JP4654010B2 - ガスハイドレート生成装置 - Google Patents

Description

本発明は、耐圧容器内で原料ガスと水とを反応させてガスハイドレートを生成するガスハイドレート生成装置に関するものである。

ガスハイドレートは、水分子と原料ガス分子からなる氷状の固体物質であり、水分子が形成する立体的なカゴ状構造体の内部に原料ガス分子を包接した包接化合物の一種である。

このガスハイドレートは、ガス包蔵量が比較的大きく、大きな生成エネルギーや分解エネルギーおよびガスの選択性などの特徴ある性質を有しているため、例えば、天然ガスなどの輸送や貯蔵手段、蓄熱システム、特定成分ガスの分離回収などの多様な用途が可能である。

ガスハイドレートは、通常、高圧および低温条件の下で生成される。そして、大気圧より高い圧力下で生成したガスハイドレートを大気圧下で輸送や貯蔵をするためには、高圧下のガスハイドレートを大気圧下に取り出す必要がある。

ガスハイドレートは、高圧および低温条件の下で水と原料ガスを接触させて水和物として固体化させたものであるが、通常、未反応の水が生じるため、多量の水を含んだスラリー状となる。

従って、スラリー状のガスハイドレートを貯蔵や輸送すれば、その貯蔵および輸送にかかるコストが膨大になってしまう。そこで、含水率の低いハイドレートを生成し、その貯蔵や輸送にかかるコストを低減するため、脱水して余分な水を除去する必要がある。

しかし、スラリー濃度が低く、更に、微細粒径のガスハイドレートの脱水には、遠心分離機、スクリュープレス型やフィルタープレス型の機械式脱水機などを使用することになるが、スラリー状のガスハイドレートは、極めて微粒子であるため、脱水率を上げようとすると、水と共に網目を通過するハイドレート粒子が増加してガスハイドレートの回収率が低下してしまう。

ガスハイドレートの回収率を高くしようとして網目を小さくすると、目詰まりを起こし、十分な脱水ができない場合があった。更に、ガスハイドレートが生成する条件下（高圧下）での脱水手段としての高速回転の遠心分離や、高圧縮荷重となるスクリュープレスおよびフィルタープレスなどの運転が困難である。

そこで、本発明者らは、所定の温度および圧力条件の下、水に原料ガスを気泡として導入してガスハイドレートを生成する内筒容器の上方に、逆三角形状のガイド部材を回転自在に設け、液面より上部に浮き上がったクラスター状のガスハイドレートを回収するガスハイドレートの生成装置を提案した（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００４−１０６８６号公報（第５−６頁、図１）

しかしながら、上記のガスハイドレート生成装置は、液面より上部に浮き上がったクラスター状のガスハイドレートを、回転している逆三角形状のガイド部材によって内筒容器の外側に払いだす方式であるから、ガスハイドレートの脱水が必ずしも十分ではなかった。すなわち、回収されたガスハイドレートのガスハイドレート濃度が２０〜３０％であり、脱水機による脱水が必要であった。

本発明は、このような問題を解決するためになされたものであって、その目的とするところは、原料ガスと水とを反応させて生成したガスハイドレートの脱水率を高め、ガスハイドレート生成プロセスの簡略化を図ることにある。

上記課題を解決するため、本発明は、次のように構成される。

上記の目的を達成するための本発明に係るガスハイドレート生成装置は、容器内で原料ガスと水とを反応させてガスハイドレートを生成するガスハイドレート生成装置において、前記ガスハイドレート生成装置が、容器と、容器の内部に回転自在に配置したスクリュウ状の掻き上げ装置を有し、前記スクリュウ状の掻き上げ装置が、中空状で且つ軸径を上方に向かい拡大させた回転軸と、前記回転軸の外周に設置したらせん状のスクリュウ羽根と、前記回転軸の軸壁に形成した複数の微細孔を有しており、前記ガスハイドレート生成装置は、水および原料ガスが供給される前記容器の下部のガスハイドレート生成部でガスハイドレートを生成し、前記スクリュウ状の掻き上げ装置でガスハイドレートを上方に搬送し、前記ガスハイドレートに付随した未反応の水を流下させて前記ガスハイドレート生成部に戻すように構成したことを特徴とする。

上記のガスハイドレート生成装置において、前記ガスハイドレート生成部に供給された原料ガスを、前記スクリュウ状の掻き上げ装置で上方に搬送されたガスハイドレートに、前記中空状の回転軸の内部から前記微細孔を経由して供給するように構成したことを特徴とする。

上記のガスハイドレート生成装置において、スクリュウ状の掻き上げ装置の外側に円筒を設置し、該円筒の側面に無数の微細口を設けたことを特徴とする。

上記のガスハイドレート生成装置において、スクリュウ状の掻き上げ装置の外側に円筒を設置し、該円筒の内壁面の全周にわたって軸方向の微細溝を設けたことを特徴とする。

上記したように、請求項１に記載の発明は、容器内で原料ガスと水とを反応させてガスハイドレートを生成するガスハイドレート生成装置において、前記容器の下部をガスハイドレート生成部、その上方を脱水部とすると共に、前記容器内に、ガスハイドレート生成部から脱水部にわたってスクリュウ状の掻き上げ装置を回転自在に設置したので、ガスハイドレート生成部で生成されたスラリー状のガスハイドレートは、スクリュウ状の掻き上げ装置によってガスハイドレート生成部から、その上方の脱水部に向けて掻き上げられる間に未反応水が流下し、ガスハイドレートの濃度が次第に高くなる（例えば、ガスハイドレート濃度：約６０％程度）。

従って、遠心分離機、スクリュープレス、フィルタープレスなどの機械式の脱水機が不要となり、ガスハイドレート生成プロセスを簡略化することができる。

請求項２に記載の発明は、容器内で原料ガスと水とを反応させてガスハイドレートを生成するガスハイドレート生成装置において、前記容器の下部をガスハイドレート生成部、その上方を脱水部、更にその上方を水和反応促進部とすると共に、前記容器内に、ガスハイドレート生成部から水和反応促進部にわたってスクリュウ状の掻き上げ装置を回転自在に設置したので、ガスハイドレート生成部で生成されたスラリー状のガスハイドレートは、スクリュウ状の掻き上げ装置によってガスハイドレート生成部から、その上方の脱水部に向けて掻き上げられる間に未反応水が流下し、ガスハイドレートの濃度が次第に高くなる（例えば、ガスハイドレート濃度：約６０％程度）。

脱水部でほぼ脱水されたガスハイドレートは、スクリュウ状の掻き上げ装置によって更に上方の水和反応促進部に掻き上げられるが、水和反応促進部では、スクリュウ状の掻き上げ装置の回転軸の壁面に設けた無数の微細孔を通って原料ガスが供給されるため、ガスハイドレートに付随している未反応水と原料ガスとが反応して新たにガスハイドレートが生成し、ガスハイドレートの濃度が更に高くなる（例えば、ガスハイドレート濃度：約７０〜８０％）。

従って、遠心分離機、スクリュープレス、フィルタープレスなどの機械式脱水機が不要となり、ガスハイドレート生成プロセスを簡略化することができる。

請求項３に記載の発明は、請求項１および請求項２に記載のスクリュウ状の掻き上げ装置の回転軸を中空状に形成し、かつ、該中空状の回転軸の軸壁に無数の微細口を設けたので、ガスハイドレート生成部で生成されたガスハイドレートをスクリュウ状の掻き上げ装置によって掻き上げる間に中空状の回転軸の軸壁に設けた無数の微細口を通って未反応水が流下してガスハイドレート濃度が次第に高くなると共に、同微細口を通って原料ガスが供給されるので、更に、ガスハイドレート濃度が高くなる。

請求項４に記載の発明は、請求項１および請求項２に記載のスクリュウ状の掻き上げ装置の外側に円筒を設置し、該円筒の側面に無数の微細口を設けたので、ガスハイドレート生成部で生成されたガスハイドレートをスクリュウ状の掻き上げ装置によって掻き上げる間に中空状の回転軸の軸壁に設けた無数の微細口を通って未反応水が流下してガスハイドレート濃度が次第に高くなると共に、同微細口を通って原料ガスが供給されるので、更に、ガスハイドレート濃度が高くなる。

以下、本発明の実施の形態を図面を用いて説明する。
（１）第１の実施形態
図１において、１は、ガスハイドレート生成装置であり、縦長の内外の二つの容器２ａ及び２ｂを有すると共に、内側の容器２ｂ内にスクリュウ状の掻き上げ装置３を回転自在に設けている。この掻き上げ装置３は、図示しない電動モーターによって回転させるようになっている。上記の外側の容器２ａは、耐圧容器となっている。

このガスハイドレート生成装置１は、内側の容器２ｂの下部がガスハイドレート生成部Ａ、その上方が脱水部Ｂ、更にその上方が水和反応促進部Ｃとなっている。そして、内側の容器２ｂ内の上部空間、すなわち、ガスハイドレート生成部Ａの上端部から水和反応促進部Ｃにわたってスクリュウ状の掻き上げ装置３を回転自在に設置している。

具体的に説明すると、スクリュウ状の掻き上げ装置３は、その下端部をガスハイドレート生成部Ａの水相内に浸漬するようにしている。

このスクリュウ状の掻き上げ装置３は、回転軸４の外側にらせん状のスクリュウ羽根５を取り付けたスクリュウ軸の一種である。特に、この回転軸４は、脱水部Ｂ及び水和反応促進部Ｃのうち、少なくとも脱水部Ｂにおける回転軸４の直径を上方に向うにしたがって拡大させている。また、水和反応促進部Ｃにおける回転軸４の直径を一定又は上方に向って拡大させている。

このスクリュウ状の掻き上げ装置３は、回転軸４を中空状にすると共に、その軸壁に無数の微細孔（微細口ともいう。）６を設けている。この微細孔６の直径は、０．１〜５ｍｍの範囲が好ましい。孔径が０．１ｍｍ未満の場合は、目詰まりが発生し易くなり、これとは逆に、孔径が５ｍｍを超える場合には、ガスハイドレートが漏れ易くなる。

更に、スクリュウ状の掻き上げ装置３の下部に攪拌機７を設け、スクリュウ状の掻き上げ装置３と同速で回転するようにしている。しかし、攪拌機７をスクリュウ状の掻き上げ装置３から切り離し、独立して回転するようにしても差し支えがない。

上記掻き上げ装置３の回転軸４の下端部は、放射状に設けた複数の支持アーム１８によって内筒２ｂに支持するようにしている。

既に説明した内側の容器２ｂは、その上端に、容器２ｂ内に突出し、かつ、その半径方向に向けた平板状のガスハイドレート返し部８を設けている。

更に、内側の容器２ｂは、その中にスパージャ９を有している。そして、内側の容器２ｂ内の水ｗを、循環路１０に設けたポンプ１１によって循環すると共に、冷却器１２によって所定の温度に冷却するようにしている。不足分は、補給管１３から給水するようになっている。

他方、耐圧容器２ａ内の原料ガスｇは、循環路１４に設けたブロア１５によって循環されるが、スパージャ９から水ｗの中に気泡状に放出される。そして、不足分の原料ガスｇは、補給管１６から補給するようになっている。

尚、粘着性の強いガスハイドレートの付着を防止するために、図２に示すように、内側の容器２ｂの内壁面の全周にわたって縦方向の微細溝１７を設けると良い。このＶ字型の微細溝１７の溝幅ｔ（図３参照）は、例えば、０．５〜５ｍｍの範囲が望ましい。また、その溝深さｄ（図３参照）は、例えば、０．２〜５ｍｍの範囲が望ましい。なお、Ｖ字型の微細溝１７は、所定の間隔を保って飛び飛びに設けても良い。

更に、スクリュウ状の掻き上げ装置３の表面、すなわち、回転軸４とスクリュウ羽根５の表面に摩擦抵抗低減用の樹脂コーティングを施しても良い。

更に、スクリュウ状の掻き上げ装置３におけるスクリュウ羽根５のピッチは、掻上げ装置３の上方に進むにしたがって狭くすることが好ましい。また、スクリュウ羽根５の上面にゴムや軟質樹脂製のスクレーパを装着すると、ガスハイドレートを掻上げ易くなる。

次に、上記のガスハイドレート生成装置の作用について説明する。

内側の容器２ｂ内に注入した低温の水ｗの中にスパージャ９から所定圧力の原料ガス（天然ガス）ｇを気泡状に放出すると、天然ガスｇと水ｗとが反応して氷状の固体物質であるガスハイドレートｎが生成する。

このガスハイドレートｎは、比重が水ｗよりも軽いため、浮上して液面Ｒにガスハイドレート層を形成するので、スクリュウ状の掻き上げ手段３を回転させると、スクリュウ羽根５によってガスハイドレートｎが連続的にすくい上げられる。

スクリュウ状の掻上げ手段３のスクリュウ羽根５にすくい上げられたガスハイドレートｎに付随している未反応の水ｗは、脱水部Ｂを通過する間に、中空状の回転軸４の軸壁に設けた無数の微細孔６を通って中空状の回転軸４の中に流下し、ガスハイドレートｎから除去される。この段階で、ガスハイドレートｎのガスハイドレート濃度は、約６０％程度になる。

このガスハイドレートｎは、スクリュウ状の掻上げ装置３によって更に上方に移送され、水和反応促進部Ｃに達すると、中空状の回転軸４の軸壁に設けた無数の微細孔６を通ってガスハイドレートｎに天然ガスｇが供給されるため、ガスハイドレートｎに付随する水と天然ガスとが反応して新たにガスハイドレートが生成する。

その結果、ガスハイドレートに付随する未反応水が少なくなり、ガスハイドレート濃度が更に高くなる（例えば、７０〜８０％）。

そして、ガスハイドレートｎがスクリュー状の掻上げ装置３の上端部に達すると、内側の容器２ｂ内に突出させたガスハイドレート返し部８に誘導され、内側の容器２ｂの外に払い出される。内側の容器２ｂから払いだされたガスハイドレートｎは、内外の容器２ａ及び２ｂの間を通って外側の容器２ａの下部から次工程に排出される。
（２）第２の実施形態
次に、第２の実施形態について説明する。ただし、第１の実施形態との重複説明を避けるため、第１の実施形態の部位と同じ部位に同じ符号を付与して詳細な説明については省略する。

第１の実施形態では、容器が外側の容器２ａと内側の容器２ｂとの２重構造になっているが、この第２の実施形態のガスハイドレート生成装置１では、スクリュウ状の掻き上げ装置３を挿入する容器を１重構造の耐圧容器２とし、シンプルな構造にしている。

その上、耐圧容器２の上部側壁に、水平な部分２１ａと、下向きの部分２１ｂから形成されたＬ字形のガスハイドレート排出管２１を接続し、スクリュウ状の掻き上げ装置３によって掻き上げられたガスハイドレートｎを系外に払いだすようになっている。

つまり、このガスハイドレート排出管２１は、水平な部分２１ａにモーター２２によって駆動されるスクリュウ羽根２３を設け、ガスハイドレートｎを積極的に払いだすようになっている。

また、攪拌機７は、回転軸２４が耐圧容器２の底部を貫通するように設けられ、モーター２５によって駆動されるようになっている。
（３）第３の実施形態
次に、第３の実施形態について説明する。ただし、第１の実施形態との重複説明を避けるため、第１の実施形態の部位と同じ部位に同じ符号を付与して詳細な説明については省略する。

この第２の実施形態では、側壁に無数の微細孔（微細口）６０を有する円筒状の内筒管２７を耐圧容器２の内側に設けている。そして、内筒管２７内に設置したスクリュウ状の掻き上げ装置３によって掻き上げたガスハイドレートｎに付随している未反応水ｗを水抜きするようになっている。しかして、掻き上げ装置３の中空状の回転軸４に設けた水抜き用の微細孔６は、無くても支障がない。

この内筒管２７の上端部は、フランジ２８を介して耐圧容器２の内側に固定され、その下端部は、フランジ２９および円錐台状のスカート３０を介して耐圧容器２の内側に固定されている。そして、内筒管２７から流下した未反応水ｗを下部フランジ２９に設けた水戻りパイプ３１を通って耐圧容器２の下部に戻すようになっている。

その上、耐圧容器２の上部側壁に、水平な部分２１ａと、下向きの部分２１ｂから形成されたＬ字形のガスハイドレート排出管２１を接続し、スクリュウ状の掻き上げ装置３によって掻き上げられたガスハイドレートｎを系外に払いだすようになっている。このガスハイドレート排出管２１は、水平な部分２１ａにモーター２２によって駆動されるスクリュウ羽根２３を設け、ガスハイドレートｎを積極的に払いだすようになっている。

また、攪拌機７は、回転軸２４が耐圧容器２の底部を貫通するように設けられ、モーター２５によって駆動されるようになっている。

本発明に係るガスハイドレート生成装置の第１の実施形態の断面図である。 内側の容器の横断面図である。 図２のＸ部の拡大図である。 本発明に係るガスハイドレート生成装置の第２の実施形態の断面図である。 本発明に係るガスハイドレート生成装置の第３の実施形態の断面図である。

符号の説明

２，２ａ，２ｂ 容器
３ スクリュウ状の掻き上げ装置
Ａ ガスハイドレート生成部
Ｂ 脱水部
ｇ 原料ガス
ｎ ガスハイドレート
ｗ 水

Claims (4)

1. 容器内で原料ガスと水とを反応させてガスハイドレートを生成するガスハイドレート生成装置において、
   前記ガスハイドレート生成装置が、容器と、容器の内部に回転自在に配置したスクリュウ状の掻き上げ装置を有し、前記スクリュウ状の掻き上げ装置が、中空状で且つ軸径を上方に向かい拡大させた回転軸と、前記回転軸の外周に設置したらせん状のスクリュウ羽根と、前記回転軸の軸壁に形成した複数の微細孔を有しており、
   前記ガスハイドレート生成装置は、水および原料ガスが供給される前記容器の下部のガスハイドレート生成部でガスハイドレートを生成し、前記スクリュウ状の掻き上げ装置でガスハイドレートを上方に搬送し、前記ガスハイドレートに付随した未反応の水を流下させて前記ガスハイドレート生成部に戻すように構成したことを特徴とするガスハイドレート生成装置。
2. 前記ガスハイドレート生成部に供給された原料ガスを、前記スクリュウ状の掻き上げ装置で上方に搬送されたガスハイドレートに、前記中空状の回転軸の内部から前記微細孔を経由して供給するように構成したことを特徴とする請求項１に記載のガスハイドレート生成装置。
3. 請求項１または請求項２に記載のガスハイドレート生成装置において、スクリュウ状の掻き上げ装置の外側に円筒を設置し、該円筒の側面に無数の微細口を設けたことを特徴とするガスハイドレート生成装置。
4. 請求項１または請求項２に記載のガスハイドレート生成装置において、スクリュウ状の掻き上げ装置の外側に円筒を設置し、該円筒の内壁面の全周にわたって軸方向の微細溝を設けたことを特徴とするガスハイドレート生成装置。

Images