KR20110054279A - 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치 및 방법 - Google Patents

초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 초음파진동자를 이용하여 미세입자로 무화된 물을 이송가스에 실어서 반응기로 도입하고, 저온을 유지하는 반응기에서 추가적 조작 없이 생성유도시간이 제거된 가스하이드레이트를 제조하는 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 샤워형태의 하향류 초음파진동자를 이용하여 물을 효율적으로 무화시키며, 초음파 무화법으로 제조된 미세직경의 물 입자를 가스 하이드레이트 형성가스를 이용해 가스하이드레이트 생성 반응기로 이송시키고, 반응기에서는 저온조건을 유지하는 상태에서 이송된 가스와 물을 반응시켜 고체의 가스 하이드레이트를 제조하고, 상기 가스 하이드레이트 입자는 반응기 하부에서 회수하도록 하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
가스하이드레이트, 초음파진동자, 무화, 하향류, 배플

Description

초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치 및 방법{PRODUCTION SYSTEM AND METHOD FOR GAS HYDRATES USING ULTRA-SONIC VIBRATOR}
본 발명은 초음파진동자를 이용하여 미세입자로 무화된 물을 이송가스에 실어서 반응기로 도입하고, 저온을 유지하는 반응기에서 추가적 조작 없이 생성유도시간이 제거된 가스하이드레이트를 제조하는 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 샤워형태의 하향류 초음파진동자를 이용하여 물을 효율적으로 무화시키며, 초음파 무화법으로 제조된 미세직경의 물 입자를 가스 하이드레이트 형성가스를 이용해 가스하이드레이트 생성 반응기로 이송시키고, 반응기에서는 저온조건을 유지하는 상태에서 이송된 가스와 물을 반응시켜 고체의 가스 하이드레이트를 제조하고, 상기 가스 하이드레이트 입자는 반응기 하부에서 회수하도록 하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치 및 방법에 관한 것이다.
특히 상기 샤워 형태의 초음파 무화법은 제조수의 상태를 깨끗하게 유지할 수 있으며, 추가적인 냉각이 필요없고, 일정한 유량의 무화입자를 연속적으로 제조할 수 있어 가스 하이드레이트 제조의 유용한 방법을 제공할 수 있다. 또한, 반응기 내부에서의 체류시간을 높여 가스 하이드레이트로의 전환율을 향상시키는 방법 을 제공하여 미반응된 얼음 생성량을 줄일 수 있다.
가스 하이드레이트는 특수한 형태의 포집화합물로써 그 외관은 얼음과 유사한 백색의 고체이나, 물질의 결정구조 및 그의 물리적 특성은 매우 다른 모습을 보인다. 또한, 일반적으로 고압과 저온의 조건에서 물 분자간의 수소결합으로 형성된 3차원 격자구조에 동공이라는 빈 공간이 발생하고, 이 동공에 저분자량의 가스분자 (메탄, 에탄, 프로판, 이산화탄소, 질소, 산소 등)가 물리적으로 포집되어 생성된다.
가스 하이드레이트는 여러 산업분야에 응용될 수 있는 잠재특성을 가지고 있어 최근 들어 많은 연구가 수행되고 있다. 크게 분류하면 약 다섯 가지 분야로 나뉠 수 있는데, 유체 유동성 확보, 에너지 자원으로서의 회수, 기후변화 대처기술, 가스 수송 및 저장, 그리고 이들 분야에 각각 연계된 안전에 대한 내용이다.
일예로 가스 수송 및 저장에 대하여 살펴보면, 가스 하이드레이트는 그 효율면에서 뛰어날 것으로 판단되는데 1cc의 메탄 하이드레이트는 0oC, 1기압에서 약 170cc의 메탄 가스와 0.8cc의 물로 해리된다. 즉 미량의 물을 첨가하여 적절한 생성조건으로 반응시켜 주면 약 170배의 메탄가스를 저장할 수 있으므로 상업적 활용이 가능하다. 또한, 기후변화 대처기술로서는 가스 하이드레이트를 이용하여 혼합가스 중 특정성분의 분리에 적용할 수 있다. 이러한 다기능을 갖는 가스하이드레이 트 제조기술을 산업적 응용기술로 적용할 수 있기 위해서는 고속, 고효율의 가스 하이드레이트 제조기술의 확보가 필수적이다.
종래의 가스 하이드레이트 제조방법을 살펴보면 고압용기에 물을 넣고 하이드레이트 생성가스를 투입한 후 기계적 교반기를 이용하여 생성하는 것이 가장 일반적이다. 그러나 상기 방법은 교반을 개시하여 수분에서 수 시간 정도의 반응이 진행되지 않는 불특정한 생성유도시간이 나타나고 있다. 또한, 반응이 진행되면서 반응기 내의 가스 하이드레이트 농도가 상승하게 되면 점도가 동반 상승하여 교반이 불가능해지므로 생성속도 및 전환율이 저하된다.
그러므로, 이를 회피하기 위해 낮은 수준의 전환율을 얻는 상태로 반응기를 유지하여야 하며, 이 경우 수득한 슬러리 상태의 하이드레이트는 잔존하는 다량의 물을 제거하고 농축하는 단계가 필수적으로 이루어져야 한다.
따라서, 상기의 문제점을 해결하기 위해 물과 가스를 효과적으로 혼합시켜 가스 하이드레이트를 제조하려는 다양한 시도가 제시되었다.
일본공개특허 특개2003-231892에서는 반응수와 반응가스를 라인믹서가 설치된 도관을 따라 흐르면서 교반되도록 하였는데, 라인믹서를 통과하면서 매우 작은 크기의 가스방울이 물에 분산되도록 만들어 물-가스의 접촉면적을 향상시킨 것이다. 또한, 일본등록특허 제6653516호는 반응가스가 충분히 녹아있는 반응수를 반응기 상부에서 스프레이로 뿌리면서 작은 크기의 물 입자를 제조하고, 하부에서 올라오는 반응가스와의 접촉을 유도하는 가스하이드레이트 제조방법을 제시하고 있다.
상기 방법들은 상기의 기계적 교반기를 이용하는 방법에 비하여 모터를 구동 시켜 교반기를 동작하는 높은 동력비를 제거할 수 있는 장점이 있으며, 작은 입자 형태의 접촉으로 가스 하이드레이트를 제조하기 때문에 향상된 생성속도 및 전환율을 기대할 수 있다.
그러나, 상기 방법들도 최종적으로 얻게되는 것은 미반응 물과 가스 하이드레이트의 혼합물인 슬러리 형태가 되는데 유용한 산업적 응용을 위해서는 가스 하이드레이트만을 뽑아내야 함으로 물 제거단계가 필요하며, 하이드레이트 표면에 부착되는 미반응 물을 다시 반응시키는 단계도 필요에 따라서는 추가될 수 있다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 일본공개특허 특개2007-330891에 초음파 진동자를 이용하여 가스 하이드레이트를 제조하는 방법이 제시되었다. 상기 방법은 초음파 진동자를 이용하여 반응수를 직경 수십 마이크론 단위의 작은 액적으로 분무시키고 이를 반응가스를 이용하여 반응기로 이송하며, 저온으로 유지되는 반응기에서 하이드레이트 형태로 제조하는 방법이다.
상기 방법에서는 액체상태의 물이 얻어지지 않아 슬러리 형태가 아닌 미반응 물이 저온상태에서 상변화된 얼음과 가스 하이드레이트 등의 2가지 고체 혼합물이 수취됨으로, 이전 방식인 슬러리로 얻어지는 형태에서 요구되는 추가공정이 필요 없는 장점이 있다. 상기 미세액적을 제조하고 이를 가스하이드레이트 형성가스와 접촉시켜 연속적인 가스하이드레이트를 제조하는 방법에서 중요한 부분은 일정한 크기의 액적을 동일한 유량, 속도로 균일하게 제조하는 것이다.
그러나, 상기 방법은 미세액적의 표면부터 가스하이드레이트 필름이 형성되며, 형성된 가스하이드레이트 필름은 내부 수분과 외부 가스하이드레이트 형성가스 의 추가적인 접촉을 차단하는 방해자로 작용하게 된다. 따라서 가스 하이드레이트 생성속도가 일정하게 유지되면서 원활히 반응이 진행되기 위해서는 매우 작은 크기의 미세 수적을 제조하거나 혹은 균일한 크기의 수적이 제조되어야 한다.
또한, 상기 건은 진동자가 잠겨 있는 액체저장소의 수위에 따라 무화되는 입자의 유량이 조절되는데 상기 액체저장소의 수위를 조절하는 것이 매우 어려워 무화입자의 균일화를 얻는데 무리가 있다. 또한, 장시간 운전을 수행할 시에는 수조 안쪽에 발생되는 스케일로 인해 물이 오염되어 진동자의 진동에 저해됨으로 수시로 세척해야되는 번거로운 문제점이 내재되어 있다.
이에 본 발명에 따른 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치 및 방법은,
무화장치 상부에 초음파진동자가 장착되고, 물을 상기 초음파진동자를 통해 샤워형태로 공급하기 때문에 연속적으로 균일한 유량의 미세직경의 물입자를 제조할 수 있고, 상기 샤워형태로 물을 공급받는 초음파진동자를 무화장치 상부에 병렬로 다수 설치하여 미세직경의 물입자 유량을 원하는 대로 조절하는 것이 가능하게 한 것이다.
또한, 가스하이드레이트를 생성하는 반응기는 내부에 다수의 격벽을 설치하여 상기 미세직경 물입자와 가스하이드레이트 생성가스가 이동되는 유로의 길이를 길게 형성하여 반응기에 체류하는 시간을 증대시킴으로써, 물입자와 생성가스인 기-액 접촉시간을 충분하게 제공하여 효율적인 가스하이드레이트 제조가 가능하도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기 과제를 해소하기 위한 본 발명의 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치는,
물탱크로부터 공급되는 물을 초음파무화장치를 이용하여 무화시키고, 가스하이드레이트 생성가스에 의해 반응기로 이송시켜 가스하이드레이트를 제조하는 가스하이드레이트 제조장치에 있어서, 통체의 무화생성조와, 상기 무화생성조의 상부에 설치되어 공급되는 물을 무화해 내부로 유입시키는 초음파진동자와, 상기 무화생성조 측면에 연통되어 이송가스인 가스하이드레이트 생성가스를 유입하는 이송가스공급관과, 상기 무화생성조 측면에 연통되어 무화된 물이 포함된 이송가스인 혼합가스를 배출하여 반응조 상부로 공급하는 혼합가스이송관과, 상기 무화생성조의 저면에 연통되어 무화되지 않은 물을 물탱크로 재이송시키는 순환관으로 구성되는 초음파무화장치와; 통체의 반응조와, 상기 반응조의 외벽에 설치되어 반응조를 냉각시켜 반응조 상부에 연통된 혼합가스유입관으로부터 공급된 혼합가스의 가스하이드레이트 생성반응이 이루어지도록 하는 냉각자켓과, 상기 반응조의 저면에 형성되어 반응에 의해 생성된 가스하이드레이트를 배출하는 가스하이드레이트 배출관과, 상기 반응조에 형성되어 미반응된 혼합가스를 배출하는 미반응혼합가스 배출관으로 구성되는 반응기;를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조방법은,
초음파진동자로 물을 무화시켜 이를 가스하이드레이트 생성가스와 함께 저온에서 반응시켜 가스하이드레이트를 생성하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조방법에 있어서, 초음파무화장치의 상부에 설치된 초음파진동자에 물을 공급하여 무화된 물이 상부에서 하부로 떨어지게 하는 초음파진동자를 이용한 하향류 무화단계와; 상기 무화된 물을 이송가스인 하이드레이트 생성가스를 이용하여 반응기로 이송시키는 혼합가스 이송단계와; 저온의 반응기로 공급된 혼합가스가 냉각되면서 가스하이드레이트 생성반응이 이루어지는 가스하이드레이트 생성단계; 상기 가스하이드레이트 생성단계(S3)에서 미반응된 혼합가스를 배출하는 미반응혼합가스 배출단계;를 포함하여 이루어진다.
이상에서 상세히 기술한 바와 같이 본 발명의 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치 및 방법은,
샤워 형태의 초음파 진동자를 이용하여 물을 효율적으로 무화시키며, 초음파 무화법으로 제조된 미세직경의 물 입자를 가스 하이드레이트 형성가스를 이용하여 저온조건을 유지하는 하이드레이트 제조 반응기로 이송시키고, 충분한 체류시간을 확보할 수 있도록 내부 유로를 보유한 저온반응기에서 가스하이드레이트를 제조하며, 생성된 가스하이드레이트 입자를 반응기 하부에서 회부하는 방식으로 제조한 다. 샤워형태의 진동자를 이용함으로써 균일한 속도와 유량으로 물을 무화시킬 수 있으며 정화된 상태의 물을 연속적으로 이용할 수 있다. 상압 상태에서도 저온의 반응기를 이용함으로써 가스하이드레이트 생성을 원활하게 유지할 수 있고, 미세 수적을 이용한 가스하이드레이트 생성반응은 생성유도시간의 완벽한 제거와 함께 높은 가스 전환율을 얻을 수 있다. 반응기 내부의 중첩된 가스 유로는 입자체류시간을 늘릴 수 있어 하이드레이트 생성반응이 진행될 수 있도록 시간을 늘려줌으로써 회수되는 가스하이드레이트 양을 크게 향상시키는 것이 가능하게 되었다.
이하에서는 본 발명에 따른 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치 및 방법을 첨부된 도면과 함께 상세히 설명하기로 한다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치를 도시한 구성도이고, 도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 가스하이드레이트 제조장치의 반응기의 다양한 실시예를 도시한 개략도이고, 도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 반응기의 다른 실시예를 도시한 개략도이다.
도 1에 도시된 바와같이 본 발명의 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치(10)는 물탱크(11)의 물을 펌프로 펌핑하여 초음파무화장치(20)로 공급하고, 초음파무화장치에서는 공급된 물을 무화시켜 미립화하고, 상기 무화된 물을 가스하이드레이트 생성가스에 의해 반응기(30)로 이송하여, 상기 저온상태의 반응 기(30)에서 가스하이드레이트 생성반응이 이루어지도록 한다.
상기 초음파무화장치(20)는 통체의 무화생성조(21)를 구비하고, 상기 무화생성조에는 초음파진동자(22)가 설치되어 공급되는 물을 미립화 상태로 무화해 내부로 유입시킨다. 이때 상기 초음파진동자(22)는 무화생성조(21) 상부에 설치하여 물탱크에서 이송된 물이 샤워형태로 떨어지는 하향류식으로 공급받아 무화가 이루어지도록 한다. 이와같이 초음파진동자(22)가 상측에 설치되면 초음파진동자에 물때와 같은 이물질이 묻는 것을 방지할 수 있으므로 깨끗한 상태로 무화된 물을 공급할 수 있다.
또한, 상기 무화생성조(21)의 측면에는 이송가스공급관(23)이 연통되어 있어 가스하이드레이트 생성가스를 무화생성조 내로 유입하고, 무화생성조 내의 무화된 물을 실어서 혼합가스이송관(24)으로 배출한다. 여기서 상기 가스하이드레이트 생성가스는 이산화탄소, 질소, 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등의 천연가스 등 다양한 종류의 가스 일 수 있으며, 일종 또는 이종이상 혼합된 가스 일 수 있다.
도 1에 도시된 바와같이 무화생성조(21)의 측면 하측에는 이송가스공급관(23)이 연통되고, 이와 대향되는 부분의 상측에는 혼합가스이송관(24)이 연통되어 가스하이드레이트 생성가스가 무화생성조의 하부에서 상측으로 이동되면서 무화된 물과 함께 혼합가스이송관(24)으로 배출되도록 하였다. 이는 상기 무화된 물입자가 대체적으로 미립화 된 것이지만 일부 미립화되지 않은 큰입자가 포함되어 있다. 따라서, 가스하이드레이트 생성가스를 하측에서 상측으로 이동시키면서 배출이 이루어지게 함으로써, 이동되는 가스하이드레이트 생성가스에 부유하는 미립자형태 의 무화된 물만 혼합되게하여 큰입자의 물이 반응기(30)로 공급되는 것을 1차적으로 차단할 수 있는 것이다.
상기 이송되지 않은 큰입자의 물은 무화생성조(21)의 저면에 포집되며, 포집된 물은 무화생성조(21)의 저면에 연통된 순환관(25)을 통해서 물탱크로 이송되어 재사용되도록 한다.
상기 초음파진동자(22)는 도 1에서와 같이 하나를 설치하여 사용하거나, 도 2에 도시된 바와같이 2개 이상 설치하여 사용할 수 있다. 상기 다수개의 초음파진동자를 사용할 경우에는 초음파진동자의 작동수를 조절하여 무화되는 물의 량이 조절할 수 있다.
또한, 혼합가스이송관(24)에는 데미스터(12)를 더 장착하여 혼합가스(가스하이드레이트 생성가스+ 무화된 물)에 포함되어 있는 물입자 중 굵은 액적을 제거하도록 할 수 있다. 굵은 액적의 경우 반응기(30) 내에서의 가스하이드레이트 반응 속도가 느리고 다른 입자의 가스하이드레이트 반응을 방해함으로 혼합가스를 반응기에 공급하기 이전에 제거하는 것이 바람직하다. 특히 초음파진동자를 복수 이상으로 사용할 경우 혼합가스 내에 굵은 액적이 다량 포함될 수 있으므로 반드시 데미스터를 장착하여 굵은 액적을 제거하는 것이 바람직하다.
아울러 상기 이송가스공급관(23)은 도 1에서와 같이 가스하이드레이트 생성가스를 직접 무화생성조(21)로 공급하여 무화된 물을 이송되도록 하는 방법 이외에 도 3에 도시된 바와같이 이송가스공급관(23)에 수분포화기(13)를 장착하여 초음파무화장치의 무화생성조(21)로 투입시키기 이전에 가스하이드레이트 생성가스의 함 습율을 증가시키도록 할 수 있다. 또한, 상기 이송가스공급관(23)에는 도시된 바와같이 이송가스를 수분포화기로 공급하는 라인 또는 수분포화기로부터 초음파무화장치로 공급되는 라인에 유량계(14)를 설치하여 공급가스량을 확인하여 조절할 수 있도록 할 수 있다. 물론 이러한 유량계(14)는 물탱크(11)의 물을 초음파진동자(22)에 공급하는 라인에도 설치하여 공급되는 물을 량을 확인하고 이를 조절할 수 있도록 할 수 있다. 가스하이드레이트 생성가스가 함습율이 낮을 경우 무화된 물을 반응기로 이송하는 과정에서 미세직경의 액적이 물질확산에 의해 가스로 휘발되어 손실되는 양이 발생하기 때문에 이를 억제하기 위하여 포화기를 장착하는 것이 필요에 따라서는 바람직하다.
한편, 상기 반응기(30)는 통체의 반응조(31)와, 상기 반응조의 외벽에 설치되는 냉각자켓(32)을 포함하여 구성된다. 상기 냉각자켓에 의해 저온상태를 유지하고 있는 반응조(31)에는 상부에 연통된 혼합가스이송관(24)을 통해 초음파무화장치에서 이송되는 가스하이드레이트 생성가스와 무화된 물인 혼합가스가 유입된다. 유입된 혼합가스는 반응조(31) 내에서 가스하이드레이트 생성반응이 이루어져 반응조 하부에 쌓이게 되며, 생성된 가스하이드레이트는 반응조 저면에 형성된 가스하이드레이트배출관(33)을 통해 별도로 포집 저장하고, 미반응된 가스하이드레이트 생성가스 및 무화된 물은 미반응혼합가스배출관(34)을 통해 외부로 배출된다.
여기서 상기 반응기(30)는 반응조(31) 내부에 다수의 배플(35)을 설치하여 혼합가스이송관(24)의 유입부분과 미반응혼합가스배출관(34)의 배출부분 사이의 유 로를 길게 형성되도록 하여 반응기 내에서의 체류시간을 증대시켜 가스하이드레이트 생성반응시간을 연장해 가스하이드레이트로의 전환율을 증대시킬 수 있다.
도 4a를 참조한 바와같이 상기 반응조(31)에는 하향경사를 갖는 배플(35)을 반응조의 대향되는 내측벽에 순차적으로 형성되도록 하되 상부에 형성된 배플의 하단이 인접한 하부 배플의 중간부분에 근접되도록 하고, 혼합가스이송관(24)은 반응조의 상부에 연통하여 혼합가스를 공급하고, 미반응혼합가스배출관(34)은 측벽하부에 연통되어 미반응된혼합가스를 배출하도록 한다. 상기 형태로 배플이 설치되면 반응조의 상부에서 공급된 혼합가스는 배플을 따라 지그재그 형태로 이동되면서 하강하여 반응조 내에서의 혼합가스 체류시간 증가로 인해 가스하이드레이트 생성반응 시간을 증대시킬 수 있다.
도 4b는 다른 형태로 배플(35)이 설치된 것으로, 참조한 바와같이 배플이 수직으로 다수 형성되어 있다. 상기 다수의 수직 배플은 순차적으로 반응조(31)의 상단 또는 하단으로부터 연장형성되고, 연장된 부분의 타측단부는 그 근접한 단부와 이격되도록 함으로써 유로를 길게 형성할 수 있다.
도시된 바와같이 3개의 수직 배플이 형성될 경우 도면의 오른쪽으로부터 첫 번째와 세번째 배플은 반응조의 상단으로부터 하단방향으로 연장형성되고, 두 번째 배플은 반응조의 하단으로부터 상단방향으로 연장형성된다. 여기서 반응조의 오른쪽 상부로부터 공급되는 혼합가스는 하강과 상승을 반복하면서 반응조의 왼쪽상단에 연통된 미반응혼합가스배출관(34)으로 이동되고, 이동되는 과정에서 가스하이드레이트 생성반응이 이루어져 생성된 가스하이드레이트는 반응조의 저면에 쌓여 가 스하이드레이트배출관을 통해 배출되고, 미반응된 혼합가스는 미반응혼합가스배출관(34)을 통해 반응조로부터 배출된다.
도 4c는 반응조(31)의 중앙에 코어(36)가 형성되고 그 양측으로 배플(35)이 형성된 형태이다. 도시된 바와같이 원형의 코어를 반응조 중앙에 배치하고, 하향경사를 갖는 배플을 서로 대칭되도록 양측벽에 설치하되, 코어를 중심으로 상하 2단으로 구성된다. 상부의 배플(35)은 그 하단이 코어 상측곡면 부분에 근접되도록 하고, 하부의 배플은 코어 하측곡면과 이격되도록 형성되게 한다. 상기 배플구조에서는 반응조의 상부로부터 공급되는 혼합가스가 상부 배플에 의해 반응조 중앙으로 모이고, 원형의 코어 상측 곡면을 따라 양측면으로 퍼진 다음 하부 배플에 의해 중앙측으로 다시 모이도록 하여 유로를 길게 형성한 것이다. 상기 코어는 도시된 형태이외에 반응조에 수직상 또는 수평상으로 복수개가 형성되도록 할 수 있으 형태배플의 설치형태도 도시된 형태 이외에 다양한 형태로 형성할 수 있다.
상기 배플형태 이외에 도 5a와 도 5b에 도시된 바와같이 사이클론 형태의 반응조를 갖는 반응기(30)를 사용할 수 있다. 상기 반응기는 중앙에 상부로부터 삽통되도록 미반응혼합가스배출관(34)이 설치되고, 혼합가스이송관(24)은 측면에서 원형의 반응조(31) 내벽을 향하게 혼합가스를 유입시키도록 함으로 반응기로 유입된 혼합가스는 반응조 내벽을 따라 선회하면서 하강하여 반응조에 체류하는 시간이 증대된다. 상기 하강하는 혼합가스는 저온에서 가스하이드레이트 생성반응에 의해 가스하이드레이트를 생성시키고, 생성된 가스하이드레이트는 반응조 하부와 연통된 가스하이드레이트배출관을 통해 배출되며, 미반응된 혼합가스는 반응조 중앙의 미 반응혼합가스배출관(34)을 통해 외부로 배출된다.
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조방법의 블록도이다.
참고한 바와같이 본 발명은 초음파진동자로 물을 무화시켜 이를 가스하이드레이트 생성가스와 함께 저온에서 반응시켜 가스하이드레이트를 생성하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조방법에 있어서, 초음파진동자를 이용한 하향류 무화단계(S1)가 선행되어 이루어진다. 상기 단계에서는 상부에 설치된 초음파진동자에 물을 공급하여 무화된 물이 상부에서 하부로 하향류 방식 떨어지도록 한 것이다. 또한, 상기 단계에서는 무화되지않은 액적(물방울)을 포집하여 초음파진동자로 재공급하는 순환단계(S5)가 포함될 수 있다.
다음으로는 무화된 액적을 가스하이드레이트생성가스에 실은 혼합상태에서 반응기로 이송시키는 혼합가스이송단계(S2)가 수행된다. 이 때 상기 가스하이드레이트 생성가스는 무화된 물과 혼합시 무화된 물을 흡습하여 무화량이 줄어들 수 있으므로, 이를 방지하기 위해 이송을 위해 공급되는 가스하이드레이트 생성가스를 수분포화기에 통과시켜 함습율을 증가시킨 다음 이송가스로 사용되게하는 가스하이드레이트 생성가스 수분포화단계(S6)가 더 수행될 수 있다.
상기 가스하이드레이트 생성가스와 무화된 물의 혼합가스가 반응기로 이송되면 상기 혼합가스는 저온의 반응기를 통과하면서 냉각되어 가스하이드레이트가 생성되는 단계(S3)가 이루어진다. 상기 단계에서는 반응기 내에 다수의 배플을 설치 하여 유동되는 혼합가스가 반응기에 머무르는 체류시간을 증대시켜 가스하이드레이트로의 전환율을 증대시키는 반응기유로연장과정이 포함될 수 있다.
또한, 상기 단계에서 반응하지 않은 미반응 혼합가스를 반응기 외부로 배출하는 단계가 더 이루어진다.
실시예 1
이산화탄소를 가스하이드레이트 형성가스로 이용하여 분당 20리터의 속도로 공급하며, 초음파노즐로는 분당 1리터의 물을 공급하여 무화된 미세액적이 이산화탄소와 함께 반응기로 이송되도록 한다.
반응기는 냉매가 순환되는 자켓을 이용하여 -50oC로 유지시키며, 상압조건으로 공급된 가스와 무화수는 가스하이드레이트 및 미반응 얼음으로 얻어진다.
이때 배출되는 이산화탄소는 분당 12.5리터였으며, 생성되는 가스하이드레이트와 얼음의 혼합물은 분당 45그램이었다.
샘플링하여 분석한 결과 혼합물 중 가스하이드레이트와 얼음의 무게비는 0.875대 0.125로 얻어졌다.
실시예 2
메탄가스를 가스하이드레이트 형성가스로 이용하여 반응기 온도를 -75oC로 유지시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 조건으로 실험을 수행하였다.
배출되는 메탄은 분당 14.2리터였으며, 생성되는 가스하이드레이트와 얼음의 혼합물은 분당 40그램이었다.
샘플링하여 분석한 결과 혼합물 중 가스하이드레이트와 얼음의 무게비는 0.927대 0.073으로 얻어졌다.
실시예 3
반응기 내부에 수직의 3개 배플을 설치하여 체류시간을 늘려준 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 실험을 수행하였다.
배출되는 이산화탄소는 분당 8.9리터였으며, 생성되는 가스하이드레이트와 얼음의 혼합물은 분당 59그램이었다.
도 1 내지 도 3은 본 발명에 따른 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치를 도시한 구성도.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명에 따른 가스하이드레이트 제조장치의 반응기의 다양한 실시예를 도시한 개략도.
도 5a와 도 5b는 본 발명에 따른 반응기의 다른 실시예를 도시한 개략도.
도 6과 도 7은 본 발명에 따른 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조방법의 블록도.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 : 가스하이드레이트 제조장치
11 : 물탱크 12 : 데미스터
13 : 수분포화기 14 : 유량계
20 : 초음파무화장치
21 : 무화생성조 22 : 초음파진동자
23 : 이송가스공급관 24 : 혼합가스이송관
25 : 순환관
30 : 반응기
31 : 반응조 32 : 냉각자켓
33 : 가스하이드레이트배출관 34 : 미반응혼합가스배출관
35 : 배플 36 : 코어

Claims (8)

  1. 물탱크(11)로부터 공급되는 물을 초음파무화장치(20)를 이용하여 무화시키고, 가스하이드레이트 생성가스에 의해 반응기(30)로 이송시켜 가스하이드레이트를 제조하는 가스하이드레이트 제조장치(10)에 있어서,
    통체의 무화생성조(21)와, 상기 무화생성조의 상부에 설치되어 공급되는 물을 무화해 내부로 유입시키는 초음파진동자(22)와, 상기 무화생성조 측면에 연통되어 이송가스인 가스하이드레이트 생성가스를 유입하는 이송가스공급관(23)과, 상기 무화생성조 측면에 연통되어 무화된 물이 포함된 이송가스인 혼합가스를 배출하여 반응조 상부로 공급하는 혼합가스이송관(24)과, 상기 무화생성조의 저면에 연통되어 무화되지 않은 물을 물탱크로 재이송시키는 순환관(25)으로 구성되는 초음파무화장치(20)와;
    통체의 반응조(31)와, 상기 반응조의 외벽에 설치되어 반응조를 냉각시켜 반응조 상부에 연통된 혼합가스유입관으로부터 공급된 혼합가스의 가스하이드레이트 생성반응이 이루어지도록 하는 냉각자켓(32)과, 상기 반응조의 저면에 형성되어 반응에 의해 생성된 가스하이드레이트를 배출하는 가스하이드레이트 배출관(33)과, 상기 반응조에 형성되어 미반응된 혼합가스를 배출하는 미반응혼합가스 배출관(34)으로 구성되는 반응기(30);를 포함하여 구성됨을 특징으로 하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 초음파무화장치의 초음파진동자(22)는 다수개로 설치되어 무화량을 조절가능하도록 하고, 상기 혼합가스이송관(24)에는 데미스터(12)를 장착하여 굵은 액적을 제거하도록 한 것을 특징으로 하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이송가스공급관(23)에는 수분포화기(13)를 장착하여 초음파무화장치에 공급되는 가스하이드레이트생성가스의 함습율을 증가시킨 것을 특징으로 하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 반응기(30)에는 다수의 배플(35)을 설치하여 혼합가스이송관(24)이 연통된 부분과 미반응혼합가스배출관(34)이 연통된 부분 사이의 유로를 길게 형성해 반응기 내에서의 가스하이드레이트 생성반응시간을 연장시킨 것을 특징으로 하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 반응기(30)는 혼합가스가 반응조 내벽을 따라 선회하면서 하강하도록 유입방향을 형성하고, 반응조 중앙에는 미반응혼합가스 배출관(34)을 상부로부터 삽통되도록 설치하여 미반응된 가스는 미반응혼합가스배출관 하단으로 유입되어 외부로 배출되는 사이클론 형태로 형성한 것을 특징으로 하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조장치.
  6. 초음파진동자로 물을 무화시켜 이를 가스하이드레이트 생성가스와 함께 저온에서 반응시켜 가스하이드레이트를 생성하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조방법에 있어서,
    초음파무화장치의 상부에 설치된 초음파진동자에 물을 공급하여 무화된 물이 상부에서 하부로 떨어지게 하는 초음파진동자를 이용한 하향류 무화단계(S1)와;
    상기 무화된 물을 이송가스인 하이드레이트 생성가스를 이용하여 반응기로 이송시키는 혼합가스 이송단계(S2)와;
    저온의 반응기로 공급된 혼합가스가 냉각되면서 가스하이드레이트 생성반응이 이루어지는 가스하이드레이트 생성단계(S3)와;
    상기 가스하이드레이트 생성단계(S3)에서 미반응된 혼합가스를 배출하는 미반응혼합가스 배출단계(S4);를 포함하여 이루어짐을 특징으로 하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 하향류 무화단계(S1)에서는 무화되지 않은 액적을 포집하여 초음파진동자로 재공급하는 순환단계(S5)가 더 이루어지는 것을 특징으로 하는 초음파진동자 를 이용한 가스하이드레이트 제조방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 혼합가스이송단계(S2)에서 공급되는 가스하이드레이트 생성가스는 수분포화기를 통과하여 함습율을 증가시키는 가스하이드레이트 생성가스 수분포화단계(S6)가 더 수행됨을 특징으로 하는 초음파진동자를 이용한 가스하이드레이트 제조방법.
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