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ASU란?
Air Separation Unit의 약자로 직역하자면 공기분리장치입니다.
공기를 액화하여 비등점 차이에 의해 질소, 산소, 알곤을 얻을 수 있습니다.
사업장에서 생산하고자 하는 가스의 종류에 따라 아래와 같이 생산할 수 있습니다.
- N2 or O2 Only
- N2 and O2
- N2 and O2 and Ar
ASU 구성
ASU 구성
대략적인 흐름은 이렇습니다. 이제부터 Air의 흐름 순으로 각 설비에 대해 설명드리겠습니다.
설비
1. Filter
상온, 상압의 공기가 흡입되어 들어옵니다. 여기서 기본적으로 공기가 포함하는 먼지, 모래 등 '무거운' 불순물이 1차적으로 제거됩니다.
2. Compressor
MAC(Main Air Compressor)라고도 부르며 원료인 공기를 압축하는 큰 압축기입니다. 평균 5~8 bar abs 로 압축한다고 합니다. 압축 효율을 높이기 위해 기본적으로 2~4단으로 다단 압축합니다. 이는 물론 평균적인 수치일 뿐이기 때문에, 생산되는 제품의 순도와 압력을 고려하여 더 고압으로 압축될 수 있습니다.(참고: 제가 경험한 현장은 4단 압축으로 약 11 bar abs 까지 압축하였습니다.) 또한 압축을 하면 공기의 온도가 올라가기 때문에 중간에 Interstage cooler가 설치되어야 합니다. 예를 들면 2단 압축일 경우 2개, 4단 압축일 경우 3개가 설치되는 것이죠. 외에도 윤활유 line 및 과압안전장치, Moisture separator, Control system 등 MAC가 지속적으로 가동될 수 있도록 하는 다양한 보조 요소들이 MAC 내에 구성되어 있습니다.
+2.5 Aftercooler
위 그림에는 누락되었지만 MAC를 나온 압축공기가 좀 더 낮은 온도로 후속 공정에 들어갈 수 있도록 Aftercooler를 추가합니다. 더 낮은 온도로 냉각되면 그만큼 후속 공정에서 수분 제거의 효율이 높아지는 효과를 얻을 수 있습니다. Aftercooler는 일반적으로 냉각수를 이용한 향류 열교환기를 적용합니다.
3. Impurity Removal
압축과 냉각을 거친 공기는 수분, CO2, CO 및 탄화수소 불순물들을 포함하고 있습니다. 이들이 그대로 극저온 냉각장치에 들어갈 경우 동결하여 배관을 폐쇄하는 등 정상 운전에 악영향을 미치게 되므로 제거되어야 합니다. 이 설비의 이름을 Pre-purifier(사전 정제기)라고 하며 TSA(Temperature Swing Adsorption)와 PSA(Pressure Swing Adsorption)의 2가지 타입이 있습니다.
- 정제 원리
불순물의 정제는 흡착제에 대한 성분과의 친밀도 차이에 의해 이루어집니다. 흡착제들은 불순물들과의 친밀도가 높기 때문에 이들을 흡착하고 건조한 공기만 후속공정으로 흘러가게 됩니다. 흡착제가 충전된 베드 A와 베드 B를 2중으로 구성하고, 베드 A에 가스를 통과시키는 동안 (=Operating bed) 베드 B는 흡착된 불순물들을 탈착(Regenerating Bed)합니다. 베드 B의 탈착이 완료되어 가스를 통과시킬 준비가 완료되면 베드 A의 입구 측 밸브를 자동으로 차단하고, 베드 B의 밸브를 열어 Switch 시킵니다. 이 과정이 하나의 Cycle이 되어 연속 운전이 가능하게 됩니다.
Pre-purifier 구조
- PSA vs TSA
차이점은 흡착과 탈착의 원리입니다. TSA는 흡착제가 불순물들을 흡착 및 탈착시키는 데 "온도 조건"이 관여됩니다. 예를 들면 10℃에서 흡착되고, 180℃에서 탈착되는 형태입니다. 마찬가지로 PSA는 특정 "압력 조건" 하에서 흡,탈착됩니다.
그렇다면 어떤 타입의 Prepurifier를 선정하는 것이 유리할까요? 아래 비교표를 참고하시기 바랍니다.
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PSA
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TSA
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Cycle time
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짧다
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길다
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Feed 냉각
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불필요
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기계식 or 증발식 냉각기
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추가적인 장비
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더 큰 베드
더 많은 흡착제
더 큰 폐기물 밸브
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Regen Heater
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추가 운영비용
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추가 유량 및 압력으로 인한 MAC 전력
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냉각기 및 Regen Heater 전력
냉각기 및 Regen Heater 유지관리
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비고
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구조가 간단하고 가격이 저렴
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거의 모든 공정에 적용 가능, 초고순도
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이렇듯 두 타입은 각자의 장단점이 있으므로 설계 조건에 맞는 타입을 선정해야 할 것입니다.
잠시 엔지니어 관점으로 보았는데, 본론으로 돌아오자면 새로운 ASU 현장의 Prepurifier 타입을 파악하기 위해서 명판을 들여다봐도 되지만, Regen Heater의 유무로도 손쉽게 파악할 수 있겠죠.
- 베드 흡착 Layer
베드 내에 흡착제가 어떤 식으로 충진되는지 확인하실 수 있습니다.
*흡착제의 종류가 다양하고 타입에 따라 다르게 적용될 수 있기 때문에 참고만 부탁드립니다.
4. Main Heat Exchanger(MHX)
여기서부터 콜드박스 Scope이자 복합한 열교환이 이루어지는 HMX입니다. 정제된 공기는 MHX를 통해 응축점에 가깝게 냉각되어 콜드박스로 향하게 됩니다. 공기를 냉각하는 냉매는 Column을 빠져나온 가스를 사용합니다. 사업장에 따라 냉매 가스의 이용이 다르고, 워낙 Optional한 부분이 많은 설비라고 생각되어 자세한 설명은 생략하겠습니다.
5. Column
콜드박스의 핵심 설비입니다. 응축점에 가까운 공기가 줄-톰슨 밸브를 지나칩니다. 이 공기는 MAC를 거친 고압의 공기였던 것 기억하시나요? 줄-톰슨 밸브에 의해 팽창되면서 막대한 에너지를 잃고 극저온으로 냉각됩니다. 그다음 증류탑(Column)에 의해 비등점 차이에 따라 질소/산소/알곤으로 분리되는 원리입니다.
질소의 비등점은 -196℃으로 Column의 상부에서 얻어지고 산소는 -183℃ 알곤 -186℃로 Column의 하부에서 얻어집니다. 산소와 알곤은 비등점 차이가 크지 않기 때문에 상대적으로 덜 분리됩니다. 따라서 고순도의 제품을 얻기 위해서는 이를 또다른 Column으로 보내서 분리할 수 있습니다. 심지어 질소만 생산한다 하더라도 MHX의 열교환을 효율적으로 하는 등의 목적으로 2개의 Column을 둘 수 있습니다. 때문에 현장에서 커다란 Cold Box를 발견한다면, 그 내부는 일반적으로 하나의 큰 Column이 있는 것이 아니라, Upper Column과 Lower Column이 합쳐져 있을 가능성이 높겠습니다. 이 경우 줄-톰슨 밸브를 거친 공기는 최초에 Lower Column으로 들어가 분리됩니다.
Column rigging 작업
- Lower Column
줄-톰슨 밸브를 거친 공기가 Lower Column의 하단으로 흐릅니다. 공기는 Lower Column에 의해 ①중압의 기체질소와 ②산소가 풍부한 액화공기로 분리됩니다.
①중압의 기체질소의 흐름은 아래와 같습니다.
Lower Column 상부 → Upper Column 하부 응축기 → 응축된 액화질소: 일부는 Lower Column으로 환류, 나머지는 후처리되어 액화질소탱크 저장 / 응축되지 않은 기체질소 → HMX → 기체질소 제품
위와 같은 흐름을 거치는 이유는 환류를 통해 질소의 순도를 높일 수 있기 때문입니다. Upper Column 하부의 응축기(Condensor)에서 ②산소가 풍부한 액화공기와 열교환하여 응축됩니다. 한편 응축되지 않은 기체질소는 HMX로 들어가 공기를 냉각시키는 냉매의 역할을 한 뒤 자신은 열을 잃고 빠져나와 제품으로 생산됩니다. 후속 공정에는 제품을 고객의 니즈에 맞추기 위해 압축기, 정제기, 분석기, 정압기 등이 추가됩니다.
②산소가 풍부한 액화공기는 Upper Column의 중간 단으로 흐릅니다.
- Upper Column
②산소가 풍부한 액화공기가 Upper Column의 가장 아래부터 ③액화산소, 액화알곤, ④혼합가스 순으로 분리됩니다. 분리된 ③액화산소의 일부는 Top Condensor로 흐릅니다.
액화산소 및 액화알곤은 각각 후처리되어 액화저장탱크에 저장되거나, 일부를 분기시켜 기화시킨 후 Gas Product로도 생산될 수 있습니다. 만약 Prepurifier의 타입이 TSA라면, Regen Heater 가동에 필요한 산소를 이곳에서 취할 수도 있습니다.
④혼합가스의 흐름은 아래와 같습니다.
Upper Column 상부 → Top Condensor(응축기) → 응축된 혼합가스: 일부는 Upper Column으로 환류, 나머지는 후처리하여 제품으로 쓰거나 기화하여 벤트 / 응축되지 않은 기체질소 → 벤트
Top Condensor에서 ③액화산소와 ④혼합가스가 열교환합니다. 열교환을 거치며 ③액화산소가 기화된다면 Top Condensor 상부에서 취하여 HMX를 거쳐 냉매 역할을 한 뒤 제품으로 생산됩니다. 기화되지 않은 액화산소는 Top Condensor 하부에서 취하여 액화저장탱크에 저장됩니다.