제6장 저온장치 (가스액화 사이클/가스액화분리장치)

안녕하세요. 여러분, 미루고 미뤄왔던 가스기사에 대한 포스팅을 시작하려고 합니다. 이제 긴 호흡으로 주욱 달려볼 텐데요. 가스기사를 공부하며 수험서만 가지고는 부족함을 느꼈습니다. 그래서 수험서에  고법, 도법, 액법의 3가지 법령과 특히, KGS Code를 곁들이는 방법을 추천드립니다.

 먼저, 가스기사 필기 5과목 중 '가스설비'  과목을 알아보겠는데요.  '가스설비'는 실기시험에서도 그 출제 비중이 높아 60점만 넘는다는 생각은 지양하고, 가능한 최고 득점을 목표로 공부하는 것을 추천드립니다.

 아울러 가스기사 시험 자체가 암기량이 아주 많은 시험이라 자주 보고 또 보고 해야하는데, 대중교통을 이용할 때 등 잠깐 잠깐 시간이 되실 때 가볍게 활용하기 좋은 포스팅으로 생각해주시면 감사하겠습니다. 꼭 암기해야 하는 부분과 제가 만든 암기법이나 재야에 떠돌고 있는 필살 암기법을 종종 넣을 예정이니, 합격하시는데 조금이나마 보탬이 되었으면 좋겠습니다. 자! 시작하겠습니다.

 

 

1. 가스액화 사이클

(1) 가스 액화의 원리

• 단열 팽창 방법: 줄-톰슨 효과*에 의한 방법(뒤에 소개할 공기액화분리장치에서 사용되는 방법)

줄-톰슨효과 자세히 알아보기, 밑에 접은 글 클릭 ↓

  ※ 줄-톰슨 효과: 압축 기체를 단열된 좁은 구멍으로 분출시키면 온도가 변하는 현상을 말한다. 1854년 J.P.줄과 W.톰슨이 실험을 통해 발견하였으며, 이상기체의 경우 단열된 좁은 통로를 빠져나가면 기체의 엔탈피가 같게 되어 온도변화가 생기지 않지만, 실제 기체의 경우 분자간 상호작용이 있기 때문에 온도변화가 생긴다. 일반적으로 상온에서 수소는 온도가 올라가지만 다른 기체는 냉각된다. 그 정도는 압력차를 1기압으로 했을 때, 산소는 약 0.32℃, 공기는 0.26℃인데, 압력차이에 비례하여 그 정도가 커지게 된다. 이들 기체를 더 강하게 압축하여 분출시킬 수 있다면 그 만큼 더 온도가 극적으로 내려가서 액화할 수 있고, 액체공기는 이 원리를 기초로 하여 대략 150기압으로 압축한 공기를 반복하여 가는 구멍으로부터 분출시켜 만들게 된다. 이 효과는 헬륨 등 기체 냉각이나 액화, 에어컨이나 냉장고 등 냉매의 냉각에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 소형 줄-톰슨 냉각장치들이 개발되어 고압실린더의 기체를 직접 사용하고, 유리판에 구멍을 내거나 가는 관을 통해 공기 중으로 기체(주로 질소)를 배출시키는 방법으로 80K 정도의 저온을 쉽게 얻고 있다.

 

• 팽창기에 의한 방법: 피스톤식(왕복동형)과 터빈식(터보형)이 있으며 외부에 일을 하면서 단열 팽창시키는 방식이다.(팽창기는 발전소에서의 터빈과 비슷한 양상을 보이는 듯 하다.)
• 가스액화 사이클
  • 필립스(Philips) 약화 사이클: 수소, 헴륨을 냉매로 하며 2개의 피스톤이 한 실린더에 설치되어 팽창기와 압축기의 역할을 동시에 하는 액화 사이클
  • 클라우드(Claude) 액화 사이클: 린데 사이클 의 등엔탈피 변화인 줄-톰슨밸브효과와 더불어 피스톤 팽창기의 단열팽창(등엔트로피 변화)을 동시에 이용하는 공기액화 사이클
  • 캐피자(Kapitza) 액화 사이클: 클아우드 사이클에서 피스톤 팽창기를 터빈식 팽창기(역브레이턴 사이클)로 대체하여 보다 많은 양의 액화공기를 얻는 형식
  • 린데(Linde) 액화 사이클: 고압으로 압축된 공기를 줄-톰슨 밸브를 통과시켜 자유팽창(등엔탈피 변화)으로 냉각·액화시키는 공기액화 사이클
  • 캐스케이드(Cascade) 액화 사이클: 증기 압축 냉동 사이클에서 다원 냉동 사이클과 같이 비점이 점차 낮은 냉매를 사용하여 저비점의 기체를 액화하는 사이클로 캐스케이드 액화 사이클(다원 액화 사이클)이라 한다. 암모니아 에틸렌, 메탄을 냉매로 사용한다.
  • ▶ 암기법: 필2피 클피 캐터피 린줄(필리핀에 큰 키의 캐터피(포켓몬) 인줄 알았네~)

 

(2) 냉동장치

• 냉동능력
  • 1한국 냉동톤: 0℃ 물 1톤(1,000kg)을 0℃ 얼음으로 만드는 데 1일 동안 제거하여야 할 열량으로 3320kcal/h에 해당된다.  
• 기계적 냉동장치
  • 증기 압축식 냉동장치
    1. 4대 구성요소: 압축기, 응축기, 팽창 밸브, 증발기
    2. 각 장치의 기능
       
       • ① 압축기: 저온·저압의 냉매가스를 고온·고압으로 압축하여 응축기로 보내 응축·액화하기 쉽도록 하는 역할을 한다.
       • ② 응축기: 고온·고압의 냉매가스를 공기나 물을 이용하여 응축·액화시키는 역할을 한다.
       • ③ 팽창밸브: 고온·고압의 냉매액을 증발기에서 증발하기 쉽게 저온·저압으로 교축 팽창시키는 역할을 한다.
       • ④ 증발기: 저온·저압의 냉매액이 피냉각 물체로부터 열을 흡수하여 증발함으로써 냉동의 목적을 달성한다.
  • 흡수식 냉동장치
    1. 4대 구성요소: 흡수기, 발생기, 응축기, 증발기
    2. 냉매 및 흡수제의 종류

냉매	흡수제
암모니아(NH3)	물(H2O)
염화메틸(CH3Cl)	사염화에탄
물(H2O)	리튬브로마이드(LiBr)
블루엔	파라핀유

• 냉매의 구비조건
  1. 저온에서 증발압력이 대기압보다 높고, 상온에서는 응축압력이 낮을 것(▶ P-h 선도를 상기할 것, 증발압력이 높고 응축압력이 낮아야 소요동력(Aw)이 적게 들어 경제적이다.)
  2. 응고점이 낮고 임계온도가 높을 것(▶ 액체구간이 커야함, 즉, 액체가 쉽게 되어야 함)
  3. 증발잠열이 크고, 액체의 비열이 작을 것(▶증발잠열이 커야 냉동효과(q_e)가 높아지고, 액체의 비열이 작아야 열을 쉽게 잃고, 액화하기 쉬운 상태가 될것이다.)
  4. 기체의 비체적이 적을 것(▶ 비체적은 냉매순환량(G)에 영향을 끼칩니다. 비체적이 커지면 냉매순환량도 줄고, 그 만큼 압축기 소요 동력도 작아진다. 그만큼 일을 덜한다는 의미, 결과적으로 냉동능력에 악영향을 미침)
  5. 오일과 냉매가 작용하여 냉동장치에 악영향을 미치지 않을 것
  6. 화학적으로 안정하고 분해하지 않을 것
  7. 금속에 대한 부식성 및 패킹재료에 악영향이 없을 것
  8. 인화 및 폭발성이 없을 것
  9. 인체에 무해할 것(비독성가스일 것)
  10. 경제적일 것(가격이 저렴할 것)

 

2. 가스액화 분리장치

(1) 가스액화 분리장치의 구성

• ① 냉각장치: 냉동 사이클, 가스액화 사이클의 응용으로 가스액화 분리장치의 열 제거를 돕고 액화가스를 채취할 때에는 그것에 필요한 한랭을 보급한다.
• ② 정류장치: 원료가스를 저온에서 분리·정제하는 장치이며 목적에 따라 선정된다.
• ③ 제거장치: 저온이 되면 동결이 되어 장치의 배관 및 밸브를 폐쇄하는 원료가스 중의 수분, 탄산가스 등을 제거하기 위한 장치이다.

(2) 저온 단열법

• ① 상온 단열법: 일반적으로 사용되는 단열법으로 단열공간에 분말, 섬유 등의 단열재를 충전하는 방법이다.
  • 단열재의 구비조건
    1. 열전도율이 작을 것
    2. 적당한 기계적 강도를 가질 것
    3. 흡습성·흡수성이 작을 것
    4. 시공성이 좋을 것
    5. 부피, 비중(밀도)이 작을 것
    6. 경제적일 것
  • 상압 단열법의 주의사항
    • 산소, 액화질소를 취급하는 장치 및 공기의 액화온도 이하의 장치에는 불연성의 단열재를 사용하여야 한다.
    • 단열재 층에 수분이 존재하면 동결로 얼음이 생성될 우려가 있으므로 건조 질소로 치환하여 공기와 수분의 침입을 방지하여야 한다.
• ② 진공 단열법: 공기의 열전도율보다 낮은 값을 얻기 위하여 단열공간을 진공으로 하여 공기에 의한 전열을 차단하는 방법이다.
  • 고진동 단열법: 보온병과 같이 단열 공간을 진공으로 처리하여 열전도를 차단하는 방법
  • 분말진동 단열법: 10^-2torr 정도의 진공 공간에 샌다셀, 펄라이트, 규조토, 알루미늄 분말을 사용하여 단열 효과를 높인 것이다.
  • 다층 진공단열법: 고진공 공간에 알루미늄 박판과 섬유를 이용하여 단열처리를 하는 방법으로 다음과 같은 특징이 있다.

 

3. 가스액화 분리장치 계통과 구조

(1) 공기액화 분리장치

• 고압식 공기액화 분리장치
  • (계통도)

 

• 작동 개요
  1. 원료공기는 압축기에 흡입되어 150~200atm으로 압축되나 약 15atm 중간단에서 탄산가스 흡수기에 이송된다.
  2. 공기 중의 탄산가스는 탄산가스 흡수기에서 약 8% 정도의 가성소다 수용액(NaOH)에 의하여 제거된다.
  3. 압축기에서 나온 고압 원료공기는 열교환기(예랭기)에서 약간 냉각된 후 건조기에서 수분이 제거된다.
  4. 건조기에는 고형 가성소다 또는 실리카 겔등의 흡착제가 충전되어 있으나 최근에는 실리카 겔 등이 충전된 겔 건조기를 많이 사용한다.
  5. 건조기에서 탈습된 원료공기 중 약 절반은 피스톤식 팽창기에 이송되어 하부탑의 압력을 약 5atm까지 단열 팽창하여 약 -150℃의 저온이 된다. 이 팽창공기는 여과기에서 유분이 제거된 후 저온 열교환기에서 거의 액화온도로 되어 복정류탑의 하부탑으로 이송된다.
  6. 팽창기에 송입되지 않은 나머지의 약 반 정도의 원료공기는 각 열교환기에서 냉각된 후 팽창 밸브에서 약 5atm으로 팽창하여 하부탑에 들어간다. 이때 원료공기의 약 20%는 액화하고 있다.
  7. 하부탑에는 다수의 정류판이 있어 약 5atm의 압력 하에서 공기가 정류되고 하부탑 상부에서는 액화질소가, 하부의 산소에는 순도 약 40%의 액체공기가 분리된다.
  8. 이 액화질소와 약화공기는 상부탑에 이송되며, 이때 아세틸렌 흡착기에서 액체공기 중의 아세틸렌 기타 탄화수소가 흡착·제거된다.
  9. 상부탑에서는 약 0.5atm의 압력 하에서 정류되고 상부탑 하부에서 순도 99.6~99.8%의 액화산소가 분리되어 액화산소 탱크에 저장된다.
  10. 하부탑 상부에서 분리된 액화질소는 액화질소 탱크에 저장된다.