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『천연가스 액화공정 설계』는 기본적인 냉동사이클에 대한 자세한 공정 구성방법을 설명한 이후에 가장 널리 사용되고 있는 Cascade , SMR , C3MR , LIMUM , 그리고 DMR 의 기본설계 및 공정 최적화 방법에 대하여 설명한 책이다.

대표적인 청정에너지인 천연가스는 우리나라에 액체 상태인 LNG (Liquefied Natural Gas)로 수입되고 있다. 에너지로 사용하는 가스는 두 가지가 있는데 LNG와 LPG (Liquefied Petroleum Gas)이다. LNG는 주성분이 메탄인 천연가스이고 LPG는 주성분이 프로판이나 부탄이다. LNG는 LPG에 비하여 가격도 저렴하지만 공기보다 가볍기에 대기 중에 누출되었을 때 대기 중으로 쉽게 확산되어 폭발 위험성이 급격히 떨어지기에 더 안전하다고 할 수 있으며, 이러한 이유로 배관을 통한 공급방법인 도시가스로 사용되고 있다.
기체인 천연가스가 액화되면 그 부피가 약 600배로 줄어들기에 저장 및 이송을 위하여 천연가스 산지에서 액화하여 소비처로 이송하고, 소비처에서는 이를 재기화하여 가정이나 산업용으로 사용하게 된다. 하지만, 천연가스가 액화되는 온도는 약 -160℃로 이는 매우 낮은 온도이기에 액화하는데 많은 에너지가 소모된다. 이러한 이유로, LNG플랜트에는 높은 효율의 천연가스 액화사이클이 필요하다.
상업적으로 널리 사용되고 있는 액화사이클로는 메탄·에탄·프로판 순수 냉매 각각에 대한 3개 냉동사이클로 구성된 Cascade , 여러 냉매가 혼합된 하나의 냉매로 냉동사이클이 구성된 SMR , 이러한 Cascade 와 SMR 의 장점만으로 구성된 가장 널리 사용되고 있는 C3MR , 두 개의 혼합 냉매로 두 개의 냉동사이클이 구성된 DMR , SM 의 성능을 개선한 LIMUM , 3개의 혼합 냉매로 3개의 냉동사이클이 구성된 MFC , 그리고 C3M 에 질소 팽창사이클이 추가된 단위 생산설비로는 생산용량이 가장 큰 AP-X 공정이 있다. 이 책에서는 기본적인 냉동사이클에 대한 자세한 공정 구성방법을 설명한 이후에 가장 널리 사용되고 있는 Cascade , SMR , C3MR , LIMUM , 그리고 DMR 의 기본설계 및 공정 최적화 방법에 대하여 설명하겠다.
최근 우리나라에서도 국토교통부의 지원으로 추진 중인 LNG플랜트사업단 연구사업을 통하여 LNG플랜트 설계기술 및 천연가스액화공정의 기술개발이 활발히 이루어지고 있다.
이 책의 내용은 화학공학, 플랜트 공학, 에너지 공학, 기계 공학 관련 학부생 및 대학원생을 대상으로 설명하고 있지만, HYSYS 을 이용한 화학공정에 대한 기본지식이 있다면 더욱 이해하기 쉬울 것으로 판단된다. 특히, 우리나라의 화학공정 엔지니어들에게 필요한 개념설계 및 기본설계의 바탕이 되는 공정설계를 위한 Simulation 작업을 상세히 설명하였기에, 초저온 공정이나 LNG 공정 등의 산업 현장 기술자나 연구 개발자 그리고 공정 설계 엔지니어들에게 도움이 될 수 있을 것으로 기대한다.

01. 천연냉매

02. 냉매 사이클 기본구조
2-1. 설계 기본
2-2. 기본 물성 설정
2-3. C3 냉매
2-3-1. Feed Gas의 결정
2-3-2. Propane 냉동사이클의 결정
2-4. 암모니아(Ammonia, NH3) 냉매
2-5. 부탄(i-Butane) 냉매

03. 천연가스의 액화
3-1. Cascade 공정
3-1-1. Cascade 공정 이론
3-1-2. Cascade 공정 Simulation
3-1-3. Cascade 공정 (다중 흐름 열교환기 사용)
3-2. SMR 공정
3-2-1. SMR 공정 이론
3-1-3. SMR 공정 Simulation

04. 천연가스 액화공정
4-1. Optimized Cascade 공정
4-2. 기액분리기가 있는 SMR 공정
4-2-1. 기액분리기가 있는 SMR 공정 기본
4-2-2. 다단의 기액분리기가 있는 SMR 공정
4-2-3. LIMUM? 공정

4-3. C3MR 공정

4-4. DMR 공정
4-4-1. 단순 구조 DMR (열교환기 한 개형)
4-4-2. 예냉/액화 DMR 공정 (열교환기 두 개형)
4-4-3. 기액분리기가 있는 예냉/액화 DMR 공정

References

천연가스는 기존의 화석연료와 미래의 신재생 에너지와의 간극을 이어주는 빠르게 성장하고 있는 에너지원으로서 그 산업적 적용 분야가 광범위하게 확장되고 있다. 이 책은 천연가스산업의 가치사슬에서 가장 중요한 비중을 차지하고 있는 천연가스 액화공정의 개념 및 기본설계에 관한 중요한 정보를 제공해 주고 있으며 냉동 사이클에 대한 기본 원리에서 시작하여 이를 기반으로 대표적 상업적 천연가스 액화공정인 Cascade, SMR, C3MR, DMR 공정 등에 대한 기본설계와 최적화 내용을 포함하고 있다. 저자인 이상규 박사는 한국가스공사에서 20년간 초저온 공정만을 연구한 이 분야 최고의 전문가로서 오랜 기간 동안의 해당 분야에서의 경험과 통찰력을 기반으로 어떻게 하면 실무 엔지니어들이 천연가스 액화공정의 원리와 개념을 보다 쉽고 명확하게 이해하고 이를 기반으로 공정설계에 필요한 실무능력을 습득할 수 있는지를 이 책을 통하여 잘 보여주고 있다. 이 책은 기존의 전문 기술도서가 흔히 취하는 원리나 공정에 대한 이론적 설명이나 복잡한 수식의 나열을 최대한 배제하면서 실제 공정사례들에 대한 공정시뮬레이션과 최적화 절차를 따라하는 과정에서 냉동 사이클이나 액화공정에 대한 복잡한 기본 원리와 개념을 자연스럽고 효과적으로 이해할 수 있도록 구성된 독특하면서도 거의 유일한 책이다. 책이 포함하고 있는 내용과 완성도를 고려할 때, 천연가스 액화공정의 설계와 운영에 관심있는 엔지니어와 연구자들에게 강력히 추천하고 싶은 책이다. 또한 이 책에서 소개된 시뮬레이션과 공정설계 접근방법들은 화학공정의 설계 및 최적화에 대한 핵심 개념과 방법들을 다루고 있기 때문에 공정공학을 공부하는 학부생이나 대학원생을 위한 대학교재로서도 그 가치가 높다고 생각된다.

- 영남대학교 화학공학부 교수 이문용 -