VPSA 대 PSA: 산소 생산에 사용되는 서로 다른 가스 분리 기술

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우리 주변의 대기 중에 공기가 자연적으로 존재하는 만큼, 그 과정은 각 가스를 분리하는 것 일반적인 공기를 말하는 것이라면, 그 안에 포함된 성분들을 파악하는 것은 그리 쉬운 일이 아닙니다. 동시에, 이러한 개별 가스들은 우리 일상생활에 영향을 미치는 다양한 분야에서 매우 중요한 역할을 합니다. 바로 이 때문에 최첨단 기술 VPSA와 PSA는 화합물에서 산소와 같은 중요한 가스를 가장 순수한 형태로 추출하는 데 도움을 주기 위해 개발되었습니다.

이번 글에서는 VPSA와 PSA가 무엇인지, 각각의 작동 원리는 어떻게 되는지, 각각의 장단점은 무엇인지, 그리고 현대 사회에서 이 두 가지가 어떤 다양한 용도로 활용되고 있는지 살펴보겠습니다. 이 두 가지가 어떻게 작동하는지 항상 궁금하셨다면, 바로 이곳이 여러분이 찾던 곳입니다.

VPSA

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VPSA는 다음의 약자입니다. 진공 압력 변동 흡착법, 그리고 이는 산업용 산소 생산 장치에 활용되는 기술입니다. VPSA 기술은 리튬 기반 분자체 또한, 공기 혼합물에 포함된 이산화탄소, 질소, 수분 등의 불순물을 흡수하여 남은 부분에 산소가 축적되도록 하는 여러 가지 특수 건조제가 사용됩니다. 이는 순도 수준이 95%에 달하는 순수 산소를 얻는 매우 효율적인 방법입니다. 이는 의료용 산소 및 기타 중요한 용도에 필요한 순도 수준입니다.

작동 원리

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VPSA 산소 생산의 기본 구성은 그리 복잡하지 않습니다. 이 시스템은 최종적으로 생산되는 산소의 품질을 최상으로 보장하기 위해 서로 연동하여 작동하는 여러 구조물과 장비로 구성되어 있습니다. 이 공정에 관여하는 다양한 구조물은 다음과 같습니다.

에어 블로어

진공 펌프에 연결된 공기 송풍기가 있는데, 이 송풍기는 이 장치에 생공기, 전체 시스템에 이를 공급합니다. 이 과정이 성공적으로 이루어지려면 시스템에 공기를 공급하는 압력을 전체 설비의 요구 사항에 맞춰 보정해야 합니다. 진공 펌프의 주요 기능은 전체 시스템을 분석할 수 있도록 보장하는 동시에, 전체 설비를 유휴 진공 상태로 유지하여 VPSA 장치가 순수 산소를 생산하는 동안 다른 가스를 흡수할 수 있는 적절한 조건을 조성하는 것입니다.

쿨러

VPSA 공정에는 높은 온도와 압력이 수반됩니다. 이는 최종 제품의 품질에 영향을 미칠 수 있으므로, 온도와 압력을 조절할 수 있는 장치가 반드시 필요합니다. 이를 위해 냉각기가 사용됩니다. 이 냉각기는 수냉식이며, 송풍기에서 유입된 공기가 냉각기를 통과하면서 온도와 압력이 크게 낮아져, 원치 않는 가스 및 기타 화합물의 흡착 효율이 향상됩니다.

흡착 시스템

이것이 전체 시스템의 핵심 부분입니다. 일반적으로 두 개의 타워와 밸브가 가득한 파이프라인으로 구성되어 있으며, 여기에는 제올라이트 분자 체가 충분히 채워져 있고 활성 알루미나 이들이 주요 흡착제 역할을 합니다. 이 과정에서 먼저 저온 고압의 압축 공기가 첫 번째 타워로 유입되면서 모든 과정이 시작됩니다. 이 공기는 파이프라인 내의 흡착제 재료를 지나가면서 수증기, 질소, 이산화탄소 및 기타 물질이 흡착됩니다.

남게 되는 것은 주로 산소이며, 이는 흡착탑 상단에 위치한 흡착층을 통해 회수되어 가스 출력으로 배출됩니다. 한편, 제1탑에서 이러한 과정이 진행되는 동안, 제2탑에서는 분자체 재생이 이루어집니다. 분자체들이 흡착 포화 상태와 한계에 도달할 무렵이면, 더 많은 흡착이 일어나 산소가 생산될 수 있도록 저온 고압 공기가 제2 타워로 주입됩니다.

이 두 개의 타워가 순수한 산소를 생산할 수 있는 원리는 다음과 같습니다. 한 타워에서 불필요한 가스를 제거하고, 다음 타워에서 순수하고 깨끗한 산소를 모으는 방식으로 두 타워가 매끄럽게 연동되기 때문입니다.

산소 완충 탱크

이 탱크는 전체 공정을 통해 추출된 최종 산소를 저장하는 역할을 합니다. 일반 공기와 혼합되어 질소나 이산화탄소가 다시 유입되는 것을 막기 위해 탱크를 단단히 밀폐해야 합니다. 탱크의 크기는 운영 규모에 따라 달라집니다. CPSA 설비 전체의 규모가 클수록 탱크도 훨씬 더 커지고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 

제어 시스템

이곳은 전체 설비의 모든 측면을 제어하기 위해 특별히 제작된 프로그램을 실행하는 제어 센터입니다. 이 프로그램은 대개 PLC 컨트롤러에 설치된 미리 작성된 밸브 제어 프로그램으로, 주로 전체 파이프라인에 있는 모든 공압 밸브의 개폐를 조절합니다. 이는 흡착 과정은 물론, 체의 재생 과정이 중단 없이 효율적으로 이루어지도록 하는 데 필수적입니다. 시스템이 수동 방식이었다면 이는 불가능했을 것입니다. 수동 방식은 인적 오류의 가능성을 높이며, 이는 생산 시간에 영향을 미치고 오염 발생 가능성을 높일 수 있기 때문입니다.

VPSA의 장점

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다른 어떤 공정이나 기술에 비해 VPSA를 사용할 때 얻을 수 있는 이점은 많습니다. 이러한 이점들은 다음과 같은 분야를 다루는 많은 제조업체들이 VPSA를 매우 선호하는 이유 중 일부입니다. 공기 정화. 이 시스템을 사용할 때의 가장 두드러진 장점은 다음과 같습니다.

• 이 제품은 오일이 없는 송풍기를 사용하며, 이를 통해 오일 유입 가능성을 줄여줍니다. 오일 유입은 오일 윤활식 송풍기에서 흔히 발생하는 성가신 결함으로, 결국 처리 중인 산소를 오염시키는 원인이 됩니다.
• 이 공정은 낮은 압력을 활용하므로, 수분 잔류 및 응결 가능성이 크게 줄어듭니다. 이를 통해 정제되는 제품 내의 수분 함량이 극히 적어집니다.
• 밸브와 매니폴드의 사용이 줄어들어, 한 탱크에서 다른 탱크로 가스와 액체를 이송하는 속도가 훨씬 빨라지며, 이는 시간과 에너지를 모두 절약해 줍니다. 이는 다른 대부분의 방식에서는 제공하지 못하는 장점입니다.
• 이 시스템은 다른 시스템에 비해 습도의 영향을 덜 받습니다. 따라서 취급하는 가스나 액체 중 가장 순도가 높은 물질을 처리하고자 할 때 이상적인 선택지입니다.
• 이 장치는 산소를 크게 낭비하지 않으면서 가장 순도가 높은 산소 중 하나를 생산합니다. 이 활성화된 분자체 VPSA 시스템에 사용되는 흡착제는 매우 효율적이며, 포화 한계에 도달했을 때 이를 재생할 수 있도록 설계되어 있어 공기 정화 과정이 중단 없이 지속됩니다.
• 낮은 작동 압력은 체에서 발생하는 먼지 발생을 최소화하는 데에도 도움이 됩니다. 이는 체가 공기 중의 질소를 제거하는 현상을 말합니다. 이러한 낮은 압력은 운영 비용을 매우 크게 절감해 주며, 대규모 운영을 수행하는 모든 이에게 큰 이점이 될 것입니다.
• VPSA 시스템은 에너지 비용이 저렴하고 여러 부품이 서로 효율적으로 연동되어 작동하기 때문에 수명이 훨씬 더 깁니다. 이로 인해 각 구성 요소에 가해지는 부하가 줄어들고, 시스템 전체가 유연하게 작동할 수 있는 여유가 생겨, 시중의 다른 시스템에 비해 수명이 조금 더 길어집니다.
• 시동 시간이 짧아 제조업체가 원하는 수준의 산소 순도를 확보하는 데 단 5분밖에 걸리지 않습니다. 또한 특정 시점의 산소 수요에 따라 장치를 켜거나 끌 수 있습니다.

VPSA 시스템의 응용 분야

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제작에 있어 이토록 신뢰할 수 있다니 고품질 산소 이 밖의 다양한 구성 요소와 함께, VPSA 시스템은 여러 주요 산업 분야에서 채택되어 다음과 같은 다양한 용도로 사용되고 있습니다.

• 화학 산업 분야에서, 산화 반응이나 소각로 가동 시에는 순수 산소를 공급할 때 일반적으로 더 효율적으로 작동하는데, 이는 순수 산소가 그 어떤 물질보다도 더 높은 온도에서 연소하기 때문이다.
• 용융점이 매우 높은 금속을 녹일 수 있을 만큼 고온의 용광로를 가동해야 하는 야금 산업에서는.
• 책 등을 비롯한 모든 종이 제품의 제조에 사용되는 펄프 및 제지 공장에서 종이의 탈리그닌 처리 및 산소 표백에 사용됩니다.
• 수자원 및 폐기물 관리 과정에서는 황화수소와 같은 유독 가스를 제거해야 하는데, 이러한 가스는 개방된 공간에 대량으로 축적될 경우 환경에 유해할 수 있습니다.
• 전 세계 다양한 제조 분야에서 사용되는 산소 연료 버너의 동력 공급 및 오존 가스 생성을 위해.
• 광업 분야에서 금 정제나 농축 및 기타 용도를 위한 우라늄 회수 등의 공정에 사용됩니다. 
• 유리 및 철강 공장에서는 원자재를 가공하기 쉬운 가단성 형태로 만들기 위해 열을 사용하는 것이 매우 필수적입니다.

공지사항

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PSA는 ‘압력 변동 흡착(Pressure Swing Absorption)’의 약자로, 이는 새로운 가스 생산 기술 이는 널리 사용되는 VPSA에 대한 대안을 제공하기 위해 개발된 기술입니다. 또한 이 기술은 체 역할을 하는 흡착재를 활용하여 가스 분자의 크기에 따라 이를 걸러냅니다. 

이 공정은 자연 공기를 원료로 활용하며, 높은 효율과 선택성을 바탕으로 필요한 가스를 흡착하여 산소와 분리합니다. 이 공정에 사용되는 제올라이트 분자 체는 VPSA에 사용되는 것과 크게 다르지 않습니다. 다만, 이 경우 분자 체는 존재하는 기공의 크기에 따라 가스 분자를 흡착합니다. 

기본적으로, 기공을 통과할 만큼 작은 모든 분자는 기공에 흡착되는 반면, 가장 큰 분자는 밀려나게 됩니다. 즉, 이 과정을 통해 가스를 매우 효율적으로 분리할 수 있으며, 이는 최종적으로 에너지 밀도가 높은 산소를 얻을 수 있는 방법 중 하나입니다.

VPSA와 마찬가지로, 씨앗의 흡착 용량에는 한계가 있으며, 적절한 양의 순수 산소가 추출될 때까지 공정을 지속하기 위해 재생 과정이 시작됩니다. 이는 압력을 낮추어 질소 흡착 속도를 높임으로써 이루어지며, 이 과정에서 순수 산소가 남게 되어 쉽게 회수할 수 있게 됩니다.

작동 원리

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PSA 시스템에는 여러 부품과 구성 요소가 사용되며, 이들이 서로 결합하여 산소 생성 과정에서 어떠한 사고나 오염도 발생하지 않도록 보장합니다. 다음은 PSA 시스템을 구성하는 주요 부품들입니다.

공기 압축기

이 장치가 전체 시스템에 원공기를 공급하며, 출력은 처리해야 할 산소의 필요량에 따라 조절됩니다. 전체 시스템을 감당할 수 있는 용량을 갖춘 공기 압축기를 선택해야 합니다. 설비 규모가 클수록 더 큰 공기 압축기가 필요하고, 그 반대의 경우도 마찬가지입니다. 적절한 균형이 유지되어야 합니다.

냉각 건조기

압축기가 공기를 가압하면, 그 공기를 모두 냉풍 건조기, 이곳에서는 높은 온도와 압력이 관리 가능한 수준으로 조절됩니다. 이 챔버 내에서 공기는 냉각되고 건조되며, 존재할 수 있는 모든 불순물이 완전히 제거됩니다. 이러한 과정들이 결합되어 온도를 상당히 낮추는 동시에 압력을 높여 다음 단계를 위한 준비를 마칩니다.

탈지 장치

이 장치는 부품과 배관 주변에 시간이 지남에 따라 쌓이는 기름과 그리스를 제거해 주는 장치입니다. 이러한 오일 미스트는 대개 온도가 일정 수준 이하로 떨어질 때 쌓이게 되며, 제때 조치를 취하지 않으면 오염의 원인이 될 수 있습니다. 또한 오일 미스트는 제올라이트 분자체에 부정적인 영향을 미쳐 수명을 단축시키고, 정상적인 경우보다 훨씬 빨리 포화 한계에 도달하게 만듭니다.

흡착 시스템

또한 이 장치에는 두 개의 타워와, 제올라이트 체형 흡착제로 채워진 밸브 네트워크가 설치된 파이프라인이 포함되어 있습니다. 압축 공기가 첫 번째 타워로 주입되면, 흡착제 층을 통과하게 되며, 이 과정에서 질소, 수분 및 이산화탄소 흡수되면서 산소를 남깁니다.

두 번째 타워에서는 제올라이트 분자 체가 한계에 도달할 때마다 지속적으로 재생되며, 이를 통해 원하는 양의 산소가 확보될 때까지 공정이 중단 없이 계속됩니다. 이 두 과정은 VPSA 시스템과 마찬가지로 매끄럽게 결합되어 산소 순도를 최대한 높게 유지합니다.

버퍼 탱크

이 탱크는 전체 시스템에서 생성되는 산소를 모으는 데 사용되는 특수 탱크입니다. 또한 모든 과정이 완료될 때까지 백그라운드에서 가스의 생성 및 분리 과정이 계속되는 동안 상태를 안정화시키는 데도 사용됩니다.

제어 시스템

이 시스템은 미리 프로그래밍된 명령을 활용하여 다음의 자연스러운 작동을 제어하는 것으로, 압력 변동에 따른 흡착 한 지점에서 시스템을 제어합니다. 엔지니어가 해야 할 일은 프로그램을 추가하고 모든 것을 전체 시스템과 통합하는 것뿐이며, 나머지는 자동으로 처리됩니다. 이는 어떠한 오염 물질도 포함되지 않은 가장 순수한 형태의 산소를 얻기 위해 효율성을 보장하는 매우 편리한 방법입니다.

PSA의 장점

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가스 생성 및 분리 용도로 PSA 기술을 활용하면 여러 가지 장점이 있습니다. VPSA의 대안으로서 많은 제조업체와 기업들이 다른 시스템 대신 이 시스템을 채택하고 있으며, 다음은 이 기술이 제공하는 몇 가지 이점입니다.

• 자동화 기술이 활용되는데, 덕분에 공정이 훨씬 더 안전하고 효율적으로 이루어집니다. 만약 직접적인 수작업이 필요했다면 이곳은 이런 용도로 사용될 수 없었을 것입니다. 고온과 고압 환경, 그리고 순수 산소가 매우 인화성이 높다는 점을 고려할 때, 작업자들이 바닥 공간을 가득 메우고 작업하는 것은 바람직하지 않습니다.
• 이 공정은 신뢰성이 매우 높으며, 향상된 오류 안전성을 갖추고 있습니다. 즉, 문제가 발생할 가능성은 극히 적으며, 설령 문제가 발생하더라도 그 여파를 처리하는 것이 훨씬 수월합니다.
• 가동 및 정지가 간편합니다. 이를 통해 뛰어난 제어력과 정확성을 확보할 수 있어, 필요할 때 적절한 양의 산소를 생산할 수 있습니다. 이는 비용을 절감하고 분자 체와 같은 원자재의 낭비 가능성을 줄여줍니다.
• 이 시스템은 긴 수명 덕분에 매우 오랫동안 사용할 수 있습니다. 따라서 대규모 가스 분리 및 생산 시설을 구축하려는 경우, 이 시스템을 도입하는 것은 비용 대비 효율이 매우 높은 방법입니다.
• PSA 시스템은 운영 비용이 낮습니다. 이는 모든 부품이 각 기능에 최적화되어 있기 때문입니다. 덕분에 지연, 시간 낭비, 자원 낭비를 줄일 수 있습니다. 이 세 가지 요소가 결합되어 운영의 전체 비용을 절감합니다.
• 특별한 작업장 설비가 필요하지 않으며, 시스템 구축도 매우 간단합니다. 추후 사업 규모를 확대하고자 할 경우 언제든지 확장할 여지가 있습니다.

PSA 시스템의 응용 분야

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제조 및 상업 분야에서는 PSA 시스템이 다양한 용도로 활용되고 있습니다. 여러분도 아마 PSA 공정을 통해 제조된 특정 제품을 사용해 본 적이 있을 것입니다. 다음은 현재 가장 주목할 만한 응용 사례들입니다.

• 금속 및 가스 용접: 순수 산소는 인화성이 매우 높으며, 연소 시 매우 높은 온도를 냅니다. 이러한 열은 가스 및 금속 용접에 이상적입니다. PSA 공정을 통해 생산된 산소의 대부분은 자동차 산업을 비롯한 대부분의 중공업 분야에서 정밀한 용접 작업을 수행하는 데 사용됩니다.
• 야금학: 이는 모든 종류와 형태의 금속을 사용하여 구조물을 만드는 과정입니다. 금속을 성형하려면 녹는점에 도달할 만큼의 강렬한 열을 가해야 합니다. 이를 위해 전기를 사용할 수도 있지만, 이 경우 많은 전력을 소모하게 되어 추가 비용이 발생합니다. 이를 피하기 위해 금속을 다루는 많은 제조업체들은 순수 산소를 사용하여 금속을 고온으로 가열함으로써 성형을 용이하게 하고 있습니다.
• 석유화학 산업: 대부분의 화학 및 석유화학 제품은 질산, 프로필렌옥사이드, 에틸렌옥사이드, 염화비닐 등의 회수 과정에서 산화 반응을 일으키기 위해 순수한 형태의 산소에 의존하며, 에탄올의 건조, 그리고 전 세계적으로 널리 사용되는 수많은 다른 화합물들.
• 양식업: 놀랍게도, PSA 시스템에서 생성된 산소는 양식업에서도 여러 가지 독창적인 방식으로 활용되고 있습니다. 그중에서도 특히 널리 쓰이는 방법은 산소를 이용해 물에 풍부한 산소를 공급함으로써 어란의 부화 기간을 단축하고, 어란과 성어의 성장 과정을 촉진하는 것입니다. 이를 통해 생산량을 높일 수 있습니다.
• 유리 산업: 유리 제작 이는 원료인 모래를 유리로 변환하기 위해 많은 열이 필요한 또 다른 공정입니다. 전기를 사용하면 결국 전기 요금이 증가하지만, 용광로 산소를 사용하면 용해 공정이 더 빨라지고 비용도 절감되며 제어력도 더 높아집니다.
• 바이오가스 정제: 바이오가스 에너지를 도입할 때 가장 큰 단점 중 하나는, 꼭 필요한 메탄 가스와 함께 황화수소가 매우 많이 생성된다는 사실입니다. 황화수소는 인체에 유독할 뿐만 아니라 화염에 노출될 경우 심각한 피해를 초래할 수 있습니다. PSA 시스템은 바이오가스 설비에서 필요하지 않은 황화수소 및 기타 유독 가스를 제거하는 데 사용됩니다.

최종 평결

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그렇다면 이 두 시스템은 서로 어떻게 비교될까요? 둘 중 하나를 어떻게 선택해야 할까요? 두 번째 질문에 대한 간단한 대답은, 결국 개인적인 취향에 달려 있다는 것입니다. 두 시스템 모두 PSA 및 VPSA 두 가지 모두 거의 차이가 없이 동일한 작업을 처리할 수 있습니다. 단순히 자신의 필요에 더 잘 맞는 쪽을 선택하면 됩니다.

다음은 두 프로세스를 서로 비교한 간단한 비교표입니다. 이 정보는 PSA와 VPSA 중 하나를 선택할 때 더 나은 결정을 내리는 데 도움이 될 것입니다.

위의 차트에서 볼 수 있듯이, 차이점은 기능에 있는 것이 아니라 비용과 운영 규모에 더 많이 기인합니다. 올바른 결정을 내릴 때는 이러한 모든 요소를 염두에 두시기 바랍니다.

결론

VPSA와 PSA는 모두 어떤 환경에서도 작동할 수 있는 매우 효율적이고 신뢰할 수 있는 공정이며, 선택 여부는 결국 어떤 설비를 사용할지, 그리고 어떤 산업 분야에 적용할지에 달려 있습니다. 가스 분리 및 생산, 필요한 장비, 그리고 처음부터 모든 것을 구축하는 방법에 대해 더 자세히 알고 싶다면, 저희 웹사이트를 방문해 보세요 또한 전문가 팀이 여러분이 가질 수 있는 모든 질문에 답변해 드립니다.