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작성일 : 14-05-12 11:16
1. 초저온 액화가스 저장조와 소형용기
 글쓴이 : 최고관리자
조회 : 7,851  

1. 초저온 액화가스 저장조와 소형용기
   
1. CE에 대하여
       
      1 - 1. 구조 
       CE는 원통형 이중구조로써 내조와 외조로 구성되어있으며, 내조는 초저온에 견딜 수 있는 "스테인리스
       스틸”로 되어 있으며, 내조와 외조의 사이에는 “퍼라이트”를 충전하여 고진공으로한 특수 단열 공법이 시공        되어 있습니다. 고진공에 접해있는 내조 및 외조의 벽에서는 항상 강재중에서도 배출가스가 발생합니다.
       퍼라이트중의 함유수분에 대하여도 충분한 전처리를 행하여 고진공 하에서도 충분한 단열 효과가 얻어질 수
       있도록 특수한 전처리 공정을 실시하고 있습니다.
       CE는 입형구조의 것이 많고, 외부에는 가압증발기, 각종 밸브 및 계기류등이 부착되어 있으며, 이들 부속품
       에 의하여 초저온 액화가스의 특성을 이용하여 자동적으로 초저온 액화 가스를 공급하는 장치입니다.
       CE에서 자동적으로 배출된 초저온 액화가스는 일반적으로는 기화기에서 기화시켜 가스의 상태로 소비처에
       공급하지만 때로는 소형 초저온 용기에 이동 충전하거나 또는 목적에 따라서는 CE에서 액체를 뽑아내어
       사용하기도 합니다. 

       1 - 2. 기능 
        CE는 일정한 압력이 가스 또는 액을 뽑아내기 위하여 부속기기가 다음과 같은 기능을 하고 있습니다.
       (1) 송액라인
        저장조의 압력에 의하여 하부에서 액화가스를 배출하는 배관으로 이 배관에 연결되는 기화기에서 기화된
        가스는 2차 배관에 의하여 사용처로 보내게 됩니다.
       (2) 가압라인
        저장조의 하부에 설치되어 있는 가압증발기에서 액화가스를 도입하여 기화된 가스는 저장조상부로 보내어         져 저장조의 압력을 상승시키므로써 저장조내의 액화가스를 송액라인을 통하여 배출시킬 수 있도록 합니다.         배관중에 가압자동변이 설치되어 있어 저장조내의 압력이 일정하게 유지될 수 있도록 조절합니다. 가압 자         동변은 설정된 압력이 이상이 되면 밸브가 자동적으로 닫히게 되어 저장조의 압력이 설정 압력 이상으로 올         라가지 않도록 조정합니다.
       (3) 이코노마이저 라인
        사용중지시에 CE의 내부 압력이 규정압력 이상으로 상승한 경우 사용 개시와 동시에 L2 밸브에 의하여 자동         적으로 과잉의 가스를 송액라인으로 배출하여 내부 압력을 강하시키는 배관입니다.
        이코노마이저 라인이 가스는 이코노마이저 라인과 송액라인이 합쳐지는 부분의 이코노마이저의 분사효과에         의하여 L2 및 C2를 거처 가스가 흐르도록 특수한 구조로 되어 있습니다.
       (4) 충전라인
        탱크로리에서부터 액을 충전하기 위한 배관으로 CE의 하부와 상부에 배관이 연결되어 있습니다. 상부 충전         라인은 초기 충전시의 내조 냉각에 사용할 목적도 있으나, 충전시 CE의 압력 강하용이 목적도 있습니다.
        뒤에 다시 설명하겠지만 내조의 액체 온도는 상부에 이를수록 온도가 높고, 가스층은 온도차가 더욱 큽니다.         상부 충전라인은 이 가스층에 액체를 분사하므로써 내조의 압력을 떨어뜨릴 수가 있습니다.  
        (4) - 1. 탱크로리에서 CE에의 이동 충전
        CE는 보통 7~8㎏/㎠G의 압력으로 사용되고 있으나 충전하는 탱크로리는 보다 압력  이 낮으므로 CE의         압력에 대응하는 포화액의 온도에서 보면 과냉각 상태로 되어 있습니다. CE에 액화가스를 충전하는 경우         하부의 M1밸브만 사용하면 액면이 상승에 따라 기체와 액체가 동시에 평형상태로 되지 않기 때문에 가스         층이 압축되어 압력이 올라갑니다. 반면에 상부에서 충전하면 탱크로리에서 들어오는 액은 압력이 낮으므         로 과냉각된 상태의 액체이며, 기체와 액체의 접촉이 충분히 이루어지므로 상부의 가스가 응축 액화되므로         압력이 떨어집니다. 따라서 실제의 충전시에는 CE의 압력이 변화하지 않도록 하부와 상부에서의 충전을         조절합니다.
       (5) 검액라인
        CE에는 과충전 방지를 목적으로 내용적의 90%위치에 검액관을 설치하여 검액밸브를 달아 둡니다. 일반         적으로 탱크로리에서 CE로 옮겨 충전하는 경우에는 검액변을 약간 열어두면 액면이 내용적의 90%에 도달         하면 검액밸브에서 충전액이 넘쳐흐르므로 충전상태를 확인 할 수 있습니다. 

   2. 액상 온도에 의한 층상화 현상

      
밀폐된 단열 저장조나 용기에 충전된 초저온 액화가스는 외부에서의 열침입에 의하여 액상 전체의 온도가
       균일하게 올라가는 것은 아닙니다. 대체로 상층부일수록 온도가 높고 하부로 내려가면 온도가 낮아 액의
       높이에 대응한 온도분포를 가지고 있습니다. 액상 표면 부분만이 내조의 지시압력에 대응하는 포화액상으로
       액상표면에 가까운 표층부에서는 급격한 온도분포를 가지며, 하부로 내려 갈수록 온도 분포는 완만하여
       어느 깊이 이하에서는 거의 일정한 온도로 됩니다.
      이와 같이 단열용기내의 액체산소, 액체질소 등의 비등점이 낮은 액화가스는 액의 비중이 1.0정도로 물의비
      중에 가까우나 온도변화에 따른 액밀도의 변화가 크며, 예를 들어 상온 부근의 물은 온도차가 30℃정도
      되어도 밀도차는 0.5%정도이나 저비점의 액화가스는 같은 정도의 온도차에서 1.5%전후의 밀도차가 생깁니다.
      액체산소, 질소 등의 생산기지에서 생산된 초저온 액화가스는 설비의 운전압력에 대응한 포화온도 및 액밀도의
      값을 가지며 탱크로리에서 이송 충전된 CE의 온도 및 액밀도는 초기에는 액이 높이에 따라 온도 분포가 달라지
      나 장기간 방치하면 액층부 및 가스층부의 온도는 평형상태에 도달하여 CE내부의 액체온도 및 액체밀도는
       다시 균일하게 됩니다. 
      
CE에 충전된 액화가스는 특히 내조 상부에서 가압증발기에 의한 가압가스가 침입열원이 되어 액상 표면의
       온도가 올라갑니다. 액상 표면의 아래쪽은 열의 전도에 의하여 온도가 상승되며, 또한 몸체에서의 열침입은
       내조벽에 가까운 액의 온도를 상승시키며 이 부분의 액화가스는 가볍게 되어 상부로 이동하고 상부의 온도가
       낮은 액화가스와 자리바꿈을 합니다. 상부 및 몸체에서의 열침입은 표층부의 온도를 상승시키게 되어 내조의
       압력상승의 원인이 됩니다. 결과적으로 CE내의 액체온도는 상층부와 하층부의 액의 온도에 차이가 생깁니다.
      이와 같이 CE의 상부는 하부보다 액이 온도가 높으므로 충전시 상부라인에서 액을 분사시키면 탱크로리의
       과냉각된 액에 의하여 온도를 떨어뜨리며, 기체상의 가스를 응축시키므로 압력을 떨어뜨릴 수 있습니다.
      또 다른 한 예로써 탱크롤리의 내조 압력의 강하 현상을 설명하고자 합니다.
      탱크로리에 액화가스를 충전한 상태로 밀폐시켜 장시간 방치하여 두면 CE와 마찬가지로 압력이 올라갑니다.     
       그러나 그 상태로 차량을 운행하면 어떻게 될까요? 압력은 떨어집니다. 이러한 현상을 정치시에 액상의
       층상화 현상에 의하여 생긴 상하의 온도차가 주행시의 동요에 의하여 교반되어 액의 온도가 균일하게 되어
       액층표면 온도가 낮아짐과 동시에 기체층의 가스가 응축하기 때문입니다. 

   3. 초저온 액화가스의 충전량

     위에서 설명한 바와 같이 CE등과 같은 저장조내의 액화가수는 열침입에 의하여 액의 온도 및 액이 밀도가 변      화합니다. 다시 말하면 내부의 액이 온도가 올라가면 액의 부피도 늘어나게 됩니다. 생산기지에서 생산된 액체      의압력이 1㎏/㎠인 것과 3㎏/㎠인 것은 각각 액의 밀도가 다르기 때문에 CE에의 충전하는 부피가 같아도 액의      밀도가 다르기 때문에 CE등에 충전한 중량은 달라집니다.
     일반적으로 CE에의 충전량은 CE의 액면계와 검액밸브에 의하여 액이 충전되는 것을 확인하고 있으나 CE의      액면계의 눈금기준은 압력의 단위로 되어 있거나, 또는 일정압력에서의 액밀도를 기분으로 환산표시되어 있습      니다. 그러나 실제로는 취급시의 조건에 따라 CE나 탱크로리내의 액의 밀도가 다르므로 액면계가 엄밀히 일치      하는 것은 아니나, 눈으로 보기 쉽기 때문에 사용되고 있습니다.
     충전량과 액면계의 눈금을 일치시키려면 CE내의 액의 압력에 상당하는 액의 밀도에 다른 환산표호 환산하는      방법이 비교적 정확한 방법입니다.
     CE에의 충전은 과충전을 하지 않도록 하여야 합니다. 이 때문에 검액밸브가 붙어 있으며 내용적의 90%의 액      면에서 액이 검출될 수 있도록 되어 있습니다.
     참고로 액체산소의 경우 저장조의 압력이 1㎏/㎠ 및 3㎏/㎠일 때의 액의 밀도를 보면 아래와 같습니다. 

압력 액 의 밀도
1㎏/㎠.G 1.11㎏/ℓ
3㎏/㎠.G 1.06㎏/ℓ

 ※ 1기압 (Atm, 0㎏/㎠ G )에서의 기준밀도는 1.14㎏/ℓ임.

   4. 충전액량의 차이에 의한 압력상승의 차이

    예를 들어 초저온 저장조에 50%의 액량을 충전한 경우나 90%의 액량을 같은 용적의 저장조에서 시간에 따른     압력 변화에 대하여 설명하고자 합니다.
    앞에서도 설명한바와 같이 CE등에 초저온 액화가스를 충전하여 방치하면 외부에서의 열침입에 의하여 CE내     의 압력이 적고 공간이 많은 50%액충전 경우의 압력상승과 액량이 많고 공간이 적은 90%액충전의 경우의 압력     상승은 어느쪽이 크겠습니까?
    결론으로 말하면 액량이 많은 90%액충전을 한 경우가 압력 상승이 적게 됩니다.
    왜냐하면 앞에서도 설명한 바와 같이 액체온도의 층상화 현상에 의하여 상부일수록 액의 온도 및 가스온도가     높아지기 때문입니다. CE 내부의 온도는 상부일수록 높으나 상부의 온도는 서서히 액층부에 전열되어 결국은     가스층과 액층의 온도는 평형상태에 이르게 됩니다. 이는 가스층의 열에너지가 액상부로 흡수되기 때문입니다.     가스의 온도를 상승시키는 에너지와 액의 온도를 상승시키는 에너지는 크게 차이가 많으므로 가스 공간이 많은     저장조 일수록 같은 조건하에서 압력상승이 빠르고, 공간이 적고 액량이 많은 저정조일수록 흡수된 에너지는     액이 온도상승에 소요되므로 압력의 상승은 늦어집니다.

   5. 퍼라이트 진공단열법과 슈-퍼 이슈레이션 단열법
    
    
5 - 1. 퍼라이트 진공단열법
     오늘날 대부분의 초저온 저장조는 퍼라이트 진공단열로써 내조, 외조의 지지대, 배관류를 제외한 단열층에서      의 침입 열량은 그 단열성능에 의하여 결정됩니다.
     진공용 퍼얼라이트의 열전도율은 퍼얼라이트의 충전밀도에 따라 차이가 있으나 이성적인 충전 밀도하에서의      열전도율(인)은 대기압하 초저온 하에서는 2×10-2 Kcal/mh ℃ 정도입니다. 그러나 대기온도와 초저온과의      온도차는 200℃ 전후 또는 그 이상이 되므로 유효하고 경제적인 단열 시공을 하지 않으면 안됩니다. 소형저장      조 일수록 내용적에 비하여 표면적이 증대하며 그만큼 침입열량의 비율도 커집니다.
     이와 같은 문제점을 해결하고 퍼얼라이트의 고유의 열전도율 2×10-2 Kcal/mh ℃을 보다 효과적으로 이용하      기 위하여 단열공간을 진공으로 한 것이 퍼얼라이트 진공 단열법입니다. 진공도가 높으면 높을수록 진공중에      있어서의 공기분자의 확산속도가 늦어지며, 열전도를 적게 할 수 있으나 진공도를 지나치게 높이면 경제성이      적고 진공으로써도 별로 의미가 없습니다.
     여러가지 실험결과에 의하면 퍼얼라이트 진공단열법에서는 어느 진공도 이하에서는 퍼얼라이트 고유의 열전      도율에 지배되나 일정의 진공도 이상에서는 일정치의 열전도율을 가지게 됩니다. 이 조건이 진공도를 경제적      으로 유효한 진공도라 부르고 있습니다. 이 진공도는 5×10-2 Torr로서 이때의 퍼얼라이트 진공단열의 열전도      율은 2.4×10-3Kcal/mh℃로 되어 퍼얼라이트 진공단열은 상압 퍼얼라이트 1/10의 침입 열량이 됨을 알 수 있      습니다.
     퍼라이트 진공단열에 있어서는 쉽게 진공이라고 말하지만 여기에는 많은 문제가 내포되어 있습니다. 가공 기      술은 물론이거니와 철강재 중에서의 배출가스, 퍼얼라이트중의 수분등이 지공 조건하에서 진공중에 배출되어      진공도의 열하를 일으켜 단열성능을 열하시키며, 이들이 문제를 해결하지 않으면 초저온 저장조의 가공을 할      수가 없습니다. 이들의 문제점을 어떻게 해결하는가 하는 것이 그 회사의 기술이며 “노하우”인 것입니다.
     퍼라이트 진공단열법에 있어서 진공도 5×10-2 Torr 이하에서는 열전도율은 일정하여 침입열량도 일정하게 되      나 일반적으로는 로타리 진공펌프로써 1×10-3Torr 가까이 까지 진공배기 시킵니다.
     CE의 침입열에 의한 자연증발량은 CE의 크기에 따라 다르나 산소용의 CE 10000ℓ 경우에 0.4%/day, CE 50000ℓ
     경우에는 0.35%/day 정도로 작아집니다.

      5 - 2. 슈퍼 인슈레이션 단열법
     CE와 같이 형태가 큰 저장조에는 구조상 및 경제성의 문제 때문에 채용되지 않으나 운반용의 소형 초저온
     용기( 시중에는 175ℓ가 많다)의 단열법으로써 채용되고 있습니다.
     이 단열법은 슈퍼 인슈레이션(이하 SI라 부른다.)으로 불리고 있으며, 개략을 설명하면 아래와 같습니다.
     SI는 내용적이 적은 용기로써 내용적에 비하여 표면적의 비가 큰 용상 및 경제적인 아우 등으로 액화헤리움      (LHe), 액체수소(LH2) 등의 특수한 저장조 이외에는 채용되고 있지 않습니다. 열의 이동방법은 말할 필요도      없이 전도, 대류, 복사가 있으며, SI법은 이들이 열을 최소한으로 줄이도록 고안된 것으로 내용적에 대한 표면      적의 비가 큰 175ℓ액체산소용 초저온 용기에 SI단열법이 채택되고 있으나 1.5% ~2%/day의 자연증발이 생깁      니다. SI단열은 퍼얼라이트 진공단열의 단열두께의 약 1/10정도의 두께로 되므로 경량화, 소형화에는 가장 적      당합니다. SI는 공기를 매체로 하여 생기는 대류열을 차단하기 위하여 퍼얼라이트 진공단열 보다도 고진공으      로 만듭니다. 단열재는 퍼얼라이트 대신에 다층 단열재인 반사판을 여러 겹으로 내조 벽측에 감아둔 것으로 이      반사판을 내조에만 접촉하여 있으며, 외조 내벽에는 접촉되지 않도록 만든 것으로 여러 가지 단열방법 중에서      도 가장 우수한 단열법으로 알려져 있습니다. 반사판을 보통 은박지가 이용되고 있으며 감아주는 매수는 허용      침입 열량의 결정에 의하여 결정되나 175ℓ초저온 용기에는 20 ~ 25층 정도로 내조에 원통상으로 감으며, 반사      판의 중간에는 중간단열종이를 반사판의 열단락 방지용으로 함께 원통상으로 감다둔 구조입니다.
     외부에서의 복사열은 반사판의 각층에 의하여 감온되어 외부에서 내조에 이르는 복사열을 크게 줄여 줍니다.      SI단열의 진공도는 1×10-4Torr 이하가 가장 효과적이며, 이때의 열전도율은 5×10-3Kcal/mhr℃로 되어 퍼얼      라이트 진공단열의 2.3×10-3Kcal/mhr℃보다 훨씬 적은 값이 되나 10-3`~10-4이하의 고진공 하에서는 철강      재중의 배출가스가 보다 증가되므로 통상 이들의 배출가스(OUT GAS)는 저온 흡착체(MOLECULAR SIEVE)둥에
      의하여 흡착시킵니다. 그러나 저장조, 용기 등의 전처리가 완전하지 않으면 이 흡착시킵니다.
      그러나 저장조, 용기 등의 전처리가 완전하지 않으면 이 흡착제도 배출가스에 의하여 포화되어 진공도가 떨어
      지게 됩니다. 퍼얼라이트 진공 단열법에서는 진공도가 10-3 ~ 10-2 정도이므로 이들 흡착제를 필요로 하지
      않으며, 진공도 유지의 기술도 충분히 확립되어 있습니다.  이상 퍼얼라이트 진공단열법 및 SI단열법에 대하여
      개략적인 설명을 하였으나 참고가 된다면 다행으로 생각하겠습니다.

    6. 소형초저온 용기(가반식 초저온 용기)
     보통 LGC(LIQUID GAS CONTAINER)라 불리고 있으며 내용적175ℓ의 것이 많고, 단열법으로써는 앞에서 설명      한 슈 - 퍼 인슈레이션이 시공되어 있습니다.
     최고 사용 압력은 14㎏/㎠G의 것이 많으며 CE와 다른점은 조절용 기기 및 밸브류가 상부의 프로텍터
     (PROTECTOR)내에 들어 있으나 부속품의 기능은 CE와 마찬가지입니다.
     LCE의 사용처로써는 소규모 공장으로 가스의 소비량이 비교적 적은 공장에서 사용되며, LGC에의 액은 충전
     은 일반적으로는 CE에 저장된 액을 LGC에 옮겨 충전하여 운반되는 것으로 CE에서 LGC에의 충전 방법은
      아래와 같습니다. 

     6 - 1. 유입식 충전법
     CE와 LGC의 압력차를 이용한 충전방법으로써 LGC의 가스방출밸브를 열어두고 액을 충전하기 때문에 충전      손실이 약 20%정도 됩니다.
     6 - 2. 펌프에 의한 가압충전법
     CE측에 가압 펌프를 설치하여 충전하는 방법으로 상부의 충전 밸브에 액을 넣으면서 가스를 재액화시키면서      충전하므로 충전손실이 약5%정도 밖에 되지 않아 근년에 와서 아주 많이 채용되고 있는 충전 방법이며, 충전      후의 압력은 3 ~ 4㎏/㎠G 정도로 합니다. 가압펌프는 이미 시설되어 있는 LGC 충전라인 중간에 간단히 설치      하여 사용할 수 있습니다.

   7. 초저온 액화가스의 일반적 주의 사항
   
 7 - 1. 일반
     (1) 초저온 액화가스 또는 초저온으로 냉각된 배관, 밸브등에 접촉할 경우에는 가죽으로 만든 장갑을 사용하여           야 합니다. 섬유로 된 장갑은 좋지 않습니다.
     (2) 초저온 액화가스에 손, 손가락 등을 접촉하지 않도록 하여야 하며 접촉될 경우에는 동상의 위험이 있으므           로 특히 주의하지 않으면 안됩니다.
     (3) 개방된 마호병, 바께스 안의 초저온 액화가스중에 호-스, 파이프류등을 넣으면 파이프로 액이 분출되어 눈           에 들어갈 위험이 있으므로 주의를 요합니다.
     (4) 액의 이충전등에 사용하는 배관류 중에는 액이 들어 있을 가능성이 많으므로 특히 취급에 주의를 요합니           다.
     (5) 액을 함부로 흘리거나 누설되는 것을 방치하지 마십시오. 초저온의 액과 접촉하면 철강재도 부서지며, 페           인트, 콘크리트, 아스팔트 등도 손상을 입게 됩니다.
     (6) 산소의 저장 탱크 주변에는 바닥에 아스팔트 시공을 하지 마십시오.
     (7) 초저온 액화가스는 소량이 누설되어도 다량의 가스로 변하므로 주의하여 주십시오. 산소는 약 850배, 질소           는 약690배의 가스로 됩니다.
      
      7 - 2. 액화산소, 산소 가스
      (1) 액화산소를 취급하는 설비의 부근에서 담배를 피우거나 불꽃을 가까이 접근시키지 마십시오.
      (2) 액화산소의 설비를 건물내에 시설할 경우에는 내화 구조로 하고 통풍이 양호한 구조로 하여야 합니다.
      (3) 액화산소 또는 가스와 접촉하는 것은 유지분등을 완전히 세정하여 제거하지 않으면 안됩니다.
      (4) 액화산소를 함부로 흘리지 말아야 합니다. 유지분이 있거나 바닥이 아스팔트로 된 곳에 액화산소를 흘리            게 되면 폭발할 가능성이 있습니다.
      (5) 액화산소가 옷에 닿지 않도록 하십시오. 액화산소에 젖은 옷은 화약과 같습니다.
      (6) 냉각 목적에 액화산소를 사용하지 마십시오.
      (7) 산소 배관의 잡합부 또는 팩킹에 가연성 물질을 사용하지 마십시오.
      (8) 산소 가스를 기밀시험용으로는 사용하지 마십시오.
      (9) 산소 가스 배관내의 스케일, 특히 철 배관내의 녹은 완전히 제거하여 주십시오. 특히 액화산소를 증발시킨            산소가스는 건조 가스이기 때문에 정전기에 의하여 스케일이 연속 폭발하는 경우도 있습니다.
    (10) 산소 가스는 공기중에서는 연소하지 않는 금속이라도 연소시키는 힘을 가지고 있습니다. 산소의 농도, 압           력이 증대하면 연소 속도가 크게 되어 연소 온도도 현저히 높아집니다. 왜냐하면 산소 자체는 연소하지 안           으나 다른 물질을 연소시키는데 불가결하며 공기중에는 타지 않는 물질이라도 산소중에서는 격렬하게 연           소시킬 수 있기 때문입니다. 따라서 산소는 조연성 가스로 부리고 있습니다.