KR101352093B1 - 최적의 수분 농도조절을 통한 화학공정에서의 정전기 제거장치 - Google Patents

Abstract

최적의 수분 농도조절을 통한 화학공정이나 재료산업에서의 정전기 제거장치가 개시되어 있다. 본 발명은, 공정장치; 상기 공정장치에 수분 및/또는 알코올을 공급하기 위한 수분/알코올 공급장치; 수분 및/또는 알코올을 이송하기 위한 비활성가스를 공급하는 비활성가스공급부; 비활성가스의 공급량을 조절하는 가스조절유량계; 바이패스되는 비활성가스의 공급량을 조절하는 바이패스가스조절유량계; 및 반응기 내부의 정전기 전압과 습도량에 대한 신호를 받아서 가스량을 조절하고 수분 및/또는 알코올 공급량을 조절하는 제어기;를 포함하며, 상기 비활성가스공급부와 공정장치는 제 1배관을 통해 연통되어 있고, 상기 제 1배관의 일측에는 상기 가스조절유량계가 설치되며, 비활성가스공급부는 바이패스배관을 통해 상기 수분/알콜 공급장치에 연통되어 있고, 상기 바이패스배관의 일측에는 상기 바이패스가스조절유량계가 설치되며, 상기 수분/알코올공급장치는 제 2배관을 통해 상기 제 1배관에 연결되는 것을 특징으로 한다.

Description

최적의 수분 농도조절을 통한 화학공정에서의 정전기 제거장치{Equipment and Method of Elimination of Electrostatic Charge at the Chemical Process by Controlling Optimum Humidity}

본 발명은 화학공정이나 재료공정에서의 정전기 제거장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 공정내의 반응기나 원재료 취급 장치에서 발생하는 고압의 정전기를 측정하여 극미량의 수분 또는 알코올을 최적으로 유지하여 공정 내의 정전기를 제어할 수 있도록 한 화학공정이나 재료공정에서의 정전기 제거장치에 관한 것이다.

정전기는 일상생활에서도 흔히 나타나는 현상이나, 산업생산공장 또는 현장에서는 반복적인 마찰에 의해 보통 5,000 내지 20,000V까지 전압이 축적되어, 반응기 등의 조업이상을 일으키거나, 특정한 원인이 제공될 경우 순식간에 방전(불꽃 발생)되며, 이때 계기고장, 공정이상(process trouble), 발화(분진폭발, 인화성 발화), 인체의 피부와 신경을 자극하는 등 여러 문제를 유발하는 것은 잘 알려져 있다.

산업현장에서는 기본적으로 접지를 통한 정전기 방전(이 경우 장치 외부의 정전기만 방출)을 실행하고 있으나, 건조한 날씨에서 저장탱크 등에서 정전기 화재 등이 자주 관찰되고 있으며, 이를 방지하기 위한 것으로 공기 중에 과잉의 수분을 첨가하여 공급하는 경우도 있다.

알려진 바와 같이 정전기는 이종 물질의 마찰에 의해 발생(+/- 정해짐)하며 축적된 정전기의 양은 많지 않을 수도 있으나, 마찰 정도나 물질의 화학적 구조에 따라 정전기 전압은 보통 10,000V 정도를 나타내고, 특히 반응기나 특수한 원료 및 제품을 다루는 공정 내에서는 정전기 발생과 축적이 용이한 반면, 정전기 소멸은 거의 이루어지지 않고 있다. 특히 반응기나 반응생성물이 이동하는 공정 내에서는 반응속도나 제품 물성을 안전하게 관리하기 위해서 완전히 수증기화 된 수분이 ppm수준 또는 극미량 이하로 유지되어야 하며, 동시에 이를 공급하는 매체로는 비활성 기체 예를 들면 질소 등이 필요하다.

현재의 산업사회는 금속류를 사용한 소재에서 벗어나 각종 특수 고분자 재료, 고기능성 필름 등이 많이 사용되는데, 많은 경우 극 미분의 분말(powder)을 사용하며 고속가공을 필요로 하기 때문에 정전기 발생이 점자 심해지는 경향을 가지며, 기본적으로 계측기 고장/오작동, 화재/분진폭발, 작업자 위해성 등의 산업안전에 치명적인 요소로 작용한다.

이외에도 섬유, 건조식품, 세라믹 재료에서도 정전기 현상이 나타나며, 특히 전자산업에서는 원료(fine powder의 세라믹 소재나 기능성 polymer 분말 등)가 미립자 수준을 넘어 나노(nano) 입자 수준에 이르며, 더욱이 물성이 다른 물질을 혼합하여 사용할 때에는 혼합성 저하(특정 입자끼리 뭉침) 등의 원인으로도 작용한다.

장치(공정) 내에서는 자체 입자의 마찰, 배관 면과의 마찰, 펌프 등에 의한 마찰, 반응 물질에 의한 정전기 축적이 심하게 나타나고 있는데(외부 접지와 무관), 일부 대전방지제를 첨가하여 이를 완화시키기도 하지만, 냄새, 가격, 효능 등의 제한 등으로 대부분은 정전기가 심한 경우 공정이상(process trouble)을 완화시키는 방향으로 운전조건을 변경 운전하거나 유지보수(maintenance)를 실시하기도 한다.

기존의 정전기제거 공정 특허에서는 정전기량을 측정하여 일정 수준 수치 이상이 되면 수분을 공정내에 분무하여 수분을 공급하는 것으로 되어 있다. 이 경우에 수분이 과다하게 공급되면 공정내에서 수분이 응축하여 공정에 영향을 주게 된다.

대한민국 공개특허 제10-2010-0066779호

본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 비활성 가스를 운송매체로 하고 극미량의 수분이나 알코올을 최적으로 공급하여 반응기 등의 공정에 영향을 주지 않으면서 정전기를 효율적으로 제거할 수 있도록 한 화학공정 이나 재료산업에서의 정전기 제거장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 다른 목적은 조업 안정성과 시설 및 인체안전성을 높이기 위하여 비활성 운반기체를 사용하여 완전히 가스화된 극미량의 수분이나 알코올 등을 안정되게 공급할 수 있도록 한 화학공정이나 재료산업에서의 정전기 제거장치를 제공하는 데 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 공정 내에서 수분이나 알코올이 응축되지 않는 최적의 량을 공급할 수 있도록 한 화학공정이나 재료산업에서의 정전기 제거장치를 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 화학공정에서의 정전기 제거장치는, 공정장치; 상기 공정장치에 수분 및/또는 알코올을 공급하기 위한 수분/알코올 공급장치; 수분 및/또는 알코올을 이송하기 위한 비활성가스를 공급하는 비활성가스공급부; 비활성가스의 공급량을 조절하는 가스조절유량계; 바이패스되는 비활성가스의 공급량을 조절하는 바이패스가스조절유량계; 및 반응기 내부의 정전기 전압과 습도량에 대한 신호를 받아서 가스량을 조절하고 수분 및/또는 알코올 공급량을 조절하는 제어기;를 포함하며,

상기 비활성가스공급부와 공정장치는 제 1배관을 통해 연통되어 있고, 상기 제 1배관의 일측에는 상기 가스조절유량계가 설치되며,

비활성가스공급부는 바이패스배관을 통해 상기 수분/알콜 공급장치에 연통되어 있고, 상기 바이패스배관의 일측에는 상기 바이패스가스조절유량계가 설치되며,

상기 수분/알코올공급장치는 제 2배관을 통해 상기 제 1배관에 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 공정장치의 내부에는 정전기의 전압을 감지하기 위한 정전기검지기와, 습도량을 감지하기 위한 습도센서를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 수분/알코올공급장치의 상단에는 알코올이 공급되고, 그 하단에는 물이 공급되는 구조를 갖는 것을 특징으로 한다.

안정적으로 완전히 가스화된 수분상태를 유지하기 위해서, 상기 수분/알코올공급장치의 외부에 가열보온층을 추가로 설치하는 것을 특징으로 한다.

오늘날의 고기능제품 생산현장에는 다양한 미분말 원료가 사용되거나 고속으로 혼합 또는 가공되는 경우가 많으며, 혼합분말의 경우 분자/입자 수준의 균일한 혼합상태가 매우 중요하다. 이러한 관점에서, 정전기를 효율적으로 제거할 수 있는 것이 중요한 것이다.

이러한 상황에서, 본 발명에 의하면, 정전기 측정과 제거를 통해 안정되며, 안전한 생산활동과 재현성이 있고 고기능의 제품생산이 가능할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 기본적으로는 인화성이나 분진폭발의 위험성이 있는 모든 산업현장(대표적으로 석유화학/정유산업, 고분자 가공산업, IT원료산업, 섬유 및 건조분말식품 산업, nano ceramic 산업 등)에 적용하여 생산조업과 작업자의 안전에 기여하게 된다.

도면 1은 플라스틱공정에서 극미량의 수분 및 알코올을 이용한 정전기 제거 장치도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 화학공정에서의 정전기 제거장치에 대하여 구체적으로 설명한다.

본 발명의 가장 큰 특징은 비활성 가스를 주성분으로 하는 기류하에서 공정장치(반응기 등) 내부의 수분의 농도를 측정하여 완전하게 기체상태로 된 수증기 형태의 수분을 공급하는 것이고, 지속적으로 수분의 농도를 측정하여 공정 허용치의 100%보다 낮은 수분 농도를 유지하는 것이 주된 특징이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 화학공정에서의 정전기 제거장치는, 크게 공정장치(1), 상기 공정장치(1)에 수분 및/또는 알코올을 공급하기 위한 수분/알코올 공급장치(5), 비활성가스공급부(7), 비활성가스의 공급량을 조절하는 가스조절유량계(6), 바이패스되는 비활성가스의 공급량을 조절하는 바이패스가스조절유량계(4), 및 반응기 내부의 정전기 전압과 습도량에 대한 신호를 받아서 가스량을 조절하고 수분 및/또는 알코올 공급량을 조절하는 제어기(3)를 포함하여 구성된다.

상기 공정장치(1)의 내부에는 정전기의 전압을 감지하기 위한 정전기검지기(2a)와, 습도량을 감지하기 위한 습도센서(2b)가 설치된다.

상기 비활성가스공급부(7)와 공정장치(1)는 제 1배관(11)을 통해 연통되어 있고, 상기 제 1배관(11)의 일측에는 가스조절유량계(6)가 설치된다.

또한, 비활성가스공급부(7)는 바이패스배관(13)을 통해 상기 수분/알콜 공급장치(5)에 연통되어 있고, 상기 바이패스배관(13)의 일측에는 바이패스가스조절유량계(4)가 설치되어 있다.

상기 수분/알코올공급장치(5)는 제 2배관(15)을 통해 상기 제 1배관(11)에 연결되며, 그를 통해서 극미량의 수분 및/또는 알코올을 공정장치(1)로 공급할 수 있다. 이때, 공급되는 수분은 운무(mist)형태가 아니라 완전히 기체상태인 수증기형태인 것이다.

상기 수분/알콜올 공급장치(5)의 상단부에는 알코올이 공급되고, 그 하단부에는 물이 공급된다. 따라서, 공정반응의 반응 여건에 따라 수분이 반응에 영향을 미치지 않는 곳에서는 수분만 공급하여 정전기를 제거할 수 있고, 수분이 반응에 영향을 미치는 곳에서는 수분과 알코올의 혼합액을 공급하여 정전기를 제거할 수 있는 것이다. 수분과 알코올의 혼합비율도 반응여건에 따라서 다양하게 달라질 수 있다.

상기 바이패스가스조절유량계(4)와 가스조절유량계(6)는 제어기(3)를 통해서 연동하여 제어할 수 있는 것으로, 바이패스가스조절유량계(4)를 경유하는 비활성가스는 수분/알코올공급장치(5)를 통과하면서 수분 및/또는 알코올을 함유하여 제 1배관(11)으로 이송되어서, 제 1배관(11)을 유동하고 있던 비활성가스와 합쳐져서 공정장치(1)로 공급되는 것이다.

이렇게 공급되는 수분 및/또는 알코올이 공정장치(1) 내부에서 발생하는 정전기를 효과적으로 제거할 수 있는 것이다.

상기 공정장치(1)에는 반응을 위한 공정가스가 공정가스유입부(9)를 통해 공급될 수 있다.

상기 공정장치(1)를 통과한 비활성가스 및 공정가스는 가스배출부(8)를 통해서 외부장치 및 다른 배관으로 이송된다.

본 발명의 각각의 구성에 대하여 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

상기 공정장치(1)는 플라스틱 수지 반응기를 나타내며, 필요시 반응기에서 이송되는 비활성 분위기를 가지는 이송시스템을 포함한다. 또한 다른 경우로서 전자부품 제조, 세라믹 제품 등의 제조에서 공기나 수분에 민감한 제품을 취급하는 장치 및 공정을 나타낼 수 있으나, 여기에서는 별도로 언급하지는 않는다. 본 발명에서 기술의 설명은 플라스틱 수지를 제조하는 반응기를 기준으로 설명하나, 이에 한정되지는 않는다.

플라스틱을 가공하는 공정에서 마찰에 의하여 정전기가 발생하게 되며, 정전기 전압은 상기 정전기검지기(2a)를 통해서 측정되고, 습도센서(2b)를 통해서 극미량의 습도가 동시에 측정된다. 상기 정전기검지기(2a) 및 습도센서(2b)는 공정의 사용 환경에 맞추어 공정장치(1)의 내부 또는 배관에 설치되면 된다.

상기 정전기검지기(2a)에 의해서 감지되는 정전기 측정값이나 수분의 측정값이 일정량을 넘어서는 경우에는 제어기(3)를 통해서 그 유량이 조정된다. 예를들어, 정전기 측정값이 보통 1,000V를 넘어서면 공정의 기준치 내에서 수분농도를 증가시켜 정전기를 감소시킨다.

정전기 감소에는 수분이 가장 효과적이다. 그러나, 물과 반응하여 공정이나 물이 들어가면 안되는 공정에서는 수분과 알코올의 혼합액 또는 알코올만을 공급하여 정전기를 제거하게 된다. 이때, 수분을 일정량만큼 공급하여 수분의 농도가 일정량을 초과하게 되면 수분의 공급을 중단하고 알코올의 농도를 증가시키는 방향으로 운전을 진행하게 된다. 이를 통해, 정전기의 전압이 감소하게 되면, 먼저 알코올의 투입을 중단하고 그 후에 수분의 투입을 중단하는 방법으로 운전을 진행하게 된다.

극미량의 수분 또는 알코올을 이송하기 위한 이송매체로서는 질소, 헬륨, 아르곤과 같은 비활성가스를 사용하는데, 가장 바람직하게는 질소를 사용할 수 있다.

알코올로서는 주로 에탄올이 사용되지만, 이에 국한되지는 않는다.

특히, 반응기에 공급된 상태에서 수분의 농도는 0.1 내지 100pmm의 범위로 하며, 수분의 안정적인 공급을 위해 공급되는 비활성 가스중의 수분은 완전히 가스화(수증기)된 기체상의 조건을 가지며, 비활성 가스 중의 함량은 0.1 내지 20부피% 이내를 유지한다. 또한 알코올의 함량은 수분/알코올공급장치(5) 내의 용액 중에 알코올의 농도가 0.1 내지 60wt%범위를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

제어기(3)는 정전기와 습도 값을 입력값으로 하며, 일반적인 공정 제어기를 사용하여 간단하게 구성될 수 있으며, 비활성가스량 조절의 출력신호를 바이패스가스조절유량계(4)로 전송하여, 바이패스가스조절유량계(4)를 통과하는 비활성가스의이송량을 조절한다.

제어기(3)에서 발생된 신호는 바이패스가스조절유량계(4)로 보내져서 가스량을 조절하게 되는데, 이렇게 공급되는 비활성가스는 수분/알코올공급장치(5)를 통과하면서 가스화된 수분 및/또는 알코올을 함유한 후에 제 1배관(11)으로 이송되어 나머지 비활성가스와 합쳐지게 된다.

수분/알코올공급장치(5)에서는 질소 등의 비활성 가스가 장치 하부에서 버블링(bubbling)된다. 상기 수분/알코올공급장치(5)의 상단에는 수분이 운무(mist)형태로 배출되는 것을 방지하기 위한 장치를 부착할 수 있다.

수분/알코올공급장치(5)에는 제어기(3)로부터 신호를 받아 일정량의 알콜이 공급되도록 하는 알콜공급펌프(미도시)가 설치되고, 동시에 물의 공급을 위한 펌프(미도시)가 설치될 수 있다.

수분/알코올공급장치(5)는 온도가 5 내지 70℃로 유지될 수 있으나, 안정적으로 완전히 가스화된 수분상태를 유지하기 위해서는 30 내지 50℃를 유지하는 것이 좋으며, 이를 위해서는 외부에 가열 보온층을 설치하는 것이 좋다. 또한 알코올의 공급은 수분/알코올공급장치(5)의 상단으로, 물은 하단으로 공급하는 것이 신호 감응에 빠른 특성을 가진다.

이하, 본 발명에 따른 화학공정에서의 정전기 제거장치 및 방법의 동작에 대하여 상세하게 설명한다.

본 발명에 따라, 공정장치(1) 내부의 정전기 전압과 습도량을 측정하여 기준치와 상이할 경우에, 제어기(3)는 바이패스가스조절유량계(4)와 수분/알코올공급장치(5)로 출력신호를 보내게 된다.

상기 출력신호에 따라서, 바이패스가스조절유량계(4)를 통과하는 가스량을 조절하게 되고, 수분/알코올공급장치(5)를 통과하면서 수분 및/또는 알코올을 함유한 후에 제 1배관(11)으로 이송되어 비활성가스와 합쳐지게 된다.

이때, 상기 수분/알코올공급장치(5)에도 상기 제어기(3)로부터의 신호에 따라 물 및/또는 알코올이 지속적으로 공급되게 된다.

또한, 제어기(3)의 제어에 따라서 수분의 공급량 및/또는 알코올의 공급량을 조절할 수도 있는 것이다.

본 발명이 기존의 선행기술들과 다른 점은 비활성가스를 사용하여 완전히 기체화된 미량의 수분과 알코올을 공급하는 방법으로 정전기를 제거한다는 것이다. 즉, 선행기술들은 운무형태의 수분을 공급함으로써, 물방울이 맺히는 응축현상이 발생하여 수분에 영향을 받는 공정반응에서 악영향을 제공하는 문제점이 있는 반면에, 본 발명은 비활성가스를 사용하여 완전히 기체화된 수분과 알코올을 사용하여 극미량 상태에서 응축현상 없이 공정작업에 지장을 초래하지 않고 정전기를 안정시킬 수 있다는 것이다.

물과 알코올의 응축방지 및 완전한 기체화를 유도하고 극미량의 수분과 알코올을 조절하여 투입하기 위하여, 본 발명에서는 비활성가스의 공급에 있어서 바이패스 구조를 갖는 것이다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당기술분야의 숙련된 당업자는 특허 청구범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

1: 공정장치 2a: 정전기검지기
2b: 습도센서 3: 제어기
4: 바이패스가스조절유량계 5: 수분/알코올공급장치
6: 가스조절유량계 7: 비활성가스공급부
8: 가스배출부 9: 공정가스유입부

Claims (5)

1. 공정장치(1);
   상기 공정장치(1)에 수분 및/또는 알코올을 공급하기 위한 수분/알코올 공급장치(5);
   수분 및/또는 알코올을 이송하기 위한 비활성가스를 공급하는 비활성가스공급부(7);
   비활성가스의 공급량을 조절하는 가스조절유량계(6);
   바이패스되는 비활성가스의 공급량을 조절하는 바이패스가스조절유량계(4); 및
   반응기 내부의 정전기 전압과 습도량에 대한 신호를 받아서 가스량을 조절하고 수분 및/또는 알코올 공급량을 조절하는 제어기(3);를 포함하며,
   상기 비활성가스공급부(7)와 공정장치(1)은 제 1배관(11)을 통해 연통되어 있고, 상기 제 1배관(11)의 일측에는 상기 가스조절유량계(6)가 설치되며,
   비활성가스공급부(7)은 바이패스배관(13)을 통해 상기 수분/알콜 공급장치(5)에 연통되어 있고, 상기 바이패스배관(13)의 일측에는 상기 바이패스가스조절유량계(4)가 설치되며,
   상기 수분/알코올공급장치(5)는 제 2배관(15)를 통해 상기 제 1배관(11)에 연결되는 것을 특징으로 하는 화학공정이나 재료산업에서의 정전기 제거장치.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 공정장치(1)의 내부에는 정전기의 전압을 감지하기 위한 정전기검지기(2a)와, 습도량을 감지하기 위한 습도센서(2b)를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 화학공정이나 재료산업에서의 정전기 제거장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   상기 수분/알코올공급장치(5)의 상단에는 알코올이 공급되고, 그 하단에는 물이 공급되는 구조를 갖는 것을 특징으로 하는 화학공정이나 재료산업에서의 정전기 제거장치.
4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
   안정적으로 완전히 가스화된 수분상태를 유지하기 위해서, 상기 수분/알코올공급장치(5)의 외부에 가열보온층을 추가로 설치하는 것을 특징으로 하는 화학공정이나 재료산업에서의 정전기 제거장치.
5. 제 1항에 있어서,
   안정적으로 가스화된 수분상태를 공급하기 위해서 비활성 가스로는 질소, 헬륨, 아르곤, 이산화탄소, 탄화수 또는 이들 성분이 주성분으로 구성된 혼합가스를 사용하는 것을 특징으로 하는 화학공정이나 재료산업에서의 정전기 제거장치.
   

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