KR0176305B1 - 다중효용증발관의 스케일생성방지방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

다중효용증발관의 한개의 효용부에 있어서, 전열관을 순환하는 용액의 일부를 스케일석출관으로 인도하고, 이 스케일석출관에는 이젝터ㆍ히트펌프에서 나온 증기를 흡입하여 이 전열관으로 순환시키는 용액의 일부와 직접 접촉시켜서 용액의 온도를 높이고, 온도가 높아진 용액을 이 효용부의 전열관으로 흐르게 하여 증발시키도록 한 다중효용증발관의 스케일 방지법.

Description

다중효용증발관의 스케일생성방지방법 및 장치

제1도는 본 발명상의 시스템을 나타낸 공정의 흐름도이다.

제2도는 용액중의 스케일성분의 상태변화를 나타낸 그림이다.

제3도는 본 발명상의 스케일석출관의 단면도를 일실시예로 나타낸 것이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 다중효용 증발관 8 : 물이송 U자관

2 : 전열관 20 : 이젝터ㆍ히트펌프(ejectorㆍheat pump)

3 : 증기유입로 30 : 농축기(condenser)

4 : 순환액관 40 : 농도검출기

5 : 순환펌프 50 : 스케일석출관

6 : 용액공급관 100 : 용해도곡선

7 : 용액이송 U자관 101 : 상태점

본 발명은 수용액을 증발농축시키는 증발농축장치의 전열면(傳熱面)에서 스케일로 석출부착(析出付着)하므로써, 전열을 저해하고, 장치의 성능을 저하시키는 물질중 예컨대 온도가 높아지면 물에 대한 용해도가 작아지는 성질을 가진 유산칼슘반수염(半水鹽)(Ca₂SO₄1/2H₂O)과 같은 물질이 스케일로 석출부착되지 않도록 하는 수단을 효율적으로 이용하도록 한 다중효용증발관(多重效用蒸發罐)의 스케일방지 방법 및 그 장치에 관한 것이다.

용액을 증발시키기 위해서는, 전열면의 한쪽면에 고온의 가열매체를, 다른쪽면에는 용액을 흐르게 하여 용액에 열을 전하는 것이 기본적인 것인데 이 경우 전열면의 온도가 용액보다 반드시 높지 않으면 안된다.

어떤 온도를 가진 용액중에서 유산칼슘반수염이 포화상태에 가까운 농도로 존재하는 경우에는, 전열면의 온도에서는 과포화 농도가 되는 일이 있고, 이 전열면에 접하는 용액중에서는 결정화가 일어나서, 전열면에 석출부착하여, 스케일이 생성된다. 이와 같은 스케일발생을 완화하는 방법의 하나가, 예컨데 마루젠주식회사(丸善株式會社)발행, 화학공업편람에 기재되어있는 [결정종 첨가법]이다. 이 방법은 용액중의 스케일성분의 결정화가 일어났을 때에, 전열면에만 부착시키지 않고, 용액중에 떠다니고 있는 결정립에도 부착시켜서, 전열면에의 스케일부착을 적게 할 수가 있다고 하는 것인데 그러나 이론상으로는 그럴듯해도 스케일 부착방지가 제대로 이루어지지 못하고 있다.

완전한 스케일 부착방지를 행하기 위해서 본 발명은 용액과 열매체를 직접 접촉시켜서 전열면을 이용하지 않고도 용액의 온도를 높게 하며, 고온으로 용해도가 과포화되게 하면 용액중에서 유산칼슘반수염의 결정화를 일으키므로, 그 생성된 결정을 분리제거한 용액을 플래시증발 등에 의하여 저온용액으로 만들고, 이 저온용액에 전열면을 이용하여 열을 전하여 증발시키도록 하는 것을 요지로 한다.

그러나 실제로는 적용상 다음과 같은 문제가 있다. 즉,

(1) 열매체를 용액과 직접 접촉시켜서 온도를 높게 하고, 그 용액을 플래시증발시켜서 저온용액으로 하면, 이 열은 증발작용에는 도움을 주지 못하면서, 열손실이 되는데 이 열손실이 크다는 점

(2) 다량의 용액의 온도를 직접 접촉으로 약간 높게 한 것만으로는 용해도의 과포화도가 작고, 결정화가 일어나기 어렵다는 점

(3) 다량의 액으로 부터 결정화한 스케일서운의 미립자를 분리하기 위해서는 분리장치가 대형화 될 수 밖에 없어 실용화가 곤란하다는 점

따라서 본 발명에서는 상술한 문제점을 해결하기 위해서

(1) 가열매체로서는, 이젝터ㆍ히트펌프에 의하여 저온증발을 흡인하고 승온하여 재이용하는 방법으로 하였다.

(2) 소량의 용액을 직접 접촉으로 대폭 고온으로 한 다음 결정화시키도록 하였다.

(3) 소량의 용액에서 스케일미립자를 제거한 후에, 이를 다량의 용액과 혼합하여, 증발 농축에 필요한 량으로써 이용하도록 하였다.

이러한 문제점 해결을 구체화하는 방법을 이하에 설명한다.

다중효용증발장치에서는 제1효용에 가해진 열이 순차 저온으로 되는 하위효용으로 이동하면서 증발작용이 이루어지므로, 전효용에 걸쳐서 각 효용에서의 증발량은 대략 비슷한 량이다.

용액을 제1효용에 가하여, 순서대로 하위효용으로 흐르는 순류식(順流式) 다중효용에서는, 최종효용에서 용액농도가 급상승한다. 용액농도가 높게되는 최종효용에서는 스케일이 석출할 가능성이 가장 높다. 이 효용에서는, 전열관을 아래로 흐르게 하고 그 소량을 증발시키기 위한 순환액의 일부를 스케일부로 인도하며, 고온증기를 흡입하여 직접 접촉시켜서 온도를 높이고 이에 따른 온도상승으로 용액의 농도가 과포화상태로 되면 스케일성분을 석출시키므로, 미립자화한 스케일을 용액으로 부터 분리하고, 분리후의 용액을 순환액의 잔부와 함께 그 효용으로 인도하여 플래시증발시켜서 그 결과 온도가 하강되고, 이에 따라 농도가 아직 포화가 안된 순환액을 전열관으로 흘려서 증발시키도록 한다.

이 과정에서 스케일관에 흡입하는 고온 증기는 이젝터ㆍ히트펌프에 의하여 저온효용에서 발생한 증기를 빨아올려서 된 증기와 보일러로 부터 온 고압증기와의 혼합증기이다. 이와 같이 이젝터ㆍ히트펌프를 사용하면 보일러로 부터 온 고압증기의 소비량이 적게 되어, 열손실이 작다. 본 발명에 의하여 스케일석출관으로 인도하는 순환액의 일부는 온도상승과의 관련상 전순환량의 몇분의 1로도 할 수 있다. 또한 스케일 석출관으로 흡입하는 증기량이 같아도 온도 상승이 커지므로 스케일 성분의 과포화도가 크고 결저화가 잘 진행한다.

순환액의 일부 중에서 생성한 스케일미립자와 액을 분리하는 조작은 액량이 작으므로 효율적으로 할 수 있다.

본 발명상의 방법 및 장치를 일실시예로서 도면에 의하여 구체적으로 설명한다.

제1도는 삼중효용증발관에 이젝터ㆍ히트펌프를 조합시킨 증발장치의 일실시예를 나타낸다. 여기에서 진하고 두터운 화살표는 원액이 농축액으로 변화되는 공정 흐름상태를 알기 쉽게 나타낸 것이다.

증발관(1)의 내부에는 복수개의 수평전열관(2)이 배설되어 있고, 이 전열관(2) 내의 유입로(3)로 보일러증기가 이젝터(20) 및 증기공급도관(21)을 통하여 유입되며, 전열관(2)밖으로는 증발시켜야 할 순환액이 순환액관(4), 순환펌프(5)에 의하여 순환하여 흐르게 된다. 한편, 용액은 용액공급관(6)으로부터 제1효용부(1a)로 들어가고, 다음에 용액이송 U자관(7)을 통과하여 제2효용부(1b)로 흐른다. 제3효용부로도 같은 방법으로 흐른다.

전술한 바와 같이 이젝터ㆍ히트펌프(20)에서 나온 증기는 증기공급도관(21)을 통해 제1효용부(1a)로 흘러들어간 다음, 전열관 밖의 용액을 증발시키면서 전열관(2) 내에서 응축한다. 전열관(2) 밖에서 증발한 증기는 덕트(3b)를 통과하여 제2효용부(1b)로 흘러서, 같은 작용을 한다. 제3효용부(1c)에서 용액으로 부터 발생한 증기는 콘덴서 즉, 응축기(30)로 흐르고, 전열관(31)안을 흐르는 냉각수에 의하여 응축기에서 응축된다.

물이송 U자관(8), (8b), (8c) 은 각 효용에서 응축한 물을 순차하위효용(順次下位效用)에, 또한 응축기(30)로 보낸다. 응축기(30)에서는 전열관(31)의 외면에서 응축한 물과 함께 펌프(32)로 배출한다.

관(6)에서 공급한 용액이 증발한 후, 제3효용(1c)에서 농도검출기(40)로 순환액을 검출하고, 소정농도치에 달하면 밸브(41)에서 순환액의 일부를 배출한다.

제3효용의 순환액의 농도가 공급된 용액의 5배의 농도로 제어되고 있는 경우는, 제1효용의 순환액농도는 공급된 용액의 대략 1.3∼1.4배 농도, 제2순환액농도는 대략 2∼2.5배 농도가 된다.

이와 같은 농도변화이기 때문에, 본 실시예에서는 제3효용에 제3도에서 도시되어 있는 바와 같은 스케일석출관(50)을 설하고, 순환관(4c)으로 분기관(50a)을 이어서, 순환액의 일부를 스케일석출관(50)으로 인도한다. 한편, 이젝터ㆍ히트펌프(20)로부터 나온 증기의 일부를 관(50c)에서 스케일석출관(50)으로 보내서 순환액의 일부와 직접 접촉시킨다. 순환액의 일부와 직접 접촉하여 응축한 증기의 물과 함께 스케일석출관 하부(50d)로 흐르고, 그 후 반전하여 위로 완만하게 흐른다. 이와 같이 흐른 액은 액면의 가까이 있는 부(50b)를 통과하고, 관(4c)을 흐르는 순환액의 잔부와 합류한다.

[실시예]

제2도는 유산칼슘반수염(Ca₂SO₄. 1/2 H₂O)의 온도와 용해도(농도)의 관계도로서 그 용해도곡선(100)과 스케일석출관(50)내에서의 순환액 일부의 상태변화를 나타낸 것이다.

위 유산칼슘반수염용액을 이용하여 이하에 본 발명상의 실시예를 구체적으로 설명한다.

위 유산칼슘반수염용액을 본 발명상의 대상용액으로 사용한 바

스케일석출관(50)으로 흡입되는 증기는 측정결과 71℃의 포화온도였고, 관(50a)으로부터 스케일석출관(50)로 인도되는 위 수용액은 53℃ 였으며, 상태점(101)을 이루었다. 진공상태와 같은 저압력에서는 증기의 포화온도가 100℃ 보다 낮은 온도가 된다. 이 수용액은 스케일석출관내에서, 흡입된 증기와 접촉하여, 70℃가 됨과 동시에 증기와 응축되면서 용액을 약간 희석하였더니 상태점(102)이 되었다. 스케일석출관의 하부(50d)를 통과하고, 관(50b)의 입구에 달했을때에는, 그 사이에 상태점(102)의 과포화상태에서 스케일성분의 석출에 의한 결정화가 일어나서, 70℃의 포화상태점(103)에 도달하였다.

스케일 석출관(50) 밖의 관(50b)에서 다른관(4c)을 수용액이 통과하고 증발관(1c)내에 산포되면 플래시증발이 일어나서 온도가 내려가고, 플래시증발한 량만큼 농도가 높아져서, 상태점(104)에 이르게 된다.

증발관(1c)에서의 증발량을 1톤, 관(4c)의 순환량을 20톤, 관(50a)에 분기한 순환액의 일부가 4톤인 조건으로 계산하였더니, 순환액이 전열관(2c)에 달한 위치에서의 상태점(105)의 농도는: {0.1726 ×(20 - 4) + 0.1280 × 4}/20 = 0.1637 wt% 즉, 0.1637wt% 의 용액이 다수의 전열관(2c)을 아래로 흐르게 하면서 증발하고, 최하부의 전열관(2c)을 벗어나는 위치에서의 농도는

0.1637wt% ×{20 / (20-1)} = 0.1723wt% 으로 된다.

이 농도 0.1723wt% 는 포화농도점(101)의 0.1726보다 작으므로 전열관(2c)에는 스케일이 석출부작하지 않는다.

스케일석출관의 저부에는 석출한 스케일입자가 쌓이기만 하므로 펌프(50e)로 약간의 용액과 함께 배출한다.

Claims (2)

1. 다중효용증발관의 한개의 효용부에 있어서, 전열관을 순환하는 용액의 일부를 스케일석출관으로 인도하고, 이 스케일석출관에는 이젝터ㆍ히트펌프에서 나온 증기를 흡입하여 이 전열관으로 순환시키는 용액의 일부와 직접 접촉시켜서 용액의 온도를 높이고, 온도가 높아진 용액을 이 효용부의 전열관으로 흐르게 하여 증발시키도록 한 다중효용증발관의 스케일방지법.
2. 상기 제1항에 기재된 방법을 수행하기 위하여 상기 증발관(1)의 내부에는 복수개의 수평전열관(2)이 배설되고, 이 전열관(2)내의 유입로(3)로 보일러증기가 이젝터(20) 및 증기공급도관(21)을 통하여 제1효용부(1a)로 유입되며, 전열관(2)밖으로는 증발시켜야 할 순환액이 순환액관(4), 순환펌프(5)에 의하여 순환하여 흐르게 한 다중 효용 증발관장치에 있어서, 상기 전열관(2)의 밖에서 증발한 증기는 덕트(3b)를 통과하여 제2효용부(1b)로 흐르게 하고, 제3효용부(1c)에서 용액으로 부터 발생한 증기는 응축기(30)로 흐르고 전열관(31)안을 흐르는 냉각수로 응축기내에서 응축하며, 상기 제3효용에 스케일석출관(50)을 설치하고, 순환관(4c)으로 분기관(50a)을 이어서 순환액의 일부를 스케일석출관(50)으로 인도하고, 이젝터·히트펌프(20)로 부터 나온 증기의 일부가 석출관(50c)에서 스케일석출관으로 보내어 순환액의 일부와 직접 접촉시키도록 한 다중효용증발관장치.