화학 및 제약 공정용 진공 기술

Maulburg, Germany 화학 및 제약 공정 응용 분야에 알맞은 진공 기술을 선택하는 데는 종종 어려움이 따릅니다. 첫째, 진공 시스템은 작동 압력에서 필요한 흡입 용량을 제공함으로써 필요한 펌핑시간을 보장해야 합니다. 둘째, 이 시스템은 화학용 공정 가스를 취급할 수 있으며, 고객이 요구하는 CIP(clean-in-place), 공정 세정, 원료 회수와 관련된 조건을 맞출 수 있습니다. 어떤 진공 기술을 이용할지 결정할 때는 가동 신뢰성,경제성도 중요하게 고려해야 합니다. 여기서는 화학 및 제약 공정 기술에서 가장 많이 활용하는 진공 기술 세 가지를 간략하게 설명하겠습니다: 액봉식 진공 펌프, 건조 스크류 진공 펌프, 유회전식 베인 진공펌프.
그림 1: Busch의 Dolphin 액봉식 진공 펌프
그림 1: Busch의 Dolphin 액봉식 진공 펌프

액봉식 진공 펌프

액봉식 진공 펌프(그림 1)는 다양한 응용 분야에서 사용됩니다. 이 펌프는 용적형 펌프로, 하우징 내에 임펠러가 편심으로 설치되어 있어 진공을 생성합니다. 사용 유체로는 일반적으로 물을 이용합니다. 임펠러가 회전하면 액봉이 실링을 형성하고, 블레이드와 액봉 사이에 공간에 가스가 이송됩니다. 가스는 중앙 및 각각의 블레이드와 액봉 사이의 공간으로 전달됩니다. 임펠러가 편심 배치되어 있기 때문에 이러한 흡입구의 체적이 커지고, 흡입구를 통해 가스를 빨아들이게 됩니다. 임펠러가 계속 회전하면서 배출구의 체적은 줄어들며, 가스는 압축되어 배출구를 통해 나갑니다. 유봉식 진공 펌프는 One thoungh 시스템, 완전 재순환 또는 일부 재순환 시스템으로 작동이 가능합니다. 

이 진공 펌프는 화학 공정에서 여러 해 동안 검증된 내구성과 신뢰도를 자랑합니다. 진공펌프 실린더 내부의 사용 유체가 압축열을 계속해서 낮춰주므로 진공 펌프가 대체로 동일한 온도 선상에서 작동합니다. 이는 즉 공정 가스가 눈에 띌 정도로 가열되지 않고 진공 펌프가 비교적 낮은 온도에서 작동한다는 뜻입니다. 그에 따라 의도치 않은 반응이나 폭발의 위험이 많이 감소합니다. 또한, 작동 온도가 낮아 수증기와 가스의 응축이 가능해지고, 이는 진공 펌프의 펌프용량 증가로 이어집니다.


그림 2: 2단 액봉식 진공 펌프의 작동 원리

액봉 형성에는 일반적으로 물을 이용합니다. 실제로 부동액, 오일 또는 유기용매가 사용됩니다. 진공 펌프의 최대 진공도는 수증기의 압력과 액체의 점성에 따라 달라집니다. 사용 유체의 점성은 진공 펌프의 전력 소비량에 영향을 줍니다.

액봉식 진공 펌프는 다양한 버전, 재질 및 씰을 선택해 이용할 수 있습니다. 

액봉식 진공 펌프의 장점:

  • 시스템에 주입되는 수증기나 액체에 전혀 민감하지 않음
  • 공정 가스별 다양한 재질을 선택할 수 있음


단점:

  • 사용 유체가 공정 가스의 응축액에 오염될 가능성이 있어, 추후에 사용 유체를 폐기하기에 앞서 처리를 거칠 필요가 있음
  • 에너지 소비량이 많음
  • 사용 유체의 수증기 압력에 따라 최대 진공도가 달라짐


건조 스크류 진공 펌프

건조 스크류 진공 기술도 화학 및 제약 업계에서 매우 널리 활용됩니다. 이것은 수봉식 기술에 비하면 비교적 새로운 기술입니다.
1990년대에 Busch는 첫 번째 건식 스크류 진공 펌프인 COBRA AC를 출시했습니다. 위에 설명한 액봉식 진공 펌프와의 주된 차이점은 스크류 진공 펌프에는(그림 3) 공정 가스 압축용 유체가 불필요하다는 것입니다. 바로 이 때문에 "건식" 스크류 진공 펌프라는 이름이 붙었습니다.

그림 3: COBRA NC 스크류 진공 펌프

스크류 진공 펌프 내부에서는 스크류 모양의 로터 두 개가 서로 반대 방향으로 회전합니다(그림 4). 흡입된 가스는 실린더와 스크류 챔버 사이에 유입되어 압축되고 가스 배출구로 배출됩니다. 압축 공정 중에 스크류와 실린더는 서로 접촉하지 않습니다. 정밀 가공되어 가동부 간의 간격이 최소화되어 이와 같은 작동 원리를 가능하게 하며 또한, 낮은 최대 진공도가 0.1mbar 미만으로 보장됩니다.

그림 4: 현대식 스크류 진공 펌프의 작동 원리

스크류 진공 펌프는 수냉식으로 작동하며, 이를 통해 펌프 전체에 균일한 온도를 유지하기 때문에 전체 공정 내에 온도 안정성이 보장됩니다.

최신 스크류 진공 펌프에는 다양한 피치 스크류가 있어서 스크류의 한쪽 끝부터 반대쪽 끝까지에 걸쳐 공정 가스를 균일하게 압축합니다. 여기에는 진공펌프 전체에 걸쳐 온도가 동일해지고 그에 따라 모니터링과 제어가 더욱 간편해진다는 장점이 있습니다. 이전 세대의 스크류 진공 펌프는 스크류의 한쪽 끝부터 반대쪽 끝까지에 걸쳐 피치가 동일합니다. 그 때문에 마지막 반 바퀴의 스크류 회전에서 공정 가스가 압축되어 과도한 열부하가 발생합니다. 따라서 수냉식으로는 이상적인 사용 온도를 조정하기가 더욱 어렵습니다. 일반적으로 건조 스크류 진공 펌프는 액봉식 진공 펌프보다 높은 온도에서 작동합니다. 따라서 공정 가스의 응축이 크게 줄어듭니다. 이에 따라 공정 가스는 사용 유체와의 반응이나 오염 없이 진공 펌프를 통해 전달될 수 있습니다. 펌핑된 매체와 접촉하는 모든 부품은 주철을 작업 부품의 표준 자재로 이용합니다. 이러한 부품은 표면처리를 하지 않거나 대부분의 화학 성분에 저항성을 갖도록 특별 코팅 처리를 합니다. 공정이 끝난 후에는 펌프가 정지된 동안의 부식과 침전물 형성을 방지하도록 진공 펌프를 적절한 세정액으로 세척하고 질소로 플러싱 하는것을 권합니다. 

Busch의 스크류 진공 펌프는 다양한 압축 시스템과 코팅으로 모든 화학 물질에 호환되도록 구성할 수 있습니다.

건식 스크류 진공 펌프의 장점

  • 건식으로 압축되며, 공정 가스와 사용 유체의 반응 또는 오염 가능성이 없음
  • 고진공도
  • 에너지 효율이 높음
  • 자재 선택과 온도 조절에 따라 거의 모든 공정 가스에 맞게 설계 가능함


건식 스크류 진공 펌프의 단점:

  • 시스템에 유입되는 입자에 취약함
  • 고온에 반응하는 경향이 있는 공정가스는 이용불가


유회전식 진공 펌프

유회전식 진공 펌프는 수십년간 다양한 분야에서 성공적으로 활용되어 왔습니다. 현재는 업계에서 가장 널리 이용하는 기계식 진공 펌프로 손꼽힙니다. Busch는 1960년대에 화학 및 제약 공정 기술용으로 특별 설계된 2단 유회전식 진공 펌프인 Huckepack을 이미 개발했습니다. Busch는 끊임없이 진공 펌프를 발전 시켰고, 이 진공 펌프는 뛰어난 내구성으로 가공 기술 분야에서 꾸준히 인정받고 있습니다.

그림 5: Huckepack 유회전식 진공 펌프

Huckepack 유회전식 진공 펌프(그림 5)는 유회전 원리에 따라 작동하는 다른 진공 펌프와 비교했을 때 크게 구분되는 세 가지 특징이 있습니다.

  1. 두 개의 실린더가 위아래로 배치되어 서로 연결되므로 공정 가스가 1단에서 처음 압축된 후 2단에서 2차로 압축될 수 있습니다. 그렇게 되면 낮은 최대 진공도 도달이 가능해집니다.
  2. 이들 진공 펌프의 특징으로는 오일 윤활을 들 수 있는데, 이는 일정량의 오일 또는 플러싱 액체가 펌프로 공급 되어야 합니다. 이와 반대로 그 외의 유회전식 진공 펌프(R 5)는 오일을 재순환 하는 방식입니다.
  3. Huckepack 유회전식 진공 펌프는 수냉식이므로 사용 온도를 일정 범위 내에서 조절할 수 있습니다.


Huckepack 유회전식 진공 펌프는 회전하는 용적식 펌프입니다. 베인은 로터 내부의 슬롯에 배치되는데, 이는 실린더 내에 로터가 편심으로 장착되어 회전합니다. 베인은 로터의 회전 동작으로 발생하는 원심력 때문에 슬롯 밖으로 미끄러져 나와 실린더 벽과 접촉합니다. 편심으로 인해 회전하는 동안, 체적이 다른 공간이 발생하고, 이에 따라 흡입 및 압축 효과가 발생합니다. 마찰을 줄이고 밀봉 효과를 유지하기 위해 펌프에 오일이 계속 주입됩니다. 이 과정은 공정 가스가 오일과 함께 배출구를 통해 배출되고, 배출구에서 배출되기 전까지 두개의 실린더를 통과합니다. 두 단계 모두 수냉식입니다. 냉각방식은 직냉식과 라디에이터 타입이 있습니다. 

그림 6: Huckepack 유회전식 진공 펌프 작동 원리

윤활 및 세척액은 진공 펌프를 한 번만 통과하므로, 점성 범위가 ISO VG 150 이내의 거의 모든 액체를 이용할 수 있습니다. 이러한 액체로 진공 펌프를 작동 중에 계속 세척해 부식과 침전물 형성을 방지합니다. Busch는 세 가지 재질의 베인을 제공해 대부분의 가스에 대한 저항성을 보장합니다. 

유회전식 (Huckepack) 진공 펌프의 장점:

  • 고진공도
  • 우수한 내구성과 신뢰도
  • 쉽고 간단한 유지보수
  • 다른 진공 펌프보다는 중합되는 제품 단위체와 모노머 산성 증기를 전달하는 데 알맞음


단점: 배출된 오일 또는 세척액은 올바르게 폐기 해야 함.

요약

여기서 논한 진공 생성 기술은 모두 장단점을 갖고 있습니다. 모든 응용 분야에 이상적인 단일 솔루션은 없습니다. 그러므로 진공 분야 전문가에게 자문하고 공정 조건부터 공정 가스, 공정 제어로의 통합, 향후 진공 생성의 경제성, 안전성, 동작 신뢰도에 이르기까지, 공정에서 중요한 모든 매개 변수를 고려하는 것이 중요합니다. 대부분의 경우에는 이들 요소를 고려하여 특정 요건에 직접 맞춤식으로 제작한 주문형 진공 시스템이 제작됩니다. 


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