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충전물과 충전층에서의 유동특성
1. 충전물(packing)
충전탑은 가스흡수를 위해 사용되는 장치중 가장 일반적이다. 또한 이러한 충전탑의 설계에 있어 가장 핵심이 되는 부분이 바로 충전물(packing) 이다.
1920년대 초기까지는 원시적 형태의 충전물(packing)인 돌조각이나 석탄조각 또는 도자기 파편 등이 사용되었다. 이들은 공극률(ε)이 작으며, 작은 기-액 접촉면적을 가져 높은 압력손실의 운전이 불가피 하였으며 현재 사용되는 충전물들에 비교하면 조잡한 것들이었다. 그 후 pipe를 자른 형태의 Raschig ring이 등장하게 되었고 계속하여 충전물들에 대한 활발한 연구가 이루어져, 현재에는 성능이 우수한 다양한 충전물들이 등장하게 되었다.

[그림 1] 각종 충전물들의 모양
우수한 성능의 충전물이란 무엇을 말하는가? 충전물은 그 고유의 역할이 기-액 접촉면적의 증대이므로 면적인자(a)가 커야 할 것이다. 또한 운전의 경제성을 확보하기 위해 낮은 압력손실로 운전이 가능해야 한다. 물론 재질 상으로도 가볍고 내약품성이 우수해야 하며 온도에 대해서도 광범위하게 적용될 수 있어야 한다.
이상에서 열거한 우수한 충전물의 조건을 토대로 충전물의 선택시 고려해야 할 몇 가지의 사항을 정리해 본다.
1.가격 : 단위체적당의 충전물 가격을 조사한다. 일반적으로 금속제의 충전물보다는 플라스틱제가 싸다.
2.낮은 압력손실 : 같은 액기비와 같은 기-액접촉면적을 갖는 충전층에서 나타내는 운전 압력손실이 적어야 한다. 압력손실은 가스의 유동저항에 기인하며 유동저항은 충전된 충전층의 공극률에 좌우된다. 하지만 대형 탑 내에 충전된 구형(공모양)의 충전물의 경우에 있어서는 그 크기에 관계없이 공극률은 ε=0.35 정도로 모두 같다. 그렇다고 해서 큰 구형의 충전물의 단위 충전고 당의 압력손실이 작은 구형 충전물의 경우와 같지는 않다. 그 것은 대형의 충전물 사이에서 이루는 가스 유동 통로가 상대적으로 작은 충전물의 경우보다 커지게 되며 같은 가스의 유동속도에 대해서도 서로 다른 Reynolds수를 나타내게 된다. Reynolds수는 유동통로의 직경에 대해 Re = VD / υ 이므로 대형 충전물의 경우가 레이놀즈 수가 커지게 되고 마찰계수가 감소하게 되어 작은 압력손실을 나타내게 된다. 또한 충전층에서 압력손실은 Spray되는 액의 유량에 대한 함수가 된다. 액의 Spray 유량이 증가하게 되면 충전물을 덮고 있는 액막의 두께가 두꺼워지게 되고 충전층 사이의 가스 유동 통로는 좁아지게 되어 압력손실은 커지게 된다.
3.내부식성 : 충전물의 재질은 운전되는 가스는 흡수액 및 방응생성물에 의해 부식되어서는 안된다. 일반적으로 내부식을 위해 충전물의 재질로는 플라스틱이나 세라믹(Ceramic, 자기)이 사용된다.
4.큰 비표면적 : 충전물은 비표면적 (a, m2/m3, areafactor)이 커야 한다. 즉 단위 체적당 충전물이 갖는 표면적이 커야 한다. 큰 비표면적이란 큰 기 액접촉면적을 의미하므로 같은 조건에서 운전되는 경우 비표면적이 큰 충전물에서의 흡수 효율이 커지게 된다.
5.기하학적 모양과 액 분배기능 : 충전물의 모양은 충전시 서로 포개져서 엉킨모양(Nesting)이 되거나 Channeling을 일으켜서는 안된다. 이러한 엉킴 현상이나 Channeling현상은 그 충전물이 가지고 있는 비표면적을 최대한으로 이용할 수 없게 한다. 또한 사면(死面, 액에 의해 적셔지지 않는 부분)을 형성하지 말아야 하며 공급된 액이 골고루 분산될 수 있는 구조라야 한다. 이러한 측면에서 선구조 충전물들은 많은 장점을 가지고 있다. 즉 위에서 열거한 엉킴현상과 공동현상이 적으며 액분산이 골고루 될 수 있는 충전물들은 부하점(Loading) 및 익류점(Flooding, 홍수점)이 늦게 오며 운전압력 손실도 적다.
6.온도 : 충전탑의 운전온도가 높을 시에는 충전물의 온도에 대한 특성이 충분히 고려되어야 한다.
7.구조적 강도 : 충전물은 충전시의 압력 및 취급시 파손을 방지하기 위해 구조적으로 튼튼한 강도를 가져야 한다.
8.무게 : 충전물은 충전시 충전물 지지대 및 탑동체 기타 구조물 등에 응력적인 부담을 주지 않기 위해 가벼워야 한다.
9.설계의 용이성 : 충전탑 설계에 있어 충전층에서의 물질 전달 계수와 압력손실을 정확하게 예측하는 것은 매우 중요한 부분 중 하나이다. 따라서 자사의 제품에 대한 정확하고도 풍부한 자료를 공급할 수 충전물의 사용은 설계를 용이하게 한다. |