다단식 이중관기포탑내의 물질전달

한 승완, 최 일곤*, 김 상렬

동아대학교, (주)동광화학*

Mass transfer between Gas and Liquid in a Bubble Column

with Multiple draught tube

Seung-Wan Han, Il-Gon Choi*, Sang-Yeul Kin.

Dept. Chem. Eng., Dong-A Univ. *Dong Kwang Chemical Co. Ltd, Pusan*

서 론

이중관 기포탑은 기포탑 내에 흡출관을 부착한 형태로서 장치가 간단하고 기계적인 교반장치가 필요하지 않을 뿐 만 아니라 고체로 인한 막힘의 문제가 없기 때문에 운전비용이 저렴하고 장치의 보수가 거의 필요로 하지 않는 장점을  가지고 있다. 특히 기포탑은 용액의 조성을 쉽게 균일화할 수 있기 때문에 에어리프트형 반응기로써 폐수처리공정, 석탄액화 및 광물침출장치등에 이용되고 있  으며, 폭기조 및 발효공업 등에도 널리 사용되고 있다. 최근에 와서는 생체고정화 기술의 발달과 함께 균체의 효소등을 이용하는 생체촉매반응 장치나, 식물세  포의 성장과 바다속의 녹조류 특성변화를 관찰할 수 있으므로 그 중요성이 더욱  높아지고 있다. 그러나 기포탑은 사용이 편리하지만 유동특성의 복잡성과 관경,  높이 등과 같은 여러가지 변수 때문에 설계하기에 많은 어려움이 있다.

따라서 기포탑내 화학반응과 물질 및 열전달 과정은 탑의 운전 조건과 유체의 물성 및 분산판의 기하학적 형태에 따라서 많은 영향을 받으며, 기포탑내에서의 임계속도, 액의 순환속도, 혼합특성 및 기-액접촉면적 등의 유동특성도 물질전달을 결정하는 중요한 인자들이다.

기포탑의 기체체류량에 관한 연구로는 Koide등, Sada등, Schumpe등 및 Akita  등을 비롯한 많은 사람에 의하여 활발한 연구가 행하여져 기체체류량에 미치는 여러가지 인자들 사이의 관계가 복잡하기 때문에 단편적인 연구가 발표된 바 있다.

특히 Koide등은 단일 및 이중관 기포탑 중의 임계속도, 액의 순환속도, 압력 차 및 계면활성제의 영향을 검토하고, 이들 사이의 상관관계를 밝혔으며, 나아가 고체 현탁 기포탑내에서 액체와 고체 입자의 성질 및 기-액간 전이흐름 영역에서의 기체유속에 대한 기체체류량과 액상용량물질전달계수에 대하여 보고한 바 있다. 또한 겔 입자를 부유했을 때의 기체체류량과 액상용량물질전달계수에 대한 기포탑의 크기, 기체유속 및 현탁입자에 대한 연구와 알콜류등의 계면활성 제 및 소포제 첨가에 따른 기포탑내에서 단일 기포 및 기포군에 대한 실험을 행하였을 뿐만 아니라, Ouyang은 원추형 바닥과 이중관 기포탑에서 기-액-고 상태에서 입자가 부유했을 때의 액체와 고체입자의 성질과 기체유속을 연구하였으며, Choi와 Lee는 환형관 속으로의 기체분산과 흡출관이 부착된 기포탑에서의 기체체류량과 액상용량물질전달계수의 상관식을 얻은 바 있다. Fukuda등은 흡출관과 분리판을 가지는 기포탑에서 분리판의 영향에 대해 연구하였으며, Odawara등은 다단의 흡출관을 가지는 기포탑에서의 물질전달에 관해 연구하였다. 그러나 이들의 연구가 산업현장에서 적용될 수 있는 직접적인 이용 자료가 미흡한 실정이다.

그러므로 본 연구에서는 이중관 기포탑내에서의 흡출관의 직경 및 흡출관의 단 수등이 기체체류량과 액상용량물질전달계수에 미치는 영향을 검토하고 이들 사이의 상관관계를 구명하여 자료화 및 수식화하여 폐수처리, 분진제거시설, 탈취탑, 생화학적 반응기 및 해양 녹조류 배양 등의 장치설계를 위한 기초자료로 이용코져 한다.

실 험

본 실험에 사용한 실험장치는 Figure 1과 같다. 기포탑은 내경이 14cm이고, 높이가 280cm인 투명한 아크릴 원통으로 만들었다. 탑내의 흡출관의 내경은 5, 7.5, 9cm를 각각 사용하였으며, 흡출관 중 한개의 단을 20cm로 하여 1단, 2단, 3단을 사용하였으며, 단 사이의 간격은 6, 12, 18cm로 하였다. 기체분산기는 공경이 1.3cm인 5개의 구멍이 뚫린 스테인레스 판에 300메시의 니켈망을 덮고 그 위에 스테인레스 림으로 고정시켰다.

공기는 15마력의 피스톤식 공기압축기에 유입되기전 별도로 제작된 무기섬유질 여과 필터로 3회 여과 후 압축하였다. 공기의 압축시에 윤활유의 미스트나 흄이 오리피스의 노즐에 필름상으로 오염되어 유량의 변동이 발생되는 것을 방지하기 위하여 흄 분리기를 사용하였으며, 이 분리기는 내부에 스테인레스 솜을 사용하여 넓은 면적으로 접촉에 의한 유막화 분리방식을 사용하였다. 또한 계절에 따라 변화하는 습도변화에 따른 유량변화를 줄이기 위하여 다공판 제습기를 부착하여 기포탑내에 공급되는 공기를 제습하였다. 실험에 사용된 기체의 유속은 2.01∼12.25cm/sec로 하였으며, 기체의 맥동을 줄이고 속도를 일정하게 하기 위하여 공기탱크를 부착하고, 압력설정은 PID동작에 의한 제어로 일정압을 유지한 후 수은 액주의 읽음으로 압력을 조정하고 공기를 유속에 맞는 오리피스를 거쳐 분산판을 통하여 탑 속으로 분산시켰다. 이때 유량의 조절용 밸브는 오리피스 후단에 설치하여 분산판의 마찰손실 및 액위 변화에 따른 공기의 유속변화를 최소화하였다. 기포탑내 액체의 온도를 일정하게 유지하기 위하여 열교환기와 자동 온도조절기를 부착하였다.

결과 및 고찰

1. 흡출관의 직경비

1단일 경우 흡출관의 직경비가 클수록 □g와 KLa가 커진다. 2단인 경우 Fig.2와 같이 단사이의 간격이 작을 때는 흡출관의 직경비가 커지면 □g와 KLa가 다소 커지는 경향이나, 단사이의 간격이 클 때는 흡출관의 직경비가 큰 경우 □g와 KLa가 급격하게 증가한다.

2. 단사이의 간격

2단인 경우 Fig.3과 같이 흡출관의 직경비가 작을 때 단사이의 간격이 작을수록 □g와 KLa가 증가하고, 흡출관의 직경비가 클 경우 단사이의 간격이 커지면 □g와 KLa가 증가하다가 거의 같아지는 것으로 나타난다.

3단인 경우 Fig.4와 같이 흡출관의 직경비가 작은 경우는 간격이 클수록 □g와 KLa가 커지나 흡출관의 직경이 클 경우 간격의 크기에 관계없이 □g와 KLa가 거의 같아진다.

3. 단의 효과

Fig.5와 같이 □g는 단사이의 간격에 따라 단수에 관계없이 거의 같으나 KLa는 단사이의 간격이 작을 때는 단수가 작을수록 커지나 간격이 커지면 2단과 3단이 거의 같아진다.

참고 문헌

1. K. Koide. K. Horibe, H. Kitaguchi and N. Suzuki : J. Chem. Eng. Japan,

17(5), 547(1987).

2. K. Koide. S. Yamazoe and S. Harada : J. Chem. Eng. Japan, 18,

287(1985).

3. E. Sada, H. Kumazawa and C. H. Lee : AIChE J., 32(5), 853(1896).

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

76(1973).

5. A. Schumpe, S. P. Godbole and Y. T. Saha : Chem. Ing. Tech, 55(9),

722(1983).

6. P. Ouyang and Y. Lu : Huaxue Fanying Gongchen Yu Gongyi, 7(1),

59(1991).

7. K. H. Choi and W. K. Lee : J. Chem. Tech. Bio., 56(1), 51(1993).

8. H. Fukuda., T. Shiotani, W. Okada and H. Morikawa : J. Ferment

Technol., 56, 619(1978).

9. Y. Odawara, T. Yamaguchi, Y, Suganuma and H. Hukumori : Hakko

Kogaku, 59, 253(1981).

1. Air compressor	9 Manometer(H2O)	17 Heat exchanger

2. Pressure controller	10 Flow rate control valve   18 Pump

3. Pressure gauge      11 Thermometer	19 Gas distributor

4 Filter	12  3 way solenoid valve	20 Draught tube

5 Pressure regulator	13 2 way solenoid valve	21 Column

6 Manometer(mercury)	14 Nitrogen bomb	22 D.O meter

7 Separator(oil fume)	15 Liquid injector	23 D.O sensor

8 Orifice	16 Temperature controller	24 Liquid cyclone

Fig. 1. Schematic diagram of experimental apparatus.