극저온 공기 분리에 대한 101 공정 가이드

게시일: 2022년 1월 18일
수정일: 2026년 10월 16일

중대규모 운영에서는 극저온 공기 분리 기술이 가스 및/또는 액체 형태의 질소, 산소, 아르곤을 생산하기 위해 자주 활용된다.

초순도 산소와 질소를 제조하는 데는 극저온 공기 분리법이 권장되는 방법입니다. 생산량이 많은 시설의 경우, 이 방법이 가장 경제적인 기술입니다. 극저온 기술은 액화 산업용 가스를 생산하는 모든 공정에서 사용됩니다.

생성될 기체 및 액체 배출량의 양, 필요한 제품 순도, 그리고 필요한 공급 압력은 모두 공정의 복잡성에 영향을 미치며, 극저온 공기 분리 공정 절차는 물론, 기어의 물리적 크기와 기어를 가동하는 데 필요한 에너지까지 포함됩니다.

이 글에서는 극저온 공기 분리 공정에 대한 안내를 다룹니다. 그럼 시작해 볼까요!

저온 공기관리 및 증류란 무엇인가?

공기 중에서 질소와 산소를 분리하는 기술을 극저온 증류라고 합니다. 경우에 따라 아르곤도 분리되기도 합니다. ‘극저온(cryogenic)’이라는 용어는 낮은 온도를 의미하며, ‘증류(distillation)’는 원소들의 끓는점을 이용하여 혼합물에서 각 원소를 분리하는 과정을 말합니다. 따라서 극저온 증류에서는 끓는점이 매우 낮은 성분들이 낮은 온도에서 우선적으로 추출됩니다. 이 과정을 통해 다음과 같은 결과가 얻어집니다. 고순도 물질, 하지만 에너지 소비량도 매우 많습니다.

콜드 박스는 극저온에서 작동하는 증류탑과 열교환기를 수용하는 거대한 단열 용기입니다. 냉동 회로에서는 ‘스로틀링 효과’라고도 알려진 줄-톰슨 효과가 이용됩니다. 가스는 스로틀링 과정 전반에 걸쳐 단열 게이트나 단열 투과성 플러그를 통과하며, 압력이 변화함에 따라 가스의 온도도 변합니다.

준비물

대기 중에는 최대 5%의 수분 함량과 그 밖의 다양한 가스(일반적으로 미량)가 포함될 수 있으며, 이러한 성분들은 공기 분리 및 출력 과정의 한 곳 또는 여러 곳에서 제거되어야 합니다. 정제 장치.

극저온 공기 분리 공정의 단계 및 절차

공기의 극저온 증류: 단계

유입 공기의 전처리, 압축 및 냉각.
이산화탄소 제거.
공기 공급 온도를 극저온 수준까지 낮추기 위한 열전도.
공기 증류.
냉동

1. 유입 공기의 전처리, 압축 및 냉각

다음에 근거하여 계획된 제품 구성 적절한 제품 압력을 확보하기 위해, 대부분의 경우 공기는 5~8 bar(약 75~115 psig)로 압축됩니다. 최종 압축 단계가 끝나면 압축된 공기는 냉각되며, 공기가 일련의 계면 냉각기와 후냉각기를 통과함에 따라 기류 내의 수증기 대부분이 응축되어 제거됩니다.

획득 가능한 냉각 경로의 온도(이는 거의 항상 주변 공기의 습구 또는 건구 온도에 의해 제한됨)가 압축 구조물을 빠져나가는 공기의 최종 온도를 결정하므로, 압축 공기의 온도는 종종 최대 효율을 위한 이상적인 온도보다 훨씬 높은 경우가 많습니다. 하류 단위의 실적. 그 결과, 공기를 상당히 냉각시키기 위해 기계식 냉동 시스템이 자주 사용된다.

2. 이산화탄소 및 기타 불순물 제거

제품 품질 기준을 충족하기 위해서는 유입되는 공기 중의 특정 성분을 제거해야 합니다. 수증기와 이산화탄소는 극저온에서 공정 장비 외부에 고체화되어 축적될 수 있으므로, 공장의 극저온 증류 구역으로 유입되기 전에 공기에서 제거되어야 합니다.

분자체 유닛과 역류 열교환기는 수증기와 이산화탄소를 제거하는 데 가장 널리 사용되는 두 가지 방법입니다.

거의 모든 신규 공기 차단 시설에서는 분자 체 사전 정화 장치를 사용하여, 거의 실온에 가까운 온도에서 분자 체 물질의 표면에 이산화탄소와 수분을 흡착시켜 공기 흐름에서 이를 제거합니다. 산업 현장에서 발생할 수 있는 탄화수소와 같은 기타 오염 물질은 다음의 조성을 조정함으로써 쉽게 제거할 수 있습니다. 흡착제 이러한 시스템에서. 흡착제는 대개 두 개의 동일한 용기에 보관되는데, 그중 하나는 유입되는 공기를 정화하는 데 사용되고, 다른 하나는 깨끗한 배기가스로 재생됩니다. 일정 기간마다 두 용기의 역할이 바뀝니다. 높은 질소 제거율을 달성해야 할 경우, 분자 체를 이용한 사전 정화가 가장 적합한 방법입니다.
또 다른 방법은 “역방향” 열교환기를 사용하여 물과 이산화탄소를 제거하는 것입니다. 역방향 열교환기는 흔히 “구식” 기술로 여겨지지만, 생산량이 적은 질소 또는 산소 생산 설비의 경우 비용 효율이 더 높을 수 있습니다. 역방향 열교환기를 사용하는 설비에서는 압축 공기 공급이 두 쌍의 브레이징 알루미늄 열교환기에서 냉각됩니다.

유입되는 공기는 “따뜻한 쪽(warm end)” 열교환 과정에서 수증기와 이산화탄소가 열교환기 표면에서 고체화될 수 있을 만큼 충분히 낮은 온도로 냉각됩니다. 밸브 시스템은 일정한 간격으로 공기와 배가스 통로의 작동 순서를 번갈아 가며 제어합니다. 이 전환 과정이 끝나면, 매우 건조하고 온도 차이가 큰 배기가스가 공기를 냉각하던 동안 형성된 수분을 증발시키고 이산화탄소 서리를 승화시킵니다. 이 가스들은 대기로 다시 방출되며, 배기가스가 완전히 제거된 후 역전식 열교환기는 또 다른 통로 전환을 준비합니다.

냉각 흡수 시스템은 역열교환기를 사용하여 증류 장치로 유입되는 탄화수소를 제거할 때 사용됩니다. (예정제 장치에서는 분자 체 “전단”을 사용할 경우, 수증기 및 이산화탄소와 함께 탄화수소 오염 물질도 제거됩니다.)

3. 공기 공급 온도를 극저온 수준까지 낮추기 위한 열전도

유입되는 공기와 극저온 증류 공정을 거쳐 나오는 저온의 제품 및 폐가스 흐름 사이의 열교환은 브레이징 처리된 알루미늄 열교환기에서 이루어집니다. 배출되는 가스 통로는 주변 공기의 온도에 가까운 온도로 재가열됩니다. 가스 상태의 제품 통로와 폐가스 흐름에서 냉매를 회수함으로써, 설비에서 생성해야 하는 냉매량을 줄일 수 있습니다.

하나 이상의 강화 압력 단계 유체의 흐름을 활용하는 냉각 기술을 통해 극저온 증류에 필요한 극저온을 생성한다.

4. 공기 증류

증류 시스템에서는 두 개의 증류탑을 연속적으로 사용하여 산소를 부산물로 생산합니다. “고압” 및 “저압” 증류탑(또는 “하부” 및 “상부” 증류탑)이 가장 일반적으로 사용되는 용어입니다. 질소 생산 시설은 순도에 따라 증류탑을 하나 또는 두 개 설치할 수 있습니다. 각 증류탑은 상단에서 질소를, 하단에서 산소를 배출합니다. 첫 번째(고압) 기둥에서 생산된 불순물이 포함된 산소가 원하는 제품인 경우, 두 번째인 저압 기둥에서 더욱 정제됩니다. 초순도 질소가 필요한 경우에는 상부 또는 저압 기둥을 사용하여 첫 번째 증류 단계에서 제거되지 않은 산소를 거의 모두 제거합니다.

아르곤은 산소와 비슷한 끓는점을 가지고 있으므로, 부산물로 산소와 질소만 필요한 경우에는 산소 배출물과 함께 남아 있는 것이 바람직합니다. 기존의 2기둥 시스템에서는 이로 인해 산소 순도가 약 97%로 제한된다. 저순도 산소가 허용되는 경우(예: 연소 효율 향상을 위해), 산소 순도는 95%까지 낮아질 수 있다. 그러나 고순도 산소가 필요한 경우에는 증류 장치에서 아르곤을 제거해야 한다.

아르곤이 필요한 경우, 저압 유류 중 아르곤 농도가 가장 높은 지점에서 아르곤을 추출합니다. 추출된 아르곤은 저압 기둥에 통합된 “사이드 드로우(side-draw)” 방식의 원아르곤 증류탑에서 처리됩니다. 오염된 아르곤 유동은 대기 중으로 배출하거나, 현장에서 산소와 질소를 모두 제거하여 “순수” 아르곤을 생산하거나, 액체 상태로 저장하여 멀리 떨어진 “아르곤 정제소”로 운송할 수 있습니다. 어떤 방식을 선택할지는 주로 이용 가능한 아르곤의 양과 각 옵션에 대한 비용-편익 분석에 따라 결정됩니다. 기본적인 지침으로, 매일 최소 100톤의 산소가 생성될 때 아르곤 정제가 가장 비용 효율적입니다.

원료 아르곤에서 순수 아르곤을 제조하기 위해 다단계 공정이 사용됩니다. 기존 방식은 “탈산소(de-oxo)” 장치를 사용하여 원료 아르곤에 존재하는 2~3 %의 산소를 제거하는 것을 포함합니다. 이는 촉매가 들어 있는 용기 내에서 산소와 수소를 화학적으로 결합시킨 다음, 분자 체 건조기에서 (냉각 후) 생성된 물을 제거하는 소규모의 다단계 공정입니다. 산소가 제거된 아르곤 기류는 다음 단계에서 “순수 아르곤” 증류 장치에서 증류되어 잔류 질소와 불용성 수소를 제거합니다.

충진탑 증류 기술의 발전에 따라 두 번째 아르곤 제조 방식이 등장했는데, 바로 ‘완전 극저온 아르곤 회수’ 방식이다. 이 방식은 매우 높지만(직경은 매우 작은) 증류탑을 사용하여 까다로운 아르곤과 산소의 분리 작업을 수행한다. 산소와 아르곤의 비등점 차이가 비교적 미미하기 때문에, 아르곤을 분리하기 위해서는 다단계 증류 과정이 필요하다.

증류 시스템에서 처리되는 산소의 양과 회수율에 영향을 미치는 다양한 다른 변수들은 시설에서 생산할 수 있는 아르곤의 양을 제한합니다. 이러한 요인에는 생산되는 액체 산소의 양과 시설 운영 매개변수의 일관성이 포함됩니다. 공기 중에 자연적으로 존재하는 가스의 비율로 인해, 아르곤 생산량은 산소 공급량의 4.4%(부피 기준) 또는 5.5%(중량 기준)를 초과할 수 없습니다.

전단 열교환기는 공기 분리탑에서 발생하는 차가운 기체 생성물과 폐유류를 재순환시키는 데 사용됩니다. 이 열교환기는 유입되는 공기를 냉각시키는 동시에 주변 온도에 가까운 온도로 가열합니다. 앞서 언급한 바와 같이, 유입 유체와 생성물 유체 간의 열 전달은 시설의 순 냉각 부하를 감소시키며, 그 결과, 에너지 활용.

5. 냉동

저온 장치로의 열 누출과 유입 및 유출 기체 흐름 간의 열교환 효율 저하를 보정하기 위해, 극저온에서 냉각이 이루어집니다.

극저온 공기 분리 시설에서 사용되는 냉동 사이클은 이론적으로 가정용 및 자동차용 에어컨 시스템에 적용되는 것과 동일합니다. 플랜트의 종류에 따라 하나 이상의 고압 유체(질소, 폐가스, 공급가스 또는 출력가스)의 압력을 낮추어 유체를 냉각시킵니다. 팽창기 내부에서 압력 강하(또는 팽창)가 일어나 냉각 효율과 산업적 에너지 효율을 높입니다.

가스 흐름의 온도는 밸브를 통해 단순히 팽창시킬 때보다, 성장 과정에서 에너지를 제거할 때 더 크게 낮아집니다. 팽창기의 에너지는 공정 응축기, 발전기, 또는 오일 펌프나 공기 송풍기와 같은 다른 에너지 소모가 많은 장치에 동력을 공급하는 데 사용할 수 있습니다.

극저온 산소 생산 공장/공기 분리 시스템에서 배출되는 기체 제품은 일반적으로 콜드박스(증류 구역 및 극저온에서 작동하는 기타 장비가 들어 있는 단열 용기)를 떠날 때 대기 온도에 가까운 온도를 유지하지만, 압력은 낮아진 상태이며, 대개 1 대기압(절대압)보다 약간 높은 수준입니다. 이 분리 및 정제 절차 일반적으로 공급 압력을 낮추면 효율이 더 높아집니다.

압력이 낮을수록 분리 동력 요구량이 줄어들기는 하지만, 출력을 더 높은 압력으로 공급해야 하는 경우, 제품 압축기를 사용하거나 콜드 박스에서 직접 더 높은 분배 압력으로 질소나 산소를 공급하기 위한 여러 대체 사이클 중 하나를 적용해야 합니다. 이러한 높은 공급 압력 방식은 제품 압축기나 그에 필요한 전력을 필요로 하지 않기 때문에, 압축을 동반한 분리 방식보다 비용 효율적일 수 있습니다.

효과적인 사용법 및 안전 수칙

어떤 극저온 시스템이나 공정의 시공 및 설계를 시작하기 전에, 반드시 공식적인 위험 분석을 수행해야 합니다. 위험 요소를 파악하고 이에 대처할 방안을 마련하십시오. “만약에”라는 가정을 바탕으로 다양한 시나리오를 가정해 보십시오. 기계가 고장 날 수 있고, 극저온 유체가 순식간에 기체로 변할 수 있으며, 밸브에서 누출이 발생하거나 잘못 조작될 수 있고, 진공 장치가 오작동할 수 있다는 점을 명심하십시오. 극저온 시스템의 규모나 복잡성에 관계없이 이 평가를 반드시 수행해야 합니다.

처음부터 장비와 절차에 안전 요소를 반영하십시오. 설계 단계가 끝날 무렵에 안전 요소를 추가하면 비용과 시간이 많이 들 뿐만 아니라, 위험 요소를 간과할 가능성도 있습니다. 위험 요소를 완화하는 것보다 설계 단계에서 이를 근본적으로 제거하는 것이 항상 바람직하다는 점을 유의해야 합니다.

전문가라도 무언가를 놓치거나 실수를 할 수 있습니다. 시스템의 안전성을 높이기 위해서는 동료, 외부 전문가, 공식 심사 기관 등 타인에게 극저온 시스템의 안전성을 평가받도록 하는 것이 매우 중요합니다.

극저온 액체나 불활성 가스를 다룰 때는 그 양이 아무리 적더라도 항상 산소 결핍 위험의 발생 가능성을 평가해야 합니다. 평가를 통해 그러한 위험이 존재하지 않음을 확인하거나, 위험을 제거하거나 완화하기 위해 관련 설계 개선 사항이나 완화 조치를 시행해야 합니다. 극저온 액체의 양이 아무리 적더라도 엄청난 양의 가스가 발생하며, 산소 농도가 충분히 낮을 경우 첫 번째 생리적 증상으로 급속한 의식 상실이 나타날 수 있고, 이에 이어 혼수 상태 및 사망으로 이어질 가능성이 있기 때문에 산소 결핍 위험(ODH) 문제는 특히 심각합니다.

극저온 환경에서는 해당 온도에서 작동하는 것으로 입증된 물질만 사용하십시오. 위험성 평가 과정에서 상온에서 작동하도록 설계된 물질(예: 진공 용기의 외벽)도 특정 고장 메커니즘에 따라 극저온 상태에 도달할 수 있다는 점을 유의하십시오.

극저온 장비를 직접 조작하거나 그 주변에서 작업하는 모든 사람(비정기적이거나 가끔 사용하는 사용자 포함)이 극저온 및 산소 결핍 위험에 대한 필수 안전 교육을 이수했는지 확인하십시오.

항상 적절한 개인 보호 장비를 착용하고 정해진 작업 절차를 준수하십시오. 대충 하는 것은 종종 사고로 이어집니다.