Applied Chemistry,
Vol. 17, No. 1, May 2013, 21-24
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고효율 역류흐름 충전탑에서 물질전달에 관한 연구
강성진†ㆍ박치균ㆍ길성재ㆍ이경학ㆍ이만식*
(주)전진엔텍, *한국생산기술연구원
High Performance Count-current Flow in Packed Tower Design
Kang Sung Jin†ㆍPark Chi KyunㆍKil Sung JaeㆍLee Kyong HakㆍLee Man Sig* JEONJIN ENTECH ltd., *KITECH
(sjkang@jet21c.com†)
Abstracts
High performance count-current flow in packedtower design. Column that packed with Montz packing regular and dumped packing with Pall Ring, Hiflow Ring and Hackette have been represented high performance in vaccum rectification and absorption. The new correlating of these relationship based on the numerous results has been developed for process cal- culation and design. The results of laboratory or experimental pilot plant can be adopted directly for scale-up.
1. 서 론
열 물질 분리공정과 관련된 증류, 정류, 추출, 흡수, 탈착에 의한 화학공학 및 환경공학적 산업에 충전 탑이 사용되며, 여기에 필요한 충전물에 대한 연구도 증가 발전하고 있다. 기초 연구에서 유체동역학과 물질전달에 관한 연구와 이론적으로 증명된 결과는 충전탑의 설계 효율에 적용하게 된다. 이와 같이 각종 시스템에 관계된 동역학적인 매개변수와 기하학적인 공식들은 물질전달과 유체의 거동을 지배한다.
따라서 본 논문에서는 수력학적 기초에서 설계인자를 도출하는데 그 목적이 있다.
2. 본 론 2.1. 기초 이론
가스 통과량은 단위효율에 관계되어 공식 (1)에 따른다.
∙ (1)
가스 또는 증기부하 uv와 단위충전 높이당 이론단계수 nt/H는 충전탑에 적용되는 충전물의 투자비용 을 설정하는데 기준이 된다.
가스 또는 증기상 HTUOV에서 총전달 단위높이와 등가높이 nt/H 사이의 관계는 공식 (2)에 의해 표현 되며 혼합물을 분리하는데 가스 또는 증기상에서 물질전달이 강하게 나타남을 알 수 있다.
∙ (2)
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HTU/NTU 모델에서 가스측에 총전달단위의 높이 HTUOV에 대한 공식 (3)을 적용한다.
∙
∙
(3)
위의 공식은 액체상에서 βL⋅αph를 평가하게 되고 액체부하 UL과 가스부하 UV에 각각 의존한다. 따라서 고유 충전체적과 충전탑의 효율은 운전조건에 따른 유체역학에 관련된다. 이론을 기초로 한 유체 동역학과 물질전달의 근거는 산업 충전탑에서 사용되는 충전물의 재질과 구조, 기하학적인 충전물 형상에서, 그리고 운전조건에 따른 유체역학적인 연구는 최근에 많은 발전을 가져왔다. 그리고 운전조건에 따른 열 물질 분리공정에 대한 연구가 체계적으로 연구와 실험에서 실행된 측정 수는 500회이다. 액체 측의 물질전달을 측정하기 위한 실험은 1,050회, 가스 측의 물질 전달을 1,100회 실시하였다. 이 측정 실험들은 크기가 각각 다른 60여 가지 임의적인 충전물을 충전하여 측정한 결과를 Fig. 1에 나타내었고 규칙적인 충전 물은 Fig. 2에 나타내었다.
Packing main size 50 mm
Metal Ceramic Plastic
CMR No. 1.5 Pall Ring Pall Ring Hakette
Fig. 1. Examples for fillings of dump packed columns, investigated in this work.
Mellapak 250Y Montz C1-300
Fig. 2. Examples for regular packings, investigated in this work.
3. 충전물에서 물질 전달의 모델링
새로운 실험시스템에서 정밀한 실험을 통하여 현재 충전물과 재래식 충전물이 실험에 적용되었다. 이 충전물에서 물질전달은 가스-액체 시스템의 물리적 크기와 기하학적으로 서술된다. 유도된 결과는 모든 역류흐름 충전탑에 적용되고 충전층에 기하학적인 모양으로 임으로 또는 규칙적으로 충전된다. 액체 부하 uL에서 τL은 공식 (4)에 의해서 서술되고 증기부하 uV라고 하면 τV는 공식 (5)에 의해서 나타낸다.
∙ ∙ (4)
∙ ∙ (5)
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고효율 역류흐름 충전탑에서 물질전달에 관한 연구
가스상에서 체적물질 전달계수 βv·αph는 주어진 공식 (6)에 따른다.
∙ ∙ ∙
∙ ∙
∙
∙
(6)
공식 (18)과 (19)를 적용한 모델매개변수 CL과 CV는 Tables 1과 2에 나타내었다. 이들은 각 다른 물질전달 저항 시스템 28가지 가스/액체 실험 연구를 통하여 결정하였다.
Table 1. Constants for Mass Transfer in Liquid and Gas
Dumped Packing Material Size CL CV
Pall ring Plastic 50 mm 1.239 0.368
Ceramic 50 mm 1.227 0.415
Hiflow ring Ceramic 50 mm 1.487 0.345
Plastic 50 mm 1.377 0.379
Table 2. Constants for Mass Transfer in Liquid and Gas
Regular Packings Material Size d CL CV
Montz Packing
Metal B1-200 m2/m3 0.971 0.390
B1-300 m2/m3 1.165 0.422
Plastic C1-200 m2/m3 1.006 0.412
C2-200 m2/m3 0.739
4. 압력손실
단위효율당 압력손실에 대한 경험적 자료는 공식 (7)에 관계된다.
∙
∙ ∙ (7)
실험시스템에 대한 전달단위 NTUOV당 고유 압력손실 △P를 나타내었고 물질전달저항은 가스상 또는 증기상에서 현저하게 나타난다. 실험시스템의 특성을 나타내는 ScV를 설명하고, 공식 (7)은 실험시스템 에서 독립적으로 비교되는 컬럼충진물에 대해 이상적이다. 이것은 다양한 분리공정에서 액체⋅기체 상비 L/V차이에 따라서 공식 (8)에 의해 서술된다.
∙ ∙ ∙ (8)
관수된 충전물 channel에서 가스흐름의 저항계수 ξL은 공식 (9)과 (10)에 의하여 액체 흐름에 관계 되고 이것은 다양한 실험에서 나타나며, Tables 3, 4에 다양한 충전물에 대한 특징을 나타내었다.
∙ ∙
(9)
(10)
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Table 3. Geometrical Data and Pressure Drop Constant for Dumped Packings
Dumped Packings Material Size N (1/m3) α (m2/m3) ɛ (m3/m2) Cp
Pall Ring Plastic 50 6765 111.1 0.919 0.689
Ceramic 50 6215 111.5 0.783 0.662
Hiflow Ring Ceramic 50 5120 89.7 0.809 0.538
Hackette Plastic 45 12252 133.4 0.931 0.399
Table 4. Geometrical Data and Pressure Drop Constant for Regular Packing
Regular Packing Material Size α (m2/m3) ɛ (m3/m2) Cp
Montz Packing
Metal B1-200 200 0.979 0.355
B1-300 300 0.930 0.295
Plastic C1-200 200 0.954 0.453
C2-200 200 0.900 0.481
5. 결 론
기하학적으로 충전된 충전층과 규칙적으로 충전된 충전층은 이론단계당 낮은 압력손실을 가지며 특히 진공정류에서 낮은 역류율을 가진다. 열⋅물질 분리공정을 수행하는데 있어서 실제적인 에너지 절약의 장점을 가진다. 정류와 흡수공정에서는 물질전달 저항이 가스상 또는 증기상에서 우수하게 놓여진다.
Acknowledgement
This work was supported by the Global Leading Technology Program of the Office of Strategic R&D Planning (OSP) funded by the Ministry of Knowledge Economy, Republic of Korea. (10042424) and Korea Institute for Advancement of Technology (KIAT) through the Research and Development for Regional Industry (R0000495).
참고문헌
1. E. F. Wijn, “On the Lower Operating Range of Sieve and Valve Trays”, J. Chem. Eng., 70, 143-155 (1998).
2. R. Billet and M. Schultes, Modelling pressure drop in packed columns, Paper presented at AIChE Spring National Meeting, Houston, TX/USA (1989).
3. R. Billet and M. Schultes, Capacity Studies of Gas-Liquid Two-Phase Columns, I. Chem. E. Symp/
Ser. No. 104, B255 B (1987).
4. R. Billet, Modelling of Fluiddynamics in Packed Columns, I. Chem. E. Symp. Ser. No. 104, A171 (1987).
5. R. Billet, Operation of Thermal Separation Plants under the Aspect of Environmental Protection, Congress Book 4th Intern. Symp. on Environmental Techniques Development, Dong-A University, Pusan/Korea, pp. 164-182 (1984).
