The basic research on liquid mixing and gas transfer in rotating disk reactor, has been done to examine the utility that this reactor can be used as a general three phase reactor.
(1). Based on flows around rotating disk(s) developed in fluid mechanics and flow visualization experiment, 4-parameters multistage model was adopted. The parameters were estimated by nonliner optimization in time domain after residence time distribution experiments. The major factors which affected liquid mixing were rotational speed, size and submergence of disk and overall mean holding time of fluid. The parameters of model were closely ralated to the flow motions. Thus quantitative relation between the model parameters and flow conditions could be obtained. As flows in the reactor were highly turbulent, dead space portion was negligible, and sum of two perfect mixing portions α and m was nearly 1. Dimensionless parameter II, defined product of Reynolds number based on bulk stream flow and Ekman number based on rotational inertia, included all experimental parameters such as, flow rate O, liquid level height H, rotational speed ω, radius of disk R, gap between through wall and disk edge $R_t$-R, that is,
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Perfect mixing region α was correlated as, 1/α = 1.0 + $3.1π^{0.49}$, cross flow rate factor f as 1/f = $5.7π^{0.41}$, number of stages n, which represents degree of axial mixing, as, $n = 1.3 + $4.2π^{0.48}$.
(2). In consideration of the easier mass transfer between the gas-liquid interface, oxygen transfer experiments have been done. Previous works on gas absorption experiments in rotating disk reactor were performed in batch manner with respect to liquid phase. In continuous flow operation, flow conditions of liquid phase are much different from batch one.
Oxygen transfer rate was determined by sodium sulfite method. Sulfite oxidation reaction rate was so properly reduced that gas absorption with chemical reaction process became mass transfer controlling slow reaction, in which reaction regime, gas absorption rate was not enhanced by chemical reaction.
Continuous flow operations were done mainly, in which, experimental parameters were rotational speed of disk, flow rate and disk size, and batch operations done additionally to be compared. In continuous flow operations, liquid phase mass transfer coefficient $K_La$ was higher than that in batch operations of same rotation speed and submergence of disk. When rotational speed was low, the effect of bulk stream flow was large. When bulk stream flow rate was much, the effect of rotational speed was small. When disk size varied, $K_La$ varied as the ratio of total gas-liquid contact area. In continuous flow operations, not only rotational speed of disk, but also bulk stream flow rate affected entrained film flows and flows near free surface by liquid level. Thus resistance of mass transfer in liquid phase was smaller than that in batch operations.
삼상 반응기로써 회전 원반 반응기의 효용성을 검토하기 위하여 반응기내의 액상 혼합 및 기체 전달 측면에서 기초 연구를 행하였다.
(1) 기존 유체 역학에서 정리된 회전 원반 주위의 유동과 유동의 구상화 실험을 토대로 4변수 다단 혼합 모형을 설정하고 추적자의 체류 시간 분포 실험을 하여 시간 영역에서 비 선형 최적화에 의해 모형 변수들을 추정하였다.
액상 혼합에 영향을 주는 주된 인자로는 원반의 회전 속도, 원반의 크기, 유체의 평균 체류 시간, 수면의 높이였다. 설정한 모형의 변수들이 유동 조건 입장에서 충분히 설명될 수 있었고, 유동을 지배하는 변수들과 모형 변수들 간의 정량적 관계를 얻을 수 있었다. 유동이 macro mixing에 충분한 교란을 주고 있어 사각부(deadspace)의 크기는 무시할 정도로 작아 두개의 완전 혼합부의 크기 α와 m의 합은 거의 1 이었다. 유량 Q, 수면의 높이 H, 원반의 회전 속도 w, 원반의 반지름 R, trough와 원반끝 사이의 간격 Rt-R, 들의 실험 변수들을 bulk stream flow를 나타내는 Reynolds 수와 원반 회전에 의한 유동을 나타내는 Ekman 수의 곱으로 이루어지는 무차원 변수 π로 묶어,
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로 했을때 완전 혼합부의 크기 α는,
1 / α = 1.0 + $3.1π^{0.49}$, 두 완전 혼합부간의 교류 유량 f는,
1 / f = $5.7π^{0.41}$, 축 방향의 혼합 정도를 나타내는 단수 n은
n = 1.3 + $4.2π^{0.48}$의 관계를 얻었다.
(2) 회전 원반 반응기의 가장 큰 장점중의 하나가 기체-액체간의 원활한 접촉으로 계면을 통한 물질 전달이 좋다는 점을 고려하여 산소 전달 실험을 하였다.
회전 원반 반응기를 대상으로 기체 흡수 실험을 한 기존의 연구 결과들은 회분식 조업하의 것들인 데, 연속식 조업의 경우 액상의 유동 조건이 회분식 조업의 경우와 많이 다르다. Sodium sulfite method로 산소 전달량을 측정하였는 데 sulfite ion의 산화 반응 속도를 작게하여 반응을 수반하는 기체 흡수 과정이 mass transfer controlling slow reaction 영역에 들게 하여 반응이 기체흡수에 영향을 주지 못하게 하였다.
원반의 회전 속도, 유량, 원반의 크기를 변수로 연속식 조업을 주로하여 회분식 조업과 비교하였다. 연속식 조업의 경우 같은 회전속도와 액상에 잠기는 분율의 회분식 조업의 경우보다 액상의 물질전달 계수 $k_La$ 가 커지는 데, 회전 속도가 작을 때는 bulk stream flow 의 효과가 크게 나타나고 bulk stream flow의 유량이 클때는 회전 속도변화 영향이 작아진다. 원반의 크기를 달리 했을 때 $k_La$는 전체 기체-액체 접촉 면적의 비만큼 달라진다. 연속식 조업시에는 원반의 회전 속도뿐만 아니라 유량도 회전 원반에 형성되는 액막 및 수면이 이루는 자유 표면 부근의 유동에 많은 영향을 미치고 있어 회분식 조업의 경우보다 액상의 물질 전달 저항이 감소한다.
