임시 질소: 솔루션 및 기술

기본부터 시작하겠습니다. 질소는 무색무취의 불활성 가스로, 생명을 지탱할 수 없습니다. 하지만, 식물의 성장에 중요하며 비료의 핵심 성분입니다. 질소는 조경 분야 외에도 광범위하게 사용됩니다. 고체 질소를 추출할 수도 있지만, 대부분의 경우 질소는 액체 또는 기체 형태로 존재합니다. 액화 질소는 재생 기술과 의료 연구 등에서 식품 및 연구 재료를 급속 냉동할 수 있는 냉매로 사용됩니다. 여기서는 설명을 위해 질소 가스를 중심으로 살펴보겠습니다.

질소는 다른 가스에 노출될 때 매우 예민하게 반응하는 산소와 달리 반응이 없어서 널리 사용됩니다. 화학적 조성으로 인해 질소 원자를 나누어 다른 물질과 반응하게 하려면 더 많은 에너지가 필요합니다. 반면에 산소 분자는 쉽게 쪼개지므로 가스가 훨씬 민감하게 반응하게 해줍니다. 질소 가스는 정반대로 필요 시 화학 반응을 일으키지 않는 환경을 제공합니다

질소의 반응성 부족은 질소의 가장 큰 자질이며 이로 인해 느린 산화와 빠른 산화를 방지하는 데 사용됩니다. 회로판과 기타 소형 부품을 생산하는 과정에서 부식의 형태로 느린 산화가 발생할 수 있는 전자 산업은 이러한 용도의 완벽한 예입니다.

느린 산화는 식음료 산업에서도 낯설지 않습니다. 여기서는 최종 제품을 효과적으로 보호하기 위해 공기를 빼내거나 채우는 데 사용됩니다. 폭발과 화재는 산소를 연료로 사용해야 하는 빠른 산화의 좋은 예입니다. 질소를 활용하여 용기에서 산소를 제거하면 이러한 사고가 발생할 가능성을 줄일 수 있습니다.

질소를 자체적으로 생산할 경우 원하는 순도를 파악하고 이해해야 합니다. 타이어 공기 주입, 화재 예방 등과 같은 일부 응용 분야에서는 낮은 순도(90~99%)가 요구되는 반면에, 식음료 산업, 플라스틱 성형 등과 같은 응용 분야에서는 높은 순도(97~99.999%)가 요구됩니다. 이러한 경우 PSA 기술을 사용하는 것이 가장 적합하고 간편한 방법입니다. 본질적으로 질소 발생기는 압축공기 내의 산소 분자에서 질소 분자를 분리하여 작동합니다. 압력 순환 흡착 방식에서는 흡착을 통해 압축공기에서 산소를 추출하여 작업합니다.

흡착은 분자가 흡착제에 결합하여 수행됩니다. 이 경우 산소 분자가 CMS(탄소 분자체)에 결합합니다. 각각 CMS로 채워진 두 개의 개별 압력 탱크에서 분리 공정과 재생 공정이 번갈아 수행됩니다. 이 두 탱크를 타워 A 및 타워 B라고 하겠습니다. 먼저, 깨끗하고 건조한 압축공기가 타워 A로 유입됩니다. 산소 분자는 질소 분자보다 작아서 탄소 분자체 기공으로 유입되지만, 탄소 분자는 유입될 수 없으므로 탄소 분자체를 우회하게 됩니다. 그 결과 원하는 순도의 질소를 얻게 됩니다.

이 단계를 흡착 또는 분리 단계라고 합니다. 하지만 여기서 끝이 아닙니다. 타워 A에서 생성되는 대부분의 질소는 시스템에서 빠져나가고(직접 사용 또는 보관 가능), 생성된 질소의 일부가 반대 방향으로 타워 B로 흘러갑니다(위에서 아래로). 이 과정에서 타워 B의 이전 흡착 단계에서 포집된 산소를 밀어냅니다. 타워 B에서 압력이 완화되어 질소 분자체가 산소 분자를 보유할 수 없게 됩니다. 그러면 분자체에서 분리되어 타워 A에 유입되는 작은 질소 유량에 밀려서 배출됩니다.

그러면 새 산소 분자가 다음 흡착 단계에서 분자체에 결합할 수 있는 여유 공간이 시스템에 마련됩니다. 이 '정리' 공정을 산소 흡착 타워 재생이라고 합니다.