대기오염물질의 습식세정을 위한 슬러리유동접촉조의 조업조건 산정방안

박 찬 진

시립 인천전문대학 환경공업과

Method on the Determination of Operating Condition of Slurry             Fluidized Contactor for Wet Scrubbing of Air Pollutants

Park Chan Jin

Junior College of Inchon, Department of Environmental Eng.

서   론

다상접촉장치(multiphase contactor)의 개념은 화학공학이나 환경공학에서 분리공정(separation process)의 진행에 사용되는 보편적인 장치를 의미하며 상간(interphase) 물질전달이나 열전달 및 반응이 발생하는 대부분의 공정에 응용된다고 할수 있겠다.  효율적이고 경제적인 장치설계란 장치내 반응유체 단위체적당 접촉면적을 최대로 하거나 물질의 상간 또는 단일상내 이동속도를 고양하므로써 주어진 조업조건을 가능한 작은 크기의 장치규모로서 수행할 수 있도록 하는 것을 의미한다.  다상계에 고정상(fixed phase)이 존재할 경우 장치설계나 공정최적화에 필요한 정보를 산출하기가 비교적 용이하지만 모든 상이 이동상태(mobile state)에 있게 되면 이동현상의 불규칙성으로 말미암아 정확한 조업조건의 산정이 어렵게 된다. 다상접촉장치에서 많은 활용이 이루어지고 있는 유동화(fluidization)는 고정층에 비하여 혼합특성이 매우 우수하고 조업변수의 조절이 용이하다는 장점으로 많은 응용이 이루어지고 있으나 거동해석의 난점으로 인하여 장치설계에 필요한 정보를 산출하기가 용이하지 않은 특징이 있다.  슬러리유동접촉조는 액체중에서 미세입자가 유동화되는 장치이며 환경공업분야에서 이산화황의 습식석회법이나 액상촉매산화법 또는 활성탄을 이용한 유기물질 흡착 등에 광범위한 응용이 이루어지고 있다.  이때에 입자의 낮은 종말침강속도와 최소유동화속도로 인하여 단순히 기체유입에 의해서 입자의 유동화가 가능하므로 별도 액체공급이 불필요하게 된다.  본연구에서는 슬러리유동접촉조를 대기오염물질의 습식처리공정에 적용할 경우 발생되는 기포합체의 방지 방안으로 내부순환 및 외부순환형 접촉조에 기포분쇄입자를 사용하고 이때의 물질이동속도 증진을 비교분석하고 동시에 슬러리상의 수력학적특성을 고찰하여 대기오염물질의 습식세정에 적합한 장치설계조건을 제시하고자 하였다.

실험 및 자료처리

본연구에 사용된 장치는 슬러리가 외부순환 및 내부순환되는 기포교반형 유동접촉조이며 고체입자인 glass beads 를 액상에서 기포교반에 의하여 유동화시키는 전형적인 Airlift contactor 로서 아크릴관을 이용하여 제작하였다. 기포분쇄입자는 전보문에서 사용하였던 것과 동일한 것으로 재질이 세라믹(ceramic), 고무(rubber)인 입자들을 hexahedral, cylindrical  및 hollow cylindrical형태로 제작하여 실험에 사용하였다.

슬러리상의 glass beads는 기체유동화가 가능하면서 기포합체를 유발하는 평균입경 100 □ 의 입자를 택하여 입자농도 0∼9 wt.% 로 변화시켰다.  기체유입속도는  bubbly 흐름영역에서 기포의 합체가 발생되는 slug 흐름영역까지 형성도도록 0∼10 cm/sec 에서 조절하였다.  한편 슬러리  순환특성을 고찰하기 위하여 tracer test 에 의한 RTD 곡선을 산출하고 이 자료를 PC 에 의해 전산처리 하였다.  기체와 슬러리 상간 물질전달특성은 탄산가스와 공기를 일정비율로 혼합시킨 모사가스를 슬러리상에 흡수시키고 용존가스농도를 ion analyzer 로 측정한 다음 well-mixed model에 적합시키어 물질이동속도를 산출하였다. 총괄기체체류량(overall gas holdup)은 층팽창높이(bed expansion height)측정에서, 그리고 국부기체체류량(local gas holdup)은 각각의 관벽에 설치된 압력측정 tap에서 산출하여 기-액접촉면적의 증감을 산출하였다. Table 1 에 실험조건을 제시하였다.

Table 1. Operating Conditions

EXPERIMENTAL VARIABLES	RANGE OF OPERATIONS
Types of Slurry Circulation	Internal & External Looping
Slurry Concentration	0 ∼ 9 wt. %
Input Gas Velocity	0 ∼ 10 cm/sec
Particle size of slurry	100 □ (mean value)
Bubble-breaking Particles	Hollow cylind	Hexahedral	Cylindrical
	0∼6 wt%	0∼6 wt%	0∼6 wt%
	L 1.0 OD 1.0 ID0.7(spgr2.30)	1□1□2 (spgr 1.43)	L1.0 D1.0 (spgr 1.18)

결과 및 고찰

슬러리유동접촉조의 활용은 크게 나누어 액-고체 혼합조(homogenizer)와 기-액물질 분리조(separator)로 구분되며 사용목적에 따라 공정의 동적특성을 분석하고 기체분배기를 포함한 장치세부설계를 실시하여야 한다. 이는 슬러리상에 형성되는 기포의 거동에 따라 액상혼합에 필수적인 유체의 거시적 motion과 기-액 물질이동에 중요한 접촉면적이 결정되기 때문이다.  아울러 미세입자의 물리적 특성에 따른 슬러리상의 점도, 표면장력 및 확산도 등의 제반 물성치도 중요한 설계변수로 작용한다.  Fig.1 에 장치설계에서 고려하여야 할 요소와 분석방법을 제시하였다.  본연구 에서는 슬러리 유동조에서 기포분쇄에 의한 물질이동속도 증진과 슬러리순환의 상관관계를 외부 및 내부순환방식에 대하여 고찰하였으며 환경공업분야에 자주 사용되는 다상접촉장치 설계에 다양한 정보를 제공할 것으로 기대된다.  우선 기포분쇄입자를 사용할 경우 슬러리상의 물질이동속도는 내부순환형 접촉조에서 더욱 효과적으로 증진되었으며 슬러리의 농도가 증가할수록 뚜렷하게 나타났다.  이것은 기체분산형 접촉장치의 단점이면서 슬러리상에서 현저하게 발생되는 기포합체를 효과적으로 저지할 수 있으며 슬러리의 외부순환보다 내부순환방식에서 기포분쇄가 효과적으로 이루어지기 때문이라고 할 수 있다.   한편 액체중 미세입자의 크기와 농도가 증가할수록 기포합체가 더욱 심화되었고 이로 인하여 기포분쇄입자 사용시 상체류량 증진효과도 크게 나타나 상간 물질이동을 촉진시킴을 알수 있었다.

기포분쇄에 따른 슬러리순환의 변화를 정량적으로 설명하기 위하여 두가지 형식의 슬러리접촉조에 대한 순환 및 혼합특성을 tracer test에 의한 stimulus-response method 를 이용하여 분석한 결과 슬러리의 순환속도는 기포의 분쇄효과가 크게 나타날수록 오히려 감소되었고 액상내 물질의 혼합속도와 확산속도도 감소되는 경향을 나타내었다.  이것은 슬러리상의 난류혼합이 기포가 합체될수록 촉진되기 때문이며 이에 따라 기포분쇄에 의하여 물질이동을 촉진시킬 경우 액상혼합속도 저하를 최소화하는 방안이 필요하다.  외부순환형보다 내부순환형 접촉조에서 물질이동 증진효과가 큰 이유는 슬러리가 내부순환될 경우 기포합체가 더욱 크게 나타나 이에 대한 분쇄효과가 크며 아울러 외부순환형의 경우 슬러리순환속도가 동일한 기체유입속도에 대하여 증가되어 기포합체를 억제하는 효과가 있기 때문이다.   황산화물의 습식탈황공정과 같이 반응과정에서 입자농도가 변화하거나 활성탄에 의한 액상흡착과 같이 벌킹(bulking)이 발생되어 입자크기가 변화하는 경우, 슬러리상의 수력학적 특성 변화에 대한 적응제어가 공정효율을 제고하는 데에 매우 중요한 요소가 된다.      또한 액상촉매에 의한 오염물질 제어공정의 경우 발열 및 흡열반응에 따른 시스템온도변화와 이에 따른 흐름영역변이 그리고 촉매사용에 따른 밀도변화로 인한 유동화조건의 적절한 조절 등이 바람직하다고 판단된다.  결국 유동접촉조를 대기오염물질제어를 위한 습식세정장치로 사용할 경우 기포분쇄에 의한 상간물질이동과 동시에 화학반응을 촉진시키고 이와 더불어 슬러리특성변화에 따른 액상혼합속도를 제어하여 총괄성능을 최적화하는 것이 적정조업조건으로 장치효율을 높여 경제성을 제고하는 방안이 될 것이다.

결 론

환경공학분야에서 다양하게 이용되는 슬러리 유동접촉조에서 기포분쇄입자를 통하여 기-액 물질이동속도를 증진시키는 효과는 내부순환형 접촉조가 우수함을 알수 있었고 이와 더불어 슬러리상의 수력학적 특성에 대한 고찰을 통하여 계면접촉면적 증가와 슬러리 혼합 및 순환속도 증진에 의한 오염물질제어의 적정조업조건 산정방안을 제시하였다.

REFERENCES

1. Fan,L.S.: "Gas-Liquid-Solid Fluidization Engineering", Butterworths(1989).

2. Park, C.J.: Proceedings of the 6th Asian Conference on Fluidized-Bed      & Three Phase Reactors, The Korean Institute of Chemical              Engineers(1998).

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4. Chatterjee, et al.: J. of Fermentation & Bioengineering, 2(81), 1996.

5. Benitez, J. : "Process Engineering and Design for Air Pollution Con-

trol", Prentice Hall(1993).

HYDRODYNAMICS	Characteristics of the Three Phase Dispersion □ Phase Holdups □ Interfacial Areas □ Bubble & Particle Size Distributions □ Properties of Slurry Phase	→ ←	□ Pressure distribution □ Flow regime □ Gas distributor design & input flow rate □ Particle concentration
MIXIG & CIRCULATION	Homogenization of Continuous(slurry) phase	→ ←	□ Residence time distribution (tracer test)
REACTION KINETICS	Gas-liquid-solid reaction □ nucleation & coagulation □ endothermic process □ exothermic process	→ ←	□ Effect of particle formation □ Effect of temperature on gas-liquid mass transport
TRANSPORT	Heat & Mass transport	→ ←	□ Controllability of temperature □ Rapid (forced) dispersion of selected species
ENERGY DISSIPATION	Energy Dissipation Rate in the System	→ ←	□ Effective energy consumed by heat & mass transport

Fig.1. Design factors of Slurry Fluidized Contactor for Wet Scrubber.