고순도 가스 제조 공정 Pressure Swing Adsorption(PSA) / Cryogenic Distillation Process

Pressure Swing Adsorption(PSA)

 

Pressure Swing Adsorption(PSA, 압력 스윙 흡착)은 분자 특성 및 흡착 물질에 대한 선택성을 이용하여 고압 하에서 가스 혼합물(일반적으로 공기)에서 특정 가스를 분리하는 데 사용되는 기술이다. 2개의 흡착반응기를 병렬로 연결하고 밸브를 이용 공기의 흐름을 교대로 바꿔가면서 흡착과 탈착을 반복하여 가스를 생산하는 공정으로, 상온 운전이 일반적이라는 데에서 가스를 분리하는 데 일반적으로 사용되는 극저온 증류(Cryogenic Distillation Process)구분된다.

 

원리

그림과 같이 혼합가스를 고압으로 압축하고 흡착제로 채워진 반응기(흡착탑 혹은 흡착배드)를 통과시킨다. 이 때 병렬로 연결된 반응기 2개 중 1개만 통과시키며, 회수하고자 하는 가스의 선택적인 흡착이 흡착탑에서 이루어진다. 흡착탑에 충진한 흡착제로 제올라이트, 활성탄 실리카겔, 알루미나, 합성수지 등의 다공성 물질이 일반적으로 사용된다. 이와 동시에 병렬로 연결된 또다른 반응기(흡착탑, 흡착배드)에서는 흡착된 가스를 흡착제에서 탈착하기 위해 저압으로 이동하는 공정이 진행된다. 이와 같이 밸브에 의해 2개의 반응기에서 흡착과 탈착을 반복하는 절차(Swing)에 의해 대상 가스를 거의 연속적(Continuous)으로 생산할 수 있으며, 흡착제가 흡착포화를 일으켜서 성능이 저하되기 전에 탈착을 시킴으로 흡착제의 사용주기를 효과적으로 늘릴 수 있다.(그림에서 공정 1과 공정 2가 번갈아 진행)

 

응용

의료용 산소 제조

암모니아(NH3)제조에 사용되는 수소(H2)의 대규모 상업 합성의 최종 단계인 이산화탄소(CO2)제거 공정

수소 공급에서 황화수소(H2S)를 제거하는 공정

바이오가스에서 메탄(CH4) 비율을 높이기 위해 이산화탄소를 분리하는 공정

산소함량이 낮은 공기를 생성하는 저산소 공기 화재 예방 시스템

프로판 탈수소화를 이용한 프로필렌 공장

산업용 질소 발생기

 

변형공정

Double Stage PSA(DS-PSA)

실험실 질소 발생기 등에 사용되며, 2단계의 PSA 공정을 사용하여 생산되는 가스의 순도를 상승시킬 수 있음

Rapid Pressure Swing Adsoption(RPSA)

휴대용 산소발생기에 주로 사용되는 대 고순도가 필수적이지 않을 경우 흡착층의 크기를 줄이고 압력을 가하는 것을 빠르게 전환함

Vacuum Swing Adsorption(VSA)

PSA와 다르게 고압에서 흡착이 일어나는 것이 아니라 주변 압력에 가까운 압력에서 흡착공정이 진행되고 그 후 다음 공정을 진공으로 진행하여 탈착하는 공정이 이루어진다. 일반적으로 진공은 송풍기에 의해 이루어진다.

그림. PSA 공정 원리, 공정도(www.wikipedia.org 그림 변형)

극저온 증류 공정(Cryogenic distillation process)

 

혼합가스를 저온으로 냉각시키면 가스를 구성하는 각 성분의 끓는점(Vapor Point)가 틀리므로 냉각온도에 따라 액화되는 지점이 틀려 결국 온도에 따라 순수한 가스를 얻을 수 있는 것을 이용한 것이다. 이 공정은 고순도 가스를 생성할 수 있는 유용한 방법이지만 에너지가 많이 사용된다. 이 공정은 Carl von Linde에 의해 1895년 개발되었고, 20세기 초부터 상업적으로 이용되기 시작하였다.

혼합가스를 구성하는 성분들은 끓는점이 마이너스 수십도 이하로 매우 낮기 때문에 온도 하강은 고압을 가한 후 압력을 순간적으로 줄여 온도를 하강시키는 줄-톰슨 효과(Joule-Thomson effect)를 이용하게 된다. 따라서 가스를 압축시키는 공기압축기에 상당한 에너지가 투입되게 된다.

또한 온도 하강 공정 전에, 대기 중에 필연적으로 존재하는 이물질을 제거하는 공정이 필요한대, 혼합가스 압축시 필연적으로 존재하는 이물질인 수분은 interstage cooler로 응축하여 처리한다. 또한 압축/팽창 공정으로 온도를 내리기 전에 먼지 등의 이물질, 이산화탄소, 수증기와 같이 대기에 존재하는 각종 이물질들을 필터, 제올라이트 등등으로 미리 제거하여야 한다.

대기 중에 존재하는 이산화탄소, 탄화수소와 같은 이물질들은 공정과정 중 폭발을 야기할 수도 있다.

필터링과 압축이 된 가스는 열교환기를 통과하여 응축과정을 겪게 된다. 응축된 공기는 팽창밸브를 통과한 후 팽창하면서 온도가 급격히 내려가게 된다. 온도가 내려간 공기를 증류탑(Distillation Column)을 이용하여 증류하게 된다. CDP를 이용하여 순수한 가스를 생산하는 공정 중 가장 많이 이용하는 공정은 공기를 응축하여 산소, 질소, 아르곤을 생산하는 공정이다. CDP로 생산되는 가스들은 온도가 매우 낮기 때문에 대기와 급하게 접촉하면 폭발의 위험이 있어 온도관리 등도 세심하게 이루어져야 한다.

생산된 가스들은 파이프라인을 통해 근처의 대규모 산업 공정에 바로 공급되기도 하며, 소량으로 실린더에 충전되어 수송될 수도 있다.

그림. Cryogenic distillation process 공정도