가스기능장 준비 (6장 가스 발생설비의 구조 -4)

2. 가스액화 분리장치 구조

1) 가스액화의 원리

1-1) 단열 팽창법 : 팽창밸브에 의한 방법으로 유체를 자유 팽창시켜 온도가 강하되는 줄-톰슨 효과에 의한 방법이다.

1-2) 팽창기에 의한 방법 : 피스톤식과 터빈식이 있으며 이것은 외부에 대해 일을 하면서 단열 팽창시키는 방법이다.

1-3) 가스액화 사이클

린데 액화 사이클 : 단열팽창을 이용한 것이다.

클라우드 액화 사이클 : 팽창기에 의한 단열교축 팽창을 이용한 것으로 피스톤식 팽창기를 사용한다.

캐피자 액화 사이클 : 공기 압축 압력 7 atm으로 낮고, 열교환기에 축랭기를 사용하여 원료 공기를 냉각시킴과 동시에 수분과 탄산가스를 제거한다. 터빈식 팽창기를 사용한다.

필립스 액화 사이클 : 실린더 중에 피스톤과 보조 피스톤이 있고, 양 피스톤의 작용으로 상부에 팽창기, 하부에 압축기가 구성된다. 냉매는 수소, 헬륨을 사용한다.

캐스케이드 액화 사이클 : 증기 압축 냉동 사이클에서 다원 냉동 사이클과 같이 비점이 점차 낮은 냉매를 사용하여 저비점의 기체를 액화하는 사이클로 다원 액화 사이클이라 한다. 암모니아, 에틸렌, 메탄을 냉매로 사용한다.

1-4) 액화의 조건

임계온도 이하, 임계 압력 이상

임계온도 : 액화를 시킬 수 있는 최고의 온도이다.

2) 가스액화 분리장치의 구성

2-1) 한랭 발생장치 : 냉동사이클, 가스액화 사이클의 응용으로 가스액화 분리장치의 열 제거를 돕고 액화가스를 채취할 때에는 그것에 필요한 한랭을 공급한다.

2-2) 정류 장치 : 원료가스를 저온에서 분리, 정제하는 장치이며 목적에 따라 선정된다.

2-3) 불순물 제거장치 : 저온이 되면 동결이 되어 장치의 배관 및 밸브를 폐쇄하는 원료 가스 중의 수분, 탄산가스 등을 제거하기 위한 장치이다.

3) 가스액화 분리장치용 기기

3-1) 팽창기 : 압축 기체가 피스톤, 터빈의 운동에 대하여 일을 할 때 등엔트로피 팽창을 하여 기체의 온도를 강하시키는 역할을 한다.

왕복동식 팽창기 : 팽창비가 약 40 정도로 크나 효율은 60~65%로 낮다. 처리 가스양이 1000 m3/h 이상이 되면 다기통이 되어야 하며 내부의 윤활유가 혼입 될 우려가 있으므로 유분리기를 설치하여야 한다.

터보 팽창기 : 내부에 윤활유를 사용하지 않으며 회전수가 10000~20000 rpm정도이고, 처리 가스 양이 10000 m3/h 이상도 가능하다. 팽창비는 약 5 정도이고, 충동식, 반동식, 반경류 반동식이 있으며 반동식은 효율이 80~85% 정도로 높다.

3-2) 축랭기 : 원동상의 용기 내부에 표면적이 넓고, 열용량이 큰 충전물이 들어 있으며, 고온의 가스와 저온의 가스가 서로 반대방향으로 흐르며 원료 가스 중의 불순물이 제거되는 열교환기이다. 축랭체로는 주름이 있는 알루미늄 리본을 사용하였으나 근래에는 자갈을 충전하여 사용한다.

3-3) 재생식 열교환기 : 온도가 높고 압력이 있는 원료 공기와 저온의 질소가스가 재생 통로를 통하고 열교환을 하는 것으로 축랭기와 같이 사용된다.

3-4) 정류탑 : 2 성분 이상의 혼합액을 저온으로부터 각 성분의 비점에 따라 순수한 상태로 분리 정제하는 장치로 단식 정류탑과 복식 정류탑이 있다.

3-5) 저 비점 액체용 펌프 : 저온, 열응력, 캐비테이션 등을 고려하고, 저온에 견딜 수 있는 금속재료를 선택하여 제작하여야 한다. 축봉장치는 일반적으로 메커니컬 실을 사용한다. 저 비점 액체용 펌프를 사용할 때의 주의사항은 다음과 같다.

펌프는 가급적 저장탱크 가까이 설치한다.

펌프의 흡입, 토출관에는 신축이음장치를 설치한다.

밸브와 펌프 사이에 기화 가스를 방출할 수 있는 안전밸브를 설치한다.

운전 개시 전 펌프를 청정하여 건조한 다음 예냉 하여 사용한다.

3-6) 액면계 : 햄프슨식 액면계를 사용한다.

3-7) 밸브 : 밸브 본체는 극저온에 접촉되지만 밸브 축, 밸브 핸들 등은 상온에 있어 이곳을 통한 열손실이 발생하므로 열손실을 줄이기 위하여 다음과 같은 대책을 강구하여야 한다.

장축 밸브로 하여 열의 전도를 방지한다.

열전도율이 적은 재료를 밸브 축으로 사용한다.

밸브 본체의 열용량을 적게 하여 가동 시의 열손실을 적게 한다.

누설이 적은 밸브를 사용한다.

4) 가스 분리장치

4-1) 암모니아 합성가스 분리장치

개용 : 암모니아 합성에 필요한 조성 가스의 혼합가스를 분리하는 장치이다. 이 장치에 공급되는 코크스로 가스는 탄산가스, 벤젠, 일산화질소 등의 불순물을 포함하고 있어 미리 제거하여야 한다. 특히 일산화탄소는 저온에서 디엔류와 반응하여 폭발성의 검(gum)상을 만들기 때문에 제거하여야 한다.

작동 개요 : 12~25 atm으로 압축되어 예비 정제된 코크스로 가스는 제1 열교환기, 암모니아 냉각기, 제2, 제3, 제4 열교환기에서 순차적으로 냉각되어 고비점 성분이 액화 분리된다. 이 가운데 에틸렌은 제3 열교환기에서 액화한다.

제4 열교환기에서 약 -180도 까지 냉각된 코크스로 가스는 메탄 액화기에서 -190도까지 냉각되어 메탄이 액화하여 제거된다.

메탄 액화 기를 나온 가스는 질소 세정탑에서 액체질소에 의해 세정되고 남아 있던 일산화탄소, 메탄, 산소 등이 제거되어 약 수소 90%, 질소 10%의 혼합가스가 된다.

이것에 적량의 질소를 혼합하여 3H2 + N2의 조성으로 하고 제4, 제3, 제2, 제1 열교환기에서 온도가 상승하여 채취된다.

고압 질소는 100~200 atm의 압력으로 공급되고 각 열교환기에서 냉각되어 액화된 후 질소 세정탑에 공급된다.

5) 저온 단열법

5-1) 상압 단열법 : 일반적으로 사용되는 단열법으로 단열 공간에 분말, 섬유 등의 단열재를 충전하는 방법이다.

- 단열재의 구비조건

열전도율이 작을 것

흡습성, 흡수성이 작을 것

적당한 기계적 강도를 가질 것

시공성이 좋을 것

부피, 비중이 작을 것

경제적일 것

- 상압 단열법의 주의사항

산소, 액화질소를 취급하는 장치 및 공기의 액화 온도 이하의 장치에는 불연성의 단열재를 사용하여야 한다.

단열재 층에 수분이 존재하면 동결로 얼음이 생성될 우려가 있으므로 건조 질소로 치환하여 공기와 수분의 침입을 방지하여야 한다.

5-2) 진공 단열법

공기의 열전도율보다 낮은 값을 얻기 위하여 단열 공간을 진공으로 하여 공기에 의한 전열을 차단하는 단열법이다.

고진공 단열법, 분말 진공 단열법, 다층 진공 단열법이 있다.