KR102319532B1

KR102319532B1 - 고온 증류용 박막 증류 장치

Info

Publication number: KR102319532B1
Application number: KR1020200048283A
Authority: KR
Inventors: 김성우; 장진성
Original assignee: 주식회사 와이에스에이치
Priority date: 2020-04-21
Filing date: 2020-04-21
Publication date: 2021-11-01
Also published as: KR20210130026A

Abstract

본 발명은 상단에 액상 원료가 유입되는 원료 유입구를 포함하며, 내측 중앙에 회전축이 설치되는 원통 형상의 하우징(10); 상기 하우징 내부를 가열시키는 히터(20); 상기 회전축을 축회전시키도록 구동력을 발생시키는 구동모터(30); 상기 하우징 내부에 설치되어 상기 하우징으로 유입된 액상 원료를 상기 하우징 내주면 방향으로 분배 이송시키는 분배판(40); 및 상기 하우징 내부에 설치되어 상기 회전축에 대응되게 회전하면서 상기 하우징 내주면을 따라 흘러내리는 상기 액상 원료를 박막으로 형성시키는 스크래퍼 어셈블리(50);를 포함하는 박막 증류 장치로서, 고점도인 액상 원료를 고온에서 박막 증류하여 높은 끓는점을 갖는 액상 증류물을 얻는데 적합하게 사용될 수 있다.

Description

고온 증류용 박막 증류 장치{Thin film evaporator for high temperature evaporation}

본 발명은 고온 증류가 가능한 박막 증류 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 석유 찌꺼기로부터 탄소섬유용 피치 제조에 특히 적합하게 사용할 수 있는 고온 증류용 박막 증류 장치에 관한 것이다.

여기서는, 본 개시에 관한 배경기술이 제공되며, 이들이 반드시 공지기술을 의미하는 것은 아니다.

박막 증류 장치는 식품, 의약, 화학 등 다양한 산업분야에서 사용되는 것이다. 본 발명의 박막 증류 장치는 액상원료를 정제 또는 농축하는 등 다양한 목적으로 사용될 수 있다.

박막 증류 장치도 여러 방식이 있지만 본 발명은 특히 직립 설치된 하우징 내벽을 타고 흘러내리도록 액상원료를 공급하면서, 상기 내벽을 스크래핑하여 액상원료를 얇게 펼침으로써 증발이 용이하게 일어나도록 하는 방식의 박막 증류 장치에 관한 것이다.

종래 박막 증류 장치의 기본적인 구조가 도 6에 개략적으로 도시된다. 직립 설치되는 기다란 원통형 하우징(100) 상부에 구동모터(140)가 설치되고, 이 구동모터(140)는 하우징(100) 내부에 설치되는 스크래퍼 어셈블리(101)를 회전 구동시킨다.

스크래퍼 어셈블리(101)는 수직축을 중심으로 회전하면서 하우징의 내벽(100a)에 거의 밀착하여 내벽을 타고 흐르는 액체를 내벽 전체에 고르게 분산시킴으로써 막을 형성하는 기구이다.

이러한 작용을 위해 종래 스크래퍼 어셈블리(101)는 상기 구동모터(140)에 의해 회전되는 중심회전축(103)과 날이 내벽(100a)을 향해 구비되는 다수의 패들(104) 및 패들(104)의 끝단에 구비되는 스크래퍼(102)를 포함하고 있다.

그런데 상기 스크래퍼 어셈블리는 점도가 높은 액상원료를 박막 증류하는 경우 상기 하우징의 내주면에 쌓이는 이물질에 의해 내구성이 현저하게 떨어지고 액상 원료가 스크래퍼 상에서 굳는 현상이 발생하여 스크래퍼와 하우징 내벽 사이에 박막을 형성하기가 어렵고 스크래퍼(102)와 하우징 내벽(100a)과의 간격이 일정하지 않게 된다. 그 결과 막의 두께가 일정하지 않게 되며 따라서 증발도 불균일하게 이루어지게 된다. 이는 제품의 품질을 떨어뜨리며 작업속도가 늦춰지게 하거나 심지어 제품을 사용 불가능하게 하기도 한다.

또한 상기 액상 원료로부터 끓는점이 300℃ 이상으로 높은 액상 증류물을 얻기 위해서는 박막 증류 장치를 약 400℃ 정도의 고온으로 작동하여야 하는데, 이러한 고온 운전 조건을 견딜 수 있는 베어링 등의 부품을 사용하려면 제조 단가가 상승하는 문제점이 있으며, 장치의 사용횟수가 증가함으로써 내구성이 현저하게 떨어지는 문제가 있다.

한편, 탄소재료는 탄소의 함량이 95% 이상인 재료를 지칭하는 것으로, 탄소가 갖는 다양한 성질을 응용한 여러 가지 용도의 소재가 개발 및 생산되고 있다. 탄소재료의 원료로는 모든 탄소화합물이 원칙적으로 가능하지만, 보통은 최종 제품의 요구 물성과 제조비용에 따라 적당한 원료가 선택된다.

특히 탄소재료용 원료 및 중간 물질(precursor)인 피치는 일반적으로 석유계 혹은 석탄계 타르 또는 중질 잔사유를 증류, 열처리 또는 화학 반응시켜 제조할 수 있다. 피치의 대표적인 제조 방법으로는 고온 열중합법, 진공 가열 증발법 등이 있으며, 이들 반응 공정에서는 열에너지 공급에 의해 원료 타르 및 잔사유 구성 물질 중 경질 성분이 분해 및 휘발되거나, 열분해, 중축합 등에 의해 분자량이 증가하고 폴리시클릭(poly cyclic) 화합물 형태인 피치가 제조된다.

그러나 일반적으로 피치를 제조하는 이와 같은 공정은 시간과 에너지 소모가 매우 크고, 대규모의 설비가 요구되는 상압 혹은 감압 증류 공정, 배치(batch)식의 상압 혹은 가압 고열 반응 공정 등을 수반함에 따라, 소규모의 경제적인 연속 제조 공정을 확보하기가 어려운 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 고점도인 액상 원료를 고온에서 박막 증류하여 높은 끓는점을 갖는 액상 증류물을 얻을 있는 박막 증류 장치를 제공하여 특히 석유 찌꺼기(액상 원료)로부터 탄소섬유용 피치를 얻는데 적합하게 사용될 수 있는 고온 증류용 박막 증류 장치를 제공하고자 한다.

그러나 본 발명의 목적들은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 상단에 액상 원료가 유입되는 원료 유입구를 포함하며, 내측 중앙에 회전축이 설치되는 원통 형상의 하우징(10); 상기 하우징 내부를 가열시키는 히터(20); 상기 회전축을 축회전시키도록 구동력을 발생시키는 구동모터(30); 상기 하우징 내부에 설치되어 상기 하우징으로 유입된 액상 원료를 상기 하우징 내주면 방향으로 분배 이송시키는 분배판(40); 및 상기 하우징 내부에 설치되어 상기 회전축에 대응되게 회전하면서 상기 하우징 내주면을 따라 흘러내리는 상기 액상 원료를 박막으로 형성시키는 스크래퍼 어셈블리(50);를 포함하는 박막 증류 장치를 제공한다.

제1 실시예에 따른 상기 스크래퍼 어셈블리(50)는 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비된 비탄성 스크래퍼(51) 및 상기 하우징 내주면에 접하게 구비된 탄성 스크래퍼(52)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 제1 실시예에 따른 상기 스크래퍼 어셈블리(50)는, 상기 회전축(31)의 외주면을 감싸며 상기 회전축(31)에 대응되게 회전하는 중심축(511) 및 상기 중심축으로부터 연장되고, 상기 중심축과 평행한 면을 가지며 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비되는 복수의 비탄성 블레이드(512)를 포함하는 비탄성 스크래퍼(51); 및 상기 블레이드의 면에 결합 설치되어 상기 하우징 내주면과 접하게 구비되는 복수의 탄성 블레이드(521)를 포함하는 탄성 스크래퍼(52);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 탄성 블레이드(521)는 상기 비탄성 블레이드(512)와 평행한 면 형상으로서 상기 탄성 블레이드(521)의 상기 하우징 내주면에 접하는 끝단면은 곡률을 갖도록 구부러져 상기 하우징(10)의 내주면과 상기 탄성 블레이드(521)의 끝단면의 곡률을 갖는 부분이 접하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 박막 증류 장치.

또한 상기 탄성 블레이드(521)는 합금 소재로 형성되며, 상기 합금 소재는 인청동(phosphor bronze)을 포함하는 것을 특징으로 한다.

제2 실시예에 따른 스크래퍼 어셈블리(50)는 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비된 비탄성 스크래퍼(51) 및 상기 하우징 내주면에 접하게 구비된 롤러 스크래퍼(53)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 롤러 스크래퍼(53)는 상기 비탄성 블레이드(512)의 끝단에 결합 설치되어 상기 하우징 내주면과 접하게 구비되는 복수의 롤러(531)를 포함하고, 상기 비탄성 블레이드(512)의 끝단에는 상기 롤러(531)가 결합 설치되기 위한 롤러축(532)이 구비되는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 롤러(531)는 알루미늄(Aluminium) 등 금속 소재를 이용하여 형성되며, 상기 롤러축(532)는 철(Iron) 등 금속 소재를 이용하여 형성되고, 상기 롤러(531)와 롤러축(532)을 지지하기 위하여 사용되는 베어링(미도시)은 세라믹 소재를 이용하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 박막 증류 장치는 고점도인 액상 원료를 고온에서 박막 증류하여 높은 끓는점을 갖는 액상 증류물을 얻을 있는 박막 증류 장치를 제공하여 특히 석유 찌꺼기(액상 원료)로부터 탄소섬유용 피치를 얻는데 적합하게 사용될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증류 장치의 종단면도를 나타낸 것이다.
도 2 및 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스크래퍼 어셈블리의 사시도 및 횡단면도를 나타낸 것이다.
도 4 및 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 상기 스크래퍼 어셈블리의 사시도 및 횡단면도를 나타낸 것이다.
도 6은 종래의 스크래퍼 어셈블리의 횡단면도를 나타낸 것이다.

본 명세서에 사용되는 모든 기술용어 및 과학용어는 다른 언급이 없는 한은 기술적으로 통상의 기술을 가진 자에게 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한 본 명세서 및 청구범위의 전반에 걸쳐, 다른 언급이 없는 한 포함(comprise, comprises, comprising)이라는 용어는 언급된 물건, 단계 또는 일군의 물건, 및 단계를 포함하는 것을 의미하고, 임의의 어떤 다른 물건, 단계 또는 일군의 물건 또는 일군의 단계를 배제하는 의미로 사용된 것은 아니다.

이하에 본 발명을 상세하게 설명하기에 앞서, 본 명세서에 사용된 용어는 특정의 실시예를 기술하기 위한 것일 뿐 첨부하는 특허청구의 범위에 의해서만 한정되는 본 발명의 범위를 한정하려는 것은 아님을 이해하여야 한다.

한편, 본 발명의 여러 가지 실시예들은 명확한 반대의 지적이 없는 한 그 외의 어떤 다른 실시예들과 결합될 수 있다. 특히 바람직하거나 유리하다고 지시하는 어떤 특징도 바람직하거나 유리하다고 지시한 그 외의 어떤 특징 및 특징들과 결합될 수 있다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예 및 이에 따른 효과를 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 박막 증류 장치의 종단면도이고, 도 2 및 3은 본 발명의 제1 실시예에 따른 스크래퍼 어셈블리의 사시도 및 횡단면도이며, 도 4 및 5는 본 발명의 제2 실시예에 따른 상기 스크래퍼 어셈블리의 사시도 및 횡단면도를 나타내었다. 본 발명에 따른 박막 증류 장치는 하우징(10), 히터(20), 구동모터(30), 분배판(40) 및 스크래퍼 어셈블리(50)를 포함하여 구성된다.

더욱 구체적으로 도 1을 참조하면, 상단 일측에는 외부에서 액상 원료가 공급되도록 원료 유입구가 형성되고, 내측 중앙에는 회전축이 회전 가능하게 설치되는 원통 형상의 하우징(10); 상기 하우징의 외주면 일측에 결합 설치되어, 상기 하우징 내부를 가열시키는 히터(20); 상기 회전축의 상단과 연결 설치되어, 상기 회전축을 축회전시키도록 구동력을 발생시키는 구동모터(30); 상기 원료 유입구의 하단에 위치하는 상기 회전축의 일측에 결합 설치되며, 상기 회전축에 대응되게 회전하면서 상기 원료 유입구를 통해 공급되는 상기 액상 원료를 원심력에 의해 상기 하우징 내주면 방향으로 분배 이송시키는 분배판(40); 및 상기 분배판의 하단에 위치하는 상기 회전축의 일측에 결합 설치되며, 상기 회전축에 대응되게 회전하면서 상기 하우징 내주면을 따라 흘러내리는 상기 액상 원료를 박막으로 형성시키는 스크래퍼 어셈블리(50);를 포함한다.

이 때, 제1 실시예에 따른 스크래퍼 어셈블리(50a)는 도 2 및 도 3에 나타낸 것과 같이 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비된 비탄성 스크래퍼(51) 및 상기 하우징 내주면에 접하게 구비된 탄성 스크래퍼(52)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

한편, 제2 실시예에 따른 스크래퍼 어셈블리(50b)는 도 4 및 도 5에 나타낸 것과 같이 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비된 비탄성 스크래퍼(51) 및 상기 하우징 내주면에 접하게 구비된 롤러 스크래퍼(53)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 각 구성에 대하여 더욱 구체적으로 설명한다.

상기 하우징(10)은 액상 원료의 증발이 이루어지는 상부 및 하부를 밀폐시킨 원통 형상 부재이다. 상기 하우징(10)은 외부의 진공펌프(미도시)와 연결라인을 통해 연결되어 내부는 진공 상태로 유지되며, 상기 액상 원료의 증류는 진공 상태에서 수행된다.

상기 하우징(10)의 상단 일측에는 외부에서 액상 원료를 상기 하우징(10) 내부로 공급 이송되게 할 수 있도록 원료 유입구(11)가 형성된다. 이때, 상기 원료 유입구(11)를 통해 공급 이송되는 액상 원료는 외부의 저장탱크(미도시)에 저장되며, 상기 저장탱크에서 상기 하우징(10)으로의 이송은 상기 하우징(10) 내부가 진공 상태가 될 경우, 진공 압력에 의해 상기 저장탱크 내 액상 원료가 상기 하우징(10) 내부로 흡입 이송하게 된다.

또한 상기 하우징(10)의 일 측에는 상기 원료 유입구(11)를 통해 하우징(10) 내부로 유입된 액상 원료가 상기 히터(20)의 가열에 의해 증발되면서 변환된 기체인 기상 증류물을 상기 하우징(10) 외부로 배출 이송되게 할 수 있도록 기체 배출구(12)가 형성된다. 상기 기체 배출구(12)는 하우징의 상단, 중단 또는 하단 어디에든 설치될 수 있지만 도 1에 나타낸 것과 같이 상단에 설치되거나 분배판(40)과 스크래퍼 어셈블리(50) 사이의 중단에 설치되는 것이 배출되는 액상 증류물과 중복해서 빠져나가는 것을 방지할 수 있어 바람직하다.

이 때, 상기 기체 배출구(12)와 연결되는 연결라인에 상기 진공펌프(미도시)를 연결하여 증발된 기상 증류물을 외부로 배출 이송되게 하면서 하우징 내부를 진공 상태로 유지할 수 있다.

또한, 상기 하우징(10)의 내측 중앙에는 수직하게 배치된 회전축(31)이 회전 가능하게 연결 설치된다. 상기 회전축(31)은 상기 구동모터(30)로부터 회전 구동력을 전달받아 축회전하면서, 상기 분배판(40), 스크래퍼 어셈블리(50)가 상기 하우징(10) 내부에서 회전할 수 있게 한다.

또한, 상기 하우징(10)의 상기 기체 배출구(12)와 연결되는 연결라인에 응축기(미도시)를 더 구비할 수 있다. 상기 응축기는 상기 하우징(10) 내부에서 변환된 상기 기체를 다시 응축시켜 액상의 증류액으로 변환시킨다.

또한, 상기 하우징(10)의 하단 일측에는 상기 히터(20)의 가열에도 증발되지 않은 액체인 액상 증류물을 상기 하우징(10) 외부로 배출 이송되게 할 수 있도록 액체 배출구(13)가 형성된다.

상기 히터(20)는 상기 원료 유입구(11)를 통해 상기 하우징(10) 내부로 공급되는 상기 액상 원료를 가열하여 기상 증류물과 액상 증류물로 분류되게 한다. 즉, 상기 히터(20)는 상기 하우징(10) 외측에 결합 설치된 상태로 상기 하우징(10) 내부를 가열한다. 본 발명에 따른 박막 증류 장치는 고온 증류에 적합한 구조를 갖는 박막 증류 장치로써, 상기 히터(20)는 350℃ 이상, 바람직하게는 400℃ 이상으로 가열이 가능한 장치를 사용할 수 있다.

상기 히터(20)는 하우징(10) 내부를 가열 가능한 형태라면 전기히터에 의한 직접가열 방식이나 열매체에 의한 간접가열 방식 등 제한되지 않고 사용할 수 있으나, 상기 히터(20)는 열매체를 이용하여 열매체의 온도를 높여 상기 하우징(10)을 간접 가열하면서 고온을 유지하는 것이 좋다. 직접 전기 히터를 이용하여 가열하는 방식 보다 열매체의 온도를 높이고 이를 하우징을 통해 간접 가열 방식이 열량을 유지하고 박막 효율을 보다 높일 수 있어 바람직하고, 열매체로는 몰튼 솔트(molten salt)를 사용하는 것이 좋다.

상기 구동모터(30)는 상기 하우징(10) 내측에 설치된 상기 회전축(31)을 축회전시키도록 구동력을 발생시킨다. 이러한, 상기 구동모터(30)는 축 부분을 상기 회전축(31)의 상단과 연결할 수 있도록 상기 하우징(10) 상단 일측에 결합 설치하나, 상기 하우징(10)에 결합 설치하지 않은 상태에서 회전력을 전달하는 링크부재를 통해 상기 회전축(31)으로 회전력을 전달할 수 있게 설치할 수도 있음은 물론이다. 여기서, 상기 구동모터(30)의 축과 상기 회전축(31) 사이에는 감속기를 설치할 수도 있다. 이와 같이, 상기 구동모터(30)는 상기 회전축(31)을 축회전시킴으로서, 상기 분배판(40)과 스크래퍼 어셈플리(50)가 상기 하우징(10) 내부에서 회전할 수 있게 된다.

상기 분배판(40)은 상기 회전축(31)의 회전에 대응되게 회전하면서, 상기 유입구(11)를 통해 유입되는 액상 원료를 얇은 박막 상태로 하우징(10)의 내주면에 흘러내리게 하여, 상기 히터(20)에 의한 증발이 이루어지기 이전에 1차 증발이 이루어지게 한다.

상기 분배판(40)은 원판 형상을 가지는 상태로 상기 하우징(10) 내에 설치되며, 상기 회전축(31)의 상단 일측에 결합 설치된다. 이때 상기 분배판(40)의 중심으로 상기 회전축(31)를 관통시킨 상태로 상호 결합되어 상기 회전축(31)의 회전에 대응되게 상기 분배판(40)도 회전하게 된다.

또한 상기 분배판(40)은 회전축(31)에서 멀어질수록 하방으로 경사지도록 형성된다. 즉 상단 방향으로 볼록한 형상을 가지도록 형성되어, 상기 분배판(40) 상면에 액상 원료가 공급된 상태에서 회전되는 경우 원심력 및 중력에 의해 회전 속도가 빠르지 않더라도 얇은 박막 상태로 하우징(10) 내주면으로 흘러내리게 할 수 있다.

이와 같이, 상기 분배판(40)은 상기 회전축(31)의 회전에 대응되게 회전하면서 상면에 공급되는 상기 액상 원료를 얇은 박막으로 형성되게 하고, 박막으로 형성된 상기 액상 원료는 작은 열에도 쉽게 증발하며, 특히 진공인 상기 하우징(10) 내부에서 증발이 보다 원활하게 이루어지게 한다.

이때, 상기 분배판(40)의 외측 테두리 단부, 즉 상기 하우징(10) 내주면에 대향되는 면부는 상기 하우징(10) 내주면과 근접하도록 배치된다. 여기서, 상기 분배판(40)의 외측 테두리 단부와 상기 하우징(100) 내주면 사이는 1 내지 3mm 이격되도록 형성된다. 따라서, 상기 분배판(40) 상면에서 상기 액상 원료의 박막 증발이 1차적으로 이루어지고, 나머지 증발되지 않은 액상 원료는 원심력 및 중력에 의하여 상기 분배판(40)의 외측 테두리 단부로 이동하여 상기 하우징(10)의 내주면을 따라 하방으로 흘러내리게 된다.

상기 스크래퍼 어셈블리(50)는 상기 하우징 내부에 설치되어 상기 회전축에 대응되게 회전하면서 상기 분배판(40)으로부터 상기 하우징 내주면을 따라 흘러내리는 상기 액상 원료를 상기 하우징(10) 내주면에 박막으로 형성되게 한다.

제1 실시예에 따른 스크래퍼 어셈블리(50)는 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비된 비탄성 스크래퍼(51) 및 상기 하우징 내주면에 접하게 구비된 탄성 스크래퍼(52)를 포함한다.

더욱 구체적으로, 상기 제1 실시예에 따른 스크래퍼 어셈블리(50)는 상기 회전축(31)의 외주면을 감싸며 상기 회전축(31)에 대응되게 회전하는 중심축(511) 및 상기 중심축으로부터 연장되고, 상기 중심축과 평행한 면을 가지며 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비되는 복수의 비탄성 블레이드(512)를 포함하는 비탄성 스크래퍼(51) 및 상기 블레이드의 면에 결합 설치되어 상기 하우징 내주면과 접하게 구비되는 복수의 탄성 블레이드(521)를 포함하는 탄성 스크래퍼(52)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 스크래퍼 어셈블리(50)가 회전하면 상기 스크래퍼 어셈블리(50)의 블레이드들(512, 521)과 상기 하우징(10)의 내주면 사이를 통과하는 상기 액상 원료는 강제적인 박막 상태로 흘러내리게 되고, 진공상태에서 2차 증발이 활발하게 일어나게 된다.

이와 같이, 본 발명에 따른 박막 증류 장치는 상기 하우징(10) 내부로 유입된 액상 원료가 상기 분배판(40)의 상면에서 원심력 및 중력에 의해 박막으로 형성되면서 1차 증발이 이루어지고, 상기 스크래퍼 어셈블리(50)와 상기 하우징(10) 내주면 사이를 통과하는 나머지 액상 원료가 박막으로 형성되면서 2차 증발이 이루어짐으로써 증발 효율이 급격하게 증가한다.

상기 제1 실시예에 따른 스크래퍼 어셈블리(50)는 상기 회전축(31)에 대응하여 회전하면서 철(Iron) 등의 금속 소재로 형성되어 비탄성 특성을 갖는 비탄성 블레이드(512)에 의해 1차적으로 하우징(10)의 내주면에 박막을 형성하게 한다. 상기 비탄성 블레이드(512)의 끝단은 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비되는데, 더욱 구체적으로 상기 하우징(10)의 내주면과 0.5mm 내지 2mm 이격되도록 구비된다. 이격거리 및 범위가 넓기 때문에 가공비를 절감할 수 있다.

상기 비탄성 블레이드(512)는 상기 하우징(10) 내주면에 접하도록 형성하지 않아도 되기 때문에 기계적 공차를 맞추기가 매우 용이하고, 액상 원료에 포함되어 있을 수 있는 고체상의 입자 크기가 큰 불순물 등을 상기 탄성 블레이드(521)에 의해 박막을 형성하기 이전에 미리 거를 수 있으며, 상기 탄성 블레이드(521)가 얇고 균일한 박막을 형성하기 좋은 상태로 1차 박막 형성이 가능하다.

상기 제1 실시예에 따른 스크래퍼 어셈블리(50)는 상기 회전축(31)에 대응하여 회전하면서 합금 소재로 형성되어 탄성 특성을 갖는 탄성 블레이드(521)에 의해 2차적으로 하우징(10)의 내주면에 박막을 형성하게 한다. 상기 탄성 블레이드(521) 또한 비탄성 블레이드(512)와 평행한 면 형상으로서 상기 탄성 블레이드(521)의 상기 하우징 내주면에 접하는 끝단면은 곡률을 갖도록 구부러져 상기 하우징(10)의 내주면과 상기 탄성 블레이드(521)의 끝단면의 곡률을 갖는 부분이 접하도록 구비된다.

상기 탄성 블레이드(512)는 탄성을 가진 합금 소재로 형성되고 끝단이 말려있는 형태이기 때문에 기계적 공차를 맞출 필요가 없고, 탄성력에 의해 탄성 블레이드(512)의 끝단이 하우징(10)의 내주면에 완전히 접하기 때문에 박막을 매우 용이하게 형성시킬 수 있다.

상기 탄성 블레이드(512)를 형성하기 적합한 합금 소재는 인청동(phosphor bronze)을 포함한다. 인청동은 구리(Cu)-주석(Sn)계 청동에 소량의 인(P)을 첨가한 합금으로써 인(P)을 0.03 내지 0.35 wt% 포함하는 인청동 소재를 사용하여 적절한 탄성을 갖도록 할 수 있다. 상기 탄성 블레이드(512) 합금의 성분을 조절하여 탄성력을 조절함으로써 하우징(10) 내주면에 형성되는 박막의 두께를 일정하게 조절할 수 있다. 예를 들어, 액상 원료의 점도가 높은 경우 인청동의 주석 함량을 높여(7.0~9.0wt%) 탄성 블레이드(512)의 강도를 높이고, 액상 원료의 점도가 상대적으로 낮은 경우 인청동의 주석 함량을 낮춰(3.0~5.5wt%) 탄성 블레이드(512)의 강도를 낮춤으로써 박막 두께를 하우징(10) 내주면에 형성되는 박막의 두께를 일정하게 조절할 수 있다.

본 발명에 따른 스크래퍼 어셈블리(50)의 또 다른 실시예는 도 3 및 도 4에 나타낸 것과 같이 상기 회전축(31)의 외주면을 감싸며 상기 회전축(31)에 대응되게 회전하는 중심축(511) 및 상기 중심축으로부터 연장되며 상기 중심축과 평행한 면을 가지며 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비되는 복수의 비탄성 블레이드(512)를 포함하는 비탄성 스크래퍼(51) 및 상기 비탄성 블레이드(512)의 끝단에 결합 설치되어 상기 하우징 내주면과 접하게 구비되는 복수의 롤러(531)를 포함하는 롤러 스크래퍼(53)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때, 상기 비탄성 블레이드(512)의 끝단에는 상기 롤러(531)가 결합 설치되기 위한 롤러축(532)이 구비되며, 상기 롤러축(532)은 상기 회전축(31)과 평행하게 구비되어 상기 비탄성 스크래퍼(51)가 회전축(31)에 대응하여 회전하면 상기 롤러(531)와 상기 하우징(10) 내주면 사이의 마찰력에 의해 상기 롤러(531) 또한 상기 롤러축(532)을 중심으로 회전하면서 하우징(10) 내주면에 박막을 형성하게 된다.

상기 롤러(531)는 알루미늄(Aluminium) 등 금속 소재 또는 세라믹 소재를 이용하여 형성되며, 상기 롤러축(532)은 철(Iron) 등 금속 소재를 이용하여 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 박막 증류 장치는 상기 스크래퍼 어셈블리(50)를 적어도 2개 이상 회전축(31)에 적층하여 구성할 수 있으며, 탄성 스크래퍼(52)를 구비한 스크래퍼 어셈블리만을 적층하거나 롤러 스크래퍼(53)를 구비한 스크래퍼 어셈블리만 적층할 수 있고, 또한 탄성 스크래퍼(52)를 구비한 스크래퍼 어셈블리와 롤러 스크래퍼(53)를 구비한 스크래퍼 어셈블리를 혼합하여 적층할 수 있다.

본 발명에 따른 박막 증류 장치는 점도가 높은 액상 원료를 박막 증류하여 높은 끓는점을 갖는 액상 증류물을 얻는 경우에 특히 적합하게 사용할 수 있는 고온 증류용 박막 증류 장치이다.

본 발명에 따른 고온 증류용 박막 증류 장치를 이용하여 액상 원료로서 석유 찌꺼기를 투입하여 350℃ 이상의 고온으로 가열함으로써 탄소섬유 제조를 위한 피치를 용이하게 얻을 수 있다.

상기 석유찌꺼기는 원유에서 유용한 성분을 모두 추출한 후 남은 잔사유로써 석유찌꺼기의 연화점은 통상 0℃이므로 상온에서 액체 상태이며, 본 발명에 따른 고온 증류용 박막 증류 장치를 이용하여 상기 석유찌꺼기를 박막 증류할 경우 하단에서 얻어지는 액상 증류물인 피치(pitch)의 연화점은 260℃ 이상이며, 생산하는 피치의 최후 용도에 따라 260℃ 내지 300℃ 까지 증류가 가능하다.

본 발명에 따른 박막 증류 장치는 적어도 2개 이상 직렬 연결됨으로써 더욱 순도 높은 액상 증류물을 얻을 수 있다. 즉, 상기 하우징(10)의 하단 일측에서 액체 배출구(13)로부터 얻어지는 액상 증류물을 또 다른 박막 증류 장치의 액상 원료로 투입함으로써 2회 이상 박막 증류하여 고순도의 액상 증류물을 얻을 수 있다.

별도의 연결 라인을 통해 어느 하나의 박막 증류 장치(a)의 액체 배출구(13a)와 다른 하나의 박막 증류 장치(b)의 원료 유입구(11b)를 연결함으로써 연속 공정으로 고순도의 액상 증류물을 얻을 수 있다. 또한 박막 증류 장치의 액체 배출구로부터 얻어지는 액상 증류물을 별도의 저장탱크에 저장하였다가 다시 박막 증류 장치의 원료 유입구로 투입함으로써 고순도의 액상 증류물을 얻을 수 있음은 물론이다.

전술한 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

10: 하우징
20: 히터
30: 구동모터
40: 분배판
50: 스크래퍼 어셈블리
51: 비탄성 스크래퍼
52: 탄성 스크래퍼
53: 롤러 스크래퍼

Claims

상단에 액상 원료가 유입되는 원료 유입구를 포함하며, 내측 중앙에 회전축이 설치되는 원통 형상의 하우징(10);
상기 하우징 내부를 가열시키는 히터(20);
상기 회전축을 축회전시키도록 구동력을 발생시키는 구동모터(30);
상기 하우징 내부에 설치되어 상기 하우징으로 유입된 액상 원료를 상기 하우징 내주면 방향으로 분배 이송시키는 분배판(40); 및
상기 하우징 내부에 설치되어 상기 회전축에 대응되게 회전하면서 상기 하우징 내주면을 따라 흘러내리는 상기 액상 원료를 박막으로 형성시키는 스크래퍼 어셈블리(50);를 포함하며,
상기 스크래퍼 어셈블리(50)는,
상기 회전축(31)의 외주면을 감싸며 상기 회전축(31)에 대응되게 회전하는 중심축(511) 및 상기 중심축으로부터 연장되고, 상기 중심축과 평행한 면을 가지며 상기 하우징 내주면에 근접하게 구비되는 복수의 비탄성 블레이드(512)를 포함하는 비탄성 스크래퍼(51); 및
상기 비탄성 블레이드(512)의 면에 결합 설치되어 상기 하우징 내주면과 접하게 구비되는 복수의 탄성 블레이드(521)를 포함하는 탄성 스크래퍼(52);를 포함하고,
상기 탄성 블레이드(521)는 상기 비탄성 블레이드(512)와 평행한 면 형상으로서 상기 탄성 블레이드(521)의 상기 하우징 내주면에 접하는 끝단면은 곡률을 갖도록 구부러져 상기 하우징(10)의 내주면과 상기 탄성 블레이드(521)의 끝단면의 곡률을 갖는 부분이 접하도록 구비되는 것을 특징으로 하는 박막 증류 장치.
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제1항에 있어서,
상기 탄성 블레이드(521)는 합금 소재로 형성되며,
상기 합금 소재는 인청동(phosphor bronze)을 포함하는 것을 특징으로 하는 박막 증류 장치.
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