액-액 교반조에서의 교반소요동력에 미치는 임펠러 부착위치의 영향

이영세, 김문갑, 김종식*

상주대학교 화학공학과, 계명대학교 화학공학과*

Effects of Impeller Position on Power Consumption in

Liquid - Liquid Agitated Vessel

Young Sei Lee, Moon Gab Kim, Jong Shik Kim*

Dept. of Chem. Eng., Sangju National University, Korea

* Dept. of Chemical Engineering, Keimyung University, Korea

서론

액-액 교반조작은 추출, 이상계반응, 현탁중합 등의 단위조작으로서 널리 이용되어져 왔으며 특히 최근에는 다상 에멀션이나 마이크로 캡슐화 제법으로서도 활용되어지고 있다. 그러나 이와 같은 이상계 교반은 균상계에 비해서 교반조 내의 현상이 매우 복잡하고 아직 충분한 고찰이 이루어져 있지 않다. 액-액 교반조작의 목적은 비혼합성 제 2 액체중에 제 1 액체를 미세한 액적으로서 분산시켜 두 액상간의 액-액 계면적을 증가시키는 것과 액적 둘레의 경막저항을 감소시킴으로서 물질이동을 촉진시키는 것이다. 따라서 본 연구는 방해판이 설치된 교반조의 난류영역하에서 교반소요동력에 미치는 임펠러 부착위치에 따른 영향에 대해서 실험하였으며 이 데이터의 결과는 미생물 배양 및 세포배양에 있어서 기초자료로 활용이 가능하다

실험장치 및 방법

실험에 사용한 장치를 Fig.1에 나타내었다. 교반조는 내경 140, 170, 240mm의 평저원통조를 사용하고 교반용기내에는 교반용기 직경 D의 1/10의 폭을 가진 방해판을 4개 설치하였다. 교반 임펠러는 임펠러 직경 d, 임펠러 폭 b, 임펠러 날 매수 np가 다른 여러 가지의 패들임펠러 이용하였다. 사용한 임펠러의 차원을 Table1에 나타내었다.

Table 1. Impeller Dimensions

Paddle Impeller

b/d = 0.07 ∼ 0.8

d = 70mm

np = 2, 3, 4, 6, 8

D = 140, 170, 240mm

교반 임펠러 부착위치를 변화시키는 경우 임펠러로부터 액 자유표면까지의 거리를 H1, 임펠러로부터 교반용기 바닥까지의 거리를 H2로 정의하였다. 실험은 교반액으로서 이온교환수를 넣어 온도를 30℃로 유지하여 교반을 시작하였다. 회전수를 변화시켜가며 실험을 하며 그때마다의 회전우력을 토크메타로부터 측정하여 기록한다.

결과 및 고찰

임펠러 부착위치 변화에 의한 동력수의 영향 고찰

방해판이 부착된 교반조에서 동력수는 Np는 액의 높이의 영향을 받는다고 알려져 있다1,2,3).

다시 말하자면 임펠러에서 액 자유표면까지 및 교반용기 바닥까지의 거리의 변화가 동력수에 영향을 미친다고 말할 수 있다.

임펠러폭 b와 임펠러 직경 d의 비(b/d)가 0.2인 날 매수 6개인 패들 임펠러를 이용하여 액량이 다른 4종류의 교반조에서 임펠러 부착 위치의 변화에 따른 동력수의 변화를 Fig.2에 나타내었다. 위 그림은 임펠러로부터 자유표면까지의 거리 H1을 교반조 직경 D로 무차원화한 것을 아래 그림은 같은 실험 데이터를 임펠러로부터 교반용기 바닥까지의 거리 H2를 교반조 직경 D로 무차원화한 것을 나타낸 것이다. 이 그림으로부터 1)동력수는 임펠러 위치의 영향을 받아 변동한다. 2)임페러를 액자유표면 및 교반용기 바닥에 부근에 두었을 때 동력수가 변동하는 위치는 액 높이에 의하지 않고 임펠러로부터 액자유표면 및 교반용기 바닥까지의 거리에 의해 결정된다. 3)교반용기 직경과 액높이가 같은 H/D=1의 교반조를 이용한 경우 임펠러를 교반용기 중앙에위치 했을 때 보다 도 액자유표면 및 교반용기 바닥에서의 영향을 더 받고 있고 양 면의 영향을 무시할 수 있는 최대 동력수(Np,max)값에 도달하지 않는다 라는 결과를 얻었다. 또한 패들 임펠러를 이용한 교반용기내의 액체의 흐름을 관찰하여 Fig.3에 나타내었다. 흐름은 반경방향의 토출류가 교반용기 벽에 충돌하여 상하로 안정한 순환류를 형성한다. 그러나 임펠러를 액표면 및 교반조 바닥에 가까이 두면 축류성분이 증가하고 임펠러를 더욱더 교반용기 바닥에 가깝게 두면 축류성분이 없어지고 크게 위를 향한 순환류의 존재가 확인 되었다.

동력수 변동 패튼에 대한 b/d의 영향 고찰

날폭이 다른 6종류의 패들 임펠러를 이용하여 임펠러 부착 위치를 변화 시켰을 때 동력수의 변동을 Fig.4에 나타내었다. 이 그림으로부터 동력수의 변동은 액자유표면에서의 동력저하 위치와 교반용기 바닥에서의 극소동력 위치는 b/d에 의한 변화는 볼 수 없어 날폭의 영향을 받지 않는다는 것을 알 수 있다.

임펠러를 교반용기 중앙(H2/D=1)에 위치했을 때 얻은 동력을 그 임펠러의 최대동력수 Np,max, 임펠러를 교반용기 바닥의 위치(H2/D=0.25)에서 얻은 극소동력수를 Np,min으로 했을 때 그 동력차, Np,change는 다음식으로 정의된다.

Np,change = Np,max - Np,min                                    (1)

동력차 Np,change와 b/d의 관계를 나타낸 그림을 Fig.5에 나타내었다.

동력차 Np,change는 b/d의 증가와 함께 증가하고 날폭 b가 큰 임펠러(b/d=0.6, 0.8)를 제외하면 다음 식으로 나타낼 수 있다.

Np,change □ (b/d)1.71     for  np = 6                          (2)

동력수 변동 패튼에 대한 날매수 np의 영향 고찰

날매수가 다른 5종류의 패들 임펠러를 이용하여 임펠러 부착 위치를 변화 시켰을 때 동력수의 변동을 Fig.6에 나타내었다. Nagata3)는 날매수가 2개인 패들 임펠러는 부착 위치를 변화시켜도 동력수는 일정하다고 보고하고 있다. 본 실험에서도 Nagata의 보고와 거의 비슷한 결과를 얻었고 2매날 패들 임펠러의 동력저하는 다른 임펠러에 비해 작다는 것을 알았다.

이 결과에 관해 동력차 Np,change와 날매수 np의 상관을 한 그림을 Fig.7에 나타내었다. 이그림으로부터 동력저하가 거의 나타나지 않은 2매날 임펠러를 제외하면 동력차는 다음식으로 나타낼수 있다.

Np,change □ np1.32       for  b/d = 0.2                        (3)

교반용기 바닥에서의 극소 동력수 Np값을 산출하기 위해 식(2)와 식(3)을 이용하여 Np,change를 플롯트한 그림을 Fig.8에 나타내었다. 날폭 b가 큰 임펠러와 np = 2인 임펠러를 제외하면 동력차는 다음식으로 관계지울 수 있다.

Np,change = 2.47np1.32(b/d)1.71                                   (4)

횡축의 값이 2.87을 넘는 임펠러에서의 동력차는 식(4)에 따르지 않고 Np,change = 7.06으로 일정하게 되는 것을 알 수 있다. 임펠러를 교반용기 바닥에 위치했을 때 극소동력수 Np,min의 추산식으로서 다음식을 제출한다. 단 식(5) 및 식(6)은 동력저하를 볼 수 없는 2매날 패등 임펠러에는 적용할 수 없다.

Np,min = Np,max - 2.47np1.32(b/d)1.71   for np1.32(b/d)1.71 ≤ 2.87    (5)

Np,min = Np,max - 7.06              for np1.32(b/d)1.71 〉 2.87    (6)

참고문헌

1. Sano, Y. and Usui,H.: J. Chem. Eng. Japan, 18, 47(1985)

2. Hirose, T. and Murakami, Y.: J. Chem. Eng. Japan, 19, 568(1986)

3. Lee, Y. S., Lee, S. K. and Kim, J.S.: HWAHAK KONGHAK, 33, 1,            46(1995)

4. Nagata, S.: "Mixing Principles and Applications", Koudansha Ltd.(1975)