JP2005263889A - ガスハイドレート製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】外部配管冷却方式のガスハイドレート製造装置において、閉塞などの問題を回避しつつ、原料水の冷却を効率良く行う。
【解決手段】 ガスハイドレート製造装置１００の水循環用管１８には、ポンプ１９が配備され、圧力容器１０の底側部から排出された水を原料水供給管１７との接続位置まで揚水して再利用する。水循環用管１８の途中には、外部冷却方式の冷却手段として、雪氷冷却器２３が配備されている。雪氷冷却器２３は、水循環用管１８内を流れる水を凍結させたり、ガスハイドレートを生じさせたりすることがなく、閉塞の問題を生じないので、安定的な水の供給が可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガスハイドレート製造装置に関し、より詳細には、例えば、天然ガス、メタンガス、炭酸ガス等からガスハイドレートを製造するためのガスハイドレート製造装置に関する。

ガスハイドレートは、水分子とガス分子からなる氷状の固体物質であり、水分子により形成されるかご状構造の内部にガス分子を取り込んだ包摂水和物である。このガスハイドレートは、高いガス包蔵性、大きな生成・解離熱、小さな温度変化による大きな圧力変化、ハイドレート形成物質の選択性等の特質を有するため、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、ガスの分離回収等の多様な用途での利用が注目されている。

ガスハイドレートを製造するために使用されるガスハイドレート製造装置として、これまでに数多くの提案がなされている。一般に、ガスハイドレート製造装置は、圧力容器内に気液接触手段を設け、所定の圧力と温度の下で水と原料ガスとを気液接触させる構成が採られる。ガスハイドレートは、例えばメタンハイドレートの場合、温度０〜１０℃かつ圧力３〜６ＭＰａ程度の条件で生成するが、ハイドレート生成には発熱を伴うので、圧力容器内部や、原料水および原料ガスを常に冷却する必要がある。

原料水の冷却手段として、圧力容器から抜出した水を配管途中で冷却する外部配管冷却方式のガスハイドレート製造装置が知られている（例えば、特許文献１）。このガスハイドレート製造装置は、圧力容器内でハイドレート化しなかった余剰水を再使用するにあたり、圧力容器外部の揚水管路に水冷却器を設け、ここで水を過冷却するという構成である。このような外部配管冷却方式では、原料水の冷却が効率的に行われるので、ハイドレート製造を効率よく実施できるという利点がある。つまり、圧力容器全体を外部から冷却しようとすると、ジャケット式熱交換器などの大掛りな設備が必要になるので、熱交換効率が悪い上、設備も大型化せざるを得ないが、冷却効率に優れた外部配管冷却方式を採用することによって、簡易な装置構成でガスハイドレートの製造を効率よく実施できるのである。

特開２００３−８２３７１号公報（図１、図２など）

一般に、特許文献１の如き外部配管冷却方式では、ブライン（エチレングリコールなどの不凍液）を冷媒として利用した熱交換器によって配管を冷却しているが、この方式には、以下のような問題点が存在する。
すなわち、ブラインは容易に０℃以下の低温になるので、外部配管の途中で水が過冷却状態になりやすく、凍結して管の目詰まりを引き起こすおそれがある。また、ハイドレート生成容器内の水を循環再使用する揚水管路においては、管の途中でガスハイドレートが生成し、塊状に堆積して閉塞を引き起こす確率も高い。このため、水の供給が円滑に行えず、ガスハイドレートを安定的に製造する上で障害となる。

従って、本発明の目的は、外部配管冷却方式を採用した場合においても、閉塞などの問題を回避しつつ、原料水の冷却を効率良く行うことが可能なガスハイドレート製造装置を提供することである。

本発明の第１の態様は、所定圧力および所定温度の下、圧力容器内で水と原料ガスとを反応させてガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置であって、水を冷却するための冷却手段として、雪氷の冷熱を利用する雪氷冷却部を備えていることを特徴とする、ガスハイドレート製造装置である。

本発明のガスハイドレート製造装置においては、水の冷却手段として雪氷冷却部を用いる。雪氷冷却部は、雪氷の冷熱を利用して水の冷却を行うため、ハイドレート形成に供される水が過度に冷却された状態になることがなく、凍結が防止される。従って、原料水の供給が確実に行われるので、ガスハイドレートを安定的に製造できる。

また、降雪量の多い地域や寒冷地においては、天然の雪氷を利用することにより、水の冷却に要するエネルギー消費は僅かなもので済み、コストも低減できるため、ガスハイドレート製造を効率化できる。

本発明の第２の態様は、第1の態様において、前記圧力容器内でのハイドレート形成に使用されなかった水を再利用する循環経路を備えており、該循環経路の途中に、前記雪氷冷却部が設けられていることを特徴とする、ガスハイドレート製造装置である。

第２の態様では、ハイドレート形成に使用されなかった水を再利用する循環経路に雪氷冷却部を設けたので、循環経路内での凍結やガスハイドレート形成による閉塞という問題が生じず、安定的な運転が可能になる。また、循環経路を冷却する外部配管冷却方式であるため、冷却効率に優れており、大掛りな冷却設備を必要としない。

本発明のガスハイドレート製造装置により、ガスハイドレートを安定的に製造することが可能になる。

以下、図面に基き本発明をさらに詳しく説明するが、本発明はこれにより何ら制約されるものではない。
図１は、本発明の第１実施形態に係るガスハイドレート製造装置１００の概要を示す図面である。このガスハイドレート製造装置１００は、水を噴霧することにより気液接触を行うスプレー方式の製造装置であり、圧力容器１０内に、散水器１１と、分別板１２とを備えている。圧力容器１０には、原料水供給管１７と、原料ガス供給管１６とが接続されている。また、圧力容器１０には、「雪氷冷却部」としての雪氷冷却器２３を有する水循環用管１８が接続され、前記原料水供給管１７まで揚水する「循環経路」を構成している。

本発明のガスハイドレート製造装置１００で原料として用いるガスの種類は特に限定されるものではなく、所定の圧力、温度条件で水和反応によりガスハイドレートを形成するものであればよい。原料ガスとしては、例えばメタン、天然ガス（メタン、エタン、プロパン、ブタン等の混合ガス）、炭酸ガス（二酸化炭素）等を挙げることができる。

圧力容器１０の内部は、原料ガスと水からハイドレート形成が可能な温度および圧力に調整可能に構成されている。すなわち、圧力容器１０は、図示しない圧力制御手段と温度制御手段を備えており、例えば、メタンハイドレートの製造の際には、圧力容器１０内を温度０〜１０℃、圧力３〜６ＭＰａ程度に調節できるように構成されている。ここで、ガスハイドレート生成に必要な圧力や温度条件は、ガス（ハイドレート形成物質）の種類により異なるが、いずれも既知の条件で実施できる。なお、温度制御手段としては、熱交換器が一般的であるが、後述するように雪氷を利用して圧力容器１０を外部から冷却する方式を採用することも可能である。

圧力容器１０内の上部に設けられた散水器１１は、原料水供給管１７に接続されており、微小水滴５０を複数のノズルから噴霧できるように構成されている。分別板１２は、圧力容器１０内の下部に設けられており、一定の目合いの網目構造を持つ部材によって構成されている。分別板１２は、その位置よりも下部の領域へのガスハイドレート５１の拡散を妨げるように作用する。

圧力容器１０は、底部において原料ガス供給管１６に接続している。原料ガス供給管１６は、ポンプ１５の作用により、メタンガスや天然ガスなどの原料ガスを供給できるように構成されている。原料ガスは、圧力容器１０内を上昇し、ハイドレート形成に消費されるが、余剰のガスは、圧力容器１０の頂部に設けられた排出部（図示せず）よりガス循環用管１４を通して回収され、原料ガス供給管１６に戻される。

以上の散水器１１の配置と原料ガスの流れから、圧力容器１０の内部では気液対向流が形成され、所定温度と圧力の下で散水器１１から噴霧された微小水滴５０と原料ガス（ハイドレート形成物質）が水和反応を起こしてガスハイドレート５１が形成される。本実施形態では、気液対向流とすることによって、高い気液接触効率が得られ、水和反応が速やかに進行する。

水和反応により生じたガスハイドレート５１は、余剰の水とともに雪状または塊状になって圧力容器１０内部を落下し、同下部の滞留水５３に集積する。滞留水５３においては、ガスハイドレート５１と水とが混合してハイドレートスラリーを形成している。水よりも比重の軽いガスハイドレート５１は、主に滞留水５３の液面付近に集積する。また、滞留水５３の液面下方には、分別板１２が配備されており、ガスハイドレート５１が滞留水５３全体に拡散することを防止するように作用している。

圧力容器１０の側部には、滞留水５３の液面よりやや下側に位置するように、ハイドレート排出部１３が設けられており、多少の水を同伴するものの、密度の濃いスラリーの状態でガスハイドレート５１を抜出すことができる。また、圧力容器１０の底側部には、水循環用管１８と接続する水排出口２０が設けられており、ハイドレート形成に利用されなかった余剰水を抜出し、循環再利用することができる。水排出口２０は、分別板１２より下方に設けられているので、循環水中にガスハイドレート５１が混入する心配はなく、また、水排出口２０での閉塞も回避することができる。

なお、原料ガス供給管１６からのガス導入位置を、滞留水５３の液面より下に設定することによって、ガスハイドレート５１と滞留水５３とにより構成されるハイドレートスラリー中に原料ガスを気泡として導入することが可能になる。このバブリングによって、滞留水５３においても気液接触が図られ、一旦ガスハイドレート形成に利用されなかった水を再使用してガスハイドレートを形成することが可能になる。また、滞留水５３においてガスハイドレート５１が集塊化すると、圧力容器１０からの抜出しが困難になる可能性があるが、バブリングによって滞留水５３のハイドレートスラリーを攪拌できるので、集塊化が防止され、ハイドレート排出部１３での閉塞が起こり難くなる。

本実施形態において、「循環経路」としての水循環用管１８には、ポンプ１９が配備されており、圧力容器１０の底側部から排出された水を原料水供給管１７との接続位置まで揚水して再利用できるように構成されている。この水循環用管１８の途中には、外部冷却方式の冷却手段として、雪氷冷却器２３が配備されている。

ここで、雪氷冷却器２３の概略構成を図２に示す。この雪氷冷却器２３は、一定量の雪および／または氷を保持できる筐体２４の内部を貫通するように、螺旋状の水循環用管１８が配備された簡易な構造である。本実施形態では、水循環用管１８を螺旋状にすることにより、雪氷５４との接触面積と十分な冷却距離を確保し、確実に冷却を行うように構成している。なお、筐体２４内の配管の形状は、螺旋状に限らず、例えば蛇行させることもできる。

筐体２４は、上部が開放されており、この開放した上部から雪氷５４を投入できるように構成されている。開放部分には拡開した傾斜壁２５が形成されているので、雪氷５４の投入を容易に行うことができる。

筐体２４に投入された雪氷５４は、水循環用管１８を埋めるように隅々にまで充填される。雪氷５４の投入は、連続的におこなっても、非連続的におこなってもよい。筐体２４の底部には、排水口２６が形成されており、筐体２４内に投入された雪氷５４は、融解して水になると順次排水口２６から排出される。なお、図３では筐体２４を縦長の構成としているが、雪氷５４の荷重による水循環用管１８への負荷を考慮して横長の構成とすることも可能である。

雪氷冷却器２３を通過する間に、循環水は雪氷５４の冷熱によって管の周囲から冷却される。大きな蓄熱能力を持つ雪氷５４の冷熱により効率よく冷却を行うことが可能となる一方で、雪氷５４を利用することによって、循環水の温度が０℃以下まで低下する心配はない。従って、水循環用管１８内を流れる循環水が、管内で凍結する心配がない。また、水循環用管１８内でガスハイドレート５１が生じることもないので、管路閉塞の問題を引き起こすことがなく、安定的な水の再利用が可能になる。

水循環用管１８は原料水供給管１７に接続しており、雪氷冷却器２３を通過して冷却された循環水は、未使用の原料水と混合されて散水器１１に送られる。

雪氷冷却器２３は、低コストかつ簡易な設備で流体を冷却できるので、ハイドレート形成に利用する循環水の冷却以外にも利用できる。本実施形態のガスハイドレート製造装置１００においては、原料水供給管１７の途中に雪氷冷却器２１を配備している。また、原料ガス供給管１６の途中にも雪氷冷却器２２を配備し、原料ガスの冷却にも利用している。雪氷冷却器２１および雪氷冷却器２２は、雪氷冷却器２３と同様の構成である。なお、圧力容器１０を外部から冷却する外部冷却器（図示せず）として、雪氷の冷熱を利用することも可能である。

図３は、本発明の第２実施形態に係るガスハイドレート製造装置２００の概要を示す図面である。
このガスハイドレート製造装置２００は、攪拌により気液接触を行う攪拌方式の製造装置であり、圧力容器３０内に、攪拌器３４と、分別板３１とを備えている。圧力容器３０には、原料水供給管１７と、原料ガス供給管１６とが接続されている。また、圧力容器３０には、雪氷冷却器２３を有する水循環用管１８が接続され、前記原料水供給管１７まで揚水できるように構成されている。

圧力容器３０の内部は、ハイドレート形成が可能な温度および圧力に調整できるように構成されており、ハイドレート原料の水が貯留されて滞留水５３を形成している。圧力容器３０は、第１実施形態の圧力容器１０と同様に、図示しない圧力制御手段と温度制御手段を備えており、例えば、メタンハイドレートの製造の際には、圧力容器３０内を温度０〜１０℃、圧力３〜６ＭＰａ程度に調節できるように構成されている。

攪拌器３４は、モータ３３に接続しており、回転によって滞留水５３を攪拌する。なお、攪拌器３４としては、通常の攪拌翼を供えたもののほか、攪拌翼の先端から原料ガスを気泡として放出可能なガス導入手段を兼ねた攪拌器３４を使用することも可能である。

分別板３１は、一定の目合いの網目構造を持つ部材であり、分別板３１よりも下部の領域へのガスハイドレート５１の拡散を妨げるように作用する。

圧力容器３０の上部には、原料水供給管１７が接続されており、ここから水が圧力容器３０内に導入される。また、圧力容器３０は、底部において原料ガス供給管１６に接続している。原料ガス供給管１６は、ポンプ１５の作用により、メタンガスや天然ガスなどの原料ガスを供給できるように構成されている。原料ガスは、散気装置（図示せず）によって圧力容器３０内の下部に貯留する滞留水５３中に気泡５２として導入され、ハイドレート形成に消費されるが、余剰のガスは、頂部に設けられた排出部（図示せず）よりガス循環用管１４を通して回収され、原料ガス供給管１６に戻される。

圧力容器３０の内部では、気泡５２の導入（バブリング）と、攪拌器３４の回転によって気液接触が図られ、所定温度と圧力の下で水と原料ガス（ハイドレート形成物質）が水和反応を起こしてガスハイドレート５１が形成される。本実施形態では、微細な気泡５２を導入することと、攪拌によって、高い気液接触効率が得られ、水和反応が速やかに進行する。
すなわち、攪拌によって渦流が生じることによって、気泡５２の滞留時間を長くすることが可能になり、気液接触効率を高めることができる。さらに、攪拌を行うことによって、生成したガスハイドレート５１の集塊化を防止する作用も得られる。

水和反応により生じた水よりも比重の軽いガスハイドレート５１は、攪拌を停止すると、主に滞留水５３の液面付近に集積する。滞留水５３においては、ガスハイドレート５１と水とが混合してハイドレートスラリーを形成している。また、滞留水５３の下方に設けられた分別板３１は、ガスハイドレート５１が滞留水５３全体に拡散することを防止するように作用する。

圧力容器３０の側部には、滞留水５３の液面よりやや下側に位置するように、ハイドレート排出部３２が設けられており、多少の水を同伴するものの、密度の濃いスラリーの状態でガスハイドレート５１を抜出すことができる。また、圧力容器３０の底側部には、水循環用管１８と接続する水排出口３５が設けられており、ハイドレート形成に利用されなかった余剰水を抜出し、循環再利用することができる。水排出口３５は、分別板３１より下方に設けられているので、循環水中にガスハイドレート５１や気泡５２が混入する心配はなく、また、水排出口３５や、水循環用管１８の閉塞を回避することができる。

水循環用管１８には、ポンプ１９が配備され、圧力容器３０の底側部から排出された水を原料水供給管１７との接続位置まで揚水して再利用する。この水循環用管１８の途中には、外部冷却方式の冷却手段として、雪氷冷却器２３が配備されている。雪氷冷却器２３の構成と機能は、第１実施形態（図１）と同様であるので、記載を省略する。また、雪氷冷却器２１および雪氷冷却器２２についても同様である。

以上、本発明を種々の実施形態に関して述べたが、本発明は上記実施形態に制約されるものではなく、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内で、他の実施形態についても適用可能である。

例えば、ハイドレート製造装置として、図１ではスプレー方式、図３では、攪拌方式を例に挙げたが、雪氷冷却器２３を備える構成は、他の形式のハイドレート製造装置においても適用可能である。

本発明のガスハイドレート製造装置は、天然ガス等の輸送・貯蔵手段としてのガスハイドレートの製造や、ガスの分離回収等に利用できる。

第１実施形態のガスハイドレート製造装置の概略構成を示す図面である。 雪氷冷却器の概略構成を示す図面である。 第２実施形態のガスハイドレート製造装置の概略構成を示す図面である。

符号の説明

１０ 圧力容器
１１ 散水器
１２ 分別板
１３ ハイドレート排出部
１４ ガス循環用管
１５ ポンプ
１６ 原料ガス供給管
１７ 原料水供給管
１８ 水循環用管
１９ ポンプ
２０ 水排出口
２１,２２，２３ 雪氷冷却器
２４ 筐体
２５ 投入部開口
２６ 排水部
３０ 圧力容器
３１ 分別板
３２ ハイドレート排出部
３３ モータ
３４ 攪拌器
３５ 水排出口
５０ 微小水滴
５１ ガスハイドレート
５２ 気泡
５３ 滞留水
５４ 雪氷
１００ ガスハイドレート製造装置
２００ ガスハイドレート製造装置

Claims (2)

1. 所定圧力および所定温度の下、圧力容器内で水と原料ガスとを反応させてガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造装置であって、
   ハイドレート形成水を冷却するための冷却手段として、雪氷の冷熱を利用する雪氷冷却部を備えていることを特徴とする、ガスハイドレート製造装置。
2. 請求項１において、前記圧力容器内でのハイドレート形成に使用されなかった水を再利用する循環経路を備えており、
   該循環経路の途中に、前記雪氷冷却部が設けられていることを特徴とする、ガスハイドレート製造装置。

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