수봉식(Liquid Ring) 진공펌프 vs. 건식(Dry) 진공펌프

공정 내 진공 형성(Vacuum Generation)을 위해 사용되는 수봉식(Liquid Ring) 진공펌프와 건식(Dry) 진공펌프의 특성 및 용도에 대해 공유하고자 한다.

 

 

 

수봉식(Liquid Ring) 진공펌프 vs. 건식(Dry) 진공펌프

진공펌프 특성 비교

1. 수봉식 진공펌프 (Liquid Ring Vacuum Pump)

펌프 하우징 내부에 물이나 특정 액체를 채워 회전하며 발생하는 원심력으로 액체막(Liquid Ring)을 형성하고, 이 액체막이 피스톤 역할을 하여 기체를 압축·배출하는 방식이다.

1) 작동 원리: 임펠러가 편심(Eccentric)되어 회전하며 액체막과 임펠러 날개 사이의 공간 용적 변화를 이용한다.

2) 장점:

• 온도 제어: 봉액(주로 물)이 압축열을 흡수하여 등온 압축에 가깝게 작동하므로 폭발성 가스나 온도에 민감한 가스 취급에 안전하다.
• 내구성: 구조가 단순하고 금속 간 마찰이 없어 불순물(수분, 분진)이 포함된 가스 처리에 강하다.
• 반응성 가스: 염소(Cl₂)와 같이 반응성이 큰 가스도 적절한 봉액(예: 농황산)을 선택하면 취급 가능하다.

3) 단점:

• 도달 진공도: 봉액의 증기압(Vapor Pressure)에 의해 최종 진공도가 제한된다.
• 폐수 발생: 오염된 가스와 접촉한 봉액의 폐수 처리 비용이 발생한다.

 

 

2. 건식 진공펌프 (Dry Vacuum Pump)

펌프 내부에 밀봉 액체 없이 스크류(Screw)나 클로(Claw) 형태의 로터가 서로 맞물려 회전하며 가스를 배출하는 방식이다.

1) 작동 원리: 정밀하게 가공된 로터 사이의 미세한 간극(Clearance)을 유지하며 고속 회전하여 기체를 이송한다.

2) 장점:

• 고진공: 액체의 증기압 영향이 없어 수봉식보다 높은 진공도를 얻을 수 있다.
• 청정 공정: 봉액이나 오일이 공정 가스에 혼입될 우려가 없어 반도체, 제약 공정에 필수적이다.
• 환경 친화적: 폐수나 폐유 발생이 없어 유지보수 및 환경 비용이 절감된다.

3) 단점:

• 발열: 압축열을 식혀줄 액체가 없어 펌프 온도가 높으며, 냉각 자켓(Cooling Jacket)이 필수적이다.
• 이물질 취약: 로터 간 간극이 매우 좁아 분진(Particle)이나 응축액 유입 시 고착(Seizure) 위험이 크다.

 

 

<표 1> 수봉식 vs 건식 비교 요약

구분	수봉식 (Liquid Ring)	건식 (Dry)
밀봉 방식	물 또는 액체 (Liquid Seal)	정밀 간극 (Mechanical Seal)
도달 진공도	상대적으로 낮음 (봉액 증기압 의존)	높음
가스 온도	저온 유지 (등온 압축)	고온 발생 (단열 압축)
오염 물질 견디는 힘	강함 (분진, 수분 포함 가스 적합)	약함 (필터 등 전처리 필수)
주요 용도	화학공정, 발전소, 염소 가스 이송	반도체, 디스플레이, 고순도 약품
유지보수	봉액 보충 및 폐수 처리 필요	로터 정밀 점검 및 베어링 관리

 

 

진공펌프 선정 기준(용도)

반응기 감압 증류나 일반 화학 공정에서 진공펌프를 선택할 때는 취급하는 유체의 성상(응축성, 부식성)과 목표 진공도, 그리고 환경적 영향을 종합적으로 고려한다. 각 방식에 적합한 대표적인 용도와 선정 기준은 다음과 같다.

 

1. 수봉식 진공펌프 (Liquid Ring Vacuum Pump)의 용도

수봉식은 펌프 내부의 봉액(주로 물)이 열을 흡수하고 불순물을 씻어내는 세정기(Scrubber) 역할을 겸할 수 있는 공정에 적합하다.

1) 반응기 감압 증류 (다량의 수증기/용매 포함):

• 증류 과정에서 발생하는 유기 용제나 수증기가 펌프 내부로 유입되어도 봉액과 함께 배출되므로 로터 손상 위험이 적다.
• 특히 비점이 낮아 응축이 잘 되는 물질을 다룰 때 유리하다.

2) 폭발성 가스 및 인화성 증기 취급:

• 압축열이 봉액에 의해 즉각 냉각되는 등온 압축 방식이므로, 내부 발화 위험이 극히 낮아 방폭 구역 내 공정에 우선적으로 고려된다.

3) 습식 공정 및 고온 가스:

• 대기 중의 수분을 흡입해야 하거나, 유입 가스의 온도가 높아 냉각이 동시에 필요한 공정에 사용한다.

4) 여과 및 탈수 공정 (Vacuum Filtration):

• 슬러리나 미세 입자가 가스와 함께 혼입될 가능성이 있는 여과기(Filter) 후단에 설치한다.

 

 

2. 건식 진공펌프 (Dry Vacuum Pump)의 용도

건식은 내부 밀봉액이 없으므로 공정 유체의 순도를 유지해야 하거나, 폐수 처리가 곤란한 환경에 적합하다.

1) 고순도 정밀 증류 (Fractional Distillation):

• 봉액(물이나 오일)에 의한 역확산(Back-streaming) 오염이 없어야 하는 의약품 중간체나 전자재료 정제 공정에 사용한다.

2) 고진공이 필요한 회전 증발/농축:

• 수봉식으로는 도달하기 힘든 낮은 압력(P ≤ 1.0 Torr)에서 저온 증류를 수행해야 하는 경우에 적합하다.

3) 용매 회수 공정 (Solvent Recovery):

• 배출되는 가스가 봉액에 용해되지 않고 그대로 통과하므로, 후단 냉각기(Condenser)를 통해 순수한 용매를 회수하기 용이하다.

4) 부식성 가스의 건식 처리:

• 액체가 있으면 부식이 급격히 빨라지는 가스(예: 건조 HCl, Cl₂)를 취급할 때, 온도를 노점(Dew Point) 이상으로 유지하며 기체 상태 그대로 배출시키고자 할 때 사용한다.

 

 

<표 2> 공정별 선택 가이드 (요약)

공정 특징	추천 방식	이유
다량의 응축수/용매 유입	수봉식	액체 유입에 대한 내구성이 강함
강력한 진공(고진공) 필요	건식	봉액 증기압 제한이 없어 진공도 우수
폐수 처리 시설 부족	건식	폐수 발생이 거의 없음
폭발성 가스(Ex) 취급	수봉식	등온 압축으로 온도 상승 억제
용매 회수 효율 중시	건식	봉액에 희석되지 않아 회수율 높음