KR20160114598A - 실리콘 단결정 제조장치로부터의 아르곤가스 회수정제방법 및 아르곤가스 회수정제장치 - Google Patents

실리콘 단결정 제조장치로부터의 아르곤가스 회수정제방법 및 아르곤가스 회수정제장치 Download PDF

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신에쯔 한도타이 가부시키가이샤
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Abstract

본 발명은, 실리콘 단결정 제조장치로부터 질소, 산소 및 일산화탄소를 포함하는 폐아르곤가스를 폐아르곤가스 저장조에 도입하는 공정, 상기 폐아르곤가스 중의 고형물을 제거하는 전처리 설비에서, 상기 고형물을 제거하는 공정, 촉매반응에 의해, 상기 산소를 물로, 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하는 공정, 및 상기 물, 상기 이산화탄소 및 상기 질소를 제거하고, 회수가스를 얻는 공정을 갖는 아르곤가스 회수정제방법으로서, 상기 촉매반응을 이단압축기내에 촉매를 배치함으로써 압축열만으로 행하고, 상기 회수가스를 얻는 공정에 있어서, 미리 드라이어로 상기 물을 제거하고 나서 상온흡착탑에서 상기 질소, 상기 이산화탄소를 흡착제거하는 아르곤가스 회수정제방법 및 아르곤가스 회수정제장치이다. 이에 따라, 심플하고 저비용이 되는 설비를 이용하여 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 대풍량의 아르곤가스에 포함되는 불순가스를 안정적으로 제거할 수 있는 아르곤가스 회수정제방법이 제공된다.

Description

실리콘 단결정 제조장치로부터의 아르곤가스 회수정제방법 및 아르곤가스 회수정제장치{METHOD FOR RECOVERING AND PURIFYING ARGON GAS FROM SINGLE-CRYSTAL-SILICON PRODUCTION DEVICE, AND DEVICE FOR RECOVERING AND PURIFYING ARGON GAS}
본 발명은, 실리콘 단결정 제조장치로부터의 아르곤가스 회수정제방법 및 아르곤가스 회수정제장치에 관한 것이다.
쵸크랄스키(CZ)법에 의해 실리콘 단결정을 제조할 때에 이용하는 실리콘 단결정 제조장치에서는, 아르곤가스 분위기하에서, 종결정을 도가니내의 고온이 된 실리콘융액에 접촉시키고, 회전시키면서 인상함으로써 단결정을 육성하고 있다. 이 실리콘 단결정 제조장치내의 아르곤가스를 진공펌프로 배출한 후, 이 폐가스 중에 포함되는 실리콘 산화물을 제거하는 전공정을 거쳐, 불순가스 제거를 행하는 것이 아르곤가스의 회수정제, 재이용에 불가결하다.
특허문헌 1에 개시된 바와 같이, 폐가스 중의 고형분을 제거하는 공정, 폐가스를 압축하는 공정, 유분을 제거하는 공정, 폐가스 중의 산소에 필요한 화학양론량으로부터 과잉의 수소를 첨가하여 산소를 촉매반응으로 물로 전화(
Figure pct00001
; 다른 상태로 바뀜)하는 촉매반응공정, 촉매반응으로 발생한 물, 이산화탄소를 상온의 흡착통으로 흡착제거하는 흡착공정, 더 나아가 각 공정을 거친 폐가스를 정류하는 방법이 제안되어 있다.
또한, 특허문헌 2에서는, 폐가스를 블로워로 가스홀더에 수입(受入) 후, 고형분을 제거하는 집진기, 폐가스를 압축하는 압축기, 기름제거통, 기름필터를 거쳐, 예열용 열교환기와 가열기를 통과한 후, 촉매통에서 폐가스 중의 산소와 폐가스에 미리 첨가한 수소를 촉매반응으로 물로 전화하여 냉각장치를 거쳐 흡착통에서 물과 이산화탄소를 흡착제거한다. 폐가스는 다시 콜드박스에 도입하여, 주열교환기에 의해 냉각된 후에 정류통내에서 기액 접촉하여 아르곤보다 저비점인 불순가스를 액화정류에 의해 분리제거함으로써, 폐아르곤가스의 순도를 높이는 방법이 제안되어 있다.
한편, 특허문헌 3에서는, 폐가스 중의 고형분을 제거하는 공정, 폐가스를 압축하는 공정, 유분을 제거하는 공정을 거친 후, 폐가스를 가열하고 나서 공기 혹은 산소를 첨가하고, 촉매통에서 일산화탄소와 수소를 이산화탄소, 물로 전화한 후, 냉각하여 상온흡착통에 있어서 이산화탄소와 물을 흡착제거하고, 다시 폐가스를 -10~-50℃까지 냉각하여 잔류한 일산화탄소와 질소를 흡착하는 공정을 갖는 방법이 제안되어 있다.
도 3은, 특허문헌 1 및 특허문헌 2의 아르곤가스 회수정제방법을 나타낸 플로우도이다. 도 3에 나타낸 바와 같이, 특허문헌 1에서는, 우선, 단결정 제조로로부터의 폐가스(도 3(1))를 블로워로 압축(도 3(2))하여 가스홀더에 수입한 후(도 3(3)), 집진기로 고형분진을 제거(도 3(4))하여 730kPa까지 압축(도 3(5))하고 나서 유분을 제거(도 3(6))한다. 그 후 가열기로 폐가스를 100~300℃로 가열하고(도 3(7-a)), 폐가스 중의 산소에 필요한 화학양론량에 비해 과잉의 수소를 첨가하여 촉매통에 의해 산소를 물로, 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하고(도 3(8)), 열회수 열교환기를 통과하여 냉각장치로 10℃까지 냉각(도 3(9)) 후에 흡착탑에 있어서 물과 이산화탄소가 흡착된다(도 3(10)). 그 후, 콜드박스 내에 도입되어 질소, 일산화탄소, 수소가 정류제거되고(도 3(11)) 고순도 아르곤을 얻는다(도 3(12)).
도 3에 나타낸 바와 같이, 특허문헌 2에서는, 폐가스 중의 유분 제거까지 특허문헌 1과 거의 동일한 공정을 거친 후, 가열기로 100~350℃로 가열하고 나서(도 3(7-b)), 폐가스 중의 산소에 필요한 화학양론량에 비해 과잉의 수소를 첨가함으로써 촉매통에 있어서 물로 전화한다. 이 후, 폐가스를 냉각장치에 통과하고 나서 상온에서 물과 이산화탄소를 흡착제거하고 나서, 특허문헌 1과 마찬가지로 콜드박스내에 도입되어 질소와 미반응인 일산화탄소 등이 제거됨으로써 고순도 아르곤을 얻고 있다.
도 4는, 특허문헌 3의 아르곤가스 회수정제방법을 나타낸 플로우도이다. 도 4에 나타낸 바와 같이, 특허문헌 3에서는, 폐가스 중의 유분제거까지(도 4(1)~(5)) 특허문헌 1, 특허문헌 2과 동일한 공정을 거쳐, 그 후 가열기로 200~350℃로 가열하고 나서(도 4(6)), 폐가스 중의 수소, 일산화탄소에 필요한 화학양론량에 비해 훨씬 소량의 산소를 첨가하여 촉매통에 있어서의 반응으로 물 혹은 이산화탄소로 전화한다(도 4(7)). 이 후, 폐가스를 냉각장치로 상온까지 냉각하고 나서(도 4(8)) 제1 흡착통에 도입하여 제올라이트로 물과 이산화탄소를 흡착제거한다(도 4(9)). 나아가 제2 흡착통에서는, 저온(-10~-50℃)으로 유지한 폐가스를 흡착탑에서 제올라이트에 의해 질소와 미반응인 일산화탄소를 제거함(도 4(10))으로써 고순도 아르곤을 얻는다(도 4(11)).
일본특허공개 2000-88455호 공보 일본특허 제4024347호 공보 일본특허 제3496079호 공보
실리콘 단결정 제조장치로부터 배출되는 폐아르곤가스를 회수정제할 때, 이 폐가스 중에 포함되는 불순가스(질소, 산소, 일산화탄소 등)를 최대한 제거할 필요가 있으며, 폐가스를 회수정제할 때까지 외부로부터의 대기성분의 혼입을 최대한 억제하는 것이 대전제가 된다. 게다가, 폐가스 중의 산소나 일산화탄소는 미리 촉매반응을 이용하여 물이나 이산화탄소로 전화함으로써, 그 후 흡착법이나 정류법으로 제거되기 쉽게 하는 것이 필요하다. 이로 인해, 촉매반응에 필요한 온도까지 폐가스를 가열하고, 촉매반응에 필요한 반응가스(수소나 산소)를 첨가할 필요가 있으며, 반응 후에는 이 폐가스를 냉각하여 다음 공정(흡착공정)에 대비할 필요가 있다. 또한, 촉매반응으로 발생한 수분은 흡착제로서 사용하는 제올라이트에 매우 잘 흡착되는 반면, 제올라이트의 종류에 따라서는 흡착된 수분에 의해, 그 흡착능력은 서서히 저하된다. 한편, 아르곤가스 중에 포함되는 질소나 산소를 제거하는 경우, 정류하여 아르곤가스의 순도를 높이는 것이 알려져 있다. 또한, 저온하에 있어서 아르곤 중의 질소 등을 제올라이트에 의해 흡착제거하는 것도 행해지고 있다. 그러나, 이러한 경우, 설비가 복잡해짐과 동시에 정류를 행하는 설비는 고압가스 제조설비가 되며, 일반적인 설비와는 취급이 상이하므로 비용적, 운용적으로 높은 부담이 발생하고, 대풍량(대용기량)의 폐가스를 처리하는 것은 용이하지 않다.
본 발명은, 상기 문제점을 감안하여 이루어진 것으로서, 심플하고 저비용이 되는 설비를 이용하여 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 대풍량의 아르곤가스에 포함되는 불순가스를 안정적으로 제거할 수 있는 아르곤가스 회수정제방법 및 아르곤가스 회수정제장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는, 실리콘 단결정 제조장치로부터 질소, 산소 및 일산화탄소를 포함하는 폐아르곤가스를 폐아르곤가스 저장조에 도입하는 공정과, 상기 폐아르곤가스 중의 고형물을 제거하는 전처리 설비에서, 상기 고형물을 제거하는 공정과, 촉매반응에 의해, 상기 산소를 물로, 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하는 공정과, 상기 물, 상기 이산화탄소 및 상기 질소를 제거하고, 회수가스를 얻는 공정을 갖는 아르곤가스 회수정제방법으로서,
상기 촉매반응을 이단압축기내에 촉매를 배치함으로써 압축열만으로 행하고, 상기 회수가스를 얻는 공정에 있어서, 미리 드라이어로 상기 물을 제거하고 나서 상온흡착탑에서 상기 질소, 상기 이산화탄소를 흡착제거하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법을 제공한다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 심플하고 저비용이 되는 설비를 이용하여 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 대풍량의 아르곤가스에 포함되는 불순가스를 안정적으로 제거할 수 있다.
또한, 상기 실리콘 단결정 제조장치와 상기 폐아르곤가스 저장조의 사이에 유체반송기기를 설치하지 않고 직접 폐아르곤가스 배관으로 접속함으로써, 상기 폐아르곤가스 배관내에 부압개소(부압장소)를 일절 마련하지 않고, 항상 정압으로 유지하는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 배관에 접속하는 1개 또는 다수의 실리콘 단결정 제조장치나 이들 접속배관으로부터의 리크에 의한 대기의 침입을 확실히 억제할 수 있다.
또한, 상기 전화하는 공정에 있어서, 우선, 상기 이단압축기의 1단째의 압축유닛의 앞에서, 상기 폐아르곤가스 중에 첨가량을 제어하면서 산소를 첨가하고 나서 일단 압축조작을 행하고, 이 압축조작에 의해 발생한 압축열에 의해, 상기 폐아르곤가스의 온도를 100~200℃로 상승시킨 후, 즉시 상기 1단째의 압축유닛 후단에 설치한 1단째의 촉매유닛에서, 상기 일산화탄소 및 상기 첨가한 산소를 상기 촉매반응시킴으로써, 상기 이산화탄소로 전화하고,
이어서 상기 이단압축기의 2단째의 압축유닛의 앞에서, 상기 폐아르곤가스 중에 첨가량을 제어하면서 수소를 첨가하고 나서 이단압축조작을 행하고, 이 압축조작에 의해 발생한 압축열에 의해, 상기 폐아르곤가스의 온도를 100~200℃로 상승시킨 후, 즉시 상기 2단째의 압축유닛 후단에 설치한 2단째의 촉매유닛에서, 상기 산소 및 상기 첨가한 수소를 상기 촉매반응시킴으로써, 상기 물로 전화하는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 폐가스 중의 불순가스를 보다 효율적으로 제거할 수 있다.
이 경우, 상기 1단째의 압축유닛 및 상기 2단째의 압축유닛 이외에 가열원을 이용하지 않는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 촉매반응이 최저한의 에너지로 실현 가능하다.
이 경우, 상기 1단째의 촉매유닛의 직후에 인터쿨러를 설치하고, 상기 2단째의 촉매유닛의 직후에 애프터쿨러를 설치함으로써, 상기 이단압축기 외부에 냉각장치를 마련하지 않고 상기 폐아르곤가스를 냉각하는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 이단압축기 외부에 냉동장치는 불필요하며, 촉매반응이 최저한의 에너지로 실현가능하다.
또한, 상기 이단압축기에 상기 폐아르곤가스를 도입할 때, 상기 이단압축기 입구의 상기 폐아르곤가스 유량의 변동에 대하여, 항상 흡입압력 혹은 토출압력을 감시하여 바이패스제어를 행함으로써, 상기 이단압축기에, 항상 일정량의 폐아르곤가스를 흘리는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 각 촉매유닛에 있어서의 반응이 안정화된다.
또한, 상기 드라이어를, 실리카알루미나계, 활성알루미나계, 합성제올라이트계의 흡착제를 갖는 논퍼지형 드라이어로 하는 것이 바람직하다.
이러한 드라이어로 제습함으로써, 폐가스의 로스를 최대한 저감하면서 안정적으로 수분을 제거할 수 있고, 질소나 이산화탄소의 흡착공정에 있어서의 흡착제(제올라이트)로의 수분에 의한 능력저하를 방지할 수 있다.
또한, 상기 상온흡착탑을 복수 탑식 상온흡착탑으로 하는 것이 바람직하다.
이러한 흡착탑을 이용함으로써, 보다 효율적으로, 흡착제거를 행할 수 있다.
이 경우, 상기 복수탑식 상온흡착탑을 3탑식 상온흡착탑으로 하고, 각 흡착탑에서, 상기 폐아르곤가스 중의 상기 질소, 상기 이산화탄소의 흡착제거, 상기 흡착한 질소, 이산화탄소의 탈착 및 흡착탑의 승압을 교호로 전환하여 반복하는 것이 바람직하다.
이러한 흡착탑을 이용하는 아르곤가스 회수정제방법이면, 각 탑에서 흡착, 탈착, 승압을 교호로 전환하여 반복함으로써 연속적으로 폐가스 중의 질소와 이산화탄소를 흡착제거할 수 있다.
또한, 상기 3탑식 상온흡착탑 중 어느 하나의 흡착탑에 있어서 상기 승압을 행할 때, 상기 흡착탑에 유입되는 상기 폐아르곤가스의 유입량을 계측함으로써, 이 유입량에 따라 상기 승압에 사용하는 상기 회수가스의 양을 제어하는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 흡착탑내의 압력변동을 흡수하여 안정적으로 흡착을 행할 수 있다.
또한, 상기 흡착, 상기 탈착, 및 상기 승압의 시간을 폐아르곤가스 유량의 변동에 대응하여 자동적으로 변경하는 것이 바람직하다.
이러한 흡착탑을 이용함으로써, 보다 효율적으로, 흡착, 탈착, 승압을 교호로 전환하여 반복할 수 있다.
또한, 상기 폐아르곤가스 유량의 변동에 수반하여, 상기 폐아르곤가스 저장조의 레벨이 저하될 때, 상기 회수가스를 자동적으로 상기 폐아르곤가스 저장조에 전량 반송하는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 설비를 정지하지 않고 연속적으로 운전할 수 있다.
또한, 상기 회수가스 중의 상기 질소, 상기 산소 및 상기 일산화탄소의 농도가 소정의 허용값을 초과하는 경우에, 상기 실리콘 단결정 제조장치로의 상기 회수가스공급을 즉시 정지하고, 상기 회수가스의 일부 또는 전량을, 옥외로 퍼지 또는 상기 폐아르곤가스 저장조로 반송하는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 불순가스가 실리콘 단결정 제조장치측으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 상온흡착탑 입구에 있어서, 상기 폐아르곤가스 중의 상기 질소, 상기 산소 및 상기 일산화탄소의 농도가 소정의 허용값을 초과하는 경우에, 상기 상온흡착탑으로의 상기 폐아르곤가스 공급을 즉시 정지하고, 상기 폐아르곤가스의 일부 또는 전량을, 옥외로 퍼지 또는 상기 폐아르곤가스 저장조로 반송하는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 불순가스가 하류측으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
나아가 본 발명에서는, 실리콘 단결정 제조장치로부터 질소, 산소 및 일산화탄소를 포함하는 폐아르곤가스를 수입하는 폐아르곤가스 저장조와,
상기 폐아르곤가스 중의 고형물을 제거하는 전처리 설비와,
상기 폐아르곤가스를 압축함으로써 발생하는 압축열만으로, 상기 산소를 물로, 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하는 촉매반응을 행할 수 있는, 기내에 촉매가 배치되어 있는 이단압축기와,
상기 물을 제거할 수 있는 흡착제를 구비하는 드라이어와,
상기 이산화탄소 및 상기 질소를 제거할 수 있는 흡착제를 구비하는 상온흡착탑
을 갖는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치를 제공한다.
이러한 아르곤가스 회수정제장치는, 심플하고 저비용인 것이며, 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 대풍량의 아르곤가스에 포함되는 불순가스를 안정적으로 제거할 수 있다.
또한, 상기 폐아르곤가스 저장조와 실리콘 단결정 제조장치의 사이에 유체반송기기를 설치하지 않고 직접 폐아르곤가스 배관으로 접속하는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제장치이면, 배관에 접속하는 1개 또는 다수의 실리콘 단결정 제조장치나 이들 접속배관으로부터의 리크에 의한 대기의 침입을 확실히 억제할 수 있다.
또한, 상기 이단압축기는, 상기 폐아르곤가스에 첨가량을 제어하면서 산소를 첨가하는 산소유량조절기, 제1 압축을 행하는 1단째의 압축유닛, 기내에 촉매가 배치되고, 상기 제1 압축에 의해 발생하는 압축열만으로, 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 전화하는 촉매반응을 행하는 1단째의 촉매유닛, 상기 폐아르곤가스에 첨가량을 제어하면서 수소를 첨가하는 수소유량조절기, 제2 압축을 행하는 2단째의 압축유닛 및 기내에 촉매가 배치되고, 상기 제2 압축에 의해 발생하는 압축열만으로, 상기 산소를 물로 전화하는 촉매반응을 행하는 2단째의 촉매유닛을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제장치이면, 폐가스 중의 불순가스를 보다 효율적으로 제거할 수 있다.
이 경우, 상기 1단째의 압축유닛 및 상기 2단째의 압축유닛 이외에 가열원을 갖지 않는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제장치이면, 촉매반응이 최저한의 에너지로 실현 가능한 것이 된다.
또한, 상기 1단째의 촉매유닛의 직후에 인터쿨러를 설치하고, 상기 2단째의 촉매유닛의 직후에 애프터쿨러를 설치하고, 상기 이단압축기 외부에 냉각장치를 설치하지 않는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제장치이면, 이단압축기 외부에 냉동장치는 불필요하며, 촉매반응이 최저한의 에너지로 실현 가능한 것이 된다.
또한, 상기 아르곤가스 회수정제장치는, 추가로, 상기 이단압축기 입구의 상기 폐아르곤가스 유량의 변동에 대하여, 항상 흡입압력 혹은 토출압력을 감시하여 바이패스제어를 행하는 자동압력조절기를 갖는 것이 바람직하다.
이러한 아르곤가스 회수정제장치이면, 각 촉매유닛에서 촉매반응할 때, 반응이 안정화되는 것이 된다.
또한, 상기 드라이어가, 실리카알루미나계, 활성알루미나계, 합성제올라이트계의 흡착제를 갖는 논퍼지형 드라이어인 것이 바람직하다.
이러한 드라이어이면, 폐가스의 로스를 최대한 저감하면서 안정적으로 수분을 제거할 수 있고, 흡착탑에서 질소나 이산화탄소를 흡착제거할 때, 흡착제(제올라이트 등)에 수분이 흡착되는 것을 방지할 수 있다
또한, 상기 상온흡착탑이, 3탑식 상온흡착탑인 것이 바람직하다.
이러한 흡착탑이면, 보다 효율적으로, 흡착제거를 행할 수 있다.
또한, 상기 아르곤가스 회수정제장치는, 추가로, 상기 회수가스 중의 상기 질소, 상기 산소 및 상기 일산화탄소의 농도를 측정하는 회수가스분석계를 갖는 것이 바람직하다.
이러한 장치를 추가로 가짐으로써, 불순가스의 농도변화를 항상 측정할 수 있다.
또한, 상기 아르곤가스 회수정제장치는, 추가로, 상기 폐아르곤가스 저장조의 레벨이 저하되거나 또는 상기 회수가스분석계의 측정값이 허용값을 초과하는 경우에, 상기 회수가스의 일부 또는 전량을 상기 폐아르곤가스 저장조에 반송하는 회수가스반송용 배관을 갖는 것이 바람직하다.
이러한 장치를 추가로 가짐으로써, 불순가스가 실리콘 단결정 제조장치측으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 상기 아르곤가스 회수정제장치는, 추가로, 상기 상온흡착탑 입구에 있어서, 상기 폐아르곤가스 중의 상기 질소, 상기 산소 및 상기 일산화탄소의 농도가 소정의 허용값을 초과하거나 또는 상기 회수가스분석계의 측정값이 허용값을 초과하는 경우에, 상기 회수가스 또는 상기 폐아르곤가스의 일부 또는 전량을 옥외로 퍼지하기 위한 퍼지밸브를 갖는 것이 바람직하다.
이러한 장치를 추가로 가짐으로써, 불순가스가 하류측으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
본 발명에 의해, 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 폐아르곤가스(폐가스) 중의 불순가스를 최소한의 에너지로 제거할 수 있다. 또한, 제올라이트에 용이하게 흡착되는 한편, 흡착되면 재생이 어려운 수분에 대해서는 미리 드라이어, 예를 들어 실리카알루미나계, 활성알루미나계, 합성제올라이트계의 흡착제를 갖는 논퍼지형 드라이어 중에서 제거된 후에 잔류한 질소나 이산화탄소를 상온흡착탑내의 흡착제(예를 들어 복수탑식 상온흡착탑내의 제올라이트)로 제거함으로써, 흡착제(제올라이트)의 수명을 늘릴 수 있다. 또한 본 발명에서는 설비가 복잡화되지 않아, 고압가스 제조설비로도 될 수 없다는 점에서, 취급이 용이하고 건설비, 운전비가 저렴해져 대풍량의 폐가스를 안정적으로 처리하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명의 아르곤가스 회수정제방법의 일례를 나타낸 플로우도이다.
도 2는 본 발명의 아르곤가스 회수정제장치의 일례를 나타낸 개략도이다.
도 3은 특허문헌 1 및 특허문헌 2의 아르곤가스 회수정제방법을 나타낸 플로우도이다.
도 4는 특허문헌 3의 아르곤가스 회수정제방법을 나타낸 플로우도이다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
상기와 같이, 심플하고 저비용이 되는 설비를 이용하여 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 대풍량의 아르곤가스에 포함되는 불순가스를 안정적으로 제거할 수 있는 아르곤가스 회수정제방법이 요구되고 있다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토를 행한 결과, 실리콘 단결정 제조장치로부터 질소, 산소 및 일산화탄소를 포함하는 폐아르곤가스를 폐아르곤가스 저장조에 도입하는 공정과, 상기 폐아르곤가스 중의 고형물을 제거하는 전처리 설비에서, 상기 고형물을 제거하는 공정과, 촉매반응에 의해, 상기 산소를 물로, 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하는 공정과, 상기 물, 상기 이산화탄소 및 상기 질소를 제거하고, 회수가스를 얻는 공정을 갖는 아르곤가스 회수정제방법으로서,
상기 촉매반응을 이단압축기내에 촉매를 배치함으로써 압축열만으로 행하고, 상기 회수가스를 얻는 공정에 있어서, 미리 드라이어로 상기 물을 제거하고 나서 상온흡착탑에서 상기 질소, 상기 이산화탄소를 흡착제거하는 아르곤가스 회수정제방법이, 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명의 아르곤가스 회수정제방법을 완성시켰다.
또한, 상기와 같이, 심플하고 저비용이 되는 것이며, 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 대풍량의 아르곤가스에 포함되는 불순가스를 안정적으로 제거할 수 있는 아르곤가스 회수정제장치가 요구되고 있다.
본 발명자들은, 상기 목적을 달성하기 위하여 예의 검토를 행한 결과, 실리콘 단결정 제조장치로부터 질소, 산소 및 일산화탄소를 포함하는 폐아르곤가스를 수입하는 폐아르곤가스 저장조와,
상기 폐아르곤가스 중의 고형물을 제거하는 전처리 설비와,
상기 폐아르곤가스를 압축함으로써 발생하는 압축열만으로, 상기 산소를 물로, 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하는 촉매반응을 행할 수 있는, 기내에 촉매가 배치되어 있는 이단압축기와,
상기 물을 제거할 수 있는 흡착제를 구비하는 드라이어와,
상기 이산화탄소 및 상기 질소를 제거할 수 있는 흡착제를 구비하는 상온흡착탑
을 갖는 것인 아르곤가스 회수정제장치가, 상기 과제를 해결할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명의 아르곤가스 회수정제장치를 완성시켰다.
이하, 본 발명의 실시의 형태에 대하여 도면을 참조하여 구체적으로 설명하나, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.
[아르곤가스 회수정제장치]
이하, 본 발명의 아르곤가스 회수정제장치에 대하여, 도 2를 이용하여 설명하나, 본 발명은 이들로 한정되는 것은 아니다.
도 2는, 본 발명의 아르곤가스 회수정제장치의 일례를 나타낸 개략도이다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 아르곤가스 회수정제장치(100)는, 실리콘 단결정 제조장치(1)로부터 질소, 산소 및 일산화탄소를 포함하는 폐아르곤가스를 수입하는 폐아르곤가스 저장조(2)와, 폐아르곤가스 중의 고형물을 제거하는 전처리 설비(3)와, 폐아르곤가스를 압축함으로써 발생하는 압축열만으로, 산소를 물로, 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하는 촉매반응을 행할 수 있는, 기내에 촉매가 배치되어 있는 이단압축기(5)와, 물을 제거할 수 있는 흡착제를 구비하는 드라이어(11)와, 이산화탄소 및 질소를 제거할 수 있는 흡착제를 구비하는 상온흡착탑(13)을 갖는 것이다.
이러한 아르곤가스 회수정제장치는, 이단압축기의 압축열만으로 촉매반응을 행하므로, 폐아르곤가스 중의 불순가스를 최소한의 에너지로 제거할 수 있다. 또한, 제올라이트 등의 흡착제에 용이하게 흡착되는 한편, 흡착되면 재생이 어려운 수분에 대해서는 드라이어로 미리 제거한 후에 잔류한 질소나 이산화탄소를 상온흡착탑내의 흡착제(제올라이트 등)로 제거함으로써, 흡착제(제올라이트)의 수명을 늘릴 수 있다.
폐아르곤가스 저장조(2)에서는, LIC(레벨지시조절계)(20)를 이용하여, 실리콘 단결정 제조장치(1)로부터의 폐아르곤가스의 수입량의 변동에 따라, 풍량제어를 자동으로 행할 수 있다.
전처리 설비(3)로는, 예를 들어 실리콘 단결정 제조장치(1)로부터 배출된 아르곤가스 중의 고형물(실리콘 산화물)을 강알칼리용액에 접촉시킴으로써 용해시켜 제거하는 수단과, 실리콘 산화물을 제거한 후의 폐아르곤가스 중의 알칼리성분을 포함한 미스트를 데미스터를 이용하여 제거하는 수단을 갖는 것이 바람직하다.
이단압축기(5)내에 배치하는 촉매로는, 예를 들어 Pt(백금)를 들 수 있다.
본 발명의 아르곤가스 회수정제장치는 필요에 따라 추가로, 하기에 나타낸 바와 같은 설비 등을 구비할 수 있다.
폐아르곤가스 저장조(2)는, 폐아르곤가스 배관으로 실리콘 단결정 제조장치(1)와 접속되는데, 이때, 폐아르곤가스 저장조(2)와, 실리콘 단결정 제조장치(1)와의 사이에 유체반송기기를 설치하지 않고 직접 폐아르곤가스 배관으로 접속하는 것이 바람직하다. 이러한 아르곤가스 회수정제장치이면, 배관에 접속하는 1개 또는 다수의 실리콘 단결정 제조장치나 이들 접속배관으로부터의 리크에 의한 대기의 침입을 억제할 수 있다.
폐아르곤가스 저장조(2)의 앞에는, 에어성분감시계(QICA)(19)를 구비할 수 있다. 에어성분감시계를 구비함으로써, 폐가스 중의 대기성분농도를 상시 감시할 수 있다. 대기성분농도가 일정한 수치를 초과한 경우, 폐아르곤가스 퍼지밸브(18)를 여는 것에 의해, 즉시 폐가스를 계외로 배출할 수 있다.
또한, 이단압축기(5)는, 폐아르곤가스에 첨가량을 제어하면서 산소를 첨가하는 산소유량조절기(O2MFC(매스플로우컨트롤러))(6), 제1 압축을 행하는 1단째의 압축유닛(5-1A), 기내에 촉매가 배치되고, 제1 압축에 의해 발생하는 압축열만으로, 일산화탄소를 이산화탄소로 전화하는 촉매반응을 행하는 1단째의 촉매유닛(5-2A), 폐아르곤가스에 첨가량을 제어하면서 수소를 첨가하는 수소유량조절기(H2MFC)(7), 제2 압축을 행하는 2단째의 압축유닛(5-1B) 및 기내에 촉매가 배치되고, 제2 압축에 의해 발생하는 압축열만으로, 산소를 물로 전화하는 촉매반응을 행하는 2단째의 촉매유닛(5-2B)을 갖는 것이 바람직하다. 이러한 아르곤가스 회수정제장치이면, 폐가스 중의 불순가스를 보다 효율적으로 제거할 수 있다.
이단압축기(5)에 폐가스를 도입할 때, CO농도계(4)를 이용하여, 미리 폐가스 중의 일산화탄소농도를 계측하는 것이 바람직하다. 이 계측값과 드라이어(11) 출구의 폐가스 유량계(12)의 계측값으로부터 폐가스 중의 일산화탄소량을 연산하여, 촉매반응으로 일산화탄소의 완전 연소에 필요 혹은 과잉의 산소량을 결정해서 산소를 자동 첨가한다. 또한, 폐가스의 2단 압축(제2 압축)을 행하기 전의 수소를 자동 첨가한다. 수소의 첨가량은, 드라이어(11) 출구의 폐가스 유량을 폐가스 유량계(12)로 계측한 결과로부터, 압축기 출구에서 O2농도계(9)를 이용하여 계측한 폐가스 중의 산소농도가 설정값 이하가 되도록 조절하는 것이 바람직하다.
이 경우, 1단째의 압축유닛 및 2단째의 압축유닛 이외에 가열원을 갖지 않는 것이 바람직하다. 나아가, 1단째의 촉매유닛의 직후에 인터쿨러(5-3A)를 설치하고, 2단째의 촉매유닛의 직후에 애프터쿨러(5-3B)를 설치하고, 이단압축기(5) 외부에 냉각장치를 설치하지 않는 것이 바람직하다. 이러한 아르곤가스 회수정제장치이면, 촉매반응이 최저한의 에너지로 실현 가능하다.
또한, 아르곤가스 회수정제장치(100)는, 추가로, 이단압축기(5) 입구의 폐아르곤가스 유량의 변동에 대하여, 항상 흡입압력 혹은 토출압력을 감시하여 바이패스제어를 행하는 자동압력조절기(8)를 갖는 것이 바람직하다. 이로 인해, 각 촉매유닛에서 촉매반응할 때, 반응이 안정화된다.
또한, 드라이어(11)가, 실리카알루미나계, 활성알루미나계, 합성제올라이트계의 흡착제를 갖는 논퍼지형 드라이어인 것이 바람직하다. 이러한 드라이어이면, 폐가스의 로스를 최대한 저감하면서 안정적으로 수분을 제거할 수 있고, 흡착탑에서 질소나 이산화탄소를 흡착제거할 때, 흡착제(제올라이트)에 수분이 흡착되는 것을 방지할 수 있다. 여기서, 실리카알루미나계의 흡착제의 구체예로는, 드라이문 SK-400(Shirakawa Seisakusho Co. Ltd.) 등을 들 수 있다.
또한, 상온흡착탑(13)이, 3탑식 상온흡착탑인 것이 바람직하다. 이러한 흡착탑이면, 보다 효율적으로, 흡착제거를 행할 수 있다. 흡착제거를 행한 후의 흡착탑내의 흡착제에는 불순가스(질소, 이산화탄소)가 흡착되어 있으므로, 다음 흡착운전에 대비하여, 불순가스의 탈착(탈리)을 행할 필요가 있다. 불순가스의 탈착을 촉진하기 위하여, 탈착을 행하는 흡착탑을 진공펌프(14)에 의해 대기압 이하로 감압하는 것이 바람직하다.
또한, 아르곤가스 회수정제장치(100)는, 추가로, 회수가스 중의 질소, 산소 및 일산화탄소의 농도를 측정하는 회수가스분석계(QICA)(16)를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 장치를 추가로 가짐으로써, 회수가스 중의 불순가스의 농도변화를 항상 측정할 수 있다.
또한, 아르곤가스 회수정제장치(100)는, 추가로, 폐아르곤가스 저장조(2)의 레벨이 저하되거나 또는 회수가스분석계(16)의 측정값이 허용값을 초과하는 경우에, 회수가스의 일부 또는 전량을 폐아르곤가스 저장조(2)로 반송하는 회수가스반송용 배관을 갖는 것이 바람직하다. 이 경우, 회수가스 리젝트밸브(17)를 개폐함으로써, 상기 반송을 제어할 수 있다. 또한, 이와 같이 제어함으로써, 불순가스가 실리콘 단결정 제조장치측으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 아르곤가스 회수정제장치(100)는, 추가로, 상온흡착탑(13) 입구에 있어서, 폐아르곤가스 중의 질소, 산소 및 일산화탄소의 농도가 소정의 허용값을 초과하거나 또는 회수가스분석계(16)의 측정값이 허용값을 초과하는 경우에, 회수가스 또는 폐아르곤가스의 일부 또는 전량을 옥외로 퍼지하기 위한 퍼지밸브(22)를 갖는 것이 바람직하다. 이러한 장치를 추가로 가짐으로써, 불순가스가 하류측으로 흐르는 것을 방지할 수 있다.
또한, 필요에 따라, 원료가스(폐아르곤가스)를 저장하기 위하여, 압력분석계(21)(PICA)를 갖는 버퍼탱크(10)를 갖는 것이 바람직하다. 또한, 회수가스를 저장하기 위하여, 압력분석계(23)를 갖는 회수가스 버퍼탱크(15)를 갖는 것이 바람직하다. 추가로, 회수가스의 유량을 측정하기 위한 유량계(24)를 갖는 것이 바람직하다.
[아르곤가스 회수정제방법]
본 발명의 아르곤가스 회수정제방법은, 실리콘 단결정 제조장치로부터 질소, 산소 및 일산화탄소를 포함하는 폐아르곤가스를 폐아르곤가스 저장조에 도입하는 공정과, 폐아르곤가스 중의 고형물을 제거하는 전처리 설비에서, 상기 고형물을 제거하는 공정과, 촉매반응에 의해, 산소를 물로, 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하는 공정과, 물, 이산화탄소 및 질소를 제거하고, 회수가스를 얻는 공정을 갖는 아르곤가스 회수정제방법으로서,
상기 촉매반응을 이단압축기내에 촉매를 배치함으로써 압축열만으로 행하고, 상기 회수가스를 얻는 공정에 있어서, 미리 드라이어로 상기 물을 제거하고 나서 상온흡착탑에서 상기 질소, 상기 이산화탄소를 흡착제거하는 아르곤가스 회수정제방법이다.
이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 심플하고 저비용이 되는 설비를 이용하여 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 대풍량의 아르곤가스에 포함되는 불순가스를 안정적으로 제거할 수 있다.
이하, 본 발명의 아르곤가스 회수정제방법에 대하여, 도 1을 이용하여 설명하나, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니다.
[폐아르곤가스를 도입하는 공정]
도 1은, 본 발명의 아르곤가스 회수정제방법의 일례를 나타낸 플로우도이다. 도 1의 (1), (2)에 나타낸 바와 같이, 우선 실리콘 단결정 제조장치로부터 질소, 산소 및 일산화탄소 등을 포함하는 폐아르곤가스를 폐아르곤가스 저장조에 도입한다.
이때, 실리콘 단결정 제조장치로부터 도입하는 폐가스를 블로워 등의 유체반송기기로 압축하지 않고 그대로 폐아르곤가스 저장조에 도입하는 것이 바람직하다. 즉, 실리콘 단결정 제조장치와 폐아르곤가스 저장조를 직접 폐아르곤가스 배관으로 접속하는 것이 바람직하다. 이는, 실리콘 단결정 제조장치로부터 폐가스의 수입저장조까지의 거리가 긴 경우나 대량의 폐가스를 수입하는 경우는 수많은 실리콘 단결정 제조장치가 접속되므로, 배관내에 부압개소를 없앰으로써, 다수 접속되는 제조로나 그 폐가스덕트의 접속개소에 있어서 예기치 않은 누설이 발생해도, 대기성분(산소, 질소 등)이 폐가스 중으로 다량으로 혼입될 우려가 없어, 안정운전을 행할 수 있기 때문이다.
여기서, 실리콘 단결정 제조장치에 부속되는 진공펌프의 허용배압범위 이하에서 운용할 수 있도록 폐가스 배관의 계획과 폐아르곤가스 저장조의 동작압력을 결정하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 폐가스 배관내의 압력은 부압이 될 개소가 없고, 항상 가압된 상태가 되므로 미소한 리크에 대해서도 대기성분을 혼입하는 사태를 방지할 수 있다. 또한, 예기치 않은 폐가스로의 대기도입에 대해서는 폐아르곤가스 저장조 앞에 에어성분감시계를 설치하여 상시 감시함과 동시에 설정농도를 초과하는 대기성분이 검출된 경우, 폐가스를 폐아르곤가스 저장조 앞에서 대기로 퍼지할 수 있도록 하고 있다.
[고형물을 제거하는 공정]
이어서, 도 1의 (3)에 나타낸 바와 같이, 폐아르곤가스를, 폐아르곤가스 저장조로부터 전처리 설비에 도입하여 고형물을 제거한다. 전처리 설비로는, 상기 서술한 것을 사용할 수 있다.
[전화하는 공정]
계속해서, 촉매반응에 의해, 산소를 물로, 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화한다. 본 발명에서는, 상기의 촉매반응을 이단압축기내에 촉매를 배치함으로써, 폐가스를 압축할 때에 발생하는 압축열만으로 행한다. 본 발명에서는 이단압축기를 이용하여 폐가스를 2단압축하는데, 이는 최종단의 흡착공정에 있어서의 압력이 0.3~1.1MPa인 것이 바람직하기 때문이다. 촉매반응은 이하와 같이 하여 행하는 것이 바람직하다.
우선, 도 1의 (4)에 나타낸 바와 같이, 미리 폐가스 중의 일산화탄소농도를 계측함과 동시에 폐가스의 유량을 계측하여 일산화탄소량을 연산하고, 이에 필요한 화학양론량 혹은, 그보다 과잉으로 제어된 산소를 폐가스에 첨가하고 나서 1단째의 압축유닛에서 1단 압축조작을 행한다. 1단 압축조작에 의해 1단째의 압축유닛내의 폐가스의 압력을, 대기압 부근에서부터 0.3MPa 이상으로 한다. 이때 폐가스와 첨가된 산소는 충분히 교반됨과 동시에 압축열에 의해 폐가스온도는 높은 온도로 상승한다.
이후, 1단째의 압축유닛 직후에 설치한 1단째의 촉매유닛에 폐가스를 도입함으로써 고온이 된 폐가스 중의 일산화탄소와 첨가한 산소의 반응이 진행되어, 이산화탄소가 발생한다(2CO+O2→CO2).
계속해서, 도 1의 (5)에 나타낸 바와 같이, 미리 폐가스 중의 잉여산소량에 맞는 수소를 첨가하여 2단 압축조작을 행한다. 2단 압축조작에 의해 2단째의 압축유닛내의 폐가스의 압력을, 0.3~1.1MPa로 한다. 이때 폐가스와 첨가된 수소는 충분히 교반됨과 동시에 압축열에 의해 폐가스온도는 높은 온도로 상승한다.
이후, 2단째의 압축유닛 직후에 설치한 2단째의 촉매유닛에 폐가스를 도입함으로써 고온이 된 폐가스 중의 산소와 첨가한 수소의 반응이 진행되어, 물이 발생한다(O2+2H2→2H2O). 압축시에 발생하는 열에 의해, 1, 2단째 모두 폐가스온도는 100~200℃ 정도가 되고, 압축기내에 설치한 Pt(백금) 등의 촉매에 있어서, 이 온도는 폐가스 중의 산소, 수소, 일산화탄소가 반응하기 위해서는 충분히 높은 온도이다. 이로 인해, 특허문헌 1, 2에 개시된 바와 같은 촉매반응전의 가열장치는 불필요해지며, 촉매반응이 최저한의 에너지로 실현 가능해진다.
이 경우, 1단째의 촉매유닛의 직후에 인터쿨러를 설치하고, 2단째의 촉매유닛의 직후에 애프터쿨러를 설치함으로써, 이단압축기 외부에 냉각장치를 마련하지 않고 폐아르곤가스를 냉각하는 것이 바람직하다. 이 경우, 압축으로 발생한 열은 압축기내에 있는 인터쿨러, 애프터쿨러에 의해 상온까지 냉각되므로, 촉매를 각 압축유닛과 각 쿨러의 사이에 설치하면, 특허문헌 1, 2에 개시된 바와 같은 촉매통후의 냉각장치는 불필요하다.
또한, 이단압축기에 폐아르곤가스를 도입할 때, 이단압축기 입구의 폐아르곤가스 유량의 변동에 대하여, 항상 흡입압력 혹은 토출압력을 감시하여 바이패스제어를 행함으로써, 이단압축기에, 항상 일정량의 폐아르곤가스를 흘리는 것이 바람직하다. 이러한 아르곤가스 회수정제방법이면, 각 촉매유닛에 있어서의 반응이 안정화된다.
[회수가스를 얻는 공정]
촉매반응 후, 폐가스 중에 남은 물, 이산화탄소, 질소는 제올라이트 등의 흡착제에 의해 상온에서 흡착할 수 있다. 그러나, 이들 중에서 물은 제올라이트와의 친화력이 매우 강하여 용이하게 흡착된다. 한편, 일부의 제올라이트로부터는 탈착되기 어려워 재생이 어려우므로 제올라이트의 흡착능력을 저하시키는 경우가 있다. 이러한 점에서, 도 1의 (6)에 나타낸 바와 같이, 폐가스 중에 남은 물, 이산화탄소, 질소 중, 물만을 미리 드라이어, 예를 들어 알루미나계의 흡착제를 갖는 논퍼지형 드라이어에 의해 극한까지 제습한다. 이로 인해, 폐가스의 로스를 최대한 저감하면서 안정적으로 수분을 제거할 수 있고, 질소나 이산화탄소의 흡착공정에 있어서의 흡착제(제올라이트)로 수분이 흡착되고, 흡착능력이 저하되는 것을 방지할 수 있다.
또한, 드라이어는 2탑 전환가열 재생방식으로, 편측에서 흡착되면서 다른 탑에서 재생을 행하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 재생시에 발생하는 퍼지가스를 가열, 냉각함으로써 재생가스 중의 수분 이외를 계외로 버리는 일 없이 제습한 가스와 혼합하여 다음 공정에 도입할 수 있다. 또한, 폐가스 중의 수분은, 노점온도에서 -70℃ 이하까지 제습하는 것이 바람직하다.
드라이어를 통과한 폐가스 중에는 질소와 이산화탄소가 잔류하고 있다. 이어서, 도 1의 (7)에 나타낸 바와 같이, 상온흡착탑에 충전한 제올라이트 등의 흡착제로 폐가스 중에 잔류한 질소, 이산화탄소를 흡착제거한다. 이로 인해, 특허문헌 1~3에 개시된 콜드박스와 같은 고압가스 제조설비나 냉동기, 등을 이용한 저온흡착탑은 불필요하며, 심플하고 저비용이 되는 설비를 이용하여 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 대풍량의 아르곤가스에 포함되는 불순가스를 안정적으로 제거할 수 있다.
이때, 상온흡착탑 입구에 있어서, 폐아르곤가스 중의 질소, 산소 및 일산화탄소의 농도가 소정의 허용값을 초과하는 경우에, 상온흡착탑으로의 폐아르곤가스 공급을 즉시 정지하고, 폐아르곤가스의 일부 또는 전량을, 옥외로 퍼지 또는 폐아르곤가스 저장조로 반송하는 것이 바람직하다.
여기서, 상온흡착탑으로서, 3탑식 상온흡착탑과 같은 복수탑식 상온흡착탑을 이용하는 것이 바람직하다. 흡착탑은 2탑, 3탑식 혹은 그 이상의 탑수로 운용할 수 있는데, 3탑식의 경우, 각 탑에서 (1)흡착, (2)탈착, (3)승압을 교호로 전환하여 반복함으로써 연속적으로 폐가스 중의 질소와 이산화탄소를 흡착제거할 수 있다. 흡착시의 압력은 0.3MPa 이상, 1.1MPa 이하인 것이 바람직하다. 또한, 흡착시의 온도는 상온인 것이 바람직하나 필요에 따라 냉각할 수 있다.
흡착탑은, PSA(Pressure Swing Adsorption) 방식으로 운용할 수 있다. 또한, 탈착시는 대기압까지 배기하고 나서, 진공펌프에 의해 대기압 이하로 감압함으로써 흡착제에 흡착한 불순가스(질소, 이산화탄소)의 탈착을 촉진할 수 있다. 탈착 후, 승압시에는 흡착탑을 통과하여 고순도가 된 가스의 일부를 도입하여 승압하고, 다음의 흡착운전에 대비하여 소정의 압력까지 복압한다. 이 일련의 동작을 자동제어에 의해 반복함으로써 폐가스 중의 불순가스를 제거할 수 있다.
이 경우, 3탑식 상온흡착탑 중 어느 하나의 흡착탑에 있어서 승압을 행할 때, 흡착탑에 유입되는 폐아르곤가스의 유입량을 계측함으로써, 이 유입량에 따라 승압에 사용하는 회수가스의 양을 제어하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 흡착탑내의 압력변동을 흡수하여 안정적으로 흡착동작을 행할 수 있다.
나아가, 상기의 흡착, 탈착, 및 승압의 시간은, 폐아르곤가스 유량의 변동에 대응하여 자동적으로 변경하는 것이 바람직하다. 이로 인해, 더욱 효율적으로, 흡착, 탈착, 승압을 행할 수 있다.
이와 같이 하여, 물 및 불순가스를 제거함으로써, 도 1의 (8)에 나타낸 바와 같이, 고순도 가스(회수가스)를 얻을 수 있다. 흡착탑을 통과한 고순도 가스(회수가스)는 압력제어를 행하면서 필터를 통과하여 미립자를 제거한 후에 실리콘 단결정 제조장치에 공급하는 것이 바람직하다.
이때, 예를 들어 회수가스 중의 불순가스농도(질소, 산소 및 일산화탄소의 농도)가 일정한 값(허용값)을 초과하는 경우, 회수가스의 일부 또는 전량을, 즉시 폐아르곤가스 저장조로 반송 혹은 대기(옥외)로 퍼지하는 것이 바람직하다.
또한, 실리콘 단결정 제조장치로부터의 폐가스량이 부족한 경우는 폐아르곤가스 저장조 레벨이 일정한 레벨까지 저하된다. 이때에도 회수가스를 단결정 제조장치로의 공급을 정지하고 폐아르곤가스 저장조에 반송함으로써, 설비를 정지하지 않고 안정적으로 운전이 가능하다.
또한, 이러한 사태가 되어도, 회수가스 대신에 CE(콜드 에바폴레이터)탱크로부터 증발기를 경유하여 구입 아르곤가스가 자동적으로 공급되고, 단결정 제조장치에 대해서는 압력변동이 없이 아르곤가스의 공급은 유지된다. 이는 회수 아르곤가스의 공급배관이 CE탱크로부터 공급되는 구입 아르곤가스와 접속되어 있으며, 통상 회수 아르곤가스의 압력이 약간 높은 압력이기 때문에, 회수 아르곤가스를 우선적으로 사용하도록 되어 있다. 따라서, 회수가스측의 압력이 앞선 사유로 인해 공급을 멈춤으로써 회수가스측의 압력이 낮아지는 것에 의해 자동적으로 CE탱크측으로부터 구입 아르곤가스가 공급되는 것이다.
[실시예]
이하, 실시예를 들어 본 발명을 더욱 구체적으로 설명하나, 이들은 본 발명을 한정하는 것은 아니다.
(실시예)
우선, 도 2에 나타낸 본 발명의 장치를 이용하여, 실리콘 단결정 제조장치로부터 폐가스를 폐아르곤가스 저장조에 수입하였다. 폐가스수입계통의 압력은 2.0kPaG(정압)로 운용하였다. 이에 따라 폐가스에의 대기성분의 침입은 최소한으로 억제할 수 있고, 실리콘 단결정 제조장치의 진공펌프나 폐아르곤가스 저장조의 동작을 지장없이 운용할 수 있었다. 수입량은 경우에 따라 달라진다. 폐가스는 전처리 설비로 고형분을 제거한 후에, 이단압축기에 도입하였다.
이어서, 이단압축기 전에 폐가스 중의 CO농도를 계측하고, 압축기를 통과하는 폐가스량을 계측하여 연산해서, 폐가스에 첨가하는 산소량을 결정하였다. 산소첨가량은 통상 20Nl/min 이하였다.
폐가스는 1단째 압축유닛에서, 대기압 부근에서부터 0.3MPa 이상으로 승압하고 나서 촉매유닛을 통과하고, 압축 후의 폐가스온도는 170~190℃ 정도였다. 촉매유닛을 통과한 폐가스는 인터쿨러에 도입하여 냉각하였다.
계속해서 2단째 압축유닛에 도입하기 전에 수소를 첨가하였다. 첨가량은 통상 20Nl/min 이하였으나, 이단압축기의 출구에 설치한 산소농도계로 검출하한 이하가 되도록 제어하였다. 수소첨가 후에 2단째 압축유닛에 폐가스를 도입하여 0.3~1.1MPa까지 압축하였다. 압축 후의 온도는 170~190℃에서, 즉시 촉매유닛을 통과하여 폐가스는 애프터쿨러로 냉각하였다.
이단압축기를 통과한 폐가스는, 논퍼지형 드라이어에 도입하여 폐가스 중의 수분을 최대한 저감하고, 노점온도에서 -70℃ 이하까지 제습하였다. 이때, 드라이어에서는 드레인 이외에 폐가스를 계외로 배출하지 않고 운용하였다.
논퍼지형 드라이어를 통과한 폐가스는, 고형물, 수분, 산소, 일산화탄소, 수소가 거의 제거되어 있었다.
폐가스 중에 잔류한 질소, 이산화탄소를 제거하는 목적으로, 3탑식 상온흡착탑에 폐가스를 도입하였다. 운용압력은 0.3~1.1MPa로 흡착, 탈착시는 대기압까지 탑내를 배기한 후에 진공펌프로 감압하였다. 탈착이 완료된 후, 탑내를 승압하기 위하여 흡착탑을 통과하여 고순도가 된 가스(회수가스)의 일부를 이용하여 승압하였다. 승압하는 압력은 감압상태로부터 1.1MPa까지이며, 승압이 완료되면 다음의 흡착동작으로 이행하였다. 상기를 자동적으로 반복하도록, 각 탑의 입출구에 자동밸브를 마련하여 자동운전을 연속적으로 행함으로써 안정적으로 회수가스를 얻었다.
회수가스 중의 불순가스농도가 상승, 혹은 폐아르곤가스 저장조 레벨이 저하되었을 때는 회수가스를 폐아르곤가스 저장조에 반송, 혹은 대기에 퍼지하여 설비의 연속운전을 안정화할 수 있었다.
표 1에 실시예, 및 특허문헌 1~3에 기재된 처리공정 플로우, 처리조건 및 회수가스 불순물농도의 결과에 대하여 나타낸다.
Figure pct00002

표 1에 나타낸 바와 같이, 실시예에서는, 회수가스 중의 불순가스농도는, H2≤5ppm, O2≤0.5ppm, N2≤5ppm, CO, CO2≤0.5ppm, 수분(노점온도)≤-70℃였다.
또한, 표 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명에서는, 특허문헌 1~3에 개시된 콜드박스와 같은 고압가스 제조설비나 냉동기, 등을 이용한 저온흡착탑은 불필요하며, 심플하고 저비용이 되는 설비를 이용하여 실리콘 단결정 제조장치로부터 배출된 대풍량의 아르곤가스에 포함되는 불순가스를 안정적으로 제거할 수 있는 것을 알 수 있었다.
또한, 본 발명은, 상기 실시형태로 한정되는 것은 아니다. 상기 실시형태는, 예시이며, 본 발명의 특허청구의 범위에 기재된 기술적 사상과 실질적으로 동일한 구성을 가지며, 동일한 작용효과를 나타내는 것은, 어떠한 것이어도 본 발명의 기술적 범위에 포함된다.

Claims (25)

  1. 실리콘 단결정 제조장치로부터 질소, 산소 및 일산화탄소를 포함하는 폐아르곤가스를 폐아르곤가스 저장조에 도입하는 공정과, 상기 폐아르곤가스 중의 고형물을 제거하는 전처리 설비에서, 상기 고형물을 제거하는 공정과, 촉매반응에 의해, 상기 산소를 물로, 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하는 공정과, 상기 물, 상기 이산화탄소 및 상기 질소를 제거하고, 회수가스를 얻는 공정을 갖는 아르곤가스 회수정제방법으로서,
    상기 촉매반응을 이단압축기내에 촉매를 배치함으로써 압축열만으로 행하고, 상기 회수가스를 얻는 공정에 있어서, 미리 드라이어로 상기 물을 제거하고 나서 상온흡착탑에서 상기 질소, 상기 이산화탄소를 흡착제거하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 실리콘 단결정 제조장치와 상기 폐아르곤가스 저장조의 사이에 유체반송기기를 설치하지 않고 직접 폐아르곤가스 배관으로 접속함으로써, 상기 폐아르곤가스 배관내에 부압개소를 일절 마련하지 않고, 항상 정압으로 유지하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 전화하는 공정에 있어서, 우선, 상기 이단압축기의 1단째의 압축유닛의 앞에서, 상기 폐아르곤가스 중에 첨가량을 제어하면서 산소를 첨가하고 나서 1단 압축조작을 행하고, 이 압축조작에 의해 발생한 압축열에 의해, 상기 폐아르곤가스의 온도를 100~200℃로 상승시킨 후, 즉시 상기 1단째의 압축유닛 후단에 설치한 1단째의 촉매유닛에서, 상기 일산화탄소 및 상기 첨가한 산소를 상기 촉매반응시킴으로써, 상기 이산화탄소로 전화하고,
    이어서 상기 이단압축기의 2단째의 압축유닛의 앞에서, 상기 폐아르곤가스 중에 첨가량을 제어하면서 수소를 첨가하고 나서 2단 압축조작을 행하고, 이 압축조작에 의해 발생한 압축열에 의해, 상기 폐아르곤가스의 온도를 100~200℃로 상승시킨 후, 즉시 상기 2단째의 압축유닛 후단에 설치한 2단째의 촉매유닛에서, 상기 산소 및 상기 첨가한 수소를 상기 촉매반응시킴으로써, 상기 물로 전화하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 1단째의 압축유닛 및 상기 2단째의 압축유닛 이외에 가열원을 이용하지 않는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 1단째의 촉매유닛의 직후에 인터쿨러를 설치하고, 상기 2단째의 촉매유닛의 직후에 애프터쿨러를 설치함으로써, 상기 이단압축기 외부에 냉각장치를 마련하지 않고 상기 폐아르곤가스를 냉각하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 이단압축기에 상기 폐아르곤가스를 도입할 때, 상기 이단압축기 입구의 상기 폐아르곤가스 유량의 변동에 대하여, 항상 흡입압력 혹은 토출압력을 감시하여 바이패스제어를 행함으로써, 상기 이단압축기에, 항상 일정량의 폐아르곤가스를 흘리는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  7. 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 드라이어를, 실리카알루미나계, 활성알루미나계, 합성제올라이트계의 흡착제를 갖는 논퍼지형 드라이어로 하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상온흡착탑을 복수탑식 상온흡착탑으로 하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 복수탑식 상온흡착탑을 3탑식 상온흡착탑으로 하고, 각 흡착탑에서, 상기 폐아르곤가스 중의 상기 질소, 상기 이산화탄소의 흡착제거, 상기 흡착한 질소, 이산화탄소의 탈착 및 흡착탑의 승압을 교호로 전환하여 반복하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 3탑식 상온흡착탑 중 어느 하나의 흡착탑에 있어서 상기 승압을 행할 때, 상기 흡착탑에 유입되는 상기 폐아르곤가스의 유입량을 계측함으로써, 이 유입량에 따라 상기 승압에 사용하는 상기 회수가스의 양을 제어하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  11. 제9항 또는 제10항에 있어서,
    상기 흡착, 상기 탈착, 및 상기 승압의 시간을 폐아르곤가스 유량의 변동에 대응하여 자동적으로 변경하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  12. 제1항 내지 제11항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 폐아르곤가스 유량의 변동에 수반하여, 상기 폐아르곤가스 저장조의 레벨이 저하될 때, 상기 회수가스를 자동적으로 상기 폐아르곤가스 저장조에 전량 반송하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  13. 제1항 내지 제12항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 회수가스 중의 상기 질소, 상기 산소 및 상기 일산화탄소의 농도가 소정의 허용값을 초과하는 경우에, 상기 실리콘 단결정 제조장치로의 상기 회수가스공급을 즉시 정지하고, 상기 회수가스의 일부 또는 전량을, 옥외로 퍼지 또는 상기 폐아르곤가스 저장조에 반송하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  14. 제1항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상온흡착탑 입구에 있어서, 상기 폐아르곤가스 중의 상기 질소, 상기 산소 및 상기 일산화탄소의 농도가 소정의 허용값을 초과하는 경우에, 상기 상온흡착탑으로의 상기 폐아르곤가스 공급을 즉시 정지하고, 상기 폐아르곤가스의 일부 또는 전량을, 옥외로 퍼지 또는 상기 폐아르곤가스 저장조에 반송하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제방법.
  15. 실리콘 단결정 제조장치로부터 질소, 산소 및 일산화탄소를 포함하는 폐아르곤가스를 수입하는 폐아르곤가스 저장조와,
    상기 폐아르곤가스 중의 고형물을 제거하는 전처리 설비와,
    상기 폐아르곤가스를 압축함으로써 발생하는 압축열만으로, 상기 산소를 물로, 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 각각 전화하는 촉매반응을 행할 수 있는, 기내에 촉매가 배치되어 있는 이단압축기와,
    상기 물을 제거할 수 있는 흡착제를 구비하는 드라이어와,
    상기 이산화탄소 및 상기 질소를 제거할 수 있는 흡착제를 구비하는 상온흡착탑
    을 갖는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  16. 제15항에 있어서,
    상기 폐아르곤가스 저장조와 실리콘 단결정 제조장치의 사이에 유체반송기기를 설치하지 않고 직접 폐아르곤가스 배관으로 접속하는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  17. 제15항 또는 제16항에 있어서,
    상기 이단압축기는, 상기 폐아르곤가스에 첨가량을 제어하면서 산소를 첨가하는 산소유량조절기, 제1 압축을 행하는 1단째의 압축유닛, 기내에 촉매가 배치되고, 상기 제1 압축에 의해 발생하는 압축열만으로, 상기 일산화탄소를 이산화탄소로 전화하는 촉매반응을 행하는 1단째의 촉매유닛, 상기 폐아르곤가스에 첨가량을 제어하면서 수소를 첨가하는 수소유량조절기, 제2 압축을 행하는 2단째의 압축유닛 및 기내에 촉매가 배치되고, 상기 제2 압축에 의해 발생하는 압축열만으로, 상기 산소를 물로 전화하는 촉매반응을 행하는 2단째의 촉매유닛을 갖는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 1단째의 압축유닛 및 상기 2단째의 압축유닛 이외에 가열원을 갖지 않는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서,
    상기 1단째의 촉매유닛의 직후에 인터쿨러를 설치하고, 상기 2단째의 촉매유닛의 직후에 애프터쿨러를 설치하고, 상기 이단압축기 외부에 냉각장치를 설치하지 않는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  20. 제15항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아르곤가스 회수정제장치는, 추가로, 상기 이단압축기 입구의 상기 폐아르곤가스 유량의 변동에 대하여, 항상 흡입압력 혹은 토출압력을 감시하여 바이패스제어를 행하는 자동압력조절기를 갖는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  21. 제15항 내지 제20항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 드라이어가, 실리카알루미나계, 활성알루미나계, 합성제올라이트계의 흡착제를 갖는 논퍼지형 드라이어인 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  22. 제15항 내지 제21항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 상온흡착탑이, 3탑식 상온흡착탑인 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  23. 제15항 내지 제22항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 아르곤가스 회수정제장치는, 추가로, 상기 회수가스 중의 상기 질소, 상기 산소 및 상기 일산화탄소의 농도를 측정하는 회수가스분석계를 갖는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  24. 제23항에 있어서,
    상기 아르곤가스 회수정제장치는, 추가로, 상기 폐아르곤가스 저장조의 레벨이 저하되거나 또는 상기 회수가스분석계의 측정값이 허용값을 초과하는 경우에, 상기 회수가스의 일부 또는 전량을 상기 폐아르곤가스 저장조에 반송하는 회수가스반송용 배관을 갖는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
  25. 제23항 또는 제24항에 있어서,
    상기 아르곤가스 회수정제장치는, 추가로, 상기 상온흡착탑 입구에 있어서, 상기 폐아르곤가스 중의 상기 질소, 상기 산소 및 상기 일산화탄소의 농도가 소정의 허용값을 초과하거나 또는 상기 회수가스분석계의 측정값이 허용값을 초과하는 경우에, 상기 회수가스 또는 상기 폐아르곤가스의 일부 또는 전량을 옥외로 퍼지하기 위한 퍼지밸브를 갖는 것을 특징으로 하는 아르곤가스 회수정제장치.
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