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Nov 07, 2023

손끝에서 확인 가능한 사실: 물리적 가스

2022년 5월 1일 | 작성자: Scott Jenkins, 화학 공학 잡지

2022년 5월 1일 | 작성자: Scott Jenkins, 화학 공학 잡지

산업용 가스는 화학 공정 산업(CPI) 전반에 걸쳐 광범위한 응용 분야에 매우 중요합니다. 이러한 가스 중 다수는 막 분리, 촉매 및 흡착 공정, 극저온 증류 및 기타 기술을 포함하는 물리적 가스 분리 기술을 사용하여 공기의 질소, 천연 가스의 수소 등 다른 가스와 분리되어야 합니다. 여기에서는 몇 가지 일반적인 방법을 설명합니다.

막 분리는 중공 섬유 막을 사용하여 산소에서 질소를 분리합니다(그림 1). 멤브레인 기술은 순도 요구 사항이 엄격하지 않은 경우 일반적으로 사용됩니다. 멤브레인 시스템 내에서는 수천 개의 중공 섬유가 하우징에 배치되고 압축 공기가 한쪽 끝에 공급됩니다. 섬유벽은 가스를 투과할 수 있지만 가스의 종류에 따라 섬유벽을 통과하는 확산율이 달라집니다. 공기의 경우 산소, 이산화탄소, 아르곤 및 기타 미량 오염물질이 질소보다 빠른 속도로 벽을 통과하여 배출됩니다. 질소는 95% 이상의 일반적인 순도로 멤브레인 시스템에서 배출됩니다. 사용자는 시스템 전체의 흐름을 조정하여 멤브레인 기반 시스템이 달성하는 순도를 변경할 수 있습니다. 멤브레인 기반 시스템의 장점은 움직이는 부품이 없다는 점이지만 배출구 순도는 유량에 따라 달라질 수 있습니다.

그림 1. 순도 요구 사항이 특별히 엄격하지 않은 응용 분야에서 막 분리 방법이 사용됩니다.

압력 변동 흡착(PSA) 및 진공 압력 변동 흡착(VPSA)은 더 높은 순도가 필요한 상황에서 사용됩니다. 백분율 수준의 불순물 분리와 달리 높은 백만분율(ppm) 수준의 불순물 분리가 필요한 경우 PSA가 옵션입니다(그림 2). PSA 시스템은 일반적으로 극저온 공정에 들어가는 가스의 사전 정화 및 수소 정화에 사용됩니다. VPSA 기술은 현장 플로트 유리 생산 및 의료용 산소에 사용됩니다.

그림 2. 압력 변동 흡착은 불순물 분리가 높은 백만분율 수준에 도달해야 할 때 선택할 수 있는 옵션입니다.

PSA 시스템은 병렬로 작동하는 용기 쌍으로 구성되거나 여러 용기가 직렬로 연결된 구성으로 설계될 수 있습니다. 각 용기에는 탄소 분자체, 제올라이트, 숯과 같은 흡착 매체가 들어 있습니다. 정화될 공급 가스는 일반적으로 100psig보다 큰 압력에서 작동하는 하나 이상의 용기를 통과합니다. 공급 가스 스트림 내의 불순물은 반 데르 발스 힘(분자 쌍극자 간의 단거리 정전기 상호 작용에 의해 생성된 약한 결합)에 의해 매체 표면에 물리적으로 흡착(물리 흡착)됩니다. PSA 시스템은 다양한 압력과 온도에서 다양한 흡착 거동을 활용하여 작동합니다. 흡착 부위는 불순물 분자가 차지하고 원하는 가스는 매체를 통과합니다. 각 불순물의 용량은 미디어 선택에 따라 달라지며, 종종 기공 크기에 따라 결정됩니다. 불순물 분자가 PSA 용기를 통과함에 따라 흡착된 불순물을 제거하기 위해 매체를 재생해야 합니다. PSA 시스템 내에서 용기는 격리되고 가스는 대기압으로 빠르게 배출되어 갇힌 불순물이 방출됩니다. 그런 다음 용기에 다시 압력이 가해지고 더 많은 공급 가스를 공급할 준비가 됩니다. 이 재생은 몇 분에서 몇 시간의 주기로 완료될 수 있습니다. 공기에서 질소나 산소를 분리하는 경우 일반적으로 주기가 짧습니다.

낮은 PPM 수준의 가스 순도가 필요한 경우 일반적으로 극저온 증류가 사용됩니다. 극저온 공정은 끓는점에 따른 가스의 물리적 분리를 기반으로 합니다. 많은 가스는 극저온으로 분리될 수 있지만 여기서는 공기 분리에 대해 설명합니다. 압축 공기는 냉각된 후 분자체 베드를 통과하여 수분, 탄화수소 및 이산화탄소를 제거한 후 증류탑으로 들어갑니다. 컬럼에 유입되는 가스는 유출되는 가스에 대해 극저온으로 냉각됩니다. 공정을 유지하는 데 필요한 냉각 균형을 유지하기 위해 팽창 터빈이 자주 사용됩니다. 공기는 컬럼 아래로 계단식으로 흘러내리는 환류 액체에 대항하여 일련의 트레이를 통해 컬럼 위로 이동합니다. 끓는점 온도가 다르기 때문에 가스 분리가 발생합니다. 99.999% 순도 이상의 질소는 증기로 직접 공급되거나 극저온 전달을 위해 액화될 수 있습니다. 질소 내의 불순물에는 일반적으로 끓는점이 비슷하거나 더 낮은 일산화탄소와 수소가 포함됩니다.