JP2008248009A - 大量の水分を含有するガスハイドレートスラリーをガスハイドレートと水とに分離する分離装置。 - Google Patents

大量の水分を含有するガスハイドレートスラリーをガスハイドレートと水とに分離する分離装置。 Download PDF

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徹 岩崎
Nobuyasu Kanda
伸靖 神田
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純一 吉田
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Abstract

【課題】 天然ガス等の原料ガスと原料水とを反応させて生成するガスハイドレートスラリーを、ガスハイドレートと水とに分離する分離装置を提供する。
【解決手段】 竪型円筒状本体5内に、この本体5の内壁面に沿って形成されたスパイラルリボン状の羽根1aを有するスクリュー式掻き揚げ装置1を備え、更に、この本体5の上部にガスハイドレートの払出口7aを設けて構成した分離装置Aにより、この分離装置Aの本体5内でガスハイドレートスラリーSをガスハイドレートnと水w1とに分離し、前記掻き揚げ装置1によりガスハイドレートnを上方に掻き揚げて払出口7aより取り出す。
【選択図】 図1

Description

本発明は、原料ガスと原料水とを反応させて生成する未反応水を含有したガスハイドレートスラリーを、ガスハイドレートと水とに分離する分離装置に関するものである。
近年、クリーンなエネルギー源として、天然ガスなどのメタンを主成分とするガスが注目されている。そして、このような天然ガスの輸送や貯蔵のためにこれらを液化した液化天然ガス(以下、LNG)とすることが行われている。しかしながら、このLNGによるガスの輸送及び貯蔵には、極低温状態を保つ必要があるため、生成装置はもちろんのこと輸送装置や貯蔵装置、付帯設備が高価なものとなっている。その結果、大規模なガス田においては大量のガスが連続的に液化されるのでLNGの生産コストをある程度抑えることができているが、比較的小規模なガス田においては、経済的に実施できないものであった。
かかることから、天然ガスと水とを反応させて天然ガスハイドレート(以下単にガスハイドレートという)を製造し、このガスハイドレートを輸送又は貯蔵することが検討されている。このガスハイドレートは、大気圧で所定の低温(例えば、マイナス20℃程度)に保持しておけば、自己保存性といわれる分解抑制効果を発現し、長期に亘って安定に貯蔵できることが知られている。
そして、ガスハイドレートの製造方法としては、大別して二つの方法が提案されている。すなわち、例えば、温度が0〜10℃、圧力が3〜10MPaの中から選択された所定の温度と圧力が保持された反応器内に原料水を導入しておき、その原料水中に原料ガスを吹き込みながら攪拌する方法(気液攪拌方式:例えば特許文献1)と、所定の温度と圧力が保持されている反応器内に原料ガスを導入しておき、この原料ガス中に原料水を噴霧する方法(水スプレー方式:例えば特許文献2)である。
そして、これらの二つの方式によりガスハイドレートが生成される。そして、ガスハイドレートは、未反応水に浮遊するスラリーとして反応器から排出された後、後流側に設けられた脱水装置により未反応水と分離され、粉末状のガスハイドレートが製造されるようになっている。このようなガスハイドレート製造装置において脱水装置は、スクリュープレスや遠心分離機又は重力分離を行う脱水塔などがあるが、運転動力や装置重量等の種々の要件から一般的に脱水塔を用いることが考えられるので、本出願人は、その構造を提案した(例えば、特許文献3)。
特開2000−302701号公報 特開2000−264852号公報 特開2006−95417号公報
しかしながら、前記したような従来のガスハイドレート製造装置における脱水装置、すなわち脱水塔は、反応器で生成したスラリーを脱水塔の下部から導入し単に比重差を利用した重力分離であるため装置が大きくなり、そのため製作費が高くなるばかりでなくその設置場所にも制限される等の問題があった。また、脱水されたガスハイドレートが脱水塔の上部で自重により圧縮されるので、これをさらに上部のスクリューコンベアに圧送するためのスラリーポンプが大型のものが必要であり、また、前記自重で圧縮されたハイドレートが固着して塊となったり、脱水塔の内壁面に付着したりする問題があった。
本発明は、前記したような従来の問題点を解決するためになされたものであって、本発明のガスハイドレート製造装置における脱水装置は、
1)所定の圧力と温度を保持した反応器内に原料ガスと原料水とを導入し、該原料ガスと原料水とを接触させてガスハイドレートを含有するスラリーを生成し、該スラリーを脱水装置に導入してガスハイドレートと未反応水とに分離するようにしたガスハイドレートの製造装置において、筒状本体を立設し、該筒状本体の上部にガスハイドレートの排出手段を設けかつ下部に未反応水の取出口を設けると共に上下方向中央部近傍にスラリー供給口を設け、かつ該筒状本体内の上部にガスハイドレートの掻き揚げ手段を配置し、スラリー供給口の近傍に上部がガスハイドレート層で下部が未反応水層となる界面を形成し、前記ガスハイドレート層を形成するガスハイドレートを前記掻き揚げ手段により前記排出手段近傍に供給するように構成したガスハイドレート製造装置における脱水装置の構造を提供せんとするものである。
2)所定の圧力と温度を保持した反応器内に原料ガスと原料水とを導入し、該原料ガスと原料水とを接触させてガスハイドレートを含有するスラリーを生成し、該スラリーを脱水装置に導入してガスハイドレートと未反応水とに分離するようにしたガスハイドレートの製造装置において、筒状本体を立設し、該筒状本体の上部にガスハイドレートの排出手段を設けかつ下部に未反応水取出口を設けると共に上下方向中央部近傍にスラリー供給口を設け、かつ該筒状本体の上部が上方に向かって断面積が順次小となるテーパー部を設けるとともに上部にガスハイドレートの掻き揚げ手段を配置し、スラリー供給口の近傍に上部がガスハイドレート層で下部が未反応水層となる界面を形成し、前記ガスハイドレート層を形成するガスハイドレートを前記掻き揚げ手段により前記排出手段近傍に供給するように構成したガスハイドレート製造装置における脱水装置の構造である。
3)所定の圧力と温度を保持した反応器内に原料ガスと原料水とを導入し、該原料ガスと原料水とを接触させてガスハイドレートを含有するスラリーを生成し、該スラリーを脱水装置に導入してガスハイドレートと未反応水とに分離するようにしたガスハイドレートの製造装置において、筒状本体を立設し、該筒状本体の上部にガスハイドレートの排出手段を設けかつ下部に未反応水取出口を設けると共に上下方向中央部近傍にスラリー供給口を設け、かつ該筒状本体内の上部にガスハイドレートの掻き揚げ手段を配置し、スラリー供給口の近傍に上部がガスハイドレート層で下部が未反応水層となる界面を形成し、前記ガスハイドレート層内に原料ガスを噴出させて未反応水と反応させガスハイドレートを生成し、含水率を低下させ、ガスハイドレートを前記排出手段により排出するように構成したガスハイドレート製造装置における脱水装置の構造である。このときガスハイドレートが流動層を形成するようにするとガスハイドレート生成反応が進み、含水率が低下するので望ましい。
4)筒状本体の上部に設けられる排出手段をスクリューコンベアで構成したガスハイドレート製造装置における脱水装置の構造である。
5)筒状本体の内部に設けられる掻き揚げ手段を螺旋状スクレーパー又はリボンスクリュウーの何れか一方で構成したガスハイドレート製造装置における脱水装置の構造である。
請求項1の発明によれば、筒状本体の中央部にスラリーを導入して、ここで重力分離を行ないガスハイドレート層と未反応水層とを形成するとともにガスハイドレート層を形成するガスハイドレートを掻き揚げ手段により積極的に排出手段側へ供給するようにしたため脱水装置を小型化することが出来る。
請求項2の発明によれば、筒状本体の中央部にスラリーを導入して、ここで重力分離を行ないガスハイドレート層と未反応水層とを形成するとともにガスハイドレート層を形成するガスハイドレートを掻き揚げ手段により積極的に排出手段側へ供給するとともに上部に設けられたテーパー部の作用によりガスハイドレートが絞られ結果として脱水が促進されるため脱水装置をより小型化することが出来る。
請求項3の発明によれば、筒状本体の中央部にスラリーを導入して、ここで重力分離を行ないガスハイドレート層と未反応水層とを形成するとともにガスハイドレート層を形成するガスハイドレートを掻き揚げ手段により積極的に排出手段側へ供給するとともにガスハイドレート層内の上部に原料ガスを噴出させて流動化させるためガスハイドレートに未反応水が付着していたとしてもこの未反応水と原料ガスが反応してここでガスハイドレートが生成するため脱水装置をさらに小型化することができる。
請求項4の発明によれば、未反応水と分離されたガスハイドレートを確実かつ容易に脱水装置から排出することができる。
請求項5の発明によれば、ガスハイドレート層を形成するガスハイドレートを確実かつ容易に排出手段近傍まで供給することが出来る。
本発明によるガスハイドレート製造装置における脱水装置の構造によれば、脱水装置を小型化することが出来るため、製作コストの低減を図ることができるばかりでなく、比較的狭い設置場所にも据え付けることが出来るという効果がある。
以下、図1乃至図3に基づき本発明によるガスハイドレート製造装置における脱水装置の構造の実施態様を説明する。
(実施例1)
図1は、本発明によるガスハイドレートスラリーをガスハイドレートと水とに分離する分離装置の第一の実施態様を説明する概略図である。この図1において、10は、ガスハイドレートを含有するスラリーSを生成する生成装置であり、原料ガスgの供給ラインL1と原料水wの供給ラインL2とを有する反応容器10aと、該容器10aの下部より原料ガスgをバブリングするためのスパージャ(ガス噴出管)10cと、このスパージャ10cに原料ガスgを供給するブロワB1が設けられたガス循環ラインL3が連結されて構成されている。
また、反応容器10a内に導入され貯留された原料水wを攪拌する撹拌翼10bが駆動装置m2に連結されている。さらに、原料ガスgと原料水wとが気液接触して水和反応する際に発生する水和熱を吸収する熱交換器10fが設けられ、この熱交換器10fには所定の温度に保持されたブラインbが循環している。このブラインbは、反応容器10a内に設置した温度計(不図示)により計測された温度によりその流量と温度とが制御され、反応容器10a内の原料水wと原料ガスgとの混合物の温度が所定の温度に保持されるようになっている。
このような生成装置10の反応容器10a内は、3〜10MPa、0〜10℃より選定された圧力と温度(例えば、5MPa、5℃)に保持され、原料ガスgと原料水wとがそれぞれ導入され、反応容器10a内で原料ガスgのバブリングと撹拌翼10bによる攪拌とにより気液接触して水和反応が進行し、ガスハイドレートnが生成される。このガスハイドレートnは、大量の水を含有したスラリー状であって、これをガスハイドレートスラリーSとして生成装置10の反応容器10aよりスラリーポンプP1を有するスラリーラインL4を介して分離装置Aに導入する。
この分離装置Aは、前記ガスハイドレートの生成条件に耐えうる耐圧容器5を有し、この容器5の略中間部に設けた導入口6よりガスハイドレートスラリーSを導入するようになっている。また、この容器5は、ガスハイドレートスラリーSを構成している未反応水w1とガスハイドレートnとを、その比重の違いにより分離するようになっており、ガスハイドレートnは前記供給されたスラリーSにより形成されるスラリー層S1の上部に、未反応水w1は前記スラリー層S1の下部にそれぞれ分離され、ガスハイドレート層n1とスラリー層S1と未反応水層w2とを形成するようになっている。このように容器5はスラリーSをハイドレート層n1と水層w2とに分離する所謂セトラー分離器となっている。この容器5内には、図示していないが、前記スラリー層S1内に位置するように、略V字形に形成された分離促進手段が複数個配設され、ガスハイドレートSよりガスハイドレートnと水w1とに分離が促進されるようになっている。
更に、前記容器5内の水層w1の上限は、前記導入口6近傍にスラリー層S1が位置するように液面計8の計測値により、該容器5内の水を排水したり給水したりして制御されるようになっている。また、生成装置10から導入されるガスハイドレートスラリーSの供給量が増大するとスラリー層S1は厚くなり、供給量が減少するとスラリー層S1は薄くなるので、前記回転軸3の長さを伸縮させる調節装置(不図示)により掻き揚げ装置1の羽根1aの下端側がハイドレート層n1の下層付近に位置するようになっている。また、容器5の下方には該容器5内の水を生成装置10に還流する水戻しラインL5が設けられ、容器5の上側には該容器5内のガスg1を生成装置10に戻すガス戻しラインL6が設けられている。このラインL6は、スラリーSに随伴する原料ガスgを容器内から排気するようになっている。
また、分離装置Aの容器5には、前記駆動装置m1により回転する回転軸3に固定された支持棒3aと、該支持棒3aに回転軸3を軸芯とする同一円上に複数本の支柱1cの外側に、容器5の内壁面に沿うように螺旋状に形成されたリボン状の羽根1aが取り付けられてガスハイドレートnの掻き揚げ装置1が構成されている。前記羽根1aは、下端部1jがガスハイドレート層n1に位置し、上端部1fが容器5の上部に設けられた貯留部7と略同一高さになっている。
前記貯留部7は、前記容器5の円周に沿って形成されたドーナツ状に形成されており、前記回転軸3に連結された支持棒3aと一体的に設けられた払出しヘラ2aからなる払い出し装置2が設けられ、この貯留部7内のガスハイドレートnが払出口7aに掻き出されるようになっている。
更に、図1及び図3に示すように、ガスハイドレートの脱水装置Aは、ガスハイドレートnを掻き揚げ易くするために、リボン状の羽根1aの上に該羽根1aの形状に合わせて成形されたリボン状の可撓性の部材からなるヘラ1bが設けられている。このヘラ1bは、例えば、ゴムや軟質合成樹脂などの可撓性を有する材料により成形され、ヘラ1bの容器5の内壁側に位置する部分が全長に亘って該内壁に当接するようになっており、このヘラ1bによってガスハイドレートnが滑り落ちないようにすると共に、容器5の内壁面を羽根1aで傷つけないようになっている。
このような脱水装置Aは、前記ガスハイドレート生成装置10で生成されたガスハイドレートスラリーSが導入口6より容器5内に導入され、その容器5内の導入口6近傍の高さにガスハイドレートスラリー層S1が形成される。そして、このスラリーSがガスハイドレートnと未反応水w1とに分離され、前記スラリー層S1の上方にガスハイドレート層n1、その下方には水層w2が形成される。
スパイラルリボン状の掻き揚げ装置1が駆動装置m1により回転されると、そのリボン状の羽根1aの下端1jがガスハイドレート層n1のガスハイドレートnを掬い上げるようにしながら順次ガスハイドレートn1を掻き揚げていく。この羽根1aに掬い上げられたハイドレート層n1に含まれている未反応水w1は、羽根1aを伝って流下する。また、羽根1aに掬い上げられたハイドレート層n1は、該羽根1aの下端1j側から上端1f側に向かって、押し上げられながら上昇するので、下から押し上げられたハイドレートn同士は互いに押圧され内部に染み込んでいる水分が排水されると共に、ハイドレートn自体が圧縮されて空隙率が小さくなる。
そして、上端1f側に達したガスハイドレートは、羽根1aの回転に伴って、貯留部7内に落下する。この貯留部7内に落下したガスハイドレートは、羽根1aの回転と共に回転する払出ヘラ2aにより払出口7a側に押し出され、該払出口7aよりダクト14を介してスクリューコンベア16に導入される。スクリューコンベア16に導入されたガスハイドレートは、圧縮成型装置等の後処理装置に移送され、ペレット化されて貯蔵されたりする。
スラリー導入口6から分離装置Aの容器5内に供給されたスラリーSは、該容器5内でスラリー層S1を形成すると共に順次ガスハイドレートnと未反応水w1とに分離されてハイドレート層n1と水層w2とを形成し、このハイドレート層n1のみがスパイラルリボン状の羽根1aで掬い上げられて上方に掻き揚げられていくので、強制的にハイドレートを圧縮して水分を絞り出すスクリュープレス型装置や、遠心力により水分を排水させる遠心分離型の脱水装置よりも小さい運転動力で運転することが可能となる。また、ガスハイドレートを機械的に排出するので重力式の脱水塔よりも小型化することが可能となる。
また、未反応ガスg1をガス排出ラインL6より排気するので、ガスハイドレート層n1内の未反応ガスg1が除去されて空隙率を小さくすることができる。また、ガスハイドレート層n1をスパイラルリボン状の羽根に沿って上方に押し込むようにしながら上昇させるので、圧縮作用と重力の作用によりガスハイドレート層n1に含まれている水分を効率よく除去することができる。ガスg1の排気は、例えば、容器5内に設けた圧力計により反応容器10a内よりも数kPa低い圧力となるように調節され、供給されたスラリーSからガスg1の気泡が大量に発生して水とハイドレートとに分離するのが妨げられないようになっている。
(実施例2)
図4は、本発明によるガスハイドレートスラリーをガスハイドレートと水とに分離する分離装置の第一の実施態様を説明する概略図である。この図4において、図1と同一符号は同一名称を示し説明を省略する。
この図4において分離装置A2の容器5の上部には上方に向かって断面積が順次小となる円錐部9が形成されている。また、図5に示すように羽根1aは、その円錐部9の内壁面に対向するように土手壁1dが形成され、該円錐部9の内壁面にハイドレートnが押圧されて羽根1aから落下するのが防止されている。
生成装置10で生成され、この脱水装置A2に供給されたガスハイドレートスラリーSは、脱水装置A2の容器5内でハイドレート層n1とスラリー層S1と水層w2とに分離され、ハイドレート層n1は掻き揚げ装置1のスパイラルリボン状の羽根1aによって順次掬い上げられ、順次羽根1aに沿って上方に移動する。
そして、ハイドレートnは、前記容器5の略中間高さ位置から上方にかけて形成された円錐部9の内壁面により押圧されて未反応水w1が押し出されると共に空隙率も低下する。羽根1aの上端1f側に達したハイドレートnは、貯留部7に払い出され、払出ヘラ2aにより払出口7aよりダクト14を介してスクリューコンベア16に導入される。このハイドレートnは、後工程で圧縮成型されたり、貯蔵されたりする。
本実施例においては、羽根を略L字形状に形成したので、容器の傾斜面(円錐部)によりハイドレートnが押圧されても該ハイドレートが羽根からこぼれ落ちることが防止されると共に、容器の上方に設けた貯留部に確実にハイドレートを排出することができるようになる。
したがって、羽根1aによって上方に掬い上げられた(掻き揚げられた)ガスハイドレートnは、円錐部9で積極的に圧縮されて含水率が低下すると共に空隙率を低くすることができる。しかも、ガスハイドレートは圧縮されるときに羽根上から落下することも防止され、ガスハイドレートの収量が減少することが防止される。
すなわち、ガスハイドレートの脱水率と収量が向上し、空隙率が低下するので、分離装置をより小型のものとすることができる。
(実施例3)
図6は、ガスハイドレートスラリーをガスハイドレートと水とに分離する本発明による分離装置の第三の実施態様を説明する概略図である。この図6において図1及び図4と同一符号は同一名称を付し、説明を省略する。
図6に示す第三の実施態様は、分離装置Aに原料ガスgを供給するガス供給配管L7が設けられており、該配管L17に連結されたブロワB3により分離装置Aの容器5内に原料ガスgが供給されるようになっている。
また、供給される原料ガスgは、前記容器5内に配置したノズル12より、拡散噴射するようになっており、前記スパイラルリボン状の羽根1a上の脱水されたガスハイドレートnが吹き飛ばされないように供給量が所定の範囲に調節されている。また、ガス排気ラインL6が前記容器5に連結されており、該容器5内の圧力が所定の範囲となるようにガスの吸排気が制御されている。この容器5内は、前記製造装置10と略同一の温度と圧力とに保持されており、ハイドレートn中に残留する未反応水w1と原料ガスgとが反応してガスハイドレートnが生成されるようになっている。
図6に示すように、ガスハイドレート製造装置10にて原料ガスgと水wとが気液接触して多量の水分を含むガスハイドレートスラリーSが生成される。このガスハイドレートスラリーSは、スラリーポンプS1を介してスラリー配管L4より分離装置Aの容器5内に供給される。該容器5内に供給されたスラリーSは、前記実施例1,2同様にガスハイドレートスラリー層S1の上方にガスハイドレート層n1、下方に未反応水w1による水層とに分離され、ハイドレート層n1を構成するハイドレートnは、スクリュー式掻き揚げ装置1によって順次掻き揚げられると共に、容器5上部に設けた払出口7aに順次送られる。
このガスハイドレートnは、前記掻き揚げ装置1の羽根1aの上を摺動しながら上方に送られながら、前記ガス供給配管L7より供給される原料ガスgが該ハイドレートn中に残留する未反応水w1と接触してハイドレートnが生成される。
本実施例により、ガスハイドレートは、容器5内を上昇すると共にガスハイドレートに残留する未反応水w1と原料ガスgとが反応してガスハイドレートを生成することとなり、分離装置Aから排出されるガスハイドレートnの含水率を低下させることができる。また、積極的に原料ガスを供給し、ガスハイドレートnの含水率を低下させるので、結果として、分離装置が小型化される。
また、タンク本体5の略中間から上方にかけて円錐部9を形成すると共に原料ガス供給ラインより原料ガスを供給することで、ハイドレートの収量と脱水率が向上し、その空隙率も小さくなるので、分離装置Aがより小型化される。
本発明による分離装置の構造の第一の実施態様を説明するための概略図である。 第一の実施態様における分離装置の羽根の上端近傍の構成を表す一部平断面図である。 第一の実施態様における分離装置によりハイドレートを掻き揚げる状態を説明する要部断面図である。 本発明による分離装置の構造の第二の実施態様を説明するための概略図である。 第二の実施態様における分離装置によりハイドレートを掻き揚げる状態を説明する要部断面図である。 本発明による分離装置の構造の第三の実施態様を説明するための概略図である。
符号の説明
A 分離装置
S ガスハイドレートスラリー
S1 スラリー層
n ガスハイドレート
n1 ガスハイドレート層
w1 未反応水
w2 水層
B1,B2 ブロワ
P1,P2 ポンプ
1 スクリュー式掻き揚げ装置
1a 羽根
1b ヘラ
1d 土手壁
5 円筒状本体
6 導入口
7 貯留部
7a 払出口
7b 環状部
9 円錐部
10 生成装置
12 ノズル
16 スクリューコンベア

Claims (4)

  1. 所定の圧力と温度とを保持した反応器内でガスと水とを接触させて生成したガスハイドレートと水とを含有するスラリーを、ガスハイドレートと水とに分離する分離装置であって、
    前記分離装置は、竪型円筒状本体内に、該本体の内壁面に沿って形成されたスパイラルリボン状の羽根を有するスクリュー式掻き揚げ装置を備え、更に、この本体の上部にガスハイドレートの払出口を設けたことを特徴とするガスハイドレートスラリーの分離装置。
  2. 前記分離装置の本体の上部が、上方に向かって順次縮径する円錐形状に形成されると共に、前記スクリュー式掻き揚げ装置のスパイラルリボン状の羽根が前記円錐形状に沿って形成されており、更に、前記羽根に土手壁が形成されていることを特徴とする請求項1記載のガスハイドレートスラリーの分離装置。
  3. 前記分離装置の本体内に原料ガスを導入するガス導入口を設けたことを特徴とする請求項1又は2記載のガスハイドレートスラリーの分離装置。
  4. 所定の圧力と温度とを保持した反応器内でガスと水とを接触させて生成したガスハイドレートと水とを含有するスラリーを、ガスハイドレートと水とに分離する分離方法であって、
    分離装置を構成する円筒状の分離槽の略中間部よりガスハイドレートスラリーを供給し、前記中間部近傍にスラリー層を形成すると共にその上方にハイドレート層を、スラリー層の下方に水層を形成させ、前記ハイドレート層をスクリュー式掻き揚げ装置により分離槽から取り出すことを特徴とするガスハイドレートスラリーの分離方法。
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