JP4355600B2

JP4355600B2 - ガスハイドレートの製造方法及び装置

Info

Publication number: JP4355600B2
Application number: JP2004077395A
Authority: JP
Inventors: 敬新井; 哲郎村山; 裕一加藤; 和芳松尾
Original assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Current assignee: Mitsui Engineering and Shipbuilding Co Ltd; Mitsui E&S Holdings Co Ltd
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2009-11-04
Anticipated expiration: 2024-03-18
Also published as: JP2005263675A

Description

本発明は、ガスハイドレート製造中の未反応水の割合に応じて最適な製造工程を配することにより、高純度のガスハイドレートを効率的に製造するガスハイドレートの製造方法及び装置に関するものである。

ガスハイドレートを製造するには、原料となる水と天然ガスの接触（気液接触）および生成熱の効率的な除去が必要である。純粋なガスハイドレートは、固体であるが、反応が進むにつれて気体（天然ガス）と、液体（水）および固体（ガスハイドレート）が混在するため、効率的な気液接触と伝熱能力（冷却能力）を維持することが困難になる。従って、その製造は、一般的に長時間を要する。

ガスハイドレートの製造を工業化して、高速、かつ、大量に製造しようとすると、水中に天然ガスを吹き込む方法（バブリング方式）（例えば、特許文献１参照。）や、ガス相に水をスプレーする方法（スプレー方式）（例えば、特許文献２参照。）などの従来法では、未反応水の多いスラリー状の低純度のガスハイドレートを製造するに止まる。

他方、液化天然ガス（ＬＮＧ）に代わる天然ガスの輸送手段としてガスハイドレート（ＮＧＨ）を用いる場合など、ガスハイドレートの高いガス包蔵能力（例えば、常圧で１ｍ³のメタンハイドレートには、１６４ｍ³のメタンが包蔵されていると言われている。）を利用するためには、未反応水の少ない高純度のガスハイドレートを製造する必要がある。

上記のバブリング方式や、スプレー方式などの従来法では、ガスハイドレートの製造時にスラリー状となるため、反応器の内壁へのガスハイドレートの付着により、伝熱係数の低下や、気液接触面積が減少し、高速に高純度化することが困難である。

ガスハイドレートの製造には、気液接触や、水中へのガス拡散など、反応に関わる部分や、熱交換の面から、回転翼などによる機械的な攪拌作用が有効であるが、従来のチューブ式の製造方法では、プラグフロー（押出し流れ）となり、反応管を流下するに連れ、内部での性状変化（液体→スラリー→固体）に、伝熱および反応の両面に起因する製造低下が生じ、ガスハイドレートの高純度化が困難である。また、スプレー式製造法でも液面表面における反応に止まり、高純度化は、困難である。

ハイドレートスラリーからの物理的な脱水を行う場合（例えば、特許文献３参照。）、高い脱水率（高純度化）を実現するには、脱水後の濾液にガスハイドレート粒子が混入することが避けられず、製品（高純度ガスハイドレート）の回収率は、低くなる問題がある。
特開２００３−８００５６号公報（第７−８頁、図１）特開２００３−１０５３６２号公報（第９頁、図２) 特開２００３−１０５３６２号公報（第７−１０頁、図２)

本発明は、上記のような問題を解消するためになされたものであり、その目的とするところは、ガスハイドレート製造中の未反応水の割合に応じて最適な製造工程を配することにより、高純度のガスハイドレートを効率的に製造するガスハイドレートの製造方法及び装置を提供することにある。

本発明は、係る目的を達成するため、本発明は、次のように形成されている。

請求項１に記載の発明は、原料ガスと水とを反応させて原料ガスと水との水和物であるガスハイドレートを製造するガスハイドレートの製造方法において、（ａ）前記原料ガスを水中へ分散するか又は水とミキシングして低純度のガスハイドレートスラリーを製造する第１生成工程と、（ｂ）該第１生成工程より流入した低純度のガスハイドレートスラリーを濾過して未反応水を除去する脱水工程と、（ｃ）該脱水工程で脱水したガスハイドレートを原料ガス及び／又は機械的攪拌手段によって攪拌混合しながら、ガスハイドレートに付着している残存水と原料ガスとを再反応させて高純度のガスハイドレートを製造する第２生成工程とからなり、前記脱水工程が、脱水器の下方から前記ガスハイドレートスラリーを供給し、前記脱水器の側方から未反応水を除去し、前記脱水器の上方から脱水したガスハイドレートを回収する重力式脱水工程であることを特徴とするガスハイドレートの製造方法である。

請求項２に記載の発明は、第１生成工程で製造した低純度のガスハイドレートスラリーを、スラリーポンプによって脱水工程に圧送する請求項１記載のガスハイドレートの製造方法である。

請求項３に記載の発明は、第２生成工程から抜き出した原料ガスに同伴したガスハイドレートを、原料ガスから分離した後、再度、第２生成工程に戻す請求項１記載のガスハイドレートの製造方法である。

請求項４に記載の発明は、原料ガスと水とを反応させて原料ガスと水との水和物であるガスハイドレートを製造するガスハイドレートの製造装置において、（ａ）前記原料ガスを水中へ分散するか又は水とミキシングして低純度のガスハイドレートスラリーを製造する第１生成器と、（ｂ）該第１生成器より流入した低純度のガスハイドレートスラリーを濾過して未反応水を除去する脱水器と、（ｃ）該脱水器で脱水したガスハイドレートを原料ガス及び／又は機械的攪拌装置によって攪拌混合しながら、ガスハイドレートに付着している残存水と原料ガスとを再反応させて高純度のガスハイドレートを製造する第２生成器とからなり、前記脱水器が、前記脱水器の下方から前記ガスハイドレートスラリーを供給し、前記脱水器の側方から未反応水を除去し、前記脱水器の上方から脱水したガスハイドレートを回収する重力式脱水器であることを特徴とするガスハイドレートの製造装置である。

請求項５に記載の発明は、第１生成器で製造した低純度のガスハイドレートスラリーを、スラリーポンプによって脱水器に圧送する請求項４記載のガスハイドレートの製造装置である。

請求項６に記載の発明は、第２生成器から抜き出した原料ガスに同伴するガスハイドレートを、原料ガスから分離した後、再度、第２生成器に戻す請求項４記載のガスハイドレートの製造装置である。

上記のように、本発明のガスハイドレートの製造方法は、原料ガスと水とを反応させて原料ガスと水との水和物であるガスハイドレートを製造するガスハイドレートの製造方法において、（ａ）前記原料ガスを水中へ分散するか又は水とミキシングして低純度のガスハイドレートスラリーを製造する第１生成工程と、（ｂ）該第１生成工程より流入した低純度のガスハイドレートスラリーを濾過して未反応水を除去する脱水工程と、（ｃ）該脱水工程で脱水したガスハイドレートを原料ガス及び／又は機械的攪拌手段によって攪拌混合しながら、ガスハイドレートに付着している残存水と原料ガスとを再反応させて高純度のガスハイドレートを製造する第２生成工程とから構成されているため、次のような優れた効果を有する。

（１）第１生成工程では、例えば、バブリング方式などによる原料ガスと原料水との気液接触により、気液接触面積（気泡の比表面積）を大きくできると共に、水を介して伝熱（冷却）を行うことができるため、純度５〜２０％程度の低濃度のガスハイドレートスラリーを容易に生成できる。

（２）本方法では、重力式の脱水器を用いることから、第１生成工程の製品性状としては、水分の多いスラリー状で十分である。

（３）純度２０〜４０％程度のガスハイドレートスラリーは、スラリーとしては高濃度であり、付着性が強いため、反応容器や流路内壁に付着し、伝熱係数の低下や閉塞を引き起こす危険がある。従って、流動性の低いガスハイドレートの取り扱いは、極力、避けるべきであり、脱水器を経ることで物理的に水分を除去し、付着性を低下させる。毛管現象を利用した脱水器は、プラグフローによる連続処理が可能なため、流路の切換えやスラリーの滞留が生じるフィルタープレスなどの圧搾式に比べガスハイドレートスラリーの流動性、付着性に影響されることが少ない。また、圧搾式のような機械的な部分がないため、構造を簡素化できる。

（４）純度２０〜４０％程度のガスハイドレートスラリーでは、１次粒子間の液体架橋のために、比表面積が減少し、反応速度が低下するが、脱水器で未反応の水分が除去され、約５０〜７０％程度まで純度が上がったガスハイドレートは、流動性の良い乾いた状態となり、第２生成工程でのハンドリング性が向上し、反応速度の低下を防ぐことができる。

（５）第２生成工程で循環ガス流量が大きい場合、循環流動層となり、流動層内のガスハイドレート粒子を、ガス流に同伴する微粒子と、流動層内に止まる粗粒に分級することも可能である。

（６）ガスハイドレートの製造を３つのステージに分け、各ステージで未反応水の量（ガスハイドレートの純度）に応じて変化する付着性、粒度、反応性、ハンドリング性に対して最適な状態で運転制御することが容易になる。

他方、本発明のガスハイドレート製造装置は、原料ガスと水とを反応させて原料ガスと水との水和物であるガスハイドレートを製造するガスハイドレートの製造装置において、（ａ）前記原料ガスを水中へ分散するか又は水とミキシングして低純度のガスハイドレートスラリーを製造する第１生成器と、（ｂ）該第１生成器より流入した低純度のガスハイドレートスラリーを濾過して未反応水を除去する脱水器と、（ｃ）該脱水器で脱水したガスハイドレートを原料ガス及び／又は機械的攪拌装置によって攪拌混合しながら、ガスハイドレートに付着している残存水と原料ガスとを再反応させて高純度のガスハイドレートを製造する第２生成器とから構成されているため、次のような優れた効果を有する。

（１）第１生成器では、例えば、バブリング方式などによる原料ガスと原料水との気液接触により、気液接触面積（気泡の比表面積）を大きくできると共に、水を介して伝熱（冷却）を行うことができるため、純度５〜２０％程度の低濃度のガスハイドレートスラリーを容易に生成できる。

（２）本装置では、重力式の脱水器を用いることから、第１生成工程の製品性状としては、水分の多いスラリー状で十分である。

（５）第２生成器で循環ガス流量が大きい場合、循環流動層となり、流動層内のガスハイドレート粒子を、ガス流に同伴する微粒子と、流動層内に止まる粗粒に分級することも可能である。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
（１）実施形態１
先ず、第１生成器と脱水器を一体化した場合を例に取る。

図１は、本発明のガスハイドレート製造方法を実施するガスハイドレート製造装置の概略構成図であり、ガスハイドレート製造装置は、第１生成器１、脱水器２、第２生成器３、冷却器４、脱圧装置５および貯蔵部６を備えている。尚、粉体状のガスハイドレートをペレット状に成型するペレット製造装置７を設けても良い。この場合、ペレット製造装置７は、脱圧装置５の前後のどちらに設けても良い。

この第１生成器１は、筒体８を縦長に設けたものであり、そのほぼ中程に金網や焼結板からなる濾過部９を備えると共に、その外側にジャケット状の液溜部１０を有し、脱水器２の濾過部９を通過した原料水ｗおよび原料ガス（天然ガス）ｇを貯留するようにしている。

ここで、第１生成器として、原料ガスを気泡として原料水の中に分散させるバブリング方式の反応器を用いた例を示す。すなわち、この例では、原料ガスｇを気泡として原料水ｗの中に分散させるため、第１生成器の筒体８内に無数のガス噴出孔を持つガス分散器１１を設けている。

このガス分散器には、第１生成器の筒体８内に、単にチューブを差し込む方式のほか、多孔板や焼結板を使用することができる。この他、第１生成器には、筒体８内にねじり羽根を設置した静止型混合器を用いて気液混合を行ったり、水中への原料ガスｇの分散とともに、機械的に攪拌を行うことも可能である。

上記液溜部１０の原料水ｗは、循環水ポンプ１２によって第１生成器の筒体８に戻されるが、その間に循環水冷却器１３によって反応熱が除去される。他方、液溜部１０の原料ガスｇは、循環ガスブロワ１４によって既に説明したガス分散器１１に供給される。

ここで、ガスハイドレートの生成量に応じて第１生成器１には、原料水ポンプ１５によって原料水ｗが補給され、原料ガス圧縮機１６によって原料ガスｇが補給される。

ここで、原料水補給管１７は、液溜部１０の水を第１生成器１に戻す配管１８に接続し、原料ガス補給管１９は、液溜部１０の原料ガスをガス分散器１１に供給する配管２０に接続している。

第１生成器１の上端には、スクリューフィーダ等の搬送装置２１がほぼ水平に設けられ、脱水器２によって脱水され、湿潤状態のガスハイドレートａを第２生成器３に供給するようになっている。

第２生成器３は、脱水により流動性を増したガスハイドレート粒子が供給され、機械的あるいは流体的な攪拌効果を利用して気液接触と伝熱を促進し、残った水分と原料ガスｇを反応させてガスハイドレートを生成し、ガスハイドレートの純度を高めるようになっている。

ここで、攪拌手段としては、攪拌羽根やボールミルによる機械的な攪拌手段、流動層などの流体的な攪拌手段を利用することができる。

前記第２生成器３は、筒状の流動層部３ａと、それより大径のガス溜め部３ｂと、それらを結合する漏斗状部３ｃにより形成され、その外側に冷却ジャケット３ｄが設けられている。

更に、第２生成器３は、外部にサイクロン型の捕集装置２３を備え、循環ガスブロワ２４によって吸引されたガスハイドレートａを捕集して流動層部３ａに戻すようになっている。また、循環ガスブロワ２４によって吸引された原料ガスは、循環ガス冷却器２５によって冷却された後、第２生成器の流動層部３ａ内に設けたガス分散器２６に供給されるようになっている。

上記循環ガスブロワ２４および循環ガス冷却器２５を含む管路２７には、原料ガス補給管２８から原料ガスｇを補給するようにしている。また、冷却ジャケット３ｄには、冷媒としてブラインｂを導入するようにしている。

次に、このガスハイドレート製造装置の作用について説明する。

図２に示すように、第１生成器１の筒体８には、循環水冷却器１３によって所定温度（天然ガスハイドレートの場合、例えば、１〜３℃。）に冷却された原料水ｗが、常時、供給され、余分な水は、脱水器２を通過して液溜部１０に流下した後、循環水ポンプ１２により、再度、第１生成器１の筒体８に供給される。

続いて、循環ガスブロワ１４を稼働すると、液溜部１０内の高圧（例えば、５０ｋｇ／ｃｍ²。）の原料ガスｇがガス分散器１１から微細な無数の気泡となって立ち昇りながら、原料水ｗと気液接触し、低純度（例えば、純度２０％程度）のガスハイドレートスラリーとなる。

スラリー内のガスハイドレート粒子は、浮力と原料水の流れに乗って第１生成器１の筒体８内を上昇し、脱水器２の部分にハイドレートベッド（粒子層）Ａを形成する。

脱水器２に達したスラリーは、脱水器２の濾過部９で濾液（未反応水）が排出され、その上方には、純度５０〜７０％程度にまで脱水されたガスハイドレートａの粒子層が押し上げられる。この粒子層Ａ内を第２生成器３内の原料ガスｇの一部が向流的に通過し、脱水器２の濾過部９より液溜部１０内に排出されるため、粒子層Ａの脱水性が向上する。また、原料ガスｇの一部は、粒子層表面の未反応水と反応し、ガスハイドレート化することが期待できる。

ここで、ガスハイドレートａの生成量に応じて水補給管１７から原料水ｗが補給され、ガス補給管１９から天然ガスｇが補給される。

第１生成器１の上端に達した粒子層Ａは、スクリューフィーダ等の搬送装置２１によって第２生成器３の流動層部３ａに供給される。第２生成器３の流動層部３ａに供給された湿潤粉体状のガスハイドレートａは、第２生成器の流動層部３ａの底部に設けたガス分散器２６から噴出している原料ガスｇによって、常時、吹き上げられ、流動化する。

そして、原料ガスとガスハイドレートの表面の未反応水とが反応してガスハイドレート化し、純度９０〜９５％程度の高純度のガスハイドレートとなる。このガスハイドレートの生成量に応じてガス補給管２８から原料ガスｇが補給される。

循環ガスブロワ２４によって吸引されたガスハイドレートａの一部は、サイクロン型の捕集装置２３によって捕集して第２生成器の流動層部３ａに戻される。

製品、すなわち、高純度のガスハイドレートは、冷却器４で所定温度（例えば、−２０℃〜−１５℃）に冷却して自己保存効果を付与した後、脱圧装置５で減圧した後（例えば、５０ｋｇ／ｃｍ²→１ｋｇ／ｃｍ²）、ペレット製造装置７で所定の大きさおよび形状に成型した後、貯蔵部６に貯蔵される。
（２）実施形態２
次に、第１生成器と脱水器とを分離した場合について説明する。

ガスハイドレートスラリーの脱水性が優れている場合には、図３に示すように、第１生成器（結晶缶）３１により、例えば、５％程度の非常に低濃度のガスハイドレートスラリーｓを製造した後、大量に脱水処理することも可能である。

この場合には、第１生成器（結晶缶）３１では、流動を妨げない程度のスラリーとすれば良く、第１生成器（結晶缶）３１に原料水ｗと原料ガスｇを供給し、攪拌機３２で攪拌するなど、全体が低濃度のスラリーｓとなるようにする。必要であれば、内部に伝熱管３３を挿入したり、結晶缶３１をジャケット構造として冷却する。

この第１生成器（結晶缶）３１で製造された低濃度のガスハイドレートスラリーｓは、スラリーポンプ３４によって脱水器３５の底部に供給される。

この脱水器３５は、重力濾過や毛管現象を利用した脱水方法を採用し、縦長の筒体３６のほぼ中程に金網や焼結板からなる濾過部３７を備えると共に、その外側にジャケット状の液溜部３８を有し、濾過部３７を通過した原料水ｗおよび原料ガスｇを貯留するようにしている。

液溜部３８の原料水ｗは、循環水ポンプ３９によって第１生成器（結晶缶）３１に戻されるが、その間に循環水冷却器４０によって所定温度に冷却される。他方、液溜部３８の原料ガスｇは、循環ガスブロワ４１によって第１生成器（結晶缶）３１に戻される。

脱水器３５で脱水され、例えば、５０〜７０％程度に純度の上がったガスハイドレートは、脱水器３５の上端に設けたスクリューフィーダ等の搬送装置４２によって図示しない第２生成器に供給される。

第１生成器（結晶缶）３１によってガスハイドレートの製造が進行するに連れ、第１生成器（結晶缶）３１には、原料水ポンプ４３によって原料水ｗが補給され、原料ガス圧縮機４４によって原料ガスｇが補給される。

本発明に係るガスハイドレート製造装置の概略構成図である。このガスハイドレート製造装置の作用説明図である。第１生成器と脱水器とを分離した場合の概略構成図である。

符号の説明

ａガスハイドレート
ｇ原料ガス
ｓガスハイドレートスラリー
ｗ水
１，３１第１生成器
２，３５脱水器
３第２生成器

Claims

原料ガスと水とを反応させて原料ガスと水との水和物であるガスハイドレートを製造するガスハイドレートの製造方法において、
（ａ）前記原料ガスを水中へ分散するか又は水とミキシングして低純度のガスハイドレートスラリーを製造する第１生成工程と、
（ｂ）該第１生成工程より流入した低純度のガスハイドレートスラリーを濾過して未反応水を除去する脱水工程と、
（ｃ）該脱水工程で脱水したガスハイドレートを原料ガス及び／又は機械的攪拌手段によって攪拌混合しながら、ガスハイドレートに付着している残存水と原料ガスとを再反応させて高純度のガスハイドレートを製造する第２生成工程とからなり、
前記脱水工程が、脱水器の下方から前記ガスハイドレートスラリーを供給し、前記脱水器の側方から未反応水を除去し、前記脱水器の上方から脱水したガスハイドレートを回収する重力式脱水工程であることを特徴とするガスハイドレートの製造方法。
第１生成工程で製造した低純度のガスハイドレートスラリーを、スラリーポンプによって脱水工程に圧送する請求項１記載のガスハイドレートの製造方法。
第２生成工程から抜き出した原料ガスに同伴したガスハイドレートを、原料ガスから分離した後、再度、第２生成工程に戻す請求項１記載のガスハイドレートの製造方法。
原料ガスと水とを反応させて原料ガスと水との水和物であるガスハイドレートを製造するガスハイドレートの製造装置において、
（ａ）前記原料ガスを水中へ分散するか又は水とミキシングして低純度のガスハイドレートスラリーを製造する第１生成器と、
（ｂ）該第１生成器より流入した低純度のガスハイドレートスラリーを濾過して未反応水を除去する脱水器と、
（ｃ）該脱水器で脱水したガスハイドレートを原料ガス及び／又は機械的攪拌装置によって攪拌混合しながら、ガスハイドレートに付着している残存水と原料ガスとを再反応させて高純度のガスハイドレートを製造する第２生成器とからなり、
前記脱水器が、前記脱水器の下方から前記ガスハイドレートスラリーを供給し、前記脱水器の側方から未反応水を除去し、前記脱水器の上方から脱水したガスハイドレートを
回収する重力式脱水器であることを特徴とするガスハイドレートの製造装置。
第１生成器で製造した低純度のガスハイドレートスラリーを、スラリーポンプによって脱水器に圧送する請求項４記載のガスハイドレートの製造装置。
第２生成器から抜き出した原料ガスに同伴するガスハイドレートを、原料ガスから分離した後、再度、第２生成器に戻す請求項４記載のガスハイドレートの製造装置。