1. 실험제목 : 기체흡수 실험

2. 실험목적 : 기체흡수의 원리와 기체흡수를 이용한 충전탑 장치에 대해 알아보고 그 내부의                물질전달 과정과 식을 이해해고 그 과정의 종합체인 McCabe-thiele                         method(MTM)에 대해 실제 적용을 고찰한다..

3. 실험이론

① 용어정리

- 기체흡수(gas absorption)

어떤 물질이 경계면을 사이에 두고 접해 있는 다른 상(phase)의 내부로 빨려 들어가는        현상을 말한다. 기체흡수의 목적은

① 혼합기체의 분리,

② 필요없는 성분 또는 유해성분의 제거

③ 유용한 성분의 회수 또는 용액(예를 들면 염산)의 제조,

④ 기체-액체반응에 의한 생성물의 제조

로 크게 구분된다. ②의 경우를 특히 기체세척, 스크러빙이라고 하며, 그 경우의 흡수장        치를 스크러버(세척기)라고 하는 경우도 있다. 또 ①,②의 경우에는 흡수액(흡수용 액체)        을 재생해서 다시 사용할 필요가 있으므로, 흡수된 기체를 액체로부터 증출(蒸出)시킬         수 있는 흡수액을 선택한다. 액체 속의 용해기체를 증출시키는 조작을 스트리핑이라고         하며. 정유공정에서 스트리핑과 기체흡수는 증류탑의 꼭대기에서 나오는 가솔린 증기로        부터 프로판□부탄 등의 유용한 가벼운 생성물들을 얻을 때 행해진다. 그 원리는 흡수과        정에서 가솔린 증기는 분별증류관과 유사한 장치 내에서 등유 같은 흡수기름을 통과하        면서 끓게 된다. 가벼운 생성물들이 기름 속에 녹게 되며 수소□메탄□에탄□에틸렌 등의         건성 가스들은 녹지 않고 그냥 지나간다. 이후 스트리핑 과정에서 흡수기름으로부터 가        벼운 생성물들이 분리된다. 흡수기름과 가벼운 생성물들로 이루어진 용액이 증기에 의해        끓게되어 스트리핑 관을 통과하게 되는데 이 관 내에서 가벼운 생성물들의 증기가 위쪽        으로 올라가면서 압력하에서 수냉식 응축에 의해 회수된다. 또 하나의 예로 가용성 기체        가 불용 기체와 섞여 있는 혼합물로부터, 용질을 다소 용해시킬 수 있는 액체에 흡수되        는 원리로 암모니아와 공기가 섞여 있는 혼합물에서 물로 암모니아를 세척하는 것을 들        수 있다. 결국 용질(암모니아)은 증류에 의해서 액체로부터 회수되며, 흡수에 사용된 액        체(용매)는 버리던가 다시 사용하게 된다. 한편 고체에 의한 액체□기체의 흡수도 있으며,        그것은 다공질 고체에 의한 기체 등의 흡수경우에 엄밀하게는 고체가 지닌 내부 세공         표면에서의 흡착이며, 고체 내부로의 흡수는 아니다.

- 충전탑

용액에 가스를 흡수시키거나, 거꾸로 액 속의 용존가스를 방산시키는 장치이다. 기체와        액체, 액체와 액체 등 다른 상 사이의 물질이동을 능률적으로 하기 위하여 내부에 충전        물을 채운 탑이다. 상 사이의 접촉면적을 크게 하고 각 상의 흐름에 충분한 교란을 주         어, 흡수□증류□흡착 □추출 등의 물질이동을 효과적으로 행하게 하는 장치이다. 보통 탑         꼭대기로부터 충전물에 따라 흐르게 하는 액과 탑 바닥으로부터 충전물의 간극을 상승   하는 기체를 향류 또는 병류 접촉시킨다. 자 세한 기능을 기   술하자면 보통 액체를 충전물의 맨 위에서 탑 꼭대기에 있는   액체 분포기로 균일하게 공급하지만, 탑내를 흘러내리는 사   이에 탑벽 쪽으로 흘러 버린다. 따라서 액체 재분포기를 탑   가운데 설치하여 층내를 균일하게 흐르도록 한다. 한편 기체   는 탑 아래쪽에서 공급하여, 충전물과 그 표면을 흘러내리는   액막의 간격을 크게 하여 기체□액체를 향류로 접촉시키는 방   식이 쓰인다. 기체□액체를 동시에 탑꼭대기에서 공급하여 병   류로 접촉시키는 방식도 있다. 충전탑에서 기체□액체의 접촉   은 계속 이어지므로 기체□액체의 농도(또는 온도)가 연속적으   로 변화한다. 이러한 접촉을 일반적으로 미분 접촉방식이라        고 하며 단탑으로 생긴 계단접촉과 대비된다.

- 충전물 및 그 조건

화학공정에서 충전탑, 또는 배기처리장치 등의 장치   내에 효 과적인 물질이동과 그 정도를 조절하기 위   해 충전 하는 구 조물로 충전탑 내에서효과적인 처   리를 위해서는 상용하는 충전물을 사용함이 대단히   중요하다. 충전물은 재질, 형상, 치수의 3요소에 의   하여 결정되며 우수한 성능을 발휘하기 위한 조건으   로

① 표면적이 커야한다. 표면적은 액, GAS의 접촉계   면을 통하여 물질이동, 열 이동이 이루어지고 표면적   의 크고 적음이 효율(이동량)에 영향을 주게 되므로   유효 접촉면적이 커야 한다.

② 공간율이 커야 한다. 탑내의 압력 손실을 최소    화, Flooding 현상의 발생을 억제하여 탑내의 선속를   극대화 할 수 있도록 공간율이 커야한다.

③ 안전성이 보장되어야 한다. 충전물은 화학적으로   불환성, 즉 변형, 용해, 분해되지 않는 물리, 화학적   안정 특성을 요구한다.

④ 제조가 간단해야 한다. 충전물은 충전탑 내의 공        정에 따라 다양한 크기, 다양한 형태의 충전물이 필요하므로 제조가 간단해야 신속한 충        전물의 적용을 기할 수 있다.

⑤ 값이 싸야한다. 공정의 운영에 있어 제품원가를 낮추는것 또한 효율의 극대화의 일부        이다.

⑥ 가스류에 대한 저항이 적어야 한다. 반응의 손실을 저감하고 이동량을 극대화 하기         위하여 저항이 적어야 한다.

⑦ 중량이 가벼워야 한다. 장치에 부하를 일으키지 않고, 고른 충전물의 분포를 기하기        위해서 중량이 가벼운것이 좋다.

- 공극률(porosity)

사전적 의미로는 암석 속의 공극 부분의 부피와, 그 공극을 포함한 암석 전체 부피의          비를 말한다. 하지만 이번 실험에서 사용하는 공극률의 의미는 암석이 아닌 충전탑내 또        는 그 외의 장치에서의 고체층, 충전물에 해당하는 고형물에 유체가 통과할 수 있는 공        극의 전체 면적 대비를 의미한다. 흔히 간극률이라고도 하며, 보통 퍼센트(%)로               나타낸다. 고체 부분만의 부피를 [eqn: V_s], 공극을 포함한 전체의 부피를 [eqn: V]라고 하면, 공극        률 [eqn: n]은,

[eqn: n = {(V - V_s )} over V □100[%]]

로 구할 수 있다. 한편, 공극의 부피와 고체 부분의 부피의 비를 [eqn: e]로 표시하며

[eqn: e = {(V - V_s )} over V_s □100[%]]

이값을 공극비라고 한다. 공극률은 고형물의 종류와 재질 등에 의해 다르지만, 일반적으        로는 세립(細粒)일수록 큰 값을 가진다.

위의 그림은은 국내 기업 카탈로그에 제시된 충전물의 물성을 나타낸 표이다. 충전물의        형태에 따른 공극률을 비교해 보면 알 수 있듯이, 구조가 복잡하고, 다공성 충전물이 공        극률이 큰값을 가짐을 알 수 있다.

- 편류(channeling)

편류(channeling)란 큰 충전탑에서 성능을 나쁘게 하는 요인중에 하나로서, 충전물 꼭대        기에서 한번 분배된 액체가 모든 충전물 표면 위에 얇은 경막을 이루며 계속해서 탑 아        래로 흘러 내려가야 하지만 실제로는 경막이 어떤 곳에서는 두꺼워지고 어떤 곳에서는        얇아져서 액체가 작은 물줄기로 모여 어느 한쪽의 경로를 따라 충전물을 통해 흘러 접        촉 불량을 야기하는 현상을 말한다. 특히 .탑 내에서 액체의 유량이 낮으면 많은 충전물        표면이 건조하게 되어, 액체의 정체경막으로 덮여지는 현상을 말한다. 큰 탑내에서는 액        체와 기체가 잘 접촉하도록 하는 것이 가장 어렵다.

- 부하점(loading point)

충전탑 내부에서는 유체가 통과함에 따라 압력강하가 나타나게 된다. 단위 충전층 깊이        당 압력강하는 유체마찰에서 상기는 것으로서, 이를 그래프로 나타낼 때에는 대수좌표         상 에 기체유량 [eqn: G_y]에 대해 도시한다. [eqn: G_y]는 빈 탑을 기준한 단위시간, 단위면적당 기체        의 질량으로 표시된다. 따라서 [eqn: G_y]는 [eqn: G_y = u_0 rho_y]에 의해 겉보기 기체속도와 관계된다. 여        기서 [eqn: rho_y]는 기체의 밀도를 나타낸다. 충전물이 젖지 않았으면 선은 직선이며, 약 1.8의        기울기를 갖는다. 그러므로 압력강하는 속도의 1.8승에 비례하여 증가한다. 충전물이 일        정한 액체유량으로 젖으면 압력강하와 기체유량간의 관계는 처음에는 마른 충전물에 대        한 선과 평행을 이룬다. 이 경우, 압력강하는 마른 충전물의 경우보다 큰데, 이것은 탑        에 있는 액체가 기체의 흐름공간을 줄이기 때문이다. 그렇지만 공극률이 기체흐름에 의        해 변하지는 않는다. 보통의 기체속도에서는 기체가 아래로 흐르는 액체를 방해하여 액        체의 체류량이 기체흐름에 따라 증가하기 때문에 젖은 충전물에 대한 선이 점차 가파르        게 된다. 압력강하선의 기울기 변화로 판단할 수 있는 바와 같이, 액체 체류량이 증가하        기 시작하는 점을 부하점(loading point)라고 한다. 그러나 그 값을 정확히 찾기는 쉽지        않다.

- 조작선과 평형선

2성분 계에서의 물질전달 문제들을 도식적으로 파악하기 위해 도입된 선도이다. 2성분계에서 두 상의 조성은 [eqn: x]를 횡축으로 [eqn: y]를 종축으로 하는 도표상에 표시할 수 있다. 탑 내의 중간 부분에서의 물질수지는 [eqn: n]단을 나가는 [eqn: L]상의 농도 [eqn: x_n]과 그 단으로 들어가는 [eqn: V]상의 농도 [eqn: y_n+1]과의 관계이다. 이를 식으로 나타내면

[eqn: y_n+1 = {L_n} overV_n+1 x_n + {V_a y_a - L_a x_a } overV_n+1]

이 식은 탑에 대한 조작선 식이며 그 선도를 왼쪽의        그래프에 나타내었다. 그래프에 표시된 위의 함수의 선도를 조작선(operating line)이라        한다. 한편  이는 ([eqn: x_a], [eqn: y_a]) 및 ([eqn: x_b], [eqn: y_b])를 연결하는 직선으로 그릴 수도 있다. 평형선         은 평형값 [eqn: x_e]와 [eqn: y_e]를 도시한 것인데, 증류탑내의 정류에 서는, 왼쪽의 그에서 보는 바        와 같이 조작선이 평형선 아래에 위치한다. 평형선(equilibrium line)에 대한 조작선의 상대적 위치는 물질전달 방향과 분리에 필요한 단의 수를 결정하게 되며, 평형 데이타는 실험이나 열역학적 계산, 또는 발표된 자료들로부터 알 수 있다. 이것은 증류가액상에서 기상으로 물질전달이 이뤄지므로 평형일때와 비교하여 액상성분의 몰분율이 기상성분의 몰분율보다 크다는 것을 보여준다. 물질전달의 구동력        은 그림에서와 같이 [eqn: y_e - y_n+1]이다. 흡수인 경우 양의 구동력을 가져야 하기 때문에 흡        수가 일어나기 위해서 조작선이 평성선의 위에 놓여야 한다.

- McCabe-Thiele법

기체흡수, 증류, 침출 또는 액체추출 중 어느 다단식 반응기에서나 이상단수를 구하는데        는 같은 방법을 이용할 수 있다. 이상단수를 알기 위해 조작선과 평형선을 교대로 이용        하면서 도식적으로 계단 하나하나를 그려나가는 법은 증류탑 설계에 처음 이용되었고,         이 방법을 McCabe-Thiele법이라고 한다. 그 작도는 탑 양끝의 어느 한 쪽에서 시작하        며, 일반적으로 마지막 계단이 그림에서처럼 꼭 마지막단의 농도와 맞아떨어질 필요는         없다. 한 개 미만의 단은 그대로 남겨 둘 수도 있고 반올림 할 수도 있다. 이 방법으로        이상단수를 구하는 법은 아래에 기술하도록 하겠다.

② 흡수의 원리

왼쪽의 그림과 같은 판형탑에서 점선으로 둘러쳐져 있는 부분에 대한 물질수지는 다음과 같다.

총물질 : [eqn: L_a + V = L + V_a]

[eqn: A]성분 : [eqn: L_a x_a + V_y = L_x + V_a y_a]  … ①

([eqn: V]:기상의 몰유량, [eqn: L]:액상의 몰유량, [eqn: x,y]:농도)

양 끝의 흐름에 기준한 총괄 물질수지는

총물질 : [eqn: L_a + V_b = L_b + V_a]

[eqn: A]성분 : [eqn: L_a x_a + V_b y_b = L_b x_b + V_a y_a]

위의 ①식을 [eqn: y]에 대해 정리하여 [eqn: x]와 [eqn: y]의 관계식을 정리한것이 위에서 설명하였던 조작선 식이다.

[eqn: y = {L} over {V} x + {V_a y_a - L_a x_a } overV]

③ McCabe-thiele method(MTM)를 이용 이상단수 구하는 방법

정류탑의 단수는 각각의 방정식으로부터 구한 조작선과 기액 평형선을 이용하여 이론 단      수를 구하는방법으로 McCabe-Thiele법을 많이 이용한다. 이 방법은 다음과 같이 가정하      여 이론 단수를 구할 수 있다.

가정(1) : 혼합열과 관벽에 열손실이 없다고 가정한다.

가정(2) : 각 단에서 상승하는 증기의 조성은 응축액의 조성과 평형 상태에 있다고 가정한                다.

가정(3) : 각 단에서 액체는 완전히 혼합되어 있다고 가정한다.

McCabe-thiele method(MTM)에 의한 순서는 다음과 같다.

1단계 : 대각선과 기-액 평형선 작도

[eqn: x]축을 액상의 조성으로 하고, [eqn: y]축을 기상의 조성으로 하여      정사각형을 그리고, 대각선을 긋는다. 기액 평형 관계식에서      기액 평형 조성을 구하고 기액 평형선을 그린다.

2단계 : 농축부 조작선 작도

농축부조작 방정식에서 절편이 [eqn: {x_D } over {R+1}]이고 점                  ([eqn: x_D = y_1 (=x_D )])      를 지나는 직선을 그린다.

3단계 : 원료공급과 회수부 조작선 작도

원료공급 조작 방정식에서 절편이 [eqn: {B + V } over V]이고 점 [eqn: (x_F , x_F )]      을 지나는 직선을 그린다. 그리고 점 [eqn: (x_B , x_B )]을 지나고 농      축부 조작선과 원료 공급 조작선과 만나는 점을 지나는 직      선을 그린다.

4단계 : 이론단수의 삼각 작도

기액 평형선과 각 조작선과의 사이에서 점 [eqn: ( x_D , x_D )]을 시작      으로 하여 점 [eqn: (x_B , x_B )]가 지나는 곳까지 그림과 같이 직각       삼각형 모양으로 그린다.

□ 농축부, 회수부 등의 물질수지식은 생략

③ Henry's Law

Henry의 법칙은 비교적 불용성의 기체가 액체에 녹는 양과 그 기체성분의 분압이 직선적      으로 비례한다고 가정한다.

[eqn: P_A = H x_A]

여기서 [eqn: P_A]는 용액내 기체 [eqn: A]의 분압이고 [eqn: x_A]는 이와 평형에 있는 용액내 성분 [eqn: A]의 몰분      율 이다. 또 [eqn: H]는 Henry 상수로써 온도의 함수이다. 이 식은 실제 기체에 대해서도 농도      압력이 그다지 크지 않은 범위에서는 상당히 근사적으로 성립한다. 이상기체의 법칙에서       열역학적으로 이끌어낼 수도 있다. 이 헨리의 법칙과 보일의 법칙을 조합시키면 평형 상태      에 있는 기상과 액상 사이에서 기체의 농도비는 일정하다라는 분배법칙 (분배율)이 유도된      다.

4. 참고문헌

1. 동서문화사, <한메파스칼대백과사전>, (1996), p.17639, p.18093

2. 두산동아, <두산 세계 대백과 Encyber>, (2000), CD

3. 한국브리태니커, <브리태니커대백과사전GX>, (2004), CD

4. Warren L. McCabe외 2명, 이화영 외 2명 역 <단위조작>, McGraw-Hill Korea, 6판,          p.497, 541,621 pp.547~549, 618~619

5. http://www.sunjinenv.com/img/air_1big.gif

6. http://www.khenv.com/tower.htm

7. http://www.khenv.com/pro.htm

8. http://my.ecplaza.co.kr/daesinds/3.asp

9. http://ct.or.kr/~chem/page/study/단위조작.hwp

10. http://www.cheric.org/ippage/e/ipdata/2001/12/file/e200112-02.hwp