Chapter 16

물질 전달 장치

충전탑(packed column)은 기체 흡수, 증류, 추출 등에 사용되는 핵심 물질 전달 장치이다. 탑 높이는 $Z = \text{HTU} \times \text{NTU}$로 계산되며, 조작선과 평형선의 x-y 다이어그램에서 그래픽 방법으로 NTU를 결정한다.

Packed Column HTU NTU Operating Line Equilibrium Line

충전탑의 기초

충전탑은 충전물(packing)이 채워진 원통형 탑으로, 기체와 액체가 향류(counter-current)로 흐른다. 액체는 위에서 아래로 흐르고 기체는 아래에서 위로 흐르며, 충전물 표면에서 접촉하여 물질 전달이 일어난다. 탑 높이 설계의 핵심은 HTU(이동 단위 높이)와 NTU(이동 단위 수)의 곱이다.

$$ Z = \text{HTU} \times \text{NTU} $$
$$ \text{HTU} = \frac{G}{k_y a} \quad \text{or} \quad \text{HTU} = \frac{L}{k_x a} $$
$$ \text{NTU} = \int_{y_{\text{out}}}^{y_{\text{in}}} \frac{dy}{y - y^*} $$
Q1. HTU = 0.5 m, NTU = 6일 때 필요한 충전탑 높이는?
$Z = \text{HTU} \times \text{NTU} = 0.5 \times 6 = 3.0$ m. HTU는 물질 전달 효율(충전물 성능)에 의해 결정되고, NTU는 분리 난이도(조성 요구사항)에 의해 결정된다. 좋은 충전물(낮은 HTU)을 사용하면 탑 높이를 줄일 수 있다.

HTU-NTU 방법

NTU는 x-y 다이어그램에서 조작선과 평형선 사이를 계단식으로 올라가며 결정한다(그래픽 NTU 스테핑). 조작선은 물질 수지(material balance)에서 유도되며, 평형선은 Henry 법칙이나 Raoult 법칙으로 결정된다. 조작선과 평형선이 가까울수록 NTU가 커지고(분리가 어려움), 두 선이 먼면 NTU가 작아진다.

$$ y = \frac{L}{G}(x - x_{\text{out}}) + y_{\text{out}} \quad \text{(operating line)} $$
$$ y^* = mx \quad \text{(equilibrium line, Henry's law)} $$

충전탑 설계 시각화

아래 그림은 x-y 다이어그램에서 조작선과 평형선을 보여주고, NTU 스테핑을 시각화한다. HTU와 NTU를 조절하여 충전탑 높이 Z를 계산하라.

Interactive Figure 16.1 충전탑 높이 설계 -- x-y 다이어그램 & NTU 스테핑
HTU (m) 0.50 m
NTU 5.0
Z = HTU × NTU --
HTU --
NTU --
조작선 (Operating line)
평형선 (y* = mx)
NTU 스테핑
Q2. 조작선과 평형선의 간격이 좁아지면 NTU는 어떻게 변하는가?
$\text{NTU} = \int dy/(y - y^*)$에서 분모 $(y - y^*)$가 작아지면 적분값이 커진다. 물리적으로, 구동력이 작으면 각 이동 단위에서 조금씩밖에 전달되지 않으므로 더 많은 단위(더 높은 탑)가 필요하다. 극단적으로 조작선이 평형선에 접하면 NTU → ∞이다.
Q3. 같은 분리 요구(같은 NTU)에서 충전물을 고성능 제품으로 교체하여 HTU가 0.8 m에서 0.4 m로 감소하면, 탑 높이는?
$Z = \text{HTU} \times \text{NTU}$에서 NTU는 분리 요구(조작선/평형선)에만 의존하므로 변하지 않는다. HTU가 0.8에서 0.4로 반감하면 Z도 정확히 반감. 이것이 고효율 충전물(구조화 충전물 등)을 사용하는 경제적 이유이다.