교체및설계

1. 계획

활성탄 흡착장치 계획은 기존 설비장치와 장래 계획 또는 건설하는 완전히 새로운 장치와의 관련성 및 신뢰성이 있어야 하며 그 밖에도 효율이 좋은 처리장치로서 언제나 고품질의 처리 수를 얻을 수 있어야 한다.

그러기 위해서는

원수의 성상을 충분히 파악해서 활성탄의 흡착특성과 세공분포와 피흡착 물질의 분자량 분포와의 관련성 따위에 관해 검토한다.

원수의 부하 경감과 활성탄 흡착공정의 위치 일부를 명확히 한다. 즉 피흡착 물질의 농도가 높을 경우는 다른 처리법에 의해 충분히 감소시킨 후에 활성탄 흡착처리를 행하는 것이 원칙이다.

사용목적에 의해 가장 적절한 활성탄의 선택과 사용방법을 행하지 않으면 안된다. 그러므로 피흡착 물질이 단일성분계인가 다 성분계 인가를 명확히 하고 평형흡착량과 용액시험의 결과로부터 활성탄의 수명과 접촉시간 따위의 설정조건을 정한다.

이상에서의 여러 가지 항목을 충분히 고려해서 활성탄 흡착공정을 계획하는 것이 필요하다.

결국, 정확한 흡착장치의 설계인자는 평형흡착, 흡착속도, 컬럼시험 등의 결과로부터 실제로 처리해야 될 용액의 최적 조건을 정하는 것이 필요하다.

2. 설계기준 예

선속도(Linear Velocity)	5-20 1/hr
공간속도(Space Velocity)	3-15 m/hr
역류세정속도(Backwashing Velocity)	25-50 m/hr
역류세정시간(Backwashing Time)	5-20 min
흡착장치의 전체 높이 대 직경의 비	약 2 : 1
활성탄층 높이(Bed Height)와 직경의 비	약 1:1-4:1
접촉시간(Contact Time)	10-40 min
* 컬럼시험에 의한 파과곡선을 작성, 일련의 접근방식으로서 결정하는 것이 가장 바람직 하다. * 흡착장치 전에 전처리 여과시설을 두는 것이 활성탄의 흡착능력을 향상시킨다.

3. 용어설명

접촉시간(Contact Time, CT)

활성탄의 충진량을 처리수량으로 나눈 값 "CT = AC Vol(㎥) ÷ Q(㎥/hr)"

선속도(Linear Velocity, LV)

활성탄과 물의 접촉을 나타내는 것으로 처리수량을 흡착장치 단면적으로 나눈 값

공간속도(Space Velocity, SV)

활성탄층을 통과하는 1시간당 처리수량을 활성탄 용량으로 나눈값.

즉, 1시간에 충진된 활성탄량의 몇 배의 물을 흘려보내는가 하는 통수량이다.

공간속도와 선속도 사이의 관계는 "SV(1/hr) = LV(m/hr) ÷ BH(m)" 이다.

활성탄 층고(Bed Height, BH)

활성탄층이 높을 경우, 탄층의 압력손실이 크게 되기 때문에 운전수위를 높게 취할 필요가 있어서 흡착장치의 높이가 커지며, 활성탄층 높이를 낮게하여 일정의 접촉시간을 유지하면 흡착탑의 면적이 커진다. 이와 같이 활성탄층 높이는 흡착장치 크기를 결정하는 중요한 인자이다.

즉 "BH=LV x CT"로 구할 수 있다.

4. 흡착탑 설계연습(예)

처리량(Flow Rate, Q)	: 9,000㎥/day( = 375㎥/hr) = 375㎥/hr ÷ 2sets = 187.5㎥/hr
선속도(Linear Velocity, LV)	: 13 m/hr
흡착탑 수(Filter Q'ty)	: 2 sets
직경(Filter Diameter, D)	: 187.5 ㎥/hr ÷ 13 m/hr = 14.42 ㎡ : D = √(4A ÷∏) = √(4x14.42 ÷3.14) = 4.3 m
면적(Filter Area, A)	: A = ∏D² ÷ 4 = (3.14 x 4.3²) ÷ 4 = 14.5㎡
활성탄 층고(Bed Height, BH)	: 4.3m(직경과의 비 1:1 적용)
접촉시간(Contact Time, CT)	: BH / LV = 4.3m/13 m/hr = 20분
공간속도(Space Velocity, SV)	: LV / BH = 13 m/hr/4.3m = 3 ( 1/hr)
역세수 소요량	: Q2= A x 역세속도 = 14.5㎡ x 30m/hr = 435㎥/hr 역세시간을 10분으로 할 경우 = 435㎥/hr x 1hr/60분 x 10분 = 72.5㎥/분
흡착탑 규격(Filter Size)	Activated Carbon Sand Gravel Free Board Total Height	: 4300 mm : 100 mm : 200 mm : 1300 mm : 5900 mm
	(주1) Bed Expansion 30％ 일 경우 (주2) 기타 여재 지지층을 포함한 구조
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5. 교체주기

활성탄의 평형흡착 시험
Ci - Ce Qe = ------------------ M
	Ci : 유입농도(Influent Water COD Consistency)
	Ce : 유출농도(Effluent Water COD Consistency)
	Qe : 평형흡착량(Equilibrium Adsorption of COD-g / AC-g)
	M : 활성탄 시료량
	※ 실험결과 평형흡착량 Qe = 0.47 COD-g / AC-g
활성탄 소요량 산출
(20 - 10) mg/ℓ M = ------------------------- = 0.021 AC-g / 폐수-ℓ(= 0.021 AC-kg/폐수-㎥) 470 mg-COD/AC-g
Q = 9,000 ㎥/Day ÷ 2 (AC Filter 2 Sets) = 4,500 ㎥ / Day / Sets 1Set당 활성탄 필요량 = 4,500 ㎥/Day x 0.021 kg/㎥ = 94.5 AC-kg/Day
활성탄의 수명
【방법1】교체주기를 300일로 유지관리 하기 위해 고정할 경우 1 Set당 필요한 활성탄 수량은 AC Vol(Ton) = 94.5 kg/Day x 300 Day = 28.35 Ton/Set AC Vol(㎥) = 28.35 Ton ÷ 0.45 Ton/㎥(충진밀도) = 63 ㎥/Set
【방법2】설계에 의해 흡착탑 규격을 먼저 고정할 경우 1 Set당 필요한 활성탄 소요량은 AC Vol(㎥) = A x BH = 14.5㎡ x 4.3m = 62.4㎥ AC Vol(Ton) = 62.4㎥ x 0.45 Ton/㎥(충진밀도) = 28.08 Ton/Set 따라서 활성탄 수명은 28.08 Ton-AC ÷ 94.5 kg-AC/Day = 297 Day 이다.

1. 개 요

냄새성분을 함유한 기체가 다음의 조건을 가지고 있는 경우, 에너지 소비량이 비교적 작은 흡착법이 전체적으로 경제적일 수 있다.

공기의 온도가 낮고 상온 부근이거나 높아도 100°C 이하인 경우

처리하려는 냄새성분을 함유하는 기체 중에 용매유 등 가연성분의 농도가 비교적 작은 경우

2. 설계시 고려사항

활성탄층 통과속도의 범위(Linear Velocity) : 0.2 - 0.4 m/sec

통과속도가 너무 느리면 흡착탑 면적이 커져 비경제적임

통과속도가 너무 빠르면 Fulidization이 일어나 활성탄이 비산됨

V > 125 x Diameter of Activated Carbon => 비산

접촉시간(Contact Time) : 1 - 3 Sec

활성탄 충진 높이 : 1m 전후(약 0.5 - 1m)

너무 낮으면 교체주기가 짧게 되고 너무 높으면 Pressure Drop이 커진다.

습도(Relative Humidity of Air) : 70% 이하

온도(Temperature of Air) : 40°C 이하

유기용제 농도 : LEL의 50% 이하(단 Ketone의 경우 25% 이하)

3. 설계 및 교체주기

설계를 위한 실례의 설정조건을 다음과 같이 한다.

처리하려는 배기량 Q = 30(㎥/min)

용매성분농도 Co = 120 ppm (톨루엔 40 ppm, 크실렌 80 ppm)

배기온도Ta = 30°C

배기압력 Pa = 20 mmAq

용매성분의 평균분자량 Mw 은

Mw = (92 x 40/120) + (106 x 80/120)

= (92 x 1/3) + (106 x 2/3) = 101.3

여기서 92 와 106 은 각각 톨루엔과 크실렌의 분자량이다.

이상의 조건에 기초하여 배기 중의 용매성분의 단위시간 당의 부하 w(kg/min)를 구하면 압력은 거의 대기압에 가깝다고 보아도 좋으므로 w 는 다음식에 의하여 계산된다.

ω = Q x (Co/10⁶ ) x (Mw/22.4) x 273 / (273 + Ta)

= 30 x (120/10⁶ ) x (101.3/22.4) x (273/303)

= 0.0147 kg/min ( = 0.88 kg/hr)

즉 매 시간당 약 0.88 kg의 용매가 발생된다.

한편 본 실례를 대상으로 하는 기체에 대해 층높이를 2단계로 하고 흡착시험을 시행하여 흡착대 Za를 구하면 Za = 0.05m인 값이 얻어졌다. 또 공탑기준의 유속 U=15m/min 인 조건에서의 동적평형 흡착량의 값으로서 qｏ = 0.28 (kg/kg-흡착제) (1kg의 건조 활성탄은 0.28kg의 용매성분을 흡착할 수 있다.)의 값이 얻어졌다.

더욱이 이 시험에서 입구농도 Co=120 ppm이고 출구농도 C = 5 ppm 이하의 목표로 하는 농도에 대하여는 충분히 달성이 가능하다는 것이 확인되고 있다.

활성탄의 충전층 높이 Z = 0.6 m 일 때

qe = qo (1 - Za/2Z)

= 0.28 (1 - 0.05/2 x 0.6)

= 0.268 (kg/kg-흡착제)

로 된다.

이 식에서 (1-Za/2Z)는 충전층 높이 Z에 대한 파과시의 유효이용율을 표시하는 것이다. 더욱이 흡착대에 상당하는 충전부는 평균하여 절반흡착상태, 절반 비흡착 상태로서 50％가 흡착 상태인 것을 의미한다. 활성탄의 성능열화, 조건의 변동, 장치에 대한 여유율 등의 인자를 고려하여 qe의 80％를 설계상 사용할 수 있는 흡착용량 qe＇로 한다.

따라서

qe＇= 0.8 x qe = 0.8 x 0.268 = 0.214(kg/kg-흡착제)

로 된다.

공탑기준의 유속 U = 15(m/min)

소요단면적 A = Q/U = 30/15 = 2㎡

활성탄의 충진비중 BD = 400(kg/㎥)

활성탄의 충진량 W = AxZxBD = 2 x 0.6 x 400 = 480 kg

따라서 유효사용기간(파과시간) tB는 충진한 활성탄 480kg이 흡착할 수 있는 혼합용매의 중량 q 가

q = W x qe＇= 480 x 0.214 = 103 kg

이므로

tB = q/ω = 103/0.88 = 117 hr

로 된다.

그래서 실제의 도장시간을 하루 평균 4시간으로 하고 주당 가동일수를 5일로 하면 활성탄을 교환하는 간격은 117/(4x5) = 5.9 즉 5 - 6주로 된다. 따라서 5 - 6주간 마다 사용한 활성탄을 재생한 활성탄 또는 신탄과 교환하며 사용한 활성탄은 재생시킬 필요가 있다. 더욱이 사용한 활성탄의 중량은 용매성분 외에 수분 등을 흡착하고 있으므로 약 600 - 700 kg 로 된다.

이 경우 접촉시간은

Ct = 0.6/15 = 0.04 min = 2.4 sec

이다.

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