JP2012162730A - ガスハイドレートの冷却温度設定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】原料ガスの組成に対応するガスハイドレートの冷却温度を設定する。
【解決手段】原料ガスｇを水ｗと反応させてガスハイドレートｎを生成するガスハイドレート生成工程１、該ガスハイドレート生成工程で生成されたガスハイドレートを冷却する冷却工程２、該冷却工程で冷却されたガスハイドレートを大気圧まで減圧する脱圧工程３から成るガスハイドレートの製造方法において、前記冷却工程におけるガスハイドレート冷却温度Ｔを、ガスハイドレートの平衡温度ｔ₁ に補正温度ｔ₂ を加算した値とする。
【選択図】図２

Description

本発明は、原料ガスと水の水和反応物であるガスハイドレートの冷却温度を設定する方法に関する。

ガスハイドレートとは、水分子と気体分子から成る氷状の固体結晶であり、水分子が構築する立体構造の籠（ケージ）の内部に気体分子が介在する包接水和物（クラスレートハイドレート）の総称である。ガスハイドレートは、１ｍ³ の体積中に天然ガスを約１６５Ｎｍ³ 程度包蔵できると云われている。このため、天然ガスの輸送及び貯蔵手段として、ガスハイドレートを利用する研究及び開発が盛んに行われている。

天然ガスをハイドレート化する利点としては、（ａ）既に実用化されている液化天然ガス（ＬＮＧ）の大気圧下における貯蔵及び輸送温度（−１６３℃）よりも緩やかな温度条件で貯蔵や輸送が可能となること、（ｂ）また、ガスハイドレートが自己保存性を有することから貯蔵設備や輸送設備の耐久性、或いは断熱性を大幅に簡略化できることなどを挙げることができる。

ガスハイドレートは、一般に、ハイドレートと、水と、ガスの３相平衡曲線の低温、高圧側で生成することができる。ガスハイドレートを水と原料ガスから生成する場合は、一般に、０℃以上の温度条件で、かつ、平衡条件より高い圧力条件下で製造される。他方、貯蔵及び輸送時の圧力は、経済性を重視する観点から低い方が好ましい。

ガスハイドレートの製造条件としては、一般に、圧力が１〜５ＭＰａ、温度が０〜１０℃である。ところが、平衡条件より高い圧力条件下で製造したガスハイドレートを貯蔵や輸送のために平衡条件より低い圧力、例えば、大気圧まで減圧すると、減圧の過程でガスハイドレートが分解するので、ガスハイドレートを氷点下に冷却して付着水と共に凍結して取り出す技術が提案されている（例えば、特許文献１及び特許文献２参照。）。

ここで、取り出されたハイドレートは、包蔵ガス量が多い方が経済的に優れていることから、減圧の過程で分解により放出されるガス量をできるだけ低減することが重要となる。また、ガスハイドレートを氷点下に冷却する場合、冷凍設備やランニングコストなどが負担増になるため、ガスハイドレートを減圧（脱圧）する際に、ガスハイドレートをどの程度まで冷却するのが最も妥当であるかどうかを実験により確認した。その結果を図５及び図６に示す。

この図からメタンに混合した添加ガスの種類や濃度、或いは冷却温度によってガスハイドレートの分解量に差異があることが分かる。例えば、添加ガスがエタンの場合、図５に示すように、冷却温度が−５℃ではガスハイドレートがほとんど分解しない。しかし、冷却温度が−１０℃では約５〜２８％程度分解し、−２５℃では約１〜４３％程度分解することが分かる。

また、添加ガスがプロパンの場合、図６に示すように、冷却温度が−５℃ではガスハイドレートが約３〜３５％程度分解し、−１０℃では約９〜３０％程度分解し、−２５℃では約１〜３５％程度分解することが分かる。

メタンにエタン、プロパン成分を含む混合ガス（原料ガス）でガスハイドレートを生成すると、構造Ｉ型、構造II型が混在したガスハイドレートが生成されることが分かり、構造II型は、メタンとプロパン、或いはメタンとエタンの混合ガスであり、構造中のこれらの濃度は、２０〜３０％であった。

また、ガスハイドレートの自己保存性の原理は、以下のように考えられている。
（ａ）高圧下で生成したガスハイドレートを凍結させ、減圧して大気圧の分解条件に置くと、ガスハイドレートの表面から部分的に分解が始まり、ガスハイドレートを形成しているガス分子がガス化するとともに、水膜がガスハイドレート表面を覆う。

（ｂ）ガスハイドレート表面における分解によって熱が奪われると、ガスハイドレート表面の水膜は氷の膜となってガスハイドレートの表面を覆う。

（ｃ）この氷の膜がある厚さ以上に成長すると、内部のガスハイドレートと外部との熱交換が遮断され、大気圧などの分解条件でも内部のガスハイドレートは安定化する。

（ｄ）つまり、この氷の膜が分解しようとするガスハイドレートの圧力に抗するだけの機械的強度を持つことにより、ガスハイドレートが安定化してそれ以上の分解が抑制される。

ここで、ガスハイドレート表面の分解は、速やかに進行し、ガスハイドレート表面に氷の膜を生成することが望ましい。一方、ガスハイドレート表面の分解が緩やかに進むと、ガスハイドレート表面に氷の膜が形成される前に分解が内部まで進行し、結果的に脱圧時の分解量を増大させてしまう。

従って、ガスハイドレートの平衡温度よりも一定の温度以上高い温度で脱圧することにより、脱圧時にガスハイドレート表面にしっかりとした氷が膜状に形成される。温度差が小さいと、分解が緩やかに進行するため、ガスハイドレートの表面にできる氷が膜状にならず、分解量が増大することになる。実験の結果、脱圧時の平衡温度からの温度差は、４０℃以上高くすることにより、氷が膜状に形成され、分解が抑制されることが分る。
日本国特開２００１−２８０５９２号公報 日本国特開２００３−１０５３６２号公報

本発明は、このような知見に基づいて行われたものであり、その目的とするところは、原料ガスの組成に対応するガスハイドレートの冷却温度を設定する方法を提供することにある。

請求項１に係る発明は、原料ガスを水と反応させてガスハイドレートを生成するガスハイドレート生成工程、該ガスハイドレート生成工程で生成されたガスハイドレートを冷却する冷却工程、該冷却工程で冷却されたガスハイドレートを大気圧まで減圧する脱圧工程から成るガスハイドレートの製造方法において、前記冷却工程におけるガスハイドレート冷却温度Ｔを、ガスハイドレートの平衡温度ｔ₁ に補正温度ｔ₂ を加算した値とすることを特徴とするものである。

請求項２に係る発明は、補正温度ｔ₂ を４０℃とすることを特徴とするものである。

請求項３に係る発明は、補正温度ｔ₂ を５０℃とすることを特徴とするものである。

請求項４に係る発明は、ガスハイドレート冷却温度Ｔが氷点（０℃）を超えた場合、ガスハイドレート冷却温度Ｔを氷点（０℃）以下の温度に設定することを特徴とするものである。

請求項５に係る発明は、前記平衡温度ｔ₁ は、ハイドレート組成計算器又はハイドレート分析器のガスハイドレートのガス組成から平衡温度演算器で演算することを特徴とするものである。

請求項６に係る発明は、ガスハイドレートが混合ガスハイドレートであることを特徴とするものである。

本発明によれば、原料ガスの組成に対応するガスハイドレート冷却温度Ｔを、演算によって一義的に算出することができる。その結果、ガスハイドレートを、原料ガスの組成ごとにそれぞれ最適なガスハイドレート冷却温度Ｔで冷却することができることから、脱圧時に、ガスハイドレート表面に原料ガスの組成に適合した最適な氷膜を形成することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
図１において、符号１はハイドレート生成反応器、２は第１冷却器、３は脱圧器、４は第２冷却器、５はハイドレート組成計算器又はハイドレート分析器、６は平衡温度演算器、７は冷却・脱圧・貯蔵温度設定器である。

ここで、ハイドレート組成計算器としては、例えば、原料ガスの組成からガスハイドレート組成を計算するハイドレート組成計算器、或いはハイドレート生成反応器の気相ガス組成より平衡計算プログラム（例えば、ＣＳＭＨＹＤ）によりガスハイドレートのガス組成を計算するハイドレート組成計算器などを挙げることができる。尚、平衡計算プログラム（例えば、ＣＳＭＨＹＤ）については、E.D.Sloan,Jr. ：Clathrate Hydrates of Natural Gases,Marcel Dekker,Inc.,New York,(1998)を参照されたい。

また、ハイドレート組成分析器としては、ハイドレート生成反応器、或いは、図示しない貯槽からサンプリングしたガスハイドレートを分解してガスクロマトグラフィーによってガスの組成を分析する分析器などを挙げることができる。

他方、冷却・脱圧・貯蔵温度設定器７は、平衡温度演算器６で求めた平衡温度ｔ₁ （℃）に補正温度ｔ₂ （℃）（例えば、４０℃、望ましくは５０℃）を加算した冷却下限温度ｔ₁ ＋ｔ₂ （℃）をハイドレート第１冷却器２及び脱圧器３の冷却温度Ｔ（℃）として設定するようになっている。

また、冷却・脱圧・貯蔵温度設定器７は、冷却温度Ｔ（℃）が氷点（０℃）を超えた場合に、氷点（０℃）以下の温度（例えば、−１０℃〜０℃）をハイドレート第１冷却器２及び脱圧器３の冷却温度とする機能、及びハイドレート第２冷却器４及び貯槽の冷却温度を所定温度（例えば、−１５℃〜−３０℃）に設定する機能を有している。

具体的には、原料ガスの成分に応じて、次のように脱圧温度を設定する。例えば、メタンの場合、平衡温度は−８０℃であるから、安定な取り出し温度は、取り出し時の平衡温度からの温度差が４０℃が好ましい。より望ましくは５０℃である。

混合ガスで、かつ、平衡温度が−４０℃より高い場合は、４０℃の温度差で脱圧温度が０℃以上となってしまう。０℃以上を超えると、表面の氷が形成されないので、この場合は、０℃以下のできるだけ高い温度で脱圧する。

混合ガスの平衡温度は、構造II型のガスハイドレートのガス組成で、エタン、プロパンが濃縮され、約３０％となっているので、ガスハイドレートのガス組成がこの濃度となった時の平衡計算をする。平衡計算は、ＣＳＭＨＹＤプログラムを適用した。

図２において、符号１は攪拌・バブリング方式のハイドレート生成反応器、２はスクリューコンベヤ型の第１冷却器、３はロックホッパ型の脱圧器、４は冷却ジャケット型の第２冷却器、９は水和式脱水装置である。

上記ハイドレート生成反応器１は、原料ガス供給管１１、原料水供給管１２、ガス循環路１３及び水循環路１４を備えている。ガス循環路１３は、コンプレッサ１５及び熱交換器１６を有し、ハイドレート生成反応器１内の未反応の原料ガスｇをコンプレッサ１５によって所定の圧力（例えば、４〜６ＭＰａ）に昇圧した後、熱交換器１６によって所定の温度（例えば、０〜１０℃）に冷却してハイドレート生成反応器１内に還元するようになっている。このハイドレート生成反応器１は、攪拌機１７によって反応器１８内を攪拌すると共に、図示しない冷却ジャケットによって反応熱を除去するようになっている。

他方、水循環路１４は、ポンプ２０及び熱交換器２１を有し、ポンプ２０によってハイドレート生成反応器１内の未反応の水ｗを循環させている。その際、熱交換器２１によって循環水を所定の温度（例えば、０〜７℃）に冷却するようになっている。

上記水和式脱水装置９は、バレル２３内に多数の攪拌翼２８を有する軸２４を有すると共に、バレル２３にガス循環路１３の管路２５から分岐した分岐管２６を接続させている。この分岐管２６を経てバレル２３内に供給された原料ガスｇは、ガスハイドレートｎに付着している水と反応して新たにガスハイドレートを生成するため、ガスハイドレートを脱水することになる。なお、反応熱は、バレル２３の外側に設けた冷却ジャケット２７によって除去するようになっている。

上記第１冷却器２は、回転軸２９に沿ってスクリュー翼３０を有する軸３１をバレル３２内に設けると共に、バレル３２の外側に冷却ジャケット３３を有している。そして、冷却ジャケット３３に冷媒ａを供給して脱水後のガスハイドレートを所定の冷却温度Ｔ℃に冷却するようになっている。冷却温度Ｔ℃が氷点（０℃）を超えた場合は、氷点（０℃）以下の温度に冷却するようになっている。尚、第１冷却器２の温度制御は、例えば、冷媒ａの供給量を調整することによって行われる。

上記脱圧器３は、耐圧容器８の上流側に第１バルブ３５を有し、下流側に第２バルブ３６を有している。その上、耐圧容器８とガス循環路１３を連通する経路３８に減圧弁３７及びアキュムレータ３９を備え、耐圧容器８内に供給されたガスハイドレートｎの雰囲気をガスハイドレート生成圧から大気圧まで減圧するようになっている。

上記第２冷却器４は、タンク４１の側面に冷却ジャケット４２を有し、この冷却ジャケット４２に供給された冷媒ｂによってタンク４１内のガスハイドレートｎを所定の温度（例えば、−１５℃〜−３０℃）に冷却するようになっている。このハイドレート第２冷却器４によって冷却されたガスハイドレートｎは、ロータリーバルブ４３によって図示しない貯槽に払い出される。貯槽は、通常、冷却手段を必要としないが、所望により、強制冷却手段を備えてもよい。

次に、上記ガスハイドレート製造装置の作動について説明する。
図２に示すように、ハイドレート生成反応器１内の水（原料水）（例えば、水温０〜１０℃）ｗを攪拌機１７によって攪拌しながら、ガス供給管１１より所定圧力（例えば、４〜６ＭＰａ）の原料ガス（天然ガス）ｇを供給すると、ガス噴出器２２から放出された微細な気泡状の天然ガスｇと水ｗとが反応して天然ガスハイドレート（以下、ガスハイドレートと称する。）ｎが生成される。

ハイドレート生成反応器１で生成されたガスハイドレートｎは、例えば、重力式の脱水機（図示せず）によって１次脱水される。１次脱水されたガスハイドレートｎは、水和式脱水装置９によって２次脱水される。即ち、１次脱水されたガスハイドレートに付着している水ｗは、水和式脱水装置９を通過する間にガス循環路１３から供給される天然ガスｇと反応してガスハイドレートになるため、脱水される。

水和式脱水装置９によって２次脱水されたガスハイドレートｎは、第１冷却器２に供給される。そして、第１冷却器２を通過する間に所定の冷却温度Ｔ℃（例えば、脱圧時の平衡温度ｔ₁ ℃＋４０℃、望ましくは脱圧時の平衡温度ｔ₁ ℃＋５０℃）に冷却される。なお、前記冷却温度Ｔ℃が氷点（０℃）を超えた場合には、氷点（０℃）以下の温度（例えば、−１０℃〜０℃）に冷却される。

第１冷却器２によって所定の温度に冷却されたガスハイドレートｎは、未だ、ガスハイドレート生成時の圧力（例えば、４〜６ＭＰａ）に曝されているので、ロックホッパ型の脱圧器３によって大気圧まで脱圧して冷却ジャケット型の第２冷却器４に供給する。

即ち、脱圧器３の上流側にある第１バルブ３５を開くと、第１冷却器２によって所定の温度Ｔ℃に冷却されたガスハイドレートｎがガスハイドレート生成時の圧力（例えば、４〜６ＭＰａ）を保有する未反応の天然ガスｇと一緒に脱圧器３の耐圧容器８内に供給される。

前記第１バルブ３５を閉じた後、減圧弁３７を開くと、ガスハイドレートｎに同伴していた天然ガスｇが減圧弁３７から放出され、耐圧容器８内の圧力が大気圧（０．１ＭＰａ）まで低下する。減圧弁３７から排出された天然ガスｇは、一旦、アキュムレーター３９に蓄えられた後、経路３８を経てガス循環路１３に還元される。

前記減圧弁３７を閉じた後、第２バルブ３６を開くと、耐圧容器８内のガスハイドレートｎが第２冷却器４内に供給される。第２冷却器４内に供給されたガスハイドレートｎは、最も分解し難い温度（例えば、−１５℃〜−３０℃）に冷却される。第２冷却器４によって所定の温度に冷却されたガスハイドレートｎは、ロータリーフィーダ４３によって図示しない貯槽に供給される。

貯槽内に供給されたガスハイドレートは、上記のように、所定の温度（例えば、−１５℃〜−３０℃）に冷却されているので、自己保存効果を発揮して急速な分解が抑制される。なお、所望により、前記貯槽内を強制冷却することも可能である。

（実施例１）
メタン１００％を原料ガスとしてメタンハイドレートを生成した。生成及び貯蔵条件は、次の通りである。
（１）ガスハイドレート生成反応器
（ａ）生成圧力：５．４ＭＰａ
（ｂ）生成温度：２℃
（２）第１冷却器
（ａ）圧力：５．４ＭＰａ
（ｂ）温度：−３０℃
（３）脱圧装置
（ａ）圧力：５．４ＭＰａ→０．１ＭＰａ
（ｂ）温度：−３０℃
（４）貯槽
（ａ）圧力：０．１ＭＰａ
（ｂ）温度：−１５〜−３０℃

メタンの場合、平衡温度ｔ₁ は−８０℃であるから、補正温度ｔ₂ を５０℃に設定すると、第１冷却器の温度Ｔは、次のようになる。
Ｔ＝ｔ₁ ＋ｔ₂ ＝−８０（℃）＋５０（℃）＝−３０（℃）

第１冷却器の温度Ｔを−３０℃にした時のメタンハイドレートの分解率を図３に示す。この図３によりメタンハイドレートの分解率を１０％〜５％に抑制できることが分かる。

（実施例２）
メタン９７％とプロパン３％の混合ガスを原料ガスとしてメタン・プロパンハイドレートを生成した。生成及び貯蔵条件は、次の通りである。

（１）ガスハイドレート生成反応器
（ａ）生成圧力：５．４ＭＰａ
（ｂ）生成温度：２℃
（２）第１冷却器
（ａ）圧力：５．４ＭＰａ
（ｂ）温度：−１５℃
（３）脱圧装置
（ａ）圧力：５．４ＭＰａ→０．１ＭＰａ
（ｂ）温度：−１５℃
（４）貯槽
（ａ）圧力：０．１ＭＰａ
（ｂ）温度：−１５〜−３０℃

この時の平衡温度ｔ₁ は−６５℃であるから、補正温度ｔ₂ を５０℃に設定すると、第１冷却器の温度Ｔは、次のようになる。
Ｔ＝ｔ₁ ＋ｔ₂ ＝−６５（℃）＋５０（℃）＝−１５（℃）

第１冷却器の温度Ｔを−１５℃にした時のメタン・プロパンハイドレートの分解率を図４に示す。この図４によりメタン・プロパンハイドレートの分解率を２０％〜５％に抑制できることが分かる。

本発明に係るガスハイドレートの製造方法のプロセスを示すブロック図である。 本発明に係るガスハイドレートの製造方法の実施に適用する装置の概略構成図である。 メタンハイドレートの脱圧温度と分解率との関連を示す図である。 メタンとプロパンが混合した混合ガスハイドレートの脱圧温度と分解率との関連を示す図である。 メタンとエタンが混合した混合ガスガスハイドレートの分解特性を示す図である。 メタンとプロパンが混合した混合ガスガスハイドレートの分解特性を示す図である。

ｇ 原料ガス
ｎ ガスハイドレート
ｗ 水

Claims (6)

1. 原料ガスを水と反応させてガスハイドレートを生成するガスハイドレート生成工程、該ガスハイドレート生成工程で生成されたガスハイドレートを冷却する冷却工程、該冷却工程で冷却されたガスハイドレートを大気圧まで減圧する脱圧工程から成るガスハイドレートの製造方法において、前記冷却工程におけるガスハイドレート冷却温度Ｔを、ガスハイドレートの平衡温度ｔ₁ に補正温度ｔ₂ を加算した値とすることを特徴とするガスハイドレートの冷却温度設定方法。
2. 補正温度ｔ₂ を４０℃とすることを特徴とする請求項１記載のガスハイドレートの冷却温度設定方法。
3. 補正温度ｔ₂ を５０℃とすることを特徴とする請求項１記載のガスハイドレートの冷却温度設定方法。
4. ガスハイドレート冷却温度Ｔが氷点（０℃）を超えた場合、ガスハイドレート冷却温度Ｔを氷点（０℃）以下の温度に設定することを特徴とする請求項１記載のガスハイドレートの冷却温度設定方法。
5. 前記平衡温度ｔ₁ は、ハイドレート組成計算器又はハイドレート分析器のガスハイドレートのガス組成から平衡温度演算器で演算することを特徴とする請求項１記載のガスハイドレートの冷却温度設定方法。
6. ガスハイドレートが混合ガスハイドレートであることを特徴とする請求項１記載のガスハイドレートの冷却温度設定方法。

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