KR20210078791A

KR20210078791A - 고순도 메탄 정제 장치 및 정제 방법

Info

Publication number: KR20210078791A
Application number: KR1020190170597A
Authority: KR
Inventors: 임하영
Original assignee: 한국항공우주연구원
Priority date: 2019-12-19
Filing date: 2019-12-19
Publication date: 2021-06-29

Abstract

본 발명은 고순도 메탄 정제 장치 및 정제 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 정제 단계를 최소화할 수 있도록 단순한 장치를 이용한 구성을 가져 설치 및 보수에 용이한 장점이 있으며, 액화천연가스를 구성하는 성분 중에서 메탄의 끓는점을 이용하여 정제하므로, 고순도의 메탄을 저비용 및 고효율로 정제할 수 있는 장치를 제공하기 위함이다.

Description

고순도 메탄 정제 장치 및 정제 방법{Apparatus and Purification Method for Purifying High Purity Methane}

본 발명은 고순도 메탄 정제 장치 및 정제 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 액화천연가스(LNG, Liquified Natural Gas)를 구성하는 성분들의 끓는점 차이를 이용하여 액화천연가스로부터 순수한 메탄을 분리하고, 이를 포집하여 사용하거나 다시 액화시키는 과정을 통해 고순도 액체메탄으로 정제하는 장치에 관한 것이다.

액체로켓의 추진제는 산화제인 액화산소와 연료인 케로신, 액화수소, 액화메탄 등이 사용되고 있으며, 액화수소는 추력 성능이 우수하나, 매운 낮은 온도에서 액화되며, 쉽게 증발하거나 팽창될 수 있으며, 인화폭발성이 강해 보관 및 관리가 까다롭다는 단점이 있으며, 케로신은 비추력이 보다 약하며, 냉각채널 내에 코킹 발생의 위험이 있어 설계가 보다 복잡하다는 단점이 있다.

따라서, 상기 언급한 문제를 보완할 수 있는 연료성분으로서 메탄연료가 주목받고 있으며, 액체로켓 엔진의 추진제에 있어, 상대적으로 연소 가스가 환경 친화적이고 발사 비용 또한 줄일 수 있는 연료인 메탄의 중요성이 향상되어 개발이 활발하게 이루어지고 있다.

일반적으로 메탄은 액화천연가스(LNG)의 주성분으로 전체의 약 80% 내외를 차지하고 있고, 바이오가스나 석유의 크래킹에 의해서 생성되게 된다. 최근에는 메탄을 고효율의 액체로켓의 추진제로 사용하기 위해서 메탄 순도의 중요성이 강조되고 있으며, 메탄의 순도를 향상시키기 위한 정제 과정의 연구가 활발하게 이루어지고 있다.

바이오가스를 통한 메탄 정제는 메탄을 음식물 쓰레기, 음식물 쓰레기로 인한 발생폐수, 가축의 분뇨 및 매립 쓰레기로부터 수집할 수 있기 때문에 환경문제를 해결할 수 있다는 장점이 있지만, 유기성 폐자원에 따라 메탄의 함유량이 크게 달라지며, 불순물이 다량 포함되어 있기 때문에 이를 정제하기 위한 처리비용이 많이 들며, 처리비용에 비해 생산량이 적어 메탄 생산의 단가가 비싸다는 단점이 있다.

또한, 액화천연가스는 바이오가스보다 메탄 함유량이 높으며, 불순물 함량이 적어 보다 용이하게 고순도 메탄을 정제할 수 있는 장점이 있으나, 종래의 액화천연가스를 정제하는 장치는 구성요소가 복잡하여 설치 및 보수에 어려움이 있으며, 정제 방법에 따른 메탄의 순도 함량에 제한이 있어 일정 이상의 순도를 가지는 메탄은 생산하기 어렵다는 단점이 있다.

따라서, 단순한 정제과정을 통해 보다 용이하게 생산할 수 있으며, 효과적인 액체로켓의 추진제로 사용될 수 있는 고순도의 메탄을 생산하기 위한 정제 장치를 개발되어야 하는 필요성이 있다.

한국특허등록 제 2011-1007647호("바이오 가스를 연료로 사용하는 고분자 전해질 연료전지 발전시스템 및 그의 제어방법")

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 정제 장치의 구성요소를 단순화하여 설치 및 보수에 용이하도록 구성하여 고순도의 액체메탄을 저렴한 비용으로 생산할 수 있는 고순도 메탄 정제 장치 및 정제 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 고순도 메탄 정제 방법은 LNG가 충전된 LNG탱크; 상기 LNG탱크에 보관되는 LNG를 가열하는 히터; 상기 히터에 의해 기화된 기화기체를 액화시키는 복수의 열교환기; 및 상기 열교환기에 의해 생성된 액체메탄을 저장하는 고순도 메탄탱크;를 포함한다.

이때, 상기 열교환기는, 제1 열교환기 및 제2 열교환기로 형성되며, 상기 제2 열교환기의 온도가 상기 제1 열교환기의 온도보다 낮은 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 고순도 메탄 정제 장치는, 액체질소를 보관하는 액체질소 탱크;를 더 포함하며, 상기 열교환기는 액체질소 탱크의 액체질소에 의해 냉각되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 액체질소 탱크의 액체질소는 상기 제2 열교환기를 냉각 시킨 후 배출되는 기체질소로 상기 제1 열교환기를 냉각시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 열교환기는 메탄의 끓는점 이하로 냉각되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 및 제2 열교환기는, 온도센서를 더 구비하여, 상기 제1 및 제2 열교환기의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기 사이에는 제1 액체용기가 위치되며, 상기 제1 액체용기는 상기 제1 열교환기를 통과한 기화기체가 기체 및 액체로 분류되어 보관되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제1 액체용기에 저장된 불순물액체는 폐기액체를 보관하는 폐기물탱크로 배출하며, 상기 제1 액체용기에 보관된 기체는 제2 열교환기로 이동되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 열교환기와 상기 고순도 메탄탱크 사이에는 제2 액체용기가 위치되며, 상기 제2 액체용기는 상기 제2 열교환기를 통과한 기화기체가 기체 및 액체로 분류되어 보관되는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 제2 액체용기에 저장된 액체는 상기 고순도 메탄탱크로 이동되며,상기 제2 액체에 보관된 기체는 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 히터에 의해 가열된 LNG의 기화기체를 보관하는 압력용기;를 더 구비하며, 상기 압력용기는 상기 압력용기에 저장된 기화기체를 폐기액체를 보관하는 폐기물탱크로 배출하도록 배출구를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 LNG탱크는, 내부에 높이별로 복수개의 온도계를 구비하며, 하단에 위치된 상기 온도계의 온도가 메탄의 끓는점을 초과하면, 상기 LNG탱크 내부에 있는 액체를 외부로 배출하는 것을 특징으로 한다.

고순도 메탄 정제 장치의 정체방법에 있어서, LNG가 보관된 LNG탱크가 히터에 의해 가열되는 LNG 히팅단계; 기화된 기화기체가 제1 열교환기를 통과하며 냉각되는 냉각 제1단계; 기화기체가 상기 제1 열교환기를 통과하며 불순물액체 및 기체로 보관되어 제1 액체용기에 저장하는 불순물 분리단계; 상기 제1 액체용기의 상측에 고이는 기체가 제2 열교환기를 통과하며 냉각되는 냉각 제2단계; 상기 메탄기체가 제2 열교환기를 통과하며 액체 및 기체로 분리되어 제2 액체용기에 보관하는 고순도 메탄 분리단계; 상기 제2 액체용기의 하측에 저장된 액체를 고순도 메탄탱크에 저장하는 고순도 메탄 저장단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이때, 상기 냉각 제2단계 이후에, 상기 제2 열교환기에 온도센서가 구비되어, 상기 제2 열교환기의 온도가 기준온도 이하인지 판단하는 제2 열교환기 온도 판단단계;를 더 포함하고,상기 제2 열교환기의 온도가 기준온도 이하이면, 상기 고순도 메탄 분리단계가 실행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제2 열교환기 온도 판단단계에서, 상기 제2 열교환기의 온도가 기준온도 초과이면, 액체질소를 보관하고 있는 액체질소 탱크로부터 액체질소를 전달받아 상기 제2 열교환기를 냉각하는 제2열교환기 재냉각단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하며, 상기 제2열교환기 재냉각단계 이후에, 상기 제2 열교환기 온도 판단단계가 실행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 LNG 히팅단계에서, 상기 LNG탱크 내부에 구비되는 온도계를 통해 LNG온도가 기준온도 이상인지 판단하는 LNG온도 판단 단계;를 더 포함하며, 상기 LNG온도가 기준온도 이상이면, 상기 LNG탱크 내부의 액체를 폐기물탱크로 배출하는 LNG 폐기단계;가 실행되며, 상기 LNG 온도가 기준온도 미만이면, 상기 LNG 히팅단계가 실행되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 불순물 분리단계에서, 상기 제1 액체용기의 하측에 저장된 불순물액체를 폐기물탱크로 배출하는 불순물 폐기단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고순도 메탄 분리단계에서, 상기 제2 액체용기의 상측에 고이는 기체를 외부로 방출하는 질소기체 방출단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명의 고순도 메탄 정제 장치 및 정제 방법은 정제 장치를 이루는 구성이 단순하여 장치 설치를 위한 설치장소가 최소로 사용될 수 있고, 별도의 복잡한 장비 개발이 필요 없어 구성되는 장치의 보수에 용이하다는 장점이 있으며, 메탄의 함량이 높은 LNG를 통해 액체메탄을 정제함에 있어 저렴한 생산비용으로 최대의 메탄 순도를 가지도록 생산할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 고순도 메탄 정제 장치의 블록도
도 2는 본 발명의 LNG탱크의 일실시예
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 LNG탱크 및 압력용기의 부분 블록도
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 열교환기, 액체용기 및 액체질소 탱크의 부분 블록도
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 고순도 메탄 정제장치 블록도
도 6은 본 발명의 기체 및 액체 이동의 일실시예에 따른 이동 블록도
도 7은 본 발명의 제1 일실시예에 따른 순서도
도 8은 본 발명의 제2 실시예에 따른 순서도

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이하, 본 발명의 기술적 사상을 첨부된 도면을 사용하여 더욱 구체적으로 설명한다. 첨부된 도면은 본 발명의 기술적 사상을 더욱 구체적으로 설명하기 위하여 도시한 일예에 불과하므로 본 발명의 기술적 사상이 첨부된 도면의 형태에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 사시도이며, 참고하여 설명하면, 본 발명은 LNG 및 액체질소를 이용하여 저비용으로 고순도 메탄을 정제하기 위한 고순도 메탄 정제 장치(1000)로, LNG가 충전된 LNG탱크, 상기 LNG탱크(100)에 보관되는 LNG를 가열하는 히터(110), 상기 히터(110)에 의해 기화된 기화기체를 액화시키는 복수의 열교환기(210), 및 상기 열교환기(210)에 의해 생성된 액체메탄을 저장하는 고순도 메탄탱크(300)를 포함하여 형성될 수 있다.

도 2를 참고하면, 상기 LNG탱크(100)는 극저온 저장 탱크로, 액체가스를 용이하게 보관하기 위해 극저온을 유지할 수 있도록 단열구조를 가지고 있으며, 상기 LNG탱크(100)는 LNG를 가열하는 상기 히터(110)를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다. 상기 히터(110)는 상기 LNG탱크(100)의 하단에 위치될 수 있으며, 상기 LNG탱크(100)의 내부에 구성되는 것이 적절하고, 상기 히터(110)는 전기 코일을 이용한 히팅장치로 형성될 수 있으며, 외부로부터 유입되는 열에 의해 가열되는 장치일 수 있고, LNG를 가열할 수 있도록 형성되는 것이면 상관없이 구비될 수 있다. 또한, 상기 LNG탱크(100)는 내부에 높이별로 구비되는 복수개의 온도계(120)를 포함하여 구성되어, 상기 LNG의 온도 및 상기 LNG탱크(100)의 내부 온도를 파악할 수 있도록 형성될 수 있다.

도 3을 참고하면, 본 발명은 메탄을 정제하기 위해 LNG를 사용하는 것을 특징으로 하며, V1밸브를 개방한 상태에서 상기 LNG탱크(100)의 하부에 구비된 상기 히터(110)가 LNG를 가열하면, LNG에 포함된 성분 중 끓는점이 가장 낮은 성분 순으로 기화되는 것을 특징으로 한다. 일례로, 일반적으로 LNG를 구성하고 있는 성분 중에는 질소, 메탄, 에틸렌, 에탄, 프로판 등의 순서로 기화될 수 있다.

상기 LNG탱크(100)는 가열된 LNG로부터 기화되는 기화기체를 보관 및 저장할 수 있는 압력용기(130)를 더 포함하여 형성될 수 있으며, 상기 압력용기(130)는 가열된 LNG에서 기화된 기화기체가 개방된 V1밸브를 통해 저장될 수 있다. 상기 압력용기(130)는 기체를 다른 기기로 전달할 때 균일한 압력을 가지며 이동될 수 있도록 기체를 일정 압력으로 보관할 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예로, 상기 압력용기(130)에는 대부분의 메탄가스과 함께 질소가스를 포함한 소량의 가스들을 보관할 수 있으며, 용도에 따라 상기 압력용기(130)에 보관되는 기체메탄을 사용할 수 있도록 V2밸브를 개방하여 E1배출구를 통해 외부에 위치되는 용기로 기체메탄을 이동시켜 기체메탄을 사용할 수 있도록 구성될 수 있다.

도 4를 참고하여 설명하면, 복수개의 상기 열교환기(210)는 상기 히터(110)에 의해 형성된 기화기체를 냉각하여 고순도의 액체메탄으로 정제하기 위해 구비되는 것으로, 기화기체에 포함되어 있는 성분들의 끓는점 차이를 이용하여 분리되도록 형성될 수 있다. 상기 열교환기(210)는 내부에 별도의 저장 공간 없이 기화기체가 단지 통과하며 기화기체가 상기 열교환기(210)와 서로 열교환하며 액화될 수 있도록 형성될 수 있다. 복수개의 상기 열교환기(210)는 일정 이상의 온도를 유지하고 있는 것이 적절하며, 온도센서를 더 구비하여 상기 열교환기(210)의 온도를 일정하게 유지시키도록 형성될 수 있으며, 상기 열교환기(210)는 일정 온도 이하로 냉각되도록 형성되는 것이면 종류 상관없이 구비될 수 있다. 복수개의 상기 열교환기(210) 중 하나 이상의 상기 열교환기(210)는 기체메탄을 액화시킬 수 있도록 메탄의 끓는점 이하의 온도로 형성되는 것이 적절하다.

상기 고순도 메탄 정제 장치(1000)는 액체질소를 보관하는 액체질소 탱크(200)를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 상기 액체질소 탱크(200)는 외부로부터 단열되도록 형성되는 극저온 저장 탱크로 형성되며, 본 발명에서는 상기 열교환기(210)는 상기 액체질소 탱크(200)에서 공급하는 액체질소에 의해 냉각되도록 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 열교환기(210)는 제1 열교환기(211) 및 제2 열교환기(212)로 형성될 수 있고, 상기 제2 열교환기(212)의 온도가 상기 제1 열교환기(211)의 온도보다 낮도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 및 제2 열교환기(211, 212)를 냉각시키기 위해, 상기 액체질소 탱크(200)의 액체질소가 상기 제2 열교환기(212)를 먼저 냉각시킨 후, 배출되는 기체질소를 이용하여 상기 제1 열교환기(211)를 냉각시키도록 구성될 수 있으며, 또한, 상기 액체질소 탱크(200)의 액체질소가 상기 제1 및 제2 열교환기(211, 212)를 각각 냉각시키도록 형성될 수 있다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예로, 상기 액체질소 탱크(200)는 V6밸브를 개방하여 액체질소를 배출시킬 수 있으며, 액체질소는 V6밸브를 통해 상기 제2 열교환기(212)를 냉각시키고, 기화된 기체질소가 V4밸브가 개방되며 상기 제1 열교환기(211)에 유입되어 냉각시킨 후, 나머지 기체질소를 E3배출구를 통해 외부로 배출되도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 액체질소 탱크(200)는 상기 제1 및 제2 열교환기(211, 212)를 각각 냉각시킬 수 있는데, 상기 액체질소 탱크(200)는 V6밸브를 통해 유입된 액체질소가 상기 제2 열교환기(212)를 냉각시킨 후 기화된 기체질소를 V8밸브를 개방하여 E4배출구로 외부로 배출되고, V9밸브의 개방을 통해 유입된 액체질소가 상기 제1 열교환기(211)를 냉각시킨 후 기화된 기체질소를 E3배출구를 통해 외부로 배출되도록 형성될 수 있다.

상기 제1 및 제2 열교환기(211, 212)는 일정 온도로 유지되도록 형성되는 것이 적절하며, 상기 제1 및 제2 열교환기(211, 212) 각각에 T1 및 T2 온도센서가 구비되어 상기 제1 및 제2 열교환기(211, 212)의 온도를 관찰하며 유지시킬 수 있도록 형성될 수 있다. 상기 제1 열교환기(211)는 기체메탄 및 기체질소가 포함된 기화기체가 가장 먼저 유입되어 냉각될 수 있도록 형성될 수 있고, 상기 제1 열교환기(211)는 기체메탄 및 기체질소보다 끓는점이 낮은 불순물기체들을 액화시켜 분리될 수 있도록 구성되는 것이 적절하며, 따라서 상기 제1 열교환기(211)는 -110 ~ -120도 이내의 온도로 유지되어, 기화기체에 포함된 기체메탄 및 기체질소를 제외한 불순물 기체들이 액화될 수 있도록 형성될 수 있다. 상기 제2 열교환기(212)는 불순물 기체들이 제거된 기체메탄 및 기체질소가 유입되어 냉각될 수 있도록 형성될 수 있고, 상기 제2 열교환기(212)는 기체메탄이 액화될 수 있도록 상기 제1 열교환기(211)보다 낮되 기체질소의 끓는점보다 높은 온도로 형성되는 것이 적절하며, 고순도의 메탄을 액화시키기 위하여 상기 제2 열교환기(212)는 메탄의 끓는점(-161도) 이하의 온도로 유지되어, 기체질소 등의 불순물이 제거된 고순도의 메탄이 액화될 수 있도록 형성될 수 있다.

도 1을 참고하면, 상기 고순도 메탄 정제 장치(1000)는 상기 압력용기(130) 및 상기 열교환기의 사이에 압력조절기(140)를 더 구비할 수 있으며, 기화된 기화기체를 일정한 압력으로 저장 보관하던 상기 압력용기(130)에서 기화기체가 상기 열교환기(210)로 이동될 때 기화기체가 상기 열교환기(210)의 사용 압력 이하로 공급되도록 압력을 조절하여 유량이 일정하게 흐르도록 할 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 5는 본 발명의 일실시예이며, 참고하여 설명하면, 상기 고순도 메탄 정제 장치(1000)는 액체용기(220)를 더 구비하여 형성될 수 있는데, 상기 액체용기(220)는 기화기체가 상기 열교환기(210)를 통과하며 냉각될 때 분리 형성되는 기체 및 액체를 분리하여 보관할 수 있도록 상기 열교환기(210)의 뒤편에 배치될 수 있다. 상기 액체용기(220)는 상기 열교환기(210)를 통과하며 냉각된 기체가 유입되어 액화되는 액체는 하측에 보관되고, 액화되지 않은 기체는 상측에 위치되어 분리될 수 있으며, 상기 액체용기(220)는 상기 열교환기(210)를 통과하며 액화되는 액체를 보관할 수 있도록 형성되는 것이면 상관없이 구비하여 사용할 수 있다.

본 발명의 일실시예로, 상기 제1 열교환기(211)와 상기 제2 열교환기(212) 사이에는 제1 액체용기(221)가 위치될 수 있으며, 상기 제2 열교환기(212)와 상기 고순도 메탄탱크(300) 사이에 제2 액체용기(222)가 위치될 수 있다. 상기 제1 액체용기(221)는 상기 제1 열교환기(211)를 통과한 기화기체가, 기체메탄 및 기체질소를 포함한 기체와 액화된 나머지 불순물을 포함한 액체로 분류되어 보관될 수 있고, 상기 제2 액체용기(222)는 상기 제2 열교환기(212)를 통화한 기체메탄 및 기체질소가, 기체질소와 액체메탄로 분류되어 보관될 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 6을 참고하여 설명하면, 상기 LNG탱크(100) 및 상기 히터(110)에 의한 LNG의 기화로 인해 생성된 기화기체가 상기 제1 열교환기(211)를 통해 냉각되어 상기 제1 액체용기(221)에 기체메탄 및 기체질소와 불순물액체로 분리되면, 불순물액체는 상기 제1 액체용기(221) 하측에 보관되고, 상기 제1 액체용기(221) 상측에 고여 있는 기체메탄 및 기체질소는 상기 제2 열교환기(212)로 유입되도록 형성되는 것을 특징으로 한다. 기체메탄 및 기체질소가 상기 제2 열교환기(212)를 통해 냉각되어 상기 제2 액체용기(222)에 기체질소와 액체메탄으로 분리되면, 정제된 액체메탄은 상기 제2 액체용기(222) 하측에 보관되어 있다가 V5밸브를 통해 상기 고순도 메탄탱크(300)로 유입되어 저장될 수 있고, 기체질소는 상기 제2 액체용기(222) 상측에는 고여 있다가 V4밸브가 개방되면 E2배출구를 통해 외부로 배출되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 고순도 메탄탱크(300)로 유입되는 액체메탄은, LNG이 가열되며 기화를 통해 분류된 기체메탄이 냉각을 통해 불순물 및 질소를 분리하여 형성된 최종 액체메탄으로, 메탄 함유량이 높은 고순도 액체메탄인 것을 특징으로 한다.

도 6을 참고하여 설명하면, 상기 고순도 메탄 정제 장치(1000)는 폐기액체를 보관하는 폐기물탱크(400)를 더 구비하여 형성될 수 있으며, 상기 폐기물탱크(400)는 메탄을 정제하는 과정에서 발생되는 폐기 액체를 보관할 수 있다. 상기 폐기물탱크(400)는 극저온 액체 탱크로 형성될 수 있으며, 상기 제1 액체용기(221)와 연결되어 상기 제1 액체용기(221)의 하측에 액체로 보관되는 불순물액체를 V10밸브를 개방하여 상기 폐기물탱크(400)로 배출할 수 있도록 형성될 수 있다. 또한, 상기 LNG탱크(100)에 채워진 LNG에서 메탄이 대부분 기화가 되면 상기 LNG탱크(100) 내부 액체의 온도가 상승하게 되는데, 이때 상기 LNG탱크(100)에 구비된 복수개의 상기 온도계(120) 중 하단에 위치되어 LNG의 온도를 측정하는 상기 온도계(120)의 온도가 메탄의 끓는점 온도를 초과하는 것으로 관측되면, 상기 LNG탱크(100)는 V11밸브를 개방하여 상기 LNG탱크(100)에 보관되어있던 LNG를 상기 폐기물탱크(400)로 배출하도록 상기 LNG탱크(100)와 상기 폐기물탱크(400)가 결합될 수 있다.

도 7은 본 발명의 제1 일실시예의 순서도이며, 참고하여 설명하면, 상기 고순도 메탄 정제 장치(1000)의 정제방법에 있어서, LNG가 보관된 LNG탱크(100)가 히터(110)에 의해 가열되는 LNG 히팅단계(S10), 기화된 기화기체가 제1 열교환기(211)를 통과하며 냉각되는 냉각 제1단계(S20), 상기 기화기체가 상기 제1 열교환기(211)를 통과하며 불순물액체 및 메탄과 질소기체로 분리되어 제1 액체용기(221)에 저장하는 불순물 분리단계(S30), 상기 제1 액체용기(221)의 상측에 고이는 메탄과 질소기체가 제2 열교환기(212)를 통과하며 냉각되는 냉각 제2단계(S30), 상기 메탄기체가 제2 열교환기(212)를 통과하며 액체메탄 및 질소기체로 분리되어 제2 액체용기(222)에 저장하는 고순도 메탄 분리단계(S50), 상기 제2 액체용기(222)의 하측에 저장된 액체메탄을 고순도 메탄탱크(300)에 저장하는 고순도 메탄 저장단계(S60)를 포함하여 구성될 수 있으며, 도 8은 본 발명의 제2 일실시예의 순서도이며, 이하 도 8을 기준으로 설명한다.

상기 LNG 히팅단계(S10)는 상기 LNG탱크(100)에 구비되는 상기 히터(110)가 작동되는 것으로, LNG를 가열하여 LNG에 포함되어 있는 메탄을 기화시키는 것을 특징으로 한다. 이때, 기화된 기화기체는 상기 압력용기(130)에 저장되어 보관될 수 있으며, 필요 시 상기 V2밸브를 통해 E1 배출구로 외부에 배출되어 사용하도록 형성될 수 있다.

상기 LNG 히팅단계(S10)에서 상기 LNG탱크(100) 내부에 구비되는 복수개의 상기 온도개 중 하단에 위치되는 상기 온도계(120)를 통해 LNG온도가 기준온도 이상인지 판단하는 LNG 온도 판단 단계(S11)를 더 포함하여 발생될 수 있다. 상기 LNG 온도 판단 단계(S11)의 기준온도는 메탄의 끓는점 온도이며, 상기 LNG탱크(100) 내부에 저장된 LNG의 온도가 -161도 이상인지 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기 LNG 온도 판단 단계(S11)에서 상기 LNG온도가 기준온도 이상이면, 상기 LNG탱크(100) 내부의 LNG에 포함된 메탄이 모두 기화된 것으로 판단하여 V11 밸브를 개방하여 상기 LNG탱크(100) 내부에 있는 액체를 상기 폐기물탱크(400)로 배출하는 LNG 폐기단계(S12)가 실행되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 LNG 온도 판단 단계에서 상기 LNG온도가 기준온도 미만이면, 상기 LNG 히팅단계(S10)가 실행되어, 상기 LNG탱크(100) 내부에 구비되는 LNG를 상기 히터(110)가 지속적으로 가열하는 것을 특징으로 한다.

상기 LNG 히팅단계(S10) 이후에, 상기 냉각 제1단계(S20)가 실행되며, 상기 냉각 제1단계(S20)는 LNG의 가열에 의해 기화된 기화기체가 V3밸브를 통해 상기 액체질소 탱크(200)의 액체질소에 의해 일정온도로 냉각된 상기 제1 열교환기(211)를 통과하며 냉각되는 것을 특징으로 한다. 상기 냉각 제1단계(S20)는 기화기체가 상기 제1 열교환기(211)를 통과하며 액화작용 할 수 있도록 실행하는 단계인 것을 특징으로 한다.

상기 냉각 제1단계(S20) 이후에, 상기 불순물 분리단계(S30)가 실행되며, 상기 불순물 분리단계(S30)는 기화기체가 상기 제1 열교환기(211)를 통과하며 불순물액체 및 메탄기체로 액화작용되며 분리된 것을 상기 제1 액체용기(221)에 보관하는 것을 특징으로 한다. 상기 제1 액체용기(221)에는 하측에는 불순물액체가 보관되고 상측에는 메탄기체가 보관되는 것을 특징으로 하며, 이때, 상기 제1 액체용기(221)의 하측에 저장된 불순물액체를 V10밸브를 개방하여 상기 폐기물탱크(400)로 배출하는 불순물 폐기단계(S31)를 더 포함하여 실행될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 불순물 분리단계(S30) 이후에, 상기 냉각 제2단계(S40)가 실행되며, 상기 냉각 제1단계(S20)에서 상기 제1 액체용기(221)의 상측에 저장되는 메탄기체는 자연스럽게 상기 제2 냉각장치에 흐르도록 서로 연결되어 있으며, 메탄기체가 상기 액체질소 탱크(200)의 액체질소에 의해 일정온도로 냉각된 상기 제2 냉각장치를 통과하며 냉각되는 것을 특징으로 한다.

상기 냉각 제2단계(S40) 이후에, 상기 제2 열교환기(212)에 구비되어 있는 상기 온도센서(T2)를 통해 상기 제2 열교환기(212)의 온도가 기준온도 이하인지 판단하는 제2열교환기 온도 판단단계(S41)를 더 포함하여 실행될 수 있으며, 상기 제2열교환기 온도 판단단계(S41)는 상기 온도센서(T2)가 부착된 위치에 따라 상기 온도센서(T2)에 검출되는 온도가 -161 ~ -170도 내지의 온도 중 어느 하나의 기준온도 이하인지 판단하는 것을 특징으로 한다.

상기 제2열교환기 온도 판단단계(S41)에서, 상기 제2 열교환기(212)의 온도가 기준온도 이하이면, 상기 제2 열교환기(212)에 유입되는 기체를 통해 고순도 메탄을 액화시킬 수 있는 준비가 된 것으로 판단하여 상기 고순도 메탄 분리단계(S50)가 발생되는 것을 특징으로 한다. 또한, 상기 제2열교환기 온도 판단단계(S41)에서, 상기 제2 열교환기(212)의 온도가 기준온도 초과이면, V6밸브가 개방되며 상기 액체질소 탱크(200)로부터 액체질소를 전달받아 상기 제2 열교환기(212)를 추가로 냉각하는 제2열교환기 재냉각단계(S42)가 실행되는 것을 특징으로 한다. 상기 제2열교환기 재냉각단계(S42) 이후에, 상기 제2열교환기 온도 판단단계(S41)가 재실행 되며, 상기 제2 열교환기(212)의 온도가 기준온도 이하가 될 때까지 상기 제2열교환기 온도 판단단계(S41) 및 상기 제2열교환기 재냉각단계(S42)가 반복 실행될 수 있다.

상기 냉각 제2단계(S30) 이후에 상기 고순도 메탄 분리단계(S50)가 실행되며, 상기 고순도 메탄 분리단계(S50)는 상기 제1 액체용기(221)의 상측에 보관된 메탄기체 및 질소기체가 상기 제2 열교환기(212)를 통과하며 냉각되어 분리된 액체메탄 및 질소기체가 상기 제2 액체용기(222)에 보관되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 제2 액체용기(222)의 하측에는 액체메탄이 보관되며, 상기 제2 액체용기(222)의 상측에는 질소기체가 보관되는 것을 특징으로 한다. 이때, 상기 고순도 메탄 분리단계(S50)에서, 상기 제2 액체용기(222)의 상측에 고이는 질소기체를 V4밸브를 개방하여 E2배출구로 배출하는 질소기체 방출단계(S51)를 더 포함하여 실행될 수 있는 것을 특징으로 한다.

상기 고순도 메탄 분리단계(S50) 이후에, 상기 고순도 메탄 저장단계(S60)가 실행되며, 상기 고순도 메탄 저장단계(S60)는 상기 제2 액체용액의 하측에 저장된 정제된 고순도 액체메탄을 V5밸브의 개방을 통해 상기 고순도 메탄탱크(300)에 저장하는 것을 특징으로 하며, 따라서 상기 고순도 메탄탱크(300)에 정제된 고순도 액체 메탄이 분리 저장되며 생산되는 것을 특징으로 한다.

상기 고순도 메탄 정제 장치(1000) 및 정제 방법은, 메탄의 함유량이 높고, 불순물이 적은 LNG를 이용하여 정제할 수 있어 같은 용량 대비 높은 생산량을 얻을 수 있는 장점이 있으며, 기화된 기체를 냉각시키기 위해 구비되는 상기 열교환기를 액체질소를 통해 냉각시킬 수 있어, 냉각에 사용되는 에너지 효율이 좋으며 저렴한 단가로 장치를 구성시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 기체의 흐름 따라 유동되며 메탄을 정제할 수 있어 별도의 큰 에너지가 사용되지 않으며, 구성요소가 적고, 구성요소 간의 연결되는 구성이 단순하여 설치 및 보수에 용이하기 때문에 정제된 고순도 메탄을 생산하는 생산 비용 및 처리 비용의 단가를 효율적으로 낮추며 정제할 수 있는 장점이 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것 일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

1000 : 고순도 메탄 정제장치
100 : LNG탱크 110 : 히터
120 : 온도계 130 : 압력용기
140 : 압력조절기
200 : 액체질소 탱크 210 : 열교환기
211 : 제1 열교환기 212 : 제2 열교환기
220 : 액체용기 221 : 제1 액체용기
222 : 제2 액체용기 T1, T2 : 온도센서
300 : 고순도 메탄탱크
400 : 폐기물탱크

Claims

LNG가 충전된 LNG탱크;
상기 LNG탱크에 보관되는 LNG를 가열하는 히터;
상기 히터에 의해 기화된 기화기체를 액화시키는 복수의 열교환기; 및
상기 열교환기에 의해 생성된 액체메탄을 저장하는 고순도 메탄탱크;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 1항에 있어서,
상기 열교환기는, 제1 열교환기 및 제2 열교환기로 형성되며,
상기 제2 열교환기의 온도가 상기 제1 열교환기의 온도보다 낮은 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 2항에 있어서,
상기 고순도 메탄 정제 장치는, 액체질소를 보관하는 액체질소 탱크;를 더 포함하며,
상기 열교환기는 액체질소 탱크의 액체질소에 의해 냉각되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 3항에 있어서,
상기 액체질소 탱크의 액체질소는 상기 제2 열교환기를 냉각 시킨 후 배출되는 기체질소로 상기 제1 열교환기를 냉각시키는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 2항에 있어서,
상기 제2 열교환기는 메탄의 끓는점 이하로 냉각되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 2항에 있어서,
상기 제1 및 제2 열교환기는,
온도센서를 더 구비하여,
상기 제1 및 제2 열교환기의 온도를 일정하게 유지하는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 2항에 있어서,
상기 제1 열교환기와 상기 제2 열교환기 사이에는 제1 액체용기가 위치되며,
상기 제1 액체용기는 상기 제1 열교환기를 통과한 기화기체가 기체 및 액체로 분류되어 보관되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 7항에 있어서,
상기 제1 액체용기에 저장된 불순물액체는 폐기액체를 보관하는 폐기물탱크로 배출하며,
상기 제1 액체용기에 보관된 기체는 제2 열교환기로 이동되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 2항에 있어서,
상기 제2 열교환기와 상기 고순도 메탄탱크 사이에는 제2 액체용기가 위치되며,
상기 제2 액체용기는 상기 제2 열교환기를 통과한 기화기체가 기체 및 액체로 분류되어 보관되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 9항에 있어서,
상기 제2 액체용기에 저장된 액체는 상기 고순도 메탄탱크로 이동되며,
상기 제2 액체에 보관된 기체는 외부로 배출되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 1항에 있어서,
상기 히터에 의해 가열된 LNG의 기화기체를 보관하는 압력용기;를 더 구비하며,
상기 압력용기는 상기 압력용기에 저장된 기화기체를 폐기액체를 보관하는 폐기물탱크로 배출하도록 배출구를 포함하여 형성되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
제 1항에 있어서,
상기 LNG탱크는, 내부에 높이별로 복수개의 온도계를 구비하며,
하단에 위치된 상기 온도계의 온도가 메탄의 끓는점을 초과하면, 상기 LNG탱크 내부에 있는 액체를 외부로 배출하는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 장치.
고순도 메탄 정제 장치의 정체방법에 있어서,
LNG가 보관된 LNG탱크가 히터에 의해 가열되는 LNG 히팅단계;
기화된 기화기체가 제1 열교환기를 통과하며 냉각되는 냉각 제1단계;
기화기체가 상기 제1 열교환기를 통과하며 불순물액체 및 기체로 보관되어 제1 액체용기에 저장하는 불순물 분리단계;
상기 제1 액체용기의 상측에 고이는 기체가 제2 열교환기를 통과하며 냉각되는 냉각 제2단계;
상기 메탄기체가 제2 열교환기를 통과하며 액체 및 기체로 분리되어 제2 액체용기에 보관하는 고순도 메탄 분리단계;
상기 제2 액체용기의 하측에 저장된 액체를 고순도 메탄탱크에 저장하는 고순도 메탄 저장단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 방법.
제 13항에 있어서,
상기 냉각 제2단계 이후에,
상기 제2 열교환기에 온도센서가 구비되어, 상기 제2 열교환기의 온도가 기준온도 이하인지 판단하는 제2 열교환기 온도 판단단계;를 더 포함하고,
상기 제2 열교환기의 온도가 기준온도 이하이면, 상기 고순도 메탄 분리단계가 실행되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 방법.
제 14항에 있어서,
상기 제2 열교환기 온도 판단단계에서,
상기 제2 열교환기의 온도가 기준온도 초과이면,
액체질소를 보관하고 있는 액체질소 탱크로부터 액체질소를 전달받아 상기 제2 열교환기를 냉각하는 제2열교환기 재냉각단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하며,
상기 제2열교환기 재냉각단계 이후에, 상기 제2 열교환기 온도 판단단계가 실행되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 방법.
제 13항에 있어서,
상기 LNG 히팅단계에서,
상기 LNG탱크 내부에 구비되는 온도계를 통해 LNG온도가 기준온도 이상인지 판단하는 LNG온도 판단 단계;를 더 포함하며,
상기 LNG온도가 기준온도 이상이면, 상기 LNG탱크 내부의 액체를 폐기물탱크로 배출하는 LNG 폐기단계;가 실행되며,
상기 LNG 온도가 기준온도 미만이면, 상기 LNG 히팅단계가 실행되는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 방법.
제 13항에 있어서,
상기 불순물 분리단계에서,
상기 제1 액체용기의 하측에 저장된 불순물액체를 폐기물탱크로 배출하는 불순물 폐기단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 방법.
제 13항에 있어서,
상기 고순도 메탄 분리단계에서,
상기 제2 액체용기의 상측에 고이는 기체를 외부로 방출하는 질소기체 방출단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고순도 메탄 정제 방법.