박준택 공학박사 / 한국에너지기술연구원 고효율에너지연구부 책임연구원 서동균 / 삼영화학기계(주) 기술부장 1. 장치의 원리 및 특징 가. 원리 분무건조법(Spray Drying)은 액상의 원료를 분무, 미립화하여 열풍기류중에 접촉시키면 순간적으로 증발, 건조되어 일거에 분립상 제품을 얻을 수 있는 방법이다. 분무건조공정은 다음과 같이 4단계로 구분할 수 있다. Stage 1 미립화(Atomization) Stage 2 기액접촉(Spray-Air contact) Stage 3 증발(Evaporation) Stage 4 제품회수(Product Recovery) 따라서 분무건조장치는 기본적으로 다음과 같은 장치들로 구성되어 있다. 1) 원액공급장치 2) 원액미립화장치 3) 열풍발생장치 4) 열풍분배기(열풍실) 5) 분무건조실 6) 제품회수장치 7) 배기장치 등 나. 특징 분무건조의 특징을 열거하면 다음과 같다. ① 건조대상물이 액상원료이다. 용액(solution), 슬러리(slurry), 페이스트(paste)상 등 액체원료이다. ② 액상원료로부터 바로 분립상 제품을 얻을 수 있다. 여타 건조방식을 채용할 경우 제조공정은 농축, 여과, 건조, 분쇄, 분급, 조립 등의 많은 공정을 필요로 하지만 분무건조장치를 채용하면 공정 생략이 가능하다. ③ 건조시간이 매우 짧다. 미립화된 액적은 통상 10~200㎛이며, 원액의 표면적과 비교하여 매우 크다. 따라서 표면적을 증가시켜 수열면적을 크게하여 건조시키기 때문에 여타 건조방식의 건조시간이 분 또는 시간단위인 것에 대하여 초단위(5~30초) 건조가 가능하다. ④ 열에 민감한 원료의 처리가 가능하다. 액의 미립화로 표면적이 증가하여 건조가 순간적으로 일어나기 때문에 영양분, 방향(芳香)성분 등 열에 민감한 물질을 열변성이 없이 건조 가능하다. ⑤ 고온건조가 가능하기 때문에 열효율을 높일 수 있다. 열적 제한이 있는 물질에서도 습구온도 이내에서 건조되기 때문에 타의 열풍건조기 보다 고온건조가 가능하다. ⑥ 제품형상을 중공구상(中空球狀)으로 하는 것이 가능하다. 분무액적을 열풍에 접촉시켜 건조하기 때문에 수분증발속도가 매우 빨라 건조제품형상은 거의 중공구상으로 된다. 때문에 분유, 세제, 인스탄트 커피, 쥬스 등과 같이 용해성 및 유동성을 요구하는 제품에 최적이다. ⑦ 제품성상 조정이 가능하다. 제품의 수분, 진비중, 입도분포 등을 원액의 농도, 분무조건, 건조온도조건 등을 변화시키는 것으로 제품성상을 조절하는 것이 가능하다. ⑧ 연속조작 및 대량처리가 가능하다. 2. 장치의 형식 분무건조는 원액의 성상, 건조조작조건에 의해 입도, 수분, 부피밀도(bulk density) 등 제품성상을 어느정도 조절가능 하지만 정해진 장치내에서는 한도가 있기 때문에 장치형식 선정이 중요하다. 분무건조장치는 일반적으로 열풍의 액적과의 접촉방식, 원액의 분무방식 등에 따라 대별된다. 기액접촉방식에 따라 분류하면 (1)병류형, (2)향류형, (3)병향류형(혼합형) 등 3가지 형식이 있다. 병류형(co-current flow dryer)은 분무액적과 열풍이 동일방향으로 흐르면서 건조 배기되며, 또한 제품도 배기중에서 회수된다. 초기에는 고온의 열풍과 건조가 진행되면서 저온의 열풍과 접촉하는 가장 널리 사용되고 있는 형식이다. 회전원반식과 노즐식 등 분무방식에 관계없이 채용되며, 병류형에서도 장치의 형식에 따라서는 수평병류형과 수직하강병류형으로 구분된다. 향류형(counter-current flow dryer)은 주로 노즐식 분무방식에 채용되고 있다. 원액은 건조탑 상부에서 노즐에 의해 분무되고, 열풍은 탑 하부 원통주위로부터 도입되어 상방향으로 흐르면서 건조한다. 이 경우 제품은 저온의 열풍에서 건조가 시작되어 건조 종료시점에서는 고온의 열풍과 접촉한다. 이 형식은 합성세제와 같은 큰 입자의 건조에 적합하고 비교적 열효율도 높다. 그리고 탑고가 높기 때문에 일반적으로 ‘타워식’이라 부른다. 혼합류형(mixed flow dryer)은 통상 노즐식의 경우에 채용되고 있다. 열풍은 건조탑 상부로부터 하부로 도입되고, 액적은 탑 하부에서 노즐에 의해 상부로 분무되며, 초기는 열풍과 향류로 접촉한 후 중력에 의해 낙하한다. 이 방식은 탑내에서의 체류시간이 길며, 페라이트나 알루미나 건조 등에 사용되고 있다. 한편 분무방식에 의한 분류는 (1)회전원반형, (2)노즐형으로 대별된다. 이들 방식에 따라 건조탑(건조실) 형상이 결정되며, 각각의 형식에 적합합 건조탑 형상이 채용된다. 회전원반형은 횡방향으로 액적 비산(飛散)이 많기 때문에 노즐방식에 비해 탑경이 크고 탑고가 낮게 할 수 있다. 반면에 노즐형의 경우 탑경은 적게 하여도 탑고는 높게 할 필요가 있다. 3. 분무기 분무건조법에 얻을 수 있는 제품입도는 거의 미립화시 액적경에 지배된다. 따라서 원액을 미립화하는 분무기(atomizer)는 분무건조장치의 심장부에 해당하는 것으로서 적정한 형식 선정과 설계가 중요하다. 분무기는 크게 회전원반식(rotary disc atomizer)과 노즐식(nozzle)으로 대별되며, 노즐식은 압력노즐형(pressure nozzle)과 2유체노즐형(two-fluid nozzle)으로 구분된다. (1) 회전원반식 분무기 고속으로 회전하는 직경 20~50cm의 원반의 중심에 액을 부으면 원반의 원심력에 의해 액은 원반 주변에서 미립화한다. 이 원리를 이용한 것이 회전원반식 분무기이며, 구조가 복잡함에도 불구하고 옛날부터 분무건조기에 사용되고 있다. 이 형식은 수직하강 병류형 건조탑에 많이 사용되지만, 노즐형에 비교하여 건조탑 직경은 커진다. 가장 간단한 회전원반식 분무기는 원판형 및 접시형이고 이것을 개량하여 보다 강력한 원심효과를 부여하는 동시에 가장자리에 배압(背壓)을 지니게 한 컵형이 보통 사용되고 있다. 고점성액체에는 다익형이 사용되며, 원반의 측주면(側周面)에 여러개의 구멍을 낸 다공형도 많이 사용되고 있다. 원반의 주속(周速)은 100m/sec 정도를 필요로 하므로 회전수는 4,000~20,000rpm로 고속이 되며, 한편 탑 천정부에 분체를 부착시키지 않으려면 천정과 회전원반과의 간격을 상당히 넓게 취해야 한다. 이 방식의 특징은 ①공급량의 ±25%의 변동에 대하여 동일 원반에서 동일물성(입도분포, 충진밀도 등)의 제품처리가 가능하다. ②제품 입도분포는 압력노즐보다 다소 협소하며, 그 분포는 원반형식과 치수가 일정하면 공급액체량과 회전속도에 따라 변한다. ③장치내에서 폐진이 적고 고점성물질의 분무도 회전수변경에 의해 가능하다. (2) 압력노즐식 분무기 이 방식은 액을 가압하여 노즐의 오리피스로부터 고속분출시켜 미립화하는 방법이다. 액류(液流)에 선회운동을 부여하여 분무하는 선회류 노즐은 다른 핀틀 노즐이나 스로틀노즐에 비교하여 미립화 특성이 뛰어나고 미립화의 양상도 중공상이기 때문에 분무건조에 적합하다. 선회류 노즐로서는 볼류우트 분사노즐 외에 코어의 홈을 지나 선회실로 들어가는 원심 분사노즐 등이 있다. 노즐경은 0.3~2mm, 분사각 50~80도에서 분무압력은 20~100kgf/cm2이다. 분무압력은 액적입경에 가장 큰 영향을 미치며 분무압력이 증가할 수록 평균입경은 작아진다. 압력노즐은 회전원반에 비해 값이 싸고, 오리피스 및 볼류우트실 등 노즐의 주요치수를 조합함으로써 분사각, 액적경 등을 임의로 선택할 수 있고 또 분사압력과 노즐수에 의해 액량의 변화에도 대응할 수 있다. 현탁액을 취급할 때는 노즐의 오리피스에서의 폐진 혹은 마모가 염려되는데 선회류 노즐에서는 오리피스의 중심부에 공동이 발생하므로 오리피스 경을 비교적 크게 하여도 충분한 분무류를 얻을 수 있기 때문에 1mmφ 정도 이하인 현탁미립자라면 폐진될 염려는 거의 없고 또 고속액류에 의한 오리피스의 마모에 대해서는 텅스텐카아바이트 혹은 텅스텐실리케이트가 사용되고 있다. (3) 2유체노즐식 분무기 공기 또는 증기 등 압축성가스를 사용하여 액 자체는 저압이라도 액류는 고속으로 하여 분열을 촉진시키는 방법이며, 비교적 소용량에 적합하다. 압력노즐과 같이 액에 선회류를 부여한 것만으로는 미립화가 충분히 이루어지지 않는 용융금속이라든가 특별히 초미분을 필요로 하는 경우, 혹은 냉각에 의해 결정화를 하는 경우 등에 사용된다. 2유체노즐의 구조에는 그림 8에 나타낸 바와 같이 액체와 기체와의 충돌이 외부에서 행해지는 것과 노즐의 내부에서 행하는 형의 2가지 형식이 있다. 후자는 고점성 액체에서도 용이하게 미립화하는 이점이 있다.