KR102481197B1

KR102481197B1 - 원료피치의 연속 공급 및 개질된 전구체피치의 연속 배출이 가능한 피치 개질수단 및 연속개질장치

Info

Publication number: KR102481197B1
Application number: KR1020200101675A
Authority: KR
Inventors: 최창균
Original assignee: 최창균
Priority date: 2020-08-13
Filing date: 2020-08-13
Publication date: 2022-12-27
Also published as: KR20220021177A

Abstract

피치는 석탄이나 원유로부터 연료가스와 연료유를 증류하고 최종으로 남은 점탄성 중합체이다. 피치에 포함된 휘발성물질을 제거하면 기계적 결합강도는 철의 수십 배, 열전도도, 전기전도 등 물리적인 성질이 우수한 탄소섬유, 탄소방열판, 탄소도체 등 귀중한 산업소재를 얻는 전구체로 개질된다.
종래의 피치개질장치는 피치를 개질용기에 채우고 고온으로 가열 휘발성물질을 제거하고 그리고 일정한 온도로 식혀 배출하고 그리고 용기를 개방하고 원료피치를 다시 채워 개질하므로 많은 에너지와 인력을 낭비하였다.
피치는 휘발성물질이 제거됨에 따라 비중이 증가하고, 가해지는 열이 휘발성물질을 증발하는데 소모될 때는 일정한 증발온도를 유지하고 휘발성물질이 모두제거 되어야 온도가 상승한다. 그리고 피치는 갑자기 고온에 접하면 휘발성물질이 증발하기 전에 탄화하여 고체가 된다. 고체화된 탄소는 3000도의 온도에도 녹지를 않고 톨루엔, 퀴놀린 등 용매에도 녹지를 않는다.
이러한 피치의 물성을 이용하여 개질용기를 개방하지 않고 연속적으로 원표피치를 주입하여 개질하고 개질된 피치를 연속적으로 배출하게 함으로 에너지와 인력을 대폭 절약할 수 있는 개질수단과 이 수단을 실시하는 피치의 연속개질장치에 관한 기술이다.

Description

원료피치의 연속 공급 및 개질된 전구체피치의 연속 배출이 가능한 피치 개질수단 및 연속개질장치 {Source pitch continuous charging and reformed Precursor pitch continuous discharging device for Pitch Reforming Method}

전구체(Precursor) 피치는 원료피치(Source pitch)로부터 휘발성물질(Volatilization Material)을 증발 제거함으로 얻는다. 원료피치에 포함된 휘발성물질을 증발 제거하는 공간은 고온의 기밀된 공간이라야 한다. 본 발명은 이와 같이 고온의 기밀된 공간에 원료피치를 연속하여 주입하여 열처리 개질하고 개질된 피치를 연속하여 배출하는 기술에 관한 것이다.

피치는 산업분야의 재료인 탄소섬유, 탄소방열판, 탄소도체 등의 전구체(Precursor)이고, 이들 재료의 기계적 결합강도, 전기적 전도도, 열전도도 및 밀도에 영향을 끼치는 전구체 피치에 포함된 여러 가지 휘발성물질의 증발온도는 압력에 따라 달라지고 대기압상태에서 350℃부터 440℃이다.

또한 피치는 갑자기 고온에 접하면 휘발성 물질이 증발하기 전에 탄화(Coking)하여 3000℃의 고온에도 녹지 않는 고체가 되고. 그리고 톨루엔이나 퀴놀린 등의 강한 용매에도 녹지를 않는다.

그래서 피치를 전구체(Precursor)로 개질하는 장치는 온도의 불안정한 요동(Fluctuation)이 발생하지 않게 제어하여야 톨루엔이나 퀴놀린 등 용매에 녹지 않는 물질의 생성을 최소화할 수 있다.

그리고 피치는 금속과 달리 온도에 비례하여 팽창하지 않고 오히려 온도가 증가하면 분자결합밀도가 낮은 휘발성물질은 증발 제거되어 부피가 줄어지므로 온도가 상승함에 따라 비중은 증가한다.

본 발명은 이와 같은 피치의 물성을 이용하여 피치를 전구체로 개질하는 개질수단과, 이 개질수단을 직렬로 연결하여 연속 개질이 가능한 연속개질장치에 관한 것이다.

종래에는 열처리를 위한 원료피치를 용기에 미리 채우고 그리고 용기뚜껑을 닫고 용기뚜껑과 용기몸체 사이에 기밀을 위한 개재물(介在物)로 고무나 합성수지를 두었다.

고무와 합성수지의 최고 사용온도는 300℃ 이하이므로 상부 개폐부위 기밀을 위한 개재물 주위의 온도는 300℃이하가 되게 하여야 하고 하부 전열기와 접하여 원료피치에 포함된 휘발성물질을 증발하는 부위의 온도는 500℃까지 가열하여야 한다.

그래서 휘발성물질을 증발하는 용기는 상하로 길게 하여 상부의 기밀부위와 하부의 발열부위가 일정거리로 이격되고 하부에서 고온에 의해 증발한 휘발성물질증기가 상부의 저온부위에 접하여 응축 낙하하는 것을 막기 위하여 도 3에서와 같이 휘발성물질 증기가 배출되는 증기배출관로(114)를, 용융피치의 용액표면에 근접하기까지 증발용기 내부로 인입하고, 상기 증기배출관로(114)의 외주면(外周面)에 증기관로가열체(115)를 두어 증기배출관로(114)의 전체 내주면의 온도를 피치에 포함된 휘발성물질의 끓는 온도(Bubbling Point)보다 높은 온도를 유지함으로써, 증발한 휘발성물질의 증기가 증발용기 상부의 저온부위와 접하여 응축 낙하하기 전에 고온의 상기 증기배출관로(114)를 통해 모두 배출 분리되게 하였다.

그리고 종래의 피치개질장치는 개질공정마다 용기를 개방하고 증발용기 내부에 원료피치를 채우고 고온으로 가열하여 열처리를 하고 열처리가 완료되면 기밀된 고온의 개질분위기를 파괴하고, 개질 완료된 피치를 유동성 갖는 온도(120~150℃)로 냉각한 후 불활성압축기체를 용기내부에 채워 기체의 압력으로 개질된 피치를 배출하고 그리고 원료 피치를 다시 채워서 개질을 하는 공정을 반복하였다. 그래서 매 공정마다 많은 양의 에너지, 시간과 인력을 낭비 하였다.

이러한 종래의 문제점을 해결하려면 개질용기 내에 고온의 기밀된 개질분위기를 파괴하지 않고 휘발성물질이 증발 제거됨에 따라 감소되는 질량과, 개질됨으로 배출되는 질량만큼 원료피치를 기밀된 고온의 개질분위기를 갖는 증발용기 내부로 원료피치를 연속 주입하는 것이 본 발명의 핵심적인 기술적 과제이다. 또한 개질된 피치는 온도상승에 따라 비중이 증가하는 특성을 이용하여 열처리 완료된 피치와 열처리가 완료되지 않은 피치를 증발용기 내에서 자동으로 분리하여 열처리가 완료된 피치만 배출되게 하므로 전구체 피치의 물성이 항상 균일하게 유지하는 것이 본 발명의 또 하나의 핵심적 기술적 과제이다.

이와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명의 바림직한 실시예에 따른 피치 개질수단은, 상온에서는 고체인 원료피치를 100~130℃ 온도로 가열하면 유동성고체(mesophase)로 변하고 유동성고체(mesophase)로 변한 피치는 지구중력으로 원료피치주입기(220)의 스크루에 유입되고 전동기로 구동되는 스크루가 회전함에 따라 원료피치는 증발용기 쪽으로 주입되는 동안에 밀착 탈기되면서 점차 가열되어, 증발용기 내부로 진입 시에는 온도와 압력이 증발용기 내부의 압력과 온도에 일치하므로 증발용기 내부의 압력과 온도에 영향을 끼치지 않고, 열적 최적상태가 그대로 유지되는 상태에서 증발용기 내부로 주입된 원료피치와 열처리 중인 피치가 함께 교반되어 혼합되도록 하는 것을 특징으로 한다.
즉, 본 발명에 따른 피치 개질수단은, 고온 고압의 증발용기 내부에서 개질 배출되는 피치의 양에 따라 연속하여 원료피치를 주입하는 수단은 원료피치예열기(210)와 원료피치주입기(220), 주입피치가열체(225), 주입되는 원료피치의 온도를 감지하는 제1 온도센서(226)로 구성되고, 원료피치가 증발용기 내부로 주입되는 동안 서서히 밀착되어 상기 원통실린더와 증발공간 사이에 기밀을 유지하게 가압하도록 하며, 증발용기에 주입되는 순간의 원료피치 온도는 증발용기 내부압력과 온도가 일치되게 제어함으로써 증발용기 내부의 온도와 압력에 아무런 영향을 끼치지 않고 원료피치를 증발용기 내부로 주입하는 것을 특징으로 한다.
증발용기를 가열하는 에너지는 원료피치의 휘발성물질이 전부 증발되기 전까지는 휘발성물질의 증발열로 흡수되므로, 휘발성물질이 증발하는 동안에 용융피치의 온도는 상승하지 않으며, 휘발성물질이 증발 제거됨에 따라 비중이 증가하고, 휘발성물질이 모두 증발제거 되지 않은 피치의 비중보다 높아지게 되므로, 휘발성 물질이 제거되어 비중이 증가한 고온의 피치는 지구중력에 의하여 아래로 가라앉는다. 즉, 탄화수소 중합체인 피치에서 휘발성물질이 증발하여 재거되면 피치의 비중은 증가하고 비중이 증가한 피치는 아래로 가라앉고 또한 비중이 증가한 피치의 온도는 비중에 비례하여 온도도 증가한다.

피치의 이러한 물성을 이용하여 피치를 개질하는 증발용기는 도 3에서와 같이 상하로 길게 하고, 비중이 증가한 피치는 아래로 가라앉고 또한 비중이 증가한 피치의 온도는 비중에 비례하여 온도도 증가하므로 가라앉은 피치의 온도를 감지하고 감지된 온도에 따라 배출유량을 자동 조절하여 배출하면, 개질이 완료된 피치와 개질이 완료되지 않은 피치를 자동 선별하여, 개질이 완료된 전구체 피치만 배출할 수 있다.
즉, 본 발명에 따른 피치 개질수단은, 휘발성물질이 모두 증발 제거된 피치와 휘발성물질이 모두 증발제거 되지 않은 피치를 구별하기 위하여 증발용기를 상하로 길게 하여 증발공간을 형성하되, 상부의 증발공간에는 교반날개(118)가 원료피치를 교반하여 휘발성물질을 증발시키는 공간으로 구성하고, 하부의 증발공간에는 휘발성물질이 증발제거 되어 비중이 증가한 피치가 아래로 가라앉는 공간이 되게 한다. 아래로 가라앉은 피치는 가열원의 온도에 근접하게 온도가 상승한다. 그리고 피치에 포함된 고형체는 휘발성물질이 모두 증발 제거된 피치보다 비중이 더 무거우므로 더 아래 바닥으로 가라앉아 분리되게 개질이 완료된 피치를 배출하는 피치배출관로(230)를 용기 바닥으로부터 일정한 높이에 두고 증발용기 내부의 피치배출관로(230)의 전단에 제2 온도센서(231)를 두어 상기 제2 온도센서(231)로 감지된 온도에 의해 개질 완료여부를 판단하고, "유량조절변(240)"의 개도를 제어하여 개질 완료된 피치만을 배출시키는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명은 증발용기와 응축용기로 이루어지는 단위 개질수단 여러 개를 순차적으로 연결하되, 첫번째 단위 개질수단의 주입구에는 원료피치주입기(220)가 구비되지만, 첫번째 단위 개질수단의 피치배출관로(230)는 인접한 두번째 단위 개질수단의 원료피치 주입구가 되도록 직렬로 연결한 연속개질장치로 구성할 수 있다. 이 경우, 원료피치에 포함된 휘발성물질의 증발온도와 설정된 압력값을 고려하여 각 단위 개질수단의 증발용기의 전열기(201) 표면온도 및 증발용기 내부압력을 설정함에 있어서. 각 단위 개질수단마다 설정하는 전열기 표면온도의 설정값은 단계적으로 증가되게 설정하고, 각 단위 개질수단마다 설정하는 증발용기 내부압력의 설정값은 단계적으로 감소되게 설정하고, 설정된 각각의 압력 값에 따라 냉각수 배출용 솔레노이드밸브(S)를 개폐하여 각각의 단위 개질수단의 증발용기 내부 압력을 제어한다.

그리고 열처리에 의해 개질된 고온의 전구체 피치를 냉각하지 않고 고온상태의 전구체피치를 그대로 탄소섬유, 탄소방열판, 탄소도체를 제조하는 장치에 직접 원료로 공급하여 에너지와 인력을 절약하는 것이 본 발명의 과제에 대한 해결수단이다.

이와 같은 과제의 해결수단으로 원료피치를 개질하고 바로 탄소섬유, 탄소방열판, 탄소도체 등 피치를 전구체로 하는 제조 장치에 고온의 전구체 피치를 직접 공급하므로 매 공정마다 기밀 고온의 분위기를 조성하는 에너지와 원료피치를 상온상압에서 고온고압으로 가열하는 에너지를 소비하지 않고, 작업 공정과 인력이 대폭 절약되는 효과가 있다.

또한 기밀된 용기 내부의 온도와 압력을 임의로 조절할 수 있으므로 피치의 분자결정을 전구체로 하는 제품의 물성을 최상으로 개선할 수 있는 효과도 있다.

도1 : 발명에 의한 증발용기의 상부 전개도
도2 : 발명에 의한 증발용기의 하부 전개도
도3 : 발명에 의한 원료피치주입기와 증발용기 및 응축용기로 구성되는 개질수단의 개략적 구성도
도4 : 증발온도에 따라 구분되는 3개의 단위 개질수단이 직렬로 연결되어 구성되는, 본 발명에 따른 연속개질장치의 개략도
도5 : 연속개질장치의 구성도
도6 : 연속개질장치의 전체 배관과 제어 및 측정기능도.
도7 : 유량조절변의 상세 전개도

본 발명을 실시하는 장치의 증발용기(200)는 상부경판(110)과 하부용기로 구분되어 이루어지고, 하부의 고열이 저온의 상부로 전도되는 것을 완화하기 위하여 도 2에서와 같이 상부의 기밀부위(203)와 하부의 발열 부위를 서로 이격(離隔)하여 두고 "하부용기 외주면"을 따라 전열기(201)를 두고, 그리고 상기 전열기(201)는 고온에 견디는 "섬유상의 세라믹 주조물(Ceramic Fiber Castable)"로 감싼 후 소결하고, 소결된 "섬유상의 세라믹 주조물"의 외주면을 유리섬유(Glass-wool)로 보온을 한다.

그리고 상기 하부용기의 상부 말단의 후랜지(203)에 도2의 "확대그림"과 같이 오링 홈을 파고 불소고무오링(204)을 홈에 삽입하고, 상기 증발용기의 상부경판(110)(도1 참조)과 하부용기(도2 참조)를 맞추고 클램프를 조임브라켓(119)에 걸어 조이면 도3에서와 같이 기밀되는 증발공간이 형성된다.

그리고 형성된 증발공간에 원료피치를 주입하는 장치, 즉 원료피치주입기(220)는, 도2에서와 같이 교반날개(118)의 하부 가장자리가 위치한 부위로 원료피치를 주입하도록 설치되고,

상기 원료피치주입기(220)는 고체인 원료피치를 공급하는 호퍼(Hopper)(210)를 구비하고, 상기 호퍼(210) 아래로 연하여 "원료피치예열기(211)"을 두고, 상기 "원료피치예열기(211)"의 외주면에는 예열체(212)를 두어, 원료피치를 100-130℃로 녹여 원료피치주입기(220)에 유입되도록 한다. 상기 원료피치주입기(220)는 원통 실린더에 스크루(223), 기밀부재(222), 원료피치주입기 구동을 위한 제2 전동기(221)를 포함하여 구성되고, 상기 원통실린더의 외주면에 설치된 주입피치가열체(225)에 전력을 공급하고 상기 제2 전동기(221)가 구동됨에 따라 원료피치는 서서히 가열되면서 증발용기의 원료피치주입구로 진입(공급)된다.

상기 스크루(223)가 회전함에 따라 원료피치는 증발용기 쪽으로 진입하면서 밀착되고 원료피치에 포함된 불응축기체는 밀착되는 압력차에 따라 원료피치의 후진방향(원료피치가 주입되는 방향의 반대방향)으로 배출되게 한다. 이를 위하여 상기 스크루 축(224)은 원료피치주입구로 진행함에 따라 스크루 축의 직경이 증가하고, "스크루 날개 사이의 간격(스크루의 피치)"은 좁아지게 하여, 원료피치가 진입하는 공간이 점점 좁아져 상기 원통실린더 내부를 통과하는 원료피치가 점점 더 가압되도록 한다. 그리고 상기 상기 주입피치가열체(225)에 의해, 원통실린더 내부를 통과하는 원료피치를 점진적으로 가열시켜 상기 원료피치주입기의 끝단에 도달하면 증발용기 내부의 열적 최적상태(Thermal optimum)와 동일한 온도와 압력이 되도록 함으로써, 증발용기 내부의 온도 및 압력의 변화(Fluctuation) 없이 원료피치를 주입(注入)시킨다.

그리고 증발용기 내에서 휘발성물질이 증발 제거됨으로 개질 완료된 피치를 배출하는 배출수단은, 피치배출관로(230)와, 배출되는 피치의 양을 조절하는 "유량조절변(240)"으로 구성되고, 배출되는 피치의 온도를 측정하는 제2 온도센서(231)로 감지된 온도에 따라 상기 "유량조절변(240)"이 피치의 배출량을 정밀제어 한다.

배출되는 피치는 상기 제2 온도센서(231)가 감지한 온도에 의해 배출되므로 항상 일정한 온도를 유지하고, 증발용기 내부압력이 일정한 압력을 유지할 때 밀도, 전기적 전도도, 열전도도 및 결합강도가 일정한 소재의 전구체로 배출된다.

그리고, 증발용기 상부는 도1에서와 같이 상부경판(110)의 중앙에 교반장치를 수직으로 설치하고, 이 교반장치 주위는 증발기체를 포집하기 위해 증발용기의 크기에 따라 여러 개의 증기배출관로(114)가 수직으로 설치되고, 상기 증기배출관로(114)의 상부 말단에는 "증기유출 공간(113)"을 둔다. 상기 증기배출관로(114)를 통해 배출되는 휘발성물질 증기가 상기 "증기유출 공간(113)"의 상부 저온에 접하므로 응축된 용액이 증발용기 내부로 유입되지 않게 하기 위해, 상기 증기배출관로(114)의 상부 말단은 상기 "증기유출 공간(113)"의 바닥보다 높게 돌출되게 한다.

그리고 상기 다수의 증기배출관로(114)의 외주면을 따라 상기 증기배출관로를 가열하기 위한 증기관로가열체(115)를 구비하고, 상기 증기관로가열체(115)의 주위를 보온재(116)로 채운 후에 외부는 고온에 견디는 스테인리스 강판으로 기밀 되게 마감을 한다.

그리고 증기배출관로(114)의 상부 말단 부위에는 증기온도감지기(120)를 두어 배출증기의 온도를 감지하고, 상기 증기온도감지기(120)가 감지한 온도가 증발용기 내부에서 증발한 증기 온도보다 높게 유지하도록 상기 증기관로가열(115)에 공급되는 전력을 제어한다. 그리고 원료피치로부터 증발한 고온의 휘발성물질 증기가 상부의 저온부와 접하지 않게 고압 하에서도 응축이 되지 않고 증발한 피치에 포함된 휘발성물질 증기보다 훨씬 가볍고 휘발성물질 증기와 화학적으로 반응하지 않는 불활성기체를 증발용기 상부에 채워서 하부의 증발용기에서 증발한 증기가 상부의 저온부위와 접하는 것을 막기 위하여 불활성기체를 주입하는 불활성기체공급관로(112)와, 상기 불활성기체공급관로(112)의 말단에 밸브를 설치한다.

그리고 교반날개(118)를 구동하는 "제1 전동기(111)"의 출력축과 교반날개회전축(117) 사이에 "회전력 검출기(121)"을 두어 교반날개(118)의 구동 회전력을 측정한다. 교반날개(118)의 회전력은 교반되는 피치용액 액면 상승에 비례하여 증가하므로 측정된 회전력의 신호는 바로 피치용액 액면 상승위치를 나타낸다. 그래서 고온고압의 증발용기 내부에 피치용액 액면 검출기를 둘 수 없었던 종래기술의 한계를 극복하고, 교반날개(118)의 회전력 신호를 이용하여 증발용기 내부의 피치용액 액면 위치를 정확하게 검출할 수 있다.

앞에서 언급한 바와 같이 피치는 갑자기 고온에 접하면 휘발성 물질이 증발하기 전에 탄화(Coking)하여 3,000℃의 고온에도 녹지 않고 톨루엔이나 퀴놀린 등의 강한 용매에도 녹지를 않는 고체가 되고,

피치에 포함된 휘발성물질의 증발온도는 350℃에서 440℃까지 다양하므로 도5에서와 같이 증발온도에 따라 구분하여, 여러 개의 단위 개질수단을 직렬로 연결시켜 구성할 때 고온으로 열처리된 피치용액은 약간의 압력차로 계단식(Cascade)으로 유출된다.

상기 원료피치예열기(210)에 원료피치를 완전히 채우고 전원을 공급하여 온도를 100-130℃로 가열하면 원료피치는 녹아서 유동성의 고체(meso-phase)가 되어 원료피지주입기(220)의 스크루 입구로 유입되고, 상기 원료피치주입기(220)의 제2 전동기(221)를 가동하여 스크루(223)가 회전함에 따라 원료피치는 증발용기(200) 쪽으로 스크루 날개를 따라 주입(공급)되는데, 스크루 축(224)의 직경은 증발용기 방향으로 비례하여 증가하고 스크루 날개와 날개 간 거리는 증발용기 방향으로 갈수록 감소한다. 그래서 원료피치는 스크루가 회전함에 따라 전진하는 원료피치가 머무는 공간이 축소되므로 주입되는 원료피치는 밀착되어 기밀이 형성된다.

그리고, 증발용기에서 증발된 휘발성물질 증기는 상기 "증기유출 공간(113)"을 거쳐 응축용기(400)에 채워진다. 그래서 상기 응축용기(400)의 내부 압력이 상승하고 상승한 압력을 "압력전송기(P)"가 감지하고 감지된 압력에 따라 냉각수가 순환한다.
그래서 도5에서와 같이 진공펌프(500)를 가동하고 이어서 공기압으로 구동되는 "자동 볼밸브(502)"가 열리므로, 증발용기 및 응축용기 내부의 불응축기체가 배출되므로, 증발용기 및 응축용기의 내부압력을 감지하는 "압력전송기(도6에서의 도면부호 P)"로 감지된 압력으로 용기 내부의 진공형성을 확인하고, 불응축기체의 배출이 완료되면 상기 "자동 볼밸브(502)"밸브가 닫히고 이어서 진공펌프(500)가 정지한다.

상기 원료피치주입기(220)의 스크루 구동용 제2 전동기(221)가 일정 속도로 구동하면 주입피치가열체(225)에 전력이 공급되고 이때 공급되는 전력은 원료피치가 계속해서 유동성을 유지할 수 있는 온도 100-130℃를 유지하게 제어 공급되고 스크루가 구동하므로 주입되는 원료피치가 "제1 온도센서(226)"가 설치된 증발용기 입구에 도달하여 상기 "제1 온도센서(226)"에 접하여 원료피치 온도를 감지한다. 그리고 증발용기를 가열하는 전열기(201)에 접하는 전열기온도감지기(202)가 감지한 온도를 일정 온도를 유지하기 위해 상기 전열기(201)에 전력이 제어 공급되고, 이에 따라 증발용기 내부에 주입된 원료피치가 녹아서 완전한 액상으로 증발용기 하부에 채워진다. 그리고 증발용기의 내부에는 수직으로 세워진 제3 온도센서(251)가 구비되는데, 증발용기에 채워진 원료피치의 액면이 상승하여도 채워지는 원료피치의 열이 상기 제3 온도센서(251)의 상부 말단에 위치한 온도감지소자에 전도되지 않도록 하기 위해 상기 제3 온도센서(251)의 외주면에 고온에 견디는 절연층(252)을 형성한다.

그래서 원료피치의 액면이 상승하여 상기 제3 온도센서(251)의 상부 말단에 도달하면, 액상의 원료피치의 표면온도를 상기 제3 온도센서(251)의 상 부말단에 있는 온도감지소자가 감지하고, 감지한 온도신호에 의하여 교반날개를 구동하는 제1 전동기(111)가 가동된다.

상기 "회전력검출기(121)"가 감지하는 교반날개(118)의 구동 회전력은 원료피치(용융상태)의 액면상승에 비례하여 증가한다.

그래서 상기 "회전력검출기(121)"로 감지한 신호로, 상기 원료피치주입기(220)의 제2 전동기(221) 회전속도를 제어하여 증발용기(200)로 주입되는 원료피치의 공급량을 조절하여 교반날개 회전력을 일정하게 유지하므로 증발용기(200)내부의 원료피치 액면 높이를 일정하게 유지할 수 있다.

더 구체적으로, 상기 원료피치주입기(220)의 스크루 회전수를 제어하는 인버터(311)의 주파수 설정신호는 "입력신호 선택 계전기(312)"를 통해 "교반날개 회전력제어기(310)"의 출력신호가 상기 인버터(311)의 주파수 설정 입력신호로 선택되도록 구성함으로써, 상기 교반날개 회전력이 증가하면 원료피치주입기(220)의 스크루 회전속도가 감소하고, 교반날개 회전력이 감소하면 원료피치주입기(220)의 스크루 회전속도가 증가하게 제어하므로, 주입되는 원료피치의 공급량을 조절하여 증발용기 내부의 원료피치의 액면을 일정한 높이로 유지할 수 있다.

그리고 증발용기 내부에서 증발한 휘발성물질 증기는 "증기배출관로(114)"를 통해, "증기유출 공간(113)"을 거친 후, 연결관로를 통해 응축용기(400)에 채워진다. 그래서 응축용기 내부 압력이 상승하고 상승한 압력은 상기 "압력전송기(P)" 가 감지하고 감지된 압력에 따라 냉각수가 순환한다.

상기와 같은 구성으로 이루어지는 피치개질수단을 이용한 연속개질장치를 도 6에서와 같이,

각각의 구성요소들과, 관로(Pipe), 그리고 "측정 및 제어기(Instrument)"로 나타내고 이를 차례로 그 기능에 따라 순차적으로 설명한다.

상온에서 고체인 원료피치가 호퍼(210)에 가득 채워지고, 원료피치예열기에서 감지된 온도신호(T0)는 "운전조작반(101)"에 위치한 예열온도지시조절기(TIC0)에 입력되고, 상기 예열온도지시조절기(TIC0)는 전기전자제어반(102)에 위치한 전력제어기(TPR0)가 원료피치를 100-130℃로 가열하여 녹이도록 예열체(212)에 제어신호를 출력한다.

원료피치예열기에서 녹은 원료피치는 원료피치주입기(220)에 유입되고, 인버터(INV)에 의하여 제2 전동기(221)에 공급되는 전력주파수를 제어하므로 구동속도가 제어되는 "원료피치주입기(220)"의 구동 속도에 따라 주입되는 원료피치의 양이 정해진다. 그리고 상기 원료피치주입기(220)가 구동하면 상기 원료피치주입기를 가열하는 주입피치가열체(224)에 전력이 공급되는데, 이때 증발용기 내부로 주입되는 원료피치의 온도를 측정하는 제1 온도센서(226)로 감지되는 온도신호(T2)를 "운전조작반(101)"에 위치한 주입피치온도지시조절기(TIC2)에 입력하고, 상기 주입피치온도지시조절기(TIC2)는 전기전자제어반(102)에 위치한 전력제어기(TPR1)에 전력제어신호를 입력하여, 주입되는 원료피치의 온도를 증발용기 내부온도와 같은 온도가 되도록 상기 원료피치주입기(220)의 주입피치가열체(225)로 공급되는 전력을 제어한다.

본 발명에 따른 피치개질수단을 최초 가동할 때는 운전조작반(101)에 설치된 "원료피치주입기(220)"의 제2 전동기(221) 속도를 제어하는 인버터(INV)에 "초기 원료공급속도 설정값"에 따라 주파수를 설정한 후에 기동하면, 상기 원료피치주입기(220)는 초기 설정된 속도로 구동하여 원료피치를 증발용기 내부로 공급한다. 그리고, 주입되는 원료피치의 온도를 감지하는 제1 온도센서(T2)의 온도신호(T2)는 "운전조작반(101)"에 위치한 주입피치온도지시조절기(TIC2)에 입력되어, 상기 주입피치온도지시조절기(TIC2)의 출력신호에 따라 전기전자제어반(102)에 위치한 전력제어기(TPR1)가 상기 주입피치가열체(225)에 전력공급을 제어한다. 그리하여, 증발용기 내부로 주입되는 원료피치의 온도는 증발용기 내부에서 원료피치(용융상태)에 포함된 휘발성 물질의 최저 증발온도인 300-350℃를 유지하게 제어한다.

또한 증발용기 외주면에 설치된 전열기(201)의 표면온도를 감지하는 전열기온도감지기(202)로 감지된 온도신호(T3)는 "운전조작반(101)"에 설치된 전열기온도지시조절기(TIC1)에 입력되고, 전기전자제어반(102)에 구비된 전력제어기(TPR2)는 상기 전열기(201)에 공급되는 전력을 제어하여 상기 전열기온도감지기(202)가 감지한 온도(T3)가 원료피치주입기(220)를 통해 주입되는 원료피치 온도(300-350℃)에서 원료피치의 주입량에 따라 증발용기 내부의 원료피치 액면 상승에 소요되는 시간을 고려하여 상기 전열기온도지시조절기(TIC1)의 온도상승 패턴을 설정하고, 이 설정된 패턴에 따라 온도가 서서히 상승하게 한다.

즉 원료피치에 포함된 휘발성물질 중 증발온도가 가장 낮은 온도가 약 350℃정도이므로, 상기 전열기(201)의 표면온도를 증발용기 내부 압력을 고려하여 500℃로 설정 하면,

도6에서와 같이 3개의 증발용기가 직렬로 연결된 연속개질장치에서, 원료피치에 포함된 휘발성 물질의 증발온도와 설정된 압력을 고려하여 각각의 증발용기 전열기(201)의 표면온도를 순차적으로 500℃, 510℃, 520℃로 원료피치 액면의 상승속도에 따라 온도상승 기울기를 정해 온도가 서서히 상승하게 설정을 하고,

상기 증발용기 내부압력을 "압력전송기(P)"로 감지하여, 감지된 압력신호를 운전조작반(101)에 위치된 압력지시조절기(PIC1)에 입력하고, 상기 압력지시조절기(PIC1)에는 대기압을 0기압으로 할 때 직렬로 연결된 3개의 증발용기 내부의 압력을 각각 1.5, 1.0, 0.5기압으로 설정하고, 설정된 압력 값에 따라 냉각수 배출용 솔레노이드밸브(S)를 개폐하여 각각의 증발용기 내부압력을 제어한다.

상기 "원료피치주입기(220)"에 의해 "초기 원료공급속도 설정값"에 설정된 속도로 증발용기 내부로 주입된 원료피치는 증발용기 하부에 구비된 전열기(201)의 열을 전도받아 액상으로 녹아 증발용기 하부에 고여지고, 용융된 원료피치는 액면을 형성한다. 형성된 액면은 주입되는 원료피치의 공급속도에 따라 서서히 상승한다. 그리고 상승하는 액면이 교반날개(118)의 하단까지 상승하는 것을 감지하기 위하여 제3 온도센서(251)는 고온에 견디는 절연층(252)을 보호관(Sheath Pipe) 외주 면에 구비하여, 용융된 원료피치로부터 전도되는 열을 차단한다. 그리고 상기 제3 온도센서(251)의 상부 말단의 온도감지소자의 높이는 교반날개(118)의 하단부보다 높게 형성하고, 상기 증발용기의 내부 바닥면과 일치되어 상기 바닥면 위로 돌출되지 않는 바닥밸브(Flush Bottom Valve)(250)를 통해 증발용기 한가운데에 설치한다. 증발용기 내부에서 용융피치의 액면이 상기 제3 온도센서(251)의 온도감지소자에 접하면 교반날개(118)의 하단부는 상승하는 피치용액 액면과 접하게 된다. 그래서 원료피치 용액의 액면이 증발용기 하부에서부터 상기 제3 온도센서(251)의 "온도감지소자"가 위치한 최상부에까지 도달하기 전에는 원료피치 용액의 고열이 상기 온도감지소자에 전도되지 않다가, 고온의 원료피치 용액의 액면이 상기 온도감지소자가 있는 위치에 도달하는 순간에 상기 제3 온도센서(251)는 원료피치 용액의 액면 온도를 감지하고 감지된 온도신호(T6)에 의하여 교반날개(118) 구동용 제1 전동기(111)에 전력을 공급하여, 상기 교반날개(118)가 일정 속도로 회전 한다.

그래서 원료피치 용액의 액면 상승에 비례하여 교반날개회전축(117)과 제1 전동기(111) 사이에 설치된 회전력검출기(121)가 검출한 회전력신호(Tr)는 원료피치의 액면 상승에 비례하여 증가하고, 증가하는 회전력신호(Tr)는 곧 원료피치 액면의 상승위치를 나타낸다.

상기 회전력검출기(121)에서 검출된 "회전력신호(Tr)"는 운전조작반(101)에 위치한 회전력지시조절기(TrIC)에 입력되고, 상기 회전력지시조절기(TrIC)의 제어신호에 따라 PLC에 의한 "입력신호 선택 계전기"가 상기 제2 전동기(221)의 구동속도를 제어하므로, 상기 회전력지시조절기(TrIC)의 제어출력신호로 상기 원료피치 주입기(220)의 제2 전동기(221) 회전속도가 제어되어 원료피치의 공급속도가 조절된다.

즉 원료피치 액면이 설정된 액면에 못 미치면 원료피치주입기(220)의 회전속도는 증가하고, 원료피치의 액면이 설정된 액면에 미치면 원료피치주입기의 회전속도는 감소한다. 그래서 증발용기 내부의 원료피치(용융상태)는 항상 일정한 높이의 액면을 유지하며 원료피치에 포함된 휘발성 물질의 증발온도에 따라 증발 제거되고, 증발한 증기는 응축용기(400)에서 응축된다.

증발용기 내에서 휘발성물질이 증발제거된 피치는 비중이 증가하므로 아래로 가라앉고, 증발용기 하부의 전열기(201)의 열을 전도받아 휘발성물질이 계속 증발하므로 이에 따라 피치의 비중도 동시에 증가한다. 증발용기 내부의 압력에 따라 소정 높이의 용융피치 액면 온도가 '설정온도'까지 도달하면, 이 '설정온도'는 용융피치로부터 증발할 수 있는 휘발성물질이 모두 증발 제거된 때에 도달할 수 있는 온도이다.

다시 말하면 휘발성물질이 증발하는데 소비되는 열은 일정온도의 증발열이므로 온도가 상승하지 못한다. 그러나 휘발성 물질이 모두 증발한 후에 가해지는 열은 온도를 상승하게 한다. 그래서 피치의 온도 상승을 살펴봄으로써 휘발성물질의 증발이 완료된 것을 인지할 수 있다.

그래서 비중증가로 인하여 아래로 가라앉은 위치와 피치의 온도상승, 이 두가지를 확인하여 열처리 완료된 피치와 완료되지 않은 피치를 구별할 수 있다.

그래서 열처리 완료된 피치를 구별하여 배출하는 것은 도3에서와 같이 개질완료된 피치의 비중증가에 따라 가라앉은 위치에 해당 피치를 배출하는 피치배출관로(230)를 구비하고, 그리고 상기 피치배출관로(230)의 유출구에 제2 온도센서(231)을 두어, 상기 제2 온도센서(231)가 감지한 온도가 설정된 열처리완료 온도 이상에 도달한 피치만 배출하면 증발용기의 온도와 압력에 따라 증발하는 휘발성물질이 완전히 증발하여 제거된 피치만을 배출할 수 있다.

즉 도6에서 제2 온도센서(231)가 감지한 온도신호(T1)는 운전조작반(101)에 위치한 전열기온도지시조절기(TIC1)에 입력되고 개질이 완료된 피치의 온도를 상기 전열기온도지시조절기(TIC1)에 설정하면 입력되는 온도와 설정한 온도를 비교하여 출력되는 제어출력 신호가 "유량조절변제어기(Valve Positioner)(320)"로 입력되고 상기 "유량조절변제어기(320)"는 입력된 신호에 따라 "유량조절변(240)"의 개도가 정해진다.

그래서 증발용기 내에서 휘발성물질의 증발온도에 따라 증발 제거된 피치만 상기 "유량조절변(240)"의 개도에 따라 배출량이 정해져 배출된다.

피치는 갑자기 고온의 열에 접하면 탄화(Coking)하므로 원료피치에 포함된 휘발성물질의 증발온도는 대기압상태에서 350℃에서 440℃까지 약90℃의 차이가 있다. 그래서 도5에서와 같이 3개의 단위 개질수단들을 직렬로 연결하여 연속개질장치를 구성하는 경우, 각 증발용기를 증발온도에 따라 대기압상태에서 증발온도를 각각 350-380℃, 380-410℃, 410-440℃로 30℃ 차이로 3개로 구분한다.

그리고 앞에서 논한 바와 같이 350℃이상으로 가열된 피치는 완전한 액상으로 압력차에 따라 유동한다. 그래서, 도5 및 도6에 도시된 바와 같이 3개의 증발용기의 압력차를 각각 0.5기압으로 두면 순차적으로 쉽게 배출을 할 수 있다.

피치는 상온에서 점탄성 중합체로 탄화수소가 여러 가지 다양한 분자결합의 형태로 공존한다. 그래서 피치는 증발압력과 온도가 일정하지를 않다. 그래서 증발열을 공급하는 전열기(201)는 도2에서와 같이 전열기의 표면온도를 감지하는 전열기온도감지기(202)를 구비하고, 증발 증기에 열을 공급하는 증기관로가열체(115)는 도3에서와 같이 증기유출 공간(113)의 증기 온도를 감지하는 증기온도감지기(120)를 구비한다. 그리고, 도6에서와 같이 상기 증기온도감지기(120)에 의해 감지된 온도신호(T4)는 운전조작 (101)에 위치한 증기온도지시조절기(TIC3)에 입력되고 상기 증기온도지시조절기(TIC3)에 설정된 온도에 따라 제어신호를 전기전자제어반(102)에 위치한 전력제어기(TPR3)의 출력전력을 제어하는 신호로 입력된다. 그래서 증기관로가열체(115)는 항상 증기온도지시조절기(TIC3)에 설정한 온도를 유지한다.
만약 전열기온도지시조절기(TIC1)에 500℃를 설정하면 전열기(201)의 표면온도는 항상 500℃를 유지하지만, 500℃의 전열기(201)로부터 증발용기 내부에 있는 원료피치에 포함된 휘발성물질의 증발온도가 350℃이면 150℃의 온도차로 상ㄹ기 전열기(201)의 열이 원료피치로 전열되어 휘발성물질을 증발시키고, 증발한 휘발성물질 증기는 증발용기 및 응축용기 내부의 압력을 증가시키게 되고 증가한 압력을 감지하는 압력전송기(P)는 감지된 압력신호를 운전조작반(101)에 위치한 압력지시조절기(PIC1)에 입력되고, 상기 압력지시조절기(PIC1)는 설정된 압력과 "압력전송 기(P)"로 감지된 압력신호에 따라 제어신호를 출력하여 응축용기에 냉각수를 배출하는 솔레노이드밸브를 개폐하므로, 증발용기 및 응축용기 내부 압력을 설정된 압력으로 유지한다.

이때 응축용기에 냉각수가 흐르지 않는데도 설정된 압력 1.5기압을 유지하지 못하면 "증기온도지시조절기(TIC3)"의 설정온도를 올리고 그리고 냉각수가 계속 흐르는데도 설정된 압력 1.5기압을 넘으면 상기 증기온도지시조절기(TIC3)의 설정온도를 내려야 한다. 이와 같이 각각의 증발용기 및 응축용기 내부의 압력에 따라 각각의 "가열원"(전열기(201), 예열체(212), 주입피치가열체(225), 증기관로가열체(115를 모두 포괄함)의 온도가 정해진다.

이와 같이 피치를 구성하는 여러 가지 휘발성물질의 종류가 다양하므로 휘발성물질의 증발온도를 특정할 수 없으므로, 여러 가열원들의 각 제어온도를 미리 정하여 설정하지 않고 증발한 증기의 증발압력에 따라 각 가열원의 온도를 설정하여 원료피치가 주입되고 배출되는 순서에 따라 1.5, 1, 0.5기압을 미리 정하여 설정을 하고, 각 가열원의 제어 온도를 이에 따라 정하면 자연적으로 "1.5기압으로 설정한 제1 개질수단"에서 증발한 휘발성 물질의 증발온도는 "1기압으로 설정한 제2 개질수단"에서 증발한 휘발성물질의 증발온도보다 낮고 이와 같이 순차적으로 휘발성물질의 증발온도가 낮은 순으로 응축된 물질을 얻을 수 있다.

그리고 제2 개질수단과 제3 개질수단에서 원료피치용액 액면 유지를 일정하게 유지하는 방법을 설명하면, 제1 개질수단에서 열처리 완료된 피치는 비중이 증가하므로 일정한 높이로 가라앉고 그리고 일정한 온도에 도달한 것으로 열처리완료 된 피치와 열처리완료 되지 않은 피치로 구분하여 배출한다. 그래서 배출되는 피치는 액상의 유체로 유량조절변(240)을 통해 제2 개질수단의 증발용기로 유입된다. 이때도 유입된 피치가 액면을 유지하여 상승하는 것을 앞에서 설명한 액면유지 수순에 따라 액면을 유지하는데, 이때 교반날개의 회전력검출기(121)에서 검출된 "회전력신호(Tr)"는 운전조작반(101)에 위치한 회전력지시조절기(TrIC1)에 입력되고 상기 회전력지시조절기(TrIC1)에 설정된 값과 입력된 회전력신호와 비교하여 출력되는 제어신호는 "유량조절변제어기(Valve Positioner)(320)"로 입력이 되고 상기 "유량조절변제어기"는 입력된 신호에 따라 "유량조절변(240)"의 개도가 정해지고 이에 따라 배출 유량을 제어하여 항상 일정한 높이에서 용액 액면이 유지된다.

즉 유지되는 액면이 설정된 액면보다 낮으면 유량조절변(240)을 통해 배출되는 유량을 낮게 하고, 유지되는 액면이 설정 액면보다 높아지면 유량조절변(240)을 통해 배출되는 유량을 증가하게 한다.

제3 개질수단도 제2 개질수단과 꼭 같은 수순으로 용액의 액면을 일정하게 유지한다.

"증발한 휘발성물질 증기를 응축시키는 응축용기(400)"는 도3 및 도4에서와 같이, 냉각수가 흐르는 유로를 구비한 본체의 상부에 "불응축기체가 포집되는 공간(402)"(이하에서는 '임시탱크'라 한다.)을 구비하는데, 상기 본체는 "셀 앤 튜브(Shell and Tube) 구조로 이루어지고, 상기 임시탱크(402)의 내부온도(T5)를 측정하는 제4 온도센서(403), 배압제어밸브(404), 바이패스밸브(405), 배출밸브(401)로 구성한다. 그리고, 응축용기(400)의 본체 하부에는, 도4에 도시된 바와 같이 응축액조(406)과 응축액배출밸브(407)가 구비된다.

피치에 포함된 휘발성물질이 증발한 증기는 모두 응축용기(400)에서 응축되어 액화하지만, 원료피치주입기(220)를 통해 주입된 공기 등 불응축 기체는 응축 기체보다 가벼워서 응축용기(400) 상부의 임시탱크(402)에 모여지고, 상기 임시탱크(402)에 모여지는 불응축 기체가 증가하여 상기 임시탱크(402)가 채워지면 고온의 응축기체의 온도가 전도되지 않아 상기 제4 온도센서(403)가 감지한 온도(T5)가 낮아진다. 낮아지는 온도신호(T5)는 운전조작반(101)에 위치한 탱크온도지시조절기(TIC5)에 입력되고, 상기 탱크온도지시조절기(TIC5)는 설정된 온도와 상기 제4 온도센서(403)에서 감지된 온도(T5)가 설정된 온도보다 낮으면 배출밸브(401)을 열리게 하고 그리고 이와 동시에 통합배기밸브(503)가 열리면서 각 개질수단의 "임시탱크(402)에 포집된 불응축기체가 후드를 거쳐 대기 중으로 배출되고 고온의 증기가 채워지므로 열렸던 밸브들(401)과 통합배기밸브(503)는 닫힌다.

그리고 응축용기 본체로 유입되는 냉각수의 공급이 중단되거나 장비의 고장으로 인하여 응축용기 내부의 압력이 상승하면 배압제어밸브(Relief Valve)가 열려서 고압의 증기를 배출하고 이때 상승한 압력을 "압력전송기(P)"가 감지하여 감지된 압력신호가 입력되는 "운전조작반(101)"에 위치한 압력지시조절기(PIC1)가 이를 인지하여 이벤트 출력신호를 프로그램로직콘트로러(PLC)에 입력하여 모든 가열원들에 공급되는 전력이 차단되고 경보가 울리며 배압제어밸브가 작동한 부분을 지시한다.
도2 및 도3에 도시된 유량조절변(240)의 세부구성이 도7에 도시되어 있는데, 유량조절변(700)은, 열처리가 완료된 피치가 배출되는 피치배출관로(230)에 결합되는 밸브하우징(701)과, 밸브체를 가압하는 스프링(702)과, 밸브액츄에이터(Valve Actuator)(707)의 작동력을 밸브체에 전달하는 밸브연결구(704)로 구성된다. 도7에서 도면부호 703은 밸브체 고정용 조임나사를 나타내며, 도면부호 705는 씰링부재를, 도면부호 706은 포지셔너(Positioner)를 도시한 것이다.

100 : 상부경판
101 : 운전조작반 102 : 전기전자제어반
111 : 제1 전동기(교반날개 구동용) 112 : 불활성기체 공급관로
113 : 증기배출 공간 114 : 증기배출관로
115 : 증기관로가열체 116 : 보온재
117 : 교반날개회전축 118 : 교반날개
119 : 조임브라켓 120 : 증기온도감지기
121 : 회전력검출기 200 : 증발용기
201 : 증발용기 가열용 전열기 202 : 전열기온도감지기
210 : 호퍼(Hopper)
211 : 원료피치예열기 212 : 예열체
220 : 원료피치주입기 221 : 제2 전동기
222 : 기밀부재(Sealing) 223 : 스크루 날개
224 : 스크루 축 225 : 주입피치가열체
226 : 제1 온도센서(주입되는 원료피치의 온도감지용)
230 : 피치배출관로
231 : 제2 온도센서(배출되는 피치의 온도감지용)
240, 700 : 유량조절변
250 : 바닥밸브(Flush Bottom Valve)
251 : 제3 온도센서
310 : 교반날개 회전력제어기 311 : 인버터
312 : 입력신호 선택 계전기
320 : 유량조절변제어기
400 : 응축용기
401 : 불응축기체 배출밸브 402 : 임시탱크
403 : 제4 온도센서
404 : 배압제어밸브(Relief Valve) 405 : 바이패스 밸브
500 : 진공펌프
501 : 필터
502 : 자동 볼밸브
503 : 통합배기밸브
T0 : 원료피치예열기의 예열온도
T1 : 제2 온도센서(231)에 의해 측정된 배출피치온도
T2 : 제1 온도센서(226)에 의해 측정된 주입피치온도
T6 : 제3 온도센서(251)에 의해 측정된 피치용액온도
T3 : 전열기온도감지기(202)에 의해 감지된 전열기(201) 표면온도
T4 : 증기온도감지기(120)에 의해 감지된 증기온도
T5 : 제4 온도센서(403)에 의해 측정된 임시탱크 내부의 불응축기체온도
TIC0 : 예열온도지시조절기
TIC1 : 전열기온도지시조절기
TIC2 : 주입피치온도지시조절기
TIC3 : 증기온도지시조절기
TIC4 : 증기온도지시조절기
TIC5 : 탱크온도지시조절기
TPR0 : 원료피치예열기(211)에 공급되는 전력제어기(원료피치 예열용)
TPR1 : 주입피치가열체(225)에 공급되는 전력제어기(주입피치 가열용)
TPR2 : 전열기(201)의 전력제어기(증발용기 가열용)
TPR3 : 증기관로가열체(115)의 전력제어기(증기온도 가열용)
S : 솔레노이드
P : 압력전송기
PIC1 : 압력지시조절기
Tr : 교반날개의 회전력신호
TrIC : 회전력지시조절기

Claims

원유와 석탄을 원료로 하여 가스와 연료유를 증류하고 최종으로 남은 피치를 탄소섬유의 원료인 전구체로 개질하는 개질수단에서, 증발용기(200) 내부의 압력과 온도를 최적 상태로 일정하게 유지하면서 상기 증발용기 내부로에 원료피치를 연속적으로 공급하기 위한 원료피치주입기(220)를 구비하되, 상기 원료피치주입기(220)는, 고체 원료피치를 예열하는 원료피치예열기(211)와, 원통실린더 내에서 회전하는 스크루(223)와, 스크루 축(224)을 구동하는 제2 전동기(221)와, 상기 스크루(223)의 회전에 의해 상기 원통실린더를 통해 상기 증발용기 내부로 주입되는 원료피치를 가열시키는 주입피치가열체(225)를 구비하며,
상기 스크루(223)의 날개 간격은 증발용기로 갈수록 감소되어 공급되는 원료피치가 머무는 공간이 축소되도록 하여, 상기 원료피치가 증발용기 내부로 연속적으로 공급되는 동안에 상기 원료피치가 압축되면서 상기 원료피치에 함유된 공기는 탈기(脫氣)되고 원료피치주입구가 기밀이 유지되어 증발용기(200)의 내부압력이 일정하게 유지되고,
상기 원료피치주입구에는 상기 증발공간에 투입되는 원료피치의 온도를 측정하는 "제1 온도센서(226)"를 더 구비하고, 주입피치온도(T2)에 따라 상기 주입피치가열체(225)에 공급되는 전력을 제어함으로써, 상기 원료피치가 증발용기 내부로 연속적으로 공급되는 동안에 상기 증발용기 내부로 공급되는 원료피치의 온도 및 증발용기 내부의 온도가 일정하게 유지되며,
상기 증발공간 내에서 개질 완료된 전구체피치를 배출하는 피치배출관로(230)와, 배출되는 피치의 양을 조절하는 "유량조절변(240)"을 구비하되, 상기 피치배출관로(230)를 통해 배출되는 개질피치의 온도를 측정하는 제2 온도센서(231)가 상기 피치배출관로(230)의 전단에 구비되어, 상기 증발용기 내부에서 휘발성물질이 증발되는 동안에는 증발잠열에 의해 일정온도를 유지하다가, 개질 완료된 이후부터 온도가 상승하는 피치의 물성을 이용하여, 상기 증발용기 하부에 구비된 피치배출관로(230)의 전단에 상기 제2 온도센서(231)을 두어 상기 제2 온도센서(231)로 감지된 온도신호에 의해 제어되는 "유량조절변(240)"을 구비함으로써,
상기 증발용기 내부로 원료피치가 공급되는 과정에서 상기 증발용기 내부의 환경 변화를 최소화하여, 증발용기 내부의 온도와 압력조건이 최적조건으로 유지되는 상태로 연속적으로 원료피치를 공급하여 개질하고, 개질 완료된 전구체피치만을 연속 배출할 수 있는 것을 특징으로 하는 피치 개질수단.
제1항에 있어서,
상기 증발용기의 증발공간 내부에서 고이는 용융피치를 교반하기 위한 교반장치가 수직으로 설치되되, 상기 교반장치는, 제1 전동기(111)와, 상기 제1 전동기(111)의 출력축에 연결된 교반날개회전축(117)과, 상기 교반날개회전축(117)의 하단에 결합되는 교반날개(118)를 포함하여 구성되고;
상기 교반날개회전축(117)과 교반날개 구동용 제1 전동기(111) 사이에는 교반날개(118)의 구동 회전력을 측정하는 "회전력검출기(121)"가 더 구비되어;
상기 "회전력검출기(11)"에 의해 감지된 회전력 변화량을 체크하여 용융피치의 액면 변화량을 측정하고 상기 회전력검출기(121)의 회전력이 항상 일정하게 유지되도록 원료피치주입기(220)의 "원료주입 속도"를 제어하며, 용융피치의 액면이 특정 높이로 유지되도록 "교반날개 회전력제어기(310)"를 설정하여 제어함으로써,
온도와 압력이 일정하게 유지되는 상기 증발공간 내부에서 개질이 진행되는 동안에 피치의 질량밀도(Mass density)와 점도(Viscosity)가 일정하게 유지되는 특성을 이용하여, 기밀되고 고온인 증발용기 내부에서 별도의 액면 검출기를 두지 않고도 증발용기 내부에 원료피치 액면의 높이를 일정하게 유지할 수 있는 것을 특징으로 하는 피치 개질수단.
제2항에 있어서,
상기 증발용기(200)의 하부에는 수직으로 세워진 제3 온도센서(251)를 구비하고, 상기 증발용기(200) 내부에 채워진 원료피치의 액면이 상승하여도 채워진 원료피치의 열이 상기 제3 온도센서(251)의 상부 말단에 위치한 온도감지소자에 전도되지 않도록 하기 위해 상기 제3 온도센서(251)의 외주면에는 고온에 견디는 절연층(252)을 구비함으로써,
상기 증발용기 내부 용융피치의 액면이 상승하여, 상기 제3 온도센서(251)의 상부 말단에 도달하면, 상기 제3 온도센서(251)의 최상부 말단에 있는 온도감지소자가 용융피치의 액면 온도를 감지하고, 감지한 온도신호에 의하여 상기 교반날개(118)가 가동되도록 구성되는 것을 특징으로 하는 피치 개질수단.
제2항 또는 제3항에 있어서,
상기 제2 온도센서(231)로 감지된 온도에 의해 개질 완료여부를 판단하고, 개질 완료된 피치만 배출되게 유량조절변(240)의 개도를 제어하는 유량조절변제어기(320)를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 피치 개질수단.
제4항에 있어서,
상기 증발공간 내에서 증발하는 기체를 포집하는 구성으로서, 상기 교반장치 주위에는 여러 개의 증기배출관로(114)가 수직으로 입설되며, 상기 다수의 증기배출관로들(114)의 상부 말단에는 "증기유출 공간(113)"이 형성되어 이루어지되,
상기 증기배출관로(114)의 외주면에는 상기 증기배출관로를 가열하기 위한 증기관로가열체(115)가 구비되며;
상기 응축용기(400)는 상기 "증기유출 공간(113)"에 연결되어 상기 증기배출관로(114)를 통해 이동되는 휘발성물질 증기를 응축시키는 구성으로서, 냉각수가 흐르는 유로를 구비한 본체와, 상기 본체의 상부에 구비되어 불응축 기체가 포집되는 임시탱크(402)와, 비중이 높은 포화증기가 포집되는 응축조(406)와, 상기 임시탱크 내부의 온도(T5)를 측정하는 제4 온도센서(403)와, 상기 임시탱크 내부의 온도(T5)를 감지하여 배출밸브(401)를 개방시켜 고온의 불응축 기체를 배출하는 것을 특징으로 하는 피치 개질수단.
제5항에 기재된 증발용기와 응축용기로 이루어지는 단위 개질수단을 복수 개 순차적으로 연결하되, 어느 한 개질수단의 피치배출관로(230)를 인접 개질수단의 원료피치주입구에 연결하여 연속적으로 피치를 개질하는 장치에 있어서,
상기 복수 개의 개질장치들 중에서 첫번째 개질장치의 원료피치 주입구에는 제2항에 기재된 원료피치주입기(220)가 구비되고;
원료피치에 포함된 휘발성물질의 증발온도와 설정된 압력값을 고려하여 각 개질장치의 증발용기의 전열기(201) 표면온도 및 증발용기 내부압력을 설정함에 있어서. 각 단위 개질장치마다 설정하는 전열기 표면온도의 설정값은 단계적으로 증가되게 설정하고, 각 단위 개질장치마다 설정하는 증발용기 내부압력의 설정값은 단계적으로 감소되게 설정하고, 설정된 각각의 압력 값에 따라 냉각수 배출용 솔레노이드밸브(S)를 개폐하여 각 개질수단의 증발용기 내부 압력을 제어함으로써, 상기 각각의 증발용기 내부의 온도와 압력조건이 최적조건으로 유지되는 상태에서 연속적으로 원료피치를 주입하여 개질하고 개질된 전구체피치를 연속적으로 배출할 수 있는 것을 특징으로 하는 연속개질장치.