evaporator는 제약, 식음료, 펄프, 제지, 화학, 고분자, 레진, 무기염, 산이나 염기 등 다양한 분야에서 사용되며 evaporation은 nonvolatile solute와 volatile solvent의 solution을 농축하여 solvent의 일부를 증발시켜 concentrated solution이나 slurry, thick, viscous liquid를 만드는 공정이다.
evaporation은 drying과 달리 처리이후 residue가 solid가 아닌 유체이며, 아울러 distillation과 다른 점은 vapor를 각 성분으로 분리하지 않는다.
evaporator는 열교환기나 heated bath, valve, manifold, control, pump, condenser등으로 구성되며 가장 일반적인 설계로는 jacketed tank, tubular heat exchanger, plate and frame heat exchanger, agitated thin film evaporator이다.
evaporator 설계관점으로는 높은 열전달과 최소의 surface area로 설계를 하며, liquid concentrate로부터 vapor를 효과적으로 분리하고, 에너지효율 측면에서 multiple effect evaporator나 vapor recompressor를 이용할 수 있다. 전열면적에서의 fouling을 최소화하고 부식저항성이 있는 재질을 선정한다.
설계 및 운전시 고려해야 할 사항은 아래와 같다.
Heat sensitivity
식음료, 제약, 레진 등 많은 분야에서 다루는 물질들이 heat sensitive하여 낮은 온도에서 운전이 되어야 하며 heat에 노출되는 체류시간도 짧아야 한다. 그래서 evaporator내 product의 부피를 최소화하여 체류시간도 최소화하고, 낮은 압력에서 운전하므로서 증발온도도 낮출 수 있다. 이를 통해 heat source로부터 열전달을 위한 driving force를 충분히 유지할 수 있다.
Fouling
전열면적에서의 fouling은 주로 feed내 solid나 concentrate내 침적된 solid 혹은 product의 열화 등에 의한 것이다. 전열면적에서의 점진적인 film의 build-up은 결국 열전달을 방해하여 shut down을 통해 cleaning을 해야 하므로 production downtime과 maintenance cost가 발생된다.
Foaming
증발시 foaming이 일어날 수 있으며 쉽게 깨지는 정도의 소량의 불안정한 foam 및 깨기 힘들고 전 시스템에 일어날 수 있는 안정화된 foam까지 다양한 범위로 존재한다. 이는 feed중 vapor를 분리하기 위한 disengaging design을 적용하여 foaming을 최소화할 수 있다. foaming을 줄이기 위해 더 낮은 온도나 더 높은 압력으로 운전하여 전열면적에서의 액체의 증발경향을 줄이거나 tube내에서 vapor 유속을 줄인다.
product quality상 문제없다면 anitfoam주입도 고려할 수 있다.
Solids
solid농도가 증가할수록 농축물의 물성도 변하며 solid는 tube를 plugging할 수 있고 전열면적에 영향을 주어 열전달을 저하하고 cleaning을 위한 downtime이 필요하다. solid는 전열면적에서 fouling경향이 커서 열전달계수와 boil-up rate가 줄어든다. 아울러 solid량이 증가시 점도도 커지므로 열전달이나 capacity에도 영향을 준다.
Distillate-to-concentrate ratio
heated wall이 wetting이 되도록 evaporator를 통한 액체 passing이 충분해야 하지만 부족할 경우 fouling이 심하고 solid salting이 전열표면에 생성되어 hot spot발생에 따른 product quality degradation도 가능하다. 공정상 concentrate에 대한 distillate의 비율이 커야 할 경우 concentrate양을 recycling해야 한다.
Distillate vapor velocity (pressure drop and entrainment)
tube내 vapor의 지나친 유속은 과도한 차압, erosion, entrainment를 유발하며 아울러 vapor liquid separator에서 효율 저하를 야기할 수 있다.
Heat transfer medium
hot oil처럼 heat source가 액체라면 전열계수가 낮아 더 많은 전열면적이 필요하며, steam이라면 상변화에 따른 잠열을 전달하여 더 높은 열전달이 가능하다.
Required materials of construction (reactivity)
재질 자체는 비용뿐만 아니라 열전도도에 따른 열전달 계수에 영향을 주고 결국 전열면적에도 영향을 주게 된다.
Thin Film Evaporators
설계나 운전 측면에서 wiper system이나 rotor를 이용하여 feed를 heated surface의 얇은 막속으로 흩날리며 열전달효율을 높인다. 열에 민감할 경우 vacuum을 걸어 효과적으로 운전할 수 있으며, solid를 포함하고 fouling이 쉽고 점도가 높은 물질을 포함한 넓은 범위의 점도에서 운전이 가능하다. 액체와 heated surface사이의 contact이 좋아 열전달 효율이 좋고, product quality가 높게 요구되는 제약, 식음료, 화학분야에서 많이 사용되며 높은 진공 및 낮은 온도 조건에서 증발을 할 경우 적용된다.
thin film evaporator는 주로 열에 민감하고 fouling이 심하며 점도가 높은 그러면서 연속적으로 solid를 처리해야 하는 공정에 적용할 수 있다. 혼합물중 휘발성이 있는 물질을 분리하며 이를 위해 agitation이 필요하고 외부에서의 열공급도 필요하다.
thin film evaporator는 하나의 evaporation tube 내부에서 얇은 film을 만들기 위해 rotary wiper를 사용하며, 열전달이 높고 체류시간이 짧다. 분리효율의 저하없이 짧은 체류시간은 evaporation rate를 더 크게 할 수 있고 열로 인한 stress도 줄일 수 있다.
thin film evaporator
distributor는 rotor에 용접이 되어 들어오는 feed를 rotor blade에 의한 spiral motion에 의해 heated surface에 골고루 분산시켜준다. rotor tip에서 만들어지는 turbulent eddy로 인해 액체 film을 교반하고 remix시킨다.
on site installation of a rotor into a thin film evaporator
증발된 vapor는 주로 liquid flow와는 counter current방향인 위방향으로 올라가서 gas liquid separator를 지나 condenser로 도입되어 filtrate를 분리하고, concentrated liquid는 아래로 빠져 나간다. rotor 상부에는 liquid distributor와 centrifugal separator가 있으며, feed를 분산시키고 rising vapor로부터 liquid droplet을 분리한다.
특징으로는 heat flux가 크고, 체류시간이 짧고 pressure drop이 작으며 dead zone이 없고 liquid hold-up이 없으며 청소하기 용이하다. rotor는 self supporting일 수 있고 bottom bearing일 수 있다.
several type of rotor for SULZER
TFE ready for installation on site
heat sensitive, viscous, fouling, high boiling liquid에 대해서 thin film evaporator를 적용할 수 있으며, 아울러 체류시간이 길 경우 degradation, 전열면적에서의 fouling, tube들의 plugging, 낮은 열전달계수, 고점도에 따른 높은 차압등이 흔히 발생되는 문제이다.
Figure 8. thin-film, or wiped-film, evaporators are well-suited for processing difficult-to-handle materials.
volatile stripping과 recovery를 극대화하도록 가능한 낮게 product temperature를 유지하면서 heat source와의 온도 차이를 극대화하기 위해 일반적으로 vacuum조건에서 운전을 한다.
TFE는 heated body와 rotor로 구성되며 vertical이나 horizontal design 모두 가능하지만 주로 vertical, cylindrical, fixed clearance design을 한다. feed는 heated zone위로 들어가 rotor에 의해 body wall의 내부 표면위로 골고루 분산이 된다.
Figure 9. A rotor distributes the feed evenly over the inner circumference of the body of the wiped-film evaporator.
product인 concentrate가 wall을 따라 아래로 내려가며 rotor blade에 의한 bow wave는 높은 turbulent flow를 만들어 heat flux를 높인다. volatile vapor는 빠르게 증발되며 cocurrent나 counter current로 갈 수 있고 non-volatile은 bottom outlet을 빠져 나간다. 이 과정에서 bow wave에 의한 연속적인 washing을 통해 가장 농축물이 집중되어 있는 thermal wall에서의 fouling을 최소화한다.
TFE의 특징인 짧은 체류시간 (몇초에서 몇분정도), 높은 난류 (열전달계수가 높음), 전열면적에서의 빠른 증발후 다른 액체로 치환에 의해 heat sensitive, high solid concentration, viscous, fouling물질을 성공적으로 처리할 수 있다. 심지어 50,000cP의 고점도 물질도 처리가능하며 2~250mmHgA의 낮은 압력에서 운전이 되며 rotor에 의해 residue를 squeezing하므로 recovery가 높다.
단점으로는 비용이 높고, 에너지 recovery를 위한 staging이나 vapor recompression에는 적합하지 않다. TFE는 주로 oil, fatty acid와 같은 민감한 유기화학물질을 정제하고 식음료나 제약의 농축, waste로부터 valuable을 recovery할 수 있다. 예를 들어 paint로부터 solvent, used motor oil을 정제하거나 무기salt의 부피를 줄일 수 있다.
Falling Film Evaporator
vertical tube bundle top에서 액체 feed를 분산시켜 아래로 내려가면서 heating surface를 따라 film을 형성한다. 점도가 낮은 물질을 처리하며 thin film evaporator에 비교해서 더 많은 양을 처리할 수 있다. 따라서 운전비용이나 에너지 소비를 줄일 수 있으며 thin film evaporator에 비해 moving part가 적어서 유지관리가 용이하다. desalination분야에서 많이 적용하며 점도가 높거나 solid가 있지 않은 증발운전에 적합하다.
falling film evaporator는 먼저 wet해야 하지만 너무 두꺼워도 안되며, fouling이 심한 경우 적용이 제한된다. solvent가 feed nozzle를 통해 pouring되며 증발을 통해 concentrated solvent를 얻게 된다.
FFE (falling film evaporator)는 열에 민감하고 점도가 낮고 fouling경향이 낮은 혼합물 처리에 적합하며 tube bundle위로 liquid distritutor (key item)가 설치되어 모든 tube로 골고루 분산되게 하나 tube의 heated surface를 따라 중력에 의해 흘러 내려가면서 증발이 일어나도록 한다. 증발된 vapor는 cocurrent로 액체와 함께 아래로 흘러갈 수도 있다.
on site installation of falling film evaporator
tube inserts of falling film evaporator
example of falling film evaporator
feed가 FFE top으로 들어가면 distributor에서 각 tube속으로 feed를 골고루 분산시킨다. top tubesheet위에 설치된 perforated plate를 통해 distribution이 진행된다.
Figure 5. The falling-film evaporator is a variation of the long-tube rising-film design, in which the tubular heat exchanger is on top of the liquid/vapor separator.
FFE는 얇은 막이 형성되면서 아래로 흘러 내려가고 이 때 외부에서 열이 전달되어 짧은 체류 시간내에서 vapor가 생성되면서 증발이 이루어진다. 특히 열매체와 공정의 온도차이가 15F이하일 경우 유용하며 heat sensitive product에 사용된다. FFE의 장점으로는 상대적으로 비용이 낮고 heating surface가 넓으며 product hold-up이 작고 적은 공간을 차지하며 열전달계수가 높다. 반면 단점으로는 salting이나 scaling물질에는 부적합하고 recirculation이 필요할 수 있다.
선택기준
유체 점도, heavy solid유무, 운전효율, 적용분야, space, handling capacity, maintenance, utility requirement 등을 고려하여 type을 결정한다.
thin film evaporator는 evaporator surface위로 액체의 얇은 층을 형성하여 빠른 증발을 위해 heating을 하며, falling film evaporator는 액체가 heated tube inner surface를 따라 아래로 흘러 내려가면서 증발을 한다.
thin film evaporator는 thin film 형성이 효율적이어서 고점도 유체에 적합하며 falling film evaporator는 gravity induced flow로 운전이 됨에 따라 저점도 유체에 적합하다.
thin film evaporator는 빠른 증발을 위해 높은 열전달계수를 제공하며, Falling Film Evaporators는 액체막으로부터 효율적인 열 제거를 위해 대류 열전달을 이용한다.
Thin Film Evaporator는 내부의 wiper와 같은 mechanical component로 인해 더 많은 maintenance가 요구되며 Falling Film Evaporator는 moving part가 거의 없어서 비교적 간단한 구조이다.
Process Requirements
공정관점에서 아래 사항들에 대해 고려해야 한다.
- process안정화까지의 product loss를 최소화하고 onstream time을 극대화하기 위한 start-up time
- product loss를 최소화하기 위해 shutdown시 product hold-up을 최소화함.
- degradation으로 인한 product loss를 최소화하기 위한 짧은 체류시간
- cleaning을 위한 onstream time의 loss를 야기하는 fouling issue를 예방할 것.
- concentrated residue로부터 distillate를 squeezing하여 waste를 줄이고 추가적인 회수를 위해 recycle하거나 second stage로 보냄.
- concentrate가 product일 경우 concentrate내 volatilities가 낮은 수준이 되도록 stripping함.
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