Absorption & Stripping

1. Introduction

 Absorption(also called Gas Absorption, Gas Scrubbing, Gas Washing)에서는 Gas Phase에서 Liquid solvent로 하나 이상의 물질이 전이된다. Liquid 상태로 옮겨진 물질들은 Solutes(용질) 또는 Absorbate(흡수물)이라고 불린다. Absorption은 계에 존재하는 화학 물질의 변화를 포함하지 않는다. Absorption은 Gas 혼합물을 분리하거나 불순물을 제거하거나 화학물질을 회수하는데 사용된다.

 Gas-Liquid Absoprtion은 적절한 용매를 사용하여 기체 혼합물에서 특정 가스를 분리하는 단위 과정이다. Absorption은 일반적으로 불순물을 줄여 공정 효율을 높이고 가스 혼합물에서 유독 가스를 제거하는 등의 용도로 사용된다.

 Solvent(용액)에 흡수된 Solute(용질)을 제거하는 작업을 Stripping이라고 한다. Absorber(흡수, 흡수체)는 일반적으로 Stripper와 함께 사용되어 Absorbent(흡수제)의 regeneration (또는 recovery) 및 재활용을 가능하게 한다. Stripping은 완벽하지 않기 때문에 Absorbent로 재활용되는 Absorber에는 Absorber로 들어가는 vapour에 존재하는 물질이 포함되어 있다. Water를 Absorbent로 사용할 떄, Absorbent를 일반적으로 stripping 보다는 distillation을 통해 solute로부터 분리한다.

Fig. 1. Typical Absorption Process

 

 일반적인 Absorption Process의 Industrial Opeartion Fig. 1.과 같다. 공기(21% O2, 78% N2, 1% Ar)와 Water Vapour, Acetone Vapour가 포함된 Feed는Water와 Acetone에 젖은 Solid Cellulose Acetate Fiber가 건조기로부터 나오는 Gas이다. Acetone은 Water를 Absorbent(흡수제)로 사용하여 30-tray Absorber에서 제거된다. Air Stream에서 Acetone이 제거된 비율은 (10.25/10.3) × 100 = 99.5%이다.

 Water에 의해 흡수되는 주요 성분은 Acetone이지만, Water에 의해 O2와 N2도 조금 흡수되었다. 또한, Feed Gas보다 Exit Gas에 Water의 양이 더 많은 것을 확인할 수 있어 Water 또한 Stripping되었음을 알 수 있다. Exit Liquid의 온도는 Water를 제거하는 데 필요한 Vaporization Energy를 공급하기 위해 3℃가 감소한다. 이 에너지는 Acetone의 Absorption으로부터 해방된 Condensation Energy보다 크다.

Fig. 2. Equipment for Absorption and Stripping

 

 Absorber와 Absorption 장비의 성능을 예측하기 위해 사용되는 방정식을 개발하기위해 일반적으로 세 가지 접근법(Mass Transfer Coefficients, Graphical Solution, Absorption Factor)이 사용되었다. Graphic Solution은 하나 또는 두 개의 구성 요소에 사용하기 간단하며 변수와 모수의 상호 관계에 대한 명확한 그래픽 표시를 제공한다. 그러나 몇 가지 Solute가 존재하므로 고려해야할 경우 Graphic 기법은 매우 따분한 방식이다. Absorption Factor 접근 방식은 손이나 컴퓨터 계산을 활용할 수 있다. Abosportion과 Stripping은 주로 Fig. 2.와 같이 Packed Column과 Plate Column(Trayed Tower)에서 운전된다.

 

2. Single-Component Absorption

 대부분의 Absorption 또는 Stippring 작동은 Gas Flow가 Column의 하담에 유입되고 Liquid Solvent가 Column의 상단에 유입되는 역류 흐름 process에서 작동한다. Packed & Plated Columns에 대한 Mathematical Analysis는 비슷하다.

Fig. 3. Countercurrent Absorption Process

 

 전반적인 역류 흐름 Absorption Process에 대한 Material Balance는 다음과 같다.

 

 물질 A에 대한 Material Balance는 다음과 같다.

 

 일부 문제의 경우, Solute가 없는 기준을 사용하면 식을 단순화할 수 있다. Solute가 없는 농도는 다음과 같이 정의된다.

 

 Carrier Gas가 Solvent에 완전히 용해되지 않고 Solvent가 완전히 비휘발성인 경우, Carrier Gas와 Solvent 속도는 Absorber 전체에서 일정하게 유지된다. L^_을 이용하여 비휘발성 유량을 나타내고 V^_를 이용하여 Carrier Gas Flow Rate를 나타내면 Solute A의 Material Balance는 다음과 같다.

 

 Solute A의 Material Balance는 Column의 어드 부분에서나 적용할 수 있다. 예를 들어, Column의 Top 부분에 대한 Mateiral Balance는 다음과 같다.

 

 위 방정식에서 X^_,A와 Y^_,A는 양 끝을 포함한 Column의 임의의 위치에서 각각 액상과 증기상에서의 A의 몰비이다. 위 식은 Operation Line이라고 불리며 X^_,A와 Y^_,A 좌표에 표시할 때 기울기가 L^_/V^_인 직선이다.

Equlilbrium 관계는 종종 Henry's law 상수로 주어지는데, 다른 많은 방법으로 표현될 수도 있다.

 

 위 방정식에서 PA는 용액에 대한 물질 A의 부분압력이고, CA는 mole/volume 단위를 갖는 몰 농도이다. Henry's law 상수 H와 m은 각각 pressure/molar concentration과 pressure/mole fraction을 가진다. K는 평형 상수 또는 증기-액체 평형 비율이다. 아래 Table. 1.은 물에 있는 다양한 기체애 대한 Henry's law 상수 m에 대한 자료이다.

Table. 1. Henry's Law Constant for Gases in water^4 (m×10^-4 atm/mole fraction)

 

 

 

REFERENCE

• Chapter 5, Absorption and Stripping