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  일반적인 흡착제(수분, VOCs 제거용) 재생 시 고온 증기의 통과 방향에 관한 질문
  글쓴이 : 우악어쩌나   고유ID : buzzya     날짜 : 21-03-29 15:38     조회 : 65    
안녕하세요, 해당 사이트에서 많은 내용을 공부하고 있는 직장인이자 대학원생입니다.
저는 현재 로터 타입의 VOCs 제거 및 수분 제거용 시스템 관련 연구를 진행중에 있습니다.
연구 진행 중 오랜만에 문헌 상 공부자료에 대한 질문이 있어 글을 남깁니다.
일반적인 흡착제(수분, VOCs 제거용) 재생 시 고온 증기의 통과 방향에 관한 질문인데요,
대부분 상업용 수분 제거용 제습 시스템의 경우 흡착하고자 하는 공기가 통과하는 방향과 재생 시 통과하는 방향이 반대로 되어 있습니다.
[흡착 방향 (위에서 아래로), 재생 방향 (아래에서 위로)]
이 경우와 관련하여 동일한 방향으로 재생하여도 상관없다고 생각했었는데요,
어느 문헌을 보던 중 "재생 시 과열 수증기의 통과방향은 흡착 시 처리가스 통과 방향의 반대 방향으로 한다"
라고 되어 있어 의문을 갖게 되었습니다.
제가 생각하는 반대 방향 설정의 근거는,
1) 흡착과 재생을 동시에 반복하는 공정이기 때문에, Leak 를 최소화 하기 위해서
2) 재생 후 재 흡착 시, 재생 시 열이 가장 낮은 부분이 먼저 흡착하기 때문에
정도의 생각이 드는데요

혹시 흡착과 재생 방향이 반대인 다른 이유가 있을까요?
답변 기다리겠습니다..



Stefano    21-03-29 18:55
(A1) 결론을 먼저 이야기 하면...<건조기 재생을 정상시 흐름과 반대 방향으로 하는 이유는 재생의 효율성을 높이기 위함>입니다.

건조기가 건조과정에 있을 경우 공정유체에 들어있는 수분이 유입부분층에 있는 흡착(흡수)제와 먼저 접촉하여 수분이 흡착되면 흡착능력이 떨어지기 때문에 다음 층에서 흡착이 일어나게되고 이런 과정이 점점 다음 층으로 이동하는 현상이 일어나게 됩니다. 

물론 여기서 말하는 "층"이 계단처럼 물리적으로 되어 있는 것은 아니지만 흐름방향으로 미분하게 되면 점점 출구방향으로 흡착제에 수분이 침두하는 현상이 나타납니다.  학술적으로는 이 현상을 "Penetration"이라는 용어로 부르는데 건조기 출구부분이 흡수수분이 포화되지 않은 상태에서  건조모드를 끝내고 재생모드로 들어가게 됩니다. 

이 때 건조기 출구 부분의 흡착(흡수)제는 포화상태에 도달하지 않은 상태가 됩니다.  포화상태라면 미처 건조되지 않은 가스가 배출되기 때문이지요.    건조되지 않은 수분이 빠져 나가는 것을 "Leakage(누출)" 현상이라고 하는데 이 현상이 나타나면 운전불량이 나타나게 되므로 수분흡착량이 적은 건조제가 충분히 출구부분에 남아 있어야  목표 출구가스 건도를 유지할 수 있습니다. 

(A2) 흡착모드를 거친 건조기 Bed를 재생할 경우  건조용 가스는  건조기 출구에 공급하여 입구방향으로 흐르도록 (즉 정상흐름과 반대되도록) 해 주는데 

1) 만일 정상흐름 방향으로 건조용 가스(혹은 공기)를 공급하면  건조기 내에서 흡착제의 건조 과정이 일어나면서 점점 재행 흡착제가 입구로부터 생성되고 재생된 수분은 건조용 가스가 재생되면서 나오는 수분을 가지고 출구쪽으로 이동하게 됩니다.  이 과정에서도  재생된 수분이 Dryer Bed를 통과하면서  "Penetration"현상이 나타내게 됩니다. 

건조기 Bed에 수분의 함량을 측정하는 계기가 출구측 Bed에 설치되어 있다고 가정하면  재생과정에서도 재생된 수분이 출구측 건조기에 흡착되기 때문에  농도변화를 그래프로 그려보면  건조과정 초기에 수분농도가 오히려 떨어졌다가 최저점을 찍고는 시간이 경과하면서 다시 내려가게 됩니다.  왜그러느냐 하면  재생과정 시작전부터 출구측에 완전재생된 흡착제가 충분히 남아있기 때문이지요.

건조기 재생가스를 정상흐름방향으로 하면  건조기 출구에 있는 건조제는  건조부하가 걸렸다가 다시 재생되는 일이 벌어집니다.  이로 인하여  재생시간이 크게 늘어나고  재생용 가스의 소요량도 크게 늘어나게 됩니다. 

2) 반대로 역방향으로 재생가스를 투입하면  건조기 출구에 있던 흡착제는 거의 즉시 재생되고 재생되는 Bed의 <재생층 Penetration> 출구방향으로 신속하게 이루어집니다.    (건조과정인데도 출구의 건조제가 수분을 흡수했다 다시 토해내는 일이 벌어지지 않는 것이지요)  따라서 건조시간이 크게 절감되고  재생가스 소요량이 줄어들어 재생을 위한 에너지 소요량이 크게 절감됩니다. 

(A2) 만일 재생가스 수분 기록계가 달려있다고 하면  재생가스의 양을 크게 줄여보고 그래프의 모양을 살펴보면 

1)역방향으로 재생하면 재생가스의 수분함량이 증가되었다가 늘어나는 일이 없이 줄어들기만 하는 Exponential Curve를 그리지만 정상흐름 방향으로 재생하면 수분함량이 초기치 0으로부터 무한대 방향으로 솟구쳤다가 변곡점을 그리고 나서 점점 줄어들어드는 Exponential  Curve를 만들어 냅니다.    직접 확인해 보도록 해보세요.  평형데이터가 있다면 수계산으로도 풀 수 있을 것입니다.

2)재생커브의 특징은 재생가스의 수분농도가 특정농도 이하로 떨어지는 소요시간이 아주 크게 다릅니다.  정상의(역방향) 재생의 경우 농도감속 속도가  빠른 반면  순방향 재생의 경우 시간이 크게 늘어집니다.

3)또 다른 특징은 역방향 재생은  (예를들어  30분)이 되면  어느 농도에 도달하지만  비정상(순방향) 재생의 경우 30일이 지나도 도달하지 않을 수 있습니다.    완전 평형에 도달하는 시간은 크게 늘어지기 때문입니다.

4) 더구나  비정상적 재생을 하면서 운전되는 건조기를 두려면 흡착체 사용량은 아마도 4배 이상이 필요할 것입니다.  이로 인하여 재생에너지는 더욱 많이 소요되는 것이지요.
우악어쩌나 buzzya   21-04-06 17:02
스테파노님, 우선 답변에 감사드립니다!

결국 재생 시 효율을 위해 역방향으로 재생하는군요..

제가 간단하게 스테파노님께서 해주신 내용을 요약하자면,
정방향으로 흡착제 재생 시 입구 부분에서 재생되어 나온 수분이 출구 부분의 흡착제에 흡착되었다가 다시 탈착되어 이에 따른 재생 에너지 소비량이 증가한다 (탈착 시 흡열 반응이기 때문에) 인 것 같습니다...

현재 일반적인 로터식 타입의 흡착로터는 주로 허니컴 타입의 좌우로 흐름이 있는 고정된 형태이지만, 저희가 사용하는 방식은 비드 타입으로 상하로 흐름이 있는 형태입니다.

흡착제를 고정시키는 것이 어렵기 때문에 상하로 활용하고 있으며, 역방향으로 활용할 시 고정되지 않는 비드 타입의 흡착제가 문제를 일으킬 것으로 판단됩니다.

하지만 스테파노님께서 답변 주신대로 정방향으로 재생 시 갖는 단점에 대해 테스트 해보고 차후 역방향으로 적용 가능성을 검토해보고자 합니다.

정확한 수치는 아니겠지만 4배 이상 차이가 난다는 말에 조금 놀랐습니다...

또한 답변 주신 내용과 관련하여 (A2, 1) 저희가 가진 계측기로는 흡착제 재생 시 가용하는 온도를 견디는 힘들어 랩 스케일 상 데이터를 가지고 비교를 해야 할 것 같습니다...^^

다시 한 번 친절한 답변에 감사드리며, 좋은 결과를 낼 수 있도록 여러가지 실험을 통해 개선 해보겠습니다.

감사합니다.
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