오폐수처리, 해수담수화 및 식품산업의 경우 증발과정은 필수공정이며, 이는 기본적으로 용액으로부터 용매인 순수한 물성분을 추출하여 점차 용액의 농도를 증가시키는 방식이다. 농축을 위한 방식은 전기투석, 증발식, 막방식 등의 다양한 방법이 사용되고 있으나, 본 연구에서는 여러 산업분야에서 적용되고 있는 증발식을 대상으로 운전방식에 따른 가열열원의 소모량을 이론적으로 분석하고, 이에 근거하여 다단증발식 해수담수화설비의 운전특성을 파악하였다. 본 연구의 결과에 따르면 시스템에서 이용할 수 있는 전체 온도차, 즉 인입해수의 온도와 1단 증발부로 유입되는 해수온도와의 차를 기준으로 증발단의 수를 증가시킬수록 에너지효율이 상승함을 알 수 있었다.
오폐수처리, 해수담수화 및 식품산업의 경우 증발과정은 필수공정이며, 이는 기본적으로 용액으로부터 용매인 순수한 물성분을 추출하여 점차 용액의 농도를 증가시키는 방식이다. 농축을 위한 방식은 전기투석, 증발식, 막방식 등의 다양한 방법이 사용되고 있으나, 본 연구에서는 여러 산업분야에서 적용되고 있는 증발식을 대상으로 운전방식에 따른 가열열원의 소모량을 이론적으로 분석하고, 이에 근거하여 다단증발식 해수담수화설비의 운전특성을 파악하였다. 본 연구의 결과에 따르면 시스템에서 이용할 수 있는 전체 온도차, 즉 인입해수의 온도와 1단 증발부로 유입되는 해수온도와의 차를 기준으로 증발단의 수를 증가시킬수록 에너지효율이 상승함을 알 수 있었다.
TEvaporator is key component in food, seawater distillation and waste water treatment system, which is basically to concentrate the raw liquid by evaporating the pure water under vacuum condition. The liquid concentration is performed through the membrane, electro-dialysis and evaporation. In this s...
TEvaporator is key component in food, seawater distillation and waste water treatment system, which is basically to concentrate the raw liquid by evaporating the pure water under vacuum condition. The liquid concentration is performed through the membrane, electro-dialysis and evaporation. In this study, only the evaporating type was treated for evaluating the economic analysis with the various operating conditions. The results of this study showed that the performance of the OT-MSF desalination system is increased with decreasing the temperature difference between the neighboring evaporators, which means that the number of evaporators is increased, under the determined design conditions.
TEvaporator is key component in food, seawater distillation and waste water treatment system, which is basically to concentrate the raw liquid by evaporating the pure water under vacuum condition. The liquid concentration is performed through the membrane, electro-dialysis and evaporation. In this study, only the evaporating type was treated for evaluating the economic analysis with the various operating conditions. The results of this study showed that the performance of the OT-MSF desalination system is increased with decreasing the temperature difference between the neighboring evaporators, which means that the number of evaporators is increased, under the determined design conditions.
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문제 정의
(4) 본 연구의 목적인 담수생산량 대비 가열열원의 공급량은 증발단간의 증발단간의 온도차를 감소시켜 증발단의 갯수를 증가시키면 동일한 담수생산량 대비 에너지소모량이 감소하게 된다. Fig.
따라서 본 연구에서는 우선 MSF 방식의 해수담수화설비의 기준증발량에 대한 증발기의 단수, 각 단의 증발온도 제어 및 최종냉각수인 해수의 온도에 따라 에너지소모율이 어떻게 변화되는지 이론적인 계산을 수행하였다.
본 연구에서는 OT-MSF 해수담화설비의 경제적인 설계조건을 파악하기 위해 수행되었으며, 해수의 유입온도와 첫 번째 증발단의 운전온도가 결정된 경우 증발단의 설치갯수에 따른 담수생산량의 변화 및 담수생산을 위해 투입해야 하는 열에너지 소비량을 비교하였다.
가설 설정
증발단수의 증가에 따른 OT-MSF의 가열량 및 철수생산량을 비교하기 위해 (a) 해수의 공급량은 100 Ton/hr, (b) 첫 단의 증발온도는 110 ℃, (c) 증발된 증기는 100 % 응축, (d) 증발단의 온도차는 2 ℃, 3 ℃, (e) 인입해수의 온도는 32 ℃로 가정하였으며, 증발단이 1개인 경우부터 순차적으로 증발단의 개수를 증가시키면서 수행하였다.
제안 방법
MSF 방식의 해수담수화설비는 1970년대 중동지역을 중심으로 대규모로 건설되어 현재까지 운영되고 있으며, 현재에도 증발식 해수담수화설비에서 무시할 수 없는 시장 규모를 점유하고 있다[22][23]. MSF 방식은 관류식(Once Through MSF, OT-MSF)과 재순환식(Brine Recirculation MSF, BR-MSF)으로 분류되는데, 기본적인 증발방식은 동일하나 BR-MSF의 경우 인입해수의 온도를 제어하기 위해 OT-MSF의 증발기를 두 부분으로 분리한 것 외에는 차이가 없기 때문에, 본 연구에서는 OT-MSF를 대상으로 하여 계산을 수행하였으며, 구조는 Fig. 1에 보인 것과 같다.
본 연구의 대상인 OT-MSF 해수담수화설비의 다단플레쉬 증발에서는 전단에서 증발되고 남은 농도가 높아진 해수가 인접한 후단으로 공급되기 때문에 농도증가에 따른 비등점의 상승이 발생하나 이 영향은 무시하였으며, 식(4)~식(8)의 계산을 위해서는 온도의 함수로 주어지는 해수의 정압비열을 사용하여야 하나, 공학적 목적상 그 영향이 미미하기 때문에 각 증발단의 온도에 대응하는 포화수의 정압비열을 사용하여 계산을 수행하였다.
성능/효과
(1) 증발단간의 온도차를 증가시킬수록, 즉 증발단의 갯수를 감소시키면 각 증발단에서의 증발량 및 냉각해수의 온도가 상승한다. 즉 이는 증발기의 설치 댓수는 감소하지만 각 증발기의 크기가 커져야 함을 의미한다.
(2) 담수생산량은 소폭 증가하지만 의미있는 증가량이라고는 할 수 없다.
(3) 역으로, 증발단간의 온도차를 감소시킬수록, 즉 증발단의 갯수를 증가시키면 각 증발단에서의 증발량 및 냉각해수의 온도가 감소한다. 즉 이는 증발기의 설치 댓수는 증가하지만 각 증발기의 크기는 적어짐을 의미한다.
CASE2와 CASE3의 경우에도 Table1에 보인 것과 동일한 계산을 수행하였으며, Table 2는 각 CASE별 계산결과를 비교한 것으로서 해수의 인입온도와 첫 번째 증발단의 운전온도 및 제1단으로의 공급해수의 온도를 동일하게 유지하는 설계조건에서는 증발단간의 운전온도의 차를 적게 유지하면, 즉 증발단의 설치댓수를 증가시키면 담수생산량이 증가함과 동시에 담수생산을 위해 투입해야하는 가열에너지도 감소하므로 담수생산비용 측면에서는 경제적임을 알 수 있다.
후속연구
뿐만 아니라 첫 번째의 증발단으로 공급하는 해수의 온도, 즉 Brine Heater에서 증발기로 공급하는 해수온도의 변화에 따른 담수생산량 및 에너지 소비율에 대한 연구도 진행되어야 하지만 이는 후속연구를 통해 수행할 예정이며, 본 연구의 결과는 증발식 농축기의 운전방식에 따른 에너지소모율의 비교분석을 통해 가장 경제적인 증발기를 설계하기 위한 기준점을 제공하는 역할을 할 것으로 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
OT-MSF 방식의 증발식 해수담수화설비의 1단에서 1단 하부까지 해수 공급 과정은?
OT-MSF 방식의 증발식 해수담수화설비는 펌프로부터 공급되는 해수는 최후단의 증발기 냉각튜브로 공급되며, 이 해수는 각 증발단의 증발부에서 증발된 증기를 냉각, 응축시키고 온도가 상승한 후 다음 단의 냉각튜브로 공급되어 냉각수 역할을 하면서 제1단까지 공급된다. 제1단 증발기에서 빠져나온 해수는 발전용 저압터빈에서 추출된 증기가 공급되는 브라인히터(Brine Heater)에서 제1단의 증발온도, 즉 운전온도보다 높은 온도로 가열되고, 따라서 과열액(Superheated Liquid)의 상태로 제1단 하부로 공급된다. 공급해수는 증발기 하부의 가변형 오리피스(Variable Orifice)를 통해 증발기 내부로 공급되는데 이는 플래싱 증발(Flashing Evaporation)이 활발히 일어나도록 해수의 압력을 낮추는 역할을 하며, 오리피스의 유동면적 조절은 일반적으로 플랜트의 시운전 단계에서 수행된다.
오폐수처리, 해수담수화 및 식품산업의 기본적인 증발과정은?
오폐수처리, 해수담수화 및 식품산업의 경우 증발과정은 필수공정이며, 이는 기본적으로 용액으로부터 용매인 순수한 물성분을 추출하여 점차 용액의 농도를 증가시키는 방식이다. 농축을 위한 방식은 전기투석, 증발식, 막방식 등의 다양한 방법이 사용되고 있으나, 본 연구에서는 여러 산업분야에서 적용되고 있는 증발식을 대상으로 운전방식에 따른 가열열원의 소모량을 이론적으로 분석하고, 이에 근거하여 다단증발식 해수담수화설비의 운전특성을 파악하였다.
증발식 해수담수화설비의 형식은 무엇이 있는가?
증발식 농축기의 방식을 산업적으로 대규모, 대용량으로 적용하는 분야는 현재까지 해수담수화설비가 독보적이며, 이 분야에서는 농축기라는 용어보다는 증발기(Evaorator)라는 용어를 사용하고 있다. 증발식 해수담수화설비의 형식은 다단플래쉬증발(Multi-stage Flashing Distillation, MSF), 다중효용증발(Multi-effect Distillation, MED) 방식이 적용되고 있으며, MED방식의 경우 에너지효율을 높이기 위해 주로 다단증발기의 최후단 증발기에서 증발된 수증기의 일부를 재압축(Re-compression)하여 첫 번째 단의 가열증기원으로 재사용하는 것이 일반적이며, 증기의 재압축을 위해 열압축기(Thermocompressor, TVC)를 사용하는 경우를 MED-TVC 방식, 회전형의 기계식 증기압축기(Mechanical Vapor Com- pressor, MVC)를 사용하는 경우를 MED-MVC 방식이라 한다[6]-[8].
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