KR20100085286A - 수소가스 정제방법（ⅱ） - Google Patents

수소가스 정제방법（ⅱ） Download PDF

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Abstract

본 발명은 분자체(molecular sieve)를 흡착제로 사용하여 저온 환경에서 수소가스를 정제하는 방법에 관한 것으로서, 연속적인 수소 흐름상태에서 수소가스내의 바람직하지 않은 물질들, 즉 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체를 포함하는 불순물을 제거하는 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 수소 정제 방법은 대량의 수소가스를 빠른 시간내에 연속식으로 정제할 수 있어 수소정제의 효율을 높일 수 있을 뿐만 아니라 공정비용을 절감할 수 있는 효과가 있다.
분자체(Molecular sieve), 수소가스, 정제, 저온, 흡착제

Description

수소가스 정제방법（Ⅱ）{Method for Purification of Hydrogen Gas}
본 발명은 수소가스 정제방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 불순물, 특정적으로 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스를 저온상태에서 분자체 형태의 흡착제를 통과시켜 불순물을 제거하는 수소가스 정제방법에 관한 것이다.
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수소가스는 막대한 규모로 성장한 반도체 제조공업에서 반도체 원료인 실리콘을 제조할 때 주로 사용되고 있으며, 실리콘을 이용한 반도체 제조에도 각종 분위기 가스로써 널리 활용되고 있다.
최근 반도체의 집적도 향상과 함께 실리콘의 순도향상 및 수소 가스의 순도향상에 대한 요구가 점점 더 증가하고 있고, 공정비용 및 원료비용의 절감을 위하여 실리콘 제조공정 중에 사용되는 수소가스를 정제하여 재사용 해야 하는 필요성이 점점 더 증가되고 있다.
이러한 이유로 인하여 수소가스 중에 존재하는 탄화수소계열의 물질 및/또는 붕소와 인을 포함하는 무기불순물 혹은 수소화 붕소, 수소화 인을 포함한 수소화합물 형태로 존재하는 무기불순물을 고효율로 제거하여 상기 수소가스에 불순물이 ppb 단위, 또는 그 이하 단위로 존재하도록 정제하는 것이 절실히 요구되고 있다.
이와 같은 수소가스 정제방법의 일례로서, 미국특허 제3,992,167호, 미국특허 제4,242,875호, 미국특허 제4,043,770호, 미국특허 제4,099,936호 및 대한민국특허공개 특1989-0004761호에는 저온상태에서 수소가스를 정제하는 방법이 개시되어 있고, 국제특허공개 WO 2002/004096호에는 흡착제를 이용한 압력스윙흡착법을 이용하여 수소가스를 정제하는 방법이 개시되어 있고, 국제특허공개 WO 2006/043696호 및 대한민국특허공개 제 2007-007013호에는 금속 분리막을 이용하여 수소를 선택적으로 투과하는 정제방법이 개시되어 있다.
아울러, 수소가스를 정제하기 위한 다른 방법으로서 니켈 등의 금속촉매에 의한 화학반응과 합성 제올라이트 등의 흡착제에 의한 물리적 흡착성을 조합하여 상온에서 수소가스를 흡착법으로 정제하는 방법이 알려져 있다.
여기서, 상기 저온상태에서 수소가스를 정제하는 방법은 구체적으로 액체질소 등의 냉열원을 이용하여 저온상태에서 흡착제의 물리적 흡착성을 이용하여 불순물을 흡착제거하는 방법으로서, 이는 통상적으로 심냉 흡착법이라 지칭하며, 이러한 방법은 상온에서 흡착제를 이용하는 것보다 더 높은 효율로 수소가스에 포함된 탄화수소나 질소 등을 포함하는 불순물을 거의 제거 할 수 있는 장점이 있다.
그러나 전술한 심냉 흡착법은 액체질소 등의 냉열원을 이용하여 수소가스를 극저온으로 냉각시켜야 하므로, 냉각 비용이 과도하게 소요되는 문제점 등이 있다.
한편, 흡착제를 이용하여 압력스윙방식으로 수소가스를 정제하는 압력스윙흡착법은 대량의 수소를 한번에 정제할 수 있는 장점이 있으나 연속식공정으로 수소가스의 흐름이 발생하는 경우에는 이를 적용하기 불편하다는 문제점 등이 있다.
상기 금속 분리막을 이용하여 수소가스를 정제하는 방법 중 특별히 팔라듐 합금막을 이용한 정제방법에서는 수소가스의 선택 투과성을 이용하기 때문에 수소를 제외한 불순물 형태로 존재하는 성분은 모두 제거되어 초고순도의 수소가스를 얻을 수 있지만, 이는 고가의 금속 분리막으로 인해 정제가스 유량당 장치비용이 증가하는 문제점이 있다.
또한, 금속촉매의 화학반응 및 흡착제의 물리적 흡착성을 조합한 상온흡착법의 경우 정제가스 유량당 소요되는 장치비용은 저렴하지만, 수소 가스 중에 비교적 다량으로 존재하는 탄화수소나 질소 등을 용이하게 제거할 수 없다는 문제점이 있다.
이상과 같이, 현재까지 수소가스의 정제에 있어서, 정제가스 유량당 장치비용 및 운전비용이 저렴하고, 짧은 시간에 대량의 수소를 고순도로 안전하게 정제할 수 있는 기술, 또는 초고순도로 수소가스를 소량으로 정제 시킬 수 있는 조건을 만족시키는 수소가스 정제 기술 개발이 꾸준히 진행되어 왔으나, 상기 모든 조건들을 최대한 만족시킬 수 있는 기술 개발이 여전히 미비한 실정이다.
이에, 본 발명자들은 상기 모든 조건들을 최대한 만족 시킬 수 있는 기술을 개발하기 위하여 수소가스는 물론 이와 다른 가스를 정제하는 기술들에 대하여 연 구를 진행하였는바, 그 중에서도 실리콘 생산 및 반도체 공정 중 사용되는 실란가스의 정제방법 및 폴리실리콘 제조시에 사용되는 삼염화실란 가스의 정제 방법에 대하여 연구하던 중 상기 실란가스로부터 불순물을 제거하는 방법 및 삼염화실란가스로부터 불순물을 제거하는 방법이 실리콘 제조 및/또는 반도체 제조 공정 중 사용되는 수소가스에 포함된 불순물을 제거하는 방법으로 적용할 수 있다는 점을 착안하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다.
본 발명은 실란가스 및 삼염화실란 가스를 정제하는 기술을 융합하여 저온상태에서 분자체 형태의 흡착제를 이용하여 탄화수소계 물질, 이산화탄소 및/또는 일산화탄소 등을 포함하는 탄소산화물, 아르곤 및/또는 헬륨 등을 포함하는 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스를 정제하는 방법을 제공하는 것에 해결하고자 하는 과제가 있다.
특히, 상기 수소가스 정제방법은 저렴한 비용으로 짧은 시간 내에 안전하게 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체가 미량으로 포함된 수소가스를 저온상태에서 분자체 형태의 흡착제를 통과시킴으로써 수소가스 중의 불순물을 제거하여 정제하는 방법을 제공하는 것을 해결하고자 하는 과제가 있다.
또한, 본 발명은 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스로부터 불순물을 연속적인 공정에서 대량, 예를 들면 시간당 500kg 이상, 바람직하게는 시간당 700kg으로 정제하는 방법을 제공하는 것에 해결하고자 하는 과제가 있다.
본 발명은 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스를 -60 내지 -100℃의 저온상태에서 분자체 형태의 흡착제가 충진된 흡착층을 통과시켜 흡착제거하는 것을 포함하는 수소가스로부터 불순물을 제거하는 정제방법을 제공하는 것에 과제 해결수단이 있다.
또한, 본 발명은 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스가 유입되는 유입구;
상기 유입구에 연결설치되어 수소가스에 포함된 불순물을 흡착제거 하도록 -60 내지 -100℃의 저온상태로 유지되고, 그 내부에 분자체 형태의 흡착제가 충진된 적어도 두 개 이상의 충진탑;
상기 충진탑의 일측에 연결설치되어 충진탑을 통과하며 정제된 수소가스가 배출되는 배출구;
상기 적어도 두 개 이상의 충진탑과 유입구 사이에 각각 연결설치되어 각각의 충진탑으로 유입되는 불순물을 포함하는 수소가스의 유입경로를 개폐하는 주입밸브; 및
상기 적어도 두 개 이상의 충진탑과 배출구 사이에 각각 연결설치되어 각각의 충진탑을 통과하며 정제된 수소가스의 배출경로를 개폐하는 배출밸브를 포함하는 수소가스로부터 불순물을 제거하는 수소가스 정제장치를 제공하는 것에 과제 해결수단이 있다.
전술한 바와 같이 본 발명에 따른 수소가스 정제방법은 종래의 수소가스 정제방법에 비하여 공정비용 및 운전비용이 저렴할 뿐만 아니라, 보다 높은 순도, 예 를 들면 붕소와 인의 경우 ppb 단위 이하, 탄소의 경우 ppm 단위 이하의 순도로 수소가스를 정제할 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 수소가스를 연속적인 공정에서 대량으로 정제할 수 있는 효과가 있다.
한 가지 관점에서, 본 발명은 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스를 -60 내지 -100℃의 저온상태에서 분자체 형태의 흡착제가 충진된 흡착층을 통과시켜 흡착제거하는 것을 포함하는 수소가스로부터 불순물을 제거하는 정제방법을 제공한다.
다른 관점에서, 본 발명은 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스가 유입되는 유입구; 상기 유입구에 연결설치되어 수소가스에 포함된 불순물을 흡착제거 하도록 -60 내지 -100℃의 저온상태로 유지되고, 그 내부에 분자체 형태의 흡착제가 충진된 적어도 두 개 이상의 충진탑; 상기 충진탑의 일측에 연결설치되어 충진탑을 통과하며 정제된 수소가스가 배출되는 배출구; 상기 적어도 두 개 이상의 충진탑과 유입구 사이에 각각 연결설치되어 각각의 충진탑으로 유입되는 불순물을 포함하는 수소가스의 유입경로를 개폐하는 주입밸브; 및 상기 적어도 두 개 이상의 충진탑과 배출구 사이에 각각 연결설치되어 각각의 충진탑을 통과하며 정제된 수소가스의 배출경로를 개폐하는 배출밸브를 포함하는 수소가스로부터 불순물을 제거하는 수소가스 정제장치를 제공한다.
여기서, 상기 흡착제는 저온, 바람직하게는 -0℃, 보다 바람직하게는 -60 내지 -100℃의 저온상태에서 수소가스에 포함된 불순물, 특정적으로 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 흡착제거할 수 있는 분자체(Molecular sieve)이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 제올라이트 계열의 분자체인 것이 좋고, 보다 바람직하게는 비표면적이 300 내지 1,000m2/g인 제올라이트 4-A인 것이 좋다.
이때, 상기 흡착제는 불순물이 포함된 수소가스의 이동경로에 설치되는바, 바람직하게는 별도의 수소가스 이동경로, 바람직하게는 충진탑 등에 흡착제가 충진되어 흡착층을 형성하는 형태로 설치되는 것이 좋다.
이하, 본 발명에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 그러나 하기의 설명은 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 하기 설명에 의해 본 발명의 범위로 한정하는 것은 아니다.
도1은 본 발명에 따른 수소가스 정제장치의 구성도로서 함께 설명한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 수소가스 정제장치는 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스가 유입되는 유입구(4); 상기 유입구(4)에 연결설치되어 수소가스에 포함된 불순물을 흡착제거 하도록 -60 내지 -100℃의 저온상태로 유지되고, 그 내부에 분자체 형태의 흡 착제가 충진된 적어도 두 개 이상의 충진탑(6, 8, 10); 상기 충진탑(6, 8, 10)의 일측에 연결설치되어 충진탑(6, 9, 10)을 통과하며 정제된 수소가스가 배출되는 배출구(24); 상기 적어도 두 개 이상의 충진탑(6, 8, 10)과 유입구(4) 사이에 각각 연결설치되어 각각의 충진탑(6, 8, 10)으로 유입되는 불순물을 포함하는 수소가스의 유입경로를 개폐하는 주입밸브(12, 14, 16); 및 상기 적어도 두 개 이상의 충진탑(6, 8, 10)과 배출구(24) 사이에 각각 연결설치되어 각각의 충진탑(6, 8, 10)을 통과하며 정제된 수소가스의 배출경로를 개폐하는 배출밸브(18, 20, 22)로 구성된다.
본 발명에 따른 유입구(4)는 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스가 유입되는 입구이다.
이때, 상기 유입구(4)로 유입되는 수소가스는 반도체 제조공정, 특정적으로 실리콘을 이용한 반도체 제조공정 및/또는 태양전지 제조공정에 사용되는 수소가스로서, 상기 반도체 제조공정 및/또는 태양전지 제조공정에 사용되어 탄화수소계 물질, 붕소, 인 또는 이들의 혼합물로 이루어진 불순물이 포함되어 있다.
특정 양태로서, 본 발명에 따른 수소가스 정제장치는 상기 유입구(4)의 전단에 유입구(4)로 유입되는 불순물을 포함하는 수소가스를 냉각, 바람직하게는 -0℃ 이하로, 보다 바람직하게는 -60℃ 이하로, 특히 바람직하게는 -60 내지 -100℃의 범위로 냉각시키기 위한 냉각수단(미도시)이 더 구비되어 흡착제가 충진된 충진탑(6, 8, 10)으로 공급되는 수소가스를 흡착 효율이 높은 온도범위로 냉각시킬 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 배출구(24)는 상기 유입구(4)로 유입된 불순물을 포함하는 수소가스가 충진탑(6, 8, 10)을 통과하며 정제된 후 외부로 배출 또는 반도체 제조공정 및/또는 태양전지 제조공정으로 재순환되도록 배출하기 위한 것이다.
여기서, 상기 유입구(4) 및/또는 배출구(24)는 별도의 개폐수단(26), 특정적으로 밸브 등의 개폐수단(26)이 구비되어 유입구(4) 및/또는 배출구(24)의 개방정도를 조절함으로써 충진탑(6, 8, 10)의 내부 압력이 2 내지 110kPa, 바람직하게는 100 내지 110kPa이 되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 충진탑(6, 8, 10)은 상기 유입구(4)로 유입된 불순물을 포함하는 수소가스가 통과하며 수소가스에 포함된 불순물을 흡착제거하기 위한 것으로서, 이러한 목적을 위한 충진탑(6, 8, 10)이라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 그 내부에 분자체 형태의 흡착제(2)가 충진되어 흡착층이 밀봉되도록 형성되어 있으며, 일측 말단이 불순물을 포함하는 수소가스가 유입되는 유입구(4)에 연결설치되고, 상기 유입구(4)가 연결설치되는 일측 말단에 대향되는 타측 말단에 정제된 수소가스가 배출되는 배출구(24)가 연결설치된다.
이때, 상기 흡착제(2)는 수소가스로부터 불순물을 흡착 제거할 수 있는 흡착제라면 특별히 한정되지 않지만, 바람직하게는 분자체, 예컨데 탄소 분자체, 제올라이트 계열의 분자체, 실리카 계열의 분자체, 알루미나 분자체 등의 분자체 형태를 갖는 흡착제(2)를 사용하는 것이 좋고, 보다 바람직하게는 무기산화물 구조를 가지는 분자체 형태를 갖는 흡착제가 좋고, 특히 바람직하게는 제올라이트 계열의 분자체로서 비표면적이 300 내지 1,0000m2/g인 제올라이트 4-A인 제올라이트 분자체를 사용하는 것이 좋고, 추천하기로는 4Å의 기공크기를 갖고, 기공부피가 약 47%이며, 비표면적이 300 내지 1,0000m2/g인 제올라이트 4-A 분자체 형태를 갖는 흡착제(2)를 사용하는 것이 좋다.
또한, 상기 흡착체(2)를 이용하여 탄화수소계 물질, 붕소, 인 또는 이들의 혼합물로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스로부터 불순물을 흡착제거하기 위해서는 상기 흡착제가 충진된 흡착층의 온도를 저온상태, 특정적으로 -60 내지 -100℃의 저온상태로 유지하는 것이 바람직하며, 추가로 흡착층을 통과하는 수소가스의 내부압력이 대기압, 바람직하게는 2 내지 110kPa, 보다 바람직하게는 100 내지 110kPa 정인 것이 좋다.
특히, 실제 흡착을 통한 수소가스내의 효율적인 불순물의 제거는 -0℃ 이하의 저온에서부터 가능하며 온도를 더 낮게 유지할수록 수소가스 내부의 불순물 제거 효율은 증가하나 공정비용이 지나치게 증가하는 문제점이 발생하며 온도를 높일 경우 수소가스 내부 불순물 제거 효율이 지나치게 낮아지는 문제점이 있다.
또한 수소가스 내의 불순물 제거시 수소의 압력을 높일수록 불순물 제거 효율이 높아지는 장점이 있다. 이때 압력이 증가함에 따라 불순물의 흡착량이 100 내지 110kPa까지 급격하게 증가한 후 그 이상의 압력에서는 큰 폭으로 증가하지 않는 것으로 알려져 있다. 따라서 수소 가스의 압력을 대기압 보다 높은 100 내지 110kPa인 상태에서 수소 흡착 온도를 -60 내지 -100℃로 유지하는 것이 좋다.
이때, 상기 온도를 더욱 낮게 하면 할수록, 압력을 더욱 높게 하면 할 수록 수소가스에 포함된 불순물의 제거효율이 증가하게 되지만, 수소가스 정제장치의 운전비용 등을 고려하여 온도 및 압력 범위를 결정하는 것이 좋다.
한편, 상기 불순물이 포함된 수소가스의 보다 효율적인 흡착을 위해 유입구(4)로 유입되는 불순물을 포함하는 수소가스의 냉각과는 별도로 상기 충진탑(6, 8, 10) 내부 또는 외주면 일측에 별도의 냉각수단(미도시)을 더 구비시켜 수소가스를 흡착 제거하기 위한 적정 온도, 예를 들면 -60 내지 -100℃의 온도범위를 유지시킬 수 있다.
이때, 상기 냉각수단은 충진탑(6, 8, 10)의 내부 온도를 -0℃ 이하, 바람직하게는 -60℃ 이하, 보다 바람직하게는 -60 내지 -100℃로 유지할 수 있는 당업계의 통상적인 냉각수단이라면 어떠한 것을 사용하여도 무방하다.
또한, 상기 충진탑(6, 8, 10)의 개수는 특별히 한정되는 것이 아니라 사용자의 선택에 따라 다수개, 바람직하게는 3개 이상 설치할 수도 있다.
한편, 본 발명에 따른 수소가스 정제장치를 보다 용이하게 설명하기 위하여, 임의로 세 개의 충진탑(6, 8, 10) 을 수소가스 정제장치에 설치할 경우 세 개의 충진탑(6, 8, 10) 중 하나의 충진탑을 임의로 제 1 충진탑(6)이라 하면, 다른 하나의 충진탑을 제 2 충진탑(8) 및 또 다른 하나의 충진탑을 제 3 충진탑(10)이라 순차적으로 지칭하기로 한다.
또한, 상기 모든 충진탑(6, 8, 10)에는 동일한 흡착제(2)가 동일한 양 또는 사용자의 선택에 따른 사용량으로 충진될 수 있으며, 각각의 충진탑(6, 8, 10)은 서로 독립적으로 불순물을 포함하는 수소가스가 유입되는 유입구(4) 및 정제된 수소가스가 배출되는 배출구(24)에 연결설치된다.
이때, 상기 제 1 충진탑(6), 제 2 충진탑(8) 및 제 3 충진탑(10)과 유입구(4) 사이에는 유입구(4)를 통해 유입된 불순물을 포함하는 수소가스가 각각의 충진탑(6, 8, 10)으로 유입되는 것을 조절하기 위한 개폐수단으로서 제 1 주입밸브(12), 제 2 주입밸브 (14) 및 제 3 주입밸브 (16)가 각각의 충진탑(6, 8, 10)에 연결설치된다.
또한, 상기 제 1 충진탑(6), 제 2 충진탑(8) 및 제 3 충진탑(10)과 배출구(24) 사이에는 배출구(24)를 통해 배출되는 정제된 수소가스의 이동을 조절하기 위한 개폐수단으로서 제 1 배출밸브(18), 제 2 배출밸브 (20) 및 제 3 배출밸브 (22)가 각각의 충진탑(6, 8, 10)에 연결설치된다.
이와 같은 구성을 갖는 본 발명에 따른 수소가스 정제장치의 작용을 설명하면 다음과 같다.
먼저 반도체 제조공정 및/또는 태양전지 제조공정 등에 사용되어 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스가 발생하면 이를 유입구(4)로 유입시킨다.
이때, 상기 유입구(4)로 유입되는 불순물을 포함하는 수소가스는 별도의 냉각수단(미도시), 예를 들면 열교환기 등의 냉각수단을 이용하여 저온상태, 즉 -60 내지 -100℃의 온도범위가 되도록 할 수 있다.
그 다음, 유입구(4)로 유입된 불순물을 포함하는 수소가스는 개방된 제 1 주입밸브(12), 제 2 주입밸브(14) 및/또는 제 3 주입밸브(16)를 각각 통과하여 각각의 주입밸브(12, 14, 16)에 순차적으로 연결설치된 제 1 충진탑(6), 제 2 충진탑(8) 및/또는 제 3 충진탑(10)으로 이동한다.
이때, 상기 충진탑(6, 8, 10)에는 별도의 냉각수단(미도시)이 구비되어 각각의 충진탑(6, 8, 10) 내부의 온도를 -60 내지 -100℃로 유지할 수도 있다.
그 다음, 상기 각각의 충진탑(6, 8, 10)로 유입된 수소가스 중 불순물은 -60 내지 -100℃의 저온상태에서 분자체 형태의 흡착제(2)에 의해 흡착제거된다.
그 다음, 상기 충진탑(6, 8, 10)을 통과하며 정제된 수소가스는 제 1 충진탑(6), 제 2 충진탑(8) 및/또는 제 3 충진탑(10)에 순차적으로 연결설치된 제 1 배출밸브(18), 제 2 배출밸브(20) 및/또는 제 3 배출밸브(22)를 통과하여 배출구(24)로 배출된다.
이때, 배출구(24)로 배출된 정제된 수소가스는 반도체 제조공정 및/또는 태양전지 제조공정에 재사용될 수 있고, 별도로 포집될 수도 있다.
한편, 상기 제 1 충진탑(6), 제 2 충진탑(8) 및/또는 제 3 충진탑(10) 모두는 불순물을 포함하는 수소가스를 정제하기 위하여 함께 사용될 수도 있지만, 상기 제 1 충진탑(6), 제 2 충진탑(8) 및 제 3 충진탑(10) 중 두 개의 충진탑(6, 8, 10)을 상시 가동하여 사용하다가 사용중인 두 개의 충진탑(6, 8, 10) 중 하나의 충진탑(6, 8, 10)에 충진된 분자체 형태의 흡착제(2)의 성능이 실질적으로 감소하여 더 이상 불순물의 흡착이 이루어지지 않으면, 상기 성능이 감소된 충진탑(6, 8, 10)에 연결설치된 주입밸브(12, 14, 16) 및 배출밸브(18, 20, 22)를 폐쇄하여 유입구(4)로부터 유입되는 불순물을 포함하는 수소가스가 공급되는 것을 중단하고, 미사용하던 다른 충진탑(6, 8, 10)의 주입밸브(12, 14, 16) 및 배출밸브(18, 20, 22)를 개방하여 불순물을 포함하는 수소가스를 정제하도록 할 수 있다.
이때, 성능이 실질적으로 감소된 흡착제(2)는 별도의 재생공정을 통해 성능을 개선할 수 있는바, 이러한 경우, 상기 성능이 실질적으로 감소된 흡착제(2)의 온도를 100 내지 200℃, 바람직하게는 160 내지 165℃의 온도로 상승시켜 흡착제(2)에 흡착되어 있던 불순물을 탈리시켜 흡착제(2)를 재생시킬 수 있다.
이때, 상기 흡착제(2)를 재생하기 위한 재생시간은 3 내지 24시간, 바람직하게는 10 내지 12시간인 것이 좋다.
이와 같이 본 발명에 따른 수소가스 정제방법은 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스를 -60 내지 -100℃의 저온상태에서 분자체 형태의 흡착제가 충진된 흡착층을 통과시켜 흡착제거하는바, 이는 연속적으로 고순도로 수소가스를 대량 정제할 수 있는 방법을 제공한다.
이하에서 실시예를 통하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.　 그러나 하기의 실시예는 오로지 본 발명을 구체적으로 설명하기 위한 것으로 이들 실시예에 의해 본 발명의 범위를 한정하는 것은 아니다.
<실시예>
제올라이트 계열의 분자체인 제올라이트 4-A를 충진탑에 전체 충진탑 부피대비 75%가 되도록 충진하였다.
그 다음, 약 -60℃로 냉각된 탄화수소계 물질, 이산화탄소와 일산화탄소를 포함하는 탄소산화물을 포함하는 물질 및 불활성 기체와 같은 불순물을 포함하는 수소가스를 충진탑의 일측에 구비된 유입구로 주입하였다.
여기서, 상기 유입구로 주입되는 불순물을 포함하는 수소가스의 양은 시간당 500kg이었다.
그 다음, 상기 불순물이 포함된 수소가스가 주입되는 동안 충진탑의 일측에 구비된 배출구를 개방하여 충진탑을 통과한 정제된 수소가스가 배출되도록 하였다.
이때, 상기 배출구는 그 개방정도를 조절하여 충진탑 내부의 압력이 75kPa이 되도록 하였다.
그 다음, 배출구를 통해 배출된 수소가스의 순도를 평가하기 위하여 수소를 충진탑으로 주입되는 수소와 정제되어 배출되는 수소의 순도를 평가하여 다음 표 1로 나타냈다.
Figure 112009003507345-PAT00001
표 1에 나타난 바와 같이, 실시예에 따라 정제된 수소가스는 그 내부에 불순물로서 일산화탄소, 이산화탄소, 메탄, 기타 탄화수소계 물질, 아르곤 및 헬륨 등의 함량이 효과적으로 감소된 것을 알 수 있었다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.　 그러므로 이상에서 기술한 실시예는 모두 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해해야만 한다.　 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가개념으로부터 도출되는 모두 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다
도1은 본 발명에 따른 수소가스 정제장치의 구성도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 설명>
2 : 흡착제 4 : 유입구
6 : 제 1 충진탑 8 : 제 2 충진탑
10 : 제 3 충진탑 12 : 제 1 주입밸브
14 : 제 2 주입밸브 16 : 제 3 주입밸브
18 : 제 1 배출밸브 20 : 제 2 배출밸브
22 : 제 3 배출밸브 24 : 배출구

Claims (13)

  1. 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스를 -60 내지 -100℃의 저온상태에서 분자체 형태의 흡착제가 충진된 흡착층을 통과시켜 흡착제거하는 것을 포함하는 수소가스로부터 불순물을 제거하는 수소가스 정제방법.
  2. 제1항에 있어서, 분자체가 탄소 분자체, 제올라이트 계열의 분자체, 실리카 계열의 분자체 또는 알루미나 분자체로 이루어진 것을 특징으로 하는 수소가스 정제방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 제올라이트 계열의 분자체는 비표면적이 300 내지 1,000m2/g인 제올라이트 4-A인 것을 특징으로 하는 수소가스 정제방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 흡착층을 통과하는 수소가스의 내부압력이 2 내지 110kPa인 것을 특징으로 하는 수소가스 정제방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 정제방법의 수소정제 용량이 시간당 500kg 이상으로 연속공정 방식으로 처리되는 것을 특징으로 하는 수소가스 정제방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 흡착층을 적어도 두 개 이상 구비시켜 하나의 흡착층에 충진된 흡착제의 성능이 실질적으로 감소되면, 다른 하나의 흡착층만을 사용하고, 실질적으로 성능이 감소한 흡착층에 충진된 흡착제를 재생시키는 것을 포함하는 수소가스 정제방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 흡착제의 재생시키는 것이 성능이 실질적으로 성능이 흡착제를 100 내지 200℃의 온도로 가열하는 것을 포함하는 수소가스 정제방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 재생시간이 3 내지 24 시간인 것을 특징으로 하는 수소가스 정제방법.
  9. 탄화수소계 물질, 탄소산화물 및 불활성 기체로 이루어진 불순물을 포함하는 수소가스가 유입되는 유입구;
    상기 유입구에 연결설치되어 수소가스에 포함된 불순물을 흡착제거 하도록 -60 내지 -100℃의 저온상태로 유지되고, 그 내부에 분자체 형태의 흡착제가 충진된 적어도 두 개 이상의 충진탑;
    상기 충진탑의 일측에 연결설치되어 충진탑을 통과하며 정제된 수소가스가 배출되는 배출구;
    상기 적어도 두 개 이상의 충진탑과 유입구 사이에 각각 연결설치되어 각각의 충진탑으로 유입되는 불순물을 포함하는 수소가스의 유입경로를 개폐하는 주입밸브; 및
    상기 적어도 두 개 이상의 충진탑과 배출구 사이에 각각 연결설치되어 각각의 충진탑을 통과하며 정제된 수소가스의 배출경로를 개폐하는 배출밸브를 포함하는 수소가스로부터 불순물을 제거하는 수소가스 정제장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 유입구의 전단에 유입구로 유입되는 불순물을 포함하는 수소가스를 냉각시키기 위한 냉각수단이 더 구비된 것을 특징으로 하는 수소가스 정제장치.
  11. 제9항에 있어서, 흡착제가 제올라이트 계열의 분자체인 것을 특징으로 하는 수소가스 정제장치.
  12. 제11항에 있어서, 상기 제올라이트 계열의 분자체는 비표면적이 300 내지 1,000m2/g인 제올라이트 4-A인 것을 특징으로 하는 수소가스 정제장치.
  13. 제9항에 있어서, 상기 충진탑의 내부압력이 2 내지 110kPa인 것을 특징으로 하는 수소가스 정제장치.
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