액화석유가스(液化石油가스, Liquefied Petroleum Gas, LPG)는 유전에서 원유를 채취하거나 원유 정제시 나오는 탄화수소 가스를 비교적 낮은 압력(6~7kg/㎠)을 가하여 냉각 액화시킨 것이다.
LPG 개요
LPG는 다른 화석연료에 비해 지구온난화를 유발하는 이산화탄소를 적게 배출해 친환경·친환경 연료로 널리 인정받고 있다. 또한 질소와 황이 거의 함유되지 않기 때문에 SOx(황산화물)와 NOx(질소산화물)에 대한 대책으로 효과적인 에너지이다. 표준 압력과 온도에서 프로판은 기체 상태로 존재한다. 그러나 영하 42℃에서 액화되며, 액상상태의 부피는 자연상태보다 250배 감소하여, 용기나 탱크에 액체 상태로 저장하거나 운송하여, 현장에서 직접 기화시켜 사용하고 있다. (반면에 천연가스는 훨씬 낮은 온도에서 액화되기 때문에 가스 상태로 공급 받는게 경제적 일 수 있다.)
LPG는 통상 프로페인(C3H8, 비중 1.52. 폭발 범위 2.2~9.5%) 계열과 뷰테인(C4H10) 계열로 나뉘어 지며, 소량의 프로필렌(C3H6), 뷰틸렌(C4H,8) 등의 탄화수소가 단일 물질 또는 혼합물로 구성된 것이다. 발열량은 20,000~30,000Kcal/㎥로 다른 연료에 비해 열량이 높고 냄새나 색깔이 없으며, 가정이나 영업 장소, 택시 및 승용차, 승합차 등 자동차에서 사용하는 LPG에는 누설될 때 쉽게 감지하여 사고를 예방할 수 있는 불쾌한 냄새가 나는 메르캅탄류의 화학 물질을 섞어서 공급한다.
Propane vs. Butane
<표 1> Propane vs. Butane
| 구분 | 용도 | 기화 특성 |
| Propane | 일반가정이나 음식점 등에서 주방용 또는 난방용으로 많이 사용 | 비등점이 -42℃ 이기 때문에 겨울철의 낮은 기온에서도 기화가 쉽게 일어 난다. 따라서, 가정에서 사용하는 프로판가스는 겨울철에도 가스용기를 옥외에 두고 사용할 수 있다.(Calorific value : 24,000kcal/㎥) |
| Butane | 실내에서 사용하는 캐비닛 히터용, 자동차 연료용, 이동식 가스렌지용 등으로 많이 사용 | 비등점이 -0.5℃ 이기 때문에 온도가 낮으면 잘 기화되지 않는다. 따라서, 부탄은 케비넷 히터와 같이 실내에서 사용하거나, 자동차와 같이 강제로 기화시키는 장치를 설치하고 사용해야 한다. (Calorific value : 31,000kcal/㎥) |
LPG 물성
LPG 물성은 다음과 같다.
<표 2> A summary of LPG properties
| LPG – Propane Boiling Point | -42°C or -44°F |
| LPG Melting – Freezing Point | -188°C or -306.4°F |
| Specific Gravity of Liquid LPG-Propane | 0.495 (25°C) |
| LPG Density Propane Gaseous Density | 1.898 kg/m3 (15°C) or 0.1162 lb/ft3 |
| Energy Content of LPG | 25 MJ/L or 91,547 BTU/Gal (60°F) |
| LPG Gaseous Expansion | 1 L (liquid) = 0.27 M3 (gas) |
| Propane Flame Temperature | 1967ºC or 3573ºF |
| Propane Ignition Temperature in Air | 470°C – 550°C (878°F – 1020°F) |
| Limits of Flammability | 2.15% to 9.6% LPG/air |
| Propane Auto Ignition Temperature | 470°C or 878 °F |
| Molecular Weight | 44.097 kg/kmole |
LPG 용기 내 압력
LPG 가스 용기 내벽에 LPG 가스가 가하는 면적 단위당 평균 힘을 LPG 가스 압력이라고 한다. 따라서 실린더 내부의 LPG 압력은 실린더가 가득 찬 시점부터 마지막 액체 LPG가 증발할 때까지 일정하게 유지됩니다. 그리고 남아닜는 LPG 증기를 사용하면 LPG 압력이 떨어진다.
LPG 가스 압력의 단위 환산은 국제 단위계(SI)에 속하는 미터법으로 다음과 같다.
1 atm = 14.7 psia = 0 psig = 101.120 kPa
1. LPG 미사용 시
LPG를 사용하지 않을 경우에는 아래 그림과 같이 LPG 가스 증기 압력은 용기 상부에, 액체 LPG는 하부에 유지된다.
<그림 1> LPG container at idle
LPG는 상부에 압력에 민감한 영역이 있는 실린더 안의 액체이며, 여기에서 LPG 증기로 변환된다.
LPG 실린더는 보통 80%의 용량으로 채워지며, 이는 80%의 액체 및 20%의 증기를 의미한다. 가스를 사용하면 액화석유가스(LPG)가 감소하는 등 비율이 달라진다.
상기와 같이 LPG를 사용하지 않을 경우 LPG 실린더의 압력은 -43℃에서 0bar ~ 70℃에서 24.8bar를 나타내고, 결과적으로 대부분의 감압 밸브는 LPG 실린더가 도달할 수 있는 최대 압력 수준인 약 25bar에 맞춰져 있다.
LPG를 사용하고 있을 경우에는 일반적으로 Propane tank (또는 bottle)내 압력은 38°C(100°F)에서 1183kPa(172psig)를 가진다.
LPG는 실린더(가스) 내부의 액체이자 증기이다. 프로판은 -42°C(-43.6)에서 기화된다.온도 및 압력에 따라 조절한다. 프로판은 압력을 받거나 낮은 온도에서 발생하는 증기이다.
다음은 용기 내 LPG 가스 압력 및 온도 관계를 나타내는 표이다.
<표 3> Pressure and temperature relation in the LPG gas cylinder
| Temperature | Temperature | Pressure | ||
| ºC | ºF | kPa | PSIG | Bar |
| 70 | 158 | 2482 | 360 | 24.8 |
| 60 | 140 | 2013 | 292 | 20.1 |
| 54 | 130 | 1794 | 257 | 17.9 |
| 43 | 110 | 1358 | 197 | 13.6 |
| 38 | 100 | 1186 | 172 | 11.9 |
| 32 | 90 | 1027 | 149 | 10.3 |
| 27 | 80 | 883 | 128 | 8.8 |
| 16 | 60 | 637 | 92 | 6.4 |
| -1 | 30 | 356 | 51 | 3.6 |
| -18 | 0 | 152 | 24 | 1.5 |
| -29 | -20 | 74 | 11 | 0.7 |
| -43 | -45 | 0 | 0 | 0 |
2. LPG 사용 시
LPG 가스를 기기에서 사용하기 위해 LPG를 공급하기 시작하면 가스 용기에 담긴 LPG가 끓기 시작해 LPG 가스 압력이 높아진다.
<그림 2> LPG container under operation
물이 100℃에서 끓어 기체(증기)로 변하듯이, LPG는 -42℃에서 끓어 LPG 가스 증기로 변환된다. 가스 실린더에서 LPG는 압력을 받기 때문에 LPG는 액체 상태로 유지됩니다.
그리고 가스 기기가 꺼지고 LPG 공급이 종료되면 기화 과정도 종료되고, 역진공정(액화공정)이 시작된다.
LPG 액화(Liquefaction)는 LPG 증기를 LPG 액체로 변환하는 방법으로, 증기의 온도와 압력에 따라 달라진다. 증기의 온도가 높을수록 증기를 액체로 변환하는 데 필요한 압력이 높아진다.
Propane 증기가 액화되려면 20℃에서 약 836kPa로 가압되어야 하며, 50℃에서는 약 1,713kPa의 압력이 필요하다. 온도가 낮을수록 증기를 액화시키기가 쉬워진다. 20℃에서 n-Butane 증기가 액화되려면 약 115 kPa의 압력이 있어야 하며, 50℃에서는 약 510 kPa의 압력이 필요하다.
프로판과 부탄 혼합물의 액화 조건은 증기의 온도와 압력뿐만 아니라 혼합물의 구조에 의해서도 영향을 받는다.
어떤 물질의 이슬점(Dew point)은 기체가 액체 상태로 변하는 온도를 말하며, 이를 액화라고 한다.
LPG 안전조치
액화석유가스가 들어 있는 실린더, 탱크 및 병은 올바르게 사용한다면 일반적으로 안전하게 사용할 수 있다.
Propane tank의 최대 정격 압력
Propane tank는 일반적인 작동 LPG 압력보다 훨씬 높은 압력을 견딜 수 있도록 설계되었지만, 여전히 프로판 탱크의 최대 정격 압력 정격을 초과하지 않는 것이 중요하다.
일반적인 Propane tank는 6,895 kPa 또는 1,000 PSIG 이상의 압력에서만 폭발할 수 있다.
즉, 프로판 탱크의 최대 압력 정격은 LPG 가스 실린더-보틀의 정상 작동 압력의 약 5배이다.
LPG 압력 방출 밸브는 Propane tank의 메인 밸브에 내장되어 있다. LPG용 압력 방출 밸브는 일반적으로 2,585kPa(375PSIG)로 설정된다. 프로판 탱크 압력은 온도에 따라 달라집니다.
LPG pressure regulator
사용하는 LPG 가스 압력을 최소화하고 안정적으로 유지하기 위해 LPG-propane 압력 조절기가 사용된다.
천연가스와 LPG-propane 기기의 압력 컨트롤은 각각 1.1kPa와 2.75kPa의 다양한 압력으로 작동한다.
LPG 가스 기기의 실제 LPG 작동 압력은 LPG 가스 실린더의 압력(LPG 가스통 압력)인 2.75kPa보다 현저히 낮다.
LPG 누출
LPG는 천연 상태의 무취 가스이다. 많은 사람들이 LPG와 연관짓는 독특한 프로판 냄새는 단순히 안전 예방책으로 첨가된다. 누출되는 프로판가스는 향기가 없으면 감지되지 않고 농축될 수 있다.
LPG 가스 실린더 자체를 폭발하게 하는 것은 매우 어렵다. 가스 폭발의 대부분은 LPG 가스 등이 누출되어 발생이 된다.따라서 가스통은 야외에 보관하는 경우가 많고,경우에 따라서는 가스검지기를 설치하는 것을 검토한다.
LPG와 직접 접촉
액체 LPG는 노출된 피부에 심각한 냉화상을 입힐 수 있을 정도로 충분히 차가우므로 항상 즉각적인 접촉을 피한다.
Reference : 1. https://esenssys.com/liquefied-petroleum-gas-guide/
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