• 증발의 방법을 이해하고 설명할 수 있다.
• 증발 조작의 특성을 설명할 수 있다.
• 증발 장치의 종류와 특징을 설명할 수 있다.
• 수증기의 응축 방법에 따른 종류와 특성을 설명할 수 있다.

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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

 

• 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

 

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

 

• 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

 

• 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.

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(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

 

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

• 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

 

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

• 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

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(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.

• 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

• 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

• 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

 

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