KR20210083451A - 실시간 입도분석이 가능한 분무건조 장치 및 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 목적은 분무 건조 공정에서의 건조 분말의 입도를 실시간으로 측정할 수 있는 분무건조장치 및 방법을 제공하는 것이다. 상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면은, 고체와 액체가 혼합된 슬러리 또는 액상의 원료를 건조하여 건조 분말을 생성하는 분무 건조장치에 있어서, 원통형의 몸체부와 상기 몸체부의 하단으로부터 내측으로 경사지게 연장되는 경사부를 구비하며 수분이 급속 건조될 수 있는 고온의 공기가 주입되는 건조 챔버, 상기 건조 챔버 내부로 상기 슬러리 또는 액상의 원료를 액적 상태로 분무하는 액적 분무장치 및 상기 건조 챔버의 상기 경사부에 연결되는 건조 분말 포집부를 포함하고, 상기 건조 챔버의 상기 경사부에는 내부를 볼 수 있는 투명한 견시창이 하나 이상 구비되고, 상기 견시창 중 적어도 하나의 외측에는 상기 견시창의 내측에 쌓이는 상기 건조 분말의 입도를 측정할 수 있도록 건조 분말의 이미지를 촬영하는 현미경 카메라가 배치되는 분무건조장치를 제공한다. 또한, 본 발명의 또 다른 측면은, (a) 고체와 액체가 혼합된 슬러리 또는 액상의 원료를 액적으로 분무하는 단계, (b) 상기 분무된 액적을 고온으로 건조하여 건조 분말로 만드는 단계, (c) 상기 건조 분말을 카메라 현미경을 통해 촬영하여 건조분말 이미지를 제공하는 단계, (d) 상기 촬영된 건조분말 이미지를 분석하여 건조 분말의 입도를 측정하는 단계 및 (e) 상기 측정된 입도와 목표로 하는 입도를 비교하여 상기 (a) 단계에서의 액적의 크기를 조절하고, 상기 건조 분말이 목표로 하는 입도가 될 때까지 상기 (a) 내지 (e) 단계를 반복하는 단계를 포함하는, 분무건조를 통한 건조분말 제조방법을 제공한다.

Description

실시간 입도분석이 가능한 분무건조 장치 및 방법{Spray drying apparatus and method for real time particle size analysis}
본 발명은 액상 또는 슬러리 상태의 원료를 건조 분말로 만드는 분무건조 장치에 있어서 실시간으로 건조된 분말의 입도를 측정할 수 있는 장치 및 방법에 관한 것이다.
고체와 액체가 함께 혼합되어 있는 슬러리나 액체 상태의 원료를 효과적으로 고체상태로 건조하기 위해서 가장 효과적인 방법 중 하나로 분무건조 방법이 있다. 분무건조법은 슬러리 또는 액상의 원료를 미세한 액적으로 분무하여 표면적을 크게 한 후 고온의 공기 중에서 급속하게 고체 상태로 건조하는 방법이다.
초기 수분 농도가 높은 슬러리나 액상의 건조에 유리하며 급속 건조에 따라 열변성에 의한 품질의 저하 방지 효과가 높다. 특히 세라믹 공정 중 슬러리 상태의 제품을 고상화하는데 매우 효과적이다.
이러한 분무건조 공정을 통해 얻게 되는 건조 분말은 표면 장력에 의해 구형인 액적의 모양에 따라 구형을 유지하게 되는데, 이러한 건조 분말은 최종 제품 또는 추후 공정의 중간 원료로서 그 입도는 중요한 특성 중 하나이다.
따라서, 이러한 건조 분말의 입도 등을 제어하는 것이 필요한데, 이를 위해서는 분무 건조 공정 중 또는 공정이 완료된 후 건조되어 배출되는 분말을 채취하여 그 입도를 입도 분석기 또는 현미경을 통해 분석한 후 그 결과를 바탕으로 분무 공정의 변수를 조절하여 액적의 크기와 분포 등을 조절하여 최종 건조 분말의 입도를 조절하게 된다. 이처럼 분무 건조 공정 중간에 또는 완료 후에 입자를 채취하고 이를 측정하는 단계가 포함됨으로써 공정이 번거로워지고 공정시간이 늘어나는 문제가 있게 된다.
특히 분무 건조 공정이 완료된 후 분말을 채취하여 입도를 측정하는 경우에는 한 번의 건조 공정에서 한 번의 조건 테스트가 이루어져 최종 건조 분말의 입도를 맞추기 위해서는 많은 공정이 필요하고 이에 따라 소모되는 인력과 비용이 커지게 된다.
또한, 분무 건조 공정 중에 건조 분말을 채취하는 경우에는 최종 건조 분말이 포집되는 포집부는 일반적으로 건조 챔버의 하단, 싸이클론과 집진기를 포함하게 되는데, 건조 챔버의 하단에서 무거운 큰 입도의 분말이, 싸이클론을 통해 중간 입도의 분말이 포집되고 싸이클론에서 포집되지 않은 작은 분말은 집진기를 통해 포집된다. 따라서, 건조 챔버 하단에서의 분말 입도, 싸이클론에서 포집되는 분말의 입도와 집진기를 통해서 포집되는 분말의 입도가 모두 상이하고 이에 따라 어느 부위에서 어느 정도 양을 채취하여 입도를 측정하는지에 따라 입도가 달라지게 되어 중간 채취로는 건조 분말의 정확한 입도 측정이 어려운 문제가 있게 된다.
대한민국등록특허공보 제10-1284280호
본 발명의 목적은 분무 건조 공정에서의 건조 분말의 입도를 실시간으로 측정할 수 있는 분무건조 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면은, 고체와 액체가 혼합된 슬러리 또는 액상의 원료를 건조하여 건조 분말을 생성하는 분무건조 장치에 있어서, 원통형의 몸체부와 상기 몸체부의 하단으로부터 내측으로 경사지게 연장되는 경사부를 구비하며 수분이 급속 건조될 수 있는 고온의 공기가 주입되는 건조 챔버, 상기 건조 챔버 내부로 상기 슬러리 또는 액상의 원료를 액적 상태로 분무하는 액적 분무장치 및 상기 건조 챔버의 상기 경사부에 연결되는 건조 분말 포집부를 포함하고, 상기 건조 챔버의 상기 경사부에는 내부를 볼 수 있는 투명한 견시창이 하나 이상 구비되고, 상기 견시창 중 적어도 하나의 외측에는 상기 견시창의 내측에 쌓이는 상기 건조 분말의 입도를 측정할 수 있도록 건조 분말의 이미지를 촬영하는 현미경 카메라가 배치되는 분무건조장치를 제공한다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면은, (a) 고체와 액체가 혼합된 슬러리 또는 액상의 원료를 액적으로 분무하는 단계, (b) 상기 분무된 액적을 고온으로 건조하여 건조 분말로 만드는 단계, (c) 상기 건조 분말을 카메라 현미경을 통해 촬영하여 건조분말 이미지를 제공하는 단계, (d) 상기 촬영된 건조분말 이미지를 분석하여 건조 분말의 입도를 측정하는 단계 및 (e) 상기 측정된 입도와 목표로 하는 입도를 비교하여 상기 (a) 단계에서의 액적의 크기를 조절하고, 상기 건조 분말이 목표로 하는 입도가 될 때까지 상기 (a) 내지 (e) 단계를 반복하는 단계를 포함하는, 분무건조를 통한 건조분말 제조방법을 제공한다.
본 발명에서 제공하는 분무건조 장치 및 방법을 통해 분무건조 공정 중 실시간으로 건조 분말의 입도를 측정함으로써 분무건조 공정을 통해 만들어지는 건조 분말의 품질을 높이고, 분무건조 공정의 공정 조건을 확립하기 위해 필요한 인력과 비용을 줄일 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 분무건조 장치의 개략도를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따라 견시창이 배치된 분무건조 장치의 이미지를 나타낸다.
도 3은 본 발명에 따른 견시창과 현미경 카메라의 일 실시예를 나타내는 이미지이다.
도 4는 본 발명에 따라 현미경 카메라에 의해 촬영된 건조 분말의 이미지와 그에 따른 입도 측정 결과를 나타낸다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 '포함'한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 발명에 따라, 고체와 액체가 혼합된 슬러리 또는 액상의 원료를 건조하여 건조 분말을 생성하는 분무건조 장치에 있어서, 원통형의 몸체부와 상기 몸체부의 하단으로부터 내측으로 경사지게 연장되는 경사부를 구비하며 수분이 급속 건조될 수 있는 고온의 공기가 주입되는 건조 챔버, 상기 건조 챔버 내부로 상기 슬러리 또는 액상의 원료를 액적 상태로 분무하는 액적 분무장치 및 상기 건조 챔버의 상기 경사부에 연결되는 건조 분말 포집부를 포함하고, 상기 건조 챔버의 상기 경사부에는 내부를 볼 수 있는 투명한 견시창이 하나 이상 구비되고, 상기 견시창 중 적어도 하나의 외측에는 상기 견시창의 내측에 쌓이는 상기 건조 분말의 입도를 측정할 수 있도록 건조 분말의 이미지를 촬영하는 현미경 카메라가 배치되는 분무건조 장치를 제공한다.
도 1을 통해 보다 자세히 설명하면, 본 발명에 따른 분무건조 장치는 고온의 열풍이 주입되는 건조 챔버(30)에 슬러리 또는 액상의 원료(10)를 건조 챔버(30) 내부로 액적 상태로 분무함으로써 원료 내의 수분을 급속 건조하여 분말 상태로 만들게 된다.
액적 상태로의 분무는 액적 분무장치를 통해 이루어지는데, 공기와 함께 원료를 분사하여 액적을 만드는 노즐식 액적 분무장치와 고속회전 하는 디스크 위로 원료를 공급하고, 원심력에 의해 미립화를 하는 방식인 회전식 디스크 방식의 액적 분무장치가 있다. 이때 액적의 크기는 노즐식 액적 분무장치의 경우 원료와 함께 분무되는 공기의 압력, 흐름량 및 슬러리 또는 액상의 원료 투입량을 조절하여 이루어질 수 있고, 회전식 디스크 방식의 액적 분무장치의 경우는 원료 투입량과 회전 디스크의 회전 속도 등을 조절하여 이루어지게 된다.
한편, 이렇게 건조 챔버 내로 미세하게 분무되는 액적은 고온의 열풍에 의해 내부 수분이 증발하여 건조된 분말 상태가 되는데 이러한 건조를 위해 건조 챔버 내로는 150 ~ 300℃에 달하는 고온의 열풍이 주입된다.
건조 챔버(30)는 원통형의 몸체부(31)와 몸체부(31)의 하단에서부터 원뿔 형태로 연장되는 경사부(32)를 가지게 되는데, 이러한 경사부(32)는 하단으로 분말이 원활하게 이송되도록 아래쪽으로 경사지는 구조로, 건조 분말은 중력과 기류의 움직임에 의해 이러한 경사부를 따라 이동하여 경사부(32)에 연결되는 하단 수거부 또는 경사부에 연결되는 싸이클론(42)으로 회수되도록 한다. 싸이클론(42)의 상단은 다시 집진기(43)에 연결되어 싸이클론으로도 회수되지 못하는 미세 분말을 최종적으로 포집하게 된다.
도 2는 이러한 견시창이 구비된 분무건조장치의 이미지를 나타낸다. 도 2b 및 도 2c에서 나타낸 바와 같이 경사부에 견시창이 배치된다.
본 발명에서는, 건조 챔버(30)의 경사부(32)에 견시창(33)을 만들고 여기에 현미경 카메라(34)를 배치하게 된다. 견시창(33)은 경사부(32)에 배치되기 때문에 건조가 완료된 건조 분말은 투명하여 건조 챔버 내측을 볼 수 있는 견시창(33) 내측에 쌓이게 되는데 이렇게 쌓이는 건조 분말을 견시창 외측에 배치되는 현미경 카메라(34)를 통해 고배율로 촬영할 수 있게 된다. 건조 분말의 이미지는 그 크기를 구분할 수 있을 정도의 고배율로 촬영되어 이러한 이미지를 통해 건조 분말의 입도를 측정할 수 있게 된다.
도 3은 이러한 견시창과 경시창에 배치되는 현미경 카메라를 나타낸다. 도 3(a)와 같이 견시창에는 일정 두께 이상의 내열유리가 배치되고 여기에 도 3(b)에서 나타내는 현미경 카메라가 도 3(c)처럼 견시창에 밀착하여 배치된다.
도 4는 이렇게 촬영된 건조 분말 이미지(도 4(a) 및 도 4(b))와 이미지를 통해 측정된 건조 분말의 입도(도 4(c))를 나타내고 있다. 촬영된 이미지에 있는 건조 분말의 크기 측정은 직접 사람이 일일이 자로 재서 측정할 수도 있으나 원활하고 정확한 측정을 위해 이미지 분석기(Image Analyzer)를 활용하는 것이 바람직하다. 이를 위해 현미경 카메라는 이미지 분석기와 이미지를 전송할 수 있도록 연결된다.
또한, 본 발명에서 상기 견시창은 내열유리인 분무건조장치를 제공한다.
건조 챔버의 내부는 수분의 급속 건조를 위해 100℃ 이상의 고온이 유지된다. 따라서, 견시창의 내측은 고온에 노출되는 반면에 외부는 일반 대기와 접촉하고 있어 내측과 외측 간의 큰 온도 변화를 겪게 된다. 이러한 온도에서도 안정적으로 견시창이 유지되기 위해서는 내열유리인 것이 바람직하다.
또한, 상기 견시창의 두께는 10mm 이상이고, 상기 건조 챔버의 벽 두께 이하인 것이 바람직하다. 견시창은 내외부 간의 열충격, 분무건조장치 운영 중 발생하는 충격 등에 안정적으로 견디기 위해서는 두께가 10mm 이상인 것이 바람직하다. 한편, 건조 챔버의 벽 두께 보다 두꺼우면 유리가 벽 내측 또는 외측으로 튀어나와 분말의 흐름 방해 요인이 되거나 파손의 우려가 크기 때문에 바람직하지 않다.
본 발명에서는, 상기 건조 챔버의 외벽에는 상기 건조 챔버에 주기적으로 충격을 가해 상기 건조 챔버의 벽면에 쌓이는 건조 분말을 털어주는 충격장치가 배치되는 분무건조장치를 제공한다.
고온에 의해 건조 챔버에서 건조된 건조분말은 건조 챔버의 경사부에서 경사를 따라 흘러 내리면서 기류에 의해 건조 분말 포집부로 이송이 된다. 이 때 경사부의 벽면에 건조 분말이 쌓일 수 있는데, 이렇게 쌓이는 건조 분말을 벽면에서 주기적으로 털어내기 위해서 충격장치가 있는 것이 바람직하다. 충격장치는 건조 챔버의 외벽을 주기적으로 때려주기 위해 전자기석에 의해 작동하는 망치와 같은 장치일 수 있다.
또한, 본 발명에서, 상기 현미경 카메라의 작동거리(working distance)는 상기 견시창의 두께 이상인 분무건조장치를 제공한다.
현미경 카메라는 상술한 바와 같이 견시창의 외측에 배치되는데, 견시창의 외측에 밀착하여 배치되어도 정확한 이미지를 획득하기 위해서는 그 작동거리가 견시창의 두께 보다는 커야 한다. 따라서, 현미경 카메라의 작동거리는 견시창의 두께 이상인 것이 바람직하다.
본 발명에서, 상기 견시창은 둘 이상이고, 상기 현미경 카메라가 배치된 견시창을 제외한 견시창 중 적어도 하나의 외측에는 상기 건조 챔버의 내부로 조명을 비출 수 있는 조명장치가 배치되는 분무건조장치를 제공한다.
일반적으로 건조 챔버 내측은 밀폐된 구조로 조명 장치가 구비되지 않는다. 따라서, 챔버 내부는 어두워서 내측에 위치하는 건조 분말의 이미지를 정확하게 측정하기 어렵게 될 수 있다. 이러한 문제가 발생할 경우를 위해 복수의 견시창이 있는 경우 하나에는 현미경 카메라를 배치시키고 다른 하나에는 건조 챔버의 내부로 조명을 비출 수 있는 조명장치를 배치함으로써 건조 분말의 이미지 획득이 원활하도록 한다.
또한, 본 발명에서 상기 현미경 카메라와 연결된 이미지 분석기(Image Analyzer)를 더 포함하는 분무건조장치를 제공한다.
현미경 카메라를 통해 얻어진 이미지를 통해 실시간으로 입도를 측정하기 위해서 얻어진 이미지를 통해 사람이 직접 측정하여 입도 분포를 알아낼 수도 있으나, 이는 인력 소모가 크고 정확도가 떨어진다. 따라서 현미경 카메라에서 얻어진 이미지를 직접 이미지 분석기로 보내 이미지 분석기에서 자동으로 입도를 측정하면 인력 소모와 시간을 크게 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에서는, (a) 고체와 액체가 혼합된 슬러리 또는 액상의 원료를 액적으로 분무하는 단계, (b) 상기 분무된 액적을 고온으로 건조하여 건조 분말로 만드는 단계, (c) 상기 건조 분말을 카메라 현미경을 통해 촬영하여 건조분말 이미지를 제공하는 단계, (d) 상기 촬영된 건조분말 이미지를 분석하여 건조 분말의 입도를 측정하는 단계 및 (e) 상기 측정된 입도와 목표로 하는 입도를 비교하여 상기 (a) 단계에서의 액적의 크기를 조절하고, 상기 건조 분말이 목표로 하는 입도가 될 때까지 상기 (a) 내지 (e) 단계를 반복하는 단계를 포함하는, 분무건조 방법을 제공한다.
종래의 분무 건조 방법에서는 분무 건조가 완료될 때까지 분말의 입도를 측정하는 것이 어렵기 때문에 하나의 조건으로 분무 건조가 완료된 이후에 분말을 수거하여 입도를 측정할 수 밖에 없었다. 따라서, 건조 된 분말의 입도가 불량인지 여부 판단은 분무 건조 공정이 완료된 후에야 가능했다. 또한, 초기에 원하는 입도의 건조 분말을 얻기 위한 공정 조건을 확보하기 위해서는 여러 배치의 분무 건조를 수행해서 그 중 알맞은 조건을 확보해야 했기 때문에 많은 인력과 공정 비용이 소모되었다.
이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 견시창을 통해 관찰되는 건조 분말을 현미경 카메라를 통해 관찰하여 그 이미지를 촬영한 후 촬영된 이미지를 통해 건조 분말의 입도를 측정함으로써 분무 건조 공정 중 실시간으로 건조 분말의 입도를 측정할 수 있게 된다. 이렇게 측정된 입도를 기준으로 이후 계속되는 분무 건조 공정 중에 액적의 분무 단계에서 액적의 크기를 조절함으로써 건조 분말의 입도를 재조정할 수 있게 된다. 액적의 크기 조절은 액적 분무장치의 방식에 따라 달라질 수 있는데, 공기와 함께 원료를 분사하여 액적을 만드는 노즐실 액적 분무장치의 경우 원료와 함께 분무되는 공기의 압력, 흐름량 및 슬러리 또는 액상의 원료 투입량을 조절하여 이루어질 수 있다. 또한 고속회전 하는 디스크 위로 원료를 공급하고, 원심력에 의해 미립화를 하는 방식인 회전식 디스크 방식의 액적 분무장치의 경우는 원료 공급량 및 디스크 회전수 등을 조절하여 제어할 수 있다.
이러한 건조 분말의 입도 조절은 원하는 건조 분말의 입도가 될 때까지 계속하여 공정 중에 이루어질 수 있어서 쉽게 원하는 건조 분말의 입도를 맞출 수 있게 된다.
또한, 본 발명에서 상기 (d) 단계에서 건조 분말의 입도 측정은 이미지 분석기를 이용하는 분무건조 방법을 제공한다.
현미경 카메라를 통해 얻어진 이미지를 통해 실시간으로 입도를 측정하기 위해서 얻어진 이미지를 통해 사람이 직접 측정하여 입도 분포를 알아낼 수도 있으나, 이는 인력 소모가 크고 정확도가 떨어진다. 따라서 현미경 카메라에서 얻어진 이미지를 직접 이미지 분석기로 보내 이미지 분석기에서 자동으로 입도를 측정하면 인력 소모와 시간을 크게 줄일 수 있다.
20 : 액적 분무장치 30 : 건조 챔버
31 : 몸체부 32 : 경사부
33 : 견시창 34 : 현미경 카메라
42 : 싸이클론 43 : 집진기

Claims (8)

  1. 고체와 액체가 혼합된 슬러리 또는 액상의 원료를 건조하여 건조 분말을 생성하는 분무건조 장치에 있어서,
    원통형의 몸체부와, 상기 몸체부의 하단으로부터 내측으로 경사지게 연장되는 경사부를 구비하며, 수분이 급속 건조될 수 있는 고온의 공기가 주입되는 건조 챔버;
    상기 건조 챔버 내부로 상기 슬러리 또는 액상의 원료를 액적 상태로 분무하는 액적 분무장치; 및
    상기 건조 챔버의 상기 경사부에 연결되는 건조 분말 포집부를 포함하고,
    상기 건조 챔버의 상기 경사부에는 내부를 볼 수 있는 투명한 견시창이 하나 이상 구비되고, 상기 하나 이상의 견시창 중 적어도 하나의 외측에는 상기 견시창의 내측에 쌓이는 상기 건조 분말의 입도를 측정할 수 있도록 건조 분말의 이미지를 촬영하는 현미경 카메라가 배치되는, 분무건조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 견시창은 내열유리인, 분무건조 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 견시창의 두께는 10mm 이상이고, 상기 건조 챔버의 벽 두께 이하인, 분무건조 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 현미경 카메라의 작동거리(working distance)는 상기 견시창의 두께 이상인, 분무건조 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 견시창은 둘 이상이고, 상기 현미경 카메라가 배치된 견시창을 제외한 견시창 중 적어도 하나의 외측에는 상기 건조 챔버의 내부로 조명을 비출 수 있는 조명장치가 배치되는, 분무건조 장치.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 현미경 카메라와 연결된 이미지 분석기(Image Analyzer)를 더 포함하는, 분무건조 장치.
  7. (a) 고체와 액체가 혼합된 슬러리 또는 액상의 원료를 액적으로 분무하는 단계;
    (b) 상기 분무된 액적을 고온으로 건조하여 건조 분말로 만드는 단계;
    (c) 상기 건조 분말을 카메라 현미경을 통해 촬영하여 건조분말 이미지를 제공하는 단계;
    (d) 상기 촬영된 건조분말 이미지를 분석하여 건조 분말의 입도를 측정하는 단계; 및
    (e) 상기 측정된 입도와 목표로 하는 입도를 비교하여 상기 (a) 단계에서의 액적의 크기를 조절하는 단계를 포함하고, 상기 건조 분말이 목표로 하는 입도가 될 때까지 상기 (a) 내지 (e) 단계를 반복하는, 분무건조 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 (d) 단계에서 건조 분말의 입도 측정은 이미지 분석기를 이용하는, 분무건조 방법.
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