산업 현장에서 산소는 어떻게 생산될까요? 생산 공정에 대한 종합 가이드

산소는 의료, 제조, 용접, 발전 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되기 때문에, 산소의 산업적 생산 문제는 매우 중요합니다. 산업용 산소 생산 공정은 공기에서 산소를 추출하고 정제하여 특정 요구 사항을 충족시키는 데 기반을 두고 있습니다. 게다가 이 단계에서 이루어지는 작업은 단순히 산소를 분리하는 것뿐만 아니라, 산소의 품질, 순도 및 효율성을 보장하는 것까지 포함합니다.

이 가이드에서는 산업용 산소 생산의 주요 기술, 생산 과정에서 발생하는 어려움, 그리고 미래를 이끌어갈 기술들을 살펴보겠습니다. 이 기사를 다 읽으시면 산소 생산의 모든 단계를 이해할 수 있게 될 것입니다.

산업용 산소 생산이란 무엇인가?

산업용 산소 생산이란 다양한 산업 분야의 수요를 충족하기 위해 공기에서 산소를 추출하고 정제하는 과정을 의미합니다. 지구 대기 중의 산소 농도는 약 21%이지만, 대부분의 산업 공정에서는 이 상태 그대로 사용할 수 없습니다. 따라서 일반적으로 질소, 아르곤 및 기타 잔류 가스로 구성된 공기에서 산소를 분리해 내고, 순도가 높으며 적정량의 산소를 확보하는 방법이 필요합니다.

따라서 산업용 산소 생산의 목적은 의료, 야금, 화학 및 에너지 분야와 같은 관련 산업에서 사용하기 위해 필요한 양과 적절한 순도의 산소를 공급하는 데 있다. 예를 들어, 병원에서 사용되는 의료용 산소는 99.5% 이상의 높은 순도를 가져야 하는 반면, 용접이나 연소 공정에 사용되는 산업용 산소는 그 정도로 높은 순도를 요구하지 않는다.

이를 위해 산소 생산 시설에서는 여러 가지 복잡한 시스템과 장치가 사용됩니다. 가장 일반적인 구성은 다음과 같습니다:

공기 분리 장치(ASU): 이는 많은 대규모 산소 생산 플랜트의 핵심 부분입니다. ASU는 극저온 증류와 같은 기술을 활용하여 공기를 냉각시킨 후 개별 가스를 분리합니다. ASU에서는 공기의 액화 과정에 필요한 극저온 상태를 유지하기 위해 콜드박스도 사용됩니다.

압축기: 이 장비는 대기 공기를 특정 가스의 구성 성분으로 분리하기 전에 압축하는 데 사용됩니다. 또한 이 기계들은 흡착이나 극저온 증류와 같은 후속 공정을 위해 공기를 설정된 압력 수준으로 조절하는 데에도 유용합니다.

흡착탑 (PSA 시스템용): 압력 변동 흡착(PSA) 시스템에서는 흡착탑에 제올라이트와 같은 재료를 채워야 하며, 이를 통해 질소 분자는 선택적으로 흡착되는 반면 산소는 방출된다.

막 시스템: 더 적은 양의 산소나 순도가 낮은 산소가 필요한 용도의 경우, 막 분리 시스템이 사용됩니다. 이러한 시스템은 산소에 선택적으로 반응하는 막을 사용하여, 다른 가스보다 산소가 우선적으로 통과하도록 합니다.

극저온 저장 탱크: 특히 액체 산소는 생산된 후 극저온 탱크에 저장됩니다. 이 탱크는 온도가 매우 낮아, 산소가 사용될 때까지 또는 변환 공정을 거쳐 기체로 전환될 때까지 액체 상태를 유지합니다.

상기 장비들은 상호 연계되어 가동되며, 이를 통해 해당 산업 분야에서 요구되는 수준에 부합하는 효율적인 산소 생산을 보장합니다. 이와 관련된 결정 및 장비와 공정의 선택은 용도, 생산 규모, 그리고 요구되는 순도 수준에 따라 달라집니다.

따라서 산소의 산업적 생산은 현대 경제에 없어서는 안 될 복잡한 사업입니다. 이에 따라 산업계는 최첨단 기술과 설비를 활용하여 필요한 양과 순도의 산소를 확보하고, 필요한 수준의 생산 효율을 달성할 수 있습니다.

산업용 산소 생산의 주요 방법

산업 규모의 산소 생산에는 주로 세 가지 방법이 사용됩니다. 즉, 극저온 산소 생산법, 압력 변동 흡착법(PSA), 그리고 막 분리법입니다. 이 방법들은 각각 고유한 특성을 가지고 있으며, 필요한 물질의 규모, 순도, 비용에 따라 적절한 방식으로 활용됩니다.

극저온 산소 생산: 공기 액화 및 증류 공정을 이용한 산소 분리

극저온 산소 생산은 순도가 높기 때문에 대규모 산소 생산에 가장 널리 사용되는 방법입니다. 이 공정은 공기를 액화점 이하로 냉각시키는 극저온 증류 방식을 이용합니다. 이러한 온도에서 공기는 액체 상태로 변하며, 공기의 다양한 성분들은 각각 다른 비등점에 따라 분리될 수 있습니다. 예를 들어, 산소의 비등점은 섭씨 -183도인 반면, 질소의 비등점은 섭씨 -196도입니다.

그러나 액화 전에 수증기 및 CO₂와 같은 기타 오염 물질을 제거하기 위해 공기를 정화해야 합니다. 극저온 조건에서는 극소량의 물이나 CO₂조차도 응축되어 얼음이나 고체 CO₂를 형성하게 되며, 이로 인해 장비가 막혀 분리 과정이 저해되기 때문에 이 단계는 매우 중요합니다. 이 단계에서 4A 및 13X와 같은 분자체는 매우 필수적입니다. 분자체는 높은 선택성으로 수분과 CO₂를 흡착할 수 있으며, 이러한 성분의 농도를 1 ppm 미만으로 낮출 수 있습니다. 또한 분자체는 수분과 CO₂를 동시에 제거할 수 있는 능력과 여러 번의 재생 주기 동안 유지되는 성능 면에서 독보적입니다. 실리카겔이나 활성 알루미나와 같은 다른 건조제는 다량의 수분을 처리하기 위해 분자 체 앞에 사용될 수 있지만, 특히 극저온 응용 분야에서 분자 체가 제공하는 정밀하고 심층적인 건조 성능에는 미치지 못합니다.

공기가 건조 및 정화된 후에는 액화 온도까지 냉각된 뒤 콜드 박스로 펌핑됩니다. 이곳에서 증류탑을 통해 산소가 질소, 아르곤 및 기타 미량 성분으로부터 분리됩니다. 최종 제품은 매우 고순도의 액체 산소로, 그대로 사용하거나 기화시켜 의료용 산소, 용접 및 제철 산업에 활용할 수 있습니다. 이 방법은 순도 99% 이상의 산소가 필요한 용도나 대규모 산소 생산에 더 적합하므로, 산소 수요가 많은 산업 분야에서 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다.

그러나 극저온 산소 생산 방식에도 문제점이 없는 것은 아니다. 극저온을 달성하고 유지하는 것은 어렵고, 이를 위해 필요한 냉각 시스템은 에너지 소비량이 매우 많으며 비용도 많이 든다. 하지만 철강 산업, 가스 용접, 의료 산업 등 대량의 산소를 지속적으로 공급받아야 하는 산업 분야에서는, 이 방식이 신뢰성이 높고 대량의 산소를 생산할 수 있다는 장점 덕분에 여전히 매우 유용하다.

압력 변동 흡착(PSA)

압력 변동 흡착법(PSA)은 산소를 생산하는 가장 효율적이고 경제적인 방법 중 하나입니다. 이 방법은 제올라이트와 같은 물질을 이용하여 질소를 선택적으로 흡착하는 동시에 산소는 통과시킵니다. 비교적 낮은 압력에서 작동하는 PSA 시스템은 현장 산소 생산에 적합하며, 특히 산소 공급이 필수적인 의료 분야 등에서 널리 활용됩니다.

PSA 시스템에서 압축 공기는 먼저 질소와 CO₂, 수분 등의 기타 불순물을 포집하는 흡착제를 통과합니다. 이러한 불순물을 처리하지 않으면 시스템의 효율과 수명이 크게 저하될 수 있습니다. 5A 및 13X와 같은 분자 체는 질소 분리 및 심층 건조 모두에 사용되는 주요 흡착제이므로 이 공정에 활용됩니다. 분자 체는 수분과 CO₂ 함량을 1 ppm 미만으로 낮춤으로써 시스템의 성능을 유지하고 일정한 산소 생산량을 보장하는 데 기여합니다. 일부 전처리 단계에서는 활성 알루미나나 실리카겔과 같은 건조제를 사용하여 대량 수분을 제거하고 분자 체를 보호합니다. 그러나 PSA 운영에 필요한 정확도와 처리량을 달성하기 위해서는 분자 체가 절대적으로 필수적입니다.

시스템 내의 압력이 해제되면 질소가 탈착되며, 흡착제는 다음 작동 주기를 준비하게 됩니다. PSA는 극저온 증류와 동일한 수준의 순도를 달성할 수는 없지만, 90~95% 순도의 산소를 생산할 수 있으며, 이는 가스 용접이나 의료용과 같은 용도에 충분히 적합합니다.

PSA는 확장성이 뛰어나다는 점도 주요 장점 중 하나입니다. 중소 규모의 생산에 적합하도록 설계될 수 있으므로, 극저온 플랜트에서 생산되는 대량의 제품이 필요하지 않은 산업 분야에서도 경제적으로 도입할 수 있습니다. 다만, 흡착재는 장기적으로 높은 효율과 효과를 유지하기 위해 빈번한 재생이 필요합니다.

진공 압력 변동 흡착법 (VPSA)

VPSA는 PSA를 개량한 방식으로, 탈착 과정에서 진공을 이용하여 질소를 제거함으로써 효율을 높입니다. 이를 통해 에너지 소비를 줄이고 시스템 전반의 성능을 향상시키므로, VPSA는 높은 유량에서 중간 순도의 산소를 생산하는 데 비용 효율적인 선택지입니다. 주로 철강 생산, 수처리 및 연소 시스템에 사용됩니다.

VPSA 시스템의 안정적인 작동을 위해서는 수분과 CO₂가 제거된 공기를 사용해야 합니다. 이러한 성분들은 흡착제를 손상시키거나 시스템의 성능을 저하시킬 수 있기 때문입니다. 이 공정에서는 5A, 13X 및 차세대 LiX 유형의 분자체들이 중요한 역할을 합니다. 특히 LiX 분자체는 질소 흡착 용량이 더 높고, 수분 및 CO₂ 제거 성능이 우수하며, 고압 및 다중 재생 조건에서도 뛰어난 안정성을 보입니다.

전처리 과정은 일반적으로 활성 알루미나와 실리카겔을 사용하여 총 수분을 제거하고 분자 체의 부하를 최소화하는 것으로 구성됩니다. 그럼에도 불구하고, 극히 낮은 이슬점을 달성하고 VPSA 시스템의 장기적인 성능을 유지하기 위해서는 분자 체가 필수적입니다. VPSA는 PSA에 비해 생성된 산소 부피당 에너지 비용이 낮지만, 진공 시스템이 필요하기 때문에 초기 투자 비용이 더 높습니다. 이러한 측면에서 VPSA는 높은 효율과 대용량을 모두 필요로 하는 산업 분야에 가장 적합합니다.

막 분리: 특정 막의 투과성을 이용한 산소 추출

막 분리 기술은 산소 생산 분야에서 비교적 새로운 기술입니다. 이 기술은 질소 분자보다는 산소 분자만 통과시킬 수 있는 선택적 고분자 막을 이용하여 고농도의 산소 흐름을 생성합니다. 이 방법은 크기가 작고 전력 소비가 적으며, 높은 수준의 산소 순도가 필요하지 않은 용도에 적합합니다.

막 시스템은 구조가 간단하고 유지보수가 적게 드는 덕분에, 특히 외진 곳이나 이동식 설비에 유리합니다. 예를 들어, 가스 용접 산업이나 화학 생산 산업에서는 이 방식이 가진 유연성 때문에 이를 활용하고 있습니다. 그러나 PSA나 극저온 공정만큼 높은 수준의 산소 순도를 달성할 수 없기 때문에, 이 기술의 사용은 산소 순도 요구 수준이 중간 정도인 경우로 다소 제한됩니다.

공기가 막으로 유입되기 전에 최상의 결과를 얻기 위해서는 반드시 제습 과정을 거쳐야 합니다. 수분과 CO₂는 막의 효율을 저하시키고 시스템의 수명을 단축시킬 수 있습니다. 이러한 시스템에서는 활성 알루미나를 1차 건조제로 사용하여 대부분의 공정에 충분한 수준까지 총 수분을 제거합니다. 더 철저한 건조나 CO₂ 제거가 필요한 까다로운 용도의 경우, 흡착 용량이 더 높은 분자 체가 사용됩니다. 4A 또는 13X 유형의 분자체는 수분과 CO₂를 초고도로 제거할 수 있습니다. 따라서 멤브레인이 효과적으로 보호되며, 시스템은 가혹한 작동 조건에서도 안정적으로 작동할 수 있습니다. 실리카겔은 사용 빈도가 낮지만, 때로는 첫 단계에서 대부분의 수분을 제거하고 활성 알루미나 및 분자체의 부하를 줄이기 위해 사용되기도 합니다.

막 분리 기술은 PSA나 극저온 기술만큼 높은 순도를 달성할 수는 없지만, 에너지 소비가 적고 구조가 콤팩트하며 작동 방식이 간단하기 때문에 산소 순도가 중간 수준이면 충분한 경우에 사용하기에 적합합니다.

결론

산업용 산소 생산은 특정 요구 사항에 맞춰 다양한 방법을 활용합니다. 고순도 산소의 경우 극저온 증류법이, 중순도 산소의 경우 압력 변동 흡착법(PSA) 및 진공 압력 변동 흡착법(VPSA)이, 소형 중순도 산소 솔루션의 경우 막 분리법이 사용됩니다. 이 모든 방법에서 공기 건조는 필수적이므로, 분자체는 매우 중요한 역할을 합니다. 분자체는 수분과 CO₂를 더 많이 흡착할 수 있어 시스템의 신뢰성과 효율성을 높여주기 때문입니다. 정확성, 내구성, 다용도성을 갖춘 분자체는 오늘날에도 산소 생산의 핵심 요소로 자리 잡고 있으며, 다양한 산업 분야에서 신뢰할 수 있는 결과를 달성하는 데 기여하고 있습니다.

Jalon 분자 체가 효율적이고 안정적인 산소 생산을 어떻게 지원하는가

Jalon은 20년 이상 분자 체 제조 사업에 종사해 왔으며, 112건의 등록 특허를 보유하고 있고, 86개국으로 제품을 수출하고 있습니다. 당사는 ISO 9001 및 ISO 14001 인증을 획득하여, 고객의 요구에 부응하는 제품의 품질, 신뢰성 및 지속 가능성을 보장합니다.

Jalon은 기존의 분자체 외에도 산업용 산소 생산 효율을 높이기 위한 고성능 제품을 개발했습니다. 당사의 차세대 분자인 JLOX-500 및 JLOX-103은 질소 흡착 능력을 향상시키고 산소에 비해 질소의 선택성을 높입니다. 이를 통해 산소 생산 효율이 향상되어 산업용 PSA 및 VPSA 산소 생산 시스템에 이상적입니다.

1,450만 위안을 투자해 구축한 최첨단 연구개발(R&D) 실험실을 바탕으로, Jalon은 제품 성능의 지속적인 향상을 보장합니다. 의료용이든 산업용 가스 분리용이든, Jalon의 분자체는 현대적인 산소 생산의 요구 사항에 신뢰할 수 있고 효과적인 솔루션을 제공합니다.

산업용 산소 생산의 잠재적 문제점 및 해결 방안

산업용 산소 생산과 관련된 몇 가지 문제가 있으며, 이는 다음과 같습니다. 이러한 과제는 에너지 소비, 순도, 운영, 저장 및 운송이라는 네 가지 주요 영역으로 분류할 수 있습니다.

에너지 소비량

일반적으로 사용되는 극저온 증류 방식은 공기를 액화시키기 위해 기온을 -183°C 이하로 낮추는 데 많은 에너지가 필요합니다. 이에 대응하여 제조사들은 에너지 효율이 높은 냉각 기술을 활용하고 재생 에너지를 생산 공정에 도입할 방법을 모색하고 있습니다.

순도 유지

이산화탄소, 물 또는 아르곤은 산소를 오염시킬 수 있으며, 이는 의료 시설과 같이 높은 수준의 산소 순도가 요구되는 용도에는 바람직하지 않습니다. 분자 체와 같은 고효율 건조 시스템과 지속적인 모니터링 및 여과 과정을 통해 공급되는 산소의 품질이 적정 수준을 유지하도록 보장합니다.

업무 연속성

PSA 시스템은 흡착제를 주기적으로 재생해야 하므로, 이로 인해 생산이 중단되곤 합니다. 중복 시스템을 구축하고 대용량 분자체 등 첨단 흡착재를 사용하면 장비 고장 시간을 줄이고 생산성을 높일 수 있습니다.

보관 및 운송

산소의 저장 및 운송에는 고압 실린더나 극저온 탱크와 같은 특수한 용기가 필요하며, 이러한 용기는 빈번한 점검이 요구됩니다. 경량화되고 내구성이 뛰어난 저장 매체의 발전과 현장 산소 생산 기술의 발전으로 인해 공급망 관리상의 문제점이 해소되었습니다.

이러한 어려움에도 불구하고, 산업용 산소 생산은 현대 기술과 효과적인 관행을 통해 여전히 다양한 산업 분야의 수요를 충족시키고 있습니다.

산업용 산소 생산 분야의 신기술 및 혁신

산업용 산소 생산의 미래는 혁신에 있으며, 이를 통해 공정을 더욱 효율적이고 지속 가능하며 경제적으로 만들기 위한 노력이 이루어지고 있습니다. 극저온 증류 분야의 새로운 발전은 가장 큰 비용 요인 중 하나인 에너지 사용에 초점을 맞추고 있습니다. 대규모 산소 생산의 효율성을 높이기 위해, -183°C 미만의 극저온을 달성하는 데 필요한 전력을 줄이기 위한 새로운 냉각 기술이 개발되고 있습니다.

PSA 기술 분야에서는 질소 흡착 능력과 산소 선택성을 향상시키기 위해 분자체와 같은 새롭고 더 우수한 흡착재들이 개발되고 있다. 이러한 소재들은 산소 생산량을 높이고, 시스템의 수명을 연장하며, 유지보수 비용을 절감한다. 또한 고순도의 산소를 확보하고 운영 비용을 상대적으로 낮추기 위해 PSA 기술과 극저온 기술을 결합하여 활용하려는 시도도 이루어지고 있다.

새로운 AI 기반 모니터링 솔루션은 실시간 데이터 분석과 예측 유지보수를 제공함으로써 이미 산소 생산 산업을 변화시키고 있습니다. 이러한 시스템은 낭비를 줄이고, 요구되는 성능 수준을 보장하며, 환경 목표 달성에 기여합니다.

마지막으로, 막 분리 기술의 발전으로 산소 생산의 기회가 확대되고 있습니다. 이러한 시스템은 크기가 작고 에너지 효율이 높아, 합리적인 가격에 소형 시스템을 필요로 하는 산업 분야에 적합합니다.

기존 기술의 개선부터 산업용 산소 생산의 새로운 방법 개발에 이르기까지, 전 세계에 산소가 더욱 효율적이고 지속 가능한 방식으로 공급되고 있습니다.