연속식 다단 유동층건조기에서 고체입자의 건조특성

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년

Theories and Applications of Chem. Eng., 2002, Vol. 8, No. 1

최경빈, 김규형, 박상일, 박영성*, 이동현**

한국에너지기술연구원 공업로연구팀, 대전대학교 환경공학과*

성균관대학교 화학공학과**

Drying Characteristics of Solids in Continuous Multistage Fluidized Bed Dryer

Choi, K.B., Kim, K.H., Park, S.I., Park, Y. S.*, Lee, D.H.**

KIER, Ind. Furnace Res. Team, DaeJeon Univ. Dept. of Environ. Eng.*,

SKKU Dept. of Chem. Eng.**

서론

유동층 건조는 곡식, 비료, 화학물질, 제약 및 광석과 같은 입자형태의 고체를 건조하는데 널리 사용된다. 층내의 열용량이 크고 각상들간의 열 및 물질전달계수가 크며 고체입자들의 수송과 전달이 용이하다는 장점들이 있다. 유동층 건조에 대한 실험과 이론적 고찰에 대한 많은 논문들이 있다 [1-5]. Chandran등 [1]은 모래와 이온교환수지를 사용하여 얻어진 실험결과와 항율건조 및 감율건조에 대한 모델을 비교하였다. 건조율은 온도와 열매체의 유량이 증가함에따라 증가하였고 고체입자의 크기와 고체입자의 상체류량에 따라서는 감소하였다.  Palancz [2] 는 기포상, interstitial 기체상 및 고체상으로 구분하는 3상모델을 제안하였다. 고체입자의 크기는 열 및 물질전달에 대한 내부저항이 무시할 정도로 작다는 가정이 포함되었다. 기포는 크기에 있어서 균일하며 기포안에는 입자들이 존재하지 않는다고 가정하였다. Kannan 등 [3]은 Palancz 등 [2]과 같이 3상모델을 제시하였는데 고체입자와 interstitial 기체상 사이에 열 및 물질전달을 고려하였고 interstitial 기체상과 기포상의 열 및 물질전달도 고려하였다. Zahed 등[4]는 회분식과 연속식 건조기에 3상모델을 적용하였다.  Lee 와 Kim [5]는 매체입자를 이용한 미세입자의 건조특성에 대한 실험과 surface stripping model을 적용한 3상모델을 제시하였다. Choi 등[6]은 회분식 유동건조기에서 millet의 건조특성을 3상모델에 적용하였다.

본 연구에서는 연속식 다단 유동건조기에서 입자직경 2.2 mm이고 밀도가 1350 kg/m3인 millet입자의 건조특성에 대한 열풍온도와 열풍유속 및 solid feed rate의 변화에 따른 millet의 건조특성에 관한 실험결과를 고찰하였고 Choi 등[6]이 제시한 회분식 건조모델을 연속식으로 전환하여 실험결과와 모델의 예측값을 비교하고자 한다.

모델

Kannan 등 [3]이 제시한 3상모델에 적용되는 가정들과 회분식 건조모델에 관한식들은 Choi 등[6] 에 제시되어 있다.  그림1은 Kannan등 [3]이 제시한 3상모델에 관한 개략도를 나타낸다. 농후상은 고체상과 interstitial 기체상으로 구성되며 유동층 하부에서 공급되는 열풍이 입자를 유동화시키며 입자들로부터 수분을 제거하기 위한 건조매체로 사용된다. 연속식 다단 유동건조기의 출구에서의 수분농도는 Choi 등[6]이 제시한 회분식 유동건조기에서의 평균수분농도와 Danckwerts [7]가 제시한 exit age 또는 체류시간, E(□)를 사용하여 다음과 같이 표시할 수 있다.

(1)

출구 열풍습도를 계산하기 위하여 물질수지식이 다음과 같이 주어진다.  정상상태에서 물질수지식은

(2)

출구고체의 온도를 계산하기 위하여 주위로부터의 열손실이 없고 기준온도를 건조기로 투입되는 고체온도로 간주할 경우 동일한 에너지 수지식은

(3)

주어진 매개변수들에 대하여 식(2)와 식(3) 으로부터 출구열풍의 습도, Ye와 출구건조입자의 수분농도를 계산할 수 있다.

출구열풍의 온도는 다음과 같은 에너지수지식으로 표현될 수 있다.

(4)

식(4)로부터 출구열풍의 온도는 다음과 같이 정리될 수 있다.

(5)

유동층 조업시 시료입자의 층내 거동은 혼합반응기의 특성을 주로 따르게 되며, 따라서 입자는 체류시간분포를 보이게 되므로 이에 대한 정확한 이론식의 적용이 매우 중요한 요소가 될 수 있다. 단일 유동층에서 유입과 유출되는 입자사이의 물질수지로부터 입자에 대한 평균체류시간은 다음 식으로 정의된다.

(6)

단일 유동층내에서 입자의 체류시간분포는 다음 식으로 표현된다.

(7)

E(□)d□ 는 층내에서 건조시료입자가 시간 □에서 □+d□동안 머무르는 분율을 나타낸다.  한편 다단 유동층에 있어서 각 단일 유동층의 체류시간은

(8)

와 같이 표기되며, 이를 적용한 다단 유동층의 체류시간분포는 다음 식으로 표시된다.

(9)

여기서 N은 유동층의 단수를 말하며 N=1일 때 단일유동층에 해당한다.

실험

다단 유동층에서 건조실험은 그림2에 나타낸 실험장치도를 이용하여 수행하였다. 단면적 0.0243 m2 인 아크릴 직사각형인 5단 유동층으로 제작되었다.  각 단의 높이는 0.2 m 이며, 각단의 고체층 높이는 공급되는 젖은 고체입자의 공급단 역할을 하는 제1단이 0.02 m 이고 제2단에서 제5단까지는 각단의 높이가 0.04 m 이다. 각단의 유동층 높이는 overflow pipe의 높이로 조절할 수 있다.  각단의 분배기는 orifice hole size 0.003 m x 188 ea 이고 opening ratio 는 4% 이다.  실험물질은 평균입경 2.2 mm 이며 밀도가 1350 kg/m3인 millet 을 사용하였다. 건조용 열풍의 온도는 35에서 70oC 까지 변화시켰으며, 열풍유량은 1.9 m3/min에서 3.0 m3/min까지 변화시켰다. 또한 고체입자의 주입속도는 2.5 g dry solid/s 에서부터 7.0 g dry solid/s까지 변화시켰다.  열풍의 온도는 온도조절기와 immersion heater를 이용하여 조절하였으며, 풍량은 blower 의 damper 를 이용하여 조절하였고, 일정한 수분농도를 갖는 젖은 고체입자들은 screw feeder 의 회전속도를 변경하면서 고체입자의 투입속도를 조절하였다.  건조열풍은 일정온도와 유량으로 조절된 후 유동층 건조기 하부의 분배기를 통하여 주입되고 일정한 초기 수분농도를 갖는 젖은 입자들을 screw feeder를 통하여 건조기 상단으로 공급되어 건조공정을 거치게 되며 각단에서 일정한 체류시간을 경과한 후 overflow pipe를 통하여 아랫단으로 배출된다. 열풍의 유입 습도와 출구의 습도는 humidity sensor (Vaisala Co., HMP235)를 이용하여 측정하므로써 건조과정에서 열풍이 회수한 수분의 양을 계산하였다.  한편 젖은 고체입자의 초기 수분농도와 건조후 수분 농도는 수분측정기 (KETT electric Lab., FD-620)를 이용하여 측정하였으며 고체입자에서 배출된 수분 양과 열풍에서 회수된 수분 양을 비교함으로써 실험의 정확성을 판단하였다.  각단에서의 유입열풍과 출구열풍의 온도는 열전대(thermocouple)를 이용하여 측정하였다.  또한 유입되는 고체입자와 배출되는 고체입자의 온도도 열전대를 이용하여 측정하였다.

결과 및 토론

그림3은 열풍유량, 1.9 m3/min 이고 고체입자의 유입속도 5.23 g dry solid/s  일 때 열풍의 유입온도와 5단 유동건조기에서 각단의 배출온도에 대한 건조시간에 따른 변화를 나타내었다.  그림에서 보는 바와 같이 유입열풍의 온도는 48□1  oC 로 일정하게 공급되고 있다.  제5단이 screw feeder에서 공급되는 최상단으로써 젖은 고체입자가 공급되므로 배출공기의 온도가 가장 낮고, 제1단이 건조된 고체입자가 유입열풍과 가장 먼저 접촉하는 곳이므로 가장 높은 온도를 나타냄을 알 수 있다.  또한 각단의 온도 profile 은 약 2400 sec, 즉 40 min 정도에서 일정온도를 나타내므로 steady state에 도달되었음을 알 수 있다.

그림 4는 그림3과 같은 조건인 열풍유량, 1.9 m3/min 이고 고체입자의 유입속도 5.23 g dry solid/s  일 때 유입열풍의 절대습도와 배출공기의 절대습도의 변화를 시간에 따라 나타내었다.  그림4에서 보는 바와 같이 건조시간 후 700 에서 830 sec 까지 출구열풍의 절대습도가 크게 변화되었음을 관찰할 수 있는데 이것은 그림3에서 알 수 있듯이 유입열풍온도의 fluctuation에 의한 결과이다.  유입열풍의 온도가 변화되면 유동층 내에서의 건조속도가 변화하게 되고 따라서 출구공기의 절대습도도 변화됨을 알 수 있다.  그림4에서 알 수 있듯이 출구의 절대습도가 정상상태에 도달하는 시간은 대략 35분임을 알 수 있다.  열풍의 유입 절대습도는 1.35 g H2O/Kg dry air 이며, 정상상태에서 배출되는 열풍의 절대습도는 9.2 g H2O/Kg dry air 로 측정되었다.

참고문헌

[1] Chandran, A.N., Subba Rao, S., Varma, Y.B.G., AIChE J., 36, 29 (1990).

[2] Palancz, B.A., Chem. Eng. Sic., 38, 1045 (1983).

[3] Kannan, C.S., Subba Rao, S., Varma, Y.B.G., I&EC Res., 33, 363 (1994).

[4] Zahed, A.H., Zhu, J.-X., Grace, J.R., Drying Technol., 13, 1 (1995).

[5] Lee, D.H., Kim, S.D., Chem. Eng. Technol., 22, 443 (1999).

[6] Choi, K.B, Park, S.I., Park, Y.S., Park, D.H., Lee, D.H., Theories and

Applications of Chem. Eng., 7, 3743 (2001).

[7] Danckwerts, P.V., Chem. Eng. Sci., 2, 1 (1953).

Fig. 1. Scheme of batch drying  Fig. 2. Experimental setup of a multistage

in fluidized bed.                 fluidized bed dryer.

Fig.3. Variation of various temperature   Fig.4. Variation of inlet and exit

with drying time.                      humidity with drying time.

화학공학의 이론과 응용 제8권 제1호 2002년