KR100898268B1 - 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치 - Google Patents

친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치에 관한 것으로, 기액 주입부, 기액흡수평형반응부 및 배출기체분석부를 구비하는 기액 흡수평형 측정 장치에 있어서, 상기 기액흡수평형반응부는 젖음벽, 기체통로 및 열유체통로를 구비하고 상기 젖음벽의 표면은 친수성 코팅재에 의해 코팅처리된 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치에 의하면 젖음벽 기액 흡수평형 측정장치의 핵심 부분인 젖음벽 부분을 친수성화 코팅처리하여 흡수액에 의해 젖는 부분을 균일화함으로써 기액 흡수 평형 상수, 각종 흡수 속도 데이터의 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
젖음벽, 기액, 흡수제, 흡수속도 평형, 코팅

Description

친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치{A measuring device of absorption equilibrium between gas and liquid having the hydrophilic wetted wall}
본 발명은 기액 흡수평형 측정 장치에 관한 것으로, 더 상세하게는 수용액상의 흡수액체가 젖게되는 젖음벽의 표면을 친수성 코팅재로 코팅함으로써 젖음벽에 젖는 흡수액체를 더욱 박막화하여 기액 흡수 평형을 통해 얻을 수 있는 실험데이타의 정밀도를 향상시킬 수 있는 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치에 관한 것이다.
산업공정에서 배출되는 오염 가스를 흡수하여 회수하기 위해서는 처리 대상 기체에 대한 흡수액체의 흡수능, 흡수 속도 및 메커니즘을 알아야 하며, 이는 흡수탑을 설계 하거나 기타 흡수 공정을 설계하기 위해 요구되는 기액 흡수 평형도 및 흡수 반응 속도 계수의 필수적인 기본 자료가 된다.
기액 흡수법은 물에 의한 암모니아 회수를 비롯하여 최근 이슈화되고 있는 대표적 온실가스인 이산화탄소의 아민 수용액 흡수, 이산화황을 흡수 제거하기 위하여 나트륨 또는 칼슘 이온이 포함된 용액을 스프레이로 분사하여 처리하는 방법, BTX와 같은 휘발성 유기 기체의 흡수, 전자 부품 및 웨이퍼 제조시 발생하는 유독 가스의 회수 등 산업 전 분야에 걸쳐 다양하게 응용되고 있다.
종래로부터 기액 흡수에 대한 연구는 다양한 실험 장비를 통해 이루어져 왔다. 가장 고전적이며 간단한 방법으로는, 두 개의 단위 반응기에 제거 대상 기체와액상 흡수제를 각각 분리해 둔 후 일정량의 기체를 주입하여 소모되는 기체의 양을 측정하는 방법이 있다.
이 방법은 장치가 단순하여 기액 흡수 평형에 쉽게 이용 가능하나 기액간의 반응이 주로 표면에서 이루어지기 때문에 기체 및 액체의 교반의 영향을 많이 받으며, 기액 흡수 속도가 느릴 경우 평형의 완료 여부를 정확히 측정하기가 어려워 정확한 데이터를 산출하기 어려운 문제가 있다.
종래의 또 다른 방법으로는 벽을 타고 일정하게 흐르는 박막의 흡수액에 역방향으로 기체를 주입하여 흡수 소모되는 기체의 양과 흡수 속도를 측정하는 젖음벽 방법이 있다.
기액 흡수 반응이 일어나는 상용화 공정은 대부분 충전탑 형태로서 충전물의 표면을 타고 내려오는 흡수액과 하부에서 상단으로 올라가는 기체가 반응하기 때문에 이러한 젖음벽 방법을 이용하여 구한 열역학적 계수는 산업 현장에 곧바로 응용이 가능하다고 할 수 있다.
젖음벽 방법을 사용할 경우 사용하는 흡수액의 성질에 따라 젖음벽의 재질을 선택할 수 있다. 처리 대상 가스가 휘발성 유기 화합물의 경우에는 흡수 대상 기체 가 무극성 기체이기 때문에 소수성 흡수액을 사용하며 이산화탄소, 이산화황, N2O, 암모니아 등 극성 기체 또는 수용성 기체일 경우 친수성 흡수액을 사용한다. 산업 현장에서는 극성 기체를 처리하는 일이 무극성 기체인 휘발성 유기화합물 처리양보다 많기에 친수성 흡수액을 사용하는 경우가 월등히 많으며, 이에 따라 대부분 친수성 흡수액의 메커니즘 분석 및 기액 평형도를 구하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
종래의 젖음벽 기액 평형 장치는 극성 흡수액의 부식성에 대비하기 위하여 젖음벽을 SUS 316 또는 SUS 304의 스테인레스 재질로 제작하거나 석영관을 이용해 제조하지만, 이러한 재질의 젖음벽은 자체적으로 소수성을 띠는 물질이므로 흡수액이 젖음벽 전체에 젖지 않고 불균일하게 젖거나 한 방향으로만 과량으로 흘러 전체적으로 박막을 형성하지 못하고 잔물결을 일으켜 실험 오차로 작용하는 경우가 많았다.
따라서 이러한 오차를 줄이기 위해서 흡수액에 의해 젖는 면적을 크게 하는 경우 장비가 대형화되는 문제가 있으며 흡수액의 공급유량을 늘리는 경우 박막을 제대로 형성하지 못하여 실험 데이터의 정밀도가 떨어지는 문제가 있다.
본 발명은 상기의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 수용액상의 흡수액체가 젖게되는 젖음벽을 친수성 코팅재로 코팅하여 흡수액체가 젖음벽에 젖 는 면적을 크게함으로써 흡수액체를 더욱 박막화하여 기액 흡수 평형을 통해 얻을 수 있는 실험 데이터의 정밀도를 향상 시킬 수 있는 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치는, 기체와 흡수액체를 주입하는 기액주입부, 주입된 상기 기체와 상기 흡수액체의 흡수평형반응이 일어나는 기액흡수평형반응부 및 상기 흡수평형반응후 배출되는 상기 기체를 분석하는 배출기체분석부를 구비하는 기액 흡수평형 측정 장치에 있어서, 상기 기액흡수평형반응부는 내부가 관통되어 상기 흡수액체가 이동하는 통로를 구비하는 젖음벽; 상기 젖음벽 주변에 형성된 기체통로; 및 상기 기체통로의 외곽에 형성되고 상기 기체와 상기 흡수액체가 항온을 유지할수 있도록 열유체가 이동하는 열유체통로를 구비하고, 상기 젖음벽의 표면은 친수성 코팅재에 의해 코팅처리된 것을 특징으로 한다.
상기 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치를 이용한 기액 흡수평형 측정 방법은, (a)열유체를 이용하여 항온조의 온도를 일정하게 유지하는 항온유지단계; (b)흡수액체저장조에 저장된 흡수액체를 상기 항온조를 거쳐 기액흡수평형반응부의 친수성 코팅처리된 젖음벽에 공급하여 정상상태를 유지하는 흡수액체공급단계; (c)상기 흡수액체가 정상상태에 도달한 뒤에 기체봄베를 작동시켜 기체를 상기 항온조를 거쳐 상기 기액흡수반응부의 상기 젖음벽에 유입시키는 기체유입단계; (d)상기 기체와 상기 흡수액체간에 흡 수평형반응이 진행되는 흡수평형반응단계; 및 (e)상기 흡수액체와 상기 기체의 반응 후에 배출되는 상기 기체를 분석하는 배출기체분석단계를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치에 의하면 젖음벽 기액 흡수평형 측정장치의 핵심 부분인 젖음벽 부분을 친수성화 코팅처리하여 흡수액체에 의해 젖는 부분을 균일화함으로써 기액 흡수 평형 상수, 각종 흡수 속도 데이터의 정밀도를 향상시킬 수 있는 장점이 있다.
또한 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치를 이용하여 흡수 제거하고자 하는 기체에 대응하는 최적의 흡수액체에 대한 연구를 더욱 원활히 할 수 있게 됨으로써 기액 흡수 반응 연구 분야에서 필수 장비로 사용될 수 있는 효과가 있다.
이하 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치의 개략도이다.
도 1을 참고하면 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비한 기액 흡수평형 측정 장치(100)는 대상 기체와 흡수액체를 주입하는 기액주입부(110), 공급되는 기체와 흡수액체를 흡수평형반응시켜 기액 평형을 측정하는 기액흡수평형반응부(120) 및 기액흡수평형반응후 배출되는 기체를 분석하는 배출기체분석부(130)를 구비한 다.
기액주입부(110)는 측정하고자 하는 대상 기체의 기체봄베(111), 유입되는 기체의 유속을 조절하거나 측정하는 유입기체 질량유속계(112), 흡수액체를 임시로 저장하는 흡수액체저장조(113), 고압정밀 정량펌프(114) 및 기체와 흡수액체를 일정한 온도로 가열해주는 항온조(115)로 구성되며, 반응이 끝난 흡수액체는 흡수액체저장조(151)로 다시 배출된다.
기액흡수평형반응부(120)는 젖음벽(121), 기체통로(122) 및 열유체통로(123)의 세 부분으로 크게 나누어 진다.
젖음벽(121)은 면적을 알고 있는 타원형의 물체로써 중앙을 관통하여 흡수액체가 지나갈 수 있는 통로가 있으며, 기액주입부(110)에서 올라온 흡수액체가 젖음벽(121) 위까지 올라온 후에 중력에 의해 젖음벽의 표면을 타고 내려와 기액흡수평형반응부(120) 하단에 있는 배출구로 배출되는 구조이다.
이를 상단에서 보면 둥근 도넛형태인데, 한 가운데에 젖음벽(121)이 있고 젖음벽의 주변에 기체통로(122)가 있으며 기체통로(122)의 외곽에 열유체통로(123)가 위치하며 각각의 경계에 유리관(124)이 설치된 구조이다.
젖음벽의 구조에 대해서는 도 2에서 후술하기로 한다.
배출기체분석부(130)는 배출기체의 유속을 조절하거나 측정하는 배출기체 질량유속계(131) 및 기체분석기(132)로 구성되어 있다.
기체는 기액주입부(110)에서 기액흡수평형반응부(120)로 유입되어 흡수액체와 흡수평형 반응을 마친 후 기액흡수평형반응부(120)의 상단으로 배출되어 배출기 체분석부(130)로 향한다.
기체분석기(132)에서는 처음 주입된 기체의 성분 대비 흡수평형 반응 후 배출되는 기체의 농도를 분석하여 흡수액체에 의한 흡수 정도를 측정한다.
상기의 장치에서 기체와 흡수액체의 흐름은 볼밸브(7a, 7b, 7c, 7d, 7e)로 조절된다.
도 2는 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치의 젖음벽의 확대도이다.
도 2를 참고하면 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치의 젖음벽(121)은 흡수액체가 더욱 원활히 흐를수 있도록 타원형으로 형성되어 있으며 그 표면(121a)이 친수성의 코팅층(121b)으로 코팅되어 있음을 알 수 있다.
상기 젖음벽(121)의 표면(121a)은 흡수액체에 의한 부식을 방지하기 위해 SUS(Stainless Steel) 316 또는 SUS 304의 스테인레스 재질로 형성된다.
상기 표면(121a) 위에는 0.002mm ~ 0.01 mm의 친수성의 코팅층(121b)이 형성되어 있으며, 상기 코팅층(121b)은 TiO2 (rutile)/SiO2의 혼합물로 구성된다.
상기 코팅층(121b)은 젖음벽에 대한 흡수액체의 젖음도를 높이기 위하여 코팅한 것으로써 코팅 전 물의 접촉각은 105ㅀ 내외 였으나, TiO2/SiO2의 혼합물로 코팅한 후에는 그 접촉각이 약 5ㅀ이하로 작아졌다.
이때 상기 코팅층(121b)에서 상기 TiO2에 대한 SiO2의 조성비는 1:0.65 내지 1: 1.3 인 것이 물의 접촉각 측면에서 가장 바람직하다.
도 3은 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치의 젖음벽에서 젖는 면적을 종래기술과 비교한 도면이다.
도 3을 참고하면 젖음벽의 표면에 친수성의 코팅층을 형성함으로써 흡수액체가 젖음벽의 전체에 걸쳐 균일하게 젖게되고 따라서 흡수액체를 더욱 박막화하여 기액 흡수 평형을 통해 얻을 수 있는 실험데이터의 정밀도를 향상시킬 수 있게된다.
도 4는 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치를 이용한 기액 흡수평형 측정 방법의 흐름도이다.
도 1 내지 도 4를 참고하면 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치를 이용한 기액 흡수평형 측정 방법은, 항온유지단계(S410), 흡수액체공급단계(S420), 기체유입단계(S430), 기액흡수평형반응단계(S440) 및 배출기체분석단계(S450)를 구비한다.
항온유지단계(S410)에서는 항온조(115)에 열유체를 채운 후 실험하고자 하는 온도로 승온하여 항온을 유지한다.
흡수액체공급단계(S420)에서는 흡수액체저장조(113)에 저장된 흡수액체를 고압정밀 정량펌프(114)를 이용하여 상기 항온조(115)를 거쳐 기액흡수평형반응부(120)의 친수성 코팅 처리된 젖음벽(121)에 공급하여 정상상태를 유지하도록 한다. 이때 기액흡수평형반응부(120)에 공급된 흡수액체는 젖음벽(121)에 일정한 박막을 형성한다.
기체유입단계(S430)에서는 흡수액체가 정상 상태를 형성한 후 기체봄베(111)를 작동시켜 유입기체 질량유량계(112)를 통해 박막이 형성될 수 있는 유량만큼 기액흡수평형반응부(120)로 일정하게 유입시킨다.
흡수평형반응단계(S440)에서는 유입된 기체와 흡수액체간에 흡수평형반응이 진행된다.
상기 흡수액체공급단계(S420) 내지 상기 기액흡수평형반응단계(S440)가 진행되는 동안에는 항온유지단계(S410)에서 항온조(115)를 일정온도로 유지하는데 사용되는 상기 열유체를 상기 기액흡수평형반응부(120) 내부로 순환시켜 상기 기액흡수평형반응부(120)를 일정 온도로 유지시킨다.
배출기체 분석단계(S450)에서는 유입되는 기체와 흡수액체의 흡수평형 반응 후 배출되는 기체의 농도를 실시간으로 분석함으로써 흡수액체에 의해 제거되는 기체의 속도 및 평형에 관한 데이터를 얻을 수 있다.
이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부 도면과 함께 서술하였지만 이는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술적 사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정 장치의 개략도이다.
도 2는 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정 장치의 젖음벽의 확대도이다.
도 3은 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정 장치의 젖음벽에서 젖는 면적을 종래기술과 비교한 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정 장치를 이용한 기액 흡수평형 측정 방법의 흐름도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110 : 기액주입부 111 : 기체봄베
112 : 유입기체질량유량계 113 : 흡수액체저장조
114 : 고압정밀 정량펌프 115 : 항온조
120 : 기액흡수평형반응부 121 : 젖음벽
121a : 젖음벽의 표면 121b : 코팅층
122 : 기체통로 123 : 열유체통로
124 : 유리관 130 : 배출기체분석부
131 : 배출기체질량유량계 132 : 기체분석기
7a, 7b, 7c, 7d, 7e : 밸브

Claims (9)

  1. 기체와 흡수액체를 주입하는 기액주입부, 주입된 상기 기체와 상기 흡수액체의 흡수평형반응이 일어나는 기액흡수평형반응부 및 상기 흡수평형반응후 배출되는 상기 기체를 분석하는 배출기체분석부를 구비하는 기액 흡수평형 측정 장치에 있어서,
    상기 기액흡수평형반응부는
    내부가 관통되어 상기 흡수액체가 이동하는 통로를 구비하는 젖음벽;
    상기 젖음벽 주변에 형성된 기체통로; 및
    상기 기체통로의 외곽에 형성되고 상기 기체와 상기 흡수액체가 항온을 유지할수 있도록 열유체가 이동하는 열유체통로를 구비하고,
    상기 젖음벽의 표면은 SiO2와 TiO2의 혼합물로 구성된 친수성 코팅층에 의해 코팅처리된 것을 특징으로 하는 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 젖음벽의 표면은
    SUS 316 또는 SUS 304의 스테인레스 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 젖음벽은
    타원형으로 형성된 것을 특징으로 하는 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수 평형 측정장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 친수성 코팅층은
    0.002mm ~ 0.01mm 의 두께인 것을 특징으로 하는 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 TiO2에 대한 상기 SiO2의 조성비는
    1:0.65 내지 1: 1.3 인 것을 특징으로 하는 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 기체는
    이산화황, 이산화질소 또는 이산화탄소 중에서 선택된 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 흡수액체는
    아민류, 황산나트륨, 탄산칼륨 또는 염소산나트륨 중에서 선택된 어느 하나이상인 것을 특징으로 하는 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 기액주입부는
    상기 기체를 정량적으로 측정하여 주입하는 기체봄베;
    유입되는 상기 기체의 유속을 조절하거나 측정하는 질량유속계;
    상기 흡수액체를 임시로 저장하는 흡수액체저장조; 및
    상기 기체와 상기 흡수액체를 일정 온도로 가열해주는 항온조를 구비하는 것을 특징으로 하는 친수성 젖음벽을 구비하는 기액 흡수평형 측정장치.
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