[화학공학] Evaporator의 원리와 종류(1)

이번에는 석유화학공업뿐 아니라 다양한 분야에서 사용되는 Evaporator(증발기)에 대해서 알아보고자 한다. Evaporator는 간단하게 설명하면 소금물을 냄비에 넣고 끓이는 것과 유사하다. 하지만 그간 많은 선배들(?)이 Engineering적인 관점에서 더 효율적이고 효과적인 Evaporator를 고민했을 것이다. 그래서 그것들에 대한 원리와 장단점, Application까지 알아보자. (이번에는 다소 내용이 길어질 것 같다.몇 부작이 되려나 모르겠다..)

 

 

1. Evaporator의 간단한 원리

⇒ Evaporator는 Evaporate(증발시키다)의 명사로 말그대로 증발기이다. 해당 Equipment는 Liquid 상에서 특정 물질만을 분리하던가(Liquid-Vapor) 또는 Liquid 내에 있는 Solid를 얻기위해 Liquid를 증발시킬 때(Liquid-Solid) 사용된다.

Forced Circulation Evaporator

Evaporator는 간단하게 생각하면 냄비에다가 물 넣고 끓이면 그게 Evaporator이긴하다. 하지만 실제 공장에서는 Liquid가 냄비 안에서 정체되어 있지 않고 효율적인 열교환을 위해 Circulation하고 있다. 이러한 경우 Evaporator 내부에서 일어나는 현상은 마치 온천수가 폭포 아래로 떨어지는 것과 유사하다. Evaporator에서 발생하는 것처럼 아래 그림을 보면 액체들이 잘게 쪼개지고 그리고 온천수 안에 있는 고체와 분리되어 기화하고 있다.(실제로 수증기는 눈에 보이지 않지만..)

온천수 폭포

 

 

 

2. Evaporator 설계 주요 issue

❏ Heat-Transfer(열교환)

⇒ Evaporator도 결국 열교환기이다. 열교환기에서 가장 중요한 것은 "열교환(Heat Transfer)이 얼마나 잘 이루어지는가?"이다. 또한 사실상 Evaporator 가격의 대부분은 이 열교환 면적을 어떻게 할 것이냐가 좌우하기 때문에, 열전달계수(Heat Transfer Coefficient)는 최대한 커야한다. Evaporator에서 열이 사용되는 경로는 다음 3개의 경로를 통해서 이루어진다.

❶ Feed온도를 증발이 가능한 온도까지 승온하기 위한 열량

❷ Liquid 분자를 Solid 분자와 결합을 해체하기 위한 열량

❸ Liquid 분자가 Vaporizing하기 위한 열량

 

❏ Vapor-Liquid Separation(기-액 분리)

⇒ 열교환도 물론 중요하지만 우리가 Evaporator를 설치하는 이유는 결국 상분리(Vapor-Liquid 또는 Liquid-Solid)를 효과적으로 하기 위함이다. 만약 기-액 분리에서 Flash효과 등으로 분리가 잘 이루어지는 것은 고무적이나 Evaporator에서 발생하는 중요한 문제가 있다. 바로 비말동반(Entrainment)이다. 비말동반으로 발생하는 현상은 다음과 같다.

구분	비말동반으로 인한 현상
❶ Product Loss (생산품 손실)	비말동반이라는 현상 자체는 이미 분리효율을 저하시키기 때문에 원하는 Product의 순도 저하를 야기한다.
❷ Pollution (대기 오염)	Evaporator는 환경설비에도 주로 사용되는데 원하지 않는 물질이 비말동반될 경우 대기 Vent Stack에서 심각한 환경 문제를 야기하기도 한다
❸ Contamination of Vapor (상부 Vapor Product 오염)	Product Loss와 비슷한 내용인데 상부 Vapor에서 'A'라는 물질만 있어야하는데 비말동반으로 'B'물질도 같이 Vapor
❹ Fouling or Corrosion (침전 또는 침식)	특히 Evaporator에 Feed에 Solid 물질이 있는 경우는 Evaporator상부로 비말동반되고, 상부 Condenser 또는 상부 배관에서 Solid Seed가 생성되면서 배관을 점점 Plugging하기도 한다. 또한 비말동반되는 물질이 침식성 물질이라면 배관 침식을 일으키기도 한다.

 

❏ Feed, Product의 특성 고려

⇒ 뭐 당연한 이야기지만 Feed하는 유체의 특성과 생성하고자 하는 Product의 특성을 고려해야한다. 특히 결정화되는 물질인지 거품(Foaming)이 형성되는지 말이다. 그리고 유체 내 Salt로 인해 Salting 현상이 발생하는지도 확인해야 한다.

 

⇒ 또한 Product가 열에 취약하여 Thermal Degradation(열분해)가 일어난다면 선택할 수 있는 Evaporator Type은 매우 제한적일 수 밖에 없다. 열분해를 방지하기 위해서는 낮은 온도에서 Operating되어야하는데 이러한 경우 Thermal transfer Efficiency(열교환 효율)가 매우 낮기 때문이다.

 

3. 결론

오늘은 Evaporator의 간단한 원리와 Evaporator 설계 시 고려야할 사항에 대해 알아보았다. Evaporator는 액체에서 특정 물질을 분리하거나 원하는 Solid or Crystal을 얻기 위해 사용되는 증발 장치로, 효율적인 열교환과 기-액 분리가 중요하다. 비말동반 문제는 생산 손실과 오염을 야기할 수 있어 이를 고려한 설계가 필요하고 공급액 및 생성물 특성에 따라 열분해와 같은 문제를 피하기 위해 적합한 유형의 Evaporator를 선택해야 한다. 다음은 Evaporator의 첫번째 종류인 Forced Circulation Evaporator에 대해 알아보겠다.