KR100937769B1 - Ultra-high purity nitrogen supplying apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 초고순도 질소 공급장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 공기중의 질소를 공기분리유닛 및 질소정제유닛을 통하여 초고순도로 정제하기 위한 초고순도 질소 공급장치에 관한 것이다.The present invention relates to an ultra high purity nitrogen supply apparatus, and more particularly, to an ultra high purity nitrogen supply apparatus for purifying nitrogen in air through an air separation unit and a nitrogen purification unit to ultra high purity.
질소는 전자산업, 화공업, 철강 및 조선업 등의 분야에서 점차 그 수요가 증가하고 있는 유용한 가스이다.Nitrogen is a useful gas with increasing demand in the electronics, chemicals, steel and shipbuilding industries.
가장 일반적으로 사용되는 초저온 분리법은 공기 분리 방법 중 가장 오래된 방법이면서 현재까지도 공기 분리 기술의 주류를 이루고 있으며, 대기중의 산소나 질소가스 등을 압축하여 초저온으로 냉각한 후에 각 가스의 비등점차를 이용하여 각각의 가스를 분리 생산하는 방식으로 질소는 비등점 -196도로 냉각시켜 분리하나, 공기를 액화시켜야 하기 때문에 장치의 규모가 크고 복잡하여 투자비가 많이 드는 단점이 있다.The most commonly used cryogenic separation method is the oldest of the air separation methods and still maintains the mainstream of air separation technology, and uses the boiling point difference of each gas after cooling to ultra low temperature by compressing oxygen or nitrogen gas in the atmosphere. By separating and producing each gas, nitrogen is separated by cooling to a boiling point of -196 degrees, but air must be liquefied.
질소는 대표적인 불활성 가스이며 금속의 열처리 가공, 반도체 제조공정 등에서 대기 가스로서 상술한 여러 분야에서 널리 사용되고 있다. 특히, 전자산업 등의 초정밀 미세가공에 사용되는 경우에는, 가공 공정에 들어가기 직전에 순도를 높이기 위해 불순물을 제거하여 고순도를 확보할 것이 요구되나, 초저온 분리법으로 생산되는 질소 가스의 일반적인 순도는 99.999% 수준이며, 99.999%이상의 고순도 질소 가스는 매우 고가에 시판되고 있는 실정이다.Nitrogen is a representative inert gas and is widely used in the above-mentioned fields as atmospheric gases in metal heat treatment processing, semiconductor manufacturing processes and the like. In particular, when used for ultra-precision micromachining in the electronics industry, it is required to secure high purity by removing impurities immediately before entering the processing process, but the general purity of nitrogen gas produced by the cryogenic separation method is 99.999%. High purity nitrogen gas of 99.999% or more is very expensive.
이에 원료원을 공기로 하는 정제질소 공급장치가 있다면 99.999%이상의 질소를 경제적으로 사용가능해지고, 정제질소 공급장치의 설치 공간도 줄일 수 있는 장점이 있을 것이다.Thus, if there is a refined nitrogen supply apparatus using air as a raw material source, more than 99.999% of nitrogen can be economically used, and there will be an advantage of reducing the installation space of the refined nitrogen supply apparatus.
반면에 반도체 또는 LCD와 같은 디스플레이 기기 생산 설비에서 사용되는 질소 가스는 정제도가 99.999% 이상의 고순도 정제 질소 가스를 요구하는데, 이와 같은 고순도 질소 정제 공급 장치는 일반적으로 질소 정제를 위한 원료원으로 액화질소 가스를 공급받아 처리함으로써 비용 부담이 커지고 있는 실정이다.On the other hand, nitrogen gas used in display equipment production facilities such as semiconductors or LCDs requires high purity purified nitrogen gas having a purity of 99.999% or more. Such a high purity nitrogen refinery supply device is generally a source of liquid nitrogen for purifying nitrogen. The cost burden is increasing by receiving and processing.
이에 따라 고순도 질소 정제를 위해서는 제반 설비 비용 및 원료원 비용을 추가로 부담하여야 하는 문제가 발생하게 되고, 반도체 생산 장비 또는 디스플레이 생산 장비의 제작 과정에서도 99.999% 이상의 상대적으로 고순도 질소 정제도를 요함에 따라 비용 부담을 줄이기 위해서 원료원을 공기로 사용하여 99.999% 이상의 정제도를 유지할 수 있는 정제질소 공급장치의 제안이 요구되는 실정이다.Accordingly, there is a problem that additional facilities and raw material costs are additionally required for high purity nitrogen refining, and as the production process of semiconductor production equipment or display production equipment requires relatively high purity nitrogen refinement of 99.999% or more, In order to reduce the burden, it is necessary to propose a refined nitrogen supply device capable of maintaining a purity of 99.999% or more using a raw material as air.
즉, 기존의 낮은 순도의 질소 가스를 생산하는 공급장치의 경우, 원료원을 공기로 사용함에 따라 제반 설비 비용 및 원료원의 비용은 줄일 수 있으나 순도가 낮아 사용분야의 한계가 있으며, 높은 순도의 질소 가스를 생산하는 공급장치의 경우, 원료원을 1차 정제된 공기를 사용함에 따라 원료원의 비용을 추가로 부담하고, 제반 설비 또한 규모 및 비용이 증대되는 한계가 있다.In other words, in the case of the existing low purity nitrogen gas supply device, the cost of the equipment and the raw material source can be reduced by using the raw material source as air, but the purity is low, there is a limitation of the field of use, and the high purity In the case of a supply device for producing nitrogen gas, the use of primary purified air as the raw material source additionally bears the cost of the raw material source, and there is a limit in that the overall equipment is also increased in size and cost.
한편 흡착제인 탄소분자체(CMS: Carbon Molecular Sieves)를 통해 질소를 분리하는 질소 정제 공급 장치는 질소 정제도가 99.9 ~ 99.99% 수준으로 생산되는데, 이에 따라 상대적으로 낮은 정제도로도 가능한 식품, 전자, 자동차 분야에서 사용되게 된다.Meanwhile, the nitrogen purifying feeder that separates nitrogen through carbon molecular sieves (CMS) as an adsorbent is produced at a level of 99.9 to 99.99% of nitrogen purifying, thus allowing food, electronics, and automotive sectors to have a relatively low degree of purification. Will be used by.
탄소분자체(CMS: Carbon Molecular Sieves)는 야자수 및 석탄계를 통하여 제조되어 압축강도가 낮아 깨지기 쉬어 재충전 및 보충이 필요하게 되고, 정제과정에서 분진 발생이 많아 정제기에 영향을 주어 정제에 어려움을 주는 문제점이 존재하였다.Carbon Molecular Sieves (CMS) are manufactured through palm trees and coal systems, so they have low compressive strength and are fragile, requiring refilling and replenishment. Existed.
또한, 탄소분자체(CMS: Carbon Molecular Sieves)를 통해 질소를 정제하여 순도를 높이기 위해서는 많은 양이 필요하게 되어 장치의 크기가 커지게 되고, 질소의 안정적인 순도를 유지하기가 어려운 문제점이 존재하였다.In addition, in order to increase the purity by purifying nitrogen through carbon molecular sieves (CMS: Carbon Molecular Sieves) a large amount is required to increase the size of the device, there was a problem that it is difficult to maintain a stable purity of nitrogen.
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 공기 중에 함유된 질소를 공기분리장치를 이용하여 분리한 후 상기 공기분리장치를 통해 분리된 질소를 정제장치를 사용하여 초고순도로 정제할 수 있는 초고순도 질소 공급장치를 제공하기 위한 것이다.The present invention is to solve the above-mentioned conventional problems, the object of the present invention is to separate the nitrogen contained in the air by using an air separation device after separating the nitrogen separated through the air separation device using a purification device An object of the present invention is to provide an ultra high purity nitrogen supply device that can be purified with high purity.
본 발명의 다른 목적은 상기 공기 중에 함유된 질소를 분리하기 위하여 흡착탑이나 정제탑에 충진되는 흡착제로 열강화 수지 재질의 분자체를 사용함으로써, 반영구적으로 사용이 가능하여 재충전 및 보충하지 않아도 되어 비용이 절감되고 정제 효율이 높은 초고순도 질소 공급장치를 제공하기 위한 것이다.Another object of the present invention is to use a semi-permanent molecular sieve of the heat-reinforced resin as an adsorbent packed in the adsorption tower or purification tower to separate the nitrogen contained in the air, it is possible to use semi-permanent, refilling and replenishment does not have to cost It is to provide an ultra high purity nitrogen feeder which is reduced and has high purification efficiency.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 공기를 압축하는 에어 컴프레서, 상기 에어 컴프레서를 통해 공급되는 압축공기에 함유된 수분을 제거하는 에어 드라이어, 상기 에어 드라이어를 통해 수분이 제거된 압축공기를 일시 저장하는 에어 리시버 탱크 및 상기 에어 컴프레서에서 압축된 공기가 상기 에어 리시버 탱크에 일시 저장되기 전에 상기 압축공기에 함유된 미립자를 제거하는 필터부를 포함하여 이루어지는 공기공급유닛, 상기 에어 리시버 탱크로부터 공급 받은 상기 압축공기로부터 산소를 흡착하여 질소를 분리시키는 흡착탑이 적어도 하나 이상 구비되는 공기분리기 및 상기 흡착탑을 통해 분리된 질소를 일시 저장하는 버퍼 탱크가 구비되는 공기분리유닛 및 상기 버퍼 탱크로부터 공급 받은 상기 질소에 함유되어 있는 불순물을 제거하기 위하여 금속촉매 및 모레큘라시브(MS) 분자체가 충진되어 상기 불순물을 제거하는 정제공정 및 상기 정제공정을 통해 오염된 금속촉매와 모레큘라시브(MS) 분자체를 재 사용 가능하도록 재생하는 재생공정이 이루어지는 정제탑이 적어도 하나 구비되는 정제기, 상기 정제기를 통한 재생공정에서 상기 오염된 금속촉매 및 모레큘라시브(MS) 분자체를 환원시키는 촉매 역할을 담당하는 수소가스가 공급되는 수소가스 공급부 및 히터를 포함하여 이루어지는 질소정제유닛을 제공한다.In order to achieve the above object, an air compressor for compressing air, an air dryer for removing moisture contained in the compressed air supplied through the air compressor, temporarily storing the compressed air from which water is removed through the air dryer An air supply unit comprising an air receiver tank and a filter unit for removing particulates contained in the compressed air before the air compressed by the air compressor is temporarily stored in the air receiver tank, the compressed air supplied from the air receiver tank Is contained in the air separation unit having an air separator having at least one adsorption column for adsorbing oxygen from the nitrogen and a buffer tank for temporarily storing the nitrogen separated through the adsorption tower and the nitrogen supplied from the buffer tank To remove impurities In order to replenish the metal catalyst and the molecular sieve (MS) molecular sieve to remove the impurities and regeneration of the contaminated metal catalyst and molecular sieve (MS) molecular sieve through the refining process A purifier comprising at least one purification tower comprising the hydrogen gas supply unit and a heater supplied with hydrogen gas, which serves as a catalyst for reducing the contaminated metal catalyst and the molecular sieve (MS) molecular sieve in a regeneration process through the purifier. It provides a nitrogen purification unit comprising a.
본 실시예에 따른 상기 필터부는 상기 에어 컴프레서와 에어 드라이어 사이에 구비되어 상기 에어 컴프레서에서 공급되는 상기 압축공기에 함유된 수분과 미 립자를 분리하는 기액 분리기를 포함하는 제1필터 및 상기 에어 드라이어와 에어 리시버 탱크 사이에 구비되어 상기 에어 드라이어를 거치며 수분이 제거된 상기 압축공기에 포함된 미립자를 제거하는 제2필터를 포함하여 구성될 수 있다.The filter unit according to the present embodiment is provided between the air compressor and the air dryer and the first filter and the air dryer comprising a gas-liquid separator for separating the particles and the water contained in the compressed air supplied from the air compressor and It may be configured to include a second filter provided between the air receiver tank to remove the particulates contained in the compressed air from which water is removed while passing through the air dryer.
여기에서 상기 제2필터는 상기 압축공기에 함유된 미립자 제거 효율을 높이기 위하여 이중필터로 구비될 수 있다.Here, the second filter may be provided as a double filter in order to increase the efficiency of removing particulates contained in the compressed air.
본 실시예에 따른 상기 에어 리시버 탱크는 수분과 친화력이 있는 흡착제를 사용하여 상기 에어 드라이어를 통해 제거되지 않은 수분을 재 처리할 수 있다.The air receiver tank according to the present embodiment may reprocess water not removed through the air dryer by using an adsorbent having affinity with water.
본 실시예에 따른 상기 공기공급유닛은 분리된 수분이 외부로 배출되도록 하부에 구비되는 드레인부를 더 포함하여 이루어질 수 있다.The air supply unit according to the present embodiment may further comprise a drain provided on the bottom to discharge the separated water to the outside.
본 실시예에 따른 상기 공기분리기는 상기 에어 리시버 탱크로부터 공급 받은 상기 압축공기로부터 산소를 흡착하도록 내부에 충진되는 열경화 수지 재질의 분자체에 산소가 흡착되는 가압흡착공정 및 상기 산소가 흡착된 분자체에서 산소를 제거하여 상기 분자체를 재 사용하도록 하는 감압재생공정이 주기적으로 이루어지도록 제1흡착탑 및 제2흡착탑으로 이루어질 수 있다.The air separator according to the present embodiment is a pressure adsorption process in which oxygen is adsorbed to a molecular sieve of a thermosetting resin material filled therein to adsorb oxygen from the compressed air supplied from the air receiver tank, and the oxygen adsorbed powder. The first adsorption tower and the second adsorption tower may be configured to periodically perform a reduced pressure regeneration process to remove oxygen from itself to reuse the molecular sieve.
본 실시예에 따르면, 상기 흡착탑과 연결되는 흡착탑 공급배관의 직경이 상기 에어 리시버 탱크와 연결되는 압축공기 공급배관에 비하여 크게 구비되어 상기 에어 리시버 탱크를 통해서 상기 흡착탑으로 공급되는 상기 압축공기의 압력이 감압될 수 있다.According to this embodiment, the diameter of the adsorption tower supply pipe connected to the adsorption tower is larger than the compressed air supply pipe connected to the air receiver tank so that the pressure of the compressed air supplied to the adsorption tower through the air receiver tank is increased. May be depressurized.
본 실시예에 따른 상기 질소정제유닛은 상기 버퍼 탱크에 저장된 질소가 상기 질소정제유닛으로 공급되는 과정에서 흐름을 측정하는 계측기가 더 구비되고, 상기 정제탑에 일정한 압력으로 공급될 수 있도록 압력변환기가 더 구비될 수 있다.The nitrogen purifying unit according to the present embodiment is further provided with a measuring device for measuring the flow in the process of supplying nitrogen stored in the buffer tank to the nitrogen purifying unit, the pressure transducer to be supplied at a constant pressure to the purification tower It may be further provided.
본 실시예에 따르면 상기 질소정제유닛을 통하여 정제된 초고순도 질소가 배출되는 토출배관에는 제3필터가 구비될 수 있다.According to this embodiment, a third filter may be provided in the discharge pipe through which the ultra-high purity nitrogen purified through the nitrogen purification unit is discharged.
상기의 구성을 가지는 본 발명에 따른 초고순도 질소 공급장치는 다음과 같은 효과가 있다.Ultra high purity nitrogen supply apparatus according to the present invention having the above configuration has the following effects.
첫째, 초고순도 질소를 공급하기 위한 원료로 공기를 사용함으로 인하여 비용이 절감되는 효과가 있다.First, the cost is reduced by using air as a raw material for supplying ultra high purity nitrogen.
둘째, 초고순도 질소를 생산하기 위하여 공기분리기를 통해 분리된 질소가스를 다시 정제기(purifier)를 통하여 정제하므로 초고순도를 얻을 수 있는 장점이 있다.Secondly, in order to produce ultra high purity nitrogen, the nitrogen gas separated through the air separator is purified again through a purifier, which has the advantage of obtaining ultra high purity.
셋째, 흡착탑 및 정제기(purifier)에 충진되는 흡착제로 야자수 및 석탄계를 통해 탄소분자체(CMS: Carbon Molecular Sieves)가 아닌 열경화 수지 재질의 분자체 및 모레큘라시브(MS)를 사용함으로써, 재충전 및 보충이 필요 없이 반영구적으로 사용할 수 있으므로 비용이 절감되는 효과가 있다.Third, recharging and replenishment by using molecular sieve and thermocules (MS) of thermosetting resin material, not carbon molecular sieves (CMS), through palm trees and coal systems as adsorbents packed in adsorption towers and purifiers. Since it can be used semi-permanently without this need, the cost is reduced.
더욱이, 상기 열경화 수지 재질의 분자체 및 모레큘라시브(MS)는 상기 흡착탑 및 정제기(purifier)에서 분진 및 수분에 대한 영향을 거의 미치지 않아 질소 정제의 효율이 높아지는 효과가 있다.In addition, the molecular sieve and the molecular sieve (MS) of the thermosetting resin material has little effect on dust and moisture in the adsorption tower and purifier, thereby increasing the efficiency of nitrogen purification.
이하 본 발명의 목적이 구체적으로 실현될 수 있는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 본 실시예를 설명함에 있어서, 동일 구성에 대해서는 동일 명칭 및 동일 부호가 사용되며 이에 따른 부가적인 설명은 생략하기로 한다.DETAILED DESCRIPTION Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the description of this embodiment, the same name and the same reference numerals are used for the same configuration and additional description thereof will be omitted.
도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 초고순도 질소 공급장치는 다음과 같다. 여기에서 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고순도 질소 공급장치의 구성을 나타내는 블럭도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고순도 질소 공급장치의 회로도이다.1 and 2, the ultra-high purity nitrogen supply apparatus according to an embodiment of the present invention is as follows. 1 is a block diagram showing the configuration of an ultra-high purity nitrogen supply apparatus according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is a circuit diagram of an ultra-high purity nitrogen supply apparatus according to an embodiment of the present invention.
본 실시예에 따른 초고순도 질소 공급장치는 크게, 공기공급유닛(100), 공기분리유닛(200) 및 질소정제유닛(300)을 포함하여 구성된다.Ultra high purity nitrogen supply apparatus according to the present embodiment is largely comprises an
본 실시예에 따른 상기 공기공급유닛(100)은 에어 컴프레서(110), 에어 드라이어(140), 에어 리시버 탱크(160) 및 필터부(120, 130, 150)를 포함하여 이루어진다.The
여기에서 상기 에어 컴프레서(110)를 통하여 초고순도 질소 공급장치의 원료로 사용되는 공기를 압축시킨다.Here, the air used as the raw material of the ultrapure nitrogen supply device is compressed through the
본 실시예에서는 상기 에어 컴프레서(110)를 통해 상기 공기를 약9.99kg/cm2까지 압축되는 것을 예시하고 있다.This embodiment illustrates that the air is compressed to about 9.99 kg / cm 2 through the
이와 같이 상기 9.99 kg/cm2로 압축된 상기 압축공기가 상기 공기공급유닛(100)을 지나 상기 공기분리유닛(200)으로 공급되는 과정에서 약 9.5 kg/cm2로 감 압되고, 상기 공기분리유닛(200)을 통해 분리된 질소가 상기 질소정제유닛(300)으로 약 7~8 kg/cm2로 감압되어 공급될 수 있다.Thus being pressure decrease in the process is the compressed air compressed by the 9.99 kg / cm 2 is passed to the
상기 에어 드라이어(140)는 상기 에어 컴프레서(110)를 통해 압축된 공기에 함유된 수분을 제거하게 된다.The
상기 에어 리시버 탱크(160)는 상기 에어 컴프레서(110)를 통해 압축된 공기가 상기 공기분리유닛(200)으로 공급되기 전에 일시 저장하고 상기 압축공기의 버퍼 기능을 가진다.The
상기 필터부(120, 130, 150)는 상기 에어 컴프레서(110)에서 압축된 공기가 상기 에어 리시버 탱크(160)에 일시 저장되기 전에 상기 압축공기에 함유된 미립자를 제거하도록 구비된다.The
본 실시예에 따른 상기 필터부(120, 130, 150)는 상기 에어 컴프레서(110)와 에어 드라이어(140) 사이에 구비되어 상기 에어 컴프레서(110)에서 공급되는 상기 압축공기에 함유된 수분과 미립자(particle)를 분리하는 기액 분리기(120)를 포함하는 제1필터(130) 및 상기 에어 드라이어(140)와 에어 리시버 탱크(160) 사이에 구비되어 상기 에어 드라이어(140)를 거치며 수분이 제거된 상기 압축공기에 포함된 미립자(particle)를 제거하는 제2필터(150)를 포함하여 이루어진다.The
상기 기액 분리기(120)는 상기 압축공기에 함유된 수분을 상기 압축공기와 분리하는 역할을 담당하고, 분리된 수분이 상기 에어 드라이어(140)를 통해서 제거된다.The gas-
상기 제2필터(150)는 상기 에어 드라이어(140)를 통해 수분이 제거된 상기 압축공기에 함유된 미립자를 보다 완벽하게 제거하기 위하여 이중필터(152, 154)로 구비될 수 있다.The
상기 에어 리시버 탱크(160) 내부에서는 수분과 친화력이 있는 흡착제를 사용하여 상기 에어 드라이어(140)를 통해 미처 제거되지 않은 수분을 재 처리 할 수 있다.The
도 1에 도시된 바와 같이, 본 실시예에 따른 상기 공기공급유닛(100)은 하부로 드레인부(180)가 더 구비되어 상기 에어 컴프레서(110), 필터부(120, 130, 150), 에어 드라이어(140) 및 에어 리시버 탱크(160)에서 제거된 수분을 외부로 배출시킬 수 있다.As shown in FIG. 1, the
본 실시예에 따른 상기 공기분리유닛(200)은 공기분리기(220) 및 버퍼 탱크(240)를 포함하여 구성된다.The
여기에서 상기 공기분리기(220)는 상기 에어 리시버 탱크(160)로부터 공급 받은 상기 압축공기로부터 산소를 흡착하도록 내부에 충진되는 열경화 수지 재질의 분자체에 산소가 흡착되는 가압흡착공정 및 상기 산소가 흡착된 분자체에서 산소를 제거하여 상기 분자체를 재 사용하도록 하는 감압재생공정이 주기적으로 이루어지도록 제1흡착탑(222) 및 제2흡착탑(224)으로 이루어진다.Here, the
상기 제1흡착탑(222) 및 제2흡착탑(224)에서는 압력차에 의하여 질소를 분리시키는 압력변동 흡착(Pressure Swing Adsorption: PSA) 공정이 이루어진다.In the
일 예로, 상기 제1흡착탑(222)에 상기 공기공급유닛(100)을 거치며 수분과 미립자가 제거된 상기 압축공기가 공급되어, 상기 제1흡착탑(222) 내부에 충진되어 있는 상기 열경화 수지 재질의 분자체에 산소가 흡착되도록 가압하는 가압흡착공정이 이루어진다.For example, the thermosetting resin material filled in the
상기 가압흡착공정을 통해 질소의 분자경(약 3.1옴스트롱)보다 작은 산소(분자경 약 2.9옴스트롱)가 상기 열경화 수지 재질의 분자체에 흡착되는 것이다.Through the pressure adsorption process, oxygen (molecular diameter of about 2.9 ohms) smaller than the molecular diameter of nitrogen (about 3.1 ohms) is adsorbed to the molecular sieve of the thermosetting resin material.
상기 가압흡착공정이 완료되면, 산소가 흡착된 상기 열경화 수지 재질의 분자체를 재사용하기 위하여 상기 제1흡착탑(222) 내부의 압력을 낮추어 상기 열경화 수지 재질의 분자체에 흡착되어 있는 산소를 제거하여 외부로 배출시키는 감압재생공정이 이루어진다.When the pressure adsorption process is completed, the oxygen is adsorbed to the molecular sieve of the thermosetting resin by lowering the pressure inside the
이와 같이, 상기 제1흡착탑(222)에서 가압흡착공정과 감압재생공정이 번갈아 가면 이루어지는 동안에 상기 제2흡착탑(224)에서는 상기 제1흡착탑(222)과 반대의 공정이 이루어진다.As described above, while the pressure adsorption process and the pressure reduction regeneration process are alternately performed in the
즉, 상기 제1흡착탑(222)에서 가압흡착공정이 이루어지는 동안에 상기 제2흡착탑(224)에서는 감압재생공정이 이루어져 상기 압축공기로부터의 질소 분리가 선택적이고 연속적으로 이루어 질 수 있어 분리시간이 단축될 수 있는 것이다.That is, while the pressure adsorption process is performed in the
이와 같이 상기 제1흡착탑(222) 및 제2흡착탑(224)의 감압재생공정을 통해서 상기 열경화 수지 재질의 분자체에서 제거된 산소는 외부로 배출되어 제1배출호퍼(260)에 저장될 수 있다.As such, the oxygen removed from the molecular sieve of the thermosetting resin material through the reduced pressure regeneration process of the
상기 제1흡착탑(222) 및 제2흡착탑(224) 내부에 충진되어 상기 압축공기로부터 산소를 제거하는 상기 열경화 수지 재질의 분자체는 기존의 야자수 또는 석탄계 를 통해 제조되는 탄소분자체(CMS: Carbon Molecular Sieves)와는 달리 열경화 수지 재질로 이루어진다.The molecular sieve of the thermosetting resin material filled in the
상기 열경화 수지 재질의 분자체는 수분에 강하고, 내마모성 및 강도가 우수하여 깨지거나 분진이 발생하지 않게 되어 반영구적으로 사용이 가능하여 안정적인 순도를 유지하는 동시에 비용절감 효과가 있다.The molecular sieve of the thermosetting resin material is resistant to moisture, has excellent abrasion resistance and strength, and does not cause cracking or dust, and thus can be used semi-permanently, thereby maintaining stable purity and reducing costs.
상기 제1흡착탑(222) 및 제2흡착탑(224)과 연결되는 흡착탑 공급배관(270)의 직경이 상기 에어 리시버 탱크(160)와 연결되는 압축공기 공급배관(250)에 비하여 크게 구비되어 상기 에어 리시버 탱크(160)를 통해서 상기 제1흡착탑(222) 및 제2흡착탑(224)으로 공급되는 상기 압축공기의 압력이 낮아지게 되어 상기 제1흡착탑(222) 및 제2흡착탑(224)에서 이루어지는 가압흡착공정이 원활하게 이루어질 수 있도록 할 수 있다.The diameter of the adsorption
상술한 바와 같이, 상기 제1흡착탑(222) 및 제2흡착탑(224)에서 압력변동 흡착(Pressure Swing Adsorption: PSA) 공정에 의하여 분리된 상기 질소의 순도는 실험결과 약 99.9% 내지 99.99%정도이다.As described above, the purity of the nitrogen separated by the pressure swing adsorption (PSA) process in the
상기 버퍼 탱크는(240) 상기 제1흡착탑(222) 및 제2흡착탑(224)을 통해 분리된 질소를 일시 저장하여 상기 질소정제유닛(300)에 공급하기 위한 버퍼 역할을 담당한다.The
본 실시예에 따른 상기 버퍼 탱크(240)는 상기 공기분리기(220)를 통해 분리된 질소를 상기 질소정제유닛(300)에 지속적으로 공급하는 과정에서 일정한 압력과 순도를 유지시키기 위하여 사이즈가 큰 것이 바람직하나 비용이나 장소의 제약에 따라 최소한 상기 흡착탑(222, 224)에 비하여 같은 크기로 제작되는 것이 가장 효율적이다.The
본 실시예에 따른 상기 질소정제유닛(300)은 정제기(320), 수소가스 공급부(340) 및 히터(362, 364)를 포함하여 구성되어 상기 공기분리유닛(200)을 통해 순도가 약 99.9% 내지 99.99%에 해당하는 질소를 정제하여 순도가 약 99.999% 에서 99.9999999%까지 증대되는 초고순도 질소를 생산하게 된다.The
상기 공기분리유닛(200)을 통해 순도 약 99.9% 내지 99.99%에 해당하는 질소에는 O2(산소), CO(일산화탄소), CO2(이산화탄소), H2(수소), H2O(수분), CH4(메탄)과 같은 불순물이 함유되어 있다.Nitrogen corresponding to purity of about 99.9% to 99.99% through the
여기에서 상기 정제기(320)는 금속촉매 및 모레큘라시브(MS)가 충진되어 상기 불순물을 제거하는 정제공정 및 상기 정제공정을 통해 오염된 금속촉매와 모레큘라시브(MS)를 재 사용 가능하도록 재생하는 재생공정이 이루어지는 정제탑(322, 324)이 적어도 하나 구비된다.Here, the
본 실시예에 따르면, 상기 정제기(320) 내부에 충진되는 상기 모레큘라시브(MS)는 합성제올라이트로 이루어 질 수 있다.According to the present embodiment, the molecular sieve (MS) filled in the
본 실시예에 따른 상기 정제기(320)는 제1정제탑(322) 및 제2정제탑(324)이 구비되어 정제공정 및 재생공정이 주기적으로 이루어진다.The
상기 정제탑(322, 324)에 충진되는 상기 금속촉매는 지르코늄, 바나듐, 니켈, 망간, 구리, 은, 동, 팔라듐 등 및 그 화합물들이 사용될 수 있으나 본 실시예 에서는 상기 금속촉매가 니켈인 것을 예로 들어 설명하도록 하겠다.Zirconium, vanadium, nickel, manganese, copper, silver, copper, palladium and the like may be used as the metal catalyst filled in the purification towers 322 and 324. However, in the present embodiment, the metal catalyst is nickel. I'll explain.
또한, 상기 정제탑(322, 324)에는 상술한 바와 같이 금속촉매와 함께 모레큘라시브(MS)가 충진되어 있어 다음과 같은 반응을 통해 질소가 정제된다.In addition, the purification towers 322 and 324 are filled with a metal catalyst and a molecular catalyst (MS) as described above to purify nitrogen through the following reaction.
<정제공정><Refining process>
금속촉매: NiMetal Catalyst: Ni
2Ni+ O2 → 2NiO2Ni + O 2 → 2NiO
Ni + CO → NiCONi + CO → NiCO
Ni + CO2 → NiCO2 Ni + CO 2 → NiCO 2
Ni + H2 → NiH2 Ni + H 2 → NiH 2
상술한 바와 같이, 상기 정제공정에 의하여 상기 제1정제탑(322)에서 상기 버퍼 탱크(240)로부터 공급된 상기 질소에 함유되어 있는 불순물이 제거된다.As described above, impurities contained in the nitrogen supplied from the
상기 정제공정에 따라 상기 금속촉매인 니켈(Ni)과 반응함으로써 제거되는 상기 불순물은 O2(산소), CO(일산화탄소), CO2(이산화탄소) 및 H2(수소) 등이 될 수 있다.According to the refining process, the impurities removed by reacting with the metal catalyst nickel (Ni) may be O 2 (oxygen), CO (carbon monoxide), CO 2 (carbon dioxide), H 2 (hydrogen), or the like.
또한, 상기 금속촉매를 통해 제거되지 않는 기타의 불순물들은 상기 정제기(320)에 충진되는 상기 모레큘라시브(MS)를 통해 제거될 수 있다.In addition, other impurities that are not removed through the metal catalyst may be removed through the molecular sieve MS filled in the
이와 같이, 상기 제1정제탑(322)에서 정제공정이 완료되면 다음과 같은 재생 공정이 이루어져 상기 금속촉매 및 모레큘라시브(MS)를 재사용 할 수 있도록 한다.As such, when the refining process is completed in the
<재생공정><Regeneration process>
금속촉매: NiMetal Catalyst: Ni
NiO + H2 → Ni + H2O(가열)NiO + H 2 → Ni + H 2 O (Heating)
NiCO + 3H2 → Ni + CH4 + H2O(가열)NiCO + 3H 2 → Ni + CH 4 + H 2 O (Heating)
NiCO2 + 4H2 → Ni + CH4+2H2O(가열)NiCO 2 + 4H 2 → Ni + CH 4 + 2H 2 O (Heating)
NiH2 → Ni + H2 (가열)NiH 2 → Ni + H 2 (Heating)
상기 재생공정을 통해 상기 금속촉매(Ni)가 환원되어 재 사용할 수 있으며, 상기 금속촉매(Ni)의 환원반응과 마찬가지로 상기 불순물 제거에 사용된 상기 모레큘라시브(MS) 역시 환원반응을 통해 재 사용될 수 있도록 한다.The metal catalyst (Ni) may be reduced and reused through the regeneration process. Like the reduction reaction of the metal catalyst (Ni), the molecular sieve used for removing impurities may also be reused through a reduction reaction. To help.
상기 재생공정에서와 같이, 상기 금속촉매 및 모레큘라시브(MS)를 환원시키기 위하여 필요한 수소가스를 공급하기 위한 수소가스 공급부(340)가 더 구비되고, 열을 공급하기 위하여 상기 정제탑(322, 324)에 히터(362, 364)가 더 구비된다.As in the regeneration process, the hydrogen
한편, 상기 버퍼 탱크(240)로부터 공급되는 상기 질소에 함유되어 있으며, 상기 재생공정 과정에서 발생되는 CH4(메탄)의 경우에는 다음과 같은 반응에 의하여 제거된다.On the other hand, it is contained in the nitrogen supplied from the
CH4 + 2O2 → CO2 + 2H2OCH 4 + 2O 2 → CO 2 + 2H 2 O
이와 같이, 상기 버퍼 탱크(240)로부터 공급되는 순도 약 99.9% 내지 99.99%의 질소가 상술한 정제공정을 통해 순도 99.999% 에서 99.9999999%까지 정제되어 초고순도 질소가 생성되는 것이다.As such, nitrogen having a purity of about 99.9% to 99.99% supplied from the
본 실시예에 따른 상기 제1정제탑(322) 및 제2정제탑(324)의 재생공정을 통해 생성된 수분이나 기타 가스는 외부로 배출되어 제2배출호퍼(380)에 저장될 수 있다.Water or other gases generated through the regeneration process of the first and second purification towers 322 and 324 according to the present embodiment may be discharged to the outside and stored in the
본 실시예에 따른 상기 질소정제유닛(300)은 상기 버퍼 탱크(240)에 저장된 질소가 상기 질소정제유닛(300)으로 공급되는 과정에서 흐름을 측정하는 계측기(312)가 더 구비되고, 상기 정제탑(322, 324)에 일정한 압력으로 공급될 수 있도록 압력변환기(314)가 더 구비될 수 있다.The
특히, 상기 압력변환기(314)를 통해 상기 정제탑(322, 324)에 공급되는 질소의 압력이 상기 버퍼 탱크(240)에서 배출되는 압력보다 낮게 하여 질소 순도 향상에 도움이 될 수 있도록 할 수 있다.In particular, the pressure of the nitrogen supplied to the purification towers 322 and 324 through the
상기 질소정제유닛(300)을 통하여 정제된 초고순도 질소가 배출되는 토출배관에는 제3필터(390)가 구비되어 상기 정제탑(322, 324)을 통해 정제된 초고순도 질소를 사용자에게 공급하기 이전에 상기 제3필터(390)를 통해 다시 한번 미립자를 제거할 수 있도록 할 수 있다.The discharge pipe through which the purified ultra high purity nitrogen is discharged through the
본 발명은 상술한 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 정신을 벗어나지 않고 변형이 가능하고 이러한 변형은 본 발명의 범위에 속한다.The present invention is not limited to the above-described embodiments, and as can be seen in the appended claims, those skilled in the art can make modifications without departing from the spirit of the present invention, and such modifications are possible. Belongs to the scope of.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 초고순도 질소 공급장치의 구성을 나타내는 블럭도; 및1 is a block diagram showing the configuration of an ultra-high purity nitrogen supply apparatus according to an embodiment of the present invention; And
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 초고순도 질소 공급장치의 회로도이다.2 is a circuit diagram of an ultrapure nitrogen supply apparatus according to an embodiment of the present invention.
< 도면의 주요부분에 대한 부호 설명 ><Explanation of Signs of Major Parts of Drawings>
100: 공기공급유닛 110: 에어 컴프레서100: air supply unit 110: air compressor
120: 기액 분리기 130: 제1필터120: gas-liquid separator 130: first filter
140: 에어 드라이어 150: 제2필터140: air dryer 150: second filter
160: 에어 리시버 탱크 180: 드레인부160: air receiver tank 180: drain portion
200: 공기분리유닛 220: 공기분리기200: air separation unit 220: air separator
222: 제1흡착탑 224: 제2흡착탑222: first adsorption tower 224: second adsorption tower
240: 버퍼 탱크 250: 압축공기 공급배관240: buffer tank 250: compressed air supply piping
260: 제1배출 호퍼 270: 흡착탑 공급배관260: first discharge hopper 270: adsorption tower supply piping
300: 질소정제유닛 312: 계측기300: nitrogen purification unit 312: measuring instrument
314: 압력변환기 320: 정제기314: pressure transducer 320: purifier
322: 제1정제탑 324: 제2정제탑322: first purification tower 324: second purification tower
340: 수소가스 공급부 362, 364: 히터340: hydrogen
380: 제2배출호퍼 390: 제3필터380: second discharge hopper 390: third filter
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