실험 개요
흡수는 기상의 특정 성분을 액상으로 이동시키는 물질전달 단위조작이다. 학부에서는 보통 공기–CO₂ 혼합기체를 물 또는 NaOH 수용액으로 흡수하면서 입출구 농도를 측정해 흡수 효율과 이론단수를 산출한다. 예비보고서에서는 헨리의 법칙, 두-막 이론, NTU·HTU 표현이 핵심이다.
이론 배경
헨리의 법칙과 평형선
희박 용액에서 pA = H · xA. 평형선과 조작선이 가까울수록 추진력이 작아 더 많은 단수가 필요하다. NaOH 같은 화학반응 흡수에서는 평형이 거의 0에 고정되어 추진력이 극대화된다.
물질수지와 조작선
L (Xin − Xout) = G (Yin − Yout). 희박상 가정에서 X = x/(1−x), Y = y/(1−y). 그래프 위 (X, Y) 좌표에서 조작선의 기울기는 L/G.
HTU·NTU
탑 높이 Z = HTU × NTU. NTU = ∫ dy/(y − y*)는 추진력 적분, HTU = G/(Ky a)는 충전재 효율의 척도. HTU가 작을수록 효율적인 충전재.
실험 장치 및 시약
- — 라싱 링 또는 펠 링 충전탑
- — 공기·CO₂ 봄베와 가스 혼합기
- — 유량계(액체·기체)
- — CO₂ 분석기 또는 적정 장비
실험 절차
- 1.충전탑 상단에서 흡수액(물 또는 0.1 M NaOH)을 일정 유량으로 흘린다.
- 2.하단에서 공기–CO₂ 혼합기체를 일정 조성·유량으로 주입한다.
- 3.정상상태 도달 후 입출구 기체와 액체에서 CO₂ 농도를 측정한다.
- 4.L/G 비를 변화시키며 흡수 효율 변화를 관찰한다.
데이터 처리
물질수지로 흡수량을 검증하고, 평형선·조작선을 그려 NTU를 그래프적으로 적분한다. Z/NTU에서 HTU를 산출하고 충전재 종류별로 비교한다.
예비보고서 항목별 작성 팁
이론
헨리의 법칙 → 조작선·평형선 → NTU·HTU 순으로 연결한다. 화학흡수의 경우 평형선이 거의 0임을 강조.
예상 결과
L/G가 증가하면 NTU가 어떻게 변하는지 정성적 그래프로 미리 그려둔다.
자주 하는 실수
- — 희박상 가정 없이 Y = y로 사용하는 것
- — 정상상태 도달을 기다리지 않고 측정하는 것
- — 물 흡수와 NaOH 흡수의 평형 차이를 무시하는 것
자주 묻는 질문
Q. 왜 충전탑은 단탑보다 효율적인 경우가 있나요?
충전재가 기체–액체 접촉 면적을 크게 만들기 때문입니다. 단탑은 단별 평형 도달에 의존하지만, 충전탑은 연속 접촉으로 작은 추진력에도 효과적입니다. 압력 강하가 작고 부식성 유체에 유리한 것도 장점입니다.
Q. L/G를 너무 크게 하면 어떻게 되나요?
흡수액이 충전재를 가득 채워 기체 흐름을 막는 플러딩(flooding)이 발생합니다. 운전 가능한 L/G는 플러딩 지점의 60~80% 영역입니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Treybal, R.E. — Mass-Transfer Operations, 3rd ed., McGraw-Hill, 1980
- [2]Geankoplis, C.J. — Transport Processes and Separation Process Principles, 4th ed., Pearson, 2003
- [3]Perry's Chemical Engineers' Handbook, 9th ed., McGraw-Hill, 2018