여기에

●●집중분석

PSA 흡착제에 의한 질소 제조방법

1. 개요

질소 가스 공급 방법으로 PSA Type의 질소 가스 분리 장치가 보편화 되고 있으며, CMS를 이용한 새로운 공기 분리 방법으로서 장치 구성이 간단하고 경제성, 안전성 등 여러 가지 장점을 가지고 있다.

질소 가스의 순도는 95~99.995%(정제 장치 사용 99.9999%)까지 중소규모 이하에서는 폭 넓은 영역에서 경제적인 것으로 평가 되고 있다.

2. PSA 공정

A. 가압단계(Pressurization Step)

이 단계에서는 흡착 탑 내의 압력을 선택한 조업 조건의 흡착 압력으로 높이기 위한 단계로 일반적으로 그 시간이 짧을수록 공정의 성능이 향상된다.

또한 이 단계는 Feed 기체를 사용하는 Feed Pressu-rization Step과 Product의 일부를 사용하여 가압하는 Product Pressurization Step의 두 가지 경우가 있다.

Product가 약 흡착질일 경우, Product로 가압을 하면 제품의 순도가 증가하며, 이에 따라 생산성과 회수율이 증가한다.

B. 흡착단계(Adsorptin Step)

이 단계에서는 이전 단계인 가압 단계에 이어 흡착 탑의 출구 밸브를 열어일정한 흡착 압력에서 Product를 생성 하는 단계이다.

이때 흡착 탑의 내부에서는 강 흡착질과 약 흡착질 사이의 농도의 차이에 의한 물질 전달이 일어나며, 흡착 탑의 하부, 즉 공급 단에서부터 강 흡착질이 먼저 흡착됨에 따라 흡착 탑의 상부, 즉 생산 단에서는 약 흡착질이 농축되어 생산되게 된다.

이때 강 흡착질의 흡착이 흡착 탑의 상부로 진행이 되면서 흡착 탑의 내부에서는 물질 전달이 이루어지게 된다.

C. 감압 단계(Blow Down Step)

이 단계에서는 흡착 단계 후, 강 흡착질로 포화된 흡착 탑 내를 재생하기 위하여 흡착 탑의 공급단 측 밸브를 열어 가압 단계의 방향과 반대 방향으로 흡착 압력인 고압에서 저압으로 압력을 낮추어 흡착된 강 흡착질을 탈착 시킨다.

D. 세정 단계(Purge Step)

이 단계는 감압 단계 후, 흡착 탑 내의 잔존해 있는 강 흡착 질을 제거하여 흡착탑의 완전한 재생을 이루기 위한 단계이다.

이러한 세정단계는 Product의 일부를 이용하여 낮은 압 력에서 흡착 탑의 생산 단 쪽을 통하여 주입 시키고 흡착탑의 공급단쪽을 통하여 Vent시키므로 흡착 탑의 내부는 약 흡착 질의 농도가 높아지고, 이어지는 다음 단계들을 통하여 생산 되는 약 흡착질의 농도가 높아지게 된다. 그러므로, 이때 세정 유량은 중요한 공정의 변수이다.

E. 압력 균등화 단계(Pressure Equalization)

이 단계는 감압 단계에서의 손실되는 에너지의 일부를 이용하여 에너지의 손실을 줄일 수 있는 단계이다.

즉, 흡착 단계와 감압 단계의 사이에 두 개의 흡착탑을 연결 하여, 고압의 흡착 탑은 병류 감압이 저압의 흡착 탑은 향류 가압이 동시에 이루어지는 단계이다.

따라서 손실된 에너지의 일부를 다른 흡착 탑의 가압에 사용함으로서 에너지의 손실을 줄일 수 있고 생산 기체의 회수율과 생산성이 높아지게 된다.

3. CMS의 흡착원리

CMS는 균일하게 조정된 세공(4Å)을 갖는 흡착제이며, 세공으로의 확산 속도 차이에 의해질소 분자(분자 경 4.3×3.0Å)와 비교하여 산소 분자(분자 경3.9×2.8Å)가 보다 빨리 흡착된다.

평형 흡착량에는 양자의 차이가 거의 보이지 않으나 흡착 속도는 30배 이상의 차이를 나타내며, CMS법 질소 PSA

는 이 흡착 속도를 이용해서 행해지고 있다.

4. 질소 발생기의 경제성

5. 질소 가스 장치별 비교

6. 질소 가스 단가표

가스 사용량 VS 질소 가스 단가표

1)액화 질소와 기체 질소 환산표

※ 1기압 기준

2)액화 질소 가격

-액화 질소 Tank 설치 사용 시: 액체1ℓ= \200기체1M3 = \286

-액화 질소 Cylinder 구매사용 시: 액체1ℓ= \483기체1M3 = \690

3)액화 질소 Tank 설치 사용 시 가스 비용(m3)

※ 8,000hrs 사용 기준

4)액화 질소 Cylinder 구매 사용 시 비용(m3)

※ 8,000hrs 사용 기준

7. 질소 순도별 사용 용도

(주)한국에너지산업의 멤브레인

●● 흡착제 시장동향

CMS 세계시장 규모 3000톤, 日기업 과반 점유

향후 중국 PSA, 흡착제 메이커와의 경쟁 심화 전망

질소발생장치(PSA)의 핵심부를 이루는 CMS(Cabon Moleculer Sieve)에 있어 일본기업들이 세계 점유율 확대에 본격 나서고 있다. 클라레케미컬과 일본 엔바이코 케미컬 등 2개사는 수출을 위해 모두 공장을 풀가동시키고 있다.

지난해 출하량은 각각 650톤과 900톤으로 역대 최고를 기록했다. 클라레케미컬은 쯔루미 공장의 설비증강공사를 지난해 12월 중에 마치고 올해부터 종래대비 43% 증가되는 능력 1000톤/년의 생산설비를 가동할 계획이다.

양사가 타깃으로 하는 곳은 경제성장이 두드러지는 BRICs시장(브릭스:브라질, 러시아, 인도, 중국 등 신흥경제4국)이지만 그중에서도 중국의 대폭적인 수요증가가 예상되고 있다.

중국에는 이미 독일 카본테크와 현지 흡착제·PSA메이커가 다수 존재한다. 그러나 성능과 신뢰성 면에서 일본제 PSA 수요가 최근 급속하게 늘고 있다.

따라서 40개사 이상의 중국 PSA메이커도 일본제 CMS를 사용하기 시작했다.

다이요닛산, 에어워터, 이와타니산업 등이 전개하는 PSA 수출도 증가하고 있어 세계 질소PSA시장에서는 향후 장칟흡착제 모두 일본기업의 점유율이 높아질 것으로 전망된다.

CMS는 직역하면 ‘分子篩炭’으로 분자사이즈가 균일한 미세한 구멍이 발달한 활성탄을 나타낸다.

분자의 크기와 형태에 따라 구멍 가운데에 분자를 흡착하는 속도가 다르기 때문에 그 속도의 차에 의해 상온에서 질소 분리를 가능하게 하는 것이다.

CMS는 압력을 가하면 지름이 작은 산소분자는 구멍 속으로 빠르게 확산하는데 비해 질소분자는 천천히 침입해간다. 즉 CMS는 산소를 흡착하는 것에 의해 질소를 추출하고 있다.

현재 CMS의 세계시장 규모는 연간 약 3000톤으로 추정되며 일본기업의 점유율은 과반을 약간 넘는 수준이다.

흡착제만 공급하고 있는 일본 엔바이코 케미컬, 흡착제와 PSA 양쪽 다 공급하는 클라레케미컬, PSA 수출의 에어워터 등 각사의 포지션이 일치하지는 않지만 세계에서의 PSA기술 확산을 목표로 각각 해외사업전략을 강화해 가고 있는 상황이다.

한편 일본의 PSA·CMS 메이커가 중국을 중심으로 세계전략을 추진하고 있지만 향후 중국의 PSA, 흡착제 메이커와의 경쟁관계가 심화될 것으로 전망된다. 중국의 PSA메이커는 40개사 이상으로 알려져 있지만 瑞氣(溫州), 蘇淨(蘇州), 維通(廣州), 盛大(杭州), 班順(蘇州), 奧佳(四川) 등이 유력하고 그중 瑞氣가 톱 메이커이며 維通도 이름이 꽤 알려져 있다.

이들은 이미 클라레 케미컬와 일본 엔바이코케미컬의고객이기도 하다. 한편 CMS메이커는 15개 정도로 그중 3개사가 큰 비중을 차지하고 있는 것으로 알려져 있다.

중국 CMS메이커는 연간 1000톤 정도를 출하하고 있는 것으로 추정되고 있다. 그러나 독일의 카본테크와 경합하는 경우는 매우 적어 사실상 일본제 CMS와 중국제 CMS가 중국 PSA메이커를 대상으로 경쟁하는 것으로 볼 수 있다.

단 중국제 CMS는 가격이 약간 저렴해 일본제보다 비용면에서 경쟁력이 있지만 순도는 2N이 주류다.

4~5N이 중심이 되는 일본제와 비교하면 품질면에서는 차이가 난다. 그렇지만 순도와 용량, 고객에 따라 중국 PSA메이커도 흡착제를 구분해 사용하고 있으며 향후 중국의 질소시장이 일본과 같이 고순도화한다면 CMS 성능 향상에 따른 개발경쟁이 치열하게 전개될 가능성도 배제할 수 없다.

자료제공:日가스리뷰