화학 플랜트에서는 가스와 함께 이동하는 액적, 즉 미스트를 효과적으로 제거하는 것이 중요합니다.
가스 중에 포함된 액적이 그대로 후단 설비나 배관으로 이동하면 제품 손실이 발생할 뿐만 아니라 배관 오염, 부식, 압력손실 증가, 후단 장치의 성능 저하 등 여러 문제가 발생할 수 있습니다.
이때 사용하는 대표적인 장치가 데미스터(Demister) 또는 미스트 엘리미네이터(Mist Eliminator) 입니다.
특히 회분식(Batch) 화학 플랜트에서는 데미스터를 직접 설계하거나 선정할 기회가 많지 않기 때문에 실제로 설비 선정 업무를 맡게 되면 어떤 조건을 확인해야 하는지 고민하기 쉽습니다.
이번 글에서는 데미스터의 기본적인 분리 원리부터 설치 위치, 가스 유량, 온도, 압력, 재질까지 실제 화학 플랜트에서 데미스터를 선정할 때 고려해야 하는 기본적인 사항을 정리해 보겠습니다.
1. 데미스터의 원리
데미스터는 가스에 포함되어 있는 액적을 물리적으로 분리하기 위한 장치입니다.
가장 간단하게 표현하면 금속 와이어로 만들어진 촘촘한 망(Mesh) 이라고 생각할 수 있습니다.
일반적인 와이어 메쉬 데미스터는 수많은 가느다란 와이어를 일정한 구조로 배치하여 가스가 그 사이를 통과하도록 만듭니다.
예를 들어 탱크 내부에서 가스가 아래쪽에서 위쪽으로 이동하고 있다고 하면, 가스에 포함된 액적 역시 가스 흐름을 따라 위쪽으로 이동합니다.
그러나 액적은 모두 같은 크기가 아니라 다양한 입경을 가지고 있습니다.
따라서 비교적 큰 액적은 데미스터의 와이어에 충돌하여 포집되는 반면, 매우 작은 액적은 데미스터를 통과할 수 있습니다.
이러한 점에서는 일반적인 필터와 비슷해 보이지만, 데미스터의 분리 원리는 단순한 여과와는 다릅니다.
와이어에 충돌한 액적은 서로 합쳐지면서 점점 큰 액적이 되고, 충분히 커지면 중력에 의해 아래쪽으로 떨어져 배출됩니다.
이때 중요한 개념이 종말속도(Terminal Velocity) 입니다.
액적이 중력에 의해 떨어지는 속도는 액적의 직경뿐만 아니라 액체 밀도, 가스 밀도, 가스 점도 등에 영향을 받습니다.
단순화된 조건에서는 다음과 같은 관계로 생각할 수 있습니다.
$$ u=\frac{gD^2(ρ_g-ρ)}{18μ} $$
여기서 (u)는 종말속도, (D)는 액적 직경, (\rho_l)은 액체 밀도, (\rho_g)는 가스 밀도, (\mu)는 가스의 점도를 의미합니다.
실제 화학 플랜트에서는 공기나 질소를 가스로 사용하고 물이나 유기용매를 액체로 사용하는 경우가 많기 때문에 유체의 물성이 크게 변하지 않는 경우도 많습니다.
따라서 데미스터의 성능을 생각할 때는 가스 속도와 액적 크기가 특히 중요한 요소가 됩니다.
2. 데미스터의 설치 위치
데미스터는 일반적으로 탱크 또는 용기의 상부 가스 배출 라인에 설치합니다.
기본적인 개념은 간단합니다.
가스는 위쪽으로 이동하고, 데미스터에서 포집된 액체는 중력에 의해 아래쪽으로 이동하도록 만드는 것입니다.
이렇게 설치하면 데미스터에서 포집된 액체가 가스 배관으로 계속 이동하지 않고 다시 탱크 내부로 떨어질 수 있습니다.
물론 공정 조건에 따라 수평 방향으로 설치하는 경우도 있지만, 이 경우에는 포집된 액체가 데미스터 내부에 계속 축적될 가능성이 있으므로 액체 배출 구조를 별도로 고려해야 합니다.
따라서 특별한 이유가 없다면 중력에 의한 액체 배출을 고려하여 수직 흐름으로 설치하는 것이 일반적으로 이해하기 쉬운 방식입니다.
3. 데미스터 선정에서 유량은 왜 중요한가?
데미스터 선정에서 가장 중요한 조건 중 하나가 가스 유량입니다.
탱크에서 배출되는 가스에는 주 공정가스뿐만 아니라 액체가 증발하여 발생한 증기도 포함될 수 있습니다.
예를 들어 30℃의 물이 들어 있는 대기압 탱크에 30℃의 질소를 100 L/min으로 공급한다고 가정해 보겠습니다.
30℃에서 물의 증기압은 약 4 kPa 수준이므로 탱크에서 나오는 가스는 질소와 수증기가 혼합된 상태라고 단순화할 수 있습니다.
예를 들어 다음과 같이 생각할 수 있습니다.
| 성분 | 유량 | 분압 |
|---|---|---|
| 질소 | 100 L/min | 96 kPa |
| 수증기 | ? | 4 kPa |
분압비를 이용하여 단순하게 계산하면 다음과 같습니다.
4/96×100=4.2 L/min
따라서 단순화된 조건에서는 수증기 유량을 약 4.2 L/min으로 계산할 수 있습니다.
다만 여기서 주의해야 할 점은 이것이 수증기량이며, 실제 데미스터가 처리해야 하는 액체 미스트의 양과 동일하지 않다는 것입니다.
실제 미스트 발생량과 데미스터에 도달하는 액적의 양은 가스 속도, 탱크 내부의 액체 거동, 액적 발생 조건, 배관 구조 및 액적 크기 분포 등에 영향을 받습니다.
따라서 데미스터 바로 앞에서의 미스트 부하를 생각할 때에는 가스 유량과 액체의 증기압뿐만 아니라 가스 배관의 직경, 배관 압력손실, 액적의 종말속도, 액적 크기 분포 등을 함께 고려해야 합니다.
특히 여기에서 배관 직경과 압력손실의 관계가 중요합니다.
가스 유량이 일정하다면 배관 직경에 따라 가스 속도가 달라지며, 일반적으로 배관 직경을 크게 하면 가스 속도와 압력손실이 감소합니다.
가스 속도가 낮아지면 상대적으로 큰 액적이 데미스터까지 이동하기 전에 중력에 의해 떨어질 가능성이 커집니다.
반대로 데미스터 자체도 메쉬 구조 때문에 유로 면적을 감소시키므로 압력손실이 발생합니다.
따라서 데미스터는 연결 배관과 동일한 크기로 단순하게 선정하기보다는 메쉬 내부의 가스 속도가 적절한 수준이 되도록 충분한 단면적을 확보하는 것이 중요합니다.
실제 설계에서는 이러한 상세한 사이징을 데미스터 제조업체에 의뢰하는 것이 일반적으로 안전합니다.
설계자가 제조업체에 제공해야 하는 기본적인 정보는 가스 유량, 가스와 액체의 종류, 운전 온도, 운전 압력이며, 가능하다면 제거하고 싶은 목표 액적 크기까지 제시하는 것이 좋습니다.
이러한 조건을 제공하면 제조업체에서 데미스터의 직경, 메쉬 구조, 압력손실 및 예상 분리 성능 등을 검토하여 적절한 제품을 선정할 수 있습니다.
4. 데미스터에서 온도가 중요한 이유
온도는 데미스터 선정에서 매우 중요한 조건입니다.
그 이유는 온도가 액체의 증기압과 직접적인 관계가 있기 때문입니다.
일반적으로 온도가 높아질수록 액체의 증기압이 증가하고, 그 결과 가스 중에 존재할 수 있는 증기의 양도 증가합니다.
화학 플랜트에서 공정가스를 냉각하기 위해 콘덴서나 다관식 열교환기를 사용하는 것도 이러한 현상과 관련이 있습니다.
따라서 데미스터를 선정할 때에는 단순히 가스의 온도만 확인하는 것이 아니라 해당 온도에서의 액체 물성 및 증기압까지 함께 고려해야 합니다.
특히 제조업체에 데미스터 선정을 의뢰할 때는 반드시 실제 운전온도를 정확하게 전달하는 것이 좋습니다.
5. 압력이 데미스터에 미치는 영향
많은 회분식 화학 플랜트에서는 데미스터가 대기압 부근에서 사용되는 경우가 많습니다.
그러나 진공 또는 고압 조건에서는 상황이 달라집니다.
데미스터는 기본적으로 얇은 와이어 메쉬 구조이기 때문에 차압이 크게 발생하면 메쉬 자체 또는 이를 지지하는 구조물이 변형될 가능성이 있습니다.
특히 진공 조건에서는 탱크 내부와 외부의 압력차에 의해 데미스터 지지 구조물에 하중이 발생할 수 있으므로 기계적인 강도 검토가 필요합니다.
따라서 상당한 진공 또는 압력 조건에서 데미스터를 사용할 경우에는 단순히 메쉬 크기만 결정해서는 안 되며, 지지 구조까지 포함하여 제조업체와 협의하는 것이 좋습니다.
또한 매우 높은 분리 성능이 필요한 경우에는 탱크 내부의 간단한 데미스터만으로 해결하기보다는 별도의 기액분리기(Separator)를 설치하는 것이 더 확실한 방법이 될 수도 있습니다.
6. 데미스터의 재질 선정
데미스터를 실제로 설계할 때 의외로 고민하게 되는 부분이 재질 선정입니다.
스테인리스 와이어 메쉬는 비교적 쉽게 구할 수 있고 다양한 화학 플랜트에서 사용할 수 있기 때문에 가장 일반적인 선택지 중 하나입니다.
그러나 강한 부식성 물질을 취급하는 경우에는 이야기가 달라집니다.
공정 유체에 따라서는 PTFE 계열 재질과 같은 내식성 재질을 검토해야 하지만, 스테인리스에 비하면 시장에서 선택할 수 있는 제품의 종류가 제한적일 수 있습니다.
또 다른 현실적인 방법은 스테인리스 데미스터를 사용하면서 부식에 의해 성능이 저하되기 전에 정기적으로 교체하는 것입니다.
이러한 선택은 단순히 재질의 내식성만으로 결정되는 것이 아니라 공정 유체의 조성, 온도, 부식 환경, 예상 수명, 유지보수 방식 및 교체 비용 등을 종합적으로 판단해야 합니다.
따라서 데미스터 재질을 선정할 때에는 운전온도와 압력뿐만 아니라 실제 화학적 부식 환경을 함께 고려해야 합니다.
정리
데미스터는 겉으로 보면 단순한 와이어 메쉬 구조의 장치처럼 보이지만, 실제로 적절한 제품을 선정하기 위해서는 여러 가지 공정 조건과 기계적인 조건을 함께 검토해야 합니다.
기본적인 분리 원리는 가스 중의 액적을 메쉬에서 포집하고, 액적끼리 합쳐지면서 충분히 커지면 중력에 의해 아래쪽으로 배출하는 것입니다.
따라서 실제 데미스터 선정에서는 가스 유량, 액체 및 가스의 물성, 액적 크기, 운전 온도, 운전 압력, 압력손실, 설치 방향 및 재질의 내식성 등을 종합적으로 확인해야 합니다.
특히 데미스터를 단순히 ‘배관 안에 설치하는 망’이라고 생각해서는 안 됩니다.
가스 속도와 액적 크기, 배관 직경, 압력손실 및 탱크 내부의 유체 거동이 서로 연결되어 있기 때문에 데미스터의 성능은 주변 배관과 설비 설계에도 영향을 받습니다.
다만 모든 상세 설계를 사용자가 직접 수행할 필요는 없습니다.
실제 설계에서는 운전조건을 정확하게 정리하여 제조업체에 전달하고, 제조업체의 선정 결과를 엔지니어가 공정 및 기계적인 관점에서 검토하는 방식이 현실적입니다.
결국 데미스터는 작고 단순해 보이는 장치이지만, 공정설계, 배관설계, 기계설계 및 유지보수의 지식이 함께 필요한 대표적인 화학 플랜트 설비라고 할 수 있습니다.
댓글