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증발공정은 유동식품, 해수증류 및 폐수 처리와 관련된 시스템에서 매우 중요하다. 이는 일반적으로 진공상태에서 순수한 물을 증발시켜 수용액을 농축하는 것이다. 일반적으로, 액체 농축은 멤브레인, 전기투석 및 증발을 통해 수행된다. 전자는 분리 과정이고 후자는 상변화 과정이다. 현재 해수담수화 시장은 ...

증발공정은 유동식품, 해수증류 및 폐수 처리와 관련된 시스템에서 매우 중요하다. 이는 일반적으로 진공상태에서 순수한 물을 증발시켜 수용액을 농축하는 것이다. 일반적으로, 액체 농축은 멤브레인, 전기투석 및 증발을 통해 수행된다. 전자는 분리 과정이고 후자는 상변화 과정이다. 현재 해수담수화 시장은 역삼투압 설비 시스템이 증가되고 있으나 중동국가들은 여전히 증발식이 주요 해수 댐수화 설비이다. 그 이유는 증기를 발생시키기 위한 증발 열원인 유가가 저렴하며 발전소와 함께 대용량 설비 및 저압 가열 증기를 발전소에서 쉽게 공급할 수 있으며 특히 제일 중요한 원수인 해수가 홍해에서 품질이 매우 낮기 때문이다.
MSF 새로운 해수담수화설비를 건설하면 좋으나 막대한 추가 비용과 시간이 필요하다. 본 연구에서는 대용량 담수화 해수 증류 과정에서 여전히 지배적인 기존 MSF-OT 플랜트 설비의 TBT 운전조건을 제어하며 일부 추가 배관 작업으로 용량 확장을 통하여 운전조건을 제어함으로써 정량적 에너지절감 전략을 소개하고 가열처리 방법만으로 비에너지 소비량(담수 1kg을 생산하는데 필요한 에너지)을 어떻게 하면 감소시키고 담수 생산 성능을 향상을 시킬 수 있는가에 대한바람직한 2가지 대안을 제시하였다.
첫 번째는 1단 증발기로 공급되는 브라인의 해수 온도 TBT를 90°C, 100°C, 110°C & 120°C의 상승시켜 운전하는 방식으로 다단계 증발시스템의 성능이 TBT 상승에 따라 증가될 수 있다는 것을 연구 결과로 보여준다.
두 번째는 TBT 90°C에서 브라인을 재활용하는 방법으로, 기존 MSF 설비에 추가 25.4 mm, 50.8 mm, 76.2 mm 및 101.6 mm 배관을 설치하여 상류 증발기의 브라인의 일부를 TBT까지 재가열하여 하류 증발기로 보내는 방식으로, 브라인의 재활용을 통하여 담수 생산성을 향상 시키고 비에너지 소비량을 감소시키는 방안이다. MSF 다단계 증발 과정 단계에서 브라인 온도가 규칙적으로 낮아지기 때문에 상류 증발기에서 브라인의 일부를 TBT까지 재가열하여 하류 증발기로 브라인을 공급하여 담수 생산성을 향상 시키고 비에너지 소비량을 감소 시켰다.
첫 번째 연구 결과로 TBT 상승은 해수담수화 성능을 결정하는 핵심 설계요소라는 것을 알 수 있었다. 증발기 간의 온도차가 직접적으로 총 온도차(TTD)에 달려 있어 MSF의 온도차(TTD)는 담수 생산 용량을 결정하였다. 담수 총 생산량은 90°C는 6,962.5(100%) (kg/h), 100°C는 8,572.6(123%) (kg/h), 110°C는 10,174.4(146%) (kg/h) & 120°C는 11,769.6(169%) (kg/h)로 90°C와 비교하여 23%∼69% 증가하였고 비에너지 소비량은 90°C는 0.233(100%) (MW/h), 100°C는 0.203(87.05%) (MW/h), 110°C는 0.184(79.01%) (MW/h) & 120°C는 0.172(73.84%) (MW/h)로 13%∼26.16% 감소하였다.
두 번째 연구 결과는 브라인 재활용은 상류 브라인의 일부를 TBT 90°C까지 재가열 브라인의 온도를 상승시켜 하류 증발기로 공급할 시 연결된 증발기 사이의 차압에 의해 자연적으로 브라인이 이동되어 추가 펌프동력은 필요가 없으며, 연결파이프를 통한 개선된 성능은 운전조건의 변화 없이, 첫 번째 TBT 90°C 연구 결과와 비교하면, 담수 총 생산량은 25.4 mm는 6,995.4(100.47%) (kg/h), 50.8 mm는 7,028.4(100.95%) (kh/h), 76.2 mm는 7,0614(101.42%) (kg/h) 및 101.6 mm는 7,094.3(101.89%) (kg/h)로 0.47∼1.89%의 증가된 담수생산량이 증가하였고. 비에너지 소비량은 25.4 mm는 0.229(98.14%) (MW/h), 50.8 mm는 0.225(96.31%) (MW/h), 76.2 mm는 0.221(94.49%) (MW/h) 및 101.6 mm는 0.216(92.68%) (MW/h)로 1.86∼7.32%의 비에너지 소비량이 감소하였다.
또한 MSF 다단증발식 해수담수화설비의 경우, 각 증발단의 운전온도와 압력은 다르며, 이 운전조건에 비례하여 해수에 용해되어 있던 기체들이 증발과정에서 방출되는데 주성분은 불응축기체인 이산화탄소, 질소, 산소 및 아르곤이다.
대류열전달의 입장에서는 불응축기체는 증발증기를 응축시키는 냉각기의 성능을 저하시키는 주요한 원인이기 때문에 증발과정에서 방출되는 불응축기체의 평가는 증발식 해수담수화설비에서 중요한 설계인자 중의 한가지이다.
증발식 해수담수화공정의 경우, 대부분의 증발기는 진공압력으로 유지되기 때문에 진공유지 장치의 설계를 위해서는 증발과정에서 해수로부터 방출되는 불응축기체의 방출량을 평가하는 것이 매우 중요하다. 따라서 본 연구에서는 불응축기체의 방출량을 정량적이고 이론적인 계산을 통하여 연구하였으며, 연구결과에 따르면 불응축가스의 방출량은 후단으로 갈수록 감소하며, 담수생산량에 비례함을 알 수 있었다. 그리고 해수증발과정에서 발생하는 NCG의 체적은 대부분 N2와 O2이며, CO2와 Ar의 방출량은 무시할 수 있는 수준임을 연구 결과를 통해 알 수 있었다.
따라서 본 연구의 목적은 해수담수화설비 자체에 대한 대형공사 혹은 대용량의 약간의 배관 설비 추가에 의한 공법개선과 TBT 상승 운전조건의 개선만으로 담수 생산량을 증가 시키고 비에너지 소비량을 감소시킬 수 있다는 것을 이론적인 계산을 통하여 증명하는데 목적이 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Evaporation process, which is generally performed by evaporating solvent in a vacuum state to concentrate the aqueous solution, is very important in the systems related to liquid foods, seawater distillation and waste water treatment. Commercially, liquid concentration is carried out either through ...

Evaporation process, which is generally performed by evaporating solvent in a vacuum state to concentrate the aqueous solution, is very important in the systems related to liquid foods, seawater distillation and waste water treatment. Commercially, liquid concentration is carried out either through a membrane process or a thermal process; the former is the separation process and the latter is the phase change process. It may be obvious that such mentioned processes are most successfully utilized in seawater desalination. Although the reverse osmosis (RO) system is increasing its share in the seawater desalination market at present, the seawater desalination through an evaporation process is still main in the Middle East region due to a low energy cost, the need for a large capacity and a bad quality of seawater.
Since the water demands in the Gulf countries are sharply increased at present, it is strongly required to build a new seawater desalination plant or to increase the efficiency of the installed plants.
In this study, the means to improve the energy efficiency of an installed multi-stage flash (MSF)
process that it were only focused rather than to construct a new plant, and therefore the following strategies were introduced for increasing the plant efficiency.
First, the increases of the top brine temperature(TBT) were tried. the term of TBT means the brine temperature supplied to the first stage evaporator and their values were changed from 90°C to 120°C, with the increment of 10°C.
Second, the brine re-utilization method was introduced, which means that the upstream brine not evaporated transfers to the downstream evaporator through the connecting pipe after re-heating to a TBT.
According to the results from the first strategy, it was found that the TBT rise is a key factor that determines seawater desalination performance. As the temperature difference between the evaporators directly depends on the total temperature difference(TTD), which is the temperature difference between the supplied seawater temperature and the TBT. The TTD of an MSF plant determines the fresh water production capacity. If comparing the case of TBT=90°C, the fresh water production rates were increased to 123% at TBT=100°C, 146% at TBT=110°C and 169% at TBT=120°C. From the theoretical calculations, it was found that the specific energy consumptions (SEC) were reduced. Based on TBT=90°C, the SECs were about 87.05% at TBT=100°C, 79.01% at TBT=110°C and 73.84% at TBT=120°C, respectively.
And results of the second strategy, it was also confirmed that the SEC can be reduced by the brine re-utilization method. Since the brine transfer from an upstream stage to a downstream stage is done by the pressure difference between the evaporators, it was seen that the SECs are reduced and increased of production as the pipe size connecting the evaporators gets larger.
From the theoretical calculations, it was found that the specific energy consumptions(SEC) were reduced from 1.86% to 7.32%, based on TBT=90°C, the SECs were about 98.14% at 25.4mm, 96.51% at 50.8mm, 94.49% at 76.2mm, and 92.68% at 101.6mm. And the fresh water production rates were increased from 1.86% to 7.32%, it about that 100.95% at 25.4mm, 100.95% at 50.8mm, 101.42% at 76.2mm, and 101.89% at 101.6mm respectively.
Furthermore, in the case of the MSF multi-stage seawater desalination plants, the dissolved gases in the seawater are released during the evaporation process with the main ingredients being CO2, nitrogen, oxygen and argon. The evaluation of non-condensable gases emitted during the evaporation process is one of the important design factors in an evaporative seawater desalination plant and non-condensable gases are major causes of degrading the performance of the condenser.
In this study, the non-condensable gases(NCG) rates released in the evaporating process were evaluated, which is rare in the previous studies. According to the calculation results, it was found that the released NCG rate decreases toward the downstream and is proportional to freshwater production. Since the NCGs dissolved in seawater is the components of atmosphere, the calculations of the released NCGs were focused on N2 and O2.
Although this study is based on the theoretical calculations to improve the MSF seawater desalination process, it was confirmed that the SECs, which is the energy consumption to produce the freshwater of 1kg from seawater, can be reduced by increasing the TBT and the brine re-utilization method. Since the strategies suggested in this study require only to change the operating conditions of an installed MSF plant, this study will largely contribute to increase the energy efficiency of an installed MSF seawater desalination plant.

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