KR101471745B1 - 충전탑용 충전물의 제조장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명의 일면에 의하면, 수지재를 이용하여 충전탑용 충전물을 제조하는 장치에 있어서: 상기 수지재를 용융하여 분사하는 방사기(10); 상기 방사기(10)에 인접하여 성형봉(22)을 회전시키고, 외면에 나선형 홈을 구비한 성형봉(22)에 냉연롤러(25)를 개재시켜 관체의 형성과 이송을 조력하는 성형기(20); 및 상기 성형봉(22)에서 이송되는 수지재를 설정된 길이로 절단하여 충전물을 생성하는 절단기(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 본 발명은 단위 충전 용적당 표면적이 커서 오염가스와 액체의 접촉면적을 증대하여 충전효율을 높이고 타 충전물 대비한 높은 공극률로 충전탑의 경량화가 가능하여 충전탑 가동과 관련된 효율성과 경제성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

Description

충전탑용 충전물의 제조장치 및 방법{Apparatus and Method for manufacturing media for packed tower}

본 발명은 충전탑용 충전물의 제조에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 단위 충전 용적당 표면적이 커서 오염가스와 액체의 접촉면적을 증대하여 충전효율을 높이고 타 충전물 대비한 높은 공극률로 충전탑의 경량화가 가능하여 충전탑 가동과 관련된 효율성과 경제성을 극대화할 수 있는 충전탑용 충전물의 제조장치 및 방법에 관한 것이다.

일반적으로 각종 과학ㆍ기술분야와 광범위한 산업분야에서 대기 중이나 특정한 환경 하에 존재하는 미세입자들을 제어하는 기술의 중요성이 점차 증대되고 있다. 이러한 목적을 달성하기 위한 수단의 하나로서 원통 내부에 충전물을 채워 넣은 충전탑이 보편적으로 활용되고 있다. 충전탑은 흡수액을 상부에서 하부로 흐르도록 하고 오염가스는 하부에서 상부로 충전물을 통과하게 하여 오염가스와 흡수액을 접촉시켜 처리하는 방식이다. 충전탑의 상부에 데미스터(Demister)를 설치하는 경우 충전물을 통과한 역적(Mist) 상태의 흡수액이 데미스터에 응축되어 물방물로 낙하되어 회수효율을 높인다.

이때, 충전탑에 채워지는 충전물은 증류, 세정, 흡수 등의 광범위한 화학 조작에 사용되고 그 목적에 따라 단위 용적당 큰 접촉면적이 얻어지는 특징을 발휘하고 있으나, 그 중에서도 기액 접촉법에 의한 가스흡수 장치에는 특히 우수한 성능을 나타내고 있다. 탑 충전물은 초기에 암석의 파쇄편, 코크스, 벽돌 등을 사용하였으나 현재에는 합성수지가 가장 널리 사용되고, 탄소강, 스테인레스강, 기타 금속이나 내산 도기 또는 자기 등이 사용되기도 한다. 탑 충전물의 재료는 제반 사용조건을 검토한 뒤에 결정되는 것이기는 하지만, 대체로 기계적 성질, 물리적 성질, 구조적 안정성을 지니면서 저렴한 가격과 경량화도 요구된다.

이와 관련되어 참조할 수 있는 선행특허의 일예로서, 한국 공개특허공보 제2011-0049836호는 복합 필터 매체 구조물(composite filter media structure)의 제조 방법으로서, 스펀본드(spunbond) 공정에 의해 복수의 합성 섬유를 포함하는 부직 천 매트(nonwoven fabric mat)를 형성하는 단계; 엠보싱 캘린더 롤(embossing calender roll)에 의해 부직 천 매트를 캘린더링하는 단계; 및 부직 천에 중합체 용액을 일렉트로-블로운(electro-blown) 방사하여 나노섬유 층을 도포하는 단계를 포함한다. 이에 따라, 내구성이 향상되는 동시에 여과 및 역세척 작동 동안에 변형이 작아 압력 강하를 낮추는 효과를 기대한다.

그러나, 상기한 선행특허에 의하면 양산에서 높은 생산성을 유지하는 방안에 대한 기술적 제시가 미흡하고, 복합 필터 매체 구조물을 충전탑에 채워 넣는 용도로 활용하기 부적합하다.

한국 공개특허공보 제2011-0049836호 "복합 필터 매체의 제조 방법"(공개일자 : 2011. 5. 12.)

상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 단위 충전 용적당 표면적이 커서 오염가스와 액체의 접촉면적을 증대하여 충전효율을 높이고 타 충전물 대비한 높은 공극률로 충전탑의 경량화가 가능하여 충전탑 가동과 관련된 효율성과 경제성을 극대화할 수 있는 충전탑용 충전물의 제조장치 및 방법을 제공하는 데 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일면에 의하면, 수지재를 이용하여 충전탑용 충전물을 제조하는 장치에 있어서: 상기 수지재를 용융하여 분사하는 방사기; 상기 방사기에 인접하여 성형봉을 회전시키고, 외면에 나선형 홈을 구비한 성형봉에 냉연롤러를 개재시켜 관체의 형성과 이송을 조력하는 성형기; 및 상기 성형봉에서 이송되는 수지재를 설정된 길이로 절단하여 충전물을 생성하는 절단기;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.

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본 발명의 다른 일면에 의하면, 청구항 1의 장치를 이용하여 충전탑용 충전물을 제조하는 방법에 있어서: 상기 방사기의 방사속도와 성형기의 회전속도 및 냉각온도를 실시간으로 변동하여, 직경이 10~50㎛ 범위로 유지되는 마이크로 섬유가 불규칙하게 적층된 관체의 충전물을 생성하는 것을 특징으로 한다.

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한편, 이에 앞서 본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 단위 충전 용적당 표면적이 커서 오염가스와 액체의 접촉면적을 증대하여 충전효율을 높이고 타 충전물 대비한 높은 공극률로 충전탑의 경량화가 가능하여 충전탑 가동과 관련된 효율성과 경제성을 극대화할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 제조장치를 개략적으로 나타내는 구성도.
도 2는 본 발명에 따른 충전물을 종래와 비교하여 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명에 따른 충전물의 조직을 확대하여 나타내는 사진.
도 4는 본 발명과 종래의 충전물에 대한 성능을 비교한 그래프.

이하, 첨부된 도면에 의거하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

본 발명의 일면은 수지재를 이용하여 충전탑용 충전물을 제조하는 장치에 관련된다. 도 1은 본 발명에 따른 제조장치를 개략적으로 나타내는 구성도이고, 도 2는 본 발명에 따른 충전물을 종래와 비교하여 나타내는 구성도이다. 우선 도 2를 참조하면, (a)은 본 발명의 뎁스폴링(depth palling) 충전물, (b)은 종래의 새들(saddle) 충전물, (c)은 종래의 레싱(ressing) 충전물, (d)은 종래의 폴링(pall ring) 충전물을 나타낸다.

충전물의 대표적인 형식으로서 라시히링(Raschig ring)은 지름과 높이가 거의 같은 중공의 원통형으로서 구조가 간단하고 제작이 용이하며 내식성을 중요시하여 자기, 흑연, 합성수지 등의 비금속재료의 것이 많이 사용된다. 이와 같이 오랜 기간동안 사용되어 왔던 라시히링의 성능을 개선하기 개량형 충전물이 지속적으로 등장하고 있다. 새들형 충전물이나 레싱형 충전물은 링형 충전물에 비하여 효율은 좋으나 생산단가가 높아서 사용에 제약이 따른다. 현재 합성수지재로 형성된 폴링 충전물이 많이 사용되지만 상대적으로 부피가 커서 설치장소 확보 등의 문제로 환경ㆍ산업계의 요구에 부합하기 미흡한 실정이다.

본 발명에 따르면 상기 수지재를 용융하여 분사하는 방사기(10)가 구비된다. 수지재로서 폴리프로필렌(PP)이 적절하지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 방사기(10)는 펠렛 또는 칩 형태의 수지재를 용융 온도로 가열한 상태에서 공기중으로 분사하여 섬유와 같은 실타래를 형성한다.

또, 본 발명에 따르면 성형기(20)가 상기 방사기(10)에 인접하여 성형봉(22)을 회전시키고, 일정 두께의 관체를 생성하여 이송하는 구조이다. 성형봉(22)은 환봉을 사용하며 설정치 이상의 처짐이 발생하지 않는 길이로 설치한다. 성형기(20)는 성형봉(22)의 회전을 위한 구동원을 구비하며, 성형봉(22)의 일단을 자유단으로 두어 성형 제품이 이송되도록 한다. 방사기(10)에서 방사된 용융 수지재는 회전하는 성형봉(22)의 표면에 일정한 두께의 관체 상태로 적층된다.

이때, 본 발명에 의한 상기 성형기(20)는 외면에 나선형 홈을 구비한 성형봉(22)에 냉연롤러(25)를 개재시켜 관체의 형성과 이송을 조력하는 것을 특징으로 한다. 성형봉(22)에서 수지재가 방사되는 위치에 냉연롤러(25)를 설치하여 관체의 두께를 일정하게 유지하고 성형봉(22)의 자유단으로 밀어 이송시킨다. 이를 위해 냉연롤러(25)의 성형용 롤러는 원추형을 사용하는 것이 좋으며, 도시에 생략하나 냉각수 순환 또는 펠티어 소자를 부가하여 냉각온도를 조절하는 것이 좋다. 이러한 성형봉(22)의 외면에 피치가 긴 나선형의 홈을 요철 구조로 형성하면 수지재 관체의 이송에 유리할뿐더러 관체의 내면에 나선형이 형성되므로 접촉면적이 증대되는 것은 물론 기계적 강도와 내구성이 향상된다.

또, 본 발명에 따르면 절단기(30)가 상기 성형봉(22)에서 이송되는 수지재를 설정된 길이로 절단하여 충전물을 생성하는 구조이다. 절단기(30)는 성형봉(22)의 자유단에 설치되고, 커터(35)를 회전하면서 이송시켜 수지재를 설정된 길이 단위로 절단한다. 물론 절단기(30)에 커터(35)의 경사각도를 조절하는 구성을 부가하면 충전물을 경사진 각도로 절단하는 것도 가능하다.

이와 같이 생성된 수지재 충전물은 도 2(a)와 같은 실린더형 관체로서 일견 종래의 라시히링(Raschig ring)과 유사하지만 직경에 비하여 길이가 짧고 내부 조직에 있어서 완전하게 상이하다. 도 3은 본 발명의 수지재 충전물이 마이크로 섬유 상태로 이루어진 것을 확대 사진으로 나타낸다.

본 발명의 변형예로서, 도시에는 생략하나 성형봉(22) 상에 부직포 등의 원단 시트 또는 카본 시트를 감고 방사기(10)를 이용하여 그 표면에 마이크로 섬유를 방사ㆍ적층한 후 절단기(30)로 절단하여 충전물을 제조할 수도 있다.

본 발명의 다른 일면은, 청구항 1의 장치를 이용하여 충전탑용 충전물을 제조하는 방법에 관련된다. 전술한 방사기(10), 성형기(20), 절단기(30)의 구성을 바탕으로 양산에서 완제품 충전물의 규격을 신속하게 변경하여 품질 안정과 생산성 향상을 유도한다.

본 발명은 상기 방사기(10)의 방사속도와 성형기(20)의 회전속도 및 냉각온도를 실시간으로 변동하여, 다양한 길이를 지닌 마이크로 섬유가 불규칙하게 적층된 관체의 충전물을 생성하는 것이 가능하다. 방사기(10)에서 성형기(20)의 성형봉(22)으로 방사된 수지재는 도 3과 같은 마이크로 섬유를 적층한 구조이다. 마이크로 섬유의 크기는 방사기(10)의 방사속도, 성형봉(22)의 회전속도와 냉각온도에 따라 변동된다. 충전탑의 용도(규격)에 맞추어 초기 공정에서 마이크로 섬유의 직경과 길이는 물론 최종 공정에서 충전물의 절단 길이와 절단 형태를 실시간으로 변동한다. 이를 위해 방사기(10), 성형기(20), 절단기(30)는 마이콤 제어회로를 지닌 제어기(도시 생략)에 연결된다.

이때, 본 발명에서 상기 충전물을 이루는 마이크로 섬유의 직경은 10~50㎛ 범위로 유지하는 것을 특징으로 한다. 양산에서 마이크로 섬유의 직경을 30㎛ 기준으로 맞추면 대략 20~40㎛ 범위로 생성된다. 마이크로 섬유의 직경이 설정치 이상으로 되면 흡수기능이 저하되고 설정치 이하로 하는 것은 공정상 까다로워 경제성이 저하된다.

실험에 있어서, 종래의 충전물로 폴링을 선택하고 본 발명의 충전물(뎁스폴링)과 각각 동일한 용량의 충전탑에 충전하고 암모니아, 메탄, 톨루엔의 유해가스를 보내어 성능을 비교하였다.

	치수(inch)	충진수량(㎥)	중량(㎏/㎥)	표면적(㎡/㎥)	공간율(%)
본 발명	2	4,500	67.5	180이상	71
종 래	2	7,000	63.0	102	91

충전탑 내의 충전물질은 기계적으로 견고하고 가급적이면 넓은 표면적을 갖는 구조로서 유체의 흐름을 양호하게 할 수 있어야 한다. 충전탑에서 압력손실은 충전물의 종류, 층의 높이, 데미스터의 유무에 따라서 큰 폭으로 달라진다. 본 발명의 충전물인 경우 동압 1.0㎜H₂O, 정압 -0.31㎜H₂O로 나타난 반면, 종래의 충전물은 동압 1.2㎜H₂O, 정압 -0.3㎜H₂O로 나타났다. 이에 따라, 본 발명에 의한 충전물을 충진한 충전탑에서 유체의 흐름이 양호함을 알 수 있다.

도 4를 참조하면, 본 발명의 충전물을 사용하는 경우 종래의 충전물에 비하여 암모니아, 메탄, 톨루엔의 검출 농도가 낮았다. 특히 톨루엔 검출은 종래의 충전물에 의한 156ppm에 비하여 본 발명의 충전물에 의하여 120ppm으로 현격하게 낮아짐을 알 수 있다.

본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.

10: 방사기 20: 성형기
22: 성형봉 25: 냉연롤러
30: 절단기 35: 커터

Claims (4)

1. 수지재를 이용하여 충전탑용 충전물을 제조하는 장치에 있어서:
   상기 수지재를 용융하여 분사하는 방사기(10);
   상기 방사기(10)에 인접하여 성형봉(22)을 회전시키고, 외면에 나선형 홈을 구비한 성형봉(22)에 냉연롤러(25)를 개재시켜 관체의 형성과 이송을 조력하는 성형기(20); 및
   상기 성형봉(22)에서 이송되는 수지재를 설정된 길이로 절단하여 충전물을 생성하는 절단기(30);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 충전탑용 충전물의 제조장치.
2. 삭제
3. 제1항의 장치를 이용하여 충전탑용 충전물을 제조하는 방법에 있어서:
   상기 방사기(10)의 방사속도와 성형기(20)의 회전속도 및 냉각온도를 실시간으로 변동하여,
   직경이 10~50㎛ 범위로 유지되는 마이크로 섬유가 불규칙하게 적층된 관체의 충전물을 생성하는 것을 특징으로 하는 충전탑용 충전물의 제조방법.
4. 삭제

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