KR101044770B1 - 가스하이드레이트 연속식 제조 장치 및 그 제조 방법 - Google Patents

가스하이드레이트 연속식 제조 장치 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

가스하이드레이트를 연속적으로 제조하기 위해, 가스 공급부와, 급수부와, 상기 가스 공급부 및 상기 급수부로부터 가스와 물이 각각 공급되며, 상기 공급된 가스와 물이 그 안에서 반응할 수 있는 반응기를 포함하며, 상기 반응기는 듀얼 실린더부를 포함하며, 상기 듀얼 실린더부는 상기 가스와 물이 반응한 가스하이드레이트 슬러리를 압착(squeezing)하여 고밀도의 가스하이드레이트 펠릿을 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는, 가스하이드레이트 연속식 제조 장치를 제공한다. 여기에서 상기 듀얼 실린더부는 상부 실린더와, 하부 실린더와, 상기 상부 실린더와 상기 하부 실린더를 연결하는 연결관을 포함하며, 상기 연결관은 다수의 개구부를 구비하며, 상기 다수의 개구부를 통하여 상기 반응기 내의 상기 반응수가 상기 연결관의 내부와 외부 사이에서 유체소통 할 수 있는 것이 바람직하다.
가스하이드레이트, 연속식, 압착, 벤츄리 밸브, 가스하이드레이트 펠릿

Description

가스하이드레이트 연속식 제조 장치 및 그 제조 방법{Device for Continuously Producing Gas Hydrate and Method therefor}
본 발명은 가스하이드레이트를 제조할 수 있는 장치 그 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세히, 본 발명은 듀얼 실린더의 압착 작용을 이용하여 가스하이드레이트가 생성되는 반응기내에서 물이 거의 포함되지 않은 고밀도의 가스하이드레이트 펠릿을 연속적으로 제조할 수 있는 장치 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
크러스레이트 하이드레이트(clathrate hydrate)란 호스트(host) 분자들이 수소 결합을 통해 형성하는 3차원 격자 구조에 게스트(guest) 분자들을 화학적인 결합을 하지 않고 물리적으로 포획하여 가둔 결정성 화합물을 말한다. 호스트 분자가 물 분자이고, 게스트 분자가 메탄이나 에탄, 프로판, 또는 이산화탄소와 같이 저분자 가스 분자들인 경우 가스하이드레이트(gas hydrate)라고 한다.
가스하이드레이트는 1810년 영국의 Humphry Davy경에 의해 처음 발견되었다. 그는 영국의 왕립협회를 대상으로 하는 Bakerian Lecture에서 chlorine과 물을 반 응시킬 때 얼음과 유사한 형태의 화합물이 생기지만 그 온도가 0℃보다 높다는 것을 발표하였다. 1823년 Michael Faraday가 10개의 물 분자에 대하여 1개의 chlorine 분자가 반응하여 가스하이드레이트가 생성되는 것을 최초로 밝혀냈다. 이후 현재에 이르기까지 가스하이드레이트는 상변화물질(phase change material, PCM) 중의 하나로 학문적인 연구가 계속되고 있으며 주요 연구내용으로 상평형과 생성/해리 조건, 결정 구조, 다결정의 공존현상, 동공 내의 경쟁적 조성 변화 등을 들 수 있으며, 이외에도 다양한 미시 또는 거시적 측면에서의 세밀한 연구가 진행되고 있다.
가스하이드레이트에 포획될 수 있는 게스트 분자는 현재까지 약 130여 종이 알려지고 있으며, 그 예시로서 CH4, C2H6, C3H8, CO2, H2, SF6 등이 있다. 또한 가스하이드레이트 결정구조(crystal structure)들은 수소결합으로 이루어진 물분자에 의해 형성된 다면체의 공동(cavity)으로 구성되어 있으며 가스분자의 종류와 생성조건에 따라 체심 입방 구조 Ⅰ(body-centered cubic structureⅠ, sI), 다이아몬드형 입방 구조Ⅱ(diamond cubic structure Ⅱ, sⅡ)와 육방 구조 H(hexagonal structure H, sH) 의 결정구조로 이루어져 있다. sI과 sII는 객체분자의 크기에 의해 결정되며, sH에서는 객체분자의 크기와 형태가 중요한 요소가 된다.
심해와 영구동토지역에 자연적으로 부존하는 가스하이드레이트의 게스트 분자는 대부분 메탄이며 이러한 메탄은 연소시 이산화탄소(CO2) 발생이 적어 친환경적 청정 에너지원으로 각광받고 있다. 구체적으로 가스하이드레이트는 기존 화석 연 료를 대체할 수 있는 에너지원으로 사용될 수 있으며, 하이드레이트 구조를 이용한 천연 가스 고체화 저장 및 수송에 사용될 수 있으며, 온난화 방지를 위한 CO2의 격리/저장에 사용될 수 있으며, 가스 또는 수용액의 분리기술로서 특히 해수 담수화 장치로도 사용될 수 있어서 그 활용도는 매우 높다.
가스하이드레이트는 석유 또는 천연가스 저류층 및 석탄층과 인접된 지역이나, 저온 고압의 심해 퇴적층 특히 대륙사면에서 많이 발견된다. 또한, 인위적으로 가스하이드레이트를 제조할 수도 있는데, 현재까지 알려진 종래의 가스하이드레이트 제조 장치는 일반적으로 도 1에 도시된 바와 같은 형태를 갖는다.
도 1은 종래 기술에 따른 일반적인 가스하이드레이트 제조 장치(10)를 도시한다.
종래 기술에 따른 가스하이드레이트의 제조 장치(10)는, 급수부(1)와, 가스 공급부(2)와, 상기 급수부(1)로부터 공급된 물과 상기 가스 공급부(2)로부터 공급된 가스가 반응하는 반응기(3)와, 반응기에서 생성된 가스하이드레이트를 외부로 토출하는 토출기(5)로 이루어진다. 물과 가스의 반응 속도를 올리기 위해 교반기(4)를 채택하는 경우도 있다.
보다 구체적으로 문헌으로 공개된 종래의 가스하이드레이트 제조 장치는 다음과 같다.
일본등록특허 제3173611호, 미국등록특허 제5,536,893호, 미국등록특허 제6,855,852호은 가스하이드레이트를 생성시키는 장치 또는 방법을 개시한다. 상기 특허들은 공통적으로, 가스를 공급하는 단계와; 물을 공급하는 단계와; 가스와 물의 반응으로 가스 수화물 입자를 생성하는 단계와; 이를 집괴화(agglomerating)하는 단계를 포함하며, 일부 특허는 가스를 재순환시키는 단계, 온도를 낮추는 단계 등을 더 포함한다.
일본등록특허 제3517832호는 물분수식 하이드레이트 제조 방법을 개시한다. 즉, 물 공급부로부터 반응기에 물을 공급할 때 물 미립자를 분무함으로 인하여 기체와의 접촉 면적을 넓혀서 가스와 물의 반응 속도를 증진시키는 방법을 개시한다.
일본등록특허 제4045476호는 물과 가스를 혼합, 용해하고, 혼합, 용해된 반응수를 일정 관로를 통해 유동시키며, 상기 관로를 냉각하는 추가 구성요소를 통해 가스하이드레이트를 제조하는 방법 및 장치를 개시한다.
일본등록특허 제3891033호는, 물과 가스가 반응하는 반응기에 연직하게 설치된 회전 구동축과; 상기 회전 구동축의 중심으로부터 방사상 일정 간격 이격되어 위치하는 블레이드로서 물과 가스가 반응한 반응수 수면이 블레이드에 포함되도록 위치시키고 회전시킬 수 있는 블레이드와; 이를 통해 회전 구동축 주변에 슬러리가 몰리면 이를 반응기 하부로 토출시키는 취출관을 포함하는 가스하이드레이트 연속식 제조 장치를 개시한다.
한국등록특허 제0786812호는, 온도와 기압의 작용에 의해 반응용 물과 가스가 반응하여 가스하이드레이트의 생성 또는 분해기 이루어지는 반응 챔버와; 상기 반응 챔버 내의 반응용 물의 온도를 일정 수준으로 유지시키는 항온유지수조를 포함하는 가스하이드레이트 생성 및 분해 장치를 개시한다.
다만, 이러한 종래 기술에 따른 가스하이드레이트 제조 장치는 다음과 같은 문제점을 공통적으로 갖는다.
종래 기술에 따른 가스하이드레이트 제조 장치는 가스하이드레이트를 연속식으로 제조하기 어렵다. 일본등록특허 제3173611호, 미국등록특허 제5,536,893호, 미국등록특허 제6,855,852호, 일본등록특허 제3517832호, 한국등록특허 제0786812호에 따른 가스하이드레이트 제조 장치의 경우 실험실에서 수 개의 가스하이드레이트를 제조할 수 있을 수 있으나, 가스와 물이 반응한 반응수로부터 가스하이드레이트를 추출해내는 과정에 대한 구체적인 고찰 또는 암시가 적거나 없어서 가스하이드레이트를 제조하는 시간, 제조에 필요한 전력 등이 과다하게 소요되며 이에 따라 연속식으로 제조하기 불가능한 것이나 다름없다.
또한, 종래 기술에 따른 가스하이드레이트 제조 장치는 가스하이드레이트 제조 단계가 길고 복잡하다. 일본등록특허 제4045476호는 연속식 제조 장치를 개시하나, 반응수의 슬러리로부터 가스하이드레이트를 추출하는 과정이 복잡하며 각 단계마다 모두 온도와 압력을 일정하게 유지하여야 하기에 실재 연속식 제조에 제한 요소가 많으며, 모든 단계 및 장치마다 온도와 압력을 일정하게 유지하는 것 역시 용이하지 않다.
그 외에도, 반응기 내부는 가스하이드레이트 생성 조건에 맞추어 고압이 유 지되어야 하는데 이러한 고압의 반응기 내에 가스를 주입하는 것이 용이하지 못하다는 문제점, 가스와 물이 반응하는 속도를 빠르게 하지 못함으로 인하여 가스하이드레이트 생성 속도가 늦추어지는 문제점이 존재한다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 가스하이드레이트를 연속적으로 제조하기 위한 장치 및 그 제조 방법을 제공하는 것이다.
특히, 물과 가스가 반응한 슬러리를 포함하는 반응기로부터 가스하이드레이트 펠릿 또는 탈수된 고밀도 가스하이드레이트를 간단하고 빠르게 토출하기 위한 장치 및 방법을 제공하고자 한다.
또한, 종래 기술과 비교하여 물과 가스가 반응하여 가스하이드레이트 슬러리가 만들어짐과 동시에 동일한 공간 내에서 탈수된 고밀도의 가스하이드레이트 펠릿을 연속식으로 제조하기 위한 장치 및 그 방법을 제공하고자 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 실시예는, 가스 공급부와, 급수부와, 상기 가스 공급부 및 상기 급수부로부터 가스와 물이 각각 공급되며, 상기 공급된 가스와 물이 그 안에서 반응할 수 있는 반응기를 포함하며, 상기 반응기는 듀얼 실린더부를 포함하며, 상기 듀얼 실린더부는 상기 가스와 물이 반응한 반응수의 슬러리를 압착(squeezing)하여 가스하이드레이트를 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는, 가스하이드레이트 연속식 제조 장치를 제공한다.
또한, 여기에서 상기 듀얼 실린더부는 상부 실린더와, 하부 실린더와, 상기 상부 실린더와 상기 하부 실린더를 연결하는 연결관을 포함하며, 상기 연결관은 다 수의 개구부를 구비하며, 상기 다수의 개구부를 통하여 상기 반응기 내의 상기 반응수가 상기 연결관의 내부와 외부 사이에서 유체소통 할 수 있는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 반응수의 슬러리는 반응수의 회전에 따라 상기 연결관의 다수의 개구부를 통해 상기 듀얼 실린더부 내부에 유입되고, 상기 상부 실린더와 상기 하부 실린더의 압착 행정에 의해 상기 슬러리가 압착되는 것이 바람직하다.
또한, 바람직하게는, 상기 하부 실린더는 상이한 높이에 위치하는 2개의 센서를 포함하며, 상기 2개의 센서의 높이를 제어함으로써 상기 생성되는 가스하이드레이트의 높이를 제어할 수 있다.
또한, 바람직하게는, 상기 다수의 개구부는 제 1 개구부와 제 2 개구부를 포함하며, 상기 제 1 개구부는 상기 제 2 개구부의 상부에 위치하며, 상기 제 1 개구부의 크기는 상기 제 2 개구부의 크기보다 크다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 가스하이드레이트 연속식 제조 장치는 벤츄리 밸브를 더 포함하며, 상기 벤츄리 밸브는 제 1 가스 공급관을 통해 상기 가스 공급부와 연결되며, 물 공급관을 통해 상기 급수부와 연결되며, 배출관을 통해 상기 반응기와 연결되는 것을 특징으로 하는 가스하이드레이트 연속식 제조 장치를 제공한다.
또한, 여기에서 상기 벤츄리 밸브는 제 2 가스 공급관을 통해 상기 반응기와 연결되는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 가스 공급부로부터 상기 제 1 가스 공급관을 통해 공급된 가 스는 상기 벤츄리 밸브에 의해 상기 급수부로부터 상기 물 공급관을 통해 공급된 물과 혼합되어 상기 배출관을 통해 상기 반응기에 공급되고, 상기 반응기 내에서 물과 반응하지 않은 가스가 상기 제 2 가스관을 통해 상기 벤츄리 밸브에 재공급되어 상기 벤츄리 밸브에 공급된 물과 혼합되어 상기 배출관을 통해 상기 반응기에 재공급되는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 가스하이드레이트 연속식 제조 장치는 생성된 가스하이드레이트를 외부로 토출할 수 있는 펠릿타이저를 더 포함하는 것이 바람직하다.
이 경우, 상기 듀얼 실린더부는 토출개구부를 포함하며, 상기 펠릿타이저는, 상기 듀얼 실린더부가 생성된 가스하이드레이트를 상기 토출개구부에 상응하는 위치에 위치시킨 경우 작동하는 것이 바람직하다.
본 발명의 다른 실시예에서, 상기 가스하이드레이트 연속식 제조 장치는 냉각기를 더 포함하며, 상기 반응기는 그 하우징에 상기 냉각기와 유체 소통 가능한 다수의 냉각 유로를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 다른 실시예는, (a) 반응기 내에 물과 가스를 공급하여 반응수를 형성하는 단계와; (b) 상기 반응수에 슬러리가 형성되도록 교반하는 단계와; (c) 상기 슬러리를 듀얼 실린더부를 이용하여 압착하여 가스하이드레이트를 생성하는 단계와; (d) 상기 듀얼 실린더부 내에 생성된 가스하이드레이트를 펠릿타이저를 이용하여 토출하는 단계를 포함하는, 가스하이드 레이트 연속식 제조 방법을 제공한다.
여기에서, 미리 정해진 가스하이드레이트 생산량에 따라 상기 (a), (b)단계는 계속 이루어지며, 상기 (c), (d)단계는 순차적으로 반복되는 것이 바람직하다.
또한, 상기 (c)단계는, 상기 듀얼 실린더부의 상부 실린더 및 하부 실린더를 최초 위치에 위치시키는 단계와; 상기 상부 실린더를 수회 하강시켜 상기 듀얼 실린더부 내의 슬러리를 압착하는 단계를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 이 경우 상기 (c)단계는, 상기 하부 실린더가 미리 설정된 가스하이드레이트 높이 만큼 하강하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 이 경우 상기 (c)단계는, 상기 상부 실린더와 상기 하부 실린더를 토출 위치에 위치시키는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
바람직하게, 상기 (a)단계는, 상기 반응기 내에 물을 공급하는 단계와; 벤츄리 밸브에 물과 가스를 공급하는 단계와; 상기 벤츄리 밸브에 공급된 물과 가스를 상기 반응기에 공급하는 단계를 포함한다.
또한, 이 경우 상기 (a)단계는, 상기 반응기 내에서 반응하지 않은 가스를 상기 벤츄리 밸브에 재공급하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 가스하이드레이트 연속식 제조 장치는, 듀얼 실린더부가 반응기 내에서 반응수의 슬러리 형성과 동시에 가스하이드레이트를 제조할 수 있어서, 물과 가스를 일정 온도 및 압력을 유지하는 반응기에 계속 주입하면 가스하이 드레이트를 연속적으로 제조할 수 있다.
또한, 반응기의 듀얼 실린더부의 압착 행정에 의해 반응기에서 직접 가스하이드레이트를 제조할 수 있기에 가스와 물의 반응 이후의 복잡한 가스하이드레이트 생성 절차 또는 단계가 생략될 수 있어서, 일정 온도 및 압력을 유지하여야 하는 장치 및 공정을 생략하고 빠르게 가스하이드레이트를 연속적으로 제조함과 동시에 필요한 전력을 감소시킬 수 있다.
특히, 종래 기술과 비교하여 물과 가스가 반응하여 가스하이드레이트 슬러리가 만들어짐과 동시에 동일한 공간내에서 탈수된 고밀도의 가스하이드레이트 펠릿을 연속식으로 제조함으로써, 별도의 슬러리제조/탈수/펠릿타이징 공정이 필요없어서 효율적으로 가스하이드레이트를 연속적으로 제조할 수 있다는 장점을 갖는다.
또한, 듀얼 실린더부의 하부 실린더의 센서의 위치를 제어함으로써 생성되는 가스하이드레이트의 크기를 간단하게 제어할 수 있다.
또한, 벤츄리 밸브를 채택하여 압력차에 의해 가스와 물이 자동으로 혼합되도록 함과 동시에 혼합/반응을 촉진시켜 종래 기술과 비교하여 가스하이드레이트 제조 시간을 감소시킬 수 있다.
또한, 반응기 내에서 물과 반응하지 못한 가스를 재순환시킴으로써 가스와 물의 혼합/반응을 촉진시켜 가스하이드레이트 제조 시간을 보다 감소시킬 수 있다.
그 외에 본 명세서에 기재된 모든 효과를 포함한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 상세히 설명된다.
이하에서 '가스'는 가스하이드레이트의 게스트 분자를 의미하며, '물'은 호스트 분자를 의미한다. 가스하이드레이트 생성에 있어서 게스트 분자가 될 수 있는 분자는 CH4, C2H6, C3H8, CO2, H2, SF6 등 다수 존재하는데, 이하에서는 이러한 게스트 분자를 가스로 지칭한다. 또한, 호스트 분자로서 물(H2O)을 지칭한다.
또한, 본 제조 장치에 의해 생성된 결과물을 가스하이드레이트 또는 펠릿화된 가스하이드레이트(이하, 가스하이드레이트 펠릿(pellet))으로 지칭하며, 가스하이드레이트를 펠릿화하는 공정을 펠릿타이징(pelletizing)이라 지칭한다. 다만, 본 발명은 가스하이드레이트를 제조하기 위한 장치이며, 제조자 또는 사용자의 선택에 따라 가스하이드레이트 펠릿을 제조할 수 있음은 물론이다.
가스하이드레이트 연속식 제조 장치의 전체적 구성
도 2를 참조하여 본 발명에 따른 가스하이드레이트 연속식 제조 장치(100)를 설명한다.
본 발명에 따른 가스하이드레이트 연속식 제조 장치(100)는 각각의 공급부/펌프/탱크 등의 전후에 또는 유로 상에 볼 밸브 또는 체크 밸브를 채택할 수 있으나, 본 도면에서는 설명을 위해 이를 생략한다.
또한, 반응기/공급부/탱크 등에는 온도 센서 및 압력 센서가 위치하고, 상기 센서들과 각각의 밸브 및 펌프는 제어부와 연결되어 제어될 수 있으나. 이러한 센 서 및 제어부 역시 설명을 위해 본 도면에서 생략한다.
또한, 사용자가 작동 파라미터를 입력하고 가스하이드레이트 연속식 제조 장치(100)의 작동을 제어하기 위한 컨트롤 유닛(control unit)이 상기 제어부에 연결될 수 있으나, 역시 설명을 위해 본 도면에서 생략한다.
또한, 본 도면은 본 발명에 따른 가스하이드레이트 연속식 제조 장치(100)의 일 실시예를 설명하기 위한 간략한 개념도일 뿐이며, 본 발명의 범위는 도면에 도시된 각각의 구성요소의 위치, 배치, 연결 방식 등에 제한되지 않음은 물론이다.
본 발명에 따른 가스하이드레이트 연속식 제조 장치(100)는 가스 공급부(110)와, 급수부(120)와, 반응기(200)를 포함한다. 가스 공급부(110)와 급수부(120)는 각각 가스와 물을 반응기(200)에 공급할 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 가스하이드레이트 연속식 제조 장치(100)는 반응기(200) 내에 존재하는 유체를 외부로 배출할 수 있는 배출부(130)와, 최종 생성물인 가스하이드레이트가 생성되면 이를 토출할 수 있는 펠릿타이저(pelletizer)(140)와, 토출된 가스하이드레이트가 저장되는 저장부(150)와, 반응기(200) 및 상기 반응기(200)와 연결되는 도관 중 온도 유지가 필요한 부분에 냉각수를 공급할 수 있는 냉각부(160)를 더 포함할 수 있다.
또한, 물과 가스가 원활하게 혼합되도록 하여 반응기에 공급할 수 있는 벤츄리 밸브(170)를 더 포함할 수 있다.
또한, 도면에 도시되지 않지만 반응기(200) 내의 반응수를 교반하기 위한 별 도의 교반 장치(미도시), 반응기(200) 내의 센서(미도시) 등의 구성요소가 동결(freezing)된 경우 이를 녹이기 위한 히터(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
가스 공급부(110)는 가스하이드레이트 생성에 필요한 가스를 반응기(200)에 공급한다. 가스 공급부(110)를 반응기(200)에 직접 연결할 수 있으나, 가스하이드레이트가 생성되는 조건은 일반적으로 압력이 높기에 중간에 버퍼 탱크(111)를 연결하는 것이 안전성 측면에서 바람직하다.
버퍼 탱크(111)는 가스 공급부(110)로부터 공급된 가스를 일시 저장하고, 이를 반응기(200) 또는 벤츄리 밸브(170)에 공급할 수 있다. 또한, 버퍼 탱크(111)에는 압력센서(미도시)와 밸브(미도시)가 설치될 수 있으며, 버퍼 탱크(111)의 압력을 반응기(200) 내의 압력보다 높게 유지함으로써 반응기(200)와의 압력 차에 의해 반응기(200)에 가스를 자동으로 공급할 수 있다. 벤츄리 밸브(170)를 사용하는 경우 벤츄리 밸브(170) 측으로 가스가 유동될 수 있는데, 상세한 설명은 도 3을 참조하여 후술한다.
급수부(120)는 가스하이드레이트 생성에 필요한 물을 반응기(200)에 공급한다. 급수부(120)를 반응기(200)에 직접 연결할 수 있으나, 가스하이드레이트가 생성되는 조건은 일반적으로 압력이 높으며, 급수부(120)에 물을 보충하는 작업의 용이성 등을 고려하여 피드 탱크(122)를 중간에 연결하는 것이 바람직하다.
급수부(120) 내의 물은 피드 펌프(121)에 의해 피드 탱크(122)에 공급되며, 피드 탱크(122) 내의 물은 순환 펌프(123)에 의해 반응기(200)에 직접 공급되거나 또는 벤츄리 밸브(170)에 공급될 수 있다.
배출부(130)는 반응기(200)와 연결되어 반응기(200) 내부의 유체를 외부로 배출할 필요가 있을 경우, 이를 배출할 수 있다.
펠릿타이저(140)는 반응기(200)에서 생성된 가스하이드레이트(400)가 듀얼 실린더부(250)에 의해 반응기 외부로 배출되면 토출개구부(260)를 통해 이를 밀어서 저장부(150)에 저장되도록 한다. 자세한 작동 원리는 도 6을 참조하여 후술한다.
냉각부(160)는 반응기(200) 및 주요 도관이 일정 온도를 유지할 수 있도록 냉각수 라인(미도시)을 통해 냉각수를 공급한다. 반응기(200)에 공급된 냉각수는 반응기(200)의 하우징(240) 내의 반응기 냉각수 라인(241)을 통해 순환할 수 있다(도 4b 참조).
반응기(200)는 듀얼 실린더부(250)를 포함하며, 그 안에서 가스 공급부(110) 및 급수부(120)로부터 공급된 가스와 물이 반응할 수 있다. 반응기(200)에 대한 상세한 설명은 도 4a 및 4b를 참조하여 후술한다.
벤츄리 밸브
도 3을 참조하여 벤츄리 밸브(170)를 상세히 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따라 벤츄리 밸브(170)를 사용하지 않고 가스 공급부(110) 및 급수부(120)로부터 직접 반응기(200)에 가스와 물을 공급할 수 있으며, 본 발명의 다른 실시예에 따라 가스 공급부(110)로부터 공급되는 가스와 급수부(120)로부터 공급되는 물이 유속 및 유압 차에 의하여 자동으로 벤츄리 밸브(170)에서 혼합되어 반응기(200)에 공급할 수 있다. 벤츄리 밸브(170)를 채택하는 경우 가스와 물이 혼합되어 함께 반응기(200)에 공급됨으로써 반응기(200)에서 반응 속도를 상승시키는 효과를 갖는다.
벤츄리 밸브(170)를 사용하는 일 실시예에서, 벤츄리 밸브(170)에는 가스를 공급하는 제 1 가스관(171)과, 물을 공급하는 급수관(172)과 가스와 물을 혼합하여 반응기(200)에 공급하는 배출관(173)이 연결된다.
벤츄리 밸브(170)의 내부 유로는 유입되는 유체가 직접 공급되는 제 1 유로(181)와, 유동 방향에 따라 유동 단면적이 점차 작아지는 제 2 유로(182)와, 유동 단면적이 가장 작은 제 3 유로(183)와, 유동 방향에 따라 유동 단면적이 점차 커지는 제 4 유로(184)와, 유체가 외부로 배출되는 제 5 유로(185)로 이루어질 수 있다.
벤츄리 밸브(170)를 유동하던 유체는 유동 단면적이 점차 작아짐에 따라 유속이 빨라지며, 제 3 유로(183)를 지나는 경우 최대의 유속을 갖는다. 이 경우 유압이 가장 낮아져서, 제 1 가스관(171)을 유동하는 유체의 유압이 제 3 유로(183)의 유체의 유압보다 높은 경우 유압차에 의해 자동으로 공급된다. 가스를 공급받 은 유체는 유동 단면적이 점차 커지는 제 4 유로(184)를 지남에 따라 다시 원래의 유속을 회복한다.
다시 말하면, 제 1 가스관(171)으로 공급되는 가스의 유압을 제 3 유로(183)를 통과하는 물의 유압보다 높게 함으로써 가스가 자동으로 벤츄리 밸브(170)에 공급되어 물과 혼합되며, 이렇게 혼합된 물과 가스는 배출관(173)을 통해 반응기(200)에 공급될 수 있다.
벤츄리 밸브(170)를 사용하는 다른 실시예에서, 벤츄리 밸브(170)에는 반응기(200) 내의 가스를 벤츄리 밸브(170)에 재공급하는 제 2 가스관(175)이 추가로 연결될 수 있다.
작동 중인 가스하이드레이트 연속식 제조 장치(100)의 반응기(200) 내부에는 가스와 물이 반응하고 있는 반응수가 일정 수위를 유지하게 되는데, 이 때에 반응기(200) 상부는 반응하지 못한 가스로 채워진다(도 5a 참조). 그러한 가스 중에 반응수 수위에 인접한 가스는 반응수와 반응하여 용이하게 녹아들어가지만 수위와 이격된 상부의 가수들은 반응수와 반응하기 용이하지 않다.
이 경우 반응하지 못한 가스로 채워진 반응기(200) 상부를 벤츄리 밸브(170)와 연결함으로써 반응하지 못한 가스를 제 2 가스관(175)을 통해 벤츄리 밸브(170)로 피드백시킬 수 있다. 이는, 벤츄리 밸브(170)의 제 3 유로(183) 내의 유압과 반응기(200) 내부의 압력 차이를 조절함으로써 가능하다.
요컨대, 벤츄리 밸브(170)를 채택함으로써 벤츄리 밸브(170)의 제 3 유 로(183)의 유압은 반응기(200) 내부의 압력보다 낮게 할 수 있고, 제 5 유로(185)의 유압은 반응기(200) 내부의 압력보다 높게 할 수 있어서 자동으로 순환되는 구조를 이룰 수 있다.
이와 같이 가스가 계속적으로 순환되는 구조를 채택하여 반응하지 못한 가수를 물과 혼합하여 다시 반응기(200)에 되돌림으로써 가스와 물의 반응 속도를 매우 증진시킬 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 이러한 순환 시스템을 촉진시키도록 별도의 이젝트 펌프(eject pump)(미도시)를 채택할 수 있다.
반응기
도 4a, 4b를 참조하여 반응기(200)를 상세히 설명한다. 도 4a는 반응기(200)의 사시도이며, 도 4b는 반응기(200)의 분해도이다.
반응기(200)는 상부 플레이트(210)와, 하부 플레이트(220)와, 디스플레이창(230)을 포함하는 하우징(240)과 듀얼 실린더부(250)를 포함한다. 듀얼 실린더부(250)는 하우징(240) 너머 상하로 길게 연결관(253)이 연장되는 구조이나 본 도면에서는 설명을 위해 하우징(240)과 먼 위치에서의 도시를 생략한다.
상부 플레이트(210)는 상부 플레이트 부재(211)와, 상기 상부 플레이트 부재(211)와 하우징(240)을 밀봉하는 밀봉 부재(215)와, 상부 플레이트 부재(211)와 하우징(240)을 결합하는 결합 부재(214)를 포함한다. 밀봉 부재(215)의 일 실시예로 O-링이 도시되나 이에 제한되지 않으며 결합 부재(214)의 일 실시예로 볼트가 도시되나 이에 제한되지 않음은 물론이다.
하부 플레이트(220)는 제 1, 2, 3 하부 플레이트 부재(221, 222, 223)와, 상기 제 1, 2, 3 하부 플레이트 부재(221, 222, 223) 및 하우징(240) 각각의 사이를 밀봉하는 밀봉 부재(225a, 225b, 225c)와 전체적으로 이를 결합하는 결합 부재(224)를 포함한다. 밀봉 부재(225a, 225b, 225c)의 일 실시예로 O-링이 도시되나 이에 제한되지 않으며 결합 부재(224)의 일 실시예로 볼트가 도시되나 이에 제한되지 않음은 물론이다. 또한, 본 실시예에서는 3개의 하부 플레이트 부재를 사용하였으나 그 개수에 제한되지 않음은 물론이다.
가스하이드레이트를 생성하는 작동시 하우징(240) 내부 기압이 높으므로 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)는 하우징(240)에 대해 단단히 밀봉되어야 한다.
또한, 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220)는 중앙에 듀얼 실린더부(250)가 위치할 수 있는 개구부를 가지며, 듀얼 실린더부(250)의 연결관(253)과 각각 밀봉된다.
반응기(200)의 하우징(240)은 반응기(200) 내부의 압력을 견딜 수 있는 재질로 이루어지며, 하우징(240) 내부에 냉각수가 유동할 수 있는 반응기 냉각수 라인(241)이 위치한다. 냉각부(160)를 통해 공급되는 냉각수를 통하여 반응기(200) 내부의 온도는 사용자가 희망하는 온도로 유지될 수 있다.
하우징(240)에는 디스플레이창(230)이 위치하여 사용자가 반응기(200) 내의 가스하이드레이트 생성과정을 모니터링할 수 있다. 본 도면에는 디스플레이 창(230)이 2개 도시되나 그 개수에 제한되지 않음은 물론이다.
디스플레이창(230)은, 하우징(240)에 위치하는 개구부(231)와, 프레임(232)과, 상기 프레임(232)에 설치되는 투명한 소재의 윈도우(233)와, 상기 하우징(240)과 프레임(232)과 윈도우(233)를 밀봉하는 밀봉 부재(235)와, 이들을 결합하는 결합 부재(234)를 포함한다. 밀봉 부재(235)의 일 실시예로 O-링이 도시되나 이에 제한되지 않으며 결합 부재(234)의 일 실시예로 볼트가 도시되나 이에 제한되지 않음은 물론이다.
듀얼 실린더부(250)는 상부 실린더(251)와, 하부 실린더(252)와, 상기 상부 실린더(251) 및 하부 실린더(252)가 이동하는 안내 경로를 제공하도록 이들을 연결하는 연결관(253)을 포함한다. 설명을 위해 본 도면에서 연결관(253)의 길이를 짧게 도시하였으나, 연결관(253)이 상부 실린더(251) 및 하부 실린더(252)가 이동하는 모든 변위에 걸치도록 길게 구성되는 것이 바람직하다.
반응기(200) 조립 시에 연결관(253)은 반응기(200)의 상부 플레이트(210)와 하부 플레이트(220) 외부로 길게 돌출되는데, 전술한 바와 같이 연결관(253)과 상부 플레이트(210) 사이에서 그리고 연결관(253)과 하부 플레이트(220) 사이에서 상호 밀봉된다.
또한, 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)는 연결관(253) 내부와 밀봉되게 이동한다. 이를 위해 상부 실린더(251) 및 하부 실린더(252)의 로더는 O-링과 같은 밀봉 부재를 포함할 수 있다.
연결관(253) 내부에는 다수의 제 1, 2 개구부(254, 255)가 형성된다. 도 4a에서 디스플레이창(230)을 통해 반응기(200) 내측에서 도시되며, 그리고 도 5a~f에서 반응기(200)의 단면도로서 도시되는 바와 같이, 제 1, 2 개구부(254, 255)는 듀얼 실린더부(250) 조립 시에 반응기(200) 내부에 위치하게 되며, 반응기(200) 내의 반응수가 제 1, 2 개구부(254, 255)를 통하여 연결관(253)의 내외부로 유체 소통할 수 있다. 각각의 제 1, 2 개구부(254, 255)의 기능은 아래에서 후술한다.
듀얼 실린더부(250)의 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)에는 액튜에이터(미도시)가 연결되어 구동력을 전달받을 수 있으며, 연결관(253)의 상부 실린더(251)측 상부와 하부 실린더(252)측 하부에는 비압축성 유체가 채워질 수 있다. 이러한 비압축성 유체는 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)를 연결하는 다수의 유체 도관(미도시)을 통해 유동할 수 있다.
상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)는 제어부(미도시)에 연결될 수 있으며, 제어부는 상부 실린더(251) 및 하부 실린더(252)의 이동을 각각 정교하게 제어할 수 있다. 또한, 이를 위해 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)에 레벨 센서가 위치할 수 있어서, 각각의 실린더의 높이를 제어부에 전달하고 이를 제어할 수 있다. 특히, 하부 실린더(252)에는 2개의 레벨 센서(252a, 252b)가 위치할 수 있으며, 이를 이용하여 생성되는 가스하이드레이트의 크기를 특정할 수 있는데, 이는 아래에서 후술한다(도 5b, 5e 참조).
듀얼 실린더부의 작동
도 5a 내지 5f를 참조하여 듀얼 실린더부(250)의 작동 및 이에 따른 가스하이드레이트 생성 절차를 설명한다.
듀얼 실린더부(250)는 "최초 상태", "슬러리 흡입 상태", "압착 행정", 및 "토출 상태"를 한 싸이클로 반복할 수 있으며, 여기에서 "압착 행정"은 수회의 압착을 지칭할 수 있다. 또한, "최초 상태", "슬러리 흡입 상태", "토출 상태"에서의 상부 실린더(251) 및 하부 실린더(252)의 위치를 "최초 위치", "슬러리 흡입 위치", 및 "토출 위치"로 지칭한다.
도 5a는 듀얼 실린더부(250)의 “최초 상태(initial state)”를 도시한다.
최초 상태는 가스하이드레이트 생성 작동 전의 상태로서 준비 상태일 수 있으며, 이 경우 도 5a에 도시된 바와 같이 상부 실린더(251)는 하부 실린더(252)가 최초 위치를 취하고 있다. 최초 상태에서 반응기에 물과 가스가 직접 공급되거나 또는 벤츄리 밸브(170)를 통해 혼합되어 공급될 수 있다. 도 5a에서 하부 실린더(252)가 제 1 개구부(254)는 개방하고 제 2 개구부(255)를 폐쇄한 것으로 도시되나, 이에 제한되는 것은 아니다.
도 5b는 듀얼 실린더부(250)의 “슬러리 흡입 상태(slurry suction state)”를 도시한다.
가스하이드레이트 생성 작동이 시작하면 반응기(200) 내에 물과 가스가 미리 설정한 농도에 이르도록 충분히 공급된다. 물과 가스가 충분히 공급되면, 또는 물 과 가스가 공급됨과 동시에 반응기(200) 내의 물과 가스의 반응을 촉진시키도록 별도의 교반기(미도시) 등을 이용하여 고속으로 교반한다.
물과 가스가 미리 설정된 농도에 이르러 교반이 시작되기 전에, 또는 교반과 동시에 하부 실린더(252)는 제 1, 2 개구부(254, 255)를 모두 개방하도록 하강한다. 연결관(253)은 하부 실린더측에서 상이한 높이에 배치되는 2개의 센서를 포함할 수 있는데, 슬러리 흡입 상태에서 상부 센서(252a)의 높이에 하부 실린더(252)의 기준면이 배치되도록 할 수 있다.
반응된 물과 가스는 점차 슬러리(slurry)를 형성하는데, 그러한 슬러리(350)는 고속 교반에 의해 반응기(200)의 중심으로 몰릴 수 있다. 반응기(200)의 중심에 몰린 슬러리(350)는 원심력에 의해 제 1 개구부(254)를 통해, 또는 부분적으로 제 2 개구부(255)를 통해 연결관(253) 내부에 유입된다.
도 5c 내지 도 5e는 듀얼 실린더부(250)의 “압착 행정(squeezing stroke)”을 도시한다. 여기에서 “압착(squeezing)”은 압축(compression) 및 압축에 따른 슬러리 또는 가스하이드레이트의 탈수(demoisturizing)을 포함하는 개념으로 이해되어여 하며, 경우에 따라 가스하이드레이트를 펠릿화(pelletizing)하는 것을 포함하는 개념일 수 있다.
연결관(253) 내부에 충분한 슬러리가 유입되면 상부 실린더(251)가 일정 속도로 하강하여 슬러리를 압착한다. 슬러리를 압축(compression)함으로써 슬러리 주변의 물(습기)가 제거되는데, 이때에 제 2 개구부(255)를 통해 고체 슬러리는 연 결관(253) 외부로 유출되지 않고 오직 물(습기)만 제거된다. 이를 위해 제 2 개구부(255)의 각각의 크기는 슬러리가 연결관(253) 외부로 유출되지 않도록 작은 것이 바람직하다.
여기에서 상부 실린더(251)는 유압으로 작동될 수 있으며, 약 100~200kg/cm2의 높은 압력으로 압착할 수 있다. 이러한 높은 압력에 의한 유압식 작동 및 제 2 개구부(255)의 크기에 의하여, 상기 압착 행정에 의해 슬러리의 압축 및 탈수와 경우에 따라 펠릿화가 동시에 이루어지게 된다.
한편, 이러한 압착 행정은 수회 이루어질 수 있으며, 그 횟수는 사용자에 의해 미리 설정될 수 있다.
도 5c는 상부 실린더(251)가 하강한 상태(1차 압착 행정)를 도시하며, 도 5d는 재압축을 위해 상부 실린더(251)가 다시 상승한 상태를 도시하며, 도 5e는 상부 실린더(252)가 다시 하강한 상태(2차 압착 행정)를 도시한다.
상부 실린더(251)와 하부 실린더(252) 사이에서 가스하이드레이트(400)가 생성되기 위해, 상부 실린더(251)의 하강/압착에 따라 하부 실린더(252)는 소정의 길이만큼 조금씩 아래로 하강하여야 한다. 미리 정해진 횟수만큼의 모든 압착 행정이 완료되면 하부 실린더(252)의 최종 위치는 하부 센서(252b)의 높이에 하부 실린더(252)의 기준면이 배치되도록 할 수 있다.
즉, 하부 실린더(252)는 압착 행정 전후로 그 기준면이 상부 센서(252a)의 위치에서 하부 센서(252b)의 위치로 변경된다. 이에 따라, 생성된 가스하이드레이트의 높이는 상부 센서(252a)와 하부 센서(252b)의 높이 차이(D)와 동일하게 된다. 다시 말하면, 상부 센서(252a)와 하부 센서(252b)의 높이를 변경함으로써 생성되는 가스하이드레이트의 높이를 변경시킬 수 있다.
도 5f는 듀얼 실린더부(250)의 “토출 상태(extracting state)”을 도시한다.
가스하이드레이트 생성이 완료되면 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)는 연결관(253)을 따라 동일한 속도로 하강하며, 이에 따라 그 사이에 형성된 가스하이드레이트(400) 역시 함께 하강하게 된다. 가스하이드레이트(400)를 토출하기 위한 펠릿타이저(140) 및 토출개구부(260)에 상응하는 위치까지 이르게 되며, 이러한 위치를 "토출 위치"라 할 수 있다. 토출 방식은 이하에서 도 6을 참조하여 상세히 설명한다.
가스하이드레이트(400)가 토출된 이후 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)는 다시 최초 상태(도 5a) 또는 슬러리 흡입 상태(도 5b)로 복귀하여 다음 작업을 준비할 수 있다.
요컨대, 반응기(200) 내에 듀얼 실린더부(250)를 설치함으로써, 반응기(200) 내에서 슬러리를 직접 제조함과 동시에 이를 탈수하여 고밀도의 가스하이드레이트 펠릿 제조 과정을 수행할 수 있다.
이렇게 슬러리 제조, 탈수, 가스하이드레이트 펠릿 제조를 동시에 이룸으로써 별도의 추가 공정이 필요하지 않게 되어, 제조 장치의 제조 효율이 증가함은 물 론이며 각 공정의 특별한 제어가 필요 없어지고 각 공정별 온도 및 압력 유지 기기가 필요 없어지며, 더욱이 고밀도의 탈수된 가스하이드레이트 펠릿을 제조할 수 있다는 점은 종래 기술과 크게 차별화되는 장점이라 할 것이다.
한편, 표를 통해 상부 실린더(251)와 하부 실린더(255)의 각각의 상태/행정 별 위치를 정리하면 다음과 같다.
구분 상부 실린더(251) 하부 실린더(252) 참조 도면
최초 상태 A X 도 5a
슬러리 흡입 상태 A Y 도 5b
압축 행정 A ↔ B Y → Y' 도 5c ~ 5e
토출 상태 C Z 도 5f
여기에서 A는 상부 실린더(251)의 최초 상태(도 5a)에서의 높이이며. B는 상부 실린더(251)의 압축 행정 중 최하부(도 5c)의 높이이다. 압축 행정 시에 상부 실린더(251)는 반복적으로 A와 B를 이동한다.
X는 하부 실린더(252)의 최초 상태(도 5a)에서의 높이이며, Y는 하부 실린더(252)의 슬러리 흡입 상태(도 5b)에서의 높이이며, Y'는 하부 실린더(252)의 압축 행정이 완료된 상태(도 5e)에서의 높이이다. Y는 상부 센서(252a) 높이에 상응하며, Y' 하부 센서(252b) 높이에 상응한다. Y와 Y'의 높이 차이는 도 5e에 도시된 D이며, 사용자는 이를 제어함으로써 원하는 가스하이드레이트 크기를 설정할 수 있다.
C와 Z는 각각 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)의 토출 상태(도 5f)에서의 높이이다.
가스하이드레이트의 토출
도 6을 참조하여, 생성된 가스하이드레이트(400)를 토출하는 방법을 설명한다.
가스하이드레이트(400) 생성이 완료되면 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)가 연결관(253)을 따라 하강을 시작한다. 연결관(253)은 반응기(200)를 관통하여 상하부로 연장되며, 반응기(200) 하부측으로 돌출된 연결관(253)에 가스하이드레이트 토출을 위한 토출개구부(260)가 존재한다(도 2 참조). 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)는 토출 위치로, 즉 가스하이드레이트(400)가 토출개구부(260)에 상응하는 위치에 이르도록 하강한다(도 5f 참조).
펠릿타이저(140)는 토출개구부(260)에 상응하는 위치에 설치된다. 듀얼 실린더부(250)가 토출 위치로 하강하여 가스하이드레이트(400)가 토출개구부(260)에 상응하는 위치에 위치하면, 펠릿타이저(140)가 가스하이드레이트(400)를 밀어서 반대측에 위치한 저장부(150)에 가스하이드레이트(400)를 공급할 수 있다.
저장부(150)는 다수의 가스하이드레이트(400)를 저장하는데 바람직한 온도 및/또는 압력을 유지할 수 있도록 이루어질 수 있다.
가스하이드레이트 생성 단계
도 7을 참조하여, 가스하이드레이트 생성 방법을 설명한다.
사용자는 제어부(미도시)에 연결되는 컨트롤 유닛(미도시)을 통해 게스트 분자를 선택하고, 상기 게스트 분자의 가스하이드레이트 생성에 필요한 온도, 압력 등의 작동 파라미터를 입력한다(S100). 이때에 듀얼 실린더부의 압착 행정 횟수, 생산하고자 하는 가스하이드레이트의 총 생산량, 공급할 물과 가스의 양 등을 입력할 수 있다.
입력된 작동 파라미터에 따라 각각 가스 공급부(110)와 급수부(120)로부터 반응기(200)에 가스와 물이 공급된다. 반응기(200)에 직접 공급되거나 또는 벤츄리 밸브(170)를 통해 공급될 수 있다.
바람직한 일 실시예에서, 먼저 급수부(120)에서 직접 반응기(200)에 일정량의 물이 공급되고, 다음 물과 가스가 벤츄리 밸브(170)를 통해 추가로 공급될 수 있다. 일정량에 도달했는지 여부는 반응기(200) 내에 위치하는 수위 센서(미도시)를 이용하여 확인할 수 있다.
반응기(200) 내에 공급된 가스와 물을 교반하여 반응수를 생성하며, 이에 따라 슬러리가 형성된다(S300).
특히, 가스하이드레이트가 연속적으로 생성됨에 따라 물과 가스 및 이에 따른 슬러리가 연속하여 가스하이드레이트로 생성되고 토출되기 때문에, 물과 가스를 지속적으로 공급하여야 하며 슬러리를 지속적으로 형성하여야 한다. 즉, 물과 가스의 공급 단계(S200) 및 슬러리 교반 단계(S300)는, 전체 공정이 이루어지는 한 지속적으로 이루어질 수 있다.
반응기(200)에 위치한 수위 센서, 압력 센서(미도시) 등을 통하여 물과 가스의 부족량 정도를 파악할 수 있으며, 제어부(미도시)를 통해 자동으로 공급되도록 할 수 있다.
슬러리가 형성되기 시작하면 듀얼 실린더부(250)가 작동하여 가스하이드레이트를 생성한다(S400). 전술한 바와 같이, 반응기(200) 내에 위치한 듀얼 실린더부(250)의 작동 만으로 슬러리의 압착, 탈수 및 가스하이드레이트 펠릿의 제조가 동시에 이루어진다는 점은 본 발명의 고유한 장점이다. 이후, 생성된 가스하이드레이트는 펠릿타이저(140)를 이용하여 저장부(150)에 토출된다(S500). 이를 위한 듀얼 실린더부(250)의 작동 순서는 도 8을 참조하여 후술한다.
가스하이드레이트의 추가 생산이 필요한 경우 듀얼 실린더부(250)가 다시 작동하여 가스하이드레이트를 연속적으로 제조할 수 있으며, 그렇지 않은 경우 작동을 마치게 된다(S600). 사용자가 희망하는 가스하이드레이트의 총 생산량, 또는 가스와 물의 총 공급량을 제어부(미도시)에 미리 입력할 수 있으며, 이를 통하여 가스하이드레이트 생산 여부가 자동으로 결정될 수 있다.
가스하이드레이트의 추가 생산이 필요하지 않은 경우 물과 가스의 공급이 중단되며 슬러리 형성이 중단된다(S700). 다음, 반응기(200) 내에 남아있는 유체를 배출부(130)를 통해 외부로 배출시킬 수 있다(S800).
가스하이드레이트의 추가 생산이 필요한 경우 듀얼 실린더부(250)가 연속적으로 작동한다. 가스하이드레이트 생산에 따라 부족해지는 물, 가스는 반응기(200)에 계속 공급되는 상태이며 슬러리 역시 반응기(200) 내에서 계속 형성되는 상태이다.
듀얼 실린더부(250)의 연속 작동에 의해 가스하이드레이트가 연속적으로 생산되어 토출된다. 이러한 연속 작동은 전술한 싸이클의 순환을 의미한다.
듀얼 실린더부 작동 순서
도 8을 참조하여 듀얼 실린더부(250) 작동 순서 및 이에 따른 가스하이드레이트 생성 및 토출 단계(S400~S600)를 상술한다.
가스하이드레이트 연속식 제조 장치(100)의 작동 시작과 동시에 또는 반응기 내에서 슬러리를 형성하면서 하부 실린더(252)가 소정의 위치로 하강하여 슬러리 흡입 상태를 취한다(S410). 이때에 하부 실린더(252)가 연결관(253)의 모든 개구부(254, 255)를 개방하는 위치인 것이 바람직하다(도 5b 참조).
반응기(200) 내에서 슬러리가 생성되며 상부 실린더(251)가 하강하여 슬러리를 압축하는 압착 행정을 시작하고, 이에 따라 하부 실린더(252)는 조금씩 하강한다(S420). 이러한 압착에 의해 슬러리는 압축/탈수되며, 경우에 따라 펠릿화될 수 있다(도 5c ~ 5e 참조).
즉, 상기의 압착 행정에 의해 별도의 탈수, 펠릿타이징 과정이 필요 없어지며 고밀도의 탈수된 가스하이드레이트 펠릿을 동일 공간에소 동시에 효율적으로 제조할 수 있다.
여기에서, 1회의 압착 행정이 완료되면 추가 압착 행정이 필요한지 여부를 확인한다(S430). 사용자는 제어부(미도시)를 통해 1회의 싸이클에서 이루어지는 총 압착 행정 횟수를 미리 입력할 수 있다.
모든 압착 행정이 완료되어 가스하이드레이트가 생성되면, 상부 실린더(251) 및 하부 실린더(252)가 모두 하강하여 토출 위치에 이른다(S440).
토출 위치에서 펠릿타이저(140)가 가스하이드레이트를 저장부(150)에 토출시킨다(S500).
가스하이드레이트가 토출된 이후 상부 실린더(251)와 하부 실린더(252)는 다음 작업을 위해 최초 위치로 복귀한다(S460).
이후, 전술한 바와 같이 가스하이드레이트의 추가 생산이 필요한지 여부가 확인되며(S600), 추가 생산이 필요한 경우 듀얼 실린더부(250)는 싸이클을 반복한다.
이상의 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의해 정하여 져야만 할 것이다.
도 1은 종래 기술에 따른 가스하이드레이트 생성 장치를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스하이드레이트 연속식 생성 장치를 개략적으로 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스하이드레이트 연속식 생성 장치에 포함되는 벤츄리 밸브의 단면도를 도시한다.
도 4a, 4b는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스하이드레이트 연속식 생성 장치의 반응기의 사시도 및 분해도를 도시한다.
도 5a 내지 5f는 본 발명의 일 실시예에 따른 가스하이드레이트 연속식 생성 장치의 반응기의 단면도로서, 각 반응 단계에 따라 도시한다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스하이드레이트 연속식 생성 장치에서 생성된 가스하이드레이트가 토출되는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스하이드레이트 연속식 생성 단계를 설명하는 순서도이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 가스하이드레이트 연속식 생성 단계 중 듀얼 실린더부의 작동을 설명하는 순서도이다.
<주요 도면 부호의 설명>
100 : 가스하이드레이트 연속식 제조 장치
110 : 가스 공급부 111 : 버퍼 탱크
120 : 급수부 121 : 피드 펌프
122 : 피드 탱크 123 : 순환 펌프
130 : 배출부 140 : 펠릿타이저
150 : 저장부 160 : 냉각부
170 : 벤츄리 밸브 171 : 제 1 가스관
172 : 급수관 173 : 배출관
175 : 제 2 가스관
181 : 제 1 유로 182 : 제 2 유로
183 : 제 3 유로 184 : 제 4 유로
185 : 제 5 유로
200 : 반응기
210 : 상부 플레이트 211 : 상부 플레이트 부재
214 : 결합 부재 215 : 밀봉 부재
220 : 하부 플레이트 221 : 제 1 하부 플레이트 부재
222 : 제 2 하부 플레이트 부재 223 : 제 3 하부 플레이트 부재
224 : 결합 부재 225a~c : 밀봉 부재
230 : 디스플레이창 231 : 개구부
232 : 프레임 233 : 윈도우
234 : 결합 부재 235 : 밀봉 부재
240 : 하우징 241 : 반응기 냉각수라인
250 : 듀얼 실린더부 251 : 상부 실린더
252 : 하부 실린더 253 : 연결관
254 : 제 1 개구부 255 : 제 2 개구부
260 : 토출개구부
350 : 슬러리 400 : 가스하이드레이트

Claims (18)

  1. 가스 공급부;
    급수부; 및
    상기 가스 공급부 및 상기 급수부로부터 가스와 물이 각각 공급되며, 상기 공급된 가스와 물이 그 안에서 반응할 수 있는 반응기를 포함하며,
    상기 반응기는 듀얼 실린더부를 포함하며,
    상기 듀얼 실린더부는 상기 가스와 물이 반응한 반응수의 슬러리를 압착(squeezing)하여 가스하이드레이트를 생성할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 듀얼 실린더부는
    상부 실린더;
    하부 실린더; 및
    상기 상부 실린더와 상기 하부 실린더를 연결하는 연결관을 포함하며,
    상기 연결관은 다수의 개구부를 구비하며,
    상기 다수의 개구부를 통하여 상기 반응기 내의 상기 반응수가 상기 연결관의 내부와 외부 사이에서 유체소통 할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응수의 슬러리는 반응수의 회전에 따라 상기 연결관의 다수의 개구부를 통해 상기 듀얼 실린더부 내부에 유입되고,
    상기 상부 실린더와 상기 하부 실린더의 압착 행정에 의해 상기 슬러리가 압착되는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 하부 실린더는 상이한 높이에 위치하는 2개의 센서를 포함하며,
    상기 2개의 센서의 높이를 제어함으로써 상기 생성되는 가스하이드레이트의 높이를 제어할 수 있는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 다수의 개구부는 제 1 개구부와 제 2 개구부를 포함하며,
    상기 제 1 개구부는 상기 제 2 개구부의 상부에 위치하며,
    상기 제 1 개구부의 크기는 상기 제 2 개구부의 크기보다 큰 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스하이드레이트 연속식 제조 장치는 벤츄리 밸브를 더 포함하며,
    상기 벤츄리 밸브는 제 1 가스 공급관을 통해 상기 가스 공급부와 연결되며, 물 공급관을 통해 상기 급수부와 연결되며, 배출관을 통해 상기 반응기와 연결되는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 벤츄리 밸브는 제 2 가스 공급관을 통해 상기 반응기와 연결되는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 가스 공급부로부터 상기 제 1 가스 공급관을 통해 공급된 가스는 상기 벤츄리 밸브에 의해 상기 급수부로부터 상기 물 공급관을 통해 공급된 물과 혼합되어 상기 배출관을 통해 상기 반응기에 공급되며,
    상기 반응기 내에서 물과 반응하지 않은 가스가 상기 제 2 가스관을 통해 상기 벤츄리 밸브에 재공급되어 상기 벤츄리 밸브에 공급된 물과 혼합되어 상기 배출관을 통해 상기 반응기에 재공급되는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  9. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스하이드레이트 연속식 제조 장치는 생성된 가스하이드레이트를 외부로 토출할 수 있는 펠릿타이저를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 듀얼 실린더부는 토출개구부를 포함하며,
    상기 펠릿타이저는, 상기 듀얼 실린더부가 생성된 가스하이드레이트를 상기 토출개구부에 상응하는 위치에 위치시킨 경우 작동하는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  11. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 가스하이드레이트 연속식 제조 장치는 냉각기를 더 포함하며,
    상기 반응기는 그 하우징에 상기 냉각기와 유체 소통 가능한 다수의 냉각 유로를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 장치.
  12. (a) 반응기 내에 물과 가스를 공급하여 반응수를 형성하는 단계;
    (b) 상기 반응수에 슬러리가 형성되도록 교반하는 단계;
    (c) 상기 슬러리를 듀얼 실린더부를 이용하여 압착하여 가스하이드레이트를 생성하는 단계; 및
    (d) 상기 듀얼 실린더부 내에 생성된 가스하이드레이트를 펠릿타이저를 이용하여 토출하는 단계;
    를 포함하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    미리 정해진 가스하이드레이트 생산량에 따라 상기 (a), (b)단계는 계속 이루어지며, 상기 (c), (d)단계는 순차적으로 반복되는 것을 특징으로 하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 방법.
  14. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    (c1) 상기 듀얼 실린더부의 상부 실린더 및 하부 실린더를 최초 위치에 위치시키는 단계;
    (c2) 상기 상부 실린더를 수회 하강시켜 상기 듀얼 실린더부 내의 슬러리를 압착하는 단계
    를 포함하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    (c2') 상기 (c2)단계와 동시에 상기 하부 실린더가 미리 설정된 가스하이드레이트 높이 만큼 하강하는 단계를 더 포함하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 방법.
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 (c)단계는,
    (c3) 상기 상부 실린더와 상기 하부 실린더를 토출 위치에 위치시키는 단계를 더 포함하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 방법.
  17. 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    (a1) 상기 반응기 내에 물을 공급하는 단계;
    (a2) 벤츄리 밸브에 물과 가스를 공급하는 단계;
    (a3) 상기 벤츄리 밸브에 공급된 물과 가스를 상기 반응기에 공급하는 단계
    를 포함하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 방법.
  18. 제 17 항에 있어서,
    상기 (a)단계는,
    (a4) 상기 반응기 내에서 반응하지 않은 가스를 상기 벤츄리 밸브에 재공급하는 단계를 더 포함하는,
    가스하이드레이트 연속식 제조 방법.
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