KR102163161B1 - Method and apparatus for purifying argon - Google Patents

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KR102163161B1 KR1020140063145A KR20140063145A KR102163161B1 KR 102163161 B1 KR102163161 B1 KR 102163161B1 KR 1020140063145 A KR1020140063145 A KR 1020140063145A KR 20140063145 A KR20140063145 A KR 20140063145A KR 102163161 B1 KR102163161 B1 KR 102163161B1
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Abstract

본 발명은, 압력 변동 흡착법을 이용해서 행하는 아르곤의 정제에 있어서, 오프 가스량의 변동이 있어도 보다 낮은 압력까지 저하시켜서, 고순도의 아르곤을 고수율로 얻는데 적합한 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 한다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 방법은, 흡착제가 충전된 흡착탑(20A 내지 20C)을 이용해서 행하는 압력 변동 흡착법에 의해, 상기 흡착탑이 상대적으로 고압인 상태에서, 상기 흡착탑에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 흡착제에 흡착시켜, 해당 흡착탑으로부터 아르곤이 부화된 가스를 도출하는 흡착 공정과, 상기 흡착탑을 감압시켜 상기 흡착제로부터 불순물을 탈착시켜서, 해당 흡착탑으로부터 가스를 도출하는 향류 감압 공정을 포함하는 사이클을 반복해서 행하고, 상기 향류 감압 공정에 있는 상기 흡착탑으로부터 도출되는 가스를 용량이 변화되는 가스 홀더(3)에 도입하면서, 가스 홀더(3) 내의 압력을 실질적으로 일정하게 유지하면서 해당 가스 홀더(3) 내의 가스를 도출한다.
An object of the present invention is to provide a method and apparatus suitable for purifying argon using a pressure swing adsorption method, reducing the pressure to a lower pressure even if there is a fluctuation in the amount of off-gas, and obtaining high-purity argon in a high yield.
In order to solve the above problem, the present method is a pressure swing adsorption method performed using adsorption towers 20A to 20C filled with an adsorbent, while the adsorption tower is at a relatively high pressure, and the mixed gas is introduced into the adsorption tower. Adsorption step of adsorbing impurities in the mixed gas to the adsorbent to derive argon-enriched gas from the adsorption tower, and counter-current decompression step of depressurizing the adsorption tower to desorb impurities from the adsorbent to extract gas from the adsorption tower Repeatedly performing a cycle including, and introducing the gas derived from the adsorption tower in the countercurrent decompression process into the gas holder 3 whose capacity is changed, while maintaining a substantially constant pressure in the gas holder 3 The gas in the gas holder 3 is extracted.

Figure R1020140063145
Figure R1020140063145

Description

아르곤 정제 방법 및 아르곤 정제 장치{METHOD AND APPARATUS FOR PURIFYING ARGON}Argon purification method and argon purification apparatus TECHNICAL FIELD [METHOD AND APPARATUS FOR PURIFYING ARGON}

본 발명은, 압력 변동 흡착법을 이용해서 아르곤을 정제하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to a method and apparatus for purifying argon using a pressure swing adsorption method.

실리콘 단결정 상향 견인로(引き上げ爐: pulling up furnace)나, 세라믹 소결로, 제강용 진공 탈가스로, 태양 전지용 실리콘 플라즈마 용해로, 다결정 실리콘 주조로 등에 있어서의 노 내 분위기 가스로서, 공기로부터 심랭분리장치에 의해 얻어진 아르곤이 사용되거 있다. 아르곤은 공기 중에 0.9%밖에 존재하지 않기 때문에 산소나 질소에 비해서 그 제조 비용은 수 배 이상으로 높다. 따라서, 일단 분위기 가스로서 사용된 아르곤을 회수하고, 재이용하면 유용하지만, 노 내 분위기 가스로서 사용된 아르곤은, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 공기 등의 불순물이 혼입되어 있어 순도가 저하된다. 그래서, 회수된 아르곤의 순도를 높이고, 노에의 재이용을 도모하기 위하여, 산소는 수소나 일산화탄소와 촉매반응시켜 물이나 이산화탄소로 변환시킨 후, 압력 변동 흡착법(Pressure Swing Adsorption)(PSA법)에 의해 불순물을 제거해서 정제하는 것이 제안되어 있다. PSA법에 의한 아르곤의 정제는, 예를 들어, 흡착제가 충전된 흡착탑에 아르곤을 함유하는 혼합 가스를 고압 하에 도입해서 불순물을 흡착제에 흡착시키고, 아르곤이 부화(富化)된 가스를 도출하는 공정과, 흡착탑 내를 감압시켜 흡착제로부터 불순물을 탈착시켜서, 흡착탑으로부터 가스(오프 가스)를 도출하는 공정을 포함하는 사이클을 반복함으로써 행한다. PSA법을 이용해서 아르곤을 정제하는 기술에 대해서는, 예를 들어, 특허문헌 1에 기재되어 있다.As the atmosphere gas in the furnace in a silicon single crystal pulling up furnace, ceramic sintering furnace, vacuum degassing furnace for steelmaking, silicon plasma melting furnace for solar cells, polycrystalline silicon casting furnace, etc., a deep cooling device from air Argon obtained by is used. Since argon exists only 0.9% in air, its manufacturing cost is several times higher than that of oxygen or nitrogen. Therefore, it is useful to recover and reuse argon once used as the atmospheric gas, but argon used as the atmospheric gas in the furnace contains impurities such as carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, and air, and the purity is lowered. So, in order to increase the purity of the recovered argon and to promote reuse in the furnace, oxygen is converted into water or carbon dioxide by catalytic reaction with hydrogen or carbon monoxide, and then by pressure swing adsorption (PSA method). Purification by removing impurities has been proposed. Purification of argon by the PSA method is, for example, a process of introducing a mixed gas containing argon under high pressure into an adsorption tower filled with an adsorbent to adsorb impurities to the adsorbent, and to derive the gas enriched with argon. And, the cycle including the step of decompressing the inside of the adsorption tower to desorb impurities from the adsorbent and extracting gas (off gas) from the adsorption tower is repeated. About the technique of purifying argon using the PSA method, it is described in patent document 1, for example.

특허문헌 1에서는, 아르곤을 정제하는 방법으로서, 원료 가스가 공급되는 가스 라인에 저류조를 준비하고, PSA(압력 변동 흡착법) 흡착탑 및 TSA(열변동 흡착법: Thermal Swing Adsorption) 흡착탑으로부터 도출되는 오프 가스의 일부를 상기 저류조에 도입하고, 폐기해야 할 오프 가스를 리사이클시켜서 아르곤의 회수율을 높이고 있다. 압력 변동 흡착법에 있어서, 고순도의 아르곤을 보다 높은 회수율로 얻기 위하여, 탈착 시의 압력을 보다 빠르고, 게다가 보다 저압으로 하는 것이 유효하다고 알려져 있다. 탈착 조작 시 흡착탑 내의 압력을 저하시키면, 흡착제로부터 탈착된 가스는, 흡착탑으로부터 오프 가스로서 도출되지만, 흡착탑으로부터 도출되는 가스의 양은, 탈착 조작 시의 초기에 많고, 말기에 다가감에 따라서 감소해간다. 그러나, 상기 종래의 기술에 있어서는, 오프 가스가 흐르는 가스 라인이 고정되어 있으므로, 흡착탑으로부터의 가스량이 많아짐에 따라서 가스의 흐름 저항이 커져, 오프 가스가 흐르는 공간의 압력이 탈착 조작 시 일단 상승하고 있었다. 이러한 오프 가스량의 변동에 의한 압력상승은, 흡착제의 탈착 재생 효과를 저하시켜, 아르곤의 회수율이나 순도를 높이는데 있어서 저해 요인으로 되지만, 상기 종래의 기술에 있어서는, 오프 가스량의 변동에 의한 아르곤의 회수율 저하나 순도 저하의 영향은 고려되지 않고 있었다.In Patent Document 1, as a method of purifying argon, a storage tank is prepared in a gas line supplied with a source gas, and off-gas derived from a PSA (pressure swing adsorption method) adsorption tower and a TSA (thermal swing adsorption method: Thermal Swing Adsorption) adsorption tower is A part is introduced into the storage tank and off-gas to be discarded is recycled to increase the recovery rate of argon. In the pressure swing adsorption method, in order to obtain high purity argon at a higher recovery rate, it is known that it is effective to make the pressure at the time of desorption faster and at a lower pressure. When the pressure in the adsorption tower is lowered during the desorption operation, the gas desorbed from the adsorbent is released as off-gas from the adsorption tower, but the amount of gas discharged from the adsorption tower is large at the beginning of the desorption operation and decreases as it approaches the end. . However, in the prior art, since the gas line through which the off-gas flows is fixed, the flow resistance of the gas increases as the amount of gas from the adsorption tower increases, and the pressure in the space through which the off-gas flows is once increased during the desorption operation. . Such a pressure increase due to fluctuations in the amount of off-gas lowers the desorption and regeneration effect of the adsorbent and becomes an impediment factor in increasing the recovery rate and purity of argon, but in the above conventional technique, the recovery rate of argon due to fluctuations in the amount of off-gas The effect of deterioration or purity deterioration was not considered.

JPJP 2010-2853172010-285317 AA

본 발명은, 이러한 사정 하에 안출된 것으로, 압력 변동 흡착법을 이용해서 행하는 아르곤의 정제에 있어서, 오프 가스량의 변동이 있어도 보다 낮은 압력까지 저하시켜서, 고순도의 아르곤을 고수율로 얻는데 적합한 방법 및 장치를 제공하는 것을 과제로 하고 있다.The present invention was devised under such circumstances, and in the purification of argon performed using a pressure swing adsorption method, a method and apparatus suitable for obtaining high purity argon in a high yield by lowering the pressure to a lower pressure even if there is a fluctuation in the amount of off-gas. It is a task to provide.

본 발명의 제1측면에 의해서 제공되는 아르곤 정제 방법은, 아르곤을 함유하는 혼합 가스로부터 아르곤을 정제하기 위한 방법으로서, 흡착제가 충전된 흡착탑을 이용해서 행하는 압력 변동 흡착법에 의해, 상기 흡착탑이 상대적으로 고압인 상태에서, 상기 흡착탑에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 흡착제에 흡착시켜, 해당 흡착탑으로부터 아르곤이 부화된 가스를 도출하는 흡착 공정과, 상기 흡착탑을 감압시켜 상기 흡착제로부터 불순물을 탈착시켜서, 해당 흡착탑으로부터 가스를 도출하는 향류 감압 공정을 포함하는 사이클을 반복해서 행하여, 상기 향류 감압 공정에 있는 상기 흡착탑으로부터 도출되는 가스를 용량이 변화되는 가스 홀더에 도입하면서, 상기 가스 홀더 내의 압력을 실질적으로 일정하게 유지하면서 해당 가스 홀더 내의 가스를 도출하는 것을 특징으로 한다.The argon purification method provided by the first aspect of the present invention is a method for purifying argon from a mixed gas containing argon, and by a pressure swing adsorption method performed using an adsorption tower filled with an adsorbent, the adsorption tower is relatively Under high pressure, an adsorption process of introducing the mixed gas into the adsorption tower to adsorb impurities in the mixed gas to the adsorbent to extract the argon-enriched gas from the adsorption tower, and decompressing the adsorption tower to reduce impurities from the adsorbent. By desorption and repeatedly performing a cycle including a countercurrent decompression step of desorbing gas from the adsorption tower, introducing the gas derived from the adsorption tower in the countercurrent decompression step into a gas holder whose capacity is changed, in the gas holder It is characterized in that the gas in the gas holder is extracted while maintaining the pressure substantially constant.

바람직하게는, 상기 가스 홀더는, 대기와의 접촉을 차단하도록 가스를 수용하고, 해당 가스의 양에 따라서 변위되는 차단부를 구비하고, 상기 가스 홀더의 용량은, 상기 차단부의 외측에서부터 내측을 향해서 작용하는 하중과, 내부의 가스의 압력에 의해 상기 차단부의 내측으로부터 외측을 향해서 작용하는 힘이 균형을 유지하면서 변화된다.Preferably, the gas holder accommodates gas to block contact with the atmosphere, and includes a blocking portion that is displaced according to the amount of the gas, and the capacity of the gas holder acts from the outside of the blocking portion toward the inside. The force acting from the inside to the outside of the blocking part is changed while maintaining a balance by the load and the pressure of the gas inside.

바람직하게는, 상기 차단부는, 막 형태 부재 또는 덮개 형상의 금속부재를 포함한다.Preferably, the blocking portion includes a membrane-shaped member or a cover-shaped metal member.

바람직하게는, 상기 가스 홀더는, 상기 차단부에 지지되거나 또는 포함된 추부(錘部)를 구비한다.Preferably, the gas holder has a weight supported or included in the blocking portion.

바람직하게는, 상기 압력 변동 흡착법은, 흡착제가 충전된 복수의 흡착탑을 이용해서 행해지는 것이며, 상기 사이클은, 상기 흡착 공정을 종료한 1개의 흡착탑 내를 감압시켜 해당 1개의 흡착탑으로부터 가스를 병류로 도출하는 동시에, 도출된 가스를 세정 가스로 해서 상기 향류 감압 공정을 종료한 다른 흡착탑에 향류로 도입하여 해당 다른 흡착탑을 세정하는 세정 공정을 더 포함하고, 상기 세정 공정은, 해당 세정 공정의 개시부터 도중까지에 있어서 상기 다른 흡착탑으로부터 제1가스를 도출하는 제1세정 공정과, 해당 다른 흡착탑으로부터 제2가스를 도출하는, 상기 제1세정 공정 후의 제2세정 공정을 포함하며, 상기 제1가스를 상기 가스 홀더에 도입하고, 또한 상기 제2가스를 계 밖으로 배출하고, 상기 가스 홀더로부터 도출되는 가스를, 상기 흡착탑에 도입되기 전의 상기 혼합 가스에 첨가한다.Preferably, the pressure swing adsorption method is performed by using a plurality of adsorption towers filled with an adsorbent, and the cycle decompresses the inside of one adsorption tower that has finished the adsorption process to bring gas from the one adsorption tower in parallel. At the same time as the derivation, further comprising a washing step of washing the other adsorption tower by introducing the derived gas as a cleaning gas into another adsorption tower in which the countercurrent depressurization process has been completed, and the cleaning process includes: A first washing step of deriving a first gas from the other adsorption tower until halfway, and a second washing step after the first washing step of deriving a second gas from the other adsorption tower, wherein the first gas is The gas is introduced into the gas holder, the second gas is discharged out of the system, and the gas drawn out from the gas holder is added to the mixed gas before being introduced into the adsorption tower.

바람직하게는, 상기 혼합 가스를 상기 흡착 공정에 있는 흡착탑에 도입하기 전에, 상기 혼합 가스에 대해서 해당 혼합 가스에 함유되는 불순물의 적어도 일부를 제거 또는 변성시키기 위한 전처리를 실시하고, 상기 가스 홀더로부터 도출되는 가스는, 상기 전처리를 거친 가스에 첨가된다.Preferably, prior to introducing the mixed gas into the adsorption tower in the adsorption process, pretreatment is performed on the mixed gas to remove or denature at least a part of the impurities contained in the mixed gas, and lead out from the gas holder. The resulting gas is added to the gas that has undergone the pretreatment.

압력 변동 흡착 방법(PSA법)에 있어서, 일산화탄소, 이산화탄소, 수소, 산소, 질소, 메탄 등을 불순물로서 함유하는, 아르곤을 주성분으로 하는 혼합 가스로부터, 고순도의 아르곤을 얻기 위해서는, 일반적으로, 산소는 수소나 일산화탄소와 촉매 반응시켜 물이나 이산화탄소로 변환시키기 위한 전처리를 실시한다. 전처리를 실시한 후, 압력 변동 흡착법(PSA법)에 의해서, 이산화탄소, 일산화탄소, 물, 질소 등의 불순물이 흡착탑 내에서 흡착 제거되어, 아르곤이 정제된다. 정제 아르곤을 보다 높은 회수율로 얻기 위하여, 예를 들어, 흡착탑으로부터 도출되는 가스(오프 가스)의 일부를, 흡착탑에 도입되기 전의 혼합 가스에 첨가해서 리사이클시킨다. PSA법에 있어서 흡착탑 내를 감압시켜 탈착시킬 때, 진공 펌프를 이용하면, 흡착탑 내에서 오프 가스가 흐르는 유로에 걸쳐서 감압되므로 공기가 침투할 가능성이 있어, 공기가 침투하면 리사이클시키는 가스의 불순물 농도가 올라버린다. 이러한 사태를 피하기 위해서, 진공 펌프를 이용하지 않고 배출 압력을 이용해서 탈착시키는 것이 바람직하며, 그 수단에 있어서는, 오프 가스가 흐르는 유로의 압력을 보다 빠르고, 게다가 보다 저압으로 하면 그 회수율을 상승시키는 것은 알려져 있었지만, 구체적인 대책이 강구되어 있지 않았다.In the pressure swing adsorption method (PSA method), in order to obtain high-purity argon from an argon-based mixed gas containing carbon monoxide, carbon dioxide, hydrogen, oxygen, nitrogen, methane, etc. as impurities, in general, oxygen is Pretreatment is carried out to convert into water or carbon dioxide by reacting with hydrogen or carbon monoxide catalytically. After performing the pretreatment, impurities such as carbon dioxide, carbon monoxide, water and nitrogen are adsorbed and removed in the adsorption tower by a pressure swing adsorption method (PSA method) to purify argon. In order to obtain purified argon at a higher recovery rate, for example, a part of the gas (off gas) discharged from the adsorption tower is added to the mixed gas before being introduced into the adsorption tower and recycled. In the PSA method, when depressurizing the inside of the adsorption tower by desorption, if a vacuum pump is used, since the pressure is reduced over the flow path of the off gas in the adsorption tower, there is a possibility that air may penetrate.If air penetrates, the impurity concentration of the gas to be recycled decreases. It rises. In order to avoid such a situation, it is preferable to remove and desorb using a discharge pressure without using a vacuum pump, and in that means, increasing the pressure in the flow path through which the off-gas flows is faster and lower pressure increases the recovery rate. It was known, but no specific countermeasures were taken.

본 발명자는, 이러한 문제를 해결하기 위해서, 다음과 같은 분석을 하였다.In order to solve this problem, the present inventor made the following analysis.

탈착 조작시의 가스압과 가스의 양에 대해서는, 탈착 조작 시 흡착탑 내의 압력을 저하시켜 가면, 흡착탑으로부터 도출되는 가스(오프 가스)의 양은, 탈착 조작 시의 초기에 많고, 말기에 다가감에 따라서 감소되어 간다. 그 때문에, 오프 가스가 흐르기 위한 공간이 고정되어 있으면, 흡착탑으로부터의 가스량이 많아짐에 따라서 가스 흐름의 저항이 커져서, 해당 오프 가스가 흐르는 공간의 압력은 탈착 조작 시 일단 상승한다. 한편, 탈착 조작이 진행되어 흡착탑으로부터의 가스량이 감소하면, 가스 흐름 저항이 작아지므로, 상기 공간의 압력은 저하되어 간다.Regarding the gas pressure and the amount of gas during the desorption operation, if the pressure in the adsorption tower is lowered during the desorption operation, the amount of gas (off gas) extracted from the adsorption tower is large at the beginning of the desorption operation and decreases as the end approaches. It becomes. Therefore, if the space for the off-gas to flow is fixed, the resistance of the gas flow increases as the amount of gas from the adsorption tower increases, and the pressure of the space through which the off-gas flows increases once during the desorption operation. On the other hand, when the desorption operation proceeds and the amount of gas from the adsorption tower decreases, the gas flow resistance decreases, and the pressure in the space decreases.

본 발명자는, 상기 과제를 해결하기 위해서 예의 검토한 바, 진공 펌프를 사용하지 않고, 탈착 압력을 한번에 저하시키거나, 혹은 이 압력을 대기압 수준에까지 빠르게 가깝게 하기 위해서는, 오프 가스가 흐르는 유로의 공간을 고정시키지 않고 용량 가변시킴으로써 탈착 압력을 한번에 저하시키고, 또한 이 압력을 대기압 수준까지 작게 할 수 있는 것을 발견하였다. 구체적으로는, 흡착탑에 가까운 위치에, 가스의 용량을 변화시킬 수 있는 용량 가변식의 가스 홀더를 설치하고, 흡착탑으로부터의 오프 가스를 해당 가스 홀더에 도입함으로써, 이 효과를 실현하는 것을 발견하였다.In order to solve the above problems, the present inventors have studied intensively in order to reduce the desorption pressure at once without using a vacuum pump, or to quickly bring this pressure to the atmospheric pressure level. It was found that the desorption pressure can be reduced at once by varying the capacity without being fixed, and this pressure can be reduced to the atmospheric pressure level. Specifically, it has been found that this effect is achieved by installing a variable-capacity gas holder capable of changing the capacity of the gas at a position close to the adsorption tower, and introducing off-gas from the adsorption tower into the gas holder.

또, 흡착탑으로부터의 오프 가스의 유로가 저압에서 안정한 상태로 되면, 흡착탑 내의 가스 압력이 보다 빠른 속도로 저하하고, 흡착제로부터 흡착한 불순물이 보다 빠르게 탈착되어 감압 재생 효과가 높아지는 것도 발견되었다. 즉, 오프 가스가 흐르는 공간(가스 홀더)을, 오프 가스량에 따라서 대기압과 밸런스를 유지하면서 증감시키면, 오프 가스의 유로를 한없이 대기압에 가까운 압력으로 일정화시킬 수 있고, 압력 변동 흡착법에 의한 분리 성능을 향상시킬 수 있다.It has also been found that when the flow path of the off-gas from the adsorption tower is in a stable state at a low pressure, the gas pressure in the adsorption tower decreases at a faster rate, and impurities adsorbed from the adsorbent are desorbed more rapidly, thereby enhancing the effect of reduced pressure regeneration. That is, if the space (gas holder) in which the off-gas flows is increased or decreased according to the amount of off-gas while maintaining the balance with the atmospheric pressure, the flow path of the off-gas can be infinitely fixed to a pressure close to atmospheric pressure, and separation performance by the pressure swing adsorption method Can improve.

본 발명의 제2측면에 의해서 제공되는 아르곤 정제 장치는, 아르곤을 함유하는 혼합 가스로부터 아르곤을 정제하기 위한 장치로서, 흡착제가 충전된 흡착탑을 이용해서 행하는 압력 변동 흡착법에 의해, 상기 흡착탑에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 흡착제에 흡착시켜, 해당 흡착탑으로부터 아르곤을 도출하고, 또한, 상기 흡착탑을 감압시켜 상기 흡착제로부터 불순물을 탈착시켜서, 해당 흡착탑으로부터 오프 가스를 도출하기 위한, 압력 변동 흡착식 가스 분리 장치와, 상기 흡착탑에 상기 혼합 가스를 공급하기 위한 제1의 가스 라인과, 상기 흡착탑으로부터 도출되는 상기 오프 가스를 도입하고, 또한, 도출하기 위한 용량 가변식의 가스 홀더와, 상기 흡착탑으로부터 도출되는 상기 오프 가스를 상기 가스 홀더에 공급하기 위한 제2의 가스 라인을 구비하는 것을 특징으로 한다.The argon purification apparatus provided by the second aspect of the present invention is an apparatus for purifying argon from a mixed gas containing argon, and the mixing in the adsorption tower by a pressure swing adsorption method performed using an adsorption tower filled with an adsorbent. A pressure for introducing a gas to adsorb impurities in the mixed gas to the adsorbent, to derive argon from the adsorption tower, and depressurizing the adsorption tower to desorb impurities from the adsorbent, and to extract off-gas from the adsorption tower. A fluctuating adsorption type gas separation device, a first gas line for supplying the mixed gas to the adsorption tower, a capacity variable gas holder for introducing and deducting the off-gas derived from the adsorption tower, and the And a second gas line for supplying the off-gas discharged from the adsorption tower to the gas holder.

바람직하게는, 용기 형상으로 구성된 본체부와, 상기 본체부의 내부에 수용되어, 상기 본체부와의 사이의 가스 밀봉 상태를 유지하면서 변위 가능한 차단부를 구비하고, 상기 차단부의 변위에 따라서, 상기 본체부 및 상기 차단부에 의해서 구획된 가스 수용부에 수용되는 가스의 양이 변화된다Preferably, a body portion configured in the shape of a container, and a blocking portion accommodated in the body portion and displaceable while maintaining a gas-sealed state between the body portion, and according to the displacement of the blocking portion, the body portion And the amount of gas accommodated in the gas receiving portion partitioned by the blocking portion is changed.

바람직하게는, 상기 차단부는, 막 형태 부재 또는 덮개 형상의 금속부재를 포함한다.Preferably, the blocking portion includes a membrane-shaped member or a cover-shaped metal member.

바람직하게는, 상기 가스 홀더는, 상기 차단부에 지지되거나, 또는 포함된 추부를 구비한다.Preferably, the gas holder includes a weight portion supported or included in the blocking portion.

바람직하게는, 상기 가스 홀더로부터 도출되는 가스를 상기 제1의 가스 라인에 첨가 공급이 가능하도록 상기 가스 홀더와 상기 제1의 가스 라인 사이를 연결하는 제3의 가스 라인과, 상기 제2의 가스 라인에 연결되어, 상기 흡착탑으로부터 도출되는 가스를 계 밖으로 배출하기 위한 제4의 가스 라인을 구비한다.Preferably, a third gas line connecting between the gas holder and the first gas line so that gas derived from the gas holder can be added and supplied to the first gas line, and the second gas It is connected to the line and includes a fourth gas line for discharging the gas discharged from the adsorption tower to the outside of the system.

바람직하게는, 상기 혼합 가스에 함유되는 불순물의 적어도 일부를 제거 또는 변성시키기 위한 전처리를 실행하기 위한 전처리 유닛이 상기 제1의 가스 라인에 설치되어 있고, 상기 제3의 가스 라인은, 상기 제1의 가스 라인에 있어서의 상기 전처리 유닛의 후단부분에 연결되어 있다.Preferably, a pretreatment unit for performing pretreatment for removing or modifying at least a part of impurities contained in the mixed gas is provided in the first gas line, and the third gas line comprises the first It is connected to the rear end of the pretreatment unit in the gas line of.

본 발명의 그 밖의 특징 및 이점은, 첨부 도면을 참조해서 이하에 행하는 상세한 설명에 의해서 보다 명확해질 것이다.Other features and advantages of the present invention will become more apparent from the detailed description given below with reference to the accompanying drawings.

아르곤을 함유하는 혼합 가스로부터의 압력 변동 흡착법을 이용한 아르곤의 정제에 있어서, 흡착탑으로부터 도출되는 오프 가스를 저장하고, 배출하는 공간(가스 홀더)이 오프 가스량의 변동에 맞춰서 용량 가변된다. 이것에 의해, 오프 가스가 흐르는 공간 전체의 압력 변동이 없어져 일정한 저압에서 유지되므로, 감압 재생 효과가 높아져 아르곤 회수율이 향상된다. 또한, 그 결과, 리사이클되는 오프 가스량은 변동이 없고 안정적이어서 원료계에 리사이클 혼합할 수 있어 전체 계의 아르곤 회수율도 향상한다.In purifying argon using a pressure swing adsorption method from a mixed gas containing argon, a space (gas holder) for storing and discharging off-gas derived from the adsorption tower is changed in capacity according to fluctuations in the amount of off-gas. As a result, pressure fluctuations in the entire space through which the off-gas flows are eliminated and the pressure is maintained at a constant low pressure, so that the reduced pressure regeneration effect is enhanced and the argon recovery rate is improved. In addition, as a result, the amount of off-gas to be recycled does not fluctuate and is stable, so that it can be recycled and mixed with the raw material system, thereby improving the argon recovery rate of the entire system.

도 1은 본 발명에 따른 아르곤 정제 장치의 개략 구성을 도시한 도면;
도 2는 압력 변동 흡착식 가스 분리 장치의 일례의 개략 구성을 도시한 도면;
도 3은 가스 홀더의 일례의 개략 구성을 도시한 종단면도;
도 4는 본 발명에 따른 아르곤 정제 방법의 스텝 1 내지 6에 있어서의 가스 흐름 상태를 도시한 도면;
도 5는 본 발명에 따른 아르곤 정제 방법의 스텝 7 내지 12에 있어서의 가스 흐름 상태를 도시한 도면;
도 6은 압력 변동 흡착법에 있어서의 탈착 압력 및 용량 가변식 가스 홀더와 용량 고정식 가스 탱크의 내부 압력 변화를 도시한 그래프;
도 7은 가스 홀더의 다른 예의 개략 구성을 도시한 종단면도;
도 8은 가스 홀더의 다른 예의 개략 구성을 도시한 종단면도.
1 is a diagram showing a schematic configuration of an argon purification apparatus according to the present invention;
2 is a diagram showing a schematic configuration of an example of a pressure swing adsorption type gas separation device;
3 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of an example of a gas holder;
4 is a view showing a gas flow state in steps 1 to 6 of the argon purification method according to the present invention;
5 is a view showing a gas flow state in steps 7 to 12 of the argon purification method according to the present invention;
Fig. 6 is a graph showing changes in internal pressure of a desorption pressure and capacity variable gas holder and a fixed capacity gas tank in a pressure swing adsorption method;
7 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of another example of a gas holder;
Fig. 8 is a longitudinal sectional view showing a schematic configuration of another example of a gas holder.

이하, 본 발명의 바람직한 실시의 형태에 대해서, 도면을 참조해서 구체적으로 설명한다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

도 1은 본 발명에 따른 아르곤 정제 장치의 개략 구성을 나타내고 있다. 아르곤 정제 장치(X)는 전처리 유닛(1)과, 압력 변동 흡착식 가스 분리 장치(2)(이하, "PSA 장치(2)"라 칭함)와, 가스 홀더(3)를 포함하고, 아르곤을 포함하는 원료 가스를 회수하면서 연속적으로 아르곤을 정제하도록 구성되어 있다.1 shows a schematic configuration of an argon purifying apparatus according to the present invention. The argon purifying apparatus X includes a pretreatment unit 1, a pressure swing adsorption type gas separation apparatus 2 (hereinafter referred to as "PSA apparatus 2"), a gas holder 3, and contains argon. It is configured to continuously purify argon while recovering the raw material gas.

원료 가스는, 주성분으로서 아르곤을 함유하고, 불순물로서 예를 들어, 수소, 질소, 일산화탄소 및 산소 등을 함유한다. 주된 불순물은 예를 들어, 수소이다. 이러한 원료 가스는, 실리콘 결정 인상로, 세라믹 소결로, 태양 전지용 실리콘 플라즈마 용해로 등에 있어서의 노 내 분위기 가스로서 사용된 아르곤에, 노 내에서의 처리에 의해 발생하는 불순물이 혼입된 것이며, 예를 들면, 진공 펌프를 이용해서 연속적으로 또는 단속적으로 배출된다. 원료 가스는, 후술하는 흡착탑(20A, 20B, 20C)에 가스를 공급하기 위한 가스 라인(41)에 도입된다.The raw material gas contains argon as a main component and contains, for example, hydrogen, nitrogen, carbon monoxide, oxygen, and the like as impurities. The main impurity is, for example, hydrogen. Such a raw material gas is a mixture of impurities generated by processing in the furnace into argon used as an atmosphere gas in the furnace in a silicon crystal pulling furnace, a ceramic sintering furnace, a silicon plasma melting furnace for solar cells, and the like. , Discharged continuously or intermittently using a vacuum pump. The source gas is introduced into a gas line 41 for supplying gas to the adsorption towers 20A, 20B, and 20C described later.

전처리 유닛(1)은, 후단의 PSA 장치(2)에 있어서 실행되는 압력 변동 흡착법 (PSA법)에 따라서는 제거하기 어려운 불순물을 원료 가스로부터 제거한다. PSA법에 의해 제거하기 어려운 불순물로서는, 예를 들어, 산소 및 수소를 들 수 있다. 이 중, 산소는, 정제 후의 아르곤을 노 내 분위기 가스로서 재이용할 때에 장해가 되므로, 제거의 필요성이 높다. 전처리 유닛(1)은, 도 1에 도시한 바와 같이, 필터(11), 송풍기(12), 히터(13), 반응기(14A, 14B), 산소 공급기(15), 일산화탄소 공급기(16) 및 냉각기(17, 18)를 포함한다. 필터(11), 송풍기(12), 히터(13), 반응기(14A, 14B) 및 냉각기(17, 18)는, 가스 라인(41)에 설치되어, 가스 경로상, 직렬로 연결되어 있다.The pretreatment unit 1 removes impurities that are difficult to remove from the source gas according to the pressure swing adsorption method (PSA method) performed in the PSA apparatus 2 at the rear stage. As impurities that are difficult to remove by the PSA method, oxygen and hydrogen are mentioned, for example. Among these, oxygen becomes an obstacle when the purified argon is reused as an atmosphere gas in the furnace, and thus the need for removal is high. The pretreatment unit 1 is a filter 11, a blower 12, a heater 13, a reactor 14A, 14B, an oxygen supply 15, a carbon monoxide supply 16 and a cooler, as shown in FIG. 1. Includes (17, 18). The filter 11, the blower 12, the heater 13, the reactors 14A and 14B, and the coolers 17 and 18 are provided in a gas line 41 and are connected in series on a gas path.

필터(11)는, 노로부터의 배기 가스인 원료 가스에 함유되는 경우가 많은 분진이나 금속분 등의 고형성분을, 원료 가스로부터 제거한다. 노(도시 생략)로부터 배출되어서 가스 라인(41)에 도입되는 원료 가스는, 필터(11)에서 제진된 후, 송풍기(12)에서 승압되어 히터(13)에 도입된다. 히터(13)에서는, 수소와 일산화탄소의 산화 반응이 일어나기 쉽도록 가스가 250℃ 부근까지 가열된다.The filter 11 removes solid components such as dust and metal powder, which are often contained in the raw material gas that is the exhaust gas from the furnace, from the raw material gas. The raw material gas discharged from the furnace (not shown) and introduced into the gas line 41 is vibration-absorbed by the filter 11 and then boosted by the blower 12 and introduced into the heater 13. In the heater 13, the gas is heated to around 250° C. so that the oxidation reaction between hydrogen and carbon monoxide tends to occur.

다음에, 원료 가스는, 반응기(14A)에 도입된다. 반응기(14A)는, 원료 가스 중의 수소나 일산화탄소를 촉매 반응으로 변성시켜 실질적으로 제거한다. 여기에서, 반응기(14A)의 입구부에, 산소 공급기(15)을 통해서 예를 들어, 수소나 일산화탄소와의 반응 당량의 약 1.1배의 산소가 첨가된다. 즉, 반응기(14A)에 대해서 산소가 과잉으로 첨가된다. 반응기(14A)에는, 수소나 일산화탄소의 산화 반응을 촉진시키는 촉매가 충전되어 있다. 그러한 촉매로서는, 예를 들어, 팔라듐 촉매나 루테늄 촉매를 채용할 수 있다. 반응기(14A)에서는, 수소와 일산화탄소가 연소되어 수증기와 이산화탄소가 된다.Next, the source gas is introduced into the reactor 14A. The reactor 14A substantially removes hydrogen or carbon monoxide in the raw material gas by denaturing it by a catalytic reaction. Here, about 1.1 times of the reaction equivalent of hydrogen or carbon monoxide is added to the inlet of the reactor 14A via the oxygen supply device 15. That is, oxygen is excessively added to the reactor 14A. The reactor 14A is filled with a catalyst for accelerating the oxidation reaction of hydrogen or carbon monoxide. As such a catalyst, for example, a palladium catalyst or a ruthenium catalyst can be employed. In the reactor 14A, hydrogen and carbon monoxide are combusted to become water vapor and carbon dioxide.

반응기(14A)를 거친 가스는, 냉각기(17)에 있어서 150℃ 이하 정도까지 냉각되어, 반응기(14B)에 도입된다. 반응기(14B)는, 해당 반응기(14B)에 도입되는 가스 중의 산소를 촉매반응으로 변성시켜 실질적으로 제거한다. 여기에서, 반응기(14A)에 있어서 과잉으로 첨가된 산소를 제거하기 위하여, 반응기(14B)의 입구부에, 일산화탄소 공급기(16)를 통해서 예를 들어, 산소와의 반응 당량의 약 1.05배의 일산화탄소가 첨가된다. 즉, 반응기(14B)에 대해서 일산화탄소가 과잉으로 첨가된다. 반응기(14B)에는, 산소와 일산화탄소의 반응을 촉진시키는 촉매가 충전되어 있다. 그러한 촉매로서는, 귀금속 촉매, 예를 들어, 알루미나에 담지된 팔라듐 촉매나 루테늄 촉매를 채용할 수 있다. 반응기(14B)에서는, 산소와 일산화탄소가 반응해서 이산화탄소가 된다. 그 결과, 과잉의 산소는 이산화탄소로 되고, 반응기(14B)를 거친 가스는, 일산화탄소나 질소와 함께 예를 들어 후술하는 제올라이트가 충전된 흡착탑을 이용해서 행하는 압력 변동 흡착법에 의해 제거되기 쉬운 것으로 된다. 그 다음에, 반응기(14B)을 거친 가스는, 냉각기(18)에 있어서 상온까지 냉각된다. 그 다음에, 냉각기(18)를 거친 가스에는, 후술하는 가스 라인(46)을 통해서 PSA 장치(2)로부터의 오프 가스(후술)의 일부가 리사이클 혼합된다.The gas that has passed through the reactor 14A is cooled to about 150°C or less in the cooler 17, and is introduced into the reactor 14B. The reactor 14B denatures oxygen in the gas introduced into the reactor 14B by a catalytic reaction to substantially remove it. Here, in order to remove excess oxygen added in the reactor 14A, the inlet of the reactor 14B, through the carbon monoxide supply unit 16, for example, about 1.05 times the equivalent of the reaction with oxygen carbon monoxide. Is added. That is, carbon monoxide is added in excess to the reactor 14B. The reactor 14B is filled with a catalyst for accelerating the reaction of oxygen and carbon monoxide. As such a catalyst, a noble metal catalyst, for example, a palladium catalyst supported on alumina or a ruthenium catalyst can be employed. In the reactor 14B, oxygen and carbon monoxide react to form carbon dioxide. As a result, excess oxygen becomes carbon dioxide, and the gas passing through the reactor 14B is easily removed by a pressure swing adsorption method carried out using an adsorption tower filled with, for example, zeolite to be described later together with carbon monoxide or nitrogen. Then, the gas that has passed through the reactor 14B is cooled to room temperature in the cooler 18. Then, a part of the off-gas (to be described later) from the PSA device 2 is recycled and mixed with the gas that has passed through the cooler 18 through a gas line 46 to be described later.

PSA 장치(2)는, 도 1 및 도 2에 도시한 바와 같이, 예를 들어, 흡착탑(20A, 20B, 20C)과, 가스 압축기(21)와, 냉각기(22)와, 배수 탱크(23)와, 가스 유로를 이루는 라인(41) 내지 (47)을 포함하고, 전처리 유닛(1)으로부터의 가스에 주성분으로서 함유되는 아르곤을 압력 변동 흡착법(PSA법)으로 연속적으로 농축 정제시킨다.As shown in Figs. 1 and 2, the PSA device 2 includes, for example, adsorption towers 20A, 20B, and 20C, a gas compressor 21, a cooler 22, and a drain tank 23. And, argon contained as a main component in the gas from the pretreatment unit 1 including lines 41 to 47 constituting a gas flow path is continuously concentrated and purified by a pressure swing adsorption method (PSA method).

가스 압축기(21)는, 가스 라인(41)에 설치되어 있다. 가스 압축기(21)는, 전처리 유닛(1)을 거친 가스를 흡착탑(20A, 20B, 20C)을 향해서 보낸다. 해당 전처리 유닛(1)을 거친 가스는, 가스 압축기(21)에 의해 예를 들어 약 850㎪G까지 압축시켜서, 압축 열을 냉각기(22)에서 냉각 제거한다. 이어서, 배수 탱크(23)에서 수분을 배출하고, 가스를 상온으로 한다.The gas compressor 21 is installed in the gas line 41. The gas compressor 21 sends the gas that has passed through the pretreatment unit 1 toward the adsorption towers 20A, 20B, and 20C. The gas that has passed through the pretreatment unit 1 is compressed by the gas compressor 21 to, for example, about 850 kPaG, and the heat of compression is cooled and removed by the cooler 22. Subsequently, water is discharged from the drainage tank 23, and the gas is brought to room temperature.

이와 같이 배수 탱크(23)를 거처서 PSA법에 제공되는 가스(혼합 가스)는, 주성분인 아르곤 이외에, 이산화탄소, 일산화탄소, 질소 등이 불순물로서 함유된다. 혼합 가스의 조성의 일례를 제시하면, 아르곤이 99.5몰%, 이산화탄소가 0.3몰%, 일산화탄소가 0.02몰%, 질소가 0.18몰%이다.In this way, the gas (mixed gas) provided to the PSA method via the drainage tank 23 contains carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, and the like as impurities in addition to argon as a main component. An example of the composition of the gas mixture is 99.5 mol% of argon, 0.3 mol% of carbon dioxide, 0.02 mol% of carbon monoxide, and 0.18 mol% of nitrogen.

흡착탑(20A, 20B, 20C)의 각각은, 양 단부에 가스 통과구(201, 202)를 가지고, 가스 통과구(201, 202)의 사이에 있어서, 혼합 가스에 함유되는 불순물(이산화탄소, 일산화탄소, 질소)을 선택적으로 흡착하기 위한 흡착제가 충전되어 있다. 그러한 흡착제로서는, 예를 들어, 제올라이트, 카본 분자체, 알루미나 등을 들 수 있고, 이들은 단독으로 사용해도 복수 종을 병용해도 된다. 흡착탑(20A, 20B, 20C) 내에 충전되는 흡착제의 종류나 수에 대해서는, 흡착탑(20A, 20B, 20C)에서 제거해야 할 불순물의 종류 및 양에 따라서 결정한다.Each of the adsorption towers 20A, 20B, and 20C has gas passage ports 201 and 202 at both ends, and between the gas passage ports 201 and 202, impurities contained in the mixed gas (carbon dioxide, carbon monoxide, It is filled with an adsorbent for selectively adsorbing nitrogen). Examples of such an adsorbent include zeolite, carbon molecular sieve, alumina, and the like, and these may be used alone or in combination of multiple types. The type and number of adsorbents to be filled in the adsorption towers 20A, 20B, and 20C are determined according to the type and amount of impurities to be removed in the adsorption towers 20A, 20B, and 20C.

가스 라인(41)은, 혼합 가스를 흡착탑(20A, 20B, 20C)에 공급하기 위하여, 주간로(41') 및 흡착탑(20A 내지 20C)의 각 가스 통과구(201) 측에 각각이 접속된 분기로(41A, 41B, 41C)를 갖는다. 분기로(41A 내지 41C)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태를 전환하기 위한 자동밸브(41a, 4lb, 41c)가 설치되어 있다.The gas line 41 is connected to each of the gas passage openings 201 of the main path 41' and the adsorption towers 20A to 20C in order to supply the mixed gas to the adsorption towers 20A, 20B, and 20C. It has branch paths 41A, 41B, and 41C. In the branch paths 41A to 41C, automatic valves 41a, 4lb, and 41c for switching between an open state and a closed state are provided.

가스 라인(42)은, 각 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터 도출되는 제품 가스(아르곤이 부화된 가스)의 유로이며, 주간로(42') 및 흡착탑(20A 내지 20C)의 각 가스 통과구(202) 측에 각각이 접속된 분기로(42A, 42B, 42C)를 갖는다. 분기로 42A 내지 42C에는, 개방 상태와 폐쇄 상태를 전환하기 위한 자동밸브(42a, 42b, 42c)가 설치되어 있다.The gas line 42 is a flow path for a product gas (a gas enriched with argon) drawn from each of the adsorption towers 20A to 20C, and each gas passage port 202 of the main path 42' and the adsorption towers 20A to 20C. It has branch paths 42A, 42B, and 42C each connected to the) side. In the branch passages 42A to 42C, automatic valves 42a, 42b, and 42c for switching between an open state and a closed state are provided.

가스 라인(43)은, 가스 라인(42)(주간로(42'))을 통류하는 제품 가스의 일부를 흡착탑(20A 내지 20C)에 공급하기 위하여, 가스 라인(42)의 주간로(42')에 접속된 주간로(43'), 및 흡착탑(20A 내지 20C)의 각 가스 통과구(202) 측에 각각이 접속된 분기로(43A, 43B, 43C)를 갖는다. 주간로(43')에는, 유량조정밸브(431)가 설치되어 있다. 분기로(43A 내지 43C)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태를 전환하기 위한 자동밸브(43a, 43b, 43c)가 설치되어 있다.The gas line 43 supplies a part of the product gas flowing through the gas line 42 (main path 42 ′) to the adsorption towers 20A to 20C, so that the main path 42 ′ of the gas line 42 ), and branch furnaces 43A, 43B and 43C each connected to each of the gas passage ports 202 of the adsorption towers 20A to 20C. In the main passage 43', a flow rate adjustment valve 431 is provided. In the branch passages 43A to 43C, automatic valves 43a, 43b, and 43c for switching between an open state and a closed state are provided.

가스 라인(44)은, 흡착탑(20A 내지 20C)의 어느쪽인가 2개를 서로 접속하기 위해서, 가스 라인(43)의 주간로(43')에 접속된 주간로(44'), 및 흡착탑(20A 내지 20C)의 각 가스 통과구(202) 측에 각각이 접속된 분기로(44A, 44B, 44C)를 갖는다. 주간로(44')에는, 유량조정밸브(441)가 설치되어 있다. 분기로(44A 내지 44C)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태를 전환하기 위한 자동밸브(44a, 44b, 44c)이 설치되어 있다.The gas line 44 is a main passage 44' connected to the main passage 43' of the gas line 43 in order to connect either two of the adsorption towers 20A to 20C to each other, and the adsorption tower ( 20A to 20C) have branch paths 44A, 44B, and 44C each connected to each gas passage port 202 side. In the main path 44', a flow rate adjustment valve 441 is provided. The branch paths 44A to 44C are provided with automatic valves 44a, 44b, 44c for switching between an open state and a closed state.

가스 라인(45)은, 각 흡착탑(20A 내지 20C)의 가스 통과구(201)로부터 도출되는 가스(오프 가스)를 가스 홀더(3)에 도입하기 위하여, 가스 홀더(3)에 접속된 주간로(45'), 및 흡착탑(20A 내지 20C)의 각 가스 통과구(201) 측에 각각이 접속된 분기로(45A, 45B, 45C)를 갖는다. 분기로(45A 내지 45C)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태를 전환하기 위한 자동밸브(45a, 45b, 45c)가 설치되어 있다. 주간로(45')에는, 개방 상태와 폐쇄 상태를 전환하기 위한 자동밸브(451)가 설치되어 있다.The gas line 45 is a main path connected to the gas holder 3 in order to introduce gas (off gas) derived from the gas passage port 201 of each adsorption tower 20A to 20C into the gas holder 3. (45') and branch paths 45A, 45B, and 45C each connected to each of the gas passage ports 201 of the adsorption towers 20A to 20C. In the branch paths 45A to 45C, automatic valves 45a, 45b, and 45c for switching between an open state and a closed state are provided. In the main path 45', an automatic valve 451 for switching between an open state and a closed state is provided.

가스 라인(46)은, 가스 홀더(3)로부터 도출되는 오프 가스의 유로이며, 일단부가 가스 홀더(3)에 접속되어 있다. 가스 라인(46)의 타단부는 가스 라인(41)의 도중인, 냉각기(18)와 가스 압축기(21) 사이에 접속되어 있다. 즉, 가스 라인(46)은, 가스 라인(41)에 있어서의 전처리 유닛(1)의 후단에 대하여 연결되어 있다.The gas line 46 is a flow path for off-gas drawn out from the gas holder 3, and one end is connected to the gas holder 3. The other end of the gas line 46 is connected between the cooler 18 and the gas compressor 21 in the middle of the gas line 41. That is, the gas line 46 is connected to the rear end of the pretreatment unit 1 in the gas line 41.

가스 라인(47)은, 각 흡착탑(20A 내지 20C)의 가스 통과구(201)로부터 도출되는 가스(오프 가스)를 계 밖으로 배출하기 위하여 설치되어 있다. 가스 라인(47)에는, 개방 상태와 폐쇄 상태를 전환하기 위한 자동밸브(471)가 설치되어 있다.The gas line 47 is provided for discharging the gas (off gas) that is drawn out from the gas passage port 201 of each of the adsorption towers 20A to 20C. The gas line 47 is provided with an automatic valve 471 for switching between an open state and a closed state.

가스 홀더(3)는, 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터의 가스(오프 가스)를 수용하기 위한 것이고, 그 용량은 가변이다. 본 실시형태에 있어서, 도 3에 도시한 바와 같이, 가스 홀더(3)는, 피스톤식이며, 본체부(31)와 다이어프램(32)과 피스톤(33)을 포함한다.The gas holder 3 is for receiving gas (off gas) from the adsorption towers 20A to 20C, and its capacity is variable. In this embodiment, as shown in FIG. 3, the gas holder 3 is a piston type, and includes a main body 31, a diaphragm 32, and a piston 33.

본체부(31)는, 예를 들면, 철 혹은 스테인레스 등의 금속제 원통 용기이다. 본체부(31)는, 하부체(311) 및 상부체(312)를 갖고, 상하로 분리 가능함과 동시에, 하부체(311) 및 상부체(312)의 각각의 플랜지끼리를 볼트(313)에 의해 접합함으로써 일체로 짜맞추어진다. 하부체(311)의 적소에는, 가스 도입구(314) 및 가스 도출구(315)가 설치되어 있다. 가스 도입구(314)에는, 가스 라인(45)의 주간로(45')가 접속되어 있고, 가스 도출구(315)에는 가스 라인(46)이 접속되어 있다.The body part 31 is a metal cylindrical container, such as iron or stainless steel, for example. The main body 31 has a lower body 311 and an upper body 312, and can be separated up and down, and flanges of the lower body 311 and the upper body 312 are connected to the bolt 313 By joining together, they are integrated together. A gas inlet 314 and a gas outlet 315 are provided in appropriate places of the lower body 311. A main path 45' of the gas line 45 is connected to the gas inlet 314, and a gas line 46 is connected to the gas outlet 315.

다이어프램(32)은, 섬유로 보강된 합성 고무에 의해 성형된 일련의 막체(膜體)이다. 다이어프램(32)은, 원환 형상의 날밑부(321)와, 날밑부(321)의 내주 가장자리에 일단부 측이 연결되어서 연장되는 원통 형상부(322)와, 원통 형상부(322)의 타단부 측을 가로막는 바닥부(323)를 갖는다. 다이어프램(32)은, 날밑부(321)가 하부체(311) 및 상부체(312)의 플랜지 간에 밀봉 상태로 끼워져 있던 상태에서 본체부(31)의 내부에 수용되어 있다. 다이어프램(32)은, 차단부로서의 기능을 지니고 있어, 하부체(311)(본체부(31))와의 사이의 가스 밀봉 상태를 유지한 채 상하로 변위 가능하게 되어 있다. 그리고, 다이어프램(32)과 하부체(311)(본체부(31))로 구획된 영역은, 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터의 가스(오프 가스)를 수용하기 위한 가스 수용부(34)로 된다.The diaphragm 32 is a series of membrane bodies molded from synthetic rubber reinforced with fibers. The diaphragm 32 has an annular blade bottom 321, a cylindrical portion 322 extending by connecting one end side to an inner peripheral edge of the blade bottom 321, and the other end of the cylindrical portion 322 It has a bottom portion 323 that blocks the side. The diaphragm 32 is accommodated inside the main body 31 in a state in which the blade bottom 321 is fitted between the flanges of the lower body 311 and the upper body 312 in a sealed state. The diaphragm 32 has a function as a blocking portion, and is capable of being displaced vertically while maintaining a gas-sealed state between the lower body 311 (the main body 31). And, the area divided by the diaphragm 32 and the lower body 311 (the main body 31) becomes a gas receiving part 34 for receiving gas (off gas) from the adsorption towers 20A to 20C. .

피스톤(33)은, 예를 들어 철 혹은 스테인레스 등의 금속제이며, 다이어프램(32)의 원통 형상부(322)의 내측에 배치되어 있다. 피스톤(33)은, 상하 방향으로 연장되는 원통 형상의 피스톤 통부(331)와, 피스톤 통부(331)의 하단부에 연결되는 피스톤 바닥부(332)를 갖는다. 피스톤(33)은, 피스톤 바닥부(332)가 다이어프램(32)의 바닥부(323)에 대해서 위치맞춤된 상태에서, 다이어프램(32)에 지지되어 있다.The piston 33 is made of metal, such as iron or stainless steel, and is disposed inside the cylindrical portion 322 of the diaphragm 32. The piston 33 has a cylindrical piston cylinder portion 331 extending in the vertical direction, and a piston bottom portion 332 connected to a lower end of the piston cylinder portion 331. The piston 33 is supported by the diaphragm 32 in a state in which the piston bottom portion 332 is aligned with the bottom portion 323 of the diaphragm 32.

피스톤 통부(331)의 상단 근방에는, 설치 도구(334)를 개재해서 가이드 롤러(335)가 설치되어 있다. 가이드 롤러(335)는 적어도 3개 설치되어 있고, 이들 가이드 롤러(335)는, 피스톤 통부(331)에 있어서의 둘레방향의 다른 위치에 배치되어 있다. 가이드 롤러(335)는, 바람직하게는, 피스톤 통부(331)의 둘레방향에 있어서 일정 간격을 개재해서 배치된다. 각 가이드 롤러(335)는, 상부체(312)의 내주면에 접촉하는 동시에 수평축 둘레에 회전 가능하게 되어 있다. 피스톤 통부(331)의 외경 치수는, 예를 들어, 약 1000㎜이다. 피스톤 통부(331)의 외주면과 상부체(312)의 내주면 사이의 간극은, 예를 들어, 50 내지 200㎜로 하고, 바람직하게는 60 내지 150㎜로 한다. 상세는 후술하지만, 다이어프램(32) 및 이 다이어프램(32)에 지지된 피스톤(33)은 가이드 롤러(335)에 의해 대략 일정 자세를 유지하면서, 상하 이동한다.In the vicinity of the upper end of the piston cylinder 331, a guide roller 335 is provided through an installation tool 334. At least three guide rollers 335 are provided, and these guide rollers 335 are disposed at different positions in the circumferential direction in the piston cylinder portion 331. The guide rollers 335 are preferably arranged in the circumferential direction of the piston cylinder portion 331 via a predetermined interval. Each guide roller 335 contacts the inner peripheral surface of the upper body 312 and is rotatable around a horizontal axis. The outer diameter dimension of the piston cylinder part 331 is about 1000 mm, for example. The gap between the outer peripheral surface of the piston cylinder portion 331 and the inner peripheral surface of the upper body 312 is, for example, 50 to 200 mm, and preferably 60 to 150 mm. Although described in detail later, the diaphragm 32 and the piston 33 supported by the diaphragm 32 move up and down while maintaining a substantially constant posture by the guide roller 335.

상세는 후술하지만, 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터의 가스(오프 가스)가 가스 도입구(314)를 개재해서 가스 수용부(34)(가스 홀더(3) 내)에 도입되면, 가스 수용부(34)의 가스량이 변화(증가)하고, 그 가스량의 변화에 따라서, 피스톤(33)은 다이어프램(32)에 지지된 채 상승한다. 가스 수용부(34)의 압력(내압)은, 피스톤(33)의 중량에 따라서 결정되고, 가장 낮은 압력에서는 1㎪G 이하(G는 게이지압을 의미함. 이하 동일)까지로 설정할 수 있다. 또한, 다이어프램(32)의 표면 측에는, 피스톤(33)의 중량 이외에는, 대기압이 작용하도록, 본체부(31)의 예를 들어 상부체(312)에는 공기 도입 구멍(도시 생략)이 형성되어 있다.Details will be described later, but when gas (off gas) from the adsorption towers 20A to 20C is introduced into the gas receiving portion 34 (in the gas holder 3) through the gas inlet 314, the gas receiving portion ( The gas amount of 34) changes (increases), and according to the change of the gas amount, the piston 33 rises while being supported by the diaphragm 32. The pressure (internal pressure) of the gas receiving portion 34 is determined according to the weight of the piston 33, and at the lowest pressure, it can be set to 1 kPaG or less (G means a gauge pressure, hereinafter the same). Further, on the surface side of the diaphragm 32, an air introduction hole (not shown) is formed in, for example, the upper body 312 of the main body 31 so that atmospheric pressure other than the weight of the piston 33 acts.

본 실시형태에 있어서는, 이상과 같은 구성을 갖는 아르곤 정제 장치(X)를 이용해서 본 발명에 따른 아르곤 정제 방법을 실행할 수 있다. 전처리 유닛(1)에서는, 송풍기(12)가 가동해서 가스가 승압된다. 그리고, 반응기(14A, 14B)를 순차 경유해서, 혼합 가스가 PSA 장치(2)(흡착탑(20A, 20B, 20C))에 공급된다.In this embodiment, the argon purification method according to the present invention can be carried out using the argon purification apparatus X having the above configuration. In the pretreatment unit 1, the blower 12 is operated and gas is boosted. Then, the mixed gas is supplied to the PSA apparatus 2 (adsorption towers 20A, 20B, 20C) through the reactors 14A and 14B in sequence.

PSA 장치(2)의 가동 시에 있어서, 자동밸브(41a 내지 41c), (42a 내지 42c), (43a 내지 43c), (44a 내지 44c), (45a 내지 45c), (451), (471) 및 유량제어밸브(431, 441)를 적절하게 전환시킴으로써, 장치 내에 있어서 소망의 가스 흐름 상태를 실현하고, 이하의 스텝 1 내지 12로 이루어진 1사이클을 반복할 수 있다. 본 방법의 1사이클에 있어서는, 흡착탑(20A, 20B, 20C)의 각각에서, 흡착 공정, 병류 감압 공정, 균압(감압) 공정, 향류 감압 공정, 세정(제1세정) 공정, 세정(제2세정) 공정, 균압(승압) 공정 및 승압 공정이 행해진다. 본 실시형태에서는, 각 흡착탑(20A 내지 20C)의 내부에 있어서, 하부에는 흡착제로서의 알루미나가, 상부에는 흡착제로서의 LiX형 제올라이트가, 적층 충전되어 있다. 도 4 및 도 5는, 스텝 1 내지 12에 있어서의 PSA 장치(2)에서 가스의 흐름 상태를 모식적으로 표시한 것이다.When the PSA device 2 is operated, automatic valves 41a to 41c, 42a to 42c, 43a to 43c, 44a to 44c, 45a to 45c, 451, 471 And by appropriately switching the flow rate control valves 431 and 441, a desired gas flow state in the device is realized, and one cycle consisting of the following steps 1 to 12 can be repeated. In one cycle of this method, in each of the adsorption towers 20A, 20B, and 20C, an adsorption process, a co-current decompression process, a pressure equalization (reduction) process, a countercurrent decompression process, a washing (first washing) process, and a washing (second washing) ) Process, a pressure equalization (pressure increase) process, and a pressure increase process are performed. In the present embodiment, in the interior of each of the adsorption towers 20A to 20C, alumina as an adsorbent is stacked and filled with alumina as an adsorbent in the lower part and LiX zeolite as an adsorbent in the upper part. 4 and 5 schematically show a gas flow state in the PSA device 2 in steps 1 to 12.

스텝 1에서는, 도 4(a)에 도시한 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(20A)에서 흡착 공정이, 흡착탑(20B)에서 세정(제1세정) 공정이, 흡착탑(20C)에서 병류 감압 공정이 행해진다. 스텝 1의 각 공정의 조작 시간은, 예를 들어, 60초로 된다.In step 1, the gas flow state as shown in Fig. 4(a) is achieved, so that the adsorption process in the adsorption tower 20A, the washing (first cleaning) process in the adsorption tower 20B, and the adsorption tower 20C flow together. A decompression process is performed. The operation time of each step of Step 1 is, for example, 60 seconds.

도 2 및 도 4(a)를 아울러서 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 스텝 1에서는, 가스(혼합 가스)가, 가스 라인(41)을 개재해서 흡착탑(20A)의 가스 통과구(201) 측에 도입된다. 흡착 공정에 있는 흡착탑(20A) 내는 소정의 고압 상태로 유지되어 있고, 혼합 가스 중의 불순물(이산화탄소, 일산화탄소, 질소 등)이 흡착탑(20A) 내의 흡착제에 흡착되고, 또한, 흡착탑(20A)의 가스 통과구(202) 측에서 아르곤 가스 농도가 높은 제품 가스(아르곤 부화 가스)가 도출된다. 이 제품 가스는, 가스 라인(42)을 개재해서 장치 밖으로 회수된다. 흡착탑(20A)의 내부 압력(흡착 압력)은, 예를 들어, 800㎪G 정도이다.As can be understood by referring to Figs. 2 and 4(a) together, in Step 1, the gas (mixed gas) passes through the gas line 41 to the gas passage port 201 of the adsorption tower 20A. Is introduced on the side. The inside of the adsorption tower 20A in the adsorption process is maintained at a predetermined high pressure, and impurities (carbon dioxide, carbon monoxide, nitrogen, etc.) in the mixed gas are adsorbed by the adsorbent in the adsorption tower 20A, and the gas passes through the adsorption tower 20A. The product gas (argon enriched gas) having a high argon gas concentration is derived from the sphere 202 side. This product gas is recovered outside the apparatus via the gas line 42. The internal pressure (adsorption pressure) of the adsorption tower 20A is, for example, about 800 kPaG.

이것과 함께, 흡착탑(20C)의 가스 통과구(202)로부터 도출된 흡착탑(20C) 내의 가스(세정 가스)가 가스 라인(44)을 개재해서 흡착탑(20B)의 가스 통과구(202) 측에 도입되어, 흡착탑(20B)의 내부를 세정하면서 탑 내에 잔류하는 가스가 가스 통과구(201) 측에서 오프 가스로서 도출된다. 한편, 병류 감압 공정에서는, 도 2, 도 4(a)로부터 이해되는 바와 같이, 흡착탑(20C) 내의 가스는 가스 통과구(202)로부터 가스가 도출되고 있고, 흡착 공정에 있는 흡착탑(20A) 내의 가스가 도출되는 것과 동일 방향의 가스 흐름(병류)으로 가스가 도출된다.Along with this, the gas (cleaning gas) in the adsorption tower 20C led out from the gas passage port 202 of the adsorption tower 20C passes through the gas line 44 to the gas passage port 202 side of the adsorption tower 20B. After being introduced, the gas remaining in the tower while washing the inside of the adsorption tower 20B is led out as off-gas from the gas passage port 201 side. On the other hand, in the co-current decompression step, as understood from Figs. 2 and 4 (a), the gas in the adsorption tower 20C is extracted from the gas passage port 202, and the gas in the adsorption tower 20A in the adsorption step Gas is drawn out in the same direction as the gas is drawn out (cocurrent).

여기에서, 흡착탑(20B)의 가스 통과구(201) 측에서 도출되는 가스(오프 가스)는, 나중의 스텝 2의 세정(제2세정) 공정에 비해서, 불순물 농도가 상대적으로 낮으므로, 가스 라인(45)을 개재해서 가스 홀더(3)에 도입된다.Here, the gas (off gas) drawn out from the gas passage port 201 side of the adsorption tower 20B has a relatively low impurity concentration compared to the cleaning (second cleaning) step of the later step 2, and thus the gas line It is introduced into the gas holder 3 via 45.

스텝 1에서는, 또한 가스 홀더(3)에 있어서, 가스량이 증가함에 따라서, 다이어프램(32)이 상승하면서, 내부의 오프 가스를 가스 라인(46)에 도출해간다. 그리고, 가스 라인(46)을 흐르는 가스는, 해당 가스 라인(46)에 연결되는 가스 라인(41)으로 흘러 들어가, 혼합 가스에 합류되어 리사이클된다.In step 1, further, in the gas holder 3, as the gas amount increases, the diaphragm 32 rises, and the off-gas inside is led out to the gas line 46. Then, the gas flowing through the gas line 46 flows into the gas line 41 connected to the gas line 46, joins the mixed gas, and is recycled.

스텝 2에서는, 도 4(b)에 도시한 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(20A)에서 계속해서 흡착 공정이, 흡착탑(20B)에서 세정(제2세정) 공정이, 흡착탑(20C)에서 계속해서 병류 감압 공정이 행해진다. 스텝 2의 각 공정의 조작 시간은, 예를 들어, 55초로 된다.In step 2, the gas flow state as shown in Fig. 4(b) is achieved, so that the adsorption process continues in the adsorption tower 20A, the cleaning (second cleaning) process in the adsorption tower 20B, and the adsorption tower 20C. Subsequently, a co-current decompression step is performed. The operation time of each step of Step 2 is, for example, 55 seconds.

도 2및 도 4(b)를 아울러서 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 스텝 2에서는, 스텝 1로부터 계속해서, 혼합 가스가 가스 라인(41)을 개재해서 흡착탑(20A)의 가스 통과구(201) 측에 도입되어서, 흡착탑(20A)으로부터 제품 가스가 도출된다. 제품 가스는 스텝 1과 마찬가지로 해서 회수된다. 이것과 함께, 스텝 2에서는, 스텝 1로부터 계속해서, 흡착탑(20C)의 가스 통과구(202)로부터 도출된 흡착탑(20C) 내의 가스(세정 가스)가 가스 라인(44)을 개재해서 흡착탑(20B)의 가스 통과구(202) 측에 도입되어, 흡착탑(20B)의 내부를 세정하면서 탑 내에 잔류하는 가스가 가스 통과구(201) 측에서 오프 가스로서 도출된다.As can be understood by referring to Figs. 2 and 4(b) together, in Step 2, continuing from Step 1, the mixed gas is passed through the gas line 41 and the gas passage port of the adsorption tower 20A ( It is introduced to the 201) side, and product gas is extracted from the adsorption tower 20A. Product gas is recovered in the same manner as in Step 1. Along with this, in Step 2, from Step 1, the gas (cleaning gas) in the adsorption tower 20C drawn out from the gas passage port 202 of the adsorption tower 20C passes through the gas line 44 to the adsorption tower 20B. ) Is introduced into the gas passage port 202 side, and the gas remaining in the tower while cleaning the inside of the adsorption tower 20B is led out as off-gas from the gas passage port 201 side.

여기에서, 스텝 2에 있어서 흡착탑(20B)으로부터 도출되는 가스(오프 가스)는, 스텝 1에 있어서 흡착탑(20B)으로부터 도출되는 가스(오프 가스)에 비해서, 불순물 농도가 상대적으로 높으므로, 가스 라인(47)을 개재해서 계 밖으로 배출된다.Here, the gas (off-gas) derived from the adsorption tower 20B in step 2 has a relatively high impurity concentration compared to the gas (off-gas) derived from the adsorption tower 20B in step 1, so the gas line It is discharged out of the system through (47).

스텝 2에서는 또한, 가스 홀더(3)에 있어서, 내부의 오프 가스 가스 라인(46)으로의 도출을 계속한다. 그리고, 가스 라인(46)을 흐르는 가스는 가스 라인(41)으로 흘러 들어가, 혼합 가스에 합류되어 리사이클된다. 또한, 스텝 2에서는, 가스 홀더(3)를 향해서 가스의 도입은 되지 않으므로, 가스 홀더(3) 내의 가스량은 감소한다.In step 2, further, in the gas holder 3, the derivation to the internal off-gas gas line 46 is continued. Then, the gas flowing through the gas line 46 flows into the gas line 41, joins the mixed gas, and is recycled. In addition, in step 2, since gas is not introduced toward the gas holder 3, the amount of gas in the gas holder 3 decreases.

스텝 3에서는, 도 4(c)에 도시한 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(20A)에서 계속해서 흡착 공정이, 흡착탑(20B)에서 균압(승압) 공정이, 흡착탑(20C)에서 균압(감압) 공정이 행해진다. 스텝 3의 각 공정의 조작 시간은, 예를 들어, 15초로 된다.In step 3, the gas flow state as shown in Fig. 4(c) is achieved, and the adsorption process continues in the adsorption tower 20A, the pressure equalization (boost) process in the adsorption tower 20B, and the pressure equalization in the adsorption tower 20C. The (pressure reduction) process is performed. The operation time of each step of Step 3 is, for example, 15 seconds.

도 2및 도 4(c)을 아울러서 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 스텝 3에서는, 스텝 2로부터 계속해서, 혼합 가스가 가스 라인(41)을 개재해서 흡착탑(20A)의 가스 통과구(201) 측에 도입되어서, 흡착탑(20A)으로부터 제품 가스가 도출된다. 제품 가스는 스텝 1과 마찬가지로 해서 회수된다. 이것과 함께, 스텝 3에서는, 흡착탑(20C)의 가스 통과구(202)로부터 도출된 흡착탑(20C) 내의 불순물 농도가 상대적으로 낮은 가스가 가스 라인(44)을 개재해서 흡착탑(20B)의 가스 통과구(202) 측에 도입된다.As can be understood by referring to Figs. 2 and 4(c) together, in Step 3, from Step 2, the mixed gas is passed through the gas line 41 and the gas passage port of the adsorption tower 20A ( It is introduced to the 201) side, and product gas is extracted from the adsorption tower 20A. Product gas is recovered in the same manner as in Step 1. Along with this, in step 3, a gas having a relatively low impurity concentration in the adsorption tower 20C, which is extracted from the gas passage port 202 of the adsorption tower 20C, passes through the gas line 44 through the adsorption tower 20B. It is introduced on the sphere 202 side.

스텝 3에서는 또한, 가스 홀더(3)에 있어서, 내부의 오프 가스를 가스 라인(46)에 도출해간다. 그리고, 가스 라인(46)을 흐르는 가스는 가스 라인(41)에 흘러 들어가, 혼합 가스에 합류되어 리사이클된다. 또, 스텝 3에서는, 가스 홀더(3)를 향해서 가스의 도입은 되지 않으므로, 가스 홀더(3) 내의 가스량은 계속해서 감소한다.In step 3, in the gas holder 3, the internal off-gas is led out to the gas line 46. Then, the gas flowing through the gas line 46 flows into the gas line 41, joins the mixed gas, and is recycled. In addition, in step 3, since gas is not introduced toward the gas holder 3, the amount of gas in the gas holder 3 continues to decrease.

스텝 4에서는, 도 4(d)에 도시한 바와 같은 가스 흐름 상태가 달성되어서, 흡착탑(20A)에서 계속해서 흡착 공정이, 흡착탑(20B)에서 승압 공정이, 흡착탑(10C)에서 향류 감압 공정이 행해진다. 스텝 4의 각 공정의 조작 시간은, 예를 들어, 70초로 된다.In step 4, the gas flow state as shown in Fig. 4(d) is achieved, so that the adsorption process continues in the adsorption tower 20A, the pressure increase process in the adsorption tower 20B, and the countercurrent decompression process in the adsorption tower 10C is performed. Done. The operation time of each step of Step 4 is, for example, 70 seconds.

도 2 및 도 4(d)를 아울러서 참조하면 잘 이해될 수 있는 바와 같이, 스텝 4에서는, 스텝 3로부터 계속해서, 혼합 가스가 가스 라인(41)을 개재해서 흡착탑(20A)의 가스 통과구(201) 측에 도입되어서, 흡착탑(20A)으로부터 제품 가스가 도출된다. 제품 가스는, 스텝 1 내지 3과 마찬가지로 해서 회수되지만, 그 일부가 가스 라인(43)을 개재해서 흡착탑(20B)에 도입되어, 흡착탑(20B)의 승압이 행해진다. 흡착탑(20C)에 대해서는, 향류방향으로 감압시킴으로써 흡착제로부터 불순물이 탈착되어, 흡착탑(20C)의 가스 통과구(201) 측에서 탑 내의 가스(오프 가스)가 도출된다. 또, 향류 감압 공정에서는, 도 2 및 도 4(d)로부터 이해되는 바와 같이, 흡착탑(20C) 내의 가스는 가스 통과구(201)로부터 도출되어 있고, 흡착 공정에 있는 흡착탑(20A) 내의 가스가 도출되는 것과 역방향의 가스 흐름(향류)로 가스가 도출된다.As can be understood by referring to Figs. 2 and 4(d) together, in Step 4, continuing from Step 3, the mixed gas passes through the gas line 41 and the gas passage port of the adsorption tower 20A ( It is introduced to the 201) side, and product gas is extracted from the adsorption tower 20A. The product gas is recovered in the same manner as in Steps 1 to 3, but a part thereof is introduced into the adsorption tower 20B via the gas line 43, and the pressure of the adsorption tower 20B is increased. In the adsorption tower 20C, impurities are desorbed from the adsorbent by decompressing in the countercurrent direction, and gas (off gas) in the tower is drawn out from the gas passage port 201 side of the adsorption tower 20C. In the countercurrent decompression process, as understood from Figs. 2 and 4(d), the gas in the adsorption tower 20C is extracted from the gas passage port 201, and the gas in the adsorption tower 20A in the adsorption process is The gas is released in a gas flow (counter-current) in the opposite direction to that that is drawn.

여기서, 흡착탑(20C)은, 스텝 1 내지 3에 있어서 계속해서 감압되고, 스텝 4의 개시 시 흡착탑(20C) 내의 압력은 상당히 낮아지고 있지만, 더욱 대기압 부근까지 감압되면서 흡착탑(20C)의 가스 통과구(201) 측에서 도출된 오프 가스는, 가스 라인(45)을 개재해서 가스 홀더(3)에 도입된다.Here, the adsorption tower 20C is continuously depressurized in Steps 1 to 3, and the pressure in the adsorption tower 20C at the start of Step 4 is considerably lowered, but the pressure in the adsorption tower 20C is further reduced to near atmospheric pressure, The off-gas derived from the 201 side is introduced into the gas holder 3 via the gas line 45.

스텝 4에서는 또한, 가스 홀더(3)에 있어서, 가스량이 증가함에 따라서, 다이어프램(32)이 상승하면서, 내부의 오프 가스를 가스 라인(46)에 도출해간다. 그리고, 가스 라인(46)을 흐르는 가스는 가스 라인(41)에 흘러 들어가, 혼합 가스에 합류되어 리사이클된다.In step 4, further, in the gas holder 3, as the gas amount increases, the diaphragm 32 rises, and the internal off-gas is led out to the gas line 46. Then, the gas flowing through the gas line 46 flows into the gas line 41, joins the mixed gas, and is recycled.

스텝 1 내지 4은, 스텝 1 내지 12에 의해 구성되는 1사이클의 1/3에 상당하고, 그 스텝 1 내지 4의 공정시간은, 합계 200초이다.Steps 1 to 4 correspond to 1/3 of one cycle constituted by Steps 1 to 12, and the process time of Steps 1 to 4 is 200 seconds in total.

스텝 5 내지 8에 있어서는, 도 4(e), (f) 및 도 5(g), (h)에 도시한 바와 같이, 흡착탑(20A)에서는, 스텝 1 내지 4에 있어서의 흡착탑(20C)과 마찬가지로 해서 병류 감압 공정, 균압(감압) 공정, 향류 감압 공정이 행해진다. 흡착탑(20B)에서는, 스텝 1 내지 4에 있어서의 흡착탑(20A)과 마찬가지로 해서 흡착 공정이 행해진다. 흡착탑(20C)에서는, 스텝 1 내지 4에 있어서의 흡착탑(20B)과 마찬가지로 해서 세정(제1세정) 공정, 세정(제2세정) 공정, 균압(승압) 공정, 승압 공정이 행해진다.In steps 5 to 8, as shown in Figs. 4(e) and (f) and Figs. 5(g) and (h), in the adsorption tower 20A, the adsorption tower 20C and the adsorption tower in steps 1 to 4 Similarly, a co-current pressure reduction step, a pressure equalization (pressure reduction) step, and a countercurrent pressure reduction step are performed. In the adsorption tower 20B, the adsorption process is performed in the same manner as in the adsorption tower 20A in steps 1 to 4. In the adsorption tower 20C, a washing (first washing) step, a washing (second washing) step, a pressure equalization (boost) step, and a pressure boosting step are performed in the same manner as in the adsorption tower 20B in steps 1 to 4.

스텝 9 내지 12에 있어서는, 도 5(i) 내지 (l)에 도시한 바와 같이, 흡착탑(20A)에서는, 스텝 1 내지 4에 있어서의 흡착탑(20B)과 마찬가지로 해서 세정(제1세정) 공정, 세정(제2세정) 공정, 균압(승압) 공정, 승압 공정이 행해지고, 흡착탑(20B)에서는, 스텝 1 내지 4에 있어서의 흡착탑(20C)과 마찬가지로 해서 병류 감압 공정, 균압(감압) 공정, 향류 감압 공정이 행해진다. 흡착탑(20C)에서는, 스텝 1 내지 4에 있어서의 흡착탑(20A)와 마찬가지로 해서 흡착 공정이 행해진다.In steps 9 to 12, as shown in Figs. 5(i) to (l), in the adsorption tower 20A, in the same manner as the adsorption tower 20B in steps 1 to 4, a washing (first washing) process, Washing (second cleaning) step, pressure equalization (pressure increase) step, and pressure increase step are performed, and in the adsorption tower 20B, in the same manner as the adsorption tower 20C in steps 1 to 4, a co-current decompression step, a pressure equalization (depressurization) step, and counter flow A decompression process is performed. In the adsorption tower 20C, the adsorption process is performed in the same manner as the adsorption tower 20A in steps 1 to 4.

그리고, 이상에서 설명한 스텝 1 내지 12가 흡착탑(20A 내지 20C)의 각각에 있어서 반복해서 행해짐으로써, 흡착탑(20A 내지 20C) 중 어느 것인가에 혼합 가스가 연속적으로 도입되고, 또한, 아르곤 가스 농도가 높은 제품 가스가 연속적으로 취득된다.And, by repeatedly performing steps 1 to 12 described above in each of the adsorption towers 20A to 20C, the mixed gas is continuously introduced into any of the adsorption towers 20A to 20C, and the argon gas concentration is high. Product gas is continuously acquired.

본 실시형태에 있어서, 도 4 및 도 5에 도시한 조작 공정(스텝 1 내지 12)에 의해, 세정(제1세정) 공정, 향류 감압 공정 중 어느 것인가에 있는, 흡착탑(20A) (20B, 20C)으로부터 가스(오프 가스)가 도출되면, 해당 오프 가스는 가스 라인(45), 가스 도입구(314)를 개재해서 가스 홀더(3)에 도입되면서 가스 도출구(315)로부터 도출된다. 여기에서, 가스 홀더(3)는 용량 가변식이기 때문에, 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터 도출되는 오프 가스 가스량에 따라서, 가스가 흐르는 공간(가스 홀더(3))의 용량이 증감한다.In this embodiment, the adsorption tower 20A (20B, 20C) in either the washing (first washing) step or the countercurrent decompression step by the operation steps (steps 1 to 12) shown in FIGS. 4 and 5 When a gas (off gas) is derived from ), the off gas is introduced into the gas holder 3 through the gas line 45 and the gas inlet 314 and is led out from the gas outlet 315. Here, since the gas holder 3 is of a variable capacity type, the capacity of the space through which the gas flows (gas holder 3) increases or decreases according to the amount of off-gas gas drawn out from the adsorption towers 20A to 20C.

예를 들어, 도 3을 참조하면 이해되는 바와 같이, 가스 홀더(3)에 도입되는 가스량이 많아지면, 가스 홀더(3) 내에 있어서 다이어프램(32)과 하부체(311)(본체부(31))로 둘러싸인 영역(가스 수용부(34))의 내부 압력이 상승하려고 한다. 그렇게 하면, 피스톤(33)의 중량(하중)에 저항해서, 다이어프램(32) 및 다이어프램(32)에 지지된 피스톤(33)이 밀려올라가, 가스가 축적된다. 도 3에 있어서는, 피스톤(33)이 상승한 상태를 가상선으로 표시한다. 한편, 가스 홀더(3)에 도입되는 가스량이 감소하거나 혹은 없어지면, 가스 도출구(315)로부터 가스가 도출되는 것에 의해서 피스톤(33)이 하강한다. 또, 도 3에 있어서, 피스톤(33)이 가장 하위에 있는 실선으로 표시한 상태에서의 가스 수용부(34)의 용적과, 피스톤(33)이 가장 상위에 있는 가상선으로 표시한 상태에서의 가스 수용부(34)의 용적의 차이가, 가스 홀더(3)(가스 수용부(34))에 있어서의 증감가능한 용량이 된다.For example, as will be understood with reference to FIG. 3, when the amount of gas introduced into the gas holder 3 increases, the diaphragm 32 and the lower body 311 (main body 31) The internal pressure of the area surrounded by) (gas receiving portion 34) is about to rise. Then, in response to the weight (load) of the piston 33, the diaphragm 32 and the piston 33 supported by the diaphragm 32 are pushed up, and gas is accumulated. In Fig. 3, the state in which the piston 33 is raised is indicated by a virtual line. On the other hand, when the amount of gas introduced into the gas holder 3 decreases or disappears, the piston 33 descends by the gas being discharged from the gas outlet 315. In Fig. 3, the volume of the gas receiving portion 34 in the state where the piston 33 is indicated by the solid line at the lowest and the volume in the state where the piston 33 is indicated by the virtual line at the highest position. The difference in the volume of the gas receiving portion 34 becomes a capacity that can be increased or decreased in the gas holder 3 (gas receiving portion 34).

이러한 것으로부터 이해되는 바와 같이, 가스 홀더(3)에 있어서는, 다이어프램(32)에 대해서 하향으로 작용하는 피스톤(33)의 하중과, 가스 수용부(34)의 가스의 압력에 의해 다이어프램(32)에 대해서 상향으로 작용하는 힘이 균형을 유지하면서, 가스 홀더(3)(가스 수용부(34))의 용량이 변화된다. 이것에 의해, 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터 도출되는 가스(오프 가스)의 가스량이 변동해도, 해당 오프 가스량에 따라서 가스 홀더(3)의 용량이 증감하고, 가스 홀더(3) 내의 압력이 변화되지 않고 실질적으로 일정하게 유지된다.As is understood from this, in the gas holder 3, the diaphragm 32 is caused by the load of the piston 33 acting downward on the diaphragm 32 and the pressure of the gas in the gas receiving portion 34. The capacity of the gas holder 3 (gas receiving portion 34) is changed while maintaining the balance of the force acting upwardly against the. Accordingly, even if the gas amount of the gas (off gas) drawn out from the adsorption towers 20A to 20C fluctuates, the capacity of the gas holder 3 increases or decreases according to the amount of the off gas, and the pressure in the gas holder 3 does not change. Without and remains substantially constant.

본 실시형태와 달리, 용량 고정식의 가스 탱크에 오프 가스를 축적할 경우에는, 흡착탑으로부터의 오프 가스 가스량의 변동에 의해 가스 탱크 내의 압력이 변동한다. 이 경우, 탈착 조작 시 흡착탑 내를 감압시켜 해당 흡착탑으로부터의 오프 가스 가스량이 많아지면, 가스 탱크 내의 압력이 상승하므로, 탈착 조작 시의 해당 흡착탑에 있어서의 가스압(탈착 압력)을 저하시키기 어렵다. 이것에 대해서, 본 실시형태에서는, 전술한 바와 같이 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터의 오프 가스 가스량이 많아져도 가스 홀더(3) 내의 압력은 실질적으로 일정하게 유지되기 때문에, 탈착 조작 시에 있어서의 흡착탑(20A 내지 20C)의 감압의 속도가 빨라진다고 하는 효과를 얻을 수 있다. 그 결과, 흡착탑(20A 내지 20C)의 감압 재생 효과가 높아지고, 제품 가스의 취득량이 늘어나는 동시에 아르곤 회수율이 높아진다.Unlike the present embodiment, when off-gas is accumulated in a fixed-capacity gas tank, the pressure in the gas tank fluctuates due to fluctuations in the amount of off-gas gas from the adsorption tower. In this case, when the amount of off-gas gas from the adsorption tower is increased by depressurizing the inside of the adsorption tower during the desorption operation, the pressure in the gas tank increases, so it is difficult to lower the gas pressure (desorption pressure) in the adsorption tower during the desorption operation. On the other hand, in the present embodiment, as described above, even when the amount of off-gas from the adsorption towers 20A to 20C increases, the pressure in the gas holder 3 is maintained substantially constant. Therefore, the adsorption tower in the desorption operation The effect of increasing the speed of decompression of (20A to 20C) can be obtained. As a result, the vacuum regeneration effect of the adsorption towers 20A to 20C increases, the amount of product gas obtained increases, and the argon recovery rate increases.

또한, 본 실시형태와 달리, 용량 고정식의 가스 탱크에 오프 가스를 축적할 경우, 내부의 공간 용량이 고정되어 있다. 이 때문에, 흡착탑으로부터의 오프 가스 가스량의 변동에 대해서, 가스 탱크 내의 압력변화를 수반함으로써 흡수된다. 따라서, 용량 고정식 가스 탱크에서는, 가스량의 변동을 적절하게 흡수하기 위해서는, 비교적 큰 공간 용량이 필요해지고, 예를 들어, 흡착탑의 용량의 8.6배 정도의 공간 용량을 필요로 한다. 이것에 대해서, 본 실시형태와 같은 용량 가변식의 가스 홀더(3)에 오프 가스를 축적할 경우, 압력 변화를 수반하지 않고, 변동한 가스량에 따라서 다이어프램(32)(차단부)을 변위시킴으로써, 오프 가스를 수용하는 공간의 용량을 증감시킬 수 있다. 이것에 의해, 가스 홀더(3)에 있어서는, 최대 공간 용량으로서 흡착탑(20A 내지 20C)의 용량의 2.2배 정도 확보해두면 되어, 가스 저장 공간의 낭비를 없앨 수 있다.Further, unlike the present embodiment, when off-gas is accumulated in a fixed-capacity gas tank, the internal space capacity is fixed. For this reason, fluctuations in the amount of off-gas gas from the adsorption tower are absorbed by accompanying pressure changes in the gas tank. Therefore, in the fixed-capacity gas tank, in order to adequately absorb fluctuations in the amount of gas, a relatively large space capacity is required, and, for example, a space capacity of about 8.6 times the capacity of the adsorption tower is required. On the other hand, when off-gas is accumulated in the variable-capacity gas holder 3 as in the present embodiment, the diaphragm 32 (blocking portion) is displaced according to the fluctuating gas amount without a pressure change, It is possible to increase or decrease the capacity of the space accommodating the off-gas. Thereby, in the gas holder 3, it is sufficient to secure about 2.2 times the capacity of the adsorption towers 20A to 20C as the maximum space capacity, thereby eliminating wasted gas storage space.

또한, 전술한 바와 같이 가스 홀더(3) 내의 압력이 실질적으로 일정하게 유지되면, 가스 도출구(315)를 개재해서 도출되는 오프 가스량도 실질적으로 일정해진다. 그리고, 본 실시형태에 있어서, 가스 홀더(3)로부터 도출되는 오프 가스는, 가스 라인(46)을 개재해서 가스 라인(41) 중의 혼합 가스에 첨가되어서 리사이클 된다. 따라서, 이러한 방법은, 오프 가스를 일정 유량으로 안정적으로 리사이클시키는 것이 가능함과 동시에, 아르곤의 회수율을 높일 수 있다.Further, as described above, when the pressure in the gas holder 3 is kept substantially constant, the amount of off-gas that is led out through the gas outlet 315 is also substantially constant. And in the present embodiment, the off gas drawn out from the gas holder 3 is added to the mixed gas in the gas line 41 via the gas line 46 and recycled. Therefore, such a method enables the off gas to be stably recycled at a constant flow rate and increases the argon recovery rate.

PSA법에 의한 가스 분리에 있어서, 세정 공정에 있는 흡착탑(20A, 20B, 20C)으로부터 도출되는 오프 가스 중, 세정 공정의 개시부터 도중까지의 제1세정 공정에 있어서 도출되는 가스(제1가스)와 향류 감압 공정에 있어서 도출되는 가스에 대해서는 가스 홀더(3)에 도입해서 리사이클되는 한편, 제1세정 공정 후의 제2세정 공정에 있어서 도출되는 가스(제2가스)에 대해서는 계 밖으로 배출된다. 이러한 방법에 따르면, 전술한 바와 같이 불순물 농도가 상대적으로 낮은 오프 가스가 리사이클 회수되어, 불순물 농도가 상대적으로 높은 오프 가스가 계 밖으로 배출되므로, 아르곤의 회수율을 높이는데 적합하다.In the gas separation by the PSA method, among the off gases derived from the adsorption towers 20A, 20B, and 20C in the cleaning process, the gas derived in the first cleaning process from the start to the middle of the cleaning process (first gas) The gas derived in the countercurrent decompression step is introduced into the gas holder 3 and recycled, while the gas (second gas) derived in the second washing step after the first washing step is discharged out of the system. According to this method, the off-gas having a relatively low impurity concentration is recycled and recovered as described above, and the off-gas having a relatively high impurity concentration is discharged to the outside of the system, which is suitable for increasing the recovery rate of argon.

본 실시형태에서는, 가스 홀더(3)로부터 도출되는 오프 가스는, 전처리 유닛(1)을 경유한, 흡착탑(20A, 20B, 20C)에 공급되기 전의 혼합 가스에 첨가된다. 가스 홀더(3)로부터 도출되는 오프 가스는, 산소 및 수소를 실질적으로 포함하지 않으므로, 해당 오프 가스를 혼합 가스에 첨가해서 리사이클할 때에, 전처리를 실시할 필요가 없기 때문이다. 그리고, 이와 같이 전처리를 거친 혼합 가스에 대해서 오프 가스를 첨가하는 방법에 따르면, 전처리가 실시되기 전의 가스(원료 가스)에 오프 가스를 첨가할 경우에 비해서, 전처리가 시행되는 가스의 조성이 변화되지 않으므로, 전처리 자체가 안정적이다.In this embodiment, the off gas drawn out from the gas holder 3 is added to the mixed gas before being supplied to the adsorption towers 20A, 20B, and 20C via the pretreatment unit 1. This is because the off gas drawn out from the gas holder 3 does not contain oxygen and hydrogen substantially, and therefore there is no need to perform pretreatment when the off gas is added to the mixed gas and recycled. And, according to the method of adding the off gas to the mixed gas that has undergone pretreatment as described above, the composition of the gas subjected to pretreatment does not change compared to the case where the off gas is added to the gas (raw material gas) before the pretreatment is performed. Therefore, the pretreatment itself is stable.

도 6은, 3탑의 흡착탑을 이용해서 혼합 가스로부터 아르곤을 정제하기 위한 압력 변동 흡착 조작에 있어서, 오프 가스용의 가스 라인에 용량 가변식 가스 홀더를 부착한 경우와, 용량 고정식 가스 탱크를 부착한 경우의 압력 프로파일을 나타낸다. 용량 가변식 가스 홀더는 도 3에 나타낸 피스톤식의 가스 홀더(3)를 이용해서, 가스 홀더(3)(가스 수용부(34))의 용량을 흡착탑의 용량의 약 2.2배로 하였다. 한편, 용량 고정식 가스 탱크의 용량은 흡착탑 용량의 약 8.6배로 하였다. 혼합 가스로서는, 아르곤이 99.5몰%, 이산화탄소가 0.3몰%, 일산화탄소가 0.02몰%, 질소가 0.18몰%의 조성인 것을 이용하였다. 흡착 압력은 800㎪G, 탈착 압력은 1㎪G가 되도록 하였다.6 shows a case where a variable capacity gas holder is attached to a gas line for off-gas and a fixed capacity gas tank is attached in a pressure fluctuation adsorption operation for purifying argon from a mixed gas using a three-tower adsorption tower. The pressure profile in one case is shown. The variable-capacity gas holder uses the piston-type gas holder 3 shown in Fig. 3, and the capacity of the gas holder 3 (gas receiving portion 34) is approximately 2.2 times the capacity of the adsorption tower. On the other hand, the capacity of the fixed capacity gas tank was about 8.6 times the capacity of the adsorption tower. As the mixed gas, a composition of 99.5 mol% of argon, 0.3 mol% of carbon dioxide, 0.02 mol% of carbon monoxide, and 0.18 mol% of nitrogen was used. The adsorption pressure was set to 800 kPaG, and the desorption pressure was set to 1 kPaG.

도 6에 도시한 용량 가변식 가스 홀더의 내부 압력은, 전술한 스텝 1 내지 12 중 스텝 1 내지 4에 대해서 나타내고, 용량 고정식 가스 탱크의 내부 압력에 대해서도, 스텝 1 내지 4에 대해서 나타낸다. 흡착탑 내의 압력(탈착 압력)에 대해서는, 스텝 1 내지 4에 있어서의 흡착탑(20C)에 대해서 나타낸다.The internal pressure of the variable-capacity gas holder shown in Fig. 6 is shown for Steps 1 to 4 of Steps 1 to 12 described above, and the internal pressure of the fixed-capacity gas tank is also shown for Steps 1 to 4. The pressure in the adsorption tower (desorption pressure) is shown for the adsorption tower 20C in steps 1 to 4.

도 6으로부터 이해되는 바와 같이, 용량 고정식 가스 탱크의 내부 압력은, 스텝 1 및 스텝 4의 개시 후에 해당 가스 탱크 내에 오프 가스가 도입되면 이것에 따라 상승하고, 스텝 1에서는 100㎪G(도 6에 있어서의 약 45초 경과 시)에 달하고, 스텝 4에서는 94㎪G(도 6에 있어서의 약 133초 경과 시)에 달하였다. 한편, 용량 가변식 가스 홀더의 내부 압력은, 스텝 1 내지 4를 통해서 약 1㎪G이며, 실질적으로 일정하게 유지되었다As understood from FIG. 6, the internal pressure of the fixed-capacity gas tank increases accordingly when off-gas is introduced into the gas tank after the start of steps 1 and 4, and in step 1, 100 kPaG (see FIG. In step 4, it reached 94 kPaG (at the time of about 133 seconds in Fig. 6). On the other hand, the internal pressure of the variable capacity gas holder was about 1 kPaG through steps 1 to 4, and was maintained substantially constant.

또한, 도 6으로부터 이해되는 바와 같이, 흡착탑 내의 압력(탈착 압력)에 대해서는, 용량 고정식 가스 탱크의 경우에는, 스텝 3으로부터 스텝 4으로 전환되는 시점(도 6에 있어서의 130초 경과 시)에서부터 완만하게 저하되고, 최저압력까지 저하시키는데 약 40초를 필요로 하였다. 그 한편, 용량 가변식 가스 홀더의 경우, 흡착탑 내의 압력(탈착 압력)은, 스텝 3로부터 스텝 4로 전환되는 시점부터 한번에 저하되어 20초 이내의 상당히 빠른 속도로 최저압력까지 저하되었다.In addition, as understood from Fig. 6, the pressure in the adsorption tower (desorption pressure) is gentle from the time point at which the step 3 is switched to step 4 (at the time of 130 seconds elapsed in Fig. 6) in the case of a fixed capacity gas tank. It was lowered and required about 40 seconds to lower the pressure to the lowest pressure. On the other hand, in the case of the variable-capacity gas holder, the pressure (desorption pressure) in the adsorption tower decreases at once from the time point of switching from Step 3 to Step 4, and decreases to the lowest pressure at a fairly rapid rate within 20 seconds.

도 7 및 도 8은 용량 가변식의 가스 홀더의 다른 예를 도시한다.7 and 8 show another example of a variable-capacity gas holder.

도 7에 도시한 가스 홀더(3A)는, 벌룬식이며, 동체(31A)와, 동체(31A)의 내부에 수용된 벌룬(32A)과, 추(33A)를 포함한다. 동체(31A)는, 예를 들어, 철 혹은 스테인레스 등의 금속제이며, 전체로서 원통 형상으로 되고, 또한 상부에 형성된 개구를 막기 위한 지붕판(316)을 갖는다. 동체(31A)의 하부의 적소에는, 입구 가스 노즐(317) 및 출구 가스 노즐(318)이 설치되어 있다. 입구 가스 노즐(317)에는, 가스 라인(45)의 주간로(45')가 접속되고 있고, 출구 가스 노즐(318)에는, 가스 라인(46)이 접속되어 있다. 벌룬(32A)은, 섬유로 보강된 합성 고무에 의해서 성형되어 있어, 팽창 시에는 반구 형상의 막체로 된다. 벌룬(32A)의 주변부는, 동체(31A)의 내면에 설치된 부착 쇠장식(319)에 고정되어 있다. 벌룬(32A)은, 차단부로서의 기능을 지니고, 동체(31A)와의 사이의 가스 밀봉 상태를 유지한 채 상하로 변위 가능하다. 그리고, 벌룬(32A)과 동체(31A)의 하부로 구획된 영역은, 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터의 가스(오프 가스)를 수용하기 위한 가스 수용부(34)로 되어 있다. 추(33A)는, 가스 홀더(3A)의 내부 압력을 조정하기 위한 것으로, 벌룬(32A)의 중앙 표면에 고정되어 있다. 가스 수용부(34)의 압력(내압)은, 추(33A)의 중량에 따라서 결정하고, 가장 낮은 압력으로는 1㎪G 이하까지로 설정할 수 있다.The gas holder 3A shown in FIG. 7 is a balloon type, and includes a body 31A, a balloon 32A accommodated in the body 31A, and a weight 33A. The body 31A is made of, for example, iron or stainless steel, and has a cylindrical shape as a whole, and has a roof plate 316 for closing an opening formed in the upper part. An inlet gas nozzle 317 and an outlet gas nozzle 318 are provided in appropriate places under the body 31A. The main path 45' of the gas line 45 is connected to the inlet gas nozzle 317, and the gas line 46 is connected to the outlet gas nozzle 318. The balloon 32A is molded from synthetic rubber reinforced with fibers, and becomes a hemispherical membrane body upon expansion. The peripheral portion of the balloon 32A is fixed to a mounting bracket 319 provided on the inner surface of the body 31A. The balloon 32A has a function as a blocking portion, and can be displaced vertically while maintaining the gas-sealed state between the body 31A. The region partitioned from the balloon 32A and the lower portion of the body 31A serves as a gas receiving portion 34 for receiving gas (off gas) from the adsorption towers 20A to 20C. The weight 33A is for adjusting the internal pressure of the gas holder 3A, and is fixed to the central surface of the balloon 32A. The pressure (internal pressure) of the gas receiving portion 34 is determined according to the weight of the weight 33A, and the lowest pressure can be set to 1 kPaG or less.

입구 가스 노즐(317)을 개재해서 가스 홀더(3A)에 도입되는 가스량이 많아지면, 가스 홀더(3A) 내에 있어서 벌룬(32A)과 동체(31A)로 둘러싸인 가스 수용부(34)의 내부 압력이 상승하려고 한다. 그렇게 하면, 추(33A)의 중량(하중)에 저항해서, 벌룬(32A)이 위쪽으로 부풀어올라, 가스가 축적된다. 도 7에 있어서는, 벌룬(32A)이 커진 상태를 가상선으로 표시한다. 한편, 가스 홀더(3A)에 도입되는 가스량이 감소되거나 혹은 없어지면, 출구 가스 노즐(318)로부터 가스가 도출됨으로써 벌룬(32A)이 아래쪽으로 오므라든다. 또, 도 7에 있어서, 벌룬(32A)이 가장 오므라든 실선으로 나타낸 상태에서의 가스 수용부(34)의 용적과, 벌룬(32A)이 가장 부풀어 오른 가상선으로 표시한 상태에서의 가스 수용부(34)의 용적의 차이가, 가스 홀더(3A)(가스 수용부(34))에 있어서의 증감가능한 용량이 된다.When the amount of gas introduced into the gas holder 3A through the inlet gas nozzle 317 increases, the internal pressure of the gas receiving portion 34 surrounded by the balloon 32A and the body 31A in the gas holder 3A increases. Try to rise. Then, in response to the weight (load) of the weight 33A, the balloon 32A swells upward, and gas is accumulated. In Fig. 7, a state in which the balloon 32A is enlarged is indicated by a virtual line. On the other hand, when the amount of gas introduced into the gas holder 3A decreases or disappears, the gas is drawn out from the outlet gas nozzle 318, so that the balloon 32A retracts downward. In Fig. 7, the volume of the gas receiving portion 34 in the state where the balloon 32A is shown by the most constricted solid line, and the gas receiving portion in the state where the balloon 32A is shown by the most inflated virtual line. The difference in the volume of 34 becomes the capacity that can be increased or decreased in the gas holder 3A (gas accommodating portion 34).

이러한 구성의 가스 홀더(3A)에 있어서는, 벌룬(32A)에 대해서 하향으로 작용하는 추(33A)의 하중과, 오프 가스의 압력에 의해 벌룬(32A)에 대해서 상향으로 작용하는 힘이 균형을 유지하면서, 가스 홀더(3A)(가스 수용부(34))의 용량이 변화된다. 이것에 의해, 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터 도출되는 오프 가스 가스량이 변동해도, 해당 가스량에 따라서 가스 홀더(3A)의 용량이 증감하여, 가스 홀더(3A) 내의 압력이 변화되지 않고 실질적으로 일정하게 유지된다.In the gas holder 3A of this configuration, the load of the weight 33A acting downward on the balloon 32A and the force acting upward on the balloon 32A due to the pressure of the off gas maintain a balance. While doing this, the capacity of the gas holder 3A (gas receiving portion 34) is changed. Thereby, even if the amount of off-gas gas drawn out from the adsorption towers 20A to 20C fluctuates, the capacity of the gas holder 3A increases or decreases according to the gas amount, and the pressure in the gas holder 3A does not change and is substantially constant. maintain.

도 8에 나타낸 가스 홀더(3B)는, 원통 용기 형상의 동체(35)와, 동체(35)의 내측에 수용된 드럼(36)을 구비한다. 동체(35)는, 예를 들어, 철 혹은 스테인레스 등의 금속제이며, 이 동체(35)의 내부에는, 물 혹은 활성이 낮은 유기 액체(오일) 등의 액체(37)가 충전되어 있다. 액체(37)는, 동체(35)에 설치된 급수 노즐(351)로부터 도입되면서 오버플로(overflow) 노즐(352)로부터 연속적으로 외부로 배출되고, 예를 들어, 액체(37)인 물이 증발해도 감소분이 보충되게 되고 있다. 액체(37)가 오염된 경우에는, 배출 노즐(353)로부터 배출되어 교체될 수 있다.The gas holder 3B shown in FIG. 8 includes a cylindrical container-shaped body 35 and a drum 36 accommodated inside the body 35. The body 35 is made of a metal such as iron or stainless steel, and the inside of the body 35 is filled with a liquid 37 such as water or an organic liquid (oil) having low activity. The liquid 37 is continuously discharged to the outside from the overflow nozzle 352 while being introduced from the water supply nozzle 351 installed in the body 35, for example, even if the water, which is the liquid 37, evaporates. The reduction is being supplemented. When the liquid 37 is contaminated, it can be discharged from the discharge nozzle 353 and replaced.

드럼(36)은, 예를 들어, 철 혹은 스테인레스 등의 금속제이며, 정상부가 폐쇄된 원통 형상으로 되어 있다. 드럼(36)은, 액체(37)에 잠겨 있고, 해당 액체(37)에 의해 내부 공간과 외부가 차단되어 있다. 드럼(36)은 덮개 형상을 가진 차단부의 일례이다. 드럼(36)의 하부 및 상부에는, 복수개씩의 롤러(361, 362)가 설치되어 있다. 각 롤러(361)는, 동체(35)의 내주면에 접촉하는 동시에 상하로 이동한다. 각 롤러(362)는, 동체(35)의 외주부에 분산되어서 배치된 복수의 기둥형상의 지지 부재(38)를 가이드 레일로 해서 상하로 이동한다. 이것에 의해, 드럼(36)은, 액체(37)에 의해 대략 일정 자세를 유지하면서, 상하 이동한다.The drum 36 is made of metal such as iron or stainless steel, and has a cylindrical shape with a closed top. The drum 36 is immersed in a liquid 37, and the inner space and the outside are blocked by the liquid 37. The drum 36 is an example of a blocking portion having a cover shape. A plurality of rollers 361 and 362 are provided in the lower and upper portions of the drum 36. Each roller 361 contacts the inner peripheral surface of the body 35 and moves vertically. Each roller 362 moves up and down using a plurality of columnar support members 38 distributed and arranged on the outer circumference of the body 35 as a guide rail. Thereby, the drum 36 moves up and down while maintaining a substantially constant posture by the liquid 37.

동체(35)의 하부의 적소에는, 입구 가스 노즐(354) 및 출구 가스 노즐(355)이 설치되어 있다. 입구 가스 노즐(354)에는 가스 라인(45)의 주간로(45')가 접속되고 있고, 출구 가스 노즐(355)에는 가스 라인(46)이 접속되어 있다. 입구 가스 노즐(354) 및 출구 가스 노즐(355)은, 각각, 드럼(36)의 내측에 있어서 치솟아 아있고, 상단부가 액체(37)의 액면보다 상위에 있어서 개구되어 있다.An inlet gas nozzle 354 and an outlet gas nozzle 355 are provided in appropriate places under the body 35. The main path 45' of the gas line 45 is connected to the inlet gas nozzle 354, and the gas line 46 is connected to the outlet gas nozzle 355. The inlet gas nozzle 354 and the outlet gas nozzle 355 are raised inside the drum 36, respectively, and the upper end portion is opened above the liquid level of the liquid 37.

드럼(36)은, 액체(37)에 의해서 해당 액체(37)의 액면과의 사이의 내부 공간의 가스 밀봉 상태를 유지한 채 상하 이동 가능하게 되어 있다. 그리고, 드럼(36)과 액체(37)에 의해 구획된 공간은, 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터의 가스(오프 가스)를 수용하기 위한 가스 수용 공간(39)으로 되어 있다. 드럼(36)은, 가스 홀더(3B)의 내부 압력을 조정하는 기능을 지닌다. 가스 수용 공간(39)의 압력(내압)은, 액체(37)에 떠오르는 드럼(36)의 중량에 따라서 결정하고, 가장 낮은 압력으로는 1㎪G 이하까지로 설정할 수 있다.The drum 36 is movable up and down by the liquid 37 while maintaining the gas-sealed state of the internal space between the liquid level and the liquid 37. The space partitioned by the drum 36 and the liquid 37 is a gas accommodation space 39 for receiving gas (off gas) from the adsorption towers 20A to 20C. The drum 36 has a function of adjusting the internal pressure of the gas holder 3B. The pressure (internal pressure) of the gas accommodation space 39 is determined according to the weight of the drum 36 floating in the liquid 37, and the lowest pressure can be set to 1 kPaG or less.

입구 가스 노즐(354)을 개재해서 가스 홀더(3B)에 도입되는 가스량이 많아지면, 가스 홀더(3B) 내에 있어서 드럼(36)과 액체(37)로 둘러싸인 영역(가스 수용 공간(39))의 내부 압력이 상승하려고 한다. 그렇게 되면, 드럼(36)의 중량(하중)에 저항해서, 드럼(36)이 상승하고, 가스가 축적된다. 도 8에 있어서는, 드럼(36)이 상승한 상태를 가상선으로 표시한다. 한편, 가스 홀더(3B)에 도입되는 가스량이 감소되거나 혹은 없어지면, 출구 가스 노즐(355)로부터 가스가 도출됨으로써 드럼(36)이 하강한다. 또, 도 8에 있어서, 드럼(36)이 가장 하위에 있는 실선으로 표시한 상태에서의 가스 수용 공간(39)의 용적과, 드럼(36)이 가장 상위에 있는 가상선으로 표시한 상태에서의 가스 수용 공간(39)의 용적의 차이가, 가스 홀더(3B)(가스 수용 공간(39))에 있어서의 증감가능한 용량이 된다.When the amount of gas introduced into the gas holder 3B via the inlet gas nozzle 354 increases, the area surrounded by the drum 36 and the liquid 37 (gas accommodation space 39) in the gas holder 3B The internal pressure is about to rise. Then, in response to the weight (load) of the drum 36, the drum 36 rises and gas is accumulated. In Fig. 8, the state in which the drum 36 is raised is indicated by a virtual line. On the other hand, when the amount of gas introduced into the gas holder 3B decreases or disappears, the drum 36 descends as gas is drawn out from the outlet gas nozzle 355. In addition, in Fig. 8, the volume of the gas accommodation space 39 in a state where the drum 36 is indicated by the lowermost solid line, and in a state where the drum 36 is indicated by the uppermost virtual line. The difference in the volume of the gas accommodation space 39 becomes a capacity that can be increased or decreased in the gas holder 3B (gas accommodation space 39).

이러한 구성의 가스 홀더(3B)에 있어서는, 드럼(36)에 대해서 하향으로 작용하는 드럼(36)의 하중과, 오프 가스의 압력에 의해 드럼(36)에 대해서 상향으로 작용하는 힘이 균형을 유지하면서, 가스 홀더(3B)(가스 수용 공간(39))의 용량이 변화된다. 이것에 의해, 흡착탑(20A 내지 20C)으로부터 도출되는 오프 가스 가스량이 변동해도, 해당 가스량에 따라서 가스 홀더(3B)의 용량이 증감하여, 가스 홀더(3B) 내의 압력이 변화되지 않고 실질적으로 일정하게 유지된다.In the gas holder 3B of this configuration, the load of the drum 36 acting downward on the drum 36 and the force acting upward on the drum 36 due to the pressure of the off gas maintain a balance. While doing so, the capacity of the gas holder 3B (gas accommodation space 39) is changed. Thereby, even if the amount of off-gas gas drawn out from the adsorption towers 20A to 20C fluctuates, the capacity of the gas holder 3B increases or decreases according to the amount of the gas, so that the pressure in the gas holder 3B does not change and is substantially constant. maintain.

이상, 본 발명의 구체적인 실시형태를 설명했지만, 본 발명은 이것으로 한정되는 것은 아니고, 발명의 사상으로부터 일탈하지 않는 범위 내에서 각종 변경이 가능하다. 예를 들면, 본 발명에 따른 아르곤 정제 장치에 있어서의 가스 유로를 이루는 가스 라인의 구성에 대해서는, 상기 실시형태와 다른 구성을 채용해도 된다. 흡착탑의 수에 대해서는 상기 실시형태에서 나타낸 3탑식만으로 한정되는 것은 아니고, 2탑 이하 혹은 4탑 이상의 경우에도 마찬가지 효과를 기대할 수 있다.As mentioned above, although the specific embodiment of this invention was demonstrated, this invention is not limited to this, Various changes are possible within the range which does not deviate from the idea of the invention. For example, the configuration of the gas line constituting the gas flow path in the argon purifying apparatus according to the present invention may be configured differently from the above embodiment. The number of adsorption towers is not limited to only the three-column type shown in the above embodiment, and the same effect can be expected even in the case of two or less columns or four or more columns.

[실시예][Example]

다음에, 본 발명의 유용성을 실시예 및 비교예에 의해 설명한다.Next, the usefulness of the present invention will be described with examples and comparative examples.

[실시예 1][Example 1]

도 1 및 도 2에 도시한 개략 구성을 가진 아르곤 정제 장치(X)를 사용해서, 도 4 및 도 5에 도시한 흡착 공정, 병류 감압 공정, 균압(감압) 공정, 향류 감압 공정, 세정(제1세정) 공정, 세정(제2세정) 공정, 균압(승압) 공정 및 승압 공정으로 이루어진 1사이클(스텝 1 내지 12)을 흡착탑(20A, 20B, 20C)에 있어서 반복함으로써, 소정의 혼합 가스로부터, 아르곤을 농축 정제하였다.Using the argon purifying apparatus X having the schematic configuration shown in Figs. 1 and 2, the adsorption process, the co-current decompression process, the pressure equalization (decompression) process, the countercurrent decompression process, and the washing (removal) shown in Figs. 4 and 5 are used. One cycle (steps 1 to 12) consisting of a 1 washing) process, a cleaning (second cleaning) process, a pressure equalization (pressure increase) process, and a pressure increase process is repeated in the adsorption towers 20A, 20B, and 20C to , Argon was concentrated and purified.

본 실시예에 있어서 사용한 흡착탑(20A, 20B, 20C)의 각각은, 스테인레스제로 원통 형상(내경 37㎜, 내측 높이 1,000㎜)을 지니고, 용량이 약 1dm3였다. 각 흡착탑 내에는, 흡착제로서 LiX형 제올라이트를 1dm3 충전하였다. 가스 홀더에 대해서는, 도 7에 도시한 벌룬식(용량 가변식)의 가스 홀더(3A)를 사용하고, 용량이 약 2.2dm3였다. 흡착탑(20A, 20B, 20C)에 공급되는 혼합 가스의 조성은, 아르곤이 99.5몰%, 일산화탄소가 0.02몰%, 이산화탄소가 0.3몰%, 질소가 0.18몰%였다. 이 혼합 가스를, PSA 장치(2)에 대해서 1,030 Ndm3/h(N은 표준상태를 나타내고, 이하도 마찬가지임)의 유량으로 계속해서 공급하였다. 본 실시예에서는, 흡착탑(20A, 20B, 20C)의 각각에 있어서, 스텝 1, 2, 3, 4이 각각 60초, 55초, 15초, 70초로 스텝 1 내지 4의 합계가 200초이며, 스텝 1 내지 12로 이루어진 1사이클의 사이클 타임은 600초였다. 흡착 공정에 있어서의 흡착탑(20A 내지 20C)의 내부의 최고압력은 800㎪G로 하고, 탈착 조작 시에 있어서의 흡착탑(20A 내지 20C)의 내부의 최저압력(탈착 압력)은 1㎪G로 되도록 조정하였다.Each of the adsorption towers 20A, 20B, and 20C used in this example was made of stainless steel and had a cylindrical shape (inner diameter of 37 mm, inner height of 1,000 mm), and a capacity of about 1 dm 3 . In each adsorption tower, 1 dm 3 of LiX zeolite was charged as an adsorbent. As for the gas holder, the balloon type (volume variable type) gas holder 3A shown in Fig. 7 was used, and the capacity was about 2.2 dm 3 . The composition of the mixed gas supplied to the adsorption towers 20A, 20B and 20C was 99.5 mol% of argon, 0.02 mol% of carbon monoxide, 0.3 mol% of carbon dioxide, and 0.18 mol% of nitrogen. This mixed gas was continuously supplied to the PSA device 2 at a flow rate of 1,030 Ndm 3 /h (N represents a standard state, and the same applies to the following). In this embodiment, in each of the adsorption towers 20A, 20B, and 20C, steps 1, 2, 3, and 4 are 60 seconds, 55 seconds, 15 seconds, and 70 seconds, respectively, and the sum of steps 1 to 4 is 200 seconds, The cycle time of one cycle consisting of steps 1 to 12 was 600 seconds. The maximum pressure inside the adsorption towers 20A to 20C in the adsorption process is 800 kPaG, and the minimum pressure (desorption pressure) inside the adsorption towers 20A to 20C in the desorption operation is 1 kPaG. Adjusted.

이러한 조건으로 행한 본 실시예에 있어서 아르곤이 농축 정제된 제품 가스에 대해서, 아르곤 순도는 99.999몰%였다. 제품 가스 중의 불순물인 일산화탄소 및 이산화탄소의 함유율에 대해서, 가스 크로마토그래피(시마즈세이사쿠쇼(島津製作所) 제품 GC-FID)를 이용해서 메타나이저를 개재해서 측정한 바, 일산화탄소가 1몰ppm 미만, 이산화탄소가 1몰ppm 미만이었다. 제품 가스 중의 불순물된 질소의 함유율에 대해서, 라운드 사이언스사(ラウンドサイエンス社) 제품인 미량질소분석계로 측정한 바, 0.6몰ppm이었다. 취득된 제품 가스량은 739 Ndm3/h이며, 취득 가스에 있어서의 아르곤의 회수율은 72.1%였다. 본 실시예에 있어서, 가스 홀더(3A)의 내부 압력은, 거의 1㎪G로 일정하게 되어 변동되지 않았다. 본 실시예에서는, 가스 홀더(3A)로부터 도출된 오프 가스를 1㎪G의 압력으로 계 밖으로 배출하였다. 특히 세정(제2세정) 공정(스텝 2, 6, 10)에 있어서 흡착탑(20A, 20B, 20C)으로부터 도출되는 오프 가스량을 측정하면 146 Ndm3/h이며, 그 가스 분석 값은 아르곤이 98.0몰%, 일산화탄소가 0.10몰%, 이산화탄소가 1.10몰%, 질소가 0.80몰%였다. 본 실시예의 결과를 표 1에 표시하였다The argon purity was 99.999 mol% with respect to the product gas in which argon was concentrated and purified in this Example conducted under these conditions. The content of carbon monoxide and carbon dioxide, which are impurities in the product gas, was measured using gas chromatography (GC-FID manufactured by Shimadzu Corporation) through a methanizer. As a result, carbon monoxide was less than 1 mol ppm, carbon dioxide. Was less than 1 mol ppm. The content of impurity nitrogen in the product gas was measured with a trace nitrogen analyzer manufactured by Round Science, Inc., and was 0.6 mol ppm. The obtained product gas amount was 739 Ndm 3 /h, and the argon recovery rate in the obtained gas was 72.1%. In this example, the internal pressure of the gas holder 3A was substantially constant at 1 kPaG, and did not fluctuate. In this example, the off-gas derived from the gas holder 3A was discharged out of the system at a pressure of 1 kPaG. In particular, measuring the amount of off-gas derived from the adsorption towers 20A, 20B, and 20C in the cleaning (second cleaning) process (steps 2, 6, 10) is 146 Ndm 3 /h, and the gas analysis value is 98.0 mol of argon. %, carbon monoxide was 0.10 mol%, carbon dioxide was 1.10 mol%, and nitrogen was 0.80 mol%. The results of this example are shown in Table 1.

[실시예 2][Example 2]

본 실시예에서는, PSA 장치 및 PSA법의 조작 조건은 실시예 1과 마찬가지로 했지만, 세정(제2세정) 공정에 있어서 흡착탑(20A, 20B, 20C)으로부터 도출되는 오프 가스는, 계 밖으로 배출하고, 그 나머지의 오프 가스{세정(제1세정) 공정(스텝 1,5,9) 및 향류 감압 공정(스텝 4,8,12)에 있어서 흡착탑(20A, 20B, 20C)으로부터 도출되는 오프 가스}는, 모두 흡착탑(20A, 20B, 20C)에 도입되기 전의 전처리한 혼합 가스에 첨가해서 리사이클시켰다. 이때의 리사이클 가스 가스량은 145 Ndm3/h로, 리사이클 가스의 조성은, 아르곤이 98.47몰%, 일산화탄소가 0.05몰%, 이산화탄소가 1.02몰%, 질소가 0.47몰%였다. 리사이클 가스가 첨가된 혼합 가스(신규전처리후 가스 885 Ndm3/h와 리사이클 가스 145 Ndm3/h)을, PSA 장치(2)에 대해서 1,030 Ndm3/h의 유량으로 계속해서 공급하였다.In this example, the operating conditions of the PSA device and the PSA method were the same as in Example 1, but off-gas derived from the adsorption towers 20A, 20B, and 20C in the cleaning (second cleaning) step was discharged to the outside of the system, The remaining off-gas {off gas derived from the adsorption towers 20A, 20B, 20C in the washing (first washing) process (steps 1, 5, 9) and countercurrent decompression step (steps 4, 8, 12)) All of these were added to the pretreated mixed gas before being introduced into the adsorption towers 20A, 20B, and 20C and recycled. The recycle gas gas amount at this time was 145 Ndm 3 /h, and the composition of the recycle gas was 98.47 mol% of argon, 0.05 mol% of carbon monoxide, 1.02 mol% of carbon dioxide, and 0.47 mol% of nitrogen. A mixed gas to which a recycle gas was added (a new pretreatment gas 885 Ndm 3 /h and a recycle gas 145 Ndm 3 /h) was continuously supplied to the PSA apparatus 2 at a flow rate of 1,030 Ndm 3 /h.

본 실시예에 있어서 아르곤이 농축 정제된 제품 가스의 아르곤 순도는 99. 999몰%였다. 제품 가스 중의 불순물의 함유율에 대해서 실시예 1과 마찬가지의 분석 장치로 측정한 바, 일산화탄소가 1몰ppm 미만, 이산화탄소가 1몰ppm 미만, 질소가 0.6몰ppm이었다. 취득된 제품 가스량은 731 Ndm3/h이며, 취득 가스에 있어서의 아르곤의 회수율은 71.4%였다. 본 실시예에 있어서, 가스 홀더(3A)의 내부 압력은, 거의 1㎪G로 일정하게 되어 변동되지 않았다. 본 실시예에서는, 오프 가스가 리사이클되기 전의 혼합 가스의 유량은, 1,030 Ndm3/h로부터 리사이클된 145 Ndm3/h를 뺀 885 Ndm3/h가 되므로, 아르곤 정제 장치(X) 전체 계에서의 아르곤 회수율은 83.0%로 되었다. 본 실시예의 결과를 표 1에 표시하였다In this example, the argon purity of the product gas concentrated and purified with argon was 99.999 mol%. The content of impurities in the product gas was measured by the same analysis apparatus as in Example 1, and found that carbon monoxide was less than 1 mol ppm, carbon dioxide was less than 1 mol ppm, and nitrogen was 0.6 mol ppm. The obtained product gas amount was 731 Ndm 3 /h, and the argon recovery rate in the obtained gas was 71.4%. In this example, the internal pressure of the gas holder 3A was substantially constant at 1 kPaG, and did not fluctuate. In this embodiment, the flow rate of the mixed gas before the off-gas is recycled becomes 885 Ndm 3 /h by subtracting the recycled 145 Ndm 3 /h from 1,030 Ndm 3 /h. The argon recovery rate was 83.0%. The results of this example are shown in Table 1.

[비교예 1][Comparative Example 1]

상기 실시예 1에서 사용한 아르곤 정제 장치(X)의 가스 홀더(3A)를 용량 고정식의 가스 탱크로 대체하고, 압력흡착 변동법에 의해, 도 4 및 도 5에 도시한 각 공정으로 이루어진 조작(스텝 1 내지 12)을 반복함으로써, 소정의 혼합 가스로부터 아르곤을 농축 정제시켰다. 가스 탱크에 관한 상위점을 제외한 본 비교예에서 사용한 정제 장치의 구성은, 아르곤 정제 장치(X)와 마찬가지이다.The gas holder 3A of the argon purifying apparatus X used in Example 1 was replaced with a fixed-capacity gas tank, and an operation consisting of each step shown in Figs. 4 and 5 by a pressure adsorption variation method (step By repeating 1 to 12), argon was concentrated and purified from a predetermined mixed gas. The configuration of the purifying apparatus used in this comparative example excluding the difference in the gas tank was the same as that of the argon purifying apparatus (X).

본 비교예에 있어서, 3탑의 각 흡착탑 내에는, LiX형 제올라이트를 1dm3 충전하였다. 용량 고정식 가스 탱크로서는, 용량이 약 8.6dm3인 것을 사용하였다. 혼합 가스의 조성 및 가스 공급 태양은, 상기 실시예 1과 마찬가지로 하였다. 본 비교예에서는, 도 4 및 도 5에 도시한 각 공정으로 이루어진 조작(스텝 1 내지 12)을 반복하고, 각 스텝의 전환 타이밍은 상기 실시예 1과 마찬가지로 하였다. 본 비교예에 있어서, 흡착 공정에 있어서의 흡착탑의 내부의 최고압력은 800㎪G로 하고, 탈착 조작 시에 있어서의 흡착탑의 내부의 최저압력(탈착 압력)은 1㎪G로 되도록 조정하였다.In this comparative example, 1 dm 3 of LiX zeolite was filled in each of the three adsorption towers. As a fixed-capacity gas tank, one having a capacity of about 8.6 dm 3 was used. The composition of the mixed gas and the mode of gas supply were the same as in Example 1. In this comparative example, operations (steps 1 to 12) consisting of the steps shown in Figs. 4 and 5 were repeated, and the timing of switching each step was the same as in Example 1 above. In this comparative example, the maximum pressure inside the adsorption tower in the adsorption step was 800 kPaG, and the minimum pressure (desorption pressure) inside the adsorption tower during the desorption operation was adjusted to 1 kPaG.

본 비교예에 있어서 농축 정제된 제품 가스에 대해서, 아르곤 순도는 99. 999몰%였다. 제품 가스 중의 불순물의 함유율에 대해서 실시예 1과 마찬가지의 분석 장치로 측정한 바, 일산화탄소가 1몰ppm 미만, 이산화탄소가 1몰ppm 미만, 질소가 0.8몰ppm이었다. 취득된 제품 가스량은 712 Ndm3/h이며, 취득 가스에 있어서의 아르곤의 회수율은 69.5%였다. 본 비교예에 있어서, 가스 탱크의 내부 압력은, 도 6과 같이 최소값 1㎪G로부터 최대치 100㎪G의 범위에서 변동하였다. 본 비교예에서는, 가스 탱크로부터 도출된 오프 가스를 계 밖으로 배출하였다. 특히 세정(제2세정) 공정(스텝 2, 6, 10)에 있어서 흡착탑으로부터 도출되는 오프 가스량을 측정하면 159 Ndm3/h이며, 그 가스 분석 값은 아르곤이 98.00몰%, 일산화탄소가 0.10몰%, 이산화탄소가 1.10몰%, 질소가 0.80몰%였다. 본 비교예의 결과를 표 1에 표시하였다In this comparative example, the purity of argon was 99.999 mol% with respect to the concentrated and purified product gas. The content of impurities in the product gas was measured by the same analysis apparatus as in Example 1, whereupon carbon monoxide was less than 1 mol ppm, carbon dioxide was less than 1 mol ppm, and nitrogen was 0.8 mol ppm. The obtained product gas amount was 712 Ndm 3 /h, and the argon recovery rate in the obtained gas was 69.5%. In this comparative example, the internal pressure of the gas tank varied from the minimum value of 1 kPaG to the maximum value of 100 kPaG as shown in FIG. 6. In this comparative example, off-gas derived from the gas tank was discharged to the outside of the system. In particular, when the amount of off-gas discharged from the adsorption tower in the cleaning (second cleaning) process (steps 2, 6, 10) is measured, it is 159 Ndm 3 /h, and the gas analysis value is 98.00 mol% for argon and 0.10 mol% for carbon monoxide. , Carbon dioxide was 1.10 mol% and nitrogen was 0.80 mol%. The results of this comparative example are shown in Table 1.

[비교예 2][Comparative Example 2]

본 비교예에서는, PSA 장치 및 PSA법의 조작 조건은 비교예 1과 마찬가지로 했지만, 세정(제2세정) 공정에 있어서 흡착탑으로부터 도출되는 오프 가스는, 계 밖으로 배출하고, 그 나머지의 오프 가스{세정(제1세정) 공정(스텝 1, 5, 9) 및 향류 감압 공정(스텝 4, 8, 12)에 있어서 흡착탑으로부터 도출되는 오프 가스}는, 모두 흡착탑에 도입되기 전의 전처리 후 혼합 가스에 첨가해서 리사이클시켰다. 리사이클 가스 가스량은 159 Ndm3/h로, 리사이클 가스의 조성은, 아르곤이 98.76몰%, 일산화탄소가 0.03몰%, 이산화탄소가 0.84몰%, 질소가 0.37몰%였다. 이 혼합 가스(신규 전처리 후 가스 871 Ndm3/h와 리사이클 가스 159 Ndm3/h)를, PSA 장치에 대해서 1,030 Ndm3/h의 유량으로 계속해서 공급하였다.In this comparative example, the operating conditions of the PSA device and the PSA method were the same as those of Comparative Example 1, but the off-gas derived from the adsorption tower in the cleaning (second cleaning) step was discharged to the outside of the system, and the remaining off-gas (washing The off-gas derived from the adsorption tower in the (first cleaning) process (steps 1, 5, 9) and countercurrent decompression process (steps 4, 8, 12) were added to the mixed gas after pretreatment before being introduced into the adsorption tower. It was recycled. The recycle gas gas amount was 159 Ndm 3 /h, and the composition of the recycle gas was 98.76 mol% of argon, 0.03 mol% of carbon monoxide, 0.84 mol% of carbon dioxide, and 0.37 mol% of nitrogen. This mixed gas (871 Ndm 3 /h of new pretreatment gas and 159 Ndm 3 /h of recycle gas) was continuously supplied to the PSA device at a flow rate of 1,030 Ndm 3 /h.

본 비교예에 있어서 아르곤이 농축 정제된 제품 가스의 아르곤 순도는 99. 999몰%였다. 제품 가스 중의 불순물의 함유율에 대해서 실시예 1과 마찬가지 분석 장치로 측정한 바, 일산화탄소가 1몰ppm 미만, 이산화탄소가 1몰ppm 미만, 질소가 0.8몰ppm이었다. 취득된 제품 가스량은 693 Ndm3/h이며, 취득 가스에 있어서의 아르곤의 회수율은 67.7%였다. 특히 본 비교예에서는, 오프 가스가 리사이클되기 전의 혼합 가스의 유량은 1,030 Ndm3/h로부터 리사이클된 159 Ndm3/h를 뺀 871 Ndm3/h가 되므로, 아르곤 정제 장치 전체 계에서의 아르곤 회수율은 79.9%로 되었다. 본 비교예의 결과를 표 1에 표시하였다In this comparative example, the argon purity of the product gas concentrated and purified with argon was 99.999 mol%. When the content rate of impurities in the product gas was measured by the same analysis apparatus as in Example 1, carbon monoxide was less than 1 mol ppm, carbon dioxide was less than 1 mol ppm, and nitrogen was 0.8 mol ppm. The obtained product gas amount was 693 Ndm 3 /h, and the argon recovery rate in the obtained gas was 67.7%. In particular, in this comparative example, since the flow rate of the mixed gas before the off-gas is recycled becomes 871 Ndm 3 /h by subtracting the recycled 159 Ndm 3 /h from 1,030 Ndm 3 /h, the argon recovery rate in the entire system of the argon purifier is It became 79.9%. The results of this comparative example are shown in Table 1.


탱크
형식
Tank
form
혼합
가스량
(Ndm3)
mix
Gas volume
(Ndm 3 )
흡착
압력
(㎪G)
absorption
pressure
(㎪G)
탈착
압력
(㎪G)
Desorption
pressure
(㎪G)
제품
가스량
(Ndm3)
product
Gas volume
(Ndm 3 )
제품
Ar 순도
(%)
product
Ar purity
(%)
PSA의
Ar
회수율(%)
PSA
Ar
Recovery rate (%)
전체 계의
Ar 회수율
(%)
Total
Ar recovery rate
(%)
실시예
1
Example
One
용량
가변식
Volume
Variable expression
10301030 800800 1One 739739 99.99999.999 72.172.1 72.172.1
실시예
2
Example
2
용량
가변식
Volume
Variable expression
1030
(885
+145
1030
(885
+145
800800 1One 731731 99.99999.999 71.471.4 83.083.0
비교예
1
Comparative example
One
용량
고정식
Volume
Stationary
10301030 800800 1One 712712 99.99999.999 69.569.5 69.569.5
비교예
2
Comparative example
2
용량
고정식
Volume
Stationary
1030
(871
+159
1030
(871
+159
800800 1One 693693 99.99999.999 67.767.7 79.979.9

비교예 1 및 2에서는, 탱크 용량이 흡착탑의 용량의 8.6배인 용량 고정식 가스 탱크를 이용했지만, 탈착 압력을 낮게 안정시킬 수는 없었다. 이것에 대해서, 실시예 1 및 2에 있어서는, 용량이 흡착탑의 2.2배인 용량 가변식의 가스 홀더를 이용하는 것에 의해, 가스 홀더 내부의 압력 변동을 없앨 수 있고, 탈착 압력을 보다 낮은 압력(1㎪G 수준)까지 내리는 것이 가능해졌다. 그 결과, 아르곤 회수율에 대해서는, 비교예 1에서는 69.5%이었던 것에 대해서, 실시예 1에서는 72.1%로 향상되었다. 또한, 불순물 농도가 상대적으로 낮은 오프 가스를 원료계에 리사이클 혼합시킴으로써, 전체 계에서의 아르곤 회수율에 대해서, 72.1%에서 83.0%로 개선되었다.In Comparative Examples 1 and 2, a fixed capacity gas tank having a tank capacity of 8.6 times the capacity of the adsorption tower was used, but the desorption pressure could not be stabilized low. In contrast, in Examples 1 and 2, by using a variable-capacity gas holder with a capacity of 2.2 times that of the adsorption tower, the pressure fluctuation inside the gas holder can be eliminated, and the desorption pressure is reduced to a lower pressure (1 kPaG). Level). As a result, the argon recovery rate was improved from 69.5% in Comparative Example 1 to 72.1% in Example 1. In addition, by recycling and mixing the off-gas having a relatively low impurity concentration in the raw material system, the argon recovery rate in the entire system was improved from 72.1% to 83.0%.

X: 아르곤 정제 장치 1: 전처리 유닛
11: 필터 12: 송풍기
13: 히터 14A, 14B: 반응기
15: 산소 공급기 16: 일산화탄소 공급기
17, 18: 냉각기
2: PSA 장치(압력 변동 흡착식 가스 분리 장치)
20A, 20B, 20C: 흡착탑 21: 가스 압축기
22: 냉각기 23: 배수 탱크
201, 202: 가스 통과구 3, 3A, 3B: 가스 홀더
31: 본체부 31A: 동체
311: 하부체 312: 상부체
314: 가스 도입구 315: 가스 배출구
316: 지붕판 317: 입구 가스 노즐
318: 출구 가스 노즐 32: 다이어프램(차단부)
32A: 벌룬(차단부) 321: 날밑부
322: 원통 형상부 323: 바닥부
33: 피스톤(추부) 33A: 추
331: 피스톤 통부 332: 피스톤 바닥부
334: 설치 도구 335: 가이드 롤러
34: 가스 수용부 35: 동체
354: 입구 가스 노즐 355: 출구 가스 노즐
36: 드럼(차단부, 추부) 361, 362: 롤러
37: 액체 38: 지지 부재
39: 가스 수용 공간 41: 가스 라인(제1의 가스 라인)
42 내지 44: 가스 라인 45: 가스 라인(제2의 가스 라인)
46: 가스 라인(제3의 가스 라인) 47: 가스 라인(제4의 가스 라인)
41', 42', 43', 44', 45': 주간로
41A 내지 41C, 42A 내지 42C, 43A 내지 43C, 44A 내지 44C, 45A 내지 45C: 분기로
41a 내지 41c, 42a 내지 42c, 43a 내지 43c, 44a 내지 44c, 45a 내지 45c: 자동밸브
431, 441: 유량조정밸브 451, 471: 자동밸브
X: argon purification apparatus 1: pretreatment unit
11: filter 12: blower
13: heater 14A, 14B: reactor
15: oxygen supply 16: carbon monoxide supply
17, 18: cooler
2: PSA device (pressure fluctuation adsorption gas separation device)
20A, 20B, 20C: adsorption tower 21: gas compressor
22: cooler 23: drain tank
201, 202: gas passage 3, 3A, 3B: gas holder
31: main body 31A: body
311: lower body 312: upper body
314: gas inlet 315: gas outlet
316: roof plate 317: inlet gas nozzle
318: outlet gas nozzle 32: diaphragm (blocking part)
32A: balloon (blocking part) 321: blade bottom
322: cylindrical portion 323: bottom portion
33: piston (weight) 33A: weight
331: piston cylinder portion 332: piston bottom portion
334: installation tool 335: guide roller
34: gas receiving portion 35: fuselage
354: inlet gas nozzle 355: outlet gas nozzle
36: drum (blocking part, weight part) 361, 362: roller
37: liquid 38: support member
39: gas accommodation space 41: gas line (first gas line)
42 to 44: gas line 45: gas line (second gas line)
46: gas line (third gas line) 47: gas line (fourth gas line)
41', 42', 43', 44', 45': weekly
41A-41C, 42A-42C, 43A-43C, 44A-44C, 45A-45C: branched
41a to 41c, 42a to 42c, 43a to 43c, 44a to 44c, 45a to 45c: automatic valve
431, 441: flow adjustment valve 451, 471: automatic valve

Claims (10)

아르곤을 함유하는 혼합 가스로부터 아르곤을 정제하기 위한 방법으로서,
흡착제가 충전된 흡착탑을 이용해서 행하는 압력 변동 흡착법에 의해, 상기 흡착탑이 상대적으로 고압인 상태에서, 상기 흡착탑에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 흡착제에 흡착시켜, 해당 흡착탑으로부터 아르곤이 부화된 가스를 도출하는 흡착 공정과, 상기 흡착탑을 감압시켜 상기 흡착제로부터 불순물을 탈착시켜서, 해당 흡착탑으로부터 가스를 도출하는 향류 감압 공정을 포함하는 사이클을 반복해서 행하고,
상기 향류 감압 공정에 있는 상기 흡착탑으로부터 도출되는 가스를 용량이 변화되는 가스 홀더에 도입하면서, 상기 가스 홀더 내의 압력을 일정하게 유지하면서 해당 가스 홀더 내의 가스를 도출하고,
상기 혼합 가스를 상기 흡착탑에 도입하기 전에, 상기 혼합 가스에 대해서 해당 혼합 가스에 함유되는 불순물의 적어도 일부를 제거 또는 변성시키기 위한 전처리를 실시하고,
상기 가스 홀더로부터 도출되는 가스는 상기 전처리를 거쳐 상기 흡착탑에 도입되기 전의 가스에 첨가되는 것인 아르곤 정제 방법.
As a method for purifying argon from a mixed gas containing argon,
By a pressure swing adsorption method performed using an adsorption tower filled with an adsorbent, while the adsorption tower is at a relatively high pressure, the mixed gas is introduced into the adsorption tower to adsorb impurities in the mixed gas to the adsorbent, and argon from the adsorption tower. A cycle including an adsorption step of depressing the enriched gas, and a countercurrent decompression step of depressurizing the adsorption tower to desorb impurities from the adsorbent, and decomposing gas from the adsorption tower are repeatedly performed,
Introducing the gas derived from the adsorption tower in the countercurrent decompression process into a gas holder whose capacity is changed, while maintaining a constant pressure in the gas holder, and extracting the gas in the gas holder,
Before introducing the mixed gas into the adsorption tower, a pretreatment for removing or modifying at least a part of the impurities contained in the mixed gas is performed on the mixed gas,
The argon purification method in which the gas derived from the gas holder is added to the gas before being introduced into the adsorption tower through the pretreatment.
제1항에 있어서, 상기 가스 홀더는, 대기와의 접촉을 차단하도록 가스를 수용하고, 해당 가스의 양에 따라서 변위되는 차단부를 구비하고,
상기 가스 홀더의 용량은, 상기 차단부의 외측에서부터 내측을 향해서 작용하는 하중과, 내부의 가스의 압력에 의해 상기 차단부의 내측으로부터 외측을 향해서 작용하는 힘이 균형을 유지하면서 변화되는 것인 아르곤 정제 방법.
The method of claim 1, wherein the gas holder accommodates gas to block contact with the atmosphere, and includes a blocking portion that is displaced according to the amount of the gas,
The capacity of the gas holder is an argon purification method in which the load acting from the outside of the blocking part toward the inside and the force acting from the inside of the blocking part toward the outside by the pressure of the gas inside are changed while maintaining a balance .
제2항에 있어서, 상기 가스 홀더는, 상기 차단부에 지지되거나, 또는 포함된 추부(錘部)를 구비하는 것인 아르곤 정제 방법.The argon purification method according to claim 2, wherein the gas holder has a weight part supported or included in the blocking part. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 압력 변동 흡착법은, 흡착제가 충전된 복수의 흡착탑을 이용해서 행해지는 것이며,
상기 사이클은, 상기 흡착 공정을 종료한 1개의 흡착탑 내를 감압시켜 해당1개의 흡착탑으로부터 가스를 병류로 도출하는 동시에, 도출된 가스를 세정 가스로 해서 상기 향류 감압 공정을 종료한 다른 흡착탑에 향류로 도입하여 해당 다른 흡착탑을 세정하는 세정 공정을 더 포함하고,
상기 세정 공정은, 해당 세정 공정의 개시부터 도중까지에 있어서 상기 다른 흡착탑으로부터 제1가스를 도출하는 제1세정 공정과, 해당 다른 흡착탑으로부터 제2가스를 도출하는, 상기 제1세정 공정 후의 제2세정 공정을 포함하며,
상기 제1가스를 상기 가스 홀더에 도입하고, 또한 상기 제2가스를 계 밖으로 배출하고,
상기 가스 홀더로부터 도출되는 가스를, 상기 흡착탑에 도입되기 전의 상기 혼합 가스에 첨가하는 것인 아르곤 정제 방법.
The method according to any one of claims 1 to 3,
The pressure swing adsorption method is performed using a plurality of adsorption towers filled with an adsorbent,
In the cycle, the inside of one adsorption tower that has finished the adsorption process is decompressed and the gas is extracted from the one adsorption tower in a parallel flow, and at the same time, the extracted gas is used as a cleaning gas to the other adsorption tower that has finished the countercurrent decompression process. Introducing and cleaning the other adsorption tower further comprises a cleaning process,
The cleaning process includes: a first cleaning process in which a first gas is extracted from the other adsorption tower from the start to the middle of the cleaning process, and a second gas after the first cleaning process in which a second gas is extracted from the other adsorption tower. Including a cleaning process,
Introducing the first gas into the gas holder and discharging the second gas out of the system,
The argon purification method, wherein the gas drawn out from the gas holder is added to the mixed gas before being introduced into the adsorption tower.
아르곤을 함유하는 혼합 가스로부터 아르곤을 정제하기 위한 장치로서,
흡착제가 충전된 흡착탑을 이용해서 행하는 압력 변동 흡착법에 의해, 상기 흡착탑에 상기 혼합 가스를 도입해서 해당 혼합 가스 중의 불순물을 상기 흡착제에 흡착시켜, 해당 흡착탑으로부터 아르곤을 도출하고, 또한, 상기 흡착탑을 감압시켜 상기 흡착제로부터 불순물을 탈착시켜서, 해당 흡착탑으로부터 오프 가스를 도출하기 위한, 압력 변동 흡착식 가스 분리 장치;
상기 흡착탑에 상기 혼합 가스를 공급하기 위한 제1의 가스 라인;
상기 흡착탑으로부터 도출되는 상기 오프 가스를 도입하고, 또한, 도출하기 위한 용량 가변식의 가스 홀더;
상기 흡착탑으로부터 도출되는 상기 오프 가스를 상기 가스 홀더에 공급하기 위한 제2의 가스 라인;
상기 가스 홀더로부터 도출되는 가스를 상기 제1의 가스 라인에 첨가 공급이 가능하도록 상기 가스 홀더와 상기 제1의 가스 라인 사이를 연결하는 제3의 가스 라인; 및
상기 제2의 가스 라인에 연결되어, 상기 흡착탑으로부터 도출되는 가스를 계 밖으로 배출하기 위한 제4의 가스 라인을 포함하고,
상기 혼합 가스에 함유되는 불순물의 적어도 일부를 제거 또는 변성시키기 위한 전처리를 실행하기 위한 전처리 유닛이 상기 제1의 가스 라인에 설치되어 있고,
상기 제3의 가스 라인은 상기 제1의 가스 라인에 있어서의 상기 전처리 유닛의 후단부분에 연결되어 있는 것인, 아르곤 정제 장치.
An apparatus for purifying argon from a mixed gas containing argon,
By a pressure swing adsorption method performed using an adsorption tower filled with an adsorbent, the mixed gas is introduced into the adsorption tower, impurities in the mixed gas are adsorbed to the adsorbent, argon is extracted from the adsorption tower, and the adsorption tower is depressurized. A pressure swing adsorption type gas separation device for desorbing impurities from the adsorbent and desorbing off-gas from the adsorption tower;
A first gas line for supplying the mixed gas to the adsorption tower;
A variable-capacity gas holder for introducing and deriving the off-gas from the adsorption tower;
A second gas line for supplying the off gas discharged from the adsorption tower to the gas holder;
A third gas line connecting the gas holder and the first gas line so that the gas derived from the gas holder can be added and supplied to the first gas line; And
A fourth gas line connected to the second gas line for discharging the gas discharged from the adsorption tower to the outside of the system,
A pretreatment unit for performing pretreatment for removing or modifying at least a part of impurities contained in the mixed gas is provided in the first gas line,
The argon purifying apparatus, wherein the third gas line is connected to a rear end of the pretreatment unit in the first gas line.
제5항에 있어서, 상기 가스 홀더는, 용기 형상으로 구성된 본체부와, 상기 본체부의 내부에 수용되어, 상기 본체부와의 사이의 가스 밀봉 상태를 유지하면서 변위 가능한 차단부를 구비하고,
상기 차단부의 변위에 따라서, 상기 본체부 및 상기 차단부에 의해서 구획된 가스 수용부에 수용되는 가스의 양이 변화되는 것인 아르곤 정제 장치.
The gas holder according to claim 5, wherein the gas holder comprises a body portion configured in a container shape, and a blocking portion accommodated in the body portion and displaceable while maintaining a gas sealed state between the body portion,
According to the displacement of the blocking portion, the amount of gas accommodated in the gas receiving portion partitioned by the main body and the blocking portion is changed.
제6항에 있어서, 상기 가스 홀더는, 상기 차단부에 지지되거나 또는 포함된 추부를 구비하는 것인 아르곤 정제 장치.
The argon purifying apparatus according to claim 6, wherein the gas holder includes a weight part supported or included in the blocking part.
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