[화학공학] Evaporator의 원리와 종류(2), Forced-Circulation Evaporator

Evaporator에 대한 첫 글을 작성하고 두 번째 글을 작성하기까지 너무나도 오래 걸렸다. 생각보다 이러한 글을 작성하는 것이 내게는 부담이었는지 막상 진도가 나가지 않았다. 여튼, 며칠 간의 휴식기간 동안 다시 정리하여 공유하고자 한다. 생각보다 Evaporator 종류가 다양하여 이번 글에서 모든 종류를 다루지는 못하고 아마 2~3개 글에 걸쳐 이야기 하게 될 것 같다. 오늘은 산업현장에서 제일 흔하게 볼 수 있는 Evaporator인 Forced-Circulation Evaporator에 대해 정의 및 원리, 장단점, Application, 그리고 운전상 어떤 어려운 점이 있는지 알아보자. 해당 테마의 네비게이션은 아래를 참고하기 바란다.

[공부/공학(Engineering)] - [화학공학] Evaporator의 원리와 종류(1)

 

1. Forced-Circulation Evaporator(FC Evaporator)란 무엇인가?

먼저 Evaporator는 아래 3가지 정도로 분류할 수 있다.

❶ Heat Source가 Evaporating하고자 하는 Liquid와 분리되어 있는 경우

➋ Heat Source가 Coil이나, Jacket, 그리고 판형등을 통해 전달되는 경우

➌ Heat Source가 Direct로 Evaporating Liquid로 투입되는 경우

여기서 FC(Forced-Circulation)의 경우 ❶에 해당한다. 이름에서도 알 수 있듯이 Forced(강제)-Circulation(순환)이다. 즉 Pump 등을 통해 Liquid를 강제로 열교환기로 통과시키고 이렇게 열교환된 Liquid를 원하는 농도까지 재순환시켜 Product를 얻는 Type을 FC Evaporator라고 한다. 보통 튜브 내 Liquid 속도는 1.2~3 m/s로 설계를 한다. 아래 그림에서 제일 왼쪽에 있는 Type에서 F는 Feed이고 S는 Steam, V는 Evaporating된 Vapor이다. P는 Product이다. 작동 원리를 알아보면 처음 F로 Raw Liquid가 Feed되면 하부 Pump를 통해 Shell & Tube Type의 열교환기를 통과하게 된다. Steam은 Liquid와 Counter-Current로 하여 열교환 효율을 높게 하고 있는 걸 볼 수 있다. 다시 Liquid는 열교환기 상부에서 위쪽에 갈매기처럼 생긴 Baffle에 부딪히면서 Vapor와 Liquid로 분리되게 된다. 특히 상부에 조그만한 Vessel이 하나 있는 걸 볼 수 있는데 이는 Knock-Out Drum 역할을 한다고 생각하면 된다. 즉, 비말 동반(Entrainment)되거나, 응축된 Liquid를 Vapor와 분리하여 다시 하부로 Gravity로 보내주고 있다. 이렇게 일련의 Circulation 과정을 겪으면서 Liquid는 점점 농축이 되고 원하는 Target 농도가 되면 Product로 뽑아내게 된다.

Forced-Circulation Evaporator

 

2. Forced-Circulation Evaporator 장단점 및 Application

FC Type의 경우 아무래도 강제로 열교환기로 순환시켜주기 때문에 높은 Heat-transfer Coefficient를 갖는다. 또한 pump를 통해 강제로 열교환기로 밀어주기 때문에 열교환기 내 Salt나 Deposit되는 Scale 그리고 Fouling에 강한 편이다. 다만 이러한 Pump 등 다른 Evaporator보다 부속품이 더 많이 필요하며, 추가적으로 Head 부분에 Vapor공간이 필요하기 때문에 Cost 측면서에는 다소 불리하다. 또한 아무래도 열교환기 상부에는 항상 Liquid가 Holdup 또는 체류되고 있기 때문에 까딱 잘 못 운전해서 Target Concentration보다 높아지게 되면 튜브가 막히고, Pumping이 안 되는 등 여러 가지 문제를 야기할 수 있기 때문에 운전에 유의해야 한다.

구분	Forced-Circulation Evaporator
장점	1. 높은 Heat-transfer Coefficient 2. 상대적으로 Salt, Scale, Fouling에 자유로운 편
단점	1. High Cost 2. Circulation을 위한 Power가 필요함(Pump 등) 3. 상대적으로 Holdup 또는 체류시간이 높아 Plugging등 발생할 수 있음
적합한 Application	1. Crystalizing 2. Corrosive Solution을 Evaporating 3. 높은 점성을 갖는 Solution에 적합
운전 상 어려운 점	1. Pluggin Tube 2. Salt Solution에서 Salting으로 인한 튜브 막힘 3. Corrosion 또는 Erosion

 

3. 결론

오늘은 산업 현장에서 널리 사용되는 Forced-Circulation Evaporator에 대해 알아보았다.  증발기 Type 중 하나로, 높은 열전달 효율과 Scale 및 Fouling에 대한 강점을 가지고 있어 난용성 물질이나 점도가 높은 용액의 농축에 적합하다. 특히 강제 순환 방식 덕분에 안정적인 농축 성능을 기대할 수 있으며, 다양한 공정 조건에서도 Flexible하게 대응 가능하다는 장점이 있다. 다만, Pump와 같은 부속 장치가 추가로 필요하고 장치 구조상 증기 공간 확보가 필수적이기 때문에 초기 투자비가 다소 높을 수 있으며, 운전 조건에 따라 Tube Blockage 등 문제가 발생할 수 있다. 다음 글에서는 다른 Evaporator Type에 대해 공부해보도록 하겠다.