증발기

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1. 개요

증발기는 액체를 증기로 변환하는 데 사용되는 장치로, 에어컨 및 냉장고의 냉각, 식품 산업의 용액 농축, 화학 공학의 해수 담수화 등 다양한 용도로 활용된다. 증발 과정은 흡열 반응으로 열역학적 특성과 밀접한 관련이 있으며, 회전 증발기, 플래시 증발기, 다중 효과 증발기 등 다양한 종류가 존재한다. 증발 과정에서는 점도, 파울링, 부식, 발포 등의 문제점이 발생할 수 있으며, 이러한 문제점을 고려하여 증발기를 선택해야 한다.

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증발식 냉각기는 물의 증발 현상을 이용하여 공기를 시원하게 만드는 기술로, 다양한 설계 방식과 응용 분야를 가지며 에너지 효율적인 냉방 방식으로 주목받지만, 냉각 성능 저하, 물 소비, 세균 번식 등의 단점도 존재한다.
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원심증발농축기는 원심력을 활용하여 시료를 농축, 건조, 정제하는 장치로, 회전실, 진공 장치, 응축기, 냉각기 등으로 구성되어 돌비 현상을 방지하며 생명 과학, 화학, 제약 등 다양한 분야에서 사용된다.

증발기
개요
종류	열교환기
역할	액체를 기체로 변환하는 기계
작동 원리
주요 구성 요소	냉매 액체가 순환하는 튜브 또는 채널 열 전달 면적을 늘리기 위한 핀 또는 기타 표면 튜브로 향하는 증기 또는 연소 가스와 같은 열원 증기를 배출 파이프 시스템으로 증류
응용 분야
냉동	에어컨 시스템 히트 펌프 냉장고

2. 용도

증발기는 다양한 산업 분야에서 활용되며, 목적에 따라 다른 형태와 작동 방식을 가진다.

일부 에어컨과 냉장고는 냉각 효과를 얻기 위해 증발기를 사용한다.^[1]^[2]
식품 산업에서는 연유와 같이 농축된 용액을 만들거나, 와인 졸임과 같이 "졸인" 식품을 생산하는 데 사용된다.
증류는 알코올 농축, 액체 화학 제품 분리, 화학 반응에서 용매 회수 등에 사용되는 주요 공정이다.^[1]
화학 공학에서 증발기는 해수 담수화 또는 무액체 폐기물 배출 공정에서 염분으로부터 식수를 분리하는 데 사용된다.^[3] 다중 효과 증발기는 목재 펄프 생산 공정인 크라프트 펄프 제조에 사용된다.^[4]
대형 선박은 육상 공급에 대한 의존도를 줄이기 위해 담수 생산용 증발 설비를 탑재한다. 증기선은 보일러 수위를 유지하기 위해 고품질의 증류수를 생산해야 하며, 디젤 엔진 선박은 종종 폐열을 담수 생산의 에너지원으로 활용한다.

2. 1. 에어컨 및 냉장고

일부 에어컨과 냉장고는 주변으로 열 에너지를 방출하면서 시스템 내부에서 낮은 끓는점을 가진 압축 액체를 기화시켜 냉각 효과를 얻는다.^[1]^[2]

2. 2. 식품 산업 및 합성 화학

식품 산업에서는 상승/하강 막판 증발기를 사용하여 연유와 같은 농축된 용액을 만들거나, 와인 졸임과 같이 "졸인" 식품을 생산한다.

증류는 알코올 농축, 액체 화학 제품 분리, 화학 반응에서 용매 회수 등에 사용되는 주요 공정이다. 향료 및 에센셜 오일 산업에서는 화합물 정제를 위해 증류를 사용하며, 각 응용 분야에 따라 특수 장치가 사용된다.^[1]

2. 3. 화학 공학

화학 공학에서 증발기는 해수 담수화 또는 무액체 폐기물 배출 공정에서 염분으로부터 식수를 분리하는 데 사용된다.^[3] 다중 효과 증발기는 목재 펄프 생산 공정인 크라프트 펄프 제조에 사용된다.^[4]

2. 4. 해양

대형 선박은 일반적으로 육상 공급에 대한 의존도를 줄이기 위해 담수 생산용 증발 설비를 탑재한다. 증기선은 보일러 수위를 유지하기 위해 고품질의 증류수를 생산해야 한다. 디젤 엔진 선박은 종종 폐열을 담수 생산의 에너지원으로 활용한다. 이 시스템에서 엔진 냉각수는 열교환기를 통과하며, 여기서 농축된 해수에 의해 냉각된다. 화학적으로 처리된 담수인 냉각수는 70°C에서 80°C의 온도이므로, 열교환기 용기 내부의 압력을 낮추지 않으면 수증기를 증발시킬 수 없다.

염수-공기 배출기 벤츄리 펌프를 사용하여 용기 내부에 진공을 생성하여 부분적인 증발을 달성한다. 증기는 데미스터를 통과하여 응축기 부분에 도달한다. 해수는 응축기 부분을 통과하여 증기를 응축에 충분하도록 냉각시킨다. 증류수는 트레이에 모이며, 여기서 저장 탱크로 펌핑된다. 염분계는 염분 함량을 모니터링하고, 염분 함량이 경보 한계를 초과하면 증류수의 흐름을 저장 탱크에서 다른 곳으로 보낸다. 증발기 후에 멸균이 수행된다.

증발기는 일반적으로 쉘-튜브형(Atlas Plant로 알려짐) 또는 플레이트형(예: Alfa Laval에서 설계한 유형)이다. 온도, 생산 및 진공은 시스템 밸브를 조절하여 제어된다. 해수 온도와 엔진 부하 변동은 생산에 영향을 줄 수 있다. 이러한 이유로 증발기는 해수 온도 변화에 따라 조정되며, 선박이 기동할 때는 완전히 작동을 중단한다. 일부 선박, 예를 들어 해군 선박 및 여객선의 대안은 증발기를 사용하는 대신 역삼투압 원리를 사용하여 담수를 생산하는 것이다.

3. 에너지 측면

증발 또는 기화는 흡열 상 상전이 과정으로, 열역학 분야에서 널리 이해되고 있다. 이는 증기압, 주변 압력 및 기화 엔탈피와 밀접한 관련이 있다.

4. 증발기 종류

증발기는 열원을 사용하여 액체와 접촉시켜 증발을 일으키는 장치이다. 증기는 완전히 제거되거나, 재사용을 위해 저장되거나, 분리된 생성물이 될 수 있다.

다양한 종류의 증발기가 있으며, 각각 고유한 설계 원리와 작동 방식을 가지고 있다.

'''회전 증발기 (Rotary Evaporator):''' 진공 펌프를 사용하여 용매 위에 낮은 압력을 생성하고, 액체 플라스크를 회전시켜 표면적을 넓혀 증발 효율을 높이는 장치이다. 주로 용매 제거에 사용된다.
'''플래시 증발기 (Flash Evaporator):''' 교반 날개를 사용하여 증발 효율을 높인 장치이다.
'''자연/강제 순환 증발기 (Natural/Forced Circulation Evaporator):''' 가열(대류)로 인해 발생하는 밀도 차이에 의해 순환하는 방식이다.
'''낙하막 증발기 (Falling Film Evaporator):''' 4m~8m 높이의 증기 재킷으로 둘러싸인 튜브로 만들어지며, 점성이 높은 용액에 주로 사용된다.^[1]
'''상승막 증발기 (Rising Film Evaporator):''' 튜브 외부에 열을 가하여 용액을 농축하는 데 사용된다.^[5]
'''상승 및 하강 필름 플레이트 증발기 (Climbing and Falling-Film Plate Evaporator):''' 넓은 표면적을 가지며, 낙농 및 발효 산업에 주로 쓰인다.
'''다중 효과 증발기 (Multiple-Effect Evaporators):''' 여러 단계의 증발기를 연결하여 에너지 효율을 높인 시스템이다.
'''교반 박막 증발기 (Agitated Thin Film Evaporators):''' 휘발성 성분을 덜 휘발성 성분으로부터 빠르게 분리하며, 다루기 어려운 제품에 유용하다.^[7]

4. 1. 회전 증발기 (Rotary Evaporator)

회전 증발기는 진공 펌프를 사용하여 용매 위에 낮은 압력을 생성하고, 액체 플라스크를 회전시켜 표면적을 넓혀 증발 효율을 높이는 장치이다. 증발된 용매는 냉각관이나 코일을 통과하며, 이는 펌프 손상을 방지한다. 회전 증발기는 휘발성 성분과 비휘발성 물질을 분리하는 데 적합하다.

주로 반응 후 용액, 컬럼 크로마토그래피 분획, 분액 조작을 수행한 유기층 등의 농축 및 용매 제거에 사용된다.

4. 1. 1. 장치 구성

회전 증발기는 주로 용매 제거(증류)에 사용되는 증류 장치이다. 플라스크를 회전시켜 증발 효율을 높여 신속하게 용매를 제거할 수 있다. 끓어 넘침을 방지하는 효과도 있다.

장치는 다음과 같이 구성된다.

증류할 물질을 넣는 플라스크 (그라운드 조인트가 달려 있음)
플라스크와 유리관을 회전시키는 모터
증발된 용매를 냉각하여 액체로 되돌리는 냉각기
액체로 되돌아온 용매를 받는 용매 저장조

플라스크와 증발기 사이에 갑작스러운 끓어 넘침이 발생할 경우를 대비하여 플라스크에서 분출된 액체를 받기 위한 트랩 구를 넣기도 한다.

작동 시 플라스크는 항온조에 의해 가열되고, 냉각기는 진공 펌프에 연결하여 장치 내부를 감압한다. 용매의 정제가 아닌 제거를 목적으로 하기 때문에 증발 면과 냉각부의 거리는 짧고, 효율이 좋은 이중 뱀관형의 큰 냉각관을 갖추고 있다. 컴퓨터 제어를 통해 가열 및 감압 조작을 자동으로 수행하는 기능을 갖춘 장치도 있다. 플라스크와의 연결부인 그라운드 조인트가 굳어지기 쉬우므로, 굳어진 부분을 분리하는 부품이 부속된 장치도 있다(대부분의 경우, 이러한 부품을 사용하지 않고 나무 망치로 가볍게 두드려도 분리된다). 연속식으로 대량의 용액을 처리하기 위한 장치는 냉각관의 머리 부분에 플라스크에 추가 용액을 주입하기 위한 유리관이 달린 콕, 냉각관과 용매 저장조 사이에 용매 저장조를 교환하기 위한 진공 해제 콕을 갖추고 있다.

4. 1. 2. 원리

회전 증발기는 진공 펌프를 사용하여 용매 위에 낮은 압력을 생성하는 동시에 액체 플라스크를 회전시켜 표면적을 늘리고 기포 크기를 줄인다. 일반적으로 증기는 냉각관이나 코일을 통과하여 증발된 물질이 펌프를 손상시키지 않도록 한다. 회전 증발기는 작동 압력에서 증발되지 않는 원하는 생성물을 포함하는 용액에서 용매를 제거하여 혼합물의 휘발성 성분을 비휘발성 물질로부터 분리하는 데 가장 적합하다.^[1]

로터리 증발기는 주로 용매 제거(증류)에 사용되는 증류 장치이다. 플라스크를 회전시켜 증발 효율을 높여 신속하게 용매를 제거할 수 있다. 끓어 넘침을 방지하는 효과도 있다.^[1]

플라스크(가지 모양)를 회전시켜 플라스크 벽면에 얇은 액막을 형성시킨다. 용액 전체의 양이 많은 경우에도 액막 부분은 바로 항온조의 온도까지 가열되므로 증발 효율이 상승한다. 또한 액체의 표면적도 증가하여 증발 효율이 더욱 높아진다.^[1]

4. 1. 3. 조작법

회전 증발기는 주로 용매 제거(증류)에 사용되는 증류 장치이다. 플라스크를 회전시켜 증발 효율을 높여 신속하게 용매를 제거할 수 있다. 끓어 넘침을 방지하는 효과도 있다.^[1]

조작 방법은 다음과 같다.^[1]

1. 용매를 제거하려는 용액을 넣은 플라스크를 증발기에 장착한다.

2. 감압을 시작한다.

3. 모터를 작동시켜 회전을 시작한다.

4. 항온 수조에 플라스크를 넣고 가열한다.

감압 전에 모터를 회전시키면 플라스크가 떨어져 내용물을 잃을 우려가 있다. 먼저 가열한 다음 감압하면 격렬하게 끓어올라(돌비) 역시 내용물을 잃을 우려가 있다.^[1]

4. 1. 4. 주의점

끓는점이 비교적 낮은 물질의 용액에서 용매를 제거할 때, 용매와 함께 증발하여 손실될 수 있으므로 주의해야 한다. 이러한 경우에는 비그뢰 칼럼과 같은 증류탑을 사용하여 일반적인 감압 증류로 용매를 제거하는 것이 더 좋다.^[1]

플라스크 내에 침전이 있는 경우에도 증발기를 이용한 농축은 적합하지 않다. 침전이 비등석처럼 상전이의 핵이 되어, 급격한 발포를 일으켜 돌비 현상이 일어날 수 있다.^[1] 같은 이유로, 자기 교반자를 넣은 채로 증발기로 농축하는 것도 피해야 한다.^[1]

4. 2. 플래시 증발기 (Flash Evaporator)

플래시 증발기는 회전 증발기와 마찬가지로 용매 제거에 사용되는 증류 장치이지만, 교반 날개를 사용하여 효율을 높인 장치이다.

4. 2. 1. 장치 구성

플래시 증발기는 회전 증발기와 마찬가지로 용매 제거에 사용되는 증류 장치이지만, 교반 날개를 사용하여 효율을 높인 장치이다. 장치는 회전 박막식 분자 증류 장치와 유사하다. 구성 요소는 다음과 같다.

증류할 물질을 넣는 용액 저장조
증발을 수행하기 위한 교반 날개와 히터를 갖춘 스피닝 컬럼
증발된 용매를 냉각하여 액체로 되돌리는 냉각기
액체로 되돌아온 용매를 받는 용매 저장조
용매가 제거된 용액을 받는 잔사 저장조

4. 2. 2. 원리

스피닝 컬럼 내 교반 날개를 회전시켜 벽면에 용액을 밀착시켜 얇은 액막을 형성하고, 벽면을 히터로 가열하여 용매를 증발시킨다. 이때 용액을 박막화하여 회전 증발기와 마찬가지로 증발 효율을 높인다.

4. 3. 자연/강제 순환 증발기 (Natural/Forced Circulation Evaporator)

자연 순환 증발기는 가열(대류)로 인해 발생하는 밀도 차이로 인해 발생하는 제품의 자연 순환을 기반으로 한다. 용액이 들어있는 챔버를 가열하고, 증발된 액체는 수집 플라스크에 모인다.

4. 4. 낙하막 증발기 (Falling Film Evaporator)

낙하막 증발기는 보통 4m~8m 높이의 증기 재킷으로 둘러싸인 튜브로 만들어진다. 낙하막 증발기를 사용할 때는 용액의 균일한 분배가 중요하다. 용액은 증발기에 들어가 아래로 흐르면서 속도를 얻는다. 이러한 속도 증가는 가열 매체에 대해 증기가 발생하기 때문이며, 가열 매체 또한 아래로 흐른다. 낙하막 증발기는 주로 점성이 높은 용액에 적용되므로 화학, 설탕, 식품 및 발효 산업에서 자주 사용된다.^[1]

4. 5. 상승막 증발기 (Rising Film Evaporator)

상승막 증발기는 용액을 농축하는 데 유용하다.^[5] 액체가 수직 튜브 내부에서 끓는 방식으로 캘런드리아와 매우 유사하게 작동하며, 튜브 외부에 열을 가한다. 생성된 용매 증기는 액체를 튜브 벽으로 밀어 얇은 막을 형성하며, 이 막은 증기와 함께 위로 이동한다. 증기는 시스템에서 배출될 수 있으며, 액체는 증발기를 통해 재순환되어 용질을 더욱 농축시킬 수 있다. 대부분의 경우, 상승막 증발기의 튜브는 높이가 3m~10m 사이이고 직경은 25mm~50mm 사이이다. 이 유형의 증발기 크기를 결정하려면 튜브 내부의 액체 실제 수준과 증기 및 막의 유량을 정확하게 평가해야 한다.

4. 6. 상승 및 하강 필름 플레이트 증발기 (Climbing and Falling-Film Plate Evaporator)

상승 및 하강 필름 플레이트 증발기는 비교적 넓은 표면적을 가진다. 플레이트는 일반적으로 골판지로 되어 있으며 프레임에 의해 지지된다. 증발 과정에서 증기는 플레이트 사이의 빈 공간에 의해 형성된 채널을 통해 흐른다. 증기는 농축된 액체와 평행하게 번갈아 상승하고 하강하며, 액체와 함께 동류, 역류 경로를 따른다. 농축액과 증기는 분리 단계로 공급되어 증기는 응축기로 보내진다. 이러한 유형의 플레이트 증발기는 공간적 유연성을 가지고 있어 낙농 및 발효 산업에 자주 적용된다. 단점으로는 점성이 있거나 고형물을 함유한 제품을 처리하는 능력이 제한적이라는 점이 있다. 상승 필름만으로 작동하는 다른 유형의 플레이트 증발기도 있다.

4. 7. 다중 효과 증발기 (Multiple-Effect Evaporators)

다중 효과 증발기는 여러 개의 증발기 단계를 연결하여 에너지 효율을 높인 시스템이다. 단일 증발기에 비해 에너지 소비량이 매우 적어 증발 시스템 비용의 대부분을 절감할 수 있다. 예를 들어, 증발기를 하나 추가하면 에너지 소비가 50% 감소하고, 또 다른 효과를 추가하면 33%로 감소하는 식으로 계속해서 에너지 소비를 줄일 수 있다. 열 절약 백분율 방정식을 사용하면 특정 수의 효과를 추가하여 얼마나 절약할 수 있는지 추정할 수 있다. 다단 증발기의 효과 수는 일반적으로 7개로 제한되는데, 그 이상으로 가면 장비 비용이 에너지 절감 효과를 상쇄하기 때문이다.

다단 증발기를 다룰 때는 두 가지 유형의 공급 방식을 사용할 수 있다.

'''순방향 공급:''' 이 방식은 제품이 가장 높은 온도에서 첫 번째 단계(효과)로 들어간다. 여기서 일부 물이 증기로 변환되어 제거되면서 제품이 부분적으로 농축된다. 그런 다음 온도가 약간 낮은 두 번째 단계로 공급된다. 두 번째 단계는 첫 번째 단계에서 생성된 증기를 열원으로 사용하므로 에너지를 절약할 수 있다. 이후 단계에서 더 낮은 온도와 더 높은 점도의 조합은 효소 및 단백질과 같이 열에 민감한 제품을 처리하는 데 유리하다. 이 시스템에서는 후속 단계의 가열 표면적을 증가시켜야 한다.
'''역방향 공급:''' 이 공정에서는 희석된 제품이 가장 낮은 온도의 마지막 단계로 공급되고, 온도가 증가하면서 단계에서 단계로 전달된다. 최종 농축액은 가장 뜨거운 단계에서 수집되는데, 이는 마지막 단계에서 제품의 점도가 높기 때문에 열 전달이 더 좋다는 장점이 있다.

최근에는 열 펌프를 사용하는 다단 진공 증발기 시스템이 사용되기 시작했다. 이는 기계적 증기 재압축 (MVR) 시스템보다 에너지 효율과 기술 효율이 더 높은 것으로 알려져 있다. 끓는점이 낮기 때문에 부식성이 강한 액체나 스케일 형성이 쉬운 액체를 처리할 수 있다.^[6]

4. 8. 교반 박막 증발기 (Agitated Thin Film Evaporators)

교반 박막 증발은 다루기 어려운 제품에 매우 성공적으로 사용되어 왔다. 간단히 말해, 이 방법은 간접적인 열 전달과 제어된 조건 하에서 흐르는 제품 막의 기계적 교반을 사용하여 휘발성 성분을 덜 휘발성 성분으로부터 신속하게 분리한다. 이 분리는 일반적으로 진공 조건에서 이루어져서 ∆T를 최대화하는 동시에 가장 유리한 제품 온도를 유지하므로, 제품은 증발기 내부에서 평형 조건만 보이며 휘발성 물질의 스트리핑 및 회수를 최대화할 수 있다.^[7]

5. 문제점

증발 과정에서, 특히 식품 산업에서 이 과정을 사용할 때 기술적인 문제가 발생할 수 있다. 일부 증발기는 희석 용액의 점도와 농도 차이에 민감하여 순환 손실로 인해 비효율적으로 작동할 수 있다. 고점성 용액을 농축해야 할 경우 증발기의 펌프를 교체해야 할 수도 있다.

파울링은 증발기 내 가열 매체의 표면에 단단한 침전물이 형성될 때 발생한다. 식품의 경우 단백질과 다당류가 이러한 침전물을 생성하여 열 전달 효율을 감소시킬 수 있다. 발포 현상 또한 과도한 거품을 처리하는 데 시간과 효율성이 많이 소요될 수 있으므로 문제가 될 수 있다. 거품 제거제가 사용되지만, 식품을 가공할 때는 소수의 소포제만 사용할 수 있다.

부식은 감귤 주스와 같은 산성 용액을 농축할 때 발생할 수 있다. 표면 손상으로 인해 증발기의 수명이 단축될 수 있다. 증발 과정에서 식품의 품질과 맛 또한 저하될 수 있다. 따라서 증발기를 선택할 때는 제품 용액의 특성을 신중하게 고려해야 한다.

참조

_[1] 서적 Refrigeration and Air Conditioning Technology Cengage Learning 2016
_[2] 웹사이트 How Does an Air Conditioner Work? http://www.energyque[...] 2012-04-27
_[3] 논문 Desalination brine disposal methods and treatment technologies - A review 2019-11-25
_[4] 간행물 Handbook of pulp and paper technology Angus Wilde Publications 1990
_[5] 서적 Unit Operations of Chemical Engineering McGraw-Hill 1993
_[6] 웹사이트 multiple-effect evaporators with heat pump http://www.italschel[...]
_[7] 웹사이트 Wiped Film http://www.vobisllc.[...] 2018-04-30
_[8] 웹사이트 Rotary Evaporators: An Innovative Approach to Their Design https://www.azom.com[...] 2020-09-29

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