I. 분무 건조의 작동 원리
분무 건조는 분무기를 통해 액체 원료를 미세한 액적 형태로 분산시키고, 뜨거운 건조 매체에서 용매를 빠르게 증발시켜 건조 분말을 형성하는 공정입니다. 일반적으로 분무 건조는 다음과 같은 네 단계로 이루어집니다. a) 액체 원료의 분무; b) 미스트와 뜨거운 건조 매체의 접촉 및 혼합; c) 액적의 증발 및 건조; d) 건조된 제품과 건조 매체의 분리.
원료 액체는 용액, 에멀젼, 현탁액일 수도 있고, 용융액이나 페이스트일 수도 있습니다. 즉, 펌핑이 가능한 모든 액체 형태가 가능합니다. 최종 제품은 분말, 과립, 속이 빈 구형체 또는 응집체일 수 있습니다.
II. 일반적인 분무 건조기 분무 건조기는 분무기를 사용하여 희석된 액체(예: 수분 함량이 75~85% 이상인 용액)를 미세한 물방울로 분무한 후, 뜨거운 공기 흐름에 분산시킵니다. 이렇게 하면 수분이 빠르게 증발하여 고체 제품이 생성됩니다. 건조 시간은 일반적으로 수 초에서 수십 초 정도입니다. 분무기는 분무 건조의 핵심 구성 요소이며, 주로 원심식, 압력식, 공기 흐름식 분무기가 사용됩니다.
1. 압력식 분무 건조기 압력식 분무 건조기는 2~20MPa의 압력을 사용하여 여과된 액체를 미세한 물방울로 분무합니다. 이렇게 분무된 물방울은 표면적이 크게 증가하며, 뜨거운 공기와 완전히 접촉하여 10~30초 이내에 건조 과정을 빠르게 완료합니다. 이렇게 얻어진 분말 또는 미세 과립은 분리됩니다.
2. 원심 분무 건조기: 공기는 필터와 히터를 통과하여 원심 분무 건조기 상단의 공기 분배기로 들어갑니다. 뜨거운 공기는 나선형 패턴으로 건조기 내부로 고르게 유입됩니다. 공급액은 공급 탱크에서 필터를 거쳐 건조기 상단의 원심 분무기로 펌핑되어 매우 미세한 액적으로 분무됩니다. 공급액과 뜨거운 공기가 평행하게 흐르면서 수분이 빠르게 증발하고 매우 짧은 시간 안에 완제품으로 건조됩니다. 완제품은 건조탑 하단과 사이클론 분리기를 통해 배출되고, 배기가스는 팬을 통해 배출됩니다.
3. 공기 흐름 분무 건조기
이 유형의 건조기는 주로 노즐에서 고속으로 분사되는 공기 또는 수증기를 이용합니다. 마찰력에 의해 공급액이 미세한 액적으로 분해되어 뜨거운 공기와 접촉하여 열 교환이 일어납니다. 전체 공정은 30초 이내에 완료됩니다. 고점도 재료에 매우 효과적이며 조작이 간편합니다.
III. 분무 건조기의 응용 분야
1. 특수 세라믹 과립화용 분무 건조
세라믹 재료 소결 전 성형체의 형태는 최종 제품의 성능에 직접적인 영향을 미칩니다. 분말의 특성은 성형체의 균일성과 건식 압축 후 밀도에 큰 영향을 미칩니다. 분무 과립화 기술은 특수 세라믹 분말 제조에 널리 사용됩니다. 압력 분무는 특수 세라믹 분말 과립화에 일반적으로 사용됩니다. 적절한 공정 조건에서 제조된 분말은 우수한 화학적 균일성, 높은 미세도, 우수한 유동성 및 높은 압축 밀도를 나타내어 건식 압축 또는 등방압 압축 공정에 적합합니다.
2. 리튬 이온 배터리용 리튬 인산철(LiFePO4) 양극재의 분무 건조 적용
리튬 이온 배터리는 주로 양극재, 음극재, 전해질 및 분리막으로 구성됩니다. 양극재의 비용과 성능은 리튬 이온 배터리 개발을 제약하는 요소입니다. 따라서 리튬 이온 배터리의 기술 발전을 위해서는 양극 소재의 연구 개발이 매우 중요합니다. 현재 중국에서 주로 사용되는 양극 소재로는 리튬 코발트 산화물, 리튬 니켈 산화물, 리튬 인산철, 그리고 삼원계 소재 등이 있습니다. 이 중 리튬 인산철은 안전성, 긴 수명, 우수한 열 안정성, 풍부한 원료 확보, 저렴한 가격 등의 장점을 가지고 있지만, 탭 밀도가 낮고 저온 전도도가 떨어지는 단점이 있습니다.
리튬 인산철/C 양극 소재의 간단한 제조 공정: 정제수와 함께 볼밀 용기에 수산화리튬(LiOH)과 인산철(FePO4)을 넣습니다. 볼밀링 후, 일정량의 탄소원을 첨가합니다. 3시간 동안 볼밀링 후, 슬러리를 꺼내 분무 건조기에서 분무 건조합니다. 분무 건조는 특정 입구 및 출구 온도(입구 200-250℃, 출구 <100℃)에서 수행됩니다. 건조 후, 재료를 먼저 분위기 전기로에서 저온으로 2시간 동안 소성하고, 이어서 고온으로 6시간 동안 소성하여 LiFePO4/C 양극재를 얻습니다.
실험 결과, 분무 건조 공정은 소결 전 전구체 재료에 20~20 마이크로미터의 입자 크기를 갖는 우수한 구형도를 부여하는 것으로 나타났습니다. 분무 건조 조건에서 재료의 화학 조성은 비교적 균일합니다. 소성 과정에서 구형 입자들 사이에 고체상 변화가 발생하지 않고, LiFePO4/C 결정립 생성이 단일 구형 입자에 국한되어 미세한 LiFePO4/C 결정립이 생성됩니다. 이러한 미세한 결정립은 LiFePO4/C의 전기적 특성 향상에 유리합니다.
3. 침전 실리카(백색 카본 블랙이라고도 함)의 분무 건조는 고무 산업에서 중요한 보강 원료입니다. 미세구조와 응집 형태가 카본 블랙과 유사하고 고무 보강 특성도 비슷하기 때문에 백색 카본 블랙이라고 불립니다. 침전 실리카를 생산하는 주요 방법에는 기상 건조와 침전 건조 두 가지가 있습니다. 기상 건조는 고순도, 고성능 제품을 생산할 수 있지만 에너지 소비가 많고 기술적으로 까다로우며 비용이 많이 듭니다.
반면, 침전 건조는 성숙하고 간단하며 비용 효율적인 방법입니다. 그러나 건조 및 탈수 과정에서 초미세 입자가 응집되기 쉬워 성능에 영향을 미칩니다. 연구에 따르면 분무 건조는 입자 분산이 균일하고 비표면적이 높으며 오일 흡수율이 높은 침전 실리카를 생산할 수 있으며, 권장 오일 흡수율 및 비표면적 적합 곡선을 충족하여 고성능 타이어 및 컬러 타이어의 보강제로 적합합니다.
4. 의약품 제제에 분무 건조 적용
건조는 의약품 생산, 특히 한약 제조에 있어 매우 중요한 역할을 합니다. 분무건조 제제는 다음과 같은 특징을 갖습니다.
a. 완제품의 우수한 균일성: 분무건조 과정에서 약액은 지속적인 교반 하에 미세한 분무 분산액으로 분사되어 순간적으로 건조되므로 우수한 균일성을 얻을 수 있습니다.
b. 완제품의 우수한 유동성, 점착성 및 용해성: 분무건조 과정에서 수분이 빠르게 증발하여 입자 크기가 작아지고 유동성이 우수하며 정제 성형이 용이합니다. 이는 분획 포장 시 더욱 정확한 용량 조절을 가능하게 합니다. 또한, 수분이 입자 내부로 쉽게 침투하여 약물 용해를 촉진합니다.
c. 간소화된 생산 공정: 분무건조는 농축과 건조를 한 단계로 진행할 수 있으며, 건조 시간이 비교적 짧아 열에 민감한 약물의 효능 유지에 유리합니다.
d. 청정 생산: 밀폐된 분무 환경은 약물의 세균 오염을 방지하고 작업장의 분진 오염을 줄입니다.
한약 제품은 높은 청결도를 요구하며, 이를 위해 여러 대의 공기청정기를 사용하는 경우가 많습니다. 따라서 분무건조는 한약 제조 공정에 매우 적합한 건조 방식입니다.