KR20230148737A - 산소 제거 장치 - Google Patents

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KR20230148737A
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아키히로 토우
타카히로 시마다
코지 이노우에
히토미 하기와라
마유 이와사키
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가부시키가이샤 세이부 기켄
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Abstract

압력 손실을 저감시키고, 큰 풍량의 가스를 연속적으로 처리할 수 있으며, 간이한 구조이고 저비용인 산소 제거 장치를 제공한다.
본 발명의 산소 제거 장치는, 촉매·흡착 방식에서 이용하는 흡착탑 내에, 촉매·흡착제 펠릿 등을 충전하는 것이 아니라, 촉매 또는 흡착제와 같은 산소 또는 질소를 분리 가능한 가스 분리 부재를 담지한 허니콤체로 하고, 처리 조작에서는 처리 가스를 허니콤체에 통풍하여, 처리 가스 중의 산소 또는 질소를 제거하며, 재생 조작에서는 재생 가스를 통풍함으로써, 허니콤체를 재생하는 것을 특징으로 함으로써, 압력 손실을 저감시키고, 큰 풍량에 대응할 수 있도록 했다.

Description

산소 제거 장치{OXYGEN REMOVING DEVICE}
본 발명은, 산소 또는 질소를 분리 가능한 가스 분리 부재를 이용한 산소 제거 장치에 관한 것이다.
산소 제거 농축 기술로서, PSA(압력 스윙 흡착: Pressure Swing Adsorption) 방식, 막 분리 방식, 심랭(深冷) 분리 방식, 촉매·흡착 방식 등이 알려져 있다. PSA 방식, 막 분리 방식, 심랭 분리 방식의 원리는, 각각 압력에 의한 흡착제의 흡착 속도, 기체의 막 통과 속도, 기체의 비점의 차를 이용하여 기체를 분리한다. 촉매·흡착 방식은, 촉매나 흡착제 등의 펠릿을 충전한 흡착탑이 흡착(정제)과 재생을 반복함으로써 산소를 선택적으로 제거하는 것이다.
특허문헌 1에는, PSA 방식에 의한 산소 농축 장치가 개시되어 있다. 즉, 질소 가스를 선택적으로 흡착하는 제올라이트 등의 흡착제를 충전한 흡착통으로 가압한 공기를 도입하고, 공기 중에 포함되는 질소 가스를 흡착제에 의하여 흡착하며, 선택적으로 제거하여 공기 중의 산소 농도를 높이고, 한편, 흡착통 내를 감압함으로써, 산소 농축이 완료된 후의 흡착제에 흡착된 질소 가스를 탈착시켜 흡착제의 흡착능을 회복시키는 것을 특징으로 한다.
또, 특허문헌 2에는, 분리막을 사용한 산소 분리 장치가 개시되어 있다. 즉, 공기로부터 농축된 산소 가스를 얻기 위하여, 산소 가스를 선택적으로 투과하는 분리막을 사용하여, 투과 속도가 빠른 산소와 느린 질소를 분리하는 것을 특징으로 한다.
또한, 특허문헌 3에는, 촉매·흡착 방식에 의하여 글로브 박스 내의 산소나 수분 등을 제거하는 불활성 가스 순환 정제 장치 부착 글로브 박스가 개시되어 있다. 즉, 글로브 박스 내의 불활성 가스의 분위기를 일정하게 유지하여, 효율적으로 산소와 수분을 제거하기 위하여, 가스 중의 산소를 제거하는 금속 촉매를 충전한 금속 촉매 충전부와, 가스 중의 수분을 흡착 제거하는 몰레큘러 시브의 건조제를 충전한 건조제 충전부로 구성되는 흡착탑에 의하여, 산소 및 수분을 제거한 순환 가스를 공급하도록 구성하고, 글로브 박스 내의 가스를 순환 펌프로 흡출하며, 흡착탑 내를 통과 중에 산소와 수분을 제거하고 다시 글로브 박스로 되돌려, 가스 순환을 행한다.
일본 공개특허공보 2006-87683호 일본 공개특허공보 2010-184844호 일본 특허공보 5676521호 일본 공개특허공보 2019-52835호 일본 공개특허공보 2020-193765호
PSA 방식, 막 분리 방식, 심랭 분리 방식에서는, 단속적(斷續的)인 운전이 되기 때문에, 정제된 질소를 저장하기 위한 버퍼 탱크를 필요로 한다. 또한 질소 사용량은 버퍼 탱크 용량의 제한을 받는다. 또, PSA 방식에서는, 공기의 가감압을 펌프나 컴프레서 등에 의하여 행하기 때문에, 가압과 감압을 반복함으로써, 장치 내부에서 동작음이 발생한다는 문제가 있다. 또, PSA 방식에서는, 얻어지는 산소 농도가 가압하는 공기의 압력에 크게 의존하기 때문에, 고산소 농도 가스를 얻기 위하여, 펌프나 컴프레서 등의 가압 능력을 높이면, 대형화하거나, 많은 전력을 소비하거나, 고부하 상태에서의 운전에 따른 단수명으로 이어진다는 문제도 있다.
막 분리 방식에서는, 공기 중의 산소 가스를 고농도로 농축할 수 없다는 문제를 갖고 있다. 심랭 분리 방식에 있어서도, 극저온까지의 냉각이 필요하기 때문에, 설비가 커진다는, 기동에 시간이 걸린다는 결점이 있다. 또한, 질소를 생성하는 산소 제거의 목적의 경우에는, 불활성 가스로서의 질소는, 봄베에 들어간 것, 액화 질소를 기화한 것, 혹은 PSA 방식, 막 분리 방식이나 심랭 분리 방식에 의하여 공기로부터 산소를 제거한 질소이더라도, 가스의 가격이 높고, 불활성 가스로서 산소를 제거한 질소를 이용하는 경우에는, 그 비용을 삭감하는 것이 과제이다.
촉매·흡착 방식을 이용한 특허문헌 3과 같은 글로브 박스에 있어서, 산소 제거와 수분 제거가 직렬 칼럼에서 행해지기 때문에, 수분 제거 능력 율속에서의 기기 선정이 행해지고 있고, 산소와 수분에서는 정제 속도가 상이하여, 산소의 제거와 비교하여 수분의 제거에 매우 시간이 걸리기 때문에, 동시에 제거하는 것은 어렵다는 과제가 있었다. 또, 보수 등에 의한 휴지 중에 부수하여, 산소 제거와 수분 제거를 동시에 행하는 불활성 가스 정제 장치도 정지하기 때문에, 재차, 글로브 박스 내를 저노점(露点)의 불활성 가스 환경으로 되돌리기 위한 시간이 과도하게 걸린다는 문제가 있다. 이와 같이, 산소 제거를 불활성 가스 공급의 목적으로 행하고, 수분 제거도 동시에 행하는 경우, 종래의 기술에서는 글로브 박스나 드라이 룸 내에 있어서 제조 장치의 메인터넌스나 조정 등을 행하는 경우, 저노점의 불활성 가스 환경을 대기 환경으로 되돌리는 대기 브레이크 후, 불활성 가스 환경으로 되돌릴 때까지의 복귀 시간이 길어져, 이에 따라 제조 장치의 라인 기동에도 시간이 걸리고 있었다.
그래서, 발명자들은, 보관 공간 내를 저노점, 저활성 가스 농도로 청정하게 유지할 필요가 있는, 리튬 이온 배터리 재료 등을 개발하기 위하여 이용하는 글로브 박스 등의 수납 용기나 드라이 룸에 대해서도 이용할 수 있는, 불활성 가스 정제 장치와 저노점 가스 공급 장치를 개발해 왔다. 예를 들면, 특허문헌 4에 개시된 가스 치환용 드라이 룸은, 건조 공기 공급 장치로부터의 건조 공기를 순환시킨 건조실의 내부에, OLED의 제조나 연구 개발에 이용하는 제조 장치를 격납하는 기밀 용기를 마련하고, 이 기밀 용기에 불활성 가스 및 저노점 가스를 공급하도록 되어 있다. 또, 기밀 용기의 순환로에 불활성 가스 정제 장치와 저노점 가스 공급 장치를 분할하여 직렬로 배치하며, 그 순환로와 분리된 순환로를 별도 마련하고, 서로 독립적으로 제어하도록 했기 때문에, 수분 제거 성능과 산소 제거 성능을 개별적으로 조정할 수 있다. 또한, 대기 브레이크 중에 별도 마련한 순환로를 순환시킴으로써, 기밀 용기의 대기 브레이크 후의 대기 환경으로부터 불활성 가스 환경으로 되돌리는 복귀 시간을 큰 폭으로 단축할 수 있다. 불활성 가스의 공급을 정지한 상태에서, 저노점 가스의 공급을 유지할 수 있기 때문에, 대기 브레이크의 후에도 신속하게 기밀 부스 내의 노점은 낮은 상태에 도달한다. 특허문헌 4에 개시된 가스 치환용 드라이 룸에서는, 저노점 가스 공급 장치로서 수분 제거에 데시컨트 제습기를 이용하고 있으며, 로터는 허니콤상이기 때문에 표면적이 넓고, 저압손이며, 또한 허니콤의 벽은 매우 얇고 흡착 수분의 확산이 빠르기 때문에, 허니콤 엘리먼트 전체에 있어서 순간적으로 흡탈착이 행해지기 때문에, 드라이 룸 내의 소정의 수분 농도로의 도달 시간이 큰 폭으로 단축된다.
또, 특허문헌 5에 개시된 가스 치환용 드라이 룸에서는, 특허문헌 4에 기재된 기밀 용기를 덮는 건조실 및 건조실 내부에 건조 공기를 공급 순환시키기 위한 건조 공기 공급 장치를 생략하고, 저노점 가스 공급 장치 및 불활성 가스 정제 장치를 접속하여 일체형으로서 구성한 것이며, 특허문헌 4에 기재된 가스 치환용 드라이 룸에 비하여, 장치의 간편화, 공간 절약화, 운전 방법의 간소화를 목표로 한 것이다. 이로써, 저노점 가스 공급 장치(데시컨트 제습기)와 불활성 가스 정제 장치(질소 정제기)를 접속하여, 일체형의 장치로 함으로써, 특허문헌 4에 비하여 공간 절약인 가스 치환 시스템으로 하는 것이 가능해져, 배관이나 설치 공사 등에 드는 이니셜 코스트를 억제하는 것이 가능해진다.
그러나, 특허문헌 3뿐만 아니라, 특허문헌 4 및 특허문헌 5에 있어서도, 불활성 가스 정제 장치는 니켈 촉매나 구리 촉매, 백금 촉매 등의 금속 촉매 펠릿 등을 흡착탑에 충전하고, 처리 가스 중의 산소와 촉매를 반응시켜 산소 제거를 행하고 있다. 이 촉매·흡착 방식은, 복수의 흡착탑을 마련함으로써 연속 운전을 가능하게 하지만, 흡착탑에 촉매·흡착제 펠릿 등을 충전하는 것에 의한 대폭적인 압력 손실의 증대에 의하여, 큰 풍량에 대응하는 것이 어렵다는 과제가 있다. 또한 높은 압력 손실이 초래되어, 촉매·흡착제 펠릿 등의 재생 운전 시에 발생하는 수분의 배출에 시간을 필요로 하는 점에서, 진공 펌프 등으로 수분의 배출을 촉진하는 기구를 구비할 필요가 있어, 본래의 산소 제거 시스템 이외에 비용이 추가된다는 과제가 있다. 또, 가스 흐름에 의하여 입자가 유동하여 입자가 마멸, 파손되어 분진의 발생이나 충전층의 부분 폐색에 의한 압력 손실의 상승 등의 문제의 원인이 될 수 있다. 또한, 펠릿상이 아닌, 입상(粒狀)의 것을 이용하는 경우에는, 입자를 작게 하여 처리 가스와의 접촉 면적을 많게 하는 것이 고성능화나 소형화의 점에서 유리하지만, 입자가 작아질수록 압력 손실이 과제가 되어, 가스 흐름에 의한 촉매나 흡착제의 유동도 야기하기 쉽고, 설계가 곤란해지며, 또 대형의 장치에 적용하는 것은 곤란하다.
본 발명은 이상과 같은 과제를 해결하기 위하여, 촉매·흡착 방식에서 이용하는 흡착탑 내에, 촉매·흡착제 펠릿 등을 충전하는 것이 아니라, 촉매 또는 흡착제와 같은 산소 또는 질소를 분리 가능한 가스 분리 부재를 담지한 허니콤체로 함으로써 압력 손실을 저감시키고, 큰 풍량에 대응할 수 있도록 한 것을 주된 특징으로 한다.
본 발명의 산소 제거 장치에 의하면, 촉매·흡착 방식에서 이용하는 흡착탑 내에 충전한 촉매·흡착제 펠릿 등이 아닌 허니콤체로 함으로써 압력 손실을 큰 폭으로 저감시키고, 큰 풍량에 대응할 수 있다. 즉, 산소를 제거한 가스를 큰 풍량으로 공급하는 것이 가능하다. 또, 허니콤체에 담지하는 촉매 또는 흡착제의 양을, 펠릿 등을 이용하는 경우에 비하여 저감시킬 수 있기 때문에, 허니콤체를 이용하면 보다 적은 촉매·흡착제 사용량으로, 보다 낮은 압력 손실을 실현할 수 있고, 또한 펠릿 등과 동일한 성능을 발휘할 수 있다. 즉, 허니콤체에 촉매 또는 흡착제를 담지함으로써, 펠릿 등에 비하여 고효율로 촉매 또는 흡착제를 이용할 수 있다.
또한, 재생 운전 시에 발생하는 수분은 감압 등의 조작이 불필요하고, 컴프레서나 진공 펌프 등의 가감압 수단을 이용하지 않아도 가스 치환(재생 조작에 있어서의 가스의 유통)에 의하여 배출이 가능해지기 때문에, 시스템 전체의 부품이나 부재 성능을 저감시킬 수 있다. 또, 간이한 구성에 의하여, 산소 제거 장치의 소형화가 가능하고, 소비 전력도 작게 할 수 있다는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 산소 제거 장치에 있어서의 처리 조작과 재생 조작을 교대로 행하는 경우의 플로의 일례이다.
도 2는 본 발명의 산소 제거 장치에 있어서의 처리 조작 및 재생 조작을 동시에 연속적으로 행하는 플로의 일례이다.
도 3은 본 발명의 산소 제거 장치에 있어서의 흡착탑의 높이를 정렬한 펠릿 충전층과 허니콤체의 압력 손실의 비교를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 산소 제거 장치에 있어서, 허니콤체를 허니콤 로터로서 적용하는 경우의 모식도이며, 도 4의 (A)는 허니콤체를 원기둥(로터)상으로 권취하여 제작한 원반형 로터, 도 4의 (B)는 선형의 블록으로서 조립한 경우의 원반형 로터이다.
도 5는 본 발명의 산소 제거 장치에 있어서, 허니콤체를 선형의 블록으로 하여 원통형 로터에 조립하여, 허니콤 로터로서 적용하는 경우의 모식도이다.
도 6은 본 발명의 산소 제거 장치의 실시예 1에 있어서의 폐쇄계 유로를 도입한 부스 내 가스의 플로와 산소 제거 실험 결과를 나타내는 그래프이다.
이하에 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 본 발명은 이하의 실시형태 및 도면에 대하여 한정되는 것은 아니다.
도 1은 본 발명의 산소 제거 장치에 있어서의 처리 조작과 재생 조작을 교대로 행하는 경우의 플로의 일례이다. 흡착탑(5, 6)에는 각각 허니콤체(7, 8)가 충전되어 있다. 허니콤체(7, 8)에는 처리 가스(2) 중의 산소 또는 질소를 분리 가능한 가스 분리 부재를 바인더 등을 이용하여 담지하고 있다. 처리 조작은, 처리 가스(2)를 허니콤체(7, 8)에 통과시켜 행하고, 재생 조작은 재생 가스(1)를 이용하여 행한다. 가스 유로의 전환 조작은, 예를 들면 밸브(9~16)를 이용하여 행한다.
처리 조작에 있어서, 밸브(9, 11)를 폐쇄하고, 밸브(10, 12, 13, 14, 15, 16)를 개방한다. 처리 가스(2)를, 흡착탑(5)에 충전한 허니콤체(7) 및 흡착탑(6)에 충전한 허니콤체(8)를 통과시킴으로써, 허니콤체(7 및 8)에 담지된 가스 분리 부재가 처리 가스(2) 중의 산소 또는 질소를 제거하여, 허니콤체 통과 가스(4)가 된다. 허니콤체 통과 가스(4)는, 처리 가스(2)가 예를 들면 공기인 경우는, 산소가 제거되면 산소 빈화(貧化) 공기(질소 부화(富化) 공기)가 되고, 질소가 제거되면 산소 부화 공기가 된다.
한편, 재생 조작에서는, 밸브(10, 12)를 폐쇄하고, 밸브(9, 11, 13, 14, 15, 16)를 개방한다. 재생 가스(1)를, 흡착탑(5)에 충전한 허니콤체(7) 및 흡착탑(6)에 충전한 허니콤체(8)를 통과시킴으로써, 허니콤체(7 및 8)에 담지된 가스 분리 부재가 재생되어, 배기(3)로서 배출된다. 재생 가스(1)가 예를 들면 공기이며, 가스 분리 부재가 활성탄이나 제올라이트 등의 흡착제인 경우, 처리 조작에 있어서 산소가 제거되면 배기(3)는 산소가 탈착되어 산소 부화 공기가 되고, 처리 조작에 있어서 질소가 흡착 제거되면 질소가 탈착되기 때문에 질소 부화 공기가 된다.
이와 같이, 도 1의 플로에서는, 흡착탑(5, 6)에 처리 가스(2) 또는 재생 가스(1)의 일방을 흘려보내, 처리 조작과 재생 조작을 교대로 행한다. 또한, 도 1에서는 흡착탑을 2개 마련했지만, 1개여도 되고 복수 마련하도록 해도 된다.
도 2에서는 처리 조작 및 재생 조작을 동시에 연속적으로 행하는 구성으로 한다. 처리 조작에 있어서, 밸브(10, 12, 13, 14)를 개방한다. 처리 가스(2)를, 흡착탑(5)에 충전한 허니콤체(7)를 통과시킴으로써, 허니콤체(7)에 담지된 가스 분리 부재가 처리 가스(2) 중의 산소 또는 질소를 제거하여, 허니콤체 통과 가스(4)가 된다. 한편, 동시에 다른 일방의 흡착탑(6)에서는 재생 조작을 행한다. 재생 조작에서는, 밸브(9, 11, 18, 20)를 개방한다. 재생 가스(1)를, 흡착탑(6)에 충전한 허니콤체(8)를 통과시킴으로써, 허니콤체(8)에 담지된 가스 분리 부재가 재생되고, 탈리된 산소 또는 질소는 배기(3)로서 배출된다. 이와 같이, 흡착탑(5)에서는 처리 조작, 흡착탑(6)에서는 재생 조작이 행해지고 있는 경우, 밸브(15, 16, 17, 19)는 폐쇄된 상태가 된다. 반대로, 처리 조작과 재생 조작이 전환되고, 흡착탑(5)에서는 재생 조작, 흡착탑(6)에서는 처리 조작이 행해지고 있는 경우, 밸브(13, 14, 18, 20)는 폐쇄되며, 그 외의 밸브는 개방된 상태가 된다.
이와 같이, 도 2의 실시형태에서는 2개의 흡착탑을 병렬로 설치하고(2탑식), 일방의 흡착탑에는 재생 가스(1)를 흘려보내 허니콤체를 재생하고 있는 동안, 다른 일방의 흡착탑에 처리 가스(2)를 흘려보내 산소 또는 질소 제거를 행한다. 또한, 흡착탑 2개에 한정하는 것은 아니고, 복수 마련하도록 해도 된다. 도 1에 예를 들면 사방 밸브와 같은 유로 전환 밸브 등을 이용하여, 도 2와 같이 연속적으로 처리 조작 및 재생 조작을 동시에 행하는 구성으로 해도 된다.
허니콤체에 담지한 가스 분리 부재는, 산소 제거를 행하기 때문에, 산소를 흡착하는 흡착제, 산소를 제거하는 촉매, 질소를 흡착하는 흡착제 중, 적어도 하나를 이용하도록 해도 된다. 산소 또는 질소를 흡착하는 흡착제로서, 제올라이트나 활성탄, 실리카 젤, 메소포러스 실리카 등을 들 수 있다. 산소를 제거하는 촉매를 이용하는 경우에는, 천이 금속 원소로서 망가니즈, 철, 코발트, 니켈, 구리, 백금족 원소로서 팔라듐, 로듐, 루테늄, 백금, 그 이외의 것으로서 금속 간 화합물이나 복합 금속 산화물(예를 들면, LaMnO3, LaFeO3, NiMn2O4 등)이나, 이들의 혼합물 등을 이용한다.
허니콤체에 가스 분리 부재를 담지하는 경우에는, 가스 분리 부재의 성질에 따라, 적절히 바인더나 제법을 선정·조제하며, 예를 들면 가스 분리 부재와 바인더를 포함하는 슬러리 중에 허니콤체를 침지 담지한다. 혹은, 가스 분리 부재를 혼초(混抄) 또는 접착 코팅한 시트를 코루게이트하여 허니콤 가공하도록 해도 되고, 가스 분리 부재를 포함하는 점토를 엠보싱하여 허니콤체를 형성하도록 해도 된다.
함침법이나 코트법으로 제작되는 허니콤체는, 세라믹 섬유지나 유리 섬유지 등의 무기성 및/또는 불연성 시트, 금속 시트, 플라스틱 시트, 내열 섬유 부직포 등의 시트를 코루게이트(물결) 가공하고, 블록상으로 적층 또는 원기둥(로터)상으로 권취 가공한 것이다. 허니콤체의 단면의 형상은, 골판지의 단면과 같은 파형에 한정되지 않고, 삼각형이나 사다리꼴, 육각형 등, 가스가 통풍하는 데 문제 없는 형상이면 특별히 상관없다. 허니콤체는 접촉 면적이 넓어도, 압력 손실이 낮고, 경량이면서 강도가 높기 때문에, 대형화가 용이하다는 장점이 있다. 허니콤체는 흡착탑에 충전되기 때문에, 허니콤 단면에 가스가 통기하도록, 적절히 블록상 또는 원기둥상 등의 형상으로 가공한다.
도 3은 본 발명의 산소 제거 장치에 있어서의 흡착탑의 높이를 정렬한 펠릿 충전층과 허니콤체의 압력 손실의 비교를 나타내는 그래프이다. 펠릿 충전층은, 일정한 면 풍속을 초과하는 가스 풍량에 있어서 압력 손실이 급격하게 증가한다. 따라서, 펠릿 충전층에서 큰 풍량을 처리하기 위해서는, 송풍기 등의 출력을 높이는 등의 고안이 필요하다. 펠릿 충전층에서 급격하게 압력 손실이 상승하는 면 풍속의 영역에서는, 허니콤체의 압력 손실은 급격하게 상승하지 않고, 낮은 값을 유지한다. 따라서, 허니콤체는 큰 풍량의 처리를 가능하게 하는 능력을 갖는 것을 나타낸다.
흡착탑의 높이를 정렬한 펠릿 충전층과 허니콤체의 압력 손실을 비교하면, 예를 들면 면속 1m/s의 허니콤체의 압력 손실은, 펠릿 충전층의 압력 손실의 4분의 1까지 저감된다. 예를 들면, 이 그래프에 이용한 촉매의 경우, 촉매 담지 허니콤체는 촉매 펠릿의 약 30% 정도의 촉매 중량으로 제작할 수 있으며, 촉매 펠릿과 동일한 체적을 갖는 촉매 담지 허니콤체의 산소 제거 성능은, 재생 시에 감압 등의 수분의 배출 조작 없이, 100ppm의 산소를 99% 이상 제거할 수 있는 성능을 발휘한다.
또한, 도 1 및 도 2의 플로에 있어서, 가스 유로는 처리 조작 및 재생 조작의 플로에만 한정되지 않고, 퍼지 조작을 포함시키는 등 복수의 유로로 구성되도록 해도 된다. 처리 온도나 재생 온도에 따라 가스를 냉각 또는 가열하거나, 허니콤체 또는 흡착탑 자체, 유로 전체를 냉각 또는 가열하도록 해도 된다. 또, 밸브에 대해서는, 이에 한정되는 것은 아니고, 댐퍼나 VAV(Variable Air Volume) 등의 풍량 조정 장치를 이용해도 된다.
허니콤체를 단순히 흡착탑에 충전하는 것이 아니라, 도 4 및 도 5에 나타내는 바와 같이, 허니콤 로터로서, 적어도 처리존(23) 및 재생존(24)을 갖고, 처리존(23)에는 처리 가스(2)를 통풍함으로써 처리 가스 중의 산소 또는 질소를 제거하며, 재생존(24)에는 가열한 재생 가스(1)를 통풍하거나 및/또는 허니콤체로서의 허니콤 로터를 가열함으로써, 허니콤체를 재생하도록 해도 된다.
허니콤 로터의 형태로서, 도 4의 (A)와 같이 허니콤체를 원기둥(로터)상으로 권취하여 제작하여 원반형 로터(22)로 하거나, 도 4의 (B)와 같이 선형의 블록(25)으로서 조립하여, 원반형 로터(22)로 하고, 둘레 방향에 직교하는 방향으로 가스를 통기한다. 혹은, 도 5와 같이 허니콤체를 선형의 블록(25)으로 하여, 원기둥상의 프레임에 세팅하여 원통형 로터(26)에 조립하고, 외주 방향으로부터 내주 방향으로 가스를 통기하도록 해도 된다. 어쨌든, 적어도 처리존(23)과 재생존(24)으로 분할 시일한 장치 내에 허니콤 로터를 설치하여, 연속 회전시킨다. 이로써, 연속적으로 산소 제거가 가능해진다. 또한, 필요에 따라, 퍼지존 등 그 외의 존을 마련하도록 해도 된다.
실시예 1
이하, 본 발명의 산소 제거 장치의 실시예 1에 대하여 도 6을 따라 설명한다. 실시예 1에서는, 특허문헌 4나 특허문헌 5와 같이, 부스 내를 저노점의 불활성 가스 환경에서 청정하게 유지할 필요가 있는, 디스플레이나 전지 제조의 드라이 룸을 상정했다. 제조 장치의 메인터넌스나 조정 등을 행한 후, 대기 환경으로부터 저노점의 불활성 가스 환경으로 하는 경우에, 먼저 비교적 대량의 질소를 공급하여 부스(21) 내의 대기를 질소로 치환하는 질소 치환 운전을 행하고, 부스 내의 산소 농도가 예를 들면 100ppm이 된 경우에, 본 발명의 산소 제거 장치에 의한 산소 제거 운전을 개시한다.
도 6의 플로도는, 기본적으로 도 1에 나타난 것과 동일하지만, 부스(21)를 포함하는 폐쇄계 유로를 구성하고 있으며, 도 1에 있어서의 허니콤체 통과 가스(4)는 급기(SA)로서 부스(21)에 공급되고, 처리 가스(2)에는 부스(21)로부터의 환기(RA)가 이용된다. 도 6에 나타내는 그래프는, 이 플로에 있어서의 처리(산소 제거) 조작 시의 부스(21) 내의 산소 농도의 변화를 나타내는 그래프이다. 이 그래프에 의하면, 부스(21) 내의 가스를 RA, 즉 처리 가스로서 촉매를 담지한 허니콤체(7 또는/및 8)에 통과시키도록 통과 유로를 전환함으로써, 큰 풍량(부스(21) 용적은 43m3였다)의 100ppm의 산소를 99% 이상 제거할 수 있는 성능을 갖는 것을 나타냈다.
실시예 1에서는, 금속 촉매에 구리가 포함되어 있는 촉매를 바인더에 의하여 담지한 허니콤체를 이용했다. 다음 식과 같이, 실시예 1에 있어서의 처리 조작에서는, 구리가 산소와 반응하여 산화되어, 산화 구리가 됨으로써 산소가 제거된다.
２Ｃｕ＋Ｏ２→２ＣｕＯ
한편, 재생 조작에 있어서는, 재생(환원) 가스(1)로서 수소를 허니콤체에 유통하여 촉매를 환원했다. 이 경우, 다음 식과 같이, 산화 구리가 수소와 반응하여 환원되어, 수분이 배출된다. 또한, 이 수분은 촉매 펠릿 충전층을 이용하는 경우는, 높은 압력 손실이 초래되어, 촉매 펠릿의 재생 운전 시에 발생하는 수분의 배출에 시간을 필요로 하기 때문에, 진공 펌프 등으로 수분의 배출을 촉진하는 기구를 마련할 필요가 있다. 그러나, 본 발명에서는, 허니콤체를 이용함으로써, 압력 손실이 큰 폭으로 저감되기 때문에, 수분의 배출을 촉진하는 감압 등의 조작이 불필요하고, 재생 가스를 흘려보내는 것만으로 발생한 수분의 배출이 가능해지기 때문에, 시스템 전체의 부품이나 부재를 저감시킬 수 있다.
２ＣｕＯ＋Ｈ２→２Ｃｕ＋Ｈ２Ｏ
실시예 1에서는 부스 내의 산소 농도가 100ppm으로 매우 저농도가 되었을 때에, 허니콤체에 의한 산소 제거를 개시했지만, 이것에 한정하는 것은 아니고, 허니콤체에 담지하는 촉매나 흡착제에 의하여, 예를 들면 공기 중의 21%의 산소를 제거하도록 해도 되며, 다른 농도여도 된다.
이상과 같이, 본 발명의 산소 제거 장치는, 질소 정제기(불활성 가스 정제 장치)로서 제습기(저노점 가스 공급 장치)와 조합함으로써, 특허문헌 5에 기재된 제습기와 정제기의 일체형이어도 되고, 특허문헌 4에 기재된 제습기와 정제기의 분리형이어도 되며, 어느 쪽의 패턴에도 적용할 수 있다. 담지한 촉매나 흡착제의 특성에 맞추어, 다양한 산소 농도를 포함하는 가스로부터 산소를 제거할 수 있으며, 질소 흡착제를 이용하면, 공기 중이나 질소 및 산소를 포함하는 가스로부터, 질소를 제거함으로써, 산소를 분리하는 것도 가능하다.
본 발명은 허니콤체를 이용하고 있으며, 종래의 펠릿 충전층에 비하여 압력 손실을 저감시킬 수 있고, 적은 촉매 또는 흡착제량으로, 고성능인 산소 제거를 가능하게 한다. 따라서, 펠릿 충전층에서 과제였던 큰 풍량의 가스의 산소 제거 처리가 연속적으로 가능해진다.
디스플레이나 전지 산업의 확대에 따라, 그들의 제조에 필요한 무산소 공간의 대용량화가 요구되고 있다. 산소가 공존하는 공간에서 디스플레이나 전지를 제조하면, 재료 표면에 산화물을 형성해 버려, 본래의 퍼텐셜을 발휘할 수 없다. 종래, 글로브 박스 등 인간의 손이 닿는 범위에서의 작업 밖에 행할 수 없었던 작업이 대규모 생산까지 도달한 배경에는 로봇 산업의 발전이 일익을 담당하고 있다. 무산소 공간에서 제조된 제품은, 최종적으로는 대기 개방하여 사용되기 때문에, 무산소 공간과 대기 개방의 전환 시간이 제조 속도를 크게 좌우한다. 큰 풍량의 질소 정제 또는 산소 제거를 가능하게 하는 본 발명의 산소 제거 장치는, 단시간에서의 무산소 공간의 생성에 기여한다.
또, 다양한 산소 농도를 함유하는 가스에 대응하고 있기 때문에, 예를 들면, 공기를 원료로 하여, 바깥 공기보다 산소 농도가 낮은 저산소 공기를 생성하고, 이 저산소 공기를 예를 들면 모의적인 고지(高地) 트레이닝을 행할 수 있는 트레이닝 장치 등에 이용할 수도 있다.
1 재생 가스
2 처리 가스
3 배기
4 허니콤체 통과 가스
5, 6 흡착탑
7, 8 허니콤체
9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20 밸브
21 부스
22 허니콤 로터
23 처리존
24 재생존
25 블록
26 원통형 로터

Claims (6)

  1. 처리 가스 중의 산소 또는 질소를 분리 가능한 가스 분리 부재를 담지한 허니콤체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 가스 분리 부재는, 산소를 흡착하는 흡착제, 산소를 제거하는 촉매, 질소를 흡착하는 흡착제 중 적어도 하나로 이루어지는 허니콤체.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 허니콤체는 원기둥상 또는 블록상인 것을 특징으로 하는 허니콤체.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 허니콤체를 흡착탑에 충전하고, 처리 가스를 상기 허니콤체에 통풍함으로써 상기 처리 가스 중의 산소 또는 질소를 제거하며, 재생 가스를 통풍함으로써, 상기 허니콤체를 재생하고, 상기 흡착탑은 적어도 하나로 이루어지는 것을 특징으로 하는 산소 제거 장치.
  5. 청구항 4에 기재된 산소 제거 장치에 있어서, 상기 재생 가스 및/또는 상기 허니콤체를 가열함으로써, 상기 허니콤체를 재생하는 것을 특징으로 하는 제거 장치.
  6. 청구항 1 또는 청구항 2에 기재된 허니콤체는 허니콤 로터이며, 적어도 처리존 및 재생존을 갖고, 처리존에는 처리 가스를 통풍함으로써 상기 처리 가스 중의 산소 또는 질소를 제거하며, 재생존에는 가열한 재생 가스를 통풍하는 및/또는 상기 허니콤 로터를 가열함으로써, 상기 허니콤체를 재생하는 것을 특징으로 하는 산소 제거 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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JP2006087683A (ja) 2004-09-24 2006-04-06 Teijin Pharma Ltd 酸素濃縮装置
JP2010184844A (ja) 2009-02-13 2010-08-26 Nippon Steel Corp 酸素製造プラントの運転方式
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Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5676521U (ko) 1979-11-19 1981-06-22
JP2006087683A (ja) 2004-09-24 2006-04-06 Teijin Pharma Ltd 酸素濃縮装置
JP2010184844A (ja) 2009-02-13 2010-08-26 Nippon Steel Corp 酸素製造プラントの運転方式
JP2019052835A (ja) 2017-09-14 2019-04-04 株式会社西部技研 ガス置換用ドライルーム
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