JP4620422B2 - ハイドレート生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、反応タンク内に天然ガスなどの原料ガスを導入すると共に水を噴射し、ガスハイドレートを生成するハイドレート生成装置に関する。

従来から、反応タンク内に水と天然ガスを導入し、所定温度及び所定圧力下で天然ガスハイドレート（Ｎａｔｕｒａｌ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅ）を生成するハイドレート生成装置が開発されている。

このハイドレート生成装置としては、例えば、反応タンク内の上部のノズルに冷水を供給する配管パイプを備え、この配管パイプ内に天然ガスを導入する、２流体ノズル方式が提案されている。この方式では、ノズルの上流側で冷水と天然ガスが混合され、ノズルから反応タンク内に噴射される。反応タンク内では、低温、高圧下で水と天然ガスが反応して天然ガスハイドレートが生成される。生成した天然ガスハイドレートは反応タンク内の底部に溜まった水面上から排出手段により外部に排出され、反応タンク内の底部に溜まった水がポンプで循環され、配管パイプを通してノズルから反応タンク内に噴射される（例えば特許文献１を参照）。

また、ハイドレート生成装置の別のタイプとして、反応タンク内にノズルから水を噴射すると共に、別の導入パイプから天然ガスを反応タンク内に供給する、１流体ノズル方式が提案されている。このタイプでも同様に、生成した天然ガスハイドレートが反応タンク内の底部に溜まった水面上から、ハイドレート回収手段により外部に排出され、反応タンク内の底部に溜まった水がポンプで循環され、ノズルから反応タンク内に噴射される（例えば特許文献２を参照）。
特開２０００−３０９７８５号公報 特開２０００−２６４８５１号公報

このようなハイドレート生成装置では、反応タンク内に溜まった水から浮遊した天然ガスハイドレートを回収して水のみを循環させるが、水中から天然ガスハイドレートを完全に除去することが難しい。また、天然ガスハイドレートを除去しても、水中に溶解している天然ガスにより天然ガスハイドレートが水中に生成される。このため、水を循環させると、水中の天然ガスハイドレートによりノズルが閉塞するという問題がある。また、ノズル先端が減圧されると、温度が低下し、ハイドレートが生成してノズルの閉塞が起きやすい。特に、２流体ノズル方式は、ノズルから水を噴射する前に天然ガスを導入するため、天然ガスハイドレートがノズル内で生成しやすく、１流体ノズル方式に比べてノズルの閉塞が起きやすい。また、装置の停止時に残液があると、ノズルが閉塞しやすいという問題もある。

しかし、従来のスプレー式ハイドレート生成装置には、ノズルが閉塞したときの解決策はとられていなかった。

本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであり、反応タンクの水を循環させノズルから噴射するときに、ノズルが閉塞する不具合を解消できるハイドレート生成装置を提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明に係るハイドレート生成装置は、反応タンク内に水を噴射する複数のノズルと、前記反応タンク内にハイドレート原料ガスを導入する導入管と、前記反応タンク内に生成したハイドレートを外部に排出する手段と、前記反応タンク内に噴射された水を回収し、複数の前記ノズルに供給する供給手段と、前記供給手段からの水を分岐し、複数の前記ノズルに導く配管パイプと、前記配管パイプのそれぞれに設けられ、前記配管パイプを開閉する開閉弁と、複数の前記ノズルをそれぞれ加熱する加熱手段と、前記開閉弁を開閉し、一のノズルから水を噴射させる制御手段と、を備え、前記制御手段は、一のノズルにハイドレートが詰まったときに、一のノズルの前記開閉弁を閉止し、前記加熱手段で一のノズルを加熱させ、前記開閉弁を開放して他のノズルから水を噴射させることを特徴としている。

請求項１に記載の発明によれば、反応タンク内に複数のノズルが設けられており、開閉弁を開放して少なくとも一のノズルから所定温度に冷却された水が噴射される。また、導入管から所定温度に冷却されたハイドレート原料ガスが導入される。反応タンク内では、噴射された水とハイドレート原料ガスが反応し、ハイドレートが生成し成長する。反応タンク内に噴射された水は回収され、供給手段によってノズルに供給され、ノズルから反応タンク内に噴射されることで、水が循環冷却される。

そして、一のノズルにハイドレートが詰まったとき、制御手段は、一のノズルの開閉弁を閉止し、加熱手段で一のノズルを加熱させる。これにより、ハイドレートが分解され、ノズルの閉塞が解除される。制御手段は、一のノズルを加熱させる間、開閉弁を開放して他のノズルから水を噴射させる。このため、ハイドレート生成装置を停止させる必要がなく、ハイドレートの生産性が低下しない。

請求項２に記載の発明に係るハイドレート生成装置は、請求項１に記載のハイドレート生成装置において、前記配管パイプのそれぞれに圧力計を有し、前記制御手段は、前記圧力計の圧力が所定値よりも高くなったときに、該配管パイプの前記開閉弁を閉止し、前記加熱手段を加熱させることを特徴としている。

請求項２に記載の発明によれば、配管パイプのそれぞれに設けられた圧力計によって、各配管パイプの圧力が検知され、複数のノズルのいずれかの配管パイプの圧力が所定値よりも高くなったときに、そのノズルにハイドレートが詰まったことが判別できる。そして、圧力計で検知された圧力が所定値よりも高くなったときに、制御手段は、そのノズルの開閉弁を閉止し、加熱手段によりノズルを加熱する。これにより、ハイドレートが分解され、ノズルの閉塞が解除される。

請求項３に記載の発明に係るハイドレート生成装置は、請求項１に記載のハイドレート生成装置において、前記配管パイプのそれぞれに流量計を有し、前記制御手段は、前記流量計の流量が所定値よりも小さくなったときに、該配管パイプの前記開閉弁を閉止し、前記加熱手段を加熱させることを特徴としている。

請求項３に記載の発明によれば、配管パイプのそれぞれに設けられた流量計によって、各配管パイプの流量が検知され、複数のノズルのいずれかの配管パイプの流量が所定値より小さくなったときに、そのノズルにハイドレートが詰まったことが判別できる。そして、流量計の流量が所定値より小さくなったとき、制御手段は、そのノズルの開閉弁を閉止し、加熱手段によりノズルを加熱する。これにより、ハイドレートが分解され、ノズルの閉塞が解除される。

請求項４に記載の発明に係るハイドレート生成装置は、請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のハイドレート生成装置において、前記加熱手段は、ヒータ又は高周波加熱装置であることを特徴としている。

請求項４に記載の発明によれば、加熱手段は、ヒータ又は高周波加熱装置であるため、ハイドレートを急激に加熱して分解することができる。

請求項５に記載の発明に係るハイドレート生成装置は、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のハイドレート生成装置において、前記導入管は、ハイドレート原料ガスを前記ノズルを介して前記反応タンク内へ導入し、ハイドレート原料ガスと水を混合し、前記反応タンク内に噴射することを特徴としている。

請求項５に記載の発明によれば、ハイドレート原料ガスは導入管からノズルを介して反応タンク内へ導入され、ハイドレート原料ガスと水が混合された状態で反応タンク内に噴射される。このような２流体ノズル方式は、ハイドレート原料ガスと水がノズル内で反応し、ノズルが閉塞しやすいが、加熱手段でノズルを加熱することでハイドレートが分解され、ノズルの閉塞が解除される。

本発明に係るハイドレート生成装置は、上記のように構成したので、ノズルが閉塞しても、閉塞したノズルのハイドレートを加熱して分解させることができ、ノズルの閉塞を迅速に解除できる。

以下、本発明に係るハイドレート生成装置の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、第１実施形態に係るハイドレート生成装置１０を示す概略構成図である。

このハイドレート生成装置１０は、水と天然ガスとを接触させてハイドレートを生成する筒状の反応タンク１２と、この反応タンク１２の上部から水を噴射する２つのノズル１４Ａ，１４Ｂと、反応タンク１２の底部１２Ａから回収された水をポンプ１６を介してノズル１４Ａ，１４Ｂに供給する水循環ライン１８と、天然ガス供給源２０から反応タンク１２内に天然ガスを供給する天然ガス供給ライン２２とを備えている。２つのノズル１４Ａ，１４Ｂは、反応タンク１２上部の中央部に近接して設けられている。

反応タンク１２の底部１２Ａには、ノズル１４Ａ，１４Ｂから噴射された水が貯留され、その底部１２Ａの側方には、反応タンク１２内で生成されたハイドレートを回収する排出口２４が設けられている。この排出口２４付近には、ハイドレートを排出口２４に移動させるハイドレート排出機２５が配設されている。反応タンク１２の排出口２４よりも下方には、水を濾過するスクリーン２６が配設されており、このスクリーン２６の下部に水循環ライン１８と接続される排水口２８が設けられている。

反応タンク１２の側壁部１２Ｂには、天然ガスが導入される導入パイプ３２と、反応タンク１２内の天然ガスを排出する排出パイプ３４が設けられている。排出パイプ３４には、排出された天然ガスを循環ガス圧縮機３６により昇圧して天然ガス供給ライン２２と合流させる天然ガス循環ライン３８が接続されている。天然ガス供給ライン２２には、冷却器４０が設けられており、天然ガスが所定の温度に冷却され、導入パイプ３２から反応タンク１２内に導入されるように構成されている。また、天然ガス供給ライン２２には、開閉弁（圧力流量調整弁）２３が設けられており、導入パイプ３２からの天然ガスの圧力及び供給量が調整される。

また、反応タンク１２と接続される水循環ライン１８には、冷却器３０が設けられており、排水口２８から回収された水が所定温度に冷却される。水循環ライン１８は、冷却器３０の下流側で２つの配管パイプ１９Ａ，１９Ｂに分岐されており、配管パイプ１９Ａ，１９Ｂを通してノズル１４Ａ，１４Ｂに水が供給されるように構成されている。配管パイプ１９Ａ，１９Ｂには、それぞれ水圧を測定する圧力計４４Ａ，４４Ｂと、開閉弁４６Ａ，４６Ｂが設けられている。

図２に示すように、ノズル１４Ａ，１４Ｂの周囲には、各ノズル１４Ａ，１４Ｂを加熱するためのヒータ４８Ａ，４８Ｂが設けられている。ヒータ４８Ａ，４８Ｂは、ノズル１４Ａ，１４Ｂの周囲に巻き掛けられたコイルからなり、コイルに通電することでノズル１４Ａ，１４Ｂを加熱する。ノズル１４Ａ，１４Ｂの先端には縮径された噴射口５０が設けられており、噴射口５０を形成するスプレーチップの形状（角度、形）によって噴射されるスプレーの形を変えることができる。

図１に示すように、開閉弁４６Ａ，４６Ｂの開閉やヒータ４８Ａ，４８Ｂの通電はＣＰＵ４２で制御される。例えば、ノズル１４Ａにハイドレートが詰まったとき、圧力計４４Ａの圧力が所定値よりも高くなる。このとき、ＣＰＵ４２が、閉塞したノズル１４Ａの開閉弁４６Ａを閉止し、ヒータ４８Ａに通電することで、ノズル１４Ａを加熱するように構成されている。

なお、反応タンク１２は、金属製の圧力容器からなり、反応タンク１２の内部は所定の圧力（例えば、３ＭＰａ〜１０ＭＰａ）に保持されている。

次に、第１実施形態に係るハイドレート生成装置１０の作用について説明する。

このハイドレート生成装置１０は、ハイドレートの生成時には、２つのノズル１４Ａ，１４Ｂのうち、一方のノズルのみから水が噴射される。例えば、ノズル１４Ａの開閉弁４６Ａが開放され、ノズル１４Ａから水が噴射されるときは、ノズル１４Ｂの開閉弁４６Ｂは閉止されている。水循環ライン１８では、ポンプ１６により水が循環され、冷却器３０によって所定温度に冷却された水が配管パイプ１９Ａを通ってノズル１４Ａに供給される。そして、ノズル１４Ａから反応タンク１２内に水が噴射される。

また、天然ガス供給源２０から天然ガス供給ライン２２に天然ガスが供給されるとともに、反応タンク１２の排出パイプ３４から天然ガス循環ライン３８に排出された天然ガスが循環ガス圧縮機３６で加圧され、天然ガス供給ライン２２に送られる。そして、天然ガス供給ライン２２で天然ガスが冷却器４０によって所定温度に冷却され、導入パイプ３２から反応タンク１２内に導入される。

反応タンク１２の内部は、低温及び高圧（例えば、０℃〜５℃、３ＭＰａ〜１０ＭＰａ）に保持されており、ノズル１４Ａから噴射された水が天然ガスと反応してハイドレートが生成し、底部１２Ａに貯留された水中でハイドレートが成長する。水中で形成されたハイドレートのスラリーＨは、ハイドレート排出機２５で排出口２４に掻き寄せられ、排出口２４から反応タンク１２の外部に排出される。反応タンク１２の底部１２Ａに貯留された水はスクリーン２６で濾過され、排水口２８から水循環ライン１８に導かれる。そして、冷却器３０で水が所定温度に冷却され、配管パイプ１９Ａからノズル１４Ａに供給され、反応タンク１２内に水が噴射される。

ハイドレート生成時には、配管パイプ１９Ａの圧力（水圧）が圧力計４４Ａで検知される。ノズル１４Ａにハイドレートが詰まったときは、圧力計４４Ａの圧力が所定値より高くなる。このとき、ＣＰＵ４２は、開閉弁４６Ａを閉止し、開閉弁４６Ｂを開放すると共に、ヒータ４８Ａに通電し、ノズル１４Ａを加熱する。これにより、ノズル１４Ａに詰まったハイドレートが分解され、ノズル１４Ａの閉塞が解除される。

このとき、開閉弁４６Ｂを開放することで、配管パイプ１９Ｂを通してノズル１４Ｂに水が供給され、ノズル１４Ｂから水が噴射される。このため、ノズル１４Ａの閉塞を解除するときにハイドレート生成装置１０を停止する必要がなく、生産性は低下しない。また、配管パイプ１９Ｂの圧力は圧力計４４Ｂで検知されており、ノズル１４Ｂの閉塞時には、ＣＰＵ４２は開閉弁４６Ｂを閉止するとともに、開閉弁４６Ａを開放する。これと共に、ヒータ４８Ｂに通電することで、ハイドレートが分解され、ノズル１４Ｂの閉塞が解除される。

第１実施形態では、配管パイプ１９Ａ，１９Ｂに圧力計４４Ａ，４４Ｂを設けていたが、圧力計４４Ａ，４４Ｂに代えて、流量計を設けてもよい。例えば、配管パイプ１９Ａを流れる水の流量を検知し、流量が所定値よりも低くなったときは、ノズル１４Ａにハイドレートが詰まっていることを判別できる。このため、ＣＰＵ４２は、第１実施形態と同様の動作により、ノズル１４Ａの閉塞を解除できる。

なお、第１実施形態では、ノズル１４Ａ，１４Ｂは２つであったが、このような構成に限定されるものではなく、ノズルを２つ以上設け、ハイドレート生成時に複数のノズルから水を噴射する方式であってもよい。

次に、本発明の第２実施形態に係るハイドレート生成装置について説明する。

なお、第１実施形態と同一の部材には同じ符号を付し、重複した説明は省略する。

図３に示すように、このハイドレート生成装置６０では、反応タンク１２の上部に２つのノズル６２Ａ，６２Ｂが近接して配設されている。これらのノズル６２Ａ，６２Ｂは、図４に示すように、水が供給される噴射口５０の上流側に天然ガスを供給するガス導入路７２Ａ，７２Ｂが取り付けられており、水と天然ガスが混合される２流体ノズルである。図３に示すように、天然ガス供給ライン２２は、２つのガス供給パイプ６４Ａ，６４Ｂに分岐されており、図４に示すように、ガス供給パイプ６４Ａがガス導入路７２Ａに、ガス供給パイプ６４Ｂがガス導入路７２Ｂに接続されている。このようなノズル６２Ａ，６２Ｂでは、噴射口５０の上流側でガス導入路７２Ａ，７２Ｂから天然ガスが供給されるため、水と天然ガスが混合された状態で反応タンク１２内に噴射される。

図３に示すように、ガス供給パイプ６４Ａ，６４Ｂには、それぞれ開閉弁６６Ａ，６６Ｂが設けられている。開閉弁４６Ａ，４６Ｂの開閉、開閉弁６６Ａ，６６Ｂの開閉、及びヒータ４８Ａ，４８Ｂの通電は、ＣＰＵ６８によって制御される。例えば、ノズル６２Ａの圧力計４４Ａの圧力が所定値よりも高いことが検知されると、ＣＰＵ６８は開閉弁４６Ａ及び開閉弁６６Ａを閉止し、ヒータ４８Ａを加熱させる構成となっている。

次に、第２実施形態に係るハイドレート生成装置６０の作用について説明する。

このハイドレート生成装置６０は、ハイドレートの生成時には、２つのノズル６２Ａ，６２Ｂのうち、一方のノズルのみから水が噴射される。例えば、ノズル６２Ａの開閉弁４６Ａが開放され、ノズル６２Ａから水が噴射されるときは、ノズル６２Ｂの開閉弁４６Ｂは閉止されている。さらに、ガス供給パイプ６４Ａの開閉弁６６Ａが開放され、ノズル６２Ａのガス導入路７２Ａに天然ガスが供給される。このとき、ガス供給パイプ６４Ｂの開閉弁６６Ｂは閉止され、ノズル６２Ｂには天然ガスが供給されない。

ハイドレート生成時には、配管パイプ１９Ａの圧力（水圧）が圧力計４４Ａで検知される。そして、ＣＰＵ６８は、圧力計４４Ａで検知された圧力が所定値よりも高くなったときに、ノズル６２Ａの開閉弁４６Ａ及び開閉弁６６Ａを閉止し、ノズル６２Ｂの開閉弁４６Ｂ及び開閉弁６６Ｂを開放する。これとともに、ヒータ４８Ａに通電し、ノズル６２Ａを加熱する。これにより、ノズル６２Ａに詰まったハイドレートが分解され、ノズル６２Ａの閉塞が解除される。このとき、配管パイプ１９Ｂを通してノズル６２Ｂに水が供給されるとともに、ガス供給パイプ６４Ｂを通してノズル６２Ｂに天然ガスが供給され、ノズル６２Ｂから天然ガスが混合された水が噴射される。

第２実施形態に係るハイドレート生成装置６０では、２流体混合タイプのノズル６２Ａ，６２Ｂを用いたが、これらに代えて、図５に示すような２流体分離タイプのノズル８２Ａ，８２Ｂを設けてもよい。ノズル８２Ａ，８２Ｂには、水が噴射される噴射口５０とは別に、天然ガスを供給するガス導入路８４Ａ，８４Ｂが取り付けられている。このようなノズル８２Ａ，８２Ｂでは、水と天然ガスが分離した状態で供給されるので、図４に示す２流体混合タイプのノズル６２Ａ，６２Ｂと比較して、ノズル８２Ａ，８２Ｂの噴射口５０にハイドレートが詰まりにくいという利点がある。

なお、第１及び第２実施形態では、ノズルを加熱するための手段として、ヒータを用いたが、これに限定されるものではない。例えば、ノズルを金属で形成し、コイルに通電することで高周波加熱によりノズルを加熱させる方式であってもよい。

なお、第１及び第２実施形態では、反応タンク１２の上部から水を噴射したが、天然ガスを反応タンク１２の底部１２Ａの水中から供給する方式や、水を反応タンク１２の下部から噴射する方式の装置においても、本発明を適用することができる。

本発明の第１実施形態に係るハイドレート生成装置を示す構成図である。 図１に示すハイドレート生成装置で用いられるノズルを示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係るハイドレート生成装置を示す構成図である。 図３に示すハイドレート生成装置で用いられるノズルを示す断面図である。 図３に示すハイドレート生成装置で用いられるノズルの変形例を示す断面図である。

符号の説明

１０ ハイドレート生成装置
１２Ｂ 側壁部
１２Ａ 底部
１２ 反応タンク
１４Ａ ノズル
１４Ｂ ノズル
１６ ポンプ
１８ 水循環ライン
１９Ａ 配管パイプ
１９Ｂ 配管パイプ
２０ 天然ガス供給源
２２ 天然ガス供給ライン
２３ 開閉弁（圧力流量調整弁）
３０ 冷却器
３２ 導入パイプ
３４ 排出パイプ
３６ 循環ガス圧縮機
３８ 天然ガス循環ライン
４０ 冷却器
４４Ａ 圧力計
４４Ｂ 圧力計
４６Ａ 開閉弁
４６Ｂ 開閉弁
４８Ａ ヒータ
４８Ｂ ヒータ
５０ 噴射口
６０ ハイドレート生成装置
６２Ａ ノズル
６２Ｂ ノズル
６４Ａ ガス供給パイプ
６４Ｂ ガス供給パイプ
６６Ａ 開閉弁
６６Ｂ 開閉弁
７２Ａ ガス導入路
７２Ｂ ガス導入路
８２Ａ，８２Ｂ ノズル
８４Ａ，８４Ｂ ガス導入路

Claims (5)

1. 反応タンク内に水を噴射する複数のノズルと、
   前記反応タンク内にハイドレート原料ガスを導入する導入管と、
   前記反応タンク内に生成したハイドレートを外部に排出する手段と、
   前記反応タンク内に噴射された水を回収し、複数の前記ノズルに供給する供給手段と、
   前記供給手段からの水を分岐し、複数の前記ノズルに導く配管パイプと、
   前記配管パイプのそれぞれに設けられ、前記配管パイプを開閉する開閉弁と、
   複数の前記ノズルをそれぞれ加熱する加熱手段と、
   前記開閉弁を開閉し、一のノズルから水を噴射させる制御手段と、を備え、
   前記制御手段は、一のノズルにハイドレートが詰まったときに、一のノズルの前記開閉弁を閉止し、前記加熱手段で一のノズルを加熱させ、前記開閉弁を開放して他のノズルから水を噴射させることを特徴とするハイドレート生成装置。
2. 前記配管パイプのそれぞれに圧力計を有し、
   前記制御手段は、前記圧力計の圧力が所定値よりも高くなったときに、該配管パイプの前記開閉弁を閉止し、前記加熱手段を加熱させることを特徴とする請求項１に記載のハイドレート生成装置。
3. 前記配管パイプのそれぞれに流量計を有し、
   前記制御手段は、前記流量計の流量が所定値よりも小さくなったときに、該配管パイプの前記開閉弁を閉止し、前記加熱手段を加熱させることを特徴とする請求項１に記載のハイドレート生成装置。
4. 前記加熱手段は、ヒータ又は高周波加熱装置であることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のハイドレート生成装置。
5. 前記導入管は、ハイドレート原料ガスを前記ノズルを介して前記反応タンク内へ導入し、ハイドレート原料ガスと水を混合し、前記反応タンク内に噴射することを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のハイドレート生成装置。

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