모든 액체는 소량의 기체성분들이 녹아있으며, 액체에 용해되는 기체의 양은 액체에 작용하는 주위압력에 기여하는 각 기체성분의 분압에 비례한다는 헨리의 법칙을 따른다. 따라서 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 진공유지장치의 설계를 위해서는 증발과정에서 해수로부터 방출되는 불응축기체의 방출량을 평가하는 것이 매우 중요다. 본 연구는 불응축기체의 방출량을 정량적으로 계산하기 위해 수행하였으며, 연구결과에 따르면 불응축가스의 방출량은 후단으로 갈수록 감소하며, 담수생산량에 비례함을 알 수 있었다.
모든 액체는 소량의 기체성분들이 녹아있으며, 액체에 용해되는 기체의 양은 액체에 작용하는 주위압력에 기여하는 각 기체성분의 분압에 비례한다는 헨리의 법칙을 따른다. 따라서 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 진공유지장치의 설계를 위해서는 증발과정에서 해수로부터 방출되는 불응축기체의 방출량을 평가하는 것이 매우 중요다. 본 연구는 불응축기체의 방출량을 정량적으로 계산하기 위해 수행하였으며, 연구결과에 따르면 불응축가스의 방출량은 후단으로 갈수록 감소하며, 담수생산량에 비례함을 알 수 있었다.
All liquids contain a small amount of gaseous components and the amount of gases dissolved in a liquid is in accordance with Henry's Law. In a multi-stage thermal-type seawater desalination plant, as the supplied seawater undergoes variations in temperature and pressure in each evaporator, the gases...
All liquids contain a small amount of gaseous components and the amount of gases dissolved in a liquid is in accordance with Henry's Law. In a multi-stage thermal-type seawater desalination plant, as the supplied seawater undergoes variations in temperature and pressure in each evaporator, the gases dissolved in the seawater are discharged from the liquid. The discharged gases are carbon dioxide, nitrogen, oxygen, and argon, and these emitted gases are non-condensable. From the viewpoint of convective heat transfer, the evaluation of non-condensable gas released during a vacuum evaporation process is a very important design factor because the non-condensable gases degrade the performance of the cooler. Furthermore, in a thermal-type seawater desalination plant, most evaporators operate under vacuum, which maintained through vacuum system such as a steam ejector or a vacuum pump. Therefore, for the proper design of a vacuum system, estimating the non-condensable gases released from seawater is highly crucial. In the study, non-condensable gases released in a thermal-type seawater desalination plant were calculated quantitatively. The calculation results showed that the NCG releasing rate decreased as the stage comes getting a downstream and it was proportional to the freshwater production rate.
All liquids contain a small amount of gaseous components and the amount of gases dissolved in a liquid is in accordance with Henry's Law. In a multi-stage thermal-type seawater desalination plant, as the supplied seawater undergoes variations in temperature and pressure in each evaporator, the gases dissolved in the seawater are discharged from the liquid. The discharged gases are carbon dioxide, nitrogen, oxygen, and argon, and these emitted gases are non-condensable. From the viewpoint of convective heat transfer, the evaluation of non-condensable gas released during a vacuum evaporation process is a very important design factor because the non-condensable gases degrade the performance of the cooler. Furthermore, in a thermal-type seawater desalination plant, most evaporators operate under vacuum, which maintained through vacuum system such as a steam ejector or a vacuum pump. Therefore, for the proper design of a vacuum system, estimating the non-condensable gases released from seawater is highly crucial. In the study, non-condensable gases released in a thermal-type seawater desalination plant were calculated quantitatively. The calculation results showed that the NCG releasing rate decreased as the stage comes getting a downstream and it was proportional to the freshwater production rate.
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문제 정의
본 연구는 증발공정을 이용하는 해수담수화플랜트의 진공증발과정에서 해수로부터 방출되는 NCG의 방출량을 평가하여 스팀이젝터 혹은 진공펌프와 같은 진공유지장치의 설계를 위한 배기량을 추정하기 위해 수행하였다.
본 연구는 증발공정의 해수담수화설비의 운전 중에 해수로부터 방출되는 NCG의 방출량을 이론적으로 계산하고,이를 바탕으로 증발식 해수담수화설비의 진공유지장치를 설계하기 위해 평가해야만 하는 NCG의 양을 계산하기 위해 수행하였다.
가설 설정
(2) 25 oC의 표준해수 1 kg에 용해되어 있는 기체가 완전히 방출된다고 가정한 계산결과이므로 방출기체의 체적은 실제 운전자료와 비교하면 과대평가될 것이다. 하지만 본 연구의 계산결과에 근거한 진공유지장치의 설계는 보수적인 설계마진을 가지기 때문에 진공유지장치의 성능부족에 대한 우려는 없다.
Figure 4: Illustration to show Henry’s law. (a) Gas and liquid is in equilibrium state. The rates of a released gas and a dissolved gas through the interface of liquid and gas is identical.
The rates of a released gas and a dissolved gas through the interface of liquid and gas is identical. (b) If a pressure is increased, the dissolved gas molecules in to a liquid is higher than the released gas molecules from a liquid. (c) After a while,the released rate and the dissolved rate of gas molecules is newly equilibrated.
2절에서 언급하였지만 증발공정의 해수담수화 플랜트의 운전조건은 TBT, 인입해수의 온도 및 증발기의 단수에 따라 결정되기 때문에 해수의 증발로부터 방출되는 기체의 양을 계산하기 위해서 기존 연구를 참조하여 다음과 같은 가정을 하였다[16][25].
제안 방법
증발과정 중에 발생하는 NCG의 양을 계산을 통해 정량적으로 평가하기 위해서는 식 (4)와 식 (5)에서 설명한 해수에 용해되어 있는 각 기체성분에 대한 헨리상수의 값이 해수온도에 따라 주어져야만 한다. 하지만 저자들의 광범위한 사전조사에도 불구하고 해수의 온도변화에 따른 헨리 상수의 값을 참조할 수 있는 선행연구, 실험데이터 및 문헌의 부재에 의해 본 연구에서는 부득이 식 (9)의 이상기체상태방정식으로부터 유도된 방정식을 이용하여 용존기체의 완전방출을 가정한 계산을 할 수 밖에 없었으며, 이를 바탕으로 다음의 결론을 도출하였다.
성능/효과
(2) 진공유지장치의 설계에 보수적인 관점을 적용하여 해수 1 kg이 증발하는 경우 용해된 기체가 100 % 방출된다.
(3) MSF 방식의 해수담수화 플랜트는 20단으로 구성되어있으며, TBT는 100 oC, 마지막 증발단의 운전온도는 40 oC이다.
(3) 다단증발 MSF 방식의 해수담수화 플랜트의 경우 운전압력은 전단부터 후단으로 갈수록 저하하기 때문에 NCG의 방출량은 후단으로 갈수록 감소한다.
(4) 각 단의 온도차는 TBT 100 oC와 마지막 단의 운전온도 40 oC와의 차이가 각 단에 걸쳐서 균일하게 배분되기 때문에 1단의 운전온도는 97 oC이고, 이후 각 단의 온도차는 3 oC이다.
(4) 해수증발과정에서 발생하는 NCG의 체적은 대부분 N2와 O2이며, CO2와 Ar의 방출량은 무시할 수 있는 수준이다.
(5) 마지막 증발단의 운전압력을 저하시키면 동일한 TBT 조건에서 담수생산량은 증가하지만 진공유지장치의 흡입용량이 급격히 증가하므로 운전비용의 측면에서는 오히려 비경제적이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
RO 방식의 해수담수화공정이 경쟁력을 가지게된 배경은 무엇인가?
1990년대까지는 해수담수화 시장에서 증발공정이 일반적이었는데, 이는 증발법의 운전방식이 매우 단순하면서 대용량의 담수를 필요로 하는 중동지역에서 선호할 뿐만 아니라 그 당시에는 다른 방식에 비하여 보다 경제적이었기 때문이었다. 그러나 막제조 기술의 발달로 RO 막모듈(Membrane Module)의 생산단가가 하락하면서 생산량 및 보급이 급격히 증가하면서 RO 방식의 해수담수화공정이 경쟁력을 가지기 시작하였다. 특히 막의 투과성능이 향상되면서 단위질량의 담수를 생산하는 데 필요한 에너지소비 또한 감소하였으며, 이와 같은 이유로 인하여 현재는 RO 방식이 해수담수화시장의 주류를 이루고 있다[4]-[6].
해수담수화공정에서 필수적인 기술은 무엇인가?
증발과정을 이용하여 용액(Solution)의 농축, 용액으로부터 용질(Solute)의 추출, 혹은 용질과 용매(Solvent)를 분리하는 것은 식품, 화학, 환경 및 해수담수화(Seawater Desalination) 공정에서는 필수적인 기반기술이다[1]-[3]. 일반적으로, 용액의 농축, 용매의 분리 및 용질의 추출은 막공정(Membrane Process) 또는 증발공정(Evaporation Process)을 이용하여 수행한다.
불응축기체는 해수담수화 플랜트에 어떤 영향을 끼치는가?
일반적으로 증발과정은 다단(Multi-stage)의 진공증류방식에 의해 수행되며, 모든 액체에는 용해 된 가스가 포함되어있기 때문에 용해된 가스는 증류과정에서 방출된다. 이와 같이 응축되지 않는 가스의 존재는 증발증기의 응축효율을저하시키고 에너지소비, 성능 및 재료의 수명에 영향을 미쳐 증발식 해수담수화 플랜트의 성능을 저하시키는 주요한 원인이 된다[22].
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