KR20110035718A - 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축을 위한 장치 및 그 방법 - Google Patents

가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축을 위한 장치 및 그 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가스 하이드레이트의 생성에 관한 것으로, 더 구체적으로는 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스와 물을 반응시켜 형성된 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수 내지 농축 처리하여 고농도의 가스 하이드레이트를 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명은 저온 환경의 탈수 처리 장치를 도입함으로써 종래기술인 스크류 프레스형이나 원심 탈수형 등의 동력식 탈수 방식이 가지던 동력 소비의 문제, 마찰로 인한 가스 하이드레이트 해리 현상 등의 문제를 해결하고 가스 하이드레이트의 효율적이고 연속적인 탈수 농축을 가능하게 할 수 있다.
하이드레이트, 슬러리, 탈수, 농축

Description

가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축을 위한 장치 및 그 방법{Apparatus and Method for Dehydration and Concentration of Gas Hydrates Slurry}
본 발명은 가스 하이드레이트의 생성에 관한 것으로, 더 구체적으로는 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스와 물을 반응시켜 형성된 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수 내지 농축 처리하여 고농도의 가스 하이드레이트를 생성하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
가스 하이드레이트(gas hydrate)는 크러스레이트(clathrate)의 특수한 형태로, 외관상 얼음과 비슷한 고체의 물질이나, 결정구조나 그 물리적 특성은 매우 다른 모습을 보인다. 고압 저온의 조건에서 물분자 간의 수소결합으로 형성되는 3차원의 격자구조에 동공(cavity)이라는 공간이 생기고, 이 동공에 메탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 질소, 산소 등의 저 분자량 가스 분자가 물리적으로 결합하여 생성된다.
이 가스 하이드레이트는 천연가스의 저장, 운송이나 해저에의 CO2 매장 등을 위해 쓰이고 있고, 다른 한편으로는 가스분리의 메커니즘 역할을 수행하는 연구에도 최근에 이용되기 시작했다.
가스 하이드레이트의 탈수, 농축 공정은 가스 하이드레이트의 생산 중의 일부이다. 가스 하이드레이트 슬러리의 형태로 생성된 가스 하이드레이트의 저장, 이송 및 펠릿 형태 등의 가공을 위하여, 하이드레이트 형성 반응에 사용되고 남은 물을 가스 하이드레이트와 분리하여 탈수, 농축을 하여야 하는 것이다.
가스 하이드레이트의 탈수, 농축에 관한 종래기술로는 일본출원 2001-264911에서 스크류 프레스형 탈수기를 제안하였고, 일본출원 2006-040595에서는 원심 탈수형에 기반을 둔 방법을 제시하고 있다. 그러나 이러한 동력식 탈수기의 경우 탈수 능력의 한계가 있고 구동 동력도 커서 비경제적일 뿐만 아니라, 탈수과정의 회전에 의한 마찰열로 인하여 가스 하이드레이트 슬러리의 해리 현상이 발생할 수 있다는 점이 문제로 제기되고 있다.
본 발명은 상기에 제기된 종래기술의 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 동력식 탈수기를 사용하지 않고 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축을 하는 장치 및 방법을 제시하는 것을 목적으로 한다.
또 다른 본 발명의 목적은 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축 과정에서 가스 하이드레이트가 해리되어 버리는 문제점을 해결하여 안정적으로 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수, 농축할 수 있는 효율적인 방법을 제시하는 것이다.
상기의 목적을 달성하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예에 따르면,
가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스와 물을 반응시켜 형성된 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수, 농축하는 방법에 있어서,
가스 하이드레이트 생성 고압 반응기(100)에서 생성된 가스 하이드레이트 슬러리가 저온환경의 탈수-농축 반응기(31)로 이송되는 단계;
상기의 이송단계에서 이송된 가스 하이드레이트 슬러리는 탈수-농축 반응기(31)의 압축탈수판(320)내로 주입되고 고압 공기 공급라인(310)을 통해 공급된 고압 공기에 의해 탈수, 농축되는 단계;
하이트레이트 탈리 장치에 의해 압축탈수판을 분리, 진동시켜 상기 탈수, 농축 단계에서 탈수, 농축된 가스 하이드레이트를 탈리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축 방법을 제공한다.
본 발명의 또 다른 바람직한 실시예에 따르면, 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스와 물을 반응시켜 형성된 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수, 농축하는 장치에 있어서,
가스하이드레이트 생성 고압 반응기(100) 및 가스 하이드레이트 슬러리의 저장탱크로 구성되는 가스 하이드레이트 슬러리 공급부; 공기압축기(190) 및 고압 공기 압력 조절용 레귤레이터(regulator)로 구성되는 고압공기 공급부; 및 저온유지 보온 케이싱(240)과 탈수 농축 반응기(31)를 포함하는 저온 환경의 탈수-농축 반응부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축 장치를 제공한다.
가스 하이드레이트 슬러리를 저온 탈수 장치에 의해 처리하는 방법을 이용할 경우 다음과 같은 효과를 가진다.
첫째, 상기의 종래기술인 스크류 프레스형이나 원심 탈수형 등의 동력식 탈수 방식과는 달리 별도의 구동 동력이 필요치 않기 때문에 운영비가 적어 경제적이다.
둘째, 동력식 탈수 방식의 경우 구동 장치의 제약으로 인한 탈수 능력의 한계성을 가질 수 있으나 본 발명은 별도의 구동 장치가 필요치 않기 때문에 탈수 능력에 맞는 장치의 제작이 용이하다.
셋째, 동력식 탈수 방식의 경우 탈수과정에서 구동축, 스크류 및 외부 케이싱 사이에서 회전에 의한 마찰열이 높게 발생하여 이로 인한 가스 하이드레이트 슬러리의 해리 현상이 나타날 수 있으나, 본 발명의 장치 및 방법을 이용한 탈수, 농축 과정을 거치면 마찰열의 발생이 없어 가스 하이드레이트 슬러리의 해리 현상이 발생하지 않아 효율적인 연속적인 처리가 가능하다.
이하 본 발명의 구성을 도 1의 실시예와 함께 상세하게 설명한다.
일반적으로, 가스 하이드레이트는 고압과 저온의 조건에서 물분자 간의 수소결합으로 형성되는 3차원의 격자구조에 동공(Cavity)이라는 공간이 생기고, 이 동공에 가스가 물리적으로 포획되어 생성된다.
이러한 생성원리를 이용한 가스 하이드레이트 생성 반응기의 경우 반응기에 3차원 격자구조를 만들어주는 주체(Host)인 물을 넣어준 반응기를 저온으로 유지해 주면서, 객체(Guset)인 하이드레이트화 가능한 대상 가스를 고압으로 주입하여 가스 하이드레이트를 형성하게 된다. 이 과정에서 충분한 가스 하이드레이트 형성 반응이 이루어질 수 있도록 과량의 물을 넣어 준다. 이로 인하여 생성된 가스 하이드레이트는 물과 혼합된 상태로 존재하게 된다.
물과 혼합된 상태로 만들어지는 가스 하이드레이트(이하 가스 하이드레이트 슬러리)의 경우 가스 하이드레이트와 다량의 물이 함유되어 있어 저장 및 이송과정에서 많은 어려움이 따른다.
이를 해결하기 위한 방법을 살펴보면 아래와 같다.
가스 하이드레이트의 경우 저온 고압 상태에서 상온 상압 상태로 환경이 변화할 경우 순식간에 해리되는 특징이 있다. 이러한 가스 하이드레이트의 특성으로 인하여 만들어진 가스 하이드레이트를 유지하기 위해서는 첫째, 저온 고압의 상태를 유지하는 방법, 둘째, 저온 고압 상태에 비해 충분히 높은 압력 상태(상온)로 유지하는 방법, 셋째, 저온 고압 상태에 비해 충분히 낮은 온도 상태(상압)를 유지하는 방법을 들 수 있다.
첫째의 방법의 경우 두 가지 조건을 유지하기가 까다롭고 조금의 조건 변화에도 민감하여 가스 하이드레이트를 유지하기에는 적합하지 않다.
둘째의 방법의 경우 충분히 높은 압력상태를 유지하기 위해서는 그에 합당한 압력 설비가 필요하며, 고압의 설비의 경우 높은 위험성이 뒤따른다.
위 두 방법과는 달리 셋째의 방법의 경우와 같이 충분히 낮은 온도 상태를 유지하기 위한 저온 장치의 경우 상용화하여 사용할 수 있는 시설이나 장치의 확보가 비교적 용이하며, 압력 폭발 등의 위험적인 요인도 적으며, 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축에 효율적이며, 연속적으로 운전가능하다는 장점이 있다. 본 발명자는 이점을 인지하여 본 발명에 반영하였다.
본 발명의 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스와 물을 반응시켜 형성된 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수, 농축하는 방법은 다음과 같다.
본 발명은 가스 하이드레이트 생성 고압 반응기(100)에서 생성된 가스 하이드레이트 슬러리가 저온환경의 탈수-농축 반응기(31)로 이송되는 단계와 상기의 이 송단계에서 이송된 가스 하이드레이트 슬러리가 탈수-농축 반응기(31)의 압축탈수판(320)내로 주입되고 고압 공기 공급라인(310)을 통해 공급된 고압 공기에 의해 탈수, 농축되는 단계와 가스 하이트레이트 탈리 장치에 의해 압축탈수판을 분리, 진동시켜 상기 탈수, 농축 단계에서 탈수, 농축된 가스 하이드레이트가 탈리되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기의 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 질소, 산소, 육불화황을 포함하는 저분자량 가스가 가능하다. 상기에 열거된 가스들은 이미 가스 하이드레이트의 생성이 가능하다 알려진 저분자량 가스들이며, 이 외에도 가스 하이드레이트 형성이 가능한 가스라면 본 발명의 대상 가스로 할 수 있다.
본 발명은 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수, 농축하기 위한 방법으로 고압의 공기로 압축하여 탈수, 농축하는 방법을 사용하였다.
하이드레이트(Hydrate) 생성 고압 반응기(100)에서 물과 대상 가스의 반응으로 생성된 가스 하이드레이트 슬러리를 반응기 내의 압력을 유지하면서 가스 하이트레이트 슬러지 저장 탱크(120)로 먼저 이송하고 그 후 이 탱크(120)에서 가스 하이드레이트 슬러지 배출배브(210)를 통해 저온환경의 탈수-농축 반응기(31)로 이송된다.
상기 저온환경의 탈수-농축 반응부는 직접적으로 가스 하이드레이트 슬러지의 농축이 일어나는 부분으로 본 발명의 핵심을 이룬다. 이 공간에서 고압공기로 탈수, 농축을 하는 것이 스크류 등을 이용한 기계적 탈수를 하는 종래기술과 대비 되는 기술적 특징이다. 상기 저온환경의 탈수-농축 반응부의 온도는 형성된 가스 하이드레이트가 해리되지 않을 온도의 저온 환경을 유지해야한다. 바림직하게는 온도를 -50 내지 0℃로 설정할 수 있다. 각각의 대상 가스들은 고유의 가스 하이드레이트 생성 평형 온도를 갖기 때문에 저온 환경의 온도 범위는 그에 상응해 정해져야 하지만, 실험결과 -50 내지 0℃의 온도라면 상기에 열거된 대상 가스의 탈수, 농축 저온 환경으로 충분히 적합하다는 것을 알 수 있었다. 상기의 저온을 유지하기 위하여 반응기 내에 액체질소를 일정량 유지하고, 이로 인한 저온이 유지될 수 있도록 다공성 지지대(370)위에 탈수, 농축 반응기를 고정하였다.
상기의 이송단계에서 이송된 가스 하이드레이트 슬러리는 탈수-농축 반응기(31)의 압축탈수판(320)내로 주입되고 고압 공기 공급라인(310)을 통해 공급된 고압 공기에 의해 탈수된다. 압축 탈수판(320)은 복수로 구성되고 이것은 공지된 필터프레스 유사한 원리로써 탈수가 진행된다. 압력 조절용 레큘레이터(220)에 의해 정압으로 조절된 고압의 공기는 고압 공기 토출 밸브(230)를 통해 고압 공기 공급 라인(310)을 따라 탈수, 농축 반응기로 주입된다.
상기의 탈수, 농축 단계가 끝나면 하이트레이트 탈리 장치에 의해 압축탈수판을 분리, 진동시켜 상기 탈수, 농축 단계에서 탈수, 농축된 가스 하이드레이트가 탈리되는 단계를 거친다. 고압 공기에 의해 탈수, 농축이 이루어지면 유압장치(360)에 의해 반응장치를 잡아 주고 있던 실린더 암(350)에 압력을 해소하여 종동절(330)을 뒤로 분리시킨 후 가스 하이드레이트 탈리 장치(340)에 의하여 각각의 압축탈수판(320)을 분리, 진동을 주어 압축, 농축된 가스 하이드레이트를 탈리하게 되는 것이다.
이에 따라 가스 하이드레이트 슬러리를 연속적으로 탈수, 농축하여 저장, 이송에 용이한 가스 하이드레이트를 형성할 수 있다.
본 발명의 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스와 물을 반응시켜 형성된 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수, 농축하는 장치는 다음과 같다.
본 발명의 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수, 농축하는 장치는 가스하이드레이트 생성 고압 반응기(100) 및 가스 하이드레이트 슬러리의 저장탱크로 구성되는 가스 하이드레이트 슬러리 공급부; 공기압축기(190) 및 고압 공기 압력 조절용 레귤레이터(regulator)로 구성되는 고압공기 공급부; 및 저온유지 보온 케이싱(240)과 탈수 농축 반응기(31)를 포함하는 저온 환경의 탈수-농축 반응부를 구비하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 가스 하이드레이트 슬러리 공급부는 가스하이드레이트 생성 고압 반응기(100) 및 가스 하이드레이트 슬러리의 저장탱크(120)로 구성된다. 또한 가스하이드레이트 생성 고압 반응기(100)와 가스 하이드레이트 슬러리의 저장탱크(120)의 사이, 가스 하이드레이트 슬러리의 저장탱크(120)와 저온 환경의 탈수-농축 반응부 사이에는 가스 하이드레이트 슬러리의 배출 밸브가 있어 저온 환경의 탈수-농축 반응기(31)로의 가스 하이드레이트 슬러리의 이송을 조절한다.
본 발명의 고압공기 공급부는 공기압축기(190) 및 고압 공기 압력 조절용 레귤레이터(regulator)(200)로 구성된다. 공기압축기는 일반적인 콤프래서를 사용하 는 것이 가능하고 공기를 압축하여 제공한다. 압력 조절용 레큘레이터(220)는 공기를 정압으로 조절하며, 고압공기는 고압 공기 공급 라인(310)을 따라 탈수, 농축 반응기로 주입된다. 공기압축기(190)와 고압 공기 조절용 레귤레이터(regulator) 사이, 그리고 고압 공기 조절용 레귤레이터(regulator)와 탈수 농축 반응기(31)사이에는 고압공기 토출밸브(200)를 구성하여 고압공기의 흐름을 조절한다.
본 발명의 저온 환경의 탈수-농축 반응부는 저온유지 보온 케이싱(240)과 탈수 농축 반응기(31)를 포함한다. 본 발명에서 탈수 농축 반응 중 일정한 저온 상태를 유지해야 하는 것이 중요한데, 그 단열작용을 하는 것이 저온 유지 보온 케이싱(240)이 한다. 저온 유지 보온 케이싱(240)은 일반적인 단열판 소재를 이용해 제작 할 수 있다. 일반적인 항온 항습기를 이용할 수도 있다. 반응기 내의 저온 분위기 유지는 액체 질소(비점 -195.8℃) 등을 저온 유지 보온 케이싱(240) 내에 일정량 유지시키면서 달성할 수 있다. 또한 탈수 농축 반응기 전체면적에 대한 균일한 저온 유지를 위해 다공성 지지대(370) 위에 탈수, 농축 반응기를 고정할 수 있다.
탈수 농축 반응기(31)는 일반적인 필터 프레스의 원리와 유사한 형태로 작동한다. 탈수 농축 반응기는 고압 공기 공급 라인(310), 복수 개의 압축 탈수판(320), 가스 하이드레이트 탈리 장치(340), 실린더 암(Cylinder Arm)(350), 유압장치(360) 등으로 구성될 수 있다.
가스 하이드레이트 슬러리는 압축 탈수판(320) 내로 주입되며 이후 고압 공기 공급 라인(310)을 통해 공급된 고압 공기를 이용하여 복수 개의 압축 탈수 판(320)에서 가스 하이드레이트의 탈수, 농축을 하게 된다. 고압 공기에 의해 탈수, 농축이 이루어지면 유압장치(360)에 의해 반응장치를 잡아 주고 있던 실린더 암(350)에 압력을 해소하여 종동절(follower)(330)을 뒤로 분리시킨다. 이후 가스 하이드레이트 탈리 장치(340)에 의하여 각각의 압축탈수판(320)을 분리, 진동을 주어 압축, 농축된 가스 하이드레이트를 탈리하게 된다.
이상의 실시예들은 본 발명을 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위는 실시예에 한정되지 않으며, 첨부된 청구범위에 의거하여 정의되는 본 발명의 범주 내에 당업자들에 의하여 변형 또는 수정될 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성요소의 형상 및 구조는 변형하여 실시할 수 있다는 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 의한 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축을 위한 방법의 전체를 개략적으로 도시한 예시도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호설명 *
100 하이드레이트 생성 고압 반응기
110 가스 하이드레이트 슬러리 배출 밸브
120 가스 하이드레이트 슬러리 저장 탱크
190 공기압축기
200 고압 공기 토출 밸브
210 가스 하이드레이트 슬러리 배출 밸브
220 고압 공기 압력 조절용 레큘레이터
230 고압 공기 토출 밸브
240 저온 유지 보온 케이싱
250 가스 하이드레이트 저장 탱크
260 탈수 여액 배출 밸브
31 탈수 농축반응기
300 가스 하이드레이트 슬러리 공급 라인
310 고압 공기 공급 라인
320 압축 탈수판
330 종동절(Follower)
340 가스 하이드레이트 탈리 장치
350 실린더 암
360 유압 장치
370 다공성 지지대

Claims (6)

  1. 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스와 물을 반응시켜 형성된 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수, 농축하는 방법에 있어서,
    가스 하이드레이트 생성 고압 반응기(100)에서 생성된 가스 하이드레이트 슬러리가 저온환경의 탈수-농축 반응기(31)로 이송되는 단계;
    상기의 이송단계에서 이송된 가스 하이드레이트 슬러리는 탈수-농축 반응기(31)의 압축탈수판(320)내로 주입되고 고압 공기 공급라인(310)을 통해 공급된 고압 공기에 의해 탈수, 농축되는 단계;
    하이트레이트 탈리 장치에 의해 압축탈수판을 분리, 진동시켜 상기 탈수, 농축 단계에서 탈수, 농축된 가스 하이드레이트가 탈리되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기의 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 질소, 산소, 육불화황을 포함하는 저분자량 가스인 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 저온환경의 탈수-농축 반응부의 온도는 -50 내지 0℃인 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축 방법.
  4. 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스와 물을 반응시켜 형성된 가스 하이드레이트 슬러리를 탈수, 농축하는 장치에 있어서,
    가스하이드레이트 생성 고압 반응기(100) 및 가스 하이드레이트 슬러리의 저장탱크로 구성되는 가스 하이드레이트 슬러리 공급부;공기압축기(190) 및 고압 공기 압력 조절용 레귤레이터(regulator)로 구성되는 고압공기 공급부; 및 저온유지 보온 케이싱(240)과 탈수 농축 반응기(31)를 포함하는 저온 환경의 탈수-농축 반응부를 구비하는 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축 장치.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 가스 하이드레이트 형성이 가능한 대상 가스는 메탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 질소, 산소, 육불화황을 포함하는 저분자량 가스인 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축 장치.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 저온환경의 탈수-농축 반응부의 온도는 -50 내지 0℃인 것을 특징으로 하는 가스 하이드레이트 슬러리의 탈수, 농축 장치.
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