KR101197083B1 - 초임계 이산화탄소의 순환장치 및 순환방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초임계 이산화탄소의 순환장치 및 순환방법에 관한 것이다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 순환장치는, 초임계 상태로 사용된 이산화탄소로부터 이물질을 제거한 후 열과 압력을 가하는 초임계형성수단을 경유하도록 하여 이산화탄소가 다시 초임계 상태로 만들어져 공급되도록 하는 것으로서, 초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 가열하여 완전한 가스 상태의 이산화탄소가 되도록 하는 가열수단; 상기 가열수단을 경유한 이산화탄소 가스가 경유하게 되고, 경유하는 이산화탄소로부터 이물질을 제거하는 필터; 상기 필터를 경유한 이산화탄소 가스가 액체 상태가 되도록 냉각하는 냉각수단; 상기 냉각수단을 경유한 가스가 유입되어 저장되는 댐퍼; 및 상기 댐퍼에 저장된 액체 상태의 이산화탄소를 초임계형성수단으로 공급하는 고압펌프;를 포함하여 구성된다.
본 발명의 초임계 이산화탄소 순환장치 및 순환방법은, 이산화탄소로부터 이물질을 분리하는 효율이 우수할 뿐만 아니라 순환라인을 통한 이산화탄소의 순환효율이 우수한 결과를 가져오는 특징이 있다.

Description

초임계 이산화탄소의 순환장치 및 순환방법{CIRCULATION APPARATUS FOR SUPERCRITICAL CARBON DIOXIDE}

본 발명은 초임계 상태로 사용된 이산화탄소로부터 이물질을 제거한 후 열과 압력을 가하는 초임계형성수단을 다시 경유하도록 하여 이산화탄소가 다시 초임계 상태로 만들어져 공급되도록 하는 초임계 이산화탄소의 순환장치 및 순환방법에 관한 것이다.

초임계 유체(Supercritical Fluid)는 임계점(critical point) 즉, 임계 온도(criticaltemperature) 및 임계 압력(critical pressure) 이상에 존재하는 물질의 상태로, 기체와 액체의 중간 성격을 갖는 유체로서, 액체에 상응하는 밀도를 가지며 또한 기체에 해당하는 투과성을 나타낸다.

초임계 유체는 미세한 온도, 압력 변화에도 밀도가 크게 변하므로 용해되는 정도를 쉽게 조절할 수 있으며, 기체 및 액체와는 다른 고유의 특성을 갖추고 있다.

즉, 초임계 유체는 용매와 용질 분자 사이의 상호작용에 관련된 용해(dissolution), 기질(matrix)로부터 용질을 분리해 내는 능력과 밀접한 연관성을 갖는 밀도(density) 등의 측면에서는 액체의 특성을 나타내며, 기질 투과성과 관련이 있는 높은 확산도(diffusivity), 낮은 표면 장력(surface tension) 등은 기체의 성질을 갖는다.

이산화탄소는 다른 물질에 비해 초임계 상태로 만들기 위한 임계 온도 및 임계 압력이 낮고, 인체에 무해하며, 환경 친화적이고 비용 면에서 저렴한 장점으로 인해 널리 사용되고 있는 실정이다.

초임계 유체는 특정 물질의 분리, 추출, 정제를 위한 용도로 사용되어 왔다.

또, 최근에는 반도체 제조를 위한 식각 공정 후 식각 공정에 사용된 물질이나 기타 이물질을 제거할 목적으로 사용되고 있기도 하다.

이러한 초임계 유체를 사용한 분리, 추출, 정제 기술분야나 세정을 위한 기술분야 등에서 사용된 초임계 유체를 다시 사용하기 위해서 초임계유체를 순환시키는 장치 및 방법이 안출되었다.

이러한 기술은 사용된 초임계 이산화탄소로부터 이물질을 걸러내는 필터와 필터를 경유한 이산화탄소를 초임계 설비로 공급하는 압축펌프를 갖는 구조로 이루어져 있다.

더욱 구체적으로 설명하면, 도 1과 같이 초임계 상태로 사용 후 공급되는 이산화탄소에 포함된 이물질을 분리하는 1차필터(1)를 갖는다.

또, 1차필터(1)를 경유한 이산화탄소를 냉각하는 냉각수단(2)을 갖는다.

또, 냉각수단(2)을 경유한 이산화탄소로부터 이물질을 다시 걸러내는 2차필터(3)를 갖는다.

또, 2차필터(3)를 경유한 이산화탄소를 압축하여 공급하는 압축펌프(4)를 갖는다.

상기 압축펌프(4)를 경유하여 공급되어지는 이산화탄소는 초임계형성수단(5)을 경유하면서 높은 압력(290bar)과 온도(80℃) 조건에 놓이게 되어 초임계 이산화탄소가 된다.

그런데 이러한 종래의 방식은 1차필터(1)를 경유하는 이산화탄소가 가스 상태이고, 이러한 가스 상태의 이산화탄소로부터 이물질을 제거한 후 냉각수단(2)을 통해 냉각하는 방식이기 때문에 응축이 원활하게 이루어지지 못하는 문제점이 있었다.

응축이 원활하게 이루어지지 못함에 따라, 냉각수단(2)을 경유하면서 액화된 액체 이산화탄소를 압축하여 고압으로 만드는 압축펌프(4)에 백 미싱(Back Missing) 현상이 발생되는 등 압축펌프가 그 효율을 온전히 발휘하지 못하고 있었다.

초임계 상태로 만들기 위해 공급되는 이산화탄소가 기체상태로 존재할수록 압력을 높이는 것에 어려움이 있고, 압축펌프(4)가 그 효율을 온전히 발휘하지 못함에 따라 이산화탄소의 공급량도 줄어들게 되는 특징이 있는데 종래기술에서는 초임계 상태로 만들기 위해 공급되어 지는 이산화탄소가 기체와 액체의 혼합 상태이었기 때문에 상기와 같은 문제점이 발생되며, 이는 곧 초임계 이산화탄소의 순환효율 저하를 유발하고 있었다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해소하려는 것으로서, 더욱 상세하게는 사용된 초임계 이산화탄소를 재사용하기 위해 이산화탄소로부터 이물질을 분리하는 효율이 우수할 뿐만 아니라 순환라인을 통한 순환효율이 우수한 초임계 이산화탄소의 순환장치 및 순환방법을 제공하려는데 목적이 있다.

본 발명에서는 초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 가열하여 완전한 가스상태로 만든 후 필터로 이동시켜 필터를 통해 이물질을 제거한 후 필터를 경유한 이산화탄소를 냉각시켜 액체상태로 만들고 이 액체상태의 이산화탄소를 고압펌프를 통해 초임계형성수단으로 공급함으로써 이산화탄소로부터 이물질을 분리하는 효율이 우수할 뿐만 아니라 순환라인을 통한 순환효율이 우수한 초임계 이산화탄소의 순환장치가 되도록 한다.

이러한 본 발명의 초임계 이산화탄소 순환장치는, 초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 가열하여 완전한 가스 상태의 이산화탄소가 되도록 하는 가열수단을 갖는다.

또, 가열수단을 경유한 이산화탄소 가스가 경유하게 되고, 경유하는 이산화탄소로부터 이물질을 제거하는 필터를 갖는다.

또, 필터를 경유한 이산화탄소 가스가 액체 상태가 되도록 냉각하는 냉각수단을 갖는다.

또, 냉각수단을 경유한 가스가 유입되어 저장되는 댐퍼를 갖는다.

또, 댐퍼에 저장된 액체 상태의 이산화탄소를 초임계형성수단으로 공급하는 고압펌프를 갖는다.

본 발명의 초임계 이산화탄소 순환방법은 초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 가열하여 완전한 가스상태로 만든 후 필터로 이동시켜 필터를 통해 이물질을 제거한 후 필터를 경유한 이산화탄소를 냉각시켜 액체상태로 만들고 이 액체상태의 이산화탄소를 고압펌프를 통해 초임계형성수단으로 공급하는 방법이다.

또, 본 발명의 초임계 이산화탄소 순환장치는 상기와 같은 순환방법을 실시할 수 있도록 가열수단, 필터, 냉각수단, 댐퍼, 고압펌프를 갖는 구조이다.

따라서 본 발명의 초임계 이산화탄소 순환장치 및 순환방법은, 이산화탄소로부터 이물질을 분리하는 효율이 우수할 뿐만 아니라 순환라인을 통한 이산화탄소의 순환효율이 우수한 결과를 가져오는 특징이 있다.

도 1은 종래의 초임계 이산화탄소 순환장치를 설명하기 위한 개략도
도 2는 본 발명의 초임계 이산화탄소 순환장치를 설명하기 위한 개략도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다.

그러나 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일 예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

본 발명은 초임계 이산화탄소가 특정 물질의 추출이나 세정 등의 목적으로 사용된 후 재사용을 위해 순환되도록 하기 위한 이산화탄소의 순환장치 및 방법에 관한 것이다.

초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 다시 사용하기 위해서는 사용 중에 포함된 이물질을 분리할 필요성이 있다.

이를 위하여 본 발명의 이산화탄소 순환방법도 종래와 같이 초임계 상태로 사용된 이산화탄소로부터 이물질을 제거한 후 열과 압력을 가하는 초임계형성수단을 경유하도록 하여 이산화탄소가 다시 초임계 상태로 만들어져 공급되도록 한다.

그런데 본 발명은, 사용된 초임계 이산화탄소를 재사용하기 위해 이산화탄소로부터 이물질을 분리하는 효율이 우수할 뿐만 아니라 순환라인을 통한 순환효율이 우수한 초임계 이산화탄소의 순환장치 및 순환방법을 제공하려는 목적을 갖는다.

이러한 이유로 본 발명에서는, 초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 가열하여 완전한 가스상태로 만든 후 필터(20)로 이동시켜 필터(20)를 통해 이물질을 제거한 후 필터(20)를 경유한 이산화탄소를 냉각시켜 액체상태로 만들고 이 액체상태의 이산화탄소를 고압펌프(50)를 통해 초임계형성수단(100)으로 공급하는 방법을 안출하였다.

즉, 본 발명의 초임계 이산화탄소 순환방법은, 초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 가열하여 완전한 가스 상태의 이산화탄소가 되도록 하는 이산화탄소가열단계를 갖는다.

또, 이산화탄소가열단계를 경유하면서 완전 기체화된 이산화탄소 가스가 필터(20)를 경유하도록 하여 이산화탄소 가스에 포함된 이물질을 분리하는 이물질분리단계를 갖는다.

또, 이물질분리단계를 경유한 이산화탄소 가스를 냉각수단(30)을 통해 냉각시켜 액체 상태의 이산화탄소가 되도록 하는 이산화탄소냉각단계를 갖는다.

또, 이산화탄소냉각단계를 경유하여 댐퍼(40)에 저장된 이산화탄소를 고압펌프(50)를 통해 초임계형성수단(100)으로 공급하는 초임계수단공급단계를 갖는다.

이러한 본 발명의 초임계 이산화탄소 순환방법은, 이물질을 포함하는 이산화탄소가 필터(20)를 경유하기 전 가열에 의해 완전한 기체상태가 되기 때문에 필터(20)에 의해 이물질이 걸러지는 효율이 우수하다.

즉, 이산화탄소가 완전한 기체상태가 되지 못하면 이산화탄소에 포함된 이물질이 필터(20)를 경유하더라도 이물질의 분리가 원활하게 이루어지지 못하는 것이다.

이산화탄소에 포함된 이물질의 분리효율이 우수하기 때문에 필터(20)를 경유한 이산화탄소를 냉각하였을 때 이산화탄소의 응축이 종래기술에서보다 원활하게 이루어지며, 이는 결과적으로 이산화탄소가 액화되는 효율이 우수한 결과로 이어진다.

냉각수단(30)에 의해 원활한 액화가 이루어진 상태이기 때문에 액체 이산화탄소는 고압펌프(50)를 통해 초임계형성수단(100)으로 원활하게 이동될 수 있다.

냉각수단(30)을 경유한 이산화탄소가 유입되어 저장되는 댐퍼(40)를 구비하면 이산화탄소가 댐퍼(40) 내에 저장되는 동안 액화가 더욱 진행되어 더욱 확실한 액체 이산화탄소로 만들어진다.

물론, 상기 댐퍼(40)의 온도를 낮게(이산화탄소의 액화가 진행되는 온도로) 설정할수록 액화 효율은 우수해진다.

상기와 같은 이산화탄소의 순환방법을 구현하기 위하여 본 발명의 순환장치는, 초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 가열하여 완전한 가스 상태의 이산화탄소가 되도록 하는 가열수단(10)을 갖는다.

또, 가열수단(10)을 경유한 이산화탄소 가스가 경유하게 되고, 경유하는 이산화탄소로부터 이물질을 제거하는 필터(20)를 갖는다.

또, 필터(20)를 경유한 이산화탄소 가스가 액체 상태가 되도록 냉각하는 냉각수단(30)을 갖는다.

또, 냉각수단(30)을 경유하여 액화된 이산화탄소가 유입되어 저장되는 댐퍼(40)를 갖는다.

또, 댐퍼(40)에 저장된 액체 상태의 이산화탄소를 초임계형성수단(100)으로 공급하는 고압펌프(50)를 갖는다.

상기 가열수단(10)은 히터와 같이 발열체를 갖는 형태로 구현할 수도 있고, 외부로부터 고온을 공급받아 열교환하는 열교환기를 갖는 형태로 구현할 수도 있다.

이물질 저장을 위한 상기 필터(20)는 종래기술에서와 같은 형태로 구현 가능하거나 이를 변형하여 실시 가능한 것이므로 더욱 구체적인 설명은 생략한다.

상기 냉각수단(30)은 냉동기나 냉장고 등과 같은 방식으로 구현할 수도 있고, 외부의 냉기를 공급받아 열교환되는 열교환기를 갖는 형태로 구현할 수도 있다.

첨부된 도면은 냉매저장탱크(31)와 냉각기(32) 및 열교환기(33)를 갖는 구조이다.

상기 댐퍼(40)는 액체 이산화탄소를 저장할 수 있는 저장탱크의 형태인데 이러한 댐퍼(40)의 일반적 구조는 널리 알려져 있으므로 댐퍼(40)의 일반적 구조에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

다만, 댐퍼(40) 내의 액체 이산화탄소가 댐퍼(40)의 하부에서 배출되도록 댐퍼(40)에 형성된 이산화탄소배출구는 댐퍼(40)의 하부에 위치되어 있는 것이 바람직하다.

상기 고압펌프(50)는 액체 이산화탄소를 초임계형성수단(100)으로 공급함에 있어 배관을 통해 공급할 수 있는 것으로서, 이러한 고압펌프(50)는 종래기술에서도 사용되고 있는 것이므로 이 부분에 대한 구체적인 설명은 생략한다.

상기와 같은 본 발명의 순환장치는 액상 이산화탄소의 압축 효율이 우수하기 때문에 이산화탄소가 고압펌프(50)를 통해 초임계형성수단(100)으로 원활하게 공급된다.

전술한 본 발명의 이산화탄소 순환 장치에 있어서, 가열수단(10)과 필터(20)의 사이에 위치되어 완전 기체화된 이산화탄소 가스를 필터(20)로 강제 공급하는 압축기(60)를 더 구비할 수 있다.

이러한 압축기(60)는 이산화탄소가 필터(20)를 강제적으로 경유하도록 해주는 것으로서 이러한 압축기(60)는 10bar 정도의 압력을 형성해주면 충분하다.

이러한 압축기(60)는 다양한 산업분야에 사용되고 있는 공지의 압축기를 사용할 수 있다.

상기와 같은 압축기(60)를 구비하면 이산화탄소가 필터(20)를 원활하게 경유하게 된다.

본 발명에 있어서, 초임계 상태로 사용된 후 본 발명의 구성요소인 가열수단(10)으로 공급되는 이산화탄소가 저장되고, 저장된 이산화탄소가 가열수단(10)으로 공급되도록 하는 댐퍼(70)를 더 구비할 수도 있다.

이러한 구성은 이산화탄소의 순환, 공급이 더욱 원활하도록 하기 위한 구성이다.

1. 1차필터 2. 냉각수단
3. 2차필터 4. 압축펌프
5. 초임계형성수단
10. 가열수단 20. 필터
30. 냉각수단 31. 냉매저장탱크
32. 냉각기 33. 열교환기
40. 댐퍼 50. 고압펌프
60. 압축기 70. 댐퍼
100. 초임계형성수단

Claims (3)

1. 삭제
2. 초임계 상태로 사용된 이산화탄소로부터 이물질을 제거한 후 열과 압력을 가하는 초임계형성수단(100)을 경유하도록 하여 이산화탄소가 다시 초임계 상태로 만들어져 공급되도록 하는 초임계 이산화탄소의 순환장치에 있어서,
   초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 가열하여 완전한 가스 상태의 이산화탄소가 되도록 하는 가열수단(10);
   상기 가열수단(10)을 경유한 이산화탄소 가스가 경유하게 되고, 경유하는 이산화탄소로부터 이물질을 제거하는 필터(20);
   상기 필터(20)를 경유한 이산화탄소 가스가 액체 상태가 되도록 냉각하는 냉각수단(30);
   상기 냉각수단(30)을 경유하여 액화된 이산화탄소가 유입되어 저장되는 댐퍼(40);
   상기 댐퍼(40)에 저장된 액체 상태의 이산화탄소를 초임계형성수단(100)으로 공급하는 고압펌프(50);
   상기 가열수단(10)과 필터(20)의 사이에 위치되어 완전 기체화된 이산화탄소 가스를 필터(20)로 강제 공급하는 압축기(60); 및
   초임계 상태로 사용된 후 상기 가열수단(10)으로 공급되는 이산화탄소가 저장되고, 저장된 이산화탄소가 가열수단(10)으로 공급되도록 하는 댐퍼(70);를 포함하여 구성된, 초임계 이산화탄소의 순환장치.
   
3. 초임계 상태로 사용된 이산화탄소로부터 이물질을 제거한 후 열과 압력을 가하는 초임계형성수단(100)을 경유하도록 하여 이산화탄소가 다시 초임계 상태로 만들어져 공급되도록 하는 초임계 이산화탄소의 순환방법에 있어서,
   초임계 상태로 사용된 이산화탄소를 가열하여 완전한 가스 상태의 이산화탄소가 되도록 하는 이산화탄소가열단계;
   상기 이산화탄소가열단계를 경유하면서 완전 기체화된 이산화탄소 가스가 압축기(60)에 의해서 유동되어 필터(20)를 경유하도록 하여 이산화탄소 가스에 포함된 이물질을 분리하는 이물질분리단계;
   상기 이물질분리단계를 경유한 이산화탄소 가스를 냉각수단(30)을 통해 냉각시켜 액체 상태의 이산화탄소가 되도록 하는 이산화탄소냉각단계;
   상기 이산화탄소냉각단계를 경유하여 댐퍼(40)에 저장된 이산화탄소를 고압펌프(50)를 통해 초임계형성수단(100)으로 공급하는 초임계수단공급단계;를 포함하여 구성되고,
   초임계 상태로 사용된 후 이산화탄소가열단계로 공급되는 이산화탄소는 댐퍼(70)에 저장된 후 이산화탄소가열단계로 공급되도록 된 것을 특징으로 하는, 초임계 이산화탄소의 순환방법.
   

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