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[기고] 초저온액화가스용기의 활용과 기술에 대하여초저온용기의 올바른 사용과 안전에 대한 제언
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승인 2013.11.06  
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二重진공단열, 액체가스 저장용기의 기술적 구조와 기능

㈜한비크라이오
대표이사 천성흔

산소, 질소, 아르곤 등으로 구성된 공기는 지구상에 무한히 존재하는 기체로 그 자체만으로는 인간의 호흡수단이 될 수 있지만 분리기술을 이용해 각각의 성분을 분리하면 각종 산업분야에서 사용되는 유용한 자원이 될 수 있다.

따라서 산업용가스업계는 공기 중의 산소 78.09%, 질소 20.94%, 아르곤 0.9% 등은 물론 함유량이 0.0001%에도 못 미치는 크립톤, 네온, 아르신, 포스핀 등의 미세한 가스를 각종 공법을 개발해 추출함으로써 산업의 각 분야에서 유용한 소재로서 가치를 평가받게 하고 있다.

이같이 공기를 분리하는 산업용가스 생산기술이 개발되면서 액화가스를 저장하는 용기가 필요하게 되면서 1892년 Sir James Dewar (1842-1923, 영국 스코트랜드의 화학자·물리학자)에 의해 초저온액화가스용기(Cryogenic Liqufied Gas Cylinder : LGC)가 개발됐다. 이에 따라 액화질소(LN2), 액화수소(LH2), 액화산소(LO2) 등 -150℃ 이하의 초저온 액체가스를 저장할 수 있게 됐다. 이후 드와 플라스크(Dewar flask), 금속 보온용기, 구형 초저온 탱크, 초저온 액화공급설비(cold evaporator), 탱크로리 등을 거쳐 오늘날 사용하는 이중진공단열 방식의 용기로 발전돼 산업용 액화가스의 저장은 물론이고 산업의 발전과 더불어 실험용, 연구용, 바이오용, 유전자 보관용 등에 사용하는 초저온 액화가스를 저장하는데 LGC는 없어서는 안 될 용기로 자리 매김하게 됐다.

1. 초저온액화가스용기의 안전, 편리, 경제성

첨단 산업의 발전과 함께 산업용가스의 응용과 사용은 날로 증가하고 있으며 더불어 LGC의 수요량과 종류도 갈수록 증가해 각종 GAS의 저장과 공급에 대한 수요를 만족시키고 있다.

LGC는 기체고압가스 용기를 대체해서 사용되며 사용측면에서 전통적인 기체 고압가스 용기보다 여러가지 측면에서 편리하고 장점이 많다. 즉 더욱 많은 기능과 많은 저장량과 편리한 작업능력을 제공하며 기체와 액체가 분리되어 저장되어 사용에 아주 편리하고 경제적이다.

LGC(Liquid Gas Cylinder)는 액화가스 저장용기의 총칭이다. 뿐만아니라 LGC는 신속하게 기체 고압가스 용기를 대체할 수 있다. 그것은 용량이 크고 옮기기 쉽고 조작하기 쉽고 비교적 안전하기 때문이다.

LGC는 고압으로 기체를 저장하는 것이 아니라 저압의 액체 상태로 저장하며 필요에 따라서 기체로 전환해 사용한다. LGC 하나의 용량은 기체 고압가스 용기 약20개에 상당하며 용기내의 압력은 기체 고압가스 용기의 1/4밖에 되지 않는다는 장점이 있다.

2. 초저온액화가스용기의 기술적 구조

일반적으로 산업용 초저온액화가스를 저장하는 용기는 전 세계적으로 원통형의 이중진공단열 방식으로 제조, 생산되고 있다. 액화가스를 저장하는 내조(통)와 용기를 보호하고 진공을 유지하기 위한 외조(통)로 구성돼 있으며 내조와 외조 사이의 공간은 단열재를 삽입하고 진공을 유지함으로써 외부로부터의 대기열을 최소화하도록 되어 있다.

LGC는 무엇보다 단열성이 뛰어나야 하지만 그보다 더 중요한 것은 사용하는데 안전해야 한다는 것이다. 공교롭게도 단열성과 안전성은 반비례관계가 성립한다. 단열성을 높이려면 외조와 내조의 접촉부위를 최대한 작게 하여 열의 전도를 최소화해야 하지만 접촉부위가 작을수록 용기의 안전에는 소홀히 할 수밖에 없게 된다.

용기가 안전하면서 단열성을 극대화 할 수 있는 설계기술이 없다면 초저온용기의 기능은 상실되게 되는 것이다. 용기의 단열성을 높이기 위해 내.외조 사이 공간에 슈퍼 단열재를 사용한다.

지구상에는 많은 단열재가 있지만 이중 좁은 공간에 가장 효과적이고 효율적인 단열재는 슈퍼 단열재이며 슈퍼 단열재는 이름만큼이나 고가이며 국내에는 생산하는 업체가 없어 전량을 수입에 의존하고 있다.

최근에 중국 모 업체에서 슈퍼 단열재를 생산하고 있는 것으로 전해지고는 있으나 아직까지 중국산 슈퍼 단열재가 검증이 확실시되지 않고 있어 한비의 경우 전량을 미국으로부터 수입해 사용하고 있다.

이미 LGC의 설계, 단열재 사용 등은 이미 알려진 기술일 것이다. 가장 기본적으로는 용기의 단열성을 높이기 위해 또한 내·외조 사이의 진공유지가 중요한 요소이다. 진공작업은 공기를 배기하는 작업만으로 되는 것이 아니다. 진공의 가장 핵심은 얼마만큼의 기간 동안 진공을 유지하느냐가 배기작업 보다 더 중요하기 때문이다.

큰 용량의 진공펌프로 단시간에 진공작업을 해 목표 진공값에 도달되었다고 해서 단열시험을 하면 단기간에는 원하는 단열값이 나올지 모르지만 몇 개월이 지나면 진공은 서서히 파괴될 수 있다. 진공은 영원히 유지하기가 어렵다. 시간의 경과에 따른 문제로 언젠가는 파괴되는 것은 기정 사실이다. 하지만 진공 기술은 이렇게 파괴되는 기간을 얼마나 늦추느냐가 중요한 포인트가 된다.

진공작업 전 내외조사이의 공간에는 공기와 단열재 등에서 나오는 탈가스류, 수분 등이 함유되어 있다. 이는 웅덩이에 고인 물을 완전히 빼려면 처음엔 큰 용량의 펌프로 배수해야 하지만 바닥에 깔린 물은 조금씩 시차를 두고 기다리며 배수해야 완전히 제거될 수 있듯이 진공작업의 원리 또한 비슷한 원리라고 볼 수 있는 것이다.

따라서 탈가스와 수분 등이 완전 배기될 수 있도록 목표 진공값이 되도록 서서히 작업하고 진공 완료 후 공간에 발생되는 수분이나 탈가스류 등을 제거하는 화공약품을 투입해 최대한 진공기간을 늘리는 기술이 필요하다. 결국 수많은 업체들이 초저온용기 제조에 도전했다가 실패하는 원인이 진공작업에 필요한 이론적, 기술적, 경험적인 지식과 노하우가 제대로 갖춰지지 못했던 이유일 것이다.

3. 초저온액화가스용기의 기능과 기술

초저온액화가스용기는 용기 자체의 시스템 운전이라 할 수 있다. 기체 고압용기 같이 단순 조작으로 가스를 사용하고 중단하는 것이 아니다. 초저온액화가스용기는 용기의 압력이 높으면 낮게, 낮으면 높게 조정하도록 승압, 감압기능이 있고 사용자의 필요에 따라 용기에서 액화가스를 직접 추출해 사용하거나 기체로 전환해 사용할 수도 있다.

1) 압력계(Pressure Gauge) 용기의 액화가스가 저장되는 내조의 압력을 나타낸다. 압력계는 부르돈관 작동 압력계 방식으로 한비는 모델에 따라 눈금표시가 다른 압력계를 부착한다.

2) 레밸계(Level Indicator)

용기내의 액화가스량을 나타내는 것이다. 레밸계의 기본 원리는 플로트(Float) 방식이다. 용기내에 액화가스가 저장되면 가벼운 아연봉으로 된 플로트가 스프링의 힘에 의해 량에 따라 변하여 나타내도록 되어 있다. 용기에 충전 액화가스의 종류에 따라 비중이 달라짐으로 플로트의 작동 또한 다르게 나타나서 가스의 종류에 따라 만충전의 표시가 다르게 된다.

한비는 레밸계 그라스에 가스 종류별 만충전 표시를 했다. 플로트 타입 레밸계는 참고용으로 사용하며 정확한 량을 측정하기 위해서는 저울 등을 이용해 무게로 측정해야 한다. 레밸계 그라스의 재질은 포리카보네이트로 압력에는 매우 강하지만 충격에는 약하기 때문에 충격을 피해야 한다.

※.주의 : 레밸계의 스프링은 세밀하게 작동함으로 특히 수직방향 충격이나 떨어 뜨리면 고장의 원인이 된다.

3) 1차 안전밸브(1st Safety Relief Valve)

용기의 내조 기상부에 설치되어 압력이 과다하게 셋팅압력(표2 참조) 이상이 되면 작동 돼 압력을 배출하고 압력이 떨어지면 다시 잠기는 반복적 기능을 하며 용기의 안전사용 을 1차적으로 감당하는 중요한 부품이다.

1차 안전밸브의 구조는 스프링의 탄성을 이용해 압력을 조정하도록 돼 있다. 스프링의 반복적 작동과 이물질의 유입, 겨울철 수분에 의한 동결, 바닷가 염분이나 산성이 많은 화공약품이나 공정에서 사용하는 산화 등으로 스프링이 오작동하거나 고착화돼 작동을 하지 못해 용기가 파열되는 사고가 발생할 수 있기 때문에 수시로 작동여부를 점검해야 한다.

4) 파열판(Rupture Disc, 2nd Safety Disc)

용기의 기상부에 위치하여 1차 안전밸브의 오작동이나 멈춤으로 용기의 압력이 계속 상 승할 경우나 용기의 주변에 화재 등으로 용기의 표면온도가 800℃ 이상되고 진공이 파괴된 경우에도 용기내의 압력이 내압시험압력 이하가 되도록 하기 위한 이중 안전장치다.

파열판의 셋팅압력(표3 참조)은 1차 안전밸브의 셋팅압력 이상과 용기의 내압시험압력 이하에서 작동하도록 돼있다. 파열판이 작동하면 용기의 압력은 완전 소진되며 정해진 규격품으로 교체해야 한다. 압력의 완전 소진 후 즉시 교체하면 용기내의 액화가스는 잔존하고 있으므로 압력을 상승시켜 다시 사용하면 된다.

일반적으로 파열판이 작동하는 것은 용기의 압력이 1차 안전밸브의 셋팅압력 이상되어도 1차 안전밸브가 작동하지 않거나 오랜 기간 압력에 의한 파열판의 피로현상, 초저온과 대기의 접촉으로 급격한 온도차에 의한 파열판 금속조직의 변화, 파열판의 부식 등이 원인이 될 수 있으므로 수시로 점검해야 한다.

5) 승압기능(Pressure Build Up)

용기에서 가스를 사용할 경우 압력이 떨어지게 된다. 따라서 사용자의 사용(셋팅)압력 이하로 떨어지면 퍼규레터가 작동하여 용기 스스로 압력을 상승시키는 기능이다. 퍼규레터는 용기의 종류에 따라 설정 압력이 셋팅돼 있다.

퍼규레터와 연결된 Shut-Off밸브는 퍼규레터의 동작을 조정하는 것으로 가스를 사용할 때는 항상 열어 놓아 사용압력을 유지하게 하고 작업이 끝나면 잠가야 한다.

6) 감압기능(Economizer)

승압기능과 반대의 기능으로서 용기의 압력이 사용(셋팅)압력 이상되면 조정기가 열려 용기 상부의 기체가스가 먼저 사용되어 용기의 압력을 떨어지게 하는 기능이다.
※ 참고 : 용기의 압력이 높아 낮추려면 기체가스를 취출하여야 한다.

7) 액체사용밸브(Liquid Use Valve)

액화가스를 충전하거나 사용할 때 사용하는 밸브이다. 액화가스 저장시설에서 용기에 충전할 때나 충전된 용기에서 액화가스를 사용하고자 할 때 사용하는 밸브이며 사용이 끝나면 잠가야 한다. 밸브에 부착된 니플의 규격은 충전소 마다 다르다.

o. 충전할 때 : 액화가스 저장시설에서 용기에 충전할 경우의 호스(플랙시블)는 초저온용이며 약 19mm(3/4“) 구경 규격의 충전압력에 충분히 견딜 수 있는 될 수 있으면 짧은 것이 좋다.
o. 사용할 때 : 용기에서 액화가스를 취출해 사용하고자 할 경우는 대부분 대기식 기화기를 사용하여 기체가스로 전환 후 사용한다. 용기와 기화기의 간격은 될 수 있으면 짧은 것이 좋으며(최대 3M 이내) 충전 압력에 충분히 견딜 수 있는 초저온용 호스를 사용해야 한다.

8) 기체배출밸브(Vent Valve)

용기내 기상부의 가스를 배출하기 위한 밸브이다. 용기가 소정의 압력을 초과해 상승한 경우는 밸브를 열어 감압시킬 수 있으며 수동 충전시에는 감압용으로, 자동 충전시에는 충전구로 사용되기도 한다.

9) 기체사용밸브(Gas Use Valve)
용기에서 기체가스를 직접 취출해 사용하는 밸브이다. 용기에는 자체 기화기능을 가진 모델(VLC모델)과 기화기를 연결해 액화가스를 취출해 기체가스로 전환해 사용하는 모델 (DLC)모델)이 있다. 자체 기화기능은 용기의 외조 내부에 코일을 감아 대기의 열에 의해 기화돼 기체가스로 사용할 수 있도록 한 것이다. 용기의 기화 기능은 2N㎥/hr 용량으로 설계돼 있다.

※.참고 : 시간당 기화량은 용기의 액화 가스량, 압력에 따라 다르다.
※.한비의 용기는 VLC모델에만 기체사용밸브가 부착 된다.

10) 진공봉절구(Vacuum Disc : 외조파열판)

용기 외조의 상부경판에 위치하며 진공작업을 완료 후 외부의 공기가 흡입되지 않도록 막아주는 금속판이다. 진공봉절구의 금속판은 진공을 유지하도록 하는 기능과 용기가 사고 등으로 인해 급격한 충격을 받거나 외부의 화재 등에 노출되어 내조의 누설이 있을 경우 진공이 파괴돼 금속판이 빠져나와 용기의 폭발을 방지하도록 하는 공용의 기능을 한다. 한비 용기의 진공봉절구는 오랜 기간 동안 사용을 통해 이미 안전도가 증명된 우수한 설계로서 용기의 수리를 간편하고 저렴하게 하며 진공을 오래 보존하게 한다. 한비의 진공봉절구 금속판은 0.5~1bar 이하가 되면 작동한다.

4. 초저온액화가스용기의 안전취급 요령

1) 일반사항
한비의 초저온액화가스용기는 설계 기술상 4배의 안전율을 적용했다. 용기 내부에는 상당한 충격에도 견딜 수 있는 매우 튼튼한 지지 시스템으로 제조됐다. 그러나 불의의 사고를 미연에 방지하고 용기 수명을 연장하기 위하여 용기의 취급에 관한 제반사항을 숙지해야 한다.

산소 함량이 23%가 넘는 산소부화 분위기에서 가연물은 급속히 연소하게 되고 폭발할 수 있다. 통상의 공기 속에서 비가연물이라 하는 물질들도 그러한 분위기에서는 급속히 연 소할 수도 있다. 따라서 모든 종류의 유기화합물이나 다른 가연물들을 산소와 접촉을 차단해야 한다. 특히 유분, 그리스, 석유, 포, 나무, 타르, 석탄먼지 또는 이러한 가연물을 포함한 먼지 등은 산소를 취급하는 곳에서는 가연성가스와 마찬가지로 금연은 물론, 화기취급 등을 엄격히 제한해야 한다. 질소, 아르곤, 탄산가스 등의 가스는 산소의 함량을 떨어뜨릴 수 있어 노출되는 경우에는 호흡곤란을 비롯해 산소결핍에 따른 심한 뇌손상을 주거나 심할 경우 사망에 이르게 할 수도 있다.

한비의 용기는 비록 엄격한 제조기준과 검사기준에 의해 품질관리를 철저히 하고 있으나 사용자의 부주의한 취급에 의해 발생한 손상에 대하여 보증할 수가 없다.

용기는 항상 수직상태로 세워져 있어야 하며 용기를 이동하거나 적재할 경우 굴리거나 충격을 주면 안 된다. 하지만 용기가 넘어지거나 떨어뜨린 경우에는 서서히 수직 상태로 세워 놓고 기체배출밸브를 열어 용기 내부의 압력과 액화가스를 완전히 배출한 후에 ‘용기전도’라는 적색 글씨 태그를 부착해 A/S센터로 보내 용기의 안전상태 점검을 받아야 한다.

2) 취급사항
초저온액화가스의 취급은 매우 주의를 필요로 한다. 안면 보호구, 초저온용 안전장갑, 초저온용 보호 앞치마 등을 착용하고 바지는 안전화 외부 발등을 덮을 수 있도록 착용(발목 덮개를 사용하면 더 좋음)해 액화가스가 튀어도 안전화 속으로 들어가지 않도록 해야 한다.

용기에 한번이라도 에틸렌이나 천연가스를 충전했던 용기에는 산소를 충전하면 절대 안 된다. 이는 금속 표면의 미세한 구멍으로 가연성가스가 들어가서 산소와 반응하여 폭발할 위험이 있기 때문이다. 또한 용기에 사용할 모든 부품은 반드시 산소세정을 한 후에 사용해야 한다.

이와 함께 압축공기용으로 사용해 왔던 부품을 액화용기용으로 사용하면 안 된다. 용기를 움직일 때는 소정의 운반구를 사용하고 눕혀서 저장 또는 수송하지 않고 용기를 운송할 때는 굴리지 말고 양쪽의 링스포트에 있는 구멍에다 후크를 걸고 수직으로 올라가도록 끈을 조정해 장비로 옮겨야 한다. 한비의 용기 핸드링에는 4개의 스포트에 두개의 구멍이 대칭되도록 튼튼한 구조로 설계돼 있어 급격한 충격이 아니면 구부러지거나 휘는 현상이 없다.

3) 사용상 주의 사항
용기마다 정해진 최고 사용압력(각 모델별 1차 안전밸브 세팅 압력) 이상을 초과해 사용하지 않도록 해야 한다. 특히 액화탄산은 약 4bar 이하가 되면 드라이아이스가 되므로 주의가 필요하다. 사용처에서 1차 안전밸브의 설정을 임의로 조정해 사용압력을 높여 사용하는 것은 매우 위험하므로 절대 조작해서는 안 된다.

액화가스를 취출해 기체상태의 많은 량의 가스를 사용할 경우에는 반드시 기화기를 설치 해야 한다. 사용자의 사용 조건(사용량, 사용압력 등)에 따라 용기와 기화기를 선정하고 용기와 기화기의 거리는 최대한 가깝게 설치한다.

용기에 액화가스를 충전할 때는 안전장구의 착용과 충전절차에 의해 충전을 한다. 충전량 을 초과해 충전해서는 절대 안 된다. 초저온액화가스가 기화돼 기체로 변하면 약 600배 이상의 부피로 늘어나 용기의 압력 상승이 빨라지고 위험하므로 규정량(표5)을 충전해야 한다.
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김진성
LGC용기가 생소한 사용자에게 많은 도움이 될 듯하네요...
(2013-11-21 08:48:39)
지나가다가
산소 78 이 아니라 질소 78 이에요
(2013-11-08 09:54:01)
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