WO2024080582A1 - 유동층 건조기를 이용한 함수 입자의 건조 방법 - Google Patents

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WO2024080582A1
WO2024080582A1 PCT/KR2023/013707 KR2023013707W WO2024080582A1 WO 2024080582 A1 WO2024080582 A1 WO 2024080582A1 KR 2023013707 W KR2023013707 W KR 2023013707W WO 2024080582 A1 WO2024080582 A1 WO 2024080582A1
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gas
chamber
compartment
particles
drying
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PCT/KR2023/013707
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정승우
정인용
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주식회사 엘지화학
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    • F26B17/10—Machines or apparatus for drying materials in loose, plastic, or fluidised form, e.g. granules, staple fibres, with progressive movement with movement performed by fluid currents, e.g. issuing from a nozzle, e.g. pneumatic, flash, vortex or entrainment dryers
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F26B3/08—Drying solid materials or objects by processes involving the application of heat by convection, i.e. heat being conveyed from a heat source to the materials or objects to be dried by a gas or vapour, e.g. air the gas or vapour flowing through the materials or objects to be dried so as to loosen them, e.g. to form a fluidised bed
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Definitions

  • the present invention relates to a method for drying hydrous particles using a fluidized bed dryer, and more specifically, to drying hydrous particles that can achieve excellent drying performance for hydrous particles of various particle sizes while minimizing the scattering behavior of particles flowing inside the dryer. It's about method.
  • a fluidized bed dryer is a device that dries particles in a water state by moving them through a fluidized bed formed by a fluidizing gas. It enables large-capacity drying of heat-sensitive or unstable materials, such as fuels such as coal, polymers, and pharmaceuticals. It is used in various fields such as cosmetics and food.
  • Figure 1 schematically shows a commonly used horizontal fluidized bed dryer, which includes a gas distribution plate 10 having a plurality of holes, an upper drying chamber 20 and a lower gas chamber 30 divided by the gas distribution plate. , a heat transfer plate 40 provided inside the upper drying chamber, a water-containing particle inlet 50 provided on one side of the upper drying chamber and a dry particle outlet 60 provided on the other side, and a gas provided at the top of the upper drying chamber.
  • / May include a flying particle discharge pipe (70).
  • the hydrous particles When the hydrous particles are supplied to the upper drying chamber 20 through the hydrous particle inlet 50 and the fluidization gas flowing into the lower gas chamber 30 is evenly supplied upward through the gas distribution plate 10, the hydrous particles As it flows, the moisture contained in the particles is evaporated into water vapor by thermal energy, and the water vapor is removed through the gas/flying particle discharge pipe 70 by the fluidizing gas, and the dried particles with the moisture removed are discharged through the outlet 60. It is obtained through
  • the moisture content of the particles gradually decreases as they move from the inlet 50 to the outlet 60, and the drying speed is relatively fast due to the high moisture content of the particles staying near the inlet 50.
  • a large amount of water vapor is generated, resulting in high relative humidity.
  • the relative humidity 100%, it means that the amount of water vapor transported by the fluidizing gas has reached a saturated state. As the saturation state approaches, the evaporation rate of moisture on the particle surface into water vapor decreases, which may reduce drying performance.
  • the flow rate of the fluidizing gas is increased, the amount of water vapor that can be transported increases, which increases the drying speed and lowers the relative humidity.
  • the scattering behavior of particles can be strengthened. , which may adversely affect the operation of external collection devices (e.g., cyclones, wet scrubbers) connected to the gas/fugitive particle discharge pipe 60. Accordingly, when there is concern about the scattering behavior of particles remaining in the upper drying chamber 20, the gas flow rate is limited, and as a result, drying performance is limited.
  • hydrous particles of various particle sizes can be supplied to the fluidized bed dryer, but large hydrous particles with large particle diameters are disadvantageous in forming a fluid layer compared to small particles and may pile up at the bottom. If there is a partition-like member inside the drying room where the fluidized layer is formed, large hydrous particles with large particle diameters accumulate at the bottom of the drying room, making it difficult to move toward the outlet. To solve this problem, when the flow rate of the fluidization gas is increased, energy consumption increases, and particles with relatively small particle sizes are discharged to the outside of the dryer due to scattering behavior, which may reduce the drying yield.
  • the present invention is intended to solve the problems mentioned in the technology behind the invention, and provides a method for achieving excellent drying performance for hydrous particles of various particle sizes while minimizing the scattering behavior of particles flowing inside the dryer. will be.
  • (S1) dividing the lower gas chamber into two or more compartments in a fluidized bed dryer including a gas distribution plate with a plurality of holes, an upper drying chamber and a lower gas chamber separated by the gas distribution plate;
  • S3 Supply fluidization gas at different flow rates to two or more compartments of the lower gas chamber using an external blower, so that the fluidization gas at different flow rates flows into the corresponding area of the upper drying chamber through the gas distribution plate.
  • a method for drying hydrous particles is provided, including the step of drying the hydrous particles.
  • the lower gas chamber includes a first compartment corresponding to an area adjacent to the inlet of the upper drying chamber and a remaining second compartment, and the area of the first compartment accounts for 20 to 50% of the total area of the lower gas chamber.
  • the flow rate of the fluidization gas supplied to the first compartment may be 1.2 to 1.6 times the flow rate of the fluidization gas supplied to the second compartment.
  • a fluidized bed dryer for performing the drying method of hydrous particles, comprising a gas distribution plate having a plurality of holes, an upper drying chamber and a lower gas chamber divided by the gas distribution plate, and the upper drying chamber. It includes a heat transfer plate provided inside, a water particle inlet provided on one side of the upper drying chamber, a dry particle outlet provided on the other side, and a gas/flying particle discharge pipe provided at the top of the upper drying chamber, and the lower gas chamber is divided.
  • a fluidized bed dryer is provided, which includes two or more compartments, and where two or more external blowers are connected to the two or more compartments to supply fluidized gas at different flow rates.
  • the lower gas chamber is divided into two or more compartments and two or more external blowers are connected to the two or more compartments to supply fluidized gas at different flow rates
  • the distribution ratio of the incoming fluidized gas can be adjusted according to the area of the upper drying chamber corresponding to each section of the lower gas chamber.
  • the first compartment corresponding to the area adjacent to the inlet of the upper drying chamber in the lower gas chamber is By relatively increasing the flow rate of the fluidizing gas, excellent drying performance can be achieved for hydrous particles of various particle sizes while minimizing the scattering behavior of particles flowing inside the upper drying chamber.
  • Figure 1 schematically shows a commonly used horizontal fluidized bed dryer.
  • FIG. 2 to 5 illustrate a fluidized bed dryer capable of adjusting the distribution ratio of the fluidization gas according to one embodiment of the present invention.
  • Figure 6 shows a comparison of the fluidization states according to the span value of dry particles.
  • 'comprising' or 'containing' specifies a specific characteristic, area, integer, step, operation, element, or ingredient, and the addition of another specific characteristic, area, integer, step, operation, element, or ingredient. does not exclude it.
  • One embodiment of the present invention relates to a method of drying hydrous particles using a fluidized bed dryer, which can be performed using a fluidized bed dryer capable of adjusting the distribution ratio of the fluidization gas, as illustrated in FIGS. 2 to 5.
  • a fluidized bed dryer including a gas distribution plate 10 having a plurality of holes, an upper drying chamber 20 and a lower gas chamber 30 divided by the gas distribution plate.
  • the lower gas chamber 30 is divided into two or more compartments (S1).
  • the gas distribution plate 10 is made of a material that can withstand high temperatures (eg, a metal material) and has a plate-shaped shape with a plurality of holes, and can be arranged to separate the internal space of the fluidized bed dryer into upper and lower parts.
  • a material that can withstand high temperatures eg, a metal material
  • the upper drying chamber 20 is an internal space in which hydrous particles reside and flow by a fluidizing gas, and may include a heat transfer tube 40 therein.
  • the heat transfer plate is connected to an external high-temperature water circulator to increase the internal temperature of the upper drying chamber 20, thereby supplying heat energy for removing moisture from the hydrous particles.
  • the upper drying chamber may include an inlet 50 provided on one side, an outlet 60 provided on the other side, and a gas and flying particle discharge pipe 70 provided at the top.
  • the lower gas chamber 30 accommodates the fluidization gas supplied from the external blower (B) and causes the fluidization gas to move upward through the dispersion hole of the gas distribution plate 10 and flow into the upper drying chamber 20.
  • the lower gas chamber 30 in order to control the rate at which fluidized gas flows from the lower gas chamber 30 into the upper drying chamber 20, the lower gas chamber 30 is divided into two or more compartments.
  • the lower gas chamber 30 includes a first compartment 30-1 corresponding to an area adjacent to the hydrous particle inlet 50 provided on one side of the upper drying chamber 20, and a remaining second compartment 30-2. ) (see FIGS. 2 and 3), and the second compartment may be further divided to include a third compartment 30-3 (see FIGS. 4 and 5).
  • the lower gas chamber 30, which is divided into two or more compartments as described above, can each receive fluidization gas from a separate external blower. That is, two or more external blowers (B-1, B-2, B-3) are connected to two or more compartments (30-1, 30-2, 30-3) of the lower gas chamber, respectively, Fluidizing gas can be supplied to the compartments at different flow rates.
  • one external blower is connected to the lower gas chamber 30 and two or more dampers are provided between the external blower and the lower gas chamber.
  • the damper is a member that stops or regulates the flow of gas flowing into the gas chamber, and uses two or more dampers to distribute and control the flow rate of the fluidized gas supplied from the external blower, so that it is divided into two or more compartments of the lower gas chamber. Fluidization gas can be supplied at a flow rate.
  • the total flow rate of the fluidization gas flowing into the dryer is equal to the amount corresponding to each compartment under the same conditions.
  • the distribution ratio of the fluidization gas can be controlled depending on the area of the upper drying chamber 20. Through this, it is possible to maximize drying performance over the entire path along which particles of various particle sizes move by varying the flow rate of contacting gas according to the moisture content of particles in each region inside the upper drying chamber 20.
  • the first section 30-1 of the lower gas chamber 30 may occupy 20 to 50%, specifically 25 to 35%, of the total area of the lower gas chamber. If the area of the first compartment (30-1) is less than 20%, it is difficult to properly control the gas distribution ratio intended in the present invention, and the time for which particles with high moisture content stay in the first compartment (30-1) If this is short, drying efficiency may be reduced during the residence of the particles. Meanwhile, if the area of the first compartment 30-1 exceeds 50%, more fluidization gas than necessary may be supplied, making it difficult to optimize distribution of the gas flow rate.
  • the second compartment (30-2) is further divided in the lower gas chamber (30) to include a third compartment (30-3)
  • the first compartment (30-1), the second compartment (30- 2) and the third section 30-3 are preferably divided into an area ratio of 25:45:30 to 35:35:30, considering drying characteristics depending on the moisture content of the particles.
  • the internal temperature of the upper drying chamber 20 is raised, and hydrous particles are supplied through the inlet 50 provided on one side of the upper drying chamber (S2).
  • the internal temperature of the upper drying chamber 20 can be increased by connecting an external hot water circulator (H) to the heat transfer plate 40 disposed inside the drying chamber to circulate hot water, for example, to 40 to 80°C. Hydrous particles can be supplied when the temperature of the heat transfer plate 40 is raised by the hot water circulation and the thermal energy conducted therefrom is balanced.
  • H hot water circulator
  • the hydrous particles can be used without limitation as long as they are powder particles of various materials that require drying, for example, fuel such as coal; polymers such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS), acrylobutadiene nitrile, polyvinyl chloride, polycarbonate, polymethyl methacrylate, etc.; Other particles may be raw materials for pharmaceuticals, cosmetics, food, etc.
  • fuel such as coal
  • polymers such as acrylonitrile butadiene styrene (ABS), acrylobutadiene nitrile, polyvinyl chloride, polycarbonate, polymethyl methacrylate, etc.
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • Other particles may be raw materials for pharmaceuticals, cosmetics, food, etc.
  • the water-containing particles may have a moisture content of 15 to 50% relative to the total weight, and particles of various particle sizes with a wide particle size distribution may be added.
  • fluidization gas is supplied at different flow rates to two or more compartments of the lower gas chamber 30 using two or more external blowers (B-1, B-2), Drying is performed by flowing the fluidized gas into the corresponding area of the upper drying chamber 20 through the gas distribution plate 10 (S3).
  • 'flow rate' used in this specification refers to the distance traveled by the fluidized gas per unit time (m/s), which is the value obtained by dividing the flow rate (m 3 /s), which is the amount of fluidized gas flowing in unit time, by the area (m 2 ). can be calculated.
  • the area adjacent to the inlet 50 of the upper drying chamber 20 may generate a large amount of water vapor due to the high moisture content of the initial particles, thereby increasing the relative humidity. Therefore, in order to maintain the relative humidity of the area adjacent to the inlet 50 of the upper drying chamber 20 at 95% or less, specifically 92% or less, and more specifically 90% or less, the upper Fluidization gas is supplied at a relatively high flow rate to a section corresponding to an area adjacent to the hydrous particle inlet 50 of the drying chamber 20.
  • the fluidization gas at the increased flow rate flows to the corresponding area of the upper drying chamber 20 to sufficiently transport and remove a large amount of water vapor generated due to the high water content of particles remaining near the inlet 50, thereby forming the inlet 50 and the inlet 50.
  • a decrease in relative humidity in adjacent areas and a subsequent decrease in drying performance can be suppressed.
  • the fluidization gas at the increased flow rate facilitates the movement of large particles with large particle diameters near the inlet 50 inside the upper drying chamber 20, preventing the large particles from accumulating to the bottom, and preventing the large particles from accumulating downward, and the upper drying chamber (20) 20)
  • excellent drying performance can be achieved for hydrous particles of various particle sizes.
  • the lower gas chamber 30 is divided into a first compartment 30-1 corresponding to an area adjacent to the hydrous particle inlet 50 and a remaining second compartment.
  • the flow rate of the fluidization gas supplied to the first compartment (30-1) is 1.2 to 1.6 times the flow rate of the fluidization gas supplied to the second compartment, specifically 1.3 to 1.5 times. It could be a boat. If the ratio of the flow rate to the first compartment (30-1) is less than 1.2 times, the effect of reducing the relative humidity in the area adjacent to the hydrous particle inlet (50) in the upper drying chamber (20) may be insufficient, resulting in reduced drying performance. there is. Meanwhile, when the ratio of the flow rate to the first compartment 30-1 exceeds 1.6 times, the scattering behavior of small particles may be strengthened due to the excessive flow rate of the fluidizing gas.
  • the flow rate of the fluidization gas supplied to the first compartment 30-1 may be in the range of 0.3 to 0.7 m/s, specifically 0.4 to 0.6 m/s. If the flow rate of the fluidization gas supplied to the first compartment is less than 0.3 m/s, the proportion of non-fluidized particles increases, and agglomeration of particles may occur in a high moisture content state or fouling may occur in the lower part of the first compartment. This can reduce dryer performance and increase maintenance costs. On the other hand, if the flow rate of the fluidization gas supplied to the first compartment exceeds 0.7 m/s, the scattering behavior of small particles is strengthened, and particles may adhere to the walls of the drying room or leave the drying room due to upward movement in a state of high moisture content. This may increase dryer maintenance costs or result in particle loss.
  • the flow rate of the first compartment satisfies a predetermined range
  • the flow rate of the fluidization gas supplied to the second compartment (30-2) is set based on that range to satisfy the flow rate ratio described above, so that fouling occurs inside the dryer.
  • Excellent drying performance can be achieved for hydrous particles of various particle sizes while minimizing the generation of rings and the scattering behavior of flowing particles, and the maintenance costs of the dryer can be reduced.
  • the lower gas chamber 30 has a first compartment 30-1 corresponding to the area adjacent to the hydrous particle inlet 50, and the remaining second compartment 30-2. And when it includes a third compartment (30-3), the flow rate of the fluidization gas supplied to each compartment can be adjusted to a ratio of, for example, 1.4:1.2:1 to 1.5:1.1:1, when the flow rate ratio is satisfied. Optimization of the fluidization gas distribution ratio considering the drying characteristics of particles can be implemented.
  • the fluidizing gas may be heated air, ie hot air, typically used in fluidized bed dryers.
  • the water particles are supplied with heat energy and moisture is removed. 80 to 90% of the heat energy is due to the internal temperature increase by the heat transfer plate 40, and the remainder flows from the lower gas chamber 30. It is caused by the hot air of the fluidized gas.
  • the particles flowing in the area adjacent to the inlet 50 of the upper drying chamber 20 have a high moisture content, so it is advantageous to receive a relatively large amount of heat energy compared to other areas.
  • the temperature of the fluidization gas supplied to the first compartment 30-1 of the lower gas chamber 30 in the previous step is 10 to 50 ° C higher than the temperature of the fluidization gas supplied to the second compartment 30-2, For example, adjust it to about 30°C.
  • the temperature of the fluidized gas flowing into the upper drying chamber 20 is lower than the temperature inside the drying chamber, some of the heat energy required for particle drying may be used to increase the temperature of the fluidized gas, thereby reducing drying efficiency. That is, since the fluidized gas passing through the upper drying chamber 20 is discharged in thermal equilibrium with the temperature conducted from the heat transfer plate 40 inside the drying chamber, the temperature of the fluidized gas is lower than the internal temperature of the drying chamber 20. Not desirable.
  • the moisture of the particles supplied with heat energy by the heat transfer plate 40 and the fluidization gas adjusted to different flow rates and temperatures for each region inside the upper drying chamber 20 is evaporated into water vapor, and the water vapor does not interfere with the drying of the particles. Therefore, it is removed through the gas/flying particle discharge pipe (70) by the fluidizing gas.
  • the gas/flying particle discharge pipe 70 is connected to an external collection device (e.g., cyclone, wet scrubber) to collect small particles separately from the gas component, and the collected small particles are supplied back to the fluidized bed dryer. Or it can be transferred to the rear end.
  • an external collection device e.g., cyclone, wet scrubber
  • the flow rate of the fluidized gas is relatively increased in the first compartment corresponding to the area adjacent to the inlet 50 of the upper drying chamber, thereby minimizing the scattering behavior of particles flowing inside the upper drying chamber 20 and varying the particle size.
  • Excellent drying performance can be achieved for hydrous particles.
  • the dry particles discharged from the upper drying chamber 20 may have a moisture content of 1% or less based on the total weight.
  • the dry particles discharged from the upper drying chamber 20 exhibit a particle size distribution with a span range of 0.5 to 4, specifically 1.0 to 3, and more specifically 1.5 to 2, as defined by Equation 1 below. You can.
  • D 10 , D 50 and D 90 are sizes corresponding to 10%, 50% and 90% of the cumulative volume, respectively, in the particle size distribution of dry particles.
  • the particle size distribution can be determined using the measurement results of a particle size analyzer, and the larger the span value defined by Equation 1, the wider the particle size distribution is.
  • the dry particles discharged from the upper drying chamber 20 may have D 10 in the range of 100 to 250 ⁇ m, D 50 in the range of 250 to 550 ⁇ m, and D 90 in the range of 1000 to 2000 ⁇ m.
  • Figure 6 shows a comparison of the fluidization state according to the span value of the dry particles. If the value of - ⁇ pb/(mg/At) is 1, it means that the particles have reached a fully fluidized state, and the fluidized bed is formed in the drying room.
  • the flow rate of the forming gas can be determined as the gas flow rate above the complete fluidization rate.
  • the drying process it is preferable to perform the drying process under gas flow conditions that form a partial fluidization region for the purpose of suppressing scattering of small particles while moving particles of various particle sizes with large span values inside the drying chamber 20, In the fluidization zone, large particles may remain at the bottom of the drying chamber and be discharged. At this time, if a partition is installed inside the drying room, a problem may occur where large particles cannot be discharged and pile up near the inlet. Therefore, in the present invention, the drying process is performed without dividing the drying room.
  • the present invention provides a fluidized bed dryer for performing the drying method of hydrous particles as described above,
  • a fluidized bed dryer includes a gas distribution plate having a plurality of holes, an upper drying chamber and a lower gas chamber divided by the gas distribution plate, a heat transfer plate provided inside the upper drying chamber, and one side of the upper drying chamber. It includes a hydrous particle inlet provided on the other side, a dry particle outlet provided on the other side, and a gas/flying particle discharge pipe provided at the top of the upper drying chamber, and the lower gas chamber includes two or more partitions into which the 2 is divided. Two or more external blowers may be connected to each of the two or more compartments to supply fluidization gas at different flow rates.
  • the lower gas chamber includes a first compartment corresponding to an area adjacent to the inlet of the upper drying chamber and a remaining second compartment, and the area of the first compartment may occupy 20 to 50% of the total area of the lower gas chamber.
  • the second compartment may be further divided to include a third compartment.
  • a gas distribution plate 10 having a plurality of holes, an upper drying chamber 20 and a lower gas chamber 30 divided by the gas distribution plate, are provided inside the upper drying chamber 20.
  • a heating plate 40 a water-containing particle inlet 50 provided on one side of the upper drying chamber, a dry particle outlet 60 provided on the other side, and a gas/flying particle discharge pipe 70 provided at the top of the upper drying chamber.
  • the lower gas chamber 30 was divided into two compartments, a first compartment 30-1 and a second compartment 30-2. The area of the first compartment was set to 30% of the total area of the lower gas chamber 30.
  • ABS Acrylonitrile butadiene styrene
  • 85°C hot air as a fluidization gas is supplied to the first compartment (30-1) of the lower gas chamber using an external blower (B-1) at a flow rate of 7.6 times the minimum fluidization speed (U mf ), and the external blower ( B-2) was used to dry particles by supplying 55°C hot air as a fluidization gas to the second compartment (30-2) of the lower gas chamber at a flow rate of 5.7 times the minimum fluidization speed (U mf ).
  • a gas distribution plate 10 having a plurality of holes, an upper drying chamber 20 and a lower gas chamber 30 divided by the gas distribution plate, are provided inside the upper drying chamber 20.
  • a heating plate 40 a water-containing particle inlet 50 provided on one side of the upper drying chamber, a dry particle outlet 60 provided on the other side, and a gas/flying particle discharge pipe 70 provided at the top of the upper drying chamber.
  • the lower gas chamber 30 was divided into three compartments: a first compartment (30-1), a second compartment (30-2), and a third compartment (30-3). The area ratio of the first, second, and third compartments was set to 25:45:30.
  • ABS Acrylonitrile butadiene styrene
  • 85°C hot air as a fluidization gas is supplied to the first compartment (30-1) of the lower gas chamber using an external blower (B-1) at a flow rate of 8 times the minimum fluidization speed (U mf ), and the external blower ( Using B-2), 70°C hot air as a fluidization gas is supplied to the second compartment (30-2) of the lower gas chamber at a flow rate of 6.8 times the minimum fluidization speed (U mf ), and an external blower (B-3) is used.
  • Particle drying was performed by supplying 55°C hot air as a fluidization gas to the third compartment (30-3) of the lower gas chamber at a flow rate of 5.7 times the minimum fluidization rate (U mf ).
  • a gas distribution plate 10 having a plurality of holes, an upper drying chamber 20 and a lower gas chamber 30 divided by the gas distribution plate, are provided inside the upper drying chamber 20.
  • a heating plate 40 a water-containing particle inlet 50 provided on one side of the upper drying chamber, a dry particle outlet 60 provided on the other side, and a gas/flying particle discharge pipe 70 provided at the top of the upper drying chamber.
  • ABS acrylonitrile butadiene styrene
  • U mf minimum fluidization speed
  • D 10 , D 50 and D 90 are sizes corresponding to 10%, 50% and 90% of the cumulative volume, respectively, in the particle size distribution of dry particles.
  • Example 1 Comparative Example 1 Whether or not the lower gas compartment is divided ⁇ (1st/2nd compartment) ⁇ (1st/2nd/3rd compartment) X
  • the flow rate of the fluidizing gas in contact with the hydrous particles in the area near the inlet of the drying chamber (reference: minimum fluidization velocity, U mf ) 7.6 times 8 times 6.3 times Span value of dry particles 2.6 3.0 2.4
  • Examples 1 and 2 relatively increase the flow rate of the fluidized gas in the first compartment 30-1 corresponding to the area adjacent to the inlet of the upper drying chamber 20 in the lower gas chamber 30. Accordingly, the drying speed of the first compartment 30-1 increased, and as a result, the amount of scattered particles was minimized, thereby increasing the productivity of the dryer. That is, it can be confirmed that Examples 1 and 2 can perform an efficient drying process for particles of various particle sizes compared to Comparative Example 1.

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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
관련출원과의 상호인용
본 출원은 2022년 10월 13일자 한국특허출원 제 10-2022-0131796호 및 2023년 9월 8일자 한국특허출원 제10-2023-0119543호에 기초한 우선권의 이익을 주장하며, 해당 한국특허출원의 문헌에 개시된 모든 내용은 본 명세서의 일부로서 포함된다.
기술분야
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.
<부호의 설명>
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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