KR20060091067A

KR20060091067A - 헬륨가스의 초저온 정제 방법 및 장치

Info

Publication number: KR20060091067A
Application number: KR1020050011682A
Authority: KR
Inventors: 조건환
Original assignee: 조건환
Priority date: 2005-02-11
Filing date: 2005-02-11
Publication date: 2006-08-18
Also published as: KR100869518B1

Abstract

본 발명은 헬륨가스 혹은 폐헬륨가스로부터 재생한 헬륨을 초저온 냉동 시스템에 의하여 일산화탄소(CO), 탄화수소 계열, 염소, 잔여질소(N₂), 잔여산소(O₂), 아르곤, 독성혼합가스, 등을 초저온 동결 흡탈착 하여 초고순도의 헬륨가스를 정제하는 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명은 정제하려는 기체만 가스 상태로 존재하고 다른 가스들은 모두 결빙되는 온도에까지 기체를 냉각시켜서 정제하고 동결된 기체를 재생시켜 회수함으로서 필요한 기체를 선택적으로 정제할 수 있는 초저온 정제 방법과 장치이다.

본 발명의 냉각시스템은 Claude냉동사이클과 Sterling냉동사이클을 이용하는 냉동기를 이용하여 초저온까지 냉동시킬 수 있는 장치를 실현한다.

Description

헬륨가스의 초저온 정제 방법 및 장치{Method and apparatus for Cryogenic Helium Purification}

도1은 본 발명의 헬륨가스의 초저온 정제 방법 및 장치를 설명하기 위한 시스템 개략도면이다.

도2는 또 다른 본 발명의 헬륨가스의 초저온 정제 방법 및 장치를 설명하기 위한 시스템 개략도면이다.

본 발명은 헬륨가스의 초저온 정제 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히 고순도의 헬륨가스에서 불순물을 제거하여 초고순도의 헬륨가스를 정제하는 방법과 장치에 관한 것이다.

헬륨가스는 세계적으로 산지가 한정되어 있고 채집하기가 어려운 희유 가스로서, 반도체공정에서의 냉각용, 분위기 가스용, 분석기의 캐리어용, 핵발전소 냉각로의 냉각용, 기밀 용기의 누설테스트용, 등으로 사용되고 있고, 또한 특수조명등을 제조하는 용도로도 사용된다.

여러 용도로 사용된 헬륨가스를 수집하면 불순물을 많이 포함한 폐헬륨가스가 되는데, 여기서 불순물들을 제거하고 재사용하려는 노력이 계속되고 있다.

알려진 폐헬륨가스 재처리 방법으로는, 순도 99% 이상의 헬륨을 압력변동에 의한 정제 (PSA), 막분리정제(Membrane), 저온흡착법에 의한 정제, 등의 방법으로 부분적인 순도향상을 목적으로 하는 정제 방법들이 공개되어 있다.

한국 특허 공개 번호 10-1999-0038188에는 헬륨정제장치가 공개되어 있는데, 여기서는 99.5%이상의 헬륨원료가스를 저온흡착법에 의하여 99.9999%까지 정제하는 공법으로서 탈착된 불순물과 가온된 헬륨일부를 같이 배기함으로써 헬륨의 손실이 발생하며, 액체질소의 냉열과 열교환시 저온흡탈착과 직접 열교환 함으로써 열교환 효율이 낮다. 그리고 액체질소를 이용한 저온 냉각 정제 공정의 한계는 93K까지 이다.

또 한국 특허 공개 번호 10-1994-0023794에는 헬륨성분과 공기성분으로 이루어진 기체스트림의 정제방법이 공개되어 있는데, 여기서 막분리공정에 의하여 헬륨이 부화된 스트림과 헬륨이 결여된 추출찌꺼기 스트림으로 분리시키고, 추출찌꺼기 스트림에서 헬륨을 회수하여 세정 스트림을 생성시키는 공정이 공개되어 있다.

그리고, 본 발명자가 2004. 09. 09.자 출원한 2004-72316호에서는 폐헬륨가스에서 고순도의 헬륨가스를 얻는 폐헬륨가스 정제 방법과 장치가 공개되어 있는데, 이 방법으로는 순수한 헬륨가스 이외의 불순물가스로서 일산화탄소, 산소, 질소, 네온, 수소, 그리고 소량의 잔존 산소와 질소 등의 가스는 제거할 수 없으므로 99.999% 이상의 순도는 얻기 어려운 문제가 있다.

산지에서 생산된 액화 저장된 액체헬륨이나 폐헬륨가스로부터 재생한 헬륨에 혼합되어 있는 산소, 질소, 탄화수소, 독성혼합가스, 등등의 불순물들을 이미 알려진 기존의 정제방법으로서는 초고순도의 헬륨을 정제하는 데에 한계가 있었다.

본 발명은 반도체 공정용, 평면판 디스플레이 제조용, 특수조명 기기제조, 등 제조공정과 제품제조에 사용되는 초고순도의 헬륨을 얻기 위하여 초저온 냉동공정을 이용하여 불순물을 제거함으로써 ppb단위까지 불순물 정제가 가능한 초저온 정제 방법과 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명은 산지에서 액화 저장하여 공급되는 액체헬륨이나 폐헬륨가스로부터 재생한 헬륨을 초저온 냉동 시스템에 의하여 일산화탄소(CO), 탄화수소 계열, 염소, 잔여질소(N2), 잔여산소(O2), 아르곤, 독성혼합가스, 등을 초저온 동결 흡착 하여 초고순도의 헬륨가스를 정제하는 방법 및 장치를 제공하려는 것이다.

본 발명은 헬륨만 기체 상태로 존재하고 다른 가스들은 모두 결빙되는 온도에까지 기체를 냉각시킨 후 기체 헬륨만을 추출하는 초저온 헬륨 정제 방법과 장치를 제공하려는 것이 목적이다.

그리고 결빙된 불순물 중에서 네온을 추출하려는 것도 또 다른 목적의 하나이다.

본 발명은 냉매로서 헬륨을 사용하여 초저온까지 냉각할 수 있는 냉각시스템을 개발하는 것이 목적이다.

본 발명의 냉각시스템은 Claude냉동사이클과 Sterling냉동사이클을 이용하는 냉동기를 이용하여 정제하고자 하는 헬륨가스의 혼합물을 초저온까지 냉각시켜 흡 착기에 공급할 수 있는 장치를 실현하기 위한 것이다.

본 발명은 특허청구 범위의 독립항들에 그 필수 구성요소가 기재되어 있다.

초저온 헬륨가스 정제 방법은 헬륨가스를 냉매로 사용하는 냉각장치를 이용하여 불순물이 혼합된 정제하고자 하는 정제대상헬륨을 불순물의 결빙온도 이하로 냉각(냉각공정)시킨 후 저온흡탈착기를 통과시켜서 결빙된 불순물이 저온흡탈착기에 흡착(불순물분리공정)되게 하여 순수한 헬륨을 얻는다.

냉각공정에서는 냉매헬륨을 압축하고, 압축된 냉매헬륨을 액체질소를 사용하는 열교환기를 이용하여 1차 등압냉각시킨 후, 다시 초저온 냉매를 사용하는 냉각장치를 통과시켜 2차 등압냉각시키고, 2차등압냉각된 냉매헬륨을 팽창터빈으로 팽창시켜서 냉각하고, 이렇게 냉각된 냉매헬륨을 주열교환기로 보내어, 주열교환기를 통과하는 정제대상헬륨과 열교환하면서 정제대상헬륨을 냉각되도록 하는 과정을 거친다.

압축하는 과정에서 상온의 냉매헬륨을 주압축기로 1차 압축한 후 보조압축기로 2차 압축하고, 압축된 냉매헬륨을 액체질소를 사용하는 열교환기를 이용하여 절대온도 약 170도 까지 냉각시킨 후, 다시 냉각장치에 의하여 2차 등압냉각시켜서 절대온도 약 130도 정도로 냉각시키고, 2차 냉각된 냉매헬륨을 팽창터빈으로 팽창시켜서 절대온도 약 40도 내지 45도 정도로 냉각시킨다.

냉매헬륨을 주압축기로 1차 압축한 후 보조압축기로 2차 압축하고, 압축된 냉매헬륨을 액체질소를 사용하는 열교환기를 이용하여 1차 등압냉각시켜서 절대온도 약 170도 까지 냉각시킨 후, 다시 냉각장치에 의하여 2차 등압냉각시켜서 절대온도 약 130도까지 냉각시키고, 2차등압냉각된 냉매헬륨을 팽창터빈으로 팽창시켜서 절대온도 약 18도 정도로 냉각시켜서 주열교환기로 보내어도 된다.

또 다른 냉각공정으로서, 냉매헬륨을 액체질소를 사용하여 냉각시킨 다음, 스털링사이클(sterling cycle)을 이용하는 냉동기로 냉각하고, 냉각된 냉매헬륨을 주열교환기로 보내어, 주열교환기를 통과하는 정제대상헬륨과 열교환하면서 정제대상헬륨을 냉각시키는 방법도 실현 가능하다.

이 공정에서는 냉매헬륨을 액체질소를 사용하는 열교환기를 이용하여 1차로 절대온도 약 170도 까지 냉각시킨 후, 다시 스털링 냉각 장치에 의하여 2차로 절대온도 약 40도 내지 45도 정도로 냉각시키거나 절대온도 약 18도 정도로 냉각시킨 후 주열교환기로 보내어, 주열교환기를 통과하는 정제대상헬륨과 열교환하면서 정제대상헬륨을 절대온도 약 40도 내지 45도 정도 또는 18도 정도까지 냉각시킨다.

이렇게 냉각시킨 정제대상헬륨의 결빙된 불순물이 저온흡탈착기에 흡착되게 하여 더욱 순수한 헬륨을 얻는 공정이 추가된다.

정제대상헬륨의 결빙된 불순물이 저온흡탈착기에 흡착되게 한 후, 저온흡탈착기를 정제대상헬륨 통로와 분리시킨 후 가열함으로써 결빙되어 흡착된 불순물을 탈착시켜 불순물 성분을 회수하는 불순물회수공정을 추가된다.

여기서 정제대상헬륨을 절대온도 약 18도 정도로 냉각시키는 경우에는 초 고순도 헬륨을 얻을 수 있고, 정제대상헬륨을 절대온도 약 40도 내지 45도 정도로 냉각시키면 정제대상헬륨에 수소나 네온이 포함되지 아니한 것이면 순수한 헬륨을 얻을 수가 있고, 만약 네온과 수소가 일부 포함된 소스이면 네온, 수소가 포함된 헬륨을 얻어서 이후 공정에서 네온과 수소를 분리하여 네온과 헬륨을 얻는다.

즉 네온을 얻기 위하여는 먼저 정제대상헬륨을 절대온도 약 40도 내지 45도 정도로 냉각시켜서 수소, 네온과 헬륨을 얻은 후, 다시 절대온도 18도까지 냉각시켜 네온을 결빙시켜 저온흡탈착기에 흡착시키고, 저온흡탈착기에 흡착된 네온을 회수하여 순수한 네온을 얻는다.

이러한 방법은 본 발명의 장치에 의하여 실현된다.

도1 및 도2를 참조하면서 본 장치의 구체적인 실시 예를 설명한다.

본 예는 도1에서 보인 바와 같이, 냉매헬륨을 1차로 압축하는 압축기(10)와, 1차 압축된 냉매헬륨을 2차로 압축하는 터빈압축기(20)와, 압축된 냉매헬륨을 액체질소를 이용하여 1차 냉각하는 제1냉각기(30)와, 제1냉각기를 통과한 냉매헬륨을 2차 냉각하는 냉동기(40)와, 터빈압축기(20) 축과 결합되어 회전하고 냉동기(40)를 통과하면서 냉각된 냉매헬륨을 팽창시키는 팽창터빈(22)과, 팽창터빈(22)을 통과한 냉매헬륨과 정제대상헬륨 사이에 열교환이 이루어지게 하고 통과한 냉매헬륨을 압축기(10)로 되돌아가게 하는 주열교환기(50)와, 주열교환기(50)를 통과한 정제대상헬륨을 통과시키면서 결빙된 불순물을 흡착하여 순수한 헬륨가스를 내보내고 흡착된 불순물을 탈착하려고 할 때는 이를 가열하기 위한 가온기(80)를 구비하고 있는 저온흡탈착기(70)를 포함한다.

냉각시스템은 2개조를 구비하여 교대로 운전할 수 있도록 하는데, 제2냉각시스템은 압축기(10)에서 압축된 냉매헬륨을 2차로 압축하는 터빈압축기(20')와, 압축 된 냉매헬륨을 액체질소를 이용하여 1차 냉각하는 제1냉각기(30')와, 제1냉각기를 통과한 냉매헬륨을 2차 냉각하는 냉동기(40)와, 냉동기(40)를 통과하면서 냉각된 냉매헬륨을 팽창시키는 팽창터빈(22')과, 팽창터빈(22')을 통과한 냉매헬륨과 정제대상헬륨 사이에 열교환이 이루어지게 하고 통과한 냉매헬륨을 압축기(10)로 되돌아가게 하는 주열교환기(50)로 이루어진다.

주열교환기(50)는 두 개의 유체가 각기 입구로 인입되어 서로 열교환을 한 후 각각 출구로 나가도록 입구2개 출구2개를 가진 구조로 되어 있고, 통상 사용되는 열교환기와 같은 것이다. 냉매헬륨과 정제대상헬륨 사이에 열교환이 이루어지게 하는 것이다.

냉각기(30)도 역시 열교환기인데 액체질소를 사용하여 냉매헬륨을 냉각시키기 위한 것이고, 냉동기(40)는 별도의 냉매를 사용하는 냉동기로서 통상 에어컨이나 냉장고와 같은 기기에 사용되는 그런 구조의 냉동기이다. 단 극저온 냉각이 필요함으로 냉매로는 질소에 소량의 CnF2n+2 를 혼합한 혼합가스를 사용한다.

터빈압축기(20)와 팽창터빈(22)은 축으로 결합되어 같이 회전토록 된 것으로 압축된 냉매헬륨이 팽창터빈에서 압력에 의하여 터빈에 회전력을 발생시키면서 등온팽창이 일어나며 이 회전력으로 터빈압축기를 회전시켜 입력되는 헬륨가스를 압축한다. 그래서 회전에너지를 일부 회생시킬 수 있는 구조로 되어 있다.

불순물제거 시스템은 2개조를 구비하여 교대로 운전시킬 수 있도록 하여 시스템을 자동으로 절환운전 가능하게 한다. 제1 저온흡탈착기(70)에 추가하여 제2 저온흡탈착기(70')를 구비하여, 하나의 저온흡탈착기(70 또는 70')가 프로세스 라인 에 연결되어 동작 중 일 때는, 다른 저온흡탈착기(70' 또는 70)는 프로세스 라인과 분리되어 흡착된 불순물이 가열되어 기화하도록 구성되고, 제1 저온흡탈착기에서 기화된 가스를 방산하는데 진공펌퍼(90)를 추가로 구비하여 불순물 방출을 편리하게 하기도 한다..

저온흡탈착기(70)는 몰레큘라시브와 활성탄소가 케이스(62) 내에 밀봉되고, 케이스에 입구와 출구가 만들어진 것이다. 정제대상헬륨이 케이스의 입구로 인입되어 몰레큘라시브와 활성탄소를 통과한 후 출구(65)로 배출되도록 되어 있다. 저온흡탈착기(70)에는 가열용 기체가 흐르는 코일(66)이 케이스(62) 주위에 감겨서 코일에 흐르는 유체의 온도에 따라 가온되거나 냉각될 수 있는 구조로 되어 있다. 불순물을 기화할 때는 가온되도록 온도를 설정하고, 불순물을 흡착할 경우에는 코일이 냉각 기능을 하게 하거나, 단지 가온기능을 정지시키거나 한다. 저온흡탈착기(70)를 냉각시려고 할 경우에는 가온기(80)를 냉각기로 바꾸거나 냉각기와 가온기를 병렬로 연결하고 밸브로 조절하게 하면 된다.

저온흡탈착기의 다른 예는 몰레큘라시브와 활성탄소와를 내장한 케이스를 내부에 공간의 여유가 있도록 설치한 외장케이스를 포함하는 것이다. 케이스에는 입구와 출구가 있고 그 이외는 밀봉되며, 정제대상헬륨은 케이스의 입구와 몰레큘라시브와 활성탄소를 통과한 후 출구로 나가도록 되어 있다. 외장케이스에도 입구와 출구가 있고 그 이외의 부분은 모두 밀봉되어 있고, 가열용 유체(질소)는 외장케이스의 입구로 들어와서 케이스 외부에 접촉하면서 내부의 몰레큘라시브와 활성탄소를 가온한 후 출구로 배출되도록 되어 있다.

각 구성요소들은 냉매나 처리대상 유체가 흐르도록 도1에서 도시된 바와 같이, 파이프라인으로 연결되어 있고, 필요한 개소에는 유체 흐름을 제어하기 위하여 밸브들이 설치되어 있어서, 각 요소가 공정 라인으로부터 분리될 수 있도록 되어 있다.

본 실시 예에서는 열효율을 좋게 하기 위하여 도1 및 도2에서 일점쇄선으로 표시된 부분들은 냉열보존 구조가 되도록 설계된다. 최저 18K까지 냉각 및 온도유지를 위하여는 고도의 단열설비가 소요된다. 팽창터빈(22), 주열교환기(50), 냉각기(30), 냉동기(40), 저온흡탈착기(70) 및 가온용 열교환기(80)등 주요기기는 진공단열이 가능한 원통형 케이싱에 진공펌프를 설치하여 초진공상태 (1 x 10-6승 Torr 이하)로 유지되도록 한다. 초저온용 밸브는 정밀한 케이싱에 펄라이트 진공단열를 하고 초저온용 배관은 진공배관방법에 의하여 이중보냉배관으로 한다. 용기와 배관자재는 열전도율이 기장 낮은 스테인레스합금계열을 사용하고 케이싱과 닿는 부분은 데프론등 특수단열재를 사용하고, 케이싱의 내외부에는 복사열전달률이 가장 낮은 코팅을 한다.

불순물제거공정을 실현하기 위한 장치는 도1과 도2에 그 실시 예가 도시되어 있는데, 필요에 따라 도1과 도2의 불순물제거 장치를 같게 하거나 서로 바꾸어 설치할 수도 있다.

위에서 설명한 실시예의 냉각시스템의 동작은 다음과 같다.

저장탱크(1)의 출구는 저장된 냉매헬륨이 불순물 파티클을 걸러주는 필터(4)와 제어밸브(5)를 거처 압축기(10)의 인입구에 인입된다. 이어서, 압축기(10)의 압축 되어 출구에 연결된 파이프라인과 제어밸브(11)를 통하고 분기되어 제어밸브(12)를 통하여 [제2냉각시스템을 운전할 경우에는 제어밸브(12')와 제어밸브(15')가 오픈 되고 제어밸브(12)와 제어밸브(15)가 크로즈된다] 파이프라인으로 압축기(20)의 인입구에 연결된다(이후 "연결"이라고 할 때 특별히 언급하지 아니하는 한 파이프라인으로 연결된다 것을 의미한다). 터빈압축기(20)의 출구로 나온 냉매헬륨은 냉각기(30)로 인입되어 액화질소에 의하여 절대온도 약170도로 냉각된 다음 다시 제어밸브(14)를 통하여 냉동기(40)로 인입되고, 냉동기(40)에서 130K 정도(93K까지 냉각될 수 있다)로 냉각된 냉매헬륨은 제어밸브(15)를 통하여 팽창터빈(22)에 연결된다. 팽창터빈(22)은 터빈압축기(20)와 축으로 결합되어 있어서 같이 회전하게 되고 팽창터빈(22)에서 냉매헬륨이 팽창되면서 약 45K 정도로 냉각되어 출구로 나와서 주열교환기(50)에 인입된다. 냉동기(40)를 사용하지 아니할 경우에는 제어밸브(14)를 닫고 제어밸브(14')를 열어서 냉동기(40)를 바이패스시킨다. 이 때는 제어밸브(14')를 통한 냉매헬륨이 주열교환기(50)의 일부를 통과하게 하여 팽창터빈(22,22)에 입력되기 전에 예냉되도록 한다.

주열교환기(50)의 출구로 나온 냉매헬륨은 제어밸브(16)를 통하여 압축기(10)에 연결된다. 처음에는 저장탱크(1)에서 냉매헬륨을 공급하다가 냉매의 량이 충분하면 공급을 중단하고 냉매를 순환시키기만 하고 냉매가 부족하여 지면 다시 제어밸브(5)를 열어서 보충하여 준다.

위와 같은 냉각시스템에서 냉매를 계속 순환시키면 절대온도 10도 정도까지 냉각이 가능하게 된다.

정제대상헬륨은 냉각시스템에서 냉각되어 불순물 결빙 온도 이하로 냉각되면, 불순들이 결빙상태가 되어 저온흡탈착기에서 불순물이 흡착된 후 정제된 헬륨가스만 배출되게 된다.

정제대상헬륨은 저장탱크(2)에서 (또는 생산 현장으로 연결된 파이프라인으로부터) 필터(6)와 제어밸브(7)를 거쳐 주열교환기(50)로 입입되고, 이 주열교환기(50)에서 45K 정도로 냉각된 후 제어밸브(33)를 통해 저온흡탈착기(70)에 들어가게 된다. 저온흡탈착기(70)에서 불순물이 몰레큘라시브와 활성탄에 의하여 흡착된 후 헬륨은 제어밸브(34)를 통하여 헬륨탱크 또는 사용처로 이송된다.

저온흡탈착기(70)는 불순물 흡착량에 한계가 있으므로 불순물이 일정치 이상 흡착되면, 정제대상헬륨의 흐름을 제어밸브(33)를 열어서 제2 저온흡탈착기가(70')로 흐르게 하고, 제어밸브(33)를 닫아서 저온흡탈착기(70)로 흐르는 것을 차단한다. 차단된 저온흡탈착기(70)는 제어밸브(43)와 제어밸브(42)를 열어서 가온기(80)에서 가열된 재생질소로 가온되고, 이때 흡착된 불순물이 기화되어 제어밸브(335)를 통하여 배출된다. 이 불순물은 대기 중에 방출되거나 불순물 중에서 다시 사용하거나 회수할 가스가 있으면 진공펌퍼(90, 도2참조)와 압축기(95)로 압축하여 저장하거나 사용처로 보낸다. 가온기에서 가열되어 빙결 흡착된 불순물가스를 가온시킨 후의 질소가스는 제어밸브(38)를 통하여 배출되거나 다시 승압하여 가온용으로 재 사용된다..

여기서 45K 정도로 냉각이 되면 산소, 질소, 탄화수소, 아르곤, 염소화합물, 실란, 등 거의 모든 가스가 동결된다. 정제대상가스에 포함된 가스의 종류에 따라 기체 상태로 남아 있는 가스가 결정되는데, 수소와 네온과 헬륨이 가스 상태를 유지하고 다른 기체들은 동결된다. 수소와 네온이 포함되어 있지 않은 정제대상헬륨이었다면 헬륨만이 가스 상태를 유지하고 다른 기체들은 동결된다. 만약 네온이 포함되어 있는 가스라면 다음단계에서 네온이 헬륨과 분리된다.

또 다른 냉각시스템의 예로서, 냉매헬륨을 액화질소로 1차로 냉각하는 제1냉각기(130)와, 제1냉각기(130)를 통과한 냉매헬륨을 스털링 냉각사이클로 2차 냉각하는 냉동기(140)와, 이 냉동기를 통과하여 냉각된 냉매헬륨과 정제대상헬륨 사이에 열교환이 이루어지게 하고 통과한 냉매헬륨을 제1냉각기(130)로 되돌아가게 하는 열교환기(170)와, 열교환기(170)를 통과한 정제대상헬륨을 통과시키면서 결빙된 불순물을 흡착하여 순수한 헬륨가스를 내보내고 흡착된 불순물을 탈착하고자 할 때는 이를 가열하기 위한 가온기(80)를 구비하고 있는 저온흡탈착기(70)를 포함하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치가 있다.

이 시스템은 Claude 사이클에서의 재순환압축기, 터빈열교환기, 팽창터빈과 주열교환기로 구성된 계통을 Sterling 사이클을 이용하는 스털링(필립스)냉동기의 피스톤, 실린더, 디스플레이서와 재생기로 대체시킨 것이다. 이 스털링 냉동기는 실린더 내로 들어온 냉매헬륨을 피스톤(111)으로 압축한 후, 디스플레이서(113)로 이송시키면서 재생기(114)와 열교환하고, 피스톤과 디스플레이서가 원래 위치로 이동하면서 냉매헬륨이 팽창하면서 냉각되는 사이클이 계속 반복된다.

이 예에서도 저온흡탈착기(70) 외에 제2 저온흡탈착기(70')를 추가로 설치되어 하나의 저온흡탈착기가 프로세스 라인에 연결되어 동작 중 일 때 다른 저온흡탈착 기는 프로세스 라인과 분리되어 흡착된 불순물이 가열되어 기화되도록 연결되고, 저온흡탈착기에서 기화된 가스를 방출하는데 진공펌퍼(90)를 추가로 구비하어 불순물 방출을 편리하게 하기도 한다. 저온흡탈착기(70)의 구조와 기능 및 동작은 위에서 설명한 바와 같다.

이 시스템의 동작은, 냉매헬륨이 저장탱크에서 필터(131)와 제어밸브(132)와 제어밸브(133)를 거처 스털링 냉각사이클로 냉각하는 냉동기(140)를 통과하며 냉각되며, 냉각된 냉매헬륨과 정제대상헬륨 사이에 열교환이 이루어진 후 냉매헬륨은 제1냉각기(130)로 연결되어 냉각된 후 제어밸브(133)를 통하여 냉동기(14)로 다시 되돌아가서 계속 순환하며 냉각되며, 열교환기에서 정제대상헬륨을 계속 냉각시킨다. 냉매헬륨이 냉각되는 온도는 저장탱크에서 상온상태로 나와서 냉각과정을 거치며 계속 온도가 저하하게 되고 필요한 냉매헬륨이 순환하게 되면 저장탱크로부터의 공급을 중단시킨다. 냉매헬륨의 온도는 냉동기(14) 출구에서 약 18K까지 냉각시키는데, 필요한 경우 40 내지 45도 K 까지만 냉각시킬 수도 있다.

정제대상헬륨은 필터(137)와 제어밸브(136)를 통하여 열교환기(170)로 들어가며, 열교환기를 통과하면서 냉각되어 절대온도 약 18K까지 냉각된다.

정제대상헬륨에 포함된 불순물들은 열교환기에서 냉각되면서 결빙되고 저온흡탈착기(70)에 흡착되어 순수한 헬륨가스를 얻을 수 있다. 먼젓번 실시 예에서 설명한 바와 같이 절대온도 약 40 내지 45도로 냉각시키는 냉각사이클을 통과한 정제대상헬륨은 압축되어 저장되었다가(배치로 처리될 경우) 다시 절대온도 18도로 냉각되면서 네온까지 결빙되어 저온흡탈착기에 흡착되어 순수한 헬륨만 통과되고, 이때 저온흡탈착기에 흡착된 네온은 가온에 의하여 기화 탈착되면 진공펌프(90)와 압축기(93)를 통하여 회수함으로써 순수한 네온을 얻는다.

다시 설명하면, 냉매헬륨이 냉동기 입구밸브(133)를 통하여 헬륨가스냉동기(140)에 주입되면 냉매헬륨은 피스톤(111)이 전진하면서 등온 압축되면서 열을 방출한다. 냉매헬륨은 디스플레이서(113)의 후진에 의하여 재생기(114)를 거치면서 밀려나는 데, 헬륨은 등적냉각되고 방출되는 열은 재생기(114)의 매트릭스에 축적된다. 이어서 피스톤(111)이 후진하면서 냉매헬륨은 등온팽창되면서 저온열원으로 부터 열교환을 한다. 냉매헬륨은 디스플레이서(113)의 전진에 의하여 재생기(114)를 거치면서 전진하는 데, 헬륨은 등적가열되고 매트릭스에 축적된 열은 다시 헬륨으로 흡수된다. 이 냉매헬륨의 등온팽창과정에서 정제대상인 헬륨/네온 혼합가스는 헬륨가스냉동기 출구밸브(134)를 통하여 주열교환기(170)로 이송되어 헬륨/네온 혼합가스를 45K부근까지 냉각시킨 다음 열교환기에서 헬륨/네온 혼합가스와 열 교환한 후 상온까지 상승된 냉매헬륨은 보조열교환기(130)를 통하여 93K 부근으로 다시 예냉한 다음 냉동기로 회수되는 사이클을 반복하면서 지속적인 초저온 상태의 헬륨/네온 혼합가스를 저온흡탈착기(70)로 공급한다. 45K 부근에서 정제되는 불순물 처리과정은 헬륨초저온 정제방법과 같으나, 1차 정제된 헬륨/네온 혼합가스의 분리과정에서는 냉매용 헬륨 온도를 18K까지 하강시켜서 주열교환기(170)를 통하여 헬륨/네온 혼합가스의 온도를 18K부근까지 취한다. 이때 저온흡탈착기(70)에서 네온은 동결 흡착되고 헬륨은 기체상태로 그대로 헬륨저장탱크로 이송되나 동결 흡착된 네온가스는 흡착제 가온 재생 시에 입출구 측의 제어밸브(141과 142)를 잠근 상태에 서 진공펌프 (90)와 네온압축기(95)의 조합에 의하여 회수하여 고순도 네온가스 저장탱크에 저장된다.

저온흡탈착기 내부의 흡착제(몰레큘라시브와 활성탄소)의 재생 시에는 정제헬륨 출구절환밸브 (142)를 닫고 흡탈착기재생용 가온기 (80)를 통하여 질소가스를 섭씨 50도까지 가온한 후, 재생용 질소를 가온기 출구절환밸브 (152)에 의하여 흡탈착기재생 열교환기 (70)로 공급하여 흡탈착기를 가온 재생하면서 탈착된 불순물을 불순물배기밸브(143)를 열어 배기시킨다. 저온흡탈착기(70)와 제2저온흡탈착기 (70')의 흡착과 재생.탈착을 자동으로 절환 운전할 수 있는 자동절환계통을 구성하며, 가온에 사용된 질소는 가온용 질소배기밸브 (146)를 통하여 배기하거나 승압하여 가온기로 재순환 된다. 흡탈착기 재생 열교환기 (60)는 가온속도를 높이기 위하여 흡탈착기를 감싸는 코일형으로 되어 있고, 가온용 질소 순환밸브 (153)와 질소승압기 (85)를 통하여 재생용 가온기로 순환이 가능하다. 정제대상헬륨 통로로 가온용 질소의 통로가 완전 분리되어 있으므로 헬륨이나 회수되는 불순의 손실이 거의 없게된다.

참고로 각 기체의 결빙 온도는 대체로 다음과 같다.

항목 화학기호 정상동결점 항목 화학기호 정상동결점

산소 O₂ 55K 탄화수소 CmHn 86K

질소 N₂ 63K 일산화탄소 CO 66K

헬륨 He 1K 수소 H₂ 13.9K

네온 Ne 24K 아르곤 Ar 84K

통상 동결흡탈착기준이 103K 이상인 저온흡착 계통에서 CO₂, CmHn의 일부, H₂O등은 흡착하여 제거시키고, 103K 미만에서 동결되지 않는 불순물은 이 저온흡착계통에 의하여 탈착제거가 가능하다. 45K 미만에서 동결흡착 가능한 불순물은 잔류산소, 잔류질소, 잔류아르곤, 탄화수소 계열, 일산화탄소, 염소화합물, 실란과 SF₆ 등이 해당된다. 저온흡탈착기를 통과하여 회수되는 헬륨에는 네온과 수소가 잔존하여 있지만 순도로 봐서는 불순물기준으로 각 1 ppb 단위의 정제는 무난하다. 정제된 헬륨은 흡탈착기 출구절환 밸브 (142)에 의하여 정제대상헬륨 저장탱크에 저장된다.

저온흡탈착기 내부의 흡착제의 재생 시에는 정제대상헬륨 출구절환밸브 (142)를 닫고 흡탈착기재생용 가온기(80)를 통하여 질소가스를 섭씨50도 까지 가온한 후 재생용질소를 가온기 출구절환밸브 (152)에 의하여 흡탈착기재생 열교환기(60)로 공급하여 흡탈착기를 가온 재생하면서 탈착된 불순물을 불순물배기밸브(143)를 열어 배기시킨다.

저온흡탈착기(70)와 제2저온흡탈착기 (70') 흡착과 재생.탈착을 자동으로 절환운전할 수 있는 자동절환계통을 구성하며, 가온에 사용된 질소는 가온용질소배기밸브 (146)를 통하여 배기한다.

공기분리설비로부터 농축회수되는 헬륨과 네온의 혼합가스는 일반적으로 1 Nm3/h 규모의 소량으로서 Claude 사이클보다는 Sterling 사이클 냉동기를 응용하여 네온을 회수한다.

1차처리 공정은 헬륨 초저온 정제 공정과 같이 45K의 온도상태에서 처리될 수 있는 불순물은 완전히 제거되고, 헬륨의 잔여혼합가스는 네온과 수소가 남게되나, 헬륨/네온의 혼합가스에는 원래 수소의 함량이 1 ppb 미만이기 때문이 결국은 헬륨에서 네온만 분리하면 목적은 달성된다.

본 발명의 방법과 장치에 의하면, 희유가스인 헬륨가스와 네온가스를 초고순도로 정제할 수 있다.

헬륨가스를 불순물과 분리시켜 불순물을 회수함으로 헬륨의 손실을 줄일 수 있다.

헬륨을 냉매로 이용한 냉각장치를 사용함으로 초저온까지 냉동시킬 수 있어서 고순도 헬륨과 네온을 얻을 수 있다.

Claims

헬륨가스를 냉매로 사용하는 냉각장치를 이용하여 불순물이 혼합된 정제하고자 하는 정제대상헬륨을 불순물의 결빙온도 이하로 냉각시키는 제1단계 공정과,

제1단계 공정에서 냉각된 정제대상헬륨을 저온흡탈착기를 통과시켜서 결빙된 불순물이 저온흡탈착기에 흡착되게 한 후, 순수한 헬륨을 얻는 제2단계 공정을 포함하여 이루어지는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
청구항 1에 있어서, 상기 제1단계 공정에서는,

냉매헬륨을 압축하고,

압축된 냉매헬륨을 액체질소를 사용하는 열교환기를 이용하여 1차 등압냉각시킨 후, 다시 냉각장치에 의하여 2차 등압냉각시키고,

2차등압냉각된 냉매헬륨을 팽창터빈으로 팽창시켜서 주열교환기로 보내어,

주열교환기를 통과하는 정제대상헬륨과 열교환하면서 정제대상헬륨을 냉각시키는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
청구항 2에 있어서,

냉매헬륨을 주압축기로 1차 압축한 후 터빈압축기로 2차 압축하고,

압축된 냉매헬륨을 액체질소를 사용하는 열교환기를 이용하여 1차 등압냉각시켜서 절대온도 약 170도까지 냉각시킨 후, 다시 냉각장치에 의하여 2차 등압냉각시 켜서 절대온도 약 130도 정도로 냉각시키고,

2차 등압냉각된 냉매헬륨을 팽창터빈으로 팽창시켜서 절대온도 약 40도 내지 45도 정도로 냉각시킨 후 주열교환기로 보내어,

주열교환기를 통과하는 정제대상헬륨과 열교환하면서 정제대상헬륨을 절대온도 약 40도 내지 45도 정도로 냉각시키는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
청구항 2에 있어서,

냉매헬륨을 주압축기로 1차 압축한 후 터빈압축기로 2차 압축하고,

압축된 냉매헬륨을 액체질소를 사용하는 열교환기를 이용하여 1차 등압냉각시켜서 절대온도 약 170도까지 냉각시킨 후, 다시 냉각장치에 의하여 2차 등압냉각시켜서 절대온도 약 130도 정도로 냉각시키고,

2차 등압냉각된 냉매헬륨을 팽창터빈으로 팽창시켜서 절대온도 약 18도 정도로 냉각시킨 후 주열교환기로 보내어,

주열교환기를 통과하는 정제대상헬륨과 열교환하면서 정제대상헬륨을 절대온도 약 18도 정도로 냉각시키는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
청구항 1에 있어서, 상기 제1단계 공정에서,

냉매헬륨을 액체질소를 사용하여 냉각시킨 다음, 스털링사이클(sterling cycle)을 이용하는 냉동기로 냉각하고, 냉각된 냉매헬륨을 주열교환기로 보내어, 주열교환기를 통과하는 정제대상헬륨과 열교환하면서 정제대상헬륨을 냉각시키는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
청구항 5에 있어서,

냉매헬륨을 액체질소를 사용하는 열교환기를 이용하여 1차로 절대온도 약 170도까지 냉각시킨 후, 다시 스털링 냉각 장치에 의하여 2차로 절대온도 약 40도 내지 45도 정도로 냉각시킨 후 주열교환기로 보내어,

주열교환기를 통과하는 정제대상헬륨과 열교환하면서 정제대상헬륨을 절대온도 약 40도 내지 45도 정도로 냉각시키는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
청구항 5에 있어서,

냉매헬륨을 액체질소를 사용하는 열교환기를 이용하여 1차로 절대온도 약 170도까지 냉각시킨 후, 다시 스털링 냉각 장치에 의하여 2차로 절대온도 약 18도 정도로 냉각시킨 후 주열교환기로 보내어,

주열교환기를 통과하는 정제대상헬륨과 열교환하면서 정제대상헬륨을 절대온도 약 18도 정도로 냉각시키는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
청구항 1 내지 7항 중 어느 하나의 항에 있어서,

정제대상냉매헬륨의 결빙된 불순물이 저온흡탈착기에 흡착되게 하여 더욱 순수한 헬륨을 얻는 제3단계 공정을 추가로 포함하는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
청구항 8에 있어서,

정제대상헬륨의 결빙된 불순물이 저온흡탈착기에 흡착되게 한 후, 상기 저온흡탈착기를 정제대상헬륨 통로와 분리시킨 후 가온함으로써 결빙되어 흡착된 불순물을 탈착시켜 불순물 성분을 방산하는 불순물방산공정을 추가로 포함하는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
청구항 9에 있어서,

상기 저온흡탈착기를 정제대상헬륨 통로와 분리시킨 후 가온함으로써 결빙되어 흡착된 네온을 진공펌프와 압축기에 의하여 회수하는 것이 특징인 헬륨가스의 초저온 정제 방법
냉매헬륨을 1차로 압축하는 압축기와,

1차 압축된 냉매헬륨을 2차로 압축하는 터빈압축기와,

압축된 냉매헬륨을 액체질소를 이용하여 1차 냉각하는 제1냉각기와,

상기 제1냉각기를 통과한 냉매헬륨을 2차 냉각하는 냉동기와,

상기 터빈압축기 축과 결합되어 회전하고 상기 냉동기를 통과하면서 냉각된 냉매헬륨을 팽창시키는 팽창터빈과,

상기 팽창터빈을 통과한 냉매헬륨과 정제대상헬륨 사이에 열교환이 이루어지게 하고, 통과한 냉매헬륨을 상기 압축기로 되돌아가게 하는 열교환기와,

상기 열교환기를 통과한 정제대상헬륨을 통과시키면서 결빙된 불순물을 흡착하여 순수한 헬륨가스을 내보내고, 흡착된 불순물을 탈착하려고 할 때는 이를 가열하기 위한 가온기를 구비하고 있는 저온흡탈착기를 포함하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치.
청구항 11에 있어서,

상기 저온흡탈착기 외에 제2 저온흡탈착기를 추가로 구비하여,

하나의 저온흡탈착기가 프로세스 라인에 연결되어 동작 중 일 때는 다른 저온흡탈착기는 프로세스 라인과 분리되어 흡착된 불순물이 가열되어 기화하도록 구성되고,

저온흡탈착기에서 기화 탈착된 불순물가스를 방산하거나 진공펌프에 의하여 방산을 보조하는 것을 특징으로 하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치.
청구항 12에 있어서, 상기 저온흡탈착기는,

몰레큘라시브와,

활성탄소와,

상기 몰레큘라시브와 활성탄소를 내장하고, 정제대상헬륨이 통과하는 입구와 출구를 가진 케이스와,

상기 케이스 주위에 설치되고 가열용 기체가 흐르는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치.
청구항 12에 있어서, 상기 저온흡탈착기는,

몰레큘라시브와,

활성탄소와,

상기 몰레큘라시브와 활성탄소를 내장하고, 정제대상헬륨이 통과하는 입구와 출구를 가진 케이스와,

상기 케이스의 외부 공간에 진공단열층을 가진 외장케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치.
냉매헬륨을 액화질소로 1차로 냉각하는 제1냉각기와,

상기 냉각기를 통과한 냉매헬륨을 스털링 냉각사이클로 2차 냉각하는 냉동기와,

상기 냉동기를 통과하여 냉각된 냉매헬륨과 정제대상헬륨 사이에 열교환이 이루어지게 하고, 통과한 냉매헬륨을 상기 제1냉각기로 되돌아가게 하는 열교환기와,

상기 열교환기를 통과한 정제대상헬륨을 통과시키면서 결빙된 불순물을 흡착하여 순수한 헬륨가스를 내보내고, 흡착된 불순물을 탈착하고자 할 때는 이를 가열하기 위한 가온기를 구비하고 있는 저온흡탈착기를 포함하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치.
청구항 15에 있어서,

상기 저온흡탈착기 외에 제2 저온흡탈착기를 추가로 구비하여,

하나의 저온흡탈착기가 프로세스 라인에 연결되어 동작 중 일 때 다른 저온흡탈착기는 프로세스 라인과 분리되어 흡착된 불순물이 가열되어 기화되도록 구성되고,

저온흡탈착기에서 기화 탈착된 불순물 가스를 방산하거나 진공펌프에 의하여 방산을 보조하는 것을 특징으로 하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치.
청구항 15에 있어서, 상기 저온흡탈착기는,

몰레큐라시브와,

활성탄소와,

상기 몰레큘라시브와 활성탄소를 내장하고, 정제대상헬륨이 통과하는 입구와 출구를 가진 케이스와,

상기 케이스의 주위에 설치되고 가열용 기체가 흐르는 코일을 포함하는 것을 특징으로 하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치.
청구항 15에 있어서, 상기 저온흡탈착기는,

몰레큘라시브와,

활성탄소와,

상기 몰레큘라시브와 활성탄소를 내장하고, 정제대상헬륨이 통과하는 입구와 출구를 가진 케이스와,

상기 케이스의 외부 공간에 진공단열층을 가진 외장케이스를 포함하는 것을 특징으로 하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치.
청구항 15에 있어서,

상기 저온흡탈착기 외에 제2 저온흡탈착기를 추가로 구비하여,

하나의 저온흡탈착기가 프로세스 라인에 연결되어 동작 중 일 때는 다른 저온흡탈착기는 프로세스 라인과 분리되어 흡착된 불순물이 가열되어 기화하도록 구성되고,

저온흡탈착기에서 기화 탈착된 불순물가스를 1차 방산하고 난 후속 공정으로 흡탈착된 네온가스는 진공펌프와 압축기에 의하여 저장탱크로 회수하는 것을 특징으로 하는 헬륨가스의 초저온 정제 장치.