안녕하세요! 소형 액체질소 발생기 공급업체로서 저는 이 멋진 기계가 어떻게 작동하는지에 대한 질문을 자주 받습니다. 그래서 이번 블로그 게시물에서는 소형 액체질소 발생기의 작동 원리를 간단한 용어로 분석해 보겠습니다.
먼저, 액체질소가 왜 그렇게 유용한지에 대해 이야기해 봅시다. 액체 질소는 매우 차갑고 끓는점은 약 -196°C(-321°F)입니다. 이는 식품 냉동, 생물학적 샘플 보존, 심지어 일부 산업 공정과 같은 다양한 응용 분야에 적합합니다. 이것이 바로 당사의 소형 액체질소 발생기가 유용한 이유입니다.
질소 생성의 기본
소형 액체 질소 발생기의 주요 목표는 약 78%의 질소인 공기를 흡입하고 산소, 아르곤, 이산화탄소와 같은 다른 가스에서 질소를 분리하는 것입니다. 그런 다음 액체로 변할 때까지 질소를 냉각시킵니다.
공기에서 질소를 분리하는 방법에는 여러 가지가 있지만 소형 액체 질소 발생기에 사용되는 가장 일반적인 방법은 PSA(압력 변동 흡착) 또는 막 분리입니다.
압력 변동 흡착(PSA)
PSA는 매우 멋진 프로세스입니다. 초미세 필터와도 같은 분자체라는 특수 소재를 사용합니다. 분자체에는 특정 가스를 가두기에 딱 맞는 크기의 작은 구멍이 있습니다.
단계별로 작동하는 방법은 다음과 같습니다.
- 압축: 먼저 공기를 발전기로 흡입하여 압축합니다. 공기를 압축하면 압력이 증가하므로 다양한 가스를 더 쉽게 분리할 수 있습니다.
- 흡착: 압축된 공기는 분자체가 채워진 용기를 통해 흐릅니다. 체는 산소, 이산화탄소, 수증기를 흡착(포집)하고 질소는 통과시킵니다. 그런 다음 질소는 다음 단계로 이동합니다.
- 탈착: 잠시 후, 분자체는 갇힌 가스로 가득 차게 됩니다. 이를 청소하기 위해 용기의 압력이 감소됩니다. 압력이 떨어지면 갇힌 가스가 체에서 방출됩니다. 이것을 탈착이라고 합니다. 일반적으로 발생기에는 분자체가 들어 있는 두 개의 용기가 있습니다. 하나가 원치 않는 가스를 흡착하는 동안 다른 하나는 탈착되므로 공정이 지속적으로 진행될 수 있습니다.
막분리
막 분리는 공기에서 질소를 분리하는 또 다른 방법입니다. 작은 구멍이 있는 특수 멤브레인을 사용합니다. 다양한 가스가 다양한 속도로 막을 통과합니다.
- 압축: PSA와 마찬가지로 공기를 먼저 압축합니다.
- 분리: 압축 공기는 멤브레인을 통과하게 됩니다. 산소, 수증기 및 기타 가스는 질소보다 빠르게 막을 통과합니다. 따라서 막 반대편에는 훨씬 더 순수한 질소 흐름이 있게 됩니다.
질소를 액체로 냉각하기
공기에서 질소를 분리한 후에는 이를 냉각시켜 액체로 만들어야 합니다. 이는 냉동 시스템을 사용하여 수행됩니다.
소형 액체질소 발생기의 냉동 시스템은 일반적으로 헬륨이나 네온과 같은 냉매를 사용합니다. 작동 방식을 단순화한 버전은 다음과 같습니다.
- 압축: 냉매가스가 압축되어 온도와 압력이 상승합니다.
- 응축: 뜨겁고 고압의 냉매는 열교환기를 통과합니다. 열 교환기에서 냉매는 주변 환경으로 열을 잃고 액체로 응축됩니다.
- 확장: 액체 냉매는 팽창 밸브를 통과합니다. 밸브를 통과할 때 압력이 갑자기 떨어집니다. 이로 인해 냉매가 크게 팽창하고 냉각됩니다.
- 질소와의 열교환: 차가운 냉매는 다른 열교환기를 통과하여 질소 가스를 냉각시킵니다. 질소가 냉매로 열을 잃으면 결국 끓는점까지 냉각되어 액체로 변합니다.
액체질소 보관 및 사용
질소가 액체로 변하면 듀어(dewar)라고 불리는 특수 절연 용기에 저장됩니다. 듀어는 외부 환경으로부터의 열 전달을 줄여 액체 질소를 최대한 오랫동안 차갑게 유지하도록 설계되었습니다.
그러면 액체질소는 다양한 용도로 사용될 수 있습니다. 듀어에서 직접 사용할 수도 있고, 더 편리하게 사용하기 위해 더 작은 용기에 옮겨 담을 수도 있습니다.
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유지보수 및 안전
다른 장비와 마찬가지로 소형 액체질소 발생기도 원활하게 작동하려면 정기적인 유지 관리가 필요합니다. 필터, 압축기, 냉동 시스템을 정기적으로 점검해야 합니다. 또한, 액체질소를 취급할 때에는 안전지침을 반드시 준수하시기 바랍니다. 매우 추워서 피부에 닿으면 동상을 일으킬 수 있습니다.
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참고자료
- 페리, RH, & 그린, DW(1997). 페리의 화학 엔지니어 핸드북. 맥그로-힐.
- 슈바이처, 펜실베니아 (2004). 화학 엔지니어를 위한 분리 기술 핸드북. 맥그로-힐.