KR20150107132A - 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법 - Google Patents

기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 회수기체의 농축 및 회수 과정에 따라 SC(Stage-cut) 조절기의 SC값을 선택적으로 제어하여, 일정 시간 동안 회수기체를 농축하고 회수기체의 회수 동작을 간헐적으로 실시함으로써 회수기체의 농축률을 향상시킬 수 있는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치는 주입기체를 회수기체와 투과기체로 분리하는 기체 분리막모듈과, 상기 기체 분리막모듈의 투과기체 유량 및 회수기체 유량을 제어하는 SC(Stage-cut) 조절기와, 상기 SC 조절기의 SC값 및 SC값 유지시간을 제어하는 SC 제어수단 및 상기 기체 분리막모듈에서 분리된 회수기체를 저장하는 회수기체 저장탱크를 포함하여 이루어지며, 상기 기체 분리막모듈은 회수기체를 농축하는 <농축과정>과 농축된 회수기체를 회수하는 <회수과정>으로 동작되며, 상기 <농축과정>에서 SC값은 1로 설정되고, 상기 <회수과정>에서 SC값은 0〈SC〈1로 설정되며, 상기 SC값은 주입기체 유량 대비 투과기체 유량의 비인 것을 특징으로 한다.

Description

기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법{Apparatus and method for recovery of retentate using gas separation membrane}
본 발명은 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 회수기체의 농축 및 회수 과정에 따라 SC(Stage-cut) 조절기의 SC값을 선택적으로 제어하여, 일정 시간 동안 회수기체를 농축하고 회수기체의 회수 동작을 간헐적으로 실시함으로써 회수기체의 농축률을 향상시킬 수 있는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법에 관한 것이다.
SF6은 전력기기의 대표적인 전기절연물질이며, 반도체 웨이퍼나 LCD 패널 등의 제조시 세척과정에서 사용되고 있는 물질이다. 이와 같은 SF6은 지구 온난화에 미치는 영향력이 이산화탄소에 비해 약 23900배 이상 높은 것으로 알려져 있으며, 1997년 교토에서 개최된 기후변화협약 당사자회의에서 지구 온난화 지수가 가장 큰 6가지 물질 중 하나로 지목된 바 있다. 따라서, SF6에 대한 처리가 시급히 요구되고 있다.
SF6에 대한 처리 방법으로, 먼저 SF6을 분해하는 방법이 있다. SF6은 매우 안정하기 때문에 분해하기 위해서는 플라즈마와 같은 높은 에너지가 필요하고, 분해 과정에서 S2F10, SF4, HF와 같은 높은 독성과 부식성을 갖는 부산물이 생성되는 단점이 있다. 이와 같은 분해시의 문제점과 함께 SF6의 지속적인 가격 상승을 고려하면 SF6을 효과적으로 회수하여 재사용을 도모하는 것이 생산비용의 절감 측면에서 매우 바람직하다.
SF6을 회수하는 기술은 SF6이 포함된 혼합기체 중 SF6만을 회수하는 기술로서, 세부적으로 심냉법, PSA(pressure swing adsorption)법, 막분리법 등의 방법이 있으며, 이 중 기체 분리막 모듈을 이용한 막분리법에 대해 많은 연구가 진행되고 있다. 막분리법은 설비의 구성이 상대적으로 간소하고 회수율이 비교적 우수한 장점이 있다. 막분리법의 일 예는 한국등록특허 제10-1249261호에 개시되어 있다.
막분리법은, 폐가스를 분리막 모듈에 주입하고 분리막 모듈은 주입된 폐가스를 SF6(회수기체)와 그 이외의 기체(투과기체)로 분리하는 방식으로 진행된다. 분리막 모듈을 이용하여 SF6를 회수함에 있어서, SF6 농도를 제어하기 위해서는 폐가스 유량 대비 회수기체의 유량 또는 투과기체의 유량을 일정하게 유지하는 것이 중요하며, 폐가스 유량 대비 회수기체의 유량 또는 투과기체의 유량은 SC(Stage-cut) 조절기에 의해 제어된다. 즉, SC(Stage-cut) 조절기를 통해 SC값을 특정하면 폐가스 유량 대비 회수기체의 유량 또는 투과기체의 유량을 일정하게 유지할 수 있다.
이와 같이, 종래의 기체 분리막 모듈을 이용한 막분리법은 연속적인 공정으로 진행된다. 폐가스가 분리막 모듈에 주입되면 분리막 모듈은 지속적으로 폐가스를 투과기체(고투과성 기체)와 회수기체(저투과성 기체)로 분리한다. 즉, SC값이 설정된 상태에서 분리막 모듈은 주입되는 폐가스를 설정된 SC값에 따라 투과기체와 회수기체를 연속적으로 분리한다.
한편, 연속공정으로 진행되는 막분리법에 있어서, SC값을 통해 제어되는 회수기체의 농도는 그 농축률에 한계가 존재한다. 이는 분리막의 투과 선택도에 기인한 것으로서, 저투과성 기체의 농축이 진행됨과 함께 저투과성 기체의 투과량이 증가하는 현상이 발생되기 때문이다. 예를 들어, 폐가스 내 SF6 농도가 일정 수준 이하인 경우 회수기체 내의 SF6 농도가 목표치에 미달되는 현상이 종종 발생된다. 즉, SC값을 일정하게 유지하더라도 회수기체 내의 SF6 농도가 설정된 SC값에 미달되는 경우가 발생된다. 분리막 모듈 자체의 선택도 이외에 폐가스 공급측의 장비상태, 온도, 압력, 기체조성의 실시간 변동 등도 회수기체 내의 SF6 농도가 목표치에 미달되는 현상의 주요 요인으로 작용한다.
한국등록특허 제10-1249261호
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출한 것으로서, 회수기체의 농축 및 회수 과정에 따라 SC(Stage-cut) 조절기의 SC값을 선택적으로 제어하여, 일정 시간 동안 회수기체를 농축하고 회수기체의 회수 동작을 간헐적으로 실시함으로써 회수기체의 농축률을 향상시킬 수 있는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치는 주입기체를 회수기체와 투과기체로 분리하는 기체 분리막모듈과, 상기 기체 분리막모듈의 투과기체 유량 및 회수기체 유량을 제어하는 SC(Stage-cut) 조절기와, 상기 SC 조절기의 SC값 및 SC값 유지시간을 제어하는 SC 제어수단 및 상기 기체 분리막모듈에서 분리된 회수기체를 저장하는 회수기체 저장탱크를 포함하여 이루어지며, 상기 기체 분리막모듈은 회수기체를 농축하는 <농축과정>과 농축된 회수기체를 회수하는 <회수과정>으로 동작되며, 상기 <농축과정>에서 SC값은 1로 설정되고, 상기 <회수과정>에서 SC값은 0〈SC〈1로 설정되며, 상기 SC값은 주입기체 유량 대비 투과기체 유량의 비인 것을 특징으로 한다.
상기 <회수과정>의 SC값 유지시간은 <농축과정>의 SC값 유지시간보다 짧다.
상기 <농축과정>의 SC값 유지시간(TC)은 아래의 식-1을 만족하며, 식-1의 k는 아래의 식-2를 통해 산출된다.
(식-1) TC = (1/k)×ln[(1-CB)×(Aair/B-1)/ {Aair/B - Cgoal×((Aair/B-1)+1/CB)}]
(TC는 <농축과정>의 SC값 유지시간, k는 농축 속도상수, CB는 주입기체 내의 회수기체 농도, Aair/B는 투과기체의 투과도/회수기체의 투과도, Cgoal는 최대 회수기체 농도)
(식-2) k = A×QB×( CB×(Aair/B-1)+1) / V
(k는 농축 속도상수, A와 V는 각각 기체 분리막모듈 내부의 면적과 부피, QB는 회수기체의 투과도, CB는 회수기체의 농도, Aair/B는 회수기체 대비 투과기체의 선택도)
상기 <회수과정>의 SC값 유지시간(TR)은 아래의 식을 만족한다.
(식) TR ≤ V×P/Fr
(TR은 <회수과정>의 회수시간, V는 분리막 내부부피, P 공급압력, Fr은 회수기체 유량)
또한, 상기 <회수과정>의 SC값 유지시간(TR)은 아래의 식을 만족한다.
(식) TR ≤ V×SC×QB/(A×(1-SC)×(Aair/B - Cgoal×(Aair/B-1)))
(TR은 <회수과정>의 회수시간, V는 기체 분리막 내부부피, SC는 설정된 SC값, QB는 회수기체의 투과도, A는 기체 분리막의 내부면적, Aair/B는 회수기체 대비 투과기체의 선택도, Cgoal는 회수기체 농도의 목표값)
상기 기체 분리막모듈에 주입되는 주입기체는 고투과성 기체와 저투과성 기체의 혼합기체이며, 상기 고투과성 기체는 기체 분리막모듈의 기공을 투과하는 투과도가 상기 저투과성 기체보다 상대적으로 크다. 상기 저투과성 기체는 SF6, NF3, CF4 중 어느 하나일 수 있다.
상기 기체 분리막모듈에 주입되는 주입기체는 SF6를 포함한 폐가스이거나, 상기 기체 분리막모듈에 주입되는 주입기체는 상기 회수기체 저장탱크에 저장되어 있는 회수기체이다.
상기 회수기체 저장탱크와 기체 분리막모듈 사이에 가압펌프가 더 구비되며, 상기 가압펌프는 회수기체 저장탱크와 기체 분리막모듈 사이의 압력차를 통해 회수기체의 회수 속도를 증가시킬 수 있다.
본 발명에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법은 기체 분리막모듈에 주입기체를 주입하여 주입기체 내에 포함되어 있는 회수기체를 기체 분리막모듈 내부에 농축시키는 <농축과정> 및 상기 <농축과정>을 통해 기체 분리막모듈 내부에 농축된 회수기체를 회수기체 저장탱크로 회수하는 <회수과정>을 포함하여 이루어지며, 상기 <농축과정>에서 SC값은 1로 설정되고, 상기 <회수과정>에서 SC값은 0〈SC〈1로 설정되며, 상기 SC값은 주입기체 유량 대비 투과기체 유량의 비인 것을 특징으로 한다.
상기 기체 분리막모듈에 주입되는 주입기체는 상기 회수기체 저장탱크에 저장되어 있는 회수기체이며, <농축과정>을 통해 상기 기체 분리막모듈 내부에 농축되는 회수기체 농도의 최대값은 <CB×Aair/B / ( CB×(Aair/B-1)+1)>(CB는 회수기체의 농도, Aair/B는 투과기체의 투과도/회수기체의 투과도)를 초과한다.
본 발명에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법은 다음과 같은 효과가 있다.
기체 분리막모듈을 이용하여 회수기체를 회수함에 있어서, 기체 분리막모듈의 동작을 <농축과정>과 <회수과정>로 분리하고, <농축과정>과 <회수과정>에서의 SC값을 서로 달리 설정함으로써 회수기체의 농축률을 증대시킬 수 있다. 이를 통해 폐가스 내의 회수기체 농도가 낮더라도 회수기체를 효과적으로 회수할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치의 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법을 설명하기 위한 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 <농축과정> 및 <회수과정>의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것.
도 4는 회수기체 저장탱크의 회수기체를 주입기체로 하여 <농축과정> 및 <회수과정>을 반복 실시한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것.
본 발명은 기체 분리막모듈을 이용하여 회수기체를 회수함에 있어서, 기체 분리막모듈 내에 회수기체를 농축하여 회수함으로써 회수기체의 농축률을 증가시키는 기술을 제시한다.
회수대상기체 즉, 회수기체를 포함한 주입기체가 기체 분리막모듈에 주입되면 상대적으로 작은 분자크기를 갖는 투과기체는 기체 분리막모듈의 기공을 통해 외부로 투과되며 상대적으로 큰 분자크기를 갖는 회수기체는 기체 분리막모듈 내에 잔류되어 회수된다. 즉, 주입기체는 회수기체와 투과기체로 구성되고, 투과기체는 기체 분리막모듈의 기공을 통해 투과되고 기체 분리막모듈 내에는 회수기체만이 잔류되어 회수된다. SF6를 포함한 폐가스는 주입기체에 해당되고, SF6는 회수기체, SF6를 제외한 SF6보다 분자크기가 작은 기체들은 투과기체라 할 수 있다. 또한, SF6 이외의 NF3, CF4 등의 불화가스 회수에도 동일하게 적용된다.
회수기체의 농축률을 증가시키기 위해, 본 발명에 따른 기체 분리막모듈의 동작은 회수기체의 <농축과정>과 농축된 회수기체의 <회수과정>으로 구분되며, 농축과정과 회수과정 진행시 기체 분리막모듈에 설정되는 SC(stage-cut)값은 서로 다르게 설정된다. 즉, 농축과정시의 SC값과 회수과정시의 SC값은 서로 다르게 설정된다. 여기서, SC값은 주입기체 유량 대비 투과기체 유량의 비를 일컫는다.
(식 1) 주입기체 유량(Ff) = 투과기체 유량(Fp) + 회수기체 유량(Fr)
(식 2) SC = 투과기체 유량(Fp) / 주입기체 유량(Ff)
기체 분리막모듈 내에 회수기체를 농축하기 위해서는 기체 분리막모듈에서의 회수기체 유출이 최소화되어야 하며, 이는 SC값이 1에 가까움을 의미하고 SC값이 1에 가까우면 주입기체 유량의 대부분이 기체 분리막모듈의 기공을 통해 투과됨을 의미한다. 따라서, SC값이 1로 설정되면 주입기체의 대부분이 기체 분리막모듈의 기공을 통해 외부로 투과, 배출되며, 상대적으로 분자크기가 큰 회수기체만이 기체 분리막모듈 내부에 잔류하게 된다. 이에, SC값을 1로 설정하여 본 발명에 따른 회수기체의 <농축과정>을 진행할 수 있다.
SC값이 1로 설정된 상태에서, 회수기체 농축과정을 일정 시간 지속하면 기체 분리막모듈 내부에는 시간에 비례하여 회수기체가 농축된다. 회수기체가 농축된 상태에서 농축된 회수기체에 대한 <회수과정>이 진행된다. 회수기체의 <회수과정>은 기체 분리막모듈 내부에 농축된 회수기체가 외부의 저장탱크로 회수됨을 의미하며, 이는 회수기체 유량이 발생됨을 전제한다. 따라서, 회수기체 유량이 발생되기 위해서는 SC값이 1보다 작아야 됨을 의미한다(식 1 및 식 2 참조). 즉, 회수기체의 <회수과정>은 SC값 0보다 크고 1보다 작은 값(0〈SC〈1)으로 설정된 상태에서 된다.
정리하면, 회수기체의 <농축과정>은 SC값이 SC=1로 설정된 상태에서 진행되어 기체 분리막모듈 내에서의 회수기체 농축이 이루어지며, 회수기체의 <회수과정>은 SC값이 0〈SC〈1로 설정된 상태에서 진행되어 농축된 회수기체의 회수가 이루어진다. 이와 같이, 기체 분리막모듈의 동작을 <농축과정>과 <회수과정>으로 구분하고, <농축과정>과 <회수과정> 각각에 대해 서로 다른 SC값을 설정함으로써 회수기체의 농축, 회수가 가능하게 된다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치 및 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치는 기체 분리막모듈(120), SC(stage-cut) 조절기(130), SC 제어수단(140) 및 회수기체 저장탱크(160)를 포함하여 구성된다.
상기 기체 분리막모듈(120)은 폐가스 공급부(110)를 통해 일정한 압력으로 주입되는 폐가스(주입기체)를 기체 분자크기 차이를 이용하여 회수기체와 투과기체로 분리하는 역할을 한다. 회수기체는 상대적으로 분자크기가 크며, 투과기체는 상대적으로 분자크기가 작다. 폐가스로는 분자크기가 서로 다른 회수기체와 투과기체가 혼합된 혼합기체가 적용되며, 일 예로 SF6를 포함하는 반도체 배출가스 또는 NF3, CF4 등의 불화가스를 포함하는 폐가스가 적용될 수 있으며, 이하의 설명에서는 SF6를 포함한 폐가스를 기준으로 하여 설명하기로 한다.
상기 기체 분리막모듈(120)은 표면에 기공이 형성된 중공사 형태의 분리막 집합체로서, SF6 기체를 제외한 O2, N2, CO2 등의 상대적으로 분자크기가 작은 기체는 분리막의 기공을 빠르게 투과하여 배출되며, 상대적으로 분자크기가 큰 SF6는 기공을 투과하지 않고 분리막의 일단에서 회수된다. 분리막의 기공을 투과하여 배출되는 기체는 투과기체, 분리막의 일단에서 회수되는 기체는 회수기체이다. 이 때, 상대적으로 분자크기 작은 기체(O2, N2, CO2 등)뿐만 아니라 상대적으로 분자크기가 큰 SF6 기체 역시 분리막의 기공을 투과하여 배출되는데, SF6 기체의 투과도가 O2, N2, CO2 등의 투과도보다 상대적으로 낮기 때문에 SF6 기체는 회수기체로 회수가 가능한 것이며, 실질적으로 O2, N2, CO2 등의 기체는 고투과성 기체, SF6 기체는 저투과성 기체라 할 수 있다.
상기 SC 조절기(130)는 SC(stage-cut)값을 제어하여 기체 분리막모듈(120)의 투과기체 유량 및 회수기체 유량을 조절하는 역할을 한다. SC값은 상술한 식 2에 나타낸 바와 같이 주입기체 유량 대비 투과기체 유량의 비를 의미한다. 예를 들어, SC 값이 0.95인 경우 주입기체 유량 대비 투과기체 유량은 95% 이고, 회수기체 유량은 5%이며, 전체 주입기체 중 5%가 회수되는 것을 의미한다(식 1 및 식 2 참조).
상기 SC 제어수단(140)은 상기 SC 조절기(130)의 SC값 및 SC값 유지시간을 제어하는 역할을 한다. 즉, 상기 SC 제어수단(140)에 의해 기체 분리막모듈(120)의 SC값 및 SC값 유지시간이 선택적으로 제어된다.
본 발명은 회수기체를 농축하여 회수하기 위한 방법으로, 기체 분리막모듈(120)을 회수기체를 농축하는 <농축과정>과 농축된 회수기체를 회수하는 <회수과정>의 2단계로 운용한다. 상기 <농축과정>과 <회수과정>은 SC값 및 SC값 유지시간의 제어를 통해 가능하게 된다.
구체적으로, <농축과정>은 SC값을 1로 설정하여 진행된다. SC값이 1이면 주입기체 유량과 동일한 유량의 기체가 기체 분리막모듈(120)의 기공을 통해 투과, 배출됨을 의미한다. 주입기체가 모두 기체 분리막모듈(120)의 기공을 통해 투과, 배출되도록 함에 따라, 주입기체 내에 포함되어 있는 기체 분리막모듈(120)의 기공보다 작은 분자크기를 갖는 회수기체는 기체 분리막모듈(120) 내에 잔류하게 된다. 나아가, 이와 같은 <농축과정>을 일정 시간(SC값 유지시간) 동안 유지하게 되면 시간의 경과에 따라 기체 분리막모듈(120) 내에 잔류하는 회수기체의 양은 증가하게 된다. 도 3을 참조하면, 시간의 경과에 따라 기체 분리막모듈(120) 내에 잔류하는 회수기체의 농도가 증가됨을 확인할 수 있다.
상기 <농축과정>을 통해 기체 분리막모듈(120) 내에 회수기체가 일정 수준의 농도로 농축된 상태에서 <회수과정>이 진행된다. <농축과정>에서 <회수과정>으로 변환되면 기체 분리막모듈(120)의 SC값이 변경된다. 기체 분리막모듈(120) 내에 농축된 회수기체를 회수하기 위해서는 SC값이 1보다 작은 값으로 변경되어야 한다. 상기 <회수과정>은 SC값이 0〈SC〈1로 설정된 상태에서 진행된다. 예를 들어, SC값이 0.2로 설정되어 <회수과정>이 진행되면, 주입기체의 80%가 회수되며 주입기체의 20%가 기체 분리막모듈(120)의 기공을 통해 투과 배출된다. 폐가스 내에서 회수기체가 차지하는 조성비가 작은 점, 상기 <농축과정>을 통해 기체 분리막모듈(120) 내에 농축되는 회수기체의 절대량이 주입기체 대비 현저히 작은 점을 고려하면, 상기 <회수과정>의 진행시간 즉, <회수과정>의 SC값 유지시간은 <농축과정>의 SC값 유지시간에 대비하여 매우 짧게 설정되어야 한다. 도 3의 실험결과를 참조하면, <농축과정>의 SC값 유지시간이 100초임에 반해 <회수과정>의 SC값 유지시간은 1초로 설정되는 것을 확인할 수 있다.
이와 같이, 상기 SC 제어수단(140)을 통해 SC 조절기(130)의 SC값 및 SC값 유지시간의 제어가 가능하고, 이에 근거하여 기체 분리막모듈(120)을 이용한 회수기체의 <농축과정> 및 농축된 회수기체의 <회수과정>을 선택적으로 진행할 수 있게 된다.
상기 회수기체 저장탱크(160)는 상기 <회수과정>을 통해 회수되는 농축된 회수기체를 저장하는 역할을 한다. 회수기체 저장탱크(160)와 기체 분리막모듈(120) 사이에 가압펌프(150)가 더 구비될 수 있으며, 회수기체 저장탱크(160)와 기체 분리막모듈(120) 사이의 압력차를 통해 회수기체의 회수 속도를 향상시킬 수 있다. 또한, 상기 회수기체 저장탱크(160)에 저장된 회수기체는 상기 기체 분리막모듈(120)로 재공급되어 기체 분리막모듈(120)에서의 <농축과정>이 반복 실시될 수 있으며, 이를 통해 회수기체의 농축률을 증가시킬 수 있다.
이상, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치에 대해 설명하였다. 다음으로, 본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법에 대해 설명하기로 한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법은 도 1의 장치가 전제되며, 세부적으로 도 2에 도시한 바와 같이 회수기체의 <농축과정>과 농축된 회수기체의 <회수과정>이 시계열적으로 진행된다.
회수기체의 <농축과정>은 기체 분리막모듈(120)의 SC값이 1로 설정된 상태에서 진행된다. SC값이 1로 설정된 상태에서 폐가스가 기체 분리막모듈(120)에 주입되면 분자크기가 기체 분리막모듈(120)의 기공보다 큰 회수기체(예를 들어, SF6)는 기체 분리막모듈(120) 내부에 잔류하게 되고, 여타 기체는 기체 분리막모듈(120)의 기공을 통해 투과, 배출된다.
SC값이 1로 설정된 상태에서 <농축과정>이 일정 시간 진행되면 기체 분리막모듈(120) 내부에 잔류하는 회수기체의 농도는 시간의 경과에 따라 증가된다. 그러나, 일정 시점을 초과하게 되면 회수기체의 농도는 더 이상 증가되지 않고 일정 수준을 유지하게 된다(식 5 참조). 이와 같은 현상의 주요 요인 중 하나는 회수기체의 투과도이다. 회수기체 예를 들어, SF6는 기체 분리막모듈(120)의 기공을 투과하는 특성(즉, 투과도)이 낮을 뿐 기체 분리막모듈(120)의 기공을 투과하지 않는 것은 아니다. 즉, 기체 분리막모듈(120) 내부에 잔류하는 SF6의 일부는 기체 분리막모듈(120)의 기공을 통해 투과, 배출되며, 이에 따라 SC값이 1로 유지되더라도 기체 분리막모듈(120) 내의 회수기체 농도가 일정 수준에 도달하게 되면 투과, 배출되는 SF6로 인해 회수기체 농도가 더 이상 증가되지 않는다.
기체 분리막모듈(120)을 이용한 회수기체의 회수 원리는, 저투과성 기체(회수기체)의 투과도(QB)와 고투과성 기체(투과기체)의 투과도(Qair) 사이의 선택도(Aair/B)를 이용하는 것이며(식 3 참조), 선택도(Aair/B)가 클수록 회수기체의 회수효율이 높은 것을 의미한다.
(식 3) Aair/B = Qair / QB
(Aair/B는 선택도, QB는 회수기체의 투과도, Qair는 투과기체의 투과도)
이와 같은 선택도(Aair/B)는 기체 분리막모듈(120) 내부에 잔류하는 회수기체 농도의 최대치를 결정짓는 인자로 작용한다. 폐가스(주입기체)가 회수기체와 투과기체로 구성되고, 회수기체의 농도가 CB이고 투과기체의 농도가 Cair(= 1-CB) 이면, 기체 분리막모듈(120) 내부의 회수기체 농도의 목표값(Cgoal)은 기체 분리막모듈 내부에 잔류하는 회수기체 농도의 최대값(Cmax)을 초과할 수 없다(식 4 참조). 다만, 후술하는 바와 같이 <농축과정> 및 <회수과정>를 통해 회수된 회수기체를 주입기체로 하여 재차 <농축과정>을 적용하게 되면 상술한 기준의 회수기체 농도의 최대값(Cmax)을 초과할 수 있다.
(식 4) Cgoal ≤ Cmax = CB×Aair/B / ( CB×(Aair/B-1)+1)
(Cgoal 는 기체 분리막모듈 내부에 잔류하는 회수기체 농도의 목표값, Cmax 는 기체 분리막모듈 내부에 잔류하는 회수기체 농도의 최대값)
한편, SC값이 1로 설정된 상태에서, 일정 시점을 초과하게 되면 회수기체의 농도(C)는 더 이상 증가되지 않고 일정 수준을 유지하게 되는 현상은 아래의 식 5 을 통해 설명된다. 또한, 식 5에 있어서, 농축 속도상수 k는 기체 분리막모듈 자체의 선택도(Aair/B), 기체 분리막모듈 내부의 부피(V) 및 면적(A) 등에 의해 변화되며, 농축 속도상수 k는 식 6을 통해 계산할 수 있다.
(식 5) C = Cmax - (Cmax-CB)×exp(-kt)
(C는 분리막모듈 내부에 잔류하는 회수기체의 농도, t는 농축 경과시간, Cmax는 최대 회수농도, k는 농축 속도상수)
(식 6) k = A×QB×( CB×(Aair/B-1)+1) / V
(k는 농축 속도상수, A와 V는 각각 기체 분리막모듈 내부의 면적과 부피, QB는 회수기체의 투과도, CB는 회수기체의 농도, Aair/B는 회수기체 대비 투과기체의 선택도)
도 3은 <농축과정> 및 <회수과정>의 실험결과를 나타낸 것이고, 도 3의 실험결과는 아래 <표 1>의 실험조건 하에서 진행된 것이다. 아래 표 1에 나타낸 바와 같이, 저투과성 기체(회수기체)의 농도(CB) 및 투과도(QB), 고투과성 기체(투과기체)의 농도(Cair) 및 투과도(Qair)가 특정되고, 특정 부피 및 면적을 갖는 기체 분리막모듈(120)을 이용하여 실험이 진행되었다.
기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축 및 회수에 대한 실험조건
구분 조건
분리막 내부부피(V) 0.000402124(m3)
분리막 면적(A) 50.26548246(m2)
공급압력(P) 5(bar)
저투과성 기체의 투과도(QB) 3.33333E-07(m3/m2 sec bar)
고투과성 기체의 투과도(Qair) 6.66667E-06(m3/m2 sec bar)
저투과성 기체의 농도(CB) 0.001
고투과성 기체의 농도(Cair) 0.999
농축시간(T1) 100(sec)
회수시간(T2) 1(sec)
회수 유속(Vv) 0.001666667(m3 STP/ sec)
도 3을 참조하면, 농축시간의 경과에 따라 기체 분리막모듈(120) 내부에 잔류하는 저투과성 기체 즉, 회수기체의 농도가 증가됨을 알 수 있으며, 약 40초 이후부터는 회수기체의 농도 증가가 완만히 진행되고 약 60초 이후에서는 회수기체의 농도가 일정 수준으로 유지됨을 확인할 수 있다.
농축시간 즉, <농축과정>의 SC값 유지시간이 길게 유지되더라도 일정 시점 이후에는 회수기체의 농도 증가가 미미함을 고려하여, 기체 분리막모듈(120)의 운용 효율 측면에서는 <농축과정>의 SC값 유지시간을 적절한 시간으로 설정될 필요가 있다. <농축과정>의 SC값 유지시간(TC)은, 회수기체 농도의 목표값(Cgoal)에 따라 결정될 수 있다(식 6 참조). 회수기체 농도의 목표값(Cgoal)은 상술한 식 4를 통해 회수기체 농도의 목표값(Cmax)을 산출한 상태에서 임의로 설정할 수 있다.
(식 7)
TC = (1/k)×ln[(1-CB)×(Aair/B-1)/ {Aair/B - Cgoal×((Aair/B-1)+1/CB)}]
(TC는 <농축과정>의 SC값 유지시간, Aair/B는 투과기체의 투과도/회수기체의 투과도, Cgoal는 회수기체 농도의 목표값, k는 농축 속도상수)
다음으로, 회수기체의 <농축과정>이 완료되면 농축된 회수기체를 회수하는 <회수과정>이 진행된다. <회수과정>은 SC값이 0〈SC〈1로 설정된 상태에서 진행된다. SC값이 1보다 작은 값으로 설정됨에 따라, 기체 분리막모듈(120) 내부에 농축된 회수기체는 기체 분리막모듈(120) 일단을 통해 회수기체 저장탱크(160)로 회수된다.
표 1의 실험조건 하에 진행된 도 3의 실험결과를 참조하면, <회수과정>(T2=1sec)은 <농축과정>(T1=100sec)에 대비하여 매우 짧은 시간 동안 진행됨을 알 수 있으며, 짧은 회수시간(T2=1sec) 동안에 기체 분리막모듈(120) 내부의 회수기체가 대부분 회수됨을 알 수 있다.
<회수과정> 진행시 SC조절기를 이용해 일정한 회수기체 유량(Fr)으로 회수할 수 있으며, 이 경우 회수과정의 회수시간(TR)은 V×P/Fr 또는 그 이하가 적절하다(식 7 참조). 또한, 특정 SC값을 설정한 경우, <회수과정>의 회수시간은 V×SC×QB/(A×(1-SC)×(Aair/B - Cgoal×(Aair/B-1))) 또는 그 이하가 적절하다. 이 때, 회수기체에 투과기체가 혼합되는 것을 방지하기 위해 주입기체의 공급을 차단할 수도 있다.
(식 8) TR ≤ V×P/Fr
(TR은 <회수과정>의 회수시간, V는 기체 분리막 내부부피, P 공급압력, Fr은 회수기체 유량)
(식 9) TR ≤ V×SC×QB/(A×(1-SC)×(Aair/B - Cgoal×(Aair/B-1)))
(TR은 <회수과정>의 회수시간, V는 기체 분리막 내부부피, SC는 설정된 SC값, QB는 회수기체의 투과도, A는 기체 분리막의 내부면적, Aair/B는 회수기체 대비 투과기체의 선택도, Cgoal는 회수기체 농도의 목표값)
상술한 바와 같은 <농축과정> 및 <회수과정>의 반복 실시를 통해, 폐가스 내에 포함되어 있는 회수기체를 농축하여 회수할 수 있게 된다.
한편, 회수기체 저장탱크(160)로 회수된 회수기체에 대해 회수기체의 농축률을 증가시키기 위한 방법으로, 회수기체 저장탱크(160)의 회수기체를 기체 분리막모듈(120)로 주입하여 회수기체의 농도를 향상시키는 방법을 진행할 수도 있다. 이 경우, 주입기체는 폐가스가 아닌 회수기체 저장탱크(160)의 회수기체가 주입기체에 해당되며, 회수기체 저장탱크(160)의 회수기체를 주입기체로 하여 상술한 <농축과정> 및 <회수과정>을 반복 실시한다.
회수기체 저장탱크(160)의 회수기체를 주입기체로 하여 <농축과정> 및 <회수과정>을 반복 실시하게 되면, 도 4에 도시한 바와 같이 반복 실시횟수마다 회수기체의 농도가 급격하게 증가됨을 확인할 수 있다. 도 4에 있어서, ①∼④ 표시는 각각 <농축과정> 및 <회수과정>을 1번∼4번 반복 실시하였을 때의 회수기체 농도 수치에 해당된다. 회수기체 저장탱크(160)의 회수기체를 주입기체로 하는 경우, 기체 분리막모듈(120) 내부의 회수기체 농도의 최대값(Cgoal)은 CB×Aair/B / ( CB×(Aair/B-1)+1)를 초과할 수 있다.
110 : 폐가스 공급부 120 : 기체 분리막모듈
130 : SC 조절기 140 : SC 제어수단
150 : 가압펌프 160 : 회수기체 저장탱크

Claims (17)

  1. 주입기체를 회수기체와 투과기체로 분리하는 기체 분리막모듈;
    상기 기체 분리막모듈의 투과기체 유량 및 회수기체 유량을 제어하는 SC(Stage-cut) 조절기;
    상기 SC 조절기의 SC값 및 SC값 유지시간을 제어하는 SC 제어수단; 및
    상기 기체 분리막모듈에서 분리된 회수기체를 저장하는 회수기체 저장탱크를 포함하여 이루어지며,
    상기 기체 분리막모듈은 회수기체를 농축하는 <농축과정>과 농축된 회수기체를 회수하는 <회수과정>으로 동작되며,
    상기 <농축과정>에서 SC값은 1로 설정되고, 상기 <회수과정>에서 SC값은 0〈SC〈1로 설정되며,
    상기 SC값은 주입기체 유량 대비 투과기체 유량의 비인 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 <회수과정>의 SC값 유지시간은 <농축과정>의 SC값 유지시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 <농축과정>의 SC값 유지시간(TC)은 아래의 식-1을 만족하며, 식-1의 k는 아래의 식-2를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
    (식-1) TC = (1/k)×ln[(1-CB)×(Aair/B-1)/ {Aair/B - Cgoal×((Aair/B-1)+1/CB)}]
    (TC는 <농축과정>의 SC값 유지시간, k는 농축 속도상수, CB는 주입기체 내의 회수기체 농도, Aair/B는 투과기체의 투과도/회수기체의 투과도, Cgoal는 최대 회수기체 농도)
    (식-2) k = A×QB×( CB×(Aair/B-1)+1) / V
    (k는 농축 속도상수, A와 V는 각각 기체 분리막모듈 내부의 면적과 부피, QB는 회수기체의 투과도, CB는 회수기체의 농도, Aair/B는 회수기체 대비 투과기체의 선택도)
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 <회수과정>의 SC값 유지시간(TR)은 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
    (식) TR ≤ V×P/Fr
    (TR은 <회수과정>의 회수시간, V는 분리막 내부부피, P 공급압력, Fr은 회수기체 유량)
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 <회수과정>의 SC값 유지시간(TR)은 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
    (식) TR ≤ V×SC×QB/(A×(1-SC)×(Aair/B - Cgoal×(Aair/B-1)))
    (TR은 <회수과정>의 회수시간, V는 기체 분리막 내부부피, SC는 설정된 SC값, QB는 회수기체의 투과도, A는 기체 분리막의 내부면적, Aair/B는 회수기체 대비 투과기체의 선택도, Cgoal는 회수기체 농도의 목표값)
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 기체 분리막모듈에 주입되는 주입기체는 고투과성 기체와 저투과성 기체의 혼합기체이며,
    상기 고투과성 기체는 기체 분리막모듈의 기공을 투과하는 투과도가 상기 저투과성 기체보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 저투과성 기체는 SF6, NF3, CF4 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
  8. 제 1 항에 있어서, 상기 기체 분리막모듈에 주입되는 주입기체는 상기 회수기체 저장탱크에 저장되어 있는 회수기체인 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
  9. 제 1 항에 있어서, 상기 회수기체 저장탱크와 기체 분리막모듈 사이에 가압펌프가 더 구비되며, 상기 가압펌프는 회수기체 저장탱크와 기체 분리막모듈 사이의 압력차를 통해 회수기체의 회수 속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
  10. 기체 분리막모듈에 주입기체를 주입하여 주입기체 내에 포함되어 있는 회수기체를 기체 분리막모듈 내부에 농축시키는 <농축과정>; 및
    상기 <농축과정>을 통해 기체 분리막모듈 내부에 농축된 회수기체를 회수기체 저장탱크로 회수하는 <회수과정>을 포함하여 이루어지며,
    상기 <농축과정>에서 SC값은 1로 설정되고, 상기 <회수과정>에서 SC값은 0〈SC〈1로 설정되며,
    상기 SC값은 주입기체 유량 대비 투과기체 유량의 비인 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 <회수과정>의 SC값 유지시간은 <농축과정>의 SC값 유지시간보다 짧은 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 <농축과정>의 SC값 유지시간(TC)은 아래의 식-1을 만족하며, 식-1의 k는 아래의 식-2를 통해 산출되는 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법.
    (식-1) TC = (1/k)×ln[(1-CB)×(Aair/B-1)/ {Aair/B - Cgoal×((Aair/B-1)+1/CB)}]
    (TC는 <농축과정>의 SC값 유지시간, k는 농축 속도상수, CB는 주입기체 내의 회수기체 농도, Aair/B는 투과기체의 투과도/회수기체의 투과도, Cgoal는 최대 회수기체 농도)
    (식-2) k = A×QB×( CB×(Aair/B-1)+1) / V
    (k는 농축 속도상수, A와 V는 각각 기체 분리막모듈 내부의 면적과 부피, QB는 회수기체의 투과도, CB는 회수기체의 농도, Aair/B는 회수기체 대비 투과기체의 선택도)
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 <회수과정>의 SC값 유지시간(TR)은 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법.
    (식) TR ≤ V×P/Fr
    (TR은 <회수과정>의 회수시간, V는 분리막 내부부피, P 공급압력, Fr은 회수기체 유량)
  14. 제 10 항에 있어서, 상기 <회수과정>의 SC값 유지시간(TR)은 아래의 식을 만족하는 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법.
    (식) TR ≤ V×SC×QB/(A×(1-SC)×(Aair/B - Cgoal×(Aair/B-1)))
    (TR은 <회수과정>의 회수시간, V는 기체 분리막 내부부피, SC는 설정된 SC값, QB는 회수기체의 투과도, A는 기체 분리막의 내부면적, Aair/B는 회수기체 대비 투과기체의 선택도, Cgoal는 회수기체 농도의 목표값)
  15. 제 10 항에 있어서, 상기 기체 분리막모듈에 주입되는 주입기체는 고투과성 기체와 저투과성 기체의 혼합기체이며,
    상기 고투과성 기체는 기체 분리막모듈의 기공을 투과하는 투과도가 상기 저투과성 기체보다 상대적으로 큰 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 저투과성 기체는 SF6, NF3, CF4 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 장치.
  17. 제 10 항에 있어서, 상기 기체 분리막모듈에 주입되는 주입기체는 상기 회수기체 저장탱크에 저장되어 있는 회수기체이며,
    <농축과정>을 통해 상기 기체 분리막모듈 내부에 농축되는 회수기체 농도의 최대값은 <CB×Aair/B / ( CB×(Aair/B-1)+1)>(CB는 회수기체의 농도, Aair/B는 투과기체의 투과도/회수기체의 투과도)를 초과하는 것을 특징으로 하는 기체 분리막모듈을 이용한 회수기체 농축회수 방법.
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