JP6303796B2 - 貯留槽内低温液体の混合方法及び装置 - Google Patents

Description

本発明は、液化天然ガス（以下、「ＬＮＧ」と言う場合あり）をはじめとする低温液化ガス（以下、低温液体）が貯留された貯留槽内で発生する低温液体の層状化を防止・解消する技術に関し、特に、貯留槽内低温液体を攪拌混合することで前記層状化を防止・解消する貯留槽内低温液体の混合方法及び装置に関する。

一般的に、低温液体は複数の成分が混合したものである。例えばＬＮＧは、主成分であるメタンの他にエタン、プロパン、ブタン等のメタンより重質成分が含まれており、その比率はＬＮＧの産地や精製プロセスに依存し一定ではない。そのため、同種の低温液体であっても、その組成の違いによって密度が異なるものとなる。
貯留槽中の低温液体に、成分の違いから密度が異なる低温液体を混入すると、密度の高い方の低温液体はタンクの下層に沈降し、一方、密度の低い方の低温液体は上層に遊離することになり、貯留槽内の低温液体が比重の軽い液（上層）と、比重の重い液（下層）とに層状化される。

貯留槽内に貯留されている低温液体は、貯留槽周囲からの入熱により常に加熱される状態にあるが、低温液体の温度は、その自由液面からの蒸発作用によって、上昇することなくバランスしている。なお、この時の蒸発成分は、主として沸点の低い軽質成分である。
しかし、貯留槽内で低温液体に層状化が生じた場合、上層の液は自由液面から蒸発できるため温度上昇しないが、下層の液は蒸発できる自由液面を持たないため入熱分が層内に蓄積され温度が上昇していく。すなわち、上層は軽質成分が蒸発して密度が大きくなっていき、逆に下層は温度上昇により密度が小さくなっていく。この上層と下層の密度差がある限界値より小さくなった時、層状化が保てなくなり上層と下層の液が混合しつつ、下層の液が自由液面に達するようになる。下層の液が自由液面に達すると、それまで蓄積されていた入熱分のエネルギーが解放され、蒸発量が急増する。

低温液体の貯留槽は、低温液体から蒸発する蒸発ガスを処理する設備を備えているが、蒸発ガス量がその処理能力を上回ると安全弁から放散することになる。低温液体がＬＮＧの場合、その蒸発ガスは可燃性ガスであり、大量の放散は安全上避けるべきである。また、蒸発量が安全弁の処理能力をも上回るほど多くなると、貯留槽内圧が上昇し続け、最悪の場合、貯留槽の破壊にもつながりかねない。
このように、貯留槽内での低温液体の層状化は、蒸発量の急増という危険な現象を伴うため、層状化を確実に防止できる手段が求められている。その手段の一つとして、貯留槽内の低温液体を攪拌して均一に混合することが行われている。

このような、撹拌混合を行う技術としては、特許文献１には、以下に示すような低温液化ガスタンク内の層状化防止装置が提案されている。
「低温液化ガスタンクの内底面上方位置に、下端を液吸込口とし上端を液流出口とする液上昇管を直立状態に且つタンク内底面と液吸込口との間に空間部が形成されるようにして設置し、該液上昇管の下端部に、低温液化ガスタンクに備えられているＢＯＧ圧縮機の下流側より分岐させた圧縮ＢＯＧ配管を連通させ、圧縮ＢＯＧを液上昇管内に下端部より噴出させて該液上昇管内に液を導搬させるようにした構成を有することを特徴とする低温液化ガスタンク内の層状化防止装置。」（特許文献１の請求項１参照）

また、特許文献２には、「受入れ液の物理的性状が変わることにより貯槽内に液の層状化を生じる貯槽に備えられる貯槽内液の層状化解消装置であって、側壁の貯槽底部に近い位置に貯槽内部上方に向けて液を噴出する下部ミキシングノズルを配設すると共に、側壁の上下方向中間位置に貯槽内部上方に向けて液を噴出する中間部ミキシングノズルを配設し、前記貯槽内の液を貯槽外部に取り出して前記下部ミキシングノズルと中間部ミキシングノズルに循環供給する循環ポンプを備えたことを特徴とする貯槽内液の層状化解消装置。」（特許文献２の請求項１参照）が提案されている。

特開2000-193196号公報 特開平9-203500号公報

特許文献１の層状化防止装置は、圧縮した気相を低温液化ガスタンク内に鉛直に設置した液上昇管の底部に吹き込み、気泡ポンプとして作用させて低温液化ガスタンク内の低温液化ガスを混合するものである。
しかし、低温液化ガスタンク内の液位は一定ではない。満液時の液位に対して大きく変化するものであり、大きいタンクではその変化量は数十メートルにも達する。液上昇管の上端を満液時の高さ近傍になるように設置すると、低液位の状態では液上昇管の下端部にＢＯＧを吹き込んだとしても、液上昇管の上端から液を流出させることができず、吹き込んだＢＯＧのみが液上昇管内を上昇していくこととなる。すなわち、循環混合効果が発揮できなくなる。

特許文献２の層状化解消装置においては、貯槽内の液を循環ポンプによって下部ミキシングノズルと中間部ミキシングノズルに供給して貯槽内に噴射しているが、噴流は周囲の液体を巻き込んで拡散していくので、到達高さには限界がある。この到達高さは、噴流液密度（重）と周囲液密度（軽）との密度差にも影響を受け、密度差が大きくなるに従って低くなる。
貯槽内の液位が高い場合、噴流が到達しない領域の混合が不十分となるため、中間高さに他のノズルを設置している。
しかし、貯槽の高さが高い場合や密度差が大きい場合には、噴流の到達高さを確保するために循環ポンプの所要動力が大きくなると同時に、ノズルを２本設けても十分でない場合もあり得、また、液位や成層界面位置に応じてノズルを切り替える複雑な制御が必要となるという問題がある。

本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、簡易な設備で、貯留槽内の低温液体を効果的に撹拌混合できる貯留槽内低温液体の混合方法及び装置を得ることを目的としている。

（１）本発明に係る貯留槽内低温液体の混合方法は、貯留槽内に貯留された低温液体を混合する貯留槽内低温液体の混合方法であって、
前記貯留槽から抜き出して低温液体を加熱する低温液体加熱工程と、加熱された低温液体を液ポンプで圧送して前記貯留槽内の低温液体中に噴出することで減圧沸騰させて気液二相流として噴出させる気液二相流噴出工程とを有し、
前記低温液体加熱工程は、加熱済み低温液体の圧力及び温度を検知し、これに基づいて気液二相流噴出工程で減圧沸騰するように加熱量を調節することを特徴とするものである。

（２）また、上記（１）に記載のものにおいて、前記低温液体加熱工程は、加熱後の低温液体が飽和状態になるよりも低い温度まで加熱することを特徴とするものである。

（３）本発明に係る貯留槽内低温液体混合装置は、貯留槽の低温液体を抜き出す低温液体抜出し管と、該低温液体抜出し管に設けられて貯留槽内の低温液体を圧送する液ポンプと、前記低温液体抜出し管から抜き出された低温液体を加熱する加熱器と、該加熱器によって前記貯留槽内よりも温度上昇した低温液体を前記貯留槽内の低温液体中に導入する低温液体導入管と、該低温液体導入管に設けられて該低温液体導入管によって導入された低温液体を噴出することで減圧沸騰させて気液二相流として噴出させる気液二相流噴出ノズルと、前記加熱器の出側に設けられて加熱後の低温液体の圧力を検出する圧力検出器と、前記加熱器の出側に設けられて加熱後の低温液体の温度を検出する温度検出器と、該温度検出器の検出値と、前記圧力検出器の検出値を入力して、前記気液二相流噴出ノズルの噴射の際に減圧沸騰するように加熱器による加熱量を調整する制御部とを備えたことを特徴とするものである。

（４）また、上記（３）に記載のものにおいて、前記加熱器は電気ヒータ又は、気体又は液体による熱交換器であることを特徴とするものである。

（５）また、上記（３）又は（４）に記載のものにおいて、前記制御部は、前記温度検出器の検出値と、前記圧力検出器の検出値を入力して、前記低温液体が飽和状態になるよりも低温になるように加熱器による加熱量を調整することを特徴とするものである。

本発明に係る貯留槽内低温液体の混合方法は、貯留槽から抜き出して低温液体を加熱する低温液体加熱工程と、加熱された低温液体を前記貯留槽内の低温液体中に噴出することで減圧沸騰させて気液二相流として噴出させる気液二相流噴出工程とを有することにより、貯留槽内の低温液体中に気液二相状態の気泡含有液体が貯留槽内の液中に噴流として吐出されるので、貯留槽内の低温液体の撹拌効果が高い。

本発明の一実施の形態における貯留槽内低温液体混合装置の説明図である。 本発明の一実施の形態における貯留槽内低温液体混合装置の他の態様における説明図である。

本実施の形態の貯留槽内低温液体の混合方法を説明するのに先立って、該方法に用いられる貯留槽内低温液体混合装置について図１に基づいて説明する。
本実施の形態に係る貯留槽内低温液体混合装置１（以下、単に「混合装置１」という）は、貯留槽３の低温液体５を抜き出す低温液体抜出し管７と、低温液体抜出し管７に設けられて貯留槽３内の低温液体５を圧送する液ポンプ９と、低温液体抜出し管７から抜き出された低温液体５を加熱する加熱器１１と、加熱器１１によって貯留槽３内よりも温度上昇した低温液体（加熱済み低温液体）を貯留槽３内の低温液体５中に導入する低温液体導入管１３と、低温液体導入管１３に設けられて低温液体導入管１３によって導入された低温液体（加熱済み低温液体）を噴出することで減圧沸騰させて気液二相流として噴出させる気液二相流噴出ノズル１５とを備えたものである。
以下、各構成を詳細に説明する。

＜貯留槽＞
貯留槽３は、例えば液化天然ガス（ＬＮＧ）等の低温液体５を貯留するものである。

＜低温液体抜出し管＞
低温液体抜出し管７は、貯留槽３の低温液体５を抜き出す管である。低温液体抜出し管７には、加熱器１１に低温液体５を圧送するための液ポンプ９が設けられている。
低温液体抜出し管７は、図１に示すように、低温液体５を外部へ供給するための低温液体送出管１９から分岐させるようにしてもよいし、低温液体送出管１９とは別に設けてもよい。
低温液体抜出し管７を低温液体送出管１９から分岐させる場合には、図１に示すように、分岐部の近傍に第１開閉弁２１を設けるようにする。
低温液体抜出し管７における、加熱器１１の近傍（低温液体送出管１９よりも加熱器１１に近い位置）には第２開閉弁２７が設けられている。

＜加熱器＞
加熱器１１は、低温液体抜出し管７から抜き出された低温液体５を加熱するものである。
加熱器１１の態様としては、図１に示すように、低温液体５が通流する経路である低温液体抜出し管７に巻き回された電気ヒータ１１ａと、電気ヒータ１１ａに供給する加熱電力量を調節する電力調整部１１ｂによって構成されるものが挙げられる。
液体抜出し管７における電気ヒータ１１ａが巻き回された部位を通過する低温液体５は、電気ヒータ１１ａから熱を受けて温度が上昇する。

液ポンプ９で昇圧され貯留槽３外に抜き出された低温液体５は、貯留槽３内に残留する液相よりも飽和温度が上昇しているため、加熱することにより液相の状態で貯留槽３内残留液相に対して過飽和温度まで昇温することが可能である。この、加熱済み低温液体を、再び貯留槽３内へ戻して気液二相流噴出ノズル１５から噴出することにより、減圧沸騰が生じ気液二相流となる。

加熱量をさらに増やして液体抜出し管７における電気ヒータ１１ａが巻き回された部位（以下、「加熱器１１内」という）で沸騰させ、発生する気相量を増やすことも可能である。しかし、加熱器１１内で沸騰して気相が発生すると、加熱済み低温液体を貯留槽３に安定して導入することができない。そこで、加熱済み低温液体を低温液体導入管１３を介して再び貯留槽３内に引き込み貯留槽３底部の気液二相流噴出ノズル１５まで安定に供給するために、気液二相流噴出ノズル１５までは沸騰させず液相の状態に保つことが望ましい。従って加熱器１１の出口で飽和状態になる温度を上限とし、該上限温度まで昇温する加熱量が加熱量の上限となる。

昇温量は、加熱器１１の出口側に設けた後述の圧力検出器２３の検出圧力から当該圧力における飽和温度を求め、実際の加熱済み低温液体の温度を後述の温度検出器２５によって検出し、この温度が飽和温度よりも低くなるように加熱量を調整することで制御可能である。
なお、上記の上限温度以下でも、貯留槽３内の液相に対して過飽和な状態まで低温液体５を昇温することが可能である。従って、上記上限温度以下でも十分な割合の気相を貯留槽３内に噴出でき、液単相流に比べて貯留槽３内の混合撹拌を促進できる。

＜低温液体導入管＞
低温液体導入管１３は、加熱器１１によって貯留槽３内よりも温度上昇した加熱済み低温液体を貯留槽３内の低温液体５中に導入するものである。
低温液体導入管１３における加熱器１１の近傍には、内部を通流する加熱済み低温液体の圧力を検知する圧力検出器２３と、内部を通流する加熱済み低温液体の温度を検知する温度検出器２５が設けられている。
また、加熱器１１の上流側と加熱器１１の下流側とを連結するバイパス管２９が設置され、バイパス管２９には第３開閉弁３１が設けられている。

＜気液二相流噴出ノズル＞
気液二相流噴出ノズル１５は、低温液体導入管１３の先端部に設けられて低温液体導入管１３によって導入された加熱済み低温液体を貯留槽３内の低温液体５中に噴出することで減圧沸騰させて気液二相流として噴出させるものである。
気液二相流噴出ノズル１５は低温液体導入管１３から供給される加熱済み低温液体を高速で噴出するために、吐出口１５ａの口径が縮径されている。

＜制御部＞
制御部１７は、圧力検出器２３及び温度検出器２５の検知情報を入力して、これに基づいて電力調整部１１ｂを制御することで電気ヒータ１１ａの加熱電力量を調整する。
加熱器１１における昇温量が多いほど、気液二相流噴出ノズル１５から吐出される際の気相の量が多くなり、貯留槽３内の混合撹拌力は向上する。そこで、貯留槽３の混合の様子を監視しながら、昇温量を調整するのが好ましい。
貯留槽３の混合の様子を監視する方法としては、例えば貯留槽３内の高さ方向に複数点設置された温度計もしくは密度計（図示せず）により貯留槽３内の高さ方向の温度分布や密度分布を計測する。

もっとも、本発明では気液二相流噴出ノズル１５のコンパクト化、加熱器１１を出た流体の気液二相流噴出ノズル１５への安定供給、液ポンプ動力の低減等の理由から、加熱器１１による加熱後に液相状態を維持するようにしている。
加熱器１１による加熱後に気液二相流の状態となった場合、加熱器１１から気液二相流噴出ノズル１５へ向かう低温液体導入管１３は下降流となる場合が多く、気液二相流の状態での下降流は、流動が不安定となったり、圧力損失が大きくなったりするためである。そのため、加熱器１１による昇温量は、上述の通り、加熱器１１を通過後に飽和液の状態になるまでが上限となる。

制御部１７による昇温量の具体的な調整方法は、圧力検出器２３検知情報を入力して、飽和温度を求め、温度検出器２５で検出される加熱器１１の出口側の低温流体の温度がこの飽和温度以下になっているかを確認し、飽和温度超の場合には加熱電力量が少なくなるように電力調整部１１ｂを調整すればよい。

また、制御部１７は、貯留槽３内の低温液体５の混合を行うか、低温液体５の通常の送出を行うかを、第１開閉弁２１、第２開閉弁２７及び第３開閉弁３１の開閉制御によって切り替える。

以上のように構成された貯留槽内低温液体混合装置１を用いた貯留槽内低温液体の混合方法を説明する。
貯留槽内低温液体の混合を行わない場合には、第１開閉弁２１を開、第２開閉弁２７と第３開閉弁３１を閉にする。これによって、貯留槽３内の低温液体５は液ポンプ９によって低温液体送出管１９を介して使用側に必要量が供給される。

貯留槽３内の混合を行う際には、第１開閉弁２１及び第３開閉弁３１を閉にすると共に、第２開閉弁２７を開にする。なお、第１開閉弁２１は完全に閉にせずに、使用側の需要に応じて適宜開度を調整するようにしてもよい。
これによって、貯留槽３内の低温液体５は液ポンプ９によって低温液体抜出し管７を介して加熱器１１に供給される。
加熱器１１では、電気ヒータ１１ａが巻き回された流通経路を低温の低温液体５が通過することで、低温液体は貯留槽３内の温度よりも高い温度の加熱済み低温液体になる（低温液体加熱工程）。
加熱済み低温液体は、液相状態で低温液体導入管１３を介して気液二相流噴出ノズル１５に供給される。
気液二相流噴出ノズル１５に供給された加熱済み低温液体は気液二相流噴出ノズル１５から高速で噴出することで減圧沸騰して気液二相流として低温液体５中に噴出される（気液二相流噴出工程）。

図１に示すように、貯留槽３内に吐出された気液二相流は、噴流に含まれる気泡の上昇効果によって、液相単相の噴流よりも到達高さが高くなり、撹拌混合効果が向上する。
また、噴流が拡散した後でも、気泡の上昇流に随伴される液相の上昇流が形成され、攪拌混合効果が増大する。
なお、攪拌混合能力があまり要求されないような条件においては、第２開閉弁２７を閉、第３開閉弁３１を開にすることによって、液単相噴流により貯留槽３内を攪拌混合することも可能である。

以上のように、本実施の形態によれば、気液二相流噴出ノズル１５から気液二相流が貯留槽３内の液中に噴流として吐出されるので、貯留槽３内の低温液体５の撹拌効果が高い。
また、本実施の形態では、低温液体抜出し管７を既設の低温液体送出管１９から分岐して設けたので、既設の配管に容易に取り付けることができ、改造費用等を低減することができる。
また、液相を圧送する液ポンプ９、噴出ノズルは既設のものを使用できるので、大規模な改修工事も必要としない。これらのことから、加熱器１１および液相配管系統の追加設置は、相対的に小規模な工事で済み、既設のシステムにも適用可能となる。
さらに、本実施の形態の加熱器１１は、加熱量の調整が容易にできるので、貯留槽３内の混合の様子を監視しながら、昇温量を調整して、必要な撹拌能力となるようにすることができる。
またさらに、本実施の形態では、加熱器１１によって加熱した低温液体５が液相状態を維持するようにしているので、加熱器１１から気液二相流噴出ノズル１５への供給を安定して行うことができ、また気液二相流噴出ノズル１５へ供給するための液ポンプ９の動力を小さくすることができる。

なお、上記の説明では制御部１７を用いて第１開閉弁２１、第２開閉弁２７、及び第３開閉弁３１を自動開閉するようにしたが、本発明においては、制御部１７を有することなく、これらの弁関係を個別に手動等によって開閉するようにしてもよい。

また、加熱器の別の態様として、図２に示すように、熱交換器３３ａと流量調節部３３ｂによって構成される加熱器３３を用いてもよい。熱交換器３３ａ内には、空気または海水が流通しており、その通気量または通水量は流量調節部３３ｂで調節する。
貯留槽３外に抜き出した低温液体５は低温であるため、常温の空気や海水を用いた熱交換器でも本発明の効果を得るのに十分な加熱が可能となり、これを加熱するための特別な熱源は必要としない。

１ 貯留槽内低温液体混合装置
３ 貯留槽
５ 低温液体
７ 低温液体抜出し管
９ 液ポンプ
１１ 加熱器
１１ａ 電気ヒータ
１１ｂ 電力調整部
１３ 低温液体導入管
１５ 気液二相流噴出ノズル
１５ａ 吐出口
１７ 制御部
１９ 低温液体送出管
２１ 第１開閉弁
２３ 圧力検出器
２５ 温度検出器
２７ 第２開閉弁
２９ バイパス管
３１ 第３開閉弁
３３ 加熱器
３３ａ 熱交換器
３３ｂ 流量調節部

Claims (5)

1. 貯留槽内に貯留された低温液体を混合する貯留槽内低温液体の混合方法であって、
   前記貯留槽から抜き出して低温液体を加熱する低温液体加熱工程と、加熱された低温液体を液ポンプで圧送して前記貯留槽内の低温液体中に噴出することで減圧沸騰させて気液二相流として噴出させる気液二相流噴出工程とを有し、
   前記低温液体加熱工程は、加熱済み低温液体の圧力及び温度を検知し、これに基づいて気液二相流噴出工程で減圧沸騰するように加熱量を調節することを特徴とする貯留槽内低温液体の混合方法。
2. 前記低温液体加熱工程は、加熱後の低温液体が飽和状態になるよりも低い温度まで加熱することを特徴とする請求項１記載の貯留槽内低温液体の混合方法。
3. 貯留槽の低温液体を抜き出す低温液体抜出し管と、該低温液体抜出し管に設けられて貯留槽内の低温液体を圧送する液ポンプと、前記低温液体抜出し管から抜き出された低温液体を加熱する加熱器と、該加熱器によって前記貯留槽内よりも温度上昇した低温液体を前記貯留槽内の低温液体中に導入する低温液体導入管と、該低温液体導入管に設けられて該低温液体導入管によって導入された低温液体を噴出することで減圧沸騰させて気液二相流として噴出させる気液二相流噴出ノズルと、前記加熱器の出側に設けられて加熱後の低温液体の圧力を検出する圧力検出器と、前記加熱器の出側に設けられて加熱後の低温液体の温度を検出する温度検出器と、該温度検出器の検出値と、前記圧力検出器の検出値を入力して、前記気液二相流噴出ノズルの噴射の際に減圧沸騰するように加熱器による加熱量を調整する制御部とを備えたことを特徴とする貯留槽内低温液体混合装置。
4. 前記加熱器は電気ヒータ又は、気体又は液体による熱交換器であることを特徴とする請求項３記載の貯留槽内低温液体混合装置。
5. 前記制御部は、前記温度検出器の検出値と、前記圧力検出器の検出値を入力して、前記低温液体が飽和状態になるよりも低温になるように加熱器による加熱量を調整することを特徴とする請求項３又は４に記載の貯留槽内低温液体混合装置。