JP2021516298A - モジュール式プロセスプラント構造システム - Google Patents

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Abstract

本開示は、多数のモジュールを含むモジュール式プロセスプラント構造システムであり、すべてISO 1496によるISO認証を受けており、モジュール全体内に少なくとも1つの化学(または非化学)生産プラント機器を保持することができ、個別に搬送または輸送することができる。モジュールは、鉛直、水平、または混合(鉛直および水平配置の両方)に積み重ねることができる。モジュールはオフサイトで事前に製造され、モジュール内の目的の機器で構築され、配管、計装、電気配線で事前に接続されてから、複数のモジュールがISO 1496コンテナとして目的の場所にマルチモーダルで搬送され、組み立てられてプラントを形成する。概して、2つ以上のモジュールが一緒に接続されて完全なプラントを形成する。プラントは、任意のタイプ、例えば、化学的、機械的/生産、熱など、または任意のサイズ、例えば、生産、小規模、マイクロ、またはパイロットプラント規模であり得る。不要になったプラントは、分解して別の場所や施設で再利用することができる。【選択図】図1A

Description

本願は、2018年3月2日に出願された「モジュール式プロセスプラント構造システム」と題された米国仮出願第62/637,657号に基づいており、その優先権が主張され、その開示は参照により本明細書に組み込まれる。
本発明は、主に遠隔地に設置されたモジュール式プロセスプラント構造システムに関する。特に、本発明は、モジュール式化学プロセスプラント構造システム、およびモジュール式ユニットの範囲内で個々のプラントコンポーネントまたは機器を輸送する能力に関する。
化学プロセスプラントの生産には、通常、設計および建設に、特定の場所、ならびにかなりの時間および資本リソースが必要である。多くの場合、場所は、原料の入手可能性や、水または電気/電力資源、プラント内外への製品および原材料の搬送を可能にする鉄道、道路を必要とするトラック、または水路などの輸送上の考慮事項に基づいて選択される。化学プラントの建設またはカスタマイズ中に、プラントの建設の遅れと同様に、生産コストの増加がしばしば見られる。カスタマイズされた化学プラントを遠隔地にて迅速かつコスト効率よく建設し、希望の場所に搬送して組み立てることが望まれる。
投資に対する許容できるリターンを達成するために、生産プラントは、一般に、大量生産で少なくとも20〜30年間稼働する必要がある。一般に、プラントは据え付けの固定ユニットとして構築され、一度構築されると、プラントを新しい場所、新しい精製所、または新しいガス生産エリアに移動することはできない。ストランデッド(Stranded)天然ガス、関連する天然ガス、または埋立地ガスを処理するためのガスツーリキッドのプラント(GTL)の場合、ガス源があれば新しいGTLプラントを建設する必要がある。ガス供給が枯渇したり、ガスパイプラインが建設されたりしても、通常、プラントは簡単に移転できない。特に既存のGTLプラントを再利用のために経済的に移転できない場合、時間、材料、および労力の浪費につながる。
全体として、パイプラインアクセスができない孤立した場所にある大量の関連した天然ガス(年間1,000億立方メートル)は、関連ガスを輸送が容易な液体製品に変換するための経済的に実行可能な選択がないため、世界中で燃え上がっている。関連する天然ガスおよびストランデッド天然ガスを使用可能な液体製品に処理するための小規模(<毎年300キロトン)な石油化学(例:メタノールおよびアンモニア)および燃料(例:TIGAS天然ガスからガソリン、DME、およびFT液体)生産プラントは、一般に、それらの構築と維持のための実行可能な経済性を持っていない。経済性の低さは、1)ストランデッドガスの場所が離れていることが多いため、現場での建設コストが高い、2)容量1トンあたりの資本コストが高い(規模の経済がない)、3)遠隔地に搬送される設備および建設資材の輸送コストが高い、4)容量1トンあたりの労働人件費が高い(規模の経済がない)といった、要因の組み合わせによる。多くの発明者が小規模プラント、特に実行可能な経済性を備えた小規模メタノール生産ユニット、関連するガスを処理し、燃焼を排除するために遠隔地に建設および運用できるプラントの製造を試みてきた。マイクロプラント(<年間300トン)の生産は、一般に約1〜3のISO搬送コンテナに収まるプロセスであると考えられており、このアプローチは化学プラントのマイクロスケールプロセスの構築においても当てはめられている。
独国特許DE102013111897号は、GTLプロセスのためのポータブル生産ユニットを開示している。コンテナに埋め込まれたGTLプラントが開示されている。GTLプラントには、合成反応器、コンプレッサー、冷却器、および制御ユニットが含まれる。GTLプラントは、フレアガスを原料として受け取り、合成ガスを生成し、合成ガスから炭化水素を合成する。コンテナの寸法は、標準ISO寸法である。これにより、コンテナを搬送して現場に輸送することができる。
米国特許出願2010/0000153号は、遠隔地の天然ガス源の近くにある生産施設からメタノールを抽出するマイクロスケールのGTLシステムを開示している。マイクロスケールGTLシステムは、フレアガスからフィッシャートロプシュ液体を製造するためにフィッシャートロプシュ合成を利用する。マイクロスケールGTLシステムは、目的容量に応じて、1つまたは複数のモジュールで製造され得る。さらに、1つまたは複数のモジュールが、遠隔地の天然ガス源で輸送および操作され得ることが開示されている。
米国特許第9,322,190号は、動物飼料プレミックスを生産するためのモジュール式ユニットを有するモジュール式生産プラントを開示している。生産プラントの鉛直なユニットを形成するために、積み重ねられた水平モジュールが開示されている。水平モジュール式ユニットは上下に積み重ねられ、生産プラントの鉛直構造を形成する。各モジュール式ユニットは、生産プラントの特定の部分を囲み、生産プロセスの個々のシーケンスを実行する。モジュール式ユニットは標準サイズで製造される。US’190のモジュールは鉛直配向に設計されておらず、鉛直配置で荷重を処理できなかった。当技術分野では、現在のISO認証コンテナは鉛直配向にすることができず、耐荷重能力を維持できないことが知れている。US’190は、コンテナと装置を別々に搬送し、その後、所望の場所で適切に組み合わせて組み立てることを開示している。このようにして、コンポーネントとモジュールとは、標準の20フィートの輸送用コンテナ内で輸送できる(6列、3行)。
ジョージア州カントンのHydro−ChemのKyle Finleyは、テキサス州オースティンで開催されたHydroprimeモジュール式プラントの15AICHE2015会議で、モジュール式プラント設計を介して水素を供給する未公開の論文を発表した。提示された設計は、ISO 1496コンテナの標準寸法を満たさなかった。
マイクロスケールおよび小規模の生産プラントの主な欠点は、生産の容量出力である。マイクロスケールの生産プラントの容量出力は、コンテナ内に配置できるコンポーネントの数と容量によって制限される。生産プラントが輸送および操作のために標準コンテナに配置されるように設計されている場合、コンポーネントの体積容量は、それらの小型な寸法のために減少する。これにより、生産プラントの生産量が減少し、生産プラントの経済性に悪影響を及ぼす。このように、それらの設計により、マイクロスケールの生産プラントは、大量出力を生産することができず、一般に経済性が低くなる。
当技術分野で知られているモジュール式生産プラントのプロセスモジュールは、水平方向にのみ積み重ねられるように設計される。高さが標準コンテナの高さ(最大8フィート(2.4384メートル)、またはハイキューブコンテナの場合は9.5フィート(2.8956メートル))を超えるコンポーネントを輸送するには、コンポーネントを複数のモジュール式セクションに分割する必要がある。なお、各セクションはモジュールとして輸送され、現場で水平方向に組み立てられる。コンポーネントの各セクションの高さは、コンテナの高さによって制限される。したがって、反応器や蒸留塔などの背の高いコンポーネントのセクションを輸送するために多数のモジュールが必要とされ、モジュール式生産ユニットのセクションの輸送および設置のための材料および人件費が増加する。
上記に照らして、効率的な方法で輸送、組み立て、および分解することができる、化学物質またはその他のモジュール式の生産プラントが求められている。さらに、モジュール式構造システムの要件としては、プロセスプラントのすべての生産コンポーネントを輸送するだけでなく、プロセスプラントモジュールを道路、鉄道、海上の経路で、及びこれらの輸送形態間の移行も含み、国際的に輸送できるようにするために、ISO 1496コンテナ仕様を満たすべきである。海運業界は、鉛直コンテナ輸送ではなく水平コンテナ輸送向けに設計されているため、ISO 1496コンテナ規格および耐荷重規格を満たす鉛直スタッキングモジュールは、現在業界で知られていない。
本開示は、多数のモジュールを含むモジュール式プロセスプラント構造システムであり、すべてISO 1496認証を受けてマルチモーダル(multi-modal)輸送を可能にしており、モジュール全体内に化学プロセスユニットの少なくとも1つのコンポーネント(少なくとも1つの機器とも呼ばれる)を保持することができる。本発明は、化学製造施設に関連して説明されているが、本発明のシステムは、化学的または非化学的(例えば、物理的混合または配合)製造プロセスに使用することができ、化学製造は、便宜上、本明細書で使用されることを理解されたい。開示は、2種類の構造フレームであり、主要な構造部材は200mmおよび300mmのIビームである。概して、鉛直配向のモジュールは、より大きな風荷重に対応し、より太いIビームを有するように設計される。モジュールは、典型的にISO搬送コンテナと共に、および搬送機器に取り付けるために使用される、ツイストロックコネクタなどを介してコーナーフィッティングで接続される。さまざまな寸法のIビームを使用することができる。ツイストロックコネクタを使用することにより、モジュールをさまざまな選択方向で一緒にロックできる。たとえば、上下、左右、端と端、またはラッシングロッド(ツイストロックなし)で船に固定できる。ツイストロックコネクタは、複数のモジュールをプロセスプラント構造に最初にすばやく組み立てるためにも使用される。モジュールフレームは、ボルトプレートで設計されており、ツイストロックコネクタに加えて使用し、モジュールフレームを強力で安全なプロセスプラント構造に固定することができる。
現在のモジュールフレームの長さは概して13.716メートル(45フィート)であるが、6.096メートル(20フィート)または12.192メートル(40フィート)の長さにしてもよい。モジュールフレームの幅と高さは、ISO 1496規格を満たすために、幅2.4384メートル(8フィート)×高さ2.4384メートル(8フィート)、または幅2.4384(8フィート)×高さ2.8956メートル(9.5フィート)にすることができる。幅2.4384メートル(8フィート)、高さ2.8956メートル(9.5フィート)、長さ13.716メートル(45フィート)のISO 1496の高立方体寸法により、モジュールの範囲内で最大のプロセス機器が可能になることがわかっている。米国特許’190で記載されているものとは異なり、現在のモジュールは、機器を収容するための一般的なものであり(つまり、任意の機器を内部に配置できる)、ISO 1496認証モジュール内に任意のコンポーネントユニットを収めることができるように同じ構造を有する。
モジュールを接続してプラントを構築する場合、一連の第1および第2(またはそれ以上)のモジュールを含むモジュール式生産プラントを検討することができる。化学プラントの場合、本発明のモジュールの約50〜100以上を利用することは珍しいことではない。第1のモジュールは、1つ又は複数のコンポーネントを含み、これは、第1のモジュールフレームワーク内に付加された容器、熱交換器、配管などを含み得る。第2のモジュールには、第2のモジュールフレームワークに付加された更なるコンポーネントが含まれる。第1のモジュールと第2のモジュールとは水平配向で輸送される。第1および第2のモジュールを組み立てると、それぞれのコーナーを介して動作可能に接続される。さらに、それらが組み立てられるとき、第1および第2のモジュールは、水平配向または鉛直配向に置くことができる。本発明のモジュールは、特定のプロセスプラント設計のためにユーザーが必要に応じて、鉛直、水平、または混合して積み重ねることができる。したがって、モジュールが鉛直または水平に積み重ねられ、所与の機器またはその後に積み重ねられたモジュールの負荷容量を処理することができる、プロセスプラント構造設計のためのモジュール式スタッキングシステムが開示される。両方向に向けることができる構築モジュールにより、プラントの構築に柔軟性がもたらされる。プラントは、完全な生産プロセス、マイクロスモール、またはパイロットプラント規模で構築できる。鉛直配向のモジュールにより、鉛直配向のプロセス機器を配置でき、背の高い反応器や蒸留塔を備えた化学プラントにおいて役立つ。水平に積み重ねられたモジュールは、概して、熱交換器、水平容器、空冷式熱交換器、またはポンプなどの機器に役立つ。蒸留塔のような背の高い鉛直装置の場合、鉛直モジュールを一緒に積み重ねると、水平モジュールを積み重ねるよりも少ないモジュールの使用で済む。背の高い機器用に鉛直モジュールを積み重ねると、モジュール間のフランジ付き機器接続の数も減る。言い換えると、背の高い機器に必要な垂直モジュールは、同じ機器の水平モジュールよりも少なくて済む。標準(従来技術)の、たとえば13.716メートル(45フィート)の水平モジュールを横向きにして同じ目的で使用することはできない。これらの独創的なモジュールフレームはISO 1496規格に適合するように設計されているが、ISO 1496規格は、モジュールの鉛直配向と積み重ねを許容するほど強力ではない。これらの主題の独創的フレームは、構造部材の強度で設計されており、鉛直配向とモジュールの鉛直方向の積み重ねの両方を可能にするという点で、ISO規格を超えている。
フレームは、容器、熱交換器、ポンプ、配管、バルブなどのプロセス機器で事前に組み立てて、モジュール内に所望のプロセス機器、電気配線、および計装を備えたプロセスユニットモジュールを形成することができる。ISO 1496互換フレームで組み立てられたこれらのプロセスユニットモジュールは、標準のISOコンテナを低コストで世界中のどこにでも搬送できるのと同じように、トラック、鉄道、またはコンテナ船で搬送できる。プロセス機器は、すべてモジュールフレームにしっかりと取り付けられており、すべてモジュールフレーム内に含まれ、ISO 1496互換フレームの外側に延在する機器はない。必要に応じて、モジュールフレームをシュリンクラップ(shrink-wrapped)して、フレーム内の機器を天候から保護してもよい。複数のプラントモジュールが、建設されるプラントの現場に到着したら、ISOコンテナ用に設計されたリーチスタッカーまたはISOコンテナ用に設計されたリフトスプレッダーバーを備えたクレーンを使用して、それらを所定の位置に持ち上げることができ、ツイストロックコネクタを使用して初期組み立てを迅速に行うことができる。初期組み立て後、モジュールフレームは、フレームに組み込まれているボルトプレートを使用して接続することもできる。後日、モジュール設計とISO 1496互換モジュールフレームの搬送の容易さにより、プラントを効率的に分解および再配置できる。さらに、すべてのモジュラーユニットは、現場での建設リスク(天候および建設労働力の可用性)と遅延を最小限に抑えるために、店舗場所で製造してオフサイトで事前組み立てることができる。
添付の図面は、本発明のシステム、方法、および他の態様の様々な実施形態を示している。図示された要素境界(例えば、ボックス、ボックスのグループ、または他の形状)が境界の一例を表すことは当業者には明らかであろう。いくつかの例では、1つの要素が複数の要素として設計されてもよく、または複数の要素が1つの要素として設計されてもよい。いくつかの例では、ある要素の内部コンポーネントとして示されている要素が、別の要素の外部コンポーネントとして実装されてもよく、その逆もあり得る。
本発明の様々な実施形態は、一例として示されており、添付の図によって限定されるものではなく、同様の参照番号は類似の要素を示す。
本発明のさらなる適用可能領域は、以下に提供される詳細な説明から明らかになるであろう。例示的な実施形態の詳細な説明は、例示のみを目的としており、したがって、必ずしも本発明の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。
図1Aは、モジュール式構造システムを使用するモジュール式メタノール製造プラントの2つの異なる有望なレイアウトの等角図である。 図1Bは、モジュール式構造システムを使用するモジュール式メタノール製造プラントの2つの異なる有望なレイアウトの等角図である。 図2Aは、水平方向における2つのモジュールフレームの等角図である。 図2Bは、モジュールフレーム内に鉛直方向のプロセス機器を備えた、鉛直方向における2つの積み重ねられたモジュールフレームの等角図である。 図3は、水平方向および鉛直方向の両方に配置されると共に水平方向および鉛直方向に積み重ねられた複数のモジュールの2つの等角図である。 図4は、鉛直方向に積み重ねられたモジュールの等角図である。 図5は、水平方向に積み重ねられたモジュールを備えた鉛直方向に積み重ねられたモジュールの等角図である。 図6は、ツイストロックコネクタで接続されたコーナーキャスティングを備えた2つの積み重ねられたモジュールを示す。 図7は、モジュール式プロセスプラント構造システムで構築された化学プラントを示す。 図8は、複数のモジュールとモジュールの外部のプロセス機器との間でプロセス機器を接続するために使用されるフランジ付き配管接続および配管スプール部品を示す。 図9は、水平方向に積み重ねられたモジュールの2つの層内のモジュールの最上層にある化学プロセスユニット用の空気冷却器を示している。
明細書および特許請求の範囲で使用されるように、単数形「a」、「an」および「the」は、文脈が明確に別段の指示をしない限り、複数形の参照を含む。例えば、「条項(an article)」という用語は、文脈が明らかに他のことを指示しない限り、複数の条項を含み得る。
当業者は、図面における要素が単純さと明快さのために示されており、必ずしも一定の縮尺で描かれているわけではないことを理解するであろう。例えば、本発明の理解を向上させるために、図中のいくつかの要素の寸法は、他の要素と比較して誇張されている場合がある。
記載された図面の1つに示されていない、前述の適用に記載された更なる構成要素があり得る。そのような構成要素が説明されているが、図面に描かれていない場合、そのような図示がないことは、そのような設計が仕様から欠落していると見なされるべきではない。
本発明を詳細に説明する前に、本発明は、2つ以上が組み合わされるとモジュー式プロセスプラント構造システムを構成するISO 1496に適用可能な構造フレームコンポーネントの組み合わせを利用することに留意されたい。したがって、コンポーネントと方法のステップとが示されているが、本開示の詳細が不明瞭とならないように本発明の理解に関連する特定の詳細のみを示しており、本開示は、本開示の利益を有する当業者に容易に理解されるものであることを留意されたい。
必要に応じて、本発明の詳細な実施形態が本明細書に開示される。しかしながら、開示された実施形態は、本発明の単なる例示であり、様々な形態で具体化することができることが理解されるべきである。したがって、本明細書に開示される特定の構造的および機能的な詳細は、限定されるものと解釈されるべきではなく、単に特許請求の範囲の基礎として、および事実上任意の適切な詳細構造で本発明を様々に実施できることを当業者に開示するための代表的な基礎として、解釈されるべきである。さらに、本明細書で使用される用語および記載は、限定することを意図するものではなく、むしろ本発明の理解可能な説明を提供することを意図している。
本発明のモジュール式プロセスプラント構造システムは、複数のモジュールであって、少なくとも2つを備え、各モジュールは、その個別のフレームワークを含む。フレームワークは、横フレーム部材と鉛直フレーム部材とによって堅固に接続された1つまたは複数の縦フレーム部材を含む。水平、鉛直、および横方向のフレーム部材の配置は、製造プロセス、配管、および/または電気制御機器の少なくとも1つの機器またはコンポーネントを支持できる個々のモジュールのフレームワークを作成する。フレームは、他のフレームの支持構造としてのみ使用することもでき、必ずしもプロセス機器を含まなくてもよい。概して、配管とワイヤは、各モジュール内で事前に配管され、事前に配線されている。コンポーネントはモジュール内で適合され、一連の入力を受け取り、予め定められたプロセスを実行して、目的の製品を生産する。各モジュールは水平方向に搬送でき、水平方向または鉛直方向のいずれかに設置することができる。さらに、第1のフレームワークを有する第1のモジュールは、第2のフレームワークを有する第2のモジュールと水平または鉛直に積み重ねることができる。水平スタッキング構成では、第1のフレームワークと第2のフレームワークとは、典型的に、2つのフレームの2.4384メートル(8フィート)×13.716メートル(45フィート)(または12.192メートル(40フィート)または6.096メートル(20フィート))側で水平面で相互に接続される。
鉛直スタッキング構成では、第1のフレームワークと第2のフレームワークとが水平面で相互に接続されるが、フレームの2.4383メートル(8フィート)×9.5フィート(または2.4383メートル(8フィート)×2.8956メートル(8フィート))側である。さらに、第1および第2のモジュールは、水平または鉛直に積み重ねることができ、また、水平または鉛直の向きに配置することができる。モジュールは、鉛直方向と水平方向との両方の混合方向に積み重ねることもできる。一実施形態では、鉛直配向の第1のモジュールは、鉛直配向の第2のモジュールに鉛直に積み重ねられる。別の実施形態では、鉛直配向の第1のモジュールは、鉛直配向の第2のモジュールに水平に積み重ねられる。一緒に積み重ねることができるモジュールの数は無制限であり、目的の用途に基づく。完全な生産プロセスプラントでは、鉛直方向と水平方向の両方に積み重ねられた50〜100以上のモジュールが必要になることが考えられなくもない。
支持構造としてのみ使用されるモジュールフレームを除いて、各モジュールには、フレームワークに固定された1つ又は複数のコンポーネントが含まれる。コンポーネントは、生産ユニットのものである。本明細書におけるコンポーネントは、生産プラントの機器として定義される。例えば、コンポーネントは、生産プラントで使用するための化学反応器、蒸留塔、または脱水機であり得る。1つ又は複数のプラントコンポーネントをモジュールフレーム内で組み立てることができ、モジュールをプラントの建設のためにプラントサイトに搬送することができる。機器またはコンポーネントは、その寸法のためにいくつかのモジュール内に収容する必要がある場合がある(たとえば、蒸留塔は、それに適合するためにいくつかの鉛直に積み重ねられたモジュールを必要とする場合がある)。この場合、蒸留塔は、鉛直配向のモジュール間にフランジ接続があるセクションに構築される。たとえば、高さ48.768メートル(160フィート)の蒸留塔は、4つの13.716メートル(45フィート)のモジュールフレーム内に収まる4つのフランジセクションに構築され得る。タワーセクションは、計装と配管とともに、4つのモジュールフレームの内側に取り付けられる。蒸留塔のフランジ付きセクションを含む4つのモジュールのそれぞれは、ISO 1496対応の輸送フレームであるため、タワーセクションは、ISOコンテナと同じように、トラック、鉄道、またはコンテナ貨物船で水平に輸送できる。モジュールフレームは、コンポーネントを輸送するためのコンテナとして機能する。コンポーネントは、フレームワークの設計、ボルト締め、溶接などの適切な手段によってフレームワーク内に保持される。さらに、フレームワークは、モジュールが水平配向と鉛直配向との両方にある場合にコンポーネントを支持する。一実施形態では、第1のモジュールは、水平配向で搬送され、鉛直配向で現場に設置される。フレームワークの寸法はISO 1496規格に適合しており、これらの寸法を超えるプロセス機器はなく、プロセスプラントモジュールが標準のISO搬送コンテナとして搬送されることを保証する。これにより、モジュールを一貫輸送(intermodally)で搬送できる。基礎が、モジュール式プロセスプラントをセットアップするために構築され、典型的に、原料供給の近く、または原料のパイプライン供給が使用される場合は、顧客の施設の近くに設置される(「オンサイト」設置とも呼ぶ)。基礎は、基礎が水平および/または鉛直配向のいずれかで設置されたモジュールを支持するように構築されている。
本発明のモジュールを使用して任意のタイプのプラントを構築することができるが、本明細書での参照を容易にするために、メタノールプラントを例示的なプラントとして説明する。図1Aおよび図1Bを参照すると、本発明の実施形態による、モジュール式メタノール製造プラント100(以下、「プラント100」)の2つの異なる構成の等角図が示されている。プラント100は、関連ガス(フレアガス)、ストランデッドガス、パイプライン天然ガス、または埋立地ガスからのメタノール生産のための構築済みモジュールを含む。1つ又は複数の構築済みモジュールが積み重ねられて、プロセスユニットが形成される。プラント100は、複数の冷却ユニット102a〜102f(まとめて冷却ユニット102と呼ぶ)と、ガス圧縮ユニット104と、蒸気−メタノール対流改質ユニット106と、炉108と、廃熱回収ボイラーおよびスタック110と、メタノール蒸留塔およびライトエンド除去塔112aおよび112b(まとめてメタノール精製ユニット112と呼ぶ)と、脱気装置114と、蒸気ドラム116と、を更に含む。各プロセスユニットは、1つ又は複数のモジュールを含み、特大の機器をモジュールの外部に設置することができる。例えば、合成ガス製造ユニットは、モジュールの外部に特大で設置された炉108および蒸気メタン対流改質ユニット106、ならびにモジュール内にある廃熱回収ボイラーおよびスタック110を含む。構造的支持のみに使用されるフレームを除いて、各モジュールには、フレームワーク内に固定されたプロセスユニットのコンポーネントが含まれる。典型的な実施形態では、各モジュールは、配管およびワイヤで事前に構築されている。
冷却ユニット102a〜102fのそれぞれは、1つ又は複数の冷却モジュールを含む。冷却ユニット102cおよび102dのそれぞれは、それぞれの冷却ユニットを形成するために一緒に水平に積み重ねられた複数の冷却モジュールを有する。冷却ユニット102cおよび102dは、他のプロセス機器を含むより低いレベルのモジュールによって支持されている。冷却ユニット102b〜102dの冷却モジュールは、下部モジュールによって支持され、冷却モジュールは、図6に示されるように、最初にコーナーキャスティングにおいてツイストロックコネクタを使用して下部モジュールに接続される。ツイストロックコネクタは、冷却モジュールを相互に、および支持モジュールにロックする。ツイストロックコネクタを使用して最初に取り付けた後、ボルトとナットとをボルトプレートに使用して、すべてのフレームを恒久的に固定する。配管は、図8に示すように、コネクタまたはフランジによって冷却ユニットに接続される。グレードレベルで基礎に位置する冷却ユニット102a、102bを固定するためのコネクタ(図示せず)もある。各冷却モジュールには、フレームワークに取り付けられた冷却器が含まれる。一実施形態では、各冷却モジュールは、立方体形状である。別の実施形態では、冷却モジュールは、配管および電気配線で事前に構築されている。他のすべてのモジュールと同様に、フレームはISO 1496規格に基づいて構築されているため、冷却モジュールは他のISOコンテナと同様にマルチモーダルで(multimodally)搬送できる。モジュールフレームは空気冷却器の製造元に搬送でき、冷却モジュールは冷却器、配管、配線、および計装で事前に組み立てることができる。
フレームワークは、コーナーおよび交差点で互いに接続された縦フレーム部材と、鉛直フレーム部材と、横フレーム部材とを有する。フレームワークまたはモジュールの上部と下部との両方の外側のコーナーには、コーナーキャスティング630および640と呼ばれることもある8つのISO 1161コーナーフィッティングがある。これらのコーナーフィッティングは、ISO 1161規格で定義された標準寸法の穴660および670を有する。コーナーフィッティングは、図6を参照し、ツイストロックコネクタ650を使用してモジュールフレームを一緒に接続できるように設計されている。また、ISO 1161コーナーフィッティングでは、ラッシングロッドおよびブリッジフィッティングなどの他の方法を使用して、ISO 1496互換フレームをコンテナ貨物船に固定することができる。モジュールアセンブリの一実施形態では、コネクタはロッキングボルトを含む。別の実施形態では、コネクタはツイストロックを含む。さらに別の実施形態では、ツイストロックとブリッジクランプコネクタとの組み合わせを使用して、基礎の現場に設置することができ、それにより、プラント100を設置するのに必要な時間が短縮される。
フレアガスまたは供給ガスは、最初にガス圧縮ユニット104に送られ、そこでガスが圧縮され、続いて空気冷却器102fで冷却される。供給ガスの圧縮により、硫黄含有化合物の除去および重質炭化水素の分解のために、ガスを硫黄除去および予備改質セクションに供給することができる。調整された供給ガスは蒸気と混合され、蒸気−メタン対流改質装置106に流れ、そこで蒸気およびメタンが改質されて、一酸化炭素と水素の混合物である合成ガスが生成される。合成ガスは冷却および圧縮され、メタノール反応器ユニット720に送られ、そこで合成ガスはメタノールに変換される。メタノール生成物は、冷却器102cで凝縮され、次いで、メタノール蒸留ユニット112aおよび112bに送られる。ライトエンドは、最初にライトエンド蒸留塔、ユニット112bで除去され、次にメタノールは、水、エタノール、およびより重アルコール(フーゼル油)の除去のために最終精製塔、ユニット112aに送られる。ユニット112aからのオーバーヘッドメタノール生成物は、冷却器102dで凝縮され、メタノール生成物貯蔵タンクに圧送される。
一実施形態では、各蒸留塔は、それぞれが1つのモジュール内にある4つのフランジセクションからなるタワーを含む。タワーモジュールフレームは、水平配向で搬送されてから、鉛直配向に設置される。両方のタワー(112aおよび112b)の4つのタワーモジュールは鉛直配向に積み重ねられ、タワーセクションのフランジはボルトで固定されているため、高さが約48.768メートル(160フィート)の蒸留タワーになる。メタノール反応器ユニット720は、水平に搬送されてから、鉛直配向に設置される。
プラント100は、図7の左下隅に示される、モジュラー生産プラントのさまざまなプロセスを監視および制御する制御機器を備えた制御室ユニットをさらに含む。プラントは、オンサイトの制御室でローカルに操作することもでき、当技術分野で知られている1つ又は複数のプロトコルを使用してリモートで操作することもできる。プラントのローカルまたは遠隔操作を可能にする制御を備えたプロセスプラントは、当業者に周知である。
図2Aおよび2Bには、本発明の実施形態による、プラント100の廃熱ボイラーセクション、ユニット110が示されている。廃熱ボイラーセクションユニット110は、2つのガス予熱器と、ダクト燃焼セクションと、廃熱ボイラーと、選択的触媒還元ユニットと、煙道ガススタックとを含む。廃熱ボイラーセクションは、下部モジュール202に設置された熱交換器セクション208を含む。上部モジュール204は、煙道ガススタック210を含む。第1の廃熱ボイラーセクション、モジュール202は、第1の端部214と、第2の端部216と、平面218とを有する。廃熱ボイラー202の第1の端部214は、ツイストロックコネクタ用に設計された各コーナーに穴を備えた4つのISO 1161コーナーフィッティング、220a〜220dのセットを有する。廃熱ボイラーモジュール202の第2の端部216もまた、4つのISO 1161コーナーフィッティング、222a〜222dのセットを有する。廃熱ボイラーセクションモジュール204の第1の端部226はまた、4つのISO 1161コーナーフィッティング、230a〜230dのセットを有する。
廃熱ボイラーセクション202および204の第1および第2のモジュールは、ISO 1496規格の通常の配向である水平方向で搬送または輸送される。しかしながら、モジュールフレーム202および204は、プラント100内で鉛直方向に設置および積み重ねることができるように構造強度の観点から設計されている。第1および第2のフレームワーク208および212は頑丈であり、排熱ボイラープロセス機器の静的荷重に耐えると共にモジュールとスタックの風荷重に耐えるように設計されている。典型的なISO 1496コンテナは、これらのモジュールフレームのように鉛直位置に配置することはできない。
第1および第2の廃熱ボイラーモジュール202および204を組み立てるために、第1および第2の廃熱ボイラーセクションモジュール202および204は、鉛直配向に置かれなければならない。第2の廃熱ボイラーモジュール204の第3の端部226は、鉛直構成で第1の廃熱ボイラーモジュール202の第2の端部216に積み重ねられて、廃熱ボイラーユニット110を形成する。第2の改質器モジュール204のコーナーフィッティングのセット230a〜230d(拡大されたコーナーフィッティングについての図6参照)は、対応するコーナーフィッティング222a〜222dのセット上に配置され、コーナーフィッティングの穴を通して第1の廃熱ボイラーモジュール202にツイストロックで固定される。
一実施形態では、第1および第2の廃熱ボイラーモジュール202および204は、モジュールを所定の位置に固定するのに適切な強度を有するブリッジクランプまたは他のコーナーコネクタを使用して固定およびロックすることができる。別の実施形態では、第1および第2の廃熱ボイラーモジュール202および204は、モジュール202および204の鉛直方向の積み重ねを固定するためにボルトおよびボルト締めプレートによって固定される。さらに、第1の廃熱ボイラーモジュール202の第1の端部114は、ボルト締めプレートおよび基礎ボルト、当技術分野で知られているコネクタを使用して、プラント100の基礎に接続される。コーナーフィッティング224の第2のセットはツイストロックで固定され、モジュールはプラント100の別のモジュールに水平に接続され得る。第1のフレームワーク208および第2のフレームワーク210は、廃熱ボイラーユニット110を水平方向に輸送することを可能にする。これにより、標準のISO 1496コンテナとして輸送できるため、輸送コストが削減され、マルチモーダル輸送が可能になる。さらに、第1および第2の廃熱ボイラーモジュール202および204の第1および第2のフレームワーク208および210は、第1および第2の廃熱ボイラーモジュール202および204が鉛直でコネクタを介して所定の位置にロックされるように、端部をオンにすることができる。これにより、廃熱ボイラー部ユニット110の設置にかかる時間が短縮される。コーナーフィッティングは、搬送中にモジュールを輸送機器(船、トラック、鉄道車両など)に固定するためにも使用される。
別の実施形態では、モジュールフレームの設計は、マルチモーダル輸送を可能にする13.716メートル(45フィート)の高立方体コンテナ(長さ13.716メートル(45フィート)、幅2.4384メートル(8フィート)×高さ2.8956(9.5フィート))のISO 1496規格に適合する。これにより、プラント100の総輸送コストは、典型的なモジュール式プラントの輸送コストよりも少ない。
図3は、プロセス機器を収容するために積み重ねられた様々な水平な320a、320b、および垂直な、310a、310bのモジュールの2つの等角図を示している。図は、水平モジュールと垂直モジュールとの交互の積み重ねを例示している。2つの等角図は、ISO 1496互換フレームと、水平モジュールと垂直モジュールとの両方が積み重ねられてプロセス機器に適合するモジュール式プロセスプラント構造システムとを使用した可能性のあるプラントレイアウトを示している。
図4は、プラントの一部分を例示するために示された鉛直方向に積み重ねられたモジュールの等角図であり、中央の高い垂直に積み重ねられたモジュール410は、その中に長く高い機器を収容する。モジュール420は、短い鉛直スタッキングモジュールである。モジュール420は鉛直配向にあるが、隣接する積み重ねられた鉛直モジュール410にも接続されている。
図5は、その上に水平に積み重ねられた520のモジュールを備えた、鉛直に積み重ねられたモジュール510の等角図である。図は、プラントと、プラントのさまざまなプロセス機器に対応するためのモジュールのさまざまな配置に対応する必要性とを例示している。鉛直方向のモジュールは水平に積み重ねられ、水平配向のモジュールは鉛直に積み重ねられる。さらに、鉛直配向のモジュールは、水平配向のモジュールと鉛直に積み重ねられる。
図6は、ツイストロックコネクタ650に接続されたISO 1161規格コーナーフィッティング(コーナーキャスティング)をそれぞれ備えた2つのモジュール610、620を示している。コーナーフィッティングの楕円形の穴660、670は、ISO 1161規格を満たし、ツイストロックコネクタ、ラッシングロッド、ブリッジ継手、および輸送用のモジュールを固定してプロセスプラントでモジュールを組み立てるときにモジュールを相互に接続するその他の方法が可能になる。
図7は、鉛直配向740および水平配向730の両方の積み重ねられたモジュールを有する化学プラントを示している。化学プラント700は、モジュール式プロセスプラント構造システムを使用して構築されている。図は、水平配向と鉛直配向との両方に積み重ねられたモジュール内のプロセス機器を示している。この図のプロセスプラントは、水平に積み重ねられたモジュールと鉛直に積み重ねられたモジュールとの両方、および水平に積み重ねられたモジュール730を支持する鉛直モジュール740を利用する。左下隅は、典型的にプラントの制御ユニットを収容する2つのモジュール702を示す。モジュールに適合しない右下隅704の特大のガス圧縮装置は、事前の組み立ておよび輸送の容易さを可能にするためにスキッドマウントされている。制御ユニットに隣接するプラント706の低いレベルのモジュールは、通常、浄水ユニットと、空気圧縮ユニットと、窒素生成ユニットとを含む。制御ユニットに隣接するプラントの中間レベル708のモジュールには、典型的に、圧縮空気と圧縮窒素のための圧力容器を含む。制御ユニットに隣接するプラント709の高いレベルにあるモジュールは、空冷式熱交換器モジュールである。プラントの中央にある背の高いモジュール710は、概して、2つの蒸留塔と、水剥離塔と、フレアノックアウトポット(flare knock-out pot)と、フレアスタックと、改質煙道ガススタックとを含む。
モジュールは、鉛直位置と水平位置との両方でしっかりと相互接続されている。モジュールのフレームワークの設計は、垂直配向と水平配向とを意図したモジュール間でわずかに異なる。鉛直配向を意図としたモジュールフレームは300mmIビームまたは200mmIビームで構成されるが、水平配向を意図したモジュールフレームは200Iビームで構成される。鉛直配向意図とした一部のモジュールフレームは、主に背の高い構造物の風荷重を処理するために、より強いIビームを必要とする。水平フレームワークと鉛直フレームワークとの両方の設計は、ISO 1161コーナーフィッティングを使用して、ISO 1496規格に適合する。本明細書では200mmおよび300mmのIビームが説明されているが、他のサイズがモジュールで使用することが可能であることが技工に理解される。メートル法の代わりに、アメリカの標準Iビーム寸法を使用することができる。また、Iビームの代わりに長方形または正方形の断面管をフレーム部材に使用することができる。
図8は、モジュール間で機器を接続すると共に化学プラントのモジュールの外側の自立型機器に接続するためのフランジを備えたパイプスプール部品を示している。図8に示されるフランジ付き配管接続801および802ならびに配管スプール部品803および804は、モジュールと炉などの自立型機器との間のプロセス機器を接続するために使用される。フランジ付き配管接続805および配管スプール部品806は、複数のモジュール間の接続の例である。
図9は、プラントのメタノール蒸留塔のオーバーヘッド凝縮器として機能する空気冷却器901a〜901dを示している。空気冷却器901a〜901dは、水平に積み重ねられたモジュール910および920の2つの層の上層内にある。左下のモジュール920は、プラントを支持するための電気スイッチギアを含む。モジュール式の設計により、プラントは効率的に分解および再配置できる。モジュールはISO 1496規格であり、分解後、モジュールはコンテナ貨物船で、トラックの標準ISOトレーラーフレームで、または鉄道車両を使用して、新しい場所に輸送できる。一実施形態では、フレームワークは、好ましくは、輸送および作動中にフレームワークに収容されるプロセスユニットの負荷に耐える、炭素鋼、亜鉛メッキ鋼などを含む任意の適切な材料で作成される。このフレームワークにより、配管、計装、および電気配線が可能になり、モジュールに事前に配管して事前に配線することができる。さらに、モジュールを事前に組み立ててプロセスユニットを形成することができ、個々の機器が充填されたモジュールは、標準のISO 1496認証コンテナとして搬送できる。これにより、遠隔地への搬送ロジスティクスが容易になり、搬送コストが削減される。さらに、モジュール設計によりモジュールの鉛直配向が可能であるため、高さが標準のISOコンテナの高さを超える鉛直プラントコンポーネントを、フランジ接続のセクションであって、個々のセクションが、現場へ標準コンテナとして(水平方向に)水平方向に輸送された複数のモジュールにおいて組み立てられる個々のセクションに分割し、現場で複数のモジュールを鉛直に積み重ね、フランジを接続して背の高いプロセス機器を再組み立てできる。モジュールフレームワークのこの設計により、背の高いプロセス機器を遠隔地に輸送する効率的な方法が可能になる。
モジュールは、プラント100を遠隔操作できるように構成されている。これにより、プラント100を監視および操作するためのオンサイト作業員の追加要求が排除される。プラント100は、「プラグアンドプレイ」タイプの設置および操作で機能する。ここでの「プラグアンドプレイ」とは、モジュールが事前に配線され、モジュール製造工場で電力と計装との両方について事前に試験されていることを意味する。複数のモジュールがプラントサイトのプロセス構造に組み立てられる場合、各モジュールのジャンクションボックスからの電気および計装配線は、展開して隣接するモジュールのジャンクションボックスと相互接続するのみで済む。フランジ付きの相互接続配管スプール部品も、モジュール製造工場で事前に製造され、番号が付けられる。モジュール間の配管を接続するために、事前に製造された番号付き配管スプール部品がモジュール間に取り付けられ、フランジで接続される。これにより、プラントサイトでの建設と試運転の時間が最小限に抑えられる。
本発明のモジュール式製造プラントは、メタノール製造に限定されないことが当業者によって理解されるであろう。モジュール式の生産プラントは、遠隔地で必要とされるあらゆるガスから液体へのプロセスまたはその他の生産プロセスに使用され得る。一実施形態では、プラント100は、1日あたり17台のタンクローリーに相当する量のメタノールを生産する。遠隔操作が可能なため、プラントの運用コストが減少する。モジュール式生産プラントは、輸送の観点からもポータブルと考えられる。
本説明は遠隔地でのプラントの建設に焦点を合わせたが、計画された(非遠隔さえもあり得る)サイトに固定ユニットとして建設されてもよい。モジュール式生産プラントは、シンプルで費用効果の高い方法で、必要な任意の場所に簡単に構築できる。モジュール式の建設は、全体的な建設コストを下げ、現場での建設リスクを減らすことができる。背の高い機器のために鉛直モジュールを積み重ねると、モジュール間のフランジ付き機器接続の数も減少する。言い換えると、背の高い機器に必要な鉛直モジュールは、同じ機器の水平モジュールよりも少なくて済む。
フレームは、容器、熱交換器、ポンプ、配管、およびバルブなどのプロセス機器で事前に組み立てて、モジュール内に所望のプロセス機器、電気配線、および計装を備えたプロセスユニットモジュールを形成できる。ISO 1496互換フレームで組み立てられたこれらのプロセスユニットモジュールは、標準のISOコンテナを低コストで世界中のどこにでも搬送できるのと同じように、トラック、鉄道、またはコンテナ船で搬送できる。プロセス機器、ならびに電気および計装は、すべてモジュールフレームにしっかりと取り付けられており、モジュールフレーム内にすべて含まれ、ISO 1496互換フレームの外側に延在する機器がない。必要に応じて、モジュールフレームをシュリンクラップ(shrink-wrapped)して、フレーム内の機器を天候から保護してもよい。複数のプラントモジュールが、建設されるプラントの現場に到着したら、ISOコンテナ用に設計されたリーチスタッカーまたはISOコンテナ用に設計されたリフティングスプレッダーバーを備えたクレーンを使用して、それらを所定の位置に持ち上げることができ、ツイストロックコネクタを使用して初期組み立てを迅速に行うことができる。初期組み立て後、モジュールフレームは、フレームに組み込まれているボルトプレートを使用して接続することもできる。後日、モジュール設計とISO 1496互換モジュールフレームの搬送の容易さにより、プラントを効率的に分解および再配置できる。さらに、すべてのモジュラーユニットは、現場での建設リスク(天候および建設労働力の可用性)と遅延を最小限に抑えるために、店舗場所で製造してオフサイトで事前組み立てることができる。構築されたプラントは、任意選択で、当技術分野で知られている手段を介して遠隔操作することができる。
本発明は、特定の用途のための特定の実施形態を参照して本明細書に記載されている。選択された実施形態が詳細に例示および説明されてきたが、様々な置換および変更が可能であることが理解されよう。当業者は、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、特許請求の範囲によって定義されるように、追加の様々な置換および変更も可能であることを認識することができる。

Claims (17)

  1. 少なくとも2つのモジュールを備えるモジュール式プロセスプラント構造システムであって、
    第1のフレームワークに付加された第1のコンポーネントを有する第1のモジュールと、
    第2のフレームワークに付加された第2のコンポーネントを有する第2のモジュールと、
    を備え、
    前記少なくとも2つのモジュールは、ISO 1496によるISO認証を受けており、前記モジュール全体内に少なくとも1つの生産プラントの機器を保持することができ、組み立てのためにプラントサイトに個別に輸送することができ、
    さらに、前記少なくとも2つのモジュールは、電気、配管、および制御計装のために事前搭載されており、前記第1および第2のモジュールは、互いに対して水平、鉛直、または両方の位置のいずれかで積み重ねた態様でコーナーフィッティングを介して一緒に固定することができる、
    モジュール式プロセスプラント構造システム。
  2. 前記第1および第2のモジュールが組み立てられるとき、前記第2のモジュールが前記第1のモジュールと動作可能に接続され、前記第1および第2のモジュールは、鉛直スタッキング構造と水平スタッキング構造との少なくとも一方で互いに水平に配置される、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  3. 前記第1および第2のフレームワークは、相互接続された縦フレーム部材、横フレーム部材、および垂直フレーム部材を含む、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  4. 前記第1および第2のフレームワークは、炭素鋼と亜鉛メッキ炭素鋼との材料から選択される、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  5. 前記第1および第2のモジュールは、ツイストロックコーナーコネクタによって接続される、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  6. 前記第1および第2のモジュールは、ブリッジクランプコネクタによって接続される、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  7. 前記2つ以上のモジュールは、生産プラントを形成するために互いに接続される、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  8. 化学製品製造プラントである、請求項7に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  9. ガスツーリキッド(GTL)製造プラントである、請求項7に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  10. メタノール製造プラントである、請求項7に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  11. ガソリン製造プラントである、請求項11に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  12. DME製造プラントである、請求項7に記載のモジュール式プロセスプラント構造システム。
  13. 少なくとも長さ6.096メートル(20フィート)、幅2.4384メートル(8フィート)、高さ2.4384メートル〜2.8956メートル(8〜9.5フィート)のモジュールフレームを有する、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント。
  14. 少なくとも長さ12.192メートル〜13.716メートル(40〜45フィート)、幅2.4384メートル(8フィート)、高さ2.4384メートル〜2.8956メートル(8〜9.5フィート)のモジュールフレームを有する、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント。
  15. 前記第1および第2のモジュールは、少なくとも1つの化学コンポーネントの機器をそれぞれ保持することができる、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント。
  16. 前記第1および第2のモジュールユニットは、少なくとも1つの非化学コンポーネントの機器を保持することができる、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント。
  17. 前記第1および第2のモジュールは、ISO 1161コーナーフィッティングを有する、請求項1に記載のモジュール式プロセスプラント。
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