KR960010362B1 - 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성용질을 함유하는 수용액의 증발방법 및 그 장치 - Google Patents

Abstract

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Description

물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성용질을 함유하는 수용액의 증발방법 및 그 장치

제 1 도는, 본 발명의 실시예를 표시하는 도면.

제 2 도는, 물에 대한 황산칼륨의 포화용해도곡선을 표시하는 도면.

제 3 도는, 종래의 수평관하강막형증발장치를 표시하는 도면이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

10 : 증발관, 11 : 가열기,

11c : 수평가열관, 12 : 산포노즐,

16 : 플래시증발관,29 : 결정석출탱크,

27,28,31 : 순환관로,30 : 순환펌프.

본 발명은, 예컨대, 황산칼륨(K₂SO₄), 황산동(CuSO₄) 또는 염화나트륨(NaCl) 등과 같이 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하여 높게되는 수용성용질을 함유하는 수용액을 수용액속의 물을 가열증발하도록 한 증발방법, 및 그 방법에 사용하는 장치에 관한 것이다.

종래에, 수용성용질을 함유하는 수용액의 가열증발에는, 마루센주식회사발행, 화학공학회편 화학공학편람개정 판의 제405페이지의 6도와 7도의 (i)에 기재되고, 또한, 제 3 도에 표시하는 바와 같이 구성한 수평관하강막형의 증발장치가 사용되어있다.

즉, 이 수평관하강막형(水平管下降膜型)증발장치는, 증발관(1)내의 상부에 다수개의 수평가열관(2a)을 구비한 가열기(2)를 설치하며, 이 증발관(1)내를 응축기(3)의 진공펌프(4)로 대기압이하의 감압상태로 하는 한편, 전기한 증발관(1)내의 아래에서 펌프(5)로 퍼낸 수용액을 순환관로(6)를 개재하여 전기한 증발관(1)내의 상부에 설치한 산포노즐(nozzle)(7)에 보내고, 이 산포노즐(7)에서 전기한 가열기(2)의 각 수평가열관(2a)의 외표면에 산포하여, 그 각 수평가열관(2a)의 외표면을 액막형상인 상태로 흘러내리도록 하고, 흘러내리는 도중에 더 수용액을 가열 및 증발시키는 것이다.

또한, 제 3 도에 표시하는 수평관하강막형 증발장치는, 증발관(1)내에서 발생한 증기의 일부를, 보일러 등으로부터의 고압증기로 구동되는 증기이젝터(ejector)(8)에 의하여 흡인 및 압축한 후, 전기한 가열기(2)의 각 수평가열관(2a)내로 공급하여, 그 가열원으로하는, 이른바, 자기압축식(自己壓縮式)으로 구성되어 있다.

그리고, 전기한 수평관하강막형 증발장치는, 수용액의 가열 및 증발을, 이 수용액을 액막형상으로 한 상태에서 실시하기 때문에, 용액깊이에 의한 비등점상승이 없고, 또, 총괄진열계수가 높으므로, 전기한 마루센주식회사 발행 화학공학회편 화학공학편람개정 5판 제405페이지의 6도와 7도의 (K) 도는 (1)로 도시되어 있는 강제수환형의 증발장치에 비해서 열효율이 현저하게 높을 뿐만 아니라, 장치를 소형화 할 수 있는 등의 이점이 있다.

그러나, 그 반면에, 전기한 수평관하강막형 증발장치에 의하여, 황산칼륨, 황산동 또는 염화나트륨 등과 같이 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하여 높게 되는 수용성용질을 함유하는 수용액을, 그 용질이 결정(結晶)으로 석출(析出)하는 상태까지 증발시키는 경우에는, 아래에 전술하는 바와 같은 문제를 초래한다.

즉, 수평관하강막형 증발장치에서는, 대략 포화용해도의 수용액을, 이 수용액이 가열기의 수평가열관의 외표면을 액막형상인 상태로 흘러내릴 대의 온도를 증발관 내의 증기온도와 대략 동일한 온도로 유지한 상태에서 가열 및 증발시키는 것이므로, 이 수평가열관의 외표면에서의 가열 및 증발에 의하여 이 수용액은 그 온도의 포화용해도를 넘어서 과포화상태로 되고, 그 결과, 전기한 수평가열관의 외표면에 수용속의 용질의 결정이 석출하여 스케일(scale)로 되어 부착하므로, 증발운전을 정지하고 각 수평가열관의 스케일을 제거하는 작업을 빈번하게 실시하지 않으면 안된다.

본 발명은, 물에대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성용질을 함유하는 수용액을, 전기한 바와 같이 열효율이 높고 또한 소형화할 수 있는 수평관하강막형 증발장치로 용질의 결정이 석출하는 상태까지 증발시키는 경우에, 가열기의 각 수평가열 관의 표면에 스케일이 발생하는 것을 확실하게 저감할 수 있게 한 방법, 및 그 방법에 사용하는 장치를 제공하는 것을 기술적 과제로 하는 것이다.

이 기술적과제를 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 황산칼륨 또는 황산동 등과 같이 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성용질을 함유하는 수용액을, 대기압이하로 유지한 증발관내에 수평가열관에서, 이 수평가열관의 외표면을 액막의 상태로 흘러내리도돌 산포하여 가열 및 증발시키는 증발방법에서, 전기한 증발관에서 증발한 후의 수용액을 전기한 증발관 보다도 낮은 감압상태로 유지한 플래시(flash)증발관내로 도입하여 프래시 증발시키고 계속하여, 수용성용질의 결정을 석출하여 그 결정을 분리 및 제거한 후, 전기한 증발관내의 수평가열관을 향해서 산포하도록 하였다.

또, 본 발명의 장치는, 대기압이하의 감압상태로 유지한 증발관과, 이 증발관내에 설치한 복수개의 수평가열관과, 황산칼륨 또는 황산동 등과 같이 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성용질을 함유하는 수용액을 전기한 각 수평가열관의 외표면에 액막형상으로 산포하는 산포장치와, 전기한 증발관의 아래에 있는 수용액을 전기한 산포장치로 순환공급하는 순환경로로 이루어지는 증발장치에서, 전기한 순환경로중에, 전기한 증발관보다도 낮은 감압상태로 유지한 플래시증발관과 전기한 수용액속의 수용성용질의 결정을 석출하여 분리하는 결정석출탱크를, 전기한 플래시증발관을 상류쪽으로, 결정석출탱크를 하류쪽으로 설치하는 구성으로 하였다.

이와 같이 하면, 증발관에서 나온 수용액은 전기한 증발관보다도 낮은 감압상태로 유지된 플래시증발관내로 들어가서, 여기서 플래시증발하여 그 온도가 하강하기 때문에, 이 수용액은 포화용해도곡선보다도 윗쪽의 과포화영역내로 이행(移行)하여 높은 과포화상태로 되므로, 결정석출탱크 내에서 이 수용액속의 용질의 결정이 석출하여, 이 수용액의 농도는 포화용해도에 가까운 상태로 된다.

계속하여, 전기한 수용액은, 결정이 제거된 후 산포장치를 개재하여 전기한 증발관내의 수평가열관의 외표면을 향해서 액막형상으로 산포되는 것이지만, 이 수용액의 온도는 전기한 플래시증발관내에서 플래시증발하여, 증발관내의 증기온도보다도 낮게 되어 있으므로, 전기한 수평가열관의 외표면을 액막의 상태로 흘러내리는 수용액은, 그 온도가 증발관 내의 증기온도와 동일하게 될때까지 가열되고, 그 후에 가열 및 증발되는 것이다.

즉, 전기한 수평가열관의 외표면을 액막의 상태로 흘러내리는 수용액은, 그 온도가 증발관내의 증기온도와 동일하게 될때까지 가열되고, 이 가열에 의하여, 이 수용액은, 일단, 포화용해도곡선보다도 아래인 미포화상태로 되며, 이 미포화상태에서 가열 및 증발이 개시되므로,전기한 수평가열관의 외표면에서의 가열 및 증발을 포화용해도곡선보다도 아래인 미포화영역내에서 실시할 수 있거나, 또는 포화용해도곡선을 넘어서 과포화영역내로 들어가는 정도를 대폭으로 내리게할 수 있는 것이다.

따라서, 본 발명에 의하면, 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성용질을 함유하는 수용액을, 전기한 바와 같이 열효율이 높고, 또한 소형화할 수 있는 수평관하강막형 증발장치로 용질의 결정이 석출하는 상태까지 증발시키는 경우에, 가열기의 각 수평가열관의 표면에 스케일이 발생하는 것을 확실하게 적게할 수 있으므로, 증발운전을 정지하여 각 수평가열관의 스케일을 제거하는 작업의 회수를 저감할 수 있으며, 증발능률을 현저하게 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

[실시예]

아래에, 본 발명의 실시예를 자기증기압축식 수평관하강막형 증발장치로 황산칼륨수용액을 증발시키는데 적용한 경우의 도면에 대하여 설명한다.

도면에서(10)은 밀폐형 증발관을 표시하고, 그 증발관(10)내의 상부에는 좌우한쌍의 헤더(header)(11a), (11b)와, 이 양쪽 헤더(11a), (11b) 사이를 연결하는 다수개의 수평가열관(11c)으로 이루어지는 가열기(11)가 설치되어 있으며, 또, 황산칼륨수용액을 전기한 각 수평가열관(11c)의 외표면으로 액막형상의 상태로 산포하도록 한 산포노즐(12)이 설치되어 있다.

전기한 증발관(10)내에서 발생한 증기를, 보일러(비도시)로부터 증기공급관로(13)를 거쳐셔 공급되는 고압증기에 의해 구동되는 증기이젝터(14)로 흡인 및 압축한 후, 증기닥트(15)를 개재하여 전기한 가열기(11)의 한쪽 헤더(12a)내로 공급한다. (16)은 밀폐형의 플래시증발관을, (17)은 관로(18)에서 공급되는 냉각수로 냉각되는 응축기를 각각 표시하고, 전기한 플래시증발관(16)으로부터의 증기출구(19)를 증기닥트(20)를 개재하여 전기한 응축기(17)에 접속하는 한편, 전기한 응축기(17)에는 진공펌프(21) 등의 진공발생장치가 접속되면서, 응축수의 배출 펌프(22)가 접속되고, 또한, 전기한 가열기(11)의 다른쪽 헤더(11b)로부터의 응축수추출관로(23)가 접속되어 있다.

또, 전기한 플래시증발관(16)에 연결되는 증기닥트(20), 또는 전기한 응축기(17)에는, 전기한 가열기(11)의 다른쪽 헤더(11b)로부터의 불응축성가스의 추출관로(24)를 접속시키는 한편, 전기한 증기닥트(20)내에의 증기의 일부를 전기한 증기공급관로(13)에서 공급되는 고압증기에 의해 구동되는 보조증기이젝터(25)로 흡연 및 압축한 후, 증기닥트(26)를 개재하여 전기한 가열기(11)의 한쪽 헤더(11a)내로 공급하고, 이들의 구성에 의하여, 전기한 증발관(10)내의 증기온도를 70℃의 감압상태로 유지하는 한편, 전기한 플래시증발관(16)내의 증기온도를 65℃의 감압상태로 유지한다.

그리고, 전기한 증발관(10)내의 아래에 있는 황산칼륨수용액을 제 1 순환관로(27)를 개재하여 전기한 플래시증발관(16)내로 도입하여 플래시증발시키고, 이 플래시증발시킨 후의 황산칼륨수용액을, 제 2 순환관로(28)를 개재하여 결정석출탱크(29)내로 도입한 후, 이 결정석출탱크(29)내의 상부에서 맑은 액의 상태로 추출하고, 이것을 순환펌프(30) 및 제 3 순환관로(31)를 개재하여 전기한 증발관(10)내의 산포노즐(12)로 공급하는 순환을 실시하도록 구성하는 한편, 전기한 제 3 순환관로(31)의 도중에 황산칼륨수용액을 관로(32)에서 공급한다.

이 장치에서, 전기한 증발관(10)내에서의 물의 증발량을 1000kg/h으로, 황산칼륨수용액의 순환량의 전기한 증발량의 50배인 5000kg/h으로 설정하는 한편, 전기한 황산칼륨수용액의 비등점상승이, 예컨대 5℃라고 가정하면, 전기한 증발관(10)의 아래에서 유출하는 황산칼륨수용액의 온도가 75℃로 되고, 이 75℃의 황산칼륨수용액이 제 1 순환관로(27)를 개재하여 플래시증발관(16)내로 안내되어, 여기서 온도가 70℃로 하강할 때까지 플래시증발한다.

그리고, 전기한 증발관(10)의 아래에서 유출하는 황산칼륨수용액의 농도를 제 2 도에 표시하는데, 황산칼륨의 물에 대한 포화용해도곡선에서, 이 포화용해도 곡선보다도 아래쪽인 미포화영역내의 A점, 요컨데, 16.94wt%로 하면, 전기한 플래시증발관(16)내에서 물이 449kg/h만큼 플래시증발하여 온도가 75℃에서 70℃로 내려가면서 농도가 17.09wt%로 높아져, 이 황산칼륨수용액은 전기한 A점에서 포화용해도곡선 보다도 위쪽인 과포화영역에서의 B점으로 이행되어, 높은 과포화상태로 되며, 제 2 순환관로(28)를 개재하여 전기한 결정석출탱크(29)내로 보내지므로, 이 황산칼륨수용액속의 황산칼륨은 이 결정석출탱크(29)내에서 결정으로 석출하고, 이 결정석출탱크(29)내의 아래에서 침전 및 분리된다.

이 결정의 석출에 의하여, 전기한 결정석출탱크(29)로부터 유출하는 황산칼륨수용액의 농도가 온도 70℃일때의 대략 포화용해도 16.6wt%까지 내려가서, 전기한 B점으로 C점으로 이행한다.

계속하여, 이 상태의 황산칼륨수용액이 순환펌프(30) 및 제 3 순환관로(31)를 개재하여 전기한 증발관(10)내의 위에 있는 산포노즐(12)로 보내진 후, 이 산포노즐(12)에서 각 수평가열관(11c)의 외표면에 대하여 액막형상의 상태가 되도록 산포되는 것이다.

이때, 전기한 산포노즐(12)에서 각 수평가열관(11c)의 외표면으로 산포된 황산칼륨수용액은 그 온도가 70℃인 한편, 증발관(10)내에서의 증기온도는 70℃이므로, 이 황산칼륨수용액의 가열 및 증발은 각 수평가열관(11c)으로의 산포와 동시에 시작되는 것은 아니고, 그 온도가 75℃까지 가열된 후부터 시작하는 것이며, 전기한 70℃에서 75℃로의 가열에 의하여 이 황산칼륨수용액은, 전기한 C점의 상태에서전기한 포화용해도곡선 보다도 아래쪽면 미포화영역내에 있는 D점으로 이행하여, 일단 꽤 낮은 미포화상태로 되며, 이 미포화상태에서 가열 및 증발이 개시되고, 이것에 의하여 물이 1000kg/h만큼 증발하여, 전기한 A점으로 복귀하는 것을 반복하는 것이다.

즉, 전기한 각 수평가열관(11c)의 외표면을 액막의 상태로 흘러내리는 황산칼륨수용액은, 그 온도가 70℃에서 75℃로 될 때까지 가열되고, 이 가열에 의하여 이 수용액은 일단, 포화용해도곡선보다도 아래인 낮은 미포화상태로 되며, 이 미포화상태에서 가열 및 증발이 개시되므로, 전기한 각 수평가열관(11c)의 외표면에서의 가열 및 증발을, 포화용해도곡선 보다도 아래인 미포화영역내에서 실시할 수 있으므로, 전기한 각 수평가열관(11c)의 외표면에 전기한 황산칼륨수용액속의 황산칼륨결정이 스케일로서 부착 및 석출하는 것을 대폭으로 저감할 수 있는 것이다.

또, 전기한 증발관(10)에서 유출하는 황산칼륨수용액의 농도를 75℃의 포화용해도에 가까운 상태로 한 경우에 있어서도, 각 수평가열관(11c)의 외표면에서의 가열 및 증발에 앞서서, 전기한 바와 같이, 일단 미포화상태로 하는 것이고, 이것에 의하여, 전기한 각 수평가열관(11c)의 외표면에서의 가열 및 증발의 도중에 황산칼륨수용액이 포화용해도곡선을 넘어서 과포화영역내로 들어가는 정도를 낮출 수 있으므로, 각 수평가열관(11c)의 외표면에 발생하는 스케일을 확실하게 저감할 수 있는 것이다.

또한, 전기한 결정석출탱크(29)내의 아래에 침전된 결정은 슬러리(slurr)펌프(33)에 의하여 원심분리기(34)로 보내어져, 이 원심분리기(34)에 의하여 액분(液分)을 분리한 후 꺼내게 되는 한편, 결정에서 분리되어 탱크(35)에 남은 황산칼륨 수용액은 펌프(36)가 달린 관로(37)를 개재하여 전기한 제 3 순환관로(31)로 복귀된다.

이 슬리리펌프(33)에는, 이 슬러리펌프(33)에서의 토출액의 일부를 전기한 결정석출탱크(29)내에 있는 전기한 슬러리펌프(33)의 흡입부로 복귀시켜, 결정의 추출을 쉽게하기 위한 바이패스관로(38)가 설치되어 있다.

또한, 전기한 실시예는 황산칼륨수용액의 증발에 적용한 경우를 표시했지만, 본 발명은, 이것으로 한정된 것은 아니고, 황산동수용액 또는 염화나트륨수용액의 증발에도 적용할 수 있는 것은 물론이지만, 물에 대한 포화용해도곡선의 경사도가 작을 때에는 수용액의 순환량을 대량으로 하는 것이 필요하다.

또, 본 발명은 다중효용증발장치에 대해서도 적용할 수 있는 것은 물론이다.

Claims (2)

1. 황산칼륨 또는 황산동 등과 같이 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성용질을 함유하는 수용액을, 대기압이하로 유지한 증발관(10)내의 수평가열관(11c)에 대하여, 이 수평가열관(11c)의 외표면을 액막의 상태로 흘러내리도록 산포함에 의하여 가열 및 증발시키는 증발방법에서, 전기한 증발관(10)에서 증발된 후의 수용액을 전기한 증발관(10) 보다도 낮은 감압상태로 유지한 플래시증발관(16)내로 유도하여 플래시증발시키고, 계속하여, 수용성용질의 결정을 석출하여 그 결정을 분리 및 제거한 후, 전기한 증발관(10)의 수평가열관(11c)에 대하여 산포하는 것을 특징으로 하는, 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성용질을 함유하는 수용액의 증발방법.
2. 대기압이하의 감압상태로 유지한 증발관(10)과, 그 증발관(10)내에 설치한 복수개의 수평가열관(11c)과, 황산칼륨 또는 황산등 등과 같이 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성 용질을 함유하는 수용액을 전기한 각 수평가열관(11c)의 외표면에 대하여 액막형상으로 산포하는 산포장치(12)와, 전기한 증발관(10)의 아래에 있는 수용액을 전기한 산포장치(12)까지 순환공급하는 순환경로로 이루어지는 증발장치에서, 전기한 순환경로중에, 전기한 증발관(10)보다도 낮은 감압상태로 유지된 플래시증발관(16)과, 전기한 수용액속의 수용성용질의 결정을 석출하여 분리하는 결정석출탱크(29) 등을, 전기한 플래시증발관(16)을 상류쪽으로, 결정석출 탱크(29)을 하류쪽으로 설치한 것을 특징으로 하는, 물에 대한 포화용해도가 온도에 비례하는 수용성용질을 함유하는 수용액의 증발장치.