KR101944486B1 - 가스 정제 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 배출되는 재생기체의 열을 이용하여 소비 에너지를 절감할 수 있는 가스 정제 장치를 위하여, 대상기체의 정제를 위해 이용되고 재생기체를 이용하여 재생이 필요한 정제부와, 상기 정제부의 재생 시 상기 정제부로 인입되는 제1재생기체가 상기 정제부로부터 배출되는 고온의 제2재생기체로부터 열을 전달받도록 설치된 열교환부를 포함하는 기체 정제 장치를 제공한다.

Description

가스 정제 장치{Apparatus for refining gas}
본 발명은 가스 정제 장치에 관한 것으로서, 더 상세하게는 정제기를 재생 후 배출되는 기체의 열을 재사용하는 가스 정제 장치에 관한 것이다.
일반적으로 가스 정제 장치는 전자 및 반도체 산업 등에 이용되는 공업용 기체를 고순도로 정제하는 장치이다.
전자 및 반도체 공정에서 사용된 공업용 기체는 불순물을 포함하게 되는데, 이러한 불순물을 포함한 공업용 기체를 재사용하기 위하여 심랭식 공기분리장치를 이용하거나, 게터를 이용하거나, 촉매를 이용하여 정제하였다.
그러나 이러한 종래의 가스 정제 장치에는 정제기를 재생시키는데 사용되는 재생기체를 가열하는데 과다한 에너지가 소비되는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 포함하여 여러 문제점들을 해결하기 위한 것으로서, 배출되는 재생기체의 열을 재사용하여 에너지 소비를 절감할 수 있는 가스 정제 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다. 그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 관점에 따르면, 대상기체의 정제를 위해 이용되고 재생기체를 이용하여 재생이 필요한 정제부와, 상기 정제부의 재생 시 상기 정제부로 인입되는 제1재생기체가 상기 정제부로부터 배출되는 고온의 제2재생기체로부터 열을 전달받도록 설치된 열교환부를 포함하는 기체 정제 장치가 제공된다.
상기 열교환부를 거친 상기 제1재생기체의 온도를 높이기 위해서 상기 열교환부와 상기 정제부 사이에 설치된 가열부를 포함할 수 있다.
상기 열교환부를 거친 상기 제2재생기체의 온도를 낮추기 위한 냉각부를 포함할 수 있다.
상기 제1재생기체는, 환원성 기체와, 상기 대상기체가 상기 정제부를 통해서 정제된 목표기체를 포함할 수 있다.
상기 환원성 기체는 수소를 포함하고, 상기 목표기체는 질소를 포함할 수 있다.
상기 열교환부는 상기 제1재생기체와 상기 제2재생기체를 상호 분리된 공간에서 유동시킬 수 있다.
상기 제1재생기체는 상기 대상기체가 상기 정제부를 통해서 정제된 목표기체를 포함하고, 상기 열교환부는 상기 목표기체를 외부로 배출하는 배출라인의 일부분에 선택적으로 연결되어 상기 정제부의 정제 시 상기 목표기체 일부가 상기 열교환부로 유입될 수 있다.
상기 제1재생기체와 상기 제2재생기체는 상기 열교환부에서 상호 대향되는 방향으로 유동할 수 있다.
상기 대상기체를 상기 정제기로 투입하기 전에 상기 대상기체를 촉매 반응을 통해서 정제하기 위해 상기 대상기체의 피드부와 상기 정제부 사이에 설치된 촉매 반응부를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 다른 일 관점에 따르면, 대상기체의 정제를 위해 이용되고 재생기체를 이용하여 재생이 필요하며, 서로 병렬적으로 연결된 복수의 정제부들와, 각 정제부의 재생 시 각 정제부로부터 인입되는 제1재생기체가 각 정제부로부터 배출되는 고온의 제2재생기체로부터 열을 전달받도록 설치된 열교환부를 포함할 수 있다.
상기 복수의 정제부들은 제1정제부 및 제2정제부를 포함하고, 상기 제1정제부가 상기 대상기체를 정제할 시, 상기 제2정제부는 재생될 수 있다.
상기 제1재생기체는, 상기 대상기체가 상기 제1정제부를 통해서 정제된 목표기체 중 일부를 포함할 수 있다.
상기한 바와 같이 이루어진 본 발명의 일 실시예에 따르면, 배출되는 재생기체의 열을 이용하여 소비 에너지를 절감할 수 있는 가스 정제 장치를 구현할 수 있다. 물론 이러한 효과에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
도 1은 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 정제 장치를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
도 3 및 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 정제 장치 중 열교환부를 개략적으로 도시하는 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가스 정제 장치를 개략적으로 도시하는 블록도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있는 것으로, 이하의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 또한 설명의 편의를 위하여 도면에서는 구성 요소들이 그 크기가 과장 또는 축소될 수 있다.
이하의 실시예에서, 가스 정제 장치의 각 구성장치들은 각각 배관으로 연결되어있으며, 이 배관에는 필요에 따라 유량 및 압력을 조절할 수 있는 다수의 밸브가 결합될 수 있다. 또한, 이하의 실시예에서 라인(1110, 1120, 1130...)은 배관 또는 튜브 등 기체가 유동할 수 있는 구성을 의미한다. 그리고 밸브들(1210, 1220, 1230...)은 대상기체 또는 재생기체가 목표하는 대로 유동하도록 적절히 개폐될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 정제 장치를 개략적으로 도시한 블록도이고, 특히 가스 정제 장치가 대상기체를 정제하는 과정을 개략적으로 도시하고 있다. 그리고 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스 정제 장치를 개략적으로 도시한 블록도이고, 특히 가스 정제 장치 중 정제부(100)가 재생기체에 의해 재생되는 과정을 개략적으로 도시하고 있다. 본 실시예에 따른 가스 정제 장치는 정제부(100) 및 열교환부(200)를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 정제부(100)는 대상기체를 정제할 수 있다. 예컨대, 정제부(100)는 제올라이트를 포함하여 대상기체에 포함된 수분을 흡착하여 제거할 수 있다. 물론 이에 한정하는 것은 아니며 정제부(100)는 다른 재료를 포함하여 수분뿐만 아니라 산소, 이산화탄소, 수소 등을 제거할 수도 있다.
정제부(100)는 일단에 대상기체가 유동하여 인입되는 제1라인(1100)이 연결될 수 있고, 타단에 대상기체를 정화한 목표기체가 배출되는 배출라인 즉 제2라인(1120)이 연결될 수 있다. 예컨대, 제1라인(1100)은 일단에 대상기체가 공급되는 피더부(600)와 연결되고, 타단에 정제부(100)가 연결될 수 있다. 그리고 제2라인(1120)은 일단에 정제부(100)가 연결되고, 타단에 목표기체 포집장치(예컨대, 봄베) 또는 반도체 공정장비가 연결될 수 있다. 즉 대상기체는 제1라인(1100)을 따라 정제부(100)로 유동되고, 정제부(100)에서 정화된 후 제2라인(1120)을 통해 배출될 수 있다.
이러한 정제부(100)는 복수일 수 있다. 구체적으로 정제부(100)는 복수로써 서로 병렬적으로 연결될 수 있다. 이때, 제1라인(1100)은 각 정제부(100)에 각각 연결될 수 있다. 즉 피더부(600)에서 연장된 제1라인(1100) 및 제2라인(1120)은 각각 어느 한 지점에서 분지되어 정제부(100)에 각각 연결될 수 있다. 복수의 정제부(100)는 일부만 작동하여 대상기체를 정제하거나 전체가 작동하여 대상기체를 정제하는 등 다양하게 작동될 수 있다. 복수의 정제부(100) 중 일부만 대상기체를 정제하는 경우, 작동되지 않는 정제부(100)는 재생기체에 의해 재생될 수 있다. 예컨대. 복수의 정제부(100)는 제1정제부(110) 및 제2정제부(120)를 포함할 수 있다. 그리고 제1정제부(110)가 대상기체를 정제할 때, 제2정제부(120)는 재생될 수 있다. 물론 그 역도 가능하다. 이러한 것은 제1밸브(1210). 제2밸브(1220) 등을 선택적으로 개폐하여 할 수 있다.
도 2를 참조하면, 정제부(100)는 재생기체에 의해 재생될 수 있다. 정제부(100)는 대상기체를 목표기체로 정화하는 과정을 지속적으로 반복하면, 내부에 수분 등의 불순물이 축적될 수 있다. 따라서 정제부(100) 내부의 불순물을 제거해야 정제부(100)의 정화 효율을 향상시킬 수 있다. 이를 위하여, 재생기체를 이용하여 정제부(100)를 재생할 수 있다. 이하에서는 정제부(100)를 재생하기 위해 정제부(100)로 인입되는 재생기체를 제1재생기체로, 정제부(100)를 재생하고 정제부(100)에서 배출되는 재생기체를 제2재생기체라 한다.
정제부(100)는 일단에 제1재생기체가 인입되는 제4라인(1140)이 연결될 수 있다. 예컨대, 제4라인(1140)은 정제부(100)에 직접 연결될 수 있고, 도시된 바와 같이 제2라인(1120)에 연결되어 정제부(100)에 간접 연결될 수 있다. 간접적으로 연결된 경우, 제1재생기체가 정제부(100)로 유동하도록 제2밸브(1220) 및 제3밸브(1230)를 적절히 개폐할 수 있다.
정제부(100)는 정제 후 수분 등의 불순물을 포함하는 제2재생기체를 제5라인(1150)으로 배출할 수 있다. 이때, 제5라인(1150)은 정제부(100)에 직접 연결될 수 있고, 도시된 바와 같이 제1라인(1100)에 연결되어 정제부(100)에 간접적으로 연결될 수 있다.
도 2에 도시된 바에 따르면 제1정제부(110) 및 제2정제부(120)이 동시에 재생되는 것으로 이해될 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며, 전술한 바와 같이 제1정제부(110) 및 제2정제부(120)는 선택적으로 재생될 수 있다. 이때 제1정제부(110)이 재생되면, 제2정제부(120)는 대상기체를 정제할 수 있다. 물론 그 역도 가능하다. 여기서 대상기체가 제2라인(1120)의 끝단부를 통해 배출되는 것으로 도시되어 있는데, 어느 한 정제부(100)가 대상기체를 정제하여 배출하는 것을 의미할 수 있다.
열교환부(200)는 제1재생기체와 제2재생기체가 열교환하도록 설치될 수 있다. 구체적으로 열교환부(200)는 제1재생기체와 제2재생기체가 내부에서 유동하여 상호 열교환할 수 있다. 이때 열교환부(200)는 제1재생기체와 제2재생기체를 상호 분리된 공간에서 유동시킬 수 있다. 여기서, 제2재생기체의 온도가 고온이므로 열은 제2재생기체에서 제1재생기체로 전달될 수 있다. 구체적으로 제1재생기체는 정제부(100)로 인입되기 전 후술할 가열부(300)에 의해 고온 상태로 가열될 수 있다. 따라서 제1재생기체가 정제부(100)를 거쳐 제2재생기체가 되므로, 제2재생기체는 열교환부(200)에 인입되기 전 제1재생기체보다 고온일 수 있다.
열교환부(200)는 제1지점에 제1재생기체가 외부로부터 인입되는 제3라인(1130)이 결합되고, 제2지점에 제4라인(1140)이 결합될 수 있다. 즉 제4라인(1140)은 일측에 열교환기가 결합되고, 타측에 정제부(100)가 직접 또는 간접적으로 결합될 수 있다. 따라서 제1재생기체는 제3라인(1130)을 유동하여 열교환부(200)로 인입되고, 제2재생기체와 열교환한 후 제4라인(1140)을 거쳐 정제부(100)로 인입될 수 있다. 이때, 열교환부(200)는 제3라인(1130)과 제4라인(1140)을 연결하는 폐공간인 제1채널을 포함할 수 있다.
또한, 열교환부(200)는 제3지점에 정제부(100)에서 배출된 제2재생기체가 유동하는 제5라인(1150)이 결합되고, 제4지점에 제2재생기체가 외부로 배출되는 제6라인(1160)이 결합될 수 있다. 따라서 제2재생기체는 정제부(100)에서 배출되어 제5라인(1150)을 거쳐 열교환부(200)로 인입되고, 제1재생기체와 열교환한 후 제6라인(1160)을 거쳐 외부로 배출될 수 있다. 이때, 열교환부(200)는 제5라인(1150)과 제6라인(1160)을 연결하는 폐공간인 제2채널을 포함할 수 있다.
도 3 및 도 4는 열교환부(200)를 각각 개략적으로 도시하는 단면도가 도시되어 있다. 이하에서는 도 3 및 도 4를 참조하여 열교환부(200)를 상세히 설명한다.
열교환부(200)는 제1재생기체가 유동하는 제1채널과, 제2재생기체가 유동하는 제2채널을 포함할 수 있다. 제1채널 및 제2채널은 제1재생기체와 제2재생기체 상호 열교환이 원활이 이뤄지도록 동일한 방향으로 길게 연장될 수 있다.
예를 들면, 열교환기는 도 3에 도시된 바와 같이 제1채널과 제2채널은 면접촉을 하고, 이 면을 통해 제2재생기체의 열이 제1재생기체로 전달될 수 있다. 이때, 제1재생기체와 제2재생기체는 열교환율을 향상시키기 위하여 열교환부(200)에서 상호 대향되는 방향으로 유동할 수 있다.
다른 예로, 열교환기는 도 4에 도시된 바와 같이 제1채널이 제2채널 내에 구비될 수 있다. 그리고 제1재생기체와 제2재생기체는 상호 대향하는 방향으로 유동될 수 있다. 즉 열교환부(200)는 유체를 반대방향으로 유동시키는 대항류형 열교환기를 포함할 수 있다.
한편, 가스 정제 장치는 열교환부(200)를 거친 제1재생기체의 온도를 높이기 위해서 열교환부(200)와 정제부(100) 사이에 설치된 가열부(300)를 포함할 수 있다. 구체적으로 가열부(300)는 제4라인(1140) 중간에 설치될 수 있다. 예컨대 가열부(300)는 전기 에너지를 이용하여 제1재생가스를 가열할 수 있다. 즉, 제1재생기체는 열교환부(200)에서 배출되어 가열부(300)에서 가열된 후 정제부(100)로 인입될 수 있다.
따라서 재생기체의 흐름 순으로 설명하면, 제1재생기체는 제3라인(1130)을 통해 외부에서 가스 정제 장치로 인입되어 열교환부(200)를 향해 유동된다. 그리고 제1재생기체는 열교환기를 거쳐 가열부(300)에서 고온으로 가열된 후 제4라인(1140) 또는 선택적으로 제2라인(1120)을 유동하여 정제부(100)로 인입될 수 있다. 제1재생기체는 정제부(100)를 정제한 후 불순물을 포함하는 제2재생기체가 되어 제5라인(1150) 또는 선택적으로 제1라인(1100)을 유동하여 열교환기로 인입될 수 있다.
제2재생기체는 열교환부(200)에서 제3라인(1130)을 통해 인입된 제1재생기체와 열교환하고 제6라인(1160)을 통해 외부로 배출될 수 있다. 그리고 제1재생기체는 바로 정제부(100)로 인입되거나 가열부(300)에서 가열된 후 정제부(100)로 인입될 수 있다.
한편, 제1재생기체는 환원성 기체와, 대상기체가 정제부(100)를 통해서 정제된 목표기체를 포함할 수 있다. 환원성 기체는 제3라인(1130)을 통해 열교환부(200)로 인입되고, 예컨대 수소를 포함할 수 있다. 제1재생기체에 포함되는 목표기체는 정제부(100)에서 정제되어 배출된 기체로써 예컨대 질소를 포함할 수 있다.
제1재생기체에 포함되는 목표기체를 보다 상세히 설명하면, 제1정제부(110)가 대상기체를 정제하고, 동시에 제2정제부(120)가 재생될 수 있다. 이때, 제1정제부(110)에서 정제되어 제2라인(1120)을 통해 배출되는 목표기체 중 일부는 제2정제부(120)를 재생하는데 사용될 수 있다. 제1정제부(110)에서 재생되는 목표기체 중 일부를 취출하기 위하여 제7라인(1170)은 일단이 제2라인(1120)에 선택적으로 연결되고, 타단이 제3라인(1130)에 선택적으로 연결될 수 있다. 즉 제1정제부(110)에서 정제된 목표기체 중 일부는 제2라인(1120), 제7라인(1170) 및 제3라인(1130) 순으로 유동하여 환원성 기체와 함께 열교환부(200)로 인입될 수 있다. 물론 이에 한정하는 것은 아니며, 정제부(100)에서 정제된 목표기체는 봄베 등에 별도로 저장된 후 환원성 기체와 함께 열교환기로 유입될 수 있다.
한편, 가스 정제 장치는 열교환부(200)를 거친 제2재생기체의 온도를 낮추기 위한 냉각부(400)를 포함할 수 있다. 예컨대 열교환부(200)에서 배출된 제2재생기체는 가스 정제 장치 외부로 배출되는데, 상온보다 높으므로 부피가 커 보관이 용이하지 않으며 환경을 오염시킬 우려가 있다. 따라서 냉각부(400)는 배출되는 제2재생기체를 냉각하여 이러한 문제점을 예방할 수 있다.
예컨대, 냉각부(400)는 제2재생기체가 배출되는 제6라인(1160)에 설치되며, 냉각라인(1180)을 포함할 수 있다. 여기서 냉각부(400)는 냉매로 공기와 같은 기체를 사용할 수 있으며, 물과 같은 유체를 사용할 수도 있다.
도 5는 본 발명의 다른 일 실시예에 따른 가스 정제 장치를 개략적으로 도시하는 블록도이다. 본 실시예에 따른 가스 정제 장치는 대상기체를 정제부(100)로 투입하기 전에 대상기체를 촉매 반응을 통해서 정제하기 위해 대상기체의 피더부(600)와 정제부(100) 사이에 설치된 촉매 반응부(500)를 포함할 수 있다. 그리고 대상기체는 촉매 반응부(500)에서 제1라인(1110)을 거쳐 정제부(100)로 유동될 수 있다. 구체적으로 촉매 반응부(500)는 니켈 및/또는 활성알루미나를 선택적으로 포함하여 대상가스에 포함된 산소, 이산화탄소, 수소 등을 제거할 수 있다.
대상기체는 피더부(600)에서 공급되어 피딩라인(610)을 통해 촉매 반응부(500)으로 유입될 수 있다. 이때, 촉매 반응부(500)를 거친 대상기체는 정제부(100)로 인입되기 전에 추가 냉각부(600)에서 선택적으로 냉각될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 정제부(100)를 재생 후 배출되는 재생가스의 열을 이용하여 정제부(100)로 인입되는 재생기체를 가열하여 에너지를 재사용할 수 있어, 정제기 재생에 필요한 에너지를 절감할 수 있다. 예를 들어, 가열부(300)를 생략하거나 또는 가열부(300)가 부가된 경우에도 한번 열교환을 거치므로 가열부(300)의 용량을 줄일 수 있다. 또한, 배출되는 재생기체의 열을, 정화기를 재생하는 재생기체를 가열하는데 사용하여 배출되는 재생기체의 온도를 상당히 낮출 수 있어 냉각기의 용량을 축소할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 정제부 110: 제1정제부
120: 제2정제부 200: 열교환부
300: 가열부 400: 냉각부
500: 촉매 반응부 600: 피더부
610: 피딩라인 700: 추가 냉각부
1110: 제1라인 1120: 제2라인
1130: 제3라인 1140: 제4라인
1150: 제5라인 1160: 제6라인
1170: 제7라인 1180: 냉각라인
1210: 제1밸브 1220: 제2밸브
1230: 제3밸브 1240: 제4밸브
1250: 제5밸브

Claims (12)

  1. 대상기체의 정제를 위해 이용되고, 재생기체를 이용하여 재생이 필요하며, 서로 병렬적으로 연결된 제1정제부 및 제2정제부; 및
    각 정제부의 재생 시 각 정제부로부터 인입되는 제1재생기체가 각 정제부로부터 배출되는 고온의 제2재생기체로부터 열을 전달받도록 상기 제1정제부 및 상기 제2정제부에 병렬적으로 연결되도록 설치된 열교환부;를 포함하고,
    상기 제1정제부가 상기 대상기체를 정제할 시, 상기 제2정제부는 재생되도록 동작하며,
    상기 제1정제부가 상기 대상 기체를 정제할 시, 상기 대상기체는 상기 제1정제부를 통해서 정제되어 목표기체로 변환되고,
    상기 제2정제부가 재생될 시, 상기 제1정제부로부터 나온 상기 목표기체의 일부가 환원성 기체와 합해져 상기 제1재생기체가 되어 상기 열교환부를 거치면서 상기 제2재생기체로부터 열을 전달받아 상기 제2정제부로 인입되어 상기 제2정제부를 재생하고 상기 제2재생기체가 되어 상기 열교환기로 인입되는,
    기체 정제 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부를 거친 상기 제1재생기체의 온도를 높이기 위해서 상기 열교환부와 상기 정제부 사이에 설치된 가열부를 포함하는, 기체 정제 장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 열교환부를 거친 상기 제2재생기체의 온도를 낮추기 위한 냉각부를 포함하는, 기체 정제 장치.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 환원성 기체는 수소를 포함하고, 상기 목표기체는 질소를 포함하는, 기체 정제 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부는 상기 제1재생기체와 상기 제2재생기체를 상호 분리된 공간에서 유동시키는, 기체 정제 장치.
  7. 삭제
  8. 제6항에 있어서,
    상기 제1재생기체와 상기 제2재생기체는 상기 열교환부에서 상호 대향되는 방향으로 유동하는, 기체 정제 장치.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 대상기체를 상기 제1 정제부로 투입하기 전에 상기 대상기체를 촉매 반응을 통해서 정제하기 위해 상기 대상기체의 피드부와 상기 정제부 사이에 설치된 촉매 반응부를 포함하는, 기체 정제 장치.
  10. 삭제
  11. 삭제
  12. 삭제
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