분리 공정의 종류와 기술 실무 (7) – PSA & TSA

흡착(Adsorption) 기반 분리 공정은 수소 정제, 공기 분리, 가스 건조, CO₂ 포집 등 다양한 산업 분야에서 핵심 기술로 자리 잡고 있습니다. 특히 PSA(Pressure Swing Adsorption) 와 TSA(Temperature Swing Adsorption) 는 에너지 효율성과 운전 안정성 측면에서 상업적으로 검증된 공정입니다.

 

본 글에서는 흡착 원리 → 평형 이론 → PSA/TSA 작동 원리 → 설계 및 실무 고려사항 → 흡착제 수명 및 재생 → Interlock 및 안전 제어 → 산업 적용 사례 → 최신 기술 동향 순으로 정리해 드리겠습니다.

 

 

1️⃣ 흡착(Adsorption)의 기본 원리

흡착은 기체 또는 액체 혼합물 중 특정 성분이 고체 표면에 선택적으로 부착되는 현상입니다.

• 흡수(Absorption): 액체 내부로 용해
• 흡착(Adsorption): 고체 표면에 부착

흡착은 크게 두 가지로 구분됩니다.

✔ 물리흡착 (Physisorption)

• 반데르발스 힘 기반
• 결합 에너지 낮음 (약 5–40 kJ/mol)
• 가역성 우수
• 온도 상승 시 흡착량 감소
• PSA/TSA 대부분 해당

✔ 화학흡착 (Chemisorption)

• 화학결합 형성
• 결합 에너지 높음 (약 40–400 kJ/mol)
• 선택성 매우 높음
• 재생 어려울 수 있음

🔎 화학흡착 대표 예시

① ZnO를 이용한 H₂S 제거

• 반응식:
  ZnO + H₂S → ZnS + H₂O
• 고온 탈황 공정에서 사용
• 반응 기반 흡착

② 고체 아민 기반 CO₂ 흡착

• 고체 지지체에 아민 작용기 도입
• CO₂와 카바메이트 결합 형성
• 탄소 포집(CCUS) 공정 적용

화학흡착은 선택성은 우수하지만, 재생 에너지 요구량이 크거나 수명이 제한될 수 있습니다.

 

 

2️⃣ 흡착 평형 이론 – Langmuir Isotherm

대표적인 흡착 평형식은 Langmuir 등온식입니다.

$$ q = \frac{q_{max} bP}{1 + bP} $$

- \( q \) : 흡착량

- \( q_{max} \) : 최대 흡착 용량

- \( b \) : 흡착 평형 상수

- \( P \) : 부분 압력

압력이 증가하면 흡착량이 증가합니다. 이 특성을 이용하는 공정이 PSA입니다.

 

물리흡착은 발열반응이므로, 온도가 증가하면 흡착량은 감소합니다. 이 특성을 이용하는 공정이 TSA입니다.

 

 

3️⃣ PSA (Pressure Swing Adsorption)

✔ 작동 원리

PSA는 압력 변화를 이용하여 흡착과 탈착을 반복하는 공정입니다.

1. 고압 → 특정 성분 흡착
2. 감압 → 탈착
3. 재가압 → 다음 사이클 준비

온도 변화는 거의 없습니다(준등온 공정).

✔ PSA 사이클 단계

일반적으로 4~6단계 구성:

• Adsorption
• Depressurization
• Purge
• Repressurization

여러 개의 흡착탑을 병렬 운영하여 연속 생산을 유지합니다.

✔ PSA 주요 적용 분야

• 수소 정제 (99.999% 고순도 가능)
• 산소/질소 분리
• 합성가스 정제
• CO₂ 제거

 

4️⃣ TSA (Temperature Swing Adsorption)

✔ 작동 원리

TSA는 온도 변화를 이용합니다.

1. 저온 → 흡착
2. 고온 → 탈착
3. 냉각 → 재흡착 준비

압력은 거의 일정합니다. 물리흡착은 발열반응이므로, 온도 상승 시 평형이 탈착 방향으로 이동합니다.

✔ TSA 주요 적용 분야

• 천연가스 건조
• LNG 전처리
• VOC 제거
• 저압 CO₂ 포집

5️⃣ PSA vs TSA 비교

구분	PSA	TSA
구동력	압력 변화	온도 변화
사이클 시간	짧음	김
에너지 형태	압축 에너지	열에너지
적용 압력	고압 유리	저압 유리
대표 용도	수소, 산소 분리	건조, VOC 제거

 

 

 

6️⃣ 실무 설계 및 운전 고려사항

1️⃣ 흡착제 선택

대표 흡착제:

• Zeolite
• Activated Carbon
• Silica Gel
• Molecular Sieve

선정 기준:

✔ 선택도
✔ 흡착 용량
✔ 열적 안정성
✔ 기계적 강도
✔ 재생 용이성
✔ 비용

2️⃣ 흡착제 수명 및 교체 주기

흡착제는 반복 재생을 전제로 설계됩니다.

✔ PSA의 경우

• 수천~수만 사이클 반복
• 일반 수명: 약 3~10년
• 수분, 오일, 먼지에 매우 민감
• 전처리 필터 필수

✔ TSA의 경우

• 고온 재생으로 열화 가능성 존재
• 장기 운전 시 흡착 용량 감소
• 주기적 성능 진단 필요

✔ 교체 판단 기준

• Breakthrough 시간 단축
• 제품 순도 저하
• 압력강하 증가
• 흡착 용량 감소

실무에서는 대부분 전량 교체 방식으로 관리합니다.

 

 

3️⃣ Breakthrough Curve 분석

흡착탑 설계의 핵심은 Breakthrough Time입니다.

 

출구 농도가 허용 기준을 초과하기 전에:

• PSA → 감압 단계 전환
• TSA → 재생 단계 전환

이를 기반으로:

• Bed 높이
• 사이클 시간
• 재생 주기

가 결정됩니다.

 

 

4️⃣ 압력강하 설계

Bed 높이 및 입자 크기에 따라 압력강하가 증가합니다.

 

Ergun 방정식을 기반으로 설계하며, 과도한 압력강하는 OPEX 상승으로 이어집니다.

 

 

5️⃣ 열관리

흡착은 발열반응입니다.

• PSA: 국부 온도 상승 발생
• TSA: 균일 가열 필수

Hot Spot 발생 시:

• 흡착제 열화
• 구조 손상
• 선택성 저하

다점 온도 센서 설치가 일반적입니다.

 

 

6️⃣ Interlock 및 안전 제어

PSA/TSA는 반복 사이클 공정이므로 자동제어와 Interlock 설계가 매우 중요합니다.

✔ 주요 Interlock 항목

① 고압 보호

• 설정 압력 초과 시 압축기 정지

② 저압 보호

• 진공 실패 시 사이클 차단

③ 고온 보호 (TSA)

• 설정 온도 초과 시 히터 차단

④ 밸브 동시 개방 방지

• 고압/저압 라인 동시 연결 차단
• 압력 쇼크 방지

⑤ 제품 순도 모니터링

• 기준 미달 시 자동 바이패스

PSA는 밸브 수가 많기 때문에 시퀀스 제어 로직 검증이 필수입니다.

 

일반적으로 DCS 또는 PLC 기반으로 제어됩니다.

 

 

7️⃣ 경제성 관점

PSA:

• 전력비 중심 OPEX
• 수소 플랜트에서 경제성 우수

TSA:

• 스팀 소비량 중요
• 대용량 건조 공정에 적합

공정 선택은 다음 요소에 따라 달라집니다.

✔ 압력 조건
✔ 제거 대상 농도
✔ 요구 순도
✔ 에너지 비용 구조

 

 

8️⃣ 최신 기술 동향

• VPSA (Vacuum PSA)
• Rapid PSA
• 고성능 Zeolite 및 MOF 흡착제
• 저에너지 CO₂ 포집 흡착제 연구 확대

수소 경제 및 탄소 포집 확대와 함께 흡착 기술의 전략적 중요성은 더욱 증가하고 있습니다.

 

 

9️⃣  결론

PSA와 TSA는 단순한 흡착 장치가 아니라,

 

✔ 열역학적 평형
✔ 전달현상
✔ 반복 사이클 설계
✔ 흡착제 수명 관리
✔ 자동제어 및 Interlock 설계

 

가 복합적으로 작용하는 고도화된 분리 공정입니다.

 

특히 수소 정제, 가스 건조, 탄소 포집 분야에서 핵심 기술로서 산업적 가치가 매우 높습니다.