KR20240051821A - 유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조 방법 - Google Patents

유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조 방법을 제공하며, 상기 건조 방법은 (S1) 복수의 홀을 구비한 기체 분산판, 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실 및 하부 기체실을 포함하는 유동층 건조기에서 상기 하부 기체실을 2개 이상의 구획으로 분할하는 단계; (S2) 상기 상부 건조실의 내부 온도를 상승시킨 후 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 투입구를 통해 함수 입자를 공급하는 단계; 및 (S3) 외부 송풍기를 이용해 상기 하부 기체실의 2개 이상의 구획에 각각 상이한 유속으로 유동화 기체를 공급하여, 상기 상이한 유속의 유동화 기체를 상기 기체 분산판을 통해 상기 상부 건조실의 대응 영역으로 유입시켜 상기 함수 입자의 건조를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조 방법{METHOD OF DRYING WET POWDER USING FLUIDIZED BED DRYER}
본 발명은 유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 건조기 내부에서 유동하는 입자의 비산 거동을 최소화하면서 다양한 입경의 함수 입자에 대해 우수한 건조 성능을 구현할 수 있는 함수 입자의 건조 방법에 관한 것이다.
유동층 건조기(fluidized bed dryer, FBD)는 함수 상태의 입자를 유동화 기체에 의해 형성되는 유동층을 통해 이동시키면서 건조하는 장치로서, 열에 민감하거나 불안정한 재료의 대용량 건조가 가능하여 석탄과 같은 연료, 고분자, 의약품, 화장품, 식품 등의 다양한 분야에서 사용되고 있다.
도 1은 통상적으로 사용되는 수평 구조의 유동층 건조기를 개략적으로 나타낸 것으로, 복수의 홀을 구비한 기체 분산판(10), 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실(20)과 하부 기체실(30), 상기 상부 건조실의 내부에 구비되는 전열판(40), 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 함수 입자 투입구(50)와 타측에 구비된 건조 입자 배출구(60), 및 상기 상부 건조실의 상단에 구비된 기체/비산입자 배출관(70)을 포함할 수 있다.
상기 함수 입자 투입구(50)를 통해 상부 건조실(20)에 함수 입자가 공급되고 하부 기체실(30)로 유입된 유동화 기체를 기체 분산판(10)을 통해 상향으로 균등하게 공급하면, 상기 함수 입자가 유동하면서 입자에 포함된 수분이 열 에너지에 의해 수증기로 기화되고 상기 수증기는 유동화 기체에 의해 기체/비산입자 배출관(70)을 통해 제거되며, 상기 수분이 제거되어 건조된 입자가 배출구(60)을 통해 수득된다.
상기 상부 건조실(20) 내부에서 입자는 투입구(50)에서 배출구(60) 방향으로 이동하면서 함수율이 점점 감소되는데, 상기 투입구(50) 근처는 체류하는 입자의 높은 함수율로 인해 상대적으로 건조 속도가 빨라 다량의 수증기가 발생하여 상대습도가 높다. 상대 습도가 100%인 경우 유동화 기체에 의한 수증기 운반량이 포화 상태에 도달한 것을 의미하며, 상기 포화 상태에 가까워질수록 입자 표면의 수분이 수증기로 되는 기화 속도가 감소하여 건조 성능이 떨어질 수 있다.
이를 해결하기 위해 유동화 기체의 유량을 증가시키는 경우 운반가능한 수증기량이 증가하여 건조 속도가 증가하면서 상대습도를 낮출 수 있으나, 건조실의 전체 면적에 대해 유동화 기체가 증가됨에 따라 입자의 비산 거동이 강화할 수 있으며, 이는 기체/비산입자 배출관(60)과 연결되는 외부 포집 장치(예: 사이클론, 습식 스크러버)의 작동에 불리한 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 상기 상부 건조실(20) 내 체류 입자의 비산 거동이 우려되는 경우에는 기체 유량을 제한하게 되므로, 결과적으로 건조 성능에 한계가 있다.
한편 유동층 건조기에는 다양한 입경의 함수 입자가 공급될 수 있는데, 큰 입경을 갖는 거대 함수 입자들은 작은 입자들에 비해 유동층 형성이 불리하여 하부로 쌓일 수 있다. 만약 유동층이 형성되는 건조실 내부에 칸막이와 같은 부재가 있는 경우 큰 입경을 갖는 거대 함수 입자들은 건조실의 하부에 쌓임에 따라 배출구 방향으로 이동하기 어렵게 된다. 이를 해소하기 위해 유동화 기체의 유속을 증가시키는 경우 에너지 소모가 증가되고, 상대적으로 입경이 작은 입자는 비산 거동에 의해 건조기 외부로 배출되어 건조 수율이 떨어질 수 있다.
본 발명은 상기 발명의 배경이 되는 기술에서 언급한 문제들을 해결하기 위한 것으로, 건조기 내부에서 유동하는 입자의 비산 거동을 최소화하면서 다양한 입경의 함수 입자에 대해 우수한 건조 성능을 구현할 수 있는 방법을 제공하는 것이다.
상기의 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 측면에 따르면, 유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조 방법으로서,
(S1) 복수의 홀을 구비한 기체 분산판, 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실 및 하부 기체실을 포함하는 유동층 건조기에서 상기 하부 기체실을 2개 이상의 구획으로 분할하는 단계;
(S2) 상기 상부 건조실의 내부 온도를 상승시킨 후 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 투입구를 통해 함수 입자를 공급하는 단계; 및
(S3) 외부 송풍기를 이용해 상기 하부 기체실의 2개 이상의 구획에 각각 상이한 유속으로 유동화 기체를 공급하여, 상기 상이한 유속의 유동화 기체를 상기 기체 분산판을 통해 상기 상부 건조실의 대응 영역으로 유입시켜 상기 함수 입자의 건조를 수행하는 단계를 포함하는 함수 입자의 건조 방법을 제공한다.
본 발명에서, 상기 하부 기체실은 상부 건조실의 투입구와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획 및 나머지의 제2 구획을 포함하고, 상기 제1 구획의 면적은 하부 기체실 전체 면적의 20 내지 50%를 차지할 수 있으며, 상기 제1 구획에 공급되는 유동화 기체의 유속은 상기 제2 구획에 공급되는 유동화 기체 유속의 1.2 내지 1.6배일 수 있다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기 함수 입자의 건조 방법을 수행하기 위한 유동층 건조기로서, 복수의 홀을 구비한 기체 분산판, 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실과 하부 기체실, 상기 상부 건조실의 내부에 구비되는 전열판, 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 함수 입자 투입구와 타측에 구비된 건조 입자 배출구, 및 상기 상부 건조실의 상단에 구비된 기체/비산입자 배출관을 포함하고, 상기 하부 기체실이 분할된 2개 이상의 구획을 포함하고, 상기 2개 이상의 구획에 2개 이상의 외부 송풍기가 각각 연결되어 상이한 유속의 유동화 기체를 공급하는 유동층 건조기가 제공된다.
본 발명에 따르면, 유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조시에 하부 기체실을 2개 이상의 구획으로 분할하고 상기 2개 이상의 구획에 2개 이상의 외부 송풍기를 각각 연결하여 상이한 유속의 유동화 기체를 공급함으로써, 상기 하부 기체실의 각 구획에 대응되는 상부 건조실의 영역에 따라 유입되는 유동화 기체의 분배 비율을 조절할 수 있다.
특히, 상기 상부 건조실 내부에서 유동하는 입자가 투입구에서 배출구 방향으로 이동함에 따라 함수율 및 건조 속도가 감소하는 점을 고려하여, 상기 하부 기체실에서 상부 건조실의 투입구와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획에 유동화 기체의 유속을 상대적으로 증가시킴으로써, 상기 상부 건조실 내부에서 유동하는 입자의 비산 거동을 최소화하면서 다양한 입경의 함수 입자에 대해 우수한 건조 성능을 구현할 수 있다.
도 1은 통상적으로 사용되는 수평 구조의 유동층 건조기를 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2 내지 5는 본 발명의 일 실시형태에 따라 유동화 기체의 분배 비율을 조절할 수 있는 유동층 건조기를 예시한 것이다.
도 6은 건조 입자들의 스팬 값에 따른 유동화 상태를 비교하여 나타낸 것이다.
본 발명의 설명 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는, 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
본원에서 사용되는 '포함' 또는 '함유'의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 또는 성분의 부가를 제외시키는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시형태는 유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조 방법에 관한 것으로, 도 2 내지 도 5에 예시한 바와 같이 유동화 기체의 분배 비율을 조절할 수 있는 유동층 건조기를 이용하여 수행할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 함수 입자 건조 방법을 첨부된 도면을 참조하여 단계별로 상세하게 설명한다.
도 2 내지 5를 참조할 때, 본 발명에서는 복수의 홀을 구비한 기체 분산판(10), 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실(20)과 하부 기체실(30)을 포함하는 유동층 건조기에서, 상기 하부 기체실(30)을 2개 이상의 구획으로 분할한다(S1).
상기 기체 분산판(10)은 고온에 견딜 수 있는 재질(예컨대, 금속 재질)로 이루어지고 복수의 홀을 구비한 판상 형태로서, 유동층 건조기의 내부 공간을 상부 및 하부로 분리하도록 배치될 수 있다.
상기 상부 건조실(20)은 함수 입자가 체류하면서 유동화 기체에 의해 유동하는 내부 공간으로, 그 내부에는 전열관(40)을 포함할 수 있다. 상기 전열판은 외부 고온수 순환기와 연결되어 상기 상부 건조실(20)의 내부 온도를 상승시킴으로써 함수 입자의 수분 제거를 위한 열에너지를 공급한다. 또한, 상기 상부 건조실은 일측에 구비된 투입구(50), 타측에 구비된 배출구(60), 및 상단에 구비된 기체 및 비산입자 배출관(70)을 포함할 수 있다.
상기 하부 기체실(30)은 외부 송풍기(B)로부터 공급된 유동화 기체를 수용하고 상기 유동화 기체가 기체 분산판(10)의 분산홀을 통해 상향으로 이동하여 상부 건조실(20)으로 유입되게 한다.
본 발명에서는 유동화 기체가 하부 기체실(30)로부터 상부 건조실(20)으로 유입되는 비율을 조절하기 위해 상기 하부 기체실(30)을 2개 이상의 구획으로 분할한다. 예컨대, 상기 하부 기체실(30)은 상부 건조실(20)의 일측에 구비된 함수 입자 투입구(50)와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획(30-1) 및 나머지의 제2 구획(30-2)을 포함할 수 있으며(도 2, 3 참조), 상기 제2 구획은 추가 분할되어 제3 구획(30-3)을 포함할 수 있다(도 4, 5 참조).
도 2 및 4를 참조할 때, 상기와 같이 2개 이상의 구획으로 분할된 하부 기체실(30)에는 각각 별도의 외부 송풍기로부터 유동화 기체를 공급받을 수 있다. 즉, 2개 이상의 외부 송풍기(B-1, B-2, B-3)가 각각 상기 하부 기체실의 2개 이상의 구획(30-1, 30-2, 30-3)에 연결되어 있어, 각 구획에 상이한 유속으로 유동화 기체를 공급할 수 있다.
또 다른 방법으로서, 도 3 및 5를 참조할 때, 1개의 외부 송풍기가 하부 기체실(30)과 연결되어 있으면서 상기 외부 송풍기와 상기 하부 기체실의 사이에 2개 이상의 댐퍼(damper)가 구비될 수 있다. 상기 댐퍼는 기체실로 유입되는 기체의 흐름을 멈추거나 조절하는 부재로서, 2개 이상의 댐퍼를 이용해 상기 외부 송풍기에서 공급되는 유동화 기체의 유량을 분배 조절하여 상기 하부 기체실의 2개 이상의 구획에 각각 상이한 유속으로 유동화 기체를 공급할 수 있다.
이와 같이 상기 하부 기체실(30)을 2개 이상의 구획으로 분할하고 각각의 구획에 상이한 유속으로 유동화 기체를 공급하는 경우, 건조기 내부로 유입되는 유동화 기체의 총 유량이 동일한 조건에서 각 구획에 대응하는 상부 건조실(20)의 영역에 따라 유동화 기체의 분배 비율을 제어할 수 있다. 이를 통해 상부 건조실(20)의 내부에서 영역별 입자들의 함수율에 따라 접촉하는 기체의 유량을 다르게 하여 다양한 입경의 입자들이 이동하는 전체 경로에 걸쳐 건조 성능의 최대화를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 하부 기체실(30)의 제1 구획(30-1)은 하부 기체실 전체 면적의 20 내지 50%, 상세하게는 25 내지 35%를 차지할 수 있다. 상기 제1 구획(30-1)의 면적이 20% 미만인 경우에는 본 발명에서 의도하는 기체의 분배 비율을 적절히 제어하기 어렵고, 함수율이 높은 입자가 상기 제1 구획(30-1)에 체류하는 시간이 짧아 상기 입자의 체류 동안에 건조 효율이 떨어질 수 있다. 한편 상기 제1 구획(30-1)의 면적이 50%를 초과하는 경우에는 필요 이상의 유동화 기체가 공급될 수 있어 기체 유량의 분배 최적화를 구현하기 어려울 수 있다.
또한 상기 하부 기체실(30)에서 제2 구획(30-2)이 추가 분할되어 제3 구획(30-3)을 포함하는 경우에는, 제1 구획(30-1), 제2 구획(30-2) 및 제3 구획(30-3)이 입자의 함수율에 따른 건조 특성을 고려하여, 25:45:30 내지 35:35:30의 면적비로 분할되는 것이 좋다.
상기 하부 기체실의 분할 후, 상기 상부 건조실(20)의 내부 온도를 상승시키고, 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 투입구(50)를 통해 함수 입자를 공급한다(S2).
상기 상부 건조실(20)의 내부 온도는 건조실 내부에 배치된 전열판(40)에 외부 고온수 순환기(H)를 연결하여 온수를 순환시킴으로써 상승될 수 있으며, 예컨대 40 내지 80℃로 상승될 수 있다. 상기 온수 순환에 의해 전열판(40)의 온도가 상승되고 이로부터 전도되는 열에너지의 평형이 이루어질 때 함수 입자를 공급할 수 있다.
상기 함수 입자는 건조가 필요한 다양한 재질의 분말 상태 입자이면 제한 없이 사용될 수 있으며, 예컨대 석탄과 같은 연료; 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS), 아크릴로 부타디엔 니트릴, 폴리염화비닐, 폴리 카보네이트, 폴리 메틸 메타크릴레이트 등과 같은 고분자; 그 외 의약품, 화장품, 식품 등의 원료 입자일 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 함수 입자는 전체 중량 대비 함수율이 15 내지 50%일 수 있으며, 입도 분포가 넓은 다양한 입경의 입자가 투입될 수 있다.
상기 함수 입자의 공급 후, 2개 이상의 외부 송풍기(B-1, B-2)를 이용해 상기 하부 기체실(30)의 2개 이상의 구획에 각각 상이한 유속으로 유동화 기체를 공급하여, 상기 상이한 유속의 유동화 기체를 상기 기체 분산판(10)을 통해 상부 건조실(20)의 대응 영역으로 유입시킴으로 건조를 수행한다(S3).
본 명세서에서 사용되는 용어 '유속'은 단위시간당 유동화 기체가 이동한 거리(m/s)로서, 단위시간에 흐르는 유동화 기체의 양인 유량(m3/s)을 면적(m2)으로 나눈 값으로 산출될 수 있다.
보다 구체적으로 설명하면, 상기 상부 건조실(20)의 투입구 (50)와 인접한 영역은 초기 입자의 높은 함수율로 인해 다량의 수증기가 발생하여 상대습도가 높아질 수 있다. 따라서, 상부 건조실(20)의 투입구 (50)와 인접한 영역의 상대습도를 95% 이하, 상세하게는 92% 이하, 보다 상세하게는 90% 이하로 유지하도록, 상기 하부 기체실(30)에서 상부 건조실(20)의 함수 입자 투입구(50)와 인접한 영역에 대응하는 구획에 상대적으로 큰 유속의 유동화 기체를 공급한다.
상기 증가된 유속의 유동화 기체는 상부 건조실(20)의 대응 영역으로 유동하여 투입구(50) 근처에 체류하는 입자의 높은 함수율로 인해 발생하는 다량의 수증기를 충분히 운반 및 제거함으로써, 투입구(50)와 인접한 영역의 상대습도 감소 및 그에 따른 건조 성능 저하를 억제할 수 있다.
또한, 상기 증가된 유속의 유동화 기체는 상부 건조실(20) 내부의 투입구(50) 근처에서 큰 입경을 갖는 거대 입자들의 이동을 원활하게 하여 상기 거대 입자들이 하부로 쌓이는 것을 방지하고, 상기 상부 건조실(20) 내부에서 유동하는 입자의 비산 거동을 최소화하여 다양한 입경의 함수 입자에 대해 우수한 건조 성능을 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 도 2 및 3에 나타낸 바와 같이, 상기 하부 기체실(30)이 함수 입자 투입구(50)와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획(30-1) 및 나머지의 제2 구획(30-2)을 포함하는 경우, 상기 제1 구획(30-1)에 공급되는 유동화 기체의 유속은 상기 제2 구획에 공급되는 유동화 기체 유속의 1.2 내지 1.6배, 상세하게는 1.3 내지 1.5 배일 수 있다. 상기 제1 구획(30-1)에 대한 유속의 비율이 1.2배 미만인 경우, 상부 건조실 내부(20)에서 함수 입자 투입구(50)와 인접한 영역의 상대습도 감소 효과가 미비하여 건조 성능이 저하될 수 있다. 한편, 상기 제1 구획(30-1)에 대한 유속의 비율이 1.6배를 초과하는 경우에는 과도한 유동화 기체의 유속에 의해 작은 입자의 비산 거동이 강화될 수 있다.
일예로, 상기 제1 구획(30-1)에 공급되는 유동화 기체의 유속은 0.3 내지 0.7 m/s, 상세하게는 0.4 내지 0.6 m/s의 범위일 수 있다. 상기 제1 구획에 공급되는 유동화 기체의 유속이 0.3m/s 미만인 경우에는 유동화되지 않는 입자의 비율이 증가하여 함수율이 높은 상태에서 입자들의 응집이 발생하거나 제1 구획의 하부에서 파울링이 발생할 수 있으며, 이로 인해 건조기의 성능을 저하시키고 유지 관리 비용이 증가할 수 있다. 한편, 상기 제1 구획에 공급되는 유동화 기체의 유속이 0.7 m/s를 초과하는 경우에는 작은 입자들의 비산 거동이 강화되어 함수율이 높은 상태에서 상부 이동에 의한 건조실 벽면에 입자 부착 또는 건조실 이탈이 발생할 수 있으며, 이로 인해 건조기의 유지 관리 비용이 증가하거나 입자 손실이 초래될 수 있다.
따라서, 상기 제1 구획의 유속이 소정 범위를 만족하고, 그러한 범위를 기준으로 제2 구획(30-2)에 공급되는 유동화 기체의 유속을 앞서 설명한 유속비를 만족하도록 설정함으로써, 건조기 내부에서 파울링의 발생 및 유동하는 입자의 비산 거동을 최소화하면서 다양한 입경의 함수 입자에 대해 우수한 건조 성능을 구현할 수 있으며, 건조기의 유지 관리 비용을 절감할 수 있다.
한편 도 4 및 5에 나타낸 바와 같이, 상기 하부 기체실(30)이 함수 입자 투입구(50)와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획(30-1), 및 나머지의 제2 구획(30-2) 및 제3 구획(30-3)을 포함하는 경우, 각 구획에 공급되는 유동화 기체의 유속은 예컨대 1.4:1.2:1 내지 1.5:1.1:1의 비율로 조절될 수 있으며, 상기 유속 비율을 만족할 때 입자의 건조 특성을 고려한 유동화 기체 분배 비율의 최적화를 구현할 수 있다.
본 발명의 일 실시형태에서, 상기 유동화 기체는 통상적으로 유동층 건조기에 사용되는 가열된 공기, 즉 열풍일 수 있다.
상기 상부 건조실(20)에서 함수 입자는 열에너지를 공급받아 수분이 제거되는데, 상기 열에너지의 80 내지 90%는 전열판(40)에 의한 내부 온도 상승에 기인하고, 나머지는 하부 기체실(30)로부터 유입된 유동화 기체의 열풍에 기인한다.
이때, 상기 상부 건조실(20)의 투입구(50)와 인접한 영역에서 유동하는 입자는 함수율이 높으므로 다른 영역에 비해 상대적으로 많은 열에너지를 공급받는 것이 유리하다. 이를 위해, 이전 단계에서 하부 기체실(30)의 제1 구획(30-1)에 공급되는 유동화 기체의 온도는 제2 구획(30-2)에 공급되는 유동화 기체의 온도 보다 10 내지 50℃, 예컨대 30℃ 정도 높게 조절한다.
한편 상기 상부 건조실(20)에서 투입구(50)와 인접한 영역 이후에는 입자의 함수율이 감소함에 따라 입자에 포함된 수분의 기화가 줄어들어 건조에 필요한 에너지가 감소한다. 따라서, 상기 하부 기체실의 제2 구획(30-2)에 공급되는 유동화 기체의 온도는 상기 상부 건조실의 내부 온도와 동일하게 조절함으로써 에너지의 과소비를 막을 수 있다.
만약 상기 상부 건조실(20)에 유입되는 유동화 기체의 온도가 건조실 내부 온도보다 낮은 경우, 입자 건조에 필요한 열에너지 중 일부가 유동화 기체의 온도를 상승시키는데 사용되어 건조 효율을 떨어뜨릴 수 있다. 즉, 상기 상부 건조실(20)을 통과하는 유동화 기체는 건조실 내부에서 전열판(40)으로부터 전도되는 온도와 열적 평형을 이루어 배출되기 때문에, 상기 유동화 기체의 온도는 건조실(20)의 내부 온도보다 낮은 것은 바람직하지 않다.
이와 같이 상기 상부 건조실(20)의 내부에서 전열판(40) 및 영역별로 상이한 유속 및 온도로 조절된 유동화 기체에 의해 열에너지를 공급받은 입자의 수분은 수증기로 기화되고 상기 수증기는 입자의 건조에 방해가 되므로 유동화 기체에 의해 기체/비산입자 배출관(70)을 통해 제거한다.
상기 기체/비산입자 배출관(70)은 외부 포집 장치(예: 사이클론, 습식 스크러버)와 연결되어 크기가 작은 입자를 기체 성분과 분리하여 포집할 수 있으며, 상기 포집된 작은 입자들은 유동층 건조기에 다시 공급하거나 후단으로 이송할 수 있다.
최종적으로, 상기 수분이 제거되어 건조된 입자를 배출구(60)을 통해 수득한다.
상기한 바와 같이, 본 발명에서는 상기 상부 건조실(20) 내부에서 유동하는 입자가 투입구(50)에서 배출구(60) 방향으로 이동함에 따라 함수율 및 건조 속도가 감소하는 점을 고려하여, 상기 하부 기체실(30)에서 상부 건조실의 투입구(50)와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획에 유동화 기체의 유속을 상대적으로 증가시킴으로써, 상기 상부 건조실(20) 내부에서 유동하는 입자의 비산 거동을 최소화하면서 다양한 입경의 함수 입자에 대해 우수한 건조 성능을 구현할 수 있다.
따라서, 상기 상부 건조실(20)로부터 배출된 건조 입자는 전체 중량 기준으로 1% 이하의 함수율을 가질 수 있다.
또한, 상기 상부 건조실(20)로부터 배출된 건조 입자는 하기 수학식 1로 정의되는 스팬(span) 범위가 0.5 내지 4, 상세하게는 1.0 내지 3, 보다 상세하게는 1.5 내지 2인 입도분포를 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Span = (D90-D10)/D50
상기 식에서, D10, D50 및 D90은 각각 건조 입자의 입자 크기 분포도에서 체적 누계 10%, 50% 및 90%에 해당하는 크기이다.
상기 입자 크기 분포도는 입도 분석기의 측정 결과를 이용해 결정될 수 있으며, 상기 수학식 1로 정의된 스팬 값이 클수록 입자 크기 분포가 넓은 것을 의미한다.
예컨대, 상기 상부 건조실(20)로부터 배출된 건조 입자는 D10가 100 내지 250 ㎛의 범위이고, D50가 250 내지 550 ㎛의 범위이며, D90이 1000 내지 2000 ㎛의 범위일 수 있다.
한편 도 6은 건조 입자들의 스팬 값에 따른 유동화 상태를 비교하여 나타낸 것으로, -△pb/(mg/At)의 값이 1인 경우 입자들이 완전 유동화 상태에 도달한 것을 의미하며, 건조실에서 유동층을 형성하는 기체의 유속은 완전 유동화 속도 이상의 기체 유속으로 결정될 수 있다.
도 6을 참조할 때, 입자들의 스팬 값이 작은 경우(a)에는 최소 유동화 속도(Umf) 및 완전 유동화 속도(Ucf)의 간극, 즉 부분 유동화 영역이 좁은 반면, 스팬 값이 큰 경우(b)에는 상기 부분 유동화 영역이 넓어 완전 유동화 속도(Ucf)에서 조업하는 경우 작은 입자들은 비산되기 쉽다.
따라서, 스팬 값이 큰 다양한 입경의 입자들을 건조실(20) 내부를 이동하는 동안 작은 입자의 비산을 억제할 목적으로 부분 유동화 영역을 형성하는 기체 유속 조건으로 건조 공정을 수행하는 것이 바람직하며, 상기 부분 유동화 영역에서 거대 입자들은 건조실 하부에 체류하다가 배출될 수 있다. 이때, 만약 건조실 내부에 칸막이가 설치된 경우에는 거대 입자들이 배출되지 못하고 투입구 근처에 적층되는 문제가 발생될 수 있기에, 본 발명에서 건조실은 분할하지 않은 상태로 건조 공정을 수행한다.
추가로, 본 발명은 상기와 같은 함수 입자의 건조 방법을 수행하기 위한 유동층 건조기를 제공한다,
본 발명의 일 실시형태에 따른 유동층 건조기는 복수의 홀을 구비한 기체 분산판, 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실과 하부 기체실, 상기 상부 건조실의 내부에 구비되는 전열판, 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 함수 입자 투입구와 타측에 구비된 건조 입자 배출구, 및 상기 상부 건조실의 상단에 구비된 기체/비산입자 배출관을 포함하고, 상기 하부 기체실이 분할된 2개 이상의 구획을 포함하여, 상기 2개 이상의 구획에 2개 이상의 외부 송풍기가 각각 연결되어 상이한 유속의 유동화 기체를 공급할 수 있다.
상기 하부 기체실은 상부 건조실의 투입구와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획 및 나머지의 제2 구획을 포함하고, 상기 제1 구획의 면적은 하부 기체실 전체 면적의 20 내지 50%를 차지할 수 있다.
또한, 상기 제2 구획은 추가 분할되어 제3구획을 포함할 수 있다.
상기 유동층 건조기에서, 앞서 건조 방법과 중복되는 구성에 대한 설명은 동일하다.
이하, 실시예에 의하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 하기 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것으로 본 발명의 범주 및 기술사상 범위 내에서 다양한 변경 및 수정이 가능함은 통상의 기술자에게 있어서 명백한 것이며, 이들 만으로 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
실시예 1:
도 2에 나타낸 바와 같이, 복수의 홀을 구비한 기체 분산판(10), 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실(20)과 하부 기체실(30), 상기 상부 건조실(20)의 내부에 구비되는 전열판(40), 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 함수 입자 투입구(50)와 타측에 구비된 건조 입자 배출구(60), 및 상기 상부 건조실의 상단에 구비된 기체/비산입자 배출관(70)을 포함하는 유동층 건조기에서, 상기 하부 기체실(30)을 제1 구획(30-1) 및 제2 구획(30-2)의 2개 구획으로 분할하였다. 상기 제1 구획의 면적은 하부 기체실(30) 전체 면적의 30%가 되게 하였다.
상기 상부 건조실(20)의 투입구(50)를 통해 함수 입자로서 다양한 입경을 갖는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 분말(함수율 22중량%)을 공급하였다.
이어서, 외부 송풍기(B-1)을 이용해 상기 하부 기체실의 제1 구획(30-1)에 유동화 기체로서 85℃ 열풍을 최소 유동화 속도(Umf)의 7.6배 유속으로 공급하고, 외부 송풍기(B-2)를 이용해 상기 하부 기체실의 제2 구획(30-2)에 유동화 기체로서 55℃ 열풍을 최소 유동화 속도(Umf)의 5.7배 유속으로 공급하여 입자 건조를 수행하였다.
실시예 2:
도 4에 나타낸 바와 같이, 복수의 홀을 구비한 기체 분산판(10), 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실(20)과 하부 기체실(30), 상기 상부 건조실(20)의 내부에 구비되는 전열판(40), 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 함수 입자 투입구(50)와 타측에 구비된 건조 입자 배출구(60), 및 상기 상부 건조실의 상단에 구비된 기체/비산입자 배출관(70)을 포함하는 유동층 건조기에서, 상기 하부 기체실(30)을 제1 구획(30-1), 제2 구획(30-2) 및 제3 구획(30-3)의 3개 구획으로 분할하였다. 상기 제1 구획, 제2 구획 및 제3 구획의 면적비는 25:45:30이 되게 하였다.
상기 상부 건조실(20)의 투입구(50)를 통해 함수 입자로서 다양한 입경을 갖는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 분말(함수율 25중량%)을 공급하였다.
이어서, 외부 송풍기(B-1)을 이용해 상기 하부 기체실의 제1 구획(30-1)에 유동화 기체로서 85℃ 열풍을 최소 유동화 속도(Umf)의 8배 유속으로 공급하고, 외부 송풍기(B-2)를 이용해 상기 하부 기체실의 제2 구획(30-2)에 유동화 기체로서 70℃ 열풍을 최소 유동화 속도(Umf)의 6.8배 유속으로 공급하며, 외부 송풍기(B-3)를 이용해 상기 하부 기체실의 제3 구획(30-3)에 유동화 기체로서 55℃ 열풍을 최소 유동화 속도(Umf)의 5.7배 유속으로 공급하여 입자 건조를 수행하였다.
비교예 1:
도 1에 나타낸 바와 같이, 복수의 홀을 구비한 기체 분산판(10), 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실(20)과 하부 기체실(30), 상기 상부 건조실(20)의 내부에 구비되는 전열판(40), 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 함수 입자 투입구(50)와 타측에 구비된 건조 입자 배출구(60), 및 상기 상부 건조실의 상단에 구비된 기체/비산입자 배출관(70)을 포함하는 유동층 건조기를 준비하였다.
상기 상부 건조실(20)의 투입구(50)를 통해 함수 입자로서 다양한 입경을 갖는 아크릴로니트릴 부타디엔 스티렌(ABS) 분말(함수율 20중량%)을 공급한 후, 외부 송풍기(B)를 이용해 유동화 기체로서 88℃ 열풍을 최소 유동화 속도(Umf)의 6.3배 유속으로 하부 기체실(30)에 균등하게 공급하여 입자 건조를 수행하였다.
상기 실시예 및 비교예에서 건조된 입자에 대해서 입도 분석기를 이용해 입자 크기 분포도를 측정하고, 그 결과로부터 하기 수학식 1로 정의되는 스팬(span) 값을 산출하여 하기 표 1에 나타내었다.
[수학식 1]
Span = (D90-D10)/D50
상기 식에서, D10, D50 및 D90은 각각 건조 입자의 입자 크기 분포도에서 체적 누계 10%, 50% 및 90%에 해당하는 크기이다.
건조 조건 실시예 1 실시예 2 비교예 1
하부 기체실의 분할 여부 ○(제1/제2 구획) ○
(제1/제2/제3 구획)		 X
건조실의 투입구 근처 영역에서 함수 입자와 접촉하는 유동화 기체의 유속(기준: 최소 유동화 속도, Umf) 7.6배 8배 6.3배
건조 입자의 스팬 값 2.6 3.0 2.4
상기 표 1로부터, 실시예 1 및 2는 하부 기체실(30)에서 상부 건조실(20)의 투입구와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획(30-1)에 유동화 기체의 유속을 상대적으로 증가시킴에 따라 상기 제1 구획(30-1)의 건조 속도가 증가하였고, 그 결과 비산되는 입자의 양을 최소화하여 건조기의 생산성을 증가시킬 수 있었다. 즉, 실시예 1 내지 2는 비교예 1에 비해 다양한 입경의 입자에 대해 효율적인 건조 공정을 수행할 수 있음을 확인할 수 있다.
10: 복수의 홀을 구비한 기체 분산판
20: 상부 건조실
30: 하부 기체실
30-1, 30-2, 30-3: 하부 기체실의 분할된 구획
40: 전열판
50: 함수 입자 투입구
60: 건조 입자 배출구
70: 기체 및 비산 입자 배출관
B, B-1, B-2, B-3: 외부 송풍기
D: 댐퍼
H: 외부 고온수 순환기

Claims (15)

  1. 유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조 방법으로서,
    (S1) 복수의 홀을 구비한 기체 분산판, 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실 및 하부 기체실을 포함하는 유동층 건조기에서 상기 하부 기체실을 2개 이상의 구획으로 분할하는 단계;
    (S2) 상기 상부 건조실의 내부 온도를 상승시킨 후 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 투입구를 통해 함수 입자를 공급하는 단계; 및
    (S3) 외부 송풍기를 이용해 상기 하부 기체실의 2개 이상의 구획에 각각 상이한 유속으로 유동화 기체를 공급하여, 상기 상이한 유속의 유동화 기체를 상기 기체 분산판을 통해 상기 상부 건조실의 대응 영역으로 유입시켜 상기 함수 입자의 건조를 수행하는 단계를 포함하는 함수 입자의 건조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (S3)에서, 상기 외부 송풍기가 2개 이상이며, 상기 2개 이상의 외부 송풍기가 각각 상기 하부 기체실의 2개 이상의 구획에 상이한 유속으로 유동화 기체를 공급하는 함수 입자의 건조 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (S3)에서, 상기 외부 송풍기와 상기 하부 기체실의 사이에 2개 이상의 댐퍼(damper)가 구비되어 있고, 상기 2개 이상의 댐퍼를 이용해 상기 외부 송풍기에서 공급되는 유동화 기체의 유량을 분배 조절하여 상기 하부 기체실의 2개 이상의 구획에 각각 상이한 유속으로 유동화 기체를 공급하는 함수 입자의 건조 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 하부 기체실은 상부 건조실의 투입구와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획 및 나머지의 제2 구획을 포함하고,
    상기 제1 구획의 면적은 하부 기체실 전체 면적의 20 내지 50%를 차지하는 함수 입자의 건조 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 제1 구획에 공급되는 유동화 기체의 유속은 상기 제2 구획에 공급되는 유동화 기체 유속의 1.2 내지 1.6배인 함수 입자의 건조 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 제1 구획에 공급되는 유동화 기체의 유속은 0.3 내지 0.7 m/s의 범위인 함수 입자의 건조 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 상부 건조실의 내부 온도는 전열판에 의해 온수를 순환시켜 상승되는 함수 입자의 건조 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 제1 구획에 공급되는 유동화 기체의 온도는 상기 제2 구획에 공급되는 유동화 기체의 온도 보다 10 내지 50℃의 범위로 높게 조절되는 함수 입자의 건조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구획에 공급되는 유동화 기체의 온도는 상기 상부 건조실의 내부 온도와 동일하게 조절하는 함수 입자의 건조 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 제2 구획은 추가 분할되어 제3구획을 포함하는 함수 입자의 건조 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 상부 건조실로부터 배출된 건조 입자는 전체 중량 기준으로 1% 이하의 함수율을 갖는 함수 입자의 건조 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 상부 건조실로부터 배출된 건조 입자는 하기 수학식 1로 정의되는 스팬(span) 범위가 0.5 내지 4인 입도분포를 나타내는 함수 입자의 건조 방법.
    [수학식 1]
    Span = (D90-D10)/D50
    상기 식에서, D10, D50 및 D90은 각각 건조 입자의 입자 크기 분포도에서 체적 누계 10%, 50% 및 90%에 해당하는 크기이다.
  13. 제1항에 따른 함수 입자의 건조 방법을 수행하기 위한 유동층 건조기로서,
    복수의 홀을 구비한 기체 분산판, 상기 기체 분산판으로 구분되는 상부 건조실과 하부 기체실, 상기 상부 건조실의 내부에 구비되는 전열판, 상기 상부 건조실의 일측에 구비된 함수 입자 투입구와 타측에 구비된 건조 입자 배출구, 및 상기 상부 건조실의 상단에 구비된 기체/비산입자 배출관을 포함하고,
    상기 하부 기체실이 분할된 2개 이상의 구획을 포함하고, 상기 2개 이상의 구획에 2개 이상의 외부 송풍기가 각각 연결되어 상이한 유속의 유동화 기체를 공급하는 유동층 건조기.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 하부 기체실은 상부 건조실의 투입구와 인접한 영역에 대응하는 제1 구획 및 나머지의 제2 구획을 포함하고,
    상기 제1 구획의 면적은 하부 기체실 전체 면적의 20 내지 50%를 차지하는 유동층 건조기.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 제2 구획은 추가 분할되어 제3구획을 포함하는 유동층 건조기.
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