액화질소 저장 및 공급 시스템

액화질소는 사업장에 유용한 용도로 사용하는데 다량으로 사용할 때는 특수하게 제작된 탱크에 매우 낮은 온도로 저장하고, 공정에서 필요시 액화질소(Liquid Nitrogen) 상태 그대로 사용할 수도 있고, 또는 가스가 필요할 경우 기화기를 통하여 액체를 기화시켜 질소가스(Gaseous Nitrogen) 형태로 사용한다. 본 내용은 Air Products 사 기술자료를 바탕으로 구성되었다.

 

 

 

액화질소 저장 및 공급 시스템

 

일반적인 액화질소 공급시스템은 다음 그림과 같이 액 충전부, 초저온저장탱크, 기화기 및 가스공급Unit 등으로 구성되어 있고, 사업장의 공정에서 필요한 용량, 원하는 압력, 순도, 유속, 운영 패턴에 따라 시스템을 선정하고 있다.

 

 

 

<그림 1> 액화 질소 저장 및 공급 시스템(Source: Air Products 기술 자료)

 

 

저장 탱크(Liquid Tank)

● 액화질소 저장탱크는 온도, 압력 및 그 저장탱크의 사용 환경에 따라 적합하게 설계되고 제작되어야 하는데 주요 인자별 대표적인 안전장치는 다음과 같다.

 

Level

- LN2 과충전 시 Tank 내부에 과압이 형성되므로 이를 방지하기 위한 Level Control 설비 설치

- 과충전 시 LN2 유입을 차단시키는 Interlock 설치

Pressure 

- 진공 단열이 된 Tank가 어떤 외부요인(외기 온도 전달 등)으로 인하여 압력이 상승하게 되어 과압 폭발이 발생될 수 있는 바 압력방출장치(PSV 등) 설치

Temperature

- 일반적으로 Tank 내부는 -196℃ 온도를 유지하고 있는데 진공단열이 깨지면 온도가 상승하는 바 온도 감지 설비 설치 

 

 

● 다음은 진공 분말 단열 2중 초저온 탱크(Perlite Powder Vacuum Insulation)의 설계 시방의 예이다.

① 액화질소를 기준 용량 이상 저장할 수 있는 이중 구조의 수직 원통형 탱크로 내조는 스테인레스 재질을 사용하여야 하며, 외조는 압력 용기용 강판의 재질을 사용한 저장 탱크이어야 하며, 한국가스안전공사 검사를 필한 제품이어야 한다.

② 내조와 외조 사이는 진공처리 및 단열 처리하여 액화질소의 증발량이 일일 0.32% 이하의 성능을 발휘할 수 있어야 한다.

③ 탱크에는 액화 질소량을 확인할 수 있는 차압식 액면계와 감압 밸브, 승압 밸브 및 안전 밸브 등이 부착되어야 한다.

④ 액 충전부등 액화 산소 저장 탱크 주변 배관은 노즐 리스트에 적합한 관경과 재질, 부속품을 구비하여 설치하여야 한다.

 

<그림 2> 일반적 초저온저장탱크 구조(Source: Air Products 기술 자료)

 

 

기화기(Vaporizer)

● 기화장치는 기화통 및 그 부속품으로 구성되고 다관식·코일식·캐비닛식 등으로서 그림 3의 예시와 같으며, 열교환 방식에 따라서 대기온도, 전열식, 온수식, 스팀식 등으로 구분하고 있다.

 

● 기화기 후단에는 압력을 Control하는 BPCS가 당연히 설치되어야 한다.

 

● 다음은 대기 가온식(Fin Tube) 기화기에 대한 설계 시방의 사례이다.

① 알루미늄 핀 튜브 형식의 대기 대기식 기화기로서 최대 사용 압력은 3.0㎫이고, 내압시험(3.0㎫)에 합격된 제품을 사용한다.

② 한국가스안전공사의 검사를 필하여야 한다.

③ 탱크 출구로부터 압력조절장치까지의 공급관은 STS304 TP Sch 20S 재질의 배관을 사용한다.

 

 

 

다관식	코일식	캐비닛형 스팀직열식

<그림 3> 기화장치의 종류(Source: Air Products 기술 자료)

 

 

압력 및 온도 제어 장치(Control Manifold)

① 기화기를 통과한 산소의 압력 및 유량을 조절하여 공급하는 장치로 최대사용압력에 견딜 수 있도록 내압시험에 합격된 제품을 설치한다.

② 병렬 타입을 설치하여 병렬 운전에 가능하여야 한다.

 

<그림 4> Manifold 설치도(Source: Air Products 기술 자료)

 

 

가스 배관

● 공급관이후의 기존 배관까지의 가스 배관은 이음매없는 L형 및 동부속품을 사용하여야 하고, 다음은 배관의 접합 및 시공은 시방 사례이다.

① 모든 가스공급관 및 가스배관은 동결, 결빙, 부식과 물리적 손상에 대한 적절한 보호조치를 고려하여야 한다.

② 실내 배관으로 벽, 창 등 구조물의 관통 및 외상을 받을 우려가 있는 장소의 배관에는 외상을 방지하기 위한 보호관을 씌우고, 방화벽 또는 방화복도를 의료가스 배관이 관통할 경우에는 반드시 방화 밀봉제를 사용하여 배관을 하여야 한다.

③ 노출된 배관은 유지류가 통과하는 핏트(PIT), 가연성창고, 전기실, 기계실 고온 고습의 장소나 전선이 교차하는 등의 장소에는 설치하지 않는다.

④ 공급관 및 가스배관은 반드시 절연 처리하고, 타금속배관 또는 전선관등에 접촉하지 않도록 하여야 한다.

⑤ 가스 배관은 접지하여야 한다. 단, 절대로 가스 배관을 타 장비나 설비물의 접지로 사용해서는 안된다.

 

Reference : Air Products 기술 자료