비뉴튼유체 가압기포탑에서 기체체류량과 물질전달 특성

우광재, 조용준, 남석희, 강 용, 김상돈*

충남대학교 화학공학과

한국과학기술원 화학공학과*

Gas Holdup and Mass Transfer Characteristics

in Pressurized Bubble Columns with Non-newtonian Fluid

K.J. Woo, Y.J. Cho, S.H. Nam, Y. Kang and S.D. Kim*

Department of Chemical Engineering,

Chungnam National University, Taejon 305-764

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

서 론

가압의 상태에서 조작되는 기포탑에서는 기체의 압력 증가에 따른 기체밀도의 증가를 가져올 뿐만 아니라 기체 체류량의 괄목할 만한 증가를 가져와 기체-액체 계면에서의 물질전달을 매우 증가시킬 수 있을 것으로 판단되며, 계를 가압의 상태로 운전하므로 장치나 공정의 부피를 감소시킬 수 있으며 반응의 효율을 증가 시킬 수 있을 것으로 예견된다[1]. 또한, 가압기포탑은 계에 압력이 가해지므로 상압의 경우와 비교하여 운전, 조작변수의 조화, 제어(control), 및 설계 등의 조건과 특성들이 매우 다를 것으로 판단된다. 따라서, 가압기포탑 내부에서 분산상으로 존재하며 기포탑의 특성 결정에 중요한 역할을 하는 기포의 흐름거동에 대한 정보는 가압기포탑의 공업적 응용에 매우 중요한 자료가 된다고 하겠다.

따라서, 본 연구에서는 가압기포탑의 공업적 응용을 감안하여 비뉴튼 유체인 CMC(Carboxy Methyl Cellulose) 용액을 사용하여 시스템 압력과 점성의 정도에 따른 기체체류량과 기포의 분포, 그리고 기-액 물질전달 특성과 이들 인자들간의 연관성에 대하여 연구·고찰하였다.

해 석

가압기포탑에서 기체-액체 부피 물질전달계수는 가압기포탑 내에서 연속상의 축방향 용존산소량을 측정하여 축방향 분산모델을 적용하여 구하였다.

본 연구에서 적용한 축방향 분산 모델은 정상상태에서 용존산소의 물질수지로부터 얻을 수 있는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다[2].

[eqn: 1 over Pe {d^2 C} over {dx^2} `-` dC over dx `+` St `(`C^* `-` C`) `=` 0~~]	(1)

at [eqn: x=0], [eqn: C `=` C_0 `+` 1 over Pe]

at [eqn: x=1], [eqn: dC over dx vert _x=1 `=` 0]

여기서, Pe는 Peclet 수, St는 Stanton 수를 나타내며 [eqn: x~]는 무차원 길이를 그리고 [eqn: C^*~]는 용존산소의 평형농도를 나타낸다.

실 험

본 연구에서 사용한 가압기포탑장치는 직경이 0.051m이고 높이가 1.0m인 스텐레스관으로 제작되어 있으며 batch상태인 액상으로는 CMC(Carboxy Methyl Cellulose) 0.0∼0.3 wt% 용액(점도: 0.1∼38.0 mPa·s)을, 분산상으로는 건조된 압축공기를 사용하였다. 실험범위는 기체유속은 0.02∼0.25m/s 이었고 계에 가해진 압력범위는 100∼600kPa이었다.

가압기포탑 내부에서 각 상들의 체류량을 측정하기 위하여 분산판으로부터 0.1m 간격으로 압력탭을 설치하였으며 분산판에서 0.2m와 0.7m의 두 지점에서  압력변환기(Valcom Co., VPRQ-A4-5K-5C)로부터 정압력강하를 측정하여 기체체류량을 구하였다.

가압기포탑 내에서 액상의 축방향 용존산소량의 변화를 측정하기 위하여 가압기포탑의 벽면에 sampling tap을 설치하였으며, 일정실험 조건에서 액상의 시료채취는 기-액 분리기를 사용하여 동시에 하였다. 초기에 batch상태로 존재하는 CMC 용액속의 용존산소농도를 감소시키기 위하여 질소를 퍼지(purge)하여 용존산소를 배기시켰다. 일정시간후의 액체시료는 가압기포탑의 벽면에 설치된 sample cock에서 채취하여 액상의 축방향 용존산소량의 변화를 측정하였다. 시료 채취용기는 100ml Stoppered flask를 사용하여 flask내 액체시료중의 산소가 방출되는 일이 없도록 하였으며,  채취된 시료의 용존산소량 측정은 상온에서 교반되는 Do-meter(YSI Inc.,  59BC-115V)를 사용하여 측정하였다.

결과 및 고찰

기체의 체류량은 기포의  상승속도와 기포의  개수에 의해서 죄우되고 기포의

상승속도는 기포의 크기·모양, 유체의 수력학적인  특성과 흐름특성에  의해서 결정된다. 특히 기포의 합체와 분쇄는 매우 중요한 요소이며 기체체류량에 중요한 영향을 미친다. Figure 1에 물과 CMC용액을 액상으로 하는 가압기포탑에서 조업조건의 변화에 따른 기체체류량을 나타내었는데, 기상의 유속이 증가하면 기포의 발생빈도수와 기체의 함량이 증가하기 때문에 기체의 체류량은 유속의 증가에 따라서 증가하게 된다. 압력의 증가 또한 기체의 체류량을 증가시키게 되는데 이는 압력이 기포의 합체를 억제하고 작은 기포의 발생빈도수를 증가시키기 때문이다[3]. 기포의 합체현상은 충돌과 밀접하게 관련되어 있으며 충돌은 국부흐름의 비균일성이나 기포크기의 차이에 의해서 발생하는 상승속도의 차에 의해서 발생하는 기포의 무작위적거동에 의해서 발생하게 된다. 또한 압력의 증가는 기포의 합체현상을 억제하여 기포의 크기를 작게 만들며 따라서 wake의 크기와 강도는 감소하게 되며 이런 감소는 국부흐름영역의 비균일성을 감소시켜 전체적인 계의 거동을 안정화시킴으로 결국 기체의 체류량을 증가시키는 것을 알 수 있다. 그러나, Fig. 1에서 액상으로 존재하는 CMC용액의 농도가 기체체류량에 미치는 영향은 CMC용액의 농도가 진할수록 즉, 액상의 점도가 증가함에 따라 탑내의 기체체류량은 감소함을 알 수 있다. 이는 액상의 점도가 증가할수록 점성 액상속에서 존재하는 기포의 크기는 상대적으로 커지게 되어 기포의 상승속도가 빠르게 되므로 탑내에 존재하는 기체의 체류량은 감소하게 된다. 이로 인한 큰 기포의 형성은 작은 기포와 낮은 기포군 속도(swarm velocity)를 가지고 있는 균일기포흐름영역에서 플러그(plug) 흐름영역으로의 전이를 야기시키고 이 영역에서는 크고 빠른 상승속도를 가지고 있는 기포의 존재와 분산상의 활발한 순환거동으로 인해서 높은 기포군 속도(=UG/□G)를 가지게 된다.

본 연구에서는 kLa를 (1)식을 이용하여 구하였는데, 탑의 축방향 높이에 따른 용존산소의 변화량을 직각좌표상에 도시하였을 때 나타나는 직선의 기울기로 kLa값을 구하였다. 기체속도의 변화에 따라서 산소가 액체에 전달되는 부피물질전달계수는 Fig. 2에서 보는 바와 같이 기체유속이 증가함에 따라서 증가한다. 기-액물질전달은 기-액 계면에서 발생하고 kLa의 값은 계면의 면적에 비례하기 때문에 유속의 증가가 계면의 면적을 증대시키는 이유로 kLa의 값을 증가시키게 된다[4-6]. 기체유속의 증가는 기체체류량을 증가시키지만 한편으로는 기포의 합체가능성이 커지기 때문에 기포의 크기를 증대시키고, 기체체류량은 기-액 계면의 면적을 증대시키지만 큰 기포는 계면적을 감소시키는 반대의 작용을 하게 된다. Fig. 2에서 볼 수 있듯이 큰 기포로 인한 계면적의 감소영향보다는 기체체류량의 증가로 인한 접촉면적의 증가영향이 더 우월하기 때문에 기체유속의 증가가 kLa값을 증가를 가져오게 되는 것이다. 그리고, 이 그림에 압력이 kLa에 미치는 영향을 나타내었는데, 압력의 증가는 기체체류량을 증가시키고 기포의 크기를 감소시키기 때문에 높은 계면적을 갖게 하여 kLa값을 증가시켰다. 즉, Lamont등[7]이 제안한 eddy-cell모델에 의하면 기-액 물질전달 속도는 큰 기포의 에너지가 소비되어 생산되는 작은 규모의 eddy들에 의해서 크게 영향을 받는다고 하였는데, 압력의 증가로 인해서 생성되는 작은 기포의 eddy들이 상대적으로 큰 에너지를 가지고 요동하므로 이들에 의해 물질전달 효과가 증대한다고 볼 수 있다. 그러나, 액상으로 존재하는 CMC용액의 점성의 정도가 증가함에 따라 탑내에서의 기-액 물질전달 계수는 감소함을 알 수 있는데, 이는 액상의 점도가 증가되면 기체체류량과 액상의 확산도가 감소되고, 기포의 크기가 증가하여 기체-액체 접촉면적이 감소되기 때문으로 해석할 수 있다. 이러한 점도의 증가는 기포의 동적거동능력을 감소시켜 기포와 액체 계면에서 발생될 수 있는 난류강도의 감소를 초래하게 된다. 결국, 이와 같은 이유로 액상의 점도가 증가되면 탑내에서의 기-액 물질전달 현상은 저하되는 것이다.

결 론

액상이 batch상태로 존재하는 공기-CMC용액 계의 가압기포탑에서 기체유속의 증가는 기포의 발생빈도수를 크게하여 기체체류량과 물질전달계수값을 증가시켰으며, 압력의 증가는 기포의 합체를 억제하고 전체적인 계의 거동을 안정시키며 기체의 체류량을 증가시키고 기포의 크기를 감소시키므로서 kLa의 값을 증가시켰다. 그러나, 액상으로 존재하는 CMC용액의 점도의 증가는 기포 크기의 증가와 기-액 접촉면적의 감소로 인하여 기체체류량과 물질전달계수의 감소를 초래하였다.

본 실험을 통하여 비뉴튼유체의 가압기포탑에서 다음과 같이 조업조건에 따른 기체체류량과 물질전달계수의 상관식을 얻을 수 있었다.

[eqn: epsilon _G = 0.2137U_G^0.6652~ mu _L ^-0.0546 ~ P^0.2313~ ,~~~R=0.972]

[eqn: K_L a = 0.627 TIMES 10^-3 ~U_G^0.5410~ mu _L ^-0.8456 ~ P^0.2700~ ,~ ~~R=0.964]

참고문헌

1.Idogawa, K., Ikeda, K., Fukuda, T. and Morooka, S. : Int. Chem. Eng.	27(1), 93(1987).

2.Deckwer, W.D. and Schumpe, A. : Chem. Eng. Sci., 48, 889(1993).

3.Hikita, H., Asai, S., Tanigawa, K., Segawa, K. and Kitao, M. : Chem. Eng.	J., 20, 59(1980).

4.Chang, S.K., Kang, Y. and Kim, S.D. : J. Chem. Eng. Japan., 19, 524(1986).

5.Kang, Y., Min, B.T., Nah, J.B. and Kim, S.D. : J. Chem. Tech. Biotechnol.,    51, 235(1991).

6.Kang, Y., Fan, L.T., Min, B.T. and Kim, S.D. : Biotechnol. Bioeng., 37,       580(1991).

5.Lamont, J.C. and Scott, D.S. : AIChE J., 16(4), 513(1970).