[해외 여과 기술·분리공법의 최근 기술개발 동향] ⑥ 산업체 플랜트에서의 공정수 분리기술

이번 연재 기사 중 처음 5회의 기사는 진정한 여과기능(filtration)과 다른 내용, 즉 침전, 침강 기능(sedimentation) 중심으로 다루어졌다. 여과 설비 자체에 대해서도, 깨끗한 물을 생산하기 위해 적은 양의 부유성 고형물질 제거를 주요 목적으로 하는 정화(clarification) 기능 위주로 설명됐다.

그러나 이와 다른 형태의 여과설비가 다양하게 상업화되어 있으며 이들의 목적은 고농도 함유의 부유성 고형물질을 제거·분리하는 것이다. 이러한 공정을 고형물 회수(solid recovery, harvesting)라 부르며 이러한 목적에 부합되는 장치들을 통칭해 process filter라고 한다.

고형물 회수(solid recovery) 기술은 mother liquor로부터 여러 공정 단계에서 생산되어 나오는 고부가 가치의 고형물(valuable solid)을 분류하는데 주로 적용되는 기술이다. 많은 제조 플랜트 공정에서 폐수가 슬러리(slurry) 혹은 슬러지(sludge) 형태로 발생되며 이들로부터 고형물질이 재이용(recycling) 혹은 폐기(disposal)용으로 분리·제거되고 있다.

부유성 유입수로부터 고부가 물질을 회수하기 위해 harvesting 기술이 필요하다. 고부가 물질의 회수는 가능하면 간단한 방법을 통해 효과적으로 이루어져야 하며, 생산수에서의 미세 고형물질은 최소로 하는 것이 바람직하다.

 

The first five parts in this series of six articles have dealt with subjects other than filtration(i.e. sedimentation), or with filtration equipment that is primarily concerned with removing small quantities of suspended solids in order to produce as pure a fluid as possible - the clarification function.

However, there is another wide range of filtration equipment types - some would say the only real filters - whose purpose it is to remove high concentrations of suspended solids. This process is termed solids recovery, or harvesting, and the complete range of equipment has been given the name ‘process filters’.

Solids recovery is usually employed to separate a valuable solid, which has been produced in a previous process step, from its carrying, or ‘mother’, liquor. It should not be forgotten, however, that many manufacturing processes produce wastes as slurries or sludges, from which the solids must be removed for recycling or disposal.

Harvesting is usually required to recover the valuable material from suspension, and needs to effect this recovery of the solids as free from the suspending fluid as possible, while at the same time losing as little fine solid in the filtrate as can be achieved - because this would represent a production loss.

 

고형물 회수에 적용되는 필터의 종류는 매우 다양하며 이러한 배경은 필터 장치내에서 고형물을 제거·회수하는 것이 매우 어려운 작업이기 때문이다. 즉, 고형물질의 분리 처리 과정은 유체의 이동 처리 과정보다 훨씬 난해한 작업이다. 이러한 다양한 형태에도 불구하고 전체 시장규모는 상대적으로 작은 30%의 시장 점유율을 가지며, 일반 정화기술인 clarification 시장의 70% 점유율과 비교해 대조적이다.

‘process filter’는 ‘utility filter’와 다른 개념으로 비교적 작은 범주에 속한다. 설비용 필터(utility filter)는 플랜트의 제조·생산 라인에서 중요한 역할을 하고 있는 모든 종류의 필터를 통칭하고 있다. 이러한 필터들이 없으면 생산라인이 멈추게 되는 넓은 범위의 필터로 고형물 회수 장치뿐만 아니라 clarification filter 장치도 이 범위에 포함된다.

대부분의 gas filtration 장치는 비교적 적은 함량의 부유물질을 처리하는 clarification 기능을 가지고 있으며 utility filter로 분류될 수 있는 반면에 대부분의 고형물 회수 기능은 일반적으로 액상유체의 처리에 적합하다. 즉 플랜트 공정에 적용되는 공정용 필터(process filter)로 분류된다.

위의 사항은 filtration 산업에서 적용 기술상의 매우 중요한 특성으로 현실화되고 있다. 공정분야 적용으로 판매되는 대부분의 설비는 제조사가 독특한 기술 경쟁력을 보유하여 이러한 성능을 보여줄 수 있는 정도의 충분한 기술력을 가지고 있어야 한다. 이러한 산업이 부문화되는 현상은 기술보유 제조사간에 서로 표준화된 설비를 제공하고 있기 때문이다. 극단적인 사례로 대형 filter belt press 제조사들은 특정 분야에의 적용 용도로 제작해 공급하고 있으며 다른부문으로는 in-line strainer 장치를 공급하는 제조사들이 있다.

 

There are more different types of filter employed for solids recovery than for any other purpose, and the main reason for this large number is because of the difficulties encountered in removing the recovered solids from inside the filter - solids handling is almost always more difficult than fluid movement.

Despite this variety of filter type, the totality of solids harvesting equipment is the smaller component of the filtration and sedimentation market, holding just over 30% of the total, compared with just under 70% for clarification duties.

[It should be noted that the term ‘process filter’ is being used in this review in a somewhat narrower definition from that which casts it as the opposite to ‘utility filter’. In the latter case it refers to all filters that have a key position on a process production line, and without which production would stop - this means that many clarification filters would be included within the broader definition as well as solid recovery designs.]

The relevance of this discussion comes from the realisation that almost all gas filtration applications are clarifying duties, with relatively low levels of suspended material (where there are high levels, these are usually separated by cyclones rather than filters).

Almost all harvesting duties are liquid-phase operations, mainly being process applications. This leads into an important feature of much of the filtration industry: the importance to it of applications technology. Almost all equipment sold into the process industries has to have a guarantee of performance, requiring the supplier to possess the necessary degree of technological competence to enable it to demonstrate this performance or substantiate a guarantee.

One other way in which the industry may be segmented is thus between the technology-rich suppliers and those providing standard catalogue items. At one extreme would be the maker of large filter belt presses, which are usually built for a particular application, and at the other would be the supplier of in-line strainers (for which, of course, operating performance will be just as important, but the onus for success lies more with the purchaser than with the supplier).

 

공정용 필터(process filter)로 분류되는 설비는 다음과 같다.
· screen, dewatering 및 clarification 장치· gravity and vacuum driven 형태로 운전되는 roll(flat bed) filters
· batch and continuous 운전방식을 가진 vacuum filters
· pressure vessel filters
· filter press, plate 및 frame 형상의 press 그리고 tower press 등
· variable volume filters(tube press 등) 장치 등이 있다.

 

이러한 필터 종류의 설계는 대부분 매우 오랜 기간 사용되어 왔으며, 1930년대의 엔지니어들은 이 장치들을 새로운 근대화된 모델로 적용시키는데 큰 어려움이 없었다. 이들 장치를 제작하는 제조사들은 다른 수처리 설비 제작사와 마찬가지로 동일한 경제적 어려움을 겪어 왔으며 아울러 인수합병 요구에 대한 압력을 받아 왔다.

그럼에도 불구하고 많은 제조사들이 여전히 명맥을 이어 왔으며 일부 소유주의 변동이 있는 회사들도 그들의 장치에 동일한 브랜드명을 그대로 유지할 수 있었다. 그럼에도 불구하고 최근에 이루어진 제조회사들의 인수합병 내용을 보면

· Mahle 그룹에 의한 Amafilter사의 인수
· Dorr Oliver 및 Eimco사의 FLSmith사로 이전
· Niagara Screen Products사의 Clacor사에 매각
· US Filter사의 Veolia사에 매각(최종 Siemens사에 매각)
· Larox사에 의한 Outokumpu사의 필터사업부 인수
· Andritz사에 의한 Baker Hughes사의 필터 및 원심분리장치 사업 인수
· Dover Resources사에 의한 Groupe Aoustin사 인수
· Rosenmund사의 Dietrich사에 매각

 

The types of equipment that are, in principle, being covered here are:
· screens, as used for dewatering and classification;
· gravity and vacuum driven roll (flat bed) filters;
· batch and continuous vacuum filters;
· pressure vessel filters (i.e. filters consisting of a set of filter elements or a filter structure contained in a pressurised vessel);
· filter presses, covering all variations of the simple plate and frame press, including the tower press; and
· variable volume filters, such as the tube press.

 

Many, if not most, of these different filter designs have been in use for a very long time, and an engineer practising in the 1930s would probably have no difficulty in recognising examples of them in a modern day works. The companies that produce them have suffered from the same economic rigours as for other types of equipment, and have been subjected to the same merger and acquisition pressures. Nevertheless, many of these companies have survived, even if under different ownership, and a lot of the equipment still exists with proprietor’s names intact.

Recent corporate changes that have occurred include:
· the purchase of Amafilter by the Mahle group;
· the move of Dorr Oliver and Eimco to FLSmidth;
· the sale of Niagara Screen Products to Clarcor;
· the disposal of USFilter by Veolia (to Siemens);
· the purchase of the filter business of Outokumpu (including Hoesch and Pannevis) by Larox;
· the sale by Baker Hughes of the Bird/KHD filter and centrifuge businesses to Andritz;
· the purchase of the Groupe Aoustin companies (Filtres Philippe and Filtres Vernay) by Dover Resources; and
· the purchase of Rosenmund (including Guedu) by de Dietrich.

 

공정용 필터 장치의 복잡성은 filter medium 표면에 케이크 형태로 적층되는 고형물질을 제거하는 필요성에 따라 좌우된다고 알려져 있다. 케이크는 실제로 여과의 전 과정에서 효과적인 filter medium 기능을 제공한다. 대부분의 정화용(clarification filter) 장치는 매우 얇은 케이크 층에서 운전된다. 따라서 filter medium의 특성에 따라 성능이 결정될 수 있다. 그러나 회수용 필터(recovery filter)에서는 추가적인 간헐적으로 발생되는 케이크 발생으로 인한 저항 요인을 고려해야 한다.

여과가 진행되는 동안 케이크가 형성되어 적층이 이루어진다. 그리고 filter medium으로부터 제거되는 방식으로 시스템의 설계 및 효과적 운전의 효과 등을 고려해야 한다. 운전의 전체 사이클 과정에 cake washing 과정이 포함된다. 즉 세척이 이루어지는 각 단계별로 청정수 물을 이용한 세척배출이 행해지며, 그 후에 경제성이 고려된 케이크 생산이 가능한 수준으로 탈수가 이루어진다.

케이크가 적절하게 세척되어 배출되면, 이들은 필터 장치에서 탈착될 수 있다. 이때 필터 내에 축적된 다른 물질들과 필터 medium의 내부 부품에 손상을 최소로 하는 것이 좋다. 필터장치의 케이크 문제점들을 처리하기 위해 plate-and-frame 형태의 press, tower press, belt press filter, rotary drum filter 등의 장치들이 개발됐다.

 

It has already been said that the complexity of the process filter is very largely caused by the need to remove the collected solids, which usually build up as a cake on the upstream surface of the filter medium. The cake, indeed, provides the effective filter medium for most of the filtration cycle. Most clarification filters operate with very thin, if any cake, so that their performance can usually be characterised by the properties of the filter medium - recovery filters have the additional and less predictable factor of the cake resistance to consider.

The way in which the cake forms, builds up during filtration, and then is removed from the filter medium dictates the design of the equipment and its efficiency in operation. The cycle of operation may include cake washing stages, with filtrate drainage between stages of washing, followed by the most thorough deliquoring of the cake that is possible within the economics of cake production.

Once the cake is adequately washed and drained, it has to be removed from the filter, preferably with as little damage to the accumulated material and the filter internals, including the medium, as possible. The plateand- frame press, the tower press, the belt press or filter, the rotary drum filter - these are all types of equipment that have been developed to deal with the filter cake problem.

 

이미 언급한 바와 같이 process filter의 여러 형태 변화는 장치의 형태를 전면적으로 변화시킨 것이 아니라 약간의 기계적 성능의 개선으로 이루어진 개발로 국한되어 왔다. 이러한 변화의 가장 뚜렷한 것으로는 장치에 사용되는 filter medium의 형태이다. 즉 wire mesh, woven cloth, simple felts를 적용한 초기의 공정용 필터로부터 개량된 media가 사용됨에 따라 filtration 효과 및 filter media의 사용수명이 모두 개선됐다.

이러한 개선은 우선 needle punched felts 형태로부터 시작되어, spunbonds와 같은 유형의 폴리머 재질 nonwoven fleeces 형태, 이보다 복잡한 형태의 nonwovens 재질로 발전했다. 최근에는 정밀여과막(microfiltration membrane) 개발로 이어졌다. 극히 최근에는 개발 초기 coated material 재질의 복합특성 composite media가 multi-layer material로 발전됐다.

새로운 필터 메디아 재질의 개선은 공정용 필터의 성능 면에서 커다란 자극제가 됐으며 이에 따라 media 개선 없이도 얻을 수 있는 장치의 개선은 점차 줄어들게 되었다. 이러한 경향은 예전의 재질이 더 이상 사용되지 않는다는 것은 아니다. 예를 들어 지멘스사에 의해 수처리 사업분야에 최근 소개된 Fory-X disc filter는 pleated woven fabric 형태의 filter media을 적용 훌륭한 성공실적을 가지고 있다.

filter media에 의한 개선으로 여과성능의 향상을 가져온 것 외에 대형장치 적용에 에너지 사용의 효율성 증가가 있었으며 이러한 개선 효과를 가진 것으로는 belt filter 및 filter press 장치가 있다.

 

As has already been implied, the changes in the various types of process filter have not been such as completely to change the equipment format, the developments coming instead from relatively minor mechanical improvements.

The most obvious of these changes has been in the type of filter medium used. From the earliest process filters, using wire mesh, woven cloth and simple felts, with quite good results, filtration efficiency and filter media life have both increased as media became available.

First, as needlepunched felts, then as simple polymeric nonwoven fleeces such as spunbonds (with the ever-expanding varieties of available polymer), then the more complex nonwovens, and now even microfiltration membranes.

Quite early on, rudimentary composite media became available, first as coated materials, and now with multi-layer materials. The arrival of each new filter medium material gave an aging process filter a shot in the arm in terms of possible performance - and to some extent slowed down the machinery improvements that might have come without the media improvements.

That said, it should not be assumed that the older materials are no longer used. For example, the Forty-X disc filter, comparatively recently introduced to the water treatment business by Siemens, employs a pleated woven fabric as its filter medium with some considerable success.

As well as the general improvements in filtration performance brought about by better filter media, there has been a general improvement in energy efficiency, especially among the larger equipment, such as belt filters and filter presses.

 

공정용 필터의 초기 제품군 중, 지난 수십 년간 괄목할만한 변화가 있는 것으로 machine tool 플랜트의 coolant recycle system 분야가 있으며, 정화(clarification) 목적으로 사용되는 flat-bed(roll) filter 제품은 기본적 형태의 변화는 없었으나 driving force로 중력을 사용하는 대신 vacuum 사용을 증가시킨 설계로 훨씬 정교한 제품으로 발전했다. 이들 제품은 급격히 paper media로부터 합성재 재질로 변화하고 있다.

필터 프레스(filter press) 제품은 일반 필터장치만큼 오래전 소개된 제품으로 아직도 sheet filter를 기본으로 사용해 음료분야 공정용수의 최종 정화(clarification) 용도로 사용되고 있다. 필터 프레스 장치의 가장 큰 변화는 알려진 것처럼 간단한 plate-and-frame 구조로부터 단일 모듈의 recessed 혹은 chambered plate 형태의 구조로 변경된 것이며, 또한 diaphragm plate 형태로 변화를 가져 왔다.

이 경우 불투수성의 다용도 diaphragm이 사용되어 케이크로부터 여분의 수분함량을 제거하는 기능을 갖는다. 이러한 안정된 상황에도 불구하고 제조사들은 끊임없이 추가적으로 개선 가능한 분야를 찾고 있다. Larox사는 새로운 특성의 Hoesch filter press를 개발, 이는 일련의 표준화된 부품을 가진 모듈화된 장치로 higher sealing 특성과 연계된 fast opening 장치를 갖도록 개발됐다.

 

Among the items in the earlier list of process filter types some have changed but little over the last few decades, with some of the more noteworthy changes being mentioned in what follows. For example, the flat-bed (roll) filters, which are the workhorses for clarification of the machine tool coolant recycle system, have been little changed in basic form, but are becoming more sophisticated, increasingly using vacuum, rather than just gravity as driving force. They are rapidly converting from paper media to synthetic materials, such as spunbonds.

The filter press is almost as old as filtration itself, and still exists in its basic form as the sheet filter, used for final clarification of product liquids in the beverage sector. The major changes in filter press design are now well established - from simple plate-and-frame construction to the single module of the recessed or chamber plate, and to the diaphragm plate (often confusingly termed a membrane plate) in which an impermeable but flexible diaphragm is used to squeeze extra liquor out of the cake - although only from compressible cakes, of course.

Nevertheless, into this stable situation, manufacturers are still finding that improvements are possible. Thus, Larox has recently introduced a new range of Hoesch filter presses, which basically have a modular design, with a set of standardised options, further developed by means of a fast opening mechanism coupled with a higher standard of sealing around larger ports.

 

필터 프레스 장치 설계의 오랜 역사로 보면 초기설계와 관련된 문제점은 여전히 존재하고 있다. 이들은 plate 끝단에서의 sealing 어려움으로 slurry 혹은 filtrate의 누수가 발생하는 문제, 케이크 배출의 어려움, 다양한 자동화 운전 특성을 가진 batch 형태 운전에서의 문제점 그리고 효과적인 케이크 세척 및 탈수의 난해함 등이 포함된다.

이들 장치는 또한 partial fill 처리의 어려움도 갖고 있으며, 낮은 케이크 제거 효율로 next batch 운전에서 일정하지 않은 filling 및 channeling의 문제점도 발생되고 있다. 대규모 press 용량에 적합하도록 보다 많은 plate를 설치함으로써 support beam의 중량이 커지는 문제는 플라스틱 재질의 사용으로 줄어들었다. 이러한 다양한 문제점으로 비교적 적은 부지에 대형 장치를 설치하기 위해 filter press 장치의 여러 기능 및 능력에 균형조절이 필요하게 됐다.

압력베셀 필터(pressure vessel filter) 장치는 tubular membrane 혹은 flat leaves를 설치, 또는 수평판형의 필터 부품을 설치한 여러 개의 candle 설계로 되어 있다. 그러나 압력베셀 필터의 가장 매력적인 제품은 rotary drum filter 부품을 압력베셀 내에 장착한 것으로, 이는 매우 복잡한 엔지니어링 설계가 필요하다. 특히 분리가 이루어진 고형물질이 shell을 통과하여 외부로 연속적으로 이동되는 특성이 있으나 BHS-Sonthofen사 및 Bokela사로 부터의 제품은 enclosed design 형태를 보여주고 있다.

벨트형 필터프레스(belt filter presss) 장치는 최초의 배출이 이루어진 후 feed slurry를 연속적으로 압착해주는 장치로, 1% 이하의 고형물 농도를 가진 feed suspension을 취해 처리하여 최종 배출되는 케이크 함량을 35% 이상으로 만들어 준다. 이는 belt sandwich가 그들 사이를 지나는 동안 roller의 기계적 압력에 의해 이루어진다. 이러한 기계적 구조로 에너지 사용이 매우 많이 소모되어 현재의 설계개발은 에너지 효율을 향상시키는데 집중돼 있다.

 

Given the long history of filter press design, it is surprising to find that the problems inherent in the original design are still present, to a greater or lesser extent. These include the difficulty of sealing at the edges of the plates, with consequent leakage of slurry or filtrate; the problems of cake discharge, batch operation with various degrees of automation, and difficulty of adequate cake washing and dewatering. They also handle partial fills (from the end of a process batch) with difficulty. Poor cake removal leads on to problems with the next batch of uneven filling and channeling.

The problem of excess weight on the support beams resulting from attempts to make larger presses with more plates has at least been reduced by the use of all plastic materials.

These disadvantages have to be balanced by the ability of the filter press to cram quite large filtration areas into a relatively small footprint.

The range of pressure vessel filters is typified by the multiple candle design, with hanging tubular elements or flat leaves, or filters with horizontal plates, but a more interesting group of pressure filters is the rotary drum filter enclosed in a pressure vessel. This is an extremely complex engineering task, especially the continuous transfer of separated solids out through the shell - but successful designs from, for example, BHS-Sonthofen and Bokela have shown the value of the enclosed design.

The belt filter press is a continuous device that squeezes the feed slurry, after an initial period of drainage, and can take a feed suspension of down to 1% solids up to a discharged cake of 35%. It does this by mechanical pressure of rollers as the belt sandwich passes between them. As a result it is a fairly high energy user, and modern designs have concentrated in increasing the energy efficiency.

 

분리장치로서 가장 전형적인 배취형 진공필터(batch vacuum filter)는 batch nutsche filter 부분을 보다 세련되게 한 개선 외에 실제로 큰 변화는 없었다. 현재 미세화학 산업(fine chemical) 및 제약분야에 일반적으로 사용되고 있다.

배열이 잘된 leaf and plate filter는 진공 다기관(vacuum manifold) 상에 flat elements를 장착한 형태로 과거보다 많은 설치 실적을 보이고 있으나, 대부분 장치는 filter media만의 변경으로 운영되고 있다.

연속동작의 진공필터 장치는 2가지 형태가 있는데, 하나는 rotating drum 혹은 disc 형태, 다른 하나는 horizontal belt 형태의 제품이 있다. 회전형 진공필터(rotating vacuum filter)는 과거 수십 년 동안 거의 변화가 없었으나 Siemens사는 Forty-X disc filter 성능의 커다란 개선을 이루었다고 발표하고 있다. 즉 disc 부품에 pleated filter media를 사용하는 능력을 부여해 장비설치 면적당 filtration area를 40% 증가시키는 효과를 가지고 있다.

한편, Larox사에서 공급되는 Ceramec capillary action의 disc filter 제품은 이와 완전히 다른 메카니즘으로 운전되고 있다. 수평형 belt 방식의 진공필터는 최근에 눈에 띨 만큼 설계및 성능이 개선됐다. 이전의 wire mesh support 구조와 nonwoven media 제품으로 부터 보다 넓고 길이가 긴 filtration belt를 제조할 수 있는 기술개발로 보다 우수한 성능이 부분적으로 이뤄졌다.

이에 관한 중요한 개발로는 Pannevis GT사에 의한 설계로부터 vacuum belt filter 장치가 gas tight 가능하게 한 것이 있다. 솔벤트 함유 부유물질을 대기중으로 VOC를 방출하지 않고 처리가 가능하게 됐다.

 

Batch vacuum filters, among the most traditional items in the separation equipment range, have seen little real change, apart from the increasing sophistication of the batch nutsche filters so common in the fine chemicals and pharmaceuticals sector. The well-established leaf and plate filters, with flat elements hanging from, or supported on, a vacuum manifold, look much as they ever did, but all have benefited from the changes in filter media.

As far as continuous vacuum filters are concerned, there are two main types: the rotating drum or disc, and the horizontal belt.

The rotating vacuum filters have been little changed over the last few decades, although Siemens is making claims to a significant improvement in performance with its Forty-X disc filter because of its ability to use pleated filter media on its discs, thereby increasing the filtration area for a given equipment footprint (by some 40%). A different mechanism entirely operates in the Ceramec capillary action disc filters supplied by Larox.

The horizontal belt vacuum filters have been quite noticeably improved in design, as well as in performance, in recent years. Better performance has resulted in part from the ability of the manufacturers to fit wider and longer filtration belts (which can then be replaced much more easily than on older designs), from wire mesh support structures and nonwoven media. An important development here has been to make the vacuum belt filters gas tight, as in the Pannevis GT design, so that they can process solvent-based suspensions without releasing VOCs into the atmosphere - a major operating worry in the modern day.

 

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