용액을 남기는 제품 중합 반응기 80%–90% 용매가 포함되어 있을 수 있습니다. 후처리 과정에서는 이 용매를 제거하고, 필요한 경우 반응하지 않은 단량체를 회수하며, 농축된 중합체를 펠릿과 같은 안정적이고 판매 가능한 형태로 전환해야 합니다.
용매 함량이 감소함에 따라 이 공정은 점점 더 어려워집니다. 고분자의 점도가 급격히 상승하고, 확산 속도가 느려지며, 열전달 효율이 떨어지고, 과도한 기계적 전단력이 분자 구조에 손상을 줄 수 있습니다.
현재 주로 사용되는 두 가지 사후 처리 방법은 다음과 같습니다:
- 습식 응고
- 건식 탈휘발분 공정
습식 응집
습식 응고는 많은 기존 생산 공장에서 여전히 널리 사용되고 있는 전통적인 공정입니다.
습식 응고의 원리
폴리머 용액을 뜨거운 물 속으로 고속으로 분사하면, 증기가 용매와 반응하지 않은 단량체를 제거합니다.
뜨거운 물과 접촉하면 폴리머가 고무 부스러기 형태로 급속히 침전됩니다. 용매와 물이 포함된 증기 혼합물은 회수를 위해 응집 용기 상단에서 배출되는 반면, 폴리머 부스러기는 물 속에 남아 탈수 및 건조 과정을 거칩니다.
장점과 한계
습식 응고는 기술적으로 성숙한 공정이며 비교적 간단한 주요 설비를 사용합니다. 그러나 다음과 같은 몇 가지 단점도 있습니다:
- 폐수 발생량이 많음
- 중요한 배기가스 처리 요건
- 높은 증기 및 건조 에너지 소비량
- 하류 공정 단계가 긴 순서
- 대형 장비의 설치 공간
- 추가 탈수 및 건조 장비
완비된 습식 응고 라인에는 압출 탈수, 팽창 건조, 열풍 건조, 용매 회수 및 폐수 처리 공정이 필요할 수 있습니다.
습식 응고는 수십 년 동안 많은 구형 EPDM 공장에서 표준 공정으로 사용되어 왔습니다. 이 과정에서 지속적으로 발생하는 운영상의 문제 중 하나는 EPDM 크럼의 점착성이 높다는 점입니다.
입자들은 충돌 및 이송 과정에서 서로 달라붙을 수 있습니다. 장기간 가동할 경우 파이프라인이 막히거나 응집 탱크에 고분자가 쌓여, 수동 세척을 위해 생산이 중단될 수 있습니다.
건식 탈휘발성화
건식 탈휘발화 공정은 물을 첨가하지 않고 용매를 제거합니다. 이 공정은 열 에너지, 감압, 기계적 표면 재생 및 진공 추출을 이용하여 고분자에서 휘발성 성분을 분리합니다.
일반적인 시스템은 두 단계로 구성됩니다:
1차 정적 탈기화 후 2차 동적 탈기화
1단계: 1차 또는 정적 탈휘발성 처리
첫 번째 단계에서는 용매 함량이 높은 고분자 용액을 농축합니다. 공정에 따라 용매 농도는 80%–90%에서 수 퍼센트 이하로 낮아질 수 있습니다.
플래시 탈휘발화 공정은 폴리올레핀 엘라스토머(POE) 생산에 널리 사용되는 1차 용매 제거 방법입니다.
갑작스러운 압력 저하로 인해 용매의 일부가 급속히 기화됩니다. 플래시 용기에 들어가기 전에, 폴리머 용액은 일반적으로 용매 증발에 필요한 에너지를 공급하기 위해 가열됩니다.
기화된 용매는 용기 상단을 통해 빠져나가 증기 제거 및 회수 시스템으로 유입됩니다. 농축된 고분자 용액은 하단에서 배출됩니다.
일부 POE 공정에서 플래시 처리를 통해 폴리머 농도를 약 25%에서 99% 이상으로 높일 수 있습니다. Yue Sheng Technology가 보고한 자료에 따르면, 플래시 보조 이축 압출 공정을 통해 용매의 50%–75%를 직접 제거할 수 있는 것으로 나타났습니다.
실제 성능은 초기 고분자 농도, 용매의 특성, 온도, 압력, 고분자 점도, 열전달 조건 및 증기 분리 능력에 따라 달라집니다.
낙하식 탈기 장치는 정적 탈기 장비의 또 다른 유형입니다.
고분자 용융물 또는 농축 용액은 슬롯이나 분배구 개구를 통과하여 여러 개의 얇은 가닥을 형성합니다. 이 가닥들은 진공 챔버 내부에서 중력에 의해 아래로 떨어집니다.
고진공 상태에서는 용해된 기체와 용매가 팽창하여 가닥 표면으로 확산된 뒤 빠져나갑니다. 기포의 성장과 파열은 휘발성 물질의 제거 속도를 더욱 높입니다.
이 장비에는 내부 회전 부품이 전혀 포함되어 있지 않아 다음과 같은 여러 가지 잠재적 이점을 제공합니다:
- 간단한 기계적 구조
- 비교적 적은 설비 투자
- 제한된 기계적 전단력
- 분자 사슬 분해 위험이 낮음
- 유지보수 부담 감소
도겐’의 DSXL 기술은 이러한 공정 경로를 따릅니다. 폴리머는 먼저 고효율 열교환기에서 가열된 후, 진공 탈기 용기로 균일하게 분배됩니다.
이 물질은 고진공 상태에서 여러 가닥으로 분산되어, 물질 전달을 위한 표면적을 넓혀주고 휘발성 성분이 빠르게 빠져나갈 수 있게 합니다. 도겐 이 기술을 여러 대규모 산업 프로젝트에 적용해 왔습니다.
낙하 가닥 탈휘발화 공정은 강렬한 기계적 반죽 과정에 의존하지 않기 때문에 전단 민감성 폴리머에 특히 적합합니다. 이 기술은 점도가 최대 8,000 Pa·s에 달하는 소재를 처리할 수 있는 것으로 알려져 있으며, POE 및 EPDM 시스템 모두에 적용될 수 있습니다.
그러나 정적 탈기 과정에는 본질적인 성능 한계가 존재한다. 이는 주로 확산, 기포 성장, 기포 파열, 그리고 하강하는 가닥의 노출 표면적에 좌우된다.
잔류 휘발성 성분의 함량이 감소하고 중합체 점도가 증가함에 따라, 물질 전달 저항이 지배적인 요인이 됩니다. 따라서 정적 장비만으로는 잔류 용매 농도를 매우 낮은 수준으로 낮추기 어려울 수 있습니다.
2단계: 2차 또는 동적 탈휘발성화
1차 탈휘발 공정에서는 용매 함량을 중간 수준으로 낮춥니다. 용매를 더 제거하려면 일반적으로 고분자 표면을 지속적으로 갱신하는 장비가 필요합니다.
이중 나사 탈기 압출기는 동적 탈기 장비의 주요 유형 중 하나입니다.
스크류가 폴리머를 이송하고 반죽하는 과정에서, 재료 표면은 반복적으로 늘어나고, 분할되고, 접히며, 새롭게 형성됩니다. 독립적으로 제어되는 여러 개의 진공 배출 구역에서 방출된 용매와 기타 휘발성 성분을 제거합니다.
Yue Sheng Technology는 자사의 제어형 다단계 탈휘발 공정으로 트윈 스크류 압출기에서 잔류 용매 농도를 약 50~200 ppm 수준까지 낮출 수 있다고 밝혔다.
Meizilon 및 Coperion과 같은 기업들도 산업용 POE 탈기 시스템을 개발했다.
2026년 4월, 페트로차이나 블루 오션 뉴 머티리얼즈, 쓰촨 중왕, 다칭 석유화학 엔지니어링은 ZHP480 이중 나사 탈기 압출 및 펠릿화 설비를 공동으로 완공했다.
보고된 사양은 다음과 같습니다:
- 나사 직경 486 mm
- 시간당 40톤의 단일 라인 처리 능력
- 국내에서 개발된 구동 시스템
- 국내에서 개발된 탈기식 압출기
- 통합 제어 및 펠릿화 시스템
- 독립적인 지적 재산권
이 장치는 동기화된 구역별 연속 유연한 온라인 탈휘발성 공정을 사용합니다. 다단계 스트리핑 및 반복적인 표면 재생 과정을 통해 잔류 폴리머 VOC 농도를 약 150~300 ppm 이내로 유지한다고 알려져 있습니다.
이 시스템은 FDPE, POE, EPDM을 비롯한 고성능 메탈로센계 소재를 가공하도록 설계되었습니다.
쓰촨중왕은 또한 란저우 신구 지역에 연간 수천 톤에서 수만 톤 규모의 연속 탈기 시범 설비를 구축했다. 이 설비들은 첨단 고분자 소재에 대한 탈기 공정을 검증하는 데 활용된다.
이 플랫폼에서 메탈로센 EPDM에 대한 건식 이축 스크류 탈기 및 펠릿화 공정을 시험해 보았다.
수평형 이중축 반죽 탈기기는 서로 반대 방향으로 회전하는 자체 세척식 축 두 개를 사용하여 고분자를 늘리고 접어 얇은 필름이나 층으로 만듭니다.
이 장비는 용매 제거의 마지막 단계에서 점도가 수천 파스칼·초까지 상승하는 고점도 물질에 특히 적합합니다.
평균 체류 시간을 몇 분까지 늘릴 수 있어, 비등점이 높은 잔류 성분들이 폴리머를 통해 확산되어 노출된 표면에 도달할 수 있는 시간이 더 많아집니다.
수평형 니더는 이축 압출기와 결합될 수 있습니다. 이러한 구성에서는:
- 수평형 반죽기는 심층 탈휘발 처리를 수행합니다.
- 이중 나사 압출기는 최종 탈기, 압력 상승 및 펠릿화 과정을 완료합니다.
POE와 EPDM은 서로 다른 탈휘발성 처리 전략이 필요하다
POE와 EPDM은 모두 용액 중합 엘라스토머이지만, 후처리 요건은 상당히 다릅니다.
POE: 플래시 탈휘발성 처리가 널리 사용되고 있다
POE는 일반적으로 중합 공정을 거친 후 유동성이 우수한 비교적 점도가 낮은 용액 상태로 배출됩니다. 이러한 특성 덕분에 플래시 탈휘발 공정(flash devolatilization)은 1차 용매 제거에 적합합니다.
많은 산업용 POE 공정에서는 다음 요소들을 조합하여 사용합니다:
플래시 용기 또는 대용량 탈기 장치와 그 뒤에 이어지는 심층 탈기 장비
중합 반응기를 떠난 용액은 플래시 용기나 LIST 탈휘발기 등의 장비로 유입되어 용매의 대부분이 제거됩니다. 잔류 용매 함량은 약 1% 수준까지 낮아진 후, 재료가 최종 탈휘발 처리를 위해 이축 압출기로 유입됩니다.
플래시 사전 탈휘발화 공정은 특허받은 공정 설계와 상업용 POE 생산 모두에서 광범위하게 적용되어 왔다.
EPDM: 점도가 높으면 플래싱 작업이 까다로워진다
EPDM은 분자량이 비교적 높고 분지 구조가 있는 삼중공중합체입니다. 이 물질의 용액 점도는 일반적으로 POE보다 훨씬 높습니다.
플래싱 과정에서 용매가 급속히 증발함에 따라 온도도 상당히 낮아집니다. 점도가 낮은 POE 용액의 경우, 이러한 냉각 후에도 재료가 충분히 유동적인 상태를 유지할 수 있습니다.
그러나 EPDM의 경우, 냉각과 농축을 동시에 진행하면 재료의 점도가 급격히 높아지거나 침전물이 발생할 수 있습니다. 유동성이 상실되면 하류에 위치한 탈기 장비를 통한 이송이 어려워집니다.
이러한 이유로, EPDM의 경우 플래시 탈기 과정이 그리 간단하지 않으며 다음 사항들을 더욱 세심하게 제어해야 합니다:
- 예열 온도
- 플래시 압력
- 용매 증발 속도
- 고분자 농도
- 체류 시간
- 배출 온도
- 설비의 토크 및 이송 능력
많은 EPDM 공장에서 여전히 습식 응집 공정을 사용하고 있습니다. 이 공정은 에너지 및 원자재 소비량이 비교적 많지만, 구형 공장을 건식 탈휘발 공정으로 개조하려면 상당한 자본 투자와 공정 변경이 필요할 수 있습니다.
Coperion이 공개한 공정 매개변수에 따르면, EPDM과 POE 모두 약 5%–15%의 용매를 함유한 상태로 최종 탈휘발성 처리 장비로 유입될 수 있는 것으로 나타났습니다. 처리 후 잔류 농도를 1,000 ppm 미만으로 낮출 수 있을 것으로 보입니다.
플래시-트윈 스크류 구성을 사용하는 POE의 경우, 이 목표를 달성하는 데 일반적으로 덜 까다롭습니다. EPDM은 점도가 더 높고 용매 증발 과정 중 온도 손실에 더 민감하기 때문에, 대개 더 신중한 장비 선정과 운영 관리가 필요합니다.
두 가지의 근본적인 차이점은 다음과 같이 요약할 수 있습니다:
POE는 일반적으로 용액의 점도가 낮아 플래시 탈기 공정에 더 적합합니다. EPDM은 점도가 더 높기 때문에 급속 플래싱 과정에서 유동성이 떨어질 수 있습니다.
결론
용액 중합 반응기를 떠나는 중합체 유체는 두 가지 주요 후처리 경로 중 하나를 따를 수 있다.
습식 응집 공정은 뜨거운 물과 증기를 이용하여 고분자를 침전시키고 용매를 제거합니다. 이 공정은 성숙하고 안정적이지만, 상당한 양의 폐수를 발생시키고, 많은 에너지를 소비하며, 긴 탈수 및 건조 공정이 필요합니다.
건식 탈휘발 공정에서는 물을 첨가하지 않고 용매를 제거합니다. 일반적인 공정에서는 1차 정적 탈휘발 단계에 플래시(flash) 또는 폴링 스트랜드(falling-strand) 장비를 사용하고, 그 후 2단 스크류 압출기나 수평 혼련기를 사용하여 동적 심층 탈휘발 단계를 진행합니다.
POE는 용액의 점도가 상대적으로 낮기 때문에 일반적으로 플래시 사전 탈기 과정에 매우 적합합니다. 반면 EPDM의 경우, 용매가 급속히 증발하면 온도가 낮아지고 점도가 급격히 증가하며 유동성이 저하될 수 있어 더 큰 어려움을 초래합니다.
중국에서의 장비 개발로 인해 건식 고분자 탈휘발성 처리의 선택지가 확대되고 있다. 도겐’의 DSXL 낙하식 탈기체화 기술은 1차 용매 제거를 위한 저전단 공정을 제공하는 반면, ZHP480과 같은 대형 이축 스크류 시스템은 고처리량의 동적 탈기체화 및 펠릿화를 목표로 합니다.
폴리머의 유변학적 특성, 용매의 특성, 잔류 VOC 규제 기준, 열 민감도, 전단 민감도, 처리량, 폐수 처리 제약 조건, 에너지 소비량 및 프로젝트의 전반적인 경제성을 고려하여 적절한 공정을 선정해야 합니다.
