산업용 가스 정화에 대한 고려 사항

2019년 8월 1일 | 작성자: Brian Warrick 및 Dan Spohn, Applied Energy Systems, Inc.

순도 요구사항과 가스 특성에 따라 산업용 가스를 정화하는 데는 다양한 방법이 필요합니다. 가스 정화 기술 선택 시 주요 고려 사항은 다음과 같습니다.

산업용 가스는 화학 공정 산업(CPI) 전반에 걸쳐 광범위한 응용 분야에 매우 중요합니다. 대부분의 경우 산업용 가스는 특정 순도 사양에 따라 생산되는데, 이는 제한된 양의 오염물질만 포함할 수 있음을 의미합니다. 많은 응용 분야에서 공급업체가 제공하는 가스는 특정 공정에 대한 공정 사양을 충족하지 못할 수 있습니다. 이는 오염 물질을 추가로 줄이기 위해 가스를 정화해야 함을 의미합니다. 산업용 가스 생성, 저장 및 분리에 대한 이해가 향상되면 공정 요구 사항을 충족하는 가스 정화 기술을 선택하는 데 도움이 될 수 있습니다. 여러 주요 고려 사항이 선택한 가스 정화기 유형에 영향을 미칠 수 있습니다. 여기에는 다음이 포함됩니다: 가스 공급을 위한 생산 방법; 가스 소스의 순도; 가스 소스가 어떻게 포장되는지; 제거할 불순물 분자의 종류와 예상 순도 미디어 선택, 미디어 용량, 공간 속도, 패키지 디자인 및 배송 요구 사항도 포함됩니다. 이 기사에서는 정화, 보관, 안전 및 운송 방법과 관련하여 산업용 가스 생산에 대해 논의합니다.

가스 생성 방법은 다양하지만 이 기사에서는 화학 반응을 통해 가스를 생성하는 대신 구성 요소(예: 공기에서 질소, 천연 가스에서 수소)의 물리적 분리를 주로 고려할 것입니다. Haber-Bosch 공정을 사용하면 반응에서 암모니아와 같은 가스가 생성됩니다. 다른 반응에서는 전자 산업에서 일반적으로 사용되는 NO, SiH4, PH3 등과 같은 가스가 생성됩니다.

물리적 가스 분리는 막, 촉매 및 흡착 공정, 극저온 증류 및 기타 기술에 의존합니다. 여기서는 몇 가지 일반적인 사항에 대해 설명합니다.

막 분리. 일반적인 공기 분리 기술은 중공사막을 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. 섬유 벽은 가스를 투과할 수 있지만 섬유 벽 전체의 확산 속도는 가스에 따라 다릅니다. 공기의 경우 산소, 이산화탄소, 아르곤 및 기타 미량 오염물질은 질소보다 더 빠른 속도로 벽을 통과하여 배출구로 향합니다. 질소는 95% 이상의 일반적인 순도로 멤브레인 시스템에서 배출됩니다. 멤브레인 기반 시스템에 의해 달성된 순도는 시스템을 통과하는 흐름을 조정하여 사용자에 의해 달라질 수 있습니다. 멤브레인 기반 시스템의 장점은 움직이는 부품이 없다는 점이지만 배출구 순도는 유량에 따라 달라질 수 있습니다.

그림 1. 순도 요구 사항이 엄격하지 않은 경우에 사용되는 막 분리 장치는 중공 섬유 막을 사용하여 산소에서 질소를 분리합니다.

압력 변동 흡착. 압력 변동 흡착(PSA) 및 진공 압력 변동 흡착(VPSA)은 순도 요구 사항이 더 높은 곳에 사용됩니다. 백분율 수준의 불순물 분리와 달리 높은 PPM(백만분율) 수준의 불순물 분리가 필요한 경우 PSA가 옵션입니다(그림 2). PSA 시스템은 일반적으로 극저온 공정에 들어가는 가스의 사전 정화 및 수소 정화에 사용됩니다. VPSA 기술(그림 3)은 현장 플로트 유리 생산 및 의료용 산소에 사용됩니다.

그림 2. 제올라이트, 금속 합금 등을 포함한 다양한 정화 매체를 사용하여 가스를 정화할 수 있습니다.

그림 3. 가스 순도 요구 사항이 더 높을 때 진공 압력 스윙 흡착이 사용됩니다.

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 용기는 재가압되어 추가 공급 가스를 받을 준비가 됩니다. 이 재생은 몇 분에서 몇 시간의 주기로 완료될 수 있습니다. 공기에서 질소나 산소를 분리하는 경우 일반적으로 주기가 짧습니다.

3H2 + CO/p>