고체의 건조

건조란 고체 물질에 함유되어 있는 수분을 가열에 의해 기화시켜 제거하는 조작이다. 건조 조작은 건조시키려는 고체 물질과 수분 함유량이 적고 온도가 높은 공기를 접촉시킴으로써 이루어지는 데, 건조 속도는 고체 표면에서 지냉되는 물의 증발 속도와 고체 내부에서 일어나는 물의 확산 속도에 의해 결정된다.

고체 표면으로부터 공기로 이동하는 물의 증발 속도는 공기의 온도와 습도 및 유동 상태에 의해서 결정되며, 고체 내부로부터 표면으로 이동하는 물의 확산 속도는 고체의 종류, 크기, 모양 성분 등의 여러 가지 조건에 따라 다르다.

가열 방법은 열풍(뜨거운 바람)이나 열기체를 사용하는 방법 이외에 적외선 복사 에너지, 고주파 전기 에너지 등을 이용하는 방법도 있으나 가장 많이 사용하는 것은 열풍이다.

(1) 재료의 평형 함수율 및 자유 함수율

건조시키려는 고체 물질과 공기를 오랫동안 접촉시키면 고체 물질과 공기는 평형에 도달하여 고체의 함수율이 일정해진다. 이 때 고체 재료가 함유한 수분을 평형 합수율이라 하며, 접촉한 공기의 온도와 습도에 따라 고체 재료는 각각 일정한 평형 함수율을 가진다.

평형 함수율은 건조시킬 수 있는 최저 수분 함유량을 나타내며, 건조 물질에 대한 수분의 질량비로 나타낸다. 함수율을 나타낼 때는 습한 재료의 증량을 기준으로 한 수분(%)과 건조 재료의 중량을 기준으로 나타낸 함수율이 있다.

습한 재료의 중량을   , 건조 재료의 중량을  라고 하면 다음 식으로 나타낼 수 있다.

 

고체 물질을 일정한 건조 조건으로 두고 시간이 지남에 따라 고체의 무게를 달아 보면, 처음에는 빠르게 무게가 줄지만 점점 줄어드는 속도가 느려지며, 나중에는 전혀 줄지 않게 된다. 그러나 이때 고체 속의 수분이 완전히 없어지는 것은 아니며, 공기가 가지고 있는  수분과 평형 관계를 가지는 수분이 남아 있는 것이다.

건조 조건을 바꾸지 않는 한 이 수분을 제거할 수는 없다. 만양 공기의 습도가 0이면 고체 물질의 평형 함수율도 0이 되지만, 공기의 습도가 커지면 평형 함수율도 따라서 커진다.

일정한 건조 조건에서 건조시켰을 때 제거할 수 있는 수분의 양은 고체 물질이 가진 전체 함수율에서 평형 함수율을 뺀 값이며, 이것을 자유 수분 또는 자유 함수율(free moisture content)이라 한다.

그림 1은 25℃에서 몇 가지 고체 물질의 평형 함수율과 상대 습도의 관계를 나타낸 것이다. 그림에서 상대 습도 100%와 만나는 점의 평형 함수율을 결합 수분(bond water)이라 하며, 그 이상 함유된 수분을 비결합 수분(unbond water)이라 한다.

 

                                                                         그림 1 고체의 평형 함수율

    

          : 자유 함수율(kg H2O/kg 건조 물질)

         : 평형 함수율(kg H2O/kg 건조 물질)

          : 전체 함수율(kg H2O/kg 건조 물질)