액화질소 냉동 방법 (LN2 to GN2 Cooling Methods)

액화질소는 무엇이고 질소가스는 무엇을 말하는 것일까요? 또한 액화질소를 사용한 냉동 공정은 어떻게 구성되어 있을까요? 과학시간에 배웠던 친근한 원소기호 N2는 질소를 말하는 것이지요. 질소의 상(Phase) 이 액체상태에 있으면 액화질소(LN2 = Liquid Nitrogen) 이며 가스 상태에 있으면 질소가스 (GN2 = Gaseous Nitrogen) 라고 호칭합니다.

• 액화질소 = Liquid Nitrogen = LN2
• 질소가스 = Gaseous Nitrogen = GN2

질소는 여러 응용 분야에서 사용되는 물질입니다. 플랜트 관련 현업에서 근무하다 보면 간혹 듣는 용어가 있는데요 바로 "퍼지-purge" 입니다. N2 Purge는 특정 내부의 공간에 질소를 주입하고 공기를 제거하는 방법을 말합니다. 대형 플랜트, 화학 공장에서 설비를 유지보수 하거나 운전하는 과정에서 N2가 필요할 때가 있습니다. 예를 들어 발전소에서는 1차 충진 및 배출 과정에서 수소 및 공기를 제거하는데 사용하는 것처럼 말이죠. 이외에도 의료용이나 식품, 교반과 같이 다양한 분야에 적용되고 있습니다. 그중에서도 오늘 살펴볼 내용은 초저온 냉각 (Cryocooling) 입니다. 간략하게 설명하면 액체질소(LN2) 를 사용해서 온도를 낮추는 방법입니다.


액화질소의 화학적 특성

내용에 앞서 액체질소에 대한 화학적 특징을 살펴보겠습니다. 액체질소를 취급하고 판매하는 회사의 물질안전보건자료(MSDS)에 의하면 냉각된 질소 액체라고 정의하며 급속냉동이나 Purge, 교반 및 유전공학등 사용한다라고 설명하고 있습니다. 이중에서 눈에 띄는 내용은 극저온 냉화상이 발생할 수 있고 무색 무취이기 때문에 질식을 유발하는 위험물질 및 고압가스로 분류 되어 있습니다. 질소 자체는 물보다 저렴하지만 보관 시에는 물처럼 보관할 수 없기 때문에 이를 보관하기 위한 용기(Tank or Vessel) 과 부대 장치(펌프) 가 필요합니다.

화학적 특징에서 몇 가지 물성치를 보면서 흥미 있는 점을 발견할 수 있습니다. 바로 끊는점과 증기압인데요 대표적인 물질인 물과 비교해보면 재미난 결과를 알 수 있습니다.

내용	질소	물
끓는점	-196 ℃	100 ℃
증기압	760mmhg@ -196 ℃	760mmhg@100 ℃

흥미로운 점이 물이 100℃ 에서 끓기 시작한다면 질소는 -196℃ 에서 끓기 시작 한다는 것입니다. 이말인즉슨 질소의 증기압(Vapor pressure)이 굉장히 높다는 것을 말하는 것이지요. 이해를 돕기 위해 설명을 추가하면 물이 끓는 온도는 100℃ 일때 증기압이 760mmhg 입니다. 반면에 질소가 100℃ 일 때는 이를 계산해보면 증기압이 626,670 mmhg 입니다. 무려.. 약 824.6 배나 높습니다. 이말은 즉슨 질소 자체가 기체가 되려는 성질이 크고 끓는 점이 그만큼 낮다는 것을 의미합니다. 다시 말해 기화가 잘되고 기화가 잘된다는 뜻은 열을 잘 빼앗아 온다는 말이 됩니다. 이로 인해서 액화질소는 냉동에 효과적인 물질이라 할 수 있습니다. (Vapor pressure 에 대한 부분은 별도로 포스팅 예정입니다.) 또한 상온에서는 질소를 액체 상태로 보관하기 위해서는 별도의 저장 탱크를 필요로 하게 되는 것이지요.

액화질소를 이용한 냉동기 PFD

액화질소를 이용한 냉동 공정은 어떻게 구성이 되어 있을까요? 간략하게나마 PFD (Process Flow Diagram)을 그려 보겠습니다.

<Basic - LN2 to GN2 Cooling Methods>

 

낙서에 가까운 PFD가 완성되었습니다. 액화질소를 직접 접촉하여 열교환을 하는 것이 아닌열교환기가 추가되어 있는 간접적 열교환 방식 입니다. LN2 supply tank 에는 액화질소가 가득차 있는 상태이고 열교환기 Cold side 로 냉각 source 인 냉매 (LN2)를 흘려보냅니다. 열교환기 Hot side 를 통해 Heat load 로 부터 넘어온 열원(굵은 빨강) 이 열교환기 내부에서 열전달이 진행됩니다. 액화상태로 들어온 질소가 기화되면서 열을 빼앗으면 액화질소는 결국 무엇이 된다? 질소가스가 되겠죠. 왜? 온도를 전달 받아서 증기압이 상승하고 이로 인해서 상변화를 하였기 때문입니다. 역할을 다 한 LN2는 GN2 로 상변화 후 배기 되는 것으로 목적을 이루었습니다. 열교환기의 흐름 방법이 이해가 안된다면 무엇? 동영상을 통해 확인해 보시기 바랍니다. 열교환기는 기본적으로 Hot side와 Code side로 구분되어 있으며 서로의 물질이 직접적으로 접촉하지 않습니다. 튜브와 배플이라는 격벽사이로 각기 다른 유체가 Cross 상태로 흐르면서 열을 전달하게 되는 것입니다. 아래 그림과 함께 열교환기 내부의 유체 흐름을 정리해보면


Tube side (Code side) 로 Cooling source (LN2) 가 들어오고 Shell(열교환기 몸체) 안에는 냉각하고자 하는 Source fluid (HEAT LOAD) 가 들어옵니다. Baffles 를 타고 넘어가면서 Tube 를 통해 열 전달이 된 후 냉각되어 Shell side out 으로 빠져나가게 되는 것이지요. 조금더 이해하기 쉽게 설명하면 1.5 리터 피트병에 물을 가득 채웁니다. 냉장고에 넣습니다. 냉동시킨 후 햇빛이 있는 밖에 놔둡니다. 이때 피트병(차단막) 이 있고 열원(햇빛) 에 의해 피트병안의 물의 온도가 올라갑니다. (온도는 결국 대기로 방출 되는 것이지요) 올라가면 얼렸던 물은 결국 전도열에 의해서 얼음에서 물로 상변화를 일으키게 되는 것이지요.

 

<Heat exchanger - 출처 위키미디어>

 

극초저온 냉동 (Cryogenic refrigeration)

극초저온 냉동 방법은 낮은 온도를 갖고 있는 냉매를 이용한 방법으로 질소가 가장 대표적인 냉매입니다. 액화질소는 온도가 -196 ℃ 이하 인 것을 생각하면 금방 이해할 수 있습니다. 실험영상같은 것을 보면 금붕어를 액화질소에 넣어서 급속 냉동시킨 후 해동시키는 것을 본적이 있을 것 입니다.

<극저온 액체질소 탱크 - 출처 위키미디어>

 

앞선 내용을 정리해보면 액화질소는 응용분야가 다양하고 화학적 특성으로 무색 무취이며 낮은 온도에서 액화 상태를 유지하고 증기압이 높다는 특징을 갖고 있습니다. 이로 인해 기화열이 높아서 극 초저온 냉동을 위한 냉매로 효과적인 물질이라 할 수 있으며 극 초저온 냉동을 위해서는 반응기를 통한 직접 방식과, 간접방식으로 분류 할 수 있습니다. 간접 방식일 경우에는 열교환기를 추가하여 앞선 PFD와 같은 과정을 통해 열을 흡수하고 LN2 상태에서 GN2 상태로 상변화를 한 후 배출 되는 것 입니다. 액체상태의 낮은 온도의 질소를 냉매로 사용하여 열원으로 부터 열을 전달 받아 가스상태인 질소가스로 상변화를 이루는 화학적 과정을 냉각에 적용한 냉동방법을 LN2 to GN2 Cooling Methods 인 것을 살펴보았습니다.


Inside Insight 였습니다. 본 내용은 글쓴이의 편향적 생각이 포함되어 있으며 상업적 결과를 보증하지 않습니다. Feedback 이나 여러 사람이 함께했으면 하는 주제는 qusinside@gmail.com 으로 알려주세요.