/□.	Fig.2	Effect of UG on □G and KLa.

Fig.3	Effect of solution concentration on □G and KLa.	Fig.4	Effect of Di/Do on □G and KLa.

Fig.5	Comparison of experimental and estimated □G values.	Fig.6	Comparison of experimental and estimated KLa values.

4. 기체체류량과 액상용량물질전달계수의 상관관계

실험결과에 의해 기체체류량과 액상용량물질전달계수의 무차원식을 얻었으며 실험치와 비교한 결과 기체체류량과 액상용량물질전달계수의 상관도는 각각 98.6%과 97.6%로 나타났다.

[eqn: epsilon _G ~=~6.53 LEFT (1over{2+ 35overU_G LEFT ( rho _L CDOT sigma over 72 RIGHT )^{1/3} } RIGHT )^{-0.246} LEFT ( 1+C_N RIGHT )^{0.0759} LEFT ( Di overDo RIGHT )^{0.07} Re^{0.203} Ca^{0.881}]

[eqn: K_L a {d_c}^2 overD_L ~=~194.02 LEFT ( Di overDo RIGHT )^{0.0.387} Re^{1.28} Ca^{3.483} Sc^{1.941} epsilon _G ^{-4.41}]

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] C. Guy, P. T. Carreau and J. Paris : Can. J. of Chem. Eng., 64, 23(1986)

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

76(1973)

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

84(1973)

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

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

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

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

[10] D. Po□arac and M. N. Teki□ : AIChE J., 33(3), 497(1987)