고액 세척 및 재순환 루프는 얼음 분리기 주변의 연속적인 폴리싱(polishing) 단계로 통합됩니다. 동결 담수화 파일럿 플랜트에서 해수는 비교적 순수한 얼음 결정이 농축된 염수 슬러리 내에 형성될 때까지 냉각된 다음, 기계식 스키머나 분리기를 통해 얼음이 제거됩니다. 일반적으로 5% 정도의 녹은 생산수 일부가 재순환되어 분리된 얼음 층을 세척하며, 얼음이 최종 생산 스트림으로 녹기 전에 염분이 많은 염수를 밀어냅니다.
재순환 루프는 표면에 잔류하는 염수를 저염도의 녹은 물로 대체하여 제품 순도를 향상시킵니다. 이 루프의 설계는 세척 효율성과 생산수 손실, 그리고 펌프, 분리기, 용해기에 가해지는 추가적인 유압 부하 사이의 균형을 맞춰야 합니다.
동결 담수화 회로 구성 방식
냉각 및 결정화로 고액 혼합물 생성
공급 해수는 냉각 또는 결정화 장치로 들어가며, 여기서 물은 얼음 결정으로 우선적으로 동결됩니다. 용존 염류는 주로 동결되지 않은 액체에 남아 농축된 염수 슬러리를 생성합니다.
따라서 결정화기는 깨끗한 고체와 깨끗한 액체를 직접 생성하지 않습니다. 대신 일부 염수를 포함하거나 운반하는 얼음을 생성하므로, 후속 고액 분리 단계가 매우 중요합니다.
기계적 분리를 통한 얼음 수확
기계식 스키머, 슬러셔, 스크린 또는 유사한 분리기가 염수가 풍부한 슬러리에서 얼음 결정을 제거합니다. 분리된 염수 스트림은 공정에서 배출되어 염 농도 상승이 제품 루프를 오염시키지 않도록 합니다.
수확된 얼음에는 여전히 얇은 막이나 농축된 염수 주머니가 남아 있습니다. 이 잔류 액체가 녹은 생산물에 남아 있는 잔류 염분의 주된 원인입니다.
용해기를 통한 생산수 스트림 생성
세척 후 얼음은 용해 장치로 이동합니다. 생성된 액체는 담수화된 생산수로 수집되며, 염수와 세척 폐수는 깨끗한 제품 배출구로부터 멀리 유도됩니다.
공정 경계는 세척된 얼음, 최종 생산수, 재순환 세척수, 퍼지 염수(purge brine)를 구분해야 합니다. 이를 별도의 스트림으로 처리하면 단위 조작을 분석하고 제어하기가 더 쉬워집니다.
고액 세척 루프의 작동 원리
생산수의 일부 전환
생산수 라인은 용해 후 분기됩니다. 녹은 물의 대부분은 사용 가능한 제품으로 나가고, 소량은 펌프를 통해 얼음 분리기로 다시 보내집니다.
대표적인 파일럿 플랜트 구성은 녹은 순수 생산수의 약 5%를 재순환시킵니다. 정확한 값은 보편적인 설계 요구사항이라기보다 운영 변수입니다.
재순환수가 잔류 염수를 대체
재순환수는 얼음 층 전체에 분배되거나 스키머를 통해 분사되어 결정 표면과 접촉합니다. 잔류 염수보다 염분 함량이 훨씬 낮기 때문에 염분이 포함된 액체 막을 밀어내고 희석합니다.
세척 폐수는 깨끗한 생산수 스트림과 분리되어 유지되며, 일반적으로 농축 염수 배출구 또는 다른 폐기 스트림과 결합됩니다.
분리와 통합된 세척
세척 단계는 파일럿 플랜트가 멈춘 후 수행되는 별도의 배치(batch) 작업이 아닙니다. 이는 연속적인 고체 처리 공정에 통합되어 얼음 제거, 세척, 용해가 순차적으로 이루어지도록 합니다.
이러한 구성을 통해 운영자는 안정적인 작동 조건 하에서 세척 효율, 염분 제거율, 기계적 분리와 액체 치환 간의 상호작용을 연구할 수 있습니다.
재순환이 필요한 이유
잔류 염수가 최종 생산수 염도를 결정
얼음이 β만큼의 염수 중량 분율을 유지하고, 그 염수의 염 농도가 σ라면, 녹은 얼음 제품의 염 농도는 다음과 같이 근사할 수 있습니다:
ε = σ × β
여기서 ε은 잔류 액체에 의해 유입된 염 농도를 나타냅니다. 염수가 고농도일 경우, 적은 양의 잔류 액체만으로도 상당한 제품 염도가 발생할 수 있습니다.
세척으로 고체와 함께 운반되는 액체 감소
재순환 루프는 얼음과 함께 물리적으로 운반되는 염수의 양인 β를 목표로 합니다. 이 값을 줄이면 용해기로 전달되는 염분이 감소하고 최종 물의 순도가 향상됩니다.
예를 들어, 잔류 염수를 1.0 wt%에서 0.5 wt%로 줄이면 고체상에서 유입되는 염분 부하가 실질적으로 감소합니다. 실제 음용수 회수율 개선은 결정화기 수율, 염수 농도, 세척수 수요 및 제품 사양에 따라 달라집니다.
비이상적 분리를 보여주는 루프
이상적인 분리기는 건조한 얼음을 용해기로 보내고 모든 염수를 폐기 스트림으로 보낼 것입니다. 파일럿 플랜트는 대신 포획되거나 표면에 부착된 액체를 포함하여 젖은 결정의 실제 거동을 모델링해야 합니다.
이로 인해 이 시스템은 결정화기, 분리기, 세척 구역, 용해기에 걸친 성분 수지를 교육하는 데 유용합니다.
재순환 모델링 방법
시스템 경계 정의
실용적인 수지 계산에는 냉각 또는 결정화 장치, 기계식 분리기, 세척 섹션, 용해기, 제품 배출구, 재순환 라인 및 염수 퍼지가 포함되어야 합니다.
수지 계산은 총 물과 염분을 모두 추적해야 합니다. 또한 세척 스트림이 제품, 폐기물 또는 내부 순환 중 어디에 해당하는지 식별해야 합니다.
재순환 흐름 계산
용해기가 총 녹은 물 흐름 M을 생성하고 그중 f 분율이 재순환된다면:
- 재순환 흐름:
fM - 기타 손실 전 순수 제품 흐름:
(1 - f)M
대표적인 5% 재순환의 경우 f = 0.05입니다. 따라서 루프는 0.05M을 분리기로 반환하고, 퍼지 및 운영 손실을 고려하기 전 약 0.95M을 순수 제품으로 남깁니다.
염수 퍼지 포함
재순환 루프는 염분과 축적된 폐기 액체를 제거하지 않고는 무한히 작동할 수 없습니다. 치환된 염수는 제어된 폐기 또는 퍼지 스트림을 통해 나가야 합니다.
적절한 퍼지가 없으면 염분이 시스템 내에서 순환하여 세척수의 염도를 점진적으로 높이고 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다.
총 순환량을 고려한 장비 크기 산정
펌프, 배관, 분사 또는 분배 장치, 저장 탱크 및 분리기는 순수 제품 흐름 외에도 내부 재순환 흐름을 처리할 수 있어야 합니다.
재순환율은 체류 시간, 유압 부하, 얼음 층 깊이 및 염수 처리 시스템에 필요한 용량에도 영향을 줄 수 있습니다.
파일럿 플랜트 운영 제어
세척 속도 제어
세척수 흐름은 주 제품 흐름과 독립적으로 측정 및 조정되어야 합니다. 운영자는 재순환 분율을 변경하여 세척 강도에 따라 제품 염도가 어떻게 변하는지 확인할 수 있습니다.
유량계, 제어 밸브 및 샘플링 지점은 기본적인 교육 시스템에 충분하며, 연구용 시스템은 세척 폐수 및 최종 제품에 전도도 또는 염도 측정 기능을 추가할 수 있습니다.
얼음 전체에 물을 고르게 분배
분배가 불량하면 염수가 결정에 붙어 있는 젖지 않은 영역이 생길 수 있습니다. 따라서 세척 시스템은 물을 한 지점에 방출하는 대신 얼음 층 전체에 퍼뜨려야 합니다.
분리기 형상, 얼음 깊이, 결정 크기 및 접촉 시간은 모두 재순환수가 잔류 염수를 얼마나 효과적으로 치환하는지에 영향을 미칩니다.
제품 및 폐기물 품질 모니터링
제품의 전도도 또는 염 농도는 세척 단계가 목표를 달성하고 있는지 나타냅니다. 폐기물 염도는 퍼지가 치환된 염수를 효과적으로 제거하고 있는지 확인하는 데 도움이 됩니다.
질량 수지 폐쇄(Mass-balance closure)는 공급수와 염분을 제품, 폐기물 및 내부 재순환 스트림과 비교하여 확인해야 합니다.
트레이드오프 이해
세척이 많을수록 순도는 좋아지지만 생산수는 소비됨
재순환 분율을 높이면 일반적으로 더 많은 세척 용량을 제공하고 얼음으로부터의 염분 전달을 줄일 수 있습니다. 그러나 분리기로 다시 보내지는 모든 물은 순수 제품으로 사용할 수 없게 됩니다.
최적의 재순환율은 필요한 제품 염도와 안정적인 작동을 달성하는 가장 낮은 비율입니다.
재순환은 유압 및 기계적 부하를 증가시킴
내부 순환은 펌프, 파이프, 분리기 및 탱크가 처리하는 흐름을 증가시킵니다. 과도한 흐름은 얼음 층을 교란하고, 튀김이나 동반 현상을 증가시키며, 분리 효율을 떨어뜨릴 수 있습니다.
따라서 파일럿 장비는 원하는 순수 물 생산 속도가 아니라 총 공정 순환량을 기준으로 크기를 산정해야 합니다.
세척은 우수한 결정화 및 분리를 대체하지 않음
세척 루프는 제대로 제어되지 않은 동결, 과도한 염수 동반 또는 과부하된 분리기를 완전히 보완할 수 없습니다. 결정 크기, 슬러리 농도, 배수 시간 및 분리기 성능은 여전히 중요합니다.
최고의 설계는 제어된 결정화와 효과적인 고체 배수, 그리고 측정된 세척 단계를 결합합니다.
재순환수가 오염될 수 있음
재순환 취수 지점이 제대로 분리되지 않았거나 오염된 스트림의 하류에 위치하면, 염분이 제거되지 않고 얼음 층으로 되돌아갈 수 있습니다. 재순환 지점은 용해기의 깨끗한 쪽에 위치해야 하며, 생산수와 폐기물 스트림 사이에 명확한 분리가 있어야 합니다.
오염 물질 축적을 방지하기 위해 퍼지와 주기적인 품질 점검이 필요합니다.
목표에 맞는 올바른 선택
루프를 고정된 운영 가정이 아닌 실험적 설계 변수로 사용하십시오.
- 주요 초점이 제품 순도인 경우: 얼음과의 세척수 접촉을 늘리거나 최적화하고, 최종 염도를 모니터링하며, 총 재순환율을 높이기 전에 잔류 염수를 줄이십시오.
- 주요 초점이 물 회수율인 경우: 재순환된 생산수는 순 생산량을 줄이므로, 필요한 염분 사양을 유지하면서 재순환 분율을 최소화하십시오.
- 주요 초점이 질량 수지 교육인 경우: 결정화기, 분리기, 세척기, 용해기, 퍼지 및 재순환 라인 주변의 모든 스트림을 정의한 다음 물과 염분을 독립적으로 추적하십시오.
- 주요 초점이 연속 파일럿 운영인 경우: 제어된 흐름 분배, 염수 퍼지, 샘플링 지점 및 전방 및 재순환 흐름 모두를 위한 장비 용량을 제공하십시오.
잘 설계된 동결 담수화 파일럿 플랜트는 세척과 재순환을 통합된 물질 전달 및 분리 문제로 취급하여 제품 순도, 회수율 및 장비 한계를 함께 최적화할 수 있도록 합니다.
요약 표:
| 공정 요소 | 기능 | 주요 설계 고려사항 |
|---|---|---|
| 결정화기 | 물을 얼음으로 동결시키면서 염수를 농축 | 결정 크기, 슬러리 농도 및 동결 조건 제어 |
| 기계식 분리기 | 염수가 풍부한 슬러리에서 얼음 제거 | 염수 혼입 최소화 및 효과적인 배수 유지 |
| 재순환 세척 루프 | 저염도 녹은 물을 사용하여 얼음 표면의 염수 치환 | 재순환 분율 최적화 (일반적으로 녹은 물의 약 5%) |
| 용해기 | 세척된 얼음을 생산수로 변환 | 세척된 얼음, 생산수, 재순환 및 폐기물 스트림 분리 유지 |
| 염수 퍼지 | 치환된 염수 및 축적된 염분 제거 | 재순환 루프 내 염분 축적 방지를 위한 퍼지 용량 유지 |
| 모니터링 및 제어 | 흐름, 전도도, 염도 및 질량 수지 폐쇄 추적 | 안정적인 작동 하에서 세척 속도 및 제품 품질 측정 |
| 주요 트레이드오프 | 세척 증가 시 순도는 향상되나 순 생산 흐름 감소 | 제품 사양을 충족하는 가장 낮은 재순환율 사용 |
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