Particle and Aerosol Research
Par. Aerosol Res. Vol. 9, No. 4. December 2013 pp. 247-252 http://dx.doi.org/10.11629/jpaar.2013.9.4.247
입구 습도 변화에 따른 관성 충돌 방식의 액적 분리장치의 수분제거효율 변화
송동근*⋅이신영⋅홍원석⋅신완호⋅김규진⋅김한석 한국기계연구원 환경에너지기계연구본부 환경시스템연구실
(2013년 11월 29일 투고, 2013년 12월 12일 수정, 2013년 12월 16일 게재확정)
Removal Efficiency of Water Contents using Inertial Impaction Separator with Change in Relative Humidity
Dong Keun Song*, Sin Young Lee, Won Seok Hong, Wanho Shin, Gyujin Kim, and Hanseok Kim Department of Eco-Machinery Systems, Environmental and Energy Systems Research Division,
Korea Institute of Machinery & Materials
(Received 29 November 2013; Revised 12 December 2013; Accepted 16 December 2013)
Abstract
Removal of water contents in a gas is needed in industrial field of gas processing related on energy production/conversion, and environmental treatment. Inertial separators are economic devices for separating droplets from the gas stream. For design and incorporation of inertial pre-treatment separator, characteristics of removal of water contents with various operation conditions are needed. In this study, removal efficiency of water droplets at various flowrates (5-14 SCMM) and relative humidity (R.H.) conditions (40%, and 90%) has been investigated. At low R.H. condition, the removal characteristic is similar to the removal of solid particles. But, droplet growth resulting from the condensation of water vapor at high R.H. condition, is significant and it made increase in removal efficiency of droplet phase of water contents. For rapid removal of water contents, an effective method to enhancing condensation growth of water droplets is highly needed.
Keywords：Inertial separator, Water droplet, Water vapor, Condensation, Removal efficiency
* Corresponding author.
Tel：+82-42-868-7271, E-mail：[email protected]
Fig. 1. Schematic illustration of the chevron type mist eliminator.
정의 흡수탑, 충진탑, 분무탑 등의 기액 접촉 조작, 보일러 등에서의 액체 비등 조작, 또는 스크러버 등 의 세정 집진 조작에서 자주 발생된다. 일반적으로 기체에 포함된 액적 및 다량의 수분은 이후 공정에 서 불순물 또는 설계된 반응을 달성하지 못하게 하 는 원인이 되며, 공정상의 다른 화학물질과 대기 중 으로 배출되면서 수화 반응 등을 통해 유해한 대기 오염의 원인이 되어 액적과 수증기의 분리 또는 제 거는 매우 중요한 문제가 되고 있다(Zamora et al., 2011).
기체에 포함된 수증기의 분리, 제거를 위해서 고 체상 또는 액체상 흡수제를 이용한 제습 반응기 (Dehydrator)가 이용되고 있으며, 기체에 포함된 수 증기가 고체상 또는 액체상 흡수제의 표면에서 흠 착 및 흡수 반응을 통해 제거된다. 이러한 흡착 및 흡수 반응에서 액적 상태로 존재하는 수분은 흡착 및 흡수 반응에 의한 수증기 제거 효율을 떨어뜨리 는 원인이 되어 효과적인 수중기 제거 및 분리를 위 해서는 제습 반응기 전단에서 입자 상태의 액적을 분리하는 것이 중요하다.
액적 분리를 위해서 관성력, 정전기력 등 다양한 원리를 적용한 분리장치의 적용이 가능하지만, 설치 및 유지 비용을 고려하여 관성력을 이용한 액적 분 리장치가 산업 현장에서 널리 이용되고 있다. 특히 chevron 형태의 액적 분리 장치는 액적 및 수증기를 함유한 기체 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 액적 분리 장치는 고점성 유체의 액적 분리에 적용하는 경우에도 분리장치 표면에서 응축에 의한 막힘이 덜하여 반영구적으로
대상 기체의 상대 습도 변화와 처리 유량 변화에 따 른 액적 상태의 수분 제거 성능을 파악하고자 한다.
2. 실험 방법
2.1 액적 분리 장치
Chevron 형태의 액적 분리 장치는 막힘 현상이 거의 없으며 매우 우수한 포집 효율로 인하여 wire mesh demister와 함께 현재 가장 많이 사용되고 있는 미스트 분리 장치 중 하나이다(Lee et al., 2013). Fig.
1의 개략도에서 나타낸 것과 같이 chevron 형태의 액적 분리 장치는 기체에 포함된 액체상 입자, 즉 액적을 관성력을 이용하여 분리, 제거하는 장치로, 유로 벽면에 형성된 방해판을 통과하면서 유로가 좁아짐에 따라 유속이 증가하고, 액적의 크기 및 밀 도에 따라 관성력이 큰 액적은 유동을 따라가지 못 하고 방해판에 충돌해 벽면에 부착되고, 누적된 액 적은 벽면을 따라 중력에 의해 분리 장치 하부로 이 동하여 제거된다.
Fig. 3. Pictures of the chevron mist eliminator.
Fig. 2. Schematic diagram of the experimental setup.
2.2 액적 분리 효율 평가 시스템
Fig. 2는 본 연구에서 사용된 실험 장치 구성의 개 략도를 나타낸 것이며, Fig. 3은 2단 구성의 액적 분 리 장치와 장치 내부의 분리 장치 구성을 보여준다.
실험 장치는 증기발생기(Steam generator)를 이용한 수분 공급 시스템, 액적 분리 장치, 입자상 물질의 입경 분포 측정 장치 등으로 구성되어 있다.
수분 공급은 전기보일러를 이용하여 증기(steam) 를 발생시킨 후 생성된 증기를 액적 분리 장치의 입 구에 공급하였다. 액적 분리 장치 입구의 분리 장치 직전의 확장부에서 공급 기체의 습도를 측정하고, 공급 증기의 양을 조절하여, 액적 분리 장치로 유입 되는 기체의 상대 습도를 조절하였다. 액적 분리 장 치는 Fig. 3에 나타낸 바와 같이, 2.5 cm의 일정한 간격으로 평행하게 배열된 10 개의 chevron 판이 하 나의 단(stage)을 구성하며, 유동 방향으로 2단이 연 속적으로 장착되어 액적 분리 장치를 구성한다. Fig.
3의 오른쪽 사진에서 보는 바와 같이 chevron 판 표 면에 형성된 크기가 서로 다른 갈고리(channel)에서
관성력에 의해 포집된 액적은 유체 유동으로 재 유 입되지 않으며, 누적되어 중력에 의해 하부로 이동 한다.
기체에 함유된 액적의 크기 분포 측정을 위하여 APS (Aerosol Particle Size analyzer, Model 3321, TSI Inc.) 장치를 사용하여 액적의 농도를 측정하였다.
3. 결과 및 고찰
3.1 액적 크기 분포
액적 분리 장치로 공급되는 액적을 포함한 공기 의 상대 습도가 각각 40%, 90%인 경우, 액적 분리 장치의 입구와 출구에서 측정한 유량별 액적의 크 기 수농도 분포를 질량 분포로 변환하여 나타내면 Fig. 4-7과 같다. 이 때 액적의 밀도는 물의 밀도, 1,000 kg/m3으로 가정하였다. 각 실험 조건에서의 온 도는 각각 27°C와 17°C였으며, 입구와 출구의 온도 차이는 나타나지 않았다.
Fig. 7. Droplet mass distribution at outlet of mist eliminator with 90% of relative humidity.
Fig. 6. Droplet mass distribution at inlet of mist eliminator with 90% of relative humidity.
Fig. 4. Droplet mass distribution at inlet of mist eliminator with 40% of relative humidity.
Fig. 5. Droplet mass distribution at outlet of mist eliminator with 40% of relative humidity.
상대 습도가 40%인 경우, 유량 증가에 따라 크기 별 액적의 질량이 증가하는 반면, 상대 습도가 90%
인 경우에는 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 상대 습도가 낮은 경우에는 액적 분리 장치로 유입되는 수증기가 응축되어 액적이 성장하기 보다는 액적이 증발하여 액적 크기가 감소하는 현상이 주로 발생 한다. 낮은 유량 조건에서 체류 시간이 길어짐에 따 라 액적 표면에서의 증발에 의한 액적 크기 감소 및 이에 따른 크기별 질량 감소가 증가하여, 유량이 증 가함에 따라 액적의 질량 분포가 커지는 것을 확인 할 수 있다. 반면, 상대 습도가 90%인 고습도 조건 에서는 응축에 의한 액적 성장이 주도적으로 발생 하여 체류 시간이 증가하는 낮은 유량 조건에서 질 량 농도가 증가하는 것을 확인할 수 있다.
액적 상태의 절대 수분량은 질량분포를 적분하여 구할 수 있으며, 상대 습도가 40%인 조건에 비해 상 대 습도 90%인 조건에서 약 10배가량 많은 액적 상 태의 수분량을 갖는 것을 확인할 수 있었다.
3.2 액적 제거 효율
액적 분리 장치의 입구와 출구에서 측정한 액적 의 질량 분포로부터 액적 분리 장치의 액적 제거 효 율을 구하여 각 상대 습도 조건에서 유량 변화에 따 른 제거 효율을 나타내면 Fig. 8-9와 같다. 상대 습도 가 낮은 조건(R.H. = 40%)에서는 유량이 증가함에 따라 동일한 크기의 액적의 제거 효율이 증가하였 으며, 이는 유속이 증가함에 따라 액적의 관성력이 증가하기 때문이다.
Fig. 8. Removal efficiency of droplets at 40% of relative humidity.
Fig. 9. Removal efficiency of droplets at 90% of relative humidity.
반면, 상대 습도가 높은 조건(R.H. = 90%)에서는 유량이 증가함에 따라 액적 입경이 1㎛ 보다 큰 동 일한 크기의 액적 제거 효율이 감소하는 것을 확인 할 수 있다. 상대 습도가 낮은 조건에서는 수증기의 응축보다 액적의 증발이 주도적으로 발생하여 큰 액적은 관성력에 의해 제거되고, 제거되지 않은 액 적의 크기가 감소하는 반면, 상대 습도가 높은 조건 에서는 지속적인 수증기의 응축에 의한 액적 성장 이 나타나, 관성력에 의해 액적이 제거되는 영역을 통과한 후에도 액적의 성장에 의한 큰 액적이 측정 되기 때문이다.
상대 습도가 낮은 경우에는 초기에 제거되지 않 은 작은 크기의 액적은 이후에도 제거되지 못하는 반면, 상대 습도가 높은 경우에는 지속적으로 성장 하는 액적의 관성력이 증가하여 지속적으로 제거될 수 있다. 이로 인해 50% 제거 효율을 보이는 액적의 크기가 상대 습도가 낮은 경우에는 1.5 ~ 3㎛ 크기 에서 나타나는 반면, 상대 습도가 높은 조건에서는 1.5㎛ 이하 크기의 액적에서 나타나는 것을 확인할 수 있었다.
3.3 총 수분량의 변화
액적 분리 장치의 입구와 출구에서의 액적의 질 량 분포의 비교에서 살펴 본 바와 같이, 상대 습도 가 낮은 경우에는 액적의 증발이, 상대 습도가 높은 경우에는 응축에 의한 액적의 성장이 주도적으로 나타남을 알 수 있다. 이러한 액적 상태의 변화에
따라 증기 상태의 수분량의 변화가 발생한다.
액적 상태의 수분 제거 효율과 함께 증기 상태로 존재하는 수중기의 제거 효율을 입구와 출구에서 측정한 상대 습도로부터 산출하였다. 초기 상대 습 도가 40%인 경우, 입구에서의 상대 습도는 39.0 ± 1.3%이고, 출구에서의 상대 습도는 30.8 ± 1.5%로 액적 분리 장치를 통과하면서 상대 습도가 감소하 였으며, 유량이 증가함에 따라 출구에서의 상대 습 도는 약간 감소하였다. 초기 상대 습도가 90%인 경 우, 입구에서의 상대 습도는 93.8 ± 3.5%이고, 출구 에서의 상대 습도는 70.0 ± 0.2%로 상대 습도가 낮 은 경우에 비해 상대 습도 감소 비율이 크게 증가하 였다.
액적 상태의 제거 효율과 증기 상태의 수분량으 로부터 산출한 증기 제거 효율, 그리고 액적 제거 효율과 증기 제거 효율을 합산한 총 수분 제거 효율 을 나타내면 Fig. 10과 같다.
액적 상태로 존재하는 수분량에 비해 증기 상태 로 존재하는 수분의 양이 1,000배 이상이 되어, 액적 제거 효율이 90%를 상회하는 경우에도 총 수분 제 거 효율은 증기 상태의 수분 제거 효율과 유사한 값 을 갖게 된다.
따라서, 액적 및 증기 상태의 수분을 함유한 기체 에서 수분을 효과적으로 제거하기 위해서는 증기 상태의 수분을 효과적으로 액적 상태로 전환하는 방안이 필요한 것으로 판단된다.
Fig. 10. Total removal efficiency of water contents.
4. 결 론
본 연구는 액적 및 증기 상태의 수분을 포함한 기 체에서 수분을 제거하는 제습 시스템 전처리 공정 으로서의 액적 분리 장치의 초기 상대 습도 및 유량 변화에 따른 제거 효율을 살펴보았다. 입구의 상대 습도가 높은 조건에서는 증기의 응축에 의한 지속 적인 액적 성장으로 인해, 관성력에 의한 액적 제거 효율이 크게 증가하였다. 하지만, 유입 기체에 포함 된 대부분의 수분은 액적 상태보다는 증기 상태로 존재하고 있어, 제습 시스템에 가해지는 부담을 줄 이기 위해서는 액적 성장을 촉진시킬 수 있는 방안 의 도입이 필요한 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 한국기계연구원 주요사업(NK176B)의 일환으로 수행되었으며, 이에 감사드립니다.
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.
Lee, S. Y., Hong, W. S., Shin, W., Kim, G., and Song, D. K.(2013). Evaluation of Removal Efficiency of Water Contents using Inertial Impaction Separator. Par. Aerosol Res., 9(1). 23-29.
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