KR20070024363A - 저온 공기 분해를 이용하여 크립톤 및/또는 크세논을채취하는 방법 - Google Patents

저온 공기 분해를 이용하여 크립톤 및/또는 크세논을채취하는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 저온 공기 분해를 이용하여 크립톤 및/또는 크세논을 채취하는데 사용된다. 적어도 하나의 고압 칼럼(2) 및 저압 칼럼(3)을 포함하는 질소-산소 분리용 정류 시스템으로 압축되고 세척된 공급 기체(1, 1A, 1B, 29)가 유입된다. 상기 저압 칼럼(3)의 제 1 지점에서 산소 함량이 높은 액체(42)가 배출된다. 상기 산소 함량이 높은 액체(42)의 적어도 하나의 제 1 부분(43)이 상기 저압 칼럼의 제 2 지점에 다시 전달되고, 이때 상기 저압 칼럼의 제 1 지점과 제 2 지점 사이에 물질 교환 섹션(44)이 배치된다. 상기 제 2 지점의 높이에 또는 그 아래에 배치되는, 상기 저압 칼럼(3)의 제 3 지점으로부터 또 다른 액체(35)가 배출되어 제 1 응축-증발기(4)의 증발 챔버 내로 유입되고, 거기서 부분적으로 증발된다. 상기 제 1 응축-증발기의 증발 챔버로부터 크립톤 및 크세논을 함유한 분류물(fraction)(138)이 배출되어 제 2 응축-증발기(27)의 증발 챔버 내로 유입된다. 상기 제 2 응축-증발기(27)로부터 크립톤-크세논 농축물(125)이 배출된다.

Description

저온 공기 분해를 이용하여 크립톤 및/또는 크세논을 채취하는 방법{METHOD FOR EXTRACTION OF KRYPTON AND/OR XENON BY MEANS OF LOW TEMPERATURE DECOMPOSITION OF AIR}
도 1은 아르곤 추출 장치가 없는, 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시예.
도 2는 아르곤 추출 장치가 있는, 본 발명에 따른 방법의 제 1 실시예.
*도면의 주요 부호 설명*
1: 공급 기체 2: 고압 칼럼
3: 저압 칼럼
4: 상부 응축기("제 1 응축-증발기") 5: 기체상 질소
6: 5의 제 1 부분 7: 농축물
8: 7의 제 1 부분 9: 7의 제 2 부분
10, 41: 쓰로틀 밸브 11: 5의 제 2 부분
12, 37, 48, 138, 166: 라인 13, 55: 침전액
14: 밸브 17: 순 아르곤 응축기
19: 순 아르곤 칼럼
27: 부 응축기(제 2 응축-증발기)
30: 27의 증발 챔버에서 생성된 가스 36, 47: 펌프
38: 증기-액체 혼합물펌프
40, 42: 산소 함유량이 높은 액체 43: 42의 제 1 부분
44: 물질 교환 섹션 45: 42의 제 2 부분
48: 아르곤 함유 분류물 50: 아르곤 농축 증기
120: 스트리퍼 칼럼
121: 크립톤 및 크세논을 함유한 추가 흐름
125: 크립톤-크세논 농축물 165: 질소 함유 가스
본 발명은 저온 공기 분해를 이용하여 크립톤 및/또는 크세논을 채취하는데 사용되는, 청구항 1의 전제부에 따른 방법에 관한 것이다.
저온 공기 분해의 일반적인 원리 및 질소-산소 분리용 정류 시스템의 특수한 구조가 Hausen/Linde의 전공논문 "저온 공학(Tieftemperaturtechnik)"(1985년, 제 2판) 및 Chemical Engineering Progress(Vol.63, No.2, 1967, 35p.)에 게재된 Latimer의 논문에 기술되어 있다. 고압 칼럼은 저압 칼럼보다 더 높은 압력에서 가동된다. 상기 두 칼럼은 예컨대 주 응축기(main condenser)를 통해 서로 열 교환 관계에 있는 것이 바람직하며, 상기 주 응축기에서는 저압 칼럼의 침전액(bottom liquid)의 기화에 반하여 고압 칼럼의 노정 가스(top gas)가 액화된다. 본 발명의 정류 시스템은 전형적인 이중 칼럼 시스템으로 형성되나, 삼중 칼럼 시 스템 또는 다중 칼럼 시스템으로 형성될 수도 있다. 다른 공기 성분, 특히 불활성 기체를 추출하기 위한 추가 장치들은 질소-산소 분리용 칼럼 외에 예컨대 아르곤 추출 장치를 포함할 수 있다.
생성된 크립톤-크세논 농축물은 추가의 방법 단계들 내에서 정해진 시점에 순 크립톤 및/또는 크세논으로 분리될 수 있다. 그 대안으로, 예컨대 액체 탱크 내에 저장되어 다른 시점에 후처리된다.
도입부에 언급한 유형의 방법은 US 5313802에 기술되어 있다.
본 발명의 목적은 상기 유형의 방법을 더욱 경제적으로 실행하는 것이다.
상기 목적은 청구항 1의 특징들을 통해 달성된다.
본 발명에 따르면, 제 1 응축-증발기의 증발 챔버에서 유래하는 크립톤 및 크세논 함유 부분이 제 2 응축-증발기의 증발 챔버 내로 유입되어 거기서 부분적으로 증발된다. 액체 상태로 남겨진 분류물(fraction)은 상기 제 2 응축-증발기로부터 크립톤-크세논 농축물로서 배출된다.
이러한 방식에서는 고유한 미정제(raw) 크립톤-크세논 칼럼이 없어도 된다. 저압 칼럼의 제 1 지점과 제 2 지점 사이의 물질 교환 섹션과 제 2 응축-증발기의 상호 작용시 상기 저압 칼럼의 하부 영역으로부터 메탄이 새어나와 크립톤-크세논 농축물에서 의도치 않은 높은 농도가 다시 나타나지 않는다.
"물질 교환 섹션"은 플레이트(plate), 충전 칼럼 및/또는 분류식 카트리지로 형성될 수 있으며, 예컨대 1개 내지 10개, 바람직하게는 2개 내지 6개의 이론상의 및 실제의 플레이트의 크기를 갖는다.(관련 섹션에서 실제 플레이트들이 물질 교환 부재로 사용되는 경우 상기 내용은 실제 플레이트 개수에 적용되고, 카트리지, 충전 칼럼 또는 여러 유형의 물질 교환 부재들의 복합체가 사용되는 경우에는 상기 내용이 이론상의 플레이트 개수에 적용된다.)
제 2 응축-증발기는 바람직하게 부 응축기(subsidiary condenser)로서 저압 칼럼 외부에 배치되어 배스(bath) 증발기로 형성된다.
제 1 응축-증발기는 저압 칼럼의 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 저압 칼럼의 제 1 지점과 제 2 지점 사이의 물질 교환 섹션은 저압 칼럼의 나머지 섹션들과 동일한 용기 또는 별도의 용기 내에 배치될 수 있다.
제 2 응축-증발기가 가열되고, 이때 바람직하게 응축되는 기체가 상기 제 2 응축-증발기의 액화 챔버를 통해 안내된다. 이 경우, 예컨대 고압 칼럼의 작동압보다 약간 낮은 압력에 있는 기체, 특히 공급 기체의 일부 흐름이 사용될 수 있다.
저압 칼럼의 제 1 지점과 제 2 지점 사이의 물질 교환 섹션 내에서 상승하는 메탄은 바람직하게 산소 생성물 흐름과 함께 저압 칼럼을 떠난다. 상기 메탄은 액체 상태로, 예컨대 저압 칼럼의 제 1 지점으로부터 산소 함유량이 높은 액체의 제 2 부분으로서 배출되거나, 저압 칼럼의 동일 지점 또는 더 높은 지점으로부터 기체 흐름으로서 배출될 수 있다.
통상 이중 칼럼 시스템의 주 응축기를 나타내는 제 1 응축-증발기는 기본적으로 공지된 모든 형태(예: 강하 박막 증발기(falling film evaporator))로 구현될 수 있다. 그러나 본 발명에서는 제 1 응축-증발기를 배스 증발기로 구현하는 것이 더 유리하다. 그 이유는 그렇게 함으로써 상기 제 1 응축-증발기에서 이미 비교적 높은 농축률의 크립톤 및 크세논이 확실하게 수득될 수 있기 때문이다.
제 1 응축-증발기의 증발 챔버에서 유래하는 액체에 추가로 또는 그 대안으로 고압 칼럼으로부터 추가의 크립톤 및 크세논을 함유한 흐름이 배출되어 제 2 응축-증발기의 증발 챔버 내로 유입될 수 있다.
이러한 방식으로 공급 기체에 함유된 크립톤과 크세논의 많은 부분이 저압 칼럼을 먼저 관류하지 않고 제 2 응축-증발기 내로 직접 도달한다. 그럼으로써 저압 칼럼의 생성물들과 함께 손실되는 크립톤 및 크세논의 양이 더 적어진다. 탄화수소나 N2O와 같이 산소보다 더 무거운 다른 휘발성 물질들도 저압 칼럼의 바닥으로 가지 않고 제 1 응축-증발기로 간다.
추가의 크립톤 및 크세논을 함유한 흐름은 제 2 응축-증발기의 증발 챔버 내로의 유입부 상류에서 특히 스트리퍼 칼럼(stripper column)으로 구현되는 3차 처리단(tertiary treatment stage)으로 유도되는 것이 유리하며, 상기 스트리퍼 칼럼의 헤드에 상기 추가의 크립톤 및 크세논을 함유한 흐름이 액체 상태로 공급된다. 이러한 유형의 추가 칼럼이 DE 10332863 A1에 상세히 기술되어 있다.
스트리퍼 칼럼의 상승 증기로는 바람직하게 제 2 응축-증발기의 증발 챔버에서 형성되는 기체의 적어도 일부가 사용된다.
추가의 크립톤 및 크세논을 함유한 흐름은 제 2 응축-증발기의 증발 챔버 내 로의 유입부 상류에서 세척되거나, 제 3 응축-증발기, 특히 순 아르곤 칼럼의 상부 응축기(top condenser) 내 3차 처리단의 상류에서 부분적으로 증발될 수 있다. 그런 다음 액체 상태로 남겨진 분류물은 상기 3차 처리단 또는 제 2 응축-증발기로 전달된다.
하기에서는 도면에 도시된 실시예들을 참고로 본 발명 및 본 발명의 그 밖의 세부 사항들을 상세히 설명한다.
압축되고 세척된 공급 기체(1)의 제 1 부분(1A)이 질소-산소 분리용 정류 시스템으로 유입되고, 상기 정류 시스템은 고압 칼럼(2), 저압 칼럼(3) 및 예컨대 강하 박막 증발기로 구현되는 상부 응축기("제 1 응축-증발기")(4)를 포함한다. 고압 칼럼의 꼭대기로부터 기체상 질소(5)의 제 1 부분(6)이 상부 응축기(4)의 응축 챔버에 전달된다. 거기서 형성된 농축물(7)의 제 1 부분(8)이 귀환 흐름으로서 고압 칼럼으로 공급된다. 상기 농축물의 제 2 부분(9)은 쓰로틀 밸브(10)를 통해 저압 칼럼(3)의 꼭대기로 공급된다. 기체상 질소(5)의 제 2 부분(11)이 고압 칼럼의 꼭대기로부터 (도시되지 않은) 순환계(loop)로 안내되고, 거기서 액화되어 라인(12)을 통해 추가의 귀환 흐름으로서 고압 칼럼(2)에 공급된다.
고압 칼럼(2)의 바닥 위쪽에 배치된 대략 3개 내지 5개의 이론상의 또는 실제의 플레이트에서 실질적으로 더 무거운 휘발성 성분을 함유하지 않는, 산소 함량이 높은 액체(40)가 배출되어 저압 칼럼의 쓰로틀 밸브(41)를 통해 중간 지점으로 전달된다.
저압 칼럼(3)으로부터 꼭대기 부분의 기체상 질소(32)가 생성물(GAN)로서 또 는 잔여 가스로서 배출된다. 저압 칼럼의 제 1 지점으로부터 산소 함유량이 높은 액체(42)가 배출되고, 그의 제 1 부분(43)이 저압 칼럼(3)에서 물질 교환 섹션(44)의 하부에 배치된 제 2 지점으로 다시 전달된다. 상기 우회량(43) 및 그에 따른 물질 교환 섹션(44)에서의 귀환 흐름 비는 우회 밸브(bypass valve)(46)에 의해 조정된다.
산소 함량이 높은 액체(42)의 제 2 부분(45)은 내부 압축(internal compression) 과정을 거치는데, 이때 펌프(47) 내에서 상기 제 2 부분(45)에 적절한 생성물 압력이 가해져서 라인(48)(LOX-IC)을 통해 하나 이상의 열 교환기(예: 주 열 교환기 시스템)로 전달되며, 상기 열 교환기에서는 공급 기체(1)도 냉각된다. 거기서 상기 제 2 부분이 증발되고(또는 초임계적 생성물 압력에서 의사(pseudo) 증발됨), 대략 주변 온도로 가열되어 결국 기체상 압축 생성물로서 방출된다.
증발 및 가열은 예컨대 고압 기체 흐름을 이용한 간접적 열 교환에서 실시될 수 있다. 그러나 실시예에서는 증발 및 가열을 위해 라인들(11, 12)로 나타나 있는 질소 순환계가 사용되었다.
물질 교환 섹션(44)의 하부에서 추가의 액체(35)가 배출되어 추가의 펌프(36)를 이용하여 라인(37)을 통해 주 응축기(4)의 증발 챔버로 공급되고, 거기서 부분적으로 증발된다. 이때 형성된 증기-액체 혼합물(38)이 부분적으로 저압 칼럼(3)의 바닥으로 되돌아간다. 액체 상태로 남겨진 다른 분류물은 라인(138)을 통해 제 2 응축-증발기, 즉 부 응축기(27)의 증발 챔버로 전달된다. 부 응축기에서 부 분 증발된 후 액체 상태로 남은 분류물이 크립톤-크세논 농축물(125)로서 부 응축기(27)의 증발 챔버로부터 배출된다(crude-Kr-Xe).
부 응축기(27)는 각각의 적절한 분류물에 의해 가열될 수 있다. 본 실시예에서는 차가운 공급 기체(1)의 일부(1B)가 가열 매체로 사용된다.(그 대안으로 고압 칼럼에서 유래하는 다른 분류물, 예컨대 고압 칼럼(2) 꼭대기의 압축 질소가 사용될 수 있다.) 부 응축기(27)에서 액화된 공기(29)가 기체상 공기(1) 위쪽의 몇몇 플레이트를 통해 고압 칼럼(2) 내로 유입된다.
산소 함량이 높은 침전액(13)이 "크립톤 및 크세논을 함유한 추가 흐름"으로서 고압 칼럼(2)으로부터 배출되고, 밸브(14) 내에서 압력이 경감되어 추가 칼럼("스트리퍼 칼럼")의 꼭대기로 공급되며, 상기 추가 칼럼은 "3차 처리단"으로서 저압 칼럼(3)과 대략 동일한 압력에서 구동된다. 3차 처리된 추가의 크립톤 및 크세논 함유 흐름(121)은 추가의 또는 고유한 공급 물질로서 부 응축기(27)의 증발 챔버에 전달된다.
부 응축기(27)의 증발 챔버에서 형성되는 기체(30)의 적어도 일부(31)가 상승 증기로서 스트리퍼 칼럼(120) 내로 유입된다. 스트리퍼 칼럼(120)의 꼭대기로부터 질소 함량이 높은 기체(165)가 배출되어 라인(166)을 통해 저압 칼럼(3)의 적절한 지점으로 공급된다.
도 2의 실시예는 도 1과 달리 아르곤 추출 장치를 포함한다.
아르곤 전이 라인(48)을 통해 아르곤 함유 분류물이 저압 칼럼(3)으로부터 순 아르곤 칼럼(19) 내로 전달된다. 아르곤 함유 분류물(48)은 순 아르곤 칼럼 (19)에서 바닥 바로 위에 기체상으로 공급된다. 상승하는 증기가 아르곤에 농축된다.
순 아르곤 칼럼(19)의 꼭대기에는 아르곤 농축 증기(50)가 생성되어 "제 3 응축-증발기", 즉 순 아르곤 응축기(17)에서 대부분 응축된다. 이때 생성된 액체(51)는 귀환 액체로서 순 아르곤 칼럼(19) 위에 제공된다. 순 아르곤 칼럼(19)의 침전액은 다시 저압 칼럼(3)으로 흘러간다.
기체 상태로 남은 순 아르곤(58)은 제 1 응축-증발기(17)의 액화 챔버로부터 경우에 따라 순 아르곤 칼럼 내에서 추가로 분해되고, 특히 질소와 같은 더 가벼운 휘발성 성분들이 제거된다(도시되지 않음).
여기서 먼저 산소 농축 침전액(13)이 밸브(16)를 통해 냉각제로서 순 아르곤 응축기(17)의 증발 챔버에 공급된다. 오직 액체 상태로 남은 부분(26)만 스트리퍼 칼럼(120)으로 공급된다. 제 3 응축-증발기(17)에서의 부분 증발시 생성된 증기(25)는 제 1 응축-증발기(17)의 증발 챔버로부터 배출되어, 스트리퍼 칼럼의 노정 증기와 공동으로 라인(165)을 통해 저압 칼럼에 공급된다.
본 발명을 통해, 저온 공기 분해를 이용한 매우 경제적인 크립톤 및/또는 크세논 추출이 가능해진다.

Claims (10)

  1. - 적어도 하나의 고압 칼럼(2) 및 저압 칼럼(3)을 포함하는 질소-산소 분리용 정류 시스템으로 압축되고 세척된 공급 기체(1, 1A, 1B, 29)가 유입되고,
    - 상기 저압 칼럼(3)의 제 1 지점에서 산소 함량이 높은 액체(42)가 배출되며,
    - 상기 산소 함량이 높은 액체(42)의 적어도 하나의 제 1 부분(43)이 상기 저압 칼럼의 제 2 지점에 다시 전달되고, 상기 저압 칼럼의 제 1 지점과 제 2 지점 사이에 물질 교환 섹션(44)이 배치되며,
    - 상기 제 2 지점의 높이에 또는 그 아래에 배치되는, 상기 저압 칼럼(3)의 제 3 지점으로부터 또 다른 액체(35)가 배출되어 제 1 응축-증발기(4)의 증발 챔버 내로 유입되고, 거기서 부분적으로 증발되며,
    - 상기 제 1 응축-증발기의 증발 챔버로부터 크립톤 및 크세논을 함유한 분류물(fraction)(138)이 배출되는, 저온 공기 분해를 이용하여 크립톤 및/또는 크세논을 채취하는 방법에 있어서,
    - 상기 크립톤 및 크세논을 함유한 분류물(138)이 제 2 응축-증발기(27)의 증발 챔버 내로 유입되고,
    - 상기 제 2 응축-증발기(27)로부터 크립톤-크세논 농축물(125)이 배출되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제 2 응축-증발기(27)는 상기 고압 칼럼의 작동압과 거의 같은 압력을 가진 가스(1B)로 가열되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 응축-증발기(27)는 상기 공급 기체(1)의 부분 흐름(1B)으로 가열되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
  4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    생성물로서 상기 저압 칼럼(3)의 제 1 지점으로부터 상기 산소 함유량이 높은 액체(42)의 제 2 부분(45, 48)이 배출되거나, 상기 저압 칼럼의 제 1 지점 위쪽에서 다른 산소 분류물이 배출되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
  5. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 1 응축 증발기(4)가 배스(bath) 증발기로 형성되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
  6. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 고압 칼럼(3)으로부터 크립톤 및 크세논을 함유한 추가 흐름(13)이 배출되어 상기 제 2 응축-증발기(27)의 증발 챔버로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 크립톤 및 크세논을 함유한 추가 흐름(13, 26)은 상기 제 2 응축-증발기의 증발 챔버 내로의 유입부 상류에서 3차 처리단(tertiary treatment stage)으로 유도되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 3차 처리단이 스트리퍼 칼럼(stripper column)(120)으로 구현되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 제 2 응축-증발기(27)의 증발 챔버에서 생성된 가스의 적어도 일부가 상승 증기로서 상기 스트리퍼 칼럼(120) 내로 유입되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
  10. 제 6항 내지 제 9항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 크립톤 및 크세논을 함유한 추가 흐름(13)은 상기 제 2 응축-증발기의 증발 챔버 내로의 유입부 상류에서 또는 제 3 응축-증발기(17) 내, 특히 순 아르곤 칼럼(19)의 상부 응축기(top condenser) 내 상기 3차 처리단(120)의 상류에서 부분적으로 증발되는 것을 특징으로 하는,
    저온 공기 분해를 이용한 크립톤 및/또는 크세논의 채취 방법.
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