KR102084294B1 - Method and apparatus for producing high purity nitric oxide for semiconductor using the nitric acid production process - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체용 고순도 일산화질소 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법은 (a) 암모니아를 산화하여 질산을 제조하는 질산 제조공정에서 생성되고, 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스를 공급하는 단계, (b) 비점 차이를 이용하여, 혼합가스를 분리 정제하는 단계, 및 (c) 흡착제를 이용하여, 분리 정제된 혼합가스를 흡착 정제하는 단계를 포함한다.The present invention relates to a high-purity nitrogen monoxide production method and apparatus for manufacturing semiconductor, the high-purity nitrogen monoxide production method according to the present invention (a) is produced in the nitric acid production process for producing nitric acid by oxidizing ammonia, low-purity nitrogen monoxide (B) separating and purifying the mixed gas by using a boiling point difference, and (c) adsorbing and purifying the separated and purified mixed gas by using an adsorbent.

Description

질산 제조공정을 이용한 반도체용 고순도 일산화질소의 제조방법 및 제조장치{Method and apparatus for producing high purity nitric oxide for semiconductor using the nitric acid production process}Method and apparatus for producing high purity nitric oxide for semiconductors using nitric acid production process {Method and apparatus for producing high purity nitric oxide for semiconductor using the nitric acid production process}

본 발명은 반도체용 고순도 일산화질소 제조방법 및 제조장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 상업용 질산 제조공정에서 대량 생성된 반응물질인 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스로부터 연속적으로 고순도 일산화질소를 제조하는 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a method and apparatus for producing high purity nitrogen monoxide for semiconductors, and more particularly, to continuously produce high purity nitrogen monoxide from a mixed gas containing low purity nitrogen monoxide, which is a mass produced in a commercial nitric acid manufacturing process. A method and apparatus are disclosed.

반도체 소자의 고집적화에 따라서 반도체 소자 상에 막을 이루어 절연하는 산화막 등의 절연막의 두께가 점차로 얇아지는 추세인데, 이렇게 얇은 절연막에 불순물이 침투되면 반도체 소자의 전기적인 특성이 저하되는 현상이 발생한다.As the semiconductor device is highly integrated, the thickness of an insulating film such as an oxide film that forms and insulates a film on the semiconductor device is gradually becoming thin. However, when impurities penetrate into the thin insulating film, the electrical characteristics of the semiconductor device are degraded.

이러한 문제점을 극복하기 위하여 근래에는 산화막 등의 절연막에 질소(N) 이온을 침적시켜서 질화막을 형성시키는 방법이 개발되어 사용되고 있다. 이러한 질화막은 소자 구동시 유발되는 핫 캐리어 효과(hot carrier effect) 및 후속 열처리에 의한 보론(boron) 등의 불순물 침투를 방지할 수 있다.In order to overcome this problem, a method of forming a nitride film by depositing nitrogen (N) ions on an insulating film such as an oxide film has been developed and used in recent years. Such a nitride film can prevent impurity intrusion such as a hot carrier effect caused during driving of the device and boron by subsequent heat treatment.

이러한 질화막을 형성시키는 방법으로는 암모니아(NH3), 일산화질소(NO), 아산화질소(N2O) 등의 가스를 이용한 산화방법이 있다.A method of forming such a nitride film includes an oxidation method using gases such as ammonia (NH 3 ), nitrogen monoxide (NO), and nitrous oxide (N 2 O).

이러한 가스 중 공정상 취급이 용이하고, 산화성이 우수한 아산화질소(N2O)가 널리 사용 중이나, 아산화질소는 반도체 제조공정 챔버로 투입되기 전 별도의 챔버에서 램프에 의해 광분해될 때에, 아래의 [화학식 1]과 같이 일산화질소(NO)와 질소(N)가 재결합되고, 에너지 손실량이 증가하기 때문에, 점차 일산화질소를 광분해하여 발생된 질소(N)를 직접 사용하고 있다.Although nitrous oxide (N 2 O), which is easy to handle and excellent in oxidizing properties, is widely used in these gases, nitrous oxide is photodecomposed by a lamp in a separate chamber before being introduced into a semiconductor manufacturing process chamber. Since nitrogen monoxide (NO) and nitrogen (N) are recombined and energy loss increases as shown in Formula 1, nitrogen (N) generated by photolysis of nitrogen monoxide is gradually used.

[화학식 1][Formula 1]

N2O + hv → NO + 1/2N2 → N2O + NO + N2 N 2 O + hv → NO + 1/2 N 2 → N 2 O + NO + N 2

(여기서, h는 플랑크 상수, v는 광자의 진동수)Where h is Planck's constant and v is the frequency of photons

또한, 일산화질소는 산화막 형성을 위한 고온의 반도체 제조공정의 챔버 내에서 [화학식 2]와 같이 많은 양의 산화 반응성을 가진 산소(O2) 반응라디칼들을 생성하여 산화막 형성에 필요한 주반응 물질과 쉽게 반응하며, 산화막 생성 반도체 공정 수율 및 생산성 향상에 크게 기여할 수 있는 물질이다.In addition, nitrogen monoxide generates oxygen (O 2 ) reactive radicals having a large amount of oxidation reactivity as shown in [Formula 2] in a chamber of a high temperature semiconductor manufacturing process for forming an oxide film, and easily reacts with a main reaction material necessary for forming an oxide film. It is a material that can contribute greatly to the yield and productivity of the oxide film forming semiconductor process.

[화학식 2][Formula 2]

4NO → N2O3 + N2O4NO → N 2 O 3 + N 2 O

N2O3 → N2 + 3/2O2 N 2 O 3 → N 2 + 3 / 2O 2

N2O → N2 + 1/2O2 N 2 O → N 2 + 1/2 O 2

일산화질소는 반도체 제조공정 적용에 있어 분해 후 재결합을 막고 불순물에 의한 반도체 웨이퍼의 결함을 예방하기 위해 고순도가 요구된다.Nitrogen monoxide requires high purity in the semiconductor manufacturing process to prevent recombination after decomposition and to prevent defects in the semiconductor wafer due to impurities.

이러한, 반도체용 고순도 일산화질소를 제조하는 방법은 하기 선행기술문헌의 특허문헌에 개시되어 있다. 이에 의하면, 반응기에 아질산나트륨(NaNO2)과 황산(H2SO4)을 첨가하여 교반기로 교반시켜 혼합함으로써 일산화질소를 생성하는데, 이때 반응은 아래의 [화학식 3]과 같다.Such a method for producing high purity nitrogen monoxide for semiconductors is disclosed in the following patent document. According to this, sodium nitrite (NaNO 2 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ) is added to the reactor and stirred and mixed with a stirrer to generate nitrogen monoxide, wherein the reaction is as shown in [Formula 3] below.

[화학식 3][Formula 3]

3NaNO2 + H2SO4 → Na2SO4 + NaNO3 + 2NO + H2O3NaNO 2 + H 2 SO 4 → Na 2 SO 4 + NaNO 3 + 2NO + H 2 O

그러나 이러한 종래의 일산화질소 제조방법은 소량의 제조방식으로서 적용하기에는 과잉 투자 공법이며 대량 제조시 많은 비용 투자와 생산 비용이 소요되어 공급 가격이 고가이다. 반도체 제조사들은 이런 종래의 제조방법을 이용한 고가의 고순도 일산화질소로 인해, 반도체 산화막 공정의 확대 생산 적용에 있어 제한적인 문제를 가지고 있다.However, such a conventional method for producing nitrogen monoxide is an overinvestment method to be applied as a small amount of production method, and a large cost investment and production cost are required for mass production, and thus the supply price is high. Semiconductor manufacturers have a limited problem in expanding production applications of the semiconductor oxide film process due to the expensive high-purity nitrogen monoxide using this conventional manufacturing method.

이에 종래 일산화질소 제조방법의 문제점을 해결하기 위한 방안이 절실히 요구되고 있는 상황이다.Therefore, there is an urgent need for a method for solving the problems of the conventional method for producing nitrogen monoxide.

KRKR 10-125779410-1257794 B1B1

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 본 발명의 일 측면은 질산 제조공정에서 질산 제조 목적의 반응물로서 생성되는 대용량의 공업용 저순도 일산화질소를 이용하여 고순도 일산화질소를 연속적으로 제조하는 방법 및 이를 적용하기 위한 장치를 제공하는 데 있다.The present invention is to solve the above problems of the prior art, an aspect of the present invention is to continuously produce high-purity nitrogen monoxide using a large amount of industrial low-purity nitrogen monoxide produced as a reactant for nitric acid production in the nitric acid production process. To provide a method and an apparatus for applying the same.

또한, 본 발명의 다른 측면은 질산 제조공정에서 생성된 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스를 비점 차이를 이용해 분리 정제하고, 다시 흡착제를 이용해 흡착공정을 수행함으로써, 2단계에 걸친 연속적 정제공정을 통해, 반도체 제조에 적용 가능한 순도 99.999 % 이상의 고순도 일산화질소를 제조하는 방법 및 장치를 제공하고자 한다.In addition, another aspect of the present invention is to separate and purify the mixed gas containing low-purity nitrogen monoxide produced in the nitric acid production process using a boiling point difference, and to perform the adsorption process again using an adsorbent, thereby performing a continuous purification process of two steps Through this, to provide a method and apparatus for producing high purity nitrogen monoxide of 99.999% or more applicable to semiconductor manufacturing.

본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법은 (a) 암모니아를 산화하여 질산을 제조하는 질산 제조공정에서 생성되고, 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스를 공급하는 단계; (b) 비점 차이를 이용하여, 상기 혼합가스를 분리 정제하는 단계; 및 (c) 흡착제를 이용하여, 분리 정제된 상기 혼합가스를 흡착 정제하는 단계; 를 포함한다.The high purity nitrogen monoxide production method according to the present invention comprises the steps of: (a) oxidizing ammonia to produce nitric acid to produce nitric acid, and supplying a mixed gas containing low purity nitrogen monoxide; (b) separating and purifying the mixed gas by using a boiling point difference; And (c) adsorbing and purifying the mixed gas separated and purified using an adsorbent. It includes.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법에 있어서, 상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에, 상기 혼합가스를 냉각하고, 기액 분리하여, 냉각응축 정제하는 단계;를 더 포함한다.In addition, in the high-purity nitrogen monoxide production method according to the present invention, between the step (a) and the step (b), the step of cooling the mixed gas, gas-liquid separation, cooling and condensation purification; further includes.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계는, 제1 증류탑을 이용하여, 상기 혼합가스로부터, 상기 일산화질소보다 비점이 상대적으로 높은 고비점 불순물을 제거하는 단계; 및 제2 증류탑을 이용하여, 상기 고비점 불순물이 제거된 상기 혼합가스로부터, 상기 일산화질소보다 비점이 상대적으로 낮은 저비점 불순물을 제거하는 단계;를 포함한다.In addition, in the method for producing high purity nitrogen monoxide according to the present invention, the step (b) may include: removing a high boiling point impurity having a higher boiling point than the nitrogen monoxide from the mixed gas using a first distillation column; And removing a low boiling point impurity having a lower boiling point than the nitrogen monoxide from the mixed gas from which the high boiling point impurity is removed using a second distillation column.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법에 있어서, 상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에, 상기 저비점 불순물이 제거된 상기 혼합가스를 압축하고, 냉각하여, 냉각응축 정제하는 단계;를 더 포함한다.In addition, in the high-purity nitrogen monoxide production method according to the present invention, between the step (b) and the step (c), the step of compressing, cooling, and condensation purification of the mixed gas from which the low boiling point impurities are removed; It further includes.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법에 있어서, 상기 (c) 단계는, 상기 흡착제가 내부에 각각 배치된 한 쌍의 흡착탑을 이용하되, 교대로, 어느 하나의 제1 흡착탑에서 불순물을 흡착 정제하고, 다른 하나의 제2 흡착탑에서 상기 흡착제를 가열하여 재생한다.In addition, in the high-purity nitrogen monoxide production method according to the present invention, the step (c), but using the pair of adsorption tower, each adsorbent is disposed therein, alternately, adsorb the impurities in any one of the first adsorption tower Purification and regeneration by heating the adsorbent in another second adsorption tower.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법에 있어서, 상기 (c) 단계 이후에, 흡착 정제된 상기 혼합가스를 냉각 저장하는 단계;를 더 포함한다.In addition, in the high-purity nitrogen monoxide production method according to the present invention, after the step (c), the step of cooling and storing the adsorbed and purified mixed gas; further includes.

한편, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치는 암모니아를 산화하여 질산을 제조하는 질산 제조공정에서 생성되고, 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스를 공급하는 공급부; 리보일러, 칼럼, 및 냉각기를 포함하는 적어도 하나 이상의 증류탑을 포함하고, 비점 차이를 이용해 상기 혼합가스를 정제하는 증류부; 및 내부에 흡착제가 배치된 적어도 하나 이상의 흡착탑을 포함하고, 상기 증류부에서 정제된 상기 혼합가스를 흡착 정제하는 흡착부;를 포함한다.On the other hand, the high purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention is produced in the nitric acid production process for producing nitric acid by oxidizing ammonia, supply unit for supplying a mixed gas containing low purity nitrogen monoxide; A distillation unit including at least one distillation column including a reboiler, a column, and a cooler, and purifying the mixed gas using a boiling point difference; And at least one adsorption tower having an adsorbent disposed therein, the adsorption unit configured to adsorb and purify the mixed gas purified by the distillation unit.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치에 있어서, 상기 증류부는, 상기 증류탑이 한 쌍으로 분리 배치되고, 그 중 어느 하나인 제1 증류탑이 상기 공급부로부터 상기 혼합가스를 공급받아 상기 일산화질소보다 비점이 상대적으로 높은 고비점 불순물을 제거하고, 다른 하나인 제2 증류탑이 상기 제1 증류탑에서 정제된 상기 혼합가스를 공급받아 상기 일산화질소보다 비점이 상대적으로 낮은 저비점 불순물을 제거한다.In addition, in the high-purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention, the distillation unit, the distillation column is disposed in a pair, the first distillation column of any of which is supplied with the mixed gas from the supply unit than the nitrogen monoxide The high boiling point impurities having a relatively high boiling point are removed, and the second distillation column, which is another one, is supplied with the mixed gas purified from the first distillation column to remove the low boiling point impurities having a lower boiling point than the nitrogen monoxide.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치에 있어서, 상기 흡착부는, 한 쌍의 상기 흡착탑이 분리 배치되고, 각각의 상기 흡착탑을 가열하는 가열부;를 더 포함하여, 교대로, 한 쌍의 상기 흡착탑 중 어느 하나인 제1 흡착탑이 상기 혼합가스를 흡착 정제하고, 다른 하나인 제2 흡착탑이 상기 흡착제를 재생한다.In addition, in the high-purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention, the adsorption unit, a pair of the adsorption tower is disposed separately, further comprising a heating unit for heating each of the adsorption tower; alternately, a pair of the The first adsorption tower, which is one of the adsorption towers, adsorbs and purifies the mixed gas, and the other, the second adsorption tower, regenerates the adsorbent.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치에 있어서, 상기 공급부로부터 공급되는 상기 혼합가스를 냉각하여, 불순물을 응축하는 제1 냉각 칠러(chiller); 및 응축된 액상의 상기 불순물과 기상의 상기 혼합가스를 분리하여, 기상의 상기 혼합가스를 상기 제1 증류탑으로 공급하는 기액분리기;를 더 포함한다.In addition, a high-purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention, the first cooling chiller (chiller) for cooling the mixed gas supplied from the supply unit, condensing impurities; And a gas-liquid separator that separates the condensed liquid impurity and the gaseous mixed gas and supplies the gaseous mixed gas to the first distillation column.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치에 있어서, 상기 증류부로부터 상기 혼합가스를 공급받아 압축하는 압축기; 및 상기 압축기로부터 압축된 상기 혼합가스를 공급받아 냉각하여, 불순물을 응축 제거하고, 상기 혼합가스를 상기 흡착부로 공급하는 제2 냉각 칠러(chiller);를 더 포함한다.In addition, high purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention, a compressor for receiving and compressing the mixed gas from the distillation unit; And a second cooling chiller (chiller) receiving and cooling the mixed gas compressed from the compressor to condense and remove impurities and supplying the mixed gas to the adsorption unit.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치에 있어서, 상기 흡착부로부터 상기 혼합가스를 공급받아, 소정의 온도로 냉각 저장하는 냉각탱크;를 더 포함한다.In addition, the high-purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention, receiving the mixed gas from the adsorption unit, the cooling tank for cooling and storing at a predetermined temperature; further includes.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치에 있어서, 상기 냉각탱크는, 상기 혼합가스를 저장할 수 있도록, 내부에 수용공간을 구비하는 탱크부; 상기 수용공간으로 상기 혼합가스를 주입하는 주입관; 내부에 제1 냉매가 흐르는 중공을 구비하고, 상기 탱크부의 외면을 감싸도록 형성된 냉각 자켓; 및 나선형 관 형태로 형성되어 내부에 제2 냉매가 흐르고, 상기 수용공간에 배치되는 냉각관;을 포함한다.In addition, the high-purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention, the cooling tank, the tank unit having a receiving space therein to store the mixed gas; An injection tube for injecting the mixed gas into the accommodation space; A cooling jacket having a hollow in which the first refrigerant flows and surrounding the outer surface of the tank part; And a cooling tube formed in a spiral tube shape and having a second refrigerant flowing therein and disposed in the accommodation space.

본 발명의 특징 및 이점들은 첨부도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다.The features and advantages of the present invention will become more apparent from the following detailed description based on the accompanying drawings.

이에 앞서 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이고 사전적인 의미로 해석되어서는 아니 되며, 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.Prior to this, the terms or words used in the present specification and claims should not be interpreted in the ordinary and dictionary sense, and the inventors may appropriately define the concept of terms in order to best explain their own invention. It should be interpreted as meanings and concepts corresponding to the technical idea of the present invention based on the principle that the present invention.

본 발명에 따르면, 공업용 질산의 상업적 제조공정에서 생성된 대량의 저순도 일산화질소를 정제하여 반도체용 고순도 일산화질소를 연속적으로 대량 제조할 수 있는바, 종래기술에서 요구되는 반응공정 설비 투자 비용을 절감할 수 있다.According to the present invention, by purifying a large amount of low-purity nitrogen monoxide produced in the commercial manufacturing process of industrial nitric acid can continuously produce a large amount of high-purity nitrogen monoxide for semiconductor, reducing the investment cost of the reaction process equipment required in the prior art can do.

또한, 질산 제조공정 중 암모니아 산화반응 후 생성된 혼합가스를 분리 정제하여 99.98 % 이상의 순도를 갖는 일산화질소를 제조하고, 다시 흡착공정을 통해, 99.999 % 이상의 고순도 일산화질소를 제조하므로, 정제공정이 단순하여 생산 비용을 줄일 수 있다.In addition, by separating and purifying the mixed gas generated after the ammonia oxidation reaction in the nitric acid production process to produce nitrogen monoxide having a purity of 99.98% or more, and through the adsorption process to produce a high purity nitrogen monoxide of 99.999% or more, the purification process is simple This can reduce the production cost.

나아가 본 발명에 따른 고순도 일산화질소의 제조비용 절감은 반도체 산화막 제조공정에서의 생산효율 증대 및 적용 확대로 이어질 수 있다.Furthermore, the reduction of the manufacturing cost of high purity nitrogen monoxide according to the present invention may lead to an increase in production efficiency and application in the semiconductor oxide film manufacturing process.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고순도 일산화질소 제조방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고순도 일산화질소 제조방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.
도 5는 도 4에 도시된 냉각탱크의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다.
1 and 2 is a flow chart of a high purity nitrogen monoxide production method according to an embodiment of the present invention.
Figure 3 is a flow chart of a high purity nitric oxide production method according to another embodiment of the present invention.
Figure 4 is a schematic view showing a high purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention.
5 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the cooling tank shown in FIG.

본 발명의 목적, 특정한 장점들 및 신규한 특징들은 첨부된 도면들과 연관되어지는 이하의 상세한 설명과 바람직한 실시예들로부터 더욱 명백해질 것이다. 본 명세서에서 각 도면의 구성요소들에 참조번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 관련된 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략한다.The objects, specific advantages and novel features of the present invention will become more apparent from the following detailed description and preferred embodiments associated with the accompanying drawings. In the present specification, in adding reference numerals to the components of each drawing, it should be noted that the same components as possible, even if displayed on different drawings have the same number as possible. In the following description, detailed descriptions of related well-known techniques that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시형태를 상세히 설명하기로 한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 고순도 일산화질소 제조방법의 순서도이다.1 and 2 is a flow chart of a high purity nitrogen monoxide production method according to an embodiment of the present invention.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법은 (a) 암모니아를 산화하여 질산을 제조하는 질산 제조공정에서 생성되고, 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스를 공급하는 단계(S100), (b) 비점 차이를 이용하여, 혼합가스를 분리 정제하는 단계(S200), 및 (c) 흡착제를 이용하여, 분리 정제된 혼합가스를 흡착 정제하는 단계(S300)를 포함한다.As shown in Figure 1, the high-purity nitrogen monoxide production method according to the present invention (a) is produced in the nitric acid production process for producing nitric acid by oxidizing ammonia, supplying a mixed gas containing low-purity nitrogen monoxide ( S100), (b) separating and purifying the mixed gas using the boiling point difference (S200), and (c) using the adsorbent, and adsorbing and purifying the separated and purified mixed gas (S300).

본 발명은 고순도의 일산화질소를 제조하는 방법에 관한 것이다. 반도체 제조공정에서 반도체 소자 상에 산화막을 형성하기 위해서, 일산화질소가 사용되는데, 분해 후 재결합 및 불순물에 의한 반도체 웨이퍼 결함을 예방하기 위해서 고순도가 요구된다. 종래에는 아질산나트륨(NaNO2)과 황산(H2SO4)을 교반하여 반도체용 고순도 일산화질소를 제조하였으나, 이는 소량의 제조방식으로서 대량 제조시에 많은 비용 투자와 생산 비용이 소요되고, 이로 인해 반도체 산화막 공정의 확대 생산 적용에 문제를 유발하는바, 이에 대한 해결방안으로서 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법이 안출되었다.The present invention relates to a method for producing high purity nitrogen monoxide. Nitrogen monoxide is used to form an oxide film on a semiconductor device in a semiconductor manufacturing process, and high purity is required to prevent recombination after decomposition and semiconductor wafer defects due to impurities. Conventionally, high purity nitric oxide for semiconductors was prepared by stirring sodium nitrite (NaNO 2 ) and sulfuric acid (H 2 SO 4 ), but this is a small amount of production method, which requires a lot of investment and production cost in mass production. There is a problem in the application of the expanded production of the semiconductor oxide film process, as a solution to the high purity nitrogen monoxide production method according to the present invention was devised.

구체적으로, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법은 혼합가스 공급단계(S100), 분리 정제단계(S200), 및 흡착 정제단계(S300)를 포함한다.Specifically, the high purity nitrogen monoxide production method according to the present invention includes a mixed gas supply step (S100), a separation purification step (S200), and an adsorption purification step (S300).

먼저, 혼합가스 공급단계(S100)에서는 상업용 질산 제조공정에서 발생된 일산화질소를 분리하여, 후술할 분리 정제단계(S200)로 공급한다. First, in the mixed gas supply step (S100) to separate the nitrogen monoxide generated in the commercial nitric acid manufacturing process, it is supplied to the separation and purification step (S200) to be described later.

일반적으로 공업용 질산의 상업적 제조공정은 오스트왈드 공정(Ostwald process)에 기초하는데, 다음과 같은 3개의 주요 공정 단계로 나눌 수 있다.In general, the commercial manufacturing process of industrial nitric acid is based on the Ostwald process, which can be divided into three main process steps:

Ⅰ: 암모니아 산화 단계Ⅰ: Ammonia Oxidation Step

4NH3(g) + 5O2(g) → 4NO(g) + 6H2O(g) 4NH 3 (g) + 5O 2 (g) → 4NO (g) + 6H 2 O (g)

Ⅱ: 산화질소 산화 및 이산화질소 이합체화 단계II: Nitric Oxide Oxidation and Nitrogen Dioxide Dimerization Step

2NO(g) + O2(g) → 2NO2(g) 2NO (g) + O 2 (g) → 2NO 2 (g)

2NO2(g) → N2O4(g) 2NO 2 (g) → N 2 O 4 (g)

Ⅲ: 사산화이질소 흡수 단계III: Dinitrogen tetraoxide absorption step

3N2O4(g) + 2H2O(l) → 4HNO3(aq) + 2NO(g) 3N 2 O 4 (g) + 2H 2 O (l) → 4HNO 3 (aq) + 2NO (g)

이에 의하면, 귀금속 촉매하에서 암모니아의 고온 산화에 의해 일산화질소를 생성하는데, 여기서 생성된 일산화질소는 산화과정을 거쳐 사산화이질소와 같은 이산화질소 이합체로 전환되며, 사산화이질소는 물과 반응하여 질산을 생성한다. 이때, 생성된 질산은 농도가 50 ~ 69 중량%로, 필요에 따라 농축공정을 추가로 거쳐 90 ~ 98 중량%의 농질산으로 제조된다.According to this, nitrogen monoxide is produced by high temperature oxidation of ammonia under a noble metal catalyst, where the nitrogen monoxide is converted into nitrogen dioxide dimers such as dinitrogen tetraoxide through an oxidation process, and dinitrogen tetraoxide reacts with water to produce nitric acid. do. At this time, the produced nitric acid has a concentration of 50 to 69% by weight, it is produced as a concentrated nitric acid of 90 to 98% by weight through an additional concentration process if necessary.

본 발명에서는 상기 산업용 질산 제조공정에서 암모니아 고온산화에 의해 발생된 일산화질소의 흐름 일부를 이용하고, 후술할 분리 정제단계(S200), 흡착 정제단계(S300) 등을 거쳐 고순도의 일산화질소를 제조하는바, 혼합가스 공급단계(S100)는 질산 제조공정과 연계되어 실행될 수 있다. 한편, 혼합가스 공급단계(S100)에서 일산화질소는 저순도로 다른 불순물과 혼합된 혼합가스 형태로 공급된다. 즉, 질산 제조공정 중의 암모니아 산화공정 이후, 또는 질산 제조 후 부반응으로 생성되는 혼합가스에는 불순물과 함께 일산화질소가 섞여있는데, 그 혼합가스를 공급하는 것이다. 이러한 혼합가스에는 공기 이외에, 일산화질소, 아산화질소, 이산화질소, 수분, 미반응 암모니아 등이 포함되어 있다. 그 중에는 수분과 아산화질소가 다량 함유되어 있어, 여기에서의 저순도 일산화질소를 직접 반도체용으로 사용하기에는 부적합하다.In the present invention, using a part of the flow of nitrogen monoxide generated by ammonia high temperature oxidation in the industrial nitric acid manufacturing process, to produce a high-purity nitrogen monoxide through a separation purification step (S200), adsorption purification step (S300) and the like to be described later. Bar, the mixed gas supply step (S100) may be performed in connection with the nitric acid production process. On the other hand, in the mixed gas supply step (S100), nitrogen monoxide is supplied in the form of a mixed gas mixed with other impurities with low purity. That is, nitrogen monoxide is mixed with impurities in the mixed gas generated after the ammonia oxidation process in the nitric acid production process or after the nitric acid production, and the mixed gas is supplied. Such mixed gas contains, in addition to air, nitrogen monoxide, nitrous oxide, nitrogen dioxide, moisture, unreacted ammonia, and the like. Among them, a large amount of water and nitrous oxide are contained, which is not suitable for use of low-purity nitrogen monoxide directly for semiconductors.

한편, 질산 제조공정으로부터 혼합가스를 전달받아, 이를 공급하기 위해서는, 질산 제조공정에서 생성된 혼합가스 일부를 분리 저장하였다가 사용하거나, 또는 질산 제조공정에서 혼합가스가 흐르는 배관 설비에 별도의 공급관, 및 밸브 등을 설치하여 질산 제조공정상의 혼합가스 흐름 중 일부를 분리하여 직접 사용할 수 있다.On the other hand, in order to receive the mixed gas from the nitric acid manufacturing process, and to supply it, a portion of the mixed gas generated in the nitric acid manufacturing process is stored and used separately, or a separate supply pipe to a piping facility through which the mixed gas flows in the nitric acid manufacturing process, And a valve or the like may be used to directly separate a portion of the mixed gas flow in the nitric acid manufacturing process.

전술한 바와 같이, 본 발명은 별도의 공정을 통해 저순도의 일산화질소를 제조하는 것이 아니라, 산업용 질산 제조공정에서 질산 제조 목적으로 대량 생산되는 저순도의 일산화질소를 이용하는바, 질산 제조공정과 연동하여 연속적이고 대량으로 고순도 일산화질소를 제조할 수 있다.As described above, the present invention uses a low-purity nitrogen monoxide produced in large quantities for the purpose of nitric acid production in the industrial nitric acid manufacturing process, rather than producing a low-purity nitrogen monoxide through a separate process, interworking with the nitric acid manufacturing process It is possible to produce high purity nitrogen monoxide continuously and in large quantities.

질산 제조공정에서 혼합가스가 분리되어 공급되면, 분리 정제단계(S200)를 수행한다. 혼합가스를 구성하는 성분들은 서로 다른 비점을 가지므로, 분리 정제단계(S200)에서는 각 성분들의 비점 차이를 이용해 일산화질소 이외의 불순물들을 제거할 수 있다. 이때, 제거되는 주요 불순물은 수분, 아산화질소, 이산화질소, 미반응 암모니아, 질소, 산소 등이다. 이러한 분리 정제는 적어도 하나 이상의 증류탑을 이용해 실행할 수 있다. 증류탑은 리보일러, 칼럼, 및 냉각기를 포함하는데, 그 구조 및 기능은 본 발명의 속하는 기술분야의 통상 지식에 해당하는바 이에 관한 설명은 생략한다. When the mixed gas is separated and supplied in the nitric acid manufacturing process, a separation and purification step (S200) is performed. Since the components constituting the mixed gas have different boiling points, in the separation and purification step S200, impurities other than nitrogen monoxide may be removed using difference in boiling points of the respective components. At this time, the main impurities removed are water, nitrous oxide, nitrogen dioxide, unreacted ammonia, nitrogen, oxygen and the like. Such separation purification can be carried out using at least one distillation column. The distillation column includes a reboiler, a column, and a cooler, and its structure and function correspond to general knowledge in the art to which the present invention pertains, and description thereof will be omitted.

한편, 일례로, 분리 정제단계(S200)는 한 쌍의 증류탑을 이용해 2단계의 분리 정제공정을 수행할 수 있다. 상세하게는, 한 쌍의 증류탑 중 어느 하나의 제1 증류탑에서 고비점 불순물을 제거하고, 연속적으로 다른 하나의 제2 증류탑에서 저비점 불순물을 제거한다. 일산화질소의 비점은 약 -151.8 ℃이다. 상대적으로, 비점이 대략 -88.8 ℃인 아산화질소를 비롯하여 이산화질소, 미반응 암모니아, 수분 등은 일산화질소보다 비점이 높다. 이렇게 일산화질소에 비해 비점이 높은 성분들을 고비점 불순물이라고 한다. 반면, 혼합가스의 구성성분 중 질소(비점: 약 -198.5 ℃), 산소(비점: 약 -183 ℃) 등과 같이 일산화질소에 비해 비점이 상대적으로 낮은 성분들은 저비점 불순물이라고 한다.On the other hand, in one example, the separation and purification step (S200) may be carried out a two-step separation and purification process using a pair of distillation column. Specifically, the high boiling point impurities are removed in one of the pairs of distillation columns, and the low boiling point impurities are continuously removed in the other second distillation column. The boiling point of nitrogen monoxide is about -151.8 占 폚. Relatively, nitrogen dioxide, unreacted ammonia, water, and the like, including nitrous oxide having a boiling point of approximately -88.8 占 폚, have a higher boiling point than nitrogen monoxide. Components having a higher boiling point than nitrogen monoxide are called high boiling impurities. On the other hand, components having a lower boiling point than nitrogen monoxide, such as nitrogen (boiling point: about -198.5 ℃), oxygen (boiling point: about -183 ℃), etc. of the components of the mixed gas are low-boiling impurities.

제1 증류탑에서의 분리 정제는 고비점 불순물을 제거하기 위한 목적으로 진행되는바, 액체 질소를 이용하여 상부 냉각기 온도를 -85 ~ -95 ℃로 유지하고, 하부의 리보일러 온도를 -60 ~ -50 ℃로 유지하며, 운전 압력은 3 ~ 5 기압으로 유지한다. 이러한 운전 조건하에서, 저온증류법에 따라, 제1 증류탑 하부에는 고비점 불순물이 응축되어 액상으로 배관을 통해 배출 제거되고, 제1 증류탑 상부에는 일산화질소를 함유한 혼합가스가 배출된다. 여기서, 배출된 혼합가스는 제2 증류탑으로 유입된다.Separation and purification in the first distillation column proceeds for the purpose of removing high-boiling impurities, using liquid nitrogen to maintain the upper cooler temperature at -85 ~ -95 ℃, the lower reboiler temperature -60 ~- Maintain at 50 ℃, the operating pressure is maintained at 3 to 5 atm. Under these operating conditions, according to the low temperature distillation method, a high boiling point impurity is condensed under the first distillation column to be discharged and removed through a pipe in the liquid phase, and a mixed gas containing nitrogen monoxide is discharged above the first distillation column. Here, the discharged mixed gas is introduced into the second distillation column.

제2 증류탑에서는 상부 냉각기 온도를 액체 질소를 이용해 -150 ~ -140 ℃로, 하부 리보일러 온도를 -90 ~ -80 ℃로 각각 유지하여, 제2 증류탑 상부와 연결된 배관을 통해 기상의 저비점 불순물을 배출 제거하고, 제2 증류탑 하부를 통해서는 일산화질소가 함유된 혼합가스를 수집한다.In the second distillation column, the upper cooler temperature is maintained at -150 to -140 ° C by using liquid nitrogen, and the lower reboiler temperature is maintained at -90 to -80 ° C, respectively. The exhaust gas is removed, and a mixed gas containing nitrogen monoxide is collected through the lower portion of the second distillation column.

여기서, 증류탑의 운전 조건이 반드시 전술한 바에 한정되는 것은 아니므로, 그 운전 조건에 의해 본 발명의 권리범위가 제한되는 것은 아니다.Here, since the operating conditions of the distillation column are not necessarily limited to the above, the scope of the present invention is not limited by the operating conditions.

상기 2단계의 분리 정제공정이 진행되는 동안, 혼합가스 내의 일산화질소의 순도가 점차 올라가지만, 반도체 제조용으로 사용하기 위해 요구되는 99.995 % 이상의 고순도 일산화질소를 확보할 수는 없다. 이에 제2 증류탑 하부를 통해 수집된 혼합가스에 대해 흡착 정제단계(S300)를 수행한다.While the two-stage separation and purification process proceeds, the purity of nitrogen monoxide in the mixed gas is gradually increased, but it is not possible to secure high purity nitrogen monoxide over 99.995% required for use in semiconductor manufacturing. Thus, the adsorption purification step (S300) is performed on the mixed gas collected through the lower part of the second distillation column.

흡착 정제단계(S300)는 흡착제를 이용하여 분리 정제된 혼합가스를 정제하는 공정이다. 이때, 사용되는 흡착제는 흡착 정제되는 불순물에 따라 정해지는데, 예를 들어 모레큐레시브(Molecular Sieve), 활성탄, 실리카겔, 활성알루미나겔, 및 저온재생겔로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 형성될 수 있다. 바람직하게는, 일산화질소를 흡수하지는 않으면서 불순물을 흡착할 수 있는 세공을 구비한 모레큐레시브가 적합하다. 이러한 흡착제는 흡착탑에 배치되고, 적어도 하나 이상의 흡착탑을 사용해 흡착 정제공정을 수행할 수 있다. Adsorption purification step (S300) is a process for purifying the separated and purified mixed gas using an adsorbent. At this time, the adsorbent to be used is determined according to the impurities to be adsorbed and purified, for example formed of at least one selected from the group consisting of Molecular Sieve, activated carbon, silica gel, activated alumina gel, and low temperature regenerated gel. Can be. Preferably, a liquid curive having pores capable of adsorbing impurities without absorbing nitrogen monoxide is suitable. Such an adsorbent may be disposed in an adsorption tower, and the adsorption purification process may be performed using at least one adsorption tower.

한편, 본 발명에서는 흡착 정제공정과 재생공정을 동시에 수행할 수도 있다. 여기서, 재생공정은 불순물과 반응한 흡착제를 재생하는 것으로, 흡착제를 소정의 온도로 가열하는 방식으로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 흡착제가 각각 배치된 한 쌍의 흡착탑을 이용하되, 그 중 어느 하나인 제1 흡착탑에서 불순물을 흡착 정제하는 동안, 다른 하나인 제2 흡착탑에서는 흡착제를 재생한다. 여기서, 흡착 정제공정과 재생공정은 제1 흡착탑과 제2 흡착탑 사이에서 교대로 진행된다. 한편, 흡착제를 가열하기 위해서는, 흡착탑에 전기히터 등과 같은 가열부를 설치하는데, 흡착 정제공정이 이루어지는 흡착탑의 온도는 상온으로 유지될 수 있다.In the present invention, the adsorption purification process and the regeneration process may be performed simultaneously. Here, the regeneration process is to regenerate the adsorbent reacted with the impurities, it may be made by heating the adsorbent to a predetermined temperature. Specifically, a pair of adsorption towers each having an adsorbent are used, while one of the first adsorption towers is used to adsorb and purify impurities, and the other is a second adsorption tower. Here, the adsorption purification process and the regeneration process alternately proceed between the first adsorption tower and the second adsorption tower. Meanwhile, in order to heat the adsorbent, a heating unit such as an electric heater is installed in the adsorption tower, and the temperature of the adsorption tower in which the adsorption purification process is performed may be maintained at room temperature.

이러한 정제공정을 통해 99.999 % 이상의 고순도 반도체용 일산화질소를 제조할 수 있다.Through such a purification process, it is possible to manufacture nitrogen monoxide for high purity semiconductors of 99.999% or more.

종합적으로, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법에 의하면, 공업용 질산의 상업적 제조공정에서 생성된 대량의 저순도 일산화질소를 정제하여 반도체용 고순도 일산화질소를 연속적으로 대량 제조하고, 이때 질산 제조공정 중 암모니아 산화반응 후 생성된 혼합가스를 분리 정제한 후, 다시 흡착공정을 통해, 99.999% 이상의 고순도 일산화질소를 간단하게 제조하므로, 종래기술에서 요구되는 반응공정 설비 투자 비용 및 생산 비용을 절감할 수 있다. 이를 통해 반도체 산화막 제조공정에서의 생산효율 증대 및 적용 확대를 기대할 수 있다.Overall, according to the high-purity nitrogen monoxide production method according to the present invention, by purifying a large amount of low-purity nitrogen monoxide produced in the commercial production process of industrial nitric acid to continuously manufacture a large amount of high-purity nitrogen monoxide for semiconductor, during the nitric acid manufacturing process After separating and purifying the mixed gas generated after the ammonia oxidation reaction, it is possible to simply manufacture the high purity nitrogen monoxide more than 99.999% through the adsorption process, thereby reducing the investment cost and production cost of the reaction process equipment required in the prior art. . Through this, it is expected to increase production efficiency and increase application in the semiconductor oxide film manufacturing process.

도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고순도 일산화질소 제조방법의 순서도이다.Figure 3 is a flow chart of a high purity nitric oxide production method according to another embodiment of the present invention.

도 3을 참고로, 본 발명은 혼합가스 공급단계(S100)와 분리 정제단계(S200) 사이에 냉각응축 정제단계(S150)를 더 포함할 수 있다.Referring to Figure 3, the present invention may further include a cooling condensation purification step (S150) between the mixed gas supply step (S100) and the separation and purification step (S200).

냉각응축 정제단계(S150)는 질산 제조공정으로부터 전달받아 공급되는 고온의 혼합가스에 대해, 분리 정제단계(S200) 이전에 수행되는 공정이다. 냉각응축 정제단계(S150)에는 먼저 고온의 혼합가스를 냉각하여 혼합가스 내의 불순물 중 일부를 응축한다. 여기서, 혼합가스의 냉각은 열교환기용 냉각 칠러(chiller) 등을 이용할 수 있고, 이때 냉각 칠러의 온도는 -20 ~ -10 ℃로 유지될 수 있다. 다만, 냉각 칠러의 온도가 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 과정에서 응축되는 불순물은 주로 수분과 일산화질소 등의 일부이다. Cooling condensation purification step (S150) is a process performed before the separation purification step (S200) for the hot mixed gas supplied from the nitric acid production process. In the cooling condensation purification step (S150), first, the mixed gas of high temperature is cooled to condense some of impurities in the mixed gas. Here, the cooling of the mixed gas may use a cooling chiller (chiller) for a heat exchanger, and at this time, the temperature of the cooling chiller may be maintained at -20 ~ -10 ℃. However, the temperature of the cooling chiller is not necessarily limited thereto. Impurities that condense in this process are mainly water and nitrogen monoxide.

이렇게 불순물 중 일부가 액상으로 응축되면, 기액 분리를 통해 액상 불순물을 제거하고, 나머지 혼합가스를 분리 정제단계(S200)로 투입한다. 여기서, 기액 분리는 일반적으로 사용되는 기액분리기를 이용할 수 있다.When some of the impurities are condensed into the liquid phase, the liquid impurities are removed by gas-liquid separation, and the remaining mixed gas is introduced into the separation and purification step (S200). Here, gas-liquid separation can use the gas-liquid separator generally used.

한편, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법은 분리 정제단계(S200)와 흡착 정제단계(S300) 사이에 냉각응축 정제단계(S250)를 더 포함할 수 있다.On the other hand, the high purity nitrogen monoxide production method according to the present invention may further comprise a cooling condensation purification step (S250) between the separation purification step (S200) and the adsorption purification step (S300).

여기서의 냉각응축 정제단계(S250)에서는 저비점 불순물이 제거된 혼합가스를 압축하고, 이를 냉각시켜 혼합가스 내의 잔류 불순물들을 응축하여 추가 제거한다. 여기서, 혼합가스의 압축은 압축기 등을 사용하고, 냉각은 냉각 칠러 등을 사용하며, 이때 냉각 칠러의 온도는 -20 ~ 10 ℃, 바람직하게는 -15 ~ 0 ℃ 범위를 유지한다.In the cooling condensation purification step (S250), the mixed gas from which the low boiling point impurities have been removed is compressed and cooled to further remove condensed residual impurities in the mixed gas. Here, the compression of the mixed gas using a compressor or the like, the cooling using a cooling chiller, etc., wherein the temperature of the cooling chiller is maintained in the range of -20 ~ 10 ℃, preferably -15 ~ 0 ℃.

또한, 본 발명은 흡착 정제단계(S300) 이후에, 냉각 저장단계(S400)를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a cold storage step (S400) after the adsorption purification step (S300).

냉각 저장단계(S400)에서는 흡착 정제공정을 거친 혼합가스를 소정의 온도로 냉각하여 저장한다. 이를 위해서, 냉각탱크를 사용하는데, 그 온도는 -20 ~ 0 ℃로 유지되고, 내부 압력은 300 ~ 700 psi로 유지될 수 있다. 이러한 조건하에서, 냉각탱크에 저장되는 혼합가스 중 수분 등과 같은 불순물은 냉각탱크 하부에 응축되어 분리된다. 따라서, 냉각탱크 상부를 통해 더욱 순도가 높아진 일산화질소를 얻을 수 있다.In the cold storage step (S400), the mixed gas that has undergone the adsorption and purification process is cooled and stored at a predetermined temperature. To this end, a cooling tank is used, the temperature of which is maintained at -20 to 0 ° C., and the internal pressure can be maintained at 300 to 700 psi. Under these conditions, impurities, such as water, in the mixed gas stored in the cooling tank are condensed and separated under the cooling tank. Thus, nitrogen monoxide having higher purity can be obtained through the upper portion of the cooling tank.

이하에서는 전술한 고순도 일산화질소 제조방법을 수행할 수 있는 장치에 대해 설명한다. 이에 중복되는 내용에 대해서는 설명을 생략하거나 간단하게만 기술한다. 다만, 후술하는 장치는 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법이 적용될 수 있는 장치의 일례이므로, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조방법이 반드시 본 장치에 의해서만 실행된다거나, 본 장치에 의해 권리범위가 제한되는 것은 아니다.Hereinafter, an apparatus capable of performing the above-described high purity nitrogen monoxide production method will be described. Duplicate contents will be omitted or simply described. However, since the apparatus described below is an example of a device to which the high purity nitrogen monoxide production method according to the present invention can be applied, the high purity nitrogen monoxide production method according to the present invention is necessarily executed only by the device, or the scope of rights by the device is limited. It is not limited.

도 4는 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치를 개략적으로 도시한 구성도이다.Figure 4 is a schematic view showing a high purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치는 암모니아를 산화하여 질산을 제조하는 질산 제조공정에서 생성되고, 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스(1)를 공급하는 공급부(10), 리보일러(21a, 23a), 칼럼, 및 냉각기(21c, 23c)를 포함하는 적어도 하나 이상의 증류탑(21, 23)을 포함하고, 비점 차이를 이용해 혼합가스를 정제하는 증류부(20), 및 내부에 흡착제가 배치된 적어도 하나 이상의 흡착탑(31, 33)을 포함하고, 증류부(20)에서 정제된 혼합가스를 흡착 정제하는 흡착부(30)를 포함한다.As shown in Figure 4, the high-purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention is produced in the nitric acid production process for producing nitric acid by oxidizing ammonia, the supply unit for supplying a mixed gas (1) containing low-purity nitrogen monoxide ( 10) distillation unit 20 including at least one distillation column 21, 23 including reboilers 21a, 23a, columns, and coolers 21c, 23c, and using a boiling point difference to purify the mixed gas. And at least one adsorption tower (31, 33) having an adsorbent disposed therein, and an adsorption unit (30) for adsorbing and purifying the mixed gas purified by the distillation unit (20).

구체적으로, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치는 공급부(10), 증류부(20), 및 흡착부(30)를 포함한다.Specifically, the high purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention includes a supply unit 10, a distillation unit 20, and the adsorption unit 30.

공급부(10)는 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스(1)를 증류부(20)로 공급한다. 이때, 혼합가스(1)는 암모니아를 산화하여 질산을 제조하는 질산 제조공정에서 생성된 것이다. 따라서, 공급부(10)는 질산 제조공정으로부터 생성된 혼합가스(1) 일부를 분리 저장하거나, 또는 그 혼합가스(1) 흐름 중 일부를 연속적으로 분리하여 실시간으로 공급할 수 있도록 구성된다. 일례로, 공급부(10)는 질산 제조공정에서 혼합가스(1)가 흐르는 배관 설비에 별도로 설치되는 공급관, 및 밸브 등으로 형성될 수 있다. 또한, 공급관으로 유도된 혼합가스(1)의 압력을 조절하기 위해서 압력계가 추가 설치되거나, 또는 질산 제조공정에서의 혼합가스(1) 압력이 급격히 낮아지는 것을 방지하기 위해서 공급관이 다수의 분기관으로 구성될 수도 있다. The supply unit 10 supplies the mixed gas 1 containing low purity nitrogen monoxide to the distillation unit 20. At this time, the mixed gas (1) is produced in the nitric acid production process for producing nitric acid by oxidizing ammonia. Accordingly, the supply unit 10 is configured to separately store a portion of the mixed gas 1 generated from the nitric acid manufacturing process, or continuously separate a portion of the mixed gas 1 flow in real time. For example, the supply unit 10 may be formed of a supply pipe, a valve, and the like, which are separately installed in a piping facility through which the mixed gas 1 flows in the nitric acid manufacturing process. In addition, a pressure gauge is additionally installed to adjust the pressure of the mixed gas 1 guided to the supply pipe, or the supply pipe is connected to a plurality of branch pipes to prevent the pressure of the mixed gas 1 in the nitric acid manufacturing process from dropping rapidly. It may be configured.

증류부(20)는 적어도 하나 이상의 증류탑(21, 23)을 포함하여, 공급부(10)로부터 공급받은 혼합가스를 정제한다. 증류탑(21, 23)은 하부에 배치되는 리보일러(21a, 23a), 상부에 배치되는 냉각기(21c, 23c), 및 리보일러(21a, 23a)와 냉각기(21c, 23c) 사이에 형성되는 칼럼을 포함하는데, 증류탑(21, 23)은 통상의 기술이므로 이에 관한 설명은 생략한다.The distillation unit 20 includes at least one distillation column 21 and 23 to purify the mixed gas supplied from the supply unit 10. The distillation towers 21 and 23 are columns formed between the reboilers 21a and 23a disposed at the bottom, the coolers 21c and 23c disposed at the top, and the reboilers 21a and 23a and the coolers 21c and 23c. It includes, the distillation column (21, 23) is a conventional technique, so description thereof will be omitted.

일 실시예로서, 증류탑은 한 쌍으로서, 그 중 어느 하나인 제1 증류탑(21)이 공급부(10)로부터 혼합가스를 공급받아 고비점 불순물(3)을 제거하고, 다른 하나인 제2 증류탑(23)이 제1 증류탑(21)에서 정제된 혼합가스를 공급받아 저비점 불순물(4)을 제거할 수 있다. 여기서, 고비점 불순물(3)은 일산화질소에 비해 비점이 상대적으로 높은 아산화질소, 이산화질소, 미반응 암모니아, 수분 등의 불순물이고, 저비점 불순물(4)은 비점이 상대적으로 낮은 질소, 산소 등의 불순물을 의미한다.As an embodiment, the distillation column is a pair, and the first distillation tower 21, which is one of them, receives the mixed gas from the supply unit 10 to remove the high boiling point impurities 3, and the second distillation tower ( 23 may be supplied with the purified mixed gas from the first distillation column 21 to remove the low boiling point impurities 4. Here, the high boiling point impurity 3 is an impurity such as nitrous oxide, nitrogen dioxide, unreacted ammonia, water, etc., which has a relatively high boiling point compared to nitrogen monoxide, and the low boiling point impurity 4 is an impurity such as nitrogen or oxygen, which has a relatively low boiling point. Means.

여기서, 제1 증류탑(21)은 냉각기(21c) 온도가 -85 ~ -95 ℃로, 리보일러(21a) 온도가 -60 ~ -50 ℃로, 운전 압력이 3 ~ 5 기압으로 유지될 수 있는데, 이때 고비점 불순물(3)은 응축되어 액상으로 제1 증류탑(21) 하부에 연결된 배관을 통해 배출되고, 정제된 혼합가스는 제1 증류탑(21) 상부와 연결된 배관을 따라 제2 증류탑(23)으로 유입된다.Here, the first distillation column 21 may be maintained in the cooler 21c temperature of -85 ~ -95 ℃, the reboiler 21a temperature of -60 ~ -50 ℃, the operating pressure of 3 to 5 atm In this case, the high boiling point impurity 3 is condensed and discharged through a pipe connected to the lower part of the first distillation tower 21 in the liquid phase, and the purified mixed gas is along the pipe connected to the upper part of the first distillation tower 21. Inflow).

제2 증류탑(23)은 상부 냉각기(23c) 온도가 -150 ~ -140 ℃로, 하부 리보일러(23a) 온도가 -90 ~ -80 ℃로 각각 유지되며, 기상의 저비점 불순물(4)은 제2 증류탑(23) 상부와 연결된 배관을 통해 배출 제거되고, 정제된 혼합가스는 제2 증류탑(23) 하부의 배관을 통해 흡착부(30)로 전달된다.The second distillation column 23 maintains the temperature of the upper cooler 23c at -150 to -140 ° C and the temperature of the lower reboiler 23a at -90 to -80 ° C, respectively. 2 is removed and discharged through a pipe connected to the upper part of the distillation tower 23, and the purified mixed gas is transferred to the adsorption part 30 through a pipe under the second distillation tower 23.

흡착부(30)는 흡착탑(31, 33)을 포함하여, 증류부(20)에서 정제된 혼합가스를 정제한다. 여기서, 흡착탑(31, 33)은 적어도 하나 이상 배치되는데, 각각의 내부에는 흡착제가 배치된다. 흡착제로는 모레큐레시브(Molecular Sieve), 활성탄, 실리카겔, 활성알루미나겔, 및 저온재생겔로 구성되는 군에서 선택되는 어느 하나 이상으로 형성될 수 있는데, 바람직하게는 모레큐레시브가 적합하다. 이러한 흡착제가 불순물과 반응하여 불순물을 흡착하는바, 흡착부(30)를 통해 고순도의 일산화질소를 얻을 수 있다.The adsorption unit 30 includes adsorption towers 31 and 33 to purify the mixed gas purified by the distillation unit 20. Here, at least one adsorption tower (31, 33) is arranged, each of the adsorbent is disposed. The adsorbent may be formed of any one or more selected from the group consisting of Molecular Sieve, activated carbon, silica gel, activated alumina gel, and low temperature regenerated gel. Preferably, the liquid curive is suitable. When the adsorbent reacts with the impurities to adsorb the impurities, high purity nitrogen monoxide may be obtained through the adsorption part 30.

흡착부(30)의 일 실시예로서, 한 쌍의 흡착탑(31, 33)이 분리 배치되고, 흡착탑(31, 33)에는 가열부(35, 37)가 형성될 수 있다. 가열부(35, 37)는 흡착제를 가열할 수 있는 수단으로서, 예를 들어 전기 히터 등을 사용할 수 있다. 따라서, 한 쌍의 흡착탑(31, 33) 중 어느 하나인 제1 흡착탑(31)에서 불순물을 흡착 정제하는 동안, 다른 하나인 제2 흡착탑(33)에서는 흡착제를 가열하여 흡착제를 재생할 수 있고, 이러한 흡착 정제공정과 재생공정이 제1 흡착탑(31)과 제2 흡착탑(33) 사이에서 교대로 진행됨으로써, 흡착 정제공정과 재생공정을 동시에 수행할 수 있다.As an embodiment of the adsorption unit 30, a pair of adsorption towers 31 and 33 may be separated and the heating units 35 and 37 may be formed in the adsorption towers 31 and 33. The heating sections 35 and 37 may use, for example, an electric heater as a means capable of heating the adsorbent. Therefore, while adsorbing and purifying impurities in the first adsorption tower 31, which is one of the pairs of adsorption towers 31 and 33, the second adsorption tower 33, which is the other, can heat the adsorbent to regenerate the adsorbent. Since the adsorption purification process and the regeneration process are alternately performed between the first adsorption tower 31 and the second adsorption tower 33, the adsorption purification process and the regeneration process may be performed simultaneously.

한편, 혼합가스가 증류부(20)로 공급되기 전에, 불순물을 응축하여 제거할 수 있도록, 제1 냉각 칠러(chiller, 40), 및 기액분리기(50)가 더 포함될 수도 있다.Meanwhile, before the mixed gas is supplied to the distillation unit 20, a first cooling chiller 40 and a gas-liquid separator 50 may be further included to condense and remove impurities.

제1 냉각 칠러(40)는 공급부(10)로부터 고온의 혼합가스를 공급받아, 이를 냉각한다. 여기서, 제1 냉각 칠러(40)의 온도가 -20 ~ -10 ℃로 유지되는바, 혼합가스 중의 수분과 일산화질소 등의 불순물 일부(2)가 응축된다. 액상 응축된 불순물(2)을 함유하는 혼합가스는 배관을 통해 기액분리기(50)로 전달된다.The first cooling chiller 40 receives a high temperature mixed gas from the supply unit 10 and cools the mixed gas. Here, the temperature of the first cooling chiller 40 is maintained at -20 to -10 deg. C, so that a part of the impurities 2, such as moisture and nitrogen monoxide in the mixed gas, are condensed. The mixed gas containing the liquid condensed impurities 2 is delivered to the gas-liquid separator 50 through a pipe.

기액분리기(50)는 혼합가스 중의 액상 불순물(2)과 나머지 혼합가스를 분리한다. 이때, 액상 불순물(2)은 기액분리기(50)의 하부에 연결된 배관을 통해 분리 배출되고, 혼합가스는 기액분리기(50)의 상부에 연결된 배관을 통해 증류부(20)로 공급된다. 여기서, 증류부(20)로 공급되는 혼합가스는 이송펌프(P)를 통해 임시 저장용 버퍼 탱크(B)로 이송되었다가, 3 ~ 10 기압 이하로 가압되어 상부측 혼합가스가 증류부(20)의 제1 증류탑(21)으로 투입될 수 있다.The gas-liquid separator 50 separates the liquid impurities 2 from the mixed gas and the remaining mixed gas. At this time, the liquid impurities 2 are separated and discharged through a pipe connected to the lower part of the gas-liquid separator 50, and the mixed gas is supplied to the distillation unit 20 through a pipe connected to the upper part of the gas-liquid separator 50. Here, the mixed gas supplied to the distillation unit 20 is transferred to the temporary storage buffer tank (B) through the transfer pump (P), and pressurized to 3 to 10 atm or less so that the upper side mixed gas is distillation unit (20) ) May be introduced into the first distillation column 21.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치는 압축기(70), 및 제2 냉각 칠러(80)를 더 포함할 수 있다.In addition, the high purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention may further include a compressor 70, and a second cooling chiller (80).

압축기(70)는 정제된 혼합가스가 흡착부(30)로 유입되기 전에, 증류부(20)로부터 그 혼합가스를 공급받아 이를 압축한다. 이때, 증류부(20)가 제1 증류탑(21) 및 제2 증류탑(23)으로 형성된 경우에는, 제2 증류탑(23)의 하부 배관을 통해 그 혼합가스를 공급받는다.The compressor 70 receives the mixed gas from the distillation unit 20 and compresses the mixed gas before the purified mixed gas flows into the adsorption unit 30. At this time, when the distillation unit 20 is formed of the first distillation tower 21 and the second distillation tower 23, the mixed gas is supplied through the lower pipe of the second distillation tower 23.

압축기(70)에 의해 압축된 혼합가스는 제2 냉각 칠러(80)로 도입되는데, 제2 냉각 칠러(80)의 온도가 -20 ~ 10 ℃, 바람직하게는 -15 ~ 0 ℃로 유지되어, 도입된 혼합가스를 냉각한다. 이에 따라 증류부(20)에서 정제된 혼합가스 내의 잔류 불순물이 제거된 상태로, 혼합가스가 배관을 따라 흡착부(30)로 공급된다.The mixed gas compressed by the compressor 70 is introduced into the second cooling chiller 80, the temperature of the second cooling chiller 80 is maintained at -20 ~ 10 ℃, preferably -15 ~ 0 ℃, Cool the introduced mixed gas. Accordingly, the mixed gas is supplied to the adsorption unit 30 along the pipe while the residual impurities in the mixed gas purified by the distillation unit 20 are removed.

또한, 본 발명에 따른 고순도 일산화질소 제조장치는 냉각탱크(60)를 더 포함할 수 있다. In addition, the high purity nitrogen monoxide production apparatus according to the present invention may further include a cooling tank (60).

냉각탱크(60)는 흡착부(30)로부터 정제된 혼합가스를 공급받아 소정의 온도로 냉각하여 저장한다. 이때, 냉각탱크(60) 내의 온도는 -20 ~ 0 ℃로 유지되고, 내부 압력은 300 ~ 700 psi로 유지될 수 있다. 이러한 조건하에서, 냉각탱크(60)에 저장되는 혼합가스 중 수분 등과 같은 불순물은 냉각탱크(60) 하부에 응축되어 분리된다. 따라서, 냉각탱크(60) 상부를 통해 더욱 순도가 높아진 일산화질소를 얻을 수 있다. The cooling tank 60 receives the purified mixed gas from the adsorption part 30 and cools it to a predetermined temperature and stores it. At this time, the temperature in the cooling tank 60 is maintained at -20 ~ 0 ℃, the internal pressure may be maintained at 300 ~ 700 psi. Under these conditions, impurities such as moisture in the mixed gas stored in the cooling tank 60 are condensed and separated under the cooling tank 60. Therefore, nitrogen monoxide having higher purity can be obtained through the upper portion of the cooling tank 60.

이하에서는 냉각탱크(60)의 구체적 구조에 대해서 설명한다.Hereinafter, a specific structure of the cooling tank 60 will be described.

도 5는 도 4에 도시된 냉각탱크의 단면을 개략적으로 도시한 단면도이다. 5 is a cross-sectional view schematically showing a cross section of the cooling tank shown in FIG.

도 5를 참고로, 본 발명에 따른 냉각탱크(60)는 탱크부(61), 주입관(63), 냉각 자켓(65), 냉각관(67)을 포함할 수 있다.Referring to FIG. 5, the cooling tank 60 according to the present invention may include a tank part 61, an injection tube 63, a cooling jacket 65, and a cooling tube 67.

탱크부(61)는 내부에 수용공간을 구비하는 용기로, 그 수용공간에 혼합가스가 주입되어 저장되도록 형성된다. 여기서, 내부 압력은 300 ~ 700 psi로 유지될 수 있다. 다만, 내부 압력이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.The tank unit 61 is a container having an accommodation space therein, and is formed so that a mixed gas is injected and stored in the accommodation space. Here, the internal pressure may be maintained at 300 ~ 700 psi. However, the internal pressure is not necessarily limited thereto.

주입관(63)은 흡착부(30)로부터 이송되는 정제된 혼합가스를 탱크부(61)의 수용공간으로 주입한다.The injection tube 63 injects the purified mixed gas transferred from the adsorption unit 30 into the accommodation space of the tank unit 61.

냉각 자켓(65)은 탱크부(61)의 외면을 감싸도록 형성되되, 내부에 중공을 구비하고, 그 중공에 제1 냉매(R1)가 수용되거나, 흐르면서 탱크부(61)를 냉각한다. 이러한 냉각 자켓(65)에는 제1 냉매(R1)가 주입되는 제1 냉매 주입관, 및 중공으로부터 제1 냉매(R1)가 배출되는 제1 냉매 배출관이 각각 형성되어, 제1 냉매(R1)를 지속적으로 순환시키면서 혼합가스를 소정의 온도로 냉각할 수 있다.The cooling jacket 65 is formed to surround the outer surface of the tank 61, and has a hollow therein, and the first coolant R1 is received or flows in the hollow to cool the tank 61. The cooling jacket 65 is formed with a first refrigerant inlet tube through which the first refrigerant R1 is injected and a first refrigerant discharge tube through which the first refrigerant R1 is discharged from the hollow, thereby forming the first refrigerant R1. The mixed gas can be cooled to a predetermined temperature while continuously circulating.

냉각관(67)은 탱크부(61)의 수용공간에 배치되어 혼합가스를 냉각한다. 이러한 냉각관(67)은 내부에 흐르는 제2 냉매(R2)를 이용해 혼합가스를 냉각하는데, 구체적으로 나선형 관 형태로 형성되는바, 혼합가스와의 접촉면이 확장되어 효율적으로 혼합가스를 냉각할 수 있다. 한편, 냉각관(67)의 일단에는 제2 냉매(R2)를 공급하는 제2 냉매 주입관(66)이, 냉각관(67)의 타단에는 제2 냉매(R2)를 배출하는 제2 냉매 배출관(68)이 각각 연결되어, 제2 냉매(R2)가 순환하도록 구성될 수 있다.The cooling tube 67 is disposed in the accommodation space of the tank 61 to cool the mixed gas. The cooling tube 67 cools the mixed gas using the second refrigerant R2 flowing therein. Specifically, the cooling tube 67 is formed in the form of a spiral tube, and the contact surface with the mixed gas is extended to efficiently cool the mixed gas. have. On the other hand, the second refrigerant injection pipe 66 for supplying the second refrigerant (R2) to one end of the cooling tube 67, the second refrigerant discharge pipe for discharging the second refrigerant (R2) to the other end of the cooling tube 67 68 may be connected to each other so that the second refrigerant R2 may be circulated.

여기서, 제1 냉매(R1) 및 제2 냉매(R2)는 프레온계 냉매 R22, R407C 등을 사용할 수 있는데, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고 공조냉동 분야에서 사용될 수 있는 모든 공지의 냉매를 사용할 수 있고, 이때 제1 냉매(R1)와 제2 냉매(R2)는 서로 동일하거나 또는 다른 냉매를 사용해도 무방하다. 이러한 제1 및 제2 냉매(R1, R2)에 의해 냉각탱크(60)의 온도는 -20 ~ 0 ℃로 유지될 수 있다.Here, the first refrigerant (R1) and the second refrigerant (R2) may be used in the freon-based refrigerants R22, R407C, etc., not necessarily limited to this may be used all known refrigerants that can be used in the air conditioning refrigeration field, In this case, the first refrigerant R1 and the second refrigerant R2 may use the same or different refrigerants. The temperature of the cooling tank 60 may be maintained at −20˜0 ° C. by the first and second refrigerants R1 and R2.

이렇게 형성된 냉각탱크(60)에 혼합가스가 냉각되어 저장되면, 혼합가스 중 수분 등과 같은 불순물(5)은 응축되어 탱크부(61) 수용공간의 하부로, 고순도의 일산화질소는 그 수용공간의 상부로 분리되는바, 수용공간의 하부에 연결된 불순물 배출관(64)을 통해 불순물(5)을 배출하고, 수용공간의 상부와 연결된 일산화질소 배출관(62)을 통해 고순도의 일산화질소를 취득할 수 있다.When the mixed gas is cooled and stored in the cooling tank 60 formed as described above, impurities 5 such as moisture in the mixed gas are condensed to the lower portion of the tank 61 accommodating space, and the high purity nitrogen monoxide is the upper portion of the accommodating space. As it is separated, the impurities 5 are discharged through the impurity discharge pipe 64 connected to the lower part of the receiving space, and nitrogen monoxide of high purity may be obtained through the nitrogen monoxide discharge pipe 62 connected to the upper part of the receiving space.

이하에서는 구체적인 실시예 및 평가예를 통해 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to specific examples and evaluation examples.

실시예 1: 냉각응축 정제 및 분리 정제Example 1 Cold Condensation Purification and Separation Purification

먼저, 실제 운영되는 상업용 질산 제조공정에서 암모니아 산화기를 통해 배출된 고온의 혼합가스를, 1 ~ 10 L/min의 유량으로 공급받아 열교환기용 냉각 칠러를 이용해 냉각시켰다. 여기서, 냉각 칠러의 온도는 -20 ~ -10℃로 유지하였다. 이때, 혼합 가스 중 수분, 이산화질소 등과 같은 물질들의 일부가 응축되는바, 기액분리기를 사용해 액상과 기상으로 분리하였다. 기액분리기 하부에 액상 응축된 물질 성분은 주로 수분과 이산화질소가 대부분이었다.First, the hot mixed gas discharged through the ammonia oxidizer in the actual commercial nitric acid manufacturing process was supplied at a flow rate of 1 to 10 L / min and cooled using a cooling chiller for a heat exchanger. Here, the temperature of the cooling chiller was kept at -20 to -10 ° C. At this time, some of the substances such as moisture, nitrogen dioxide, etc. in the mixed gas is condensed, and separated into a liquid phase and a gas phase using a gas-liquid separator. The liquid components condensed in the lower part of the gas-liquid separator were mainly water and nitrogen dioxide.

다음에, 기액분리기 상부에 연결된 배관 및 이송펌프를 통해, 혼합가스를 임시 저장용 버퍼 탱크로 이송시키고, 3 ~ 10 기압 이하로 가압하여, 혼합가스를 1차 증류탑으로 투입하였다. 1차 증류탑의 상부 냉각기 온도를 액체 질소를 이용하여 -85 ~ -95 ℃로 유지하였고, 하부의 리보일러 온도는 -60 ~ -50 ℃가 되도록 운전하였으며, 증류탑 내의 운전 압력은 3 ~ 5 기압을 유지하였다. 이에, 제1 증류탑 하부에는 끊는점이 비교적 높아 쉽게 액화된 수분, 이산화질소, 암모니아, 아산화질소 등이, 제1 증류탑 상부에는 일산화질소 등이 저온증류법에 따라 분리되었다. Next, the mixed gas was transferred to a temporary storage buffer tank through a pipe connected to the upper part of the gas-liquid separator, pressurized to 3 to 10 atm or less, and the mixed gas was introduced into the first distillation column. The upper cooler temperature of the first distillation column was maintained at -85 ~ -95 ℃ using liquid nitrogen, the lower reboiler temperature was operated to be -60 ~ -50 ℃, the operating pressure in the distillation column was 3 ~ 5 atm Maintained. Accordingly, the break point is relatively high in the lower part of the first distillation column, and thus easily liquefied water, nitrogen dioxide, ammonia, nitrous oxide, and the like are separated from the upper part of the first distillation column by nitrogen distillation.

하부에 응축된 액상물질들은 액상 배관을 통해 제거하고, 1차 증류탑 상부에 설치된 배관을 통해 1차 불순물이 제거된 혼합가스를 2차 증류탑으로 투입하였다. 2차 증류탑에서는 상부 냉각기 온도를 액체 질소를 이용하여 -150 ~ -140 ℃로 유지하였고, 하부의 리보일러 온도는 -90 ~ -80 ℃가 되도록 하여, 증류탑 하부를 통해 고순도 일산화질소만을 수집하고, 기체상의 불순물(질소와 미반응 산소 등)들은 증류탑 상부 배관을 통해 배출하였다. The liquid substances condensed at the bottom were removed through the liquid pipe, and the mixed gas from which the primary impurities were removed was introduced into the second distillation column through the pipe installed on the upper part of the first distillation column. In the second distillation column, the upper cooler temperature was maintained at -150 ~ -140 ℃ using liquid nitrogen, the lower reboiler temperature is -90 ~ -80 ℃, collecting only the high-purity nitrogen monoxide through the bottom of the distillation column, Gaseous impurities (such as nitrogen and unreacted oxygen) were discharged through the top of the distillation column.

실시예 2: 냉각응축 정제, 흡착 정제, 및 냉각 저장Example 2: Cold Condensation Purification, Adsorption Purification, and Cold Storage

실시예 1에서 분리 정제된 혼합가스를 제2 증류탑의 하부 배관을 통해 압축기로 공급하여, 이를 압축하고 냉각 칠러에 도입하였다. 여기서, 냉각 칠러의 온도는 -15 ~ 0 ℃로 유지하였다.The mixed gas separated and purified in Example 1 was supplied to the compressor through the bottom pipe of the second distillation column, and was compressed and introduced into the cooling chiller. Here, the temperature of the cooling chiller was kept at -15 to 0 ° C.

다음으로, 냉각 칠러를 거친 혼합가스를 제1 흡착탑 및 제2 흡착탑으로 도입하였다. 이때, 어느 하나의 흡착탑에서는 흡착 정제공정을, 동시에 다른 하나의 흡착탑에서는 재생공정을, 교대로 수행하였다. 여기서, 각각의 흡착탑에 배치된 흡착제는 모레큐레시브 3A를 사용했고, 흡착 정제공정은 흡착탑의 온도가 상온을 유지하도록 하였다.Next, the mixed gas which passed through the cooling chiller was introduce | transduced into the 1st adsorption tower and the 2nd adsorption tower. At this time, one of the adsorption tower was carried out by the adsorption purification step, while the other adsorption tower was carried out alternately. Here, the adsorber disposed in each of the adsorption towers was made using Molecure 3A. In the adsorption and purification process, the temperature of the adsorption tower was maintained at room temperature.

마지막으로, 흡착 정제공정을 마친 혼합가스를, 온도가 -20 ~ 0 ℃ 범위로 유지되고, 내부 압력이 300 ~ 700 psi인 냉각탱크로 주입하여 저장하였다.Finally, the mixed gas after the adsorption and purification process was maintained in a temperature range of -20 to 0 ° C. and injected into a cooling tank having an internal pressure of 300 to 700 psi.

평가예 1: 질산 제조공정에서 유입된 혼합가스 성분 분석Evaluation Example 1 Analysis of Mixed Gas Components Inflowed from a Nitric Acid Production Process

실시예 1에서 질산 제조공정으로부터 공급받는 혼합가스를 FT-IR과 GC를 이용하여 분석하였다. 분석 대상이 되는 혼합가스는 질산 제조공정의 암모니아 산화기에서 배출된 혼합가스이다. 분석 결과, 일산화질소는 9.3 Vol%, 아산화질소는 15.3 Vol%, 이산화질소는 7.2 Vol%, 수분은 68.2 Vol%가 존재하였다. 이를 통해, 혼합가스 중에는 수분과 아산화질소가 다량 함유되어 있고, 일산화질소는 반도체용으로 사용하기에는 부적합할 정도로 순도가 낮다는 것을 알 수 있다.In Example 1, the mixed gas supplied from the nitric acid manufacturing process was analyzed using FT-IR and GC. The mixed gas to be analyzed is a mixed gas discharged from the ammonia oxidizer of the nitric acid manufacturing process. As a result, nitrogen monoxide was 9.3 Vol%, nitrous oxide was 15.3 Vol%, nitrogen dioxide was 7.2 Vol% and moisture was 68.2 Vol%. Through this, it can be seen that the mixed gas contains a large amount of water and nitrous oxide, and nitrogen monoxide is low enough to be unsuitable for use in semiconductors.

평가예 2: 실시예 1의 증류탑에서 배출된 물질의 조성비 분석Evaluation Example 2 Analysis of Composition Ratio of Substances Discharged from the Distillation Column of Example 1

상기 실시예 1의 제1 증류탑과 제2 증류탑에서 배출되는 물질의 조성비(%)를 분석하였는바, 그 결과는 하기 [표 1]과 같다.The composition ratio (%) of the material discharged from the first distillation column and the second distillation column of Example 1 was analyzed, and the results are shown in the following [Table 1].

성분물질Substance 제1 증류탑First distillation column 제2 증류탑Second distillation column 상부Top 하부bottom 상부Top 하부bottom NONO 38.738.7 0.60.6 0.030.03 99.9899.98 N20N 2 0 < 0.001<0.001 59.259.2 < 0.001<0.001 0.020.02 NO2 NO 2 < 0.001<0.001 22.122.1 < 0.001<0.001 < 0.001<0.001 H20H 2 0 < 0.001<0.001 19.919.9 -- < 0.001<0.001 NH3 NH 3 -- 1.21.2 -- -- N2 N 2 39.639.6 < 0.001<0.001 76.276.2 -- O2 O 2 21.721.7 < 0.001<0.001 23.523.5 --

[표 1]과 같이, 제2 증류탑을 통과한 후, 일산화질소는 증류탑 하부에서 99.98 % 이상의 순도를 얻을 수 있었다. 그러나 반도체 제조용으로 사용되기 위해서는 99.995 % 이상의 고순도가 요구되므로, 실시예 2의 정제 공정을 추가적으로 실행할 필요가 있다.As shown in Table 1, after passing through the second distillation column, nitrogen monoxide was able to obtain a purity of 99.98% or more at the bottom of the distillation column. However, since high purity of 99.995% or more is required to be used for semiconductor manufacturing, it is necessary to additionally perform the purification process of Example 2.

평가예 3: 실시예 2의 냉각탱크에서의 불순물 분석Evaluation Example 3: Impurity Analysis in the Cooling Tank of Example 2

상기 실시예 2를 실행한 후, 냉각탱크 내의 상부와 하부에 위치한 불순물의 성분을 분석하였다. 그 결과는 하기 [표 2]와 같다.After performing Example 2, the components of impurities located in the upper and lower portions of the cooling tank were analyzed. The results are shown in Table 2 below.

분석
위치
analysis
location
불순물 (ppm)Impurities (ppm)
H2OH 2 O NO2 NO 2 N2ON 2 O H2 H 2 O2 O 2 N2 N 2 CH4 CH 4 CO2 CO 2 COCO 상부Top 0.2580.258 2.4262.426 0.1880.188 < 0.1<0.1 < 0.1<0.1 4.1254.125 < 0.1<0.1 < 0.1<0.1 < 0.1<0.1 하부bottom 0.2870.287 2.3652.365 0.1960.196 < 0.1<0.1 < 0.1<0.1 4.0374.037 < 0.1<0.1 < 0.1<0.1 < 0.1<0.1

[표 2]의 결과를 통해, 본 발명에 따르면, 99.999 % 이상의 고순도 반도체용 일산화질소가 제조될 수 있음을 알 수 있다.Through the results in Table 2, it can be seen that according to the present invention, more than 99.999% of nitrogen monoxide for high purity semiconductors can be produced.

이상 본 발명을 구체적인 실시예를 통하여 상세히 설명하였으나, 이는 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 그 변형이나 개량이 가능함이 명백하다.Although the present invention has been described in detail through specific examples, it is intended to describe the present invention in detail, and the present invention is not limited thereto, and should be understood by those skilled in the art within the technical spirit of the present invention. It is obvious that modifications and improvements are possible.

본 발명의 단순한 변형 내지 변경은 모두 본 발명의 영역에 속한 것으로 본 발명의 구체적인 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의하여 명확해질 것이다.All simple modifications and variations of the present invention fall within the scope of the present invention, and the specific scope of protection of the present invention will be apparent from the appended claims.

1: 혼합가스 10: 공급부
20: 증류부 21: 제1 증류탑
23: 제2 증류탑 30: 흡착부
31: 제1 흡착탑 33: 제2 흡착탑
35, 37: 가열부 40: 제1 냉각 칠러
50: 기액분리기 60: 냉각탱크
61: 탱크부 63: 주입관
65: 냉각 자켓 67: 냉각관
70: 압축기 80: 제2 냉각 칠러
1: mixed gas 10: supply part
20: distillation unit 21: first distillation column
23: second distillation column 30: adsorption unit
31: first adsorption tower 33: second adsorption tower
35, 37: heating part 40: first cooling chiller
50: gas-liquid separator 60: cooling tank
61: tank 63: injection tube
65: cooling jacket 67: cooling tube
70: compressor 80: second cooling chiller

Claims (13)

(a) 암모니아를 산화하여 질산을 제조하는 기존의 질산 제조공정에서 생성되고, 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스를 공급하는 단계;
(b) 비점 차이를 이용하여, 상기 혼합가스를 분리 정제하는 단계; 및
(c) 흡착제를 이용하여, 분리 정제된 상기 혼합가스를 흡착 정제하는 단계;를 포함하고,
상기 (a) 단계에서, 상기 질산 제조공정에서 생성된 상기 혼합가스 일부를 분리 저장하여 공급하거나, 또는 상기 혼합가스가 흐르는 상기 질산 제조공정의 배관 설비에 공급관을 설치하여 상기 혼합가스 일부를 분리 공급하며,
상기 (a) 단계와 상기 (b) 단계 사이에, 상기 질산 제조공정으로부터 공급된 상기 혼합가스를 냉각하고, 기액 분리하여, 제1 냉각응축 정제하는 단계;
상기 (b) 단계와 상기 (c) 단계 사이에, 분리 정제된 상기 혼합가스를 압축하고, 냉각하여, 제2 냉각응축 정제하는 단계; 및
상기 (c) 단계 이후에, 상기 혼합가스 내 수분이 응축 분리되도록, 냉각탱크를 이용해 -20 ~ 0℃ 온도 및 300 ~ 700 psi 압력 범위에서, 흡착 정제된 상기 혼합가스를 냉각 저장하는 단계;를 더 포함하고,
상기 냉각탱크는,
상기 혼합가스를 저장할 수 있도록, 내부에 수용공간을 구비하는 탱크부;
상기 수용공간으로 상기 혼합가스를 주입하는 주입관;
내부에 제1 냉매가 흐르는 중공을 구비하고, 상기 탱크부의 외면을 감싸도록 형성된 냉각 자켓;
나선형 관 형태로 형성되어 내부에 제2 냉매가 흐르고, 상기 수용공간에 배치되어, 주입된 상기 혼합가스와 접촉하면서 상기 혼합가스를 냉각하는 냉각관;
상기 수용공간의 내하부와 연통되어, 분리된 상기 수분을 배출하는 불순물 배출관; 및
상기 수용공간의 내상부와 연통되어, 고순도 상기 일산화질소를 배출하는 일산화질소 배출관;을 포함하는 고순도 일산화질소 제조방법.
(a) supplying a mixed gas produced in a conventional nitric acid manufacturing process for oxidizing ammonia to produce nitric acid and containing low purity nitrogen monoxide;
(b) separating and purifying the mixed gas by using a boiling point difference; And
(c) adsorbing and purifying the mixed gas separated and purified using an adsorbent;
In the step (a), a portion of the mixed gas generated in the nitric acid production process is separately stored and supplied, or a supply pipe is installed in a piping facility of the nitric acid production process through which the mixed gas flows to separately supply a portion of the mixed gas. ,
Between the step (a) and the step (b), the step of cooling the mixed gas supplied from the nitric acid production process, gas-liquid separation, the first cooling condensation purification;
Compressing and cooling the separated and purified mixed gas between the step (b) and the step (c) and cooling the second cooling condensation step; And
After the step (c), the step of cooling and storing the adsorbed and purified mixed gas at a temperature range of -20 to 0 ° C. and a pressure range of 300 to 700 psi using a cooling tank to condense and separate the moisture in the mixed gas. Including more,
The cooling tank,
A tank unit having an accommodation space therein to store the mixed gas;
An injection tube for injecting the mixed gas into the accommodation space;
A cooling jacket having a hollow in which the first refrigerant flows and surrounding the outer surface of the tank part;
A cooling tube formed in the form of a spiral tube and having a second refrigerant flowing therein and disposed in the accommodation space to cool the mixed gas while contacting the injected mixed gas;
An impurity discharge tube communicating with an inner lower portion of the accommodation space to discharge the separated water; And
And a nitrogen monoxide discharge tube communicating with the inner portion of the accommodation space and discharging the nitrogen monoxide with high purity.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 (b) 단계는,
제1 증류탑을 이용하여, 상기 혼합가스로부터, 상기 일산화질소보다 비점이 상대적으로 높은 고비점 불순물을 제거하는 단계; 및
제2 증류탑을 이용하여, 상기 고비점 불순물이 제거된 상기 혼합가스로부터, 상기 일산화질소보다 비점이 상대적으로 낮은 저비점 불순물을 제거하는 단계;
를 포함하는 고순도 일산화질소 제조방법.
The method according to claim 1,
Step (b),
Removing high boiling point impurities having a higher boiling point than the nitrogen monoxide from the mixed gas by using a first distillation column; And
Removing low-boiling impurities having a lower boiling point than nitrogen monoxide from the mixed gas from which the high-boiling impurities are removed using a second distillation column;
High purity nitrogen monoxide production method comprising a.
삭제delete 청구항 1에 있어서,
상기 (c) 단계는,
상기 흡착제가 내부에 각각 배치된 한 쌍의 흡착탑을 이용하되, 교대로, 어느 하나의 제1 흡착탑에서 불순물을 흡착 정제하고, 다른 하나의 제2 흡착탑에서 상기 흡착제를 가열하여 재생하는 고순도 일산화질소 제조방법.
The method according to claim 1,
In step (c),
Production of high-purity nitrogen monoxide using a pair of adsorption towers disposed therein, and alternately adsorbing and purifying impurities in one of the first adsorption towers, and heating and regenerating the adsorbents in another second adsorption tower. Way.
삭제delete 암모니아를 산화하여 질산을 제조하는 기존의 질산 제조공정에서 생성되고, 저순도 일산화질소를 함유한 혼합가스를 공급하는 공급부;
리보일러, 칼럼, 및 냉각기를 포함하는 적어도 하나 이상의 증류탑을 포함하고, 비점 차이를 이용해 상기 혼합가스를 정제하는 증류부; 및
내부에 흡착제가 배치된 적어도 하나 이상의 흡착탑을 포함하고, 상기 증류부에서 정제된 상기 혼합가스를 흡착 정제하는 흡착부;를 포함하고,
상기 공급부는, 상기 질산 제조공정에서 생성된 상기 혼합가스 일부를 분리 저장하여 공급하거나, 또는 상기 혼합가스가 흐르는 상기 질산 제조공정의 배관 설비에 공급관을 설치하여 상기 혼합가스 일부를 분리 공급하며,
상기 공급부로부터 공급되는 상기 혼합가스를 냉각하여, 불순물을 응축하는 제1 냉각 칠러(chiller);
응축된 액상의 상기 불순물을 분리하여, 상기 혼합가스를 상기 증류탑으로 공급하는 기액분리기;
상기 증류부로부터 상기 혼합가스를 공급받아 압축하는 압축기;
상기 압축기로부터 압축된 상기 혼합가스를 공급받아 냉각하여, 불순물을 응축 제거하고, 상기 혼합가스를 상기 흡착부로 공급하는 제2 냉각 칠러(chiller); 및
상기 흡착부로부터 상기 혼합가스를 공급받아, -20 ~ 0℃ 온도 및 300 ~ 700 psi 압력 범위에서 상기 혼합가스를 냉각 저장하여, 상기 혼합가스 내 수분을 응축 분리하는 냉각탱크;를 더 포함하고,
상기 냉각탱크는,
상기 혼합가스를 저장할 수 있도록, 내부에 수용공간을 구비하는 탱크부;
상기 수용공간으로 상기 혼합가스를 주입하는 주입관;
내부에 제1 냉매가 흐르는 중공을 구비하고, 상기 탱크부의 외면을 감싸도록 형성된 냉각 자켓;
나선형 관 형태로 형성되어 내부에 제2 냉매가 흐르고, 상기 수용공간에 배치되어, 주입된 상기 혼합가스와 접촉하면서 상기 혼합가스를 냉각하는 냉각관;
상기 수용공간의 내하부와 연통되어, 분리된 상기 수분을 배출하는 불순물 배출관; 및
상기 수용공간의 내상부와 연통되어, 고순도 상기 일산화질소를 배출하는 일산화질소 배출관;을 포함하는 고순도 일산화질소 제조장치.
A supply unit which is produced in a conventional nitric acid manufacturing process for oxidizing ammonia to produce nitric acid, and supplies a mixed gas containing low purity nitrogen monoxide;
A distillation unit including at least one distillation column including a reboiler, a column, and a cooler, and purifying the mixed gas using a boiling point difference; And
And an adsorption unit including at least one adsorption tower having an adsorbent disposed therein and adsorbing and purifying the mixed gas purified by the distillation unit.
The supply unit separates and supplies a portion of the mixed gas generated in the nitric acid manufacturing process, or installs a supply pipe in a piping facility of the nitric acid manufacturing process in which the mixed gas flows, and separately supplies a portion of the mixed gas.
A first cooling chiller (chiller) for cooling the mixed gas supplied from the supply part to condense impurities;
A gas-liquid separator that separates the condensed liquid impurities and supplies the mixed gas to the distillation column;
A compressor that receives the mixed gas from the distillation unit and compresses the mixed gas;
A second cooling chiller (chiller) that receives the compressed compressed gas from the compressor and cools it, condenses and removes impurities, and supplies the mixed gas to the adsorption unit; And
Receiving the mixed gas from the adsorption unit, by cooling and storing the mixed gas at a temperature range of -20 ~ 0 ℃ and 300 ~ 700 psi, a cooling tank for condensing and separating the moisture in the mixed gas;
The cooling tank,
A tank unit having a receiving space therein to store the mixed gas;
An injection tube for injecting the mixed gas into the accommodation space;
A cooling jacket having a hollow in which the first refrigerant flows and surrounding the outer surface of the tank part;
A cooling tube formed in the form of a spiral tube and having a second refrigerant flowing therein and disposed in the accommodation space to cool the mixed gas while contacting the injected mixed gas;
An impurity discharge tube communicating with an inner lower portion of the accommodation space to discharge the separated water; And
And a nitrogen monoxide discharge pipe communicating with the inner upper portion of the accommodation space and discharging the nitrogen monoxide with high purity.
청구항 7에 있어서,
상기 증류부는,
상기 증류탑이 한 쌍으로 분리 배치되고, 그 중 어느 하나인 제1 증류탑이 상기 공급부로부터 상기 혼합가스를 공급받아 상기 일산화질소보다 비점이 상대적으로 높은 고비점 불순물을 제거하고, 다른 하나인 제2 증류탑이 상기 제1 증류탑에서 정제된 상기 혼합가스를 공급받아 상기 일산화질소보다 비점이 상대적으로 낮은 저비점 불순물을 제거하는 고순도 일산화질소 제조장치.
The method according to claim 7,
The distillation unit,
The distillation column is disposed in a pair, and the first distillation column, which is one of them, receives the mixed gas from the supply unit to remove high boiling point impurities having a relatively higher boiling point than the nitrogen monoxide, and the second distillation column is another. The high purity nitrogen monoxide production apparatus for removing the low boiling point impurities having a relatively low boiling point than the nitrogen monoxide by receiving the mixed gas purified from the first distillation column.
청구항 7에 있어서,
상기 흡착부는,
한 쌍의 상기 흡착탑이 분리 배치되고,
각각의 상기 흡착탑을 가열하는 가열부;
를 더 포함하여,
교대로, 한 쌍의 상기 흡착탑 중 어느 하나인 제1 흡착탑이 상기 혼합가스를 흡착 정제하고, 다른 하나인 제2 흡착탑이 상기 흡착제를 가열 재생하는 고순도 일산화질소 제조장치.
The method according to claim 7,
The adsorption unit,
A pair of the adsorption tower is disposed separately,
A heating unit for heating each of the adsorption towers;
Including more,
Alternately, a high-purity nitrogen monoxide production apparatus in which a first adsorption tower, which is one of the pair of adsorption towers, adsorbs and purifies the mixed gas, and a second adsorption tower, which is the other, heat-regenerates the adsorbent.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 삭제delete
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