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KR101567699B1 - 회수헬륨 재사용 시스템 및 이를 이용한 회수헬륨 재사용 방법 - Google Patents

회수헬륨 재사용 시스템 및 이를 이용한 회수헬륨 재사용 방법 Download PDF

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KR101567699B1
KR101567699B1 KR1020140074719A KR20140074719A KR101567699B1 KR 101567699 B1 KR101567699 B1 KR 101567699B1 KR 1020140074719 A KR1020140074719 A KR 1020140074719A KR 20140074719 A KR20140074719 A KR 20140074719A KR 101567699 B1 KR101567699 B1 KR 101567699B1
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KR
South Korea
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adsorption
helium
adsorbent
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KR1020140074719A
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Inventor
장용복
박영민
Original Assignee
한국기초과학지원연구원
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Abstract

본 발명은 회수헬륨 재사용 시스템 및 이를 이용한 회수헬륨 재사용 방법에 관한 것으로서, 본 발명의 일 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 시스템은 불순물을 포함하는 폐헬륨가스를 압축하는 컴프레서; 상기 압축된 폐헬륨가스를 내부에 통과시켜 상기 폐헬륨가스에 포함된 불순물들을 흡착하는 제1 흡착부; 및 상기 불순물이 제거된 헬륨부화가스에 잔류하는 불순물들을 흡착하는 제2 흡착부;를 포함하고, 상기 제1 흡착부 및 상기 제2 흡착부는, 각각, 복수개의 흡착탑을 포함하는 것일 수 있다.

Description

회수헬륨 재사용 시스템 및 이를 이용한 회수헬륨 재사용 방법 {RECOVERED HELIUM RECYCLING SYSTEM AND THE METHOD THEREWITH}
본 발명은 회수헬륨 재사용 시스템 및 이를 이용한 회수헬륨 재사용 방법에 관한 것이다.
헬륨가스는 반도체공정에서의 분위기 가스용, 분석기의 캐리어용, 핵발전소 냉각로의 냉각용, 기밀 용기의 누설테스트용 등으로 사용되는데, 이렇게 사용된 후의 폐헬륨가스는 불순물을 많이 포함되어 있는 것으로서, 헬륨의 순도가 90% 이상 되는 것도 있지만 20% 미만의 것도 있다. 일반적인 헬륨가스의 정제방법으로는, 순도 99% 이상의 헬륨을 저온흡착법, 압력변동 흡착방식(pressure swing adsorption; PSA), 막분리(membrane) 등의 방법으로 부분적인 순도향상의 목적에 필요한 정제 방법이 공개되어 있다. 한편, 헬륨가스는 채집하기가 어려운 희유 가스로서 폐헬륨가스에서 헬륨을 추출하여 다시 사용하고자 하는 노력이 계속되고 있다. 헬륨을 이용한 용기의 안전성 시험에 사용되고 난 헬륨을 그 자리에서 회수 및 처리하여 동일용도로 재사용하는 공정으로서, 반도체와 같은 다량의 질소, 산소 및 독성가스 등이 함유된 배기가스를 회수부터 정제까지 일괄처리하기에는 한계가 있다. 또한, 사용된 배기가스 유량에 따르는 경제적 기술적 적응이 어려운 점이 있다. 현장의 여건에 따라 경제적 대응을 할 수 있도록 사용된 폐 희유가스의 회수단계와 희유가스의 재생 및 정제 단계로 장소를 구분하여 맞춤형 장치를 최대한 규격화하여 투자비 절감, 가동율 향상 및 생산원가를 낮출 수 있는 방법이 요구된다.
본 발명은 관련 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 제조 공정에서 사용한 후 회수되는 폐헬륨가스로부터 고순도의 헬륨가스를 재생하는 것으로서, 경제적인 회수헬륨 재사용 시스템 및 이를 이용한 회수헬륨 재사용 방법을 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 구조가 간단하여 제조비가 절감되고, 설치면적을 줄임으로써 설치 장소를 효율적으로 이용할 수 있을 뿐만 아니라 복수개의 흡착탑(adsorption tower)의 교환이 용이하게 이루어지며 나아가 흡착탑의 교체 시 오염 정도를 고려하여 선택적으로 교체가 이루어짐으로써, 흡착탑이 모두 폐기되지 않게 되어, 흡착탑의 교체 시 유발되는 환경오염도 최소화할 수 있도록 구조가 개선된 회수헬륨 재사용 시스템 및 이를 이용한 회수헬륨 재사용 방법을 제공하는 것이다.
그러나, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 제1 측면은, 불순물을 포함하는 폐헬륨가스를 압축하는 컴프레서; 상기 압축된 폐헬륨가스를 내부에 통과시켜 상기 폐헬륨가스에 포함된 불순물들을 흡착하는 제1 흡착부; 및 상기 불순물이 제거된 헬륨부화가스에 잔류하는 불순물들을 흡착하는 제2 흡착부;를 포함하고, 상기 제1 흡착부 및 상기 제2 흡착부는, 각각, 복수개의 흡착탑을 포함하는 것인, 회수헬륨 재사용 시스템을 제공할 수 있다.
상기 제2 흡착부는 액체질소(LN2) 흡착부인 것일 수 있다.
상기 복수개의 흡착탑은, 각각, 2개 이상인 것일 수 있다.
상기 복수개의 흡착탑은, 직렬 연결되어 있는 것일 수 있다.
상기 제1흡착부는 제1-1 흡착부 및 제1-2 흡착부를 포함하고, 상기 제1-1 흡착부 및 제1-2 흡착부는 서로 병렬 연결 관계이고, 상기 제2 흡착부는 제2-1 흡착부 및 제2-2 흡착부를 포함하고, 상기 제2-1 흡착부 및 제2-2 흡착부는 서로 병렬 연결 관계인 것일 수 있다.
상기 제1 흡착부와 제2 흡착부 사이의 헬륨부화가스 저장 탱크를 더 포함할 수 있다.
상기 복수개의 흡착탑은, 각각, 차콜, 활성탄, 탄소섬유, 카본블랙, 유리카본, 그래파이트, 제올라이트, 실리카겔, 알루미나, 규조토 및 벤토나이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 흡착제가 충진된 것일 수 있다.
상기 흡착제의 크기는 4 mm 내지 8 mm인 것일 수 있다.
상기 복수개의 흡착탑 중, 제n 흡착탑의 흡착제 크기가 제n-1 흡착탑의 흡착제 크기보다 작은 것 (n은 2 이상 정수)일 수 있다.
본 발명의 제2 측면은, 불순물을 포함하는 폐헬륨가스를 압축하는 압축 공정; 상기 압축된 폐헬륨가스에 포함된 불순물들을 흡착시키는 제1 흡착 공정; 및 상기 불순물이 제거된 헬륨부화가스에 잔류하는 불순물들을 흡착시키는 제2 흡착 공정을 포함하고, 상기 제1 흡착 공정 및 상기 제2 흡착 공정은 각각 복수개의 흡착탑을 통과시키는 회수헬륨 재사용 방법을 제공할 수 있다.
상기 제1 흡착 공정 및 상기 제2 흡착 공정은, 각각, 상기 폐헬륨가스 및 상기 헬륨부화가스를 각각 차콜, 활성탄, 탄소섬유, 카본블랙, 유리카본, 그래파이트, 제올라이트, 실리카겔, 알루미나, 규조토 및 벤토나이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 흡착제가 충진된 흡착부를 통과시키는 것일 수 있다.
상기 제1 흡착 공정, 상기 제2 흡착 공정 또는 이 둘은, 압력변동흡착방식(pressure swing adsorption; PSA)에 의하는 것일 수 있다.
상기 제2 흡착 공정은 액체질소(LN2)를 사용하는 것일 수 있다.
상기 제2 흡착 공정은 70 bar 내지 80 bar 이하의 압력 및 -180℃ 이하의 온도로 유지하는 것일 수 있다.
본 발명의 제2 측면으로서, 상기 회수헬륨 재사용 방법은 본 발명의 제1 측면의 회수헬륨 재사용 시스템을 사용하여 수행하는 것일 수 있다.
본 발명에 의한 회수헬륨 재사용 시스템 및 이를 이용한 회수헬륨 재사용 방법은, 복수개의 흡착탑이 배치되므로, 회수헬륨 재생시간 및 운전비용을 줄일 수 있으며, 폐헬륨가스로부터 재사용할 수 있어서 자원의 낭비를 줄일 수 있다. 또한, 회수헬륨 재사용 시스템의 설치 면적이 줄어들며 이에 따라 회수헬륨 재사용 시스템의 설치 장소를 효율적으로 이용할 수 있게 된다. 그리고, 오염 정도를 고려하여 교체 대상인 흡착탑만을 교체하면 교체가 완료되므로 나머지 흡착탑은 재사용할 수 있어, 교환비용을 줄일 수 있으며 나아가 환경오염도 최소화할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 흡착부의 복수개의 흡착탑을 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 시스템의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 방법의 순서도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부재가 다른 부재 "상에" 위치하고 있다고 할 때, 이는 어떤 부재가 다른 부재에 접해 있는 경우뿐 아니라 두 부재 사이에 또 다른 부재가 존재하는 경우도 포함한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하, 본 발명의 회수헬륨 재사용 시스템 및 이를 이용한 회수헬륨 재사용 방법에 대하여 실시예 및 도면을 참조하여 구체적으로 설명하도록 한다. 그러나, 본 발명이 이러한 실시예 및 도면에 제한되는 것은 아니다.
본 발명의 제1 측면에 따른 회수헬륨 재사용 시스템은, 불순물을 포함하는 폐헬륨가스를 압축하는 컴프레서; 상기 압축된 폐헬륨가스를 내부에 통과시켜 상기 폐헬륨가스에 포함된 불순물들을 흡착하는 제1 흡착부; 및 상기 불순물이 제거된 헬륨부화가스에 잔류하는 불순물들을 흡착하는 제2 흡착부;를 포함하고, 상기 제1 흡착부 및 상기 제2 흡착부는, 각각, 복수개의 흡착탑을 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 시스템의 블록도이고, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 흡착부의 복수개의 흡착탑을 나타내는 개략도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 시스템(100)은 컴프레서(110), 제1 흡착부(120), 헬륨부화가스 저장 탱크(130), 제2 흡착부(140)를 포함할 수 있다. 또한, 상기 제1 흡착부(120) 및 상기 제2 흡착부(140)는, 각각, 복수개의 흡착탑을 포함할 수 있다.
상기 컴프레서(110)는 불순물을 포함하는 폐헬륨가스를 압축할 수 있다. 헬륨 사용장비로부터 배기되는 상기 폐헬륨가스는 인입라인(미도시)을 통해 상기 컴프레서(110)로 들어가 압축될 수 있다.
상기 제1 흡착부(120)는 상기 압축된 폐헬륨가스를 내부에 통과시켜 상기 폐헬륨가스에 포함된 불순물들을 흡착할 수 있다. 상기 제1 흡착부(120)에서 상기 컴프레서(110)에서 나온 압축오일, 수분, 독성가스, 가연성가스, 부식성가스, 상온발화성 가스 및 산화성가스 등의 불순물을 1차적으로 흡착하여 제거할 수 있다.
상기 헬륨부화가스 저장 탱크(130)는 상기 제1흡착부(120)와 제2 흡착부(140) 사이에 연결될 수 있고, 상기 제1 흡착부(120)에서 상기 폐헬륨가스로부터 상기 불순물이 제거된 헬륨의 농도가 풍부해진 헬륨부화가스를 회수할 수 있다. 헬륨부화가스는 헬륨이 50% 이상 포함된 것일 수 있다.
상기 헬륨부화가스 저장 탱크(130)는 폐헬륨가스의 특성상 초저온, 열전도율, 내식성, 품질 및 누설 등을 고려하여, 예를 들어, SUS304, SUS304L 또는 SUS316L 등의 스테인레스강으로 제조될 수 있다.
상기 제2 흡착부(140)는 상기 불순물이 제거된 헬륨부화가스에 잔류하는 불순물을 제거할 수 있다. 상기 제2 흡착부(140)에서 상기 제1 흡착부(120)에서 완전히 제거되지 못한 압축오일, 수분, 질소, 산소, 메탄, CO, CO2 등의 불순물을 2차적으로 흡착하여 제거할 수 있다.
상기 제2 흡착부(140)는 액체질소(LN2) 흡착부인 것일 수 있다. 내부온도를, 예를 들어, -180℃ 이하, 바람직하게는 액체질소 온도인 -196℃의 저온으로 유지하기 위하여 액체질소를 공급할 수 있다. 상기 제2 흡착부(140)는 액체질소에 의하여 헬륨부화가스를 냉각시켜 헬륨과 불순물의 빙점차를 이용하여, 예를 들어, CO2, CmHn, 탄소, 질소 성분 등의 불순물을 동결 흡착시키고 헬륨만을 통과시킬 수 있다. 상기 제2 흡착부(140)에서 흡착된 불순물은 상기 제2 흡착부(140)가 일정온도 이상으로 승온되면 탈착되어 방산된다.
상기 복수개의 흡착탑(120a, 120b, 120c, 120d)은, 각각, 2개 이상인 것일 수 있다. 복수개의 흡착탑(120a, 120b, 120c, 120d)이 배치되므로, 회수헬륨 재생시간 및 운전비용을 줄일 수 있으며, 각각 폐헬륨가스로부터 재사용할 수 있어서 자원의 낭비를 줄일 수 있다.
도 2의 흡착탑은 상기 제1 흡착부(120)의 4개의 흡착탑(120a, 120b, 120c, 120d)을 나타낸 것이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 제1 흡착탑(120a), 제2 흡착탑(120b), 제3 흡착탑(120c) 및 제4 흡착탑(120d)를 포함하는 상기 복수개의 흡착탑(120a, 120b, 120c, 120d)은, 직렬 연결되어 있는 것일 수 있다. 헬륨 사용장비로부터 배기되는 폐헬륨가스가 제1 흡착탑(120a) 일 측의 화살표 방향으로 들어가 제1 흡착탑(120a)을 지나고, 제2 흡착탑(120b), 제3 흡착탑(120c) 및 제4 흡착탑(120d)을 순차적으로 통과하여 불순물을 제거할 수 있다. 즉, 직렬로 배치된 복수의 흡착탑(120a, 120b, 120c, 120d)을 순차적으로 거치면서 불순물이 제거된 후에 배출된다.
폐헬륨가스에 포함된 불순물은 상대적으로, 흐름 전단의 제1 흡착탑(120a)에 많이 흡착되고, 상대적으로 흐름 후단의 제4 흡착탑(120d)에는 적게 흡착된다. 이는 흐름 전단의 제1 흡착탑(120a)이 흐름 후단의 제4 흡착탑(120d)보다 흡착에 의한 오염이 더 빨리 진행되어, 교체·재생의 필요가 더 큰 결과가 된다. 본 발명은, 이와 같이 교체· 재생의 필요에 따라, 해당 흡착탑만을 선택적으로 교체·재생할 수 있는 것이 장점이다. 예를 들어, 도 2에서 4개의 흡착탑의 교체 주기가, 공정 운전 시간 기준으로, 제1 흡착탑(120a)은 5 시간, 제2 흡착탑(120b)은 10 시간, 제3 흡착탑(120c)은 20 시간, 제4 흡착탑(120d)은 40 시간일 수 있다.
이렇게 직렬로 배치된 복수의 흡착탑에 의해 회수헬륨 재사용 시스템(100)의 설치 면적이 줄어들며 이에 따라 회수헬륨 재사용 시스템의 설치 장소를 효율적으로 이용할 수 있게 된다. 그리고, 오염 정도를 고려하여 가장 많이 오염되는 제1 흡착탑(120a)만을 주로 교체하면 교체가 완료되므로 나머지 흡착탑은 오래 재사용할 수 있어, 교환비용을 줄일 수 있으며 나아가 환경오염도 최소화할 수 있게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 시스템의 블록도이다. 복수개의 흡착탑들이 직렬로 연결된 흡착부를 2개 이상 포함하고, 이 들 흡착부들은 병렬로 연결된 것이 특징이다.
도3을 참조하여 상세히 설명하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 시스템은 컴프레서(110), 제1-1 흡착부(120-1) 및 제1-2 흡착부(120-2)를 포함하는 제1 흡착부(120), 헬륨부화가스 저장 탱크(130), 제2-1 흡착부(140-1) 및 제2-2 흡착부(140-2)를 포함하는 제2 흡착부(140)를 포함할 수 있다. 상기 제1-1 흡착부(120-1) 및 제1-2 흡착부(120-2)는 서로 병렬 연결 관계이고, 상기 제2-1 흡착부(140-1) 및 제2-2 흡착부(140-2)는 서로 병렬 연결 관계인 것일 수 있다. 또한, 상기 제1 흡착부(120) 및 상기 제2 흡착부(140)는, 각각, 복수개의 흡착탑을 포함할 수 있다. 따라서, 제1-1 흡착부(120-1)는 제1 흡착탑(120-1a), 제2 흡착탑(120-1b), 제3 흡착탑(120-1c), 제4 흡착탑(120-1d)를 포함하고, 제1-2 흡착부(120-2)는 제1 흡착탑(120-2a), 제2 흡착탑(120-2b), 제3 흡착탑(120-2c), 제4 흡착탑(120-2d)를 포함하고, 제2-1 흡착부(140-1)는 제1 흡착탑(140-1a), 제2 흡착탑(140-1b), 제3 흡착탑(140-1c), 제4 흡착탑(140-1d)를 포함하고, 제2-2 흡착부(140-2)는 제1 흡착탑(140-2a), 제2 흡착탑(140-2b), 제3 흡착탑(140-2c), 제4 흡착탑(140-2d)를 포함할 수 있다.
이렇게 병렬 연결된, 동일 기능의 흡착부를 복수개 포함하면, 하나의 흡착부의 흡착탑을 교체, 재생하는 동안에도 나머지 흡착부를 통한 공정 운전이 가능하여, 셧다운 없이 연속 공정으로 운전할 수 있는 장점을 확보할 수 있다.
상기 복수개의 흡착탑은, 각각, 차콜, 활성탄, 탄소섬유, 카본블랙, 유리카본, 그래파이트, 제올라이트, 실리카겔, 알루미나, 규조토 및 벤토나이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 흡착제가 충진된 것일 수 있다. 상기 흡착제는 다공성 물질로서 각종 불순물들을 흡착할 수 있다. 상기 흡착제는 입자형이고, 상기 흡착제의 크기는 4 mm 내지 8 mm인 것일 수 있다. 상기 흡착제의 크기가 상기 범위로부터 선택되는 경우에는, 불순물에 대한 높은 흡착 속도 및 높은 흡착 용량 그리고 낮은 압력 손실 사이에서 최적의 조건이 결정될 수 있다.
상기 복수개의 흡착탑 중, 제n 흡착탑의 흡착제 크기가 제n-1 흡착탑의 흡착제 크기보다 작은 것 (n은 2 이상 정수)일 수 있다. 이는, 컴프레서로부터 오염되는 오일 등의 큰 사이즈 불순물에 의한 흐름 장애를 방지할 수 있는 효과가 있다. 상기 복수개의 흡착탑 중, 제n 흡착탑의 흡착제 크기가 제n-1 흡착탑의 흡착제 크기보다 작은 것 (n은 2 이상 정수)으로 충진되면, 각 흡착탑의 기공률은, 상기 복수개의 흡착탑 중, 제n-1 흡착탑의 기공률이 제n 흡착탑의 기공률 보다 크게 된다.
흡착탑의 전 흐름에 포함된 불순물의 사이즈는 다양할 수 있는데, 복수개의 흡착탑들 중에서, 상대적으로 큰 사이즈의 흡착제로 충진된 흐름의 상대적 전단에 있는 제n-1 흡착탑에서 상대적으로 큰 사이즈의 불순물을 먼저 제거하고, 상대적으로 작은 사이즈의 흡착제로 충진된 흐름의 상대적 후단에 있는 제n 흡착탑에서 상대적으로 작은 사이즈의 불순물을 제거하도록 함으로써, 흐름이 원활하게 이루어질 수 있도록 하여, 결과적으로 가동 동력의 절감 효과를 도출할 수 있다.
본 발명의 제2 측면에 따른 회수헬륨 재사용 방법은, 불순물을 포함하는 폐헬륨가스를 압축하는 압축 공정; 상기 압축된 폐헬륨가스에 포함된 불순물들을 흡착시키는 제1 흡착 공정; 및 상기 불순물이 제거된 헬륨부화가스에 잔류하는 불순물들을 흡착시키는 제2 흡착 공정을 포함하고, 상기 제1 흡착 공정 및 상기 제2 흡착 공정은 각각 복수개의 흡착탑을 통과시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 방법의 순서도이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 본 발명의 일 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 방법은, 압축 공정(S110), 제1 흡착 공정(S120), 제2 흡착 공정(S130)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 방법은 본 발명의 제1 측면의 회수헬륨 재사용 시스템을 사용하여 수행하는 것일 수 있다.
먼저, 압축 공정(S110)은 컴프레서에 의해 불순물을 포함하는 폐헬륨가스를 압축하는 것일 수 있다. 헬륨 사용장비로부터 배기되는 상기 폐헬륨가스는 인입라인을 타고 들어가, 예를 들어, 5 kg/cm2 내지 15 kg/cm2 의 범위로 승압되어 압축될 수 있다.
제1 흡착 공정(S120)은 상기 압축된 폐헬륨가스에 포함된 불순물들을 흡착시킬 수 있다. 폐헬륨가스를 압축하기 위한 상기 컴프레서에서 나온 압축오일, 수분, 독성가스, 가연성가스, 부식성가스, 상온발화성 가스 및/또는 산화성가스 등의 불순물을 1차적으로 흡착하여 제거할 수 있다.
상기 제1 흡착 공정(S120)은, 상기 폐헬륨가스를 차콜, 활성탄, 탄소섬유, 카본블랙, 유리카본, 그래파이트, 제올라이트, 실리카겔, 알루미나, 규조토 및 벤토나이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 흡착제가 충진된 흡착부를 통과시키는 것일 수 있다. 상기 흡착제는 다공성 물질로서 각종 불순물들을 흡착할 수 있다. 상기 흡착제는 입자형이고, 상기 흡착제의 크기는 4 mm 내지 8 mm인 것일 수 있다. 상기 흡착제의 크기가 상기 범위로부터 선택되는 경우에는, 불순물에 대한 높은 흡착 속도 및 높은 흡착 용량 그리고 낮은 압력 손실 사이에서 최적의 조건이 결정될 수 있다.
상기 복수개의 흡착탑 중, 제n 흡착탑의 흡착제 크기가 제n-1 흡착탑의 흡착제 크기보다 작은 것 (n은 2 이상 정수)일 수 있다. 이는, 컴프레서 오일 등의 큰 사이즈 불순물에 의한 흐름 장애를 방지할 수 있는 효과가 있다.
상기 제1 흡착 공정(S120)은, 압력변동흡착방식(Pressure Swing Adsorption; PSA) 또는 진공변동흡착방식(Vacuum Swing Adsorption; VSA)에 의하여 수행되는 것일 수 있다. 압력변동흡착방식 또는 진공변동흡착방식은 주로 제올라이트를 사용하는데, 질소분자는 분자 크기에 가까운 다공질의 제올라이트 분자체(Molecular Sieve) 등에 선택적으로 흡착이 되고 이보다 작은 분자들은 배출되어 질소와 분리된다. 이 분자체는 고압상태 하에서는 질소를 흡착하고 저압에서는 질소를 탈착한다.
제2 흡착 공정(S130)은 상기 불순물이 제거된 헬륨부화가스에 잔류하는 불순물들을 흡착시킬 수 있다. 상기 제1 흡착 공정에서 완전히 제거되지 못한 압축오일, 수분, 질소, 산소, 메탄, CO, CO2 등의 불순물을 2차적으로 흡착하여 제거할 수 있다.
상기 제2 흡착 공정(S130)은 액체질소(LN2)를 사용하는 것일 수 있다. 상기 액체질소에 의하여 헬륨가스를 냉각시켜 헬륨과 불순물의 빙점차를 이용하여, 예를 들어, CO2, CmHn, 탄소, 질소 성분 등의 불순물을 동결 흡착시키고 헬륨만 통과시킬 수 있다. 상기 제2 흡착 공정(S130)은 70 bar 내지 80 bar 이하의 압력 및 -180℃ 이하의 온도, 바람직하게는 -196℃의 온도로 유지하여 수행되는 것일 수 있다. 예를 들어, -180℃ 이하의 저온으로 유지하기 위하여 액체질소를 공급할 수 있다. 그리고, 이 흡착된 불순물은 다시 승온시키면 탈착되어 불순물을 방산시킬 수 있다.
상기 제2 흡착 공정(S130) 역시 상기 제1 흡착 공정(S120)과 마찬가지로, 상기 헬륨부화가스를 차콜, 활성탄, 탄소섬유, 카본블랙, 유리카본, 그래파이트, 제올라이트, 실리카겔, 알루미나, 규조토 및 벤토나이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 흡착제가 충진된 흡착부를 통과시키는 것일 수 있다.
상기 제2 흡착 공정(S130) 역시 상기 제1 흡착 공정(S120)에서와 마찬가지로 압력변동흡착방식(pressure swing adsorption; PSA)에 의하여 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 회수헬륨 재사용 방법은 이외에도, 상기 헬륨부화가스를 압력변동흡착방식으로 잔여질소를 제거하는 공정, 상기 잔여질소제거공정을 거친 폐헬륨가스를 수소와 반응시켜서 산소를 제거하는 산소제거공정을 더 포함할 수 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
100: 회수헬륨 재사용 시스템
110: 컴프레서
120: 제1 흡착부
120a, 120b, 120c, 120d: 복수개의 흡착탑
130: 헬륨부화가스 저장 탱크
140: 제2 흡착부

Claims (15)

  1. 불순물을 포함하는 폐헬륨가스를 압축하는 컴프레서;
    상기 압축된 폐헬륨가스를 내부에 통과시켜 상기 폐헬륨가스에 포함된 불순물들을 흡착하는 제1 흡착부; 및
    상기 불순물이 제거된 헬륨부화가스에 잔류하는 불순물들을 흡착하는 제2 흡착부;
    를 포함하고,
    상기 제1 흡착부 및 상기 제2 흡착부는, 각각, 복수개의 흡착탑을 포함하는 것이고,
    상기 복수개의 흡착탑 중, 제n 흡착탑의 흡착제 크기가 제n-1 흡착탑의 흡착제 크기보다 작은 것 (n은 2 이상 정수)인,
    회수헬륨 재사용 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제2 흡착부는 액체질소(LN2) 흡착부인 것인, 회수헬륨 재사용 시스템.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 흡착탑은, 각각, 2개 이상인 것인, 회수헬륨 재사용 시스템.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 복수개의 흡착탑은, 직렬 연결되어 있는 것인, 회수헬륨 재사용 시스템.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 흡착부는 제1-1 흡착부 및 제1-2 흡착부를 포함하고, 상기 제1-1흡착부 및 제1-2 흡착부는 서로 병렬 연결 관계이고,
    상기 제2 흡착부는 제2-1 흡착부 및 제2-2 흡착부를 포함하고, 상기 제2-1 흡착부 및 제2-2 흡착부는 서로 병렬 연결 관계이고,
    상기 제1-1 흡착부, 상기 제1-2 흡착부, 상기 제2-1 흡착부 및 상기 제2-2 흡착부는, 각각, 복수개의 흡착탑을 포함하는 것인,
    회수헬륨 재사용 시스템.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 제1 흡착부와 제2 흡착부 사이의 헬륨부화가스 저장 탱크를 더 포함하는, 회수헬륨 재사용 시스템.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 복수개의 흡착탑은, 각각, 차콜, 활성탄, 탄소섬유, 카본블랙, 유리카본, 그래파이트, 제올라이트, 실리카겔, 알루미나, 규조토 및 벤토나이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 흡착제가 충진된 것인, 회수헬륨 재사용 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 흡착제의 크기는 4 mm 내지 8 mm인 것인, 회수헬륨 재사용 시스템.
  9. 삭제
  10. 불순물을 포함하는 폐헬륨가스를 압축하는 압축 공정;
    상기 압축된 폐헬륨가스에 포함된 불순물들을 흡착시키는 제1 흡착 공정; 및
    상기 불순물이 제거된 헬륨부화가스에 잔류하는 불순물들을 흡착시키는 제2 흡착 공정
    을 포함하고,
    상기 제1 흡착 공정 및 상기 제2 흡착 공정은 각각 복수개의 흡착탑을 통과시키는 것이고,
    상기 복수개의 흡착탑 중, 제n 흡착탑의 흡착제 크기가 제n-1 흡착탑의 흡착제 크기보다 작은 것 (n은 2 이상 정수)인,
    회수헬륨 재사용 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 제1 흡착 공정 및 상기 제2 흡착 공정은, 각각, 상기 폐헬륨가스 및 상기 헬륨부화가스를 각각 차콜, 활성탄, 탄소섬유, 카본블랙, 유리카본, 그래파이트, 제올라이트, 실리카겔, 알루미나, 규조토 및 벤토나이트로 이루어진 군에서 선택되는 적어도 어느 하나의 흡착제가 충진된 흡착부를 통과시키는 것인, 회수헬륨 재사용 방법.
  12. 제10항에 있어서,
    상기 제1 흡착 공정, 상기 제2 흡착 공정 또는 이 둘은, 압력변동흡착방식(pressure swing adsorption; PSA)에 의하는 것인, 회수헬륨 재사용 방법.
  13. 제10항에 있어서,
    상기 제2 흡착 공정은 액체질소(LN2)를 사용하는 것인, 회수헬륨 재사용 방법.
  14. 제10항에 있어서,
    상기 제2 흡착 공정은 70 bar 내지 80 bar 이하의 압력 및 -180℃ 이하의 온도로 유지하는 것인, 회수헬륨 재사용 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    제1항 내지 제8항 중 어느 한 항의 회수헬륨 재사용 시스템을 사용하여 수행하는 것인, 회수헬륨 재사용 방법.
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