실험 개요
건조는 다공성 고체에서 수분을 증발시키는 단위조작으로, 의약·식품·세라믹 공정의 핵심이다. 학부 실험에서는 모래·실리카겔 같은 시료를 일정 온도·습도 조건에서 건조하면서 일정 시간마다 무게를 측정해 함수율 X(t)와 건조속도 dX/dt를 추적한다.
이론 배경
함수율의 정의
건량 기준 함수율 X = (W − Wd)/Wd, 자유 함수율 X − X*, 평형 함수율 X*는 주변 공기 RH의 함수.
건조속도 곡선
초기 가열기 → 항률기(constant-rate)에서 표면이 항상 젖어 있어 건조속도 일정 → 임계 함수율 Xc 이후 감률기(falling-rate)에서 내부 확산이 율속.
물질·열전달
항률기에서는 N = h(T_∞ − Tw)/λ ≈ ky(Yw − Y_∞)로 외부 열·물질전달이 율속. 감률기에서는 다공체 내부 확산이 지배.
실험 장치 및 시약
- — 건조 챔버(온도·풍속 제어)
- — 디지털 저울(±0.01 g)
- — 온습도계, 시료 트레이
실험 절차
- 1.시료를 충분히 적셔 표면 수분을 제거한 뒤 초기 무게 W₀를 측정한다.
- 2.건조 챔버(예: 60°C, 풍속 1 m/s)에 두고 5분마다 무게를 기록한다.
- 3.무게 변화가 1시간 동안 0.01 g 미만이면 건조 종료.
- 4.오븐에서 105°C로 24시간 건조해 절건무게 Wd를 결정한다.
데이터 처리
X(t)를 계산하고 dX/dt를 수치미분해 건조속도 곡선을 그린다. 직선 구간(항률)과 곡선 구간(감률)의 경계에서 임계 함수율 Xc를 읽는다.
예비보고서 항목별 작성 팁
실험 조건
온도·풍속·습도를 표로 정리하고, 건조 면적도 함께 기록한다.
예상 결과
항률 건조 속도와 외부 열전달 계수의 관계를 미리 추정한다.
자주 하는 실수
- — 건량 기준과 습량 기준 함수율을 혼용하는 것
- — 절건무게 Wd를 가정값으로 쓰고 실측하지 않는 것
- — 초기 표면수가 떨어지기 전 측정을 시작해 가짜 항률기로 오인하는 것
자주 묻는 질문
Q. 왜 항률 건조 시 시료 표면 온도가 일정한가요?
표면이 자유수로 덮여 있어 wet-bulb 온도에 가깝게 평형을 이룹니다. 외부에서 들어온 열이 모두 증발잠열로 소비되기 때문에 추가 가열 없이 일정 온도가 유지됩니다.
Q. 임계 함수율은 무엇으로 결정되나요?
다공체 표면이 더 이상 자유수로 덮이지 않는 시점입니다. 시료의 공극 구조, 입자 크기, 건조 속도에 의존하며, 같은 재료라도 건조 조건에 따라 달라집니다.
참고 표준·문헌
본 가이드는 다음 표준·교과서·핸드북의 정의·식·표준 절차를 따라 작성되었습니다. 학교 양식과 표준 절차가 다를 경우 학교 양식을 우선합니다.
- [1]Geankoplis, C.J. — Transport Processes and Separation Process Principles, 4th ed., Pearson, 2003
- [2]McCabe, W.L., Smith, J.C., Harriott, P. — Unit Operations of Chemical Engineering, 7th ed., McGraw-Hill, 2005
- [3]Perry's Chemical Engineers' Handbook, 9th ed., McGraw-Hill, 2018