JP2004244495A

JP2004244495A - 天然ガスハイドレートの生成方法および生成装置

Info

Publication number: JP2004244495A
Application number: JP2003034988A
Authority: JP
Inventors: Takahiro Kimura; 隆宏木村; Hirotsugu Nagayasu; 弘貢長安; Naoyuki Uejima; 直幸上島; Kozo Yoshikawa; 孝三吉川
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-02-13
Filing date: 2003-02-13
Publication date: 2004-09-02

Abstract

【課題】天然ガスハイドレートを常に安定して生成することが可能な天然ガスハイドレート生成装置を提供すること。
【解決手段】天然ガスと原料水とを反応させて天然ガスハイドレートを生成するための圧力容器と、同圧力容器から原料水を抽出して再度容器に循環供給する水配管３０と、水配管３０を流通する天然ガスを含む原料水を冷却する熱交換器３２とを備える天然ガスハイドレート生成装置において、熱交換器３２内部に生成した天然ガスハイドレートを加熱し、分解する。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、天然ガスと原料水とを反応させて天然ガスハイドレートを生成する技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、メタン等の炭化水素を主成分とする天然ガスを貯蔵・輸送する方法としては、ガス田から天然ガスを採取したあと液化温度まで冷却し、液化天然ガス（ＬＮＧ）とした状態で貯蔵・輸送する方法が一般的である。しかしながら、例えば液化天然ガスの主成分であるメタンの場合、液化させるには−１６２℃といった極低温条件が必要であり、こうした条件を維持しながら貯蔵・輸送を行うためには、専用の貯蔵装置やＬＮＧ輸送船といった専用の輸送手段が必要となる。こうした装置等の製造および維持・管理には非常に高いコストを要するため、上記方法に代わる低コストの貯蔵・輸送方法が鋭意研究されてきた。
【０００３】
こうした研究の結果、天然ガスを水和させて固体状態の水和物（以下「天然ガスハイドレート」とする）を生成し、この固体状態のまま貯蔵・輸送するという方法が見出され、近年特に有望視されている（例えば下記の特許文献１）。この方法では、ＬＮＧを取扱う場合のような極低温条件は必要とされず、また固体とするためその取扱いも比較的容易である。このため、既存の冷凍装置あるいは既存のコンテナ船を若干改良したものを各々貯蔵装置あるいは輸送手段として利用可能となり、したがって、大幅な低コスト化が図れるものとして期待が寄せられている。
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−２６４８５１号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、上記の特許文献１に記載されたハイドレートの製造装置においては、ハイドレート生成容器の内部で水相を形成する原料水の一部を、配管を通じて生成容器の底部から抜き出し、熱交換器によって冷却した後、スプレーノズルから生成容器内部の気相中に噴霧している。このとき抜き出される原料水は、天然ガスを含んでおり、熱交換器において冷却されるとこのガス分が水和物化して熱交換器の内部に付着する可能性がある。付着したガスハイドレートが徐々に成長して原料水の流量を低下させるようになると、スプレーノズルからの噴霧量が減少し、ガスハイドレートの生成効率が低下するので好ましくない。また、配管内部でガスハイドレートが大きく成長してしまうと、これを除去するために製造装置の運転を停止させる必要も生じ、装置自体の稼働効率を低下させてしまうのでさらに問題である。
【０００６】
本発明は上記の事情に鑑みてなされたものであり、天然ガスハイドレートを常に安定して生成することが可能な天然ガスハイドレートの生成方法および生成装置を提供することを目的としている。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するための手段として、次のような構成の天然ガスハイドレートの生成方法および生成装置を採用する。
すなわち本発明に係る請求項１記載の天然ガスハイドレートの生成方法は、天然ガスと原料水とを生成容器に入れ、該生成容器から原料水を抽出し、冷却してから同生成容器の内部に再度供給し、供給した原料水と前記天然ガスとを反応させて天然ガスハイドレートを生成する天然ガスハイドレートの生成方法であって、
前記生成容器から抽出した原料水を同生成容器の内部に再度供給する循環経路を、該循環経路に設けた加熱手段によって加熱することを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の天然ガスハイドレートの生成方法は、請求項１記載の天然ガスハイドレートの生成方法において、前記循環経路の加熱を間欠的に実施することを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の天然ガスハイドレート生成装置は、天然ガスと原料水とを反応させて天然ガスハイドレートを生成するための生成容器と、該生成容器から原料水を抽出して同生成容器の内部に再度供給する循環経路と、該循環経路を流通する天然ガスを含む原料水を冷却する冷却手段とを備える天然ガスハイドレート生成装置であって、
前記天然ガスを含む原料水が冷却されることによって前記循環経路に生成した天然ガスハイドレートを加熱する加熱手段を備えることを特徴とする。
【００１０】
本発明においては、循環経路に生成した天然ガスハイドレートを加熱することにより、循環経路に付着した天然ガスハイドレートが分解、除去され、循環経路を原料水が終始円滑に流れて流量が低下しないので、天然ガスハイドレートの生成効率が低下することがない。また、通常は加熱手段を作動させず、天然ガスハイドレートの成長が進む前に間欠的に加熱手段を作動させて天然ガスハイドレートの除去を行うようにすれば、生成運転を停止させる必要もなく、装置自体の稼働効率を低下させることもない。
【００１１】
請求項４記載の天然ガスハイドレート生成装置は、請求項３記載の天然ガスハイドレート生成装置において、前記循環経路にあって前記冷却手段としての機能と前記加熱手段としての機能とを兼ねる熱交換器を備えることを特徴とする。
【００１２】
本発明においては、冷却手段としての機能と加熱手段としての機能とを兼ねる熱交換器を採用することにより、ひとつの機器で原料水の冷却と天然ガスハイドレートの除去とが行えるようになるので、設備コストが安価に抑えられる。
【００１３】
請求項５記載の天然ガスハイドレート生成装置は、請求項４載の天然ガスハイドレート生成装置において、前記熱交換器が冷却手段として機能する場合の冷熱源と、加熱手段として機能する場合の加熱源とが、同種の媒体であることを特徴とする。
【００１４】
本発明においては、熱交換器を冷却手段として機能させる場合の冷熱源と、加熱手段として機能させる場合の加熱源とを同種の媒体とすることにより、熱交換器の維持管理が行い易くなる。異種の媒体を使用すると、混ざり合うことで互いの性能を劣化させたり、物性が変化して熱交換器を腐蝕させたりする不具合を考慮しなければならないが、同種の媒体を使用すれば、このような不具合は起きないので好適である。
【００１５】
請求項６記載の天然ガスハイドレート生成装置は、請求項４または５記載の天然ガスハイドレート生成装置において、前記循環経路に、前記熱交換器をバイパスするバイパス路を備えることを特徴とする。
【００１６】
本発明においては、前記循環経路に生成した天然ガスハイドレートを加熱する間、原料水を、熱交換器を迂回して循環させることにより、原料水が加熱されることが回避されるので、天然ガスハイドレートの生成効率が低下することがない。もしも原料水が加熱されて生成容器に戻されると、天然ガスハイドレートの生成条件のバランスが崩れて生成効率が低下する可能性がある。
【００１７】
請求項７記載の天然ガスハイドレート生成装置は、請求項３から６のいずれか記載の天然ガスハイドレート生成装置において、前記加熱手段を所定の時間おきに作動させる制御部を備えることを特徴とする。
【００１８】
請求項８記載の天然ガスハイドレート生成装置は、請求項４から６のいずれか記載の天然ガスハイドレート生成装置において、前記熱交換器を通過した原料水の流速が所定のしきい値を下回ったときに、前記加熱手段を作動させる制御部を備えることを特徴とする。
【００１９】
請求項９記載の天然ガスハイドレート生成装置は、請求項４から６のいずれか記載の天然ガスハイドレート生成装置において、前記熱交換器の前後に生じる原料水の差圧が所定のしきい値を上回ったときに、前記加熱手段を作動させる制御部を備えることを特徴とする。
【００２０】
本発明においては、加熱手段を、所定の時間おきに作動させたり、熱交換器を通過した原料水の流速が所定のしきい値を下回ったときに作動させたり、熱交換器の前後に生じる原料水の差圧が所定のしきい値を上回ったときに作動させたりというように、加熱手段を間欠的に作動させることにより、天然ガスハイドレートの除去が定期的または不定期に行われて常に詰まりのない状態が保たれるので、天然ガスハイドレートの生成効率が低下することがない。
【００２１】
請求項１０記載の天然ガスハイドレート生成装置は、天然ガスと原料水とを反応させて天然ガスハイドレートを生成するための生成容器と、該生成容器から原料水を抽出して同生成容器に再度供給する循環経路と、該循環経路を流通する天然ガスを含む原料水を冷却する冷却手段とを備える天然ガスハイドレート生成装置であって、
前記冷却手段が、シェルアンドチューブ形の熱交換器であることを特徴とする。
【００２２】
本発明においては、冷却手段そしてシェルアンドチューブ形の熱交換器を採用することにより、天然ガスハイドレートの生成効率が低下し難くなる。一般に、シェルアンドチューブ形の熱交換器は、同程度の熱交換性能を有する他構造の熱交換器と比較して被冷却物である原料水の流路を広く確保し、かつ流速を速めることもできるため、原料水中に天然ガスハイドレートが生成しても循環経路に付着する前に原料水に押し流されてしまうからである。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明に係る実施形態を図１および図２に示して説明する。
図１は本発明に係る天然ガスハイドレートの生成システムの具体的な装置構成を示す。図において、１１は天然ガスと原料水とを氷点よりも高温かつ大気圧よりも高圧下で反応させて天然ガスハイドレートを生成する生成反応装置、１２は生成された天然ガスハイドレートを物理的に脱水するスクリュープレス型脱水装置、１３は脱水の過程もしくは脱水後において天然ガスハイドレートに含まれる残存水分を天然ガスと反応させて天然ガスハイドレートを生成する２軸スクリュー型脱水装置、１４は生成された天然ガスハイドレートを冷却するスクリューコンベア型冷却装置、１５は冷却された天然ガスハイドレートを大気圧まで減圧するバルブ切替型の減圧装置、１６は天然ガスハイドレートを成形固化する加圧プレス型成形装置である。また、符号１７は原料である水を貯蔵する貯水槽、１８は同じく原料である天然ガスを産出するガス田、１９はガス田１８から産出された天然ガスを貯蔵するガス貯蔵部である。
【００２４】
生成反応装置１１は、圧力容器（生成容器）２０を有している。圧力容器２０には、貯水槽１７の原料水を導入する水配管２１が接続されるとともに、ガス貯蔵部１９の天然ガスを導入するガス配管２２が接続されている。水配管２１には、原料水を吸い上げて圧力容器２０の内部に導入する水ポンプ２３と、バルブ２４とが設けられている。圧力容器２０の内部には、原料水が導入されて水相Ｌが形成されるとともに、天然ガスが導入されて気相Ｇが形成されている。
【００２５】
さらに、圧力容器２０には、気相Ｇの圧力を計測する圧力計２５が設けられ、ガス配管にはバルブ２６および流量調節弁２７が設けられている。流量調節弁２７の開度は、圧力計２５の計測値に基づき圧力容器２０内部に天然ガスを補充して気相Ｇの圧力をガスハイドレートの生成圧力（例えば５．０ＭＰａ）に保つように制御される。
【００２６】
圧力容器２０には、水相Ｌの温度を氷点よりも高温であってかつガスハイドレートの生成温度よりも低温（この状態を「過冷却」と定義する）に保つ冷却装置２８が設けられている。冷却装置２８によって圧力容器２０の内部を過冷却の状態に保つのは、天然ガスハイドレートが生成する過程で発生する水和熱を回収し、圧力容器２０の内部を常に生成温度（例えば４．０℃〜６．０℃）に保つためである。
【００２７】
圧力容器２０には、底部と頂部とを繋いで原料水を循環させる水配管（循環経路）３０が接続されている。水配管３０には、水相Ｌの原料水を吸い上げて循環させる水循環ポンプ３１と、水循環ポンプ３１によって吸い上げられた原料水を冷却する熱交換器（冷却手段）３２と、原料水のみを透過するフィルタ３３と、バルブ３４，３５とが設けられている。また、圧力容器２０の頂部から内側に突き出した水配管２６の先端には、気相Ｇ中に原料水を噴霧するスプレーノズル３６が設けられている。
【００２８】
圧力容器２０の側壁には、水相Ｌの液面に生成されたスラリー状の天然ガスハイドレートを抜き出すスラリー抜出口２０ａが設けられており、圧力容器２０は、スラリー抜出口２０ａに接続されたスラリー配管３７を介してスクリュープレス型脱水装置１２と接続されている。スラリー配管３７には、バルブ３８と、水相Ｌの液面に浮遊するスラリーを吸い出すスラリー抜出ポンプ３９とが設けられている。
【００２９】
スクリュープレス型脱水装置１２は、円筒形の内部空間４０ａを有する容器体４０と、側面に螺旋状の突条部４１ａを有し内部空間４０ａに配置された軸体４１とを備えている。容器体４０の先端には、生成反応装置１１においてスラリー状に生成された天然ガスハイドレートを内部空間４０ａに取り入れる取入口４０ｂが設けられている。取入口４０ｂには、上述したスラリー配管３７が接続されている。
【００３０】
容器体４０は、内部空間４０ａを形成する内壁４０ｃと外殻を構成する筐体４０ｄとの二重構造になっており、内壁４０ｃはメッシュ加工され、筐体４０ｄには内部に溜まったろ過水を排出する排水口４０ｅが設けられている。筐体４０ｄは、排水口４０ｅに接続された水配管４４を介して圧力容器２０に接続されている。水配管４４には、排出された水を圧力容器２０の内部に導入する水ポンプ４５と、バルブ４６とが設けられている。
【００３１】
軸体４１は、突条部４１ａを内部空間４０ａの内面に近接させて配置されるとともに、自らの軸線を中心として所定方向に回転可能に支持されており、駆動部４２によって回転駆動される。容器体４０の終端には、軸体４１の回転によって搬送されてきた天然ガスハイドレートを取り出す取出口４０ｆが設けられている。容器体４０は、取出口４０ｆに接続されたハイドレート配管４３を介して後段の２軸スクリュー型脱水装置１３に接続されている。
【００３２】
２軸スクリュー型脱水装置１３は、断面が長円形をなす筒形の内部空間５０ａを有する容器体５０と、側面に螺旋状の突条部５１ａ，５２ａを有し内部空間５０ａに配置されて個々に回転しながら天然ガスハイドレートを搬送する２本の軸体５１，５２とを備えている。容器体５０の先端には、スクリュープレス型脱水装置１２において物理的に脱水された天然ガスハイドレートを取り入れる取入口５０ｂが設けられている。取入口５０ｂには、上述したハイドレート配管４３が接続されている。
【００３３】
軸体５１，５２は、両者が平行に配置されるとともに軸方向から見てそれぞれの突条部５１ａ，５２ａを重複させて配置されている。さらに、それぞれの突条部５１ａ，５２ａを内部空間５０ａの内面に近接させて配置されるとともに、自らの軸線を中心として回転可能に支持されており、駆動部５３によって回転駆動される。なお、両軸体の回転方向は同方向であってもよいし、異なる方向であってもよい。
【００３４】
容器体５０の終端には、軸体５１，５２の回転によって搬送されてきたガスハイドレートを取り出す取出口５０ｃが設けられている。取出口５０ｃにはハイドレート配管５４を介して後段のスクリューコンベア型冷却装置１４に接続されている。取出口５０ｃに近い容器体５０の側面には、天然ガスを内部空間５０ａに供給するガス供給孔５０ｄが設けられている。ガス供給孔５０ｄは、ガス配管２２から分岐するガス配管５５を介してガス貯蔵部１９に接続されている。ガス配管５５にはバルブ５６および流量調節弁５７が設けられている。一方、取入口５０ｂに近い容器体５０には、内部空間５０ａの圧力を検出する圧力計５８が設置されており、流量調節弁５７の開度は、圧力計５８の計測値に基づき内部空間５０ａに天然ガスを補充して内部の圧力を常に生成圧（例えば５．０ＭＰａ）に保持するように制御される。
【００３５】
スクリュープレス型脱水装置１２および２軸スクリュー型脱水装置１３には、内部空間４０，５０の内部を上記過冷却の状態に保持する冷却装置（図示略）が設けられている。
【００３６】
スクリューコンベア型冷却装置１４は、円筒形の内部空間６０ａを有する容器体６０と、側面に螺旋状の突条部６１ａを有し内部空間６０ａに配置された軸体６１とを備えている。容器体６０の先端には、２軸スクリュー型脱水装置１３において水和脱水された天然ガスハイドレートを内部空間６０ａに取り入れる取入口６０ｂが設けられている。取入口６０ｂには、上述したハイドレート配管５４が接続されている。軸体６１は、突条部６１ａを内部空間６０ａの内面に近接させて配置されるとともに、自らの軸線を中心として所定方向に回転可能に支持されており、駆動部６２によって回転駆動される。容器体６０の終端には、軸体６１の回転によって搬送されてきた天然ガスハイドレートを取り出す取出口６０ｃが設けられている。取出口６０ｃはハイドレート配管６３を介して後段のバルブ切替型減圧装置１５に接続されている。
【００３７】
容器体６０は、内部空間６０ａを形成する内壁６０ｄと外殻を構成する筐体６０ｅとの二重構造になっており、取出口６０ｃに近い筐体６０ｅの側面には内壁６０ｄとの隙間に冷媒を導入する冷媒入口６０ｆが設けられ、取入口６０ｂに近い筐体６０ｅの側面には冷媒を導出する冷媒出口６０ｇが設けられている。容器体６０には、冷媒入口６０ｆと冷媒出口６０ｇとを繋ぐ冷媒配管６５が接続されており、冷媒配管６５には冷媒循環ポンプ６６および熱交換器６７が設けられている。冷媒は熱交換器６６によって冷却され、冷媒配管６５を通じて内壁６０ｄと筐体６０ｅとの隙間に流入し、脱水を終えた天然ガスハイドレートを低気圧下でも分解しない氷点以下の低温（例えば−１０℃〜−１５℃）まで冷却する。
【００３８】
バルブ切替型減圧装置１５は、ハイドレート配管６３に直列に設けられた２つのバルブ７１，７２によって構成されている。２つのバルブ７１，７２は離間して配置され、後段のバルブ７２を経たハイドレート配管６３は大気開放されており、その後段には加圧プレス型成形装置１６が設けられている。加圧プレス型成形装置１６は、固定の壁部７５と壁部７５に接近離間可能に駆動されるプレート７６とを備えている。
【００３９】
上記のように構成された生成システムによる天然ガスハイドレートの生成について説明する。
まず、貯水槽１７から圧力容器２０内に原料水を導入し水相Ｌを形成する。同時に、ガス貯蔵部１９から圧力容器２０内に天然ガスを導入し、気相Ｇの圧力をガスハイドレートの生成圧力にまで高める。なお、水相Ｌを形成する原料水には、必要であれば安定化剤を添加してもよい。次に、水相Ｌの温度を過冷却の状態にまで冷却し、以後はこの状態が維持されるように温度管理を行う。
【００４０】
圧力容器２０内の温度および圧力の状態が安定したら、水相Ｌを形成する原料水の一部を水配管３０を通じて圧力容器２０の底部から抜き出し、熱交換器３２によって再度冷却した後、スプレーノズル３６から気相Ｇ中に噴霧する。スプレーノズル３６から噴霧された水粒子は気相Ｇ中を漂いながら水相Ｌに向けて落下する。このように気相Ｇ中に水の粒子を多量に形成することにより、気相Ｇ中に存在する水粒子の表面積、すなわち気相Ｇを形成する天然ガスとの接触面積が極めて大きくなる。水粒子の表面では、水と天然ガスとの水和反応が起こり、天然ガスハイドレートが生成される。なお、圧力容器２０内の温度は氷点よりも高温になるように制御されているので、水相Ｌを形成する原料水や噴霧された水粒子が凍りつくことはない。
【００４１】
水粒子の表面で生成された天然ガスハイドレートはそのまま落下し、水相Ｌの液面に降り積もり、天然ガスハイドレートの層を形成する。この天然ガスハイドレートはスラリー抜出口２０ａから抜き出され、スラリー配管３７を通じてスクリュープレス型脱水装置１２に送り込まれる。このとき、天然ガスハイドレートは原料水とともに回収されるため、含水率が非常に高いスラリー状となる。
【００４２】
スラリー配管３７を通じてスクリュープレス型脱水装置１２に送り込まれたスラリー状の天然ガスハイドレートは、取入口４０ｂを通じて内部空間４０ａに収容され、軸体４１の回転によって軸方向に搬送され、その過程で加圧されることによって物理的に脱水される。天然ガスハイドレートから分離された余剰の水分は、今だに非常に多くの天然ガスハイドレートを含んでいる。そこで、この余剰水は内壁４０ｃのメッシュを通じて筐体４０ｄの内部に集められて排水口４０ｅから排出され、水配管４４を通じて圧力容器２０に再度導入される。
【００４３】
一方、物理脱水を終えた天然ガスハイドレートは、取出口４０ｆを通じてスクリュープレス型脱水装置１２から取り出され、ハイドレート配管４３を通じて２軸スクリュー型脱水装置１３に送り込まれる。
【００４４】
２軸スクリュー型脱水装置１３に送り込まれた天然ガスハイドレートは、取入口５０ｂを通じて内部空間５０ａに収容され、軸体５１，５２の回転によって軸方向に搬送される。その過程で残存する水分と内部空間５０ａに供給された天然ガスと接触し、これとともに撹拌されつつ冷却されることによって残存する水分と天然ガスとを反応させてハイドレート化する。
【００４５】
内部空間５０ａに収容された天然ガスハイドレートは、取出口５０ｃに至るころには残存する水分のほとんどを未水和の天然ガスと水和反応させることで脱水され、結果的に天然ガスハイドレートそのものの量を増加させる。水和脱水を終えた天然ガスハイドレートは、取出口５０Ｃを通じて２軸スクリュー型脱水装置１３から取り出され、ハイドレート配管５４を通じてスクリューコンベア型冷却装置１４に送り込まれる。
【００４６】
スクリューコンベア型冷却装置１４に送り込まれた天然ガスハイドレートは、取入口６０ｂを通じて内部空間６０ａに収容され、軸体６１の回転によって軸方向に搬送され、その過程で容器体６０内部を循環する冷媒によって冷却される。
氷点以下の低温になるまで冷却された天然ガスハイドレートは、取出口６０ｆを通じてスクリューコンベア型冷却装置１４から取り出され、ハイドレート配管６３を通じてバルブ切替型減圧装置１５に送り込まれる。
【００４７】
バルブ切替型減圧装置１５は上流側のバルブ７１を開き、下流側のバルブ７２を閉じた状態とされ、天然ガスハイドレートを受け入れる。バルブ７１，７２間には天然ガスハイドレートが蓄積していくので、ある程度になったらバルブ７１を閉じ、続いてバルブ７２を開いてバルブ７１，７２間の天然ガスハイドレートを大気圧まで減圧する。減圧を終えた天然ガスハイドレートは、バルブ切替型減圧装置１５から取り出され、加圧プレス型成形装置１６に送り込まれる。
【００４８】
加圧プレス型成形装置１６に送り込まれた天然ガスハイドレートは、プレート７６によって壁部７５に押し付けられるようにして成形固化される。成形固化された天然ガスハイドレートは図示しない専用の輸送容器に収容され、貯蔵・輸送される。
【００４９】
次に、熱交換器３２のより詳細な構造を図２に示す。
熱交換器３２は、天然ガスを含む原料水を冷却する冷却手段としての機能の他に、天然ガスを含む原料水が冷却されることによって生成した天然ガスハイドレートを加熱し分解する加熱手段としての機能を兼ね備えている。熱交換器３２は、円筒形のシェル１００の中に複数の伝熱チューブ１０１を配置し、伝熱チューブ１０１に圧力容器２０の底部から抜き出した原料水を通し、シェル１００の内側に原料水を冷却する冷媒としての不凍液を通すいわゆるシェルアンドチューブ形の熱交換器である。シェル１００には、長手方向の一端にヘッダ１０２が設けられ、他端にはヘッダ１０３が設けられており、ヘッダ１０２は水配管３０の上流側に、ヘッダ１０３は下流側に接続されている。水配管３０には、熱交換器３２をバイパスするバイパス管（バイパス路）１０６が設けられており、このバイパス管１０６には止め弁１０７が設けられている。
【００５０】
伝熱チューブ１０１は一端をヘッダ１０２に、他端をヘッダ１０３に接続されていて、これらは水配管３０の一部として原料水の循環経路を構成している。また、シェル１００には、ヘッダ１０２に近い側壁に不凍液の導通孔１０４が、ヘッダ１０３に近い側壁には不凍液の導通孔１０５が設けられている。
【００５１】
熱交換器３２には、０℃〜２℃に管理された不凍液を導通孔１０５からシェル１００の内側に導入し、導通孔１０４から排出する冷却系統１１０と、１０℃に管理された同種の不凍液を導通孔１０５からシェル１００の内側に導入し、導通孔１０４から排出する加熱系統１２０とが設けられている。冷却系統１１０は、不凍液を常時０℃〜２℃に管理して貯蔵しておく低温タンク１１１と、低温タンク１１１と導通孔１０５とを接続する液配管１１２と、導通孔１０４と低温タンク１１１とを接続する液配管１１３と、０℃〜２℃に管理された不凍液を液配管１１２を通じてシェル１００に供給する液ポンプ１１４とから構成されている。
加熱系統１２０は、不凍液を常時１０℃に管理して貯蔵しておく高温タンク１２１と、高温タンク１２１と導通孔１０５とを接続する液配管１２２と、導通孔１０４と高温タンク１２１とを接続する液配管１２３と、１０℃に管理された不凍液を液配管１２２を通じてシェル１００に供給する液ポンプ１２４とから構成されている。
【００５２】
液配管１１２，１２２は、導通孔１０５の手前で１本にまとめられ、その部分にはシェル１００への不凍液の供給元（低温タンク１１１または高温タンク１２１）を切り換える三方弁１１５が設けられている。また、液配管１１３，１２３は、導通孔１０４の手前で１本にまとめられ、その部分にはシェル１００からの不凍液の排出先（低温タンク１１１または高温タンク１２１）を切り換える三方弁１２５が設けられている。
【００５３】
止め弁１０７、三方弁１１５，１２５は、これらの作動を制御する制御部１３０に信号ケーブルを介して接続されている。制御１３０は、所定の時間おきに止め弁１０７の開閉、および三方弁１１５，１２５の切り換えを行う。
【００５４】
天然ガスハイドレート生成反応装置１１においては、圧力容器２０の内部で水相Ｌを形成する原料水の一部を、水配管３０を通じて圧力容器２０の底部から抜き出し、熱交換器３２によって冷却した後、スプレーノズル３６から気相Ｇ中に噴霧している。このとき抜き出される原料水は、天然ガスを多く含んでおり、熱交換器３２において冷却されるとこのガス分が水和物化して伝熱チューブ１０１の内面に付着する可能性があることは先に述べた。そこで、この天然ガスハイドレート生成反応装置１１においては、例えば９０分おきに３分間だけ伝熱チューブ１０１を加熱し、その内面に付着した天然ガスハイドレートを溶かして伝熱チューブ１０１の詰まりを防止している。これを熱交換器３２の再生運転という。以下では具体的な運転の仕方について説明する。
【００５５】
熱交換器３２を冷却手段として機能させ、水配管３０を循環する原料水を冷却する定常な運転が行われているとき、止め弁１０７は閉じた状態にあり、原料水は熱交換器３２の伝熱チューブ１０１中を流通している。また、三方弁１１５は液配管１１２；開、液配管１２２；閉の状態にあり、三方弁１２５は液配管１１３；開、液配管１２３；閉の状態にあって、０℃〜２℃に管理された不凍液（以下、低温液とする）が熱交換器３２に供給され、１０℃に管理された不凍液（以下、高温液とする）の熱交換器３２への供給は停止されている。この状態では、圧力容器２０から抜き出された２℃〜４℃の原料水は、熱交換器３２の伝熱チューブ１０１を通過する過程で低温液と熱交換し、２℃程度に冷却されて再び圧力容器２０に供給されている。
【００５６】
制御部１３０は、定常運転の開始から９０分間が経過したことを検知したら、熱交換器３２を加熱手段として機能させるために、まず、止め弁１０７を開いて原料水に熱交換器３２をバイパスさせる。圧力容器２０から抜き出された原料水は、冷却されることなく２℃〜４℃のまま再び圧力容器２０に供給されることになる。
【００５７】
制御部１３０は、止め弁１０７と同時または僅かに時間をおいて、三方弁１１５を液配管１１２；閉、液配管１２２；開の状態に切り換える。これにより、低温液の熱交換器３２への供給が断たれ、かわって高温液の熱交換器３２への供給が開始される。熱交換器３２に供給された高温液は、熱交換器３２の内部に残る低温液を徐々に押し出して置換する。低温液から高温液への置換が進むにつれ、伝熱チューブ１０１は外側から加熱され、内面に付着した天然ガスハイドレートが分解される。
【００５８】
制御部１３０は、低温液と高温液との置換に要する時間が経過したことを検知したら、三方弁１２５を液配管１１３；閉、液配管１２３；開の状態に切り換える。これにより、置換された低温液の低温タンク１１１への回帰が断たれ、置換を終えて熱交換器３２から排出される高温液の高温タンク１２１への回帰が開始される。
なお、低温液と高温液との置換に要する時間は、シェル１００内部の伝熱チューブ１０１およびヘッダ１０２，１０３を除いた容積を、不凍液の単位時間あたりの流量で除した値として求められる。
【００５９】
制御部１３０は、再生運転の開始から３分間が経過したことを検知したら、熱交換器３２を再び冷却手段として機能させるために、まず、三方弁１１５を液配管１１２；開、液配管１２２；閉の状態に切り換える。これにより、高温液の熱交換器３２への供給が断たれ、かわって低温液の熱交換器３２への供給が開始される。熱交換器３２に供給された低温液は、熱交換器３２の内部に残る高温液を徐々に押し出して置換する。
【００６０】
制御部１３０は、低温液と高温液との置換に要する時間が経過したことを検知したら、三方弁１２５を液配管１１３；開、液配管１２３；閉の状態に切り換える。これにより、置換された高温液の高温タンク１２１への回帰が断たれ、置換を終えて熱交換器３２から排出される低温液の低温タンク１１１への回帰が開始される。
【００６１】
制御部１３０は、三方弁１２５と同時または僅かに時間をおいて止め弁１０７を開いて原料水を熱交換器３２に導入する。これにより、再び定常運転が開始される。制御部１３０は、定常運転を再開から９０分間が経過したことを検知したら、上記と同じ操作を行って再生運転を行う。以降はこの繰り返しとなる。
【００６２】
上記のように構成された天然ガスハイドレート生成装置によれば、水配管３０とともに原料水の循環経路を構成する伝熱チューブ１０１を加熱し、その内面に付着した天然ガスハイドレートを分解することにより、水配管３０を原料水が終始円滑に流れて流量が低下しないので、天然ガスハイドレートの生成効率が低下することがない。また、天然ガスハイドレートの成長が進む前に除去を行うようにすれば、生成運転を停止させる必要もなく、装置自体の稼働効率を低下させることもない。
【００６３】
熱交換器３２にシェルアンドチューブ形を採用することにより、たとえ原料水中に天然ガスハイドレートが生成しても、原料水の流路を広く確保し、かつ流速を速めることができるので、伝熱チューブ１０１の内面に付着し難くなる。また、熱交換器３２が、伝熱チューブ１０１を流通する天然ガスを含む原料水を冷却する冷却手段としての機能と、伝熱チューブ１０１の内面に付着した天然ガスハイドレートを加熱する加熱手段としての機能とを兼ね備えることにより、ひとつの機器で原料水の冷却と天然ガスハイドレートの除去とが行えるようになるので、設備コストが安価に抑えられる。
【００６４】
伝熱チューブ１０１を流通する天然ガスを含む原料水を冷却する冷熱源と、伝熱チューブ１０１の内面に付着した天然ガスハイドレートを加熱する加熱源とを同種の不凍液とすることにより、熱交換性能の劣化や熱交換器３２各部の腐蝕等の不具合が防止されるので、熱交換器３２の維持管理が行い易くなる。
【００６５】
伝熱チューブ１０１の内面に付着した天然ガスハイドレートを加熱する間、原料水を、熱交換器３２を迂回して循環させることにより、高温液による原料水の加熱が回避されるので、天然ガスハイドレートの生成効率が低下することがない。
【００６６】
所定の時間おきに再生運転を行うことにより、天然ガスハイドレートの除去が定期的に行われて常に詰まりのない状態が保たれるので、天然ガスハイドレートの生成効率が低下することがない。
【００６７】
上記のように構成された天然ガスハイドレート生成装置によれば、低温液は低温タンク１１１に、高温液は高温タンク１２１に戻すようにしたので、それぞれのタンクにおいて熱損失が少なくなり、温度管理が行い易くなる。
【００６８】
ところで、上記の天然ガスハイドレート生成装置においては圧力容器２０内部に形成された水相Ｌから原料水を抽出し、熱交換器３２で冷却してから圧力容器２０に戻し、圧力容器内部に形成された気相Ｇ中にスプレーノズル３６から噴霧する方式を採用したが、本発明は、生成容器から原料水を抽出して同生成容器の内部に再度供給する循環経路と、該循環経路を流通する天然ガスを含む原料水を冷却する冷却手段とを備えるものであれば、スプレー方式に限らずあらゆる方式の天然ガスハイドレート生成装置に適用可能である。
【００６９】
本実施形態では熱交換器３２にシェルアンドチューブ形を採用したが、その他の形式の熱交換器を採用してもよい。また、本実施形態では熱交換器３２を採用して冷却手段と加熱手段とを兼用したが、それぞれの機能を分け、冷却手段としてのみ機能する機器と、加熱手段としてのみ機器とを別個に設けてもよい。この場合、加熱手段としては電気ヒータ等を使用してもよいし、必要な熱量はさほど多くないので、常温の水等を使用してもよい。
【００７０】
本実施形態では時間を計って定期的に再生運転を行うようにしたが、詰まりを生じて流速が遅まり、熱交換器３２を通過した原料水の流速が所定のしきい値を下回ったとき、または詰まりを生じて差圧が大きくなり、熱交換器の前後に生じる原料水の差圧が所定のしきい値を上回ったときに再生運転を行うようにしてもよい。
【００７１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、循環経路に生成した天然ガスハイドレートを加熱することにより、循環経路に付着した天然ガスハイドレートが分解、除去され、循環経路を原料水が終始円滑に流れて流量が低下しないので、天然ガスハイドレートを常に安定して生成することができる。また、通常は加熱手段を作動させず、天然ガスハイドレートの成長が進む前に間欠的に加熱手段を作動させて天然ガスハイドレートの除去を行うようにすれば、生成運転を停止させる必要もなく、装置自体の稼働効率を低下させることもない。
【００７２】
シェルアンドチューブ形の熱交換器を採用することにより、たとえ原料水中に天然ガスハイドレートが生成しても、原料水の流路を広く確保し、かつ流速を速めることができるので、伝熱チューブの内面に付着し難くなる。これにより、循環経路を原料水が終始円滑に流れて流量が低下しないので、天然ガスハイドレートを常に安定して生成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の天然ガスハイドレート生成装置の具体的な装置構成を示す図である。
【図２】熱交換器およびその周辺機器のより詳細な構造を示す図である。
【符号の説明】
２０圧力容器（生成容器）
３０水配管（循環経路）
３２熱交換器（冷却手段）
１００シェル
１０１伝熱チューブ
１０６バイパス管（バイパス路）

Claims

天然ガスと原料水とを生成容器に入れ、該生成容器から原料水を抽出し、冷却してから同生成容器の内部に再度供給し、供給した原料水と前記天然ガスとを反応させて天然ガスハイドレートを生成する天然ガスハイドレートの生成方法であって、
前記生成容器から抽出した原料水を同生成容器の内部に再度供給する循環経路を、該循環経路に設けた加熱手段によって加熱することを特徴とする天然ガスハイドレートの生成方法。
前記循環経路の加熱を間欠的に実施することを特徴とする請求項１記載の天然ガスハイドレートの生成方法。
天然ガスと原料水とを反応させて天然ガスハイドレートを生成するための生成容器と、該生成容器から原料水を抽出して同生成容器の内部に再度供給する循環経路と、該循環経路を流通する天然ガスを含む原料水を冷却する冷却手段とを備える天然ガスハイドレート生成装置であって、
前記天然ガスを含む原料水が冷却されることによって前記循環経路に生成した天然ガスハイドレートを加熱する加熱手段を備えることを特徴とする天然ガスハイドレート生成装置。
前記循環経路にあって前記冷却手段としての機能と前記加熱手段としての機能とを兼ねる熱交換器を備えることを特徴とする請求項３記載の天然ガスハイドレート生成装置。
前記熱交換器が冷却手段として機能する場合の冷熱源と、加熱手段として機能する場合の加熱源とが、同種の媒体であることを特徴とする請求項４載の天然ガスハイドレート生成装置。
前記循環経路に、前記熱交換器をバイパスするバイパス路を備えることを特徴とする請求項４または５記載の天然ガスハイドレート生成装置。
前記加熱手段を所定の時間おきに作動させる制御部を備えることを特徴とする請求項３から６のいずれか記載の天然ガスハイドレート生成装置。
前記熱交換器を通過した原料水の流速が所定のしきい値を下回ったときに、前記加熱手段を作動させる制御部を備えることを特徴とする請求項４から６のいずれか記載の天然ガスハイドレート生成装置。
前記熱交換器の前後に生じる原料水の差圧が所定のしきい値を上回ったときに、前記加熱手段を作動させる制御部を備えることを特徴とする請求項４から６のいずれか記載の天然ガスハイドレート生成装置。
天然ガスと原料水とを反応させて天然ガスハイドレートを生成するための生成容器と、該生成容器から原料水を抽出して同生成容器に再度供給する循環経路と、該循環経路を流通する天然ガスを含む原料水を冷却する冷却手段とを備える天然ガスハイドレート生成装置であって、
前記冷却手段が、シェルアンドチューブ形の熱交換器であることを特徴とする天然ガスハイドレート生成装置。