KR20070036679A - 극저온 액체용 저장 용기 - Google Patents

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폴 히긴보탐
켈빈 그라함 헤이즈
데클란 패트릭 오코너
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에어 프로덕츠 앤드 케미칼스, 인코오포레이티드
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Abstract

저장 용기는 극저온 액체 공급물과 직접 열 교환함으로써 보일-오프 증기를 용기로 응축시키기 위한 콘덴서를 포함한다. 콘덴서는 최상단부와 바닥단부를 포함하는 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열을 포함한다. 적어도 최상단부는 배열 내로 보일-오프 증기가 유입하도록 증기 공간에 개방된다. 바닥단부는 저장 용기의 하부에 유체 흐름을 전달한다. 본 발명의 잇점 중 하나는 콘덴서가 저장 용기의 증기 공간에 개방됨으로써 보일-오프 증기가 증기의 응축 동작에 의해 콘덴서 내로 끌어들여지게 한다는 것이다.
극저온 액체, 저장 용기

Description

극저온 액체용 저장 용기{A STORAGE VESSEL FOR CRYOGENIC LIQUID}
도 1은 본 발명에 따른 저장 용기의 일 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 저장 용기의 다른 실시예의 개략적인 단면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 콘덴서의 개략적인 단면도이다.
도 4는 도 3에 도시된 분배기(distributor)의 분배기 플레이트(24)의 평면도이다.
기술분야
본 발명은 극저온 액체용 저장 용기에 관한 것으로서, 특히 지상기반(land-based) 및 선상(ship-board) 저장 용기에 모두 적용된다.
배경기술
액화천연가스("LNG"), 액체 아르곤("LAR"), 액체 질소("LIN"), 액체 산소("LOX") 또는 액체 수소와 같은 극저온 액체는 증발에 의한 액체의 손실을 최소화하기 위하여 절연된 저장 용기에 저장된다. 그러나, 절연에도 불구하고, 저장된 극저온 액체의 일부는 용기(및 결합된 배관) 내로의 열 누설, 재순환하는 액체 스 트림 내로의 펌프 구조물(pump work), 그리고 액체 공급물(liquid feed)로부터의 감압증발(flash vaporization) 등에 의해 필연적으로 기화된다. 따라서, 저장 용기 내의 압력이 위험하게 증가하는 것을 피하기 위한 조치가 취해져야 한다.
극저온 액체를 저장하기 위해 매우 크고 낮은 압력의 저장 용기를 사용하는 것은 경제적으로 종종 바람직하다. 예를 들어, 일반적으로 LOX 또는 LIN용 최대 저장 용기는 약 5000 m3의 용량을 갖고, (일반적으로 5개에 이르는 저장 용기의 군으로 선박에서 발견되는) LNG용 최대 저장 용기 각각은 약 40,000 m3 의 용량을 갖는다. 보일 오프(boil-off)로 인한 압력 강화 문제의 스케일은 저장 용기의 크기와 관련된다.
보일 오프 증기를 대기로 간단하게 내보내는 것이 가능할 수 있다. 그러나, (생산하는데 고가인) 버려지는 극저온 액체의 관점에서 매우 비쌀 수 있고, 만일 증기가 인화성이라면(예를 들어, 천연가스 또는 수소), 특히 매우 큰 용량의 저장 용기가 사용되는 곳에서 증기의 위험할 수 있는 축적을 초래할 수 있으므로, 그러한 해법은 바람직하지 않다.
저장 용기로부터 보일-오프를 제거하는 또 다른 해법은 저장 용기로의 액체 공급물을 충분하게 과냉각하여 보일-오프 증기를 재응축하는 것이다. 그러나, 과냉각된 공급물이 충분한 양이 아니고, 발생되는 증기와 에너지 접촉을 하지 않으면, 평형은 이루어지지 않을 것이다. 평형이 이루어지지 않으면, 많은 증기가 여전히 배출되어야하거나, 또는 증기 응축을 위한 추진력(driving force)을 증가시키기 위 하여 과냉각 양을 증가시켜야 할 것이다.
보일-오프 증기를 재응축하는데 필요한 최소량 이상으로 액체 공급물을 과냉각하는 것은 추가적인 에너지 소비를 초래할 수 있다. 일반적으로, "과도(excess)" 과냉각은 저장의 바닥에 가라앉고 보다 낮은 층상 차가운 액체 영역을 형성하는 과냉각된(따라서 더 밀도가 높은) 액체 공급물을 초래할 것이다.
과냉각된 공급물과 보일-오프 증기 사이의 필요한 근접 열 접촉(close thermal contact)을 제공하기 위하여, 저장 용기의 증기 공간에 과냉각된 액체 공급물을 분사시키는 것이 알려져 있다. 이러한 분사 기술(spray technique)은 재충진되는 때에 되돌아오는 극저온 액체 로드 트레일러(road trailer)의 압력을 붕괴시키기 위해 수행된다. 그러나, 이러한 분사 기술은 매우 큰 저장 용기에는 매우 실용적이지 않고, 액체와 보일-오프 증기 사이의 보다 짧은 접촉 시간으로 인해 저장 레벨이 높은 때에는 덜 효과적이다. 또한, 분사(또는 "살포(sparge)") 장치는 일반적으로 장치의 압력 강하로 인하여 액체 공급 압력을 증가시키는 것이 필요하고, 이러한 증가된 공급 압력은 이용하지 못할 수 있다.
당업계에 공지된 보일-오프 증기를 응축하는 다른 기술이 존재한다. 예를 들면, US-A-3894856 (Lofredo et al; 1975년 7월 15일 공개)는 천연 가스를 정제하고 액화하는 방법을 개시한다. 이러한 방법의 목적 중 하나는 탱크에 발생되는 증기를 액화함으로써 저장 탱크에 액화 천연 가스("LNG")의 일정한 조성을 유지하는 것이다. 실시예에서, LIN에 대항하여 간접 열 교환에 의해, 저장 탱크로부터의 LNG 보일-오프 증기를 탱크 외부에 응축시킨다. 그런 다음, 응축된 증기를 저장탱크로 회 수하고, 이로써 탱크 내 LNG 조성을 유지시킨다.
US-B-6470706 (Engdahl; 2002년 10월 29일 공개)는 액화 가스에 대항하여 직접 열교환함으로써 보일-오프 증기를 응축시키는 보일-오프 증기 콘덴서를 개시한다. 콘덴서는 LNG를 위한 저장 및 분배 시스템에 특별히 적용된다는 것이 개시되었다. 이러한 시스템에서, LNG는 저장 탱크에 저장된다. 보일-오프 LNG 증기는 저장 탱크 외부에 제공된 증기 콘덴서로 공급되는데, 여기서 저장 탱크로부터 펌핑된 LNG와 함께 직접 열 및 물질 전달(heat and mass transfer)에 의해 응축된다. 열 및 물질 전달은 (2인치(5cm) 폴링(Pall rings)과 같은) 불규칙 충전(random packing) , 구조 충전(structured packing), 트레이 컬럼(tray column) 또는 분사 요소를 이용하여 제공될 수 있다. 그런 다음, 응축된 LNG 증기는 고압 펌프로 공급되는데, 그런 다음 여기서부터 분배 파이프라인으로 발송된다.
액체 공급물의 소요 공급압(required supply pressure)을 중대하게 증가시키지 않을 컴팩트 장치(compact device)에서 보일-오프를 감소시키기 위해 과냉각된 액체 공급물의 냉각을 이용하는 방법을 갖는 것이 바람직하다. 매우 큰 저압 저장 용기에서 사용에 적합한 방법이 특히 더 바람직하다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 목적은 적어도 일부의 증기 배관을 제거하여 저장 용기의 비용과 복잡성을 감소시키는 극저온 액체용 저장 용기를 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 다른 목적은 보일-오프 증기 콘덴서가 누설 방지 인클로저(leak tight enclosure)를 필요로 하지 않는 극저온 액체용 저장 용기를 제공하는 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예들의 또 다른 목적은 보일-오프 증기를 응축시키는 냉각 효율(refrigeration duty)을 제공하기 위해 외부 냉각제의 사용을 필요로하지 않는 극저온 액체용 저장 용기를 제공하는 것이다.
발명의 요약
본 발명의 제1 측면에 따르면, 극저온 액체(cryogenic liquid)를 저장하기 위한 하부(lower portion) 및 그 위에 구비된 증기 공간(vapor space)을 포함하는 극저온 액체용 저장 용기로서, 상기 용기는
극저온 액체 공급물(cryogenic liquid feed)과 직접 열교환함으로써 보일-오프 증기(boil-off vapor)를 상기 용기로 응축시키기 위한 콘덴서로서, 상기 콘덴서는 최상단부(top end portion) 및 바닥단부(bottom end portion)를 포함하는 증기-액체 접촉 패킹(vapor-liquid contact packing)의 충전 배열(packed arrangement)을 구비하되, 적어도 상기 최상단부는 상기 배열 내로 보일-오프 증기가 들어오도록 상기 증기 공간에 개방되고, 상기 바닥단부는 상기 저장 용기의 하부에 유체 흐름(fluid flow)을 전달하는 상기 콘덴서;
상기 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열의 최상단부에 극저온 액체 공급물을 제공하는 입구; 및
상기 용기의 하부로부터 극저온 액체를 제거하기 위한 출구를 포함하는 저장 용기가 제공된다.
본 발명의 제2 측면에 따르면, 극저온 액체를 저장하기 위한 하부, 그 위에 제공된 증기 공간과, 용기로 극저온 액체 공급물과 직접 열 교환에 의해 보일-오프 증기를 응축하며, 증기-액체 접촉 패킹을 포함하는 콘덴서를 구비하는 극저온 액체 저장 용기에서 보일-오프 증기를 응축하는 방법으로, 상기 방법은
극저온 액체를 과냉각하여 과냉각된 극저온 액체를 제조하는 단계; 및
과냉각된 극저온 액체를 상기 콘덴서의 증기-액체 접촉 패킹으로 공급하는 단계를 포함하고,
이에 의해 상기 용기의 상기 증기 공간으로부터의 보일-오프 증기를 상기 극저온 액체 공급물과 직접 열 교환함으로써 상기 콘덴서의 패킹에 응축하는 방법이 제공된다.
발명의 상세한 설명
저장 용기는 극저온 액체를 저장하기 위한 하부와 그 위에 제공된 증기 공간를 구비한다. 상기 용기는 극저온 액체 공급물과 직접 열교환함으로써 보일-오프 증기를 상기 용기로 응축시키기 위한 콘덴서를 포함한다. 콘덴서는 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열을 포함한다. 충전 배열은 최상단부와 바닥단부를 포함하며, 배열 내로 보일-오프 증기가 유입될 수 있도록 적어도 최상단부가 증기 공간에 개방된다. 바닥단부는 저장 용기의 하부에 유체 흐름을 전달한다. 용기는 또한 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열의 최상단부로 극저온 액체 공급물을 제공하기 위한 입 구(inlet)와, 용기의 하부로부터 극저온 액체를 제거하기 위한 출구(outlet)를 포함한다.
잇점은 콘덴서 설계의 단순성으로 인해 발생한다. 예를 들어, 극저온 액체 공급물과 보일-오프 증기 사이의 직접 열 교환에 의하여 보일-오프 증기의 응축이 일어난다. 따라서, 복잡하고 비싼 간접 열 교환기는 필요하지 않다. 또한, 중력에 의해 콘텐서를 통해 극저온 액체를 끌어들임으로써 설계를 더욱 단순화한다. 나아가, 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열 내의 보일-오프 증기의 응축 동작은 콘덴서 내로 추가적인 보일-오프 증기를 끌어들인다. 따라서, 콘덴서는 그 자체에 보일-오프 증기를 효율적으로 공급하므로, 콘덴서로 보일-오프 증기를 공급하는 배관이나 다른 설비를 사용할 필요가 없다.
과냉각된 액체는 최상단부로 공급되고, 콘덴서를 통해 하강함에 따라 따뜻해지므로, 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열의 최상단부는 전형적으로 바닥단부 보다 차갑다. 사용되는 충전 배열의 최상단부는 바닥단부보다 차갑다. 따라서, 충전 배열의 바닥단부도 증기 공간에 개방되어 있는 실시예에서, 보다 많은 보일-오프 증기가 바닥단부 보다는 최상단부에 응축될 것이고, 이로 인하여 바닥 보다는 최상에서 콘덴서 내로 더 많은 보일-오프 증기를 끌어들일 것이다.
저장 용기에 저장되는 극저온 액체의 성질은 본 발명에서 중요하지 않다. 본 발명은 LNG, LAR, LIN, LOX 및 액체 수소를 포함하는 어떠한 극저온 액체라도 그 저장에 적용하도록 의도된다.
극저온 액체용 저장 용기는 인클로저 벽(enclosure wall), 베이스와, 극저온 액체를 수용하는 하부와 상기 하부 위에 제공된 증기 공간으로 이루어진 내부를 정의하는 커버를 통상 구비한다. 이러한 용기는 가능한한 많이 용기 내로의 열 누설을 감소시키기 위하여 일반적으로 절연된다. 그러나, 완전하게 효율적인 절연은 없다. 따라서, 이러한 저장 용기는 저장 용기 내로의 열 누설에 의해 초래되는 극저온 액체의 기화로 인한 과도 압력(excess pressure)의 증강(build up)을 해제시키는데 필요한 만큼 열리거나 닫힐 수 있는 벤트를 보통 구비할 것이다. 벤트는 통상 압력이 미리 정해진 안전 한계를 언제 초과하는지를 결정하는 압력 센서와 과도 압력을 해제시키는 벤트를 조작하는 작동 수단(actuating means)을 이용하여 자동으로 조절된다.
극저온 액체 공급물의 소오스는 용기와는 독립적일 수 있거나, 용기 그 자체일 수 있다. 공급물이 용기와 독립적인 실시예에서, 상기 용기는, 극저온 액체 공급물(예를 들어 LIN, LOX 또는 LAR)을 극저온 공기 분리 공정에서 제조하고, 요구되는 대로 과냉각한 다음, 극저온 액체 공급물로서 용기로 공급하는 극저온 공기 분리 공정과 통합될 수 있다. 대안적으로, 상기 용기는, 극저온 액체 공급물(예를 들어 LNG 또는 액체 수소)을 액화 공정에서 제조하고, 필요한 만큼 과냉각한 다음 극저온 액체 공급물로서 용기로 공급하는 기체 액화 공정(gas liquefaction process)에 통합될 수 있다. 이러한 실시예들은 특히 고정되고 지상 기반인(land-based) 저장 용기에 적합하다.
다른 실시예에서, 극저온 액체는 용기로부터 제거되고, 외관상 과냉각된 다음, 극저온 액체 공급물로서 용기로 회수될 수 있다. 이러한 실시예들은 보일-오프 는 억제될 것이나 저장 용기로의 실질적인 공급물이 없는 수송 응용(transportation application)에 특히 적용가능하다. 적절한 수송 응용의 예는 LNG용 선적(ship-board) 저장 용기일 수 있다.
저장 용기는,
극저온 액체를 펌핑하기 위한 펌프;
상기 저장 용기로부터 상기 펌프로 극저온 액체를 공급하기 위한 도관 수단;
냉각제에 대항하여 간접 열 교환에 의해 극저온 액체를 과냉각(sub-cooling)하여 과냉각된 극저온 액체를 제조하기 위한 열 교환기;
펌프된 극저온 액체를 상기 펌프로부터 상기 열 교환기로 공급하기 위한 도관 수단(conduit means); 및
상기 열 교환기로부터 상기 용기의 입구로 과냉각된 극저온 액체를 공급하기 위한 도관 수단을 더 포함할 수 있다. 저장 용기의 이러한 실시예들은 극저온 공기 분리 공정 또는 액화 공정과 통합될 수 있다. 그러나 그들은 극저온 액체를, 특히 배편으로 수송하는데 특별하게 응용될 수 있다.
어떠한 적절한 냉각제라도 사용될 수 있고, 통상적으로 도관 수단은 절연된 배관이다.
보일-오프 증기의 온도 아래로 온도를 감소시킴으로써 응축 동작(condensation action)을 추진하도록, 극저온 액체 공급물은 전형적으로 과냉각된다. 공급물은 보일-오프 증기를 배출시킬 필요를 감소시키거나 제거하는데 적어도 필요한 만큼 통상적으로 과냉각된다. 과냉각을 증가시키는 것은 증기의 응축에 대한 추진력을 증가시키고, 따라서 패킹의 표면적이 비례적으로 감소될 수 있다. .
콘덴서는 용기의 안쪽 또는 바깥쪽에 설치될 수 있다. 콘덴서가 용기의 바깥쪽에 설치되는 실시예에서, 콘덴서는 컨테이너 내에 포함된다. 컨테이너는 최상단부 및 바닥단부를 구비하는데, 이들은 모두 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열 내로 보일-오프 증기가 유입될 수 있도록, 그리고 응축된 증기가 (더워진 극저온 액체와 함께) 증기 공간으로, 따라서 용기의 하부로 공급되도록 용기의 증기 공간에 (예를 들어 파이프 구조물(pipe work)을 통해) 유체 흐름을 전달한다. 바람직하게는, 이러한 컨테이너 및 연결된 파이프 구조물은 콘덴서 내로 열 누설을 감소시키도록 절연된다. 만일 콘덴서가 용기의 외부에 있으면, 존재하는 저장 용기에 역으로 맞춰질(retro-fitted) 수 있다.
그러나, 바람직한 실시예에서, 콘덴서는 저장 용기의 증기 공간 내에 장착된다. 이러한 실시예들은 외부 콘덴서를 갖는 실시예들 이상의 여러 잇점이 있다. 예를 들면, 용기의 바깥쪽에 제공된 콘덴서를 구비하지 않음으로써, 보일-오프 문제에 기여하는 용기 내로의 열 누설의 기회가 더 적다. 또한, 추가적인 컨테이너, 파이프 구조물 및 여분의 절연재가 필요하지 않다. 나아가, 콘덴서를 에워쌀 필요가 없고, 따라서 증기는 패킹의 측면으로부터 콘덴서로 들어갈 수 있다.
패킹 재료는 폴링과 같은 불규칙 충전일 수 있으나, 바람직하게는 파형(corrugated), 다공(perforated) 금속 시트와 같은 구조 충전이다. 패킹 재료는 높은 표면적을 갖는 것이 바람직하다. 패킹의 표면적은 전형적으로 100 m2/m3 (m2 표면적/m3 패킹 부피) 이상, 일반적으로 200 m2/m3 이상, 바람직 하게는 400 m2/m3 이상이다. 패킹 표면적의 적절한 상한은 750 m2/m3 이다.
패킹이 구조 충전인 실시예에서, 패킹 재료는 "플러그(plug)" 형태로 충전 배열을 형성하도록 함께 묶여질 수 있다. 다수의 파형, 다공 금속 시트가 사용되는 곳에서, 시트는 일반적으로 수직으로 평행하게 패킹된다. 패킹 증기 공간과 저장 증기 공간 사이에 무시할만한 압력 하강이 있으므로, 이러한 플러그는 압력 인클로저(pressure enclosure)를 필요로 하지 않고, 실질적으로 어떠한 방향으로부터라도 패킹으로 보일-오프 증기가 유입되도록 실질적으로 모든 충전 배열이 증기 공간에 개방된다.
그러나, 특정한 다른 바람직한 실시예에서, 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열은 인클로저(enclosure) 내에 포함된다. 불규칙 또는 구조 충전은 인클로저과 함께 사용될 수 있다. 만일 인클로저가 어떠한 구멍(aperture)도 구비하지 않는다면, 충전 배열의 측부는 증기 공간에 대해 폐쇄될 수 있다. 그러나, 바람직하게, 측면으로부터 패킹으로 증기가 들어올 수 있도록 충전 배열의 적어도 일부 또는 적어도 하나의 측면은 인클로저의 적어도 하나의 구멍을 통해 증기 공간에 개방된다.
충전 배열의 최상단부 뿐만 아니라, 바닥 단부는 또한 증기 공간에 개방될 수 있다. 이러한 실시예들은 콘덴서가 저장 용기의 증기 공간 내에 있는 때에 특히 바람직하다. 충전 배열의 바닥단부는 중력 하에서 응축된 증기(더워진 공급물과의 혼합물로서)가 증기 공간을 통해 용기의 하부로 떨어짐에 따라 용기의 하부에 유체 흐름을 전달한다.
그러나, 다른 실시예에서, 저장 용기는 충전 배열의 바닥 단부로부터 저장 용기의 하부로 응축된 증기(더워진 공급물과의 혼합물로서)를 공급하는 도관 수단을 더 포함한다. 이러한 도관 수단은 증기 공간으로부터 충전 배열의 바닥단부로 증기 접근을 막는 (바닥 헤드(bottom head)와 같은) 바닥 인클로저(bottom enclosure)와, 저장 용기의 하부로 바닥 인클로저에서 모아진 액체를 공급하는 배관을 포함할 수 있다.
충전 배열의 최상부 상에 극저온 액체를 충분하게 분배하는 것은, 패킹의 최상부 상으로 액체 공급물을 간단하게 흘러들게 하고, 패킹의 고유 퍼짐 능력(inherent spreading capability)에 의지함으로써 얻어질 수 있다.
대안적으로, 용기는 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열의 최상단부 상에 실질적으로 균일하게 극저온 액체 공급물을 분배하는 액체 분배기(liquid distributor)를 더 포함할 수 있다. 어떠한 통상적인 액체 분배기라도 사용될 수 있다. 분배기는 가압될 수 있거나(이러한 경우 파이프, 살포(sparge) 또는 분사(spray) 분배기와 같은 폐쇄형 분배기일 수 있다), 또는 비가압될 수 있다(이러한 경우, 플레이트나 홈통(trough) 분배기와 같은 개방형 분배기일 수 있다). 바람직한 실시예에서, 분배기는 증기 라이저(vapor riser)와 다수의 분배 구멍을 구비하는 플레이트 분배기이다.
저장 용기는 하나 이상의 콘덴서 및/또는, 단일 콘덴서에 공급하는 하나 이상의 입구를 포함할 수 있다. 입구는 하나 이상의 콘덴서에 공급하도록 나누어질 수 있다. 그러나, 바람직한 실시예에서, 저장 용기는 하나의 콘덴서와 상기 콘덴서에 극저온 액체 공급물을 제공하는 하나의 입구를 갖는다.
콘덴서를 위한 입구는 단지 용기로의 입구만일 수 있다. 그러나, 대안적인 실시예에서, 적어도 하나의 추가적인 입구가 포함될 수 있다. 상기 또는 각각의 추가적인 입구는 일반적으로 콘덴서에 공급하지 않고, 그 대신 일반적으로 증기 공간을 통해 용기의 하부로 직접 극저온 액체를 공급하도록 위치된다. 일부 실시예에서, 용기로의 공급물은 두 부분으로 나누어진다. 제1 부분은 과냉각되고 콘덴서로 공급되며, 제2 부분은 과냉각 되지 않고, 대신 용기의 하부에 저장된 액체로 직접 공급된다. 과냉각된 부분의 흐름에서의 감소는 패킹의 전체 표면적이 감소될 수 있음을 의미한다.
용기 내 압력은 단일 공급량의 과냉각 정도를 다양화 하거나, 과냉각된 공급물과 과냉각되지 않은 공급물 사이에 흐름을 나눔으로써 조절될 수 있다. 만일 주 시스템이 원하는 범위 내에서 압력을 유지할 수 없다면, 어느 하나의 선택은 부 시스템으로서 벤트 및 압력 강화 증발기(pressure build-up vaporizer)를 갖는 주 압력 조절 시스템일 수 있다.
본 발명의 콘덴서는 매우 큰 용량, 즉 500 m3 이상의 용량을 갖는 저장 용기에 특별히 적용된다. 본 발명의 저장 용기의 용량의 상한은 약 60,000 m3, 예를 들면 약 40,000 m3 (특히 LNG용 선적 저장 용기의 관련하여) 또는 약 5,000 m3 (특히 LOX 또는 LIN용 저장 용기와 관련하여)정도일 수 있다.
본 발명의 저장 용기는 저압 극저온 액체, 즉, 약 0.5 바아(bar) 진공(약 50 kPa 절대압력) 내지 약 3 바아 게이지(약 400 kPa 절대압력), 바람직하게는 약 대기압(약 100 kPa 절대압력) 내지 약 0.5 바아 게이지(약 150 kPa 절대압력)의 압력을 갖는 액체의 저장에 바람직하게 적용된다.
장치는 일반적으로 다음의 소스로부터 최대 증기 발생을 응축시키도록 설계된다:
(a) 용기 내로의 열 누설 및 내용물의 일부를 증발;
(b) 탱크를 액체로 채움으로써 치환된 증기;
(c) 과냉각 되지 않은 공급물의 어떠한 일부로부터의 플래쉬 증기(flash vapor); 및
(d) 탱크로 들어오는 펌프 재순환 스트림(pump recycle stream) 상에 플래쉬에 의해 발생된 증기.
(a), (c) 및 (d)에 의해 생산된 증기의 양을 결정하는 계산은 당업자에게 잘 알려져 있다. 당업자는 또한 액체로 용기를 채움으로써 치환된 증기의 부피비가 용기로의 액체 공급물의 부피비와 같다는 것을 이해할 것이다. 전형적으로, 절연재를 통한 용기 내로의 열 누설은 1일당 용기의 전체 용적의 약 0.2 내지 0.5%의 기화를 초래한다.
전체 증기 발생은 V(kg/s)이다. 효율(duty) Q(kW)는 V.dH와 동일한데,dH는 저장된 유체의 증발 잠열이다(kJ/kg). 소요 열전달 표면적 A(required heat transfer surface area A)(m2)는 계산효율(calculated duty) Q, 열전달 계수 U (kJ/m2/K) 및 응축시키는 증기와 표면 상의 액체 흐름 사이의 대수평균온도차(log mean temperature difference, "LMTD")로부터 다음식을 따라 계산된다:
A=Q/(U.LMTD)
열전달 계수는 관련 문헌으로부터 추정될 수 있고, LMTD는 과냉각된 액체 흐름, 증기 흐름 및 액체와 기체의 온도로부터 계산될 수 있다. 적절한 마진은 실제 면적 A*를 부여하는 필요 면적(required area) A에 적용될 수 있다.
액체의 증기로 근접 온도 접근을 위한 장치를 설계함으로써(예를 들면, 0.5K 이하로 "쪼여진(pinched)"), 고정된 표면적에 대한 효율은 열전달 계수에 대해 민감하지 않게 될 수 있어, 그 값은 정확하게 추정될 필요는 없다.
이 때, 사용되는 패킹의 부피 P(m3)는 P=A*/a 로 주어질 수 있는데, 여기서 a는 패킹의 단위부피당 표면적(m2/m3)이다. 증기압의 하강이 낮은 것과, 만일 모든 증기가 패킹의 바닥에 유입된다면 최대 증기 및 액체 비율이 패킹의 범람을 초래하지 않을 것을 보증하기 위하여, 선택된 패킹에 대해 추천된 설계 방법을 사용하여 장치의 단면적 X(m2)이 결정되어야 한다. 이러한 설계 방법은 당업게에 잘 알려져 있어, 여기서는 더이상 기재하지 않는다. 따라서, 충전 높이 H(m)는 H=P/X로 주어질 수 있다.
증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열의 최상단부 상에 실질적으로 균일하게 액 체 공급물을 분배하는 액체 분배기를 구비하는 실시예에서, 액체 분배기는 패킹 상의 액체 흐름이 가능하면 균일하도록 정상적으로 크기에 따라 분류되어야(sized) 한다. 이러한 분배기의 설계는 공지되어 있으며, 여기서는 더이상 기재하지 않는다. 적절하게 저압 강하를 하는 장치의 최상부에 최대 계산 증기 흐름(maximum calculated vapor flow)이 유입되도록 액체 분배기의 주변에 증기 흐름을 위한 충분한 면적이 있어야 한다.
다른 실시예에서, 액체는 패킹의 최상부의 단일 포인트에 공급될 수 있다. 그러한 실시예에서, 패킹의 유효 표면적은 액체에 의해 젖지 않는 표면을 설명하기 위해 감소될 필요가 있을 것이다.
본 공정은 극저온 액체를 저장하기 위한 하부, 그 위에 제공된 증기 공간 및 극저온 액체 공급물과 직접 열 교환함으로써 상기 용기로 보일-오프 증기를 응축시키는 콘덴서를 구비하는 극저온 액체 저장 용기에서 보일-오프 증기를 응축시킨다. 콘덴서는 증기-액체 접촉 패킹을 포함한다. 본 공정은 극저온 액체를 과냉각하여 과냉각된 극저온 액체를 제조하는 단계 및 과냉각된 극저온 액체를 콘덴서의 증기-액체 접촉 패킹에 공급하는 단계를 포함하며, 이에 의해 극저온 액체 공급물과 직접 열 교환함으로써 용기의 증기 공간으로부터의 보일-오프 증기가 콘덴서의 패킹에 응축된다.
바람직하게는, 극저온 액체 공급물의 부피는 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열 내로 보일-오프 증기를 끌어들이기에 충분하다.
바람직하게는, 본 공정은 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열의 최상단부 상에 상기 과냉각된 극저온 액체를 실질적으로 균일하게 분배하는 단계를 더 포함한다.
본 공정은 극저온 액체 (예를 들어 LIN, LOX 또는 LAR)를 생산하는 극저온 공기 분리 공정 또는 극저온 액체 (예를 들어 LNG 또는 액체 수소)를 생산하는 액화 공정과 통합될 수 있다. 다른 실시예에서, 본 공정은 저장 용기로부터 극저온 액체를 제거시키는 단계, 액체를 펌핑하는 단계 및 그런 다음 펌핑된 액체를 과냉각하여 과냉각된 극저온 액체 공급물을 생산하는 단계를 더 포함한다.
본 발명에 따른 저장 용기 또는 공정의 특히 바람직한 실시예는 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 기재된 것과 실질적으로 같다.
본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 단지 예시로서 설명되어질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 극저온 액체용 저장 용기(10)을 도시한다. 저장 용기는 LNG, LIN, LAR, LOX 등과 같은 어떠한 극저온 유체라도 수용하는데 사용될 수 있다. 저장 용기는 절연되지만, 절연재는 도면에 도시되지 않는다.
용기(10)는 극저온 액체(14)를 수용하기 위한 하부(12)와, 하부(12) 상에 제공된 증기 공간(16)을 구비한다. 벤트(18)는 증기 공간(16)에 보일-오프 증기의 과도 압력 강화를 해제하도록 제공된다. 벤트(18)는 압력 조절 장치(20)에 의해 조절된다. 극저온 액체의 스트림(22)은 용기(10)로부터 제거되고, 펌프(24)를 이용하여 더 높은 압력으로 펌핑되어, 극저온 액체의 펌핑된 스트림(26)을 만든다. 펌핑된 스트림(26)은 두 부분으로 분리된다. 제1 부분(28)은 압력 교차밸브(pressure across valve)(30)에서 감소되고 용기(10)으로 재순환된다. 제2 부분(32)은 출구 스트림으로서 제거된다.
저장 용기(10)는 극저온 액체를 하류 유니트(미도시)로 또는 수출(export)을 위해 연속적으로 또는 간헐적으로 이송하는데 사용된다. 일반적으로 하나 이상의 펌프/펌프 재순환 라인(28)이 존재할 것인데, 이것을 통해 펌핑된 유체의 일부가 조절을 위하여 재순환된다. 어떠한 재순환된 액체라도 펌프 구조물과, 재순환된 액체의 엔탈피를 증가시켰던 배관 열 누설로 인하여 추가적인 보일-오프를 생성할 것이다.
도면부호 10 내지 32의 특징은 일반적으로 당업계에 잘 알려져 있다.
콘덴서(34)는 용기(10)의 증기 공간(16) 내에 제공되고, 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열(36)을 포함한다. 극저온 액체 공급물의 스트림(38)은 입구(40)을 통하여 용기(10)로 공급된다. 공급물 스트림(38)은 적어도 벤트(18)를 통해 배출하는 어떠한 보일-오프 증기도 최소화하거나 제거하는데 필요한 정도으로 과냉각되었다(미도시). 공급물 스트림(38)은 액체 분배기(미도시)를 이용하여 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열(36)의 최상단부를 가로질러 실질적으로 균일하게 분배된다. 과냉각된 액체는 패킹 상에 퍼져서 큰 증기-액체 계면 표면적을 제공하고, 보일-오프 증기를 응축시킨다. 응축된 보일-오프 증기는 (더워진 공급물 액체와 함께) 콘덴서(34)로부터 저장된 액체(14) 내로 떨어진다.
콘덴서(34)는 최상단부 및 바닥단부에서 모두 증기 공간(16)에 개방된다. 콘덴서(34) 안쪽에서의 증기의 응축 동작은 콘덴서의 최상단부 및 바닥단부 양쪽에서 보일-오프 증기를 콘덴서 내로 끌어들인다. 더 차가와짐에 따라 보다 많은 증기가 바닥단부 보다는 최상단부로 유입되고, 따라서 보다 많은 응축이 그곳에서 일어난 다. 과냉각된 액체가 콘덴서(34)의 이 부분으로 공급되므로, 최상단부는 바닥단부 보다 더 차갑다.
도 2는 본 발명의 저장 용기(10)의 다른 실시예를 도시한다. 도 2에 도시된 용기(10)의 많은 특징들(10 내지 36)은 도 1에 도시된 용기(10)의 특징들과 동일하고, 따라서 같은 도면 부호는 같은 특징에 사용되었다. 이하에서는 도 1의 용기(10)와 다른 도 2에서의 용기(10)의 특징들에 대하여 설명하기로 한다.
극저온 액체 공급물의 스트림들(42, 46)은 (각각 입구 44 및 48을 통해) 모두 용기(10)로 공급된다. 그러나, 단지 스트림(42)만이 과냉각되고(미도시), 따라서 단지 스트림(42) 만이 콘덴서(34) 내로 루트가 정해진다. 만일 분리된 위치로부터 유래하는 두개의 공급물 스트림이 실제적으로 존재한다면, 이러한 실시예가 사용될 수 있을 것이다. 대안적으로, 단일 공급물 스트림은 두 부분으로 분리될 수 있고, 단지 하나의 부분만 과냉각될 수 있다. 이러한 대안적인 실시예에서, 과냉각된 부분은 도 1에서의 경우보다 더 심하게 과냉각되어져야 한다. 증가된 과냉각은 저장 증기를 응축시키기 위한 추진력을 증가시킬 것이고, 따라서 접촉 장치의 표면적을 더 낮게 하도록 할 것이다. 또한, 장치를 통해 감소된 액체 흐름은 접촉 장치의 단면적을 감소시키는 경향도 있다. 이러한 잇점들은 도 1과 비교하여 도 2의 추가적인 복잡성을 충분히 정당화한다.
도 3은 도 1(또는 도 2)의 콘덴서(34)와 결합된 액체 분배기(50)을 도시한다. 상기 결합은 외부 인클로저 벽(52)과, 증기 라이저(56)와 액체 분배 구멍(58)을 갖는 액체 분배기 플레이트(liquid distributor plate)(54)를 포함한다. 액체 분배기(50) 아래에 높은 표면적 접촉 패킹의 충전 배열(36)이 있다. 충전 배열(36)은 일반적으로 아래에 제공된 지지 시스템(미도시)과 가능하다면 위에 제공된 홀드-다운 시스템(미도시)을 가질 것이다.
도 4는 증기 라이저(56)와 분배 구멍(58)을 갖는 분배기 플레이트(54)의 평면도를 나타낸다. 어떠한 알려진 대안적인 형태의 액체 분배 방법(홈통 분배기 같은)이라도 도시된 플레이트와 라이저 대신 사용될 수 있다.
과냉각된 액체는 공급관(60)을 통해 분배기(50)로 유입되고, 구멍(58)을 통해 충전 재료의 충전 배열(36)의 최상단부 상에 실질적으로 균일하게 분배된다.
콘덴서의 최상단부 및 바닥단부가 증기 공간에 개방되므로, 보일-오프 증기는 위와 아래로부터 콘덴서(34)로 들어오는데 자유롭다. 과냉각된 액체 공급물이 장치의 최상부로부터 유입됨에 따라, 과냉각된 액체와 포화 보일-오프 증기 사이의 온도 차이는 액체가 증기의 응축에 의해 더워지는 때 더 낮아짐보다 그곳에서 더 높아질 것이므로, 충전 배열의 상부에서 대부분의 증기 응축이 일어날 것이다. 따라서, 콘덴서로 들어오는 대부분의 증기는 최상부로부터 유입되는 경향이 있을 것이다. 도 3의 결합에서, 최상부 증기는 증기 라이저(56)를 통해 아래로 움직여 간다. 그러나, 증기는 또한 접촉 재료 내로 위로 움직여 가는데, 패킹에 일어나는 응축에 의해 그곳에서 "빨아들이게(sucked)" 된다.
대부분의 증기가 위로부터 유입되므로, 콘덴서의 유수 범람(hydraulic flooding)은 고려하지 않는다. 또한, 증기가 우선적으로 평균치보다 차가운 패킹 내의 어떠한 포인트로 끌여들여짐에 따라(이것은 좋지 않은 분배(mal- distiribution)로 인하여 평균량 이상의 액체 공급물이 그러한 포인트로 공급된다면 발생할 것이다), 콘덴서는 설계보다 더 빈약한 액체 분배를 보충한다.
일부 분배 구멍(58)이 깨지거나 설계 액체 공급량 흐름보다 높음으로 인하여 도 3의 형태의 액체 분배기는 넘칠 수 있다. 양 단부에서 콘덴서가 증기 공간에 개방되므로, 그러한 넘침은 그것의 작동을 멈추기 보다는 장치의 효율을 단지 감소시킬 것이다. 과도(excess) 액체는 인클로저 벽(52)의 최상부를 넘칠 것이다(이상적으로는 라이저(56)의 최상부 보다 더 낮게 상승하여 위로부터의 증기 유입이 제한되지 않는다).
콘덴서 내로 증기를 끌어들이는 것은 콘덴서 내부에서의 증기 응축인 것을 인지해야 한다. 따라서, 콘덴서 장치는 저장 증기 공간 내에 편리한 어떤 위치에라도 위치시킬 수 있는데, 다시 말하면 벤트라인(18)이 위치하는 곳에 국부적으로 위치시킬 필요는 없다는 것이다.
명세서 전반에 걸쳐, 특별한 기능을 수행하는 수단의 문맥에서 "수단(means)"이라는 용어는 그러한 기능을 수행하도록 장착되거나 만들어진 어떠한 적절한 장치를 의미하도록 의도된다.
본 발명은 바람직한 실시예들을 참조로 하여 위에서 설명한 사항들에 한정되는 것은 아니며, 아래의 청구항에 의해 정의되는 본 발명의 사상 또는 범위 내에서 수많은 변형과 변경이 가능하다는 것을 이해할 것이다.
본 발명의 바람직한 실시예들에 따른 극저온 액체용 저장 용기는 적어도 일 부의 증기 배관을 제거하여 저장 용기의 비용과 복잡성을 감소시킬 수 있다. 또한, 극저온 액체용 저장 용기는 보일-오프 증기 콘덴서가 누설 방지 인클로저를 필요로 하지 않을 수 있다. 또한, 극저온 액체용 저장 용기는 보일-오프 증기를 응축시키는 냉각 효율을 제공하기 위해 외부 냉각제의 사용을 필요로하지 않을 수 있다.

Claims (17)

  1. 극저온 액체를 저장하기 위한 하부 및 그 위에 구비된 증기 공간을 포함하는 극저온 액체용 저장 용기로서, 상기 용기는
    극저온 액체 공급물과 직접 열교환함으로써 보일-오프 증기를 상기 용기로 응축시키기 위한 콘덴서로서, 상기 콘덴서는 최상단부 및 바닥단부를 포함하는 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열을 구비하되, 적어도 상기 최상단부는 상기 배열 내로 보일-오프 증기가 들어오도록 상기 증기 공간에 개방되고, 상기 바닥단부는 상기 저장 용기의 하부에 유체 흐름을 전달하는 상기 콘덴서;
    상기 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열의 최상단부에 극저온 액체 공급물을 제공하는 입구; 및
    상기 용기의 하부로부터 극저온 액체를 제거하기 위한 출구를 포함하는 저장 용기.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 콘덴서는 상기 저장 용기의 상기 증기 공간 내에 설치된 것인 저장 용기.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 패킹은 구조 충전이고, 실질적으로 모든 충전 배열이 상기 증기 공간에 개방된 것인 저장 용기.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열은 인클로저 내에 포함된 것인 저장 용기.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 충전 배열의 적어도 한 부분 또는 적어도 한 측면이 상기 인클로저의 적어도 하나의 구멍을 통해 상기 증기 공간에 개방되는 것인 저장 용기.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 충전 배열의 바닥단부가 상기 증기 공간에 개방되는 것인 저장 용기.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 충전 배열의 바닥단부로부터 상기 저장 용기의 하부로 응축된 증기를 공급하는 도관 수단을 더 포함하는 저장 용기.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열의 최상단부 상에 극저온 액체 공급물을 실질적으로 균일하게 분배하는 액체 분배기를 더 포함하는 저장 용기.
  9. 제1항에 있어서,
    하나의 콘덴서와, 극저온 액체 공급물을 상기 콘덴서로 제공하기 위한 하나의 입구를 포함하는 저장 용기.
  10. 제1항에 있어서,
    적어도 하나의 추가적인 입구를 포함하되, 상기 입구 또는 상기 각각의 추가적인 입구는 상기 증기 공간을 통해 상기 용기의 하단부로 직접 극저온 액체를 공급하도록 위치하는 것인 저장 용기.
  11. 제1항에 있어서,
    극저온 액체를 펌핑하기 위한 펌프;
    상기 저장 용기로부터 상기 펌프로 극저온 액체를 공급하기 위한 도관 수단;
    냉각제에 대항하여 간접 열 교환에 의해 극저온 액체를 과냉각하여 과냉각된 극저온 액체를 제조하기 위한 열 교환기;
    상기 펌프로부터 상기 열 교환기로 펌프된 극저온 액체를 공급하기 위한 도관 수단; 및
    상기 열 교환기로부터 상기 저장 용기의 입구로 과냉각된 극저온 액체를 공급하기 위한 도관 수단을 더 포함하는 저장 용기.
  12. 제1항에 있어서,
    500 m3 이상의 용량을 갖는 저장 용기.
  13. 제1항에 있어서,
    약 50 kPa 절대압력(약 0.5 bar 진공) 내지 약 400 kPa 절대압력(약 3 bar 게이지)의 압력에서 극저온 액체의 저장을 위해 장착되는 저장 용기.
  14. 극저온 액체를 저장하기 위한 하부, 그 위에 제공된 증기 공간과, 용기로 극저온 액체 공급물과 직접 열 교환에 의해 보일-오프 증기를 응축하며, 증기-액체 접촉 패킹을 포함하는 콘덴서를 구비하는 극저온 액체 저장 용기에서 보일-오프 증기를 응축하는 방법으로, 상기 방법은
    극저온 액체를 과냉각하여 과냉각된 극저온 액체를 제조하는 단계; 및
    과냉각된 극저온 액체를 상기 콘덴서의 증기-액체 접촉 패킹으로 공급하는 단계를 포함하고,
    이에 의해 상기 용기의 상기 증기 공간으로부터의 보일-오프 증기를 상기 극저온 액체 공급물과 직접 열 교환함으로써 상기 콘덴서의 패킹에 응축하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 극저온 액체 공급물의 부피는 상기 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열 내로 보일-오프 증기를 끌어들이기에 충분한 것인 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 증기-액체 접촉 패킹의 충전 배열의 최상단부 상에 실질적으로 균일하게 상기 과냉각된 극저온 액체 공급물을 분배하는 단계를 더 포함하는 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 저장 용기로부터의 극저온 액체는 상기 용기로부터 제거되고, 펌핑되고, 이후 과냉각되어 상기 과냉각된 극저온 액체 공급물을 생산하는 것인 방법.
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