한국입자에어로졸학회

Particle and Aerosol Research

Par. Aerosol Res. Vol. 9, No. 1: March 2013 pp. 23-29 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2013.9.1.023

관성 충돌 방식의 액적 분리장치의 수분제거효율 평가

이신영⋅홍원석⋅신완호⋅김규진⋅송동근^* 한국기계연구원 환경에너지기계연구본부 환경시스템연구실 (2013년 2월 28일 투고, 2013년 3월 15일 수정, 2013년 3월 18일 게재확정)

Evaluation of Removal Efficiency of Water Contents using Inertial Impaction Separator

Sin Young Lee, Won Seok Hong, Wanho Shin, Gyujin Kim, and Dong Keun Song^*

Department of Eco-Machinery Systems, Environmental and Energy Systems Research Division,

Korea Institute of Machinery & Materials

(Received 28 February 2013; Revised 15 March 2013; Accepted 18 March 2013)

Abstract

Inertial impaction type mist eliminators are the most effective instruments to separate mist from the gas. In this work, the effect of the horizontal chevron type mist eliminators is characterized experimentally. Droplet size distribution and evaluation of removal efficiency of the chevron type mist eliminators at different gas flows were investigated using an aerosol particle size analyzer and a portable aerosol spectrometer, respectively. The experimental investigations showed that the mist removal efficiency in these instruments is dependent in the droplet size, and the pressure drop is nil.

Keywords：Chevron, Mist eliminator, Droplet dispersion, Removal efficiency

* Corresponding author.

Tel：+82-42-868-7271, E-mail：dksong@kimm.re.kr

크기의 광범위한 입자를 나타내는 것이 일반적이지 만, 액적은 dust, smoke 등에 비해 대부분 입경이 크 기 때문에 이들과 구별되어 불려지고 있다. 미스트 는 에어로졸(aerosol) 입자의 일종으로 공기분자와 상대 운동을 하며 안정한 상태를 유지하는 입자이 기도 하다.

기체가 미스트를 수반하는 비말 동반 현상은, 화 학 공정의 흡수탑, 충진탑, 분무탑 등의 기액 접촉 조작, 보일러 등에서의 액체 비등 조작, 또는 스크러 버 등의 세정 집진 조작에서 자주 발생된다. 이렇게 발생된 미스트는 이후 공정에 유입되어 안정적인 작동에 문제를 일으키거나, 대기 중으로 배출되어 다른 오염원과 결합하여 대기오염의 원인이 되기도 하며, 최근에는 원자력 사업에 의해 수반되는 방사 성 물질 처리액의 증발 처리 과정에서도 동일한 문 제가 발생하고 있어, 미스트의 제거 및 분리는 매우 중요한 문제가 되고 있다(Zamora et al., 2011).

따라서 미스트 배출에 의해 발생하는 문제점을 방지하기 위하여 미스트의 발생을 최소화 하거나, 미스트 분리 장치(mist eliminator) 등을 이용하여 분 리/포집 하여야 한다. 현재 다양한 형태의 미스트 분 리 장치가 개발되어 각종 산업분야에 사용되고 있 으며, 그 중 chevron 형태의 미스트 분리 장치는 가 스 또는 증기 유동에서 수분 제거의 목적으로 화학, 오일, 가스 등의 산업 분야에서 널리 사용되고 있는 장치 중 하나이다(James et al., 2003; James et al., 2005).

이러한 chevron 형태의 수분 분리 장치는 비교적 빠른 유속에서 사용이 가능 할 뿐만 아니라, 고점성 유동체에 대하여 오염물질에 의한 막힘 현상이 없 어 반영구적으로 사용이 가능하고, 다양한 시스템에 간단히 변경하여 사용할 수 있다는 장점으로 인하 여 산업 분야에 널리 사용 되고 있다(Galletti et al., 2008; Rafee et al., 2010).

본 연구에서는 이러한 chevron 형태의 미스트 분 리 장치를 이용하여, 높은 상대 습도 상태로 배출되 는 가스에 함유된 액적 상태의 수분 제거 성능을 실 험을 통해 평가하고자 한다.

거의 없으며 매우 우수한 포집 효율로 인하여 wire mesh demister와 함께 현재 가장 많이 사용되고 있는 미스트 분리 장치 중 하나이다. Fig. 1의 개략도에서 나타낸 것과 같이 chevron type 미스트 분리 장치는 관성 충돌을 이용한 집진 장치로서, 액적(droplet)을 함유한 가스가 chevron 층을 통과할 때, 액적에 비하 여 비교적 가벼운 가스는 액적에 비해 쉽게 방해판 을 우회하여 회전하면서 통과한다. 하지만 액적은 쉽게 회전하지 못하고 액적 제거판 표면에 충돌하 게 되고, 뒤따른 액적의 충돌로 크기와 무게가 증가 하여 중력에 의하여 침강하게 된다.

2.2 미스트 분리 효율 평가 시스템

Fig. 2는 본 연구에서 사용된 실험 장치의 개략도 를 나타낸 것이며, Fig. 1에서 설명한 chevron type 미스트 분리 장치를 이용하여 미스트 제거 효율을 측정하였다. 실험 장치는 수분 공급 시스템, chevron type 미스트 분리 장치, 입자상 물질의 입경 분포 측 정 장치 등으로 구성되어 있다.

수분 공급은 전기보일러 시스템을 이용하여 증기 (steam)를 발생시킨 후 노즐을 이용하여 증기의 농 도를 제어하여 상대 습도 약 84 %로 일정한 증기량 이 시스템으로 공급될 수 있도록 하였다. Chevron type 미스트 분리 장치는 Fig. 2(b)에 나타낸 것과 같 이, 액적 제거판의 형태는 90도 각도의 곡면 모서리 로 제작(zigzag 1 type)되었으며, 미스트 분리 장치는 2.5 cm의 일정한 간격으로 10 개의 chevron 판을 평 행하게 배열시킨 것을 1 set로 하였다. 제작된 chevron 미스트 분리 장치는 유동 방향으로 2 set를 연속으로 장착하였다. 또한 Fig. 2(b)의 마지막 사진 에서 나타낸 것과 같이 미스트의 재비산을 방지하 고, 포집된 액적들을 중력에 의하여 순조롭게 배수 하기 위해 크기가 서로 다른 갈고리(channel)를 3곳 에 장착 시켰다.

마지막으로 미스트의 크기 분포 측정을 위하여 APS (Aerosol Particle Size analyzer, Model 3321, TSI Inc.) 장치를 사용하였으며, 미스트의 제거 효율을 측정하기 위하여 Portable Aerosol Spectrometer

Fig. 1. Schematic illustration of the chevron type mist eliminator.

Chevron size (W)×(H)×(D)

[㎜]

Gas Flow [SCMM]

Gas velocity [m/sec]

Temperature [℃]

Humidity [%]

208×204×50 5~14 2.7~10.4 About 10 About 84

Table 1. Experimental conditions.

(Model 1109, GRIMM) 을 이용하여 미스트의 개수 농도를 측정 하였다.

3. 결과 및 고찰

3.1 미스트 분리 장치 수에 따른 압력강하 Chevron 미스트 분리 장치의 적용에 따른 압력강 하를 평가하기 위하여, 유량 변화에 따른 분리 장치 입/출구 압력 변화를 측정하여 결과를 Fig. 3에 나타 내었다. Fig. 3(a)는 증기를 공급하기 전(without steam), (b)는 증기 공급 후(with steam)의 압력 강하 결과를 나타내며, 두 경우 모두 5 ~ 14 ㎥/min의 유량 변화 에 따른 압력 강하를 세 가지의 경우, 즉 분리 장치 를 장착하지 않았을 때(0 set), 1 set만 장착하였을

때, 2 set 모두 장착 하였을 때에 대하여 측정하였다.

Fig. 3(a)와 (b)의 두 그래프 모두 유량이 증가함에 따라 압력 강하도 증가(66 -> 361 Pa)하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 증기의 공급 유무에 관계없이 chevron 미스트 분리 장치가 많이 장착 될수록 압력 차도 조금씩 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 하 지만 그 압력 차이는 최대 70 pa 정도로 대기압과 비교하여 보아도 매우 미미함을 알 수 있었다.

3.2 미스트 입경분포

Fig. 4는 증기 공급 장치에 의하여 발생한 액적의 크기 분포를 유량 변화에 따라 (a) 개수 농도, (b) 질 량 농도, (c) 표면적 분포를 나타내었으며, Fig. 4(d) 는 최대 농도를 기준으로 상대적인 개수 농도 분포

Fig. 2. Schematic illustration and pictures of the experimental setup and the chevron mist eliminator, respectively.

Fig. 3. Pressure drop at different gas flows(a) without Steam and(b) with Steam.

를 나타낸다. 분리 장치 내부의 온도는 약 10 ℃, 수 분 농도는 약 84 %를 유지하며, 가스 유량은 5, 7, 9,

10, 12, 14 SCMM로 변동시키며 분리 장치 출구에서 미스트의 입경 분포를 APS를 이용하여 측정하였다.

Fig. 4. Grand average (a) number, (b) mass, (c) surface, and (d) normalized size distribution at different gas flows.

Fig. 4(a)의 개수 농도 그래프를 살펴보면, 유량의 변동에 관계없이 모든 조건에서 사이즈 0.8 ~ 1.2 ㎛ 에서 최대 개수 농도를 나타내며, 유량이 증가함에 따라 미스트의 농도 역시 점차 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 Fig. 4(b)와 (c)는 각각 질량과 표 면적 분포로서, 질량 농도 분포에서는 약 2.4 ~ 2.7

㎛에서, 표면적 농도 분포에서는 약 2.0 ~ 2.3 ㎛에 서 최대값을 나타내었으며, 두 그래프 모두 유량이 증가할수록 질량 및 표면적이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 유량이 증가하는 반면 유입되는 증기 의 양은 동일하여 증기의 냉각이 보다 원활하게 이 루어져 액적 생성이 증가한 것으로 생각된다. 특히

10 SCMM 이하에서 농도의 차가 더욱 뚜렷함을 확 인 할 수 있었다.

3.3 유량 변동에 따른 미스트 분리 효율 액적 크기에 따른 분리 효율을 유량 변화에 대하 여 평가하고, 그 결과를 Fig. 5의 그래프에 나타내었 다. 분리 장치 내부의 온도는 약 10 ℃, 수분 농도는 약 84 %를 유지하며, 7, 10 SCMM의 두 유량 조건 에서 액적 크기에 따른 분리(제거) 효율을 Portable Aerosol Spectrometer를 이용하여 측정하였다. 그 결 과 Fig. 6에서 나타낸 것과 같이, chevron 미스트 분 리 장치를 2 set 장착한 경우, 유량 7 SCMM의 경우

Fig. 6. Gas flow vs. droplet diameter of chevron type mist eliminator obtained for different removal efficiency.

Fig. 5. Removal efficiency at different droplet diameters of chevron type mist eliminator obtained for

different gas flows.

는 액적의 크기가 0.43 ㎛ 이상에서는 90 % 이상의 분리 효율을, 0.62 ㎛ 이상에서는 99 % 이상의 분리 효율을 나타내며, 유량 10 SCMM의 경우는 액적의 크기가 0.75 ㎛ 이상에서 90 % 이상의 분리 효율을, 1.15 ㎛ 이상에서는 99 % 이상의 분리 효율을 나타 내는 것을 확인 할 수 있었다. 또한 두 유량의 경우

히 미스트를 분리할 수 있다고 판단된다.

4. 결 론

본 연구는 증기 상태의 수분 제거 시스템의 전처 리 공정으로 액적 상태의 미스트 분리 기능을 평가 하기 위하여, chevron 미스트 분리 장치의 액적 제거 효율을 평가하였다. 액적 제거 장치 내부에 chevron 형태의 미스트 분리 장치를 2 set 장착하여, 크기 분 포에 따른 미스트 제거 효율을 유량의 변동에 따라 평가하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.

chevron 미스트 분리 장치 적용으로 인한 압력강하 는 큰 유량 변화에도 매우 미미 한 것을 확인 할 수 있었으며, 1.0 ㎛ 이상의 액적 크기에 대하여 99 % 이상의 제거 효율을 나타냄을 확인 할 수 있었다.

따라서 액적 분리 장치에 장착한 chevron 미스트 분

리장치는 미스트 분리의 기능을 탁월이 수행함을 확인 할 수 있었다.

감사의 글

본 연구는 한국기계연구원 주요사업(NK176B)의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.

참 고 문 헌

Galletti, C. Brunazzi, E., and Tognotti, L.,(2008). A nu- merical model for gas flow and droplet motion in wave-plate mist eliminators drainage channels. Chem. Eng. Sci., 63. 5639-5652.

James, P. W., Azzopardi, B. J., Wang, Y., and Hughes, J. P.(2005). A model for liquid film flow and separation in a wave-plate mist eliminator.

Chem. Research and Design, 83. 469-477.

James, P. W., Wang, Y., Azzopardi, B. J., and Hughes, J. P.(2003). The role of drainage channels in the performance of wave-plate mist eliminators. IchemE, 81. 639.

Rafee, R., Rahimzadeh. H., Ahmada, G.(2010).

Numerical simulations of air flow and droplet transport in a wave-plate mist eliminator.

Chem. Research and Design, 88. 1393-1404.

Zamora, B., Kaiser, A.S.(2011). Comparative efficiency evaluations of four types of cooling drift elimi- nator, by numerical investigation. Chem. Eng.

Sci., 66. 1232-1245.