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증발 분리공정

◈ 증발농축

◈ 증류

◈ 결정

증발농축

증발농축공정은 용액 중의 용매를 증발시킴으로서 용해되었는 용질의 농도를 높이는 조작입니다.

이에 필요한 증발은 전열면을 통하여 열 에너지가 고온에서 저온으로 열전달됨으로서 이루어 집니다.

연속적인 증발이 이루어 지기 위해서는, 다음과 같은 조건이 충족되어야 합니다.

응축열을 전달하는 고온측과 응축열을 받아 증발하는 저온측에 전열면이 존재해야 합니다.
응축온도가 증발온도 보다 높아야 합니다.
증발증기와 농축용액이 효과적으로 분리되어야 합니다.
증발용매는 포회증기압을 유지하기 위하여 바로 제거되어야 합니다.

전열량

Q = U*A*△T

온도수지

△T = Td - Tc

= Td - (Tb + T BPR )

왼쪽 그림에는 박마유하형 증발농축기에 관련된 흐름을 표시하였습니다. 공급액 ("A") 은 특수하게 설계된 분배기를 거쳐 수직전열관에 고르게 분배 되어 박막을 형성한 후, 전열관을 따라 증발되면서 하부에 이르러서도 설계된 액막이 유지될 수 있어야 합니다. 가열증기 ("D") 는 수직전열관의 외벽을 따라 응축되면서 응축잠열을 전열면을 통하여 저온측 용액증발을 위한 잠열을 공급합니다. 응축액 ("E") 은 때때로 공급액 예열을 위하여 쓰여지게 됩니다. 증발로 인하여 생성된 증기와 농축액은 하부 기액분리기에 이르러 증발증기 ("B") 와 농축액 ("C") 로 분리됩니다.

물질수지

A = B + C

A*Xf = C*Xc

Xf : 공급액중의 용질 농도

열수지

ACpfTf + DHd = CCpcTc + BHb + ECpeTe
Cp : 비열	Subscript	f : 공급액
H : Enthalpy		c : 농축액
T : Temperature		d : 가열증기
		b : 증발증기
		e : 응측액
U : 전열계수	A : 전열면적
△T : 전열면에서의 온도차

TBPR : 비정상승

1970년대 이후, 증발농축공정에서 에너지 비용은 공정설계 엔지니어에게 매우 중요한 문제로 제기되어, 가열 증기의 절감을 위하여 특별한 노력을 요구하게 되었습니다.

산업설비의 경제성 측면에서 물질 및 열수지를 이용하여 경험적으로 얻어진 개략적인 수식, Hf ≒ (0.96∼0.98) * (Hc + He) 에서 공급액의 엔탈피는 농축액과 응축액 엔탈피 합의 96∼98% 를 보이며, 이를 보충하기 위한 증기의 수지를 고려하면 (0.96∼0.98) * Hd = Hb 의 수식을 얻게 됩니다. 만약, 고온의 가열증기와 저온의 증발증기의 잠열량 차이 약 2% 와 증발농축기 주변으로의 방열손실 약 3% 를 추가로 고려하면, 증발증기량의 약 8% 정도의 가열증기가 더 공급되어야 대략적인 열수지 평형이 이루어질 수 있다는 예측이 가능합니다. 따라서, 산업현장에서는 가열증기 소모량은 증발시켜야 할 증기의 약 110% 로 산정합니다.

위에서의 접근은 단중 효용 증발농축기에 해당하는 것이며, 이는 시간단 증발량 2톤이상의 산업설비일 경우 에는 거의 예를 찾아보기 어려우며, 1중 효용관에서 응축기까지의 총 유효 온도차 30∼50℃ 를 고려하면 최대 10중 효용관까지 설치한 예가 있습니다.

다중 효용 증발농축기

다중 효용 증발농축기를 구상할 경우, 1중 효용 증발농축기에서의 110% 개념을 100% 로 대체하여, 2중 효용 증발농축기를 택하면 절반, 3중 효용에서는 3분의 2의 가열증기를 절감할 수 있다고 어림하게 됩니다.

위에 예는 4중 효용 박막유하형 증발농축기로서 공급액 22,300 kg/h 에서 11,600 kg/h 를 증발시켜 농축액 10,700 kg/h 를 얻기 위하여 2000년에 설치한 카프로락팀 수용액 증발농축기 입니다. 1중 효용 증발농축기로서 이와같은 증발량을 얻으려면, 대략 12,500 kg/h 의 가열증기가 소모되겠습니다. 그러나, 4중 효용 증발농축기를 택함으로서, 실제로 3,500 kg/h 의 생증기를 소모함으로써 약 9,000 kg/h 의 생증기를 절감하게 되었으며, 이는 1중 효용관의 약 28% 에 해당하는 적은 소모량입니다. 이와 같은 성공적인 결과에 힘입어, 2009년에 약 3배의 용량에 해당하는 총 증발량 32,644 kg/h 인 신규 증발 농축기를 발주받아, 2010년 1월에 완공할 계획에 있습니다.

MVR 증발 농축기

증발증기 "B" 의 응축시 발생되는 응축잠열이 저온부로 열전달되어 증발잠열로 변환 될 수 있다면 매우 경제적인 높은 엔탈피 열원으로 재생될 수 있습니다. 그러나, "B" 의 온도가 증발하기 위한 용액 "C" 의 온도보다 높지 않아 전열면에서 필요한 온도차가 없어 가열증기로 사용될 수가 없습니다. 이에 "B" 를 단열압축하여 7∼10℃ 가 승온된 "D" 를 얻기 위하여 MVR 을 도입한 결과, 생증기 소모없이 전기로 증발농축기를 구동하게 되었습니다. 이후, 2단, 3단 MVR 의 성공에

이어, 2009년에는 세계최초로 4단 turbo fan 으로 88℃ 흡입증기를 124℃ 포화증기로 압축하는 시스템을 발주받아 시공중에 있습니다.

MVR 설치의 경제성은 매우 뛰어나 1톤의 스팀을 압축하는 데 10∼15 KWh 의 전력이 소모되어 그 경제

성은 쉽게 평가가 가능 합니다. 일반적으로, 시간당 2톤 이상의 스팀을 압축하기 위해 MVR 을 도입할 경우에 경제성이 있다고 평가됩니다.