KR101912348B1 - 희가스 생산 장치 - Google Patents

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KR101912348B1
KR101912348B1 KR1020170086031A KR20170086031A KR101912348B1 KR 101912348 B1 KR101912348 B1 KR 101912348B1 KR 1020170086031 A KR1020170086031 A KR 1020170086031A KR 20170086031 A KR20170086031 A KR 20170086031A KR 101912348 B1 KR101912348 B1 KR 101912348B1
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문흥만
최형철
김현섭
이준영
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대성산업가스 주식회사
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Abstract

본 발명은 제1 가스가 유입되고, 제1 가스를 소정압력 범위로 압축 공급하는 압축부; 압축부로부터 토출된 제1 가스가 유입되고, 제1 가스로부터 할로겐 가스 및 할로겐 화합물이 흡착 반응에 의해 제거된 제2 가스를 토출하는 흡착부; 흡착부로부터 토출된 제2 가스가 유입되어, 제2 가스에 포함된 불순물을 흡착을 통해 제거하기 위한 저온부; 및 흡착부로부터 토출된 제2 가스에 포함된 수소를 산소와의 반응에 의해 제거하기 위한 촉매부; 를 포함하며, 흡착부를 통과한 제2 가스가 수소를 포함하면, 촉매부를 통과 한 후 저온부로 이송하고, 제2 가스가 수소를 포함하지 않으면 저온부로 이송되도록 마련된 희가스 생산 장치를 제공하고자 한다.

Description

희가스 생산 장치{APPARATUS FOR MANUFACTURING NOBLE GASES}
본 발명은 희가스를 포함하는 배기가스로부터 불순물을 제거하여 크세논(Xe), 크립톤(Kr), 네온(Ne) 및 헬륨(He)을 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
엑시머 레이저(Excimer Laser)는 200nm 미만의 자외선(Ultraviolet) 영역까지 발진 가능한 자외선 파장 대역의 기체 레이저로서, 불활성가스(Ar, Kr, Xe) 및 할로겐 가스(F, Cl, Br, HCl, NF3)와 완충가스(He, Ne)를 사용목적에 따라 선택적으로 혼합하여 제조하며, 대표적인 엑시머 레이저 가스로는 ArF, KrF, XeBr, XeCl, XeF 등이 있다.
엑시머 레이저는 자외선 영역에서 고효율, 고출력으로 동작하기 때문에 그 응용분야가 매우 넓으며 재료의 초미세 가공, 화학공업, 의료분야, 반도체 산업 등에서의 사용량이 점점 증가하고 있다.
엑시머 레이저의 작동은 불활성 가스와 할로겐 가스가 결합하고 해리하는 과정에서 자외선 영역의 광자를 방출한 결과이며, 이러한 과정이 반복되면 불화물이 증가하여 레이저 출력이 감소하므로 사용된 가스는 배기가스로서 배출된다.
배기가스에는 엑시머 레이저 가스의 종류에 따라 할로겐 가스(F, Cl, Br) 및 할로겐 화합물(HCl, HF등), 공기(Air) 불순물(O2, N2, Ar 등), 할로겐 가스 화합물에서 분리된 수소(H2) 등과 함께 고가의 희가스인 네온(Ne) 또는 헬륨(He), 네온/헬륨(Ne/He) 혼합가스 및 아르곤(Ar), 크세논(Xe) 또는 크립톤(Kr) 등이 포함되어 있으며, 완충가스인 네온(Ne) 및 헬륨(He)이 배기가스의 대부분을 차지하고 있다.
공기(Air) 불순물의 경우, 장치외부로부터 미량 유입되는 것과 배기가스 중 성분들의 결합에 의해 일부 생성된다.
이러한, 희가스를 포함하는 배기가스에서 고가의 희가스인 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe) 등을 분리하기 위해 효율적으로 불순물을 제거하기 위한 장치가 요구되는 실정이다.
KR 공개 10-2012-0079064(2012.07.11)
본 발명은 희가스를 포함하는 배기가스에서 불순물을 제거하여 고가의 희가스를 분리하기 위한 희가스 생산 장치 및 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 제1 가스가 유입되고, 제1 가스를 소정압력 범위로 압축 공급하는 압축부; 압축부로부터 토출된 제1 가스가 유입되고, 제1 가스로부터 할로겐 가스 및 할로겐 화합물을 흡착 반응에 의해 제거된 제2 가스를 토출하는 흡착부; 흡착부로부터 토출된 제2 가스가 유입되어, 제2 가스에 포함된 불순물을 흡착을 통해 제거하기 위한 저온부; 및 흡착부로부터 토출된 제2 가스에 포함된 수소를 산소와의 반응에 의해 제거하기 위한 촉매부; 를 포함하며, 흡착부를 통과한 제2 가스가 수소를 포함하면 촉매부로 이송하고, 포함되지 않으면 저온부로 이송되도록 마련된 희가스 생산 장치를 제공한다.
또한, 압축부는, 제1 가스를 5 내지 10kg/cm2 의 압력으로 압축 공급하는 것을 포함한다.
또한, 흡착부는, 흡착 및 재생이 용이하도록 흡착제가 충전된 제1 및 제2 흡착탑을 포함하며, 하나의 흡착탑에서 흡착공정이 진행되면, 다른 하나의 흡착탑에서 흡착제 재생공정이 진행되도록, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되는 것을 포함한다.
또한, 촉매부는, 수소를 제거하기 위해 산소가 공급되는 촉매탑; 촉매탑을 통과 후 생성된 물을 응축시키는 제1 열교환기; 및 제1 열교환기에서 응축된 물을 분리시키는 물 분리기; 를 포함한다.
또한, 촉매부는, 물분리기를 통과 후 잔여 수분을 제거하는 한 쌍의 드라이어를 더 포함한다.
또한, 저온부는, 흡착부 또는 촉매부에서 토출된 제2 가스로부터 응축 분리된 크립톤 또는 크세논이 하부에 마련된 저장부에 잔류되고, 제2 가스 중 크립톤 또는 크세논이 제거된 제3 가스가 토출되는 응축기; 제3 가스로부터 불순물이 제거된 제4 가스가 토출되는 하나 이상의 저온 흡착부; 저온 흡착부를 통과하여 배출된 제4 가스와 흡착부 또는 촉매부를 통과하여 배출된 제2 가스의 열교환이 이루어지는 제2 열교환기; 및 응축기, 저온 흡착부 및 제2 열교환기를 내부에 수용하는 소정 공간을 갖고 열 침입을 차단하기 위해 마련된 냉각박스; 를 포함한다.
또한, 저온부는, 응축기 및 저온 흡착부에 액화질소를 공급하거나, 저온 흡착부의 재생을 위해 액화질소를 가열하여 공급하기 위한 액화질소 공급부 및 히터를 더 포함한다.
또한, 제2 열교환기는, 흡착부 또는 촉매부에서 토출된 제2 가스와 응축기를 통과하여 토출된 액화질소 및 저온 흡착부에서 토출된 제4 가스의 열교환이 이루어지도록 마련되는 것을 포함한다.
또한, 응축기는, 내부로 공급되는 액화질소 유량에 따라 온도가 제어되며 서로 다른 비점을 갖는 크세논 또는 크립톤을 회수하도록 마련되는 것을 포함한다.
또한, 저온부는, 초저온 영역인 -170도 내지 -100도 에서 운전되는 것을 포함한다.
또한, 저온 흡착부는, 열 침입을 차단하기 위해 이중 용기 하우징을 포함한다.
또한, 저온 흡착부는, 흡착 및 재생이 용이하도록 내부에 적어도 3개 이상의 제3 흡착탑이 마련되고, 흡착탑을 둘러싸도록 액화질소가 공급되는 소정공간을 갖도록 마련되는 것을 포함한다.
또한, 저온 흡착부는, 하나의 저온 흡착부에서 불순물 제거 흡착공정이 진행되면, 다른 하나의 저온 흡착부에서 흡착제 재생공정이 진행되도록, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되는 것을 포함한다.
또한, 액화질소 공급부는, 액화질소를 자동으로 공급 및 조절하기 위한 수위 계측기를 더 포함한다.
또한, 촉매탑은, 수소를 제거하기 위한 흡수반응을 촉진 시키기 위해 온도를 가열하도록 외주면에 히팅 자켓을 더 포함한다.
또한, 압축부, 흡착부 또는 촉매부 및 저온부를 통과하여 생산되는 제4 가스인 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스를 분리하기 위한 분리 장치를 더 포함한다.
본 발명에 따르면, 엑시머 레이저 가스를 사용하는 장치에서 배출되는 배기가스로부터 불순물을 효율적으로 제거하여, 고가의 희가스를 분리시킴으로써, 엑시머 레이저 가스의 원료 및 완충가스로 재사용 할 수 있다.
또한, 제2 가스의 수소 포함 여부에 따라 선택적으로 촉매부를 사용함으로써, 장치의 효율적인 운전이 가능하다.
이에 더하여, 하나 이상의 흡착부 및 저온 흡착부를 이용함으로써, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되어 흡착제의 흡착 및 재생에 필요한 시간이 단축됨으로써 전체 공정의 운전시간을 단축시킬 수 있으며, 희가스의 생산 공정이 연속적으로 이루어질 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 희가스 생산 장치의 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 희가스 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 엑시머 레이저(Excimer Laser) 가스를 사용하는 장치로부터 배출되는 배기가스에 포함된 불순물을 효율적으로 제거함으로써, 고가의 희가스 인 크세논(Xe), 크립톤(Kr), 네온(Ne) 및 헬륨(He)을 생산하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
예시적인 본 발명의 희가스 생산 장치에 의하면, 고가의 희가스를 분리시켜 엑시머 레이저 가스의 원료 및 완충가스로 재사용 할 수 있을 뿐만 아니라, 수소를 제거하기 위한 촉매부를 선택적으로 사용함으로써 장치의 효율적인 운전이 가능하고, 하나 이상의 흡착부 및 저온 흡착부를 이용함으로써, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되어 흡착제의 흡착 및 재생에 필요한 시간이 단축됨으로써 전체 공정의 운전시간을 단축시킬 수 있으며, 희가스의 생산 공정이 연속적으로 이루어질 수 있는 효과가 있다.
먼저, 본 명세서에서 「라인」은 가스 등을 수송할 수 있는 배관을 의미한다.
도 1은 본 발명의 예시적인 희가스 생산 장치(10)의 공정도 이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 희가스 생산 장치(10)는, 제1 라인(1)을 통해 제1 가스가 압축부(100)로 공급되면, 압축부(100)에서 제1 가스를 제2 라인(2)을 통해 후단의 흡착부(200)로 압축 공급한다.
그 후, 흡착부(200)는, 상기 제1 가스에서 할로겐 가스 및 할로겐 화합물을 흡착 제거한 후 토출 되는 제2 가스를 제3 라인(3)을 통해 저온부(400)로 이송시킨다.
여기서, 상기 제2 가스에 수소(H2)가 포함되어 있으면 제4 라인(4)을 통해 상기 제2 가스가 촉매부(300)로 이송되며, 촉매부(300)에서 수소(H2)를 제거한 후 상기 제2 가스를 제5 라인(5)을 통해 저온부(400)로 이송한다.
이송된 상기 제2 가스가 저온부(400)에서 응축과정을 통해 고가의 희가스 인 크세논(Xe) 또는 크립톤(Kr)을 회수하고, 불순물을 제거하여 네온(Ne), 헬륨(He) 및 네온/헬륨(Ne/He) 혼합가스를 생산할 수 있다.
여기서, 상기 제1 가스는 일 예로, 엑시머 레이저 가스를 사용하는 장치에서 발생하는 배기가스 일수 있다.
따라서, 상기 제1 가스는, 아르곤(Ar), 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)을 포함하는 불활성가스, 플루오르(F), 염소(Cl), 브롬(Br), 염화수소(HCl), 삼불화질소(NF3) 및 불화수소(HF) 등을 포함하는 할로겐가스/할로겐 화합물, 헬륨(He), 네온(Ne) 및 헬륨/네온(He/Ne) 혼합가스를 포함하는 완충가스, 산소(O2), 질소(N2), 아르곤(Ar) 등을 포함하는 공기(Air) 불순물을 포함한다.
특히, 상기 할로겐 화합물에서 분리된 수소(H2)가 포함되거나, 포함되지 않을 수 있다.
상기 공기(Air) 불순물의 경우, 장치 외부로부터 미량 유입되는 것과 상기 제1 가스 중 성분들의 결합에 의해 일부 생성될 수 있다.
또한, 상기 제2 가스는 제1 가스에서 할로겐가스 및 할로겐 화합물이 제거된 형태인, 공기(Air) 불순물(O2, N2, Ar), 완충가스(Ne, He 및 Ne/He 혼합가스), 불활성가스(Ar, Xe 또는 Kr)를 포함한다. 특히, 상기 제1 가스의 할로겐 화합물에서 분리된 수소(H2)가 포함되거나, 포함되지 않을 수 있다.
이에 더하여, 상기 제2 가스는 저온부(400)를 통과한 후 네온(Ne), 헬륨(He) 및 네온/헬륨(Ne/He) 혼합가스를 포함하는 제4 가스가 생산 될 수 있다.
특히, 상기 네온/헬륨(Ne/He) 혼합가스는 후단에 분리장치를 추가적으로 설치하여 고순도의 네온(Ne) 및 헬륨(He)으로 각각 생산 할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 희가스 생산 장치(10)를 도시하는 구성도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 희가스 생산 장치(10)는 제1 가스가 유입되고, 제1 가스를 소정압력 범위로 압축 공급하는 압축부(100), 압축부(100)로부터 토출된 제1 가스가 유입되고, 제1 가스로부터 할로겐 가스 및 할로겐 화합물이 흡착 반응에 의해 제거된 제2 가스를 토출하는 흡착부(200)를 포함한다.
또한, 흡착부(200)로부터 토출된 제2 가스가 유입되어, 제2 가스에 포함된 불순물을 흡착을 통해 제거하기 위한 저온부(400) 및 흡착부(200)로부터 토출된 제2 가스에 포함된 수소를 산소와의 반응에 의해 제거하기 위한 촉매부(300)를 포함한다.
특히, 희가스 생산 장치(10)는 흡착부(200)를 통과한 제2 가스가 수소를 포함하면 촉매부(300)를 통과한 후 저온부(400)로 이송하고, 제2 가스가 수소를 포함하지 않으면 저온부(400)로 이송되도록 마련될 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 압축부(100)는 진공펌프(Vacuum Pump, 110), 제1 버퍼탱크(Buffer Tank,120), 압축기(Compressor,130) 및 제2 버퍼탱크(Buffer Tank,140)를 포함한다.
또한, 상기 진공펌프(110), 제1 버퍼탱크(120), 압축기(130) 및 제2 버퍼탱크(140)가 각각 제1 라인(1)을 따라 차례로 배열될 수 있다.
상기 압축부(100)는 제1 가스를 진공펌프(110)를 사용하여 제1 버퍼탱크(120)에 저장하고 이를 압축기(130)를 통해 가압하여 제2 버퍼탱크(140)에 저장 한 후, 제2 라인(2)을 통해 흡착부(200)로 공급할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 진공펌프(110)에 의해 상기 제1 가스를 효과적으로 회수함과 동시에 안정적으로 압축기(130)에 공급할 수 있다.
또한, 상기 각각의 버퍼탱크(120,140)를 이용함으로써, 압축된 제1 가스를 일정한 압력 및 유량으로 제1 버퍼탱크(120)에서 제2 버퍼탱크(140)로 이송 후, 제2 버퍼탱크(140)에서 흡착부(200)로 안정적으로 공급할 수 있는 효과가 있다.
특히, 압축기(130)를 통해 5 내지 10 kg/cm2의 고압력으로 가압 공급 할 수 있다.
여기서, 상기 제1 가스는 엑시머 레이저 가스를 사용하는 장치 등에서 배출되는 배기가스일 수 있으나 이에 한정되지 않고, 상기에서 서술한 바와 같이 조성이 유사한 가스라면, 어느 것이든 사용 가능하다.
일반적으로, 엑시머 레이저 가스를 사용하는 장치에서 배출되는 배기가스 즉, 제1 가스는 대기압으로 배출되는데, 대기압보다 높은 압력인 5 내지 10 kg/cm2으로 가압하여 공급함으로써, 후술할 후 단의 흡착부(200) 및 저온 흡착부(430,430')에서의 흡착 효율을 높일 수 있다.
보다 구체적으로, 흡착부(200) 및 저온 흡착부(430,430') 내에서 분압이 높아져 흡착이 잘 일어나게 되므로 흡착부(200) 및 저온 흡착부(430,430') 내에 마련되는 흡착탑에 충진되는 흡착제 양 및 흡착탑 부피를 감소시킬 수 있어, 장치의 크기를 컴팩트하게 설계 또는 제작 할 수 있게 된다.
또한, 응축기(420)에서 희가스인 크세논(Xe) 또는 크립톤(Kr)을 보다 효율적으로 응축하여 분리할 수 있으며, 이에 따라 장치의 크기를 컴팩트(Compact)하게 설계 또는 제작 할 수 있다.
보다 구체적으로, 응축기(420) 내 동일 온도에서, 본 발명과 같이 5 내지 10 kg/cm2의 압력으로 가압 공급하면, 낮은 압력에 비해 응축되는 크세논(Xe) 또는 크립톤(kr)의 양이 증가하게 되어 보다 많은 양의 희가스를 회수할 수 있게 된다.
한편, 흡착부(200)는 흡착 및 재생이 용이하도록 흡착제가 충전된 제1 흡착탑(210)과 제2 흡착탑(220)을 포함한다.
보다 구체적으로, 흡착부(200)는 하나의 흡착탑에서 흡착공정이 진행되면, 다른 하나의 흡착탑에서 흡착제 재생공정이 진행되도록, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전될 수 있다.
이를 위하여, 각각의 흡착탑(210,220)의 유입 측에는 개폐밸브가 마련될 수 있다.
일 예로, 제1 흡착탑(210)에서 할로겐 가스 및 할로겐 화합물의 흡착공정이 진행되면, 제2 흡착탑(220)에선 흡착제 재생공정이 진행될 수 있다.
따라서, 제1 흡착탑(210)과 제2 흡착탑(220)은 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전됨으로써 효율적인 연속공정이 가능할 수 있다.
또한, 상기 제1 흡착탑(210)과 제2 흡착탑(220)은 제2 라인(2)을 따라 병렬로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 압축부(100)로부터 토출된 상기 제1 가스는 제2 라인(2)을 따라 흡착부(200)로 유입되어, 제1 흡착탑(210) 또는 제2 흡착탑(220)을 통과하며, 상기 제1 가스에 포함된 할로겐 가스(F, Cl, Br 등) 및 할로겐 화합물(HCl, HF 등)이 흡착 제거 된다.
이때, 흡착 공정이 진행되지 않는 다른 흡착탑에서는 흡착제 재생공정이 진행될 수 있다.
보다 구체적으로, 제1 또는 제2 흡착탑(210,220)에 가열된 액화질소를 내부로 공급하여 가열해주면 흡착제에 흡착된 불순물이 탈착되어 흡착제를 재생시킬 수 있다.
또한, 상기 탈착된 불순물을 대기 중으로 방출시키거나, 따로 처리할 수 있도록 상기 흡착부(200)는 제1 및 제2 흡착탑(210, 220)에 연결 구비되는 불순물 배출라인(미도시)을 추가로 포함할 수 있다.
또한, 상기 흡착부(200)는 제1 및 제2 흡착탑(210, 220)으로 가열된 액화질소를 공급하기 위한 액화질소 공급라인(미도시)을 추가로 포함할 수 있다.
이에 더하여, 상기 액화질소 공급라인은 후술할 저온부(400)와 연결 구비된 액화질소 공급부(450) 및 히터(460)와 연결되며, 이에 따라 가열된 액화질소가 제1 및 제2 흡착탑(210, 220) 내부로 공급될 수 있다.
여기서, 상기 제1 및 제2 흡착탑(210,220)은 후술할 저온 흡착부(430,430')와 동일한 구성을 포함할 수 있으며, 동일한 재생공정이 진행될 수 있다.
한편, 본 발명의 흡착부(200)는 흡착제가 충전된 제1 흡착탑(210)과 제2 흡착탑(220)이 제2 라인(2)을 따라 직렬로 연결될 수 있다.
보다 구체적으로, 압축부(100)로부터 토출된 상기 제1 가스는 제2 라인(2)을 따라 흡착부(200)로 유입되어, 제1 흡착탑(210)과 제2 흡착탑(220)을 차례로 통과하며, 상기 제1 가스에 포함된 할로겐 가스(F, Cl, Br 등) 및 할로겐 화합물(HCl, HF 등)이 흡착 제거될 수 있다.
상기와 같이, 제1 또는 제2 흡착탑(210,220) 내에 충진된 흡착제에 할로겐 가스 및 할로겐 화합물이 흡착 제거 됨으로써, 종래의 스크러버(Scrubber)를 통해 제거 할 때 생성되는 폐액 처리 등의 문제가 발생되지 않는 이점이 있다.
또한, 상기에서 서술한 바와 같이, 제1 흡착탑(210)과 제2 흡착탑(220)이 병렬로 연결되면, 흡착제 재생 공정에 의해 반영구적으로 흡착제를 사용함으로써, 연속공정을 할 수 있어, 전체 공정이 효율적으로 이루어 질 수 있다.
또한, 상기에서 서술한 바와 같이, 제1 흡착탑(210)과 제2 흡착탑(220)이 직렬로 연결되면, 흡착제를 주기적으로 교체하여 할로겐 가스 및 할로겐 화합물을 흡착 제거 할 수 있다.
한편, 본 발명의 촉매부(300)는, 흡착부(200)를 통과하여 제 4라인(4)을 따라 토출된 제2 가스에 포함된 수소(H2)를 산소(O2)와 반응 시켜 제거할 수 있다.
보다 구체적으로, 촉매부(300)는 수소(H2)를 산소(O2)와의 반응에 의해 제거하도록 촉매가 충진된 촉매탑(310), 촉매탑(310)을 통과 후 생성된 물을 응축시키는 제1 열교환기(320) 및 제1 열교환기(320)에서 응축된 물을 분리시키는 물분리기(330)를 포함한다.
또한, 상기 촉매탑(310) 전단에 수소(H2)를 제거하기 위해 산소(O2)를 주입할 수 있도록 산소(O2) 주입부(312)를 구비할 수 있다.
여기서, 촉매탑(310)에는 촉매로서, 팔라듐(Pd)이 충진될 수 있다.
이에 더하여, 촉매부(300)는 물분리기(330)를 통과 후 잔여 수분을 제거하는 한 쌍의 드라이어(340,340')를 더 포함한다.
여기서, 촉매탑(310)은 주입되는 산소(O2)와 수소(H2)의 반응을 촉진 시키기 위해 온도를 가열하도록 외주면에 히팅 자켓(311)을 더 포함한다.
특히, 촉매탑(310)에 팔라듐 촉매를 충진 함으로써, 수소(H2)와 산소(O2)와의 반응 속도를 빠르게 촉진하도록 하여, 반응에 필요한 온도를 낮출 수 있어 에너지를 절약할 수 있게 한다.
도 2의 촉매부(300)를 참조하여 수소(H2)제거 공정을 설명하면, 먼저, 촉매탑(310)은 상기 수소(H2)를 포함하는 제2 가스가 유입되기 전 히팅 자켓(311)에 의해 가열되고, 산소 주입부(312)로부터 산소를 공급 받는다. 여기서 상기 산소는 99.9%의 순도로 공급된다.
그 후, 흡착부(200)로부터 이송된, 수소(H2)를 포함하는 제2 가스는 상기 촉매가 충진된 촉매탑(310)으로 유입된다.
상기 수소(H2)를 포함하는 제2 가스는 촉매탑(310)을 통과하며, 상기 산소 주입부(312)로부터 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 촉매탑(310)과 연결된 제1 열교환기(320)에서 응축된다.
여기서, 제1 열교환기(320)는 냉각을 위한 냉각수(Coolng Water)가 유입 및 배출되도록 냉각수 공급부(미도시)가 추가적으로 연결 구비될 수 있다.
제1 열교환기(320)에서 응축된 물(H2O)은 물분리기(330)를 통과하며 제거되고, 잔여 수분은 상기 한 쌍의 드라이어(340,340')를 통과하며 제거된다.
따라서, 촉매부(300)를 통과하여 배출된 제2 가스는 공기(Air) 불순물(O2, N2, Ar), 완충가스(Ne, He, Ne/He 혼합가스), 불활성가스(Ar, Xe 또는 Kr)를 포함하며, 수소(H2)를 제거하며 발생한 미량의 산소(O2)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 흡착부(200)에서 토출된 상기 제2 가스가 수소(H2)를 포함하면 제4 라인(4)을 따라 촉매부(300)를 통과시켜 수소(H2)를 제거한 후 제5 라인(5)을 통해 후술 할 저온부(400)로 이송하고, 흡착부(200)에서 토출된 상기 제2 가스가 수소(H2)를 포함하지 않으면 제3 라인(3)을 따라 저온부(400)로 바로 이송한다.
즉, 흡착부(200)에서 토출된 상기 제2 가스의 성분에 따라서 선택적으로 촉매부(300)를 운전함으로써, 공정의 효율적인 운전이 가능하다.
특히, 상기 흡착부(200)에서 토출된 상기 제2 가스의 수소 포함 여부는 압축부(100)로 유입되는 제1 가스의 조성을 통해 확인 함으로써, 상기 촉매부(300)의 운전 여부를 선택할 수 있다.
한편, 본 발명의 저온부(400)는, 흡착부(200) 또는 촉매부(300)에서 토출된 제2 가스로부터 응축 분리된 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)이 하부에 마련된 저장부(421)에 잔류되고, 제2 가스 중 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)이 제거된 제3 가스가 토출 되는 응축기(420)를 포함한다.
또한, 제3 가스로부터 불순물이 제거된 제4 가스가 토출되는 하나 이상의 저온 흡착부(430,430')를 포함한다.
또한, 저온 흡착부(430,430')를 통과하여 배출된 제4 가스와 흡착부(200) 또는 촉매부(300)를 통과하여 배출된 제2 가스의 열교환이 이루어지는 제2 열교환기(410)를 포함한다.
이에 더하여, 응축기(420), 저온 흡착부(430,430') 및 제2 열교환기(410)를 내부에 수용하는 소정 공간을 갖고 열 침입을 차단하기 위해 마련된 냉각박스(440)를 포함한다.
여기서, 상기 제3 가스는 제2 가스에서 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)이 제외된, 공기(Air) 불순물(O2, N2, Ar), 완충가스(Ne, He, Ne/He 혼합가스), 아르곤(Ar) 및 미량의 산소(O2)를 포함한다.
또한, 상기 제4 가스는 제3 가스에서 불순물이 제거된 완충가스(Ne, He, Ne/He 혼합가스)를 포함한다.
즉, 본 발명의 저온부(400)는 흡착부(200) 또는 촉매부(300)로부터 토출되어 유입된 제2 가스에 포함된 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)을 분리 회수시키고, 불순물을 흡착에 의해 제거한 후 제4 가스를 토출 할 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 저온부(400)는 응축기(420) 및 저온 흡착부(430,430')에 액화질소를 공급하거나, 저온 흡착부(430,430')의 재생을 위해 액화질소를 가열하여 공급하기 위한 액화질소 공급부(450) 및 히터(460)를 더 포함할 수 있다.
또한, 액화질소 공급부(450)는 액화질소를 자동으로 공급 및 조절하기 위한 수위계측기(451)를 더 포함한다.
여기서, 수위계측기(451)는 응축기(420) 및 저온 흡착부(430,430')에 각각 설치되어, 액화질소 공급부(450)에서 각각 또는 동시에 액화질소를 공급하도록 구비될 수 있다.
특히, 상기 액화질소를 자동으로 공급하기 위해 자동밸브(452)를 더 포함할 수 있다.
한편, 수위계측기(451)는 레벨 트렌스미터(Level Transmitter)로 응축기(420) 및 저온 흡착부(430,430') 내부로 공급되는 액화질소의 레벨을 실시간으로 확인 할 수 있으며, 상기 레벨은 자동밸브(452)의 제어에 의해 자동적으로 소정 레벨로 일정하게 유지될 수 있다.
이에 더하여, 본 발명의 하나 이상의 저온 흡착부(430,430')는, 상기 제 3가스에 포함된, 공기(Air) 불순물, 미량의 산소(O2) 및 불활성 가스로서 사용된 아르곤(Ar)을 포함하는 불순물을 제거한다.
보다 구체적으로, 저온 흡착부(430,430')는 열 침입을 차단하기 위해 이중 용기 하우징을 포함한다.
상기 이중 용기 하우징은, 외조와 내조로 구성되며, 외조와 내조 사이는 진공 상태로 제작하여, 열 침입을 차단하여 단열될 수 있는 구조를 포함한다.
상기와 같이 이중 용기 하우징 구조를 통해, 각 기기 및 공정간의 열 침입을 최소화 할 수 있게 된다.
또한, 저온 흡착부(430,430')는, 저온 흡착부의 흡착 및 재생이 용이하도록 내부에 적어도 3개 이상의 제3 흡착탑(431)이 각각 마련되고, 제3 흡착탑(431)을 둘러싸도록 액화질소가 공급되는 소정공간을 갖는다.
또한, 저온 흡착부(430,430')는, 하나의 저온 흡착부(430)에서 불순물 흡착공정이 진행되면, 다른 하나의 저온 흡착부(430')에서 흡착제 재생공정이 진행되도록, 상기 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전될 수 있다.
이에 더하여, 제2 열교환기(410)는, 흡착부(200) 또는 촉매부(300)에서 토출된 상기 제2 가스와 응축기(420)를 통과하여 토출된 액화질소 및 저온 흡착부(430,430')에서 토출된 제4 가스의 열교환이 이루어질 수 있다.
또한, 냉각박스(440)는 단열재로서, 퍼라이트(Perlite)를 이용하여 제작할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서, 본 발명의 저온부(400)는 초저온 영역인 -170도 내지 -100도 에서 운전될 수 있다.
상기와 같이 희가스 분리 및 불순물 제거 공정은 초저온 영역에서 이뤄지기 때문에 온도 변화에 따른 열손실을 최소화 할 수 있게 된다.
도 2의 저온부(400)를 참조하여 상기 제2 가스로부터 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)의 응축 분리 회수 공정과 불순물 제거 공정을 설명한다.
본 발명의 흡착부(200) 또는 촉매부(300)로부터 토출되는 제2 가스는 제2 열교환기(410)를 통과하여 응축기(420)로 유입된다.
상기 제2 가스는, 액화질소 공급부(450)로부터 응축기(420) 내부로 공급된 액화질소와 열교환이 이루어지며 상기 제2 가스 중 상대적으로 비점이 낮은 불활성 가스인 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)이 응축되어 응축기(420) 하부에 마련된 저장부(421)에 쌓이게 된다.
그 후, 상기 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)이 제외된 제3 가스는 응축기(420) 상부로 배출되어 저온 흡착부(430,430')로 이송된다.
여기서, 상기 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)은 극히 미량이기 때문에 일정량까지 응축되면 회수하여 추가적으로 구비된 실린더에 충전하거나, 엑시머 레이저 가스의 원료로 재사용 할 수 있게 된다.
특히, 응축기(420)는 내부로 공급되는 액화질소 유량에 따라 온도가 제어되며, 서로 다른 비점을 갖는 크세논(Xe) 또는 크립톤(Kr)을 회수할 수 있다.
상기 크세논(Xe)의 비점은 -111.7 도(℃) 이고, 크립톤(Kr)의 비점은 -157.4(℃) 이므로, 액화질소 유량을 조절하여 온도를 제어 함으로써, 크세논 또는 크립톤을 회수할 수 있게 된다.
즉, 상기 제2 가스에 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe) 중 어느 하나가 포함되어도, 응축기(420) 내부에서 온도를 제어하여 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)을 회수할 수 있다.
여기서, 일 예로, 상기 응축기(420) 내부 온도는, 액화질소 유량에 따라 제어 될 수 있는데 액화질소 유량을 증가 시키면, 온도가 강하될 수 있고, 액화질소 유량을 감소 시키면, 온도가 상승할 수 있다.
이에 따라, 제2 가스에 크립톤(Kr)이 포함된 경우, 크세논(Xe)을 포함한 경우 보다 액화질소 유량을 증가 시켜 크립톤(Kr)을 회수할 수 있다.
이와 반대로, 제2 가스에 크세논(Xe)이 포함된 경우, 크립톤(Kr)을 포함한 경우보다 액화질소 유량을 감소 시켜 크세논(Xe)을 회수 할 수 있다.
또한, 응축기(420)는 진공펌프를 추가적으로 연결 구비하여 응축기(420) 내에 잔류하는 액체질소를 상기 진공펌프를 통해 저온부(400) 외부로 배출시킬 수 있다.
특히, 상기 진공펌프는 응축기(420) 내 액화질소의 압력을 대기압보다 낮은 압력(진공압)으로 해줌으로써, 응축기(420)로 유입된 제2 가스가 보다 낮은 온도의 액화질소와 열교환 하도록 하여 효율적으로 제2 가스에 포함된 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)을 응축시켜 분리 시킬 수 있다.
또한, 응축기(420) 내에서 열교환 후 배출된 액체 질소는 제2 열교환기(410)를 통과한 후 배출될 수 있다.
즉, 응축기(420)로 유입되기 위해 제2 열교환기(410)를 통과하는 제2 가스는 응축기(420)에서 배출되는, 제2 가스 보다 낮은 온도의 액체질소와 제2 열교환기(410)에서 열교환이 이뤄질 수 있다.
다음으로, 응축기(420)를 통과하여 토출된 제3 가스는 저온 흡착부(430,430')로 유입된다.
상기 제3 가스는 저온 흡착부(430,430') 내부에 마련된 복수 개의 제3 흡착탑(431)을 통과하며, 제3 흡착탑(431) 내부에 마련된 흡착제에 공기(Air) 불순물(O2, N2, Ar), 아르곤(Ar) 및 미량의 산소(O2)를 포함하는 불순물이 흡착되어 제거된다.
일 예로, 상기 제3 가스가 하나의 저온 흡착부(430)로 이송되면, 다른 하나의 저온 흡착부(430')에서는 흡착제에 흡착된 불순물을 탈착시키는 흡착제 재생 공정이 진행될 수 있다.
이와 반대로, 상기 제3 가스가 하나의 저온 흡착부(430')로 이송되면, 다른 하나의 저온 흡착부(430)에서는 흡착제에 흡착된 불순물을 탈착시키는 흡착제 재생 공정이 진행될 수 있다.
여기서, 상기 흡착제 재생 공정은 액화질소 공급부(450)로부터 공급되는 액화질소를 히터(460)를 통해 가열하여 저온 흡착부(430,430') 내로 공급하여 복수 개의 제3 흡착탑(431) 외부를 가열함으로써, 흡착제에 흡착된 불순물을 탈착하여 대기 중으로 방출 시켜 상기 흡착제를 재생 시킬 수 있다.
따라서, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전됨으로써, 흡착제의 흡착 및 재생에 필요한 시간이 단축되어 전체 공정의 운전시간을 단축시킬 수 있을 뿐만 아니라, 희가스 생산 공정이 연속적으로 이루어질 수 있다.
한편, 상기 액화질소 공급부(450)로부터 공급된 액화질소가 히터(460)를 통해 가열된 후 앞서 전술한 제1 및 제2 흡착부(210, 220)로 공급될 수 있다.
또한, 상기와 같이 제3 흡착탑(431) 외부를 가열하여 흡착제에 흡착된 불순물을 탈착하여 대기 중에 방출함으로써 제3 흡착탑(431) 내 흡착제의 오염을 방지 할 수 있다.
또한, 저온 흡착부(430,430')는 액체질소 배출라인과, 기체상 질소 배출라인 및 탈착되는 불순물을 외부로 배출하는 불순물 배출라인을 각각 연결 구비 할 수 있다.
따라서, 본 발명의 저온부(400)는 상기와 같은 공정을 통해, 불순물이 제거된 네온(Ne), 헬륨(He) 및 네온/헬륨(Ne/He) 혼합가스로 이루어진 제4 가스를 생산할 수 있다.
상기에서 생산된 네온(Ne), 헬륨(He) 및 네온/헬륨(Ne/He) 혼합가스는 제2 열교환기(410)를 통해 냉각박스(340) 외부로 배출되어 실린더(Cylinder)에 충전되거나, 후속 분리 장치로 공급될 수 있다.
한편, 본 발명의 제2 열교환기(410)에서는, 저온부(400)로 유입되는 제2 가스가 응축기(420)를 통과한 액체질소 및 저온 흡착부(430,430')에서 배출되는 제4 가스와 열교환 될 수 있다.
응축기(420)를 통과한 액체질소 및 제4 가스는 제2 가스 보다 낮은 온도를 갖고 있어, 제2 가스의 온도를 낮춰 줌으로써, 응축기(420)에서 보다 효율적으로 응축 공정이 진행될 수 있다.
특히, 하나의 제2 열교환기를 이용하여 공유함으로써 효율적으로 공정이 이뤄질 수 있다.
보다 구체적으로, 별도의 열교환기를 각각 구비하여 사용할 경우, 열손실이 발생할 가능성이 높아지지만, 본 발명과 같이 하나의 제2 열교환기를 공유함으로써 열손실을 최소화 하고 이에 따라 크립톤(Kr) 또는 크세논(Xe)을 응축하기 위해 응축기(420)에 공급되는 액화질소의 양을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 저온부(400)에서는 온도 변화에 따른 열손실을 최소화 함으로써, 초저온 영역에서 공정이 효율적으로 이루어질 수 있다.
한편, 본 발명의 희가스 생산 장치는, 압축부(100), 흡착부(200), 촉매부(300) 및 저온부(400)를 통과하여 생산되는 제4 가스인 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스를 분리하기 위한 분리 장치를 더 포함할 수 있으며, 상기 분리장치를 통해 네온 및 헬륨으로 각각 생산할 수 있다.
따라서, 분리장치를 통해 네온(Ne) 및 헬륨(He)으로 각각 분리된 후 엑시머 레이저 가스의 완충가스로서 재사용 할 수 있다.
10: 희가스 생산 장치
100: 압축부 110: 진공펌프
120: 제1 버퍼탱크 130: 압축기
140: 제2 버퍼탱크
200: 흡착부
210: 제1 흡착탑 220: 제2 흡착탑
300: 촉매부 310: 촉매탑
311: 히팅자켓 312: 산소주입부
320: 제1 열교환기 330: 물분리기
340, 340': 한 쌍의 드라이어
400: 저온부 410: 제2 열교환기
420: 응축기 421: 저장부
430,430': 저온 흡착부 431: 제3 흡착탑
440: 냉각박스 450: 액화질소 공급부
451: 수위계측기 452: 자동밸브
460: 히터

Claims (16)

  1. 제1 가스가 유입되고, 제1 가스를 소정압력 범위로 압축 공급하는 압축부;
    압축부로부터 토출된 제1 가스가 유입되고, 제1 가스로부터 할로겐 가스 및 할로겐 화합물이 흡착 반응에 의해 제거된 제2 가스를 토출하는 흡착부;
    흡착부로부터 토출된 제2 가스가 유입되어, 제2 가스에 포함된 불순물을 흡착을 통해 제거하기 위한 저온부; 및
    흡착부로부터 토출된 제2 가스에 포함된 수소를 산소와의 반응에 의해 제거하기 위한 촉매부; 를 포함하고,
    저온부는, 흡착부 또는 촉매부에서 토출된 제2 가스로부터 응축 분리된 크립톤 또는 크세논이 하부에 마련된 저장부에 잔류되고, 제2 가스 중 크립톤 또는 크세논이 제거된 제3 가스가 토출되는 응축기;
    제3 가스로부터 불순물이 제거된 제4 가스가 토출되는 하나 이상의 저온 흡착부;
    저온 흡착부를 통과하여 배출된 제4 가스와 흡착부 또는 촉매부를 통과하여 배출된 제2 가스의 열교환이 이루어지는 제2 열교환기; 및
    응축기, 저온 흡착부 및 제2 열교환기를 내부에 수용하는 소정 공간을 갖고 열 침입을 차단하기 위해 마련된 냉각박스; 를 포함하며,
    흡착부를 통과한 제2 가스가 수소를 포함하면, 촉매부를 통과 한 후 저온부로 이송하고, 제2 가스가 수소를 포함하지 않으면 저온부로 이송되도록 마련된 희가스 생산 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    압축부는, 제1 가스를 5 내지 10kg/cm2 의 압력으로 압축 공급하는 희가스 생산 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    흡착부는, 흡착 및 재생이 용이하도록 흡착제가 충전된 제1 및 제2 흡착탑을 포함하며, 하나의 흡착탑에서 흡착공정이 진행되면, 다른 하나의 흡착탑에서 흡착제 재생공정이 진행되도록, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되는 희가스 생산 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    촉매부는, 수소를 제거하기 위해 산소가 공급되는 촉매탑;
    촉매탑을 통과 후 생성된 물을 응축시키는 제1 열교환기; 및
    제1 열교환기에서 응축된 물을 분리시키는 물 분리기; 를 포함하는 희가스 생산 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    촉매부는, 물분리기를 통과 후 잔여 수분을 제거하는 한 쌍의 드라이어를 더 포함하는 희가스 생산 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    저온부는, 응축기 및 저온 흡착부에 액화질소를 공급하거나, 저온 흡착부의 재생을 위해 액화질소를 가열하여 공급하기 위한 액화질소 공급부 및 히터를 더 포함하는 희가스 생산 장치.
  8. 제 1항 또는 7항에 있어서,
    제2 열교환기는, 흡착부 또는 촉매부에서 토출된 제2 가스와 응축기를 통과하여 토출된 액화질소 및 저온 흡착부에서 토출된 제4 가스의 열교환이 이루어지도록 마련된 희가스 생산 장치.
  9. 제 1항에 있어서,
    응축기는, 내부로 공급되는 액화질소 유량에 따라 온도가 제어되며 서로 다른 비점을 갖는 크세논 또는 크립톤을 회수하도록 마련된 희가스 생산 장치.
  10. 제 1항에 있어서,
    저온부는, 초저온 영역인 -170 ℃ 내지 -100 ℃ 에서 운전되도록 마련된 희가스 생산 장치.
  11. 제 1항에 있어서,
    저온 흡착부는, 열 침입을 차단하기 위해 이중 용기 하우징을 포함하는 희가스 생산 장치.
  12. 제 1항에 있어서,
    저온 흡착부는, 흡착 및 재생이 용이하도록 내부에 적어도 3개 이상의 제3 흡착탑이 마련되고, 흡착탑을 둘러싸도록 액화질소가 공급되는 소정공간을 갖도록 마련된 희가스 생산 장치.
  13. 제 1항에 있어서,
    저온 흡착부는, 하나의 저온 흡착부에서 불순물 제거 흡착공정이 진행되면, 다른 하나의 저온 흡착부에서 흡착제 재생공정이 진행되도록, 흡착공정과 재생공정이 교번하여 운전되도록 마련된 희가스 생산 장치.
  14. 제 7항에 있어서,
    액화질소 공급부는, 액화질소를 자동으로 공급 및 조절하기 위한 수위 계측기를 더 포함하는 희가스 생산 장치.
  15. 제 4항에 있어서,
    촉매탑은, 수소를 제거하기 위한 흡수반응을 촉진 시키기 위해 온도를 가열하도록 외주면에 히팅 자켓을 더 포함하는 희가스 생산 장치.
  16. 제 1항에 있어서,
    제4 가스는 네온 및 헬륨으로 이루어진 혼합가스를 포함하고, 제4 가스를 분리하기 위한 분리 장치를 더 포함하는 희가스 생산 장치.
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