KR102029258B1 - 발포 공정에서 배출되는 발포 가스 회수 장치 및 방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 발포 공정에서 발생하는 발포 가스의 회수 장치로, 발포 가스 발생부를 밀폐하는 포집 덮개; 상기 포집 덮개와 연결되어 발포 가스가 이동하는 연결관; 및 상기 연결관을 통해 이동하는 발포 가스를 보관하는 저장탱크를 포함하는 포집부; 및 상기 저장탱크와 연결되고, 상기 저장탱크로부터 유입되는 발포 가스를 냉각하여 발포 가스 내 수분을 제거하는 제1 응축부; 상기 제1 응축부와 연결되고, 유입되는 발포 가스를 압축 및 냉각하는 제2 응축부; 및 상기 제2 응축부로부터 유입되는 발포 가스를 저장하는 챔버를 포함하는 회수부를 포함하는 발포 가스 회수 장치를 제공한다. 본 발명에 따른 발포 공정에서 발생하는 발포 가스를 회수하는 장치 및 이를 통해 발포 가스를 회수하는 방법은 발포 공정, 특히 발포 공정 시 사용되는 압출기의 토출부에서 발생하는 발포 가스를 회수함으로써, 발포 공정에서 발생하는 발포 가스의 대기 중으로의 배출을 원천적으로 봉쇄할 수 있는 효과가 있다. 또한, 회수한 발포 가스를 재사용할 수 있어 경제적인 효과가 있다.
Description
발포 공정에서 배출되는 발포 가스 회수 장치 및 방법에 관한 것이다.
발포 공정은 경량화, 단열성 부여, 완충성 부여, 휨 방지 등을 목적으로 수행되며, 발포 성형이라고도 한다. 수지로는 발포스티렌, 폴리우레탄, 폴리올레핀 등이 많이 이용되고 있고, 저발포 제품(1-3 배 배율), 고발포 제품(40-50 배 배율)이 있다.
발포 공정은 고분자 수지와 다종의 화합물이 혼합된 발포제가 압출기(extruder)에 주입되어 고온, 고압 상태를 거치면서 혼합 및 용융이 진행된다. 고분자 수지가 충분히 용융되고 발포제와 완전히 혼합되는 과정을 거친 후 압출기에서 토출되어 수지와 발포제의 혼합물은 상부 및 하부에 설치된 금속판에 의하여 두께와 너비가 결정되는 과정을 거치면서 성형과정이 진행되게 된다.
이때, 토출 과정에서 압출기의 토출부에 형성된 상부판 및 하부판 사이의 간격이 유지되는 측면으로 다량의 발포제가 가스 형태로 배출되는데, 현재 사용되고 있는 발포제의 대부분은 불화가스(클로로플루오로카본(CFC), 하이드로클로로플루오로카본(HCFC), 하이드로플루오로카본(HFC) 등) 계열이므로 오존층 파괴 물질로서 지구 온난화를 가속시킬 수 있는 물질이 대기 중으로 배출되게 된다. 따라서, 발포 공정 시 발생하는 발포 가스를 회수하는 공정이 필수적이다.
일반적으로 냉매를 사용하는 전자제품, 자동차 에어콘, 냉동장치 등에서 배출되는 폐 냉매는 단일 냉매와 약간의 윤활유가 혼합된 경우가 대부분이며 동일한 성분의 냉매가 기상과 액상으로 공존하는 상황이다.
따라서, 기존의 회수 장치를 통하여 포집되는 냉매에는 공기의 혼입이 적고 냉매의 액상과 기상이 공존하는 낮은 온도로 발생되고 있다.
그러나, 발포 공정의 압출기(extruder) 토출부에서 발생하는 발포 가스(다 종의 불화가스와 공기의 혼합물)는 온도가 높고 다 종의 불화가스가 혼합되어 있으며 수분과 불응축 가스인 공기 등이 혼합된 상태이므로 기존의 냉매 회수 장치를 적용할 수 없다.
이에, 본 발명자들은(는) 발포 공정 시 발생하여 대기 중으로 배출되는 발포 가스를 포집 및 응축함으로써 재사용이 가능한 물질로 회수하는 장치 및 방법을 개발하였으며, 발포 공정에서의 오존층 파괴 물질 또는 대기 오염 물질의 배출을 원천적으로 봉쇄할 수 있음을 확인하고 본 발명을 완성하였다.
본 발명의 목적은 발포 공정에서 발생하는 발포 가스를 회수하는 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 발포 공정의 압출기 토출부(용융된 수지와 발포제가 혼합 및 압축된 상태에서 성형틀 사이로 토출되는 부분)에서 발생하는 발포 가스를 회수하는 방법을 제공하는 데 있다.
상기 목적을 해결하기 위하여, 본 발명은
발포 공정에서 발생하는 발포 가스의 회수 장치로,
발포 가스 발생부를 밀폐하는 포집 덮개;
상기 포집 덮개와 연결되어 발포 가스가 이동하는 연결관; 및
상기 연결관을 통해 이동하는 발포 가스를 보관하는 저장탱크를 포함하는 포집부; 및
상기 저장탱크와 연결되고, 상기 저장탱크로부터 유입되는 발포 가스를 냉각하여 발포 가스 내 수분을 제거하는 제1 응축부;
상기 제1 응축부와 연결되고, 유입되는 발포 가스를 압축 및 냉각하는 제2 응축부; 및
상기 제2 응축부로부터 유입되는 발포 가스를 저장하는 챔버를 포함하는 회수부
를 포함하는 발포 가스 회수 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은
발포 가스 발생부에 포집 덮개; 상기 포집 덮개와 연결되어 발포 가스가 이동하는 연결관; 및 상기 연결관을 통해 이동하는 발포 가스를 보관하는 저장탱크를 포함하는 포집부를 설치하여 발포 공정 시 발생하는 발포 가스를 포집하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 포집된 발포 가스를 제1 응축부로 유입시켜 수분을 제거하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 수분이 제거된 발포 가스를 제2 응축부로 유입시켜 냉각 및 압축하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 냉각 및 압축된 발포 가스를 회수하는 단계(단계 4)
를 포함하는 발포 가스 회수 장치를 이용한 발포 가스 회수 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 발포 공정에서 발생하는 발포 가스를 회수하는 장치 및 이를 통해 발포 가스를 회수하는 방법은 발포 공정, 특히 발포 공정 시 사용되는 압출기의 토출부에서 발생하는 발포 가스를 회수함으로써, 발포 공정에서 발생하는 발포 가스의 대기 중으로의 배출을 원천적으로 봉쇄할 수 있는 효과가 있다. 또한, 회수한 발포 가스를 재사용할 수 있어 경제적인 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 2는 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치 포집부의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치 회수부의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 6은 본 발명에 따른 발포 가스 회수 방법을 시뮬레이션 실시한 일례를 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치 포집부의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 3은 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치 회수부의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치의 일례를 나타낸 모식도이고;
도 6은 본 발명에 따른 발포 가스 회수 방법을 시뮬레이션 실시한 일례를 나타낸 공정도이다.
본 발명은
발포 공정에서 발생하는 발포 가스의 회수 장치(100)로,
발포 가스 발생부(200)를 밀폐하는 포집 덮개(310);
상기 포집 덮개와 연결되어 발포 가스가 이동하는 연결관(320); 및
상기 연결관을 통해 이동하는 발포 가스를 보관하는 저장탱크(330)를 포함하는 포집부(300); 및
상기 저장탱크와 연결되고, 상기 저장탱크로부터 유입되는 발포 가스를 냉각하여 발포 가스 내 수분을 제거하는 제1 응축부(410);
상기 제1 응축부와 연결되고, 유입되는 발포 가스를 압축 및 냉각하는 제2 응축부(420); 및
상기 제2 응축부로부터 유입되는 발포 가스를 저장하는 챔버(430)를 포함하는 회수부(400)를 포함하는 발포 가스 회수 장치(100)를 제공한다.
이때, 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치(100)의 일례를 도 1 내지 도 5의 모식도를 통해 나타내었으며,
이하, 도 1 내지 도 5의 모식도를 참조하여, 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치에 대하여 상세히 설명한다.
본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치(100)에 있어서, 상기 포집부(300)는 발포 가스 발생부(200)를 밀폐하는 포집 덮개(310); 상기 포집 덮개와 연결되어 발포 가스가 이동하는 연결관(320); 및 상기 연결관을 통해 이동하는 발포 가스를 보관하는 저장탱크(330)를 포함한다.
본 발명에서 회수하고자 하는 발포 가스는 발포 공정 중 발생하는 가스로서, 발포제 성분을 포함한다. 발포제 성분은 주로 불화가스 계열이며, 구체적으로 탄소(C), 불소(F), 염소(Cl), 수소(H) 원자들로 구성되는 다양한 분자들일 수 있다. 또한 일례로, 클로로플루오로카본(CFCs), 하이드로클로로플루오로카본(HCFCs) 및 하이드로플루오로카본(HFCs) 등일 수 있다. 발포 공정에서 사용되는 대표적인 가스로는 R-22, R-142b, R-141b, R134a 등(여기서, R은 냉매를 표시함)이 있다. 이와 더불어 발포 공정은 대기 중에서 수행되기 때문에 상기 발포 가스는 수분 및 불응축 가스인 공기를 더 포함할 수 있다.
상기 발포 가스 발생부(200)는 발포 공정 중에 발포 가스가 발생하는 부분으로, 구체적인 일례로서 압출기(extruder)의 토출부일 수 있다. 일반적으로 압출기의 토출부는 상부판 및 하부판으로 이루어진 성형판과 연결되어 있으며, 성형판 일측 또는 양측면은 오픈되어 있다. 따라서, 성형판 양 측면으로 발포 가스가 배출되며, 본 발명에서는 이러한 발포 공정 중에 발생하는 발포 가스를 회수하고자 한다.
상기 포집 덮개(310)는 발포 가스 발생부(200)를 밀폐한다. 발포 가스 발생부가 토출부일 경우, 일반적으로 80-150 ℃의 온도로 유지되고 있으며, 생산되는 제품에 따라 성형판을 구성하는 상부판 및 하부판의 높낮이가 변동될 수 있다. 때문에, 본 발명에서 제시하는 포집 덮개는 150 ℃ 이상의 온도에서 변형되지 않는 재질인 것이 바람직하다. 또한, 2-50 cm의 범위에서 가변적으로 포집 덮개의 높이가 변동될 수 있다.
구체적인 일례로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 상기 포집 덮개(310)는 발포 가스 발생부인 토출부를 덮어 밀폐할 수 있는 형태를 가진다. 바람직하게는 토출부의 성형판 측면을 밀폐한다. 이때, 포집 덮개 상부면에 자석을 포함하는 접착부(311)를 형성하여 포집 덮개 상부면과 측면을 분리할 수 있도록 설계할 수 있다. 포집 덮개의 측면 또한 높이 방향으로 접착부를 형성함으로써 포집 덮개의 길이를 조절할 수 있다.
또한, 상기 포집 덮개는 복수 개의 포집공(312)을 포함한다. 상기 포집 덮개는 발포 가스 발생부를 밀폐시킴과 동시에 발포 가스의 회수를 위해 발포 가스를 배출시킬 수 있는 수단을 보유한다. 상기 복수 개의 포집공은 저장탱크(330)와 연결관(320)으로 연결된다.
나아가, 상기 포집공(312)은 1 단, 2 단, 3 단, 4 단 또는 5 단 이상의 복수 단에 걸쳐 나누어 배치될 수 있다. 상기 포집공은 높이 방향으로 1 단, 2 단, 3 단, 4 단 또는 5 단으로 분류할 수 있다. 발포 가스 발생부(200)인 압출기의 토출부는 상부판 및 하부판을 포함하는 성형판을 포함하며, 상기 성형판은 생산되는 제품의 종류, 두께에 따라 간격이 달라진다. 이를 대응하기 위한 구성으로 상기 포집공은 다단으로 형성할 수 있다. 또한, 상기 포집공의 배치는 서로 엇갈리게 배열함으로써 발포 가스의 포집이 용이하게 수행될 수 있다.
또한, 상기 포집 덮개(310)는 측면에 발포 가스 발생부(200)를 관찰할 수 있는 투명한 창(또는 투시창, 313)을 포함할 수 있다. 바람직하게는, 상기 포집 덮개(310) 전단에 투명한 창(313)이 형성될 수 있으며, 이를 통해 토출되는 제품의 모양을 지속적으로 관리할 수 있다.
상기 연결관(320)은 상기 포집 덮개(310)와 연결되어 발포 가스를 저장탱크(330)로 이송한다. 구체적인 일례로, 상기 연결관은 포집 덮개의 포집공(312)과 연결될 수 있으며, 상기 연결관은 복수 개로 분기된 관일 수 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 일례로 포집공이 일 측면에 3 개씩 배치되어 있는 경우, 연결관 또한 3 개의 관으로 분기되어 형성될 수 있다.
또한, 상기 연결관(320)은 포집공의 위치에 맞게 복수 단으로 형성될 수 있다. 또, 상기 연결관은 개폐 가능한 밸브(350)를 포함한다. 생산되는 제품에 따라 달라지는 성형판의 상부판과 하부판의 간격에 맞게 포집 덮개의 위치를 조절하게 되는데, 조절된 단수(1 단, 2 단, 3 단, 4 단 또는 5 단 이상)에 따라 연결관의 높이도 조절되며, 사용하지 않는 분기된 연결관의 경우 밸브를 잠금으로써 선택적으로 사용할 수 있다.
나아가, 상기 연결관(320)은 진공펌프(340)를 포함한다. 상기 포집 덮개(310)로 덮인 발포 가스 발생부(200)를 통해 발생하는 발포 가스가 용이하게 배출될 수 있도록 상기 연결관은 진공펌프가 장착된다.
상기 저장탱크(330)로 포집된 발포 가스는 재사용 가능한 발포제를 회수하기 위하여 다음의 응축부(410, 420)를 포함하는 회수부(400)로 이동한다.
상기 회수부(400)는 제1 응축부(410), 제2 응축부(420) 및 챔버(430)를 포함한다.
상기 제1 응축부는 상기 포집부(300)의 저장탱크(330)와 연결되고, 저장탱크로부터 유입되는 발포 가스를 냉각하여 발포 가스와 혼합되어 있는 수분을 제거한다.
구체적인 일례로, 상기 제1 응축부(410)는 수분을 응축시키기 위한 열교환기(411, 414, 417); 및 상기 열교환기를 통해 응축된 수분을 회수하기 위한 수분 챔버(412, 415, 418)를 포함한다. 또한, 상기 수분 챔버 하단에 수분 배출을 위한 수분 배출구(413, 416, 419)를 더 포함할 수 있다. 상기 제1 응축부에서는 상온 이상의 온도로 유입되는 발포 가스를 다단의 열교환기를 통과시키면서 수분을 응축시켜 분리 배출한다. 이때, 상기 열교환기 및 수분 챔버는 1 개 이상인 것이 바람직하고, 2 개 이상인 것이 더욱 바람직하고, 3 개인 것이 가장 바람직하다. 상기 열교환기 및 수분 챔버를 다단으로 운영하며, 도 3에 나타낸 바와 같이, 각 열교환기에 제2 응축부(420)로 연결되는 관 및 밸브를 설치하여 전부 또는 일부를 통과시킬 수 있다.
상기 제2 응축부(420)는 상기 제1 응축부(410)와 연결되고, 제1 응축부에서 수분 응축 과정을 거친 발포 가스가 유입된다. 제2 응축부로 유입된 발포 가스는 추가적으로 압축 및 냉각이 수행된다.
또한, 일례로 상기 제2 응축부(420)는 상기 포집부(300)의 저장탱크(330)와 연결되는 관을 포함할 수 있다. 이를 통해, 제1 응축부(410)를 거칠 필요가 없는 발포 가스일 경우(수분을 포함하지 않는 경우), 제1 응축부를 통과하지 않고 제2 응축부로 바로 유입시킬 수 있다.
나아가, 구체적인 일례로 상기 제2 응축부(420)는 유입되는 발포 가스의 압력을 조절하기 위한 압축기(421); 발포 가스 내 오일 성분을 분리하기 위한 유분리기(422); 및 발포 가스를 냉각하는 냉각기(423);를 포함할 수 있다. 상기 압축기는 제1 응축부(410)의 열교환기(411, 414, 417)에서 1 차 냉각 과정을 거쳐 수분이 제거된 발포 가스가 유입되고, 이를 추가적인 압력으로 압축을 수행할 수 있다. 이후, 압축된 발포 가스는 유분리기로 이동하여 오일성분을 분리하고, 최종적으로 냉각기로 이동하여 추가 냉각되어 응축될 수 있다. 상기 제2 응축부는 냉각펜(424, 425)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 압축기 및 유분리기는 쏠밸브(426)를 포함하는 관으로 연결될 수 있다. 상기 쏠밸브(426)는 일정한 시간 동안 열릴 수 있으며, 압축기(421)와 유분리기(422), 냉각기(423)로 이어지는 일련의 과정이 수행되도록 하다가, 냉각기(423) 내부의 압력이 정해진 상한 수준에 도달하면 닫힘으로써 사전에 정해진 하한 수준이 될 때까지 압축 단계를 일지 정지시키는 역할을 함으로써 안전한 공정 운전이 되도록 할 수 있다.
상기 챔버(430)는 상기 제2 응축부(420)를 통해 응축된 발포 가스가 유입되어 저장된다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 구체적인 일례로 상기 챔버(430)는 응축된 액상의 발포 가스가 저장되는 제1 챔버(431); 및 불응축 가스를 포함하는 발포 가스가 저장되는 제2 챔버(432);를 포함한다. 제1 응축부(410) 및 제2 응축부(420)를 거쳐 응축된 발포 가스는 하단에 설치된 제1 챔버로 모이게 되고, 제2 챔버에는 기체가 존재하게 되는데, 제2 챔버에 저장되는 기체에는 낮은 농도의 발포 가스가 존재한다. 제2 챔버에 남아 있는 기체 중에는 불응축 가스인 공기의 농도가 높아, 일정한 압력 이상을 표시하게 되므로 설정된 압력에 도달하면 제2 배출구(434)를 통해 자동으로 일정시간 배출할 수 있다. 제1 챔버와 연결된 제1 배출구(433)를 통해서는 액상의 발포 가스를 회수하여 재사용할 수 있다.
또한, 일례로 상기 발포 가스 회수 장치(100)는 상기 회수부(400)의 챔버(430)와 연결되고, 상기 챔버에서 배출되는 발포 가스를 흡착하는 흡착부(500);를 포함한다.
상기 흡착부(500)는 회수부(400)와 연결되어 최종 배출되는 발포 가스 중 기상의 발포 가스 내 불화가스를 흡착하여 추가로 회수한다. 기상의 발포 가스는 농도가 낮은 상태이므로 흡착부를 통해 회수할 수 있다.
또한, 상기 흡착부(500)를 통과한 발포 가스는 회수부(400)로 재유입시켜 반복 회수할 수 있다. 상기 흡착부를 거친 발포 가스는 농도가 더욱더 낮은(처음 유입된 발포 가스 농도 대비 약 1 % 이하) 상태로 그대로 배출하여도 무방하다.
나아가, 일례로 상기 발포 가스 회수 장치(100)는 상기 흡착부(500)와 연결되고, 상기 흡착부에서 배출되는 발포 가스 성분을 분해하여 처리하는 처리부(600);를 포함한다.
상기 처리부(600)에서는 상기 흡착부(500)에서 배출되는 발포 가스의 불화가스를 최종 제거하여 대기 중으로 배출할 수 있다.
상기 처리부(600)는 열 분해 처리부; 촉매 분해 처리부; 및 고정화 처리부 등을 포함할 수 있으며, 구체적인 일례로서, 열 분해 처리부 또는 촉매 분해 처리부를 통해 기상의 발포 가스를 열분해 또는 촉매분해한 후, 고정화 처리부를 통해 불화가스 또는 산성가스 성분(HF, HCl 등)을 고체의 염으로 무해화시킨다. 상기 고정화 처리부는 알칼리 수용액이 포함되는 것이 바람직하다.
구체적인 일례로, 도 7에 나타낸 바와 같이, 고정화 처리부(610)는 고정화 반응기(611), 상기 고정화 반응기 내부 벽면에 형성된 빗면 형태의 방해판(612), 교반기(613) 및 침전부(614)를 포함할 수 있다.
상기 고정화 처리부(610)에서는 산성가스 성분(HF, HCl 등)이 알칼리 수용액(Ca(OH)2, NaOH, KOH 등)에 용해되면서 반응하여 CaF2, CaCl2, NaF, NaCl, KF, KCl 등과 같은 염을 생성하는 과정이 진행된다. 이때, 생성된 염의 입자 크기가 수 ㎛에 불과하여 입자 크기를 성장시키거나 응집시키지 않으면 수용액 상에 부유하면서 반응을 방해하는 요소로 작용하게 된다. 이때, 상기 고정화 반응기(611)는 소정의 각도로 경사진 구조의 콘 형태로, 하부 방향으로 좁아지는 경사진 구조를 형성함으로써 교반에 의하여 생기는 액체의 흐름에서 입자가 원심력을 더 많이 받도록 조정하고, 반응기 내벽에는 방해판(612)을 형성함으로써 입자를 지속적으로 하부 방향으로 보내는 역할을 수행할 수 있다. 한편, 반응기 하부에 도달한 액체는 중심부에서 다시 상부로 돌아가는 힘을 받게 되어 상부로 솟구치게 되므로 상부에서 바깥 방향으로 재순환되는 움직임을 보이게 된다. 이러한 움직임은 기상과 액상의 접촉을 원활하게 하므로 반응을 촉진시킬 수 있다. 또한, 반응기 하부로는 교반의 영향을 받지 않도록 좁은 입구를 형성하여 하부 중앙에 모인 입자들을 침전부(614)를 이용하여 제거함으로써 수용액에서 입자의 농도를 최소화하는 동시에 한 곳에 모인 입자들간의 응집을 촉진시킬 수 있다.
또한, 상기 회수부(400)는 냉동고(440)를 포함할 수 있으며, 상기 냉동고에는 제1 응축부(410)의 열교환기(411, 414, 417), 수분 챔버(412, 415, 418); 제2 응축부(420)의 냉각기(423); 챔버(430)가 위치하여 냉각을 용이하게 수행할 수 있다.
또한, 본 발명은
발포 가스 발생부(200)에 포집 덮개(310); 상기 포집 덮개와 연결되어 발포 가스가 이동하는 연결관(320); 및 상기 연결관을 통해 이동하는 발포 가스를 보관하는 저장탱크(330)를 포함하는 포집부(300)를 설치하여 발포 공정 시 발생하는 발포 가스를 포집하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 포집된 발포 가스를 제1 응축부(410)로 유입시켜 수분을 제거하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 수분이 제거된 발포 가스를 제2 응축부(420)로 유입시켜 냉각 및 압축하는 단계(단계 3); 및
상기 단계 3에서 냉각 및 압축된 발포 가스를 회수하는 단계(단계 4)
를 포함하는 발포 가스 회수 장치를 이용한 발포 가스 회수 방법을 제공한다.
이하, 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치(100)를 이용한 발포 가스 회수 방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 본 발명에 따른 발포 가스 회수 방법에 있어서, 단계 1은 발포 가스 발생부에 포집 덮개; 상기 포집 덮개와 연결되어 발포 가스가 이동하는 연결관; 및 상기 연결관을 통해 이동하는 발포 가스를 보관하는 저장탱크를 포함하는 포집부를 설치하여 발포 공정 시 발생하는 발포 가스를 포집하는 단계이다.
상기 단계 1은 발포 가스 발생부에 설치된 포집부를 통해 발포 가스를 포집하는 단계로서, 상기 포집부(310)는 전술한 바와 같은 구성을 가지는 장치이다.
구체적인 일례로서, 상기 단계 1의 발포 가스는 발포제 성분을 포함하는 가스로, 주로 불화가스 계열인 탄소(C), 불소(F), 염소(Cl) 및 수소(H) 원자들로 구성되는 다양한 분자들을 포함한다. 일례로, 클로로플루오로카본(CFCs), 하이드로클로로플루오로카본(HCFCs), 하이드로플루오로카본(HFCs) 등을 포함할 수 있다. 발포 공정에서 사용되는 대표적인 가스로는 R-22, R-142b, R-141b, R134a 등(여기서, R은 냉매를 표시함)이 있다. 이와 더불어 발포 공정은 대기 중에서 수행되기 때문에 상기 발포 가스는 수분 및 불응축 가스인 공기를 더 포함할 수 있다. 이와 같이, 본 발명에서 회수하고자 하는 발포 가스는 발포 공정 시 발생하는 발포 가스로 다 종의 불화가스, 수분 및 공기 등의 혼합물이다. 이는, 온도가 높고 다 종의 불화가스가 혼합되어 있으며 수분과 더불어 불응축 가스인 공기 등이 혼합된 상태이므로 기존의 냉매 회수 장치를 사용할 수 없다. 이에, 본 발명에서는 본 발명에 따른 발포 가스 회수 장치(100)를 사용한다.
상기 단계 1의 발포 가스 발생부(200)는 발포 공정 중에 발포 가스가 발생하는 부분으로, 구체적인 일례로서 압출기(extruder)의 토출부일 수 있다. 일반적으로 압출기의 토출부는 상부판 및 하부판으로 이루어진 성형판과 연결되어 있으며, 성형판 일측 또는 양측면은 오픈되어 있다. 따라서, 성형판 양 측면으로 발포 가스가 배출되며, 본 발명에서는 이러한 발포 공정 중에 발생하는 발포 가스를 회수하고자 포집부로 발포 가스를 저장시킨다.
다음으로, 본 발명에 따른 발포 가스 회수 방법에 있어서, 단계 2는 상기 단계 1에서 포집된 발포 가스를 제1 응축부(410)로 유입시켜 수분을 제거하는 단계이다.
상기 단계 2에서는 상기 단계 1에서 포집된 발포 가스를 응축시켜 수분을 제거한다.
상기 단계 2의 제1 응축부(410)는 복수 단의 열교환기 및 수분 챔버를 포함하며, 복수 단의 열교환기를 통과시키면서 수분을 응축하고, 분리 배출하는 동시에 발포 가스도 냉각시킨다.
다음으로, 본 발명에 따른 발포 가스 회수 방법에 있어서, 단계 3은 상기 단계 2에서 수분이 제거된 발포 가스를 제2 응축부로 유입시켜 냉각 및 압축하는 단계이다.
상기 단계 3에서는 상기 단계 2에서 수분이 제거되고, 1 차적으로 냉각된 발포 가스를 제2 응축부(420)로 유입시켜 추가적인 냉각 및 압축을 수행한다.
상기 단계 3의 제2 응축부(420)는 압축기, 유분리기, 냉각기 등을 포함하며, 압축기 및 냉각기를 통해 유입된 발포 가스의 추가적인 냉각 및 압축을 수행할 수 있다.
다음으로, 본 발명에 따른 발포 가스 회수 방법에 있어서, 단계 4는 상기 단계 3에서 냉각 및 압축된 발포 가스를 회수하는 단계이다.
상기 단계 3에서 냉각 및 압축된 발포 가스는 챔버(430)로 모이게 되고, 상기 단계 4에서 이를 회수할 수 있다.
또한, 일례로, 상기 단계 4를 수행하고 난 후, 액상의 발포 가스는 회수하고 기상의 발포 가스를 흡착시키는 단계(단계 5)를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 4를 수행하고 난 후, 챔버(430)에 저장된 발포 가스 중 기상의 발포 가스에는 농도가 낮지만 일부 불화가스 성분을 포함할 수 있다. 이에, 이를 더욱더 낮은 농도로 배출하기 위하여 흡착 공정을 통해 추가적으로 불화가스 성분을 흡착시켜 배출한다. 상기 흡착은 활성 탄소 섬유 등과 같은 흡착 소재를 사용하여 수행될 수 있다.
나아가, 일례로, 상기 단계 4를 수행하고 난 후, 액상의 발포 가스는 회수하고 기상의 발포 가스를 분해시켜 플루오르 화합물을 처리하는 단계(단계 6)를 더 포함할 수 있다.
상기 단계 4를 수행하고 난 후, 챔버(430)에 저장된 발포 가스 중 기상의 발포 가스에는 농도가 낮지만 일부 불화가스 성분을 포함할 수 있다. 이에, 이를 더욱더 낮은 농도로 배출하기 위하여 분해 처리 공정을 수행할 수 있다.
상기 단계 6의 분해는 열 또는 촉매를 이용하여 수행될 수 있다.
또한, 일례로, 상기 단계 4를 수행하고 난 후, 액상의 발포 가스는 회수하고 기상의 발포 가스를 알칼리 용액으로 처리하여 플루오르 화합물을 처리하는 단계(단계 7)를 더 포함할 수 있다.
마찬가지로, 최종 발포 가스 배출 전 남아있는 불화가스를 처리하기 위하여 알칼리 용액으로 처리할 수 있다. 알칼리 용액이 포함된 고정화 처리부를 통해 불화가스 중 특히 하이드로젠 플루오라이드(HF)을 고체의 염으로 무해화시킬 수 있다.
또한, 일례로 상기 단계 5 내지 7을 순차적으로 수행할 수 있으나, 상기 기상의 발포 가스 처리 공정이 이에 제한되는 것은 아니다.
이하, 하기 실험예에 의하여 본 발명을 상세히 설명한다.
단, 하기 실험예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐 발명의 범위가 실험예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<
실험예
>
켈리브레이터에서
배출되는 발포 가스 회수 방법 시뮬레이션
발포체(Foam) 생산용량 900 kg/hr인 공정의 켈리브레이터(Calibrator)에서 배출되는 발포 가스를 회수하는 시뮬레이션을 수행하였다. 이때, 상기 켈리브레이터(Calibrator)는 용융된 수지와 발포제가 혼합 및 압축된 상태에서 성형판 사이로 토출되는 부분이다. 즉, 압축기의 토출부이다.
발포제 전체 사용량은 발포체 생산량의 13 %이고, 발포제로 R-22 및 R-142b를 60 : 40으로 혼합하여 사용하였다.
켈리브레이터에서는 투입된 발포제의 25 %가 배출되고, R-22 및 R-142b의 배출 비율은 투입 비율과 동일하다.
이때, 발포 가스 회수 장치(100)는 도 5에 나타낸 바와 같이, 발포 가스 발생부(200), 포집부(300), 회수부(400), 흡착부(500), 처리부(600)를 포함한다.
또한, 도 6에 나타낸 공정 순서와 같이 진행되며 도 6에 도시된 각 파트 (1) 내지 (11)에서의 물질 밸런스(mass balance)를 하기 표 1에 나타내었다.
1. 포집부로 포집되는 발포 가스 성분
1) 켈리브레이터에서 배출되는 발포제의 양
투입되는 발포제의 양은 다음과 같다. R-22는 811.5 mol/hr이며, R-142b는 467.0 mol/hr이다.
배출되는 발포제의 양은 다음과 같다. R-22는 202.8 mol/hr이며, R-142b는 116.7 mol/hr이다.
2) 유입되는 공기의 양
혼입되는 공기의 양을 최소화시키겠으나, 발포제의 양과 동일한 양의 공기가 혼입된다고 가정한다. 이 때, 공기의 온도는 20 ℃로 고정하였다. 공기는 319.5 mol/hr이다.
2. 회수부로 회수되는 발포 가스 성분
제1 응축기 및 제2 응축기의 응축 효율은 90 %이고, 발포제 종류별 응축효율 차이는 없는 것으로 가정한다. 흡착부를 거쳐 흡착 재생된 가스는 100 % 응축이 되는 것으로 가정한다.
이 때, 응축되어 제1 챔버(431)로부터 액상으로 회수되는 발포 가스는 다음과 같다. R-22는 182.5 mol/hr이고, R-142b는 105.0 mol/hr이다.
응축되지 않은 발포제의 양은 다음과 같다. R-22는 20.2 mol/hr이고, R-142b는 11.6 mol/hr이다.
흡착부를 거쳐 흡착 재생됨으로써 최종적으로 응축되어 회수된 발포 가스는 다음과 같다. R-22는 200.6 mol/hr이고, R-142b는 116.6 mol/hr이다.
이후, 흡착부를 통과하여 처리부(촉매 분해 처리부 및 고정화 처리부)로 유입되는 발포 가스는 다음과 같다. R-22는 2.0 mol/hr이고, R-142b는 0.1 mol/hr이다.
3. 촉매 분해 처리
흡착부에서 회수되지 않은 발포제는 촉매 분해 처리부로 이동하며, 촉매 분해 처리부로 이동한 발포제의 양은 다음과 같다. R-22는 2.0 mol/hr이고, R-142b는 1.1 mol/hr이다.
촉매 분해 처리는 하기 반응식 (1) 및 반응식 (2)와 같이 진행된다. R-22는 물(H2O)이 공존하는 분위기에서 반응이 촉진되지만, R-142b는 물이 있을 경우 당량이 맞지 않으므로 물이 없는 상황에서 반응이 진행된다. 반응에 필요한 산소(O2)는 촉매 분해 처리부에 유입되는 가스에 포함되어 있으며 물은 필요한 만큼 추가로 공급하는 것으로 가정하였다. 촉매 분해 처리부의 처리 효율은 90 %로 가정한다.
<반응식 1>
R-22 : CHClF2 + ½O2 + H2O → CO2 + 2 HF + HCl (1)
<반응식 2>
R-142b : CH3CClF2 + 2 O2 → 2 CO2 + 2 HF + HCl (2)
촉매 처리부에서 분해되는 발포제의 양은 다음과 같다. R-22는 1.8 mol/hr이고, R-142b는 1.0 mol/hr이다.
촉매 처리부에서의 촉매 반응을 통해 생성되는 물질은 다음과 같다. 하이드로젠 플루오라이드(HF)는 5.6 mol/hr이고, 하이드로젠 클로라이드(HCl)는 2.8 mol/hr이고, 이산화탄소(CO2)는 3.8 mol/hr이다.
이에 따라, 촉매 처리부에서 처리되지 않은 발포제의 양은 다음과 같다. R-22는 0.2 mol/hr이고, R-142b는 0.1 mol/hr이다.
3. 고정화 처리
촉매 처리부에서 배출되는 가스로부터 하이드로젠 플루오라이드(HF) 및 하이드로젠 클로라이드(HCl)은 고정화 처리를 통해 제거한다. 고정화 처리를 위해 투입되는 알칼리 용액을 칼슘 하이드라이드(Ca(OH)2)로 가정하였을 때 양은 4.2 mol/hr이다.
고정화 처리 후 최종 배출되는 기체에서 발포제의 양은 다음과 같다. R-22는 0.2 mol/hr이고, R-142b는 0.1 mol/hr이며, 고체로 배출되는 염의 양은 4.2 mol/hr이다.
| (1) | (2) | (3) | (4) | (5) | (6) | (7) | (8) | (9) | (10) | (11) | |
| R-22 (mol/hr) | 202.8 | - | 202.8 | 20.2 | 200.6 | 18.1 | 2.0 | 0.2 | - | 0.2 | - |
| R-142b (mol/hr) | 116.7 | - | 116.7 | 11.6 | 116.6 | 10.4 | 1.1 | 0.1 | - | 0.1 | - |
| Air (mol/hr) | - | 319.5 | 319.5 | 319.5 | - | - | 319.5 | 317.2 | - | 317.2 | - |
| HF (mol/hr) | - | - | - | - | - | - | - | 5.6 | - | - | - |
| HCl (mol/hr) | - | - | - | - | - | - | - | 2.8 | - | - | - |
| CO2 (mol/hr) | - | - | - | - | - | - | - | 3.8 | - | 3.8 | - |
| Ca(OH)2 (mol/hr) | - | - | - | - | - | - | - | - | 4.2 | - | - |
| CaF2 (mol/hr) | - | - | - | - | - | - | - | - | - | - | 4.2 |
| Temp (℃) | 50 | 20 | 35 | -40 | -40 | 50 | 50 | 500 | 20 | 20 | 20 |
| Press (atm) | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 10 | 10 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 | 1.0 |
본 발명에 따른 발포 공정에서 발생하는 발포 가스를 회수하는 장치 및 이를 통해 발포 가스를 회수하는 방법은 발포 공정, 특히 발포 공정 시 사용되는 압출기의 토출부에서 발생하는 발포 가스를 회수함으로써, 발포 공정에서 발생하는 발포 가스의 대기 중으로의 배출을 원천적으로 봉쇄할 수 있는 효과가 있다. 또한, 회수한 발포 가스를 재사용할 수 있어 경제적인 효과가 있다.
100 : 발포 가스 회수 장치 200 : 발포 가스 발생부
300 : 포집부 310 : 포집 덮개
311 : 접착부 312 : 포집공
313 : 투시창 320 : 연결관
330 : 저장탱크 340 : 진공 펌프
350 : 밸브 400 : 회수부
410 : 제1 응축부 411 : 제1 열교환기
412 : 제1 수분 챔버 413 : 제1 수분 배출구
414 : 제2 열교환기 415 : 제2 수분 챔버
416 : 제2 수분 배출구 417 : 제3 열교환기
418 : 제3 수분 챔버 419 : 제3 수분 배출구
420 : 제2 응축부 421 : 압축기
422 : 유분리기 423 : 냉각기
424 : 제1 냉각펜 425 : 제2 냉각펜
426 : 쏠밸브 430 : 챔버
431 : 제1 챔버 432 : 제2 챔버
433 : 제1 배출구 434 : 제2 배출구
440 : 냉동고 500 : 흡착부
600 : 처리부 610 : 고정화 처리부
611 : 고정화 반응기 612 : 방해판
613 : 교반기 614 : 침전부
300 : 포집부 310 : 포집 덮개
311 : 접착부 312 : 포집공
313 : 투시창 320 : 연결관
330 : 저장탱크 340 : 진공 펌프
350 : 밸브 400 : 회수부
410 : 제1 응축부 411 : 제1 열교환기
412 : 제1 수분 챔버 413 : 제1 수분 배출구
414 : 제2 열교환기 415 : 제2 수분 챔버
416 : 제2 수분 배출구 417 : 제3 열교환기
418 : 제3 수분 챔버 419 : 제3 수분 배출구
420 : 제2 응축부 421 : 압축기
422 : 유분리기 423 : 냉각기
424 : 제1 냉각펜 425 : 제2 냉각펜
426 : 쏠밸브 430 : 챔버
431 : 제1 챔버 432 : 제2 챔버
433 : 제1 배출구 434 : 제2 배출구
440 : 냉동고 500 : 흡착부
600 : 처리부 610 : 고정화 처리부
611 : 고정화 반응기 612 : 방해판
613 : 교반기 614 : 침전부
Claims (15)
- 발포 공정에서 발생하는 발포 가스의 회수 장치로,
상부판 및 하부판으로 구성되어 적어도 일측면이 열린 구조를 갖는 성형판과 연결된 압출기의 토출부인 발포 가스 발생부의 열린 구조를 갖는 측면을 밀폐하는 포집 덮개이며, 상기 포집 덮개는 적어도 일측면에 적어도 하나 이상의 포집공을 포함하고, 상기 포집공은 높이 방향으로 적어도 3 단 이상의 복수 단에 걸쳐 나누어 배치되며, 상기 포집공은 서로 엇갈리게 배열된 포집 덮개;
상기 포집 덮개의 포집공과 연결되어 발포 가스가 이동하는 연결관; 및
상기 연결관을 통해 이동하는 발포 가스를 보관하는 저장탱크를 포함하는 포집부;
상기 저장탱크와 연결되고, 상기 저장탱크로부터 유입되는 발포 가스를 냉각하여 발포 가스 내 수분을 제거하는 제1 응축부;
상기 제1 응축부와 연결되고, 유입되는 발포 가스를 압축 및 냉각하는 제2 응축부; 및
상기 제2 응축부로부터 유입되는 발포 가스를 저장하는 챔버를 포함하는 회수부;
상기 회수부의 챔버와 연결되고, 상기 챔버에서 배출되는 발포 가스를 흡착하는 흡착부; 및
상기 흡착부와 연결되고, 상기 흡착부에서 배출되는 발포 가스 성분을 분해하여 처리하는 처리부;를 포함하고,
상기 처리부는 열 분해 처리부 또는 촉매 분해 처리부를 통해 발포 가스를 열 분해 또는 촉매 분해한 후, 고정화 처리부를 통해 무해화시키는 것이며,
상기 고정화 처리부는,
소정의 각도로 경사진 구조의 콘 형태이며, 하부 방향으로 좁아지는 경사진 구조를 형성하는 고정화 반응기; 상기 고정화 반응기 내부 벽면에 형성된 빗면 형태의 방해판; 교반기; 및 상기 고정화 반응기 하부에 형성된 침전부;를 포함하는 발포 가스 회수 장치.
- 삭제
- ◈청구항 3은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제1항에 있어서,
상기 포집 덮개와 저장탱크를 연결하는 연결관은 진공 펌프를 포함하는 발포 가스 회수 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제1 응축부는 수분을 응축시키기 위한 열교환기; 및 상기 열교환기를 통해 응축된 수분을 회수하기 위한 수분 챔버를 포함하는 발포 가스 회수 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 제2 응축부는 유입되는 발포 가스의 압력을 조절하기 위한 압축기; 발포 가스 내 오일 성분을 분리하기 위한 유분리기; 및 발포 가스를 냉각하는 냉각기를 포함하는 발포 가스 회수 장치.
- 제1항에 있어서,
상기 챔버는 응축된 액상의 발포 가스가 저장되는 제1 챔버; 및 불응축 가스를 포함하는 발포 가스가 저장되는 제2 챔버를 포함하는 발포 가스 회수 장치.
- 삭제
- 삭제
- 삭제
- 상부판 및 하부판으로 구성되어 적어도 일측면이 열린 구조를 갖는 성형판과 연결된 압출기의 토출부인 발포 가스 발생부에, 열린 구조를 갖는 측면을 밀폐하는 포집 덮개이며, 상기 포집 덮개는 적어도 일측면에 적어도 하나 이상의 포집공을 포함하고, 상기 포집공은 높이 방향으로 적어도 3 단 이상의 복수 단에 걸쳐 나누어 배치되며, 상기 포집공은 서로 엇갈리게 배열된 포집 덮개; 상기 포집 덮개의 포집공과 연결되어 발포 가스가 이동하는 연결관; 및 상기 연결관을 통해 이동하는 발포 가스를 보관하는 저장탱크를 포함하는 포집부를 설치하여 발포 공정 시 발생하는 발포 가스를 포집하는 단계(단계 1);
상기 단계 1에서 포집된 발포 가스를 제1 응축부로 유입시켜 수분을 제거하는 단계(단계 2);
상기 단계 2에서 수분이 제거된 발포 가스를 제2 응축부로 유입시켜 냉각 및 압축하는 단계(단계 3);
상기 단계 3에서 냉각 및 압축된 발포 가스를 회수하는 단계(단계 4);
상기 단계 4를 수행하고 난 후, 액상의 발포 가스는 회수하고 기상의 발포 가스를 흡착부에서 흡착시키는 단계(단계 5);
상기 단계 5를 수행하고 난 후, 기상의 발포 가스를 열 분해 처리부 또는 촉매 분해 처리부에서 열 분해 또는 촉매 분해한 후, 고정화 처리부를 통해 고체의 염으로 무해화시키는 단계(단계 6);를 포함하는 제1항의 발포 가스 회수 장치를 이용한 발포 가스 회수 방법.
- ◈청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.◈제10항에 있어서,
상기 단계 1의 발포 가스는 클로로플루오로카본(CFCs), 하이드로클로로플루오로카본(HCFCs) 및 하이드로플루오로카본(HFCs)으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1 종 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 발포 가스 회수 방법.
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| KR1020180022720A KR102029258B1 (ko) | 2018-02-26 | 2018-02-26 | 발포 공정에서 배출되는 발포 가스 회수 장치 및 방법 |
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| KR (1) | KR102029258B1 (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210120260A (ko) * | 2020-03-26 | 2021-10-07 | 황성민 | 압출 방식을 이용한 펠릿 성형 장치 |
Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR200149945Y1 (ko) * | 1993-12-28 | 1999-06-15 | 정몽규 | 진공주형기의 수지가스 배출장치 |
Family Cites Families (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2679562B2 (ja) * | 1992-12-16 | 1997-11-19 | 株式会社日立製作所 | 断熱材中の発泡ガスの回収方法及び回収装置 |
| JPH08215566A (ja) * | 1995-02-15 | 1996-08-27 | Hitachi Ltd | フロンの分解処理方法 |
-
2018
- 2018-02-26 KR KR1020180022720A patent/KR102029258B1/ko active IP Right Grant
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR20210120260A (ko) * | 2020-03-26 | 2021-10-07 | 황성민 | 압출 방식을 이용한 펠릿 성형 장치 |
| KR102320373B1 (ko) * | 2020-03-26 | 2021-11-01 | 황성민 | 압출 방식을 이용한 펠릿 성형 장치 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| KR20190102396A (ko) | 2019-09-04 |
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