박준택 공학박사 / 한국에너지기술연구원 고효율에너지연구부 책임연구원 서동균 / 삼영화학기계(주) 기술부장 현재 전량 수입에 의존하고 있는 밀폐형 용제분무건조장치를 국산화하고자 2001년 산업자원부의 에너지절약기술개발사업의 일환으로 2001년 6월부터 2003년 5월까지 2년간 삼영화학기계(주)(대표이사 서영위)가 주관연구기관으로, 위탁기관 한국에너지기술연구원(박준택 박사), 공주대학교(박균영 교수)가 산학연 공동으로 개발하였다. 1. 개발배경 물에 용해되지 않는 피건조물인 경우 이를 용해시키기 위해 용매로서 유기용제가 사용되고 있다. 대표적인 예를 보면, 의약품의 경우 에탄올, 염화메틸렌, 혹은 에탄올과 염화메틸렌의 혼합물 등이 사용되며, 염료인 경우 55% 에탄올, 도로인 경우 디메틸벤젠, 식품의 경우 아세톤이나 66% 에탄올 등을 사용하고 있다. 최근 제약회사들의 경우 공정합리화를 통한 원가절감 및 품질향상을 위해 기존의 진공건조방식 대신 밀폐형 분무건조방식으로 대체중에 있다. 기존의 제약공정은 원료투입→반응→농축→결정화→숙성→교반→여과→세척→건조(Vacuum Dryer)→분쇄→포장 등 총 11개공정으로 구성되어 있으나, 이를 분무건조공정으로 대체하게 되면 1)원료투입→반응→분무건조(Spray Dryer)→포장 등 총 4개공정으로 단축할 수 있게 되며 2)공정생략으로 장치비 약 50%, 운전비 약 45%, 에너지비 약 50% 절감 가능하며 3)액상원료에서 바로 분말제품 제조가 가능하여 생산시간을 단축할 수 있으며 4)제품분말의 입자균일 등 양질의 제품제조가 가능하고 입자가 구형임으로 유동성과 용해성이 우수한 효과를 기대할 수 있다. 이 외에도 경제성과 환경오염방지 및 안전성 제고를 위해 밀폐형 분무건조방식에 관심이 고조되고 있다. 밀폐형 분무건조시스템은 경제성 및 환경을 위해 유기용제를 회수하며, 건조매체로 비활성기체(주로 질소)를 사용함으로 용제폭발을 방지 할 수 있으며, 밀폐식이기 때문에 배기가스에 의한 현열손실을 줄임으로 열효율을 향상 할 수 있다. 그러나 국내 분무건조기 제조회사의 경우 물을 용매로 하는 개방형 분무건조장치는 독자 설계기술을 확보해 가는 중에 있으나, 유기용제를 용매로 하는 밀폐형 분무건조장치의 경우 유기용제 특성에 따른 설계의 복잡성 때문에 설계기술이 전무한 실정이다. 그 결과 현재 밀폐형 분무건조장치는 덴마크와 일본 등에서 전량 수입에 의존하고 있으며, 고가로 도입되고 있는 안타까운 실정이어서 국내 최초로 국산화하는데 성공하였다. 2. 기술의 원리 및 구조 분무건조는 유체상태의 공급물을 건조분말로 바꾸는 공정으로 용액, 현탁액(suspension), 슬러리, 반죽(paste) 형태의 공급물을 뜨거운 건조 기체 속으로 분무시켜 거의 순간적으로 건조가 일어나도록 한다. 건조가 매우 빠르게 일어나는 이유는 미립화 장치(atomizing device)에 의해 공급물이 미립화 되어 표면적이 매우 커지기 때문이다. 일반적인 개방형 분무건조시스템(Open spray drying system : OSDS)은 건조용기체로 주위 공기만을 이용하는데 사용된 공기는 대기 중으로 배출한다. 반면, 밀폐형 분무건조시스템(Closed loop spray drying system : CLSDS)에서는 이런 제약이 없이 공정에 따라 선택하여 사용할 수 있다. 시스템내로 흡입되는 건조용 기체와 사용된 배출기체가 응축시스템을 통해 연결되며 이 응축시스템은 분무건조기에서 공급물 중의 액체가 증발되어 생긴 증기를 제거한다. 환경 및 경제성 측면에서 유기용제를 증발하고자 하는 건조공정에서는 유기용제를 회수하고 화재 및 폭발 위험성을 제거하고자 최근 Closed loop 분무건조시스템에 대한 관심이 고조되고 있다. OSDS에 대한 간략한 흐름도를 그림 1에 나타내었다. 주위공기는 히터를 통해 공급되고, 공급물은 미립화 장치로 유입된다. 뜨거운 건조공기는 분무용액과의 접촉을 좋게 하기 위해 아토마이저 근처에서 유입된다. 건조실에서는 공급물 중 액체의 증발이 일어나 건조 제품이 얻어진다. 건조제품은 제품 포집시스템에서 회수된다. 여기서 건조실의 밑 부분과 사이클론 포집기로부터 유출된 제품을 회수한다. 회전형 아토마이저 대신 노즐형 아토마이저가 사용될 수 있으며, 건조용 공기는 여러 다른 방법으로 유입되고 건조실의 형상은 매우 다르게 될 수 있다. 제품의 포집장치가 사이클론 대신 여과집진기(bag collector)가 사용될 수 있고, 사이클론과 wet scrubber 조합 또는 심지어 electrostatic precipitator가 사용 될 수 있듯이 다양한 히터가 사용될 수 있다. 그러나 건조과정의 개념은 같다. 밀폐형 분무건조시스템의 단순화된 흐름도를 그림 2에 나타내었다. closed loop이며 응축 시스템이 추가된다. 분무건조시스템에서 주요 조작인자는 출구 공기온도이다. 이 온도를 통해 건조제품의 수분함유량을 간접적으로 계산한다. 건조제품의 온도는 배출공기의 습구온도와 같거나 혹은 높다. 제품이 물과 친화성이 있을 때 즉, 제품이 고유수분을 함유하고 있을 때는 제품의 온도가 습구 온도보다 높게 된다. 건조된 제품에 포함되어 있는 수분과 출구 공기온도와의 관련은 간접적이므로 단지 그 수분함유량은 제품의 온도, 배출공기의 상대습도 및 건조시간에 의해 계산된다. 분무건조시스템에서의 또 다른 중요 조작인자는 입구공기의 온도이다. 이 온도는 어느 정도로 허용 단계까지 제품의 특성에 의해 계산되는데, 이 단계는 입구공기의 증가된 온도가 확실히 건조제품의 유출온도를 증가시키는 것과 마찬가지로 그 건조제품이 가열될 수 있는 단계이다. 건조제품의 유출온도를 증가시키는 이유는 유입물질의 젖은 분무가 건조가 이루어지는 지역에서 노출될 수 있는 어느 정도 실제의 온도단계까지 최종제품의 수분함유량이 일정하도록 유지하기 위해서이다. 이 온도는 제품의 특성에 따라 설정된다. 입구공기의 온도를 증가시키면 똑같은 최종 수분함유량을 갖도록 하기 위해 건조제품의 유출온도를 증가시켜야 한다. 배출공기의 상대습도는 건조실에서 증발된 수분의 양과 건조용공기와 같이 유입된 수증기의 합으로 정의된다. 개방형 분무건조 시스템에서는 건조용공기와 같이 유입된 수증기가 건조실에서 증발된 수증기에 비해 매우 적기 때문에 일반적으로 별로 중요하지 않다. 물 이외의 다른 액체가 증발되는 밀폐형 시스템에서는 건조용 가스 중의 수증기량은 매우 중요하며, 결과적으로 유입공기의 습구 온도는 매우 중요하게 된다. 밀폐형 건조시스템에서 유입공기의 습구 온도는 응축기 시스템에 의해 계산된다. 밀폐형 시스템에서 하나의 두드러진 이점은 공정에 따라 건조용 가스를 자유롭게 선택할 수 있다는 것이다. 개방형 건조시스템에서는 주위공기만을 사용해야 하는 제약이 있다. 밀폐형 분무건조시스템의 몇 가지 이점들에 대한 예는 다음과 같다. 1)인화하기 쉬운 유기 용제를 함유한 가공물질에서는 폭발과 화재의 고유 위험이 존재하고, 비용뿐만 아니라 오염방지를 위해 유기용제를 회수해야하는 것이 일반적인 의무사항이다. 밀폐형 분무건조시스템은 건조 매개체로 불활성가스를 사용함으로써 폭발의 위험성도 제거하고 응축기 시스템에서 증발된 유기용제를 바로 회수할 수 있도록 설계할 수 있다. 2)분말폭발특성이 있는 가공물질에서, 폭발위험은 불활성 건조가스를 사용하여 제거할 수 있다. 이 경우에 건조온도를 높일 수 있어서 더 큰 용량을 건조처리 할 수 있거나, 주어진 건조처리 용량을 위해 더 작은 건조시스템을 설계할 수 있다. 그러나 개방형 시스템의 경우에는 매우 가격이 비싼 폭발억제 시스템이 추가되어야 한다. 3)심각한 공해문제를 야기하는 가공물질의 경우에 밀폐형 분무건조시스템은 뛰어난 해결책을 갖는다. 배출가스 중의 악취 또는 아주 작은 양의 미립자도 환경문제가 될 수 있는 경우, 이러한 문제점을 밀폐형 분무건조시스템을 이용하여 감소시키거나 제거할 수 있다. 만약 개방형 분무건조시스템 사용한다면 소각장치나 활성탄을 충전한 탑을 설치하여 배출가스를 처리해야 한다. 3. CLSDS의 종류와 특징 밀폐형 분무건조시스템은 여러 방법으로 설계될 수 있으며 layout 및 적용 분야에 대한 몇 가지 예시를 표 1에 나타내었다. Closed cycle은 그림 2에 나타낸 바와 같이 유기용제를 함유한 물질에 대해 설계된 것이며, 이 시스템에서 히터는 간접히터이고, 일반적으로 shell and tube 열교환기가 사용된다. 응축기 시스템은 일반적으로 scrubber/condenser가 이용되며 건조실에서 증발된 유기용제를 응축하고 배기가스에 동반된 미세 입자물질을 제거하는 두 가지 목적으로 사용된다. scrubber/condenser에 쓰이는 scrubber액은 유입물질과 함께 건조시스템에 유입되는 것과 동일한 유기용제가 사용된다. 이러한 분무건조시스템의 중요 장치는 산소분석기이다. 이 산소분석기를 이용하여 유기용제 증발분과 산소가 폭발 가능한 혼합물질을 이룰 수 없도록 산소의 양을 확인한다. 심지어 국부적으로 집중되는 산소를 방지하기 위해 분무건조시스템은 양압(+)하에서 작동하고, 주위로의 누설을 방지하기 위해 분무건조시스템은 가스누출방지로 설계한다. 그림 3은 semi-closed cycle 분무건조시스템을 나타낸 것이다. 히터는 간접불꽃히터이고 건조용가스는 주위공기가 사용된다. 응축기 시스템은 일반적으로 scrubber/condenser이며 건조실에서 증발된 유기용제를 응축하고 배기가스에 동반된 미세 입자물질을 청소하는 두 가지 목적으로 사용된다. 이 형태의 closed loop 분무건조시스템은 연소에 노출될 수 없는 제품과 open 분무건조시스템 공정으로는 공해문제를 일으키는 제품에 사용된다. 그림에서 보듯이 closed loop air system에서 배출흐름은 소각을 위한 간접불꽃히터의 연소부를 통해 배출된다. 이 분무건조시스템은 가스누출방지로 설계되어야할 필요는 없으며, 보통 건조시스템은 약간의 진공에서 작동한다. 건조용 기체로 낮은 산소농도를 가지는 공기를 사용하는 Self-Interizing 분무건조시스템(그림 4)에서는 직접불꽃히터를 사용하는데 재 순환 기체를 입구온도 수준까지 가열하고 건조용 기체 중에 산소농도를 낮추기 위해 직접 연소한다. 응축기 시스템은 일반적으로 scrubber/condenser이며 건조실에서 증발된 수증기를 응축하고 재순환 기체에 동반된 미세 입자물질을 청소하는 두 가지 목적으로 사용된다. 이 시스템은 분말폭발이나 화재 위험이 있는 제품에 적용되며 그런 폭발이나 화재는 건조용기체중에 산소 농도를 낮춤으로서 제거되어진다. 그림에서 보면 주위공기가 연소에 필요한 양만큼 연속적으로 도입되어 동일한 양이 방출된다. 이 배출류는 환경오염을 일으킬 수 있으므로 소각을 위한 장치가 필요하며 일반적으로 이 배출류는 전체 기체 흐름의 10~15%이며 개방형 분무건조시스템 보다 훨씬 적은 설비비가 든다. 4. CLSDS의 적용원액과 제품 전술한 바와 같이 물이 용매인 경우에는 건조용 기체로 주위공기를 이용하며 증발된 수분과 함께 공기를 대기 중으로 방출하는 개방형 분무건조시스템을 사용한다. 그러나 건조시스템의 공급용액이 유기용제인 경우에는 환경오염 및 비용문제로 회수하는 것이 필요하며, 폭발 및 화재 등을 없애기 위해 건조용 기체로 비활성 기체를 이용하여 밀폐형으로 조작하는 분무건조시스템을 사용하며, 개방형 시스템으로는 화재 및 폭발 위험이나 대기오염 등 심각한 문제를 초래할 수 있는 제품들에 대해 밀폐형 시스템이 적용되고 있다. 밀폐형 분무건조시스템은 1)산소에 의해 변질하는 물질건조 가능 2)가연성 용제도 사용가능 3)수계 이외의 결합제(binder) 사용 가능 4)저비점, 저증발잠열의 용제 사용으로 인해 저온도에서 조립건조 가능(열적으로 보다 유리) 5)건조속도가 빠른 용제사용으로 인해 작은 건조실로 입경이 큰 조립품 획득 가능 6)용제회수, 밀폐시스템화에 의해 악취문제 대처에 용이하다는 등 특징을 가지고 있어 다음과 같은 원액과 제품생산에 응용되고 있다. 밀폐형 분무건조장치의 적용원액은 다음과 같다. 1)특수용제의 slurry 원액 2)방향성분을 가진 원액 3)산화하기 쉬운 물질을 포함한 원액 4)열변성이 쉬운 물질을 포함한 원액 5)분진폭발, 발화의 가능성이 있는 가연성 원액 등 밀폐형 분무건조장치의 적용 제품은 다음과 같다. 1)비산화물, 뉴세라믹(SiC, Si3N4), 순철, 중금속, 초경합금 2)향료, 과즙, 커피, 조미료, 인스턴트식품 3)전지분유, 우유 4)의약품, 비타민제, 유기약품, 혈청, 효소, 농약 5)수지화합물, 지방산 등 5. CLSDS의 운전조작 예 표 2는 밀폐형 분무건조장치의 운전조작 예를 나타낸 것이다. 6. 개발성과 및 기대효과 현재 전량 수입에 의존하고 있는 밀폐형 용제분무건조장치를 국산화하고자 2001년 에너지절약기술개발사업(산자부)으로 2년간 산학연 공동으로 추진한 결과 1)미립화장치 및 공기분산기의 최적화 방안을 실용화 2)유기용제 분무건조의 유동특성해석 및 건조모델 개발 3)Cyclo ne 및 여과 집진장치에 대해 전산유동해석과 실험자료의 비교분석을 통해 최적 공정조건 확립 4)유기용제의 물성 및 열역학적인 특성자료를 data base화 하였고 condenser의 최적 공정조건 확립 5)사용유기용제의 특성에 맞는 독자적인 방폭시스템 개발 6)분무건조중 피건조물의 물성을 최적화하고, 발생가능한 화재 및 폭발에 대한 안전시스템을 구현하기 위한 자동제어기술을 확보하였으며, 그 결과 다음과 같은 효과가 기대된다. ㅇ개방식 분무건조장치 대비 에너지절감 약 20% ㅇ건조 배가스 재순환에 의한 열효율 향상 ㅇ고가의 유기용제 회수에 의한 자원절감 및 작업자 유해방지 ㅇ밀폐식 시스템을 채용함으로써 악취, 독성, 분진으로 인한 대기오염문제 해결 가능 ㅇ고부가가치의 신제품 개발 가능 ㅇ현재 국내수요의 전량을 수입에 의존하고 있는 만큼 수입대체효과가 매우 큼 7. 관련 회사 업체명 주소 연락처 삼영화학기계(주) 서울시 구로구 구로동 614-50 02-2675-6541 http://www.sycm.co.kr 개발한 10kg/h급 밀폐형분무건조장치 그림 1. 개방형 분무건조시스템 그림 2. 밀폐형 분무건조 시스템 표 1. 밀폐형 분무건조장치의 종류와 특징 공정배열 건조매개체 가열시스템 공급형태 적용분야 공정 특징 Closed 불활성 간접가열 非水系 유기용제의 증발 폭발/화염위험 및 Cycle 기체 (열교환기) (유기용제) 및 회수 대기로 배출되는 증기 제거 Semi- 연소물질과 접할 악취성/활성 물질의 Closed 공기 간접불꽃 水系 수 없는 활성/ 대기 배출가스 제거 Cycle 악취성 물질의 취급 분말 폭발성 또는 Self- 낮은 산소 직접불꽃 水系 활성/악취성 분말폭발위험 및 Interizing 함유 공기 배출물이 있는 대기배출가스 제거 제품의 취급 그림 3. Semi-Closed Cycle 분무건조 시스템 그림 4. Self-interizing 분무건조 시스템 표 2. 밀폐형 분무건조장치의 운전조작 예 염료 의약품 도료 식품 용제명 55% Ethanol Ethanol Xylene Acetone 60% Ethanol +M.C 원액온도(℃) 50 30 30 60 40 원액농도(%) 1.0 10 30 15 10 분무압력(kg/cmG) 95 56 80 120 120 열풍온도(℃) 160 75 95 120 120 배풍온도(℃) 90 52 50 65 70 증발량(kg/hr) 235 37 10.5 358 33 비중(-) 0.3 1.0 0.4 0.6 0.24 함수율(%) 5.0 0.14 1.0 4.0 2.0