KR102654751B1 - 육불화황(sf6) 정제장치 및 정제방법. - Google Patents
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Abstract
본 발명은 육불화황 정제장치 및 정제방법에 관한 것으로, 정제 후 재사용이 가능한 육불화황(SF6)을 정제하는 육불화황 정제장치에 있어서, 육불화황(SF6) 혼합물을 공급하는 공급용기를 구비하도록 형성되는 공급부, 진공펌프 및 압축기를 구비하고 육불화황 혼합물을 이송시키는 회수부, 상기 육불화황 혼합물에 포함된 고체 및 액체상의 불순물을 제거하는 전처리부, 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 분리부, 상기 분리부로부터 정제된 육불화황을 저장하는 저장부 및 상기 정제된 육불화황을 충전용기에 충전하도록 형성되는 충전부;를 포함하는 것으로, 상기 분리부는 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 제1 분리부, 상기 제1 분리부로부터 배기되는 제1가스를 정제하는 제2 분리부, 상기 제2 분리부로부터 배기되는 제2가스를 정제하는 제3 분리부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
본 발명은 육불화황(SF6, 이하 “육불화황” 도는 육불화황 가스“라고 부른다.) 정제 장치 및 정제방법에 관한 것으로, 구체적으로 육불화황(SF6)을 포함하는 혼합물로부터 육불화황을 정제하는 정제장치 및 상기 육불화황을 포함하는 혼합물로부터 육불화황을 정제하는 방법에 관한 것이다.
육불화황 가스(SF6)은 높은 절연 내압 (공기의 약 3배), 높은 열차단 능력 (공기의 약 10배) 및 높은 열전달 성능 (공기의 약 2배)으로 인해 1960년 초 이후로 고압 및 중압 스위치기어, GIS (Gas Insulated Switchgear), 환상 주회로, 자동차단기, 변압기, 케이블 등의 전기설비에 성공적으로 사용되어왔다.
또한, 상기 육불화황 가스는 전기산업뿐만 아니라 알루미늄 생산, 마그네슘 제련, 반도체 생산, 평판 스크린 생산, 핵연료 주기, 소음 방지 창문, 타이어, 고성능 레이더, 기후측정을 위한 추적용 가스, 발전소 파이프 및 군사적 응용 등 다양한 분야에서 널리 사용되고 있는 것으로, 전기산업에서는 90% 내지 100%에 가까운 고농도의 육불화황 가스를 사용하고 있으며, 전기산업 이외의 분야에서는 거의 1% 정도의 낮은 농도의 육불화황 가스를 사용하고 있다.
한편, 우리나라는 전체 육불화황 가스 사용량의 약 80%를 전기산업에 사용하고 있는 것으로, 예를 들면, GIS (Gas Insulated Switchgear), 중전압 가스 개폐기, 고전압 가스 개폐기, 고전압 가스 절연선, 가스 절연 전압 변압기 등의 전력 설비에서 SF6를 절연체로 사용하고 있으며, 밀폐된 사이클을 통해 이를 저장 및 회수하고 있다.
상기 육불화황 가스를 절연체로 사용하는 전력설비에서 고장수리 또는 내부의 예상치 못한 아크 고장 등으로 아크가 발생하게 되면, 온도 상승, 전기 방사, 전기 방전 및 불소 원자 불리 등을 통해 이온, 라디칼, 및 중성 분자 등의 다양한 부산물이 연속적으로 발생하게 된다. 이러한 부산물 중 대부분은 육불화황 가스를 형성하기 위해 재결합하는 반면에 일부는 산소, 물 등과 같이 장비제조에 사용된 다른 물질과 결합하게 된다.
이와 같은 경우 밀폐된 사이클 내부에는 육불화황 가스 외 HF, SO2, SOF2, SOF4, SO2F2, SF4, CF4 등 불순물이 포함될 수 있다. 또한, 전력 설비의 유지 보수를 위해 밀폐된 사이클 내에 육불화황 가스를 충전 또는 배출시키는 경우 공기와 수증기의 유입에 의해 발생하는 질소, 산소, 물 등이 주요한 불순물이 될 수 있으며, 그 외 취급 및 보수 과정에서 발생하는 공기 및 오일성분 등도 불순물이 될 수 있다.
육불화황 가스는 지구온난화지수(global warming potential, GWP)가 이산화탄소(CO2)의 23,900배로 매우 높고, 대기 중에서 분해되지 않고 남아있는 기간이 3,200년으로 장기간 대기 중에 잔존하기 때문에 SF6를 대기 중에 배출하지 않고 재활용하는 것은 환경적으로 또한 경제적으로 중요하다. 따라서 대기 중의 방출을 방지하고, 개발, 설계, 생산, 서비스, 보수 및 회수 등의 일련의 과정에서 환경적으로 부합되게 관리해야 한다.
이를 위해 현재 산업현장에서 발생한 오염된 육불화황 가스를 흡착법(PSA, Pressure Swing Adsorption), 막 분리법, 냉동기 또는 냉매를 활용한 심냉식 액화법/고화법과 증류법 및 가스 하이드레이트 등을 포함한 다양한 기술을 개선하거나 개발하고 있다.
상기 흡착법은 기체 분리 방법의 일종으로 물질에 따라 흡착 특성이 다른 점을 이용한 기술이다. 상기 흡착법은 활성탄, 제올라이트 등의 흡착제를 사용하여 압력변화(PSA) 또는 온도변화(TSA, Temperature Swing Adsorption)를 주어 물질을 분리하는 기술로서 장치 제작이 용이하고 장치 제작비가 비교적 저렴하나, 장치의 크기가 크고 정제된 육불화황 가스의 순도가 낮아 설비의 대형화와 농축에 한계가 있다는 문제점이 있다.
상기 분리막(membrane)을 이용한 막 분리법은 기체의 투과도 차이를 이용한 기체 분리 기술로, 폴리설폰과 폴리이미드를 기본으로 하는 중공사막이 주로 사용되고 있다. 상기 막 분리법은 저농도의 육불화황 가스를 농축하는 데는 유용하나, 분리막을 이용한 고농도의 육불화황 가스의 분리 및 정제기술의 상용화를 위해서는 고선택성 분리막 소재, 중공사막의 가공기술, 대면적 모듈개발 및 응용분야별 공정 개발이 필요하다.
심냉법(혹은 액화법/고화법)을 이용한 육불화황 가스 분리/정제기술은 냉동기 혹은 액체질소를 냉매로 사용하여 분리하고자 하는 육불화항 가스를 액체 상태 또는 고체 상태로 만들어서 분리 및 정제하는 기술이다. 상기 흡착법과 막 분리법에 비해 공정에 소요되는 시간이 짧고, 순도를 높일 수 있다는 장점이 있으나, 액화나 고화에 에너지가 소요되고, 전체 공정이 저온, 고압의 혹독한 조건에서 운전되므로 이를 조절하기 위한 여러 부대장치가 필요하여 장치 제작비가 많이 소요된다는 단점이 있다.
증류법은 심냉법(액화법)의 일종으로서 육불화항 가스를 저온에서 액화시킨 후 증류탑을 이용하여 증류하는 방법이다. 증류법은 다시 연속적으로 증류하는 연속 증류식과 회분식으로 증류하는 회분식 증류 방법으로 구분되는 것으로, 초고순도를 얻기 위해서는 회분식 증류법이 더 유리하다.
상기 증류법을 이용하면 반도체 산업에 사용될 수 있는 초고순도 육불화항 가스를 얻을 수 있다는 장점이 있으나, 초저온 증류탑 등을 포함한 장치 제작비가 많이 소요되고, 증류탑의 특성상 장치 이동이 쉽지 않다.
또한, 육불화항 가스와 비점이 유사한 불순물의 분리도 가능하나, 이 경우에 증류탑의 단수가 증가하게 되어 증류탑의 높이가 증가하게 되므로 장치비용 및 운전비용이 많이 소요된다는 단점이 있다.
가스 하이드레이트(gas hydrate)를 이용한 기술은 육불화황 가스를 육불화항-하이드레이트로 만들어 정제하는 기술로서 육불화항 가스가 다른 가스들에 비해 비교적 온화한 조건에서 육불화항-하이드레이트를 형성할 수 있는 점에 착안한 기술이다.
상기 가스 하이드레이트는 저온/고압 상태에서 기체분자가 물 분자와 함께 물리적인 결합을 형성하여 만들어진 고상의 화합물로서 특히 육불화항 가스는 비교적 온화한 저온/고압에서 육불화황-하이드레이트를 형성하기 때문에 기존의 액화법, 고화법 및 증류법에 비해 에너지가 적게 소요된다는 장점이 있다. 반면에 육불화황-하이드레이트의 형성 속도가 느리고, 육불화항의 선택도 향상을 위한 첨가제가 필요하며, 다량의 물을 사용하기 때문에 육불화황-하이드레이트로부터 육불화황을 분리할 때 수분 제거 공정이 추가로 필요하다는 단점이 있다.
상기 기술별 특징을 고려하면, 전기산업에서 사용하는 육불화황 가스의 회수-재활용을 위해서는 심냉법을 이용한 육불화황 분리 및 정제기술이 정제대상의 농도, 규모, 경제성의 측면에서 가장 유리하다고 할 수 있다.
따라서 본 발명에서는 심냉법을 이용하여 육불화황 가스를 정제할 때, 소요되는 에너지의 효율을 향상시킴과 동시에 회수율 및 정제순도를 향상시킬 수 있는 육불화황 정제장치 및 방법에 대하여 제시하고자 한다.
본 발명은 육불화황을 포함하는 혼합물로부터 육불화황을 정제하는 정제 장치 및 정제방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한, 상기 육불화황의 정제 회수율을 높임과 동시에 정제 순도를 높이는 것을 목적으로 한다.
또한, 가혹조건(저온, 고압)에서 처리되는 가스의 양을 최소화하여 소모되는 에너지를 줄여 운전경비를 절감하는 것을 목적으로 한다.
그러나 이러한 과제는 예시적인 것으로, 이에 의해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 목적은, 정제 후 재사용이 가능한 육불화황(SF6)을 정제하는 육불화황 정제장치에 있어서 육불화황(SF6) 혼합물을 공급하는 공급용기를 구비하도록 형성되는 공급부, 진공펌프 및 압축기를 구비하고 육불화황 혼합물을 이송시키는 회수부, 상기 육불화황 혼합물에 포함된 고체 및 액체상의 불순물을 제거하는 전처리부, 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 분리부, 상기 분리부로부터 정제된 육불화황을 저장하는 저장부 및 상기 정제된 육불화황을 충전용기에 충전하도록 형성되는 충전부를 포함하는 것으로, 상기 분리부는 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 제1 분리부, 상기 제1 분리부로부터 배기되는 제1가스를 정제하는 제2 분리부, 상기 제2 분리부로부터 배기되는 제2가스를 정제하는 제3 분리부를 포함하는 것인 육불화황 정제장치를 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 분리부는 내부에 제1 충전재(packing materials) 및 제1 열교환부를 구비하고, 상기 저장부와 연결되는 제1 연결부 및 상기 제1 분리부와 상기 제2 분리부를 연결하는 제2연결부를 포함하며, 상기 제2 연결부는 상기 제2 연결부에서 분기되어 외부로 가스를 배출하는 제1 배출부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 분리부는 내부에 제2 충전재(packing materials) 및 제2 열교환부를 구비하고, 상기 저장부와 연결되는 제3 연결부 및 상기 제2 분리부와 상기 제3 분리부를 연결하는 제4 연결부를 포함하며, 상기 제4 연결부는 상기 제4 연결부에서 분기되어 외부로 가스를 배출하는 제2 배출부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 분리부는 상기 제1 분리부로 정제된 육불화황을 재이송하는 제1 이송부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 분리부 및 제2 분리부는 각 각 순도 측정장치를 포함하는 것으로, 상기 순도 측정장치는 매질에 따른 적외선 흡광을 측정하는 적외선센서, 도매질의 밀도에 따라 매질을 통과하는 음속을 측정하는 음속센서, 매질의 순도에 따라 열전도도 변화를 감지하는 열전도도 센서 및 미세관 내부의 매질에 따라 미세관에 인가된 규칙적인 진동의 변조를 감지하는 미세관(capillary tube) 진동 밀도 센서를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제3분리부는 내부에 분리막 모듈을 구비하고, 상기 제3 분리부에서 정재 된 육불화황을 재이송하는 제2 이송부 및 상기 불순물 가스를 외부로 배출하는 제3 배출부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 육불화황 정제장치는 온도, 압력, 유량, 레벨 등을 포함하는 운전인자를 계측하는 계측기 및 자동 및 수동 제어를 위한 계통 제어부를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적에 따르면, 공급부로부터 육불화황(SF6) 혼합물을 전처리부로 공급하는 공급단계, 상기 육불화황 혼합물에 포함된 고체 및 액체상의 불순물을 제거하는 전처리단계, 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 정제단계, 상기 정제된 육불화황을 저장하는 저장단계 및 상기 저장된 육불화황을 충전용기에 충전하는 충전단계를 포함하는 것으로, 상기 정제단계는 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 제1 정제단계, 상기 제1 정제단계로부터 정제된 육불화황을 정제하는 제2 정제단계, 상기 제2 정제단계로부터 정제된 육불화황을 정제하는 제3 정제단계를 포함하는 것인 육불화황의 정제방법을 제공한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 공급단계는 상기 공급부의 공급용기에 수용되어 있는 육불화황 혼합물을 회수부에 압력차를 형성하여 전처리부로 공급하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 정제단계는 상기 고체 및 액체 상의 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 냉각하여 제1 육불화황 및 제1 불순물 기체로 분리하는 제1 냉각단계, 상기 제1 불순물 기체를 배출하는 제1 배출단계, 상기 제1 육불화황을 가열하여 기화된 제1정제 육불화황을 형성하는 단계 및 상기 제1정제 육불화황을 저장부 및 제2 분리부로 이송하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 냉각 단계는 제1 충전재롤 통과하고 제1 열교환하여 냉각하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 배출단계는 제1 육불화황의 농도에 따라 결정된 소정의 배출온도에서 설정압력에 도달하였을 때 상기 제1 불순물 기체의 배출이 정지되도록 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1정제 육불화황을 저장부 및 제2 분리부로 이송하는 단계는 상기 제1정제 육불화황의 순도를 실시간으로 측정하고, 측정한 순도에 따라 제1정제 육불화황의 흐름을 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실시간으로 측정한 제1 정제 육불화황의 순도가 99.9% 이상일 경우 저장부로 이송하고, 상기 제1 정제 육불화황의 순도가 99.9% 미만일 경우 제2 분리부로 이송하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르며, 상기 제2 정제단계는 제1 정제 육불화황을 냉각하여 제2 육불화황 및 제2 불순물 기체로 분리하는 제2 냉각단계, 상기 제2 불순물 기체를 배출하는 제2 배출단계, 상기 제2 육불화황을 가열하여 기화된 제2정제 육불화황을 형성하는 단계 및 상기 제2정제 육불화황을 저장부 및 제3 분리부로 이송하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 냉각 단계는 제2 충전재를 통과하고 제2 열교환하여 냉각하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2 배출단계는 제2 육불화황의 농도에 따라 결정된 소정의 배출온도에서 설정압력에 도달하였을 때 상기 제2 불순물 기체의 배출이 정지되도록 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제2정제 육불화황을 저장부 및 제3 분리부로 이송하는 단계는 상기 제2정제 육불화황의 순도를 실시간으로 측정하고, 측정한 순도에 따라 제2정제 육불화황의 흐름을 제어하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 실시간으로 측정한 제2 정제 육불화황의 순도가 99.9% 이상일 경우 저장부로 이송하고, 상기 제2 정제 육불화황의 순도가 99.9% 미만일 경우 제3 분리부로 이송하는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제3 정제단계는 제2 정제 육불화황을 분리막 모듈을 통과시켜 제3정제 육불화황 및 제3 불순물 기체로 분리하는 단계, 상기 제3 불순물 기체를 배출하는 제3 배출단계 및 상기 제3정제 육불화황을 제2 분리부로 재이송하는 단계를 포함하는 것일 수 있다.
본 발명은 육불화황 가스 정제 장치 및 정제 방법을 제공하는 효과가 있다.
또한, 상기 육불화황 가스의 정제 회수율을 높임과 동시에 정제 순도를 높이는 효과가 있다.
또한, 가혹조건(저온, 고압)에서 처리되는 가스의 양을 최소화하여 소모되는 에너지를 줄여 운전경비를 절감하는 효과가 있다.
또한, 저농도의 육불화항 정제 대상가스의 효율적 회수가 가능하여 정제대상의 범위를 넓히는 효과가 있다.
본 발명의 적용 가능성의 추가적인 범위는 이하의 상세한 설명으로부터 명백해 질 것이다. 그러나 본 발명의 사상 및 범위 내에서 다양한 변경 및 수정은 당업자에게 명확하게 이해될 수 있으므로, 상세한 설명 및 본 발명의 바람직한 실시예와 같은 특정 실시예는 단지 예시로 주어진 것으로 이해되어야 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 육불화황 정제 시스템에 대한 개략적인 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 육불화황의 온도에 따른 증기압 곡선이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 육불화황의 온도에 따른 증기압 곡선이다.
이하, 본 발명의 실시예와 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명한다. 이들 실시예는 오로지 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위해 예시적으로 지시한 것일 뿐, 본 발명의 범위가 이들 실시예에 의해 제한되지 않는 다는 것은 당업계에서 통상의 지식을 가지는 자에 있어서 자명할 것이다.
또한, 달리 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용되는 모든 기술적 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야의 숙련자에 의해 통상적으로 이해되는 바와 동일한 의미를 가지며, 상충되는 경우에는, 정의를 포함하는 본 명세서의 기재가 우선할 것이다.
도면에서 제안된 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다. 그리고 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에서 기술한 “부”한, 특정 기능을 수행하는 한 개의 단위 또는 블록을 의미한다.
각 단계들에 있어 식별부호(제1, 제2, 등)는 설명의 편의를 위하여 사용되는 것으로 식별부호는 각 단계들의 순서를 설명하는 것이 아니며, 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않는 이상 명기된 순서와 다르게 실시될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예 따른 육불화황 정제 시스템에 대한 개략적인 개념도이다.
도 1을 참고하면, 본 발명의 육불화황 정제장치(100)는 공급부(110), 회수부(120), 전처리부(130), 분리부(140), 저장부(150) 및 충전부(160)를 포함한다.
상기 공급부(110)는 육불화황(SF6) 혼합물을 공급하는 공급용기를 구비하도록 형성되는 것을 특징으로 한다.
상기 육불화황 혼합물은 GIS (Gas Insulated Switchgear), 환상주회로, 자동차단기, 변압기, 케이블 등의 전기설비에 충전되어 사용 된 육불화황을 회수한 것으로, 상기 육불화황 외에 분해산물 및 작업 시 누설로 인한 공기를 포함한 혼합물인 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 분해산물은 SO2, SOF2, HF, CF4 등을 포함할 수 있으며, 상기 누설로 인한 공기는 N2, O2, 수분, 오일 등을 포함 할 수 있다. 또한, 상기 공급용기는 일반적으로 실린더형의 가스용기일 수 있다. 일반적인 실린더형의 가스용기는 상부에 밸브를 구비하여 가스의 충전 또는 방출이 이루어질 수 있다.
상기 회수부(120)는 상기 육불화황 혼합물을 이송시키는 것으로, 상기 공급부(110)에서 연장 형성되는 것을 특징으로 한다. 상세하게는 상기 회수부(120)는 진공펌프 및 압축기를 포함하는 것으로, 상기 진공펌프 및 압축기를 이용하여 상기 육불화황 혼합물을 이송하기 위한 동력으로 활용할 수 있다. 즉, 상기 회수부(120)의 진공펌프 및 압축기를 이용하여 상기 육불화황 혼합물을 원활하게 이송할 수 있다.
상기 전처리부(130)는 상기 육불화황 혼합물에 포함된 고체 및 액체상의 불순물을 제거하도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 전처리부(130)는 불순물 제거장치를 포함하는 것으로, 상기 불순물 제거장치는 전처리 스크러버, 활성 알루미나(activated alumina), 활성탄(activated charcoal) 및 몰레큘러 시브(molecular sieve) 순으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 분리부(140)는 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 것으로, 상기 분리부(141)는 제1 분리부(141), 제2 분리부(142) 및 제2 분리부(143)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 분리부(141)는 심냉법을 이용하여 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하여 제1 가스를 형성하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 제1 분리부(141)는 제1 충전재(packing materials) 및 제1 열교환부를 내부에 구비하고, 상기 저장부(150)와 연결되는 제1 연결부(1) 및 상기 제1 분리부(141)와 상기 제2 분리부(142)를 연결하는 제2연결부(2)를 포함한다.
이때, 상기 제2 연결부(2)는 상기 제2 연결부(2)에서 분기되어 외부로 가스를 배출하는 제1 배출부(3)를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 제2 연결부(2)는 상기 제1 분리부(141)에서 분리된 액체 또는 고체상의 육불화황 또는 포화상태의 육불화황 보다 밀도가 낮은 불순물 기체들이 배출될 수 있다.
또한, 상기 제1 충전재는 열전달이 용이한 소재를 도입하는 것으로, 상기 제1 충전재에 의해 에너지 효율을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 제1 충전재는 열전도도가 높은 물질을 포함하는 것이 바람직한 것으로, 알루미늄, 구리를 포함하는 합금 등을 포함할 수 있다.
상기 제2 분리부(142)는 심냉법을 이용하여 상기 제1 분리부(141)에서 정제하여 배기된 제1 가스를 정제하여 제2 가스 형성하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 제2 분리부(412)는 제2 충전재(packing materials) 및 제2 열교환부를 내부에 구비하고, 상기 저장부(150)와 연결되는 제3 연결부(4)를 포함하며, 상기 제2 분리부(142)는 상기 제2 분리부(142)와 상기 제3 분리부(143)를 연결하는 제4연결부(5)를 포함한다.
이때, 상기 제4 연결부(5)는 상기 제4 연결부(5)에서 분기되어 외부로 가스를 배출하는 제2 배출부(6) 및 제1 분리부(141)로 일부 정제된 육불화황을 재이송하는 제1 이송부(7)를 포함하는 것으로, 상기 제4연결부(5)는 상기 제2분리부(142)의 상부에 배치되는 것이 바람직하다.
상기 제4 연결부(5)를 상기 제2 분리부(142)의 상부에 배치함에 따라 제2 분리부(142)에서 분리된 액체 또는 고체상의 육불화황 또는 포화상태의 육불화황 보다 밀도가 낮은 불순물 기체들이 배출될 수 있다.
또한, 상기 제2 충전재는 열전달이 용이한 소재를 도입하는 것으로, 상기 제2 충전재에 의해 에너지 효율을 향상시킬 수 있는 것으로, 상기 제2 충전재는 상기 제1 충전재와 동일한 소재일 수 있다.
한편, 상기 제1 분리부(141) 및 상기 제2 분리부(142)는 순도 측정장치를 포함하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 순도 측정장치는 상기 제1 분리부(141) 및 상기 제2 분리부(142) 각각 포함하는 것으로, 상기 순도 측정장치는 상기 제2 연결부(2) 및 제4 연결부(5)에 배치되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 순도 측정 장치는 상기 정제된 육불화황의 순도를 측정하는 것으로, 매질에 따른 적외선 흡광을 측정하는 적외선센서, 매질의 밀도에 따라 매질을 통과하는 음속을 측정하는 음속센서, 매질의 순도에 따라 열전도도 변화를 감지하는 열전도도 센서 및 미세관 내부의 매질에 따라 미세관에 인가된 규칙적인 진동의 변조를 감지하는 미세관(capillary tube) 진동 밀도 센서를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제3 분리부(143)는 막분리법을 이용하여 상기 제2 분리부(142)에서 정제하여 배기된 제2 가스를 정제하는 것으로, 상기 제3 분리부(143) 내부에 분리막 모듈을 구비하고, 상기 제3 분리부(143)에서 정재 된 육불화황을 재이송하는 제2 이송부(9) 및 상기 불순물 가스를 외부로 배출하는 제3 배출부(8)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제2 가스는 2단계에 걸쳐 육불화황이 제거 된 것으로 불순물이 제거된 육불화황 혼합물 및 제1 가스와 대비하여 육불화황의 농도가 매우 낮다 . 이에, 심냉법이 아닌 분리막 법을 이용하여 정제 효율을 향상시킬 수 있다.
상기 저장부(150)는 상기 분리부(140)로부터 정제된 육불화황을 저장하는 것으로, 상기 분리부(140)에서 연장 형성되며, 상기 저장부(150)는 상기 분리부(140)의 하부에 배치하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 저장부(150)는 상기 분리부(140)에서 육불화황의 정제 시 형성되는 압력변화를 완화하도록 형성되는 것이 바람직하다.
상기 충전부(160)는 상기 저장부(150)에 저장된 정제된 육불화황을 충전하도록 형성되는 것으로, 상기 충전부(160)는 충전용기 및 진공배기부를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편 본 발명에 따른 육불화황 정제장치(100)는 온도, 압력, 유량, 레벨 등을 포함하는 운전 인자를 계측하는 계측기 및 자동 및 수동 제어를 위한 계통 제어부(미도시)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
즉, 상기 계측기와 자동 및 수동 제어를 위한 계통 제어부를 통하여 육불화황 정제 전반에 걸친 과정을 제어(통제)할 수 있다.
하기에는, 상기 육불화황 정제장치(100)를 이용한 육불화황 정제방법에 대하여 상세히 설명하도록 한다.
육불화황 정제방법은 공급부로부터 육불화황(SF6) 혼합물을 전처리부로 공급하는 공급단계, 상기 육불화황 혼합물에 포함된 고체 및 액체상의 불순물을 제거하는 전처리단계, 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 정제단계, 상기 정제된 육불화황을 저장하는 저장단계 및 상기 저장된 육불화황을 충전용기에 충전하는 충전단계를 포함한다.
상기 공급단계는 상기 공급부(110)의 공급용기에 수용되어 있는 육불화황 혼합물을 상기 회수부(120)에 압력차를 형성하여 전처리부(130)로 공급하는 것을 특징으로 한다.
상기 전처리단계는 상기 공급부(110)로부터 공급받은 육불화황 혼합물을 상기 전처리부(130)를 통과시켜 고체 및 액체상의 불순물을 제거한 육불화황 혼합물로 전처리하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 육불화황 혼합물은 상기 전처리부(130)의 불순물 제거장치를 통과하여 전처리하는 것으로, 전처리 스크러버, 활성 알루미나(activated alumina), 활성탄(activated charcoal) 및 몰레큘러 시브(molecular sieve)를 순서대로 통과하여 전처리 할 수 있다. 이때, 상기 전처리 단계를 진행함에 따라 산성의 불순물을 제거할 수 있다.
상기 정제단계는 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 제1 정제단계, 상기 제1 정제단계로부터 정제된 육불화황을 정제하는 제2 정제단계 및 상기 제2 정제단계로부터 정제된 육불화황을 정제하는 제3 정제단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 정제단계를 통하여 99.9% 이상의 고순도 육불화황을 정제하는 것으로 제1분리부(141)에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제1 정제단계는 상기 고체 및 액체상의 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 냉각하여 제1 육불화황 및 제1 불순물 기체로 분리하는 제1 냉각단계, 상기 제1 불순물 기체를 배출하는 제1 배출단계, 상기 제1 육불화황을 가열하여 기화된 제1정제 육불화황을 형성하는 단계 및 상기 제1정제 육불화황을 저장부(150) 및 제2 분리부(142)로 이송하는 단계를 포함한다.
상기 제1 냉각 단계는 제1 충전재를 통과하고 제1 열교환하여 냉각하는 것으로, 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 냉각하기 위하여 상기 제1열교환부에 냉매를 공급하고, 상기 공급된 냉매에 의해 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물 내의 순수한 육불화황이 냉각될 수 있다.
상세하게는, 상기 제1 냉각 단계 -10℃ 내지 -40℃에서 육뷸화황의 농도에 따라 결정된 소정의 압력에서 수행하는 것이 바람직하다.
예를 들어, 배출온도가 -40℃ 이하이고 육불화황의 농도가 40% 미만인 경우, 소정의 압력은 육불화황 증기압의 13배 이상에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 배출온도가 -20℃ 이하이고 육불화황의 농도가 40% 이상인 경우, 소정의 압력은 육불화황 증기압의 4.3배 이상에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 배출온도가 -10℃ 이하이고 육불화황의 농도가 60% 이상인 경우, 소정의 압력은 육불화황 증기압의 2배 이상에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 배출온도가 -10℃ 이하이고 육불화황의 농도가 80% 이상인 경우, 소정의 압력은 육불화황 증기압의 1.5배 이상에서 수행하는 것이 바람직하다. 또한, 배출온도가 -10℃ 이하이고 육불화황의 농도가 80% 이상인 경우, 소정의 압력은 육불화황 증기압 이상에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 제1 배출단계는 상기 제1 육불화황(액체상 또는 고체상) 또는 포화상태의 제1 육불화황보다 밀도가 낮은 제1 불순물 기체를 제1 배출부(3)를 통해 외부로 배출하는 것으로, 상기 제1 육불화황의 농도에 따라 결정된 소정의 배출온도에서 설정압력에 도달하였을 때 상기 제1 불순물 기체의 배출이 정지되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 불술물이 제거된 육불화황 혼합물은 기체상의 불순물과 포화상태의 제1 육불화황이 공존하고 있는 것으로 주요 불순물인 공기에 비하여 제1 육불화황의 밀도가 높기 때문에 상기 제1 육불화황은 제1 분리부(141)의 하부로 가라앉게 된다. 따라서 상기 육불화황 대비 밀도가 낮은 제1 불순물 기체가 상기 제1 배출부(3)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
상기 제1정제 육불화황을 저장부(150) 및 제2 분리부(142)로 이송하는 단계는 상기 제1정제 육불화황의 순도를 실시간으로 측정하고, 상기 측정한 순도에 따라 제1정제 육불화황의 흐름을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 제1 불순물 기체가 제거된 제1 육불화황을 가열하여 기화시고, 기화된 제1 육불화황의 순도에 따라 제1정제 육불화황의 흐름을 제어하는 것으로, 상기 제1 육불화황을 기화시키기 위하여 상기 제1 열교환부에 열매의 공급으로 형성되는 열교환에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 실시간으로 측정한 제1 정제 육불화황의 순도가 99.9% 이상일 경우 상기 저장부(150)로 이송하고, 상기 제1 정제 육불화황의 순도가 99.9% 미만일 경우 제2 분리부(142)로 이송하는 것이 바람직하다.
한편, 상기 냉매는 액체 질소이고, 상기 열매는 질소 가스 또는 육불화황을 포함하는 가스로 형성될 수 있다. 나아가, 상기 열매는 히터, 블로어 또는 펌프를 통하여 상기 제1 열교환부로 공급될 수 있다.
덧붙여, 상기 제1 육불화황을 가열하여 기화시키기 위하여 가열장치를 이용하여 수행할 수 있는 것으로, 상기 가열장치는 열선으로 형성될 수 있다. 상기 열선은 전기에너지를 열에너지로 전환하여 열을 발생하게 이루어 질 수 있다.
상기 제2 정제단계는 상기 제1 정제단계를 통하여 정제된 순도가 99.9% 미만의 제1 정제 육불화황을 재회수하여 정제하는 것으로 제2분리부(142)에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상기 제2 정제단계는 제1 정제 육불화황을 냉각하여 제2 육불화황 및 제2 불순물 기체로 분리하는 제2 냉각단계, 상기 제2 불순물 기체를 배출하는 제2 배출단계, 상기 제2 육불화황을 가열하여 기화된 제2정제 육불화황을 형성하는 단계 및 상기 제2정제 육불화황을 저장부(150) 및 제3 분리부(143)로 이송하는 단계를 포함한다.
상기 제2 냉각 단계는 제2 충전재를 통과하고 제2 열교환하여 냉각하는 것으로, 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 냉각하기 위하여 상기 제2열교환부에 냉매를 공급하고, 상기 공급된 냉매에 의해 상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물 내의 순수한 육불화황이 냉각될 수 있다.
이때, 상기 제2열교환부에 공급되는 냉매는 상기 제1열교환부에 공급되는 냉매와 동일 한 것이 바람직하다.
상세하게는, 상기 제2 냉각 단계는 상기 제1 냉각 단계보다 낮은 온도 및 높은 압력에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 제2 냉각 단계를 상기 제1 냉각 단계보다 낮은온도 및 높은 앞력에서 수행함에 따라 육불화황의 회수율을 향상시키고 회수속도를 높일 수 있다.
상기 제2 배출단계는 상기 제2 육불화황(액체상 또는 고체상) 또는 포화상태의 제2 육불화황보다 밀도가 낮은 제2 불순물 기체를 제2 배출부(6)를 통해 외부로 배출하는 것으로, 상기 제2 육불화황의 농도에 따라 결정된 소정의 배출온도에서 설정압력에 도달하였을 때 상기 제2 불순물 기체의 배출이 정지되도록 제어하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 육불화황 혼합물을 정제하고 형성된 상기 제1 정제 육불화황을 냉각함에 따라 제2 육불화황 및 제2 불순물 기체로 분리되는 것으로, 밀도가 높은 상기 제2 육불화황은 제2 분리부(142)의 하부로 가라앉게 된다. 따라서 상기 제2 육불화황 대비 밀도가 낮은 제2 불순물 기체가 상기 제2 배출부(6)를 통하여 외부로 배출될 수 있다.
상기 제2정제 육불화황을 저장부(150) 및 제3 분리부(142)로 이송하는 단계는 상기 제2정제 육불화황의 순도를 실시간으로 측정하고, 상기 측정한 순도에 따라 제2정제 육불화황의 흐름을 제어하는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 제2 불순물 기체가 제거된 제2 육불화황을 가열하여 기화시고, 기화된 제2 육불화황의 순도에 따라 제2정제 육불화황의 흐름을 제어하는 것으로, 상기 제2 육불화황을 기화시키기 위하여 상기 제2열교환부에 열매의 공급으로 형성되는 열교환에 의하여 이루어지는 것이 바람직하다.
예를 들어, 상기 실시간으로 측정한 제2 정제 육불화황의 순도가 99.9% 이상일 경우 상기 저장부(150)로 이송하고, 상기 제2 정제 육불화황의 순도가 99.9% 미만일 경우 제3 분리부(143)로 이송하는 것이 바람직하다.
다시 말해, 실시간으로 측정한 제2 분리부(142)의 배기가스가 99.9% 이상일 경우 상기 저장부(150)로 이송하고, 99.9%미만일 경우 제3 분리부(143)로 이송하는 것이 바람직하다.
상기 제3 정제단계는 상기 제2 정제단계를 통하여 정제된 순도가 99.9% 미만의 제2 정제 육불화황을 회수하여 정제하는 것으로 제3 분리부(143)에서 이루어지는 것을 특징으로 한다.
상세하게는, 상기 제3 정제단계는 제2 정제 육불화황을 분리막 모듈을 통과시켜 제3정제 육불화황 및 제3 불순물 기체로 분리하는 단계, 상기 제3 불순물 기체를 배출하는 제3 배출단계 및 상기 제3정제 육불화황을 제2 분리부로 재이송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 상기 제3 정제단계에서 정제되는 상기 제2 정제 육불화황은 육불화황의 농도가 매우 낮기 때문에 심냉법을 사용하는 것보다 분리막 모듈을 사용하여 정제하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 제2 정제 육불화황의 농도가 40% 미만인 경우 심냉법을 이용하여 정제하게 된다면 매우 가혹한 조건(-40℃이하, 고압)에서 수행하여야 하는 것으로 에너지 소비량이 많아지게 되어 정제 효율이 감소하게 된다. 이에, 분리막 모듈을 사용하여 육불화황의 농도를 높여 상기 제2 분리부(142)로 재이송함에 따라 정제효율을 향상시킬 수 있다.
상기 저장단계는 상기 제1 정제단계 내지 상기 제3 정제단계를 통하여 정제과정을 거친 육불화황이 상기 저장부(150)에 저장되는 것으로, 상기 정제단계가 수행되는 동안 상기 저장단계는 동시에 수행되는 것이 바람직하다.
이때, 상기 정제단계를 통하여 상기 저장부(150)로 저장된 정제된 육불화황은 제1 정제 육불화황 및 제2 정제 육불화황을 포함하는 것으로, 상기 정제된 육불화황의 순도는 99.9% 이상인 것이 바람직하다.
상기 충전단계는 상기 저장부(150)에 저장된 정제된 육불화황을 상기 충전부(160)에 충전하는 것을 특징으로 한다. 상세하게는, 상기 충전부(160)의 충전용기 내부의 환경을 진공배기장치를 이용하여 진공상태로 형성하고 상기 정제된 육불화황을 충전하는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 충전부(160)에 충전된 정제된 육불화황은 고수도 가스로 재사용될 수 있다.
한편, 본 발명의 육불화황 정제방법은 자동모드, 단계별 자동모드, 수동 모드로 수행할 수 있다.
상기 자동모드는 상기 공급단계 내지 상기 충전단계를 기설정된 로직에 따라 연속적으로 운전될 수 있다. 모든 단계의 작동은 각 단계별 소정의 기 설정된 시작 조건을 충족하여야 수행될 수 있다.
상기 단계별 자동모드는 상기 공금단계 내이 상기 충전단계를 기 설정된 시작 조건을 충족할 때에 상기 공급단계 내지 상기 충전단계를 독립적으로 운전할 수 있다.
상기 수동모드는 상기 공급단계 내지 상기 충전단계를 기설정된 조건과 무관하게 사용자의 조작에 의하여 운전될 수 있다.
이때, 상기 자동모드, 단계별 자동모드는 상기 제어부를 통하여 제어하는 것이 바람직하다.
이하 실시예 및 비교예를 상세히 설명하도록 한다. 단 하기 실시예, 실험예 및 비교예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예, 실험예 및 비교예에 의해 한정되는 것은 아니다.
실시예 및 비교예
비교예
1차 분리부만 구비된 정제장치에서 정제대상 혼합가스(정제 전 SF6 농도: 40, 60, 80, 98 vol%) 100L를 특정 온도와 압력조건에서 육불화황을(SF6)를 분리한다고 가정하였을 때, 정제 전, 후의 육불화황의 농도, 1차 분리부에서 정제 후 배기되는 가스의 부피와 육불화황의 농도 및 최종 분리 후 육불화화의 회수율를 수학적으로 계산한 값이다.
운전 온도별 육불화황의 증기압 입력값은 도 2와 같고, 정제대상 혼합가스 중 SF6 외 불순물은 N2라고 가정하여 정제 후 SF6는 순수 SF6(≥99.9%)라고 입력하였다.
이때, 분리부에서 정제 후 배기되는 가스의 농도는 계산식 1을 통하여 계산할 수 있고, 분리부에서 정제 후 배기되는 가스의 부피는 계산식 2를 통하여 계산할 수 있다.
계산식 1
Cvent : 배기가스 중 SF6 농도
Pv(t) : 운전온도(t)에서의 SF6 증기압(도 2 참조)
Pop : 운전압력
계산식 2
Vvent : 배기가스 부피
Vvent(SF6) : 배기가스 중 SF6의 부피
Vvent(non-SF6) : 배기가스 중 SF6외 가스의 부피
V0 : 처리가스 부피
C0 : 처리가스 중 SF6의 농도
Cvent : 배기가스 중 SF6의 농도
또한, 분리부를 거쳐 정제 및 회수된 육불화황의 회수율은 하기 계산식 3을 통하여 계산할 수 있다.
비교예 1 내지 비교예 4.
1차 분리부만 구비된 정제장치에서 정제대상 혼합가스 100L를 상용조건인 온도 -10℃, 압력 37 bar의 조건에서 SF6를 분리한다고 가정하였을 때, 정제 전, 후의 SF6 농도, 1차 분리부에서 정제 후 배기되는 가스의 부피와 SF6 농도 및 최종 분리 후 SF6 회수율를 수학적으로 계산한 값으로, 표 1에 개시하였다.
| 구분 | 비교예1 | 비교예2 | 비교예3 | 비교예4 | ||
| 1차 분리부 | 온도(℃) | -10 | -10 | -10 | -10 | |
| 압력(bar) | 37 | 37 | 37 | 37 | ||
| 처리가스 부피(L, @1bar) | 100 | 100 | 100 | 100 | ||
| SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 40 | 60 | 80 | 98 | |
| 정제 후 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ||
| 배기 | 26 | 26 | 26 | 26 | ||
| 배기가스 부피(L, @1bar) | 81 | 54 | 27 | 2.7 | ||
| 1차 분리 후 SF6 회수율(%) | 48 | 77 | 91 | 99 | ||
표 1을 참고하면, 80% 미만의 순도를 가지는 육불화황 혼합가스의 경우 회수율이 90% 이하가 된다. 또한, 비교적 높은 온도(-10℃)와 비교적 높은 압력(37 bar)는 빠른 정제 속도를 지향하는 운전조건으로 회수율을 일부 희생하여야 하며, 육불화황과 유사한 비점 범위를 가지는 불순물을 효과적으로 배제하지 못할 수 있다. 또한, 정제 대상가스 전량을 고압으로 유지해야 하므로 에너지 소비량이 큰 단점이 있다.
비교예 5 내지 비교예 8.
1차 분리부만 구비된 정제장치에서 정제대상 혼합가스 100L를 상용조건인 온도 -50℃, 압력 2.7 bar의 조건에서 SF6를 분리한다고 가정하였을 때, 정제 전, 후의 육불화황의 농도, 1차 분리부에서 정제 후 배기되는 가스의 부피와 육불화황의 농도 및 최종 분리 후 육불화황의 회수율를 수학적으로 계산한 값이다. 이에 대한 결과는 표 2 에 나타내었다.
| 구분 | 비교예5 | 비교예6 | 비교예7 | 비교예8 | ||
| 1차 분리부 | 온도(℃) | -50 | -50 | -50 | -50 | |
| 압력(bar) | 2.7 | 2.7 | 2.7 | 2.7 | ||
| 처리가스 부피(L, @1bar) | 100 | 100 | 100 | 100 | ||
| SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 80 | 90 | 95 | 98 | |
| 정제 후 | (회수불가) | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ||
| 배기 | 88 | 88 | 26 | |||
| 배기가스 부피(L, @1bar) | 36 | 16 | 2.7 | |||
| 1차 분리 후 SF6 회수율(%) | 62 | 85 | 99 | |||
표 2를 참고하면, 90% 미만의 순도를 가지는 육불화황 혼합가스의 경우 회수가 불가하며, 90% 순도에서도 그 회수율이 20% 이하가 되어 매우 높은 순도의 가스만 정제가 가능하다. 또한, 정제 대상가스 전량을 상대적으로 저온으로 유지해야 하므로 에너지 소비량이 큰 단점이 있다.
실시예
1, 2, 3차 분리부가 모두 구비된 정제장치에서 정제대상 혼합가스 100L를 특정 온도와 압력조건에서 육불화황을 분리한다고 가정하였을 때, 1, 2, 3차 정제 전, 후의 육불화황의 농도, 1, 2, 3차 분리부에서 정제 후 배기되는 가스의 부피와 SF6 농도 및 최종 분리 후 육불화황의 회수율를 수학적으로 계산한 값이다.
이 때 3차 분리부는 분리막 모듈을 사용하는 것으로 가정하였으며 분리막 모듈의 회수율은 90%라고 가정하였다. 이러한 분리막 회수율은 폴리이미드(polyimide) 또는 카본 분자체 소재 분리막의 경우 육불화황의 농도가 5% 이상의 조건에서 육불화황의 회수율이 90% 이상이라고 알려져 있다.
실시예 1 내지 실시예 4.
1, 2차의 온도를 -10℃로 고정하고, 1차 운전압력을 15 bar, 2차 운전압력을 45 bar의 조건에서 육불화황을 분리한다고 가정하였으며, 이에 대한 결과를 표 3에 나타내었다.
| 구분 | 실시예1 | 실시예2 | 실시예3 | 실시예4 | ||
| 1차 분리부 | 온도(℃) | -10 | -10 | -10 | -10 | |
| 압력(bar) | 15 | 15 | 15 | 15 | ||
| 처리가스 부피(L,@1bar) | 100 | 100 | 100 | 100 | ||
| SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 40 | 60 | 80 | 98 | |
| 정제 후 | (회수 불가) |
(회수 불가) |
≥99.9 | ≥99.9 | ||
| 배기 | 63.9 | 63.9 | ||||
| 배기가스 부피(L, @1bar) | 55 | 5.5 | ||||
| 1차 분리 후 SF6 회수율(%) | 56 | 96 | ||||
| 2차 분리부 | 온도(℃) | (해당 없음) |
(해당 없음) |
-10 | -10 | |
| 압력(bar) | 45 | 45 | ||||
| 처리가스 부피(L,@1bar) | 55 | 5.5 | ||||
| SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 63.9 | 63.9 | |||
| 정제 후 | ≥99.9 | ≥99.9 | ||||
| 배기 | 21 | 21 | ||||
| 배기가스 부피(L,@1bar) | 25 | 2.5 | ||||
| 1+2차 분리 후 SF6 회수율(%) | 93 | 99 | ||||
| 3차 분리부 (막분리 회수율 90% 가정) |
처리가스 부피(L,@1bar) | (해당 없음) |
(해당 없음) |
25 | 2.5 | |
| SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 21 | 21 | |||
| 정제 후 | ≥40 | ≥40 | ||||
| 배기 | 2.1 | 2.1 | ||||
| 배기가스 부피(L,@1bar) | 20 | 2.0 | ||||
| 1+2+3차 분리 후 SF6 회수율(%) | 99 | 100 | ||||
표 3을 참고하면, 1차 정제장치에서는 상대적으로 온화한 조건(고온, 저압)에서 운전을 수행하여 에너지 효율을 높이고 높은 순도의 육불화황을 얻을 수 있다.
2차 정제장치에서는 고압의 조건에서 운전을 수행하여 육불화황의 회수율을 높일 수 있으며 처리가스의 부피를 50% 이상 감소시켜 에너지 효율을 높일 수 있도록 하였다. 단 실시예1 및 실시예 2와 같이 육불화황의 농도가 80% 이하에서는 1차 정제조건에서 육불화황의 회수가 불가능하므로 정제대상의 농도에 따라 운전방식을 조정해주어야 한다. 이에 대한 결과는 표 3에 개시하였다.
실시예 5 내지 실시예 8.
1, 2차의 온도를 -40℃로 고정하고, 1차 운전압력을 15 bar, 2차 운전압력을 45 bar의 조건에서 육불화황을 분리한다고 가정하였으며, 이에 대한 결과는 표 4에 나타내었다.
| 구분 | 실시예5 | 실시예6 | 실시예7 | 실시예8 | ||
| 1차 분리부 | 온도(℃) | -40 | -40 | -40 | -40 | |
| 압력(bar) | 15 | 15 | 15 | 15 | ||
| SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 40 | 60 | 80 | 98 | |
| 정제 후 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ||
| 배기 | 23 | 23 | 23 | 23 | ||
| 처리가스 부피(L, @1bar) | 100 | 100 | 100 | 100 | ||
| 배기가스 부피(L, @1bar) | 78 | 52 | 26 | 2.6 | ||
| 1차 분리 후 SF6 회수율(%) | 55 | 80 | 92 | 99 | ||
| 2차 분리부 | 온도(℃) | -40 | -40 | -40 | -40 | |
| 압력(bar) | 45 | 45 | 45 | 45 | ||
| SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 23 | 23 | 23 | 23 | |
| 정제 후 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ||
| 배기 | 7.8 | 7.8 | 7.8 | 7.8 | ||
| 처리가스 부피(L, @1bar) | 78 | 52 | 26 | 2.6 | ||
| 배기가스 부피(L, @1bar) | 65 | 43 | 22 | 2.2 | ||
| 1+2차 분리 후 SF6 회수율(%) | 87 | 94 | 98 | 99.8 | ||
| 3차 분리부 (막분리 회수율 90% 가정) |
SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 7.8 | 7.8 | 7.8 | 7.8 |
| 정제 후 | ≥40 | ≥40 | ≥40 | ≥40 | ||
| 배기 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | 0.8 | ||
| 처리가스 부피(L, @1bar) | 65 | 43 | 22 | 2.2 | ||
| 배기가스 부피(L, @1bar) | 60 | 40 | 20 | 2.0 | ||
| 1+2+3차 분리 후 SF6 회수율(%) | 99 | 99 | 99.8 | 100 | ||
표 4를 참고하면, 실시예 1 내지 실시예4와 비교하여 저온의 조건에서 1차 정제를 수행하므로 정제 대상가스의 농도가 매우 낮은 조건에서도 효율적으로 회수가 가능하다. 따라서 정제 대상가스의 농도에 따라 운전조건을 넓은 범위에서 조정할 수 있음을 알 수 있다.
실시예 9 내지 실시예 12.
정제 대상가스의 농도에 따라 1, 2차 정제장치의 운전조건(온도, 압력)을 최적화하여 육불화황을 분리한다고 가정하였을 때 결과를 보여주는 것으로, 이에 대하여 표 5에 나타내었다.
| 구분 | 실시예9 | 실시예10 | 실시예11 | 실시예12 | ||
| 1차 분리부 | 온도(℃) | -20 | -10 | -10 | -10 | |
| 압력(bar) | 30 | 20 | 15 | 10 | ||
| SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 40 | 60 | 80 | 98 | |
| 정제 후 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ||
| 배기 | 23 | 48 | 64 | 96 | ||
| 처리가스 부피(L, @1bar) | 100 | 100 | 100 | 100 | ||
| 배기가스 부피(L, @1bar) | 78 | 77 | 55 | 48 | ||
| 1차 분리 후 SF6 회수율(%) | 55 | 38 | 56 | 53 | ||
| 2차 분리부 | 온도(℃) | -40 | -30 | -20 | -10 | |
| 압력(bar) | 45 | 30 | 30 | 30 | ||
| SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 23 | 48 | 64 | 96 | |
| 정제 후 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ≥99.9 | ||
| 배기 | 7.8 | 17 | 23 | 32 | ||
| 처리가스 부피(L, @1bar) | 78 | 77 | 55 | 48 | ||
| 배기가스 부피(L, @1bar) | 65 | 48 | 26 | 2.9 | ||
| 1+2차 분리 후 SF6 회수율(%) | 87 | 87 | 92 | 99 | ||
| 3차 분리부 (막분리 회수율 90% 가정) |
SF6 농도 (vol%) |
정제 전 | 7.8 | 17 | 23 | (불필요) |
| 정제 후 | ≥40 | ≥40 | ≥40 | |||
| 배기 | 0.8 | 1.7 | 2.3 | |||
| 처리가스 부피(L, @1bar) | 65 | 48 | 26 | |||
| 배기가스 부피(L, @1bar) | 60 | 40 | 20 | |||
| 1+2+3차 분리 후 SF6 회수율(%) | 99 | 99 | 99 | |||
표 5를 참고하면, 정제 대상가스의 농도가 60% 이하인 경우 상대적으로 낮은 온도와 높은 압력에서 1차 정제를 수행하여야 하는데 이때에도 내부 열전달에 의한 냉각보다는 비교적 적은 에너지와 소모되는 시간에 절감되는 압력을 높이는 것이 더 효율적일 수 있다.
따라서 육불화황의 정제가 가능한 최소한의 냉각 온도와 그에 따른 압력조건으로 그 실시예를 제시하였다. 본 발명은 이러한 실시예로부터 넓은 농도 범위의 정제 대상가스의 처리가 가능하며 에너지 효율과 회수율을 동시에 높일 수 있음을 알 수 있다.
본 명세서에서는 본 발명자들이 수행한 다양한 실시예 가운데 몇 개의 예만을 들어 설명하는 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고, 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
Claims (20)
- 정제 후 재사용이 가능한 육불화황(SF6)을 정제하는 육불화황 정제장치에 있어서,
육불화황(SF6) 혼합물을 공급하는 공급용기를 구비하도록 형성되는 공급부;
진공펌프 및 압축기를 구비하고 육불화황 혼합물을 이송시키는 회수부;
상기 육불화황 혼합물에 포함된 고체 및 액체상의 불순물을 제거하는 전처리부;
상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 분리부;
상기 분리부로부터 정제된 육불화황을 저장하는 저장부; 및
상기 정제된 육불화황을 충전용기에 충전하도록 형성되는 충전부;를 포함하는 것으로,
상기 분리부는,
상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 제1 분리부;
상기 제1 분리부로부터 배기되는 제1가스를 정제하는 제2 분리부;
상기 제2 분리부로부터 배기되는 제2가스를 정제하는 제3 분리부;를 포함하고,
상기 제1 분리부의 온도가 -40℃ 및 압력이 15 bar, 육불화황의 정제 전 가스 농도가 40 vol%이며, 상기 제2 분리부의 온도가 -40℃ 및 압력이 45 bar, 육불화황의 정제 전 가스 농도가 23 vol%인 경우에도, 육불화황을 87% 이상 회수하는 것인,
육불화황 정제장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1분리부는 내부에 제1 충전재(packing materials) 및 제1 열교환부를 구비하고,
상기 저장부와 연결되는 제1 연결부 및 상기 제1 분리부와 상기 제2 분리부를 연결하는 제2연결부를 포함하며,
상기 제2 연결부는 상기 제2 연결부에서 분기되어 외부로 가스를 배출하는 제1 배출부를 포함하는 것인,
육불화황 정제장치. - 제1항에 있어서,
상기 제2분리부는 내부에 제2 충전재(packing materials) 및 제2 열교환부를 구비하고,
상기 저장부와 연결되는 제3 연결부 및 상기 제2 분리부와 상기 제3 분리부를 연결하는 제4연결부를 포함하며,
상기 제4 연결부는 상기 제4 연결부에서 분기되어 외부로 가스를 배출하는 제2 배출부를 포함하는 것인,
육불화황 정제장치. - 제3항에 있어서,
상기 제2 분리부는 상기 제1 분리부로 정제된 육불화황을 재이송하는 제1 이송부를 포함하는 것인,
육불화황 정제장치. - 제1항에 있어서,
상기 제1 분리부 및 제2 분리부는 각 각 순도 측정장치를 포함하는 것으로,
상기 순도 측정장치는 매질에 따른 적외선 흡광을 측정하는 적외선센서, 매질의 밀도에 따라 매질을 통과하는 음속을 측정하는 음속센서, 매질의 순도에 따라 열전도도 변화를 감지하는 열전도도 센서 및 미세관 내부의 매질에 따라 미세관에 인가된 규칙적인 진동의 변조를 감지하는 미세관(capillary tube) 진동 밀도 센서를 포함하는 것인,
육불화황 정제장치. - 제1항에 있어서,
상기 제3분리부는 내부에 분리막 모듈을 구비하고,
상기 제3분리부에서 정재 된 육불화황을 재이송하는 제2 이송부 및 불순물 가스를 외부로 배출하는 제3 배출부를 포함하는 것인,
육불화황 정제장치. - 제1항에 있어서,
상기 육불화황 정제장치는 온도, 압력, 유량, 그리고 레벨을 포함하는 운전인자를 계측하는 계측기 및 자동 및 수동 제어를 위한 계통 제어부를 포함하는 것인,
육불화황 정제장치. - 공급부로부터 육불화황(SF6) 혼합물을 전처리부로 공급하는 공급단계;
상기 육불화황 혼합물에 포함된 고체 및 액체상의 불순물을 제거하는 전처리단계;
상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 정제단계;
상기 정제된 육불화황을 저장하는 저장단계; 및
상기 저장된 육불화황을 충전용기에 충전하는 충전단계;를 포함하는 것으로,
상기 정제단계는,
상기 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 정제하는 제1 정제단계;
상기 제1 정제단계로부터 정제된 육불화황을 정제하는 제2 정제단계;
상기 제2 정제단계로부터 정제된 육불화황을 정제하는 제3 정제단계;를 포함하고,
제1 분리부의 온도가 -40℃ 및 압력이 15 bar, 육불화황의 정제 전 가스 농도가 40 vol%이며, 제2 분리부의 온도가 -40℃ 및 압력이 45 bar, 육불화황의 정제 전 가스 농도가 23 vol%인 경우에도, 육불화황을 87% 이상 회수하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제8항에 있어서,
상기 공급단계는 상기 공급부의 공급용기에 수용되어 있는 육불화황 혼합물을 회수부에 압력차를 형성하여 전처리부로 공급하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제8항에 있어서,
상기 제1 정제단계는 상기 고체 및 액체상의 불순물이 제거된 육불화황 혼합물을 냉각하여 제1 육불화황 및 제1 불순물 기체로 분리하는 제1 냉각단계;
상기 제1 불순물 기체를 배출하는 제1 배출단계;
상기 제1 육불화황을 가열하여 기화된 제1정제 육불화황을 형성하는 단계; 및
상기 제1정제 육불화황을 저장부 및 제2 분리부로 이송하는 단계;를 포함하는 것인
육불화황의 정제방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1 냉각 단계는 제1 충전재롤 통과하고 제1 열교환하여 냉각하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1 배출단계는 제1 육불화황의 농도에 따라 결정된 소정의 배출온도에서 설정압력에 도달하였을 때 상기 제1 불순물 기체의 배출이 정지되도록 제어하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제10항에 있어서,
상기 제1정제 육불화황을 저장부 및 제2 분리부로 이송하는 단계는 상기 제1정제 육불화황의 순도를 실시간으로 측정하고,
측정한 순도에 따라 제1정제 육불화황의 흐름을 제어하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제13항에 있어서,
상기 실시간으로 측정한 제1 정제 육불화황의 순도가 99.9% 이상일 경우 저장부로 이송하고,
상기 제1 정제 육불화황의 순도가 99.9% 미만일 경우 제2 분리부로 이송하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제8항에 있어서,
상기 제2 정제단계는 제1 정제 육불화황을 냉각하여 제2 육불화황 및 제2 불순물 기체로 분리하는 제2 냉각단계;
상기 제2 불순물 기체를 배출하는 제2 배출단계;
상기 제2 육불화황을 가열하여 기화된 제2정제 육불화황을 형성하는 단계; 및
상기 제2정제 육불화황을 저장부 및 제3 분리부로 이송하는 단계;를 포함하는 것인
육불화황의 정제방법. - 제15항에 있어서,
상기 제2 냉각 단계는 제2 충전재를 통과하고 제2 열교환하여 냉각하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제15항에 있어서,
상기 제2 배출단계는 제2 육불화황의 농도에 따라 결정된 소정의 배출온도에서 설정압력에 도달하였을 때 상기 제2 불순물 기체의 배출이 정지되도록 제어하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제15항에 있어서,
상기 제2정제 육불화황을 저장부 및 제3 분리부로 이송하는 단계는 상기 제2정제 육불화황의 순도를 실시간으로 측정하고,
측정한 순도에 따라 제2정제 육불화황의 흐름을 제어하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제18항에 있어서,
상기 실시간으로 측정한 제2 정제 육불화황의 순도가 99.9% 이상일 경우 저장부로 이송하고,
상기 제2 정제 육불화황의 순도가 99.9% 미만일 경우 제3 분리부로 이송하는 것인,
육불화황의 정제방법. - 제8항에 있어서,
상기 제3 정제단계는 제2 정제 육불화황을 분리막 모듈을 통과시켜 제3정제 육불화황 및 제3 불순물 기체로 분리하는 단계;
상기 제3 불순물 기체를 배출하는 제3 배출단계; 및
상기 제3정제 육불화황을 제2 분리부로 재이송하는 단계;를 포함하는 것인,
육불화황의 정제방법.
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| KR1020210073000A KR102654751B1 (ko) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 육불화황(sf6) 정제장치 및 정제방법. |
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| KR1020210073000A KR102654751B1 (ko) | 2021-06-04 | 2021-06-04 | 육불화황(sf6) 정제장치 및 정제방법. |
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Patent Citations (2)
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