개념 한 쪽
분쇄는 고체 원료의 입자 크기를 줄이는 조작으로, 분리와 구별되는 과정이다. 분쇄 방식과 장비 선택은 원료의 물성(입도, 습윤성, 섬유성 등)과 공정 목적에 따라 달라진다. 분쇄 설계에서는 장비의 기계적 조건과 마찰·안각 같은 현상을 고려하여 적절한 치수와 형식을 정해야 한다.
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출제기준 단원 「분쇄기의 종류」의 공개 문제 3개를 묻는 꼴별로 나누면 이렇습니다.
| 묻는 꼴 | 문제 수 | 무엇을 묻나 |
|---|---|---|
| 물리적 조건 판별 | 1 | 혼합·분쇄 공정에 영향을 주는 물리적 인자를 가려내기 |
| 교반기와 점도 매칭 | 1 | 점도 조건에 적합한 교반기 형태를 고르기 |
| 농축·석출 수지 계산 | 1 | 증발 후 농축액과 초기 성분으로 석출량을 계산하기 |
분쇄는 원료를 작은 입자로 만드는 '입자 크기 감소' 작업으로 정의되며, 분리조작과는 구분된다. 분리조작은 성분을 떼어내는 목적이므로 여과나 침강, 집진과 같은 공정이 해당하고, 분쇄는 단순히 입자의 크기를 감소시키는 공정이다.
원료의 물리적 특성은 분쇄 및 후속 공정에 큰 영향을 미친다. 섬유상 물질은 얽힘 현상으로 인해 분쇄나 균일한 분산이 어렵고, 습윤성이 낮은 고체는 액체와의 혼합이나 분산이 힘들다. 따라서 분쇄 장비 선택 시에는 원료의 습윤성, 형상, 초기 크기 등을 고려해야 한다.
롤 분쇄기와 같은 장비는 원료와 롤 사이의 마찰과 안각(nip angle)을 고려하여 설계한다. 마찰계수가 작아지면 원료를 잡아당기는 힘이 부족하므로 롤 직경을 크게 하는 설계적 보정이 필요하다. 안각과 마찰계수 사이의 관계는 설계식에 반영되어 롤의 최소 직경을 결정한다.
분쇄 공정은 보통 물질수지와 연계되어 설계한다. 증발이나 농축 등으로 용매가 줄어들고 결정이 석출되는 경우처럼, 공정 전후의 질량과 성분분포를 계산하여 분쇄 및 결정 회수량을 예측해야 한다. 불변 성분을 기준으로 전체 계의 질량을 역산하는 방법이 실무 문제 해결에 유용하다.
예1 — 불변 성분으로 농축액 총량 구하기: 염화나트륨 10중량%, 염화칼륨 3중량%, 물 87중량%를 함유한 수용액 18400kg을 증발하여 농축액 중 KCl 비율이 21.6%일 때, KCl 질량(18400×0.03=552kg)을 이용해 농축액 총량을 552÷0.216≈2555.5kg을 구하고, 농축액 내 NaCl 질량(2555.5×0.168≈429.3kg)을 계산한 후 초기 NaCl과의 차이로 석출량을 구한다. 이 절차는 분쇄 이후의 고체 회수나 농축-석출 문제에서 수지 계산에 활용할 수 있다.
예2 — 롤 분쇄기 설계 감안사항: 원료 상당직경이 주어지고 마찰계수 μ가 작을 때는 안각 조건으로부터 롤 직경을 결정하며, 마찰계수 감소는 요구되는 롤 직경 증가로 이어진다. 설계식과 안전계수를 적용하여 필요한 롤 직경을 산출한다.
혼합에 영향을 주는 물리적 조건에 대한 설명으로 옳지 않은 것은?
정답 ④ · 문제는 혼합에 영향을 주는 물리적 조건들 중 옳지 않은 진술을 골라내는 것이다. 습윤성이 적으면 고체 표면이 액체에 잘 젖지 못해 분산과 혼합이 어려워지므로 습윤성이 적은 것이 혼합하기 쉽다는 주장은 잘못된 진술이다.
습윤성이 적은 것은 분산이 어려워 혼합이 힘들며, 습윤성이 좋아야 고체 표면이 액체에 잘 젖어 혼합이 쉽다.
교반기 중 점도가 높은 액체의 경우에는 적합하지 않으나 저점도 액체의 다량 처리에 많이 사용되는 교반기는?
정답 ① · 문항은 점도가 높은 액체에는 부적합하나 저점도 액체의 대량 처리에 적합한 교반기를 묻고 있다. 프로펠러형 교반기는 저점도 유체에서 큰 유량을 만들어 대량 혼합에 유리하나 고점도 유체에는 효율이 떨어지므로 이 조건에 부합한다.
프로펠러형 교반기는 저점도 액체의 대량 혼합에 적합하며 고점도에는 부적합하다.
NaCl 10%, KCl 3%, H2O 87% 의 수용액 18400kg 을 증발기(evaporator)에서 농축하여 NaCl 결정만이 석출되고 NaCl 16.8%, KCl 21.6%, H2O 61.6%의 농축액을 얻었다면 석출된 NaCl의 양은 얼마인가?
정답 ③ · 물질 수지를 이용하여 석출된 NaCl 결정의 양을 구합니다. 초기 수용액 속 NaCl의 양은 18400kg × 0.10 = 1840kg 입니다.
불변 성분(KCl)의 수지로 농축액 총량을 구한 후 NaCl 수지로 석출량을 계산한다.
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