KR200481448Y1 - 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치 - Google Patents

황산-과산화수소 용액 회수처리 장치 Download PDF

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Abstract

황산-과산화수소 용액으로부터 과산화수소를 제거하도록 하는 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치에 있어서, 반응열 회수 가열기, 반응조, 열저장조 및 액체 저장통을 포함하고, 황산-과산화수소 용액을 예열 및 과열시키기 위한 상기 반응열 회수 가열기는 밀폐된 탱크 바디 및 내부에 분포된 적어도 한 조의 열 교환관을 포함하며, 상기 반응조 내부의 첨가 반응 반응제와 상기 황산-과산화수소 용액을 이용하여 화학반응을 진행하고, 반응 후 과열된 반응 생성물(예를 들어 황산용액)은 상기 열저장통을 거쳐 상기 열 교환관 내부에 유입되어 전술한 예열 및 과열 열매체로 되며, 마지막으로 상기 액체 저장통에서 열교환을 진행한 후 온도가 하강된 상기 반응 생성물을 수집하고, 본 고안의 열 교환방식으로 과산화수소의 반응과정에서 생성된 열원을 제거하여 안전히 상기 황산-과산화수소 용액의 예열 및 과열 및 상기 반응 생성물(예를 들어 황산용액)의 온도를 하강시키는 목적을 달성한다.

Description

황산-과산화수소 용액 회수처리 장치{COLLECTION PROCESSING DEVICE FOR SULFURIC ACID-HYDROGEN PEROXIDE SOLUTION}
본 고안은 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치의 기술분야에 관한 것으로, 특히 황산-과산화수소 용액으로부터 과산화수소를 제거하는 회수처리 장비에 관한 것이다.
반도체 제조 공정에서, 과산화수소(H2O2)는 통상적인 산화제로 늘 황산(H2SO4)과 함께 사용되고, 포토레지스트의 제거액 또는 부식액으로 사용될 수 있기 때문에 반도체 제조 공정 폐액 중의 30%에서 40%를 초과하는 폐액은 황산 용액 폐기물이고 대부분은 황산-과산화수소 용액이다.
도 1은 통상적인 황산-과산화수소 용액 처리구조의 모식도이다. 용기(11), 가열유닛(12), 반응조(13) 및 냉각수 열교환기(14)를 포함한다. 상기 용기(11)는 처리하고자 하는 황산-과산화수소 용액을 보관하는 석영 또는 유리용기이다. 상기 가열유닛(12)은 상기 용기(11)의 하부에 설치되어 있고, 전열 또는 열전달유로 가열하여 상기 황산-과산화수소 용액을 우선적으로 예열시키고 온도가 상승하게 할 수 있다. 상기 용기(11)는 관(111)을 거쳐 상기 반응조(13)에 연결되고, 또 다른 반응제 공급유닛(15)은 관(151)을 거쳐 상기 반응제를 상기 반응조(13)의 내부로 수송할 수 있다. 상기 반응조(13)의 내부의 황산-과산화수소 용액과 반응제가 화학적 반응을 진행한 후 서로 다른 유형의 반응제에 따라 상기 과산화수소는 분해되어 산소, 물 또는 기타 반응기체를 생성하고 대량의 열을 생성하며, 반응기체 또는 산소는 관(131)을 거쳐 배출 또는 수집되나 반응하고 남은 반응 생성물은 누적된 후 관(132)으로부터 배출된다. 상기 냉각수 열교환기(14)는 상기 반응조(13)의 내부에 분포된 열 교환관을 구비하고, 전술한 반응으로 생성된 대량의 열은 상기 열 교환관 내부의 냉각수를 이용한 열전도 및 열대류의 열 교환모드로 온도를 하강시키는 목적을 달성하여 상기 반응조(13) 내부의 과도한 압력을 방지한다. 그러나 이러한 종류의 작동모드는 하기와 같은 몇가지 결점이 있다.
1. 상기 가열유닛(12)은 전열 또는 열전달유로 가열하는 것과 무관하게 모두 외부설비가 가열원을 제공하기에 에너지를 소비하고 가열비용을 부담해야 한다.
2. 상기 가열유닛(12)이 열전달유를 사용하여 가열할 경우 또한 누출 가능성이 존재하고, 황산-과산화수소 용액과 열전달제(예를 들어 열전달유)가 격렬한 반응을 하게 되면 더욱 큰 2차적 위험이 발생하게 된다.
3. 상기 냉각수 열교환기(14)는 물을 냉각제로 하기에 상기 반응조(13) 내부에 분포된 열교환기에 누출이 발생하게 되면 탱크 바디의 내부에 강한 산화성 황산-과산화수소 용액이 있기에 이 황산-과산화수소 용액이 냉각수와 혼합하게 되면 별도의 희석열을 발생시켜 더욱 큰 위험을 초래하게 된다.
4. 반응조는 일반적으로 화학 저장조이고 반응하여 생성된 대량의 열 에너지 및 가스액체는 누출 및 압력 과부하의 위험을 초래하게 된다.
본 고안은 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치를 제공하는바, 일반적인 황산-과산화수소 용액으로 과산화수소를 제거하려고 할 경우, 반응제를 선택하여 첨가하면 과산화수소를 산소 및 물로 분해시킬 수 있고, 분해과정에서 방열하여 상기 용액의 온도가 상승되며, 본 고안은 온도가 상승된 용액을 열매체로 하여 예열 처리 전의 황산-과산화수소 용액으로 한다. 이렇게 함으로써 열 에너지를 효과적으로 이용하고 위험의 발생도 방지할 수 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 고안은 반응열 회수 가열기, 반응조, 열저장조 및 액체 저장통을 포함하고, 상기 반응열 회수 가열기는 밀폐된 탱크 바디 및 내부에 분포된 적어도 한 조의 열 교환관을 구비하며, 상기 탱크 바디에 별도로 제1 액체 수송관 및 제2 액체 수송관이 연결되고, 황산-과산화수소 용액은 상기 제1 액체 수송관을 거쳐 탱크 바디의 내부에 유입되며 상기 열 교환관에서 온도를 상승시킨 후 상기 제2 액체 수송관으로부터 유출되고; 상기 반응조에 별도로 상기 제2 액체 수송관, 적어도 하나의 반응제 공급관, 기체 배출관 및 제3 액체 수송관이 연결되며, 상기 황산-과산화수소 용액은 상기 제2 액체 수송관을 거쳐 탱크 바디의 내부에 유입되고 상기 반응제 공급관이 공급한 반응제와 반응한 후 반응 생성물이 상기 제3 액체 수송관으로부터 유출되고, 상기 열저장통에 상기 제3 액체 수송관, 제4 액체 수송관 및 펌프가 연결되며, 반응 후의 열반응 생성물이 상기 제3 액체 수송관을 거쳐 상기 열저장조에 유입되고, 다시 상기 펌프의 가압에 의해 상기 반응열 회수 가열기의 상기 열 교환관의 내부로 수송하며; 상기 액체 저장통에 제5 액체 수송관 및 배출관이 연결되고, 상기 제5 액체 수송관이 상기 열 교환관의 출구에 연결되며, 열교환을 진행하여 온도가 하강된 반응 생성물을 상기 액체 저장통에 유입시켜 수집냉각한 후 다시 상기 배출관으로부터 유출된다.
또한, 본 고안은 상기 반응조의 내부에 열 교환관을 더 포함하고, 상기 액체 저장통에 별도로 제6 액체 수송관 및 제7 액체 수송관이 연결되며, 상기 제6 액체 수송관은 상기 반응조의 열 교환관의 입구에 연결되고 상기 제7 액체 수송관은 상기 열 교환관의 출구에 연결되며, 이로써 상기 반응조 내부의 온도를 하강시키기 위한 상기 액체 저장통 내부에서 냉각한 후의 반응 생성물을 냉매체로 할 수 있다.
본 고안의 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치는 과산화수소를 제거한 후 과열된 반응 생성물을 상기 반응열 회수 가열기 중의 열매체로 하고, 냉각한 후의 반응 생성물을 상기 액체 저장통 내부에 수집하여 반응조 중의 냉매체로도 사용할 수 있어 에너지를 효과적으로 이용하는 것 외에 통상적인 가열비용을 감소시키며, 파이프라인에 누출이 발생하게 되면 각 탱크 바디의 내부의 용액 성질이 근접하여 중대한 위험이 발생하지 않을 뿐만 아니라 본 고안의 회수처리 장치의 안전성을 더욱 향상시킬 수 있다.
도 1은 종래의 황산-과산화수소 용액 처리구조의 모식도이다.
도 2는 본 고안의 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치의 모식도이다.
도 3은 본 고안의 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치 작동모드의 모식도이다.
이하, 도면 및 부품 부호를 배합하여 본 고안의 실시양태에 대하여 더욱 상세한 설명을 하여, 본 고안이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 명세서를 열독한 후 이에 따라 실시할 수 있도록 한다.
도 2는 본 고안의 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치의 모식도이고, 본 고안은 반응열 회수 가열기(2), 반응조(3), 열저장조(4) 및 액체 저장통(5)을 포함한다.
상기 반응열 회수 가열기(2)는 주로 회수처리하고자 하는 황산-과산화수소 용액을 예열처리하기 위한 것이고, 예를 들어 온도를 40~60℃까지 상승시켜 후속적인 화학반응을 순조롭게 진행하도록 한다. 여기서 사용하는 열매체란 상기 황산-과산화수소 용액으로부터 과산화수소를 제거한 후 과열된 반응 생성물을 가리키는 것이고, 상기 반응 생성물은 용액으로 주요성분은 황산, 부분적으로 잔류된 반응 또는 기타 반응 생성물이다. 상기 반응열 회수 가열기(2)는 탱크 바디(21) 및 적어도 한 조의 열 교환관(22)을 포함하고, 상기 탱크 바디(21)의 내부에 다수의 격판(211)이 구비되며, 탱크 바디의 내부의 간격을 서로 연통시키며 유동 경로의 길이를 연장시키는 과열 유로(212)를 구비하고, 상기 열 교환관(22)도 상기 과열 유로(212)의 내부에 분포되며, 상기 열 교환관(22) 내부의 열매체가 바로 과열된 반응 생성물이다. 또한, 상기 탱크 바디(21)의 내부와 서로 연통된 것은 제1 액체 수송관(61) 및 제2 액체 수송관(62)이고, 상기 제1 액체 수송관(61)은 황산-과산화수소 용액을 공급하여 탱크 바디의 내부에 유입시키며 상기 제2 액체 수송관(62)은 예열 및 과열된 처리하고자 하는 상기 황산-과산화수소 용액을 수송한다. 또한, 상기 열 교환관(22) 입구와 서로 연결된 것은 제4 액체 수송관(64)이고 출구와 서로 연결된 것은 제5 액체 수송관(65)이다.
상기 반응조(3)는 밀폐된 용기이고, 황산-과산화수소 용액이 화학반응을 진행하여 과산화수소를 제거하는 반응실이다. 과산화수소가 분해되면 대량의 산소를 생성하여 기포가 가득차게 되므로 탱크 바디의 내부에 특정공간을 미리 남겨두어 기체를 수집하도록 하여 반응과정의 안전을 확보해야 한다. 상기 반응조(3)의 형태는 긴 원통 형상을 나타내고 탱크 바디의 내부에 용액을 유입시킨 후 기체와 액체의 체적비는 1.5보다 크다. 상기 반응조(3) 내부에는 별도로 주로 온도를 하강시키고 반응과정에서 용액의 온도가 지나치게 상승함으로써 발생하게 되는 위험을 방지하기 위한 적어도 한 조의 열 교환관(31)을 구비한다.
또한, 상기 반응조(3) 내부를 연통시키는 파이프라인은 상기 제2 액체 수송관(62), 적어도 하나의 반응제 공급관(71), 적어도 하나의 기체 배출관(81) 및 제3 액체 수송관(63)을 포함한다. 상기 반응제 공급관(71)이 적시에 반응제를 상기 반응조(3) 내부에 공급하기 위한 반응제 공급유닛(72) 및 펌프(73)에 연결된다. 상기 황산-과산화수소 용액은 제2 액체 수송관(62)을 거쳐 탱크 바디의 내부에 유입되어 상기 반응제 공급관(71)에서 공급하는 반응제와 반응한 후, 과산화수소의 분해반응이 발열반응이기에 산소를 생성시키고 용액의 온도를 상승시키며, 과량의 산소는 상기 기체 배출관(81)으로부터 배출되고 과열된 상기 반응 생성물은 상기 제3 액체 수송관(63)으로부터 유출된다. 상기 기체 배출관(81)에 별도로 공기 공급관(82)이 연결되고 조절 가능한 댐퍼(83, 84)가 설치되어 있으며, 상기 조절 가능한 댐퍼(83, 84)를 통제하여 상기 기체 배출관(81)의 고밀도 산소와 상기 공기 공급관(82)의 공기를 혼합시켜 산소농도를 하강시켜 안전한 배출을 확보한다.
상기 열저장조(4)는 과열된 상기 반응 생성물을 수집하기 위한 것으로 보온효과가 탁월한 밀폐용기이다. 상기 열저장조(4) 내부와 서로 연통된 것은 상기 제3 액체 수송관(63) 및 제4 액체 수송관(64)이고 상기 제4 액체 수송관(64)에 별도로 펌프(641)가 설치되어 있다. 상기 제3 액체 수송관(63)을 거쳐 상기 반응조(3) 내부의 열반응 생성물이 상기 열저장조(4) 내부에 유입되고, 이후 다시 적시에 상기 펌프(641)의 가압에 의해 상기 제4 액체 수송관(64)을 거쳐 상기 반응열 회수 가열기(2)의 상기 열 교환관(22) 내부로 수송한다.
상기 액체 저장통(5)은 상기 황산-과산화수소로부터 과산화수소를 제거하고 온도가 하강된 상기 반응 생성물 용액을 수집하기 위한 것이다. 상기 액체 저장통(5)의 용적은 상기 반응조(3)에 비해 크고, 양자의 체적비는 수십 배에 달할 수 있다. 상기 액체 저장통(5)은 주로 탱크 바디의 표면적을 통하여 환경과 접촉하여 온도를 자연스럽게 하강시키고, 대용량의 설계는 탱크 바디의 내부의 온도의 상승속도를 지연시킨다. 상기 액체 저장통(5)과 서로 연통된 파이프라인은 상기 제5 액체 수송관(65), 액체 배출관(66), 제6 액체 수송관(67) 및 제7 액체 수송관(68)이다. 상기 제5 액체 수송관(65)은 상기 열 교환관(22) 내부에서 열교환 작용을 진행하여 온도가 하강된 반응 생성물을 상기 액체 저장통(5) 내부로 수송하고, 환경의 자연냉각으로 탱크 바디의 내부의 액체 온도를 진일보로 하강시켜 일정량의 수량을 수집한 후 다시 상기 액체 배출관(66)으로부터 배출 또는 회수하여 재활용한다.
또한, 상기 액체 저장통(5) 내부의 반응 생성물은 냉매체로 상기 반응조(3)의 열 교환관(31) 내부의 순환액체일 수 있다. 상기 제6 액체 수송관(67)은 상기 반응조(3) 내부의 열 교환관(31)의 입구에 연결되고 상기 제7 액체 수송관(68)은 상기 열 교환관(31)의 출구에 연결되며, 상기 제6 액체 수송관(67)에 펌프(671)가 설치되어 있고, 펌프(671)가 적시에 반응 생성물을 공급하여 상기 열 교환관(31) 내부에 유입된다. 상기 열 교환관(31)의 주요 목적은 냉각시키는 것이 아닌 온도를 하강시키는 것으로, 상기 반응조(3) 내부의 용액온도를 적시에 70~90℃로 유지시키면 되고 용액은 끊임없이 지속적으로 순환하는 것이 아니며 게다가 상기 액체 저장통(5)의 용적이 크기에 환경의 자연냉각을 이용하면 탱크 바디 내부의 액체 온도가 지나치게 빠르게 상승하여 온도의 하강에 영향주는 것을 방지한다.
계속하여 본 고안의 실제 작동모드에 대해 설명하기로 한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 처리하고자 하는 황산-과산화수소 용액은 상기 제1 액체 수송관(61)을 거쳐 상기 반응 열회수 가열관(2) 내부에 유입되고, 이때 관 내부의 용액온도는 약 25℃이다. 상기 탱크 바디(21) 내부의 열 교환관(22)의 내부에 사전 처리되어 생성된 열반응 생성물이 존재하고, 상기 황산-과산화수소 용액은 과열 유로(212)를 거쳐 끊임없이 상기 열 교환관(22)과 열전달 및 열대류를 진행하며, 상기 제2 액체 수송관(62)을 거쳐 상기 반응조(3)의 내부에 유입될 시의 온도는 약 60℃에 달할 수 있다. 상기 반응조(3) 내부의 황산-과산화수소 용액이 상기 반응제 공급관(71)이 공급한 반응제와 반응하고, 과산화수소의 분해반응은 발열반응이기에 탱크 바디 내부의 액체 온도는 70℃~90℃에 달할 수 있으며, 생성된 산소는 상기 기체 배출관(81)으로부터 배출되고 반응후 주로 잔여한 반응 생성물은 황산 용해도이고 온도는 90℃에 달할 수 있으며; 상기 반응 생성물은 상기 제3 액체 수송관(63)을 거쳐 상기 열저장조(4) 내부에 유입되고, 다시 상기 제4 액체 수송관(64)에서 열 교환관(22) 내부로 수송한다. 상기 열반응 생성물이 상기 열 교환관(22)이 탱크 바디(21)에서 끊임없이 유동하고 열 교환을 진행하는 것에 따라 상기 제5 액체 수송관(65)을 거쳐 유출될 시 온도는 약 30℃까지 하강할 수 있으며, 이후 다시 상기 액체 저장통(5)에 의해 수집되고 이용되며, 탱크 바디의 표면적을 통하여 환경과 접촉하여 온도가 자연스럽게 하강된다. 또한, 상기 액체 저장통(5) 내부의 반응 생성물은 냉매체로 상기 반응조(3)의 열 교환관(31)에 수송되어 상기 반응조(3) 내부의 온도가 지나치게 상승되는 것을 방지하며 교환관(31)을 거쳐 액체 저장통(5)에 역류된 용액온도는 약 40℃이다. 원칙적으로 통제 반응 속도 및 상기 액체 저장통(5)의 대용량의 설계를 통과하여 액체 저장통(5) 내부의 액체 상온을 약 20~30℃로 유지시킬 수 있다. 황산-과산화수소 용액 회수처리가 끊임없이 진행되지만 상기 액체 저장통(5)의 온도 하강속도가 이를 따르지 못할 경우 한 조의 선풍기를 액체 저장통(5)의 주변에 추가하여 온도를 하강시키고 발열효과를 향상시키면 가능하다.
상기 내용을 종합해 보면, 본 고안의 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치는 사용과정에서 하기 몇가지 포인트를 구비한다.
1. 반응열 회수 가열기를 이용하여 상기 황산-과산화수소 용액의 예열처리를 진행하고, 열원은 반응조가 과산화수소를 분해하는 과정에서 생성된 반응열이며 이는 에너지를 효과적으로 이용할 수 있다.
2. 열반응 생성물을 열매체로 이용하면 반응열 회수 가열기 내부의 열 교환관에 넘침이 발생하게 되고 반응 생성물의 주요성분이 황산이기에 반응열 회수 가열기 내부의 황산-과산화수소 용액과 혼합되어 중대한 위험이 발생하지 않는다.
3. 열 교환관을 거쳐 온도를 하강시킨 후의 반응 생성물을 효과적이고 안전하게 저장하고, 이러한 종류의 온도 하강방식은 상대적으로 안전하다.
4. 상기 액체 저장통으로 냉각한 반응 생성물을 수집하여 진일보로 다시 냉매체로 사용할 수 있어 첫째로는 에너지를 절감하고 둘째로는 파이프라인의 누출에 의한 위험을 방지할 수 있다.
5. 조절 가능한 댐퍼를 이용하고 기체 배출관 및 공기 공급관을 배합하면 고농도의 산소를 배출하고 농도를 하강시켜 안전한 배출을 확보할 수 있다.
상기 모든 내용은 단지 본 고안의 바람직한 실시예일 뿐, 이에 의해 본 고안의 실시의 범위가 한정되는 것이 아니다. 본 고안이 보호하고자 하는 범위 내에서 진행되는 균등한 변화 및 수식은 모두 본 고안의 보호범위에 포함되어야 할 것이다.
11: 용기 111: 관 12: 가열유닛
13: 반응조 131: 관 132: 관
14: 냉각수 열교환기 15: 반응제 공급유닛 151: 관
2: 반응열 회수 가열기 21: 탱크 바디
211: 격판 212: 과열 유로 22: 열 교환관
3: 반응조 31: 열 교환관
4: 열 저장조 5: 액체 저장통
61: 제1 액체 수송관 62: 제2 액체 수송관
63: 제3 액체 수송관 64: 제4 액체 수송관 641: 펌프
65: 제5 액체 수송관 66: 배수관 67: 제6 액체 수송관
671: 펌프 68: 제7 액체 수송관
71: 반응제 공급관 72: 반응제 공급유닛 73: 펌프
81: 기체 배출관 82: 공기 공급관
83: 조절 가능 댐퍼 84: 조절 가능 댐퍼

Claims (4)

  1. 밀폐된 탱크 바디 및 내부에 분포된 적어도 한 조의 열교환관을 구비하고, 상기 탱크 바디에 별도로 제1 액체 수송관 및 제2 액체 수송관이 연결되며, 황산-과산화수소 용액은 상기 제1 액체 수송관을 거쳐 탱크 바디의 내부에 유입되고 상기 열교환관에서 온도를 상승시킨 후 상기 제2 액체 수송관으로부터 유출되는 반응열 회수 가열기와;
    상기 제2 액체 수송관, 적어도 하나의 반응제 공급관, 기체 배출관 및 제3 액체 수송관이 연결되고, 상기 황산-과산화수소 용액은 상기 제2 액체 수송관을 거쳐 탱크 바디의 내부에 유입되어 상기 반응제 공급관에서 공급하는 반응제와 반응한 후 잔여물 및 과열된 반응 생성물이 상기 제3 액체 수송관을 거쳐 유출되는 반응조와;
    상기 제3 액체 수송관, 제4 액체 수송관 및 펌프가 연결되고, 상기 반응 생성물이 상기 제3 액체 수송관을 거쳐 내부에 유입되며, 다시 상기 펌프의 가압에 의해 상기 제4 액체 수송관을 거쳐 상기 반응열 회수 가열기의 상기 열교환관의 내부로 수송하는 열저장조; 및
    제5 액체 수송관 및 배출관이 연결되고, 상기 제5 액체 수송관의 타단이 상기 열교환관의 출구에 연결되며, 열교환을 진행하여 온도가 하강된 반응 산물을 내부로 유입시켜 수집한 후 다시 상기 배출관으로부터 유출되는 액체 저장통을 포함하는 것을 특징으로 하는 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 반응조의 내부에 적어도 한 조의 열교환관을 구비하고, 상기 액체 저장통에 별도로 제6 액체 수송관 및 제7 액체 수송관이 연결되며, 상기 제6 액체 수송관은 상기 반응조의 열교환관의 입구에 연결되고 상기 제7 액체 수송관은 상기 열교환관의 출구에 연결되는 것을 특징으로 하는 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반응열 회수 가열기의 상기 탱크 바디의 내부에 다수의 격판이 구비되며, 탱크 바디의 내부의 간격을 서로 연통시키며 유동 경로의 길이를 연장시키는 과열 유로를 구비하고, 상기 열교환관도 상기 과열 유로의 내부에 분포되는 것을 특징으로 하는 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 반응조는 밀폐된 긴 원통 형상을 나타내고, 탱크 바디의 내부의 기체와 액체의 체적비는 1.5 보다 큰 것을 특징으로 하는 황산-과산화수소 용액 회수처리 장치.
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