Multiscale Drying Model for Slot Jet Impingement Convection Dryers with Application to Separator Coating

Abstract

리튬이온 배터리 제조 공정에서 세라믹 코팅 분리막의 건조는 제품 품질과 공정 안정성에 직접적인 영향을 미치는 핵심 단계이다. 산업용 슬롯 임핑지먼트 대류 건조기에서는 고속 난류 제트와 비대칭적인 대류 구조로 인해 열 및 질량전달 환경이 공간적으로 강하게 비균일해지며, 이는 용매 증발 거동과 건조 균일성에 중요한 영향을 미친다. 그러나 기존 연구들은 공기 측 유동과 필름 측 건조 거동을 분리하여 분석하는 경우가 많아, 실제 운전 조건에서의 건조 거동을 정밀하게 예측하는 데 한계가 있었다. 본 연구에서는 슬롯 임핑지먼트 건조기에서 이동하는 세라믹 코팅 필름의 건조 거동을 예측하고 제어하기 위한 통합 멀티스케일 모델링 및 제어 프레임워크를 제안한다. 3차원 전산유체역학(CFD) 모델을 통해 건조기 내부의 비균일한 대류 환경을 해석하고, 1차원 미분–대수 방정식(DAE) 기반 박막 건조 모델을 이용하여 코팅층 내부의 비정상 용매 확산, 증발 및 열 응답을 기술하였다. 두 모델은 필름 이동 방향을 따라 존 단위로 분해된 경계조건 교환을 통해 일관되게 결합되었다. 커플링 해석 결과, 필름 건조는 고정된 공간 조건이 아니라 건조기 내에서 순차적으로 경험하는 국부 건조 환경의 누적 이력에 의해 지배되는 경로 의존적 과정임이 확인되었다. 상부 및 하부 슬롯 노즐의 기하학적 오프셋으로 인해 필름 앞면과 뒷면에서는 서로 다른 건조 경로가 형성되었으며, 이에 따라 초기 및 후기 건조 구간에서 상이한 건조 거동이 나타났다. 반면, 필름 폭 방향에서는 중앙부와 측면이 슬롯 배열에 의해 유사한 건조 경로를 따르되, 제트 충돌 강도 및 국부 대류 조건의 차이로 인해 건조 강도에 위치 의존적인 차이가 발생함을 확인하였다. 운전 조건 변화는 주로 전체 건조 강도를 조절하는 역할을 하였으나, 공기 온도 증가가 항상 더 빠른 건조로 이어지지는 않는 비선형적 거동이 관찰되었으며, 필름 이송 속도의 증가는 상부와 하부 표면 간 건조 비대칭성을 완화하는 효과를 보였다. 반면, 건조 비대칭성의 구조적 특성은 주로 건조기 기하 구성에 의해 결정되었다. 계산 비용을 절감하기 위해 CFD에서 도출된 경계조건을 건조기 운전 변수의 함수로 근사하는 서로게이트 모델을 구축하고, 이를 모델 예측 제어(MPC)에 통합하여 제트 속도와 제트 온도를 조작 변수로 하는 출구 수분 함량 제어를 수행하였다. 그 결과, 공정의 관성과 다변수 결합 특성을 고려한 안정적인 추종 성능을 확인하였다. 종합적으로, 본 연구에서 제안한 프레임워크는 슬롯 임핑지먼트 건조기에서의 필름 건조 거동을 물리적으로 일관되게 해석하고, 건조 경로 차이와 건조 강도 차이로 구분되는 비대칭성을 정량적으로 설명할 수 있는 기반을 제공한다. 또한 본 접근법은 향후 제어 지향 최적화 및 디지털 트윈 기반 건조 공정 운전으로의 확장 가능성을 제시한다.;The drying of ceramic-coated battery separators is a critical step in lithium-ion battery manufacturing, as it directly affects product quality and process stability. In industrial slot jet impingement convection dryers, high-velocity turbulent jets and asymmetric convective structures generate spatially non-uniform heat and mass transfer environments, which strongly influence solvent evaporation behavior and drying uniformity. However, many previous studies have treated air-side flow and film-side drying behavior separately, limiting their ability to accurately predict drying performance under realistic operating conditions. In this study, an integrated multiscale modeling and control framework is developed to predict and regulate the drying behavior of moving ceramic-coated films in a slot jet impingement dryer. A three-dimensional computational fluid dynamics (CFD) model is employed to resolve spatially heterogeneous convective environments inside the dryer, while a one-dimensional differential–algebraic equation (DAE)-based thin-film model is used to describe unsteady solvent diffusion, evaporation, and thermal response within the coating layer. The two models are consistently coupled through zone-wise boundary-condition exchange along the film-moving direction. The coupled simulations reveal that film drying is a path-dependent process governed by the cumulative history of local drying environments encountered along the dryer. Due to the geometric offset of the upper and lower slot nozzles, distinct drying paths are formed on the front and back surfaces of the film, leading to different drying behavior in the early and late stages of the process. In contrast, across the film width, the center and edge regions follow similar drying paths imposed by the slot arrangement, while position-dependent differences in drying intensity arise due to variations in jet-impingement strength and local convective conditions. Changes in operating conditions primarily regulate the overall drying intensity; however, an increase in air temperature does not necessarily result in faster drying, indicating non-linear drying behavior. In addition, an increase in film transport speed is found to mitigate top–bottom drying asymmetry, whereas the structural characteristics of drying asymmetry are largely governed by the dryer geometry. To reduce computational cost, a surrogate model is developed to approximate CFD-derived boundary conditions as functions of dryer operating variables. This reduced-order model is integrated into a model predictive control (MPC) framework to regulate the outlet moisture content by manipulating jet velocity and air temperature. The control results demonstrate stable tracking performance while accounting for process inertia and multivariable coupling. Overall, the proposed framework provides a physically consistent basis for analyzing film drying in slot jet impingement dryers and enables quantitative interpretation of drying asymmetry in terms of differences in drying paths and drying intensity. The methodology further supports future extensions toward control-oriented optimization and digital-twin-based operation of industrial drying processes.