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부채꼴 용기 속 입자흐름의 혼합과 분리 거동 연구와 확인

전문가 제언: ○ 식품, 농산물, 화장품, 시멘트, 약품, 플라스틱과 같은 산업에서 입자나 분체의 혼합은 가공의 기초 공정이 되고 있다. 텀블링 믹서, 드럼 믹서와 같은 회전 원통형 수평 블렌더가 이 목적에 사용되고 있다.

○ 수평축을 중심으로 회전하는 원통형 수평 블렌더는 그러나 입자들 혼합 시 분리가 발생하여 기술적 관심의 대상이 되어왔다. 특히 입자들의 블렌드 균일성이 중요시 되는 제약회사에서는 FDA까지 나서는 엄격한 품질관리가 실시되고 있다. 따라서 교반기가 장착되거나 V-블렌더 등 여러 형상의 블렌더가 등장하고 있다. 또한 품질관리용 견본 채취에서도 흐름상태 그대로의, 전체 흐름을 대표하도록 황금률이 규정되었다.

○ 회전 원통형 수평 블렌더 작업 시 나타나는 입자(미립자, 분체 모두 포함)들의 분리에는 코어 부분이 혼합이 안 되는 반경방향의 분리(radial segregation)와 축방향 분리(axial segregation)가 있다. 후자는 입자 크기가 다른 경우 축의 회전수 변화에 따라 분리와 혼합이 가역적으로 축방향으로 띠 모양으로 나타나는 현상이다.

○ 입자들의 종류, 형상, 크기, 밀도 차이 등으로 인해 혼합기 내 입자흐름은 예측이 어려워 아직도 경험에 의존하는 경우가 많다. 입자 흐름의 과학화를 위해 최근 이산요소법(DEM)이 등장하였고, 본문에서도 이용되었다. 이는 수백만의 실제 입자 흐름에 비해 수천 개의 입자흐름에 의한 수치모사로 입자들의 분리나 혼합 등의 예측에 활용되고 있다.

○ 본문은 사인 모양 진동에 의해 혼합되는 실험실 설비인 투명 플렉시 글라스 내 60o 각도의 부채꼴 용기 속 입자들에 대해 진폭 최대 75o, 흔들림 주파수 최대 4.5Hz, 입자크기 최대 500㎛의 한 성분 시스템과 두 성분 시스템에 대한 혼합 연구에 관한 것이다. 부채꼴 정점에 연결된 피니언에 의한 부채꼴 밑받침의 진동 사이클 수로 혼합의 빠른 정도를 측정하였다. 완전혼합은 임계진동 주파수 이상에서만 이루어짐을 밝혔다. 입자들의 초기 배치가 중요하여 반반씩 좌우 동일 배치가 층상 배치보다 혼합 시간이 빠름을 보여주고 있다.

저자: Ajit Mujumdar, Masayuki Horio, Rahul Swarnk
자료유형: 학술정보