본 연구는 LNG를 연료로 사용하는 화력발전소 보일러에서 배출되는 1,000 $Nm^3/day$의 연소 배가스에 포함된 $8{\sim}10%$의 $CO_2$를 대상으로 순도 99%, 회수율 90%로 회수할 수 있는 실증규모의 다단계 막분리 공정에 관한 운전 결과이다. 이를 위해 본 연구팀에서는 가소화 안정성이 우수한 폴리이서설폰 중공사막을 개발하고 $CO_2/N_2$의 분리특성을 연구한바 있으며[1], 소형 모듈을 이용하여 압력 및 $CO_2$의 조성 변화에 따른 투과 특성을 실험과 향류 방식의 전산 모사를 통하여 확인하여 막분리에 의한 $CO_2$의 회수 가능성을 확인한 바 있다[2-4]. 이러한 선행 연구결과를 바탕으로 pilot 규모의 다단계 막분리 plant를 설계하여 제작, 설치, 운전하였으며 그 운전 결과를 다단계 공정의 수치 모사 결과와 비교하였다. 전체 공정은 크게 배출되는 배가스 내의 수분을 전단에서 제거하기 위한 제습 공정과 후단에 재순환이 가능한 4단계 막분리 공정으로 구성되어 있다. 4단 분리막 공정에서 배출되는 최종 $CO_2$의 농도는 운전 조건에 따라 $95{\sim}99%$의 $CO_2$가 $0.15{\sim}0.2$ ton/day의 회수율 $70{\sim}95%$회수규모로 얻어졌다. 얻어진 실험 결과는 수치 모사 결과와 비교하였을 때 매우 잘 일치 하는 것을 알 수 있었으며 운전 중 전체 공정은 안정적으로 작동하는 것을 확인할 수 있었다. 본 연구를 통해 다단계 막분리 공정을 통한 배가스에서 $CO_2$를 성공적으로 분리할 수 있었다.
Analytical and experimental studies have been performed to investigate the strength of the membrane and the reaction force at the anchor point. Using nonlinear FEM code and experiments, the stress analysis of the corrugated membrane related the cryogenic liquid pressure and thermal loading is performed to ensure the stability and fatigue strength of the membrane. This paper reports on the FEM results of membrane.
The present paper is concerned to the thermal analysis during the cool-down period of 138,000 m$^3$class GTT MARK-III membrane type LNG carrier servicing with LNG from the Middle East to Korea. It is the cool-down period that cools the insulation wall and the gas in LNG tank to avoid the thermal shock as the start of loading of -162$^{\circ}C$ LNG. For six hours of the standard cool-down period, the temperature of NG falls down from -4$0^{\circ}C$ to -13$0^{\circ}C$ and especially the mean temperature of the 1st barrier in the top side insulation wall falls down from -38.38$^{\circ}C$ to -122.42$^{\circ}C$ in case of IMO design condition. By the 3-D numerical calculation about the cargo tank and the cofferdam, the temperature variation in hulls and insulations is precisely predicted in this paper. And the mean temperature variation of gas is calculated as the function of the spraying rate by the heat balance model during the cool-down period.
The turbulent natural convection in the membrane type LNG carrier cofferdam with heating points has been studied by numerical method. As the numerical methods, we introduced the three turbulence model, a standard $k-{\varepsilon}$ model and two case of a low Reynolds number models. The parameters considered for this study ore number and capacity of heating points i.e., $1{\leq}Ns{\leq}12$ and $1.0{\times}10^5{\leq}Qs(W/m^3){\leq}1.0{\times}10^8$. The results of the isotherms and velocity vectors have been represented for various parameters. The temperature and velocity at upper position in the space ore shown to be higher than those at lower position. For obtaining the optimal temperatures, $20{\sim}30^{\circ}C$ in the cofferdam space, the heating capacities show $2.0{\times}10^7W/m^3$ at g-heating points and $1.0{\times}10^7W/m^3$ at 12-points. The mean temperature in the cofferdam space can be expressed as a function of number and capacity of heating points.
In the context of the structural performance of an LNG hold, the mechanical characteristics of the insulation material are considered to be a critical design factor under cryogenic temperatures. This paper presents the thermal elasto-plastic behavior of the reinforced polyurethane foam (RPUF) adapted for the insulation material of a membrane-type LNG carrier via both experiments and numerical simulations realizing the cryogenic condition. The experiments are carried out to investigate the thermal transfer and thermal elasto-plastic deformation characteristics of an actual RPUF specimen. The heat transfer simulations based on the finite element method (FEM) include a forced convection analysis. The results of heat transfer analyses are compared with the experimental results. Reasonable cryogenic conditions for RPUF are reviewed based on both the analysis and experimental results.
The fatigue crack growth behavior of the cold-rolled STS 304 steel developed for membrane material of LNG storage tank was examined experimentally at 293K, 153K and 111K. The fatigue crack growth rate(do/dN) tends to increase as the stress ratio (R) increases over the testing temperature when compared at the same stress intensity factor range($\Delta$K). The effect of R on do/dN is more explicit at low temperatures than at room temperature. The resistance of fatigue crack growth at low temperatures is higher compared with that at room temperature which is attributed to the extent of strain-induced martensitic transformation at the crack tip. The temperature dependence of fatigue crack growth resistance is gradually vanished with an increase in $\Delta$K which correlates with a decreasing fracture toughness with decreasing temperature. Fractographic examinations reveal that the differences of the fatigue crack growth characteristics between room and low temperature are mainly explained by the crack closure and the strengthening due to the martensitic transformation.
Kim, Sang-Yeob;Kim, Yonghwan;Park, Jong-Jin;Kim, Booki
Journal of Advanced Research in Ocean Engineering
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제3권1호
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pp.41-52
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2017
This paper presents a numerical and experimental study of sloshing loads on liquefied natural gas (LNG) vessels. Conventional LNG carriers with membrane-type cargo systems have filling restrictions from 10% to 70% of tank height. The main reason for such restrictions is high sloshing loads around these filling depths. However, intermediate filling depths cannot be avoided for most LNG vessels except the LNG carrier. This study attempted to design a membrane-type LNG tank with a modified lower-chamfer shape that allows all filling operations. First, numerical sloshing analysis was carried out to find an efficient height of the lower-chamfer that can reduce sloshing pressure at partially filled conditions. The numerical sloshing analysis program SHI-SLOSH was used for numerical simulation; this program is based on SOLA-VOF. The effectiveness of the newly designed tanks was validated by 1:50-scale three-dimensional tank tests. A total of three different tanks were tested: a conventional tank and two modified tanks. As test conditions, various filling depths and wave periods were considered, and the same test conditions were applied to the three tanks. During the test, slosh-induced dynamic pressures were measured around the corners of the tank wall. The measured pressure data were post-processed and the pressures of the three different tanks were statistically compared in several ways. Experimental results show that the modified tanks were quite effective in reducing sloshing loads at low filling conditions. This study demonstrated the possibility of all filling operations for LNG cargo containment systems.
While the structural safety assessment of Cargo Containment System(CCS) in membrane type LNG carriers has to be carried out in consideration of sloshing impact pressure, it is very difficult to figure out its dynamic response behaviors due to its very complex structural arrangements/materials and complicated phenomena of sloshing impact loading. For the development of its original technique, it is necessary to understand the characteristics of dynamic response behavior of CCS structure under sloshing impact pressure. In this study, for the exact understanding of dynamic response behavior of CCS structure in membrane Mark III type LNG carriers under sloshing impact pressure, its wet drop impact response analyses were carried out by using Fluid-Structure Interaction(FSI) analysis technique of LS-DYNA code, and were also validated through a series of wet drop experiments for the enhancement of more accurate shock response analysis technique. It might be thought that the structural response behaviors of impact response analysis, such as impact pressure impulses and resulted strain time histories, generally showed very good agreement with experimental ones with very appropriate use of FSI analysis technique of LS-DYNA code, finite element modeling and material properties of CCS structure, finite element modeling and equation of state(EOS) of fluid domain.
For the development of the original technique of structural safety assessment of Cargo Containment System(CCS) in membrane type LNG carriers, it is necessary to understand the characteristics of dynamic response behavior of CCS structure under sloshing impact pressure. In the previous study, the wet drop impact response analyses of CCS structure in membrane Mark III type LNG carriers were carried out by using Fluid-Structure Interaction(FSI) analysis technique of LS-DYNA code, and were also validated through a series of wet drop experiments for the enhancement of more accurate shock response analysis technique. In this study, the characteristics of structural shock response behaviors of CCS structure were sufficiently figured out by careful examinations of the effects of specimen weight, drop height, incident angle, corrugation and stiffness of inner hull on its shock response behaviors. The shock response analysis of upward shooting fluid to inner hull was performed, and the reason of faster strain response than shock pressure one was also figured out.
The most crucial factor in membrane LNG ships to ensure sage operations, is how to effectively control tank pressure at the time of excessive generation of boil off gas (BOG). When the ships carry out tank cool down with her retaining heel prior to arrival at loading port, the vessel encounters the critical situation of excessive BOG and high tank pressure that can lead to high degree of risk. This is to provide one of the best ways to secure safe and effective LNG ship operations focusing on the detailed methods of tank cool down to achieve ATR(Arrival Temperature requirement) without building up high tank pressure and excessive BOG and calculating the appropriate heel quantity to be unutilized for tank cool down and fuel during ballast voyage.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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