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표제지 2

목차 6

국문요약 12

Ⅰ. 서론 14

제1절 연구 배경 및 목적 14

Ⅱ. 이론 및 기초실험 16

제1절 DEM 해석 개요 16

제2절 SAP 입자의 특성과 마찰계수 실험 21

Ⅲ. 실험 장치 및 방법 27

제1절 실험 장치 구성 27

1. 혼합 메커니즘 개요 및 장치 비교 27

2. 리본 블레이드 혼합기: 전단 기반 유동 특성 28

3. 페들 블레이드 혼합기: 충돌 분산 기반 유동 특성 30

제2절 혼합도 평가 지표 33

Ⅳ. 혼합 실험 36

제1절 전단 기반 유동 분석 36

1. 실험 및 DEM 결과 비교 36

2. 입자 특성 및 혼합도 확인 41

제2절 충돌 분산 유동 분석 47

1. 실험 요인 설정 및 DOE 개요 47

2. RSD 기반 유효성 검증 50

3. DOE 기반 최적 조건 도출 55

Ⅴ. 종합 고찰 70

Ⅵ. 결론 71

참고문헌 73

ABSTRACT 78

표목차 8

Table 1. Parameters of capillary force 19

Table 2. The mixing experiment used four particle types : three SAP and one... 22

Table 3. Experimentally measured friction coefficients 24

Table 4. Properties of SAP 25

Table 5. Properties of liquid 25

Table 6. Properties of Vessel and ribbon blade in ribbon mixer 28

Table 7. Geometric parameters of ribbon blade mixer used in the experiment and... 29

Table 8. Properties of Vessel and Paddle blade in paddle mixer 31

Table 9. Geometric parameters of paddle blade mixer used in the experiment and... 32

Table 10. Factor levels used in the DOE for mixing performance analysis 48

Table 11. ANOVA results for RSD values after 8 revolutions under dry particle condition 57

Table 12. ANOVA results for RSD values after 8 revolutions under wet particle condition 59

Table 13. Numerical values of total and component forces on dry particles at... 61

Table 14. Numerical values of total and component forces on wet particles at... 62

Table 15. ANOVA results for RSD at 12s under dry particle condition 64

Table 16. ANOVA results for RSD at 12s under wet particle condition 65

그림목차 9

Figure 1. Comparison of mixing behavior between dry particles (left) and wet particles (right) 14

Figure 2. Normal force-displacement relationship under hysteretic contact with... 17

Figure 3. Representation of normal and tangential forces in the particle to particle model 20

Figure 4. Sketch for measuring friction coefficient: (a) particle to boundary and (b)... 24

Figure 5. Angle of repose (AOR) test for each particle: (a) 90%(1.5mm), (b) 80%(2mm),... 26

Figure 6. Ribbon blade mixer used in the experiment 28

Figure 7. Geometry configuration of the ribbon blades and vessel in the ribbon mixer 29

Figure 8. Paddle blade mixer used in experiment 31

Figure 9. Geometry configuration of the paddle blades and vessel in the paddle mixer 32

Figure 10. Particle mixing experiments and analysis results at the front of the vessel... 37

Figure 11. Particle distribution the cross-section view of the vessel from the middle... 38

Figure 12. Particle behavior according to the revolution at the top in the ribbon mixer... 40

Figure 13. Particle behavior according to the revolution at the top in the ribbon mixer... 40

Figure 14. Evolution of the Lacey Mixing Index with revolutions 41

Figure 15. Total and component forces for particle types in ribbon mixer 43

Figure 16. Analysis results of the translational velocity fluctuation according to particle type 44

Figure 17. Rotational speed of input voltage for particle type in ribbon mixer experiment 46

Figure 18. Paddle blade configurations modeled at 0°, 30°, 60° angles for DOE study 49

Figure 19. Sampling positions for RSD measurement in paddle blade mixing experiment 50

Figure 20. Sampling positions for RSD analysis in the paddle blade simulation 51

Figure 21. Custom-designed powder thief used for particle sampling 51

Figure 22. RSD measurement results under dry particle conditions from the paddle blade... 53

Figure 23. Particle distribution at the 1st, 3rd, 5ᵗʰ time under dry conditions in the... 53

Figure 24. RSD measurement results under wet particle conditions from the paddle blade... 54

Figure 25. Particle distribution at the 1st, 3rd, 5ᵗʰ time under wet conditions in the... 54

Figure 26. RSD trends by revolution step under dry particles (left) and wet particles... 56

Figure 27. Standardized Pareto chart for RSD values after 8 revolutions under dry... 58

Figure 28. RSD Contour after 8 revolutions under dry condition by angle and speed 58

Figure 29. Standardized Pareto chart for RSD values after 8 revolutions under wet... 60

Figure 30. RSD Contour after 8 revolutions under wet condition by angle and speed 60

Figure 31. Total and component forces on dry and wet particle condition at 28rpm... 62

Figure 32. RSD Contour at 12s under dry condition by angle and speed 64

Figure 33. RSD Contour at 12s under wet condition by angle and speed 65

Figure 34. Cross-sections of particle distribution under dry and wet conditions at... 66

Figure 35. Power(RMS) values at various paddle angles and speeds under dry and wet... 69

초록보기

 수분이 포함된 재료의 혼합은 바이오, 화장품, 식품 등 다양한 산업 분야에서 널리 활용되고 있다. 수분이 존재할 경우 재료 간의 응집력과 점착성이 증가하며 벽면에 부착되는 현상이 발견된다. 이는 건조한 재료와는 다른 혼합 양상을 유발하고 혼합 예측을 어렵게 만든다. 본 연구는 수평 혼합기 내에서 함수율 변화에 따라 달라지는 점착성, 응집력, 부착력 등을 고려하여 혼합 거동을 분석하는데 목적이 있다.

수평 혼합기에서 주로 사용되는 리본 블레이드와 페들 블레이드를 활용하여 주 혼합 메커니즘이 전단 기반 유동과 충돌 분산 유동 상황을 고려하였다. 전단 기반 유동은 응집된 상태가 유지되어 입자 특성의 영향을 분석하기에 적합하며 충돌 분산 유동의 경우 응집을 해제시키지만 구조 요인에 민감하게 반응하여 구조 설계 요소의 영향을 분석하기에 유리하다.

수분이 있는 재료의 혼합 특성을 실험과 Discrete Element Method (DEM) 해석을 통해 파악하였다. 실험을 위해서는 혼합 시간 동안 함수량이 변하지 않고, 압력이 가해지더라도 수분이 유지되어야 한다. 이러한 조건을 만족하는 재료로 입자 형태의 고흡수성수지 (SAP)를 사용하였다. SAP는 수분이 공급되면 팽창하며, 외부 압력이 가해져도 수분을 잃지 않고 유지하는 특성이 있다. 이로 인해 함수량 조절이 용이하다는 장점이 있다. SAP 입자를 활용한 마찰계수 측정 실험을 통해 DEM에 적용되는 변수를 결정하였다. 혼합도 평가는 Lacey Mixing Index (LMI)와 Relative Standard Deviation (RSD)을 활용하였다.

전단 기반 유동 실험에서 함수율 0%, 60%, 80%, 90%의 혼합 특성을 관찰하였다. 60% 함수율에서 응집력과 저항이 가장 큼을 확인하였고 0%인 건조한 입자와 함수율 90%에서 분산성이 컸으며 혼합이 빠름이 확인되었다. 이는 함수율에 따른 수분의 영향이 비선형적으로 작용함을 의미한다.

충돌 분산 유동 실험은 앞선 실험에서 가장 차이가 컸던 건조한 입자와 함수율 60% 입자를 사용하여 수행하였다. 실험계획법을 통해 페들 혼합기의 최적 조건을 도출하였으며, 설계요인은 페들의 각도와 페들 블레이드의 회전속도로 설정하였다. 수분의 유무에 따라 최적 구조 조건이 달라졌으며, 특히 페들 각도가 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다.

본 연구에서는 혼합에서 수분의 영향을 확인하기 위해 SAP 입자를 사용하여 실험과 DEM 해석을 진행하였다. 주 혼합 메커니즘이 다른 두 상황에서의 영향을 확인하였고 수분이 혼합도에 영향을 줌을 확인하였다. 또한 일정 수준의 혼합도에 도달하기 위한 최적 조건이 함수율에 따라 달라짐을 확인하였다.

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