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물의 상태변화
물은 3가지의 모양의 응집상태인 고상(얼음), 액상(물), 기상(수증기)의 삼상으로 존재한다. 고체상태인 얼음에서 기체상태인 수증기로 변화하는 과정을 살펴보면 일정한 온도의 얼음에 열을 가하면 0℃의 얼음이 될 때까지 열을 소모하게 되는데 이 때 소모되는 열을 얼음의 비열이라 하며, 1kg의 얼음을 1℃올리는데 0.5kcal의 열량이 필요하게 되며, 반대로 1℃내리는데 필요한 열량이기도 하다. 즉, 얼음의 비열은 0.5kcal/kg℃이다. 물 분자는 얼음결정속에서 수소결합에 의하여 육각결정 구조를 가지며 6개의 산소 원자로된 고리가 3차원적으로 연속된 4면체 구조를 갖는다. 석영의 한 변형인 인규석이나 보통 유리의 실투(유리에 결정이 석출하는 현상) 등에 의해서 생기는 결정 또는 눈의 결정이 육각형 등으로 되는 일이 있는 것은 이것 때문이다.
물이 얼어서 고체의 얼음이 되면 물 분자는 서로의 결합력이 세어져서 굳고 단단한 구조가 된다. 이때 물분자의 산소와 수소는 수소결합수에 의해 비교적 규칙적인 조합으로 안정되어 있고 틈이 있는 구조를 만든다. 액체상태의 물은 결합수가 적기 때문에 얼음의 경우보다 많은 분자가 같은 공간을 차지한다. 그러므로 액체상의 물보다는 빈틈이 많은 분자의 배열로 되고 비중도 액체상의 물보다는 거의 10%정도 작으며 얼음(비중 0.9168)은 물위에 뜬다. 얼음이 녹을 때는 일부의 수소결합이 파괴되어 육각형의 터널구조가 없어지므로 액체인 물 쪽으로 H2O분자가 채워지게 된다. 0℃의 얼음이 녹아 0℃의 물이 되는 과정 즉, 고체가 액체로 변하는 현상을 융해라 하며 고체가 융해하기 시작하는 온도를 융해점이라 하고 물에서는 0℃가 된다. 또 융해점에서 단위질량의 고체가 융해해야 같은 온도의 액체로 되는데 필요한 열량을 융해열이라 한다.
반대로 액체가 열을 빼앗겨서 같은 물질의 고체로 되는 것을 응고라 하며, 응고하기 시작하는 온도를 응고점이라 하며, 또 단위질량의 물질이 응고점에서 액체로부터 고체상태로 변화하는데 공급받아야 할 열량을 응고열이라 한다. 같은 물질에 대하여 융해열과 응고열은 같으며, 물의 경우에는 80kcal/kg이다. 0℃의 물에 열을 가하면 100℃의 물이 될 때까지는 1kg의 물에 대하여 1℃올리는데 1kcal의 열량이 필요하게 된다. 이것을 물의 비열이라 하며, 물의 비열은 1kcal/kg℃이다. 액체가 같은 물질의 기체로 되는 현상을 기화라 하며 액체의 표면으로부터 기화되는 현상을 증발, 액체의 내부에서 일어나는 현상을 비등이라 부른다.
기체가 차지하고 있는 공간이 한정되어 있을 경우에는 어느 정도까지 기화하면 평행상태로 되어 더 이상 기화하지 않는다. 다른 기체가 존재하지 않는 경우에 같은 물질의 액체와 기체가 평형을 유지하여 공존하고 있을 때에는, 기체가 차지하고 있는 공간은 액체의 증기에 의해서 포화되었다고 한다. 포화된 증기를 포화증기라 하고, 그렇지 않은 것은 불포화증기라고 한다. 포화증기가 나타내는 압력인 포화증기압은 온도에 따라 다르다. 포화증기압이 액체에 가해지고 있는 압력과 같을 때의 온도를 그 압력하에서의 끓는점(비등점)이라 한다. 다시 말해서, 끓는점은 주어진 압력하에서 액체와 그 증기가 평형을 유지하여 공존할 수 있는 온도를 말하는 것이지, 끓고 있는 액체의 온도를 말하는 것은 아니다.
온도 및 압력을 일정하게 유지하면서 액체를 기화시키려면 질량에 비례하는 열량을 필요로 한다. 단위질량의 물질이 액체로부터 기체상태로 변화하는 데 공급받아야 할 열량을 기화열이라 한다. 반대로 같은 조건하에서 기체가 같은 물질의 액체로 액화할 때에는 기화열과 똑같은 양의 열을 방출하여야 하며, 이 열량을 액화열이라 한다. 물 100℃때의 기화열은 540kcal/kg이다. 고체가 액체를 거치지 않고 기체로 되거나 반대로 기체가 직접 고체로 되는 현상을 승화라 하며 드라이 아이스나 나프탈린과 같은 경우에서 볼 수 있다. 얼음의 경우에는 0℃이하에서 직접 기체가 되는 경우가 있다. 이 과정을 도표로 표시하면 그림 2와 같다.
정향 증발농축기의 개요
정향AOP의 폐수증발농축장치는 수중 연소라는 신기술을 이용한 설비이다. 수중 연소는 기존의 폐수증발농축방법의 단점인 시간의 경과에 따른 전열면의 스케일부착에 따른 열손실의 저하라는 문제를 보완하였다. 대부분의 폐수증발농축장치는 ＜그림3＞과 같은 유체탱크 내에 열교환장치가 잠겨있는 침수 전열식(Immersion Heating)을 사용하는데, 이 경우 열전달 시 30% 이상의 열이 굴뚝으로 방출되는 등의 손실이 발생한다.
[ Immersion Heating ] [ Submerged Combustion ]
그러나 ＜그림4＞와 같은 수중 연소방법(Submerged Combustion)에서는 가열된 기체가 수중연소관을 통해 유체속으로 직접 분사되므로 100%에 가까운 열전달 효율을 나타낸다. 발생열이 유체로 100% 가까이 전달되어 굴뚝 등으로의 방출이 없으며, 태워진 잔류 고형물이 열교환기에 침착하여 발생하는 단열현상으로 인한 열손실도 일어나지 않는다. 또한 매우 높은 온도(약 1,000℃)가 연소실 내에 전달되기 때문에 석유 화학 제품에서부터 농약에 이르는 휘발성 유기물질(VOC)의 처리도 일부 가능하다.
수중열풍 폐수증발농축 장치란?
대부분 90%이상의 물을 함유하고 있는 정화하기 힘든 산업체의 폐수를 일정한 용기중에 담고, 이 용기중에 가스나 오일의 연소열풍을 직접 폐수내로 분사시켜 줌으로써 폐수로의 열전달 효율을 높이고, 연소열풍이 직접 폐수와 접촉되어 열전달이 일어나므로, 스케일 문제로부터 완전히 벗어날 수 있는 새로은 개념의 증발농축방법인 것입니다. 분리된 물은 챔버 내에서 수증기로 기화되어 대기중으로 방출되고 증발잔류물등의 고형분 및 중금속 고비점물질들은 하부슬러지 배출장치를 통하여 별도로 분리배출함으로서 폐수처리비용을 줄일 수 있습니다.
수중열풍 증발 농축장치의 특징
- 장치가 콤팩트하다.
- 무인자동운전이다.
- RTO(후단방지시설)을 사용할 경우 2차 대기오염을 방지한다.
- 직화연소 증발방식으로 열효율이 뛰어나고, 열효율의 저하가 없다.
증발농축장치의 적용분야
- 생물학적이나 물리화학적으로 처리하기 힘든 폐수.
- 기존의 증발농축장치나 드럼드라이어 방식에 식상해 계시는 업체
- 장소가 협소하여 타장치를 설치하기 힘들거나 무인자동운전을 원하시는 업체
- 최소의 비용으로 최대의 폐수처리효과를 원하시는 업체
- 수탁처리비용을 절감하고자하는 업체
- 폐수의 무방류시스템을 구축하고자 하는 업체
- 환경개선 및 보호에 이바지하고자하는 업체
증발기의 세부구조
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