JP5455442B2

JP5455442B2 - 天然ガスからの重質炭化水素分離方法及びその装置

Info

Publication number: JP5455442B2
Application number: JP2009128181A
Authority: JP
Inventors: 誠尾崎; 進一斉田; 康充小谷野
Original assignee: IHI Plant Construction Co Ltd
Current assignee: IHI Plant Construction Co Ltd
Priority date: 2009-05-27
Filing date: 2009-05-27
Publication date: 2014-03-26
Anticipated expiration: 2029-05-27
Also published as: JP2010275399A

Description

本発明は、天然ガスからプロパン、ブタン等のＣ３成分以上の炭化水素を分離するための天然ガスからの重質炭化水素分離方法及びその装置に関するものである。

ガス田や油田等で採掘される天然ガス（ＮＧ）には、メタンの他に、エタン、プロパン、ブタン、ペンタン等のＣ２成分以上の炭化水素や窒素が含まれ、また不純物として水や炭酸ガス（ＣＯ₂）や硫化水素（Ｈ₂Ｓ）が含まれている。

産地で採掘された天然ガスは、輸送のために−１６２℃以下の温度で液化してＬＰＧとするが、天然ガス中にプロパンやブタンなどＣ３成分以上の炭化水素が多く含まれると、発熱量が高くなり、都市ガスなどに使用される天然ガス規格に適合しなくなるため、産地にて天然ガスを精製して液化することがなされている。

従来、天然ガスの精製は、原料のＮＧを高圧、低温にして、メタンを気相にし、Ｃ３以上の炭化水素を液相にし、炭酸ガスや硫化水素等の不純物は前もって吸収液或いは吸着剤で分離して、液相のＬＰＧ成分を、気相のメタンから分離することがなされている（特許文献１）。

この際、天然ガスからメタン成分とＬＰＧ成分を気液分離する場合、圧力を約４ＭＰａとし、天然ガスを−３５〜−４５℃に冷却する必要がある。

特開２００９−１９１９２号公報

しかしながら、天然ガスからＬＰＧ成分を分離するためには、加圧分離方法では、高圧低温法か、低圧極低温法のいずれかで分離する必要があり、これらの方法では、分離のために耐圧容器等が必要となり、運転エネルギーを大量に消費すると共に、設備費も高くなる問題がある。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、天然ガスからＣ３成分以上の重質炭化水素を除去する際に低圧で分離できる天然ガスからの重質炭化水素分離方法及びその装置を提供することにある。

上記目的を達成するために請求項１の発明は、天然ガスからＣ３成分以上の重質炭化水素を分離する方法において、冷却した水に天然ガスを気泡として吹き込んで天然ガス中のＣ３成分以上の重質炭化水素を水和物とし、その水和物を水から浮上させて分離すると共に、精製天然ガスを回収することを特徴とする天然ガスからの重質炭化水素分離方法である。

請求項２の発明は、水和物生成器に水を貯めると共に冷却し、その水中に設けた気泡発生器から天然ガスを気泡として吹き込み、天然ガス中のＣ３成分以上の重質炭化水素（ＨＣ）を水和物として水上に浮上させ、その生成した水和物を水和物生成器から排出し、水和物生成器の頂部からＣ３成分以上の重質炭化水素が分離された天然ガスを回収する請求項１記載の天然ガスからの重質炭化水素分離方法である。

請求項３の発明は、水和物生成器の底部に沈殿した炭酸ガスの水和物を分離する請求項１又は２記載の天然ガスからの重質炭化水素分離方法である。

請求項４の発明は、天然ガスからＣ３成分以上の重質炭化水素を分離する装置において、水を貯留する水和物生成器の下部に天然ガスを気泡として吹き込む気泡発生器を設け、上記水和物生成器に水を冷却する冷却装置を設け、水和物生成器に、生成した炭化水素水和物を分離、排出するＨＣ水和物分離器を設け、水和物生成器の頂部に、精製ＮＧの排出管を接続したことを特徴とする天然ガスからの重質炭化水素分離装置である。

請求項５の発明は、精製ＮＧの排出管に冷熱回収器が接続され、上記ＨＣ水和物分離器から排出されるＨＣ水和物の排出管にＨＣ水和物分解器が接続され、上記冷却装置が水和物生成器の水を冷却する冷却器を有し、上記冷熱回収器とＨＣ水和物分解器で回収された冷熱で、冷却器の上記水を冷却する冷凍サイクルが設けられる請求項４記載の天然ガスからの重質炭化水素分離装置である。

請求項６の発明は、水和物生成器の底部に炭酸ガス水和物を排出する排出ラインが接続された請求項４又は５記載の天然ガスからの重質炭化水素分離装置である。

本発明によれば、天然ガスを、冷却した水に気泡として吹き込み天然ガス中のＣ３成分以上のＨＣを水和物とすることで、プロパン等を容易に回収できると共に天然ガスを精製することができるという優れた効果を発揮するものである。

本発明の一実施の形態を示す全体図である。

以下、本発明の好適な一実施の形態を添付図面に基づいて詳述する。

本発明は、水和物生成器１０内に貯留した水１２中に天然ガス（ＮＧ）を気泡として吹き込み、天然ガスに含まれているプロパン、ブタン等のＣ３成分以上の炭化水素（ＨＣ）を天然ガスの主成分であるメタン成分から優先的にハイドレート化して分離するものである。

図１に示すように、Ｃ３成分以上のＨＣの水和物生成による天然ガスからの炭化水素分離装置は、水１２を貯留した水和物生成器１０からなるものである。

この水和物生成器１０は筒状本体１１内に水１２が貯留され、その筒状本体１１内の下部に、冷却された水１２に原料ＮＧ１３を気泡として吹き込む気泡発生器１４が設けられ、上部にＨＣ水和物分離器１５が設けられて構成される。

ＨＣ水和物分離器１５は、円環リング１６の中央に堰リング１７を設けて構成され、堰リング１７をオーバーフローしたＨＣ水和物１８を一時的に溜めることができるようになっている。

原料ＮＧ１３は、ＮＧ圧縮機１９にて１ＭＰａ程度に昇圧され、供給管２０から気泡発生器１４に供給される。この気泡発生器１４は、多孔質リングなどで形成され、筒状本体１１内の水１２中に気泡を万遍なく噴射できるように、また噴射されるＮＧの気泡は、微細な気泡として、好ましくは、水和物生成速度を速くするために２００μｍ以下のマイクロバブルで吹き出されるように構成される。

水和物生成器１０には、貯留する水１２を冷却するための冷却装置２１が接続される。冷却装置２１は、筒状本体１１の下部に水１２を間接冷却する冷却コイルで構成してもよいが、図示のように筒状本体１１に冷却水循環ライン２２を接続し、その冷却水循環ライン２２に、循環ポンプ２３と冷却器２４と循環流量調節弁２５とを接続して構成する。筒状本体１１内の水１２は、筒状本体１１の下部に接続した冷却水循環ライン２２の吸込ライン２２ｓから循環ポンプ２３で吸い込まれ、冷却器２４で冷却された後、循環流量調節弁２５で循環量を調節し、気泡発生器１４の下部に位置して設けた戻し管２２ｒから筒状本体１１に戻されて循環されて、筒状本体１１内の水１２を冷却する。この際、吸込ライン２２ｓに位置した筒状本体１１内には、生成する炭酸ガス等の水和物を吸い込まないための吸い込み防止カバー２６が設けられる。

筒状本体１１の頂部にはＣ３以上のＨＣが分離された精製ＮＧ排出管２７が接続され、その精製ＮＧ排出管２７に冷熱回収器２８が接続される。

筒状本体１１の底部には、生成した炭酸ガス等の水和物３０を排出する排出ライン３１が接続され、その排出ライン３１に払出ポンプ３２が接続され、炭酸ガス等の水和物が排出ライン３１を介して炭酸ガス等の水和物分離装置３３に供給される。

ＨＣ水和物分離器１５に位置した筒状本体１１には、ＨＣ水和物排出管３５が接続され、その排出管３５にＨＣ水和物ポンプ３６とＨＣ水和物分解器３７が接続される。ＨＣ水和物分解器３７で分解されたＨＣは排出管３５からＬＰＧ精製装置３８に供給される
筒状本体１１の下部には、ＨＣ水和物の生成と排出で不足する水を、補給水４０として補充するための補充水ライン４１が接続され、その補充水ライン４１に、補充量調節弁４２が接続される。

冷却器２４、冷熱回収器２８、ＨＣ水和物分解器３７は、多段冷凍サイクル４３に接続され、多段冷凍サイクル４３の冷媒で、冷却或いは熱回収されるようになっている。

この多段冷凍サイクル４３は、冷媒（プロパン等）の吸入ドラム４５に低圧側圧縮機４６が接続され、その低圧側圧縮機４６の吐出側に高圧側圧縮機４７が接続されて構成され、その高圧側圧縮機４７の高圧サイクル４８では、高圧側圧縮機４７の圧縮冷媒が凝縮器４９、冷熱回収器２８を通り、高圧側膨張弁５０で膨張されて冷媒ガスとされ、その冷媒ガスが、ＨＣ水和物分解器３７、冷媒レシーバタンク５１、低圧側膨張弁５２、冷却器２４を通って吸入ドラム４５に戻るように構成され、低圧側圧縮機４６の低圧サイクル５３では、高圧側圧縮機４７へ至るの高圧サイクル４８より分岐し、高圧サイクル４８から高圧側膨張弁５０で膨張された冷媒ガスと合流して、ＨＣ水和物分解器３７に供給されて凝縮し、冷媒レシーバタンク５１に貯留され、低圧側膨張弁５２で膨張され、冷却器２４で蒸発されて吸入ドラム４５に戻るように構成される。

次に、天然ガスからの炭化水素分離装置の制御系を説明する。

ＮＧ圧縮機１９の供給管２０には第１流量計ＦＩＣ−１が接続され、補充水ライン４１には、第２流量計ＦＩＣ−２が接続され、その計測値が制御装置５４に入力される。制御装置５４は、第１流量計ＦＩＣ−１で計測した天然ガス量に対して水和物生成反応に必要な水量を算出し、第２流量計ＦＩＣ−２が必要水量となるように補充量調節弁４２を制御する。

筒状本体１１には、水１２の温度を検出する第１温度調節計ＴＩＣ−１が設けられ、第１温度調節計ＴＩＣ−１が水１２の温度が設定温度となるように冷却装置２１の循環流量調節弁２５を調節して循環量を制御する。

ＨＣ水和物分離器１５上の筒状本体１１には、生成するＨＣ水和物１８のレベルを検出する第１レベル調節計ＬＩＣ−１が接続され、その第１レベル調節計ＬＩＣ−１でＨＣ水和物ポンプ３６が制御される。

冷却装置２１の冷却水循環ライン２２には、冷却器２４で冷却された循環冷却水の温度を検出する第２温度調節計ＴＩＣ−２が接続され、その第２温度調節計ＴＩＣ−２で、低圧サイクル５３の低圧側膨張弁５２の弁開度が制御される。また高圧サイクル４８の凝縮器４９には、冷媒の凝縮液のレベルを検出する第２レベル調節計ＬＩＣ−２（或いは凝縮調節計でもよい）が接続され、その第２レベル調節計ＬＩＣ−２で高圧側膨張弁５０の開度が制御される。

筒状本体１１の底部には生成する炭酸ガス等の水和物３０の比重を検出する比重計ＷＩＣ−１が設けられ、その比重計ＷＩＣ−１により払出ポンプ３２の回転数が制御されて炭酸ガス等の水和物の払出量が制御される。

この図１の天然ガスからの炭化水素分離装置による重質炭化水素分離方法を説明する。

水和物生成器１０の筒状本体１１内に水１２を貯めておき、その中に原料ＮＧ１３をＮＧ圧縮機１９で１．０ＭＰａ程度（０．９〜１．５ＭＰａの範囲）に昇圧し、気泡発生器１４を通してＮＧをマイクロバブル状にして吹き込む。マイクロバブルの径は水和物反応速度を速くするために２００μｍ以下の気泡にし、筒状本体１１に万遍なく分散するように噴射する。また補充水ライン４１からＣ３成分以上の重質炭化水素（ＨＣ）の水和物反応に必要な水が供給される。

ＮＧの気泡と水が接触する領域では、所定の水和化反応を円滑に進めるために冷却装置２１で冷却循環水を冷却し、循環ポンプ２３により水和物生成器１０に送入して水和物の反応熱を吸収して適正な反応温度２〜１℃以下、０℃以上を保持するように冷却する。

本発明では、メタンに対するＨＣ成分の水和物化の平衡係数の比が大きくなる圧力と温度として、０．９５ＭＰａ、１．１℃を選定している。

冷却装置２１からの水和物生成器１０に送入される冷却循環水は、水和物生成器１０に設置されている気泡発生器１４の下部の間近に気泡に対して均等な配分になるように送入する。

低温の冷却循環水と接触した気泡中の成分は水和物となり周囲の水１２を温めつつ上昇する。生成されたＨＣ水和物１８は、水１２よりも軽いので気泡と共に水面に上昇する。

一方、水和物生成器１０の水１２の温度は、比重が最も重くなる４℃以下に保持されており、水和化熱で加熱されて温度が上昇した冷却水は、送入される冷却水よりも比重が重くなるので、下降流となって水和物生成器１０の下方に向う。従って、冷却装置２１に循環されて戻し管２２ｒで戻される温度の低い冷却水は比重差により上方流となり、気泡と混合することになる。

このように、炭化水素ガスの水和化は発熱反応であるために反応の進行中に温度が上昇するので温度上昇を抑制することが重要となる。

本発明では、低温（１．１℃）の循環水を、冷却器２４で生成し、これを水和物生成器１０に送って顕熱で冷却すると共に、水和化の成分としている。

これにより水和物生成器１０ではＮＧ中のＣ３成分以上のプロパン、ブタン等のＨＣが主体的に水和物を生成し、メタン、エタンの水和物は少ない状態で、メタン等が水１２中を上昇し、水和物生成器１０から精製ＮＧ排出管２７に排出され、冷熱回収器２８で冷熱が回収されて処理済ＮＧとして排出される。

生成したＨＣ水和物１８は、ＨＣ水和物分離器１５にオーバーフローにより貯留され、そのＨＣ水和物分離器１５より排出管３５を通してＨＣ水和物分解器３７に送られ、そこで熱分解温度（１０℃以上）に加熱され、ＨＣ成分と水に熱分解された後、適宜水が分離されてＨＣがＬＰＧ精製装置３８に供給される。

また、ＨＣ水和物１８の生成と共に原料ＮＧ１３中に含まれる炭酸ガス、硫化水素等の不純物は炭酸ガス等の不純物３０となって筒状本体１１の底部に沈殿するため、これを排出ライン３１より排出する。

以上において、水和物生成器１０でのＨＣ水和物生成反応は、１ＭＰａ程度で温度が１℃程度であれば、メタン、エタンは水和物反応量が少なく、Ｃ３成分以上のＨＣが主体的に水和物を生成するが、冷却装置２１の冷却器２４とＨＣ水和物分解器３７の冷媒としてＨＣ成分と同じプロパン等の冷媒を用いて多段冷凍サイクル４３を構成することで、ヒートバランスのよい制御が行える。

すなわち、冷媒としてのプロパンは常温で０．８６ＭＰａで液化するため、これを冷媒レシーバタンク５１に貯留して、低圧側圧縮機４６の低圧サイクル５３を循環する冷媒で、循環冷却水の冷却によるＨＣ水和物の生成と熱分解を行う際の温度制御が容易となる。ここで、低圧側圧縮機４６の駆動で、冷媒を圧縮し、高圧サイクル４８の冷媒ガスと合流させて、ＨＣ水和物分解器３７で冷熱を回収し、冷媒レシーバタンク５１内の冷媒を低圧側膨張弁５２で膨張させることで、循環する冷却水を冷却するに適した温度（−５℃程度）にでき、冷却器２４を循環する冷却水を、凍らせることなく２〜１℃以下で０℃以上に冷却できる。また冷却器２４で蒸発して−２℃程度になった冷媒ガスを吸入ドラム４５から低圧側圧縮機４６で０．５６ＭＰａ程度に圧縮して温度を１６℃とし、これをＨＣ水和物分解器３７に供給することで、１℃のＨＣ水和物の熱分解に用いて冷熱を回収して冷媒レシーバタンク５１に戻すことができる。さらに、低圧側圧縮機４６で圧縮した冷媒ガスの一部を、高圧側圧縮機４７で１．１５ＭＰａに圧縮し、凝縮器４９で水冷または空冷して凝縮させ、これを冷熱回収器２８に通して、精製ＮＧの冷熱を回収することができる。

この際、原料ＮＧ中の重質ＨＣ成分は数％〜１０数％程度であり、冷熱の大部分は、冷熱回収器２８で回収され、また冷却器２４での冷却熱量とＨＣ水和物分離器１５から回収される熱量とは略同じである。凝縮器４９は、原料ＮＧ１３の冷却、水和物生成器１０への入熱、圧縮機４６，４７の圧縮仕事による入熱等のヒートバランスから求められる熱量を除去するように設定され、また凝縮器４９内の凝縮液レベルは、これらの熱量に対応するため、第２レベル調節計ＬＩＣ−２（または凝縮調節計）でこれを検出して高圧側膨張弁５０の開度を制御することで、入熱量に応じた冷凍サイクル運転が行える。

以上本発明は、原料ＮＧ１３中のＣ３成分以上のＨＣを除去する際に、これを水和物とすることにより、メタン、エタン等の成分から容易に分離することができる。またＨＣ水和物生成に要した熱も回収できるため消費エネルギーも少なく、また水和物生成器１０も１ＭＰａに耐え得るものであればよいため設備費も少なくてすむ。

１０水和物生成器
１２水
１３原料ＮＧ
１４気泡発生器
１８ＨＣ水和物
２１冷却装置

Claims

天然ガスからＣ３成分以上の重質炭化水素を分離する方法において、冷却した水に天然ガスを気泡として吹き込んで天然ガス中のＣ３成分以上の重質炭化水素を水和物とし、その水和物を水から浮上させて分離すると共に、精製天然ガスを回収することを特徴とする天然ガスからの重質炭化水素分離方法。
水和物生成器に水を貯めると共に冷却し、その水中に設けた気泡発生器から天然ガスを気泡として吹き込み、天然ガス中のＣ３成分以上の重質炭化水素（ＨＣ）を水和物として水上に浮上させ、その生成した水和物を水和物生成器から排出し、水和物生成器の頂部からＣ３成分以上の重質炭化水素が分離された天然ガスを回収する請求項１記載の天然ガスからの重質炭化水素分離方法。
水和物生成器の底部に沈殿した炭酸ガスの水和物を分離する請求項１又は２記載の天然ガスからの重質炭化水素分離方法。
天然ガスからＣ３成分以上の重質炭化水素を分離する装置において、水を貯留する水和物生成器の下部に天然ガスを気泡として吹き込む気泡発生器を設け、上記水和物生成器に、水を冷却する冷却装置を設け、水和物生成器に、生成した炭化水素水和物を分離、排出するＨＣ水和物分離器を設け、水和物生成器の頂部に、精製ＮＧの排出管を接続したことを特徴とする天然ガスからの重質炭化水素分離装置。
精製ＮＧの排出管に冷熱回収器が接続され、上記ＨＣ水和物分離器から排出されるＨＣ水和物の排出管にＨＣ水和物分解器が接続され、上記冷却装置が水和物生成器の水を冷却する冷却器を有し、上記冷熱回収器とＨＣ水和物分解器で回収された冷熱で、冷却器の上記水を冷却する冷凍サイクルが設けられる請求項４記載の天然ガスからの重質炭化水素分離装置。
水和物生成器の底部に炭酸ガス水和物を排出する排出ラインが接続された請求項４又は５記載の天然ガスからの重質炭化水素分離装置。