항저우 누주오 테크놀로지 그룹 유한회사

초저온 공기 분리 기술은 저온을 이용하여 공기 중 주요 성분(질소, 산소, 아르곤)을 분리하는 방법입니다. 이 기술은 철강, 화학, 제약, 전자 등 다양한 산업 분야에서 널리 사용되고 있습니다. 가스 수요가 증가함에 따라 초저온 공기 분리 기술의 적용 범위도 점점 확대되고 있습니다. 본 논문에서는 초저온 공기 분리 기술의 생산 공정, 작동 원리, 주요 장비, 작업 단계 및 다양한 산업 분야에서의 적용 사례를 자세히 살펴봅니다.

극저온 공기 분리 기술 개요

극저온 공기 분리의 기본 원리는 공기를 극저온(일반적으로 -150°C 이하)으로 냉각하여 공기 중 성분들이 끓는점에 따라 분리되도록 하는 것입니다. 일반적으로 극저온 공기 분리 장치는 공기를 원료로 사용하여 압축, 냉각, 팽창 등의 공정을 거쳐 질소, 산소, 아르곤을 공기에서 분리합니다. 이 기술은 고순도 가스를 생산할 수 있으며, 공정 변수를 정밀하게 조절함으로써 다양한 산업 분야의 엄격한 가스 품질 요구 사항을 충족할 수 있습니다.

극저온 공기 분리 장치는 공기 압축기, 공기 예냉기, 콜드 박스의 세 가지 주요 부분으로 구성됩니다. 공기 압축기는 공기를 고압(일반적으로 5~6MPa)으로 압축하는 데 사용되고, 예냉기는 냉각을 통해 공기의 온도를 낮추며, 콜드 박스는 분별탑을 포함하여 전체 극저온 공기 분리 공정의 핵심 부분으로, 기체 분리를 실현하는 데 사용됩니다.

공기 압축 및 냉각

극저온 공기 분리 공정의 첫 번째 단계는 공기 압축으로, 대기압 상태의 공기를 고압(일반적으로 5~6MPa)으로 압축하는 것입니다. 공기가 압축기를 통해 시스템에 유입되면 압축 과정으로 인해 온도가 크게 상승합니다. 따라서 압축 공기의 온도를 낮추기 위해 일련의 냉각 단계를 거쳐야 합니다. 일반적인 냉각 방법으로는 수냉식과 공냉식이 있으며, 효과적인 냉각은 압축 공기가 후속 공정에서 장비에 불필요한 부담을 주지 않도록 해줍니다.

공기는 예비 냉각을 거친 후 다음 단계인 예냉으로 들어갑니다. 예냉 단계에서는 일반적으로 질소 또는 액체 질소를 냉각 매체로 사용하며, 열교환 장비를 통해 압축 공기의 온도를 더욱 낮춰 후속 극저온 공정을 위한 준비를 합니다. 예냉을 통해 공기의 온도를 액화 온도에 가깝게 낮출 수 있으며, 이는 공기 중 성분 분리에 필요한 조건을 제공합니다.

저온 팽창 및 가스 분리

공기를 압축하고 예냉한 후, 다음 핵심 단계는 저온 팽창 및 가스 분리입니다. 저온 팽창은 압축된 공기를 팽창 밸브를 통해 정상 압력까지 급속하게 팽창시킴으로써 이루어집니다. 팽창 과정에서 공기의 온도는 크게 떨어져 액화 온도에 도달합니다. 공기 중의 질소와 산소는 끓는점 차이로 인해 서로 다른 온도에서 액화되기 시작합니다.

극저온 공기 분리 장비에서 액화 공기는 콜드 박스로 들어가며, 분별탑은 기체 분리의 핵심 부분입니다. 분별탑의 핵심 원리는 콜드 박스 내에서 기체가 상승하고 하강하는 과정에서 공기 구성 성분의 끓는점 차이를 이용하여 기체를 분리하는 것입니다. 질소의 끓는점은 -195.8°C, 산소는 -183°C, 아르곤은 -185.7°C입니다. 탑 내부의 온도와 압력을 조절함으로써 효율적인 기체 분리가 가능합니다.

분별탑에서의 기체 분리 공정은 매우 정밀합니다. 일반적으로 질소, 산소, 아르곤을 추출하기 위해 2단 분별탑 시스템이 사용됩니다. 먼저 분별탑 상부에서 질소를 분리하고, 하부에서는 액체 산소와 아르곤을 농축합니다. 분리 효율을 향상시키기 위해 탑 내부에 냉각기와 재증발기를 추가할 수 있으며, 이를 통해 기체 분리 공정을 더욱 정밀하게 제어할 수 있습니다.

추출된 질소는 일반적으로 순도가 매우 높아(99.99% 이상) 야금, 화학, 전자 산업 등 다양한 분야에서 널리 사용됩니다. 산소는 의료, 철강 산업 등 산소를 필요로 하는 고에너지 소비 산업에 사용됩니다. 희귀 가스인 아르곤은 일반적으로 가스 분리 공정을 통해 추출되며, 높은 순도로 용접, 제련, 레이저 절단 등 첨단 기술 분야에 널리 사용됩니다. 자동 제어 시스템은 실제 필요에 따라 다양한 공정 변수를 조정하여 생산 효율을 최적화하고 에너지 소비를 줄일 수 있습니다.

또한, 심층 극저온 공기 분리 시스템의 최적화에는 에너지 절약 및 배출 제어 기술도 포함됩니다. 예를 들어, 시스템 내 저온 에너지를 회수함으로써 에너지 낭비를 줄이고 전반적인 에너지 이용 효율을 향상시킬 수 있습니다. 더욱이, 환경 규제가 점점 더 엄격해짐에 따라 최신 심층 극저온 공기 분리 장비는 유해 가스 배출을 줄이고 생산 공정의 환경 친화성을 높이는 데 더욱 중점을 두고 있습니다.

심층 극저온 공기 분리 응용 분야

초저온 공기 분리 기술은 산업용 가스 생산에 중요한 응용 분야를 가질 뿐만 아니라 다양한 분야에서 중요한 역할을 합니다. 철강, 비료, 석유화학 산업에서는 초저온 공기 분리 기술을 통해 산소와 질소 같은 고순도 가스를 공급하여 생산 공정을 효율적으로 유지합니다. 전자 산업에서는 초저온 공기 분리 기술로 생산된 질소를 반도체 제조 공정의 분위기 제어에 사용합니다. 의료 산업에서는 고순도 산소가 환자의 호흡 유지에 필수적입니다.

또한, 초저온 공기 분리 기술은 액체 산소와 액체 질소의 저장 및 운송에도 중요한 역할을 합니다. 고압 가스를 운송할 수 없는 상황에서 액체 산소와 액체 질소는 부피를 효과적으로 줄여 운송 비용을 절감할 수 있습니다.

결론

효율적이고 정밀한 가스 분리 능력을 갖춘 심층 극저온 공기 분리 기술은 다양한 산업 분야에 널리 적용되고 있습니다. 기술 발전과 함께 심층 극저온 공기 분리 공정은 더욱 지능화되고 에너지 효율이 향상될 뿐만 아니라 가스 분리 순도와 생산 효율도 높아질 것입니다. 앞으로 환경 보호 및 자원 회수 측면에서 심층 극저온 공기 분리 기술의 혁신은 산업 발전의 핵심 방향이 될 것입니다.

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