JP4564836B2

JP4564836B2 - ハイドレート後処理装置およびハイドレート粒径制御方法

Info

Publication number: JP4564836B2
Application number: JP2004351052A
Authority: JP
Inventors: 正浩高橋; 新井　　敬; 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: 2004-12-03
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2010-10-20
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: JP2006160820A

Description

本発明は、ハイドレート後処理装置およびハイドレート粒径制御方法にかかり、特に、均一且つ最適な粒径のハイドレート粒子が得られるハイドレート後処理装置、およびハイドレート後処理装置におけるハイドレート粒径制御方法に関する。

ハイドレート製造ラインとしては、水とメタンガスなどのハイドレート形成ガスとを所定の温度、圧力下で接触させてハイドレートを生成させる一次生成器と、一次生成器で生成したハイドレートに更にハイドレート形成ガスを接触させてハイドレートの純度を高める二次生成器（水和脱水器）とを備えるものが検討されている（特許文献１、２）。

そして、純度だけでなく乾燥度の高いハイドレート粒子が容易に得られるという点から、二次生成器として流動層反応器を用いることが検討されている。
特開２００３−０４１２７３号公報特開２００３−１０５３６２号公報

ハイドレート粒子の粒径が小さいと、表面積が大きくなるからハイドレートの生成速度も大きくなるが、ハイドレートの保存条件として検討されている大気圧、−２０℃での安定性が低い。

したがって、二次生成器では、ハイドレート粒子の粒径を、ハイドレートの生成速度がある程度大きく、しかも前記保存条件での安定性も良好な最適値になるように制御する必要がある。

また、二次生成器に流動層反応器を使用した場合において、ハイドレート粒子の粒径が揃っていないと、流動層反応器内部においてハイドレート粒子が安定に流動しないという問題が生じる。したがって、二次生成器においては、ハイドレート粒子の粒径の均一性が高くなるように条件を制御する必要がある。

しかしながら、流動層反応器は高圧容器なので、目視で粒径を監視して粒径を制御するのは困難である。

本発明は、上記問題を解決すべく成されたもので、目視で粒径を監視することなく、均一性が高く最適な粒径のハイドレート粒子が得られる二次生成器などのハイドレート後処理装置、および前記ハイドレート後処理装置においてハイドレート粒子の粒径を制御するハイドレート粒径制御方法の提供を目的とする。

請求項１に記載の発明は、水とハイドレート形成ガスとを接触させて得られたハイドレート粒子を後処理するハイドレート後処理装置であって、前記ハイドレート粒子が、下方から導入されたハイドレート形成ガスによって流動状態に保持される流動層反応器と、前記流動層反応器を流動するハイドレート粒子の粒径を求めるハイドレート粒径測定手段と、前記ハイドレート粒径測定手段で求められたハイドレート粒子の粒径に基づき、前記流動層反応器に導入されるハイドレート形成ガスの温度および前記流動層反応器内部の温度を制御してハイドレート粒子の粒径を制御するハイドレート粒径制御手段とを備えてなり、前記ハイドレート粒径制御手段においては、前記ハイドレート形成ガスおよび前記流動層反応器内部の少なくとも一方の温度を、前記ハイドレート粒径測定手段で求めたハイドレート粒子の粒径が所定範囲よりも小さいときは高くし、前記ハイドレート粒子の粒径が所定範囲よりも大きなときは低くすることを特徴とするハイドレート後処理装置に関する。

前記ハイドレート後処理装置は、一次生成器で生成したハイドレートに脱水や冷却などの各種後処理を施し、純度の高いハイドレートとするための装置である。

流動層反応器においては、反応器内部の温度を高くしたり、導入されるハイドレート形成ガスの温度を高くしたりすれば、生成するハイドレート粒子の粒径は小さくなり、反対に、反応器内部の温度を低くしたり、導入されるハイドレート形成ガスの温度を低くしたりすれば、生成するハイドレート粒子の粒径は大きくなる。

前記ハイドレート後処理装置においては、流動層反応器内のハイドレートの粒径が所定範囲よりも小さいときは、ハイドレート形成ガスおよび前記流動層反応器内部の少なくとも一方の温度を高くしてハイドレート粒子の粒径を増大させる。そして、流動層反応器内のハイドレートの粒径が所定範囲よりも大きなときは、ハイドレート形成ガスおよび前記流動層反応器内部の少なくとも一方の温度を低くしてハイドレート粒子の粒径を減少させる。

これにより、所定の均一な粒径を有するハイドレート粒子が流動層反応器内に形成されるから、流動層反応器内のハイドレート粒子の流動状態は安定する。

また、前述のように、ハイドレート粒径測定手段で求めたハイドレート粒子の粒径に基づいてハイドレート粒径制御手段でハイドレート粒径を制御しているから、高圧容器である流動層反応器においてオペレータが目視で粒径を監視しつつ、反応条件を制御する必要がなく、操作性が向上する。

なお、前記ハイドレート後処理装置においては、流動層反応器の前段に物理的脱水や水和脱水を行なう脱水器を設け、一次生成器で生成したハイドレート粒子から予め余分な水分を除去するようにしてもよい。

ハイドレート形成性ガスとしては、天然ガス、メタン、エタン、プロパン、ブタン、二酸化炭素、酸素、窒素、水素のように、水とハイドレートを形成するガスが挙げられる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のハイドレート後処理装置において、前記ハイドレート粒径測定手段が、流動層反応器中を流動するハイドレート粒子を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で撮像されたハイドレート粒子の画像データに基づいて前記ハイドレート粒子の平均粒径を求める平均粒径算出手段とを備えるハイドレート後処理装置に関する。

前記ハイドレート後処理装置においては、平均粒径算出手段で算出されたハイドレート粒子の平均粒径が所定の範囲の値になるように、導入されるハイドレート形成ガスおよび前記流動層反応器内部の温度を制御する。

平均粒径算出手段は、撮像手段で撮像されたハイドレート粒子の画像データ基づいてハイドレート粒子の平均粒径を算出しているから、ハイドレート粒子の粒径分布が変化したときに、リアルタイムでハイドレート粒子の粒径制御を行なうことができる。

請求項３に記載の発明は、水とハイドレート形成ガスとを接触させて生成させたハイドレート粒子を、流動層反応器内において、ハイドレート形成ガスによって流動させるハイドレート後処理装置において、前記ハイドレートの粒径を所定の平均粒径に制御するハイドレート粒径制御方法であって、前記反応器内を流動するハイドレート粒子の粒径を求めるハイドレート粒径測定工程と、前記ハイドレート粒径測定工程で求められたハイドレート粒子の粒径に基づき、前記流動層反応器に導入されるハイドレート形成ガスの温度および前記流動層反応器内部の温度を制御してハイドレート粒子の粒径を制御するハイドレート粒径制御工程とを有し、前記ハイドレート粒径制御工程においては、前記ハイドレート形成ガスおよび前記流動層反応器内部の少なくとも一方の温度を、前記ハイドレート粒径測定手段で求めたハイドレート粒子の粒径が所定範囲よりも小さいときは高くし、前記ハイドレート粒子の粒径が所定範囲よりも大きなときは低くすることを特徴とするハイドレート粒径制御方法に関する。

前記ハイドレート粒径制御方法においては、流動層反応器内のハイドレートの粒径が所定範囲よりも小さいときは、ハイドレート形成ガスおよび前記流動層反応器内部の少なくとも一方の温度を高くしてハイドレート粒子の粒径を増大させる。そして、流動層反応器内のハイドレートの粒径が所定範囲よりも大きなときは、ハイドレート形成ガスおよび前記流動層反応器内部の少なくとも一方の温度を低くしてハイドレート粒子の粒径を減少させる。

これにより、所定の均一な粒径を有するハイドレート粒子が流動層反応器内に形成され、流動層反応器内のハイドレート粒子の流動状態は安定する。

ハイドレート粒径測定工程で求めたハイドレート粒子の粒径に基づいてハイドレート粒径を制御しているから、高圧容器である流動層反応器においてオペレータが目視で粒径を監視しつつ、反応条件を制御する必要がなく、ハイドレート後処理装置の操作性が向上する。

以上説明したように本発明によれば、目視で粒径を監視することなく、均一性が高く最適な粒径のハイドレート粒子が得られるハイドレート後処理装置およびハイドレート粒径制御方法が提供される。

１．実施形態１
以下、本発明に係るハイドレート後処理装置の一例である二次生成器を備えるハイドレート製造ラインについて説明する。

実施形態１に係るハイドレート製造ライン１０００は、図１に示すように、水と天然ガスとからハイドレートを生成させる一次生成器１００と、一次生成器１００で生成したハイドレートを脱水するハイドレート脱水塔２００と、ハイドレート脱水塔２００で脱水されたハイドレートに天然ガスを接触させてハイドレートの純度を高める二次生成器３００とを備えている。

一次生成器１００は、水と天然ガスとを接触させてハイドレートを生成させる反応タンク１０２と、反応タンク１０２に水を供給する給水ライン１０４と、反応タンク１０２に天然ガスを供給する天然ガス供給ライン１０６と、反応タンク１０２内で水と天然ガスとを攪拌する攪拌羽根１０８と、天然ガス供給ライン１０６から供給された天然ガスのうち、水と反応しなかったものを反応タンク１０２に戻すガス循環ライン１１０と、反応タンク１０２内で生成したハイドレートのスラリーを抜き出して循環させるスラリー循環ライン１１２とを備える。

ガス循環ライン１１０は、一端が、反応タンク１０２の頂部近傍に開口し、他端は、反応タンク１０２底部近傍に配設されたガス吹出し管１１４に連通している。ガス循環ライン１１０には、コンプレッサ１１０Ａおよび熱交換器１１０Ｂが介装されている。

スラリー循環ライン１１２には、ポンプ１１２Ａおよび熱交換器１１２Ｂが介装されているとともに、ポンプ１１２Ａと熱交換器１１２Ｂとの間から、ハイドレートのスラリーを外部に抜き出すハイドレート抜出ライン１１６が分岐している。

一次生成器１００は、更に、未反応の天然ガスを反応タンク１０２から抜き出して二次生成器３００に導入するガス導出ライン１２０を有する。

ハイドレート脱水塔２００は、略直立円筒状であり、ハイドレート抜出ライン１１６を介して底部からハイドレートのスラリーが導入される。ハイドレート脱水塔２００の上半部には、脱水スクリーン部２０２が形成され、脱水スクリーン部２０２には、平均孔径がたとえば５０μｍの孔が全面に多数形成された脱水スクリーン２０４が設けられている。脱水スクリーン部２０２の外側には、脱水スクリーン部２０２でハイドレート粒子から分離された水を回収する水回収ジャケット２０６が設けられている。水回収ジャケット２０６と反応タンク１０２との間には、水回収ジャケット２０６に溜まった水を反応タンク１０２に戻す水戻りライン１１８が設けられている。

ハイドレート脱水塔２００の頂部には、ハイドレート脱水塔２００で脱水されたハイドレート粒子を二次生成器３００に装入するスクリューコンベアである脱水ハイドレート搬送コンベア２０８が設けられている。

二次生成器３００は、流動層反応器３０２と、流動層反応器３０２の底部に設けられ、上方に向かって天然ガスを噴射するガス吹出し管３０４と、流動層反応器３０２の外壁に設けられ、内部を冷媒が流通して流動層反応器３０２の内部を所定の温度に保持するジャケット３０６と、流動層反応器３０２の頂部から天然ガスとハイドレート粒子との混合スラリーを抜き出して流動層反応器３０２の底部に戻すスラリー循環ライン３０８とを有する。スラリー循環ライン３０８の途中にはスラリーを天然ガスとハイドレート粒子とに分離するサイクロン３１０が設けられている。

サイクロン３１０からは、スラリーから分離された天然ガスを流動層反応器３０２に戻すガス戻りライン３１２が分岐し、ガス吹出し管３０４に連通している。ガス戻りライン３１２には、コンプレッサ３１２Ａおよび熱交換器３１２Ｂが介装されている。

流動層反応器３０２の内部には、流動するハイドレート粒子を撮像するＣＣＤカメラ３１４が設けられている。

二次生成器３００には、更に、ＣＣＤカメラで撮像された画像からハイドレート粒子の平均粒径を求め、求めたハイドレート粒子の平均粒径に基づいてジャケット３０６を流れる冷媒の量と温度、およびガス戻りライン３１２を流動層反応器３０２に戻る天然ガスの温度を制御する二次生成器制御部３５０が設けられている。また、ガス戻りライン３１２の熱交換器３１２Ｂとガス吹出し管３０４との間、および流動層反応器３０２の内部には、夫々温度センサ３５１および温度センサ３５２が設けられ、温度センサ３５１および温度センサ３５２における温度検知結果も二次生成器制御部３５０に入力される。これにより、熱交換器３１２Ｂおよびジャケット３０６を流れる冷媒の制御が正しい方向に沿って行なわれるようにフィードバックがかけられる。

流動層反応器３０２の底部近傍には、ハイドレート粒子を取り出すスクリューコンベアである取出しコンベア３１６が設けられている。

二次生成器３００の下流には、取出しコンベア３１６で取り出されたハイドレート粒子を造粒、成形する成形器４００が設けられている。

以下、ハイドレート製造ライン１０００の作用について説明する。

一次生成器１００では、給水ライン１０４から供給された所定温度の水および天然ガス供給ライン１０６から供給された所定温度の天然ガスが、所定温度および圧力に保持された反応タンク１０２内で接触してハイドレートのスラリーが生成する。

余剰の天然ガスは、ガス循環ライン１１０を通ってガス吹出し管１１４から反応タンク１０２中のスラリー層中に噴出される。

生成したハイドレートのスラリーは、スラリー循環ライン１１２を通って反応タンク１０２に戻される一方、前記スラリーの一部はハイドレート抜出ライン１１６から抜き出されてハイドレート脱水塔２００の底部に導入される。

ハイドレート脱水塔２００において、スラリーは水とハイドレート粒子とに分離し、水よりも比重の小さいハイドレート粒子は、ハイドレート脱水塔２００中を浮上し、ハイドレート脱水塔２００の頂部に集まる。そして、脱水スクリーン部２０２においてハイドレート粒子の間の水が脱水スクリーン２０４を通って水回収ジャケット２０６に押し出される。水回収ジャケット２０６に押し出された水は、水戻りライン１１８を通って反応タンク１０２に戻される。

一方、脱水後のハイドレート粒子は、脱水ハイドレート搬送コンベア２０８によってハイドレート脱水塔２００の頂部から抜き出され、二次生成器３００の流動層反応器３０２に導入される。

流動層反応器３０２の内部は、ジャケット３０６によって所定の温度に保持されていると同時に、ガス導出ライン１２０から導入された天然ガスや、ガス吹出し管３０４から噴出する天然ガスによって所定の圧力に保持されている。そして、流動層反応器３０２に導入されたハイドレート粒子は、ガス吹出し管３０４から吹き出す天然ガスによって流動状態に保持される。

したがって、前記ハイドレート粒子は、流動層反応器３０２の内部で再び天然ガスと接触するから、ハイドレート粒子中の水と前記天然ガスとが反応して新たにハイドレートが生成する。これにより、ハイドレート粒子は乾燥されると同時に、ハイドレート純度が高まる。更に、粒径が増大するとともに、粒径分布も均一化される。

このようにしてハイドレート純度が高まり、粒径分布が均一化されたハイドレート粒子は、取出しコンベア３１６で流動層反応器３０２の外部に取り出され、成形器４００で造粒、成形されて製品になる。

ここで、流動層反応器３０２の内部においては、ＣＣＤカメラ３１４によって、ハイドレート粒子が連続的に撮像される。ＣＣＤカメラ３１４で撮像されたハイドレート粒子の画像の一例を図２に示す。

二次生成器制御部３５０においては、ＣＣＤカメラ３１４からハイドレート粒子の画像データが入力されると、ＣＣＤカメラ３１４で撮像されたハイドレート粒子の画像の夫々についてピクセル何個分に相当するかを求め、ピクセルの個数から、各ハイドレート粒子の画像面積Ｓを求める。そして、前記画像が円形であると仮定したときに画像面積Ｓ＝πｄ²／４を与える直径ｄを前記ハイドレート粒子の粒径とする。

次ぎに、ハイドレート粒子の粒径ｄと個数ｎとの関係を求める。

そして、粒径ｄと個数ｎとから、平均径Ｄを求める。平均径Ｄを求める式は、以下のようなものがある。

ａ．個数平均径Ｄ１＝Σ（ｎｄ）／Σｎ
ｂ．長さ平均径Ｄ２＝Σ（ｎｄ²）／Σｎｄ
ｃ．面積平均径Ｄ３＝Σ（ｎｄ³）／Σｎｄ²
ｄ．体積平均径Ｄ４＝Σ（ｎｄ⁴）／Σｎｄ³
これらの式のうちでは、面積平均径Ｄ３が最も好ましい。

このようにして求めた平均径Ｄが、予め定められた所定範囲よりも小さいときは、二次生成器制御部３５０は、ジャケット３０６を流通する冷媒の流量を絞るか、または冷媒の温度を上げるかして流動層反応器３０２内部の温度を上昇させる。同時に、熱交換器３１２Ｂを制御し、ガス吹出し管３０４から噴出される天然ガスの温度を上昇させる。これにより、流動層反応器３０２内のハイドレート粒子の粒径は増大する。

反対に、平均径Ｄが、前記所定範囲よりも小さいときは、二次生成器制御部３５０は、ジャケット３０６を流通する冷媒の流量を増大させるか、または冷媒の温度を下げるかして流動層反応器３０２内部の温度を下降させる。同時に、熱交換器３１２Ｂを制御し、ガス吹出し管３０４から噴出される天然ガスの温度を下降させる。これにより、流動層反応器３０２内のハイドレート粒子の粒径は減少する。

一方、平均径Ｄが前記所定範囲内にあるときは、ジャケット３０６を流通する冷媒の流量と温度、およびガス吹出し管３０４から噴出される天然ガスの温度は、そのままに維持される。

実施形態１に係るハイドレート製造ライン１０００においては、流動層反応器３０２内のハイドレート粒子をＣＣＤカメラ３１４で連続的に撮影しているから、リアルタイムで流動層反応器３０２内のハイドレート粒子の平均径Ｄが求められる。そして、このようにリアルタイムで求められた平均径Ｄに基づいて流動層反応器３０２内の温度およびガス吹出し管３０４から噴出される天然ガスの温度を制御しているから、ハイドレート粒子の粒径の制御において制御遅れがない。

以上、ハイドレート粒径測定手段としてＣＣＤカメラのような撮像手段を使用する例について説明したが、ハイドレート粒径測定手段としては、レーザ照射式の粒径測定装置も使用できる。

実施形態１に係るハイドレート製造ラインの構成を示すブロック図である。図１に示すハイドレート製造ラインにおいて、二次生成器の備える流動層反応器内におけるハイドレート粒子をＣＣＤカメラで撮像した画像の一例である。

符号の説明

１００一次生成器
２００ハイドレート脱水塔
２０２脱水スクリーン部
２０４脱水スクリーン
２０６水回収ジャケット
２０８脱水ハイドレート搬送コンベア
３００二次生成器
３０２流動層反応器
３０４ガス吹出し管
３０６ジャケット
３０８スラリー循環ライン
３１０サイクロン
３１２ガス戻りライン
３１２Ａコンプレッサ
３１２Ｂ熱交換器
３１４ＣＣＤカメラ
３５０二次生成器制御部
３５１温度センサ
３５２温度センサ
４００成形器
１０００ハイドレート製造ライン

Claims

水とハイドレート形成ガスとを接触させて得られたハイドレート粒子を後処理するハイドレート後処理装置であって、
前記ハイドレート粒子が、ハイドレート形成ガス流によって流動状態に保持される流動層反応器と、
前記流動層反応器内を流動するハイドレート粒子の粒径を求めるハイドレート粒径測定手段と、
前記ハイドレート粒径測定手段で求めたハイドレート粒子の粒径に基づき、前記流動層反応器に導入されるハイドレート形成ガスの温度および前記流動層反応器内部の温度を制御してハイドレート粒子の粒径を制御するハイドレート粒径制御手段とを
備えてなり、
前記ハイドレート粒径制御手段においては、前記ハイドレート形成ガスおよび前記流動層反応器内部の少なくとも一方の温度を、前記ハイドレート粒径測定手段で求めたハイドレート粒子の粒径が所定範囲よりも小さいときは高くし、前記ハイドレート粒子の粒径が所定範囲よりも大きなときは低くすることを特徴とするハイドレート後処理装置。
前記ハイドレート粒径測定手段は、流動層反応器中を流動するハイドレート粒子を撮像する撮像手段と、前記撮像手段で撮像されたハイドレート粒子の画像データに基づいて前記ハイドレート粒子の平均粒径を求める平均粒径算出手段とを備える請求項１に記載のハイドレート後処理装置。
水とハイドレート形成ガスとを接触させて生成させたハイドレート粒子を、流動層反応器内において、ハイドレート形成ガスによって流動させるハイドレート後処理装置において、前記ハイドレートの粒径を所定の平均粒径に制御するハイドレート粒径制御方法であって、
前記反応器内を流動するハイドレート粒子の粒径を求めるハイドレート粒径測定工程と、
前記ハイドレート粒径測定工程で求められたハイドレート粒子の粒径に基づき、前記流動層反応器に導入されるハイドレート形成ガスの温度および前記流動層反応器内部の温度を制御してハイドレート粒子の粒径を制御するハイドレート粒径制御工程とを
有し、
前記ハイドレート粒径制御工程においては、前記ハイドレート形成ガスおよび前記流動層反応器内部の少なくとも一方の温度を、前記ハイドレート粒径測定手段で求めたハイドレート粒子の粒径が所定範囲よりも小さいときは高くし、前記所定範囲よりも大きなときは低くすることを特徴とするハイドレート粒径制御方法。