JP5204530B2 - ガスハイドレートの製造装置 - Google Patents

Description

本発明は、原料ガスと水とを低温及び高圧の下で反応させて一次ガスハイドレートを生成する反応生成部と、前記反応生成部内の液体を冷却する液体冷却部とを備えたガスハイドレートの製造装置に関する。

ガスハイドレートは、水分子が結合して形成された立体構造の籠の内部に、例えば天然ガスの成分であるメタン、エタン、プロパン、ブタン等の炭化水素や二酸化炭素等のガス分子が取り込まれて形成される包接（クラスレート）水和物（ハイドレート）の総称である。すなわち、ガスハイドレートは、原料ガス分子と水分子からなる氷状の固体物質であり、水分子が形成する立体的な籠状構造の内部に原料ガス分子を包接した安定な包接化合物の一種である。このガスハイドレートは、ガス包蔵量が比較的大きいと共に、大きな生成・分解エネルギーや、ハイドレート化ガスの選択性等の特徴ある性質を有しているため、例えば、天然ガス等の輸送・貯蔵手段や、蓄熱システム、アクチュエータ、特定成分ガスの分離回収等の多様な用途が可能であり、盛んに研究がなされている。

ガスハイドレートは、通常、高圧・低温条件の下で生成される。生成方法として、以下の方式が良く知られている。原料ガスを高圧に充填した反応容器の上部から冷却した水を噴霧することにより、水滴が原料ガス中を落下する際に水滴表面にガスハイドレートを生成させる、いわゆる「水噴霧方式」や、反応容器内の水中に原料ガスを気泡として導入（バブリング）することにより、原料ガスの気泡が水中を上昇する際に気泡表面にガスハイドレートを生成させる、いわゆる「バブリング方式」等である。

バブリング方式では、反応容器内の水中で生成されるガスハイドレートは、比重が水より小さいので水中を浮上する。そして、生成反応の進行によりガスハイドレートの量が増えると共に撹拌によりスラリー化される。通常、スラリー中のガスハイドレートの含有量が約１０ｗｔ％〜２０ｗｔ％程度になった段階で、生成されたガスハイドレートはスラリー状態で反応容器外に抜き出される。

この抜き出されたスラリー状態のガスハイドレートは、脱水装置に通されて脱水されガスハイドレートの含有量が約４０ｗｔ％〜５０ｗｔ％程度に高められる。その状態にして更にガスハイドレートの含有量を約９０ｗｔ％程度に高めるための次の生成工程に送られる。

図５は従来のガスハイドレートの製造装置の概略構成図を示す（例えば特許文献１）。原料ガスと水とを低温及び高圧の下で反応させて一次ガスハイドレート６を生成する反応生成部１と、該反応生成部１内の液体を冷却する液体冷却部２と、該反応生成部１で生成した一次ガスハイドレート６のスラリーがスラリーポンプ１０を介して送られ、該スラリーを濃縮する脱水装置３と、該脱水装置３で脱水処理された濃縮スラリーと原料ガスを再度反応させて高濃度の二次ガスハイドレート４を生成する第二反応生成部５とを備えている。

液体冷却部２は、ガスハイドレートの生成反応が発熱反応であるため、反応生成部１内の液温上昇を抑えるために設けられている。該液体冷却部２は、図５に示したように、第一の反応生成部１から液体を外部に抜き出して戻す循環ライン７と、該循環ライン７に設けられた循環用ポンプ８と、該循環用ポンプ８より循環方向における下流側に設けられた熱交換器９によって構成されている。
特開２００６−１１１７４６号公報

しかし、反応生成部１で生成した一次ガスハイドレート６のスラリーを抜き出して熱交換器９で冷却すると、スラリーの液温を下げることができるが、その液温低下はガスハイドレートの生成反応が進む方向に作用する。その結果、該熱交換器９内でガスハイドレートが生成し、付着し、その流路を閉塞する問題があった。

従来の構造は、熱交換器９が循環用ポンプ８の下流側に配置されているため、熱交換器９で一旦ガスハイドレートの生成、付着による閉塞が起こると、前記循環用ポンプ８のポンプ圧がその閉塞部分に加わって、該閉塞部分の圧力を更に高める。すなわち、ガスハイドレートの生成反応が一層進む方向になり、閉塞部分でのガスハイドレートの生成、付着を更に増大させる問題があった。

本発明の目的は、液体冷却部の冷却部により冷却される部分の流路にガスハイドレートに基づく閉塞が発生したときに、ガスハイドレートの分解反応が進む方向に自動的に変わり、もって閉塞の問題を低減することができるガスハイドレートの製造装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明の第１の態様に係るガスハイドレートの製造装置は、原料ガスと水とを低温及び高圧の下で反応させてガスハイドレートを生成する反応生成部と、前記反応生成部内の液体を冷却する液体冷却部とを備え、前記液体冷却部は、前記反応生成部から液体を抜き出して再び戻す循環ラインと、前記循環ラインに設けられた循環用ポンプと、前記循環ラインに設けられ、前記循環用ポンプより循環方向の上流側に位置する冷却部と、を備えることを特徴とするものである。

本態様によれば、循環ラインにおいて、冷却部は循環用ポンプよりも循環方向における上流側に設けられている。従って、前記冷却部で冷却される部分の流路にガスハイドレートに基づく閉塞が発生すると、循環ポンプのポンプ圧は吸引力となって前記閉塞部分に作用することになり、該閉塞部分の圧力を前記ポンプ圧（吸引力）によって自動的に下げるように作用する。その圧力がガスハイドレートの分解の平衡圧力以下にまで下がったときに、閉塞をもたらしたガスハイドレートの分解反応が始まり、進行し、閉塞が解消される。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様のガスハイドレートの製造装置において、前記循環ラインの前記循環ポンプより上流側は、切り換え可能な複数の流路を備えて構成され、前記各流路にそれぞれ設けられた冷却部と、前記各冷却部と前記循環ポンプとの間にそれぞれ設けられ、各流路内の圧力を検出する圧力センサと、前記圧力センサの検出信号を受け、前記複数の流路を切り換える制御信号を出力する制御部と、を備えることを特徴とするものである。

例えば一つの流路を使用状態にして循環ラインを構成し、前記反応生成部内の液体を、前記循環ラインを循環させて冷却している状態で、前記閉塞が発生したとき、前記ポンプ圧の吸引力によって閉塞部分の圧力が下がり、ガスハイドレートの分解反応が始まるが、その分解反応の進行が遅く、長時間かかる場合があり得る。本態様はこのような場合に有効である。

すなわち本態様によれば、「一つの流路」で前記閉塞が発生したときは、制御部によって「他の流路」に切り換えることができるので、前記「一つの流路」の前記閉塞が解消されるまで待たずに正常運転状態を確保することができる。その際、「他の流路」に切り換えた状態で、循環ポンプの吸引力を前記「一つの流路」の前記閉塞部分にも作用する状態にすることで、前記の如くガスハイドレートの分解反応の進行が遅く、長時間かかる場合でも、当該「他の流路」を使った液体冷却のための正常運転を行いながら、確実にその分解反応を終了させて閉塞を解消し、正常な初期状態に復帰させることができる。

本発明の第３の態様は、前記第１の態様のガスハイドレートの製造装置において、前記冷却部の循環方向における上流側に設けられた第１開閉弁と、前記循環用ポンプと前記冷却部との間に設けられた圧力センサと、前記圧力センサによりガスハイドレートの分解平衡圧力以下が検出されたときに前記第１開閉弁を閉じる制御を行う制御部と、を備えることを特徴とするものである。

ガスハイドレートの生成、付着による流路の前記閉塞が発生したときに、前記循環用ポンプのポンプ圧によって、閉塞部分の圧力が自動的に下がるが、ガスハイドレートの分解の平衡圧力以下にまで下がらないと、充分な分解は起こらない。

本態様によれば、圧力センサによりガスハイドレートの分解平衡圧力以下が検出されたときに冷却部の上流側に設けられた第１開閉弁を閉じる制御を行うので、当該閉塞部分に、圧力的に隔離された状態で、前記分解平衡圧力以下の圧力を作用させることができる。これにより、ガスハイドレートの分解反応が一気に進行し、短時間でその分解反応を終了させることが可能となる。従って、その後、第１開閉弁を開に戻すことにより、短時間で閉塞状態から正常状態に復帰させることができる。

本発明の第４の態様は、前記第３の態様のガスハイドレートの製造装置において、前記冷却部内の液体流路を分岐させて前記循環用ポンプの上流に接続させた分岐流路と、該分岐流路に設けられた第２開閉弁とを備え、前記制御部は、前記圧力センサによりガスハイドレートの分解平衡圧力以下が検出されたときに前記第１開閉弁を閉じ、第２開閉弁を開く制御を行うように構成されていることを特徴とするものである。

本態様によれば、冷却部内の液体流路を分岐させて前記循環用ポンプの上流に接続させた分岐流路と、該分岐流路に設けられた第２開閉弁を備え、制御部は、前記圧力センサによりガスハイドレートの分解平衡圧力以下が検出されたときに前記第１開閉弁を閉じることに加えて、更に前記第２開閉弁を開く制御を行うので、閉塞部分に対して分岐流路からも分解圧力を作用させることができるので、ガスハイドレートの分解反応を更に速く進行させ、更に短時間でその分解反応を終了させることが可能となる。

本発明の第５の態様は、前記第１の態様のガスハイドレートの製造装置において、前記冷却部の上流側と下流側にそれぞれ設けられた上流側開閉弁及び下流側開閉弁と、前記循環用ポンプと前記冷却部との間に設けられた圧力センサと、前記上流側開閉弁と下流側開閉弁との間に設けられた吸引部と、前記圧力センサが設定された大きさの圧力低下を検出したとき、前記上流側開閉弁と下流側開閉弁を閉じ、前記吸引部を作動させる制御を行う制御部と、を備えていることを特徴とするものである。

本態様によれば、閉塞が始まって圧力がある程度低下したことを圧力センサが検出したら、冷却部の上流側と下流側にそれぞれ設けられた上流側開閉弁及び下流側開閉弁を閉じて閉塞部分を圧力的に隔離状態にし、更に吸引部を作動させて閉塞部分に大きな吸引力を作用させることができるので、ガスハイドレートの分解反応が一気に進行し、短時間でその分解反応を終了させることが可能となる。従って、その後、上流側開閉弁及び下流側開閉弁を開に戻し、吸引部を停止することにより、短時間で閉塞状態から正常状態に復帰させることができる。

本発明によれば、循環ラインにおいて、冷却部は循環用ポンプよりも循環方向における上流側に設けられている。従って、前記冷却部で冷却される部分の流路にガスハイドレートに基づく閉塞が発生すると、循環ポンプのポンプ圧は吸引力となって前記閉塞部分に作用することになり、該閉塞部分の圧力を前記ポンプ圧（吸引力）によって自動的に下げるように作用する。その圧力がガスハイドレートの分解の平衡圧力以下にまで下がったときに、閉塞をもたらしたガスハイドレートの分解反応が始まり、進行し、閉塞が解消される。

［実施の形態１］
以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は本発明の実施の形態１に係るガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。本実施の形態に係るガスハイドレートの製造装置は、原料ガスと水とを低温（約３℃）及び高圧（約５．５ＭＰａ）の下で反応させて一次ガスハイドレート６を生成する反応生成部１と、該反応生成部１内の液体を冷却する液体冷却部２と、該反応生成部１で生成した一次ガスハイドレート６のスラリーがスラリーポンプ１０を介して送られ、該スラリーを濃縮する脱水装置３と、該脱水装置３で脱水処理された濃縮スラリーと原料ガスを再度反応させて高濃度の二次ガスハイドレート４を生成する第二反応生成部５とを備えて構成されている。

尚、第二反応生成部５は設けずに、以下のように構成することも可能である。すなわち、脱水装置３で脱水された濃縮スラリーを、成形工程に回してペレット化等することも可能である。

液体冷却部２は、繰り返しの説明になるが、ガスハイドレートの生成反応が発熱反応であるため、反応生成部１内の液温上昇を抑えるために設けられている。該液体冷却部５は、図１に示したように、第一の反応生成部１から液体を外部に抜き出して戻す循環ライン７と、該循環ライン７に設けられた循環用ポンプ８と、該循環用ポンプ８より循環方向における上流側に設けられた熱交換器９によって構成されている。

本実施の形態２の作用効果を説明する。循環ライン７において、熱交換器９は循環用ポンプ８よりも循環方向における上流側に設けられている。従って、前記熱交換器９で冷却される部分の流路にガスハイドレートに基づく閉塞が発生すると、循環用ポンプ８のポンプ圧は吸引力となって前記閉塞部分に作用することになり、該閉塞部分の圧力を前記ポンプ圧（吸引力）によって自動的に下げるように作用する。その圧力がガスハイドレートの分解の平衡圧力以下にまで下がったときに、閉塞をもたらしたガスハイドレートの分解反応が始まり、進行し、閉塞が解消される。

［実施の形態２］
図２は本発明の実施の形態２に係るガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。本実施の形態に係るガスハイドレートの製造装置は、前記循環ライン７の前記循環用ポンプ８より上流側は、切り換え可能な二つの流路７ａ，７ｂを備えて構成され、各流路７ａ，７ｂにそれぞれ設けられた熱交換器９ａ，９ｂと、前記熱交換器９ａ，９ｂと前記循環用ポンプ８との間にそれぞれ設けられ、各流路７ａ，７ｂ内の圧力を検出する圧力センサ１１ａ，１１ｂと、前記圧力センサ１１ａ，１１ｂの検出信号を受け、前記二つの流路７ａ，７ｂを切り換える制御信号を出力する制御部２０と、を備えることで、構成されている。図２において、符号１３ａ，１３ｂは開閉弁を示している。

開閉弁１３ａが開で開閉弁１３ｂが閉として、一つの流路７ａを使用状態にして循環ライン７を構成し、反応生成部１内の液体を、前記循環ライン７を循環させて冷却している状態で、前記閉塞が発生したとき、前記循環用ポンプ８のポンプ圧の吸引力によって閉塞部分の圧力が下がり、ガスハイドレートの分解反応が始まる。

すなわち本実施の形態２によれば、一つの流路７ａで前記閉塞が発生したときは、制御部２０によって、開閉弁１３ａが閉で開閉弁１３ｂが開として他の流路７ｂに切り換えることができるので、前記一つの流路７ａの前記閉塞が解消されるまで待たずに正常運転状態を確保することができる。その際、他の流路７ｂに切り換えた状態で、循環用ポンプ１０の吸引力を前記一つの流路７ａの前記閉塞部分にも作用する状態にするので、前記の如くガスハイドレートの分解反応の進行が遅く、長時間かかる場合でも、当該他の流路７ｂを使った液体冷却のための正常運転を行いながら、確実にガスハイドレートの分解反応を終了させて閉塞を解消し、正常な初期状態に復帰させることができる。

［実施の形態３］
図３は本発明の実施の形態３に係るガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。本実施の形態に係るガスハイドレートの製造装置は、前記熱交換器９の循環方向における上流側に設けられた第１開閉弁１５と、循環用ポンプ８と前記熱交換器９との間に設けられた圧力センサ１１と、該圧力センサ１１によりガスハイドレートの分解平衡圧力以下が検出されたときに前記第１開閉１５弁を閉じる制御を行う制御部２０とを備えることにより構成されている。

更に、前記熱交換器９内の液体流路を分岐させて前記循環用ポンプ８の上流に接続させた分岐流路１７と、該分岐流路１７に設けられた第２開閉弁１８とを備え、前記制御部２０は、前記圧力センサ１１によりガスハイドレートの分解平衡圧力以下が検出されたときに前記第１開閉弁１５を閉じると共に、更に第２開閉弁１８を開く制御を行うように構成されている。

ガスハイドレートの生成、付着による流路の前記閉塞が発生したときに、前記循環用ポンプ８のポンプ圧によって、閉塞部分の圧力が自動的に下がるが、ガスハイドレートの分解の平衡圧力以下にまで下がらないと、充分な分解は起こらない。

本実施の形態３によれば、圧力センサ１１によりガスハイドレートの分解平衡圧力以下が検出されたときに熱交換器９の上流側に設けられた第１開閉弁１５を閉じるので、当該閉塞部分を、圧力的に隔離した状態にして、前記分解平衡圧力以下の圧力を作用させることができる。これにより、ガスハイドレートの分解反応が一気に進行し、短時間でその分解反応を終了させることが可能となる。その後、第１開閉弁１５を開に戻すことにより、短時間で閉塞状態から正常状態に復帰させることができる。

更に、制御部２０は、前記圧力センサ１１によりガスハイドレートの分解平衡圧力以下が検出されたときに前記第１開閉弁１５を閉じることに加えて、更に前記第２開閉弁１８を開くので、閉塞部分に対して分岐流路１７からも分解圧力を作用させることができる。従って、ガスハイドレートの分解反応を更に速く進行させ、更に短時間でその分解反応を終了させることが可能となる。

［実施の形態４］
図４は本発明の実施の形態４に係るガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。本実施の形態に係るガスハイドレートの製造装置は、熱交換器９の上流側と下流側にそれぞれ設けられた上流側開閉弁２１及び下流側開閉弁２２と、前記循環用ポンプ８と前記熱交換器９との間に設けられた圧力センサ１１と、前記上流側開閉弁２１と下流側開閉弁２２との間に設けられた吸引部２３と、前記圧力センサ１１が設定された大きさの圧力低下を検出したとき、前記上流側開閉弁２１と下流側開閉弁２２を閉じ、前記吸引部２３を作動させる制御を行う制御部２０とを備えて構成されている。ここで吸引部２３はコンプレッサーや単なる大気開放構造等が挙げられる。

本実施の形態４によれば、閉塞が始まって圧力がある程度低下したことを圧力センサ１１が検出したら、熱交換器９の上流側と下流側にそれぞれ設けられた上流側開閉弁２１及び下流側開閉弁２２を閉じて閉塞部分を圧力的に隔離状態にし、更に吸引部２３を作動させて閉塞部分に大きな吸引力を作用させることができるので、ガスハイドレートの分解反応が一気に進行し、短時間でその分解反応を終了させることが可能となる。その後、上流側開閉弁２１及び下流側開閉弁２２を開に戻し、吸引部２３を停止することにより、短時間で閉塞状態から正常状態に復帰させることができる。

本発明の実施の形態１に係るガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態２に係るガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態３に係るガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。 本発明の実施の形態４に係るガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。 従来のガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。

符号の説明

１ 反応生成部、 ２ 液体冷却部、 ３ 脱水装置、 ４ 高濃度の二次ガスハイドレート、 ６ 一次ガスハイドレート、 ７ 循環ライン、 ７ａ，７ｂ 流路、 ８ 循環用ポンプ、 ９ 熱交換器、 ９ａ，９ｂ 熱交換器、 １０ スラリーポンプ、 １１ 圧力センサ、 １１ａ，１１ｂ 圧力センサ、 １３ａ，１３ｂ 開閉弁、 １５ 第１開閉弁、 １７ 分岐流路、 １８ 第２開閉弁、 ２０ 制御部、 ２１ 上流側開閉弁、 ２１ 下流側開閉弁、 ２３ 吸引部

Claims (1)

1. 原料ガスと水とを低温及び高圧の下で反応させてガスハイドレートを生成する反応生成部と、
   前記反応生成部内の液体を冷却する液体冷却部と、を備え、
   前記液体冷却部は、
   前記反応生成部から液体を抜き出して再び戻す循環ラインと、
   前記循環ラインに設けられた循環用ポンプと、
   前記循環ラインに設けられ、前記循環用ポンプより循環方向の上流側に位置する冷却部と、を備え、
   前記冷却部の循環方向における上流側に設けられた第１開閉弁と、
   前記循環用ポンプと前記冷却部との間に設けられた圧力センサと、
   前記冷却部内の液体流路を分岐させて前記循環用ポンプの上流に接続させた分岐流路と、
   該分岐流路に設けられた第２開閉弁と、
   前記圧力センサによりガスハイドレートの分解平衡圧力以下が検出されたときに前記第１開閉弁を閉じ、第２開閉弁を開く制御を行う制御部と、を備えることを特徴とするガスハイドレートの製造装置。

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