게시판 > 질답게시판 > 열교환기의 설계에 대한 질문입니다.

Stefano

10-06-13 19:38

다음 내용을 포함한 간단한 시스템 설명이 먼저 필요합니다.

1) 폐수를 증발해서 어디에 사용하는지? (증발수 소각하느지 아니면 연소실 배가스와함께 섞어서 굴뚝으로 내보내는지?)
2) 폐수를 증발하고 남는 농축액은 어떻게 처리하는지?
3) 연소실에서 배출되는 배가스의 유량이 왜 폐수 증발량과 정확히 일치하는지?
4) 왜 연소기에서 증발 농축에 필요한 열량 이상으로 연료를 연소시키고 있는지?

한영무 hanym2

10-06-13 20:32

제가 꾸미고자 하는 설비는 증발농축설비로서 진공감압상태가 아닌 상압(엄밀히 얘기하면 부압이 걸리므로 상압은 아니지만요)에서 폐수를 증발시키고, 이 때 수증기와 함께 증발되는 오염물질을 연소실에서 연소시켜 오염물질을 처리한 후 배출되는 열량 즉, 수증기가 갖고 있는 잠열과 오염물질이 연소될 때 발생하는 연소열량은 회수 재사용함으로써, 증발농축에 필요한 운전비용을 줄이기 위함입니다. 즉 폐수를 완벽하게 방류수질이하로 처리함은 물론이고, 대기로 버려지는 잠열을 회수하여 사용하기 위함입니다.

1) 폐수를 증발해서 어디에 사용하는지? (증발수 소각하느지 아니면 연소실 배가스와함께 섞어서 굴뚝으로 내보내는지?)
: 폐수를 증발시키는 데 이 때 수증기와 함께 저비점물질들이 수증기와 함께 증발되어 응축수의 COD가 높아 직접
방류가 곤란하고, 후처리를 한번 더 실시해야 하는 문제점이 있습니다. 그래서 수증기와 함께 증발되는 오염물질을
고온의 연소실에서 태워서 처리하고자 함입니다.

2) 폐수를 증발하고 남는 농축액은 어떻게 처리하는지?
: 폐수를 증발시키고 남은 농축액은 발생량 대비 부피가 10~15%로 줄기 때문에 위탁처리하게 됩니다.
위탁받은 업체는 소각처리를 하겠지요...

3) 연소실에서 배출되는 배가스의 유량이 왜 폐수 증발량과 정확히 일치하는지?
: 연소실에서 배출되는 배가스의 유량은 연소공기와 연소가스가 더해지므로 폐수의 증발량과는 일치하지 않습니다.
위에서도 질문드렸듯이 폐수의 증발에 의해 발생되는 수증기의 양은 264.4S㎥/min, 이고 연소실에서 배출되는 배가
스의 양은 약 424S㎥/min입니다.
4) 왜 연소기에서 증발 농축에 필요한 열량 이상으로 연료를 연소시키고 있는지?
: 증발농축기에서 농축되고 남은 농축액은 열교환기의 파울링을 유발하므로, 열풍으로 더욱 농축시키기 위하여
약 100S㎥/min의 외부공기를 넣어 주기 때문입니다.

이해하시는데 도움이 되셨길 바랍니다. 감사합니다.

1) 폐수를 증발해서 어디에 사용하는지? (증발수 소각하느지 아니면 연소실 배가스와함께 섞어서 굴뚝으로 내보내는지?) 
   : 폐수를 증발시키는 데 이 때 수증기와 함께 저비점물질들이 수증기와 함께 증발되어 응축수의 COD가 높아 직접 
     방류가 곤란하고, 후처리를 한번 더 실시해야 하는 문제점이 있습니다. 그래서 수증기와 함께 증발되는 오염물질을 
     고온의 연소실에서 태워서 처리하고자 함입니다.

2) 폐수를 증발하고 남는 농축액은 어떻게 처리하는지?
   : 폐수를 증발시키고 남은 농축액은 발생량 대비 부피가 10~15%로 줄기 때문에 위탁처리하게 됩니다.
     위탁받은 업체는 소각처리를 하겠지요...

3) 연소실에서 배출되는 배가스의 유량이 왜 폐수 증발량과 정확히 일치하는지? 
   : 연소실에서 배출되는 배가스의 유량은 연소공기와 연소가스가 더해지므로 폐수의 증발량과는 일치하지 않습니다.
     위에서도 질문드렸듯이 폐수의 증발에 의해 발생되는 수증기의 양은 264.4S㎥/min, 이고 연소실에서 배출되는 배가
     스의 양은 약 424S㎥/min입니다.
4) 왜 연소기에서 증발 농축에 필요한 열량 이상으로 연료를 연소시키고 있는지?
   : 증발농축기에서 농축되고 남은 농축액은 열교환기의 파울링을 유발하므로, 열풍으로 더욱 농축시키기 위하여 
     약 100S㎥/min의 외부공기를 넣어 주기 때문입니다.
     
      이해하시는데 도움이 되셨길 바랍니다. 감사합니다.

스테파노 Stefano

10-06-14 12:59

(0) 폐수를 증발시켜 유기물류를 소각하여 배가스로 배출하고 농축액은 별도처리하며 배가스에 포함된 다량의 수증기의 잠열을 이용하고자 하는 것으로 보입니다.

기체의 부피 중 Sm3로 나타내는 방법은 주로 60℉ 1기압을 의미하는 것이기 때문에 0℃1기압의 부피로 통일하여 Nm3단위를 사용하도록 하세요.

(1)우선 물질수지와 에너지 수지를 맞추어 두고 열교환기를 고려해야 합니다.
LNG도 연소에 의해 CO2와 H2O가 생성되고 연소용 공기로부터 N2와 O2가 공급되기 때문에 이들을 포함한 모든 성분의 양의 정확한 계산이 되어야 합니다. 그래야 증발된 수증기가 합해졌을 때의 연소가스의 온도와 연소가스전체 가스의 양(몰수)을 정확히 알 수 있고 연소가스에 혼합된 수증기의 응축수량을 계산할 수 있습니다. 열량계산시에는 증발폐수에 포함된 유기물의 양이 많을 경우 이들의 연소열과 연소가스도 고려해 주어야 합니다.

물질수지의 계산: 폐수공급량 = 증발수량 + 농축수량
배가스유량 = LNG 연소가스량 + 증발수분량 + (증발 유기물 연소가스량)

에너지 수지의 계산: 폐수증발에 소요되는 열량 = 연소가스에서 공급되는 열량
연소가스에서 공급되는 열량은 연료의 총 발열량과 유기물 연소에의한 발열량이 포함되어야 합니다.

(2) 그런데,
폐수를 예열하여 증발온도까지 가열하고 그중 일부를 증발히키는데 필요한 열량의 계산이 잘못되어 있습니다.
증발기의 온도가 100도라면 배출하는 스팀과 농축액의 온도도 100도가 되겠지요.

(폐수증발기 열량, Q1) = (폐수 가열열량 Q2)+(증발폐수 증발 열량 Q3)...............(1a)
(가열, 증발에 필요한 열량, Q1)= (15000 kg/h을 40도에서 100또까지 예열하는 열량, Q2)+(폐수중 일부 12500 kg/h을 증발시키는데 필요한 열량,Q3)....(1b)

(3) 고온의 배가스의 이용열량 Q4의 경우,
(배가스 이용열량, Q4) = (배가스 전체가 T1 850도에서 수분응축 시작온도T2를 지나 배출온도 T3 냉각될 때까지 방출하는 현열량, Q5)
+(배가스의 응축시작온도T2 에서 배가스 배출온도 T3로 냉각될 때까지 응축되는 수분량에 해당하는 응축잠열, Q6)....................(2)

위의 (2)식으로 계산할 경우 수분을 포함한 전체의 Flue Gas는 T1에서 T2를 겨쳐 T3로 냉각되면서 현열을 내놓는 것으로 간주하여 열량 Q5를 계산하고, 응축수분의 Q6잠열은 T2에서부터 T3가 되는 과정에서 응축되는 전체 수분량에 대해 응축잠열은 T3에서의 응축잠열을 곱하여 계산하는 방법을 취하는 것이 좋습니다.

연소가스에 포함되어 있는 가스 성분들의 온도구간에 따른 각 평균비열을 계산한 다음 성분 농도를 고려햐여 평균비열이 계산되어야 합니다. 대략비열이 계산된 경우에는 나중에 열량의 정밀 분석시 다시 점검해 볼 필요가 있습니다.

(4) 폐수증발기의 경우 가중평균온도차:
폐수 증발기에 연소가스의 현열과 잠열을 함께 이용하는 경우에는 물질수지와 열수지에 의해 현열구간의 온도와 열량을 각각 구하여 구간별 평균 온도차를 구한 다음 전열량 크기에 따라 가중치를 둔 "가중평균온도차"를 적용합니다.

(가중평균 온도차, Weighted LMTD) = {1/Σ(Qi)} * Σ{(Qi)*(LMTDi)} ...............(3)

(5) Heat Transfer Coefficient
Heat Transfer Coefficient의 경우에도 현열전열구간과 잠열구간에서의 열전달계수가 크게 차이가 나기 때문에 정밀계산에서는 구간별로 따로 계산하고 필요한 전열면적도 별도로 계산하여 더해줍니다

(전체의 전열면적, A) = Σ{Qi/(Ui*LMTDi)} .....................................................(4)

(6) 열교환기 참고서적은 무수히 많습니다.
D.Q. Kern, Process Heat Transfer
CRC, Heat And Mass Transfer Mechanical Engineering Handbook
E.Ludwig, Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants, Volume 2
민의동저, 열교환기 이론과 설계, Vol 1& 2
Perry, CEH

(0) 폐수를 증발시켜 유기물류를 소각하여 배가스로 배출하고 농축액은 별도처리하며 배가스에 포함된 다량의 수증기의 잠열을 이용하고자 하는 것으로 보입니다.

기체의 부피 중 Sm3로 나타내는 방법은 주로 60℉ 1기압을 의미하는 것이기 때문에 0℃1기압의 부피로 통일하여 Nm3단위를 사용하도록 하세요.

(1)우선 물질수지와 에너지 수지를 맞추어 두고 열교환기를 고려해야 합니다. 
LNG도 연소에 의해 CO2와 H2O가 생성되고 연소용 공기로부터 N2와 O2가 공급되기 때문에 이들을 포함한 모든 성분의 양의 정확한 계산이 되어야 합니다.   그래야 증발된 수증기가 합해졌을 때의 연소가스의 온도와 연소가스전체 가스의 양(몰수)을 정확히 알 수 있고 연소가스에 혼합된 수증기의 응축수량을 계산할 수 있습니다.   열량계산시에는 증발폐수에 포함된 유기물의 양이 많을 경우 이들의 연소열과 연소가스도 고려해 주어야 합니다.

물질수지의 계산:    폐수공급량 = 증발수량 + 농축수량
배가스유량 = LNG 연소가스량 + 증발수분량 + (증발 유기물 연소가스량)

에너지 수지의 계산:  폐수증발에 소요되는 열량 = 연소가스에서 공급되는 열량
연소가스에서 공급되는 열량은 연료의 총 발열량과 유기물 연소에의한 발열량이 포함되어야 합니다.

(2) 그런데, 
폐수를 예열하여 증발온도까지 가열하고 그중 일부를 증발히키는데 필요한 열량의 계산이 잘못되어 있습니다. 
증발기의 온도가 100도라면 배출하는 스팀과 농축액의 온도도 100도가 되겠지요.

(폐수증발기 열량, Q1) = (폐수 가열열량 Q2)+(증발폐수 증발 열량 Q3)...............(1a)
(가열, 증발에 필요한 열량, Q1)= (15000 kg/h을 40도에서 100또까지 예열하는 열량, Q2)+(폐수중 일부 12500 kg/h을 증발시키는데 필요한 열량,Q3)....(1b)

(3) 고온의 배가스의 이용열량 Q4의 경우,
(배가스 이용열량, Q4) = (배가스 전체가 T1 850도에서 수분응축 시작온도T2를 지나 배출온도 T3 냉각될 때까지 방출하는 현열량, Q5)
                                 +(배가스의 응축시작온도T2 에서 배가스 배출온도 T3로 냉각될 때까지 응축되는 수분량에 해당하는 응축잠열, Q6)....................(2)

위의 (2)식으로 계산할 경우 수분을 포함한 전체의 Flue Gas는 T1에서 T2를 겨쳐 T3로 냉각되면서 현열을 내놓는 것으로 간주하여 열량 Q5를 계산하고,  응축수분의 Q6잠열은 T2에서부터 T3가 되는 과정에서 응축되는 전체 수분량에 대해 응축잠열은 T3에서의 응축잠열을 곱하여 계산하는 방법을 취하는 것이 좋습니다.

연소가스에 포함되어 있는 가스 성분들의 온도구간에 따른 각 평균비열을 계산한 다음 성분 농도를 고려햐여 평균비열이 계산되어야 합니다.   대략비열이 계산된 경우에는 나중에 열량의 정밀 분석시 다시 점검해 볼 필요가 있습니다.

(4) 폐수증발기의 경우 가중평균온도차:
폐수 증발기에 연소가스의 현열과 잠열을 함께 이용하는 경우에는 물질수지와 열수지에 의해 현열구간의 온도와 열량을 각각 구하여  구간별 평균 온도차를 구한 다음  전열량 크기에 따라 가중치를 둔 "가중평균온도차"를 적용합니다.

(가중평균 온도차,  Weighted LMTD) = {1/Σ(Qi)} * Σ{(Qi)*(LMTDi)} ...............(3)

(5) Heat Transfer Coefficient
Heat Transfer Coefficient의 경우에도 현열전열구간과 잠열구간에서의 열전달계수가 크게 차이가 나기 때문에 정밀계산에서는 구간별로 따로 계산하고 필요한 전열면적도 별도로 계산하여 더해줍니다

(전체의 전열면적, A) = Σ{Qi/(Ui*LMTDi)} .....................................................(4)

(6) 열교환기 참고서적은 무수히 많습니다. 
D.Q. Kern, Process Heat Transfer
CRC, Heat And Mass Transfer Mechanical Engineering Handbook
E.Ludwig, Applied Process Design for Chemical and Petrochemical Plants, Volume 2
민의동저, 열교환기 이론과 설계, Vol 1& 2
Perry, CEH

한영무 hanym2

10-06-14 13:19

자세하고 친절하신 답변에 머리숙여 감사드립니다. 더 공부하여 막히는 부분이 있으면 다시 질의 드리도록 하겠습니다.
제가 놓치거나 관과했던 부분을 많이 짚어주셔서 감사드립니다. 언제나 건승하시길 기원드립니다.
감사합니다. 그리고 단위는 Nm3단위로 통일해서 사용하도록 하겠습니다 *^^*