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화학공학 원리

열교환 과정에서의 Concurrent flow(병류)와 Countercurrent flow(역류)의 추진력 비교

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25도의 냉각수가 100도의 묽은 수용액을 40도까지 냉각하는 상황을 가정해 보자. 열의 유량은 1000kg/h이고, 냉각수의 유량은 5000kg/h이다. 이러한 설정에 병류가 사용될 때와 역류가 사용될 때의 추진력 차이를 비교해 보자.

 

설정 도식

 

병류(Concurrent)와 역류(Countercurrent)

 

 

냉각수의 초기 온도는 매우 낮다. 만약 위 공정에서 병류가 사용된다면, 냉각수가 처음으로 마찰하는 것은 최고온 상태의 (100도에 인접한) 수용액이다. 상이한 존재들 사이의 불균형을 메우는 방향으로 움직이는 것은 물질계의 도드라지는 특성이다. 그러므로 냉각수가 최고 온도의 수용액을 만났을 때의 열 전달 속도는 매우 빠르다. 냉각수의 온도는 빠른 속도에 상응하여 빠르게 올라갈 것이고, 냉각수와 접촉되는 수용액의 온도 역시 비슷한 속도로 하강하며 한시바삐 냉각수와 자기 자신의 온도 차를 줄이려는 동향을 보일 것이다. 이때의 추진력은 하강한다. 즉, 너무 뜨거운 수용액과 마찰해 버리는 바람에 '냉각하는 용매' 로서의 자신의 잠재력(기능)을 빠르게 소실해 버리고 만다.

 

병류를 사용할 경우

 

 

그렇다면 만약 역류의 유(流)형을 사용하면 어떨까? 냉각수의 온도가 가장 낮을 때(가질 수 있는 최상의 힘을 가지고 있을 때) 마찰하는 수용액의 온도는 이미 비교적 낮아져 있다. 냉각수의 입장에서, 낮은 온도의 수용액을 냉각하는 것은 높은 온도의 수용액을 냉각하는 것보다 훨씬 쉽다. 두 물질의 차이가 작을수록, 둘이 같아지기 위해 둘 사이에서 일어나야 하는 변화의 크기도 작기 때문이다. 아직 잠재력을 조금밖에 쓰지 않은 냉각수는 제 자신의 온도가 소폭 상승한 뒤에도 여전히 다가오는 '가장 뜨거운 상태의 수용액' 을 냉각할 수 있다. 병류의 유(流)형을 사용한 앞의 사례와 상반되게, 고효율의 운용이 가능한 추진력을 보여주는 셈이다.

 

역류를 사용할 경우

 

 

따라서 주어진 상황에서는 역류를 사용하는 것이 공정의 추진력을 극대화시킬 수 있는 방법이다.

 

 

 

 

병류의 LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference)

 

역류의 LMTD (Logarithmic Mean Temperature Difference)

 

그러나 물론 언제나 역류를 사용한다고 좋은 것은 아니다. 경제적이고 합리적인 자원 이용을 위해 상황과 상태를 고려해 적절한 선택을 하는 것이 중요하다. 가령, 관형 고정상 반응기를 이용해 옥시메틸렌에서 무수물을 얻는 반응을 일으켜야 하는 상황이라고 가정하자. 이런 강한 열을 방출하는 반응에는 적정한 온도를 유지하기 위한 냉각수가 필수이다. 만약 반응이 445도 즈음에서 일어나고 냉각(열 교환)을 위해 370도 정도의 용융 염(molten salt)을 사용하여 최종적으로 배출되는 용융 염의 온도를 390도 전후로 맞추고자 한다면, 병류와 역류 중 어느 방식을 채택해야 할까?

 

반응기 입구에서 반응물의 농도는 고점에 있다. 반응 속도 역시 고점에 있다. 이는 방출되는 반응열 역시 크다는 뜻이다. 우리는 강한 열을 방출하는 반응에서 열을 제거하기 위해 냉각수를 사용하는 것이고, 그러므로 방출하는 열이 큰 상태에서는 힘이 센 냉각수를 써 그만큼의 열을 덜어내야 한다. 반면 반응기 출구에서 반응물의 농도나 반응 속도는 저점에 있고, 그러므로 방출되는 반응열이 작다. 작은 반응열 정도는 온도가 그리 낮지 않은 냉각수로도 충분히 상쇄할 수 있다. 그러므로 이 실험에서는 냉각수가 '반응기 입구에서 최저온, 출구에서 최고온' 이 되도록 병류를 사용하는 것이 합리적이다.