액체질소 저장탱크 및 ICING 동결 현상에 대한 대책

 1   액화질소의 화학적 특성과 사용처 

액체질소는 질소 액체라고 정의되며 의학 및 산업용으로 다양하게 사용되고 있습니다. 질소의 끓는점은 -196℃ (at 760mmhg)이며, -196℃ 이하로 온도를 낮추어야 액화됩니다. 즉 질소의 증기압(Vapor pressure)이 굉장히 높다는 것입니다. 액체 질소는 낮은 온도의 이유로 냉동 처리 등의 업무에  아주 좋은 물질입니다. 반대로 말하면 상온에서는 질소를 액체 상태로 보관하기 위해서는 별도의 열전달을 최소화할 수 있는 저장 탱크가 필요하다는 의미입니다.

※ 액체질소의 주요 사용처
 • 급속냉동 (액화질소를 이용하여 온도를 낮추는 것)
 • Purge (설비내 인화성, 독성 물질 등을 제거하는 것)
 • 혼합 작업 (분사 및 혼합 작업) 
 • 식품 가공 및 포장 (식품 포장 공정) 
 • 탱크 및 선박의 시험, 검사, 청소 
 • 엔지니어링 시설  (제조, 테스트 및 제품 개발) 
 • 자동차 공장 (페인트 부스 내) 
 • 유전공학

액화질소 = Liquid Nitrogen = LN2 
질소가스 = Gaseous Nitrogen = GN2 

 2  액체질소의 기화 속도
액체질소는 진공단열된 저장탱크나 용기에 저장합니다. 외부의 온도 유입을 최소화하여 액체질소를 장기간 사용하기 위함입니다. 진공단열이 되더라도 부속품, 배관 등으로 통한 직접 열전달이 이루어지게 되므로 액체질소는 서서히 기화하여 기체로 변환이 됩니다. 100% 단열이 되는 설비 개발되면 대박 아이템이 될 수 있습니다. 아래의 그림은 액체질소의 기화 속도를 실험한 자료입니다.
*기화가 진행된다는 의미는 저장탱크 내부의 압력이 올라간다는 의미가 됩니다. 즉, 과압에 대비하여 안전설비인 PSV (안전밸브)를 설치해야 합니다.

 

 2  액체질소 탱크의 개요

Process Flow Diagram

 액화질소를 기화시키기 위해 열교환기가 설치됩니다. 고압가스안전관리법상 이를 기화기라 정의합니다. -196℃의 액체질소는 HEAD LOAD의 열원을 받아 기화하게 됩니다. 이를 기체질소라 칭합니다. 열교환기의 열원은 대기온도, 스팀, 물, 전기등 다양하게 설계할 수 있습니다. 기화기의 열전달면적은 사용량에 기인하게 됩니다. 즉 사용량이 클수로 열전달 면적이 커지게 됩니다.  

※ KGS 질의회시 
Q 당사는 액체(산소,질소)가스 탱크에서 나와 기화기를 통해 기체로 변동시켜서 가스를 이용하고 있습니다. 그런데 기체로 변동 시 냉열이 발생되어 기화기에 서리가 발생하고 때때로 얼음으로 만들어지기도 합니다.
그래서 저는 기화기를 이용하여 냉열을 이용하려고 합니다. 
질문1) 기화기(증발기 모양)에 room를 설치하는데 법적으로 문제가 없습니까? 
질문 2) room 앞에는 fan 설치하고 뒤쪽에서 배기 fan를 설치하여 냉열이 필요한 장소로 보내려고 합니다. 이때 주의사항? 
A 열교환 매체인 대기 공기를 직접 이용하여 기화시키는, 그리고 그렇게 설계된 자연 대기식 기화기를 변경 하여 사용하는 것은 고압가스안전관리법 제38조 제1항의 규정에 의한 개조에 해당되며, 개조 한자는 5년 이하의 징역 또는 5천만 원 이하의 벌금에 처하도록 규정하고 있음. 

질의 내용이 이해가 되지 않는 부분도 있습니다만, 기화기의 경우 KGS CODE AA911 - 고압가스용 기화장치 제조의 시설·기술·검사 기준을 준용하여 인증받은 기화기를 사용해야 하고 변경허가를 받아야 한다. 라는 회시 내용으로 이해가 됩니다. 또한 기화기는 대기식 기화기를 제외하고는 정기적으로 안전검사를 받아야 합니다. 

[참조] KGS CODE AA911 - 고압가스용 기화장치 제조의 시설·기술·검사 기준  바로가기

 3  액체질소 저장탱크의 안전장치

LEVEL	▷LN2 를 Over charge하게 되면 Tank 내부가 과압이 형성됩니다. 이를 방지하기 위해 LN2의 LEVEL을 Control해야 합니다. ▷LEVEL이 상승하면 LN2 유입을 차단시키는 INTERLOCK을 설치해야 합니다.
PRESSURE	▷앞서 언급한 대로 LN2 TANK에 외기온도가 전달이되면 LN2는 서서히 기화하기 시작합니다. 기화된 GN2는 TANK내부 압력을 상승시키게됩니다. ▷물론 지속적으로 GN2를 사용해 주게되면 압력이 연속적으로 해소되기 때문에 안전하게 사용할 수 있습니다. ▷그러나 GN2를 사용하지 않을 경우는 압력이 상승하게 되고 이 압력을 해소하기 위해 PSV(Pressure safety valve)를 설치하여 과압폭발에 의한 사고를 예방해야 합니다. ▷일반적으로 PSV에 추가로 PIC를 설치하여 압력을 안전하데 유지합니다.
TEMP'	▷액체질소 탱크 내부의 온도는 -196℃ 근처에서 운전이 되어야 합니다. ▷진공단열이 깨지게 되면 탱크의 온도는 상승하게됩니다. ▷온도와 압력은 밀접한 관계가 있기 때문에 온도 감지 설비를 설치하여 진공상태가 잘 유지되는지를 확인해야 합니다.
VAPORIZER (기화기)	▷기화기는 LN2를 기화시키는 장치입니다. 열원에 따라 전기식 기화기, 증기식기화기, 대기식기화기 등으로 분류됩니다.  ▷기화기 후단에는 PIC를 설치하여 압력을 일정하게 유지합니다. ▷PIC는 기화기의 열원 공급량을 결정하게됩니다.

 4  액체질소 저장탱크의 RISK

1) 건물내부에 설치될 경우의 RISK
질소 저장탱크는 실외에 설치되지만 실험실 등에서 주로 사용하는 질소 발생기는 실내에서 많이 사용된다. 발생기에 누출이나 다른 문제가 발생할 경우, 누출된 가스는 건물 내부 외에는 갈 곳이 없다. 어떤 경우에는, 질소 발생기가 외부로 배출되도록 설계를 해야지만 실험실 등에서의 취급 조건상 항상 외부로 배출하는 것이 가능한 것은 아니다.

2) 질식 사고의 RISK
질소는 무색의 무취의 기체로서 산소 결핍 상태를 만들어낸다. 발생기가 누출을 일으킬 경우, 질소 가스는 검출되지 않은 채 작업 환경으로 누출될 수 있다. 누출된 탱크에서 나오는 질소 가스는 몇 분 안에 산소공간을 고갈시킬 수 있다. 질식사고 예방을 위해 산소 가스 농도 감지기를 설치하여 운용해야 한다.
O2 모니터, 즉 산소 모니터는 내부의 산소 수준을 지속적으로 감시한다. 질소 누출과 같은 예기치 않은 일이 발생하여 방의 산소량이 떨어지기 시작하면 모니터가 경보음을 울리며 깜박여 직원의 주의를 끌게 된다. 이렇게 하면, 직원들은 사전 지식을 가지고 있고, 산소 농도가 너무 낮아지기 전에 작업 공간에서 대피할 수 있다.  산소 감지기는 농도가 19.5% 이하와 23.5% 이상에서 경보를 울릴 수 있도록 설치하는 것이 좋다.  낮은 농도는 질식의 위험성이 있고, 높은 농도는 화재와 연소 위험을 야기한다. 산소는 조연성가스 이기 때문에 화재에 취약하다. 또한 산소 감지기를 한 개만 설치한 경우 그 한 개가 고장이 났을 경우 인지를 할 수 없기 때문에 여러 개의 산소 감지기가 필요할 수 있다.

질소 가스는 액체 부피의 약 700 배로 빠르게 팽창하여 대기중으로 확산이 된다. 따라서 심각한 질식 위험을 초래합니다. 

3) 폭발 RISK 
앞서 언급했듯이 LN2는 기화되면서 발생한 GN2가 탱크의 압력을 상승시킨다. 탱크가 폭발할 수 있으므로 절대로! 용기 및 탱크를 밀봉하면 안 된다.
※사고사례
2006년 텍사스 A&M 대학에서 발생한 사건에서 액체 질소 탱크의 압력 경감 장치는 놋쇠 플러그로 밀봉되었다. 그 결과 탱크는 재앙적으로 고장 나 폭발했다. 

2006년 1월 12일 대학 화학 건물 실험실 액체질소 폭발

 

4) 극저온 냉화상 
액체질소가 피부에 닿으면 화상을 입을 수 있습니다.

5) ICING 
무색무취의 액체 질소를 바닥에 부으면 구름모양의 증기운이 형성이 된다. 이것은 질소 가스가 아니라 공기 중의 수분이 얼어서 생기는 응축수 증기이다. 


 5  액체질소ㆍ산소 배관 동결 현상

액체질소 탱크에 설치된 배관, 컨트롤 밸브, 기화기, 열교환기 외부에 얼음이 생기는 장면을 종종 볼 수 있습니다. 이 얼음은 초 저온의 액체질소의 낮은 온도로 인하여 공기 중의 수분이 얼어붙는 현상입니다.

얼음이 생기는 이유는 줄-톰슨 효과로 설명할 수 있습니다. 압축한 기체를 단열된 좁은 구멍으로 분출시키면서 온도가 변하는 현상이 생깁니다. 이는 분자 간 상호작용에 의해 온도가 변하는 것으로서 공기를 액화시킬 때나 냉매의 냉각에 응용되는 현상입니다. J.P.줄과 W.톰슨(W.켈빈)이 1854년 실험을 통하여 발견하였습니다. 이상기체에서는 압축한 기체를 단열된 좁은 통로를 통해서 빠져나가게 하면 빠져나가기 전후의 기체의 엔탈피는 같게 되어, 이 과정에서 온도변화는 생기지 않지만, 실제 기체의 경우는 분자간 상호작용이 있기 때문에 온도 변화가 생깁니다. 이 현상을 줄-톰슨 효과라고 합니다. 이때 기체의 온도가 높을 때와 낮을 때의 압력 변화에 따른 온도 변화의 방향이 달라지게 됩니다.   

일반적으로 상온에서 수소는 온도가 올라가지만 다른 기체는 냉각됩니다. 그 정도는 분출 전후의 압력차를 1 기압으로 했을 때, 산소는 약 0.32℃ 공기는 0.26℃인데, 압력 차이에 비례하여 그 정도가 커지게 됩니다. 이들 기체를 강하게 압축하여 분출시키면 온도가 극적으로 내려가서 액화할 수 있으며, 액체 공기는 이 원리를 기초로 하여 대략 150 기압으로 압축한 공기를 반복하여 가는 구멍으로부터 분출시켜 만들게 됩니다. 온도의 증가·감소는 일반적으로 그 기체의 온도에 따라 결정되며, 어느 온도 이하에서는 냉각되고, 그 이상에서는 올라갑니다. 이 경계에 있는 점을 역점 온도(逆點溫度)라 합니다. 예를 들면 수소도 －80℃ 이하의 온도에서는 분출에 의하여 냉각됩니다. 이 효과는 헬륨 등 기체 냉각이나 액화, 에어컨이나 냉장고 등 냉매의 냉각에 널리 사용되고 있으며, 최근에는 소형 줄-톰슨 냉각장치들이 개발되어 고압 실린더의 기체를 직접 사용하고, 유리판에 구멍을 내거나 가는 관을 통해 공기 중으로 기체(주로 질소)를 배출시키는 방법으로 80K 정도의 저온을 쉽게 얻고 있습니다.

기체를 감압할 때 주변으로부터 열을 빠르게 흡수하기 위해 기체가 팽창하는 경향이 있으며, 이는 빠르게 감압될수록 배관이 냉랭해지기 때문에 이러한 현상이 발생할 때 공기의 음질이 얼어붙는다. 해빙은 각 방류 시간에 따라 결정된다. 

간단한 예로, 헤어스프레이나 무스, 부탄가스 등을 쓰고 나면 병이 차가워지는 현상 및 입을 오므려서 찬바람을 만드는 것도 모두 줄-톰슨 효과라 할 수 있습니다.

극저온 물질은 여러 가지 안전 위험을 나타내며 저장 용기는 관련 위험을 줄이도록 설계된다. 첫째, 완벽한 단열재를 제공할 수 없고 극저온 성 액체가 서서히 끓어올라 엄청난 양의 가스를 생산한다.

※ 가스별 팽창율
아르곤 1 대 847
액체 수소 1 대 851
액체 헬륨 1 대 757
액체 질소 1 대 696
액체 산소 1 대 860
네온은 1 대 1438

※ ICING에 대한 대책
1. Elastomers 금속, Carbon steel 탄소강은 극도로 낮은 온도에서 부서질 수 있다. 즉, 얼음을 망치로 깨면 안 된다. 
2. Icing이 발생되는 구간의 밸브는 Stem 길이가 긴 것을 사용하여 Icing에도 작동되는 타입으로 설치한다.
3. 예비 배관을 설치하여 교대로 사용한다.
4. 기화기의 용량이 사용량보다 부족할 때 Icing이 발생된다. 기화기 측에 성애가 발생한다면 기화기 능력을 향상해야 한다.
5. Vent Line이나 PSV Vent구간은 Icing으로 인한 Plugging이 되지 않도록 구성해야 한다. 
6. 배관의 재질이 극저온에 적합한 재질이라면 Icing을 제거하기보다는 설계, 운전 측면에서 접근하여 개선하는 것이 바람직하다. 
7. Icing구간에는 보냉을 보간하여 수증기와 배관의 접촉을 차단한다. (보냉을 해도 열전달에 의한 Icing이 생길 수 있다)