증발법

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contents_img 증발법 이란

   ㅇ 증발법은 지구상에서 발생하는 자연의 물 순환 현상, 즉 해수면에서 증발한 수증기가 상승 대류권 상층부의 저온 분위기 중에서 응축하여 구름이 되고 다시 비의 형태로 지표 또는 해수면에 떨어지는 현상을 공학적으로  응용한 공법이다.

   ㅇ 대용량에 실적 많고 생산수 순도 높다는 장점은 있으나 에너지 소비 크다는 단점이 있다.

  

  1) 증발법의 기원

   ㅇ 증발법은 기원전 4세기부터 알려져온 해수담수화 기술로 근대적 담수화장치는 19세기 후반에 선박용 조수기가 시초이며,

   ㅇ 육상 시설은 세계대전중 사막 등지에서 물 공급을 위해 시작되었으며, 1950년대부터 중동지역에서 담수화장치가 본격화, 대형 화하여 현재 전세계 담수화 생산용량 중 약 70%를 증발법이 차지하고 있다.

 

  2) 증발법의 기본원리

   ㅇ해수를 증발시키면 용매인 물은 증발하고, 용질인 소금은 잔류하는 성질을 이용하여 해수에서 담수를 분리 한다.

   ㅇ 증발 방법과 증기 재활용 방법에 따라 다단프래쉬법(Multi Stage Flash Distillation), 다중효용법, (Multi Effect Distillation), 증기압축법 (Vapor Compression Distillation) 등으로 나누어진다.  

 

contents_img                                                                               (사진: 한국기계연구원 박상진)                               

 

contents_img 증발법의 공법 및 특징

  1) 증발법의 종류

   ㅇ다단플래쉬방식(MSF; Multi-Stage Flash Distillation)

   ㅇ 다중효용방식 (ME; Multiple-Effect Distillation)

   ㅇ 증기압축식(MVC; Mechanical Vapor Compression Distillation)

   ㅇ 자연에너지 이용 방식

  2) 열원에 따른 분류

   ㅇ기계적인 에너지 이용 (증기압축식)

   ㅇ 스팀과 같은 고열원의 열에너지 이용 (다중효용방식, 다단플래쉬방식)

 

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(MSF_두산중공업, MED_IDE-TECH)

 

contents_img 공법별 특성

  1) 다단플래쉬방식(MSF; Multi-Stage Flash Distillation)

    o 다단플래쉬방식은 현재 대용량 담수화장치에 가장 널리 사용되는 담수화기술로 전세계 담수화 용량의 약 60% 정도를 차지하고 있으며, 일반적인 계통은 그림처럼 점차 진공도가 높은 격실이 직렬로 이어진 형태이다.

    (1) 기본원리

    o 어떤 온도의 액체를 그 온도에 대응하는 포화증기압 이하로 급감압하면 액체는 유지하고 있던 열을 증발잠열로 소비하게 되어 자기증발 혹은 플래쉬증발 발생한다.

    o 다중효용방식은 증발관내(또는 외부)에서 증발이 일어나는데 비해 다단플래쉬방식에서는 상대적으로 고압의 열교환기 내에서 가열된 해수가 오리피스를 통해저압의 격실로 분출되면서 증발, 이때 전체의 열에너지는 동일한 상태로 각 격실에서 외부로부터의 열공급이 없으므로 원수의 잉여 에너지에 해당 하는 부분만의 잠열로 변환되기 때문에 각격실에서의 증발량은 수% 이내이다.

 

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 2) 다중효용방식 (MED; Multiple-Effect Distillation)

    o  다중효용방식은 단순 증류기를 시리즈로 배열한 형태로 첫 번째 증발기 보일러에서 발생된 증기가 다음 효용  증발기의 가열원으로 작용하고 냉각 응축되어 담수가 되고, 두번째 증발기에서 발생된 증기는 다음 효용의 증발기에서 가열원으로 작용하여 증발기 내부의 해수를 증발시킨다.

    o 즉, 전단에서 받은 증기가 다음단이 열원이 됨과 동시에 이증기는 냉각 응축되어 담수가 되고, 이때 재차 증발된 증기는 다음 단에서 동일하게 작용

 

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(다중효용방식(ME) 계통도; 4중효용)

  

  3) 증기압축식(MVC; Mechanical Vapor Compression Distillation)

    o 증기압축법은 증발조에서 발생한 증기를 압축기에 넣은 후 단열압축에 의해 온도를 상승시켜 이것을 같은 조내 에 있는 액체의 가열용 증기로 공급하여 담수를 얻는 방법이다.

    o 증발조에서 발생한 증기를 압축기로 압축시키면 온도와 압력이 상승하게 되는데 이를 증발기의 고열원으로 사용 해수가 열교환기를 거치면서 배출되는 브라인과 생산된 담수의 현열을 회수하여 약 97℃로 증발기에 들어가서  압축된 증기가 응축하면서 방출하는 열에 의하여 증발하고, 증기는 다시 압축기로 고온(105oC)의 증기로 압축 되어 증발기에서 응축되고 이후에 열회수기를 통과하면서 증발기로..들어가는 해수에 그 현열을 전달한다.

    (1) 특 징

       o 증기압축방식에서 압축기를 소형엔진으로 구동시키고 그 폐열을 활용하는 경우 연료 1kg으로 200kg 이상의 담수를 생산할 수 있는 것으로 알려져있고 주로 소용량의 담수화 장치에 강점을 가지고 있다.

 

    (2) 압축기 구동을 위한 에너지원

       o 주로 전력을 이용하여 모터 구동

       o 별도의 엔진으로 축 구동

       o 특별한 경우에는 증기압축기구로서 스팀 이젝터 사용

 

 

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(기계식 담수화장치 작동 원리)                               ( 태양열을 이용한 직접증발식 담수화장치)

 

  4) 자연에너지 이용 방식·

       o 태양열 증류기는 해수를 담수화하는데 필요한 에너지를 태양열에서 공급받는 친환경적인 담수화 장치로 간접법과 직접법이 있다.

       o 직접법은 태양에너지를 모으는 집열기와 해수증발기가 하나로 되어있는 방식이고, 간접식은 집열기와 담수화 장치가 분리되어 있는 것으로 집열기에 모아진 태양에너지를 ME나 MSF의 에너지원으로 간접 이용 하는 방식

 

contents_img 증발법에서 스케일 제어

  1) 스케일(Scale 또는 Fouling) 이란?

    o 스케일이란 설비의 고체표면에 미네랄 성분들이 침착되는 현상 또는 침착된 물질을 의미하며, 증발법에서는 스케일이 열전달 효율을 저하시키고 심한 경우 유로를 막아버릴 수도 있음으로 스케일형성은 설계, 운전시 고려 해야할 매우 중요한 요인이다.

  2) 스케일의 종류

    o Alkaline 스케일 : CaCO3, Mg(OH)2 등

    o Non-Alkaline 스케일: CaSO4, CaSO4 ½H2O, CaSO4 2H2O 등

  3) 스케일 성분

    o  스케일 성분은 원수의 조성 및 운전조건에 따라 달라지는데 주로 물속에 녹아있는 경도성분의 영향을 많이 받음

    o  해수 담수화에서의 주요 경도성분은 Mg2+, Ca2+, SO42-, CO3- 등으로 여러 가지 고형물질로 나타남

  4) 스케일 제거 방법

    (1) Alkaline 스케일

       o 기계적세정 : 브러슁(brushing), 고압수이용(hydroblasting), 열적충격(thermal shock) 등의 물리적 방법 이용

       o 화학적 세정 : 산을 주입하여 스케일을 녹여내는 방법

    (2) Non-Alkaline 스케일

       o 기계적세정 : 브러슁(brushing), 고압수이용(hydroblasting), 열적충격(thermal shock) 등의 물리적 방법 이용

       ※ 산이나 염기에 녹지 않기 때문에 기계적인 세정을 통한 제거만이 가능 (발생 억제가 최선)

 

  5) 스케일 억제방법

    (1) Alkaline 스케일 억제 방법

       o 작동온도를 낮추어 71.1℃이하로 운전하면 스케일이 발생하지 않음(가장 효과적)

       o 산을 120~140 ppm 정도 주입해 pH를 낮춤(이 경우 작동온도를 120oC까지 올릴 수 있다.)

       o 스케일방지제(인산염 등) 3~10 ppm 첨가로 작동온도를 91℃까지 높일 수 있다.

    (2) Non-Alkaline 억제 방법

       o 스케일 형성은 온도 및 농축비에 매우 민감하므로 브라인 농축비 및 작동온도를 낮게한다.

       o 순환유동층 열교환기(또는 ball cleaner) 사용 또는 이온교환을 통한 경도물질을 최소화 한다.

  6) 스케일 억제방법

     o 공정 중 원수 및 브라인의 스케일 유발물질이 과포화상태가 되지 않도록 설계한다.

     o 가능하면 본 공정 전에 스케일 유발물질을 제거한다.(연수화)

     o 산 등의 케미칼을 주입하여 원수가 안정적인 온도범위를 넓힌다.

     o 침전을 억지하는 인산염등의 화합물을 첨가하거나 고체면에 강하는 들러붙는 스케일 대신 연질의 쉽게 제거되는 · 슬러지형태로 침전시켜주는 물질을 첨가한다.

     o 스케일을 열교환기가 아닌 다른 장소에서 침전시킨다. (스케일 제거용 타워 등)

 

다음페이지에 계속 됩니다. 

 

Technical Photos
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