KR890001768B1

KR890001768B1 - 고순도 질소가스의 제법

Info

Publication number: KR890001768B1
Application number: KR1019840005092A
Authority: KR
Inventors: 아끼라 요시노
Original assignee: 다이또오 산소 가부시끼 가이샤; 아오끼 히로시
Priority date: 1984-01-11
Filing date: 1984-08-23
Publication date: 1989-05-19
Also published as: KR850005605A; KR850005606A; KR850005607A; JPS6158747B2; JPS60147086A; KR890001767B1

Abstract

내용 없음.

Description

고순도 질소가스의 제법

제1도는 본 발명의 질소가스 제조 방법의 한 실시예의 구성도.

제2도는 합성제 올라이트 4A타입의 흡착 등압선도.

제3도는 본 발명의 질소 가스 제조 방법의 다른 실시예의 구성도.

제4도 및 제5도는 제3도의 실시예의 변형예의 구성도.

제6도는 본 발명의 질소 가스 제조 방법의 다른

제7도는 본 발명의 질소 가스 제조 방법의 다른 실시예의 구성도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

4 : 흡착통 5, 6 : 열교환기

7 : 액체질소 저장조 9 : 메인 파이프

10 : 정류탑 11 : 산소 흡착통

12 : 백업 시스템 라인 13 : 공기 압축장치 라인

14 : 증발기 15 : 분축기

30 : 응축기 31 : 연결파이프

본 발명은 고순도 질소가스의 제법에 관한 것이다.

전자공업에 있어서는 다량의 질소가스가 사용되고 있으나, 부품의 정밀도 유지 향상의 관점에서 질소가스의 고순도가 요구 되어 지고 있다.

즉 질소 가스는 일반적으로 공기를 원료로 하고, 이것을 압축기로 압축한 다음에 흡착통에 넣어서 탄산가스 및 수분을 제거하고 다시 열교환기를 통해서 냉매와 열교환 시켜서 냉매하고, 이어서 정류탑에서 심냉액화 분리 하여서 제품질소가스를 제조하고 이것을 전술한 열 교환기를 통하여 상온부근으로 승온시키는 것과 같은 공정을 거쳐서 제조되고 있다.

그러나 이와같이 하여서 제조되는 제품 질소가스에는 산소가 불순분으로 혼재하고 있기 때문에 이것을 그대로 사용하는 것은 좋지 못하다.

불순산소의 제거방법으로서는 첫째, pt촉매를 사용하여 질소 가스중에 미량의 수소를 첨가하고 불순산소와 200℃정도의 온도 분위기 중에서 반응시켜서 물로 만들어 제거하는 방법 및 둘째 Ni 촉매를 사용하여 질소가스중의 불순산소를 200℃정도의 온도분위기중에서 Ni 촉매와 접촉시켜서 Ni +1/2 O₂-NiO의 반응을 거쳐 제거하는 방법이 있다.

그러나 이들 방법은 어는 것이나 질소가스를 고온으로 하여 촉매와 접촉시키지 않으면 안되기 때문에 그 장치를 초저온 시스템인 질소가스 제조 장치 중에는 적용 시킬수가 없다.

따라서 질소가스 제조 장치와는 별개로 정제장치를 설치하지 않으면 안되며,전체의 장치 크기가 대형된다는 결점이 있다.

뿐만 아니라 전술한 첫번째의 방법에서는 수소의 첨가량의 조정에 고도의 정밀도가 요구되며 불순산소량과 반응할 만큼의 정확한 분량의 수소를 첨가하지 않으면 산소가 잔존하거나 또는 첨가한 수소가 잔존하여서 불순물이 되어 버리기 때문에 조작에 숙련을 요하는 문제가 있었다.

또 전술한 두번째의 방법에서는 불순산소와의 반응으로 발생한 NiO의 재생(NiO+H₂→Ni+H₂O)을 할 필요가 생겨서 재생용 H₂가스 설비가 필요하게 되어 정제비의 상승을 초래하는 문제점이 있다.

따라서 이런것들의 개선이 강력하게 요망되었다.

또한 종래의 질소가스의 제조장치는 압축기로 압축된 압축공기를 열교환 하기 위한 열교환기의 냉매의 냉각용으로 팽창터어빈을 사용하고, 이것을 정류탑내에 괸 액체공기(심냉액화 분리에 의한 저비등점의 질소는 가스로서 분리하고 잔존부분은 산소성분이 많은 액체공기가 되어 고인다)에서 증발한 가스의 압력으로 구동되도록 되어 있다.

그런데 팽창터어빈은 회전속도가 극히 빠르며 (수만회/분), 부하변동에 대하여 그에 맞도록 즉시 운전 변환이 곤란하여 특별히 훈련된 운전원이 필요하다.

또 이것은 고속회전을 하기 때문에 기계구조상 고도의 정밀도가 요구되며, 아울러 가격이 고가이고 장치가 복잡하기 때문에 특별이 훈련된 요원을 필요로 하는 문제점을 지니고 있다. 즉 팽창터어빈은 고속회전부를 지니고 있기 때문에 상술한 바와같은 여러가지 문제가 생기는 것이며 이러한 고속회전을 지닌 팽창터어빈을 사용하지 않는 장치에 대한 강력한 요망이 있었다.

본 발명은 이와같은 문제점을 해결하기 위해 이루어진 것이며, 원료공기를 압축한 뒤에 흡찹통에서 탄산가스와 물을 흡착제거하고 이어서 상기 흡착통을 통과한 원료 공기를 정류탑에 주입시키고 액체 질소를 저장조로부터 정류탑 또는 상기 열교환기로 주입되는 액체질소를 냉매로 하여 , 상기 정류탑내로 주입되는 원료공기를 심냉액화 분리시켜 초저온 상태의 제품질소가스를 제조하고 이 초저온 상태의 제품 질소가스를 상기 열교환기로 주입할때 초저온에서 산소 및 일산화탄소를 선택흡착하는 흡착제에 상기 초저온 상태의 제품 질소가스를 접촉시켜, 상기 초저온 상태의 제품 질소가스중의 잔존 산소 및 일산화탄소를 선택 흡착제거하여 고순도 및 질소가스를 제조하는 것을 그 요지로 한다.

본 발명을 하기 실시예를 참조로 하여 더욱 상세하게 설명한다.

제1도는 본 발명의 한 실시예의 구성도이다.

도면에서 "1"은 공기 압축기"2"는 드레인 분리기 "3"은 프레온 냉각기 "4"는 두개가 1조로 되어 잇는 흡착통이다.

흡착통(4)의 내부에 몰레큘라 시이브(molecular sieve)가 충전되어 있어서 공기 압축기(1)로 부터 압축된 공기중의 H₂O 및 CO₂를 흡착 제거하는 작용을 한다.

"5"는 제1의 열교환기이고, 흡착통(4)에 의해서 H₂O 및 CO₂가 흡착 제거된 압축공기가 보내어 진다.

"6" 은 제2의 열교환기로서, 제1의 열교환기(5)를 거친 압축공기가 보내어 진다.

"7"은 액체질소를 저장하는 내부의 액체질소(고순도품이 사용됨)를 파이프(8) 를 통하여 제2의 열교환기(6)로 보내며. 제2의 열교환기(6)로 보내진 압축공기와 열교환시키고 , 이어서 제1의 열교환기(5)로 보내어, 그곳에서도 제1의 열교환기(5)로 주입된 압축공기와 열교환 시켜서 기화 되도록 되어 있다.

즉 이 고순도 질소 가스 제조장치는 종래의 팽창 터어빈대신에, 아무런 회전부도 지니고 있지 않은 액체질소저장조(7)를 사용하여 열교환기(5)(6)내의 압축공기를 안전하게 냉각하는 것이 제1의 특징인 것이다.

그리고 제1의 열교환기(5)에 의해서 기화된 액체질소는 파이프(8)를 통하여 메인 파이프(9)내에 보내조도록 되어 있다.

제1 및 제2의 열교환기(5)(6)를 거쳐서 초저온(약-170℃)으로 냉가된 압축공기가 정류탑(10)하부로 주입되어 압축공기중의 산소(비등점-183℃)를 액화하고, 질소(비등점 -196℃)만을 상부로 부터 배출하도록 되어 있다.

"10a"는 제1의 안내파이프이고, 정류탑(10)의 상부로 부터 배출된 초저온(-150℃)의 질소가스를 제2, 제1의 열교환기(5)(6)에 안내한다.

"11"은 3A°, 4A°또는 5A°의 세공경을 지닌 합성제올 라이트3A, 4A 또는 5A타입(몰레큘라 시이브 3A, 4A, 5A타입 유니온 카아바이트 사제품)을 충전한 산소 흡착통이며, 상술한 제1의 안내파이프(10a)의 도중에 설치되어,상술한 초저온의 질소 가스중의 산소 및 일산화탄소만을 선택 흡착한다.(제2도 참조), 또 상술한 합성제올라이트3A, 4A, 5A타입 대신에 유니온 카아바이트사 제품인 합성제올 라이트 13X타입을 사용할 수도 있다.

이와같이 -150℃정도의 온도 범위에서 있어서 산소 및 일산화탄소 만이 선택 흡수되기 때문에 초저온 질소가스가 고순도가 될 수 있다.

이 제조장치는 합성제올 라이트가 보유하는 상기 기술한 바와 같은 특성을 이용하여 극히 간편하게 불순산소 및 일산화탄소를 제거하는 것이며, 이것이 제2의 특징이다.

이 경우에 산소흡착통(11)내에 주입되는 초저온 질소가스는 정류탑(10)을 경유하므로 불순산소 및 이산화탄소양이 이미 낮은 레벨로 되어 있기 때문에 산소 흡착통(11)에 흡착되는 산소 및 일산화탄소량은 미량인 것이다.

따라서 흡착통로 1기 만으로 충족하며, 제올라이트의 재생도 연 1회로서 충분하다.

불순산소 및 일산화탄소가 제거된 초저온 질소가스는 제1 및 제2의 열교환기(6)(5)에서 열교환되어 상온 부근의 온도로 되어서 메인 파이프(9)로 보내어 진다.

여기서 액체질소 저장조(7)로 부터 나오는 고순도 질소가스와 합쳐져서 고순도 제품질소가스가 된다.

이와같이 액체질소 저장조(7)의 액체질소는 열교환기 (6)(5)의 냉매로서의 작용을 끝낸후 폐기 되어지는 것이 아니고, 압축공기를 원료로 하여 제조된 고순도 질소가스의 합쳐져서 제품화되어 손실 없이 이용되는 것이다.

또한 제1도에 있어서 "10b"는 정류탑 파이프이며, 정류탑(10)의 하부에 괸 액체공기(액체질소도 상당히 혼입되어 있음)를 정류탑 (10)의 상부에 설치되어 있는 파이프(10c)로 안내하여 그 파이프(10c)를 냉각하는 작용을 한다.

"10d"는 그 파이프(10c)의 냉각을 마친 액체공기를 제2 및 제1의 열교환기(6)(5)에 보내는 제2의 안내 파이프이다.

제2 및 제1의 열교환기(6)(5)에서 열교환(열교환기 (6)(5)내의 압축공기의 냉각)을 마친 액체공기는 기화되어 제1의 열교환기(5)로 부터 화살표와 표시와 같이 방출되도록 되어 있다.

"12"는 백업 시스템 라인이며 공기압축시스템 라인(13)이 고장일때에 액체 질소 저장조(7)내의 액체질소를 증발기(14)에 의해서 증발시켜서 메인파이프(9)에 보내어 질소가스의 공급이 단절되지 않도록 하는 것이다.

이 장치는 다음과 같은 절차로 고순도 제품 질소가스를 제조한다.

즉 공기 압축기(1)에 의하여 공기를압축하고, 드레인 분리기(2)에 의해서 압축된 공기중의 탄산가스의 수분을 제거하고, 프레온냉각기(3)로서 냉각하고 그 상태로 몰레큘라시이브가 충전된 흡착통(4)에 보내어져서 공기중의 H₂O 및 CO₂를 흡착제거한다.

이어서 H₂O, CO₂가 흡착 제거된 압축공기를 제1의 열교환기(5) 및 제2의 열교환기(6)에 보내서 초저온으로 냉각한다.

이 경우에 액체질소 저장조(7)내의 액체질소는 제1, 및 제2의 열교환기 (5)(6)의 한냉원으로서 작용하고 그 자신은 기화하여 메인 파이프(9)로 보내어진다.

그리고 제1 및 제2의 열교환기 (5)(6)에서 초저온으로 냉각된 압축공기는 정류탑(10)의 하부로 부터 정류탑(10)내로 보내져 질소와 산소의 비등점의 차(산소의 비등점 : -183℃), 질소의 비등점 -196℃)를 이용하여 공기중의 산소가 액화되어 질소가 불순 산소를 소량 함유한 초저온 기체(O₂: 10ppm이다)로서 분리되어진다.

이 불순 산소 함유 초저온 질소 가스는 산호 흡착통(11)에서 불순산소 및 일산화탄소가 제거되고 제2, 제1 열교환기 (6)(5)를 거쳐서 상온 근방까지 승온되고 , 메인 파이프(9)로 보내져서 액체질소 저장조(7)로 부터 나온 고순도 질소가스와 합체하여 고순도 제품 질소 가스가 된다.

제3도는 본 발명의 다른 실시예의 구성도이다.

즉 이 고순도 질소가스 제조장치는 액체질소 저장조(7)로부터 액체질소를 열교환기(5)(6)로 보내는 것이 아니라 정류탑(10)의 탑정상부의 분축기(15)로 보내져 그곳에서 압축공기의 산소성분등을 응축시키도록 되어 있다.

보다 상세히 설명하면 정류탑(10)은 제1 및 제2의 열교환기 (5)(6)를 거쳐 초저온 (약 -170℃)으로 냉각된 압축공기를 파이프(16)에 의하여 정류탑(10)의 저부에 있는 체류 액체공기(N₂: 50-70%, O₂: 30-50%)를 통하게 되어 더욱 냉각되고, 이어서 팽창밸브(18)를 거쳐서 정류탑내부로 분사 시켜서 분축기(15)및 그 하단에서 산소등을 액화하고 질소를 기체 상태로 잔존 시키도록 되어 있다.

이 분축기(15)는 다수의 튜우브(19)가 설치되어 있는 구획판(20)에 의하여 탑부(21)와 구분되어 있다.

구획판(20)으로 액체질소 저장조(7)로 부터 액체질소가 파이프(22)를 거쳐서 공급되도록 되어 있다.

정류탑(10)내에 분사된 압축공기는 정류 탑(10)내에서 냉각되고 다시 튜우브(19)내에서 한층 더 냉각된다.

이러한 과정에서 압축공기중의 산소 (비등점 -183℃)가 액화되어 낙하하고 질소(비등점 -196℃)는 기체대로 상방으로 진행된다.

이 경우에 정류탑(10)내에 분사된 압축공기는 튜우브(19)로 부터 낙하하는 액체산소와 향류적으로 접촉하기 때문에 산소의 액화분리가 한층 더 촉진된다.

"23"은 액면 게이며 분축기(15)내의 액체산소의 액면에 따라서 밸브(24)를 제어하고 액체질소 저장조(7)로 부터의 액체 질소의 공급량을 제어한다.

분축기(15)의 상부에는 액체질소 저장조(7)로 부터 공급된 액체질소의 기화에 의해서 발생한 질소 가스와 압축 공기로 부터 얻어진 질소가스가 혼합상태로 된다.

"25"는 분축기(15)의 상부에 고인 질소가스를 배출하여 산소흡착통으로 보내는 파이프이다.

"26"은 보압 밸브, "27"은 불순물 분석계이며 메인파이프(9)로 부터 송출되는 제품질소 가스의 순도를 분석하고 순도가 낮은 때에는 밸브(28)(29)를 작공시켜서 제품 질속가스를 화살표 A와 같이 외부로 방출하는 작용을 한다.

그 이외의 부분은 제1도의 장치와 같다.

이 고순도 가스 제조장치는 제1도의 장치와 같은 작용효과를 나타내는 의에 액체질소 저장조(7)의 액체질소의 기화에 의해서 발생한 질소 가스로 압축공기로 부터 얻어진 질소가스와 간이 산소흡착통(11)을 통과시키기 때문에, 액체질소저장조(7)의 액체질소에 불순산소 및 일산화탄소가 혼입되어 있는 때에도, 얻어진 제품질소가스의 순도가 저하되지 않는 효과를 나타낸다.

또한 제3도의 장치는 정류탑(10)의 저부에 괸 액체공기를 정류탑(10)의 도중에서 내부로 분사시키고 액체질소 저장조(7)의 액체질소를 분축기(15)에 보내고 있으나 제4도에 표시한 바와 같이 정류탑(10)의 저부에 모여있는 액체공기를 탑정상부의 분축기(15)(이 분축기의 내부는 상부 구획판(20a)과 하부구획판(20b)에 의하여 밀봉구조로 되어 있으며, 분축기(15)의 정상부 공간과 정류탑(10)과는 여러개의 파이프(19)에 의하여 연결되어 있다)의 내부에 모이게 하고, 액체질소 저장조(7)의 액체질소를 정류탑(10)의 상부에 보내어 그 곳에서 낙하 시켜서 냉각작용을 하도록 하여도 좋다.

또 제5도에 표시하는 바와 같이 분축기(15)의 내부에 응축기(15a)를 설치하고 이곳에서 탑부(21)내의 압축공기를 냉각하고, 압축공기중의 액화분을 탑부(21)내로 환류하고, 기화분은 대기중에 방출하도록 하고 아울러 분축기(15)의 정상부로 부터 질소가스를 나오게 하는 것이 아니고 탑부(21)의 상부로 부터 나오게 하여도 좋다.

분축기(15)의 정상부에는 비등점이 낮은 He(-269℃) 또는 H₂(-253℃)가 고이기 때문에 이곳에서 질소가스를 나오게 하면 이것들이 혼입하게 되므로 그 혼입을 피하기 위해서는 탑부(21)의 상부로 부터 질소가스를 이끌어내는 것이 바람직한 것이다.

또한 제5도에 있어서 일점쇄선 표시는 진공 보냉한 것을 나타내는 것이며 그 내부에 열교환기(5)(6) 및 정류탑(10)이 내장되어 있으며 진공파아라이트 단열 상태로 되어 있다.

제6도는 본 발명의 또 다른 실시예의 구성도이다.

이 고순도 질소가스 제조장치는 정류탑(10)의 상방에 응축기(30)를 설치하여 연결 파이프(31)에 의해서 분축기(15)의 상부와 연결시켜서, 분축기(15)의 상부에 괸 질소가스(분축기(15)에 의하여 산소가 액화 분리되어 얻어진 질고 가스와 액체질소 저장조(7)로 부터 공급된 액체 질소의 기화질소 가스가 합쳐진 것임)를 응축기(30)로 주입하도록 구성되어 있다.

그리고 한쪽 끝부분(30a)이 정류탑(10)의 저부와 연결되고 다른끝부분(30b)이 제2 및 제1의 열교환기(6)(5)를 통하여 공기중에 개방되어 있는 냉각 파이프(30c)로 상기 질소가스를 냉각하고 (냉매는 정류탑(10) 저부의 체류액체공기임) 그 일부를 응축 시켜서 생성된 액체질소(32)를 헤드차를 이용하여 회수 파이프(33)로 분축기(15)내에 환류시키고, 미응축된 질소가슬 산소흡착통(11)으로 주입시키고 이어서 제2 및 제1의 열교환기(6)(5)를 통하여 메인 파이프(9)에 보내지도록 되어 있다.

그 이외의 부분은 제3도의 실시예와 같다.

즉 이 고순도 질소가스 제조장치는 분축기(15)의 상부에서 얻어지는 제품질소가스를 응축기(30)로 주입하고. 그 일부를 응축시켜서. 분축기(15)내로 환류시키고 액체질소 저장조(7)로 부터 공급되는 액체질소와 합쳐지도록 되기 때문에. 액체 질소 저장조(7)로 부터 공급되는 액체질소의 공급량을 절감할 수 있께 된다.

따라서 전술한 실시예의 장치에 비하여 제품질소가스의 제조 비용을 보다 절감할 수 있다는 우수한 효과를 얻을 수 있게 된다.

제7도는 본 발명의 다른 실시예의 구성도이다.

즉 이 장치는 정류탑(10)의 탑정상부의 분축기(15)의 정상부와 팽창터어빈(34)의 구동부를 파이프(35)로 연결하고, 정류탑(10)의 하부에 고이는 액체공기(36)를 파이프(37)를 통해 분축기(15)로 보내어 그 액체공기(36)의 압력에 의해 팽창터어빈(34)을 구동하여 냉매를 화살표B의 경로로 순환시켜 열교환기(38)로 보내지는 압축공기를 냉각하여 정류탑(10)으로 보내도록 되어 있다.

그리고 정류탑(10)에 보내진 압축공기는 정류탑(10) 및 분축기(15)에서 냉각되고, 산소가 액화됨과 동시에 질소의 일부도 액화하여 질소 체류장소(39)에 괴게되고 그 곳에서 파이프(40)에 의해 액체질소 저장조(7)로 뽑아내지도록 되어 있다.

미응축된 질소는 파이프(41)에 의해서 정류탑(10)에서 배출되어져 산소 흡착통(11)으로 보내져 그 곳에서 불순 산소 및 일산화탄소가 흡착 제거되고 열교환기(38)를 경류하여 메인 파이프(9)를 통해 고순도 제품질소가스로서 뽑아내지도록 되어 있다.

이 장치는 종래의 것에 비하여서 전체가 소형으로 되어 있고 아울러 제조 비용도 저렴한 효과를 지니고 있다.

또한 이상 기술한 실시예에 있어서는 초저온에서 산소 및 일산화탄소를 선택 흡착하는 흡착제로서 합성제올라이트를 사용하고 있으나, 흡착제는 꼭 그것으로만 국한 되는것은 아니다.

이상과 같이 본 발명의 제법은 질소 가스중의 불순산소를 높은 온도 범위에서 수소와 반응 시켜서 제거하는 것과 같은 촉매 형의 제거장치를 사용하지 않고 초저온에서 산소 및 일산화탄소를 선택 흡착하는 흡착제에 착안하여 이것을 사용하여서 초저온 질소가스중의 불순산소 및 일산화탄소를 선택정으로 제거하기 때문에, 고온 가열이 필요한 종래의 촉매형의 제거장치에는 넣을 수가 없었던 질소가스 제고장치(장치 전체가 초저온 시스템이다)에 흡착제를 넣는 것이 가능하게 된다.

따라서 종래의 산소제거장치가 불필요하게되며 시스템 전체의 소형화를 실현시킬수 있음과 동시에 제조비용의 절감도 실현할 수 있게 된다.

게다가 종래의 정제 장치에서는 제거하는 것이 거의 불가능하였던 일산화탄소의 제거도 할수 있게 된다.

Claims

원료공기를 압축한 뒤에, 흡착통(4)에서 탄산가스와 물을 흡착제거하고, 상기 흡착통을 통과한 원료공기를 정류탑에 주입시키고 액체질소저장조로 부터 정류탑 또는 상기 열교환기로 주입되는 액체질소를 냉매로하여, 상기 정류탑내로 주입되는 원료공기를 심냉액화분리시켜 초저온 상태의 제품질소가스를 제조하고 이 초저온상태의 제품질소가스를 상기 열교환기로 주입할때, 초저온에서 산소 및 일산화탄소를 선택 흡착하는 흡착제에 상기 초저온상태의 제품 질소가스를 접촉시켜, 상기 초저온상태의 제품 질소가스중의 잔존 산소 및 일산화탄소를 선택 흡착제거 하는 것을 특징으로 하는 고순도 질소가스이 제법.
제1항에 있어서, 초저온에서 산소 및 일산화탄소를 선택 흡착하는 흡착제가 세공경이 약 3°A, 4°A 혹은 5°A인 합성제를 라이트 인것을 특징으로 하는 고순도 질소 가스의 제법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 초저온이 -150℃정도인 것을 특징으로 하는 고순도 질소 가스의 제법.