KR20130140754A - 암모니아의 정제 방법 및 암모니아 정제 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 높은 회수율, 간단한 조작, 짧은 정제 시간, 낮은 에너지 투입으로 암모니아를 정제할 수 있는 암모니아의 정제 방법 및 암모니아 정제 시스템이다. 암모니아 정제 시스템(100)의 제 2 분축기(3)는 제 1 증발기(2)에 의해 기화된 조 암모니아를 분축해서 조 암모니아 중의 휘발성이 낮은 불순물을 액상 성분으로서 분리 제거한다. 제 1 분축기(5)는 제 2 분축기(3)에 의해 분리된 기상 성분을 분축해서 휘발성이 높은 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거한다.

Description

암모니아의 정제 방법 및 암모니아 정제 시스템{METHOD FOR PURIFYING AMMONIA AND AMMONIA PURIFICATION SYSTEM}

본 발명은 조(粗) 암모니아를 정제하는 정제 방법 및 암모니아 정제 시스템에 관한 것이다.

반도체 제조 공정 및 액정 제조 공정에 있어서는 질화물 피막의 제작 등에 사용하는 처리제로서 고순도의 암모니아가 이용되고 있다. 이러한 고순도의 암모니아는 조 암모니아를 정제해서 불순물을 제거함으로써 얻어진다.

조 암모니아 중에는 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화질소, 이산화탄소 등의 저비점 가스, 탄화수소, 수분 등이 불순물로서 포함되어 있다. 일반적으로 입수 가능한 조 암모니아의 순도는 98∼99중량% 정도이다.

조 암모니아 중에 포함되는 탄화수소로서는 일반적으로는 탄소수 1∼4의 것이 주이지만, 암모니아의 합성 원료로서 사용하는 수소 가스의 제조시에 크래킹 가스 중의 유분의 분리가 불충분하거나, 또는 제조시에 펌프류로부터의 펌프 오일에 의한 오일오염을 받거나, 비점이 높은 분자량이 큰 탄화수소가 혼입되는 경우도 있다. 또한, 암모니아 중에 수분이 많이 포함되면 이 암모니아를 사용해서 제조되는 반도체 등의 기능을 크게 저하시키는 경우가 있어 암모니아 중의 수분은 최대한 줄일 필요가 있다.

반도체 제조 공정 및 액정 제조 공정에 있어서의 암모니아가 사용되는 공정의 종류에 따라 암모니아 중의 불순물의 영향의 방식은 다르다. 암모니아의 순도로서는 99.9999중량% 이상(각 불순물 농도 100ppb 이하), 보다 바람직하게는 99.99999중량% 정도인 것이 요구된다. 최근 질화 갈륨과 같은 발광체 제조용에는 수분 농도가 30ppb 미만인 것이 요구되고 있다.

이 규격을 만족시키는 고순도의 암모니아를 얻는 암모니아의 정제 방법으로서 종래 증류의 일형태이며, 높은 불순물 분리능을 기대할 수 있는 정류법이 오로지 사용되고 있다.

예를 들면, 특허문헌 1에 개시되는 정제 방법에서는 수분의 흡착탑, 탄화수소의 흡착탑 및 증류탑을 조합해서 고순도의 암모니아를 얻는다. 또한, 특허문헌 2에 개시되는 정제 방법에서는 정류탑을 사용해서 우선 증류탑의 탑 저부보다 비점이 높은 불순물을 제거하고, 이 증류탑의 탑 정부로부터 도출되는 암모니아를 흡착탑에 통과시켜서 수분을 제거한다. 그 후, 다시 정류탑에서 증류를 행하고, 증류탑의 탑 정부보다 비점이 낮은 불순물을 제거하고, 증류탑의 탑 저부보다 고순도의 암모니아를 얻는다. 또한, 특허문헌 3에 개시되는 정제 방법에서는 증류탑에서 비점이 낮은 불순물을 제거한 후, 흡착탑에서 수분 및 산소를 제거함으로써 고순도의 암모니아를 얻는다.

일본 특허 공표 2008-505830호 공보 일본 특허 제 4605705호 공보 일본 특허 제 4062710호 공보

그러나, 특허문헌 1∼3에 개시되는 암모니아의 정제 방법에서는 미량 불순물을 제거하기 위해서 사용하는 정류에 높은 증류단수를 필요로 하는 것, 또 불순물 농도가 높은 경우에는 정류시의 환류비를 크게 하는 것이 필요하게 되고, 그 결과, 정류탑의 건설비용이 고액이 됨과 아울러 증류에 긴 시간과 많은 에너지 투입이 필요하게 된다. 또한, 불순물 농도가 고농도가 된 경우에는 이 정류에 의해서도 암모니아 중에 포함되는 불순물 농도를 목표 농도 이하로 하기 위해서 얻어지는 암모니아의 제품 비율을 저하시킬 필요가 있거나, 경우에 따라서는 제품 비율을 저하시켜도 불순물을 전부 제거할 수 없는 등의 문제가 있었다.

또한, 암모니아 중에 포함되는 불순물을 흡착탑에서 흡착 제거하는 경우에 있어서도 불순물의 농도가 높은 경우에는 흡착제가 짧은 시간에 파과되고, 흡착제를 충전한 흡착탑의 재생이 필요하게 될 때까지의 시간이 짧아져 효율적인 생산을 계속할 수 없는 경우가 생기는 등의 문제점이 있었다.

따라서 본 발명의 목적은 암모니아 중에 불순물이 고농도로 포함되어 있어도 높은 회수율, 간단한 조작, 짧은 정제 시간, 낮은 에너지 투입으로 암모니아를 정제할 수 있는 암모니아의 정제 방법 및 암모니아 정제 시스템을 제공하는 것이다.

본 발명은 불순물이 함유되는 조 암모니아를 정제하는 방법으로서,

조 암모니아를 분축(partial condensation)해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 기상 성분 또는 액상 성분으로서 분리 제거하는 분축 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법이다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 상기 분축 공정은 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 탄소수 1∼8의 탄화수소를 기상 성분으로서 분리 제거하는 제 1 분축 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 상기 분축 공정은 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수분 및 탄소수 9 이상의 탄화수소를 액상 성분으로서 분리 제거하는 제 2 분축 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 상기 분축 공정에 있어서 상기 제 1 분축 공정은 상기 제 2 분축 공정의 후공정인 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 상기 분축 공정은 상기 제 1 분축 공정에 있어서 조 암모니아를 분축함으로써 얻어진 액상 성분을 기화하고, 그 기화된 기화물을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 기화물 중에 함유되는 암모니아에 대한 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거하는 제 3 분축 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 상기 제 1 분축 공정은 조 암모니아를 분축하는 분축단계를 복수 포함하고, 후단의 분축단계가 됨에 따라서 낮은 온도 하에서 조 암모니아를 분축하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에 있어서 상기 제 1 분축 공정에서는 -77∼50℃의 온도 하에서 조 암모니아를 분축하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에 있어서 상기 제 1 분축 공정에서는 0.007∼2㎫의 절대압력 하에서 조 암모니아를 분축하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법은 조 암모니아에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 흡착 제거 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 상기 흡착 제거 공정은 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수분을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 제 1 흡착 제거 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 상기 흡착 제거 공정은 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 탄화수소를 흡착제에 의해 흡착 제거하는 제 2 흡착 제거 공정을 포함하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 상기 흡착 제거 공정은 상기 분축 공정의 전공정 또는 후공정인 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 조 암모니아에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 흡착 제거 공정을 포함하고,

상기 흡착 제거 공정은 상기 제 2 분축 공정과 상기 제 1 분축 공정 사이의 공정인 것이 바람직하다.

또 본 발명은 불순물이 함유되는 조 암모니아를 정제하는 암모니아 정제 시스템으로서,

조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 탄소수 1∼8의 탄화수소를 기상 성분으로서 분리 제거하는 제 1 분축부와,

조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수분 및 탄소수 9 이상의 탄화수소를 액상 성분으로서 분리 제거하는 제 2 분축부를 구비하는 것을 특징으로 하는 암모니아 정제 시스템이다.

또 본 발명의 암모니아 정제 시스템은 조 암모니아에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 흡착 제거부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아 정제 시스템에서는 상기 제 2 분축부, 상기 제 1 분축부 및 상기 흡착 제거부가 이 순서로 직렬 접속되고,

상기 제 1 분축부는 상기 제 2 분축부에 의해 분리된 기상 성분을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고,

상기 흡착 제거부는 상기 제 1 분축부에 의해 분리된 액상 성분에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아 정제 시스템에서는 상기 제 2 분축부, 상기 흡착 제거부 및 상기 제 1 분축부가 이 순서로 직렬 접속되고,

상기 흡착 제거부는 상기 제 2 분축부에 의해 분리된 기상 성분에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하고,

상기 제 1 분축부는 상기 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 암모니아를 분축하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아 정제 시스템에서는 상기 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 후의 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거하는 제 3 분축부를 더 구비하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아 정제 시스템에서는 상기 흡착 제거부 및 상기 제 1 분축부가 이 순서로 직렬 접속되고,

상기 제 1 분축부는 상기 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 암모니아를 분축하는 것이 바람직하다.

또 본 발명의 암모니아 정제 시스템에서는 상기 흡착 제거부, 상기 제 2 분축부 및 상기 제 1 분축부가 이 순서로 직렬 접속되고,

상기 제 2 분축부는 상기 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 암모니아를 분축하고,

상기 제 1 분축부는 상기 제 2 분축부에 의해 분리된 기상 성분을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하는 것이 바람직하다.

(발명의 효과)

본 발명에 의하면, 암모니아의 정제 방법은 불순물이 포함되는 조 암모니아를 정제하는 방법으로서, 분축 공정을 포함한다. 분축 공정에서는 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 기상 성분 또는 액상 성분으로서 분리 제거한다.

분축이란 액화가 가능한 기체의 일부를 액화하는 것을 말한다. 따라서, 분축 공정에 있어서의 분축조작에 의해 분축에 제공한 기체상의 조 암모니아의 일부가 응축에 의해 액화되어 액상 성분이 되고, 응축되지 않은 부분은 기체의 상태로 잔존해서 기상 성분이 된다. 불순물의 종류의 차이에 따라 응축된 액상 성분 또는 응축되지 않고 기체상태로 남은 기상 성분 중 어느 하나에 최초로 조 암모니아 중에 존재한 불순물이 많은 양이 포함되고, 반대로 쌍을 이루는 기상 성분 또는 액상 성분 중에는 그 불순물량이 적어진다.

즉, 본 발명의 암모니아의 정제 방법에서는 기체상의 조 암모니아의 분축에 의해 조 암모니아 중에 있어서 휘발성이 낮은 불순물을 분축에 의해 발생되는 액상 성분 중에 농축시켜 조 암모니아 중에 있어서 휘발성이 높은 불순물을 응축되지 않고 남는 기상 성분 중에 농축시킬 수 있다. 이렇게 해서 조 암모니아를 분축함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 분리 제거하고, 정제된 암모니아를 얻을 수 있다. 그 때문에, 종래 기술과 같이 증류 공정을 거치지 않고 조 암모니아 중에 불순물이 고농도로 포함되어 있어도, 높은 회수율, 간단한 조작, 짧은 정제 시간, 낮은 에너지 투입으로 암모니아를 정제할 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 분축 공정은 제 1 분축 공정을 포함한다. 이 제 1 분축 공정에서는 기체상의 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 제 1 분축 공정에 있어서의 분축에 의해 조 암모니아 중에 있어서 휘발성이 높은 불순물인 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 탄소수 1∼8의 탄화수소를 응축되지 않은 미응축의 기상 성분 중에 농축시켜서 분리 제거할 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 분축 공정은 제 2 분축 공정을 포함한다. 이 제 2 분축 공정에서는 기체상의 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 액상 성분으로서 분리 제거한다. 제 2 분축 공정에 있어서의 분축에 의해 조 암모니아 중에 있어서 휘발성이 낮은 불순물인 수분 및 탄소수 9 이상의 탄화수소를 응축된 액상 성분 중에 농축시켜서 분리 제거할 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 제 1 분축 공정은 제 2 분축 공정의 후공정이다. 이것에 의해, 제 1 분축 공정에서는 제 2 분축 공정에 있어서 조 암모니아 중에 함유되는 불순물이 액상 성분으로서 분리 제거된 후의 기상 성분을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 조 암모니아 중에 함유되는 잔여의 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거할 수 있다. 그 때문에, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 분축 공정은 제 3 분축 공정을 포함한다. 이 제 3 분축 공정에서는 제 1 분축 공정에 있어서 조 암모니아를 분축함으로써 얻어진 액상 성분을 기화하고, 그 기화된 기화물을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 기화물 중에 함유되는 암모니아에 대한 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 제 1 분축 공정에서는 조 암모니아 중에 함유되는 휘발성이 높은 불순물이 기상 성분으로서 분리 제거되어 있다. 즉, 제 1 분축 공정에서 얻어진 액상 성분은 휘발성이 높은 불순물의 함유량이 저감된 액체 암모니아로 되어 있다. 제 3 분축 공정에서는 이러한 액체 암모니아를 기화하고, 그 기화된 기화물을 분축함으로써 기화물 중에 함유되는 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거하므로, 휘발성이 높은 불순물의 함유량이 더 저감된 액체 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 제 1 분축 공정은 조 암모니아를 분축하는 분축단계를 복수 포함하고, 후단의 분축단계가 됨에 따라서 낮은 온도 하에서 조 암모니아를 분축한다. 이것에 의해, 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 기상 성분으로서 효율적으로 분리 제거할 수 있고, 액상 성분으로서 보다 고순도의 액체 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 제 1 분축 공정에서는 -77∼50℃의 온도 하에서 조 암모니아를 분축한다. 제 1 분축 공정에서의 온도가 50℃보다 높은 경우라도 압력을 높게 하면 분축에 의한 불순물의 제거 효과는 얻어지지만, 그 때의 암모니아의 압력이 1.81㎫로 고압이 되어 공업적으로 실시하기 위해서는 바람직한 조건으로는 되지 않는다. 또한, 제 1 분축 공정에서의 온도가 -77℃보다 낮은 경우라도 압력을 낮게 함으로써 암모니아의 정제는 가능하다. 그러나, 온도가 낮기 때문에 고순도의 암모니아가 액상 성분으로서 얻어지지만, 암모니아의 융점이 -78℃이므로 저온에서 응고하는 암모니아를 정기적으로 용융해서 액화시킬 필요가 생기고, 연속 프로세스를 고려한 경우에는 효율적인 방법이라고는 할 수 없게 된다.

또 본 발명에 의하면, 제 1 분축 공정에서는 0.007∼2㎫의 절대압력 하에서 조 암모니아를 분축한다. 이것에 의해, 상기 -77∼50℃의 온도 하에서 조 암모니아를 분축할 수 있으므로, 효율적으로 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 암모니아의 정제 방법은 흡착 제거 공정을 더 포함한다. 이 흡착 제거 공정에서는 조 암모니아에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거한다. 이것에 의해, 분축 공정에서 전부 제거할 수 없었던 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거할 수 있으므로, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 흡착 제거 공정은 제 1 흡착 제거 공정을 포함한다. 이 제 1 흡착 제거 공정에서는 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수분을 흡착제에 의해 흡착 제거한다. 이것에 의해, 분축 공정으로 전부 제거할 수 없는 수분의 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거할 수 있으므로, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 흡착 제거 공정은 제 2 흡착 제거 공정을 포함한다. 이 제 2 흡착 제거 공정에서는 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 탄화수소를 흡착제에 의해 흡착 제거한다. 이것에 의해, 분축 공정에서 전부 제거할 수 없는 탄화수소의 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거할 수 있으므로, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 흡착 제거 공정은 분축 공정의 전공정 또는 후공정이다. 흡착 제거 공정을 분축 공정의 후공정으로 한 경우 분축 공정에서 전부 제거할 수 없었던 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거할 수 있으므로, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다. 또한, 흡착 제거 공정을 분축 공정의 전공정으로 한 경우, 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거한 후에, 분축에 의한 불순물 제거를 효과적으로 행할 수 있으므로, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 제 2 분축 공정 후에 제 1 분축 공정을 실시하는 암모니아의 정제 방법에 있어서 제 2 분축 공정과 제 1 분축 공정 사이에 흡착 제거 공정을 실시한다. 이것에 의해, 제 2 분축 공정에 있어서 조 암모니아 중에 함유되는 불순물이 액상 성분으로서 분리 제거된 후의 기상 성분에 포함되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하고, 또한 그 후, 조 암모니아 중에 함유되는 잔여의 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거할 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 암모니아 정제 시스템은 제 1 분축부와 제 2 분축부를 구비한다. 제 1 분축부는 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 이 제 1 분축부는 분축에 의해 조 암모니아 중에 있어서 휘발성이 높은 불순물인 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 탄소수 1∼8의 탄화수소를 응축되지 않은 미응축의 기상 성분 중에 농축시켜서 분리 제거할 수 있다. 또한, 제 2 분축부는 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 액상 성분으로서 분리 제거한다. 이 제 2 분축부는 분축에 의해 조 암모니아 중에 있어서 휘발성이 낮은 불순물인 수분 및 탄소수 9 이상의 탄화수소를 응축된 액상 성분 중에 농축시켜서 분리 제거할 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 암모니아 정제 시스템은 흡착 제거부를 더 구비한다. 흡착 제거부는 조 암모니아에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거한다. 이것에 의해, 제 1 분축부 및 제 2 분축부로 전부 제거할 수 없었던 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거할 수 있으므로 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 제 2 분축부, 제 1 분축부 및 흡착 제거부가 이 순서로 직렬 접속된다. 그리고, 제 1 분축부는 제 2 분축부에 의해 분리된 기상 성분을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 흡착 제거부는 제 1 분축부에 의해 분리된 액상 성분에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거한다. 이렇게 해서 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 제 2 분축부, 흡착 제거부 및 제 1 분축부가 이 순서로 직렬 접속된다. 그리고, 흡착 제거부는 제 2 분축부에 의해 분리된 기상 성분에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하고, 제 1 분축부는 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 암모니아를 분축한다. 이렇게 해서 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

제 2 분축부, 제 1 분축부 및 흡착 제거부가 이 순서로 직렬 접속된 암모니아 정제 시스템에 있어서 제 3 분축부를 더 구비한다. 제 3 분축부는 제 2 분축부, 제 1 분축부 및 흡착 제거부에서 불순물이 제거된 후의 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 이것에 의해, 제 2 분축부, 제 1 분축부 및 흡착 제거부에서 전부 제거할 수 없었던 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거할 수 있으므로, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 흡착 제거부 및 제 1 분축부가 이 순서로 직렬 접속된다. 그리고, 제 1 분축부는 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 암모니아를 분축한다. 이렇게 해서 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또 본 발명에 의하면, 흡착 제거부, 제 2 분축부 및 제 1 분축부가 이 순서로 직렬 접속된다. 그리고, 제 2 분축부는 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 암모니아를 분축하고, 제 1 분축부는 제 2 분축부에 의해 분리된 기상 성분을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리한다. 이렇게 해서 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

본 발명의 목적, 특색, 및 이점은 하기의 상세한 설명과 도면으로부터 보다 명확해질 것이다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(100)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 제 2 분축기(3)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 3은 제 1 분축기(5)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 4는 복수의 분축부가 직렬 접속된 제 1 분축기(5)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 제 1 회수 탱크(6)로부터 기화된 기화물을 제 1 분축기(5)에 도입하는 위치를 나타내는 도면이다.
도 6은 제 1 회수 탱크(6)와 제 1 분축기(5) 사이의 접속 구조를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(200)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(300)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 제 4 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(400)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 제 5 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(500)의 구성을 나타내는 도면이다.
도 11은 본 발명의 제 6 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(600)의 구성을 나타내는 도면이다.

도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(100)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(100)은 불순물이 포함되는 조 암모니아를 정제하는 시스템이다.

암모니아 정제 시스템(100)은 원료 저장 탱크(1)와, 제 1 증발기(2)와, 제 2 분축부인 제 2 분축기(3)와, 제 1 분축부인 제 1 분축기(5)와, 제 2 회수 탱크(4)와, 제 1 회수 탱크(6)와, 제 2 증발기(7)와, 흡착 제거부인 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)과, 전축기(액화 장치)(10)와, 제품 탱크(30)를 포함해서 구성된다. 또한, 암모니아 정제 시스템(100)은 본 발명에 의한 암모니아의 정제 방법을 실현하고, 제 1 분축부인 제 1 분축기(5)가 제 1 분축 공정을 실행하고, 제 2 분축부인 제 2 분축기(3)가 제 2 분축 공정을 실행하고, 제 1 흡착탑(8)이 제 1 흡착 제거 공정을 실행하고, 제 2 흡착탑(9)이 제 2 흡착 제거 공정을 실행한다.

여기에서, 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(100)에 있어서 특징적인 구성은 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)이다. 제 2 분축기(3)는 기체상의 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 휘발성이 낮은 불순물을 액상 성분으로서 분리 제거한다. 제 1 분축기(5)는 기체상의 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 휘발성이 높은 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거한다.

우선, 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에 의한 기체상의 조 암모니아의 분축에 대해서 설명한다.

공업적으로 제조되는 암모니아(조 암모니아) 중에 함유되는 불순물은 그 종류를 크게 분류하면, 일반적으로 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소 및 이산화탄소 등의 용존 저비점 가스, 탄화수소류, 수분 등이다. 조 암모니아 중에 함유되는 탄화수소로서는 가장 많이 함유되어 있는 것은 메탄이지만, 그 밖에 에탄, 프로판, 에틸렌 및 프로필렌 등이 그 다음으로 많이 함유되어 있다. 탄소수로 말하면 탄소수 1∼3의 탄화수소가 탄화수소류의 주성분을 구성하게 된다.

그러나, 조 암모니아 중에는 그 함유량은 적지만, 탄소수 4 이상의 탄화수소, 많은 경우는 탄소수 4∼6의 탄화수소가 함유되어 있다. 또한, 공업적으로 제조된 암모니아 가스를 액화할 때에는 그 압축을 위해 오일 펌프 등이 사용되고 있다. 이러한 경우에는 오일 펌프 등으로부터 혼입되어 오는 펌프 오일에 유래하는 유분 등의 큰 분자량을 갖는 탄화수소가 조 암모니아 중에 함유된다.

이들의 불순물을 구성하는 탄소수가 광범위에 걸친 탄화수소류를 제거할 수 있는 암모니아의 정제 시스템으로 하는 것이 전자산업을 향한 암모니아를 제조하기 위해서는 필수로 되어진다.

본 발명자들은 정류를 대신하는 조 암모니아 중의 불순물의 제거 방법으로서 분축에 의한 방법이 우수한 것을 찾아냈다.

예를 들면, 정류에 의해 탄화수소를 분리할 경우, 일반적으로 5∼20단의 정류탑을 설치하고, 환류비 10∼20으로 증류할 필요가 있다. 이 증류(정류)에 있어서 암모니아 중에 포함되는 주로 탄소수 1∼8의 탄화수소류는 휘발성이 높은 성분으로서 증류탑의 탑 정부로부터 제거된다. 이 정류조작에 의해 고순도의 암모니아를 얻는 경우에는 증류탑의 탑 정부로부터 폐기하는 휘발성이 높은 불순물을 포함한 암모니아를 어느 정도의 비율로 하면 목적으로 하는 고순도의 암모니아가 얻어지는지가 문제가 되어진다. 불순물의 함유량이 비교적 낮은 조 암모니아를 원료로서 사용한 경우이어도 증류탑의 탑 정부로부터 폐기하는 비율은 증류탑에 공급한 조 암모니아의 약 10%로 큰 비율로 할 필요가 있다.

표 1에는 암모니아, 및 탄소수 1∼8의 포화 n-탄화수소의 비점을 나타냈지만, 탄소수 4∼8의 탄화수소는 그 탄화수소가 순물질로서 존재할 경우에는 암모니아보다 비점이 높음에도 불구하고, 정류조작에서는 휘발성이 높은 화합물로서 증류탑의 탑 정부로부터 배출되어 온다.

이 이유는 확실하지 않지만, 본 발명자들은 이 이유로서 다음과 같이 추측하고 있다. 즉, 탄소수 1∼8의 탄화수소의 비점은 예를 들면 탄소수 3의 프로판의 비점을 예로 들면, 프로판을 용기에 넣어서 온도를 변화시켜 갔을 때에 그 용기 중의 압력이 1기압(0.1013㎫)이 될 때의 온도이다. 이 때의 프로판 상태는 인접하는 프로판 분자끼리가 반데르발스력 등에 의해 서로 잡아 당기고 있는 상태이며, 그 서로 잡아 당기는 힘이 강하면 비점이 높게 나타나게 된다. 그러나, 지금 문제로 하고 있는 암모니아 중에 존재하는 프로판의 농도가 매우 낮은 상황에 있어서는 프로판 분자의 옆에는 서로 잡아 당길 수 있는 프로판 분자나, 또는 다른 탄화수소분자가 존재하지 않고, 꼭 액체 암모니아의 바다속에 프로판 분자가 단 하나 떠돌고 있는 상태로 되어 있다.

일반적으로, 탄화수소 분자끼리나 암모니아 분자끼리와 같이 닮은 성질을 갖는 것끼리 사이에는 큰 분자간력이 생겨난다. 그러나, 프로판 분자와 암모니아 분자와 같이 성질이 크게 다른 분자끼리의 사이에 생겨나는 이 분자간력은 작은 것이다. 이렇게, 암모니아 중에 탄화수소 불순물이 극미량 존재하는 상황 하에 있어서는 종래의 증류의 개념은 이미 무의미하게 된다. 액체 암모니아에서는 암모니아 분자끼리는 서로 잡아 당기는 힘을 서로 미치게 하고 있다. 한편, 순물질로서 암모니아보다 비점이 높은 탄소수 4∼8의 탄화수소이더라도 이들은 암모니아 분자와의 상호작용이 작다. 이 때문에, 액체 암모니아 중에서는 암모니아보다 비점이 높은 탄소수 4∼8의 탄화수소는 암모니아보다 비점이 낮은 화합물로서 취급받았다 해도 조금도 이상하지 않다. 사실, 정류의 결과로부터는 탄소수 1∼8의 탄화수소가 암모니아보다 낮은 비점을 가진 휘발성이 높은 화합물로서 취급받고 있는 것을 알 수 있다.

암모니아 중에 미량 포함되는 탄소수 1∼8의 탄화수소가 액화 암모니아의 기상과 액상 어떠한 농도분포를 나타내고 있는지를, 온도를 여러가지 변화시켜서 이들 탄화수소의 암모니아 중에서의 농도가 기액 평형 상태가 된 시점에서 측정한 결과가 표 2이다. 또한, 분배비는 각각의 포화 n-탄화수소 농도의 액체 암모니아 중의 초기 농도를 5000ppm로 조정하고, 그 후, 소정의 온도에서 2일간 방치 후에 측정했다.

또한, 이 표 2 중에서 나타낸 기액 분배 계수는 분축에 의해 불순물이 어느정도 분리될 수 있는지의 지표가 되는 것이며, 다음과 같이 정의된다.

분배 계수(Kd)=A₁/A₂…(1)

[식 중, A₁은 기액 평형 후의 기체 암모니아 중의 불순물 농도를 나타내고, A₂는 기액 평형 후의 액체 암모니아 중의 불순물 농도를 나타낸다]

단, 상기 식(1) 중에 있어서의 불순물 농도(A₁,A₂)는 mol-ppm을 그 단위로 하고, 정의는 하기 식(2)으로 한다.

불순물 농도(A₁,A₂)=

불순물(mol)/(암모니아(mol)+불순물(mol))×10⁶… (2)

이 정의에 따르면, 기액 분배 계수가 큰 불순물일수록 분축에 의해 응축되지 않은 미응축의 기체 암모니아 중에 많이 포함되어지게 된다. 탄소수가 작은 탄화수소일수록 액상 중보다 기상 중에 존재하는 비율이 높아져, 탄소수 8까지의 탄화수소이면 기상 중에 보다 높은 농도로 존재하게 된다. 또한, 온도가 낮을수록 보다 높은 농도로 암모니아 기상 중에 탄화수소가 존재하게 된다.

또한, 이 표 2에 나타낸 평형에 도달할때 까지의 시간은 암모니아 중에 포함되는 탄화수소 농도가 낮아짐에 따라서 길어지고, 여기에 나타낸 ppm 오더의 농도에 있어서는 그 평형에 도달할 때까지 수일간을 필요로 하는 것을 알 수 있었다. 이것은 정류에 의해 암모니아 중의 불순물을 제거하는 조작에 있어서 정류탑의 각 증류단에 있어서 일어나는 짧은 기액 접촉 시간에서는 불순물인 탄화수소의 물질 이동이 충분히 행해지고 있지 않은 것을 나타내고 있다. 이 결과로부터는 암모니아의 고순도화에 정류를 사용하는 방법은 공업적으로는 효과가 낮은 것이라고 생각된다. 또한, 표 2는 포화 직쇄상 탄화수소에 관한 데이터이지만, 탄소수 4 이상에 있어서는 상당하는 여러 이성체나, 탄소수 2 이상의 탄화수소에 있어서는 분자내에 불포화 결합을 포함하는 경우에도 표 2에 나타낸 경향이 있다.

이상으로 나타낸 바와 같이, 본 발명자들은 조 암모니아 중에 있어서의 희박 불순물인 탄소수 1∼8의 탄화수소의 거동이 종래 고려되고 있던 상태와 크게 다른 것을 확인했다. 또한 일보 나아가 이 탄소수 1∼8의 탄화수소의 암모니아 중에서의 성질의 차이를 암모니아의 정제에 이용할 수 없을까라고 생각했다. 그래서, 메탄, 에탄 및 프로판을 각각 5000ppm, 500ppm 및 500ppm 포함하는 기체상의 조 암모니아의 95%를 암모니아 가스 온도를 -20℃로 유지하고, 제 1 분축기(5)에 있어서의 기벽온도를 -30℃로 해서 응축에 의해 액화해 본 결과, 얻어진 액체 암모니아 중에는 이들 탄화수소는 검출되지 않고, 불순물의 대부분은 응축되지 않은 기체 암모니아 중에 잔존하는 것을 알 수 있었다. 표 2의 분배비에 따르면 분축조작에 의해 -20℃에서 응축되는 액체 암모니아 중에는 메탄, 에탄 및 프로판이 각각 54ppm, 24ppm 및 56ppm으로 존재하는 계산이 되지만, 의외로 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에서는 그 값은 훨씬 작은 것이 되고, 조 암모니아를 단시간 내에 매우 고순도로까지 정제할 수 있는 것을 알 수 있었다.

조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 정류에 의해 분리 제거할 경우, 환류를 가하면서의 증류이므로, 증류탑에서 액체 암모니아를 가열 증발시켜서 기체 암모니아로 하고, 한편, 증류탑의 탑 정부의 콘덴서에서 정류탑으로부터의 기체 암모니아를 응축시켜서 액체 암모니아로 하는 조작을 반복하게 된다. 그 때문에, 정류 조작에 있어서는 큰 에너지를 그 조작에 투입하게 된다.

이것에 대하여, 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 분리 제거할 경우에는 기체 암모니아를 1회 응축시키는 것뿐이므로, 그것에 필요한 에너지가 적어도 된다. 이렇게, 정류에 의한 암모니아의 정제 방법과 비교해서 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의한 정제 방법은 단시간에 고순도의 암모니아가 얻어질 뿐만 아니라, 에너지적으로도 큰 메리트가 있는 것을 알 수 있다.

또한, 본 발명자들은 조 암모니아에 함유되는 불순물이 탄소수 1∼8의 탄화수소인 경우, 제 1 분축기(5)에 의해 기체상의 조 암모니아의 90∼99.5% 정도까지의 액화를 수반하는 분축조작을 행하면 액상 성분으로서 얻어지는 액체 암모니아 중에 포함되어 오는 불순물의 농도는 최초의 기체상의 조 암모니아 중에 함유되는 불순물 농도와 비교해서 크게 저하되어 있다는 사실을 찾아냈다.

제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 분리 제거하는 정제 방법에서는 분축에 의해 액상 성분으로서 얻어지는 액체 암모니아는 상술과 같이 기액 분배비로부터 예상되는 값을 초과하여 불순물 탄화수소의 농도가 훨씬 낮아졌다. 그 이유는 확실하지 않지만, 분축에서는 평형 관계가 무너져서 동적인 불순물 분리가 일어나고, 불순물 탄화수소의 대부분이 응축되지 않은 기상 성분에 잔존하는 것이라고 추측하고 있다. 이 추측의 옳음은 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 액상 성분으로서 얻어진 액체 암모니아를 제 1 분축기(5)로부터 신속하게 인출하지 않고, 액체 암모니아의 상태로 제 1 분축기(5)의 내부에 체류시켜 두면, 시간의 경과와 함께 액체 암모니아 중의 불순물 탄화수소 농도가 점차 상승해 오는 점에서도 뒷받침된다.

이 추측과 결과는 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 액상 성분으로서 얻어진 액체 암모니아는 신속하게 제 1 분축기(5)로부터 도출되고, 제 1 분축기(5)의 내부에는 미응축의 기상 성분만이 존재하도록 제 1 분축기(5)의 운전을 행하는 것이 고순도 암모니아를 얻기 위해서 필요한 것을 나타내고 있다.

또한, 암모니아의 정제 효율을 높이기 위해서는 어디까지나 목표이지만, 기액 분배 계수가 클수록 바람직하다고 생각된다. 상술한 바와 같이, 이 기액 분배 계수는 온도에 의해 영향을 받고, 분축온도가 낮을수록 큰 기액 분배 계수를 얻을 수 있다. 이것은 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축조작의 설정 온도가 높은 경우, 예를 들면 암모니아의 분축이 일어나는 온도를 50℃로 한 경우에는 제 1 분축기(5)에 공급하는 암모니아의 절대압력을 1.81㎫ 이상으로 하면 암모니아의 분축은 가능해지지만, 분축조작의 설정 온도가 낮은 경우와 비교해서 그 탄화수소 불순물의 분리 효율이 저하될 가능성이 있는 것을 의미하고 있다.

제 1 분축기(5)는 제 1 분축기(5) 중의 기상 성분의 온도가 50℃ 이하, 보다 바람직하게는 -77℃∼30℃가 되도록 조 암모니아를 분축하는 것이 바람직하다. 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축온도를 -77∼50℃의 범위내로 하기 위해서는 0.007∼2㎫의 절대압력 하에서 조 암모니아를 분축하도록 하면 좋다.

제 1 분축기(5)에 있어서의 분축온도가 50℃보다 높은 경우라도 압력을 높게 하면 분축에 의한 불순물 탄화수소의 제거 효과는 얻어지지만, 그 때의 암모니아의 절대압력이 1.81㎫로 고압이 되어 공업적으로 실시하기 위해서는 바람직한 조건은 안된다. 또한, 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축온도가 50℃보다 높아진 경우 조 암모니아 중에 초기에 존재하는 불순물 탄화수소의 농도가 상정을 초과해서 고농도가 된 경우에 분축에 의해서도 액화 암모니아 중에 불순물이 포함될 가능성이 커지고, 분축률을 낮게 해서 대처할 필요가 생기는 등 정제 수율이나 정제 효율이 저하하게 된다.

또한, 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축온도가 -77℃보다 낮은 경우라도 기체 암모니아의 압력을 낮게 함으로써 암모니아의 정제는 가능하며, 온도가 낮기 때문에 고순도의 암모니아가 액상 성분(액체 암모니아)으로서 얻어진다. 그러나, 암모니아의 융점이 -78℃이므로, 제 1 분축기(5)의 기벽온도가 암모니아의 융점을 밑도는 온도에서의 분축으로 하는 경우에는 응축에 의해 얻어진 액체 암모니아의 응고가 진행되므로 정기적으로 용융해서 액화시킬 필요가 생기고, 연속 프로세스를 생각한 경우에는 효율적인 방법이라고는 할 수 없어진다. 단, 품질적으로는 초고순도의 암모니아가 분축에 의해 얻어지는 것을 확인하고 있으므로, 제 1 분축기(5)의 기벽온도가 -77℃를 밑도는 온도에서의 분축조작이어도 고순도의 암모니아를 고수율로 얻는 목적으로는 좋은 방법이 된다.

또한, 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축을 위해 제 1 분축기(5)의 기벽을 낮은 온도로 설정하면, 제 1 분축기(5)의 기벽 상에 존재하는 액상 성분으로서 얻어진 액체 암모니아의 액막은 그 기벽온도에 근접한다. 이 때문에 표 2에서 나타낸 바와 같이, 온도가 낮을수록 액상에 존재하는 불순물 탄화수소에 대해서 기상에 존재하는 불순물 탄화수소의 비율이 커지고, 또한, 저온에 있어서는 분자의 운동이 억제된다. 그 결과로서, 분축에 의한 응축에 의해 액상 성분으로서 얻어진 액체 암모니아가 액막 중에의 기상 성분으로부터의 액체 암모니아에의 불순물 탄화수소의 이동도 억제되므로 응축에 의해 액상 성분으로서 얻어진 액체 암모니아를 고순도인채로 유지할 수 있다.

또한, 조 암모니아 중의 불순물 농도가 매우 높은 경우에는 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축을 복수회 반복하면 효과적이다. 예를 들면, 메탄을 30000ppm, 프로판을 10000ppm으로 포함하는 조 암모니아를 제 1 분축기(5)에 있어서 분축온도 -15℃, 응축율 95%로 2회 분축조작을 행한다. 1회째의 분축에 의해 액상 성분으로서 얻어지는 액체 암모니아 중의 불순물 농도는 메탄이 9ppm이며 프로판이 57ppm이 된다. 이 액체 암모니아를 기화시켜서 다시 같은 조건으로 분축조작을 행하면, 액상 성분으로서 얻어진 액체 암모니아 중의 불순물 농도는 메탄 및 프로판 모두 미검출이 된다.

또한, 조 암모니아 중에 함유되는 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소 등의 저비점 가스는 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 상술한 불순물 탄화수소보다 훨씬 간단히 분리 제거할 수 있다. 그 때문에, 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축조건(온도, 압력, 시간 등)을 탄화수소가 분리 제거 가능한 조건으로 설정하면 상기 저비점 가스도 분리 제거가 가능하다. 즉, 조 암모니아 중에 함유되는 불순물인 저비점 가스는 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 미응축의 기상 성분으로서 용이하게 제거할 수 있다.

저비점 가스 중에서도 이산화탄소는 조 암모니아 중에서는 암모니아와의 상호작용이 이루어지고, 그 일부가 탄산 암모늄((NH₄)₂CO₃)이나 카르바민산 암모늄(H₂NCOONH₄:Ammonium Carbamate)으로 존재한다. 이러한 이산화탄소를 1000ppm의 농도로 함유하는 조 암모니아를 제 1 분축기(5)에 있어서 분축온도 -15℃, 응축롤 95%로 2회 분축조작을 행한다. 1회째의 분축에 의해 액상 성분으로서 얻어지는 액체 암모니아 중의 이산화탄소의 농도는 약 50ppm이 되고, 최초로 조 암모니아 중에 함유되어 있던 농도의 약 20분의 1이 된다. 이 액체 암모니아를 기화시켜서 다시 같은 조건으로 분축조작을 행하면 액상 성분으로서 얻어진 액체 암모니아 중의 이산화탄소의 농도는 최초로 조 암모니아 중에 함유되어 있던 농도의 약 400분의 1이 되어 매우 낮은 함유 농도로까지 저하시킬 수 있다. 더욱 상세한 것은 후술하지만, 이산화탄소는 흡착제인 제올라이트에 의해 흡착 제거할 수 있다.

제 2 분축기(3)는 기체상의 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 휘발성이 낮은 불순물을 액상 성분으로서 분리 제거한다. 조 암모니아 중에 함유되는 휘발성이 낮은 불순물로서는 수분, 탄소수가 많은 탄화수소, 및 미량 금속 등을 들 수 있다. 여기에서, 탄소수가 많은 탄화수소란 탄소수가 9 이상인 탄화수소를 말한다.

미량 금속은 반도체 산업에서 문제가 되는 성분이다. 조 암모니아 중에 함유되는 미량 금속은 후술하는 제 1 증발기(2)에 있어서 조 암모니아를 기화시킬 때에 기화되지 않고 액상 성분으로서 잔류함으로써 대부분이 제거된다. 제 1 증발기(2)에 있어서 제거되지 않고 기체상의 조 암모니아 중에 함유된 상태로 제 2 분축기(3)에 도입된 미량 금속은 제 2 분축기(3)에 있어서의 분축에 의해 액상 성분으로서 분리 제거할 수 있다.

제 2 분축기(3)에 있어서의 분축에 의해 조 암모니아 중에 함유되는 물 또는 탄소수가 많은 탄화수소가 분리 제거되는 원리는 상술한 제 1 분축기(5)에 의해 탄소수 1∼8의 탄화수소 및 저비점 가스가 분리 제거되는 원리와 거의 같다. 다른 점은 제 1 분축기(5)에서는 불순물이 기상측에 농축되는 것에 대해서 제 2 분축기(3)에서는 불순물이 액상측에 농축되는 것이다.

제 2 분축기(3)의 분축에 의한 물 또는 탄소수가 많은 탄화수소의 분리 제거에 대해서 물의 경우를 예로 설명하지만, 탄소수가 많은 탄화수소의 경우도 마찬가지로 분리 제거가 가능하다.

수분을 포함하는 기체상의 조 암모니아는 제 2 분축기(3)로 냉각되어서 그 일부가 액체 암모니아가 된다. 이 액체 암모니아 중에 최초에 조 암모니아 중에 존재한 수분의 상당 부분이 포함되게 된다. 예를 들면, 수분을 3000ppm 포함하는 기체상의 조 암모니아를 0℃의 제 2 분축기(3)에 도입하고, 기체온도가 0℃이며 그 5%를 액체 암모니아로서 응축시키면 응축한 액체 암모니아 중의 수분농도는 28ppm, 최초에 조 암모니아 중에 존재한 수분량의 98.8%가 이 액체 암모니아 중에 포함되게 된다. 응축되지 않고 남은 기체 암모니아 중의 수분농도는 38ppm이 되고, 최초에 조 암모니아에 존재한 수분농도와 비교하면 약 80분의 1로 저감되어 있다. 분축온도만을 -10℃로 낮게 하고, 그 밖의 조건은 동일하게 해서 분축을 행하면 응축되지 않고 남은 기체 암모니아 중의 수분농도는 13ppm이 되고, 최초에 조 암모니아에 존재한 수분농도와 비교하면 약 230분의 1로 저감되어 더욱 좋은 결과를 준다.

제 2 분축기(3)에 있어서의 분축에 의해 조 암모니아 중의 수분을 제거하기 위해서는 분축온도는 -75∼50℃가 바람직하고, 보다 바람직하게는 -75∼30℃이다. 분축온도가 -75℃보다 낮으면 응축에 의해 얻어진 암모니아와 물의 혼합물의 일부가 응고점 이하로 냉각되어서 고화되는 경우가 있고, 이 고체가 제 2 분축기(3)의 기벽으로부터의 열제거를 방해하는 결과, 암모니아의 응축 속도가 작아지거나 또는 생긴 고체에 의해 배관이 폐쇄되므로 바람직하지 못하다. 또한, 분축온도가 낮은 경우에는 기체 암모니아의 압력을 낮게 해서 제 2 분축기(3)의 기벽의 온도 및 전열면적을 조정함으로써 암모니아의 응축 속도를 조절할 수 있다. 한편, 분축온도가 50℃보다 높은 경우에는 암모니아의 압력이 높아져 고압을 견디어내는 설비에 비용을 필요로 하게 된다. 또한, 응축된 액체 암모니아 중에 제거되는 수분량이 저온에서 분축되는 경우와 비교해서 적어지는 경향이 있으므로, 정제 암모니아의 수율의 저하나 순도의 저하를 초래하게 된다.

또한, 조 암모니아 중의 수분농도가 매우 높은 경우에는 제 2 분축기(3)에 있어서의 분축을 복수회 반복하면 효과적이다. 이것은 제 2 분축기(3)를 복수 직렬로 접속함으로써 실현할 수 있다. 제 2 분축기(3)를 복수 직렬로 접속하는 구성으로 한 경우, 1단째의 제 2 분축기(3)의 분축온도를 응축에 의해 액상 성분으로서 얻어지는 암모니아와 물의 혼합물이 고화되지 않는 정도의 조금 높은 온도로 설정하고, 1단째의 제 2 분축기(3)의 기상 성분이며 수분농도가 저감된 기체 암모니아가 도입되는 2단째 이후의 제 2 분축기(3)의 분축온도를 낮게 한다.

예를 들면, 수분을 3000ppm 포함하는 기체상의 조 암모니아를 1단째의 제 2 분축기(3)에 있어서 분축온도 -10℃, 응축율 5%로 분축조작을 행하면 기상 성분으로서 얻어지는 기체 암모니아 중의 수분농도는 13ppm 이하로 낮은 값이 된다. 이 기상 성분을 2단째의 제 1 분축기(5)에 있어서 분축온도 -70℃, 응축율 5%로 분축조작을 행하면 기상 성분으로서 얻어지는 기체 암모니아 중의 수분농도는 1ppm 이하로 낮은 값이 된다.

제 2 분축기(3)에 있어서의 분축온도를 낮게 할수록 액상 성분 중에 수분이 많이 포함되게 되므로 수분을 액상 성분으로서 분리 제거하는 제거율을 향상시킬 수 있다. 불순물이 포함되지 않고, 그 순도가 100%의 암모니아의 융점은 -78℃이며, 암모니아 30중량%와 물 70중량%로 이루어지는 30% 암모니아수의 융점은 -72℃이다. 따라서, 제 2 분축기(3)에 있어서의 분축에 의해 액상 성분으로서 응축되는 액체 암모니아 중에 높은 농도로 수분이 포함된 경우라도, 제 2 분축기(3)의 기벽의 온도가 -70℃ 부근이면, 응축에 의해 액상 성분으로서 얻어진 액체 암모니아는 응고에 의해 고화되는 일은 없다. 또한, 기체상의 조 암모니아 중의 수분은 단열상태에서 기체상의 조 암모니아의 압력을 낮게 해서 그 온도를 저하시키고, 기체상의 조 암모니아의 일부를 응축시켜도 같은 효과가 얻어진다.

제 2 분축기(3)와 제 1 분축기(5)는 분축온도, 압력, 분축률 등의 분축조건이 다른 것 외에는 마찬가지로 구성된다. 기체상의 조 암모니아를 분축하는 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)의 구성으로서는 크게 나누어서 피스톤 플로우 방식과 완전 혼합 방식이 있다. 피스톤 플로우 방식이란 기체상의 조 암모니아가 제 2 분축기(3) 또는 제 1 분축기(5) 내부를 일정 방향으로 흐르면서 점차 분축을 받아서 액화되고, 분축되지 않고 흐르고 있는 기체 암모니아 중의 불순물 농도가 만약 불순물의 종류가 저비점 가스나 휘발성이 높은 탄화수소(탄소수 1∼8의 탄화수소) 등의 경우에는 점차 높아지고, 수분이나 휘발성이 낮은 탄화수소(탄소수 9 이상의 탄화수소) 등의 경우에는 점차 낮아져 가는 방식이다. 한편, 완전 혼합 방식이란 기체상의 조 암모니아가 제 2 분축기(3) 또는 제 1 분축기(5)에 도입되면, 즉시 제 2 분축기(3) 또는 제 1 분축기(5) 중의 불순물을 포함하는 기체 암모니아와 균일하게 혼합되고, 이 균일하게 혼합된 기체 암모니아로부터 분축이 일어나는 방식이다.

이 양 방식의 큰 차는 예를 들면, 불순물의 종류가 저비점 가스나 휘발성이 높은 탄화수소 등의 경우, 피스톤 플로우 방식이 흐름의 상류측에 있어서 분축으로 생기는 액체 암모니아에는 포함되는 불순물 농도가 낮고, 하류측으로 감에 따라서 분축되는 액체 암모니아 중의 불순물 농도가 점차 높아진다. 이것에 대하여, 완전 혼합 방식에서는 분축기의 어느 부분을 취해도 같은 농도로 불순물을 포함하는 액체 암모니아가 분축동작에 의해 얻어진다.

본 실시형태에서는 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)의 구성으로서 피스톤 플로우 방식 및 완전 혼합 방식 중 어느 쪽의 방식을 채용해도 좋지만, 피스톤 플로우 방식이 보다 바람직하다.

피스톤 플로우 방식을 채용한 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)의 구성을 도 2, 도 3에 나타낸다. 도 2는 제 2 분축기(3)의 구성을 나타내는 도면이다. 도 3은 제 1 분축기(5)의 구성을 나타내는 도면이다. 상술한 바와 같이, 제 2 분축기(3)와 제 1 분축기(5)는 분축온도, 압력, 분축률 등의 분축조건이 다른 것 외에는 마찬가지로 구성된다. 피스톤 플로우 방식을 채용한 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)는 기체상의 암모니아가 흐르는 분축기 본체(31,51)와, 분축기 본체(31,51)를 축선 방향으로 관통해서 형성되는 냉매가 흐르는 관로(32,52)를 포함해서 구성된다. 이 관로(32,52)에는 분축기 본체(31,51) 내를 흐르는 기체상의 암모니아를 냉각하는 냉매가 흐르게 되어 있다.

분축기 본체(31,51)에는 두께 방향으로 관통하는 기체 도입 개구부(33,53), 기체 배출 개구부(34,54), 및 액체 배출 개구부(35,55)가 각각 형성되어 있다. 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에서는 기체상의 암모니아가 기체 도입 개구부(33,53)로부터 분축기 본체(31,51) 내에 도입된다. 기체 도입 개구부(33,53)로부터 분축기 본체(31,51) 내에 도입된 기체상의 암모니아는 관로(32,52)를 흐르는 냉매에 의해 냉각됨으로써 분축되어서 일부가 응축되고, 미응축의 기상 성분인 미응축 암모니아가 기체 배출 개구부(34,54)로부터 배출되고, 응축된 액상 성분인 응축 암모니아가 액체 배출 개구부(35,55)로부터 배출된다.

또한, 분축기 본체(31,51) 내를 흐르는 기체상의 암모니아의 흐름 방향과, 관로(32,52) 내를 흐르는 냉매의 흐름 방향은 효율적인 분축효과가 얻어지면 특별히 한정되는 것은 아니고, 동방향이어도 좋고, 역방향이어도 좋다. 또한, 관로(32,52)는 분축기 본체(31,51) 내에 형성되어 있어도 좋고, 분축기 본체(31,51)의 외주면을 덮도록 형성되어 있어도 좋다.

또한, 기체상의 암모니아가 분축기 본체(31,51) 내에 도입되는 기체 도입 개구부(33,53)와, 응축 암모니아가 분축기 본체(31,51)로부터 배출되는 액체 배출 개구부(35,55)의 위치는 분축기 본체(31,51) 내에 있어서의 기체상의 암모니아의 흐름 방향으로부터 떨어진 위치로 해도 좋고, 기체 도입 개구부(33,53)의 바로 아래에 액체 배출 개구부(35,55)가 위치하도록 해도 좋다.

피스톤 플로우 방식의 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에서는 분축기의 어느 부분에 있어서나 분축에 의해 응축되는 응축 암모니아 중에 포함되는 불순물의 농도는 그 근방의 기체상의 미응축 암모니아 중의 불순물 농도와 일정한 분배비로 존재하게 된다. 현실은 분축에 의해 동적인 분리가 일어나고 있는 것이라고 추측되고, 분축에 의해 응축되는 응축 암모니아 중에 포함되는 탄화수소는 예측되는 농도보다 훨씬 낮아지는 것은 상술한 바와 같다. 또한, 상술한 바와 같이, 분축에 의해 응축되는 응축 암모니아는 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)로부터 신속하게 제거된다. 그 때문에, 액체 배출 개구부(35,55)를 향해서 응축 암모니아가 흐르기 쉬워지도록 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)를 기울게 하거나, 또는 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)의 구조에 따라서는 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)를 연직 방향으로 평행하게 세우고, 기체 도입 개구부(33,53)가 연직방향 상방측에 배치되고, 액체 배출 개구부(35,55)가 연직방향 하방측에 배치되도록 한다.

피스톤 플로우 방식의 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에서는 분축기 본체(31,51) 내의 기체 암모니아의 흐름이 층류가 되고, 기벽에 가까운 부분으로부터 응축이 일어나므로, 흐름의 중심부분에서는 조 암모니아 조성에 가까운 불순물 농도임에도 불구하고, 기벽에 가까운 부분에서는 불순물이 농축되고, 이 농축 부분으로부터 응축된 응축 암모니아가 얻어지는 경우가 있다. 이렇게 해서 얻어진 액체상의 응축 암모니아 중의 불순물 농도는 높은 값이 되는 것이 예상된다. 이것을 방지하기 위해서 분축기 본체(31,51) 내에 기체 암모니아의 흐름을 어지럽히는 방해판이나 비즈상의 장해물을 배치하도록 해도 좋다. 이것에 의해, 분축기 본체(31,51) 내의 기체 암모니아의 흐름이 흐트러지므로, 기체 암모니아의 흐름의 중심부와 기벽부 부근에 있어서의 불순물 농도가 같아진다.

또한, 피스톤 플로우 방식의 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에서는 응축 암모니아 중에 있어서의 탄소수 1∼8의 탄화수소로 이루어지는 불순물의 농도는 기체 도입 개구부(33,53)의 부근에서 낮고, 액체 배출 개구부(35,55)를 향함에 따라서 높아진다.

또한, 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)의 분축기 본체(31,51) 내에 도입된 기체상의 암모니아는 분축에 의한 응축이 진행됨에 따라서 그 가스량이 적어지므로, 분축기 본체(31,51)의 축선 방향에 수직인 단면의 단면적이 기체상의 암모니아의 응축이 진행됨에 따라서 작아지도록 한다. 이것에 의해, 기체상의 암모니아와 분축기 본체(31,51)의 기벽의 양호한 접촉이 얻어지므로 높은 정제 효과가 얻어진다. 이러한 효과는 복수의 제 2 분축기(3) 또는 제 1 분축기(5)를 각각 직렬 접속하고, 기체상의 암모니아의 흐름 방향 하류측에 배치되는 분축기일수록 작은 것으로 하는 구성으로도 달성된다.

제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)를 구성하는 피스톤 플로우 방식의 분축기로서는 예를 들면, 스파이럴식 열교환기, 플레이트식 열교환기, 2중 관식 열교환기, 다관 원통식 열교환기(셸앤튜브 열교환기), 다중 원관식 열교환기, 와권 관식 열교환기, 와권 판식 열교환기 등을 들 수 있다. 이들 중에서도 2중 관식 열교환기, 다관 원통식 열교환기(셸앤튜브 열교환기), 다중 원관식 열교환기 등이 특히 바람직하다. 셸앤튜브 열교환기에 있어서는 튜브측에 기체상의 암모니아를 흘려보낸 경우에도, 몸통 내에 기체상의 암모니아를 흘려보낸 경우에도, 어느 쪽의 경우에도 바람직한 결과를 얻을 수 있다.

도 1로 되돌아와서 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(100)의 구성에 대해서 설명한다. 상술한 바와 같이, 암모니아 정제 시스템(100)은 원료 저장 탱크(1)와, 제 1 증발기(2)와, 제 2 분축기(3)와, 제 1 분축기(5)와, 제 2 회수 탱크(4)와, 제 1 회수 탱크(6)와, 제 2 증발기(7)와, 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)과, 전축기(10)와, 제품 탱크(30)를 포함해서 구성된다.

원료 저장 탱크(1)는 조 암모니아를 저장하는 것이다. 원료 저장 탱크(1)는 내압성 및 내부식성을 갖는 보온 용기이면 특별히 제한되는 것은 아니다. 이 원료 저장 탱크(1)는 조 암모니아를 액체 암모니아로서 저장하고, 온도 및 압력이 일정 조건이 되도록 제어된다.

암모니아 정제 시스템(100)에서는 원료 저장 탱크(1)로부터 조 암모니아를 기체로 뽑아 내거나, 또는 액체로 뽑아 낸 조 암모니아를 기화시켜서 제 2 분축기(3)에 공급하게 된다. 어느 쪽의 경우에나 원료 저장 탱크(1)에 압력을 갖게 해서 조 암모니아를 뽑아 낼 필요가 있고, 그 일반적인 방법으로서 원료 저장 탱크(1) 내에 전열 파이프 등의 열원을 배치하거나, 또는 외장형의 리보일러로 안내한 액체상의 조 암모니아를 가열해서 생긴 기체상의 조 암모니아의 압력으로 원료 저장 탱크(1)를 가압하는 방법 등이 있다. 본 실시형태에서는 원료 저장 탱크(1)로부터 조 암모니아를 액체로 뽑아 내고, 이 액체상의 조 암모니아를 제 1 증발기(2)에 통과시킴으로써 기화시켜서 기체상의 조 암모니아로 하고, 그 기체상의 조 암모니아를 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)로 보낸다.

원료 저장 탱크(1)와 제 1 증발기(2) 사이에는 제 1 배관(11)이 접속되어 있고, 원료 저장 탱크(1)로부터 도출된 액체상의 조 암모니아는 제 1 배관(11)을 통해 제 1 증발기(2)에 공급된다.

제 1 배관(11)에는 제 1 배관(11)에 있어서의 유로를 개방 또는 폐쇄하는 제 1 밸브(11a)가 설치되어 있다. 원료 저장 탱크(1)로부터 도출되는 액체상의 조 암모니아의 제 1 증발기(2)에의 공급시에는 제 1 밸브(11a)가 개방되어서 원료 저장 탱크(1)로부터 제 1 증발기(2)를 향해서 제 1 배관(11) 내를 액체상의 조 암모니아가 흐른다.

원료 저장 탱크(1)로부터 제 1 증발기(2)에 공급된 액체상의 조 암모니아는 제 1 증발기(2)로 기화된다. 제 1 증발기(2)로 기화된 기체상의 조 암모니아는 제 2 분축기(3)에 공급된다. 제 1 증발기(2)와 제 2 분축기(3) 사이에는 제 2 배관(12)이 접속되어 있고, 제 1 증발기(2)로부터 도출된 기체상의 조 암모니아는 제 2 배관(12)을 통해 제 2 분축기(3)에 공급된다.

제 2 배관(12)에는 제 2 배관(12)에 있어서의 유로를 개방 또는 폐쇄하는 제 2 밸브(12a)가 설치되어 있다. 제 1 증발기(2)로부터 도출되는 기체상의 조 암모니아의 제 2 분축기(3)에의 공급시에는 제 2 밸브(12a)가 개방되어서 제 1 증발기(2)로부터 제 2 분축기(3)를 향해서 제 2 배관(12) 내를 기체상의 조 암모니아가 흐른다.

제 2 분축기(3)는 제 1 증발기(2)로 기화된 기체상의 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 휘발성이 낮은 불순물(수분 및 탄소수 9 이상의 탄화수소)을 액상 성분으로서 분리 제거한다. 제 2 분축기(3)에 의해 분리된 액상 성분, 즉, 휘발성이 낮은 불순물이 농축된 액상 성분은 제 2 분축기(3)에 접속되는 제 4 밸브(14a)가 설치된 제 4 배관(14)을 통해 제 2 회수 탱크(4) 내에 저장된다. 제 2 회수 탱크(4)에 저장된 액상 성분은 원료 저장 탱크(1)로 되돌아가 다시 원료 암모니아로서 이용할 수도 있다.

또한, 제 2 분축기(3)에 의해 분리된 기상 성분, 즉, 휘발성이 낮은 불순물의 함유량이 저감된 기체상의 암모니아는 제 1 분축기(5)에 공급된다. 제 2 분축기(3)와 제 1 분축기(5) 사이에는 제 3 배관(13)이 접속되어 있고, 제 2 분축기(3)로부터 도출된 기체상의 암모니아는 제 3 배관(13)을 통해 제 1 분축기(5)에 공급된다.

제 3 배관(13)에는 제 3 배관(13)에 있어서의 유로를 개방 또는 폐쇄하는 제 3 밸브(13a)가 설치되어 있다. 제 2 분축기(3)로부터 도출되는 기체상의 암모니아의 제 1 분축기(5)에의 공급시에는 제 3 밸브(13a)가 개방되어서 제 2 분축기(3)로부터 제 1 분축기(5)를 향해서 제 3 배관(13) 내를 기체상의 암모니아가 흐른다.

제 1 분축기(5)는 제 2 분축기(3)에서 휘발성이 낮은 불순물이 분리 제거된 기체상의 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 암모니아 중에 함유되는 휘발성이 높은 불순물(저비점 가스 및 탄소수 1∼8의 탄화수소)을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 기상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물이 농축된 기상 성분은 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 6 밸브(16a)가 설치된 제 6 배관(16)을 통해 시스템 외부로 방출된다.

또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물의 함유량이 저감된 응축 암모니아(액체 암모니아)는 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 5 밸브(15a)가 설치된 제 5 배관(15)을 통해 제 1 회수 탱크(6) 내에 저장된다. 또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액체 암모니아는 제 5 밸브(15a)가 개방됨으로써 제 1 분축기(5)로부터 제 1 회수 탱크(6)를 향해서 제 5 배관(15) 내를 흐른다.

여기에서, 제 1 분축기(5)를 피스톤 플로우 방식으로 함으로써 기체 도입 개구부(53)로부터 새로운 기체상의 암모니아를 도입하기 시작한 경우에 분축기 본체(51)의 내부의 상태가 일정해질 때까지의 시간이 짧아도 된다. 또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 기상 성분은 제 6 밸브(16a)가 개방됨으로써 기체배출 개구부(54)로부터 제 6 배관(16)을 통해 배출되지만, 이 기상 성분의 배출 비율은 기체배출 개구부(54)에 있어서의 배출량으로 결정할 수 있고, 그 배출 비율을 변화시켜도 제 1 분축기(5)가 정상상태가 될 때까지의 시간이 짧아도 된다.

또한, 제 1 분축기(5)는 도 4에 나타내는 바와 같은 복수의 분축부(5a,5b,5c)가 직렬 접속된 구성으로 해도 좋다. 도 4는 복수의 분축부가 직렬 접속된 제 1 분축기(5)의 구성을 나타내는 도면이다. 이렇게, 제 1 분축기(5)를 복수의 분축부(5a,5b,5c)가 직렬 접속된 구성으로 함으로써, 각 분축부(5a,5b,5c)에 있어서 순도의 정도가 다른 복수의 암모니아를 나누어 만들 수 있다.

또한, 복수의 분축부(5a,5b,5c)가 직렬 접속된 구성의 제 1 분축기(5)에서는 기체상의 암모니아가 흐르는 방향의 하류측에 배치되는 분축부(5a,5b,5c)가 됨에 따라서 분축온도를 낮게 함으로써 액상 성분으로서 얻어지는 액체 암모니아 중에 포함되는 불순물 탄화수소의 농도를 저감시킬 수 있다.

또한, 제 1 회수 탱크(6) 내에 저장되는 제 1 분축기(5)에 있어서 분리된 액체 암모니아를 기화하고, 그 기화된 기화물을 제 1 분축기(5)로 되돌리고, 제 1 분축기(5)에 있어서 다시 분축조작(제 3 분축 공정)을 실행하도록 해도 좋다. 이것에 의해, 휘발성이 높은 불순물의 함유량이 더욱 저감된 액체 암모니아를 얻을 수 있다. 도 5는 제 1 회수 탱크(6)로부터 기화된 기화물을 제 1 분축기(5)에 도입하는 위치를 나타내는 도면이다. 제 1 회수 탱크(6)로부터 기화된 기화물을 제 1 분축기(5)에 도입하는 위치는 목표로 하는 액체 암모니아의 순도에 따라서 적당히 설정하면 좋다. 또한, 제 1 회수 탱크(6) 내에 저장되는 액체 암모니아를 제 1 분축기(5)에 있어서 다시 분축조작을 실행하는 구성에 대해서는 도 4에 나타낸 복수의 분축부(5a,5b,5c)가 직렬 접속된 제 1 분축기(5)에 있어서도 적용할 수 있다.

또한, 제 1 분축기(5)와 제 1 회수 탱크(6) 사이에는 도 6에 나타낸 바와 같이 균압관(6a)을 설치하는 것이 바람직하다. 도 6은 제 1 회수 탱크(6)와 제 1 분축기(5) 사이의 접속 구조를 나타내는 도면이다. 균압관(6a)은 제 1 분축기(5)의 압력과 제 1 회수 탱크(6)의 압력을 균압으로 한다. 이렇게, 제 1 분축기(5)와 제 1 회수 탱크(6) 사이에 균압관(6a)을 설치함으로써 제 1 회수 탱크(6)로부터 기화된 기화물을 제 1 분축기(5)에 제어하면서 도입할 수 있다. 또한, 저온에 있어서의 액체 암모니아의 압력은 온도가 몇도 다를 뿐이며 크게 변화된다. 그래서, 제 1 분축기(5)와 제 1 회수 탱크(6) 사이에 균압관(6a)을 설치함으로써 제 1 회수 탱크(6) 내의 압력이 제 1 분축기(5)의 분축기 본체(51) 내의 압력보다 낮아진 경우에도 제 1 분축기(5)로부터 제 1 회수 탱크(6)에의 기상 성분(휘발성이 높은 불순물이 농축되어 있다)의 유입을 방지할 수 있다.

상기에서는 제 2 분축기(3)에 있어서의 분축으로 분리한 기상 성분을 제 1 분축기(5)에 공급하고, 제 1 분축기(5)에 있어서 더 분축을 실시한다고 하는 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에 있어서의 연속적인 분축조작에 대해서 설명했다. 그러나, 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(100)은 이러한 연속적인 분축조작에 한정되는 것은 아니고, 제 2 분축기(3)와 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축조작을 회분방식으로 실시하도록 해도 좋다. 회분방식이란 제 2 분축기(3)에 있어서의 분축으로 분리한 기상 성분을 일단 회수 용기에 저장하고, 그 후, 이 회수 용기로부터 제 1 분축기(5)에 기상 성분을 공급하도록 구성된 방식이다.

또 상기에서는 제 2 분축기(3)와 제 1 분축기(5)를 이 순서로 직렬 접속하고, 제 2 분축기(3)에 있어서의 분축에 의해 휘발성이 낮은 불순물을 액상 성분으로서 분리 제거한 후, 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 휘발성이 높은 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거하는 구성에 대해서 설명했다. 그러나, 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(100)에서는 제 1 분축기(5)와 제 2 분축기(3)를 이 순서로 직렬 접속하고, 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 휘발성이 높은 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거한 후, 제 2 분축기(3)에 있어서의 분축에 의해 휘발성이 낮은 불순물을 액상 성분으로서 분리 제거하는 구성으로 해도 좋다. 단, 제 2 분축기(3)와 제 1 분축기(5)를 이 순서로 직렬 접속하는 구성으로 한 쪽이 기상과 액상의 상변화가 적으므로 이 접속 형태가 바람직하다.

제 1 회수 탱크(6)에 저장된 액체 암모니아는 제 2 증발기(7)를 향해서 도출된다. 제 1 회수 탱크(6)와 제 2 증발기(7) 사이에는 제 7 배관(17)이 접속되어 있고, 제 1 회수 탱크(6)로부터 도출된 액체 암모니아는 제 7 배관(17)을 통해 제 2 증발기(7)에 공급된다.

제 7 배관(17)에는 제 7 배관(17)에 있어서의 유로를 개방 또는 폐쇄하는 제 7 밸브(17a)가 설치되어 있다. 제 1 회수 탱크(6)로부터 도출되는 액체 암모니아의 제 2 증발기(7)에의 공급시에는 제 7 밸브(17a)가 개방되어서 제 1 회수 탱크(6)로부터 제 2 증발기(7)를 향해서 제 7 배관(17) 내를 액체 암모니아가 흐른다.

제 1 회수 탱크(6)로부터 제 2 증발기(7)에 공급된 액체 암모니아는 제 2 증발기(7)에 의해 기화된다. 제 2 증발기(7)에 의해 기화된 기체상의 암모니아는 제 1 흡착탑(8)에 공급된다. 제 2 증발기(7)와 제 1 흡착탑(8) 사이에는 제 8 배관(18)이 접속되어 있고, 제 2 증발기(7)로부터 도출된 기체상의 암모니아는 제 8 배관(18)을 통해 제 1 흡착탑(8)에 공급된다.

제 8 배관(18)에는 제 8 배관(18)에 있어서의 유로를 개방 또는 폐쇄하는 제 8 밸브(18a)가 설치되어 있다. 제 2 증발기(7)로부터 도출되는 기체상의 암모니아의 제 1 흡착탑(8)에의 공급시에는 제 8 밸브(18a)가 개방되어서 제 2 증발기(7)로부터 제 1 흡착탑(8)을 향해서 제 8 배관(18) 내를 기체상의 암모니아가 흐른다. 즉, 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)와, 제 1 흡착탑(8)은 제 2 증발기(7)를 통해 직렬 접속되어 있다.

제 1 흡착탑(8)은 제 2 증발기(7)에 의해 기화된 기체상의 암모니아에 포함되는 극미량의 수분을 흡착제에 의해 흡착 제거한다. 제 1 흡착탑(8)에 충전되는 흡착제로서는 실리카겔, 알루미나, 제올라이트3A, 제올라이트4A, 제올라이트5A, 및 제올라이트13X 등을 들 수 있다. 또한, 이 제 1 흡착탑(8)에 있어서 기체상의 암모니아에 포함되는 극미량의 이산화탄소도 흡착 제거할 수 있다.

제 1 흡착탑(8)에 있어서 수분 및 이산화탄소가 흡착 제거된 후의 기체상의 암모니아는 제 2 흡착탑(9)을 향해서 도출된다. 제 1 흡착탑(8)과 제 2 흡착탑(9) 사이에는 제 9 배관(19)이 접속되어 있고, 제 1 흡착탑(8)으로부터 도출된 기체상의 암모니아는 제 9 배관(19)을 통해 제 2 흡착탑(9)에 공급된다.

제 9 배관(19)에는 제 9 배관(19)에 있어서의 유로를 개방 또는 폐쇄하는 제 9 밸브(19a)가 설치되어 있다. 제 1 흡착탑(8)으로부터 도출되는 기체상의 암모니아의 제 2 흡착탑(9)에의 공급시에는 제 9 밸브(19a)가 개방되어서 제 1 흡착탑(8)으로부터 제 2 흡착탑(9)을 향해서 제 9 배관(19) 내를 기체상의 암모니아가 흐른다.

제 2 흡착탑(9)은 제 1 흡착탑(8)으로부터 도출된 기체상의 암모니아에 포함되는 극미량의 탄화수소를 흡착제에 의해 흡착 제거한다. 제 2 흡착탑(9)에 충전되는 흡착제로서는 활성탄 등을 들 수 있다.

암모니아 중에 함유되는 불순물은 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에서의 분축에 의해 거의 분리 제거할 수 있지만, 암모니아 정제 시스템(100)의 구성을 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)을 구비하는 구성으로 함으로써, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다. 또한, 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)에 있어서 사용이 끝난 흡착제는 가열 처리에 의해 재사용할 수 있다.

상기에서는 제 2 분축기(3), 제 1 분축기(5), 제 1 흡착탑(8), 제 2 흡착탑(9)을 이 순서로 직렬 접속하고, 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 불순물을 분리 제거한 후, 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)에 의해 불순물을 흡착 제거하는 구성에 대해서 설명했다. 그러나, 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(100)에서는 제 1 흡착탑(8), 제 2 흡착탑(9), 제 2 분축기(3), 제 1 분축기(5)를 이 순서로 직렬 접속하고, 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)에 의해 불순물을 흡착 제거한 후, 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 불순물을 분리 제거하는 구성으로 해도 좋다.

제 2 흡착탑(9)에 있어서 탄화수소가 흡착 제거된 후의 기체상의 암모니아는 전축기(10)를 향해서 도출된다. 제 2 흡착탑(9)과 전축기(10) 사이에는 제 10 배관(20)이 접속되어 있고, 제 2 흡착탑(9)으로부터 도출된 기체상의 암모니아는 제 10 배관(20)을 통해 전축기(10)에 공급된다.

제 10 배관(20)에는 제 10 배관(20)에 있어서의 유로를 개방 또는 폐쇄하는 제 10 밸브(20a)가 설치되어 있다. 제 2 흡착탑(9)으로부터 도출되는 기체상의 암모니아의 전축기(10)에의 공급시에는 제 10 밸브(20a)가 개방되어서 제 2 흡착탑(9)으로부터 전축기(10)를 향해서 제 10 배관(20) 내를 기체상의 암모니아가 흐른다.

전축기(10)는 제 2 흡착탑(9)으로부터 도출된 기체상의 암모니아를 액화한다. 전축기(10)에 의해 액화된 암모니아는 제품 탱크(30)를 향해서 도출된다. 전축기(10)와 제품 탱크(30) 사이에는 제 11 배관(21)이 접속되어 있고, 전축기(10)로부터 도출된 액체상의 암모니아는 제 11 배관(21)을 통해 제품 탱크(30)에 공급된다.

제 11 배관(21)에는 제 11 배관(21)에 있어서의 유로를 개방 또는 폐쇄하는 제 11 밸브(21a)가 설치되어 있다. 전축기(10)로부터 도출되는 액체상의 암모니아의 제품 탱크(30)에의 공급시에는 제 11 밸브(21a)가 개방되어서 전축기(10)로부터 제품 탱크(30)를 향해서 제 11 배관(21) 내를 액화된 암모니아가 흐른다. 이렇게 해서 제품 탱크(30)에 고순도로 정제된 암모니아가 저장된다.

도 7은 본 발명의 제 2 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(200)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(200)은 상술한 암모니아 정제 시스템(100)과 유사하고, 대응하는 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙여서 설명을 생략한다.

암모니아 정제 시스템(200)은 제 2 분축기(3), 제 1 분축기(5), 제 1 흡착탑(8), 제 2 흡착탑(9), 및 제 3 분축부인 제 3 분축기(201)가 이 순서로 직렬 접속되어서 구성된다.

암모니아 정제 시스템(200)에서는 제 2 분축기(3), 제 1 분축기(5), 제 1 흡착탑(8), 및 제 2 흡착탑(9)에 의해 불순물이 제거된 암모니아는 제 12 밸브(202a)가 개방됨으로써 제 2 흡착탑(9)으로부터 제 12 배관(202)을 통해 제 3 분축기(201)에 공급된다.

제 3 분축기(201)는 제 2 흡착탑(9)으로부터 도출된 기체상의 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 암모니아 중에 함유되는 극미량의 휘발성이 높은 불순물(저비점 가스 및 탄소수 1∼8의 탄화수소)을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 제 3 분축기(201)에 의해 분리된 기상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물이 농축된 기상 성분은 제 3 분축기(201)에 접속되는 제 13 밸브(203a)가 설치된 제 13 배관(203)을 통해 시스템 외부로 방출된다.

또한, 제 3 분축기(201)에 의해 분리된 액상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물의 함유량이 저감된 응축 암모니아(액체 암모니아)는 제 3 분축기(201)에 접속되는 제 14 밸브(204a)가 설치된 제 14 배관(204)을 통해 제품 탱크(30) 내에 저장된다.

이렇게 구성된 암모니아 정제 시스템(200)에서는 제 2 분축기(3), 제 1 분축기(5), 제 1 흡착탑(8), 및 제 2 흡착탑(9)에 의해 전부 제거할 수 없었던 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거할 수 있으므로, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

도 8은 본 발명의 제 3 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(300)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(300)은 상술한 암모니아 정제 시스템(100)과 유사하고, 대응하는 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙여서 설명을 생략한다.

암모니아 정제 시스템(300)은 제 2 분축기(3), 제 1 흡착탑(8), 제 2 흡착탑(9), 및 제 1 분축기(5)가 이 순서로 직렬 접속되어서 구성된다. 암모니아 정제 시스템(300)에서는 제 2 분축기(3)에 의해 불순물이 제거된 기체상의 암모니아는 제 15 밸브(301a)가 개방됨으로써 제 15 배관(301)을 통과해서 제 1 흡착탑(8)에 공급되고, 그 후, 제 9 배관(19)을 통해 제 2 흡착탑(9)에 공급되어서 흡착제에 의해 불순물이 흡착 제거된다. 그리고, 제 2 흡착탑(9)으로부터 도출된 기체상의 암모니아는 제 16 밸브(302a)가 개방됨으로써 제 16 배관(302)을 통해 제 1 분축기(5)에 공급된다.

제 1 분축기(5)는 제 2 흡착탑(9)으로부터 도출된 기체상의 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 암모니아 중에 함유되는 극미량의 휘발성이 높은 불순물(저비점 가스 및 탄소수 1∼8의 탄화수소)을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 기상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물이 농축된 기상 성분은 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 18 밸브(304a)가 설치된 제 18 배관(304)을 통해 시스템 외부로 방출된다.

또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물의 함유량이 저감된 응축 암모니아(액체 암모니아)는 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 17 밸브(303a)가 설치된 제 17 배관(303)을 통해 제품 탱크(30) 내에 저장된다. 또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액체 암모니아는 제 17 밸브(303a)가 개방됨으로써 제 1 분축기(5)로부터 제품 탱크(30)를 향해서 제 17 배관(303) 내를 흐른다.

도 9는 본 발명의 제 4 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(400)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(400)은 상술한 암모니아 정제 시스템(100)과 유사하고, 대응하는 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙여서 설명을 생략한다.

암모니아 정제 시스템(400)은 제 1 흡착탑(8), 제 2 흡착탑(9), 및 제 1 분축기(5)가 이 순서로 직렬 접속되어서 구성된다. 암모니아 정제 시스템(400)은 원료 저장 탱크(1)로부터 조 암모니아를 기체 및 액체의 양쪽의 상태로 뽑아 내는 것이 가능하게 구성되어 있다.

원료 저장 탱크(1)와 제 1 흡착탑(8) 사이에는 제 19 밸브(401a) 및 제 20 밸브(401b)가 설치된 제 19 배관(401)이 접속되어 있고, 원료 저장 탱크(1)로부터 도출된 기체상의 조 암모니아는 제 19 밸브(401a) 및 제 20 밸브(401b)가 개방된 상태로 제 19 배관(401)을 통해 제 1 흡착탑(8)에 공급된다.

또한, 원료 저장 탱크(1)와 제 1 증발기(2) 사이에는 제 1 밸브(11a)가 설치된 제 1 배관(11)이 접속되어 있고, 원료 저장 탱크(1)로부터 도출된 액체상의 조 암모니아는 제 1 밸브(11a)가 개방된 상태로 제 1 배관(11)을 통해 제 1 증발기(2)에 공급된다. 제 1 증발기(2)에 공급된 액체상의 조 암모니아는 제 1 증발기(2)에 의해 기화된다. 제 1 증발기(2)에는 제 1 증발기(2)에 의해 기화된 기체상의 조 암모니아가 제 19 배관(401)을 향해서 흐르는 유로가 되는 제 21 밸브(402a)가 설치된 제 20 배관(402)이 접속되어 있다. 이 제 20 배관(402)은 제 19 배관(401)에 있어서의 제 19 밸브(401a)와 제 20 밸브(401b) 사이에 접속된다. 제 1 증발기(2)로부터 도출된 기체상의 조 암모니아는 제 19 밸브(401a)가 폐쇄되고, 제 20 밸브(401b) 및 제 21 밸브(402a)가 개방된 상태로 제 20 배관(402) 및 제 19 배관(401)을 통해 제 1 흡착탑(8)에 공급된다.

암모니아 정제 시스템(400)에서는 제 1 흡착탑(8)에 공급된 기체상의 암모니아는 그 후, 제 9 배관(19)을 통해 제 2 흡착탑(9)에 공급되고, 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)에 있어서 흡착제에 의해 불순물이 흡착 제거된다. 그리고, 제 2 흡착탑(9)으로부터 도출된 기체상의 암모니아는 제 22 밸브(403a)가 개방됨으로써 제 21 배관(403)을 통해 제 1 분축기(5)에 공급된다.

제 1 분축기(5)는 제 2 흡착탑(9)으로부터 도출된 기체상의 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 암모니아 중에 함유되는 극미량의 휘발성이 높은 불순물(저비점 가스 및 탄소수 1∼8의 탄화수소)을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 기상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물이 농축된 기상 성분은 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 6 밸브(16a)가 설치된 제 6 배관(16)을 통해 시스템 외부로 방출된다.

또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물의 함유량이 저감된 응축 암모니아(액체 암모니아)는 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 23 밸브(404a)가 설치된 제 22 배관(404)을 통해 제품 탱크(30) 내에 저장된다. 또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액체 암모니아는 제 23 밸브(404a)가 개방됨으로써 제 1 분축기(5)로부터 제품 탱크(30)를 향해서 제 22 배관(404) 내를 흐른다. 이렇게 해서 제품 탱크(30)에 고순도로 정제된 암모니아가 저장된다.

도 10은 본 발명의 제 5 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(500)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(500)은 상술한 암모니아 정제 시스템(100)과 유사하고, 대응하는 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙여서 설명을 생략한다.

암모니아 정제 시스템(500)은 제 1 흡착탑(8), 제 2 흡착탑(9), 제 2 분축기(3), 및 제 1 분축기(5)가 이 순서로 직렬 접속되어 있다.

암모니아 정제 시스템(500)에서는 원료 저장 탱크(1)로부터 도출된 액체상의 조 암모니아는 제 1 밸브(11a)가 개방된 상태로 제 1 배관(11)을 통해 제 1 증발기(2)에 공급된다. 제 1 증발기(2)에 공급된 액체상의 조 암모니아는 제 1 증발기(2)에 의해 기화된다. 제 1 증발기(2)에는 제 1 증발기(2)에 의해 기화된 기체상의 조 암모니아가 제 1 흡착탑(8)을 향해서 흐르는 유로가 되는 제 24 밸브(501a)가 설치된 제 23 배관(501)이 접속되어 있다. 제 1 증발기(2)로부터 도출된 기체상의 조 암모니아는 제 24 밸브(501a)가 개방된 상태로 제 23 배관(501)을 통해 제 1 흡착탑(8)에 공급된다.

암모니아 정제 시스템(500)에서는 제 1 흡착탑(8)에 공급된 기체상의 암모니아는 그 후, 제 9 배관(19)을 통해 제 2 흡착탑(9)에 공급되고 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)에 있어서 흡착제에 의해 불순물이 흡착 제거된다. 그리고, 제 2 흡착탑(9)으로부터 도출된 기체상의 암모니아는 제 25 밸브(502a)가 개방됨으로써 제 24 배관(502)을 통해 제 2 분축기(3)에 공급된다.

제 2 분축기(3)는 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)에 의해 불순물이 흡착 제거된 기체상의 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 암모니아 중에 함유되는 휘발성이 낮은 불순물(수분 및 탄소수 9 이상의 탄화수소)을 액상 성분으로서 분리 제거한다. 제 2 분축기(3)에 의해 분리된 액상 성분, 즉, 휘발성이 낮은 불순물이 농축된 액상 성분은 제 2 분축기(3)에 접속되는 제 4 밸브(14a)가 설치된 제 4 배관(14)을 통해 제 2 회수 탱크(4) 내에 저장된다. 제 2 회수 탱크(4)에 저장된 액상 성분은 원료 저장 탱크(1)로 되돌려서 다시 원료 암모니아로서 이용할 수도 있다.

또한, 제 2 분축기(3)에 의해 분리된 기상 성분, 즉, 휘발성이 낮은 불순물의 함유량이 저감된 기체상의 암모니아는 제 3 밸브(13a)가 개방된 상태로 제 3 배관(13)을 통해 제 1 분축기(5)에 공급된다.

제 1 분축기(5)는 제 2 분축기(3)에 의해 휘발성이 낮은 불순물이 분리 제거된 기체상의 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 암모니아 중에 함유되는 극미량의 휘발성이 높은 불순물(저비점 가스 및 탄소수 1∼8의 탄화수소)을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 기상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물이 농축된 기상 성분은 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 6 밸브(16a)가 설치된 제 6 배관(16)을 통해 시스템 외부로 방출된다.

또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물의 함유량이 저감된 응축 암모니아(액체 암모니아)는 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 26 밸브(503a)가 설치된 제 25 배관(503)을 통해 제품 탱크(30) 내에 저장된다. 또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액체 암모니아는 제 26 밸브(503a)가 개방됨으로써 제 1 분축기(5)로부터 제품 탱크(30)를 향해서 제 25 배관(503) 내를 흐른다. 이렇게 해서 제품 탱크(30)에 고순도로 정제된 암모니아가 저장된다.

도 11은 본 발명의 제 6 실시형태에 의한 암모니아 정제 시스템(600)의 구성을 나타내는 도면이다. 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(600)은 상술한 암모니아 정제 시스템(100)과 유사하고, 대응하는 부분에 대해서는 동일한 참조 부호를 붙여서 설명을 생략한다.

암모니아 정제 시스템(600)은 제 1 분축기(5) 및 제 1 흡착탑(8)이 이 순서로 직렬 접속되어서 구성된다. 또한, 암모니아 정제 시스템(600)은 원료 저장 탱크(1)로부터 조 암모니아를 기체 및 액체의 양쪽의 상태로 뽑아 내는 것이 가능하게 구성되어 있다.

원료 저장 탱크(1)와 제 1 분축기(5) 사이에는 제 27 밸브(601a) 및 제 28 밸브(601b)가 설치된 제 26 배관(601)이 접속되어 있고, 원료 저장 탱크(1)로부터 도출된 기체상의 조 암모니아는 제 27 밸브(601a) 및 제 28 밸브(601b)가 개방된 상태로 제 26 배관(601)을 통해 제 1 분축기(5)에 공급된다.

또한, 원료 저장 탱크(1)와 제 1 증발기(2) 사이에는 제 1 밸브(11a)가 설치된 제 1 배관(11)이 접속되어 있고, 원료 저장 탱크(1)로부터 도출된 액체상의 조 암모니아는 제 1 밸브(11a)가 개방된 상태로 제 1 배관(11)을 통해 제 1 증발기(2)에 공급된다. 제 1 증발기(2)에 공급된 액체상의 조 암모니아는 제 1 증발기(2)에 의해 기화된다. 제 1 증발기(2)에는 제 1 증발기(2)에 의해 기화된 기체상의 조 암모니아가 제 26 배관(601)을 향해서 흐르는 유로가 되는 제 29 밸브(602a)가 설치된 제 27 배관(602)이 접속되어 있다. 이 제 27 배관(602)은 제 26 배관(601)에 있어서의 제 27 밸브(601a)와 제 28 밸브(601b) 사이에 접속된다. 제 1 증발기(2)로부터 도출된 기체상의 조 암모니아는 제 27 밸브(601a)가 폐쇄되고, 제 28 밸브(601b) 및 제 29 밸브(602a)가 개방된 상태로 제 27 배관(602) 및 제 26 배관(601)을 통해 제 1 분축기(5)에 공급된다.

제 1 분축기(5)는 공급된 기체상의 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리함으로써 조 암모니아 중에 함유되는 휘발성이 높은 불순물(저비점 가스 및 탄소수 1∼8의 탄화수소)을 기상 성분으로서 분리 제거한다. 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 기상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물이 농축된 기상 성분은 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 6 밸브(16a)가 설치된 제 6 배관(16)을 통해 시스템 외부로 방출된다.

또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액상 성분, 즉, 휘발성이 높은 불순물의 함유량이 저감된 응축 암모니아(액체 암모니아)는 제 1 분축기(5)에 접속되는 제 5 밸브(15a)가 설치된 제 5 배관(15)을 통해 제 1 회수 탱크(6) 내에 저장된다. 또한, 제 1 분축기(5)에 의해 분리된 액체 암모니아는 제 5 밸브(15a)가 개방됨으로써 제 1 분축기(5)로부터 제 1 회수 탱크(6)를 향해서 제 5 배관(15) 내를 흐른다.

제 1 회수 탱크(6)에 저장된 액체 암모니아는 제 7 밸브(17a)가 개방된 상태로 제 7 배관(17)을 통해 제 2 증발기(7)에 공급된다. 제 1 회수 탱크(6)로부터 제 2 증발기(7)에 공급된 액체 암모니아는 제 2 증발기(7)에 의해 기화된다. 제 2 증발기(7)에 의해 기화된 기체상의 암모니아는 제 8 밸브(18a)가 개방된 상태로 제 8 배관(18)을 통해 제 1 흡착탑(8)에 공급된다.

제 1 흡착탑(8)은 제 2 증발기(7)에 의해 기화된 기체상의 암모니아에 포함되는 불순물, 즉, 제 1 분축기(5)에 의해 전부 분리 제거할 수 없었던 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거한다. 이 제 1 흡착탑(8)에는 수분에 대해서 높은 흡착능을 갖는 흡착제(예를 들면, 실리카겔, 알루미나, 제올라이트3A, 제올라이트4A, 제올라이트5A, 및 제올라이트13X 등)와, 탄화수소에 대해서 높은 흡착능을 갖는 흡착제(예를 들면, 활성탄 등)가 적층상태로 충전되어 있다.

제 1 흡착탑(8)에 있어서 불순물이 흡착 제거된 후의 기체상의 암모니아는 전축기(10)를 향해서 도출된다. 제 1 흡착탑(8)과 전축기(10) 사이에는 제 30 밸브(603a)가 설치된 제 28 배관(603)이 접속되어 있고, 제 1 흡착탑(8)으로부터 도출된 기체상의 암모니아는 제 28 배관(603)을 통해 전축기(10)에 공급된다.

전축기(10)는 제 1 흡착탑(8)으로부터 도출된 기체상의 암모니아를 액화한다. 전축기(10)에 의해 액화된 암모니아는 제품 탱크(30)를 향해서 도출된다. 전축기(10)와 제품 탱크(30) 사이에는 제 11 밸브(21a)가 설치된 제 11 배관(21)이 접속되어 있고, 전축기(10)로부터 도출된 액체상의 암모니아는 제 11 배관(21)을 통해 제품 탱크(30)에 공급된다. 이렇게 해서 제품 탱크(30)에 고순도로 정제된 암모니아가 저장된다.

상기 암모니아 정제 시스템(100,200,300,400,500)에 대해서는 수분을 흡착 제거하는 제 1 흡착탑(8), 및 탄화수소를 흡착 제거하는 제 2 흡착탑(9)을 구비하는 구성으로서 설명했다.

암모니아 중에 잔존하는 극미량의 수분을 제거할 목적으로 수분을 흡착 제거하는 제 1 흡착탑(8)을 설치할 필요가 있는 경우는 많지만, 탄화수소를 흡착 제거하는 제 2 흡착탑(9)에 대해서는 설치할 필요가 없는 경우가 많다. 예를 들면, 조 암모니아 중에 함유되는 탄화수소의 초기 농도가 낮은 경우 등에서는 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의한 분리 제거에 의해 탄화수소를 충분히 제거 가능하며, 이 경우에는 제 2 흡착탑(9)을 설치할 필요는 없다. 또한, 상술한 바와 같이, 원료의 조 암모니아 중에 있어서의 탄화수소 농도가 높은 경우라도 분축을 복수회 행함으로써 암모니아 중의 탄화수소 농도를 낮게 할 수 있으므로, 이 경우에도 제 2 흡착탑(9)을 설치할 필요는 없다. 단, 분축조작을 1회로 하고, 분축 후에 얻어지는 액체 암모니아 중에 아직 탄화수소가 불순물로서 잔존하는 경우에는 제 2 흡착탑(9)에 있어서의 탄화수소의 흡착 제거를 행함으로써 암모니아의 회수율을 저하시키지 않고 고순도의 암모니아를 얻을 수 있다.

또한, 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(100,200,300,400,500,600)에 있어서 제 2 분축기(3), 제 1 분축기(5), 제 1 흡착탑(8), 및 제 2 흡착탑(9)의 접속 순서는 아무런 제한을 받는 것은 아니다.

또한, 상기 암모니아 정제 시스템(100,200,600)에서는 제 1 회수 탱크(6)로부터 도출된 액체 암모니아를 제 2 증발기(7)에 의해 기화시킨 후, 기체상의 암모니아를 제 1 흡착탑(8)에 도입하도록 했다. 그러나, 본 실시형태의 암모니아 정제 시스템(100,200,600)에서는 제 1 회수 탱크(6)에 저장되는 액체 암모니아를 기화시키지 않고 액체 암모니아의 상태로 제 1 흡착탑(8)에 도입하도록 해도 좋다.

실시예

이하에, 본 발명을 실시예에 의거해서 더욱 상세하게 설명하지만, 본 발명은 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니다.

(실시예 1)

<원료 조 암모니아>

저비점 가스로서 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소 및 이산화탄소를, 휘발성이 높은 탄화수소로서 메탄, 에탄, 프로판, n-부탄, n-펜탄, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄을, 휘발성이 낮은 탄화수소로서 n-데칸을, 그리고 또한 수분을 각각 표 3의 농도로 포함하는 암모니아를 원료 조 암모니아로서 정제 실험을 행했다. 단, n-헥산, n-헵탄, n-옥탄, n-데칸은 원료에 첨가하고, 농도조정을 행했다.

<암모니아 정제 시스템>

도 1에 나타낸 암모니아 정제 시스템(100)을 사용했다. 제 2 분축기(3)는 분축기 본체(31)의 지름이 100mm, 길이가 500mm이며, 그 중에 냉매가 통과하는 지름 10mm의 관로(32)가 14개 배치된 셸앤튜브형의 콘덴서로 했다. 또한, 제 2 분축기(3)는 액체 배출 개구부(35)가 기체 도입 개구부(33)보다 연직방향 하방측에 배치되도록 수평으로부터 5도 기울였다. 제 1 분축기(5)는 분축기 본체(51)의 지름이 100mm, 길이가 500mm이며, 그 중에 냉매가 통과하는 지름 10mm의 관로(52)가 14개 배치된 셸앤튜브형의 콘덴서로 했다. 또한, 제 1 분축기(5)는 액체 배출 개구부(55)가 기체 도입 개구부(53)보다 연직방향 하방측에 배치되도록 수평으로부터 5도 기울였다.

제 1 흡착탑(8)은 지름 30mm, 길이 1000mm의 탑에 상류측에 제올라이트13X(F-9, 토소사제)를, 하류측에 제올라이트3A(A-3, 토소사제)를 각각 같은 체적이 되도록 충전한 것을 사용했다. 제 2 흡착탑(9)은 지름 30mm, 길이 500mm의 탑에 활성탄(쿠라레GG, 쿠라레 케미칼사제)을 충전한 것을 사용했다.

원료 저장 탱크(1)에 저장되는 액체상의 조 암모니아를 150℃로 가열된 제 1 증발기(2)에 도입함으로써 기화시켰다. 이렇게 해서 기화된 기체상의 조 암모니아를 표준상태로 매분 100mL의 속도로 제 2 분축기(3)에 도입했다. 제 2 분축기(3) 내에서의 절대압력은 0.30㎫가 되도록 했다. 또한, 제 2 분축기(3)에 있어서 관로(32)에는 -15℃의 칠러 워터를 순환시켰다. 이렇게 구성된 제 2 분축기(3)에 있어서 암모니아의 5%를 응축시키고, 응축된 응축 암모니아는 액체 배출 개구부(35)로부터 신속하게 배출시켰다.

제 1 분축기(5) 내에서의 절대압력은 0.20㎫가 되도록 했다. 또한, 제 1 분축기(5)에 있어서 관로(52)에는 -30℃의 칠러 워터를 순환시켰다. 이렇게 구성된 제 1 분축기(5)에 있어서 암모니아의 95%를 응축시키고, 응축된 응축 암모니아는 액체 배출 개구부(35)로부터 신속하게 도출시켰다.

제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 액상 성분으로서 얻어진 응축 암모니아를 150℃로 가열된 제 2 증발기(7)에 도입함으로써 기화시켰다. 이렇게 하여 기화된 기체상의 암모니아를 절대압력 0.6㎫로 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)으로 안내했다. 통기속도는 표준상태로 매분 90mL로 했다.

<실험 결과>

제 2 분축기(3)에 대한 기체상의 조 암모니아의 도입 개시부터 2시간 후에는 제 2 분축기(3) 및 제 1 분축기(5)가 정상상태가 되었다. 제 2 분축기(3)에 대한 기체상의 조 암모니아의 도입 개시부터 5시간 후에 있어서의 제 2 분축기(3)로부터 도출되는 응축액(액상 성분), 제 2 분축기(3)로부터 도출되는 미응축 기체(기상 성분), 제 1 분축기(5)로부터 도출되는 응축액(액상 성분), 제 1 흡착탑(8)의 출구, 및 제 2 흡착탑(9)의 출구의 불순물 농도(mol-ppm)를 분석했다. 분석 결과를 표 3에 나타낸다. 또한 분석 장치는 탄화수소류용으로서 GC-FID(GC-2014, Shimadzu Corporation제), 수분용으로서 캐비티링 다운 분광 분석 장치(HALO, Tiger Optics사제)을 사용했다.

표 3의 분석 결과로부터 명백한 바와 같이, 원료 조 암모니아에 비해 제 2 분축기(3)로부터 도출되는 미응축 기체 중에 있어서의 수분농도는 저감되어 있다. 이것으로부터 제 2 분축기(3)에 있어서의 분축에 의해 수분 및 탄소수 9 이상의 탄화수소를 액상 성분으로서 분리 제거할 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 원료 조 암모니아에 비해 제 1 분축기(5)로부터 도출되는 응축액 중에 있어서의 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 탄소수 1∼8의 탄화수소의 농도는 저감되어 있다. 이것으로부터 제 1 분축기(5)에 있어서의 분축에 의해 저비점 가스 및 탄소수 1∼8의 탄화수소를 기상 성분으로서 분리 제거할 수 있는 것을 알 수 있다.

또한, 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)의 출구에 있어서의 불순물 농도는 원료 조 암모니아에 비해 충분히 저감된 것으로 되어 있다. 이것으로부터 제 1 흡착탑(8) 및 제 2 흡착탑(9)을 구비하는 구성으로 함으로써, 보다 고순도의 암모니아를 얻을 수 있는 것을 알 수 있다.

본 발명은 그 정신 또는 주요한 특징으로부터 일탈하지 않고 다른 여러가지의 형태로 실시할 수 있다. 따라서, 상술의 실시형태는 모든 점에서 단순한 예시에 지나지 않고, 본 발명의 범위는 청구의 범위에 나타내는 것이며, 명세서 본문에는 조금도 구속되지 않는다. 또한, 청구의 범위에 속하는 변형이나 변경은 모두 본 발명의 범위내의 것이다.

1: 원료 저장 탱크 2: 제 1 증발기
3: 제 2 분축기 4: 제 2 회수 탱크
5: 제 1 분축기 6: 제 1 회수 탱크
7: 제 2 증발기 8: 제 1 흡착탑
9: 제 2 흡착탑 10: 전축기
30: 제품 탱크
100,200,300,400,500,600: 암모니아 정제 시스템
201: 제 3 분축기

Claims (20)

1. 불순물이 함유되는 조 암모니아를 정제하는 방법으로서,
   상기 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 상기 조 암모니아 중에 함유되는 불순물을 기상 성분 또는 액상 성분으로서 분리 제거하는 분축 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 분축 공정은 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 탄소수 1∼8의 탄화수소를 기상 성분으로서 분리 제거하는 제 1 분축 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 분축 공정은 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수분 및 탄소수 9 이상의 탄화수소를 액상 성분으로서 분리 제거하는 제 2 분축 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
4. 제 3 항에 있어서,
   상기 분축 공정에 있어서 상기 제 1 분축 공정은 상기 제 2 분축 공정의 후공정인 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
5. 제 2 항에 있어서,
   상기 분축 공정은 상기 제 1 분축 공정에 있어서 조 암모니아를 분축함으로써 얻어진 액상 성분을 기화하고, 그 기화된 기화물을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 상기 기화물 중에 함유되는 암모니아에 대한 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거하는 제 3 분축 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
6. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 분축 공정은 조 암모니아를 분축하는 분축단계를 복수 포함하고, 후단의 분축단계로 됨에 따라 낮은 온도 하에서 조 암모니아를 분축하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
7. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 분축 공정에서는 -77∼50℃의 온도 하에서 조 암모니아를 분축하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
8. 제 2 항에 있어서,
   상기 제 1 분축 공정에서는 0.007∼2㎫의 절대압력 하에서 조 암모니아를 분축하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
9. 제 1 항에 있어서,
   상기 조 암모니아에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 흡착 제거 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
10. 제 9 항에 있어서,
    상기 흡착 제거 공정은 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수분을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 제 1 흡착 제거 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
11. 제 9 항에 있어서,
    상기 흡착 제거 공정은 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 탄화수소를 흡착제에 의해 흡착 제거하는 제 2 흡착 제거 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
12. 제 9 항에 있어서,
    상기 흡착 제거 공정은 상기 분축 공정의 전공정 또는 후공정인 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
13. 제 4 항에 있어서,
    상기 조 암모니아에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 흡착 제거 공정을 포함하고,
    상기 흡착 제거 공정은 상기 제 2 분축 공정과 상기 제 1 분축 공정 사이의 공정인 것을 특징으로 하는 암모니아의 정제 방법.
14. 불순물이 함유되는 조 암모니아를 정제하는 암모니아 정제 시스템으로서,
    상기 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 상기 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수소, 질소, 산소, 아르곤, 일산화탄소, 이산화탄소, 및 탄소수 1∼8의 탄화수소를 기상 성분으로서 분리 제거하는 제 1 분축부와,
    상기 조 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 상기 조 암모니아 중에 불순물로서 함유되는 수분 및 탄소수 9 이상의 탄화수소를 액상 성분으로서 분리 제거하는 제 2 분축부를 구비하는 것을 특징으로 하는 암모니아 정제 시스템.
15. 제 14 항에 있어서,
    상기 조 암모니아에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 흡착 제거부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 암모니아 정제 시스템.
16. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 분축부, 상기 제 1 분축부 및 상기 흡착 제거부가 이 순서로 직렬 접속되고,
    상기 제 1 분축부는 상기 제 2 분축부에 의해 분리된 기상 성분을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고,
    상기 흡착 제거부는 상기 제 1 분축부에 의해 분리된 액상 성분에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하는 것을 특징으로 하는 암모니아 정제 시스템.
17. 제 15 항에 있어서,
    상기 제 2 분축부, 상기 흡착 제거부 및 상기 제 1 분축부가 이 순서로 직렬 접속되고,
    상기 흡착 제거부는 상기 제 2 분축부에 의해 분리된 기상 성분에 함유되는 불순물을 흡착제에 의해 흡착 제거하고,
    상기 제 1 분축부는 상기 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 암모니아를 분축하는 것을 특징으로 하는 암모니아 정제 시스템.
18. 제 16 항에 있어서,
    상기 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 후의 암모니아를 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하고, 불순물을 기상 성분으로서 분리 제거하는 제 3 분축부를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 암모니아 정제 시스템.
19. 제 15 항에 있어서,
    상기 흡착 제거부 및 상기 제 1 분축부가 이 순서로 직렬 접속되고,
    상기 제 1 분축부는 상기 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 암모니아를 분축하는 것을 특징으로 하는 암모니아 정제 시스템.
20. 제 15 항에 있어서,
    상기 흡착 제거부, 상기 제 2 분축부 및 상기 제 1 분축부가 이 순서로 직렬 접속되고,
    상기 제 2 분축부는 상기 흡착 제거부에 의해 불순물이 흡착 제거된 암모니아를 분축하고,
    상기 제 1 분축부는 상기 제 2 분축부에 의해 분리된 기상 성분을 분축해서 기상 성분과 액상 성분으로 분리하는 것을 특징으로 하는 암모니아 정제 시스템.
    

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