단위공정관리(10) - 기계적 분리

1. 결정화

1. 결정화(Crystallization)

고체와 액체의 분리조작으로 불순한 용액으로부터 순수한 고체 결정을 얻기 위한 방법

 ex) 사탕수수로부터 설탕을 생산

 

2. 결정구조

삼사정계, 단사정계, 사방정계, 정방정계, 삼방정계, 육방정계, 등축정계

 

3. 결정의 습성(Cristal Habit)

결정은 고유한 결정계를 가지나 외형은 조건에 따라 변한다. 

 

4. 결정화 이론

1) 용해도 : 결정의 석출은 용해도 곡선으로부터 알 수 있다. 

  (1) 용매화물을 만들지 않는 것

 - 온도의 증가에 의해 용해도가 증가하는 물질 : KNO3, NaNO3

 - 온도에 영향이 없는 물질 : NaCl

 - 온도의 증가에 의해 용해도가 감소하는 물질 : CaSO4

 

  (2) 용매화물을 만드는 것 : MgSO4, Na2S2O3(온도의 증가에 따라 결정수가 달라진다.)

 

2)  수율

 수율 = (석출한 염의 양)/(처음 염의 양) x 100

 

3) 물질 및 에너지 수지

  (1) 물질 수지

  (2) 에너지 수지

 

4) 결정의 생성 및 성장

  (1) 결정의 생성이론 - Miers의 과포화 이론

     - C에서 화살표 방향으로 냉각하면 포화곡선 A1과 만난다. -> 결정화 시작

     - 실제로는 과포화곡선상 D점에서 비로소 결정화되고 용액의 농도는 더 이상의 냉각이 없을 때는 E1으로 떨어지며 냉각이 계속되면 DE에 따라 떨어진다. 

 

5) △L의 법칙 : 맥케이브 이론에 따르면 동일한 용액에 존재하는 물질의 결정은 유사한 형상을 이루며, 모든 결정은 처음 결정의 크기에 관계없이 기하학적으로 대앙한 부분의 길이는 선 성장속도에 비례한다. 

 

△L = L △t

 

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2. 분쇄

1. 분쇄(Crushing)

 고체를 기계적으로 잘게 부수는 조작

 

2. 분쇄이론

<Lewis 식>

1) Rittinger의 법칙 (n = 2 일 때)

2) Kick의 법칙 (n = 1일 때)

3) Bond의 법칙 (n = 3/2일 때) : 분쇄 에너지는 생성입자 입경의 평방근에 반비례한다. 

 

3. 분쇄기계의 종류

1) 분쇄 재료의 크기에 의한 분류

 (1) 조분쇄기

 

 (2) 중간분쇄기

 

 (3) 미분쇄기(Fine Grinder)

* 볼 밀(Ball Mill)

  - 길이 = 지름 : 볼밀, Ball의 양 = 전체 부피의 1/2 ~ 1/5

  - 길이 > 지름 : 튜브밀

  - steel 볼이 회전하는 최대회전수 N(rpm) = 42.3/√D (D : Mill의 지름)

  - 최적회전수 = (0.75)(42.3)/√D = 32/√D

 

 (4) 초미분쇄기: 가장 작은 크기로 입자를 분쇄 

           ex) 제트밀, 유체 에너지밀, 콜로이드밀, 마이크로 분쇄기

 

* Mesh : 체누느이 크기를 나타내는 단위로 타일러 표준체에서는 1 inch 안에 들어있는 눈금의 수이다.

 ex) 200mesh의 체는 1in^2 내에 몇 개의 구멍이 있는가?

 200 * 200 = 40000

 

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3. 혼합

1. 교반(Agitation) 

 주로 액체를 대상으로 하는 조작으로 액체와 액체, 액체와 기체, 액체와 약간의 고체를 다른다. 

 

1) 교반의 목적

• 성분의 균일화
• 물질전달속도의 증대
• 열전달속도의 증대
• 물리적 변화 촉진
• 화학적 변화 촉진
• 분산액 제조

2) 교반장치

 (1) 노형 교반기(Paddle Type Agitator)

   - 점도가 비교적 낮은 액체의 교반에 이용한다.

   - 젖은 노를 약간 경사지게 해서 액체가 아래, 위로 운동을 하게 하거나, 두 개의 노가 서로 반대 방향으로 돌게해서 교반

 

 (2) 공기 교반기(Air Agitator)

   - 액체 속에 공기를 불어넣어서 공기의 유동으로 액을 교반시키낟. 

   - 설비가 간단하면서도 능률이 좋다. 

 

 (3) 프로펠러형 교반기

   - 점도가 낮은 액체의 다량 처리에 적합하다. 

 

 (4) 터빈 교반기

   - 급격한 교반을 해야 할 경우에 적합하다. 

 

 (5) 나선형 교반기와 리본형 교반기

   - 점도가 큰 액체에 사용

   - 교반과 함께 운반도 한다. 

 

 (6) 제트형 교반기

   - 한쪽 또는 양쪽에서 액을 분출구로부터 뿜어내어 교반시키는 것으로서 노즐 부에서 분출된 것을 노즐교반기라 한다. 

 

3) 교반 소요동력

 (1) 유체가 완전히 발달된 난류가 일어날 때 임펠러의 소요동력(혼합의 성능)

 (2) 직경이 다른 두 날개의 직경과 속도의 관계

 

2. 반죽(Kneading)

1) 반죽 : 대량의 고체에 소량의 액체를 혼합

   ex) 안료, 밀가루, 비누, 아스팔트 혼합

 

2) 반죽기

• 수평식 반죽기
• 수직식 반죽기
• 퍼그밀(Pug Mill) : 요업공장에서 진흙을 대량으로 처리할 때 사용
• 스크루 압축기 : 비닐, 폴리에틸렌, 고무 등의 재료를 용융 반족하여 압출성형 하는 데 사용

 

3. 혼합(Mixing)

두 종류 이상의 물리적 성질이 다른 고체 입자를 섞어서 균일한 혼합물을 얻는 조작을 혼합이라 한다. 

 

1) 혼합기

• 수평원통식 혼합기
• 원뿔형 혼합기
• V형 혼합기
• 용기가 고정된 혼합기

2) 혼합도

  (1) 혼합기 내의 여러 곳에서 취한 시료 중에 A 성분이 균일하게 분포되었는지를 분산의 제곱 형태로 표시

  (2) 혼합이 이상에 가까워질수록 표준편차의 값은 작아진다. 

  (3) 균일도지수(I) : 혼합도를 나타내는 방법

 

3) 혼합에 영향을 주는 물리적 조건

• 밀도 : 밀도차가 작은 것이 좋으나 밀도차가 클 때는 밀도가 큰 것이 아래로 내려가므로 상하가 고르게 교환되도록 회전한다. 
• 입도 : 입도는 작은 것이 혼합하기 좋다. 
• 형상 : 섬유상의 것은 혼합하기 어렵다. 
• 수분, 습윤성 : 액체와 고체의 혼합, 반족에서는 습윤성이 큰 것이 혼합하기 쉽고, 분체에서는 일반적으로 수분이 많은 것이 좋다. 
• 혼합비 : 건조분말과 습한 것의 혼합은 한쪽을 분할하여 가한다. 

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4. 여과

1. 여과(Filteration)

 액체와 고체 입자의 혼합물인 슬러리(Slurry)를 다공질 여재(Filter Medium)에 의해 액체만 통과시키고 고체 입자는 통과시키지 않아 분리하는 조작

 

2. 여과장치

1) 여재 및 여과조제

 (1) 여재(Filter Medium, 여과재)

   - 섬유상 물질 : 각종 섬유, 면, 펠트, 부직포, 양모

   - 입상 물질 : 점토, 규조토, 모래, 자갈

   - 다공성 물질 : 다공성 도자기

 

 (2) 여과조제(Filter Aid)

   - 입자가 미세하여 여과가 곤란한 경우 또는 여과가 곤란한 압축성 물질의 경우 여과조제를 넣어 여과 효과를 높인다. 

   - 여재가 막히는 것을 막기 위해 여과 전에 얇은 박막으로 코팅하는 물질이다. 

   - 규조토, 펄라이트, 활성탄소, 산성 백토, 셀룰로스, 석면, 석고, 제올라이트 등 다공성 물질로 표면적이 크고 견고한 구조 때문에 매우 효과적이다. 

 

2) 여과장치

 (1) 입상 또는 유사물질의 퇴적층을 여재로 하는 여과장치 : 모래여과기

 

 (2) 여포를 이용한 여과장치

   - 압여기 : 구조가 간단하고 취급이 용이하여 널리 사용된다. 여실압여기, 여판 여졸 압여기

   - 엽상여과기 : 압여기보다 여괴의 세정, 배출 등 여러 공정이 용이하고 신속하다. 

     Moore: 진공흡입형

     Kelly : 횡형의 원형 가압 탱크식

     Sweetland : 가압원판형

   - 연속회전 여과기 : 여과, 세척, 건조를 동시에 수행하며, 대량처리에 적합하다. ex) Oliver, Feinc, American  여과기

 

3. 여과이론

1) 여과의 기본식

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5. 침강

1. 분리조작의 목적

 - 유체 중의 입자를 제거한다. 

 - 입자를 크기별로 나눈다. 

 

2. 최종침강속도

 처음에는 가속되어 임계속도에 도달하게 되며, 임계속도에 도달하면 계속 그 속도를 유지하게 되는데, 이때의 속도를 최종침강속도라고 한다. 

 

3. 침강이론

1) 자유침강 : 고체입자 사이에 충돌이나 간섭을 무시할 수 있는 침강

2) 간섭침강

 - 입자 사이에 간섭이 일어나면서 침강

 - 간섭침강의 저항계수는 자유침강의 저항계수보다 더 크다. 

* 기공도 = 1 - (겉보기밀도/진밀도)

 

3) 저항계수(항력계수, Drag Coefficient, Cd)

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6. 체분리

1. 체분리

 고체를 분쇄하여 얻은 분체를 입자의 크기별로 분리하는 방법을 체분리라 한다. 체를 통과하는 물질을 통과물, 체에 걸리는 물질을 잔류물이라고 한다. 

 

2. 표준체

1) Mesh 

 1 in^2 의 넓이를 기준으로 한 정사각형 안의 체눈의 수를 mesh라 한다. 

 

2) 표준규격

 200 mesh를 기준으로 한 √2 계열체의 Tyler 표준체로, 연속체 구멍의 면적비가 2배이고, 체의 눈금비가 √2이다. 

 

3. 체분 분석

 체분석 후 입도의 표시 : 100mesh 체 통과, 140 mesh 체에 걸린 경우, -100/ +140으로 표시한다. 

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7. 흡착

1. 흡착

1) 흡착(Adsorption)

촉매반응이 일어나기 위해서는 반응물이 표면에 부착되어야 한다. 이렇게 표면에 부착되는 것을 흡착이라 한다. 

 - 물리흡착 : 응축과 유사하며, 어느 정도 거리까지 작용하는 물리적인 힘이다. 기체분자와 고체 표면 사이의 인력들은 약하다.(Van der Waals 힘)

 - 화학흡착 : 화학반응 속도에 영향을 미치는 흡착으로, 근거리에서 작용한다. 

 

2) 물리흡착과 화학흡착의 비교

구분	물리흡착	화학흡착
흡착제	고체	대부분 고체
흡착질	임계온도 이하의 기체	화학적으로 활성인 기체
온도범위	낮은 온도	높은 온도
흡착열	낮음	높음
흡착속도(활성화에너지)	매우빠름 (Ea 값이 낮음)	활성흡착이면 Ea 값이 높음
흡착층	다분자층	단분자층
온도의존성	온도 증가에 따라 감소	다양
가역성	가역성이 높음	가역성이 낮음
결하벽	반데르발스 결합, 정전기적 힘	화학결합, 화학반응

 

2. 흡착등온식 & 3. 흡착등온선의 분류

네이버 지식백과. 흡착등온선의 분류

1) Langmuir(랭뮤어) 등온식

• 압력이 증가함에 따라 흡착량이 어떤 한계값까지 급격하게 증가한다. 
• 흡착이 단분자층에 한정되어 있을 때 얻어진다. 
• 등온선은 매우 가느다란(모세관형) 세공구조를 갖는 고체에 대한 물리흡착에서 볼 수 있다. 
• 활성탄에 대한 암모니아의 흡착에서 일어난다. 

2) Freundlich의 식(프로인들리히 식) : 액체 흡착에 주로 사용

3) BET 식(Brunauer - Emmett - Teller Equation) : Langmuir 등온선을 다분자층 흡착으로 확대 적용한 것

4) Henry의 흡착등온식 : 선형 등온식은 묽은 용액에 사용된다 .