KR101652013B1 - 하이드레이트 생성 장치 및 이를 이용한 수처리 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 하이드레이트 생성 장치는 내부에 하이드레이트가 생성되는 반응공간이 마련된 본체부, 상기 본체부의 일측에 연결되어 상기 하이드레이트를 생성하기 위한 호스트 물질과 게스트 물질을 상기 반응공간으로 유입하는 유입관부, 상기 본체부의 타측에 연결되어 상기 반응공간에서 생성된 하이드레이트를 외부로 배출하는 배출관부, 및 상기 반응공간 내부에 설치되어 상기 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질 중 적어도 어느 하나인 피분쇄물을 미세한 크기의 입자로 분쇄함으로써 상기 하이드레이트의 생성을 위한 반응 면적을 증가시키는 분쇄장치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

하이드레이트 생성 장치 및 이를 이용한 수처리 장치{Apparatus for Forming Hydrate and Water treatment apparatus using it}

본 발명은 하이드레이트 생성 장치 및 이를 이용한 수처리 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응기의 입구부를 통해 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질을 미세한 크기의 입자로 분쇄하여 상기 호스트 물질과 게스트 물질의 접촉 면적을 증가시킴으로써 하이드레이트 생성 효율을 현저히 향상시킬 수 있는 하이드레이트 생성 장치 및 이를 이용한 수처리 장치에 관한 것이다.

수처리 기술 중 하나인 해수 담수화 기술은 국내외의 물 수요를 해결하고 대체 수자원 확보기술을 제공함과 동시에 해외시장을 개척하며 고부가가치의 창출이 가능한 대표적인 기술분야이며, 이러한 해수담수화 시장은 현재 300만 톤/일 규모이고 2015년에는 620만 톤/일 규모로 성장할 것으로 전망되고 있다.

또한, 해수 담수화 기술은 국내외 물 부족 지역에 대한 대체 수자원 제공의 해결책이 되고 있으며, 특히 환경문제의 논란이 야기되고 있는 댐 공사를 통한 수자원 확보 방안을 대체함으로써 비용을 절감하고 환경적 문제를 개선할 수 있기 때문에 향후에도 그 수요가 지속적으로 증가할 것으로 예상된다.

이러한 해수 담수화 방법으로서 종래에는 크게 증발법과 역삼투법을 적용하였는데, 상기 증발법은 수분 증발에 필요한 에너지의 소비량이 많아 경제성이 떨어지고 대용량의 제반 설비를 필요로 하는 단점이 있기 때문에 근래에는 역삼투법을 이용한 해수 담수화 방법이 주로 사용되고 있다.

그러나, 이러한 역삼투법의 경우에도 복잡한 전처리 공정, 빈번한 역삼투막의 교체, 및 염분의 농도가 높은 해수를 처리하기 위해서는 에너지 소모가 많은 문제점을 가지고 있기 때문에 이를 대체하거나 보완하기 위한 새로운 방식의 해수 담수화 기술이 절실히 요구되고 있다.

이를 위하여 최근에는 해수 담수화를 포함한 수처리에 가스 하이드레이트의 생성 원리를 이용하려는 연구개발이 이루어지고 있는데, 이러한 가스 하이드레이트의 생성 원리를 이용한 수처리 기술에 관한 내용은 본 발명의 출원인이 출원한 하기 [문헌 1] 등에 상세히 개시되어 있다.

상기 가스 하이드레이트의 생성 원리를 이용한 수처리 기술은 해수와 같은 피처리수에 기상의 게스트 물질을 도입하여 이들의 반응에 의해 생성된 가스 하이드레이트를 해리시켜 순수한 물을 얻는 방식이기 때문에 가스 하이드레이트의 생성 효율에 따라 수처리 효율이 좌우되는데, 종래 기술에 따른 가스 하이드레이트 생성 원리를 이용한 수처리 기술의 경우 낮은 가스 하이드레이트 생성 효율로 인하여 많은 장점에도 불구하고 역삼투법을 대체하기 곤란한 문제점이 있었다.

[문헌 1] 한국공개특허 제2009-0122811호(2009. 12. 1. 공개)

본 발명은 상술한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 목적은 반응기의 입구부를 통해 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질을 미세한 크기의 입자로 분쇄하여 상기 호스트 물질과 게스트 물질의 접촉 면적을 증가시킴으로써 하이드레이트 생성 효율을 현저히 향상시킬 수 있는 하이드레이트 생성 장치 및 이를 이용한 수처리 장치를 제공하기 위한 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 종래 사용되던 다른 게스트 물질보다 상대적으로 낮은 압력과 높은 온도 조건에서 하이드레이트의 형성이 가능할 뿐만 아니라, 기상과 대비할 때 물분자와의 접촉 빈도가 현저히 큰 액상의 SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나를 게스트 물질로 사용함으로써 하이드레이트의 생성 효율을 더욱 현저히 향상시킬 수 있는 하이드레이트 생성 장치 및 이를 이용한 수처리 장치를 제공하기 위한 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 하이드레이트 생성 장치는 내부에 하이드레이트가 생성되는 반응공간이 마련된 본체부, 상기 본체부의 일측에 연결되어 상기 하이드레이트를 생성하기 위한 호스트 물질과 게스트 물질을 상기 반응공간으로 유입하는 유입관부, 상기 본체부의 타측에 연결되어 상기 반응공간에서 생성된 하이드레이트를 외부로 배출하는 배출관부, 및 상기 반응공간 내부에 설치되어 상기 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질 중 적어도 어느 하나인 피분쇄물을 미세한 크기의 입자로 분쇄함으로써 상기 하이드레이트의 생성을 위한 반응 면적을 증가시키는 분쇄장치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분쇄장치부는 상기 반응공간 내부에 고정 설치되고, 상기 유입관부와 연통되는 중앙부를 통해 상기 피분쇄물이 유입되는 원통형의 고정자와, 상기 고정자의 중앙부에 회전 가능하도록 설치되고, 내부에 상기 유입된 피분쇄물을 수용하는 원통형의 회전자를 포함하되, 상기 회전자의 외측면은 고정자의 내측면과 일정 간극을 형성하고, 상기 회전자의 측면에는 회전력에 의해 내부에 수용된 피분쇄물을 상기 간극 방향으로 배출하는 복수의 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 고정자의 측면에는 간극으로 배출되는 피분쇄물을 상기 반응공간으로 배출하는 복수의 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 분쇄장치부는 상기 원통형의 반응공간 내부에 회전 가능하도록 설치되고, 상기 유입관부와 연통되는 중앙부를 통해 유입되는 상기 피분쇄물을 내부에 수용하는 원통형의 회전자를 포함하여 구성되되, 상기 회전자의 외측면은 본체부의 내측면과 일정 간극을 형성하고, 상기 회전자의 측면에는 회전력에 의해 내부에 수용된 피분쇄물을 상기 간극 방향으로 배출하는 복수의 유로가 형성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 호스트 물질은 피처리수인 오염수 또는 해수이고, 상기 게스트 물질은 기상 또는 액상의 SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유입관부 또는 본체부의 적어도 일측에는 상기 유입관부의 내부 또는 반응공간의 내부 온도를 미리 정해진 온도 범위로 유지시키는 열전소자모듈이 설치되되, 상기 열전소자모듈의 냉각면은 상기 유입관부의 내부 또는 반응공간 방향으로 설치되고, 발열면은 상기 유입관부 또는 본체부의 외면 방향으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본체부는 내부에 상기 반응공간을 형성하는 제1본체, 상기 제1본체와의 사이에 냉각공간을 형성하도록 상기 제1본체의 외면에 자켓(jacket) 구조로 형성되는 제2본체, 및 상기 냉각공간으로 냉각유체를 유동시켜 상기 반응공간의 내부 온도를 미리 정해진 온도 범위로 유지시키는 냉각모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본체부는 상기 제1본체의 적어도 일측에 설치된 열전소자모듈을 더 포함하되, 상기 열전소자모듈의 냉각면은 상기 반응공간 방향으로 설치되고, 발열면은 상기 냉각공간 방향으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 수처리 장치는 내부의 반응공간에서 하이드레이트를 생성시켜 배출하는 반응기, 상기 하이드레이트의 생성을 위한 호스트 물질인 피처리수를 상기 반응기 내부의 반응공간으로 공급하는 호스트 물질 공급부, 상기 하이드레이트의 생성을 위한 게스트 물질을 상기 반응기 내부의 반응공간으로 공급하는 게스트 물질 공급부, 상기 배출된 하이드레이트를 탈수하는 탈수기, 상기 탈수된 하이드레이트를 처리수와 게스트 물질로 각각 분리하여 배출하는 해리기를 포함하여 구성되되, 상기 반응기는 내부에 반응공간을 형성하는 본체부와, 상기 반응공간 내부에 설치되어 상기 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질 중 적어도 어느 하나인 피분쇄물을 미세한 크기의 입자로 분쇄함으로써 상기 하이드레이트의 생성을 위한 반응 면적을 증가시키는 분쇄장치부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본체부는 내부에 상기 반응공간을 형성하는 제1본체, 상기 제1본체와의 사이에 냉각공간을 형성하도록 상기 제1본체의 외면에 자켓(jacket) 구조로 형성되는 제2본체, 및 상기 냉각공간으로 냉각유체를 유동시켜 상기 반응공간의 내부 온도를 미리 정해진 온도 범위로 유지시키는 냉각모듈을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 본체부는 상기 제1본체의 적어도 일측에 설치된 열전소자모듈을 더 포함하되, 상기 열전소자모듈의 냉각면은 상기 반응공간 방향으로 설치되고, 발열면은 상기 냉각공간 방향으로 설치되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 해리기는 내부에 해리공간을 형성하는 내부 본체와 상기 내부 본체의 외면에 형성된 외부 본체 사이에 가열공간이 형성된 자켓 구조이고, 상기 냉각모듈은 냉각유체를 상기 반응기 본체부의 냉각공간과 상기 해리기의 가열공간에 순환시키도록 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 해리기에서 배출되는 게스트 물질을 회수하여 상기 게스트 물질 공급부로 재공급하는 회수기를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 반응공간에 공급되는 게스트 물질은 액상의 SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나이고, 상기 회수기는 해리기로부터 회수된 기상의 게스트 물질을 액화시켜 상기 게스트 물질 공급부로 재공급하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 하이드레이트 생성 장치 및 이를 이용한 수처리 장치는 반응기 내부에 설치된 분쇄장치부를 이용하여 상기 반응기의 입구부를 통해 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질을 미세한 크기의 입자로 분쇄함으로써 상기 호스트 물질과 게스트 물질의 접촉 면적을 증가시키도록 구성되기 때문에 단순히 호스트 물질과 게스트 물질을 반응기에 주입하는 종래 기술과 대비할 때 하이드레이트 생성 효율을 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 하이드레이트 생성 장치 및 이를 이용한 수처리 장치는 액상의 SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나를 게스트 물질로 사용하기 때문에 상대적으로 낮은 압력과 높은 온도 조건에서 하이드레이트의 형성이 가능할 뿐만 아니라 기상의 게스트 물질을 사용하는 경우보다 하이드레이트의 생성 속도가 현저히 빨라져서 하이드레이트의 생성 효율을 더욱 현저히 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 수처리 장치는 하이드레이트의 생성열이 발생되는 반응기와 하이드레이트의 해리에 열량이 필요한 해리기 사이에 열교환이 이루어지도록 구성함으로써 수처리 장치의 운용에 소요되는 에너지 소모를 최소화할 수 있는 장점이 있다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이드레이트 생성 장치의 구성을 나타낸 사시도,
도2는 도1의 A-A부에 대한 단면도,
도3은 도2의 B-B부에 대한 단면도,
도4a와 도4b는 본 발명에 따른 하이드레이트 생성 장치에서 적용한 분쇄장치부를 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 대한 하이드레이트 생성 효율의 차이를 비교한 실험결과를 나타낸 도면,
도5와 도6은 각각 본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에 따른 하이드레이트 생성 장치의 구성을 나타낸 단면도, 및
도7은 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 따른 하이드레이트 생성 장치를 이용한 수처리 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.

이하에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 이용하여 상세히 설명하기로 한다.

도1은 본 발명의 제1실시예에 따른 하이드레이트 생성 장치의 구성을 나타낸 사시도이고, 도2는 도1의 A-A부에 대한 단면도이며, 도3은 도2의 B-B부에 대한 단면도이다.

본 발명의 제1실시예에 따른 하이드레이트 생성장치는 내부에 하이드레이트가 생성되는 반응공간(11)이 마련된 본체부(10), 상기 본체부(10)의 일측에 연결되어 상기 하이드레이트를 생성하기 위한 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)을 상기 반응공간(11)으로 유입하는 유입관부(20), 및 상기 본체부(10)의 타측에 연결되어 상기 반응공간(11)에서 생성된 하이드레이트를 외부로 배출하는 배출관부(30)를 포함하여 구성된다.

본 실시예에서는 일예로서 상기 본체부(10)를 원통형으로 구성하고, 상기 유입관부(20)가 본체부(10)의 상면(12) 중앙부를 통해 상기 반응공간(11)과 연통되도록 구성하였으며, 상기 배출관부(30)는 본체부(10)의 측면(13)을 통하여 상기 반응공간(11)과 연통되도록 구성하였다.

또한, 상기 유입관부(20)에는 하이드레이트를 형성하기 위한 호스트 물질(H)과 게스트 물질(H)을 공급하는 호스트 물질 탱크(40) 및 게스트 물질 탱크(50)가 각각 제1공급관(41)과 제2공급관(51)을 통해 연결된다.

또한, 상기 제1공급관(41)과 제2공급관(51) 각각의 중도에는 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)을 공급하기 위한 제1,2공급펌프(42,52)가 설치되어 있으며, 필요에 따라서는 이들 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)의 공급을 제어하기 위한 제어밸브(미도시)가 더 설치될 수도 있다.

이때, 상기 유입관부(20)에 연결되는 제1공급관(41) 또는 제2공급관(51) 중 적어도 어느 하나의 단부는 벤츄리관이나 노즐관 형상으로 구성되는 것이 더욱 바람직한데, 이와 같이 구성될 경우 상기 유입관부(20)의 내부로 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질의 유입 속도가 크게 증가되기 때문에 양 물질의 혼합이 보다 잘 이루어짐으로써 하이드레이트의 생성효율을 더욱 향상시킬 수 있는 장점이 있다.

또한, 본 실시예에서는 일예로서 상기 유입관부(20)의 출구(즉, 반응공간과 연통되는 부분)가 통상의 관 형상으로 구성된 경우를 설명하나, 필요에 따라서는 상기 유입관부(20)의 출구도 벤츄리관이나 노즐관 형상으로 구성될 수 있다.

또한, 상기 호스트 물질(H)은 피처리수로서 오염물질 제거가 필요한 오염수(오수, 폐수 등)이거나 담수화가 필요한 해수일 수 있다.

또한, 상기 게스트 물질(G)은 기상 또는 액상일 수 있는데, 기상일 경우 CH₄, C₂H₆, C₃H₈, CO₂, H₂, Cl₂, SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나일 수 있으며, 액상일 경우 SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나일 수 있다.

본 실시예에서는 일예로서 상기 호스트 물질(H)로서 해수를 사용하였으며, 상기 게스트 물질(G)로는 기상 또는 액상의 HFC-134a 냉매를 사용하였다.

또한, 상기 본체부(10)는 상기 반응공간 내부(11)에 설치되어 상기 유입되는 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)을 미세한 크기의 입자로 분쇄하는 분쇄장치부(60)를 더 포함하도록 구성된다.

이때, 상기 분쇄장치부(60)는 상술한 바와 같이 상기 유입관부(20)를 통해 유입되는 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)의 혼합물을 미세한 크기의 입자로 분쇄함으로써 하이드레이트를 생성하기 위한 입자들의 반응 면적(즉, 입자간 접촉 면적)을 증가시켜 하이드레이트의 생성 효율을 현저히 향상시키는 기능을 수행한다.

본 실시예의 경우 상기 분쇄장치부(60)는 상기 반응공간(11) 내부에 고정 설치되는 고정자(61)와, 상기 고정자(61)의 내부에 회전 가능하도록 설치되는 회전자(62)를 포함하여 구성된다.

또한, 상기 고정자(61)는 상면(즉, 유입관부와 연통되는 면)과 하면이 개방된 중공 원통형으로 구성되는데, 상기 유입관부(20)와 연통되는 중앙의 중공부를 통해 상기 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)이 원통 내부로 유입된다.

또한, 상기 회전자(62)는 상기 유입관부(20)와 연통되는 상면이 개방된 드럼형 원통으로 구성되어, 상기 유입된 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)을 원통 내부에 수용하게 된다.

또한, 상기 회전자(62)는 외측면이 고정자(61)의 내측면과 일정 간극(64)을 형성하도록 구성되며, 상기 회전자(62)의 측면에는 후술하는 바와 같이 발생되는 회전력에 의해 드럼형 원통의 내부에 수용된 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)을 상기 간극(64) 방향으로 배출하는 복수의 슬릿(slit)형 유로(65)가 형성되어 있다.

또한, 상기 고정자(61)의 측면에도 상기 간극(64)으로 배출되는 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)을 상기 반응공간(11)으로 배출하는 복수의 슬릿(slit)형 유로(66)가 형성되어 있다.

상기와 같이 구성된 회전자(62)는 고정자(61)의 내부에서 회전하도록 구성되는데, 이를 위하여 상기 회전자(62)의 하부면에는 본체부(10)의 하면(14)을 관통하여 외부의 구동모터(70)와 연결되는 회전축(63)이 결합되도록 구성된다.

이때, 상기 회전축(63)이 관통하는 본체부(10)의 하면(14)과 회전축(63) 사이에는 반응공간(11) 내부의 기밀성을 유지하면서 상기 회전축(63)의 회전이 용이하도록 기밀형 베어링(67)이 설치되는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같이 구성되는 본 실시예에 따른 분쇄장치부(60)는, 회전자(62)가 구동모터(70)에 의해 회전하게 되면 그 회전력(즉, 원심력)에 의하여 방사상으로 형성된 슬릿형 유로(65)를 따라 상기 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)을 간극(64) 방향으로 배출하게 된다.

또한, 이와 같이 배출된 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)은 상기 간극(64)에서 반응공간(11)으로 직접 배출될 수도 있으나 고정자(61)에 형성된 슬릿형 유로(66)를 따라 상기 반응공간(11)으로 배출되게 된다.

이와 같은 방식으로 배출되는 상기 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)은 도3의 확대도에서 나타낸 바와 같이 회전력에 의해 상기 회전자(62)의 슬릿형 유로(65)를 통과하는 과정에서 1차적으로 분쇄되고, 상기 간극(64)에서 회전자(62)와 고정자(61) 사이에 발생되는 회전 전단력에 의하여 2차적으로 분쇄되어 매우 미세한 크기의 입자로 상기 반응공간(11)으로 배출됨으로써 하이드레이트를 형성하기 위한 입자간의 반응면적(즉, 접촉면적)을 증가시켜 하이드레이트의 생성 효율을 향상시키는 기능을 수행하게 된다.

또한, 상기 배출관부(30)에는 반응공간(11)에서 형성된 하이드레이트를 외부로 배출하기 위한 배출펌프를 추가적으로 설치될 수도 있으나, 본 실시예에서는 상기 분쇄장치부(60)가 상술한 바와 같이 이종간 유체를 미립화된 에멀젼 형태로 분산시켜 배출하는 분산펌프 방식으로 구성되기 때문에 별도의 배출펌프의 설치를 생략할 수 있다.

한편, 본 실시예에서는 상기 분쇄장치부(60)가 고정자(61)와 회전자(62)로 구성되는 경우를 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 상기 고정자(61)의 구성을 생략할 수도 있다.

다만, 이 경우에는 상기 회전자(61)의 외측면은 반응공간(11)을 형성하는 상기 본체부(10)의 내측면과 일정 간극(64)을 형성하도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시예에서는 일예로서 상기 분쇄장치부(60)가 분산펌프 방식으로 구성된 경우를 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 상기 분쇄장치부(60)는 기체나 액체를 미세한 입자로 분쇄하는 기능을 수행하는 범위내에서는 마이크로 버블 장치(기체의 경우)와 같이 공지된 여러 가지 다른 방식으로 구현될 수 있음은 물론이다.

또한, 본 실시예에서는 상술한 고정자(61) 및 회전자(62)의 슬릿형 유로(65,66)가 각각 고정자(61)와 회전자(62)의 측면에 원통의 길이 방향으로 형성된 경우를 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 각각 원통형 측면에 원주 방향 또는 나선 방향으로 형성될 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는 일예로서 상기 고정자(61) 및 회전자(62)의 유로(65,66)가 슬릿 형상으로 구성된 경우를 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 동일한 기능을 수행하는 범위내에서 상기 유로(65,66)는 원형 홀 형상, 타원형 홀 형상, 또는 메쉬 형상 등 여러 가지 다양한 형상으로 형성될 수 있다.

또한, 상기 고정자(61)와 회전자(62)의 슬릿형 유로(65,66)의 폭과 길이, 상기 간극(64)의 크기, 그리고 회전자(62)의 회전속도 등은 분쇄되는 입자의 크기, 구동모터의 부하, 생성된 하이드레이트의 배출속도(또는 배출량) 등을 고려하여 필요에 따라 설정될 수 있음은 물론이다.

특히, 상기 간극(64)의 크기는 필요에 따라 수 미크론(micron) 내지 수 미리(mm)의 범위에서 정해질 수 있으나, 하이드레이트의 생성 효율과 분쇄장치부(60)의 구동효율을 고려할 때 0.1mm 내지 1mm의 범위로 설정되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 본 실시예에서는 상기 분쇄장치부(60)가 호스트 물질(H)과 게스트 물질(H)을 모두 분쇄하는 경우를 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)의 유입 경로를 별도로 구성하여 상기 분쇄장치부(60)가 이들 중 어느 하나만을 미세한 입자로 분쇄하도록 구성할 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는 상기 분쇄장치부(60)가 유입관부(20)를 통해 유입되는 호스트 물질(H)과 게스트 물질(H)의 혼합물을 분쇄하도록 구성된 경우를 일예로서 설명하였으나 이에 한정되지 아니하며, 필요에 따라서는 별도로 구성된 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)의 유입 경로 각각에 상기 분쇄장치부(60)가 구성될 수도 있다.

한편, 본 발명에서 적용한 분쇄장치부(40)가 하이드레이트 생성 효율에 미치는 영향을 평가하기 위하여 게스트 물질(G)로 기상의 냉매(HFC-134a)를 사용한 경우(a), 게스트 물질로 액상의 냉매(HFC-134a)를 사용한 경우(b), 및 게스트 물질로 액상의 냉매(HFC-134a)를 사용하고 본 발명에 따른 분쇄장치부를 적용한 경우(c)의 3가지 경우에 대하여 하이드레이트 생성 효율을 실험적으로 평가하였으며, 그 결과를 도4a와 도4b에 도시하였다.

먼저, 도4a는 반응시간에 따른 본체부 내부 반응공간의 온도변화를 나타낸 그래프이다.

일반적으로 상술한 본체부는 반응공간 내부가 하이드레이트를 생성하기 위한 압력 조건과 온도 조건을 유지하도록 구성되어 있으나, 하이드레이트의 생성 반응이 발열반응이기 때문에 반응공간 내부에서는 하이드레이트의 생성에 따라 온도변화가 발생된다.

따라서, 상기 반응공간 내부의 온도변화를 살펴보면 하이드레이트 생성 반응의 속도와 생성 효율을 알 수 있게 된다.

도4a에서 보는 바와 같이 게스트 물질(G)로서 기상의 냉매를 사용하는 경우보다 액상의 냉매를 사용하는 경우가 반응속도(즉, 온도상승 속도)가 현저히 빠른 것을 알 수 있는데, 이는 반응속도가 호스트 물질(H)과 게스트 물질(G)의 접촉 빈도에 비례하는 하이드레이트의 특성상 기상보다 상대적으로 속도가 빠른 액상의 냉매를 사용할 경우 하이드레이트의 생성 반응 속도가 빨라지기 때문이다.

또한, 게스트 물질(G)로서 동일한 액상의 냉매를 사용하는 경우에도 본 발명에 따른 분쇄장치부(60)를 적용한 경우가 반응속도가 현저히 빠른 것을 알 수 있는데, 이는 전술한 바와 같이 분쇄장치부(60)에 의해 미세한 입자로 분쇄된 호스트 물질과 게스트 물질의 반응면적(즉, 접촉면적)이 증가하였기 때문인 것으로 판단되며, 이러한 반응속도의 차이는 동일한 기상의 게스트 물질(G)을 사용하는 경우에도 동일하게 발생될 것으로 예측된다.

또한, 도4b는 도4a의 각 경우에 대해 실제 생성된 하이드레이트의 상태를 촬영한 사진인데 도4a의 그래프에서 나타난 반응속도가 빠른 순서와 동일한 순서로 하이드레이트의 수분 함량도 적은 것(즉, 하이드레이트의 생성 효율이 높은 것)을 알 수 있다.

따라서, 상기 결과로부터 기상 또는 액상의 게스트 물질을 사용하는 경우 본 발명에 따른 분쇄장치부(60)를 사용할 경우 사용하지 않은 경우보다 하이드레이트의 생성 효율이 현저히 향상됨을 알 수 있으며, 나아가 액상의 게스트 물질을 사용하는 경우가 기상의 게스트 물질을 사용하는 경우보다 하이드레이트 생성 효율이 더 향상됨을 알 수 있다.

도5와 도6은 각각 본 발명의 제2실시예 및 제3실시예에 따른 하이드레이트 생성 장치의 구성을 나타낸 단면도이며, 이들 실시예의 경우 본체부의 구성에 있어서만 앞서 설명한 제1실시예와 차이가 있기 때문에 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 도면부호를 부여하고 중복된 설명은 생략하기로 한다.

앞서 설명한 도4a의 실험결과에서 살펴본 바와 같이 상기 반응공간(11)을 형성하는 본체부(10)를 하이드레이트의 생성에 적합한 압력과 온도로 유지하는 경우에도 하이드레이트의 생성 반응이 발열반응이기 때문에 반응공간(11) 내부에서는 하이드레이트 생성에 따른 온도 상승이 발생된다.

따라서, 도5와 도6에 나타낸 제2실시예 및 제3실시예에서는 하이드레이트의 생성 효율을 더욱 향상시키기 위하여 본체부(10)에 상기 하이드레이트의 생성열(또는 반응열)을 신속히 제거하기 위한 냉각장치를 더 설치한 것을 특징으로 한다.

이를 위하여, 먼저 도5에 도시한 제2실시예에서는 상기 본체부(10)를 내부에 상기 반응공간(11)을 형성하는 제1본체(15a), 상기 제1본체(15a)와의 사이에 냉각공간(16b)을 형성하도록 상기 제1본체(15a)의 외면에 자켓(jacket) 구조로 형성되는 제2본체(15b), 및 상기 냉각공간(16b)으로 냉각유체를 유동시켜 상기 반응공간(11)의 내부 온도를 미리 정해진 온도 범위로 유지시키는 냉각모듈(16a,16c,17)을 포함하도록 구성하였다.

또한, 상기 냉각모듈(16a,16c,17)은 냉각공간(16b)으로 냉각유체를 유입하는 유입관(16a), 상기 냉각공간(16b)을 경유하는 과정에서 상기 반응공간(11) 내부의 하이드레이트 생성열을 흡수한 냉각유체를 배출하는 유출관(16c), 및 외부의 냉각유체원(미도시)으로부터 저온의 냉각유체를 상기 유입관(16a)으로 공급하는 냉각펌프(17)를 포함하여 구성되며, 상기 냉각유체는 공기나 물 등을 포함하는 유동 가능한 열매체일 수 있다.

한편, 도6에 도시한 제3실시예에서는 상기 도5에 도시한 제2실시예 중 제1본체(15a)의 적어도 일측에 온도제어를 위한 열전소자모듈(18)을 더 설치한 것을 특징으로 한다.

이 경우 상기 열전소자모듈(18)은 냉각면이 상기 반응공간 방향으로 향하고 발열면이 상기 냉각공간 방향으로 향하도록 설치됨으로써, 상기 냉각면은 반응공간의 생성열을 상쇄하는 기능을 수행하고 상기 발열면은 냉각공간(16b)을 유동하는 냉각유체에 의하여 냉각되도록 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 본 발명의 제4실시예로서 도면상으로 도시하지는 않았으나, 전술한 제1실시예에서의 본체부(10) 측면(13)의 적어도 일측에 도6의 제3실시예에서 설명한 바와 같이 열전소자모듈(18)을 설치하도록 하이드레이트 생성 장치를 구성할 수도 있는데, 이 경우 상기 열전소자모듈(18)의 발열면은 외부 공기에 의하여 냉각되도록 구성된다.

또한, 전술한 본 발명의 제2실시예 내지 제4실시예에서는 상기 열전소자모듈(18)이 본체부(10)의 측면부에 설치된 경우를 일예로서 설명하였으나, 필요에 따라 상기 열전소자모듈(18)은 본체부(10)의 상면부, 저면부는 물론 상기 유입관부(20)에도 설치될 수 있다.

마지막으로, 도7은 전술한 본 발명의 제1 내지 제4실시예에 따른 하이드레이트 생성 장치를 이용한 수처리 장치의 구성을 나타낸 블럭도이다.

본 발명에 따른 수처리 장치는 하이드레이트 형성 원리를 이용하는 것으로서, 내부의 반응공간에서 하이드레이트를 생성시켜 배출하는 반응기(110), 상기 하이드레이트의 생성을 위한 호스트 물질(H)인 피처리수를 상기 반응기 내부의 반응공간으로 공급하는 호스트 물질 공급부(140), 상기 하이드레이트의 생성을 위한 게스트 물질(G)을 상기 반응기(110) 내부의 반응공간으로 공급하는 게스트 물질 공급부(150), 상기 배출된 하이드레이트를 탈수하는 탈수기(120), 및 상기 탈수된 하이드레이트를 처리수와 게스트 물질로 각각 분리하여 배출하는 해리기(130)를 포함하여 구성된다.

이때, 상기 반응기(110)는 내부에 반응공간을 형성하는 본체부(미도시)와, 상기 반응공간 내부에 설치되어 상기 유입되는 호스트 물질(G)과 게스트 물질(G) 중 적어도 어느 하나인 피분쇄물을 미세한 크기의 입자로 분쇄함으로써 상기 하이드레이트의 생성을 위한 반응 면적을 증가시키는 분쇄장치부(미도시)를 포함하도록 구성되는데, 이는 전술한 상기 제1실시예 내지 제4실시예에서 설명한 하이드레이트 생성장치 중 어느 하나에 의하여 바람직하게 구현될 수 있으며 이에 대한 중복된 설명은 생략하기로 한다.

또한, 상기 호스트 물질 저장탱크(140)는 제1실시예에서 설명한 바와 같은 피처리수인 오염수 또는 해수를 상기 반응기(110)에 공급하기 위한 것으로서, 제1실시예에서 설명한 바와 같이 미도시된 공급관에는 호스트 물질(H)을 공급하기 위한 펌프(142)와 공급량 제어를 위한 밸브시스템(143)이 구비될 수 있다.

또한, 상기 게스트 물질 저장탱크(150)는 제1실시예에서 설명한 바와 같은 기상 또는 액상의 게스트 물질 중 어느 하나를 상기 반응기(110)에 공급하기 위한 것으로서, 제1실시예에서 설명한 바와 같이 미도시된 공급관에는 게스트 물질(G)을 공급하기 위한 펌프(152)와 공급량 제어를 위한 밸브시스템(153)이 구비될 수 있다.

본 실시예에서는 전술한 제1실시예 내지 제4실시예에서와 마찬가지로 상기 호스트 물질로 해수를 사용하고, 상기 게스트 물질로는 기상 또는 액상의 HFC-134a 냉매를 사용하는 경우를 일예로서 설명한다.

한편, 상기 탈수기(120)는 반응기(110)에서 배출된 하이드레이트의 외부에 흡착된 불순물을 제거하기 위해 하이드레이트를 탈수 처리하는 기능을 수행하는데, 이 과정에서 게스트 물질(즉, HFC-134a)과 반응하지 않은 해수를 탈수시키게 된다.

상기 탈수기(120)는 통상의 방식과 마찬가지로 스크류 방식으로 하이드레이트를 이송시키면서 탈수가 이루어지도록 구성되는데, 이러한 탈수기의 구성, 탈수 방식, 및 탈수에 따른 효과는 공지기술이기 때문에 여기에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

한편, 상기 탈수 과정을 거친 하이드레이트는 해리기(130)로 이송되는데, 상기 해리기(130)는 고온,저압 상태에서 상기 하이드레이트를 해리시켜 처리수(일예로서, 순수한 물 또는 담수)와 게스트 물질로 분리 배출하는 기능을 수행하는데, 상기 해리기의 구성, 해리 방식, 및 해리에 따른 효과 등도 공지기술이기 때문에 여기에서는 상세한 설명을 생략하기로 한다.

다만, 본 실시예에서 상기 반응기(110)가 제2실시예 또는 제3실시예에서와 같이 본체부(10)의 벽면 사이에 냉각공간(16b)이 형성된 자켓 형식으로 구성된 경우, 상기 해리기(130)도 내부 본체(미도시)와 상기 내부 본체의 외면에 형성된 외부 본체(미도시) 사이에 가열공간(미도시)이 형성된 자켓 구조로 구성될 수 있다.

이 경우 본 실시예에 따른 수처리 장치는 상기 냉각공간(16b)과 가열공간을 폐회로로 구성하고, 순환펌프(165)를 이용하여 상기 폐회로에 냉각유체(또는 열매체)를 순환시키는 폐열순환모듈(160)을 더 포함하도록 구성할 수도 있다.

상기와 같이 구성되는 폐열순환모듈(160)에서 냉각유체는 냉각공간을 유동하면서 흡수한 하이드레이트의 생성열을 상기 가열공간에 전달하여 해리과정에 필요한 열량을 제공하고, 상기 가열공간에서의 열전달에 의하여 상기 해리기로부터 흡수한 냉열을 상기 냉각공간에 전달하여 하이드레이트 생성열과 열교환하는 과정을 반복함으로써 수처리에 소요되는 에너지를 최소화하게 된다.

또한, 본 실시예에 따른 수처리 장치는 해리기(130)에서 배출되는 게스트 물질(G)을 회수하여 상기 게스트 물질 저장탱크(150)로 재공급하는 회수기(170)를 더 포함하도록 구성되는데, 본 실시예에서 게스트 물질(G)로 액상의 냉매를 사용하는 경우 상기 회수기는 기상으로 배출되는 상기 게스트 물질(G)을 저온고압 조건에서 액화하여 상기 게스트 물질 저장탱크(150)로 재공급하게 된다.

10 : 본체부 11 : 반응공간
16b : 냉각공간 17 : 냉각펌프
18 : 열전소자모듈 20 : 유입관부
30 : 배출관부 60 : 본쇄장치부
61 : 고정자 62 : 회전자
64 : 간극 65,66 : 슬릿형 유로
110 : 반응기 120 : 탈수기
130 : 해리기 160 : 폐열순환모듈
170 : 회수기

Claims (27)

1. 내부에 하이드레이트가 생성되는 반응공간이 마련된 본체부;
   상기 본체부의 일측에 연결되어 상기 하이드레이트를 생성하기 위한 호스트 물질과 게스트 물질을 상기 반응공간으로 유입하는 유입관부;
   상기 본체부의 타측에 연결되어 상기 반응공간에서 생성된 하이드레이트를 외부로 배출하는 배출관부; 및
   상기 반응공간 내부에 설치되어 회전 원심력에 의해 상기 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질을 상기 배출관부 방향으로 이송시키면서 상기 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질 중 적어도 어느 하나인 피분쇄물을 미세한 크기의 입자로 분쇄함으로써 상기 하이드레이트의 생성을 위한 반응 면적을 증가시키는 분쇄장치부를 포함하되,
   상기 분쇄장치부는,
   상기 반응공간 내부에 고정 설치되고, 상기 유입관부와 연통되는 중앙부를 통해 상기 피분쇄물이 유입되는 원통형의 고정자;와
   상기 고정자의 중앙부에 회전 가능하도록 설치되고, 내부에 상기 유입된 피분쇄물을 수용하는 원통형의 회전자를 포함하며,
   상기 회전자의 외측면은 고정자의 내측면과 일정 간극을 형성하고, 상기 회전자의 측면에는 회전력에 의해 내부에 수용된 피분쇄물을 상기 간극 방향으로 배출하는 복수의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 하이드레이트 생성 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서,
   상기 고정자의 측면에는 간극으로 배출되는 피분쇄물을 상기 반응공간으로 배출하는 복수의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 하이드레이트 생성 장치.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서,
   상기 호스트 물질은 피처리수인 오염수 또는 해수이고,
   상기 게스트 물질은 기상 또는 액상의 SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 하이드레이트 생성 장치.
6. 제1항, 제3항 또는 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 유입관부 또는 본체부의 적어도 일측에는 상기 유입관부의 내부 또는 반응공간의 내부 온도를 미리 정해진 온도 범위로 유지시키는 열전소자모듈이 설치되되,
   상기 열전소자모듈의 냉각면은 상기 유입관부의 내부 또는 반응공간 방향으로 설치되고, 발열면은 상기 유입관부 또는 본체부의 외면 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 하이드레이트 생성 장치.
7. 제1항, 제3항 또는 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 본체부는,
   내부에 상기 반응공간을 형성하는 제1본체;
   상기 제1본체와의 사이에 냉각공간을 형성하도록 상기 제1본체의 외면에 자켓(jacket) 구조로 형성되는 제2본체; 및
   상기 냉각공간으로 냉각유체를 유동시켜 상기 반응공간의 내부 온도를 미리 정해진 온도 범위로 유지시키는 냉각모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 하이드레이트 생성 장치.
8. 제7항에 있어서,
   상기 본체부는 상기 제1본체의 적어도 일측에 설치된 열전소자모듈을 더 포함하되,
   상기 열전소자모듈의 냉각면은 상기 반응공간 방향으로 설치되고, 발열면은 상기 냉각공간 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 하이드레이트 생성 장치.
9. 내부의 반응공간에서 하이드레이트를 생성시켜 배출하는 반응기;
   상기 하이드레이트의 생성을 위한 호스트 물질인 피처리수를 상기 반응기 내부의 반응공간으로 공급하는 호스트 물질 공급부;
   상기 하이드레이트의 생성을 위한 게스트 물질을 상기 반응기 내부의 반응공간으로 공급하는 게스트 물질 공급부;
   상기 배출된 하이드레이트를 탈수하는 탈수기; 및
   상기 탈수된 하이드레이트를 처리수와 게스트 물질로 각각 분리하여 배출하는 해리기를 포함하여 구성되되,
   상기 반응기는 내부에 반응공간을 형성하는 본체부와, 상기 반응공간 내부에 설치되어 회전 원심력에 의해 상기 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질을 상기 반응공간 내에서 생성된 하이드레이트를 배출하는 방향으로 이송시키면서 상기 유입되는 호스트 물질과 게스트 물질 중 적어도 어느 하나인 피분쇄물을 미세한 크기의 입자로 분쇄함으로써 상기 하이드레이트의 생성을 위한 반응 면적을 증가시키는 분쇄장치부를 포함하되,
   상기 분쇄장치부는,
   상기 반응공간 내부에 고정 설치되고, 상기 호스트 물질 공급부 및 게스트 물질 공급부와 연통되는 중앙부를 통해 상기 피분쇄물이 유입되는 원통형의 고정자;와
   상기 고정자의 중앙부에 회전 가능하도록 설치되고, 내부에 상기 유입된 피분쇄물을 수용하는 원통형의 회전자를 포함하며,
   상기 회전자의 외측면은 고정자의 내측면과 일정 간극을 형성하고, 상기 회전자의 측면에는 회전력에 의해 내부에 수용된 피분쇄물을 상기 간극 방향으로 배출하는 복수의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
10. 제9항에 있어서,
    상기 본체부는,
    내부에 상기 반응공간을 형성하는 제1본체;
    상기 제1본체와의 사이에 냉각공간을 형성하도록 상기 제1본체의 외면에 자켓(jacket) 구조로 형성되는 제2본체; 및
    상기 냉각공간으로 냉각유체를 유동시켜 상기 반응공간의 내부 온도를 미리 정해진 온도 범위로 유지시키는 냉각모듈을 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
11. 제10항에 있어서,
    상기 본체부는 상기 제1본체의 적어도 일측에 설치된 열전소자모듈을 더 포함하되,
    상기 열전소자모듈의 냉각면은 상기 반응공간 방향으로 설치되고, 발열면은 상기 냉각공간 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
12. 제10항에 있어서,
    상기 해리기는 내부에 해리공간을 형성하는 내부 본체와 상기 내부 본체의 외면에 형성된 외부 본체 사이에 가열공간이 형성된 자켓 구조이고,
    상기 냉각모듈은 냉각유체를 상기 반응기 본체부의 냉각공간과 상기 해리기의 가열공간에 순환시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
13. 제9항에 있어서,
    상기 본체부의 적어도 일측에는 상기 반응공간의 내부 온도를 미리 정해진 온도 범위로 유지시키는 열전소자모듈이 설치되되,
    상기 열전소자모듈의 냉각면은 상기 반응공간 방향으로 설치되고, 발열면은 상기 본체부의 외면 방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
14. 제9항 내지 제13항 중 어느 하나의 항에 있어서,
    상기 해리기에서 배출되는 게스트 물질을 회수하여 상기 게스트 물질 공급부로 재공급하는 회수기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
15. 제14항에 있어서,
    상기 반응공간에 공급되는 게스트 물질은 액상의 SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나이고,
    상기 회수기는 해리기로부터 회수된 기상의 게스트 물질을 액화시켜 상기 게스트 물질 공급부로 재공급하는 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
16. 삭제
17. 제9항에 있어서,
    상기 고정자의 측면에는 간극으로 배출되는 피분쇄물을 상기 반응공간으로 배출하는 복수의 유로가 형성된 것을 특징으로 하는 수처리 장치.
18. 삭제
19. 삭제
20. 삭제
21. 삭제
22. 삭제
23. 내부의 반응공간에서 하이드레이트를 생성시켜 배출하는 반응기를 구비한 본체부;
    상기 하이드레이트의 생성을 위한 호스트 물질인 피처리수를 상기 반응기 내부의 반응공간으로 공급하는 호스트 물질 공급부;
    상기 하이드레이트의 생성을 위한 게스트 물질을 상기 반응기 내부의 반응공간으로 공급하는 게스트 물질 공급부;
    상기 배출된 하이드레이트를 탈수하는 탈수기;
    상기 탈수된 하이드레이트를 처리수와 게스트 물질로 각각 분리하여 배출하는 해리기; 및
    상기 해리기에서 배출되는 게스트 물질을 회수하여 상기 게스트 물질 공급부로 재공급하는 회수기를 포함하여 구성되되,
    상기 게스트 물질은 액상의 SF₆, CFC계 물질, HCFC계 물질, PFC계 물질 또는 HFC계 물질 중 적어도 어느 하나이고,
    상기 회수기는 해리기로부터 회수된 기상의 게스트 물질을 액화시켜 상기 게스트 물질 공급부로 재공급하며,
    상기 본체부는,
    내부에 상기 반응공간을 형성하는 제1본체;
    상기 제1본체와의 사이에 냉각공간을 형성하도록 상기 제1본체의 외면에 자켓(jacket) 구조로 형성되는 제2본체; 및
    상기 냉각공간으로 냉각유체를 유동시켜 상기 반응공간의 내부 온도를 미리 정해진 온도 범위로 유지시키는 냉각모듈을 포함하며,
    상기 해리기는 내부에 해리공간을 형성하는 내부 본체와 상기 내부 본체의 외면에 형성된 외부 본체 사이에 가열공간이 형성된 자켓 구조이고,
    상기 냉각모듈은 냉각유체를 상기 반응기 본체부의 냉각공간과 상기 해리기의 가열공간에 순환시키도록 구성된 것을 특징으로 하는 특징으로 하는 수처리 장치.
24. 삭제
25. 삭제
26. 삭제
27. 삭제

Images