JP2019035242A - 分離装置 - Google Patents
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Abstract
Description
特に大水深での資源開発において、産出される混合流体を洋上の浮遊式プラットホームに上げたり、陸上まで海底パイプラインで移送したりすると、不要な水や砂まで遠方に送ることになる。この場合には、資源開発コストの増大を招く。そこで、海中及び水中で水や砂と回収流体とを分離することが求められる。
下記特許文献1は、海中及び水中で混合流体からメタンガスを分離する分離装置を開示する。特許文献1に開示される分離装置は、混合流体が流入する本体容器と、熱媒体により本体容器内を加熱する加熱部とを備える。混合流体は、本体容器内で、メタンガスと、水や砂とに分離される。さらに、本体容器内に存在するメタンハイドレートを加熱部で加熱することにより、再ハイドレート環境下に陥ることを防止する。メタンガスは、本体容器の上方に設けられる排気管から回収される。水や砂は、一部が海底に排出される。
本発明に係る分離装置は、メタンハイドレート層からのメタンガスの生産に用いられ、気体と液体とを含む混合流体から前記気体を分離する分離装置であって、水底に配置される本体容器と、前記本体容器に接続され、前記混合流体を前記本体容器の内部に流入させ、前記混合流体から前記液体の一部が除去された中間生産流体を前記本体容器内に生成する流入管と、前記本体容器の内部に設けられ、前記中間生産流体が供給される供給口を有し、前記中間生産流体から前記気体を分離する複数の分離器と、前記本体容器における前記複数の分離器の上方に設けられ、分離された前記気体を前記本体容器から排気する排気管と、前記排気管に設けられる圧力調整弁と、前記本体容器に接続され、前記混合流体から分離された前記液体を外部に吐出する吐出ポンプと、前記本体容器に貯留された前記液体の液面の位置を測定する液面測定部と、前記液面測定部の測定結果に基づき、前記液面が前記複数の分離器のうち少なくとも一つの分離器の前記供給口よりも低くなるように前記吐出ポンプの吐出量を制御する制御部と、を備えることを特徴とする。
また、生産井からの混合流体がいかなる流動様式であったとしても、分離器へは、混合流体から液体の一部が除去された中間生産流体が供給される。分離器に供給される中間生産流体の流動様式は、混合流体の流動様式によらない一定の様式となるため、分離器により、中間生産流体から気体を安定的に分離できる。したがって、本発明の分離装置によれば、流動様式が変動する混合流体から、気体を安定的に分離回収できる。
また、制御部は、液面測定部の測定結果に基づき、分離器のうち少なくとも一つには中間生産流体が供給可能となるように吐出ポンプの吐出量を制御する。したがって、分離装置を確実に作動させることができる。
また、混合流体を本体容器の内壁に沿って旋回させるため、中間生産流体は、本体容器内に周方向に均等に分散される。したがって、複数の分離器に、中間生産流体を均等に供給することができる。
また、混合流体は、本体容器の内壁に沿って旋回しつつ、徐々に下降する。したがって、混合流体の向きを下方へ変更するための部材を別途設けることなく、流入管から流入された混合流体をスムーズに下方へ流動させることができる。
さらに、混合流体が旋回することにより、質量が大きい液体は慣性力で本体容器の内壁に押し付けられる。液体が本体容器の内壁と接すると、液体と本体容器の内壁との間で摩擦が生じ、液体は徐々に減速する。液体は減速した状態で液面に衝突するので、衝突による飛沫の生成が抑えられる。
また、流入管から本体容器の内部に流入した混合流体が、本体容器内で旋回流を形成することで中間生産流体を生成する場合には、流入管から流入した混合流体に含まれる気体が放射状に広がることで旋回流の形成が妨害され、混合流体から液体が効果的に分離されない可能性がある。しかしながら、混合流体は、本体容器と第1飛散防止部との間を通るため、第1飛散防止部により、流入管から流入した混合流体に含まれる気体が放射状に広がって、旋回流の形成を妨害してしまうことを防止できる。したがって、旋回流の形成を効果的に助長させ、旋回流により混合流体から液体を効果的に分離することが可能である。
また、液面を第1飛散防止部の下端よりも低くすることにより、混合流体が液面を潜らずに分離器の供給口に到達できる。
この場合、飛沫が、分離器の供給口に供給されてしまうことをより効果的に防止できる。
この場合、飛沫を、本体容器と第1飛散防止部との間により確実に案内できる。したがって、飛沫が、分離器に供給されてしまうことをより効果的に防止できる。
以下、図1から図3を参照し、本発明の第1実施形態に係る分離装置1について説明する。
本実施形態に係る分離装置1は、海底(水底)E1よりも下方の地中E2に存在するメタンハイドレート層E3からのメタンガスの生産に用いられる。海底E1から下方に向かって延びる生産井E4が掘られる。生産井E4の下端部がメタンハイドレート層E3に到達するように生産井E4は形成される。生産井E4から、気体A(メタンガス)と、液体L(水)と、固体(砂)とが含まれる混合流体F1を、分離装置1へ流入させる。分離装置1により、混合流体F1から気体Aを分離する。
以下の説明では、容器本体2を上下方向から見た平面視において、本体容器2の中心軸線Oに直交する方向を径方向といい、中心軸線O回りに周回する方向を周方向という。
図3に示されるように、流入管3は、本体容器2の上面視において、本体容器2の内周の接線方向に延びるように本体容器2に接続される。混合流体F1は、流入管3から本体容器2の内部に、本体容器2の内周の接線方向に沿って流入し、本体容器2の内壁に沿って流動して旋回流P1を形成する。この結果、混合流体F1から液体Lの一部及び固体が除去された中間生産流体F2が、本体容器2内に生成される。
本体筒部4bは、上下方向に延びる筒状に形成される。本体筒部4bの周壁に供給口4aが設けられる。中間生産流体F2は、供給口4aから分離器4の内部に供給される。図3に示されるように、複数の分離器4は、それぞれの供給口4aが径方向の外側に位置するように配設される。それぞれの供給口4aは、互いに異なる方向を向いて開口している。複数の分離器4それぞれの供給口4aは、同じ方向を向いて開口していてもよい。
排出筒部4cは、上下方向に延びる筒状に形成される。排出筒部4cは、本体筒部4bの下方に接続される。排出筒部4cの下端部は、後述する液層部Sの液面Uの下方まで延び、水封状態となっている。
本体筒部4bは、排出筒部4cよりも大径に形成されており、本体筒部4b及び排出筒部4cは、互いに同軸に配置されている。図示の例では、排出筒部4cは、本体筒部4bよりも上下方向に長く形成されている。なお、排出筒部4cは、本体筒部4bよりも上下方向に短く形成されていてもよい。排出筒部4cは、本体筒部4bよりも大径に形成されていてもよい。また、本体筒部4bと排出筒部4cとの間に、上方から下方に向けて縮径するテーパ筒部が形成されていてもよい。また、本体筒部4b及び排出筒部4cは同軸に形成されていなくてもよい。
仕切り壁2bは、径方向に沿って延び、複数の分離器4それぞれの上端開口縁と接続されている。仕切り壁2bは、複数の分離器4それぞれの内部と外部とを仕切っており、径方向の外端部において、本体容器2の内周面と接続されている。仕切り壁2bの下方に、収容室2aが形成され、仕切り壁2bの上方に、排気室2cが形成されている。
収容室2a内には、同心円上に配置された複数の分離器4が周方向に等間隔に収容されている。混合流体F1及び中間生産流体F2から分離された液体L及び固体は、収容室2a(すなわち、本体容器2の下部)に貯留される。これら液体L及び固体は、収容室2a内に液層部Sを形成する。なお、収容室2a内に、分離器4を径方向に等間隔に収容してもよい。また、収容室2a内に収容される分離器4の数量については、4基に限られず、任意に変更することが可能である。
排気室2c内には、分離器4により中間生産流体F2から分離され、本体筒部4b内を上昇した気体Aが流入する。この気体Aは、排気室2c内に気層部Rを形成する。
吐出ポンプ12は、排出管6を介して、本体容器2の下端部に接続される。吐出ポンプ12は、混合流体F1から分離された液体Lを外部に吐出する。
また、生産井E4内の混合流体F1を吸い上げることにより、蓋30で密閉された生産井E4内の圧力が下がる。したがって、生産井E4内の減圧状態を維持することができる。また、この減圧の効果が、地中E2の地盤に伝わる。これにより、メタンハイドレート層E3の周辺の圧力も下がるため、メタンハイドレートの分解が促され、メタンガスの生産につながる。
一次分離により除去された固体と液体Lのうちの液塊や大きな液滴とは、本体容器2の内壁に沿って旋回しつつ下降し、分離器4内に供給されることなく、収容室2a内の液層部Sに貯留される。
三次分離により分離された液体Lは本体筒部4bの内周面に沿って流下してゆき、排出筒部4cを通して、収容室2a内の液層部Sに貯留される。また、気体Aは、本体筒部4b内を上昇して排気室2c内に流入し、排気室2c内に気層部Rを形成するとともに、排気管5より排気される。気体Aは、排気管5から洋上プラットホーム40へ送られる。これにより、メタンハイドレート層E3からメタンガスが生産される。
本実施形態においては、混合流体F1が流入管3から本体容器2へ流入し、本体容器2の内部を流動することにより、混合流体F1から液体Lの一部が除去された中間生産流体F2を本体容器2内に生成する。生産井E4からの混合流体F1がいかなる流動様式であったとしても、分離器4へは、混合流体F1から液体Lの一部が除去された中間生産流体F2が供給される。すなわち、分離器4に供給される中間生産流体F2の流動様式は、混合流体F1の流動様式によらない一定の様式となるため、分離器4により、中間生産流体F2から気体Aを安定的に分離できる。したがって、本実施形態に係る分離装置1によれば、流動様式が変動する混合流体F1から、気体Aを安定的に分離回収できる。
混合流体F1が噴霧流である場合、気体Aと液滴である液体Lとが混然となった状態の混合流体F1が本体容器2の内部に流入する。旋回流P1による遠心力によって、気体Aより比重の大きい液体Lは本体容器2の内壁へ向けて押し出され、本体容器2の内壁に接することで捕捉される。この結果、噴霧流の混合流体F1から液滴である液体Lが除去される。
混合流体F1がスラグ流である場合、気体Aと液塊である液体Lとが本体容器2の内部に交互に流入する。この液塊は、自身の質量による慣性力で本体容器2の内壁に押し付けられ、そのまま本体容器2の内壁に沿って旋回しつつ重力により下降し、収容室2a内の液層部Sに貯留される。気体A中には液滴である液体Lが混合されているが、この液滴は噴霧流の場合と同じ挙動により除去される。
混合流体F1が気泡流である場合、液体L内に気体Aが気泡として内包された状態の混合流体F1が本体容器2の内部に流入する。旋回流P1による遠心力によって、比重の大きい液体Lは本体容器2の径方向の外側に移動し、比重の小さい気体Aは本体容器2の径方向の内側に移動する。これにより、気泡流の混合流体F1から気体Aと液体Lとを分離することができる。
また、混合流体F1は、本体容器2の内壁に沿って旋回しつつ、徐々に下降する。したがって、混合流体F1の向きを下方へ変更するための部材を別途設けることなく、流入管3から流入された混合流体F1をスムーズに下方へ流動させることができる。
次に、図5を参照し、本発明の第2実施形態に係る分離装置101について説明する。なお、本実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
例えば、複数の分離器4は、径方向の外側に位置するものが上方に位置するように、上下方向に沿って3段に、周方向に沿って4列に配設されることにより、合計12基が収容されている。複数の分離器4のうち、中心軸線Oからの径方向の距離が同等のものは、それぞれ互いに同等の高さに配設されている。
具体的には、仮に気体Aの排気量が少ない場合には、液面Uを上昇させて下方に位置する分離器4を水没させることで、中間生産流体F2が通過する分離器4の個数を減少させる。一方、気体Aの排気量が多くなった場合には、液面Uを下げて、中間生産流体F2が通過する分離器4の個数を増やす。これにより、分離器4に入る中間生産流体F2の速度を一定範囲内に設定することができる。このように分離器4に入る中間生産流体F2の速度を一定範囲内に設定することで、分離器4により中間生産流体F2を気体Aと液体Lとに精度よく分離することができる。
次に、図6から図8を参照し、本発明の第3実施形態に係る分離装置201について説明する。なお、本実施形態においては、第1実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
第1飛散防止部21の上端21aは、仕切り壁2bと接続している。第1飛散防止部21の下端21bは下方に開口している。第1飛散防止部21の下端21bは、複数の分離器4の供給口4aより低くなっている。第1飛散防止部21の下端21bは、液面Uよりも上方に位置する。すなわち、制御部15は、液面Uが第1飛散防止部21の下端21bよりも低くなるように吐出ポンプ12の吐出量を制御する。
図7(a)に示されるように、流入管3の内径D1と、本体容器2の内壁と第1飛散防止部21の外壁との距離D2とは、同等となっている。本体容器2の内壁と第1飛散防止部21の外壁との距離D2は、流入管3の内径D1以下となっていてもよい。
第1飛散防止部21により、飛沫Hが分離器4に直接供給されることを防止する。したがって、特定の分離器4の処理負荷が増えることを防止できる。
また、液面Uを第1飛散防止部21の下端21bよりも低くすることにより、混合流体F1が液面Uを潜らずに分離器4の供給口4aに到達できる。
これにより、飛沫Hが、分離器4の供給口4aに供給されてしまうことをより効果的に防止できる。
これにより、飛沫Hを、本体容器2と第1飛散防止部21との間により確実に案内できる。したがって、飛沫Hが、分離器4に供給されてしまうことをより効果的に防止できる。
次に、図9を参照し、本発明の第4実施形態に係る分離装置301について説明する。なお、本実施形態においては、第1実施形態及び第3実施形態における構成要素と同一の部分については同一の符号を付し、その説明を省略し、異なる点についてのみ説明する。
第2飛散防止部22は、第1飛散防止部21の下方に設けられる。第2飛散防止部22の外径は、第1飛散防止部21の外径よりも小さい。
第2飛散防止部22の上端22aは上方に開口している。第2飛散防止部22の下端22bは、液層部Sの液面Uの下方まで延びる。すなわち、制御部15は、液面Uが第2飛散防止部22の上端22aと下端22bとの間に位置するように吐出ポンプ12の吐出量を制御する。
この場合、液層部Sの液面Uと、本体容器2の内壁と、第2飛散防止部22とで3方向が閉ざされた空間に気流の淀みが形成される。衝突による飛沫が発生したとしても、飛沫はこの3方向が閉ざされた空間内に留まるため、飛沫が上昇流P2に従って上昇することを抑止できる。この結果、飛沫が分離器4に供給されることを抑止でき、分離器4の処理負荷の増加を抑止できる。
この場合、飛沫が上昇流P2に乗って上昇して分離器4に供給されることをより効果的に防止できる。
例えば、上述の実施形態において、流入管3は、本体容器2の上面視において、本体容器2の内周の接線方向に延びるように本体容器2に接続されている。しかしながら、流入管3は、流入管3から本体容器2の内部に流入した混合流体F1が旋回流P1を形成するように本体容器2と接続された他の形態を適宜採用することが可能であり、流入管3が本体容器2の内周の接線方向に延びていなくてもよい。
上述の実施形態においては、液面測定部14として、例えば、超音波液面計や、光センサ液面計を用いた。しかしながら、本体容器2の上端部の圧力と、本体容器2の下端部の圧力との差圧を測定し、この差圧に基づいて液層部Sの液面Uの位置を計測してもよい。
また、第3実施形態に係る分離装置201において、第1飛散防止部21により飛沫Hが分離器4の供給口4aに供給されてしまうこと防止できれば、第1飛散防止部21の下端21bは、複数の分離器4の供給口4aより高くてもよい。
また、第3実施形態に係る分離装置201において、本体容器2の内壁と第1飛散防止部21の外壁との距離D2は、流入管3の内径D1より大きくてもよい。
また、第4実施形態に係る分離装置301において、第1飛散防止部21が省略されてもよい。
また、第4実施形態に係る分離装置301において、第1飛散防止部21と第2飛散防止部22とが一体に形成され、第1飛散防止部21と第2飛散防止部22との間に開口が形成されていてもよい。この場合、第2飛散防止部22の上方に第1飛散防止部21が連続して設けられるため、衝突による飛沫が上昇流P2に乗ってしまうことをより確実に防止できる。
また、第4実施形態に係る分離装置301において、第1飛散防止部21の下端21bが、第2飛散防止部22の上端22aよりも低くなる、ラビリンス構造としてもよい。この場合、第2飛散防止部22の上端22aの内側に第1飛散防止部21が配置されるため、衝突による飛沫が上昇流P2に乗ってしまうことをより確実に防止できる。
Claims (8)
- メタンハイドレート層からのメタンガスの生産に用いられ、気体と液体とを含む混合流体から前記気体を分離する分離装置であって、
水底に配置される本体容器と、
前記本体容器に接続され、前記混合流体を前記本体容器の内部に流入させ、前記混合流体から前記液体の一部が除去された中間生産流体を前記本体容器内に生成する流入管と、
前記本体容器の内部に設けられ、前記中間生産流体が供給される供給口を有し、前記中間生産流体から前記気体を分離する複数の分離器と、
前記本体容器における前記複数の分離器の上方に設けられ、分離された前記気体を前記本体容器から排気する排気管と、
前記排気管に設けられる圧力調整弁と、
前記本体容器に接続され、前記混合流体から分離された前記液体を外部に吐出する吐出ポンプと、
前記本体容器に貯留された前記液体の液面の位置を測定する液面測定部と、
前記液面測定部の測定結果に基づき、前記液面が前記複数の分離器のうち少なくとも一つの分離器の前記供給口よりも低くなるように前記吐出ポンプの吐出量を制御する制御部と、
を備えることを特徴とする分離装置。 - 前記本体容器は、上下方向に延びる筒状に形成され、
前記流入管は、前記本体容器の上面視において、前記本体容器の内周の接線方向に延びるように前記本体容器に接続されることを特徴とする請求項1に記載の分離装置。 - 上下方向に延びる筒状に形成され、前記本体容器の内部において前記複数の分離器を囲むように設けられる第1飛散防止部をさらに備え、
前記制御部は、前記液面が前記第1飛散防止部の下端よりも低くなるように前記吐出ポンプの吐出量を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の分離装置。 - 前記第1飛散防止部の下端は、前記複数の分離器の前記供給口より低いこと特徴とする請求項3に記載の分離装置。
- 前記本体容器と前記第1飛散防止部との距離は、前記流入管の内径以下となることを特徴とする請求項3または4に記載の分離装置。
- 上下方向に延びる筒状に形成され、前記複数の分離器の下方に設けられる第2飛散防止部をさらに備え、
前記制御部は、前記液面が前記第2飛散防止部の上端と下端との間に位置するように前記吐出ポンプの吐出量を制御することを特徴とする請求項1から5のいずれか一項に記載の分離装置。 - 前記複数の分離器のそれぞれは、前記供給口が設けられる本体筒部と、前記本体筒部の下部に接続されて下方に延びる排出筒部と、を有し、
前記制御部は、前記液面が前記排出筒部の下端よりも高くなるように前記吐出ポンプの吐出量を制御することを特徴とする請求項1から6のいずれか一項に記載の分離装置。 - 前記排気管には、前記気体の排気量を測定する気体測定部が設けられ、
前記複数の分離器のうち少なくとも2つの前記供給口の上下方向の位置が異なり、
前記制御部は、前記液面測定部及び前記気体測定部の測定結果に基づき、前記吐出ポンプの吐出量を制御することを特徴とする請求項1または2に記載の分離装置。
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