KR101388900B1 - 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치 및 그 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로서 압력 교체를 이용한 회분식/반회분식 반응기들을 통하여 수화물을 연속적으로 생성하는 공정에 관한 것이다.
본 발명의 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치는 가스 수화물 제조 장치에 있어서, 용기 내부에 수화물을 형성하기 위한 가스와 수화물 형성 매개체를 포함하는 복수 개의 반응기; 상기 가스와 수화물 형성 매개체를 파이프를 통하여 온/오프 제어되도록 상기 반응기에 공급하여 수화물을 형성하는 제1 밸브; 상기 수화물이 형성된 반응기의 외벽에 부착되어 수화물이 형성된 반응기를 냉각시키는 냉/온 순환부; 및 상기 반응기의 미반응된 가스를 가스 전달 파이프를 통하여 다른 반응기에 전달하여 가압을 위한 압력 교체를 하는 가스 전달 밸브;를 포함하며, 상기 냉/온 순환부는 상기 압력 교체 후 형성된 수화물을 가열하여 반응기로부터 탈착시키고 상기 압력 교체는 상기 미반응된 가스가 복수 개의 반응기에 연속적으로 직렬로 전달되어 가스 수화물이 형성될 반응기를 가압시키는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치 및 그 방법에 의하면, 종래의 수화물 연속 공정에서 볼 수 있는 수화물 성장에 의해 생기는 공정 막힘 현상을 제거하고 수화물 형성시 높은 가스 전환율을 얻을 수 있다.

Description

수화물 제조를 위한 연속 제조 장치 및 그 방법{Continuous manufacturing apparatus for hydrate manufacturing and method thereof}
본 발명은 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치 및 그 방법에 관한 것으로서 압력 교체를 이용한 회분식/반회분식 반응기들을 통하여 수화물을 연속적으로 생성하는 공정에 관한 것이다.
일반적으로 천연 가스의 수송은 대개 초저온에서 액체 형태로 변화시키고 저장 및 운반하는 LNG(Liquefied natural gas) 형태, 고압의 가스로 압축하여 저장 및 운반하는 CNG(Compressed natural gas) 형태가 있다.
LNG 형태의 운반은 액체 단위 부피당 약 600 배의 가스를 저장할 수 있는 장점이 있는 반면에 액체로 변환하는 공정은 온도를 상압에서 -161℃로 낮추기 위해서는 압축 및 팽창을 반복해야 하기 때문에 초기 투자비가 비싸다.
또한 CNG는 대개 200 기압 혹은 그 이상의 압축을 요구하기 때문에 압축 비용 뿐 아니라 안정성에 문제가 있을 수 있다.
최근에 안전성 뿐만 아니라 중소 규모의 천연 가스 수송으로 경제적인 수화물 형태로의 전환과 운반을 상업화하는 활동이 한창이다.
천연 가스 수화물은 상대적으로 낮은 압력과 높은 온도(40 bar at 3℃)에서 만들어지며, 이 온도 압력은 액화 천연 가스의 보존 조건 보다 훨씬 좋은 조건이다.
가스 수화물은 물분자들과 분자량이 적은 하이드로카본(hydrocarbon:메탄, 에탄, 프로판,이산화탄소 등) 들로 이루어진 결정 화합물이다.
수화물 구조에서 가스 분자들은 수화물 결정 내에 물분자 동공(Water cage) 라고 불리우는 공간에 저장되어 있다.
가스 수화물은 단위 부피당 약 170 배 단위 부피의 가스가 저장될 수 있고 따라서 가스 수화물은 천연 가스의 저장 및 수송이 안전하고 좋은 매개체이지만, 가스 수화물 형성 속도는 느리고 수율 또한 매우 낮기 때문에 높은 저장 능력에도 불구하고 가스 수화물을 저장 매체로 이용하지 못하였다.
수화물 형성 속도를 향상시키기 위해서는 수용액과 고체 및 기체 계면에서 수화물 형성체의 확산이 원활하게 이루어져야한다.
두가지 방법이 사용되었는데 기계적인 교반과 계면 활성제의 사용이었다.
이러한 가스 수화물 형성에 관한 기술이 일본공개 특허공보 제 2006-111769호(가스 하이드레이트 제조 장치의 탈수 장치)에 개시된다.
상기 일본공개 특허공보 제 2006-111769호의 공정은 도 1에 도시된 바와 같이 가스 하이드레이트 생성기(11), 탈수기(12) 및 반출 장치(13)를 구비한 가스 하이드레이트 제조 장치를 이용하여 천연 가스 수화물을 제조하는 것으로 고압의 반응기 내부에 천연 가스 수화물 슬러리를 생성시킨 다음 탈수 공정을 통하여 천연 가스 수화물 내에 반응하지 못한 물을 회수하여 반응기로 다시 돌려 보내고 탈수된 천연 가스 수화물을 펠렛화하여 상압으로 배출하는 시스템을 사용한다.
이때 생성된 천연 가스 수화물 펠렛이 분해되지 않고 고체 형태를 유지할 수 있도록 냉각하여 화물창으로 보내지게 된다.
그러나, 상술한 기술은 고체 수화물 전환으로 말미암은 공정 막힘 현상과 가스 수화물로의 전환율이 낮다는 문제가 있고 또한 기계적인 수화물 슬러리의 분쇄나 탈수 과정이 필요하고 이때 탈수를 위해 천연 가스 수화물 슬러리를 기계적인 힘이나 원심력을 사용하여 가압하게 되면 천연 가스 수화물 슬러리를 걸러주는 여과망 또는 필터에 얼음막을 형성하여 탈수 능력이 저하되어 주기적으로 여과망 또는 필터를 세척해 주는 장치가 부가적으로 필요하다.
하지만 이러한 방법은 여과망의 수명과 여과망을 세척해주는 장치들의 내구성 문제와 고압 반응기 내부에서 탈수 공정이 이루어져야 하는 장치 구조상의 문제로 인하여 장비의 제작이 어렵고, 장비의 대형화로 인하여 상업화를 위한 대량 생산이 어려워진다.
또한 슬러리를 이송하는 과정 중 관 막힘 현상이 쉽게 일어나 공정 자체가 스톱이 되고 이를 해결하기 위해 슬러리의 이송 결로에 설계와 부가 장치들이 부가적으로 필요하다는 문제가 있다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로써 회분식/반회분식 반응기의 수화물을 신속 형성을 이용하여 복수 개의 반응기를 연결시켜 반응기의 압력을 스윙(Swing)하여 미반응된 가스를 회수하여 재사용하고 반응기의 수화물 생산 싸이클 타임(Cycle time)을 줄여서 새로운 수화물 형성 연속 공정으로 개발하는 것을 목적으로 한다.
이러한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치는 가스 수화물 제조 장치에 있어서, 용기 내부에 수화물을 형성하기 위한 가스와 수화물 형성 매개체를 포함하는 복수 개의 반응기; 상기 가스와 수화물 형성 매개체를 파이프를 통하여 온/오프 제어되도록 상기 반응기에 공급하여 수화물을 형성하는 제1 밸브; 상기 수화물이 형성된 반응기의 외벽에 부착되어 수화물이 형성된 반응기를 냉각시키는 냉/온 순환부; 및 상기 반응기의 미반응된 가스를 가스 전달 파이프를 통하여 다른 반응기에 전달하여 가압을 위한 압력 교체를 하는 가스 전달 밸브;를 포함하며, 상기 냉/온 순환부는 상기 압력 교체 후 형성된 수화물을 가열하여 반응기로부터 탈착시키고 상기 압력 교체는 상기 미반응된 가스가 복수 개의 반응기에 연속적으로 직렬로 전달되어 가스 수화물이 형성될 반응기를 가압시킨다.
여기서, 상기 수화물 형성 매개체는 계면 활성제 용액과 종자 수화물 수용액으로 이루어지며 상기 계면 활성제 용액은 얼음, 수용액 또는 얼음 슬러리 형태 중 어느 하나의 형태이며 상기 수화물은 회분식 또는 반회분식으로 운전된다.
또한, 상기 복수 개의 반응기는 상기 압력 교체를 위한 가스 저장 탱크를 더 구비하며 상기 가스 저장 탱크에 연결된 파이프를 통하여 상기 반응기로부터 미반응된 가스를 상기 가스 저장 탱크에 전달하며, 상기 가스 저장 탱크에 저장된 미반응된 가스는 가스 수화물이 형성될 반응기에 공급되어 가압시킨다.
또한, 상기 복수 개의 반응기는 수화물 탈착 또는 이동중 해리를 방지하기 위하여 외부 파이프에 고정되어 온도 조정가능한 외부 컨테이너 또는 냉동 컨테이너에 설치되며, 상기 외부 파이프는 복수 개의 반응기를 고정하는 복수 개의 파이프로 이루어지며 각각의 파이프는 그 직경이 반응기의 직경보다 크며 상호 일정 간격을 가지고 일렬로 위치한다.
또한, 상기 외부 컨테이너는 내부의 하부에 컨베이어 벨트를 설치하여 탈착된 수화물을 수화물 저장 탱크로 운반한다.
또한, 상기 컨테이너는 탈착된 수화물이 수집되는 하부에 수화물을 펠렛 형태로 제조하기 위한 펠렛 제조기를 더 구비한다.
또한, 상기 컨테이너는 하부에 V자형 수화물 수집부를 설치하거나 대지로부터 경사지게 설치되어 컨베이어 벨트를 이용하지 않고 중력에 의해 제조된 수화물을 수화물 저장 탱크에 운반한다.
또한, 상기 반응기는 수화물을 송출하기 위하여 하부에 반응기 내벽에 접촉하여 실링하는 오링; 상기 오링으로부터 연장된 하부의 원통 형상의 몸체에 상기 반응기 외부에 결합되기 위한 스크류 라인으로 형성된 결합 수단1을 구비한 뚜껑을 포함한다.
또한, 이러한 이러한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 수화물 제조를 위한 연속 제조 방법은 복수 개의 반응기를 구비한 가스 수화물 제조 장치를 이용한 가스 수화물 제조 방법에 있어서, (a) 상기 반응기에 주입된 가스와 수화물 형성 매개체로 가스 수화물을 형성하는 단계; (b) 상기 형성된 가스 수화물의 반응기로부터 미반응된 가스를 다른 반응기로 전달하여 가압을 위한 압력 교체를 하는 단계; 및 (c) 상기 반응기를 가열하여 상기 형성된 가스 수화물을 탈착하는 단계를 포함하며, 상기 (b)단계에서 압력 교체는 상기 미반응된 가스가 복수 개의 반응기에 파이프를 통하여 연속적으로 직렬로 전달되어 가스 수화물이 형성될 반응기를 가압시킨다.
여기서, 상기 단계(c)는 반응기를 수화물 형성을 위해 가압하고, 수화물이 형성되면, 형성된 수화물을 최종 온도로 냉각하고, 냉각된 수화물을 최종 압력으로 감압하고, 감압된 수화물을 가열하여 탈착하는 단계로 이루어진 주기를 갖는다.
본 발명의 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치 및 그 방법에 의하면, 종래의 수화물 연속 공정에서 볼 수 있는 수화물 성장에 의해 생기는 공정 막힘 현상을 제거하고 수화물 형성시 높은 가스 전환율을 얻을 수 있다.
또한, 본 발명의 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치 및 그 방법에 의하면, 복수 개의 반응기를 연결시켜서 시간차를 두어서 생산할 경우에 수화물 형성에 필요한 싸이클 타임을 대폭 줄일 수 있다.
또한, 본 발명의 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치 및 그 방법에 의하면, 기계적인 수화물 슬러리의 분쇄 또는 탈수과정이 필요하지 않고 동시에 고농도의 수화물을 반응기 형상 그대로 탈착시켜 보관하는 단순하고 경제적인 공정을 구현할 수 있다.
도 1은 종래에 따른 탈수 장치를 적용한 가스 하이드레이트 제조 장치의 개략적인 구성도;
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치의 개략적인 구성도;
도 3은 본 발명의 단일 반응기가 수화물을 회분식/반회분식으로 형성시킨 뒤 수화물을 분리 및 생산하는 개념도;
도 4는 도 2에 따른 두 개의 반응기가 압력 스윙(Swing)으로 수화물을 연속 생산하는 개념도;
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 저장 탱크를 이용한 압력 스윙으로 두 개의 반응기에서 수화물을 연속 생산하는 개념도;
도 6은 도 4 및 도 5에 따른 수화물 연속 생산을 위한 반응기 내부의 시간에 따른 온도와 압력 변화를 도시한 도면;
도 7은 본 발명에 따른 수화물 연속 제조를 위한 공정 개념도1;
도 8은 본 발명에 따른 수화물 연속 제조를 위한 공정 개념도2;
도 9는 본 발명에 따른 수화물 연속 제조를 위한 공정 개념도3;
도 10은 도 2에 따른 수화물 송출을 위한 뚜껑의 사시도의 일 실시 예;
도 11은 도 2에 따른 수화물 송출을 위한 뚜껑의 사시도의 다른 실시 예;
이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치의 개략적인 구성도이고, 도 3은 본 발명의 단일 반응기가 수화물을 회분식/반회분식으로 형성시킨 뒤 수화물을 분리 및 생산하는 개념도이고, 도 4는 도 2에 따른 두 개의 반응기가 압력 스윙(Swing)으로 수화물을 연속 생산하는 개념도이고, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 저장 탱크를 이용한 압력 스윙으로 두 개의 반응기에서 수화물을 연속 생산하는 개념도이고, 도 6은 도 4 및 도 5에 따른 수화물 연속 생산을 위한 반응기 내부의 시간에 따른 온도와 압력 변화를 도시한 도면이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치는 가스 수화물 제조 장치로 복수 개의 반응기(110a,110b,--- 110n), 제1 밸브(120), 제2 밸브(130), 가스/매개체 공급원(210), 가스 전달 밸브(140) 및 가스 전달 파이프(141)를 포함하여 구성되며, 상기 반응기(110)는 냉온 순환부(150)와 뚜껑(290)을 구비한다.
본 발명에서 수화물, 가스 수화물, 천연 가스 수화물(NGH:Natural gas hydrate)는 동일한 의미로 사용된다.
상기 반응기(110)는 스테인레스 스틸(Stainless steel) 재질이며 원통형 또는 직관형이며 용기 내부에 수화물을 형성하기 위한 가스와 수화물 형성 매개체(종자 수화물 용액과 계면 활성제 수용액)를 적재하는 일정 공간을 가진다.
상기 제1 밸브(120)는 제어부(미도시)에 의해 온/오프 제어되는 전자 밸브로 이루어지며 상기 가스와 수화물 매개체를 가스/매개체 공급원(210)으로부터 파이프를 통하여 반응기(110)에 공급한다.
상기 제2 밸브(130)는 반응기(130)의 가스 압력을 감소시키기 위하여 가스를 배출하는 밸브이다.
상기 냉/온 순환부(150)는 사형 파이프 형상으로 이루어져 상기 사형 파이프의 내부 유로를 통하여 냉매 또는 열매가 흐르며 반응기(150)의 외벽에 부착되어 수화물이 형성된 반응기를 냉각 또는 가열시킨다.
상기 가스 전달 밸브(140)는 가스 전달 파이프(141)와 직렬 연결되며 각각의 반응기(110) 사이에 직렬 연결되며 반응기(110)에서 수화물이 형성되고 남은 미반응된 가스를 수화물 형성 예정인 다음 반응기(110)에 전달하여 가압을 하는 압력 교체 역할을 한다.
또한, 냉/온 순환부(150)는 상기 압력 교체 후 형성된 수화물을 열매를 통하여 가열하여 반응기(110)로부터 탈착시킨다.
즉, 압력 교체란 미반응된 가스가 복수 개의 반응기(110)에 연속적으로 직렬로 전달되어 가스 수화물이 형성될 반응기(110)를 가압시키는 것이다.
상기 수화물 형성 매개체는 계면 활성제 용액과 종자 수화물 수용액으로 이루어지며 상기 계면 활성제 용액은 얼음, 수용액 또는 얼음 슬러리 형태 중 어느 하나의 형태이며 본 발명의 수화물은 회분식 또는 반회분식으로 형성될 수 있다.
가스/매개체 공급원(210)은 가스, 계면 활성제 용액, 종자 수화물 수용액 저장 탱크와 용액(수용액) 순환 펌프를 구비하고 파이프와 연결된 제1 밸브(120)를 통하여 반응기(110)에 가스, 계면 활성제 용액, 종자 수화물 수용액을 공급한다.
상기 계면 활성제 용액은 얼음, 수용액 또는 얼음 슬러리 중 하나의 형태이다.
도 3을 참조하면, 천연 가스 수화물을 회분식 또는 반회분식으로 형성시키고, 반응기(110)를 냉각시킨 다음(또는 반응기 냉각과 함께) 미반응된 가스를 배출시키고 벽면 가열후 반응기(110) 하부로 수화물(160:NGH)을 분리시킨다.
도 4를 참조하면, 두 개의 반응기(110a,110b)를 연결하여 도 2의 단일 반응기의 수화물 형성, 냉각, 감압, 벽면 가열, 탈착을 반복하는 과정을 보여 주고 있다.
감압시 반응기2(110b)로 미반응된 가스가 공급되고 반응기2(110b)에서 수화물 형성시에 이용된다.
반응기1(110a)에서 반응기를 원하는 압력으로 가압하고 수화물을 생성시킨다.
이 때 소량의 종자 수화물 용액과 계면 활성제 수용액을 먼저 반응기에 채운 다음(회분식) 가스를 가압하여 수화물을 신속하게 형성시킬 수도 있고 종자 수화물을 먼저 공급하고 가스로 반응기를 가압한 후 계면 활성제를 공급하는 반회분식도 사용할 수 있다.
수화물 생성 후에 반응기1(110a)를 냉각하고 감압한다.
이 때 감압은 반응기1(110a) 상부에 미반응된 가스를 반응기2(110b)로 옮기고 반응기2(110b)의 수화물은 추가 가압 후 수화물 형성이 시작된다.
반응기1(110a)에서는 벽면을 가열한 후 수화물을 탈착시킨다.
2개의 반응기로서 압력 스윙(Pressure swing) 조업을 할 경우 한 반응기당 싸이클 타임(Cycle time:한 batch의 시작에서 다음 batch가 시작될때 까지의 시간)이 5시간으로 반응기마다 2시간의 아이들 타임(Idle time:조업을 하지 않는 시간)이 있다.
하지만 3개의 반응기를 연결할 경우는 반응기당 아이들 타임이 45분이 된다.
반응기 4개를 연결하면 반응기당 아이들 타임이 20분, 5개를 연결하면 10분 이하가 되며 6개를 연결하면 아이들 타임 없이 계속해서 반응기들이 수화물의 형성에 사용됨을 알 수 있다.
따라서 약 6개 이상의 반응기를 연결하여 사용할 경우 아이들 타임이 없고 모든 반응기들에서 수화물의 생산이 연속적으로 이루어짐을 알 수 있다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 다른 생산 계획 공정(방법)을 보여주고 있다.
이 경우에는 반응기들(110a,110b) 사이에 가스 저장 탱크(170)를 구비하여 각 반응기에서 미반응된 가스를 모아서 각 반응기에 다시 공급하여 재사용할 수 있는 구조로 된다.
반응기1(110a)에서 반응기를 냉각 가압하여 수화물을 형성시킨 후 반응기를 추가로 냉각시키고 미반응 가스를 파이프를 통하여 가스 저장 탱크(170)로 이송하여 감압시키고 벽면을 가열하여 수화물을 탈착한다.
반응기2(110b)에서는 파이프를 통하여 가스 저장 탱크(170)에 존재하는 가스를 받아들이고 추가로 가압하여 수화물을 형성시키고 반응기1(110a)과 동일한 작업들을 수행한다.
한편 반응기1(110a)에서는 아이들 타임이 전혀 존재하지 않고 다음 공정 싸이클을 진행하게 된다.
상술한 회분식 연속 공정의 장점은 첫째로 미반응된 가스를 추가로 가압하는 단계가 필요하지 않으며 재사용할 수 있다.
여러(2개 이상의 복수 개) 반응기를 연속적으로 활용하여 각 반응기에서 일정한 속도로 수화물을 생산하는 스케쥴이어서 가스 가압 및 공급 장치가 모든 반응기들이 동시에 수화물을 생산할 때 보다 작은 규모로 설치할 수 있으므로 경제적이다.
또한 기계적인 교반과 분쇄 등을 수반한 타 연속 공정에서보다 공정의 막힘이 적고 가스가 165 vol/vol 이상 함유된 고농도의 수화물을 생산할 수 있다.
도 6을 참조하면, 두 개의 반응기의 압력 스윙 조업의 예를 보여주고 있다.
반응기1(110a)은 420 ml 크기의 반응기이며 반응기2(110b)는 400 ml 짜리 반응기이다.
0.5 ml Cyclopentane hydrate slurry를 종자 수화물로 500 ppm Sodium dodecyl sulfate(SDS) 계면 활성제 용액 100 ml를 사용하여 각 반응기에서 회분식으로 고농도의 메탄 수화물이 만들어졌다.
각 반응기 형성 시작 조건은 메탄 55~57 atm 그리고 2~3 ℃ 이다.
약 50분의 수화물 형성 시간 후에 반응기1(110a)의 온도를 - 6.5 ℃로 낮추고 그 후 반응기1(110a)에서 미반응된 가스를 반응기2(110b)로 이송하여 감압을 실시한다.
이어서 반응기1(110a)에서 반응기 벽을 가열하여 수화물을 탈착시키며, 반응벽 가열은 20~45 ℃ 물을 이용한다.
약 120분(2시간) 만에 반응기1(110a)의 조업이 끝나고 반응기2(110b)의 추가 가압 및 반응기 냉각을 통해 반응기2(110b)에서 수화물 형성이 시작되고 약 50분만에 수화물 형성이 끝나게 된다.
도 7은 본 발명에 따른 수화물 연속 제조를 위한 공정 개념도1이고, 도 8은 본 발명에 따른 수화물 연속 제조를 위한 공정 개념도2이고, 도 9는 본 발명에 따른 수화물 연속 제조를 위한 공정 개념도3이다.
도 7을 참조하면, 여러 개의 반응기(110)를 대형 외부 파이프(220)에 설치한 구조로 수화물 형성을 압력 교체 방식으로 연속적으로 생산하여 컨베이어 벨트(230)로 NGH 저장 탱크(260)로 옮기는 구조이다.
여기에 펠렛 제조기(250)를 설치하여 수화물을 펠렛(Pellet) 형태로 만들 수 있다.
도 8은 외부 파이프(220) 및 외부 컨테이너(240)가 평지에 대해 약 10도 이상 경사지게 설치되어 컨베이어 벨트(230)를 없앤 구조이며 도 9는 냉동고 또는 냉동 컨테이너(270) 내부에 복수 개의 반응기(110)를 설치하여 압력 교체 형식으로 수화물을 연속적으로 만들고 NGH 저장 탱크(260)에 송출하는 공정이다.
즉, 복수 개의 반응기(110)는 수하물 탈착 또는 이동중 해리를 방지하기 위하여 외부 파이프(220)에 수납 및 고정되어 온도 조정가능한 외부 컨테이너(240) 또는 냉동 컨테이너(270) 내부 또는 외부 또는 외부/내부에 설치되며, 상기 외부 파이프(220)는 복수 개의 반응기(110)를 고정하는 복수 개의 파이프로 이루어지며 각각의 파이프는 그 직경이 반응기(110)의 직경보다 크며 상호 일정 간격을 가지고 일렬로 위치한다.
또한 외부 컨테이너(240)는 그 내부의 하부에 컨베이어 벨트(230)를 설치하여 탈착된 수화물을 수화물 저장 탱크(260)로 운반한다.
또한 상기 컨테이너(240,270)는 탈착된 수화물이 수집되는 하부에 수화물을 펠렛 형태로 제조하기 위한 펠렛 제조기(250)를 더 구비한다.
냉동 컨테이너(270)는 하부에 V자형 수화물 수집부(280)를 설치하며, 외부 컨테이너(240)는 대지로부터 경사지게 설치되어 컨베이어 벨트(230)를 이용하지 않고 중력에 의해 제조된 수화물을 수화물 저장 탱크260)에 운반한다.
도 10은 도 2에 따른 수화물 송출을 위한 뚜껑의 사시도의 일 실시 예이고, 도 11은 도 2에 따른 수화물 송출을 위한 뚜껑의 사시도의 다른 실시 예이다.
도 10을 참조하면, 반응기(110) 하부 수화물 송출을 위한 반응기 하부 뚜껑1(290)은 나사선으로 반응기 외부(294)와 연결되며 뚜껑(290)의 윗 부분은 반응기 하부 내경과 일치하며 오링(O-ring)으로 반응기 하부와 실링이 된다.
도 11을 참조하면, 반응기(110)의 뚜껑2(299)은 90도 시계 방향으로 회전시켜 반응기 하부를 닫거나 시계 반대 방향으로 90도 회전시켜 반응기 뚜껑을 열어서 수화물을 송출하는 방식이다.
즉, 반응기(110)는 수화물을 송출하기 위하여 반응기 하부에 위치하며 반응기 내벽에 접촉하여 실링하는 오링(293)과 오링(293)으로부터 연장된 하부의 원통 형상 주변에 나사선 또는 스크류 라인(292)이 형성된 몸체(291)로 이루어진 뚜껑1(290)을 포함하여 구성된다.
또한 본 발명의 뚜껑의 다른 실시 예인 도 11의 뚜껑2(299)는 결합을 위해 분리 형성된 복수 개의 나사선 또는 스크류 라인(295), 반응기 내부와 실링되는 오링(293)을 포함하여 구성되며, 나사선 또는 스크류 라인(295)은 반응기 외부(294)와 결합된다.
뚜껑2(299)는 30~360도 각도로 쪼여서 오링(293)으로 실링하고, 뚜껑1(290)은 나사선(292)를 이용하여 오링(293)을 압착하여 실링하는 구조이다.
복수 개의 반응기(110)를 구비하고 상술한 가스 수화물 제조 장치를 이용하여 가스 수화물을 제조하는 방법은 아래와 같다.
우선, 가스 수화물 제조 장치는 반응기(110)에 가스와 수화물 형성 매개체를 회분식 또는 반회분식 타입으로 주입하여 가스 수화물을 형성한다(1단계).
1단계 후, 가스 수화물이 형성된 반응기로부터 미반응된 가스를 다른 반응기(수화물 생성 예정인 반응기)로 전달하여 가압을 위한 압력 교체를 실시한다(2단계).
2단계 후, 상기 반응기를 가열하여 형성된 수화물을 탈착한다(3단계).
2단계에서 상기 압력 교체는 미반응된 가스가 복수 개의 반응기(110)에 파이프를 통하여 연속적으로 직렬로 전달되어 가스 수화물이 형성될 반응기를 가압시킨다.
제3단계에서 가스 수화물 제조 장치는 반응기를 수화물 형성을 위해 가압하고, 수화물이 형성되면 형성된 수화물을 최종 온도(상술한 -6.5 ℃ 근방)로 냉각하고 냉각된 수화물을 최종 압력(도 6의 5~10 atm)으로 감압하고 감압된 수화물을 가열하여 탈착하는 과정으로 이루어진 주기를 갖는다.
본 발명은 압력 교체를 이용한 회분식, 반회분식 반응기들(110)을 통하여 수화물을 연속적으로 생성하는 공정 개발에 관한 것으로 반응기(110)를 여러 대 연결시켜서 시간차를 두어서 생산할 경우(Swing operation) 수화물 형성에 필요한 싸이클 타임을 대폭 줄여서 연속 공정과 동일한 효과를 얻을 수 있다.
본 회분식/반회분식 연속 공정은 기존의 수화물 연속 공정에서 볼 수 있는 수화물 성장에 의해 생기는 공정 막힘 현상을 제거하고 수화물 형성시 높은 가스 전환율을 얻을 수 있는 장점을 가진다.
본 발명은 또한, 기존의 연속 공정에서와 같이 기계적인 수화물 슬러리의 분쇄나 탈수 과정이 필요하지 않고 동시에 고농도의 수화물을 반응기 형상 그대로 탈착시켜 보관하는 단순하고 경제적인 공정이다.
따라서, 기존의 연속 공정에서 흔히 볼 수 있는 고체 수화물 전환으로 말미암은 공정 막힘 현상과 가스의 수화물로의 낮은 전환율을 막을 수 있는 공정이다.
110a : 제1 반응기 110b : 제2 반응기
110n : 제n 반응기 120 : 제1 밸브
130 : 제2 밸브 140 : 가스 전달 밸브
141 : 가스 전달 파이프 150 : 온/냉 순환부
160 : NGH 170 : 가스 저장 탱크
210 : 공급부 220 : 외부 파이프
230 : 컨베이어 벨트 240 : 외부 컨테이너
250 : 펠렛 제조기 260 : NGH 저장 탱크
270 : 냉동 컨테이너 280 : 수화물 수집부
290 : 뚜껑1 292 : 결합 수단1
293 : 오링 294 : 반응기 외부
295 : 결합 수단2 299 : 뚜껑2

Claims (10)

  1. 가스 수화물 제조 장치에 있어서,
    용기 내부에 수화물을 형성하기 위한 가스와 수화물 형성 매개체를 포함하는 복수 개의 반응기;
    상기 가스와 수화물 형성 매개체를 파이프를 통하여 온/오프 제어되도록 상기 반응기에 공급하여 수화물을 형성하는 제1 밸브;
    상기 수화물이 형성된 반응기의 외벽에 부착되어 수화물이 형성된 반응기를 냉각시키는 냉/온 순환부; 및
    상기 반응기의 미반응된 가스를 가스 전달 파이프를 통하여 다른 반응기에 전달하여 가압을 위한 압력 교체를 하는 가스 전달 밸브;를 포함하며,
    상기 냉/온 순환부는 상기 압력 교체 후 형성된 수화물을 가열하여 반응기로부터 탈착시키고 상기 압력 교체는 상기 미반응된 가스가 복수 개의 반응기에 연속적으로 직렬로 전달되어 가스 수화물이 형성될 반응기를 가압시키는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 수화물 형성 매개체는 계면 활성제 용액과 종자 수화물 수용액으로 이루어지며 상기 계면 활성제 용액은 얼음, 수용액 또는 얼음 슬러리 형태 중 어느 하나의 형태이며 상기 수화물은 회분식 또는 반회분식으로 운전되는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 반응기는 상기 압력 교체를 위한 가스 저장 탱크를 더 구비하며 상기 가스 저장 탱크에 연결된 파이프를 통하여 상기 반응기로부터 미반응된 가스를 상기 가스 저장 탱크에 전달하며, 상기 가스 저장 탱크에 저장된 미반응된 가스는 가스 수화물이 형성될 반응기에 공급되어 가압시키는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 반응기는 수화물 탈착 또는 이동중 해리를 방지하기 위하여 외부 파이프에 고정되어 온도 조정가능한 외부 컨테이너 또는 냉동 컨테이너에 설치되며, 상기 외부 파이프는 복수 개의 반응기를 고정하는 복수 개의 파이프로 이루어지며 각각의 파이프는 그 직경이 반응기의 직경보다 크며 상호 일정 간격을 가지고 일렬로 위치하는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 외부 컨테이너는 내부의 하부에 컨베이어 벨트를 설치하여 탈착된 수화물을 수화물 저장 탱크로 운반하는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 컨테이너는 탈착된 수화물이 수집되는 하부에 수화물을 펠렛 형태로 제조하기 위한 펠렛 제조기를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 컨테이너는 하부에 V자형 수화물 수집부를 설치하거나 대지로부터 경사지게 설치되어 컨베이어 벨트를 이용하지 않고 중력에 의해 제조된 수화물을 수화물 저장 탱크에 운반하는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 반응기는 수화물을 송출하기 위하여 반응기 하부에 위치하며 반응기 내벽에 접촉하여 실링하는 오링;과 상기 오링으로부터 연장된 하부의 원통 형상 주변에 나사선이 형성된 몸체로 이루어진 뚜껑을 포함하는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 장치.
  9. 복수 개의 반응기를 구비한 가스 수화물 제조 장치를 이용한 가스 수화물 제조 방법에 있어서,
    (a) 상기 반응기에 주입된 가스와 수화물 형성 매개체로 가스 수화물을 형성하는 단계;
    (b) 상기 형성된 가스 수화물의 반응기로부터 미반응된 가스를 다른 반응기로 전달하여 가압을 위한 압력 교체를 하는 단계; 및
    (c) 상기 반응기를 가열하여 상기 형성된 가스 수화물을 탈착하는 단계를 포함하며,
    상기 (b)단계에서 압력 교체는 상기 미반응된 가스가 복수 개의 반응기에 파이프를 통하여 연속적으로 직렬로 전달되어 가스 수화물이 형성될 반응기를 가압시키는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 단계(c)는 반응기를 수화물 형성을 위해 가압하고, 수화물이 형성되면, 형성된 수화물을 최종 온도로 냉각하고, 냉각된 수화물을 최종 압력으로 감압하고, 감압된 수화물을 가열하여 탈착하는 단계로 이루어진 주기를 갖는 것을 특징으로 하는 수화물 제조를 위한 연속 제조 방법.
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