| 초저온 액화가스 저장조와 소형용기 | |||||||||
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본문1. 초저온 액화가스 저장조와 소형용기 1. CE에 대하여 되어 있습니다. 고진공에 접해있는 내조 및 외조의 벽에서는 항상 강재중에서도 배출가스가 발생합니다. 1 - 2. 기능 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. 적으로 과잉의 가스를 송액라인으로 배출하여 내부 압력을 강하시키는 배관입니다. 의하여 L2 및 C2를 거처 가스가 흐르도록 특수한 구조로 되어 있습니다. 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. 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. 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
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 밀도가 다르기 때문에 CE등에 충전한 중량은 달라집니다. 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. 방법이 비교적 정확한 방법입니다. 면에서 액이 검출될 수 있도록 되어 있습니다.
※1기압(atm, 0kg/cm2G) 에서의 기준밀도는 1.14kg/ℓ임.
4. 충전액량의 차이에 의한 압력상승의 차이 예를 들어 초저온 저장조에 50%의 액량을 충전한 경우나 90%의 액량을 같은 용적의 저장조에서 시간에 따른 압력변화에 대하여 설명하고자 한다. 앞에서도 설명한바와 같이 CE등에 초저온 액화가스를 충전하여 방치하면 외부에서의 열침입에 의하여 CE내의 압력이 적고 공간이 많은 50% 액충전의 경우의 압력상승과 액량이 많고 공간이 적은 90%액 충전의 경우의 압력 상승은 어느 쪽이 크겠는가? 결론으로 말하면 액량이 많은 90% 액충전을 한 경우가 압력 상승이 적게 된다. 왜냐하면 앞에서도 설명한 바와 같이 액체온도의 층상화 현상에 의하여 상부일수록 액의 온도 및 가스온도가 높아지기 때문이다. CE 내부의 온도는 상부일수록 높으나 상부의 온도는 서서히 액층부에 전열되어 결국은 가스층과 액층의 온도는 평형상태에 이르게 된다. 이는 가스층의 열에너지가 액상부로 흡수되기 때문이다. 가스의 온도를 상승시키는 에너지와 액의 온도를 상승시키는 에너지는 크게 차이가 많으므로 가스 공간이 많은 저장조 일수록 같은 조건하에서 압력상승이 빠르고 공간이 적고 액량이 많은 저장조일수록 흡수된 에너지는 액의 온도상승에 소요되므로 압력의 상승은 늦어진다.
5. 펄라이트 진공단열법과 슈퍼 인슈레이션 단열법 5-1. 펄라이트 진공단열법 오늘날 대부분의 초저온 저장조는 펄라이트 진공단열로써 내조, 외조의 지지대, 배관류를 제외한 단열층에서의 침입 열량은 그 단열성능에 의하여 결정된다. 진공용 펄라이트나 열전도율은 펄라이트 충전밀도에 따라 차이가 있으니 이상적인 충전밀도에서의 열도도율(인)은 대기압하 초저온 하에서는 2×10-2kcal/mh°c정도이다. 그러나 대기온도와 초저온과의 온도차는 200°C 전후 또는 그 이상이 되므로 유효하고 경제적인 단열 시공을 하지 않으면 안 된다. 소형 저장조 일수록 내용적에 비하여 표면적이 증대하며 그만큼 침입열량의 비율도 커진다. 이와 같은 문제점을 해결하고 펄라이트의 고유의 열전도율 2×10-2kcal/mh°c을 보다 효과적으로 이용하기 위하여 단열공간을 진공으로 한 것이 펄라이트 진공 단열법이다. 진공도가 높으면 높을수록 진공 중에 있어서의 공기분자의 확산속도가 늦어지며, 열전도를 적게 할 수 있으나 진공도가 지나치게 높으면 경제성이 적고 진공으로써도 별로 의미가 없다. 여러 가지 실험결과에 의하며 펄라이트 진공단열법에서는 어느 진공도 이하에서는 펄라이트 고유의 열전도율에 지배되거나 일정의 진공도 이상에서는 일정치의 열전도율을 가지게 된다. 이 조건이 진공도를 경제적으로 유효한 진공도라 부르고 있다. 이 진공도는 5×10-2Torr로서 이때의 펄라이트 진공단열의 열전도율은 2.4×10-3kcal/mh°c로 되어 펄라이트 진공단열은 상압 펄라이트 1/10의 침임을 열량이 됨을 알 수 있다. 펄라이트 진공단열에 있어서는 쉽게 진공이라고 말하지만 여기에는 많은 문제가 내포되어 있다. 가공기술은 물론이거니와 철강재 중에서의 배출가스, 펄라이트 중의 수분 등이 진공 조건 하에서 진공 중에 배출되어 진공도의 열하를 일으켜 단열성능을 열하시키며, 이들이 문제를 해결하지 않으면 초저온 저장조의 가공을 할 수가 없다. 이들의 문제점을 어떻게 해결하는가 하는 것이 그 회사의 기술이며 노하우인 것이다. 펄라이트 진공단열법에 있어서 진공도 5×10-2Torr 이하에서는 열전도율은 일정하여 침입열량도 일정하게 되나 일반적으로 로타리 진공펌프로써 1×10-3Torr 가까이까지 진공배기 시킨다. CE의 침입열에 의한 자연증발량은 CE의 크기에 따라 다르나 산소용의 CE 10000ℓ 경우에 0.4%/day, CE 50000ℓ 경우에는 0.35%/day 정도로 작아진다.
5-2. 슈퍼인술레이션 단열법 CE와 같이 형태가 큰 저장조에는 구조상 및 경제성의 문제 때문에 채택되지 않으나 운반용의 소형 초저온 용기(시중에는 175ℓ가 많다)의 단열법으로써 채택되고 있다. 이 단열법은 슈퍼인술레이션(이하 SI라 부른다)으로 불리고 있으며, 개략을 설명하면 아래와 같다. SI는 내용적이 적은 용기로써 내용적에 비하여 표면적의 비가 큰 용상 및 경제적인 이유 등으로 액체헬륨(LHe), 액체수소(LH2)등의 특수한 저장조 이외에는 채용되고 있지 않다. 열의 이동방법은 말할 필요도 없이 전도, 대류, 복사가 있으며, SI법은 이들이 열을 최소한으로 줄이도록 고안된 것으로 내용적에 대한 표면적의 비가 큰 175ℓ 액체산소용 초저온 용기에 SI단열법이 채택되고 있으나 1.5∼2%/day의 자연증발이 생긴다. SI단열은 펄라이트 진공단열의 단열두께의 약 1/10정도의 두께가 되므로 경량화, 소형화에는 가장 적당하다. SI는 공기를 매체로 하여 생기는 대류열을 차단하기 위하여 펄라이트 진공단열 보다도 고진공으로 만든다. 단열재는 펄라이트 대신에 다층 단열재인 반사판은 여러 겹으로 내조 벽측에 감아둔 것으로 이 반사판을 내조에만 접촉하게 하며, 외조 내벽에는 접촉되지 않도록 만든 것으로 여러 가지 단열방법 중에서도 가장 우수한 단열법으로 알려져 있다. 반사판을 보통 은박지가 이용되고 있으며 감아주는 매수는 허용 침입 열량의 결정에 의하여 결정되나 175ℓ 초저온 용기에는 20∼25층 정도로 내조에 원통상으로 감으며, 반사의 중간에는 중간단열종이를 반사판의 열단락 방지용으로 함께 원통상으로 감아둔 구조이다. 외부에서의 복사열은 반사판의 각층에 의하여 감온되어 외부에서 내조에 이르는 복사열을 크게 줄여 준다. SI단열의 진공도는 1×10-4Torr 이하가 가장 효과적이며, 이때의 열전도율은5×10-3kcal/mhr℃로 되어 펄라이트 진공단열의 2.3×10-3kcal/mhr℃ 보다 훨씬 적은 값이 되나 10-3∼10-4 이하의 고진공 하에서는 철강재중의 배출가스가 보다 증가되므로 통상 이들의 배출가스(OUT GAS)는 저온 흡착제(MOLECULAR SIEVE)등에 의하여 흡착시킨다. 그러나 저장조, 용기 등의 전처리가 완전하지 않으면 이 흡착제도 배출가스에 의하여 포화되어 진공도가 떨어지게 된다. 펄라이트 진공 단열법에서는 진공도가 10-3∼10-2정도이므로 이들 흡착제를 필요로 하지 않으며, 진공도 유지의 기술도 충분히 확립되어 있다.
6. 소형초저온 용기(가반식 초저온 용기) 보통 LGC(LIQUID GAS CONTAINER)라 불리고 있으며 내용적이 175ℓ인 것이 많고, 단열법으로써는 앞에서 설명한 슈퍼 인술레이션이 시공되어 있다. 최고 사용 압력은 14kg/cm2G의 것이 많으며 CE와 다른 점은 조절용 기기 및 밸브류가 상부의 프로텍터(PROTECTOR)내에 들어 있으나 부속품의 기능은 CE와 마찬가지이다. LGC의 사용처로써는 소규모 공장으로 가스의 소비량이 비교적 적은 공장에서 사용되며, LGC으로의 액 충전은 일반적으로는CE에 저장된 액을 LGC에 옮겨 충전하여 운반되는 것으로 CE에서 LGC에의 충전 방법은 아래와 같다.
6-1. 유입식 충전법 CE와 LGC의 압력차를 이용한 충전방법으로써 LGC의 가스방출밸브를 열어두고 액을 충전하기 때문에 충전 손실이 약 20%정도 된다.
6-2. 펌프에 의한 가압 충전법 CE측에 가압 펌프를 설치하여 충전하는 방법으로 상부의 충전 밸브에 액을 넣으면서 가스를 재 액화 시키면서 충전하므로 충전손실이 약5% 정도 밖에 되지 않아 근년에 와서 아주 많이 이용되고 있는 충전 방법이며, 충전 후의 압력은 3∼4kg/cm2G 정도로 한다. 가압펌프는 이미 시설되어 있는 LGC 충전라인 중간에 간단히 설치하여 사용할 수 있다.
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