KR20040111508A - 가스 분리 방법 - Google Patents

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Abstract

복수의 가스성분을 포함하는 혼합가스로부터, 제 1 가스성분과 제 2 가스성분을 압력변동식 흡착분리법을 사용하여 분리하는데 있어서, 이들 가스성분을 효율이 좋게 회수할 수 있고, 그럼에도 불구하고 저비용화가 가능한 가스분리방법을 제공한다. 제 1 가스성분에 대하여 약흡착성이며 제 2 가스성분에 대하여 강흡착성인 제 1 흡착제를 마련한 제 1 흡착통과, 제 1 가스성분에 대하여 강흡착성이며 제 2 가스성분에 대하여 약흡착성인 제 2 흡착제를 마련한 제 2 흡착통을 사용하여, 흡착공정과 재생공정의 사이에, 제 1 및 제 2 흡착통을 균압화하는 균압감압 공정 및 균압가압 공정을 실시한다.

Description

가스 분리 방법{GAS SEPARATION METHOD}
반도체 집적회로, 액정 패널, 태양전지 패널, 자기 디스크 등의 반도체 제품을 제조하는 공정에서는, 비활성기체 분위기에서 플라즈마를 발생시키고, 상기 플라즈마에 의해 반도체 제품의 각종 처리를 실시하는 방법이 넓게 이용되고 있다.
이 플라즈마 처리에는, 질소가스 분위기 안의 처리 챔버 내에 비활성기체를 유통시켜서 고주파 방전에 의해 플라즈마를 발생시키며, 피처리물을 취출하는 때에 챔버 내를 질소가스로 퍼지(purge)하는 방법이 있다.
이 처리에 있어서 사용되는 비활성가스로, 종래는 아르곤가스가 이용되었지만, 근래에는, 보다 고도의 처리를 하기 위해서, 크립톤가스와 크세논가스의 사용이 검토되고 있다.
그러나, 크립톤가스와 크세논가스는, 공기 중에서의 존재비가 작고, 공기에서의 분리 공정이 복잡하기 때문에, 극히 고가의 가스이다. 이 때문에, 크립톤가스와 크세논가스를 처리 분위기 가스로서 사용한 후, 그대로 배출(폐기)하면, 이 분위기 가스에 필요한 비용이 커지는 문제가 있었다.
이 비활성가스를 사용하는 공정을 경제적으로 성립시키기 위해서는, 배기가스에서 비활성가스를 고회수율로 회수하며, 재이용하는 것이 중요하게 된다.
비활성가스를 재이용하기 위해서는, 불순물 농도를 적어도 100ppm 이하인 비활성가스를 배기가스에서 분리할 필요가 있다.
복수의 성분을 함유하는 혼합가스에서 목적의 가스성분을 분리하는 방법으로는, 압력변동식 흡착분리법이 있다.
이 압력변동식 흡착분리법은, 상기 배기가스에서 비활성가스를 회수하는 방법에 적용 가능하다.
종래의 압력변동식 흡착분리법에 의한 가스 분리 방법에서는, 흡착공정에 의해, 흡착제에 강(强)흡착성분이 흡착되는 것과 동시에, 약(弱)흡착성분도 약간은 흡착된다.
더욱이, 흡착통 내의 흡착제 간의 공극에도 약흡착성분이 존재하기 때문에, 재생공정으로 배출되는 재생 배기가스 중에는 상당한 양의 약흡착성분이 포함된다. 이 때문에, 목적의 가스성분(이 예로는 약흡착성분)의 회수율을 높이는 것이 어렵다.
혼합가스에서 목적의 가스성분을 높은 회수율로 회수하기 위해서는, 외부에 배출되는 가스에 함유된 목적의 가스성분을 최소한으로 하는 것이 바람직하다.
종래의 압력변동식 흡착분리법에는, 피흡착성분의 흡착속도차를 이용한 속도형 압력변동식 흡착분리법과, 평형형 압력변동식 흡착분리법이 있다. 이들을 조합시키는 것에 의해, 회수율을 높일 수 있다. 이들 2개의 분리법을 조합시키는 경우에는, 예를 들면, 평형형 압력변동식 흡착분리법과, 속도형 압력변동식 흡착분리법의 각각의 재생공정 시에 배출되는 탈착(脫着)가스(재생 배기가스)를 저유조에 회수하고, 이를 원료가스와 혼합하여, 순환원료가스로서 재흡착공정에 공급하는 방법을 들 수 있다.
이러한 방법으로는, 재생 배기가스를 흡착공정에 공급하기 때문에, 외부로 배출되는 목적가스 성분량을 낮출 수 있다.
2개의 분리법을 단순히 조합시키게 되면, 평형형 압력변동식 흡착분리기구와 속도형 압력변동식 분리기구로, 각각 2개씩, 즉 합계 4개의 흡착통이 필요하게 된다.
이에 대해, 흡착특성이 다른 흡착제(평형형과 속도형)를 충전한 제 1 및 제 2 흡착통에 대하여, 교대로 혼합가스를 공급하는 가스분리방법을 사용하면, 2개의 흡착통으로 분리가 가능하기 때문에, 장치의 소형화가 가능하다.
이하, 제 1 흡착통으로, 평형형 압력변동식 흡착분리법에 의해 평형형 흡착제에 대한 강흡착성분과 약흡착성분을 분리하고, 제 2 흡착통으로, 속도형 압력변동식 흡착분리법에 의해 속도형 흡착제에 대한 강흡착성분과 약흡착성분을 분리하는 방법에 대해 설명한다.
제 1 및 제 2 흡착통에 대한 흡착공정에는, 원료의 혼합가스를 가압 하에 흡착통에 도입하여 각각의 흡착제에 대한 강흡착성분을 흡착하고, 약흡착성분을 제품가스로 회수한다.
재생공정에서는, 흡착통을 감압하는 것에 의해, 흡착제에 흡착된 강흡착성분을 탈착시키고, 흡착제를 재생시킨다. 재상배기가스는 원료의 혼합가스와 혼합하여, 순환원료가스로, 흡착공정에서 흡착통에 공급한다.
이 방법에서는, 표 1에 나타난 바와 같이, 제 1 흡착통에서 흡착공정을 실시하는 때에, 제 2 흡착통에서 재생공정을 실시하고, 또한, 제 1 흡착통에서 재생공정을 실시하는 때에는, 제 2 흡착통에서 흡착공정을 실시한다.
이 방법에서는, 각 압력변동식 흡착분리법에 사용되는 흡착통을 각각 1개로 할 수 있다.
표 1
제 1 흡착통 흡착공정 재생공정
제 2 흡착통 재생공정 흡착공정
그러나, 상기 방법에서는, 제품회수율이 충분하지 않기 때문에, 이 회수율을 향상시키는 것이 요구되었다, 여기서, 제품회수율은, 이하에 정의하는 순환원료가스 공급유량에 대한 제품가스의 도출유량의 비율이다.
제품회수율[%] = (제품가스 도출유량×제품가스 농도[%])/ (순환원료가스 공급유량÷2×순환원료가스 중의 제품가스 농도[%])×100
종래 방법으로는, 제품회수율이 낮기 때문에, 큰 용량의 압축기가 필요하고, 설비비용과 운전비용이 증가하는 문제가 있었다.
본 발명은, 적어도 2종의 가스 성분, 예를 들면 비활성기체와 질소기체를 함유하는 혼합가스로부터, 이들 가스 성분을 압력변동식 흡착(吸着)분리법을 사용하여 분리하는 방법에 관한 것이다.
본 출원은 일본 특허출원 제2002-112145호를 기초로 하는 것으로, 그 내용을 본 명세서에 도입한다.
도 1은 본 발명의 가스분리방법의 제 1 실시예를 실시 가능한 가스분리장치를 도시한 개략구성도이다.
도 2A∼D는 본 발명의 가스분리방법의 제 1 실시예의 공정도이다.
도 3은 본 발명의 가스분리방법의 제 2 실시예를 실시 가능한 가스분리장치를 도시한 개략구성도이다.
도 4A∼D는 본 발명의 가스분리방법의 제 2 실시예의 공정도이다.
도 5는 시험결과를 도시한 그래프이다.
도 6은 시험결과를 도시한 그래프이다.
본 발명은, 상기 사정을 감안한 것으로, 복수의 가스성분을 포함한 혼합가스로부터, 그들 가스성분을 압력변동식 흡착분리법을 사용하여 분리하는 것으로써, 이들 가스성분을 높은 효율로 회수할 수 있고, 그럼에도 불구하고 저비용화가 가능한 가스분리방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 가스분리방법은, 제 1 가스성분에 대하여 약흡착성이며 제 2 가스성분에 대하여 강흡착성인 제 1 흡착제를 마련한 제 1 흡착통과, 제 1 가스성분에 대하여 강흡착성이며 제 2 가스성분에 대하여 약흡착성인 제 2 흡착제를 마련한 제 2 흡착통을 사용한다.
(스텝 1)
제 1 흡착통에 있어서, 혼합가스를 가압 하에 공급하고, 제 2 가스성분을 흡착시키며, 제 1 가스성분을 제 1 제품가스로서 분리하는 흡착공정을 실시하고,
제 2 흡착통에 있어서, 감압에 의해 제 1 가스성분을 탈착시키는 재생공정을 실시하며,
(스텝 2)
제 1 흡착통에 있어서, 제 1 흡착통 내의 가스를 제 2 흡착통에 도입하여 이 흡착통을 균압화함으로써 제 1 흡착통을 감압하는 균압감압 공정을 실시하고,
제 2 흡착통에 있어서, 상기 제 1 흡착통으로부터의 가스 도입에 의해 제 2 흡착통을 가압하는 균압가압 공정을 실시하며,
(스텝 3)
제 1 흡착통에 있어서, 감압에 의해 제 2 가스성분을 탈착시키는 재생공정을실시하고,
제 2 흡착통에 있어서, 혼합가스를 가압 하에 공급하며, 제 1가스성분을 흡착시키고, 제 2 가스성분을 제 2 제품가스로서 분리하는 흡착공정을 실시하며,
(스텝 4)
제 2 흡착통에 있어서, 제 2 흡착통 내부의 가스를 제 1 흡착통에 도입하여 이 흡착통을 균압화함으로써 제 2 흡착통을 감압하는 균압감압 공정 실시하며,
제 1 흡착통에 있어서, 상기 제 2 흡착통으로부터의 가스 도입에 의해 제 1 흡착통을 가압하는 균압가압 공정을 실시함으로써, 제 1 가스성분과 제 2 가스성분을 분리하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가스분리방법에는, 제 1 및 제 2 제품가스를 저유하는 제 1 및 제 2 제품가스 저유조를 사용하고, 제 1 및 제 2 흡착통의 재생공정으로, 제 1 및 제 2 제품가스 저유조의 각 제품가스를, 각각의 제 1 및 제 2 흡착통에 도입하며, 제 1 및 제 2 흡착통의 균압가압 공정으로, 제 1 및 제 2 제품가스 저유조의 각 제품가스를, 각각 제 1 및 제 2 흡착통에 도입하는 방법을 들 수 있다.
본 발명의 가스분리방법에는, 제 1 및 제 2 흡착통 내의 가스를 퍼지(purge)가스로서 저유하는 제 1 및 제 2 퍼지가스 저유조를 사용하고, 제 1 및 제 2 흡착통에서의 균압감압 공정으로, 제 1 및 제 2 흡착통 내의 가스를, 퍼지가스로서, 각각 제 1 및 제 2 퍼지가스 저유조에 저유하며, 제 1 및 제 2 흡착통의 재생공정으로, 제 1 및 제 2 퍼지가스 저유조의 퍼지가스를, 각각의 제 1 및 제 2 흡착통에 도입하는 것이 바람직하다.
본 발명의 가스분리방법에는, 제 1 및 제 2 가스성분 중의 일방을 크립톤가스 또는 크세논가스로 하며, 타방을 질소가스로 할 수 있다.
본 발명의 가스분리방법에는, 제 1 및 제 2 흡착제 중 일방을 평형분리형 흡착제로 하며, 타방을 속도분리형 흡착제로 할 수 있다.
본 발명의 가스분리방법에는, 제 1 및 제 2 흡착제 중 일방을 활성탄으로 하며, 타방을 제올라이트로 할 수 있다.
본 발명의 가스분리방법에는, 속도분리형 흡착제를 마련한 흡착통에 있어서, 흡착공정의 최고도달압력을, 300∼500kPa(게이지압)으로 하는 것이 바람직하다.
도 1은, 본 발명의 가스분리방법의 제 1의 실시예를 실기 가능한 가스분리장치를 도시한 것이다.
이 가스분리장치는, 적어도 2종의 가스성분을 포함하는 혼합가스인 원료가스가 도입된 원료저유조(1)와, 원료저유조(1)로부터의 순환원료가스를 압축하는 압축기(2)와, 압축기(2)로부터의 순환원료가스 중의 제 1 가스성분을 제 1 제품가스로서 분리하는 제 1 분리유닛(3)과, 순환원료가스 중의 제 2 가스성분을 제 2 제품가스로서 분리하는 제 2 분리유닛(4)을 구비한다.
제 1 분리유닛(3)은, 순환원료가스 중의 제 1 가스성분을 제 1 제품가스로서 분리하는 제 1 흡착통(11)과, 제 1 제품가스를 저유하는 제 1 제품가스 저유조(12)를 구비한다.
부호 L3은, 압축기(2)로부터의 순환원료가스를 제 1 흡착통(11)에 도입하는 도입관로이다. 도입관로(L3)은 제 1 흡착통(11)의 하부에 접속된다.
부호 L4는, 제 1 흡착통(11)으로부터의 제 1 제품가스를 제 1 제품가스 저유조(12)에 도입하는 기능과, 제 1 제품가스를 저유조(12)로부터 흡착통(11)으로 이동하는 기능을 가지는 관로이다. 관로(L4)는, 제 1 흡착통(11)의 상부에 접속된다.
부호 L5는, 저유조(12)로부터 제 1 제품가스를 도출하는 도출관로이다.
부호 L9는, 제 1 흡착통(11)으로부터 재생 배기가스를 원료저유조(1)로 반송하는 반송관로이다.
부호 L11은, 제 1 제품가스 저유조(12) 내의 제 1 제품가스를 퍼지가스로서 제 1 흡착통(11)에 도입하는 도입관로이다.
제 1 흡착통(11)에는, 제 1 가스성분에 대하여 약흡착성이며, 제 2 가스 성분에 대하여 강흡착성인 제 1 흡착제가 사용된다.
제 2 분리유닛(4)은, 순환원료가스 중의 제 2 가스 성분을 제 2 제품가스로서 분리하는 제 2 흡착통(21)과, 제 2 제품가스를 저유하는 제 2 제품가스 저유조(22)를 구비한다.
부호 L6은, 압축기(2)로부터의 순환원료가스를 제 2 흡착제(21)에 도입하는 도입관로이다. 도입관로(L6)는 제 2 흡착통(21)의 하부에 접속된다.
부호 L7은, 제 2 흡착통(21)으로부터의 제 2 제품가스를 제 2 제품가스 저유조(22)에 도입하는 기능과, 제 2 제품가스를 저유조(22)로부터 흡착통(21)으로 이동하는 기능을 가지는 관로이다. 관로(L7)는, 제 2 흡착통(21)의 상부에 접속된다.
부호 L8은, 저유조(22)로부터 제 2 제품가스를 도출하는 도출관로이다.
부호 L10은, 제 2 흡착통(21)으로부터 재생배기가스를 원료저유조(1)에 반송하는 반송관로이다.
부호 L12는, 제 2 제품가스 저유조(22) 내의 제 2 제품가스를 퍼지가스로서 제 2 흡착통(21)에 도입하는 도입관로이다.
제 2 흡착통(21)에는, 제 2 가스성분에 대하여 약흡착성이며, 제 1 가스성분에 대하여 강흡착성인 제 2 흡착제가 사용되고 있다.
이하, 상기 가스분리장치를 사용한 경우의 예로서, 본 발명의 가스분리방법의 제 1 실시예를 설명한다.
본 실시예의 가스분리방법에는, 제 1 가스성분인 질소와, 제 2 가스성분인 크립톤을 포함하는 혼합가스를 분리 대상으로 하는 경우를 예시하고 있다.
제 1 흡착통(11)에 충전된 제 1 흡착제로는, 평형분리형 흡착제인 활성탄을사용하는 것이 바람직하다. 활성탄은, 평형흡착량으로 크립톤가스의 흡착량이 많고(강흡착성), 질소가스의 흡착량이 적은(약흡착성) 성질을 가진다.
제 2 흡착통(21)에 충전된 제 2 흡착제로는, 속도분리형 흡착제인 제올라이트(4A)(Na-A형 제올라이트)를 사용하는 것이 바람직하다.
제올라이트(4A)는, 비교적 분자 직경이 큰 크립톤가스를 흡착하기 어렵고(약흡착성), 크립톤가스에 의해 분자 직경이 작은 질소가스를 흡착하기 쉬운 성질(강흡착성)을 가진다.
이러한 특성은, 일반적으로 속도분리형이라고 불리는 분리특성으로, 적당한 흡착시간을 선정하면 질소가스를 선택적으로 흡착시키며, 한편 크립톤가스를 흡착시키지 않고 흡착통에서 도출하는 것이 가능하다.
(스텝 1)
상기 혼합가스를 원료가스로서 관로(L1)를 통하여 원료저유조(1)에 도입한다.
도 2A에 도시된 바와 같이, 제 1 흡착통(11)에 있어서는, 크립톤가스를 흡착시키고, 질소가스를 제 1 제품가스로서 분리하는 흡착공정을 실시한다.
이 흡착공정에는, 원료저유조(1)로부터의 순환원료가스를 압축기(2)로 압축하며, 관로(L3)를 통하여 제 1 흡착통(11)에 공급한다.
순환원료가스의 공급에 의해 제 1 흡착통(11)을 가압함으로써, 제 1 흡착제에 대하여 강흡착성의 크립톤가스를 흡착시키고, 약흡착성의 질소가스를 관로(L4)를 통해 제 1 제품가스 저유조(12)에 도입한다.
제 1 제품가스 저유조(12) 내의 질소가스는, 제 1 제품가스로서 관로(L5)를 통하여 외부로 도출한다.
이 흡착공정에는, 순환원료가스를 흡착통(11)에 공급하고, 흡착통(11)의 압력이 저유조(12)보다도 높아질 때까지 밸브(V2)를 닫아 두고, 흡착통(11)의 압력이 저유조(12)보다도 높아지는 시점에서 밸브(V2)를 열며, 흡착통(11) 내의 가스를 관로(L4)를 통해 저유조(12)에 도입하는 것이 바람직하다.
또한, 흡착통(11)과 저유조(12)를 접속하는 관로(미도시)를 마련하고, 이 관로에 역상 밸브를 마련하며, 흡착통(11)의 압력이 저유조(12)보다도 높게 되는 시점에, 흡착통(11) 내의 가스가, 이 관로를 통하여 저유조(12)에 도입되는 것이 가능하다.
제 2 흡착통(21)에 있어서는, 감압에 의해 질소가스를 탈착시키는 재생공정을 실시한다.
이 재생공정에는, 밸브(V8)를 여는 것에 의해, 스텝 1에 앞서 흡착공정에서 흡착된 질소가스를 탈착시키며, 재생 배기가스로서 관로(L12)를 통하여 원료저유조(1)에 반송한다. 이에 의해, 제 2 흡착제가 재생된다.
동시에, 제 2 제품가스 저유조(22) 내의 크립톤가스를, 관로(L12)를 통하여 제 2 흡착통(21)에 도입하고, 이 크립톤가스를 제 2 흡착통(21)에 유통시키며, 제 2 흡착제에 흡착시키고 있는 질소가스의 탈착을 촉진한다.
스텝 1에 있어서는, 흡착통(21)(스텝 3에 있어서는 흡착통(11))으로부터 반송되는 가스(재생배기가스 등)와, 관로(L1)로부터 도입된 원료가스가 원료저유조(1)에 도입된다.
이 때문에, 상기 흡착통(21)(스텝 3에 있어서는 흡착통(11))으로부터 반송가스와 원료가스의 혼합물인 순환원료가스가, 제 1 흡착통(11)(스텝 3에 있어서는 제 2 흡착통(21))에 공급된다.
(스텝 2)
도 2B에 도시된 바와 같이, 제 1 흡착통(11)에는, 흡착통(11) 내의 가스를 제 2 흡착통(21)에 도입하여 흡착통(11, 21)을 균압화함으로써 제 1 흡착통(11)을 감압하는 균압감압 공정을 실시한다.
이 균압감압 공정에는, 밸브(V1, V4)를 개방하는 것에 의해, 관로(L3, L6)에 의해 제 1 흡착통(11)과 제 2 흡착통(21)을 연통시킨다.
제 1 흡착통(11)은 스텝 1(흡착공정)에 의해 압력이 높은 상태가 되며, 제 2 흡착통(21)은 스텝 1(재생공정)에 의해 압력이 낮은 상태가 되기 때문에, 제 1 흡착통(11) 내의 가스가 관로(L3, L6)를 통하여 제 2 흡착통(21)에 도입되며, 제 1 흡착통(11)이 감압되기 때문에, 흡착통(11, 21)이 균압화된다.
스텝 2에는, 제 1 흡착통(11)이 감압되며, 제 1 흡착제에 흡착된 크립톤가스가 탈착하고, 제 2 흡착통(21)에 도입된 것에 의해 제 2 흡착통(21)을 가압하는 균압가압 공정을 실시한다.
이 균압가압 공정에는, 상기 균압감압 공정에 의해 제 1 흡착통(11)으로부터의 가스가 제 2 흡착통(21)에 도입됨과 동시에, 제 2 제품가스 저유조(22)로부터 크립톤가스가 관로(L7)를 통해 제 2 흡착통(21)에 도입된다. 이에 의해 제 2 흡착통(21)은 가압된다.
스텝 2(제 1 흡착통(11)에서의 균압감압 공정 및 제 2 흡착통(21)에서의 균압가압 공정)에는, 압축기(2)의 구동을 정지시키지 않고, 순환원료가스의 공급을 계속한다. 이 순환원료가스는, 상기 흡착통(11)에서 흡착통(21)로의 도입가스와 동시에, 관로(L6)를 통하여 제 2 흡착통(21)에 공급된다.
스텝 1에서 스텝 2를 이행하는 때에는, 순환원료가스의 도입선이 제 1 흡착통(11)에서 제 2 흡착통(21)으로 바뀌게 되지만, 스텝 2에서는, 제 1 흡착통(11)으로부터의 가스 도입에 의해 제 2 흡착통(21)이 가압되기 때문에, 압축기(2)에 가해지는 부하가 큰폭으로 저하되지 않는다.
(스텝 3)
도 2C에 도시된 바와 같이, 제 1 흡착통(11)에 있어서, 감압에 의해 크립톤가스를 탈착시키는 재생공저을 실시한다.
이 재생공정에서는, 밸브(V7)를 여는 것에 의해, 스텝 1에 흡착된 크립톤가스를 탈착시키고, 재생배기가스로서 관로(L9)를 통하여 원료저유조(1)에 반송한다. 이에 의해, 제 1 흡착제가 재생된다.
동시에, 제 1 제품가스 저유조(12) 내의 질소가스를, 관로(L11)를 통하여 제 1 흡착통(11)에 도입하며, 이 질소가스를 제 1 흡착통(11)에 유통시키고, 제 1 흡착제에 흡착되는 크립톤가스의 탈착을 촉진한다.
제 2 흡착통(21)에 있어서는, 질소가스를 흡착시키고, 크립톤 가스를 제 2 제품가스로서 분리하는 흡착공정을 실시한다.
이 흡착공정에서는, 원료저유조(1)로부터의 순환원료가스를 압축기(2)에 압축하고, 관로(L6)를 통하여 제 2 흡착통(21)에 공급한다.
순환원료가스의 공급에 의해 제 2 흡착통(21)을 가압함으로써, 제 2 흡착제에 대해 강흡착성의 질소가스를 흡착시키고, 약흡착성의 크립톤가스를 관로(L7)를 통해 제 2 제품가스 저유조(22)에 도입한다.
제 2 제품가스 저유조(22) 내의 크립톤가스는, 제 2 제품가스로서 관로(L8)를 통해 외부에 도출된다.
제 2 흡착통(21)에서는, 흡착공정 시의 최고도달압력(이하, 흡착압력)을 300∼500kPa(게이지압)의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.
압력변동식 흡착분리법에서는, 흡착압력을 높이면, 단위흡착제 주위의 흡착량이 증가하기 때문에, 이 압력을 300kPa(게이지압) 이상으로 함에 따라, 제품가스 중의 불순물 농도를 저하시킬 수 있다. 이 때문에, 흡착제 충전량을 최소한 낮추고, 저비용화가 가능하게 된다.
또한 흡착압력을 500kPa(게이지압)이 넘게 설정하는 경우에는, 흡착통(21)에 공급하는 순환원료가스의 유량을 높게 할 필요가 있기 때문에, 압축기(2)의 전력소비량이 크게 된다.
특히, 고순도(99.99% 정도)의 크립톤가스를 분리하는 경우에는, 일반적인 압력변동식 흡착분리법과는 다르며, 흡착압력을 상승시키는 조작은 반드시 제품가스 농도의 상승으로 연결되지 않는다.
흡착압력을 500kPa(게이지압)이 넘는 값으로 설정하면, 역으로 제품가스 중의 불순물 농도를 상승시키는 결과가 되어, 흡착제 충전량의 증가, 또는 제품회수율의 저하를 초래한다.
따라서, 흡착압력을 300∼500kPa(게이지압)의 범위로 설정함으로써, 제품회수율을 저하시키지 않고, 설비비용 및 운전비용을 낮출 수 있다.
이 흡착공정에서는, 순환원료가스를 흡착통(21)에 공급하고, 흡착통(21)의 압력이 저유조(22)보다도 높게 될 때까지 밸브(V5)를 닫아 두며, 흡착통(21)의 압력이 저유조(22)보다도 높아지는 시점에서 밸브(V5)를 개방하고, 흡착통(21) 내의 가스를 관로(L7)를 통해 저유조(22)에 도입하는 것이 바람직하다.
또한, 흡착통(21)과 저유조(22)를 접속하는 관로(미도시)를 마련하고, 이 관로에 체크밸브를 마련하며, 흡착통(21)의 압력이 저유조(22)보다도 높게 되는 시점에, 흡착통(21) 내의 가스가, 이 관로를 통하여 저유조(22)에 도입되도록 할 수 있다.
(스텝 4)
도 2D에 도시된 바와 같이, 제 2 흡착통(21) 내의 가스를 제 1 흡착통(11)에 도입하여 흡착통(11, 21)을 균압화함으로써 제 2 흡착통(21)을 감압하는 균압감압 공정을 실시한다.
이 균압감압 공정에서는, 밸브(V1, V4)를 개방함으로써, 관로(L3, L6)에 의해 제 1 흡착통(11)과 제 2 흡착통(21)을 연통시킨다.
제 1 흡착통(11)은 스텝 3(재생공정)에 의해 압력이 낮은 상태로 되며, 제 2 흡착통(21)은 스텝 3(흡착공정)에 의해 압력이 높은 상태가 되기 때문에, 제 2 흡착통(21) 내의 가스가 관로(L6, L3)를 통해 제 1 흡착통(11)에 도입되며, 제 2 흡착통(21)이 감압되기 때문에, 흡착통(11, 21)이 균압화된다.
스텝 4에서는, 제 2 흡착통(21)이 감압되며, 제 2 흡착제에 흡착한 질소가스가 탈착하고, 제 1 흡착통(11)에 도입됨에 따라 제 1 흡착통(11)을 가압하는 균압가압 공정을 실시한다.
이 균압가압 공정에서는, 상기 균압감압 공정에 의해 제 2 흡착통(21)으로부터의 가스가 제 1 흡착통(11)에 도입됨과 동시에, 제 1 제품가스 저유조(12)로부터 관로(L4)를 통해 저유조(12)의 질소가스가 제 1 흡착통(11)에 도입된다. 이에 의해, 제 1 흡착통(11) 내부가 가압된다.
스텝 4(제 2 흡착통(21)에서의 균압감압 공정 및 제 1 흡착통(11)에서의 균압가압 공정)에서는, 압축기(2)의 구동을 정지시키지 않고, 순환원료가스의 도입선이 제 2 흡착통(21)에서 제 1 흡착통(11)으로 바뀌게 되지만, 스텝 4에서는, 제 2 흡착통(21)으로부터의 가스 도입에 의해 제 1 흡착통(11)이 가압되기 때문에, 압축기(2)에 가해지는 부하가 큰 폭으로 낮아지지 않는다.
이 가스 분리방법에서는, 상기 스텝 1∼4를 반복함에 따라, 원료가스로부터의 가스성분의 분리를 연속적으로 실시할 수 있다.
일반적으로, 압력변동식 흡착분리법에 대한 사이클 타임(일연의 공정에 요구되는 시간, 상기 실시예에서는 스텝 1에서 스텝 4까지에 요구되는 시간)은, 제품회수율 및 흡착제 충전량에 큰 영향을 미치는 중요한 파라미터이다.
압력변동식 흡착분리법의 조작압력(흡착압력 및 재생압력)과 흡착제량을 일정한 조건에서 비교하는 경우, 압축기의 용량을 높이고, 흡착통에 공급하는 순환원료가스 유량을 증가시키면, 사이클 타임을 단축할 수 있다. 이 경우에는, 제품가스의 유량도 증가하기 때문에, 제품회수율은 크게 변하지 않는다.
이는, 사이클 타임을 단축시킴에 따라, 압축기의 용량을 증가시키지 않고, 흡착제 충전량이 소멸 가능하다는 것을 의미한다.
단, 사이클 타임의 단축에는 한계가 있다. 즉 사이클 타임을 한계치 이하로 단축하면, 제품유량의 증가비율보다도 순환원료가스의 증가비율 쪽이 크게 되며, 제품회수율이 저하된다.
사이클 타임은, 흡착제의 종류와 순환원료가스의 성분농도에 대응해서, 제품회수율을 저하시키지 않고 흡착제량과 압축기용량을 낮게 설정할 수 있도록 정하면 좋다.
또한, 본 발명에서는, 도 1에 점선으로 도시한 바와 같이, 압축기(2)의 출구 측의 관로(L13)과 원료저유조(1)를 접속하는 연락관로(L14)를 마련하고, 압축기(2)로부터의 순환원료가스의 일부를, 이 연락관로(L14)를 통해서 원료저유조(1)로 이동시킬 수 있다.
또한, 상기 실시예에서는, 스텝 2, 4에 있어서, 관로(L3, L6)에 의해 흡착통(11)과 흡착통(21)을 연결시키며, 흡착통(11)과 흡착통(21)을 균압화하는 방법을 예시하지만, 관로(L3, L6)와는 별개로, 흡착통(11)과 흡착통(21)을 접속하는 관로(미도시)를 마련하며, 이 관로에 의해 흡착통(11)과 흡착통(21)을 연결시키는 것도 좋다.
본 실시예의 가스분리방법에서는, 스텝 2에 있어서, 제 1 흡착통(11)내의 가스를 제 2 흡착통(21)에 도입하여 흡착통(11)과 흡착통(21)을 균압화하는 균압감압 공정 및 균압가압 공정을 실시한다.
스텝 2에서는, 제 1 흡착통(11)이 감압되기 때문에, 제 1 흡착통(11)에 흡착된 크립톤가스를 많이 포함하는 가스가, 순환원료가스와 동시에 제 2 흡착통(21)에 도입된다.
이 때문에, 스텝 2에서 제 2 흡착통(21)에 도입되는 가스 중의 크립톤 농도는, 순환원료가스 중의 크립톤 가스 농도보다도 높게 된다.
또한, 스텝 4에서는, 제 2 흡착통(21) 내의 가스를 제 1 흡착통(11)에 도입하여 흡착통(11)과 흡착통(21)을 균압화하는 균압감압 공정 및 균압가압 공정을 실시한다.
스텝 4에서는, 제 2 흡착통(21)이 감압되기 때문에, 제 2 흡착통(21)에 흡착된 질소가스를 많이 포함하는 가스가, 순환원료가스와 동시에 제 1 흡착동(11)에 도입된다.
이 때문에, 스텝 4에서 제 1 흡착통(11)에 도입되는 가스 중의 질소농도는, 순환원료가스 중의 질소농도보다도 높게 된다.
이와 같이, 스텝 2, 4에서는, 균압감압 공정 및 균압가압 공정에 있어서, 제품가스로서 분리해야 할 대상가스(크립톤가스 또는 질소가스)의 농도가 높은 가스를, 흡착통(11, 21)에 공급할 수 있다.
따라서, 크립톤 및 질소의 흡착효율을 높일 수 있기 때문에, 압축기(2)의 용량을 적게 할 수 있게 된다. 예를 들면, 종래의 방법에 비해, 압축기(2)의 용량을 5∼20% 적게 설정할 수 있다.
따라서, 압축기(2)를 소형화하며, 성스페이스화를 꾀할 수 있는 한편, 설비 비용도 낮출 수 있다.
더욱이, 이 가스분리방법에서는, 스텝 2, 4에 있어서, 균압감압 공정 및 균압가압 공정에 의해, 순환원료가스 도입선이 되는 흡착통(11, 21)을 가압하기 때문에, 압축기(2)에 대한 급격한 부하변동을 방지할 수 있고, 압축기(2)의 부담을 경감할 수 있다.
따라서, 압축기(2)의 용량을 작게 설정할 수 있고, 설비비용을 낮출 수 있다.
도 3은, 본 발명의 가스분리방법의 제 2 의 실시예를 실시 가능한 가스 분리장치를 도시한 것이다.
여기서 도시한 가스분리장치는, 제품가스 저유조(12, 22)에서 질소가스 또는 크립톤가스를 흡착통(11, 21)에 도입하는 관로(L11, 12)가 마련되지 않는 점, 및 흡착통(11, 12)에서 도출한 가스를 퍼지가스로서 저유하는 제 1 및 제 2 퍼지가스 저유조(13, 23)가 마련된다는 점에서, 도 1에 도시된 가스분리장치와 차이가 있다.
제 1 퍼지가스 저유조(13)는, 관로(L15)를 끼워서 관로(L4)에 접속시키며, 저유조(13) 내의 가스를, 퍼지가스로서 관로(L15, L4)를 통해서 제 1 흡착통(11)에 공급할 수 있도록 되어 있다.
제 2 퍼지가스 저유조(23)는, 관로(L16)를 끼워서 관로(L7)에 접속시키며,저유조(23) 내의 가스를, 퍼지가스로서 관로(L16, L7)를 통해 제 2 흡착통(21)에 공급할 수 있도록 되어 있다.
이하, 상기 가스분리장치를 사용하는 경우의 예로서, 본 발명의 가스분리방법의 제 2 의 실시예를 설명한다.
(스텝 1)
혼합가스를 원료가스로서 관로(L1)를 통해 원료저유조(1)에 도입한다.
도 4A에 도시된 바와 같이, 제 1 흡착통(11)에 있어서는, 순환원료가스 중의 크립톤가스를 흡착시키며, 질소가스를 저유조(12)를 지나 제 1 제품가스로서 외부에 도출하는 흡착공정을 실시한다.
제 2 흡착통(21)에 있어서는, 감압에 의해 질소가스를 탈착시키는 재생공정을 실시한다. 이 재생공정에서는, 스텝 1에 먼저 흡착공정으로 흡착시킨 질소가스를 탈착시키며, 재생배기가스로서 관로(L10)를 통해 원료저유조(1)에 반송한다.
동시에, 제 2 퍼지가스 저유조(23) 내의 퍼지가스를, 관로(L16, L7)를 통해 제 2 흡착통(21)에 도입하고, 이 가스를 제 2 흡착통(21)에 유텅시키며, 제 2 흡착제에 흡착시키는 질소가스의 탈착을 촉진한다.
(스텝 2)
도 4B에 도시된 바와 같이, 제 1 흡착통(11) 내의 가스를, 관로(L3, L6)를 통해 제 2 흡착통(21)에 도입하며, 흡착통(11, 21)을 균압화함에 따라 제 1 흡착통(11)을 감압하는 균압감압 공정을 실시한다.
이 때, 흡착통(11) 내의 가스의 일부(예를 들면 흡착통(11) 상부의 공극부(空隙部)의 가스)를, 관로(L4, L15)를 통해, 퍼지가스로서, 제 1 퍼지가스 저유조(13)에 도입한다.
제 2 흡착통(21)에 있어서는, 흡착통(11, 21)의 균압화에 의해 제 2 흡착통(21)을 가압하는 균압가압 공정을 실시한다.
이 균압가압 공정에서는, 상기 균압감압 공정에 의해 제 1 흡착통(11)으로부터의 가스가 제 2 흡착통(21)에 도입되는 것과 동시에, 저유조(22)에서 크립톤가스가 제 2 흡착통(21)에 도입된다. 이에 의해 제 2 흡착통(21)은 가압된다.
(스텝 3)
도 4C에 도시된 바와 같이, 제 1 흡착통(11)에 있어서, 감압에 의해 크립톤가스를 탈착시키는 재생공정을 실시한다. 이 재생공정에서는, 스텝 1에서 흡착된 크립톤가스를 탈착시키며, 재생배기가스로서 관로(L9)를 통해 원료저유조(1)에 반송한다.
동시에, 제 1 퍼지가스 저유조(13) 내의 퍼지가스를, 관로(L15, L4)를 통해 제 1 흡착통(11)에 도입하며, 이 가스를 제 1 흡착통(11)에 유통시키고, 제 1 흡착제에 흡착되는 크립톤가스의 탈착을 촉진한다.
제 2 흡착통(21)에 있어서는, 순환원료가스 중의 질소가스를 흡착시키며, 크립톤가스를 저유조(22)를 지나 제 2 제품가스로서 외부에 도출하는 흡착공정을 실시한다.
(스텝 4)
도 4D에 도시된 바와 같이, 제 2 흡착통(21) 내의 가스를, 관로(L6, L3)를통해 제 1 흡착통(11)에 도입하며, 흡착통(11)과 흡착통(21)을 균압화함에 따라, 제 2 흡착통(21)을 감압하는 균압감압 공정을 실시한다.
이 때, 흡착통(21) 내의 가스의 일부(예를 들면 흡착통(21) 상부의 공극부의 가스)를, 관로(L7, L16)를 통해, 퍼지가스로서, 제 2 퍼지가스 저유조(23)에 도입한다.
제 1 흡착통(11)에 있어서는, 흡착통(11)과 흡착통(21)의 균압화에 의해 제 1 흡착통(11)을 가압하는 균압가압 공정을 실시한다.
이 균압가압 공정에서는, 상기 균압감압 공정에 의해 제 2 흡착통(21)으로부터의 가스가 제 1 흡착통(11)에 도입됨과 동시에, 저유조(12)의 질소가스가 관로(L4)를 통해 제 1 흡착통(11)에 도입된다. 이에 의해 제 1 흡착통(11)은 가압된다.
본 실시예의 가스분리방법에서는, 스텝 2, 4에 있어서, 제 1 흡착통(11) 내의 가스를 제 2 흡착통(21)에 도입하여 흡착통(11)과 흡착통(21)을 균압화하는 균압감압 공정 및 균압가압 공정을 실시하기 때문에, 제 1 의 실시예의 방법과 동일하게, 이 스텝 2, 4에 이어 스텝(스텝 3, 1)의 흡착공정에 있어서, 흡착통(11)에서의 크립톤 흡착, 및 흡착통(21)에서의 질소 흡착 효율화를 꾀할 수 있다.
따라서, 제품회수율을 높일 수 있다.
또한, 압축기(2)를 소형화하며, 성스페이스화가 가능함과 동시에, 설비비용을 낮출 수 있다.
더욱이, 본 실시예의 가스분리방법에서는, 스텝 1(또는 스텝 3)에서의 재생공정에 있어서, 퍼지가스 저유조(23)(또는 퍼지가스 저유조(13))로부터의 퍼지가스를 흡착통(21)(또는 흡착통(11))에 공급하기 때문에, 저유조(22)(또는 저유조(12))의 제품가스를 퍼지가스로서 사용할 필요가 없다.
따라서, 제품회수율을 더욱 높일 수 있다.
또한, 균압감압 공정 시에 퍼지가스 저유조(13)(또는 저유조(23))에 도입하는 가스 유량과, 재생공정 시에 흡착통(11)(또는 흡착통(21))으로 도출하는 가스 유량이 크게 다른 경우에는, 퍼지가스 저유조(13)(또는 저유조(23))와 흡착통(11)(또는 흡착통(21))을 연결하는 관로를, 관로(L15)(또는 관로(L16)) 외에 마련하며, 퍼지가스 도입 시와 도출 시에, 다른 관로를 이용하는 것도 가능하다(미도시).
상기 실시예에서는, 질소와 크립톤을 포함하는 혼합가스를 분리대상으로 하지만, 분리대상이 되는 가스 성분은, 이에 한정되지 않으며, 예를 들면 크립톤에 대신하여 크세논을 분리 대상으로 할 수도 있다.
실시예
(실시예 1)
도 1에 도시된 가스분리장치를 사용하여, 다음에 의하여 혼합가스의 분리를 실시한다. 사용된 가스분리장치의 사양을 이하에 나타낸다.
(1) 제 1 흡착통(11)
내경 43mm, 길이 700mm 의 원통상의 상기 흡착통 내에, 0.45kg 의 활성탄(제 1 흡착제)을 충전하였다.
(2) 제 2 흡착통(21)
내경 70.3mm, 길이 540mm 의 원통상의 상기 흡착통 내에, 1.42kg 의 제올라이트(4A)(제 2 흡착제)를 충전하였다.
(3) 압축기(2)
용량: 4.7L/min (유량[L/min]은 0℃, 1기압 환산치, 이하 동일).
혼합가스로는, 질소가스(제 1 가스성분) 50용량% 와, 크립톤가스(제 2 가스성분) 50용량% 를 포함하는 것을 사용하였다.
상기 가스분리장치를, 스텝 1∼4를 1사이클하며, 1사이클의 운전 시간을 400초로 하여 운전한다. 각 스텝의 시간은 표 2에 나타낸 대로 하였다.
표 2
시간 0∼195초 195∼200초 200∼395초 395∼400초
제 1 흡착통 흡착공정 균압감압공정 재생공정 균압가압공정
제 2 흡착통 재생공정 균압가압공정 흡착공정 균압감압공정
(스텝 1)
도 1 및 도 2A에 도시된 바와 같이, 밸브 V1, V3, V6, V8, V10을 열린 상태로 하고, 그외의 밸브는 닫힌 상태로 하였다.
혼합가스를, 유량 0.44L/min 으로 원료저유조(1)에 도입하며, 이 원료저유조(1)에서의 순환원료가스를, 압축기(2)를 이용하여 4.7L/min 으로, 관로(L3)를 통해 제 1 흡착통(11)에 공급되었다. 또한, 순환원료가스의 농도는 원료가스 조성과 거의 동일하도록 조정하였다.
순환원료가스의 공급을, 흡착통(11)의 압력이, 저유조(12)의 압력보다 높아질 때까지 실시한 후, 밸브(V2)를 개방하고, 흡착통(11) 내의 가스(질소가스)를 관로(L4)를 통해 제 1 제품가스 저유조(12)에 회수하였다. 이 때의 제 1 흡착통(11)의 압력은 180∼435kPa (게이지압)로 하였다(흡착공정).
제 2 흡착통(21)에 있어서는, 흡착통(21) 내의 가스를, 재생배기가스로서 관로(L10)을 통해 원료저유조(1)에 반송하였다. 이에 의해, 제 2 흡착통(21)을 감압하고, 제 2 흡착제에 흡착된 질소가스를 탈착시켰다. 제 2 흡착통(21) 내의 압력은, 0∼10kPa (게이지압)로 하였다.
동시에, 제 2 제품가스 저유조(22) 내의 크립톤가스를, 관로(L12)를 통해 제 2 흡착통(21)에 도입하고, 흡착통(21)의 퍼지를 실시하였다(재생공정).
(스텝 2)
도 1 및 도 2B에 도시된 바와 같이, 밸브 V2, V8, V10을 닫힌 상태로 하고, 밸브 V1, V4, V5를 열린 상태로 하였다.
이에 의해, 관로(L3, L6)에 의해 제 1 흡착통(11)과 제 2 흡착통(21)을 연결시키며, 제 1 흡착통(11) 내의 가스를, 관로(L3, L6)를 통해 제 2 흡착통(21)에 도입하였다.
동시에, 제 2 제품가스 저유조(22)에서 크립톤가스를 관로(L7)를 통해 제 2 흡착통(21)에 도입하였다.
이에 의해, 제 1 흡착통(11)은, 290kPa (게이지압)로 감압되며, 제 2 흡착통(21)은 260kPa (게이지압)로 승압되었다(균압감압 공정 및 균압가압 공정).
(스텝 3)
도 1 및 도 2C에 도시된 바와 같이, 밸브 V1, V5를 닫힌 상태로 하고, 밸브V7, V9를 열린 상태로 하였다.
이에 의해, 제 1 흡착통(11) 내의 가스를, 재생배기가스로서 관로(L9)를 통해 원료저유조(1)에 반송하였다. 제 1 흡착통(11)의 압력은, 0∼10kPa (게이지압)로 하였다.
동시에, 제 1 제품가스 저유조(12) 내의 질소가스를, 관로(L11)를 통해 제 1 흡착통(11)에 도입하고, 흡착통(11)의 퍼지를 실시한다(재생공정).
제 2 흡착통(21)에 있어서는, 순환원료가스를 관로(L6)를 통해 제 2 흡착통(21)에 공급하였다.
순환원료가스의 공급을, 흡착통(21)의 압력이 저유조(22)의 압력보다 높아질 때까지 실시한 후, 밸브(V5)를 개방하고, 흡착통(21) 내의 가스(크립톤가스)를 관로(L7)를 통해 제 2 제품가스 저유조(22)에 회수하였다. 이 때의 제 2 흡착통(21)의 압력은 260∼420kPa (게이지압)로 하였다(흡착공정).
(스텝 4)
도 1 및 도 2D에 도시된 바와 같이, 밸브 V7, V9, V5를 닫힌 상태로 하고, 밸브 V1, V2, V4를 열린 상태로 하였다.
이에 의해, 관로(L3, L6)에 의해 제 1 흡착통(11)과 제 2 흡착통(21)을 연결시키며, 제 2 흡착통(21) 내의 가스를, 관로(L3, L6)를 통해 제 1 흡착통(11)에 도입하였다.
동시에, 제 1 제품가스 저유조(12)에서 질소가스를 관로(L4)를 통해 제 1 흡착통(11)에 도입하였다.
이에 의해, 제 1 흡착통(11)의 압력은 180kPa (게이지압)로 승압되고, 제 2 흡착통(21)은 240kPa (게이지압)로 감압되었다(균압감압 공정 및 균압가압 공정).
상기 스텝 1∼4를 반복하여, 제 1 제품가스 저유조(12)에, 질소가스 농도 99.5% 의 제 1 제품가스가 회수되며, 제 2 제품가스 저유조(22)에, 크립톤가스 농도 99.995% 의 제 2 제품가스가 회수되었다.
제품가스 유량과 제품회수율을, 표 3에 나타낸다.
(비교예 1)
제 1 및 제 2 흡착통과, 이들 흡착통에 혼합가스를 공급하는 압축기를 구비한 가스분리장치를 사용하여, 혼합가스의 분리를 실시하였다.
시험조건은, 압축기로부터의 순환원료가스 공급유량을 5.3L/min 이하로 하는 경우는, 실시예 1에 준하였다.
표 1에 나타난 바와 같이, 제 1 및 제 2 흡착통에서는, 흡착공정과 재생공정을 교대로 실시하여, 일방의 흡착통이 흡착공정에 있을 때에는 다른 흡착통에 재생공정을 실시하였다.
실시예 1과 제품질소가스 농도, 제품크립톤가스가 동일한 조건에서 제품가스 유량과 제품회수율을, 표 3에 함께 나타낸다.
표 3
제품질소가스 제품크립톤가스
유량(L/min) 회수율(%) 유량(L/min) 회수율(%)
실시예 1 0.22 18.6 0.22 18.7
비교예 1 0.22 16.5 0.22 16.6
표 3에 의해, 실시예 1의 가스분리방법에서는, 비교예 1에 비해, 제품회수율을 높게 할 수 있다는 것을 알 수 있다.
(실시예 2)
실시예 2에 사용된 것과 동일한 가스분리장치를 사용하여 혼합가스의 분리를 실시하였다.
이 가스분리장치를, 1 사이클의 운전 시간을 600초로 하여 운전하였다. 흡착공정 및 재생공정은 각각 295초로 하며, 균압감압 공정 및 균압가압 공정은 각각 5초로 하였다.
혼합가스로는, 실시예 1에서 사용한 것과 동일한 것을 사용하였다.
제품질소가스와 제품크립톤가스의 유량을, 모두 0.15L/min 으로 하였다.
순환원료가스의 공급유량을, 2.8∼4.0L/min 의 범위에서 변화시키며, 그 유량변화에 따른 제품질소가스농도와 제품크립톤가스농도의 변동을 측정하였다. 또한, 제 1 흡착통(11)과 제 2 흡착통(21)의 흡착공정에서의 압력은, 순환원료가스의 유량에 대응하여 변화하였다.
제 1 흡착통(11)의 흡착압력과 제 2 제품가스 중의 크립톤가스 농도의 변화를 도 5에 도시한다.
제 2 흡착통(21)의 흡착압력과 제 2 제품가스 중의 질소가스 농도의 변화를 도 6에 도시한다.
도 5에 의해, 제 1 흡착통(11)에서의 흡착압력을 상승시킴에 따라, 제 1 제품가스 중의 크립톤 농도를 저하시키는 것이 가능함을 알 수 있다. 이러한 경향은, 일반적인 압력변동식 흡착분리법과 동일한 경향이다.
이러한 결과에 의해, 활성탄을 흡착제로 사용하여, 질소와 크립톤으로 된 혼합가스에서 질소가스를 농축하는 압력변동식 흡착분리에 있어서, 흡착제의 충전량을 삭감하려면, 흡착압력을 높게 하는 것이 유효하다는 것이 확인되었다.
이에 대하여, 도 6에 도시된 바와 같이, 제 2 흡착통(21)에서의 흡착분리에서는, 흡착압력이 비교적 낮은 범위에 있어서, 이 압력을 상승시키면 질소농도가 낮아지지만, 흡착압력이 비교적 높은 범위에 있어서, 이 압력을 상승시키면 질소농도가 반대로 높아진다.
예를 들면, 흡착압력이 500kPa (게이지압)을 넘는 경우에는, 질소농도가 높기 때문에, 흡착제 충전량의 증가와, 제품회수율의 저하를 초래하게 된다.
도 6에 의해, 흡착압력은, 300∼500kPa (게이지압)로 하는 것이 바람직함을 알 수 있다.
흡착압력이 비교적 높은 범위에 있어서, 압력을 상승시키면 불순물 농도가 높아지는 경향은, 종래의 압력변동식 흡착분리법과 다른 것이다.
이로부터, 제올라이트(4A) 등의 속도분리형 흡착제를 사용하여, 질소와 크립톤으로 된 혼합가스에서 크립톤가스를 분리하는 압력변동식 흡착법에서는, 흡착압력을 최적의 범위로 조정할 필요가 있음을 알 수 있다.
본 발명의 가스분리방법에서는, 스텝 2, 4에 의해, 제 1 및 제 2 흡착통을 균압화하는 균압감압 공정 및 균압가압 공정을 실시한다.
이에 의해, 이들의 공정에 있어서, 제품가스로 분리하고자 하는 대상가스의농도가 높은 가스를, 흡착통에 공급할 수 있다.
따라서, 이들 스텝 2, 4에 이은 스텝(스텝 3, 1)의 흡착공정에 있어서, 가스성분의 흡착효율을 높이고, 제품회수율을 높일 수 있다.
또한, 흡착효율을 높일 수 있기 때문에, 압축기의 용량을 적게 하는 것이 가능하게 된다.
따라서, 압축기를 소형화하고, 성스페이스화가 가능함과 동시에, 설비비용을 낮출 수 있다.

Claims (7)

  1. 적어도 2종의 가스성분을 포함하는 혼합가스로부터, 제 1 가스성분에 대하여 약흡착성이며 제 2 가스성분에 대하여 강흡착성인 제 1 흡착제를 마련한 제 1 흡착통과, 상기 제 1 가스성분에 대하여 강흡착성이며 상기 제 2 가스성분에 대하여 약흡착성인 제 2 흡착제를 마련한 제 2 흡착통을 사용하여, 상기 제 1 가스성분과 상기 제 2 가스성분을 압력변동식 흡착분리법을 사용하여 분리하는 가스분리방법에 있어서,
    상기 제 1 흡착통에 있어서, 상기 혼합가스를 가압 하에서 공급하여, 상기 제 2 가스성분을 흡착시키고, 상기 제 1 가스성분을 제 1 제품가스로서 분리하는 흡착공정과, 상기 제 2 흡착통에 있어서, 감압에 의해 상기 제 1 가스성분을 탈착시키는 재생공정을 포함하는 제 1 스텝과,
    상기 제 1 흡착통과 상기 제 2 흡착통을 연결하여 상기 제 1 흡착통 내의 가스를 상기 제 2 흡착통에 도입하는 것에 의해, 상기 제 1 흡착통에 대해서는 감압하고, 상기 제 1 및 제 2 흡착통을 균압화하는 균압감압 공정과, 상기 제 2 흡착통에 대해서는 가압하고 상기 제 1 및 제 2 흡착통을 균압화하는 균압가압 공정을 포함하는 제 2 스텝과,
    상기 제 1 흡착통에 있어서, 감압에 의해 상기 제 2 가스성분을 탈착시키는 재생공정과, 상기 제 2 흡착통에 있어서, 상기 혼합가스를 가압 하에서 공급하여, 상기 제 1 가스성분을 흡착시키며 상기 제 2 가스성분을 제 2 제품가스로서 분리하는 흡착공정을 포함하는 제 3 스텝과,
    상기 제 2 흡착통과 상기 제 1 흡착통을 연결하여 상기 제 2 흡착통 내의 가스를 상기 제 1 흡착통에 도입하는 것에 의해, 상기 제 2 흡착통에 대해서는 감압하며 상기 제 1 및 제 2 흡착통을 균압하는 균압감압 공정과, 상기 제 1 흡착통에 대해서는 가압하며 상기 제 1 및 제 2 흡착통을 균압화하는 균압가압 공정을 실시하는 것에 의해, 상기 제 1 가스성분과 상기 제 2 가스성분을 분리하는 공정을 포함하는 제 4 스텝을 포함하는 가스 분리 방법.
  2. 상기 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 제품가스를 저유하는 제 1 제품가스 저유조 및 상기 제 2 제품가스를 저유하는 제 2 제품가스 저유조를 사용하여, 상기 제 1 및 제 2 흡착통에서의 상기 재생공정에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 제품가스 저유조 내의 각 제품가스를 각각 상기 제 1 및 제 2 흡착통에 도입하며,
    상기 제 1 및 제 2 흡착통에서의 상기 균압가압 공정에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 제품가스 저유조의 각 제품가스를 각각 상기 제 1 및 제 2 흡착통에 도입하는 가스 분리 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 흡착통에서의 균압감압 공정에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 흡착통 내의 가스를 퍼지가스로서 각각 제 1 및 제 2 퍼지가스 저유조에 저유하며,
    상기 제 1 및 제 2 흡착통에서의 상기 재생공정에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 퍼지가스 저유조의 퍼지가스를 각각 제 1 및 제 2 흡착통에 도입하는 가스 분리 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 가스성분 중 일방이 크립톤가스 또는 크세논가스이며, 타방이 질소가스인 가스 분리 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 흡착제 중 일방이 평형분리형 흡착제이며, 타방이 속도분리형 흡착제인 가스 분리 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 및 제 2 흡착제 중 일방이 활성탄이며, 타방이 제올라이트인 가스 분리 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 속도분리형 흡착제를 마련한 흡착통에 있어서, 상기 흡착공정의 최고다달압력이, 300∼500kPa (게이지압)인 가스 분리 방법.
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