수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치{Automatic polymer dissolving apparatus capable of measuring real-time concentration}

본 발명은 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 용해장치의 용해탱크 내 용해농도를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 용해수의 온도 및 성상에 따른 보정이 가능하고 검출된 용해농도를 기초로 피드백 제어하여 원하는 농도 설정값에 도달하도록 자동 제어할 수 있는 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치에 관한 것이다.

현재 국내에서 사용되는 폴리머(고분자 응집제) 용해장치는 크게 2가지 형식으로 연속식 용해장치인 다단 용해조 형식과 간헐식 용해장치인 분사식 폴리머 용해장치가 대부분을 차지하고 있다.

이들 종래의 용해장치는 다음과 같은 문제점이 있다. 호퍼 높이에 따라 이송스크류의 분말 이송량 편차가 발생되거나 습기 노출로 인한 분말 응고 현상으로 인해 이송량 편차가 발생하여 용해농도에 편차가 발생하게 된다.

또한 용해수의 유량 대비 이송 스크류의 회전수를 제어하여 농도를 결정하므로, 실제 교반되고 있는 용해탱크 내의 실제농도 측정이 전혀 이루어지지 않는 문제점이 있다.

뿐만 아니라 하절기와 동절기의 용해수의 온도 또는 성상에 따라 용해농도의 편차가 발생될 수 있으나, 용해수의 온도나 성상에 따라 용해농도가 달라지게 되는 문제점이 전혀 반영되지 않고 있다.

이렇듯 용해농도의 편차가 심하면 용해농도 불균일로 후단 수처리 공정의 약품투입량 조정이 어렵고, 기준 농도보다 용해농도가 낮을 경우는 수질개선 효율이 저하될 수 있으며, 기준 농도보다 용해농도가 높을 경우는 약품소모량이 증가되어 수질환경에 악영향을 끼칠 뿐만 아니라 수처리 비용이 증가하는 문제점이 발생하게 된다.

따라서 이송량 편차에 상관없이 용해탱크 내부의 실제농도를 실시간으로 측정할 필요가 있으며, 나아가 폴리머의 종류, 용해수의 온도변화나 용해수의 성상에 대응하여 용해농도를 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 검출된 용해농도를 기초로 피드백 제어하여 원하는 농도 설정값에 도달하도록 자동 제어할 수 있는 폴리머 자동 용해장치를 제공할 필요성이 요청된다.

본 발명은 용해장치의 용해탱크 내 용해농도를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 용해수의 온도 및 성상에 따른 보정이 가능하고 검출된 용해농도를 기초로 피드백 제어하여 원하는 농도 설정값에 도달하도록 자동 제어할 수 있는 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치를 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 폴리머 약품이 용해수에 의해 용해되는 용해탱크; 상기 용해탱크로 상기 용해수를 공급하는 물 공급 유닛; 상기 용해탱크로 상기 폴리머 약품을 공급하는 약품 공급기; 상기 용해탱크, 상기 물 공급 유닛 및 상기 약품 공급기에 전기적으로 연결되어 신호를 송수신하는 제어반; 상기 용해탱크에 결합되며, 상기 용해탱크 내 폴리머 약품 용액의 용해농도 측정을 위하여 상기 폴리머 약품 용액의 전기적 특성을 검출하여 상기 제어반으로 전달하는 용해농도 측정 저항센서; 및 상기 물 공급 유닛에 결합되어 상기 물 공급 유닛을 통해 공급되는 상기 용해수의 전기적 특성을 검출하여 상기 제어반으로 전달하는 용해수 측정 저항센서를 포함하며, 상기 제어반은 상기 용해농도 측정 저항센서 및 상기 용해수 측정 저항센서의 정보를 기초로 상기 용해탱크 내의 실제농도를 표시하는 것을 특징으로 하는 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치를 제공한다.

상기 용해농도 측정 저항센서 및 상기 용해수 측정 저항센서 각각은 전압값을 측정하여 상기 제어반에 전달할 수 있다.

상기 제어반은 상기 용해수 측정 저항센서 및 상기 용해농도 측정 저항센서로부터 전압값을 입력받아 연산하여 상기 용해탱크의 실제농도를 도출하는 농도 연산부; 및 상기 농도 연산부에 의하여 도출된 상기 용해탱크의 실제농도와 설정농도 사이의 오차를 상쇄하도록 피드백 제어하는 피드백 제어부를 포함할 수 있다.

상기 용해농도 측정 저항센서를 세척하는 센서 세척장치를 더 포함할 수 있다.

상기 센서 세척장치는 시상수가 공급되는 센서 세척수 공급관; 및 상기 센서 세척수 공급관의 말단에 결합되어 플렉시블관으로 형성되는 세척수 분사노즐을 포함할 수 있다.

상기 용해탱크 내의 수위를 감지하는 수위센서를 더 포함할 수 있다.

상기 용해농도 측정 저항센서는 상기 수위센서의 신호에 기초하여 상기 센서 세척장치에 의하여 세척될 수 있다.

상기 약품 공급기는 액상 폴리머가 저장되는 원액 저장조를 구비할 수 있다.

본 발명에 따르면, 용해장치의 용해탱크 내 용해농도를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 용해수의 온도 및 성상에 따른 보정이 가능하고 검출된 용해농도를 기초로 피드백 제어하여 원하는 농도 설정값에 도달하도록 자동 제어할 수 있는 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치가 제공된다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 농도측정식 자동 폴리머 용해장치의 배관계장도(P&ID)이다.
도 2a는 도 1에 대응하게 구현된 측단면도, 도 2b는 도 2a의 평면도를 도시한 도면이다.
도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 용해농도 측정 저항센서(150)의 구체적인 형상을 도시한 도면이다.
도 4a 및 도 4b는 센서 세척장치의 구체적인 구성을 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 용해장치의 제어반이 갖는 농도측정 기능과 농도 제어 기능을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치를 도시한 도면이다.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 동일 또는 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 수처리용 농도측정식 자동 폴리머 용해장치의 배관계장도(P&ID), 도 2a는 도 1에 대응하게 구현된 측단면도, 도 2b는 도 2a의 평면도를 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 2에 도시된 폴리머 용해장치는 분말형 폴리머 용해장치로서, 약품 공급기(110) 및 물 공급 유닛(120)과, 이들로부터 공급되는 폴리머 약품(고분자 응집제)과 용해수가 투입되는 용해탱크(130)를 구비한다. 폴리머 약품은 약품 공급기(110)의 호퍼(111)에 충진된 후 약품 공급모터(114)에 의하여 회전하는 스크류 피더(112)를 통해 일정량씩 공급되어 약품 공급관(116)을 거쳐 디스퍼서(113)에 의해 물 공급 유닛(120)에서 공급되는 용해수와 함께 용해탱크(130)로 투입된다.

용해탱크(130)에는 용해조(131), 숙성조(132) 및 저장조(133)가 구비되어 용해조(131)로 투입된 용해수와 폴리머 약품은 다단 연속식으로 구비된 숙성조(132) 및 저장조(133)를 통과하면서 교반되어 수처리 후단 공정으로 공급된다. 본 발명의 실시예에서는 3단 용해탱크를 도시하고 있으나 반드시 이러한 구조의 용해탱크에만 적용되는 것은 아니므로, 3단 이하 또는 그 이상의 용해탱크라도 무방하다.

용해탱크(130)의 각 조에는 용해수에 폴리머 약품이 균일하게 용해될 수 있도록 모터(M)에 의해 회전되는 교반기(135a~135c)가 각각 구비되며, 드레인 라인(136)도 용해장치의 일측을 따라 구비된다. 저장조(133)에 저장되는 약품 용액은 배출밸브(137)를 통해 배출된다.

용해탱크(130)에는 용해농도 측정 저항센서(150)가 설치되어 용해탱크(130) 내의 저항에 따른 전압값을 검출하여 제어반(140)으로 전달한다. 도시된 도면에서는 용해농도 측정 저항센서(150)가 저장조(131)에 하나 구비되는 것으로 도시되었으나, 용해조(132)나 숙성조(133)에 구비되거나 또는 모두에 구비되는 경우도 가능할 것이다. 용해탱크(130)에 용해농도 측정 저항센서(150)가 구비됨으로써 제어반(140)은 용해탱크(130)에 설치된 용해농도 측정 저항센서(150)로부터 농도값의 도출에 필요한 용해탱크(130) 정보를 입력받을 수 있게 된다.

또한 물 공급 유닛(120)은 솔레노이드 밸브(121)를 포함한 다수의 밸브들과, 압력계(122), 유량계(123), 용해수 측정 저항센서(124), 용해수 공급관(125) 등이 구비된 파이프 라인으로 형성되며, 제어반(140)의 제어에 의하여 솔레노이드 밸브(121)가 개방되면 유입되는 용해수가 용해수 공급관(125)를 통해 용해탱크(130)로 투입되며, 용해수 측정 저항센서(124)에 의하여 용해수의 전기적 특성이 측정되어 용해탱크(130) 내의 용해 농도 검출을 위하여 제어반(140)으로 전송된다. 용해수 측정 저항센서(124)가 구비됨으로써, 용해수의 특성, 즉 온도나 성상 등이 용해 농도값의 도출에 반영될 수 있게 된다.

이에 따라 제어반(140)은 용해 농도값의 도출에 필요한 정보를 용해농도 측정 저항센서(150) 및 용해수 측정 저항센서(124)로부터 제공받게 되고, 이러한 정보에 근거하여 용해탱크 내의 실제농도를 설정된 시간마다 연산하여 제어반(140)의 디스플레이 패널 상에 실시간으로 디스플레이할 수 있게 된다.

또한 용해탱크(130)에는 센서 세척장치(160) 및 수위 센서(170)가 더 구비될 수 있다. 센서 세척장치(160)는 후술하는 바와 같이 용해농도 측정 저항센서(150)의 센서 팁을 수시로 세척하여 센서(150)의 오염을 방지하기 위해 구비된다.

수위센서(170)는 주로 용해탱크(130)의 저장조(133) 내에 구비되어 저장조(133) 내의 약품 용액이 일정 수위 이하로 내려가는 경우 제어반(140)에 신호를 전달하여 폴리머 약품 및 용해수의 공급이 재개되도록 하는 기능을 수행한다. 뿐만 아니라 후술하는 바와 같이, 수위센서(170)의 신호에 연동하여 센서 세척장치(150)가 동작될 수 있다.

도 3a 및 도 3b는 도 2에 도시된 용해농도 측정 저항센서(150)의 구체적인 형상을 도시한 도면이다. 도시한 바와 같이, 용해농도 측정 저항센서(150)는 용해탱크(130)의 상부면에 착탈가능하게 결합될 수 있도록 플랜지(151)가 구비되며, 플랜지(151)의 상부로는 전기기구가 내장되는 커버(152)가 구비되며, 하부로는 파이프(153)와 엘보(154)에 의하여 연결되는 센서팁(155)이 구비된다. 센서팁(155)에는 탐침(155a)이 형성될 수 있다.

이러한 용해농도 측정 저항센서(150)는 폴리머 약품이 용해된 약품 용액에 침지되어 약품용액의 전기적 특성을 측정하는 것으로서, 센서팁(155), 특히 탐침(155a)에는 장시간 사용시 약품 용액이 잔류되어 탐침(155a)의 기능 발휘에 장애를 가져올 수 있다. 따라서 용해농도 측정 저항센서(150)의 센서팁(155)을 수시로 세척하는 것이 정확한 측정치를 확보하기 위해 바람직할 것이다.

이를 위해 용해농도 측정 저항센서(150)는 도 4에 도시되는 센서 세척장치(160)에 의하여 수시로 세척될 수 있다.

도 1, 도 2a, 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 센서 세척장치(160)는 센서 세척수 공급관(161)과 세척수 분사 노즐(162)을 포함할 수 있다. 센서 세척수 공급관(161)에는 용해수와 마찬가지로 물 공급 유닛(120)에 의하여 시상수인 물이 투입되며, 센서 세척수 공급관(161)의 말단에는 세척수 분사 노즐(162)이 결합되어 용해농도 측정 저항센서(150)의 센서팁(155)을 향하여 세척수를 공급하게 된다. 도시된 실시예에서는 3개의 세척수 분사 노즐(162)이 구비되는 것으로 도시되어 있으나, 그 개수는 증감될 수 있을 것이다. 세척수 분사 노즐(162)은 플렉시블관으로 형성되어 센서팁(155)을 조준하여 각도 조절이 용이하도록 형성되는 것이 바람직할 것이다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라 용해장치의 제어반(140)이 갖는 농도측정 기능과 농도 제어 기능을 개략적으로 도시한 블록도이다.

먼저 본 발명에 따른 용해장치의 제어반(140)은 주제어부(141), 농도 연산부(142) 및 피드백 제어부(143)를 포함한다. 주제어부(141)는 용해장치의 각종 구성요소를 제어하며, 설정농도에 따라 약품 공급기(110)와 물 공급 유닛(120)을 제어하여 일정량의 폴리머 약품과 용해수를 용해탱크(130)로 공급한다.

농도 연산부(142)는 상술한 용해수 측정 저항센서(124)와 용해탱크(130)에 장착되는 용해농도 측정 저항센서(150)로부터 저항을 이용하여 측정된 전압값으로부터 용해탱크(130) 내의 약품 용액의 용해농도를 연산한다.

아래 표 1은 용해수 측정 저항센서(124)와 용해농도 측정 저항센서(150)로부터 측정된 전압값과 측정농도와의 상관관계를 다수의 시료를 제작하여 도출한 것이다. 이때 용해수는, 어느 지역의 시상수인지 또는 어떤 종류의 시상수인지 등에 따라 용해수의 특성이 달라지고 이는 약품 용액의 농도에 영향을 미칠 수 있다. 따라서 본 발명에서는 용해수의 특성을 용해수 측정 저항센서(124)를 이용하여 측정하고, 약품 용액의 측정 전압값을 용해수 측정 저항센서(124)의 측정 전압값으로 보정하여 도출된 보정값을 약품 용액의 용해 농도 도출에 반영함으로써, 용해수의 특성이 반영된 농도값의 도출이 가능하게 된다.

아래 표 2는 표 1에 따라 도출된 보정 전압값과 용해 농도와의 상관관계를 그래프로 나타낸 것이다. 따라서 농도 연산부(142)는 표 2에 도시된 상관 관계 그래프를 이용하여 도출된 수식에 대입함으로써, 용해탱크(130)의 약품 용액의 실제농도를 도출할 수 있게 된다.

피드백 제어부(143)는 농도 연산부(142)를 통해 실시간으로 측정되는 용해탱크(130) 내의 약품 용액의 실제농도를 설정농도와 비교하여 약품 공급기(110)를 피드백 제어함으로써, 약품 용액의 실제농도가 설정농도에 도달할 수 있도록 제어하는 역할을 수행한다.

다시 말해, 주제어부(141)에 의하여 설정농도에 따라 약품 공급기(110)와 물 공급 유닛(120)이 동작하여 일정량의 약품과 용해수가 용해탱크(130)로 공급되면, 농도 연산부(142)가 용해수 측정 저항센서(124)의 전압값 및 용해농도 측정 저항센서(150)의 전압값을 기초로 용해탱크 내의 실제농도를 도출한다. 이때 피드백 제어부(143)는 용해탱크 내의 실제농도를 설정농도와 비교하여, 설정농도에 미달 혹은 초과되었는지 여부를 판단하게 되며, 설정농도와 실제농도의 오차가 있는 것으로 판단되면, 약품 공급기를 제어하여 폴리머 약품이 오차를 상쇄할 수 있는 정도로 공급되도록 제어한다. 본 발명의 실시예에 따르면, 약품 공급기(110)의 스크류 피더(112)를 시간 제어함으로써 약품 공급량을 제어할 수 있게 된다.

이하, 이와 같이 구성된 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치의 작용을 설명하면, 다음과 같다.

먼저 제어반(140)의 제어에 의하여 솔레노이드 밸브(121)가 개방되면 용해수가 용해탱크(130)로 공급되면서 물 공급 유닛(120)의 압력계(122) 및 유량계(123)에 의하여 압력과 유량이 체크되어 제어반(140)으로 전달되고 말단의 용해수 측정 저항센서(124)에 의하여 용해수의 전기적 특성, 즉 전압값이 센싱되어 역시 제어반(140)으로 전달된다.

폴리머의 공급은 제어반(140)의 제어에 의하여 약품 공급기(110)의 약품 공급모터(114)가 동작하면 설정농도에 대응하도록 스크류 피더(112)가 회전함으로써 호퍼(111)에 충진된 분말 형태의 폴리머가 일정량씩 공급되어 디스퍼서(113)에 의하여 용해수와 함께 용해탱크(130)로 투입된다. 약품 센서(115)는 호퍼(111) 내의 폴리머 약품이 기준치 이하로 충진되어 있는지를 감지하여 제어반(140)으로 전달한다.

물 공급 유닛(120) 및 약품 공급기(110) 각각으로부터 공급되는 용해수와 폴리머 약품은 용해탱크(130)의 용해조(131)로 투입되며 각 조에는 교반기(135a~135c)가 설치되어 제어반(140)의 제어에 의하여 교반을 진행한다. 용해탱크(130)의 용해조(131)에는 용해농도 측정 저항센서(150)가 구비되어 용해조(131)로 투입되어 용해되고 있는 폴리머 약품 용액의 전기적 특성, 즉 전압값을 검출하여 제어반(140)으로 전달한다.

수위센서(170)는 용해탱크(130) 말단의 저장조(133)의 수위가 저수위 이하로 내려갈 때 이를 감지하여 제어반(140)으로 전달하게 된다. 뿐만 아니라 수위센서(170)는 저장조(133)의 수위가 중수위 이하로 내려갈 경우, 이를 감지하여 감지신호를 제어반(140)으로 전달하여, 센서 세척장치(160)가 가동하도록 한다.

본 실시예에 있어서, 용해농도 측정 저항센서(150)의 센서팁(155)은 중수위에 근접하여 위치됨으로써, 저장조(133)의 수위가 중수위 이하로 내려갈 경우, 센서팁(155)이 약품 용액에 침지되지 않고 노출되는 것이 가능해진다. 따라서 이때 센서팁(155)이 노출된 상태이므로, 세척이 가능하므로, 센서 세척장치(160)는 수위센서(170)의 중수위 감지신호를 기초로 동작할 수 있다. 물 공급 유닛(120)으로부터 시상수가 유입되는 센서 세척수 공급관(161)을 통해 세척수가 공급되면, 센서 세척수 공급관(161)의 말단에 플렉시블관으로 형성되는 세척수 분사 노즐(162)을 통해 센서팁(155)을 향해 세척수가 공급될 수 있다. 세척수 분사 지속시간은 제어반(140)에 의하여 미리 설정될 수 있다.

한편, 용해수 측정 저항센서(124) 및 용해농도 측정 저항센서(150)로부터 측정된 전압값을 기초로 제어반(140)의 농도 연산부(142)에 의해 용해탱크(130) 내의 실제농도가 연산되어, 제어반(140)의 디스플레이 패널에 실시간으로 실제농도가 디스플레이될 수 있다.

또한 제어반(140)의 피드백 제어부(143)는 실제농도와 설정농도 사이에 오차가 있는 것으로 판단되면, 약품 공급기(110)를 제어하여, 약품 공급량을 조절함으로써, 설정농도에 도달하도록 제어할 수 있다.

위와 같은 실시예에 따르면, 용해장치의 용해탱크 내 농도를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 용해수의 온도 및 성상에 따른 보정이 가능하고 용해탱크 내부의 실제농도와 설정농도 사이에 발생되는 오차를 피드백 제어할 수 있게 된다.

도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치를 도시한 도면으로, 분말형 폴리머가 충진된 약품 공급기(110) 대신에 액상 폴리머가 충진된 폴리머 원액 저장조(L)가 별도로 구비되어, 용해수와 함께 용해탱크(130)로 투입된다는 점을 제외하고는 상술한 실시예와 마찬가지의 기능을 갖는다.

도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 수처리 공정용 농도측정식 폴리머 자동 용해장치를 도시한 도면으로, 도 6에 도시된 제2 실시예와 같이 액상 폴리머가 사용되나, 별도의 원액 저장조가 구비되지 않고 용해탱크(130') 내에 원액 저장조(L)를 일체로 구비하고 있다는 점에서 제2 실시예와 차이를 갖는다.

도 6 및 도 7과 같은 실시예를 취하더라도, 용해장치의 용해탱크 내 농도를 실시간으로 측정할 수 있을 뿐만 아니라, 용해수의 온도 및 성상에 따른 보정이 가능하고 용해탱크 내부의 실제농도와 설정농도 사이에 발생되는 오차를 피드백 제어할 수 있는 효과는 동일하다.

이와 같이 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

110 : 약품 공급기 120 : 물 공급 유닛
130 : 용해탱크 140 : 제어반
150 : 용해농도 측정 저항센서 160 : 센서 세척장치
170 : 수위 센서