The convective motion of mass transfer in liquids was studied to develop a framework for describing the performance of the rotating disk type gas-liquid contactor as a three phase reactor. A situation considered was that the gaseous reactant was transferred through thin liquid film when the disk made by porous catalyst was exposed to the gas phase to produce a three phase reaction with the second reactant supplied from the bulk liquid. The study was carried out in two aspects: first, the flow phenomena and mass transfer resistances in the solid-liquid interface were examined toward the more clear interpretation of reactions in porous catalysts, and secondly, the characteristics of thin liquid film on the vertical surface were discussed from the fluid mechanical aspect approached by approximate solutions to the ensuing mass transfer problem.
When a liquid flows over a solid surface, the concentration boundary layer develops even at relatively small Reynolds numbers. Many workers have recognized the significance of mass transfer resistances due to the presence of boundary layer in comparison with gas systems, and have discussed how to reduce their magnitude. But the first half of the thesis showed that if the mass transfer could be controlled by simply adjusting the thickness of boundary layer, the resistances near the solid surface would be exploited in the course of kinetic studies of various heterogeneous systems.
The stagnation point flow system was introduced as another uniformly accessible surface as opposed to rotating disk system, where the boundary layer thickness is constant on the stagnation wall and it can be regulated by incoming flow rate. But in an actual device, all flow showed deviation from the ideal flow motion because of the nonuniform supply of a fluid through a tube with a finite diameter. A flow resembling the ideal was obtained only in the area near the stagnation point by diffusing the outgoing flow through a very small gap. The dependence of the Sherwood number on the Reynolds number increased when using a smaller gap, and its absolute value also increased when the gap decreased at a higher Reynolds number.
The control of mass transfer near the solid surface was thought to be useful particulary for biological systems usually employing liquids of low flow rate. The effect of mass transfer resistances on the Lineweaver-Burk plots in immobilized enzyme systems was investigated to verify that the curvature of the line for large interfacial mass transfer resistance was small enough to be assumed linear. The method for estimating intrinsic kinetic constants was proposed where experimental data was fitted to a straight line based on an asymptotic approximate solution.
The first difficulty encountered when dealing with free surface flows is determination of the boundary which is unknown a priority except in limiting cases. The outcome of research is comparatively scarce, and the study of thin liquid film in the latter half of the thesis was begun from investigating the boundary conditions at free surface. The conditions for two-dimensional rectangular coordinates and for three-dimensional cylindrical coordinates were derived from basic tensor relations. Particulary in case of steady flow, the boundary conditions can be somewhat simplified through the intrinsic coordinates.
Because of the complication of free surface problems, various approximation schemes have been devised rather than trying to obtain complete solutions. One popular method in recent times is the integral approach which is generally used together with assumptions of thin film and parabolic velocity profile across the film. But examination of simulated results for the dip coating process revealed that the integral method could be safely applied to the limited case of employing liquid of large surface tension and small withdrawal speed. Simulation was carried out in terms of M and $U_0$ instead of the capillary and Reynolds numbers, and the distinct tendencies of final film thickness, entrance length and dynamic meniscus profile could be observed.
An advantage of thin film flow in chemical engineering system is its ability of smooth gas transfer through the large interfacial area. An asymptotic solution valid for small rotational speed was obtained for the thin liquid film flow on a rotating disk type gas-liquid contactor. Relative motion and deformation of film on the disk surface were investigated as function of radial distance and angular position. Mass transfer studies by the integral method showed that the relative motion of film usually facilitated the mass transfer rate, but retardation of mass transfer also occurred in the region where gravity effect was large due to the insufficient momentum of film flow.
삼상 반응기로써의 회전 원반 기액 접촉기의 성능을 검토하기 위한 기초 연구로, 액체에 의한 물질의 대류 전달 특성을 조사하였다. 다공성의 촉매로 이루어진 원반이 회전함에 따라 기체상의 반응물이 원반 표면의 넓은 액막을 통하여 녹아들어 오고, 액체상에서 공급되는 제 이의 반응물과 결합하여 삼상 반응이 일어난다고 생각하였다. 연구는 크게 두 방향으로 나누어, 전반부에서는 다공성 촉매내의 반응 현상을 보다 명확히 기술하기 위하여 선행되어야 할 고체, 액체 경계면의 유동 현상과 전달 저항을 살펴보았고, 후반부에서는 평판위의 액막을 대상으로 근사해에 의한 유동의 해석부터 물질 전달의 특성까지를 논의하였다.
움직이는 액체가 고체와 접할 때 고체 표면에 형성되는 경계층에 의한 물질 전달 저항은 기체와 고체로 이루어진 계에서 추정하는 것과는 상당한 차이가 있어, 대부분의 연구가 전달 저항을 줄이는 방법을 논의하였던 데 반하여, 본 논문에서는 경계층의 두께로써 물질 전달을 조절하는 방안과 이를 통하여 가능한 실제적 이용도를 알아보았다.
새로운 유동 형태로써 정체류를 도입하여, 이상적인 경우 경계층의 두께가 일정할 뿐 아니라 유입 속도로써 조절도 가능하는 점을 주목하였다. 실제 확산 장치내에서 축 대칭형 삼차원 정체류를 유도하였을 때에는, 그러나 유로가 한정되어 있을 뿐 아니라 유속 분포도 균일하지 못하여 전체적으로 이상적인 정체류와는 상당한 차이를 보이고 있었다. 정체점을 중심으로 이상적 유동으로 근사할 수 있는 부분을 조사하였으며, 유입구 보다 출구 부분의 면적이 좁을 때가 보다 넓은 범위를 이용할 수 있을 뿐 아니라 유속에 따른 물질 전달 속도도 크게 나타났다.
경계층 전달 저항의 조절이 가능하여 기지의 변수로 처리할 수 있다면 유체가 관여하는 많은 실험에 응용될 수 있으나, 계의 성질상 유속을 제한 받기 쉬운 생물 화학 공학계의 경우 특히 유리하리라 생각하였다. Lineweaver-Burk구성이 물질 전달 저항으로 인하여 변형되는 모습을 살펴봄으로써, 농도 경계층의 영향이 심화됨에 따라 직선으로 접근함을 입증하였다. 물질 전달 저항이 큰 경우에 대하여 해석적 근사해를 얻었으며, 실험 자료를 직선으로 구성하여 기울기와 절편으로부터 물질 전달의 영향을 배제한 고유의 반응 속도를 결정할 수 있었다.
움직이는 액체가 기체에 노출될 때 제기되는 가장 큰 문제는 경계가 유동적이라는 사실인데, 아직까지 채 정립되지 않은 분야임을 고려하여 경계 조건부터 검토하기로 하였다. 기본 tensor 식에서 출발하여 이차원 직각 좌표계와 삼차원 원통 좌표계의 자유 표면의 경계 조건을 유도하였으며, 특히 정상 상태의 경우는 표면 고유의 좌표계를 이용함으로써 보다 간소화된 조건을 얻을 수 있었다.
자유 표면이 포함된 유동 문제는 복잡한 경계 조건으로 말미암아 많은 경우 근사해를 추구하게되며, 액막 형태에 많이 쓰이는 근사 방법으로는 적분법이 있다. 보통 박막 가정과 함께 액막을 가로 질러 이차의 속도분포를 가정하는데, dip coating 공정에 적용해본 결과 표면 장력이 크고 유속이 느려 액막이 충분히 얇을 경우만이 안전하게 사용할 수 있었다. 기존의 Ca 수나 Re 수 대신 M, $U_O$ 계로써 모사 결과를 해석하였으며, 최종 액막 두께와 도입 길이, 액막의 발달에 관한 명확한 경향이 관찰되었다.
화학 공학에서 본 액막 유동의 특징은 넓은 표면적을 통하여 기체 전달이 용이하다는 점이다. 회전 원반 형태의 기액 접촉기를 대상으로 하여 원반의 회전 속도가 느릴 때 점근 해를 조사하였다. 원반 표면에서 반경 방향의 길이와 각도 변화에 따른 액막의 상대 속도 및 두께의 변형을 살펴보았으며, 이를 바탕으로 적분법에 의하여 물질 전달 특성을 조사하였다. 액막의 상대 운동은 액막 내의 물질 전달을 촉진시키는 것이 보통이나, 액막의 운동량이 충분치 못하여 중력이 영향을 미치는 경우 오히려 저해하는 현상도 나타나고 있었다.
