KR20210157923A - 가스 혼합물로부터 암모니아를 제거하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
가스 혼합물로부터 암모니아를 제거하기 위한 방법 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
암모니아가 고체 흡착제에 흡착될 수 있게 하는 것에 의해서, 주변 압력 범위의 압력에서, 가스 혼합물로부터 기체 암모니아를 제거하는데 유용한 방법, 장치, 및 시스템뿐만 아니라, 관련된 시스템 및 방법이 개시된다.
Description
관련 출원에 대한 상호-참조
본원은, 모든 목적을 위해서 개시 내용의 전체가 본원에서 참조로 포함되는, 2019년 5월 24일자로 출원된 미국 가특허출원 제62/852,478호의 35 USC 119에 따른 이익을 주장한다.
본 발명은, 암모니아가 고체 흡착제에 흡착될 수 있게 하는 것에 의해서, 주변 압력 범위의 압력에서, 가스 혼합물로부터 기체 암모니아를 제거하는데 유용한 방법, 장치, 및 시스템에 관한 것이다.
화학적 프로세싱 산업에서, 암모니아는 다양한 유형의 프로세싱 및 제조 단계를 위한 원료 물질로서 유용하다. 이는 다양한 프로세스의 부산물로서 생산되고, 화학적 프로세스의 유출물(effluent) 또는 배기 스트림에 포함될 수 있다.
반도체 제조에서, 암모니아는 유용한 원료 물질이거나, 프로세싱 부산물일 수 있다. 특정 예에서, 암모니아는, 발광 장치(LED)로서 기능하는 질화물 물질(예를 들어, 갈륨 질화물 결정)을 제조하기 위해서 유기금속 화합물과 함께 사용된다. 프로세스의 중요하고 고-비용적인 특징은, 금속-유기 화학증착(MOCVD)에 의해서 수행되는, 에피택시얼 침착에 의한 활성 반도체 층의 성장이다. MOCVD의 단계는, 암모니아와 같은 질소 공급원과 또한 조합된, 트리메틸 갈륨과 같은 휘발성 금속-유기 전구체로부터 인듐 갈륨 질화물(InGaN)과 같은 금속-질화물 화합물을 생성한다. 이러한 프로세스에서, 상대적으로 느린 질화물-결정 성장 프로세스 중에, 비교적 많은 유량의 암모니아가 필요하다. 암모니아 가스 내의 미량의 불순물이라도, 침착된 결정에 통합된 상당한 양의 원치 않는 원자를 생성할 수 있다. 불순물을 줄이기 위해서, 최신 LED는, 예를 들어 1 ppb(part-per-billion) 이하의 수분 또는 산소를 포함하도록 전형적으로 여러 스테이지의 정제를 거친 암모니아를 사용하여 제조된다.
불행하게도, 암모니아는 MOCVD 프로세스에서 효율적으로 사용되지 않는다. 그러한 프로세스는 원료 물질로서 매우 많은 부피의 고순도 암모니아를 필요로 하며, 그 대부분은 반응하지 않고 프로세싱 단계를 통과하여 프로세스 배기 스트림의 일부가 된다. 그러한 배기 스트림은, 상당한 양의 암모니아, 금속-함유 전구체(유기금속 증기), 예를 들어 트리메틸 갈륨 전구체, 비-유기금속 증기, 예를 들어 수소(H2) 및 질소(N2), 그리고 가능하게는 유기금속 입자와 같은 입자를 포함하는 가열된 가스 혼합물이다. 배기 가스 혼합물은 섭씨 300도, 400도 또는 500도의 온도와 같은 상승된 온도 및 주변 유동 압력에서 MOCVD 프로세스로부터 유동할 것이다.
바람직하게, 비용 및 폐기물을 줄이기 위해서, 이러한 유형의 가열된 배기 가스 혼합물에 포함된 암모니아를 수집하여 재사용할 수 있다. 그러나, 먼저 암모니아를 가스 혼합물로부터 분리해야 하며, 이는 또한 배기 가스의 온도를 낮추는 것 그리고 유기금속 증기 및 임의의 입자 파편을 가스 혼합물로부터 제거하는 것을 포함할 수 있다.
반도체 산업을 포함하는 화학 프로세싱 산업은, 가스 혼합물로부터 암모니아를 제거하기 위한 새롭고 개선된 방법을 끊임없이 찾고 있다. 가스 혼합물은, LED 제조 프로세스의 배기물을 포함하지만 이에 국한되지 않는, 임의의 공급원으로부터 유도될 수 있다.
(수소 및 질소와 함께) 비교적 큰 부피의 암모니아의 사용에 의존하는 일반적인 LED 제조 프로세스를 특히 고려하면, 암모니아는 비교적 고가의 가스이고 폐기 비용이 비교적 높다. 따라서, LED 반응기의 배기물로부터 암모니아를 재활용하는 것이 여러 가지 이점을 가질 것이다. LED 제조 프로세스는 암모니아의 이용과 관련하여 비효율적이고, 프로세스에 첨가된 암모니아의 작은 부분만을 이용한다. 프로세스에 투입된 암모니아의 대부분은 배기 스트림으로 통과 유동한다. 현재 암모니아의 폐기는, 배기 스트림의 암모니아를 물에 용해시켜 암모늄 수산화물을 생성하는 것 또는 묽은 수성 산을 사용하여 암모니아의 원소 중화를 실시하는 것에 의해서 수행된다. 이어서, 그러한 두가지 방법의 결과적인 용액이 하수 시스템으로 플러싱된다. 고객은 전형적으로 폐기 비용에 대해서 갤런 단위로 청구받는다. LED 조명은 녹색 기술(green technology)로 간주된다. 이러한 일반적이고 구체적인 이유로, LED 제조의 폐기물 스트림에서 암모니아를 핸들링하기 위한 프로세스를, 현재-실행되는 암모니아 폐기 방법에 비해서, 더 개선하는 것이 요구될 수 있다.
본 발명은, 암모니아가 고체 흡착제에 흡착될 수 있게 하는 것에 의해서, 주변 압력 범위의 압력에서, 가스 혼합물로부터 기체 암모니아를 제거하는데 유용한 방법, 장치, 및 시스템에 관한 것이다.
가스 혼합물은 상업적 프로세스에서 이용되는 임의의 가스 혼합물일 수 있고, 비-암모니아 증기들, 입자 파편(마이크로-입자, 미크론-이하의 입자, 나노입자 등을 포함하는 현탁된 마이크로-입자(suspended micro-particle)와 같은 물질), 또는 그 둘 모두가 조합된 암모니아를 포함할 수 있다. 가스 혼합물은 상업적인 화학적 프로세스로부터 유래될 수 있거나 그와 함께 사용되도록 설계될 수 있다.
하나의 예로서, 본 설명의 방법에 의해서 프로세스될 수 있는 특정 가스 혼합물은, 질화물을 반도체 또는 마이크로전자 기재 상에 침착하는 산업적인 프로세스에 의해서, 예를 들어 LED를 제조하기 위해서 갈륨 질화물(GaN)을 화학적으로 침착하는 것에 의해서 생성되는 가열된 배기 스트림의 형태이다. 그러나, 이하의 설명이 본 발명의 방법, 장치 및 시스템의 이러한 특정의 예시적인 사용을 강조하지만, 본 발명의 방법, 장치 및 시스템은 다른 상업적 프로세스에서 사용되거나 그로부터 유도된 다양한 다른 유형의 가스 혼합물로부터 암모니아를 제거하는데 있어서 효과적일 것이다.
일 양태에서, 기체 암모니아를 함유하는 가스 혼합물로부터 암모니아를 제거하는 방법이 개시된다. 그러한 방법은 주변 유동 압력의 가스 혼합물을 고체 흡착제를 포함하는 용기에 전달하는 단계, 및 주변 유동 압력의 가스 혼합물과 고체 흡착제를 접촉시켜 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계를 포함한다.
다른 양태에서, 암모니아, 비-암모니아 증기, 유기금속 증기, 및 고체 입자를 포함하는 가스 혼합물을 처리하는 방법이 개시된다. 그러한 방법은 가스 혼합물을 열 교환기를 통해서 통과시켜 냉각된 가스 혼합물을 생성하는 가스 혼합물 냉각 단계; 냉각된 가스 혼합물을 입자 필터를 통해서 통과시켜 고체 입자를 제거하는 단계; 냉각된 가스 혼합물을 제1 고체 흡착제를 통해서 통과시켜 유기금속 증기를 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 단계; 및 냉각된 가스 혼합물을 제2 고체 흡착제와 접촉시켜 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계를 포함한다.
또 다른 양태에서, 유기금속 증기, 입자, 및 비-유기금속 증기를 포함하는 가스 혼합물을 프로세스하기 위한 시스템이 개시된다. 시스템은 가스 혼합물의 온도를 낮추도록 구성된 열 교환기; 고체 입자를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있는 입자 필터; 유기금속 증기를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있는 유기금속 증기 제거 필터; 및 주변 유동 압력 및 암모니아 흡착 온도를 포함하는 조건에서 암모니아 증기를 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 것에 의해서 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있는 고체 흡착제를 포함하는 용기를 포함하고, 열 교환기, 입자 필터, 유기금속 증기 제거 필터 및 용기는 서로 유체 연통된다.
개시 내용은 첨부 도면과 관련한 여러 가지 예시적인 실시예에 관한 이하의 설명을 고려할 때 보다 완전히 이해될 수 있을 것이다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는, 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 제거하기 위해서 고체 흡착제를 이용하는, 전술한 바와 같은 장치 및 관련 방법 단계의 예를 도시한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 설명된 장치의 실시형태를 도시한다.
도 3은 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 제거하기 위한 전술한 바와 같은 시스템 또는 장치의 세트 또는 방법 단계의 예를 도시한다.
도 4는 전술한 바와 같은 시스템의 예시적인 구성요소를 도시한다.
도 5는 전술한 바와 같은 시스템 또는 방법에서 유용할 수 있는 열 교환기의 예를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 전술한 바와 같은 시스템 또는 방법에서 유용할 수 있는 예시적인 입자 필터를 도시한다.
도 7a는 전술한 바와 같은 시스템 또는 방법에서 유용할 수 있는 유기금속 증기 제거 필터의 예를 도시한다.
도 7b는 전술한 바와 같은 시스템 또는 방법에서 유용할 수 있는 유기금속 증기 제거 필터 및 선택적인 입자 필터의 예를 도시한다.
모든 도면은 예시적인 것이고 반드시 실제 축척인 것은 아니다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c는, 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 제거하기 위해서 고체 흡착제를 이용하는, 전술한 바와 같은 장치 및 관련 방법 단계의 예를 도시한다.
도 2a, 도 2b 및 도 2c는 설명된 장치의 실시형태를 도시한다.
도 3은 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 제거하기 위한 전술한 바와 같은 시스템 또는 장치의 세트 또는 방법 단계의 예를 도시한다.
도 4는 전술한 바와 같은 시스템의 예시적인 구성요소를 도시한다.
도 5는 전술한 바와 같은 시스템 또는 방법에서 유용할 수 있는 열 교환기의 예를 도시한다.
도 6a 및 도 6b는 전술한 바와 같은 시스템 또는 방법에서 유용할 수 있는 예시적인 입자 필터를 도시한다.
도 7a는 전술한 바와 같은 시스템 또는 방법에서 유용할 수 있는 유기금속 증기 제거 필터의 예를 도시한다.
도 7b는 전술한 바와 같은 시스템 또는 방법에서 유용할 수 있는 유기금속 증기 제거 필터 및 선택적인 입자 필터의 예를 도시한다.
모든 도면은 예시적인 것이고 반드시 실제 축척인 것은 아니다.
이하는, 가스 혼합물 내의 기체 암모니아를, 주변 유동 압력 범위의 압력에서, 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 것에 의해서 암모니아를 가스 혼합물로부터 제거하는데 있어서 유용한 방법, 시스템, 장치, 및 장치들의 조합의 설명이다. 그러한 방법, 시스템 및 장치는 예를 들어 암모니아를 수집할 수 있도록, 정제할 수 있도록, 그리고 재-사용할 수 있도록 암모니아를 가스 혼합물로부터 제거하는데 있어서 유용하다. 암모니아를 가스 혼합물로부터 제거하는 예시적인 방법이, 가스 혼합물을 프로세스하기 위해서 이용되는 일련의 단계 중 다른 단계와 조합되어 실시될 수 있다. 다른 단계는 냉각 단계, 입자(예를 들어, 마이크로-입자)를 가스 혼합물로부터 제거하는 단계, 및 유기금속 증기와 같은 하나 이상의 다른 유형의 증기를 가스 혼합물로부터 제거하는 단계 중 하나 이상을 포함할 수 있다.
가스 혼합물은, 가스 혼합물의 일부로서, 예를 들어 원료 물질로서 또는 유출물로서 암모니아 증기를 포함하는, 임의의 화학적 프로세스에서 유용한 또는 그로부터 유도되는 것일 수 있다. 가스 혼합물은, 적어도 15, 20, 30, 또는 40 (부피)% 암모니아와 같은, 상당한 양(more than insubstantial amount)의 암모니아를 기체(증기) 형태로 포함할 수 있다. 가스 혼합물은 또한 비-암모니아 증기, 고체 입자(예를 들어, 마이크로-입자, 미크론-이하-크기의 입자 등), 또는 그 둘 모두를 포함할 수 있다.
가스 혼합물 내의 비-암모니아 증기는, 예를 들어 반응물, 반응 생성물, 프로세싱 보조제로서, 또는 임의의 다른 화학적 또는 물리적 기능을 수행하기 위해서, 상류의 또는 이전의 프로세스 단계에 존재하는 것으로 인해서 가스 혼합물 내에 포함되는 임의의 증기일 수 있다. 비-암모니아 증기의 예는, 질소 증기(N2), 수소 증기(H2), 수증기(H2O), 산소(O2), 또는 이산화탄소(CO2)와 같은, 산업적인 화학적 프로세스에 존재하는 일반적인 증기를 포함할 수 있다.
본 설명에서, "기체" 및 "증기"라는 용어는 화학적 프로세싱 기술에서의 이러한 용어의 사용과 일치되는 방식으로 사용되며, (고체 또는 액체에 대비되는) 가스 상태에서 분자 형태로 존재하는 화학 물질을 지칭하고, 예를 들어 암모니아 증기는, 예를 들어 가스 혼합물의 성분으로서, 가스의 형태로 존재하는 분자 암모니아이다. 유기금속 증기는, 분자 형태로 가스 혼합물 내에 존재하는 유기금속 화합물이다.
가스 혼합물은 또한 비-증기 물질, 예를 들어 증기의 분자보다 큰 현탁된 고체 입자를 포함할 수 있다. 입자의 예는 10 미크론보다 클 수 있다. 다른 입자는, 미크론-이하-크기의 입자, 예를 들어 0.5 미크론 미만 및 약 0.1 미크론까지를 포함하는 1 미크론 미만의 크기를 가지는 입자를 또한 포함하는, 10 미크론 미만의 입자 크기를 가지는 "마이크로-입자"로 지칭되는 고체 입자일 수 있다. 이러한 유형의 입자는 반응물의 응집체 또는 화학적 프로세스의 반응 생성물로부터, 수분 또는 산소의 침투로부터, 또는 화학적 프로세스 또는 화학적 프로세스 환경의 전달 또는 제어와 관련된 장비 또는 다른 고체 물질로부터 유래될 수 있다. 가스 혼합물 내에 포함될 수 있는 입자의 예는, 유기금속 증기와 관련하여 본원에서 전술한 바와 같은 유기금속 화합물로 제조된 유기금속 마이크로-입자, 또는 금속-함유 수산화물 또는 산화물 부산물을 포함한다.
고체 흡착제 상으로의 암모니아 증기의 흡착 중에, 가스 혼합물 및 고체 흡착제는, 흡착제 상으로의 암모니아 증기의 효과적이고 효율적인 흡착을 가능하게 하는 온도에서 각각 독립적이다. 가스 혼합물 및 고체 흡착제는 암모니아 흡착 온도에서 각각 독립적이고, 그러한 암모니아 흡착 온도는, 고체 흡착제와 접촉될 때 가스 혼합물의 주변 유동 압력 조건에서, 암모니아를 가스 혼합물로부터 효율적이고 효과적으로 제거할 수 있게 하는 양으로 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착되는 온도이다. 가스 혼합물, 흡착제, 또는 그 둘 모두의 온도가, 주변 유동 압력에서 가스 혼합물 상의 암모니아가 고체 흡착제 상으로 효과적으로 흡착될 수 있게 할 정도로 충분히 낮아지게 하기 위해서, 가스 혼합물, 고체 흡착제, 또는 그 둘 모두가, 예를 들어 열을 고체 흡착제 또는 가스 혼합물로부터 제거하기 위해서 고체 흡착제, 가스 혼합물, 또는 그 둘 모두와 접촉되는 또는 고체 흡착제 또는 가스 혼합물의 컨테이너, 용기, 또는 유동 구조물과 접촉되는 냉동(refrigeration) 및 냉각 요소에 의해서, 냉각될 수 있다. 바람직하게, 암모니아 흡착 온도는, 비-암모니아 증기(예를 들어, 수소, 산소, 질소, 또는 기타)가 고체 흡착제 상으로 흡착될 수 있게 하거나 유도하는 온도가 아니다. 유용한 암모니아 흡착 온도의 비제한적인 예는 섭씨 0 도 미만, 예를 들어 섭씨 -40 내지 섭씨 0도, 예를 들어 섭씨 -30 내지 섭씨 -25도일 수 있다. 더 낮은 온도가 또한 유용할 수 있다.
또한, 고체 흡착제 상으로의 암모니아 증기의 흡착 중에, 주변 유동 압력에서 가스 혼합물이 고체 흡착제로 도입된다. 가스 혼합물을 고체 흡착제와 접촉시키는 단계는, 많은 양의 암모니아 증기가 고체 흡착제 상으로 흡착될 수 있게 하는 방식으로, 즉 가스 스트림 내에 존재하는 암모니아 증기의 많은 또는 대부분의 양이 효율적으로 제거될 수 있게 하는 방식으로 이루어져야 한다. 가스 혼합물의 유용한 압력은, 예를 들어, 배기 스트림의 일부로서 또는 그로부터 유도된, 기체 유체의 연속적인 유동을 산업적인 화학적 프로세스를 통해서 또는 그로부터 효율적으로 이동시키는데 있어서 일반적인 또는 전형적인, 그리고 대략적으로 주변 압력 조건을 의미하는, 비-가압되는 것으로 간주되는 압력일 수 있다. 그러한 유동은, 진공 또는 임펠러(예를 들어, 팬)에 의해서 생성되는 것과 같이, 기계적 힘에 의해서 구동되는 기체 유체의 "강제된" 유동으로 간주되는, 그러나 압축기 또는 감소된 온도에 의해서 생성되는 압력에 의해서 구동되지 않거나 그러한 것에 노출되지 않는 유동일 수 있다. 그러한 비-가압 또는 "주변"-압력 산업 가스 유동 프로세스에서 일반적으로 이용되는 압력은 2 기압(게이지) 미만, 예를 들어 1.5 또는 1.3 기압(게이지) 미만일 수 있고, 본원에서 "주변 유동 압력"으로 지칭된다.
가스 혼합물과 고체 흡착제를 접촉시키기 위한 프로세싱 조건은, 많은 양의 암모니아 증기를 가스 스트림으로부터 효율적으로 제거하는데 있어서 효과적일 수 있다. 예를 들어, (예를 들어, 가스 혼합물의 유동을 도 1에 도시된 바와 같은 고체 흡착제의 베드(bed)를 통해서 통과시키는 것에 의해서) 예를 들어 가스 혼합물의 유동의 형태로 가스 혼합물로부터 제거되는 암모니아 증기의 양은 가스 스트림 내에 원래 존재하는 암모니아의 적어도 50, 60, 70, 80, 또는 90%일 수 있다.
설명의 예시적인 방법에 따라, 가스 혼합물의 연속적인 유동이, 예를 들어 고체 흡착제 입자의 집합체(collection) 또는 "베드"를 통해서, 고체 흡착제를 지날 수 있고, 그에 따라 가스 혼합물의 유동으로부터 암모니아를 제거하는 연속적인 프로세스가 가능해지게 할 수 있다. 가스 혼합물은 암모니아, 비-암모니아 증기, 및 선택적인 입자를 포함하고, 암모니아가 고체 흡착제에 의해서 흡착되게 하거나 될 수 있게 하는 조건 하에서 흡착제 입자의 집합체를 지난다. 흡착제는 상당한 양의 암모니아를 제거할 것이나, 가스 혼합물 내의 다른 (비-암모니아) 가스 및 입자는, 입자에 의해서 흡착되지 않고, 흡착제의 집합체를 통해서 실질적으로 또는 전체적으로 통과한다. 예를 들어, 적은 양의 비-암모니아 가스 또는 입자가 흡착제 입자에 의해서 가스 혼합물의 유동으로부터 제거되며, 예를 들어 (입자 카운트(particle count)로) 5, 2 또는 1% 미만의 비-암모니아 가스가, 흡착제 입자의 집합체를 통과하는 가스 혼합물의 유동으로부터 제거될 수 있다.
암모니아를 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 단계 후에, 그리고 유용한 또는 희망하는 양의 암모니아가 소정 양의 고체 흡착제 상으로 흡착된 후에, 흡착된 암모니아는, 고체 흡착제를 가열하여 흡착된 암모니아를 탈착된 기체 암모니아로서 방출하는 것에 의해서, 고체 흡착제로부터 제거될 수 있다. 탈착에 의해서 흡착된 암모니아를 고체 흡착제로부터 제거하는 이러한 프로세스는 "탈착 단계"로 지칭될 수 있다. 고체 흡착제 상으로의 암모니아 증기의 흡착 중에, 가스 혼합물 및 고체 흡착제는, 흡착제 상으로의 암모니아 증기의 효과적이고 효율적인 흡착을 가능하게 하는 온도에서 각각 독립적이다. 흡착된 암모니아를 고체 흡착제로부터 제거하기 위해서, 흡착된 암모니아를 포함하는 고체 흡착제가 탈착 온도까지 가열되고, 탈착 온도는, 암모니아가 고체 흡착제로부터 유동되고 수집될 수 있도록, 흡착된 암모니아를 탈착시키는 온도이다. 고체 흡착제 및 흡착된 암모니아의 온도가 탈착 온도에 도달하게 하기 위해서, 흡착된 암모니아를 포함하는 고체 흡착제가, 예를 들어 고체 흡착제, 가스 혼합물, 또는 그 둘 모두와 접촉되는 가열 요소에 의해서 가열될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 고체 흡착제는, 고체 흡착제를 포함하는 컨테이너 또는 용기와 접촉되는 가열 요소에 의해서, 또는 고체 흡착제를 지나서 유동하고 그와 접촉되는 가열된 가스의 이용에 의해서, 또는 흡착된 암모니아를 포함하는 고체 흡착제를 가열하기 위한 임의의 다른 효과적인 모드 또는 기술에 의해서 가열될 수 있다.
유용한 탈착 온도의 비제한적인 예는 적어도 섭씨 20, 30, 40, 또는 50도, 예를 들어 섭씨 10 내지 60도를 포함하여 섭씨 10도 내지 100도일 수 있다. 너무 높은 온도, 예를 들어 약 섭씨 약 100도보다 높은 온도는 암모니아 또는 흡착제를 열화(劣化)시킬 위험이 있다.
전술한 바와 같은 방법은 고체 흡착제를 이용하여, 주변 유동 압력 조건에서, 암모니아 증기를 흡착시키고 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터, 특히 연속 유동 가스 혼합물 형태의 가스 혼합물로부터 제거한다. 고체 흡착제는, 특히 주변 유동 압력에서, 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 효과적 및 효율적으로 제거하는데 있어서 유용한 임의의 것일 수 있다.
고체 흡착제는, 일반적으로 과립형(예를 들어, 입자 형태), 다공성인 물질이고, 그러한 입자는 유기금속 화합물과 같은 오염물질을 흡착하는데 효과적인 물질로 제조된다. 다양한 유형의 고체 흡착제 물질이 알려져 있고 상업적으로 입수할 수 있다. 일부 예는: 양이온 교환 수지, 음이온 교환 수지, 알루미나, 실리카, 제올라이트, 금속 산화물, 염, 활성 탄소(천연 및 합성), 화학적으로-코팅된 탄소, 화학적으로-코팅된 중합체 및 금속-유기 프레임워크가 포함되고, 이들 중 임의의 것이 다공성 입자의 형태로 제공될 수 있다. 이러한 또는 다른 필터 매체 중 임의의 것이 또한, 예를 들어 하나 이상의 일반적인 또는 특정 유형의 유기금속 증기의 흡착을 개선하기 위해서 필터 매체의 흡착 특성을 개선하는, 화학적 처리, 예를 들어 코팅 또는 함침을 포함할 수 있다.
유용한 고체 흡착제의 예는, 탄소 원자로 주로 구성되는 복잡한 구조를 갖는 큰 다공성의 흡착 물질로 일반적으로 알려진, 활성 탄소이다. 활성 탄소는, 화학적 본딩에 의해서 함께 연결되고, 불균일하게 적층되어, 탄소 층들 사이에서 큰 다공성 구조의 구석, 틈새, 균열, 및 틈을 생성하는, 불규칙적인 탄소 원자의 층의 강성 매트릭스 내에 존재하는 기공의 네트워크를 포함하는 과립형 입자의 형태일 수 있다. 다양한 상이한 활성 탄소가 과립형 활성 탄소, 분말형 활성 탄소, 및 압출된 탄소를 포함한다.
하나의 유형의 제올라이트가 종종 이하로 표시되는 알칼리 또는 알칼라인 희토류 원소의 미세 다공성 결정질 알루미노실리케이트로 설명되고:
여기에서, x 및 y는 정수이고, y/x는 1 이상이며, n은 양이온(M)의 원자가이고, z은 각각의 단위 셀 내의 물 분자의 수이다.
고체 흡착제는 표면적에 의해서 특성화될 수 있다. 전술한 방법에서 이용하기에 유용한 또는 바람직한 고체 흡착제 물질은 100 내지 1500의 그램당 평방 미터(m2/g) 범위의 표면적을 가질 수 있다. 유용한 또는 바람직한 표면은 흡착제의 유형에 따라 다를 수 있다. 예를 들어, 활성 탄소 흡착제의 표면적은 바람직하게 1000 내지 1500, 예를 들어 1200 내지 1300 그램당 평방 미터의 범위일 수 있다. 제올라이트 흡착제의 표면적은 100 내지 200 그램당 평방 미터의 범위일 수 있다. 고체 흡착제의 표면적은, BET 질소 흡착 기술과 같은, 알려진 기술로 측정될 수 있다.
유용한 흡착제는 또한 유용한 기공 크기 및 기공 부피의 특성, 예를 들어 150 옹스트롬 미만, 예를 들어 100, 50, 15 미만 또는 10 미만의 옹스트롬, 예를 들어 3 내지 8 옹스트롬의 평균 기공 크기를 가질 수 있다.
도 1a, 도 1b 및 도 1c를 참조하면, 가스 혼합물(20)의 유동으로부터 암모니아 증기를 제거하기 위한 연속적인 또는 반-연속적인 방법의 예가 도시되어 있다. 이러한 도면들은, 암모니아를 가스 혼합물(20)의 유동으로부터 흡착제 베드(12)의 고체 흡착제 상으로 흡착하는 것에 의해서, 암모니아를 가스 혼합물(20)의 유동으로부터 제거하기 위한 암모니아 분리 시스템(10)을 도시한다. 도 1a, 도 1b 및 도 1c는, 암모니아를 연속적인 유동 또는 반-연속적인 유동일 수 있는 가스 혼합물의 유동으로부터 제거하기 위한 연속적인 또는 반-연속적인 프로세스의 특정의 예시적인 프로세싱 단계를 설명하기 위해서, 본 설명의 일부로서 이용된다. 예시적인 시스템(10) 및 이러한 설명된 단계는 비제한적인 예이고, 다른 단계들의 구조 및 순서가 또한, 주변 유동 압력의 조건에서 암모니아를 가스 혼합물로부터 제거하기 위해서 고체 흡착제를 이용하는 전반적으로 설명된 프로세스에서 효과적일 것이다. 예를 들어, 도시된 바와 같이, 하나의 단일 용기(18)만이 도시되어 있다. 그러나, 본 설명의 방법은, 가스 혼합물(20)의 연속적인 유동의 연속적인 프로세스가 가능하도록, 둘 이상의 그러한 용기를 병렬로 이용할 수 있다. 가스 혼합물(20)은 흡착 단계 중에 제1 용기(18)를 통해서 유동할 수 있고, 탈착 단계가 제1 용기에서 수행되는 동안, (제1 용기와 병렬인) 제2 용기(18)를 통해서 유동할 수 있다.
가스 혼합물(20)은, 발광 장치(LED)를 제조하기 위한 갈륨 질화물을 생산하는 방법으로부터 유래된 배기 가스인 본원에서 설명된 가스 혼합물을 포함하는, 임의의 가스 혼합물일 수 있다. 가스 혼합물(20)은, 냉각 단계, 입자 제거 단계, 및 유기금속 증기 제거 단계 중 하나 이상에 의해서 미리 프로세스되었을 수 있다(이하 참조).
예시적인 용기(18)는 유입구(14), 배출구(16), 유입구 밸브(30), 배출구 밸브(32), 고체 흡착제의 베드(12)를 수용하는 유입구(14)와 배출구(16) 사이의 폐쇄된 내측부 부피, 및 유입 가스 혼합물(20), 베드(12), 용기(18), 또는 이들의 임의의 조합을 냉각 또는 가열하기 위한 하나 이상의 냉각 또는 가열 요소(24A 및 24B)를 포함한다. 밸브(32)는, 배출구(16)를 통한 가스 혼합물(20)의 유동을 제어하기 위해서 선택적으로 개방 또는 폐쇄될 수 있다. 밸브(30)는, 유입구(14)를 통한 가스 혼합물(20)의 유동을 제어하기 위해서 선택적으로 개방 또는 폐쇄될 수 있다.
도시된 바와 같이, 요소(24A 및 24B)는 가스 혼합물(20) 및 베드(12)와 각각 직접 접촉되나, 이는 필수적인 것이 아니고 다른 배열도 이용될 수 있다. 대안적으로, 가열 또는 냉각 요소가, 예를 들어 용기(18) 내로 (측벽에서) 구축되는 것에 의해서 또는 (예를 들어, 가열 또는 냉각 블랭킷(blanket)으로서) 용기(18)를 둘러싸는 것에 의해서, 시스템(10)의 임의의 효과적인 위치에 배치될 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 냉각 요소(24A)는 밸브(30)의 상류에 제공될 수 있다.
도 1a는 암모니아 "흡착" 단계로 지칭될 수 있는 단계를 도시한다. 이러한 단계에서, 밸브(30 및 32)는 개방되고, (예를 들어, 흡착 단계를 통해서 연속적인 그러나 일시적으로 지속되는) 유입 가스 혼합물(20)의 일정한 유동이 유입구(14)를 통해서, 용기(18)의 내측부 내로, 그리고 베드(12)의 고체 흡착제와 접촉되게 전달된다.
가스 혼합물(20) 및 용기(18)의 내측부는, 유입구 밸브(30)를 통해서, 그리고 용기(18)의 내측부를 통과할 때, 그리고 또한 배출구(16)를 통과하는 것에 의해서 용기(18)를 빠져 나갈 때, 주변 유동 압력(예를 들어, 2.0 또는 1.5 기압(게이지) 미만)이다.
유입구(14)를 통해서 용기(18)에 진입할 때, 가스 혼합물(20)은 상류의 화학적 프로세싱 또는 제조 단계로부터 유래된 온도를 가질 수 있거나, 상류 단계의 온도에 비해서 냉각되었을 수 있다. 시스템(10)에 의해서 프로세스되기 전의, 예를 들어 요소(24A)에 의해서 냉각되기 전에, 유입구(14)를 통과하기 전에, 또는 그 둘 모두에서 가스 혼합물(20)의 온도의 예는 섭씨 0 내지 60도, 예를 들어 섭씨 5 내지 30도 또는 섭씨 10 내지 50도의 범위일 수 있다. 따라서, 가스 혼합물(20), 베드(12), 용기(18) 또는 이들의 조합의 온도는 감소 또는 제어될 필요가 있을 수 있고 흡착 단계를 위한 암모니아 흡착 온도에서 유지될 필요가 있을 수 있다. 그러한 냉각은, 가스 혼합물(20), 베드(12), 및 용기(18) 중 하나 이상의 온도를 낮추는 것에 의해서 수행될 수 있다. 도시된 바와 같이, 예로서, 이는 냉각 요소(24A, 24B) 또는 둘 모두를 이용하여 수행될 수 있다. 가스 혼합물(20), 베드(12), 또는 용기(18)를 냉각하기 위한 대안적인 수단이 또한 유용할 수 있다.
시스템(10)의 일부로서, 흡착 단계 중에, 용기(18), 베드(12) 및 가스 혼합물(20)은 암모니아 흡착 온도에서 유지되고, 그러한 온도는 섭씨 0도 미만, 예를 들어 섭씨 -40 내지 0도, 예를 들어 섭씨 -35 내지 -5도 또는 섭씨 -30 내지 -20도의 범위일 수 있다.
가스 혼합물(20)은, 설명된 온도 및 압력 조건에서, 베드(12)의 고체 흡착제를 통과하고, 그에 따라 가스 혼합물(20) 내의 상당한 양의 암모니아(예를 들어, 적어도 80, 90, 또는 95 (부피)%)가 고체 흡착제에 의해서 흡착되게 하거나 흡착될 수 있게 한다. 이어서, 암모니아가 제거된 가스 혼합물(22)은 개방 밸브(32) 및 배출구(16)를 통과한다.
도 1a의 흡착 단계는, 가스 혼합물의 유동으로부터의 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착되는 흡착 단계, 그리고 그 후에 가스 혼합물의 유동이 중단되고 흡착된 암모니아가 고체 흡착제로부터 탈착되는 탈착 단계를 포함하는 반-연속적 방법의 단계일 수 있다. 흡착 단계는, 희망하는 양의 암모니아가 베드(12)의 흡착 매체 상으로 흡착될 수 있게 하기에 충분한 시간 동안 수행될 수 있다.
희망하는 양의 암모니아를 고체 흡착제 상으로 흡착하는 것을 포함하는 도 1a의 흡착 단계 후에, 탈착 단계가 수행되어, 예를 들어 도 1b에 예시된 바와 같이, 흡착된 암모니아를 고체 흡착제로부터 제거할 수 있다. 탈착 단계에서, 용기(18), (고체 흡착제 상에 흡착된 암모니아를 포함하는) 베드(12), 또는 그 둘 모두가 (예를 들어, 요소(24B)에 의해서) 가열되어 베드(12)를 탈착 온도까지 상승시킨다. 이는, 유입구(14) 및 배출구(16)를 통한 유동을 방지하기 위해서, 밸브(30 및 32)가 폐쇄 위치에 있는 동안 실시될 수 있다. 밸브가 폐쇄되고 베드(12)의 온도가 탈착 온도까지 상승되면, 기체 암모니아가, 증가된 압력까지, 용기(18)의 폐쇄된 내측부 내에서 축적된다.
탈착 단계는, 예를 들어 적어도 50, 60, 70, 80, 90, 또는 95 중량%의 흡착된 암모니아를 고체 흡착제로부터 제거하기 위해서, 적어도 상당한 양의 흡착된 암모니아가 탈착될 수 있게 하고 고체 흡착제로부터 제거될 수 있게 하는 시간 동안 그리고 그러한 조건 하에서 실행된다. 탈착 중에, 용기 온도는 탈착 온도(예를 들어, 섭씨 10 내지 60도를 포함하는 섭씨 10 내지 100도의 범위)에 도달하고, 흡착된 암모니아가 고체 흡착제로부터 탈착되고 용기(18)의 내측부 내에서 기체 상이 된다. 탈착 온도에서, 폐쇄된 용기 내에서, 탈착된 암모니아의 압력은 대기압보다 높을 수 있고, 예를 들어 1 내지 3 기압(게이지), 예를 들어 1.5 내지 2.5 기압의 범위의 압력에 도달할 수 있다.
탈착 단계 중에 또는 이후에, 도 1c에 도시된 바와 같이, 탈착된 암모니아는 배출구(16) 및 개방 밸브(32)를 통해서 용기(18)로부터 제거될 수 있다. 탈착된 암모니아는, 탈착 온도(섭씨 10 내지 60도를 포함하는, 섭씨 10 내지 100도, 예를 들어 섭씨 20, 25, 또는 30도)에서, 바람직하게 주변 압력보다 높은 압력이고, 주변 온도에서, 예를 들어 적어도 1.5 기압(게이지)의 압력이고, 예를 들어 섭씨 20, 25, 또는 30도의 온도에서 1.5 내지 3 기압(게이지)의 범위이다. 주변 온도에서, 1 기압(게이지) 초과인 압력이 유리할 수 있는데, 이는, 상승된 압력을 유지하면서, 상승된 압력에 의해서 재생된 암모니아가 밸러스트 또는 저장 탱크로 이동될 수 있기 때문이다.
용기(18)를 포함하는 도 1a, 도 1b 및 도 1c의 암모니아 분리 시스템(10)은 예시적이다. 본 발명의 프로세스는, 설명된 바와 같은 암모니아 분리(흡착 및 탈착)를 수행하도록 배열된 용기 내의 고체 흡착제를 포함하는 암모니아 분리 시스템의 다른 예를 포함할 수 있다. 유용한 암모니아 분리 시스템의 다른 예가 도 2a에 도시되어 있다. 여기에서, 암모니아 분리 시스템(10)은 도 1a, 도 1b 및 도 1c의 시스템(10)의 특징을 포함하여 도시되어 있고, 냉각 및 가열 요소(24A 및 24B)는 가지지 않으나, 입력 개구부(36), 내측부 공간(38), 및 출력 개구부(40)를 갖춘, 냉각 또는 가열 자켓(34)을 갖는다. 사용 시에, 용기(18)의 내측부 및 그 내용물은, 가열 또는 냉각 유체(예를 들어, 액체 또는 가스)를 내측부 공간(38)을 통해서 통과시키는 것에 의해서, 희망 흡착 또는 탈착 온도로 가열 또는 냉각될 수 있다.
암모니아 분리 시스템의 다른 예가 도 2b에 도시되어 있다. 시스템(50)은 용기(52), 유입구(14), 배출구(16), 유입구 밸브(30), 배출구 밸브(32), 유입구(14)와 배출구(16) 사이의 폐쇄된 내측부 부피, 및 내측부(62)를 갖춘 자켓(60)을 포함하고, 그러한 내측부(62)를 통해서 냉각 또는 가열 유체의 유동이 통과하여 내측부 부피 및 그 내용물의 온도를 제어(증가 또는 감소)할 수 있고, 그에 따라 용기 및 내용물이 선택적으로 흡착 온도 또는 탈착 온도가 되게 할 수 있다. 내측부는 고체 흡착제의 베드(58), 선택적인 스크린(56), 및 히트 싱크(54)를 포함한다. 흡착제(58)는 전술한 바와 같이 고체 흡착제이다.
이러한 설계에서, 가스 혼합물(20)은 용기의 내측부 내로 유동하고, 화살표에 의해서 도시된 바와 같이, 히트 싱크(54)와 용기(52)의 내부 벽 사이의 공간 내의 히트 싱크(54)의 측면들과 접촉하고 이들을 돌아서 통과한다. 예를 들어 용기의 내용물의 온도를 흡착 온도 또는 탈착 온도로 제어하기 위해서, 액체 또는 기체 유체가 냉각 자켓(60)의 내측부(62)를 통과할 수 있다. 이러한 설계는 구체적으로, 히트 싱크(54) 및 자켓(60)의 이용에 의해서, 분리 프로세스의 흡착 단계 중에 암모니아와 흡착제(58) 사이에서 생성되는 열을 제거할 수 있게 한다. 히트 싱크(54)는, 열 에너지를 흡착제(58)로부터 멀리 전달하기 위해서, 열 전도도가 큰 알루미늄 또는 다른 금속으로 제조될 수 있다. 히트 싱크(54)는, 용기 내측부를 통과하는 가스 혼합물(20)의 온도를 효과적으로 제어(특히 냉각)하기 위해서 직렬로 배치된 (예를 들어, "냉각 퍽(cooling puck)"으로 성형된) 다수의 히트 싱크 단편들을 포함할 수 있다. 흡착 단계 중의 용기(52) 및 그 내용물의 (예를 들어, 섭씨 0 내지 -40도의 온도까지의) 냉각이, 냉각제 및 냉동 시스템을 이용하여 자켓(60)을 통해서 열을 제거하는 것에 의해서 제공될 수 있다.
암모니아 분리 시스템의 하나 이상의 예가 도 2c에 도시되어 있다. 시스템(100)은 환형 용기(110), 유입구(14), 배출구(16), 유입구 밸브(30), 배출구 밸브(32), 유입구(14)와 배출구(16) 사이의 환형 내측부 부피(124), 및 내측부(132)를 갖춘 자켓(130)을 포함하고, 그러한 내측부(132)를 통해서 냉각 또는 가열 유체의 유동이 통과하여 내측부 부피 및 그 내용물의 온도를 제어(증가 또는 감소)할 수 있고, 그에 따라 용기 및 내용물이 선택적으로 흡착 온도 또는 탈착 온도가 되게 할 수 있다. 내부 측벽(120) 및 외부 측벽(122)에 의해서 형성된 환형 용기 내측부(124)는 고체 흡착제 베드(112)를 포함하고, 배플(114)이 내부 및 외부 측벽들로부터 측방향으로 연장된다. 자켓(130)은 환형 용기(110)를 둘러싸고, 자켓 내측부(132)는 내부 측벽(120) 및 외부 측벽(122) 모두와 접촉되게 배치된다. 용기 내측부(124)에 위치되는 배플(114)은, 내측부(124) 내의 가스 혼합물(20)의 순환이 증가될 수 있도록 그리고 가스 혼합물(20)과 내부 및 외부 측벽(120 및 122) 사이의 더 균일한 접촉 및 열 교환이 이루어질 수 있도록, 가스 혼합물(20)의 유동을 베드(112)를 통해서 재-지향시키는데 있어서 효과적이다.
암모니아를 가스 혼합물로부터 제거하기 위해서 암모니아 증기를 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 것에 의해서, 설명된 바와 같은 가스 혼합물을 프로세스하는 단계가, 예를 들어 암모니아를 회수하고 재사용하기 위한, 암모니아 및 다른 증기 그리고 비-증기 물질을 포함하는 가스 혼합물을 프로세싱하는 더 큰 프로세스의 일부일 수 있다. 예를 들어, 도 3은, 암모니아를 회수하기 위해서, 발광 장치를 제조하기 위한 프로세스로부터의 고온의 배기 가스를 처리하기 위한 다수-단계 프로세스를 도시한다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 방법은, 가스 혼합물의 온도를 감소시키는 것, 유기금속 증기를 가스 혼합물로부터 제거하는 것, 입자를 가스 혼합물로부터 제거하는 것, 그리고 암모니아를 가스 혼합물로부터 분리하는 것에 의해서, 가열된 가스 혼합물(예를 들어, "배기물")을 프로세스하는 다수-스테이지 시스템 및 방법에 관한 도시된 예에서 유용할 수 있다.
도시된 바와 같이, 프로세스(202)는, 암모니아 증기를 포함하는, 가스 혼합물(200)을 가열된 배기 가스의 유동(스트림)으로서 생산하는 산업적 프로세스이다. 프로세스(202)는, 암모니아를 포함하는 가스 혼합물을 생산하는 임의의 상업적 프로세스일 수 있고, 본 설명의 특정 실시형태에서, 발광 장치(LED)를 생산하는 프로세스일 수 있다. 이러한 유형의 프로세스는, 암모니아, 2-원자 질소 가스, 및 2-원자 수소 가스를 포함하는, 매우 큰 부피의 고순도 가스를 원료 물질로서 필요로 하는 것으로 알려져 있다. 프로세스는, 금속-유기 화학증착(MOCVD)에 의해서 수행되는, 에피택시얼 침착에 의해서 활성 반전도성 층을 생성하는 것을 포함한다. MOCVD의 단계는, 암모니아와 같은 질소 공급원과 또한 조합된, 트리메틸 갈륨과 같은 휘발성 금속-유기 전구체로부터 인듐 갈륨 질화물(InGaN)과 같은 금속-질화물 화합물을 생성한다. 다층 LED 구조물이, 전형적으로 사파이어인 기재 상에 침착된다.
이러한 유형의 LED 제조 프로세스의 수행을 위해서 매우 고순도의 원료 물질이 필요하다. 이러한 원료 물질 중 하나는 암모니아이고, 그러한 암모니아는, 불행하게도, MOCVD 프로세스에서 효율적으로 사용되지 못하고 프로세스에 의해서 생성된 배기 스트림 내에 상당한 양으로 존재한다. 그러한 배기 스트림은, 상당한 양의 암모니아, 금속-함유 전구체(유기금속 증기), 예를 들어 트리메틸 갈륨 전구체, 비-유기금속 증기, 예를 들어 수소(H2) 및 질소(N2), 그리고 가능하게는 유기금속 입자와 같은 고체 입자를 포함하는 가열된 가스 혼합물이다. LED 구조물의 금속-질화물 화합물을 생산하기 위한 금속-유기 화학기상증착 단계로부터 배기 가스로서 생성되는 이러한 유형의 가스 혼합물의 예는 다음과 같은 양의 암모니아 증기, 수소 증기, 및 질소 증기를 가질 수 있다: 15 내지 40 부피%의 암모니아 증기, 0 내지 60 부피%의 수소 증기, 및 0 내지 70 부피%의 질소 증기; 예를 들어 15 내지 35 부피%의 암모니아 증기, 5 내지 50 부피%의 수소 증기, 및 5 내지 60 부피%의 질소 증기. 가스 혼합물은 또한 소정 양의 유기금속 증기(예를 들어, 트리메틸 갈륨) 및 소정 양의 고체 입자(예를 들어, 마이크로-입자, 미크론-이하의 입자, 또는 기타)를 포함할 것이다. 배기물은 MOCVD 프로세스로부터 상승된 온도로 유동할 것이고, 이는 반응기로부터의 거리 그리고 온도 감소를 위해서 배기물이 냉각 단계에 의해서 프로세스되었는지의 여부와 같은 인자에 따라 달라질 것이다. 반응기를 떠나는 배기물의 온도는, 섭씨 500도 정도로 높을 수 있는 반응기의 온도에 접근할 수 있다. 반응기를 떠난 후에, 온도는 냉각 단계에 의해서 떨어지거나 감소될 수 있으나, 본 설명의 장치 또는 시스템에 의해서 프로세스되기 전에, 섭씨 50, 60, 70, 또는 80도보다 높은 상승된 온도 및 주변 유동 압력에서 유지될 수 있다.
바람직하게, 비용 및 폐기물을 줄이기 위해서, 이러한 유형의 가열된 배기 가스 혼합물에 포함된 암모니아를 수집하여 재사용할 수 있다. 이는, 암모니아 가스를 가스 스트림의 비-암모니아 물질, 예를 들어 유기금속 증기, 질소 증기, 수소 증기, 및 임의의 입자 파편으로부터 분리하는 것을 필요로 한다. 따라서, 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 제거하기 위한 본원에서 설명된 방법의 유용한 적용예의 일 예로서, 그러한 방법은, 배기 가스 혼합물을 냉각하고 유기금속 증기 및 고체 입자를 가스 혼합물로부터 제거하는 상류 단계 이후의 가열된 가스 혼합물과 같은 언급된 유형의 배기 스트림으로부터 암모니아 증기를 제거하기 위해서 이용될 수 있다.
도 3을 다시 참조하면, 가스 혼합물(200)은, 발광 장치(LED)를 생산하는 프로세스일 수 있는 프로세스(202)로부터 유동하는, 전술한 바와 같은 고온 배기 가스일 수 있다. 가스 혼합물(200)은 암모니아 증기, 수소 증기, 질소 증기, 유기금속 증기, 및 소정 양의 고체 입자(예를 들어, 마이크로-입자, 미크론-이하의 입자, 또는 기타)를 포함할 수 있다. 가스 혼합물(200)은, 적어도 섭씨 60도, 70도 또는 80도의 온도와 같은 상승된 온도 및 주변 유동 압력으로 프로세스(202)를 빠져 나온다.
프로세스(202)를 빠져 나온 후에, 가스 혼합물(200)은 냉각 스테이지, 비-암모니아 증기 및 입자를 제거하기 위한 다수의 필터링 스테이지, 그리고 이어서 암모니아 분리 스테이지를 통과한다. 예를 들어, 가스 혼합물(200)은 열 교환기(210), 입자 제거 필터(214), 및 유기금속 증기 제거 필터(218)를 통과할 수 있고, 그 후에 암모니아 분리 단계(230)가 이어질 수 있다. 냉각 및 필터링 단계의 각각의 통과하는 예시된 순서는 제1 스테이지로서 열 교환기(210)를 통과하는 것, 이어서 제2 스테이지로서 입자 제거 필터(214)를 통과하는 것, 그리고 이어서 제3 스테이지로서 유기금속 증기 제거 필터(218)를 통과하는 것이다. 그러나, 이러한 단계는 희망에 따라 다른 순서로 수행될 수 있고, 또한 이러한 3개의 단계 중 임의의 단계 이전에, 이후에, 또는 사이에 수행되는 하나 이상의 부가적인 단계(또는 스테이지)를 포함하는 것에 의해서 수행될 수 있다. 예를 들어, 제2 입자 제거 필터가, 제4 스테이지로서, 증기 제거 필터(218) 이후에, 그리고 암모니아 분리 단계(230) 이전에 선택적으로 포함될 수 있고, 그에 따라 처음의 3개의 스테이지에 의해서 프로세스된 후에 가스 혼합물 내에 여전히 남아 있는 임의의 입자(예를 들어, 미크론-크기 또는 미크론-이하-크기의 입자)를 제거할 수 있다.
도 3에 도시된 바와 같이, 가스 혼합물은, 예를 들어 섭씨 0 내지 60도, 예를 들어 섭씨 0 내지 50도 또는 0 내지 40도 범위의 온도를 가지는, 냉각된 가스 혼합물(212)로서 열 교환기(210)를 빠져 나갈 수 있다. 냉각된 가스 혼합물(212)은 입자 제거 필터(214)에 진입하고, 입자 레벨이 감소된 필터링된 가스 스트림(216)으로 빠져 나간다. 입자가 감소된 냉각된 가스 혼합물은 유기금속 증기 제거 필터(218)(도 6a 및 도 6b 참조)에 진입하고 유기금속 증기 레벨이 감소된 가스 스트림(220)으로서 빠져 나간다. 가스 혼합물(220)은 또한 선택적으로 다른 입자 필터의 이용에 의해서, 예를 들어 제4 스테이지로서의 마이크로-여과 단계에 의해서 프로세스될 수 있고, 그에 따라 미크론-크기의 또는 미크론-이하-크기의 입자(예를 들어, 6, 5, 4, 또는 3 미크론 미만의 입자 크기를 가지는 입자)를 제거할 수 있다. 배기 스트림 내에 존재하는 유기금속 입자는 바람직하게 고순도 암모니아를 제공하기 위해서 제거되나, 또한 유기금속 입자는, 제거되지 않는 경우에, 하류의 암모니아 분리 프로세스에서 다양한 프로세싱 난제들을 유발할 가능성이 있다. 유기금속 입자는, 기체 암모니아를 배기 스트림으로부터 분리하기 위해서 이용되는 장비를 막을 가능성이 있다. 일 예로서, 유기금속 입자가 밸브의 표면에 축적되는 경우에, 분리 시스템은, 적절하게 폐쇄되지 않고 적절하게 밀봉되지 않을 수 있는 기계적 밸브를 포함할 수 있다. 다른 관심 사항은, 유기금속 입자가, 기체 암모니아를 배기 스트림으로부터 제거하기 위해서 이용되는 필터(예를 들어, 분자 체)의 성능을 방해할 수(예를 들어, 막을 수) 있다는 것이다.
도 4는, 암모니아를 가스 혼합물 유동으로부터 분리하는 단계 이전의, 냉각 단계 및 다수의 필터링 단계를 위한 도 3의 예시적인 시스템의 유용한 장치의 특정의 구체적인 예를 도시한다. 시스템(300)은 열 교환기(400), 입자 제거 필터(500), 유기금속 증기 제거 필터(600)를 나열된 순서로 포함한다. 도시된 바와 같이, 가스 혼합물(402), 예를 들어 섭씨 60도 초과의 온도를 가지는 배기 가스가 열 교환기(400)에 진입하고, 열 교환기를 통과하며, 예를 들어 섭씨 0 내지 50도를 포함하는 섭씨 0 내지 60도 범위의 온도를 가지는 냉각된 가스 혼합물(498)로서 열 교환기를 빠져 나간다. 냉각된 가스 혼합물(498)은 입자 제거 필터(500)에 진입하고, 여기에서 고체 입자의 상당 부분이 냉각된 가스 혼합물로부터 제거된다. 가스 혼합물은, 고체 입자 레벨이 감소된 필터링된 가스 스트림(598)으로서 입자 제거 필터(500)를 빠져 나간다. 입자가 감소된 가스 혼합물은 유기금속 증기 제거 필터(600)(도 6a 및 도 6b 참조)에 진입하고, 유입 가스 혼합물(402)에 비해서 입자 및 유기금속 증기 레벨이 감소되고 온도가 감소된 가스 스트림(698)으로서 빠져 나간다.
열 교환기(400)와 고체 지지부(예를 들어, 벽) 사이에 부착되고 열 교환기(400)의 연속적인 발진 또는 진동 이동을 유발하도록 진동되는, 발진기 또는 "진동기"(410)가 도 4에 또한 도시되어 있다. 진동의 성질, 예를 들어 진동을 구성하는 주파수 및 이동 거리는, 미립자가 열 교환기(400)의 내측부 표면에 축적되는 것을 방지하는데 있어서 효과적일 수 있다.
도 5는 유용한 열 교환기(400)의 예의 더 상세한 도면이다. 도시된 바와 같이, 열 교환기(400)는, 열 교환기 본체(404), 본체 유입구(420), 본체 배출구(422), 및 본체 내측부 부피(424)를 포함하는, 향류(counterflow) 코일-형 열 교환기이다. 또한, 중공형 코일 본체(426)는 열 교환기 본체 내측부 부피(424) 내에 위치되고, 코일 유입구(430), 코일 배출구(432), 및 코일 유입구와 코일 배출구 사이의 다수의 코일 회선을 포함한다. 제2 중공형 코일 본체(428)가 또한 열 교환기 본체 내측부 부피(424) 내에 위치되고 제2 코일 유입구(440)와 제2 코일 배출구(442)에 연결된다.
냉각 액체(450)가 코일 유입구에서 중공형 코일 본체에 진입하고, 열 교환기 본체를 통과하는 가열된 가스 혼합물의 유동 방향에 반대되는 방향으로 중공형 코일 본체를 통해서 유동하고, 코일 배출구에서 중공형 코일 본체를 빠져 나간다. 가열된 가스 혼합물(402)은 제1 온도로 본체 유입구에서 열 교환기 본체에 진입하고, 내측부 부피를 통해서 그리고 중공형 코일의 외측부 표면 위를 통과하고, 감소된 온도로 본체 배출구에서 열 교환기 본체를 빠져 나간다.
도 6a는 입자 제거 필터(500)의 하나의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 필터(500)는, 필터(500)의 내측부(506)에서 가스 혼합물(498)을 (원형 화살표로 도시된) 사이클론 유동으로 순환시키는 것에 의해서 진입 가스 혼합물(498)로부터 입자를 제거하는 사이클론 필터이다. 가스 혼합물(498)은 유입구(502)를 통해서 필터(500)에 진입하고, 원뿔형 필터 내측부(506)를 통과하며, 상당한 양의 입자가 제거된 가스 혼합물(598)로서 배출구(504)를 통해서 빠져 나간다. 원뿔형 내측부(506)에서 순환되는 가스 혼합물에 포함된 입자는, 예를 들어 중력에 의해서, 입자 포획부(510)로 하향 방향으로 당겨지고, 입자 포획부에서 입자는 필터(500)를 빠져 나올 수 있고 가스 혼합물로부터 제거될 수 있다. 순환 가스 혼합물은 원형 방향으로, 그리고 위쪽으로 유동하고, 그에 따라 감소된 양의 입자를 가지고 배출구(504)를 통해서 빠져 나간다.
다른 실시형태에서, 사이클론 필터 대신, 필터(500)는, 예시된 사이클론 필터와 함께 또는 그에 대한 대안으로서 포함될 수 있는, 충격 스테이지, 탄소 섬유 수집 스테이지, 구불구불한 경로(예를 들어, 미로) 스테이지, 및 섬유 매체 스테이지 중 하나 이상을 포함하는, 다수-스테이지 필터일 수 있다. 도 6b는, 가스 혼합물(498)을 위한 유입구(518) 및 필터링된 가스 혼합물(598)을 위한 배출구(516)를 포함하는 필터(500)의 예를 도시한다. 유입구와 배출구 사이에 다수의 여과 스테이지가 위치된다. 제1 스테이지는, 필터의 하단부에서 탄소 섬유 층(522)을 포함하는 충격 스테이지(520)이다. 가스 혼합물(498)은 아래쪽으로 유동하고 탄소 섬유 층(522)과 접촉(충돌)하고, 여기에서 입자는 탄소 섬유 층 내에 포획 및 포집되기 시작할 수 있다.
다음 스테이지는 "미로" 또는 "구불구불한 경로" 스테이지(524)이고, 이러한 스테이지는, 가스 혼합물의 유동을 전환하고 가스 혼합물이 구불구불한 경로를 통해서 유동할 때 가스 혼합물 내에 존재하는 입자의 적어도 일부의 추가적인 진행을 효과적으로 포획, 규제, 또는 제한하는 배플 또는 다른 물리적 구조물로 만들어진다.
하나 이상의 부가적인 필터 스테이지(526, 528, 및 530)는, 입자를 섬유질 물질 내에서 유지하면서 가스 혼합물이 스테이지를 통해서 유동할 수 있게 하는데 있어서 효과적인 하나 이상의 섬유질 필터 물질을 포함할 수 있다. 섬유질 필터 물질은, 필터 스테이지를 통한 가스 혼합물의 양호한 유동을 가지고, 바람직하게 불순물이 섬유 필터 물질로부터 섬유 필터 물질을 통과하는 가스 혼합물 내로의 탈가스(가스 방출)가 없이, 양호한 필터링을 제공하도록 선택된다. 섬유 필터 물질은, 스테인리스 강 울, 탄소 울, 세라믹 울(ceramic wool) 등을 포함하여, 일반적으로 상이한 다양한 종류가 알려져 있는, 임의의 유용한 물질일 수 있다.
유용한 필터(500)(예를 들어, 사이클론 필터, 다수-스테이지 필터, 또는 다른 유형의 입자 필터)가, 예를 들어 약 5 또는 6 미크론 정도로 작은 크기까지, 30, 20, 및 10 미크론 미만의 (직경 관련) 입자 크기를 가지는 마이크로 입자를 제거하는데 있어서 효과적일 수 있다.
이제, 도 7a를 참조하면, 유기금속 증기를 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 것에 의해서, 유기금속 증기 및 암모니아를 포함하는 가스 혼합물로부터 기체 유기금속 증기를 제거하기 위한 방법 및 장치의 개략도가 도시되어 있다. 필터(600)는 본원에서 설명된 바와 같은 고체 흡착제 입자, 예를 들어 활성 탄소, 제올라이트, 또는 기타의 베드(608)를 포함한다. 가스 혼합물(598)은 암모니아 증기, 유기금속 증기, 다른 비-유기금속 및 비-암모니아 증기, 및 잠재적으로 다른 고체 입자(예를 들어, 마이크로-입자, 미크론-이하의 입자, 또는 기타)를 포함한다. 가스 혼합물(598)은 베드(608) 상류 측에서 필터(600)의 유입구 내로 유동하고, 베드(608)를 통해서 유동하고, 이어서 베드(608)의 대향(하류) 측에서, 감소된 양의 유기금속 증기를 포함하는 필터링된 가스 혼합물(698)로서, 필터(600)를 빠져 나간다. 가스 혼합물(598)의 유동(예를 들어, 플럭스)의 유량 및 부피, 그리고 유동의 압력은 가스 혼합물(598)이 베드(608) 내에서 소정 시간 동안 체류할 수 있게 하는데 있어서 효과적이고, 그러한 시간은, 가스 혼합물(598) 내에 존재하는 유기금속 증기의 대부분, 거의 대부분, 또는 실질적으로 전부가 가스 혼합물로부터 제거되어 필터링된 가스 혼합물(698)을 생성할 수 있게 할 것이다. 예를 들어, 가스 혼합물(698)은 가스 혼합물(598) 내에 원래 포함되었던 유기금속 증기의 총량의 30, 20, 10, 또는 5% 미만을 포함할 수 있다. 가스 스트림(598) 내에 존재하는 다른 증기 또는 증기들(비-유기금속 증기)은 베드(608)를 실질적으로 통과할 것이고, 베드(608)의 고체 흡착제 입자 상으로 흡착되지 않을 것이며, 가스 혼합물(698) 내에 포함된 증기로서 필터(600)를 빠져 나갈 것이다.
이러한 설명의 예시적인 방법에 따라, 가스 혼합물(598)은, 주변 유동 압력 및 암모니아 흡착 온도보다 높은 온도를 포함하는 조건에 있고, 그러한 암모니아 흡착 온도는 예를 들어 섭씨 0도 초과, 또는 섭씨 0 내지 50도 또는 섭씨 0 내지 40도를 포함하는, 섭씨 0 내지 60도 범위의 온도이다.
유기금속 증기는, (종종 "오가닐 그룹"으로 지칭되는) 하나 이상의 유기 모이어티(organic moiety)에 결합된(예를 들어, 공유 결합된) 금속 원자를 포함하는 유기금속 화합물일 수 있고, 즉 유기금속 화합물은 금속 원자와 유기 모이어티 사이에서 적어도 하나의 탄소-대-금속 결합을 포함한다. 금속은 임의의 금속, 예를 들어 알칼리 금속, 알칼라인 희토류 금속, 또는 전이 금속일 수 있다. 예시적인 금속은 알루미늄, 갈륨, 안티몬, 티타늄, 코발트, 텅스텐 및 인듐을 포함한다. 유기 모이어티는 탄소-금속 공유 결합을 형성할 수 있는 임의의 유기 그룹, 예를 들어: 알킬(예를 들어, 메틸, 에틸, 프로필 등), 아릴, 알킬실릴, 알킬보릴, 카르보닐 및 시아노일 수 있다. 이러한 그룹은 선형, 분지형 또는 환형일 수 있고, 탄소-탄소 이중 결합 또는 방향족 고리 구조와 같은 불포화를 포함할 수 있고, 선택적으로 하나 이상의 헤테로원자 또는 수소 치환을 포함할 수 있다.
유기금속 증기로서, 가스 혼합물의 일부인 유기금속 화합물의 비제한적인 예는, 금속으로서, 갈륨, 알루미늄, 인듐 등과 같은 전이 금속을 포함하는 유기금속 화합물을 포함하고, 유기금속 증기는, 유기금속 증기를 가스 혼합물로부터 제거하기 위해서 고체 흡착제에 의해 효과적으로 흡착될 수 있는 유기금속 증기이다. 금속은, 예를 들어 알킬 그룹일 수 있는 하나 이상의 유기 잔류물과 연관된다. 하나 초과의 유기 잔류물과 연관되는 금속 원자에서, 둘 이상의 유기 잔류물들이 동일하거나 상이할 수 있다. 그러한 유기금속 화합물의 구체적인 예는 트리메틸 갈륨, 트리메틸 인듐, 트리메틸 알루미늄, 및 트리메틸 안티몬((CH3)3Sb)을 포함한다.
예시적인 유기금속 화합물은 또한 이들 또는 다른 유기금속 화합물 중 임의의 것의 화학적 유도체일 수 있다. 유기금속 화합물은 프로세스(예를 들어, 침착) 중에 존재하는 다른 기체 화학물질, 예를 들어 기체 질소, 산소, 물 또는 수소와 반응하여, 유도체 산화물, 염, 금속 산화물, 수산화물, 또는 기타를 형성할 수 있다.
유기금속 증기를 제거하기 위한 고체 흡착제는, 본원에서 설명된 바와 같이, 암모니아를 포함하는 가스 혼합물로부터 유기금속 증기를 제거하기 위한, 이러한 목적을 위해 효과적으로 기능할 임의의 고체 흡착제일 수 있다. 그러한 예는, 특히 활성 탄소를 포함하여, 암모니아 제거 단계와 관련하여 전술한 고체 흡착제 물질을 포함한다.
도 7b는 도 3에 도시된 바와 같은 다수-스테이지 시스템의 제3 및 제4 스테이지의 보다 구체적인 예를 도시하며, 예시적인 제3 스테이지는 유기금속 증기 제거 필터(600)의 예이고 예시적인 제4 스테이지는 제2 입자 제거 필터(700)이다. 도시된 바와 같이, 유기금속 증기 제거 필터(600) 및 제2 입자 제거 필터(700)가 단일 구조의 필터(600)에 포함되지만, 그 대신, 이러한 2개의 스테이지의 필터링은, 가스 혼합물이 2개의 분리된 필터 모두를 통해서 개별적으로 유동할 수 있게 하는 2개의 상이한 필터 구조물들로 별도로 포함될 수 있다.
도시된 바와 같이, 필터(600)는 유입구(602), 배출구(604), 및 고체 흡착제를 포함하는 제1 필터 베드(608) 및 제2 입자 제거 필터를 포함하는 제2 베드(700)를 포함하는 내측부 부피를 포함한다. 가스 혼합물(598)은 유입구(602)를 통해서 필터(600)에 진입하고, 제1 베드(608) 및 그 안에 포함된 고체 흡착제를 통과하여 유기금속 증기가 가스 스트림으로부터 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하고 가스 스트림으로부터 제거되게 한다. 다음에, 가스 혼합물은 제2 베드(700) 및 제2 베드에 포함된 입자 필터에 진입하고 통과하며, 그에 따라 가스 스트림으로부터 미크론-크기의 또는 미크론-이하-크기의 입자를 제거한다.
가스 혼합물(598)은 주변 유동 압력 및 암모니아 흡착 온도보다 높은 온도를 포함하는 조건에 있을 수 있고, 그러한 암모니아 흡착 온도는 예를 들어 섭씨 0도 초과, 예를 들어 섭씨 0 내지 60도 또는 섭씨 0 내지 40도 범위의 온도이다.
유용한 제2 입자 필터(700)는, 이전의 입자 필터, 예를 들어 도 6에 도시된 바와 같은 사이클론 필터에 의해 제거된 입자의 크기보다 작은 (직경 관련) 입자 크기를 갖는 마이크로 입자를 제거하는데 효과적일 수 있다. 예를 들어, 제2 입자 필터(700)는 마이크로여과를 할 수 있고, 그에 따라 미크론-크기 또는 미크론-이하-크기의 입자, 예를 들어 6, 5, 4, 3, 1, 0.5 또는 0.1 미크론 미만의 입자 크기를 갖는 입자를 제거할 수 있다.
샘플 포트(620)는, 유기금속 화합물의 존재 및 양을 측정하는 것과 같은, 분석 테스팅을 위해 베드(608)를 통해서 유동하는 가스 혼합물의 샘플을 제거할 수 있게 한다.
필터(600)를 빠져 나간 후, 본원에서 설명된 바와 같이, 예를 들어(그러나 비-필수적으로) 도 1a, 도 1b 및 도 1c와 관련하여 도시되고 설명된 예시적인 시스템 및 단계에 따라, 가스 혼합물(698)의 유동을 더 프로세스하여 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있다.
제1 양태에서, 기체 암모니아를 함유하는 가스 혼합물로부터 암모니아를 제거하는 방법이: i) 주변 유동 압력의 가스 혼합물을 고체 흡착제를 포함하는 용기에 전달하는 단계, 및 ii) 주변 유동 압력 및 암모니아 흡착 온도의 가스 혼합물과 고체 흡착제를 접촉시켜 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계를 포함한다.
제1 양태에 따른 제2 양태에 있어서: 소정 양의 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착된 후에, 흡착된 암모니아를 탈착된 기체 암모니아로서 방출하기 위해서 고체 흡착제를 가열하는 것에 의해서 흡착된 암모니아를 고체 흡착제로부터 탈착시키는 단계; 및 탈착된 기체 암모니아를 용기로부터 제거하는 단계를 더 포함한다.
제1 양태 또는 제2 양태에 따른 제3 양태에 있어서: 가스 혼합물, 고체 흡착제, 또는 둘 모두를, 가스 혼합물의 기체 암모니아가 주변 유동 압력에서 고체 흡착제 상으로 흡착되는 암모니아 흡착 온도까지 냉각하는 단계를 더 포함한다.
제3 양태에 따른 제4 양태에 있어서, 암모니아 흡착 온도는 섭씨 -40 도 내지 섭씨 0도의 범위이다.
제1 양태 내지 제4 양태 중 어느 한 양태에 따른 제5 양태에 있어서, 가스 혼합물이 암모니아 및 비-암모니아 증기를 포함하고, 비-암모니아 증기는 암모니아 흡착 온도에서 고체 흡착제 상으로 흡착되지 않는다.
제1 양태에 따른 제6 양태에 있어서, 가스 혼합물이 기체 암모니아, 기체 수소, 및 기체 질소를 포함하고, 방법은: 가스 혼합물을 고체 흡착제에 전달하는 단계로서, 가스 혼합물, 고체 흡착제, 또는 둘 모두가 섭씨 -40 내지 0도 범위의 온도를 가지는, 단계; 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계; 소정 양의 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착된 후에, 흡착된 암모니아를 포함하는 고체 흡착제의 온도를 탈착 온도까지 증가시켜 흡착된 암모니아를 고체 흡착제로부터 탈착시키고, 그에 따라 액체 암모니아를 형성하는 단계; 및 액체 암모니아를 용기로부터 제거하는 단계를 더 포함한다.
제6 양태에 따른 제7 양태에 있어서, 가스 혼합물, 고체 흡착제, 또는 둘 모두가 섭씨 -30 내지 -15도 범위의 온도를 갖는다.
제6 양태 또는 제7 양태에 따른 제8 양태에 있어서, 탈착 온도는 섭씨 60도 미만이다.
제6 양태 내지 제8 양태 중 어느 한 양태에 따른 제9 양태에 있어서, 고체 흡착제가 활성 탄소 및 제올라이트로부터 선택된다.
제6 양태 내지 제9 양태 중 어느 한 양태에 따른 제10 양태에 있어서, 가스 혼합물은, 용기에 전달될 때: 15 내지 40 부피%의 기체 암모늄; 0 내지 60 부피% 기체 수소; 및 0 내지 70 부피% 기체 질소를 포함한다.
제11 양태에서, 암모니아, 비-암모니아 증기, 유기금속 증기, 및 고체 입자를 포함하는 가스 혼합물을 처리하는 방법이: i) 가스 혼합물을 열 교환기를 통해서 통과시켜 냉각된 가스 혼합물을 생성하는 가스 혼합물 냉각 단계; ii) 냉각된 가스 혼합물을 입자 필터를 통해서 통과시켜 고체 입자를 제거하는 단계; iii) 냉각된 가스 혼합물을 제1 고체 흡착제를 통해서 통과시켜 유기금속 증기를 제1 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 단계; 및 iv) 냉각된 가스 혼합물을 제2 고체 흡착제와 접촉시켜 암모니아가 제2 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계를 포함한다.
제11 양태에 따른 제12 양태에 있어서, 비-암모니아 증기가 기체 수소, 기체 질소, 또는 이들의 조합을 포함한다.
제11 양태 또는 제12에 따른 제13 양태에 있어서, 가열된 가스 혼합물이 섭씨 60도 초과의 온도를 갖는다.
제11 양태 내지 제13 양태 중 어느 한 양태에 따른 제14 양태에 있어서, 냉각된 가스 혼합물이 섭씨 0 내지 60도 범위의 온도를 갖는다.
제11 양태 내지 제14 양태 중 어느 한 양태에 따른 제15 양태에 있어서, 주변 유동 압력 및 암모니아 흡착 온도의 냉각된 가스 혼합물과 제2 고체 흡착제를 접촉시켜, 암모니아가 제2 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계를 더 포함한다.
제15 양태에 따른 제16 양태에 있어서, 가스 혼합물, 제2 고체 흡착제, 또는 둘 모두를 암모니아 흡착 온도까지 냉각하는 단계를 더 포함한다.
제15 양태 또는 제16양태에 따른 제17 양태에 있어서, 암모니아 흡착 온도가 섭씨 -40 내지 0도의 범위이다.
제11 양태 내지 제17 양태 중 어느 한 양태에 따른 제18 양태에 있어서: 소정 양의 암모니아가 제2 고체 흡착제 상으로 흡착된 후에, 제2 고체 흡착제를 가열하는 것에 의해서 흡착된 암모니아를 제2 고체 흡착제로부터 탈착시켜, 흡착된 암모니아를 탈착된 기체 암모니아로 방출하는 단계를 더 포함한다.
제11 양태 내지 제18 양태 중 어느 한 양태에 따른 제19 양태에 있어서, 열 교환기가 향류 코일 열 교환기이고, 향류 코일 열 교환기는: 본체 유입구, 본체 배출구, 및 본체 내측부 부피를 포함하는 중공형 열 교환기 본체, 및 열 교환기 본체 내측부 부피 내에 위치되고 코일 유입구, 코일 배출구, 및 코일 유입구와 코일 배출구 사이의 다수의 코일 회선을 포함하는 중공형 코일 본체를 포함하고, 가스 혼합물은 본체 유입구에서 중공형 열 교환기 본체에 진입하고, 내측부 부피를 통해서 그리고 중공형 코일의 외측부 표면 위를 통과하고, 본체 배출구에서 중공형 열 교환기 본체를 빠져 나가며, 냉각 액체는 코일 유입구에서 중공형 코일 본체에 진입하고, 중공형 열 교환기 본체를 통과하는 가스 혼합물의 유동 방향에 반대되는 방향으로 중공형 코일 본체를 통해서 유동하며, 코일 배출구에서 중공형 코일 본체를 빠져 나간다.
제11 양태 내지 제19 양태 중 어느 한 양태에 따른 제20 양태에 있어서, 가스 혼합물은: 15 내지 40 부피%의 기체 암모니아; 0 내지 60 부피% 기체 수소; 및 0 내지 70 부피% 기체 질소; 및 유기금속 화합물을 포함한다.
제20 양태에 따른 제21 양태에 있어서, 유기금속 화합물은 트리메틸 갈륨이다.
제22 양태에서, 유기금속 증기, 입자, 및 비-유기금속 증기를 포함하는 가스 혼합물을 프로세스하기 위한 시스템이: i) 가스 혼합물의 온도를 낮추도록 구성된 열 교환기; ii) 고체 입자를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있는 입자 필터; iii) 유기금속 증기를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있는 유기금속 증기 제거 필터; 및 iv) 주변 유동 압력 및 암모니아 흡착 온도를 포함하는 조건에서 암모니아 증기를 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 것에 의해서 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있는 고체 흡착제를 포함하는 용기를 포함하고, 열 교환기, 입자 필터, 유기금속 증기 제거 필터 및 용기가 서로 유체 연통된다.
설명된 본 개시 내용의 몇몇 예시적 실시형태에서, 관련 기술 분야의 통상의 기술자는, 첨부된 청구범위의 범위 내에서 또 다른 실시형태가 만들어질 수 있고 사용될 수 있다는 것을 용이하게 이해할 것이다. 이러한 문헌에 포함되는 개시 내용의 수 많은 장점이 전술한 설명에서 기술되었다. 그러나, 이러한 개시 내용은, 많은 측면에서, 단지 예시적인 것임을 이해할 수 있을 것이다. 개시 내용의 범위를 벗어나지 않고도, 특히 부품의 형상, 크기 및 배열과 관련된 상세 부분의 변화가 이루어질 수 있을 것이다. 물론, 개시 내용의 범위는 첨부된 청구범위가 표현된 언어로 규정된다.
Claims (22)
- 기체 암모니아를 함유하는 가스 혼합물로부터 암모니아를 제거하는 방법이며:
주변 유동 압력의 가스 혼합물을 고체 흡착제를 포함하는 용기에 전달하는 단계; 및
주변 유동 압력 및 암모니아 흡착 온도의 가스 혼합물과 고체 흡착제를 접촉시켜 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계를 포함하는, 방법. - 제1항에 있어서,
소정 양의 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착된 후에, 고체 흡착제를 가열하는 것에 의해서 흡착된 암모니아를 고체 흡착제로부터 탈착시켜, 흡착된 암모니아를 탈착된 기체 암모니아로 방출하는 단계; 및
탈착된 기체 암모니아를 용기로부터 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제1항 또는 제2항에 있어서,
가스 혼합물, 고체 흡착제, 또는 둘 모두를, 가스 혼합물의 기체 암모니아가 주변 유동 압력에서 고체 흡착제 상으로 흡착되는 암모니아 흡착 온도까지 냉각하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제3항에 있어서, 암모니아 흡착 온도가 섭씨 -40도 내지 섭씨 0의 범위인, 방법.
- 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 혼합물이 암모니아 및 비-암모니아 증기를 포함하고, 비-암모니아 증기는 암모니아 흡착 온도에서 고체 흡착제 상으로 흡착되지 않는, 방법. - 제1항에 있어서,
가스 혼합물이 기체 암모니아, 기체 수소, 및 기체 질소를 포함하고, 방법은:
가스 혼합물을 고체 흡착제에 전달하는 단계로서, 가스 혼합물, 고체 흡착제, 또는 둘 모두가 섭씨 -40 내지 0도 범위의 온도를 가지는, 단계;
암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계;
소정 양의 암모니아가 고체 흡착제 상으로 흡착된 후에, 흡착된 암모니아를 포함하는 고체 흡착제의 온도를 탈착 온도까지 증가시켜 흡착된 암모니아를 고체 흡착제로부터 탈착시키고, 그에 따라 액체 암모니아를 형성하는 단계; 및
액체 암모니아를 용기로부터 제거하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제6항에 있어서,
가스 혼합물, 고체 흡착제, 또는 둘 모두가 섭씨 -30 내지 -15도 범위의 온도를 가지는, 방법. - 제6항 또는 제7항에 있어서,
탈착 온도는 섭씨 60도 미만인, 방법. - 제6항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
고체 흡착제가 활성 탄소 및 제올라이트로부터 선택되는, 방법. - 제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 혼합물은, 용기에 전달될 때:
15 내지 40 부피%의 기체 암모늄;
0 내지 60 부피% 기체 수소; 및
0 내지 70 부피% 기체 질소를 포함하는, 방법. - 암모니아, 비-암모니아 증기, 유기금속 증기, 및 고체 입자를 포함하는 가스 혼합물을 처리하는 방법이며:
가스 혼합물을 열 교환기를 통해서 통과시켜 냉각된 가스 혼합물을 생성하는 가스 혼합물 냉각 단계;
냉각된 가스 혼합물을 입자 필터를 통해서 통과시켜 고체 입자를 제거하는 단계;
냉각된 가스 혼합물을 제1 고체 흡착제를 통해서 통과시켜 유기금속 증기를 제1 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 단계; 및
냉각된 가스 혼합물을 제2 고체 흡착제와 접촉시켜 암모니아가 제2 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계를 포함하는, 방법. - 제11항에 있어서,
비-암모니아 증기가 기체 수소, 기체 질소, 또는 이들의 조합을 포함하는, 방법. - 제11항 또는 제12항에 있어서,
가열된 가스 혼합물이 섭씨 60도 초과의 온도를 가지는, 방법. - 제11항 내지 제13항 중 어느 한 항에 있어서,
냉각된 가스 혼합물이 섭씨 0 내지 60도 범위의 온도를 가지는, 방법. - 제11항 내지 제14항 중 어느 한 항에 있어서,
주변 유동 압력 및 암모니아 흡착 온도의 냉각된 가스 혼합물과 제2 고체 흡착제를 접촉시켜, 암모니아가 제2 고체 흡착제 상으로 흡착되게 하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제15항에 있어서,
가스 혼합물, 제2 고체 흡착제, 또는 둘 모두를 암모니아 흡착 온도까지 냉각하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제15항 또는 제16항에 있어서,
암모니아 흡착 온도가 섭씨 -40 내지 0도의 범위인, 방법. - 제11항 내지 제17항 중 어느 한 항에 있어서,
소정 양의 암모니아가 제2 고체 흡착제 상으로 흡착된 후에, 제2 고체 흡착제를 가열하는 것에 의해서 흡착된 암모니아를 제2 고체 흡착제로부터 탈착시켜, 흡착된 암모니아를 탈착된 기체 암모니아로 방출하는 단계를 더 포함하는, 방법. - 제11항 내지 제18항 중 어느 한 항에 있어서,
열 교환기가 향류 코일 열 교환기이고, 향류 코일 열 교환기는:
본체 유입구, 본체 배출구, 및 본체 내측부 부피를 포함하는 중공형 열 교환기 본체, 및
열 교환기 본체 내측부 부피 내에 위치되고 코일 유입구, 코일 배출구, 및 코일 유입구와 코일 배출구 사이의 다수의 코일 회선을 포함하는 중공형 코일 본체를 포함하고,
가스 혼합물은 본체 유입구에서 중공형 열 교환기 본체에 진입하고, 내측부 부피를 통해서 그리고 중공형 코일의 외측부 표면 위를 통과하고, 본체 배출구에서 중공형 열 교환기 본체를 빠져 나가며,
냉각 액체는 코일 유입구에서 중공형 코일 본체에 진입하고, 중공형 열 교환기 본체를 통과하는 가스 혼합물의 유동 방향에 반대되는 방향으로 중공형 코일 본체를 통해서 유동하며, 코일 배출구에서 중공형 코일 본체를 빠져 나가는, 방법. - 제11항 내지 제19항 중 어느 한 항에 있어서,
가스 혼합물은:
15 내지 40 부피%의 기체 암모니아;
0 내지 60 부피% 기체 수소;
0 내지 70 부피% 기체 질소; 및
유기금속 화합물을 포함하는, 방법. - 제20항에 있어서,
유기금속 화합물이 트리메틸 갈륨인, 방법. - 유기금속 증기, 입자, 및 비-유기금속 증기를 포함하는 가스 혼합물을 프로세스하기 위한 시스템이며:
가스 혼합물의 온도를 낮추도록 구성된 열 교환기;
고체 입자를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있는 입자 필터;
유기금속 증기를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있는 유기금속 증기 제거 필터; 및
주변 유동 압력 및 암모니아 흡착 온도를 포함하는 조건에서 암모니아 증기를 고체 흡착제 상으로 흡착시키는 것에 의해서 암모니아 증기를 가스 혼합물로부터 제거할 수 있는 고체 흡착제를 포함하는 용기를 포함하고,
열 교환기, 입자 필터, 유기금속 증기 제거 필터 및 용기가 서로 유체 연통되는, 시스템.
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