KR20150123208A

KR20150123208A - 비활성 가스 투입 노즐 막힘 현상 개선

Info

Publication number: KR20150123208A
Application number: KR1020150143663A
Authority: KR
Inventors: 안범주
Original assignee: 안범주
Priority date: 2015-10-14
Filing date: 2015-10-14
Publication date: 2015-11-03
Also published as: KR102438430B1

Abstract

반응기 시스템으로서, 그 내에서 반응물이 액상에서 고상으로 변하는 챔버를 갖는 반응기 챔버; 상기 챔버 내로 가스를 공급하기 위한 중공형 가스 공급관; 및 상기 가스 공급관 내에 형성된 고체 파쇄부를 포함하며, 상기 가스 공급관은 상기 챔버와 유체적으로 연통하는 복수의 개구를 포함하며, 상기 복수의 개구는 상기 가스 공급관의 길이 방향을 따라 형성되며, 상기 고체 파쇄부는 모터에 의해서 회전가능하며, 상기 고체 파쇄부는 상기 고체 파쇄부가 회전할 때에 같이 회전하면서 상기 복수의 개구로 일시적으로 삽입되는 가스 개구 막힘 방지부를 포함한다.

Description

비활성 가스 투입 노즐 막힘 현상 개선{removal of clogging of gas injection nozzle}

본 발명은 콜타르 처리 반응기에 주입되는 비활성 가스의 노즐 막힘을 제거하기 위한 기술에 관한 것이다.

탄소분말의 형상제조장치(사출기, 압출기, 성형프레스 등)를 이용해 성형이 가능하게 하는 점성의 액상피치 및 분말형태의 피치 바인더를 제조하는 장치 및 방법이 사용되고 있다. 콜타르(Coal tar) 피치를 기반으로 중합공정을 이용해 탄소 분말을 결합할 수 있는 액상 및 분말형태의 탄소 결합제용 피치 바인더를 제조하는 장치 및 방법 또한 개시되어 있다.

본 발명은 액상에서 고상으로 고체화되는 반응을 그 내에서 갖는 반응기 챔버 내로 불활성 가스 또는 반응 가스 또는 반응 촉매 가스를 주입할 때에 상기 반응물의 고화로 인해서 가스 유로 또는 가스 노즐을 방지하고자 한다. 이를 위해서, 본 발명은 아래와 같은 구성을 갖는다.

본 발명의 일 양태에 따라서, 반응기 시스템으로서, 그 내에서 반응물이 액상에서 고상으로 변하는 챔버를 갖는 반응기 챔버; 상기 챔버 내로 가스를 공급하기 위한 중공형 가스 공급관; 및 상기 가스 공급관 내에 형성된 고체 파쇄부를 포함하며,상기 가스 공급관은 상기 챔버와 유체적으로 연통하는 복수의 개구를 포함하며, 상기 복수의 개구는 상기 가스 공급관의 길이 방향을 따라 형성되며, 상기 고체 파쇄부는 모터에 의해서 회전가능하며, 상기 고체 파쇄부는 상기 고체 파쇄부가 회전할 때에 같이 회전하면서 상기 복수의 개구로 일시적으로 삽입되는 가스 개구 막힘 방지부를 포함하는, 반응기 시스템이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 중공형 가스 공급관은 상기 반응기 챔버의 하부에 위치한, 반응기 시스템이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 고체 파쇄부는 스크루 형태의 파쇄부를 포함하는, 반응기 시스템이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 가스 개구 막힘 방지부는 상기 고체 파쇄부의 샤프트에, 상기 샤프트의 표면에 대해서 법선 방향으로 돌출된 복수의 돌출 부재들을 포함하는, 반응기 시스템이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 복수의 돌출 부재들 각각은 각각의 개구에 대응하는 위치에 형성되는, 반응기 시스템이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 복수의 돌출 부재의 각각의, 상기 법선 방향으로의 길이는 대응하는 개구 내로 적어도 삽입되는 길이를 갖는다.

일 실시예에서, 상기 복수의 돌출 부재 각각의 상단은 탄성부를 포함하는, 반응기 시스템이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 복수의 돌출 부재 각각의 상단은 상기 샤프트의 회전 방향으로 라운드된 형상을 갖는, 반응기 시스템이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 샤프트는 제 1 중공형 채널을 가지며, 상기 복수의 돌출 부재 각각은 제 2 중공형 채널을 가지며, 상기 제 1 중공형 채널과 상기 제 2 중공형 채널은 서로 연통하는, 반응기 시스템이 제공된다.

일 실시예에서, 상기 복수의 돌출 부재들은 상기 샤프트의 회전 방향을 따라서 순차적으로 배열된다.

일 실시예에서, 상기 복수의 돌출 부재 각각은 바디부 및 상기 바디부 내로 삽입가능한 이동부를 포함하며, 상기 바디부 내에서는 탄성부가 설치되며 상기 탄성부의 수축 복원력에 의해서 상기 이동부를 상기 바디부 내로 삽입 또는 돌출되는, 반응기 시스템이 제공된다.

도 1은 통상적인 기술의 실시 예를 나타내는 정단면도
도 2는 통상적인 기술의 불활성기체 투입부를 나타내는 정면도, 확대도
도 3은 통상적인 기술의 불활성기체 투입부의 작동상태를 나타내는 도면
도 4는 통상적인 기술의 순환부를 나타내는 정단면도
도 5는 통상적인 기술의 순환부의 작동원리를 나타내는 도면
도 6은 통상적인 기술의 실시 예를 나타내는 순서도
도 7은 통상적인 기술의 투입단계와 조쇄 및 스크류작동단계를 나타내는 도면
도 8은 통상적인 기술의 배출단계를 나타내는 도면
도 9는 통상적인 기술의 실시 예를 나타내는 도면
도 10은 통상적인 기술의 실시 예를 나타내는 도면
도 11은 통상적인 기술의 전체적인 작동 및 순환을 나타내는 도면
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부의 정면도이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부의 정면도이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부의 정면도이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부에 설치된 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구의 실시예이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부에 설치된 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구의 실시예이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부에 설치된 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구의 실시예이다.
도 18은 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부에 설치된 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구의 실시예이다.
도 19는 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부에 설치된 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구의 실시예이다.
도 20은 도 19에서 사용된 막힘 방지 기구에 의해서 불활성 가스 주입 노즐이 채워지는 상태를 도시한다.

이후부터는, 예시적인 실시예들이 첨부 도면들을 참조하여서 보다 상세하게 기술될 것이며, 이 도면들에 걸쳐서 유사한 참조 부호는 유사한 요소들을 지칭하다. 그러나, 본 발명은 다양한 상이한 형태들로 실시될 수 있으며, 오직 본 명세서에서의 실시예들을 예시하는 것으로만 한정되는 것으로 해석되지 말아야 한다. 이보다는, 이러한 실시예들은 본 개시가 철저해지고 완전해지고 본 기술 분야의 당업자에게 본 발명의 양태들 및 특징들을 완벽하게 전달하도록 하는 예들로서 제공된다. 본 발명의 양태들 및 특징들의 완벽한 이해를 위해서 본 기술 분야의 당업자에게 필요하지 않은 프로세스들, 요소들 및 기법들은 기술되지 않을 수 있다. 달리 주목되지 않는다면, 유사한 참조 부호들은 첨부 도면들 및 기술된 설명에 걸쳐서 유사한 요소들을 말하며, 따라서 그들에 대한 설명은 반복되지 않을 것이다. 도면들에서, 요소들, 층들, 및 영역들의 상대적 크기들은 명료성을 위해서 과장될 수 있다.

용어들 "제 1," "제 2," "제 3," 등이 다양한 요소들, 컴포넌트들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들을 기술하는데 본 명세서에서 사용될 수 있지만, 이러한 요소들, 컴포넌트들, 영역들, 층들 및/또는 섹션들은 이러한 용어들에 의해서 한정되지 말아야 한다. 이러한 용어들은 일 요소, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션을 다른 요소, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션으로부터 구별하는데 사용된다. 따라서, 이하에서 기술되는 제 1 요소, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션은 본 발명의 사상 및 범위로부터 벗어나지 않고서 제 2 요소, 컴포넌트, 영역, 층 또는 섹션으로 칭해질 수도 있다.

공간적으로 상대적인 용어들, 예를 들어서 "의 바로 아래에", "아래에", "하부의", "의 밑에" "위에", "상부의" 등은 도면들에서 예시된 바와 같은 일 요소 또는 특징부의 다른 요소(들) 또는 특징부(들)에 대한 관계를 기술하는데 있어서 설명의 용이성을 위해서 본 명세서에서 사용될 수 있다. 이러한 공간적으로 상대적인 용어들은 도면들에서 도시된 배향 이외에, 사용 시에 또는 동작 시에 디바이스의 상이한 배향들을 포함하는 것으로 해석되어야 하는 것이 이해될 것이다. 예를 들어서, 도면들에서의 디바이스가 뒤집어 지면, 다른 요소들 또는 특징부들의 "바로 아래에", "아래에", 및 "밑에" 있는 것과 같이 도시된 요소들은 이 다른 요소들 또는 특징부들 위에 있는 것으로 배향될 것이다. 따라서, 예시적인 용어들 "아래에" 및 "밑에"는 위 및 아래의 양 배향을 포함할 수 있다. 디바이스는 이와 달이 배향되고(예를 들어, 90 도 회전되거나 또는 다른 배향들로 배향되고) 본 명세서에서 사용된 공간적으로 상대적인 기술자들(descriptors)은 이에 따라서 해석되어야 한다.

요소 또는 층이 다른 요소 또는 층 "상에 있거나", "에 접속되거나", 또는 "에 연결되는" 것으로서 말해질 때에, 그 요소 또는 층은 다른 요소 또는 층 상에 직접적으로 있거나 직접적으로 접속되거나 연결될 수 있거나, 또는 하나 이상의 중간에 개입하는 요소들 또는 층들이 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 요소 또는 층이 2 개의 요소들 또는 층들 "간에" 있는 것으로 말해질 때에, 이 요소 또는 층은 2 개의 요소들 또는 층들 간에 있는 유일한 요소 또는 층이 될 수 있거나, 또는 하나 이상의 중간의 개입하는 요소들 또는 층들이 또한 존재할 수도 있다는 것이 또한 이해될 것이다.

본 명세서에서 사용되는 용어는 오직 특정 실시예들을 기술하기 위한 것이며 본 발명을 한정하고자 한 것이 아니다. 본 명세서에서 사용된 바와 같이, 명사의 단수 형태들은, 문맥이 달리 명시적으로 표시하지 않은 이상, 역시 그 명사의 복수의 형태들도 포함하는 것으로 의도된다. 용어들 "포함한다(comprises)", "포함하는(comprising)", "포함한다(includes)" 및 "포함하는(including)"은 본 명세서에서 사용되는 때에, 진술된 특징부들,정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 및/또는 컴포넌트들의 존재를 특정하지만, 하나 이상의 다른 특징들, 정수들, 단계들, 동작들, 요소들, 컴포넌트들, 및/또는 이들의 그룹들의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다는 것이 또한 이해될 것이다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "및/또는"는 연관된 열거된 항목들 중 하나 이상의 것들의 임의의 그리고 모든 조합들을 포함한다. 요소들의 리스트 앞에 올 때에, "적어도 하나"와 같은 표현들은 리스트의 전체 요소들을 꾸미며 리스트의 개별 요소들을 꾸미지는 않는다.

본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어 "실질적으로," "약," 및 이와 유사한 용어들은 근사화의 용어들로서 사용되며 정도의 용어들로서 사용되지 않으며, 본 기술 분야의 당업자에게 인식될 측정된 또는 계산된 값들에서의 고유한 편차들을 고려하도록 의도된다. 또한, 본 발명의 실시예들을 기술할 때에 "할 수 있다(may)"의 사용은 "본 발명의 하나 이상의 실시예들"을 말한다. 본 명세서에서 사용되는 바와 같이, 용어들 "사용한다", "사용하는", 및 "사용된"은 각기 용어들 "이용한다", "이용하는" 및 "이용된"과 동의어로서 고려될 수 있다. 또한, 용어 "예시적인"은 예 또는 예시사항을 말하도록 의도된다.

달리 규정되지 않는다면, 본 명세서에서 사용되는 모든 용어들(기술관련 용어 및 과학 용어들을 포함함)은 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해서 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 갖는다. 예를 들어서 사전에서 통상적으로 사용되는 것들과 같은 용어들은 관련 기술 및/또는 본 명세서의 문맥에서의 그들의 의미와 일관된 의미를 갖는 것으로서 해석되어야 하고, 이상적인 견지로 또는 매우 형식적인 견지로, 본 명세서에서 그렇게 규정되지 않은 이상, 해석되지 말아야 한다는 것이 또한 이해될 것이다.

콜타르 처리 반응기 및 방법

도 1 내지 도 11은 통상적인 기술의 콜타르 처리 반응기 및 콜타르 처리 방법을 예시하고 있다. 먼저 도 1에 도시된 바와 같이 각각의 구성들을 안착 또는 결합시키기 위한 본체부(10)가 구성된다. 한편, 상기 본체부(10)의 중앙부에 구성되되 내부에 공간부(23)가 형성되고 일측에 상기 공간부(23)와 연결되는 투입구(27)가 형성되는 교반케이스(21)와, 상기 교반케이스(21)의 외측을 감싸며 열을 발생시키는 히터(25)가 구성되는 히팅부(20)가 구성되어, 상기 교반케이스(21)의 공간부(23)로 투입되는 콜타르피치(a)를 용융시킴과 더불어 교반시킬 수 있도록 하는 것이다.

또한, 상기 히팅부(20)의 상부를 덮도록 구성되되 상기 공간부(23) 상에 위치되어 회전하는 회전축(33)과 상기 회전축(33)의 외주에 구성되는 교반날개(34)와, 상기 교반날개(34)의 일측과 교반케이스(21)의 일측에 분쇄날(36)과 분쇄돌기(38)가 각각 구성되는 교반 및 분쇄부(30)가 구성되어 액상 또는 고상피치바인더를 제조함에 있어서 교반과 분쇄가 이루어질 수 있도록 하여 하기될 공정에서 원활한 작업을 수행할 수 있도록 구성되는 것이다.

상기한 본체부(10)는 각각의 구성들을 고정 또는 설치하기 위한 다수의 프레임으로 구성되고, 상기 히팅부(20)는 투입되는 콜타르피치(a)를 가열하기 위해 구성되며, 상기 분쇄 및 교반부(30)는 상기 히팅부(20)의 내부에 투입된 콜타르피치(a)를 교반 및 작은 입자로 분쇄하기 위한 구성되는 것이다. 즉, 상기한 본체부(10), 히팅부(20), 분쇄 및 교반부(30)는 콜타르피치(a)를 열처리함에 있어서 사용되는 통상의 구성임으로써 별도의 상세한 설명은 생략하기로 한다.또한, 통상적인 기술의 전체적인 작동을 위한 제어부가 더 포함되는 것이 바람직하다.

여기서, 통상적인 기술의 일 구성요소로서, 상기 히팅부(20)의 하부에 불활성기체 투입부(40)가 더 포함되어 구성된다. 상기 불활성기체 투입부(40)를 도 2, 3, 9, 10을 참고하여 더욱 상세하게 설명하면, 내부에 불활성가스가 이동하는 통로 역할을 하는 유동로(41)가 구성된다. 한편, 상기 유동로(41) 상에서 수평방향으로 설치되어 회전되는 고착방지스크류(43)가 구성되는데 상기 고착방지스크류(43)는 통상의 모터가 연결 구성되어 지속적으로 회전가능토록 설치되며 상기 고착방지스크류(43)가 지속적으로 회전됨으로써 하기될 액상 또는 고상피치바인더(b, c) 제조공정에서 투입노즐(47)이 막혀 콜타르피치(a)가 탄화되는 것을 방지토록 하게 되는 것이다.

또한, 상기 유동로(41)의 일측에는 불활성기체 공급장치로부터 불활성기체를 공급받는 불활성기체투입구(45)가 형성되어 불활성기체를 공급받고, 상기 유동로(41)의 타측에는 상기 히팅부(20)의 하부 일측과 연결 구성되어 불활성기체를 공간부(23)로 투입시키는 투입노즐(47)이 구성된다.

콜타르피치(a)는 진공 밀폐 용기 내에서 점진적인 열을 가하여 내부에 포함되어 있는 불순물을 용해하여 휘발시키거나 제거시키고 열처리온도가 상승함에 따라 발생하는 탄화를 방지하기 위해 지속적으로 불활성기체의 유입이 이루어져야 한다.

특히 고상-액상-고상으로 변화되는 콜타르피치(a)에서 점성의 액상피치와 분말형태의 결합제용 피치를 추출하기 위해서는 콜타르피치(a)에 잔존되어 있는 약 50%의 내부 불순물을 제거하여야 하여야 하고, 열처리 공정내에서 온도가 상승함에 따라 콜타르피치(a)의 탄화(炭火)를 방지하기 위한 불활성 기체(질소, 수소, 알곤 등)를 지속적으로 투입시켜야 하는 것이다.

즉, 상기한 바와 같은 불활성기체 투입부(40)를 구성함으로써, 불활성기체를 하부에서 투입시켜 콜타르피치(a)를 열처리하는 과정에서 다수의 콜타르피치(a)의 사이사이로 불활성기체 침투됨으로써 탄화방지를 효율적으로 하고, 교반 및 분쇄과정에서도, 단순히 콜타르피치(a)의 표면에만 머무르지 않고, 상기 콜타르피치(a)가 용융되어 액상피치(b)로 변형되면 액상피치(b)의 측면을 붕괴시켜 히터(25)에 의해 열을 포함한 불활성기체가 상기 액상피치(b)의 내부로 침투함으로써 액상피치(b)의 내부에 잔존하고 있는 불순물과 휘발분의 제거를 극대화시켜, 제조시간을 단축시킴은 물론 경제적 효율성을 높일 수 있게 되는 것이다.

또한, 도시하진 않았지만 상기 불활성기체 투입부(40)는 히팅부(20)의 외측 즉, 양측에 각각 구성하여 외측으로 불활성기체가 투입될 수 있도록 하여 휘발분과 불순물 제거를 더욱 극대화시킬 수 있게 구성할 수도 있고, 불활성기체 투입구(45)를 다수개로 구성하여 불활성기체의 투입효율성을 높일 수가 있다.

상기한 바와 같이 불활성기체 투입부(40)를 구성하기 위해서는 상기 교반케이스(21)의 하부에 상기 투입노즐(47)의 개수에 따라 동일한 개수의 홀이 형성되는 것이 바람직하다.

한편, 도 4, 5, 7에 도시된 바와 같이 상기 본체부(10)의 상부에는 관 형태의 순환부(50)가 구성된다.

상기 순환부(50)를 더욱 상세하게 설명하면, 내부에 불순물과 휘발분이 이동되는 순환로(51)가 구성되고, 상기 순환부(50)의 일측끝부에 상기 교반케이스(21)의 일측과 연결되어 공간부(23)로부터 불순물과 휘발분이 배출되는 제1휘발분배출구(53)가 구성된다.

또한, 상기 순환부(50)의 타측끝부에 상기 교반케이스(21)의 타측과 연결되며 액상분재순환로(55)가 구성되며 상기 제1휘발분배출구(53)와 액상분재순환로(55) 사이에는 순환로(51) 상으로 열풍을 공급하는 온풍발생기(57)와 휘발분이 배출되는 제2휘발분배출구(59)가 각각 구성된다.

상기 온풍발생기(57)는 제1휘발분배출구(53)를 통해 배출되어 순환로(51) 상으로 이동되며 용해되거나 휘발되는 배출가스 및 불순물은 원활한 배출과 순환로(51)내에서의 응고를 방지하기 위해 순환로(51)의 내부로 80℃ 이상의 고온의 열풍을 강제적으로 배출방향으로 불어넣어 순환로(51) 내부의 불순물의 응고를 방지하고 안정적인 흐름을 유도함은 물론 불순물과 휘발분의 신속한 배출을 위한 구성인 것이다.

또한, 액상분재순환로(55)와 제2휘발분배출구(59)는 상기 배출되는 배관의 끝단부를 다시 이중으로 분리하여 기체형태의 가스는 별도의 세프레이트를 통해 유입시켜 샤워를 통한 냉각공정을 통해 침전이 하게하고 고형의 불순물을 재차 공간부(23)상으로 이동되어 재투입되도록 하여 연속적인 불순물의 추출과 폐기물의 발생을 근본적으로 제거하도록 하는 것이다.

여기서, 상기 순환부(50)에는 외측을 감싸는 히터(58)가 더 포함되게 구성되어, 순환로(51)의 융점이상의 이상의 온도를 유지하여 상기 순환로(51)의 내측 표면에 휘발분의 누적을 추가적으로 방지할 수 있도록 하는 것이다.

상기 히터(58)의 전체 또는 부분적으로 구성될 수가 있으며 통상적인 기술에서는 전체적으로 구성된 것으로 도시하였다.

이에 통상적인 기술에서는 상기한 바와 같이 구성되는 콜타르피치를 기반으로 한 탄소분말 결합제용 피치바인더 제조장치를 이용하여 액상 또는 고상피치바인더 제조를 도 6 내지 도 11을 참고하여 설명하기로 한다.

통상적으로 석탄계 콜타르(Coal tar)피치는 철강업체에서 무한히 배출되는 부산물로 철강제조업체에 따라 약간씩의 차이가 있긴 하지만 대체적으로 연화점이 100℃∼110℃, 융점(녹는점)이 약 110℃∼130℃에 이르며 최고 800℃까지 가열하는 온도에 따라 고상-액상-고상으로의 변화를 거치게 되며 약 250℃∼300℃ 범위에서 점성의 액상피치를 생산하며, 약 400℃∼600℃ 범위에서 최종적인 분말형태의 결합제용 피치를 추출이 가능하다.

먼저, 젤 형태의 액상피치바인더(b)의 제조방법을 도 6 내지 도 10을 참고하여 살펴보면,

조쇄한 다수의 콜타르피치(a)를 공간부(23)에 투입함과 동시에 고착방지스크류(43)을 가동하여 투입노즐(47)에 고착된 콜타르피치를 조쇄하여 히팅부(20)의 하부로 불활성기체(k)를 투입시키는 투입단계(S100)를 수행한다.

그 후 교반케이스(21)의 내부 온도를 분당 5°C의 온도로 순차적으로 상승시키며 회전축(33)을 분당 80~250rpm으로 속도를 조절하며 상기 콜타르피치(a)의 용융과 교반을 동시에 수행하고, 교반 시 순환부를 통해 이동되는 불순물과 휘발분 중 기체는 외부로 완전히 배출시키고 액상분은 재차 공간부(23)로 투입시키는 교반 및 배출단계(S200)를 수행한다.

상기 교반 및 배출단계(S200) 후 상기 교반케이스(21)의 내부 온도가 300°C에 도달되면 일정시간 교반한 후 상기 콜타르피치(a)의 점도가 10,000~12,000 cps가 가 되면 액상피치바인더(b)가 제조되며 상기 액상피치바인더(b)를 추출하는 추출단계(S300)함으로써 젤 형태의 액상피치바인더(b)를 제조하는 것이다.

또한, 고상피치바인더(c)의 제조방법을 도 6 내지 도 11을 참고하여 살펴보면,

교반케이스(21)의 내부 온도를 분당 5°C의 온도로 순차적으로 상승시키며 회전축(33)을 분당 80~250rpm으로 속도를 조절하며 상기 콜타르피치(a)의 용융과 교반을 동시에 수행하고, 교반 시 순환부(50)를 통해 이동되는 불순물과 휘발분 중 기체는 외부로 완전히 배출시키고 액상분은 재차 공간부(23)로 투입시키는 교반 및 배출단계(S200)를 수행한다.

상기 교반케이스(21)의 내부 온도가 300°C에 도달되면 400°C가 될 때까지 분당 1°C의 온도로 순차적으로 상승시켜 용융된 콜타르피치(a)를 고상피치바인더(c)로 변형시키되, 상기 회전축(33)을 분당 250rpm ~ 60rpm으로 속도를 조절하며 고상피치바인더(c)를 조쇄는 조쇄단계(S250)를 하게 된다.

상기 교반케이스(21)의 내부 온도가 400°C에 도달되면 일정시간 유지한 뒤 분말형태의 고상피치바인더(c)를 추출하는 추출단계(S300)를 수행함으로써, 분말형태의 고상피치바인더(c)를 얻을 수 있게 되는 것이다.

여기서, 상기 액상피치바인더(b)와 고상피치바인더(c)의 제조방법에서 추출단계(S300) 후에는 볼밀기에 상기 고상피치(c)와 용매를 넣어 분쇄시켜 슬러지 형태로 만든 후, 건조기에 넣고 80°C의 온도로 72시간 건조하는 건조단계(S400)가 더 포함되는 것이다.

한편, 액상 및 고상피치바인더(b, c)의 제조방법을 도 6 내지 도 11을 참고하여 더욱 상세하게 설명을 하면,

초기 콜타르피치(a)는 내부에 각종 불순물을 포함하고 있어 이를 제거할 경우 수율이 약 50%에 불과하다. 먼저 콜타르피치(a)를 조쇄하여 작은 알갱이로 분쇄한 다음 진공상태를 유지할 수 있도록 투입구(27)로 콜타르피치(a)를 투입함과 동시에 불활성기체 투입부(40)를 가동시켜 투입노즐(47)에 고착된 콜타르피치(a)를 고착방지스크류(43)로 조쇄를 하도록 하고, 히터(25)를 이용해 분당 5℃로 순차적으로 상승시켜 가열을 하여 110℃∼130℃에 이르면 액체 상태로 변화되며 이는 250℃∼300℃까지 유지된다.

이때, 교반케이스(21)의 내부온도가 110℃를 넘어서면 내부적으로 탄화가 발생하기 시작하는데 탄화된 콜타르피치(a)는 결합력을 저하시키는 중요한 요인으로 탄화방지를 위한 공정으로 교반케이스(21)의 하부에서 상부로 불활성기체 투입기(40)로 불활성기체(질소, 수소 등)를 투입하며 혼련을 통해 액체상태의 콜타르피치(a)를 상, 하, 좌, 우로 혼련 시키며 밀도에 따른 구배형성을 방지하는 공정을 300℃까지 분당 1℃씩 일정한 온도상승이 유지될 수 있도록 조절하며 혼련을 위한 회전축(33)의 회전수를 80/분당∼250/분당까지 속도를 조절하여 내부의 휘발분을 최대한 제거하게 된다.

상기의 공정을 거쳐 점도가 10,000∼12,000 cps가 되면 일차적으로 액상피치바인더(b)를 추출하게 된다.

한편, 300℃∼400℃까지 분당 1℃씩 온도를 상승시키면 액상에서 점차로 고상으로 변화된다. 고상으로 변화되는 과정에서 교반케이스(21)의 내벽, 바닥에 고착되어 탄화가 발생하므로 이를 방지하기 위해 교반 및 분쇄부(30)를 통해 분쇄시키되, 초기 회전축(33)의 속도는 250 rpm의 고속에서 시작하여 지름 5mm의 정도로 조쇄될 수 있도록 하고 점차로 60 rpm의 저속으로 진행한다.

여기서, 고착방지스크류(43)가 지속적으로 작동됨으로써 액상피치바인더(b)가 고상피치바인더(c)로 변화되는 과정에서 하부 불활성기체의 투입노즐(47)의 입구가 막혀 탄화가 발생하지 않게 되고, 상기 고착방지스크류(43)의 작동은 액상에서 고상으로 변화되기 시작한 온도부터 기동하여 400℃까지 지속적으로 작동시킨다.

한편, 온도상승에 따라 발생하는 휘발분은 외부로 연결된 제1휘발분배출구(53)를 통해 밀어내고 상기 제1휘발분배출구(53)로부터 배출되는 휘발분 및 분술물이 신속하게 제2휘발분배출구(59)로 배출될 수 있도록 온풍발생기(57)로 신속하게 밀어주게 되어 강제적으로 제거할 수 있도록 하며 제1휘발분배출구(53)를 통해 배출되는 휘발분 및 불순물이 순환로(51)의 내측면에 누적되지 않도록 히터(58)를 가동시켜 융점이상의 온도를 유지시키도록 한다.

또한, 제1휘발분배출구(53)로 배출되는 불순물과 휘발분은 순환로(51)를 통해 일정사이클이 지나면 재차 액상분재순환로(55)를 통해 교반케이스(21)의 공간부(23)로 다시 투입되도록 하여 초기공정에 재투입되도록 한다.

이때, 가스와 냄새가 제2휘발분배출구(59)를 통해 배출되는 기체형태의 불순물은 사이크론을 통해 별도의 1차, 2차, 3차 냉각기를 구성하여 포집시킨다.

이렇게 지속적으로 행하여 400℃에서 일정시간 유지한 후 2차적인 분말형태의 고상피치바인더(c)를 추출한다.

또한, 상기 300°C의 가열 후 액상피치 추출, 400°C가열 후 고상피치를 추출한 후, 추출된 액상 및 분말형태의 고상피치바인더(b, c)는 추가적으로 개질공정을 거치게 되는데, 개질공정에서는 1차 액상피치바인더(b)와 2차 분말형태의 고상피치바인더(c)를 볼밀기에 넣되 메칠알콜을 용매로 사용하여 분쇄와 혼련공정을 거쳐 슬러지(Slurry)형태로 만든 다음 건조기로 투입한다.

한편, 건조기의 건조조건은 80℃의 온도로 72시간 건조과정을 거친 후 젤상태로 만들어진 액상피치바인더와, 분말형태의 고상피치바인더를 생산할 수 있게 되는 것이다.

다시 말해, 액상피치바인더(b)와 용매를 넣어 개질공정을 거치고, 고상피치바인더(c)와 용매를 넣어 개질공정을 거치게 된다.

상기한 방법으로 제조된 각각의 피치바인더는 분말성형프레스를 통해 1.5ton/cm²의 압력으로 직육면체의 시편(50mmX20mmx3mm)을 제조한 후 1,350℃로 진공소결한 후 기계적 물성을 분석한 후 피치 단독으로 정상적인 성능을 유지할 수 있을 때 완성된 것으로 인정하여(쇼어 경도 85±5, 꺽임강도 40MPa 이상) 탄소분말과 일정비율 혼합한 다음 그레뉼 혹은 그레인 제조공정에 투입이 가능한 소재로 제조될 수 있는 것이다.

불활성 가스 노즐 막힘 현상 개선

상기한 통상적인 콜타르 처리 반응기에서는 액상 피치(b)가 고상 피치(c)로 변해갈 때에 상기 불활성 가스 주입구(47)이 막혀 버리는 현상이 발생할 수 있다. 상기 통상적인 기술에서는 스크루 파쇄기(41)를 작동시켜서 파쇄기 내에 있는 고화된 피치는 파쇄될 수 있으나, 상기 불활성 가스 주입구(47) 내에서 고화된 피치를 파쇄되기 어렵다. 따라서, 본 발명은 이렇게 콜타르 피치가 불활성 가스 주입구(47)에서 고상화되는 것을 방지하고자 하는 목적을 갖는다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부의 정면도이다. 도 12의 파쇄부의 구성에서는 상기 통상적인 기술에서 사용된 파쇄부(40)에서 각 불활성 가스 주입 노즐(47)에 대응하는 위치에 불활성 가스 노즐 주입부 막힘 방지 구조물(60)이 설치된 실시예를 도시한다. 본 실시예에서는 상기 불활성 가스 노즐 주입부 막힘 방지 구조물(60)은 파쇄부(50)의 샤프트에 일체로 형성될 수 있다. 도 12의 실시예에서는 불활성 가스 노즐 주입부 막힘 방지 구조물(60)이 샤프트 상에서 일직선 상으로 나란하게 배열되어 있지만, 도 14의 실시예에서는 이러한 불활성 가스 노즐 주입부 막힘 방지 구조물(60)은 샤프트 상에서 나란하게 배열되기보다는 회전 방향을 따라서 순차적으로 배열됨을 알 수 있다. 본 발명은 이러한 2 개의 배열로만 한정되는 것이 아니다. 예를 들어서, 불활성 가스 노즐 주입부 막힘 방지 구조물(60)은 샤프트 상에서 지그 재그로 배열될 수도 있다.

한편, 도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부의 정면도로서, 이 도면은 도 12의 파쇄부가 대략 90도 상향 회전한 상태를 나타내며, 불활성 가스 노즐 주입부 막힘 방지 구조물(60)은 샤프트로부터 샤프트 면에 대해서 법선 방향으로 연장된 구조물로서 이 연장 길이는 불활성 가스 주입 노즐(47)의 가스 유입구를 완전하게 또는 부분적으로 또는 유입구를 넘어서 연장되도록 하는 수직 길이를 갖는다.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 파쇄부에 설치된 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)의 실시예이다. 이 직립 구조물 또는 수직 돌출 구조물은 그 상단 또는 상부에 탄성부재(62)가 코팅되거나 탄성부재가 설치되거나 탄성 부재가 일체로 형성될 수 있다. 일 실시예에서, 탄성 부재는 고무 또는 엘라스토머 또는 탄성 중합체일 수 있다. 이 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)의 바디(61)는 파쇄부(40)의 샤프트에 일체로 형성되거나 패스너 등과 같은 결합 기구로 결합될 수 있다. 이 구조물의 바디는 전체가 탄성 부재가 형성되거나, 전체가 강성의 금속 부재로 형성되거나, 전체가 샤프트와 동일한 재료로 샤프트와 일체로 성형될 수 있다. 이 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)의 상단은 일 실시예에서 탄성 부재가 강하게 부착되거나 강하게 결합되어서 파쇄부(또는 파쇄 스크루부)의 회전 시에 불활성 가스 유동로(41)를 형성하는 관 내부에서 관의 내측 표면에 대해서 강하게 접촉하면서 회전될 수 있다. 한편, 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)의 상단에 형성된 탄성 부재(62)는 그 직경이 비활성 가스 주입 노즐(47)의 직경과 실질적으로 동일하거나 근소하게 크게 설정될 수 있다. 도면에서는 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)의 단면 형상이 사각형으로 되어 있으나, 본 발명은 이로 한정되지 않는다. 예를 들어서, 원통형으로 형성될 수도 있다. 도 17을 참조하면, 원통형으로 샤프트에 일체형으로 형성된 구성이 예시되어 있다. 이와 달리, 도 16 에서와 같이, 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)의 상단 형상은 샤프트의 회전 방향을 따라서 라운드된 형태로 형성될 수 있다.

이러한 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)은 샤프트와 일체로 회전하면서 각각 대응하는 불활성 가스 투입 노즐의 개구를 통과하면서 이 노즐의 개구에 콜타르 피치가 고화되는 것을 방지할 수 있다. 이로써, 본 발명에 따른 콜타르 처리 반응기에서 콜타르가 탄화되지 않도록 계속적으로 불활성 가스를 공급할 수 있어서 양질의 탄소 재료 생산이 가능하게 된다.

한편, 도 18에서와 같이, 중공형 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60) 및 중공형 샤프트 내에 비활성 가스 유로가 형성되어서 그 내로 비활성 가스가 공급될 수 있다. 도 18에서는 예시되지 않았지만, 중공형 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)은 상단 또는 상부는 역시 탄성 부재로 형성되고 그 내에 공기 채널이 형성된다.

도 19에서와 같이, 중공형 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60) 은 바디 (61) 및 바디 내에 설치된 탄성부(63) 및 탄성부에 결합되어서 탄성부의 수축 또는 복원과 함께 이동하는 이동부(62)를 포함할 수 있다. 이로써, 중공형 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)은 불활성 가스 유로를 형성하는 튜브 내에서 회전할 때에는 이동부(62)가 튜브의 내측면에 접촉하면서 바디(61) 내측으로 들어가게 되면서 회전할 수 있으며, 비활성 가스 노즐의 개구를 만나게 되면 다시 돌출되어서 (도 20 참조) 비활성 가스 노즐에 퇴적 및 고화되는 고상 피치를 제거할 수 있게 된다. 도 19의 실시예에서는 바디(61)의, 샤프트의 법선 방향으로의 돌출 길이는 가스 공급 유로를 형성하는 튜브의 내측 반경과 실질적으로 동일할 수 있다. 그렇지 않고 실시예에서는 바디(61)의, 샤프트의 법선 방향으로의 돌출 길이는 가스 공급 유로를 형성하는 튜브의 내측 반경보다 작을 수도 있다.

본 발명은 지금까지 콜타르 반응기에서 비활성 가스 노즐 막힘 방지를 실현하였지만, 본 발명은 이로 한정되지 않고, 다른 분야에서도 사용될 수 있다. 즉, 액상에서 고상으로 고체화되는 반응을 그 내에서 갖는 반응기 챔버 내로 불활성 가스 또는 반응 가스 또는 반응 촉매 가스를 주입할 때에 상기 반응물의 고화로 인해서 가스 유로가 막히는 것을 방지하는 분야에서 동일하게 적용될 수 있다.

한편, 상술한 바 실시예에서는 중공형 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)이 파쇄 스크루의 샤프트 위치에 형성되었지만, 본 발명은 이로 한정되지 않는다. 즉, 중공형 비활성 가스 노즐 막힘 방지 기구 또는 구조물(60)은 파쇄 스크루의 날개부 위치에 설치될 수 있다.

본 발명이 예시적인 실시예들을 참조하여서 기술되었지만, 기술된 실시예들에 대한 다양한 수정들 및 변경들이 모두가 본 발명의 사상 및 범위 내에서 수행될 수 있다는 것을 본 기술 분야의 당업자는 인식할 것이다. 또한, 본 명세서에서 기술된 본 발명은 다른 애플리케이션들을 위한 다른 태스크들 및 구성들에 맞은 해법을 제시할 것도 역시 본 기술 분야의 당업자는 인식할 것이다. 본원의 청구항들에 의해서, 본 발명의 모든 이러한 사용들 및 모두가 본 발명의 사상 및 범위 내에서 개시 목적을 위해서 본 명세서에서 선택된 본 발명의 예시적인 실시예들에 대해서 행해질 수 있는 이러한 변경들 및 수정들을 커버하는 것이 본 출원자의 의도이다. 따라서, 본 발명의 예시적인 실시예들은 예시적이면서 비한정적으로 모든 측면에서 해석되어야 하며, 본 발명의 사상 및 범위는 첨부된 청구항들 및 그들의 균등사항들에 의해서 표시될 수 있다.

Claims

반응기 시스템으로서,
그 내에서 반응물이 액상에서 고상으로 변하는 챔버를 갖는 반응기 챔버;
상기 챔버 내로 가스를 공급하기 위한 중공형 가스 공급관; 및
상기 가스 공급관 내에 형성된 고체 파쇄부를 포함하며,
상기 가스 공급관은 상기 챔버와 유체적으로 연통하는 복수의 개구를 포함하며,
상기 복수의 개구는 상기 가스 공급관의 길이 방향을 따라 형성되며,
상기 고체 파쇄부는 모터에 의해서 회전가능하며,
상기 고체 파쇄부는 상기 고체 파쇄부가 회전할 때에 같이 회전하면서 상기 복수의 개구로 일시적으로 삽입되는 가스 개구 막힘 방지부를 포함하는,
반응기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 중공형 가스 공급관은 상기 반응기 챔버의 하부에 위치한,
반응기 시스템.
제 1 항에 있어서,
상기 고체 파쇄부는 스크루 형태의 파쇄부를 포함하는,
반응기 시스템.
제 3 항에 있어서,
상기 가스 개구 막힘 방지부는 상기 고체 파쇄부의 샤프트에, 상기 샤프트의 표면에 대해서 법선 방향으로 돌출된 복수의 돌출 부재들을 포함하는,
반응기 시스템.
제 4 항에 있어서,
상기 복수의 돌출 부재들 각각은 각각의 개구에 대응하는 위치에 형성되는,
반응기 시스템.
제 5 항에 있어서,
상기 복수의 돌출 부재의 각각의, 상기 법선 방향으로의 길이는 대응하는 개구 내로 적어도 삽입되는 길이를 갖는,
반응기 시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 복수의 돌출 부재 각각의 상단은 탄성부를 포함하는,
반응기 시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 복수의 돌출 부재 각각의 상단은 상기 샤프트의 회전 방향으로 라운드된 형상을 갖는,
반응기 시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 샤프트는 제 1 중공형 채널을 가지며,
상기 복수의 돌출 부재 각각은 제 2 중공형 채널을 가지며,
상기 제 1 중공형 채널과 상기 제 2 중공형 채널은 서로 연통하는,
반응기 시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 복수의 돌출 부재들은 상기 샤프트의 회전 방향을 따라서 순차적으로 배열된,
반응기 시스템.
제 4 항 또는 제 5 항에 있어서,
상기 복수의 돌출 부재 각각은 바디부 및 상기 바디부 내로 삽입가능한 이동부를 포함하며,
상기 바디부 내에서는 탄성부가 설치되며 상기 탄성부의 수축 복원력에 의해서 상기 이동부를 상기 바디부 내로 삽입 또는 돌출되는,
반응기 시스템.