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에너지 절약형 폐수증발 처리 장치

기술개발에 관한 연구

최종보고서( )

2000 1

주관기관 주 한국열유체( )

산 업 자 원 부

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 중효용 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1 2

시제품 원리 및 특징1

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발탑 설계 및 제작1

기액평형관계(1)

단수계산법(2)

구조설계(3)

열교환기 설계 및 제작2

총관열전달계수(1)

대수평균온도차(2)

열압축기와 수구동 이젝터 설계 및 제작3

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

장치의 프로세스2

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

제 장 결론5

참고문언

사진

설계도면

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제 장 서 론1

제 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성1

에너지 절약형 폐수처리장치는 가변형 열압축기와 증발기를 조합하여 증발기내의

진공도를 원하는 진공압력으로 유지시켜 주어 증발기내의 수분을 감압증발시키고

중금속 및 성분을 연속적으로 농축시킴으로써 폐수를 처리시키는 장치이다COD

이러한 장치에서 증발된 증류수는 일종의 순수로서 다시 공정에 재투입이 가능하기

때문에 무방류 폐수처리장치로서 최근 크게 주목받고 있는 기술이다

생산공정에서 환경에 가장 영향을 끼치는 부산물은 유기용제 중금속등이 함유된

산업폐수이다 근래에 환경규제가 강화되면서 산업폐수의 경우 배출기준이 COD

에서 으로 조정되었으며 산업폐수는 발생자 처리 기준에 따라 배150ppm 130ppm

출업체가 처리하도록 규정되어 있다 이러한 상황에서 환경문제와 더불어 보다 손

쉽고 저렴한 비용으로 폐수를 배출기준 이하로 정화하느냐 하는것이 산업체에서는

매우 중요한 문제로 대두되고 있다 따라서 최근에 몇몇 기업에서는 감압증발에 의

한 폐수처리장치를 일본으로부터 수입 운영중에 있으나 국내에서는 아직 분리수거

가 잘 이루어지지 않아 폐수수탁 과정에서의 이물질의 함유 그리고 난 분해성 유기

용제 등이 일부 함유되어 있어서 폐수의 완전 처리가 곤란한 실정이다

그러나 현재까지의 기술로서는 고농도 중금속이 함유된 폐수처리는 현실적으로 이

러한 감압증발에 의한 처리방식에 의존할 수 밖에 없기 때문에 난분해성 를COD

처리할 수 있는 시스템의 개발이 매우 시급한 실정이다

한편 폐수농축증발 처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐수를

증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 운전경비가 많이 드는 단점이

있어 에너지 절약형 제품의 개발도 요구되고 있다

또한 에너지 절약형 농축처리기술은 종래 블로워식과 열압축식이 있는데 본 기술

개발 사업에서는 가변형 열압축기를 이용한 시스템을 채용하고자 한다 열압축기는

기계식 블로워형 압축기와는 달리 증기를 직접 사용함으로써 전기를 이용한 기계적

블로워시스템에 비하여 신뢰성이 높고 안정적인 운전이 가능하며 대형화가 가능한

장점이 있다 특히 난분해성 성분 함유에 따른 비점에 쉽게 대처할 수 있어 COD

안정적인 운전이 가능한 시스템이다

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본 연구의 차년도에는 국내에서 주로 많이 배출되고 있으며 그 처리가 매우 까다1

로운 폐수와 중금속 폐수를 대상으로 그 폐수의 물성분석을 행하고 폐수증발COD

처리장치에의한 분리효율을 조사하였고 또한 단기간에 큰 성과를 기대하기 위COD

하여 차년도에 파이롯트 시제품의 제작을 제작하여 각 기기의 단독 성능을 실험하1

여 전 시스템의 효과적인 운전 및 기대 성능예상을 통하여 각종 산업폐수의 종류에

따라 다양한 시스템 설계를 가능하게 되었다

본 연구개발사업의 차년도에 있어서는 차년도의 연구개발사업에서 얻어진 자료를2 1

바탕으로 특정 폐수에 대하여 폐수물질에 대한 주요 기기 및 배관의 재질 선정 및

폐수의 온도 압력범위 등의 구체적인 설계와 비교적 시설비 및 운전비가 저렴하고middot

운전에 있어서 보다 안정적 시스템 운영과 폐수처리가 간편하고 신속하게 처리할

수 있는 에너지 절약형 폐수증발처리장치 개발하는 것이 본 연구의 목적이 있다

이와 같은 최종 연구목적 하에서 폐수증발처리 시스템의 효과적인 설계를 위하여

시스템의 핵심구성요소인 진공형성장치 및 열 회수장치인 열압축기와 수이젝터의

직열로 운전 가능한 설계를 개발 하였다

각종 폐수처리는 오염상태에 따라 처리방법을 선택하는 기본지식이 요구된다 모든

폐수의 오염상태는 크게 나누어 용해 및 불용해성 오염물질 그리고 오염물은 무기

및 유기물로 구분할 수 있는데 일반적으로 폐수처리방법은 기본적인 기계식을 바

탕으로 생물학적 및 화학적 처리에 의존하고 있다 이와 같은 방법은 중금속 및 난

분해성 유기물질 등의 처리에 한계성을 느끼게 한다

따라서 본 연구의 감압 증발처리 기술은 화학적 또는 생물학적처리에서 보완이 요

구되어 질 수 있을 때 상대적으로 우수성을 보여준다

시제품의 운전에 적용된 폐수는 선박의 선상에서 발생되는 각종 폐수를 수거하여

간단하게 물리 화학적 처리방법으로 폐수의 불용해성 고형 이물질은 물과의 비중차middot

이로 부유물 그리고 슬럿지 침전 등으로 차적으로 제거한 후 장치의 원수로 적용1

하였다

특히 선박 폐수 중 원유 운반선의 원유 의 청소과정에서 발생되는 폐수는 다량tank

의 기름을 함유하여 배출되므로 효과적인 전처리로 발생 폐유와 분리하여 폐유는

별도 재생처리가 요구된다

전처리가 끝난 폐수에는 다량의 중금속과 유분을 함유하고 특히 선박 폐수의 특징

은 다량의 염분을 함유하고 있는 해수인 관계로 일반적인 방법으로 육상에서 처리

하고 방류하기에는 그 기준치를 만족하기에는 실로 어려움이 많은 것으로 사료된

다 오늘날 폐수처리는 단순히 하천이나 강 및 해양의 오염을 방지하기 위한 것만

은 아니고 용수를 회수 재사용하기 위해 행하는 방향으로 향하고 있다 현재 우리

나라 산업공단의 공업용수 부족현상의 현저한 관계로 용수비가 상승하고 또 차차

심해지는 공장폐수의 수질규제에 적합하기 위한 폐수처리비가 상승하므로 공업폐수

의 고급 처리를하여 용수를 회수한다는 것은 충분히 경제적으로 균형 잡히게 된다

또 안정적인 용수확보와 환경보존에서 공업폐수는 회수 재사용 하게끔 될 것이다

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제 장 기초이론2

제 절 배관계산1

관경의 결정1

관은 소정의 시간내에 일정량의 유체를 이송할 수 있는 크기의 것이라야 한다 일

반적으로 관의 직경은 운동량 방정식을 기본으로 관의 직경 는 다음과 같이 계산(D)

한다

액체인 경우

여기서 Q = 유량 ( s)

A = 관의 단면적 ( )

d = 관의 유효직경 (m)

V = 관내부 유속 (msec)

기체의 경우

여기서 v = 비체적 ( )

A = 유량 (kg3s)

F = 관의 단면적 ( )

유체의종류 조건 유속(msec)

액체

물

자연유하

펌프흡입구

펌프토출구

프로세스라인

015~03

03~10

12~10

12~25

고점성액펌프흡입구

펌프토출구

006~015

015~06

기체증기

공기

20~60

10~30

표 관내부 유속2-1

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d = 관의 유효직경 (m)

W = 관내부 유속 (msec)

표 에 제시된 유속이 일반적으로 경제성을 고려하여 경험적으로 체택되고 있2-1

다

압력손실2

균일한 단면적의 반듯한 원관내를 흐르는 유체가 일정한 속도로 흐르면 점성에 의

한 에너지 손실이 발생하며 이는 관벽과 마찰에 의한 압력손실이라 한다

여기서 는 압력손실P ( ) ⊿ 는 유체의 비중량 는 수두손실 이다( ) h (m) ⊿원관내 평균속도을 원관직경을 두 단면사이의 거리를 이라고 하면 손실수두v d ℓ

는 다음과 같이 표현된다h

를 관마찰 계수라고 한다 관마찰계수 의 값은 흐름이 층유의 경우와 난유의 경

우에 따라 다르며 난유의 경우에는 관벽의 거칠기에 따라 복잡하게 변화한다

흐름이 층유인 경우에는①

흐름이 난유로서 관이 매끄러울 경우에는 2300② Re 10le le 5의 범위에 대하여

공식이 적용된다Blasius

105 Re 10le le 8의 범위에서는 공식이 적용된다Nikurase

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그리고 흐름이 난유이면 전범위에 관하여 에 관계없이 다음의 식도 발표되Re Itadani

어 있다

배관 부품에 의한 압력손실3

배관에 설치된 엘보 티 밸브등의 부속품에 의해서도 압력손실이 생긴다 이 경우

는 표 표 에서 제시하는 손실계수를 적용하여 다음 식으로 구해서 계산된2-2 2-3

다

관벽의 두께4

관의 두께에 관한 규격으로는 미국규격협회(American Standard Association

에서 만든 스케듈 번호 로 표시하는데 이것은 근사적으로ASA) (Schedule Number)

다음과 같이 정의 한다

여기서 는 유체의 내부압력 는 재료의 허용응력 이다P ( ) S ( )

응축기 또는 열교환기 등에 사용하는 전열관에 대해서는 BWG(Brimingham Wire

번호로 정하며 번호가 낮을수록 두께가 두껍다 그러나 배관용 관의 규격Gauge)

번호는 스케듈 번호가 커질수록 두께가 두꺼워진다

열응력5

열팽창 또는 열수축에 의한 변위를 구속하는 것에 의해 발생하는 응력을 열응력이

라 하는데 열응력은 배관의 형태나 부위에 따라 다르지만 고온 및 저온 배관에서

는 특히 고려해야 될 중요한 문제로 보통 다음과 같은 식에 의하여 계산한다

여기서는 는 열응력 는 탄성률 는 열팽창계수 는 온도차 는 관의 단면S E C T A⊿적이다

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제 절 유기용제 폐수의 기액 평형2

아세톤 수계1 - ( )水系

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

x = 아세톤의 수중 농도 분율(mol )

p = 아세톤의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 식 및2-1 (2-12) Othmer9) 의 의 비교를 제시한다data

메탄올 수계2 -

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

그림 에 식 의 를 제시한다2-2 (2-13) data

에탄올 수계3 -

은 다음 식을 제시하고 있다Houston

c = 에탄올의 수중 농도 (lb molft 3)

p = 에탄올의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 를 제시한다 그림중의 곡선은 의 정수2-3 Data Van Laar A12=067

A21 를 이용하여=042 에서 구한 것이다

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아크릴로니틸 수계4 -

표 는 의 에 도다가 수정을 가한 이다2-4 Funk Data Data

표 밸브 및 피팅류의2-2

손실계수

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표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

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표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

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그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

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제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

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본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

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수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

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그림 전분폐수의 변화3-2 COD

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중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

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그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

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중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

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표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

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이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

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리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

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제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

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그림 차 시제품3-7 1 PampID

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

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제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

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이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

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단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

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그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

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증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

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가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

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Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

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열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

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또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

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그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

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그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

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그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

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수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

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제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 2 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 중효용 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1 2

시제품 원리 및 특징1

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발탑 설계 및 제작1

기액평형관계(1)

단수계산법(2)

구조설계(3)

열교환기 설계 및 제작2

총관열전달계수(1)

대수평균온도차(2)

열압축기와 수구동 이젝터 설계 및 제작3

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

장치의 프로세스2

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

제 장 결론5

참고문언

사진

설계도면

- 3 -

제 장 서 론1

제 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성1

에너지 절약형 폐수처리장치는 가변형 열압축기와 증발기를 조합하여 증발기내의

진공도를 원하는 진공압력으로 유지시켜 주어 증발기내의 수분을 감압증발시키고

중금속 및 성분을 연속적으로 농축시킴으로써 폐수를 처리시키는 장치이다COD

이러한 장치에서 증발된 증류수는 일종의 순수로서 다시 공정에 재투입이 가능하기

때문에 무방류 폐수처리장치로서 최근 크게 주목받고 있는 기술이다

생산공정에서 환경에 가장 영향을 끼치는 부산물은 유기용제 중금속등이 함유된

산업폐수이다 근래에 환경규제가 강화되면서 산업폐수의 경우 배출기준이 COD

에서 으로 조정되었으며 산업폐수는 발생자 처리 기준에 따라 배150ppm 130ppm

출업체가 처리하도록 규정되어 있다 이러한 상황에서 환경문제와 더불어 보다 손

쉽고 저렴한 비용으로 폐수를 배출기준 이하로 정화하느냐 하는것이 산업체에서는

매우 중요한 문제로 대두되고 있다 따라서 최근에 몇몇 기업에서는 감압증발에 의

한 폐수처리장치를 일본으로부터 수입 운영중에 있으나 국내에서는 아직 분리수거

가 잘 이루어지지 않아 폐수수탁 과정에서의 이물질의 함유 그리고 난 분해성 유기

용제 등이 일부 함유되어 있어서 폐수의 완전 처리가 곤란한 실정이다

그러나 현재까지의 기술로서는 고농도 중금속이 함유된 폐수처리는 현실적으로 이

러한 감압증발에 의한 처리방식에 의존할 수 밖에 없기 때문에 난분해성 를COD

처리할 수 있는 시스템의 개발이 매우 시급한 실정이다

한편 폐수농축증발 처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐수를

증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 운전경비가 많이 드는 단점이

있어 에너지 절약형 제품의 개발도 요구되고 있다

또한 에너지 절약형 농축처리기술은 종래 블로워식과 열압축식이 있는데 본 기술

개발 사업에서는 가변형 열압축기를 이용한 시스템을 채용하고자 한다 열압축기는

기계식 블로워형 압축기와는 달리 증기를 직접 사용함으로써 전기를 이용한 기계적

블로워시스템에 비하여 신뢰성이 높고 안정적인 운전이 가능하며 대형화가 가능한

장점이 있다 특히 난분해성 성분 함유에 따른 비점에 쉽게 대처할 수 있어 COD

안정적인 운전이 가능한 시스템이다

- 4 -

본 연구의 차년도에는 국내에서 주로 많이 배출되고 있으며 그 처리가 매우 까다1

로운 폐수와 중금속 폐수를 대상으로 그 폐수의 물성분석을 행하고 폐수증발COD

처리장치에의한 분리효율을 조사하였고 또한 단기간에 큰 성과를 기대하기 위COD

하여 차년도에 파이롯트 시제품의 제작을 제작하여 각 기기의 단독 성능을 실험하1

여 전 시스템의 효과적인 운전 및 기대 성능예상을 통하여 각종 산업폐수의 종류에

따라 다양한 시스템 설계를 가능하게 되었다

본 연구개발사업의 차년도에 있어서는 차년도의 연구개발사업에서 얻어진 자료를2 1

바탕으로 특정 폐수에 대하여 폐수물질에 대한 주요 기기 및 배관의 재질 선정 및

폐수의 온도 압력범위 등의 구체적인 설계와 비교적 시설비 및 운전비가 저렴하고middot

운전에 있어서 보다 안정적 시스템 운영과 폐수처리가 간편하고 신속하게 처리할

수 있는 에너지 절약형 폐수증발처리장치 개발하는 것이 본 연구의 목적이 있다

이와 같은 최종 연구목적 하에서 폐수증발처리 시스템의 효과적인 설계를 위하여

시스템의 핵심구성요소인 진공형성장치 및 열 회수장치인 열압축기와 수이젝터의

직열로 운전 가능한 설계를 개발 하였다

각종 폐수처리는 오염상태에 따라 처리방법을 선택하는 기본지식이 요구된다 모든

폐수의 오염상태는 크게 나누어 용해 및 불용해성 오염물질 그리고 오염물은 무기

및 유기물로 구분할 수 있는데 일반적으로 폐수처리방법은 기본적인 기계식을 바

탕으로 생물학적 및 화학적 처리에 의존하고 있다 이와 같은 방법은 중금속 및 난

분해성 유기물질 등의 처리에 한계성을 느끼게 한다

따라서 본 연구의 감압 증발처리 기술은 화학적 또는 생물학적처리에서 보완이 요

구되어 질 수 있을 때 상대적으로 우수성을 보여준다

시제품의 운전에 적용된 폐수는 선박의 선상에서 발생되는 각종 폐수를 수거하여

간단하게 물리 화학적 처리방법으로 폐수의 불용해성 고형 이물질은 물과의 비중차middot

이로 부유물 그리고 슬럿지 침전 등으로 차적으로 제거한 후 장치의 원수로 적용1

하였다

특히 선박 폐수 중 원유 운반선의 원유 의 청소과정에서 발생되는 폐수는 다량tank

의 기름을 함유하여 배출되므로 효과적인 전처리로 발생 폐유와 분리하여 폐유는

별도 재생처리가 요구된다

전처리가 끝난 폐수에는 다량의 중금속과 유분을 함유하고 특히 선박 폐수의 특징

은 다량의 염분을 함유하고 있는 해수인 관계로 일반적인 방법으로 육상에서 처리

하고 방류하기에는 그 기준치를 만족하기에는 실로 어려움이 많은 것으로 사료된

다 오늘날 폐수처리는 단순히 하천이나 강 및 해양의 오염을 방지하기 위한 것만

은 아니고 용수를 회수 재사용하기 위해 행하는 방향으로 향하고 있다 현재 우리

나라 산업공단의 공업용수 부족현상의 현저한 관계로 용수비가 상승하고 또 차차

심해지는 공장폐수의 수질규제에 적합하기 위한 폐수처리비가 상승하므로 공업폐수

의 고급 처리를하여 용수를 회수한다는 것은 충분히 경제적으로 균형 잡히게 된다

또 안정적인 용수확보와 환경보존에서 공업폐수는 회수 재사용 하게끔 될 것이다

- 5 -

제 장 기초이론2

제 절 배관계산1

관경의 결정1

관은 소정의 시간내에 일정량의 유체를 이송할 수 있는 크기의 것이라야 한다 일

반적으로 관의 직경은 운동량 방정식을 기본으로 관의 직경 는 다음과 같이 계산(D)

한다

액체인 경우

여기서 Q = 유량 ( s)

A = 관의 단면적 ( )

d = 관의 유효직경 (m)

V = 관내부 유속 (msec)

기체의 경우

여기서 v = 비체적 ( )

A = 유량 (kg3s)

F = 관의 단면적 ( )

유체의종류 조건 유속(msec)

액체

물

자연유하

펌프흡입구

펌프토출구

프로세스라인

015~03

03~10

12~10

12~25

고점성액펌프흡입구

펌프토출구

006~015

015~06

기체증기

공기

20~60

10~30

표 관내부 유속2-1

- 6 -

d = 관의 유효직경 (m)

W = 관내부 유속 (msec)

표 에 제시된 유속이 일반적으로 경제성을 고려하여 경험적으로 체택되고 있2-1

다

압력손실2

균일한 단면적의 반듯한 원관내를 흐르는 유체가 일정한 속도로 흐르면 점성에 의

한 에너지 손실이 발생하며 이는 관벽과 마찰에 의한 압력손실이라 한다

여기서 는 압력손실P ( ) ⊿ 는 유체의 비중량 는 수두손실 이다( ) h (m) ⊿원관내 평균속도을 원관직경을 두 단면사이의 거리를 이라고 하면 손실수두v d ℓ

는 다음과 같이 표현된다h

를 관마찰 계수라고 한다 관마찰계수 의 값은 흐름이 층유의 경우와 난유의 경

우에 따라 다르며 난유의 경우에는 관벽의 거칠기에 따라 복잡하게 변화한다

흐름이 층유인 경우에는①

흐름이 난유로서 관이 매끄러울 경우에는 2300② Re 10le le 5의 범위에 대하여

공식이 적용된다Blasius

105 Re 10le le 8의 범위에서는 공식이 적용된다Nikurase

- 7 -

그리고 흐름이 난유이면 전범위에 관하여 에 관계없이 다음의 식도 발표되Re Itadani

어 있다

배관 부품에 의한 압력손실3

배관에 설치된 엘보 티 밸브등의 부속품에 의해서도 압력손실이 생긴다 이 경우

는 표 표 에서 제시하는 손실계수를 적용하여 다음 식으로 구해서 계산된2-2 2-3

다

관벽의 두께4

관의 두께에 관한 규격으로는 미국규격협회(American Standard Association

에서 만든 스케듈 번호 로 표시하는데 이것은 근사적으로ASA) (Schedule Number)

다음과 같이 정의 한다

여기서 는 유체의 내부압력 는 재료의 허용응력 이다P ( ) S ( )

응축기 또는 열교환기 등에 사용하는 전열관에 대해서는 BWG(Brimingham Wire

번호로 정하며 번호가 낮을수록 두께가 두껍다 그러나 배관용 관의 규격Gauge)

번호는 스케듈 번호가 커질수록 두께가 두꺼워진다

열응력5

열팽창 또는 열수축에 의한 변위를 구속하는 것에 의해 발생하는 응력을 열응력이

라 하는데 열응력은 배관의 형태나 부위에 따라 다르지만 고온 및 저온 배관에서

는 특히 고려해야 될 중요한 문제로 보통 다음과 같은 식에 의하여 계산한다

여기서는 는 열응력 는 탄성률 는 열팽창계수 는 온도차 는 관의 단면S E C T A⊿적이다

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제 절 유기용제 폐수의 기액 평형2

아세톤 수계1 - ( )水系

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

x = 아세톤의 수중 농도 분율(mol )

p = 아세톤의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 식 및2-1 (2-12) Othmer9) 의 의 비교를 제시한다data

메탄올 수계2 -

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

그림 에 식 의 를 제시한다2-2 (2-13) data

에탄올 수계3 -

은 다음 식을 제시하고 있다Houston

c = 에탄올의 수중 농도 (lb molft 3)

p = 에탄올의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 를 제시한다 그림중의 곡선은 의 정수2-3 Data Van Laar A12=067

A21 를 이용하여=042 에서 구한 것이다

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아크릴로니틸 수계4 -

표 는 의 에 도다가 수정을 가한 이다2-4 Funk Data Data

표 밸브 및 피팅류의2-2

손실계수

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표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

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표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

- 12 -

그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

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제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

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본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

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수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

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중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

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중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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제 장 서 론1

제 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성1

에너지 절약형 폐수처리장치는 가변형 열압축기와 증발기를 조합하여 증발기내의

진공도를 원하는 진공압력으로 유지시켜 주어 증발기내의 수분을 감압증발시키고

중금속 및 성분을 연속적으로 농축시킴으로써 폐수를 처리시키는 장치이다COD

이러한 장치에서 증발된 증류수는 일종의 순수로서 다시 공정에 재투입이 가능하기

때문에 무방류 폐수처리장치로서 최근 크게 주목받고 있는 기술이다

생산공정에서 환경에 가장 영향을 끼치는 부산물은 유기용제 중금속등이 함유된

산업폐수이다 근래에 환경규제가 강화되면서 산업폐수의 경우 배출기준이 COD

에서 으로 조정되었으며 산업폐수는 발생자 처리 기준에 따라 배150ppm 130ppm

출업체가 처리하도록 규정되어 있다 이러한 상황에서 환경문제와 더불어 보다 손

쉽고 저렴한 비용으로 폐수를 배출기준 이하로 정화하느냐 하는것이 산업체에서는

매우 중요한 문제로 대두되고 있다 따라서 최근에 몇몇 기업에서는 감압증발에 의

한 폐수처리장치를 일본으로부터 수입 운영중에 있으나 국내에서는 아직 분리수거

가 잘 이루어지지 않아 폐수수탁 과정에서의 이물질의 함유 그리고 난 분해성 유기

용제 등이 일부 함유되어 있어서 폐수의 완전 처리가 곤란한 실정이다

그러나 현재까지의 기술로서는 고농도 중금속이 함유된 폐수처리는 현실적으로 이

러한 감압증발에 의한 처리방식에 의존할 수 밖에 없기 때문에 난분해성 를COD

처리할 수 있는 시스템의 개발이 매우 시급한 실정이다

한편 폐수농축증발 처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐수를

증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 운전경비가 많이 드는 단점이

있어 에너지 절약형 제품의 개발도 요구되고 있다

또한 에너지 절약형 농축처리기술은 종래 블로워식과 열압축식이 있는데 본 기술

개발 사업에서는 가변형 열압축기를 이용한 시스템을 채용하고자 한다 열압축기는

기계식 블로워형 압축기와는 달리 증기를 직접 사용함으로써 전기를 이용한 기계적

블로워시스템에 비하여 신뢰성이 높고 안정적인 운전이 가능하며 대형화가 가능한

장점이 있다 특히 난분해성 성분 함유에 따른 비점에 쉽게 대처할 수 있어 COD

안정적인 운전이 가능한 시스템이다

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본 연구의 차년도에는 국내에서 주로 많이 배출되고 있으며 그 처리가 매우 까다1

로운 폐수와 중금속 폐수를 대상으로 그 폐수의 물성분석을 행하고 폐수증발COD

처리장치에의한 분리효율을 조사하였고 또한 단기간에 큰 성과를 기대하기 위COD

하여 차년도에 파이롯트 시제품의 제작을 제작하여 각 기기의 단독 성능을 실험하1

여 전 시스템의 효과적인 운전 및 기대 성능예상을 통하여 각종 산업폐수의 종류에

따라 다양한 시스템 설계를 가능하게 되었다

본 연구개발사업의 차년도에 있어서는 차년도의 연구개발사업에서 얻어진 자료를2 1

바탕으로 특정 폐수에 대하여 폐수물질에 대한 주요 기기 및 배관의 재질 선정 및

폐수의 온도 압력범위 등의 구체적인 설계와 비교적 시설비 및 운전비가 저렴하고middot

운전에 있어서 보다 안정적 시스템 운영과 폐수처리가 간편하고 신속하게 처리할

수 있는 에너지 절약형 폐수증발처리장치 개발하는 것이 본 연구의 목적이 있다

이와 같은 최종 연구목적 하에서 폐수증발처리 시스템의 효과적인 설계를 위하여

시스템의 핵심구성요소인 진공형성장치 및 열 회수장치인 열압축기와 수이젝터의

직열로 운전 가능한 설계를 개발 하였다

각종 폐수처리는 오염상태에 따라 처리방법을 선택하는 기본지식이 요구된다 모든

폐수의 오염상태는 크게 나누어 용해 및 불용해성 오염물질 그리고 오염물은 무기

및 유기물로 구분할 수 있는데 일반적으로 폐수처리방법은 기본적인 기계식을 바

탕으로 생물학적 및 화학적 처리에 의존하고 있다 이와 같은 방법은 중금속 및 난

분해성 유기물질 등의 처리에 한계성을 느끼게 한다

따라서 본 연구의 감압 증발처리 기술은 화학적 또는 생물학적처리에서 보완이 요

구되어 질 수 있을 때 상대적으로 우수성을 보여준다

시제품의 운전에 적용된 폐수는 선박의 선상에서 발생되는 각종 폐수를 수거하여

간단하게 물리 화학적 처리방법으로 폐수의 불용해성 고형 이물질은 물과의 비중차middot

이로 부유물 그리고 슬럿지 침전 등으로 차적으로 제거한 후 장치의 원수로 적용1

하였다

특히 선박 폐수 중 원유 운반선의 원유 의 청소과정에서 발생되는 폐수는 다량tank

의 기름을 함유하여 배출되므로 효과적인 전처리로 발생 폐유와 분리하여 폐유는

별도 재생처리가 요구된다

전처리가 끝난 폐수에는 다량의 중금속과 유분을 함유하고 특히 선박 폐수의 특징

은 다량의 염분을 함유하고 있는 해수인 관계로 일반적인 방법으로 육상에서 처리

하고 방류하기에는 그 기준치를 만족하기에는 실로 어려움이 많은 것으로 사료된

다 오늘날 폐수처리는 단순히 하천이나 강 및 해양의 오염을 방지하기 위한 것만

은 아니고 용수를 회수 재사용하기 위해 행하는 방향으로 향하고 있다 현재 우리

나라 산업공단의 공업용수 부족현상의 현저한 관계로 용수비가 상승하고 또 차차

심해지는 공장폐수의 수질규제에 적합하기 위한 폐수처리비가 상승하므로 공업폐수

의 고급 처리를하여 용수를 회수한다는 것은 충분히 경제적으로 균형 잡히게 된다

또 안정적인 용수확보와 환경보존에서 공업폐수는 회수 재사용 하게끔 될 것이다

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제 장 기초이론2

제 절 배관계산1

관경의 결정1

관은 소정의 시간내에 일정량의 유체를 이송할 수 있는 크기의 것이라야 한다 일

반적으로 관의 직경은 운동량 방정식을 기본으로 관의 직경 는 다음과 같이 계산(D)

한다

액체인 경우

여기서 Q = 유량 ( s)

A = 관의 단면적 ( )

d = 관의 유효직경 (m)

V = 관내부 유속 (msec)

기체의 경우

여기서 v = 비체적 ( )

A = 유량 (kg3s)

F = 관의 단면적 ( )

유체의종류 조건 유속(msec)

액체

물

자연유하

펌프흡입구

펌프토출구

프로세스라인

015~03

03~10

12~10

12~25

고점성액펌프흡입구

펌프토출구

006~015

015~06

기체증기

공기

20~60

10~30

표 관내부 유속2-1

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d = 관의 유효직경 (m)

W = 관내부 유속 (msec)

표 에 제시된 유속이 일반적으로 경제성을 고려하여 경험적으로 체택되고 있2-1

다

압력손실2

균일한 단면적의 반듯한 원관내를 흐르는 유체가 일정한 속도로 흐르면 점성에 의

한 에너지 손실이 발생하며 이는 관벽과 마찰에 의한 압력손실이라 한다

여기서 는 압력손실P ( ) ⊿ 는 유체의 비중량 는 수두손실 이다( ) h (m) ⊿원관내 평균속도을 원관직경을 두 단면사이의 거리를 이라고 하면 손실수두v d ℓ

는 다음과 같이 표현된다h

를 관마찰 계수라고 한다 관마찰계수 의 값은 흐름이 층유의 경우와 난유의 경

우에 따라 다르며 난유의 경우에는 관벽의 거칠기에 따라 복잡하게 변화한다

흐름이 층유인 경우에는①

흐름이 난유로서 관이 매끄러울 경우에는 2300② Re 10le le 5의 범위에 대하여

공식이 적용된다Blasius

105 Re 10le le 8의 범위에서는 공식이 적용된다Nikurase

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그리고 흐름이 난유이면 전범위에 관하여 에 관계없이 다음의 식도 발표되Re Itadani

어 있다

배관 부품에 의한 압력손실3

배관에 설치된 엘보 티 밸브등의 부속품에 의해서도 압력손실이 생긴다 이 경우

는 표 표 에서 제시하는 손실계수를 적용하여 다음 식으로 구해서 계산된2-2 2-3

다

관벽의 두께4

관의 두께에 관한 규격으로는 미국규격협회(American Standard Association

에서 만든 스케듈 번호 로 표시하는데 이것은 근사적으로ASA) (Schedule Number)

다음과 같이 정의 한다

여기서 는 유체의 내부압력 는 재료의 허용응력 이다P ( ) S ( )

응축기 또는 열교환기 등에 사용하는 전열관에 대해서는 BWG(Brimingham Wire

번호로 정하며 번호가 낮을수록 두께가 두껍다 그러나 배관용 관의 규격Gauge)

번호는 스케듈 번호가 커질수록 두께가 두꺼워진다

열응력5

열팽창 또는 열수축에 의한 변위를 구속하는 것에 의해 발생하는 응력을 열응력이

라 하는데 열응력은 배관의 형태나 부위에 따라 다르지만 고온 및 저온 배관에서

는 특히 고려해야 될 중요한 문제로 보통 다음과 같은 식에 의하여 계산한다

여기서는 는 열응력 는 탄성률 는 열팽창계수 는 온도차 는 관의 단면S E C T A⊿적이다

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제 절 유기용제 폐수의 기액 평형2

아세톤 수계1 - ( )水系

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

x = 아세톤의 수중 농도 분율(mol )

p = 아세톤의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 식 및2-1 (2-12) Othmer9) 의 의 비교를 제시한다data

메탄올 수계2 -

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

그림 에 식 의 를 제시한다2-2 (2-13) data

에탄올 수계3 -

은 다음 식을 제시하고 있다Houston

c = 에탄올의 수중 농도 (lb molft 3)

p = 에탄올의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 를 제시한다 그림중의 곡선은 의 정수2-3 Data Van Laar A12=067

A21 를 이용하여=042 에서 구한 것이다

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아크릴로니틸 수계4 -

표 는 의 에 도다가 수정을 가한 이다2-4 Funk Data Data

표 밸브 및 피팅류의2-2

손실계수

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표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

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표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

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그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

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제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

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본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

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수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

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그림 전분폐수의 변화3-2 COD

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중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

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그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

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중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

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표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

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이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 4 -

본 연구의 차년도에는 국내에서 주로 많이 배출되고 있으며 그 처리가 매우 까다1

로운 폐수와 중금속 폐수를 대상으로 그 폐수의 물성분석을 행하고 폐수증발COD

처리장치에의한 분리효율을 조사하였고 또한 단기간에 큰 성과를 기대하기 위COD

하여 차년도에 파이롯트 시제품의 제작을 제작하여 각 기기의 단독 성능을 실험하1

여 전 시스템의 효과적인 운전 및 기대 성능예상을 통하여 각종 산업폐수의 종류에

따라 다양한 시스템 설계를 가능하게 되었다

본 연구개발사업의 차년도에 있어서는 차년도의 연구개발사업에서 얻어진 자료를2 1

바탕으로 특정 폐수에 대하여 폐수물질에 대한 주요 기기 및 배관의 재질 선정 및

폐수의 온도 압력범위 등의 구체적인 설계와 비교적 시설비 및 운전비가 저렴하고middot

운전에 있어서 보다 안정적 시스템 운영과 폐수처리가 간편하고 신속하게 처리할

수 있는 에너지 절약형 폐수증발처리장치 개발하는 것이 본 연구의 목적이 있다

이와 같은 최종 연구목적 하에서 폐수증발처리 시스템의 효과적인 설계를 위하여

시스템의 핵심구성요소인 진공형성장치 및 열 회수장치인 열압축기와 수이젝터의

직열로 운전 가능한 설계를 개발 하였다

각종 폐수처리는 오염상태에 따라 처리방법을 선택하는 기본지식이 요구된다 모든

폐수의 오염상태는 크게 나누어 용해 및 불용해성 오염물질 그리고 오염물은 무기

및 유기물로 구분할 수 있는데 일반적으로 폐수처리방법은 기본적인 기계식을 바

탕으로 생물학적 및 화학적 처리에 의존하고 있다 이와 같은 방법은 중금속 및 난

분해성 유기물질 등의 처리에 한계성을 느끼게 한다

따라서 본 연구의 감압 증발처리 기술은 화학적 또는 생물학적처리에서 보완이 요

구되어 질 수 있을 때 상대적으로 우수성을 보여준다

시제품의 운전에 적용된 폐수는 선박의 선상에서 발생되는 각종 폐수를 수거하여

간단하게 물리 화학적 처리방법으로 폐수의 불용해성 고형 이물질은 물과의 비중차middot

이로 부유물 그리고 슬럿지 침전 등으로 차적으로 제거한 후 장치의 원수로 적용1

하였다

특히 선박 폐수 중 원유 운반선의 원유 의 청소과정에서 발생되는 폐수는 다량tank

의 기름을 함유하여 배출되므로 효과적인 전처리로 발생 폐유와 분리하여 폐유는

별도 재생처리가 요구된다

전처리가 끝난 폐수에는 다량의 중금속과 유분을 함유하고 특히 선박 폐수의 특징

은 다량의 염분을 함유하고 있는 해수인 관계로 일반적인 방법으로 육상에서 처리

하고 방류하기에는 그 기준치를 만족하기에는 실로 어려움이 많은 것으로 사료된

다 오늘날 폐수처리는 단순히 하천이나 강 및 해양의 오염을 방지하기 위한 것만

은 아니고 용수를 회수 재사용하기 위해 행하는 방향으로 향하고 있다 현재 우리

나라 산업공단의 공업용수 부족현상의 현저한 관계로 용수비가 상승하고 또 차차

심해지는 공장폐수의 수질규제에 적합하기 위한 폐수처리비가 상승하므로 공업폐수

의 고급 처리를하여 용수를 회수한다는 것은 충분히 경제적으로 균형 잡히게 된다

또 안정적인 용수확보와 환경보존에서 공업폐수는 회수 재사용 하게끔 될 것이다

- 5 -

제 장 기초이론2

제 절 배관계산1

관경의 결정1

관은 소정의 시간내에 일정량의 유체를 이송할 수 있는 크기의 것이라야 한다 일

반적으로 관의 직경은 운동량 방정식을 기본으로 관의 직경 는 다음과 같이 계산(D)

한다

액체인 경우

여기서 Q = 유량 ( s)

A = 관의 단면적 ( )

d = 관의 유효직경 (m)

V = 관내부 유속 (msec)

기체의 경우

여기서 v = 비체적 ( )

A = 유량 (kg3s)

F = 관의 단면적 ( )

유체의종류 조건 유속(msec)

액체

물

자연유하

펌프흡입구

펌프토출구

프로세스라인

015~03

03~10

12~10

12~25

고점성액펌프흡입구

펌프토출구

006~015

015~06

기체증기

공기

20~60

10~30

표 관내부 유속2-1

- 6 -

d = 관의 유효직경 (m)

W = 관내부 유속 (msec)

표 에 제시된 유속이 일반적으로 경제성을 고려하여 경험적으로 체택되고 있2-1

다

압력손실2

균일한 단면적의 반듯한 원관내를 흐르는 유체가 일정한 속도로 흐르면 점성에 의

한 에너지 손실이 발생하며 이는 관벽과 마찰에 의한 압력손실이라 한다

여기서 는 압력손실P ( ) ⊿ 는 유체의 비중량 는 수두손실 이다( ) h (m) ⊿원관내 평균속도을 원관직경을 두 단면사이의 거리를 이라고 하면 손실수두v d ℓ

는 다음과 같이 표현된다h

를 관마찰 계수라고 한다 관마찰계수 의 값은 흐름이 층유의 경우와 난유의 경

우에 따라 다르며 난유의 경우에는 관벽의 거칠기에 따라 복잡하게 변화한다

흐름이 층유인 경우에는①

흐름이 난유로서 관이 매끄러울 경우에는 2300② Re 10le le 5의 범위에 대하여

공식이 적용된다Blasius

105 Re 10le le 8의 범위에서는 공식이 적용된다Nikurase

- 7 -

그리고 흐름이 난유이면 전범위에 관하여 에 관계없이 다음의 식도 발표되Re Itadani

어 있다

배관 부품에 의한 압력손실3

배관에 설치된 엘보 티 밸브등의 부속품에 의해서도 압력손실이 생긴다 이 경우

는 표 표 에서 제시하는 손실계수를 적용하여 다음 식으로 구해서 계산된2-2 2-3

다

관벽의 두께4

관의 두께에 관한 규격으로는 미국규격협회(American Standard Association

에서 만든 스케듈 번호 로 표시하는데 이것은 근사적으로ASA) (Schedule Number)

다음과 같이 정의 한다

여기서 는 유체의 내부압력 는 재료의 허용응력 이다P ( ) S ( )

응축기 또는 열교환기 등에 사용하는 전열관에 대해서는 BWG(Brimingham Wire

번호로 정하며 번호가 낮을수록 두께가 두껍다 그러나 배관용 관의 규격Gauge)

번호는 스케듈 번호가 커질수록 두께가 두꺼워진다

열응력5

열팽창 또는 열수축에 의한 변위를 구속하는 것에 의해 발생하는 응력을 열응력이

라 하는데 열응력은 배관의 형태나 부위에 따라 다르지만 고온 및 저온 배관에서

는 특히 고려해야 될 중요한 문제로 보통 다음과 같은 식에 의하여 계산한다

여기서는 는 열응력 는 탄성률 는 열팽창계수 는 온도차 는 관의 단면S E C T A⊿적이다

- 8 -

제 절 유기용제 폐수의 기액 평형2

아세톤 수계1 - ( )水系

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

x = 아세톤의 수중 농도 분율(mol )

p = 아세톤의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 식 및2-1 (2-12) Othmer9) 의 의 비교를 제시한다data

메탄올 수계2 -

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

그림 에 식 의 를 제시한다2-2 (2-13) data

에탄올 수계3 -

은 다음 식을 제시하고 있다Houston

c = 에탄올의 수중 농도 (lb molft 3)

p = 에탄올의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 를 제시한다 그림중의 곡선은 의 정수2-3 Data Van Laar A12=067

A21 를 이용하여=042 에서 구한 것이다

- 9 -

아크릴로니틸 수계4 -

표 는 의 에 도다가 수정을 가한 이다2-4 Funk Data Data

표 밸브 및 피팅류의2-2

손실계수

- 10 -

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

- 11 -

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

- 12 -

그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

- 13 -

제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

- 14 -

본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

- 15 -

수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

- 16 -

전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

- 18 -

중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

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이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

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그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

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제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

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에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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제 장 기초이론2

제 절 배관계산1

관경의 결정1

관은 소정의 시간내에 일정량의 유체를 이송할 수 있는 크기의 것이라야 한다 일

반적으로 관의 직경은 운동량 방정식을 기본으로 관의 직경 는 다음과 같이 계산(D)

한다

액체인 경우

여기서 Q = 유량 ( s)

A = 관의 단면적 ( )

d = 관의 유효직경 (m)

V = 관내부 유속 (msec)

기체의 경우

여기서 v = 비체적 ( )

A = 유량 (kg3s)

F = 관의 단면적 ( )

유체의종류 조건 유속(msec)

액체

물

자연유하

펌프흡입구

펌프토출구

프로세스라인

015~03

03~10

12~10

12~25

고점성액펌프흡입구

펌프토출구

006~015

015~06

기체증기

공기

20~60

10~30

표 관내부 유속2-1

- 6 -

d = 관의 유효직경 (m)

W = 관내부 유속 (msec)

표 에 제시된 유속이 일반적으로 경제성을 고려하여 경험적으로 체택되고 있2-1

다

압력손실2

균일한 단면적의 반듯한 원관내를 흐르는 유체가 일정한 속도로 흐르면 점성에 의

한 에너지 손실이 발생하며 이는 관벽과 마찰에 의한 압력손실이라 한다

여기서 는 압력손실P ( ) ⊿ 는 유체의 비중량 는 수두손실 이다( ) h (m) ⊿원관내 평균속도을 원관직경을 두 단면사이의 거리를 이라고 하면 손실수두v d ℓ

는 다음과 같이 표현된다h

를 관마찰 계수라고 한다 관마찰계수 의 값은 흐름이 층유의 경우와 난유의 경

우에 따라 다르며 난유의 경우에는 관벽의 거칠기에 따라 복잡하게 변화한다

흐름이 층유인 경우에는①

흐름이 난유로서 관이 매끄러울 경우에는 2300② Re 10le le 5의 범위에 대하여

공식이 적용된다Blasius

105 Re 10le le 8의 범위에서는 공식이 적용된다Nikurase

- 7 -

그리고 흐름이 난유이면 전범위에 관하여 에 관계없이 다음의 식도 발표되Re Itadani

어 있다

배관 부품에 의한 압력손실3

배관에 설치된 엘보 티 밸브등의 부속품에 의해서도 압력손실이 생긴다 이 경우

는 표 표 에서 제시하는 손실계수를 적용하여 다음 식으로 구해서 계산된2-2 2-3

다

관벽의 두께4

관의 두께에 관한 규격으로는 미국규격협회(American Standard Association

에서 만든 스케듈 번호 로 표시하는데 이것은 근사적으로ASA) (Schedule Number)

다음과 같이 정의 한다

여기서 는 유체의 내부압력 는 재료의 허용응력 이다P ( ) S ( )

응축기 또는 열교환기 등에 사용하는 전열관에 대해서는 BWG(Brimingham Wire

번호로 정하며 번호가 낮을수록 두께가 두껍다 그러나 배관용 관의 규격Gauge)

번호는 스케듈 번호가 커질수록 두께가 두꺼워진다

열응력5

열팽창 또는 열수축에 의한 변위를 구속하는 것에 의해 발생하는 응력을 열응력이

라 하는데 열응력은 배관의 형태나 부위에 따라 다르지만 고온 및 저온 배관에서

는 특히 고려해야 될 중요한 문제로 보통 다음과 같은 식에 의하여 계산한다

여기서는 는 열응력 는 탄성률 는 열팽창계수 는 온도차 는 관의 단면S E C T A⊿적이다

- 8 -

제 절 유기용제 폐수의 기액 평형2

아세톤 수계1 - ( )水系

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

x = 아세톤의 수중 농도 분율(mol )

p = 아세톤의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 식 및2-1 (2-12) Othmer9) 의 의 비교를 제시한다data

메탄올 수계2 -

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

그림 에 식 의 를 제시한다2-2 (2-13) data

에탄올 수계3 -

은 다음 식을 제시하고 있다Houston

c = 에탄올의 수중 농도 (lb molft 3)

p = 에탄올의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 를 제시한다 그림중의 곡선은 의 정수2-3 Data Van Laar A12=067

A21 를 이용하여=042 에서 구한 것이다

- 9 -

아크릴로니틸 수계4 -

표 는 의 에 도다가 수정을 가한 이다2-4 Funk Data Data

표 밸브 및 피팅류의2-2

손실계수

- 10 -

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

- 11 -

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

- 12 -

그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

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제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

- 14 -

본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

- 15 -

수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

- 16 -

전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

- 18 -

중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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(1976)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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d = 관의 유효직경 (m)

W = 관내부 유속 (msec)

표 에 제시된 유속이 일반적으로 경제성을 고려하여 경험적으로 체택되고 있2-1

다

압력손실2

균일한 단면적의 반듯한 원관내를 흐르는 유체가 일정한 속도로 흐르면 점성에 의

한 에너지 손실이 발생하며 이는 관벽과 마찰에 의한 압력손실이라 한다

여기서 는 압력손실P ( ) ⊿ 는 유체의 비중량 는 수두손실 이다( ) h (m) ⊿원관내 평균속도을 원관직경을 두 단면사이의 거리를 이라고 하면 손실수두v d ℓ

는 다음과 같이 표현된다h

를 관마찰 계수라고 한다 관마찰계수 의 값은 흐름이 층유의 경우와 난유의 경

우에 따라 다르며 난유의 경우에는 관벽의 거칠기에 따라 복잡하게 변화한다

흐름이 층유인 경우에는①

흐름이 난유로서 관이 매끄러울 경우에는 2300② Re 10le le 5의 범위에 대하여

공식이 적용된다Blasius

105 Re 10le le 8의 범위에서는 공식이 적용된다Nikurase

- 7 -

그리고 흐름이 난유이면 전범위에 관하여 에 관계없이 다음의 식도 발표되Re Itadani

어 있다

배관 부품에 의한 압력손실3

배관에 설치된 엘보 티 밸브등의 부속품에 의해서도 압력손실이 생긴다 이 경우

는 표 표 에서 제시하는 손실계수를 적용하여 다음 식으로 구해서 계산된2-2 2-3

다

관벽의 두께4

관의 두께에 관한 규격으로는 미국규격협회(American Standard Association

에서 만든 스케듈 번호 로 표시하는데 이것은 근사적으로ASA) (Schedule Number)

다음과 같이 정의 한다

여기서 는 유체의 내부압력 는 재료의 허용응력 이다P ( ) S ( )

응축기 또는 열교환기 등에 사용하는 전열관에 대해서는 BWG(Brimingham Wire

번호로 정하며 번호가 낮을수록 두께가 두껍다 그러나 배관용 관의 규격Gauge)

번호는 스케듈 번호가 커질수록 두께가 두꺼워진다

열응력5

열팽창 또는 열수축에 의한 변위를 구속하는 것에 의해 발생하는 응력을 열응력이

라 하는데 열응력은 배관의 형태나 부위에 따라 다르지만 고온 및 저온 배관에서

는 특히 고려해야 될 중요한 문제로 보통 다음과 같은 식에 의하여 계산한다

여기서는 는 열응력 는 탄성률 는 열팽창계수 는 온도차 는 관의 단면S E C T A⊿적이다

- 8 -

제 절 유기용제 폐수의 기액 평형2

아세톤 수계1 - ( )水系

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

x = 아세톤의 수중 농도 분율(mol )

p = 아세톤의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 식 및2-1 (2-12) Othmer9) 의 의 비교를 제시한다data

메탄올 수계2 -

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

그림 에 식 의 를 제시한다2-2 (2-13) data

에탄올 수계3 -

은 다음 식을 제시하고 있다Houston

c = 에탄올의 수중 농도 (lb molft 3)

p = 에탄올의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 를 제시한다 그림중의 곡선은 의 정수2-3 Data Van Laar A12=067

A21 를 이용하여=042 에서 구한 것이다

- 9 -

아크릴로니틸 수계4 -

표 는 의 에 도다가 수정을 가한 이다2-4 Funk Data Data

표 밸브 및 피팅류의2-2

손실계수

- 10 -

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

- 11 -

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

- 12 -

그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

- 13 -

제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

- 14 -

본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

- 15 -

수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

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그림 전분폐수의 변화3-2 COD

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중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

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그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

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중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

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표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

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이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

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제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

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제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

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이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

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단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

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증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

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가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

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Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

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그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

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그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

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열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

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김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

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공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

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고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그리고 흐름이 난유이면 전범위에 관하여 에 관계없이 다음의 식도 발표되Re Itadani

어 있다

배관 부품에 의한 압력손실3

배관에 설치된 엘보 티 밸브등의 부속품에 의해서도 압력손실이 생긴다 이 경우

는 표 표 에서 제시하는 손실계수를 적용하여 다음 식으로 구해서 계산된2-2 2-3

다

관벽의 두께4

관의 두께에 관한 규격으로는 미국규격협회(American Standard Association

에서 만든 스케듈 번호 로 표시하는데 이것은 근사적으로ASA) (Schedule Number)

다음과 같이 정의 한다

여기서 는 유체의 내부압력 는 재료의 허용응력 이다P ( ) S ( )

응축기 또는 열교환기 등에 사용하는 전열관에 대해서는 BWG(Brimingham Wire

번호로 정하며 번호가 낮을수록 두께가 두껍다 그러나 배관용 관의 규격Gauge)

번호는 스케듈 번호가 커질수록 두께가 두꺼워진다

열응력5

열팽창 또는 열수축에 의한 변위를 구속하는 것에 의해 발생하는 응력을 열응력이

라 하는데 열응력은 배관의 형태나 부위에 따라 다르지만 고온 및 저온 배관에서

는 특히 고려해야 될 중요한 문제로 보통 다음과 같은 식에 의하여 계산한다

여기서는 는 열응력 는 탄성률 는 열팽창계수 는 온도차 는 관의 단면S E C T A⊿적이다

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제 절 유기용제 폐수의 기액 평형2

아세톤 수계1 - ( )水系

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

x = 아세톤의 수중 농도 분율(mol )

p = 아세톤의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 식 및2-1 (2-12) Othmer9) 의 의 비교를 제시한다data

메탄올 수계2 -

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

그림 에 식 의 를 제시한다2-2 (2-13) data

에탄올 수계3 -

은 다음 식을 제시하고 있다Houston

c = 에탄올의 수중 농도 (lb molft 3)

p = 에탄올의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 를 제시한다 그림중의 곡선은 의 정수2-3 Data Van Laar A12=067

A21 를 이용하여=042 에서 구한 것이다

- 9 -

아크릴로니틸 수계4 -

표 는 의 에 도다가 수정을 가한 이다2-4 Funk Data Data

표 밸브 및 피팅류의2-2

손실계수

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표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

- 11 -

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

- 12 -

그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

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제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

- 14 -

본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

- 15 -

수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

- 16 -

전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

- 18 -

중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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제 절 유기용제 폐수의 기액 평형2

아세톤 수계1 - ( )水系

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

x = 아세톤의 수중 농도 분율(mol )

p = 아세톤의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 식 및2-1 (2-12) Othmer9) 의 의 비교를 제시한다data

메탄올 수계2 -

도다는 에서는 헨리의 법칙이 성립하는 것으로서 다음 식을 제시하고 있다xlt001

그림 에 식 의 를 제시한다2-2 (2-13) data

에탄올 수계3 -

은 다음 식을 제시하고 있다Houston

c = 에탄올의 수중 농도 (lb molft 3)

p = 에탄올의 분압 (mmHg)

T = 액체의 온도 (degK)

그림 에 를 제시한다 그림중의 곡선은 의 정수2-3 Data Van Laar A12=067

A21 를 이용하여=042 에서 구한 것이다

- 9 -

아크릴로니틸 수계4 -

표 는 의 에 도다가 수정을 가한 이다2-4 Funk Data Data

표 밸브 및 피팅류의2-2

손실계수

- 10 -

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

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표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

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그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

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제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

- 14 -

본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

- 15 -

수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

- 18 -

중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

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김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

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통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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아크릴로니틸 수계4 -

표 는 의 에 도다가 수정을 가한 이다2-4 Funk Data Data

표 밸브 및 피팅류의2-2

손실계수

- 10 -

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

- 11 -

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

- 12 -

그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

- 13 -

제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

- 14 -

본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

- 15 -

수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

- 16 -

전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

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중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

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중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

- 68 -

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

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표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

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그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

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제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

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본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

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수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

- 18 -

중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

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중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylonitrile

그림 2-1 Acetone-H2 계 선도O x-p

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그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

- 13 -

제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

- 14 -

본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

- 15 -

수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

- 16 -

전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

- 18 -

중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 12 -

그림 2-2 Methanol-H2 계 선도O x-p

그림 2-3 Ethanol-H2 계 선도O x-p

- 13 -

제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

- 14 -

본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

- 15 -

수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

- 16 -

전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

- 18 -

중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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제 장 차년도 연구개발내용3 1

제 절 폐수의 물성분석1

폐수증발처리장치는 폐수의 온도를 비점 이상의 온도로 상승시켜 비점이 다른 두

가지 성분의 물질을 분리시키는 방법을 말한다 이와 같은 원리는 자연에서 흔히

볼 수 있는 현상으로 대표적인 것으로서는 바닷물이 증류수인 빗물로서 재순환되는

현장을 들수 있다

일반적으로 액체는 그 물질 고유의 증기압을 가지고 있는데 주위의 압력이 그 증

기압과 같아지면 비등이 일어나게 되고 이를 비등점이라고 한다 따라서 각 액체의

비등점은 각각 다르게 나타난다 분별증류란 동일 온도 압력조건에서 증기압이 높

은 쪽이 더 잘 증발하는 성질을 이용하여 두가지 이상의 혼합액을 분리하는 공정을

말한다 이 경우 물보다 비점이 높은 유기용제들은 증발하지 않기 때문에 농축된

슬러지 속에 농축되어 소각등의 방법으로 처리할 수 있지만 벤젠 메탄올 등의 물

보다 비점이 낮은 유기용제들은 물과 함께 증발응축되어 처리수 속에 잔류하게 된

다 따라서 이들 잔류용제들이 처리수의 를 높이는 결과를 초래하게 된다 COD

따라서 난분해성 유기물이 함유된 폐수의 성분을 비점차에 의해 분리하기 위COD

하여서는 국내에서 주로 발생하는 폐수의 물성분석 즉 물을 기준으로하여 물보다

비점이 낮은 성분과 물보다 비점이 높은 성분을 어느정도 함유하고 있으며 증발량

에 따른 비점상승의 영향은 어느정도 인지를 미리 조사하여야 한다 그러므로 단 1

계의 연구개발목표는 국내에서 발생되는 폐수의 물성분석을 행하여 본 연구개발품

의 운전성능을 미리 파악하기 위한 기본 설계 자료를 확보하는 것으로 하였다

실험폐수들은 본사로 의뢰가 들어온 산업장의 산업폐수로 폐수의 성상은 각 절에서

설명하기로 한다

실험방법은 본 폐수증발처리장치와 같은 원리로 작동되는 감압증발기로 처리과정을

거쳐 원수 농축수 응축수를 채취하여 각각의 를 측정하는 것으로 하였다 증 COD

발장치는 그림에 나타내었다 반응기는 유리재질의 용기를 사용하였다 에 폐 1L ①

수를 주입한 후 콕크 를 잠그고 진공펌프로 진공을 잡았다(Vacuum Breaker)

열원으로는 수욕조에 반응기를 담그고 온도를 올렸으며 균등한 온도를 유지하기 위

해 반응기를 회전하였다 수욕조는 온도조절센스가 부착되어있어 온도조절이 가능

하다 반응기내에서 증발한 증기는 으로 올라가서 냉각기에의해 응축되어 로 ③ ②

흘러내리게 된다 냉각수로는 수돗물을 사용하였다

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본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

- 15 -

수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

- 17 -

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

- 18 -

중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

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표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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본 장에서 측정하는 폐수는 법으로 우리나라의 수질오염 공정시험법에 준하CODmn

여 분석하였다 화학적 산소소비량 는 하천 또는 산업폐수의 오염도를 나타내 COD( )

는 지표로서 폐수중의 유기물질이 산화제(KMnO4 에 의해 소비되는 량을 이에 대응)

하는 산소량 으로 나타낸것으로 수치가 높게 나타날수록 오염도가 심하다(ppm) pH

는 간이측정법으로 리트머스시험지로 측정하였다

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수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

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그림 전분폐수의 변화3-2 COD

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중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

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표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

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이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

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리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

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그림 차 시제품3-7 1 PampID

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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수용성 절삭유 폐수1

수용성 절삭유 폐수의 경우 분리효율은 차응축만으로도 의 높은 효율COD 1 996

을 보였다 이는 물의 비점 에 비해 절삭유의 비점은 로 훨씬 높 100 130~210

고 물보다 비점이 낮은 휘발성성분이 거의 함유되어 있지 않기 때문으로 파악된

다 원수는 상층이 갈색 하층이 탁한 연두색으로 상분리되어져 있었으나 농축수는

하층이 선명한 녹색으로 상분리되어졌다 이는 절삭유 본래의 색으로 분리효율을

눈으로 확인할수 있었다

는 원수에 비해 응축했을때에 낮아졌다pH

실험장치의 운전동안 거품 발생시 온도를 낮추어주기만 하면 끓어넘치거나하는 현

상 없이 안정된 상태를 유지하였으므로 운전시 별다른 어려운 점이 없으리라 예상

된다

그림 수용성절삭유폐수의 변화3-1 COD

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

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그림 전분폐수의 변화3-2 COD

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중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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전분 폐수2

원수의 는 전분성분의 부유물질을 침전시키고 상등수만을 취하여 여과지에 여COD

과하여 측정하였으므로 실제 폐수의 경우 는 이보다 높을 것으로 본다 실제운COD

전에서는 폐수의 성상에 따라 부유물질을 다량함유한 경우 장치의 효율을 높이기

위하여 침전 부상 원심분리와 같은 전처리가 필요하다 차처리의 경우 의 1 978

분리효율을 보였으며 차처리의 경우도 비슷한 효율을 보였다COD 2

는 원수보다 응축했을때 낮아졌다pH

실험장치의 운전온도는 정도의 낮은 온도로 시작하여 끓지않는 온도내에30 40～

서 계속 상승시켜 정도를 유지하였으며 진공을 많이 걸었을 때에는 이보다 온60

도를 낮추어서 실험하였다 갑자기 진공을 파괴했을 경우 진공펌프로부터 물이 역

류하여 응축수를 버리는 현상이 나타났다 실제 운전시는 연속적인 운전을 하므로

이런 현상은 일어나지 않으리라 본다

차농축수는 가 으로 매우높고 전분이 농축되어진 상태이므로 방치1 COD 5400ppm

시 냄새 부폐등의 현상을 가져오므로 배출즉시 소각등의 처리를 하는것이 바람직

하다 또한 농축시 끈적끈적한 젤상태를 유지하므로 배출시킬때 펌프등의 물리적인

배출이 필요하다

또한 전분폐수의 경우 온도는 이상에서 젤화되어 처리효율을 방해하므로 낮은60

온도로 운전하고 진공도를 높여야 할 필요가 있다

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그림 전분폐수의 변화3-2 COD

- 18 -

중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

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제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 전분폐수의 변화3-2 COD

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중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

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그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

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중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

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표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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중금속 폐수 함유폐수3 (Cr )

Cr6+ 산성 황색 를 다량함유하고 있는 중금속 폐수이다 중금속의 처리는( (pH2) )

의 효율을 보였다 중금속폐수의 경우 는 원수자체가 으로 낮은999 COD 48ppm

수치이고 처리수는 으로 처리효율이 높다 농축수의 경우COD08ppm 80 COD

으로 보아 이를 입증한다 이는 중금속의 경우 물의 비1306ppm T-Cr 4149ppm

점에서는 증발하지 않기 때문이다 그러나 중금속 단독처리의 경우는 본 폐수증발

처리장치로 처리할 경우 처리비용이 비싸 경제성이 없으나 복합폐수일때 부수적인

효과를 볼 수 있다 위의 폐수의 경우 로 강산성이므로 처리장치의 부식을 가 pH2

져올 우려가 있어 처리전 산성일 경우 로 알칼리성일 경우NaOH H2SO4로 중화시킨

후 장치에 투입하고 장치의 재질 선택에도 신중을 기해야 한다

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그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

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중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

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표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

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이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

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리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

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제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

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제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

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이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

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단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

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가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

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Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

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그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

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그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

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열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

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또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

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그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 19 -

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그림 폐수의 변화3-4 Cr COD

- 20 -

중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

- 21 -

표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

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통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수4

폐수는 중유열분해시에 나오는 가스성분의 석유류계통의 유분이며 COD

으로 높은 수치를 나타내었다 차응축수의 경우 천단위의 높은 를15000ppm 1 COD

나타내므로 실험의 의미를 찾을 수 없어 차응축수이후의 를 표 에 나타내2 COO 31

었으며 각처리회수별로 응축수생성누적부피에 대한 를 그림 에 나타내었다COD 35

표 에서 차응축수의 경우 초기 가 후기 보다 상당히 높은 것을 볼 수 있31 2 COD COD

다 이는 폐수중의 휘발성물질이 먼저 응축되어 치를 높인후 순수 물성분의 응 COD

축으로 희석된 농도치가 후기농도치인 것으로 보인다 이를 확인하기 위해 차응축 3

수의 경우 단계로 나누어 실험하였다 마찬가지로 는 농도치가 높아지는 반4 -① ②

면 의 경우는 낮아짐을 알수 있다 차 응축수의 경우 응축의 횟수를 거듭- 4 5③ ④

하면서 치가 이하로 낮아졌으나 더나은 치를 얻기힘들었다 실험COD 500ppm l COD

으로 보아 폐수는 정도가 비점이 이상이고 정도의 비점이 이95 100 5 100

하의 휘발성을 함유하고 있다는 결론을 얻었다 이처럼 물성분과 함께 휘발성성분

과 비휘발성성분이 공존할때에는 비점의 차로 폐수의 를 분리해 내는 것이 매COD

우 어렵다

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표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

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리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

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제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

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그림 차 시제품3-7 1 PampID

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 각처리회수별 응축수생성누적부피에 대한 값3-1 COD

시 료 분 석 결 과

원 수

CODmn 15000 ppm

pH 835

Conductivity 1945

Turbidity 455 degree

초기 차응축수2 CODmn 12602 ppm

후기 차응축수2 CODmn 691 ppm

차응축수3 ① CODmn 9147 ppm

차응축수3 ② CODmn 9756 ppm

차응축수3 ③ CODmn 6504 ppm

차응축수3 ④ CODmn 569 ppm

차응축수4 CODmn 498 ppm

차응축수5 CODmn 4878 ppm

그림 유분폐수의 변화3-5 COD

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

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열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

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제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

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에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 22 -

이에 본 실험에서는 의 분리효율을 높이기 위하여 응집 오존산화 활성탄 흡COD

착 폭기등의 전후처리를 행하여 보았다 응집처리는 폐수속의 부유물질을 응집하여 치를 낮추는 것으로 처리수의 경우COD

는 부유물질이 없어 처리율을 보이지않으리라 예상하여 전처리를 행하였다 처리방

법으로는 고분자응집제 로 를 행하여 적정 를 주A-101 Jar-Test pH 4 45 50mgL～

입하였다

응집전처리후 값은 표 에 나타내었다 표에서 보여주는 바와 같이 응집 처리COD 32

시 정도의 감소를 보이나 감소정도가 크지 않고 증발처리후 는3000ppm COD COD

응집처리를 하지 않고 단독처리하였을 때보다 나아지지 않은 것을 확인할 수 있었

다 이는 응집처리시의 화학제가 처리과정에서 온도가 올라감으로 인해 반응을 한

것으로 보인다

- 23 -

표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

- 24 -

오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 응집전처리후 값3-2 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

- 25 -

제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

- 28 -

그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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오존산화처리는 가 높은 원수처리시 오존접촉량이 많아져 처리비용이 비싸짐COD

을 감안하여 차처리하여 가 인 처리수를 오존2 COD 732ppm (O3 에 동) 5min 35min

안 접촉 산화시켜 처리수의 경우 처리수의 경우5min COD 5179ppm 35min

의 결과를 얻었다 일반적으로 오존의 처리비용이 비싼데 비하여 처리효율419ppm

은 그다지 높지않아 후처리로 부적합하다

그외 활성탄 폭기처리는 실험중 이하의 비교적 양호한 값이 나온 처 500ppm COD

리수에 활용하였으나 이내의 처리효과를 보여 더이상의 효과를 보기 힘들100ppm

었다

위의 결과 본 폐수는 휘발성과 비휘발성물질이 함께 함유된 물질로 처리시 휘발성

물질이 물보다 먼저 증발응축하여 의 원수를 이하로 처리하기가15000pm 500ppm

매우힘들며 전후처리의 효과도 그다지 크지않았다

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

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리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

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제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

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그림 차 시제품3-7 1 PampID

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

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제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

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이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

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단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

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그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

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증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

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가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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제 절 차 시제품의 설계2 1

본장은 차년도에 제작한 시제품의 설계에 관해 설명한다 차년도 시제품은 위의1 1

제 절에서 설명했던 산업폐수 중 포장공장의 일반적인 폐수인 전분폐수를 처1 COD

리하기 위한 장치이다

시제품의 도는 그림 에 나타내었다 그림에서 보는바와 같이 실험장치의 주PampID 3-7

요부는 증발탑 응축기 열압축기 리보일러로 나누어진다

본 시제품은 온도가 이상이 되면 젤화되는 전분폐수의 특성상 낮은 온도에서60

끓게 하기 위해 진공상태에서 운전되도록 설계하였다

실제운전폐수의 농도는 증발탑내의 폐수 농축과 응축수의 로 일정시간 운COD Rflux

전후 원수 보다 높은 일정한 농도를 보일 것이다 따라서 실제 설계시의 처리폐COD

수의 농도는 만 정도로 본다20 40 ppm ～

유입된 폐수는 일단 침전조를 거쳐 부유물질을 제거하게된다 침전물은 따로 배출

하여 로 압축하여 케잌처리한다 전처리한 폐수는 폐수집수탱크에 저류Fillter Press

하여 로 펌핑하여 증발탑내에 주입한다 주입된 폐수는 리보일러를 거쳐200Kghr

증기로 되어 증발탑내로 들어오게되고 스팀은 다시 폐수와 직접접촉하여 폐수를 가

열시켜 증기로 증발하게된다 증발된 증기는 병렬 연결된 개의 응축기를 거쳐 응 2

축수가 되어 이중 수질이 양호한 일부는 처리수로 밀폐되어진 처리수탱크로 모아

지고 로 냉각수탱크로 보내어 방류한다 또한 일부는 증발탑내로 다시Level Control

주입되는데 이는 증발탑내의 폐수의 농도를 낮추어 주는 역할을 하여 단수의 증가

와 같은 효과를 보게 된다

증발탑

증발탑내에서 고온의 스팀에의해 증발되는 폐수의 증기는 탑내부의 여러단을 거치

면서 점차로 유발성분을 분리하여 수증기에 가까운 상태로 증발탑의 상부로COD

날아간다 증발탑의 단수가 많을수록 두 물질의 분리가 확실하게 이루어지지만 일

정 단수이상을 넘게되면 그 비용이나 크기에 비하여 효용이 급격하게 떨어지므로

적절한 단수를 선정하는 것이 매우 중요하다 따라서 분리효율을 고려하여 적절한

단수를 정하고 실제효율을 로보아 이론단수의 배를 실제단수로 한다50 2

- 26 -

리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

- 27 -

제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

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그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

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PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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리보일러

보일러에서 생성된 고온의 스팀은 열압축기에 의해 회수되어져 리보일러의 Shell

로 들어가서 증기탑의 하부에서 자연순환방식에의해 로 들어가는 폐Side Tube side

수를 간접적으로 가열시킨다 전분폐수의 젤화등으로 인해 정기적인 내부청소가 필

요하므로 청소에 용이한 를 채택하였다 리보일러를 통과한 폐수는 열에Tube Side

의해 스팀이 되어 날아가 증발탑내로 들어가고 폐수를 증발시키는 가열원이 된다

리보일러내에서 스팀으로 날아가고 남게되는 소량의 농축액은 농축탱크로보내어 배

출한다 또한 가열원으로 쓰였던 증기는 수이젝터에 의해 회수되어져 쿨링타워로

보내어진다

응축기

증발탑내에서 증발되는 증기는 상부로 날아가서 응축기의 로 들어가고Shell Side

의 냉각수에 의해 열을 빼앗기고 응축된다 응축수는 처리수탱크로 모아Tube Side

진다 냉각제로는 물이 이용되며 가열된 냉각수는 수이젝터로 뽑아내어 쿨링타워에

서 냉각한다

열압축기

열압축기는 고압의 구동증기로 열에너지를 이용하여 공정중에 발생하는 저압의 폐

증기 또는 후러쉬증기등을 회수하는 장치로서 회수된 증기는 공정에 필요로 하는

증기의 압력으로 압축하여 공정라인에 재투입하는 에너지 절약시스템이다

본 장치에서는 보일러에서 생성되는 고온의 증기를 구동증기로하여 회수된 증기를

리보일러에 가열원으로 주입하는 역할을 한다

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제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

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그림 차 시제품3-7 1 PampID

- 29 -

제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

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(1976)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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제 절 결 론3

본 연구개발의 차 연도에는 각종 성상의 산업폐수를 사전에 시험처리하여1 COD

변화를 분석하여 실제 처리장치에서의 처리가능성여부를 판단하고 폐수의 물성에

따른 운전조건을 조사하였다 휘발성물질과 비휘발성물질이 공존하는 폐수의 경우

차년도 개발목표치인 에는 도달하였으나 환경기준치인 에 도달하1 500ppm 130ppm

기 위해서는 향후 년간 연구 노력해야할 부분이다1

시제품의 설계 및 제작은 현재 착수 중에 있으며 차년도 개발이 끝나는 시점인1

월말까지 완료할 계획이다10

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그림 차 시제품3-7 1 PampID

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

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김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 차 시제품3-7 1 PampID

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

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PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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제 장 차년도 연구개발내용4 2

제 절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품1

시제품 원리 및 특징1

차년도에서 각종 산업폐수에 대한 물성의 특성을 분석하여 차년도에 시행한 파이1 2

롯트 조작 성능시험과 포장공장에서 발생하는 전분폐수 처리 대하여 결과들을 검토

하여 파악된 문제점들로부터 장치의 간결성 취급의 용이성 고성능성을 고려하여

장치 시스템을 개선 및 보안하여 차 파이롯트 프랜트를 설계제작하였다2 시제품은 증발 및 증류를 동시 효과를 기대하는 본시제품은 종이상의 폐수에 열을2

가하여 증발시킨 증기를 분류 냉각하여 액체를 만드는 장치이다 이 분류를 행하는

장치의 주체는 증발기 가열기 응축기 열압축기 등으로 구분된다

차년도 파이롯트 프랜트의 증류탑 시스템에서 요구되는 탑상부는 저비점 성분 탑1

중간으로부터 중간비점의 성분 탑하부로부터 고비점성분으로 분류되어 각 유분은

그 자체로 정류된 수처리로 방류하는 고난도 유체흐름 방법은 운전자의 수시 점검

과 운전자의 시스템 이해 등이 특히 요구되는 사항이다

또한 본 시제품조작을 행하기 위해서는 물론 증류탑이 주요한 기기이지만 증류탑이

완전한 기능을 발휘하기 위해서는 폐수를 증발시키는 가열기가 있고 저비점 순도

를 높이기 위해 탑정에 되돌리는 환류액을 얻기 위한 냉각응축기가 있다 또 운전

비를 절약하기 위해 열압축기가 있고 원활한 운전을 위해 고가의 계측기가 설치

요구된다

차년도 시제품의 특징은 가열기와 증발기사이에 가열된 폐수가 순환펌프에 의하여2

연속적으로 순환하며 별도의 배관을 통하여 처리수량 만큼 일정하게 폐수 원수가

가열기 공급된다 처리수는 단 및 단의 증발기에서 증발하여 그리고 1 2 No1 No2

응축기에서 잠열을 회수하여 상변화되어 액화상태로 배출하여 방류 및 재사용 된

다 한편 농축수 배출은 순환폐수의 농도를 측정하여 일정량 폐수의 정도 을 ( 10 )

배출하여 재처리 공정에 투입하거나 소각 및 특정폐기물로 처리된다

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제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

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김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 30 -

제 절 차 시작품 설계 및 제작2 2

증발기 설계 및 제작1

폐수증발처리공정에서 비점이 다른 두가지 성분의 물질을 분리처리조작으로 단탑식

의 증발기을 설계제작하였다 단탑의 설계법은 증류조작으로 보아도 무방하므로 본보고서에서는 분류에 관한 기초적 사항 설명에 그친다

기액평형관계(1)

용액중의 어떤 성분의 증기압력은 성분계 혼합물의 이상용액에 대해 라울 A B 2

의 법칙을 적용하면

여기서 PA = 저비점 성분 의 증기분압(A)

PB = 저비점 성분 의 증기분압(B)

A = 순수상태에서의 의 증기압AB = 순수상태에서의 의 증기압B

x A = 의 몰분률A

x B 의 몰분률B

실제 폐수의 혼합물은 이상용액이 아닌 비이상용액이며 이에 대해서는

의 관계가 있다

여기서 v A는 동점성계수라고 하며 그 값은 성분 혼합물의 전압을 라고 하면 P

yA를 성분의 몰분률로 하면A

- 31 -

이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

- 33 -

그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

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김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

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(1976)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

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통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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이상과 같이 순수상태의 각 성분의 증기압력과 온도의 관계를 알고 있다면 식(4-4)

및 식 로부터 액 및 증기의 조성 온도 전 증기압력 등의 가지 변수중 두(4-5) 4

가지를 알면 나머지를 계산할 수 있다

한편 식 는 증기 중의 성분 몰분율을 라고 하면 다음과 식을 얻을 수 있다(4-5) A y

여기서 ( PAPB ) = 비휘발도 (relative volatility)α

몰분율x ()

증류현상을 이론적으로 고찰하기 위해서는 혼합유체의 기액형성관계를 밝히는 것이

필요하다 일정한 압력에서 액체혼합물 폐수 을 가열하여 비등시켰을 때 발생한 증 ( )

기의 조성과 잔액의 조성사이에는 평행관계가 성립한다 따라서 일정압력에서 얻은

이들 평행관계 자료를 가지고 종축에 비점 평균온도 행축에 기상 및 액상에 있어( )

서의 저비점 성분의 몰분율을 나타내면 그림 과 같은 한 예로써 물 저비점계4-1 -

벤젤 의 비점 도표가 얻어진다( )

그림 물 저비점계 유체의 비점도포4-1 -

- 32 -

단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

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그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 34 -

증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

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열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

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그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

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그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

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그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

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수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

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증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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단수 계산법(2) (stage)

단수 설계법에서 물질수지 식은 그림 그림 을 참조하면4-2 4-3

그림 식 증발탑의 개략도4-2 Tray (stage)

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그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

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증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

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가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

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Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

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그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

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식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

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그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

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열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

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또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

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그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

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그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

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그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

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수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

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제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

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증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

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에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 원추형 식 증발기의 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

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증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

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통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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증발기내의 액 및 증기 유람 가 일정하다고 할 수 있을 때 식 의L V (molhr) (4-8)

조작선은 직선이 된다 꼭 직선이어야 할 필요는 없지만 계산상 편리하다( )

증발기의 액 입구부 조건이 주어지면 가령 탑정조건 (y1 x 0 을 알고 있을 경우 그)

점을 기점으로 그림 에서 보는 바와 같이 계단식으로 그래프에서 조작선과 평행4-4

선을 적용하여 구할 수 있다

그림 그림 에 표시한 단의 증류탑을 고려하여 각단을 이상 단으로 하4-2 4-3 N

고 일정 압력에서 기액의 각 유량을 일정하다고 하면 제 단의 물질수지 식에서 1

y = m x1이고 평행관계가 주어지면

여기서 LmV 기액 분리 요인이라면= A

같은 방법으로 제 단은2

이므로 식 를 식 에 대입하면(4-12) (4-11)

이 된다 따라서 이들을 반복해 가면

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

- 68 -

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 35 -

증발기 전체의 물질수지 식 에(4-7) yx = mxn 라 하면

식 를 식 에 대입하면(4-15) (4-14)

를 얻는다 이것을 식이라 부른다 Kremser-Souders-Brown

설계를 위하여 분리에 필요한 단수 은 분리량 적을 경우 식 을 변형하여 대N (4-16)

수를 취하면

로 얻어진다

구조설계(3)

본 연구의 시제품으로 설계제작 된 증발기는 그림 과 같이 원추형 트레이드을4-3

사용하였다 가장 광범위하게 사용되고 있는 형식의 증발기로서 증발기의 내부에

일정한 간격으로 배치한 트레이를 다수 설치한 것이다 각 트레이는 일정량의 혼합

액을 머물게 할 수 있으며 상승증기와 하강액을 직접접촉시켜 기액 평행관계를 유 지하면서 물질이동을 행하는 원리이다

시제품의 증발기에 설치된 원추형 트레이는 많은 종류 중 구조가 간단하고 압력

손실이 적으며 트레이의 전체면이 거의 균일한 기액접촉에 유리하며 특히 다공판

식 원추형 트레이는 그림 의 계단식 다공판 트레이드와 비교하여 같은 크기의4-2

외통에서 넓은 전열면적의 확보할 수 있는 특징이 있다

열교환기 설계 및 제작2

열교환기 형태에서 특히 본 시제품에 적용되는 응축기에서는 가장 필수적인 기능은

흐름들 중의 한가지의 상을 변화시키는 것이다

이와 같은 경우 흐름에서의 온도변화는 종종 무시할 수 있을 정도로 적다

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

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그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 36 -

가열기의 상 변화 관계는 액체상태의 유체로서 유입되고 그 후 포화 온도이하 까지

온도가 상승되고 그리고 나서 증발기에 유입 분사하면서 기액 이상의 영역이 된다

이와 같은 흐름은 적은 압력차 때문에 비등점이 변할 수도 있다

응축기의 경우는 반대로 기체상태의 유체로 유입되어 그 후 포화온도 또는 과냉각

상태 포화온도이하 로 냉각되어 액화되어 유출된다 그러나 실제 설계는 온도변화( )

그리고 압력차 등으로 변할 수 있는 현상은 무시하고 잠열변화 상변화 의 관련 열( )

량으로만 계산하였다

본 보고서는 열교환기의 열량계산에서 중요한 요인으로 작용하는 총괄열전달계수

대수평균온도차에 대한 열 계산 이론식 만을 정의한다

총관열전달계수1)

열교환기에서의 열전달은 그림 와 같은 원관을 통하여 이루Shell amp tube type 4-5

어지며 그림에서 보는 바와 같은 관의 내외 측에 열교환기의 사용시간에 비례하여

오염물질이 부착하게 되어 열저항을 증가시키게 된다 따라서 정상상태 하에서의

단위 길이 당 전열단면 을 통과하는 열람 는 아래 식과 같이 된다Ar Q

또한 정상상태 하에서의 전열량은 그림에서 보는 바와 같이 관의 각각의 전열면을

통과하는 열량은 동일하므로 아래 식과 같이 쓸 수 있다

따라서 식 과 식 식 로부터 은 아래 식과 같이 쓸 수 있다(4-18) (4-19) (4-23) 1Ur ～

- 37 -

Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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Ar=Ao라 두면

로 되며

로 쓸 수 있다 따라서 식 를 식 에 대입하여 총관열관류율 (4-27) (4-24) Uo를 구하면

아래와 같이 된다

위식의 우변 분모 중 제 항과 제 항은 대류에 의한 열저항이고 제 항과 제 항은1 5 2 5

오염에 의한 열저항 제 항은 관 자체의 전도에 의한 열저항을 나타내며 관 재질의 3

열전도도와 관의 직경 및 두께를 알면 구할 수 있다

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

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또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

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그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

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- 85 -

PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 38 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

대수평균온도차2)

열교환기의 측 유체와 측 유체의 온도는 흐름에 따라 즉 전열면의 길이에shell tube

따라 양유체의 온도차가 변화한다 일반적으로 전열면에 따라 같은 방향으로 흐를

때를 병류 라하고 반대 방향으로 흐를 때를 향류 라(Concurrent flow) (counter flow)

한다 먼저 향류에 대하여 그림 에서 보는 바와 같은 열교환기에 있어서 통측 4-6

유체의 입구온도를 T1 통측 유체의 출구온도를 T2 관측유체의 입구온도를 t 1 관

측 유체의 출구온도를 t2라하고 양유체의 평균온도를 구하여 보면 그림에서 보는

바와 같이 냉각액이 전열면 입구에서 만큼 떨어진 곳에서의 수열량 는dx dQ

위 식에서 는 냉각액이 통과하는 관 길이 에 대한 전열면적 이다arsquo 1m ( )

에서 까지의 열평행을 구하여 보면 식 과 같이 되고 이를 통측 유체x=0 x=L (4-30)

의 온도 에 대하여 정리하면 식 와 같이 된다T (4-31)

- 39 -

그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그리고 는 아래 식과 같이 표현 될 수 있으므로dQ

위 식의 측 유체의 온도 대신에 식 을 대입하면 아래 식과 같이된다shell T (4-31)

위 식을 전 전열면적에 대하여 적분하면

여기서 즉 에서L=0 A=0 t1=t2 이므로 이다 따라서 식 는 아래 식과 같이C=0 (4-35)

정의된다

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식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

- 68 -

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

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회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

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증기표 일본기계학회7) (1994)

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I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 40 -

식 을 측 유체의 출구온도(4-31) sheel T2에 대하여 정리하면 아래 식과 같이되고

위 식에서 T=T1의 경우는 t=t2이므로 유체의 출구온도shell T2는 아래 식과 같이

다시 쓸 수 있다

위 식을 식 에 대입하면(4-35)

위 식에서 t⊿ 1=T1-t2로 전열면 입구에서의 온도차이고 t⊿ 2=T2-t1은 전열면 출구에

서의 온도차이다

따라서 식 과 식 로부터 총열량 는 아래식과 같이 표현된다(4-38) (4-39) Q

- 41 -

그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

- 42 -

열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그리고 측 유체의 온도와 측 유체의 온도차를 라 하면 총열교환열량shell tube t Q⊿는 아래 식과 같이 쓸수 있으며

식 과식 로부터(4-39) (4-40) t⊿ LMTD는 아래식과 같이 정의되며 이를 항류에 있어서

대수평균온도차 라 한다(Logarithmic Mean Temperature Difference)

마찬가지로 병류에 대하여 전열면 입구에서의 온도차를 t⊿ 1=T2-t2라하면 는LMTD

향류와 동일하게 아래식과 같이 정의된다

(a) COUNTER FLOW (b) COCURRENT FLOW

그림 열교환기의 유체흐름4-6

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열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작3

열압축기란 구동증기의 열에너지를 이용하여 공정 중 발생하는 저압의 폐증기 또는

후러쉬증기등을 회수하는 장지로서 회수된 증기는 구동증기와 함께 공정에 필요한

본 시제품에서 가열기 열원으로 사용 온도 및 압력으로 압축되어 공정라인( No1 )

에 제 이용되는 에너지 절약시스템의 핵심 기기이다

본 기기는 이미 자체 연구소에서 개발이 완료되어 자동설계 프로그램을 보유하고

있으며 다량의 에너지를 소비하는 각 산업체에 전량 납품하고 있다

폐열 회수용 열압축기는 시제품 공정에서 전라인의 열 그리고 물질 평행을 좌우하

며 생산효율의 절대적인 영향을 준다

열압축기의 작동원리는 구동증기가 구동노즐을 통과함으로서 보유하는 열에너지가

속도에너지로 변환하여 이에 따라 흡입실내에 저압 또는 진공 을 형성시켜 증기를 ( )

흡입하게된다

흡입실 혼입실 에 도달한 흡입기체는 디퓨져의 입구부에서 구동증기와의 속도차에( )

의한 마찰항력 즉 흡인력에 의하여 가속된다 이렇게 하여 양 유체는 디퓨져의 축

소부를 지나면서 운동량이 교환되며 구동증기는 감속 흡입증기는 가속되어 디퓨져

목부에 이르게 된다 디퓨져의 목부 평행부 에서는 양 유체가 완전히 혼합되어 거의 ( )

균일한 속도 분포를 갖는 안정된 흐름으로 유로 면적이 점차 커지는 디퓨저 확대부

를 지나면서 다시 운동에너지는 압력에너지로 환원됨으로써 요구하는 증기의 질을

확보하게 된다

진공증발 폐수처리장치의 시스템에서 열압축기의 성능은 전체 프랜트의 온도 및 유

량의 밴런스에 가장 영향을 주는 관계로 설계에서 열압축기의 성능을 미리 예측하

는 기술이 요구된다 이러한 열압축기의 설계기술은 실정실험으로 얻는 경험과 체

계적인 이론을 바탕으로 전산 지원설계로서 가능하다

또한 본 시스템에서 요구하는 에너지회수는 열압축기의 기본설계에 꼭 필요한 요인

중 구동압력과 흡입압력의 관계에서 노즐의 팽창비 그리고 흡입압력과 토출압력의

관계에서 압축비의 두가지 함수로써 결정되는 유량비는 구동증기 소모량과 흡입증

기 회수량의 값을 정할 수 있다 다음은 열압축기의 성능을 좌우하는 팽창비 및 압

축비 그리고 유량비의 관계식을 나타낸다

- 43 -

또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

- 44 -

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

- 45 -

그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

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그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

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수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

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제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

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증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

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에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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또한 그림 는 열압축기의 구조를 나타낸 것이고 그림 는 열압축기의 성4-7a 4-8a

능을 결정하는데 도움을 주는 열압축기 성능특성곡선을 나타낸다

팽창비

압축비

유량비

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그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

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그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

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그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

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수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

- 68 -

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

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그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

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그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

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수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

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제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

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증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

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에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

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김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 열압축기의 성능특성곡선4-8a

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그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

- 47 -

수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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(1976)

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 46 -

그림 수구동 이젝터의 성능특성곡선4-8b

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수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

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제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

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증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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수구동 이젝터의 원리 및 구초는 구동원을 액체를 사용하는 점과 구동노즐에서 분

사하는 과정에서 열압축기는 열낙차 즉 엔탈피 차를 적용하지만 수구동 이젝터는

압력차에 의해서 작동하는 것이 특징이다 또한 최고 도달진공에서는 구동수의 온

도와 관련하여 포화온도에 해당하는 포화온도 범위를 넘지 못한다

본 장치에 적용에 유리한 점은 장치내의 진공상태에서 응축수 상태가 포화점이며

흡입 배출 할 경우 펌프 임펠라에서 재증발 할 우려로 펌프의 공회전 및 성능저하

의 원인으로 응축수 배출이 어려워지는 결과를 갖게 한다

이와 같은 이유로 기체와 혼입 펌핑이 가능하여 장치의 연속운전에 신뢰성을 갖게

하는 수고동 이젝트를 적용하였다

그림 는 수구동 이젝터의 구조와 각부 명칭을 나타낸다4-7b

그리고 수구동이젝터의 성능에서 전양정 및 구동압력을 파라메타로 유량비 구동수(

량 흡입수량 를 정할 수 있는 그림 에 나타낸다 ) 4-8b

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제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 48 -

제 절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법3

운전조건1

폐수의 종류에 따라 그 처리방법을 선정해야하나 일반적으로는 물리적처리 화① ②

학적처리 생물학적처리의 세가지로 크게 분류된다 이러한 방법은 각각의 폐수③

특성을 고려하여 채용하여야한다 그러나 실제로는 개개의 처리만에 의한 처리법도

있으나 두세가지처리법을 조합해서 효과적인 처리법으로서 구성이 요구된다 그 선택의 기본은 장치 코스트신뢰성운전비등이 중요하지만 그와는 별도로 폐수 원수의 오염농도 및 얻어려고 하는 물의 순도에 주목해야한다

특히 선박에서 발생되는 폐수는 해수이며 원수의 염분농도가 높을 경우에는 영향

을 잘 받지 않는 증발처리법을 선택할 필요가 있다 증발법은 염분 이하의 50ppm

순수에 가까운 것을 얻을 수 있다 한편 이 물을 생활용수로 사용하면 비누가 지나

치게 풀리는등 문제도 있어서 오히려 청정한 해수 혹은 무기물을 첨가하여 사용할

정도이며 보일러용수가 요구하는 순수용수로 사용이 가능하다

폐수증발처리장치의 성능시험조건에 대한 주요 기기의 설계조건은 표 의 장치4-1

의 설계사양과 아래 일반적인 사항에 대하여 제시된 조건과 같다

운전조건①

폐수조건 선박 폐수 해수- ( )

장치형식 중 효용 감압증발농축장치- 2

Utility②

전력폐수공급펌프- 05 kw

폐수순환펌프- (No1) 37 kw

폐수순환펌프- (No2) 37 kw

이젝터 구동펌프- 15 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

농축수배출펌프- (No1) 05 kw

냉각수공급펌프- 22 kw

냉각탑 모 터- - 075 kw

계측기기- 075 kw

합계 156 kw

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

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에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

- 53 -

제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

- 56 -

표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 49 -

증기 포화증기5 g ( ) 300 hr

냉각수 15 mAq 15 hr

주요기기③

증발기(1st 2nd stage vaporizer)- size

주요재질-

본 체 Carbon Steel (SS400 + inside neporene coating)

트레이 Stainless Steel (SUS316)

가열기 (Heater No1 No2)- size 40 ID400 times 3000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

응축기 ( Condenser )- size 115 ID350 times 2000L

주요재질-

Tubes Aluminium brass

Tube sheet Naval brass plate

Shell Carbon Steel

Bonnet amp Cover Carbon Steel (SS400 + inside neoprene coating)

폐수공급펌프형 식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

- 50 -

폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

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안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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폐수순환펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

처리수배출 수구동 이젝터- size 40A times 25A times 40A

주요재질- Body - Stainless Steel or BC6

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Stainless Steel or BC6

농축수배출펌프(No1 No2)형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Stainless Steel (SCS14)

Shaft - Stainless Steel (SUS316)

Impeller - Stainless Steel (SCS14)

냉각수공급펌프형식- Single stage Centrifugal pump

주요재질- Casing - Casting Iron (FC200)

Shaft - Carbon Steel (SM 45C)

Impeller - Casting Iron (FC200)

열압축기- size 40A times 150A times 150A

주요재질- Body - Carbon Steel

Nozzle - Stainless Steel

Diffuser - Carbon Steel

냉각탑 50RT

배 관폐수측- Stainless Steel (SUS316)

증기측- Carbon Steel (STPG370)

처리수측- Stainless Steel (SUS304)

- 51 -

장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

- 52 -

에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

- 59 -

표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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(1976)

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10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

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통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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장치의 프로세스2

그림 는 중 효용 폐수증발처리 장치의 를 나타낸다 그림에서와 같이4-9ab 2 Pamp ID

본 장치의 주체를 이루는 증발기 가열기 응축기 열압축기 그1st and 2nd stage

리고 각종 펌프류 증기공급장치 냉각장치 등의 주요 기기를 보여준다

의 은 전처리에서 유분 및 침전물 그리고 부유물이 차적으로 제거된 폐P amp ID 1①

수는 시간당 로 지속적으로 공급되어 에서는 순간 유량계에 측정되어1 rsquo ② ②

의 가열기 전열관측에 유입된다 가열기의 열원은 열압축기의 토No1 No2 No1

출관으로부터 의 증기는 쉘측에 유입되어 전열관에서 간접 열교환되어 전열817

관측의 폐수 는 증발기 유입 전에 까지 과열되어 진다1st stage 786 ④

한편 가열기의 열원은 증발기에서 증발한 의 수증기가 가No2 1st stage 674

열원이 되어 폐수 는 증발기 유입 전 까지 가열되어 진다 특rsquo 2nd stage 643 ④

히 가열기에 유입되는 폐수는 각단의 증발기에서 배출되어 농축 폐수 은 순 rsquo③ ③

환되면서 원수 과 혼합되어 입구부 온도는 각각 가 된다 rsquo 66 588 ② ②

또한 각단의 증발기는 데미스터 등의 기액 분리기와 이상유흐름이 예상Deflector

되는 의 배관에서 불안전한 흐름이 되거나 배관에 좋지 않는 진동이나 충격 rsquo⑤ ⑤

을 주는 흐름이 발생하여 플로우패턴을 변화시키는 요인이 되므로 이를 예방하기

위하여 노즐 설치하여 분사 전 배관내의 상압으로 일정히 유지 시켰 이상유체의 발

생요인을 예방할 수 있었다 그리고 충분한 전열면적 확보를 위하여 액주 및 액막

현상을 동시에 만족시키는 원추형 트레이 설치 등으로 구성된다 그리고 잔류 폐수

의 확보를 위하여 수위조절 감지기가 설치되어있다 가열기에서 적정 온도로 가열

된 폐수는 증발기내의 노즐에서 분사되면 순간적으로 증발이 시작되며 단 트레이3

를 지나면서 주어진 열량에 대하여 증발을 하게된다 잔류폐수는 일정 수위를 유

지하면서 전도측정으로 진한농도의 농축폐수는 스위치 작동으로 증발기 하onoff

부 로 간헐적으로 배출된다 rsquo ⑬ ⑬

증발기에서 배출된 수증기 는 응축기 쉘측에 유입되어 전열관측의 냉2nd stage rsquo⑤

각수에 의하여 열교환이 시작되며 일부는 응축되어 응축수는 으로 완전한 처리 ⑩

수로서 배출되어 재사용 또는 방류 초치된다 한편 응축기의 냉각을 위하여 공급되

는 냉각수는 최대 의 열교환이 이루어지며 이렇게 상승된 냉각수 온도t 105 ⊿는 의 냉각탑으로 냉각시켜 순환된다50RT

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에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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에너지 회수를 위하여 본 연구의 핵심 기기의 열압축기는 구동유체로 사용되는 고

압증기는 최대 를 생산하는 증기 보일러에서 발생하는 증15 kg 1000 kghr

기를 압력조절밸브를 사용하여 의 일정한 압력으로 조절되어 열압축기의6 kg a

구동노즐에 유입된다 구동증기는 축소확대형 구동노즐에서 분사하여 단열 팽창 ⑭

에 의한 저압의 응축기내에 일부 수증기 을 흡입하게된다⑥

흡입된 수증기는 구동 증기와 열압축기의 흔합부에서 혼합되어 열압축기 의Diffuser

축소부 평행부 그리고 확대부를 통과하면서 가열기의 열원으로서 열량을 확 No1

보하게 된다

이러한 과정의 정상운전은 계절에 따라 약간의 차이는 있으나 약 시간의 준비2 3～

운전이 필요하다 이는 증발기와 가열기로 순환하는 폐수의 온도를 점차적으로 요

구되는 온도까지 가열시키는데 필요한 시간이다 즉 장치 내부에서 유동하는 유체

의 유동상태가 정상 흐름은 그리고 증발기 내에서 증발이 시작되어1st 2nd stage

가열기 에 필요한 열량을 공급할 때가 정상상태가 된다 이상의 각종 기No1 No2

기의 설치는 실제 운전에서 예상되는 물질수지열수지와 압력밸런스를 충분히 검토하는 것은 프로세스 설계 상 중요한 작업이다 앞에서 설명되어진 기초 이론을 바

탕으로 배관 규격을 결정하고 기기류 특히 가열기 증발기 응축기에서의 압력강하

를 예측하고 조절밸브 및 기기류의 설치 높이를 체크하고 펌프로 이송되는 유체의

차압을 정하여 펌프의 전양정을 결정하였다 표 은 장치의 압력 및 유량의 밸런 4-2

스 검토의 최종 결과를 표시했다 표에서 나타낸 값은 기기류의 설치 엘리베이션

장치의 배치배관의 레이아우트까지 고려하여 정밀히 계산된 것은 아니다 일반적으로 하나의 기기에서 다른 하나의 기기에 이르는 배관의 전압력강하중 배관의 마찰

압력손실이 차지하는 비율은 크지 않는 것이 보통이므로 따라서 본 장치는 콤팩트

한 관계로 프로세스 설계에서는 배관해당길이의 산출은 내외로 한정하였다10

현장설계에서는 대체로 정도( 20 ~ 30 )

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

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김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

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김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

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8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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제 절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험4

시작품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험에 앞서 응축기에서 발생되는 응축수 회

수 목적으로 설치된 수 이젝터의 진공추기시험 장치의 설치 기기 및 연결 배관망

에 대하여 기밀시험 및 기타 각종 밸브류 계측기 등에 대한 정밀 성능시험을 실시

하였다 추기시험에서는 차 연도에서 간혹 발생하였던 흡입압력의 진공 한계점에 1

서 구동수의 역류현상은 단 한차례도 발생하지 않았다 수구동 응축수회수용 이젝

터는 저압으로 형성된 장치내의 응축수를 배출 시켜 원활한 유동상태를 유지하는데

중요한 역할을 하는 기기이다 또한 예비운전에서 열압축기의 가동 전 진공압을 형

성하기 위하여 사용되어진 수구동 이젝터에 의한 장치내의 진공상태를 그림 4-10

에 나타내었다 그림에서와 같이 의 구동수를 이용한 이젝터의 추기 시험에 20 3～

서 약 의 장치내의 분의 이젝터 작동으로 의 고진공을 얻었다31 24 30 torr

그리고 기밀누설시험에 있어서는 시간의 진공상태유지에서 의 압력상승을12 2 torr

확인했다 이는 미세한 누설이 있거나 또는 대기의 기온변화에도 영향이 있다고 사

료된다 본 장치의 성능시험 중 수구동 이젝터의 응축수 회수에 대한 문제는 발생

되지 않아 양호한 상태를 유지하고 있음을 확인할 수 있었다

폐수처리에 대한 에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험 방법으로는 먼저 폐

수를 공급하여 증발기내에 일정량을 적재시킨다 아울러 증발기 순환펌프를 가동시

키며 수구동 이젝터를 구동시켜 장치내의 공기를 배출시켜 압력을 소정의 진공 압

력까지 낮춘다

또한 고압 증기를 공급전에 응축기에 냉각수를 순환시키며 관련되는 냉각탑 모터

를 기동한다

폐수공급펌프 폐수순환펌프 냉각수순환펌프 냉각탑 등의 기동 및 유체흐름상태

그리고 장치내의 진공상태가 정상으로 확인되면 열압축기가 요구하는 구동증기의

압력으로 열압축기를 작동시킨다 열압축기는 가열기를 시간동안 직접가열 No1 15

함으로써 장치내의 유동상태는 서서히 정상으로 진행한다

에너지 절약형 폐수증발처리장치의 성능시험을 위하여 선박에서 발생하는 해수폐수

를 사용하였다

- 54 -

폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

- 55 -

차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

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- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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폐수처리에 있어서 공급되는 폐수량을 일정히 하고 고압증기의 압력을 변화하면서

장치내의 유지되는 진공압력 변화에 따른 처리수량을 측정하였다

표 는 성능시험 결과를 나타낸다 표 는 증기보일러에서 발생하4-3 4-4 4-5 4-3

는 열압축기의 구동증기의 증기압력은 비교적 일정한 압력을 유지함을 알 수 있으

나 응축기의 응축수 과냉으로 열압축기의 흡입성능에 문제가 발생되어 열량 회수

가 부족한 점과 이러한 결과로 가열기에 공급되는 증기의 압력은 증가되고 유량감

소로 전 열량이 부족한 현상을 보여준다 또한 응축수 회수장치인 수구동 이젝터의

구동펌프의 수량의 온도가 급상승하여 펌프 토출측 압력저하 및 수량부족으로 이젝

터의 성능 부족현상 즉 응축된 처리수를 배출이 잘 이루어지지 않은 결과와 또 한

시간이 지날수록 장치전체의 유동변화가 심해지면서 장치내의 압력이 상승하기 시

작하였다 이러한 결과로 전체 성능은 예상설계와 비교하여 기대치에 크게 부족한

로 확인하였다48

그러나 처리수의 수질은 거의 증류수와 비교할 만큼 앙호한 의 결과를TDS 25 ppm

얻었다 이상의 실험결과를 분석하여 원인 분석하여 기밀시험 밸브 그리고 압력계

온도계 등의 일부 기기 교체작업 및 구동수 온도상승에 대하여 수시로 저장 탱크의

온도를 측정하여 보충수의 공급으로 최대한의 적정온도 유지를 위하는 보완작업으

로 차 및 차 시험에서는 표 및 표 와 같이 장치의 유동상태가 전보다2 3 4-4 4-5

상당히 안정적인 성능실험 결과들이다

이러한 결과들의 장치내의 유동상태를 상세히 파악하기 위하여 그림 그림4-11 ～

와 같이 나타낸다 그림에서와 같이 각단의 증발압력 그리고 발생증기의 온도4-15

등이 비교적 균일한 모양으로 보여준다 여기서 진한 직선의 실선은 설계예상 값이

며 실험에서 근접한 모양의 흐름 보여 주고 있다 이러한 결과에서 처리수량도 그

림과 같이 설계예상 값에 근접하고 있음을 알 수 있었다 또한 약간 부족한 처리수

량은 일부 냉각과정에서 냉각탑으로 부터 대기로 날아가는 것과 펌프 축 사이로 바

닥에 버려지는 이 전체 양은 일반적으로 정도로 추정된다1 2 (by cooling～

그리고 증발기와 가열기 사이로 순환되는 폐수는 시간이 지나면서tower maker)

그 농도가 진해지는 관계로 점차적으로 비점 상승의 영향을 초래하므로 시제품 설

계에서 폐수의 물성을 일반 H2 의 자료를 참조한 걸과로 전체 성능에 영향을 준O

것으로 사료된다 따라서 실제 실무에서는 본 실험결과에 따라 열량 공급에 있어서

전체의 정도를 고려하여 열압축기의 압력분배 설계에서 구동증기 소모량과 증10

발기에서의 발생 증기량의 결정으로 각 가열기의 열량분배에 신중을 하여야 할 것

이다

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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차 실험을 통하여 차에서 문제가 발견되지 않은 장치의 보온설비의 필요성을3 12

시험하였다 그러나 본 장치는 소형인 관계로 옥외에서 설비하여 실험을 수행하였

으나 처리수량에 대하여 별 차이를 발견하지 못했다 하지만 대형의 장치에서는 본

연구를 수행하는 연구원들의 견해는 장치의 모든 기기 또는 배관에 대하여 보온 설

비가 필요한 것이 결론이다 이는 열 방출에 의한 에너지 손실 뿐 아니라 겨울의

펌프류 및 밸브 등의 동파 예방의 차원에서도 꼭 필요하다는 것이다 이러한 예로

본 연구수행 중에 포장공장의 전분폐수 처리장치를 설치하였다

사진 은 전분폐수처리장치의 전경을 보여준다 사진에서 보는 것과 같이 업주측4-1

의 경비절감 차원에서 보온설비를 무시한 것이다 그러나 장치의 여유 있는 설계로

성능에는 별 문제가 발생되지 않았지만 한 겨울의 지금도 시간 근무하는 관계로 24

폐수처리장치는 잘 가동되는 것을 확인하였으나 공장휴무 또는 주변정리로 장치의

몇 일 운전이 중단되면서 관리 부 주위로 한 밤중에 펌프 그리고 펌프여과기 등의

주물 본체가 터지는 상황이 발생했다 이와 같이 기기 관리 및 보존차원에서 바닥

에 설치된 펌프 및 기타 기기류의 드레인 작업은 관리자가 철저히 행하여야 할 것

이다 또한 보온설비 실시하므로 기기 보존은 물론 에너지손실 방지 및 안전에도

유리함을 알 수 있었다

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표 장치의 설계사양서4-1

- 57 -

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 장치의 설계사양서4-1

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

- 83 -

- 84 -

- 85 -

PACKING TOWER

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- 87 -

- 88 -

- 89 -

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- 98 -

- 99 -

- 100 -

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

- 58 -

표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

- 68 -

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 성능실험 결과4-3

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표 성능실험 결과4-4

- 60 -

표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

- 68 -

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 성능실험 결과4-4

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표 성능실험 결과4-5

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그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

- 83 -

- 84 -

- 85 -

PACKING TOWER

- 86 -

- 87 -

- 88 -

- 89 -

- 90 -

- 91 -

- 92 -

- 93 -

- 94 -

- 95 -

- 96 -

- 97 -

- 98 -

- 99 -

- 100 -

- 101 -

- 102 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 성능실험 결과4-5

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

- 68 -

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 61 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

- 62 -

그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

- 63 -

그림 장치내의 진공상태4-10

- 64 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

- 68 -

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 중 효용폐수증발처리장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

- 83 -

- 84 -

- 85 -

PACKING TOWER

- 86 -

- 87 -

- 88 -

- 89 -

- 90 -

- 91 -

- 92 -

- 93 -

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- 95 -

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- 97 -

- 98 -

- 99 -

- 100 -

- 101 -

- 102 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 장치내의 진공상태4-10

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 65 -

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

- 66 -

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

- 67 -

그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

- 68 -

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12a

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-12c

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 응축수의 온도 변화4-13a

그림 응축수의 온도 변화4-13b

그림 응축수의 온도 변화4-13c

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

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제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

- 83 -

- 84 -

- 85 -

PACKING TOWER

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- 87 -

- 88 -

- 89 -

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- 97 -

- 98 -

- 99 -

- 100 -

- 101 -

- 102 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-14c

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

- 69 -

제 장 결론5

근년 각종산업의 활발화 도시인구의 집중화 특히 지방자치제에 의한 무 대책으로

대형 공단유치 등으로 자연환경파괴가 심하여 공해방지대책강화를 각 방면에서 떠

들게 한다 특히 수질오염에 의한 영향은 극히 심하고 심각하다 더욱이 개천 강

바다의 오염은 아직도 자연작용에 의존할 뿐이며 수질개선을 위한 대책이 미흡하며

이대로 새천년도에는 재생 불가능한 상태로 변할 것이다 또한 매년 적어지는 수자

원의 개발 확보를 위해서도 조급히 해결책을 강구해야한다

본 연구는 오염물질을 가능한 무해화 처리로 자연으로 되돌리는데 한 몫을 하는 생

각으로 물리적인 방법을 이용한 폐수처리장치를 산업자원부의 산업기반기술개발 사

업으로 차 연도의 연구과정을 통하여 개발하였다12 차 연도에는 각종 산업폐수를 수집하여 기초시험인 폐수증발 농축시의 변화1 COD

를 분석하였고 차 연도에는 파이롯트 프랜트를 제작하여 특정폐수를 선정하여 증 2

발법으로 처리하는 시험을 행하였다

폐수처리방법 중에 증발법 폐수처리는 물리적 처리방법으로 외국에서는 이미 오래

전부터 실용화되었지만 아직 분리 수거된 일부 종류의 폐수처리로 제안되어있다

이는 폐수를 농축시키는 과정에서 발생되는 이물질로 급속도로 생성되어 전열효과

의 저하로 장치 전체의 성능이 급격히 감소하는 현상이 발생되었다

또한 종래의 증발법 폐수처리장치는 폐수증발에 필요한 별도의 열원을 이용하여 폐

수를 증발 농축시키기 때문에 에너지 다소비형 장치로서 중소업체에서 자가로 운영

하기에는 운전경비가 많이 드는 단점이 있다

이와 같이 증발법 폐수처리장치에서 발생되는 스케일 생성에 대한 문제점과 에너지

다소비형 장치에 대하여 본 장치의 우수성을 최대한 확보하면서 문제점을 회소하기

위하여 본 연구를 착수하였다

각종 산업폐수의 종류에 따라 증발처리장치의 기본설계에서 고려해야할 주요 기기

의 형식결정 및 재료선정 그리고 물질수지에 따라 가열증발응축냉각 등의 온도범 위 결정 및 열압축기 이용하여 열량을 회수하여 장치의 열원으로 재 공급하는 등의

메카니즘에 관련된 기술개발에 중점적인 연구를 수행하였다

특히 열압축기를 이용 증기압축 재순환 방식의 성능시험으로 얻어진 결과를 요약하

면 아래와 같다

- 70 -

폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

- 71 -

참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

- 83 -

- 84 -

- 85 -

PACKING TOWER

- 86 -

- 87 -

- 88 -

- 89 -

- 90 -

- 91 -

- 92 -

- 93 -

- 94 -

- 95 -

- 96 -

- 97 -

- 98 -

- 99 -

- 100 -

- 101 -

- 102 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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폐수의 종류에 따라 효과적인 처리를 위하여 증발기 형식의 선택 폭을 확대했다1)

다단 트레이식 증발탑 폐수성분중 휘발성이 강한 폐수에 적용예 물을 기준하여 비점이 낮은 폐수 성분 폐수) ( COD )

원추형 트레이 증발기 농축증발처리에 유리하다 예 물을 기준하여 비점이 높은 폐수 선박폐수 중금속폐수 등) ( )

농축증발처리에서 스케일생성 문제점을 해결하였다2)

장치내에 순환하는 폐수의 양을 농축농도를 측정하여 적정한 유량을 공급하였다또한 폐수 물성에 따라 이물질 석출온도를 파악하여 한계온도 범위에서 시험하여

스케일생성을 억제하였다

폐수의 물성 작동온도 등을 고려하여 장치의 내구성 및 내식성 등에 대한 재질3)

선택에 관련된 자료를 확보하였다

열압축기의 흡입성능에 대하여 개발이 완료된 기기를 이용하여 에너지 회수 열4) (

원 회수 및 장치의 안정적인 운전이 가능하게 되었다43 )

증발식 폐수처리장지에 대한 경제성 평가에서 초기 시설비 그리고 설비 운전능5)

력 및 보존능력에 부담은 있으나 설치면적이 적고 운전비 절감 성능의 안정성 및

용수로 재할용 등의 측면에서 충분히 경쟁력이 있는 것으로 평가된다

고순도의 처리수를 생산하여 공정에 재투입 및 방류 가능한 기준치를 얻었다6)

폐수 처리수 이하( TDS 2960 COD 25 ) ℓ rarr ℓ

이상의 폐수처리 결과에 대하여 폐수발생업체 및 폐수처리업체에 대한 평과는7)

매우 높은 점수를 얻었다

또한 본 연구를 수행하는 과정에도 중소기업의 폐수발생업체에서 자가 처리를 위하

여 많은 관심을 받았으며 그중 옥수수 원료의 풀을 사용하는 포장공장에 시제품으

로 현장에 설치하였고 현재는 재생처리업체로부터 원유운반선 등의 청소과정에서

발생되는 폐수를 수거 일일 톤을 처리할 수 있는 폐수증발처리장치를 발주 받100

아 부산 녹산공단에 설비 준비중에 있다

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참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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참고 문헌

한국열유체 증기 이젝터 및 열압축기 설계 지침서1) (1997)

한국열유체 수구동 이젝터 실계 지침서2) (1998)

김용모 외 증기 이젝터의 컴퓨터 지원 설계용 전산프로그램 개발 대한기계학3)

회 제 권 제 호 8 12 pp 717-720 (1987)

김영철 외 열기계설계 자료집 기전연구사4) (1998)

유체물성치집 일본 기계학회5) (1985)

김세영 열교환기 설계 핸드북6) (1988)

증기표 일본기계학회7) (1994)

8) J P Messina Pump Hand Book McGraw-Hill Book Company section 91

(1976)

9) APPLIED PROCESS DESIGN FOR CHEMICAL AND PETROCHEMICAL

PLANTS VOLUME 2 Chapter 8 pp1 128～

10) HEI HEAT EXCHANGE INSTITUTE

공업계측법 핸드북11 ) pp 778 781小林 彬 朝倉書店 ～

김동인 김수생 폐수처리 신광문화사12) p305 335 (1998)～

고완석 외 화공장치 및 설계 오문당13) p103 p102 (1991)～

통산산업부 폐증기 회수를 위한 가변형 열압축기 개발14) (1995)

안영수 산업용 배관설비에 대한 단열실태 에너지 절약기술 웍샾 논문집15) pp

I-21 I-31 (1888)～

- 72 -

표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

- 73 -

그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

- 74 -

사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

- 75 -

사진 응 축 기2

- 76 -

사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

- 83 -

- 84 -

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PACKING TOWER

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- 88 -

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- 102 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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표 관내부 유속2-1

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-2

표 밸브 및 피팅류의 손실계수2-3

표 수용액에서의 증기 분압2-4 Acrylomitrle

표 각 처리 횟수에 따라 응축수 생성 누적부피에 대한 값3-1 COD

표 응집전처리후 값3-2 COD

표 장치의 설계사양서4-1

표 폐수증발장치의 압력 밸런스4-2

표 성능실험 결과4-3

표 성능실험 결과4-4

표 성능실험 결과4-5

그림 2-1 Acetome-H2 계 선도O X-P

그림 2-2 Methanol H2 계 선도O X-P

그림 2-3 Ethanol H2 계 선도O X-P

그림 수용성 절삭유 폐수의 변화3-1 COD

그림 전분폐수의 변화3-2 COD

그림 폐수의 변화3-3 Cr T-Cr

그릴 폐수의 변화3-4 Cr COD

그림 유분 폐수의 변화3-5 COD

그림 응집전처리후 변화3-6 COD

그림 차 시제품3-7 1 PampID

그림 물 저비점계 유체의 비점도표4-1 -

그림 식 증발탑 개략도4-2 Tray (stage)

그림 원추형 식 증발기 개략도4-3 Tray

그림 계단식 작도법의 개략도4-4

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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그림 열교환기에서의 전열관의 열전달4-5

그림 열교환기의 유체 흐름4-6

그림 열압축기의 구조 및 명칭4-7a

그림 수구동 이젝터의 구조 및 명칭4-7b

그림 열압축기의 성능 특성 곡선4-8a

그림 수구동 이젝터의 성능 특성 곡선4-8b

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 증발탑형4-9a 2 (Tray stage )

그림 층 효용 폐수증발 처리 장치 원추형 증발기형4-9b 2 ( Tray )

그림 장치내의 진공상태4-10

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11a 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11b 1st amp 2nd stage ( )

그림 증발기의 증발압력 변화 게이지압력4-11c 1st amp 2nd stage ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12a ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12b ( )

그림 열압축기의 흡입 및 토출압력 변화 게이지압력4-12c ( )

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13a

그림 증발기 발생증가 및 열압축기의 토출온도 변화4-13b

그림 증발기 발생증기 및 열압축기의 토출온도 변화4-13c

그림 응축수의 온도 변화4-14a

그림 응축수의 온도 변화4-14b

그림 응축수의 온도 변화4-14c

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15a

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15b

그림 냉각수의 입구 및 출구 온도차4-15c

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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사진 에너지 절약형 폐수증발 처리장치 전경1

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

- 78 -

사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

- 80 -

사진 수구동이젝트6

- 81 -

사진 냉각장치전경7

- 82 -

사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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사진 응 축 기2

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사진 가 열 기3a No1

- 77 -

사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

- 79 -

사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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사진 가 열 기3a No1

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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사진 가 열 기3b No2

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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사진 증발기 상부전경4

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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사진 열압축기 흡입증기라인 에너지 회수5 amp ( )

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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사진 수구동이젝트6

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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사진 냉각장치전경7

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사진 전 처 리 침 전 조8

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PACKING TOWER

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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사진 전 처 리 침 전 조8

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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- 102 -

• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진

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• 제1장 서 론
• • 제 1 절 에너지 절약형 폐수처리장치의 개발 목적 및 중요성
  • • 제 2 장 기초이론
    • • 제 1 절 배관계산
      • • 1 관경의 결정
        • 2 압력손실
        • 3 배관 부품에 의한 압력손실
        • 4 관벽의 두께
        • 5 열응력
        • • 제 2 절 유기용제 폐수의 기액 평형
          • • 1 아세톤-수계(水系)
            • 2 메탄올-수계
            • 3 에탄올-수계
            • 4 아크릴로니틸-수계
            • • 제 3 장 1차년도 연구개발내용
              • • 제 1 절 폐수의 물성분석
                • • 1 수용성 절삭유 폐수
                  • 2 전분 폐수
                  • 3 중금속 폐수(Cr함유폐수)
                  • 4 중유열분해시 생성되는 유분함유 폐수
                  • • 제 2 절 1차 시제품의 설계
                    • 제 3 절 결 론
                    • • 제 4 장 2차년도 연구개발내용
                      • • 제1절 열압축기 이용 증기압축 재순환방식의 시제품
                        • • 1 시제품 원리 및 특징
                          • • 제2절 2차 시작품 설계 및 제작
                            • • 1 증발기 설계 및 제작
                              • • (1) 기액평형관계
                                • (2) 단수(stage)계산법
                                • (3) 구조설계
                                • • 2 열교환기 설계 및 제작
                                  • • 1) 총관열전달계수
                                    • 2) 대수평균온도차
                                    • • 3 열압축기 및 수구동 이젝터 설계 및 제작
                                      • • 제3절 폐수처리 성능시험 조건 및 운전방법
                                        • • 1 운전조건
                                          • 2 장치의 프로세스
                                          • • 제4절 시제품을 이용한 선박폐수처리의 성능시험
                                            • • 제 5 장 결론
                                              • 참고 문헌
                                              • 사진