KR100680921B1

KR100680921B1 - 초고순도 가스의 제조방법 및 제조장치

Info

Publication number: KR100680921B1
Application number: KR1020007013504A
Authority: KR
Inventors: 야마시타나오히코
Original assignee: 니혼 에아 리퀴드 가부시키가이샤
Priority date: 1999-04-05
Filing date: 2000-04-05
Publication date: 2007-02-08
Also published as: KR20010052462A; JP4242507B2; TW449495B; JP2000292055A; WO2000060293A1

Abstract

본 발명은 예비 정제한 원료 유체를 제1 정류탑(10)에서 정제하고, 얻어진 고순도 유체를 제1 정류탑(20)으로 도입하여 추가로 정제함으로써 초고순도 가스를 제조하는 공정을 가지는 초고순도 가스의 제조방법으로서, 상기 제1 정류탑(10)의 상기 원료 유체의 공급부로부터 탑정측의 환류액의 일부를 유량 조절해가며 상기 제1 정류탑(20)의 탑정부로 도입하여 그 환류액으로 하고, 그 탑정부의 가스를 상기 제1 정류탑(10)의 탑정측으로 되돌리면서 상기 제2 정류탑(20)의 정류부(21) 또는 탑저부로부터 초고순도 물질을 회수하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면 장치 구성이 간이하고 비용면에서도 유리하며, 또한 초고순도 가스의 순도를 높게 유지할 수 있는 초고순도 가스의 제조방법, 및 그 장치를 제공할 수 있다.

초고순도 가스, 정류탑, 탑정부, 탑저부, 정류부, 저류부, 환류액, 리보일러, 응축기

Description

초고순도 가스의 제조방법 및 제조장치 {METHOD AND DEVICE FOR PRODUCING ULTRA-PURE GAS}

본 발명은 예비 정제한 원료 유체를 제1 정류탑에서 정제하고, 얻어진 고순도 유체를 제2 정류탑으로 유도하여 다시 정제함으로써 초고순도 가스를 제조하는 제조방법, 및 그 제조장치에 관한 것으로, 특히 고순도 아르곤의 제조에 유용하다.

정류탑을 이용한 각종 가스의 분리 및 정제(심냉분리(深冷分離))는 공기로부터 각종 성분을 저온 분리하는 기술 및 각종 산업설비의 배출가스로부터 유용한 가스를 고순도로 회수하는 기술 등에 이용되고 있다. 정류탑의 기본 원리는 기액평형 상태에 있는 기체와 액체의 조성이 다르다는 현상을 아용하여 탑내의 정류부를 하강하는 환류액과, 정류부를 상승하는 증기를 기액 접촉시키면서, 증발과 응축을 반복함으로써, 정류부의 하측으로 고비점 성분이, 상측으로 저비점 성분이 농축되어 가는 것이다. 그 경우, 탑정부(塔頂部)로부터 환류액을 강하시키고, 또 탑저부(塔底部)로부터 환류증기를 발생시키기 위해 통상 응축기와 리보일러가 각각 정류탑의 탑정부와 탑저부에 설치되어 있다.

이와 같은 정류탑을 이용하여 더욱 고순도인 가스를 제조하는 경우, 원료 유체를 제1 정류탑에서 정제하고, 얻어진 고순도 가스 등을 제2 정류탑으로 도입하여 다시 정제하는 방법이 채택되는 경우가 많다. 따라서, 복수의 정류탑을 사용하는 각종 형태의 고순도 가스의 제조방법이 이제까지 많이 출원되어 있다.

이와 같은 기술은 크게 나누면 제1 정류탑에서 제2 정류탑으로 한 방향으로 유체를 공급하는 타입과, 제1 정류탑과 제2 정류탑 사이에서 양 방향으로 유체를 공급하는 타입이 존재한다. 그리고, 초고순도 아르곤의 제조에 유용한 기술로는 이하와 같은 것이 존재한다.

전자의 타입으로서, 예를 들면 일본국 특허 제2594604호 공보에는 원료 유체를 제1 정류탑으로 도입하여 정제 후의 탑저액을 빼내고 이것을 제2 정류탑의 중간단으로 도입하여 그 탑정부로부터 초고순도 가스를 회수하는 방법이 기재되어 있다. 이 경우, 제1 정류탑과 제2 정류탑에는 각각 응축기와 리보일러가 설치되어 있고, 2기의 응축기와 2기의 리보일러를 독립적으로 능력 제어함으로써 초고순도 가스의 회수에 적합한 정류 조건을 각 정류탑마다 조정할 수 있도록 구성하고 있다.

한편, 후자의 타입으로서는 제1 정류탑과 제2 정류탑의 탑저부 사이에서 기체와 액체를 양 방향으로 공급함으로써 리보일러를 생략하는 기술만이 이제까지 존재하였다. 예를 들면, 일본국 특허공개공보 제95-85761호에는 제1 정류탑의 원료 유체의 공급부로부터 탑저측의 가스의 일부를 제2 정류탑의 탑저부로 도입하고, 그 탑저부에서 빼낸 액체를 제1 정류탑의 탑저측으로 되돌리면서 제2 정류탑의 탑정부로부터 초고순도 물질을 회수하는 방법이 기재되어 있다. 또, 이 때 제1 정류탑의 응축기에 의해 발생된 환류액의 일부를 제2 정류탑의 탑정부로 도입하여 제2 정류 탑의 환류액으로 사용하는 방법이 기재되어 있다.

그러나, 상기 전자와 같이 한 방향으로 유체를 공급하는 타입에서는 후자와 같이 양 방향으로 유체를 공급하는 타입과 달리, 제2 정류탑의 응축기 또는 리보일러를 생략할 수 없으므로 그 만큼 장치 구성이 복잡해지고, 비용면에서도 후자보다 유리하다고 할 수 없다. 또, 양 정류탑에서의 환류량의 배분을 각 탑의 응축기의 능력 조절에 의해 각각 별도로 행할 필요가 있으므로, 그 조작이 번잡해진다는 결점도 있었다.

한편, 상기 후자와 같이, 제1 정류탑과 제2 정류탑의 탑저부 사이에 기체와 액체를 양 방향으로 공급함으로써 리보일러를 생략하는 타입에서는 장치 구성이 간소화되고 비용면에서 유리해지지만, 초고순도 유체의 회수를 가능하게 하기 위한 제어의 융통성이 작으므로, 원료 조성이 변화된 경우에 제품 가스의 순도가 저하하기 쉬운 결점이 있었다. 즉, 원료 조성이 변화된 경우에도 초고순도의 제품 가스를 얻기 위해서는 제품 순도가 저하하지 않도록 제품 유체의 회수량을 조절할 필요가 있으나, 회수량의 조절에는 환류량과 리보일 양을 독립적으로 미세하게 조정할 필요가 있으나, 제2 정류탑에 리보일러가 존재하지 않으므로 그 조정이 곤란하고 제품 순도를 유지하는 것이 곤란해진다.

그래서, 본 발명의 목적은 장치 구성이 간이하고 비용면에서도 유리하고, 또한 초고순도 가스의 순도를 높게 유지할 수 있는 초고순도 가스의 제조방법 및 그 장치를 제공하는 것이다.

상기 목적은 하기와 같이 본 발명에 의해 달성할 수 있다. 즉, 본 발명의 제조방법은 예비 정제한 원료 유체를 제1 정류탑에서 정제하고, 얻어진 고순도 유체를 제2 정류탑으로 도입하여 다시 정제함으로써 초고순도 가스를 제조하는 공정을 가지는 초고순도 가스의 제조방법에 있어서, 상기 제1 정류탑의 상기 원료 유체의 공급부에서 탑정측의 환류액의 일부를 유량 조절하면서 상기 제2 정류탑의 탑정부로 도입하여 그 환류액으로 사용하고, 그 탑정부의 가스를 상기 제1 정류탑의 탑정측으로 되돌리면서 상기 제2 정류탑의 정류부 또는 탑저부로부터 초고순도 물질을 회수하는 것을 특징으로 한다. 또한, "초고순도 가스"라는 것은 1탑의 정류탑에 의한 정제 가스보다 더욱 고순도인 가스를 가리키는 것으로, 상대적인 의미만을 갖는다.

본 발명의 제조방법에 의하면, 제1 정류탑의 원료 유체의 공급부로부터 탑정측의 환류액의 일부를 제2 정류탑의 탑정부로 도입하여 그 환류액으로 사용하면서, 그 탑정부로부터의 가스를 제1 정류탑의 탑정측으로 되돌리므로, 제2 정류탑의 응축기를 필요하지 않게 만들 수 있다. 그리고, 종래에는 각 탑의 응축기의 능력 조절에 의해 환류액의 배분을 행하였으나, 본 발명에서는 제2 정류탑으로 공급하는 환류액의 유량 조절에 의해 간이하게 그 배분을 행할 수 있다. 한편, 각 탑의 리보일 양을 독립적으로 능력 조절할 수 있으므로, 원료 조성이 변화된 경우에 제품 순도가 저하되지 않도록 제품 유체의 회수량을 조절하는 경우, 환류량과 리보일 양을 독립적으로 미소 조정할 수 있고, 초고순도 가스의 순도를 높게 유지하는 것에 가능해진다.

그 결과, 장치 구성이 간이하고 코스트면에서도 유리하며, 또한 초고순도 가스의 순도를 높게 유지할 수 있는 초고순도 가스의 제저 방법을 제공할 수 있었다.

상기에 있어서, 제1 정류탑과 제2 정류탑 사이에서의 환류액과 가스의 유동은 여러 가지 추진력을 이용하여 행할 수 있으나, 상기 제1 정류탑으로부터 환류액의 일부를 유량 조절하면서 상기 제2 정류탑으로 도입할 때, 고저차를 이용하여 상기 환류액을 유동시키면서, 그 경로에 설치한 밸브의 개방 정도에 의해 환류액의 유량을 조절하는 동시에 상기 제2 정류탑의 탑정부로부터 가스를 상기 제1 정류탑의 탑정측으로 되돌릴 때, 양 탑의 압력차를 이용하여 상기 가스의 유동이 이루어지게 하는 것이 바람직하다. 이 경우, 부가설비를 최소한으로 억제하면서, 유동에 필요한 추진력을 확보하는 한편 밸브의 개방 정도에 의해 환류액의 배분을 용이하게 행할 수 있다.

또, 리보일의 방식도 각종 방식을 채용할 수 있으나, 상기 제1 정류탑의 탑저액과 상기 제2 정류탑의 탑저액을 혼합한 후, 감압하여 상기 제1 정류탑의 응축기의 냉매 저류부(貯留部)로 도입하고, 그 냉매 저류부에서 기화한 가스를 압측기로 압축한 후, 분기된 경로의 각각에 설치한 밸브로 분배하고, 리보일가스로서 상기 각 탑의 탑저부로 공급하는 동시에 상기 초고순도 물질의 회수를 상기 제2 정류탑 정류부의 중간으로부터 행하는 것이 바람직하다. 이 경우, 리보일 양의 배분 조절도 용이하게 행할 수 있다.

상기에 있어서, 상기 원료 유체는 정류에 지장을 초래하지 않을 정도로 예비 정제되어 있는 것이면 되지만, 원료 유체가 순도 95 용량% 이상의 아르곤으로서, 상대적으로 저비점인 물질과 상대적으로 고비점인 물질을 불순물로서 함유하는 것이 바람직하다. 이 경우, 상대적으로 고비점인 물질을 거의 완전히 제1 정류탑에서 제거할 수 있으므로, 상대적으로 저비점인 물질을 제2 정류탑에서 제거함으로써 초고순도의 아르곤을 제조할 수 있다.

한편, 본 발명의 제조장치는 원료 유체의 공급부를 중간에 구비한 정류부 및 그 정류부로부터의 가스를 액화하여 일부 환류액으로서 공급하는 응축기를 가지는 제1 정류탑, 초고순도 제품의 회수부를 중간에 구비한 정류부를 갖는 제2 정류탑, 상기 제1 정류탑의 공급부에서 탑정측의 환류액의 일부를 개방 정도의 조절이 가능한 밸브를 거쳐 상기 제2 정류탑의 탑정부로 도입하는 환류액 공급관, 및 상기 제1 정류탑의 탑저액과 상기 제2 정류탑의 탑저액을 혼합한 후 감압하여 상기 응축기의 냉매 저류부로 도입하고 그 냉매 저류부에서 기화한 가스를 압축기로 압축한 후 분기된 경로의 각각에 설치된 밸브로 분배하여 리보일 가스로서 상기 각 탑의 탑저부로 공급하는 리사이클 경로(recycle route)를 구비한 것이다. 본 발명의 제조장치에 의하면, 상기와 같이 작용 효과에 의해 장치 구성이 간이하고 비용면에서도 유리하며, 또한 초고순도 가스의 순도를 높게 유지할 수 있다. 또, 부가설비를 최소한으로 억제하면서 유동에 필요한 추진력을 확보하면서, 밸브의 개방 정도에 따라 환류액의 분배를 용이하게 행할 수 있고, 또한 리보일 경로에 의해 리보일 수단의 공용, 응축기로의 냉매 공급, 각 탑의 리보일 양의 조절 등이 가능해진다.

도 1은 본 발명의 제1 실시형태의 제조방법에서 사용되는 장치의 일례를 나 타내는 개략 구성도.

도 2는 본 발명의 제2 실시형태의 제조방법에서 사용되는 장치의 일례를 나타내는 개략 구성도.

도 3은 본 발명의 제3 실시형태의 제조방법에서 사용되는 장치의 일례를 나타내는 개략 구성도.

도 4는 본 발명의 제3 실시형태를 이용한 아르곤 회수 설비의 일례를 나타내는 개략 구성도이다.

각 도면에서, 도면부호 10은 제1 정류탑, 11은 정류부, 12는 정류부, 13은 응축기, 16은 팽창밸브, 20은 제2 정류탑, 21은 정류부, 31은 밸브, 39는 압축기, L8은 환류액 공급관, L9는 가스 공급관을 나타낸다.

이하, 본 발명의 실시형태에 관하여 본 발명의 제1 실시형태∼제3 실시형태, 제3 실시형태를 이용한 아르곤 회수설비의 순으로 설명한다.

(제1 실시형태)

본 발명의 제1 실시형태로서, 도 1에 나타낸 바와 같은 가장 간단한 실시형태를 예시한다.

원료 유체는 경로 L1에서 제1 정류탑(10)으로 공급되는데, 이에 앞서 도시되지 않은 설비에 의해 통상, 예비 정제, 냉각, 압축 등이 행해진다. 예비 정제에서는 정류탑에서 제거하기 어려운 성분 및 먼지와 같은 고체 성분 등의 불순물이 제거되거나, 또는 미리 원료를 어느 정도의 고순도로 만들기 위한 정제 조작이 행해 진다. 냉각과 압축은 원료 유체의 온도와 압력을 정류탑(10)으로 공급하는 데 적합한 범위로 만들기 위해 행해지고, 통상 제1 정류탑(10)의 공급부보다 약간 높은 압력까지 압축되고, 그 압력에서의 액화 온도 근방까지 냉각된다.

제1 정류탑(10) 내부의 원료 유체의 공급부보다 탑정측(상측)에는 정류부(12)(농축부)가 설치되어 있고, 공급부보다 탑저측(하측)에는 정류부(11)(회수부)가 설치되어 있다. 정류부(11, 12)의 타입에는 트레이 타입(tray type)이나 충전식(packed type) 등이 있고, 어느 타입이라도 채용할 수 있다. 정류부(11, 12)에서는 하강하는 환류액과 상승하는 증기가 기액 접촉하면서 증발과 응축을 반복함으로써, 정류부(11, 12)의 하측일수록 고비점 불순물이, 상측일수록 제품 및 저비점 불순물이 농축된다.

제1 정류탑(10)의 탑저부에는 외부 설치형 리보일러(14)가 설치되어 있고, 탑저부의 경로 L2로 탑저액을 배출하여 증발시킴으로써, 경로 L3를 통해 리보일 가스로서 탑저부로 되돌린다. 그 일부는 배출액으로서 L4를 통해 배출된다. 또한, 리보일러(14)의 타입 및 열원은 다양하게 채용될 수 있다.

한편, 제1 정류탑(10)의 탑정부에는 외부 설치형 응축기(13)가 설치되어 있고, 탑정부의 경로 L5를 통해 탑정 가스를 배출하고, 그 일부를 액화시킴으로써 경로 L6를 통해 환류액으로서 탑정부로 되돌린다. 그 때, 농축된 저비점 성분 가스는 배출가스로서 경로 L7을 통해 배출된다. 또한, 응축기(13)의 타입 및 냉매 등은 다양하게 채용될 수 있다.

본 발명에서는 상기와 같은 방법으로 원료 유체를 제1 정류탑(10)에서 정제 한 후, 얻어진 고순도 유체를 제2 정류탑(20)으로 도입하여 다시 정제한다. 그 때, 제1 정류탑(10)의 원료 유체의 공급부로부터 탑정측의 환류액의 일부를 빼내고, 제2 정류탑(20)의 탑정부로 도입하여 환류액으로 하는 한편, 그 탑정부의 가스를 제1 정류탑(10)의 탑정측으로 되돌린다. 이로써 제2 정류탑(20)의 응축기가 불필요하게 할 수 있다.

본 실시형태에서는 제1 정류탑(10)과 제2 정류탑(20) 사이에 밸브(31)가 존재하는 활류액 공급관 L8을 설치하고, 그 고저차를 이용하여 환류액을 유동시키는 한편, 밸브(31)의 개방 정도에 따라 환류액의 도입량을 조절할 수 있게 한다. 한편, 제2 정류탑(20)의 탑정부의 가스는 양 탑의 압력차에 의해 가스 공급관 L9을 통해 유동하여 제1 정류탑(10)의 탑정측으로 되돌려진다.

도입된 환류액은 제1 정류탑(10)의 경우와 동일하게 제2 정류탑(20) 내의 정류부(21)를 하강하면서 상승하는 증기와 기액 접촉하면서 증발과 응축을 반복함으로써, 정류부(21)의 하측일수록 제품이 농축되고, 상측일수록 저비점 불순물이 농축된 상태로 된다. 이에 따라 제2 정류탑(20)의 탑저부의 상측 공간에서 경로 L10으로 초고순도의 제품 유체(제품 가스)를 회수할 수 있다.

제2 정류탑(20)의 탑저부에는 외부 설치형 리보일러(22)가 설치되어 있어서, 탑저부의 경로 L11을 통해 탑저액을 빼내어 증발시킴으로써 경로 L12를 통해 리보일 가스로서 탑저부로 되돌린다. 또, 제품 유체는 정류부(21)의 중간에서도 회수할 수 있다. 또한, 리보일러(22)의 타입이나 열원은 어느 것이라도 된다.

상기 장치에서의 정류조작의 제어방법은 다음과 같다. 제1 정류탑(10)과 제2 정류탑(20)에서의 정류조작의 제어는, 응축기(13)의 능력 조절과 생성된 환류액의 밸브(31)에 의한 각 탑으로의 분배의 밸런스 조절에 의해 이루어진다. 즉, 제2 정류탑(20)으로 공급되는 환류액의 유량 조절에 의해 이 밸런스 조절이 이루어지고, 제2 정류탑(20)에서는 환류액의 유량에 따른 리보일러(22)의 능력 조절 및 제품 가스의 회수량의 조절이 이루어지고, 그 결과 제2 정류탑(20)의 정류조작을 최적으로 제어할 수 있다.

(제2 실시형태)

본 발명의 제2 실시형태로서, 도 2에 나타낸 바와 같이 제1 실시형태에서의 제1 정류탑(10)에 정류부(15)를 추가로 부가한 것을 예시한다. 또한, 다른 부분에 관해서는 제1 실시형태와 동일하므로, 서로 다른 부분에 관해서만 설명한다.

이 정류부(15)는 정류부(12)의 위쪽(탑정측)으로, 환류액 공급관 L8과 가스 공급관 L9의 접속부보다 상측(탑정측)의 위치에 설치된다. 따라서, 제1 실시형태에서는 응축기(13)로부터 탑정부로 되돌려진 환류액이 그대로 환류액 공급관 L8로부터 배출되는 것에 반해, 제2 실시형태에서는 응축기(13)로부터 탑정부로 되돌려진 환류액이 정류부(15)를 하강하는 사이에 저비점 불순물이 추가로 제거되고 나서 환류액 공급관 L8에서 배출된다. 그 결과, 제2 정류탑(20)에 있어서 저비점 불순물의 제거가 용이해진다.

(제3 실시형태)

본 발명의 제3 실시형태로서, 도 3에 나타낸 바와 같이 제1 실시형태에 리보일러 경로나 열교환기 등을 부가하고, 열효율의 향상 및 배출가스 등의 유효 이용 을 도모한 실시형태를 예시한다. 또한, 기본적인 부분에 관해서는 제1 실시형태와 동일하므로, 부가된 부분에 관해서만 설명한다.

이 실시형태는 제1 실시형태의 리보일러(14, 22) 대신에 응축기(13)로의 냉매 공급기능을 갖는 리사이클 경로를 설치한 것을 특징으로 한다. 이 리사이클 경로에서는 먼저 제1 정류탑(10)의 탑저액과 제2 정류탑(20)의 탑저액을 혼합하는데, 이러한 혼합은 제2 정류탑(20)의 탑저액을 제1 정류탑(10)의 탑저부로 경로 L11을 통해 흘려 내림으로써 행해진다. 혼합된 제1 정류탑(10)의 탑저액은 팽창밸브(16)까지 유동하여 팽창밸브(16)를 거쳐 감압됨으로써 응축기(13)의 냉매 저류부로 도입되어 냉각원이 된다. 이 때 부족한 한랭(寒冷)은 한랭원(cold source)으로부터 필요에 따라 밸브(17)를 거쳐 경로 L13을 통해 공급된다. 냉매 저류부에서 기화한 탑저액은 열교환기(32)에서 가온된 후, 압축기(39)로 압축되는 동시에 소량은 리사이클 경로로 고비점 성분이 농축되지 않도록 압축기(39)의 상류측으로부터 밸브(38)를 거쳐 배출된다. 압축 후에 경로는 두 가지로 분기되어 각각의 경로 L14, L15에 설치된 밸브(36, 37)로 유량 조절되어 분배된다. 그 후, 열교환기(32)로 냉각된 후, 리보일 가스로서 경로 L12와 경로 L3을 통해 각 탑의 탑저부로 공급된다.

응축기(13)로서는 액상 냉매를 저류하면서 그 일부를 증발시킴으로써 탑정 가스를 냉각하여 분별 응축시키는 타입(알루미늄 플레이트 핀 형 응축기)가 바람직하다. 이와 같은 응축기(13)를 이용하여 액상 냉매의 저류량 및 압력을 제어함으로써 응축을 위한 능력 조절을 용이하게 행할 수 있다. 또, 액상 냉매에는 고비점 불순물이 농축하기 쉬우므로, 방출 경로를 설치하여(도시 생략), 액상 냉매를 일부 빼내고, 기화시킨 후 방출하는 것도 가능하다.

원료 유체는 밸브(34)에 의해유량 조절되고, 열교환기(32)에서 냉각된 후, 경로 L1을 통해 제1 정류탑(10)으로 공급되고, 제1 실시형태와 동일한 정류조작이 이루어진다. 이 때, 탑정부에 설치된 응축기(13)에서는 응축, 기화되지 않은 가스가 경로 L7으로 배출되고, 한편 액화한 가스는 환류엑으로서 탑정부로 되돌려진다. 경로 L7을 통해 배출된 가스는 열교환기(32)에서 냉매 회수된 후 밸브(33)를 거쳐 배출된다.

한편, 제2 정류탑(20)의 정류부(21)의 아래쪽(탑저측)에는 추가로 정류부(23)가 설치되고, 그 사이에 접속된 경로 L10을 통해 제품 가스의 회수를 행한다. 상기와 같은 라사이클 경로를 구성하면, 제2 정류탑(20)의 탑저부의 순도가 떨어지기 쉽지만, 이와 같은 정류부(23)를 설치하여 정류부(21)와의 중간에서 제품을 회수함으로써, 탑저부의 불순물이 제품 가스에 혼합되기 어렵게 할 수 있다. 제2 정류탑(20)으로부터 회수된 제품 가스는 열교환기(32)에서 한랭 회수된 후, 밸브(35)를 거쳐 배출된다.

(아르곤 회수 설비)

도 4는 제3 실시형태의 제조방법을 이용한 아르곤 회수 설비에 대한 플로차트의 일례를 나타낸다. 이 설비는 단결정 실리콘 인상장치(1), 예비 정제 유닛(6), 제탄(除炭; decarbonating) 건조유닛(50), 저온 정제부(60), 및 고순도 아르곤 탱크(90)를 개요로 하여 구성되며, 저온 정제부(60)로서 도 3에 나타낸 장치가 채용된다.

단결정 실리콘 인상장치(1)에는 차폐가스(shield gas)로서 고순도 아르곤 가스(비점 -186℃)가 배관 P1을 통해 공급된다. 단결정 실리콘 인상장치(1)로부터 진공 펌프(2)에 의해 배출된 가스(이하, "아르곤 배출가스"라 칭함) 속에는 분진 이외에 H2, N2, O2, CO, CO2, 탄화수소 등이 불순물로서 포함되어 있다. 탄화수소는 50 vol PPM 이하이며 주로 CH4이다. 또한, 도 4에서는 간략화를 위해 단결정 실리콘 인상장치(1) 및 진공 펌프(2)를 1대씩만 도시하고 있으나, 실제로는 복수의 장치가 병렬로 배치된다. 이러한 단결정 실리콘 인상장치(1)에서 배출되는 아르곤 배출가스의 양은 단결정 실리콘 인상장치(1)의 운전 대수 등에 따라 변화하므로, 일단 가스홀더(3)에 수용된다.

가스홀더(3)에 수용된 아르곤 배출가스는 흡입여과 유닛(suction filter unit)(4)을 거쳐 압축기(5)에 의해 예비 정제 유닛(6)으로 도입된다. 그 때, 흡입여과 유닛(4)에 의해 아르곤 배출가스로부터 먼지가 제거된다. 또, 후속하는 산화공정에서 요구되는 산소량을 보충하기 위해ㅏ 흡입여과 유닛(4)에서 나온 아르곤 배출가스에 배관 P31을 통해 미량의 공기가 첨가된다. 아르곤 배출가스는 압축기(5)에서 3.5∼9.0kg/㎠G 정도의 압력으로 승압된다. 이 압력의 값은 후속하는 제탄 건조공정에서의 최적 운전조건 또는 아르곤 제품 압력 등에 따라 설정된다.

압축기(5)에서 나온 아르곤 배출가스는 예비 정제 유닛(6)에 도입된다. 예비 정제 유닛(6)은 일산화탄소 산화탑(7) 및 탈산소탑(脫酸素塔)(8)을 구비하고, 탈산소탑(8)에는 시스템 외부의 수소가스원으로부터 배관 P32를 통해 탈산소용 H2가 공급된다. 아르곤 배출가스는 먼저 일산화탄소 산화탑(7)으로 도입되고, Pd 촉매에 의해 CO가 산화되어 CO2로 변한다. 다음에, H2가 첨가된 후, 탈산소탑(8)으로 도입된다. 탈산소탑(8)에서는 Pd 촉매에 의해 O2와 H2의 반응이 촉진되어 O2가 H2O로 변한다. 또한, 탈산소탑(8)에서 O2를 거의 완전히 제거하기 위해 첨가되는 H2의 유량은 이론상의 소요량에 대해 과잉으로 설정된다.

예비 정제설비(6)를 나온 아르곤 가스(이하, "디옥소 아르곤 가스(deoxo argon gas)"라 칭함)는 냉각유닛(40)으로 도입된다. 냉각유닛(40)은 수냉식 열교환기(41), 분리기(43), 냉동기(46)를 구비한 열교환기(45), 및 물 분리기(47)로 구성된다. 디옥소 아르곤 가스는 분리기(43)로 도입되어 응축된 수분이 분리된다. 다음에, 디옥소 아르곤 가스는 열교환기(45)에서 약 10℃까지 냉각된다. 냉각된 디옥소 아르곤 가스는 물 분리기(47)로 도입되어 응축된 수분이 추가로 분리된다.

냉각유닛(40)을 나온 디옥소 아르곤 가스는 제탄 건조유닛(50)으로 도입된다. 제탄 건조유닛(50)은 교대로 사용되는 한 쌍의 흡착탑(51, 52)으로 구성된다. 흡착탑(51, 52)에는 H2O 및 CO2를 흡착하기 위해 알루미나 및 분자체(molecular sieve) 등의 충전물이 충전된다. 또한, 한 쌍의 흡착탑(51, 52)은 압력 스윙 흡착(PSA) 또는 온도 스윙 흡착(TSA)의 원리를 이용하여 운전되므로, 흡착제의 재생용에 질소가스 공급용 배관 P50 및 배출용 배관 P51이 접속되어 있다.

제탄 건조유닛(50)을 나온 디옥소 아르곤 가스는 온도 약 10℃, 압력 약 6.4kg/㎠G로 저온 정제부(60)의 열교환기(32)에 도입된다. 그 때의 조성은 예를 들면 N2: 2.0vol%, CH4: 0.005vol%, H2: 0.5vol%이며 나머지는 아르곤이다.

저온 정제부(60)에서는 전술한 제3 실시형태와 같이 정류조작이 행해지고, 초고순도 아르곤 가스(순도 99.999% 이상)가 제품 가스로서 회수된다. 그 때, 한랭원으로서 고순도의 액체 아르곤이 탱크(90)로부터 공급된다. 제품 가스는 배관 P15를 통해 제품 여과설비(70)에 도입되고, 단결정 실리콘 인상장치(1)의 도입에 필요한 청정도의 수준까지 제진된 후, 다시 단결정 실리콘 인상장치(1)로 공급된다. 또한, 초기에 또는 부족분으로서 단결정 실리콘 인상장치(1)에 공급되는 고순도 아르곤 가스는 상기 탱크(90)로부터 밸브 V8을 거쳐 증발기(95)로 도입되어 가스화된 것이 사용된다.

본 발명의 초고순도 가스의 제조방법 및 제조장치는 장치 구성이 간이하고 비용면에서도 유리하며, 또한 초고순도 가스의 순도를 높게 유지할 수 있다. 따라서 각종 초고순도 가스의 제조에 이용할 수 있고, 특히 고순도 아르곤의 제조에 유용하다.

Claims

예비 정제한 원료 유체를 제1 정류탑(10)에서 정제하고, 얻어진 고순도 유체를 제2 정류탑(20)으로 도입하여 추가로 정제함으로써 초고순도 가스를 제조하는 단계를 포함하는 초고순도 가스의 제조방법에 있어서,

상기 제1 정류탑(10)의 상기 원료 유체의 공급부에서 탑정측의 환류액의 일부를 유량 조절해가며 상기 제2 정류탑(20)의 탑정부로 도입하여 그 환류액으로 하고, 그 탑정부의 가스를 상기 제1 정류탑(10)의 탑정측으로 되돌리면서 상기 제2 정류탑(20)의 정류부(21) 또는 탑저부로부터 초고순도 물질을 회수함과 함께,

상기 제1 정류탑(10)의 탑저액과 상기 제2 정류탑(20)의 탑저액을 혼합한 후, 감압하여 상기 제1 정류탑(10)의 응축기(13)의 냉매 저류부(貯留部)에 도입하고, 상기 냉매 저류부에서 기화된 가스를 압축기(39)로 압축한 후, 분기한 경로의 각각에 설치된 밸브(36, 37)로 분배하고, 리보일 가스로서 상기 각 탑의 탑저부에 공급하는 동시에 상기 초고순도 물질의 회수를 상기 제2 정류탑(20)의 정류부(21, 23)의 중간에서 수행하는 것을 특징으로 하는 초고순도 가스의 제조방법.
제1항에 있어서,

상기 제1 정류탑(10)으로부터 환류액의 일부를 유량 조절하면서 상기 제2 정류탑(20)에 도입할 때, 고저차를 이용하여 상기 환류액을 유동시키면서, 그 경로에 설치된 밸브(31)의 개방 정도에 따라 환류액의 유량을 조절하는 동시에, 상기 제2 정류탑(20)의 탑정부로부터 가스를 상기 제1 정류탑(10)의 탑정측으로 되돌릴 때, 양 탑의 압력차를 이용하여 상기 가스의 유동이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
삭제
제1항 또는 제2항에 있어서,

상기 원료 유체가 순도 95용량% 이상의 아르곤으로서, 상대적으로 저비점인 물질 및 상대적으로 고비점인 물질을 불순물로서 함유하는 것을 특징으로 하는 제조방법.
원료 유체의 공급부를 중간에 구비한 정류부(11, 12) 및 그 정류부(11, 12)로부터의 가스를 액화하여 일부 환류액으로서 공급하는 응축기(13)를 가지는 제1 정류탑(10);

초고순도 제품의 회수부를 중간에 구비한 정류부(21)를 가지는 제2 정류탑(20);

상기 제1 정류탑(10)의 공급부로부터 탑정측의 환류액의 일부를 개방 정도 조절이 가능한 밸브(31)를 거쳐 상기 제2 정류탑(20)의 탑정부로 도입하는 환류액 공급관(L8);

상기 제2 정류탑(20)의 탑정부의 가스를 상기 제1 정류탑(10)의 탑정측에 도입하는 가스 공급관(L9); 및

상기 제1 정류탑(10)의 탑저액과 상기 제2 정류탑(20)의 탑저액을 혼합한 후, 감압하여 상기 응축기(13)의 냉매 저류부로 도입하고, 상기 냉매 저류부에서 기화한 가스를 압축기(39)로 압축한 후, 분기한 경로의 각각에 설치된 밸브(36, 37)로 분배하고, 리보일 가스로서 상기 각 탑(10, 20)의 탑저부로 공급하는 리사이클 경로(recycle route)

를 구비하는 초고순도 가스의 제조장치.