Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

삼상 역 유동층에서 기-액 물질전달 특성

송평섭, 김현태, 김상우, 조용준, 강 용, 김상돈*

충남대학교 화학공학과

한국과학기술원 화학공학과*

Mass Transfer Characteristics  of Three-Phase

Inverse Fluidized Bed

P. S. Song, H. T. Kim, S. W. Kim, Y. J. Cho, Y. Kang and S. D. Kim*

Department of Chemical Engineering, Chungnam National University,

Taejon 305-764, Korea

*Department of Chemical Engineering, KAIST, Taejon 305-701,

서론

삼상 역 유동층은 전통적인 삼상 유동층의 장점인 삼상간의 접촉 효과가 좋고, 열 및 물질 전달 효과가 탁월하다는 장점을 그대로 유지하면서도 유동 입자에 작용하는 중력이 아닌 부력에 대하여 유동화시키는 역 유동화의 특성을 이용할 수 있으므로 유동 입자의 밀도가 액체보다 작은 경우나 다공성의 입자 그리고 미소입자 등의 사용에도 그 용도를 확장시킬 수 있으며 에너지 소비가 낮으며, 고체 입자의 마모를 최소화 할 수 있다는 장점도 있다하겠다. 또한 삼상 역 유동층은 기체 유속만으로도 유동화가 가능하기 때문에 발효공정 등의 생물 공학, 폐수처리 등의 환경공학, 생화학 그리고 다른 주변산업에도 그 응용성은 더욱 확대될 수 있을 것으로 예견된다[1-5]. 특히, 삼상 역 유동층은 유동입자의 둘레에 형성되는 생물학적 필름(biofilm)의 두께를 미세하게 조절할 수 있기 때문에 생물학적 폐수처리 및 반응, 효소고정화 등에 매우 유용하게 응용될 수 있다하겠다.

그러나, 삼상 역 유동층에 대한 연구는 현재 매우 미흡하며 국내·외적으로 이제 시작단계에 있는 실점이라 하겠다. 다만, 기체-액체상이나 액체-고체상의 접촉을 다루는 이상 역 유동층(Two-Phase Inverse Fluidized Bed)이나 난류 접촉층에 대한 연구들이 지금까지 꾸준히 이루어지고 있는 정도이다.

삼상 역 유동층이 그 산업적 응용분야인 폐수처리나 생물공학 및 생화학 분야의 반응기나 접촉공정으로 사용되기 위해서는 이들 반응기나 접촉공정의 설계나 scale-up 운전조건의 결정 및 처리량의 결정 등에 대한 공학적 정보가 매우 긴요하다 하겠다.

즉, 이와 같은 반응기나 접촉공정의 개발을 위해서는 삼상 역 유동층 내부에서 분산상으로 존재하며 유동화되는 유동 입자의 분산거동과 그 수력학적 특성에 대한 정보는 필수적이라 할 수 있다. 뿐만아니라, 삼상 역 유동층의 경우 연속상인 액상의 미디어에 전달되는 산소의 양과 전달속도 등 기체-액체간의 물질전달 특성은 이 호기성 반응기나 접촉공정의 성능과 처리량을 결정하는 결정적인 주요인자라 할 수 있다.

그럼에도 불구하고, 삼상 역 유동층에서 전달현상이나 분산 입자의 거동 등에 관한 연구는 국내·외를 막론하고 거의 이루어지지 않고 있는 실정이다. 따라서, 본 연구와 같은  삼상 역 유동층에서 기체-액체 물질전달 현상과 분산상인 고체 유동 입자의 분산 특성에 한 연구는 이 시점에서 절실히 요청된다하겠다.

따라서, 본 연구에서는 삼상 역 유동층에서의 기체와 액체간의 물질전달특성을 고찰하였으며, 기체와 액체유속 등을 변화시키면서 기체-액체간의 부피물질전달계수에 미치는 영향을 규명하였다.

이론

연속상인 액상의 흐름에 따라 연속상에 용해되어 있는 산소의 농도을 측정하여 식 (1)-(2)와 같은 축방향 분산 모델(axial dispersion model)에 의해 기체-액체 물질전달 계수를 구하고자 한다.

[eqn: { 1} over { { Pe}_{L } } { { d}^{2 } C} over {d { xi }^{2 } }~-~ { dC} over {d zeta } ~+~St( { C}^{． }~-~C)~=~0]              (1)

여기서,

[eqn: xi ~=~ { Z} over {H}, ~~~ {Pe}_{L}~=~ { { u}_{L }H } over { { epsilon }_{□ } {D }_{ZL } }, ~~~St~=~ { K}_{L }a { H} over { { u}_{L} }]       (2)

실험

본 연구에서 사용된 실험장치는 Fig. 1에서 보는 바와 같이 직경이 0.152 m ID이고 높이가 2.5 m인 아크릴 관을 사용하였다.

유동 고체입자로는 밀도가 877.3kg/m3이고 직경이 4mm인 구형의 폴리프로필렌 입자와 밀도가 966.6kg/m3이고 직경이 4mm인 구형의 폴리에틸렌 입자를 사용하였으며, 여기서 밀도값은 실험에 의해 구한 평균 밀도값을 사용하였다. 또한 연속액상(continuous liquid phase)으로는 물을, 기체분산상(dispersed phase)으로로는 여과된 압축공기를 사용하였다.

유동입자의 역 유동을 위해 연속액상을 유동층의 상부에서 하부로 일정유속으로 균일하게 흐르게 하기 위해 다공판 형태의 액체 분산판을 사용하였는데, 액체 분산판은 직경 3 mm의 구멍을 삼각피치로 균일하게 배치하였다. 한편, 기체분산상은 유동층의 하부에서 주입되어 상부로 상승하도록 하였다.

본 연구의 조업범위는 액체유속이 0-7 cm/s, 기체유속이 0.2-1.0 cm/s를 넘지않은 범위에서 실험하였다. 삼상 역유동층에서의 기체-액체 부피물질전달계수의 결정은  연속상의 축방향 용존산소량을 측정하여 축방향 분산모델을 적용하여 구하였다[6,7]. 삼상 역유동층 내에서 액상의 축방향 용존산소량의 변화를 측정하기 위하여 액체의 분산판으로부터 0.3, 0.6, 1, 1.3, 1.6m 높이되는 지점에 따라 5개의 액체시료 sampling tap을 설치하였다. 일정실험 조건에서 액상의 시료채취는 상승관의 축방향 각 위치에서 시료채취 밸브가 일정시간 동시에 열리도록 solenoid valve와 기-액 분리기를 사용하여 채취하였다. 채취된 시료의 용존산소량 측정은 상온에서 교반되는 DO-meter(Oxi340-A, WTW)를 사용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

삼상 역 유동층에서 축방향 높이에 따른 용존산소의 농도분포를 Fig. 2에 나타내었다. 고체상을 폴리에틸렌으로 사용했을 경우, 축방향 용존산소의 농도는 높이가 증가함에 따라 단조 증가하는 경향을 나타냈었다. 그러나 액체유속의 증가에 따라서는 그 증가폭이 작음을 볼 수 있는데, 이는 액체유속이 증가함에 따라 기체-액체간 접촉시간과 기체 체류량이 줄어듦에 따른 영향으로 판단된다. 이와 같은 상승관의 축방향 높이에 따른 용존산소의 농도 분포자료로부터 축방향 분산모델을 사용하여 일정 운전조건에서 기체-액체 부피물질전달 계수를 구하였다.

기체유속의 변화에 따른 폴리에틸렌과 폴리프로필렌의 기체-액체 물질전달계수(kLa)는 Fig. 3에서 보는 바와 같이 기체유속이 증가함에 따라 모든 운전조건에서 증가함을 알 수 있다. 이는 일정한 액체유속의 조건에서 층내의 단위부피에 투입되는 기체공기의 양이 증가함에 따라 공기에 포함된 산소 양의 공급이 증가되기 때문이라 할 수 있다. 그림에서 보듯이 폴리에틸렌이나 폴리프로필렌 모두 기체유속이 증감함에 따라 모두 증가했지만 폴리에틸렌이 폴리프로필렌보다 큰 값을 나타내고 있는데 이는 밀도의 차이에 기인한다고 할 수 있다. 밀도의 차이는 삼상 역 유동층의 운전조건에 중요한 변수로서 밀도가 크면 같은 액체유속에서 기체유속이 증가함에 따라 층내의 난류현상을 증대시켜 기체-액체간의 부피물질전달을 강화시켰다고 하겠다.

Fig. 4는 액체유속의 증가에 따른 기체-액체 부피물질전달 계수를 나타내었다. 액체유속이 증가함에 따라 낮은 액체유속범위(1∼2cm/s)에서는 약간 증가하다 더 큰 액체유속(3-5cm/s)에서는 일정해지는 현상을 관찰할 수 있다. 이는 낮은 액체유속에서는 액체유속이 증가함에 따라 층내 난류현상의 증가를 가져와 기체-액체 계면이 보다 효율적으로 접촉할 수 있어 기체-액체간의 물질전달현상이 증가되지만, 액체유속이 더욱 커지면 층내의 단위 부피당 액체의 체류량이 증가됨으로서 기체의 체류량이 감소되는 결과를 가져와 기체-액체의 접촉면적이 감소하는 효과가 되어 결국 기체-액체 부피물질전달 계수를 감소하게하는 작용를 하여 일정해 진다고 할 수 있다[2].

4. 결 론

역 유동층에서 축방향 용존산소 농도는 높이가 증가함에 따라 고체상의 관계없이 증가하였다. 기체-액체 물질전달계수(kLa)는 기체 및 액체유속의 증가에 따라서 모두 증가하는 경향을 나타내었는데 액체유속의 영향보다는 기체유속의 영향이 보다 큼을 알 수 있었다. 또한 밀도가 큰 폴리에틸렌의 경우가 폴리프로필렌의 경우보다 큰 값을 나타냄을 알 수 있었다.

참고문헌

1.	Garcia-Calderon, D., Buffiere, P., Moletta, R. and Elmaleh, S. : Wat. Res. 32, 3593 (1998).

2.	Tang, W.T. and Fan, L.S. : Ind. Eng. Chem. Res., 29, 128 (1990).

3.	Chern, S.H., Muroyama, K. and Fan, L.S. : Chem. Eng. Sci., 38, 1167 (1983).

4.	Choi, H.S. and Shim, M.S. : KJChE, 16, 670 (1999).

5.	Buffiere, P. and Moletta, R. : Chem. Eng. Sci., 54, 1233 (1999).

6. Liang, W. G., Wu, Q. W., Yu, Z. Q., Jin, Y. and Bi, H. T.:AIChE J., 41, 267(1995).

7. Lee, D. H., Kim, J. O., Han, J. H. and Kim, S. D.: HWAHAK KONGHAK, 31,       118(1993).

` Fig. 1. Experimental apparatus: 1. Calming section 10. Amplifier 2. Liquid distributor 11. Lab card 3. Gas distributor 12. Computer 4. Sampling vessel 13. Vent line 5. DO meter 14. Gas flow meter 6. Pressure sensor 15. Liquid flow meter 7. Manometer 16. Air compressor 8. Control valve 17. Pump 9. Reservoir	Fig. 3. Effects of gas velocity on kLa in three-phase inverse fluidized beds.
Fig. 2 Dissolved concentration profile in the axial direction of a column(UG x102 =0.4m/s)	Fig. 3. Effects of gas velocity on kLa in three-phase inverse fluidized beds.