압력 스윙 흡착(PSA)은 어떻게 작동하나요?
자체적으로 질소를 생산할 때는 원하는 순도 수준을 정확히 파악하는 것이 중요합니다. 타이어 공기 주입이나 화재 예방과 같은 용도에는 낮은 순도(90~99%)가 필요하지만, 식품 및 음료 산업이나 플라스틱 성형과 같은 용도에는 높은 순도(97~99.999%)가 필요합니다. 이러한 경우 PSA(압축 질소) 생산 방식이 가장 이상적이고 간편한 해결책입니다.
본질적으로 질소 발생기는 압축 공기에서 질소 분자와 산소 분자를 분리하는 방식으로 작동합니다. 압력 스윙 흡착(PSA) 방식은 흡착을 이용하여 압축 공기 흐름에서 산소를 포집합니다. 흡착은 분자가 흡착제에 결합할 때 발생하며, 이 경우 산소 분자는 탄소 분자체(CMS)에 부착됩니다. 이러한 과정은 각각 CMS로 채워진 두 개의 별도 압력 용기에서 일어나며, 각 용기는 분리 공정과 재생 공정을 번갈아 수행합니다. 편의상 이 두 용기를 각각 A탑과 B탑이라고 부르겠습니다.
우선 깨끗하고 건조한 압축 공기가 A탑으로 유입됩니다. 산소 분자는 질소 분자보다 크기가 작기 때문에 탄소 분자체의 기공으로 들어갑니다. 반면 질소 분자는 기공에 들어갈 수 없으므로 탄소 분자체를 통과하지 못합니다. 결과적으로 원하는 순도의 질소를 얻게 됩니다. 이 단계를 흡착 또는 분리 단계라고 합니다.
하지만 여기서 끝이 아닙니다. A탑에서 생성된 질소의 대부분은 시스템 밖으로 배출되어 직접 사용하거나 저장할 수 있지만, 생성된 질소의 일부는 반대 방향(위에서 아래로)으로 B탑으로 유입됩니다. 이 흐름은 B탑의 이전 흡착 단계에서 포집된 산소를 밀어내는 데 필요합니다. B탑의 압력이 해제되면 탄소 분자체는 산소 분자를 흡착하는 능력을 잃게 됩니다. 산소 분자는 분자체에서 분리되어 A탑에서 유입되는 소량의 질소 흐름에 의해 배기 가스를 통해 배출됩니다. 이렇게 함으로써 시스템은 다음 흡착 단계에서 새로운 산소 분자가 분자체에 결합할 공간을 확보합니다. 이러한 '정화' 과정을 산소 포화탑 재생이라고 합니다.
먼저, A 탱크는 흡착 단계에 있고 B 탱크는 재생 단계에 있습니다. 두 번째 단계에서는 전환을 위해 두 탱크의 압력을 균등화합니다. 전환 후, A 탱크는 재생을 시작하고 B 탱크는 질소를 생성합니다.
이 시점에서 두 탑의 압력이 같아지고 흡착 단계에서 재생 단계로, 또는 그 반대로 상전이가 일어납니다. A탑의 CMS는 포화 상태가 되지만, B탑은 감압으로 인해 흡착 공정을 재개할 수 있습니다. 이러한 과정을 '압력 스윙(swing of pressure)'이라고 하는데, 이는 특정 가스를 고압에서 포집하고 저압에서 방출할 수 있도록 해줍니다. 두 개의 탑으로 구성된 PSA 시스템은 원하는 순도 수준으로 질소를 연속적으로 생산할 수 있도록 합니다.
게시 시간: 2021년 11월 25일