개념 한 쪽
충전 흡수탑은 기체와 액체가 접촉하여 물질이 이동하는 장치로, 유동 불균일이나 유량 불균형이 발생하면 성능이 저하된다. 탑 내 편류와 채널링, 범람 등 운전 이상을 이해하고, 충전물 선정과 탑 직경 기준, L/V와 HTU·NTU의 관계를 숙지해야 설계와 운전에서 오류를 피할 수 있다.
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출제기준 단원 「흡수, 흡착 장치」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 채널링 정의 판별 | 1 | 기체가 특정 경로로만 흐르는 현상을 묻는 용어 선택 |
| 충전물 선정의 부적절 조건 고르기 | 1 | 충전물 선정 시 공곡률 등 고려사항 중 가장 거리가 먼 항목 판별 |
| 편류 방지 위한 탑 직경 기준 | 1 | 편류 최소화 위해 탑 직경을 충전물 지름의 몇 배로 하는지 판단 |
충전 흡수탑에서는 기체와 액체가 역류하면서 접촉하여 흡수가 일어난다. 이때 유체가 탑 내에서 고르게 분포하지 못하고 특정 경로로만 흐르면 접촉면적이 감소하여 흡수 효율이 떨어지므로 이를 채널링 또는 편류라고 부른다. 채널링은 기체가 탑 내부에서 특정 경로로만 흐르는 현상으로, 주된 성능 저하 원인 중 하나다.
범람(Flooding)은 기체 유속이 너무 커져 액체가 정상적으로 하강하지 못하고 탑 상부로 밀려 올라 넘치는 현상이다. 범람이 발생하면 탑의 정상 운전이 불가능해지고 압력강하와 운전 불안정이 발생하므로 유량 범위를 제한하여 운전해야 한다. 플로딩과 범람은 유사하지만 문맥상 범람은 액체가 넘치는 현상을 직접 가리킨다.
충전물(packing) 선정 시 고려사항은 기액 접촉률, 압력강하, 내구성 등이다. 공곡률(void fraction, 빈 공간의 비율)은 가능한 한 커야 유체의 흐름이 원활하고 압력강하가 낮아지므로, '공곡률을 가능한 한 작게'라는 설명은 부적절하다. 탑 직경과 충전물 크기의 비(직경/충전물 직경)는 편류 발생과 직결되므로 설계 시 중요 지표로 다룬다.
흡수탑 설계에서 탑 높이는 이동단위수(NTU)와 이동단위높이(HTU)의 곱으로 주어진다(Z = HTU × NTU). HTU는 단위 높이당의 전달 저항을 나타내고, NTU는 처리해야 할 농도 변화의 총량을 나타내는 무차원 수이다. NTU는 농도차의 적분으로 해석해야 하며 불활성 성분 조성의 역수와 혼동해서는 안 된다. L/V 비율은 조작선 기울기에 영향을 주어 탑 높이와 경제성에 결정적 역할을 한다.
충전탑에서 편류를 줄이려면 탑 직경을 충분히 크게 설계해야 한다. 일반적인 권고 기준으로 탑 직경을 충전물 직경의 8배 이상으로 하면 액체의 고른 분포를 유도하여 편류를 최소화할 수 있다. 일부 자료는 8~10배 범위로 제시하므로 설계 여건에 따라 이 범위를 적용하면 된다.
채널링을 판단하는 문제는 '기체가 특정 경로로만 흐른다'는 서술을 확인하면 빠르게 정답을 찾을 수 있다. 범람을 묻는 문제는 '기체 속도↑ → 액체가 흘러내리지 못하고 넘친다'는 인과관계를 기억하면 구별하기 쉽다. HTU·NTU 관계 문제는 Z=HTU×NTU 공식을 활용하고 NTU는 농도 변화의 적분이라는 정의를 먼저 떠올려서 오답을 제거한다.
충전 흡수탑내에서 탑하부로부터 도입되는 기체가 탑내의 특정 경로로만 흐르는 현상은?
정답 ④ · 문항은 충전 흡수탑에서 기체가 탑하부로부터 특정 경로로만 흐르는 현상의 명칭을 묻는다. 기체가 일부 통로로만 집중되어 흐르는 현상은 채널링(channeling)이라 부르며, 이로 인해 접촉면적이 줄고 흡수 효율이 떨어지게 된다.
기체가 특정 경로로만 흐르는 현상을 채널링(Channeling)이라 하며, 이는 효율 저하의 주요 원인이다.
흡수탑의 충전물 선정 시 고려해야 할 조건으로 가장 거리가 먼 것은?
정답 ④ · 문항은 흡수탑의 충전물 선정 시 고려사항 중 부적절한 것을 묻고 있다. 충전물은 기상과 액상의 접촉면적을 키워 질량전달을 향상시키고 동시에 압력강하를 낮추어 유체의 유통을 원활히 하는 성질이 요구된다.
충전물은 기액 접촉률 높이고 압력강하 낮추며 내구성이 좋아야 하므로 공곡률 최소화는 오히려 역효과다.
기체 흡수에 관한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ④ · 문제는 기체 흡수에서 주어진 설명들 중 틀린 것을 찾는 것이다. 항류 흡수탑에서는 한계 기액비(limiting L/V ratio)가 설계와 경제성에 결정적 영향을 주며 이 값 근처에서는 타워 길이가 급격히 증가하므로 한계 기액비가 영향이 적다는 주장은 잘못이다.
항류 흡수탑에서 기액비는 흡수 효율과탑 높이에 직접적인 영향을 미치며, 한계 기액비는 설계의 핵심 변수이다.
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