기체 체류율 (gas holdup)
쉽게 풀면
물이 담긴 통에 아래에서 공기를 불어넣으면 기포가 생기면서 수위가 올라갑니다. 이때 전체 부피 가운데 기포가 차지하는 비율이 기체 체류율입니다. 기포가 많고 작을수록 체류율이 높아지고, 그만큼 기체와 액체가 닿는 면적도 넓어집니다.
왜 중요한가
기액 반응기에서 반응 속도는 흔히 기체가 액으로 녹아 들어가는 속도에 제한되는데, 그 속도는 물질전달계수와 계면면적의 곱에 비례합니다. 계면면적은 기체 체류율과 기포 크기로 결정되므로, 체류율은 기포탑·발효조·수소화 반응기의 성능을 가늠하는 1차 지표가 됩니다. 또한 실제 액 보유량을 알아야 반응 부피와 체류시간을 정확히 계산할 수 있습니다.
논문에서는 이렇게 쓰입니다
체류율이 유속과 유동 양식에 따라 달라지는 전형적 경향입니다.
체류율이 계면면적 계산의 입력값으로 쓰이는 관계를 보여줍니다.
조금 더 깊게 보면
기체 체류율은 기포가 있을 때와 없을 때의 액면 높이 차이로 간단히 구하거나, 압력차 측정과 단층촬영 기법으로 구간별 분포를 얻습니다. 값은 표면 기체 유속, 액의 점도와 표면장력, 전해질이나 계면활성제의 유무, 분산기 형상에 크게 좌우됩니다. 특히 합체를 억제하는 성분이 있으면 기포가 잘 뭉치지 않아 체류율이 크게 올라가므로, 순수 물로 얻은 자료를 실제 배양액이나 반응액에 그대로 적용하기 어렵습니다.
주의할 점
기체 체류율이 높다고 항상 성능이 좋은 것은 아니며, 거품이 과도하면 액 보유량이 줄고 탑정에서 비말동반이 늘어 오히려 문제가 됩니다. 체류시간분포가 유체가 반응기에 머무는 시간의 분포를 다룬다면, 기체 체류율은 특정 순간에 기상이 차지하는 부피 비율이라는 점에서 측정 대상이 다릅니다.