KR101699524B1 - 아르곤 정제 방법, 아르곤 정제장치, 목적 가스 정제방법 및 목적 가스 정제장치 - Google Patents

아르곤 정제 방법, 아르곤 정제장치, 목적 가스 정제방법 및 목적 가스 정제장치 Download PDF

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Abstract

TSA법을 이용해서 고순도 아르곤을 고수율로 얻는데 적합하고 또한 TSA 사이클 시간의 단축화를 도모하는데 적합한 아르곤 정제방법과 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 아르곤 정제방법에서는, Ar 함유 가스를 저장조(10)에 도입하고, 저장조(10)로부터 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 TSA 흡착탑(51A), (51B) 측을 향해서 가스를 공급한다. 그리고, 흡착, 가열 탈착 및 냉각의 공정을 포함하는 사이클을 각 TSA 흡착탑에서 반복한다. 흡착 공정에서는, 흡착관 내의 흡착제가 저온의 흡착용 온도에 있는 상태에서 흡착관에 가스를 도입해서 가스 중의 불순물을 흡착제에 흡착시키고 또한 Ar 풍부화 가스를 흡착관으로부터 도출한다. 가열 탈착 공정에서는 액상 열매체를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 승온시키면서 흡착제로부터 불순물을 탈착시키고, 흡착관에 정제 가스를 도입하면서 흡착관으로부터 오프 가스를 도출시킨다. 오프 가스는 저장조(10)에 도입한다. 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 강온시킨다.

Description

아르곤 정제 방법, 아르곤 정제장치, 목적 가스 정제방법 및 목적 가스 정제장치{METHOD AND APPARATUS FOR PURIFYING ARGON, AND METHOD AND APPARATUS FOR PURIFYING OBJECT GAS}
본 발명은, 온도변동흡착법을 이용해서 아르곤을 정제하기 위한 방법 및 장치, 그리고, 이들에 이용 가능한 방법 및 장치에 관한 것이다.
실리콘 단결정 상향 견인로(引き上げ爐: pulling up furnace)나, 세라믹 소결노, 제강용 진공 탈가스로, 태양 전지용 실리콘 플라즈마 용해로 등에 있어서의 노(爐)내 분위기 가스로서, 아르곤이 사용되는 일이 많다. 노내 분위기 가스로서 사용된 아르곤은, 불순물의 혼입에 의해 순도가 저하한다. 노내 분위기 가스로서 사용된 아르곤에 대해서는, 재이용을 위하여, 회수되어서 온도변동흡착법(TSA법: Thermal Swing Adsorption)에 의해 정제될 경우가 있다. TSA법에 의한 아르곤의 정제 기술에 대해서는, 예를 들어 하기의 특허문헌 1 내지 2에 기재되어 있다.
JPH07-138007 A JP 2006-111506 A
실리콘 단결정 상향 견인로나, 세라믹 소결노, 제강용 진공탈가스로, 태양 전지용 실리콘 플라즈마 용해로 등으로부터 배출되는, 아르곤을 주성분으로서 포함하는 사용이 끝난 분위기 가스의 아르곤 농도는, 비교적 높다(아르곤 농도는 예를 들어 95vol% 이상이다). 종래의 기술에 있어서는, 이러한 고농도 아르곤에 대해서, TSA법에 의해서 더욱 고농도화하면서 높은 회수율을 달성하는 것은 곤란하다.
또, 실리콘 단결정 상향 견인로나, 세라믹 소결노, 제강용 진공 탈가스로, 태양 전지용 실리콘 플라즈마 용해로 등으로부터 배출되는, 아르곤을 주성분으로서 포함하는 사용이 끝난 분위기 가스에는, 불순물로서 질소가 포함되는 일이 많다. 아르곤을 충분히 고순도화하기 위해서는, 이 질소를 제거할 필요가 있다. TSA법에 의한 아르곤 정제 기술에 있어서는, 저온 영역에서 질소의 흡착성이 높은 소정의 흡착제가 충전된 흡착관이 사용되지만, TSA법에 의한 종래의 아르곤 정제 기술에서는, 예를 들어, 다음과 같은 흡착 공정 및 탈착 공정이 흡착관에서 반복되어서, 질소제거가 도모된다.
흡착 공정에서는 정제 대상인 조질의 아르곤 가스가 소정 온도로 냉각된 후에 흡착관에 도입된다. 조질의 아르곤 가스는 흡착관 내를 통해서 흘러 흡착관 밖으로 도출되며, 흡착관 내를 통해서 흐르는 동안 흡착제와 접촉해서 흡착제를 냉각시킨다. 조질의 아르곤 가스와의 접촉에 의해서 흡착제는 서서히 강온되어, 상기 흡착제의 질소흡착능력은 서서히 높아지게 된다(즉, 조질의 아르곤 가스는, 정제 대상인 가스인 동시에, 흡착제를 냉각시키기 위한 매체로서의 역할을 담당한다). 흡착 공정에서는 이러한 흡착제에 질소가 흡착된다.
탈착 공정에서는 정제된 아르곤 가스 이외의 가열용 가스가 소정 온도로 가열된 후에 흡착관에 도입된다. 가열용 가스는, 흡착관 내를 통해서 흘러 흡착관 밖으로 도출되며, 흡착관 내를 통해서 흐르는 동안 흡착제와 접촉해서 흡착제를 가열시킨다. 가열용 가스와의 접촉에 의해서 흡착제는 서서히 승온되어, 상기 흡착제의 질소흡착능력은 서서히 낮아진다. 탈착 공정에서는 이러한 흡착제로부터 질소가 탈착해서 가열용 가스와 함께 흡착관 외부로 배출된다.
그러나, 흡착제로부터 조질의 아르곤 가스에의 열전달에 의해서 흡착제를 강온시키는 전술한 흡착 공정에서는, 흡착제가 충분한 저온에 이르는데 비교적 장시간을 필요로 할 경우가 많다. 또, 흡착제가 충분한 저온에 이르기 전에 흡착관 내를 통해서 흐르는 조질의 아르곤 가스로부터는 충분히 질소가 제거되지 않고, 흡착제가 충분한 저온에 이르는데 요하는 시간이 길수록, 질소제거가 불충분한 아르곤 가스의 흡착관으로부터의 도출량은 증대한다(이것은, 아르곤 가스의 고순도화의 관점에서 바람직하지 못하다). 이에 부가해서, 정제된 아르곤 가스 이외의 가열용 가스로부터 흡착제에의 열전달에 의해서 흡착제를 승온시키는 전술한 탈착 공정에서는, 흡착제가 충분한 고온에 이르는데 비교적 장시간을 필요로 할 경우가 많다.
본 발명은, 이러한 사정 하에 안출된 것으로, TSA법을 이용해서 고순도 아르곤을 고수율로 얻는데 적합한 동시에 TSA 사이클 시간의 단축화를 도모하는데 적합한 아르곤 정제 방법 및 장치, 그리고, 이들에 이용하는데 적합한 목적 가스 정제방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 제1측면에 의하면, 아르곤 정제방법이 제공된다. 본 방법에 있어서는, 아르곤을 포함하는 혼합 가스를 저류조, 즉, 저장조에 도입하고, 또한, 저장조로부터, 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 TSA 흡착탑을 향해서 혼합 가스를 공급한다. 그리고, 흡착 공정, 가열 탈착 공정 및 냉각 공정을 포함하는 사이클을, TSA 흡착탑에 있어서 반복해서 행한다. 흡착 공정에서는, 흡착관 내의 흡착제가 상대적으로 저온의 흡착용 온도에 있는 상태에서, 해당 흡착관에 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 흡착제에 흡착시키고, 또한, 아르곤이 풍부화된 정제 가스를 상기 흡착관으로부터 도출한다. 가열 탈착 공정에서는, 흡착관 내의 흡착제를 상대적으로 고온의 온도로 승온시키면서 해당 흡착제로부터 불순물을 탈착시킨다. 또, 가열 탈착 공정에서는, 액상 열매체를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 가열하고, 또한, 흡착관에 정제 가스를 도입하면서 상기 흡착관으로부터 오프 가스를 도출해서 해당 오프 가스를 저장조에 도입한다. 냉각 공정에서는 흡착관 내의 흡착제를 강온시킨다. 또한, 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 냉각시킨다.
본 방법에서는, TSA 흡착탑에 있어서, 전술한 흡착 공정, 가열 탈착 공정 및 냉각 공정을 포함하는 온도변동흡착법(TSA법)을 실행하고, 이것에 의해서 혼합 가스 중의 아르곤의 풍부화 내지 고순도화를 도모하는 동시에, 고순도화되는 아르곤에 대해서, 높은 수율을 달성하기 쉽다. 본 방법에 있어서는, 가열 탈착 공정 중에 TSA 흡착탑으로부터 이어서 도출되는 오프 가스를 저장조에 되돌리고, 해당 오프 가스를 TSA법에 의한 재차의 아르곤 풍부화에 제공하기 때문이다. 본 방법의 가열 탈착 공정에서는, 흡착 공정을 거쳐서 질소를 흡착하고 있는 흡착제로부터 질소가 탈착한다. 이 탈착 질소를 TSA 흡착탑 밖으로 적절하게 밀어내기 위하여, 가열 탈착 공정에 있는 TSA 흡착탑의 흡착관에는 정제 가스(고순도 아르곤 가스)가 도입된다. 그 때문에, 가열 탈착 공정에 있는 TSA 흡착탑 내지 흡착관으로부터 도출되는 오프 가스의 아르곤 농도는 비교적 높다. 본 방법에서는, 이러한 오프 가스를, 장치 밖으로 배기시키지 않고 저장조로 되돌려, TSA법에 의한 재차의 아르곤 풍부화에 제공한다. 따라서, 본 방법은, 고순도 아르곤을 고수율로 얻는데 적합한 것이다.
또, 본 방법에 의하면, TSA 사이클 시간을 단축화하기 쉽다. 본 방법에서는, 흡착제의 온도변동을 수반하는 TSA법을 실행하기 위하여, 액상 열매체 및 액상 냉매를 이용해서 흡착제의 온도변동을 실현하기 때문이다. 구체적으로는 다음과 같다.
본 방법의 가열 탈착 공정에서는, 액상 열매체를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 가열한다. 흡착제가 충전되어 있는 흡착관에 액상 열매체를 접촉시켜서, 해당 액상 열매체로부터 흡착관 내의 흡착제에 열을 공급함으로써, 흡착제를 가열할 수 있다. 액상 열매체는 기체보다도 비열이 상당한 정도로 크므로, TSA법에 있어서 흡착제를 가열하기 위한 매체로서 기체를 이용하는 경우보다도, 본 방법과 같이 액상 열매체를 이용해서 흡착제를 가열하는 경우의 쪽이, 흡착제를 원하는 온도에까지 조속하게 승온시킬 수 있다. 가령, 본 방법에 있어서의 액상 열매체로서 55% 에탄올 수용액을 채용할 경우(제1경우)를 상정하고, 가열용 매체로서 아르곤 가스를 이용해서 흡착제를 승온시킬 경우(제2경우)를 상정하면, 55% 에탄올 수용액의 비열은 0.839kcal/㎏·℃(-20℃에서)이며, 아르곤 가스의 비열은 0.125kcal/㎏·℃(-23℃에서)이므로, 단위시간 당의 흡착제에 대한 열공급량에 대해서, 제1경우에서는 제2경우의 7배 정도를 실현하는 것이 가능하다. 따라서, 제1경우(본 발명에 따른 경우)는, 제2경우의 7분의 1 정도의 단시간에 가열 탈착 공정을 종료시키는 것이 가능하다. 가열 탈착 공정 시간의 단축화는 TSA 사이클 시간의 단축화에 기여한다.
한편, 본 방법의 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 냉각시킨다. 흡착제가 충전되어 있는 흡착관에 액상 냉매를 접촉시켜서, 해당 액상 냉매에 의해서 흡착관 내의 흡착제로부터 열을 빼앗음으로써, 흡착제를 냉각시킬 수 있다. 액상 냉매는 기체보다도 비열이 상당한 정도로 크므로, TSA법에 있어서 흡착제를 냉각시키기 위한 매체로서 기체를 이용하는 경우보다도, 본 방법과 같이 액상 냉매를 이용해서 흡착제를 냉각하는 경우의 쪽이, 흡착제를 원하는 온도에까지 조속하게 강온시킬 수 있다. 가령, 본 방법에 있어서의 액상 냉매로서 55% 에탄올 수용액을 채용할 경우(제3경우)를 상정하고, 냉각용 매체로서 아르곤 가스를 이용해서 흡착제를 강온시킬 경우(제4경우)를 상정하면, 55% 에탄올 수용액 및 아르곤 가스의 각 비열은 상기한 바와 같으므로, 단위시간 당의 흡착제로부터의 열수용량에 대해서, 제3경우에서는 제4경우의 7배 정도를 실현하는 것이 가능하다. 따라서, 제3경우(본 발명에 따른 경우)는, 제4경우의 7분의 1 정도의 단시간에 냉각 공정을 종료시키는 것이 가능하다. 냉각 공정 시간의 단축화는 TSA 사이클 시간의 단축화에 기여한다.
이상과 같이, 본 발명의 제1측면에 따른 아르곤 정제방법은, TSA법을 이용해서 고순도 아르곤을 고수율로 얻는데 적합하고, 또, TSA 사이클 시간의 단축화를 도모하는데 적합한 것이다.
또한, 본 방법은, 아르곤의 정제에 있어서, 원료 가스인 혼합 가스의 유량 변동이나 조성 변동에 대응하기 쉽다. 일반적으로, 실리콘 단결정 상향 견인로나, 세라믹 소결노, 제강용 진공탈가스로, 태양 전지용 실리콘 플라즈마 용해로 등으로부터 배출되는, 아르곤을 주성분으로서 함유하는 사용이 끝난 분위기 가스의 배출 유량이나 불순물 조성은, 변동을 수반하는 일이 많고, 급격하게 변동될 경우도 있다. 그 때문에, 노로부터 배출되는 상기 배출 가스를 연속적으로 정제 처리하기 위해서는, 해당 배출 가스의 유량 변동이나 조성 변동에 대응가능한 처리 시스템을 구축할 필요가 있다. 본 방법에서는, 원료 가스인 혼합 가스에 대해서, 저장조에 일단 도입한 다음에, 해당 저장조로부터, TSA법을 실행하기 위한 TSA 흡착탑을 향해서 공급한다. 저장조에 도입되는 것으로 되는 원료 가스인 혼합 가스가 그 유량이나 조성에 변동을 수반할 경우더라도, 유량 변동이나 조성 변동은, 해당 혼합 가스가 저장조에 일단 도입되어서 저장 및 혼합됨으로써, 해당 저장조로부터 도출되는 혼합 가스에 있어서는 완화 내지 억제된다(이러한 유량 변동이나 조성 변동의 완화 내지 억제의 관점에서, 저장조의 가스 수용용 용적은 가변인 것이 바람직하다). 그 때문에, 본 방법에 의하면, 원료 가스의 유량 변동이나 조성 변동에 대응하기 쉬운 것이다.
본 발명의 제2측면에 의하면, 아르곤 정제방법이 제공된다. 본 방법에 있어서는, 아르곤을 포함하는 혼합 가스를 저장조에 도입하고, 또한 저장조로부터, 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 복수의 TSA 흡착탑으로부터 선택된 TSA 흡착탑을 향해서 혼합 가스를 공급한다. 그리고, 흡착 공정, 가열 탈착 공정 및 냉각 공정을 포함하는 사이클을 복수의 TSA 흡착탑의 각각에 있어서 반복해서 행한다. 흡착 공정에서는, 흡착관 내의 흡착제가 상대적으로 저온의 흡착용 온도에 있는 상태에서, 해당 흡착관에 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 흡착제에 흡착시키고, 또한, 아르곤이 풍부화된 정제 가스를 상기 흡착관으로부터 도출시킨다. 가열 탈착 공정에서는, 흡착관 내의 흡착제를 상대적으로 고온의 온도로 승온시키면서 해당 흡착제로부터 불순물을 탈착시킨다. 또한, 가열 탈착 공정에서는, 액상 열매체를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 가열하고, 또한, 흡착관에 정제 가스를 도입하면서 상기 흡착관으로부터 오프 가스를 도출시키고, 해당 오프 가스를 저장조에 도입한다. 가열 탈착 공정에 있는 TSA 흡착탑의 흡착관에 도입되는 정제 가스는, 흡착 공정에 있는 TSA 흡착탑의 흡착관으로부터 도출된 정제 가스이다. 냉각 공정에서는 흡착관 내의 흡착제를 강온시킨다. 또한, 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 냉각시킨다.
본 발명의 제2측면에 따른 아르곤 정제방법은, 본 발명의 제1측면에 따른 아르곤 정제방법의 구성을 포함한다. 따라서, 제2측면에 따른 아르곤 정제방법에 의하면, 제1측면에 따른 아르곤 정제방법에 관해서 전술한 것과 마찬가지의 기술적 효과를 누릴 수 있다. 구체적으로는, 제2측면에 따른 아르곤 정제방법은, TSA법을 이용해서 고순도 아르곤을 고수율로 얻는데 적합하고, 또한, TSA 사이클 시간의 단축화를 도모하는데 적합하다. 이에 부가해서, 제2측면에 따른 아르곤 정제방법은, 원료 가스인 혼합 가스의 유량 변동이나 조성 변동에 대응하기 쉽다.
본 발명의 제3측면에 의하면, 아르곤 정제장치가 제공된다. 본 장치는, 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구를 지니고, 해당 제1 및 제2가스 통과구와 연통하고 또한 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 TSA 흡착탑; 아르곤을 포함하는 혼합 가스를 TSA 흡착탑에 공급하기 전에 저장하기 위한 저장조; 흡착관 내의 흡착제를 냉각시키기 위해서 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 냉매를 유지하기 위한 냉매 저장조; 흡착관 내의 흡착제를 가열하기 위해서 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 열매체를 유지하기 위한 열매체 저장조; 저장조로부터 TSA 흡착탑의 제1가스 통과구 측에 혼합 가스를 공급 가능하게 저장조와 TSA 흡착탑 사이를 연결하는 제1가스 라인; TSA 흡착탑의 제1가스 통과구 측에서 도출되는 가스를 저장조에 공급 가능하게 TSA 흡착탑과 저장조 사이를 연결하는 제2가스 라인; 냉매 저장조로부터 TSA 흡착탑에 냉매를 공급하기 위한 제1냉매 라인; TSA 흡착탑으로부터 냉매 저장조에 냉매를 되돌리기 위한 제2냉매 라인; 열매체 저장조로부터 TSA 흡착탑에 열매체를 공급하기 위한 제1열매체 라인; 및 TSA 흡착탑으로부터 열매체 저장조에 열매체를 되돌리기 위한 제2열매체 라인을 구비한다. 이러한 구성을 구비하는 본 장치에 의하면, 본 발명의 제1측면에 따른 전술한 아르곤 정제방법을 적절하게 실행하는 것이 가능하다.
본 발명의 제4측면에 의하면, 아르곤 정제장치가 제공된다. 본 장치는, 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구를 지니고, 해당 제1 및 제2가스 통과구와 연통하고 또한 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 복수의 TSA 흡착탑; 아르곤을 포함하는 혼합 가스를 TSA 흡착탑에 공급하기 전에 저장하기 위한 저장조; 흡착관 내의 흡착제를 냉각시키기 위해서 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 냉매를 유지하기 위한 냉매 저장조; 흡착관 내의 흡착제를 가열하기 위해서 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 열매체를 유지하기 위한 열매체 저장조; 저장조로부터 각 TSA 흡착탑의 제1가스 통과구 측에 혼합 가스를 공급 가능하게 저장조와 각 TSA 흡착탑 사이를 연결하는 제1가스 라인; 주간로(主幹路), 및 TSA 흡착탑마다 설치되어 해당 TSA 흡착탑의 제2가스 통과구 측에 접속된 복수의 분지로를 가진 제2가스 라인; 저장조에 접속된 주간로, 및 TSA 흡착탑마다 설치되어 해당 TSA 흡착탑의 제1가스 통과구 측에 접속된 복수의 분지로를 가진 제3가스 라인; 냉매 저장조로부터 흡착제 냉각 대상인 TSA 흡착탑에 냉매를 공급하기 위한 제1냉매 라인; TSA 흡착탑으로부터 냉매 저장조에 냉매를 되돌리기 위한 제2냉매 라인; 열매체 저장조로부터 흡착제 가열 대상인 TSA 흡착탑에 열매체를 공급하기 위한 제1열매체 라인; 및 TSA 흡착탑으로부터 열매체 저장조에 열매체를 되돌리기 위한 제2열매체 라인을 구비한다. 이러한 구성을 구비하는 본 장치에 의하면, 본 발명의 제1측면에 따른 전술한 아르곤 정제방법이나, 제2측면에 따른 전술한 아르곤 정제방법을 적절하게 실행하는 것이 가능하다.
본 발명의 제5측면에 의하면, 목적 가스 정제방법이 제공된다. 본 방법에 있어서는, 목적 가스를 포함하는 혼합 가스를, 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 TSA 흡착탑을 향해서 공급한다. 그리고, 흡착 공정, 가열 탈착 공정 및 냉각 공정을 포함하는 사이클을 TSA 흡착탑에 있어서 반복해서 행한다. 흡착 공정에서는 흡착관 내의 흡착제가 상대적으로 저온의 흡착용 온도에 있는 상태에서, 해당 흡착관에 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 흡착제에 흡착시키고, 또한, 목적 가스가 풍부화된 정제 가스를 상기 흡착관으로부터 도출한다. 가열 탈착 공정에서는 흡착관 내의 흡착제를 상대적으로 고온의 온도로 승온시키면서 해당 흡착제로부터 불순물을 탈착시킨다. 또, 가열 탈착 공정에서는 액상 열매체를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 가열한다. 냉각 공정에서는 흡착관 내의 흡착제를 강온시킨다. 또한, 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 냉각시킨다. 본 방법에 의한 정제 대상인 목적 가스로서는, 아르곤 이외에, 헬륨, 네온, 크립톤 및 제논 등의 희가스(rare gas) 등을 들 수 있다.
이러한 구성을 구비하는 본 방법은, 본 발명의 제1측면에 따른 전술한 아르곤 정제방법이나 제2측면에 따른 전술한 아르곤 정제방법에 있어서, 적절하게 이용하는 것이 가능하다. 또한, 본 방법에 의하면, 제1측면에 따른 아르곤 정제방법에 관해서 전술한 것과 마찬가지로, 소정의 목적 가스의 정제에 있어서, TSA 사이클 시간을 단축화하기 쉽다. 본 방법에서는, 흡착제의 온도 변동을 수반하는 TSA법을 실행하기 위하여, 액상 열매체 및 액상 냉매를 이용해서 흡착제의 온도 변동을 실현하기 때문이다.
본 발명의 제6측면에 의하면, 목적 가스 정제방법이 제공된다. 본 방법에 있어서는, 목적 가스를 포함하는 혼합 가스를, 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 복수의 TSA 흡착탑으로부터 선택된 TSA 흡착탑을 향해서 공급한다. 그리고, 흡착 공정, 가열 탈착 공정 및 냉각 공정을 포함하는 사이클을 복수의 TSA 흡착탑의 각각에 있어서 반복해서 행한다. 흡착 공정에서는, 흡착관 내의 흡착제가 상대적으로 저온의 흡착용 온도에 있는 상태에서, 해당 흡착관에 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 흡착제에 흡착시키고, 또한, 목적 가스가 풍부화된 정제 가스를 상기 흡착관으로부터 도출한다. 가열 탈착 공정에서는, 흡착관 내의 흡착제를 상대적으로 고온의 온도로 승온시키면서 해당 흡착제로부터 불순물을 탈착시킨다. 또, 가열 탈착 공정에서는 액상 열매체를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 가열한다. 냉각 공정에서는 흡착관 내의 흡착제를 강온시킨다. 또한, 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 흡착관 내의 흡착제를 냉각시킨다. 본 방법에 의한 정제 대상인 목적 가스로서는, 아르곤 이외에, 헬륨, 네온, 크립톤 및 제논 등의 희가스 등을 들 수 있다.
본 발명의 제7측면에 의하면, 목적 가스 정제장치가 제공된다. 본 장치는, 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구를 지니고, 해당 제1 및 제2가스 통과구와 연통하고 또한 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 TSA 흡착탑; 흡착관 내의 흡착제를 냉각시키기 위해서 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 냉매를 유지하기 위한 냉매 저장조; 흡착관 내의 흡착제를 가열하기 위해서 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 열매체를 유지하기 위한 열매체 저장조; 냉매 저장조로부터 TSA 흡착탑에 냉매를 공급하기 위한 제1냉매 라인; TSA 흡착탑으로부터 냉매 저장조에 냉매를 되돌리기 위한 제2냉매 라인; 열매체 저장조로부터 TSA 흡착탑에 열매체를 공급하기 위한 제1열매체 라인; 및 TSA 흡착탑으로부터 열매체 저장조에 열매체를 되돌리기 위한 제2열매체 라인을 구비한다. 이러한 구성을 구비하는 본 장치에 의하면, 본 발명의 제5측면에 따른 상기의 목적 가스 정제방법을 적절하게 실행하는 것이 가능하다.
본 발명의 제8측면에 의하면, 목적 가스 정제장치가 제공된다. 본 장치는, 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구를 지니고, 해당 제1 및 제2가스 통과구와 연통하고 또한 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 복수의 TSA 흡착탑; 흡착관 내의 흡착제를 냉각시키기 위해서 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 냉매를 유지하기 위한 냉매 저장조; 흡착관 내의 흡착제를 가열하기 위해서 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 열매체를 유지하기 위한 열매체 저장조; 주간로, 및 TSA 흡착탑마다 설치되어 해당 TSA 흡착탑의 제2가스 통과구 측에 접속된 복수의 분지로를 가진 가스 라인; 냉매 저장조로부터 흡착제 냉각 대상인 TSA 흡착탑에 냉매를 공급하기 위한 제1냉매 라인; TSA 흡착탑으로부터 냉매 저장조에 냉매를 되돌리기 위한 제2냉매 라인; 열매체 저장조로부터 흡착제 가열 대상인 TSA 흡착탑에 열매체를 공급하기 위한 제1열매체 라인; 및 TSA 흡착탑으로부터 열매체 저장조에 열매체를 되돌리기 위한 제2열매체 라인을 구비한다. 이러한 구성을 구비하는 본 장치에 의하면, 본 발명의 제5측면에 따른 전술한 목적 가스 정제방법이나 제6측면에 따른 전술한 목적 가스 정제방법을 적절하게 실행하는 것이 가능하다.
도 1은 본 발명에 따른 아르곤 정제장치의 전체 개략적인 구성을 나타낸 도면;
도 2는 도 1에 나타낸 아르곤 정제장치의 일부인 PSA(Pressure Swing Adsorption)계의 구성을 나타낸 도면;
도 3은 도 1에 나타낸 아르곤 정제장치의 일부인 TSA계의 구성을 나타낸 도면;
도 4는 도 2에 나타낸 PSA 장치가 실행하는 PSA법의 스텝 1 내지 5에 대해서, 각 PSA 흡착탑에서 행해지는 공정, 그리고, 도 2에 나타낸 PSA 장치의 각 자동 밸브 및 리사이클 라인의 자동 밸브의 개폐 상태를 나타낸 표;
도 5는 도 2에 나타낸 PSA 장치가 실행하는 PSA법의 스텝 6 내지 10에 대해서, 각 PSA 흡착탑에서 행해지는 공정, 그리고, 도 2에 나타낸 PSA 장치의 각 자동 밸브 및 리사이클 라인의 자동 밸브의 개폐 상태를 나타낸 표;
도 6은 도 2에 나타낸 PSA 장치가 실행하는 PSA법의 스텝 11 내지 15에 대해서, 각 PSA 흡착탑에서 행해지는 공정, 그리고, 도 2에 나타낸 PSA 장치의 각 자동 밸브 및 리사이클 라인의 자동 밸브의 개폐 상태를 나타낸 표;
도 7은 도 2에 나타낸 PSA 장치가 실행하는 PSA법의 스텝 1 내지 5에 있어서의 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 8은 도 2에 나타낸 PSA 장치가 실행하는 PSA법의 스텝 6 내지 10에 있어서의 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 9는 도 2에 나타낸 PSA 장치가 실행하는 PSA법의 스텝 11 내지 15에 있어서의 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 10은 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 1 내지 5에 대해서, 각 TSA 흡착탑에서 행해지는 공정, 그리고, 도 3에 나타낸 TSA 장치의 각 자동 밸브의 개폐 상태를 나타낸 표;
도 11은 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 5 내지 6에 대해서, 각 TSA 흡착탑에서 행해지는 공정, 그리고, 도 3에 나타낸 TSA 장치의 각 자동 밸브의 개폐 상태를 나타낸 표;
도 12는 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 1에 있어서의 냉매 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 13은 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 2에 있어서의 냉매 흐름 상태, 열매체 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 14는 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 3에 있어서의 냉매 흐름 상태, 열매체 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 15는 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 4에 있어서의 냉매 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 16은 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 5에 있어서의 냉매 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 17은 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 6에 있어서의 냉매 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 18은 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 7에 있어서의 냉매 흐름 상태, 열매체 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 19는 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 8에 있어서의 냉매 흐름 상태, 열매체 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 20은 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 9에 있어서의 냉매 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 21은 도 3에 나타낸 TSA 장치가 실행하는 TSA법의 스텝 10에 있어서의 냉매 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를 나타낸 도면;
도 22는 실시예에 있어서의 원료 가스, 준정제 가스 및 정제 가스의 사양을 나타낸 표;
도 23은 실시예에 있어서의 흡착제온도를 나타낸 그래프.
도 1은 본 발명에 따른 아르곤 정제장치(Y)의 전체 개략적인 구성을 나타낸다. 아르곤 정제장치(Y)는, 저장계(1), 전처리계(2), PSA(Pressure Swing Adsorption)계(3), 리사이클 라인(4) 및 TSA(Thermal Swing Adsorption)계(5)를 구비하여, 아르곤을 포함하는 원료 가스(G0)를 회수하면서 연속적으로 아르곤을 정제하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
원료 가스(G0)는, 실리콘 결정 상향 견인로나, 세라믹 소결노, 제강용 진공탈가스로, 태양 전지용 실리콘 플라즈마 용해로 등에 있어서의 노내 분위기 가스로서 사용되어서 불순물이 혼입되어 있는 아르곤으로서, 적어도 1개의 소정의 노(도시 생략)로부터 연속적으로 또는 단속적으로 배출된 것이다. 이 배기 가스(원료 가스(G0))의 배출 유량이나, 압력, 조성은, 노에서 실시 중인 공정이나 노의 조업 조건에 따라서, 변동되는 일이 많고, 급격하게 변동될 경우도 있다. 원료 가스(G0)는, 예를 들어, 주성분으로서 아르곤을 포함하고, 또한, 불순물로서 질소, 일산화탄소, 산소, 수소 및 이산화탄소를 포함한다. 주된 불순물은 예를 들어 질소이다.
아르곤 정제장치(Y)의 일부를 이루는 저장계(1)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 버퍼 탱크(10), 제진기(11), 승압 블로어(blower)(12), 농도 분석계(13), 유량 제어부(14) 및 원료 가스 도입 단부(E1)를 가진 라인(15)을 구비하여 이루어진다. 제진기(11), 버퍼 탱크(10), 승압 블로어(12) 및 유량 제어부(14)는, 라인(15) 내에 있어서, 직렬로 배치되어 있다.
버퍼 탱크(10)는, 아르곤을 포함하는 혼합 가스(원료 가스(G0)를 포함함)를 일단 저장하기 위한 저장조이다. 또, 본 실시형태에서는, 버퍼 탱크(10)는 그 가스 수용용의 용적이 가변하도록 구성되어 있다. 용적이 가변인 버퍼 탱크(10)는, 예를 들어, 내부 공간이 확장/수축가능한 봉지체에 의해서 가스 저장 공간이 형성된 것이다.
제진기(11)는, 노로부터의 배기 가스인 원료 가스(G0)에 포함되는 일이 많은 분진이나 금속 분말 등의 고형 성분을 원료 가스(G0)로부터 제거한다. 이러한 제진기(11)는, 버퍼 탱크(10)의 상류 측에 배치되어, 예를 들어, 소정의 제진 필터를 가지고 이루어진다.
승압 블로어(12)는, 버퍼 탱크(10)의 하류 측에 배치되어 버퍼 탱크(10)에 원료 가스(G0)를 도입하도록 가동한다. 승압 블로어(12)가 가동함으로써, 버퍼 탱크(10) 내의 가스 저장 공간에 부압이 작용하여, 원료 가스(G0)가 버퍼 탱크(10)에 적절하게 유입되는 것으로 된다. 또한, 승압 블로어(12)가 가동함으로써, 버퍼 탱크(10)로부터 가스(G1)가 도출되어, 상기 가스(G1)는 전처리계(2)를 향해서 송출된다.
농도 분석계(13)는, 버퍼 탱크(10) 및 승압 블로어(12)를 경유한 가스(G1)에 포함되는 각 불순물의 농도를 측정한다. 농도 분석계(13)에 있어서, 가스(G1)에 포함되는 예를 들어 질소, 일산화탄소, 산소, 수소 및 이산화탄소의 각각의 농도가 측정된다.
유량 제어부(14)는, 전처리계(2) 등의 후단계에 공급하는 가스(G1)의 유량을 제어한다. 이러한 유량 제어부(14)는, 예를 들어, 개방도를 제어가능한 밸브로 이루어진다.
아르곤 정제장치(Y)의 일부를 이루는 전처리계(2)는, 후단계의 PSA계(3)에 있어서 실행되는 압력변동흡착법(PSA법)이나, 후단계의 TSA계(5)에 있어서 실행되는 온도변동흡착법(TSA법)에 의해서는 제거하기 어려운 불순물을, 가스(G1)로부터 제거한다. 아르곤을 정제할 때에 PSA법이나 TSA법에 의해서는 제거하기 어려운 불순물로서는, 예를 들어, 산소 및 수소를 들 수 있다. 또한, 산소는, 정제 후의 아르곤을 노내 분위기 가스로서 재이용할 때에 유해한 것이 많으므로, 제거의 필요성이 높다. 전처리계(2)는, 도 1에 나타낸 바와 같이, 전처리조(20A), (20B), (20C), 예열기(21), 냉각기(22A), (22B), (22C), 산소 공급량 제어부(23A), (23B), (23C), 수소 공급량 제어부(24), 온도계(25A), (25B), (25C), 수소 농도 분석계(26) 및 라인(27)을 구비하여 이루어진다. 전처리조(20A), (20B), (20C)는, 라인(27) 내에 있어서 직렬로 배치되어 있다. 라인(27)은, 라인(27A), (27B), (27C), (27D)을 포함한다.
전처리조(20A)는, 가스(G1) 중의 일산화탄소를 이산화탄소로 변성시켜 실질적으로 제거하기 위한 전화 반응조이다(일산화탄소는, 후단계의 전처리조(20B), (20C)에 충전되는 촉매에 있어서의 촉매독으로 될 경우가 있다). 전처리조(20A)에는, 하기의 반응식 1로 표시되는 전화 반응을 촉진시키는 촉매가 충전되어 있다. 해당 촉매로서는, 예를 들어, 플래티늄계 촉매나 팔라듐계 촉매 등의 귀금속계 촉매를 채용할 수 있다.
[반응식 1]
CO ＋（1/2)O2 → CO2
전처리조(20B)는, 전처리조(20A)에 있어서의 처리를 거쳐서 전처리조(20A)로부터 도출된 가스(G1) 중의 수소 및 산소를 물로 변화시켜서 저농도화 또는 실질적으로 제거하기 위한 전화 반응조이다. 전처리조(20B)에는, 하기의 반응식 2로 표시되는 전화 반응을 촉진시키는 촉매가 충전되어 있다. 해당 촉매로서는, 예를 들어, 플래티늄계 촉매나 팔라듐계 촉매 등의 귀금속계 촉매를 채용할 수 있다.
[반응식 2]
H2 + (1/2)O2 → H2O
전처리조(20C)는, 전처리조(20B)에 있어서의 처리를 거쳐서 전처리조(20B)로부터 도출된 가스(G1) 중의 수소 및 산소를 물로 변화시켜서 실질적으로 제거하기 위한 전화 반응조이다. 전처리조(20C)에는, 상기 반응식 2로 표시되는 전화 반응을 촉진시키는 촉매가 충전되어 있다. 해당 촉매로서는, 예를 들어, 플래티늄계 촉매나 팔라듐계 촉매 등의 귀금속계 촉매를 채용할 수 있다.
예열기(21)는, 전처리조(20A)에 이르기 전에 가스(G1)를 승온시키기 위한 것으로, 예를 들어, 전기 히터로 이루어진다. 산소 공급량 제어부(23A)는, 도시하지 않은 산소 저장부와 연결되고, 또한, 라인(27A)과 연결되어 있다. 이러한 산소 공급량 제어부(23A)는, 산소 저장부로부터 라인(27A)에 필요에 따라서 공급되는 산소의 유량을 제어하기 위한 것으로, 예를 들어, 개방도나 개방 상태 시간을 제어가능한 밸브로 이루어진다. 온도계(25A)는, 전처리조(20A)에 도입되기 전의 가스(G1)의 온도를 측정한다.
냉각기(22A)는, 전처리조(20A)에 있어서의 처리를 거쳐서 전처리조(20A)로부터 도출된 가스(G1)를 냉각시키기 위한 것으로, 라인(27B)에 설치되어 있다. 이러한 냉각기(22A)는, 예를 들어, 냉각수를 냉각 매체로 하는 열교환기로 이루어진다. 산소 공급량 제어부(23B)는, 도시하지 않은 산소 저장부와 연결되고, 또한, 라인(27B)과 연결되어 있다. 이러한 산소 공급량 제어부(23B)는, 산소 저장부로부터 라인(27B)에 필요에 따라서 공급되는 산소의 유량을 제어하기 위한 것으로, 예를 들어, 개방도나 개방 상태 시간을 제어가능한 밸브로 이루어진다. 온도계(25B)는 전처리조(20B)에 도입되기 전의 가스(G1)의 온도를 측정한다.
냉각기(22B)는, 전처리조(20B)에 있어서의 처리를 거쳐서 전처리조(20B)로부터 도출된 가스(G1)를 냉각시키기 위한 것으로, 라인(27C)에 설치되어 있다. 이러한 냉각기(22B)는, 예를 들어, 냉각수를 냉각 매체로 하는 열교환기로 이루어진다. 산소 공급량 제어부(23C)는, 도시하지 않은 산소 저장부와 연결되고, 또한, 라인(27C)과 연결되어 있다. 이러한 산소 공급량 제어부(23C)는, 산소 저장부로부터 라인(27C)에 필요에 따라서 공급되는 산소의 유량을 제어하기 위한 것으로, 예를 들어, 개방도나 개방 상태 시간을 제어가능한 밸브로 이루어진다. 수소 공급량 제어부(24)는, 도시하지 않은 수소 저장부와 연결되고, 또한, 라인(27C)과 연결되어 있다. 이러한 수소 공급량 제어부(24)는, 수소 저장부로부터 라인(27C)에 필요에 따라서 공급되는 수소의 유량을 제어하기 위한 것으로, 예를 들어, 개방도나 개방 상태 시간을 제어가능한 밸브로 이루어진다. 수소 농도 분석계(26)는, 라인(27C)을 흐르는 가스(G1)에 산소나 수소가 첨가되기 전에 가스(G1)의 수소농도를 측정한다. 온도계(25C)는 전처리조(20C)에 도입되기 전의 가스(G1)의 온도를 측정한다.
냉각기(22C)는, 전처리조(20C)에 있어서의 처리를 거쳐서 전처리조(20C)로부터 도출된 가스(G1)를 냉각시키기 위한 것으로, 라인(27D)에 설치되어 있다. 이러한 냉각기(22C)는, 예를 들어, 냉각수를 냉각 매체로 하는 열교환기로 이루어진다.
본 실시형태에 있어서의 전처리계(2)는, 전술한 바와 같이 3단계의 전화 반응조를 구비하는 것이지만, 후단계(PSA계(3), TSA계(5))에 가스(G1)를 제공하기 전에 상기 가스(G1)로부터 제거해야 할 불순물의 종류 및 양에 따라서, 전처리계(2)를, 1단계의 전화 반응조를 구비하는 것으로 해서 구성해도 되고, 2단계의 전화 반응조를 구비하는 것으로 해서 구성해도 되며, 4단계 이상의 전화 반응조를 구비하는 것으로 해서 구성해도 된다. 혹은, 후단계(PSA계(3), TSA계(5))에 가스(G1)를 제공하기 전에 상기 가스(G1)로부터 제거해야 할 질소 이외의 불순물이 없는 경우에는, 전처리계(2)를 설치하지 않아도 된다.
아르곤 정제장치(Y)의 일부를 이루는 PSA계(3)는, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, PSA 장치(30)를 구비하여 이루어진다. PSA 장치(30)는, 흡착탑(31A), (31B), (31C), 승압기(32), 냉각기(33) 및 라인(34) 내지 (37)을 구비하고, 전처리계(2)로부터의 가스(G1)로부터 압력변동흡착법(PSA법)을 이용해서 아르곤을 농축 분리하는 것이 가능하게 구성되어 있다.
흡착탑(31A), (31B), (31C)의 각각은, 양단에 가스 통과구(31a), (31b)를 지니고, 가스 통과구(31a), (31b) 사이에 있어서, 가스(G1)에 포함되는 불순물을 선택적으로 흡착하기 위한 흡착제가 충전되어 있다. 예를 들어, 불순물인 질소나, 일산화탄소, 이산화탄소를 흡착하기 위한 흡착제로서는, CaA형 제올라이트를 이용할 수 있다. 예를 들어 불순물인 이산화탄소를 흡착하기 위한 흡착제로서는, 카본 몰리큘러 시브를 이용할 수 있다. 예를 들어, 불순물인 수분을 흡착하기 위한 흡착제로서는, 알루미나겔을 이용할 수 있다. 1종류의 흡착제를 흡착탑(31A), (31B), (31C) 내에 충전해도 되고, 복수 종류의 흡착제를 흡착탑(31A), (31B), (31C) 내에서 적층시켜서 충전해도 된다. 흡착탑(31A), (31B), (31C) 내에 충전하는 흡착제의 종류나 수에 대해서는, 흡착탑(31A), (31B), (31C)에서 제거해야 할 불순물의 종류 및 양에 따라서 결정한다.
승압기(32)는 가스 흡입구(32a) 및 가스 송출구(32b)를 구비한다. 가스 흡입구(32a)는 전처리계(2)에 있어서의 라인(27D)과 연결되어 있다. 이러한 승압기(32)는, 가스 흡입구(32a)로부터 흡인한 가스(G1)를 가스 송출구(32b)로부터 흡착탑(31A), (31B), (31C)을 향해서 공급 또는 송출하기 위한 것으로, 예를 들어, 압축기이다.
냉각기(33)는, 가스(G1)를 흡착탑(31A), (31B), (31C)에 공급하기 전에 상기 가스(G1)를 냉각시킨다.
라인(34)은, 승압기(32)의 가스 송출구(32b)에 접속된 주간로(34'), 및 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 각 가스 통과구(31a) 측에 각각이 접속된 분지로(34A), (34B), (34C)를 지닌다. 분지로(34A), (34B), (34C)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(34a), (34b), (34c)가 부설되어 있다. 또한, 라인(34)의 주간로(34')에는 전술한 냉각기(33)가 배치되어 있다.
라인(35)은, 주간로(35'), 및 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 각 가스 통과구(31b) 측에 각각이 접속된 분지로(35A), (35B), (35C)를 지닌다. 분지로(35A), (35B), (35C)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(35a), (35b), (35c)가 부설되어 있다.
라인(36)은, 주간로(36'), 및 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 각 가스 통과구(31b) 측에 각각이 접속된 분지로(36A), (36B), (36C)를 지닌다. 분지로 (36A), (36B), (36C)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(36a), (36b), (36c)가 부설되어 있다.
라인(37)은, 가스 배출 단부(E2)를 가진 주간로(37'), 및 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 각 가스 통과구(31a) 측에 각각이 접속된 분지로(37A), (37B), (37C)를 지닌다. 분지로(37A), (37B), (37C)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(37a), (37b), (37c)가 부설되어 있다. 주간로(37')에는 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(37d)가 부설되어 있다.
본 실시형태에 있어서의 PSA계(3) 내지 PSA 장치(30)는, 전술한 바와 같이, 3탑의 흡착탑(31A), (31B), (31C)을 구비하는 것이지만, PSA계(3)를, 1탑의 흡착탑을 구비하는 것으로 해서 구성해도 되고, 2탑의 흡착탑을 구비하는 것으로 해서 구성해도 되며, 4탑 이상의 흡착탑을 구비하는 것으로 해서 구성해도 된다. 혹은, 후단계의 TSA계(5)에 가스(G1)를 제공하기 전에 상기 가스(G1)로부터 제거해야 할 질소 이외의 불순물이 없는 경우에는, PSA계(3)를 설치하지 않아도 된다.
아르곤 정제장치(Y)의 일부를 이루는 리사이클 라인(4)은, 도 1에 나타낸 바와 같이, PSA계(3) 내지 PSA 장치(30)에 있어서의 전술한 라인(37)과, 저장계(1)에 있어서의 전술한 버퍼 탱크(10)를 연결한다. 리사이클 라인(4)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(4a)가 부설되어 있다. 이러한 리사이클 라인(4)은, PSA 장치(30)에 있어서의 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 각 가스 통과구(31a) 측에서 배출되는 가스를 버퍼 탱크(10)로 되돌린다.
아르곤 정제장치(Y)의 일부를 이루는 TSA계(5)는, 도 1 및 도 3에 나타낸 바와 같이, TSA 장치(50)를 구비하여 이루어진다. TSA 장치(50)는, 흡착탑(51A), (51B), 열교환기(52A), 냉각기(52B), 냉매 탱크(52C), 냉매 펌프(52D), 염수 냉각기(brine cooler)(52E), 열매체 탱크(52F), 열매체 펌프(52G), 가스유로를 이루는 라인(53) 내지 (58), 그리고, 냉매 흐름 및 열매체 흐름과 관련된 라인(59a) 내지 (59f)을 포함하고 또한 소정 장소에 자동 밸브를 수반하는 냉매·열매체 라인을 구비하며, PSA계(3)로부터의 준정제 가스(G2)로부터 온도변동흡착법(TSA법)을 이용해서 아르곤을 더욱 농축 분리하는 것이 가능하도록 구성되어 있다.
흡착탑(51A), (51B)의 각각은, 가스 통과구(51a), (51b), 적어도 1개의 흡착관(51c), 2매의 칸막이판(51d) 및 공간부(51e), (51f)를 지닌다. 흡착탑(51A), (51B)은 세로로 설치되어 있다. 흡착관(51c)에는, 가스(G1)에 포함되는 불순물인 질소를 선택적으로 흡착하기 위한 흡착제가 충전되어 있다. 그러한 흡착제로서, 예를 들어, CaX형 제올라이트, Ca몰데나이트형 제올라이트 및 LiX형 제올라이트를 이용할 수 있다. 1종류의 흡착제를 흡착관(51c) 내에 충전시켜도 되고, 복수 종류의 흡착제를 흡착탑(51A), (51B) 내에서 적층시켜서 충전시켜도 된다. 이러한 흡착관(51c)은, 탑 내에 있어서 칸막이판(51d)에 지지되어 있고, 흡착관(51c) 내부와 공간부(51e) 내지 가스 통과구(51a), (51b)와 연통하고 있다. 또한, 공간부(51e)는 가스 유로의 일부이고, 공간부(51f)는 냉매나 열매체를 수용하는 부위이며, 이들 공간부(51e), (51f)는 칸막이판(51d)에 의해서 칸막이되어 있다.
열교환기(52A)는, PSA 장치(30)로부터 도출된 준정제 가스(G2)를 냉각시킨다. 냉각기(52B)는, 열교환기(52A)를 경유한 준정제 가스(G2)를 냉각시킨다. 냉매 탱크(52C)는, 액상의 냉매(M1)를 유지한다. 냉매(M1)로서는, 예를 들어, 에탄올 수용액, 메탄올 수용액, 염화칼슘 수용액, 염화 메틸렌 또는 에틸렌 글라이콜을 사용할 수 있다. 냉매 펌프(52D)는, 냉매 탱크(52C) 내의 냉매(M1)를 염수 냉각기(52E) 측 또는 흡착탑(51A), (51B) 측에 송류시킨다. 염수 냉각기(52E)는, 냉매(M1)가 흡착탑(51A), (51B)에 이르기 전에 해당 액상 냉매를 소정 온도까지 냉각시키기 위한, 냉동기가 부착된 냉매 냉각기다. 열매체 탱크(52F)는, 액상의 열매체(M2)를 유지하고 또한 열매체(M2)를 가열한다. 열매체 탱크(52F)에는 소정의 가열 수단(도시 생략)이 설치되어 있다. 열매체(M2)로서는, 예를 들어, 에탄올 수용액, 메탄올 수용액, 염화칼슘 수용액, 염화 메틸렌 또는 에틸렌 글라이콜을 사용할 수 있다. 본 실시형태에서는, 냉매(M1)와 열매체(M2)는 동종의 액체이다. 열매체 펌프(52G)는, 열매체 탱크(52F) 내의 열매체(M2)를 흡착탑(51A), (51B) 측에 송류시킨다.
라인(53)은 주간로(53'), 및 흡착탑(51A), (51B)의 각 가스 통과구(51a) 측에 각각이 접속된 분지로(53A), (53B)를 지닌다. 분지로(53A), (53B)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(53a), (53b)가 부설되어 있다. 전술한 열교환기(52A) 및 냉각기(52B)는, 라인(53)의 주간로(53')에 설치되어 있다.
라인(54)은 주간로(54'), 및 흡착탑(51A), (51B)의 각 가스 통과구(51b) 측에 각각이 접속된 분지로(54A), (54B)를 지닌다. 분지로(54A), (54B)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(54a), (54b)가 부설되어 있다. 라인(54)의 주간로(54')는 전술한 열교환기(52A)에 접속되어 있다.
라인(55)은, 정제 가스 도출 단부(E3)를 지니고, 열교환기(52A)를 거쳐서 라인(54)과 연통하고 있다.
라인(56)은 주간로(56'), 및 흡착탑(51A), (51B)의 각 가스 통과구(51b) 측에 각각이 접속된 분지로(56A), (56B)를 지닌다. 분지로(56A), (56B)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(56a), (56b)가 부설되어 있다. 또한, 라인(56)의 주간로(56')는 상기의 라인(55)과 연결되어 있고, 주간로(56')에는 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(56c)가 부설되어 있다.
라인(57)은 주간로(57'), 및 흡착탑(51A), (51B)의 각 가스 통과구(51b) 측에 각각이 접속된 분지로(57A), (57B)를 지닌다. 분지로(57A), (57B)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(57a), (57b)가 부설되어 있다. 또한, 라인(57)의 주간로(57')는 라인(54)의 주간로(54')에 연결되어 있다.
라인(58)은 주간로(58'), 및 흡착탑(51A), (51B)의 각 가스 통과구(51a) 측에 각각이 접속된 분지로(58A), (58B)를 지닌다. 분지로(58A), (58B)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태 간을 전환하는 것이 가능한 자동 밸브(58a), (58b)가 부설되어 있다. 또한, 라인(58)의 주간로(58')는 전술한 저장계(1)에 있어서의 버퍼 탱크(10)에 접속되어 있다.
냉매·열매체 라인에 포함되는 라인(59a)은, 흡착탑(51A), (51B)에의 냉매공급용 라인으로, 냉매 탱크(52C), 냉매 펌프(52D), 염수 냉각기(52E)를 직렬로 연결하고, 또한, 흡착탑(51A), (51B)의 각각의 공간부(51f)의 하단 측과 연통가능하게 설치되어 있다.
라인(59b)은, 흡착탑(51A), (51B)으로부터의 냉매회수용 라인으로, 흡착탑(51A), (51B)의 각각의 공간부(51f)의 상단 측과 연통가능하며 또한 공간부(51f)의 하단부 측과 연통가능하게 설치되어 있다. 또한, 라인(59b)은 냉매 탱크(52C)에 접속되어 있다.
라인(59c)은, 균압(均壓)용 라인으로, 흡착탑(51A), (51B)의 각각의 공간부(51f)의 상단 측과 연통가능하게 설치되어 있고, 또한, 냉매 탱크(52C)에 접속되어 있다.
라인(59d)은, 흡착탑(51A), (51B)에의 열매체 공급용 라인으로, 열매체 탱크(52F) 및 열매체 펌프(52G)를 직렬로 연결하고, 또한, 흡착탑(51A), (51B)의 각각의 공간부(51f)의 하단 측과 연통가능하게 설치되어 있다.
라인(59e)은, 흡착탑(51A), (51B)으로부터의 열매체 회수용 라인이며, 흡착탑(51A), (51B)의 각각의 공간부(51f)의 상단 측과 연통가능하며 또한 공간부(51f)의 하단 측과 연통가능하게 설치되어 있다. 또한, 라인(59e)은 열매체 탱크(52F)에 접속되어 있다.
라인(59f)은, 균압용 라인으로, 흡착탑(51A), (51B)의 각각의 공간부(51f)의 상단 측과 연통가능하게 설치되어 있고, 또한, 열매체 탱크(52F)에 접속되어 있다.
이상과 같은 구성을 가진 아르곤 정제장치(Y)를 사용해서, 본 발명에 따른 아르곤 정제방법을 이하와 같은 요령으로 실행할 수 있다.
저장계(1)에서는, 승압 블로어(12)가 가동해서, 라인(15)의 원료 가스 도입 단부(E1)로부터 원료 가스(G0)가 입수된다. 입수된 원료 가스(G0)는, 제진기(11)를 통과함으로써 소정의 고형 성분이 제거된 후, 버퍼 탱크(10)에 도입된다. 버퍼 탱크(10)에는, PSA계(3)로부터 리사이클 라인(4)을 개재해서 PSA계(3)로부터의 배출 가스도 도입되고, 또한 라인(58)을 개재해서 TSA계(5)로부터의 배출 가스도 도입된다. 그리고, 버퍼 탱크(10)로부터는 가스(G1)가 도출된다. 가스(G1)에 대해서는, 농도 분석계(13)에 의해서 각 불순물의 농도가 측정된다. 또한, 가스(G1)에 대해서는, 유량 제어부(14)에 의해서 유량이 조절된다.
유량 제어부(14)에서 유량제어를 받는 가스(G1)는 전처리계(2)에 제공된다. 전처리계(2)에서는, 가스(G1)는, 순차, 전처리조(20A)에서 일산화탄소가 제거되고(제1처리), 전처리조(20B)에서 수소농도가 저하되거나 혹은 수소가 제거되며(제2처리), 전처리조(20C)에서 제2처리 후에 잔존하는 수소가 제거된다(제3처리). 구체적으로는, 전처리조(20A)에서는, 전술한 바와 같이, 반응식 1로 표시되는 전화 반응에 의해서 가스(G1) 중의 일산화탄소를 이산화탄소로 변성시켜 실질적으로 제거한다. 전처리조(20B)에서는, 전술한 바와 같이, 반응식 2로 표시되는 전화 반응에 의해서 가스(G1) 중의 수소 및 산소를 물로 변화시켜서 저농도화 또는 실질적으로 제거한다. 전처리조(20C)에서는, 전술한 바와 같이, 반응식 2로 표시되는 전화 반응에 의해서 가스(G1) 중의 수소 및 산소를 물로 변화시켜서 수소 및 산소를 실질적으로 제거한다.
전처리조(20A)에 가스(G1)가 도입되기 전에, 가스(G1)의 온도는 조절된다. 구체적으로는, 가스(G1)는, 라인(27A)에 있어서, 온도계(25A)에 의해서 측정되는 온도가 예를 들어 130 내지 150℃로 되도록 예열기(21)를 통과할 때에 승온된다. 이것에 의해, 전처리조(20A)에 있어서의 반응온도는 예를 들어 250℃ 이하로 된다. 상기 반응식 1로 표시되는 전화 반응을 촉진시키기 위해서는, 전처리조(20A)에 있어서의 반응온도는 130℃ 이상인 것이 바람직하다. 전처리조(20A)에 있어서 메탄이 생기는 반응을 충분히 억제하기 위해서는, 전처리조(20A)에 있어서의 반응온도는 250℃ 이하인 것이 바람직하다.
전처리조(20A)에 가스(G1)가 도입되기 전에, 가스(G1)에는, 산소 공급량 제어부(23A)의 가동에 의해서 필요에 따라서 소정량의 산소가 첨가된다. 산소 첨가량은, 전술한 농도 분석계(13)에 의해서 측정된 일산화탄소 농도 및 산소 농도에 의거해서 결정된다. 상기 반응식 1로 표시되는 전화 반응을 촉진시켜 전처리조(20A)에서 충분히 일산화탄소를 제거하기 위해서는, 전처리조(20A)에 도입되는 가스(G1)에 포함되는 산소는, 전처리조(20A)에 도입되는 가스(G1)에 포함되는 일산화탄소의 1.0 내지 1.5배 당량인 것이 바람직하다. 전처리조(20A)에서는, 전술한 바와 같이, 상기 반응식 1로 표시되는 전화 반응이 일어나, 가스(G1) 중의 일산화탄소가 이산화탄소로 변성되어서 실질적으로 제거된다.
전처리조(20A) 이후, 가스(G1)는, 전처리조(20B)에 도입되기 전에 냉각기(22A)를 통과함으로써 소정 온도로 조절된다. 온도계(25B)에 의해서 측정되는 온도가 예를 들어 50 내지 60℃로 되도록, 전처리조(20B)에 도입되기 전의 가스(G1)의 온도는 조절된다. 이것에 의해, 전처리조(20B)에 있어서의 반응온도는 예를 들어 100 내지 360℃로 된다. 상기 반응식 2로 표시되는 전화 반응을 촉진시키기 위해서는, 전처리조(20B)에 있어서의 반응온도는 100 내지 360℃인 것이 바람직하다. 또한, 전단계의 전처리조(20A)에 있어서, 수소와 산소의 반응에 의해 부생성물로서 물이 발생할 경우가 상정되지만, 수분은 전처리조(20B) 내의 촉매의 활성저해요인으로 될 수 있기 때문에, 전처리조(20B)에 도입되는 가스(G1)의 온도는, 노점온도(예를 들어 50℃) 이상인 것이 바람직하다.
전처리조(20B)에 가스(G1)가 도입되기 전에, 가스(G1)에는, 산소 공급량 제어부(23B)의 가동에 의해서 필요에 따라서 소정량의 산소가 첨가된다. 산소 첨가량은, 전술한 농도 분석계(13)에 의해서 측정된 일산화탄소 농도와 산소 농도, 그리고, 전처리조(20A) 전에 첨가된 산소량에 의거해서 결정된다. 상기 반응식 2로 표시되는 전화 반응은 발열반응이지만, 전처리조(20B)에 도입되는 가스(G1)에 포함되는 산소는, 전처리조(20B)에 있어서의 반응온도가 360℃를 초과하지 않을 정도의 양인 것이 바람직하다. 전처리조(20B)에서는, 전술한 바와 같이, 상기 반응식 2로 표시되는 전화 반응이 일어나, 가스(G1) 중의 수소 및 산소가 물로 변화되어서 실질적으로 제거 또는 저농도화된다.
전처리조(20B) 이후, 가스(G1)는, 전처리조(20C)에 도입되기 전에 냉각기(22B)를 통과함으로써 소정 온도로 조절된다. 온도계(25C)에 의해서 측정되는 온도가 예를 들어 50 내지 60℃로 되도록, 전처리조(20C)에 도입되기 전의 가스(G1)의 온도는 조절된다. 이것에 의해, 전처리조(20C)에 있어서의 반응온도는 예를 들어 100 내지 360℃로 된다. 상기 반응식 2로 표시되는 전화 반응을 촉진시키기 위해서는, 전처리조(20C)에 있어서의 반응온도는 100 내지 360℃인 것이 바람직하다. 또한, 가스(G1) 중의 수분은 전처리조(20C) 내의 촉매의 활성저해요인으로 될 수 있기 때문에, 전처리조(20C)에 도입되는 가스(G1)의 온도는, 노점온도(예를 들어 50℃) 이상인 것이 바람직하다.
전처리조(20C)에 가스(G1)가 도입되기 전에, 수소 농도 분석계(26)에 의해서 가스(G1)의 수소농도가 측정된 후에, 산소 공급량 제어부(23C)의 가동에 의해서 필요에 따라서 소정량의 산소가 첨가되고, 또한, 수소 공급량 제어부(24)의 가동에 의해서 필요에 따라서 소정량의 수소가 첨가된다. 산소 첨가량은, 전술한 농도 분석계(13)에 의해서 측정된 일산화탄소 농도와 산소 농도, 전처리조(20A) 전에 첨가된 산소량, 전처리조(20B) 전에 첨가된 산소량, 그리고, 수소 농도 분석계(26)에 의해서 측정된 수소 농도에 의거해서 결정된다. 상기 반응식 2로 표시되는 전화 반응에 의해서 전처리조(20C)에서 수소를 제거하기 위해서는, 전처리조(20C)에 도입되는 가스(G1)에 포함되는 산소는, 전처리조(20C)에 도입되는 가스(G1)에 포함되는 수소의 1/2당량인 것이 바람직하다. 전처리조(20C)에서는, 전술한 바와 같이, 상기 반응식 2로 표시되는 전화 반응이 일어나, 가스(G1) 중의 수소 및 산소가 물로 변화되어서 실질적으로 제거된다. 아르곤 정제장치(Y)에 의해서 정제되는 아르곤으로부터 수소 및 산소를 제거할 경우에 있어서, 전처리조(20B)에서 충분히 수소 및 산소를 제거할 수 있을 경우에는, 전처리조(20C) 등에 대해서는 반드시 설치하지 않아도 된다.
전처리조(20C)를 경유한 후, 가스(G1)는, 냉각기(22C)를 통과함으로써 온도조절된다. 냉각기(22C)를 통과한 후의 가스(G1)의 온도는 예를 들어 20 내지 40℃이다.
전처리계(2)에 있어서 소정의 전처리를 받은 가스(G1)는, PSA계(3)에 제공된다. PSA계(3)에 제공된 가스(G1)는, 승압기(32)에 의해서 예를 들어 0.8 내지 1㎫G(G은 게이지 압을 나타냄. 이하 동일함)로 압축된 후, 냉각기(33)를 통과함으로써 소정 온도로 냉각된다. PSA계(3) 및 리사이클 라인(4)에서는, PSA 장치(30)의 구동 시에 있어서, 도 4 내지 도 6에 나타낸 태양에서 자동 밸브(34a) 내지 (34c), (35a) 내지 (35c), (36a) 내지 (36c), (37a) 내지 (37d), (4a)를 전환시킴으로써, 장치 내에 있어서 원하는 가스의 흐름 상태를 실현하여, 이하의 스텝 1 내지 15로 이루어진 1사이클을 반복할 수 있다(도 4 내지 도 6에서는, 각 자동 밸브의 개방 상태를 ○로 표시하고, 폐쇄 상태를 ×로 표시한다). 본 방법의 1사이클에 있어서는, 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 각각에서, 흡착 공정, 제1감압 공정, 제2감압 공정, 제1탈착 공정, 제2탈착 공정, 제1세정 공정, 제2세정 공정, 제1승압 공정 및 제2승압 공정이 행해진다. 도 7은 스텝 1 내지 5에 있어서의 PSA 장치(30)에서의 가스의 흐름 상태를 나타낸다. 도 8은 스텝 6 내지 10에 있어서의 PSA 장치(30)에서의 가스의 흐름 상태를 나타낸다. 도 9는 스텝 11 내지 15에 있어서의 PSA 장치(30)에서의 가스의 흐름 상태를 나타낸다.
스텝 1에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이 각 자동 밸브의 개폐 상태가 선택되고 또한 승압기(32)가 작동함으로써, 도 7(a)에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(31A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(31B)에서 제1세정 공정이, 흡착탑(31C)에서 제1감압 공정이 행해진다.
도 3 및 도 7(a)를 아울러서 참조하면 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 스텝 1에서는, 소정의 고압상태에 있는 흡착탑(31A)의 가스 통과구(31a) 측에 가스(G1)가 도입되어서, 해당 가스(G1) 중의 불순물(이산화탄소, 물, 질소 등)을 흡착탑(31A) 내의 흡착제에 흡착시켜, 아르곤이 풍부화된 준정제 가스(G2)가 흡착탑(31A)의 가스 통과구(31b) 측에서 도출된다. 준정제 가스(G2)는, 라인(35)을 개재해서 TSA계(5)를 향해서 송출된다. 이것과 함께, 스텝 1에서는, 후술하는 스텝 11 내지 15(흡착 공정)를 경유한 흡착탑(31C)의 내부가 강압되어서, 흡착탑(31C)의 가스 통과구(31b) 측으로부터 가스(G3)가 도출된다. 이 가스(G3)는, 라인(36)을 개재해서 흡착탑(31B)으로 유도된다. 이것과 함께, 스텝 1에서는, 후술하는 스텝 15(제2탈착 공정)를 경유한 흡착탑(31B)의 가스 통과구(31b) 측에 흡착탑(31C)으로부터의 가스(G3)가 세정 가스로서 도입되면서, 흡착탑(31B)의 가스 통과구(31a) 측으로부터 가스(G3')(퍼지 가스)가 도출된다. 이 가스(G3')는 라인(37)을 개재해서 가스 배출 단부(E2)로부터 장치 밖으로 배출된다.
스텝 2에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이 각 자동 밸브의 개폐 상태가 선택되고 또한 승압기(32)가 작동함으로써, 도 7(b)에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(31A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(31B)에서 제2세정 공정이, 흡착탑(31C)에서 제1감압 공정이 행해진다.
도 3 및 도 7(b)를 아울러서 참조하면 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 스텝 2에서는, 흡착탑(31A)에 있어서, 스텝 1로부터 이어서 흡착 공정이 행해져, 준정제 가스(G2)가 도출된다. 이것과 함께, 스텝 2에서는, 흡착탑(31C)에 있어서, 스텝 1로부터 이어서 제1감압 공정이 행해진다. 이것과 함께, 스텝 2에서는, 스텝 1로부터 이어서 흡착탑(31B)의 가스 통과구(31b) 측에 흡착탑(31C)으로부터의 가스(G3)가 세정 가스로서 도입되면서, 흡착탑(31B)의 가스 통과구(31a) 측으로부터 가스(G3")(퍼지 가스)가 도출된다. 이 가스(G3")는 라인(37) 및 리사이클 라인(4)을 개재해서 버퍼 탱크(10)에 도입되어서, 버퍼 탱크(10)에 저장된다.
스텝 3에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이 각 자동 밸브의 개폐 상태가 선택되고 또한 승압기(32)가 작동함으로써, 도 7(c)에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(31A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(31B)에서 제1승압 공정이, 흡착탑(31C)에서 제2감압 공정이 행해진다.
도 3 및 도 7(c)를 아울러서 참조하면 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 스텝 3에서는, 흡착탑(31A)에 있어서, 스텝 2로부터 이어서 흡착 공정이 행해져, 준정제 가스(G2)가 도출된다. 이것과 함께, 스텝 3에서는, 흡착탑(31C)에 있어서, 스텝 2로부터 이어서 흡착탑(31C)의 내부가 강압되어, 흡착탑(31C)의 가스 통과구(31b) 측으로부터 가스(G4)가 도출된다. 이 가스(G4)는, 라인(36)을 개재해서 흡착탑(31B)으로 유도된다. 이것과 함께, 스텝 3에서는, 흡착탑(31B)의 가스 통과구(31b) 측에 흡착탑(31C)으로부터의 가스(G4)가 승압 가스로서 도입되어서, 흡착탑(31B)의 내부가 승압된다.
스텝 4에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이 각 자동 밸브의 개폐 상태가 선택되고 또한 승압기(32)가 작동함으로써, 도 7(d)에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(31A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(31B)에서 제2승압 공정이, 흡착탑(31C)에서 제1탈착 공정이 행해진다.
도 3 및 도 7(d)를 아울러서 참조하면 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 스텝 4에서는, 흡착탑(31A)에 있어서, 스텝 3으로부터 이어서 흡착 공정이 행해져서, 준정제 가스(G2)가 도출된다. 준정제 가스(G2)의 일부는 흡착탑(31B)으로 유도된다. 이것과 함께, 스텝 4에서는, 흡착탑(31B)의 가스 통과구(31b) 측에 흡착탑(31A)으로부터의 준정제 가스(G2)가 승압 가스로서 도입되어서, 흡착탑(31B)의 내부가 승압된다. 이것과 함께, 스텝 4에서는, 흡착탑(31C)의 내부가 강압되어, 흡착탑(31C) 내의 흡착제로부터 불순물이 탈착되며, 흡착탑(31C)의 가스 통과구(31a) 측으로부터 가스(G5)(오프 가스)가 도출된다. 이 가스(G5)는, 라인(37) 및 리사이클 라인(4)을 개재해서 버퍼 탱크(10)에 도입되어서, 버퍼 탱크(10)에 저장된다.
스텝 5에서는, 도 4에 나타낸 바와 같이 각 자동 밸브의 개폐 상태가 선택되고 또한 승압기(32)가 작동함으로써, 도 7(e)에 나타낸 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(31A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(31B)에서 제2승압 공정이, 흡착탑(31C)에서 제2탈착 공정이 행해진다.
도 3 및 도 7(e)를 아울러서 참조하면 잘 이해할 수 있는 바와 같이, 스텝 5에서는, 흡착탑(31A)에 있어서, 스텝 4로부터 이어서 흡착 공정이 행해져서, 준정제 가스(G2)가 도출된다. 준정제 가스(G2)의 일부는 흡착탑(31B)으로 유도된다. 이것과 함께, 스텝 5에서는, 흡착탑(31B)에 있어서, 스텝 4로부터 이어서 내부가 승압된다. 이것과 함께, 스텝 5에서는, 스텝 4로부터 이어서 흡착탑(31C)의 내부가 강압되어, 흡착탑(31C) 내의 흡착제로부터 불순물이 더욱 탈착되며, 흡착탑(31C)의 가스 통과구(31a) 측으로부터 가스(G6)(오프 가스)가 도출된다. 이 가스(G6)는, 라인(37)을 개재해서 가스 배출 단부(E2)로부터 장치 밖으로 배출된다.
스텝 1 내지 5에 있어서, 흡착 공정에 있는 흡착탑(31A)의 내부의 최고 압력은, 예를 들어 700 내지 800㎪G이다. 스텝 1의 제1세정 공정의 종료 시점에 있어서의 흡착탑(31C)의 내부의 압력은, 예를 들어 500 내지 600㎪G이다. 스텝 1 내지 2에 걸친 제1감압 공정의 종료 시점에 있어서의 흡착탑(31C)의 내부의 압력(제1중간압력)은, 예를 들어 300 내지 400㎪G이다. 스텝 3의 제2감압 공정의 종료 시점에 있어서의 흡착탑(31C)의 내부의 압력(제2중간압력)은, 예를 들어 150 내지 200㎪G이다. 스텝 4의 제1탈착 공정의 종료 시점에 있어서의 흡착탑(31C)의 내부의 압력은, 예를 들어 70 내지 100㎪G이다. 스텝 5의 제2탈착 공정의 종료 시점에 있어서의 흡착탑(31C)의 내부의 압력은, 예를 들어 0 내지 30㎪G이다.
스텝 6 내지 10에서는, 스텝 1 내지 5에서 흡착탑(31A)에 있어서 행해진 것과 마찬가지로, 흡착탑(31B)에 있어서, 도 8에 나타낸 바와 같이 흡착 공정이 행해진다. 이것과 함께, 스텝 6 내지 10에서는, 스텝 1 내지 5에서 흡착탑(31B)에 있어서 행해진 것과 마찬가지로, 흡착탑(31C)에 있어서, 도 8에 나타낸 바와 같이 제1세정 공정(스텝 6), 제2세정 공정(스텝 7), 제1승압 공정(스텝 8) 및 제2승압 공정(스텝 9, 10)이 행해진다. 이것과 함께, 스텝 6 내지 10에서는, 스텝 1 내지 5에서 흡착탑(31C)에 있어서 행해진 것과 마찬가지로, 흡착탑(31A)에 있어서, 도 8에 나타낸 바와 같이 제1감압 공정(스텝 6, 7), 제2감압 공정(스텝 8), 제1탈착 공정(스텝 9) 및 제2탈착 공정(스텝 10)이 행해진다.
스텝 11 내지 15에서는, 스텝 1 내지 5에서 흡착탑(31A)에 있어서 행해진 것과 마찬가지로, 흡착탑(31C)에 있어서, 도 9에 나타낸 바와 같이 흡착 공정이 행해진다. 이것과 함께, 스텝 11 내지 15에서는, 스텝 1 내지 5에서 흡착탑(31B)에 있어서 행해진 것과 마찬가지로, 흡착탑(31A)에 있어서, 도 9에 나타낸 바와 같이 제1세정 공정(스텝 11), 제2세정 공정(스텝 12), 제1승압 공정(스텝 13) 및 제2승압 공정(스텝 14, 15)이 행해진다. 이것과 함께, 스텝 11 내지 15에서는, 스텝 1 내지 5에서 흡착탑(31C)에 있어서 행해진 것과 마찬가지로, 흡착탑(31B)에 있어서, 도 9에 나타낸 바와 같이 제1감압 공정(스텝 11, 12), 제2감압 공정(스텝 13), 제1탈착 공정(스텝 14) 및 제2탈착 공정(스텝 15)이 행해진다.
이상과 같이 해서, PSA계(3) 내지 PSA 장치(30)로부터는, 아르곤이 풍부화된 준정제 가스(G2)가 TSA계(5)를 향해서 계속 송출된다.
TSA계(5)에서는, TSA 장치(50)의 구동 시에 있어서, 도 10 및 도 11에 나타낸 태양에서 자동 밸브(53a), (53b), (54a), (54b), (56a), (56b), (56c), (57a), (57b), (58a), (58b)를 전환함으로써, 장치 내에 있어서 원하는 가스의 흐름 상태를 실현하여, 이하의 스텝 1 내지 10으로 이루어진 1사이클을 반복할 수 있다(도 10 및 도 11에서는, 각 자동 밸브의 개방 상태를 ○로 표시하고, 폐쇄 상태를 ×로 표시한다). 본 방법의 1사이클에 있어서는, 흡착탑(51A), (51B)의 각각에서, 흡착 공정, 냉매 취출 공정, 가열 탈착 공정, 열매체 취출 공정, 냉각 공정 및 축압(蓄壓) 공정이 행해진다. 도 12 내지 도 21은, 스텝 1 내지 10에 있어서의 TSA 장치(50)에서의 가스, 냉매(M1) 및 열매체(M2)의 흐름 상태를 나타낸다.
스텝 1에서는, 냉매·열매체 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 적절하게 선택되고 또한 가스 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 도 10에 나타낸 바와 같이 선택되어, 도 12에 나타낸 바와 같은 냉매 흐름 상태 및 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(51A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(51B)에서 냉매 취출 공정이 행해진다. 구체적으로는 다음과 같다.
스텝 1에서는, 냉매(M1)가, 냉매 탱크(52C)로부터 라인(59a)을 거쳐서 흡착탑(51A)의 공간부(51f)의 하단 측에 공급된다. 이 냉매(M1)는, 냉매 탱크(52C)로부터 냉매 펌프(52D)에 의해서 퍼올려서 염수 냉각기(52E)를 통과하여 냉각된 것이다. 염수 냉각기(52E)에 의한 냉매(M1)의 냉각 온도는 예를 들어 -50 내지 -40℃이다. 이것과 함께, 흡착탑(51A)의 공간부(51f)의 상단 측에서 라인(59b)을 거쳐서 냉매 탱크(52C)에 냉매(M1)가 회수된다. 이 냉매(M1)는, 냉매 탱크(52C)에 회수되기 전에 냉각기(52B)를 통과하여, 준정제 가스(G2)를 냉각시키는데 이용된다. 냉매(M1)와 준정제 가스(G2)의 비열의 차가 크므로, 냉각기(52B)에서는 효율적으로 준정제 가스(G2)를 냉각시킬 수 있다. 냉매(M1)는, 흡착탑(51A)의 공간부(51f)와 염수 냉각기(52E) 사이를 순회하여, 이것에 의해, 흡착탑(51A)의 흡착관(51c) 내의 흡착제는 계속 냉각되어서 저온의 흡착용 온도로 유지된다. 흡착용 온도는 낮아도 -50℃, 바람직하게는 -40℃ 이상으로 한다. 본 실시형태에서는, 흡착용 온도는 예를 들어 -35℃이다. 이것과 함께, 흡착탑(51A)의 가스 통과구(51a) 측에 라인(53)을 개재해서 준정제 가스(G2)가 도입되어서, 해당 가스(G2) 중의 불순물 질소를 흡착탑(51A)의 흡착관(51c) 내의 흡착제에 흡착시키고, 또한, 아르곤이 풍부화된 정제 가스(G7)가 흡착탑(51A)의 가스 통과구(51b) 측으로부터 도출된다. 정제 가스(G7)는, 라인(54), (55)을 개재해서 정제 가스 도출 단부(E3)로부터 장치 밖으로 취출된다. 이 정제 가스(G7)는, 장치 밖으로 취출되기 전에 열교환기(52A)를 통과하여, 준정제 가스(G2)를 냉각시키는데 이용된다. 이것과 함께, 후술하는 스텝 6 내지 10(흡착 공정)을 경유한 흡착탑(51B)의 공간부(51f)의 하단 측에서 라인(59b)을 거쳐서 냉매 탱크(52C)에 냉매(M1)가 회수된다(이때, 라인(59c)의 자동 밸브가 개방 상태로 되어, 냉매 탱크(52C)와 흡착탑(51B)의 공간부(51f)는 균압화된다). 흡착 공정에 있는 흡착탑(51A)의 흡착관(51c)의 내부압력은, 0.01 내지 1㎫G의 범위로 한다.
스텝 2에서는, 냉매·열매체 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 적절하게 선택되고 또한 가스 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 도 10에 나타낸 바와 같이 선택되어, 도 13에 나타낸 바와 같은 냉매 흐름 상태, 열매체 흐름 상태 및 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(51A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(51B)에서 가열 탈착 공정이 행해진다. 구체적으로는 다음과 같다.
스텝 2에서는, 흡착탑(51A)에 있어서, 스텝 1로부터 이어서 흡착 공정이 행해져서, 정제 가스(G7)가 도출된다. 이것과 함께, 열매체(M2)가 열매체 펌프(52G)에 의해서 퍼올려져서 열매체 탱크(52F)로부터 라인(59d)을 거쳐서 흡착탑(51B)의 공간부(51f)의 하단 측에 공급된다. 열매체 탱크(52F) 내에서는, 열매체(M2)는 예를 들어 45 내지 50℃로 가열되고 있다. 이것과 함께, 흡착탑(51B)의 공간부(51f)의 상단 측으로부터 라인(59e)을 거쳐서 열매체 탱크(52F)에 열매체(M2)가 회수된다. 열매체(M2)는, 흡착탑(51B)의 공간부(51f)와 열매체 탱크(52F) 사이를 순회하여, 이것에 의해, 흡착탑(51B)의 흡착관(51c) 내의 흡착제는 계속해서 가열되어서 예를 들어 40℃에 도달할 때까지 승온된다. 가열 탈착 공정에 있어서의 흡착제의 최고 도달 온도는 높아도 50℃로 한다. 이것과 함께, 흡착탑(51B)의 가스 통과구(51b) 측에, 흡착탑(51A)으로부터 도출된 정제 가스(G7)의 일부가 라인(56)을 개재해서 도입되면서, 흡착탑(51B)의 가스 통과구(51a) 측으로부터 가스(G7 ')가 도출된다. 이 가스(G7')는 라인(58)(리사이클 라인)을 거쳐서 버퍼 탱크(10)에 도입되어서, 버퍼 탱크(10)에 저장된다. 또한, 가열 탈착 공정에 있는 흡착탑(51B)의 흡착관(51c)의 내부압력은, 흡착 공정에 있어서의 흡착관(51c)의 내부압력보다 낮은 한에 있어서, 대기압으로부터 0.05㎫G까지의 사이로 한다.
스텝 3에서는, 냉매·열매체 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 적절하게 선택되고 또한 가스 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 도 10에 나타낸 바와 같이 선택되어, 도 14에 나타낸 바와 같은 냉매 흐름 상태, 열매체 흐름 상태 및 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(51A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(51B)에서 열매체 취출 공정이 행해진다. 구체적으로는 다음과 같다.
스텝 3에서는, 흡착탑(51A)에 있어서, 스텝 2로부터 이어서 흡착 공정이 행해져서, 정제 가스(G7)가 도출된다. 이것과 함께, 흡착탑(51B)의 공간부(51f)의 하단 측에서 라인(59e)을 거쳐서 열매체 탱크(52F)에 열매체(M2)가 회수된다(이때, 라인(59f)의 자동 밸브가 개방 상태로 되어, 열매체 탱크(52F)와 흡착탑(51B)의 공간부(51f)는 균압화된다).
스텝 4에서는, 냉매·열매체 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 적절하게 선택되고 또한 가스 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 도 10에 나타낸 바와 같이 선택되어, 도 15에 나타낸 바와 같은 냉매 흐름 상태 및 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(51A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(51B)에서 냉각 공정이 행해진다. 구체적으로는 다음과 같다.
스텝 4에서는, 흡착탑(51A)에 있어서, 스텝 3으로부터 이어서 흡착 공정이 행해져서, 정제 가스(G7)가 도출된다. 이것과 함께, 냉매(M1)가, 냉매 탱크(52C)로부터 라인(59a)을 거쳐서 흡착탑(51B)의 공간부(51f)의 하단 측에도 공급된다. 이 냉매(M1)는, 냉매 탱크(52C)로부터 냉매 펌프(52D)에 의해서 퍼올려져서 염수 냉각기(52E)를 통과해서 냉각된 것이다. 이것과 함께, 흡착탑(51B)의 공간부(51f)의 상단 측에서 라인(59b)을 거쳐서 냉매 탱크(52C)에 냉매(M1)가 회수된다. 냉매(M1)는, 흡착탑(51B)의 공간부(51f)와 염수 냉각기(52E) 사이를 순회하여, 이것에 의해, 흡착탑(51B)의 흡착관(51c) 내의 흡착제는 계속 냉각되어서 예를 들어 -35℃(흡착용 온도)에 도달할 때까지 강온된다. 이것과 함께, 흡착탑(51B)의 가스 통과구(51b) 측에, 흡착탑(51A)으로부터 도출된 정제 가스(G7)의 일부가 라인(57)을 개재해서 도입되면서, 흡착탑(51B)의 가스 통과구(51a) 측으로부터 가스(G7')가 도출된다. 흡착탑(51B)에 도입되는 정제 가스(G7)는, 흡착탑(51B)의 흡착관(51c) 내의 흡착제의 냉각에 기여한다. 또한, 가스(G7')는 라인(58)(리사이클 라인)을 거쳐서 버퍼 탱크(10)에 도입되어서, 버퍼 탱크(10)에 저장된다.
스텝 5에서는, 냉매·열매체 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 적절하게 선택되고 또한 가스 라인의 각 자동 밸브의 개폐 상태가 도 10에 나타낸 바와 같이 선택되어, 도 16에 나타낸 바와 같은 냉매 흐름 상태 및 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(51A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(51B)에서 축압 공정이 행해진다. 구체적으로는 다음과 같다.
스텝 5에서는, 흡착탑(51A)에 있어서, 스텝 4로부터 이어서 흡착 공정이 행해져서, 정제 가스(G7)가 도출된다. 이것과 함께, 스텝 4로부터 이어서 냉매(M1)가 흡착탑(51B)의 공간부(51f)와 염수 냉각기(52E) 사이를 순회하여, 흡착탑(51B)의 흡착관(51c) 내의 흡착제는 냉각된다. 이것과 함께, 흡착탑(51B)의 가스 통과구(51b) 측에, 흡착탑(51A)으로부터 도출된 정제 가스(G7)의 일부가 라인(57)을 개재해서 도입되어, 흡착탑(51B)의 흡착관(51c) 내가 축압된다. 흡착탑(51B)의 흡착관(51c) 내는, 예를 들어 0.01 내지 1㎫G의 범위의 소정 압력까지 승압된다.
스텝 6 내지 10에서는, 스텝 1 내지 5에서 흡착탑(51A)에 있어서 행해진 것과 마찬가지로, 흡착탑(51B)에 있어서 흡착 공정이 행해진다. 이것과 함께, 스텝 6 내지 10에서는, 스텝 1 내지 5에서 흡착탑(51B)에 있어서 행해진 것과 마찬가지로, 흡착탑(51A)에 있어서, 냉매 취출 공정(스텝 6), 가열 탈착 공정(스텝 7), 열매체 취출 공정(스텝 8), 냉각 공정(스텝 9) 및 축압 공정(스텝 10)이 행해진다. 스텝 6 내지 10에 있어서의 냉매 흐름 상태, 열매체 흐름 상태 및 가스 흐름 상태를, 도 17 내지 도 21에 나타낸다.
이상과 같이 해서, 아르곤 정제장치(Y) 또는 TSA 장치(50)로부터, 아르곤이 풍부화된 정제 가스(G7)가 계속해서 취출된다.
아르곤 정제장치(Y)를 사용해서 행하는 이상의 아르곤 정제방법에 의하면, 정제 가스(G7)로서, 99.999% 이상의 고순도의 아르곤을 취득할 수 있다(정제 가스(G7) 중의 질소농도는 0.1vol.ppm 이하로 저감할 수 있다).
또, 본 방법에서는, TSA 장치(50)의 흡착탑(51A), (51B)의 각각에 있어서, 전술한 바와 같은 흡착 공정, 냉매 취출 공정, 가열 탈착 공정, 열매체 취출 공정, 냉각 공정 및 축압 공정을 포함하는 TSA법을 실행하고, 이것에 의해서 준정제 가스(G2) 중의 아르곤의 풍부화 또는 고순도화를 도모한다. 이러한 본 방법에 의하면, 고순도화되는 아르곤에 대해서, 높은 수율을 달성하기 쉽다. 본 방법에 있어서는, 가열 탈착 공정 중의 흡착탑(51A), (51B)으로부터 계속 도출되는 오프 가스(가스(G7'))를 버퍼 탱크(10)에 되돌리고, 해당 오프 가스를 PSA법 및 TSA법에 의한 재차의 아르곤 풍부화에 제공하기 때문이다. 본 방법의 가열 탈착 공정에서는, 흡착 공정을 거쳐서 질소를 흡착하고 있는 흡착제로부터 질소가 탈착된다. 이 탈착 질소를 흡착관(51c) 밖으로 적절하게 밀어내기 위해서, 가열 탈착 공정에 있는 흡착탑(51A), (51B)의 흡착관(51c)에는 정제 가스(G7)(고순도 아르곤 가스)가 도입된다. 그 때문에, 가열 탈착 공정에 있는 흡착탑(51A), (51B)의 흡착관(51c)으로부터 도출되는 오프 가스(가스(G7'))의 아르곤 농도는 비교적 높다. 본 방법에서는, 이러한 오프 가스(가스(G7'))를 장치 밖으로 배기시키지 않고 버퍼 탱크(10)에 되돌려, PSA법 및 TSA법에 의한 재차의 아르곤 풍부화에 제공한다. 따라서, 본 방법은, 고순도 아르곤을 고수율로 얻는데 적합한 것이다.
이에 부가해서, 본 방법에 의하면, TSA 장치(50)에서의 TSA 사이클 시간을 단축화하기 쉽다. 본 방법에서는, 흡착제의 온도 변동을 수반하는 TSA법을 실행하기 위해서, 액상의 냉매(M1) 및 액상의 열매체(M2)를 이용해서 흡착제의 온도변동을 실현하기 때문이다. 구체적으로는 다음과 같다.
본 방법의 가열 탈착 공정에서는 액상의 열매체(M2)를 이용해서 흡착관(51c) 내의 흡착제를 가열한다. 흡착제가 충전되어 있는 흡착관(51c)에 액상의 열매체(M2)를 접촉시켜서, 해당 열매체(M2)로부터 흡착관(51c) 내의 흡착제에 열을 공급함으로써, 흡착제를 가열한다. 액상의 열매체(M2)는 기체보다도 비열이 상당한 정도로 크므로, TSA법에 있어서 흡착제를 가열하기 위한 매체로서 기체를 이용할 경우보다도, 본 방법과 같이 액상의 열매체(M2)를 이용해서 흡착제를 가열하는 경우의 쪽이, 흡착제를 원하는 온도에까지 조속하게 승온시킬 수 있다. 가령, 본 방법에 있어서의 열매체(M2)로서 55% 에탄올 수용액을 채용할 경우(제1경우)를 상정하고, 가열용의 매체로서 아르곤 가스를 이용해서 흡착제를 승온할 경우(제2경우)를 상정하면, 55% 에탄올 수용액의 비열은 0.839kcal/㎏·℃(-20℃에서)이며, 아르곤 가스의 비열은 0.125kcal/㎏·℃ (-23℃에서)이므로, 단위시간 당의 흡착제에 대한 열공급량에 대해서, 제1경우에서는 제2경우의 7배 정도를 실현하는 것이 가능하다. 따라서, 제1경우(본 발명에 따른 경우)는, 제2경우의 7분의 1 정도의 단시간에 가열 탈착 공정을 종료시키는 것이 가능하다. 가열 탈착 공정시간의 단축화는 TSA 사이클 시간의 단축화에 기여한다.
한편, 본 방법의 냉각 공정에서는 액상의 냉매(M1)를 이용해서 흡착관(51c) 내의 흡착제를 냉각시킨다. 흡착제가 충전되어 있는 흡착관(51c)에 액상의 냉매(M1)를 접촉시켜서, 해당 냉매(M1)에 의해서 흡착관(51c) 내의 흡착제로부터 열을 빼앗음으로써, 흡착제를 냉각시킨다. 액상의 냉매(M1)는 기체보다도 비열이 상당한 정도로 크므로, TSA법에 있어서 흡착제를 냉각시키기 위한 매체로서 기체를 이용할 경우보다도, 본 방법과 같이 액상의 냉매(M1)를 이용해서 흡착제를 냉각하는 경우의 쪽이, 흡착제를 원하는 온도에까지 조속하게 강온시킬 수 있다. 가령, 본 방법에 있어서의 냉매(M1)로서 55% 에탄올 수용액을 채용할 경우(제3경우)를 상정하고, 냉각용 매체로서 아르곤 가스를 이용해서 흡착제를 강온시킬 경우(제4경우)를 상정하면, 55% 에탄올 수용액 및 아르곤 가스의 각 비열은 전술한 바와 같으므로, 단위시간 당의 흡착제로부터 열수용량에 대해서, 제3경우에서는 제4경우의 7배 정도를 실현하는 것이 가능하다. 따라서, 제3경우(본 발명에 따른 경우)는, 제4경우의 7분의 1정도의 단시간에 냉각 공정을 종료시키는 것이 가능하다. 냉각 공정 시간의 단축화는 TSA 사이클 시간의 단축화에 기여한다.
이상과 같이, 본 발명에 따른 아르곤 정제방법은, TSA법을 이용해서 고순도 아르곤을 고수율로 얻는데 적합하고, 또한, TSA 사이클 시간의 단축화를 도모하는데 적합한 것이다.
본 방법의 TSA계(5)에서의 흡착 공정에 있어서의 흡착제의 흡착용 온도는, 전술한 바와 같이 -50℃ 이상이다. 이러한 구성은, 본 방법을 간편하게 실시하는 관점에서 바람직하다. 낮아도 -50℃의 흡착용 온도를 실현하는 정도로 냉매(M1)를 냉각시키는 것은, 비교적 입수가 용이한 냉각기 등에 의해서 실현가능하기 때문이다.
본 방법의 TSA계(5)에서의 가열 탈착 공정에 있어서 가열되는 흡착제의 온도는, 전술한 바와 같이, 높아도 50℃이다. 가열 탈착 공정에 있어서 높아도 50℃의 가열온도를 실현하는 정도로 열매체(M2)를 가열하는 것은, 비교적 입수가 용이한 전기 히터 등에 의해서 실현가능하다.
본 방법의 TSA계(5)에서의 흡착 공정에 있는 흡착탑(51A), (51B)의 흡착관(51c)의 내부압력은, 전술한 바와 같이 0.01㎫G 내지 1㎫G의 범위이며, 또한, 가열 탈착 공정에 있는 흡착탑(51A), (51B)의 흡착관(51c)의 내부압력은, 전술한 바와 같이, 흡착 공정에 있어서의 흡착관(51c)의 내부압력보다 낮은 한에 있어서, 대기압 내지 0.05㎫G의 범위이다. 이러한 구성은, 흡착 공정에서 흡착제에 대한 불순물 질소의 흡착을 촉진시키고, 가열 탈착 공정에서 흡착제로부터 불순물 질소의 탈착을 촉진시키기 위하여, 적합하다.
본 방법에서는, TSA계(5)에서, 냉매(M1)와 열매체(M2)가 서로 섞이지 않도록 이들 냉매(M1) 및 열매체(M2)를 TSA 장치(50) 내에서 순회시킬 수 있다. 즉, 냉매(M1)에 대해서, 열매체(M2)의 혼입에 의해서 부당하게 온도가 상승되어 버리는 것을 회피할 수 있고, 또, 열매체(M2)에 대해서, 냉매(M1)의 혼입에 의해서 부당하게 온도가 저하되어 버리는 것을 회피할 수 있다. 이러한 구성은, 냉매(M1) 및 열매체(M2)를 효율적으로 사용하는데 적합하다.
본 방법에서는, PSA계(3)에서, 전술한 바와 같이, 탈착 공정(제1탈착 공정, 제2탈착 공정)에 있는 흡착탑(31A), (31B), (31C)으로부터 이어서 도출되는 가스(오프 가스) 중, 아르곤 농도가 상대적으로 높은 오프 가스(가스(G5))를 버퍼 탱크(10)에 도입하고, 해당 오프 가스를 PSA법에 의한 재차의 아르곤 풍부화에 제공한다. 이러한 구성은, 고순도 아르곤을 고수율로 얻는데 기여한다.
본 방법에서는, PSA계(3)에서, 전술한 바와 같이, 세정 공정(제1세정 공정, 제2세정 공정)에 있는 흡착탑(31A), (31B), (31C)으로부터 이어서 도출되는 가스(퍼지 가스) 중, 아르곤 농도가 상대적으로 높은 퍼지 가스(가스(G3"))를 버퍼 탱크(10)에 도입하고, 해당 퍼지 가스를 PSA법에 의한 아르곤 풍부화에 제공한다. 이러한 구성은, 고순도 아르곤을 고수율로 얻는데 기여한다.
실시예
도 1 내지 도 3에 나타낸 아르곤 정제장치(Y)를 사용해서, 소정의 원료 가스(G0)로부터 아르곤을 농축 분리시켰다. 본 실시예에 있어서의 원료 가스(G0)는, 실리콘 단결정 상향 견인로로부터 배출된 사용이 끝난 분위기 가스로, 주성분으로서 아르곤을 포함한다. 상기 원료 가스(G0)의 사양을, 도 22의 표에 기재한다.
본 실시예에서는, 저장계(1)에 있어서, 버퍼 탱크(10)에 원료 가스(G0)를 도입하면서, 버퍼 탱크(10)로부터 가스(G1)를 후단계(전처리계(2), PSA계(3))를 향해서 계속해서 공급하였다. 가스(G1)에 대해서는, 승압 블로어(12) 및 유량 제어부(14)에 의해, 압력을 0.1㎫로 하고 또한 유량을 20N㎥/h로 제어하였다.
본 실시예에서는, 전처리계(2)에 있어서, 이하의 조건으로 가스(G1)에 대해서 전처리를 행하였다. 전처리조(20A) 내의 촉매로서는, 플래티늄계 촉매를 채용하였다. 전처리조(20A)에 도입되기 전의 가스(G1)에 대해서는, 전처리조(20A)에서 충분히 일산화탄소가 제거되도록 일산화탄소에 대해서 소정의 과잉량의 산소를 첨가하였다. 전처리조(20A)에서의 반응온도는 230℃로 제어하였다. 전처리조(20B)내의 촉매로서는, 플래티늄계 촉매를 채용하였다. 전처리조(20B)에 도입되기 전의 가스(G1)에 대해서는, 전처리조(20B)에서 일부의 수소가 제거되도록, 소정량의 산소를 첨가하였다. 전처리조(20B)에서의 반응온도는 250℃로 제어하였다. 전처리조(20C) 내의 촉매로서는, 플래티늄계 촉매를 채용하였다. 전처리조(20C)에 도입되기 전의 가스(G1)에 대해서는, 전처리조(20C)를 경유한 후에 수소 및 산소가 실질적으로 제거되도록 소정량의 산소를 첨가하였다. 전처리조(20C)에서의 반응온도는 230℃로 제어하였다. 전처리조(20C) 뒤의 냉각기(22C)에서는 가스(G1)를 30℃로 냉각시켰다.
본 실시예에서는, PSA계(3) 내지 PSA 장치(30)에 있어서, 승압기(32)에 의해서 가스(G1)를 0.8㎫까지 승압시키면서, 도 7 내지 도 9에 나타낸 바와 같이 흡착 공정, 제1감압 공정, 제2감압 공정, 제1탈착 공정, 제2탈착 공정, 제1세정 공정, 제2세정 공정, 제1승압 공정 및 제2승압 공정으로 이루어진 1사이클(스텝 1 내지 15)을 흡착탑(31A), (31B), (31C)에 있어서 반복하였다. 본 실시예에 있어서 사용한 PSA 장치(30)의 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 각각은 원통 형상(내경 100㎜, 내부 치수 높이 1800㎜)을 지닌다. 각 흡착탑 내에는, 흡착제로서 CaA형 제올라이트를 충전하였다. 또한, 본 실시예에서는, 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 각각에 있어서, 흡착 공정은 330초간, 제1감압 공정은 120초간, 제2감압 공정은 30초간, 제1탈착 공정은 60초간, 제2탈착 공정은 120초간, 제1세정 공정은 70초간, 제2세정 공정은 50초간, 제1승압 공정은 30초간 및 제2승압 공정은 180초간 행하였다. 흡착 공정에 있어서의 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 내부의 최고 압력은 800㎪G로 하고 탈착 공정(제1탈착 공정, 제2탈착 공정)에 있어서의 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 내부의 최저 압력은 20㎪G로 하였다. 또한, 제1감압 공정의 종료 시점에 있어서의 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 내부의 압력(제1중간압력)은 400㎪G로 하고 제2감압 공정의 종료 시점에 있어서의 흡착탑(31A), (31B), (31C)의 내부의 압력(제2중간압력)은 200㎪G로 하였다. 이러한 조건에서 행한 본 실시예에 있어서 취득한 준정제 가스(G2)에 대해서, 그 사양을 도 22의 표에 기재한다.
본 실시예에서는, TSA계(5) 내지 PSA 장치(50)에 있어서, 도 12 내지 도 21에 나타낸 바와 같이 흡착 공정, 냉매 취출 공정, 가열 탈착 공정, 열매체 취출 공정, 냉각 공정 및 축압 공정으로 이루어진 1사이클(스텝 1 내지 10)을 흡착탑(51A), (51B)의 각각에 있어서 반복하였다. 본 실시예에 있어서 사용한 TSA 장치(50)의 흡착탑(51A), (51B)의 각각은 원통 형상(내경 200㎜, 내부 치수 높이 1500㎜)을 지닌다. 흡착탑(51A), (51B)의 각각은, 원통 형상(내경 200㎜)의 7개의 흡착관(51c)을 내부에 지닌다. 흡착관(51c) 내에는, 흡착제로서 CaX형 제올라이트를 충전하였다. 냉매(M1) 및 열매체(M2)로서는, 55%의 에탄올 수용액을 사용하였다. PSA 장치(50)에 도입되는 준정제 가스(G2)에 대해서는, 열교환기(52A)에서 -20℃까지 냉각시키고, 냉각기(52B)에서 -35℃까지 냉각시켰다. 염수 냉각기(52E)에서는 냉매(M1)를 -40℃까지 냉각시켰다. 열매체 탱크(52F)에서는 열매체(M2)를 50℃까지 가열하면서 유지하였다. 본 실시예에서는, 흡착탑(51A), (51B)의 각각에 있어서, 흡착 공정은 3시간, 냉매 취출 공정은 0.2시간, 가열 탈착 공정은 1시간, 열매체 취출 공정은 0.2시간, 냉각 공정은 1.4시간 및 축압 공정은 0.2시간 행하였다(1사이클의 시간은 6시간). 또, 흡착 공정에 있어서의 흡착탑(51A), (51B)의 내부의 최종 도달 흡착 압력(최고 압력)은 700㎪G로 하고, 가열 탈착 공정에 있어서의 흡착탑(51A), (51B)의 내부의 최종 도달 탈착 압력(최저 압력)은 20㎪G로 하였다. 본 실시예에서는, 흡착관(51c) 내의 흡착제의 온도를 1사이클에 걸쳐서 측정하였다. 그 결과를 도 23의 그래프에 나타낸다. 도 23의 그래프에서는, 가로축은 TSA 사이클 시간(h)을 나타내고, 세로축은 흡착제의 온도(℃)를 나타낸다. 도 23의 그래프에 나타낸 것 같이, 흡착관(51c) 내의 흡착제의 온도는, 흡착 공정의 사이는 -35℃로 유지되고, 가열 탈착 공정에서는 급격하게 상승해서 40℃에 도달하며, 냉각 공정에서는 상당한 정도 급속히 하강해서 -35℃에 도달하였다.
이상과 같은 조건에서 행한 본 실시예에 있어서 취득한 정제 가스(G7)에 대해서, 그 사양을 도 22의 표에 기재한다.
Y: 아르곤 정제장치 1: 저장계
2: 전처리계 3: PSA계
4: 리사이클 라인 5: TSA계
10: 버퍼 탱크 11: 제진기
12: 승압 블로어 13: 농도 분석계
14: 유량 제어부 20A, 20B, 20C: 전처리조
21: 예열기 22A, 22B, 22C: 냉각기
23A, 23B, 23C: 산소 공급량 제어부
24: 수소 공급량 제어부 25A, 25B, 25C: 온도계
26: 수소 농도 분석계 30: PSA 장치
31A, 31B, 31C: 흡착탑 31a, 3lb: 가스 통과구
32: 승압기 33: 냉각기

Claims (23)

  1. 아르곤을 포함하는 혼합 가스를 저장조에 도입하고,
    상기 저장조로부터, 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 TSA 흡착탑을 향해서, 상기 혼합 가스를 공급하며,
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제가 상대적으로 저온의 흡착용 온도에 있는 상태에서, 해당 흡착관에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 흡착제에 흡착시키고 또한 아르곤이 풍부화된 정제 가스를 상기 흡착관으로부터 도출하는 흡착 공정과, 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 상대적으로 고온의 온도로 승온시키면서 해당 흡착제로부터 상기 불순물을 탈착시키는 가열 탈착 공정과, 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 강온시키는 냉각 공정을 포함하는 사이클을 상기 TSA 흡착탑에 있어서 반복해서 행하고,
    상기 가열 탈착 공정에서는, 액상 열매체를 이용해서 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 가열하고, 또한, 상기 흡착관에 상기 정제 가스를 도입하면서 상기 흡착관으로부터 오프 가스를 도출하여, 해당 오프 가스를 상기 저장조에 도입하고,
    상기 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 냉각시키는 것인 아르곤 정제방법.
  2. 아르곤을 포함하는 혼합 가스를 저장조에 도입하고,
    상기 저장조로부터, 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 복수의 TSA 흡착탑으로부터 선택된 TSA 흡착탑을 향해서, 상기 혼합 가스를 공급하며,
    흡착관 내의 상기 흡착제가 상대적으로 저온의 흡착용 온도에 있는 상태에서, 해당 흡착관에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 흡착제에 흡착시키고 또한 아르곤이 풍부화된 정제 가스를 상기 흡착관으로부터 도출하는 흡착 공정과, 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 상대적으로 고온의 온도로 승온시키면서 해당 흡착제로부터 상기 불순물을 탈착시키는 가열 탈착 공정과, 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 강온시키는 냉각 공정을 포함하는 사이클을 상기 복수의 TSA 흡착탑의 각각에 있어서 반복해서 행하고,
    상기 가열 탈착 공정에서는, 액상 열매체를 이용해서 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 가열하고, 또한, 상기 흡착관에 상기 정제 가스를 도입하면서 상기 흡착관으로부터 오프 가스를 도출하여, 해당 오프 가스를 상기 저장조에 도입하고,
    상기 가열 탈착 공정에 있는 TSA 흡착탑의 흡착관에 도입되는 정제 가스는, 상기 흡착 공정에 있는 TSA 흡착탑의 흡착관으로부터 도출된 정제 가스이며,
    상기 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 냉각시키는 것인, 아르곤 정제방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 냉각 공정에서는, 상기 흡착관에 정제 가스를 도입하면서 상기 흡착관으로부터 오프 가스를 도출하고, 해당 오프 가스를 상기 저장조에 도입하며,
    상기 냉각 공정에 있는 TSA 흡착탑의 흡착관에 도입되는 정제 가스는, 상기 흡착 공정에 있는 TSA 흡착탑의 흡착관으로부터 도출된 정제 가스인 것인 아르곤 정제방법.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착 공정에서는 상기 액상 냉매를 이용해서 상기 흡착관 내의 흡착제를 계속해서 냉각시키는 것인 아르곤 정제방법.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착용 온도는 -50℃ 이상인 것인 아르곤 정제방법.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 가열 탈착 공정에 있어서 가열되는 흡착제의 온도는, 높아도 50℃인 것인 아르곤 정제방법.
  7. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흡착 공정에 있는 TSA 흡착탑의 흡착관의 제1내부압력을 0.01㎫G 내지 1㎫G의 범위로 하고, 또한, 상기 가열 탈착 공정에 있는 TSA 흡착탑의 흡착관의 제2내부압력을, 상기 제1내부압력보다 낮은 한에 있어서, 대기압 내지 0.05㎫G의 범위로 하는 것인 아르곤 정제방법.
  8. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 혼합 가스를 상기 TSA 흡착탑에 공급하기 전에, 해당 혼합 가스에 포함되는 불순물의 일부를 PSA법에 의해서 제거하는 것인 아르곤 정제방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 PSA법에서는, PSA흡착제가 충전된 복수의 PSA 흡착탑으로부터 선택된 PSA 흡착탑을 향해서 상기 혼합 가스를 공급하고,
    PSA 흡착탑 내가 상대적으로 고압인 상태에서, 상기 PSA 흡착탑에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 PSA흡착제에 흡착시키고 또한 아르곤이 풍부화된 준정제 가스를 상기 PSA 흡착탑으로부터 도출하는 흡착 공정과, 상기 PSA 흡착탑 내를 강압시켜서 상기 PSA흡착제로부터 상기 불순물을 탈착시키고 또한 상기 PSA 흡착탑으로부터 가스를 도출하는 탈착 공정을 포함하는 사이클을 상기 복수의 PSA 흡착탑의 각각에 있어서 반복해서 행하며,
    상기 탈착 공정은, 해당 탈착 공정의 개시로부터 도중까지에 있어서 상기 PSA 흡착탑으로부터 제1가스를 도출하는 제1탈착 공정과, 상기 PSA 흡착탑으로부터 제2가스를 도출하는, 상기 제1탈착 공정 후의 제2탈착 공정을 포함하고, 상기 제1가스를 상기 저장조에 도입하는 것인 아르곤 정제방법.
  10. 제8항에 있어서, 상기 PSA법에서는, PSA흡착제가 충전된 복수의 PSA 흡착탑으로부터 선택된 PSA 흡착탑을 향해서 상기 혼합 가스를 공급하고,
    PSA 흡착탑 내가 상대적으로 고압인 상태에서, 상기 PSA 흡착탑에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 PSA흡착제에 흡착시키고 또한 아르곤이 풍부화된 준정제 가스를 상기 PSA 흡착탑으로부터 도출하는 흡착 공정과, PSA 흡착탑 내를 강압시켜서 해당 PSA 흡착탑으로부터 가스를 도출하는 감압 공정과, PSA 흡착탑 내를 강압시켜서 해당 PSA흡착제로부터 상기 불순물을 탈착시키고 또한 해당 PSA 흡착탑으로부터 가스를 도출하는 탈착 공정과, PSA 흡착탑에 세정 가스를 도입하고 또한 해당 PSA 흡착탑으로부터 가스를 도출하는 세정 공정과, PSA 흡착탑 내의 압력을 상승시키는 승압 공정을 포함하는 사이클을 상기 복수의 PSA 흡착탑의 각각에 있어서 반복해서 행하며,
    상기 세정 공정의 상기 세정 가스는, 상기 감압 공정에 있는 PSA 흡착탑으로부터 도출된 가스이고,
    상기 세정 공정은, 해당 세정 공정의 개시로부터 도중까지에 있어서 PSA 흡착탑으로부터 제1가스를 도출하는 제1세정 공정과, 상기 PSA 흡착탑으로부터 제2가스를 도출하는, 상기 제1세정 공정 후의 제2세정 공정을 포함하며, 상기 제2가스를 상기 저장조에 도입하는 것인 아르곤 정제방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 탈착 공정은, 해당 탈착 공정의 개시로부터 도중까지에 있어서 PSA 흡착탑으로부터 제3가스를 도출하는 제1탈착 공정과, 상기 PSA 흡착탑으로부터 제4가스를 도출하는, 상기 제1탈착 공정 후의 제2탈착 공정을 포함하고, 상기 제3가스를 상기 저장조에 도입하는 것인 아르곤 정제방법.
  12. 제8항에 있어서, 상기 혼합 가스를 상기 TSA 흡착탑 또는 상기 PSA 흡착탑에 공급하기 전에, 상기 저장조로부터의 상기 혼합 가스에 대해서, 상기 혼합 가스에 포함되는 불순물의 적어도 일부를 제거 또는 변성시키기 위한 전처리를 실시하는 것인 아르곤 정제방법.
  13. 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구를 지니며, 상기 제1 및 제2가스 통과구와 연통하고 또한 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 TSA 흡착탑;
    아르곤을 포함하는 혼합 가스를 상기 TSA 흡착탑에 공급하기 전에 저장하기 위한 저장조;
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 냉각시키기 위해서 상기 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 냉매를 유지하기 위한 냉매 저장조;
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 가열하기 위해서 상기 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 열매체를 유지하기 위한 열매체 저장조;
    상기 저장조로부터 상기 TSA 흡착탑의 상기 제1가스 통과구 측에 상기 혼합 가스를 공급 가능하게 상기 저장조와 상기 TSA 흡착탑 사이를 연결하는 제1가스 라인;
    상기 TSA 흡착탑의 상기 제1가스 통과구 측으로부터 도출되는 가스를 상기 저장조에 공급 가능하게 상기 TSA 흡착탑과 상기 저장조 사이를 연결하는 제2가스 라인;
    상기 냉매 저장조로부터 상기 TSA 흡착탑에 상기 냉매를 공급하기 위한 제1냉매 라인;
    상기 TSA 흡착탑으로부터 상기 냉매 저장조에 상기 냉매를 되돌리기 위한 제2냉매 라인;
    상기 열매체 저장조로부터 상기 TSA 흡착탑에 상기 열매체를 공급하기 위한 제1열매체 라인; 및
    상기 TSA 흡착탑으로부터 상기 열매체 저장조에 상기 열매체를 되돌리기 위한 제2열매체 라인을 포함하는 아르곤 정제장치.
  14. 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구를 지니고, 해당 제1 및 제2가스 통과구와 연통하고 또한 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 복수의 TSA 흡착탑;
    아르곤을 포함하는 혼합 가스를 상기 TSA 흡착탑에 공급하기 전에 저장하기 위한 저장조;
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 냉각시키기 위해서 상기 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 냉매를 유지하기 위한 냉매 저장조;
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 가열하기 위해서 상기 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 열매체를 유지하기 위한 열매체 저장조;
    상기 저장조로부터 각 TSA 흡착탑의 상기 제1가스 통과구 측에 상기 혼합 가스를 공급 가능하게 상기 저장조와 상기 각 TSA 흡착탑 사이를 연결하는 제1가스 라인;
    주간로, 및 상기 TSA 흡착탑마다 설치되어 해당 TSA 흡착탑의 상기 흡착관의 상기 제2가스 통과구 측에 접속된 복수의 분지로를 가진 제2가스 라인;
    상기 저장조에 접속된 주간로, 및 상기 TSA 흡착탑마다 설치되어 해당 TSA 흡착탑의 상기 흡착관의 상기 제1가스 통과구 측에 접속된 복수의 분지로를 가진 제3가스 라인;
    상기 냉매 저장조로부터 흡착제 냉각 대상인 TSA 흡착탑에 상기 냉매를 공급하기 위한 제1냉매 라인;
    상기 TSA 흡착탑으로부터 상기 냉매 저장조에 상기 냉매를 되돌리기 위한 제2냉매 라인;
    상기 열매체 저장조로부터 흡착제 가열 대상인 TSA 흡착탑에 상기 열매체를 공급하기 위한 제1열매체 라인; 및
    상기 TSA 흡착탑으로부터 상기 열매체 저장조에 상기 열매체를 되돌리기 위한 제2열매체 라인을 포함하는 아르곤 정제장치.
  15. 제13항 또는 제14항에 있어서, 상기 혼합 가스에 포함되는 불순물의 일부를 PSA법에 의해서 제거하기 위한 PSA 흡착탑을 포함하는 PSA계가 상기 제1가스 라인에 설치되어 있는 것인 아르곤 정제장치.
  16. 제15항에 있어서, 상기 혼합 가스를 상기 TSA 흡착탑 또는 상기 PSA 흡착탑에 공급하기 전에 상기 혼합 가스에 포함되는 불순물의 적어도 일부를 제거 또는 변성시키기 위한 전처리를 실행하기 위한 전처리계가 상기 제1가스 라인에 설치되어 있는 것인 아르곤 정제장치.
  17. 목적 가스를 포함하는 혼합 가스를, 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 TSA 흡착탑을 향해서 공급하고,
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제가 상대적으로 저온의 흡착용 온도에 있는 상태에서, 해당 흡착관에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 흡착제에 흡착시키고 또한 목적 가스가 풍부화된 정제 가스를 상기 흡착관으로부터 도출하는 흡착 공정과, 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 상대적으로 고온의 온도로 승온시키면서 해당 흡착제로부터 상기 불순물을 탈착시키는 가열 탈착 공정과, 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 강온시키는 냉각 공정을 포함하는 사이클을 상기 TSA 흡착탑에 있어서 반복해서 행하며,
    상기 가열 탈착 공정에서는 액상 열매체를 이용해서 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 가열하고,
    상기 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 냉각시키는 것인 목적 가스 정제방법.
  18. 목적 가스를 포함하는 혼합 가스를, 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 복수의 TSA 흡착탑으로부터 선택된 TSA 흡착탑을 향해서 공급하고,
    흡착관 내의 상기 흡착제가 상대적으로 저온의 흡착용 온도에 있는 상태에서, 해당 흡착관에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 흡착제에 흡착시키고 또한 목적 가스가 풍부화된 정제 가스를 상기 흡착관으로부터 도출하는 흡착 공정과, 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 상대적으로 고온의 온도로 승온시키면서 해당 흡착제로부터 상기 불순물을 탈착시키는 가열 탈착 공정과, 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 강온시키는 냉각 공정을 포함하는 사이클을 상기 복수의 TSA 흡착탑의 각각에 있어서 반복해서 행하며,
    상기 가열 탈착 공정에서는 액상 열매체를 이용해서 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 가열하고,
    상기 냉각 공정에서는 액상 냉매를 이용해서 상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 냉각시키는 것인 목적 가스 정제방법.
  19. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 흡착 공정에서는 상기 액상 냉매를 이용해서 상기 흡착관 내의 흡착제를 계속해서 냉각하는 것인 목적 가스 정제방법.
  20. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 흡착용 온도는 -50℃ 이상인 것인 목적 가스 정제방법.
  21. 제17항 또는 제18항에 있어서, 상기 가열 탈착 공정에 있어서 가열되는 흡착제의 온도는, 높아도 50℃인 것인 목적 가스 정제방법.
  22. 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구를 지니고, 해당 제1 및 제2가스 통과구와 연통하고 또한 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 TSA 흡착탑;
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 냉각시키기 위해서 상기 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 냉매를 유지하기 위한 냉매 저장조;
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 가열하기 위해서 상기 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 열매체를 유지하기 위한 열매체 저장조;
    상기 냉매 저장조로부터 상기 TSA 흡착탑에 상기 냉매를 공급하기 위한 제1냉매 라인;
    상기 TSA 흡착탑으로부터 상기 냉매 저장조에 상기 냉매를 되돌리기 위한 제2냉매 라인;
    상기 열매체 저장조로부터 상기 TSA 흡착탑에 상기 열매체를 공급하기 위한 제1열매체 라인; 및
    상기 TSA 흡착탑으로부터 상기 열매체 저장조에 상기 열매체를 되돌리기 위한 제2열매체 라인을 포함하는 목적 가스 정제장치.
  23. 제1가스 통과구 및 제2가스 통과구를 지니고, 해당 제1 및 제2가스 통과구와 연통하고 또한 흡착제가 충전된 흡착관을 포함하는 복수의 TSA 흡착탑;
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 냉각시키기 위해서 상기 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 냉매를 유지하기 위한 냉매 저장조;
    상기 흡착관 내의 상기 흡착제를 가열하기 위해서 상기 TSA 흡착탑에 공급되는 액상 열매체를 유지하기 위한 열매체 저장조;
    주간로, 및 상기 TSA 흡착탑마다 설치되어 해당 TSA 흡착탑의 상기 흡착관의 상기 제2가스 통과구 측에 접속된 복수의 분지로를 가진 가스 라인;
    상기 냉매 저장조로부터 흡착제 냉각 대상인 TSA 흡착탑에 상기 냉매를 공급하기 위한 제1냉매 라인;
    상기 TSA 흡착탑으로부터 상기 냉매 저장조에 상기 냉매를 되돌리기 위한 제2냉매 라인;
    상기 열매체 저장조로부터 흡착제 가열 대상인 TSA 흡착탑에 상기 열매체를 공급하기 위한 제1열매체 라인; 및
    상기 TSA 흡착탑으로부터 상기 열매체 저장조에 상기 열매체를 되돌리기 위한 제2열매체 라인을 포함하는 목적 가스 정제장치.
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