Compressed air (압축 공기) /기술자료

• 공기 구성 성분

Air compressor가 흡입하는 공기를 구성하고 있는 성분이 대략 아래와 같습니다.

공기의 약 99%는 질소()와 산소()이고, 그 나머지 약 1% 중에 대부분은 알곤(Ar)입니다. 그리고  이산화탄소(CO2)와 수분(H2O, Water Vapor) 등으로 구성되어 있습니다.

수분은 생명체에게는 없어서는 안 될 핵심 물질 중 하나입니다. 그러나 압축공기 시스템에서는 수분의 역할이 필요치 않으므로 없으면 없을수록 좋습니다. 그런데 대기 중에는 늘 수분이 있기 때문에 압축된 공기 속에는 항상 많은 양의 수분이 포함되어 있을 수 밖에 없습니다. 그래서 수분이 압축공기의 주된 오염물질이 되는 것입니다.

ISO 8573-1 Class O-O-O 압축공기를 만드는 과정을 다음과 같이 3단계로 나누었습니다.

1. Base-Camp Step (Tropical Refrigerated Air Dryer System with Cold Coalescer)

2. Activated Carbon Treatment Step ( Oil Molecule and Odor Molecule Adsorption)

3. Water Molecule Adsorption Step

 

1. 제 1 단계 Base - Camp Step

(Tropical Refrigerated Air Dryer System with Cold Coalescer)

정상의 ISO 8573-1 Class O-O-O 압축공기에 도달하기 위한 Base - Camp

Tropical Refrigerated Air Dryer System & Cold Coalescer Water vapor, Oil vapor & Odor vapor를 열전달과 콜드코얼레싱 메커니즘을 사용하여 Bulk Liquid 상태로 만들고 제대로 된 드레인 기구를 통해 제거하는 단계

 

압축공기 오엄물질을 제거하고자 할 때, 1.고체입자, 2.수분, 3.오일 등의 3가지 오염물질을 개별적으로 분리시켜 따로따로 생각하지 않고, 수분과 연결지어 생각하면 효과적이며 동시에 효율적입니다. 왜냐하면 물분자 H2O는 전기적으로 중성이 아니라 극성을 띄고 있기 때문에, 반데르발스힘 들으로 고체입자와 오일분자를 끌어 당기고 있으므로 효율적으로 수분 (Water Vapor)을 응축수로 만들어 배출시키면, 응축수와 함께 물분자가 끌어안고 있는 상태의 고체입자와 오일까지도 제거하는 일석삼조의 효과가 있지 때문입니다.

여름날 무더웠던 공기가 새벽에 차갑게 식으면 아침 이슬이 풀잎, 나뭇잎에 맺힙니다. 이 현상이 냉동식 Air Dryer (에어 드라이어)의 원리가 됩니다. 즉, '공기는 차갑게 냉각되면 이슬이 맺힌다.'는 것이 바로 그 원리입니다.

공기가 냉각되면, 부피가 줄어들어 수축됩니다.

그러면 밀도 (=질량/체적)는 자동으로 증가하고, 분자 (N2, O2, CO2, H2O 등)의 활발하던 자체 열운동의 정도는 크게 감소됩니다.

 

그러면 극성을 갖는 물 분자 (Water Molecule)들끼리 서로 결합할 확률이 노파집니다. 뿐만 아니라 물 분자는 고체 입자와 오일 입자 그리고 냄새 입자 등과도 결합을 합니다. 이것이 바로 응축수(Condensate)입니다.

 

냄새(Odor molecule)는 화학적으로 불안정합니다. 그래서 결국에는 없어지는 것인데, 냄새는 냉각되면 분자간 결합력이 약하기 때문에 쉽게 응축됩니다.

윤활유 (Lubricant Molecule)는 탄소와 산소의 긴 사슬 구조입니다. 증기오일도 냄새처럼 냉각되면 쉽게 응축됩니다.

 

이렇게 수증기분자와 오일분자와 냄새분자들은 냉각되면, 쉽게 응축되는 특성을 갖고 있기 때문에 냉동식 Air Dryer System 설계자는 냉동시스템을 이용하여 가능한 낮은 온도로 압축공기를 냉각시켜 다량의 응축수가 형성될 수 있도록 설계/제작하는 기술이 중요합니다.

 

수분, 오일, 냄새 들의 분자들이 서로 결합되면, 처음에는 기체 같은 액체 상태의 극히 작은 입자 (1㎛ ~ 1nm), 즉 콜로이드 (Colloid)가 되는데, 기체 속에 있는 콜로이드를 에어로졸 이라고 합니다.

이들 에어로졸 (Aerosol)들을 단계적으로 서로 합체시켜 가면서 그 크기를 점점 키워 중력의 영향을 충분히 받을 만큼의 중량으로까지 합체시킨 후, Air흐름으로부터 수분, 오일,냄새 등을 분리시키는 것을 코얼레싱(Coalescing)이라고 합니다.

 

코얼레싱은 빙점에 가까운 온도 즉, 낮은 온도일수록 Aerosol이 많이 형성되어 효율이 좋아지기 때문에 Cold Coalescer 라고 한 것입니다. 제대로 성능을 발휘하는 Liquid-Gas Coalescer를 냉동식 Air Dryer System에 정확하게 적용하면, 거의 100% Coalescer 효율을 얻을 수 있습니다.

최상급의 깨끗한 압축공기 (고체입자, 수분, 오일 및 냄새 없는 청정 압축공기)를 만들기 위해 반드시 거쳐가야 하는 베이스캠프와 같은 1단계에서 요구되는 기술은 :

 

1. 압축공기 냉각 기술

    악조건의 Compressor Room에서도 압축공기를 충분히 냉각시킬 수 있는 제대로 기능을 발휘  할 수 있는 냉동식 Air Dryer  설계/ 제작 기술 → Tropical Refrigerated Air Dryer System

2. Cold Coalescing 기술 → Tropical Refrigerated Air Dryer System에 적용

    Cold Coalescing Mechanism에 대한 정확한 지식과 그 적용 기술

3. 응축수 배출 기술 → Tropical Refrigerated Air Dryer System에 적용

    응축수 배출이 원활하지 않거나 실패했을 경우에는 아무런 의미가 없으므로, 막힘없고 고장없는 확실한 응축수 배출

 

제 1단계를 통과하면, 압축공기 Qulity는 적어도 ISO 8573-1 Class 2-5-1이 됩니다. 즉,

 

   1. 고체입자 : ISO 8573-1 Particle Class 2 → 최종 사용처에서 Class O 실현

   2. 수분 : ISO 8573-1 Qater Class 5 (4℃PDP ~ 7℃PDP) → 3단계에서 Class O 실현

   3. 오일 : ISO 8573-1 Oil Class 1 (⊆0.01mg/m3) → 2단계에서 Class O 실현

   4. 냄새 : ⊆0.01ppm → 2단계에서 Class O 실현

       (ISO 8573-1에서는 냄새에 대해서는 규정하지 않습니다.)

 

2. 제 2단계 : Activated Carbon Treatment Step

                  ISO 8573-1 Oil Class O

Activated Carbon Treatment : Oil -free and Odor -free Air

Oil Molecule & Odor Molecule Adsorption 제 1단계 처리 후, 활성탄 (비극성 물질의 흡착제)에 의한 오일과 냄새의 흡착으로 Oil-free와 Odor-free 상태의 압축공기를 만드는 단계

통상 윤활유(광유 및 합성유)는 오일 한 개 분자당 탄소원자가 18개 ~ 34개 정도가 결합되어 있는 고분자량의 물질입니다. 합성유(Synthetic Oil)는 광유(Mineral Oil)보다 비등점이 높고 증기압이 낮기 때문에 탄소원자 수가 더 많습니다. 그러므로 오일분자는 수분(H2O)이나 질소, 산소 분자의 크기와는 비교할 수 없을만큼 크기가 매우 큽니다.

 

합성제올라이트(Molecular Sieve), 활성알루미나 (Activated Alumina), 활성탄 (Activated Carbon) 등과 같은 흡착제 (Desiccant)에서는 대상 물질을 흡착하는 통로역할을 하는 기공(Pore) 사이즈가 매우 중요한 특성입니다. 보통 기공(Pore) 사이즈 분류는 IUPA (국제 순수 및 응용화학 연합)의 분류기준을 따릅니다.

 

※IUPAC에 의한 흡착제 Pore Size 분류

기공명칭	기공직경 (Pore Size)	흡착제 (Desiccant)
Micre-pore	〈 20Å  ( 〈 2nm)	Molecular Sieve (3A,4A,5A,13X등) Activated Carbon
Meso-pore	20 ~ 500 Å (2 ~ 50nm)	Activated Alumina, Activated Carbon
Macro-pore	〉 500Å ( 〉 50nm)	Activated Carbo , (Activated Alumina)

1) 1nm(나노미터) = 1/10억 미터, 1Å(angstorm) = 1/100억 미터

2) 활성알루미나는 대부분이 ,Meso-pore이고 일부 Macro-pore를 갖고 있음. Micro-pore는 없음.

3) 활성탄은 Micro-, Meso-, Macro-pore 3가지를 모두 갖고 있는 비극성(Non-polar) 흡착제임.

 

Air Compressor로부터 Carry-Over된 오일은 그 크기가 아주 다양하게 분포됩니다. 하지만 사이즈가 다양하더라도 통상은 Macro-pore 근처에 속합니다. 따라서 Micro-pore만을 갖고 있는 합성제 올라이트 (Molecular Sieve)는 오일을 흡착할 수가 없습니다. 그리고 활성알루미나는 Micro-pore는 없고, Macro-pore를 갖고 있기는 하지만 극히 일부이고, 거의 대부분이 Meso-pore size를 갖고 있기 때문에 오일을 흡착하는 데는 극히 제한적일 수 밖에 없습니다.

 

오일은 고분자량의 탄화수소인 유기화합물(Organic Compound)입니다.

그러므로 오일/냄새를 흡착하여 제거하기 위해서는 Macro-pore와 Meso-pore및 Micro-pore를 모두 갖고 있는 활성탄 (Activated Carbon)이 최적의 오일/냄새 흡착제가 됩니다.

 

3. 제 3단계 : Water Molecule Adsorption Step by Desiccant Air Dryer

                   ISO 8573-1 Water Class 0

 

Water Molecule Adsorption Step : Water - free Air

Activated Alumina Adsorption and Molecule Sieve Adsorption 제 1단계 후, Water Class O가 되려면 Class 1 (⊆-70℃PDP)보다 더 강화되어야 하므로 흡착제에 의한 기체분리 원리를 이용하여 압축공기 중의 수분을 거의 다 제거하는 단계

제 1단계 후, Water Class O가 되려면 Class 1 (⊆ -70℃PDP)보다 더 강화되어야 하므로 흡착제에 의한 기체분리 원리를 이용하여 압축공기중의 수분을 거의 다 제거하는 단계 질량을 갖는 물질 사이에는 언제나 상호작용하는 힘 (만유인력)이 존재합니다.

눈으로 볼 수 없는 분자(Molecule)의 세계에서도 이런 힘이 존재합니다.

수소결합력, 이온결합력, 반데르발스력 등이 그것인데, H2O분자와 흡착제(Desiccant)사이에도 이런 결합력이 존재합니다.

 

흡착식 Air Dryer는 물분자(H2O Molecule)와 흡착제 (활성알루미나, 4A 합성제올라이트 등) 사이에 작용하는 반데르발스힘을 이용하여 흡착제 표면의 무수히 많은 기공 속으로 H2O분자를 물이 아닌 기체의 분자상태로 흡착(Adsorption)하여 제습하는 기체분리장치입니다.

 

흡착제 Air Dryer의 흡착제로 많이 사용되는 것이 활성알루미나 (Activated alumina)와 4A molecular Sieve입니다. 그 이유는 두 가지 흡착제는 모두 극성을 갖는 물질(Polar Material)이기 때문입니다. 또한 극성물질은 물 분자와 쉽게 결합하는 친수성(Hydrophile property)입니다.

반면에, 활성탄 ( Activated Carbon)은 Air Dryer의 흡착제로는 사용되지 않는데, 그 이유는 비극성물질(Non-Polar Material)이고, 물 분자와 쉽게 결합하지 못하는 소수성(Hydrophobic)이기 때문이다.

 

흡착식 드라이어에서는 H2O분자의 확산이라는 개념이 있습니다. 확산이란 농도 차이가 같아지려는 방향으로 입자가 이동하는 것인데, 어떤 물질의 농도 차이가 크면, 확산속도는 빠를 것입니다. 확산속도가 빠르다는 것은 흡착속도가 빠르다는 것과 같은 맥락입니다.

 

흡착제(활성알루미나, 4A, 모라큘라시브) 기공으로 H2O분자가 끝없이 흡착될 수는 없습니다. 흡착제 주위의 압축공기 중 H2O의농도와 흡착제 기공 속의 H2O 농도가 같아지면, 더 이상 H2O 분자가 확산될 수 없게 됩니다. 이 상태를 포화상태라고 합니다.

 

포화상태에 도달한 흡착제 주위의 수분 농도를 아주 낮게 해 주면, 이번에는 농도가 높은 흡착제 기공에서 농도가 바깥 쪽으로 H2O 분자들이 역으로 확산되어 흡착제가 재생되는 것입니다. 흡착식 Air Dryer가 Twin Tower 구조인 것은 바로 흡착제 재생 (Desorption) 때문입니다.

 

흡착식 기체 분리 기술에서는 흡착제 재생 방법에 따라 몇 가지 종류로 나눕니다.

1. PSA (Pressure Swing Adsorption) Type : Heatless Type (비가열식)

2. TSA (Thermal Swing Adsorption) Type : Heater Type (히터내장, 외장, 블로워퍼지 등)

3. VSA (Vacuum Swing Adsorption) Type

4. PVSA ( Pressure and Vacuum Swing Adsorption) Type 등

 

 

Air Dryer에서 사용하고 있는 대표적인 흡착제 재생방법은 1.PSA 와 2. TSA 입니다.

 

1. PSA (Pressure Swing Adsorption) 재생 방법은 외부 열원(Heater) 없이 재생하고자하는 재생Tower의 압력을 대기압으로 떨어뜨린 후에 Drying Tower에서 제습된 건조 공기의 일부를 재생 Tower로 보내면 H2O 분자의 농도차이로 인하여 흡착제 기공에 있던 H2O 분자가 빠져 나오면서 흡착제가 재새되는 방법으로서 오랜 전통을 가지고 있습니다. PSA재생 방법은 1960년 7월 C.W.Skarstrom의 미국특허 No.2,944,627입니다. PSA방식은 흡착제 재생을 위해 제습된 건조공기를 사용하는 단점을 가지고 있습니다.

 

2. TSA (Thermal Swing Adsorption) 재생 방법은 흡착제 재생 시 건조공기의 사용을 줄이기 위하여 별도의 외부 열원인 Hearer 시스테을 채택하여 재생 Tower의 온도를 높여 Tower내 공기 밀도를 낮추면 흡착제 주위의 H2O 농도가 낮아져 흡착제 기공속에 있던 H2O 분자가 빠른 속도로 외부로 확산되어 흡착제가 재생되는 방법입니다.

 

그러나 TSA재생 방법은 외부 열원 시스템이 추가된다는 점과 가열된 재생 Tower를 다시 냉각시켜야 하기 때문에 냉각에 필요한 시간이 필요하므로 Cycle Time이 길어야하고, 그렇기 때문에 흡착제 충진량도 PSA 방식보다 더 많이 필요하다는 PSA설계와 차이점이 있습니다.

 

ISO 8573-1 Water Class O는 Class 1 (⊆ -70℃PDP) 보다 더 강화되어야 하기 때문에 활성알루미나 흡착제만으로는 불가능합니다. 기공 사이즈(Pore Size)가 H2O 분자는 통과할 수 있지만, N2와 O2분자들은 통과하기 어려운 4Å(angstrom)(=4/100억 비터) 크기를 갖는 4A Molecular Sieve 흡착제를 통과시켜야만 ISO Water Class O가 가능합니다.

활성 알루미나(Actvated Alumina)와 합성제올라이트(Molecular Sieve)에 대한 등온곡선(Isotherm)을 참고하면, 4A Molecular Sieve는 건조한 상태에서 H2O 분자를 흡착하는 능력이 뛰어나기 때문에 건조한 상태의 공기를 먼저 만든 후에 4A Molecular Sieve층을 통과시키는 것이 바람직합니다.

 

즉, 먼저 1차적으로 활성알루미나 층을 통과시킨 후, 2차로 4A 모레큘라시브 층을 통과시키는 그런 Double Layer Desiccant 설계를 합니다.

ISO Water Class O Desiccant Air Dryer System은 예민할 수 밖에 없으므로 흡착식 Air Dryer 단독으로는 불가능하고, 앞선 1단계 Base-Camp과정을 반드시 거쳐야만 가능합니다.

함고로 N2 Gas 분리용 흡착제는 탄소분자체(CMS, Carbon Molecular Sieve)를 사용하고, O2 Gas 분리용 흡착제는 5A 합성제올라이트(5A Molecular Sieve) 또는 13X Molecular Sieve를 사용합니다.

 

4. Filtering

   ISO 8573-1 Particle Class 0

ISO Particle Class 1은 0.10㎛〈 d ⊆ 0.5㎛의 크기의 입자수가 Max. 100개/m3로 규정하고 있으므로 d⊆0.10㎛ 입자를 필터일할 수 있으면 ISO Prticle Class O가 가능할 것입니다.

Filter에서 다루고 있는 입자 크기는 현미경으로만 볼 수 있는 매우 작은 세계이기 때문에 물리적 의미로 잘 다가오지 않습니다. 그래서 세균이나 자외선(UV)과 X-Ray 같은 전자기파에 비유하면 이해하는데 다소 도움이 됩니다.

일반세균의 크기가 대략 0.4~5㎛이므로 ISO Particle Class O 필터는 세균을 100% 차단할 수 있으므로, Class O Filter를 사용하면 무균실 수준이 되어야만 합니다.

한편, 국내 시장에서 널리 통용되고 있는 0.1㎛와 0.01㎛ Filter는 사실상 불가능한 여과도라고 볼 수 있습니다.

 

0.1㎛(1/10,000,000미터)는 자외선 파장에 속하고, 0.01㎛(1/1억 미터)는 X-Ray 파장에 속합니다. 세균 뿐만 아니라 바이러스까지도 100% 차단할 수 있는 0.01㎛ 압축공기 필터가 그렇게 저렴한 가격으로 대중화될 수 없기 때문입니다.

Main Line System 의 Filter 여과도가 무균실 수준인 ISO 8573-1 Particle Class O까지 하는 것은 의미가 없는 것으로 판단됩니다.

Particle Class O는 무균실 수준의 등급이 필요한 최종사용처에만 적용하는 것이 합리적일 것입니다. 그리고 Class O Filter는 보통 제약용 제균필터(Sterile Air Membrane Filter등) 에서 찾을 수 있습니다.

[출처] Compressed air (압축 공기)|작성자 베스코