손끝에서 확인 가능한 사실: 액체 내 가스 분산

2022년 9월 1일 | 작성자: Scott Jenkins, 화학 공학 잡지

디퓨저를 통해 액체에 가스를 주입하는 것은 화학 공정 산업(CPI)의 많은 작업에서 중요한 측면입니다. 중요한 응용 분야에는 추가 반응(수소화, 산화, 오존화 등)을 위해 반응 가스를 액상으로 용해시키는 것뿐만 아니라 음료의 탄산화, 발효 공정 자극(그림 1), 처리를 위한 폐수 폭기, 공기 제거 또는 제거 등이 포함됩니다. 화학물질에서 산소 제거, 액체 화학물질에서 휘발성 유기 화합물(VOC) 제거, 연료에서 수분 제거 등. 이 한 페이지 분량의 참고 자료는 물질 전달 속도, 교반 효과 및 장비 선택을 포함하여 액체 내 가스 확산의 주요 측면에 대한 정보를 제공합니다.

그림 1. 가스 살포 응용 분야의 예에서 탱크 바닥에 있는 디퓨저 바는 발효 과정을 자극하기 위해 산소를 방출합니다.

살포 시스템의 주요 목적은 가스-액체 물질 전달 효율(주입된 가스 양에 대한 액체에 용해된 활성 가스 성분의 양의 비율)을 높이는 것입니다. 물질 전달 효율이 낮으면 가스 주입 속도가 높아집니다. 이 경우, 증가된 가스 부피로 인해 원하는 결과를 달성하는 데 드는 비용이 증가합니다. 가스-액체 물질 전달 효율은 주로 액체상의 물질 전달 저항에 의해 제어됩니다.

빠르고 효율적인 물질 전달은 미세한 기포 전파와 관련이 있으며, 이는 액체와 접촉하는 가스 표면적을 증가시킵니다.

가공된 다공성 금속 또는 세라믹 재료는 응용 분야의 요구 사항에 따라 미세한 기포를 생성합니다. 다공성 재료를 사용하면 매우 높은 특정 면적으로 많은 양의 가스가 통과할 수 있습니다. 예를 들어, 동일한 부피의 가스를 사용하는 경우 1mm 기포는 6.35mm(1/4인치) 기포보다 기액 접촉 표면적이 6.35배 더 큽니다[2].

단위 부피당 기체-액체 물질 전달 속도는 다음을 사용하여 계산됩니다. KLa(C* – C), 여기서 KL은 확산도, 액체 점도, 온도 및 혼합에 따라 달라지는 액체상 물질 전달 계수입니다. ; a는 액체와 접촉하는 기포의 계면 면적입니다. C*는 액체 내 기체의 포화 농도입니다. C는 벌크 액체의 농도입니다.

표면 대 부피 비율이 높은 작은 가스 기포를 액체에 분사함으로써 계면 면적 a가 증가하고 가스 물질 전달 속도가 향상됩니다. 저순도 가스 대신 고순도 가스를 사용하기 때문에 물질 이동 추진력(C* – C)도 가스 용해율에 큰 영향을 미칩니다. 예를 들어, 순수한 산소의 물 속 산소 포화 농도는 공기의 산소 농도보다 5배 더 높기 때문에 순수한 산소의 경우 산소 용해율이 크게 증가합니다.

스파저는 공정의 설계 및 작동 조건에 따라 선택됩니다. 사용되는 스파저의 유형 및 구성은 공정이 연속 공정인지 배치인지 여부는 물론 가스 유량, 탱크 크기, 기계적 교반, 작동 등의 요소에 따라 달라집니다. 압력과 온도.

건축 자재. 금속 스파저는 고온, 부식성 또는 산화성 조건에서 사용되는 반면, 온화한 조건에서는 세라믹 스파저로 충분합니다.

가스 출구 속도. 스파저 표면의 가스 배출 속도는 스파저 선택을 위한 중요한 설계 기준입니다. 출구 속도에 대한 실제 가스 체적 유량은 탱크 헤드스페이스 압력(PHeadspace), 스파저의 액체 헤드 압력(PLiquid) 및 스파저 요소 전체의 압력 강하(ΔP)의 합인 압력(P)을 사용하여 계산됩니다. 최소 스파저 표면적은 공정의 가스 배출 속도 제한을 기준으로 합니다.

액상의 기계적 교반이 없을 때 정적 살포 작업의 출구 속도 한계가 가장 낮습니다. 액체가 스파저 표면을 따라 높은 강제 속도를 갖는 교반식 탱크 살포 및 동적 살포의 경우, 가스 출구 속도 제한이 상당히 높기 때문에 동일한 가스 흐름에 대해 더 작은 스파저가 필요합니다. 교반식 탱크 살포 및 동적 살포의 출구 속도 제한은 각각 임펠러 속도 및 액체 속도에 따라 달라집니다.