교반날의 형태 및 교반속도의 변화에 따른 와류건조기의 건조특성

문 영 섭, 김 정 우, 최 정 후

건국대학교 화학공학과

Drying Characteristics of a Swirl Flow Dryer

with Variations of Blade Shape and Stirring Speed

Young-Sub Moon, Jeong-Woo Kim, Jeong-Hoo Choi

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

서론

수분이 다량 함유된 각종 식품공장 및 주방폐기물의 건조후 사료화 및 비료화가 적극 고려될 수 있다.

대개의 주방·식품 폐기물은 다양한 유기 물질을 포함하므로 단순 폐기할 경우 수많은 환경문제를 유발할 뿐 아니라 큰 처리 비용을 감수해야 하므로 이를 건조하여 필요한 용도로 전용함으로써 환경문제를 제거함과 동시에 경제적인 이득을 얻을 수 있으며 건조물은 수분함량이 작아서 처리가 용이해지는 장점이 있다.  그러나 폐기물의 건조처리는 고부가가치의 처리방법이 아니기 때문에 기존 건조기를 사용한 고비용의 건조처리는 적합하지 못하다. 그러므로 극히 다양한 폐기물의 특성에 부합되고, 건조효율이 높고, 장치의 운전 및 유지가 단순하여 경비가 절감되며 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)를 형성하게 되는데, 이에 의해 열전달이 촉진되며, 피건조물이 건조기의 내벽에 부착되어 열전달 저항역할을 하는 단점을 막을 수 있고 건조물의 원활한 배출이 가능하게 된다.

실험

본 실험에 사용된 실험장치 및 교반기 날의 형태는 Moon 등[3]에 보고된 바 있다. 실험변수로는 날의 폭과 높이, 교반속도(300, 400, 500, 600rpm)를 변화시켰다. 교반날은 평판형(flat blade)[4]으로 기본형과 닻(anchor) 형태를 고려하였고, 각 형태에서 날의 높이를 2∼4배로 변화시켰다.

피건조물로는 79∼82%의 습량기준수분함량을 갖는 두부제조후 식품폐기물인 콩비지를 사용하였다.  정상상태에서 피건조물의 최대투입속도와 건조물의 토출속도, 건조기 내부의 흐름특성, 고체의 수분함량, 열효율, 고체 체류량을 측정하였다.

결과 및 고찰

1. 피건조물의 최대투입속도

Fig. 1은 교반날높이의 증가에 따른 피건조물의 최대 투입속도의 변화를 나타내고 있다.  기본형 교반날의 경우에는 날높이의 증가에 따라 투입속도가 증가하는 경향을 보이고 있으나 날높이 96mm의 경우에 교반속도 300rpm에서는 교반속도가 낮아 건조기의 내부에 원활한 와류흐름이 형성되지 못하여 건조물이 잘 배출되지 않았다.  이로 인하여 피건조물의 투입이 제한됨으로서 투입속도가 현저히 감소하였다.  닻형 교반날의 경우에는 비교적 작은 변동을 보이나 날높이 192mm의 경우에 교반속도가 300rpm 및 600rpm에서 투입속도가 증가하였다.

Fig. 1. Max. feed rate vs. blade height

Fig. 2는 교반속도의 증가에 따른 피건조물의 최대 투입속도의 변화를 나타내고 있다.  교반속도의 증가에 따라 시료투입속도는 증가한 후 감소하였다.  최적의 교반속도가 존재함을 알 수 있었다.  그러나 192mm 높이의 교반날은 거의 일정한 경향을 보였다.

Fig. 2. Max. feed rate vs. stirring speed.

2. 건조물의 수분함량

Fig. 3은 교반날의 높이에 따른 건조물의 수분함량의 변화를 나타내고 있다.  측정된 건조물의 수분함량은 교반날의 높이가 증가함에 따라서 증가하는 경향을 나타내었다.  이는 토출속도가 증가하여 피건조물의 건조기내 체류시간이 감소하기 때문으로 사료되었다.

교반속도에 따른 수분함량은 기본형 교반날의 경우에는 증가하였다 감소하나 높이가 192mm인 교반날의 경우에는 다시 증가하는 경향을 보였다.

3. 열효율

Fig. 4는 교반날의 높이에 따른 열효율의 변화를 나타내고 있다.  그림에 나타난 바와 같이 열효율은 교반날의 형태와 교반속도에 따라서 다소 변화는 있으나 52 ∼ 77% 범위에 있었다.

4. 고체 체류량

Fig. 5는 교반속도에 따른 건조기내의 고체 체류량의 변화를 나타내고 있다.  건조기내 고체체류량은 교반속도가 증가함에 따라서 급격히 감소하여 교반속도 400, 500, 600rpm에서는 거의 일정해지는 경향을 보였다.  교반속도 300rpm의 경우에는 건조물의 배출이 원활하지 못하여 기본형의 날과 닻형날 모두 큰 고체 체류량을 유발하였다.

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. Moon,  Y.  S., Suh, J. M., Ryu, H. J. and Choi, J. H.: "Theories and Applications of Chem. Eng.", 2(1), 717(1996)

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

Fig. 3. Moisture content in dried solid vs. blade height

Fig. 4. Thermal efficiency vs. blade height

Fig. 5. Solid holdup in dryer vs. stirring speed