저유속 냉각수계의 Biofouling 모니터링 및 분석

이 호 준,  이 은 규

한양대학교 화학공학과

Monitoring and Analysis of  Biofouling in

Low Velocity Cooling Water System

H. J. Lee, E. K. Lee

Dept. Chem. Eng., Hanyang University

서 론

열교환기의 부식을 초래하는 주요인자들 중 미생물성 부유고형물의 영향이 가장 극심한 것으로 알려져 있다.  냉각수에 포함되어 있는 미생물성 부유고형물 (microbial suspended solids)은 열교환기 표면에 침적된 후 금속표면의 산화반응을 가속화시켜 국부부식 (pitting)을 가속화시킬 뿐 아니라 침적물에 의한 냉각수 흐름의 압력강하를 증가시켜 열전달 효율의 급격한 감소를 초래하여 종국에는 예기치 않은 shutdown을 일으킨다.1) 2)  열교환기 부식에 영향을 미치는 인자들의 실제 영향은 현장 조업조건이 항시 변화하는 관계로 상당히 복잡하고 불명확하여, 현재까지는 경험적인 문제해결에 의존하고 있다.3)  따라서 이 같은 biofouling현상을 효율적으로 모니터하고 부식현상을 정량적으로 분석평가하는 기술개발이 필요하다.

본 연구에서는 부식의 주요 원인을 냉각수 유속과 SS (suspended solids)라 보고 이들 인자들이 fouling 및 부식속도에 미치는 영향을 실험적으로 측정할 수 있는 모니터링 장치를 제작하였다.  이 장치를 이용해 이들 인자들이 열교환기 관내의 압력강하 및 표면부식에 미치는 영향을 차압계와 corrator 등을 이용해 분석한 후, biofouling을 극소화시킬 수 있는 방식프로그램의 효과를 정량 평가하였다.

재료 및 방법

본 실험에 사용된 SS는 (주)한수에서 제공되었으며, 시험수는 안산시 수도물로서 M-알카리도와 Ca 경도는 각각 200ppm으로 맞추었다.  시험용 pipe의 전처리 및 부식방지용 약품은 (주)한수에서 제공받았다.  탈지처리용 약품은 Kurizet□ S-204 와 Swellin□ M이고, 보호피막형성용 약품은 Kurizet□ S-370과 S-611이며, 방식 프로그램에 사용된 약품은 Kurita□ S-1030 과 S-6000 그리고 PoA-496이다.

본 연구에서는 biofouling 모니터링 장치를 비교적 조건이 동일하고 측정의 재현성이 높은 single tube model을 선정하였다.  이 'biofouling tube'의 재질은 부식속도가 빠른 탄소강관이고, 이외의 fitting류들은 부식성이 적은 동, 스텐레스, 실리콘튜브로 하였다.  이러한 Biofouling tube의 schematic diagram을 Fig. 1에 나타내었다.

Biofouling tube의 입구와 출구의 압력차이를 정밀하게 측정함으로써 SS의 침적정도를 정량적으로 유추할 수 있다.   본 실험에서 사용된 차압 측정용 D/P transmitter는 (주)코닉스의 Model LD 301-D111-TD11-0110 이었다.  Biofouling tube 내벽면의 부식정도는 Rohrback Cosasco Systems의 9030 corrator□를 이용하여 측정하였다.   DP transmitter 와 corrator에서의 출력신호는 A/D변환을 통해 PC에 입력되어 on-line monitoring하였다.

Fig. . Schematic Diagram of Biofouling tube

SS의 농도에 따른 biofouling 속도 측정을 위해 45℃, 유속 0.15 m/s의 조건하에서 SS의 농도를 0, 10, 30, 50 ppm으로 변화시켰다.  유속에 따른 biofouling 영향을 알아보기 위해 온도 35℃, SS농도 50 ppm의 조건하에서 유속 0.15, 0.3 m/s의 두 가지 경우에 대해 관찰하였다.  또 온도에 따른 biofouling 영향을 관찰하기 위해 유속 0.15m/s, SS농도 50 ppm의 조건하에서 온도를 35℃와 45℃로 변화시켰다. 보호피막(prefilming)효과는 45℃, SS농도 50 ppm, 유속 0.15 m/s의 조건에서 관찰하였고, 방식프로그램의 성능확인은 35℃, SS농도 50 ppm, 유속 0.15 m/s에서 실시하였다.  pH 는 control 하지 않았으나 실험기간중 pH는 8.5-9.0내에 있었다.

시험용 pipe의 탈지처리는 면솜으로 pipe의 내면을 잘 닦은 후 Swellin□ M 20-30 ppm과 Kurizet□ S-204 200ppm을 함유한 상수로 2시간이상 잘 순환시켜 기름을 제거하였다.  Prefilming과정은 (주)한수에서 제공한 것으로 Kurizet□ S-370 400 ppm 과 Kurizet□ S-611 100 ppm 그리고 pH 6.5의 조건으로 24시간동안 순환시켰다.     역시 (주) 한수에서 제공한 방식 프로그램을 이용하여 부식방지효과를 확인하였다.  탈지처리와 prefilming을 거친 후 SS를 투입할 때 S-6000을 15ppm, PoA496을 100ppm, S-1030을 80ppm이 되도록 시험수에 투입하였다.

결과 및 고찰

SS는 무기성보다는 미생물성 부유고형물로 특히 filament형 미생물이 침적성이 높은 것으로 알려져 있다.4)  Fig. 2는 batch type으로 투입한 각 SS농도에 따른 압력강하의 변화로서 시간에 따라 압력강하는 선형에 가까운 경향을 보였으며, SS농도가 증가함에 따라 압력강하 변화속도도 증가하는 경향을 나타내었다.  이러한 biofouling data를 좀 더 일반적이고 범용성있게 확장하기 위하여 압력강하 (□P) 데이타로부터 biofouling tube 내부표면의 friction factor와 e/D(relative roughness)를 계산하였다.5)

[eqn: f_f `` = `` {□ P·D} over 2□Lv^2]	(1)

ff : friction factor   □P : pressure drop D : inside diameter

□: density L : tube length v : flow velocity

Friction factor와 e/D 의 관계는 다음식으로 표현된다.5)

[eqn: 1 over sqrt f_f `=` 4 log_10 D over e `+`2.28`-`4log(4.67 {D·Re} over {e sqrt f_f} ``+`` 1) ~~(at~ transition~flow)]	(2)

[eqn: 1 over sqrt f_f ``=`` 4 log_10 D over e ``+``2.28`` ~~~~~(at ~tubulent ~flow)]	(3)

위의 (2)와 (3)식중 해당하는 영역의 식을 선택하여 식(1)에서 계산된 friction factor 값을 대입하면 e/D값을 구할 수 있다.  이런식으로 구한 e/D값은 pipe내부표면의 조도를 나타내는 실질적인 값으로 SS침적정도를 간접적으로 유추할 수 있는 지표로 이용할 수 있다.   Fig. 2의 data를 위 식들을 이용하여 SS농도에 따른 relative roughness를 구한 결과를 Fig. 3에 나타내었다.  예측한 바와 같이 □P의 증가와 e/D의 증가경향은 매우 유사함을 알 수 있었다.  Fig.3에서 각각의 SS 농도별 기울기를 plot해 본 결과 50ppm 미만의 농도범위에서는 SS농도에 따라 fouling 속도가 선형적으로 증가함을 알 수 있었다.

온도영향평가를 위해 35℃와 45℃의 두 가지 온도조건에서 biofouling 속도를 측정하여 보았다.   Fig. 4에서 기울기를 비교해 본 결과 45℃보다 35℃에서 75%정도 fouling 속도가 높음을 알 수 있다.  이것은 본 실험에 사용한 SS내의 biofouling에 관여하는 미생물들이 성장하는 데에는 45℃보다 35℃의 조건이 좋기 때문이다.

열교환기 설계시 tube side 유체속도는 보통 1 - 2.5 m/sec, shell side 유속은 0.3 -1 m/sec으로 하고 있다.6)  그러나 현장에서는 이러한 유속이하로 운전되고 있는 경우가 종종 있다.  따라서 본 실험에서는 유속변화의 범위를 0.3 m/sec이하에서 필요한 데이터를 얻었다.  Fig. 5에서 fouling속도를 나타내는 값인 두 가지 유속 graph의 기울기를 비교해 본 결과, 유속이 0.15m/s일 때가 0.3m/s일 때보다 약 4배정도 fouling 속도가 높다는 것을 알 수 있었다.

Prefilming약품에 배합되어 있는 인산염과 아연염은 금속표면의 음극부에 침전피막을 형성하여 부식을  방지한다.   Fig. 6에서 볼 수 있듯이 prefilming을 하였을 경우 fouling속도가 약 40%로 떨어졌다.  방식프로그램은 탄소강표면에 침전피막을 형성시키고 슬라임의 점착성의 제거 및 박리작용을 용이하게 하여 스케일을 억제한다.  이러한 방식프로그램을 사용하여 biofouling속도를 90%이상 감소시킴을 확인하였다(Fig. 7).

결론 및 향후연구방향

본 실험에서 사용된 biofouling속도측정장치의 설계원리를 이용하여 실제산업현장의 냉각수계에 적용하면 fouling현상을 실시간 모니터링 하여 열교환기 및 냉각수의 상태를 공정의 중단 없이 측정할 수 있으며, 또한 여러 가지 부식방지프로그램의 성능을 확인할 수 있다.   빠른 실험 결과의 도출을 위해 탄소강재질을 이용하여 실험을 수행한 결과 SS농도증가에 따라 biofouling 속도는 SS농도에 정비례하여 선형적으로 증가함을 확인할 수 있었다.  온도의 영향으로 35℃조건이 45℃조건 보다 biofouling 속도가 높았으나, 이것은 SS에서 주종을 이루는 미생물의 종류에 따라 차이가 클 것으로 보인다.  유속의 영향으로는 이미 보고된 바 와 같이 저유속조건일수록 biofouling 속도는 급격히 증가했다.  본 실험에서는 실험기간상 수행하지 못하였지만 유속의 영향을 상세히 분석하기 위해서는 좀 더 다양한 유속범위에서 biofouling속도를 측정해 보아야 할 것이다.

본 실험에서 사용한 (주) 한수의 전처리프로그램과 부식방지프로그램의 성능을 시험해 본 결과 fouling속도를 각각 60%와 90% 이상 감소시키는 결과를 얻었다.  냉각수의 재사용 등으로 인한 고농축사용시에도 냉각수계를 연속모니터링하여 적절한 방식 프로그램을 적용할 경우 공정의 shutdown없이 수년간 연속조업이 가능해 생산비용절감, 생산성향상등의 효과를 낳을 수 있을 것으로 기대된다.

참고문헌

1. P. Marcus, J. Oudar, "Corrosion mechanisms in theory and prectice", Marcel          Dekker Inc., p457-499 (1995)

2. Tatnall, R. E., "Fundamentals of bacterial induced corrosion", Mater. Performance     9: 32-38 (1981)

3. Yamamoto Y., Uchida T. et al. Corrosion/89, Paper No.153, NACE (1989)

4. Uchida T., et al. Corrosion/90 Paper No.349 (1990)

5. J. R. Welty, C. E. Wicks, R. E. Wilson, "Fundamentals of Momentum, Heat, and     Mass Transfer" 3rd ed., p202-219 (1984)

6. J. M. Coulson, J. F. Richardson, R. K. Sinnott, Chemical Eng., Vol. 6 (1989)