JP4062510B2 - Gas clathrate manufacturing method and manufacturing apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば天然ガスなどの原料ガスと原料液(淡水、海水、不凍液等)とを反応させてガスクラスレートを製造するガスクラスレート製造装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
ガスクラスレート(単に「クラスレート」と言う場合あり。なお、ホスト物質が水の場合にはガスハイドレートというが、本明細書においてガスクラスレートと言う場合にはガスハイドレートを含む。)は、水分子が構成する籠状構造の内部に天然ガス、二酸化炭素などの気体分子を高濃度に包蔵する氷状の物質である。ガスクラスレート、主にガスハイドレートは、単位体積当たり多量の気体を包蔵でき、しかも、液化天然ガスに比較して、大気圧下比較的高温にて貯蔵・輸送できることから、天然ガス等の輸送、貯蔵への応用が注目されている。
このため、従来は天然に存在するガスクラスレートの利用に関する検討が中心であったが、近年この性質に着目してこれを工業的に製造する試みが行われている。
【0003】
従来のガスハイドレート製造方法は、ハイドレート生成容器内で水とハイドレート形成物質とを反応させてハイドレートを製造する方法において、ハイドレート生成容器内の水相にハイドレート形成物質を気泡として供給するとともに、前記ハイドレート生成容器内の気相に、水を噴霧状にスプレーすることにより水和反応を起こさせるものがある(例えば、特許文献1参照)。
【0004】
また、天然ガスのような混合ガスを当初の混合ガス組成と同一組成の混合ガスを得ることを目的として、複数のハイドレート製造ユニットを直列に連結したものがある(例えば、特許文献2参照)
【0005】
【特許文献1】
特開2000−264851号公報
【特許文献2】
特開2001−10985号公報
【0006】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記の従来技術には以下のような問題点がある。
特許文献1に記載の従来技術では、ハイドレート生成容器内で供給した原料ガスの全量をハイドレート化することはできない。そのため、天然ガスのような混合ガス(例えば、メタン、エタン、プロパン、ブタンの混合ガス)を原料ガスとする場合に、ハイドレート化しやすい生成圧力の低いガス(この例ではブタンが最もハイドレート化し易く、メタンが最もハイドレート化し難い)が高比率でハイドレート化し、その結果、原料ガスとハイドレートのガス組成が異なってしまうという問題がある。
【0007】
また、複数のハイドレート製造ユニットを直列に連結するような構成では装置が複雑になり、コストが高くなるという問題がある。
【0008】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、原料ガスと同一組成のガスクラスレートを単純でコンパクトに製造できるガスクラスレート製造装置を得ることを目的としている。
【0009】
【課題を解決するための手段】
(1)本発明に係るガスクラスレート製造装置は、原料液と原料ガスとを反応させてガスクラスレートを製造する装置において、
供給する原料ガス流量を調整するガス流量調整手段と、原料ガス圧力を調整するガス圧力調整手段と、供給する原料液の流量を調整する原料液流量調整手段と、原料液の圧力を調整する原料液圧力調整手段と、原料液と原料ガスとをライン途中において混合して原料ガスを原料液に溶解させるラインミキサーと、原料ガスが混合・溶解された原料液を流しながら冷却する反応管路と、該反応管路を冷却する冷却装置と、反応管路の圧力を調整する圧力調整手段とを備え、
前記ラインミキサーに供給された原料ガス全量をクラスレート化できるように、前記ガス流量調整手段、前記ガス圧力調整手段、前記原料液流量調整手段、前記原料液圧力調整手段、前記冷却装置の冷却能力、反応管路長さ及び反応管路径を設定すると共に、前記反応管路の出口の圧力を検出する圧力検出器を設け、該圧力検出器の検出値が予め定めた一定値を越えたときに、前記ガス流量調整手段、前記原料液流量調整手段のいずれか一方又は両方を調整するようにしたことを特徴とするものである。
【0010】
(2)また、原料液と原料ガスとを反応させてガスクラスレートを製造する装置において、
供給する原料ガス流量を調整するガス流量調整手段と、原料ガス圧力を調整するガス圧力調整手段と、供給する原料液の流量を調整する原料液流量調整手段と、原料液の圧力を調整する原料液圧力調整手段と、原料液と原料ガスとをライン途中において混合して原料ガスを原料液に溶解させるラインミキサーと、原料ガスが混合・溶解された原料液を流しながら冷却する反応管路と、該反応管路を冷却する冷却装置と、反応管路の圧力を調整する圧力調整手段とを備え、
前記反応管路の出口の圧力Pがクラスレート生成最低圧力P より高く、反応管路内の温度Tがクラスレート生成最高温度T より低い温度となり、かつ、前記ラインミキサーに供給された原料ガスが全量クラスレート化するときの生成熱を全て奪えるように、前記ガス流量調整手段、前記ガス圧力調整手段、前記原料液流量調整手段、前記原料液圧力調整手段、前記冷却装置の冷却能力、反応管路長さ及び反応管路径を設定すると共に、前記反応管路の出口の圧力を検出する圧力検出器を設け、該圧力検出器の検出値が予め定めた一定値を越えたときに、前記ガス流量調整手段、前記原料液流量調整手段のいずれか一方又は両方を調整するようにしたことを特徴とするものである。
【0011】
(3)また、上記(1)又は(2)に記載のものにおいて、前記ラインミキサーは、原料ガスの微細気泡を発生させるものであることを特徴とするものである。
【0015】
【発明の実施の形態】
以下の実施の形態においてはガスクラスレートの一態様であるガスハイドレートを例に挙げて説明する。
図6は本発明の一実施の形態のガスハイドレート製造工程の概要の説明図であり、原料ガスとして天然ガスを用いたものを示している。まず、図6に基づいてガスハイドレート製造工程の概要を説明する。
天然ガスは、1〜10℃に冷却され重質成分がコンデンセートとして分離される(S1)。一方、水も1〜10℃に冷却され(S2)、この冷却水と天然ガスが1〜10℃、50気圧の状態で反応してガスハイドレートが生成される(S3)。生成されたスラリー状のガスハイドレートは分離脱水処理され高濃度スラリーまたは固体にされ(S4)、ここで分離された水及び未反応ガスは再び反応工程(S3)に戻される。
【0016】
分離脱水処理されたガスハイドレートは−15℃程度の温度で凍結処理される(S5)。この凍結処理はS4で分離脱水処理されたガスハイドレートの表面に付着した水分を凍結させて氷の殻を作ることにより、ガスハイドレートの安定化を図るためである。
凍結処理の後、50気圧から大気圧に減圧する減圧処理を行う(S6)。その後、凍結処理されたガスハイドレートをペレット状に成形処理し(S7)、サイロ等の貯蔵設備で貯蔵され(S8)、要求に応じてベルトコンベア等の積み出し設備で積み出し処理され(S9)、輸送船等の輸送装置で長距離輸送に供される(S10)。
以上がガスハイドレート製造工程の概要であるが、本実施の形態は上記の工程の中で水と天然ガスからスラリー状のガスハイドレートを生成する工程(S3)において全量をハイドレート化出来るようにすることにより、複合ガスからなる原料ガスの組成とハイドレートの組成が同一になるようにしたものである。以下、この点について詳細に説明する。
【0017】
図1は本発明の一実施の形態の主要な構成機器を示した系統図である。まず、図1に基づいて本実施の形態の構成機器について説明する。
本実施の形態のガスハイドレート製造装置は、天然ガス等の原料ガスの圧力を昇圧するガス昇圧機1(本発明のガス圧力調整手段に相当する)、原料水を昇圧供給する原料水ポンプ3、19(本発明の原料水圧力調整手段に相当する)、原料水と原料ガスを混合して原料ガスを原料水に溶解させるラインミキサー5、ラインミキサー5でミキシングされたものを流しながら冷却してガスハイドレートを生成する反応管路7、反応管路7を冷却する冷却装置としてのチラー17、反応管路7で生成されたガスハイドレートと原料水を分離する分離器9とを備えている。
【0018】
そして、各構成機器は図中矢印を付した実線で示した配管によって連結されている。また、分離器9には圧力検出器10が設置され、この圧力検出器10の信号によって配管ラインに設置されたバルブ12a(ガス流量調整手段に相当)、バルブ12b(原料水量調整手段に相当)、バルブ12c(ガス圧力調整手段に相当)が制御され、配管ラインの圧力、流量が調整されるように構成されている。
【0019】
上記構成において、分離器9の圧力(反応管路7の出口の圧力に相当する)Pがハイドレート生成最低圧力P0より高く、反応管路7内の温度Tがハイドレート生成最高温度T0より低い温度となるように、バルブ12a、12b、12c、ガス昇圧機1、原料水ポンプ3,19、チラー17の冷却能力、反応管路7の長さ及び反応管路7の径を設定している。
なお、同一のチラーでも、チラーの冷却能力(単位時間の除熱量)は冷媒の温度により異なり、冷媒温度が高いほど、冷却能力は大きい。したがって、本発明における「冷却能力の設定」とは、反応管路7を冷却する冷媒の温度設定も含む。
【0020】
上記の各構成機器のうち主要なものの構成をさらに詳細に説明する。
本実施の形態のラインミキサー5は、図2(西華産業株式会社「OHRラインミキサー」カタログ第7頁より引用)に示すように、入り口側が大径で出口側が小径になった2段状の筒状体11からなり、この筒状体11の大径部11a中にガイドベーンと呼ばれる翼体13を有し、その先の小径部11b内に筒の内周面から中央に延びる複数のキノコ状の衝突体15を有している。
このようなラインミキサー5においては、原料水ポンプ3によってラインミキサー5に供給された原料水が翼体13によって旋回流となり、猛烈な遠心力によって外側へ押しやられ、それがキノコ状の衝突体15によってさらに強烈に攪拌され、その中に原料ガスが巻き込まれて超微細な気泡群に砕かれ、原料水と原料ガスとが混合される。これによって、原料ガスと原料水との接触面積が大きくなり原料ガスは原料水に効率よく溶け込む。
【0021】
反応管路7は単数または複数の屈曲した管からなり、この管の周面をチラー17で冷却するようになっている。このように、反応管路7を用いたことで、周囲からの冷却を効率よく行えるようになったので、特許文献1,2に示される従来例のように冷却コイル等によってガス・原料水を直接冷却する必要がなくなり、装置の構成が単純かつコンパクト化できる。
【0022】
反応管路の具体例としては、原料ガスと原料液が流れる管路の周囲に冷媒が流れる通路を形成した二重管熱交換器や、シェル・アンド・チューブ熱交換器(多管円筒式熱交換器)などがある。
【0023】
ところで、上記のような反応管路7を用いることができるのは、原料ガスと原料水の混合・溶解を予めラインミキサー5によって行い、反応管路7では冷却を中心に装置構成を考えることができるからである。すなわち、特許文献1,2に示した例では原料ガスと原料水の混合・溶解と反応冷却を槽状の耐圧容器内で行っていたため、混合・溶解には一定の広がりをもった空間が必要となり、冷却を反応槽の周囲からのみ行うことはできなかったのに対して、本実施の形態においては、原料ガスと原料水の混合・溶解と反応冷却とを分離したので、反応工程では冷却を中心に考えることができ、上記の例のように単純な構成での冷却が可能となるのである。
【0024】
分離器9は、主としてガスハイドレートと原料水を分離するものであるが、分離器9の例としては、デカンター、サイクロン、遠心分離器、ベルトプレス、スクリュー濃縮・脱水機、回転ドライヤー等が考えられる。
分離器9には昇圧された原料ガスが供給され、この原料ガス圧力によって分離器9の圧力がハイドレート生成最低圧力P0より高くなるように調整されている。分離器9の圧力をP0より高くなるように調整することで、上流側である反応管路7内の圧力はP0よりも高圧になる。
【0025】
次に、上記のように構成された本実施の形態の装置によってガスハイドレートを製造する製造工程の説明をする。
原料ガスの圧力をガス昇圧機1によって所定の圧力に昇圧する。また、原料水も原料水ポンプ3によって所定の圧力に昇圧する。これら、昇圧された原料ガスと原料水を図示しないクーラーによって冷却し、それぞれラインミキサー5に供給する。ラインミキサー5に供給された原料ガスと原料水とは、前述したメカニズムによって猛烈な勢いで混合される。このとき、原料ガスは微細気泡となって原料水の中に混じり込み、原料ガスの溶解が促進される。
【0026】
原料水に原料ガスが溶け込んだもの(未溶解の微細気泡も含んだ状態のもの)が反応管路7に送られ、チラー17によって冷却され、微細気泡となって原料水に混合・溶解された原料ガスが全量ガスハイドレート化される。
【0027】
この全量ガスハイドレート化が実現されるためには、反応管路の出口の圧力Pがハイドレート生成最低圧力P0より高く、反応管路内の温度Tがハイドレート生成最高温度T0より低い温度となり、かつ、ラインミキサー5によって混合溶解された原料ガスが全量ハイドレート化するときの生成熱を全て奪えるように、原料液流量、原料液圧力、原料ガス流量、原料ガス圧力、冷却能力、反応管路長さ及び反応管路径を設定されている必要がある。
つまり、全量ハイドレート化のためには、原料液流量、原料液圧力、原料ガス流量、原料ガス圧力、冷却能力、反応管路長さ及び反応管路径という7つのパラメータの設定が必要である。以下、これら各パラメータとハイドレート生成量との関係について説明する。
【0028】
まず、十分な冷却能力がある場合の原料水流量とハイドレート生成量との関係について説明する。
ハイドレートの水和数(下記)から定まる水量よりも水が多い場合には、原料水の流量は基本的にはハイドレート生成量に無関係である。
ハイドレートの水和数(水とガスの組成比:ハイドレート中の水分子とガス分子の比率)は、メタンハイドレートの場合、理論的には5.75(ガス分子1モルに対して水分子5.75モル)である。ただ、実際には水分子で形成する全ての籠にガス分子が入るとは限らないため、水和数は5.75より大きい(ガス分子1モルに対して水分子5.75モル以上)値である。
【0029】
水和数から定まる量よりも原料水が少ない場合には、ハイドレート生成量は原料水流量に比例する。この場合は生成が完了した時点でガスと固体のハイドレートが残ることになる。
なお、厳密には、原料水流量の変化(=反応管内の流速が変化)に伴い、管内面の熱伝達率が変化(冷却効率が変化)することによる生成量の変化が考えられる。
【0030】
原料ガス流量とハイドレート生成量との関係も原料水流量との関係と同様である。つまり、十分な冷却能力がある場合、ハイドレートの水和数から定まるガス量よりもガスが多い場合には、ガス流量はハイドレート生成量に無関係である。他方、水和数から定まる量よりもガスが少ない場合には、ハイドレート生成量はガス流量に比例する。この場合は生成が完了した時点で原料水と固体のハイドレートが残ることになる。
【0031】
本実施の形態においては、図1において分離器で分離された未反応の原料水をラインミキサーに戻すポンプ19が設けられており、水和数から定まる量よりも原料水は多く、原料ガスは少なく供給してハイドレートを生成することを想定している。
【0032】
次に、原料水、および原料ガスの圧力と温度とハイドレート生成量の関係について説明する。
ハイドレート生成範囲内では、圧力が高く、温度が低いほど生成しやすい。したがって、十分な冷却能力(単位時間の除熱熱量)がある場合、生成範囲内では高圧、低温であるほど生成速度が速い。冷却能力に限界がある場合は、生成速度は冷却能力で定まる。
原料ガスと原料水を混合、溶解する場合、極めてミクロな視点で考える場合を除き、両者の圧力は等しい。
また、混合の初期には両者の温度が異なる場合があるが、反応管路を流れる間に等しくなる。
【0033】
次に、冷却能力とハイドレート生成量との関係について説明する。
原料ガスがメタンの場合、ハイドレート生成に伴う発熱量(生成熱)はメタン1モル当たり以下の通りである。
・約14.5 kcal/mol(0℃において)
・約17 kcal/mol(10℃において)
【0034】
原料水中へのガス拡散、溶解が十分であれば、ハイドレートの生成量は冷却(除熱)熱量に比例する。したがって、原料水中へのガス拡散、溶解が十分でも、冷却能力が不十分な場合は、ハイドレート生成に伴い、原料ガスが溶解した原料水の温度が上昇し、その時の圧力に対応したハイドレート生成最高温度(圧力が高いほど高い)に達した時点で生成が停止する。そして、その時点で未反応の原料ガスがあれば、それは原料水中での溶存ガス、あるいは気泡の形でガスのまま残る。逆に言えば、冷却能力が十分ということは、原料ガスが全量ハイドレート化する間、温度を生成範囲内に保つことが可能ということである。
【0035】
もっとも、冷却能力が過大な場合は、ハイドレート化が進行しつつも反応管路内の流体温度が低下してゆき、凍結の惧れがあるので、冷却能力は大きければよいというものでもない。
なお、冷却能力は、チラーの能力と反応管路仕様(管路長さ、径、肉厚、材質等)、冷媒と反応管路内流体の温度差等から定まる熱伝達能力とで定まる。
【0036】
最後に、反応管路長さ及び反応管路径とハイドレート生成量との関係について説明する。
一般に、反応管路長さ及び反応管路径はチラーの冷却能力を十分に活かすように設定されるので、反応管路長さ及び反応管路径はこれら単独でハイドレート生成量と関係すると言うよりも、冷却能力というパラメータを介してハイドレート生成と関係する。以下、具体的に説明する。
反応管路長さと冷却能力の関係は、他の条件が同じ場合には、反応管路長さが長いほど冷却能力は大きい。反応管路径と冷却能力の関係はもう少し複雑であり、管路径を小さくすれば管内の流速が大きくなり、管内面熱伝達率は大きくなるが、管表面積は減少するため、両者のバランスで冷却能力の増加、減少が定まるという関係にある。
ところで、一般に、熱交換器では、管内面熱伝達率を大きくするために管径を小さくし、表面積の減少については、管長の増加、または本数の増加で対応し、コストも含めた最適な仕様とする。
【0037】
ハイドレート生成量と7つのパラメータの関係は以上の通りであるが、以下ではこれらのパラメータが適切に設定されていることを前提として、全量ハイドレート化のメカニズムを説明する。
図3は反応管路7における全量ハイドレート化のメカニズムを説明するための説明図であり、反応管路7に供給されたある一定量の原料ガスに着目して、この原料ガスがハイドレート化するメカニズムを時間の経過と共に模式的に示したものである。
図3において、縦軸は原料ガス、原料水(以下において「原料水」というときは原料水のみのものを意味する場合と原料水に原料ガスが溶け込んだ状態のものを意味する場合の両方がある。)、ガスハイドレートの量を示し、太線より上側がメタン、下側がプロパンを示している。また、横軸は時間の流れを示しており、着目すべき時期を▲1▼〜○10(図中では丸数字で示している。以下同様)で示している(この▲1▼〜○10の系統図1における位置関係を明確にするため、図1の相当箇所に▲1▼〜○10を記載している。)。
なお、説明の便宜から原料ガスとしては、メタンとプロパンの2種類のガスの混合ガスを想定しており、その割合をメタン:プロパンが17:6としている(▲1▼参照)。
【0038】
ラインミキサー5において、原料ガスと戻り水(原料水に混合ガスが溶け込んで平衡濃度になったもの)及び補給水が混合される(▲2▼参照)。なお、図3においては、混合直後ではガスの溶解はないものとして示してある。
ラインミキサー5によって原料ガスは微細気泡となり、原料水に溶解して原料水全体が平衡濃度に到達する(▲3▼参照)。
【0039】
原料水が平衡濃度に到達すると、反応管路7の圧力Pがハイドレート生成最低圧力P0より高く、反応管路7内の温度Tがハイドレート生成最高温度T0より低くなるように設定しているので、ガスハイドレートの生成が開始される。このとき、メタンとプロパンが原料水に溶け込んでいるが、プロパンの方がハイドレート化し易いために、原料ガス組成に比べてプロパンの含有量がより多いガスハイドレートが生成される(▲4▼参照:図において、ガスハイドレートの量を示すグラフが太線よりも上に1メモリ、下に2メモリとなっている。)。
【0040】
ガスハイドレートの生成には発熱を伴うことになるが、発熱量に相当する熱量をチラー17の冷却で奪うことで、反応管路7の温度はハイドレート生成最高温度T0より低い温度に保たれる。なお、ハイドレート化の速度を増すためには、温度をT0よりある程度以上低く設定し、圧力をP0よりもある程度以上高く設定したほうがよい。温度の下げ幅としては2℃程度以上が好ましい。もっとも、冷却しすぎると原料水が凝固して反応管路7内の流れが阻害されるので、チラー17での冷却能力は、原料水が凝固点以下にならないように設定されている。
なお、ガスハイドレートが生成されると、原料水の量も減少することになるが、図が複雑化するのを避けるために、図3においては▲4▼〜▲9▼までは原料水量が変化しないように記載している。
【0041】
ガスハイドレートが生成されると溶解ガス濃度が下がり、平衡濃度になるまで原料ガスがさらに溶け込むと共に、プロパン含有量の多いガスハイドレートがさらに生成され(▲5▼▲6▼参照)、生成されたガスハイドレートは、原料水と共に反応管路7を流れてゆく。
▲6▼においてプロパンが全量原料水に溶け込んだので、その後は、メタンのみが原料水に溶け込み、原料ガス組成に比べてよりメタンが多く含有されたガスハイドレートが生成し始め(▲7▼参照)、同様の反応が継続する(▲8▼、▲9▼参照)。
反応管路7の出口では供給された原料ガスの全量がハイドレート化し(○10参照)、原料水と共に分離器9に送られる。
【0042】
分離器9には反応管路7における反応開始後、前半において生成されたプロパンの含有量の多いガスハイドレートと、後半に生成されたメタンの含有量の多いガスハイドレートが送られることになるが、原料ガスの全量がハイドレート化していることから、生成されたハイドレート全体としてみれば原料ガスと同一組成のものとなる。
なお、○10においては、▲4▼〜○10の反応による原料水の減少をまとめた形で表現している。○10においては平衡濃度の原料水が残っているが、これは原料水ポンプ19によって再びラインミキサー5に供給される。
【0043】
一方、生成されたガスハイドレートは分離器9から取り出され、後処理工程(図6におけるS5以降の工程)に送られる。
なお、分離器9においては、分離器9内の水位がレベル計21で検知され、バルブ12dを制御することで分離器9内の水位が一定レベル以上になるように制御されている。これは、ガスが原料水戻しラインに流入しないように、原料水に封水効果をもたせるためである。そして、封水に不要な原料水は、上述したように、原料水ポンプ19によって所定の圧力に昇圧されてラインミキサー5に供給される。
【0044】
以上のように本実施の形態においては、ラインミキサー5によって原料ガスを原料水へ連続的に溶解させ、パイプ状の反応管路7を用いて供給された原料ガス全量をハイドレート化するようにしたので、供給した原料ガスの組成と同一の組成のガスハイドレートを生成できる。
【0045】
また、本実施の形態においては、原料水と原料ガスの反応を管路を移動させながら行うようにしているので、すべてのもの(生成されたガスハイドレート、原料水)が一旦分離器9まで送られることになり、生成されたガスハイドレートのみを取り出す仕組みが不要であり、装置の構成が単純化できる。
また、全量ハイドレート化するために、分離器9に未反応ガスが送られることがなく、未反応ガスをラインミキサー5に戻すための配管やコンプレッサーが不要となり、この意味でも装置の構成が単純化できる。
【0046】
なお、上記の説明では反応管路7の出口では供給した原料ガスが全量ハイドレート化することを前提として説明したが、種々の条件などで反応管路7で原料ガスが全量ハイドレート化しなかった場合には以下のようにすればよい。
【0047】
反応管路7で原料ガスが全量ハイドレート化しなかった場合には、未反応の原料ガスが分離器9に供給されることになる。その場合には、分離器9の圧力が上昇する。したがって、反応管路7で原料ガスが全量ハイドレート化したかどうかは、分離器9内の圧力上昇を検知すれば分かる。
そこで、分離器9に設置した圧力検出器10によって分離器9内の圧力上昇を検知して、圧力上昇値があらかじめ設定した値を越えた場合には、原料ガスが分離器9に流入して全量ハイドレート化ができていないと判断して、バルブ12aを絞って供給量を少なくするようにすればよい。
【0048】
なお、分離器9に供給された過剰の原料ガスは分離器9内でハイドレート化し、それによって分離器9の圧力を所定値まで下げることができる。もっとも、分離器9内でのハイドレート化のみによっては分離器9の圧力を所定値まで下げることができないときは、分離器9からラインミキサー5に通ずる戻り配管を設けて、余分な原料ガスを戻すようにすればよい。この点は後述の図4、図5においても同様である。
【0049】
また、上記の実施の形態においては、ラインミキサー5と反応管路7との間に圧力を調整する手段を何ら設けていなかった。
しかし、図4に示すように、ラインミキサー5と反応管路7との間に、圧力検出器23及び圧力調整バルブ25を設けるようにしてもよい。
圧力調整バルブ2を調整することによりラインミキサー5側の圧力を高くすることができ、ラインミキサー5による原料ガスの原料水への溶解をより促進できる。
【0050】
また、原料ガスの原料水への溶解をより促進させるために、図5に示すようにラインミキサー5の下流側にラインを流れる流体の流速を遅くするための流速調整手段としての滞留部29を設けてもよい。滞留部29を設けることにより、ラインミキサー5で微細気泡となった原料ガスが原料水に溶解するための時間を稼ぐことができ、これによって溶解促進を図ることができる。
なお、滞留部29の具体例としては、一定の容積を有するタンクが考えられる。
【0051】
また、ラインミキサーの他の例としては、筒状体の途中を細くして負圧を発生させることにより、原料ガスを吸引して混合するいわゆるベンチュリ管方式のものであってもよいし、またあるいは円錐または円錐台状の容器内の旋回流を利用して気液混合するようなもの、例えば特開2000−447号公報に開示された旋回式微細気泡発生装置のようなものでもよい。要するに、本明細書におけるラインミキサーとは、ライン上にあって気液を連続的に混合できるものを広く含む。
また、上記の実施の形態においては反応管路7の例として、単数または複数の屈曲管を示したが、分岐した複数本の直管で構成してもよい。
【0052】
また、上記の実施の形態においては、原料水の種類を明示しなかったが、例えば、淡水、海水、不凍液等が考えられる。また、原料水に代えて、液体ホスト物質やホスト物質溶液のような原料液を用いることも考えられる。その場合に生成される物質の名称はガスハイドレートではなく、ガスクラスレートであることは言うまでもない。
【0053】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、原料液に混合溶解された原料ガスをパイプ状の反応管路を用いて全量をハイドレート化するようにしたので、供給した原料ガスの組成と同一の組成のガスクラスレートを生成できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明の一実施の形態の主要な構成機器を示した系統図である。
【図2】 本発明の一実施の形態のラインミキサー5の説明図である。
【図3】 反応管路7における全量ハイドレート化のメカニズムを説明するための説明図である。
【図4】 本発明の一実施の形態の他の態様の説明図である。
【図5】 本発明の一実施の形態の他の態様の説明図である。
【図6】 本発明のガスハイドレート製造工程の説明図である。
【符号の説明】
1 ガス昇圧機
3、19 原料水ポンプ
5 ラインミキサー
7 反応管路
9 分離器
10 圧力検出器
12a バルブ(ガス流量調整手段)
12b バルブ(原料水量調整手段)
12c バルブ(ガス圧力調整手段)
[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a gas clathrate production apparatus for producing a gas clathrate by reacting a raw material gas such as natural gas with a raw material liquid (fresh water, seawater, antifreeze liquid, etc.).
[0002]
[Prior art]
The gas clathrate (simply referred to as “clathrate”. In addition, when the host substance is water, it is referred to as “gas hydrate”, but in the present specification, “gas clathrate” includes gas hydrate). It is an ice-like substance that contains gas molecules such as natural gas and carbon dioxide in a high concentration inside the cage structure composed of water molecules. Gas clathrate, mainly gas hydrate, can contain a large amount of gas per unit volume, and can be stored and transported at a relatively high temperature under atmospheric pressure compared to liquefied natural gas. Application to storage is attracting attention.
For this reason, hitherto, studies have been focused on the use of naturally occurring gas clathrate, but in recent years, attempts have been made to produce it industrially by paying attention to this property.
[0003]
The conventional gas hydrate production method is a method for producing hydrate by reacting water with a hydrate-forming substance in a hydrate-generating container. In the method for producing hydrate, bubbles are formed in the hydrate-forming substance in the aqueous phase in the hydrate-generating container. There is one that supplies and causes a hydration reaction by spraying water in the vapor phase in the hydrate production vessel in a sprayed state (for example, see Patent Document 1).
[0004]
In addition, there is one in which a plurality of hydrate production units are connected in series for the purpose of obtaining a mixed gas such as natural gas having the same composition as the initial mixed gas composition (see, for example, Patent Document 2).
[0005]
[Patent Document 1]
JP 2000-264851 A [Patent Document 2]
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-10985
[Problems to be solved by the invention]
However, the above prior art has the following problems.
In the prior art described in Patent Document 1, the entire amount of the raw material gas supplied in the hydrate production container cannot be hydrated. Therefore, when a mixed gas such as natural gas (for example, a mixed gas of methane, ethane, propane, or butane) is used as a raw material gas, a gas with a low production pressure that is likely to be hydrated (butane is the most hydrated in this example). There is a problem that the gas composition of the raw material gas and the hydrate is different as a result.
[0007]
In addition, a configuration in which a plurality of hydrate production units are connected in series has a problem that the apparatus becomes complicated and the cost increases.
[0008]
The present invention has been made to solve such problems, and an object of the present invention is to obtain a gas clathrate production apparatus capable of producing a gas clathrate having the same composition as that of the raw material gas in a simple and compact manner.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
(1) A gas clathrate production apparatus according to the present invention is an apparatus for producing a gas clathrate by reacting a raw material liquid and a raw material gas.
A gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the raw material gas to be supplied, a gas pressure adjusting means for adjusting the pressure of the raw material gas, a raw material liquid flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the supplied raw material liquid, and a raw material for adjusting the pressure of the raw material liquid Liquid pressure adjusting means, a line mixer for mixing the raw material liquid and the raw material gas in the middle of the line and dissolving the raw material gas in the raw material liquid, and a reaction line for cooling while flowing the mixed raw material liquid A cooling device for cooling the reaction pipe, and pressure adjusting means for adjusting the pressure of the reaction pipe,
The gas flow rate adjusting means, the gas pressure adjusting means, the raw material liquid flow rate adjusting means, the raw material liquid pressure adjusting means, and the cooling capacity of the cooling device so that the total amount of the raw material gas supplied to the line mixer can be clathrated. When setting the reaction pipe length and the reaction pipe diameter, and providing a pressure detector for detecting the pressure at the outlet of the reaction pipe, when the detected value of the pressure detector exceeds a predetermined value One or both of the gas flow rate adjusting means and the raw material liquid flow rate adjusting means are adjusted.
[0010]
(2) In an apparatus for producing a gas clathrate by reacting a raw material liquid and a raw material gas,
A gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the raw material gas to be supplied, a gas pressure adjusting means for adjusting the pressure of the raw material gas, a raw material liquid flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the supplied raw material liquid, and a raw material for adjusting the pressure of the raw material liquid Liquid pressure adjusting means, a line mixer for mixing the raw material liquid and the raw material gas in the middle of the line and dissolving the raw material gas in the raw material liquid, and a reaction line for cooling while flowing the mixed raw material liquid A cooling device for cooling the reaction pipe, and pressure adjusting means for adjusting the pressure of the reaction pipe,
The pressure P at the outlet of the reaction pipe is higher than the clathrate generation minimum pressure P 0 , the temperature T in the reaction pipe is lower than the clathrate generation maximum temperature T 0 , and the raw material supplied to the line mixer The gas flow rate adjusting means, the gas pressure adjusting means, the raw material liquid flow rate adjusting means, the raw material liquid pressure adjusting means, the cooling capacity of the cooling device, so that all the generated heat when the gas is clathrated can be completely removed, While setting the reaction pipe length and the reaction pipe diameter, a pressure detector for detecting the pressure at the outlet of the reaction pipe is provided, and when the detected value of the pressure detector exceeds a predetermined value, One or both of the gas flow rate adjusting means and the raw material liquid flow rate adjusting means are adjusted.
[0011]
(3) Further, in the above (1) or (2), the line mixer generates a fine bubble of a raw material gas.
[0015]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the following embodiments, a gas hydrate which is an aspect of a gas clathrate will be described as an example.
FIG. 6 is an explanatory view of the outline of a gas hydrate production process according to an embodiment of the present invention, and shows a case where natural gas is used as a raw material gas. First, the outline of the gas hydrate manufacturing process will be described with reference to FIG.
Natural gas is cooled to 1 to 10 ° C. and heavy components are separated as condensate (S1). On the other hand, the water is also cooled to 1 to 10 ° C. (S2), and the cooling water and natural gas react at 1 to 10 ° C. and 50 atm to generate gas hydrate (S3). The generated slurry-like gas hydrate is separated and dehydrated to form a highly concentrated slurry or solid (S4), and the water and unreacted gas separated here are returned to the reaction step (S3) again.
[0016]
The separated and dehydrated gas hydrate is frozen at a temperature of about −15 ° C. (S5). This freezing treatment is intended to stabilize the gas hydrate by freezing the water adhering to the surface of the gas hydrate that has been separated and dehydrated in S4 to form an ice shell.
After the freezing process, a depressurizing process is performed to depressurize from 50 atm to atmospheric (S6). Thereafter, the frozen gas hydrate is formed into pellets (S7), stored in a storage facility such as a silo (S8), and loaded on a loading facility such as a belt conveyor as required (S9). It is used for long-distance transportation by a transportation device such as a transportation ship (S10).
The above is the outline of the gas hydrate manufacturing process. In the present embodiment, the entire amount can be hydrated in the step (S3) of generating a slurry gas hydrate from water and natural gas in the above process. By doing so, the composition of the raw material gas composed of the composite gas and the composition of the hydrate are made the same. Hereinafter, this point will be described in detail.
[0017]
FIG. 1 is a system diagram showing main components of an embodiment of the present invention. First, the component apparatus of this Embodiment is demonstrated based on FIG.
The gas hydrate production apparatus of the present embodiment includes a gas booster 1 (corresponding to the gas pressure adjusting means of the present invention) that boosts the pressure of a raw material gas such as natural gas, and a raw water pump 3 that boosts the raw water. , 19 (corresponding to the raw water pressure adjusting means of the present invention), the raw water and the raw material gas are mixed to dissolve the raw material gas in the raw material water, and the mixture mixed by the line mixer 5 is cooled while flowing. A reaction line 7 for generating gas hydrate, a chiller 17 as a cooling device for cooling the reaction line 7, and a separator 9 for separating the gas hydrate generated in the reaction line 7 and raw water. Yes.
[0018]
And each component apparatus is connected by piping shown with the continuous line which attached the arrow in the figure. Further, the separator 9 is provided with a pressure detector 10, and a valve 12a (corresponding to a gas flow rate adjusting means) and a valve 12b (corresponding to a raw material water amount adjusting means) installed in a piping line by a signal of the pressure detector 10 The valve 12c (corresponding to the gas pressure adjusting means) is controlled to adjust the pressure and flow rate of the piping line.
[0019]
In the above configuration, the pressure P of the separator 9 (corresponding to the pressure at the outlet of the reaction pipe 7) is higher than the lowest hydrate generation pressure P 0 , and the temperature T in the reaction pipe 7 is the highest hydrate generation temperature T 0. The cooling capacity of the valves 12a, 12b, 12c, the gas booster 1, the raw material water pumps 3, 19, the chiller 17, the length of the reaction pipe 7 and the diameter of the reaction pipe 7 are set so that the temperature becomes lower. ing.
Even in the same chiller, the cooling capacity (heat removal amount per unit time) of the chiller varies depending on the temperature of the refrigerant, and the higher the refrigerant temperature, the larger the cooling capacity. Therefore, “setting of the cooling capacity” in the present invention includes setting of the temperature of the refrigerant that cools the reaction pipe line 7.
[0020]
The configuration of main components among the above-described components will be described in more detail.
As shown in FIG. 2 (cited from page 7 of “OHR Line Mixer” catalog of Nishika Sangyo Co., Ltd.), the line mixer 5 of the present embodiment has a two-stage shape with a large diameter on the inlet side and a small diameter on the outlet side. A plurality of mushrooms comprising a cylindrical body 11 and having a wing body 13 called a guide vane in a large diameter portion 11a of the cylindrical body 11, and extending from the inner peripheral surface of the cylinder to the center in a small diameter portion 11b. A colliding body 15 is provided.
In such a line mixer 5, the raw water supplied to the line mixer 5 by the raw water pump 3 is swirled by the wing body 13 and pushed outward by a violent centrifugal force, which is a mushroom-like collision body 15. The raw material gas is engulfed therein and crushed into ultrafine bubbles, and the raw material water and the raw material gas are mixed. As a result, the contact area between the source gas and the source water is increased, and the source gas is efficiently dissolved in the source water.
[0021]
The reaction pipe 7 is composed of one or a plurality of bent pipes, and the peripheral surface of the pipe is cooled by a chiller 17. As described above, since the reaction pipe 7 is used, cooling from the surroundings can be efficiently performed, so that the gas / raw water is supplied by a cooling coil or the like as in the conventional examples shown in Patent Documents 1 and 2. There is no need for direct cooling, and the configuration of the apparatus can be simplified and made compact.
[0022]
Specific examples of the reaction pipe include a double pipe heat exchanger in which a passage through which a refrigerant flows is formed around a pipe through which a raw material gas and a raw material liquid flow, and a shell-and-tube heat exchanger (multi-tubular cylindrical heat exchanger). Etc.).
[0023]
By the way, the reaction pipe line 7 as described above can be used because the raw material gas and the raw water are mixed and dissolved by the line mixer 5 in advance, and the reaction pipe line 7 can be thought of as an apparatus configuration focusing on cooling. Because it can. That is, in the examples shown in Patent Documents 1 and 2, mixing / dissolution and reaction cooling of the source gas and source water are performed in a tank-shaped pressure vessel, so a space with a certain spread is required for mixing / dissolution. However, in this embodiment, since mixing and dissolution of raw material gas and raw material water and reaction cooling were separated, cooling could not be performed only from the periphery of the reaction vessel. Thus, cooling with a simple configuration as in the above example is possible.
[0024]
The separator 9 mainly separates gas hydrate and raw water. Examples of the separator 9 include a decanter, a cyclone, a centrifuge, a belt press, a screw concentrator / dehydrator, and a rotary dryer. It is done.
The separator 9 is supplied with a pressurized source gas, and the pressure of the separator 9 is adjusted to be higher than the lowest hydrate generation pressure P 0 by this source gas pressure. By adjusting the pressure of the separator 9 to be higher than P 0 , the pressure in the reaction pipe line 7 on the upstream side becomes higher than P 0 .
[0025]
Next, a manufacturing process for manufacturing a gas hydrate by the apparatus of the present embodiment configured as described above will be described.
The pressure of the source gas is increased to a predetermined pressure by the gas booster 1. The raw water is also boosted to a predetermined pressure by the raw water pump 3. These pressurized source gas and source water are cooled by a cooler (not shown) and supplied to the line mixer 5 respectively. The raw material gas and the raw water supplied to the line mixer 5 are mixed with a violent momentum by the mechanism described above. At this time, the raw material gas becomes fine bubbles and is mixed into the raw material water, and the dissolution of the raw material gas is promoted.
[0026]
A raw material gas dissolved in raw water (including undissolved fine bubbles) is sent to the reaction pipe 7, cooled by a chiller 17, and converted into fine bubbles and mixed and dissolved in the raw water. The raw material gas is entirely gas hydrated.
[0027]
In order to realize the total gas hydrate conversion, the pressure P at the outlet of the reaction pipe is higher than the lowest hydrate generation pressure P 0 , and the temperature T in the reaction pipe is lower than the highest hydrate generation temperature T 0. The raw material liquid flow rate, the raw material liquid pressure, the raw material gas flow rate, the raw material gas pressure, the cooling capacity, so that all the heat generated when the raw material gas mixed and dissolved by the line mixer 5 is hydrated can be completely removed. It is necessary to set the reaction pipe length and the reaction pipe diameter.
That is, in order to increase the total amount of hydrate, it is necessary to set seven parameters such as the raw material liquid flow rate, the raw material liquid pressure, the raw material gas flow rate, the raw material gas pressure, the cooling capacity, the reaction pipe length, and the reaction pipe diameter. Hereinafter, the relationship between these parameters and the hydrate generation amount will be described.
[0028]
First, the relationship between the raw material water flow rate and the amount of hydrate produced when there is sufficient cooling capacity will be described.
When the amount of water is larger than the amount of water determined from the hydration number of the hydrate (below), the flow rate of the raw water is basically irrelevant to the amount of hydrate produced.
Hydrate hydration number (composition ratio of water and gas: ratio of water molecule to gas molecule in hydrate) is theoretically 5.75 for methane hydrate (water per mole of gas molecule). Molecule 5.75 mol). However, since gas molecules do not necessarily enter all the ridges formed with water molecules, the hydration number is greater than 5.75 (more than 5.75 mol of water molecules per mol of gas molecules). It is.
[0029]
When the amount of raw material water is less than the amount determined from the hydration number, the amount of hydrate produced is proportional to the raw material water flow rate. In this case, a hydrate of gas and solid remains when the generation is completed.
Strictly speaking, it is conceivable that the amount of generated water is changed due to a change in the heat transfer coefficient on the inner surface of the pipe (a change in cooling efficiency) with a change in the raw material water flow rate (= change in flow velocity in the reaction pipe).
[0030]
The relationship between the raw material gas flow rate and the hydrate production amount is the same as the relationship with the raw material water flow rate. That is, when there is sufficient cooling capacity, the gas flow rate is irrelevant to the amount of hydrate produced when there is more gas than the amount of gas determined from the hydration number of the hydrate. On the other hand, when the amount of gas is less than the amount determined from the hydration number, the amount of hydrate produced is proportional to the gas flow rate. In this case, raw water and solid hydrate remain when the generation is completed.
[0031]
In the present embodiment, a pump 19 is provided to return the unreacted raw water separated by the separator in FIG. 1 to the line mixer, and the raw water is more than the amount determined from the hydration number, and the raw gas is It is assumed that hydrate is generated by supplying a small amount.
[0032]
Next, the relationship between the raw material water and the pressure and temperature of the raw material gas and the amount of hydrate produced will be described.
Within the hydrate generation range, the higher the pressure and the lower the temperature, the easier it is to generate. Therefore, when there is sufficient cooling capacity (heat removal heat per unit time), the generation rate is higher as the pressure is higher and the temperature is lower in the generation range. When the cooling capacity is limited, the generation rate is determined by the cooling capacity.
When mixing and dissolving the raw material gas and raw material water, the pressures of both are the same except when considered from a very microscopic viewpoint.
Moreover, although the temperature of both may differ at the beginning of mixing, it becomes equal while flowing through the reaction pipe.
[0033]
Next, the relationship between the cooling capacity and the hydrate generation amount will be described.
When the raw material gas is methane, the calorific value (generated heat) associated with hydrate formation is as follows per mole of methane.
・ Approximately 14.5 kcal / mol (at 0 ℃)
・ About 17 kcal / mol (at 10 ℃)
[0034]
If the gas diffusion and dissolution in the raw material water is sufficient, the amount of hydrate produced is proportional to the amount of cooling (heat removal) heat. Therefore, if the gas diffusion and dissolution into the raw material water is sufficient, but the cooling capacity is insufficient, the temperature of the raw material water in which the raw material gas is dissolved rises along with the hydrate formation, and the hydrate corresponding to the pressure at that time Generation stops when the maximum production temperature (higher pressure is reached) is reached. If there is an unreacted source gas at that time, it remains as a dissolved gas in the source water or in the form of bubbles. In other words, the sufficient cooling capacity means that the temperature can be kept within the generation range while the entire amount of the raw material gas is hydrated.
[0035]
However, when the cooling capacity is excessive, the fluid temperature in the reaction pipe line is lowered while hydration progresses, and there is a risk of freezing. Therefore, the cooling capacity is not necessarily large.
The cooling capacity is determined by the capacity of the chiller and the reaction pipe specifications (pipe length, diameter, wall thickness, material, etc.), and the heat transfer capacity determined by the temperature difference between the refrigerant and the fluid in the reaction pipe.
[0036]
Finally, the relationship between the reaction pipe length and the reaction pipe diameter and the amount of hydrate produced will be described.
In general, the reaction pipe length and the reaction pipe diameter are set so as to make full use of the cooling capacity of the chiller, so that the reaction pipe length and the reaction pipe diameter are not related to the amount of hydrate produced alone. It is related to hydrate generation through the parameter of cooling capacity. This will be specifically described below.
As for the relationship between the reaction pipe length and the cooling capacity, when the other conditions are the same, the longer the reaction pipe length, the larger the cooling capacity. The relationship between the reaction pipe diameter and the cooling capacity is a little more complicated. If the pipe diameter is reduced, the flow velocity in the pipe increases and the heat transfer coefficient inside the pipe increases, but the surface area of the pipe decreases. There is a relationship that increases and decreases in
By the way, in general, in heat exchangers, the pipe diameter is reduced to increase the pipe inner surface heat transfer coefficient, and the surface area is reduced by increasing the pipe length or the number of pipes. And
[0037]
The relationship between the hydrate generation amount and the seven parameters is as described above. Hereinafter, the mechanism of the total amount hydrate will be described on the assumption that these parameters are appropriately set.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the mechanism of hydration of the total amount in the reaction pipe line 7. Focusing on a certain amount of raw material gas supplied to the reaction pipe line 7, this raw material gas is hydrated. The mechanism which performs is typically shown with progress of time.
In FIG. 3, the vertical axis represents raw material gas and raw water (hereinafter, “raw water” means both raw water only and raw water dissolved) ), The amount of gas hydrate, the upper side of the bold line is methane, and the lower side is propane. The horizontal axis indicates the flow of time, and the time to be noted is indicated by (1) to ○ 10 (indicated by circled numbers in the figure, the same applies hereinafter) (this (1) to ○ 10). In order to clarify the positional relationship in the system diagram 1 of FIG.
For convenience of explanation, it is assumed that the raw material gas is a mixed gas of two types of gas, methane and propane, and the ratio is 17: 6 for methane: propane (see (1)).
[0038]
In the line mixer 5, the raw material gas and the return water (the mixed gas is dissolved in the raw material water to reach an equilibrium concentration) and make-up water are mixed (see (2)). In FIG. 3, the gas is not dissolved immediately after mixing.
The raw material gas becomes fine bubbles by the line mixer 5 and dissolves in the raw material water, so that the whole raw material water reaches an equilibrium concentration (see (3)).
[0039]
When the raw water reaches the equilibrium concentration, the pressure P in the reaction line 7 is set higher than the lowest hydrate generation pressure P 0 and the temperature T in the reaction line 7 is set lower than the highest hydrate generation temperature T 0. Therefore, generation of gas hydrate is started. At this time, methane and propane are dissolved in the raw water, but since propane is more easily hydrated, a gas hydrate having a higher propane content than the raw material gas composition is generated (4). Reference: In the figure, the graph showing the amount of gas hydrate is one memory above the bold line and two memories below.
[0040]
Although the generation of gas hydrate involves heat generation, the temperature of the reaction line 7 is kept at a temperature lower than the maximum hydrate generation temperature T 0 by removing the heat corresponding to the heat generation amount by cooling the chiller 17. Be drunk. In order to increase the speed of hydration, it is better to set the temperature to be somewhat lower than T 0 and set the pressure to be higher than P 0 to some extent. The temperature reduction range is preferably about 2 ° C. or higher. However, if the water is cooled too much, the raw water is solidified and the flow in the reaction pipe 7 is hindered. Therefore, the cooling capacity in the chiller 17 is set so that the raw water does not fall below the freezing point.
When gas hydrate is generated, the amount of raw material water also decreases. However, in order to avoid complication of the figure, the amount of raw material water is from (4) to (9) in FIG. It is described so as not to change.
[0041]
When the gas hydrate is generated, the dissolved gas concentration decreases, and the raw material gas further dissolves until the equilibrium concentration is reached, and further gas hydrate with a high propane content is generated (see (5) (6)). The gas hydrate flows through the reaction line 7 together with the raw water.
Since the total amount of propane was dissolved in the raw water in (6), only methane was dissolved in the raw water, and gas hydrates containing more methane than the raw material gas composition began to form (see (7)). ), The same reaction continues (see (8) and (9)).
At the outlet of the reaction pipe 7, the entire amount of the supplied raw material gas is hydrated (see ○ 10) and sent to the separator 9 together with the raw water.
[0042]
The gas hydrate with a high content of propane produced in the first half and the gas hydrate with a high content of methane produced in the second half are sent to the separator 9 after the start of the reaction in the reaction line 7. However, since the total amount of the raw material gas is hydrated, the entire generated hydrate has the same composition as the raw material gas.
In addition, in (circle) 10, the reduction | decrease of raw material water by reaction of (4)-(circle) 10 is expressed in the form put together. In ○ 10, the raw material water of equilibrium concentration remains, but this is supplied again to the line mixer 5 by the raw material water pump 19.
[0043]
On the other hand, the generated gas hydrate is taken out from the separator 9 and sent to a post-processing step (steps after S5 in FIG. 6).
In the separator 9, the water level in the separator 9 is detected by the level meter 21, and the water level in the separator 9 is controlled to be above a certain level by controlling the valve 12 d. This is because the raw water has a sealing effect so that the gas does not flow into the raw water return line. Then, the raw water unnecessary for the sealing water is boosted to a predetermined pressure by the raw water pump 19 and supplied to the line mixer 5 as described above.
[0044]
As described above, in the present embodiment, the raw material gas is continuously dissolved in the raw material water by the line mixer 5 so that the total amount of the raw material gas supplied using the pipe-shaped reaction pipe 7 is hydrated. Therefore, a gas hydrate having the same composition as that of the supplied source gas can be generated.
[0045]
Further, in the present embodiment, since the reaction between the raw water and the raw material gas is performed while moving the pipe line, all of the substances (generated gas hydrate and raw water) are once separated up to the separator 9. A mechanism for taking out only the generated gas hydrate is unnecessary, and the configuration of the apparatus can be simplified.
Further, since the entire amount is hydrated, no unreacted gas is sent to the separator 9, and piping and a compressor for returning the unreacted gas to the line mixer 5 are not necessary. In this sense, the configuration of the apparatus is simple. Can be
[0046]
In the above description, the explanation was made on the assumption that the supplied raw material gas was hydrated at the outlet of the reaction pipe 7, but the raw material gas was not hydrated at the reaction pipe 7 under various conditions. In such a case, the following may be performed.
[0047]
If the entire amount of the raw material gas is not hydrated in the reaction pipe line 7, the unreacted raw material gas is supplied to the separator 9. In that case, the pressure of the separator 9 increases. Therefore, whether or not the entire amount of the raw material gas is hydrated in the reaction pipe line 7 can be determined by detecting the pressure increase in the separator 9.
Therefore, when a pressure increase in the separator 9 is detected by the pressure detector 10 installed in the separator 9 and the pressure increase value exceeds a preset value, the source gas flows into the separator 9. It may be determined that the entire amount has not been hydrated and the supply amount may be reduced by narrowing the valve 12a.
[0048]
The excess source gas supplied to the separator 9 is hydrated in the separator 9, thereby reducing the pressure of the separator 9 to a predetermined value. Of course, when the pressure of the separator 9 cannot be lowered to a predetermined value only by hydration in the separator 9, a return pipe that leads from the separator 9 to the line mixer 5 is provided, and excess source gas is removed. Return it. This also applies to FIGS. 4 and 5 described later.
[0049]
In the above embodiment, no means for adjusting the pressure is provided between the line mixer 5 and the reaction pipe 7.
However, as shown in FIG. 4, a pressure detector 23 and a pressure adjustment valve 25 may be provided between the line mixer 5 and the reaction pipe line 7.
By adjusting the pressure adjustment valve 2, the pressure on the line mixer 5 side can be increased, and dissolution of the raw material gas into the raw water by the line mixer 5 can be further promoted.
[0050]
Further, in order to further promote the dissolution of the raw material gas in the raw material water, as shown in FIG. 5, a staying portion 29 as a flow rate adjusting means for reducing the flow rate of the fluid flowing in the line downstream of the line mixer 5 is provided. It may be provided. By providing the staying part 29, it is possible to earn time for the raw material gas that has become fine bubbles in the line mixer 5 to be dissolved in the raw material water, thereby promoting dissolution.
In addition, as a specific example of the retention part 29, the tank which has a fixed volume can be considered.
[0051]
Further, as another example of the line mixer, a so-called Venturi tube type that sucks and mixes the raw material gas by thinning the middle of the cylindrical body to generate a negative pressure may be used. Alternatively, a device that performs gas-liquid mixing using a swirling flow in a conical or truncated conical container, such as a swirling fine bubble generating device disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-447 may be used. In short, the line mixer in the present specification widely includes those on the line that can continuously mix gas and liquid.
In the above embodiment, one or a plurality of bent pipes are shown as an example of the reaction pipe 7. However, a plurality of branched straight pipes may be used.
[0052]
Moreover, in said embodiment, although the kind of raw material water was not specified, fresh water, seawater, an antifreeze liquid etc. can be considered, for example. It is also conceivable to use a raw material liquid such as a liquid host material or a host material solution instead of the raw water. It goes without saying that the name of the substance produced in this case is not gas hydrate but gas clathrate.
[0053]
【The invention's effect】
As described above, in the present invention, since the raw material gas mixed and dissolved in the raw material liquid is hydrated using the pipe-like reaction pipe, the same composition as the supplied raw material gas is used. A gas clathrate of composition can be generated.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a system diagram showing main components of an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is an explanatory diagram of a line mixer 5 according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory diagram for explaining the mechanism of hydration of the total amount in the reaction pipe line 7;
FIG. 4 is an explanatory diagram of another aspect of one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is an explanatory diagram of another aspect of one embodiment of the present invention.
FIG. 6 is an explanatory diagram of a gas hydrate production process of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Gas booster 3, 19 Raw material water pump 5 Line mixer 7 Reaction line 9 Separator 10 Pressure detector 12a Valve (gas flow rate adjusting means)
12b Valve (Raw material amount adjustment means)
12c valve (gas pressure adjusting means)

Claims (3)

原料液と原料ガスとを反応させてガスクラスレートを製造する装置において、In an apparatus for producing a gas clathrate by reacting a raw material liquid and a raw material gas,
供給する原料ガス流量を調整するガス流量調整手段と、原料ガス圧力を調整するガス圧力調整手段と、供給する原料液の流量を調整する原料液流量調整手段と、原料液の圧力を調整する原料液圧力調整手段と、原料液と原料ガスとをライン途中において混合して原料ガスを原料液に溶解させるラインミキサーと、原料ガスが混合・溶解された原料液を流しながら冷却する反応管路と、該反応管路を冷却する冷却装置と、反応管路の圧力を調整する圧力調整手段とを備え、  A gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the raw material gas to be supplied, a gas pressure adjusting means for adjusting the pressure of the raw material gas, a raw material liquid flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the supplied raw material liquid, and a raw material for adjusting the pressure of the raw material liquid Liquid pressure adjusting means, a line mixer for mixing the raw material liquid and the raw material gas in the middle of the line and dissolving the raw material gas in the raw material liquid, and a reaction line for cooling while flowing the mixed raw material liquid A cooling device for cooling the reaction pipe, and pressure adjusting means for adjusting the pressure of the reaction pipe,
前記ラインミキサーに供給された原料ガス全量をクラスレート化できるように、前記ガス流量調整手段、前記ガス圧力調整手段、前記原料液流量調整手段、前記原料液圧力調整手段、前記冷却装置の冷却能力、反応管路長さ及び反応管路径を設定すると共に、前記反応管路の出口の圧力を検出する圧力検出器を設け、該圧力検出器の検出値が予め定めた一定値を越えたときに、前記ガス流量調整手段、前記原料液流量調整手段のいずれか一方又は両方を調整するようにしたことを特徴とするガスクラスレート製造装置。  The gas flow rate adjusting means, the gas pressure adjusting means, the raw material liquid flow rate adjusting means, the raw material liquid pressure adjusting means, and the cooling capacity of the cooling device so that the total amount of the raw material gas supplied to the line mixer can be clathrated. When setting the reaction pipe length and the reaction pipe diameter, and providing a pressure detector for detecting the pressure at the outlet of the reaction pipe, when the detected value of the pressure detector exceeds a predetermined value A gas clathrate manufacturing apparatus characterized by adjusting one or both of the gas flow rate adjusting means and the raw material liquid flow rate adjusting means.
原料液と原料ガスとを反応させてガスクラスレートを製造する装置において、In an apparatus for producing a gas clathrate by reacting a raw material liquid and a raw material gas,
供給する原料ガス流量を調整するガス流量調整手段と、原料ガス圧力を調整するガス圧力調整手段と、供給する原料液の流量を調整する原料液流量調整手段と、原料液の圧力を調整する原料液圧力調整手段と、原料液と原料ガスとをライン途中において混合して原料ガスを原料液に溶解させるラインミキサーと、原料ガスが混合・溶解された原料液を流しながら冷却する反応管路と、該反応管路を冷却する冷却装置と、反応管路の圧力を調整する圧力調整手段とを備え、  A gas flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the raw material gas to be supplied, a gas pressure adjusting means for adjusting the pressure of the raw material gas, a raw material liquid flow rate adjusting means for adjusting the flow rate of the supplied raw material liquid, and a raw material for adjusting the pressure of the raw material liquid Liquid pressure adjusting means, a line mixer for mixing the raw material liquid and the raw material gas in the middle of the line and dissolving the raw material gas in the raw material liquid, and a reaction line for cooling while flowing the mixed raw material liquid A cooling device for cooling the reaction pipe, and pressure adjusting means for adjusting the pressure of the reaction pipe,
前記反応管路の出口の圧力Pがクラスレート生成最低圧力P  The pressure P at the outlet of the reaction pipe is the lowest clathrate generation pressure P 0 より高く、反応管路内の温度Tがクラスレート生成最高温度TThe temperature T in the reaction pipe is higher, and the clathrate generation maximum temperature T 0 より低い温度となり、かつ、前記ラインミキサーに供給された原料ガスが全量クラスレート化するときの生成熱を全て奪えるように、前記ガス流量調整手段、前記ガス圧力調整手段、前記原料液流量調整手段、前記原料液圧力調整手段、前記冷却装置の冷却能力、反応管路長さ及び反応管路径を設定すると共に、前記反応管路の出口の圧力を検出する圧力検出器を設け、該圧力検出器の検出値が予め定めた一定値を越えたときに、前記ガス流量調整手段、前記原料液流量調整手段のいずれか一方又は両方を調整するようにしたことを特徴とするガスクラスレート製造装置。The gas flow rate adjusting means, the gas pressure adjusting means, and the raw material liquid flow rate adjusting means so that the heat generated when the raw material gas supplied to the line mixer is completely clathrated can be completely removed. A pressure detector for setting the raw material liquid pressure adjusting means, the cooling capacity of the cooling device, the length of the reaction pipe and the diameter of the reaction pipe, and detecting the pressure at the outlet of the reaction pipe, and the pressure detector A gas clathrate manufacturing apparatus characterized in that either or both of the gas flow rate adjusting means and the raw material liquid flow rate adjusting means are adjusted when the detected value of the gas exceeds a predetermined value.
前記ラインミキサーは、原料ガスの微細気泡を発生させるものであることを特徴とする請求項1又は2に記載のガスクラスレート製造装置。The gas clathrate manufacturing apparatus according to claim 1 or 2, wherein the line mixer generates fine bubbles of a raw material gas.
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