KR101888550B1 - 고순도 네온(Ne) 생산 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 크루드 네온가스를 소정압력 범위로 압축 공급하는 압축부; 상기 압축부로부터 이송된 크루드 네온가스에 포함된 수소(H2)를 산소(O2)와의 반응에 의해 제거하기 위한 촉매부; 상기 촉매부로부터 이송된 크루드 네온가스에 포함된 질소(N2)를 흡착을 통해 제거하기 위한 저온부; 를 포함하는 고순도 네온 생산 장치를 제공한다.
특히, 상기 저온부에서는 흡착 공정 단독 또는 흡착 및 냉각 공정을 통해 질소를 제거하는 고순도 네온 생산 장치를 제공한다.

Description

고순도 네온(Ne) 생산 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING HIGH PURITY NEON}
본 출원은 크루드 네온(Crude Neon)으로부터 불순물을 제거하여 고순도의 네온(Ne)을 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
네온(Ne)은 공기 중 약 0.0018vol%가 존재하며 네온사인(Neon Sign), 의료용 레이저 및 반도체 공정의 재료 등 다양한 분야와 최근에는 엑시머 레이저(Excimer Laser) 가스에 사용되며 그 수요가 증가하고 있다.
네온(Ne)을 생산하기 위해서는 공기 중에 존재하는 네온(Ne)을 분리 해야 하며, 상업적으로 대규모의 공기를 분리하는 공기분리설비 플랜트(ASU Plant)의 비응축 가스를 포집하여 크루드(Crude Ne)을 생산한다.
크루드 네온(Crude Ne)은 공정상의 차이는 있지만 공기분리설비 플랜트(ASU Plant)의 비응축 가스를 액화질소 콘덴싱(LN2 condensing) 및 증류하여 생산하고 약 1.5% 미만의 수소(H2) 및 40% 미만의 질소(N2) 불순물이 포함된 네온/헬륨(Ne/He) 혼합가스이다.
공기분리설비 플랜트(ASU Plant)로부터 회수되는 크루드 네온(Crude Ne)은 그 양이 작기 때문에 여러 기의 공기분리설비 플랜트(ASU Plant)에서 생산되는 크루드 네온(Crude Ne)을 포집하여 수소(H2) 및 질소(N2) 등의 불순물을 제거 하여야 한다.
따라서, 고순도의 네온(Ne)을 생산하기 위해 크루드 네온(Crude Ne)에 포함된 수소(H2) 및 질소(N2) 등의 불순물 제거 하기 위한 장치가 요구되는 실정이다.
US 등록 7,299,656호
본 발명은 크루드 네온(Crude Ne)으로부터 고순도의 네온(Ne)을 생산하기 위해, 크루드 네온(Crude Ne)에 포함된 수소(H2) 및 질소(N2) 등의 불순물을 효율적으로 제거하여 네온/헬륨(Ne/He) 혼합가스를 생산하여 고순도의 네온(Ne)을 생산하는 장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 크루드 네온가스를 소정압력 범위로 압축 공급하는 압축부; 상기 압축부로부터 이송된 크루드 네온가스에 포함된 수소(H2)를 산소(O2)와의 반응에 의해 제거하기 위한 촉매부; 상기 촉매부로부터 이송된 크루드 네온가스에 포함된 질소(N2)를 흡착을 통해 제거하기 위한 저온부; 를 포함하는 고순도 네온 생산 장치를 제공한다.
또한, 상기 압축부는, 상기 크루드 네온가스를 5 내지 20kg/cm2 의 압력으로 압축 공급하는 것을 포함한다.
또한, 상기 촉매부는, 상기 수소를 제거하기 위해 산소가 공급되는 촉매탑; 상기 촉매탑을 통과 후 생성된 물을 응축시키는 제1 열교환기; 및 상기 제 1열교환기에서 응축된 물을 분리시키는 물 분리기; 를 포함한다.
또한, 상기 촉매부는, 상기 물분리기를 통과 후 잔여 수분을 제거하는 한 쌍의 드라이어를 더 포함한다.
또한, 상기 저온부는, 상기 촉매부에서 배출된 크루드 네온가스 중 남아있는 질소(N2)를 제거하기 위한 하나 이상의 흡착부; 상기 흡착부를 통과하여 배출된 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스와 상기 촉매부에서 배출된 크루드 네온가스의 열교환이 이루어지는 제2 열교환기; 및 상기 흡착부, 제2 열교환기를 내부에 수용하는 소정 공간을 갖고 열 침입을 차단하기 위해 마련된 콜드박스; 를 포함한다.
또한, 상기 저온부는, 상기 촉매부에서 배출된 크루드 네온가스 중 질소(N2)의 부피비(Vol %)에 따라서 선택적으로 운전되어 냉각에 의해 상기 질소(N2)를 제거하기 위한 진공응축기; 를 더 포함한다.
또한, 상기 진공응축기는, 상기 촉매부에서 배출된 크루드 네온가스 중 질소(N2)의 조성이 0 내지 10Vol% 이면 운전하지 않고, 10Vol %초과에서 운전하는 것을 포함한다.
상기와 같이 진공응축기는 선택적으로 운전되기 때문에, 상기 진공응축기가 운전되지 않을 때, 압축부를 통과한 크루드 네온가스는 상기 촉매부로 이송되고, 상기 촉매부에서 배출된 크루드 네온가스는 저온부의 흡착부로 이송될 수 있다.
특히, 촉매부를 통과한 비교적 고온의 크루드 네온가스는 제2 열교환기를 통과하여 흡착부로 유입되고, 상기 흡착부에서 배출되는 비교적 저온의 네온 및 헬륨으로 이루어지는 혼합가스는 제2 열교환기로 유입되어 열교환이 이루어질 수 있다.
한편, 상기 진공응축기가 운전될 때, 압축부를 통과한 크루드 네온가스는 상기 촉매부로 이송되고, 상기 촉매부에서 배출된 크루드 네온가스는 저온부의 진공응축기로 이송될 수 있다. 그 후 진공응축기에서 배출된 크루드 네온가스는 흡착부로 이송될 수 있다.
특히, 촉매부를 통과한 비교적 고온의 크루드 네온가스는 제2 열교환기를 통과하여 진공응축기로 유입되고, 상기 흡착부에서 배출되는 비교적 저온의 네온 및 헬륨으로 이루어지는 혼합가스와 상기 진공응축기에서 배출되는 비교적 저온의 질소가스가 제2 열교환기로 유입되어 열교환이 이루어질 수 있다.
즉, 촉매부를 통과한 크루드 네온가스는 제2 열교환기를 통과하면서 흡착부에서 배출된 네온 및 헬륨으로 이루어지는 혼합가스 및 진공응축기에서 배출되는 질소가스와 열교환 후에 진공응축기로 유입될 수 있다.
또한, 상기 저온부는, 상기 흡착부 및 진공응축기에 액화질소를 공급하거나, 상기 흡착부의 재생을 위해 상기 액화질소를 가열하여 공급하기 위한 액화질소 공급부 및 히터를 더 포함한다.
또한, 상기 제2 열교환기는, 상기 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스와 촉매부를 통과하여 배출된 크루드 네온가스 및 상기 진공응축기에서 배출되는 질소와 열교환 되는 것을 더 포함한다.
또한, 상기 저온부는, 초저온 영역인 -210도 내지 -180도 에서 운전되는 것을 포함한다.
또한, 상기 진공응축기는, 내부에 마련된 응축기, 상기 응축기를 둘러싸도록 액화질소가 공급되는 소정공간을 갖는 쿨링부 및 냉각에 의해 응축된 질소가 하부에 잔류되도록 액화질소 저장부를 포함한다.
또한, 상기 쿨링부는, 상기 촉매부를 통과한 크루드 네온가스를 예비냉각(Pre-Cooling) 하는 것을 포함한다.
또한, 상기 흡착부 및 진공응축기는, 열 침입을 차단하기 위해 이중 용기 하우징을 포함한다.
또한, 상기 액화질소 공급부는, 액화질소를 자동으로 공급 및 조절하기 위한 수위계측기를 더 포함한다.
또한, 상기 액화질소 저장부에 저장된 응축된 질소는, 액화질소 공급에 재 사용되는 것을 포함한다.
또한, 상기 흡착부는, 흡착 및 재생이 용이하도록 내부에 적어도 3개 이상의 흡착탑이 마련되고, 상기 흡착탑을 둘러싸도록 액화질소가 공급되는 소정공간을 갖는 것을 포함한다.
또한, 상기 흡착부는, 하나의 흡착부에서 질소 흡착공정이 진행되면, 다른 하나의 흡착부에서 흡착제 재생공정이 진행되도록, 상기 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되는 것을 포함한다.
또한, 상기 촉매탑은, 수소(H2)를 제거하기 위한 흡수반응을 촉진 시키기 위해 온도를 가열하도록 외주면에 히팅 자켓을 더 포함한다.
또한, 상기 고순도 네온 생산 장치는, 상기 압축부, 촉매부, 저온부를 통과하여 생산되는 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스를 분리하기 위한 분리 장치를 더 포함한다.
예시적인 본 발명의 고순도 네온 생산 장치에 의하면 크루드 네온가스(Crude Ne)에 포함된 수소(H2) 및 질소(N2) 등의 불순물을 효율적으로 제거함으로써, 고순도의 네온(Ne)을 생산 할 수 있다.
또한, 공급되는 크루드 네온가스 중 질소의 부피비 즉, 조성에 따라 선택적으로 진공응축기를 사용함으로써, 장치의 효율적인 운전이 가능하다.
이에 더하여, 하나 이상의 흡착부를 이용함으로써, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되어 흡착제의 흡착 및 재생에 필요한 시간이 단축됨으로써 전체 공정의 운전시간을 단축시킬 수 있으며, 고순도 네온(Ne) 생산 공정이 연속적으로 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 네온 생산 장치의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 네온 생산 장치를 도시하는 구성도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
또한, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응되는 구성요소는 동일 또는 유사한 참조번호를 부여하고 이에 대한 중복 설명은 생략하기로 하며, 설명의 편의를 위하여 도시된 각 구성 부재의 크기 및 형상은 과장되거나 축소될 수 있다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 크루드 네온가스(Crude Ne)에 포함된 수소(H2) 및 질소(N2) 등의 불순물을 효율적으로 제거함으로써, 고순도의 네온(Ne)을 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 예시적인 본 발명의 고순도 네온(Ne) 생산 장치에 의하면, 크루드 네온가스(Crude Ne)에 포함된 수소(H2) 및 질소(N2) 등의 불순물을 효율적으로 제거할 뿐만 아니라, 하나 이상의 흡착부를 이용함으로써, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되어 흡착제의 흡착 및 재생에 필요한 시간이 단축됨으로써 전체 공정의 운전시간을 단축시킬 수 있으며, 고순도 네온(Ne) 생산 공정이 연속적으로 이루어 질 수 있다.
도 1은 본 발명의 예시적인 고순도 네온(Ne) 생산 장치의 공정도 이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 고순도 네온 생산 장치(10)는, 크루드 네온(Crude Ne)가스를 소정압력 범위로 압축하는 압축부(100), 상기 압축부로부터 이송된 크루드 네온(Crude Ne)가스에 포함된 수소(H2)를 산소(O2)와의 반응에 의해 제거하기 위한 촉매부(200), 상기 촉매부로부터 이송된 크루드 네온가스에 포함된 질소(N2)를 흡착을 통해 제거하기 위한 저온부(300)를 포함한다.
보다 구체적으로, 수소(H2), 질소(N2), 네온(Ne), 헬륨(He)을 포함하는 크루드 네온(Crude Ne)가스가 압축부(100)를 통해 압축되어 촉매부(200)로 이송되면, 산소가 공급되는 촉매부(200)에서 산소와의 반응에 의해 수소(H2)가 제거 된다.
상기와 같이 수소(H2)가 제거되어 상기 촉매부(200)에서 배출된 질소(N2), 산소(O2), 네온(Ne), 헬륨(He)을 포함하는 크루드 네온(Crude Ne)가스는 저온부(300)의 흡착 공정을 통해 질소(N2)와 산소(O2)가 제거 될 수 있다.
여기서, 상기 산소(O2)는 비점이 약 -183℃ 이므로 후술할 상기 저온부(300)의 진공응축기(310)에서 상기 질소(N2)와 함께 응축되어 일부 제거되고, 잔여 산소(O2)는 진공응축기(310) 후단의 흡착부(320,320')에서 제거될 수 있다.
따라서, 상기 저온부(300)를 통과한 후 네온(Ne) 및 헬륨(He)으로 이루어진 혼합가스가 배출됨으로써, 상기 혼합가스를 분리시켜 고순도의 네온(Ne)을 생산할 수 있다.
특히, 상기 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스는 후단에 분리장치를 추가적으로 설치하여 고순도의 네온 및 헬륨을 각각 생산할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고순도 네온(Ne) 생산 장치(10)를 도시하는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 압축부(100)는, 버퍼탱크(Buffer Tank, 110)와 압축기(Compressor,120)를 포함한다.
보다 구체적으로, 상기 압축부(100)는 버퍼탱크(110)에 크루드 네온(Crude Ne) 가스를 일시적으로 저장할 수 있으며, 상기 버퍼 탱크(110)에서 압축기(120)를 통해 상기 크루드 네온(Crude Ne) 가스를 5 내지 20kg/cm2의 압력으로 상기 촉매부(200)로 압축 공급 할 수 있다.
특히, 압축부(100)는 10 내지 20kg/cm2의 고압력으로 운전할 수 있다.
일반적으로, 크루드 네온(Crude Ne)은 공기의 1차 정제 공정에서 공기분리설비 플랜트(ASU Plant)의 운전압력인 4 내지 6 kg/cm2에서 응축(Condensing) 및 증류하여 생산된다.
상기와 같이, 1차 정제 공정보다 높은 압력인 5 내지 20kg/cm2, 보다 바람직하게 10 내지 20kg/cm2의 압력으로 가압함으로써, 후술할 저온부(300)의 진공응축기(310)에서 보다 효율적으로 질소를 제거할 수 있으며, 흡착부(320)에서의 흡착효율을 높일 수 있고, 이에 따라 장치의 크기를 컴팩트(Compact)하게 설계 또는 제작 할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 진공응축기(310) 내 동일 온도에서, 상기 10 내지 20kg/cm2의 압력으로 가압하면, 낮은 압력에 비해 응축되어 제거되는 질소(N2)의 양이 증가하게 되며, 상기 흡착부(320) 내에서 잔여 질소(N2)의 분압이 높아져 질소(N2)의 흡착이 잘 일어나게 되므로 상기 흡착부(320) 내의 흡착탑(321)에 충진되는 흡착제 양 및 흡착탑(321) 부피를 감소시킬 수 있어, 장치의 크기를 컴팩트하게 설계 또는 제작 할 수 있게 된다.
여기서, 상기 크루드 네온(Crude Ne) 가스는, 공기분리설비 플랜트(ASU Plant)에서 배출된 부산물을 공급받아 이용할 수 있다.
또한, 상기 크루드 네온(Crude Ne) 가스는, 공기분리설비 플랜트(ASU Plant)의 비응축 가스를 액화질소 콘덴싱(LN2 Condensing) 및 증류하여 생산하고 약 1.5Vol% 미만의 수소(H2) 및 40Vol% 미만의 질소(N2) 불순물이 포함된 네온 및 헬륨(Ne/He) 혼합가스를 말한다.
이에 더하여, 본 발명에서 압축부(100)로 유입되는 가스는, 상기에서 서술한 크루드 네온가스와 조성이 유사한 가스라면, 어느 것이든 사용 가능하다.
한편, 상기 압축부(100)로부터 이송된 크루드 네온(Crude Ne)가스는 촉매부(200)를 통과하며 상기 가스에 포함된 수소(H2)를 제거할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 촉매부(200)는 수소(H2)를 산소(O2)와의 반응에 의해 제거하는 촉매가 충진된 촉매탑(210), 상기 촉매탑을 통과 후 생성된 물을 응축시키는 열교환기(220) 및 상기 열교환기(220)에서 응축된 물을 분리시키는 물분리기(230)를 포함한다.
또한, 상기 촉매탑(210) 전단에 수소(H2)를 제거하기 위해 산소(O2)를 주입할 수 있도록 산소(O2) 주입부(212)를 구비할 수 있다.
여기서, 상기 촉매탑(210)에는 촉매로서, 팔라듐(Pd)이 충진될 수 있다.
이에 더하여, 상기 촉매부(200)는 상기 물분리기(230)를 통과 후 잔여 수분을 제거하는 한 쌍의 드라이어(240,240')를 더 포함한다.
여기서, 상기 촉매탑(210)은 주입되는 산소(O2)와 수소(H2)의 반응을 촉진 시키기 위해 온도를 가열하도록 외주면에 히팅 자켓(211)을 더 포함한다.
특히, 상기 촉매탑에 팔라듐 촉매를 충진 함으로써, 수소(H2)와 산소(O2)와의 반응 속도를 빠르게 촉진하도록 하며, 반응에 필요한 온도를 낮출 수 있어 에너지를 절약할 수 있게 한다.
도 2의 촉매부(200)를 참조하여 수소(H2)제거 공정을 설명하면, 먼저, 상기 촉매탑(210)은 상기 크루드 네온(Crude Ne) 가스가 유입되기 전 히팅 자켓(211)에 의해 가열되고, 상기 산소 주입부(212)로부터 산소를 공급 받는다. 여기서 상기 산소는 99.9%의 순도로 공급된다.
그 후, 상기 압축부(100)로부터 이송된 크루드 네온(Crude Ne) 가스는 상기 촉매가 충진된 촉매탑(210)으로 유입된다.
상기 크루드 네온(Crude Ne)가스는 촉매탑(210)을 통과하며, 상기 산소 주입부로부터 주입된 산소(O2)와 수화반응이 일어나 물(H2O)로 변하게 되며, 즉 응축수로써 수소(H2)가 제거된다.
상기 수소(H2)가 제거된 후 물(H2O) 및 미량의 산소(O2)가 생성되는데, 상기 물(H2O)은 1차적으로 상기 촉매탑(210)과 연결된 열교환기(220)에서 응축된다.
여기서, 상기 열교환기(220)는 냉각을 위한 쿨링워터(Coolng Water)가 유입 및 배출되도록 쿨링워터 공급부(미도시)가 추가적으로 연결 구비될 수 있다.
상기 열교환기(220)에서 응축된 물(H2O)은 상기 물분리기(230)를 통과하며 제거되고, 잔여 수분은 상기 한 쌍의 드라이어(240,240')를 통과하며 제거된다.
따라서, 상기 촉매부(200)를 통과하여 배출된 크루드 네온(Crude Ne)가스는 질소(N2), 네온(Ne), 헬륨(He) 및 미량의 산소(O2)를 포함한다.
한편, 상기 촉매부(200)로부터 이송된 크루드 네온(Crude Ne)가스는 저온부(300)를 통과하며 질소(N2)를 제거 할 수 있다.
특히, 상기 저온부(300)에서는 흡착 공정 단독 또는 흡착 및 냉각 공정을 통해 상기 질소(N2)를 제거할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 저온부(300)는, 상기 촉매부(200)에서 배출된 크루드 네온가스 중 남아있는 질소(N2)를 제거하기 위한 하나 이상의 흡착부(320,320')를 포함한다.
또한, 상기 흡착부(320,320')를 통과하여 배출된 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스와 상기 촉매부(200)에서 배출된 크루드 네온가스의 열교환이 이루어지는 제2 열교환기(330) 및 상기 흡착부(320,320'), 제2 열교환기(330)를 내부에 수용하는 소정 공간을 갖고 열 침입을 차단하기 위해 마련된 콜드박스(340)를 포함한다.
여기서, 상기 제2 열교환기(330)는 상기 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스와 상기 촉매부(200)에서 배출된 크루드 네온가스 이외에 후술할 진공응축기(310)에서 배출되는 기체상의 질소(N2)가 유입되며 열교환이 이루어 질 수 있다.
이에 더하여, 상기 콜드박스(340)는 단열재로서, 퍼라이트(Perlite)를 이용하여 제작할 수 있으나, 이에 한정 되는 것은 아니다.
이에 더하여, 상기 저온부(300)는, 상기 촉매부(200)에서 배출된 크루드 네온가스 중 질소의 부피비(Vol%)에 따라서 선택적으로 운전되어 냉각에 의해 상기 질소(N2)를 제거하기 위한 진공응축기(310)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 진공응축기(310)는 내부에 마련된 응축기(311), 상기 응축기(311)를 둘러싸도록 액화질소가 공급되는 소정공간을 갖는 쿨링부(312) 및 냉각에 의해 응축된 질소가 하부에 잔류되도록 액화질소 저장부(313)을 포함한다.
또한, 상기 흡착부(320,320')는, 상기 흡착부의 흡착 및 재생이 용이하도록 내부에 적어도 3개 이상의 흡착탑(321)이 마련되고, 상기 흡착탑(321)을 둘러싸도록 액화질소가 공급되는 소정공간을 갖는다.
특히, 상기 흡착부(320,320') 및 진공응축기(310)는, 열 침입을 차단하기 위해 이중 용기 하우징을 포함한다.
상기 이중 용기 하우징은, 외조와 내조로 구성되며, 외조와 내조 사이는 진공 상태로 제작하여, 열침입을 차단하여 단열될 수 있는 구조를 포함한다. 상기와 같이 이중 용기 하우징 구조를 통해, 각 기기 및 공정간의 열 침입을 최소화 할 수 있게 된다.
여기서, 상기 저온부는 초저온 영역인 -210도 내지 -180도에서 운전될 수 있다.
상기와 같이 질소 제거 공정은 초저온 영역에서 이뤄지기 때문에 온도 변화에 따른 열손실을 최소화할 수 있게 된다.
이에 더하여, 상기 진공응축기(310)는 상기 촉매부(200)에서 배출된 크루드 네온가스 중 질소(N2)의 조성이 0 내지 10Vol% 이면 운전하지 않고, 10Vol %초과에서 운전하도록 구비될 수 있다.
또한, 상기 저온부(300)는 상기 흡착부(320,320') 및 진공응축기(310)에 액화질소를 공급하거나, 상기 흡착부의 재생을 위해 상기 액화질소를 가열하여 공급하기 위한 액화질소 공급부(350) 및 히터(360)를 더 포함할 수 있다.
상기 액화질소 공급부(350)는 액화질소를 자동으로 공급 및 조절하기 위한 수위계측기(351)를 더 포함한다.
여기서, 상기 수위계측기(351)는 상기 진공응축기(310) 및 흡착부(320,320')에 각각 설치되어, 상기 액화질소 공급부(350)에서 각각 또는 동시에 액화질소를 공급하도록 구비될 수 있다.
특히, 상기 액화질소를 자동으로 공급하기 위해 자동밸브(352)를 더 포함할 수 있다.
한편, 상기 수위계측기(351)는 레벨 트렌스미터(Level Transmitter)로 상기 진공응축기(310) 및 흡착부(320,320') 내부로 공급되는 액화질소의 레벨을 실시간으로 확인 할 수 있으며, 상기 레벨은 자동밸브(352)의 제어에 의해 자동적으로 소정 레벨로 일정하게 유지될 수 있다.
이에 더하여, 상기 액화질소 저장부(313)에 저장된 응축된 질소는, 상기 진공응축기(310)로 재 사용될 수 있다.
또한, 상기 흡착부(320,320')는, 하나의 흡착부(320)에서 질소 흡착공정이 진행되면, 다른 하나의 흡착부(320')에서 흡착제 재생공정이 진행되도록, 상기 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전될 수 있다.
도 2의 저온부(300)를 참조하여, 먼저, 상기 촉매부(200)로부터 이송된 크루드 네온(Crude Ne)가스 중 질소(N2)의 조성이 10Vol% 초과일 때의 질소(N2)제거 공정을 설명한다.
상기 촉매부(200)로부터 이송된 크루드 네온(Crude Ne)가스는 제2 열교환기(330)를 통과하며 흡착부(320,320')를 통과한 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스와 상기 진공응축기(310)로부터 배출되는 기체상의 질소(N2)와 열교환되고, 진공응축기(310)로 유입된다.
상기 진공응축기(310) 내로 유입된 크루드 네온(Crude Ne)가스는 상기 액화질소 공급부(350)로부터 쿨링부(312)로 공급된 액화질소에 의해 1차 적으로 예비냉각(Pre-Cooling) 되고, 상기 진공응축기(310) 하부로 유동된다.
이어서, 상기 가스는 하부로 유동되면서, 상기 응축기(311)에 의해 2차 열교환이 이루어지며 냉각됨으로써, 크루드 네온(Crude Ne)가스 중 일부 질소(N2)가 응축되어 액화질소 저장부(313)에 잔류하게 된다.
여기서, 상기 진공응축기(310)는 진공펌프를 추가적으로 연결 구비하여, 진공응축기(310) 내에 잔류하는 기체상의 질소(N2)를 상기 진공펌프를 통해 배출 시킬 수 있다.
특히, 상기 진공펌프는 상기 진공응축기(310) 내 액화질소의 압력을 대기압보다 낮은 압력(진공압)으로 하여 상기 진공응축기(310)로 유입된 크루드 네온(Crude Ne)가스가 보다 낮은 온도의 액화질소와 열교환 하도록 하여, 효율적으로 질소(N2)를 응축시켜 제거할 수 있게 한다.
진공응축기(310)에서 배출된 기체상의 질소(N2)는 상기 제2 열교환기(330)를 통과한 후 대기 중으로 배출될 수 있다.
상기 액화질소 저장부(313)에 잔류되어 질소(N2)가 제거된 크루드 네온(Crude Ne)가스는 잔여하는 질소(N2)를 제거하기 위해 흡착부(320 또는 320')로 이송된다.
상기 흡착부(320,320')의 내부에 마련된 흡착탑(321)을 통과하며, 상기 흡착탑(321) 내부의 흡착제에 질소(N2)가 흡착되어 질소(N2)를 제거할 수 있게 된다.
일 예로, 상기 크루드 네온(Crude Ne)가스가 하나의 흡착부(320)로 이송되면, 다른 하나의 흡착부(320')에서는 흡착제에 흡착된 질소를 제거하는 흡착제 재생 공정이 진행될 수 있다.
이와 반대로, 상기 크루드 네온(Crude Ne)가스가 하나의 흡착부(320')로 이송되면, 다른 하나의 흡착부(320)에서는 흡착제에 흡착된 질소를 제거하는 흡착제 재생 공정이 진행될 수 있다.
여기서, 상기 흡착제 재생 공정은, 상기 액화질소 공급부(350)로부터 공급되는 액화질소를 히터(360)를 통해 가열하여 흡착부(320,320') 내로 공급하여 상기 흡착탑(321) 외부를 가열함으로써, 흡착제에 흡착된 질소(N2)를 탈착하여 대기 중으로 방출 시켜 상기 흡착제를 재생 시킬 수 있다.
따라서, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전됨으로써, 흡착제의 흡착 및 재생에 필요한 시간이 단축됨으로써 전체 공정의 운전시간을 단축시킬 수 있으며, 고순도 네온(Ne) 생산 공정이 연속적으로 이루어 질 수 있다.
또한, 상기와 같이 흡착탑(321) 외부를 가열하여 흡착제에 흡착된 질소(N2)를 탈착하여 대기 중에 방출함으로써 흡착탑(321) 내 흡착제의 오염을 방지할 수 있다.
한편, 상기 흡착부(320,320')를 통과하면, 네온(Ne)과 헬륨(He)으로 이루어진 혼합가스(Ne/He 100% Mixture Gas)가 생산될 수 있다.
상기에서 생산된 혼합가스는 제2 열교환기(330)을 통해 상기 콜드박스(340) 외부로 배출되어 실린더(Cylinder)에 충전되거나, 후속 분리 장치로 공급될 수 있다.
여기서, 상기 고순도 네온 생산 장치는, 상기 압축부, 촉매부, 저온부를 통과하여 생산되는 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스를 분리하기 위한 분리 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스는 상기 분리장치 통해 고순도의 네온 및 헬륨으로 각각 생산할 수 있다.
반면, 상기 촉매부(200)로부터 이송된 크루드 네온(Crude Ne)가스 중 질소(N2)의 조성이 0 내지 10Vol% 일 때의 질소(N2)제거 공정은 상기에서 서술한 진공응축기(310)를 통과하지 않고, 흡착부(320,320')로 바로 유입되어 상기에서 상술한 바와 같이, 질소(N2) 제거 공정을 진행할 수 있다.
본 발명에 따르면, 상기 수위계측기(351) 및 자동밸브(352)를 통해 상기 진공응축기(310) 및 흡착부(320,320')로 공급되는 액화질소의 수위(Level)가 일정하게 유지될 수 있도록 자동 조절이 가능하게 된다.
또한, 본 발명의 질소(N2) 제거 공정은 초저온 영역에서 이루어지기 때문에 온도변화에 따른 열손을 최소화 할 수 있으며, 하나의 제2 열교환기(330)를 이용하여 공유함으로써 효율적으로 질소(N2)가 제거될 수 있다.
보다 구체적으로, 별도의 열교환기를 구비하여 사용할 경우, 열손실이 발생할 가능성이 높아지지만, 본 발명과 같이 하나의 제2 열교환기를 공유함으로써 열손실을 최소화 하고 이에 따라 크루드 네온 가스를 응축하기 위해 진공응축기(310)에 공급되는 액화질소의 양을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
10: 고순도 네온 생산 장치
100: 압축부 110: 버퍼탱크
120: 압축기
200: 촉매부 210: 촉매탑
211: 히팅자켓 212: 산소주입부
220: 제1 열교환기 230: 물분리기
240, 240': 한 쌍의 드라이어
300: 저온부 310: 진공응축기
311: 응축기 312: 쿨링부
313: 액화질소 저장부
320,320': 흡착부 321: 흡착탑
330: 제2 열교환기 340: 콜드박스
350: 액화질소 공급부 351: 수위계측기
352: 자동밸브
360: 히터

Claims (19)

  1. 수소, 질소, 네온 및 헬륨을 포함하는 크루드 네온가스를 소정압력 범위로 압축 공급하는 압축부;
    상기 압축부로부터 이송된 크루드 네온가스에 포함된 수소(H2)를 산소(O2)와의 반응에 의해 제거하기 위한 촉매부;
    상기 촉매부로부터 이송된 크루드 네온가스에 포함된 질소(N2)를 흡착을 통해 제거하기 위한 저온부; 를 포함하며,
    저온부는,
    상기 촉매부에서 배출된 크루드 네온가스 중 질소(N2)의 부피비(Vol%)에 따라서 선택적으로 운전되어 냉각에 의해 상기 질소(N2)를 제거하기 위한 진공응축기;
    질소(N2)를 제거하기 위한 하나 이상의 흡착부;
    상기 흡착부를 통과하여 배출된 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스와 상기 촉매부에서 배출된 크루드 네온가스의 열교환이 이루어지는 제2 열교환기; 및
    상기 진공응축기, 흡착부, 제2 열교환기를 내부에 수용하는 소정 공간을 갖고 열 침입을 차단하기 위해 마련된 콜드박스; 를 포함하고,
    진공응축기는,
    내부에 마련된 응축기, 상기 응축기를 둘러싸도록 액화질소가 공급되는 소정공간을 갖는 쿨링부 및 냉각에 의해 응축된 질소가 하부에 잔류되도록 액화질소 저장부를 포함하며, 쿨링부는, 촉매부를 통과한 크루드 네온가스를 예비냉각(Pre-Cooling) 하고,
    촉매부에서 배출된 크루드 네온가스 중 질소(N2)의 조성이 0 내지 10Vol% 이면 운전하지 않고 크루드 네온가스를 흡착부로 이송하고,
    촉매부에서 배출된 크루드 네온가스 중 질소(N2)의 조성이 10Vol% 초과에서 운전하여 진공응축기에서 배출된 크루드 네온가스를 흡착부로 이송하는 고순도 네온 생산 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 압축부는,
    상기 크루드 네온가스를 5 내지 20kg/cm2 의 압력으로 압축 공급하는 것을 특징으로 하는 고순도 네온 생산 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 촉매부는,
    상기 수소를 제거하기 위해 산소가 공급되는 촉매탑;
    상기 촉매탑을 통과 후 생성된 물을 응축시키는 제1 열교환기; 및
    상기 제1 열교환기에서 응축된 물을 분리시키는 물 분리기; 를 포함하는 고순도 네온 생산 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 촉매부는,
    상기 물분리기를 통과 후 잔여 수분을 제거하는 한 쌍의 드라이어를 더 포함하는 고순도 네온 생산 장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    진공응축기는, 진공응축기 내에 잔류하는 기체상의 질소를 배출시키기 위한 진공펌프를 연결 구비하며,
    진공펌프는, 진공응축기 내 액화질소의 압력을 대기압보다 낮은 압력(진공압)으로 하여 진공응축기로 유입된 크루드 네온 가스가 보다 낮은 온도의 액화질소와 열교환 하도록 마련되는 고순도 네온 생산 장치.

  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 저온부는,
    흡착부 및 진공응축기에 액화질소를 공급하거나, 흡착부의 재생을 위해 액화질소를 가열하여 공급하기 위한 액화질소 공급부 및 히터를 더 포함하는 고순도 네온 생산 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    제2 열교환기는,
    상기 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스와 촉매부를 통과하여 배출된 크루드 네온가스 및 상기 진공응축기에서 배출되는 질소의 열교환이 이루어지도록 마련된 고순도 네온 생산 장치.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 저온부는, 초저온 영역인 -210도 내지 -180도 에서 운전되는 것을 특징으로 하는 고순도 네온 생산 장치.
  11. 삭제
  12. 삭제
  13. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착부 및 진공응축기는, 열 침입을 차단하기 위해 이중 용기 하우징을 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 네온 생산 장치.
  14. 제 8항에 있어서,
    상기 액화질소 공급부는, 액화질소를 자동으로 공급 및 조절하기 위한 수위계측기를 더 포함하는 고순도 네온 생산 장치.
  15. 제 1항에 있어서,
    상기 액화질소 저장부에 저장된 응축된 질소는, 액화질소 공급에 재 사용되는 것을 특징으로 하는 고순도 네온 생산 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착부는, 흡착 및 재생이 용이하도록 내부에 적어도 3개 이상의 흡착탑이 마련되고, 상기 흡착탑을 둘러싸도록 액화질소가 공급되는 소정공간을 갖는 것을 특징으로 하는 고순도 네온 생산 장치.
  17. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착부는, 하나의 흡착부에서 질소 흡착공정이 진행되면, 다른 하나의 흡착부에서 흡착제 재생공정이 진행되도록, 상기 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되는 것을 특징으로 하는 고순도 네온 생산 장치.
  18. 제 3항에 있어서,
    상기 촉매탑은, 수소(H2)를 제거하기 위한 흡수반응을 촉진 시키기 위해 온도를 가열하도록 외주면에 히팅 자켓을 더 포함하는 고순도 네온 생산 장치.
  19. 제 1항에 있어서,
    상기 고순도 네온 생산 장치는, 상기 압축부, 촉매부, 저온부를 통과하여 생산되는 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스를 분리하기 위한 분리 장치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 네온 생산 장치.
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KR20060023461A (ko) * 2004-09-09 2006-03-14 조건환 폐헬륨가스의 정제 방법과 장치
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