교반건조기의 건조특성

김 정 우, 류 호 정, 최 정 후

건국대학교 화학공학과

Drying Characteristics of a Mixed Flow Dryer

Jeong-Woo Kim, Ho-Jung Ryu, Jeong-Hoo Choi

Department of Chemical Engineering, Kon-Kuk University, Seoul 143-701

서론

산업화가 진행됨에 따라 폐기물의 양적 팽창과 함께 이의 적절한 처리는 국내적으로도 커다란 과제로 대두되고 있으며, 폐기물의 재활용도를 더욱 높이는 방법으로 수분이 다량 함유된 각종 식품공장 및 주방폐기물의 건조후 사료화 및 비료화가 적극 고려될 수 있다.

대부분의 주방 및 식품 폐기물은 다양한 유기물질을 포함하므로 단순 폐기할 경우 수많은 환경문제를 유발할 뿐 아니라 높은 처리 비용을 감수해야 하므로 이를 건조하여 필요한 용도로 전용하므로써 환경문제를 제거함과 동시에 경제적인 이득을 얻을 수 있다.  또한 건조된 폐기물은 수분함량이 작아서 처리가 용이해 지는 장점이 있다.  그러므로 다양한 폐기물의 특성에 부합되고, 장치의 운전 및 유지가 단순하며, 사용이 편리한 건조기의 개발이 중요하다.

건조기는 건조유형에 따라 통기건조기, 분무건조기, 회전건조기, 기류건조기, 유동층건조기, 전도가열형 건조기, 동결건조기, 분출형 건조기, 분출층(spouted bed) 건조기 등으로 분류될 수 있다[1,2].  본 건조기는 전도 가열형 건조기를 개량한 형태로 전열면에서 열전달저항을 줄이기 위해서 교반기에 의한 피건조물의 와류흐름(swir flow)을 형성하게 되는데, 이에 의해 열전달이 촉진되며, 피건조물이 건조기의 내벽에 부착되어 열전달 저항역할을 하는 단점을 막을 수 있고 건조물의 원활한 배출이 가능하게 된다.  본 연구의 목적은 건조기내 고체량변화와 교반속도변화에 따른 건조특성을 고찰하는데 있다.

실험

Fig. 1은 본 실험에 사용된 실험장치의 개략적인 흐름도를 나타내고 있다.  본 교반건조기는 보일러와 압력조절계로 이루어진 증기 주입설비와 건조기(396 mm I.D., 605 mm height)와 시료의 주입 및 배출설비(screw conveyor, 140 mm I.D., variable speed)와 스팀 자켓과 스팀 트랩으로 이루어진 스팀 순환설비, 응축기와 터보팬으로 이루어진 증발수분의 응축과 배출설비로 구성된다.

실험변수로는 건조기내 고체량(5.18 10.34, 12.93 kg)과 교반속도(100, 200, 300 rpm)를 변화 시켰다.  교반날로는 helical-ribbon형(270 mm height)을 개량하여 자체적으로 개발한 형태의 교반날을 사용하였다.

피건조물로는 79∼82 %의 습량기준수분함량을 갖는 두부제조후 식품폐기물인 콩비지를 사용하였다.

건조기내의 흐름을 정상상태로 유지하기 위하여 교반모터에서 사용되는 전류를 0.5 A의 잔류편차(offset) 범위에서 일정하게 유지시켜 주었으며, 이를 관찰하기 위하여 전류량을 직류 전기신호로 변환하여 A/D 변환기를 통하여 PC에 저장 하였다.  Fig. 2는 교반날에 연결된 직류 모터의 시간에 따른 전류 변화를 나타내고 있다.  모터에서 사용되는 전류량은 모터에 걸리는 부하, 즉 고체체류량과 연관되며, 그림에 나타난 바와 같이 본 실험조건에서 건조기내의 고체 체류량이 일정범위 내에서 유지 되는 것을 알 수 있었다.  이러한 정상상태에서 피건조물의 건조처리속도와 건조물의 토출속도, 건조기 내부의 흐름특성, 건조후 고체의 수분함량, 고체체류량 등을 측정 및 고찰하였다.

Fig. 1  Schematic diagram of a mixed flow dryer

Fig. 2 Variation of agitation power at a steady state.

결과 및 고찰

1. 피건조물의 건조처리속도

Fig. 3은 건조기내 고체량의 변화에 따른 단위시간당 피건조물의 건조처리속도 변화를 나타내고 있다.  모든 교반속도에서 피건조물의 건조처리속도는 건조기내의 고체량이 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타내었다.  이러한 경향은 기건시료가 건조기 내벽과 접촉하여 열을 흡수하고, 피건조물에 열을 전달하는 전열 매체로 작용하므로 건조기내의 고체량(층높이)이 증가함에 따라 전열면적이 증가하여 피건조물로의 열전달이 촉진되고 건조기내 체류시간이 증가하기 때문으로 사료되었다.

Fig. 4는 교반속도의 변화에 따른 단위시간당 피건조물의 건조처리속도 변화를 나타내고 있다.  교반속도가 증가함에 따라 피건조물의 건조처리속도는 증가하였으며 이러한 경향은 교반속도가 증가함에 따라 건조기내의 와류흐름이 발달하여 피건조물과 기건시료의 혼합효과가 향상되고, 또 건조기 내부고체의 층팽창이 증가하여 건조기 내벽과 접촉하는 면적, 즉 전열면적이 증가하기 때문으로 사료되었다.

Fig. 3과 4에서 건조기내 고체량(층높이)이 증가함에 따라 건조처리속도의 증가경향이 둔화되는 경향을 나타내었는데, 이는 건조기 내부의 흐름형태와 연관지어 해석될 수 있었다.  건조기 내부에서 고체량이 증가함에 따라 교반에 의해 벽과 접촉되는 고체층의 높이는 임의의 건조기내 고체량까지는 급격히 증가하나 그 이상의 고체량에서는 층팽창 높이의 증가가 둔화되었다.  즉, 건조기 내부고체의 높이변화는 전열면적의 변화를 의미하므로 건조기내의 고체량이 증가함에 따라 전열면적의 증가경향이 둔화되는 현상을 보이며 건조처리속도의 증가경향도 둔화되는 것으로 사료되었다.

2. 수분증발속도

Fig. 5와 Fig. 6은 각각 건조기내의 고체량과 교반속도의 변화에 따른 피건조물의 수분증발속도를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 건조기내의 고체량과 교반속도가 증가할수록 단위시간당 수분증발속도가 증가하는 경향을 나타냈다.  이러한 경향은 앞서 피건조물의 건조처리속도와 마찬가지로 건조기내 고체량이 증가 할수록 전열매체의 양과 전열면적이 증가하고, 교반속도가 증가 할수록 건조기 내부고체의 와류흐름이 증가되어 전열면적의 증가 및 혼합효과가 증가하기 때문으로 사료되었다.

3. 건조물의 수분함량

Fig. 7은 주어진 교반속도에서 건조기내의 고체량 변화에 따른 건조물의 수분함량 변화를 나타내고 있다.  건조기내의 고체량이 증가 할수록 건조물의 수분함량은 다소 감소하는 경향을 나타내었다.  이러한 경향은 건조기내의 고체량이 증가함에 따라 피건조물의 체류시간이 증가하기 때문으로 사료되었다.

Fig. 8은 주어진 건조기내의 고체량에서 교반속도의 변화에 따른 건조물의 수분함량 변화를 나타내고 있다.  건조기내의 고체량이 5.2 kg의 경우, 교반속도가 100 rpm에서 200 rpm으로 증가함에 따라 수분함량이 감소하였으나 그 변화는 매우 적었으며 10.3, 12.9 kg의 경우에는 교반속도의 변화에 따른 함수율의 변화가 거의 없는 것으로 나타났다.  이는 교반속도의 증가는 건조물의 수분함량보다는 수분증발속도에 더 많은 영향을 미치기 때문으로 사료되었다.

참고문헌

1. Perry, R. H. and Green, D. W.: "Perry's Chemical Engineers' Handbook", McGrow-Hill, New York, 20-14(1984).

2. Mcketta, J. J. and Cunningham, W. A.: "Unit operation handbook", Marcel

Dekker Inc., New York, 865(1976).

3. Holland, F. A. and Chapman, F. S.: "Liquid mixing and processing in stirred       tanks", Reinhold Pub. Co., New York, 8(1966).

Fig. 3 Feed rate versus solid inventory   Fig. 4 Feed rate versus stirring speed.

of the dryer.

Fig. 5 Evaporation rate of moisture     Fig.6 Evaporation rate of moisture          versus solid inventory of the dryer    versus stirring speed

Fig. 7 Moisture content of dried solid    Fig.8 Moisture content of dried solid

versus solid inventory of the dryer.      versus stirring speed.