이중 원추형 진공 건조 장비의 특징 및 단점

1. 개요

이중 원뿔형 진공 건조기(이하 이중 원뿔형)는 오랜 역사를 가진 에너지 절약형 진공 간접 가열식 동적 건조 장비입니다. 이중 원뿔형 건조기는 구동 메커니즘에 의해 진공 원뿔이 360도 회전하는 것이 특징입니다. 회전은 원뿔 내부의 재료 혼합을 촉진하고 원뿔의 가열면과의 접촉 가열을 발생시킵니다. 재료의 지속적인 혼합은 가열면의 자가 세척 효과를 가져옵니다. 또한 온도 차이는 열에 민감한 많은 재료의 저온 건조에 매우 효과적입니다.

이중 원뿔형 건조기는 다른 불활성 가스의 개입 없이 진공 상태에서 작동하므로 다양한 유기 용매를 함유한 물질의 증발 및 건조에 매우 적합하며, 높은 용매 회수율로 용매를 회수할 수 있습니다. 이중 원뿔형 구조는 건조된 물질을 깨끗하고 신속하게 배출하는 데 매우 유리하며, 이는 다른 어떤 건조기와도 비교할 수 없는 운영상의 이점입니다.

이중 원뿔형 건조기는 벽면에 점착성이 없는 다양한 느슨한 재료를 건조하는 데 적합합니다. 원뿔 내부의 진공 흡입관에 배기가스 필터가 설치되어 있어 배기가스에 섞여 들어오는 제품 분진 손실이 줄어들고 건조 수율이 높아집니다.

이 장비는 밀폐된 공간에서 동시에 투입 및 배출이 가능하여 작업 중 오염을 방지하고, 배출 시 분진 발생 및 환경 오염을 방지합니다. 또한, 이중 원뿔형 동적 건조 방식의 효율은 다양한 디스크형 건조 방식보다 훨씬 높습니다.

하지만 이중 콘 건조 방식에는 몇 가지 단점도 있습니다. 첫째, 이중 콘 건조 방식은 간헐 건조에만 적합합니다.

마찰식 기계 진공 밀봉을 사용하기 때문에 건조 마찰 과정에서 밀봉재의 마모와 이물질 유입을 피할 수 없습니다. 진공 누출이 발생하면 밀봉재의 마모 및 이물질이 이중 콘으로 흡입되어 건조 중인 제품과 혼합됩니다. 만약 제품이 의약품이라면, 의약품이 오염되어 품질이 좋은 의약품이 불량품이 되어 사람들의 의약품 소비를 저해할 수 있습니다.

이중 원뿔형 건조기는 재킷형 가열 건조기입니다. 이중 원뿔형 건조기를 구로 가정하면, 건조기의 크기가 커질 때 가열 면적 F(m²)는 구의 지름 D(mm)의 제곱에 정비례하여 증가하는 반면, 구의 부피 V(m³)는 구의 지름 D(mm)의 세제곱에 비례하여 증가합니다. 따라서 이중 원뿔형 건조기가 작은 지름에서 큰 지름으로 확장될 때, 가열 면적의 증가는 부피 증가에 비해 훨씬 작습니다.

결과적으로, 이중 원뿔 가열 면적 F(rfl)과 이중 원뿔 부피 V(m)의 비율은 직경 D(iTlm)의 팽창에 따라 불균형을 이루게 되어, 작은 크기의 이중 원뿔의 F/V 값이 큰 크기의 이중 원뿔의 F/V 값보다 훨씬 커지게 된다. 예를 들어, 5m 이중 원뿔의 F/V 값은 0.3m 이중 원뿔의 약 절반인 약 3.6m/m이고, 이중 원뿔의 부피가 10m로 팽창하면 F/V 값은 2.5m/m로 감소한다.

이름에서 알 수 있듯이, 이중 원뿔형 진공 건조 장비는 가열 및 건조에 사용되며, 그 주요 기능은 가열 및 건조 효율 또는 열 교환 면적의 크기에 반영되어야 합니다.

상대적으로 부피는 부차적인 중요성을 지닙니다. 하지만 현재 거의 모든 이중 원뿔형 건조기 제품 샘플은 부피를 기준으로 이중 원뿔형 건조기의 사양을 명시하고 있습니다. 이는 이중 원뿔형 건조기 제조업체들이 의도적이든 아니든 소비자들을 오도하는 결과를 초래할 수 있습니다. 많은 소비자들이 이중 원뿔형 건조기의 확대로 인해 F/V 비율이 규칙적으로 변화한다는 사실을 인지하지 못하기 때문입니다.

대형 및 소형 이중 콘 건조기의 건조 효율이 비슷하다고 오해하는 경우가 많습니다. 대형 이중 콘 건조기를 구입해 보면, 건조 공장에서 소형 이중 콘 건조기로 시험 가동했을 때보다 건조 효율이 훨씬 낮은 경우가 흔합니다. 건조 효율이 두 배로 높아졌음에도 불구하고 원하는 생산량을 충족하지 못해 결국 대형 이중 콘 건조기를 하나 더 구입해야 하는 상황이 발생합니다.

이는 투자액과 공장 부지를 늘렸을 뿐만 아니라 생산 계획을 지연시키기도 했습니다.

많은 열에 민감한 제품의 건조 온도는 100°C 미만이며, 여전히 많은 열에 민감한 제품을 건조하고 있습니다. 100°C 이하의 온수를 열원으로 사용하기 때문에 온수탱크, 온수펌프, 온수 배관 등의 보조 설비가 필요합니다. 온수의 현열 가열은 입구와 출구 사이에 온도차가 발생해야 하므로, 증기 잠열 가열에 비해 온도차가 줄어들어 열에 민감한 저온 가열에는 매우 불리합니다.

온수 난방의 열전달 계수는 포화 증기 난방보다 훨씬 낮고, 재킷형 온수 난방 구조는 증기 난방 구조보다 훨씬 복잡하여 장비 투자 비용이 증가할 뿐만 아니라 관리에도 불리하다.

이중 원뿔형 교반기에서 건조 재료를 지속적으로 혼합하고 회전시키기 때문에 리보플라빈, 아세틸스피라미신 등 미세 결정이 많고 수분 함량이 높은 제품은 혼합 과정에서 크기가 다양한 펠릿을 쉽게 형성할 수 있습니다. 일단 펠릿이 형성되면 완전한 건조를 달성하기가 어렵습니다.

원칙적으로 이중 원뿔형 건조기는 건조 과정에서 알갱이가 형성되는 재료에는 적합하지 않습니다.

이중 원뿔형 건조기는 가열 보일러(가열 재킷)가 내장되어 지속적으로 회전하는 동적 건조기입니다. 대형(대구경)의 기존 이중 원뿔형 건조기는 원뿔형 라이너와 재킷 외벽의 두께가 두껍고 무겁습니다.

일반적으로 원뿔형 구조물의 내부 탱크는 스테인리스강으로 제작되고, 외벽은 탄소강으로 제작됩니다. 대형 이중 원뿔형 구조물(2~10m)의 직경은 1,600~2,600mm이며, 내부 탱크의 벽 두께는 8~14mm이고, 외벽은 이보다 두껍습니다. 잘 알려진 바와 같이 스테인리스강의 열 저항은 탄소강보다 5배 더 큽니다. 두꺼운 스테인리스강 내벽은 원뿔형 구조물의 열 전달을 저해하여 이중 원뿔형 구조물의 가열 및 건조 효율을 떨어뜨립니다. 두꺼운 내벽을 구동하는 것은 당연히 구동 모터의 동력을 증가시킵니다.

이중 원뿔의 외피가 두껍고 무거워 구동 모터의 에너지 소비량이 증가합니다. 이중 원뿔은 연간 수천 시간 동안 가동되므로, 에너지 절약과 소비량 감소를 위해 장시간 가동 시 적절한 관리 방안을 모색하는 것이 새로운 에너지 절약 시대의 활발한 연구 및 추진 과제입니다. 과거에는 소홀히 여겨졌던 장비 구조 및 재료에 대한 심층적인 연구와 논의가 필요합니다.

다음 논의는 GMP 요구사항이 적용되지 않는 이중 원뿔형 구조물을 기준으로 합니다.

2. 이중원뿔의 확대

정밀화학 제품의 개발이 진행됨에 따라 효율성이 향상되고 크기가 큰 이중 원뿔형 용기에 대한 수요가 증가하고 있습니다.

기존의 대형 이중 원뿔형 난로는 거대한 본체 모양에 비해 가열 면적이 부족합니다. 5m 이중 원뿔형 난로의 가열 면적은 18m²에 불과하고, F/V 값은 3.6m²/m이며, 10m 이중 원뿔형 난로의 F/V 값은 2.5m²/m까지 떨어집니다. 따라서 이중 원뿔형 난로는 겉은 강하고 속은 건조하다고 해도 과언이 아닙니다.

이중 원뿔형 진공 건조기의 크기 확대는 자연스럽게 열교환 면적의 확대를 의미합니다. 다행히 원뿔 내부에는 활용할 수 있는 넓은 공간이 있으며, 이 공간을 어떻게 효율적으로 활용할지가 관건입니다.

장비 청소를 고려할 때, 열교환 소자의 표면이 단순할수록 좋습니다. 얇고 속이 빈 c,Di~ 가열판을 선택하면 표면이 매끄럽고 청소가 용이하며 소형화라는 두 가지 요구 사항을 모두 충족할 수 있습니다. 10m 이중 원뿔을 예로 들면, 재료 흐름 방향을 따라 거대한 원뿔 공간에 얇은 내부 가열판을 설치할 수 있어 청소 및 필요한 유지 보수를 위한 공간을 확보할 수 있습니다. 예를 들어, 내부 가열판 사이에는 110~160mm의 간격을 유지할 수 있습니다. 일반적으로 내부 가열판의 면적을 기존 원뿔 가열 면적의 1.5~3배까지 늘리면 이중 원뿔의 F 및 V 값을 0.2m까지 증가시킬 수 있습니다.

소형 이중원뿔의 경우에도 유사한 값인 9.0m/m를 나타낸다. 특히, 내부 가열판의 두께는 원뿔 두께의 3분의 1 미만으로 가열 면적이 두 배로 늘어나고 열 저항이 크게 감소하여, 확대된 이중원뿔의 건조 효율은 기존 이중원뿔보다 2~3배 이상 높다. 내부 가열판 설치 후 10m 이중원뿔의 내부 구조는 그림 1에 나타낸 바와 같다.

그림 1, 10m 참조.

원뿔의 직경은 2,600mm입니다. 폭이 600mm인 유지 보수 채널의 양쪽에는 #l부터 ≠}7까지 총 14개의 내부 가열판이 있습니다. 내부 가열판의 총 면적은 F=56 m²이고, 두께는 40 mm이며, 총 부피는 V=2.2 m³입니다. 두 내부 가열판 중심 사이의 거리는 d=200 mm이고, 두 내부 가열판 사이의 실제 간격은 160 mm입니다. 원뿔 재킷의 가열 면적은 F=29.6 m²이므로, 10 m² 이중 원뿔의 총 가열 면적은 F=85.6 m²입니다. 원뿔의 부피는 V=12.1 m³이고, 내부 가열판을 제외한 실제 원뿔의 부피는 V=9.9 m³입니다. 따라서 새로운 이중 원뿔의 F/V 값은 8.6 m/m에 도달하며, 이는 소형 ​​0.2 이중 원뿔의 9.0 m/m 값에 매우 가깝습니다. 내부 가열판이 없는 10 1TI 이중 원뿔의 F/V 값은 2.5 II1/m입니다. 따라서 내부 가열판을 추가한 10 1TI 이중 원뿔의 F/V 값은 추가하지 않은 경우보다 3배 이상 높습니다(그림 2 참조). F/V 값이 증가하면 새로운 이중 원뿔 하나의 건조 효율이 기존 이중 원뿔 3세트의 건조 효율과 같아지며, 구동 모터의 시간당 전력 소비량을 약 60kW/h 절감할 수 있습니다.

3. 대형 이중 원뿔형 내부 가열판 추가를 통한 스테인리스강 절감 효과 비교

10m³(실제 작동 용량)를 예로 들어 보겠습니다. 10m³ 이중 원뿔의 전체 치수는 2600 x 3600(총 높이)입니다. 위 설명에 따르면 이중 원뿔 가열 재킷의 면적은 F=29.6 in²이고, 내부 가열판의 총 면적은 F=56 1TI입니다. 이중 원뿔의 벽 두께가 14mm이고 내부 가열판의 벽 두께가 3mm라면, 이중 원뿔의 스테인리스강 재질 무게는 3~3톤이고, 내부 가열판의 스테인리스강 재질 무게는 1.34톤입니다.

이중 원뿔 구조에는 평방미터당 111.4kg의 스테인리스강이 필요한 반면, 가열판에 필요한 스테인리스강은 평방미터당 24kg에 불과합니다. 즉, 이중 원뿔의 가열 면적(동일한 가열 면적)당 소모되는 스테인리스강의 양은 내부 가열판이 기존 방식보다 4.6배 더 많습니다. 기존의 대형 전통 이중 원뿔의 가열 면적(IE4 정도)과 막대한 스테인리스강 소모량을 고려할 때, 원뿔 내부가 비어있는 구조이므로 내부 가열판을 추가하는 것이 가능하며, 원뿔 벽 두께의 부정적인 영향을 상쇄하기 위해 내부 가열판 추가는 매우 중요합니다.

4. 내부 가열판의 구조적 강화

기존의 속이 빈 얇은 내부 가열판은 플러그 용접으로 보강해야 합니다. 내부 가열판의 벽 두께가 2~3mm에 불과하기 때문에 양쪽 면에 구멍을 뚫어야 합니다. 특히 제약 GMP 기준에 부합하는 가열판은 용접 후 연마 및 광택 작업을 거쳐야 하므로, 얇은 판재에 용접 규격에 맞춰 홈을 정밀하게 가공하는 것이 어렵습니다. 이로 인해 많은 플러그 용접 부위에 미세한 약점이 발생하여 향후 생산 공정 중 국부적인 균열로 인해 가열판 전체가 파손될 위험이 있습니다.

기존의 얇은 판재 플러그 용접 보강 구조는 이러한 잠재적 위험을 쉽게 남길 수 있습니다.

우리는 과거의 경험을 통해 얻은 교훈을 바탕으로 새로운 이중 원뿔형 내부 가열판 보강 구조에 힌지형 비파괴 용접 강화 기술을 적용했습니다. 이를 통해 내부 가열판의 양면 마더보드에 구멍을 뚫을 필요가 없어, 천공 플러그 용접 작업으로 인한 단점을 피할 수 있었습니다. 또한, 이중 원뿔형 확대에 필수적인 내부 가열판 가공의 실질적인 어려움을 해소했습니다.

5. 이중 원뿔의 저온(100°C) 열원 문제

이중 원뿔형 건조기를 열에 민감한 제품을 건조하는 데 사용할 때, 전통적인 이중 원뿔형 건조기는 온수 가열 방식을 채택합니다.

온수 난방은 부피가 큰 온수 탱크, 온수 펌프, 배관 등 복잡한 설비가 필요할 뿐만 아니라, 온수의 현열 때문에 유입구와 유출구 사이에 온도 차이가 발생하게 됩니다. 이로 인해 유출구에서의 자연 가열 및 건조 효과는 유입구보다 훨씬 떨어집니다. 따라서 온수 난방의 온도 차이는 건조에 매우 불리합니다.

대형 이중 원뿔형 가열 재킷을 여전히 온수로 가열하는 경우, 건조 장비의 부하가 크게 증가하여 필요한 열 부하 또한 상당히 증가하게 됩니다. 이는 건조 장비의 효율에 많은 단점을 초래합니다. 그러나 포화 증기를 열원으로 사용하는 경우, 이중 원뿔형 가열 재킷 내부의 온도 또는 압력을 가열 온도에 필요한 포화 증기의 물리적 매개변수에 부합하도록 엄격하게 제어하면 재킷 내부의 증기가 적시에 응축되어 배출될 수 있습니다.

0.2 MPa의 포화 수증기는 이중 원뿔형 재킷의 저온 가열을 위한 열원으로 직접 사용할 수 있습니다. 물론 대형 이중 원뿔형 재킷 내부 공간은 넓고, 차량 시동 직후에는 재킷 내부(특히 내부 가열판)에 불활성 가스가 많이 존재하므로 이를 배출해야 합니다. 그렇지 않으면 정상 작동에 심각한 영향을 미칠 수 있습니다. 그 후 포화 수증기를 주입해야 합니다.

6. 대형 이중원추형 장비의 벽 두께 감소에 관한 연구

오늘날 세계는 에너지 절약과 배출량 감축에 대해 고민하고 있습니다. 비행기부터 기차, 자동차에 이르기까지 모든 운송 수단은 구조물의 두께를 줄이기 위해 노력하고 있습니다.

이중 원뿔형 뒷면에 있는 대형 보일러(가열 재킷)를 연상시키는 이 장치는 에너지 절약, 배출가스 저감, 스테인리스강 절약, 가열 및 건조 효율 향상에 대한 연구 또한 필요로 하는 것으로 보입니다. 우리 역시 건조 기술 분야에 기여해야 할 것입니다.

7. 결론

정밀화학 산업의 대규모 생산이 증가함에 따라 대형 이중원추형 진공 건조기가 많이 필요하게 되었습니다. 그러나 대형 이중원추형 구조는 시대의 흐름에 발맞추지 못해 생산 및 사용에 여러 문제를 야기해 왔습니다. 우리나라 산업 생산의 산출량 대비 에너지 소비 비율은 일본과 같은 선진국에 비해 훨씬 높은데, 많은 장비의 효율성을 간과하고, 특히 장비 가격이 가성비가 아닌 무게에 따라 책정되는 잘못된 인식이 널리 퍼져 있습니다. 이중원추형 진공 건조기는 이러한 문제점을 가장 잘 보여주는 대표적인 사례라고 할 수 있습니다.