개념 한 쪽
증발관은 액체를 가열하여 용매를 증발시키고 용질을 농축하는 장치이다. 증발능력은 열전달량에 의해 결정되며 Q=U·A·ΔT 관계를 기초로 원인을 분석한다. 다중효용 시스템에서는 각 효용관의 총괄열전달계수에 따라 관별 온도차가 분배되며, 농축 문제는 용질 질량 보존을 기본 원리로 풀이한다.
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출제기준 단원 「증발관」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 증발능력 영향요인 판단 | 1 | 열전달계수·유속·압력 변화가 증발능력에 미치는 영향 가리기 |
| 구조별 장단점 비교 | 1 | 수직관식과 수평관식의 장단점 중 탈기 효율 관련 항목 고르기 |
| 다중효용 온도분배 계산 | 1 | 효용관별 U값으로 온도차를 분배해 특정 관의 비점 계산하기 |
증발관의 핵심 성능 지표는 단위 시간당 증발되는 용매의 양이며, 이는 전체 열전달량에 비례한다. 열전달량 Q는 총괄열전달계수 U, 전열면적 A, 유효 온도차 ΔT의 곱으로 표현되므로 U나 A가 크거나 ΔT가 클수록 증발능력이 커진다. 따라서 증발능력 향상을 위해서는 열전도도가 큰 재질 사용, 유속 증가로 인한 유체 측 열전달 향상, 혹은 공정압력 저하를 통한 끓는점 하강 등이 유효한 수단으로 작용한다.
증기측 격막계수나 열전달계수 같은 계수는 열전달 저항과 직결되므로, 해당 계수가 감소한다는 표현이 문제 문맥상 열전달량을 줄이는 요인이 될 수 있음을 주의해야 한다. 즉, 열전달 '계수'가 감소하면 동일한 조건에서 전달되는 열량이 감소하여 증발능력이 저하된다는 점을 명확히 한다.
수직관식(침수식)과 수평관식 증발관은 구조적 특성과 장단점에서 차이를 보인다. 수직관식은 내부에서 기포 상승에 의한 교반 효과로 열전달계수가 크고 관석 제거가 용이하며 증발효과가 우수한 반면, 비응축 기체의 배출(탈기)에서는 수평관식보다 불리할 수 있다. 따라서 구조 선택 시 열전달 효율과 탈기 성능을 모두 고려하여 결정해야 한다.
다중효용관 증발기에서는 전체 공급 증기의 온도와 최종 용액의 비점 사이의 전체 온도강하가 각 효용관에 분배된다. 각 효용관에서의 온도강하는 총괄열전달계수 U에 반비례하므로, U가 작은 효용관일수록 더 큰 온도강하를 차지한다는 원리를 적용하여 관별 온도를 역산할 수 있다. 이 관계는 U1ΔT1 = U2ΔT2 등 비례식을 이용하여 간단히 계산한다.
농축 문제는 질량보존 원리에 따라 풀이한다. 공급액의 용질 질량은 증발과정에서 변하지 않으므로 공급된 용질 질량을 최종 농도에 맞추어 농축액의 질량을 계산한 뒤, 공급량에서 농축액량을 빼면 증발된 용매의 양을 얻는다.
예1) 농도 문제 대표 풀이 과정을 설명한다. 1.5wt% 용액 1000kg/h를 10wt%로 농축할 때, 공급된 용질 질량은 1000×0.015=15kg이다. 최종농도 10%에 이르는 농축액량은 15÷0.10=150kg이다. 따라서 증발된 용매량은 1000−150=850kg/h가 된다.
예2) 다중효용관에서 온도 분배 계산 예시를 설명한다. 3중 효용관에서 첫 증발관 증기 온도가 110℃이고 맨 끝 효용관 비점이 53℃이며 U값이 각각 2.5×10^3, 2.0×10^3, 1.0×10^3인 경우 전체 온도강하는 110−53=57℃이다. ΔT는 U에 반비례하므로 비례값은 1/(2.5×10^3):1/(2.0×10^3):1/(1.0×10^3)으로 정리하면 대략 2:2.5:5 비율이 된다. 총합 9.5에서 세 번째 효용관의 ΔT는 5/9.5×57≈30℃이므로 해당 효용관의 비점은 약 53+30≈83℃ 근처가 된다. 이와 같이 U가 작은 쪽에서 더 큰 온도강하가 발생한다는 점을 이용한다.
예3) 증발기 경제성 계산 예시를 설명한다. 단일효용에서 10%를 50%로 농축할 때 공급 55,000kg/h의 용질 질량은 55,000×0.10=5,500kg/h이다. 농축액량은 5,500÷0.50=11,000kg/h이므로 증발량은 55,000−11,000=44,000kg/h이다. 증기 소비량이 4.75×10^4kg/h이면 경제성은 44,000÷47,500≈0.926이 된다.
증발관의 능력을 크게 하기 위한 방법으로 적합하지 않은 것은?
정답 ④ · 문제는 증발기의 증발 능력을 크게 하기 위한 방법들 중 적합하지 않은 것을 고르라고 요구하고 있다. 전체 열전달량은 Q = U A ΔT의 형태로 표현되며 열전달 계수 U가 커져야 능력이 증가한다.
증발관 열전달 계수는 열전도도, 유속, 온도차에 비례하므로, 격막계수를 감소시키면 열전달이 저하되어 증발 능력이 떨어진다.
침수식 방법에 의한 수직관식 증발관이 수평관식 증발관보다 좋은 이유가 아닌 것은?
정답 ③ · 수평관식에 비해 수직관식 침수 증발관은 액면에서의 기포 발생과 박리 현상으로 열전달 계수가 훨씬 크고 관석 청소가 용이하며 높은 증발 효과를 가집니다. 하지만 구조상 증기 내 비응축 기체를 배출하기 위한 탈기(deaeration) 효율은 수직형보다 수평관식이나 별도 설비에서 더 유리하게 설계되기 때문에 탈기 효율이 좋다는 사유는 장점이라 보기 어렵습니다.
수직관식 증발관은 열전달계수와 청소 용이성, 증발효과가 우수하지만 비응축 기체 탈기 효율은 수평관식이 더 유리합니다.
3중 효용관의 첫 증발관에 들어가는 수증기의 온도는 110℃이고 맨 끝 효용관에서 용액의 비점은 53℃이다. 각 효용관의 총괄 열전달계수 (W/m²ㆍ ℃ )가 2500, 2000, 1000일 때 2효용관액의 끓는점은 약 몇℃인가? (단, 비점 상승이 매우 작은 액체를 농축하는 경우이다.)
정답 ② · 문제는 세 개의 효용관에서 총괄열전달계수 U에 반비례하여 분배되는 온도강하를 이용해 2효용관의 끓는점을 구하라고 하고 있다. 각 관의 ΔT는 1/U에 비례하므로 비율은 1/2500:1/2000:1/1000 = 2:2.5:5로 합은 9.5 단위(참고치 산식에 따라 약간의 근사 가능).
총괄 열전달계수(U)가 작을수록 온도차(ΔT)가 커야 하므로, 2효용관의 온도는 중간값을 가진다.
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