소개글
"수원대 화학공학응용"에 대한 내용입니다.
목차
1. 서론
1.1. 실험 배경
1.2. 실험 동기
2. 흡착 이론
2.1. 흡착의 정의
2.2. 흡착 엔탈피에 따른 흡착의 구분
2.3. 흡착질에 따른 흡착의 구분
2.4. 활성탄
2.5. 흡착 과정
2.6. 흡착에 영향을 미치는 요인
2.7. 파과곡선
3. 점도 이론
3.1. 뉴튼유체의 정의
3.2. 점성
3.3. Hagen-Poiseuille 식
4. 실험장치 및 방법
4.1. 실험 장치 및 재료
4.2. 실험 방법
5. 실험 결과
5.1. 점도계 정수 C
5.2. 시료의 온도 변화가 점도에 미치는 영향
5.3. 용액의 조성변화에 따른 영향
6. 마찰손실 및 압력차 이론
6.1. 벤츄리실험
6.2. 오리피스 실험
6.3. 급확대 실험
6.4. 급축소 실험
6.5. 90°L-bow 실험
6.6. 직관 및 부속품의 마찰 손실 측정실험
6.7. by pass 관
7. 실험 결과
7.1. 직관(10A, 15A, 20A)
7.2. 180° L-BOW
7.3. 90° L-BOW
7.4. 벤츄리미터
7.5. 오리피스
7.6. 급확대관
7.7. 급축소관
8. 실험 결과에 대한 고찰
8.1. 오차가 생기는 원인
9. 결론
10. 참고 문헌
본문내용
1. 서론
1.1. 실험 배경
공정에 있어 저장 탱크로부터 파이프를 통해 반응기로 유체를 이송시킬 때 펌프를 통해 얼마만큼의 압력(에너지)를 가해야하는지는 매우 중요한 요소이다. 유체의 특성과 파이프의 특성에 따라 흐름에 마찰이 발생하고 에너지에 손실이 생겨 가해야하는 에너지의 크기가 달라진다. 이는 곧 기업의 수익성과 직결되어 있기 때문이다. 그렇기에 화학공학과에서는 유체역학, 열 및 물질전달 등을 학습하여 이러한 개념을 이해하고자 한다.""
1.2. 실험 동기
실험 동기는 공정에 있어 저장 탱크로부터 파이프를 통해 반응기로 유체를 이송시킬 때 펌프를 통해 얼마만큼의 압력(에너지)를 가해야하는지가 매우 중요한 요소이기 때문이다. 유체의 특성과 파이프의 특성에 따라 흐름에 마찰이 발생하고 에너지에 손실이 생겨 가해야하는 에너지의 크기가 달라진다. 제공해야할 에너지가 커졌다는 것은 그만큼 공장의 수익성이 떨어짐을 의미한다. 그렇기에 공정 설계를 통한 최적화를 하기 위해 화학공학과는 유체역학, 열 및 물질전달 등에서 이와 관련된 내용을 학습한다. 따라서 본 실험에서는 이와 같은 유체가 파이프로 흐르는 공정에서 유입유량, 파이프의 특성에 따라 마찰손실과 압력차가 어떻게 변하는지를 알아보고 실험압력차값과 이론적 식을 통해 구한 이론압력차값을 비교하여 이해하고자 하는 목적에서 실험을 진행하게 되었다.
2. 흡착 이론
2.1. 흡착의 정의
흡착이란 고체의 표면에 물질이 농축 또는 축적되는 현상으로, 이를 활용하여 목적성분(기체, 액체)을 고체인 제3 성분을 이용하여 분리하는 조작을 말한다. 이때 제3 성분을 흡착제라고 하며, 흡착되는 성분을 흡착질이라 한다. 흡착제로 주로 활용되는 고체는 기공이 많은 다공성 물질로, 대표적인 것으로는 활성탄이 있다. 고체 표면에 물질이 농축되는 이러한 흡착 현상은 정수기를 통해 마신 물, 군대에서 사용하는 방독면, 공기청정기의 필터 등 우리 일상 곳곳에서 활용되고 있으며, 환경오염 문제 해결과 다양한 산업 공정에서도 필수적으로 활용되고 있다. 따라서 흡착의 원리와 특성을 이해하는 것은 매우 중요하다고 할 수 있다.
2.2. 흡착 엔탈피에 따른 흡착의 구분
활성탄을 비롯한 다공성 물질의 흡착은 흡착제와 흡착질 간의 힘의 크기에 따라 물리흡착(physisorption)과 화학흡착(chemisorption)으로 구분할 수 있다.
물리흡착은 비교적 약한 힘인 Van der Waals 힘으로 결합하여 흡, 탈착이 가역적인 흡착이다. 이러한 물리흡착은 고온에서는 분자 운동이 활발해져 분리가 일어나 저온에서 흡착량이 크고, 물리적 힘에 의한 흡착이기 때문에 흡착질의 특성에 영향을 받지 않아 광범위한 흡착, 즉 다분자 흡착이 일어난다.
화학흡착은 비교적 강한 화학결합(이온결합, 공유결합 등)으로 흡착제와 흡착질 사이에 화학적 화합물이 형성되기 때문에 흡, 탈착이 대부분 비가역적이고 가역적일 경우에도 탈착에 많은 에너지가 요구된다. 이러한 화학흡착은 화학적 결합을 위한 활성화 에너지가 필요하기 때문에 주로 고온에서 흡착이 일어나고, 이온결합, 공유결합으로 인해 흡착이 일어나기 때문에 화학 결합을 형성하는 특정 분자들만의 단분자 흡착이 일어난다.
2.3. 흡착질에 따른 흡착의 구분
흡착은 흡착질이 액체인 액상 흡착과 기체인 기상 흡착으로 구분된다. 우선 액상 흡착은 이온 교환을 통한 폐수에서의 유기 성분 제거, 증류나 결정화에 의해 쉽게 분리되지 않는 반응생성물 회수 등에 이용된다. 흡착제로 사용되는 활성탄은 소수성이기 때문에 물에 대한 용해도가 작은 물질 즉, 소수성을 띠는 물질일수록 잘 흡착되는 경향이 있다. 이러한 액상 흡착은 온도, 흡착질에 대한 흡착제의 인력, 각종 흡착질 간의 상호 경쟁 흡착작용, 여러 분자가 하나의 분자처럼 거동하는 회합 등에 영향을 받는다.
한편 기상 흡착은 악취제거, 페인트와 직물 피복용 용액에 사용되는 유기용매 회수, 배출가스로부터 SOx와 Nox 제거 등에 이용된다. 이러한 기상 흡착은 온도, 흡착질의 농도 및 상대 증기압, 비점과 임계온도 등에 영향을 받는다.
즉, 액상 흡착과 기상 흡착은 흡착질의 상태에 따라 구분되며, 각각 다른 영향 요인과 용도를 가지고 있다고 할 수 있다.
2.4. 활성탄
활성탄은 주 성분이 탄소이며 다공성 구조로 인해 표면적이 넓어 흡착성이 강한 물질이다. 활성탄은 목재류, 갈탄, 유연탄 등의 탄소질을 원료로 하여 약 500~700°C 정도의 온도에서 탄화 과정을 거치고, 다시 900°C 내외의 온도에서 활성화 과정을 통해 제조된다.
이렇게 제조된 활성탄은 흡착질의 종류, 크기, 구조에 따라 다양한 용도로 사용된다. 예를 들어 액상 흡착의 경우 흡착질의 확산 속도가 매우 느리기 때문에 입경이 작은 입상활성탄이나 분말활성탄을 사용하여 흡착 속도를 높인다. 반면 기상 흡착의 경우에는 입경이 큰 입상활성탄을 사용하여 압력 손실을 줄이는 것이 중요하다.
활성탄을 통한 흡착 과정은 크게 3단계로 나뉜다. 첫 번째 단계는 피흡착질 분자들이 활성탄 외부 표면으로 이동하는 단계, 두 번째 단계는 피흡착질의 활성탄 대세공과 중간세공을 통해 확산하는 단계, 마지막으로 확산된 피흡착질이 미세공 내부 표면과 결합하거나 미세공에 채워지는 단계이다.
이렇듯 활성탄은 다양한 공정에서 널리 사용되는 대표적인 흡착제이다. 정수기 필터, 배기가스 처리, 초순수 제조, 반도체 공정 등 다양한 분야에서 활용되고 있다. 또한 활성탄은 화학적 성질, 기공 구조, 표면적 등의 물성에 따라 다양한 흡착 능력을 가지므로, 적절한 활성탄을 선택하여 사용하는 것이 중요하다.활성탄은 탄소 기반의 다공성 물질로, 다양한 화학 공정과 환경 공정에서 널리 사용되는 대표적인 흡착제이다. 활성탄은 넓은 비표면적과 발달된 기공 구조로 인해 우수한 흡착 능력을 가지며, 이를 활용하여 오염물질 제거, 유기 화합물 회수, 가스 정화 등 다양한 용도로 사용된다.
활성탄은 주로 목재, 갈탄, 유연탄 등의 탄소질 원료를 약 500-700°C에서 탄화시킨 뒤, 900°C 내외의 온도에서 활성화 과정을 거쳐 제조된다. 이 과정에서 기공 구조가 발달하여 비표면적이 크게 증가하게 된다. 활성탄의 기공 크기와 기공 분포는 흡착 대상 물질의 특성에 따라 적절히 조절되어야 한다.
예를 들어 액상 흡착의 경우 흡착질의 확산 속도가 느리기 때문에 입경이 작은 분말활성탄이나 입상활성탄을 사용하여 흡착 속도를 높인다. 반면 기상 흡착의 경우 압력 손실을 줄이기 위해 입경이 큰 입상활성탄을 사용한다. 따라서 활성탄의 물성은 흡착 공정의 특성에 따라 최적화되어야 한다.
활성탄을 이용한 흡착 공정은 크게 3단계로 구분된다. 첫 번째 단계는 피흡착질이 활성탄 외부 표면으로 이동하는 단계, 두 번째 단계는 피흡착질이 활성탄의 기공 구조를 통해 확산하는 단계, 마지막으로 피흡착질이 활성탄 내부 표면에 흡착되는 단계이다. 이 중 기공 확산 단계가 전체 흡착 속도를 결정하는 경우가 많다.
활성탄은 다양한 산업 분야에서 활용되고 있다. 정수기 필터, 배기가스 처리, 초순수 제조, 반도체 공정, 의약품 정제 등 광범위한 용도로 사용되고 있다. 특히 환경 분야에서는 활성탄이 중요한 역할을 하고 있는데, 수처리, 공기 정화, 토양 복원 등에 널리 활용되고 있다.
이처럼 활성탄은 우수한 물성과 다양한 응용성으로 인해 화학공학 및 환경공학 분야에서 매우 중요한 소재로 자리잡고 있다. 향후 활성탄의 기공 구조 및 표면 특성 제어 기술이 발달하면 더욱 다양한 분야에서 활용될 것으로 기대된다.
2.5. 흡착 과정
활성탄을 통한 흡착 과정은 총 3단계로 나누어진다.
첫째, 피흡착질 분자들이 활성탄 외부 표면으로 이동하는 단계이다. 피흡착질이 활성탄 입자 외부로 확산되어 입자 표면에 도달하게 된다.
둘째, 피흡착질이 활성탄의 대세공, 중간세공을 통해 확산하는 단계이다. 피흡착질이 활성탄 입자 내부로 확산되어 나아간다.
셋째, 확산된 피흡착질이 미세공 내부표면과의 결합 또는 미세공에 채워지는 단계이다. 피흡착질이 활성탄의 미세기공 내부 표면에 흡착되거나 미세기공에 채워지게 된다.
이와 같이 흡착은 피흡착질의 이동과 확산, 그리고 최종적인 흡착의 3단계로 이루어지며, 이 과정을 통해 활성탄의 기공구조 내부에 피흡착질이 축적되게 된다.
2.6. 흡착에 영향을 미치는 요인
흡착에 영향을 미치는 요인은 다음과 같다.
흡착제의 종류(흡착제의 특성 및 분자의 화학적 성질, 크기 등)는 흡착 과정에 큰 영향을 미친다. 사용되는 흡착제의 특성에 따라 흡착 능력이 달라지기 때문이다. 특히 활성탄은 넓은 표면적과 다공성으로 뛰어난 흡착 성능을 보인다.
흡착질의 종류 또한 중요한 요인이다. 물질의 화학적 성질, 크기, 구조 등에 따라 흡착력이 달라지므로 흡착질의 특성을 고려해야 한다. 일반적으로 소수성 물질일수록 활성탄에 잘 흡착된다.
액상 흡착의 경우 흡착질의 농도가 중요하다. 농도가 증가할수록 흡착량이 늘어나지만, 일정 농도 이상이 되면 오히려 흡착이 방해받을 수 있다. 또한 pH도 흡착 성능에 영향을 줄 수 있다.
첨가되는 활성탄의 양도 흡착에 큰 영향을 미친다. 활성탄의 양을 늘리면 흡착 활성 및 흡착 효과를 증가시킬 수 있지만, 흡착 저항도 함께 증가하게 된다. 따라서 흡착 능력을 최대로 하면서도 흡착 저항을 작게 유지할 수 있는 최적의 첨가량을 찾는 것이 중요하다.
이처럼 흡착제의 특성, 흡착질의 특성, 농도, pH, 첨가량 등 다양한 요인들이 흡착 성능에 영향을 미치므로 이를 고려하여 최적의 흡착 조건을 설정해야 한다.
2.7. 파과곡선
고정층 흡착탑에서는 도입 용액의 농도를 Co[mg/L]라 할 때 C/Co는 시간 t에 따라 변화하게 되며 이의 그래프를 파과곡선(break-through curve)이라 한다. 농도가 어느 한계점(분기점. break point)에 도달하면 흐름이 중지되고 새 흡착제 층으로 바뀐다. 분기점은 어떤 기준 물체의 농도에 대한 다른 물체의 상대적인 농도인 상대농도를 0.05 내지 0.1로 택한다.
흡착이 분기점을 지나서 계속되면 농도가 약 0.5까지는 급히 올라가며, 그다음에는 천천히 1.0에 접근한다. 흡착된 양은 t* 에서의 직선 왼쪽 사각형 면적에 비례한다. 이는 파과곡선이 수직일 때 이상적인 흡착 시간이다. 대칭 곡선에서는 0.5이며 실제 실험에서는 약간의 변동이 있다.
흡착층 단위면적에 대한 용질 공급 속도는 공탑 속도와 농도를 곱한 것이다. 이 때 공탑 속도란 부피 유랑 또는 질량 유량을 공탑 단면적으로 나눈 겉보기 속도를 의미하며, 유체의 진짜 속도를 규정하기 어려운 듯한때에 편의상 사용하는 겉보기 상의 선 속도이다. FA=u0c0
이상적인 파과곡선인 경우, t* 시간에 공급된 모든 용질이 흡착되고 고체상의 농도는 W0로부터 WSAT까지 증가된다. u0c0t*=Lpb(WSAT-W0)t*={Lpb(WSAT-W0)}over{u0c0}여기서 L과 pb는 각각 흡착층의 길이와 겉보기 밀도이다.
흡착된 용질의 실제량은 시간 tb까지 파과곡선을 적분해서 구할 수 있다. 물질전달 영역이 흡착층 길이에 비해 상대적으로 좁으면, 파과곡선은 더욱 가파르며 분기점에서 대부분의 고체 용량이 이용된다. 물질 전달 영역이 거의 흡착층 길이만큼 길면, 크게 연장되어 흡착증의 절반 이하가 이용된다. 따라서 흡착제를 가장 경제적으로 이용하는 방법은 좁은 물질 전달 영역이 바람직하다.
물질 전달 저항이 없고, 축 방향의 분산이 없는 이상적인 경우에는 물질 전달 영역이 무한소의 넓이를 가지며, 파과곡선은 모든 고체가 포화될 때 0에서 1.0까지의 수직선이 된다.
3. 점도 이론
3.1. 뉴튼유체의 정의
유체란 변형에 영구적으로 저항하지 못하며, 전단응력에 의해 연속적으로 변형되는 물질을 말한다. 전단응력이 존재하지 않을 때에는 변형이 일어나지 않는다. 유체의 유변학적 거동 중 가장 간단한 ...
참고 자료
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한국캘랩, “회전형 점도계”
랩 사이언스 크럽, “진동식 점도계 측정 원리”
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Advantages of Venturimeter and disadvantage of Venturimeter, test ＆ measurement world
https://www.test-and-measurement-world.com/Terminology/Advantages-and-Disadvantages-of-Venturimeter.html
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https://automationforum.co/advantages-and-disadvantages-of-orifice-and-venturi-meter/
수원대학교 김정호 교수님 2023-1 유체역학 강의 필기자료
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