JP2009242730A - ガスハイドレート製造装置の液体冷却装置及びガスハイドレート製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】ガスハイドレート製造装置に用いる熱交換器を軽量化できるようにすること。更に加えて、熱交換器の伝熱管の内壁にガスハイドレートが付着しにくくすること。
【解決手段】反応生成部内の液体相を冷却するガスハイドレート製造装置の液体冷却装置であって、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、循環ラインに設けられた熱交換器とを備え、熱交換器は円筒形状の第一シェルと、第一シェルより大径で該第一シェルと対をなして両者の間に空間部を有する二重管シェルを構成する円筒形状の第二シェルと、第一シェルの円筒部を一方の外面から他方の外面に貫通し、両端部を前記空間部に開口させた状態で第一シェルの円筒部に取り付けられた複数の伝熱管と、伝熱管の液体入口側が前記空間部に開口する第一空間領域部と、伝熱管の液体出口側が前記空間部に開口する第二空間領域部とを仕切る空間仕切部とを備える。
【選択図】図１

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ガスハイドレートを生成する反応生成部内の液体相を冷却するガスハイドレート製造装置の液体冷却装置及び該液体冷却装置を備えた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。その後、成型装置にかけてペレット化される。尚、脱水装置で脱水後に、更にガスハイドレートの含有量を９０ｗｔ％程度に高めるための次の生成工程に送られる場合もある。

図３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装置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をペレット化する成型装置５とを備えている。図３において、符号４はガスハイドレートのペレットを示す。

液体冷却装置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。該液体冷却装置２は、図３に示したように、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。

図４に示したように、従来の熱交換器９は、伝熱管１１の液体入口側１２及び液体出口側１３が平板形状の管板１４に取り付けられている。図４において、符号１５は伝熱管１１を内包し冷媒と接触させる領域を作るシェル、符号１６は液体の入口側液室、符号１７は液体の出口側液室を示す。
特開２００６−１１１７４６号公報

しかし、ガスハイドレートスラリーの熱交換器９においては、伝熱管１１内はガスハイドレートの反応生成部１内と同じ高圧（約５ＭＰａ）である。そのため、該伝熱管１１が取り付けられる平板状の前記管板１４は高耐圧構造であることが要求され、該管板１４はその厚みが極めて大きく（分厚く）作られている。そのため、該管板１４が分厚い構造であることが原因で、熱交換器全体が高重量になり、その扱いに多大の負荷がかかる問題があった。この問題は、熱交換器を大型化すると一層顕著になる。

また、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虞のある問題があった。

本発明の目的は、ガスハイドレート製造装置に用いる熱交換器を軽量化できるようにすることにある。更に加えて、熱交換器の伝熱管の内壁にガスハイドレートが付着しにくくすることにある。

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製造装置の液体冷却装置は、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内の液体相を冷却するガスハイドレート製造装置の液体冷却装置であって、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熱交換器とを備え、前記熱交換器は、円筒形状の第一シェルと、該第一シェルより大径で当該第一シェルと対をなして両者の間に空間部を有する二重管シェルを構成する円筒形状の第二シェルと、前記第一シェルの円筒部を一方の外面から他方の外面に貫通し、両端部を前記空間部に開口させた状態で該第一シェルの円筒部に取り付けられた複数の伝熱管と、前記伝熱管の液体入口側が前記空間部に開口する第一空間領域部と、前記伝熱管の液体出口側が前記空間部に開口する第二空間領域部とを仕切る空間仕切部とを備えることを特徴とするものである。

本態様においては、複数の伝熱管は、平板状の管板ではなく円筒形状のシェルの円筒部に取り付けられている。すなわち、伝熱管は、第一シェルの円筒部を一方の外面から他方の外面に貫通し、該伝熱管の両端部が当該第一シェルの円筒部に取り付けられている。円筒形状は耐圧性が高いので、シェルの厚さ（円筒部の厚さ）を従来の平板状の管板のように分厚くする必要がない。従って、本態様によれば、ガスハイドレート製造装置に用いる熱交換器を軽量化することができる。

更に加えて、１本あたりの伝熱管の長さが短くなるので、熱交換器で冷却される際に、伝熱管の内壁にガスハイドレートが生成・付着する虞を低減することもできる。

本発明の第２の態様は、前記第１の態様に係るガスハイドレート製造装置の液体冷却装置において、前記熱交換器は、前記伝熱管に冷媒を散布する冷媒シャワー手段を備えることを特徴とするものである。
本態様によれば、冷媒シャワー手段により効果的に伝熱管を冷却することができる。

本発明の第３の態様は、前記第１の態様又は第２の態様に係るガスハイドレート製造装置の液体冷却装置において、前記伝熱管は、前記第一シェルの円筒部中心を通る中心伝熱管と、該中心伝熱管の両側に対称配置されて対を成す対称配置伝熱管とで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、前記伝熱管は、前記第一シェルの円筒部中心を通る中心伝熱管と、該中心伝熱管の両側に対称配置されて対を成す対称配置伝熱管とで構成されているので、当該伝熱管が取り付けられた状態における第一シェルの剛性及び耐圧性が当該対称配置構造によって効果的に確保されている。

本発明の第４の態様は、前記第２の態様に係るガスハイドレート製造装置の液体冷却装置において、前記冷媒シャワー手段により伝熱管に散布されて前記第１シェル内で生じる冷媒蒸気は、冷媒蒸気出口から冷媒循環ラインを介して外部に出て圧縮機、冷媒凝縮器、更に膨張弁を経て液体冷媒になって当該冷媒シャワー手段の入口に戻る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、伝熱管に散布されて生じる冷媒蒸気を容易に液体冷媒に戻して再散布に供することができる。

本発明の第５の態様は、前記第２の態様に係るガスハイドレート製造装置の液体冷却装置において、前記第二空間領域部はミストセパレータを介してガス吸引手段を備え、該ガス吸引手段は、前記第二空間領域部で液体中から分離発生したガスを回収し、前記第一空間領域部に戻すように構成されていることを特徴とするものである。

伝熱管内を流れる液体（スラリー）は、原料の水と原料ガスとガスハイドレートを含んでいるので、伝熱管の出口を出て第二空間領域部に至った際に液体中から原料ガスが一部分離する。本態様によれば、このガスを回収し、前記第一空間領域部に戻すので、無駄を発生させない。

本発明の第６の態様は、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相を冷却する液体冷却装置と、を備えたガスハイドレート製造装置であって、前記液体冷却装置は、前記第１の態様から第５の態様のいずれか一つの液体冷却装置であることを特徴とするものである。

本態様によれば、ガスハイドレート製造装置よして、前記第１の態様から第５の態様と同様の作用効果を得ることができる。

本発明においては、複数の伝熱管は、平板状の管板ではなく円筒形状のシェルの円筒部に取り付けられている。すなわち、伝熱管は、第一シェルの円筒部を一方の外面から他方の外面に貫通し、該伝熱管の両端部が当該第一シェルの円筒部に取り付けられている。円筒形状は耐圧性が高いので、シェルの厚さ（円筒部の厚さ）を従来の平板状の管板のように分厚くする必要がない。従って、本発明によれば、ガスハイドレート製造装置に用いる熱交換器を軽量化することができる。
更に加えて、１本あたりの伝熱管の長さが短くなるので、熱交換器で冷却される際に、伝熱管の内壁にガスハイドレートが生成・付着する虞を低減することもできる。

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に係る液体冷却装置を備えたガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図であり、熱交換器のシェルを輪切りにした縦断面図である。図２は同熱交換器の側断面図である。

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装置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をペレット化する成型装置５とを備えている。図１において、符号４はガスハイドレートのペレットを示す。

液体冷却装置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。該液体冷却装置２は、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Ｆ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。

前記熱交換器９は、円筒形状の第一シェル２０と、該第一シェル２０より大径で当該第一シェル２０と対をなして両者の間に空間部２１を有する二重管シェル２２を構成する円筒形状の第二シェル２３と、前記第一シェル２０の円筒部２５を一方の外面２６から他方の外面２７に貫通し、両端部を前記空間部２１に開口させた状態で該第一シェル２０の円筒部２５に取り付けられた複数の伝熱管１１とを備えている。更に、前記伝熱管１１の液体入口側１２が前記空間部２１に開口する第一空間領域部２８と、前記伝熱管１１の液体出口側１３が前記空間部２１に開口する第二空間領域部２９とを仕切る空間仕切部３０、３１とを備えている。

本実施の形態では、前記伝熱管１１は、前記第一シェル２０の円筒部２５中心を通る中心伝熱管１１ｃと、該中心伝熱管１１ｃの両側に対称配置されて対を成す対称配置伝熱管１１ｓとで構成されている。これにより、当該伝熱管１１が取り付けられた状態における第一シェル２０の剛性及び耐圧性が当該対称配置構造によって効果的に確保されている。

また、熱交換器９は、前記伝熱管１１に冷媒１９を散布する冷媒シャワー手段として冷媒シャワーヘッダ３３、３４を備えている。尚、冷媒シャワー手段として冷媒シャワーヘッダ３３、３４に限定されない。液体冷媒に伝熱管をディップさせた冷却構造であってもよい。

また、冷媒シャワーヘッダ３３、３４により伝熱管１１に散布されて前記第１シェル２０内で生じる冷媒蒸気１９ｖは、冷媒蒸気出口３５から冷媒循環ライン３６を介して外部に出て圧縮機３７、冷媒凝縮器３８、更に膨張弁３９を経て液体冷媒になって当該冷媒シャワーヘッダ３３、３４の入口に戻るように構成されている。これにより、伝熱管１１に散布されて生じる冷媒蒸気１９ｖを容易に液体冷媒に戻して再散布に供することができるようになっている。

また、前記第二空間領域部２９は、ミストセパレータ４０を介してガス吸引手段であるブロア４１を備えている。図１において、符号４２はガス回収ラインである。該ガス吸引手段４１は、前記第二空間領域部２９で液体中から分離発生した原料ガスを回収し、前記第一空間領域部２８に戻すように構成されている。伝熱管１１内を流れる液体（スラリー）は、原料の水と原料ガスとガスハイドレートを含んでいるので、伝熱管１１の出口１３を出て第二空間領域部２９に至った際に液体中から原料ガスが一部分離する。このガスを回収し、前記第一空間領域部２８に戻すので、無駄を発生させないようになっている。

次に、作用を説明する。
本実施の形態によれば、複数の伝熱管１１は、平板状の管板ではなく円筒形状の第一シェル２０の円筒部２５に取り付けられている。すなわち、伝熱管１１は、第一シェル２０の円筒部２５を一方の外面２６から他方の外面２７に貫通し、該伝熱管１１の両端部が当該第一シェル２０の円筒部２５に取り付けられている。円筒形状は耐圧性が高いので、第一シェル２０の厚さ、即ち円筒部２５の厚さを従来の平板状の管板のように分厚くする必要がない。従って、本実施の形態によれば、ガスハイドレート製造装置に用いる熱交換器を軽量化することができる。

更に加えて、１本あたりの伝熱管１１の長さが、図１及び図２から明らかなように短くなるので、熱交換器９で冷却される際に、伝熱管１１の内壁にガスハイドレートが生成・付着する虞を低減することもできる。

本発明の実施の形態に係る液体冷却装置を備えたガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図であり、熱交換器のシェルを輪切りにした縦断面図である。 図２は同熱交換器の側断面図である。 従来の液体冷却装置を備えたガスハイドレートの製造装置を示す概略構成図である。 従来の熱交換器の概略断面図である。

符号の説明

１ 反応生成部、 ２ 液体冷却装置、 ３ 脱水装置、 ４ ペレット、 ５ 成型装置、 ６ 一次ガスハイドレート、 ７ 循環ライン、 ８ 循環用ポンプ、 ９ 熱交換器、 １０ スラリーポンプ、 １１ 伝熱管、 １１ｃ 中心伝熱管、 １１ｓ 対称配置伝熱管、 １２ 液体入口側、 １３ 液体出口側、 １５ シェル、 １６ 液体の入口側液室、 １７ 液体の出口側液室、 １９ 冷媒、 １９ｖ 冷媒蒸気、 ２０ 円筒形状の第一シェル、 ２１ 空間部、 ２２ 二重管シェル、 ２３ 円筒形状の第二シェル、 ２５ 円筒部、 ２６ 一方の外面、 ２７ 他方の外面、 ２８ 第一空間領域部、 ２９ 第二空間領域部、 ３０，３１空間仕切部、 ３３，３４ 冷媒シャワーヘッダ（冷媒シャワー手段）、 ３５ 冷媒蒸気出口、 ３６ 冷媒循環ライン３６、 ３７ 圧縮機、 ３８ 冷媒凝縮器、 ３９ 膨張弁、 ４０ ミストセパレータ、 ４１ ガス吸引手段であるブロア、 ４２ ガス回収ライン

Claims (6)

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内の液体相を冷却するガスハイドレート製造装置の液体冷却装置であって、
   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熱交換器と、を備え、
   前記熱交換器は、
   円筒形状の第一シェルと、該第一シェルより大径で当該第一シェルと対をなして両者の間に空間部を有する二重管シェルを構成する円筒形状の第二シェルと、
   前記第一シェルの円筒部を一方の外面から他方の外面に貫通し、両端部を前記空間部に開口させた状態で該第一シェルの円筒部に取り付けられた複数の伝熱管と、
   前記伝熱管の液体入口側が前記空間部に開口する第一空間領域部と、前記伝熱管の液体出口側が前記空間部に開口する第二空間領域部とを仕切る空間仕切部と、を備えることを特徴とするガスハイドレート製造装置の液体冷却装置。
2. 請求項１に記載のガスハイドレート製造装置の液体冷却装置において、
   前記熱交換器は、前記伝熱管に冷媒を散布する冷媒シャワー手段を備えることを特徴とするガスハイドレート製造装置の液体冷却装置。
3. 請求項１または２に記載のガスハイドレート製造装置の液体冷却装置において、
   前記伝熱管は、前記第一シェルの円筒部中心を通る中心伝熱管と、該中心伝熱管の両側に対称配置されて対を成す対称配置伝熱管とで構成されていることを特徴とするガスハイドレート製造装置の液体冷却装置。
4. 請求項２に記載のガスハイドレート製造装置の液体冷却装置において、
   前記冷媒シャワー手段により伝熱管に散布されて前記第１シェル内で生じる冷媒蒸気は、冷媒蒸気出口から冷媒循環ラインを介して外部に出て圧縮機、冷媒凝縮器、更に膨張弁を経て液体冷媒になって当該冷媒シャワー手段の入口に戻るように構成されていることを特徴とするガスハイドレート製造装置の液体冷却装置。
5. 請求項２に記載のガスハイドレート製造装置の液体冷却装置において、
   前記第二空間領域部はミストセパレータを介してガス吸引手段を備え、
   該ガス吸引手段は、前記第二空間領域部で液体中から分離発生したガスを回収し、前記第一空間領域部に戻すように構成されていることを特徴とするガスハイドレート製造装置の液体冷却装置。
6. 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相を冷却する液体冷却装置と、を備えたガスハイドレート製造装置であって、
   前記液体冷却装置は、請求項１から５のいずれか１項に記載の液体冷却装置であ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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