효율적인 비극저온 공기 분리 기술: 질소·산소 생산 가이드

비극저온 공기 분리 공정

건조 대기 공기는 부피 기준 질소 78.08%, 산소 20.95%, 아르곤 0.93%와 소량 기타 가스(수소, 네온, 헬륨, 크립톤, 제논, 이산화탄소 등)로 구성됩니다(그림 1). 대기 공기는 습도에 따라 다양한 양의 수증기와 자연적·인위적 과정으로 생성된 기타 가스를 포함할 수 있습니다. 공기 구성 가스 분리를 위한 두 가지 주요 기술은 (1) 극저온 증류, (2) 비극저온 분리 공정입니다. 비극저온 공정은 일반적으로 대기 공기에서 단일 성분을 분리하는 데 사용됩니다.

비극저온 공기 분리 공정 개요

비극저온 공기 분리 공정은 상온 근방 온도에서 수행되는 분리 공정으로, 기체 질소 또는 산소 생산에 사용됩니다. 가스 수요가 상대적으로 작고 매우 높은 순도가 필요하지 않을 때 비용 효율적인 선택지입니다. 비극저온 공기 분리 플랜트는 콤팩트하며, 일반적으로 95.5~99.5% 산소 프리(oxygen-free) 기체 질소 또는 90~95.5% 순도 기체 산소를 생산합니다.

비극저온 플랜트는 동일 순도 조건에서 극저온 플랜트보다 에너지 효율은 낮지만, 건설 비용은 더 적게 듭니다. 요구 순도가 낮아질수록 플랜트 물리적 크기와 운전 동력도 줄어듭니다. 비극저온 플랜트는 상대적으로 빠르고 쉽게 시동 가능하며, 30분 이내 온라인 전환 가능. 제품이 상시 필요하지 않을 때 유용합니다. 극저온 플랜트와 마찬가지로 비극저온 공기 분리 공정도 공기 압축으로 시작합니다.

극저온 플랜트가 질소와 산소의 끓는점 차이를 이용해 분리·정제하는 반면, 비극저온 공기 분리 플랜트는 분자 구조, 크기, 질량 등 물리적 특성 차이를 이용해 질소와 산소를 생산합니다. 비극저온 공정은 선택적 흡착 또는 막 투과 원리에 기반합니다.

비극저온 공기 분리 플랜트 주요 기술

1. 흡착 공정 기술
2. 화학 공정 기술
3. 막 분리 기술
4. 이온 수송 막(ITM) 기술

1. 흡착 공정 기술 (Adsorption Process Technology)

일부 천연·합성 물질이 질소 또는 산소를 선택적으로 흡착하는 능력을 이용합니다. 수 기압 압축 공기를 흡착제 함유 용기에 통과시켜 질소 또는 산소를 생산합니다. 흡착제는 흡착 특성 기준으로 선택. 특수 흡착 재료를 분자체로 사용해 목표 가스 종을 우선 흡착. 바람직한 흡착제는 비생산 가스 분자에 대해 생산 가스(질소 또는 산소)보다 훨씬 큰 친화력을 가집니다. 이로 인해 생산 가스 분자 대부분이 층을 통과해 제품 흐름으로 들어가고, 공기 타 성분은 흡착제에 포집됩니다.

산소 생산 플랜트 (흡착 기술)

제올라이트 분자체로 질소, 이산화탄소, 잔류 수증기, 기타 가스 흡착. 통상 산소 공급 압력 1~3기압. 산소 순도 통상 93~95%, 주로 아르곤 함량(통상 4.5~5%)에 의해 제한.

질소 생산 플랜트 (흡착 기술)

활성탄 분자체 재료로 산소와 타 불순 성분 흡착 제거. 또는 '디옥소(de-oxo)' 유닛 추가로 수소와 질소 제품 내 산소 촉매 반응시켜 물 생성, 냉각과 추가 흡착으로 물 제거. 질소 통상 6~8기압, 순도 95~99.5%로 생산 유닛 출구 공급. 더 높은 순도 필요 시 장비 크기와 공기 공급/생산 비율 모두 증가. 질소 생산 플랜트 폐기물 흐름은 산소 농도 약 40%로 농축되며, 플랜트 내 연소 촉진이나 폐수 처리 설비 운전에 활용되기도 함.

흡착제별 선택성 메커니즘

• 제올라이트: 공극 내 불균일 전기장 존재로 더 분극성 높은 분자(더 높은 정전기 사중극 모멘트) 우선 흡착. 공기 분리에서 질소 분자가 산소나 아르곤보다 더 강하게 흡착. 공기가 제올라이트층 통과 시 질소 유지되고 산소 풍부 흐름 배출. 제올라이트가 질소 선택적.
• 탄소 분자체: 공기 분자 크기와 같은 차수 기공 크기. 산소 분자가 질소보다 약간 작아 흡착제 공동으로 더 빠르게 확산. 탄소 분자체는 산소 선택적.

흡착 공정 운용 특징

흡착 공정은 본질적으로 배치 공정으로, 흡착층 주기적 탈착 필요. 이 기술 기반 생산 플랜트는 운전 연속성 위해 최소 2개 흡착 용기 보유. 어느 시점엔 한 용기가 공기 불순 성분 흡착으로 제품 생산, 다른 용기는 상압 감압으로 재생. 흡착 용기 포화 임박 시 밸브 세트가 흐름을 다른 용기로 신속 전환. 흡착기 하류 서지 탱크(버퍼 탱크)로 제품 가스 연속 공급 보장. 2용기 시스템이 가장 일반적이나, 1용기 또는 3용기 구성도 사용. 1용기 시스템은 자본비 절감, 3용기 시스템은 생산 연속성 강화. 흡착 기술 기반 공기 분리 공정 대표 흐름도는 그림 2와 같습니다.

가압 공기가 흡착층 함유 용기 유입. 질소/산소 흡착돼 산소/질소 풍부 배출 흐름 생성. 흡착층이 질소/산소로 포화되면 공급 공기 신규 용기로 전환, 첫 번째 용기 흡착층 재생 시작. 재생은 흡착층 가열 또는 흡착층 압력 감소(평형 흡착 용량 감소)로 수행.

가열 추가는 통상 온도 변동 흡착(TSA), 감압은 압력/진공 변동 흡착(PSA 또는 VSA)이라 칭함. 진공 사용 공기 분리 플랜트는 VPSA(진공 압력 변동 흡착), VSA(진공 변동 흡착), PVSA(압력 진공 변동 흡착) 플랜트라 불림. 산소 생산용. 공정 사이클은 PSA 플랜트와 유사하나 탈착 압력 감압용 진공 펌프 사용. 낮은 탈착 압력으로 유입 압력 감소. 감압 연계 빠른 사이클 타임과 단순화된 운전이 공기 분리 공정 선택 공정으로 통상 채택.

VPSA 플랜트는 약 0.2기압(게이지) 산소 생산. 더 높은 산소 공급 압력 필요 시 산소 부스터 압축기 추가. 전반적으로 VPSA 플랜트는 동일 제품 유량, 압력, 순도 조건에서 PSA 플랜트보다 비용 높지만 에너지 효율 높음.

VPSA 유닛은 진공 조건에서 분자체 재생. 더 완전 재생된 분자체 재료 결과. 이 분자체는 PSA 플랜트 재생 공정 거친 재료보다 더 선택적. 결과적으로 가용 산소 더 높은 비율 회수 → 처리 필요 공기량 감소. 공기 압축기 동력 크게 감소(공기 유량 감소, 압축기 토출 압력 통상 0.5기압 게이지 미만). 단, 진공 펌프 운전 동력 필요로 공기 압축 동력 절감분 상쇄 존재.

VPSA 유닛은 통상 일일 생산량 20톤 초과 시 PSA 유닛보다 비용 효율적. 고순도 산소 불필요 조건에서 일일 60톤까지 통상 가장 비용 효율적 산소 생산 선택지. 일일 60톤 초과 시 통상 극저온 플랜트가 산소 생산 기술 선택지이나, 경우에 따라 2대 VPSA 플랜트로 대단위 단계적 수요 변동 대응이 더 나을 수 있음.

운전 효율 영향 공정 변형: 물과 이산화탄소 제거용 공기 별도 전처리, 압력 에너지 회수용 다중 용기, 감압 시 진공 운전. 시스템 최적화는 제품 유량, 순도, 압력, 에너지 비용, 예상 운전 수명 기반. 흡착 공정 순환 특성상 흡착층 크기가 자본비 지배 요인. 생산량이 흡착층 부피에 비례하므로 자본비는 극저온 플랜트 대비 생산률 함수로 더 급격히 증가.

2. 화학 공정 기술 (Chemical Process Technologies)

특정 압력·온도 조건에서 산소 흡수, 다른 조건에서 탈착하는 물질 다수 존재. 1990년대 초 연구된 MOLTOXe 공정(용융염 화학 공정)이 한 예. 그림 3 참조.

보여진 공정 변형은 순환 용융염 흐름에 의한 산소 흡수, 염 흐름 가열과 감압 조합 탈착 기반. 공기 1.4→12.5기압 압축 후 흡착제 기반 시스템으로 물과 이산화탄소 제거. 이 단계에서 미제거 시 물과 이산화탄소 모두 염 열화 유발.

공기 흡착층 통과까지 층 포화. 흡착층 전환, 포화 흡착층 공정 건조 질소로 재생. 깨끗하고 건조한 공기 메인 열교환기에서 귀환 제품 흐름과 열교환해 480~650℃로 가열. 고온 공기 흡수기 하부로 유입, 용융 액체 염과 접촉. 공기 중 산소가 염과 화학 반응해 흡수기 하부 떠나는 액체 염과 함께 제거. 산소 함유 염은 무산소 염과 열교환 후 추가 가열, 감압 후 탈착기로 유입. 기체 산소 탈착기 상부 배출, 무산소 염 탈착기 하부 배출 후 열교환해 흡수기 상부로 순환.

고온 산소와 질소 흐름 메인 열교환기 유입, 공급 공기와 열교환해 냉각. 산소는 공급 압력 압축, 질소 일부는 공기 전처리 시스템 재생용. TSA 기반 시스템 주요 공정 장점: 공기 압축 압력이 공기 전처리와 열교환기 압력 강하 극복 수준만 필요해 극저온 플랜트 대비 공기 압축 동력 감소. 염/산소 2상 영역 부식은 경제적 문제로 판명. 염 가열로 열에너지 공급원 필요. 소규모 파일럿 유닛 운전으로 공정 조건 검증(예상 염 적재량에서 99.9% 산소 순도).

3. 막 분리 기술 (Membrane Separation Technology)

공기 가스가 폴리머 막을 통과하는 확산 속도 차이 이용. 폴리머 재료 막 공정은 고압/저압 공정 흐름 분리 막을 통한 산소·질소 확산 속도 차이 기반. 막 분리 기술은 특수 폴리머 튜브 번들 사용, 통상 쉘앤튜브 열교환기 유사 구성. 공기 분리 원리: 각기 다른 가스가 폴리머 필름에서 다른 투과율 가짐. 폴리머 공정 공기 분리 개략도는 그림 4와 같습니다.

플럭스(Flux)와 선택도(Selectivity)가 막 시스템 경제성 결정 두 특성. 둘 다 특정 막 재료 함수. 플럭스는 막 면적 결정, 압력 차이/막 두께 함수. 막 종류에 따라 변하는 비례 상수를 투과도라 칭함. 선택도는 분리 대상 가스 투과도 비율. 산소 분자 크기 더 작아 대부분 막 재료가 질소보다 산소에 더 투과성 높음.

공기 분리 원리: 각기 다른 가스가 폴리머 필름에서 다른 투과율 가짐. 산소, 수증기, 이산화탄소는 '빠른 가스'로 튜브 벽 더 빠르게 확산. '느린 가스'인 아르곤, 질소보다 빠름. 이로 건조 공기를 주로 질소와 아르곤인 불활성 혼합물 제품으로, 저압 '투과물' 또는 폐가스는 산소, 수증기, 이산화탄소 풍부해 쉘에서 배출.

대기 공기 여과, 필요 압력 압축, 건조 후 막 모듈 통과. 더 높은 확산율 성분(O₂, CO₂)이 폴리머 막 섬유 더 빠르게 투과 → 질소 풍부 흐름이 주제품. N₂ 기체 흐름 순도는 막 모듈 유량에 의존, 효율적 운전 시 93~99.5% 이상 도달.

질소 제품은 압축 공기 공급 압력에 근접한 압력으로 막 유닛 출구 출현. 분리 공정에 움직이는 부품 없어 막 유닛 필요 시 신속 활성화, 불필요 시 정지 가능.

막 분리 플랜트는 통상 표준 크기 모듈로 제작, 질소 생산 정격은 원하는 질소 순도 의존. 주어진 표준 모듈에서 유입 공기 유량 높을수록 질소 생산율 증가하지만 동시에 질소 순도 감소. 필요 생산 능력(지정 순도 수준)이 최대 표준 모듈 크기 초과 시 다수 소형 유닛을 매니폴드로 결합해 병렬 운전.

막 플랜트는 상대적 저수요 애플리케이션에 비용 효율적. 대용량 플랜트가 통상 다수 소용량 모듈 조합이므로 막 플랜트는 넓은 생산률 범위에서 단위 생산 능력당 비용 거의 일정. 이는 PSA 질소 플랜트와 극저온 공기 분리 질소 플랜트에서 전형적인 한계 용량 체감 비용과 대비.

희망 제품이 산소면 막 시스템 통상 산소 농축 공기(25~50% 산소) 생산 한정. 산소 착물 형성제 포함 활성/촉진 수송 막은 산소 선택도 높여 막 시스템 산소 순도 향상 잠재 수단(산소 호환 막 재료도 가용 가정).

산소는 중공사(할로우 파이버) 타입은 섬유, 나선형 권취(스파이럴 라운드) 타입은 시트 투과해 제품으로 인출. 진공 펌프가 통상 막 횡 압력 차 유지, 필요 압력 산소 공급. 이산화탄소와 물은 대부분 막 재료에서 산소보다 투과성 높아 산소 농축 공기 제품에 나타남.

막 분리의 주요 이점: 상온 근방 조건 운전 단순 연속 공정. 에어 블로워로 필터, 막 튜브, 배관 압력 강하 극복 충분. 막 재료 통상 원통형 모듈로 조립, 매니폴드 결합해 필요 생산 능력 확보.

흡착 시스템과 마찬가지로 자본비 본질적으로 생산률 선형 함수, 별도 액체 산소 저장 탱크와 공급 지원 시스템 없인 제품 백업 통상 불가. 막 시스템은 일일 20톤 이하, 물과 이산화탄소 오염 허용 산소 농축 순도 애플리케이션에 적합. 이 기술은 흡착이나 극저온보다 신규로 재료 개선 시 다소 더 큰 산소 요구에도 매력적 될 수 있음. 상온 근방 운전으로 빠른 시동 시간은 불연속 사용 패턴 산소 사용 시스템에 특히 매력적. 공정 수동적 특성도 어필.

막 플랜트는 상대적 저수요 애플리케이션에 비용 효율적. 대용량 플랜트 통상 다수 소용량 모듈 조합이므로 막 플랜트는 넓은 생산률 범위에서 단위 생산 능력당 비용 거의 일정.

4. 이온 수송 막 (ITM - Ion Transport Membrane) 기술

ITM은 고체 무기 산화물 세라믹 재료로, 세라믹 결정 구조 내 산소 이온 통과로 산소 생산. 통상 600℃ 이상 고온 운전. 산소 분자가 막 표면에서 산소 이온으로 변환, 인가 전압 또는 산소 분압 차로 막 통과 수송, 막 통과 후 산소 분자 재형성. 막 재료 평판 또는 튜브 제작 가능. 그림 5는 이온 수송 막 공기 분리 공정 단순 개략도.

대규모 에너지 변환 공정에서는 분압 차 수송 구동력이 선택 방법. 분압 차로 운전하는 막은 산소 이온과 전자 모두 전도하므로 혼합 전도 막이라 칭함. 산소 이온이 ITM에서 매우 높은 유량으로 통과해 막 투과측에서 거의 순수 산소 생산. 산소는 순수 제품으로 분리 가능, 또는 투과측에 타 가스 스위프로 저순도 제품 생산 가능. 반응성 스위프 가스 사용 시 산화 생성물 직접 생산 가능(예: 천연가스 메탄 스위프로 합성가스 생산해 GTL 전환).

공기 압축 후 고온 공정 흐름(비투과물, 산소 제품)과 열교환, 보조 가열로 운전 온도 가열. 일반적으로 공기 가열은 간접 열교환 및/또는 연료 직화로 수행. 산소 흐름 공급 압력 압축. 가압 질소 풍부 비투과 흐름은 에너지 변환 공정 타 부분 활용(예: 통합 가스터빈 사이클 팽창해 발전).

ITM 산소 공정은 연소나 가스화용 원료로 산소 필요, 또는 전력 필요 산소 기반 애플리케이션과 발전·에너지 변환 공정 통합에 적합.