KR101904156B1

KR101904156B1 - 스케일 및 거품 제거 기능이 구비된 진공 증발 농축장치

Info

Publication number: KR101904156B1
Application number: KR1020170054143A
Authority: KR
Inventors: 양권석
Original assignee: 주식회사 에어로워터스
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2017-04-27
Publication date: 2018-10-04

Abstract

본 발명은 스케일 및 거품 제거 기능이 구비된 진공 증발 농축장치에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 폐수의 증발 농축 시 미세기포를 공급하여 배관 및 증발기 내부에 고착되는 스케일의 생성을 최소화함과 아울러 증발 시 발생되는 거품을 제거하여 장치의 효율적인 유지 관리가 가능하도록 하는 스케일 및 거품 제거 기능이 구비된 진공 증발 농축장치에 관한 것이다.

Description

스케일 및 거품 제거 기능이 구비된 진공 증발 농축장치 {VACUUM EVAPORATION APPARATUS WITH FUNCTION OF REMOVING THE SCALE AND BUBBLE}

일반적으로, 증발 농축장치는 생활하수나 산업폐수 등에서 발생되는 난분해성 고농도의 폐수에 열을 가하고, 이로부터 발생되는 증기를 응축하여 일정 수준 이상의 수질을 가진 증류수를 회수하여 재사용하거나 방류하는 것으로서, 운전비용이 적게 소요되면서 처리 효율이 높고 환경적으로 안전하여 산업용 폐수처리 및 자원 재활용 분야를 비롯하여 전기도금, 제약, 식품, 섬유, 염색산업 등의 여러 분야에서 다양하게 이용되고 있다.

이러한 증발 농축장치는 운전조건, 증발방식, 에너지 재이용 방식에 따라 다양하게 구분되는데, 예컨대, 운전조건에 따라서는 대기압에서 증발시키고 증기는 대기로 방출하는 상압식 및 진공압에서 증발시키고 증기는 응축하는 감압식이 있고, 증발방식에 따라서는 증발기 내부에 구성된 전열면에서 증발과 응축이 동시에 수행되는 수평관 충격 유하식과, 열교환기와 증발기가 별도로 구성되고 고온 고압에서 감압하여 비등점을 낮추면서 순간증발(flash evaporation)시켜 고농축하는 수직관 강제 순환식 및 증발기 내부에 열교환기가 수직으로 설치되고 폐수를 순환 교반에 의해 열교환하여 증발시키는 칼란드리아(Calandria) 방식이 있다.

에너지 재이용 방식에 따라서는 증발기에서 증발된 증기를 증기이젝터에 의해 흡입 압축하여 열교환기의 폐수를 가열하는 TVR 방식과, 증발기에서 증발된 증기를 열펌프에 의해 전량 흡입 후 압축하고 고온 고압으로 열교환기의 폐수를 가열하는 MVR 방식 및 외부 증기로 제1열교환기의 폐수를 가열하고 증발기에서 증발된 증기로 제2열교환기의 폐수를 가열하며 증발기에서 증발된 증기는 전량 응축하는 다중 효용관 방식으로 분류된다.

이중에서 MVR(Mechanical Vapor Re-compression) 방식은 증발잠열을 냉각수로 응축시키지 않고 전량 회수하여 이용하므로 에너지 비용 절감차원에서 많이 이용되고 있다.

종래의 MVR 방식의 폐수 증발 농축장치에 대하여 간략하게 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이 원수(폐수)가 공급펌프(FP)에 의하여 현열 회수용 열교환기(100)로 이송되어 판형히터를 통과하면서 예열 후 농축용 증발기(200)를 통과하면서 온도가 상승한 상태에서 기액 분리기(300)로 유입되어 증발 농축된다.

이어서, 증발 증기는 증기 재압축기(400)로 압축 후 다시 증발기(200)로 유입되어 재응축되고, 농축액은 순환펌프(CP)에 의해 다시 증발기(200)로 공급되어 상기와 같은 순서로 증발 농축되며, 최종적으로 얻어진 농축액은 타공정으로 이송되거나 또는 농축 공정이 완료될 때까지 기액 분리기 내에 머물러 있게 된다.

이때, 농축액은 응집 반응조를 통과하여 슬러지가 없는 깨끗한 상태의 물이므로 연속 배출 없이 운전이 가능하나, 다량의 슬러지를 포함하고 있을 때에는 일정량의 농축액을 배출할 수 있다.

그런데, 이러한 증발 농축과정에서 열교환기(100)에 의해 열교환된 폐수와 기액 분리기(300)에 의해 액체 상태로 분리된 폐수를 순환펌프(CP)를 통해 증발기(200)로 공급하여 재압축된 증기를 열교환하는 과정에서 온도차에 의해 폐수에 함유된 금속염들이 증발기(200) 내부에 고착되면서 스케일이 생성된다는 문제점이 있었다.

또한 열교환기의 폐수가 가열되는 과정에서 폐수에 함유된 각종 오염물질에 의해 다량의 거품이 발생하는데, 이러한 거품이 증기와 함께 배출 이송됨에 따라 증기의 응축과정에서 생성되는 응축수의 수질이 저하될 우려가 있었다.

한국 특허등록 제123302호의 "스케일 방지용 증발 농축건조 폐수 처리장치" (1997.09.12) 한국 특허등록 제1165812호의 "과열증기 재순환 증발시스템" (2012.07.09) 한국 특허등록 제1054033호의 "탈황폐수 처리용 증발농축기의 스케일 제거방법" (2011.07.28) 한국 특허등록 제1165813호의 "거품 생성을 억제하는 증발기" (2012.07.09)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 폐수의 진공 증발 농축과정에서 증발기 등 내부에 생성되는 스케일의 생성을 최소화하고 열교환에 따른 거품의 생성을 방지하여 품질이 향상된 증류수를 얻도록 함과 아울러 장치의 수명을 연장하도록 하는 스케일 및 거품 제거 기능이 구비된 진공 증발 농축장치를 제공함에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명에 따른 진공 증발 농축장치는, 순환펌프에 의해 공급된 폐수를 가열하여 증발 농축하는 증발기; 증발기에서 예열된 폐수를 진공 상태에서 증발 증기와 농축수로 분리하는 기액 분리기; 증발기와 순환펌프 사이에 설치되어 순환펌프에 의해 이송되는 폐수의 유속과 압력에 의해 발생하는 미세기포의 파열에 의한 충격파를 이용하여 증발기 내부에 고착되는 스케일의 생성을 방지 및 제거하는 미세기포 발생기; 기액 분리기의 후단에 설치되어 증발 증기를 재압축에 의해 가열 증기로 승온하여 증발기로 공급하는 증기 재압축기; 및 증발기의 후단에 설치되어 증기 재압축기에 의해 재압축된 가열 증기를 응축하는 응축기;를 포함함을 특징으로 한다.

또한, 기액 분리기의 후단에 설치되어 기액 분리기로부터 분리 배출된 증기 내에 포함된 거품을 제거 후 기액 분리기로 반송하는 거품 제거기;를 더 포함한다.

이때, 상기 거품 제거기는, 거품이 포함된 증기가 유입되도록 유입관이 구비된 원통형 본체; 본체의 상하부에 각각 증기 및 거품이 분리 배출되도록 형성된 배출부; 본체 내부에 냉각수로 흐르도록 설치된 이중관; 거품이 접촉하여 깨지도록 이중관의 외부에 전체적으로 설치된 그물망부;를 포함하는 것이다.

이상에서 살펴본 바와 같이 본 발명에 따르면, 폐수의 증발 농축과정에서 발생되는 스케일을 저에너지로 용이하게 제거할 수 있고 증기에 포함된 거품의 물리적 처리에 의해 장치의 유지 관리를 효율적으로 행할 수 있다는 장점을 가진 것이다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공 증발 농축장치를 개략적으로 도시한 도면
도 2는 본 발명의 미세기포 발생기의 다양한 형태를 도시한 도면
도 3은 도2의 미세기포 발생기의 설치 상태를 도시한 도면
도 4 및 도 5는 본 발명의 거품 제거기를 개략적으로 도시한 도면
도 6은 일반적인 증발 농축장치를 개략적으로 도시한 도면

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있도록 첨부된 도면들을 참조로 하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되는 것은 아니다.

우선, 본 발명은 오염된 폐수를 감압(진공) 상태에서 증류하여 오염물질은 농축 제거하고 처리수는 외부로 방류하지 않고 자체적으로 재사용하는 감압 증발 농축 무방류 시스템에 있어서, 증발 농축과정에서 발생되는 폐수에 포함된 중금속에 의한 스케일 생성 및 휘발성 물질에서 기인하여 발생되는 거품을 제거하기 위한 것이다.

도면에 따르면, 본 발명의 진공 증발 농축 장치는, 증발기(10)와, 기액 분리기(20)와, 미세기포 발생기(30)와, 거품 제거기(40)와, 증기 재압축기(50) 및 응축기(60)를 포함하여 구성된다.

이에 대하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.

증발기(10)는 폐수 유입관을 통해 공급된 폐수를 가열하여 증발 농축시키는 것이다.

즉, 농축용 증발기(10) 내부에 튜브 형태의 열교환기가 장착되어 증발기 내부로 유입된 폐수가 튜브를 따라 상향 이동하는 동안에 가열 증기가 튜브를 따라 하향 이동하면서 열교환이 수행되고, 이에 따라 폐수 내의 수분은 증발됨과 아울러 가열 증기는 냉각 응축된다.

이때, 증발기(10) 내부로 폐수를 공급하기 위하여 증발기와 폐수 유입관 사이에는 순환펌프(CP)가 구비되며, 또한 순환펌프는 기액 분리된 농축액을 증발기(10)로 순환하는 역할도 한다.

기액 분리기(20)는 증발기(10)에서의 열교환에 의해 가열(승온)된 폐수를 진공 상태에서 증발 증기와 농축수로 분리하는 것으로서, 이로부터 분리된 증발 증기는 후술하는 증기 재압축기를 통해 증발기로 유입되어 열교환의 열원으로 이용된다. 이때, 진공 상태에서 증기와 농축수로 분리되는 과정에서 거품이 다량으로 발생하게 된다.

상기와 같은 증발기(10)와 기액 분리기(20)는 공지의 것으로서 특별히 제한되는 것은 아니다.

미세기포 발생기(30)는 증발기(10)와 순환펌프(CP) 사이에 설치되고 미세기포(micro bubble)에 의해 스케일의 생성을 방지하는 것으로서, 순환펌프에 의해 증발기로 폐수를 공급하는 과정에서 미세기포를 주기적으로 주입하여 증발기 연결 배관 및 증발기 내부의 세정 효과를 극대화함으로써 배관 내부에 고착된 스케일에 의해 발생하는 문제를 완화하고 증발기 내부에 부착되는 스케일의 생성을 최소화하게 된다.

또한 이로 인해 스케일 제거를 위해 증발기 및 배관을 분해하지 않고 그대로 세정 가능하여 정치세척(CIP, cleaning in place) 대기시간을 최소화할 수 있게 된다.

상기 미세기포 발생기(30)는 무동력 물레방아 원리를 이용하여 순환펌프(CP)의 압력 손실 없이 미세기포가 생성되도록 이루어진다.

즉, 순환펌프(CP)에 의해 폐수가 배관을 통해 증발기(10)로 공급되는 과정에서 공기를 주입하되, 순환펌프에 의해 이송되는 폐수의 유속과 압력을 이용하여 물을 끌어올린 후 미세기포에 의한 충격파에 의해 스케일을 제거하게 된다.

도 2는 미세기포 발생기의 다양한 형태를 도시한 것으로서, 이러한 미세기포 발생기는 짧은 간헐식(a), 짧은 연속식(b), 긴 간헐식(c), 긴 연속식(d) 중에서 선택할 수 있다.

하기 참고도1에서는 미세기포에 의한 충격파로 배관을 세정하는 원리에 대하여 나타낸다.

상기와 같이 순환펌프(CP)에 의해 폐수가 증발기(10)로 이동 시 배관을 통과하는 폐수 내의 미세기포가 배관 내의 오염물질과 충돌하면서 배관 내벽으로부터 스케일을 탈리시킴과 아울러 탈리된 스케일을 뭉치게 함으로써 증발기 내부 등의 부위에 재부착되지 않고 외부로 토출된다.

아울러, 상기 물레방아 타입의 미세기포 발생기(30)에 의해서 발생하는 미세기포는 두 가지의 효과를 가지고 있다.

첫 번째는 미세기포가 배관을 흐르게 되면 미세기포에 의해서 스케일을 탈리시키게 되고, 두 번째는 순환펌프(CP)의 압력에 의해서 미세기포 발생기(30)를 통과하는 과정에서 미세기포 발생기 내부의 형태에 따라 연속적 또는 간헐적으로 미세기포층을 형성함에 따라 배관 내부에 번갈아가면서 충격파가 가해지거나 가해지지 않는 부분이 되면서 스케일 탈리가 효율적으로 이루어진다.

또한, 미세기포에 의해서 분리되어진 스케일은 미세기포에 의해서 다시 뭉쳐진 형태로 배관 상부로 흐르게 되면서 스케일이 쌓이지 않게 된다.

이에 따라, 과량의 압축공기를 진공 증발기에 직접 주입하여 스케일을 제거하는 종래 장치가 증기의 재압축 과정에서 스케일 제거를 위해 과량으로 주입된 압축공기만큼 더 압축하기 위해 필요로 하는 에너지의 소모가 큰 것과는 달리, 상기 미세기포 발생기(30)의 경우 압축공기의 사용량을 1/10 이하로 낮출 수 있으며 증기의 재압축 시에도 부피가 늘어나지 않아 많은 에너지를 사용할 필요가 없게 된다.

이와 같이 상기 미세기포 발생기(30)는 물레방아 원리를 이용하여 미세기포를 일정 간격으로 공급하게 됨에 따라 액체와 기체의 밀도차에 의해 오염물질에 가해지는 충격량이 증가되어 배관 내의 스케일을 탈리시킬 수 있게 되는데다가 탈리된 스케일과 하나로 뭉쳐진 스케일을 별도의 분리할 수단을 구비할 필요 없이 농축 증발을 수행할 수 있게 된다.

거품 제거기(40)는 기액 분리기(20)의 후단에 설치되어 기액 분리기로부터 분리 배출된 증기 내에 포함된 거품을 제거 후 기액 분리기로 반송하는 것이다.

즉, 증발기(10)에서 진공 상태에서 증발 농축 시 폐수 내에 포함된 휘발성 물질이 휘발되면서 다량의 거품이 발생하는데, 이 거품이 기액 분리기(20)에서 증기와 함께 배출되어 후술하는 증기 재압축기(MVR)로 유입되는 과정에서 거품 제거기에 의해 증기에 포함된 거품을 제거하게 된다.

상기 거품 제거기(40)는 감압 조건 하에서 기존의 사이클론 방식을 이용하여 거품을 제거하되 온도차를 이용하여 제거하는데, 도 2에 도시된 바와 같이, 원통형의 본체(41) 상부 측면에는 거품이 포함된 증기가 유입되도록 유입관(42)이 구비되고, 본체 상부에는 거품이 제거된 증기가 본체 중앙부를 통해 상향 배출되도록 배출관(43)이 구비됨과 아울러 하부에는 상기 증기로부터 분리된 거품이 낙하하여 배출되도록 원추형의 배출구(44)가 구비된다.

또한 상기 본체(41)의 내부에 냉각수가 흐르도록 이중관(45)이 구비되고 그 외부에는 증기와 함께 배출되는 거품이 통과하여 깨지도록 하되 접촉면을 확대하도록 전체적으로 그물망부(46)가 설치된다.

이러한 거품 제거기(40)에 의해 거품과 분리된 증기는 다시 기액 분리기(20)로 회수되어 거품 제거작업이 반복적으로 수행된 후 후술하는 증기 재압축기로 이송된다.

증기 재압축기(50)는 거품 제거기(40)에 의해 거품이 제거된 증발 증기를 재압축에 의해 가열 증기로 승온 후 다시 증발기(10)로 공급하는 것이다.

이때, 압축된 가열 증기의 온도는 압축 비율에 따라 달라지는데, 본 장치에서는 압축비율을 1~1.4로 설정하여 상압에서는 온도 7℃가 상승되는 것이며, 감압으로 운전시에는 온도 5~20℃의 넓은 범위로 상승이 가능하다.

상기 압축된 공기는 다시 증발기(10)로 유입되어 순환되는데, 이때 상기 증기 재압축기(50)에서 압축된 공기는 포화 증기로서 증발기(10)로 유입 시 증기가 가진 잠열 모두 열교환하여 증발기 내부를 순환하는 폐수의 온도를 승온하는 기능을 한다.

응축기(60)는 증발기(10)에 연결되어 증기 재압축기(50)를 거쳐 증발기로 유입되는 압축 증기가 통과되면서 응축수로 배출되도록 하는 것이고, 이를 위하여 응축기는 증기 응축을 위해 외부로부터 공급받은 냉각수가 통과하는 구조로 이루어진다.

상기와 같은 구성을 가진 장치에 의해 처리된 물은 외부로 방출되지 않고 재활용수 저장조에 보관 후 필요한 공정에 사용하게 된다.

10 : 증발기 20 : 기액 분리기
30 : 미세기포 발생기 40 : 거품 제거기
50 : 증기 재압축기 60 : 응축기

Claims

순환펌프에 의해 공급된 폐수를 가열하여 증발 농축하는 증발기(10);
증발기에서 예열된 폐수를 진공 상태에서 증발 증기와 농축수로 분리하는 기액 분리기(20);
증발기와 순환펌프 사이에 설치되어 증발기 내부에 고착되는 스케일의 생성을 방지하도록 미세기포를 공급하는 미세기포 발생기(30);
기액 분리기의 후단에 설치되어 증발 증기를 재압축에 의해 가열 증기로 승온하여 증발기로 공급하는 증기 재압축기(50); 및
증발기의 후단에 설치되어 증기 재압축기에 의해 재압축된 가열 증기를 응축하는 응축기(60);를 포함하여 순환펌프에 의해 이송되는 폐수의 유속과 압력을 이용하여 발생된 미세기포에 의한 충격파에 의해 스케일을 제거하며,
상기 기액 분리기(20)의 후단에 설치되어 기액 분리기로부터 분리 배출된 증기 내에 포함된 거품을 제거 후 기액 분리기로 반송하는 거품 제거기(40);를 더 포함하되,
상기 거품 제거기(40)는,
거품이 포함된 증기가 유입되도록 유입관이 구비된 원통형 본체(41);
본체의 상하부에 각각 증기 및 거품이 분리 배출되도록 형성된 배출부(43,44);
본체 내부에 냉각수로 흐르도록 설치된 이중관(45); 및
거품이 접촉하여 깨지도록 이중관의 외부에 전체적으로 설치된 그물망부(46);를 포함함을 특징으로 하는 진공 증발 농축장치.
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