공기 분리의 극저온 공정

공기 분리의 극저온 과정 

공기는 다양한 기체로 구성되어 있으며 그 중 질소(N2)와 산소(O2)가 총 시료 부피의 약 99.03%를 차지합니다. 건조한 공기는 부피 기준으로 약 78.08%의 질소, 약 20.95%의 산소, 약 0.93%의 아르곤과 함께 수소, 네온, 헬륨, 크립톤, 크세논 및 이산화탄소와 같은 기타 가스의 미량을 포함합니다. 주변 공기에는 다양한 양의 수증기(습도에 따라 다름)와 자연 과정 및 인간 활동에 의해 생성되는 기타 가스가 포함될 수 있습니다. 산소와 질소는 공기를 구성 성분으로 분리하는 공기 분리 공정을 통해 생성됩니다. 예를 들어 아르곤, 크립톤과 같은 희가스는 공기 분리 공정의 부산물로 회수될 수 있습니다.

공기를 구성 가스로 분리하는 것은 특정 공기 분리 기술의 구현을 통해 이루어집니다. 현재 사용할 수 있는 다양한 공기 분리 기술이 있으며, 각각은 공기를 구성하는 가스 간의 물리적 특성의 차이와 관련하여 서로 다른 속성을 활용하는 것을 목표로 합니다. 즉, 공기 분리 기술은 공기를 구성하는 각 가스의 물리적 성질이 다르기 때문에 (i) 구성 가스의 분자 크기를 구별하는 것과 같은 물리적 성질을 이용하여 공기 분리를 실현하는 기술입니다. , (ii) 특정 물질을 통한 확산 속도의 차이, (iii) 특정 물질이 특정 가스에 대해 선호하는 흡착, (iv) 끓는 온도 등의 차이 구분

오늘날 사용되는 기술 중 일부는 극저온, 흡착, 화학 공정, 고분자막 및 이온 수송막(ITM)을 포함합니다. 이러한 기술 중 극저온 공기 분리 기술은 수명 주기의 성숙한 단계에 있으므로 현재 사용 가능한 기술 중에서 산소, 질소, 아르곤과 같은 공기 생성물의 대량 생산을 위한 유일한 수단이 되었습니다.

공기 분리 기술은 산소 및/또는 질소를 기체로, 때로는 액체 제품으로 생산하는 데 사용됩니다. 일부 식물은 또한 가스나 액체 또는 둘 다로 아르곤을 생산합니다. 모든 공기 분리 프로세스는 공기 압축으로 시작됩니다. 모든 공기 분리 플랜트는 비 극저온 기반 기술 또는 극저온 기반 기술을 사용합니다. 비극저온 공기 분리 기술을 사용하는 공기 분리 플랜트는 주변 온도에 가까운 분리 공정을 사용하여 기체 산소 또는 질소 생성물을 생성합니다. 이 식물은 일반적으로 90% ~ 95.5% 순수 산소 또는 일반적으로 95.5% ~ 99.5% 산소가 없는 질소를 생산합니다. 공기 분리 플랜트는 산소보다 3배 이상 많은 질소를 생성할 수 있지만 일반적으로 1:1에서 1.5:1의 질소 대 산소 생성물 비율이 유지됩니다.

극저온 공정은 1895년 Carl Von Linde에 의해 처음 개발되었으며 1900년대 George Claude에 의해 개선되어 용접, 절단과 같은 다양한 산업 공정의 요구 사항을 충족하고 의료용 가스로 사용하기 위해 소량으로 산소를 생산합니다.

산업 규모의 극저온 공기 분리는 산소, 질소 및 최종적으로 아르곤의 가용성에 크게 의존하는 야금 및 기타 산업 분야의 발전을 촉진하는 20세기 초에 시작되었습니다. 극저온 공기 분리 플랜트(ASP)는 매우 우수한 제품 품질, 대용량 및 높은 신뢰성을 특징으로 합니다. 다른 새로운 공기 분리 기술에도 불구하고 극저온 공기 분리 기술은 산소 생산의 기본 기술로 남아 있습니다. 극저온 공기 분리 설비는 고순도 기체 제품을 생산하는 데 가장 일반적으로 사용됩니다. 그러나 이 기술의 사용은 일반적으로 하루에 분리된 가스의 수백 톤을 초과하는 다량의 가스를 필요로 하는 응용 분야에 제한됩니다. 기체 또는 액체로 제품을 생산할 수 있습니다.

극저온 공기 분리 기술은 기체의 끓는점 차이를 활용하여 기체를 분리합니다. 이는 공기를 구성하는 다른 기체가 끓는점이 다르고 온도와 압력의 측면에서 즉각적인 환경을 조작함으로써 공기를 구성 요소로 분리할 수 있다는 사실에 근거합니다. 1 기압과 0 deg C에서 산소의 끓는점은 -182.9 deg C이고 6 기압과 0 deg C에서 산소의 끓는점은 -160.7 deg C입니다. 질소의 해당 끓는점은 -195.8 deg C와 -176.6 deg입니다. C, 아르곤은 각각 영하 185.8도, 영하 164.6도입니다.

극저온 분리는 (i) 고순도 산소가 필요한 경우(99.5% 이상), (ii) 많은 양의 산소가 필요한 경우(100톤 이상의 산소/일) 세 가지 기준 중 하나를 충족해야 할 때 가장 효과적인 공정입니다. ), 또는 (iii) 고압 산소가 필요합니다. 극저온 공기 분리기는 시동하는 데 1시간 이상 걸립니다. 또한 극저온 장치는 높은 순도의 산소를 생산할 수 있기 때문에 폐질소 흐름은 사용 가능한 품질입니다. 이는 극저온 공기 분리 플랜트와 통합된 프로세스에 상당한 재정적 이점을 추가할 수 있습니다.

공기를 구성 가스로 극저온 분리하려면 다양한 공정이 필요합니다. 이러한 공정의 조합은 극저온 공기 분리 플랜트에서 필요하며, 그 중 기본 공정은 (i) 공기 압축, (ii) 공기 정화, (iii) 열교환, (iv) 증류 및 (v) 제품 압축입니다. 그림 1은 이러한 프로세스를 보여줍니다.

그림 1 공기의 극저온 분리와 관련된 기본 과정

극저온 공기 분리 설비는 극저온 공기 분리 공정을 기반으로 합니다. 20세기 초 상용화 이후 기본 공정은 산업 공정으로 지속적으로 발전해 왔다. 다양한 요구되는 순도 및 압력 수준에서 가능한 한 효율적으로 특정 가스 제품 및 제품 혼합물을 생산하려는 욕구에 따라 많은 공정 구성 변형이 나타났습니다. 이러한 공기 분리 공정 주기는 압축 기계, 열교환기, 증류 기술 및 가스 팽창기 기술의 발전과 함께 발전해 왔습니다.

증류 공정은 공기를 구성 성분으로 실제로 분리하기 때문에 전체 공정의 핵심입니다. 공기 생성물은 출력에서 ​​총 공기 생성물의 양에 대한 100% 순수한 공기 생성물의 양의 비율로 정의되는 특정 순도로 생산됩니다.

증류 과정에서 트레이가 사용됩니다. 트레이의 기본 기능은 하강하는 액체와 상승하는 기체의 효율적인 접촉을 가능하게 하는 것입니다. 따라서 트레이는 (i) 상승하는 기체의 냉각 및 부분 응축, (ii) 하강하는 액체의 가열 및 부분 기화를 위한 단계를 설정합니다. 그림 2는 분별 증류 트레이가 있는 일반적인 증류 컬럼을 보여줍니다. 이 증류탑에는 하나의 기화기와 하나의 응축기만 있습니다. 증류는 효율적인 액체-기체 접촉에 의해 가능하며 이는 하강하는 액체와 상승하는 기체 사이의 적절한 접촉을 통해 가능합니다. 가장 휘발성이 강한 원소와 덜 휘발성인 원소의 순도는 각 트레이에서 다르며, 증류탑의 아래쪽과 위쪽은 두 극단이 되며 여기에서 순수한 원소를 얻을 수도 있습니다.

그림 2 산소 및 질소 생산을 위한 분별 증류 트레이가 있는 일반적인 증류 컬럼

그림 2는 트레이가 상승하는 가스에 특정 저항을 제공하여 압력 강하를 생성함을 보여줍니다. 압력 강하는 공기 압축기의 에너지 소비에 큰 영향을 미치고 트레이 기술 개발에 중요한 매개변수이기 때문에 가능한 한 작아야 합니다. 증류 패킹은 사용 중인 또 다른 기술로, 분별 증류 트레이와 달리 총 압력 강하가 훨씬 적고 액체-기체 접촉이 개선됩니다.

산소를 생산하기 위해서는 산소와 질소의 액체 혼합물과 바닥에 기화기가 장착된 컬럼이 필요하며, 질소를 생산하기 위해서는 산소와 질소가 혼합된 기체 혼합물인 컬럼과 콘덴서가 장착된 컬럼이 필요합니다. top이 필요하며 이 과정에서 산소가 풍부한 부산물도 생성된다. 이 두 종류의 컬럼을 서로 포개어 놓고 질소 컬럼의 하단에서 얻은 산소가 풍부한 액체를 산소 컬럼의 상단으로 라우팅함으로써 만 사용하여 산소와 질소를 생산할 수 있습니다. 콘덴서. 이것은 그림 2에 나와 있습니다.

산소가 풍부한 액체가 상부 증류탑의 상부로 들어가고 증류를 통해 동일한 컬럼의 하부에 액체 산소(LOX)가 생성됩니다. LOX의 기체 산소(GOX)로의 기화는 하부 칼럼 상단의 기체 질소(GAN)와 상단 칼럼 하단의 LOX 사이에서 발생하는 열 교환을 통해 실현됩니다. 상부 컬럼의 상단에는 질소와 산소 가스 혼합물로 구성된 폐기물도 생성됩니다.

실제로, 응축기의 기능은 적절한 열이 GAN에서 LOX로 또는 그 반대로 전달되도록 하는 열교환기에 의해 수행되며, 이를 위해 필요한 LOX의 기화와 GAN의 응축이 가능합니다. 증류탑의 연속 작동. 이 모델에서는 기둥이 서로의 위에 쌓이지만 실제로 가끔 수행되는 것처럼 기둥을 나란히 놓을 수도 있습니다.

극저온 공기 분리 공정은 공기를 구성 가스로 분리하는 에너지 집약적 저온 공정입니다. 산소 분리의 에너지 소비는 산소 순도의 증가하는 함수입니다. 전기 에너지 비용은 공기 분리 플랜트에서 발생하는 가장 큰 단일 운영 비용입니다. 일반적으로 가스 및 액체 제품 생산과 관련된 운영 비용의 1/3 또는 2/3 범위에 있습니다. 철강 산업은 산소, 질소 및 아르곤 가스를 광범위하게 사용하기 때문에 이러한 가스의 가격은 철강 및 철강 제품의 생산 비용에 영향을 미칩니다. ASP의 에너지 효율은 요구 사항에 따라 달라질 수 있는 산소와 질소의 생산 비율에 의해 크게 영향을 받습니다.

공기로부터 산소 분리의 열역학적 최소 작업은 53.1kWh/산소 톤과 같습니다. 현재 가장 잘 구성된 극저온 ASP는 열역학적 최소값을 약 3배 초과하는 에너지 소비가 특징입니다.

극저온 공기 분리 공정의 복잡성, 장비의 물리적 크기, 공정을 작동하는 데 필요한 에너지는 기체 및 액체 제품의 수, 필요한 제품 순도, 필요한 전달 압력에 따라 다릅니다. 질소 가스만 생산하는 플랜트는 산소 가스만 생산하는 플랜트보다 덜 복잡하고 작동하는 데 더 적은 전력이 필요합니다. 두 가스의 공동 생산은 자본 비용과 에너지 효율성을 증가시킵니다. 이러한 가스를 액체 형태로 만들려면 추가 장비가 필요하고 전달되는 가스 단위당 두 배 이상의 전력이 필요합니다.

아르곤 생산은 산소와의 부산물로서만 경제적입니다. 이를 고순도로 생산하면 공기 분리 플랜트의 물리적 크기와 복잡성이 가중됩니다. 전형적인 극저온 공기 분리 플랜트의 흐름도가 그림 3에 나와 있습니다. 흐름도는 플랜트의 다양한 구성 요소 간의 일반적인 상호 관계를 보여줍니다. 그러나 실제 관계는 요구 사항을 충족하기 위해 다를 수 있는 공기 분리 플랜트의 설계에 따라 다릅니다.

그림 3 전형적인 극저온 공기 분리 설비의 흐름도

공기 분리의 극저온 공정 단계

공기 분리의 극저온 과정에는 여러 단계가 있습니다. 첫 번째 단계는 들어오는 공기를 필터링, 압축 및 냉각하는 것입니다. 대부분의 경우 공기는 제품 혼합과 필요한 제품 압력에 따라 5~8MPa로 압축됩니다. 이 단계에서 압축 공기는 냉각되고 유입되는 공기의 수증기 대부분은 압축의 마지막 단계에 따라 일련의 단계 간 냉각기와 애프터 냉각기를 통과할 때 응축되고 제거됩니다.

두 번째 단계는 불순물, 특히 잔류 수증기와 이산화탄소(CO2)의 제거로 구성됩니다. 이러한 구성 요소는 제품 품질 사양을 충족하기 위해 그리고 공기가 플랜트의 증류 부분에 들어가기 전에 제거됩니다. 수증기와 CO2를 제거하기 위한 두 가지 기본 접근 방식이 있습니다. 그들은 (i) 분자체 단위 (ii) 가역 교환기입니다. 대부분의 새로운 공기 분리 플랜트는 유입되는 공기에서 수증기와 CO2를 제거하기 위해 분자체 사전 정화 장치를 사용합니다. 수증기 및 CO2 제거를 위한 역전 교환기는 소규모 플랜트에 더 비용 효율적입니다. 역방향 열교환기를 사용하는 플랜트에서 압축 공기 공급의 냉각은 두 세트의 납땜 알루미늄 열교환기에서 수행됩니다. 역방향 열교환기를 사용하는 경우 탄화수소를 제거하기 위해 냉각 흡수 장치가 설치됩니다.

세 번째 단계는 공기 흐름을 극저온(-185℃)으로 만들기 위해 제품 및 폐가스 흐름에 대한 추가적인 열 전달입니다. 이 냉각은 들어오는 공기 공급과 차가운 제품과 분리 공정을 떠나는 폐가스 흐름 사이의 열 교환을 허용하는 납땜 알루미늄 열 교환기에서 수행됩니다. 열 교환 동안, 떠나는 가스 흐름은 주변 공기 온도에 가깝게 데워집니다. 기체 제품 스트림과 폐기물 스트림에서 냉각을 회수하면 플랜트에서 생성되는 냉각의 양이 최소화됩니다. 극저온 증류에 필요한 매우 낮은 온도는 하나 이상의 고압 프로세스 스트림의 팽창을 포함하는 냉각 프로세스에 의해 생성됩니다.

네 번째 단계는 공기를 원하는 제품으로 분리하는 증류 과정입니다. 산소를 만들기 위해 증류 시스템은 일반적으로 고압 및 저압 컬럼이라고 하는 두 개의 증류 컬럼을 직렬로 사용합니다. 질소 식물에는 열이 하나만 있을 수 있지만 많은 경우 열이 두 개 있습니다. 질소는 각 증류탑의 상단을 떠나고 산소는 하단에서 나옵니다. 초기(고압) 컬럼에서 생성된 불순한 산소는 두 번째 저압 컬럼에서 추가로 정제됩니다. 아르곤은 산소와 끓는점이 비슷하여 우선적으로 산소와 함께 머무른다. 고순도 산소가 필요한 경우 아르곤을 제거해야 합니다. 아르곤 제거는 아르곤 농도가 최고 수준인 저압 컬럼의 한 지점에서 발생합니다. 제거된 아르곤은 일반적으로 저압 컬럼 아르곤 정제 시설과 통합된 추가 '인출' 조 아르곤 증류 컬럼에서 처리됩니다. 차가운 기체 제품과 미정제 아르곤은 배기되거나 현장에서 추가 처리되거나 액체로 수집되거나 기체 아르곤을 생성하기 위해 기화될 수 있습니다.

공기 분리 컬럼에서 나오는 폐기물 흐름은 프런트 엔드 열교환기를 통해 다시 라우팅됩니다. 주변 온도에 가깝게 데워지면 들어오는 공기를 차갑게 식힙니다. 공급물과 제품 흐름 사이의 열 교환은 공장의 순 냉동 부하를 최소화하여 에너지 소비를 최소화합니다.

냉각은 저온 장비로의 열 누출과 유입 및 유출 기체 스트림 사이의 불완전한 열 교환을 보상하기 위해 극저온 수준에서 생산됩니다. 공기 분리 플랜트의 냉동 사이클에서 하나 이상의 고압 스트림(플랜트 유형에 따라 흡입 공기, 질소, 폐가스, 공급 가스 또는 생성 가스가 될 수 있음)은 압력이 감소하여 스트림을 냉각시킵니다. . 냉각 및 플랜트 에너지 효율성을 극대화하기 위해 팽창기(터빈의 한 형태) 내부에서 압력 감소(또는 팽창)가 발생합니다. 가스 흐름에서 에너지를 제거하면 밸브를 가로질러 단순히 팽창하는 경우보다 온도가 더 낮아집니다. 팽창기에서 생성된 에너지는 공정 압축기, 발전기 또는 기타 에너지 소비 장치를 구동하는 데 사용됩니다.

기체 제품은 일반적으로 상대적으로 낮은 압력, 흔히 1기압(절대)을 약간 넘는 비교적 낮은 압력에서 콜드 박스(증류 컬럼 및 매우 낮은 온도에서 작동하는 기타 장비를 포함하는 절연 용기)를 떠납니다. 일반적으로 전달 압력이 낮을수록 분리 및 정제 공정의 효율성이 높아집니다. 그런 다음 생성 가스는 사용을 위해 생성 가스에 필요한 압력으로 압축기에서 압축됩니다.

매우 낮은 온도에서 작동하는 극저온 공기 분리 공정의 부분(예:증류탑, 열교환기, 저온 상호 연결 배관)은 단열이 잘 되어야 합니다. 이러한 품목은 단면이 직사각형 또는 원형인 비교적 키가 큰 구조인 밀봉된(및 질소 제거된) '콜드 박스' 내부에 있습니다. 콜드 박스는 암면으로 포장되어 단열을 제공하고 대류를 최소화합니다. 식물의 종류와 용량에 따라 콜드 박스는 한 변이 2미터에서 4미터까지 측정되며 높이는 15미터에서 60미터입니다.

아르곤 생성

순수 아르곤은 일반적으로 여러 단계의 공정을 통해 미정제 아르곤에서 생산됩니다. 전통적인 접근 방식은 '탈옥소' 장치에서 미정제 아르곤에 존재하는 2~3%의 산소를 제거하는 것입니다. 이 작은 단위는 촉매가 담긴 용기에서 산소와 수소를 화학적으로 결합합니다. 생성된 물은 분자체 건조기에서 (냉각 후) 쉽게 제거됩니다. 그런 다음 무산소 아르곤 스트림은 '순수 아르곤' 증류 컬럼에서 처리되어 잔류 질소와 미반응 수소를 제거합니다.

충전식 컬럼 증류 기술의 발전으로 두 번째 아르곤 생산 옵션, 즉 매우 높은(그러나 직경은 작은) 증류 컬럼을 사용하여 어려운 아르곤/산소 분리를 수행하는 완전 극저온 아르곤 회수가 가능해졌습니다. 공장에서 생성할 수 있는 아르곤의 양은 증류 시스템에서 처리되는 산소의 양과 회수율에 영향을 미치는 기타 여러 변수에 의해 제한됩니다. 여기에는 액체로 생성된 산소의 양과 플랜트 작동 조건의 안정성이 포함됩니다. 공기 중 가스의 자연 발생 비율로 인해 아르곤 생성은 산소 공급 속도의 4.4%(용적 기준) 또는 5.5%(중량 기준)를 초과할 수 없습니다.

액상 제품 생산 

액체 제품이 극저온 공기 분리 플랜트에서 생산되면 일반적으로 보조 냉각 장치가 기본 공기 분리 플랜트에 추가(또는 통합)됩니다. 이 장치를 액화기라고 하며 질소를 기본 작동 유체로 사용합니다. 액화기 용량은 공기 분리 플랜트 용량의 작은 부분에서부터 공기 분리 플랜트의 산소 및 질소 및 아르곤을 위한 최대 생산 능력까지 다양합니다.

액화기에 사용되는 기본 공정 주기는 수십 년 동안 변하지 않았습니다. 일반적인 액화기는 주변 온도와 압력에 가까운 질소를 가져와 압축하고 냉각한 다음 고압 스트림을 팽창시켜 냉각을 생성합니다. 최신 액화기와 구형 액화기의 기본적인 차이점은 극저온 열교환기 제조 기술이 향상됨에 따라 극저온 열교환기의 최대 작동 압력 등급이 높아졌다는 것입니다. 일반적인 새 액화기는 더 높은 피크 주기 압력과 더 높은 효율의 팽창기를 사용하는 경우 30년 전에 지어진 것보다 더 에너지 효율적일 수 있습니다.