더 정밀해진 오염물질 여과 시스템

처리량을 증가시키고 오염도가 높은 용융수지 여과 시스템

용융수지 여과 시스템의 최신 발전 동향을 보면 처리량을 증가시키고 유동 상태를 개선하여 용융수지가 정체되는 부분을 제거한다. 그리고 원료 품질의 저하를 막고 에너지 효율을 낮추는 배압을 감소시키고, 설비의 사용수명을 증가시킬 수 있는 방향으로 진행되고 있다. 또한 대부분의 경우 폐재료의 재활용을 감안하고 있다는 것이 특징이다.

이탈리아의 피믹(Fimic)사는 자체 청소 기능이 있는 용융수지 여과장치 분야에서 업계 선두 위치를 확보하기 위해 제품을 지속적으로 개선해 나가고 있다. 이 회사는 최근 스테인리스 강판을 펀칭하여 제조하던 기존의 제품에 레이저 천공한 스크린을 개발 사용하기 시작했다. 레이저는 두꺼운 스크린에 작은 구멍을 가공할 수 있으므로 여과의 정도, 구멍의 지름, 스크린의 기계적인 강도, 그리고 개방 면적 사이의 균형을 최적화할 수 있다.

이 회사의 마케팅 책임자는 “이 스크린은 여과가 매우 어려운 원료를 처리할 수 있으며 광범위한 제품 성형에 적합한 펠릿을 제조할 수 있도록 해준다”고 말했다.

현재 피믹사가 제작하고 있는 필터 스크린 중에서 가장 작은 망목은 150 미크론(100 메시)이다. 또한 시트의 두께가 충분하므로 스크린을 오븐 내에서 반복하여 청소하고 재사용도 가능하다. 현재 이 회사는 입도가 더 낮은 100미크론 규격의 스크린을 개발하여 시험하고 있다.

회사측에 의하면 시험 결과는 매우 만족스러우며 올해 내에 정식 제품으로 생산 판매할 수 있을 것으로 예상하고 있다. 망목 크기가 큰 필터는 일반 생활 폐기물을 처리하여 제품 성형에 적합한 재활용 원료를 생산할 수 있으며, 오염도가 낮은 폐기물은 여과하여 필름 제조 원료를 생산할 수 있다.

필터는 매우 넓은 범위의 용융유동지수, MFI(Melt Flow Index)를 가진 용융수지를 여과할 수 있으며, 예를 들어 80-MFI PP와 0.01-MFI HDPE 수지는 2개의 극단적인 예라 할 수 있다.

여과압력이 미리 설정된 수준에 도달하면 제어용 압력 측정 프로브가 PLC로 신호를 보내어 스크레이퍼를 작동시키도록 한다. 스크레이핑 방식은 역세척(Back-Flush) 방식에 비해 간단하며 오염도가 높은 원료와 부식성이나 마모성이 강한 오염물질도 여과할 수 있는 장점이 있다.

실제로 모래, 금속 또는 유리 입자 기타 오염 입자에 의해 발생하는 마모는 스크린에 한정되며 다른 여과 부분에는 마모가 생기지 않는다. 이 회사의 스크린 단가는 다른 경쟁제품보다 훨씬 더 낮아 전체적으로 큰 원가절감 효과를 얻을 수 있게 된다.

여섯 차례의 스크레이핑에 의해 제거된 오염물질은 한데 모은 후 한꺼번에 외부로 배출한다. 스크레이핑 주기는 오염 정도에 따라서 달라지며, 오염도가 높은 폐플라스틱일 경우 몇 분마다 스크레이핑을 실시한다. 피믹사의 미국 대리점인 ADG 솔루션즈의 샌디 거트리의 말에 의하면 이 시스템은 여과 및 클리닝 공정에서 버려지는 수지를 절반 이나 1/3 수준으로 감소시켜 준다.

모델 사이즈는 지름 325mm부터 최신 700mm 제품까지 있으며 그 여과용량은 각각 250~3,000kg/h 이상이다. 피믹의 창업자인 안토니오 카나이아 사장의 설명에 의하면 최신 모델은 운전 압력이 낮아서 에너지 절감효과와 함께 압출기 스크류와 배럴의 마모를 방지하므로 유지비용 절감에 큰 효과가 있다.

이탈리아의 다른 여과장치 제작사인 코피트(Cofit)에서는 오염도가 높은 원료를 재활용할 수 있는 스크린 체인저 개발에 주력하고 있다. K 2013 박람회에서 처음 선을 보인 고릴라 벨트(Gorilla Belt)는 그동안 시장에서 상당한 호응을 얻었다. 고릴라 벨트에 이어 개발된 트위스트 벨트는 그 시제품이 지난 5월 이탈리아 밀라노에서 개최된 Plast 2015 전시회에서 처음 공개되었다.

코피트사의 알레산드로 파브리 사장 겸 판매담당 이사는 폐품 재활용 시장을 목표로 개발된 트위스트 벨트는 한 고객사에서 곧 상용화 시험을 시작할 예정이라고 밝혔다.

트위스트 벨트와 고릴라 벨트는 모두 압출기를 정지시키지 않고 연속 가동할 수 있는 것이 특징이다. 약 22초에 걸쳐 스크린을 교환하는 동안 용융수지는 저장용 실린더에 머물러 있게 된다. 고릴라(Gorilla)라는 이름은 높은 강도를 표현하기 위해 붙인 이름으로서, 2개의 쐐기 블록이 마치 2개의 큰 손처럼 부착되어 있어서 스크린을 잡아주며 후속되는 모터로 스크린을 당겨서 이동시킨다.

고릴라 벨트는 스크린을 교환할 때 용융수지의 흐름이 중단되는 데 비해 트위스트 벨트는 용융수지 흐름이 중단되지 않는다는 것이 이 모델들의 차이다. 그러나 트위스트 벨트는 아직 시제품 단계이므로 상세한 데이터는 공개되지 않고 있다.

고릴라 벨트는 다양한 사이즈의 모델로 생산되고 있으며, 처리량은 500~2,500kg/h 이상이다. 파브리 사장은 재 컴파운딩 작업 시에는 충전제 무게를 포함한 최대 순간 처리량이 4,000kg/h까지도 가능하다고 말했다.

오스트리아의 NGR사는 2013년 독일계 브리타스(Britas)사를 인수하여 자동식 밴드 용융수지 여과 장치를 생산하고 있다. 브리타스 시스템은 오염도가 높은 폐플라스틱을 처리하는 데 적합하며, 특히 폴리에틸렌 용융수지 여과에 가장 적합하다.

현재 70미크론 사이즈의 오염물질 입자까지 여과, 제거할 수 있는 것으로 알려졌다. 플라스틱 용융수지의 여과기술은 가격 대비 성능이 우수한 회전식 필터 밴드가 도입됨에 따라서 자동 스크린 체인저 분야에서도 큰 변화가 있었다. 용융수지의 손실률은 0.2% 이하로서 그 생산성도 크게 높아졌다.

NGR이 밝힌 바에 의하면 현재 유럽 내 70여 개 공장에서 170대 이상의 브리타스 필터 시스템이 사용되고 있다. 미국 시장에는 플로리다주 올랜도에서 열렸던 NPE 2015 박람회를 통해 처음 소개되었다. 또한 이탈리아 밀라노에서 열렸던 Plast 2015 전시회에도 브리타스 자동 밴드형 용융수지 필터에 데이터 네트워크를 연결할 수 있는 신형 제어장치를 설치한 시스템을 출품했다.

우수 재활용 사례 소개(Gneuss)
독일 그노이스사 역시 재활용 원료와 같이 심하게 오염된 원료를 가공할 수 있는 여과장치 개발에 주력하고 있다. 이 회사의 신형 RSFgenius M 모델은 구동장치와 역세 메커니즘을 서로 동기화하여 심하게 오염된 원료도 높은 효율로 여과할 수 있다.

동기화의 효과로 자체 청소 성능이 향상되어 스크린의 용량이 많이 증가하였으며 또한 역세 과정에서 원료가 손실되는 것을 최소화하여 효율을 더욱 높이고 있다. 그노이스는 남미에 있는 두 개 재활용 플랜트에서 성공적으로 사용되고 있는 RSFgenius M 용융수지 여과 시스템을 소개했다.

브라질의 브란드트(Brandt)사는 380kg/h 용량의 재-펠릿화 라인에서 기존의 측판식 스크린 체인저를 RSFgenius M 150 시스템으로 교체했다. 이 압출기는 100% PP 및 PE 재활용 원료를 압출하여 사출성형에 사용되는 펠릿을 제조한다.

브란드트는 처음 이 라인의 기본 구성을 변경하지 않고 설치하여 오염도가 높은 폐 원료를 사용하지 않음으로써 빈번한 스크린 교체에 따르는 문제를 피했다. 그러나 현재는 오염이 심한 원료도 포함하여 하루 1,000kg의 제품을 스크린 교환에 의한 가동 중단 없이 가공하고 있다. 뿐만 아니라 사이즈가 더 작아진 스크린의 여과 망목 덕분에 재활용 펠릿의 품질도 크게 향상되는 효과도 얻고 있다.

아르헨티나에 있는 레테플라스트(Reteplast)사도 400kg/h 용량의 재-펠릿화 압출 라인에서 기존의 슬라이드 플레이트식 스크린 체인저를 RSFgenius M 150 시스템으로 교체했다. 이 공장에서는 100% PP, ABS 및 PE 폐품을 가공하여 사출성형용 펠릿 원료로 재생하고 있다.

그전에는 수집된 폐원료를 압출 가공하기 전에 사전 세척공정을 거쳐 섞여 있는 종잇조각을 제거해야 했다. 그러나 RSFgenius M 시스템을 도입한 후에는 폐플라스틱을 세척하는 공정이 불필요하게 되었다. 현재는 용융수지를 250미크론 사이즈 망목의 스크린으로 완전 자동 여과하면서도 스크린 체인저에서 문제가 전혀 발생하지 않게 되었기 때문이다.

RSFgenius M은 처리하는 원료에 따라서 스크린을 자동으로 350~500회 역세한다. 슬라이드 플레이트 스크린 체인저를 사용하면서 하루 200회 이상 스크린을 교환하던 종전에 비해 역세 방식으로 원료의 손실이 크게 감소했다. 일일 가공량은 약 30% 증가했으며 제품의 품질도 크게 향상되었다.

노드슨(Nordson) PPS가 새로 개발한 스크린 체인저의 필터 카트리지는 쉽게 변형되지 않으며 용융수지의 유동 상태를 양호하게 유지할 수 있다. 현재 스타링거(Starlinger)가 제작한 대용량 PET 재활용 라인에 설치되어 필터 교환 횟수를 감소시키고 펠릿 품질을 높이는데 기여하고 있다.

유럽의 한 재활용 업체에 납품되어 폐병을 다시 새로운 병으로 재생하는 라인에 사용되고 있는 스타링거의 Recostar PET 165 HC iV+ 재활용 라인은 노드슨 크렌보그 K-SWE-4K-75/RS 스크린 체인저를 압출기와 수중 펠릿타이저 사이에 설치 사용하고 있다.

이 라인은 연중무휴로 연속 가동되고 있으며, 용도에 따라서 다양한 범위의 고유점도를 가진 재활용 rPET를 생산하고 있다 스타링거의 한 고객사는 스크린 체인저에 있는 일반 표준형 필터를 이 회사의 신형 필터 카트리지로 교체하여 필터 사용수명을 8~72 시간 연장할 수 있었다.

신형 필터 카트리지는 필터의 수명을 연장할 뿐만 아니라 1,400~1,600kg/h 수준의 대용량 시스템에도 적합하게 사용할 수 있다. 이 카트리지는 여과면적이 넓고 용융수지의 유동이 정체되는 구간을 제거하여 펠릿 품질을 저하시키는 압력 변화를 방지할 수 있다. 또한 역세과정에서 원료의 손실을 방지하고 금속 이물질을 완전히 제거할 수 있다.

기존 역세 필터보다 역세 처리량이 40% 감소한 것만으로도 시설 대체 투자비를 단기간 내에 회수할 수 있다. 유효 여과면적은 1,672㎠이며 여과 사이즈는 50미크론이다.

이 신형 필터 카트리지는 견고한 구조로 설계되어 강철 필터망의 압력감소와 변형을 방지할 수 있어서 특히 가동을 시작할 때 작용하게 되는 높은 기계적인 응력을 충분히 견딜 수 있다.

노드슨의 연구 및 제품화 엔지니어인 슈뢰더는 신형 필터 카트리지가 필터 망에 주름을 형성하여 여과면적을 넓히는 일반 표준형 필터 디스크를 대체할 수 있다고 말했다. 설명에 의하면 여과망에 주름을 형성하면 기계적인 응력에 취약하게 되어 운전 중에 주름진 층이 서로 밀리거나 서로 눌려서 용융수지의 여과 효과를 저하할 뿐만 아니라 필터의 사용수명을 단축시킨다.

마그 오토마티크(Maag Automatik)도 한정된 공간 내에서 여과능력을 증가시킬 수 있는 솔루션 개발에 주력하고 있다.

지난 5년 동안 같은 회사 그룹으로 각각 독립적인 사업을 전개하고 있는 마그 펌프 시스템즈(Maag Pump Systems)와 오토마티크 플라스틱스 머시너리(Automatik Plastics Machinery)는 지난 6월에 합병하여 마그 오토마티크(Maag Automatik)사를 설립했다. 이 회사는 용융수지 펌프, 스크린 체인저 및 펠릿타이저를 조합한 통합 시스템을 주문 제작하고 있다.

이 회사의 폴리머 스크린 체인저 제품 매니저는 “이와 같은 시스템 통합은 스크린 체인저 기술에 중대한 영향을 미치게 되며, 그 이유는 용융수지 펌프와 펠릿타이저의 용량이 커지면 요구되는 여과 메시 사이즈와 유량 등을 만족시키기 위해 여과 면적도 적합하게 증가하여야 하기 때문”이라고 말했다.

여과 면적을 증가
그는 이어서 “우리 회사의 컴파운딩용 스크린 체인저 개발 목표는 보통보다 더 작은 필터 하우징 용적으로 더 확장된 여과 표면적을 제공하는 것”이라고 말하면서, 그 결과로 개발된 것이 연속 운전이 가능하고 여과면적이 넓은 CSC-R 모델과 이보다 길이가 짧은 모델인 CSC-RS라고 밝혔다.

이 두 모델은 모두 지난 수년 동안 이 회사의 주력 제품이던 CSC-P의 개량형이다. CSC-P는 사전 성형된 아치형 스크린을 사용하며 하루 최고 750ton을 가공할 수 있는 대형 모델이다. 이에 비해 2개의 신형 모델은 다소 작은 700~19,000kg/h, 또는 하루 450ton의 용량을 가지고 있다.

이 모델들은 모두 큰 여과면적을 구현하기 위해 강력한 구조의 이중 피스톤 방식으로 설계되었다. 곡면형 스크린 플레이트는 원형 스크린 구멍을 가진 기존 일반형 스크린 체인저보다 4 배 더 넓은 유효 스크린 면적을 제공한다. 전체적으로 콤팩트형 설계로 큰 여과능력과 작은 여과 사이즈를 구현하고 있으며, 압력강하를 감소시키고 스크린의 수명을 증가시키고 있다.

또한 별도의 밀봉을 위한 부품을 사용하지 않고서도 용융수지가 누설되지 않는다는 장점도 있다. 스크린의 망목 형태는 특수하게 디자인되어 특허 출원 중이며 정체되는 부분이 없이 유동학적으로 최적화된 용융수지 흐름을 형성할 수 있다고 제작사에서는 주장하고 있다.

향상된 밀봉 성능
오스트리아의 펠릿 제조 시스템과 스크린 체인저 전문제조업체인 에콘(Econ)은 새로운 밀봉 기술을 개발했다. 이 기술은 4개 피스톤 및 자동 역세 기능을 가진 스크린 체인저에 처음 사용되었으며 이어서 1, 2 및 4피스톤, 연속식 및 불연속식, 그리고 역세 기능이 없는 모든 모델에도 확대 사용되고 있다.

이 회사 판매 및 마케팅 사업부의 마크달레나 다이슬은 “이 밀봉 기술은 폴리아미드나 PET 등 점도가 극히 낮은 플라스틱 용융수지에 적합하다”고 말했다. 뿐만 아니라 PC나 충전제를 높은 비율로 첨가한 컴파운드, 열전 안정성이 낮은 원료도 효과적으로 밀봉할 수 있으며 압출 이후 공정에서 퇴적되는 것을 방지할 수 있다고 밝혔다.

이 용융수지 누설 방지용 설계의 특징은 스크린의 자유유동 면적 비율이 크게 높아졌다는 것이다. 전체 면적의 75%는 항상 개방된 상태이며 그동안 나머지 면적에는 역세 작업이 시행된다. 2개의 망이 2개의 피스톤 내에 서로 나란히 설치되며 이러한 구조는 유동 채널 내에서 용융수지가 선형으로 흐를 수 있도록 해주는 것이다.

그 결과 용융수지 유동에서 배압이 낮아지므로 에너지 손실이 감소한다. 뿐만 아니라 용융수지 유동 경로가 크게 휘어지는 부분과 정체되는 부분이 없어 수지와 색상을 쉽게 변경할 수 있다.

이 새로운 밀봉 기술의 또 다른 특징은 노드슨 엑스알로이(Nordson Xaloy)가 제작한 최신형 슬라이드-플레이트 스크린 체인저다. 회사 관계자의 말에 의하면 이 스크린 체인저는 고온 고압에서도 용융수지를 누수 되지 않게 여과할 수 있으며 점도가 매우 낮은 수지에도 좋은 성능을 발휘할 수 있다.

슬라이드-플레이트 스크린 체인저에 사용된 밀봉 실(Seal)은 345℃ 및 515 bar(7,500psi)의 높은 온도와 압력, 15 Pa.s의 낮은 점도에서도 정상적인 기능을 발휘한다. 회사 관계자의 말에 의하면 기존 슬라이드-플레이트 방식 여과 시스템보다 점도가 낮은 원료를 훨씬 더 안전하게 여과할 수 있다.

이 밀봉 기술은 노드슨 엑스알로이 자체 시험 결과 2,000시간 이상 누설되지 않았으며, 여러 고객사에서 10만 시간 이상 가동되어 우수한 성능을 입증한 바 있다. 이 밀봉 기술은 수동식 및 유압식 슬라이드-플레이트 스크린 체인저에 사용할 수 있으며 기존 장비에도 쉽게 설치할 수 있다.

스위스 베르할터(Berhalter)사의 Becoscreen(베코스크린) 스크린 체인저는 깨끗한 필터 인서트를 담고 있는 슬라이딩 카세트를 사용하는 간단한 구조가 특징이다. 필터 인서트는 한쪽에서 삽입되고 반대쪽을 나와서 청소된다. 용융수지 흐름은 스크린 체인저를 직접 통과하며 여러 유동 채널로 나누어지지 않고 흐를 수 있어서 정체되는 부분이 생기지 않는다

회사 관계자의 말에 의하면 베코스크린은 매번 100% 청소된 필터를 삽입해줄 수 있는 유일한 스크린 체인저이다. 또한 용융수지의 흐름을 새로운 카세트로 전환해 주는 기능으로 연속가동되는 스크린 체인저의 성능이 저하되는 것을 방지할 수 있다. 이 장치는 정비 작업이 전혀 필요하지 않으며 거의 모든 종류의 플라스틱 용융수지를 여과하는 데 사용할 수 있다.

미국 파킨슨 테크놀러지(Parkinson Technologies)는 올해 NPE 박람회를 통해 최신형 필터 시스템을 소개했다. 신형 ScreenLync 시스템은 이 회사의 연속식 스크린 체인저에 사용하도록 설계된 것으로서 운전자가 스크린 롤을 차례대로 연결할 수 있다. 따라서 새로운 스크린을 쉽고 빠르게 시스템의 여과실에 직접 투입할 수 있다. 새 스크린을 설치하기 전에 여과장치를 청소할 필요가 없으므로 높은 운전 효율을 유지할 수 있다.

이 회사의 최신 KCH 연속식 하이브리드 스크린 체인저는 최적화된 용융수지 유동 경로와 확장된 여과 면적으로 여과용량을 대폭 증가시킨 것이다. 또한 자동화된 스크린 절단 시스템으로 운전자가 스크린 절단 길이를 기계에 설정해줄 수 있다. 기계는 자동으로 설정된 길이로 필터를 절단해주므로 안전한 작업을 할 수 있다.