KR102779421B1 - Xenon-Krypton Mixed Gas Component Separation System - Google Patents
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Abstract
본 발명에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템은, 상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 제1분리공간과, 상기 제1분리공간의 상부에 구비되어 상기 제1분리공간에 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 빙점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제1냉동기와, 상기 제1분리공간 내에서 상기 제1냉동기에 의해 빙결된 제논 성분을 흡착하는 제1흡착 구조체를 포함하는 제1성분분리기, 상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 제2분리공간과, 상기 제2분리공간의 상부에 구비되어 상기 제2분리공간에 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 빙점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제2냉동기와, 상기 제2분리공간 내에서 상기 제2냉동기에 의해 빙결된 제논 성분을 흡착하는 제2흡착 구조체를 포함하여, 제논 성분에 대한 흡착 공정 및 탈착분리 공정을 상기 제1성분분리기와 교대로 수행하는 제2성분분리기, 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 흡착 공정이 진행되는 일측의 하부 유체출입구에 선택적으로 혼합기체를 공급하는 혼합기체 공급라인, 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 흡착 공정이 진행되는 일측의 상부 유체출입구를 통해 배출되는 크립톤 성분을 회수하는 크립톤 회수라인 및 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출되는 제논 성분을 회수하는 제논 회수라인을 포함한다.The component separation system of a xenon-krypton mixture gas according to the present invention comprises: a first separation space having an upper fluid inlet formed at an upper portion and a lower fluid inlet formed at a lower portion; a first refrigerator provided at an upper portion of the first separation space and cooling a xenon (Xe)-krypton (Kr) mixture gas introduced into the first separation space to a cooling temperature below the freezing point of xenon and above the vaporization point of krypton; and a first adsorption structure that adsorbs the xenon component frozen by the first refrigerator in the first separation space; a second separation space having an upper fluid inlet formed at an upper portion and a lower fluid inlet formed at a lower portion; a second refrigerator provided at an upper portion of the second separation space and cooling a xenon (Xe)-krypton (Kr) mixture gas introduced into the second separation space to a cooling temperature below the freezing point of xenon and above the vaporization point of krypton; and a first component separator including: The present invention relates to a second component separator, which comprises a second adsorption structure that adsorbs a xenon component frozen by a second refrigerator, and alternately performs an adsorption process and a desorption and separation process for the xenon component with the first component separator, a mixed gas supply line that selectively supplies a mixed gas to a lower fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the adsorption process is performed, a krypton recovery line that recovers a krypton component discharged through an upper fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the adsorption process is performed, and a xenon recovery line that recovers a xenon component discharged from one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed.
Description
본 발명은 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 제1성분분리기 및 제2성분분리기의 상부에 구비되는 냉동기를 이용하여 효과적으로 제논 성분과 크립톤 성분의 분리 공정을 수행할 수 있는 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a component separation system for a xenon-krypton mixed gas, and more specifically, to a component separation system for a xenon-krypton mixed gas that can effectively perform a separation process of xenon components and krypton components by using a refrigerator provided on the upper portion of a first component separator and a second component separator.
일반적으로 다양한 성분이 혼합된 기체 상의 혼합물질로부터 각 성분을 분리하기 위해, 혼합된 성분 간의 기화점, 액화점 또는 빙점의 차이를 이용하여 혼합물질을 냉각시킴에 따라 증류를 수행하는 방법이 널리 사용되고 있다.In general, a method of performing distillation by cooling the mixture by utilizing the difference in the vaporization point, liquefaction point, or freezing point between the mixed components is widely used to separate each component from a gaseous mixture containing various components.
이와 같이 복수 개의 성분을 서로 분리하기 위한 기존의 초저온 냉동 동결을 이용한 분리방법은, 통상적으로 분리기의 외부에서 냉열을 제공함으로써 냉동 동결할 공간의 동결 흡착 구조체를 초저온으로 만들어 흡착 분리할 성분이 동결되도록 하고 있다.In this way, the existing separation method using ultra-low temperature freezing to separate multiple components from each other usually provides cold heat from the outside of the separator to make the freezing adsorption structure in the space to be frozen ultra-low temperature, thereby freezing the components to be separated by adsorption.
하지만, 이와 같은 종래의 초저온 냉동 동결 분리방법은 외부에서 냉열을 제공하여야 하는 특성 상 그 공정 구성이 복잡해지는 것은 물론, 혼합물질을 직접 냉동하고 가열하지 않고 간접 냉동 및 간접 가열 방식을 적용함으로 인해 에너지 효율이 크게 떨어지는 문제가 있었다.However, the conventional ultra-low temperature freezing separation method has a complex process configuration due to the need to provide cooling and heat from the outside, and has a problem in that energy efficiency is greatly reduced because indirect freezing and indirect heating methods are applied instead of directly freezing and heating the mixture.
따라서 이와 같은 문제점들을 해결하기 위한 방법이 요구된다.Therefore, a method to solve these problems is required.
본 발명은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 발명으로서, 성분분리기 내부에 노출되는 냉동기를 이용하여 성분분리기 내부에 구비되는 흡착 구조체에 직접 냉열을 가해 초저온으로 온도를 낮추는 방식을 통해 제논-크립톤 혼합기체로부터 제논 성분과 크립톤 성분을 효과적으로 분리할 수 있는 성분 분리시스템을 제공하기 위한 목적을 가진다.The present invention has been made to solve the problems of the prior art described above, and has the purpose of providing a component separation system capable of effectively separating xenon components and krypton components from a xenon-krypton mixed gas by directly applying cooling heat to an adsorption structure provided inside the component separator using a refrigerator exposed inside the component separator to lower the temperature to an ultra-low temperature.
본 발명의 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The tasks of the present invention are not limited to the tasks mentioned above, and other tasks not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description below.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템은, 상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 제1분리공간과, 상기 제1분리공간의 상부에 구비되어 상기 제1분리공간에 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 빙점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제1냉동기와, 상기 제1분리공간 내에서 상기 제1냉동기에 의해 빙결된 제논 성분을 흡착하는 제1흡착 구조체를 포함하는 제1성분분리기, 상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 제2분리공간과, 상기 제2분리공간의 상부에 구비되어 상기 제2분리공간에 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 빙점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제2냉동기와, 상기 제2분리공간 내에서 상기 제2냉동기에 의해 빙결된 제논 성분을 흡착하는 제2흡착 구조체를 포함하여, 제논 성분에 대한 흡착 공정 및 탈착분리 공정을 상기 제1성분분리기와 교대로 수행하는 제2성분분리기, 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 흡착 공정이 진행되는 일측의 하부 유체출입구에 선택적으로 혼합기체를 공급하는 혼합기체 공급라인, 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 흡착 공정이 진행되는 일측의 상부 유체출입구를 통해 배출되는 크립톤 성분을 회수하는 크립톤 회수라인 및 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출되는 제논 성분을 회수하는 제논 회수라인을 포함한다.In order to achieve the above object, the present invention provides a component separation system for a xenon-krypton mixture gas, comprising: a first separation space having an upper fluid inlet formed at an upper portion and a lower fluid inlet formed at a lower portion; a first refrigerator provided at an upper portion of the first separation space and cooling a xenon (Xe)-krypton (Kr) mixture gas introduced into the first separation space to a cooling temperature below the freezing point of xenon and above the vaporization point of krypton; and a first adsorption structure that adsorbs the xenon component frozen by the first refrigerator in the first separation space; a second separation space having an upper fluid inlet formed at an upper portion and a lower fluid inlet formed at a lower portion; a second refrigerator provided at an upper portion of the second separation space and cooling a xenon (Xe)-krypton (Kr) mixture gas introduced into the second separation space to a cooling temperature below the freezing point of xenon and above the vaporization point of krypton; The present invention relates to a second component separator, which includes a second adsorption structure that adsorbs the xenon component frozen by the second refrigerator in a second separation space, and alternately performs an adsorption process and a desorption separation process for the xenon component with the first component separator, a mixed gas supply line that selectively supplies a mixed gas to a lower fluid inlet/outlet of one side of the first separation space or the second separation space where the adsorption process is performed, a krypton recovery line that recovers a krypton component discharged through an upper fluid inlet/outlet of one side of the first separation space or the second separation space where the adsorption process is performed, and a xenon recovery line that recovers a xenon component discharged from one side of the first separation space or the second separation space where the desorption separation process is performed.
이때 상기 제1성분분리기는 상기 제1분리공간 내를 가열하여 상기 제1흡착 구조체에 흡착된 제논 성분을 탈착 분리시키는 제1가열기를 더 포함하며, 상기 제2성분분리기는 상기 제2분리공간 내를 가열하여 상기 제2흡착 구조체에 흡착된 제논 성분을 탈착 분리시키는 제2가열기를 더 포함할 수 있다.At this time, the first component separator may further include a first heater that heats the inside of the first separation space to desorb and separate the xenon component adsorbed on the first adsorption structure, and the second component separator may further include a second heater that heats the inside of the second separation space to desorb and separate the xenon component adsorbed on the second adsorption structure.
그리고 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정은 제논 성분을 기화시키도록 진행되며, 이와 같은 경우 상기 제논 회수라인은, 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측의 상부 유체출입구를 통해 배출되는 기화된 제논 성분을 회수하도록 구비될 수 있다.And the desorption and separation process performed in the first separation space or the second separation space is carried out to vaporize the xenon component, and in this case, the xenon recovery line may be provided to recover the vaporized xenon component discharged through the upper fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed.
또는 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정은 제논 성분을 액화시키도록 진행되며, 이와 같은 경우 상기 제논 회수라인은, 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측의 하부 유체출입구를 통해 배출되는 액화된 제논 성분과 일부 기화된 제논 성분을 회수하도록 구비될 수 있다.Alternatively, the desorption and separation process performed in the first separation space or the second separation space is performed to liquefy the xenon component, and in this case, the xenon recovery line may be provided to recover the liquefied xenon component and some vaporized xenon component discharged through the lower fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed.
더불어 본 발명은 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정의 초기 기 설정된 시간 동안 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에 잔류하는 크립톤 성분을 배출시키는 배기라인을 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include an exhaust line for discharging a krypton component remaining in the first separation space or the second separation space during an initial preset time of a desorption/separation process performed in the first separation space or the second separation space.
그리고 본 발명은 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정의 초기 기 설정된 시간 동안 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에 잔류하는 크립톤 성분과, 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출되는 제논 성분을 순환시키는 순환라인 및 상기 순환라인 상에 구비되어 상기 순환라인을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분을 저장하는 버퍼탱크를 더 포함할 수 있다.And the present invention may further include a circulation line that circulates a krypton component remaining in the first separation space or the second separation space during an initial preset time of a desorption and separation process performed in the first separation space or the second separation space and a xenon component discharged from one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed, and a buffer tank provided on the circulation line that stores the krypton component and xenon component flowing through the circulation line.
이와 함께 본 발명은 상기 순환라인 상에 구비되어 상기 순환라인을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분을 압축하는 압축기를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a compressor provided on the circulation line and compressing the krypton component and xenon component flowing through the circulation line.
더불어 본 발명은 상기 순환라인 상에 구비되어 상기 순환라인을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분을 가열하는 히터를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a heater provided on the circulation line to heat the krypton component and xenon component flowing through the circulation line.
추가적으로 본 발명은 상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 증류공간과, 상기 증류공간의 상부에 구비되어 상기 버퍼탱크로부터 상기 증류공간으로 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 액화점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제3냉동기를 포함하는 증류기 및 상기 증류공간의 상부 유체출입구를 통해 배출되는 크립톤 성분과 제논 성분을 상기 혼합기체 공급라인에 재공급하는 재공급라인을 더 포함할 수 있으며, 이와 같은 경우 상기 제논 회수라인은, 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출된 후 상기 증류공간으로 유입되어 액화된 후 상기 증류공간의 하부 유체출입구를 통해 배출되는 액화된 제논 성분을 회수하도록 구비될 수 있다.Additionally, the present invention may further include a still including a distillation space having an upper fluid inlet formed at an upper portion and a lower fluid inlet formed at a lower portion, and a third refrigerator provided at an upper portion of the distillation space for cooling a xenon (Xe)-krypton (Kr) mixed gas introduced into the distillation space from the buffer tank to a cooling temperature below the liquefaction point of xenon and above the vaporization point of krypton, and a re-supply line for re-supplying the krypton component and xenon component discharged through the upper fluid inlet of the distillation space to the mixed gas supply line, and in this case, the xenon recovery line may be provided to recover the liquefied xenon component that is discharged from one side of the first separation space or the second separation space where a desorption separation process is performed, then introduced into the distillation space, liquefied, and then discharged through the lower fluid inlet of the distillation space.
그리고 본 발명은 상기 혼합기체 공급라인을 통해 유동되는 혼합기체와, 상기 크립톤 회수라인을 통해 유동되는 크립톤 성분 및 상기 제논 회수라인을 통해 유동되는 제논 성분을 서로 열교환하여 혼합기체의 온도를 강하시키는 열교환유닛을 더 포함할 수 있다.The present invention may further include a heat exchange unit that lowers the temperature of the mixed gas by exchanging heat between the mixed gas flowing through the mixed gas supply line, the krypton component flowing through the krypton recovery line, and the xenon component flowing through the xenon recovery line.
또한 본 발명은 적어도 상기 제1성분분리기 및 상기 제2성분분리기를 감싸도록 형성되며, 내부가 진공 분위기로 형성되는 진공챔버를 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a vacuum chamber formed to surround at least the first component separator and the second component separator, and having an interior formed with a vacuum atmosphere.
한편 본 발명은 상기 혼합기체 공급라인에 구비되어, 상기 혼합기체 공급라인으로 유동되는 혼합기체에 포함된 산소를 수소와 반응시켜 수증기로 전환시키는 산소제거유닛을 더 포함할 수 있다.Meanwhile, the present invention may further include an oxygen removal unit provided in the mixed gas supply line to convert oxygen contained in the mixed gas flowing through the mixed gas supply line into water vapor by reacting it with hydrogen.
그리고 본 발명은 상기 혼합기체 공급라인에 구비되어, 산소제거유닛에 의해 생성된 수증기를 흡착하는 수분흡착유닛을 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a moisture absorption unit provided in the mixed gas supply line to absorb moisture generated by the oxygen removal unit.
이때 상기 수분흡착유닛은 한 쌍이 병렬로 구성될 수 있다.At this time, the moisture absorption units may be configured in pairs in parallel.
또한 본 발명은 상기 혼합기체 공급라인에 구비되어, 액체질소를 통해 상기 혼합기체 공급라인으로 유동되는 혼합기체가 사전 냉각되도록 하는 기체냉각유닛을 더 포함할 수 있다.In addition, the present invention may further include a gas cooling unit provided in the mixed gas supply line to pre-cool the mixed gas flowing into the mixed gas supply line through liquid nitrogen.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템은, 제1성분분리기의 제1분리공간에 적어도 일부가 노출되는 제1냉동기 및 제2성분분리기의 제2분리공간에 적어도 일부가 노출되는 제2냉동기를 이용하여 흡착 구조체에 직접 냉열을 가해 초저온으로 온도를 낮출 수 있으므로, 제논-크립톤 혼합기체로부터 제논 성분과 크립톤 성분을 효과적으로 분리할 수 있는 장점을 가진다.The component separation system of the xenon-krypton mixed gas of the present invention for solving the above-mentioned problem has the advantage of being able to effectively separate the xenon component and the krypton component from the xenon-krypton mixed gas by directly applying cooling heat to an adsorption structure to lower the temperature to an ultra-low temperature using a first refrigerator at least partially exposed to a first separation space of a first component separator and a second refrigerator at least partially exposed to a second separation space of a second component separator.
더불어 이와 같은 본 발명은 기존의 냉동 동결 흡착 방법에 비해 매우 단순한 구조를 가지게 되므로, 보다 효율적으로 전체 공정을 구성할 수 있다는 장점을 가진다.In addition, since the present invention has a very simple structure compared to existing freezing and adsorption methods, it has the advantage of being able to configure the entire process more efficiently.
본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the effects mentioned above, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the description of the claims.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면;
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면;
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면;
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면;
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면;
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면;
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면; 및
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a first embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a second embodiment of the present invention;
FIG. 3 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a third embodiment of the present invention;
FIG. 4 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a fourth embodiment of the present invention;
FIG. 5 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a fifth embodiment of the present invention;
FIG. 6 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a sixth embodiment of the present invention;
Figure 7 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system of a xenon-krypton mixed gas according to the seventh embodiment of the present invention; and
FIG. 8 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to the eighth embodiment of the present invention.
본 명세서에서, 어떤 구성요소(또는 영역, 층, 부분 등)가 다른 구성요소 "상에 있다", "연결된다", 또는 "결합된다"고 언급되는 경우에 그것은 다른 구성요소 상에 직접 배치/연결/결합될 수 있거나 또는 그들 사이에 제3의 구성요소가 배치될 수도 있다는 것을 의미한다.In this specification, when a component (or region, layer, portion, etc.) is referred to as being “on,” “connected to,” or “coupled to” another component, it means that it can be directly disposed/connected/coupled to the other component, or that a third component may be disposed between them.
동일한 도면부호는 동일한 구성요소를 지칭한다. 또한, 도면들에 있어서, 구성요소들의 두께, 비율, 및 치수는 기술적 내용의 효과적인 설명을 위해 과장된 것이다.Identical drawing symbols refer to identical components. Also, in the drawings, the thicknesses, proportions, and dimensions of the components are exaggerated for the purpose of effectively explaining the technical contents.
"및/또는"은 연관된 구성들이 정의할 수 있는 하나 이상의 조합을 모두 포함한다.“And/or” includes any combination of one or more of the associated constructs that can be defined.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.The terms first, second, etc. may be used to describe various components, but the components should not be limited by the terms. The terms are only used to distinguish one component from another. For example, without departing from the scope of the present invention, the first component may be referred to as the second component, and similarly, the second component may also be referred to as the first component. The singular expression includes the plural expression unless the context clearly indicates otherwise.
또한, "아래에", "하측에", "위에", "상측에" 등의 용어는 도면에 도시된 구성들의 연관관계를 설명하기 위해 사용된다. 상기 용어들은 상대적인 개념으로, 도면에 표시된 방향을 기준으로 설명된다.Additionally, terms such as "below," "lower," "above," and "upper," are used to describe the relationships between components depicted in the drawings. These terms are relative concepts and are described based on the directions indicated in the drawings.
다르게 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 용어 (기술 용어 및 과학 용어 포함)는 본 발명이 속하는 기술 분야의 당업자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에서 정의된 용어와 같은 용어는 관련 기술의 맥락에서 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하고, 이상적인 또는 지나치게 형식적인 의미로 해석되지 않는 한, 명시적으로 여기에서 정의된다.Unless otherwise defined, all terms (including technical and scientific terms) used herein have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which this invention belongs. In addition, terms that are defined in commonly used dictionaries, such as terms, should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the relevant art, and are explicitly defined herein, unless interpreted in an idealized or overly formal sense.
"포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. It should be understood that the terms "include" or "have" are intended to specify the presence of a feature, number, step, operation, component, part, or combination thereof described in the specification, but do not exclude in advance the possibility of the presence or addition of one or more other features, numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하도록 한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 본 발명의 제1실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 1 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a first embodiment of the present invention.
도 1에 도시된 본 발명의 제1실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템은, 제1성분분리기(100), 제2성분분리기(200), 혼합기체 공급라인(10), 크립톤 회수라인(20) 및 제논 회수라인(30)을 포함한다.The component separation system of a xenon-krypton mixed gas according to the first embodiment of the present invention illustrated in FIG. 1 includes a first component separator (100), a second component separator (200), a mixed gas supply line (10), a krypton recovery line (20), and a xenon recovery line (30).
제1성분분리기(100)는 상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 제1분리공간이 내부에 형성된다.The first component separator (100) has a first separation space formed inside, with an upper fluid inlet formed at the upper end and a lower fluid inlet formed at the lower end.
그리고 제1성분분리기(100)는, 제1분리공간 상부에 구비되어 분리공간에 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 빙점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제1냉동기(110)와, 제1분리공간 내에서 제1냉동기(110)에 의해 빙결된 제논 성분을 흡착하는 제1흡착 구조체(120)와, 제1분리공간 내를 가열하여 제1흡착 구조체(120)에 흡착된 제논 성분을 탈착 분리시키는 제1가열기(130)를 포함한다.And the first component separator (100) includes a first refrigerator (110) provided above the first separation space and cooling the xenon (Xe)-krypton (Kr) mixed gas flowing into the separation space to a cooling temperature below the freezing point of xenon and above the vaporization point of krypton, a first adsorption structure (120) that adsorbs the xenon component frozen by the first refrigerator (110) within the first separation space, and a first heater (130) that heats the inside of the first separation space to desorb and separate the xenon component adsorbed by the first adsorption structure (120).
제2성분분리기(200)는 상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 제2분리공간이 내부에 형성된다.The second component separator (200) has a second separation space formed inside, with an upper fluid inlet formed at the upper end and a lower fluid inlet formed at the lower end.
그리고 제2성분분리기(200)는, 제2분리공간 상부에 구비되어 분리공간에 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 빙점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제2냉동기(210)와, 제2분리공간 내에서 제2냉동기(210)에 의해 빙결된 제논 성분을 흡착하는 제2흡착 구조체(220)와, 제2분리공간 내를 가열하여 제2흡착 구조체(220)에 흡착된 제논 성분을 탈착 분리시키는 제2가열기(230)를 포함한다.And the second component separator (200) includes a second refrigerator (210) provided in the upper part of the second separation space and cooling the xenon (Xe)-krypton (Kr) mixed gas flowing into the separation space to a cooling temperature below the freezing point of xenon and above the vaporization point of krypton, a second adsorption structure (220) that adsorbs the xenon component frozen by the second refrigerator (210) within the second separation space, and a second heater (230) that heats the inside of the second separation space to desorb and separate the xenon component adsorbed by the second adsorption structure (220).
이와 같은 제2성분분리기(200)는 제논 성분에 대한 흡착 공정 및 탈착분리 공정을 제1성분분리기(100)와 교대로 수행하도록 구비된다.A second component separator (200) of this type is equipped to alternately perform the adsorption process and desorption separation process for the xenon component with the first component separator (100).
또한 본 실시예에서 제1냉동기(110) 및 제2냉동기(210)는, G-M(Gifford-McMahon)냉동기 형태를 적용하는 것으로 하였으나, 이러한 냉동기는 G-M(Gifford-McMahon)냉동기만으로 한정되는 것은 아니며 냉열을 발생시키는 일반적인 모든 장치가 적용될 수 있다.In addition, in this embodiment, the first refrigerator (110) and the second refrigerator (210) are designed to use the G-M (Gifford-McMahon) refrigerator type, but these refrigerators are not limited to the G-M (Gifford-McMahon) refrigerator, and any general device that generates cold heat can be applied.
여기서 제1냉동기(110)는 제1흡착 구조체(120)에, 제2냉동기(210)는 제2흡착 구조체(220)에 직접 냉열을 가하여, 초저온으로 온도를 낮추는 방법으로 기존의 냉동 동결 흡착 방법보다 단순하며, 더 효율적인 공정 구성을 가능하게 한다.Here, the first refrigerator (110) directly applies cooling to the first adsorption structure (120), and the second refrigerator (210) directly applies cooling to the second adsorption structure (220), thereby lowering the temperature to an ultra-low temperature, which enables a simpler and more efficient process configuration than the existing freezing and adsorption method.
이와 같이 초저온의 직접 냉동이 가능한 것은 제1냉동기(110) 및 제2냉동기(210)를 각각의 흡착 구조체에 직접 연결하여 구조를 단순화시키고 고효율화 하였기 때문이다.The reason why direct freezing at such an ultra-low temperature is possible is because the first refrigerator (110) and the second refrigerator (210) are directly connected to each adsorption structure, thereby simplifying the structure and improving efficiency.
한편 제1흡착 구조체(120) 및 제2흡착 구조체(220)는 기체가 냉동 동결되는 빈 공간이 제공되는 형태일 수도 있으나, 본 실시예의 경우 기체의 효율적 분리를 위해 다공질로 흡착이 용이한 흡착 구조체의 형태를 적용하는 것으로 하였다.Meanwhile, the first adsorption structure (120) and the second adsorption structure (220) may be provided with an empty space in which the gas is frozen, but in the case of this embodiment, a porous adsorption structure that is easy to adsorb is applied for efficient separation of the gas.
혼합기체 공급라인(10)은 혼합기체탱크(1)로부터 제1분리공간 또는 제2분리공간 중 흡착 공정이 진행되는 일측의 하부 유체출입구에 선택적으로 혼합기체를 공급하도록 구비된다. 이때 혼합기체는 제논(Xe), 크립톤(Kr), 산소(O2)가 혼합된 상태일 수 있다.The mixed gas supply line (10) is provided to selectively supply the mixed gas from the mixed gas tank (1) to the lower fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the adsorption process is performed. At this time, the mixed gas may be a mixture of xenon (Xe), krypton (Kr), and oxygen (O 2 ).
그리고 크립톤 회수라인(20)은 제1분리공간 또는 제2분리공간 중 흡착 공정이 진행되는 일측의 상부 유체출입구를 통해 배출되는 크립톤 성분을 회수하도록 구비되며, 제논 회수라인(30)은 제1분리공간 또는 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출되는 제논 성분을 회수하도록 구비된다.And the krypton recovery line (20) is provided to recover the krypton component discharged through the upper fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the adsorption process is performed, and the xenon recovery line (30) is provided to recover the xenon component discharged from one side of the first separation space or the second separation space where the desorption separation process is performed.
특히 본 실시예에서 제1분리공간 또는 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정은 제논 성분을 기화시키도록 진행되며, 이에 따라 제논 회수라인(30)은 제1분리공간 또는 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측의 상부 유체출입구를 통해 배출되는 기화된 제논 성분을 회수하도록 구비된다.In particular, in the present embodiment, the desorption and separation process performed in the first separation space or the second separation space is performed to vaporize the xenon component, and accordingly, the xenon recovery line (30) is provided to recover the vaporized xenon component discharged through the upper fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed.
더불어 본 실시예는 제1분리공간 또는 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정의 초기 기 설정된 시간 동안 제1분리공간 또는 제2분리공간에 잔류하는 크립톤 성분을 배출시키기 위한 배기라인(40)을 더 포함할 수 있다.In addition, the present embodiment may further include an exhaust line (40) for discharging krypton components remaining in the first separation space or the second separation space during an initial preset time of a desorption/separation process performed in the first separation space or the second separation space.
또한 본 실시예는 혼합기체 공급라인(10)을 통해 공급되는 혼합기체에 대해 전처리를 수행하는 전처리 설비들을 더 포함할 수 있다. 그리고 본 실시예에서 전처리 설비는 산소제거유닛(2) 및 수분흡착유닛(3)을 포함한다.In addition, the present embodiment may further include pretreatment facilities that perform pretreatment on the mixed gas supplied through the mixed gas supply line (10). And in the present embodiment, the pretreatment facilities include an oxygen removal unit (2) and a moisture absorption unit (3).
산소제거유닛(2)은 혼합기체 공급라인(10)에 구비되어, 혼합기체 공급라인(10)으로 유동되는 혼합기체에 포함된 산소를 수소와 반응시켜 수증기로 전환시키는 역할을 수행한다.The oxygen removal unit (2) is provided in the mixed gas supply line (10) and performs the function of converting oxygen contained in the mixed gas flowing through the mixed gas supply line (10) into water vapor by reacting it with hydrogen.
수분흡착유닛(3)은 혼합기체 공급라인에 구비되어, 산소제거유닛(2)에 의해 생성된 수증기를 흡착하도록 구비된다. 즉 산소제거유닛(2) 및 수분흡착유닛은 혼합기체의 산소를 수증기로 전환한 뒤 흡착하여 혼합기체로부터 산소를 완전히 제거할 수 있다.The moisture adsorption unit (3) is provided in the mixed gas supply line and is provided to adsorb the water vapor generated by the oxygen removal unit (2). That is, the oxygen removal unit (2) and the water adsorption unit can completely remove the oxygen from the mixed gas by converting the oxygen in the mixed gas into water vapor and then adsorbing it.
이때 수분흡착유닛(3)은 연속 운전이 가능하도록 한 쌍이 병렬로 구성될 수 있다.At this time, the moisture absorption units (3) can be configured in pairs in parallel to enable continuous operation.
이상과 같은 본 실시예의 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리 과정은 다음과 같다.The component separation process of the xenon-krypton mixture gas of this example is as follows.
먼저, 혼합기체탱크(1)에 수용된 제논(Xe), 크립톤(Kr), 산소(O2)의 혼합기체는 혼합기체 공급라인(10)을 통해 유동된다.First, the mixed gas of xenon (Xe), krypton (Kr), and oxygen (O 2 ) contained in the mixed gas tank (1) flows through the mixed gas supply line (10).
그리고 이 과정에서, 산소제거유닛(2)은 혼합기체 공급라인(10)으로 유동되는 혼합기체에 포함된 산소를 수소와 반응시켜 수증기로 전환시키고, 수분흡착유닛(3)은 산소제거유닛(2)에 의해 생성된 수증기를 흡착하여 산소를 완전히 제거한다.And in this process, the oxygen removal unit (2) converts the oxygen contained in the mixed gas flowing through the mixed gas supply line (10) into water vapor by reacting it with hydrogen, and the moisture adsorption unit (3) completely removes the oxygen by adsorbing the water vapor generated by the oxygen removal unit (2).
이후 혼합기체는 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200) 중 어느 일측으로 공급되며, 해당 성분분리기(100, 200)에서 제논의 흡착 공정이 수행된다.Thereafter, the mixed gas is supplied to one of the first component separator (100) and the second component separator (200), and the xenon adsorption process is performed in the corresponding component separator (100, 200).
본 과정에서는 냉동기(110, 210)를 통해 제논이 빙점 이하로 냉각되어 흡착 구조체(120, 220)에 흡착되나, 해당 온도는 크립톤의 기화점 이상이므로 크립톤은 기체 상태로 크립톤 회수라인(20)을 통해 배출된다.In this process, xenon is cooled below the freezing point through a refrigerator (110, 210) and adsorbed onto an adsorption structure (120, 220). However, since the temperature is higher than the vaporization point of krypton, krypton is discharged in a gaseous state through a krypton recovery line (20).
이와 같이 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200) 중 어느 일측에서 제논의 흡착 공정이 이루어진 후, 해당 성분분리기(100, 200)에서는 탈착분리 공정이 수행된다. 이와 동시에 혼합기체 공급라인(10)은 나머지 다른 하나의 성분분리기(100, 200)로 혼합기체를 공급하여 흡착 공정이 진행되도록 한다.In this way, after the xenon adsorption process is performed in one of the first component separator (100) and the second component separator (200), the desorption separation process is performed in the corresponding component separator (100, 200). At the same time, the mixed gas supply line (10) supplies the mixed gas to the other remaining component separator (100, 200) so that the adsorption process is performed.
즉 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200)는 서로 교대로 흡착 공정 및 탈착분리 공정을 수행하게 된다.That is, the first component separator (100) and the second component separator (200) alternately perform the adsorption process and the desorption separation process.
그리고 탈착분리 공정이 수행되는 성분분리기(100, 200)에서는 가열기(130, 230)를 통해 내부를 가열하는 과정이 이루어지며, 이에 따라 흡착 구조체(120, 220)에 흡착되어 있던 제논 성분은 제논 회수라인(30)을 통해 배출될 수 있다.In addition, in the component separator (100, 200) where the desorption/separation process is performed, a process of heating the interior is performed through a heater (130, 230), and accordingly, the xenon component adsorbed on the adsorption structure (120, 220) can be discharged through the xenon recovery line (30).
이때 탈착분리 공정의 초기 기 설정된 시간 동안 해당 성분분리기(100, 200) 내에 잔류하는 크립톤 성분은 배기라인(40)을 통해 배출되며, 이후 제논 회수라인(30)을 통한 제논 성분의 회수가 이루어진다.At this time, the krypton component remaining in the component separator (100, 200) for the initial preset time of the desorption/separation process is discharged through the exhaust line (40), and then the xenon component is recovered through the xenon recovery line (30).
이와 같이 본 발명은 제1성분분리기(100)의 제1분리공간에 적어도 일부가 노출되는 제1냉동기(110) 및 제2성분분리기(200)의 제2분리공간에 적어도 일부가 노출되는 제2냉동기(210)를 이용하여 흡착 구조체(120, 220)에 직접 냉열을 가해 초저온으로 온도를 낮출 수 있으므로, 제논-크립톤 혼합기체로부터 제논 성분과 크립톤 성분을 효과적으로 분리할 수 있다.In this way, the present invention can directly apply cooling heat to the adsorption structure (120, 220) to lower the temperature to an ultra-low temperature by using the first refrigerator (110) at least partially exposed to the first separation space of the first component separator (100) and the second refrigerator (210) at least partially exposed to the second separation space of the second component separator (200), thereby effectively separating the xenon component and the krypton component from the xenon-krypton mixed gas.
이하에서는, 본 발명의 다른 실시예들에 대해 설명하도록 한다. 이때 이하 설명될 각 실시예에 있어서, 전술한 제1실시예와 동일하게 구비되는 구성요소에 대한 중복되는 설명은 생략하도록 한다. 또한 이하 설명되는 실시예에서 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200)의 하위 구성은 제1실시예에 나타난 도면부호를 기준으로 한다.Hereinafter, other embodiments of the present invention will be described. In this case, in each embodiment to be described below, duplicate descriptions of components that are provided in the same manner as in the first embodiment described above will be omitted. In addition, in the embodiment described below, the sub-components of the first component separator (100) and the second component separator (200) are based on the drawing symbols shown in the first embodiment.
도 2는 본 발명의 제2실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 2 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a second embodiment of the present invention.
도 2에 도시된 본 발명의 제2실시예는 전술한 제1실시예와 전체적으로 동일한 구성요소를 포함하나, 제1성분분리기(100)의 제1분리공간 또는 제2성분분리기(200)의 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정은 제논 성분을 액화시키도록 진행된다는 차이점을 가진다.The second embodiment of the present invention illustrated in FIG. 2 includes the same overall components as the first embodiment described above, but has a difference in that the desorption and separation process performed in the first separation space of the first component separator (100) or the second separation space of the second component separator (200) is performed to liquefy the xenon component.
이에 따라 제논 회수라인(30)은 제1분리공간 또는 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측의 하부 유체출입구를 통해 배출되는 액화된 제논 성분과 일부 기화된 제논 성분을 회수하도록 형성된다.Accordingly, the xenon recovery line (30) is formed to recover the liquefied xenon component and some vaporized xenon component discharged through the lower fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed.
구체적으로, 제1분리공간 또는 제2분리공간 내에서 가열기(130, 230)를 통해 가열이 이루어질 경우 1차적으로 제논 성분이 해동되어 액체로 전환된 후 바닥으로 떨어지며, 이후 제논 성분의 일부가 기화되어 성분분리기(100, 200)의 내부를 가압하게 됨에 따라 액화된 제논 성분과 일부 기화된 제논 성분은 하부 유체출입구를 통해 배출되어 제논 회수라인(30)을 통해 회수된다.Specifically, when heating is performed through a heater (130, 230) in the first separation space or the second separation space, the xenon component is first thawed and converted into a liquid and then falls to the floor. Thereafter, a portion of the xenon component is vaporized and pressurized inside the component separator (100, 200), so the liquefied xenon component and the partially vaporized xenon component are discharged through the lower fluid inlet and recovered through the xenon recovery line (30).
도 3은 본 발명의 제3실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 3 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a third embodiment of the present invention.
도 3에 도시된 본 발명의 제3실시예는 전술한 제1실시예 및 제2실시예에서 구비되었던 배기라인(40)이 생략되고, 순환라인(50) 및 버퍼탱크(51)가 추가적으로 구비된다는 특징을 가진다.The third embodiment of the present invention illustrated in FIG. 3 has the characteristic that the exhaust line (40) provided in the first and second embodiments described above is omitted, and a circulation line (50) and a buffer tank (51) are additionally provided.
순환라인(50)은 제1분리공간 또는 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정의 초기 기 설정된 시간 동안 제1분리공간 또는 제2분리공간에 잔류하는 크립톤 성분과, 제1분리공간 또는 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출되는 제논 성분을 순환시키도록 구비된다.The circulation line (50) is provided to circulate the krypton component remaining in the first separation space or the second separation space during the initial preset time of the desorption and separation process performed in the first separation space or the second separation space, and the xenon component discharged from one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed.
그리고 버퍼탱크(51)는 이와 같은 순환라인(50) 상에 구비되어 순환라인을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분을 저장하는 역할을 수행한다.And the buffer tank (51) is provided on the circulation line (50) and serves to store the krypton component and xenon component flowing through the circulation line.
또한 본 실시예는 이와 더불어 증류기(300) 및 재공급라인(60)을 더 포함한다.In addition, the present embodiment further includes a still (300) and a resupply line (60).
증류기(300)는 상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 증류공간과, 증류공간의 상부에 구비되어 버퍼탱크(51)로부터 증류공간으로 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 액화점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제3냉동기(310)를 포함한다.A still (300) includes a distillation space having an upper fluid inlet formed at the upper end and a lower fluid inlet formed at the lower end, and a third refrigerator (310) provided at the upper end of the distillation space to cool a xenon (Xe)-krypton (Kr) mixture gas introduced into the distillation space from a buffer tank (51) to a cooling temperature below the liquefaction point of xenon and above the vaporization point of krypton.
더불어 본 실시예의 증류기(300)는 증류공간 내에서 기체 상의 물질을 하부에서 상부로 유동되도록 하고, 액체 상의 물질을 상부에서 하부로 유동되도록 하며, 이와 같은 과정에서 기체와 액체의 원활한 접촉이 이루어지도록 하고, 이를 통하여 각 성분의 순도가 높아지도록 하는 유체 접촉용 구조체(320)와, 증류공간 내에서 액화된 성분을 재증발시켜 증류공간 내로 재공급하는 재비기(330)를 더 포함할 수 있다.In addition, the still (300) of the present embodiment may further include a fluid contact structure (320) that allows a gaseous substance to flow from the bottom to the top within the distillation space and a liquid substance to flow from the top to the bottom, and that allows smooth contact between the gas and the liquid during this process, thereby increasing the purity of each component, and a reboiler (330) that re-evaporates a component liquefied within the distillation space and re-supplies it into the distillation space.
그리고 재공급라인(60)은 증류기(300)의 증류공간 상부 유체출입구를 통해 배출되는 크립톤 성분과 제논 성분을 혼합기체 공급라인에 재공급하도록 구비된다.And the resupply line (60) is provided to resupply the krypton component and xenon component discharged through the upper fluid inlet of the distillation space of the still (300) to the mixed gas supply line.
또한 본 실시예에서 제논 회수라인(30)은, 제1분리공간 또는 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출된 후 증류기(300)의 증류공간으로 유입되어 액화된 후 증류공간의 하부 유체출입구를 통해 배출되는 액화된 제논 성분을 회수하도록 구비될 수 있다.In addition, in this embodiment, the xenon recovery line (30) may be provided to recover the liquefied xenon component that is discharged from one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed, then flows into the distillation space of the still (300), is liquefied, and then is discharged through the lower fluid inlet of the distillation space.
즉 본 실시예는 증류기(300)를 통해 제논 성분과 크립톤 성분의 혼합물을 다시 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200) 측으로 재송부하여, 배기라인(40)을 통한 크립톤의 배기 과정 없이 성분 전량을 고순도로 분리할 수 있다.That is, in this embodiment, the mixture of xenon and krypton components is retransmitted to the first component separator (100) and the second component separator (200) through the still (300), so that all components can be separated with high purity without the process of exhausting krypton through the exhaust line (40).
도 4는 본 발명의 제4실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 4 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a fourth embodiment of the present invention.
도 4에 도시된 본 발명의 제4실시예는 전술한 제3실시예와 전체적으로 동일한 구성요소를 포함하나, 이와 함께 혼합기체 공급라인(10)에 구비되어 액체질소를 통해 혼합기체 공급라인(10)으로 유동되는 혼합기체가 사전 냉각되도록 하는 기체냉각유닛(4)을 더 포함한다는 특징을 가진다.The fourth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 4 includes the same components as the third embodiment described above, but is characterized in that it further includes a gas cooling unit (4) provided in the mixed gas supply line (10) to pre-cool the mixed gas flowing into the mixed gas supply line (10) through liquid nitrogen.
즉 본 실시예는 액체질소와 혼합기체 간의 열교환을 통해 혼합기체를 예냉시키고, 전체 공정 효율을 보다 향상시킬 수 있도록 한다.That is, this embodiment precools the mixed gas through heat exchange between liquid nitrogen and the mixed gas, thereby further improving the overall process efficiency.
도 5는 본 발명의 제5실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 5 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a fifth embodiment of the present invention.
도 5에 도시된 본 발명의 제5실시예는 전술한 제4실시예와 전체적으로 동일한 구성요소를 포함하나, 이와 함께 혼합기체 공급라인(10)을 통해 유동되는 혼합기체와, 크립톤 회수라인(20)을 통해 유동되는 크립톤 성분 및 제논 회수라인(30)을 통해 유동되는 제논 성분을 서로 열교환하여 혼합기체의 온도를 강하시키는 열교환유닛(400)을 더 포함한다는 특징을 가진다.The fifth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 5 includes the same components as the fourth embodiment described above, but is further characterized by including a heat exchange unit (400) that lowers the temperature of the mixed gas by heat-exchanging the mixed gas flowing through the mixed gas supply line (10), the krypton component flowing through the krypton recovery line (20), and the xenon component flowing through the xenon recovery line (30).
즉 본 실시예에서 혼합기체 공급라인(10)을 통해 유동되는 혼합기체는 기체냉각유닛(4)을 통해 1차적으로 냉각되고, 이후 열교환유닛(400)을 거치며 크립톤 회수라인(20)을 통해 유동되는 크립톤 성분 및 제논 회수라인(30)을 통해 유동되는 제논 성분과의 열교환을 통해 2차적으로 냉각되어 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200)로 공급될 수 있다.That is, in this embodiment, the mixed gas flowing through the mixed gas supply line (10) is first cooled through the gas cooling unit (4), and then passes through the heat exchange unit (400) and is secondarily cooled through heat exchange with the krypton component flowing through the krypton recovery line (20) and the xenon component flowing through the xenon recovery line (30) so that it can be supplied to the first component separator (100) and the second component separator (200).
도 6은 본 발명의 제6실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 6 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to a sixth embodiment of the present invention.
도 6에 도시된 본 발명의 제6실시예는 전술한 제5실시예와 전체적으로 동일한 구성요소를 포함하나, 이와 함께 순환라인(50) 상에 구비되어 순환라인(50)을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분을 압축하는 압축기(52)를 더 포함한다는 특징을 가진다.The sixth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 6 includes the same components as the fifth embodiment described above, but is characterized in that it further includes a compressor (52) provided on the circulation line (50) to compress the krypton component and xenon component flowing through the circulation line (50).
이에 따라 본 실시예는 압축기(52)를 통해 순환라인(50)을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분에 순환라인(50)을 지속적으로 순환할 수 있는 에너지를 제공할 수 있다.Accordingly, the present embodiment can provide energy to continuously circulate the krypton component and xenon component flowing through the circulation line (50) through the compressor (52) through the circulation line (50).
도 7은 본 발명의 제7실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 7 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to the seventh embodiment of the present invention.
도 7에 도시된 본 발명의 제7실시예는 전술한 제6실시예와 전체적으로 동일한 구성요소를 포함하나, 제1성분분리기(100)에 구비되어 있던 제1가열기(130) 및 제2성분분리기(200)에 구비되어 있던 제2가열기(230)가 생략된 형태를 가진다.The seventh embodiment of the present invention illustrated in FIG. 7 includes the same overall components as the sixth embodiment described above, but has a form in which the first heater (130) equipped in the first component separator (100) and the second heater (230) equipped in the second component separator (200) are omitted.
그리고 이를 대체하여, 본 실시예는 순환라인(50) 상에 구비되어 순환라인(50)을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분을 가열하는 히터(53)가 마련된다는 특징을 가진다.And instead, this embodiment has the feature that a heater (53) is provided on the circulation line (50) to heat the krypton component and xenon component flowing through the circulation line (50).
이와 같이 제1성분분리기(100) 또는 제2성분분리기(200)에 흡착된 제논 성분을 탈착 분리하기 위한 열원은 반드시 제1성분분리기(100) 또는 제2성분분리기(200)의 내부에 구비될 필요는 없으며, 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200)의 외부에 구비될 수도 있다는 것을 확인할 수 있다.It can be confirmed that the heat source for desorbing and separating the xenon component adsorbed in the first component separator (100) or the second component separator (200) does not necessarily need to be provided inside the first component separator (100) or the second component separator (200), and may be provided outside the first component separator (100) and the second component separator (200).
도 8은 본 발명의 제8실시예에 따른 제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템의 구조를 개략적으로 나타낸 도면이다.FIG. 8 is a drawing schematically showing the structure of a component separation system for a xenon-krypton mixed gas according to the eighth embodiment of the present invention.
도 8에 도시된 본 발명의 제8실시예는 전술한 제7실시예와 전체적으로 동일한 구성요소를 포함하고, 적어도 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200)를 감싸도록 형성되며, 내부가 진공 분위기로 형성되는 진공챔버(VC)를 더 포함한다는 특징을 가진다.The eighth embodiment of the present invention illustrated in FIG. 8 includes the same components as the seventh embodiment described above, and is characterized in that it further includes a vacuum chamber (VC) formed to surround at least the first component separator (100) and the second component separator (200), and the inside of which is formed as a vacuum atmosphere.
이와 같은 진공챔버(VC)는 내부가 진공 분위기로 형성되어 열손실을 최소화할 수 있으며, 따라서 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200)에서의 에너지 효율을 보다 높일 수 있다.A vacuum chamber (VC) of this type can minimize heat loss by forming a vacuum atmosphere inside, and thus can further increase energy efficiency in the first component separator (100) and the second component separator (200).
특히 본 실시예에서 진공챔버(VC)는 제1성분분리기(100) 및 제2성분분리기(200)를 비롯하여 증류기(300), 순환라인(50) 상에 구비되는 구성요소들, 열교환유닛(400), 기체냉각유닛(4)을 함께 감싸는 형태로 형성되는 것으로 하였다.In particular, in this embodiment, the vacuum chamber (VC) is formed in a form that surrounds the first component separator (100) and the second component separator (200), the still (300), the components provided on the circulation line (50), the heat exchange unit (400), and the gas cooling unit (4).
이상과 같이 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 살펴보았으며, 앞서 설명된 실시예 이외에도 본 발명이 그 취지나 범주에서 벗어남이 없이 다른 특정 형태로 구체화될 수 있다는 사실은 해당 기술에 통상의 지식을 가진 이들에게는 자명한 것이다. 그러므로, 상술된 실시예는 제한적인 것이 아니라 예시적인 것으로 여겨져야 하고, 이에 따라 본 발명은 상술한 설명에 한정되지 않고 첨부된 청구항의 범주 및 그 동등 범위 내에서 변경될 수도 있다.As described above, preferred embodiments according to the present invention have been examined, and it is obvious to those skilled in the art that the present invention can be embodied in other specific forms in addition to the embodiments described above without departing from the spirit or scope thereof. Therefore, the above-described embodiments should be considered as illustrative rather than restrictive, and accordingly, the present invention is not limited to the above description, but may be modified within the scope of the appended claims and their equivalents.
1: 혼합기체탱크
2: 산소제거유닛
3: 수분흡착유닛
4: 기체냉각유닛
10: 혼합기체 공급라인
20: 크립톤 회수라인
30: 제논 회수라인
40: 배기라인
50: 순환라인
51: 버퍼탱크
52: 압축기
53: 히터
60: 재공급라인
100: 제1성분분리기
110: 제1냉동기
120: 제1흡착 구조체
130: 제1가열기
200: 제2성분분리기
210: 제2냉동기
220: 제2흡착 구조체
230: 제2가열기
300: 증류기
310: 제3냉동기
320: 유체 접촉용 구조체
330: 재비기
400: 열교환유닛
VC: 진공챔버1: Mixed gas tank
2: Oxygen removal unit
3: Moisture absorption unit
4: Gas cooling unit
10: Mixed gas supply line
20: Krypton Recovery Line
30: Xenon recovery line
40: Exhaust line
50: Circular line
51: Buffer Tank
52: Compressor
53: Heater
60: Resupply line
100: 1st component separator
110: 1st refrigerator
120: First adsorption structure
130: First heater
200: Second component separator
210: Second refrigerator
220: Second adsorption structure
230: Second heater
300: Still
310: Third Refrigerator
320: Structure for fluid contact
330: Rebi-gi
400: Heat exchange unit
VC: Vacuum Chamber
Claims (15)
상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 제2분리공간과, 상기 제2분리공간의 상부에 구비되어 상기 제2분리공간에 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 빙점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제2냉동기와, 상기 제2분리공간 내에서 상기 제2냉동기에 의해 빙결된 제논 성분을 흡착하는 제2흡착 구조체를 포함하여, 제논 성분에 대한 흡착 공정 및 탈착분리 공정을 상기 제1성분분리기와 교대로 수행하는 제2성분분리기;
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 흡착 공정이 진행되는 일측의 하부 유체출입구에 선택적으로 혼합기체를 공급하는 혼합기체 공급라인;
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 흡착 공정이 진행되는 일측의 상부 유체출입구를 통해 배출되는 크립톤 성분을 회수하는 크립톤 회수라인;
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출되는 제논 성분을 회수하는 제논 회수라인;
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정의 초기 기 설정된 시간 동안 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에 잔류하는 크립톤 성분과, 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출되는 제논 성분을 순환시키는 순환라인;
상기 순환라인 상에 구비되어 상기 순환라인을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분을 저장하는 버퍼탱크;
상단부에 상부 유체출입구가 형성되며, 하단부에 하부 유체출입구가 형성된 증류공간과, 상기 증류공간의 상부에 구비되어 상기 버퍼탱크로부터 상기 증류공간으로 유입된 제논(Xe)-크립톤(Kr) 혼합기체를 제논의 액화점 이하 크립톤의 기화점 이상의 냉각온도로 냉각하는 제3냉동기를 포함하는 증류기; 및
상기 증류공간의 상부 유체출입구를 통해 배출되는 크립톤 성분과 제논 성분을 상기 혼합기체 공급라인에 재공급하는 재공급라인;
을 포함하고,
상기 제논 회수라인은,
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측에서 배출된 후 상기 증류공간으로 유입되어 액화된 후 상기 증류공간의 하부 유체출입구를 통해 배출되는 액화된 제논 성분을 회수하도록 구비되는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.A first component separator comprising: a first separation space having an upper fluid inlet formed at an upper portion and a lower fluid inlet formed at a lower portion; a first refrigerator provided at an upper portion of the first separation space and cooling a xenon (Xe)-krypton (Kr) mixture gas flowing into the first separation space to a cooling temperature below the freezing point of xenon and above the vaporization point of krypton; and a first adsorption structure that adsorbs the xenon component frozen by the first refrigerator within the first separation space;
A second component separator comprising: a second separation space having an upper fluid inlet formed at an upper portion and a lower fluid inlet formed at a lower portion; a second refrigerator provided at an upper portion of the second separation space and cooling a xenon (Xe)-krypton (Kr) mixture gas introduced into the second separation space to a cooling temperature below the freezing point of xenon and above the vaporization point of krypton; and a second adsorption structure that adsorbs the xenon component frozen by the second refrigerator in the second separation space, thereby performing an adsorption process and a desorption separation process for the xenon component alternately with the first component separator;
A mixed gas supply line that selectively supplies a mixed gas to a lower fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where an adsorption process is performed;
A krypton recovery line for recovering a krypton component discharged through an upper fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the adsorption process is performed;
A xenon recovery line for recovering xenon components discharged from one side of the first separation space or the second separation space where a desorption/separation process is performed;
A circulation line that circulates the krypton component remaining in the first separation space or the second separation space during the initial preset time of the desorption and separation process performed in the first separation space or the second separation space, and the xenon component discharged from one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed;
A buffer tank provided on the above circulation line and storing krypton components and xenon components flowing through the above circulation line;
A still including a distillation space having an upper fluid inlet formed at the upper end and a lower fluid inlet formed at the lower end, and a third refrigerator provided at the upper end of the distillation space to cool a xenon (Xe)-krypton (Kr) mixture gas flowing into the distillation space from the buffer tank to a cooling temperature below the liquefaction point of xenon and above the vaporization point of krypton; and
A re-supply line for re-supplying the krypton component and xenon component discharged through the upper fluid inlet of the distillation space to the mixed gas supply line;
Including,
The above xenon recovery line is,
Equipped to recover the liquefied xenon component that is discharged from one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed, then flows into the distillation space, is liquefied, and then is discharged through the lower fluid inlet of the distillation space.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 제1성분분리기는 상기 제1분리공간 내를 가열하여 상기 제1흡착 구조체에 흡착된 제논 성분을 탈착 분리시키는 제1가열기를 더 포함하며,
상기 제2성분분리기는 상기 제2분리공간 내를 가열하여 상기 제2흡착 구조체에 흡착된 제논 성분을 탈착 분리시키는 제2가열기를 더 포함하는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
The above first component separator further includes a first heater that heats the inside of the first separation space to desorb and separate the xenon component adsorbed on the first adsorption structure.
The second component separator further includes a second heater that heats the inside of the second separation space to desorb and separate the xenon component adsorbed on the second adsorption structure.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정은 제논 성분을 기화시키도록 진행되며,
상기 제논 회수라인은,
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측의 상부 유체출입구를 통해 배출되는 기화된 제논 성분을 회수하도록 구비되는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
The desorption and separation process performed in the first separation space or the second separation space is carried out to vaporize the xenon component.
The above xenon recovery line is,
Equipped to recover the vaporized xenon component discharged through the upper fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정은 제논 성분을 액화시키도록 진행되며,
상기 제논 회수라인은,
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간 중 탈착분리 공정이 진행되는 일측의 하부 유체출입구를 통해 배출되는 액화된 제논 성분과 일부 기화된 제논 성분을 회수하도록 구비되는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
The desorption and separation process performed in the first separation space or the second separation space is carried out to liquefy the xenon component.
The above xenon recovery line is,
Equipped to recover the liquefied xenon component and some vaporized xenon component discharged through the lower fluid inlet on one side of the first separation space or the second separation space where the desorption and separation process is performed.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에서 수행되는 탈착분리 공정의 초기 기 설정된 시간 동안 상기 제1분리공간 또는 상기 제2분리공간에 잔류하는 크립톤 성분을 배출시키는 배기라인을 더 포함하는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
Further comprising an exhaust line for discharging the krypton component remaining in the first separation space or the second separation space during the initial preset time of the desorption/separation process performed in the first separation space or the second separation space.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 순환라인 상에 구비되어 상기 순환라인을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분을 압축하는 압축기를 더 포함하는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
Further comprising a compressor provided on the circulation line and compressing the krypton component and xenon component flowing through the circulation line.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 순환라인 상에 구비되어 상기 순환라인을 통해 유동되는 크립톤 성분과 제논 성분을 가열하는 히터를 더 포함하는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
Further comprising a heater provided on the circulation line and heating the krypton component and xenon component flowing through the circulation line.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 혼합기체 공급라인을 통해 유동되는 혼합기체와, 상기 크립톤 회수라인을 통해 유동되는 크립톤 성분 및 상기 제논 회수라인을 통해 유동되는 제논 성분을 서로 열교환하여 혼합기체의 온도를 강하시키는 열교환유닛을 더 포함하는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
Further comprising a heat exchange unit for lowering the temperature of the mixed gas by exchanging heat between the mixed gas flowing through the mixed gas supply line, the krypton component flowing through the krypton recovery line, and the xenon component flowing through the xenon recovery line.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
적어도 상기 제1성분분리기 및 상기 제2성분분리기를 감싸도록 형성되며, 내부가 진공 분위기로 형성되는 진공챔버를 더 포함하는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
A vacuum chamber formed to surround at least the first component separator and the second component separator, and further comprising an interior formed with a vacuum atmosphere.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 혼합기체 공급라인에 구비되어, 상기 혼합기체 공급라인으로 유동되는 혼합기체에 포함된 산소를 수소와 반응시켜 수증기로 전환시키는 산소제거유닛을 더 포함하는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
It further includes an oxygen removal unit which is provided in the mixed gas supply line and converts oxygen contained in the mixed gas flowing through the mixed gas supply line into water vapor by reacting it with hydrogen.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 혼합기체 공급라인에 구비되어, 산소제거유닛에 의해 생성된 수증기를 흡착하는 수분흡착유닛을 더 포함하는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In Article 12,
It further includes a moisture absorption unit that is provided in the above mixed gas supply line and absorbs water vapor generated by the oxygen removal unit.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 수분흡착유닛은 한 쌍이 병렬로 구성되는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In Article 13,
The above moisture absorption unit is configured as a pair in parallel.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
상기 혼합기체 공급라인에 구비되어, 액체질소를 통해 상기 혼합기체 공급라인으로 유동되는 혼합기체가 사전 냉각되도록 하는 기체냉각유닛을 더 포함하는,
제논-크립톤 혼합기체의 성분 분리시스템.In the first paragraph,
Further comprising a gas cooling unit provided in the above mixed gas supply line to pre-cool the mixed gas flowing into the above mixed gas supply line through liquid nitrogen.
A system for separating components of a xenon-krypton mixture.
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