KR101712227B1 - 벌크 모세-다공성 재료를 건조하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

벌크 모세-다공성 재료를 건조하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 벌크 재료의 진공 건조에 관한 것이다. 본 발명은 재료를 가열하고, 건조 챔버 내에 재료를 투입하며, 사이클 중에 가열 및 진공 조성을 수행하고, 즉 재료가 그 변질 온도보다 낮은 온도에 도달할 때까지 300℃ 이하의 온도를 갖는 가열 매체를 사용하여 유동 층 내에서 재료를 가열하며, 0.1 MPa 내지 0.0001 MPa 범위의 내의 점진적인 단일 또는 반복된 압력 감소에 의한 신속 펄스 진공 작용으로 진공을 발생시키고, 이어서 재료의 온도가 안정화될 때까지 진공을 유지시킨다. 이 방법을 수행하기 위한 장치는 그 내부에 배치된 가열기를 구비하는 2개의 진공 챔버와, 재료 투입/배출 시스템과, 그것에 평행하게 연결된 펌프를 구비하는 하나 또는 몇개의 리시버를 포함하고, 상기 펌프는 진공 파이프 시스템을 통해 건조 챔버의 입구에 연결되어 있다. 진공 건조 챔버는 베이스에서 원추형상을 가지며, 이것은 유동 층 내의 가열 또는 냉각 재료를 위한 가열 매체 순환 시스템에 연결되어 있으며, 가열된 재킷을 구비하고 있다. 진공 라인 및 가열 매체 순환 라인에는 가열된 사이클론 필터와, 응축물 수집기를 구비하는 열교환기-응축기가 제공된다. 본 발명에 의하면 건조 시간을 감소시킬 수 있고, 건조 제품의 품질을 향상시킬 수 있다.

Description

벌크 모세-다공성 재료를 건조하기 위한 장치 및 방법{METHOD AND DEVICE FOR DRYING BULK CAPILLARY-POROUS MATERIALS}
본 발명은 모세 다공성 벌크 재료, 주로 곡물의 진공 건조에 관한 것으로, 농업, 식물-처리, 목재가공, 화학 및 다른 산업에 사용될 수 있다.
곡물을 비롯한 모세 다공성 벌크 재료에 대한 공지된 건조 방법이 있는데, 이 방법은 흡습성 수분(hygroscopic moisture)을 제거하기 위해 유동화 상태에서 건조 대상 재료와 상호작용하는 예열된 건조 공기를 사용한다(application RF N 93028584, MPK Cl.F26B17/10).
이 방법의 단점은 건조제의 많은 소비로 인해 처리 경제성이 낮고, 재료 건조 시간과 건조 대상 재료의 품질에 모두 영향을 주는, 반응 영역 내에서의 재료의 분리된 입자에 대한 노출 시간과 재료 가열 온도를 제어하는 데에 있어서 어려움이 있다는 것이다.
모세 다공성 벌크 재료, 주로 곡물의 진공 건조 방법이 알려져 있는데, 이 방법은 건조 대상 재료에 대한 진공 챔버의 사용과, 진공 펌프를 이용하여 이 챔버 내에서 10-30 mmHg까지 압력을 저하시키는 것을 포함한다. 대기 공기 및 태양 복사로부터 건조 대상 곡물에 열이 공급된다(Patent RF N 2163993, MPK Cl. F26B 5/00, 5/04, 7/00; A01C 1/00; B02B 1/00).
이 곡물 진공 건조 방법에 사용되는 유닛은, 서로에 대해 동축 관계로 배치되고 냉동기와 응축 유닛을 구비하는 냉각기와 진공 펌프에 연결되도록 개방된 공기 중에 수직으로 장착된 2개의 튜브로 이루어진 진공 챔버를 포함하고 있다.
이를 위해 사용되는 방법 및 유닛의 주요한 단점은, 재료의 가열이 환경 조건에 의존하고, 전체 진공 건조 처리 또한 이러한 조건에 의존하게 되어, 이 방법 및 유닛을 사용하는 시간이 계절에 제한됨에 따라, 이 방법이 저효율적이게 된다는 것이다.
그 기술적 본질에 있어서 가장 유사하고 견본으로 선택된 방법 및 장치가 곡물용 증발 진공 건조 방법 및 이 방법에 사용되는 장치이다(Patent RF N2124294, MPK Cl. A23B 9/00, 9/08). 가열 요소를 구비하는 진공 건조 챔버 내에 곡물이 투입되고, 그 내부에 진공이 조성된다. 건조 대상 재료는 건조 챔버의 진공 섹션 내에서 증발되고 챔버의 다른 부분으로부터 나오는 수분의 응축 에너지를 사용하여 열 작용제의 도움으로 추가로 가열된다. 곡물은 건조 챔버로부터 나오고, 이어서 곡물이 건조 챔버 내에 투입되기 전에 곡물을 예열하기 위해 사용되는 가열 매체로부터 열을 제거함으로써 냉각된다.
이 방법은, 루버 스크린(louver screen)에 의해 스팀 섹션 및 곡물 섹션으로 분할되는 진공 건조 챔버와, 곡물 섹션에 배치된 가열기와, 입구 및 출구 회전 로크와, 진공 펌프와, 배관에 의해 곡물을 예열하기 위한 열교환 가열기와 함께 하나의 폐쇄 루프 시스템으로 일체화되는 열교환 냉각기와, 가열 매체 순환 및 응축물 방출을 위한 배관을 포함하는, 진공에서 곡물을 건조하기 위해 사용되는 장치에서 사용된다. 가열기는 각 튜브 상에 입력 환상 노즐 및 출력 확산기를 구비하는 튜브 패널을 구비하며, 여기서 상기 튜브 패널은 건조 챔버의 스팀 섹션과 연결된 케이스 내에 배치되고, 튜브의 입력부는 가열기의 출구와 연결되며, 튜브의 출구는 펌프를 통해 그 출구와 연결된다. 수분 함유 표면 활성 작용제가 가열 매체로서 사용된다.
이 방법의 단점은 건조 처리가 균형 상태에서 수행된다는 것인데, 이것은 저압에서 재료로의 열 에너지 공급을 어렵게 하고, 건조 시간을 증가시킨다. 또한, 상기 방법을 실현시키는 장치는 복잡한 구성을 가지며, 제어 시스템을 비롯한 비표준 장비를 위한 상당한 재료 비용이 필요하다.
본 발명의 목적은 주로 곡물과 같은 모세 다공성 벌크 재료를 건조하기 위해 필요한 시간을 감소시키고, 또한 임펄스 진공 처리 동안의 비균형 상태에서의 집중적인 수분 제거 및 대류 건조 단계에서의 재료의 보다 집중적인 가열로 인한 그 높은 품질을 보장하면서, 단순한 구성을 가진 청구된 유닛에서 상기 방법을 실행하게 하여, 투자 비용과 내재 에너지(embodied energy)를 감소시킬 수 있다.
전술한 과제는 수분 제거를 이용하는 주로 곡물과 같은 모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법이며, 재료를 예열하고, 가열 요소를 구비하는 진공 건조 챔버 내에 재료를 투입하며, 가열 매체에 의해 재료를 가열하고, 건조 챔버 내에 진공을 조성하며, 재료를 냉각 및 방출하는 것을 포함하는, 모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법에 있어서, 가열 매체에 의한 재료의 가열 및 진공 조성은 사이클마다(cycle-by-cycle) 수행되고, 300℃ 이하의 온도를 갖는 가열 매체에 의한 파괴 온도보다 낮은 재료 온도까지의 분출 층(spouted bed) 가열과, 0.1 MPa 내지 0.0001 MPa 범위의 단계별(stage by stage) 단일 또는 다중 압력 감소에 의한 신속 진공 임펄스 작용의 진공 조성 및 후속하는 재료 온도가 안정화될 때까지, 진공에 대한 노출을 포함하고, 필요한 재료 수분이 달성되지 않는다면 상기 사이클이 반복되고, 분출 층 냉각 및 진공 임펄스 작용을 교번시킴으로써 동일한 건조 챔버 내에서 추가 냉각이 수행되는 것을 특징으로 하는 모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법에 의해 달성된다.
진공 임펄스 작용을 이용하여 고체-층 진공 수송을 통해 재료를 건조 챔버 내에 투입하고, 동시에 재료를 미리 건조한다.
재료의 특성에 따라, 100% 이하의 습도를 갖는 가스 작용제가 가열 매체로서 사용될 수 있다.
필요한 경우에는, 모세 다공성 벌크 재료가 재료에 대해 화학적으로 불활성인 가열 매체를 사용하여 가열된다.
진공 임펄스 작용 단계의 개수는,
Figure 112015061909432-pct00004
[여기서, Pi - 진공 챔버 내의 초기 압력, Pa(처리 초기 압력),
Pг - 리시버 내에 조성된 압력, Pa,
Pf - 진공 챔버 내의 최종 압력, Pa(처리 말기 압력),
Κ - 진공 건조 챔버와 리시버 체적의 비율과 동일한 계수]
식에 의해 계산된다.
이 방법은 주로 곡물과 같은 모세 다공성 벌크 재료를 건조하기 위한 장치이며, 진공 건조 챔버와, 진공 건조 챔버 내에 장착된 가열기와, 곡물 투입/배출 시스템과, 진공 펌프와, 열교환 냉각기와, 가열 매체 순환 및 응축물 방출을 위한 배관 시스템을 포함하는 모세 다공성 벌크 재료 건조 장치에 있어서, 상기 장치에는 리시버와 평행하게 연결된 펌프를 구비하는 하나 또는 몇 개의 리시버가 제공되고, 상기 펌프는 신속-반응식 밸브를 가진 진공 배관 시스템을 통해 건조 챔버 입구에 연결되고, 제1 챔버에 평행하게 장착된 제2 건조 챔버가 추가로 제공되며, 각 진공 건조 챔버는 그 베이스에서 원추형상이고, 재료의 분출 층 가열 및 냉각을 위한 가열 매체 순환 시스템에 연결되며, 가열 재킷을 구비하고, 상기 가열 매체 진공 처리 및 순환 라인은 가열된 사이클론 필터와 응축 탱크를 가진 열교환기-응축기(냉각기)를 구비하는 모세 다공성 벌크 재료 건조 장치에서 실행된다.
진공 임펄스 작용을 이용하는 것을 가능하게 하는 진공 수송 고체-층 재료 급송 시스템은 건조 챔버 입구에 장착된다.
건조 대상 재료의 체적이 큰 경우에는, 상기 장치는 베이스에서 원추형상을 가지며, 분출 층 내에서 재료를 가열 또는 냉각하기 위해 가열 재킷을 구비하고, 제1 건조 챔버에 평행하게 설치된 한 쌍 또는 몇 개 쌍의 진공 건조 챔버를 추가로 포함할 수 있다.
상기 장치에 사용되고, 펌프(진공 건조 라인)에 평행하게 연결되는 리시버는 먼저 제1 리시버로부터의 이어서 더 강한 진공도를 갖는 제2 리시버로부터의 점진적인 진공 급송으로 인해 건조 시간을 감소시킬 수 있다.
곡물의 분출 층 가열(대류 건조)은 정체 구역을 제외한 전체 체적의 균일한 가열의 잇점을 제공하고, 이는 가열 공정을 시간 및 체적 제어가능하게 만든다. 분출 층에서, 가열 매체로부터 재료로의 열전달 요인은 모세 다공성 벌크 입자의 주기적인 운동으로 인해 2-3배까지 증가되고, 이로 인해 대체로 건조 시간이 더 짧아지는 한편, 비균형 상태에서의 수분 제거가 강화된다.
곡물을 포함하는 다양한 모세 다공성 벌크 재료를 건조하기 위한 청구된 방법은, 재료를 미리 가열하고, 특히 재료를 고체-층 진공 수송을 통해 건조기에 급송하고 재료의 파괴(변성)를 일으키지 않는 온도(37-48℃)까지 재료를 분출 층 내에서 집중적으로 가열하면서, 또한 열역학적 비균형 상태에서 맥동하는 진공 모드를 사용하여 집중적인 수분 제거를 보장하고, 수분을 증발시키고 제품을 냉각시키기 위해 내부 가열을 이용하여 재료의 임펄스 진공 처리에 의해 분출 층 내에서 열교환 상태에서 재료를 냉각함으로써, 건조 시간을 감소시키고, 건조된 재료의 품질을 개선한다.
도 1은 모세 다공성 벌크 재료, 주로 곡물을 건조하기 위해 사용되는 유닛에 대한 도면이다.
본 발명은 모세 다공성 벌크 재료, 주로 곡물을 건조하기 위해 사용되는 유닛에 대한 개략도가 도시되어 있는 도면(도 1 참조)으로부터 명백해질 것이다. 상기 장치는 챔버 내부에 가열 재킷(17) 및 가열기(18)를 구비하는 하나 또는 몇 개 쌍의 진공 챔버를 포함하고, 이 중 한 쌍이 도 1에 도시되어 있으며[2개의 가열된 진공 챔버(3.1, 3.2)], 상측 커버(15) 및 하측 커버(16)의 개방/폐쇄 구동부(14)와, 고체-층 진공 수송부(1)와, 진공 챔버에서 건조되는 재료의 분배를 위해 사용되는 수용 벙커(2)와, 가스 열 작용제 가열기(10)와, 팬(11)과, 열 작용제를 세정하기 위한 2개의 가열된 사이클론(4.1, 4.2)과, 열교환기-응축기(5.1, 5.2, 5.3)와, 가열 매체를 건조시키고 건조 공정 동안에 재료로부터 제거된 다양한 가치있는 성분을 수집하기 위한 응축물 탱크(6.1, 6.2, 6.3)와, 상이한 압력을 조성하는 2개의 타입의 진공 펌프(8, 9)로 구성된 진공 조성 시스템과, 하나 또는 몇 개의 리시버(7.1, 7.2)와, 신속-반응식 밸브(12.3, 13.1, 13.2, 13.3)를 갖는 진공 시스템에 대한 가열 매체 순환부(20)를 위한 배관 시스템(19)을 구비한다.
모세 다공성 벌크 재료에 대한 청구된 건조 방법과, 유닛의 작동은 진공 건조 챔버에 순차적으로 재료를 급송함으로써 개시된다. 이것을 하나의 건조 챔버의 일예로서 상정해 본다. 예열된 재료(도 1에 도시되어 있지 않음)가 분배 벙커(2) 내에 투입된다. 수용 벙커(2)로부터의 재료가 개방된 상측 커버(15)를 통해 진공 챔버(3.1)로 공급되고, 그 후 커버(15)는 단단히 폐쇄된다. 300℃까지 가열되는 가스 가열 매체가 밸브(12.1)를 통해 챔버의 하측 섹션에 공급되고, 밸브(12.2)를 통해 챔버의 상측 섹션으로부터 방출된다. 동시에, 고온 유체 가열 매체가 챔버 내의 건조 챔버 재킷(17)과 가열기(18)에 공급된다. 재료를 관통하는 가스 가열 매체가 분출 층을 형성하고, 이로 인하여 재료를 상측으로 이송하는 집중적인 구역이 진공 챔버의 중앙에 형성되고, 이어서 재료가 주변 구역을 통해 하측으로 내려간다. 요구되는 온도까지의 재료의 가열과 관련된 중앙 구역 및 주변 구역 모두에서 집중적인 열교환이 발생되고, 이로 인하여 재료가 파손되지 않지만, 정체 구역의 부존재 및 동시적인 혼합으로 인하여, 재료가 엄격하게 규정된 시간 내에서 가스 가열 매체와 접촉하게 된다.
응축기(5.1)를 관통하는 가스 가열 매체로부터의 용해된 증기가 응축 탱크(6.1) 내에 응축되어 수집된다. 가스 가열 매체 시스템의 오염을 방지하기 위해, 가스 가열 매체 시스템은 사이클론 내에서의 증기의 조기 응축을 피하기 위해 가열되는 사이클론(4.1) 내의 외부 물질로부터 세정된다. 응축기(5.1) 이후에, 가열 매체가 가스 가열 매체 운동의 폐쇄된 루프를 조성할 수 있게 하는 히터(10)로 유입된다.
요구되는 재료 가열 온도에 도달한 후에, 가열 매체는 더 이상 진공 챔버(3.1)에 공급되지 않고, 밸브(12.1, 12.2)는 폐쇄되며 신속-반응식 밸브(12.3, 13.1)가 개방된다. 신속-반응식 밸브는 진공 챔버(3.1)를 사이클론(4.2)과, 가열 열교환기-응축기(5.2, 5.3)와, 리시버(7.1, 7.2)를 구비하는 진공 배관 시스템을 경유하여 연결시키고, 여기서 압력 Pг을 가진 요구되는 희박화(진공)가 미리 조성된다. 진공 챔버 내의 재료는 신속(임펄스) 진공 작용이 가해져서, 비균형 상태에서 집중적으로 수분이 제거되어, 재료의 온도가 낮아지게 된다. 응축기(5.2, 5.3)를 관통하는 증기-가스 혼합물이 증기로부터 제거되고, 그 응축물은 대응하는 응축물 탱크(6.2, 6.3) 내에 수집된다. 진공 처리 라인 상에 2개 이상의 열교환 응축기를 사용하면 그 끓는점에 의해 증기를 다양한 비율로 분리하게 할 수 있다.
리시버(7.1, 7.2) 및 진공 펌프(8, 9)에 대한 청구된 연결 다이어그램이 점진적인 진공 처리를 적용할 수 있게 하고, 건조 재료의 가장 바람직한 상태 및 건조 시간의 감소를 보장한다.
진공 임펄스가 관통되고 진공 챔버(3.1)가 5-10 분 내에서 진공에 노출된 후에, 밸브(12.3, 13.1)가 폐쇄되며- 첫번째 건조 사이클이 종료된다.
건조 대상 재료의 특성 및 필요한 그 건조 수준에 따라, 몇 개의 건조 사이클이 존재하여야 한다.
건조 처리를 종료한 후에, 건조된 재료는 분출 층 내에서 가스 작용제를 사용하여 건조 챔버(3.1) 내에서 냉각되는 한편, 가열기(10)는 오프 상태로 되고, 몇 개의 임펄스 작용이 수행된다. 이러한 상태에서, 재료가 즉시 냉각되고, 추가 처리를 준비한다.
제2 건조 챔버 및 몇 개 쌍의 건조 챔버의 적용은 처리 시간을 효율적으로 사용할 수 있게 한다.
청구된 건조 유닛의 구성은 기본적으로 신규한 것이고, 개발된 건조 방법을 위한 위치와 완전히 부합한다.

Claims (8)

  1. 수분 제거를 이용하는 주로 곡물과 같은 모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법이며,
    재료를 예열하고, 가열 요소를 구비하는 진공 건조 챔버 내에 재료를 투입하며, 가열 매체에 의해 재료를 가열하고, 건조 챔버 내에 진공을 조성하며, 재료를 냉각 및 방출하는 것을 포함하는, 모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법에 있어서,
    가열 매체에 의한 재료의 가열 및 진공 조성은 사이클마다(cycle-by-cycle) 수행되고, 300℃ 이하의 온도를 갖는 가열 매체에 의한 파괴 온도보다 낮은 재료 온도까지의 분출 층의 가열과, 0.1 MPa 내지 0.0001 MPa 범위의 단계별(stage by stage) 단일 또는 다중 압력 감소에 의한 신속 진공 임펄스 작용 모드의 진공 조성 및 후속하는, 재료 온도가 안정화될 때까지의 진공에 대한 노출을 포함하고, 필요한 재료 수분이 달성되지 않는다면 상기 사이클이 반복되고, 분출 층 냉각 및 진공 임펄스 작용을 교번시킴으로써 동일한 건조 챔버 내에서 추가 냉각이 수행되는 것을 특징으로 하는
    모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    재료를 건조 챔버 내에 투입하고, 동시에 진공 임펄스 작용을 이용하여 고체-층 진공 수송을 통해 재료를 미리 건조하는 것을 특징으로 하는
    모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    100% 이하의 습도를 갖는 가스 작용제가 상기 가열 매체로서 사용되는 것을 특징으로 하는
    모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    재료에 대해 화학적으로 불활성인 가열 매체를 사용하여 재료를 가열하는 것을 특징으로 하는
    모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    진공 임펄스 작용 단계의 개수는,
    Figure 112015061909432-pct00005

    [여기서, Pi - 진공 챔버 내의 초기 압력, Pa(처리 초기 압력),
    Pг - 리시버 내에 조성된 압력, Pa,
    Pf - 진공 챔버 내의 최종 압력, Pa(처리 말기 압력),
    Κ - 진공 건조 챔버와 리시버 체적의 비율과 동일한 계수]
    식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는
    모세 다공성 벌크 재료의 건조 방법.
  6. 주로 곡물과 같은 모세 다공성 벌크 재료를 건조하기 위한 장치이며,
    진공 건조 챔버와, 진공 건조 챔버 내에 장착된 가열기와, 곡물 투입/배출 시스템과, 진공 펌프와, 열교환 냉각기와, 가열 매체 순환 및 응축물 방출을 위한 배관 시스템을 포함하는 모세 다공성 벌크 재료 건조 장치에 있어서,
    상기 장치에는 리시버와 평행하게 연결된 펌프를 구비하는 하나 또는 몇 개의 리시버가 제공되고, 상기 펌프는 신속-반응식 밸브를 가진 진공 배관 시스템을 통해 건조 챔버 입구에 연결되고, 제1 챔버에 평행하게 장착된 제2 건조 챔버가 추가로 제공되며, 각 진공 건조 챔버는 그 베이스에서 원추형상이고, 재료의 분출 층 가열 및 냉각을 위한 가열 매체 순환 시스템에 연결되며, 가열 재킷을 구비하고, 가열 매체 진공 처리 및 순환 라인은 가열된 사이클론 필터와 응축 탱크를 가진 열교환기-응축기를 구비하는
    모세 다공성 벌크 재료 건조 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    진공 임펄스 작용을 이용하는 것을 가능하게 하는 진공 수송 고체-층 재료 급송 시스템은 건조 챔버 입구에 장착되는 것을 특징으로 하는
    모세 다공성 벌크 재료 건조 장치.
  8. 제6항에 있어서,
    베이스에서 원추형상을 가지며, 제1 건조 챔버에 평행하게 설치된 가열 재킷을 구비하는 한 쌍 또는 몇 개 쌍의 진공 건조 챔버를 구비하는 것을 특징으로 하는
    모세 다공성 벌크 재료 건조 장치.

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