[화학공학실험]건조(Dry) 1부

실험 목적

본 실험에서 성형된 점토시료를 일정건조 조건하에서 건조하여 시간에 따른 감량곡선을 작성하고, 이로부터 건조속도 곡선을 구하여 정속건조 기간과 감속건조 기간을 확인한다.

 

실험 이론 및 원리

1. 실험 배경

고체 중에 함유되어 있는 액체(주로 물)를 제거하여 고형제품을 얻는 조작을 건조라 한다. 어떤 고체 시료를 일정조건(온도, 습도, 유속)의 공기로서 건조시킬 때 건조가 가능한 한계점에서의 함수율을 평형함수율(equilibrium moisture content)이라 하고, 평형함수율 이상으로 함유된 함수율(전체함수율과 평형함수율의 차이)을 자유함수율(free moisture content)이라 한다. 여기서 함수율이라 함은 일반적으로 건량기준으로 나타내며 완전건조고체 단위 질량당 함유된 수분의 질량으로 정의된다.

일정건조 조건하에서 고체 시료를 건조하여 시간에 따른 전체함수율의 변화를 그림으로 나타내면 그림 1의 a)와 같은 곡선이 얻어진다. 그림 1의 a)에서 AB 구간을 예비기간(preliminary period), BC의 직선적인 구간을 정속건조기간(constant-rate period), CDE 구간을 감속건조기간(falling-rate period)이라 부른다.

그림 1. 건조특성곡선

그림 1.의 a)에서 곡선의 기울기로부터 건조속도를 구하여 자유함수율과의 관계를 나타내면 그림 1.의 b)를 얻을 수 있다. 이 곡선을 건조속도곡선 또는 건조특성곡선이라 부른다. 건조속도는 고체 시료의 단위면적당 증발속도로 정의하며 다음과 같이 나타낸다.

식(1)

여기서 ms는 완전건조 고체의 질량, A는 고체 시료의 건조면적(㎠), X는 건량기준의 함수율(g/g-solid)이다. 따라서 건조속도 R의 단위는 g/㎠sec이다. -msdX는 증발된 수분의 양이며 건조로 인한 고체 시료의 무게변화 -dW와 같다.

dW = msdX ... 식(2)

식(2)를 식(1)에 대입하고 이를 차분 식으로 나타내면

식(3)

과 같다. 건조속도는 식(3)에 의하여 건조시간에 대한 고체시료의 무게 변화로부터 계산된다. 또한 정속건조기간에 있어서 건조속도와 열전달계수와는 다음 관계식이 성립한다.

식(4)

여기서 T와 Ti는 각각 공기의 건구온도와 습구온도를 나타내며 λi는 Ti에서 물의 증발잠열이다.

실험 기구 및 장치

1. 실험 재료

실험장치는 그림2와 같다. 건조기 내를 일정온도로 유지할 수 있도록 온도조절기가 부착된 열풍식 건조기에 천칭과 건습구 온도계를 설치한다. 천칭은 고체 시료를 건조기 내의 천칭접시에 올려놓고 시간에 따른 시료의 무게 변화를 건조기 외부에서 측정할 수 있도록 설치한다. 시료성형기와 초시계를 준비한다.

그림 2. 건조 실험 장치

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