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산소 생산 장치 및 그 제어 방법 document_id A220623049112

분류
의약학
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문맥 (context)
산소를 생산하는 대표적인 방법으로는 흡착법 및 심냉법을 들 수 있다. 상기 중 흡착법은 산소 또는 질소 등을 선택적으로 흡착할 수 있는 미세 공극을 갖는 물질에 공기 중의 원소가 선택적으로 흡착되도록 하여 산소를 분리하는 방법이고, 심냉법은 기체의 온도를 급격히 저하시켜 액화시킨 후에, 증류 등을 통해 산소를 분리해 내는 방법이다. 상기 방법들 중에서 심냉법은 순도 99% 이상의 산소를 생산할 수 있다는 이점이 있다. 그러나 심냉법은 공기를 급속 냉각할 수 있는 대형 냉각 장치와 냉각된 공기를 증류하기 위한 대형 증류 장치를 동시에 구비하여야 한다. 따라서 심냉법은 흡착법에 비하여 우수한 순도의 산소를 생산할 수 있다는 이점을 가지나, 대형 장치의 구입 및 설치를 위한 과다한 투자비가 소모되기 때문에 중소 규모에서는 사실상 사용이 불가능하다. 한편 흡착법은 공기 중 특정 원소에 대응하는 미세 공극을 갖는 물질로 목적 원소를 분리하는 방법으로서, 상기 물질의 대표적인 예로는 제올라이트(zeolite)를 들 수 있다. 제올라이트는 질소에 대해서는 강한 흡착 성능을 나타내고, 산소에 대해서는 약한 흡착 성능을 나타낸다. 이에 따라 제올라이트에 공기를 공급하면, 질소는 흡착되고 산소는 투과 배출되어 질소가 배제된 산소를 생산할 수 있다. 따라서, 흡착법의 일반적인 산소 생산 시스템은 제올라이트가 충전된 탑으로 구성되고, 산소의 순도를 높이기 위하여 2개 이상의 제올라이트탑으로 구성되기도 한다. 그러나, 제올라이트는 공기 중 포함되는 아르곤에 대한 흡착 성능이 떨어져, 이를 산소와 함께 투과시키기 때문에 분리된 산소의 순도가 95% 정도에 불과하다. 이에 따라 흡착법을 통하여 생산되는 산소의 순도를 높이기 위한 노력이 이루어지고 있으며, 미국이나 일본 등에서는 흡착법을 통해 산소 순도를 99.7%까지 올릴 수 있는 기술이 개발된 바 있다. 그러나, 상기 기술은 벌크 분리를 위한 흡착 공정 및 정화를 위한 흡착 공정이 별도로 이루어져야 한다. 즉, 상기 기술에서는 벌크 분리용 흡착 공정이 완전히 종료한 후에, 다시 정화용 흡착 공정을 추가로 수행하는데, 이와 같이 두 가지 공정이 반드시 함께 수행되어야 하기 때문에 생산 단가가 고가가 된다는 문제점이 있다. 한편, 흡착법을 이용하여 질소를 생산하는 것도 가능하며, 이 때 사용되는 대표적인 흡착제는 CMS(Carbon Molecular Seive)이다. 상기 CMS에는 산소가 질소와 아르곤에 비하여 수십 내지 수백배 이상의 빠른 속도로 흡착된다. CMS탑 시스템은 이와 같은 성질을 이용하여 질소를 생산하는 시스템이며, 역시 생산되는 질소의 순도를 높이기 위하여 2개 이상의 탑으로 구성될 수 있다. 최근에는 전술한 두 종류의 시스템을 혼용하여, 먼저 90 내지 95%의 산소를 제올라이트탑 시스템으로 생산하고, 생산된 산소를 CMS탑 시스템으로 다시 필터링하여 산소의 순도를 높이는 방법이 개발되었다. 그러나, 상기 공정은 별도로 구성된 제올라이트탑 시스템 및 CMS탑 시스템이 독립적으로 운전되는 단순한 다단식 시스템이다. 이에 따라 상기 시스템에서는 생산 비용 및 에너지 소비가 증가하고, 원료가 각각 개별의 시스템을 별도로 거쳐야 하므로, 산소 회수율이 저하된다. 한편, 대한민국 등록특허 제605549호는 공기 가압 수단 및 감압 수단과 연결되고, 산소를 생산하는 제올라이트탑 시스템 및 상기 시스템에서 생산되는 산소를 흡착하고, 감압 상태에서 산소를 생산하는 CMS탑 시스템으로 구성되는 산소 생산 장치 및 그 제어 방법을 개시한다. 그러나, 상기 기술에서는 다음과 같은 문제점으로 인해 제품 가스(산소)의 순도 및 회수율이 떨어지게 되는 단점이 있다. 즉, 상기 한국 특허의 기술에서는 (1) 압력 평등화 (균압) 공정이 제올라이트탑 시스템의 탈착 라인 밸브가 닫힌 상태에서 실시되기 때문에, 균압 공정에서 제올라이트탑 상부에서 흡착된 질소 가스 성분이 다른 제올라이트탑 상부로 순간적으로 유입될 수 있고, 하부에 흡착된 질소 가스 성분은 쉽게 탈착되지 않으며; (2) CMS탑 시스템의 탈착이 낮은 압력에서 수행되어 흡착제가 충분히 재생될 수 없고, (3) CMS탑에서 배출되는 산소 성분이 풍부한 가스를 제올라이트탑 시스템의 탈착 라인 밸브가 닫힌 상태에서 가압하기 때문에, 탑 내부의 질소 성분이 잘 배출되지 않는다. 또한, 전술한 한국 특허에서는 (4) CMS탑 내의 잔류하는 질소와 아르곤을 제거하는 공정이 비효율적이고, 제어방식이 까다롭다는 문제점을 가지고 있다.
지시문 (instruction)
주어진 원문을 읽고 필요한 정보를 파악하여, 원문에 근거해 질문에 답하라.
질문 (question)
흡착법을 통해 산소 순도를 99.7%까지 높이는 기술이 적용될 때, 생산 단가가 고가가 되는 조건은 무엇인가?
추론 과정 (compact_reasoning)
  1. 1과제 해석task_interpretation

    산소 순도를 99.7%까지 높이는 기술의 생산 단가가 높아지는 원인(조건)을 파악한다.

    • 미국이나 일본 등에서는 흡착법을 통해 산소 순도를 99.7%까지 올릴 수 있는 기술이 개발된 바 있다.
  2. 2정보 추출information_extraction

    해당 기술의 공정 구성 방식을 추출한다.

    • 상기 기술은 벌크 분리를 위한 흡착 공정 및 정화를 위한 흡착 공정이 별도로 이루어져야 한다.
  3. 3근거 선택evidence_selection

    단가 상승의 직접적인 이유가 되는 공정의 연속성/필수성을 확인한다.

    • 벌크 분리용 흡착 공정이 완전히 종료한 후에, 다시 정화용 흡착 공정을 추가로 수행하는데, 이와 같이 두 가지 공정이 반드시 함께 수행되어야 하기 때문에 생산 단가가 고가가 된다는 문제점이 있다.
  4. 4논리 통합logical_integration

    벌크 분리 공정 종료 후 정화 공정을 추가로 수행해야 하는 '두 공정의 필수적 병행'이 단가 상승의 조건임을 연결한다.

  5. 5결론 도출conclusion_formulation

    두 가지 흡착 공정이 반드시 함께 수행되어야 한다는 점을 결론으로 도출한다.

    • 두 가지 공정이 반드시 함께 수행되어야 하기 때문에 생산 단가가 고가가 된다
  6. 6답변 생성answer_generation

    질문에 대해 공정의 특성을 포함하여 답변을 작성한다.

    • 벌크 분리용 흡착 공정이 완전히 종료한 후에, 다시 정화용 흡착 공정을 추가로 수행하는데, 이와 같이 두 가지 공정이 반드시 함께 수행되어야 하기 때문에
최종 답변 (final_answer)
벌크 분리를 위한 흡착 공정이 완전히 종료된 후 정화를 위한 흡착 공정을 추가로 수행해야 하며, 이와 같이 두 가지 공정이 반드시 함께 수행되어야 하는 조건에서 생산 단가가 고가가 된다.
핵심 해석 (core_interpretation)
흡착법을 통해 산소 순도를 99.7%까지 높이는 기술은 벌크 분리용 흡착 공정이 완전히 종료된 후에 정화용 흡착 공정을 추가로 수행하는 두 가지 공정이 반드시 함께 수행되어야 하므로 생산 단가가 고가가 된다.