KR20230175223A - 해상 또는 육상 구조체용 기체 이수소를 액화시키기 위한 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 적어도 하나의 탱크(3, 5)에 저장된 액체 상태(9)의 이수소의 증발로부터 생성된 기체 이수소를 액화시키는 장치(11)에 관한 것이다. 액화 장치(11)는 적어도 하나의 열 교환기(13)와, 탱크(3, 5)로부터의 기체 이수소 소비처(7)에게 기체 이수소의 적어도 일 부분을 운반하도록 구성된 적어도 하나의 공급 브랜치(21)를 포함하며, 공급 브랜치의 일부는 열 교환기(13)를 통해 통과하며, 열 교환기의 내부에는, 이수소의 파라 이수소의 오쏘 이수소로 변환하는데 관여하는 촉매(151)가 배치되며, 열 교환기(13)를 통해 통과하는 냉각 브랜치(23)의 일부는 냉각 브랜치에서 순환하는 이수소의 적어도 일부를 액화시키고 그리고 공급 브랜치(21)에서 순환하는 이수소를 가열하기 위해 제 1 통로(15)와 열을 교환한다.
Description
본 발명은 적어도 하나의 소비처에게 이수소(dihydrogen)가 공급되는 플로팅 구조체(floating structure) 또는 육상 구조체의 분야에 관한 것이다. 이들 구조체는 액체 상태의 이수소를 저장 및/또는 운반할 수 있게 한다. 보다 구체적으로, 구조체, 특히 플로팅 또는 육상 구조체의 적어도 하나의 소비처를 위한 연료로 사용되는 기체 이수소를 액화하기 위한 장치에 관한 것이다.
이수소를 보다 쉽게 운반 및/또는 저장하기 위해서, 이수소는 일반적으로 대기압에서 이수소의 기화 온도보다 낮은 극저온 온도로 냉각된 액체 상태이다. 이수소는 예를 들어 대기압에서 -253℃로 냉각되어 액체 상태로 전이된다. 이 액화 이수소는 구조체의 전용 탱크에 선적된다.
그러나, 이러한 탱크는 완벽하게 열적으로 단열되어 있지 않으므로, 액체 상태의 이수소의 자연적인 증발은 불가피하다. 자연 증발 현상을 보일-오프(boil-off)라고 하며, 이러한 자연 증발로 인해 발생하는 기체를 보일-오프 기체(boil-off gas)라고 하며, 약어는 BOG이다. 따라서, 구조체의 탱크는 액체 형태의 이수소와 기체 형태의 이수소를 모두 포함한다.
기체 형태로 탱크에 존재하는 이수소의 일 부분은 특히 구조체에 장착된 장비에 대한 장비의 추진 및/또는 전기 생산을 위해 구조체의 작동 에너지 요구사항을 충족하도록 제공되는 연료 전지와 같은 소비처에게 공급하는데 사용될 수 있다. 벤트를 사용하여 이수소를 잃는 대신 탱크 내부의 압력 증가를 제한하기 위해 기체 형태의 이수소의 다른 부분은 재액화될 수 있다.
이러한 액화 장치는 특히 이수소의 특성으로 인해 복잡하고 구현하기 어렵다는 단점이 있다. 액화 효율이 낮아 액체 상태의 이수소를 운반하는데 비용이 많이 들고 수익성도 좋지 않다.
본 발명의 목적은 액체 상태에서 이수소의 증발로부터 생성되는 기체 이수소를 액화시키기 위한 새로운 장치를 제안함으로써 위에서 언급한 단점 중 적어도 하나를 극복하고 또한 다른 이점을 이끌어내는 것이다.
본 발명은 적어도 하나의 탱크에 저장된 액체 상태의 이수소의 증발로부터 생성된 기체 이수소를 액화시키는 액화 장치를 제안하며, 상기 액화 장치는 복수의 통로를 갖는 적어도 하나의 열 교환기와, 상기 탱크로부터의 기체 이수소의 적어도 일부를 기체 이수소 소비처에게 가져오도록 구성된 적어도 하나의 공급 브랜치(supply branch)를 포함하며, 상기 공급 브랜치의 일부는 제 1 통로를 거쳐서 열 교환기를 통해 통과하며, 제 1 통로의 내부에는, 이수소의 파라 이성질체(para isomer)를 이수소의 오쏘 이성질체(ortho isomer)로 변환하는데 관여하는 촉매가 배치되며, 상기 액화 장치는 기체 이수소의 적어도 일부를 액화시키도록 구성된 적어도 하나의 냉각 브랜치를 포함하며, 상기 냉각 브랜치는 적어도 하나의 압축 부재를 갖고, 상기 냉각 브랜치의 일부는 상기 압축 부재 이후에 배치된 제 2 통로를 거쳐서 상기 열 교환기를 통해 통과하며, 상기 제 2 통로는 상기 냉각 브랜치에서 순환하는 이수소의 적어도 일부를 액화시키기 위해 상기 제 1 통로와 열 에너지를 교환한다.
본 발명에서, 액화 장치는 소비처에 의해 연료로 사용되도록 의도된 극저온 온도의 기체 이수소와 적어도 부분적으로 액화되도록 의도된 극저온 온도의 기체 이수소 사이의 열 에너지 교환을 열 교환기 내에서 구현하도록 구성되며, 극저온 온도의 기체 이수소가 하나 이상의 탱크에서 나온다. "극저온(cryogenic)"은 -40℃ 미만, 또는 심지어 -90℃ 미만, 바람직하게 -150℃ 미만의 온도를 의미하는 것으로 이해된다.
이수소는 또한 오쏘수소(orthohydrogen) 및 파라수소(parahydrogen)라고도 불리는 핵 스핀 이성질체(nuclear spin isomers)라고 하는 2개의 형태가 있다. 오쏘수소는 분자의 각 원자에 하나씩 2개의 양성자가 서로 평행하고 서로 동일한 방향으로 스핀을 갖는 분자로 구성된 이수소이다. 파라수소는 분자의 각 원자에 하나씩 2개의 양성자가 역평행 스핀을 갖는 분자로 구성된 이수소이다.
대기압에서 -253℃ 이하의 온도에 있는 이수소는 99.8%의 파라수소로 구성된다. 대조적으로, 주변 온도와 열 평형에서, 이수소는 약 75%의 오쏘수소와 25%의 파라수소로 구성된다.
파라수소가 오쏘수소로 이성질화되는 반응의 엔탈피는 +525kJ/kg이며 이는 흡열 반응을 나타낸다. 이에 비해, 이수소의 기화 엔트로피는 단지 476kJ/kg이다. 그러나, 파라수소가 오쏘수소로 이성질화되는 반응은 며칠 정도이다. 이러한 맥락에서, 이수소가 기체이고 25℃에 있더라도, 파라수소의 비율이 여전히 매우 우세할 수 있다는 것이 이해된다.
탱크에 액체 상태로 저장된 이수소의 증발로부터 생성되는 기체 이수소는 소비처에 의해 연료로 사용되도록 의도되며, 열 교환기의 제 1 통로에서 순환한다. 제 1 통로는, 파라수소의 오쏘수소로의 이성질화 반응을 가속화할 수 있고 그리고 그에 따라 열 교환기의 제 2 통로와의 열 에너지의 교환 동안에 이성질화 반응의 에너지 흡수 용량으로부터 이익을 얻을 수 있게 하는 촉매를 포함한다.
액화되도록 의도된 극저온 온도의 기체 이수소는 압축 부재를 통해 그리고 다음에 열 교환기의 제 2 통로 내로 통과하여 적어도 부분적으로 액화된다.
제 2 통로에서, 압축된 기체 이수소는 제 1 통로에 존재하는 기체 이수소에 열 에너지를 부여한다. 제 1 통로에서 순환하는 기체 이수소는 촉매의 존재 하에서 가열되는 것에 추가하여, 제 2 통로로부터 받은 열 에너지를 흡수하여 급속하게 이성질화된다. 제 2 통로에서 순환하는 압축된 기체 이수소는 응축될 때까지 냉각된다.
따라서, 액화 장치는 하나 이상의 탱크에 저장된 액체 상태의 이소수의 명목상의 화물의 증발을 유익하게 이용하는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 촉매는 니켈, 구리, 철 또는 금속 수소화물의 겔; 니켈, 구리 또는 철 필름; 철, 코발트, 니켈, 크롬, 망간 수산화물; 철 산화물; 니켈-실리콘의 복합체; 활성탄 및/또는 이들의 적어도 하나의 조합 중에서 선택된다.
일 실시예에 따르면, 상기 공급 브랜치는 제 1 통로의 출구 이후에 배치된 압축 장치를 포함한다. 즉, 압축 장치는 제 1 통로의 출구와 이수소 소비처 사이에 배치된다. 따라서, 기체 이수소가 공급 브랜치에서 순환할 때, 열 교환기의 제 1 통로를 떠난 후 소비처에게 도달하기 전에 압축 장치를 통해 통과한다. 압축 장치는 특히 공급 브랜치에서 기체 이수소를 강제 순환시키는 것을 가능하게 하며, 또한 이수소의 압력도 선택적으로 높게 할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 냉각 브랜치의 다른 부분은 제 3 통로를 거쳐서 열 교환기를 통해 통과하며, 제 3 통로의 출구는 상기 냉각 브랜치의 연결 부분에 의해 제 2 통로의 입구에 연결되고, 상기 연결 부분은 압축 부재를 포함한다. 따라서, 이수소가 냉각 브랜치에서 순환할 때, 다음에 이수소는 열 교환기의 제 3 통로를 통해 통과하고, 다음에 압축 장치를 통해 통과하고, 다음에 열 교환기의 제 2 통로를 통해 통과하여 적어도 부분적으로 액화된다.
일 실시예에 따르면, 상기 열 교환기의 제 2 통로는 열 교환기의 제 1 통로 및 제 3 통로와 열 에너지를 교환하도록 배치된다.
일 실시예에 따르면, 액화 장치는 제 2 통로의 출구 이후에 냉각 브랜치 상에 배치된 기체-액체 분리기를 포함한다. 이수소가 열 교환기의 제 3 통로와 이어서 제 2 통로를 연속적으로 떠난 후 냉각 브랜치에서 순환할 때, 이수소는 완전히 액화되지 않을 수 있다. 따라서, 이수소는 2-위상 유체의 형태일 수 있는데, 즉 제 2 통로를 통해 통과한 후 이수소의 일부는 액체 형태이고 일부는 기체 형태이며, 다음에 2개의 위상이 혼합된다. 기체-액체 분리기는 특히 기체 형태의 이수소로부터 액체 형태의 이수소를 분리하는 것을 가능하게 할 것이다.
일 실시예에 따르면, 냉각 브랜치는 열 교환기의 제 2 통로의 출구와 기체-액체 분리기의 입구 사이에 배치된 팽창 장치를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 액화 장치는 기체-액체 분리기의 액체 출구를 탱크와 유체 연통으로 배치하도록 구성된다. 기체-액체 분리기의 액체 출구와 탱크 사이의 유체 연통은 냉각 파이프의 제 3 부분에 의해 보장될 수 있다. 따라서, 액화된 이수소는 기체 이수소를 취출한 탱크로 반환할 수 있고, 기체 상태의 이수소를 취출한 탱크와 상이한 액체 상태의 이수소를 저장하는 탱크로 보낼 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기체-액체 분리기의 기체 출구는 상기 열 교환기의 제 3 통로의 입구 이전에 상기 냉각 브랜치와 유체 연통한다. 보다 구체적으로, 기체-액체 분리기의 기체 출구 사이의 유체 연통은 기체-액체 분리기의 기체 출구를 연결하는 연결 브랜치와 냉각 브랜치에 배치된 접합 지점에 의해 보장된다. 접합 지점은 열 교환기의 제 3 통로의 입구 이전에 있다. 결과적으로, 기체-액체 분리기 내의 이수소의 기체 위상은 냉각 브랜치로 보내져 그곳에서 유익하게 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 액화 장치는 상기 열 교환기의 제 1 통로의 입구 이전에 상기 공급 브랜치 상에 배치된 수렴 지점과, 상기 압축 부재 이전에 상기 냉각 브랜치 상에 배치된 접합 지점을 연결하는 바이패스 브랜치를 포함한다.
일 실시예에 따르면, 접합 지점은 열 교환기의 제 3 통로의 이전에 냉각 브랜치 상에 배치된다. 즉, 수렴 지점은, 이수소가 냉각 브랜치에서 순환할 때, 기체 이수소가 취출되는 탱크의 기체 출구와 열 교환기 사이에 있다. 이는 특히 공급 브랜치에서 순환하는 것과 동일한 탱크에서 나오는 이수소를 사용하는 것을 가능하게 한다.
일 실시예에 따르면, 접합 지점은 열 교환기의 제 3 통로의 출구와 압축 부재의 입구 사이에서 냉각 브랜치 상에 배치된다.
일 실시예에 따르면, 열 교환기의 제 4 통로는 바이패스 브랜치를 구성한다.
일 실시예에 따르면, 열 교환기의 제 4 통로는 열 교환기의 제 2 통로 및 제 3 통로와 열 에너지를 교환하도록 배치된다. 따라서, 열 교환기의 제 2 통로는 열 교환기의 제 1 통로 및 열 교환기의 제 4 통로와 열 에너지를 교환하도록 배치된다. 이러한 구조의 장점 중 하나는 연결 브랜치에서 나와 열 교환기의 제 3 통로를 통해 통과한 이수소와 혼합되기 전에 바이패스 브랜치에서 나와 열 교환기의 제 4 통로를 통해 통과한 이수소를 냉각시키는 것이다. 따라서, 제 2 통로의 입구에서 더 차가운 이수소가 얻어진다. 따라서, 액화 장치의 재액화 효율이 향상된다. 또한, 액화 장치의 에너지 소비가 감소된다.
본 발명의 또 다른 요지는 구조체, 특히 액체 이수소를 보유하는 적어도 하나의 탱크를 포함하는, 액체 상태의 이수소를 운반 및/또는 저장하도록 구성된 구조체에 관한 것이며, 구조체는 적어도 하나의 이수소 소비처 및 상술된 특징 중 적어도 하나를 갖는 액화 장치를 포함하며, 상기 적어도 하나의 이수소 소비처는 상기 액화 장치 내에서 적어도 부분적으로 순환하는 기체 상태의 이수소에 의해 연료를 공급받도록 구성된다. 소비처는 예를 들어 적어도 하나의 연료 전지를 포함하는 모터일 수 있다. 탱크는 소비처를 위한 연료 저장소를 형성할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 열 교환기의 제 1 통로에서의 이수소의 흐름은 상기 열 교환기의 제 2 통로에서의 이수소의 흐름과 반대 방향으로 배향된다. 즉, 이수소가 액화 장치에서 순환할 때, 열 교환기의 제 1 통로에서의 이수소의 흐름은 제 2 통로에서의 이수소의 흐름과 역류로 발생한다. 따라서, 열 교환기의 제 1 통로와 열 교환기의 제 2 통로 사이에서의 열 에너지의 교환이 증가한다.
일 실시예에 따르면, 상기 열 교환기의 제 1 통로에서의 이수소의 흐름은 상기 열 교환기의 제 3 통로에서의 이수소의 흐름과 동일한 방향으로 배향된다. 즉, 이수소가 액화 장치에서 순환할 때, 열 교환기의 제 1 통로에서의 이수소의 흐름은 제 3 통로에서의 이수소의 흐름과 병류이다. 이러한 맥락에서, 열 교환기의 제 3 통로에서의 이수소의 흐름은 제 2 통로에서의 이수소의 흐름과 역류인 것으로 이해된다.
일 실시예에 따르면, 열 교환기의 제 4 통로에서의 이수소 흐름은 제 3 통로에서의 이수소 흐름과 동일한 방향으로 배향된다. 즉, 이수소가 액화 장치에서 순환할 때, 열 교환기의 제 4 통로에서의 이수소의 흐름은 제 3 통로에서의 이수소의 흐름과 병류이다. 이러한 맥락에서, 열 교환기의 제 4 통과에서의 이수소의 흐름은 제 2 통로에서의 이수소의 흐름과 역류인 것으로 이해된다.
본 발명은 또한 액체 상태의 이수소용 운반 시스템을 제안하며, 상기 시스템은 상기 특징 중 적어도 하나를 갖는 구조체와, 구조체 상에 설치된 탱크를 플로팅 또는 육상 저장 시설에 연결하도록 배치된 단열 파이프라인과, 상기 단열 파이프를 통해 플로팅 또는 육상 저장 시설과 구조체의 탱크 사이에서 냉각 액체 생성물의 스트림을 구동하기 위한 펌프를 포함한다.
본 발명은 또한 상기 특징 중 적어도 하나를 갖는 구조체로부터 선적 또는 하역하는 방법을 제공하며, 액체 상태의 이수소가 단열 파이프를 통해 플로팅 또는 육상 저장 시설과 구조체의 탱크 사이에서 운반된다.
본 발명은 또한 상술된 특징 중 적어도 하나를 갖는 액화 장치에 의해 적어도 하나의 탱크에 저장된 액체 상태의 이수소의 증발로부터 생성된 기체 이수소를 액화시키는 방법을 제안하며, 상기 방법은 압축 부재에 의해 기체 이수소를 압축하는 단계와, 압축된 기체 이소수가 적어도 부분적으로 액화되도록, 압축된 기체 이수소와 탱크로부터 회수된 기체 이수소 사이의 열 교환기에서 열 에너지를 교환하는 단계를 포함하며, 촉매의 존재 하에서, 회수된 기체 이수소에 대한 파라 이성질체의 오쏘 이성질체로의 변환은 열 에너지의 교환 단계에서 발생한다.
일 실시예에 따르면, 액화 방법은 소비처에 이수소를 공급하기 위해 열 에너지 교환 단계 이후에 탱크로부터 회수된 기체 이수소를 압축하는 단계를 포함한다.
본 발명의 추가 특징 및 장점은 다음의 설명과, 첨부된 개략도를 참조하여 표시를 통해 제공되는 복수의 비제한적 예시적 실시예로부터 더욱 명백해질 것이다.
도 1은 본 발명에 따른 액화 장치의 제 1 실시예의 개략도이며, 액화 장치는 플로팅 구조체의 적어도 하나의 탱크에 저장된 액체 상태의 이수소의 증발로부터 생성된 기체 이수소를 액화하도록 구성된다.
도 2는 본 발명에 따른 액화 장치의 제 2 실시예의 개략도이며, 액화 장치는 플로팅 구조체의 적어도 하나의 탱크에 저장된 액체 상태의 이수소의 증발로부터 생성된 기체 이수소를 액화하도록 구성된다.
도 3은 도 1의 액체 이수소를 운반하기 위한 플로팅 구조체와 플로팅 구조체의 탱크를 선적/하역하기 위한 터미널의 개략적인 단면도이다.
도 2는 본 발명에 따른 액화 장치의 제 2 실시예의 개략도이며, 액화 장치는 플로팅 구조체의 적어도 하나의 탱크에 저장된 액체 상태의 이수소의 증발로부터 생성된 기체 이수소를 액화하도록 구성된다.
도 3은 도 1의 액체 이수소를 운반하기 위한 플로팅 구조체와 플로팅 구조체의 탱크를 선적/하역하기 위한 터미널의 개략적인 단면도이다.
우선, 도면은 본 발명의 구현을 상세히 설명하고 있지만, 필요하다면 본 발명을 더 잘 정의하기 위해 사용될 수도 있다는 점에 유의해야 한다. 또한, 모든 도면에서, 유사하고 및/또는 동일한 기능을 수행하는 요소는 동일한 도면부호를 사용하여 표시된다는 점에 유의해야 한다.
도 1은 이수소를 운반 및/또는 저장하기 위한 플로팅 구조체의 적어도 하나의 탱크(3, 5)에 저장된 액체 이수소를 액화하기 위한 장치(11)를 도시한다. 액화 장치(11)는 탱크(3, 5), 및 플로팅 구조체의 적어도 하나의 소비처(7)와 협력하도록 구성된다.
하나 이상의 탱크(3, 5)는 액체 형태(9)의 이수소, 즉 액체 상태의 이수소를 보유한다. 탱크의 단열이 완벽하지 않기 때문에, 액체 상태(9)의 일부 이수소가 자연적으로 증발한다. 따라서, 플로팅 구조체의 탱크(3, 5)는 액체 형태(9)의 이수소와 기체 형태(10)의 이수소를 모두 포함한다.
액화 장치(11)는 탱크(3, 5) 중 적어도 하나로부터 나오는 이수소를 소비처(7)에게 공급한다. 예를 들어, 소비처(7)는 적어도 하나의 연료 전지를 포함하지만, 연소 엔진 또는 터빈일 수도 있다.
액화 장치(11)는 복수의 통로(15, 17, 19)를 갖는 적어도 하나의 열 교환기(13)와, 탱크(3, 5) 중 하나로부터의 기체 이수소(10)의 적어도 일부를 기체 이소수 소비처(7)에게 가져오도록 구성된 적어도 하나의 공급 브랜치(21)와, 탱크(3, 5) 중 하나로부터 기체 이수소(10)의 적어도 일부를 액화하도록 구성된 적어도 하나의 냉각 브랜치(23)를 포함한다.
공급 브랜치(21)의 제 1 부분은 제 1 통로(15)를 거쳐서 열 교환기(13)를 통해 통과하며, 제 1 통로(15)의 내부에는, 이수소의 파라 이성질체를 이수소의 오쏘 이성질체로 변환하는데 관여하는 촉매(151)가 배치되어 있다. 촉매(151)는 니켈, 구리, 철 또는 금속 수소화물의 겔; 니켈, 구리 또는 철의 필름; 철, 코발트, 니켈, 크롬, 망간 수산화물, 산화철, 니켈-실리콘의 복합체; 활성탄 및/또는 이들의 적어도 하나의 조합 중에서 선택된다.
공급 브랜치(21)는 열 교환기(13)의 제 1 통로(15)의 출구를 이수소 소비처(7)에 연결하는 공급 브랜치(21)의 제 2 부분에 배치된 적어도 하나의 압축 장치(27)를 포함한다. 따라서, 압축 장치(27)는 공급 브랜치(21) 내 이수소의 순환의 방향에서 제 1 통로(15)의 출구(155)의 이후에, 즉 그 하류에서 공급 브랜치에 배치된다.
공급 브랜치(21)는 이수소를 저장하기 위한 적어도 하나의 탱크(3, 5)를 제 1 통로(15)의 입구(153)에 연결하는 제 3 부분을 포함하며, 그 결과 탱크(3, 5) 중 적어도 하나에 보유된 기체 이수소(10)는 공급 브랜치(21)에서 소비처(7)에게 유동할 수 있다.
공급 브랜치(21)의 제 3 부분은 제 1 탱크(3)에 연결된 제 1 서브-브랜치(211)와, 제 2 탱크(5)에 연결된 제 2 서브-브랜치(213)를 포함한다. 제 1 서브-브랜치(211)와 제 2 서브-브랜치(213)는 연결 파이프에 의해 열 교환기(13)의 제 1 통로(15)의 입구(153)에 연결되는 공급 브랜치(21)의 수렴 지점(33)에 만난다.
공급 브랜치(21)는 기체 이수소의 출처를 선택하는 것, 즉 제 1 탱크(3)로부터의 기체 이수소(10) 및/또는 제 2 탱크(5)로부터의 기체 이수소(10)를 선택하는 것을 가능하게 하기 위해 수렴 지점(33)에 배치된 밸브를 포함할 수 있다.
이들 탱크(3, 5) 중 적어도 하나로부터 나오는 기체 이수소(10)는 압축 장치(27)에 의해 공급 브랜치(21)에서 강제 순환으로 배치된다. 다음에, 기체 이수소는 탱크로부터 열 교환기(13)의 제 1 통로(15)의 입구(153)로 흐르며, 다음에 열 교환기(13)의 제 1 통로(15)를 통해 통과한다.
제 1 통로(15)의 입구(153)로부터 제 1 통로의 출구(155)로 유동함으로써, 이수소는 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)와 열 에너지를 교환할 것이다. 다음에, 제 1 통로(15)에서 흐르는 기체 이수소는 가열될 것이다. 예로서, 기체 이수소는 제 1 통로(15)의 입구(153)에서 절대압 1.1bar에서 -240℃의 온도를 갖고, 제 1 통로(15)의 출구(155)에서 절대압 1.1bar에서 +25℃의 온도를 갖는다.
열 교환기(13)의 제 1 통로(15) 내부에 촉매(151)의 존재는 파라수소의 오쏘수소로의 이성질화의 반응을 가속화하는 것을 가능하게 하며, 이러한 반응은 흡열반응(endothermic)이다. 따라서, 제 1 통로(15)에서 순환하는 기체 이수소는 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)로부터 나오는 더 많은 열 에너지를 흡수할 수 있다. 제 2 통로(17)로부터 제 1 통로(15)로의 열 전달이 크게 증가된다.
도 1을 참조하면, 냉각 브랜치(23)는 적어도 하나의 이수소 압축 부재(25)를 갖는다. 냉각 브랜치(23)의 제 1 부분은 압축 부재(25) 이후에 배치된 제 2 통로(17)를 거쳐서 열 교환기(13)를 통해 통과한다. 따라서, 냉각 브랜치(23)에서 순환하는 기체 이수소는 전술한 바와 같이 제 2 통로(17) 내에서 냉각되기 전에 압축 부재(25)에 의해 압축된다. 이러한 압력의 증가는 제 2 통로(17) 내에서 그리고 그 이후의 이수소의 액화를 촉진한다.
도 1에 도시된 바와 같이 선택적인 방식으로, 냉각 브랜치(23)의 제 2 부분은 제 3 통로(19)를 거쳐서 열 교환기(13)를 통해 통과한다. 제 3 통로(19)의 출구(195)는 냉각 브랜치(23)의 연결 부분(231)에 의해 제 2 통로(17)의 입구(173)에 연결된다. 연결 부분(231)은 압축 부재(25)를 지탱한다.
열 교환기(13)의 제 2 통로(17)는 열 교환기(13)의 제 1 통로(15) 및 제 3 통로(19)와 열 에너지를 교환하도록 배치된다.
액화 장치(11)는 또한 공급 브랜치(21)의 수렴 지점(33)과 냉각 브랜치(23)에 배치된 접합 지점(35)을 연결하는 바이패스 브랜치(31)를 포함한다. 이는 특히 하나의 그리고 동일한 탱크로부터의 기체 이수소를 공급 브랜치(21)에서 그리고 냉각 브랜치(23)에서 순환시키는 것을 가능하게 한다. 접합 지점(35)은 압축 부재(25) 이전에 배치된다. 보다 구체적으로, 도 1에 도시된 제 1 실시예에서, 접합 지점은 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)의 입구(193) 이전에 배치된다.
적어도 하나의 탱크로부터 나오는 기체 이수소(10)는 탱크(3, 5) 중 하나로부터 열 교환기(13)의 제 3 통로(15)의 입구(193)로 유동하고, 다음에 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)를 통해 통과한다.
제 3 통로(19)의 출구(195)에서, 이수소는 압축 부재(25)에 의해 압축되고, 열 교환기(13)의 제 2 통로의 입구(173)로 보내진다. 즉, 압축 부재를 통해 통과한 후의 이수소의 압력은 압축 부재(25)를 통해 통과하기 이전의 이수소의 압력보다 크다.
이러한 맥락에서, 압축 부재(25)는 그 기능의 결과로 압축 부재(25)를 통해 냉각 브랜치(23)의 탱크(3, 5) 중 적어도 하나로부터 나오는 기체 이수소(10)의 강제 순환을 허용하는 것으로 이해된다.
다음에, 압축된 이수소는 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)로 흐르고, 여기서 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)에 흐르는 이수소와, 열 교환기(13)의 제 1 통로(15)에 흐르는 이수소에 열 에너지를 제공한다. 따라서, 제 2 통로(17)에서 순환하는 이수소는 상태를 변화시켜 적어도 부분적으로 액체 상태로 전이하게 된다. 따라서, 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)의 출구(175)에서, 이수소의 적어도 일부가 액화되고, 우선적으로는 이수소 전체가 액화된다.
열 교환기(13)의 통로(15, 17) 사이의 열 에너지 교환을 최적화하기 위해, 제 2 통로(17)에서의 이수소의 흐름은 제 1 통로(15)에서의 이수소 흐름과 역류로 발생한다. 열 교환기(13)의 통로(17, 19) 사이의 열의 전달을 더욱 개선하기 위해서, 제 2 통로(17)에서의 이수소의 흐름은 제 3 통로(19)에서의 이수소 흐름과 역류로 발생한다. 제 1 통로(15)에서의 이소수는 제 3 통로(19) 내에서 이수소의 순환 방향과 동일한 방향으로 흐르는 것이 이해될 것이다.
예로서, 이수소는 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)의 입구(193)에서 -250℃의 온도를 갖고, 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)의 출구(195)에서 +25℃의 온도를 갖는다. 압축 부재(25)는 이수소를 +43℃의 온도에 대해 35bar와 45bar 사이의 압력으로 압축한다. 이수소는 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)의 입구(173)에서 +43℃의 온도를 갖고, 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)의 출구(175)에서 -240℃의 온도를 갖는다.
열 교환기(13)의 제 2 통로(17)의 출구(175)에서, 이수소는 적어도 부분적으로 액화된다. 즉, 이수소는 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)를 통해 통과한 후 액체 위상과 기체 위상을 가질 수 있다. 다음에 2개의 위상이 혼합된다.
도 1에 도시된 실시예에서, 액화 장치(11)는 냉각 브랜치(23)에 배치된 기체-액체 분리기(29)를 포함한다. 분리기는 제 2 통로(17)의 출구(175) 이후에 배치된다. 열 교환기(14)의 제 2 통로(17)를 떠난 후, 적어도 부분적으로 액화된 이수소는 기체-액체 분리기(29)의 입구(293)를 향해 흐른다.
제 1 실시예에서는 도시되지 않은 팽창 장치가 제 2 통로(17)의 출구(175)와 기체-액체 분리기(29)의 입구(293) 사이에 배치되어 기체-액체 분리기(29)로 유입되는 유체의 압력을 감소시킬 수 있다.
기체-액체 분리기(29)의 액체 출구(295)는 탱크(3, 5) 중 적어도 하나와 유체 연통되며, 이러한 유체 연통은 냉각 파이프(23)의 제 3 부분(41)에 의해 보장된다.
기체-액체 분리기(29)의 기체 출구(297)는 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)의 입구(193) 이전에 냉각 브랜치(23)와 유체 연통한다. 예로서, 이수소는 기체-액체 분리기(29)의 기체 출구(297)에서 -254℃의 온도를 갖는다.
기체-액체 분리기(29)의 기체 출구(297)와 냉각 브랜치(23)의 유체 연통은 기체-액체 분리기(29)의 기체 출구(297)를 냉각 브랜치(23) 상에 배치된 접합 지점(35)과 연결하는 연결 브랜치(299)에 의해 보장된다.
이수소가 액화 장치(11) 내에서 순환할 때, 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)를 떠난 후, 이수소는 기체-액체 분리기(29)로 보내져, 이수소의 액체 위상이 기체 위상으로부터 분리된다.
기체-액체 분리기(29)에 보유된 액체 위상의 이수소는 냉각 파이프(23)의 제 3 부분(41)을 통해 탱크(3, 5) 중 하나에 저장된 이수소의 액체 위상(9)으로 보내질 수 있다. 기체-액체 분리기(29) 내에 보유된 기체 위상의 이소수는 연결 브랜치(299)를 통해 접합 지점(35)에서 냉각 브랜치(23)로 유입되어 그곳에서 액화될 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 액화 장치의 제 2 실시예를 도시한다. 제 2 실시예는 접합 지점(35)이 제 3 통로(19)의 출구(195)와 냉각 브랜치(23) 상의 압축 부재(25) 사이에 있고 그리고 바이패스 브랜치(31)가 제 4 패스(20)를 거쳐서 열 교환기(13)를 통해 통과한다는 점에서 제 1 실시예와 상이하다. 동일한 요소는 동일한 도면부호로 표시된다. 이들 동일한 요소에 대한 추가 세부사항에 대해서는 위의 설명을 참조할 수 있다.
도 2를 참조하면, 열 교환기(13)의 제 4 통로(20)는 수렴 지점(33)과 접합 지점(35)을 연결하는 바이패스 브랜치(31)를 구성한다. 수렴 지점(31)은 제 1 통로(15)의 입구(153) 이전의 공급 브랜치(21)에 있다.
접합 지점(35)은 냉각 브랜치(23) 상에 있다. 접합 지점(35)은 압축 부재(25) 앞 사이에서 배치된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 접합 지점(35)은 제 3 통로(19)의 출구(195)와 제 2 통로(17)의 입구(173) 사이에 배치되는데, 더 구체적으로 압축 부재(25)의 입구 이전에 배치된다.
기체-액체 분리기(29)의 기체 출구(297)는 연결 브랜치(299)를 거쳐서 제 3 통로(19)의 입구(193)와 유체 연통된다. 연결 브랜치(299)는 이러한 제 2 실시예에서 냉각 브랜치(23)의 제 2 부분을 구성한다. 따라서, 제 3 통로(19)에 유입되는 이수소는 이러한 제 2 실시예에서 기체-액체 분리기(29)를 떠나는 이수소의 기체 위상과 동일한 온도, 즉 -254℃를 갖는다.
열 교환기(13)의 제 4 통로(20)는 바이패스 브랜치(31)를 구성한다. 제 4 통로(20)는 열 교환기(13)의 제 2 통로(17) 및 제 3 통로(19)와 열 에너지를 교환하도록 배치된다. 따라서, 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)는 열 교환기(13)의 제 1 통로(15) 및 열 교환기(13)의 제 4 통로(20)와 열 에너지를 교환하도록 배치된다.
도 2를 참조하면, 열 교환기(13)의 제 4 통로(20)에서의 기체 이수소의 흐름은 제 3 통로(19)에서의 기체 이수소의 흐름과 동일한 방향으로 향하게 된다. 즉, 기체 이소수가 액화 장치(11)에서 순환할 때, 열 교환기(13)의 제 4 통로(20)에 있는 이수소의 흐름은 제 3 통로(19)에 있는 이수소의 흐름과 병류이다. 또한, 열 교환기(13)의 제 4 통로(20)에 있는 기체 이수소의 흐름은 제 2 통로(17)에 있는 이소수의 흐름과 역류이다.
도 2에 도시된 제 2 실시예에 따른 액화 장치(1)가 이수소에 의해 통과될 때, 이수소는 압축되고 냉각된 상태로 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)를 떠난다. 따라서, 냉각 파이프(23) 내의 이수소가 기체-액체 분리기(29)로 유입될 때, 팽창하여 기체-액체 분리기(29)에서 액체 위상의 이수소와 기체 위상의 이수소가 생성된다.
팽창 장치(28)는 선택적인 방식으로 제 2 통로(17)의 출구(175)와 기체-액체 분리기(29)의 입구(293) 사이에 배치되어 기체-액체 분리기(29)에 유입되는 유체의 압력을 감소시킬 수 있다.
기체-액체 분리기(29) 내의 이수소의 액체 위상은 탱크(3, 5) 중 하나로 복귀될 수 있다. 보다 구체적으로, 이수소의 액체 위상은 기체-액체 분리기(29)의 액체 출구(295)에서 탱크(5) 내로 연장되는 냉각 파이프(23)의 제 3 부분(41)을 통해 탱크(5)에 보유된 액체 위상(9)으로 직접 전달되며, 그 결과 제 3 부분(41)의 일 단부는 탱크(5)에 보유된 액체 이수소에 잠기게 된다.
기체-액체 분리기(29) 내의 이수소의 기체 위상은 그 부분적으로 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)를 통해 통과하여 냉각 브랜치(23)로 보내진다.
기체-액체 분리기(29)에서 나오는 기체 상태인, 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)의 입구(193)의 이수소는 제 4 통로(20)의 입구(203)의 이수소보다 냉각된다. 다음에 제 2 실시예는 열 교환기(13)의 제 4 통로(20)에 의해 기체-액체 분리기(29)로부터 나오는 기체 위상의 열 에너지 흡수 용량으로부터 이익을 얻을 수 있게 된다.
따라서, 제 3 통로(19)의 출구(195)에서의 이수소는 액화 장치(1)가 제 4 통로를 갖지 않는 제 1 실시예의 경우보다 더 냉각된다. 따라서 이러한 제 2 실시예에서 제 2 통로(17)의 입구(173)에 있는 이수소는 더 냉각되고, 그에 따라 제 1 실시예에서보다 제 2 통로(17)의 출구(175)에서 훨씬 더 냉각될 것이다.
이러한 제 2 실시예에서, 이수소는 제 1 실시예보다 제 2 통로(17)의 출구(175)에서 더 냉각되기 때문에, 기체-액체 분리기(29)에서 기체 위상을 덜 생성한다. 따라서, 연결 브랜치(299)를 통해 리사이클되는 이수소의 양은 더 작아지며, 액화 장치의 에너지 소비는 제 1 실시예에 비해 더 감소된다.
도 3을 참조하면, 플로팅 구조체(70)의 단면도는 선박 또는 플로팅 플랫폼일 수 있는 플로팅 구조체(70)의 이중 선체(72)에 장착된 프리즘형 전체 형상의 밀봉된 단열 탱크(3, 5)를 도시한다. 탱크(3, 5)의 벽은 탱크(3, 5)에 보유된 액체 상태의 이수소와 접촉하도록 의도된 1차 밀봉 배리어와, 1차 밀봉 배리어와 선박의 이중 선체(72) 사이에 배치된 2차 밀봉 배리어와, 각각 1차 밀봉 배리어와 2차 밀봉 배리어 사이에 그리고 2차 밀봉 배리어와 이중 선체(72) 사이에 배치된 2개의 단열 배리어를 구비한다. 단순화된 버전에서, 플로팅 구조체(70)는 단일 선체를 갖는다. 대안적으로, 이수소 탱크는 진공 하에서 단열된 구형 탱크이다.
플로팅 구조체(70)의 상부 데크에 배치된 선적/하역 파이프라인(73)은 액체 상태의 이수소의 화물을 탱크(3, 5)로부터 또는 탱크(3, 5)로 운반하기 위해 적절한 커넥터를 통해 해상 또는 항만 터미널에 연결될 수 있다.
도 3은 선적 및/또는 하역 스테이션(75), 수중 파이프(76) 및 육상 시설(77)을 갖는 해양 터미널의 예를 도시한다. 선적 및/또는 하역 스테이션(75)은 이동식 아암(74)과, 이동식 아암(74)을 지지하는 타워(78)를 갖는 고정된 해양 시설이다. 이동식 아암(74)은 선적/하역 파이프라인(73)에 연결될 수 있는 단열된 유연한 호스(79)의 다발을 지탱한다. 이동식 아암(74)은 방향을 잡을 수 있고, 모든 크기의 플로팅 구조체(70)에 적응된다. 연결 파이프(도시하지 않음)는 타워(78) 내부에서 연장된다. 선적 및/또는 하역 스테이션(75)은 플로팅 구조체(70)가 육상 시설(77)로부터 또는 육상 시설(77)로 선적 및/또는 하역되는 것을 허용한다. 육상 시설(77)은 액체 상태(80)의 이수소를 저장하기 위한 탱크와, 수중 파이프(76)에 의해 선적 및/또는 하역 스테이션(75)에 연결된 연결 파이프(81)를 구비한다. 수중 파이프(76)는 먼 거리, 예를 들어 5km에서 선적 및/또는 하역 스테이션(75)과 육상 시설(77) 사이에서 액체 상태의 이수소의 운반을 허용하며, 이는 선적 및/또는 하역 작업 동안 해안으로부터 먼 거리에서 플로팅 구조체(70)를 유지하는 것을 가능하게 한다.
이수소의 운반에 필요한 압력을 생성하기 위해, 플로팅 구조체(70)에 탑재된 펌프 및/또는 육상 시설(77)에 장착된 펌프 및/또는 선적 및 하역 스테이션(75)에 장착된 펌프가 사용된다. 대안적으로, 이수소는 압력 효과를 통해, 즉 탱크(3, 5)의 압력을 증가시킴으로써 하역될 수 있다. 따라서, 이수소는 펌프없이 하역될 수 있다.
물론, 본 발명은 방금 설명된 실시예에 제한되지 않으며, 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서 이러한 실시예에 대한 다양한 수정이 이루어질 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 액화 장치의 2개의 실시예는 플로팅 구조체와 관련하여 설명되었다. 그러나 육상 구조체에서 구현될 수 있다.
Claims (15)
- 적어도 하나의 탱크(3, 5)에 저장된 액체 상태(9)의 이수소의 증발로부터 생성된 기체 이수소를 액화시키는 액화 장치(11)로서,
상기 액화 장치(11)는 복수의 통로(15, 17, 19)를 갖는 적어도 하나의 열 교환기(13)와, 상기 탱크(3, 5)로부터의 기체 이수소의 적어도 일부를 기체 이수소 소비처(7)에게 가져오도록 구성된 적어도 하나의 공급 브랜치(supply branch)(21)를 포함하며, 상기 공급 브랜치의 일부는 제 1 통로(15)를 거쳐서 열 교환기(13)를 통해 통과하며, 제 1 통로(15)의 내부에는, 이수소의 파라 이성질체(para isomer)를 이수소의 오쏘 이성질체(ortho isomer)로 변환하는데 관여하는 촉매(151)가 배치되며, 상기 액화 장치(11)는 기체 이수소의 적어도 일부를 액화시키도록 구성된 적어도 하나의 냉각 브랜치(23)를 포함하며, 상기 냉각 브랜치(23)는 적어도 하나의 압축 부재(25)를 갖고, 상기 냉각 브랜치(23)의 일부는 상기 압축 부재(25) 이후에 배치된 제 2 통로(17)를 거쳐서 상기 열 교환기(13)를 통해 통과하며, 상기 제 2 통로(17)는 상기 냉각 브랜치(23)에서 순환하는 이수소의 적어도 일부를 액화시키기 위해 상기 제 1 통로(15)와 열 에너지를 교환하는
액화 장치. - 제 1 항에 있어서,
상기 촉매(151)는 니켈, 구리, 철 또는 금속 수소화물; 니켈, 구리 또는 철 필름; 철, 코발트, 니켈, 크롬, 망간 수산화물; 철 산화물; 니켈-실리콘의 복합체; 활성탄 및/또는 이들의 적어도 하나의 조합의 겔들 중에서 선택되는
액화 장치. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 공급 브랜치(21)는 제 1 통로(15)의 출구(155) 이후에 배치된 압축 장치(27)를 포함하는
액화 장치. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 냉각 브랜치(23)의 다른 부분은 제 3 통로(19)를 거쳐서 열 교환기(13)를 통해 통과하며, 제 3 통로(19)의 출구(195)는 상기 냉각 브랜치(23)의 연결 부분(231)에 의해 제 2 통로(17)의 입구(173)에 연결되고, 상기 연결 부분(231)은 압축 부재(25)를 포함하는
액화 장치. - 제 4 항에 있어서,
상기 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)는 열 교환기(13)의 제 1 통로(15) 및 제 3 통로(19)와 열 에너지를 교환하도록 배치되는
액화 장치. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 제 2 통로(17)의 출구(175) 이후에 냉각 브랜치(23) 상에 배치된 기체-액체 분리기(29)를 포함하는
액화 장치. - 제 6 항에 있어서,
상기 기체-액체 분리기(29)의 액체 출구(295)를 탱크(3, 5)와 유체 연통으로 배치하도록 구성되는
액화 장치. - 제 4 항과 조합되는 제 6 항 또는 제 7 항에 있어서,
상기 기체-액체 분리기(29)의 기체 출구(297)는 상기 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)의 입구(193) 이전에 상기 냉각 브랜치(23)와 유체 연통하는
액화 장치. - 제 4 항과 조합되는 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 열 교환기(13)의 제 1 통로(155)의 입구(153) 이전에 상기 공급 브랜치(21) 상에 배치된 수렴 지점(33)과, 상기 압축 부재(25) 이전에 상기 냉각 브랜치(23) 상에 배치된 접합 지점(35)을 연결하는 바이패스 브랜치(31)를 포함하는
액화 장치. - 액체 이수소를 보유하는 적어도 하나의 탱크(3, 5)를 포함하는, 액체 상태의 이수소를 운반 및/또는 저장하도록 구성된 구조체(70)로서,
플로팅 구조체(71)는 적어도 하나의 이수소 소비처(7) 및 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 적어도 하나의 액화 장치(11)를 포함하며, 상기 적어도 하나의 이수소 소비처(7)는 상기 액화 장치(11) 내에서 적어도 부분적으로 순환하는 기체 상태의 이수소에 의해 연료를 공급받도록 구성되는
구조체. - 제 10 항에 있어서,
상기 열 교환기(13)의 제 1 통로(15)에서의 이수소의 흐름은 상기 열 교환기(13)의 제 2 통로(17)에서의 이수소의 흐름과 반대 방향으로 배향되는
구조체. - 제 4 항과 조합되는 제 10 항 또는 제 11 항에 있어서,
상기 열 교환기(13)의 제 1 통로(15)에서의 이수소의 흐름은 상기 열 교환기(13)의 제 3 통로(19)에서의 이수소의 흐름과 동일한 방향으로 배향되는
구조체. - 액체 상태의 이수소용 운반 시스템으로서,
상기 시스템은 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 구조체(70)와, 구조체(70) 상에 설치된 탱크(3, 5)를 플로팅 또는 육상 저장 시설(77)에 연결하도록 배치된 단열 파이프라인(73, 79, 76, 81)과, 상기 단열 파이프를 통해 플로팅 또는 육상 저장 시설(77)과 구조체(70)의 탱크(3, 5) 사이에서 냉각 액체 생성물의 스트림을 구동하기 위한 펌프를 포함하는
운반 시스템. - 제 10 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 기재된 구조체(70)로부터 선적 또는 하역하는 방법에 있어서,
액체 상태의 이수소가 단열 파이프(73, 79, 76, 81)를 통해 플로팅 또는 육상 저장 시설(77)과 구조체(70)의 탱크(3, 5) 사이에서 운반되는
방법. - 제 1 항 내지 제 9 항 중 어느 한 항에 기재된 액화 장치(11)에 의해 적어도 하나의 탱크(3, 5)에 저장된 액체 상태의 이수소의 증발로부터 생성된 기체 이수소를 액화시키는 방법으로서,
압축 부재(25)에 의해 기체 이수소를 압축하는 단계와,
압축된 기체 이소수가 적어도 부분적으로 액화되도록, 압축된 기체 이수소와 탱크(3, 5)로부터 회수된 기체 이수소 사이의 열 교환기(13)에서 열 에너지를 교환하는 단계를 포함하며,
촉매의 존재 하에서, 회수된 기체 이수소에 대한 파라 이성질체의 오쏘 이성질체로의 변환은 열 에너지의 교환 단계에서 발생하는
방법.
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