1. 증발기

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증발(evaporation) : 증발을 이용하여 비휘발성 물질의 용액에서 용매를 제거, 농축하거나 결정의 석출 또는 용매를 회수하는 화학 장치.
공업적으로는 수용액을 다루는 경우가 많고, 대개 물을 증발시킨다.

(1) 증발 조작의 특성

1) 끓는점 상승

농축이 진행되면 용액의 농도와 점도가 증가, 농도가 증가하면 끓는점 상승, 가열되는 용액과 가열 매체간의 온도차가 작어져 열전달 속도 감소
농축이 진행되면 농도와 점성도가 증가하며, 또 포화 농도에 이르게 되면 용질의 결정이 석출

2) 거품

유기물을 포함한 용액이 증발하는 도중에 거품 발생
증발관 내에 다량의 거품이 발생하면 증기와 액의 분리가 어렵고 용액이 전부 거품으로 없어지는 현상 발생
거품을 제거하기 위하여 뜨거운 표면에 접촉시키거나 거품 층에 수증기를 분출하여 거품을 파괴, 계면활성제, 실리콘 수지 등을 첨가

3) 비말 동반

용액이 끓을 때 발생하는 증기 속에 작은 액체 방울이 섞여 증기와 함께 증발관 밖으로 배출되는 현상
방해판을 설치하거나 교반을 통한 회전 운동으로 제거

4) 관석

관벽에 침전물이 단단하고 강하게 부착되는 현상, 열전도도가 작기 때문에 증발능력을 떨어뜨리는 원인
CaCO3, CaSO4, Na2SO4 및 Na2CO3 등을 포함하는 용액을 가열하면 이들이 관벽에 석출하여 관석을 형성
관석의 제거 방법으로는 기계적 방법과 산, 알칼리 등의 화학약품으로 처리하는 방법이 있다.

(2) 증발 장치의 종류

증발관(evaporator)이라고 부르며 , 취급 처리량, 용액의 성질(점도, 열량 등), 관석의 석출 정도 및 제작 방법, 열원의 비용 및 조작 방법에 따라 적합한 형식을 선택
증발관의 분류 : 가열 방식에 따른 증발관의 분류

1) 직접 가열식

액상이 담긴 반응기를 불꽃과 열가스로 직접 가열하여 증발시키는 형식
소규모의 것이 많고 묽은 용액의 농축 등에 사용

2) 액중 가열식

액상 내에 열가스를 분출시키거나 혹은 버너를 액상 내에 설치하여 직접 가열하고, 고온의 연소가스를 액상 내에 분출시킴으로써 증발시킨다.
전열면이 없으므로 버너의 선단 이하는 스케일 생성과 정석에 의한 장해는 없다.
부식성이 매우 심하지만 열에 안정한 물질의 농축에 이용된다.
발생 증기는 연소가스를 함유하여 이용에 곤란하고, 거품 제거가 매우 중요하다

그림 Ⅲ-25 액중 가열식

3) 이중 솥식

용기의 바닥부분에 자켓을 설치하여 가열하며 가장 간편한 형식으로 회분 농축에 적용하고 고점도액에서도 교반기를 부착하여 농축시킨다.

4) 수증기 가열식

수증기를 열원으로 사용하는 방식으로 공업적으로 대규모 증발을 필요로 하는 곳에 널리 이용
가열관의 배치 방법에 따라 수평관식과 수직관식으로 나누어지며 액의 순환 방법에 따라 자연 순환과 강제 순환 방식이 있다.
강제 순환 방식은 원심 펌프를 사용하여 액의 순환 속도를 증가시키는 것으로 오염의 정도가 클 때, 점도가 높을 때, 결정이 석출될 때 및 열전달 계수를 크게할 때 사용
수평관식 증발관

액상은 수평가열관군의 사이를 통과하는 동안에 가열되어 자연 순환
점성이 낮아 스케일이 생기지 않는 액상에 적용되고, 액상측 전열면의 청소가 곤란

(a) 침수식 (b) 액막식(강제순환형형)

그림 Ⅲ-26 수평관식 증발관

수직관식 증발관

가장 많이 사용되는 장치
액의 순환이 좋아서 열전달이 크기 때문에 증발효과가 좋고, 스케일이 생성될 경우에 가열관의 청소가 쉬우므로 많이 사용

그림 Ⅲ-26 수직관형 증발관

(3) 증발관의 조작 방법

증발 조작비는 운전비를 지배하는 에너지 비용과 증발 장치 비용의 합
증발관의 선택시에는 입지조건에 따라 가장 적합한 장치와 조작 방법을 찾아야 한다.

1) 다중 효율 증발관

단일 효용관은 증발한 수증기를 그대로 응축기에 보내므로 대부분의 잠열을 그대로 버리는 셈
다중 효용 증발관은 수증기의 효율을 높이기 위해 증발관을 2중 이상으로 설치하여 증발관에서 발생한 증기를 다시 이용하는 것이 목적
다중 효용 증발관은 증발관 몇 개를 직렬로 배치하고 앞에서 발생한 증기를 보다 저압인 다음 증발관의 가열 증기로 사용
최종 증발관쪽으로 갈수록 압력이 낮아야 하므로 응축기와 진공 장치를 설치

그림 Ⅲ-27 3중 효용 증발관

다중 효용관은 대규모 증발일 경우에 실용되며 증기와 농축액의 급액 방법에 따라 네가지 방법으로 분류

순류식(forward feed) : 증기와 농축액의 흐르는 방향이 동일한 방법, 용액의 점도가 낮고 온도가 높을 때 사용하는 방식
병류식(parallel feed) : 원액을 주관에서 각 증발관에 동시에 공급하는 방식
역류식(backward feed) : 수증기와 원액의 공급하는 방향이 정반대인 급액 방법, 원액의 점도가 높고 온도가 낮을 때 사용
착류식(feedback feed) 또는 혼류식(mixed feed) : 원액을 2번째 관에 공급하며 최종관을 나가는 농축액을 다시 제1관으로 되돌려 보내어 증발 능률을 높일 목적으로 행하는 방법, 원액의 농도 범위가 넓고 최종액의 농도가 큰 경우 또는 결정의 석출 때문에 온도에 제한을 받는 경우에 이용

그림 Ⅲ-28 다중 효용 증발관의 급액 방법

2) 자기 증기 압축법

증발관에서 발생한 증기를 압축기 등으로 압축하면 압력의 증가와 함께 온도가 상승하고 엔탈피가 증가한다. 이것을 다시 열원으로 사용하여 증발에 필요한 에너지 비용을 절감하는 방법
압축 방식에는 기계적 압축(mechanical compresssion)과 증기 이젝터를 사용하는 열압축(thermo compression)이 있다.

그림 Ⅲ-29 자기 증기 압축법

3) 진공 증발법

진공 펌프를 사용하여 상압 이하에서 증발을 시키면 용액의 비점이 내려가고 따라서 제품의 분해, 변질 및 착색을 방지할 수 있다.
주목적은 증기의 경제적 이용이며, 과즙, 젤라틴등과 같이 열에 민감한 물질을 처리하는 데 주로 사용

(4) 증발 능력

액으로부터 수분을 증발하기 위해서는 용액을 비점까지 올리는데 필요한 열량, 용액의 비점에서의 증발잠열, 농축열, 결정열, 전도, 복사에 의한 손실열량 등이 주어지지 않으면 안된다.
단위시간당 증발한 수분의 양을 증발능력이라하고 단위시간당 용액에 공급되는 열량 에 의해 결정

: 가열 수증기와 액과의 온도차, : 가열관의 면적, : 총괄 전열 계수

총괄 전열 계수

증발관의 총괄 전열 계수는 가열 증기측, 금속벽, 끓는 액쪽으로 분리하여 생각
열전달 계수를 구하려면 복잡한 액의 온도나 증기 온도, 가열관 벽의 온도를 측정
정확한 계산은 불가능하고 실제에 있어서는 상용 장치를 모조한 장치에서 실험적으로 결정한 총괄계수를 사용

온도차

가열 증기의 온도와 용액의 비점의 차
용액의 비점은 용액의 농도가 증가함에 따라 비점이 상승
가열용 수증기의 포화온도(응축 온도) ts(℃), 증발관 속의 액의 온도 t1(℃)의 차가 열전달 온도차

용액의 온도 t1 은 위치에 따라 다르나 대개 그 용액의 끓는점과 같다고 보아도 좋다.
순용매와 끓는점의 차이를 끓는점 오름(B.P.R boiling point raising)

열전달 면적

열전달 면적의 결정은 증발관의 설계 계산에 아주 중요
열전달 면적을 결정하려면 관의 직경, 관의 길이를 결정하지 않으면 안된다.
증발관의 형식, 크기, 액의 종류에 따라 결정되며 증발관의 설계에 매우 중요

말만 자신감 vs 진짜 자신감