기체 흡수(absorption) 실험

목차

1. 실험목적

2. 실험이론 및 원리

3. 장치 및 시약

4. 실험방법

5. 실험결과

6. 토의 및 고찰

7. 참고문헌

◈ 참고자료

본문내용

tch process)의 방법도 쓰인다. 여하간 용액과 가스의 접촉면적을 충분히 크게 하는 것이 중요한 점이다.
기체흡수의 이론은 기액평형에서의 가스의 용해도와 경막을 통한 용해속도가 기초가 된다. 일반적으로 가스의 액체에 대한 용해도는 가스의 종류에 따라 많이 달라진다. 지금 물을 용매로 하는 경우를 예로 들면
{ NH}_{3 }
, HCl과 같이 매우 녹기 쉬운 것으로부터
{ SO}_{2 }
,
{ CO}_{2 }
와 같이 중간정도의 용해도인 것, 또
{ N}_{2 }
,
{ O}_{2 }
와 같이 거의 용해하지 않는 것까지 실로 광범위하다.
일반적으로 온도가 낮을수록 가스의 용해도가 크므로 가스흡수는 저온일수록 좋다. 그 때문에 용액의 점도가 증가되어 도리어 불리하게 되는 일도 있다. 또 화학반응을 수반하는 흡수에서는 너무 저온이면 반응속도가 늦어 실용이 안되는 경우도 있다. 한편 HCl 이나
{ NH}_{3 }
등의 가스는 물에 용해될 때에 발열이 심하므로 흡수탑내의 냉각을 고려할 필요가 있다.
또 가스흡수에 관계 있는 장치로서 세정기(scrubber)라는 세척탑이 있다. 이것은 가스 혼합물 중의 불필요한 성분을 물 등으로 세정·제거하는 일종의 흡수 장치이다. 반대로 일단 용액에 흡수된 가스를 재차 용액에서 분리시키기 위해서 수증기나 공기, 기타 가스를 용액에 불어넣는 일이 종종 있다. 이러한 조작을 하는 장치를 방산탑(stripper) 이라고 한다.
● 충전탑의 직경
충전탑의 높이는 소정의 분리에 필요한 조건으로부터 결정되지만, 탑의 직경은 기액의 처리량에 의해서 정해진다. 가스흡수에서는 충전물의 표면이 가능한 한 액으로 잘 덮혀서 기액의 유효한 접촉면적을 크게 하는 것이 필요하다. 액량이 적으면 충분한 유효접촉면적은 기대할 수 없다. 적어도 단위단면적당의 액유량이 5m3/m2·h 이상이 되도록 탑직경을 고려하던지 혹은 흡수액의 일부를 재순환시켜서 액유량을 증가시킨다.
액유량을 일정하게 해서 가스유량을 증가시키면, 탑내에 모여있는 액량 즉 액체류량(hold up)은 어느 가스유량을 넘기면 증가하기 시작하고 동시에 가스압 손실도 증가하게 된다. 이 상태를 부하(loading)라고 부르며, 이 때의 가스 유속을 부하속도라 한다. 더욱이 가스유속을 증가시키면 어떤 값에서 정체량이 급격히 증가하여 액은 흐를 수 없게 되고, 탑정에서 넘쳐 버린다. 이 현상을 왕일(flooding)이라고 부른다. 일반적으로 왕일 속도의 50∼70% 정도의 값으로 조작하는 것이 좋다고 말하며, 거의 부하 속도에 가깝기 때문에 탑경은 이 부하 속도 범위에서 운전 가능하도록 설계된다. 충전탑의 왕일 이나 부하 속도에 관한 연구는 예로부터 행해져 오고 있고, 종종 실험식이 제출되고 있다. 그림 4.24는 부하속도에 관하 상관도의 하나이다. 이 곡선의 아래가 안전권이며, 이 곡선의 세로축에서 구해진 가스의 공탑속도 uG[m/s]를 유지하도록 탑의 단면적 S[m2]를 결정하면 좋다. 가로축의 G, L은 가스, 액의 질량속도[kg/m2·s]이다. ρG, ρL은 가스, 액의 밀도[kg/m3]이다. 세로축 각 항은 각각 무차원으로 uL은 액공탑속도, μL은 액점도[Pa·s], g는 중력가속도 9.8m/s2, Dp는 충전물 대표 길이[m], atDp는 충전물 대표 길이와 비표면적의 곱이며, 충전물에 의해 결정되는 값이다.
● 충전탑의 온도변화
농후기체가 흡수탑에 공급되면 탑의 온도는 밑바닥과 꼭대기 사이에서 상당히 변화한다. 용질의 흡수열은 용액온도를 높이지만, 때에 따라서는 탑 밑바닥 근처에서 온도가 최대를 이룬다. 온도분포의 모양은 용질의 흡수속도, 용매의 증발이나 응축 및 상들간의 열전달에 관계된다. 기체의 입구온도가 액체의 출구온도와 근접해 있고, 들어오는 기체가 포화되어 있으면 증발은 거의 영향이 없으며, 액체온도의 증가는 대충 흡수된 용질의 양에 비례한다.
액체 유량이 감소하면 액체의 온도상승이 증가하고 평형선 위치를 변경시키기 때문에, 평형선의 곡률은 최소 액체유량을 구하는 데 복잡하게 만든다. 대부분의 경우, Lmin을 계산하기 위해 탑 밑바닥에서 핀치(pinch)가 생긴다고 가정하면 만족할 만하다.
● 탈리 또는 탈거
많은 경우에 기체 혼합물로부터 흡수된 용질은 액체에서 탈리되어 보다 농축된 형태로 용질을 회수하며, 흡수 용액을 재생시킨다. 탈리를 위해 좀더 좋은 조건을 만들려면, 온도를 높이거나 압력을 감소시켜야 하며, 또는 두 가지 변화를 모두 이용해야 한다. 용질을 거의 대부분 제거하기 위해서는 일반적으로 몇 개의 단이 필요하며, 탈리나 탈거는 액체와 기체가 향류흐름을 갖는 탑에서 이루어진다. 수증기가 탈거매체로 이용되면 응축될 수 있기 때문에 용질 회수가 쉬어진다.
흡수와 탈거의 총괄 공정에서 수증기 비용이 종종 주요 비용이 되므로, 가능하면 수증기를 적게 쓰도록 공정이 설계된다. 탈거탑은 최소 증기유량에 가깝게 운전되며, 용질의 일부는 완전히 회수시키려고 하기보다는 탈거된 용액에 남겨 둔다.
● 화학반응을 동반한 흡수
액상 반응이 뒤따르는 흡수는 종종 기체 혼합물로부터 용질을 보다 완전하게 제거하는 데 이용된다. 흡수와 반응이 있는 경우, 보다 유리한 점은 물질전달계수가 증가하는 것이다. 흡수가 동적 액체 체류지역은 물론 거의 정지한 지역에서도 일어날 수 있기 때문에, 이런 증가의 일부는 유효 계면면적의 증가에서 생긴다.
● 충전탑에서의 다른 분리공정
충전탑은 가끔 기체흡수와 마찬가지로 증류, 액-액 추출 및 조습에도 사용된다. 설계는 총괄 전달계수나 전달단위 수 및 1개 전달단위의 높이에 근거해서 알 수 있다. 기상이 연속상이고 액체가 충전물 위로 실개천을 이루는 증류나 증습의 경우, 물질전달계수와 범람 특성이 기체흡수의 경우와 비슷하기 때문에 똑같은 일반 상관관계가 적용된다.
● 충전탑에서의 증류
충전탑은 연속증류나 회분증류에 대한 분별 증류탑으로 사용될 수 있다. 충전층의 상당높이(HETP)는 일반적으로 1내지 2ft범위에 있다. 상당이론단당 압력강하는 일반적으로 체판형 단이거나 포종 단보다 작은데, 바로 이 점이 진공 조작에 대한 중요한 장점이다.

키워드

흡수,   흡수탑,   충전탑,   헨리의법칙