첨단 극저온 공기 분리 기술: 질소·산소 고효율 추출 공정

극저온 공기 분리 공정

공기는 다양한 가스로 구성되며, 이 중 질소(N₂)와 산소(O₂)가 전체 시료 부피의 약 99.03%를 차지합니다. 건조 공기는 부피 기준 질소 약 78.08%, 산소 약 20.95%, 아르곤 약 0.93%와 수소, 네온, 헬륨, 크립톤, 제논, 이산화탄소 등 미량 가스를 포함합니다. 주변 공기는 습도에 따라 다양한 양의 수증기와 자연적·인위적 과정 생성 기타 가스 포함 가능. 산소와 질소는 공기 분리 공정으로 공기를 구성 성분으로 분리해 생산. 아르곤, 크립톤 등 희가스는 공기 분리 공정 부산물로 회수 가능.

공기 구성 가스 분리는 특정 공기 분리 기술 구현으로 수행. 현재 다양한 공기 분리 기술 이용 가능, 각 기술은 공기 구성 가스 간 물리적 특성 차이 속 다른 속성 활용 목표. 즉, 공기 분리 기술은 공기 각 구성 가스가 서로 다른 물리적 특성 가짐에 기반해 (1) 구성 가스 분자 크기 구분, (2) 특정 물질 통한 확산 속도 차이 구분, (3) 특정 물질이 특정 가스에 갖는 흡착 선호도, (4) 끓는점 차이 등 물리적 특성 활용해 실현.

오늘날 사용 기술로는 극저온, 흡착, 화학 공정, 폴리머 막, 이온 수송 막(ITM) 등. 이 중 극저온 공기 분리 기술은 성숙 단계로, 현재 이용 가능 기술 중 산소, 질소, 아르곤 등 공기 제품 대량 생산 위한 유일한 실행 가능 수단.

공기 분리 기술은 산소/질소 기체 생산용, 때때로 액체 제품 생산용. 일부 플랜트는 아르곤도 기체/액체/둘 다 생산. 모든 공기 분리 공정은 공기 압축으로 시작. 모든 공기 분리 플랜트는 비극저온 기반 기술 또는 극저온 기반 기술 채택. 비극저온 기술 채택 플랜트는 상온 근방 분리 공정으로 기체 산소/질소 제품 생산. 산소 통상 90~95.5% 순도, 질소 통상 95.5~99.5% 산소 프리. 공기 분리 플랜트는 산소보다 3배 이상 질소 생산 가능하나, 질소-산소 제품 비율 1:1~1.5:1 보통 유지.

극저온 공정 역사와 특징

극저온 공정은 1895년 카를 폰 린데(Carl Von Linde) 최초 개발, 1900년대 조지 클로드(George Claude) 개선으로 용접, 절단, 의료용 가스 등 산업 공정용 소규모 산소 생산 시작.

산업 규모 극저온 공기 분리는 20세기 초 시작, 야금과 산소·질소·아르곤 가용성에 고도의존 타 산업 발전 촉진. 극저온 공기 분리 플랜트(ASP)는 우수한 제품 품질, 대용량, 고신뢰성 특징. 타 신흥 공기 분리 기술 등장에도 극저온 공기 분리 기술은 산소 생산 기본 기술로 남아있음. 극저온 공기 분리 플랜트는 고순도 기체 제품 생산에 가장 흔히 사용. 단, 통상 하루 수백 톤 이상 분리 가스 대량 필요 애플리케이션으로 용도 제한. 기체/액체 제품 모두 생산 가능.

극저온 분리 원리

극저온 공기 분리 기술은 가스 끓는점 차이 이용. 공기 각 구성 가스가 서로 다른 끓는점 가짐을 이용해 온도·압력 등 즉각 환경 조작으로 공기 성분 분리. 1기압 0℃에서 산소 끓는점 -182.9℃, 6기압 0℃에서 -160.7℃. 질소 대응 끓는점 -195.8℃, -176.6℃. 아르곤 -185.8℃, -164.6℃.

극저온 분리가 가장 효과적인 3가지 기준

1. 고순도 산소 필요(99.5% 초과)
2. 대용량 산소 필요(일일 100톤 초과)
3. 고압 산소 필요

극저온 공기 분리기 시동 1시간 이상 소요. 또한 극저온이 고순도 산소 생산 가능하므로 폐질소 흐름도 사용 가능 품질로, 극저온 공기 분리 플랜트와 통합 공정에 상당한 재정적 이점 제공 가능.

극저온 공기 분리 기본 공정

공기 구성 가스 극저온 분리는 다양한 공정 포함. 극저온 공기 분리 플랜트에서 이 공정들 조합 필요, 기본 공정은 (1) 공기 압축, (2) 공기 정제, (3) 열교환, (4) 증류, (5) 제품 압축. 그림 1 참조.

극저온 공기 분리 플랜트는 극저온 공기 분리 공정 기반. 기본 공정은 20세기 초 상용화 이후 산업 공정으로 지속 개발. 특정 가스 제품과 제품 믹스를 요구 순도와 압력 수준에서 최대한 효율적으로 생산하려는 욕구로 수많은 공정 구성 변형 등장. 공기 분리 공정 사이클은 압축 기계, 열교환기, 증류 기술, 가스 익스팬더 기술 발전과 병행 진화.

증류 공정은 전체 공정 핵심으로 실제 공기 구성 성분 분리 수행. 공기 제품은 특정 순도(100% 순수 공기 제품 양 / 총 공기 제품 양 출력 비율)로 생산.

증류 공정과 트레이(Tray) 기술

증류 공정에서 트레이 사용. 트레이 기본 기능: 하강 액체와 상승 기체 효율적 접촉 가능케 함. 이로 (1) 상승 기체 냉각·부분 응축, (2) 하강 액체 가열·부분 기화 단계 마련. 그림 2는 분별 증류 트레이가 있는 대표적 증류탑. 이 증류탑은 기화기 1개, 응축기 1개만 가짐. 증류는 효율적 액체-기체 접촉으로 가능, 하강 액체와 상승 기체 적절한 접촉으로 구현. 휘발성 높은 성분과 낮은 성분 순도는 각 트레이에서 다름. 증류탑 하단과 상단 양 극단이 두 극한으로 순수 원소 얻는 곳.

그림 2에서 트레이가 상승 기체에 일정 저항 제공해 압력 강하 생성. 압력 강하는 최소화되어야 함. 공기 압축기 에너지 소비에 큰 영향, 트레이 기술 개발 중요 파라미터. 증류 패킹은 분별 트레이와 달리 전체 압력 강하 훨씬 작고 액체-기체 접촉 개선 기술로도 사용.

산소 생산 위해 산소-질소 액체 혼합물과 하부 기화기 장착 컬럼 필요. 질소 생산 위해 산소-질소 기체 혼합물과 상부 응축기 장착 컬럼 필요, 이 공정에서 산소 풍부 부산물도 생산. 이 두 타입 컬럼을 상하 적층하고 질소 컬럼 하부 얻는 산소 풍부 액체를 산소 컬럼 상부로 라우팅하면 응축기만 사용해 산소·질소 생산 가능. 그림 2에 도시.

산소 풍부 액체 상부 증류탑 유입, 증류 거쳐 동일 컬럼 하부 액체 산소(LOX) 생성. 기체 질소(GAN) 상부와 액체 산소(LOX) 하부 간 열교환으로 LOX 기체 산소(GOX) 기화 실현. 상부 증류탑 상단에서 질소-산소 기체 혼합물 폐기물도 생산.

실제 응축기 기능은 열교환기가 수행. GAN에서 LOX로, 역으로 적절 열 전달 보장해 LOX 기화와 GAN 응축 가능케 해 증류탑 연속 운전 지원. 모델상 컬럼 상하 적층이나, 실제 가끔 나란히 배치하기도 함.

에너지 소비와 경제성

극저온 공기 분리 공정은 에너지 집약적 저온 공정으로 공기 구성 가스 분리. 산소 분리 에너지 소비는 산소 순도 증가 함수. 전기 에너지 비용은 공기 분리 플랜트 단일 최대 운전비. 통상 기체/액체 제품 생산 관련 운전비 1/3~2/3 차지. 철강 산업이 산소, 질소, 아르곤 가스 광범위 사용하므로 이들 가격이 철강·철강 제품 생산비 영향.

ASP 에너지 효율은 산소·질소 생산 비율 상당 영향받으며, 이는 요구사항 따라 변동 가능.

공기 중 산소 분리 열역학적 최소 일은 53.1kWh/톤 산소. 현재 최적 구축 극저온 ASP는 열역학적 최소치 약 3배 초과 에너지 소비 특징.

극저온 공기 분리 공정 복잡성, 설비 물리적 크기, 공정 운전 필요 에너지는 기체/액체 제품 수, 필요 제품 순도, 필요 공급 압력에 따라 변동. 질소 기체만 생산 플랜트는 산소 기체만 생산 플랜트보다 덜 복잡하고 운전 동력 덜 필요. 두 가스 공동 생산은 자본비 증가, 에너지 효율 증대. 액체 형태 생산 시 추가 설비, 기체 단위당 2배 이상 동력 필요.

아르곤 생산은 산소 공동 생산 시만 경제적. 고순도 생산 시 공기 분리 플랜트 물리적 크기와 복잡성 증가. 대표적 극저온 공기 분리 플랜트 흐름도는 그림 3. 플랜트 각종 구성요소 간 대표적 상호관계 표시. 단, 실제 관계는 요건 충족 위해 달라질 수 있는 플랜트 설계 의존.

극저온 공기 분리 공정 단계별 상세

1단계: 유입 공기 여과, 압축, 냉각

대부분 경우 공기 5~8MPa 사이 압축(제품 믹스, 필요 제품 압력 의존). 이 단계에서 압축 공기 냉각, 유입 공기 수증기 다수 중간 냉각기 시리즈와 최종 압축 단 후 애프터쿨러 통과하며 응축 제거.

2단계: 불순물 제거, 특히 잔류 수증기 및 이산화탄소(CO₂)

제품 품질 사양 충족, 증류부 유입 전 제거. 물과 CO₂ 제거 두 기본 접근법: (1) 분자체 유닛, (2) 역전 열교환기. 신규 공기 분리 플랜트 대부분 분자체 전정제 유닛으로 유입 공기 수증기·CO₂ 제거. 역전 열교환기는 소규모 플랜트에서 더 비용 효율적. 역전 열교환기 활용 플랜트에서 압축 공기 공급 냉각은 두 세트 브레이징 알루미늄 열교환기로 수행. 역전 열교환기 사용 시 탄화수소 제거용 냉흡착 유닛 설치.

3단계: 제품·폐가스 흐름과 추가 열교환으로 공기 흐름 극저온(-185℃) 도달

브레이징 알루미늄 열교환기에서 유입 공기 공급과 분리 공정 떠나는 냉각 제품·폐가스 흐름 간 열교환으로 냉각. 열교환 중 배출 기체 흐름 주변 온도 근접까지 가열. 기체 제품 흐름과 폐흐름에서 냉동 회수로 플랜트 생산 필요 냉동량 최소화. 극저온 증류 필요 극저온은 1개 이상 고압 공정 흐름 팽창 포함 냉동 공정으로 생성.

4단계: 희망 제품으로 공기 분리 증류 공정

산소 생산 위해 증류 시스템 직렬 2개 증류탑 사용, 통상 고압/저압 컬럼이라 칭함. 질소 플랜트는 1개 컬럼만 있어도 되나 다수 2개 보유. 질소 각 증류탑 상부 배출, 산소 하부 배출. 초기(고압) 컬럼 생산 불순 산소 2차 저압 컬럼에서 추가 정제. 아르곤 끓는점 산소와 유사해 산소와 우선 잔류. 고순도 산소 필요 시 아르곤 제거. 아르곤 제거는 저압 컬럼 아르곤 농도 최고 지점. 제거된 아르곤 통상 저압 컬럼 아르곤 정제 설비와 통합된 추가 '드로우' 조잡 아르곤 증류탑에서 처리. 냉각 기체 제품과 조잡 아르곤은 배출, 현장 추가 처리, 액체 수집, 기화해 기체 아르곤 생산 가능.

공기 분리 컬럼 출구 폐흐름 프론트엔드 열교환기 통해 재순환. 주변 온도 근접까지 가열되며 유입 공기 냉각. 공급·제품 흐름 간 열교환으로 플랜트 순 냉동 부하 최소화, 에너지 소비 최소화.

냉동 사이클

냉동은 극저온 온도 레벨에서 생산돼 냉각 설비 열누설 보상, 유입·배출 기체 흐름 간 불완전 열교환 보상. 공기 분리 플랜트 냉동 사이클에서 1개 이상 고압 흐름(플랜트 유형 따라 유입 공기, 질소, 폐가스, 공급 가스, 제품 가스 중) 감압해 흐름 냉각. 냉각 최대화와 플랜트 에너지 효율 위해 감압(팽창)은 익스팬더(터빈 형태) 내부에서 수행. 기체 흐름 에너지 제거로 단순 밸브 팽창보다 온도 더 낮아짐. 익스팬더 생산 에너지는 공정 압축기, 발전기, 기타 에너지 소모 장치 구동용 활용.

제품 압축

기체 제품 통상 콜드박스(증류탑 등 극저온 운전 설비 포함 단열 용기) 출구 저압(자주 1기압 절대치 약간 위) 출현. 일반적으로 공급 압력 낮을수록 분리·정제 공정 효율 높음. 제품 기체 필요 압력까지 압축기 압축.

콜드박스 단열

극저온 운전 부분(증류탑, 열교환기, 냉각 상호연결 배관 등)은 우수 단열 필요. 이 항목들 밀봉(질소 퍼지) '콜드박스' 내부 위치. 콜드박스는 직사각형/원형 단면 상대적 고층 구조. 암면 충진으로 단열, 대류 전류 최소화. 플랜트 유형·용량 따라 콜드박스 한 변 2~4m, 높이 15~60m.

아르곤 생산

순수 아르곤 통상 조잡 아르곤에서 다단계 공정 생산. 전통적 접근: 조잡 아르곤 내 2~3% 산소 '디옥소(de-ox)' 유닛서 제거. 소형 유닛서 촉매 함유 용기 내 수소와 산소 화학 결합. 결과물 물 냉각 후 분자체 건조기로 용이 제거. 무산소 아르곤 흐름 '순수 아르곤' 증류탑 처리해 잔류 질소, 미반응 수소 제거.

충전 컬럼 증류 기술 발전으로 제2 아르곤 생산 옵션 창출: 완전 극저온 아르곤 회수. 매우 높지만(소구경) 증류탑으로 어려운 아르곤/산소 분리 수행. 플랜트 아르곤 생산량은 증류 시스템 처리 산소량과 회수율 영향 타 다수 변수 제한. 액체 산소 생산량, 플랜트 운전 조건 안정성 등 포함. 공기 자연 발생 가스 비율로 아르곤 생산량 산소 공급률 부피 기준 4.4%, 중량 기준 5.5% 초과 불가.

액체 제품 생산

극저온 공기 분리 플랜트에서 액체 제품 생산 시 통상 기본 공기 분리 플랜트에 보조 냉동 유닛 추가(통합). 이 유닛은 액화기(liquefier)라 칭하며 질소 주작동 유체 사용. 액화기 용량은 공기 분리 플랜트 용량 소분율~산소+질소+아르곤 최대 생산 용량 범위.

액화기 기본 공정 사이클 수십 년간 불변. 대표적 액화기: 상온 상압 질소 유입, 압축, 냉각, 고압 흐름 팽창해 냉동 생산. 신구 액화기 주요 차이: 극저온 열교환기 제조 기술 향상으로 최대 운전 압력 정격 증가. 더 높은 피크 사이클 압력과 고효율 익스팬더 채택 시 신형 액화기 30년 전 구축품보다 에너지 효율 높을 수 있음.