[논문]메탄 하이드레이트 동적특성에 대한 실험적 연구

김남진; 천원기

문제 정의

만약 이와 같은 특징을 역으로 이용할 경우 메탄가스를 인공적으로 하이드레이트로 제조할 수 있기 때문에 대부분 메탄가스로 이루어진 천연가스의 수송 및 저장의 수단으로써 그 중요성이 커지고 있으며, 하이드레이트로 만들어 고체화 수송을 할 경우 액화 수송보다 24 %의 비용절감이 이루어진다고 보고하였다. 따라서 메탄 하이드레이트의 상업적인 생산을 개시할 때 고체상태로 존재하는 하이드레이트를 분해시켜 발생되는 메탄가스를 기존의 액화방법 대신에 경제적으로 유리한 하이드레이트를 이용하여 수송하고 저장하는 기술을 개발하는 것이 본 연구의 목적이다. 그러나 하이드레이트를 인공적으로 만들 경우 물과 가스의 반응률이 낮아 하이드레이트 생성시간이 길고, 가스충진율도 낮다.
그러나 하이드레이트를 인공적으로 만들 경우 물과 가스의 반응률이 낮아 하이드레이트 생성시간이 길고, 가스충진율도 낮다. 따라서 본 논문에서는 하이드레이트를 빨리 만들며 가스충진율도 증가시킬 수 있는 방법을 제시하고자 한다.
3절의 실험은 반응기 내에 증류수를 주입한 후 메탄가스를 분사하는 방법으로 이는 가스와 증 류수의 접촉면적이 작다. 따라서 본 실험은 반응 기 내에 먼저 메탄가스를 주입한 후 증류수를 분 사시켜 접촉면적을 넓게하여 하이드레이트 변환량 을 증가시키고자 수행한 실험이다. 그림 7과 같이 과냉도변화에 따른 하이드레이트 변환량 측정 실험에서 24시간 동안 소모된 가스 총량을 진공 상태인 반응기 내에 주입한 후 274.

제안 방법

)와 디지털 지시계(15)를 사용하였다. 그리고 매 10초 단위로 압력, 온도, 유량 등의 데이터를 읽어 PC(17)에 저장하도록 하였다. 그리고 반응물질로는 이차증류수와 99.
따라서 하이드레이트를 빨리 만들기 위해서 9 K 이상의 과냉도 조건을 설정하면 실험압력까지 가압하는 도중에 하이드레이트가 생성되므로 하이드레이트를 빨리 생성시킬 수 있음을 알 수 있고, 다음과 같은 핵생성 예측 실험식을 얻었다.
제거시켰다. 반응기에 증류수를 500mL 주입하고, 274/L5K까지 냉각시킨 후 보조 탱크에 서 19MPa의 고압상태로 준비된 메탄가스를 실 험압력 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15MPa까지 각각 주입하고 일정시간 동안 메탄 하이드레이트가 충분히 성장하도록 실험조건을 유지하였다. 하이드레이트가 충분히 성장한 후 항온수조를 이용하여 2시간당 0.
주입하였다. 실험압력에 도달한 후 그림 4의 원안 안에 표시한 것과 같은 하이드레이트 핵이 최초 생성되는 시간을 24시간 동안 관찰하여 그 시간을 표 2와 그림 4에 표시하였다. 그림에 나타냈듯이 과냉도가 작을수록, 즉 평형점과 가까울수록 하이드레이트가 생성되는 시간은 길어지며, 과냉도가 커질수록 급격히 줄어드는 것을 알 수 있다.
그리고 반응기 내로 들어오는 메탄가스와 물은 열전달이 충분히 이루어지도록 튜브(7)의 길이를 2m 이상 확보하였다. 질량유량계(MFC)의 경우, 가스 고유량용(22, 0~60L/min)과 저유량용(23, 0-1,500 mL/min), 액체용(2), 0~1, 000 g/hr)으로 설치하였으며, 실험압력의 97~98%까지는 가스 고유량용 질량유량계(22)로 나머지 2~3%는 가스 저유량용 질량유량계(23) 를 작동시킴으로써 고유량이 유입되어 발생될 수 있는 초과압력을 줄여 실험의 정밀도를 높일 수 있도록 설계되었다. 압력측정의 경우 오차범위 0.
반응기에 증류수를 500mL 주입하고, 274/L5K까지 냉각시킨 후 보조 탱크에 서 19MPa의 고압상태로 준비된 메탄가스를 실 험압력 3, 5, 7, 9, 11, 13, 15MPa까지 각각 주입하고 일정시간 동안 메탄 하이드레이트가 충분히 성장하도록 실험조건을 유지하였다. 하이드레이트가 충분히 성장한 후 항온수조를 이용하여 2시간당 0.1 K의 온도상승률로 반응기의 온도를 상승시켰다. 이때 증가하는 압력은 3방향 밸브(20)의 조작과 질량유량계를 통하여 가스를 배출(37)시킴으로써 정압을 유지하도록 하였다.

대상 데이터

600mL의 반응기(1)와 1.5L의 보조탱크 3개 (24, 27)는 SUS316을 사용하여 30 MPa의 고압과 부식 등에 대비할 수 있도록 제작되었다. 또한 반응기가 고압에서 작동하는 점을 고려하여 유입되는 가스와 물의 역류를 방지하기 위해서 반응기에 연결된 튜브의 후단에 체크밸브(8)를 설치하였으며, 가시화를 위해서 반응기의 전 .
그리고 매 10초 단위로 압력, 온도, 유량 등의 데이터를 읽어 PC(17)에 저장하도록 하였다. 그리고 반응물질로는 이차증류수와 99.99% 메탄가스(30, Quadren Cryogenic Co., 47L)를 사용하였다.
질량유량계(MFC)의 경우, 가스 고유량용(22, 0~60L/min)과 저유량용(23, 0-1,500 mL/min), 액체용(2), 0~1, 000 g/hr)으로 설치하였으며, 실험압력의 97~98%까지는 가스 고유량용 질량유량계(22)로 나머지 2~3%는 가스 저유량용 질량유량계(23) 를 작동시킴으로써 고유량이 유입되어 발생될 수 있는 초과압력을 줄여 실험의 정밀도를 높일 수 있도록 설계되었다. 압력측정의 경우 오차범위 0.25% 미만의 아날로그 방식인 Heise 압력계 (19, 0~350kgf/cm²)와 디지털 지시계(16)를 사용하였고, 온도측정의 경우 1/32인치 T-타입 열전대(3, OMEGA Co.)와 디지털 지시계(15)를 사용하였다. 그리고 매 10초 단위로 압력, 온도, 유량 등의 데이터를 읽어 PC(17)에 저장하도록 하였다.

성능/효과

(1) 3~15MPa 압력범위의 평형점을 예측할 수 있는 실험식을 도출하였으며, 빠른 하이드레이트 생성을 위해서는 과냉도를 9K 이상으로 만들어 줄 필요가 있음을 알 수 있었다.
(2) 동일한 가스량으로 하이드레이트를 만들 경우 증류수 분사방법을 이용하면 하이드레이트 생성 시간을 줄일 수 있었고, 압력도 약 10% 정도 감소시킬 수 있었다. 그러나 과냉도 9K 이하에서 사용해야 될 것으로 사료된다.
(3) 노즐을 사용하여 물을 분사할 경우 과냉도에 의한 결과보다 약 4배의 하이드레이트 변환량을 보였으며, 생성된 하이드레이트를 점화시킨 결과 연소가 잘 됨을 알 수 있었다.
결과적으로 24시간 동안 소모된 가스량을 그림 8에 하이드레이트 성장모습을 그림 9에 나타내였다. 그림에서 알 수 있듯이 노즐을 이용하여 증류수를 분사할 경우 하이드레이트 생성시간을 줄일 수 있었고, 과냉도방법보다 약 4배의 가스소모량을 보였다. 또한 그림에서 알 수 있듯이 하이드레이트가 생성되는 순간 하이드레이트 변환량이 증가하지만 하이드레이트가 생성된 후의 하이드레이트 변환량은 거의 증가하지 않는다.
또한 그림에서 알 수 있듯이 하이드레이트가 생성되는 순간 하이드레이트 변환량이 증가하지만 하이드레이트가 생성된 후의 하이드레이트 변환량은 거의 증가하지 않는다. 따라서 반응기 내에 하이드레이트로 형성되지 못한 증류수를 순환시켜 재 분사시키는 방법이 효과적이라는 것을 알 수 있다.
천연가스와 증류수를 llMPa, 274.15K로 충분히 반응시킨 후 생성된 하이드레이트를 반응기에서 채취하여 점화시킨 결과 그림 10과 같이 연소가 잘됨을 볼 수 있었다.

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