KR101912208B1

KR101912208B1 - 기체 배출량의 추정 방법

Info

Publication number: KR101912208B1
Application number: KR1020187011900A
Authority: KR
Inventors: 마사히로 가와사키; 다카시 이이츠카; 겐이치로 가도; 마나부 구마가미
Original assignee: 닛끼 가부시끼가이샤
Priority date: 2016-03-04
Filing date: 2016-03-04
Publication date: 2018-10-26
Also published as: CN108369122A; US20190017858A1; CN108369122B; US10309819B2; WO2017149760A1; JPWO2017149760A1; KR20180049170A; JP6019271B1

Abstract

(과제) 휘발성 물질을 포함하는 액체를 저장한 고정 지붕식의 저장탱크로부터의 기체의 배출량을 보다 정확하게 추정하는 기체 배출량의 추정 방법을 제공한다. (해결 수단) 휘발성 물질을 포함하는 액체(31)를 저장하는 저장탱크(1)로부터의 기체 배출량을 추정함에 있어, 제1 공정에서는, 고정 지붕식의 저장탱크(1)의 탱크 형상이나 릴리프 밸브(211)의 작동압력 등의 전제조건의 설정을 행하고, 제2 공정에서는, 저장탱크(1) 내의 액체(31) 및 기체(32)의 내용량, 온도, 압력의 초기조건을 설정한다. 제3 공정에서는 저장탱크(1) 내의 액체(31) 및 기체(32)에 대한 유입/유출열량을 정하고, CFD 해석에 의해 액체-기체간의 물질 이동량을 구하며, 제4 공정에서는, 상기 물질 이동량에 근거하여 릴리프 밸브(211)의 작동 유무나 릴리프 밸브(211)로부터의 기체의 배출량을 구한다.

Description

기체 배출량의 추정 방법

본 발명은, 휘발성 물질을 포함하는 액체를 저장한 저장탱크에 설치된 릴리프 밸브로부터의 기체 배출량을 추정하는 기술에 관한 것이다.

석유제품 등을 저장하는 고정 지붕식의 저장탱크에 있어서, 저장탱크 내에 저장된 액체(액상)의 상부 측에는 기상 공간이 형성된다. 여기서 예를 들면 저장탱크 내의 온도가 상승하면, 액체 표면으로부터의 기체의 증발량이 증가하여, 기상 공간 내의 기체의 압력이 상승한다. 이 압력 상승에 수반하여, 저장탱크의 본체에 과도한 응력이 가해지는 것을 피하기 위해서, 저장탱크의 지붕에는 기체의 압력이 소정의 압력보다 높아졌을 경우에, 해당 공간 내의 기체를 외부로 배출하는 릴리프 밸브가 설치된다(예를 들면 특허문헌 1의 도 1).

여기서, 저장탱크 내의 액체인 석유제품 등에는, 휘발성 물질인 벤젠이나 톨루엔이라고 하는 휘발성 유기물(VOC: Volatile Organic Compounds)이 포함되어 있는 것이 있다. 이 경우에는, 환경보전 등의 관점에서, 릴리프 밸브로부터 배출되는 기체 중의 VOC를 회수하는 VOC 회수장치가 설치되는 일이 있다.

한편, 저장탱크 내의 온도는, 기후조건 따라 매일 변화하고, 또 밤낮의 일조의 유무나, 낮 동안의 태양의 이동에 수반하는 일조량의 변화에 따라, 1일 중에도 저장탱크 내의 온도나 기상 공간의 압력은 시시각각 변화한다. 이 때문에, 릴리프 밸브로부터 배출되는 기체 배출량을 정확하게 파악하는 것은 곤란하고, 종래는 API(American Petroleum Institute) 2000 등의 공업규격으로 정해진 릴리프 밸브로부터의 순간 배출량에 근거하여 VOC 회수장치에 있어서의 배출 기체의 처리 능력을 설계하고 있었다.

그렇지만, 공업규격으로 정해지는 릴리프 밸브의 사양은, 저장탱크의 설치 지역의 차이나 저장탱크 본체의 열전도 특성(예를 들면 보온의 유무)을 고려하지 않고, 가장 가혹한 조건 하에서 발생하는 기체의 증발량을 베이스로 하고 있기 때문에, 실제의 기체 배출량과 비교해, 저장탱크에 병설되는 VOC 회수장치의 용량이 과대하게 되어 버리는 경향이 있었다.

특허문헌 1: 일본 공개실용신안 실공평04-13513호 공보

본 발명은, 이러한 배경 아래에 이루어진 것으로서, 그 목적은, 휘발성 물질을 포함하는 액체를 저장한 고정 지붕식의 저장탱크로부터의 기체의 배출량을 보다 정확하게 추정하는 기체 배출량의 추정 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명의 기체 배출량의 추정 방법은, 휘발성 물질을 포함하는 액체를 저장한 저장탱크로부터의 기체 배출량의 추정 방법으로서,

(a) 릴리프 밸브를 구비한 고정 지붕식의 저장탱크의 탱크 형상과, (b) 상기 릴리프 밸브의 작동압력과, (c) 상기 저장탱크 내의 액체의 열역학적 물성과, (d) 상기 저장탱크 내의 기체의 열역학적 물성에 관련된 전제조건을 설정하는 제1 공정과,

상기 저장탱크 내의 액체 및 기체 각각에 대하여, 내용량, 온도, 압력의 초기조건을 설정하는 제2 공정과,

상기 저장탱크의 격벽을 통한, 상기 액체 및 기체에 대한 유입열량 또는 유출열량을 정하고, 수치 유체역학 해석에 의해, 상기 액체 및 기체의 온도변화와, 기액 평형상태의 변화를 계산하여, 상기 액체-기체간의 물질 이동량을 구하는 제3 공정과,

상기 물질 이동량에 근거하여 상기 기체의 압력변화를 구하고, 변화 후의 기체의 압력이 상기 릴리프 밸브의 작동압력을 넘는 경우에는, 해당 릴리프 밸브로부터 배출되는 기체의 배출량을 구하는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 기체 배출량의 추정 방법은 이하의 특징을 구비하고 있을 수도 있다.

(1) 상기 릴리프 밸브는 토출 벤트를 구비하고, 해당 릴리프 밸브로부터 배출된 기체는, 상기 토출 벤트를 통하여 상기 기체에 포함된 휘발성 물질의 회수장치를 향하여 배출되는 것.

(2) 상기 저장탱크는 흡입 밸브를 구비하고, 상기 제1 공정에서는, 상기 전제조건으로서, (e) 상기 흡입 밸브의 작동압력의 설정을 더 행하는 것과, 상기 제4 공정에서는, 상기 압력변화 후의 기체의 압력이 상기 흡입 밸브의 작동압력을 하회하고 있는 경우에는, 해당 흡입 밸브로부터 흡입되는 기체의 흡입량을 구하는 것. 이 때, 상기 흡입 밸브는 흡입 벤트를 구비하고, 해당 흡입 밸브로부터 흡입되는 기체는, 상기 흡입 벤트를 통하여 공급되는 불활성 가스인 것.

(3) 상기 제3 공정에서는, 수치 유체역학 해석에 의해, 상기 액체 및 기체의 대류에 기인하는 열이동을 계산하여, 상기 액체 및 기체의 온도변화와, 기액 평형상태의 변화를 특정하는 것.

(4) 상기 제3 공정에서 구한 상기 액체 및 기체의 온도변화와, 상기 제4 공정에서 구한 상기 기체의 압력변화와, 이 압력변화로부터 파악되는 저장탱크의 기체의 내용량에 근거하여, 상기 제2 공정의 새로운 초기조건을 설정하는 것과, 상기 제2 공정의 새로운 초기조건을 설정한 후, 상기 액체 및 기체에 대한 새로운 유입열량 또는 유출열량을 정해 상기 제3 공정, 제4 공정을 실행하는 것과, 상기 제2 공정의 새로운 초기조건의 설정과, 그 후의 제3 공정, 제4 공정의 실행을 반복하는 것에 의해, 상기 릴리프 밸브로부터 배출되는 기체의 배출량의 경시변화를 구하는 것.

(5) (4)에 있어서, 상기 릴리프 밸브로부터 배출되는 기체의 배출량의 경시변화에 근거하여, 단위시간당 최대 배출유량, 또는 미리 설정한 기간 내에 배출되는 기체의 총배출량을 구하는 것.

(6) 상기 제3 공정에서 정해지는 액체 및 기체에 대한 유입열량 또는 유출열량은, 태양광으로부터 상기 격벽을 통하여 저장탱크 내에 공급되는 열에너지에 근거하여 정해지는 것. 상기 태양광으로부터 공급되는 열에너지는, 해당 저장탱크가 설치되어 있는 지점의 경위도와, 달력에 의해 정해지는 것.

(7) 상기 저장탱크 내의 기체에는, 상기 휘발성 물질과, 그 외의 물질이 포함되고, 상기 제3 공정에서 구한 상기 액체-기체간의 물질 이동량과, 상기 제4 공정에서 구한 기체의 배출량에 근거하여, 상기 휘발성 물질의 배출량을 구하는 것.

본 발명은, 저장탱크 내에 저장된 휘발성 물질을 포함하는 액체에 대한 유입열량, 유출열량에 근거하여, 저장탱크 내의 액체-기체간의 물질 이동량을 특정하고, 이 물질 이동량에 근거하여 릴리프 밸브로부터의 기체 배출량을 구함으로써, 정확한 기체 배출량을 파악할 수 있다.

도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 저장탱크의 모식도이다.
도 2는, 상기 저장탱크에 설치되어 있는 브리더 밸브부의 제1 종단 측면도이다.
도 3은, 상기 브리더 밸브부의 제2 종단 측면도이다.
도 4는, 상기 저장탱크에 병설되어 있는 VOC 회수장치의 구성도이다.
도 5는, 상기 저장탱크에 대한 제1 일조 상태를 나타내는 설명도이다.
도 6은, 상기 저장탱크에 대한 제2 일조 상태를 나타내는 설명도이다.
도 7은, 상기 저장탱크로부터의 기체의 배출량을 추정하는 순서를 나타내는 설명도이다.

도 1은, 기체 배출량의 추정을 행하는 대상이 되는 액체용의 저장탱크(1)를 모식적으로 나타내고 있다. 예를 들면 저장탱크(1)는, 통 형상의 측벽부(102)의 상하면을, 각각, 고정 지붕부(103), 저판부(101)로 막은 용기로서 구성되어 있다. 저장탱크(1)는, 고정 지붕부(103)가 측벽부(102)의 상부측에 고정된 고정 지붕식인 점을 제외하고는, 그 형상에 특별한 한정은 없다. 예를 들면, 고정 지붕부(103)는 돔 루프일 수도 있고, 콘 루프일 수도 있고, 그 밖의 형상일 수도 있다. 이 밖에도 저장탱크(1)는, 직방체 형상일 수도 있고, 원통 형상의 용기의 축을 수평방향으로 향하게 하여 가로로 눕힌 형태일 수도 있다.

도 1에는, 원통 형상의 측벽부(102)의 상면에 돔 루프 형상의 고정 지붕부(103)를 마련한 저장탱크(1)의 예를 나타내고 있다.

저장탱크(1)는, 지상에 설치하는 지상식일 수도 있고, 고정 지붕부(103)를 제외한 저장탱크(1) 전체나, 측벽부(102)의 하부측을 지하에 매설하는 반지하식일 수도 있다. 또, 바다에 저장탱크(1)를 부유시키는 해상식일 수도 있다.

저장탱크(1)에는, 저장 대상의 액체의 공급이나 인출을 행하기 위한 공급라인/인출라인 외에, 이러한 라인에 설치되는 수송 펌프, 저장탱크(1) 내의 액체의 교반을 행하기 위한 탱크 믹서, 저장탱크(1)에 저장되는 액체의 성상이나 저장탱크(1)의 설치지역의 기후 등에 따라 설치될 수 있는 보온설비나 가열설비 등, 적절한, 여러 가지의 부대 설비가 설치되어 있다. 도 1에 있어서는, 이러한 부대 설비의 기재는 생략되어 있다.

저장탱크(1)에 저장되는 액체로서는, 석유 정제용의 원유나 직접 연소(direct burning)용의 원유, 나프타 등의 중간제품, 가솔린, 등유, 경유, 중유 등의 석유제품, 벤젠이나 톨루엔 등의 화성품(化成品)을 예시할 수 있다. 저장탱크(1)에 저장되는 액체는, 온도상승 등에 수반하여 액체의 일부가 증발하여, 후술하는 릴리프 밸브(211)를 작동시키는 것이 가능한 정도로까지 저장탱크(1) 내의 압력을 상승시키는 요인이 되는 휘발성 물질을 포함하고 있다.

본 예에서는, 휘발성 물질로서 벤젠이나 톨루엔이라고 하는 휘발성 유기물(이하, 「VOC」라고도 한다)을 포함하는 석유제품인 액체(31)를 저장한 저장탱크(1)의 예에 대하여 설명한다.

저장탱크(1)는, 저장 가능한 액체(31)의 용량의 상한치가 정해져 있고, 액체(31)의 액면보다 위쪽에는 기상 공간이 형성되어 있다. 이 기상 공간은, 액체(31)로부터 증발한 VOC와, 저장탱크(1)의 외부로부터 유입한 후술하는 불활성 가스를 포함하는 기체(32)에 의해 채워져 있다.

또한 저장탱크(1)의 고정 지붕부(103)에는, 내부의 압력이 상승했을 때 저장탱크(1) 내의 기체(32)를 배출하는 릴리프 밸브(211)와, 내부의 압력이 저하했을 때 저장탱크(1) 내에 향하여 외부로부터 기체를 흡입하는 흡입 밸브(221)을 포함하는 브리더 밸브부(breather valve unit)(2)가 설치되어 있다.

릴리프 밸브(211)의 출구측은, 배기라인(401)을 통하여 후술하는 VOC 회수장치에 접속되어 있다. 또, 흡입 밸브(221)의 입구측은, 저장탱크(1) 내에 밀봉용 불활성 가스인, 예를 들어 질소가스를 공급하기 위한 질소가스 공급라인(104)에 접속되어 있다.

또한, 흡입 밸브(221)로부터 흡입되는 기체는 불활성 가스로 한정되지 않는다. 예를 들면, 저장탱크(1)가 기체 밀봉의 필요가 없는 액체(31)를 저장하고 있는 경우에는, 흡입 밸브(221)를 개방하여 대기를 흡입할 수도 있다.

도 2, 도 3은 브리더 밸브부(2)의 구성예를 나타내고 있다. 이들 도면에 나타내는 브리더 밸브부(2)는, 저장탱크(1)에 설치된 접속라인(105)에 대하여, 릴리프 밸브(211)를 수용하는 케이싱(213)과, 흡입 밸브(221)를 수용하는 케이싱(223)을 병렬로 접속한 릴리프 배큠 밸브(relief vacuum valve) 구조로 되어 있다.

릴리프 밸브(211)는, 스프링(215)에 의해 아래쪽을 향하여 가압되고, 통상시에는 밸브 시트(214)를 막은 상태로 되어 있다(도 3). 그리고, 저장탱크(1) 내의 압력이 상승하여, 해당 압력(P)이, 미리 설정된 작동압력(P1)을 넘으면, 스프링(215)의 가압력에 저항하여 릴리프 밸브(211)를 밀어올리고, 저장탱크(1) 내의 기체가 토출 벤트(212)를 통하여 배출된다(도 2). 본 예에 있어서 해당 토출 벤트(212)는, VOC 회수장치를 향하여 기체를 배출하기 위한 배기라인(401)에 접속되어 있다.

기체의 배출에 의해 저장탱크(1) 내의 압력이 저하하고, 릴리프 밸브(211)의 복귀압력(P1') 이하로 되면, 스프링(215)에 의해 릴리프 밸브(211)가 내리눌리고, 밸브 시트(214)가 닫힌다.

흡입 밸브(221)는, 통상시에는 자중에 의해 밸브 시트(224)를 막은 상태로 되어 있다(도 2). 그리고, 저장탱크(1) 내의 압력이 저하하여, 해당 압력(P)이, 미리 설정된 작동압력(P2)을 하회하면, 밸브 시트(224)의 상류측과 하류측의 압력 차이에 의해 흡입 밸브(221)를 들어 올리고, 흡입 벤트(222)를 통하여, 질소가스 공급라인(104)으로부터 저장탱크(1) 내를 향하여 질소가스가 흡입된다(도 3). 질소가스 공급라인(104)의 상류측에는, 예를 들면 액체질소 탱크와 증발기를 구비한 도시하지 않은 질소가스 공급부가 설치되어 있다.

질소가스의 흡입에 의해 저장탱크(1) 내의 압력이 상승하고, 흡입 밸브(221)의 복귀압력(P2') 이상이 되면, 자중에 의해 릴리프 밸브(211)가 하강하고, 밸브 시트(224)가 닫힌다.

또한, 브리더 밸브부(2)는, 릴리프 배큠 밸브 구조의 것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면 릴리프 밸브(211)와 흡입 밸브(221)를 상하로 배치하여 공통의 케이싱 내에 수용한 데드 웨이트(dead weight) 구조의 브리더 밸브부(2)를 채용할 수도 있다.

또, 흡입 밸브(221)는, 도 2, 3과 같이 릴리프 밸브(211)와 인접시켜 하나의 브리더 밸브부(2)로 하는 경우도 있지만, 흡입 밸브(221)와 릴리프 밸브(211)를 각각 독립시켜 설치하는 경우도 있다.

도 4는, 브리더 밸브부(2)의 토출 벤트(212)의 하류측에 설치되어 있는 VOC 회수장치의 구성예를 나타내고 있다. 또한, 도 4에 나타내는 각 개폐 밸브(V1~V6)에 있어서는, 「개방 상태」로 되어 있는 것을 흰 색으로 표시하고, 「폐쇄 상태」로 되어 있는 것을 검은 색으로 표시하고 있다.

저장탱크(1)로부터 배출된 기체가 흐르는 배기라인(401)에 대하여는, 복수개, 예를 들어 2기의 흡착탑(41a, 41b)이 병렬로 접속되어 있다. 이러한 흡착탑(41a, 41b)에는, 기체 중에 포함된 VOC를 흡착 제거 가능한 흡착제, 예를 들면 활성탄이 충전되어 있다. 각 흡착탑(41a, 41b)의 출구 측에는, VOC가 제거된 기체를 대기로 방출하기 위한 대기 방출라인(402)이 접속되어 있다.

도 4에 나타내는 예에서는, 일측 흡착탑(41a)에서, 저장탱크(1)로부터 배출된 기체 중의 VOC를 흡착 제거하여 대기에 방출하는 흡착 조작이 행해지고 있다. 한편, 타측 흡착탑(41b)에서는, 흡착탑(41b)을 배기라인(401), 대기 방출라인(402)으로부터 분리시키고, 해당 흡착탑(41b) 내를 진공 흡인하여 흡착제로부터 VOC를 탈리시킴으로써, 흡착제를 재생하는 재생 조작이 행해지고 있다.

본 예의 VOC 회수장치에 있어서는, 흡착탑(41a, 41b)에 있어서, VOC의 흡착 조작과 흡착제의 재생 조작이 교대로 행해진다.

흡착제의 재생 조작과 관련되는 VOC 회수장치의 구성을 설명하면, 흡착탑(41a, 41b)의 입구측에는, 재생 조작시에 흡착제로부터 탈리된 VOC를 유동시키는 탈리가스 라인(403)이, 배기라인(401)과 병렬로 접속되어 있다. 각 흡착탑(41a, 41b)에 접속된 탈리가스 라인(403)은, 하류측에서 합류하여, 공통의 진공 펌프(43)의 흡입측에 접속되어 있다. 진공 펌프(43)의 토출측에는, 용제를 이용하여, VOC를 흡수 제거하는 조작을 행하기 위한 흡수탑(42)이 설치되어 있다. 또한, 진공 펌프(43)와 흡수탑(42) 사이에, 진공 펌프(43)로부터 토출된 윤활제를 분리하는 세퍼레이터를 설치할 수도 있다.

본 예의 흡수탑(42)은, VOC를 흡수하기 위한 용제로서, 저장탱크(1) 내의 액체(31)인 석유제품을 이용하고 있다. 예를 들면 흡수탑(42)에는, VOC와 용제와의 효율을 향상시키기 위한 충전물(421)이 충전되고, 진공 펌프(43)로부터 토출된 VOC는, 이 충전물(421)이 충전된 영역의 하부 측에 도입된다.

한편, 저장탱크(1)로부터 배출된 용제는, 용제 공급라인(404)을 통하여 용제 공급펌프(44)에 의해, 전술한 충전물(421)의 충전 영역의 상부측에 분산 공급된다. VOC와 용제는 충전물(421)의 충전 영역에서 향류(countercurrent) 접촉하여, VOC가 용제 중에 흡수 제거된다.

VOC가 제거된 기체는, 흡수탑(42)의 탑 상단으로부터 배출되고, 배기라인(401)에 합류한 후, 흡착탑(41a, 41b)에서 VOC의 흡착 제거를 더 행하고 나서 대기로 방출된다. 또, VOC를 흡수한 용제는, 용제 회수펌프(45)에 의해 흡수탑(42)의 탑 하단으로부터 배출되고, 용제 회수라인(405)을 통하여 저장탱크(1)로 복귀된다.

이상, 흡착제를 이용해 VOC를 회수하는 VOC 회수장치의 예를 설명했지만, 저장탱크(1)로부터 배출되는 기체의 처리 방법은 이 예로 한정되지 않는다. 예를 들면, 저장탱크(1)로부터 배출된 기체를 용제와 접촉시켜 VOC를 흡수 제거하는 VOC 회수장치를 설치할 수도 있고, VOC의 회수는 행하지 않고, 플레어 스택에서 VOC를 연소시키고 나서 대기로 방출할 수도 있다.

이상, 도 1 ~ 도 4를 이용하여, 저장탱크(1)의 구조나 그 부대설비를 설명하였다. 해당 저장탱크(1) 내부의 액체(31)나 기체(32)에 대해서는, 저장탱크(1)의 격벽(저판부(101), 측벽부(102), 고정 지붕부(103))을 통하여 열이 유입되고, 또 이것 액체(31)나 기체(32)로부터 외부를 향하여 열이 유출된다.

그리고, 저장탱크(1) 내에 열이 유입되어 액체(31)나 기체(32)의 온도가 상승하면, 액체(31) 중의 VOC 성분이 휘발된다. 이 결과, 저장탱크(1) 내의 압력이 상승하여 릴리프 밸브(211)가 작동하고, 기체(32)의 배출이 실행되는 경우가 있다. 또, 저장탱크(1) 내의 열이 유출되어 액체(31)나 기체(32)의 온도가 저하하면, 기체(32) 중의 VOC가 응축된다. 이 결과, 저장탱크(1) 내의 압력이 저하하여 흡입 밸브(221)가 작동하고, 질소가스를 흡입하는 경우가 있다.

또한, 액체(31)나 기체(32)에 있어서는, 내부의 온도차에 수반하는 대류가 발생하고(도 1), 대류에 수반하는 열이동이나 물질이동에 의해, VOC의 휘발이나 응축을 지배하는 기체-액체의 계면의 온도나 기체중의 VOC 농도에 영향을 미친다.

저장탱크(1) 내의 액체(31)나 기체(32)의 온도변화의 요인으로서는, 저장탱크(1)의 외기 온도의 변화나, 저장탱크(1) 내부와는 온도가 상이한 액체의 외부로부터의 유입 등, 여러 가지의 요인이 있다.

이것들 여러 가지의 요인 중에서, 저장탱크(1)의 기체(32)의 압력변화에 영향을 주는 가장 큰 요인의 하나로서, 태양(501)으로부터의 열에너지 공급을 들 수 있다. 태양(501)으로부터 공급되는 열에너지는, 저장탱크(1)가 설치되어 있는 지점의 경위도와 달력에 의해 특정할 수 있다. 예를 들면 북반구의 경우, 맑은 하늘의 하지 날에 있어서, 태양(501)으로부터 공급되는 열에너지가 최대가 된다.

또한 도 5, 도 6에 도시된 바와 같이, 태양(501)으로부터 공급되는 열에너지는, 태양(501)의 이동에 수반하여, 햇빛(502)이 조사되는 저장탱크(1)의 격벽의 면적이나, 격벽의 단위면적당 에너지 밀도가 변화하는 것에 의해서도 경시적으로 변화한다.

따라서, 저장탱크(1)의 격벽을 통한 액체(31)나 기체(32)에 대한 유입열량 또는 유출열량은, 격벽의 위치에 따라 상이하고, 또한 각 위치에 있어서도 경시적으로 변화하게 된다.

본 발명의 실시형태에 따른 기체 배출량의 추정 방법은, 전술한 저장탱크(1)의 구성이나, 내부의 액체(31)나 기체(32)의 온도변화 메카니즘을 고려한 수치 유체역학(CFD: Computational Fluid Dynamics) 모델을 작성해 해석을 행한다. 그리고, 이 해석 결과에 근거하여, 릴리프 밸브(211)로부터 배출되는 기체의 배출량이나 흡입 밸브(221)으로부터 흡입되는 기체의 흡입량을 추정한다.

이하, 도 7을 참조하면서 상기 추정을 행하는 순서에 대해 설명한다.

처음에, 저장탱크(1)의 형상이나 릴리프 밸브(211), 흡입 밸브(221)의 작동압력, 액체(31)나 기체(32)의 열역학적 물성 등, CFD 해석이나 기체의 배출량, 흡입량의 산출을 행하는데 필요한 전제조건 (a) ~ (e)를 결정한다(P1: 제1 공정).

(a) 고정 지붕식 저장탱크(1)의 형상의 결정에는, 저판부(101), 측벽부(102), 고정 지붕부(103) 등의 경계 위치의 설정이나 액체(31), 기체(32) 내의 해석 메시(analysis mesh)의 작성법 등, 저장탱크(1)의 형상과 관련하여 CFD 해석을 행할 때에 필요한 여러 가지의 설정을 행할 수 있다.

(b) 릴리프 밸브(211)의 작동압력에 대해서는, 도 2를 이용하여 설명한 기체의 배출을 행할 때의 릴리프 밸브(211)의 작동압력(P1)에 더하여, 도 3을 이용하여 설명한 릴리프 밸브(211)가 밸브 시트(214)를 닫을 때의 복귀압력(P1')의 설정도 행한다.

(c), (d) 저장탱크(1) 내의 액체(31), 기체(32)의 열역학적 물성으로서는, 액체(31), 기체(32)의 비열, 증기압, 밀도, 점도 등 CFD 해석에 필요한 각종 물성의 설정을 행한다. 이러한 물성이 온도 의존성을 가지고 있는 경우에는, 온도와 물성치와의 대응 관계를 표현하는 함수나 테이블을 설정할 수도 있다. 또, 액체(31)나 기체(32)가 복수의 성분을 포함하고 있는 경우에는, 이들 물성의 설정을 성분마다 행할 수도 있고, 복수의 성분을 포함하는 혼합 유체에 대한 물성의 설정을 행할 수도 있다.

(e) 흡입 밸브(221)의 작동압력에 대해서는, 도 3을 이용하여 설명한 기체의 흡입을 행할 때의 흡입 밸브(221)의 작동압력(P2)에 더하여, 도 2를 이용하여 설명한 흡입 밸브(221)가 밸브 시트(224)를 닫을 때의 복귀압력(P2')의 설정도 행한다.

또, 저장탱크(1) 내의 액체(31)와 기체(32)에 대해서, 내용량, 온도, 압력에 관한 초기조건을 설정한다(P2: 제2 공정).

저장탱크(1) 내에 있어서의 액체(31)의 내용량을 결정하면, 남는 영역은 기체(32)가 존재하는 기상 공간이 되어, 기체-액체의 계면의 높이 위치가 특정된다. 온도는, 저장탱크(1) 내의 액체(31), 기체(32)의 평균 온도를 설정할 수도 있고, 미리 파악하고 있는 온도 분포를 반영한 온도 설정을 행할 수도 있다. 또, 통상, 압력 설정은, 기체(32)에 대해서 행하지만, 필요에 따라서 액체(31)의 압력 설정을 행할 수도 있다.

그런 다음, 저장탱크(1)의 격벽(저판부(101), 측벽부(102), 고정 지붕부(103))를 통한 유입열량/유출열량의 분포를 정하고, CFD 해석에 의해, 액체(31) 및 기체(32)의 온도변화와, 기액 평형상태의 변화를 계산하여, 액체-기체간의 물질 이동량을 구한다(P3: 제3 공정).

유입열량/유출열량의 분포의 결정에 대하여는, 저장탱크(1)가 설치되어 있는 지점의 경위도와, 달력을 고려할 수 있다. 예를 들면 VOC 회수장치의 최대처리능력의 결정을 행하는 경우에는, 북반구의 경우, 태양(501)으로부터 공급되는 열에너지가 최대가 되는 맑은 하늘의 하지 날에, 소정의 경위도의 지점에 있어서 태양(501)으로부터 공급되는 열에너지를 결정한다.

또, 도 5, 도 6을 이용하여 설명한 바와 같이, 태양(501)의 위치에 따른 햇빛(502)의 조사 영역(도 5에 나타내는 저장탱크(1)에 있어서 사선으로 해칭된 영역에는 햇빛(502)이 조사되지 않는다)이나, 단위면적당 에너지 밀도를 고려하여, 저장탱크(1)의 격벽의 각 위치에 있어서의 유입열량/유출열량을 정한다.

또한 예를 들면, 릴리프 밸브(211)로부터의 1일당(미리 설정한 기간) 기체의 총배출량이나 흡입 밸브(221)로부터의 기체의 총흡입량을 구하는 경우에는, 태양(501)으로부터 열에너지가 공급되지 않는 일몰 후의 시간대에 있어서의 기체의 배출량이나 흡입량을 추정할 필요도 있다. 이 때문에, 전술한 태양(501)으로부터 공급되는 열에너지에 더하여, 저장탱크(1) 외부의 외기와의 온도차를 고려한 유입열량/유출열량의 결정을 행한다.

또 전술한 바와 같이, 저장탱크(1)가 가열설비를 구비하는 경우에는, 가열설비로부터의 유입열량도 고려한다.

제1 공정, 제2 공정의 각종 설정이나 제3 공정의 유입열량/유출열량의 분포의 결정은, CFD 해석에 이용하는 소프트웨어 등을 통하여 행한다. 여기서, 제1 공정, 제2 공정의 각종 설정이나 제3 공정에 있어서의 유입열량/유출열량의 분포의 결정은, 서로 엄밀하게 구별되는 것은 아니고, CFD 해석 소프트웨어의 사양 등에 따라, 각 공정에 있어서의 설정사항의 설정을 병행하여 행할 수 있음은 물론이다.

CFD 해석에 이용하는 소프트웨어는 시판의 범용 CFD 해석 소프트웨어일 수도 있고, 본 예의 기체 배출량의 추정 방법을 실행하기 위해서 개발한 전용의 CFD 해석 소프트웨어일 수도 있다.

예를 들면 액체(31)-기체(32)간의 물질 이동량을 계산 가능하게 하는 방법으로서는, 기액평형이론에 근거한 계산 등을 예시할 수 있다. 또, 저장탱크(1) 내 유체의 대류를 계산 가능한 계산법으로서는, 유한체적법(FVM: Finite Volume Method) 등을 예시할 수 있다.

CFD 해석에 이용하는 CFD 해석 소프트웨어를 이용하여, 전술한 각 공정에서 설정된 사항에 근거해서, 저장탱크(1) 내의 액체(31) 및 기체(32)의 온도 분포의 변화나 기체-액체의 계면에 있어서의 기액평형상태의 변화를 컴퓨터에 의해 계산하여, 기체-액체간의 물질 이동량(액체(31)로부터 기체(32)로의 VOC의 증발량, 기체(32)로부터 액체(31)로의 VOC의 응축량)을 구할 수 있다.

그리고, 기체-액체간의 물질 이동량으로부터, 저장탱크(1) 내의 기체(32)의 압력변화를 구하고, 릴리프 밸브(211), 흡입 밸브(221)의 작동의 유무, 작동이 있었을 경우 기체의 배출량/흡입량을 산출한다(P4: 제4 공정).

상세하게는, 압력변화 후의 저장탱크(1) 내의 기체(32)의 압력(P)이 릴리프 밸브(211)의 작동압력(P1)보다 큰 경우에는, 릴리프 밸브(211)가 작동한다. 그리고, 저장탱크(1) 내의 기체의 압력이 릴리프 밸브(211)의 복귀압력(P1')으로 될 때까지의 압력차이 ΔP1 = P - P1'에 상당하는 양의 기체가 릴리프 밸브(211)로부터 배출된다. 이 때, 단열 팽창에 수반하는 기체(32)의 온도 저하, 압력 저하의 영향을 고려할 수 있다.

한편, 압력변화 후의 저장탱크(1) 내의 기체(32)의 압력(P)이 흡입 밸브(221)의 작동압력(P2)보다 작은 경우에는, 흡입 밸브(221)가 작동한다. 그리고, 저장탱크(1) 내의 기체의 압력이 흡입 밸브(221)의 복귀압력(P2')이 될 때까지의 압력차이 ΔP2 = P2' - P에 상당하는 양의 기체가 흡입 밸브(221)로부터 흡입된다. 이 때, 단열 압축에 수반하는 기체(32)의 온도 상승, 압력 상승의 영향을 고려할 수 있다.

기체-액체간의 물질 이동량, 릴리프 밸브(211)로부터의 기체의 배출량, 흡입 밸브(221)로부터의 기체(질소가스)의 유입량이 특정되는 것에 의해, 배출된 기체 중에 포함되는 VOC와 그 밖의 물질의 비율(VOC 농도)을 특정할 수 있다. 이 결과, 릴리프 밸브(211)로부터의 VOC의 배출량을 구하는 것이 가능해진다.

또한, 제3 공정에서 구한 액체(31) 및 기체(32)의 온도변화와, 제4 공정에서 구한 기체(32)의 압력변화나, 릴리프 밸브(211), 흡입 밸브(221)의 작동에 수반하는 기체의 배출량/흡입량으로부터 파악되는 저장탱크(1)의 기체(32)의 내용량은, 태양(501)의 위치가 변화했을 경우 등에 있어서의 새로운 계산을 행할 때의 초기조건으로서 이용할 수 있다.

그리고, 상기 시간적인 영향(햇빛(502)의 조사 영역, 단위면적당 에너지 밀도, 햇빛(502)의 조사 유무나, 외기와의 온도차의 변화)을 고려한 새로운 유입열량/유출열량의 분포를 정하여 제3 공정, 제4 공정을 실행한다.

전술한 제2 ~ 제4 공정을 반복하는 것에 의해, 릴리프 밸브(211)로부터 배출되는 기체 배출량의 경시변화를 구할 수 있다.

여기서, CFD 해석 소프트웨어가, 유입열량/유출열량의 변화를 고려한 동적 해석을 행할 수 있는 경우에는, 전술한 제2 ~ 제4 공정을 반복하여 실행하는 수법으로 바꿔, CFD의 동적 해석에 의해 릴리프 밸브(211)로부터 배출되는 기체의 배출량의 경시변화를 구할 수 있음은 물론이다.

이와 같이, 릴리프 밸브(211)로부터의 기체의 배출량의 경시변화를 파악할 수 있으면, 단위시간당 기체의 최대 배출유량이나, 미리 설정한 기간 내(예를 들면 1일)에 배출되는 기체의 총배출량을 구할 수 있다.

또한, 기체 중의 VOC 농도로부터, VOC의 배출량을 계산할 수 있으므로, VOC 회수장치에서 흡착탑(41a, 41b)에 충전하는 흡착제의 양이나 흡수탑(42)에 공급하는 용제의 유량, 각종 펌프(43, 44, 45)의 능력 등의 결정에 반영할 수 있다(P5).

또, 전술한 바와 같이, VOC 회수장치가 용제 흡수 방식인 경우에는 용제의 유량의 결정, 플레어 스택에서 VOC를 연소시키는 경우에는 플레어 스택의 사이즈의 결정 등에 반영하는 것이 가능하다.

본 실시형태에 따른 기체 배출량의 추정 방법에 의하면, 저장탱크(1) 내에 저장된 VOC를 포함하는 액체(31)에 대한 유입열량, 유출열량에 근거하여, 저장탱크(1) 내의 액체(31)-기체(32)간의 물질 이동량을 특정하고, 이 물질 이동량에 근거하여 릴리프 밸브(211)로부터의 기체 배출량을 구하므로, 정확한 기체 배출량을 파악할 수 있다.

그 결과, VOC 회수장치 등의 능력을 적정하게 결정하는 것이 가능해지고, 기체 배출량의 과도한 견적에 수반하는 장치 코스트의 증대를 저감시킬 수 있다.

여기서, 도 1 ~ 도 3을 이용하여 설명한 예에서는, 릴리프 밸브(211)로부터 배출된 기체를, 토출 벤트(212)를 통하여 VOC 회수장치를 향하여 안내하는 예를 나타냈지만, 브리더 밸브부(2)에 토출 벤트(212)를 설치하는 것이 필수적인 것은 아니다. 릴리프 밸브(211)의 출구측을 대기 개방상태로 하여, 저장탱크(1)로부터 배출된 기체를 대기로 방출하는 경우에 있어서도, 본 예의 기체 배출량의 추정 방법을 적용할 수 있는 것은 물론이다. 예를 들면 시가지로부터 멀리 떨어진 곳에 저장탱크(1)를 설치할 때, VOC의 배출량이 지극히 미량인 경우에, VOC 회수장치를 설치할 필요가 있는지 아닌지 등의 검토에 활용할 수도 있다.

1: 저장탱크
2: 브리더 밸브부
211: 릴리프 밸브
212: 토출 벤트
221: 흡입 밸브
222: 흡입 벤트
32: 기체
31: 액체
41a, 41b: 흡착탑
42: 흡수탑
501: 태양

Claims

휘발성 물질을 포함하는 액체를 저장한 저장탱크로부터의 기체 배출량의 추정 방법으로서,
(a) 릴리프 밸브를 구비한 고정 지붕식의 저장탱크의 탱크 형상과, (b) 상기 릴리프 밸브의 작동압력과, (c) 상기 저장탱크 내의 액체의 열역학적 물성과, (d) 상기 저장탱크 내의 기체의 열역학적 물성에 관련된 전제조건을 설정하는 제1 공정과,
상기 저장탱크 내의 액체 및 기체 각각에 대하여, 내용량, 온도, 압력의 초기조건을 설정하는 제2 공정과,
상기 저장탱크의 격벽을 통한, 상기 액체 및 기체에 대한 유입열량 또는 유출열량을 정하고, 수치 유체역학 해석에 의해, 상기 액체 및 기체의 온도변화와, 기액 평형상태의 변화를 계산하여, 상기 액체-기체간의 물질 이동량을 구하는 제3 공정과,
상기 물질 이동량에 근거하여 상기 기체의 압력변화를 구하고, 변화 후의 기체의 압력이 상기 릴리프 밸브의 작동압력을 넘는 경우에는, 상기 릴리프 밸브로부터 배출되는 기체의 배출량을 구하는 제4 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 기체 배출량의 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 릴리프 밸브는 토출 벤트를 구비하고, 상기 릴리프 밸브로부터 배출된 기체는, 상기 토출 벤트를 통하여 상기 기체에 포함된 휘발성 물질의 회수장치를 향하여 배출되는 것을 특징으로 하는 기체 배출량의 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 저장탱크는 흡입 밸브를 구비하고,
상기 제1 공정에서는, 상기 전제조건으로서, (e) 상기 흡입 밸브의 작동압력의 설정을 더 행하는 것과,
상기 제4 공정에서는, 상기 압력변화 후의 기체의 압력이 상기 흡입 밸브의 작동압력을 하회하고 있는 경우에는, 해당 흡입 밸브로부터 흡입되는 기체의 흡입량을 구하는 것을 특징으로 하는 기체 배출량의 추정 방법.
청구항 3에 있어서,
상기 흡입 밸브는 흡입 벤트를 구비하고, 해당 흡입 밸브로부터 흡입되는 기체는, 상기 흡입 벤트를 통하여 공급되는 불활성 가스인 것을 특징으로 하는 기체 배출량의 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제3 공정에서는, 수치 유체역학 해석에 의해, 상기 액체 및 기체의 대류에 기인하는 열이동을 계산하여, 상기 액체 및 기체의 온도변화와, 기액 평형상태의 변화를 특정하는 것을 특징으로 하는 기체 배출량의 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제3 공정에서 구한 상기 액체 및 기체의 온도변화와, 상기 제4 공정에서 구한 상기 기체의 압력변화와, 이 압력변화로부터 파악되는 저장탱크의 기체의 내용량에 근거하여, 상기 제2 공정의 새로운 초기조건을 설정하는 것과,
상기 제2 공정의 새로운 초기조건을 설정한 후, 상기 액체 및 기체에 대한 새로운 유입열량 또는 유출열량을 정해 상기 제3 공정, 제4 공정을 실행하는 것과,
상기 제2 공정의 새로운 초기조건의 설정과, 그 후의 제3 공정, 제4 공정의 실행을 반복하는 것에 의해, 상기 릴리프 밸브로부터 배출되는 기체의 배출량의 경시변화를 구하는 것을 특징으로 하는 기체 배출량의 추정 방법.
청구항 6에 있어서,
상기 릴리프 밸브로부터 배출되는 기체의 배출량의 경시변화에 근거하여, 단위시간당 최대 배출유량, 또는 미리 설정한 기간 내에 배출되는 기체의 총배출량을 구하는 것을 특징으로 하는 기체 배출량의 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 제3 공정에서 정해지는 액체 및 기체에 대한 유입열량 또는 유출열량은, 태양광으로부터 상기 격벽을 통하여 저장탱크 내에 공급되는 열에너지에 근거하여 정해지는 것을 특징을 하는 기체 배출량의 추정 방법.
청구항 8에 있어서,
상기 태양광으로부터 공급되는 열에너지는, 상기 저장탱크가 설치되어 있는 지점의 경위도와, 달력에 의해 정해지는 것을 특징으로 하는 기체 배출량의 추정 방법.
청구항 1에 있어서,
상기 저장탱크 내의 기체에는, 상기 휘발성 물질과, 그 외의 물질이 포함되고, 상기 제3 공정에서 구한 상기 액체-기체간의 물질 이동량과, 상기 제4 공정에서 구한 기체의 배출량에 근거하여, 상기 휘발성 물질의 배출량을 구하는 것을 특징으로 하는 기체 배출량의 추정 방법.