JP4653993B2 - ガスハイドレートスラリーの脱水塔 - Google Patents

Description

本発明は、ガスハイドレート生成器で生成されたガスハイドレートスラリーの水分を物理的に脱水する脱水塔に関する。

ガスハイドレートは、水分子の作る籠の中にガスを取り込んだ構造の固形の水和物であり、−１０数℃の大気圧下で安定することから、液化天然ガス（ＬＮＧ）に代わる天然ガスの輸送および貯蔵の手段として利用する研究が進められている。

一般に、ガスハイドレートは、例えば、天然ガス、メタンガス、炭酸ガスなどの原料ガスと水とを低温高圧の容器内で反応させて生成される。このように生成されるガスハイドレートは多量の未反応水を含むことから、水を分離して製品ガスハイドレートを精製する必要がある。

容器内で生成されたガスハイドレートから水を分離する方法として、特許文献１に記載された方法によれば、生成器からガスハイドレートと水をスラリーで抜き出し、まず、メッシュ加工された内筒を有する２重構造のスクリュープレス型脱水装置に導いて物理的に脱水する。その後、２軸スクリュー型脱水装置にてガスハイドレートの付着水と原料ガスと反応させる水和反応により脱水して、付着水の少ない製品、すなわちガスハイドレート濃度の高い製品を得るようにしている。しかし、特許文献１に記載された脱水装置はガスハイドレート濃度を制御していない。この点、特許文献２には物理脱水と水和脱水の各脱水工程における脱水後のガスハイドレートの含水量、つまりガスハイドレート濃度を所望値に制御することが記載されている。

特開２００３−５５６７５号公報（第２図、第３−４頁参照） 特開２００３−６４３８５号公報（第１図、第２−４頁参照）

しかしながら、特許文献２には、物理脱水装置および水和脱水装置から排出されるガスハイドレート濃度を検出する具体的な方法について記載されているが、ガスハイドレート濃度を制御する具体的な方法については記載されていない。

ところで、特許文献１のスクリュープレス型脱水装置や２軸スクリュー型脱水装置でガスハイドレート濃度を制御する場合、スクリューの回転数を制御してガスハイドレートの滞留時間を調整することが考えられるが、脱水処理量が変動することになる。

すなわち、従来は、脱水装置に合わせてガスハイドレート濃度を制御することについて配慮されていない。

本発明は、好適な脱水装置とガスハイドレート濃度の制御とを実現することを課題とする。

上記課題を解決するために、本発明は、縦型容器と、容器の下部にガスハイドレートのスラリを供給するノズルと、容器の上部からガスハイドレートを排出する排出機と、容器の側部に形成された複数の孔と、複数の孔を包囲する水抜き室を形成する水抜き部と、水抜き室の下部に接続された水抜き管路とを備えた脱水塔とする。そして、水抜き管路に流量制御弁を設け、水抜き室の水位が排出機から排出されるガスハイドレートの濃度を調整すべく定められる水位になるように制御器で流量制御弁の開度を制御することを特徴とする。

すなわち、本発明の脱水塔によれば、縦型容器の下部に導入されたガスハイドレートスラリーの水分は容器側部に形成された孔から抜き出され、脱水された粉粒状のガスハイドレートは容器上部から排出される。容器内における粉粒状のガスハイドレートの濃度は、粉粒状のガスハイドレートが浸漬する水面、つまり水抜き室の水面を基準にして容器上方へゆくにしたがって高くなる。このような脱水塔によれば、水抜き室の水位を制御することによりガスハイドレート濃度を調整することができる。また、本発明では、ガスハイドレートの送り速度を変動させないので処理量を一定に保ったままガスハイドレート濃度を制御することができ、次工程の流動層反応塔を安定に運転することができる。

また、水抜き室の水位を制御してガスハイドレートの濃度を調整することに代えて、脱水塔の出側のガスハイドレート濃度と排出機の負荷は、図４に示すような相関があることから、排出機の負荷が設定負荷の範囲になるように流量制御弁による抜き出し量を制御する構成にできる。

また、流量制御弁により水位を制御することに代えて、脱水塔から抜き出される水の量、つまり水を抜く孔の開口面積を変えることによってもガスハイドレートの濃度を制御できる。そこで、本発明では、水抜き室の水位を制御することに代えて、容器の側部に高さ方向に沿って複数の孔を形成し、水抜き室の孔を閉塞可能に容器の高さ方向に移動可能な閉塞部材と、この閉塞部材を移動する駆動機とを設け、制御器によって排出機の負荷が設定負荷になるように駆動機を制御する構成にできる。

本発明によれば、好適な脱水装置とガスハイドレート濃度の制御とを実現することができる。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態を説明する。図１に、本発明の脱水塔の構成図を示す。図２に、本発明の脱水塔を適用したハイドレート製造プラントの全体構成図を示す。本実施形態は、天然ガスのハイドレート（以下、ＮＧＨと略す。）を製造するプラントを示しているが、本発明は天然ガスに限らず、他の原料ガスのハイドレート製造に適用できる。

図２に示すように、本実施形態のハイドレート製造プラントは、ＮＧＨスラリーを生成する生成器１と、生成器１で生成されたＮＧＨスラリーから水分を分離して濃度の高いＮＧＨを生成する脱水塔２と、脱水塔２で脱水されたＮＧＨの付着水と天然ガスとを反応させてＮＧＨの濃度を製品レベルに高める流動層反応塔３と、製品ＮＧＨを貯留するホッパ４を備えて構成されている。これらの生成器１、脱水塔２、流動層反応塔３およびホッパ４は、いずれも所定の高圧（例えば、３〜１０ＭＰａ）に保持されている。

生成器１は、円筒状の容器で形成され、図示していない供給装置から、高圧の原料ガス（天然ガス）と高圧の水が一定量供給され、生成器１内に導入された天然ガスと水は低温（例えば、１〜５℃）の条件下で反応してＮＧＨが生成される。生成器１には、水を攪拌する攪拌機１１と、天然ガスを抜き出す循環ガスブロワー１２が設けられている。循環ガスブロワー１２の吐出口は、流量計を備えた流量制御弁１４を介して容器内底部に配置したノズル１３に接続されている。また、ＮＧＨの生成は発熱を伴うことから、容器底部に循環スラリーポンプ１５を連結してＮＧＨを含むＮＧＨスラリーを抜き出し、スラリーの密度計１９、スラリー流量計を備えた流量制御弁１７、冷却器１６、および温度計１８を介して容器上部に戻すように構成し、温度計１８の検出値に応じて冷却器１６の冷媒量を制御して生成器１内の温度を設定温度に保持するようにしている。さらに、ＮＧＨスラリー中のＮＧＨの濃度によっては、流動性が低下して移送が困難になったり、後流側の脱水工程で不具合が生じたりすることから、密度計１９の検出密度が設定範囲（例えば、２０重量％程度）に収まるように、循環ガス量、循環スラリーの温度、循環スラリー量の少なくとも１つを制御して、ＮＧＨスラリーのＮＧＨ濃度を所望値に精度よく、かつ安定に連続して制御している。このようにして生成器１で生成されたＮＧＨスラリーは、生成器１の底部からスラリー移送ポンプ２０によって連続的に抜き出され、脱水塔２の下部に供給される。

脱水塔２は、円筒状の縦型容器を備え、縦型容器の下部のノズルにスラリー移送ポンプ２０の吐出口が連結されている。縦型容器の側部には水抜き室５１を形成する水抜き部２１が設けられている。水抜き部２１に対応する塔内壁は複数の孔５２からなる多孔壁２２となっている。水抜き室５１は複数の孔５２を包囲して形成され、水抜き室５１の下部は水抜き管路５３を介して脱水循環ポンプ２４の吸引口に連結されてる。脱水循環ポンプ２４の吐出口は生成器１の上部に連結されている。水抜き管路５３には流量制御弁２３が設けられ、水抜き室５１の水位が設定水位になるように水抜き量が制御される。縦型容器の上部にはＮＧＨを排出する排出機２６が設けられ、脱水されたＮＧＨを流動層反応塔３に供給するようになっている。

流動層反応塔３は、円筒状の縦型容器により形成され、縦型容器の頂部に原料ガスである天然ガスが供給されている。また、縦型容器の底部から一定高さに多孔板３１が設けられ、多孔板３１の上方に排出機２６からＮＧＨが投入されるようになっている。流動層反応塔３の頂部は、サイクロン３４、冷却器３５および温度計３６を介して循環ガスブロワー３２の吸引口に連結され、循環ガスブロワー３２の吐出口は、流量制御弁３３を介して底部と多孔板３１との間に連結されており、原料ガスである天然ガスが流動化ガスとして吹き込まれて循環するようになっている。循環ガスブロワー３２によって天然ガスが噴出されると、多孔板３１の上部にＮＧＨの流動層が形成され、ＮＧＨの付着水と天然ガスが反応して、ＮＧＨ濃度が例えば９０重量％以上に高められる。また、温度計３６の検出温度を設定温度に保持するように、冷却器３５の冷媒の流量が制御される。また、多孔板３１の上方の空間に、塔内に位置する部位のケーシング（例えば、上面）に開口が設けられたスクリューコンベア３８が設けられている。スクリューコンベア３８はモータ３７により駆動され、このスクリューコンベア３８により塔内の製品ＮＧＨはホッパ４に搬送されて一旦貯留される。

モータ３７には出力軸のトルクを検出するトルク検出器３９が設けられている。このトルク検出器３９により検出されたスクリューコンベア３８の負荷量を設定範囲に収めるように、流量制御弁３３を制御して循環ガス量と、スクリューコンベア３８の搬出量と、冷却器３５の冷媒の流量の少なくとも１つが制御される。

ホッパ４に貯留された粉粒状のＮＧＨは、仕切弁４１を介して適宜切り出され、製品ＮＧＨとして、あるいはＮＧＨペレット製造装置等に移送して加工されるようになっている。なお、ホッパ４内は高圧（例えば、３〜１０Ｍｐａ）であることから、図示していないが、通常は仕切弁４１の下流側に脱圧装置が設けられる。

次に、本実施形態の特徴部である脱水塔２について図１を参照して詳細に説明する。図１に示すように、縦型容器の側部には大径の水抜き部２１が設けられ、水抜き部２１により形成された水抜き室５１が多孔壁２２の外周を包囲している。複数の孔５２が形成された多孔壁２２は、縦型容器から粉粒状のＮＧＨが出ることを抑えて水を通すことができればよく、例えば金網や多孔板などで形成されている。水位計２５は、差圧式、静電容量式、および音波反射式などの公知のものを用いることができる。排出機２６は、スクリューコンベアで構成され、スクリューコンベアの一端は脱水塔２内の頂部の近傍に挿入し、塔内に位置する部位のケーシング（例えば、下面）に開口を設けた構成とする。また、スクリューコンベアに代えて、例えば、スクレーパーコンベアやピストン式のプッシャーなどの公知の排出機構を用いることができる。

このように構成された本実施形態の脱水塔２によれば、塔の下部から導入されるＮＧＨスラリーが塔の上部に押し上げられて水抜き部２１に達すると、スラリー中の水分が多孔壁２２を通って水抜き部２１に分離される。水抜き部２１に分離された水は脱水循環ポンプ２４により抜き出されて生成器１に戻される。このようにして、脱水塔２に導入されるＮＧＨスラリー中の水分は水抜き部２１にて分離除去され、脱水されたＮＧＨ濃度の高いＮＧＨスラリーとなって塔上部に達する。塔上部に達する過程におけるＮＧＨ濃度は、細密充填された粉粒状のＮＧＨの空隙部に水が充満している状態から、粉粒状のＮＧＨの表面に水が付着した状態まで変化する。つまり、ある高さに達するまでは、毛管現象によって粉粒状のＮＧＨ相互間の空隙に水が保持されるが、その保持力よりも水の重力が大きくなるに従ってＮＧＨから水が分離される。つまり、水抜き部２１の位置から塔上部に達する過程で、ＮＧＨの水分は表面に付着した水分程度になる。脱水されて塔上部に達したＮＧＨは、モータ２７によって駆動されるスクリューコンベア２６により脱水塔２から排出され、流動層反応塔３に導入される。

この脱水塔２においては、ＮＧＨ濃度が高すぎると、すなわちＮＧＨの付着水が少なくなり過ぎると、ＮＧＨの流動性が低下してスクリューコンベア２６による搬送が困難になる。逆に、ＮＧＨ濃度が低すぎると、すなわちＮＧＨの付着水が多すぎると、次工程の流動層反応塔３におけるＮＧＨの流動性が低下し、ＮＧＨ付着水と原料ガスの反応が悪くなる。そこで、本実施形態では、スクリューコンベア２６によって搬出されるＮＧＨの濃度（ＮＧＨ／（ＮＧＨ＋付着水））を、例えば、４５〜７０重量％、好ましくは５０±５重量％に制御するようにしている。このＮＧＨ濃度の制御は、本実施形態では、水位計２５によって水抜き部２１における水位を設定水位に保持するように、抜き出し水量を流量制御弁２３で制御することにより行っている。つまり、毛管現象によってＮＧＨ相互間の空隙に保持される水の保持力と水の重力とが均衡する位置は、水抜き部２１の水位から一定の高さ位置になる。そこで、その均衡位置２８を、水抜き部２１の水位を基準として適宜調整することにより、スクリューコンベア２６によって搬出されるＮＧＨの濃度を所望値に制御することができる。その結果、流動層反応塔３に入るＮＧＨの濃度を制御して、流動層反応塔３における流動性および原料ガスとの反応を良好にすることができる。すなわち、本実施形態によれば、脱水塔２から排出するＮＧＨの濃度を所望値に精度よく、かつ安定に連続して制御することができるから、次工程の流動層反応塔３における処理が安定し、最終的な製品ＮＧＨの品質を向上させるとともに、連続して安定に製造することができる。

次に、図１の実施形態の脱水塔の変形例について図３を参照して説明する。本実施形態の脱水塔は、脱水塔から排出されるガスハイドレートのＮＧＨ濃度とスクリューコンベアの負荷（トルク）に図４に示すような相関があることに鑑み、水抜き部２１の水位を制御してＮＧＨの濃度を調整することに代えて、スクリューコンベアの負荷に応じてＮＧＨの濃度を調整するようにしたものである。さらに、本実施形態では、流量制御弁２３による抜き出し量を制御することに代えて、多孔壁２２の開口面積を可変することにより多孔壁２２を通って抜き出される水量を調整することでＮＧＨ濃度を制御するようにしている。なお、図１の実施形態と同一のものには同じ符号を付して説明を省略する。

図３に示すように、本実施形態の脱水塔２は、縦型容器の側部に形成された複数の孔５２が高さ方向に沿って形成されている。水抜き部２１の上部を仕切って圧力室５５が画成されている。円筒状の仕切板６０が水抜き室５１の上壁に挿通させて設けられている。円筒状の仕切板６０は、多孔壁２１に沿って上下方向に移動可能になっている。円筒状の仕切板６０は、フランジ状の閉塞筒部６１を圧力室５５内に位置する端部に有し、この閉塞筒部６１により圧力室５５が上下に区切られるようになっている。圧力室５５の上側の室と下側の室は、それぞれ電磁弁６３、６４を介して例えばブロワーの吐出口などが連結されている。モータ２７には出力軸のトルクを検出するトルク検出器６５が設けられている。

このトルク検出器６５により検出されたスクリューコンベア２６のトルクが設定トルクよりも大きい場合、つまりＮＧＨ濃度が高い場合、上側の電磁弁６３を開き、下側の電磁弁６４を閉じて円筒状の仕切板６０を下方向に移動させ、多孔壁２２の面積を小さく、つまり水を抜くための開口を小さくする。これにより縦型容器から抜ける水の量が減り、ＮＧＨに水が保持される均衡位置２８が上がって、ＮＧＨ濃度が抑えられる。検出トルクが設定トルクよりも小さい場合はこの逆の制御が行われる。

なお、本実施形態では、スクリューコンベア２６のトルクに基づいて制御するものを挙げたが、スクリューコンベア２６の負荷としては、これに代えてモータ２７の電流値に基づいて制御することもできる。

このように、水抜き部２１の水位を制御してＮＧＨの濃度を調整することに代えて、脱水塔におけるＮＧＨ濃度とスクリューコンベア２６の負荷（トルク）とは、図４に示すような相関があることから、モータ２７の電流が設定電流の範囲になるように、流量制御弁２３による抜き出し量を制御するようにすることができる。なお、脱水塔から排出されるＮＧＨは、例えば４５〜７０重量％と比較的水を多く含む状態であるから、水が減るにつれて、つまりＮＧＨ濃度が高くなるにつれて排出機の負荷が上がる傾向になっている。また、モータ２７の電流に代えて、トルク検出器により負荷トルクを直接検出するようにしてもよい。また、本実施形態では、水抜き室２１の上方に圧力室５５を画成したが、下方に画成してもよい。この場合は電磁弁６３、６４の制御は逆になる。また、圧力室５５に代えて、円筒状の仕切板６０を電動モータなどで上下させてもよい。

このように本実施形態によれば、物理脱水の際のＮＧＨ濃度を調整することができるから、続く流動層反応塔における付着水のＮＧＨ化の処理を、安定して行うことができ、最終的に高品質の製品ＮＧＨを安定して、連続的に製造できる。また、本実施形態によれば、脱水塔内のガスハイドレートの移送を制御しないので、脱水処理量を変動させることなくガスハイドレート濃度を制御することができ、製造プロセスを安定に運転することができる。

なお、上記の実施形態では、縦型容器が円筒状に形成された例について説明したが、これに限らず、縦型容器は矩形などの任意の形状にすることができる。また、容器の上部と表現したが、容器の上部には、容器の上部側面および容器の頂部を含む。また、容器の下部とは容器の下部側面および容器の底部を含む。水抜き室５１の下部とは水抜き室５１の下部側面および水抜き室５１の底部を含む。容器の側部とは容器の腹部を含む。

本発明の一実施形態のガスハイドレートスラリーの脱水塔の断面図である。 本発明の一実施形態のガスハイドレートスラリーの脱水塔を適用した一実施形態のハイドレート製造プラントの全体構成図である。 本発明の他の実施形態のガスハイドレートスラリーの脱水塔の断面図である。 脱水塔におけるガスハイドレート濃度とスクリューコンベアの回転トルクとの関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 生成器
２ 脱水塔
３ 流動層反応塔
４ ホッパ
２１ 水抜き部
２２ 多孔壁
２３ 流量制御弁
２４ 脱水循環ポンプ
２５ 水位計
２６ 排出機（スクリューコンベア）
２７ モータ
５１ 水抜き室
５３ 水抜き管路

Claims (2)

1. 縦型容器と、該容器の下部にガスハイドレートのスラリを供給するノズルと、前記容器の上部から前記ガスハイドレートを排出する排出機と、前記容器の側部に形成された複数の孔と、該複数の孔を包囲する水抜き室を形成する水抜き部と、前記水抜き室の下部に接続された水抜き管路と、該水抜き管路に設けられた流量制御弁と、前記水抜き室の水位が前記排出機から排出される前記ガスハイドレートの濃度を調整すべく定められる水位になるように前記流量制御弁の開度を制御する制御器とを備えてなるガスハイドレートスラリの脱水塔。
2. 縦型容器と、該容器の下部にガスハイドレートのスラリを供給するノズルと、前記容器の上部から前記ガスハイドレートを排出する排出機と、前記容器の側部に高さ方向に沿って形成された複数の孔と、該複数の孔を包囲する水抜き室を形成する水抜き部と、前記水抜き室の下部に接続された水抜き管路と、前記水抜き室の前記孔を閉塞可能に前記容器の高さ方向に移動可能に設けられた閉塞部材と、該閉塞部材を移動する駆動手段と、前記排出機の負荷が設定負荷になるように前記駆動手段を制御する制御器とを備えてなるガスハイドレートスラリの脱水塔。

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