다중효용증발 담수화공정의 방식별 성능비교

최 지훈, 안 영주, 이 장욱

현대중공업 마북리연구소

Comparisons of Performance of Various Process Configurations in the Multi-effect Boiling Desalination

Ji-Hoon Choi, Yung-Joo Ahn and Jang-Uk Lee

MabookRi Research Institute of Hyundai Heavy Industry

서 론

심각한 수자원문제를 해결하기위한 효과적인 수단인 담수화공정은 사용하는 에너지원에 따라 많은 방식이 있는데 널리 상용화된 방식은 열에너지를 이용하는 증발법과 기계적 에너지를 이용하는 역삼투압법이다.  이 중 증발법은 총 담수용량기준으로 60% 이상을 차지하고 있으며 대표적인 증발공정에는 다단 플래시 증발공정(Multi-Stage Flash Distillation)과 다중효용 증발공정(Multi-Effect Boiling Distillation)이 있다.  이 중 다중효용 증발공정은 부분부하 운전이 용이하고, 펌프 등의 동력비가 작고, 경제성이 크다는 장점을 가지고 있지만 아직까지 연구역사가 짧고 신뢰성 및 운전경험이 적어 지속적인 연구개발이 요구되고 있다.

본격적인 수치모사는 80년대 중반부터 이루어졌는데 Aly[1], El-Dessouky[2], Hamed[3], El-Nashar와 Qamhiyeh[4] 등은 운전변수 및 설계변수 등의 영향을 고려할 수 있는 수학적 모델을 세우고 성능에 미치는 영향에 관해 연구하였다.  하지만 이들의 연구는 각 효용단의 온도차가 일정하다는 가정하에서 계산한 결과들이다.

현재까지 알려진 다중효용 증발공정은 급송방식과 예열기의 유무에 따라 예열기가 있는 정류식(Forward Flow Type), 예열기가 있는 병렬식(Parallel Flow Type) 및 예열기가 없는 역류식(Backward Flow Type)의 세 형태로 나눈다.  본 연구에서는 각각의 공정에 대해 수학적모델을 세우고 행렬로 전환하여 성능,온도 및 발생증기구배를 계산하였으며, 운전 및 설계변수가 성능에 미치는 영향에 대해 비교하였다.

물질 및 에너지수지식

성능모사를 수행하기 위한 가정은 다음과 같다.

1) 각각의 단위공정은 단열과정이다.

2) 기상 및 액상은 각각 잘 혼합되어 있어 농도분포가 일정하다.

3) 증기가 발생할 때 비말동반이 일어나지 않는다.

4) 각 효용단을 나가는 응축물은 포화액체이다.

5) 데미스터를 통한 압력손실은 무시한다.

6) 해수 및 담수 플래시박스는 완전한 평형상태이다.

물질 및 에너지수지식은 각 공정마다 차이점이 있다.  특히 예열기가 없는 역류식의 경우 수지식은 다른 두 공정방식과 차이점이 많다.  예열기가 있는 정류식의 경우 물질 및 에너지수지식은 다음과 같다.

1). 가열기(1st Effect)의 수지식

[eqn: m_f ~=~ m_b1 + m_v1]	(1)

[eqn: C_b1 m_b1 ~=~ C_f m_"f"]	(2)

[eqn: m_s DeltaH_s ~=~ m_v1 H_v1 + m_b1 H_b1 - m_f H_p1]	(3)

[eqn: m_s DeltaH_s ~=~ U_h A_h (T_s - T_v1 )]	(4)

2). 증발기(Evaporator)의 수지식

[eqn: m_bi-1 ~=~ m_bi + m_vi]	(5)

[eqn: C_bi m_bi ~=~ C_bi-1 m_bi-1]	(6)

[eqn: m_vi-1 DeltaH_vi-1 - Q_{"pi"-1} ~=~ m_vi H_vi + m_bi H_bi - m_bi-1 H_bi-1]	(7)

[eqn: m_vi-1 DeltaH_vi-1 - Q_{"p"i-1} ~=~ U_ei A_ei (T_vi-1 - T_vi - BPE_i-1 )]	(8)

3). 예열기(Preheater)의 수지식

[eqn: Q_{p"i"} ~=~ m_f Cp_{f"i"} (T_{p"i"} - T_{p"i"+1} )]	(9)

[eqn: m_f Cp_{f"i"} (T_{p"i"} - T_{p"i"+1} ) ~=~ U_{p"i"} A_{p"i"} {T_{p"i"} - T_{p"i"+1}} over {ln { T_vi - T_{p"i"+1} } over {T_vi - T_{p"i"}} }]	(10)

N-1번째 예열기(마지막 예열기)에서 에너지 수지식은 다음과 같다.

[eqn: Q_pN-1 ~=~ m_f Cp_fN-1 (T_pN-1 - T_sw2 )]	(11)

4). 응축기(Condenser)의 수지식

[eqn: m_vN H_vN + sum from {i = 1} to {N-1} m_di H_di - m_d H_d ~=~ m_sw Cp_sw (T_sw2 - T_sw1 )]	(12)

[eqn: m_sw Cp_sw (T_sw2 - T_sw1} ) ~=~ U_c A_c {T_sw2 - T_sw1} over {ln { T_vN - T_sw1 } over {T_vN - T_sw2 }]	(13)

5). 총괄수지식

[eqn: m_f ~=~ sum from {i = 1} to {N} m_di + m_bN]	(14)

[eqn: m_f C_sw ~=~ m_bN C_bN]	(15)

[eqn: m_s DeltaH_s ~=~ &(m_sw - m_f )H_sw2 + m_bN H_bN + M_d H_d - m_sw H_sw1]	(16)

각 공정의 물질 및 에너지수지식은 행렬로 전환하여 계산하였으며, 비선형방정식이므로 반복법을 이용하여 계산하였다.

수치모사에 사용된 기준조건이 Table 1에 나타나 있다.

Table 1. Reference Conditions.

Steam temperature(Ts) 70 ℃
Stage Number(N) 11 단
Seawater temperature(Tsw) 30 ℃
Seawater concentration(Csw) 25 g/kg
Seawater flow rate(msw) 1,300 ton/hr
Tube Characteristics
	OD(in)	Thickness(in)	Pitch	Length(m)	Number of tube	Array
Evaporator	1.25	0.0787	1.3×OD	6	2,700	triangular
Preheater	1.00	0.0787	1.3×OD	6	700	triangular
Condenser	1.00	0.0787	1.3×OD	6	3,000	triangular

결과 및 토론

Fig. 2                                  Fig. 3

Table 1의 기준조건을 물질 및 에너지수지식에 대입하여 계산하였다.  기준상태에서 온도 및 증발수증기 구배, 성능 등에 의해 세 공정을 비교하였다.  세 공정에서 성능비는 병렬식이 가장 높았으며, 총 담수생성량은 역류식이 가장 많았다.  병렬식의 경우 응축기에서 공급되는 해수는 예열기를 거친후 1/효용단수 만큼씩 효용단에 공급된다.  위의 효용단으로 갈수록 예열해야할 해수의 유량이 줄어들므로 예열기에 필요한 열량과 각 효용단에서 포화온도까지 가열하는데 필요한 열량은 작아진다.  따라서 첫 번째 효용단에서 포화온도까지 가열하는데 필요한 열량이 세 공정중 가장 작으므로 외부에서 공급되는 수증기의 유량도  가장 작다.  이와 같이 외부에서 공급되는 수증기의 유량이 작기 때문에 아래의 효용단에도 영향을 미쳐 생성되는 총 담수량이 가장 작다.  하지만 예열하는데 필요한 열량이 전체적으로 다른 공정에 비해 크지 않기 때문에 성능비는 가장 높다.  반면에 역류식을 보면 1군의 첫 번째 효용단에 공급되는 해수의 유량이 2군이나 3군보다 많으며, 포화온도까지 예열하는데 필요한 열량이 가장 크므로 외부에서 공급되는 수증기의 유량도 세 공정 중 가장 크다.  따라서 공급되는 수증기의 유량이 가장 크므로 아래의 효용단에도 영향을 미쳐 생성되는 총 담수량은 가장 크다.  역류식의 경우 예열기가 없이 증발기내에서 예열과 증발작용이 같은 장소에서 일어난다.  예열하는데 필요한 열량은 예열기가 없기 때문에 세 공정 중 가장 크다.  따라서 성능비는 역류식이 가장 낮다.

또한 운전 및 설계변수인 외부에서 공급되는 수증기의 온도, 효용단수, 공급해수의 유량 및 유입해수의 온도가 성능에 미치는 영향에 대해 연구하였다.  운전 및 설계변수가 성능에 미치는 영향에 대한 결과 중 외부에서 공급되는 수증기의 온도가 성능에 미치는 영향이 Fig. 2에 나타나 있다.  총 담수생성량은 총 증발온도차에 비례한다.  외부에서 공급되는 수증기의 온도가 높을수록 세 경우 모두 총 증발온도차가 증가하므로 총 담수생성량은 증가하였다. 담수와 해수 플래시박스를 설치한 경우 수증기의 온도가 증가하여도 성능비는 일정하였다.  이는 도입되는 수증기의 온도가 높을수록 예열에 필요한 열량이 커지지만 각 효용단의 온도차가 커지므로 담수와 해수의 플래시 증발량도 커진다.  즉 수증기의 온도가 높을수록 예열에 필요한 열량과 플래시 증발량이 거의 비슷하게 증가하므로 성능비는 일정하였다.  각 공정의 모델을 설정할 경우 성능이 최대가 되도록 단위장치를 고려하였는데 설치해야할 해수와 담수 플래시박스 수는 운전비의 감소와 투자비의 증가라는 측면에서 최적상태를 결정해야 한다.

효용단수가 성능에 미치는 영향이 Fig. 3에 나타나 있다.  역류식의 경우 효용단수가 변화하면 해수의 공급그룹이 바뀌어야 하는데 임의적으로 그룹을 정하기가 곤란하여 효용단수 변화는 정류식과 병렬식의 경우에만 계산되었다.  효용단수가 증가할수록 정류식은 총 담수생성량과 성능비 모두 증가하였지만 병렬식의 경우 총 담수생성량은 증가하다가 일정하였고 성능비는 증가하였다.  효용단수가 많아지면 각 단의 증발온도차가 작아지고 증발과정이 많아진다.  각 단의 증발온도차가 작아지면 한 단에서 생성되는 수증기 유량이 적어지는데 정류식의 경우 증발과정이 많아지는 효과가 각 단에서 생성되는 수증기 유량감소 효과보다 더욱 크기 때문에 총 담수생성량은 증가하였다.  하지만 병렬식의 경우 위와 같은 효과 이외에 단수가 어느정도 증가하면 각 효용단에 공급되는 해수의 유량감소에 의해 생성되는 수증기 유량에 영향을 미치므로 총 담수생성량은 증가하다가 일정하였다.  효용단수가 증가하면 첫 번째 효용단에 공급되는 수증기의 양은 감소한다.  따라서 성능비는 두 경우 모두 증가하였다.  효용단수가 증가할 때 이와 같은 총 담수생성량은 수증기의 온도를 증가시켰을 때보다 크게 증가하지 않았다.  효용단수를 증가시키는 가장 큰 이유는 외부에서 공급되는 수증기 유량, 즉 운전비를 감소시키는데 주 목적이 있다.

참고문헌

1. Aly, G. : Desalination, 45, 119, 1983.

2. El-Dessouky, H. T. and Assassa, G. M. R. : Desalination, 55, 119, 1985.

3. Hamed, O. A. : Desalination, 86, 325, 1992.

4. El-Nashar, A. M. and Qamhiyeh, A. : Desalination, 101, 231, 1995.