액화 공기

1. 개요

액체 공기는 공기를 액화시켜 얻는 물질로, 약 870 kg/m³의 밀도를 가지며, 주로 질소, 산소, 아르곤으로 구성된다. 끓는점은 -194.35°C이며, 취급 시 폭발 위험이 있다.

액체 공기는 압축, 냉각, 팽창 과정을 통해 제조되며, 1883년 폴란드 과학자 카롤 올셰프스키와 지그문트 플로렌티 브루블레프스키에 의해 처음 액화되었다. 카를 폰 린데는 줄-톰슨 효과를 이용하여 공기 액화에 성공했고, 조르주 클로드에 의해 산업적 대량 생산이 가능해졌다. 제조 과정에는 햄프슨-린데 사이클과 클로드 공정이 사용된다.

액체 공기는 액체 산소, 액체 질소, 액체 아르곤으로 분리되어 산업, 의료, 에너지 저장 등 다양한 분야에 활용된다. 과거에는 폭약으로도 사용되었으나, 현재는 위험성으로 인해 거의 사용되지 않는다. 한국에서는 1970년대부터 포스코가 액체 공기 분리 기술을 도입하여 산소를 생산하고 있다.

2. 성질

액체 공기의 밀도는 약 870kg/m3이다. 건조한 기체 공기는 약 78%의 질소, 21%의 산소, 1%의 아르곤을 함유하고 있기 때문에, 표준 조성을 갖는 액체 공기의 밀도는 구성 성분의 비율과 각 액체의 밀도(액체 질소 및 액체 산소 참조)를 사용하여 계산한다.

공기의 끓는점은 -194.35°C이다. 액체 질소와 액체 산소의 끓는점 사이에 위치한다. 그러나 액체 공기가 끓을 때 액체의 온도를 안정적으로 유지하기 어려운데, 질소가 먼저 끓어 없어지면서 혼합물의 산소 농도가 높아지고 끓는점이 변하기 때문이다.

액체 공기는 대략 60,000에서 얼기 시작하며, 질소가 풍부한 고체(하지만 상당량의 산소가 고용되어 있음)가 석출된다.

3. 제조 방법

공기는 실온에서 압축만으로는 액화되지 않아 한때 "영구 기체"로 알려졌다. 압축 과정에서 발생하는 열은 열 교환기를 통해 주변 온도로 냉각되어 제거된 후 챔버로 배출되어 팽창한다. 팽창은 온도를 낮추며, 팽창된 공기의 향류 열교환을 통해 팽창기로 들어가는 가압된 공기가 더욱 냉각된다. 충분한 압축, 유량 및 열 제거를 통해 액체 공기 방울이 형성되며, 이는 저온 시연에 사용될 수 있다.

1883년 폴란드 과학자 카롤 올셰프스키와 지그문트 브루블레프스키가 처음으로 공기의 주요 성분을 액화하였다. 1895년 카를 폰 린데는 줄-톰슨 효과를 이용하여 공기 액화에 성공했고, 이후 조르주 클로드에 의해 산업적 대량 생산이 가능해졌다.

3.1. 생산 원리

공기는 한때 "영구 기체"로 알려졌는데, 이는 실온에서 압축만으로는 액화될 수 없었기 때문이다. 압축 과정은 기체의 온도를 상승시킨다. 이 열은 열 교환기에서 주변 온도로 냉각하여 제거한 다음 챔버로 배출하여 팽창시킨다. 팽창은 온도를 낮추고, 팽창된 공기의 향류 열교환을 통해 팽창기에 들어가는 가압된 공기는 더욱 냉각된다. 충분한 압축, 유량 및 열 제거를 통해 결국 액체 공기 방울이 형성되며, 이는 저온 시연에 직접 사용될 수 있다.

공기의 주요 성분은 1883년 폴란드 과학자 카롤 올셰프스키와 지그문트 브루블레프스키에 의해 처음으로 액화되었다. 1895년, 카를 폰 린데가 가압된 공기를 분출·팽창시키는 방법으로 공기 자체의 온도가 강하하는 줄-톰슨 효과를 이용하여 공기 액화에 성공했으며, 이후 조르주 클로드에 의해 산업적인 대량 생산이 가능하게 되었다.

3.2. 생산 공정

가장 일반적인 공기 액화 공정은 줄-톰슨 효과를 이용한 2단 햄프슨-린데 사이클이다. 공기는 높은 압력(75atm)으로 하단 컬럼으로 유입되며, 여기서 순수한 질소와 산소가 풍부한 액체로 분리된다. 산소가 풍부한 액체와 일부 질소는 낮은 압력(25atm)에서 작동하는 상단 컬럼으로 환류되어 순수한 질소와 산소로 최종 분리된다. 조원 아르곤 제품은 상단 컬럼 중간에서 제거하여 추가 정제할 수 있다.

공기는 또한 클로드 공정에 의해 액화될 수 있는데, 이 공정은 줄-톰슨 효과에 의한 냉각, 등엔트로피 팽창 및 재생 냉각을 결합한다.

4. 역사

1895년, 카를 폰 린데가 가압된 공기를 분출·팽창시키는 방법으로 공기 자체의 온도가 강하하는 줄-톰슨 효과를 이용하여 공기 액화에 성공했으며, 이후 조르주 클로드에 의해 산업적인 대량 생산이 가능하게 되었다.

5. 용도

제조 공정에서 액체 공기는 일반적으로 구성 기체로 분리되며, 산소는 특히 연료 가스 용접 및 절단과 의료용으로 유용하고, 아르곤은 산소를 차단하는 보호 가스로 가스 텅스텐 아크 용접에 유용하다. 액체 질소는 정상 온도에서 (산소와 달리) 반응성이 없고, 77,000에서 끓기 때문에 다양한 저온 응용 분야에 유용하다. 액체 공기는 다이너마이트와 마찬가지로 폭약(액체 공기 폭약)으로 사용된 적이 있다. 하지만 취급이 매우 위험하며, 충격, 마찰, 열 등으로 쉽게 폭발한다. 액체, 공기 자체를 옮기거나 그 과정에서의 타격, 마찰, 정전기 불꽃에 의해서도 폭발한다. 끓는점의 차이를 이용하여 액체 공기로부터 질소, 산소, 희가스 등을 얻을 수 있다.

2012년 10월 2일, 기계 기술자 협회는 액체 공기를 에너지 저장 수단으로 사용할 수 있다고 밝혔다. 이는 영국 허트퍼드셔의 차고 발명가인 피터 디어먼이 차량에 동력을 공급하기 위해 개발한 기술을 기반으로 한 것이다.