가스 혼합(Gas Blending)에 대해서 알아봅시다

가스 혼합(Gas Blending)은 특정 목적을 위해 2개 이상의 가스를 혼합하는 과정으로,

 

과학 및 산업 공정, 의료, 식품 생산 및 저장 등 여러 분야에서 사용되고 있습니다.

 

 

이번 시간에는 가스 혼합에 대해서 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

 

가스 혼합(Gas Blending)과 관련된 기본 정보

 

 

가스 혼합은 일반적으로 몰 기체 분율(Mole Gas Fraction by Percentage),

 

백분율, 또는 백만분율을 단위로 표시하며,

 

여러 종류의 기체가 한 곳에 섞여 있을 때, 그 혼합 기체의 전체 압력은

 

각각 기체의 부분 압력을 더한 값과 같다는 돌턴(John Dalton)의 부분 압력 법칙에 따라

 

체적 가스 분율을 부분 압력비로 변환해 사용합니다.

 

 

일정한 온도에서 부분 압력비를 이용한 가스 혼합은 계산상 간단하게 진행할 수 있으며,

 

압력 측정은 비교적 간단하게 진행할 수 있지만

 

압력 변화중 가스를 일정한 온도로 유지하는 것은 상당한 어려움이 따릅니다.

 

 

가스를 질량 비율로 혼합하는 것은 공정중 온도 변화에 영향을 받지 않지만,

 

질량의 정확한 측정 및 구성 가스의 특정 몰비에 대한 질량 계산을 필요로 합니다.

 

 

 

가스 혼합(Gas Blending)에 사용되는 이론들

 

 

가스 혼합에는 가스의 처리 방법과 공정에 따라 여러가지 방법이 사용됩니다.

 

 

일괄 처리 방법(Batch Methods)

 

 

일괄 가스 혼합 방법은 혼합물이 균질해질 때까지

 

적절한 양의 구성 가스가 측정과 동시에 혼합되는 과정이 필요합니다.

 

 

양은 체적량 또는 질량으로 측정되며,

 

부피 측정은 기체가 종종 혼합을 위해 다른 용기로 붓는 과정을 거치는 과정에서

 

부분 압력을 측정해 간접적으로 진행할 수 있습니다.

 

 

물분율은 분량 분율이라고 불리며, 성분의 분자 수를 혼합물의 모든 분자수로 나눈 값을 뜻합니다.

 

예를 들어 산소와 헬륨이 각각 50%씩 섞인 혼합물은

 

거의 동일한 수의 산소와 헬륨 분자를 포함하고 있는데, 

 

산소와 헬륨 모두 일반적인 가스와 동일한 압력(200 bar 미만)과 온도에서 동일한 부피를 차지하게 됩니다.

 

따라서 동일한 용기에 넣어 동일한 압력으로 부피를 측정한 후 혼합하거나,

 

부분 압력으로 측정할 수 있습니다.

 

 

질량 분율은 몰분율에 각 성분의 분자량을 곱하고,

 

성분 질량을 찾아 모든 성분의 합계 질량을 비교해 계산할 수 있고,

 

혼합물에 필요한 각 성분의 실제 질량은 질량 분율에 원하는 혼합물 질량을 곱해 계산할 수 있습니다.

 

 

부분 압력 혼합(Partial Pressure Blending)

 

 

부분 압력 혼합은 체적 혼합이라고도 합니다.

 

체적 혼합을 진행할 때에는 각 기체가 혼합물에 첨가되기 전, 후에 측정된 온도의 정확도에 비례하여

 

온도 변화에 따른 보상이 필요하며,

 

최적의 정확도를 위해서는 일정한 온도에서 진행하는 것이 바람직합니다.

 

 

부분 압력 혼합은 일반적으로 다이빙을 위한 호흡 가스 혼합에 사용됩니다.

 

이 분야에 요구되는 정확도는 0.5 bar 까지 정확하게 읽는 압력 게이지를 사용하고,

 

각 가스가 추가된 후 온도가 일정하게 유지되는 것을 기본으로 합니다.

 

 

질량 분율 혼합(Mass Fraction Blending)

 

 

질량 분율 혼합은 중량 측정 혼합이라고도 합니다.

 

질량 분율 혼합은 부분 압력 혼합과 비교해서 온도에 영향을 덜 받으며,

 

혼합의 정확도는 성분의 질량 측정의 정확도와 비례합니다.

 

 

질량 분율 혼합은 교정 가스와 같이 혼합물의 정밀도가 중요한 경우에 주로 사용됩니다.

 

이 방법은 가속으로 인해 부정확한 측정이 발생할 수 있기 때문에,

 

이동중에 혼합을 하는 것은 바람직하지 않습니다.

 

 

지속적 과정(Continuous Processes)

 

 

첨가 과정(Additive)

 

일반적인 흐름 혼합(Constant Flow Blending)은 구성 기체들이 제어된 흐름속에서 혼합됩니다.

 

혼합은 주변 압력 또는 주변의 압력보다 높지만 공급 가스 압력보다는 낮은 압력에서 혼합됩니다.

 

 

일정한 질량의 유량공급(Constant Mass Flow Supply)은

 

구성 기체들이 정밀한 질량 유량계를 통해 제어됩니다.

 

질량 유량계는 각 가스들의 출력을 모니터링 하며, 가스들의 균일한 출력을 유지하기 위해

 

정지형 혼합기를 사용할 수 있습니다.

 

 

연속 가스 혼합은 화학 공정중에 혼합물을 변경해야 하는 경우에 주로 사용됩니다.

 

 

 

 

제거 과정(Subtractive)

 

제거 공정을 통해 공기나 혼합물의 구성중 하나 이상의 구성 성분의 농도를 낮출 수 있습니다.

 

이 공정은 스쿠버 다이빙을 위한 호흡 산소의 니트록스(Nitrox) 및

 

챔버의 블렝켓팅(Blanketing)에 대한 산소 제거에 사용될 수 있습니다.

 

 

압력 스윙 흡착(Pressure Swing Adsorption)

 

압력에 비례하는 매체에 선택적으로 흡착합니다.

 

가스는 고압일 경우 매체에 적재되고, 저압일 경우 배출됩니다.

 

 

반투과성 막 가스 분리(Membrane Gas Separation)

 

가스는 압력 차에 의해 반투과성 막을 통과하게 됩니다.

 

기체의 일부 구성은 다른 기체보다 쉽게 반투과성 막을 통과하며, 저압측 용기에 쌓이게 됩니다.

 

반투과성 막을 통과하는 것이 느린 기체는 고압측에 누적되며,

 

일정한 농도를 유지하기 위해 지속적으로 배출됩니다.

 

이 공정은 가스의 농도를 증가시키기 위해 인위적으로 여러 단계를 반복적으로 진행할 수 있습니다.

 

 

 

 

가스 혼합을 사용하는 응용 분야(Applications)

 

 

가스 혼합은 과학 및 산업 공정, 의료, 식품 생산 및 저장 등 여러 분야에서 사용되고 있습니다.

 

가스 혼합을 사용하는 몇가지 분야의 예시와 특징에 대해 알아보도록 하겠습니다.

 

 

 

실드 가스(Shielding Gases for Welding)

 

 

용접중에 아크열에 녹은 금속을 대기에 내재되어 있는

 

산소, 질소, 이산화탄소 및 수증기 등으로부터 차단하여

 

용접 부위를 보호하기 위한 목적으로 사용되는 가스로, 차폐 가스라고도 불립니다.

 

차폐 가스는 불활성 가스 또는 반투명 가스로, 주로 아르곤, 헬륨 혼합 가스 등이 많이 사용됩니다.

 

 

 

 

식품용 가스 치환 포장(Modified Atmosphere Packaging in the Food Industry)

 

 

가스 치환 포장의 목적은 식품의 기간 및 형태를 보존하는 것으로,

 

과일, 채소, 육류, 과자류 등 대부분의 식품 생산 및 가공 분야에서 사용되고 있습니다.

 

포장용기 내의 공기를 제거한 후,

 

인위적으로 혼합된 가스를 채워넣어 포장을 완료하는 방식으로 사용됩니다.

 

식품을 포장하는데 사용되는 가스의 구성은 제품에 따라 다른데,

 

높은 산소 함량은 고기의 붉은 색을 유지하는데 도움이 되며,

 

낮은 산소량은 과일과 야채의 노화를 늦출 수 있습니다.

 

 

 

양조용 가스 혼합(Gas Mixtures for Brewing)

 

 

스파징(Sparging)

 

와인에 질소와 같은 불활성 가스를 통과시켜 용해된 산소를 제거합니다.

 

적절한 양의 이산화탄소를 주입하기 위해 질소와 이산화탄소 혼합물을 사용할 수 있습니다.

 

 

퍼징과 블렝켓팅(Purging and Blanketing)

 

스파징에 사용한 것과 유사한 가스 혼합물을 이용해 와인 용기 내부의 산소를 제거하는 것을

 

퍼징(Purging) 이라고 하며, 용기 안에 산소가 남아 있는 경우를

 

블렝켓팅(Blanketing), 또는 이너팅(Inerting) 이라고 합니다.

 

 

 

다이빙용 호흡 가스 혼합(Breathing Gas Mixture for Diving)

 

 

호흡 가스는 호흡에 사용되는 기체 화학 원소 및 화합물의 혼합물 입니다.

 

주로 산소를 적절한 농도로 희석시키기 때문에 희석 기체라고도 불립니다.

 

모든 호흡 기체의 필수 구성 요소는 약 0.16 ~ 1.60 bar 의 분산 압력 산소 입니다.

 

마취 혼합물을 제외한 대부분의 산소는 일반적으로 대사 활성 성분으로 구성되어 있습니다.

 

 

 

스쿠버 다이빙(Scuba Diving)

 

스쿠버 다이빙을 위한 가스 혼합은 다이빙용 호흡 용기에 니트록스(Nitrox) 및 트라이믹스(Trimix),

 

헬리옥스(Heliox) 와 같은 비 산소 호흡 가스를 채우는 것입니다.

 

이 가스는 일반적으로 감압병 및 질소 중독의 위험을 줄임으로써

 

다이빙시의 전반적인 안전을 개선하기 위한 것이며, 호흡을 용이하게 하는데 도움을 줄 수 있습니다.

 

 

표면 공급 및 포화 다이빙(Surface Supplied and Saturation Diving)

 

표면 공급 및 포화 다이빙을 위한 가스 혼합은 대용량 저장 용기 및 구급차용 높은 압력의 용기,

 

또는 다이버용 고압 산소 공급 시스템에 직접 공급되는 낮은 압력의 용기에

 

호흡 가스를 채우는 것을 예로 들 수 있습니다.

 

생명 유지 시스템은 사용자에 의해 사용된 산소의 보충 및 호흡으로 인해 발생한

 

이산화탄소의 처리를 동시에 해야 합니다.

 

용기 내의 가스 구성을 모니터링하고, 용기 내부로 들어가는 가스에

 

산소를 주기적으로 첨가하는 동작을 반복해야 합니다.

 

 

 

병원용 가스 혼합(Medical Gas Mixtures)

 

 

병원에서 사용하는 마취 기계는 수술중 환자에게 마취에 필요한 가스와

 

호흡에 필요한 가스를 혼합하는데 사용됩니다.

 

 

가스 혼합 및 전달 시스템은 의사가 산소 분율과 이산화질소 농도 및 휘발성 마취제의 농도를

 

조절할 수 있도록 도와주고, 마취제가 기화기에 의해 첨가될 수 있습니다.

 

 

계량된 가스는 대기압에서 혼합되며 가스는 가습될 수 있습니다.

 

공기는 산소 농도를 낮추기 위한 희석제로 사용되고, 특수한 경우 이산화탄소나 헬륨과 같은

 

다른 기체도 혼합물에 첨가될 수 있습니다.

 

 

가스 혼합 시스템은 솔레노이드 또는 펄스형 분사기를 사용하며,

 

전자식, 기계식, 자동 제어 방식, 수동 제어 방식 등 여러가지 종류가 있습니다.

 

 

 

 

화학 생산 공정(Chemical Production Processes)

 

 

화학 생산 공정을 위한 반응성 혼합 기체가 사용될 수 있습니다.

 

각 공정에 따라 사용되는 가스 및 비율은 다양하게 적용됩니다.

 

가스 혼합물은 공정중에 민감한 재료의 표면에서 공기 또는 다른 가스를 차단하기 위해 사용될 수 있습니다.

 

예를 들어 마그네슘과 같은 반응성 금속의 용융 및 강제 열처리에 사용이 가능합니다.

 

 

 

분석용 가스 혼합물(Customized Gas Mixtures for Analytical Applications)

 

 

교정용 가스(Calibration Gases)

 

스판(Span) 가스는 센서를 알려진 농도의 오염 물질에 노출시켜

 

가스 검출 장비를 테스트하고 교정하는데 사용됩니다.

 

가스는 교정 후 정확한 판독을 보장하기 위해 기준점으로 사용될 수 있도록

 

설정값에 매우 근접하게 구성됩니다.

 

 

제로(Zero) 가스는 일반적으로 측정할 구성 요소가 없는 가스이며,

 

실제 사용할 가스의 성분과 유사한 구성으로 혼합는 가스로, 센서의 영점을 보정하는데 사용됩니다.

 

교정 가스 혼합물은 일반적으로 중량법 또는 체적법으로 생산됩니다.

 

 

중량 측정법은 용기에 추가되는 가스의 양을 계량하기 위해 민감하고 정확하게 보정된 기준을 적용합니다.

 

부정확하거나 불순물로 인해 잘못된 교정이 발생할 수 있으므로, 정확한 측정이 필요합니다.

 

교정 가스 용기는 가능한 한 완벽하게 깨끗해야 하며, 용기는 고순도 질소로 세척이 가능합니다.

 

특히 중요한 혼합물의 경우, 용기 내벽에 부착된 불순물 제거가 용이하도록

 

용기 내부를 진공 상태로 만든 후 가열할 수 있습니다.

 

 

용기에 가스를 충전한 후에는 용기를 수평으로 눕혀 2 ~ 4 시간 정도 굴려주면,

 

가스 혼합물의 모든 성분이 용기 전체에 고르게 분포되는데 도움이 됩니다.

 

 

 

참고

 

위키피디아 : https://en.wikipedia.org/wiki/Gas_blending

지식백과 : http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=735533&cid=50325&categoryId=50325

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=295484&cid=42412&categoryId=42412

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=386871&cid=50346&categoryId=50346

http://terms.naver.com/entry.nhn?docId=507156&cid=42380&categoryId=42380

 

 

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