KR101505731B1 - 유동층 반응기용 가스배출관 - Google Patents

Abstract

본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유동층 반응기에서 배출가스가 배출되는 출구측에 향류 흐름을 발생시켜 배출되는 가스 중에 포함된 실리콘 입자의 상승흐름을 억제하여 반응기의 내부로 다시 되돌려줌으로써 외부로 배출되는 실리콘 입자의 양을 줄여 전체적인 제품 수율을 높여 줄 수 있는 유동층 반응기용 가스배출관에 관한 것이다.
본 발명은 유동층 반응기와 배출가스 처리부를 연결하여 배출가스를 이송하는 가스배출관에 있어서, 상기 가스배출관은 이격공간을 갖도록 일정간격을 두고 이격배치되는 내관과 외관으로 이루어지고, 상기 내관에는 상기 이격공간으로부터 내관의 내부측으로 기체가 통과할 수 있도록 둘레방향을 따라 복수 개의 주입로가 관통형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관을 제공한다.

Description

유동층 반응기용 가스배출관{A Gas Exhaust Pipe for Fluidized Bed Reactor}

본 발명은 유동층 반응기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 유동층 반응기에서 배출가스가 배출되는 출구측에 향류 흐름을 발생시켜 배출되는 가스 중에 포함된 실리콘 입자의 상승흐름을 억제하여 반응기의 내부로 다시 되돌려줌으로써 외부로 배출되는 실리콘 입자의 양을 줄여 전체적인 제품 수율을 높여 줄 수 있는 유동층 반응기용 가스배출관에 관한 것이다.

실리콘을 제조하기 위하여 실리콘 성분을 함유하는 반응가스의 열분해 또는 수소환원 반응으로 종입자 실리콘 표면에 실리콘 성분을 계속적으로 석출시키는 화학기상증착방식이 일반적으로 사용된다. 그러나 이러한 방식은 batch process로서 생산 시간이 길다.

이와 같이 반도체 분야에 사용되는 실리콘의 대량생산을 위하여 주로 종형의 반응기가 사용되고 있다. 이러한 종형 반응기를 사용하여 제조된 실리콘 제품의 직경은 약 50~300mm이다. 전기저항가열이 핵심인 종형 반응기는 실리콘 석출로 증가하는 봉의 직경에 한계가 있으므로 제품을 연속적으로 생산할 수 없을 뿐만 아니라, 약 1000℃ 이상의 반응온도로 실리콘 봉 표면을 유지시키기 위한 전력소모량이 아주 큰 단점을 가지고 있다. 이러한 한계로 상기 공정은 batch 공정으로 진행할 수밖에 없다.

따라서, 이러한 단점을 해결하기 위하여 최근에는 크기가 약 0.5~3.0mm 정도의 입자 형태로 실리콘을 연속적으로 생산할 수 있는 유동층 반응기를 이용한 실리콘 석출공정이 개발되었다. 이 방법에 의하면, 반응기 하부에서 상부 방향으로 공급되는 유동가스에 의해 실리콘 입자들이 유동층을 형성하고, 고온으로 가열된 이들 실리콘 입자표면에 반응가스 중의 실리콘 성분이 결합함으로써 입자가 성장하게 되어 실리콘 제품을 생산하게 된다. 이때, 크기가 작은 실리콘 종입자는 실리콘 성분의 지속적인 석출로 크기가 커짐에 따라 유동성을 상실하여 유동층 하부로 점차 가라앉게 된다. 이렇게 성장된 제품 입자는 선별되어 제품 수집부 측으로 배출되며, 미성장 입자는 연속적으로 유동층에 유입되어 계속 석출시킨다. 여기서 실리콘 종입자는 유동층 내부로 연속적 또는 주기적으로 충진할 수도 있다.

여기서, 유동층반응기에 사용되는 실리콘원소 함유 반응가스로는 모노실란, 이염화실란, 삼염화실란, 사염화실란과 같은 Si-H-Cl계 실란화합물이 단독 또는 서로 혼합되어 사용되며, 수소, 질소, 아르곤, 헬륨 중에서 한가지 또는 그 이상의 가스성분이 추가로 포함되는 것이 보통이다.

그러나, 이러한 실란화합물을 반응가스로 사용하는 유동층 반응기에서 가장 큰 문제점 중 하나는 반응 후 배출되는 배출가스 내에 실리콘 원료의 미분이 함께 배출됨으로써 전체적인 생산량이 감소되는 문제점이 있었다.

일반적으로 상압운전에서는 10% 내외의 미분이 반응기 외부로 방출되나 이를 줄이기 위하여 반응압력을 높이게 되면 더 많은 양의 미분이 생성되므로 생산성을 높이는데는 한계가 있었다.

따라서, 상압으로 운전을 하거나 가압을 통하여 생산성을 높이기 위해서는 반응시 생성되는 다량의 미분을 제어하여 반응기 내부로 돌아가게 하면 생산성을 향상시킬 수 있게 된다. 그러나 고순도 실리콘 제품의 특성상 기계적인 접촉이 일어나게 되면 제품의 오염이 발생되어 제품의 품질을 떨어뜨리는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 유동층 반응기에서 배출가스가 배출되는 출구측에 향류 흐름을 발생시켜 배출되는 가스 중에 포함된 실리콘 입자의 상승흐름을 억제하여 반응기의 내부로 다시 되돌려줌으로써 외부로 배출되는 실리콘 입자의 양을 줄여 전체적인 제품 수율을 높여 줄 수 있는 유동층 반응기용 가스배출관을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 유동층 반응기와 배출가스 처리부를 연결하여 배출가스를 이송하는 가스배출관에 있어서, 상기 가스배출관은 이격공간을 갖도록 일정간격을 두고 이격배치되는 내관과 외관으로 이루어지고, 상기 내관에는 상기 이격공간으로부터 내관의 내부측으로 기체가 통과할 수 있도록 둘레방향을 따라 복수 개의 주입로가 관통형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관을 제공한다.

바람직하게는, 상기 주입로는 상기 내관의 외면에서 내면으로 갈수록 하방으로 서서히 하향경사지게 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 주입로의 하향 각도는 상기 내관의 길이방향과 수직한 수평면을 기준으로 30 내지 70도의 범위를 갖도록 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 복수 개의 주입로는 동일한 방향으로 하향 경사지게 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 주입로는 상기 내관의 길이방향을 따라 다단으로 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 내관의 길이방향을 따라 다단으로 배치되는 주입로는 3 내지 5cm의 간격을 갖도록 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 주입로는 상기 유동층 반응기와 가까운 단부 측에 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 내관 및 외관은 일단부가 연결판을 매개로 연결되고, 상기 연결판에는 상기 유동층 반응기의 내부와 연통되는 관통로가 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 관통로는 상기 연결판의 둘레방향을 따라 복수 개가 일정간격 이격배치될 수 있다.

바람직하게는, 상기 관통로는 상부에서 하부로 갈수록 상기 내관에서 외관방향으로 일정각도 하향경사지게 구비될 수 있다.

바람직하게는, 상기 주입로를 통해 이격공간으로부터 내관의 내부로 이동하는 기체는 상기 유동층 반응기 내부의 압력보다 높은 압력으로 주입될 수 있다.

또한, 본 발명은 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 유동층 반응기용 가스배출관이 구비되는 유동층 반응기를 제공한다.

또한, 본 발명은 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 유동층 반응기용 가스배출관이 구비되는 유동층 반응기의 가스 배출 시스템.

본 발명에 의하면, 유동층 반응기에서 배출가스가 배출되는 출구측에 향류 흐름을 발생시켜 배출되는 가스 중에 포함된 실리콘 입자의 상승흐름을 억제하여 반응기의 내부로 다시 되돌려줌으로써 외부로 배출되는 실리콘 입자의 양을 줄여 전체적인 제품 수율을 높여 줄 수 있는 장점이 있다.

도 1은 일반적인 유동층 반응기를 나타낸 개략도.
도 2는 본 발명의 제1실시예에 따른 유동층 반응기용 가스배출관을 나타낸 부분 사시도.
도 3은 도 2의 단면도.
도 4는 도 2의 평면도.
도 5은 본 발명의 제2실시예에 따른 유동층 반응기용 가스배출관을 나타낸 부분 사시도.
도 6은 도 5의 단면도.
도 7은 도 5의 평면도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 더욱 상세히 설명하기로 한다.

이하에서, 발명의 이해를 돕기 위해 도면부호를 부가함에 있어 동일한 구성요소에 대해서는 비록 다른 도면에 표시되었다 하더라도 동일한 도면부호를 사용하기로 한다.

본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유동층 반응기용 가스배출관(100,200)은 유동층 반응기(10)에서 배출가스가 배출되는 출구측에 향류 흐름을 발생시켜 배출되는 가스 중에 포함된 실리콘 입자의 상승흐름을 억제하여 반응기의 내부로 다시 되돌려줌으로써 외부로 배출되는 실리콘 입자의 양을 줄여 전체적인 제품 수율을 높일 수 있는데 기술적 특징이 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 유동층 반응기용 가스배출관(100,200)은 도 2 내지 도 7에 도시된 바와 같이 내관(110) 및 외관(120)으로 이루어진 이중관의 형태로 구비되고 상기 내관(110) 측에 복수 개의 주입로(112)가 관통형성된다.

여기서, 상기 주입로(112)는 도 1에서 A부분 - 즉, 유동층 반응기(10)의 가스배출구(12)측에 형성되어 배출가스 중에 포함된 실리콘 입자가 가스배출관(100,200)을 통해 배출가스 처리부(20)로 상기 실리콘 입자가 이동하는 것을 최대한 억제할 수 있도록 한다. 그리고, 상기 배출가스 처리부(20)는 유동층 반응기(10)에서 배출되는 배출가스에 함유되어 나오는 실리콘 미분 입자 또는 고분자량의 반응부산물을 분리하기 위한 것으로, 사이클론, 필터, 충진탑, 스크라버, 원심분리기 등이 사용될 수 있다. 한편, 상기 유동층 반응기(10) 및 배출가스 처리부(20)는 통상적인 구성이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명에 따른 유동층 반응기용 가스배출관(100,200)을 구체적으로 설명하면, 상기 내관(110) 및 외관(120)은 통상적으로 구비되는 파이프 형태의 중공관으로 구비되고, 직경이 작은 내관(110)이 외관(120)의 내부에 삽입되어 이중관을 형성하게 된다. 이때, 상기 내관(110) 및 외관(120)은 단부측이 일정면적을 갖는 연결판(130)을 매개로 서로 연결되어 내관(110) 및 외관(120) 사이에 이격공간(S)을 형성하도록 한다. 여기서, 상기 내관(110)은 배출가스가 이동하는 통로역할을 수행하며, 상기 이격공간(S)은 상기 주입로(112)를 통해 내관(110)의 내부측으로 주입되는 기체가 저장된다.

이러한 기체는 압력 콘트롤러(미도시)의 제어를 통해 상기 이격공간(S) 측으로 공급되며, 상기 유동층 반응기(10)의 내부압력보다 1 내지 2기압이상의 더 높은 압력으로 유지된다. 이와 같이 상기 이격공간(S)에 저장되는 기체가 상기 유동층 반응기(10) 내부의 압력보다 더 높은 압력을 유지함으로써 상기 주입로(112)를 통해 원활하게 내관(110)측으로 주입될 수 있게 된다. 여기서, 상기 기체는 수소, 질소 또는 불활성기체(네온, 헬륨, 아르곤 등)를 사용하며 상기 배출가스를 냉각시키는 역할을 수행한다.

상기 주입로(112)는 상기 이격공간(S)으로부터 내관(110)의 내부측으로 주입되는 기체의 통로역할을 수행한다. 이러한 주입로(112)는 상기 내관(110)의 둘레방향을 따라 복수 개가 일정간격을 두고 관통형성된다. 바람직하게는, 상기 주입로(112)는 내관(110)의 외면에서 내면으로 갈수록 하방으로 서서히 하향경사지게 구비된다. 이에 따라, 상기 유동층 반응기(10)의 내부압력보다 더 높은 압력으로 유지되는 이격공간(S)으로부터 기체가 높은 압력으로 주입로(112)를 따라 내관(110)의 내부측으로 공급되면, 유동층 반응기(10)의 가스배출구(12) 주위에서 강한 향류 흐름이 형성되면서 배출가스에 포함된 실리콘 입자의 상승 속도를 떨어뜨리게 된다. 이를 통해, 유동층 반응기(10)의 내부에서 형성된 실리콘 미분 입자들을 최대한 유동층 반응기(10)의 내부로 되돌려 줌으로써 되돌려진 실리콘 미분 입자들은 반응가스와 반응하여 보다 큰 입자로 성장하게 되어 하부측으로 떨어지게 된다. 이로 인해, 보다 큰 입자로 성장한 실리콘 입자들은 외부로 배출되지 않고 유동층 반응기 내부에서 제품으로 성장되어 유동층 반응기(10)의 하부를 통해 배출됨으로써 전체적인 생산수율을 높일 수 있게 된다.

이때, 상기 주입로(112)는 상기 내관(110)의 길이방향과 수직한 수평면을 기준으로 대략 30~70도 범위의 하향 각도를 갖도록 구비되며, 내관(110)의 둘레방향을 따라 관통형성되는 복수 개의 주입로(112)는 동일한 방향으로 하향 경사지게 구비된다. 이로 인해, 상기 주입로(112)를 통해 내관(110)의 내측으로 주입되는 기체는 이와 같은 주입로(112)의 형성 각도 및 배치를 통해 내관(110)의 내측으로 주입시 나선형의 흐름을 형성하여 와류를 일으킴으로써 가스배출구(12)를 통해 외부로 배출되려 하는 실리콘 미분 입자를 보다 효율적으로 유동층 반응기(10)의 내부로 되돌릴 수 있게 된다.

여기서, 상기 주입로(112)의 갯수는 유동층 반응기(10)의 운전압력과 주입로(112)를 통해 내관(110)의 내부로 주입되는 기체의 토출 압력을 고려하여 적정한 갯수로 설치될 수 있음을 밝혀둔다.

한편, 본 발명에 따른 유동층 반응기용 가스배출관(100,200)은 내관(110)의 둘레방향을 따라 형성되는 주입로(112)가 상기 내관(110)의 길이방향을 따라 다단으로 구비될 수 있다.

이를 통해, 더욱 큰 선회류를 발생시킴으로써 더욱 효과적으로 실리콘 미분 입자를 유동층 반응기(10)의 내부로 되돌릴 수 있게 된다. 이때, 상기 내관(110)의 길이방향을 따라 서로 이웃하게 배치되는 주입로(112)- 자세하게는, 하부단과 상부단에 배치되는 주입로(112)는 3~5cm의 간격을 갖도록 구비되는 것이 바람직하다. 이는, 주입로(112)의 단과 단사이에서 와류 회전이 발생하여 윗 단에서 가속이 될 수 있도록 하기 위함이다. 만약, 단과 단사이의 간격이 필요이상으로 커지게 되면, 윗단에서 발생한 와류가 배출가스의 힘에 의해서 해제됨으로써 다음 단에서 실리콘 미분 입자를 유동층 반응기(10)의 내부로 되돌릴 수 있는 충분한 힘을 전달하지 못하게 되기 때문이다.

또한, 상기 주입로(112)는 이격공간(S)으로부터 주입되는 기체가 유동층 반응기(10)의 내부로 실리콘 미분 입자를 밀어내지 못하고 내관(110)의 내부에 남게 되면 배출가스와 함께 유동층 반응기(10)의 외부로 빠져나가게 된다. 따라서, 충분히 유동층 반응기(10)의 내부까지 와류가 전달될 수 있도록 제일 하단에 구비되는 주입로(112)의 높이가 적절하게 조절될 수 있음을 밝혀둔다.

한편, 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 유동층 반응기용 가스배출관(200)은 상기 내관(110)과 외관(120)을 연결하는 연결판(130)에는 둘레방향을 따라 일정간격 이격배치되는 복수 개의 관통로(132)가 구비될 수 있다. 이러한 관통로(132)는 상기 유동층 반응기(10)의 내부와 연통되도록 구비되며, 상부에서 하부로 갈수록 상기 외관(120) 측으로 일정각도 하향경사지게 구비된다. 이로 인해, 상기 이격공간(S)에 저장된 기체가 상기 관통로(132)를 통해 유동층 반응기(10)의 내부로 직접 주입됨으로써 가스배출구(12)를 통해 상기 내관(110)의 단부측 주위로 모이는 실리콘 미분 입자들을 흩트리게 된다. 이에 따라, 상기 관통로(132)를 통해 유동층 반응기(10)의 내부로 주입된 기체는 내관(110)의 단부측에 강한 와류를 형성시켜 주위의 기체를 빨아들여 하부로 강하게 이송시키게 된다. 이러한 하향흐름을 통하여 실리콘 미분 입자도 하강하게 되면서 배출가스에 의해 유동층 반응기(10)의 가스배출구(12)측으로 모여드는 실리콘 미분 입자를 강하게 흩트려 놓을 수 있게 된다.

본 발명에 의하면, 유동층 반응기에서 배출가스가 배출되는 출구측에 향류 흐름을 발생시켜 배출되는 가스 중에 포함된 실리콘 입자의 상승흐름을 억제하여 반응기의 내부로 다시 되돌려줌으로써 외부로 배출되는 실리콘 입자의 양을 줄여 전체적인 제품 수율을 높여 줄 수 있는 장점이 있다.

상기에서 본 발명의 특정 실시예와 관련하여 도면을 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명을 이와 같은 특정구조에 한정하는 것은 아니다. 당 업계에서 통상의 지식을 가진 당업자는 이하의 특허청구범위에 기재된 기술적 사상을 벗어나지 않고서도 용이하게 수정 또는 변경할 수 있을 것이다. 특히, 주입로가 다단으로 설치되는 경우 단과 단 사이의 간격, 내관의 둘레 방향을 따라 관통형성되는 주입로의 갯수, 이격거리 및 하향각도 등은 다양하게 변경할 수 있을 것이다. 그러나 이러한 단순한 설계변형 또는 수정을 통한 등가물, 변형물 및 교체물은 모두 명백하게 본 발명의 권리범위 내에 속함을 미리 밝혀둔다.

10 : 유동층 반응기 12: 가스 배출구
20 : 배출가스 처리부 30 : 호퍼
100,200 : 유동층 반응기용 가스배출관
110 : 내관 112 : 주입로
120 : 외관 130 : 연결판
132 : 관통로 S : 이격공간

Claims (13)

1. 유동층 반응기와 배출가스 처리부를 연결하여 배출가스를 이송하는 가스배출관에 있어서,
   상기 가스배출관은 이격공간을 갖도록 일정간격을 두고 이격배치되는 내관과 외관으로 이루어지고, 상기 내관에는 상기 이격공간으로부터 내관의 내부측으로 기체가 통과할 수 있도록 둘레방향을 따라 복수 개의 주입로가 관통형성되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 주입로는 상기 내관의 외면에서 내면으로 갈수록 하방으로 서서히 하향경사지게 구비되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
3. 제 2항에 있어서,
   상기 주입로의 하향 각도는 상기 내관의 길이방향과 수직한 수평면을 기준으로 30 내지 70도의 범위를 갖도록 구비되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
4. 제 2항에 있어서,
   상기 복수 개의 주입로는 동일한 방향으로 하향 경사지게 구비되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 주입로는 상기 내관의 길이방향을 따라 다단으로 구비되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 내관의 길이방향을 따라 다단으로 배치되는 주입로는 3 내지 5cm의 간격을 갖도록 구비되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
7. 제 1항에 있어서,
   상기 주입로는 상기 유동층 반응기와 가까운 단부 측에 구비되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
8. 제 1항에 있어서,
   상기 내관 및 외관은 일단부가 연결판을 매개로 연결되고, 상기 연결판에는 상기 유동층 반응기의 내부와 연통되는 관통로가 구비되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
9. 제 8항에 있어서,
   상기 관통로는 상기 연결판의 둘레방향을 따라 복수 개가 일정간격 이격배치되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
10. 제 8항에 있어서,
    상기 관통로는 상부에서 하부로 갈수록 상기 내관에서 외관방향으로 일정각도 하향경사지게 구비되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
11. 제 1항에 있어서,
    상기 주입로를 통해 이격공간으로부터 내관의 내부로 이동하는 기체는 상기 유동층 반응기 내부의 압력보다 높은 압력으로 주입되는 것을 특징으로 하는 유동층 반응기용 가스배출관.
12. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 유동층 반응기용 가스배출관이 구비되는 유동층 반응기.
13. 제 1항 내지 제 11항 중 어느 한 항의 유동층 반응기용 가스배출관이 구비되는 유동층 반응기의 가스 배출 시스템.
    

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