게시판 > 질답게시판 > 액화에틸렌 용기 충전 질의

스테파노 Stefano

23-06-15 22:55

A1) 액화가스중 상온에서의 증기압이 용기의 설계압력이하인 경우(예를 들어 프로판, 부탄, 염소 등)에는 용기벽의 온도가 상온에 도달하더라도 증기압이상으로 상승하지 않으며 용기배출밸브가 잠겨있어도 문제가 없습니다.

그러나 초저온 액화가스(예를 들어 액화질소, 액화산소, 액화 에틸렌, 액화천연가스 등)라면 용기벽의 온도가 상승하게 되면 액의 온도가 상승하게 되고 액의 임계온도 이상으로 올라가면 액은 모두 증발하여 용기내는 모두 기체로 채워지면서 압력이 크게 상승하게 됩니다. 이 때 도달할 수 있는 압력은 용기내의 물질이 모두 증발된 후 도달하는 압력이 되는데 그 압력은 바로 기체의 부피, 몰수, 절대온도에 의해 정해지는 기체법칙에 의해 정해지는 압력과 같아질 것입니다. 그 압력이 임계압력 이상의 압력이라고 하면 그 용기내에는 초임계상태의 유체상태로 존재하게 됩니다. (천연가스를 연료로 사용하는 버스들은 이러한 용기들을 부착하여 사용하고 있을 것입니다.)

만일 용기의 설계압력이 그 압력이상이라서 용기가 그 압력에 견뎌 낼 수 있다면 그 압력은 초임계 상태로 저장되는 것이지만 그렇지 않으면 설계압력이상으로 올가가는 가스는 그 설계압력을 초과하는 압력에 맞추어둔 안전밸브를 통해 가스는 밖으로 배출됩니다.

에틸렌의 경우 임계온도 9.5도 이상으로 온도가 올라가면 액상은 존재하지 않고 모두 기상으로 존재하게 되는데 PV=znRT의 기체법칙을 따라 도달하는 절대압력은 P = znRT/V = z (W/M)RT/V......(1)가 됩니다. 여기서 n은 용기에 충전된 에틸렌질량(W kg)을 에틸렌분자량(M)으로 나눈값 즉 에틸렌 kg몰수(kg-mole_Ethylene)입니다.

질문과 관련된 용기내의 에틸렌 양과 용기의 부피, 대기온도, 압축인수 등으로부터 P를 구해보고 그 P값이 용기의 설계압력을 초과하는지 확인해 보세요. 만일 그 압력이 설계압력이하의 압력이라고 하면 그 용기내의 에틸렌 상태는 초임계유체 상태로 저장되어 있는 것이지요. 그리고 만일 그 압력이 설계압력을 초과하게 되면 그 설계압력이상으로 초과하는 량은 안전밸브를 통하여 배출될 수 밖에 없습니다.

A2) 위의 식 (1)로부터 충전정수를 취출해 보면 P = znRT/V = z (W/M)RT/V --> W = M* (P*V/(z*R*T)) .....(2)

에틸렌의 분자량은 28.0532 kg/kg-mole 이고 최고충전 압력 P MPa abs, (273.15+35)K, Ethylene 1 kg-mole일 때 (PV/zRT)값은 (P MPa*22.414 m3/z*(0.0083145 m3-MPa/kg-mole/K*308.15K) = 8.748 P/z [1/kg-mole]

W = 28.0532 (kg/kg-mole)*8.748 P /(z kg-mole) = (2453.409 P/z) kg ......(3) P는 최고충전압력 (MPa), z=압축인수 (-)
위의 (3) 수식은 여유값이 없는 경우의 충전량에 해당합니다.

A3)초임계상태의 밀도를 알고 있고 충전여유값 10%를 적용할 경우라면...

초임계상태의 기체 밀도: Dsc Dsc, [kg/m3]= (W/V)sc = (z*P*M/R*T)sc .....(4); 첨자 sc 는 Super-Critical State
용기부피: V m3

계산상 충전량, W_calc. kg = V/(Dsc) ........(5a) 충전 Allowance 없을 경우

실적용 충전량, W_actual, kg = V*(0.9)/Dsc = V/Dsc*(1/0.9) = V/(1.11 Dsc) .........(5b) 충전부피 10% Allowance 적용시

A4) 만일 용기가 초임계상태의 압력에 견디지 못하는 경우라고하면

이중벽 용기로 제작하고 중간벽에는 진공상태의 고체충전물(Perlite 같은 물질)을 사용하고 용기는 간단히 눌러놓는 정도의 뚜 껑으로 덮어 둘 수 있습니다. 단, 이때 대기압 상태라고 하면 대기압 비점 -103.71 ℃의 액체 온도가 유지되고 단열상태에서 침투되는 열량에 해당하는 만큼의 에틸렌은 대기압상태 증발잠열로 나눈 값 만큼이 증발되어 손실될 것입니다.

인화/폭발성 물질이기 때문에 대기상태에서 노출이 되지 않도록 안전하게 소각처리하거나 저온상태에서 회수하는 시설이 추가로 필요하겠지요.

A1) 액화가스중 상온에서의 증기압이 용기의 설계압력이하인 경우(예를 들어 프로판, 부탄, 염소 등)에는 용기벽의 온도가 상온에 도달하더라도 증기압이상으로 상승하지 않으며 용기배출밸브가 잠겨있어도 문제가 없습니다.

그러나 초저온 액화가스(예를 들어  액화질소,  액화산소, 액화 에틸렌, 액화천연가스 등)라면 용기벽의 온도가 상승하게 되면 액의 온도가 상승하게 되고 액의 임계온도 이상으로 올라가면 액은 모두 증발하여 용기내는 모두 기체로 채워지면서 압력이 크게 상승하게 됩니다.  이 때 도달할 수 있는 압력은 용기내의 물질이 모두 증발된 후 도달하는 압력이 되는데  그 압력은 바로 기체의 부피, 몰수, 절대온도에 의해 정해지는 기체법칙에 의해 정해지는 압력과 같아질 것입니다.   그 압력이 임계압력 이상의 압력이라고 하면 그 용기내에는 초임계상태의 유체상태로 존재하게 됩니다.   (천연가스를 연료로 사용하는 버스들은 이러한 용기들을 부착하여 사용하고 있을 것입니다.)

만일 용기의 설계압력이 그 압력이상이라서 용기가 그 압력에 견뎌 낼 수 있다면 그 압력은 초임계 상태로 저장되는 것이지만 그렇지 않으면 설계압력이상으로 올가가는 가스는 그 설계압력을 초과하는 압력에 맞추어둔  안전밸브를 통해 가스는 밖으로 배출됩니다.

에틸렌의 경우 임계온도 9.5도 이상으로 온도가 올라가면 액상은 존재하지 않고 모두 기상으로 존재하게 되는데  PV=znRT의 기체법칙을 따라 도달하는 절대압력은  P = znRT/V =  z (W/M)RT/V......(1)가 됩니다.    여기서  n은 용기에 충전된 에틸렌질량(W kg)을 에틸렌분자량(M)으로 나눈값 즉 에틸렌 kg몰수(kg-mole_Ethylene)입니다.

질문과 관련된 용기내의 에틸렌 양과 용기의 부피, 대기온도, 압축인수 등으로부터 P를 구해보고  그 P값이 용기의 설계압력을 초과하는지 확인해 보세요.  만일 그 압력이 설계압력이하의 압력이라고 하면 그 용기내의 에틸렌 상태는 초임계유체 상태로 저장되어 있는 것이지요.   그리고 만일 그 압력이 설계압력을 초과하게 되면 그 설계압력이상으로 초과하는 량은 안전밸브를 통하여 배출될 수 밖에 없습니다.

A2) 위의 식 (1)로부터  충전정수를 취출해 보면    P = znRT/V =  z (W/M)RT/V  --> W = M* (P*V/(z*R*T))  .....(2)

에틸렌의 분자량은 28.0532  kg/kg-mole 이고 최고충전 압력 P MPa abs, (273.15+35)K, Ethylene 1  kg-mole일 때 (PV/zRT)값은  (P MPa*22.414 m3/z*(0.0083145 m3-MPa/kg-mole/K*308.15K) = 8.748 P/z  [1/kg-mole]

W = 28.0532 (kg/kg-mole)*8.748 P /(z kg-mole) = (2453.409 P/z)  kg    ......(3)   P는 최고충전압력 (MPa),  z=압축인수 (-)  
위의 (3) 수식은 여유값이 없는 경우의 충전량에 해당합니다.

A3)초임계상태의 밀도를 알고 있고 충전여유값 10%를 적용할 경우라면...

초임계상태의 기체 밀도:   Dsc      Dsc,  [kg/m3]=  (W/V)sc = (z*P*M/R*T)sc .....(4);   첨자 sc 는 Super-Critical State  
용기부피:   V m3

계산상 충전량, W_calc.  kg =  V/(Dsc) ........(5a) 충전 Allowance 없을 경우

실적용 충전량, W_actual, kg = V*(0.9)/Dsc = V/Dsc*(1/0.9) = V/(1.11 Dsc) .........(5b)  충전부피 10% Allowance 적용시

A4) 만일  용기가 초임계상태의 압력에 견디지 못하는 경우라고하면

이중벽 용기로 제작하고 중간벽에는 진공상태의 고체충전물(Perlite 같은 물질)을 사용하고  용기는 간단히 눌러놓는 정도의 뚜 껑으로 덮어 둘 수 있습니다.   단, 이때 대기압 상태라고 하면 대기압 비점 -103.71 ℃의 액체 온도가 유지되고 단열상태에서  침투되는 열량에 해당하는 만큼의 에틸렌은  대기압상태 증발잠열로 나눈 값 만큼이 증발되어 손실될 것입니다.

인화/폭발성 물질이기 때문에  대기상태에서 노출이 되지 않도록 안전하게 소각처리하거나 저온상태에서 회수하는 시설이 추가로 필요하겠지요.