(3.4) 여기서,
유입량×비열(4.1868 kJ/㎏K)×(유입온도-배출온도)
×비열×(배출온도-동결온도(0 ℃))
×동결잠열(333.6042 kJ/㎏)
×얼음비열(2.0934 kJ/㎏K)×(0-얼음온도)Treatment c a p a c ity
(㎏)
(kJ)
(kJ)
+
(kJ)
(kJ) 125 25,120.8 29.85 2,527.86 27,678.51 150 25,120.8 35.84 3,034.84 28,191.48 175 25,120.8 41.83 3,541.66 28,704.29 200 25,120.8 47.77 4,045.29 29,213.86 225 25,120.8 53.76 4,552.27 29,726.83 Table 3.5 Freezing heat of ice-lining(
) at non-precooling시스템 구성 조건에서 검토될 운전시간 단축을 목적으로 폐수가 제빙부에서 동결농축 되는 동안 초기빙층용 청수를 미리 설계 온도 5 ℃로 예냉하여 공급 하는 경우 초기빙층 착빙에 필요한 열량을 Table 3.6과 같이 계산하였다. 이때 청수는 25 ℃에서 5 ℃로 미리 냉각하여 제빙기에 공급하는 것으로 하였다.
Treatment c a p a c ity
(㎏)
(kJ)
(kJ)
+
(kJ)
(kJ) 125 4,186.8 29.85 2,527.86 6,744.51 150 4,186.8 35.84 3,034.84 7,257.48 175 4,186.8 41.83 3,541.66 7,770.29 200 4,186.8 47.77 4,045.29 8,279.86 225 4,186.8 53.76 4,552.27 8,792.83 Table 3.6 Freezing heat of ice-lining(
) at precooling(2) 설계처리량별 동결농축처리 열량
폐수의 동결농축처리는 25 ℃의 폐수를 제빙부에 공급하고 냉브라인을 순환 시켜서 동결계면의 폐수를 빙점이하로 냉각하여 이미 형성된 초기빙층 위에 15 ㎜ 두께로 동결층을 형성하는 과정이다. 이때 오염물질은 잔류 농축액으로 배제된다. 폐수 농축처리과정의 소요시간은 60분으로, 폐수는 1 ℃, 동결층은 -10 ℃까지 냉각된다. 다음 Fig. 3.5는 폐수처리부의 제빙기에 유입되는 폐수 의 동결농축 처리과정이다.
Fig. 3.5 Waste-water freeze concentration procedure
폐수를 동결농축 하는데 필요한 열량은 25 ℃의 폐수를 1 ℃ 온도로 냉각하 는 폐수냉각열량( ), 동결되는 얼음 양 만큼의 폐수가 동결온도로 냉각되는 열량(), 동결온도로 냉각된 폐수가 얼음으로 상변화를 하는데 필요한 총잠 열(), 동결층의 얼음을 -10 ℃까지 냉각하는데 필요한 열량()이 제거되어 야 한다. 폐수를 동결농축처리하는 과정에서 필요한 총열량()은 다음 식 (3.5)에서 계산하였으며 각 설계처리량별 폐수 동결농축열량은 Table 3.7과 같 다. 폐수의 비열은 종류에 따라 다르나 여기서는 청수와 같다고 가정하였다.
(3.5) 여기서,
유입량×비열(4.1868 kJ/㎏K)×(유입온도-배출온도)
×비열×(배출온도-동결온도(0 ℃))
×동결잠열(333.6042 kJ/㎏)
×얼음비열(2.0934 kJ/㎏K)×(0-얼음온도)Treatment c a p a c ity
(㎏)
(kJ)
(kJ)
+
(kJ)
(kJ) 125 25,120.8 523.35 44,317.28 69,961.43 150 25,120.8 628.02 53,180.73 78,929.55 175 25,120.8 732.69 62,044.19 87,897.68 200 25,120.8 837.36 70,907.64 96,865.80 225 25,120.8 942.03 79,771.10 105,833.93 Table 3.7 Freezing heat of waste-water treatment(
)(3) 기포 분사량 및 기포 냉각열량
동결과정 중 동결계면 주위에는 동결층 밖으로 배제된 오염물질이 농축되 어 고농도의 수용액 층이 형성된다. 이로 인해 동결층에 오염물질이 포획될 확률이 높아져 결국 시스템의 처리효율이 낮아진다. 이를 방지하기위해 동결 계면에 직접 충격력과 수용액에 유동을 가하여 계면의 고농도 오염물질을 확 산시키고, 적절한 속도로 동결층의 성장을 조절하기 위해 기포를 분사하는 방 법을 적용하였다. 기포는 각 제빙관 주위에 5 L/min의 유량으로 폐수 동결농 축과정 60분 동안 연속하여 분사하게 된다. 이때 분사된 기포로 인한 열손실 을 최소화하기 위해 공기분사펌프 출구온도 35 ℃에서 소정의 온도인 1 ℃로 공기를 냉각시켜 분사하는 것으로 하였다. 이때 기포분사 공기를 냉각하기 위 한 총열량( )은 식 (3.6)에서 계산하였으며 설계처리량에 따른 분사공기 유 량과 냉각열량은 Table 3.8과 같다.
×
×∆
(3.6) 여기서, 는 공기의 비열 1.0048 kJ/㎏K이다. 기포분사량(㎏)
는
×
× 당분사량
min ×분사시간min여기서, 는 공기의 밀도 1.184 ㎏/㎥이다.
Treatment capacity (㎏)
(ea)
(㎏)
(kJ)
125 16.06 5.70 194.73
150 19.27 6.84 233.67
175 22.49 7.99 272.64
200 25.70 9.13 311.92
225 28.91 10.27 350.85
Table 3.8 Cooling heat of injection air at design capacity()
제 4 장 동결농축폐수처리시스템의 해석 및 검토
동결농축법을 이용한 폐수처리시스템에 대해 3장에서 열량을 중심으로 계산 한 설계데이터를 바탕으로, 상용프로그램인 HYSYS를 이용하여 시스템 효율을 시뮬레이션 하였다. HYSYS는 공정해석 프로그램으로 화학공정 중 액상으로 제품화하는 단계에 설치되는 프로판 냉동시스템은 물론 LNG 냉각시스템의 해 석에도 널리 이용되는 프로그램이다. 동결농축폐수처리시스템의 열원인 냉동 시스템을 해석하고 각 종 펌프의 운전에 따른 시스템에서 소비되는 동력을 구 하는데 본 프로그램을 이용하였다.
시뮬레이션은 상용화를 위해 각 시스템 별 운전에서 요구되는 동력과 일일 처리할 수 있는 폐수량을 구하여, 에너지 효율이 우수하고 일일처리량 즉 생 산성이 높은 시스템 구성에 관한 설계안을 제시하고자, 다음과 같이 실시하 였다.
우선, 시스템의 일회(batch)운전시간을 단축하기 위해 초기빙층용 청수를 미 리 냉각하는 경우와 냉각하지 않는 경우를 각각 급속운전시스템(precooling system)과 완속운전시스템(non-precooling system)이라하고, 해석을 통해 회당 소비전력량 및 운전시간을 비교 분석하였다. 또, 설계처리량에 따른 시스템의 회당 소비전력량과 운전시간을 분석하여, 시스템 개발에 있어 목표가 되는 적 절한 설계처리량에 대한 방향을 제시하고자 하였다. 추가적으로 시스템이 최 초 설계된 처리량과 다른 양으로 폐수처리운전을 할 때도 위와 같이 분석하여 참고자료로 활용하고자 하였다. 그리고 해석을 통해 얻어진 결과는 다음 장에 서 시스템의 경제성을 검토하기 위한 자료로 활용하였다.