KR20040104494A - 기체형 기질로부터 동위원소의 분리장치 및 방법 - Google Patents

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KR20040104494A
KR20040104494A KR10-2004-7014010A KR20047014010A KR20040104494A KR 20040104494 A KR20040104494 A KR 20040104494A KR 20047014010 A KR20047014010 A KR 20047014010A KR 20040104494 A KR20040104494 A KR 20040104494A
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나오토 미카미
타다시 고노
키요토 이노마타
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도쿄 가스 가부시키가이샤
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Abstract

메탄가스로부터13CH4를 분리하여 고순도의13CH4를 얻는 경우, 흡착물질상에12CH4및13CH4의 흡착시 편차를 이용하는13CH4의 농축을 설정된 농도로 실행하고, 그후13CH4를 비등점 편차를 이용하는 증류에 의한 분리방법에 의해 농축하여, 고순도의 동위원소 가스를 저렴하게 얻을 수 있다.

Description

기체형 기질로부터 동위원소의 분리장치 및 방법{A SEPARATION METHOD AND SEPARATION APPARATUS OF ISOTOPES FROM GASEOUS SUBSTANCES}
공지된 바와 같이, 자연에 존재하는 물질은 일정한 비율로 동위원소를 포함하고 있다. 예를 들어, 질량수가 13인 탄소원자(13C)는 질량수가 12인 탄소원자(12C)의 동위원소로 존재하며, 예를 들어 천연가스로 수집되는 메탄가스에 있어서, 질량수가 17인 메탄가스(13CH4)는 질량수가 16인 메탄가스(12CH4)와 함께 1.1중량%의 비율로 존재한다. 동위원소는 다양한 산업분야에 적용될 수 있으며, 예를 들어 의료분야에서는 질량수가 13인 탄소(13C)가 사용된다. 이러한13C의 사용에 의해 효과적인 의료검사가 가능하게 되었다.
동위원소는 화학적 성분이 서로 상이하기 때문에, 일반적으로 자연으로부터 질량수가 상이한 동위원소를 분리시키는 장치를 구축하고 이러한 장치를 작동시키기 위해서는 상당한 비용이 소요된다. 탄소 동위원소에서는 증류(저온 미세증류)에 의해, 메탄가스나 일산화탄소 가스에 포함된 동위원소 가스(13CH4또는13CO)를 분리시키는 기술이 공지되어 있다.
증류에 의해 동위원소를 분리시키는 방법에 있어서, 동위원소는 동위원소의 비등점 편차를 사용하므로써 분리될 수 있다. 증류 분리방법에서는 증류관으로 불리우는 장치가 사용된다. 증류관은 상부가 냉각되고 하부가 가열되는 구조를 갖고 있다. 예를 들어, 메탄의 경우에 있어서, 메탄가스가 상기 증류관내로 유입되고, 증류관내의 증류 온도가 미세하게 조정될 때, 비등점이 낮은 성분(12CH4)은 쉽게 액화되지 않기 때문에 증류관의 상부에 수집되며, 비등점이 높은 성분(13CH4)은 쉽게 액화되기 때문에 증류관의 하부에 수집된다. 따라서, 메탄가스는13CH4및12CH4로 분리된다.
그러나, 상기 증류방법은 상당히 낮은 온도로 처리된 가스의 비등점으로 인해 문제점을 내포하고 있다.
원리로부터 이해할 수 있는 바와 같이, 증류 분리방법에 의해, 처리온도는 처리될 가스의 비등점 근처에서 제어되어야만 한다. 일반적으로, 약 1atm과 300K의 대기압 상태와 실온에서 기체상태인 기질은 매우 낮은 비등점을 가지며, 예를 들어 메탄의 비등점은 약 111K이다. 이러한 저온에서 증류관을 제어하기 위해서는다량의 냉각에너지를 필요로 한다. 특히 저온에서 다량의 가스가 제어되어야 하기 때문에, 다른 동위원소 가스에 대해 동위원소의 함량비가 적은 초기 증류 스테이지에서 다량의 냉각에너지가 소모된다.
또한, 증류 분리방법에 있어서, 농축된 동위원소 가스는 회수율이 낮기 때문에, 처리를 실행하기 전의 상태에서 다량의 가스가 증류관에 유입되어야만 한다. 예를 들어, 실용적인 높이를 갖는 증류관을 사용하여13CH4및12CH4가 증류 분리방법에 의해 분리되는 경우, 만일 1.1중량%의13CH4가 함유된13CH4및12CH4의 혼합가스가 증류관에 유입된다면, 증류관의 상부로부터 배출되는12CH4에는 약 1중량%의13CH4가 함유될 것이다. 농축된 동위원소 가스의 낮은 회수는 실용적인 범위의 증류관 높이나 증류관의 갯수에서는 피할 수 없다.
또한, 농축된 동위원소 가스의 낮은 회수와 관련하여, 저농축 스테이지에 대한 설비가 시스템 전체에서 차지하는 피할 수 없는 비율증가에 주목해야 한다. 이것은 미세한 비율로 함유된 동위원소 가스를 증류 분리에 의해 분리하는 경우, 저농축 스테이지에서는 가열 및 냉각시 높은 에너지비율이 필요하다는 것을 의미한다.
또한, 증류 분리방법은 증류관내로 처리 가스 및 에너지를 초기공급한 후로부터 안정된 작동상태를 달성하기까지 시동시간이 너무 길다는 문제점을 내포하고 있다(설비 크기에 따라 수년이 필요할 수도 있다). 이것은 작동비용을 증가시키는요소가 된다.
증류를 이용하는 방법 이외에 일본 특허공개 제10-128071호에서는 다음과 같은 사항을 제안하고 있다. 이러한 공보에 따르면, 동위원소 가스의 분자직경과 비슷한 구멍직경을 갖는 제올라이트가 사용되고 있으며, 동위원소 가스를 분리시키기 위하여 질량수가 상이한 동위원소 가스의 제올라이트상에서의 흡착 편차가 사용되고 있다. 또한, 일본 특허공개 제2001-219035호에서는12CO 및13CO를 분리하기 위해 제올라이트계 흡착물질을 사용하고 있다. 이러한 기법은12CO 및13CO를 분리하기 위해13CO를 보다 용이하게 선택적으로 흡착하는 제올라이트계 흡착물질 성분을 사용하고 있다.
흡착을 이용한 상술의 동위원소 가스의 분리에서는 증류 분리의 경우에서처럼 다량의 냉각에너지를 필요로 하지 않는다. 그러나, 흡착을 이용하여 동위원소 가스를 분리하는 이러한 방법에 있어서, 최종 농축 스테이지에서의 농축 효율은 만족스럽지 않다. 이것은 고순도의 동위원소 가스가 얻어지는 경우에 문제가 된다.
본 발명은 동위원소 가스를 분리하는 장치 및 방법에 관한 것으로서, 특히 낮은 에너지 소비율로(또는 낮은 전력소비율로) 동위원소 가스를 효과적으로 분리하는 장치 및 방법에 효과적으로 적용될 수 있는 기법에 관한 것이다.
도1은 본 발명의 동위원소 가스 분리방법을 실행하는 시스템의 실시예를 도시한 다이아그램.
도2는 본 발명의 동위원소 가스 분리방법이 적용되는 실시예의 처리과정의 실시예를 도시한 도면.
도3은 본 발명의 동위원소 가스 분리방법이 적용되는 실시예의 처리과정의 실시예를 도시한 플로우챠트.
도4는 본 발명의 동위원소 가스 분리방법을 실행하는 시스템의 실시예를 도시한 다이아그램.
도5는 본 발명의 동위원소 가스 분리방법이 적용되는 실시예의 처리과정의 실시예를 도시한 플로우챠트.
본 발명의 목적은 다량의 입력에너지를 필요로 하지 않으며 시동주기를 짧게 할 수 있는 동위원소 가스 분리기법을 제공하는 것이다. 본 발명의 다른 목적은 미소량으로 존재하는 동위원소 가스를 분리하고 이러한 동위원소 가스를 저렴한 비용으로 고순도로 농축시키는 기법을 제공하는 것이다.
먼저, 본 발명에 사용된 용어는 다음과 같이 정의된다. "질량수가 낮은 동위원소"는 그 성분상 원자의 질량수 보다 낮은 동위원소를 의미한다. "질량수가 높은 동위원소"는 그 성분상 원자의 질량수 보다 높은 동위원소를 의미한다. 예를 들어, 메탄가스인 경우,12CH4는 질량수가 낮은 동위원소 가스이며,13CH4는 질량수가 높은 동위원소 가스이다.
"분자 가스(molecular gas)"는 그 성분이 분자인 메탄 등과 같은 가스를 의미한다. "원자 가스"는 그 성분이 원자인 아르곤 등과 같은 가스를 의미한다. "혼합가스"는 다양한 형태의 동위원소 가스를 함유한, 처리될 가스를 의미한다. 혼합가스에는 다른 불순물이 함유되어 있다. 사용가능한 혼합가스의 실시예로는 천연가스로부터 분리되며 0.99:0.01의 중량비율로12CH4및13CH4를 함유한 메탄가스와, 0.99:0.01의 중량비율로12CO 및13CO를 함유한 일산화탄소 가스가 있다.
"제1가스"는 질량수가 낮은 동위원소 가스를 의미하며, 분리될 제1가스의 동위원소 가스는 질량수가 높은 동위원소 가스이다. 일반적으로 "동위원소"라는 용어는 질량수가 상이한 원소를 구성하고 있는 원자나 분자가 서로 동위원소로 불리워지는 방식으로 사용되고 있지만, 본 발명의 "동위원소"에 있어서 질량수가 높은 분리된 가스는 "동위원소 가스"를 의미한다. 상술한 제1가스 및 동위원소 가스는 넓은 의미로 말하자면 서로에 대한 동위원소이지만, 제1가스 및 동위원소를 동위원소 가스로 언급할 수 있으며, 본 발명에서는 질량수가 낮은 동위원소 가스를 "제1가스"로 언급하고, 질량수가 높은 동위원소 가스를 "동위원소 가스"로 언급하기로 한다.
동위원소 가스의 분리 및 농축에 있어서, 본 발명은 저농축 스테이지에서 흡착을 이용한 후, 동위원소 가스를 더욱 농축시키기 위하여 증류를 사용하는 방법을 이용하고 있다. 본 발명자들은 흡착을 사용하는 방법이 에너지 소모면에서는 비교적 저렴하지만, 농도가 높아지는 스테이지에서의 동위원소 농축에는 부적합하다는 것을 알게 되었다. 한편, 증류를 이용하는 방법에 있어서, 농축이 어느정도 진행되었다면, 크기는 매우 커지지 않으며, 에너지 소모는 문제가 되지 않는다. 또한, 흡착을 이용한 방법에 비해, 증류를 이용하는 방법이 농도가 높아지는 스테이지에서의 동위원소 농축에 보다 적합하다. 2가지 방법의 조합 즉, 저농축 스테이지에서 흡착을 이용하여 동위원소 가스의 분리 및 농축을 실행한 후, 농축이 어느정도 진행된 스테이지에서 증류에 의해 동위원소 가스를 분리 및 농축시키는 방법이 사용된다. 따라서, 전체적인 에너지 소모가 종래기술에 비해 상당히 감소될 수 있으며, 고농도의 동위원소 가스(고순도의 동위원소 가스)를 용이하게 얻을 수 있다.
본 발명은 흡착에 의해 동위원소 가스를 분리하기 위해 2가지 현상을 이용하고 있다. 그중 한가지는 2개 이상의 동위원소 가스가 함유된 혼합가스가 특정조건에 부응하는 흡착물질과 접촉하였을 때, 제1가스에 비해 동위원소 가스가 흡착되기 어려워지고 또한 탈리되기도 어렵다는 현상이다.
이러한 현상을 이용하고 2가지 이상의 동위원소 가스가 함유된 혼합가스를 흡착물질과 접촉시키므로써, 동위원소 가스의 농도는 접촉가스의 회수 초기에 높아질 수 있다. 예를 들어, 상술한 혼합가스가 흐를 때, 특정조건에 부응하는 흡착물질이 분리될 동위원소 가스가 흡착되지 않는 상태에 있을 때, 제1가스의 분자가 먼저 포획된 후, 시간이 지연되고나서 동위원소 가스의 분자가 포획된다. 따라서, 흐름이 시작되는 초기 스테이지에서의 혼합가스에 있어서, 동위원소 가스의 비율은 제1가스의 비율 보다 상당히 크다. 따라서, 동위원소 가스가 분리 및 농축되는 혼합가스를 얻을 수 있다.
상술한 바와 같은 현상을 이용하므로써, 또한 2개 이상의 동위원소가 흡착되는 상태에서 특정조건에 부응하는 흡착물질로 탈리를 실행하므로써, 그리고 탈리가 개시되고나서 설정시간이 경과된 후 탈리된 가스를 회수하므로써, 탈리가 지연된 동위원소 가스의 비율이 높아진 가스를 얻을 수 있다. 본 발명에 있어서, "탈리"는 기질이 흡착될 표면으로부터 흡착된 기질의 분리를 의미한다.
또한, 본 발명은 2개이상의 동위가스가 함유된 혼합가스가 특정조건에 부응하는 흡착물질과 접촉하였을 때, 동위원소 가스가 제1가스에 비해 보다 쉽게 흡착된다는 현상을 이용하고 있다.
이러한 현상을 이용하므로써, 또한 혼합가스를 특정 흡착물질과 접촉시킨 후 흡착된 가스성분을 탈리시키므로써, 흡착된 성분들중 동위원소 가스의 비율이 흡착전에 비해 높아지게 된다. 따라서, 이러한 현상을 이용하여, 동위원소 가스의 분리 및 농축을 실행할 수 있다.
개략적으로 본 발명은 다음과 같은 사항을 제공한다. 본 발명의 제1모드는 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상기 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 가스 분리방법에 있어서, 상기 혼합가스를 흡착챔버의 가스 입구에 공급하는 단계와, 상기 혼합가스의 공급이 개시되고 나서 설정시간이 경과할 때까지 상기 흡착챔버의 가스 출구로부터 유출되는 상기 제1가스의 동위원소 가스를 인출하는 단계가 포함된 제1처리과정과; 상기 혼합가스를 흡착챔버에 밀봉하는 단계와, 상기 밀봉단계후 흡착챔버로부터 혼합가스를 유출시키는 단계와, 상기 혼합가스 유출단계로부터 설정시간이 경과된 후 상기 제1가스의 동위원소를 인출하는 단계가 포함된 제2처리과정과; 인출된 상기 제1가스의 동위원소 가스를 증류에 의해 농축하는 처리과정을 부가로 포함하는 동위원소 가스 분리방법을 포함한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 제1모드에 따르면, 제1가스의 흡착물질상에서의 흡착 및 탈리는 평형상태에 가깝지만 동위원소 가스의 흡착 및 탈리가 아직 평형상태에 도달되지 않은 스테이지에서, 흡착챔버의 내부로부터 가스의 흐름이 발생된다. 따라서, 동위원소 가스의 농도가 증가된 혼합가스를 얻을 수 있다. 그후 동위원소 가스의 온도가 어느정도 높아진 스테이지에서, 증류에 의해 동위원소 및 제1가스의 분리가 실행된다. 동위원소 가스의 농도가 낮은 영역에서는 증류와 비교하였을 때, 흡착에 의해 동위원소가스의 분리 효율이 비교적 높으며, 에너지가 절감된다. 따라서, 종래기술의 방법에서 저농축 스테이지에서의 증류에 따른 다량의 에너지 소비라는 문제점을 해결할 수 있다. 또한, 분리효율(농축효율)이 높은 증류가 사용되기 때문에, 농축된 농도가 점점 높아지는 영역에서 흡착을 이용하는 방법에 비해 고순도의 동위원소 가스를 얻을 수 있다는 장점을 제공하게 된다
상술한 본 발명의 제1모드에서는 초기 유동상태로부터 일정시간 경과후, 흡착챔버내에 밀봉된 상태로부터 흡착챔버의 외부로 흐르는 회수가스에 의해, 증류후지연되는 동위원소 가스의 농도가 높아지는 가스를 회수할 수 있다. 이 경우 동위원소 가스의 농도가 어느정도 높아진 스테이지에서 증류로 절환하므로써 상술한 바와 같은 효과를 얻을 수 있다.
흡착을 이용하는 분리과정으로부터 증류를 이용하는 분리과정으로의 절환은, 회수된 가스에 있어서 분리된 동위원소 가스의 농도가 자연의 존재비를 초과하는 스테이지에서, 양호하기로는 동위원소의 농도가 10중량% 내지 80중량%인 스테이지에서, 더욱 양호하기로는 동위원소의 농도가 10중량% 내지 50중량%인 스테이지에서 실행되는 것이 바람직하다. 분리된 동위원소 가스의 농도가 10중량%일 때, 증류를 이용한 분리과정이 비용이 더 많이 소요된다. 그러나, 생산성 증가 등과 같은 요구사항에 부응하기 위하여 기존의 증류설비에 흡착 분리설비가 더해지는 경우에는 상술한 절환과정이 10중량% 이하에서 실행되더라도, 증류설비가 부가적으로 설치되는 경우에 비해 비용이 더욱 낮아지게 된다. 분리된 동위원소 가스의 농도가 50중량%를 초과하였을 때, 흡착을 이용한 분리방법은 분리효율이 낮아지며, 이에 따라 그 장점이 줄어들게 된다.
상술한 본 발명의 제1모드에서 동위원소 가스를 흡착하는 물질로는 활성탄소, A형 제올라이트, 또는 이들의 화합물이 사용될 수 있다. 사용가능한 실시예로는 디카르복실 산 등의 3차원 금속 화합물이 포함된다. 혼합가스로서는 메탄가스나 암모니아 가스 등이 사용된다.
상술한 본 발명의 제1모드에서 동위원소 가스의 분리를 실행한 후, 감압환경하에서 흡착물질을 가열하여 흡착된 기질을 제거하는 재생과정을 실행하고나서, 동위원소를 다시 분리하는 과정을 반복적으로 실행하는 것이 바람직하다.
동위원소 가스의 흡착이 진행됨에 따라, 포화가 발생되어, 흡착 및 탈리가 거의 평형을 이루는 평형상태에 도달된다. 이와 같이 되었을 때, 혼합가스에서의 동위원소 가스비율은 흡착물질의 접촉 전후와 동일하게 되며, 분리된 동위원소 가스의 분리효율이 떨어진다. 따라서, 분리된 동위원소 가스의 흡착과정을 실행한 후, 흡착물질에 흡착된 기질을 제거하고 흡착물질의 흡착능을 회복시키므로써, 동위원소 가스의 분리가 다시 실행될 수 있다. 동위원소 가스 분리과정과 흡착물질 재생과정을 반복적으로 실행하므로써, 동위원소 가스를 효과적으로 분리할 수 있다.
본 발명의 제2모드는 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상술한 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 가스 분리방법을 제공하며, 상기 동위원소 분리방법은 흡착챔버의 가스 입구에 상기 혼합가스를 공급하는 단계와, 상기 혼합가스 공급을 시작하고 나서 설정시간이 경과된 후 공급을 중단하는 단계와, 상기 흡착챔버의 내부를 감압하고, 상기 흡착챔버의 내부에 흡착된 혼합가스를 인출하는 단계와, 인출된 혼합가스에 함유되어 있는 제1가스의 동위원소를 증류에 의해 농축하는 단계를 포함한다.
본 발명의 제3모드는 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상기 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 분리방법을 제공하며, 이러한 동위원소 가스 분리방법은 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상기 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 가스 분리방법에 있어서, 상기 혼합가스를 흡착챔버의 가스 입구에 공급하는 단계와, 상기 혼합가스의 공급을 시작하고 나서 설정시간이 경과된 후 공급을 중단하는 단계와, 상기 흡착챔버내로 캐리어가스를 흐르게 하고, 흡착챔버내에 흡착된 혼합가스를 상기 캐리어가스를 따라 인출하는 단계와, 인출된 혼합가스에 함유되어 있는 상기 제1가스의 동위원소 가스를 증류에 의해 농축하는 단계를 포함하는 동위원소 가스 분리방법을 제공한다.
상술한 바와 같은 본 발명의 제2모드 및 제3모드에 의해, 흡착챔버에서 흡착물질상에 용이하게 흡착되는 동위원소 가스가 흡착챔버에 더욱 많이 흡착되며, 흡착된 성분을 회수하므로써 고농도의 동위원소 가스를 얻을 수 있다. 따라서, 동위원소 가스의 분리 및 농축방법이 실행될 수 있다. 또한, 동위원소 가스의 농도가 낮은 초기 농축 스테이지에서 흡착과정을 이용하여 상기 농축과정을 실행하고 또한 농축이 진행되는 스테이지로부터 증류를 이용하여 농축으로 절환하므로써, 에너지 소모가 적고(예를 들어, 낮은 동력소모) 순도 및 효율을 높게 실현할 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 제2모드 및 제3모드에서는 동위원소 가스를 흡착하기 위한 물질로서 다공성 물질이 사용될 수 있다. 특히, 동위원소 가스를 흡착하기 위한 물질로서 제올라이트, 활성탄소, 실리카겔, 또는 알루미늄 등이 사용될 수 있다. 또한, 혼합가스로서는 일산화탄소 가스가 선택될 수 있다. 흡착물질로서 구리-이온교환된 제올라이트가 사용되는 경우, 혼합가스로서는 암모니아 가스가 사용될 수 있다. 이 경우,14NH3및15NH3가 분리되어,15NH3의 농축이 실행될 수 있다.
본 발명의 제2모드 및 제3모드에 있어서, 흡착을 이용하는 분리과정으로부터 증류를 이용하는 분리과정으로의 절환은 회수된 가스에 있어서 분리된 동위원소 가스의 농도가 자연의 존재비를 초과하는 스테이지에서, 양호하기로는 상기 농도가 10중량% 내지 80중량%인 스테이지에서, 더욱 양호하기로는 상기 농도가 10중량% 내지 50중량%인 스테이지에서 실행되는 것이 바람직하다.
본 발명의 상술한 제2모드 및 제3모드에 있어서, 제올라이트로서는 파우자사이트(faujasite), 펜타실 제올라이트, 모르데나이트(mordenite), 또는 A형 제올라이트가 양호하게 사용된다.
본 발명은 동위원소 가스 분리장치에도 적용될 수 있다. 이 경우, 상기 장치는 상술한 바와 같은 본 발명의 동위원소 가스 분리방법을 실행할 수 있는 설비나 수단을 포함한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에 따르면, 저농축 스테이지에서의 농축은 흡착방법에 의해 실행되고, 증류를 이용한 농축은 상당한 고농축 스테이지로의 천이 스테이지에서 실행되기 때문에, 저농축 스테이지에서 증류 설비에 가해지는 부하가 상당히 경감될 수 있다. 따라서, 오직 증류과정만 실행되는 경우에 비해, 설비의 증류관의 갯수가 전체적으로 감소될 수 있다. 또는, 농축 스테이지의 갯수를 감소시키거나 증류관의 높이를 낮추는 효과가 제공될 수 있다. 이 경우, 증류관내에서 역류되는 휴지중인 액체의 흡착량(액화된 상태의 제1가스가 주성분인 흐름)이 감소되기 때문에, 안정된 상태의 동작을 위한 농도 분포가 달성될 때까지 시동주기가 감소될 수 있다. 따라서, 증류과정만 이용하는 경우에 비해 작동비용이 감소될 수있다.
상술한 바와 같은 본 발명은 이미 작동중인 증류과정의 일부에 흡착과정을 조합하므로써 비용을 절감시키는데 사용될 수 있다. 실제 모드의 실시예는 동위원소 가스의 생산성 증가가 요구되는 증류에 의해 동위원소 분리 설비에서 저농축 스테이지의 농축과정이 실행되는 일부에, 부가의 흡착 분리설비를 제공하는 단계와; 동위원소 가스의 농축과정의 일부를 떠맡거나 또는 저농축 스테이지의 생산성을 증가시키는 유사한 방식으로, 흡착과정에 의해 처리과정의 일부를 떠맡는 단계를 포함한다. 이러한 방법에 의해, 저농축 스테이지의 증류과정에 인가되는 부하를 경감시킬 수 있다는 장점을 얻을 수 있다.
흡착을 이용하는 동위원소 분리과정(동위원소 농축과정)으로서, 상술한 바와 같이 흡착에 의한 그 어떤 동위원소 분리기법이 가스나 흡착물질에 따라 적절히 선택될 수 있다.
본 발명의 효과는 대부분 동위원소 분리과정의 초기 스테이지에서 사용되는 흡착과정을 이용하는 동위원소 분리과정(동위원소 농축과정)에 의해 제공되고 있지만, 이러한 사용은 저농축 스테이지에서 증류과정의 경제성이 달성될 수 있는한 동위원소 분리과정의 초기 스테이지로 한정되지 않는다.
상술한 본 발명에 의해, 다량의 에너지 입력을 필요로 하지 않으며 초기 시동주기를 짧게 할 수 있는 동위원소 가스 분리기법이 제공된다. 본 발명은 미세한 양으로 존재하는 동위원소 가스 분리과정을 효과적이면서도 저렴하게 실행할 수 있으며 동위원소 가스의 농축을 고순도로 실행할 수 있는 기법을 제공한다.
본 발명의 실시예는 도면을 참조하여 상세히 서술될 것이다. 그러나, 본 발명은 여러가지 상이한 모드로 실행될 수 있으며, 이러한 실시예에 한정되지 않는다. 실시예에 있어서, 동일한 구성요소에는 동일한 도면부호가 부여되었다.
제1실시예
동위원소 가스 분리방법의 실시예에 대해 서술하기로 한다. 이러한 실시예에서 흡착을 이용한 동위원소 가스 분리방법은 제1가스에 비해, 특정의 동위원소 가스가 특정의 흡착물질에 용이하게 흡착되거나 탈리되지 않는다는 현상을 이용하고 있다. 이러한 실시예에서 흡착을 이용한 동위원소 가스 분리방법은 흡착물질이설치된 흡착챔버에 혼합가스를 통과시키는 과정에서 초기 스테이지에서 통과된 가스는 동위원소 가스가 제1가스에 비해 용이하게 흡착되지 않기 때문에, 동위원소 가스를 고농도로 포함한다는 현상을 이용하고 있다.
이러한 실시예에서, 제1가스로는12CH4가 사용되고, 분리될 동위원소 가스로는13CH4가 사용되며, 흡착물질로는 활성탄소가 사용되었다.
도1은 본 발명의 동위원소 가스 분리방법을 실행하는 시스템의 실시예를 도시한 다이아그램이다. 도1에 도시된 시스템은 유동제어장치(400, 401), 파이핑(101), 밸브(102), 파이핑(103), 밸브(104), 활성 탄소(105), 흡착챔버(107), 온도제어장치(108), 파이핑(109), 회수펌프(110), 밸브(111), 배출펌프(113), 회수탱크(114), 밸브(115), 배출펌프(116), 밸브(117), 유동제어장치(118), 파이핑(120), 증류관(131), 파이핑(132, 133), 증류관(141), 파이핑(142, 143)을 포함한다.
캐리어가스로서 사용되는 헬륨(He) 가스가 파이핑(101)으로부터 유입된다. 고순도의 메탄(CH4) 가스는 파이핑(130)으로부터 유입된다. 말할 것도 없이, 고순도 메탄은12CH4및13CH4를 포함하고 있다. 흡착챔버(107)는 내부가 감압상태로 유지될 수 있게 하는 구조를 갖는다. 상기 흡착챔버(107)는 온도제어장치(108)에 의해 설정온도로 가열되거나 냉각될 수 있으며, 내부 온도는 임의로 조정될 수 있다. 흡착챔버(107)의 내부는 회수 펌프(110) 및 배출펌프(113)에 의해 감압상태로 있다.
활성탄소(105)는 흡착물질로서 작용한다. 활성탄소(105)로는 메탄 분자직경의 2배, 양호하기로는 1배의 평균 구멍직경을 갖는 활성탄소가 사용된다. 이것은 활성탄소의 평균 구멍직경이 메탄 분자직경의 2배, 양호하기로는 1배일 때,12CH4및13CH4가 양호하게 분리되는 것이 실험적으로 확인되었기 때문이다.
활성탄소의 제조방법에 대해 서술하기로 한다. 활성탄소를 위한 원료로서는 셀룰로오스, 셀룰로오스 화합물, 폴리이미드, 폴리이미드 화합물, 셀룰로오스를 주성분으로 하는 천연기질 및 인공기질, 또는 이러한 다수의 물질들의 혼합물 등이 사용된다. 생산하기 위해서, 먼저 원료가 분말로 제조된 후, 필요에 따라 바인더가 첨가된 주형에 위치된다. 그후, 설정된 형태의 물질을 얻기 위해 가압된다. 가압된 후, 성형된 물질은 열처리된다. 상기 열처리는 2가지 단계로 실행된다. 먼저, 탄화를 위한 열처리가 실행된다. 이러한 열처리는 예를 들어 질소기압하에서 1073K에서 6시간 실행된다. 이러한 열처리에 의해 물질은 탄화된다. 그후 제2열처리가 실행된다. 이러한 열처리는 예를 들어 이산화탄소 기압하에서 1173K에서 6시간 실행된다. 이러한 제2열처리에서는 활성화가 일어나고 다공성 상태로의 변화가 진행된다. 제1실시예에서도 다공성 상태로의 변화가 이루어지지만, 제2실시예에서는 다공성 상태로의 변화가 더욱 진행된다. 제2열처리의 조건을 제어하므로써, 구멍의 밀도와 구멍 직경이 제어될 수 있다. 구멍 직경 및 밀도에 대한 제어조건은 원료 및 기압에 의존하기 때문에, 이들은 실험에 의해 결정되어야만 한다.
회수탱크(114)는 흡착챔버(107)로부터 배출된 가스를 회수하기 위한 탱크이다. 증류관(131)은 캐리어 가스인 헬륨으로부터 증류에 의해 메탄을 분리하기 위한 증류관이다. 상기 증류관(131)은 PSA 등과 같은 가스 분리장치이다.12CH4및13CH4의 분리는 증류관(141)에서 실행된다. 상기 증류관(141)은 그 상부 및 하부에 도시않은 온도제어장치가 배치되며, 증류관의 하부에 비등점이 높은 성분을 수집하고, 증류관의 하부에 비등점이 낮은 성분을 수집하는 기능을 갖추므로써, 비등점이 높은 성분을 비등점이 낮은 성분으로부터 분리할 수 있다. PSA는 압력 변동 흡착부의 약자이다.
하기에 고순도 메탄 가스로부터13CH4을 분리 및 추출하는 과정의 실시예에 대해 서술하기로 한다. 하기의 설명에 있어서,12CH4는 본 발명의 제1가스에 대응하며,13CH4는 본 발명의 제1가스의 동위원소 가스에 대응한다. 고순도 메탄은 본 발명의 동위원소 가스 및 제1가스가 함유된 혼합가스에 대응한다.
도2는 본 발명의 동위원소 가스 분리방법이 적용되는 실시예의 처리과정의 실시예를 도시한 플로우챠트이다.
먼저, 모든 밸브가 폐쇄된 상태에서, 배출펌프(113)가 작동되고, 밸브(112)는 개방되며, 흡착챔버(107)는 감압상태가 된다. 그후 밸브(112)가 폐쇄되고, 밸브(102)가 개방되어, 흡착챔버(107)의 내부를 헬륨가스로 충진한다. 그후, 밸브(102)는 폐쇄되고, 밸브(112)가 개방되며, 배출펌프(113)가 작동되어 헬륨가스를 흡착챔버(107)의 내부로 배출한다. 흡착챔버(107)에 존재하는 불순물을 가능한한 많이 제거하는 동시에 활성탄소(105)를 재생하기 위하여, 이러한 일련의 작동은 수회 반복된다. 그후, 흡착챔버(107)는 13Pa 또는 이 이하의 고진공상태로 돌입된다. 또한, 밸브(111, 117)는 폐쇄되고, 밸브(115)가 개방되어, 배출펌프(116)가 작동되므로써, 회수탱크(114)의 내부를 고진공상태로 되게 한다. 회수탱크(114)의 내부가 고진공상태로 되었을 때, 밸브(115)가 폐쇄된다.
동위원소 가스의 분리는 이러한 상태로부터 실행된다. 이제,12CH4의 동위원소인13CH4의 분리가 시작된다. 먼저, 밸브(111, 112)가 폐쇄되고, 밸브(102, 104)가 개방된 후, 밸브(111)가 개방되어, 흡착챔버(107)의 내부에 고순도의 메탄 가스 및 헬륨 가스를 유입시킨다[단계(502)]. 이러한 과정에 있어서, 유동제어장치(400, 401)는 설정의 유동비로 유동을 실현할 수 있도록 조정되며, 밸브(111)의 개방은 흡착챔버(107)의 압력을 설정압력으로 유지하도록 조정된다. 또한, 온도제어장치(108)는 흡착챔버(107)내의 온도를 고정값(예를 들어, 278K)으로 유지하도록 작동된다. 유동제어장치(400, 401)는 메탄가스의 유동비 및 헬륨가스의 유동비가 예를 들어 1:9가 되도록 조정된다.
흡착챔버(107)내로 흐르는 메탄가스 및 헬륨가스는 흡착챔버(107)의 내부를통해 흐르며, 회수펌프(110)에 의해 회수탱크(114)에 회수된다[단계(503)]. 흡착챔버(107)내로 흐르는 메탄가스의 흐름에 의해,12CH4는 동위원소 가스에 비해 활성탄소(105)에 의해 쉽게 흡착되기 때문에, 먼저12CH4가 활성탄소에 의해 흡착되기 시작되며, 시간이 약간 지체된 후13CH4가 활성탄소(105)에 의해 흡착되기 시작한다. 그 결과, 흡착챔버(107)로부터 회수탱크(114)로 배출되는 가스에 의해,13CH4의 농도는 초기 스테이지에서12CH4의 농도 보다 높다. 메탄가스는 약간의 시간주기동안 흐르기 때문에,13CH4의 흡착량과 탈리량은 평형상태에 도달하게 되며, 흡착챔버(107)로부터 배출되는 메탄가스에서13CH4에 대한12CH4의 비율은 흡착챔버(107)의 내부로 흐르는 메탄가스에서의13CH4에 대한12CH4의 비율과 거의 동일하다.
따라서, 설정된 시간이 경과된 스테이지에서, 밸브(111)가 폐쇄되고, 흡착챔버(107)로부터의 유동가스 인출이 정지된다[단계(504)]. 흡착챔버(107)내로의 메탄가스 유입초기부터 유입정지까지의 시간은 예를 들어 200초로 설정된다. 이러한 주기중에 흡착챔버(107)로부터 배출되는 메탄가스는13CH4의 농도가 높다. 따라서,13CH4의 농도가 증가되는 배출가스(메탄가스 및 헬륨가스)가 회수탱크(114)에 수집된다. 회수탱크(114)에 수집되는 배출가스는 유동제어장치(118)의 작용에 의해 회수탱크(114)로부터 증류관(131)으로 송출된다. 메탄가스 및 헬륨가스의 분리는 증류관(131)에서 실행된다. 메탄가스는 파이핑(133)에 의해 증류관(141)으로 송출된다. 상기 헬륨가스는 파이핑(132)으로부터 회수된다.
흡착챔버(107)내로의 메탄가스 유입정지후, 밸브(112)가 개방되고, 배출펌프(113)가 작동을 개시하여 흡착챔버의 내부를 고진공상태로 되게 한다. 이러한 처리과정에 있어서, 온도제어장치(108)는 탈리효과를 강화하기 위하여 흡착챔버(107)의 내부를 가열하도록 제어된다. 가열온도는 예를 들어, 373K로 설정된다. 그후, 밸브(102)가 개방되어, 헬륨가스를 흡착챔버(107)내로 흐르게 한다. 활성탄소(105)에 흡착된12CH4분자 및13CH4분자를 탈리시키는 재생과정이 실행된다[단계(505)].
재생과정후,13CH4분리과정의 반복 여부에 대한 판단이 다시 이루어지고, 메탄가스가 다시 흡착챔버(107)의 내부로 유입된 후, 다음 사이클에서13CH4의 분리과정이 실행된다. 따라서, 활성탄소(105)를 이용하는13CH4분리과정과 활성탄소(105)의 재생과정이 반복실행된다. 이러한 처리과정과 함께,13CH4농도가 높은 메탄가스와, 캐리어 가스인 헬륨가스가 회수탱크(114)에 수집되며; 수집된 가스는 회수탱크(114)로부터 증류관(131)으로 송출된다. 그후, 증류관(131)에서 헬륨가스 및 메탄가스의 분리가 실행된다. 분리된 메탄가스는 파이핑(133)으로부터 증류관(141)으로 송출된다. 만일13CH4분리과정이 종료되었다면, 단계(506)에서 "아니오"라고 판정되어, 동위원소 가스의 분리가 종료된다[단계(507)]. 상술한 바와 같은 각각의 단계는 도시않은 컴퓨터 제어장치 등을 사용하여 미리 준비된 프로그램에 따라 자동으로 실행된다.
통상적으로는 도2의 단계(502) 내지 단계(506)가 반복된다.13CH4의 농도가 높은 메탄가스 및 헬륨가스는 파이핑(120)을 통해 헬륨가스가 분리되는 증류관(131)으로 지속적으로 송출된다. 흡착과정에 있어서,13CH4의 농도가 높은 메탄가스는 증류관(131)으로부터 증류관(141)으로 송출된다.
증류과정 이전의 스테이지에서, 메탄가스에서13CH4의 농도는 10중량% 이상이 바람직하다. 이것은 다량의 에너지 소비를 피하고, 증류에 의한 동위원소 분리 방법에 의한 분리개시(농축 초기)의 초기 스테이지에서 설비가 대형으로 되는 것을 피하기 위해서이다. 본 발명자의 발견에 기초하여, 메탄가스에 존재하는13CH4의 농도가 10중량% 이상인 경우, 종래 증류과정에 의해서만 이루어지는 분리 및 농축에 비해 상당한 비용감소가 달성될 수 있다.
증류관(141)으로 송출되는 메탄가스는 계속해서12CH4및13CH4의 분리과정이 실행된다. 증류관(141)에서, 내부의 온도는12CH4및13CH4가 용이하게 액화되는 상태를 셋업하기 위하여 메탄의 비등점에 가까운 값으로 조정된다. 이러한 상태에서 증류관(141)의 하부가 약간 가열되고 상부가 약간 냉각되었을 때,13CH4에 비해 비등점이 낮은 성분인12CH4가 비등점의 편차로 인해 보다 용이하게 액화되는 상태를 미세한 조건하에 얻을 수 있다. 즉, 증류관(141)에 설치된 도시않은 온도제어장치의 미세조정에 의해, 비등점이 낮은 성분이 쉽게 기화되고 비등점이 높은 성분이 쉽게 기화되지는 않지만 쉽게 액화되는 상태를 설정하기 위하여, 0.03K의 비등점 편차가 사용된다. 그 결과, 비등점이 낮은 성분(12CH4)이 증류관(141)의 상부에 수집되고, 파이핑(143)으로부터 외부로 배출된다. 한편, 비등점이 높은 성분(13CH4)은 증류관(141)의 하부에 수집되어, 파이핑(142)을 통해 인출된다. 실제 높이의 증류관을 사용하는 경우,12CH4및13CH4를 완벽하게 분리하는 것은 불가능하며, 파이핑(143)으로부터 배출되는 메탄가스에 상당량의13CH4가 포함될 것이다.
파이핑(143)으로부터 배출되는 메탄가스는 파이핑(144)으로 안내되어, 원료인 메탄가스와 혼합된 후 재사용되므로써, 효율을 더욱 개선시키게 된다. 또한, 흡착챔버(107)로부터의 배출가스가 상술한 바와 같이 회수탱크(114)에 수집되지만, 상기 배출가스는 회수탱크(114)를 사용하지 않고 증류관(131)으로 직접 간헐적으로 안내된다.
증류관(141)은 도1에서12CH4및13CH4의 분리를 실행하기 위한 증류관으로 도시되었지만, 실질적으로 증류관은13CH4의 목표 순도에 따라 다수의 스테이지를 통해 증류과정을 실행하기 위해 많은 스테이지에 배치된다. 또한, 증류에 의한13CH4의 분리(농축)는 제어성이 매우 높다. 따라서, 필요로 하는13CH4의 순도를 용이하게 얻을 수 있다.
상술한13CH4의 분리 방법(농축 방법)에 있어서, 저농도 스테이지에서의 에너지 소비(예를 들어, 전력)가 억제될 수 있기 때문에, 시스템 전체는 에너지 소비를 적게 할 수 있으며(예를 들어, 동력 절감), 이에 따라 경제성이 높아지게 된다. 또한, 처리 속도도 높아진다.
특히, 본 발명의 방법에 있어서, 수천개의 스테이지를 필요로 하는 증류관만 사용하는 이론적인13CH4의 농축이 간단하게 된다. 특히, 다량의 에너지(예를 들어, 전력)를 사용하는 증류과정은 다량의 메탄가스가 처리되어야만 하는 분리과정의 저농도 스테이지에서는 사용되지 않기 때문에, 증류만을 사용하는 종래기술에 비해 고순도의13CH4를 얻기 위한 작동비용이 상당히 절감된다. 설치가 간단해지기 때문에, 설치비용도 감소된다.
흡착에 의한 동위원소 가스의 농축은 필요한 농도를 얻기 위해 다수의 스테이지에서 실행된다.
본 발명의 실시예에서는 흡착물질의 실시예로서 활성탄소가 사용되었지만, 다공성 화합물, 제올라이트, 또는 구멍 직경이 적절히 조정되거나 적절한 구멍 직경을 갖는 기타 다른 다공성 물질이 사용될 수도 있다. 다공성 화합물의 실시예로서 디카르복실 산 등의 3차원 금속 화합물이 제공된다.
제2실시예
이러한 실시예에서, 동위원소 가스는 흡착물질이 저장된 흡착챔버내에 혼합가스를 밀봉하므로써, 또한 혼합가스가 유출되고 나서 설정시간이 경과된 후 흡착챔버로부터 흐르는 혼합가스를 인출하므로써 분리 및 농축된다. 제1실시예에서처럼, 이러한 실시예에서도 상술한 바와 같은 현상 즉, 제1가스에 비해 특정의 동위원소 가스가 특정의 흡착물질에 용이하게 흡착되고 이러한 흡착물질로부터 쉽게 탈리되지 않는다는 현상을 이용한다.
이러한 실시예에서는 제1가스로12CH4가 사용되고, 분리된 동위원소가스로서는13CH4가 사용되며, 흡착물질로서는 활성탄소가 사용된다.
이러한 실시예는 도1의 실시예에 도시된 시스템을 사용한다. 하기에 고순도 메탄가스로부터12CH4의 동위원소 가스인13CH4를 분리하는 경우에 대해 서술하기로 한다. 이러한 실시예에서는 흡착물질로서 제1실시예와 동일한 활성탄소를 사용하는 경우가 서술될 것이다.
도3은 본 발명의 동위원소 가스 분리방법이 적용되는 실시예의 처리과정을 도시한 플로우챠트이다.
먼저, 모든 밸브가 폐쇄된 상태에서, 밸브(112)가 개방되고, 배출펌프(113)가 작동되어 흡착챔버(107)는 감압상태가 된다. 그후 밸브(112)가 폐쇄되고, 밸브(102)는 개방되어, 흡착챔버(107)의 내부를 헬륨가스로 충진한다. 그후 밸브(102)가 폐쇄되고, 밸브(112)가 개방되며, 배출펌프(113)가 작동되어, 흡착챔버(107)의 내부로 헬륨가스를 배출한다. 이러한 일련의 동작은 흡착챔버(107)에 존재하는 불순물을 가능한한 많이 제거하는 동시에 활성탄소(105)를 재생하기 위하여 수회 반복된다. 그후 상기 흡착챔버(107)는 13Pa 또는 이 이하의 고진공상태로 된다. 또한, 회수탱크(114)도 고진공상태로 된다.
이러한 상태로부터,12CH4의 동위원소 가스인13CH4의 분리가 시작된다[단계(601)]. 먼저, 밸브(112)가 폐쇄되고, 밸브(102, 104)가 개방되어, 파이핑(101)으로부터의 헬륨가스 및 파이핑(103)으로부터의 고순도 메탄가스를 흡착챔버(107)에 유입시킨다. 이 경우, 유동제어장치(400, 401)는 흡착챔버(107)의 내부가 설정 압력에 도달될 때까지 헬륨가스와 고순도 메탄가스가 흡착챔버(107)내로 흐를 수 있도록 조정된다. 흡착챔버(107)의 내부가 헬륨 및 고순도 메탄가스로 충진되어 있고 설정의 내부압력에 도달되었을 때, 메탄가스와 헬륨가스의 유동비는 예를 들어 1:9로 설정되며; 밸브(102, 104)는 헬륨 및 고순도 메탄가스가 흡착챔버(107)내에서 밀봉되는 상태를 얻기 위하여 폐쇄된다[단계(602)]. 이러한 과정에 있어서, 온도제어장치(108)는 흡착챔버(107)내의 온도를 고정된 값(예를 들어, 278K)으로 유지하도록 작동된다.
고순도 메탄가스가 흡착챔버(107)내에 밀봉되는데 소요되는 시간은13CH4가 활성탄소(105)에 적절히 흡착되는 시간 보다 짧지 않다. 고순도 메탄가스가 흡착챔버(107)내에 밀봉되는데 소요되는 시간은 예를 들어 500초로 설정된다.
고순도 메탄가스를 흡착챔버(107)의 내부에 설정시간동안 밀봉한 후, 밸브(112)가 개방되고, 흡착챔버(107)내에 밀봉된 가스는 시스템으로부터 배출된다[단계(603)]. 가스가 배출되기 시작하고 나서 설정시간이 경과된 후, 밸브(112)가 폐쇄되고, 밸브(111)가 개방된다. 따라서, 흡착챔버(107)내에 밀봉된 고순도 메탄가스가 배출되어, 회수탱크(114)에 회수된다[단계(604)]. 배출이 시작된 후로부터 설정된 시간은 예를 들어 50초로 설정된다.
흡착챔버(107)로부터 회수탱크(114)로의 고순도 메탄가스의 배출이 종료되었을 때, 밸브(111)가 폐쇄된다.
고순도 메탄가스가 흡착챔버(107)내에 밀봉된 상태로부터,13CH4및12CH4가 활성탄소(105)에 흡착되기 시작한다. 흡착챔버(107)내에 밀봉된 고순도 메탄가스가 배출될 때, 먼저12CH4가 활성탄소(105)로부터 탈리되기 시작하며, 일정시간 지연후13CH4가 활성탄소(105)로부터 탈리되기 시작한다. 따라서, 만일 흡착챔버(107)로부터의 고순도 메탄가스가 유출되기 시작된 때로부터 설정시간 경과후 유출 가스가 회수된다면, 유출가스에 있어서 탈리과정중에 지연된13CH4의 존재비는 미리 탈리되었던13CH4의 존재비 보다 훨씬 높다. 따라서,13CH4에 농축된 고순도 메탄가스가 회수탱크(114)에 수집된다.
회수탱크(114)에 수집된 고순도 메탄가스는 유동제어장치(118)의 작용에 의해 증류관(131)으로 송출되어, 헬륨가스가 분리된다. 헬륨가스로부터 분리된 고순도 메탄가스는 파이핑(133)을 통해 증류관(131)으로부터 증류관(141)으로 안내되어,13CH4가 계속 농축된다. 제1실시예에서, 도면부호 131은 PSA와 같은 가스분리장치이다. 증류관(141)에서의 처리과정이 제1실시예와 동일하기 때문에, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
이어서, 작동중인 배출펌프(113)에 의해, 밸브(112)가 개방되고, 흡착챔버(107)의 내부는 고진공상태로 된다. 이러한 과정에 있어서, 온도제어장치(108)는흡착챔버(107)의 내부를 가열하여 재생효율을 강화시키도록 제어된다. 가열온도는 예를 들어 373K로 설정된다. 그후, 밸브(102)가 개방되어 헬륨가스를 흐르게 하며, 활성탄소(105)로부터 탈리되었던12CH4및13CH4가 흡착챔버(107)로부터 배출된다. 따라서, 재생과정이 실행된다[단계(605)].
통상적으로 재생과정후,13CH4의 분리과정을 반복할 것인지의 여부에 대한 판단이 이루어지고[단계(606)], 메탄가스는 다시 흡착챔버(107)로 유입되고, 다음 사이클에서13CH4분리과정이 실행된다. 따라서, 활성탄소(105)를 이용한13CH4분리과정과 활성탄소(105)의 재생과정은13CH4의 농도가 높은 메탄가스를 증류관(131)으로 송출하도록 반복실행된다.
회수탱크(114)를 사용하지 않는 과정은 이러한 실시예에서 사용된다.
증류관(141)으로 유입되는 스테이지에서의13CH4농도는 본 실시예에서는 10중량% 이상으로 설정된다.
13CH4분리과정을 종료하기 위해, 단계(606)에서 "아니오"로 판정되고, 흡착을 이용한 동위원소 가스 분리과정이 종료된다[단계(607)]. 또한, 상술한 바와 같은 각각의 단계는 도시않은 컴퓨터 제어장치 등을 이용하여 미리 준비된 프로그램에 따라 자동으로 실행된다.
제1실시예에서 제공되었던 저렴한 비용으로13CH4의 분리를 가능하게 하였던 장점은 이러한 실시예에서도 제공된다.
이러한 실시예에 있어서, 메탄가스를 흡착챔버(107)로 유동시키는데 사용되는 파이핑과, 흡착챔버(107)로부터 메탄가스를 배출시키는데 사용된 파이핑은 동일한 파이핑이다.
상술한 실시예에서 흡착물질로는 활성탄소가 사용되었지만, 다공성 화합물이나, 제올라이트, 또는 구멍직경으로 적절히 조정되거나 적절한 구멍직경을 갖는 기타 다른 다공성 물질도 사용될 수 있다. 다공성 화합물의 실시예로는 디카르복실산 등의 3차원 금속 화합물이 사용될 수도 있다.
제3실시예
본 실시예는 특정 흡착물질과 특정 혼합가스에 있어서 흡착물질상에서의 흡착이 제1가스가 아닌 동위원소 가스에서 용이하게 실행된다는 현상을 이용하고 있다. 즉, 제1가스 및 동위원소 가스의 혼합가스는 흡착챔버를 통과하며, 혼합가스의 흡착챔버로의 유입 및 유출은 설정의 시간이 경과된 후의 스테이지에서 정지되며, 그후 흡착챔버의 흡착물질상에 선택적으로 흡착된 동위원소 가스가 흡착챔버의 내부로부터 배출된다. 흡착물질상에는 제1가스 보다 동위원소 가스가 더 많이 흡착되기 때문에, 흡착챔버로부터 배출되는 혼합가스에서 동위원소 가스의 농도는 흡착챔버로 유입되기 전 혼합가스에서의 농도 보다 높다. 또한, 동위원소 가스의 농도가 어느정도 증가된 스테이지에서는 동위원소 가스의 분리 및 농축을 계속 실행하기 위해 증류과정으로 절환된다. 따라서, 고순도의 동위원소 가스를 얻을 수 있다.
이러한 실시예에 있어서, 제1가스로서는12CO가 사용되며, 흡착물질로서는 제올라이트가 사용된다.
본 실시예는 도1에 도시된 시스템을 사용하여 서술하기로 한다. 캐리어가스로 사용되는 헬륨(He)이 파이핑(101)으로부터 유입된다. 혼합가스인 고순도의 일산화탄소 가스(CO)가 파이핑(103)으로부터 유입된다. 흡착물질(105)은 제올라이트계 흡착물질로서, 예를 들어 파우자사이트, 제올라이트가 사용된다. 흡착물질은 흡착챔버(107)에 수용된다. 흡착챔버(107)의 내부는 온도제어장치(108)에 의해 임의의 온도로 조정될 수 있다. 회수탱크(114)는 흡착챔버(107)의 내부로부터의 배출물을 일시적으로 저장한다. 증류관(131)은 일산화탄소 가스로부터 캐리어가스인 헬륨을 분리하기 위한 것이다. 제1실시예에서처럼, 도면부호 131은 PSA와 같은 가스분리장치이다. 증류관(141)의 작용은 제1실시예와 동일하다.
헬륨은 동위원소 가스인13CO가 흡착물질(105)상에 흡착되는 과정을 위한 캐리어가스이다. 헬륨은 흡착물질(15)상에 흡착되기 시작하는 동위원소 가스13CO를 회수하기 위한 캐리어가스로도 사용된다. 캐리어가스인 헬륨을 유동시키므로써, 흡착물질(105)상에 흡착된13CO가 탈리되며,13CO는 헬륨을 따라 회수된다.
도5는 본 발명의 동위원소 가스 분리방법이 적용되는 실시예의 처리과정을도시한 플로우챠트이다. 먼저, 처리를 실행하기 전에, 배출펌프(113)는 흡착챔버(107)의 내부를 고진공상태로 하기 위해 폐쇄되어 있는 밸브(112)를 제외한 모든 밸브를 작동시킨다. 그후, 밸브(112)는 폐쇄되고, 밸브(102)가 개방되어, 흡착챔버(107)의 내부를 헬륨가스로 충진시킨다. 이러한 과정은 흡착챔버(107)의 내부에 있는 불순물을 제거하고 흡착물질(105)의 흡착능을 높이기 위하여 수회 반복된다. 또한, 회수탱크(114)는 고진공상태가 된다.
동위원소 가스의 분리는 고진공상태인 흡착챔버(107)에서 시작된다[단계(701)]. 먼저, 고진공상태인 흡착챔버(107)에 의해, 밸브(101, 104)가 개방된다. 헬륨과 일산화탄소 가스가 적절한 비율로, 예를 들어 80중량%와 20중량%의 비율로 흡착챔버(107)로 흐르도록 유동제어장치(400, 401)가 작동된다. 따라서, 혼합가스의 공급이 시작된다[단계(702)].
상술한 바와 같이 헬륨 및 일산화탄소 가스의 공급에 의해 흡착챔버(107)내의 압력이 대기압에 도달되었을 때, 흡착챔버(107)내의 압력을 대기압으로 유지하도록 유동제어장치(400, 401)를 조정할 동안 밸브(112)가 개방되고, 헬륨 및 일산화탄소 가스의 공급이 지속된다. 따라서, 헬륨 및 일산화탄소 가스가 흡착챔버(107)의 내부를 통과하는 상태가 형성된다. 헬륨 및 일산화탄소 가스의 공급은 예를 들어 200초 동안 지속된다. 흡착챔버(107)내부의 압력은 대기압 이상의 압력으로 유지된다.
일산화탄소 가스가 공급되었을 때, 제올라이트를 포함하는 흡착물질에 의해12CO가 아닌13CO가 훨씬 용이하게 흡착되기 때문에, 흡착물질(105)에는13CO가 훨씬 많이 흡착된다. 따라서 초기에는13CO의 농도가 낮은 일산화탄소 가스가 흡착챔버(107)로부터 배출될 것이다. 설정된 유동량이 흡착물질(105)을 통과하였을 때, 흡착평형상태에 도달되고,13CO의 선택적 흡착에 의한 농축은 더 이상 실행되지 않는다. 흡착챔버(107)로부터 배출되는 일산화탄소 가스에서13CO에 대한12CO의 비율은 흡착챔버(107)내로 일산화탄소 가스의 유입 이전의 스테이지와 동일하게 될 것이다.
헬륨가스와 일산화탄소 가스를 설정된 시간동안 흐르게 한 후, 밸브(102, 104, 112)가 폐쇄된다[단계(703)]. 그후, 밸브(111)가 개방되고, 흡착챔버(107)내의 가스가 회수펌프(110)에 의해 회수탱크(114)에 회수된다. 이러한 과정에 있어서, 흡착챔버(107)내의 온도는 회수효율을 강화하기 위하여 온도제어장치(108)에 의해 예를 들어 423K로 상승한다. 흡착챔버(107)가 감압상태로 돌입되고 이러한 과정중에 가열되기 때문에, 흡착물질(105)상에 흡착된 성분은 탈리되어 회수탱크(114)에 회수된다[단계(704)]. 이렇게 탈리된 성분에 의해,13CO/12CO의 값은 흡착챔버(107)로의 유입상태일 때 보다 크다. 이러한 과정중에는 회수효율을 증가시키기 위해 캐리어가스가 흡착챔버(107)로 흐르게 된다.
이어서, 밸브(111)가 폐쇄되고, 밸브(102, 112)가 개방되어, 헬륨가스는 흡착챔버(107)로 흐르게 된다. 이때, 흡착챔버(107)내의 온도는 재생효율을 강화하기 위하여 예를 들어 423K로 상승한다. 따라서, 흡착물질(105)에 흡착된 일산화탄소 가스의 탈리가 계속적으로 실행되어, 흡착물질(105)을 재생하게 된다[단계(704)]. 재생과정에 의해, 흡착물질(105)의 흡착능이 검사된다. 이러한 과정에서 흡착챔버(105)로부터의 배출가스의13CO가 자연 농도 보다 높기 때문에, 상기 배출가스는 회수탱크(114)에 회수된다.
회수된 일산화탄소 가스의13CO농도는 자연 농도 보다 높다. 따라서, 회수탱크(114)에는13CO성분으로 농축된 일산화탄소 가스가 수집된다. 캐리어가스인 헬륨가스는 회수탱크에서 일산화탄소 가스를 따라 회수된다. 또한, 회수탱크(114)를 제공하지 않더라도, 유동제어장치(118)(또는 적절한 펌프)를 사용하여13CO성분이 농축되어 있는 일산화탄소 가스를 간헐적으로 증류관(131)에 송출할 수 있다.
흡착을 이용한 동위원소 가스의 분리과정이 지속되는 경우, 단계(705)에서 "예"로 판단되어, 단계(702)로의 복귀가 이루어진다. 이 경우, 흡착챔버(107)의 내부는 다시 감압상태로 돌입되고, 단계(702)로부터의 진행이 전방으로 반복된다.
회수탱크(114)에 저장된 일산화탄소 가스와 헬륨가스는 유동제어장치(118)의 작동에 의해 증류관(131)으로 송출된다. 헬륨가스 및 일산화탄소 가스의 분리는 증류관(131)에서 실행된다. 헬륨가스 및 일산화탄소 가스는 비등점이 상당히 상이하기 때문에, 헬륨가스 및 일산화탄소 가스의 실질적인 완벽한 분리는 증류관(131)에서 이루어진다. 비등점이 높은 일산화탄소 가스는 증류관(131)의 하부에 수집되어, 파이핑(133)을 통해 증류관(141)으로 송출된다. 비등점이 낮은 헬륨가스는 증류관(131)의 상부에 수집되어, 파이핑(132)을 통해 회수된다.
증류관(141)에 공급된 일산화탄소 가스는13CO성분이 적어도 10중량%로 농축되는 상태로 된다. 실제로, 흡착을 이용한 상술한13CO 분리작업은13CO 성분이 적어도 10중량%로 농축될 때까지 필요한 스테이지 갯수로 실행된다.
13CO 성분이 적어도 10중량%로 농축되는 일산화탄소 가스는 파이핑(133)을 통해 증류관(141)에 공급된다. 그후, 증류관(141)에서, 비등점이 높은13CO 와 비등점이 낮은12CO의 분리과정이 실행된다. 증류관(141)에서의 과정은 제1실시예와 동일하기 때문에, 이에 대한 설명은 생략한다.
제3실시예의 방법에서는 흡착물질로서 활성탄소, 실리카겔, 또는 알루미늄 등이 사용된다. 제올라이트계 흡착물질로서, 파우자사이트, 펜타실 제올라이트, 모르데나이트, 또는 A형 제올라이트가 사용된다.
제4실시예
이러한 실시예에서는 본 발명의 장점을 설명하기 위하여, 증류에 의한 동위원소 가스 농축과정은 증류에 의한 동위원소 가스 농축과정이 흡착에 의한 동위원소 가스 농축과정과 조합된 경우와 비교된다.
도4는 처리될 가스로서 자연 존재비의13CO를 함유한 고순도 일산화탄소 가스를 사용하고, (a)증류에 의해, (b)흡착+증류(1)에 의해, (c)흡착+증류(2)에 의해 99중량%의 순도를 갖는13CO를 얻기 위한 경우의 다이아그램을 도시하고 있다.
상기 (a)의 경우에 있어서, 증류관으로서는 관이 5개인 설비가 사용되며, 각각의 증류관은 0.15m의 내경과 750개의 스테이지를 갖는다. 이 경우 증류관의 리보일러(reboiler)에 필요한 열량은 모두 35kW 이다. 또한, 이 경우 증류관의 갯수에 의존하는 휴지 체적은 2㎥ 이다.
상기 (b)의 경우에 있어서, (a)의 제1증류관은 흡착과정으로 대체되며, 이러한 흡착과정을 위해 상술한 제3실시예의 방법이 사용된다. 흡착과정 출구(증류과정의 입구)에서의13CO의 농도는 10중량%이며, 상술한 바와 같은 내경과 스테이지 갯수를 갖는 증류관에서는 증류과정을 위해 관이 2개인 설비가 사용된다. 리보일러에 필요한 열량은 증류관의 갯수에 비례하기 때문에, 14kW로 감소되며, 휴지 체적은 0.8㎥으로 감소된다.
상기 (c)의 경우에 있어서, (a)의 제1증류관 및 제2증류관은 흡착과정으로 대체되며, 이러한 흡착과정을 위해 상술한 제3실시예의 방법이 사용되었다. 흡착과정 출구(증류과정의 입구)에서의13CO의 농도는 45중량%이며, 상술한 바와 같은 내경과 스테이지 갯수를 갖는 증류관에서는 증류과정을 위해 관이 하나인 설비가 사용되었다. 리보일러에 필요한 열량은 증류관의 갯수에 비례하기 때문에, 7kW로 감소되며, 휴지 체적은 0.4㎥으로 감소된다.
상술한 바와 같은 비교에 따르면, 리보일러에 필요한 열량을 감소시키면서에너지를 적게 사용하여(리보일러에 필요한 가열 열량과, 콘덴서에서 필요로 하는 냉각 열량), 설정된 농도를 갖는 동위원소 가스를 얻을 수 있음을 나타내고 있다. 즉, 증류만을 사용하는 (a)의 경우에서는 농축의 초기 스테이지(제1스테이지)에서 3개의 증류관이 필요하며, 흡착과정과의 조합에 의해 다량의 소비에너지(예를 들어, 소비전력)가 필요하며, 상기 3개의 증류관은 제거될 수 있다. 증류과정 이전의 스테이지에서 흡착과정과 조합하므로써, 저농도 스테이지에서의 농축과정에서 인가되는 부하가 감소되어, 에너지 소비(예를 들어, 소비전력)를 낮출 수 있다.
설비의 작동개시후 안정된 작동상태 까지의 주기(시동주기)에 있어서, 흡착과정에서는 농축 스테이지가 필요없고 또한 시동주기를 무시할 수 있기 때문에, 처리과정 전체의 시동주기는 증류관의 휴지 체적에 의존하며, 만일 (a)의 시동주기가 1로 설정되었다면, (b)의 경우에는 0.9로 감소되고, (c)의 경우에는 0.3으로 감소된다. 안정된 작동상태는 설정된 농도의13CO를 안정하게 얻을 수 있는 작동상태를 의미한다.
상술한 바와 같은 비교결과에 따르면, 시동주기는 저농축 스테이지에서 흡착과정을 조합하므로써 감소될 수 있다는 것을 나타내고 있다. 이것은 설비의 작동개시로부터 제품의 선적까지의 주기가 감소될 수 있고, 이에 따라 투하자본의 조기회수라는 경제적 효과를 유발한다는 것을 의미한다. 따라서, 예를 들어 짧은 시간에 선적량을 증가시키도록 현존의 설비가 강회되는 경우에는 이러한 수단이 매우 효과적이다.
도4에 도시된 바와 같이, 저농축 스테이지에서 흡착과정과 연합하므로써(이 경우, 농축과정의 초기 스테이지), 선적에 요구되는 자본을 감소시킬 수 있다. 혼합가스로서 일산화탄소 가스가 선택되는 경우, 혼합가스내의13CO의 농도가 10중량%로 될 때까지 흡착에 의한 분리과정을 실시하고, 그후 분리과정을 증류과정으로 절환하므로써, 증류과정만 실행되는 경우에 비해 증류관의 갯수가 5개에서 3개로 감소되며, 에너지 소비가 상당히 감소된다. 또한, 혼합가스내의13CO의 농도가 45중량%로 될 때까지 흡착에 의한 분리과정을 실시하고, 그후 분리과정을 증류과정으로 절환하므로써, 소비 에너지를 더욱 낮출 수 있다. 따라서, 일산화탄소 가스를 사용하여13CO를 분리하는 과정에 있어서, 혼합가스내의13CO의 농도가 10중량%로 될 때까지는 흡착방법의 사용이 바람직하며, 혼합가스내의13CO의 농도가 45중량%(또는 이 이상)로 될 때까지 흡착방법을 사용하는 것이 더욱 바람직하다고 말할 수 있다.
본 발명은 양호한 실시예에 대해 서술하였지만, 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 요지로부터 일탈없는 범위내에서 변형이 가능하다.
본 발명의 상술한 실시예에서, 흡착에 의한 동위원소 가스의 분리(농축)은 여러개의 스테이지에서 실행되거나 병렬설치된 다수의 스테이지에서 실행될 수 있다. 또한, 흡착을 이용한 동위원소 가스 분리과정이 병렬설치된 다수의 스테이지에서 실행될 수 있도록 다수의 분리장치가 제공될 수 있으며, 각각의 분리장치의 처리 타이밍은 동위원소 가스 농도가 증가되는 혼합가스가 증류과정중 동위원소 분리과정에 지속적으로 공급될 수 있도록, 적절히 조정될 수 있다.

Claims (21)

  1. 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상기 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 가스 분리방법에 있어서,
    상기 혼합가스를 흡착챔버의 가스 입구에 공급하는 단계와, 상기 혼합가스의 공급이 개시되고 나서 설정시간이 경과할 때까지 상기 흡착챔버의 가스 출구로부터 유출되는 상기 제1가스의 동위원소 가스를 인출하는 단계가 포함된 제1처리과정과,
    상기 혼합가스를 흡착챔버에 밀봉하는 단계와, 상기 밀봉단계후 흡착챔버로부터 혼합가스를 유출시키는 단계와, 상기 혼합가스 유출단계로부터 설정시간이 경과된 후 상기 제1가스의 동위원소를 인출하는 단계가 포함된 제2처리과정과,
    인출된 상기 제1가스의 동위원소 가스를 증류에 의해 농축하는 처리과정을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  2. 제1항에 있어서, 흡착챔버에서 동위원소 가스를 흡착하는 물질로서 다공성 물질이 사용되는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 다공성 물질은 활성탄소, 제올라이트, 또는 화합물인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 혼합가스는 메탄가스 또는 암모니아 가스인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 동위원소 가스의 농도는 상기 제1처리과정이나 제2처리과정을 통해 자연 존재비를 초과하는 농도로 증가되는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  6. 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상기 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 가스 분리방법에 있어서,
    상기 혼합가스를 흡착챔버의 가스 입구에 공급하는 단계와,
    상기 혼합가스의 공급을 시작하고 나서 설정시간이 경과된 후 공급을 중단하는 단계와,
    흡착실의 내부를 감압시키고, 상기 흡착실의 내부에 흡착된 혼합가스를 인출하는 단계와,
    인출된 혼합가스내에 함유되어 있는 상기 제1가스의 동위원소를 증류에 의해 농축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  7. 제6항에 있어서, 흡착챔버에서 동위원소 가스를 흡착하는 물질로서 다공성 물질이 사용되는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 다공성 물질은 제올라이트, 활성탄소, 실리카겔, 또는알루미늄인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 혼합가스는 일산화탄소 가스인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  10. 제6항에 있어서, 증류에 의해 농축하는 단계 이전의 스테이지에서, 상기 동위원소 가스의 농도는 적어도 자연 존재비를 초과하는 농도인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  11. 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상기 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 가스 분리방법에 있어서,
    상기 혼합가스를 흡착챔버의 가스 입구에 공급하는 단계와,
    상기 혼합가스의 공급을 시작하고 나서 설정시간이 경과된 후 공급을 중단하는 단계와,
    상기 흡착챔버내로 캐리어가스를 흐르게 하고, 흡착챔버내에 흡착된 혼합가스를 상기 캐리어가스를 따라 인출하는 단계와,
    인출된 혼합가스에 함유되어 있는 상기 제1가스의 동위원소 가스를 증류에 의해 농축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 흡착챔버에서 동위원소 가스를 흡착하는 물질로서 다공성 물질이 사용되는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 다공성 물질은 제올라이트, 활성탄소, 실리카겔, 또는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 혼합가스는 일산화탄소 가스인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  15. 제11항에 있어서, 증류에 의해 농축하는 단계 이전의 스테이지에서, 상기 동위원소 가스의 농도는 적어도 자연 존재비를 초과하는 농도인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  16. 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상기 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 가스 분리장치에 있어서,
    내부가 대기압 보다 낮은 감압상태로 설정될 수 있는 흡착챔버와,
    상기 흡착챔버로부터 가스를 배출하는 가스배출수단과,
    상기 흡착챔버에 가스를 공급하는 가스 공급포트와, 상기 흡착챔버로부터 가스를 배출하는 가스 배출포트와, 또는 상기 흡착챔버로부터 또는 흡착챔버로 가슬르 공급 및 배출하는 가스 공급/배출 포트와,
    상기 흡착챔버에 대해 가스의 공급, 배출, 밀봉, 또는 공급유동률을 제어하거나 상기 흡착챔버내의 가스압력을 제어하는 단일의 또는 다수의 밸브 또는 가스 유동제어수단과,
    상기 동위원소 가스를 흡착하기 위한 물질로서 상기 흡착챔버내에 설치된 다공성 물질과,
    상기 가스 배출포트 또는 가스 공급/배출 포트에 이어 배치되고, 상기 가스 배출포트 또는 가스 공급/배출 포트로부터 인출된 배출가스를 증류하는 증류장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리장치.
  17. 제16항에 있어서, 상기 혼합가스는 메탄가스, 암모니아 가스, 또는 일산화탄소 가스인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리장치.
  18. 제16항에 있어서, 상기 다공성 물질은 제올라이트, 화합물, 실리카겔, 또는 알루미늄인 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리장치.
  19. 제16에 있어서, 상기 흡착챔버내의 흡착물질을 가열하는 수단을 부가로 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리장치.
  20. 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상기 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 가스 분리방법에 있어서,
    상기 제1가스 및 동위원소가스의 흡착시 혼합가스를 흡착물질과 선택적으로접촉시켜 상기 동위원소 가스가 농축된 혼합가스를 얻는 단계와,
    상기 동위원소 가스의 농도를 증류에 의해 농축하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리방법.
  21. 분자 또는 원자 제1가스가 함유된 혼합가스로부터 상기 제1가스의 동위원소 가스를 분리하는 동위원소 가스 분리장치에 있어서,
    혼합가스가 흐르거나 밀봉되며, 상기 제1가스 및 동위원소 가스의 흡착시 그 내부에 흡착물질이 선택적으로 설치된 흡착챔버와,
    상기 흡착챔버로부터 인출된 배출가스를 증류하는 증류장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 동위원소 가스 분리장치.
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