Nitrogen Blanketing 이해

N2 blanketing은 석유화학, 정유, 제약, 식음료 분야 등 광범위하게 사용되고 있지만 종종 안전성, 생산성 및 제품 품질을 향상시키기 위한 방법으로서 종종 그 중요성이 간과되고 있다.

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비록 blanketing은 간단한 운전이지만 최소의 비용으로 원하는 제품 품질과 안전 수준을 향상할 수 있으며 잘못된 운전은 질소의 지나친 소비와 plant emission의 증가를 야기할 수 있다.

 

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N2 blanketing은 tank내부의 유체 조성을 control하기 위해 vapor공간에 질소를 주입하는 공정으로 이를 통해 외부 공기 유입을 방지하여 공정안전을 향상시키고 제품의 품질을 유지하며 장치의 수명을 연장시킬 수 있다. 아울러 공기 유입에 따른 제품의 오염을 방지하여 순도를 유지하고, 내부 물질의 산화반응이나 부식 그리고 화재 폭발 위험을 제거할 수 있다.

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N2 blanketing은 주로 저장탱크에 많이 적용되기 때문에 tank blanketing이나 tank padding 혹은 N2 padding이라고도 한다.

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질소의 유량이나 압력을 유지하므로서 탱크내 산소를 제거하여 화재 폭발 가능성을 줄이고 안전성을 높일 수 있으며 산소나 수분 유입을 방지하여 부식의 가능성을 제거하므로 탱크의 수명을 늘릴 수 있다. 아울러 제품의 오염이나 품질 저하 그리고 물성치 변화를 방지한다.

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비록 저장탱크는 접지를 하지만 유체 유입과정에서 정전기가 누적되어 점화원이 될 수 있으므로 화재 3요소중 산소를 제거하므로서 화재 폭발의 위험을 낮출 수 있으며 이를 위해 flammable liquid에는 반드시 N2 blanketing을 적용해야 한다.

fire triangle

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tank를 inert분위기로 만들기 위해서 vapor space에 산소 농도를 제한하거나 액체의 증기농도를 LEL이하로 하거나 UEL이상으로 하는 것이지만 원칙적으로 가장 안전한 방법은 산소 농도를 제한하는 것이다.

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아래 그림은 공기중 수소의 flammability envelope에 대한 sample example로서 연소는 LOC (Limiting the Oxygen Concentration)를 벗어나게 되면 일어나지 않는다.

Flammability Diagram of Hydrogen in Air

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N2 blanketing을 고려할 때 제일 먼저 tank type을 확인하여 적용 여부를 결정한다. 즉, flammable liquid를 저장하는 fixed roof tank는 반드시 N2 blanketing을 적용하고, floating roof tank는 tank padding이 필요하지 않으며, internal floating roof tank의 경우vapor build-up 가능성이 있어서 N2 blanketing이 필요할 수 있다.

Nitrogen blanketing requirement for Storage tanks

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인화물질 저장탱크외에도 비압력 용기도 blanketing이 필요할 수 있으며 예를 들어 pneumatic conveyor, powder, dust hopper 등이다.

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nitrogen blanketing procedure로는 먼저 초기 start-up시 tank 내부에 대해 purging을 수행한 후 manual valve를 이용하여 N2로 filling을 진행하고 이 때 산소 농도를 check하며, 압력을 확인하면서 일정 압력에 도달되면 자동운전으로 변경하여 연속운전을 진행한다.

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질소 유량 제어를 위한 valve가 너무 큰 것을 설치하면 질소 소비가 클 뿐더러 압력 hunting이 심해져 venting량도 늘면서 압력이 급감하여 다시 make-up량이 커지며 이러한 악순환이 반복되어 safety뿐만 아니라 질소 loss도 증대되어 운전비용에도 영향을 줄 수 있다. 반면 너무 작게 되면 압력 감소에 대한 make-up이 원할하지 않고 진공으로 인한 tank 파열까지 일어날 수 있어서 적절한 sizing이 되어야 한다.

Pressure Controlled Nitrogen Blanketing

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N2 요구량 계산은 아래와 같이 간략히 구할 수 있으며 2가지 요소의 합으로 결정한다. 하나는

탱크를 통한 유체 유출량에 의한 질소량(NW)이고, 다른 하나는 열유입과 외기 온도에 따른 liquid level의 증감에 따른 질소량(NTB)으로 후자가 일반적으로 매우 크다.

Calculation of Nitrogen Requirement for Nitrogen Blanketing

 

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• NT = Total volume of nitrogen required per month (ft3)
• NW = Required Nitrogen by the material flow through the tank (working throughput)
• NTB = Required Nitrogen by the rise and fall of the liquid level owing to the external temperature conditions (thermal breathing)
• VT= total gallons discharged from the tank per month
• VHS = Average empty headspace (gal)
• Thigh = Maximum temperature in the tank (°F)
• Tlow = Minimum temperature in the tank (°F)
• F = Estimated number of temperature swings per month
• 555 = A constant (˚R) pertaining to the vapor space expansion factor
• 7.48 = Gallons to the cubic feet conversion factor

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peak 유량은 아래 기준으로 계산을 할 수 있다. (840,000gallon of tank volume 미만)

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peak 유량은 아래 기준으로 계산을 할 수 있다. (840,000gallon of tank volume 이상)

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appendix 2

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nitrogen blanketing system은 탱크 내용물의 오염이나 산화 방지를 위해 tank상부를 inert 분위기를 유지해야 하며 system의 주요 구성은 아래와 같다.

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- 압력원인 질소는 PSA나 membrane공정을 이용하여 plant 자체내에서 생산할 수도 있고, 액화질소를 증발시켜 공급할 수도 있으며 외부에서 파이프라인으로 header를 통해 질소가스를 공급할 수도 있다.

- 유량과 압력측정을 위한 유량계와 압력계를 설치하여 tank내에서 약간의 양압을 유지하도록 정밀하게 control되어야 한다.

- 압력이 계속 올라가게 되면 tank 보호를 위해 relief valve를 통해 가스를 배출해야 하며 이를 위해 breathing valve와 EVC (emergency vent cover)가 있다.

- 양압을 유지하도록 적절한 유량을 공급하는 blanketing valve와 초기 start-up시 내부 공기를 제거하기 위한 purging valve도 고려한다.

- 자동운전을 위한 control panel과 alarm system이 DCS 조정실내에 설치되어 자동운전 및 모니터링이 가능하며 필요시 공정변수 set point 수정이 가능하다.

- 질소 공급 source에 문제가 생겨 tank로부터 질소 배관쪽으로 오염된 가스의 역류가 발생될 수 있어서 check valve가 필요하며 압력이 증가시 vent하도록 해야 한다. vent는 과거에는 대기로 배출하였지만 요즘은 모두 VOC collection을 통해 RTO나 incinerator쪽으로 보내어 연소시켜 배출하고 있다.

그 밖에 질소의 품질에 따라 filter를 설치하여 후단 tank accessary를 보호할 수 있으며 탱크 내용물의 freezing을 방지하도록 온도제어를 할 수도 있다.

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nitrogen blanketing valve는 질소 header압력을 대기압에 가까운 양압까지 낮추면서 원하는 유량을 공급하도록 정밀하게 설계가 되어야 한다. 이러한 목적을 위해 conventional control valve보다는 특화된 pressure regulator in series type을 적용하는 추세이다.

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