[설계] 공기분리 Air Seperation

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2009.08.18 / 2019.12.24
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목차: 1. 서론
2. 본론
2. 1 공기 분리 방법
2. 2 문제 설명
2. 3 연구내용
2. 3. 1 설계기본
2. 3. 2 기본설계
2. 3. 3 공정구성
2. 3. 4 공정설계
2. 4 PROll 를 이용한 Simulation
2. 5 경제성 분석
2. 5. 1 Operating Cost
2. 5. 2 Operating Cost (개선)
3. 결론
4. 참고문헌

본문내용: 1. 서론

공기는 전 세계가 국가에 관계없이 균등하게 공유하고 있는 유일한 천연자원으로, 공기의 21% 산소로부터 생산되는 산소는 순도와 생산 가격에 따라 산업체의 수요가 달라진다. 또한 산업의 발전과 더불어 산소, 질소, 아르곤과 같이 공기분리로부터 얻어지는 가스의 수요는 급증하고 있다.

우리나라의 공업용 가스(산소, 질소, 아르곤) 시장은 아시아에서 일본 다음으로 그 규모가 크며, 생산 능력으로는 1992년 산소 39만 m3/hr 생산 이후로 매년 10% 이상의 성정을 보이고 있다. 이러한 결과로 다국적 기업들이 국내 가스시장의 60% 이상을 점유하고 있는 실정이며, 최근 국내 산업의 고도화에 따라 반도체, 철강, 화학, 환경 산업분야에서 고순도 산소에 대한 수요는 급격하게 증가하고 있다.

공기로부터 산소를 생산하는 기술로는 전통적인 심냉법(Cryogenic process)이 일반적이다. 그러나 새로운 흡작제의 개발에 힘입어 200TPDs O2(ton per day contained) 생산 규모까지는 흡착공정이 생산 경쟁력을 확보하고 있다. 흡착법에 있어 국내․외적으로 현재 상용화 공기분리공정은 불활성인 아르곤 분리의 어려움으로 인해 최대 94% 순도의 산소를 생산하고 있다.

최근 선진국에서도 산업 고도화로 인하여 고순도 산소 수요가 급증하고 있으며, 특히 on-site unit의 수요가 크게 늘어나고 있다. 그러나 흡착공정을 통해 생산되는 산소 순도의 한계로 인하여, 규모에 관계없이 흡착공정 적용에 한계점이 있는 것으로 지적되고 있다. 이러한 결과 다국적 가스관련 기업에서는 공기로부터 고순도 산소를 생산하는 흡착공정 개발과 특허 출원이 다양하게 이루어지고 있다. 이는 이러한 공정이 에너지, 환경, 반도체, 석유화학, 의료 산업분야 등에 활용성이 크기 때문이다. 일례로 반도체 산업에서는 99.8% 이상의 산소 수요가 계속 증가하고 있으며, 친환경적인 CO2 절감용 순산소 연소 기술에 있어서도 효율적인 질소 1% 미만 함유의 고순도 산소 공급 체제의 미비가 기술 상용화에 문제점으로 대두되고 있다. 여러 다국적 가스관련 기업들이 흡착공정의 산소순도 한계를 극복하기 위해 개발한 공정은 두 개의 흡착공정이 결합된 고순도 산소 흡착공정이며, 다양한 특허가 출원되었다. 이들 특허 및 개발기술의 기본적인 구성은 다수 탑으로 구성된 CMS(carbon molecular sieve) 탑을 이용하여 고순도의 질소를 생산하고, 이로부터 탈착된 약 70% 순도의 산소 혼합물을 다수의 zeolite 탑에 공급하여 고순도 산소를 제조하는 것이다. 그러나 이러한 경우 두 개의 공정이 결합 운영되고 있어, 다수의 펌프와 공정의 복잡성 및 매우 낮은 회수율/생산성으로 인하여 산소 생산 단가가 매우 비싸게 된다. 따라서 현실적으로 실용화되지 못하고 있는 실정이다. 따라서, 공기로부터 고순도 산소생산을 효율적으로 저가 고순도 산소제조용 PVSA 공정 기술 개발할 수 있는 흡착공정의 개발은 기존의 90~94% 산소생산 공정의 대체 및 새로운 가스시장개척의 의미를 크게 가지고 있다. 본 개발기술은 공기로부터 산소 생산에 있어 기존 흡착공정의 이론적 순도 한계를 극복하는 동시에 고효율의 에너지 절감형 흡착공정을 개발하는 것이다.

표1. 고순도 산소의 적용 신규 시장 가능성

분야
특징
연소 관련
전기로,
용융소각로,
용해로
- 산업용 산소가 가장 많이 쓰이는 곳
- 고순도 산소 공급으로 NOX 제거 시설이 필요 없어짐.
- 기존의 심냉기(ASU) 및 흡착공정(PSA)에 경쟁력이 있음.
용접 관련
자동차, 조선, 건설
- 대량의 용접용 산소가 필요한 곳
- 기존의 PSA는 산소순도가 낮아 사용 못함.
- 고순도의 산소를 저렴하게 공급가능
화학 관련
화학, 합성, 반응
- 고순도의 산소로 화학물을 제조하는 곳에 공급
해외 건설
건설
- 오지, 해외 건설 현장 등 액체 산소 운반이 어려운 곳
- 고순도 산소가 사용되는 곳에 공급
반도체
반도체, 전기
- 기존의 생산 장치에 정제장치로 순도 99.9999% 이상의 산소를 제조하여 공급

참고문헌: 1. “저가 고순도 산소제조용 PVSA 공정 기술 개발”, 이창하

2. “심냉식 공기분리기술”, 문흥만, 용평순, 대성산소 초저온연구소

3. “산소의 제조방법 및 이용기술”, 김동식 박준택,

4. “공기분리를 위한 초저온 증류공정의 Exergy 해석”, 용평순, 문흥만, 손무룡 등

5. “산업용 가스 제조방법 및 수요현황”

6. “초저온 공기분리장치의 설계”, 문흥만, 용평순, 대성산업가스 초저온연구소

7. “공기분리기술과 전망”, 문흥만, 박두선, 손무룡, 대성산업가스 초저온연구소

8. “저온 공기분리기술”, 문흥만, 박두선, 손무룡, 대성산업가스 초저온연구소

9. “고순도 산소 생산을 위한 공기 분리 및 정제 흡착공정”, 지정근, 이상훈, 문흥만, 이창하, 연세대학교 화학공학과, 대성산업가스 초저온연구소

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