JP5156903B2 - 遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置及び方法 - Google Patents
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Description
本発明は遠心分離原理によってガスハイドレートを連続的に製造して脱水するための装置及び方法に係り、より詳しくはガス供給源；水供給源；及び前記ガス供給源及び前記水供給源からガスと水がそれぞれ供給され、前記供給されたガスと水が内部で反応する反応器を含み、前記反応器内には遠心分離器と水車が位置し、前記反応器内で前記供給されたガスと水が反応してガスハイドレートスラリーを生成し、前記生成されたガスハイドレートスラリーは前記水車を通じて前記遠心分離器に供給され、そして前記遠心分離器は前記ガスハイドレートスラリーを脱水するようになった、ガスハイドレートの連続製造装置及び脱水装置、並びにその方法に関する。
さらに詳しくは、前記遠心分離器はスクリュー及び多数の開口部を含み、遠心力によって脱水作用をし、これと同時に開口部の外部に飛散した水はさらに反応して効率よくハイドレートを製造するので、水とガスが反応してガスハイドレートスラリーを製造するとともに同一空間内で脱水作用をして高密度ガスハイドレートを連続的に製造する装置と方法に関する。
クラスレートハイドレート（ｃｌａｔｈｒａｔｅ ｈｙｄｒａｔｅ）またはガスハイドレート（ｇａｓ ｈｙｄｒａｔｅ）とは、水素結合によって固体状格子（ｈｙｄｒｏｇｅｎ−ｂｏｎｄｅｄ ｓｏｌｉｄ ｌａｔｔｉｃｅ）をなすホスト（ｈｏｓｔ）分子及びこの内部に捕集されるゲスト分子の２成分でなり、水分子が水素結合によって形成する３次元格子構造にメタン、エタン、二酸化炭素などの低分子が化学的結合をなさなくて物理的に捕獲して形成された結晶性化合物をいう。
ガスハイドレートは１８１０年イギリスのＨｕｍｐｈｒｙ Ｄａｖｙ卿によって初めて発見された。彼はイギリスの王立協会を対象とするＢａｋｅｒｉａｎ Ｌｅｃｔｕｒｅで塩素と水を反応させるとき、氷に似ている形態の化合物が生ずるが、その温度が０℃より高いということを発表した。１８２３年Ｍｉｃｈａｅｌ Ｆａｒａｄａｙが１０個の水分子に対して１個の塩素分子が反応してガスハイドレートを生成することを最初に明かした。それから現在に至るまでガスハイドレートは相変化物質（ｐｈａｓｅ ｃｈａｎｇｅ ｍａｔｅｒｉａｌ、ＰＣＭ）の１種として学問的研究が続いている。主要研究内容としては相平衡と生成／解離の条件、結晶構造、多結晶の共存現象、空洞内の競争的組成変化などをあげることができ、以外にも多様な微視的または巨視的側面での細密な研究が進んでいる。
ガスハイドレートに捕獲可能なゲスト分子は現在まで約１３０余種が知られており、その例としてＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、ＣＯ２、Ｈ２、ＳＦ６などがある。また、ガスハイドレート結晶構造は水素結合でなった水分子によって形成された多面体の空洞（ｃａｖｉｔｙ）で構成されており、ガス分子の種類と生成条件によって体心立方構造Ｉ（ｂｏｄｙ−ｃｅｎｔｅｒｅｄ ｃｕｂｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉ、ｓＩ）、ダイヤモンド型立方構造II（ｄｉａｍｏｎｄ ｃｕｂｉｃ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ II、ｓII）と六方構造Ｈ（ｈｅｘａｇｏｎａｌ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｈ、ｓＨ）の結晶構造でなっている。ｓＩとｓIIは客体分子の大きさによって決まり、ｓＨにおいては客体分子の大きさと形態が重要な要素となる。
深海と永久凍土地域に自然的に存在するガスハイドレートのゲスト分子は大部分メタンであり、このようなメタンは燃焼の際に二酸化炭素（ＣＯ２）の発生が少なくて環境に優しい清浄エネルギー源として脚光を浴びている。具体的に、ガスハイドレートは既存の化石燃料を取り替えることができるエネルギー源として利用可能であり、ハイドレート構造を用いる天然ガス固体化貯蔵及び輸送に使用でき、温暖化防止のためのＣＯ２の隔離／貯蔵に使用でき、ガスまたは水溶液の分離技術を用いて、特に海水の淡水化装置としても使用可能であるので、その活用度は非常に高い。
ガスハイドレートは石油または天然ガス貯留層及び石炭層と隣接した地域、あるいは低温高圧の深海堆積層、特に大陸斜面で多く発見される。また、人為的にガスハイドレートを製造することもでき、これまで知られた従来のガスハイドレート製造装置は一般的に図１に示すような形態を持つ。
図１は従来技術による一般的なガスハイドレート製造装置１０を示す。
従来技術によるガスハイドレートの製造装置１０は、給水部１と、ガス供給部２と、前記給水部１から供給された水と前記ガス供給部２から供給されたガスが反応する反応器３と、反応器で生成されたガスハイドレートを外部に吐き出す吐出器５とからなる。水とガスの反応速度を高めるために撹拌器４を採択する場合もある。
より具体的に、文献らに公開された従来のガスハイドレート製造装置は次のようである。
特許文献１〜３はガスハイドレートを生成させる装置または方法を開始する。前記特許文献１〜３は、共通して、ガスを供給する段階と；水を供給する段階と；ガスと水の反応でガス水和物粒子を生成する段階と；これを集塊化（ａｇｇｌｏｍｅｒａｔｉｎｇ）する段階とを含むが、一部の特許はガスを再循環させる段階、温度を低める段階などをさらに含む。
特許文献４は水噴霧式のハイドレート製造方法を開始する。すなわち、水供給部から反応器に水を供給するとき、水微粒子を噴霧して気体との接触面積を増やすことでガスと水の反応速度を高める方法を開始する。
特許文献５は水とガスを混合、溶解し、混合及び溶解された反応水を一定管路を通じて流動させ、前記管路を冷却させる追加の構成要素によってガスハイドレートを製造する方法及び装置を開始する。
特許文献６は、水とガスが反応する反応器に鉛直するように設置された回転駆動軸と；前記回転駆動軸の中心から放射状に一定間隔で離隔して位置するブレードで、水とガスが反応した反応水の水面がブレードに含まれるように位置させて回転させることができるブレードと；これによって回転駆動軸の周りにスラリーが集まると、これを反応器の下部に吐き出す取出管とを含むガスハイドレート連続製造装置を開始する。
特許文献７は、温度と気圧の作用によって反応用水とガスが反応してガスハイドレートを生成するか分解させる反応チャンバーと；前記反応チャンバー内の反応用水の温度を一定水準に維持させる恒温維持水槽とを含むガスハイドレート生成及び分解装置を開始する。
ただ、このような従来技術によるガスハイドレート製造装置は次のような問題点を共通して持つ。
従来技術によるガスハイドレート製造装置はガスハイドレートを連続して製造することが難しい。特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４、及び特許文献７によるガスハイドレート製造装置の場合、実験室で多数のガスハイドレートを製造することができるが、ガスと水が反応した反応水からガスハイドレートを抽出する過程についての具体的な考察または暗示が少ないかまったくないため、ガスハイドレートを製造する時間、製造に所要電力などが過多にかかり、これによって連続して製造することが不可能なものに違いない。
また、従来技術によるガスハイドレート製造装置は、ガスハイドレート製造段階が長くて複雑である。特許文献５は連続式製造装置を開始しているが、反応水のスラリーからガスハイドレートを抽出する過程が複雑であり、段階ごとにいずれも温度と圧力を一定に維持しなければならないため、実在の連続式製造に制限要素が多く、すべての段階及び装置ごとに温度と圧力を一定に維持することがやはり容易でない。
特に、従来の特許らの最も重大な問題点は、ガスと水が反応してガスハイドレートスラリーを製造する段階と脱水する段階が別個に行われるため、同一空間内でのガスハイドレートの製造及び同時脱水が容易でなく、よってガスハイドレート連続生成速度が遅れることである。
したがって、本発明は前記のような問題点を解決するためになされたもので、本発明の目的は、ガスハイドレートを連続的に製造するための装置及び方法を提供することにある。
特に、水とガスが反応してなるガスハイドレートスラリーは遠心分離による脱水過程を経ることで、反応しなかった水が小開口部によって細かく壊されて反応器の内部で飛散することにより、気体との接触面積が増大し、これによって反応速度が向上し、結果として高密度ガスハイドレートを単純でかつ効率的な方法で連続的に量産するための装置及び方法を提供することにある。
また、従来技術に比べ、水とガスが反応してガスハイドレートスラリーを作るとともに同一空間内で脱水された高密度のガスハイドレートを連続的に製造するための装置及び方法を提供することにある。
また、試料を連続的に生成し、固液分離が可能であり、温度と圧力を自動で調節することができるので、低温及び高圧の条件で連続的な工程が可能である装置及び方法を提供することにある。
前記のような目的を達成するために、本発明の一面によれば、遠心分離原理によってガスハイドレートを脱水する装置を提供する。
より詳細に、本発明は、ガス供給源；水供給源；及び前記ガス供給源及び前記水供給源からガスと水がそれぞれ供給され、前記供給されたガスと水が内部で反応する反応器；を含み、前記反応器内には遠心分離器と水車が位置し、前記反応器内で前記供給されたガスと水が反応してガスハイドレートスラリーが生成され、前記生成されたガスハイドレートスラリーは前記水車によって前記遠心分離器に供給され、前記遠心分離器は前記ガスハイドレートスラリーを脱水する、遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置を提供する。
前記遠心分離器は、円錐形のバスケット；前記バスケットの内部に装着されるスクリーン；及び前記スクリーンの内側に位置するスクリュー；を含み、前記ガスハイドレートスラリーは前記水車によって前記遠心分離器のスクリューの内側に供給され、前記遠心分離器が回転されることにより、前記スクリューの内側に供給されたガスハイドレートスラリーが脱水され、前記脱水されたガスハイドレートは前記反応器の外側に移送され、脱水作用によって排出された水は前記バスケットの外側に飛散して前記反応器内に再投入されることができる。
前記水車は回転可能であり、前記水車は開口部及び移送部を含み、前記水車の回転によって前記反応器内の前記ガスハイドレートスラリーが前記水車の開口部を通過し、前記水車の移送部によって汲み上げられて前記遠心分離器に供給されることができる。
前記ガスハイドレートの連続製造及び脱水装置はスクリューコンベヤー部をさらに含むことができる。すなわち、前記反応器で脱水されて製造された前記ガスハイドレートが前記スクリューコンベヤー部の一端に供給されてさらに脱水されることができる。
前記スクリューコンベヤー部は回転可能なスクリューをさらに含み、前記スクリューの回転によって、前記スクリューコンベヤー部の一端に供給された前記ガスハイドレートがさらに脱水されて前記スクリューコンベヤー部の他端から排出されることができる。
前記スクリューコンベヤー部で脱水されて前記他端から排出される前記ガスハイドレートはガスハイドレートタンクに移送されることができる。
前記ガスハイドレートタンクには、前記ガスハイドレートタンク内のガスが前記反応器に再供給される再循環配管が連結されることができる。
前記一端が前記他端より低いように、前記スクリューコンベヤー部が傾くことができる。
前記のような目的を達成するために、本発明の他の面によれば、（ａ）反応器内に水とガスを供給してガスハイドレートスラリーを生成する段階；（ｂ）前記ガスハイドレートスラリーを水車によって遠心分離器に供給する段階；（ｃ）前記遠心分離器の回転によって前記供給されたガスハイドレートスラリーを脱水させる段階；及び（ｄ）前記脱水されたガスハイドレートを前記反応器の外側に移送させ、脱水作用によって排出された水を前記反応器内に再供給する段階；を含み、前記（ａ）〜（ｄ）段階を連続的に行う、遠心分離原理によるガスハイドレート連続製造及び脱水方法を提供する。
前記（ｂ）段階は、前記水車が回転して前記反応器内の前記ガスハイドレートスラリーを前記水車の移送部に汲み上げて前記遠心分離器に供給する段階であってもよい。
前記（ｂ）段階は、前記水車が回転して前記反応器内の前記ガスハイドレートスラリーを前記水車の移送部に汲み上げて前記遠心分離器のスクリューの内側に供給する段階であり、前記（ｃ）段階は、前記遠心分離器の回転によって、前記供給されたガスハイドレートスラリーの水を前記スクリュー及び前記スクリューの外側のスクリーン及びバスケットを通過させて排出させ、前記水が排出されたガスハイドレートスラリーを前記スクリューのみを通過させることで、前記供給されたガスハイドレートスラリーを脱水させる段階であってもよい。
前記（ｄ）段階は、前記脱水されたガスハイドレートをスクリューコンベヤー部に移送させ、脱水作用によって排出された水を前記反応器内に再供給する段階であってもよく、前記遠心分離原理によるガスハイドレート連続製造及び脱水方法は、（ｅ）前記スクリューコンベヤー部に供給された前記ガスハイドレートを前記スクリューコンベヤー部の回転によってさらに脱水させる段階をさらに含むことができる。
本発明によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置は遠心分離原理を用いてより効果的に脱水作用を実施し、製造効率を高めることで、高密度ガスハイドレートを製造することができるとともに同一空間で連続的にガスハイドレートを製造することができる。
遠心分離器及び水車を採択することで、よりコンパクトな空間でガスハイドレートの製造及び脱水を同時に実施することにより、高密度ガスハイドレートを生成する時間が短縮され、所要動力が節減される。
遠心分離器による１次脱水の後、スクリューコンベヤー部による２次脱水によってより高密度のガスハイドレートを生成することができる。
また、反応器内で反応することができなかったガスは再循環配管を通じて反応器に再循環させ、反応することができなかった水は水車を通じて、かつ遠心分離機の高速回転によって多数の開口部を通じて反応器に再供給させることで、ガスハイドレートの製造に必要な水とガスの量が減少し、ガスハイドレート核の形成に必要な追加ガス溶存過程が短縮されるので、反応が促進できる。
以下、添付図面に基づいて本発明を詳細に説明する。
以下で、‘ガス’はガスハイドレートのゲスト分子を意味し、‘水’はホスト分子を意味する。ガスハイドレート生成において、ゲスト分子となることができる分子はＣＨ４、Ｃ２Ｈ６、Ｃ３Ｈ８、ＣＯ２、Ｈ２、ＳＦ６などの多数が存在するが、以下ではこのようなゲスト分子をガスと指示する。また、ホスト分子として水（Ｈ２Ｏ）を指示する。
また、以下の説明では図面の簡素化のために、バルブの図示及び説明を提供しないが、それぞれの配管及び投入口にはバルブが位置することが好ましい。特に逆流防止のためにチェックバルブが使用されることができる。
１．ガスハイドレートの連続製造及び脱水装置の概略的説明
図２を参照して本発明によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置を説明する。
図２を参照して本発明によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置を説明する。
ガスハイドレートを製造するために、水とガスが反応器に供給され、反応器はガスハイドレートの生成に適した温度及び圧力に維持されなければならない。
本発明によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置は、ガスを供給するガス供給源１１０、水を供給する水供給源２１０、供給された水とガスがガスハイドレートに反応する反応器３００、反応器内に位置し、ガスハイドレートの脱水作用を引き起こす遠心分離器４００、遠心分離器にガスハイドレートスラリーを供給する水車５００、及び遠心分離器によって脱水されたガスハイドレートからさらなる脱水を行うスクリューコンベヤー部６００を含む。
ガス供給源１１０は、圧縮機１２０によってバッファータンク１３０を経て反応器３００にガスを供給する。バッファータンク１３０は、圧縮されたガスを受けて一時貯蔵し、別の制御部（図示せず）は、反応器３００の圧力計（図示せず）が測定した圧力によってバルブを自動で調整し、反応器３００にガスをさらに供給する必要がある場合、反応器３００にガスを供給することができる。
バッファータンク１３０は、反応器３００の供給管３２０に別の配管を介して連結されて、反応器３００内にガスを供給する。
水供給源２１０は、ポンプ２２０によって給水タンク２３０を経て反応器３００に水を供給する。冷却器２４０が位置することで、反応器３００に冷却された水を供給することができる。別の制御部（図示せず）は、反応器３００の水位センサー（図示せず）が測定した水量によってバルブを自動で調整し、反応器３００に水をさらに供給する必要がある場合、反応器３００に水を供給することができる。
給水タンク２３０は反応器３００の供給管３２０に別の配管を介して連結されて、反応器３２０内に冷却された水を供給する。特に、冷却水は氷のような形態であることもでき、ノズル（図示せず）によって反応器内に氷が飛散して供給されることもできる。氷の形態として水が供給される場合、ガスハイドレートの核化を促進し、温度制御が容易であり、氷の潜熱を活用することができ、水のガス接触時間または滞留時間を延ばしてガスハイドレートをより効率よく製造することができるという利点がある。
本発明の一実施例においては、前述したように、水供給源２１０から水を冷却させて供給するかあるいは氷の形態として供給することもできるが、本発明の好適な他の実施例においては、水供給源２１０からの水供給に加え、氷を反応器に供給することもできる。製氷機３８２で製造された氷は噴射ノズル３８４を通じて反応器の内部に飛散することができる。別の冷却器３８３が配管の中間に位置することで、冷却に役立てることができる。
反応器３００で生成されて遠心分離器４００によって脱水されたガスハイドレートは第２移送配管４６２及び第３移送配管６６３を通じてスクリューコンベヤー部６００に供給される。スクリューコンベヤー部６００は、スクリューの回転によってガスハイドレートを軸脱水し、さらに脱水されたガスハイドレートはガスハイドレート移送配管６６５を通じてガスハイドレートタンク６９０に移送される。
一方、スクリューコンベヤー部６００の脱水作用によって排出された水は別の脱水配管６６４を通じて外部に排出されることができる。
また、ガスハイドレートタンク６９０にはガスハイドレート及び反応しなかったガスが満たされることができ、ガスは再循環配管６９１を通じてバッファータンク１３０に移動して、ガスハイドレートの生成のためにさらに使用できる。
このように反応器３００内で反応しなかったガスは再循環配管６９１を通じて反応器内に再供給することができ、後述するように、反応器３００内で反応しなかった水は水車５００によってかつ遠心分離機の高速回転による遠心力によって表面積が増大した微粒子形態として反応器３００内に飛散して再供給できるので、ガスハイドレート反応を促進させるとともに反応に必要なガスと水の消費を低減することができる。
反応器３００とスクリューコンベヤー部６００は、ガスハイドレートがガスと水に再び解離することを防止するために、低温に維持されなければならなく、このために別の冷却部が存在することが好ましい。
本発明の一実施例において、反応器３００は冷却用外部ジャケット３７０ａ及び内部ジャケット３７０ｂを含み、第１冷却水供給源７１１から第１冷却水配管７１２ａ、７１２ｂを通じて冷却水がそれぞれ供給されることができる。第１冷却水供給源７１１の冷却水は第１冷却水ポンプ７１３によって循環され、外部ジャケット３７０ａ及び内部ジャケット３７０ｂを循環した冷却水は循環配管７１５を通じて再循環される。
スクリューコンベヤー部６００もジャケット６７１を含み、第２冷却水供給源７２１から第２冷却水配管７２２を通じて冷却水が供給できる。第２冷却水供給源７２１の冷却水は第２冷却水ポンプ７２３によって循環され、ジャケット６７１を循環した冷却水は循環配管７２５を通じて再循環される。
本発明の他の実施例においては、スクリューコンベヤー部６００の脱水作用によって排出された水が循環配管７２５に流入して冷却水として再循環されることもできる。
２．ガスハイドレートの連続製造及び脱水装置の詳細構造及び作動原理の説明
図３〜図１０を参照して本発明による反応器３００、遠心分離機４００、水車５００及びスクリューコンベヤー部６００を詳細に説明する。
図３〜図１０を参照して本発明による反応器３００、遠心分離機４００、水車５００及びスクリューコンベヤー部６００を詳細に説明する。
Ａ．反応器３００
図３〜図５は本発明による反応器３００及びスクリューコンベヤー部６００の外観を説明するための斜視図、平面図及び正面図を示す。明瞭な説明のために、ガス供給源１１０、水供給源２１０及びそれぞれの配管と、ガスハイドレートタンク６９０及び冷却水供給源７１１、７１２及びそれぞれの配管は図示を省略する。
図３〜図５は本発明による反応器３００及びスクリューコンベヤー部６００の外観を説明するための斜視図、平面図及び正面図を示す。明瞭な説明のために、ガス供給源１１０、水供給源２１０及びそれぞれの配管と、ガスハイドレートタンク６９０及び冷却水供給源７１１、７１２及びそれぞれの配管は図示を省略する。
反応器３００の外観に、反応器ハウジング３１０、多数の供給管３２０及びウィンドウ３３０が示されている。
反応器ハウジング３１０は、第１ハウジング３１１及び第２ハウジング３１２が連結部材３１３を介して連結されてなる。反応器ハウジング３１０の形状に制限はないが、水車５００の回転などを考慮して円形であることが好ましい。
供給管３２０は反応器３００の外部からガス及び水が供給される管であり、使用者の必要に応じて多数の供給管３２０を取ることができ、その個数及び位置に制限はない。図示の実施例においては、反応器ハウジング３１０の前後に多数の供給管３２０が提供される。
ウィンドウ３３０は反応器３００の内部の反応を見せるために設けられている。
反応器３００で生成されて遠心分離器４００によって脱水されたガスハイドレートは第２移送配管４６２と第３移送配管６６３を通じてスクリューコンベヤー部６００に供給される。スクリューコンベヤー部６００の外観にハウジング６３０が示されている。脱水されて製造されたガスハイドレートはガスハイドレート移送配管６６５を通じて、図面に示さないガスハイドレートタンク６９０に移動される。
一方、本発明の一実施例において、ガスハイドレートの連続製造及び脱水装置は、回転力を提供するための三つの駆動部材、及びその回転速度を調節するための三つの減速器を持つ。
すなわち、遠心分離機４００に回転力を提供するための駆動部材４１０及び減速器４２０と、水車５００に回転力を提供するための駆動部材５１０及び減速器５２０と、スクリューコンベヤー部６００に回転力を提供するための駆動部材６１０及び減速器６２０とを含むことができる。
駆動部材４１０、５１０、６１０はマグネチックドライブであることが好ましいが、これに制限されない。また、減速器４２０、５２０、６２０はサイクロ減速器であることが好ましいが、これに制限されない。
図６は図３のＡ−Ａ’についての断面図、図７は図６の“Ｂ”部を詳細に示す拡大断面図である。図６に基づいて本発明によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置の原理を詳細に説明する。説明のために、図６では水車５００の図示を省略し（点線で示す）、水車５００は図９を参照して詳細に説明する。
水とガスが供給管３２０を通じて反応器３００内に供給される。反応器ハウジング３１０には外部ジャケット３７０ａ及び内部ジャケット３７０ｂが位置し、前記ジャケットには冷却水が循環されることにより、使用者はガスハイドレートの生成に適した温度に反応器の温度を維持することができる。また、圧縮機１２０によって圧縮されたガスが供給されることにより、使用者はガスハイドレートの生成に適した圧力に反応器の圧力を維持することができる。このような維持のために、別の制御部（図示せず）が反応器内部の圧力計及び温度計と連動して冷却水の供給及び圧縮ガスの供給を制御することができる。
反応器３００の内部に水とガスが投入され、反応器３００内部の温度及び圧力がガスハイドレートの生成に適した温度及び圧力に維持されれば、反応器３００の内部でガスハイドレート生成反応が起こる。
本発明の好適な一実施例においては、反応間反応器３００の内部には約１／３の高さまで水が満たされており、ガスハイドレートは水上にスラリー形態として存在することになる。高密度のガスハイドレートを連続的に製造するために、このようなガスハイドレートスラリーを別に分離して脱水する作業が必要であり、このために遠心分離器４００及び水車５００が回転することになる。
Ｂ．水車５００
図９に基づいて水車５００を説明する。
図９に基づいて水車５００を説明する。
水車５００は回転のために円筒状に形成されることが好ましい。水車５００は、回転によって反応器３００の内部に満たされている水とガスハイドレートスラリーが水車５００の内側に通過するように、多数の開口部５５１を含み、さらに水車５００の内側に通過した水とガスハイドレートスラリーを汲み上げるために多数の移送部５５２を含む。
移送部５５２は、水車５００の回転方向によって水とガスハイドレートスラリーを汲み上げるために、その断面が“コ”字形であることが好ましい。図９に示す実施例は水車の回転方向が時計方向の場合であり、回転方向によって“コ”字形の開口方向が決定される。
また図６を参照する。水車５００は遠心分離器４００と同心状に構成されることが好ましいが、水車５００の回転によってガスハイドレートスラリーと水が遠心分離器４００に供給できる限り、必ずしも同心である必要はない。図６〜図９において、反応器３００、遠心分離機４００及び水車５００の中心軸がＸで示されている。
水車５００は駆動部材５１０によって回転動力を受ける。駆動部材５１０の回転は減速器５２０を介して第１ギア５３１を回転させ、これとかみ合っている第２ギア５３２が回転する。第２ギア５３２には水車支持台５４０が位置し、水車支持台５４０には図９に示す水車５００が支持される。すなわち、第２ギア５３２の回転によって水車５００が回転する。
水車５００が水車支持台５４０に支持されるように、別の支持部（図示せず）が水車５００に位置することが好ましい。
水車５００の回転によって、反応器３００の下部に満たされている水とガスハイドレートスラリーは水車５００の移送部５５２によって上部に移送され、水車５００が続けて回転することにより、移送部５５２によって汲み上げられた水とガスハイドレートスラリーは自然に収容部５６０に注ぐ。このために、収容部５６０は漏斗状であることが好ましいが、これに制限されない。
収容部５６０に注いだ水とガスハイドレートスラリーは第１移送配管４６１を通じて遠心分離器４００に移送される。
Ｃ．遠心分離機４００
図７及び図８に基づいて遠心分離器４００の構造及び作動原理を説明する。
図７及び図８に基づいて遠心分離器４００の構造及び作動原理を説明する。
まず、遠心分離機４００の構造を説明する。
遠心分離機４００は、その外側からバスケット４４０、スクリーン４３０及びスクリュー４５０を含む。バスケット４４０には多数のバスケット開口部４４１が位置することができる。また、スクリーン４３０には多数のスクリーン開口部４３１が位置し、スクリュー４５０の上部にはスクリュー開口部４５１が位置することができる。
スクリーン４３０は脱水性の良い網のような機能をするように多数のスクリーン開口部４３１を含む。図面には開口部が円形に示されているが、逆三角形またはスリット形であることもできる。このようなスクリーン４３０は、ガスハイドレートスラリーは通過させなくて水のみを通過させる役目をする。スクリーン４３０は円錐形に成形されてバスケット４４０の内側に装着される。
バスケット４４０はスクリーン４３０が装着される支持部の役目をし、一実施例においては、バスケット４４０上に多数の開口部４４１が存在することにより、スクリーン４３０を通過した水を反応器３００の内部に飛散させる。
一方、第１移送配管４６１はガスハイドレートスラリーを遠心分離器４００に供給する配管であり、第２移送配管４６２は遠心分離器４００によって脱水されたガスハイドレートをスクリューコンベヤー部６００に供給する配管である。
つぎに、遠心分離機４００の作動原理を説明する。
遠心分離機４００は駆動部材４１０及び減速器４２０によって高速で回転する。この際に、水車５００によって汲み上げられたガスハイドレートスラリーが第１移送配管４６１を通じて移送されてスクリュー４５０の内側に供給される（ａ）。スクリュー４５０の回転によってガスハイドレートスラリーは遠心力を受けてスクリュー開口部４５１を通じてスクリーン４３０に噴射される（ｂ）。
スクリーン４３０上に位置する多数のスクリーン開口部４３１は水は通過させるが固形のガスハイドレートは通過させない。これにより、通過できなかったガスハイドレートは結果として脱水されて第２移送配管４６２を通じて移動され（ｃ２、ｃ３）、脱水作用によって排出される水はスクリーン開口部４３１及びバスケット開口部４４１を通じてバスケット４４０の外側に、つまり反応器３００内に飛散する（ｃ１）。反応器３００内に飛散した水はガスハイドレートにさらに反応することになる。
脱水されたガスハイドレートは第２移送配管（４５２）を通じてスクリューコンベヤー部６００に移送される。
Ｄ．スクリューコンベヤー部６００
図１０に基づいて追加の脱水作用をするスクリューコンベヤー部６００を説明する。
図１０に基づいて追加の脱水作用をするスクリューコンベヤー部６００を説明する。
スクリューコンベヤー部６００は、スクリュー６４０、スクリュー６４０を取り囲むスクリューハウジング６３０、スクリューハウジング６３０の内側または外側を取り囲み、冷却水が循環するスクリューコンベヤー部ジャケット６７０、スクリュー６４０の回転動力を提供する駆動部材６１０、及びスクリューの回転速度を制御する減速器６２０を含む。
遠心分離機４００によって１次に脱水されたガスハイドレートが第２移送配管４６２とこれに連結された第３移送配管６６３を通じてスクリューコンベヤー部６００の一端に流入される。
スクリュー６４０が駆動部材６１０によって回転されることにより、ガスハイドレートが移動しながら脱水される。この際に、脱水作用によって排出される水は別の脱水配管６６４を通じてスクリューコンベヤー部６００の外側に排出される。重力によって水が円滑に排出されるように、スクリューコンベヤー部６００が傾いて設置され、脱水配管６６４が下側に位置することが好ましい。すなわち、ガスハイドレートが供給されるスクリューコンベヤー部６００の一端が下側に傾くことが好ましい。図示の実施例においては、スクリューコンベヤー部６００の前記一端が図面の右側端である。
一般に、ガスハイドレートは低温で製造され、よって脱水作用によって排出される水は低温水であることができるため、本発明の一実施例においては、前述したように脱水配管６６４が循環配管７２５に連結されることにより、脱水作用によって排出される水が冷却水として使用可能である。この場合、スクリューコンベヤー部ジャケット６７０に循環できる。
スクリュー６４０の回転によって脱水されたガスハイドレートはスクリュー６４０の回転方向によってスクリューコンベヤー部６００の他端に移送され、ガスハイドレート移送配管６６５を通じてガスハイドレートタンク６９０に移送される。図示の実施例においては、スクリューコンベヤー部６００の前記他端が図面の左側端である。
反応器３００とスクリューコンベヤー部６００とガスハイドレートタンク６９０は圧力維持のために堅く密封状態で連結されるので、ガスハイドレートタンク６９０にはガスハイドレートだけでなくガスハイドレートに反応しなかった高圧のガスもともに満たされることができる。これにより、本発明の一実施例においては、前述したようにガスハイドレートタンク６９０内のガスが再循環配管６９１を通じてバッファータンク１３０に排出できる。
３．ガスハイドレートの連続製造及び脱水方法の説明
図１１に基づいて本発明によるガスハイドレートの連続製造及び脱水方法を説明する。
図１１に基づいて本発明によるガスハイドレートの連続製造及び脱水方法を説明する。
ガス供給源１１０及び水供給源２１０からガスと水が反応器３００に供給される（Ｓ１００）。
供給ガスは圧縮機１２０によって加圧されて供給されることができ、供給水は冷却器２４０によって冷却されて供給されることができる。ガスハイドレートが生成されるのに適した圧力及び温度に反応器３００の内部を維持する（Ｓ２００）。ゲスト分子の種類などによって好ましい圧力及び温度が変わるのはいうまでもない。
反応器３００の内部には持続的に水が満たされ、その高さは約１／３までが適当であるが、これに制限されない。反応器３００の内部で維持される温度及び圧力によってガスハイドレートスラリーが生成され、水車５００が回転してガスハイドレートスラリーを遠心分離器４００に供給する（Ｓ３００）。
遠心分離機４００は回転によってガスハイドレートスラリーを脱水し（Ｓ４００）、水を反応器３００の内部にさらに飛散させ、脱水されたガスハイドレートスラリーはスクリューコンベヤー部６００に移送させる（Ｓ５００）。
スクリューコンベヤー部６００に移送されたガスハイドレートはスクリュー６４０の回転によってさらに脱水される（Ｓ６００）。
さらに脱水されたガスハイドレートはガスハイドレートタンク６９０に移送される（Ｓ７００）。
一方、このような反応によって反応器３００内部の圧力が低くなるか水位が低くなると、反応器３００の内部に位置する圧力計及び水位センサーがこれを感知し、制御部（図示せず）は水とガスが反応器３００にさらに供給されるようにすることができる。これにより、前記Ｓ１００〜Ｓ７００段階が繰り返されることにより、ガスハイドレートが連続的に排出される。
また、ガスハイドレートタンク６９０の内部ガス圧が高いと感知されれば、制御部（図示せず）がガスハイドレートタンク６９０内のガスをバッファータンク１３０に移送させるようにすることができる。
以上説明した内容から、当業者であれば、本発明の技術思想を逸脱しない範囲内で多様な変更及び修正が可能であることが分かるであろう。したがって、本発明の技術的範囲は明細書の詳細な説明に開示された内容に限定されるものではなく特許請求の範囲によって決まるべきであろう。
本発明は遠心分離原理によってガスハイドレートを連続的に製造して脱水するための装置及び方法に適用可能である。
１１０ ガス供給源
１２０ 圧縮機
１３０ バッファータンク
２１０ 水供給源
２２０ ポンプ
２３０ 給水タンク
２４０ 冷却器
３００ 反応器
３１０ 反応器ハウジング
３１１ 第１ハウジング
３１２ 第２ハウジング
３１３ 連結部材
３２０ 供給管
３３０ ウィンドウ
３７０ａ 内部ジャケット
３７０ｂ 外部ジャケット
３８２ 氷供給器
３８３ 冷却器
３８４ 噴射ノズル
４００ 遠心分離機
４１０、５１０、６１０ 駆動部材
４２０、５２０、６２０ 減速器
４３０ スクリーン
４３１ スクリーン開口部
４４０ バスケット
４４１ バスケット開口部
４５０ スクリュー
４５１ スクリュー開口部
４６１ 第１移送配管
４６２ 第２移送配管
５００ 水車
５３１ 第１ギア
５３２ 第２ギア
５４０ 水車支持台
５５１ 開口部
５５２ 移送部
５６０ 収容部
６００ スクリューコンベヤー部
６３０ ハウジング
６４０ スクリュー
６６３ 第３移送配管
６６５ ガスハイドレート移送配管
６７０ スクリューコンベヤー部ジャケット
６９０ ガスハイドレートタンク
６９１ 再循環配管
７１１ 第１冷却水供給源
７１２ａ、７１２ｂ 第１冷却水配管
７１３ 第１冷却水ポンプ
７１５、７２５ 循環配管
７２１ 第２冷却水供給源
７２２ 第２冷却水配管
７２３ 第２冷却水ポンプ
１２０ 圧縮機
１３０ バッファータンク
２１０ 水供給源
２２０ ポンプ
２３０ 給水タンク
２４０ 冷却器
３００ 反応器
３１０ 反応器ハウジング
３１１ 第１ハウジング
３１２ 第２ハウジング
３１３ 連結部材
３２０ 供給管
３３０ ウィンドウ
３７０ａ 内部ジャケット
３７０ｂ 外部ジャケット
３８２ 氷供給器
３８３ 冷却器
３８４ 噴射ノズル
４００ 遠心分離機
４１０、５１０、６１０ 駆動部材
４２０、５２０、６２０ 減速器
４３０ スクリーン
４３１ スクリーン開口部
４４０ バスケット
４４１ バスケット開口部
４５０ スクリュー
４５１ スクリュー開口部
４６１ 第１移送配管
４６２ 第２移送配管
５００ 水車
５３１ 第１ギア
５３２ 第２ギア
５４０ 水車支持台
５５１ 開口部
５５２ 移送部
５６０ 収容部
６００ スクリューコンベヤー部
６３０ ハウジング
６４０ スクリュー
６６３ 第３移送配管
６６５ ガスハイドレート移送配管
６７０ スクリューコンベヤー部ジャケット
６９０ ガスハイドレートタンク
６９１ 再循環配管
７１１ 第１冷却水供給源
７１２ａ、７１２ｂ 第１冷却水配管
７１３ 第１冷却水ポンプ
７１５、７２５ 循環配管
７２１ 第２冷却水供給源
７２２ 第２冷却水配管
７２３ 第２冷却水ポンプ
Claims (15)
- ガス供給源；
水供給源；及び
前記ガス供給源及び前記水供給源からガスと水がそれぞれ供給され、前記供給されたガスと水が内部で反応する反応器；を含み、
前記反応器内には遠心分離器と水車が位置し、
前記反応器内で前記供給されたガスと水が反応してガスハイドレートスラリーが生成され、前記生成されたガスハイドレートスラリーは前記水車によって前記遠心分離器に供給され、
前記遠心分離器は前記ガスハイドレートスラリーを脱水することを特徴とする、遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。 - 前記遠心分離器は、
円錐形のバスケット；
前記バスケットの内部に装着されるスクリーン；及び
前記スクリーンの内側に位置するスクリュー；を含み、
前記ガスハイドレートスラリーは前記水車によって前記遠心分離器のスクリューの内側に供給され、
前記遠心分離器が回転されることにより、前記スクリューの内側に供給されたガスハイドレートスラリーが脱水され、前記脱水されたガスハイドレートは前記反応器の外側に移送され、脱水作用によって排出された水は前記バスケットの外側に飛散して前記反応器内に再投入されることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。 - 前記水車は回転可能であり、
前記水車は開口部及び移送部を含み、
前記水車の回転によって前記反応器内の前記ガスハイドレートスラリーが前記水車の開口部を通過し、前記水車の移送部によって汲み上げられて前記遠心分離器に供給されることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。 - 前記ガスハイドレートの連続製造及び脱水装置はスクリューコンベヤー部をさらに含み、
前記反応器で脱水されて製造された前記ガスハイドレートが前記スクリューコンベヤー部の一端に供給されてさらに脱水されることを特徴とする、請求項１に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。 - 前記スクリューコンベヤー部は回転可能なスクリューをさらに含み、
前記スクリューの回転によって、前記スクリューコンベヤー部の一端に供給された前記ガスハイドレートがさらに脱水されて前記スクリューコンベヤー部の他端から排出されることを特徴とする、請求項４に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。 - 前記スクリューコンベヤー部で脱水されて前記他端から排出される前記ガスハイドレートはガスハイドレートタンクに移送されることを特徴とする、請求項５に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。
- 前記ガスハイドレートタンクには、前記ガスハイドレートタンク内のガスが前記反応器に再供給される再循環配管が連結されることを特徴とする、請求項６に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。
- 前記一端が前記他端より低いように、前記スクリューコンベヤー部が傾いていることを特徴とする、請求項５〜７のいずれか１項に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。
- 前記反応器に氷供給器が連結され、前記反応器内に氷がさらに供給されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。
- 前記反応器内に供給される水がノズルを通じて氷の形態として前記反応器内に飛散することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。
- 前記反応器は内部ジャケット及び外部ジャケットを含み、
前記内部ジャケット及び前記外部ジャケットのそれぞれには冷却水が循環されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の遠心分離原理によるガスハイドレートの連続製造及び脱水装置。 - （ａ）反応器内に水とガスを供給してガスハイドレートスラリーを生成する段階；
（ｂ）前記ガスハイドレートスラリーを水車によって遠心分離器に供給する段階；
（ｃ）前記遠心分離器の回転によって前記供給されたガスハイドレートスラリーを脱水させる段階；及び
（ｄ）前記脱水されたガスハイドレートを前記反応器の外側に移送させ、脱水作用によって排出された水を前記反応器内に再供給する段階；
を含み、
前記（ａ）〜（ｄ）段階を連続的に行うことを特徴とする、遠心分離原理によるガスハイドレート連続製造及び脱水方法。 - 前記（ｂ）段階は、
前記水車が回転して前記反応器内の前記ガスハイドレートスラリーを前記水車の移送部に汲み上げて前記遠心分離器に供給する段階であることを特徴とする、請求項１２に記載の遠心分離原理によるガスハイドレート連続製造及び脱水方法。 - 前記（ｂ）段階は、
前記水車が回転して前記反応器内の前記ガスハイドレートスラリーを前記水車の移送部に汲み上げて前記遠心分離器のスクリューの内側に供給する段階であり、
前記（ｃ）段階は、
前記遠心分離器の回転によって、前記供給されたガスハイドレートスラリーの水を前記スクリュー及び前記スクリューの外側のスクリーン及びバスケットを通過させて排出させ、前記水が排出されたガスハイドレートスラリーを前記スクリューのみを通過させることで、前記供給されたガスハイドレートスラリーを脱水させる段階であることを特徴とする、請求項１２に記載の遠心分離原理によるガスハイドレート連続製造及び脱水方法。 - 前記（ｄ）段階は、
前記脱水されたガスハイドレートをスクリューコンベヤー部に移送させ、脱水作用によって排出された水を前記反応器内に再供給する段階であり、
前記遠心分離原理によるガスハイドレート連続製造及び脱水方法は、
（ｅ）前記スクリューコンベヤー部に供給された前記ガスハイドレートを前記スクリューコンベヤー部の回転によってさらに脱水させる段階をさらに含むことを特徴とする、請求項１２に記載の遠心分離原理によるガスハイドレート連続製造及び脱水方法。
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