KR101542297B1 - 유해가스를 처리하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 유해가스가 반응매체에 의해 적어도 부분적으로 공정가스로 변환되는 유해가스의 처리를 위한 방법 및 장치로서, 공정가스 및/또는 유해가스의 열에너지가 적어도 부분적으로 반응매체의 증발을 위해 이용되고, 공정가스 및/또는 유해가스의 열에너지가 간접적으로 에어로졸 형태의 반응매체로 방출되는 것을 특징으로 한다.

Description

유해가스를 처리하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR TREATING HARMGAS}
본 발명은, 유해가스가 반응매체에 의해 적어도 부분적으로 공정가스로 변환되는 유해가스의 처리를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
서두에 설명한 기술의 방법이 공지기술에 공개되어 있다. 본 명세서에서 설명되는 의미에 의하면 유해가스는 예를 들어 독성을 가지거나 또 다른 반응성을 가진 가스이다. 상기 유해가스는 흔히 재료의 제조 특히, 반도체 재료의 제조시 형성된다. 상기 유해가스는 다른 기술에 의해 처리될 수 있다. 반응성 유해가스에 대해 처리작업을 위한 가능성은, 적합한 산화(oxidation)작용과 환원(reduction)작용에 의해 산화 또는 환원이다. 또 다른 가능성에 의하면, 유해가스가 열 분해될 수 있다. 처리된 유해가스는 상기 발명의 범주(frame)내에서 공정가스로서 설명된다.
공지된 유해가스를 처리하기 위한 공지 방법은, 상당한 에너지 소비를 포함한다. 유해가스를 처리하는 작업이 절대적으로 필요하기 때문에, 상기 공지 방법은 재료 예를 들어, 반도체 재료의 생산 비용을 증가시킨다.
문헌 제 US 2011/0206582 호에 설명되는 유해가스의 처리장치에 의하면, 도 4를 참고할 때 반응기가 파이프 도관을 가진 원통형 압력용기(pressure vessel)로서 구성되고, 상기 파이프 도관은 상기 반응기의 외측 표면과 접촉한다. 따라서 상기 파이프 도관내에 존재하는 물은 가열되고 증발된다. 증발된 물은 노즐을 통해 반응기내에서 분무된다.
문헌 제 2004/0141900 호에 공개된 과불화(perfluoro) 결합에 의해 수용된 유해가스를 처리하기 위한 방법에 의하면, 물은 열교환에 의해 증발되고 반응기내에 유입된다.
문헌 제 5,560,844 호에 설명된 유도 플라즈마 연소기(induction plasma burner)에 의하면, 유체는 U 자형상의 단면을 가진 채널내부로 유입된다.
따라서 본 발명의 목적은, 유해가스의 처리작업이 지금까지의 작업보다 비용면에서 더욱 유리하게 이루어질 수 있는 서두에 설명된 기술의 방법과 장치를 구성하는 것이다.
상기 목적은, 제 1 항의 방법 및 함께 제시된 제 6 항의 장치에 의해 달성된다. 본 발명의 구성은 종속항들의 대상이다.
유해가스를 처리하기 위한 본 발명의 방법은, 반응매체에 의해 유해가스를 적어도 부분적으로 공정가스로 변환시키는 것을 제공한다. 상기 유해가스는 예를 들어 반도체 재료를 제조할 때 발생할 수 있다. 이용되는 반응매체에 있어서, 예를 들어 물, 특히 이온을 제거한(deionized) 물, 공기 또는 특히 이온을 제거한 물을 투입한 물-공기 혼합물이 이용될 수 있다. 상기 공정가스는 유해가스와 화학적으로 구분된다.
따라서, 공정가스 및/또는 유해가스의 열에너지가 적어도 부분적으로 반응매체를 증발시키기 위해 이용되는 것이 제안된다. 본 발명을 따르는 방법의 범주에서, 유해가스를 처리하기 위해 이용되는 반응매체는, 수증기로서 물 또는 이온을 제거한 물을 이용한 증기형태이다.
유해가스의 처리는 화학적으로 추가 수행된다. 이를 위해 상기 유해가스와 반응매체는 해당 고온에 도달하고 열적으로 변환된다. 상기 유해가스와 공정가스는 처리되고 (적어도 부분적으로) 변환된 유해가스는, 반응매체 예를 들어 물을 증발시키기 위해 본 발명에 따라 이용되는 상당한 열에너지를 가진다. 상기 방법에 의해 반응매체는 전혀 가열되지 않거나 단지 부분적으로 분리되어 가열되어야 한다. 따라서, 본 발명을 따르는 방법의 에너지 밸런스(energy balance)는 공지된 방법보다 현저하게 개선된다.
본 발명에 의하면, 캐리어 가스(carrier gas)로서 공기 속에 분무되는 에어로졸 형태의 반응매체, 예를 들어, 물에 대해 공정가스의 열에너지가 방출된다. 상기 에어로졸(aerosol) 또는 스프레이는 순수 가스보다 높은 열용량(thermal capacity) 및 상대적으로 낮은 온도를 가지며, 상기 공정가스로부터 반응매체로 이루어지는 열전달작용이 순수한 증기보다 더욱 효과적으로 제공된다.
또한 본 발명에 의하면, 공정가스의 열에너지는 간접적으로 반응매체에 방출된다. 열에너지의 상기 간접적인 방출에 의해, 공정가스의 열에너지가 반응매체로 전달되는 열교환장치가 제안될 수 있다. 간단한 구성에 의하면, 본 발명에 따라 공정가스를 처리하기 위한 방법이 수행되는 반응기의 반응기 벽이 구성될 수 있다. 상기 방법에 의하면, 반응매체가 공정가스로부터 분리된 상태로 유지된다.
본 발명에 따라 구성될 수 있는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 방법은 반응기에 의해 수행되며, 상기 반응기의 하측 영역에서 공정가스의 열에너지가 반응매체에 전달되고 상기 반응기의 상측 단부영역내에서 반응매체를 유해가스로 안내된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 반응매체는 상기 반응기와 열접촉하며 상기 상측 단부영역으로 유입되는 것이 제안된다. 상기 유해가스를 열적으로 처리하는 것이 필요할 때 상기 반응기는 특히 가열될 수 있다. 상기 반응기의 가열은 전기적으로 이루어질 수 있다.
여기서 선택된 각각의 단부영역들은, 반응기 높이의 20 퍼센트 이하 또는 이상이거나 반응기 높이의 10 퍼센트인 것이 선호되고 특히 반응기 높이의 5 퍼센트이다. 따라서, 상기 상측 및 하측 단부영역에서 다양한 스텝(step)들이 조합된다.
본 발명의 또 다른 실시예에 의하면, 상기 반응매체는 반응기 헤드내에서 분무되고 증발된다. 상기 방법에 의해 상기 반응기 헤드는 반응매체에 의해 냉각된다.
본 발명을 따르는 독립적인 제 1 대상은, 유해가스를 처리하기 위해 구성되는 반응기를 가지고 유해가스를 반응매체와 적어도 부분적으로 공정가스에 반응하도록 유해가스를 처리하기 위한 장치이다. 본 발명에 의하면, 공정가스 및/또는 유해가스의 에너지를 반응매체에 전달하기 위한 열교환장치가 제공된다. 본 발명을 따르는 장치에 의하면, 예를 들어 에어로졸로서 제공될 수 있고 증발되도록 공정가스내에 저장된 열에너지가 반응매체 예를 들어 물을 가열하기 위해 이용된다.
따라서, 반응기 헤드와 연결되고 반응기 헤드내에서 반응매체가 분무될 수 있는 분무장치가 제공된다. 따라서, 상기 반응매체는 분무된 후에 에어로졸로서 존재한다.
가능한 실시예에 의하면, 상기 반응기는 적어도 하측 단부 영역에서 이중벽구조로 구성되는 것이 제안된다. 따라서, 상기 벽들사이에 상기 반응매체가 유입될 수 있는 중공 챔버가 구성된다. 상기 형태의 구조는, 비교적 간단하게 실현된다. "하측" 및 "상측"이라는 용어는, 중력내에서 위치로 이해된다.
본 발명을 따르는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 반응기는 반응기의 하측 단부영역 특히 반응기의 이중벽 구조를 가진 영역에서 하측을 향해 테이퍼구조를 가지고 특히 원추형상의 테이퍼 구조로 구성된다. 상기 형태의 원추구조 또는 원추형상의 테이퍼 구조는 공정가스와 반응매체사이에 열교환이 발생하는 영역의 표면을 증가시킨다.
본 발명을 따르는 또 다른 실시예에 의하면, 나선형상을 가지고 반응기 덮개를 둘러싸는 적어도 한 개의 결합 도관이 제공되고, 결합도관내에서 상기 반응매체는 반응기의 하측 단부영역으로부터 상측 단부영역으로 안내될 수 있다. 상기 방법에 의해, 역류원리(counter current principle)가 실현되어, 반응매체는 반응기의 하측영역으로부터 상측영역으로 열을 전달하고, 여기서 열은 다시 유해가스의 열적 처리에 이용될 수 있다.
본 발명을 따르는 또 다른 실시예에 의하면, 결합 도관은 상기 반응기와 열적으로 연결된다. 상기 열적으로 연결된 결합 도관에 의해 열에너지는 더욱 양호하게 전달될 수 있다.
본 발명을 따르는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 결합 도관은 상기 반응기의 상측 단부영역에서 틈새와 연결되고, 상기 틈새는 상기 반응기 헤드와 반응기 헤드 플랜지사이에 구성된다. 상기 구성에 의하면, 반응기의 개구부가 반응기 헤드를 제거하여 반응기 헤드와 연결된 또 다른 도관을 방해하지 않고도 상기 반응매체는 상대적으로 더 넓게 상부에서 반응기내부로 안내될 수 있다. 또한, 반응매체와 유해가스가 양호하게 혼합되도록 상기 연결 도관은 상기 구성에 의해 반경 방향으로 배열되거나 반경 방향으로 오프셋 배열된다. 상기 반응기 헤드는, 반응기에 대해 상측을 향해 구성된다.
본 발명을 따르는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 반응기 헤드와 열교환 장치사이에 결합 도관이 제공된다. 본 발명을 따르는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 반응기 헤드내에 주변 챔버가 제공되고 분무장치가 주변 챔버와 연결되며 분무장치내에서 반응매체가 분무될 수 있다. 상기 반응매체는 상기 주변챔버내에서 반응기 헤드의 열을 수용하고 따라서 증발될 수 있다. 다음에 상기 반응매체는 열교환기와 연결된 도관을 통해 안내되고 추가로 열에너지를 흡수하며 과열될 수 있다.
본 발명을 따르는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 결합 도관은 상기 반응기 헤드로부터 반응기의 하측 단부영역으로 안내된다. 상기 구성에서, 상기 반응매체는 공정가스의 열에너지를 수용할 수 있다.
앞서 설명한 것과 같이, 예를 들어 반응기 플랜지와 반응기 헤드사이에 배열된 상기 틈새를 통해 특히, 반응기 가열기의 반경 방향 외측에 배열되고 특히 상기 반응기와 열 접촉하는 나선형상의 연결 도관을 통해 상기 반응기의 내부로 되돌려 안내작용이 수행될 수 있다.
본 발명을 따르는 또 다른 실시예에 의하면, 상기 분무장치는 상기 주변 챔버의 접선방향을 향하거나 주변 챔버의 접선에 대해 5°내지 20°의 각도를 이루며 반응기 헤드 내부로 형성되거나 상기 반응기 헤드상에서 5°내지 20°의 각도를 이루며 상부로부터 하부로 기울어져 형성된다.
또한, 상기 반응기는 외부를 향하는 열손실을 감소시키기 위해 단열구조를 가질 수 있다. 적용될 수 있다면, 상기 단열구조는 특히 반응기 가열기 및/또는 열결도관을 포함한다.
본 발명의 또 다른 목적들, 장점들, 특징 및 이용 가능성들이, 도면을 참고하여 실시예들에 관한 하기 설명으로 알 수 있다. 따라서, 요약설명과 독립적으로 청구범위 또는 인용관계에서 임의의 유용한 조합에 관한 설명 및/또는 도시된 모든 특징들이 본 발명의 대상을 구성한다.
도 1은, 제 1 실시예를 따르는 본 발명의 장치를 도시한 단면도.
도 2는, 도 1에서 단면 (X)를 따라본 하측 단부영역을 도시한 확대도.
도 3은, 도 2에서 단면 (Y)를 따라본 상측 단부영역을 도시한 확대도.
도 4는, 본 발명의 제 2 실시예를 따르는 장치를 도시한 도면.
도 5는, 도 4의 장치를 구성하는 상측 단부영역을 도시한 확대도.
도 1은, 유해가스를 처리하기 위한 본 발명의 장치(2)를 도시한다. 상기 장치(2)는 반응기(4)를 포함하고, 상기 반응기내에서 유해가스가 열적으로 반응매체에 의해 처리된다. 상기 반응매체는 예를 들어 반응기(4)내에서 수증기로서 안내되는 물 및/또는 공기를 고려해볼 만하다. 상기 수증기는, 산화된 가스를 환원시키기 위해 예를 들어 F2 HF를 형성하기 위해 상기 반응기(4)내에서 이용된다. 이를 위해, 연소가능한 가스를 산화시키도록 반응매체와 결합될 수 있는 산소가 이용된다. 회전 및/또는 진동하며 구동될 수 있고 반응기(4)의 내벽에서 변부가 안내되는 압착부(6)가 상기 반응기(4)내부에 제공되어, 예를 들어 산화 규소 또는 산화 실란(silane oxide)과 같이 유해가스의 산화에 의해 형성될 수 있는 형성고체를 상기 벽으로부터 제거한다. 상기 진동은 수직 또는 수평으로 발생될 수 있다.
상기 반응기(4)는 하측 단부영역(4.1)내에서 하부를 향해 원추형상의 테이퍼구조를 가진다.
상기 반응기(4)는, 상기 반응기를 원주방향으로 구속하는 반응기 벽(8)을 포함한다. 상측 단부 영역(4.2) 내에서, 상기 반응기 벽(8)은 반응기 헤드(10)와 연결된다.
원뿔형상으로 테이퍼 구조를 가지는 상기 하측 단부영역(4.1)은 이중벽구조를 가진다. 상기 반응기벽(8)과 외측벽(12)사이에 중공 챔버(14)가 구성된다. 상기 중공 챔버(14)내에서 반응매체로서 물은 에어로졸(aerosol)로서 분무된다. 상기 물은, 상기 반응기벽(8)에서 반응기(4)로부터 하부를 향해 유동하는 공정가스 또는 유해가스의 열을 수용하여 증발된다. 수증기는 상측을 향해 유동하고 거기서 나선형상으로 형성된 파이프(16)내에서 반응기(4)의 상측 단부영역(4.2)로 안내된다. 상기 파이프(16)는 상기 반응기(4)를 적어도 부분적으로 둘러싸고 반응기와 열적으로 접촉한다.
상기 반응기(4)를 가열하고 상기 유해가스를 열적으로 처리할 수 있도록 상기 파이프(16)와 반응기 벽(8)사이에 가열기(18)가 제공된다. 상기 가열기(18)의 외측에 상기 파이프(16)를 배열하면, 외측을 향해 방출되는 상기 가열기(18)의 열부하(heat load)가 상기 파이프(16)에 의해 수용되고, 상기 파이프(16)내에서 안내되는 수증기가 과열된다. 상기 과열된 수증기는 상기 상측 단부영역(4.2)내에서, 상기 반응기 벽(8)과 반응기 헤드(10)사이에 형성된 틈새(20)를 통해 사실상 반경 방향을 따라 반응기(4)내부로 안내된다.
상기 유해가스는, 유입관(22)을 통해 사실상 수직방향으로 상기 반응기(4)내부로 유입된다. 상기 틈새(20)가 사실상 수평방향으로 안내되면, 유해가스와 반응매체는 양호하게 혼합되어 상기 방법의 효율을 증가시킨다. 상기 유해가스와 반응매체의 혼합작용은, 가열된 반응기 벽(8)을 통해 추가로 가열되어 유해가스의 처리작업을 유리하게 만든다. 상기 하측 단부영역(4.1)내에서, 상기 유해가스는 대체로 공정가스로 변환되고, 공정가스의 열에너지는 상기 원추형상의 테이퍼구조를 가진 하측 단부영역(4.1)내부로 방출된다.
도 2는 상기 하측 단부영역(4.1)의 확대 단면을 도시한다. 반응매체는 노즐(24)에 의해 분무(spray) 또는 에어로졸로 변환되고 상기 반응기 벽(8)으로 뿌려진다. 여기서 반응매체는 가열되고 상기 반응기 벽(8)과 외측벽(12)사이에 형성된 중공 챔버(14)내에서 상측을 향해 상승한다.
도 3은, 상기 반응기(4)의 상측 단부영역(4.2)을 확대 단면으로 도시한다. 상기 반응기 헤드(10)는 예를 들어 상기 반응기 벽(8)에 형성된 플랜지(26)에 나사로 고정된다. 상기 플랜지(26)와 반응기 헤드(10)사이에 틈새(20)가 배열되고, 상기 틈새를 통해 가열된 반응매체 증기가 반응기(4)내부로 유입된다.
도 4는 본 발명을 따르는 장치(2')의 또 다른 실시예를 도시한다. 도시된 실시예에서, 동일하거나 동일한 작용을 가진 요소는, 앞서 설명한 실시예와 동일한 도면부호를 가진다.
도 4에 도시된 실시예에서, 상기 반응매체를 증발시키기 위해 공정가스 및/또는 유해가스의 열에너지가 반응기 헤드(10)의 영역에서 이용된다. 동시에 반응기 헤드(10)의 냉각이 이루어질 수 있다.
상기 반응기 헤드(10)내에 주변 챔버(32)가 제공되고, 상기 반응매체는 예를 들어 노즐과 같은 분무장치(30)에 의해 상기 주변 챔버 내부로 분무된다. 상기 분무작용은, 특히 접선방향 또는 접선에 대해 일정 각도 또는 상부로부터 15°가 선호되는 각도로 발생된다. 상기 각도는 특히 접선에 대해 약 15°를 가질 수 있다. 따라서 반응매체와 공기가 양호하게 혼합된다.
도 5를 참고할 때, 상측 단부영역(4.2)이 확대된 단면으로 도시된다. 상기 반응매체는, 반응기 헤드(10)내에 제공된 주변 챔버(32)내부에 분무장치(30)에 의해 측면으로 분무된다.
상기 주변 챔버(32)로부터 벗어나는 결합도관(34)에 의해, 반응기 헤드(10)내에서 증발되는 물은 다음에 하부를 향해 전달되고, 상기 물은 공정가스로부터 추가로 발생된 반응열을 파이프 코일 또는 파이프(16) 굽힘부내에서 수용하며 추가로 과열될 수 있다. 계속해서, 과열된 반응매체는 다시 파이프(16)를 통해 상부를 향해 안내되고 상기 실시예들과 같이 반응기(4)내부로 안내된다.
반응매체로서 특히 이온을 제거한(deionized) 물이 고려된다.
2,2'....유해가스를 처리하기 위한 장치,
4....반응기,
4.1....하측 단부 영역,
4.2....상측 단부 영역,
6....압착부
8....반응기벽,
10....반응기 헤드,
12....외측벽,
14....중공챔버,
16....파이프,
18....가열기,
20....틈새,
22....유입관,
24....노즐,
26....플랜지,
30....분무장치,
32....주변챔버,
34....파이프라인.

Claims (14)

  1. 유해가스가 반응매체에 의해 적어도 부분적으로 공정가스로 변환되고, 공정가스 또는 유해가스의 열에너지가 적어도 부분적으로 반응매체의 증발을 위해 이용되며, 공정가스 또는 유해가스의 열에너지가 간접적으로 반응매체로 방출되는 유해가스의 처리를 위한 방법에 있어서,
    상기 반응 매체는 에어로졸 형태로 존재하고, 상기 반응매체는 반응기(4)의 상측 단부 영역(4.2)내에서 반응기 헤드(10)의 주변 챔버(32)내부로 분무되고 증발되며, 상기 반응매체는 상기 반응기(4)와 열 접촉하며 상기 상측 단부 영역(4.2)으로 유입되고, 상기 반응기(4)의 상측 단부영역(4.2)내에서 반응매체를 유해가스로 안내하는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 반응기(4)의 하측 단부 영역(4.1)에서 공정가스 또는 유해가스의 열에너지가 반응매체로 전달되는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 유해가스를 처리하기 위한 반응기(4)를 포함하고 유해가스를 반응매체와 적어도 부분적으로 공정가스에 반응하도록 유해가스를 처리하기 위한 장치로서, 공정가스 또는 유해가스의 에너지를 반응매체에 전달하기 위한 열교환장치가 제공되고, 분무장치(30)가 제공되는 유해가스의 처리를 위한 장치에 있어서,
    상기 반응매체가 에어로졸 형태로 존재하고, 상측 단부 영역(4.2)의 반응기 헤드(10)내에 주변 챔버(32)가 제공되며, 상기 분무 장치(30)가 상기 주변 챔버와 연결되고 상기 주변 챔버내에서 상기 반응 매체가 분무되며, 상기 반응기(4)의 상측 단부 영역(4.2)내에서 반응 매체를 유해 가스로 공급하는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 반응기(4)는 적어도 하측 단부 영역(4.1)에서 이중벽구조로 구성되고, 상기 벽(8,12)들사이에 상기 반응매체가 유입될 수 있는 중공 챔버(14)가 구성되는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
  7. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 상기 반응기(4)는 반응기의 하측 단부영역(4.1)에서 이중벽 구조를 가지며 하측을 향해 테이퍼 구조로 구성되는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
  8. 제 5 항 또는 제 6 항에 있어서, 나선형상을 가지고 반응기 벽(8)을 둘러싸는 적어도 한 개의 결합 도관(16)이 제공되고, 결합 도관 내에서 상기 반응매체는 반응기(4)의 하측 단부영역(4.1)으로부터 상측 단부영역(4.2)으로 안내될 수 있는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 결합 도관(16)은 상기 반응기(4)와 열적으로 연결되는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
  10. 제 8 항에 있어서, 상기 결합 도관(16)은 상기 반응기(4)의 상측 단부영역(4.2)에서 틈새(20)와 연결되고, 상기 틈새는 상기 반응기 헤드(10)와 반응기 헤드 플랜지 사이에 구성되는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
  11. 제 5 항에 있어서, 상기 반응기 헤드(10)와 열교환 장치 사이에 결합 도관(34)이 제공되는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
  12. 제 5 항에 있어서, 상기 분무장치(30)는 상기 주변 챔버(32)의 접선방향을 향하거나 주변 챔버의 접선에 대해 5°내지 20°의 각도를 이루며 반응기 헤드(10) 내부로 형성되거나 상기 반응기 헤드(10)상에서 5°내지 20°의 각도를 이루며 상부로부터 하부로 기울어져 형성되는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
  13. 제 11 항에 있어서, 상기 결합 도관(34)은 상기 반응기 헤드(10)로부터 반응기(4)의 하측 단부영역(4.1)으로 안내되는 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
  14. 제 12 항에 있어서, 상기 각도는 15°인 것을 특징으로 하는 유해가스의 처리를 위한 장치.
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