가압기포탑에서 기포특성과 물질전달

조용준, 우광재, 김기인, 강 용, 김상돈*

충남대학교 화학공학과

한국과학기술원 화학공학과*

Bubble Characteristics and  Mass Transfer

in Pressurized Bubble Columns

Y.J. Cho, K.J. Woo, K.I. Kim, 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

기포탑은 상들간의 접촉현상이 우수하고 조작변수가 적다는 등의 장점을 가지고 있기 때문에 기체-액체 반응기로 화학공정에 널리 이용되고 있다. 특히 화학 또는 석유화학 공정에서 기포탑은 가압상태에서 운전되고 있는데, 가압상태에서 계의 수력학적 특성에 대한 정보는 기포탑반응기의 설계와 운전에 매우 필요한 요소라 할 수 있다.

지금까지 기포탑에 대한 많은 연구가 수행되어져 왔지만 기포탑에서 기상과 액상의 수력학적인 특성과 물전전달특성에 대한 명확한 이해는 아직 이루어지지 않고 있다. 더구나, 산업적으로 이용되는 기포탑이 고온·고압의 조건에서 이루어진다는 실정으로 볼 때 가압상태에서 각 상들의 수력학적인 특성에 대한 규명은 매우 중요한 과제라고 할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 가압기포탑의 운전에 있어 매우 중요한 역할을 하는 기포의 특성을 연구하였으며 이러한 기포의 특성들이 물질전달현상에 미치는 영향을 고찰하였다.

실 험

본 연구에 사용한 가압기포탑장치는(Fig. 1)  직경이 0.0508m이고 높이가 1.0m인 스텐레스관으로 제작되었으며 batch상태인 연속상으로는 물을, 분산상으로는 건조된 압축공기를 사용하여 0.02∼0.25m/s의 유속범위에서 실험을 수행하였다. 계에 가해진 압력범위는 0.1∼0.6MPa 이었다.

가압기포탑 내부의 전체압력강하를 측정하기 위하여 분산판으로부터 10cm 간격으로 압력탭을 설치하였으며 분산판에서 20cm와 70cm의 두지점을 액체마노미터로 연결하여서 정압력강하를 측정하여 기체체류량을 구하였다.

가압기포탑내에서 기포특성을 측정하기 위해서 분산판으로부터 25cm 지점에서 저항탐침(electrical resistivity probe)을 설치하였으며 여기서 감지되는 신호들은 200Hz로 15초간 3000개의 데이터를 직접 A/D convertor를 통해 컴퓨터에 저장한 후 해석하였다.

물질전달계수를 구하기 위하여 시간에 따른 용존산소의 농도를 측정하였는데 초기에 batch상태로 존재하는 물속의 용존산소농도를 감소시키기 위하여 질소를 퍼지(purge)하여 용존산소를 배기하였다. 일정시간후의 액체시료는 sample cock에서 채취하였고 100ml Stoppered flask를 사용하여 flask내 액체시료중의 산소가 방출되는 일이 없도록 하였으며, 용존산소의 측정은 YSI Inc.의 59BC-115V DO meter를 사용하였다.

기포특성해석

가압기포탑에서 존재하는 기포의 특성 즉, 기포의 빈도수, 상승속도, 수직길이와 분포 등을 구하기 위해서 저항탐침을 사용하였는데 탐침은 2개의 tip을 상하 2mm 간격으로 하였다. 여기서 두 tip간의 신호차이를 t1i, 기포가 tip에 머무르는 시간을 t2i 그리고 다음 기포가 tip에 나타날 때까지의 시간을  t3i로하고 이들로부터 기포의 상승속도(Ubi), 기포의 수직길이(Lvi) 그리고 통계적인 기포의 체류량(□b)을 구할 수 있다.

Tip간의 거리가 2mm이기 때문에 상승속도는 다음식과 같이 표현할 수 있다.

단일기포의상승속도, [eqn: U_bi = {2 times 10^-3 } over t_1i] [m/s]	(1)

그리고 기포의 수직길이는 상승속도가 Ubi인 기포의 체류시간이 t2i일 경우 (2)식으로부터 계산할 수 있다.

단일기포의 수직길이, [eqn: L_vi = t_2i times U_bi = { 2 times 10^-3 cdot t_2i } over t_1i][m]	(2)

또한 통계적인 기포의 체류량과 탐침을 통과하는 기포의 평균빈도수는 각각 (3)식과 (4)식을 이용하여 구할 수 있다.

통계적 기포의 체류량, [eqn: epsilon _b = 1- lim from { t -> inf } 1 over T SUM from { {t }=0} toT t_3i = lim from { t -> inf } 1 over T SUM from { {t }=0} to T t_2i] [-]	(3)

기포의 평균빈도수, [eqn: F = {기포의~총수(n) } over {전체의~측정시간(T)}][1/s]	(4)

결과 및 고찰

저항탐침을 이용하여 유속과 압력의 변화에 따른 기포 상승속도의 변화를 Fig. 2에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 기상유속의 증가에 따라서 기포의 상승속도가 커지게 되는데 이는 기상의 유속이 증가하면 기포의 발생 빈도수가 커지게 되고 그만큼 기포의 합체가능성도 커지게 되어 큰 기포의 형성 빈도수가 커지게 되기 때문이다. 유속과는 반대의 현상으로 압력의 증가는 기포의 상승속도를 감소시키는데 이는 압력이 기포의 합체가능성을 감소시켜 큰 기포의 생성빈도수를 억제시키기 때문이다. 기포의 상승속도는 기포의 크기에 의해서 좌우되며 기포의 크기는 기포의 합체현상에 의해서 결정된다. 기포합체 현상은 기포의 충돌과 충돌한 기포사이에서 기포와 분리된 액체막이 임계두께에 도달될 때 까지 소량액체의 배출과정을 통해서 발생하게 된다. 따라서 기포합체속도는 기포들의 충돌과 궁극적으로 관련된다고 할 수 있다[1]. 기포들간의 충돌은 국부흐름의 비균일성으로인한 기포들의 무작위적인 운동과 서로 다른 상승속도를 가지고있는 크기가 다른 기포들에 의해서 발생하게 된다. 압력의 증가는 이러한 기포의 합체현상을 억제하여 기포의 크기를 작게 만들고 국부흐름의 불균일성을 감소시켜 전체적인 계의 거동을 안정화시킨다[2].

Fig. 3에는 기포의 평균직경을 나타내었다. 유속의 증가는 기포의 체류량을 증가시키고 기포들간의 상호작용을 증진시키기 때문에 더 큰 기포크기를 가지게 하며 이러한 큰 기포들은 Fig. 2에서 보는 바와 같이 큰 상승속도를 가지게 한다. 압력의 증가는 큰 기포의 생성을 억제하기 때문에 일정유속에서 기포의 크기를 감소시키는 결과를 초래하게 된다. 또한 Fig. 3에서 기포크기에 미치는 압력의 영향은 기체의 유속이 작을 경우보다 기체의 유속이 클수록 확연하게 나타났는데 이는 기체유속이 낮은 균일기포 흐름영역 에서는 기포간의 상호작용이 활발하지 않기 때문에 기포크기에 미치는 압력의 영향은 작고, 이때는 기포의 형성과정, 즉 분산판의 형태에 큰 영향을 받으므로 압력에 의한 영향은 그리 민감하지 않기 때문이다. 하지만 유속이 증가할수록 기포의 거동에 미치는 압력의 영향이 커지기 때문에 작은기포의 높은 생성빈도수가 나타나게 된다.[4-6].

기체속도의 변화에 따라서 산소가 액체에 전달되는 부피-물질전달계수는 Fig. 4에서 보는바와 같이 기체유속이 증가함에 따라서 증가한다. 기-액물질전달은 기-액계면에서 발생하고 부피물질전달계수의 값은 계면의 면적에 비례하기 때문에 유속의 증가가 계면의 면적을 증대시키는 이유로 부피-물질전달계수의 값을 증가시키게 된다. 압력의 증가는 기체체류량을 증가시키고 기포의 크기를 감소시키기 때문에 높은 계면적을 갖게 하여 부피-물질전달계수값을 증가시켰다. 즉, Lamont등[1]이 제안한 eddy-cell모델에 의하면 기-액물질전달 속도는 큰기포의 에너지가 소비되어 생산되는 작은 규모의 eddy들에 의해서 크게 영향을 받는다고 하였는데, 압력의 증가로 인해서 생성되는 작은기포의 eddy들이 상대적으로 큰 에너지를 가지고 요동하므로 이들에 의해 물질전달 효과가 증대한다고 볼 수 있다.

결 론

가압기포탑에서 유속의 증가에 따라서 기포의 평균상승속도과 기포크기는 증가를 하였으나 압력의 증가에 따라서는 크기가 작은 기포의 생성결과로 작은 기포의 상승속도와 크기를 가졌으며 더 많은 기포의 생성빈도수를 나타내었다. 또한 이러한 압력의 증가는 전체적인 계의 거동을 안정화시켜 기-액접촉면적을 증가시키므로써 물질전달현상을 증가시켰다.

참고문헌

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

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

3.	Akita, K. and  Yishida, F. : Ind. Eng. Chem. Process. Des. Dev., 12(1),	76(1973).

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

5.	Shan, Y.T.,  Kelkar, B.G. and  Godbole, S.P. and  Decker, W.D.: AIChE, 28,	353(1982).

6.	Clark, N.N.,  Liu, W.,  Turton, R. : Powder technol., 88, 179(1996).