개념 한 쪽
흡수와 흡착은 기체와 액체 또는 고체 사이에서 물질이 이동하는 기본 분리 조작 원리이다. 충전탑과 같은 장치에서는 기액 접촉 상태를 유지하는 것이 핵심이며, 편류나 플러딩과 같은 유동 이상현상이 효율을 저해하므로 이를 예방하는 설계가 필요하다. 물질수지를 다루는 문제에서는 변하지 않는 성분을 기준으로 잡아 출구 조성이나 흡수량을 계산하는 접근이 유리하다.
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출제기준 단원 「흡수, 흡착 원리」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 플러딩 방지 설계 판단 | 1 | 직경과 선속도의 관계로 플러딩 방지 조건을 고르기 |
| 물질수지 흡수량 계산 | 1 | 불변 성분을 기준으로 출구 총몰수와 흡수량을 계산하기 |
| 충전물 다단 충전 목적 판단 | 1 | 충전물을 여러 단으로 나누는 주된 이유를 설명하기 |
편류(Channeling)는 충전물 내부에서 액체나 기체가 일부 경로로만 집중되어 흐르는 현상이며, 이로 인해 기액 접촉 면적과 분리 효율이 저하된다. 편류를 방지하려면 충전물의 불규칙한 배치, 탑경과 충전물 지름의 적절한 비 유지, 액체 재분배기 설치 등으로 흐름을 고르게 분산시켜야 한다. 탑 높이를 높이는 것은 편류 자체를 직접적으로 방지하는 수단이 아니므로 주의해야 한다.
플러딩(flooding)은 상승하는 기체의 선속도가 임계값을 초과하거나 액체 유량이 과다할 때 발생하며, 기체가 액체를 밀어올려 탑 내부에 액체가 고이는 현상이다. 플러딩을 방지하려면 기체의 선속도를 임계 이하로 유지해야 하며, 기체 유량이 일정할 때는 탑의 단면적을 넓혀 선속도를 낮추는 것이 효과적이다. 탑의 높이는 주로 분리 성능과 압력강하와 관련되며 플러딩 직접 제어와는 구별된다.
흡수에서 탈거(desorption)는 흡수의 반대 과정으로, 기체가 용액에서 분리되도록 온도를 올리고 압력을 낮추는 조건이 유리하다. 탈거 효율을 높이려면 역류(counter-current) 접촉 방식이 일반적으로 보다 효과적이며, 수증기나 불활성 기체를 매체로 이용해 흡수된 기체를 밀어내는 방법도 사용한다.
물질수지 문제에서는 흡수되지 않는 불변 성분을 기준 성분으로 선택하여 입구와 출구의 몰수 균형을 세우는 것이 핵심이다. 불변 성분의 몰수를 이용해 출구 총 몰수를 역산하고, 이를 통해 흡수된 성분의 절대량이나 제거율을 계산할 수 있다.
혼합기체 100mol/h 중 A 30vol%가 흡수되지 않고 통과하며 B가 일부 흡수되는 경우, A의 몰수 보존 법칙을 적용하여 출구의 전체 몰수를 구한다. 예컨대 입구 A = 30mol/h이고 출구에서 A가 80vol%이면 출구 총몰수는 30 ÷ 0.8 = 37.5mol/h가 된다. 따라서 흡수된 B의 양은 100 − 37.5 = 62.5mol/h로 계산한다.
충전탑 내 유효 속도와 실제 평균 속도 관계에서는 유효 속도 = 공극률 × 평균 속도가 성립한다. 공극률이 0.3이고 유효 속도가 0.9m/s이면 평균 속도는 0.9 ÷ 0.3 = 3.0m/s가 된다. 전달단위법에서는 충전물 높이는 NTU × HTU로 계산하므로 NTU=20, HTU=0.7m이면 필요 높이는 14m가 된다.
충전 흡수탑에서 플러딩(flooding)이 일어나지 않게 하기 위한 조건은?
정답 ③ · 충전 흡수탑에서 플러딩(flooding)은 기체의 유속이 너무 빠르거나 액체의 유량이 과도하여 하강하는 액체가 상승하는 기체에 의해 역류하지 못하고 탑 내부에 범람하는 현상입니다. 이를 방지하기 위해서는 기체의 선속도를 낮추어야 하며, 유량이 일정할 때 탑의 단면적을 넓히면 기체 선속도가 감소합니다.
플러딩은 기체 선속도가 임계값을 초과할 때 발생하므로, 단면적을 넓혀 선속도를 낮춰야 한다.
기체 A 30vol%와 기체 B 70vol% 기체 혼합물에서 기체 B의 일부가 흡수탑에서 산에 흡수되어 제거된다. 이 흡수탑을 나가는 기체 혼합물 조성에서 기체 A가 80vol%이고 흡수탑을 들어가는 혼합기체가 100mol/h 라 할 때, 기체 B의 흡수량(mol/h)은?
정답 ② · 흡수탑에서 흡수되지 않는 기체 B의 흡수량을 물질수지로 계산하는 문제이다. 흡수되지 않는 기체 A는 입구와 출구에서 몰수가 변하지 않으므로 계산의 기준 성분이 된다.
불활성 기체 A의 몰수는 변하지 않으므로, 입출구 A의 몰수 균형을 세워 B의 흡수량을 구한다.
다음 중 높이가 큰 충전탑(packed tower)에서 충전물(packing)을 3~5m 높이로 나누어 여러 단으로 충전하는 가장 주된 이유는?
정답 ① · 문제는 충전탑에서 충전물을 여러 단으로 나누어 채우는 주요 이유를 묻고 있다. 주된 목적은 액체의 편류(channeling)를 억제하여 기액 접촉 효율을 높이는 것으로, 단일 긴 층에서 액체가 한 쪽으로 쏠리면 유효 접촉면적이 줄어들기 때문이다.
충전탑에서 충전물을 여러 단으로 나누어 채우는 주된 이유는 편류(Channeling) 현상을 방지하여 기액 접촉 효율을 유지하기 위함이다.
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