1. 물질전달 및 흡수
1. 물질전달
1) 물질전달
같은 상이나 서로 다른 상 사이의 경계면에서 물질이 서로 이동하는 것 → 확산
- 증류 : 등몰확산
- 증발, 추출, 흡수, 건조, 조습 : 일방확산
2) 확산
- 분자확산 : 물질 자신의 분자운동에 의해 일어난다.
- 난류확산 : 교반이나 빠른 유속에 의한 난류상태에서 일어나는 확산
2. 물질전달 속도
1) 기상 내의 물질전달 속도
(1) 물질전달 속도식
(2) 확산
- Fick의 제 1법칙 : 확산의 양은 거리에 따른 농도차(농도기울기)에 좌우된다. 즉, 농도차가 클수록, 거리가 가까울수록 확산의 양은 증가한다.
2) 액상 내의 물질전달 속도
(1) 물질전달 속도식
(2) 확산
3) 경막에 있어서 물질전달 속도
(1) 기 - 액 두 경막을 통한 기체의 확산속도
* 확산에 관한 이중경막설 : 두 상이 접할 때 두 상이 접한 경계면 양측에 경막이 존재한다는 가정을 Lewis-Whitman의 이중경막설이라 하며, 이때 확산을 일으키는 추진력은 두 상에서의 확산물질의 농도차 또는 분압차이며 주어진 온도와 압력에서 평형상태가 되면 물질의 이동은 정지한다.
(2) 물질전달계수를 구하는 방법
3. 흡수장치
1) 흡수(Absorption): 혼합기체 중에서 한 성분을 액에 흡수시켜 분리하는 조작
2) 흡수장치
- 기포탑(Bubble Tower) : 밑으로부터 기체를 강하하는 액중으로 상승공급시켜 향류 접촉시킨다.
- 액저탑(Spray Tower) : 상승하는 기류 중에 액이 분산하며 강하하여 흡수가 일어나도록 한다.
- 충진탑(Packed Tower) : 충진물질을 채워 접촉면적을 크게 한다.
3) 흡수속도를 크게 하기 위한 방법
- KL, KG를 크게한다.
- 접촉면적 및 접촉시간을 크게 한다.
- 농도차나 분압차를 크게 한다.
4) 충진물의 조건
- 큰 자유부피를 가질 것(공극률이 클 것)
- 비표면적이 클 것
- 가벼울 것
- 기계적 강도가 클 것
- 화학적으로 안정할 것
- 값이 싸고 구하기 쉬울 것
5) 충진물질: 라시히 링, 인터록스 새들, 폴 링, 사이클로헬릭스 링, 벌 새들, 레싱 링, 십자간격 링
6) 충진탑의 성질
(1) 편류(Channeling, 채널링)
- 액이 한곳으로만 흐르는 현상
- 방지법 : 탑의 지름을 충진물 지름의 8~10배로 할 것, 불규칙 충전할 것
+) 8~10배일 때 -> 채널링 최소, 8~10배 보다 작을 때 -> 액이 벽으로 모이는 경향, 8~10배 보다 클 때 -> 액이 중앙으로 모인다.
(2) 부하속도(Loading Velocity)
- 기체의 속도가 차차 증가하면 탑 내의 액체유량이 증가하는데, 이때의 속도를 부하속도라 한다. 흡수탑의 작업은 부하속도를 넘지 않는 속도범위에서 해야한다.
(3) 왕일점(Flooding Point, 범람점)
- 기체의 속도가 아주커서 액이 거의 흐르지 않고 넘치는 점
- 향류 조작이 불가능하다.
- 압력강하가 더욱 커진다.
- 배출기체는 비말 동반을 일으킨다.
4. 흡수원리
1) 기체의 용해도 평형
2) 흡수속도
(1) R.Higbie의 침투설 : 기액접촉이 시작된 이후, 농도분포가 시간에 따라 변한다.
(2) Fick의 확산 제2법칙
5. 충진탑(충전탑)의 설계
1) 충전탑의 물질수지
+ L/V 의 최솟값은 흡수탑 하부에서 농도차가 0이 되어 무한대로 기다란 충전층이 필요하다.
+ L/V가 클수록 흡수의 추진력(구동력)이 커지므로 탑의 높이는 작아도 된다. 그러나 기체의 회수비용은 커진다.
2) 용량계수에 의한 충전탑의 높이 결정
3) 이동단위수(NTU) 및 이동단위높이(HTU)에 의한 충전탑의 높이 결정
Z = H(OG) * N(OG)
(Z: 충전층의 높이/ Hog : 총괄이동단위높이, 전달단위 높이/ Nog: 총관이동단위수, 전달단위수)
4) HETP(Height Equivalent to a Theoretical Plate)에 의한 충전탑의 높이 결정
등이론단높이 : 답의 이상단 한단화 같은 작용을 하는 충전탑의 높이
HETP = Z/Np = Z/NTP
5) 충전탑의 직경
- 탑의 직경은 단위시간단 기체량과 이에 대한 유량속도에 의해 결정된다.
- 보통 탑경의 최솟값으로 왕일점(Flooding Poin)의 50~75%로 한다.
- 탑경은 부하점 이상으로 크지 않도록 필요최소직경으로 한다.
- 충전물 표면을 충분히 적시는 데 필요한 최소 액량 이상이 필요하며 경험상 액량은 4m3/m2.h 이상이 필요하다.
+) 공극률(Porosity)이 0.4인 충전탑 내를 유체가 유효속도 0.8m/s로 흐르고 있을 때 충전탑 내의 평균속도는?
공극률 = 세공도 = 0.4
유효속도 = 공탑속도 = 0.8m/s
평균속도 = 공탑속도/세공도 = 2m/s
+) 탈거, 탈착
- 온도를 높이거나 압력을 감소시켜야 한다.
- 액체와 기체가 맞흐름탑에서 이루어진다.
- 불활성 기체나 수증기가 탈거매체로 이용될 수 있다. 그러나 수증기가 이용되면 응축될 수 있기 때문에 용질 회수가 쉬워진다.
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