KR20110059591A - 기체 화합물의 혼합물로부터의 가스 성분의 회수 - Google Patents
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Abstract
기체 화합물들의 혼합물로부터 하나 이상의 불소-함유 화합물을 포함하는 가스 성분을 회수하기 위한 방법이 개시된다. 상기 방법은 분리 영역(12)에서, 하나 이상의 불소-함유 성분을 포함하는 제1 가스 성분이 상기 가스 성분들의 나머지를 포함하는 제2 가스 성분으로부터 분리되도록, 하나 이상의 불소-함유 성분을 포함하는 가스 성분의 혼합물을 중합체 화합물을 포함하는 가스 투과성 분리 매개체(16)와 접촉하도록 하는 단계를 포함한다. 상기 제1 가스 성분은 투과물(34) 또는 잔류물로서 상기 분리 영역으로부터 추출되고, 상기 제2 가스 성분은 상기 제1 가스 성분이 투과물로서 추출될 때, 잔류물(26)로서 상기 분리 영역으로부터 상기 제2 가스 성분을 추출하고, 상기 제1 가스 성분이 잔류물로서 추출될 때, 투과물로서 상기 분리 영역으로부터 상기 제2 가스 성분을 추출하는 단계를 포함한다.
Description
본 발명은 기체 화합물들의 혼합물로부터 하나 이상의 불소-함유 화합물을 포함하는 가스 성분의 회수에 관한 것이다. 이는 특히, 이러한 회수를 달성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
불소-함유 기체 화합물의 혼합물을 상업적 기반에서 각각의 화합물들로 분리하는 것은 어렵다. 예를 들어, 불소-함유 화합물들의 위험한 성질과 일반적으로 채용되는 극저온 분리 과정과 관련된 어려움들 때문에, 하나 이상의 원하는 불소-함유 기체 화합물의 기체 혼합물로부터 회복하는 것이다. 지금까지, 그러한 분리가 주로 분리 칼럼(column) 또는 유사한 것에서 효과적이었다. 이제, 지금까지 수행된 것보다 그러한 분리를 더 경제적이고 더 효과적으로 달성하는 것이 요구되고, 그러므로 이를 달성하기 위한 과정을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.
본 발명의 제1 측면에 따르면, 기체 화합물들의 혼합물로부터 하나 이상의 불소-함유 화합물을 포함하는 가스 성분을 회수하기 위한 방법이 제공된다. 상기 과정은 다음을 포함한다.
분리 영역에서, 하나 이상의 불소-함유 성분을 포함하는 제1 가스 성분이 상기 가스 성분들의 나머지를 포함하는 제2 가스 성분으로부터 분리되도록, 하나 이상의 불소-함유 성분을 포함하는 가스 성분의 혼합물을 중합체 화합물을 포함하는 가스 투과성 분리 매개체와 접촉하도록 하는 단계;
투과물(permeate) 또는 잔류물(retentate)로서 상기 분리 영역으로부터 상기 제1 가스 성분을 추출하는 단계; 및
상기 제1 가스 성분이 투과물로서 추출될 때, 잔류물로서 상기 분리 영역으로부터 상기 제2 가스 성분을 추출하고, 상기 제1 가스 성분이 잔류물로서 추출될 때, 투과물로서 상기 분리 영역으로부터 상기 제2 가스 성분을 추출하는 단계.
상기 가스 성분이 적어도 원리상, 서로 혼합되는 복수의 다른 가스 불소-함유 성분들, 또는 복수의 불소-미함유 성분들과 혼합되는 단일 불소-함유 성분들, 또는 복수의 가스 불소-함유 가스 성분들 및 복수의 가스 불소-미함유 성분들일 수 있는 동시에, 본 발명은 2원 가스 혼합물들 즉, 서로 혼합되는 두 개의 다른 가스 불소-함유 성분들, 또는 단일 가스 불소-미함유 성분과 혼합되는 단일 가스 불소-함유 성분들로 구성되는 가스 혼합물들에 특별한 응용이 될 수 있음을 알 수 있다.
상기 가스 성분들은 화합물들 또는 원소들의 형태일 수 있다. 그러나, 상기 불소-함유 성분은 보통 화합물의 형태가 될 것이다.
그러므로, 상기 가스 혼합물은 둘 이상의 다른 유기 불소-함유 화합물들 또는 플루오로카본(fluorocarbon)들을 포함할 수 있다. 상기 가스 플로오로카본들은 서로 혼합되는 테트라플루오라이드(CF4), 테트라플루오로에탄(C2F4), 헥사플루오로에탄(C2F6), 헥사플루오로프로필렌(C3F6), 옥타플루오로프로판(C3F8) 및 옥타플루오로부틸렌 및 이들의 이성질체들(C4F8-이성질체들)로부터 선택될 수 있다. 이와 함께, 다소 순수 상태에서 이러한 기체 화합물들 중 적어도 하나를 회수하는 것이 요구된다. 예를 들어, 상기 가스 혼합물은 서로 혼합되는 CF4 및 C3F6을 포함하는 2원 가스 혼합물일 수 있다. 이와 함께, 이 화합물들 중 하나 또는 둘 다를 회수하는 것이 요구된다. 그러나, 그 대신 상기 가스 혼합물은 상술한 바와 같이, N2, 공기, Ar 및 He와 같은 하나 또는 그 이상의 비활성 가스와 혼합하는 단일 가스 플루오로카본을 포함할 수 있다. 이와 함께 자연적으로 상기 불소-함유 기체 화합물을 회수하는 것이 요구된다.
특히, 분리 매개체는 확산 멤브레인과 같은 멤브레인을 포함할 수 있다. 상기 멤브레인의 적어도 일부 또는 일영역은 예를 들어, 비다공성 불화중합체일 수 있는 중합체 화합물을 함유하거나 포함할 수 있다. 특히, 상기 멤브레인은 베이스 또는 지지물 중 하나 이상의 외면이 중합체 화합물로 코팅되는 것인, 섬유성 재료의 베이스 또는 지지물을 포함할 수 있다. 그 대신, 상기 베이스 재료의 영역에는 상기 중합체 화합물을 완전히 또는 부분적으로 함침시킬 수 있다. 상기 베이스의 함침 영역은 베이스의 전체 두께를 차지하거나 하나의 층일 수 있다. 이는 상기 베이스 측면에 있을 수 있거나 상기 베이스의 일면에 인접할 수 있다. 그러므로, 상기 다공성 베이스는 폴리아크릴로니트릴(PAN) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)과 같은 복수의 섞인 재료의 필라멘트들 또는 섬유들을 포함할 수 있다. 하나 이상의 다공성 베이스 표면은 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)일 수 있는 비다공성 불화중합체 화합물로 코팅되거나 함침된다. 바람직하게는, 상기 베이스의 면들 중 하나만이 상기 중합체 화합물로 코팅되거나 함침될 때, 상기 코팅 또는 함침된 표면은 다루어지는 상기 가스 혼합물에 대해 상류를 향한다.
상기 가스 혼합물이 제1 및 제2 성분들로 분리되는 동안 상기 방법은 상기 분리 영역에서 온도를 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 그러므로, 상기 분리 영역은 극저온으로부터 상승된 온도 또는 대기 온도 이상까지의 범위의 선택된 온도에서 제어될 수 있다. 더욱 상세하게는, 상기 분리 영역은 -100℃와 +200℃ 사이의 예정된 온도에서 제어될 수 있고, 더욱 바람직하게는 -40℃와 50℃ 사이, 예를 들어 약 25℃에서 제어될 수 있다.
또한, 상기 방법은 상승된 압력에서 분리 영역, 멤브레인의 상류를 유지하거나 제어하는 단계를 포함할 수 있다. 그러므로, 상기 방법은 상승된 압력에서 상기 분리 영역 내로 상기 가스 혼합물을 공급하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 상승된 압력이 200bar(a) 까지 올라갈 수 있지만, 이는 더 전형적이게는 0bar(a)와 10bar(a) 사이일 수 있다. 압력 게이지에 표시되듯이 대기에 상대적으로 측정되는 압력이고 참조 부호 ‘g’로 나타나는 게이지 압력과 비교하여, 참조 부호 ‘a’는 “절대 압력”이다. 필요하다면, 예를 들어 상기 가스 혼합물 공급 압력이 충분히 높다면, 상기 멤브레인은 예를 들어 소결된 금속, 세라믹, 또는 중합체 지지물 상에 기계적으로 지지되어야 한다.
바람직하게는, 상기 분리 영역, 상기 멤브레인의 상류의 압력은 1kPa(a)과 400kPa(a) 사이의 값에서 유지되거나 제어될 수 있다. 상기 멤브레인을 가로질러 압력 강하 즉, 막 차압이 있을 것이라는 것을 이해하여야 한다. 상기 막 차압 또는 멤브레인 압력 강하는 0kPa과 400kPa 사이에서 변할 수 있다. 바람직하게는, 상기 가스 혼합물 공급 압력은 대기압 이상인 30kPa 즉, 30kPa(g)에서 400 kPa(a)까지의 범위에 있다. 상기 멤브레인 압력 강하는 10kPa에서 400kPa까지의 범위에 있을 수 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 상기 분리 영역은 제2 분리 영역과 함께, 적어도 일부는 제공되는 중합체 화합물을 포함하는 멤브레인을 포함하는 제1 분리 영역이고, 상기 제2 분리 영역은 상기 제1 분리 영역의 멤브레인에 비해 상기 불소-함유 성분에 대해 다른 유속 및/또는 다른 선택도를 갖는다. 상기 방법은 다음을 포함할 수 있다.
하나 이상의 불소-함유 성분에 더하여, 오염물로서 하나 이상의 다른 가스 성분을 또한 포함하는 제1 가스 성분과 함께, 가스 성분의 혼합물을 상기 제1 분리 영역으로 도입하는 단계;
상기 제1 가스 성분을 상기 제2 분리 영역으로 공급하는 단계; 및
상기 제2 분리 영역으로부터, 투과물 또는 잔류물로서, 상기 제1 가스 성분보다 더 높은 불소-함유 성분의 농도를 갖는 제2 가스 성분을 추출하는 단계.
예를 들어, 상기 제2 분리 영역의 멤브레인은 상기 제1 분리 영역의 멤브레인에 비해 상기 불소-함유 성분에 대해 더 낮은 유속과 더 높은 선택도를 가질 수 있다. 그러면, 상기 방법은 더 높은 압력에서 상기 가스 성분들의 혼합물을 상기 제1 분리 영역 내로 인도하는 단계; 상기 제1 분리 영역에서 높은 막 차압 또는 멤브레인 압력 강하를 포함할 수 있는, 작동 조건들의 제1 세트를 유지하는 단계; 상기 가스 성분들의 혼합물이 제1 분리 영역 내로 도입되는 것보다 더 낮은 압력에서 제1 가스 성분을 제2 분리 영역 내로 공급하는 단계; 및 제1 분리 영역에서, 제1 분리 영역에서보다 더 낮은 멤브레인 압력 강하를 포함할 수 있는, 작동 조건들의 제2 세트를 유지하는 단계를 포함할 수 있다.
제2 분리 영역의 멤브레인이 예를 들어, 그 베이스, 중합체 화합물의 함침 또는 코팅, 필라멘트들의 재료, 그리고 중합체 화합물의 구성의 관점에서, 상기 제1 분리 영역의 멤브레인과 유사할 수 있지만, 필수적으로 유사할 필요는 없다.
그러나, 제2 분리 영역의 멤브레인은 제1 분리 영역의 멤브레인에 비해 원하는 불소-함유 성분에 대한 더 낮은 유속 및 더 높은 선택도를 갖는다.
본 발명의 이러한 실시예에서, 상기 제2 분리 영역이 정밀한 단계 또는 과정을 구성하는 반면, 상기 제1 분리 영역은 대략적인 단계 또는 과정을 구성할 것이다.
그 후, 상기 방법은 하나 이상의 유사한 분리 영역을 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 불소-함유 성분에 대해 다른 유속들 및/또는 다른 선택도들을 갖는 다른 분리 영역들의 멤브레인과 연이어 배열되는 복수의 더 유사한 분리 영역들을 포함할 수 있다. 상기 불소-함유 성분에 대해 다른 유속들 및/또는 선택도들을 갖는 다른 분리 영역들의 멤브레인들 대신, 또는 부가하여, 상기 다른 분리 영역들은 특히 온도, 압력 및/또는 막 차압 또는 멤브레인 압력 강하의 관점에서, 변화하는 상태들 하에서 더 높은 결합된 분리 효율 및 상기 불소-함유 성분의 수득률을 얻도록 작동될 수 있다. 특히, 상기 분리 영역들은 역류 재순환 캐스케이드 방식으로 배열될 수 있다.
더 상세하게는, 상기 케스케이드 배열은 복수의 분리 영역들을 포함하는 각 영역들과 함께, 부유(enriching) 영역과 제거(stripping) 영역을 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 상기 방법은 제1 가스 성분을 더 많은 과정, 즉, 증류하는 것, 상기 불소-함유 화합물의 생산 또는 분리 효율을 향상시키는 것, 또는 하나의 불소-함유 화합물을 다른 것으로부터 분리하도록 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 그러면, 상기 방법은 기체 화합물들의 혼합물을 생산하는 단계를 포함할 수도 있다.
예를 들어, 상기 방법은 칼슘 플루오라이드 및 탄소를 플라즈마 발생/소멸 단계에서 C2F4, C2F6, C3F6 및 CF4를 포함하는 가스 생산물 화합물들을 생산하도록 반응시키는 단계; C2F4, C2F6 및 C3F6를 포함하는 가스 혼합물을 얻기 위해 가스 혼합물을 약간의 정제 및/또는 분리로 생산되도록 수행하는 단계; C2F4와 C3F6의 혼합물로부터 C2F6를 분리하기 위해 상기 분리 영역에서 이러한 가스 혼합물을 처리하도록 수행하는 단계; 및 분리 생산물로서 C2F4와 C3F6를 얻기 위해 C2F4와 C3F6의 혼합물을 증류되도록 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
각각의 멤브레인은 평평한 멤브레인, 중공형 섬유 멤브레인, 나선형으로 감긴 멤브레인 또는 다른 것일 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 본 발명의 제1 측면의 방법을 수행하기 위한 장치가 제공된다. 상기 장치는 다음을 포함한다.
상기 분리 영역 내로 이어지는 가스 입구, 상기 분리 영역으로부터 나오는 투과물 출구 및 상기 분리 영역으로부터 나오는 잔류물 출구를 구비하는 분리 영역을 제공하는 분리 모듈;
상기 가스 입구 및 잔류물 출구는 상기 멤브레인의 일측 상에 위치하고, 상기 투과물 출구가 상기 멤브레인의 또 다른 측 상에 위치하도록 상기 분리 모듈의 분리 영역 내에 위치하는, 중합체 화합물을 포함하는 하나 이상의 영역인 가스 투과성 멤브레인.
상기 멤브레인은 상기에서 설명된 것일 수 있다.
상기 장치는 상기 분리 영역 내의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 수단을 포함할 수 있다. 상기 온도 제어 수단은 또한 예를 들어, 상기 분리 영역 온도를 제어하는 것과 동시에, 상기 멤브레인의 온도를 제어하도록 채용될 수 있다.
상기 장치는 상기 분리 영역, 적어도 상기 멤브레인의 상류의 압력을 제어하기 위한 압력 제어 수단을 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 동반되는 도면들을 참조하여 여기서 설명될 것이다.
도 1은 기체 화합물들의 혼합물로부터 하나 이상의 불소-함유 화합물을 포함하는 가스 성분을 회수하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 장치를 도식화하여 나타낸 도면이다.
도 2는 기체 화합물들의 혼합물로부터 하나 이상의 불소-함유 화합물을 포함하는 가스 성분을 회수하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 방법을 실현하기 위해 사용된 실험 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 예 1에 대한, 다양한 멤브레인 압력들을 위한 N2 유속 밀도 또는 투과에 대한 공급 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 4는 예 1에 대한, N2 투과에 대한 멤브레인 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 5는 예 2에 대한, CF4 투과에 대한 공급 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 6은 예 2에 대한, CF4 투과에 대한 멤브레인 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 7은 예 3에 대한, C3F6 투과에 대한 공급 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 8은 예 3에 대한, C3F6 투과에 대한 멤브레인 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 9는 예 4에 대한, CF4 대비 N2의 선택도를 나타내는 도면이다.
도 10은 예 4에 대한, N2 대비 C3F6의 선택도를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다단계 방법을 단순화된 플로우 다이어그램 형식으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼성 방법을 또한 단순화된 플로우 다이어그램 형식으로 나타내는 도면이다.
도 2는 기체 화합물들의 혼합물로부터 하나 이상의 불소-함유 화합물을 포함하는 가스 성분을 회수하기 위한 본 발명의 제1 측면에 따른 방법을 실현하기 위해 사용된 실험 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 예 1에 대한, 다양한 멤브레인 압력들을 위한 N2 유속 밀도 또는 투과에 대한 공급 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 4는 예 1에 대한, N2 투과에 대한 멤브레인 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 5는 예 2에 대한, CF4 투과에 대한 공급 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 6은 예 2에 대한, CF4 투과에 대한 멤브레인 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 7은 예 3에 대한, C3F6 투과에 대한 공급 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 8은 예 3에 대한, C3F6 투과에 대한 멤브레인 압력의 영향을 나타내는 도면이다.
도 9는 예 4에 대한, CF4 대비 N2의 선택도를 나타내는 도면이다.
도 10은 예 4에 대한, N2 대비 C3F6의 선택도를 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 다단계 방법을 단순화된 플로우 다이어그램 형식으로 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 혼성 방법을 또한 단순화된 플로우 다이어그램 형식으로 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 참조 번호 10은 기체 화합물들의 혼합물로부터 하나 이상의 불소-함유 화합물을 포함하는 가스 성분을 회수하기 위한 본 발명의 제2 측면에 따른 장치를 나타낸다.
상기 장치(10)는 가스 투과성 확산 멤브레인(14)이 내부에 위치하는, 일반적으로 참조 번호 12로 나타나는 분리 모듈을 포함한다. 상기 멤브레인(14)은 PTFE로 코팅되거나 함침된 멤브레인의 상류면(16)을 구비한, 짜여진 폴리아크릴로니트릴 필라멘트 또는 섬유의 다공성 베이스를 포함한다. 상기 모듈(12)은 상기 모듈 내의 온도가 원하는 또는 설정된 값을 유지할 수 있도록 온도 제어 유닛(18)에 의해 둘러싸여진다.
압력 조절기(22) 및 유량 제어기(24)가 설치되는 가스 혼합물 공급 라인(20)은 상기 멤브레인(14)의 상류측 상에서 상기 모듈(12) 내로 들어간다.
잔류물 추출 라인(26)은 상기 모듈(12)로부터 특히, 상기 멤브레인(14)의 상류로부터 이어진다. 상기 라인(26)에는 압력 게이지(28), 후방 압력 조절기(30), 및 유속 미터기(32)가 설치된다.
투과물 추출 라인(34)은 상기 멤브레인(14)의 하류의 상기 모듈(12)로부터 이어지고, 압력 게이지(36), 후방 압력 조절기(40) 및 유속 미터기(38)가 설치된다.
사용시, 회수되어야할, 예를 들어 헥사플루오로프로필렌(C3F6)과 질소(N2)의 혼합물과 같은 불소-함유 기체 화합물을 함유하는 가스 혼합물이 상기 라인(20)을 따라 상기 모듈(12) 내로 공급된다. 필요하다면, 압축기(미도시)가 상기 라인(20)에 제공될 수 있다. 더 원한다면(미도시), 예를 들어, 질소 라인과 같은 운반기 또는 보충 가스 스트림 라인이 또한 제공될 수 있고 상기 조절기(22)의 하류의 상기 라인(20)에 결합될 것이다.
상기 모듈(12)의 둘러싸는 영역은 통풍되고, 상기 모듈 자체는 전형적으로 약 25℃의 온도가 상기 모듈 내부에서 유지되도록 온도 제어 유닛(18)에 의해 조절된다.
상기 후방 압력 조절기(30)는 필요하다면, 상기 잔류물 스트림 내의 유속 뿐만 아니라 상기 멤브레인(14) 상의 상류 압력을 조절하도록 사용될 수 있다. 상기 라인(26)을 따라 추출되는 잔류물의 하류 압력은 그 스트림이 유속 미터기(32)로 측정되는 동안 상기 압력 게이지(28)에 의해 측정된다. 이는 전형적으로 유량계(rotameter)일 수 있다. 유사하게, 상기 라인(34)을 따라 추출되는 투과물 스트림의 압력 및 부피 유량은 압력 게이지(36) 및 유속 미터기(38) 각각에 의해 측정된다. 상기 막 차압 즉, 상기 멤브레인(14) 관통 압력차 또는 압력 강하는 상기 후방 압력 조절기(40)에 의해 조절된다. 이러한 방식으로, 상기 멤브레인(14)의 투과 특성은 예를 들어, 투과 및 선택도의 관점에서 모니터링될 수 있다.
상기 라인(34)을 따라 추출된 투과물 스트림은 일관성을 위해 적절히 회수되고 예시화된다. 그리고, 예를 들어 보정된 가스 크래마토그래프(미도시)로 분석될 수 있다. 상기 라인(26)을 따라 추출된 상기 잔류물 스트림은 오프-가스(off-gas) 시스템으로 환기되거나 유사하게 수집되고 분석될 수 있다.
상기 온도 제어 유닛(18)은 원하는 온도에서 분리된 모듈의 내부를 자동 제어하기 위한 저항 가열 코일들 및 온도 조절 장치를 포함할 수 있다. 그 대신, 필요하다면 그리고 원한다면, 상기 온도 제어 유닛(18)은 원하는 온도에서 상기 분리된 모듈의 내부를 제어하기 위한 극저온 냉각 코일들을 포함할 수 있다. 그러므로, 상기 온도 제어 유닛(18)의 선택은 가스 혼합물의 가스 성분과 상기 분리 모듈(12) 내에 채용되는 분리 조건들(온도 및 압력)에 의존할 것이다.
상기 멤브레인 관통 압력차 또는 막 차압은 상기 모듈(12) 내의 선택적 분리를 위한 주된 구동자이다. 상기 압력차는 상기 공급 가스 혼합물의 구성과 원하는 분리 과정, 예를 들어 벌크 분리, 고순도 정제 또는 주된 분리 스트림의 이차적 연마에 의존하여 10 내지 400kPa의 선호되는 범위로부터 선택된다. 전형적인 값들이 아래의 예 1 내지 4에 도시되어 있다. 상기 압력차는 압력차 셀(미도시)에 의해 모니터링되는 하류 조절 밸브(40)에 의해 조절된다.
지금부터 참조되는 예 1 내지 4들은 도 2에 도시된 바와 같은 실험 장치 상에서 수행되었다. 그러므로, 도 2의 실험 장치는 기체 화합물들의 혼합물로부터 하나 이상의 불소-함유 화합물을 포함하는 가스 성분을 회수하기 위한 발명에 따른 방법을 수행하기에 적합하다.
도 1 내지 4의 목적은 다른 가스 불소-함유 화합물들의 회수의 관점에서 PTFE 코팅된 멤브레인의 선택도를 나타내는 것이었다. 단일 가스 투과 결과로부터 조합 또는 혼합물들의 상대적인 선택도들은 본 발명에 따른 전형적인 멤브레인의 분리 효율을 제1 순서의 근사치로서 나타내기 위해 계산되었다.
도 2에서, 실험 장치는 일반적으로 참조 번호 100으로 표시된다.
실험 장치(100)는 일반적으로 참조 번호 104로 표시되는 분리 모듈이 위치하는 폴리카보네이트 인클로저(enclosure) 또는 오븐(102)을 포함한다. 상기 분리 모듈(104)은 확산 멤브레인(106), 상기 멤브레인(106)의 상류측 상에 위치하는 세 개의 포트들(108, 110, 112), 및 상기 멤브레인(106)의 하류측 상에 위치하는 배출 포트(114)를 포함한다.
라인(116)은 가스 실린더(118)로부터 3-방향 밸브(120)로 이어진다. 전형적으로 고순도의 ‘스와겔록(Swagelok)’부속품들을 구비하는 고밀도 PVA 배관을 포함하는 라인(116)은 유속 제어기(122), 체크 밸브(124) 및 유속 미터기(126)가 구비된다.
다른 가스 라인(128)은 가스 실린더(130)로부터 라인(116) 내, 상기 유량 미터기(126)의 상류로 이어진다. 상기 라인(128)에는 유량 제어기(132) 및 체크 밸브(134)가 설치된다.
라인(136)은 상기 3-방향 밸브(120)로부터 상기 유입 포트(108)로 이어진다.
잔류물 추출 라인(140)은 상기 포트(110)로부터 이어지고, 압력 표시기(142), 0.5μ 필터(144), 후방 압력 조절기(146) 및 소프(soap) 유속 미터기(148)가 설치된다. 라인(140)은 예 1 내지 4의 실험동안 상기 잔류물을 환기시키도록 사용되었다.
투과물 추출 라인(150)은 배출구(114)로부터 이어진다. 또한, 상기 라인(150)은 0.5μ 필터(152) 및 후방 압력 조절기(154)가 구비된다. 상기 라인(150)은 상기 3-방향 밸브(156)으로부터 상기 3-방향 밸브(120)까지 잇는 라인(158)과 함께, 3-방향 밸브(156) 내로 이어진다. 그리고, 요구된다면, 상기 투과물 스트림의 적어도 일부분을 재순환하도록 사용될 수 있다. 라인(160)은 상기 3-방향 밸브(156)의 앞의 라인(150)으로부터 이어지고, 니들(needle) 밸브(162) 및 소프 유속 미터기(164)가 구비된다. 요구되면, 라인(160)은 상기 투과물 스트림 또는 그 일부를 환기시키기 위해 사용될 수 있다.
온도 표시기(166)가 상기 포트(112)에 설치되고 압력차 미터기(145)는 라인들(140, 150) 사이에 설치되어 상기 막 차압을 모니터링한다.
라인(168)은 상기 3-방향 밸브(156)로부터 가스 크로마토그래프(170)까지 이어지고, 니들 밸브(172)가 구비된다. 방출 라인(178)은 상기 가스 크로마토그래프(170)으로부터 이어진다.
지금부터 설명되는 도 1 내지 4의 실험들을 수행함에 있어서, 공급 가스들 중 하나는 상기 가스 실린더(118) 내에 함유되고, 상기 공급 가스들 중 다른 것은 상기 가스 실린더(130) 내에 함유되었다.
분리 모듈 또는 유닛(104)은 25℃의 온도에서 환기되고(시간당 4 내지 15의 공기 변화) 조절되는 오븐(102) 내에 동봉된다.
각 경우에서, 공급 가스 또는 공급 가스 혼합물은 유량 조절기에 의해 조절된 유속으로 상기 모듈(104) 내로 공급되고, 일정한 출구 압력을 유지한다.
질소는 참조 번호 118 또는 130과 유사한 다른 가스 실린더로부터 또는 400kPa(g) 압력에서 사이트 링 서플라이(미도시)로부터 공급되고, 다른 압력 조절기를 경유하여 유량 제어기(122 또는 132)의 상류에 결합된다.
상기 각 라인들(140, 150) 내의 후방 압력 조절기들(146, 154), 및 니들 밸브(162)는 압력차 미터기(145) 및 소프 유속 미터기(164)에 의해 모니터링되는 상기 막 차압 및 투과물 스트림의 체적 유량을 변화시키는 데에 사용되었다.
다르게는, 그리고 특히 2원 또는 3원 가스 혼합물이 사용될 때, 상기 투과물 가스는 상기 라인(168), 니들 밸브(172) 및 가스 크로마토그래프(170)로 구성된 분기 스트림에 포집되고, 상기 보정된 가스 크로마토그래프(170)에 의해 분석되었다.
사용된 멤브레인은 비다공성 테플론(Teflon) 에이 에프(AF) 2400 층으로 일면 상에 멤브레인 코팅된 폴리아크릴로니트릴(PAN: Polyacrylonitrile) 필라멘트이다. 이는 독일, 지스타흐트의 지케이에스에스 포르슝젠트룸(GKSS Forschungzentrum in Geesthacht, Germany)(케이-브이 파인만, 사적 커뮤니케이션(K-V Peinman, private communication))으로부터 이러한 목적을 얻을 수 있었다.
아래의 도 1 내지 4에서, 세 개의 가스들이 선택되었다. 즉, 기준 가스로서 N2, 및 두 개의 불소-함유 가스들 CF4 및 C3F6이다. 각각의 경우, 공급 압력은 50kPa의 간격으로 50kPa(a)로부터 200kPa(a)까지 변화하였다. 그리고 각 공급 압력 막 차압 또는 압력 강하(△P)는 공급 압력 브라켓 내에 10kPa 간격으로 증가하였다.
도 1 내지 4는 아래에서 개별적으로 다루어진다.
예 1: 질소(
N
2
)
질소(N2)에 대한 결과는 먼저, 도 3에 요약되어 있다. 투과물의 유속 밀도 또는 투과도의 공급 압력에의 의존성은 인가되는 막 차압의 각각에 대해 나타난다(도 3의 범례 박스 참조). 도 3으로부터, 30kPa보다 작은 막 차압에서 공급 압력은 멤브레인을 통과하는 N2의 유속에 거의 영향을 미치지 않거나 미약한 영향을 미침을 알 수 있다. 이 레벨 이상의 멤브레인에서만 공급 압력은 N2의 유속에 더 중요한 역할을 한다. 그러므로, 공급 압력과 막 차압이 더 높을수록, 투과율 또는 질소의 투과도는 더 높다.
상기 막 차압에 대한 투과도의 의존성은 도 4에 더 명확하게 나타날 수 있다. 도 4는 약 30kPa 이하의 막 차압에서, 다른 공급 압력들에 대한 결과적인 유속들이 매우 유사하다는 것을 보여준다. 약 30kPa 및 더 높은 막 차압에서, 질소의 유속이 상당한 차이를 나타낸다. 이러한 차이는 50kPa보다 높은 막 차압에서 매우 분명하게 된다.
또한, 공급 압력과 관계없이, 110kPa보다 더 높은 막 차압에 대한 어떠한 결과도 기록되지 않았다는 것을 알 필요가 있다. 상기 멤브레인을 통한 N2 유속은 110kPa 이상의 막 차압인 공급 시스템의 100ml/s에서 한계에 다다라, 그보다 더 높은 압력이 유지될 수 없었다. 그러므로, 상기 장치(100)에 대한 최대한 가능한 N2 투과도는 200kPa의 공급 압력과 110kPa의 막 차압에서 0.047 mol/m2s로 계산되었다.
그러므로, 상기 멤브레인은 주어진 25℃의 온도에서 공급 압력 및 막 차압의 넓은 범위에서 질소에 대한 투과가 매우 잘된다는 결론이 얻어질 수 있다.
예 2: 카본 테트라플루오라이드(
CF
4
)
도 5로부터, 이 멤브레인을 통한 CF4의 유속은 질소와 비교할 때 훨씬 낮다는 것이 명백하다. 이 값들은 실험 오차 내에서 변화한다. 이는 두 개의 압력 변수들에 대한 CF4 투과도의 의존성을 명확하게 결정하는 것을 어렵게 만든다. 그러므로, 도 5로부터, 150kPa의 공급 압력 근처에서 최대치이거나 또는 평평해지는 것처럼 보이지만, 상기 공급 압력은 CF4 유속의 중요한 구동자가 아니라는 것이 명백하다.
도 6에서 다양한 공급 압력들에 대한 막 차압에의 투과도의 의존을 살펴보면, 공급 압력이 50kPa 및 100kPa 사이의 어딘가의 역치 이상이어야 한다는 점을 제외하고, 상기 공급 압력은 실질적으로 CF4 투과도와 관계없다는 것을 우선 확인할 수 있다. 또한, CF4 투과도는 약 150kPa의 공급 압력 내지 약 0.07 mol/m2s의 값에서 최대치가 되거나 평평해지는 것처럼 보이는 것이 확인된다. 그러므로, CF4의 경우, 막 차압은 약 150kPa의 공급 압력에서 적어도 50kPa의 선호된 값과 함께 지배적인 변수이다.
50kPa의 공급 압력에서, 어떠한 CF4도 막 차압과 관계없는 멤브레인을 투과할 수 없고(도 5 참조), 더 높은 공급 압력에 대한 CF4 투과물은 적어도 40kPa의 막 차압에서만 탐지된다는 것을 이해하는 것이 중요하다. 이러한 현상은 본 발명의 멤브레인을 관련된 압력 범위의 더 낮은 끝단에서 CF4에 대한 적합한 장벽으로 만든다.
예 3: 헥사플루오로프로필렌(
C
3
F
6
)
이전의 예들에서와 같이 동일한 실험 방법을 사용하면, 두 개의 압력 인자들의 기능으로서 C3F6의 투과도가 결정되고 도 7 및 8에 도시된다.
도 7로부터, 공급 압력은 공급 압력이 증가함에 따라 기하급수적으로 증가하는 유속과 함께, C3F6의 투과도에 상당한 영향을 미침을 알 수 있다. 이는 도 8에 강조되어 있다. 투과도 곡선은 다른 공급 압력들에 대해 명확하게 구분가능하다.
도 8로부터, 막 차압 강한 영향 또한 알 수 있다. 대략적으로, 유속은 100kPa 공급 압력 곡선에 의해 나타난 바와 같이, 50kPa 및 100kPa 사이의 어딘가의 포화 수준에 명백하게 도달하는 압력차와 함께 선형적으로 증가한다. 다시 한번, 100kPa 이상의 공급 압력에 대해, 유속은 매우 낮은 막 차압에서 100ml/min의 유속 한계에 도달한다. 현재 실험 장치에서, 0.043mol/m2s의 최대 투과도가 200kPa의 공급 압력 및 30kPa의 막 차압에서 얻어진다. 분명히, 더 높은 유량을 얻는 시스템은 증가된 막 차압에서 더 높은 유속을 만들 것이다.
그러므로, 본 발명의 멤브레인은 명백하게 C3F6의 매우 높은 투과도를 제공한다.
또한 놀랍게도, 본 멤브레인 과정은 명백히 여러 가지 가스 플로로카본 종 사이에서 미세하게 구별하는 선택도를 제공하고, 이를 그러한 분자들에 대한 이상적인 분리 기술로 만든다. 이러한 발견은 예 4에서 계산된 두 개의 선택도들에 의해 더 도시된다.
예 4: 상대적인 선택도
상기 투과 결과는 N2에 대한 CF4와 C3F6의 2원 시스템을 위한 유속 밀도 또는 투과값의 비율의 관점에서 상대적인 선택도로 전환되고, 각각 도 9 및 도 10에 도시된다. 이러한 결과는 도 8, 6 및 4 각각의 단일 가스 투과 곡선들의 추세에 의해 특히 명백한 것처럼 평균 선택도에서 N2와 함께, C3F6에 대한 높은 선택도와 CF4에 대한 낮은 선택도를 나타낸다. 최적의 선택도 및 투과 구성을 얻는 선호된 조건의 범위들의 예가 테이블 1에 나타나 있다.
테이블 1에 표시되지만, CF4에 대한 C3F6의 선택도는 그래프로 나타나지 않았다. 도 6과 도 8을 비교하면, 약 50kPa 이하의 막 차압에서 C3F6에 대한 투과는 특히 150 및 200kPa의 더 높은 공급 압력에서 CF4에 비해 매우 높아서 CF4에 대한 C3F6의 선택도는 무한대로 접근한다.
테이블 1: 최적의 선택도 조건들
| 2원 시스템 | 전형적인 선택도 | 공급 압력 (kPa) |
막 차압(kPa) |
| N2/CF4 C3F6/N2 C3F6/CF4 |
15 - >~30(est) 5.24 50 - >~100(est) |
~200 ~200 50 - 200 |
<~30 20 <50 |
그러므로, 무한대에 근접하는 몇몇 값들과 함께, 훌륭한 선택도를 가지는 넓은 범위는 일반적으로 부식성 있거나 유해한 플루오로카본 가스 혼합물의 범위에 대해 화학적 안정성 및 예상치 못한 효과가 있고 효율적인 가스 분리 과정을 제공하다.
특히, 본 발명에서 예시된 바와 같이, 테이블 1에 나타난 바와 같은 조건들의 범위 하에서 테플론 에이에프 2400으로 코팅된 PAN 멤브레인은 특정한 2원 가스 시스템들을 분리시킬 수 있다.
본 발명에 따른 과정에서 사용된 멤브레인들에 적용될 수 있는 작동 조건들의 넓은 범위의 더 많은 의미로서, 실용적인 다단계 및 혼성 분리 과정들 또는 시스템들을 제공하는 가능성이 예상치 못하게 발생한다.
관찰된 다단계 과정 또는 시스템의 일 실시예는 예를 들어, 높은 유속과 높은 공급 압력 및 막 차압에서 허용되는 선택도를 갖는 대략적인 단계와, 앞서 설명된 바와 같이, 상대적으로 낮은 유속, 그러나 낮은 공급 압력과 막 차압 수준에서 매우 높은 선택도를 갖는 하나 이상의 연마 단계를 포함할 수 있다.
그러한 다단계 과정과 시스템의 특정 실행의 실시예가 도 11에 도시되어 있다. 허용가능한 유량과 압력값 하에서 단일 또는 2단계 유닛에서 달성할 수 있는 것보다 더 높은 결합된 분리 효율과 산출물을 달성하기 위해, 많은 멤브레인 단계들(분리 영역들)은 참조 번호 200으로 표시되는, 역류하는 재순환 캐스케이드 유닛에서 점차 변화하는 조건들 하에서 모두 작동한다.
캐스케이드 유닛(200)은 부유 영역(202) 및 제거 영역(204)을 포함한다. 성분 A의 몰조성 zA와 함께 공급 F는 단계 nS +1(참조 번호 208에 의해 지정됨)에서 스트림 라인(206)을 따라 들어간다. 재순환 모드의 작동 조건들 하에서 상기 합성물은 가능한한 zA로 가까워질 것이다. 상기 투과물의 농도는 상기 부유 영역(202)에서 높은 투과도의 화합물들과 함께 증가되고, 상기 제거 영역(204)은 낮은 투과도의 화합물들과 함께 증가된다. 상기 부유 영역은 또한 단계들(210, 212, 214)을 포함한다. 그리고 상기 제거 영역은 또한 단계들(216, 218, 220)을 포함한다. 그러나, 더 많은 수의 단계들이 상기 부유 영역 및/또는 제거 영역에 제공될 수 있다. 성분 A의 몰조성 yA와 함께 상기 최종 투과물(P)은 단계 n(단계 214)으로부터 스트림 라인(215)을 따라 끌어내어지고, 성분 A의 몰 조성 xA와 함께 상기 최종 잔류물(W)은 스트림 라인(221)을 따라 단계 1(단계 220)로부터 이끌어내어진다. 단계들의 수 및 재순환률은 분리도에 영향을 미칠 것이다. 상기 재순환률은 상기 투과물 유속에 대한 투과물 재순환 유속으로서 정의된다. 몰 유속 발란스를 달성하는 방법의 예로서, 몰 흐름 Ni+1으로 단계 i(단계 210)로 들어가는 단계 i-1(단계 212)로부터 잔류물 스트림의 조성 xi+1은 몰 흐름 Mi-1인 단계 i-1(미도시)로부터 투과물의 조성 yi-1에 동일하여야 한다. 이는 Ni+1+Mi-1의 전체 공급 몰 흐름과 함께 단계 i(단계210)의 공급으로 결합된다.
단계들 208의 각각은 앞서 설명한 멤브레인(14 또는 106)과 유사한 멤브레인을 포함한다.
혼성 분리 시스템의 일 실시예는 도 12에 묘사된 바와 같은 시스템 내의 트랜스퍼-아크 플라즈마를 사용하는 순도 96%의 2500t/a C2F4 및 625 t/a C3F6의 생산을 위해 제공되도록 구상되고 디자인되었다. 그러한 장치로부터의 네 개의 CxFy 즉, CF4, C2F6, C2F4, 및 C3F6의 분리는 테이블 2에 나타난 바와 같이 이론적으로 평가되었다.
도 12에 도시된 바와 같은 기초적인 과정 기술은 플루오로카본(CxFy) 생산물을 생산하기 위한 9.3 MW 플라즈마 반응기, 압축기 영역, 다중-모듈 분리 영역 및 생산물 저장고 및 수동조작 설비를 포함한다.
더욱 상세하게는, 도 12의 기초적 과정은 참조 번호 300으로 표시된다.
과정 300은 시약 저장고, 단계 302로 인도되는 CaF2 공급 라인(304)(스트림 1)과 C 공급 라인(306)(스트림 2)을 구비하는 건조 및 혼합 단계 302를 포함한다. 이송 라인(308)(스트림 3)은 단계 302로부터 플라즈마/소멸 단계 310으로 인도한다. 전기 공급 단계 312는 상기 단계 310에 전기 공급을 제공한다. CaC2 추출 라인(314)(스트림 5)은 이송 라인(316)(스트림 4)과 마찬가지로, 상기 단계 310으로부터 인도된다.
이송 라인(316)은 가스/고체 정제 또는 여과 단계 318로 인도된다. 고체 추출 라인(320)(스트림 6)은 가스 스트림 추출 라인(322)과 마찬가지로, 상기 단계 318로부터 인도된다. 상기 라인(322)은 압축기로부터 CxFy 흡수 단계 또는 컬럼(328)으로 인도하는 이송 라인(326)(스트림 7)과 함께, 압축기(324)로 인도한다. CF4 재사용 라인(330)(스트림 8)은 단계 328로부터 단계 310으로 다시 인도한다.
이송 라인(332)(스트림 15)은 단계 328로부터 CxFy/n-hexane 증류 단계 334로 인도한다. 펌프(338)에 설치된 바닥 라인(336)(스트림 14)은 단계 334로부터 단계328로 다시 인도한다.
이송 라인(340)(스트림 9)은 단계 334로부터 C2F4/C2F6/C3F6 멤브레인 분리 단계 342로 인도한다. 상기 단계 342는 앞서 설명한 멤브레인(14) 또는 멤브레인(106)과 유사한 멤브레인들을 포함한다. 상기 멤브레인 단계는 본 발명에 따라, C2F4/C3F6 다량 분획물로부터 C2F6 다량 분획물을 분리한다. C2F6 라인(344)(스트림 10)은 단계 342로부터 단계 310으로 다시 인도한다. 그리고, C2F4/C3F6 이송 라인(346)(스트림 11)은 단계 342로부터 C2F4/C3F6 증류 단계 348로 인도한다.
C2F4 생산물 추출 라인(350)(스트림 12)은 상기 단계 348로부터 생산물 조작 및 극저온 저장 단계 352로 인도한다.
C3F4 생산물 추출 라인(354)(스트림 13)은 단계 348로부터 생산물 조작 단계 356으로 인도한다.
제1 분리 단계 또는 흡수 컬럼(328)은 CF4(60%)를 CxFy 가스 혼합물(40%)로부터 분리한다; CF4는 플라즈마 단계(스트림 8)로 다시 재사용된다. CF4 분리는 C2F4, 및 대량의 핵심 C2F6과 C3F6 가스들을 상기 가스 스트림으로부터 흡수하기 위해 n-hexane을 사용함으로써 행해진다. 상기 n-hexane 다량 함유 혼합물은 상기 CxFy 가스들로부터 상기 증류 컬럼(334)에서 증류된다. 상기 n-hexane은 냉각되고, 흡수제로서 흡수기로 재사용된다(스트림 14).
상기 n-hexane 증류로부터 상기 가스들(스트림 9)은 각 단계에서 약 2 또는 더 높은 선택도에서, 상기 C2F6(5%)(스트림 10)을 상기 CxFy 가스(스트림 11)로부터 분리하는 다단계 멤브레인 캐스케이드(단계 342)를 수행한다. 상기 C2F4(25%)(스트림 12) 및 C3F6(8%)(스트림 13)은 단계 348에서 96% 순도로 극저온에서 증류된다. 단계 348의 2% 바닥 분리 생산물은 CxFy 생산 시스템(미도시)으로 다시 재순환된다.
테이블 2: 도 12에 도시된 바와 같이 15 단계 재순환 캐스케이드 멤브레인 분리 단계 또는 유닛(342)을 구비하는 트랜스퍼-아크 플라즈마 CxFy 가스 생산 시스템에 대한 설계 계산
| 유량 | 몰질량 | 스트림 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| kg/kmol | 단위 | ||||||||||||||||
| CaF2(s) | 78.00 | kg/h | 1474.36 | 1474.36 | |||||||||||||
| C(s) | 12.00 | kg/h | 397.44 | 397.44 | |||||||||||||
| C2F4 | 100 | kg/h | 355.56 | 355.56 | 3.56 | 352 | 1.06 | 350.94 | 347.43 | 3.51 | 352.00 | ||||||
| C2F6 | 138.00 | kg/h | 88.89 | 88.89 | 0.89 | 88.00 | 87.12 | 0.88 | 0.87 | 0.01 | 88.00 | ||||||
| C3F6 | 150.00 | kg/h | 88.89 | 88.89 | 0.89 | 88.00 | 0.26 | 87.74 | 0.88 | 86.86 | 88.00 | ||||||
| CF4 | 88.00 | kg/h | 355.56 | 355.56 | 355.56 | ||||||||||||
| CaC2 | 52.00 | kg/h | 982.91 | 894.02 | 88.89 | ||||||||||||
| C6H14 | 86 | kg/h | 0.043 | 59080 | 59080 | ||||||||||||
| Total | kg/h | 1474.36 | 397.44 | 1871.80 | 1871.80 | 894.02 | 88.89 | 888.89 | 360.89 | 528.00 | 88.44 | 439.56 | 349.18 | 90.38 | 59080 | 59608 | |
| 몰흐름 | 몰질량 | 스트림 | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 |
| kg/kmol | 단위 | ||||||||||||||||
| CaF2(s) | 78.00 | kmol/h | 18.90 | 18.90 | |||||||||||||
| C(s) | 12.00 | kmol/h | 33.12 | 33.12 | |||||||||||||
| C2F4 | 100.00 | kmol/h | 3.56 | 3.56 | 0.04 | 3.52 | 0.01 | 3.51 | 3.47 | 0.04 | 3.52 | ||||||
| C2F6 | 138.00 | kmol/h | 0.64 | 0.64 | 0.01 | 0.64 | 0.63 | 0.01 | 0.01 | 0.00 | 0.64 | ||||||
| C3F6 | 150.00 | kmol/h | 0.59 | 0.59 | 0.01 | 0.59 | 0.002 | 0.58 | 0.01 | 0.58 | 0.59 | ||||||
| CF4 | 88.00 | kmol/h | 4.04 | 4.04 | 4.04 | ||||||||||||
| CaC2 | 52.00 | kmol/h | 18.90 | 17.19 | 1.71 | ||||||||||||
| C6H14 | 86 | kmol/h | 0.0005 | 686.98 | 686.98 | ||||||||||||
| Total | kmol/h | 18.90 | 33.12 | 52.02 | 27.73 | 17.19 | 1.71 | 8.83 | 4.09 | 4.74 | 0.64 | 4.10 | 3.49 | 0.61 | 686.98 | 691.72 | |
| 과정 변수 | |||||||||||||||||
| 온도 | 25 | 25 | 25 | 250 | 250 | 25 | 25 | -75/25 | 25 | 25 | 25 | -50 | 25 | 25 | 25 | ||
| 압력(a) | kPa | 87 | 87 | -40 | -40 | 87 | 87 | 200 | 200/150 | 200 | 200 | 200 | 200 | 150 | 200 | 200 | |
Claims (15)
- 기체 화합물들의 혼합물로부터 하나 이상의 불소-함유 화합물을 포함하는 가스 성분을 회수하기 위한 방법에 있어서,
분리 영역에서, 하나 이상의 불소-함유 성분을 포함하는 제1 가스 성분이 상기 가스 성분들의 나머지를 포함하는 제2 가스 성분으로부터 분리되도록, 하나 이상의 불소-함유 성분을 포함하는 가스 성분의 혼합물을 중합체 화합물을 포함하는 가스 투과성 분리 매개체와 접촉하도록 하는 단계;
투과물(permeate) 또는 잔류물(retentate)로서 상기 분리 영역으로부터 상기 제1 가스 성분을 추출하는 단계; 및
상기 분리 영역으로부터 상기 제1 가스 성분이 투과물로서 추출될 때, 잔류물로서 상기 제2 가스 성분을 추출하고, 상기 분리 영역으로부터 상기 제1 가스 성분이 잔류물로서 추출될 때, 투과물로서 상기 제2 가스 성분을 추출하는 단계를 포함하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 가스 성분의 혼합물은 서로 혼합된 카본 테트라플루오라이드(CF4), 테트라플루오로에탄(C2F4), 헥사플루오로에탄(C2F6), 헥사플루오로프로필렌(C3F6), 옥타플루오로프로판(C3F8), 및 옥타플루오로부틸렌 또는 그 이성질체(C4F8-isomer)로부터 선택된 두 개의 다른 기체 탄화플루오르를 포함하는 2원 가스 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 있어서,
상기 가스 성분의 혼합물은 비활성 가스와 혼합된 카본 테트라플루오라이드(CF4), 테트라플루오로에탄(C2F4), 헥사플루오로에탄(C2F6), 헥사플루오로프로필렌(C3F6), 옥타플루오로프로판(C3F8), 및 옥타플루오로부틸렌 또는 그 이성질체(C4F8-isomer)로부터 선택된 단일의 기체 탄화플루오르를 포함하는 2원 가스 혼합물인 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리 매개체는 중합체 화합물을 포함하는 적어도 일부의 멤브레인을 구비하는 확산 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 멤브레인은 비다공성인 중합체 화합물로 코팅된 베이스의 하나 이상의 외면을 구비하는 섬유성(filamentous) 재료의 다공성 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제5항에 있어서,
상기 멤브레인의 다공성 베이스는 비다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)으로 코팅된 다공성 베이스의 하나 이상의 면을 구비하는, 복수의 폴리아크릴로니트릴(PAN) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 섞인 필라멘트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제4항에 있어서,
상기 멤브레인은 비다공성인 중합체 화합물이 적어도 부분적으로 함침된 섬유성 재료를 구비하는, 섬유성 재료의 다공성 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제7항에 있어서,
상기 멤브레인의 다공성 베이스는 비다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 함침된 다공성 베이스의 하나 이상의 면을 구비하는, 복수의 폴리아크릴로니트릴(PAN) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 섞인 필라멘트들을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제4항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 기체 화합물들의 혼합물이 상기 제1 및 제2 성분들로 분리되는 동안 상기 분리 영역의 온도를 -100℃와 +200℃ 사이로 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제4항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리 영역, 상기 멤브레인의 상류를 200bar(a)까지의 상승된 압력에서 제어하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제4항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리 영역은 제2 분리 영역과 함께, 적어도 일부는 제공되는 중합체 화합물을 포함하는 멤브레인을 포함하는 제1 분리 영역이고, 상기 제2 분리 영역은 상기 제1 분리 영역의 멤브레인에 비해 상기 불소-함유 성분에 대해 다른 유속 및/또는 다른 선택도를 갖는 방법에 있어서,
하나 이상의 불소-함유 성분에 더하여, 오염물로서 하나 이상의 다른 가스 성분을 또한 포함하는 제1 가스 성분과 함께, 가스 성분의 혼합물을 상기 제1 분리 영역으로 도입하는 단계;
상기 제1 가스 성분을 상기 제2 분리 영역으로 공급하는 단계; 및
상기 제2 분리 영역으로부터, 투과물 또는 잔류물로서, 상기 제1 가스 성분보다 더 높은 불소-함유 성분의 농도를 갖는 제2 가스 성분을 추출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법. - 제1항에 따른 방법을 수행하기 위한 장치에 있어서,
상기 분리 영역 내로 이어지는 가스 입구, 상기 분리 영역으로부터 나오는 투과물 배출구 및 상기 분리 영역으로부터 나오는 잔류물 배출구를 구비하는, 분리 영역을 제공하는 분리 모듈; 및
상기 가스 입구 및 잔류물 배출구는 상기 멤브레인의 일측 상에 위치하고, 상기 투과물 배출구가 상기 멤브레인의 또 다른 측 상에 위치하도록, 상기 분리 모듈의 분리 영역 내에 위치하는, 중합체 화합물을 포함하는 하나 이상의 영역인 기체 투과성 멤브레인을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제12항에 있어서,
상기 멤브레인은 비다공성인 중합체 화합물로 코팅되거나 적어도 부분적으로 함침된 베이스의 하나 이상의 외면을 구비하는, 섬유성 재료의 다공성 베이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치. - 제13항에 있어서,
상기 멤브레인의 다공성 베이스는 복수의 폴리아크릴로니트릴(PAN) 또는 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 섞인 필라멘트들을 포함하고, 상기 비다공성 중합체 화합물은 비다공성 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)인 것을 특징으로 하는 장치. - 제12항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 분리 영역 내의 온도를 제어하기 위한 온도 제어 수단 및/또는 상기 멤브레인의 적어도 상류에서 상기 분리 영역 내의 압력을 제어하기 위한 압력 제어 수단을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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