관류

관류와 보일러류는 연속 분말 혼합의 두 가지 기본 개념이다. 두 유동 형태는 공정 기술적 거동 면에서 뚜렷한 차이를 보인다. 어느 솔루션이 더 나은지는 항상 구체적인 적용 사례에 따라 달라진다.

관류의 경우, 벌크 재료는 기본적으로 관 형태의 혼합실을 통해 연속적으로 이송된다. 혼합은 축방향 유동 중에 이루어집니다. 이상적으로는 유동이 플러그 유동에 가까워집니다. 축방향 역혼합은 미미합니다. 입자들은 비슷한 체류 시간을 가지고 혼합기를 통과합니다.

핵심적인 지표는 평균 체류 시간입니다. 이는 시스템 내 입자의 평균 체류 기간을 나타냅니다.

t_m = V/V˙

• t는 평균 체류 시간
• V는 유효 혼합 부피
• V˙는 체적 유량

관형 유동에서는 체류 시간의 평균값뿐만 아니라 무엇보다 그 분포가 중요합니다. 체류 시간 분포는 비교적 좁습니다. 이는 균일한 제품 품질을 촉진합니다. 온도나 습도 프로파일을 잘 제어할 수 있습니다. 따라서 관류 방식은 특히 민감한 배합과 엄격한 사양을 가진 제품에 적합합니다.

관류 방식의 대조적인 방식은 연속적으로 유체가 흐르는 솥 혼합입니다. 여기서는 분말이 유입과 유출이 동시에 이루어지는 혼합 용기에 들어 있습니다. 솥은 완전히 혼합된 시스템으로 간주됩니다. 어느 시점에서든 솥 전체의 조성은 균일합니다.

솥 혼합의 경우에도 평균 체류 시간은 부피와 처리량의 비율로 계산됩니다. 결정적인 차이는 체류 시간 분포에 있습니다. 이상적으로 혼합된 솥의 경우 지수 분포가 나타납니다.

E(t) = 1/t_m ⋅ exp (−t/t_m)

• E(t)는 체류 시간 밀도 함수이다
• t는 입자의 개별 체류 시간이다
• t_m은 평균 체류 시간이다

이 분포는 고정된 최소 체류 시간이 없음을 의미한다. 일부 입자는 매우 일찍 반응기를 떠난다. 다른 입자들은 시스템 내에 훨씬 더 오래 머문다. 체류 시간의 분산이 크다. 체류 시간의 분산은 다음과 같이 구해진다.

(σ_t)² = (t_m)²

(σ_t)²는 체류 시간의 분산이다. 이러한 강력한 재혼합은 공정 기술적 결과를 초래한다. 보일러 내 혼합은 완충 작용을 한다. 유입 유량의 변동이 상쇄된다. 공정 제어는 견고하다. 이는 까다로운 물질 특성이나 불안정한 경계 조건에서 유리하다.

재혼합을 정량적으로 설명하기 위해 흔히 페클레 수(Peclet number)가 사용된다. 이를 통해 관 흐름과 용기 흐름 간의 구분이 가능하다.

Pe = u⋅L/D_ax

• Pe는 페클레 수이다
• u는 평균 축 방향 유속이다
• L은 혼합 공간의 특성 길이이다
• D_ax는 축 방향 분산 계수이다

페클레 수치가 높으면 역혼합이 적은 관류와 유사한 흐름을 나타냅니다. 페클레 수치가 낮으면 강한 역혼합과 솥과 유사한 거동을 나타냅니다.

따라서 관류와 연속식 솥 혼합은 우열을 가릴 수 있는 경쟁적인 공정이 아닙니다. 이들은 서로 다른 공정 공학적 도구입니다. 관류는 좁은 체류 시간 분포와 높은 공정 동역학을 제공합니다. 솥 혼합은 안정성과 완충 효과를 제공합니다. 적절한 유동 형태의 선택은 혼합 품질, 제품 일관성, 제어성 및 경제성에 결정적인 영향을 미칩니다. 이는 연속 분말 혼합 공정을 설계할 때 핵심적인 단계입니다.