공기 분리의 비 극저온 공정

공기 분리의 비 극저온 공정 

건조한 대기는 체적 기준으로 질소 78.08%, 산소 20.95%, 아르곤 0.93%와 함께 미량의 기타 가스를 포함합니다(그림 1). 대기는 또한 다양한 양의 수증기(습도에 따라 다름)와 자연 과정과 인간 활동에 의해 생성되는 기타 가스를 포함할 수 있습니다. (i) 극저온 증류 및 (ii) 비 극저온 분리 공정과 같이 공기 가스를 분리하는 두 가지 기본 기술이 있습니다. 비 극저온 공정은 일반적으로 대기에서 단일 성분을 분리하는 데 사용됩니다.

그림 1 대기의 구성

비 극저온 공기 분리 공정은 상온에 가까운 분리 공정이며 질소 또는 산소를 기체로 생산하는 데 사용됩니다. 이러한 공정은 가스 수요가 상대적으로 적고 매우 높은 순도의 가스가 필요하지 않을 때 비용 효율적인 선택입니다. 비 극저온 공기 분리 설비는 소형이며 일반적으로 95.5% ~ 99.5% 무산소 상태인 기체 질소 또는 90% ~ 95.5% 순도인 기체 산소를 생성합니다.

비 극저온 플랜트는 극저온 플랜트보다 에너지 효율이 낮지만(비슷한 제품 순도에 대해) 동시에 건설 비용이 적습니다. 요구되는 순도가 감소함에 따라 플랜트의 물리적 크기를 줄일 수 있으며 장치를 작동하는 데 필요한 전력도 감소합니다. 비 극저온 플랜트는 비교적 빠르고 쉽게 시작할 수 있으며 30분 이내에 가동할 수 있습니다. 이것은 제품이 풀타임으로 필요하지 않을 때 유용합니다. 극저온 플랜트와 마찬가지로 비극저온 공기 분리 프로세스도 공기 압축으로 시작됩니다.

질소와 산소의 끓는점 차를 이용하여 이들 제품을 분리 정제하는 극저온 플랜트와 달리, 비 극저온 공기 분리 플랜트는 분자 구조, 크기, 질량 등의 물리적 성질의 차이를 이용하여 질소와 산소를 생산합니다. 비 극저온 공정은 멤브레인을 통한 선택적 흡착 또는 순열을 기반으로 합니다.

비극저온 공기 분리 플랜트에 사용되는 가장 일반적인 기술은 흡착 공정 기술, (ii) 화학 공정 기술, (iii) 막 분리 기술 및 (iv) 이온 수송 막 기술입니다.

흡착 공정 기술

흡착 공정 기술은 일부 천연 및 합성 재료가 질소 또는 산소를 우선적으로 흡착하는 능력을 기반으로 합니다. 이 기술은 여러 대기압의 압축 공기를 흡착제 재료가 들어 있는 용기에 통과시켜 질소 또는 산소를 생성하는 데 사용됩니다. 흡착제는 흡착 특성에 따라 선택됩니다. 특수 흡착 물질이 분자체로 사용되어 대상 가스 종을 우선적으로 흡착합니다. 바람직한 흡착제는 생성물 기체(질소 또는 산소)보다 비생성물 분자에 대해 훨씬 더 큰 친화성을 갖는다. 이러한 특성으로 인해 대부분의 생성 기체 분자는 베드를 통과하여 생성 스트림으로 이동하는 반면 공기의 다른 구성 요소는 흡착제에 의해 포획됩니다.

흡착 기술을 사용하는 산소 생산 공장은 일반적으로 제올라이트 분자체를 사용하여 질소, 이산화탄소, 잔류 수증기 및 기타 가스를 흡착합니다. 플랜트를 떠나는 일반적인 산소 전달 압력은 1기압에서 3기압입니다. 산소 순도는 일반적으로 93% ~ 95% 범위이며 주로 아르곤 함량에 의해 제한되며 일반적으로 4.5% ~ 5% 범위입니다.

흡착 기술을 사용하는 질소 생산 공장은 흡착에 의해 산소 및 기타 원하지 않는 성분을 제거하는 활성탄 분자체 재료를 사용합니다. 또는 흡착 과정을 떠나는 질소 생성물의 산소와 수소를 촉매적으로 결합하여 물을 생성하는 '탈옥소' 장치가 추가됩니다. 이 물은 냉각 및 추가 흡착에 의해 제거됩니다. 질소는 일반적으로 6기압에서 8기압의 압력과 95%에서 99.5%의 순도로 생산 장치에서 공급됩니다. 더 높은 순도가 필요한 경우 장비 크기와 제품 제조에 대한 공기 공급 비율이 모두 높아집니다. 질소 생산 공장의 폐기물 흐름에는 산소가 풍부하며 이는 종종 약 40% 산소입니다. 이 흐름은 때때로 공장에서 연소 향상 또는 폐기물 처리 장비 작동에 사용됩니다.

제올라이트의 경우, 물질의 빈 공간에 불균일한 전기장이 존재하여 분자의 우선 흡착을 유발하며, 이는 정전기 사극자 모멘트가 더 큰 분자보다 더 분극화됩니다. 따라서 공기 분리에서 질소 분자는 산소 또는 아르곤 분자보다 더 강하게 흡착됩니다. 공기가 제올라이트 물질의 베드를 통과할 때 질소는 유지되고 산소가 풍부한 흐름은 베드를 떠납니다. 이는 제올라이트가 질소에 대해 선택적이기 때문입니다.

탄소 분자체의 경우 공기 분자의 크기와 같은 크기의 기공 크기를 갖습니다. 산소 분자는 질소 분자보다 약간 작기 때문에 흡착제의 공동으로 더 빠르게 확산됩니다. 따라서 탄소 분자체는 산소에 대해 선택적입니다.

흡착층은 주기적인 탈착이 필요하기 때문에 흡착제 공정은 기본적으로 배치 공정입니다. 따라서 이 기술을 기반으로 하는 생산 공장에는 일반적으로 운영 연속성을 제공하기 위해 최소 2개의 흡착제 용기가 있습니다. 언제든지 용기 중 하나는 원하지 않는 공기 성분을 흡착하여 제품을 만들고 다른 용기는 대기압으로 감압하여 재생을 진행합니다. 흡착 용기가 포화 상태에 도달하면 밸브 세트가 스트림을 다른 용기로 빠르게 전환합니다. 흡수기 하류의 서지 용기(완충 용기)는 제품 가스의 전달이 지속적으로 이루어지도록 합니다. 2개의 용기 시스템이 가장 일반적이지만 단일 용기 또는 3개의 용기 구성도 때때로 사용됩니다. 단일 용기 시스템은 자본 절약을 제공하는 반면 3 용기 시스템은 더 큰 생산 연속성을 제공합니다. 흡착 기술에 기반한 공기 분리 공정의 일반적인 흐름도는 그림 2에 나와 있습니다.

그림 2 흡착 기술에 기반한 공기 분리 공정

압축 공기는 흡착제 베드가 있는 용기로 들어갑니다. 질소/산소가 흡착되고 흡착 베드가 질소/산소로 포화될 때까지 산소/질소가 풍부한 유출 스트림이 생성됩니다. 이 시점에서 공급 공기는 새로운 용기로 전환되고 첫 번째 용기의 흡착제 베드 재생이 시작될 수 있습니다. 재생은 흡착제 베드를 가열하거나 흡착제의 평형 질소/산소 보유 용량을 감소시키는 흡착제 베드의 압력을 줄임으로써 달성할 수 있습니다.

열 추가는 일반적으로 온도 변동 흡착(TSA)이라고 하고 압력 감소는 압력 또는 진공 변동 흡착(PSA 또는 VSA)이라고 합니다. 진공을 사용하는 공기 분리 설비는 VPSA(진공 압력 스윙 흡착), VSA(진공 스윙 흡착) 또는 PVSA(압력 진공 스윙 흡착) 설비라고 합니다. 산소 생산에 사용됩니다. 공정 사이클은 탈착 압력을 줄이기 위해 진공 펌프가 사용된다는 점을 제외하고는 PSA 플랜트의 사이클과 유사합니다. 탈착 압력이 낮을수록 입구 압력이 감소합니다. 압력 감소와 관련된 더 빠른 주기 시간과 단순화된 작동은 일반적으로 공기 분리를 위한 선택 프로세스입니다.

VPSA 플랜트는 약 0.2기압(게이지)에서 산소를 생성합니다. 더 높은 산소 공급 압력이 필요할 때 산소 부스터 압축기가 설비에 추가됩니다. 전반적으로 VPSA 플랜트는 동일한 제품 흐름, 압력 및 순도 조건에서 PSA 플랜트보다 비용이 더 많이 들지만 에너지 효율적입니다.

VPSA 플랜트는 진공 조건에서 체 재료를 재생합니다. 결과적으로 더 완전히 재생된 분자체 재료가 됩니다. 이 체 재료는 PSA 공장에서 재생 공정을 거친 재료보다 선택성이 높습니다. 결과적으로 더 높은 비율의 사용 가능한 산소가 회수되므로 처리해야 하는 공기가 줄어듭니다. 공기 압축기 출력은 공기 흐름이 낮고 일반적으로 반 기압(게이지) 미만인 압축기 토출 압력이 낮기 때문에 PSA 플랜트에 비해 크게 감소합니다. 그러나 진공 펌프를 작동하는 데 필요한 전력으로 인해 공기 압축 전력 절감에 상쇄가 있습니다.

VPSA 장치는 일반적으로 원하는 생산 속도가 하루 20톤 이상일 때 PSA 장치보다 비용 효율적입니다. 고순도 산소가 필요하지 않다면 일반적으로 하루 최대 60톤의 가장 비용 효율적인 산소 생산 선택입니다. 하루 60톤 이상에서는 극저온 설비가 일반적으로 선택되는 산소 생산 기술이지만, 어떤 경우에는 2개의 VPSA 설비를 통해 수요의 큰 단계적 변화를 더 잘 맞출 수 있습니다.

작동 효율성에 영향을 미치는 프로세스의 변형에는 물과 이산화탄소를 제거하기 위한 별도의 공기 전처리, 흡착제 베드 전환 중 압력 에너지 회수를 허용하는 다중 용기, 감압 중 진공 작동이 포함됩니다. 시스템 최적화는 제품 흐름, 순도 및 압력, 에너지 비용 및 예상 작동 수명을 기반으로 합니다. 흡착 공정의 주기적인 특성으로 인해 흡착제 베드 크기는 자본 비용의 제어 요소입니다. 생산은 흡착층의 부피에 비례하므로 극저온 플랜트에 비해 생산 속도의 함수로 자본 비용이 더 빠르게 증가합니다.

화학 공정 기술

많은 물질이 한 세트의 압력 및 온도 조건에서 산소를 흡수하고 다른 세트의 조건에서 산소를 탈착하는 능력을 가지고 있습니다. 1990년대 초에 조사된 그러한 공정 중 하나는 용융염 화학 공정인 MOLTOXe 공정이었습니다. 과정은 그림 3에 나와 있습니다.

그림 3 공기 분리를 위한 화학 공정

표시된 공정 변동은 순환하는 용융 염 흐름에 의한 산소 흡수에 기초한 다음 염 흐름의 열 및 압력 감소의 조합을 통한 탈착을 기반으로 합니다. 공기는 1.4기압에서 12.5기압으로 압축되고 흡착제 기반 시스템에서 물과 이산화탄소를 제거하기 위해 처리됩니다. 이 단계에서 제거하지 않으면 물과 이산화탄소 모두 염분을 분해합니다.

공기는 베드 포화에 도달할 때까지 흡착제 베드를 통해 흐릅니다. 흡착층은 전환되고 포화된 흡착층은 공정의 건조 질소에 의해 재생됩니다. 깨끗하고 건조한 공기는 주 열 교환기에서 480°C와 650°C 사이로 제품 흐름을 되돌리는 것에 대해 가열됩니다. 뜨거운 공기는 용융 액체 염과 접촉하는 흡수기의 바닥으로 흐릅니다. 공기 중의 산소는 염과 화학적으로 반응하고 흡수기의 바닥을 떠나는 액체 염과 함께 제거됩니다. 산소 함유 염은 무산소 염과 열 교환되고 감압되어 탈착기로 흐르기 전에 추가로 가열된다. 기체 산소는 탈착기 상단을 떠나고 산소 희박 염은 탈착기 하단에서 제거되고 열이 교환되어 루프를 닫기 위해 흡수기 용기 상단으로 보내집니다.

뜨거운 산소와 뜨거운 질소 흐름은 주 열교환기로 들어가 공급 공기에 대해 냉각됩니다. 산소는 전달 압력으로 압축되고 질소의 일부는 공기 전처리 시스템을 재생하는 데 사용됩니다. TSA 기반 시스템의 주요 공정 이점은 공기 전처리 및 열교환기를 통해 압력 강하를 극복할 수 있는 압력으로 공기를 압축하면 극저온 플랜트에 비해 공기 압축 전력량이 감소한다는 것입니다. 열 에너지의 소스는 가열을 통해 염을 방출하는 데 사용할 수 있어야 합니다. 공정 조건(예상 염 부하 시 산소 순도 99.9%)을 검증하는 소규모 파일럿 장치를 운영했지만 시설의 염/산소 2상 영역 부식이 경제적인 문제로 판단되었습니다.

막 분리 기술

멤브레인 분리 기술에 기반한 프로세스는 공기 가스가 고분자 멤브레인을 통해 확산되는 다양한 속도를 사용합니다. 고분자 재료를 사용하는 멤브레인 공정은 고압 및 저압 공정 흐름을 분리하는 멤브레인을 통한 산소와 질소의 확산 속도의 차이를 기반으로 합니다. 막 분리 기술은 종종 쉘 및 튜브 열교환기와 유사한 방식으로 구성되는 특수 폴리머로 만들어진 튜브 번들을 사용합니다. 공기 분리 원리는 다른 가스가 고분자 필름을 통한 다른 투과율을 갖는다는 것입니다. 공기 분리를 위한 고분자막 공정의 개략도는 그림 4에 나와 있습니다.

그림 4 공기 분리를 위한 고분자 공정

플럭스와 선택성은 멤브레인 시스템의 경제성을 결정하는 두 가지 특성이며 둘 다 특정 멤브레인 재료의 기능입니다. 플럭스는 멤브레인 표면적을 결정하고 압력 차이를 멤브레인 두께로 나눈 함수입니다. 막의 유형에 따라 달라지는 비례 상수를 투과성이라고 합니다. 선택도는 분리할 기체의 투과율의 비율입니다. 산소 분자의 크기가 더 작기 때문에 대부분의 멤브레인 재료는 질소보다 산소 투과성이 더 높습니다.

공기 분리 원리는 다른 가스가 고분자 필름을 통한 다른 투과율을 갖는다는 것입니다. 수증기 및 이산화탄소와 함께 산소는 '저속 가스' 아르곤 및 질소보다 튜브 벽을 통해 더 빠르게 확산되는 '빠른 가스'로 간주됩니다. 이렇게 하면 건조한 공기가 대부분 질소 가스와 아르곤의 불활성 혼합물인 제품으로 변환되고, 껍질에서 배출되는 산소, 수증기 및 이산화탄소가 풍부한 저압 '투과물' 또는 폐가스가 생성됩니다.

대기는 여과되고 필요한 압력으로 압축되고 건조된 다음 멤브레인 모듈을 통과합니다. 확산 속도가 더 높은 공기 성분(O2 및 CO2)은 고분자 멤브레인 섬유에 더 빠르게 침투하여 질소가 풍부한 흐름을 1차 생성물로 만듭니다. N2 가스 흐름의 순도는 멤브레인 모듈을 통과하는 유량에 따라 달라지며 효율적으로 작동할 경우 93% ~ 99.5% 및 그 이상에 도달합니다.

질소 생성물은 압축 공기 공급 압력에 가까운 멤브레인 장치에서 나옵니다. 분리 과정에서 움직이는 부분이 없기 때문에 멤브레인 장치는 필요할 때 빠르게 활성화되고 필요하지 않을 때 종료될 수 있습니다.

막 분리 설비는 일반적으로 원하는 질소 순도에 따라 달라지는 질소 생산 등급을 가진 표준 크기 모듈로 만들어집니다. 주어진 표준 모듈의 경우 질소 생산 속도는 흡입 공기 유속이 높을수록 증가하지만 동시에 질소 순도는 감소합니다. 필요한 생산 능력(지정된 순도 수준에서)이 가장 큰 표준 모듈 크기보다 크면 일반적으로 여러 개의 작은 장치가 매니폴드에 결합되어 병렬로 작동할 수 있습니다.

멤브레인 플랜트는 상대적으로 수요가 적은 응용 분야에 비용 효율적입니다. 더 큰 용량의 플랜트는 일반적으로 여러 개의 더 작은 용량의 모듈로 구성되기 때문에 멤브레인 플랜트는 광범위한 생산 속도에 걸쳐 생산 능력의 플랜트당 비용이 거의 일정합니다. 이는 PSA 질소 플랜트 및 극저온 공기 분리 질소 플랜트에서 일반적으로 나타나는 한계 용량 비용 감소와 대조됩니다.

원하는 제품이 산소인 경우 멤브레인 시스템은 일반적으로 산소가 풍부한 공기(25% ~ 50% 산소)의 생산으로 제한됩니다. 산소 선택성을 증가시키기 위해 산소 복합제를 포함하는 능동 또는 촉진 수송 막은 산소 상용성 막 재료도 사용할 수 있다고 가정할 때 막 시스템에서 산소 순도를 증가시키는 잠재적 수단입니다.

산소는 섬유(중공사형) 또는 시트(나선형)를 통해 투과되어 제품으로 배출됩니다. 진공 펌프는 일반적으로 멤브레인을 가로질러 압력 차이를 유지하고 필요한 압력에서 산소를 전달합니다. 이산화탄소와 물은 대부분의 멤브레인 재료에서 산소보다 투과성이 높기 때문에 일반적으로 산소가 풍부한 공기 생성물에 나타납니다.

막 분리의 주요 이점은 주변 조건에 가까운 조건에서 작동하는 공정의 단순하고 연속적인 특성입니다. 공기 송풍기는 필터, 멤브레인 튜브 및 배관을 통해 압력 강하를 극복하기에 충분한 헤드 압력을 공급합니다. 멤브레인 재료는 일반적으로 필요한 생산 능력을 제공하기 위해 함께 다양하게 접혀 있는 원통형 모듈로 조립됩니다.

흡착 시스템과 마찬가지로 자본은 본질적으로 생산 속도의 선형 함수이며 제품 백업은 일반적으로 별도의 액체 산소 저장 탱크와 전달 지원 시스템 없이는 사용할 수 없습니다. 멤브레인 시스템은 하루 최대 20톤의 응용 분야에 쉽게 적합하며, 물과 이산화탄소 오염 물질이 포함된 공기 농축 순수성이 허용될 수 있습니다. 이 기술은 흡착 또는 극저온보다 최신이며 재료의 개선으로 인해 멤브레인이 다소 큰 산소 요구 사항에 적합할 수 있습니다. 주변 환경에 가까운 작동으로 인한 빠른 시작 시간은 불연속적인 사용 패턴을 보이는 것보다 산소 사용 시스템에 특히 매력적입니다. 프로세스의 수동적 특성도 매력적입니다.

멤브레인 플랜트는 상대적으로 수요가 적은 응용 분야에 비용 효율적입니다. 더 큰 용량의 플랜트는 일반적으로 여러 개의 더 작은 용량의 모듈로 구성되기 때문에 멤브레인 플랜트는 광범위한 생산 속도에 걸쳐 생산 능력의 플랜트당 비용이 거의 일정합니다. .

이온 수송막(ITM) 기술

ITM은 세라믹 결정 구조를 통해 산소 이온을 통과시켜 산소를 생성하는 고체 무기 산화물 세라믹 재료입니다. 이 시스템은 일반적으로 600 ° C 이상의 고온에서 작동합니다. 산소 분자는 멤브레인 표면에서 산소 이온으로 변환되고 인가된 전압 또는 산소 분압차에 의해 멤브레인을 통해 수송되고 통과 후 산소 분자가 개질됩니다. 멤브레인 재료. 멤브레인 재료는 평평한 시트나 튜브로 제작할 수 있습니다. 그림 5는 이온 수송막 공기 분리 공정의 간단한 개략도를 보여줍니다.

그림 5 이온 수송막 공기 분리 과정

큰 에너지 변환 프로세스의 경우 압력차 수송 추진력이 선택되는 방법입니다. 압력차에 의해 작동하는 멤브레인은 산소 이온과 전자를 모두 전도하기 때문에 혼합 전도성 멤브레인이라고 합니다. 산소 이온은 매우 높은 유속으로 ITM을 통해 이동하고 멤브레인의 투과면에서 거의 순수한 산소를 생성합니다. 산소는 순수한 제품으로 분리되거나 다른 가스를 사용하여 멤브레인의 투과면을 청소하여 순도가 낮은 제품을 생성할 수 있습니다. 반응성 스위프 가스를 사용하는 경우 산화 생성물이 직접 생성될 수 있습니다. 천연 가스 메탄은 가스에서 액체로(GTL) 변환을 위한 합성 가스를 만들기 위해 쓸어냅니다.

공기는 압축된 다음 뜨거운 공정 스트림(비투과물 및 산소 제품)과 교환한 다음 보조 열을 추가하여 작동 온도로 가열됩니다. 일반적으로 공기 가열은 간접 열 교환 및/또는 연료의 직접 연소로 수행할 수 있습니다. 산소 스트림은 전달 압력으로 압축됩니다. 가압 질소 농축 비투과 스트림은 에너지 전환 프로세스의 균형을 이루는 다른 곳에서 사용됩니다. 예를 들어 전력을 생성하기 위해 통합 가스 터빈 사이클에서 확장됩니다.

ITM 산소 공정은 연소 또는 가스화를 위한 공급원료로 산소가 필요한 발전 및 에너지 변환 공정과 통합하거나 전력이 필요한 모든 산소 기반 응용 분야에 적합합니다.