이 글의 목적은 제조·도장·세정 공정에서 MEK(메틸에틸케톤) 증발 손실이 과다해지는 원인을 체계적으로 진단하고, 설비·운전·관리 측면의 개선안을 제시하여 회수율을 높이고 원가와 VOC 배출을 동시에 줄이는 데 있다.
1. MEK 기본 특성과 손실 메커니즘 이해
1.1 물성 핵심값
| 항목 | 값(대표) | 설명 |
|---|---|---|
| 화학명/약어 | 메틸에틸케톤(MEK, Butanone) | 일반적 세정·희석·용해용 용제이다. |
| 분자량 | 72.11 g/mol | 증기밀도 산정에 사용한다. |
| 끓는점 | 약 79.6 °C | 응축기 냉각수 선택 시 기준이 된다. |
| 증기압(25 °C) | 약 10 kPa | 아세톤보다 낮으나 여전히 고휘발성 범주이다. |
| 인화점(폐쇄식) | 약 −9 °C | 저온에서도 인화 가능하므로 점화원 관리가 필수이다. |
| 폭발하한(LEL) | 약 1.4 % vol | 질소 블랭킷과 국소배기 설계의 기준이 된다. |
| 수용성 | 혼화성 | 폐수 계면 손실 및 수상 캐리오버 가능성이 있다. |
주의 : MEK은 저인화점·저LEL 특성을 가지므로 모든 회수 및 배출 제어 장치에는 정전기 대책, 접지, 방폭 규격, 점화원 통제가 선행되어야 한다.
1.2 증발 손실의 기본 방정식
증발 속도는 표면적, 경계층 질량전달, 기상 중 분압 구배, 액상 혼합물 조성(라우올의 법칙 적용), 온도·난류(교반·송풍) 등에 지배된다.
# 단일성분 액면 주변의 평판 근사 증발 유속(질량유속) 예시 N_A ≈ k_g · (p_A,s - p_A,∞) / (R·T) [mol·m⁻²·s⁻¹]
혼합용제 라울의 법칙(이상용액 가정)
p_A,s = x_A · p_A^*(T)
총 손실량
m_loss = (N_A · A · t) · M_A
여기서 k_g는 기상 질량전달계수, p_A^*(T)는 온도에 따른 포화증기압, x_A는 액상 몰분율, A는 유효 증발면적, t는 노출시간이다. 공정 제어의 목표는 p_A,s를 낮추고, p_A,∞(환기 희석 농도)를 충분히 낮추며, A와 t를 최소화하고, k_g를 낮추는 것이다.
2. 증발 손실 과다 원인 진단 체크리스트
2.1 설비·배관·용기
- 개방형 탱크·세정조에서 액면 면적 과다 또는 교반 강도 과다이다.
- 탱크·드럼의 P/V 밸브 설정치가 낮아 호흡 손실이 빈번하다.
- 배관 퀵커넥터 미사용으로 탈부착 시 드리핑·비산이 발생한다.
- 탱크 상부 공간의 질소 블랭킷 미구성 또는 설계압력 미달이다.
- 응축기 열교환 면적 부족, 냉각수 온도 과다 또는 바이패스 누설이 있다.
- 활성탄 흡착탑 전처리 미흡으로 포집 효율 저하 및 일찍 포화된다.
2.2 공정운전·작업방법
- 빈 드럼·탱크의 빈번한 호흡(breathing)으로 충전·배출 시 증기 손실이 크다.
- 세정부·도장부 국소배기 풍량 과다로 불필요한 용제 스트리핑이 발생한다.
- 교반·가열 조건이 필요 이상으로 높아 포화증기압 상승을 유발한다.
- 청소·세정 시 개방시간이 길고, 뚜껑·슬라이딩 커버 사용이 미흡하다.
- 액면 레벨이 낮아 동일 생산량 대비 액면적/체적 비가 커져 손실이 증가한다.
2.3 품질·혼합 조성
- MEK 순도가 높아 혼합물 대비 포화증기압이 크다.
- 혼합 희석제로 낮은 증기압 대체제가 없음으로 라울압 감소 효과가 없다.
- 불순물·수분 유입으로 응축·흡착 성능 저하가 발생한다.
2.4 환경조건
- 고온 계절·하절기 주변 공기 온도 상승으로 증기압 및 질량전달계수 증가이다.
- 라인·탱크 햇볕 노출로 국부 온도 상승이 발생한다.
3. 정량 진단: 손실량 산정과 목표 설정
3.1 질량수지 기반 손실율 정의
# 원단위 손실률(kg/톤 제품) Loss_rate = (Input_MEK - Product_MEK - Inventory_gain - Recovered_MEK) / Production
회수율(%)
Recovery_eff = Recovered_MEK / (Input_MEK - Product_MEK - Inventory_gain) × 100
주·월 단위로 회계 재고, 유량계, 탱크레벨, 용제농도(굴절·GC) 데이터를 동기화하여 산정한다.
3.2 호흡 손실 경험식(단순화)
# 탱크 호흡 손실 근사(온도·압력 변동에 의한 배출) L_breath ≈ K · V_vapor · (ΔP/RT_avg) · M_MEK [kg/사건]
K: 밸브 동특성·밸런스 라인 반영 상수(0~1), V_vapor: 탱크 기상공간 체적
빈번한 충전·배출 사이클의 ΔP를 줄이고 V_vapor를 최소화하며 K를 낮추는 것이 핵심이다.
3.3 응축기 설계 포인트
# 응축 필요 냉각온도(T_cool) 추정 y_MEK,exit < y_target ⇒ p_MEK,exit = y_target · P_total T_cool ≤ T_sat(p_MEK,exit) - ΔT_LMTD_margin
열수지
Q = ṁ_gas · c_p · (T_in - T_out) + ṁ_cond · Δh_vap
면적 산정(고정 U 가정)
A = Q / (U · ΔT_LMTD)
실무에서는 냉매수 5~10 °C 차압과 오염계수, 방폭 팬/실란트 등을 고려하여 10~20 % 여유 면적을 둔다.
4. 회수율을 끌어올리는 12가지 고효율 대책
4.1 설비 개량
- 밀폐 이송·하향 주입: 드럼→탱크, 탱크→공정 간 드라이브레이크·드립리스 커플러 적용으로 비산 제거한다.
- 슬라이딩 커버·플로팅 볼: 개방조 액면 덮개와 폴리에틸렌 플로팅 볼로 유효 증발면적을 60~90% 감소한다.
- P/V 밸브 최적화: 설정압력을 설비허용 범위 내 상향(예: ±3→±7 mbar)하여 호흡 빈도를 낮춘다.
- 질소 블랭킷: 탱크 상부 산소농도를 8 % vol 이하로 유지하고 미세 가압(수 mbar)으로 외기 흡입을 억제한다.
- 냉각 코일·재킷: 세정부·혼합탱크 액온 20→15 °C 저감으로 포화증기압을 유의미하게 낮춘다.
- 2단 응축 + 활성탄: 1차 냉수, 2차 브라인(0~−10 °C) 후 폴리싱 흡착으로 배출 농도를 낮춘다.
- 열교환기 바이패스 차단: 3-way 밸브 누설률을 점검하고 데드레그를 없앤다.
- 탱크 레벨 상향 운전: 동일 생산량 대비 V_vapor 축소로 호흡 손실을 줄인다.
- 열복사 차단: 탱크 차광, 라인 보온으로 온도 상승을 억제한다.
- 국소배기 재설계: 포집후드 면풍속 0.5~0.7 m/s 목표, 과다풍량을 줄이고 포집효율은 유지한다.
- 응축수 분리·회수: 응축수에 용해된 MEK 스트리핑·재응축 루프를 구성한다.
- Vapor balancing: 탱크 간 가스 밸런싱 라인으로 충전 시 외기 배출 대신 다른 탱크로 리턴한다.
4.2 운전·관리 최적화
- 교반 RPM과 시간의 상한을 설정한다.
- 도장·세정 공정의 개방시간을 표준작업서로 제한한다.
- 세정액 농도를 단계식으로 설계하여 고농도 구간 체류시간을 최소화한다.
- 활성탄은 전처리(프리필터, 제습)와 병렬 2기 교번 방식으로 브레이크스루를 방지한다.
- 주별 손실 KPI, 회수 KPI를 공개하고 이상변동 시 즉시 원인 분석을 개시한다.
5. 빠른 계산 예시(현장 추정용)
5.1 개방조 증발 손실 추정
# 가정: A=0.8 m², T=25°C, k_g=0.02 mol·m⁻²·s⁻¹·kPa⁻¹, p_MEK^*(25°C)=10 kPa # 실내 희석농도 거의 0 가정(p_A,∞ ≈ 0) N_A ≈ 0.02 · (10) / (8.314·298) = 8.08e-5 mol·m⁻²·s⁻¹ ṁ ≈ 8.08e-5 · 0.8 · 72.11 = 0.00465 g/s ≈ 16.7 g/h
10조 운영 시 일일 손실
≈ 0.167 kg/day (근사)
교반으로 k_g가 2배가 되거나 온도 30 °C로 상승하면 손실은 기하급수적으로 증가한다. 덮개 설치로 유효 A를 70% 줄이면 손실도 70% 가까이 감소한다.
5.2 응축기 냉매 온도 선정
# 목표: 배출 MEK 몰분율 y_target ≤ 200 ppmv p_MEK,exit = 0.0002 · 101.3 kPa ≈ 0.020 kPa # 해당 포화압에 대응하는 포화온도(T_sat)는 0~5°C 대역(근사) # 결론: 2단 응축 시 1단 냉수(15~20°C) + 2단 브라인(−5~0°C) 필요 5.3 활성탄 필요량 산정(거칠게)
# 주간 MEK 부하: 25 kg/week, 목표 서비스기간: 4주, 유효 작동용량: 0.18 g/g 필요 활성탄량 m_c ≈ 25*4 / 0.18 ≈ 556 kg # 안전율 1.2 적용 ⇒ 약 670 kg, 2기로 분할 운영 권장 주의 : 활성탄 작동용량은 가습, 혼합 VOC, 온도, 유속에 크게 의존한다. 사전 파이롯 테스트로 파과시간을 측정하여 설계값을 보정해야 한다.
6. 공정별 맞춤 개선 시나리오
6.1 도장 Booth
- 프리미스트 최소화, 패턴 최적화로 오버스프레이를 줄인다.
- 세척 총을 밀폐형 세정기 내부로 전환한다.
- 부스 배기 덕트 전단에 1차 응축코일, 후단에 활성탄 베드를 배치한다.
6.2 세정 라인(초음파·딥탱크)
- 탱크마다 슬라이딩 리드와 스키머 가림막을 설치한다.
- 에어넘김 대신 액상 재순환 필터로 세정력을 확보한다.
- 탱크간 이송 시 자동 리프트와 드립타임 타이머로 공중 노출시간을 제한한다.
6.3 벌크 탱크·드럼 보관
- 질소 블랭킷과 P/V 밸브를 병행하여 외기 흡입을 억제한다.
- 충전·하역은 증기 밸런싱 라인 연결 후 수행한다.
- 일광 노출 차단, 옥외 배관 보온으로 온도 상승을 방지한다.
7. 표준점검표(현장 즉시 사용)
| 점검항목 | OK 기준 | 빈도 | 조치 |
|---|---|---|---|
| 개방조 덮개/플로팅볼 | 액면 덮개율 ≥ 70% | 매일 | 누락 시 즉시 보강 설치한다. |
| 국소배기 풍량 | 면풍속 0.5~0.7 m/s | 주간 | 과다풍량은 인버터로 조정한다. |
| P/V 밸브 설정 | ±7 mbar 내외 | 월간 | 시운전 로그로 호흡 빈도 확인한다. |
| 질소 순도·압력 | O₂ ≤ 8% vol, +3~+10 mbar | 상시 | PRV·유량계 교정한다. |
| 응축기 출구 농도 | < 200 ppmv | 주간 | 브라인 온도/유량 보정한다. |
| 활성탄 차압 | < 1.5 kPa | 주간 | 프리필터 교체, 바이패스 점검한다. |
| 라인 누설 | 비눗물 테스트 무누설 | 월간 | 개스킷 교체, 토크 재조인다. |
8. 데이터 기반 운영관리
8.1 KPI 구성
- 손실률(kg/톤)과 회수율(%)을 라인·공정별로 분리 집계한다.
- 응축기 출구 농도, 활성탄 전후 농도, 질소 사용량을 추적한다.
- 계절별 온도 상관분석으로 예방 정비를 선행한다.
8.2 샘플 분석
- 응축수 중 MEK 농도는 GC로 주 1회 분석한다.
- 세정액 농도는 굴절계로 매일 관리하고 교체 시점을 최적화한다.
- 배출가스는 PID 또는 FID로 연속 모니터링한다.
9. 안전·환경 준수 포인트
- 방폭등급 설비 사용, 정전기 접지·본딩 필수이다.
- 국소배기 배출은 하류에서 확실한 회수·처리를 거친다.
- 저장탱크·배관의 누설은 환경 및 폭발위험으로 즉시 보수한다.
- 작업허가제(용제 취급, 화기작업)를 엄격히 운영한다.
주의 : 질소 블랭킷 도입 시 산소결핍 위험평가와 가스검지기, 산소경보기 배치가 반드시 병행되어야 한다.
10. 도입 효과 예측과 투자 타당성
개방조 덮개·플로팅볼, P/V 상향, 2단 응축, 활성탄 폴리싱, 질소 블랭킷의 조합으로 통상 30~60% 수준의 손실 저감이 가능하다. 톤당 손실 4 kg을 1.5 kg로 낮추고, 월 MEK 투입 50 톤 기준 연간 절감 1,500 kg, 톤가 2 만원/kg 가정 시 연 3 억원 절감의 잠재력이 있다. 응축·흡착 설비는 보통 1~2 년 내 투자회수가 가능하다.
11. 도입·개선 절차 로드맵
- 1주: 계측 계획 수립(유량계, 농도계, 온도·압력 로거) 및 베이스라인 측정한다.
- 2~3주: 덮개·플로팅볼, 국소배기 재세팅, 라인 누설 보수한다.
- 4~6주: 1차 응축 코일 증설, 브라인 순환기 설치한다.
- 7~8주: 활성탄 흡착탑 병렬 2기 도입, 전처리 필터 추가한다.
- 9~10주: 질소 블랭킷·P/V 최적화, 밸런싱 라인 구축한다.
- 11~12주: KPI 리뷰, SOP 개정, 교육 및 표준화한다.
FAQ
질소 블랭킷과 P/V 밸브를 함께 쓰면 어떤 이점이 있나?
질소 블랭킷은 산소농도를 낮추고 약양압을 유지해 외기 유입을 줄이며, P/V 밸브는 미세 압력 변동에 의한 빈번한 호흡을 억제한다. 병행 적용 시 호흡 손실과 폭발위험을 동시에 낮출 수 있다.
응축과 활성탄 중 무엇을 먼저 도입해야 하나?
배출농도가 높고 열원이 충분하면 응축이 원단위가 낮다. 잔류 저농도 처리를 위해 활성탄을 후단 폴리싱으로 배치하는 것이 경제적이다.
개방조 덮개 대신 플로팅볼만으로 충분한가?
플로팅볼만으로도 면적을 크게 줄일 수 있으나 교반·반출 시 기류 교란에는 덮개가 더 효과적이다. 둘을 병행하면 최적 효과를 얻는다.
국소배기 풍량을 줄이면 작업환경농도가 오르지 않나?
면풍속 범위를 유지하면서 과다풍량을 절감하면 불필요한 스트리핑을 줄일 수 있다. 포집 효율을 우선 목표로 하고, 후드 형상과 위치 최적화로 농도 상승을 방지한다.
활성탄 포화 시점은 어떻게 파악하나?
전후단 농도차가 급감하거나 돌파농도가 설정값에 도달하면 교체·재생한다. ΔP 상승과 함께 모니터링하면 신뢰도가 높다.
MEK 일부를 저증기압 용제로 대체하면 효과가 큰가?
혼합비가 커질수록 라울압이 낮아져 증발이 줄어든다. 단, 공정성능·건조시간·품질을 함께 검증해야 한다.