JP6940206B2 - 酸性ガス分離装置 - Google Patents
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Description
本発明は、油田において原油と共に採掘される油田随伴ガス、ガス田において採掘される天然ガス等のガス状産出流体から酸性ガスを分離する酸性ガス分離装置に関する。
油田において原油と共に採掘されるいわゆる油田随伴ガスや、ガス田から産出されるガスは、沸点の異なる複数の炭化水素類の他に、二酸化炭素や硫化水素などのいわゆる酸性ガス、水、さらには鉄や水銀などの金属及びその化合物等を含む混合流体である。
油田随伴ガスやガス田産出ガス等の混合流体は、その中に含まれる酸性ガスや水分を除去しそれらの濃度を所定の値以下に低下させ、メタンを主成分とするガス状の炭化水素とされたうえで、天然ガスとして出荷される。
従来、アミン系化合物により酸性ガスを吸収除去する方法が広く採用されているが、近年、メタンと二酸化炭素とでそれぞれ透過率が異なる性質（選択透過性）を有する有機高分子分離膜が提案されている。例えば特許文献1には、セラミック多孔質体上に塗布される有機高分子系の二酸化炭素分離膜が開示されている（段落0089）。また、特許文献2には、ポリイミド中空糸を使用した分離膜モジュールを2段組み合わせ、メタン発酵で得られたメタンガスから二酸化炭素を分離する技術が開示されている。
有機高分子系の分離膜は、例えば押し出し成形加工により中空糸或いは薄い膜状に成形可能であり、分離膜モジュールとして見ると重量及び体積当たりの分離性能が非常に高い。また、有機高分子分離膜は、一般にメタンのガス透過率よりも二酸化炭素や硫化水素のガス透過率が高いため、高い酸性ガス分離比を得るために、設備内で複数のモジュールが直列に接続される。
メタンを分離されて酸性ガスの含有比率が高められた排出ガス、いわゆる酸性ガスリッチな排出ガスは、メタン等の炭化水素を相当量含むため、フレア処理されるか若しくは地層圧入処理される。
メタンを分離されて酸性ガスの含有比率が高められた排出ガス、いわゆる酸性ガスリッチな排出ガスは、メタン等の炭化水素を相当量含むため、フレア処理されるか若しくは地層圧入処理される。
このような有機高分子分離膜による酸性ガスの除去は、エネルギー効率が良いこと、設備の設置に必要な面積が小さいこと、並びに運転が容易であること等の点で注目を集めている。
しかしながら、発明者らは、上記の有機高分子分離膜は、処理対象となるガス中の二酸化炭素濃度が20%を越えると膜の性能劣化が早くなり、ガス田で産出される産出ガス中の二酸化炭素濃度が30％を越えると採算性を確保することが難しくなるとの知見を得ている。
一方、近年の資源開発の進展に伴い、新に開発されるガス田における産出ガスの二酸化炭素濃度は上昇傾向が続いている。発明者らは、二酸化炭素の地層圧入による二次回収等を原因として、油田随伴ガスにおいても二酸化炭素濃度が上昇するであろうと予想する。
一方、近年の資源開発の進展に伴い、新に開発されるガス田における産出ガスの二酸化炭素濃度は上昇傾向が続いている。発明者らは、二酸化炭素の地層圧入による二次回収等を原因として、油田随伴ガスにおいても二酸化炭素濃度が上昇するであろうと予想する。
本発明は、上記課題に鑑み、高濃度の二酸化炭素が含まれるガス状炭化水素流体からの酸性ガスの分離に関し、分離効率が高く採算性にも優れる酸性ガス分離装置を提供することを目的としている。
本発明に係る酸性ガス分離装置の第一の態様は、油田から汲み上げた油田産出流体を、油分が豊富な油相成分と、鉄や水銀などの金属及びその化合物等を含む水相成分と、沸点の異なる複数の炭化水素類を含む気相成分を分離するセパレータと、
前記セパレータによって前記油相成分及び水相成分を分離された前記気相成分を昇圧する第一の昇圧装置と、
前記第一の昇圧装置によって昇圧された前記気相成分を冷却することにより、該気相成分に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素を凝縮し、前記気相成分から分離する第一のコンデンサと、
無機分離膜を有し、前記第一のコンデンサによって前記重質炭化水素を分離された前記気相成分を、前記無機分離膜によって酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する第一の分離装置と、
有機高分子分離膜を有し、前記第一の分離装置によって前記第一のガス状流体とは分離された前記第二のガス状流体を、前記有機高分子分離膜によって酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する第二の分離装置とを有する。
本発明に係る酸性ガス分離装置の第二の態様は、油田から汲み上げた油田産出流体を、油分が豊富な油相成分と、鉄や水銀などの金属及びその化合物等を含む水相成分と、沸点の異なる複数の炭化水素類を含む気相成分を分離するセパレータと、
前記セパレータによって前記油相成分及び水相成分を分離された前記気相成分を昇圧する第一の昇圧装置と、
前記第一の昇圧装置によって昇圧された前記気相成分を冷却することにより、該気相成分に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素の一部を凝縮し、前記気相成分から分離する第一のコンデンサと、
無機分離膜を有し、前記第一のコンデンサによって前記重質炭化水素の一部を分離された前記気相成分を、前記無機分離膜によって酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する第一の分離装置と、
前記第一の分離装置によって第一のガス状流体とは分離された第二のガス状流体を冷却することにより、該第二のガス状流体に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素を凝縮し、前記第二のガス状流体から分離する第二のコンデンサと、
有機高分子分離膜を有し、前記第二のコンデンサによって前記重質炭化水素を分離された前記第二のガス状流体を、前記有機高分子分離膜によって酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する第二の分離装置とを有する。
本発明に係る酸性ガス分離装置の第三の態様は、ガス田から産出されたガス状炭化水素流体を昇圧する第一の昇圧装置と、
前記第一の昇圧装置によって昇圧された前記ガス状炭化水素流体を加熱する加熱器と、
無機分離膜を有し、前記加熱器によって加熱された前記ガス状炭化水素流体を、前記無機分離膜によって酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する第一の分離装置と、
前記第一の分離装置によって第一のガス状流体とは分離された第二のガス状流体を冷却することにより、該第二のガス状流体に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素を凝縮し、前記第二のガス状流体から分離する第二のコンデンサと、
有機高分子分離膜を有し、前記第二のコンデンサによって前記重質炭化水素を分離された前記第二のガス状流体を、前記有機高分子分離膜によって酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する第二の分離装置とを有する。
本発明に係る酸性ガス分離装置の第三の態様では、前記加熱器に導入される前の前記ガス状炭化水素流体と、前記第一の分離装置において前記第一のガス状流体とは分離された前記第二のガス状流体との間で熱交換を行わせ、前記ガス状炭化水素流体を加熱してもよい。
前記セパレータによって前記油相成分及び水相成分を分離された前記気相成分を昇圧する第一の昇圧装置と、
前記第一の昇圧装置によって昇圧された前記気相成分を冷却することにより、該気相成分に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素を凝縮し、前記気相成分から分離する第一のコンデンサと、
無機分離膜を有し、前記第一のコンデンサによって前記重質炭化水素を分離された前記気相成分を、前記無機分離膜によって酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する第一の分離装置と、
有機高分子分離膜を有し、前記第一の分離装置によって前記第一のガス状流体とは分離された前記第二のガス状流体を、前記有機高分子分離膜によって酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する第二の分離装置とを有する。
本発明に係る酸性ガス分離装置の第二の態様は、油田から汲み上げた油田産出流体を、油分が豊富な油相成分と、鉄や水銀などの金属及びその化合物等を含む水相成分と、沸点の異なる複数の炭化水素類を含む気相成分を分離するセパレータと、
前記セパレータによって前記油相成分及び水相成分を分離された前記気相成分を昇圧する第一の昇圧装置と、
前記第一の昇圧装置によって昇圧された前記気相成分を冷却することにより、該気相成分に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素の一部を凝縮し、前記気相成分から分離する第一のコンデンサと、
無機分離膜を有し、前記第一のコンデンサによって前記重質炭化水素の一部を分離された前記気相成分を、前記無機分離膜によって酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する第一の分離装置と、
前記第一の分離装置によって第一のガス状流体とは分離された第二のガス状流体を冷却することにより、該第二のガス状流体に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素を凝縮し、前記第二のガス状流体から分離する第二のコンデンサと、
有機高分子分離膜を有し、前記第二のコンデンサによって前記重質炭化水素を分離された前記第二のガス状流体を、前記有機高分子分離膜によって酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する第二の分離装置とを有する。
本発明に係る酸性ガス分離装置の第三の態様は、ガス田から産出されたガス状炭化水素流体を昇圧する第一の昇圧装置と、
前記第一の昇圧装置によって昇圧された前記ガス状炭化水素流体を加熱する加熱器と、
無機分離膜を有し、前記加熱器によって加熱された前記ガス状炭化水素流体を、前記無機分離膜によって酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する第一の分離装置と、
前記第一の分離装置によって第一のガス状流体とは分離された第二のガス状流体を冷却することにより、該第二のガス状流体に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素を凝縮し、前記第二のガス状流体から分離する第二のコンデンサと、
有機高分子分離膜を有し、前記第二のコンデンサによって前記重質炭化水素を分離された前記第二のガス状流体を、前記有機高分子分離膜によって酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する第二の分離装置とを有する。
本発明に係る酸性ガス分離装置の第三の態様では、前記加熱器に導入される前の前記ガス状炭化水素流体と、前記第一の分離装置において前記第一のガス状流体とは分離された前記第二のガス状流体との間で熱交換を行わせ、前記ガス状炭化水素流体を加熱してもよい。
本発明に係る酸性ガス分離装置の第一、又は第二の態様において、前記無機分離膜は、セラミック系分離膜であってもよい。
本発明に係る酸性ガス分離装置は、前記第三のガス状流体を昇圧する第二の昇圧装置をさらに有し、
該第二の昇圧装置によって昇圧された前記第三のガス状流体は、前記第一の分離装置にリサイクルされてもよい。
本発明に係る酸性ガス分離装置において、前記第一の分離装置において前記第一のガス状流体とは分離された前記第二のガス状流体中の酸性ガス濃度は２０％未満であってもよい。
該第二の昇圧装置によって昇圧された前記第三のガス状流体は、前記第一の分離装置にリサイクルされてもよい。
本発明に係る酸性ガス分離装置において、前記第一の分離装置において前記第一のガス状流体とは分離された前記第二のガス状流体中の酸性ガス濃度は２０％未満であってもよい。
本発明によれば、ガス状炭化水素流体から、酸性ガスを含むガス状炭化水素流体を二段階に分けて分離し、前段の分離プロセスにおいて、有機高分子分離膜の性能劣化が進みにくい程度にまでガス状炭化水素流体の酸性ガス濃度を低下させる。そして後段の分離プロセスにおいては、有機高分子分離膜を使用してガス状炭化水素流体の酸性ガス濃度を低下させる。これにより、再生の難しい有機高分子分離膜の性能劣化を抑制し交換頻度を少なくすることができる。つまり、エネルギー効率の良さ、大きな設置面積を必要としないコンパクトさ、並びに運転の容易さといった利点を有する有機高分子分離膜を頻繁に交換することなく長期にわたり使用できるので、酸性ガス分離装置の設置にかかる初期コストが廉価に抑えられるとともに、設備稼働率が向上するため設備の償却負担を低下させることができる。また、消耗品である分離膜の交換頻度が低下するため、設備の操業運転コストを低下させることができる。したがって、二酸化炭素や、硫化水素などの酸性ガスの酸性ガスの濃度が高く、利用可能な炭化水素成分の濃度が低下した油田（又はガス田）由来のガス状炭化水素流体の製品化における採算性を向上させることができる。
（第一実施形態）
本実施形態においては、生産井である油井から産出した産出流体から、油田随伴ガスが分離され、分離された油田随伴ガスから酸性ガスが分離される。さらに、酸性ガスが分離された、メタンを主成分とする炭化水素ガスは、天然ガス及び石油ガスの原料として出荷され、油田随伴ガスから分離された酸性ガスリッチの排出ガスは、圧入井を介して地下に再圧入される。
本実施形態においては、生産井である油井から産出した産出流体から、油田随伴ガスが分離され、分離された油田随伴ガスから酸性ガスが分離される。さらに、酸性ガスが分離された、メタンを主成分とする炭化水素ガスは、天然ガス及び石油ガスの原料として出荷され、油田随伴ガスから分離された酸性ガスリッチの排出ガスは、圧入井を介して地下に再圧入される。
図１に示すように、本実施形態に係る酸性ガス分離装置は、セパレータ１０と、コンプレッサ（昇圧装置）２０Ａ及び２０Ｂと、コンデンサ（第一の高沸点成分分離装置）３０と、分離装置（第一の分離装置）４０と、分離装置（第二の分離装置）５０とを備えている。
本実施形態における生産井Ｗ１は油井である。生産井Ｗ１から自噴するか若しくは汲み上げられた生産流体は、常圧環境下で、多様な沸点を有する炭化水素成分と、水、二酸化炭素や硫化水素などのいわゆる酸性ガス、窒素やヘリウムなどの不活性ガス、さらには、鉄や水銀、ナトリウムなどの金属塩や金属化合物などの多様な組成物の混合物である。生産井Ｗ１から汲み上げられた生産流体は、セパレータ１０により、気相成分、油相成分、水相成分に分離される。このうち、油相成分は原油としてパイプラインを通じて出荷基地に運ばれ、原油として出荷される。水相成分は、油田随伴水として現地にて浄化処理された後に地下に圧入されるか、若しくは環境中に放出される。気相成分は、製品としての天然ガスの主成分となるメタン及びエタン、液化石油ガス（ＬＰＧ）の主成分となるプロパン及びブタン、さらに少量のペンタン及びそれ以上に分子量の大きい重質炭化水素の他に、二酸化炭素や硫化水素などのいわゆる酸性ガス、水蒸気等を含む。気相成分中のペンタン以上の分子量の炭化水素は、コンデンセート油の主成分である。
コンプレッサ２０Ａは、セパレータ１０によって油相成分及び水相成分を分離された気相成分を加圧する。以下では、コンプレッサ２０Ａによって加圧された後の気相成分をガス状炭化水素流体と呼ぶ。
コンデンサ３０は、冷却器３１と、気液分離装置３２と、熱交換器３３とを含んでいる。冷却器３１は、コンプレッサ２０Ａによって加圧された気相成分、すなわちガス状炭化水素流体を冷却することにより、ガス状炭化水素流体に含まれる水蒸気と、ペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素の一部とを凝縮する。冷却器３１において得られた凝縮物は、いわゆるコンデンセート油であり、気液分離装置３２により、ガス状炭化水素流体から分離され、セパレータ１０において水及び気相成分と分離された原油と共に、パイプラインを通じて出荷基地に運ばれる。熱交換器３３は、コンデンサ３０内において冷却器３１に導入される前のガス状炭化水素流体と、気液分離装置３２においてコンデンセート油を分離されたガス状炭化水素流体との間で熱交換を行わせ、冷却器３１に導入される前のガス状炭化水素流体を冷却する。なお、本実施形態では、凝縮物を原油と混合しているが、水分を除去の上、コンデンセート油として、単独で出荷しても良い。
分離装置４０は、無機分離膜を有する分離膜モジュール４１、４２及び４３を含んでいる。各分離膜モジュール４１、４２及び４３は、水蒸気とペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素と分離されたガス状炭化水素流体を、無機分離膜により、酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する。
分離装置４０においては、ガス状炭化水素流体から、相当量の酸性ガス成分が除去されるため、コンデンサ３０において分離されなかったコンデンセート油成分の分圧が上昇し、各分離膜モジュール４１、４２及び４３の内部に凝結する。そこで、分離装置４０は、凝結したコンデンセート油を除去し無機分離膜を再生する手段として、ガス状炭化水素流体の気相成分を加熱する加熱器４４ａ、４４ｂ及び４４ｃと、分離後の気相成分の流路を切り替える三方弁４５ａ、４５ｂ及び４５ｃとをさらに含んでいる。無機分離膜の再生の際、加熱器４４ａ、４４ｂ及び４４ｃによって加熱された気相成分が各分離膜モジュール４１、４２及び４３に流入すると、各分離膜モジュール４１、４２及び４３内部の温度が上昇し、無機分離膜に付着したコンデンセート油が気化する。気化したコンデンセート油は、加熱された気相成分に随伴して各分離膜モジュール４１、４２及び４３から排出される。これにより、無機分離膜が再生される。ただし、気化したコンデンセート油を含む気相成分は、分離装置５０には流入されず、三方弁４５ａ、４５ｂ及び４５ｃにおいて流路を切り替えられてコンプレッサ２０Ａよりも上流側にリサイクルされ、セパレータ１０において油相成分及び水相成分を分離された気相成分と共に加圧される。
無機分離膜の再生の際、各分離膜モジュール４１、４２及び４３への気相成分の単位時間当たりの流入量は、通常運転時の流入量の１〜７０％とすることが好ましく、１０〜２０％とすることがより好ましい。気相成分の流入量を前記のように調節することにより、加熱器４４ａ、４４ｂ及び４４ｃにおいて供給すべき熱量を削減することができる。
なお、無機分離膜の再生処理は、酸性ガス分離装置を停止させて全ての分離膜モジュール４１、４２及び４３に対して行ってもよいが、酸性ガス分離装置の運転を継続しながら、分離膜モジュール４１、４２及び４３のそれぞれに対して時間差を設けて個別に再生処理を行ってもよい。
酸性ガス分離装置が上記の再生手段を備えることを考慮して、各分離膜モジュール４１、４２及び４３に含まれる無機分離膜には、酸性ガスと炭化水素との分離比率が高く、かつ耐熱性に優れ、再生のための加熱によっても劣化し難いセラミック系分離膜を採用することが好ましい。特に、結晶構造を制御して空孔の大きさを調整することにより、二酸化炭素や硫化水素の透過率をメタンより大きく設定したいわゆる分子篩機能を有するゼオライト分離膜を採用することがより好ましい。
分離装置５０は、有機高分子分離膜を有する分離膜モジュール５１、５２及び５３を含んでいる。各分離膜モジュール５１、５２及び５３は、分離装置４０において第一のガス状流体と分離された第二のガス状流体を、有機高分子分離膜により、分離膜を透過する酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する。分離装置５０によって第三のガス状流体と分離された第四のガス状流体は、出荷基地にパイプラインを通じて輸送され、最終的に酸性ガスや水分を除去されたうえで、メタン及びエタンは天然ガスとして出荷される。また、ペンタン及びそれ以上に分子量の大きい重質炭化水素を分離され、コンデンセート油として出荷される。さらに、プロパン及びブタンを主成分とする成分は、通常は圧縮されて、液化石油ガスとして出荷される。
本実施形態において、分離装置５０には、モジュールには、大きさ及び重量に比して酸性ガスの分離能力に優れた中空糸膜若しくはスパイラル膜構造の分離膜モジュールを採用することが好ましい。分離装置５０に含まれる有機高分子分離膜には、既存の酢酸セルロース系・ポリイミド系・ポリアミド系などの有機高分子分離膜が使用されることが好ましい。
本実施形態では、分離膜モジュール５１、５２及び５３を直列に配置している。通常、分離膜は炭化水素よりも酸性ガスの透過性に優れるためである。
本実施形態において、分離装置５０には、モジュールには、大きさ及び重量に比して酸性ガスの分離能力に優れた中空糸膜若しくはスパイラル膜構造の分離膜モジュールを採用することが好ましい。分離装置５０に含まれる有機高分子分離膜には、既存の酢酸セルロース系・ポリイミド系・ポリアミド系などの有機高分子分離膜が使用されることが好ましい。
本実施形態では、分離膜モジュール５１、５２及び５３を直列に配置している。通常、分離膜は炭化水素よりも酸性ガスの透過性に優れるためである。
次に、本実施形態における酸性ガス分離装置の動作を説明する。まず、生産井Ｗ１から汲み上げた油田産出流体は、経路Ｌ１を通じてセパレータ１０に導入され、油分が豊富な油相成分と、鉄や水銀などの金属及びその化合物等を含む水相成分と、沸点の異なる複数の炭化水素類を含む気相成分とに分離される。油相成分は、原油の主成分としてパイプラインＬ２を通じて出荷基地に運ばれ、原油として出荷される。水は、経路Ｌ３を通じて図示しない浄化施設に運ばれ、現地にて浄化処理された後に地下に圧入されるか、若しくは環境中に放出される。
セパレータ１０において油相成分及び水相成分から分離された気相成分は、製品としての天然ガスの主成分となるメタン及びエタン、液化石油ガス（ＬＰＧ）の主成分となるプロパン及びブタン、さらに少量のペンタン及びそれ以上に分子量の大きい重質炭化水素の他に、二酸化炭素や硫化水素などのいわゆる酸性ガス、水蒸気等を含む。その気相成分は、経路Ｌ４を通じてコンプレッサ２０Ａに導入され、１０気圧程度にまで加圧される。
コンプレッサ２０Ａによって加圧された後の気相成分、すなわちガス状炭化水素流体はコンデンサ３０に導入され、５〜１０℃程度にまで冷却された後、経路Ｌ５を通じて分離装置４０内の分離膜モジュール４１、４２及び４３にそれぞれ並行して導入される。コンデンサ３０においてガス状炭化水素流体から分離されたコンデンセート油は、セパレータ１０において水及び気相成分と分離された油性成分と共に、原油としてパイプラインＬ２を通じて出荷基地に運ばれる。
各分離膜モジュール４１、４２及び４３に導入された気相成分は、モジュール内の無機分離膜を透過する過程において、酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離される。第一のガス状流体は、経路Ｌ６を通じて圧入井Ｗ２に導入され、地下の帯水層、枯渇した油層又はガス層に封入される。各分離膜モジュール４１、４２及び４３において酸性ガス成分を分離されることにより、第二のガス状流体の酸性ガス濃度は、２０％未満、好ましくは１０％未満にまで低下される。酸性ガス濃度が低下した第二のガス状流体は、経路Ｌ７を通じて分離装置５０内の分離膜モジュール５１、５２及び５３に順次導入される。
ここで、酸性ガス分離装置の運転を継続しながら分離膜モジュール４１、４２及び４３を個別に再生するには、例えば加熱器４４ａを作動させると共に三方弁４５ａを切り替える。加熱器４４ａによって加熱された気相成分が分離膜モジュール４１に流入すると、分離膜モジュール４１内部の温度が上昇し、無機分離膜に付着したコンデンセート油が気化する。このとき、分離膜モジュール４１内部の温度は９０〜２００℃に維持されることが好ましい。気化したコンデンセート油は、加熱された気相成分に随伴して分離膜モジュール４１から排出される。これにより、無機分離膜が再生される。気化したコンデンセート油を含む気相成分は、冷却器５５によって冷却されたうえで、経路Ｌ８を通じてコンプレッサ２０Ａにリサイクルされ、セパレータ１０を経た気相成分と共にコンプレッサ２０Ａによって加圧される。
分離膜モジュール４１の再生を終えたら、上記の要領に従い分離膜モジュール４２及び４３を順次再生する。
分離膜モジュール４１の再生を終えたら、上記の要領に従い分離膜モジュール４２及び４３を順次再生する。
各分離膜モジュール５１、５２及び５３に導入された第二のガス状流体は、モジュール内の有機高分子分離膜を透過する過程において、酸性ガスの含有量が多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離される。第三のガス状流体は、３０〜５０％程度の炭化水素成分を含むので、コンプレッサ２０Ｂによって加圧されたうえで、流路Ｌ９を通じて分離装置４０にリサイクルされる。各分離膜モジュール５１、５２及び５３において酸性ガスを分離されることにより、第四のガス状流体の酸性ガス濃度は、８％未満に低下される。第四のガス状流体は、経路Ｌ１０を通じて出荷基地にパイプラインを通じて輸送され、最終的に酸性ガスや水分を除去されたうえで、メタン及びエタンは天然ガスとして出荷される。また、ペンタン及びそれ以上に分子量の大きい重質炭化水素を分離され、コンデンセート油として出荷される。さらに、プロパン及びブタンを主成分とする成分は、通常は圧縮されて、液化石油ガスとして出荷される。
本実施形態の酸性ガス分離装置によれば、生産井Ｗ１から取得したガス状炭化水素流体から、分離装置４０及び５０において酸性ガスを含むガス状炭化水素流体を二段階に分けて分離し、分離装置４０おいて、再生の容易なセラミック系分離膜を含む分離モジュール４１、４２及び４３を使用して、有機高分子分離膜の性能劣化が進みにくい程度にまで、ガス状炭化水素流体の酸性ガス及びコンデンセート油成分の濃度を低下させる。そして分離装置５０においては、有機高分子分離膜を含む分離モジュール５１、５２及び５３を使用して、ガス状炭化水素流体の酸性ガス濃度を低下させる。これにより、再生の難しい有機高分子分離膜の性能劣化を抑制しモジュールの交換頻度を少なくすることができる。つまり、エネルギー効率の良さ、大きな設置面積を必要としないコンパクトさ、並びに運転の容易さといった利点を有する分離モジュール５１、５２及び５３を頻繁に交換することなく長期にわたり使用できる。したがって、酸性ガス分離装置のドライビングコストを削減し、利用可能な成分の濃度が低下した油田（又はガス田）由来のガス状炭化水素流体からの天然ガス生産の採算性を向上させることができる。
なお、本実施形態では分離膜モジュール４１、４２及び４３を並列に設置しているが、分離膜の性能及び処理対象のガスの性状によっては、複数の分離膜モジュールを直列に接続した系列を複数設け、それらを並列に接続するなど適宜変更してもよい。分離膜モジュールの数は処理すべきガス状炭化水素流体の量（時間当たりの流量）に応じて増減する。また、本実施形態では分離膜モジュール５１、５２及び５３を直列に配置している。分離膜モジュールの数は処理すべきガス状炭化水素流体の量（時間当たりの流量）に応じて増減する。勿論、処理すべきガス状炭化水素の量が少なければ、分離装置４０及び５０共に、分離膜モジュールはひとつでも構わない。
（第二実施形態）
図２に示すように、本実施形態に係る酸性ガス分離装置は、セパレータ１０、コンプレッサ２０Ａ及び２０Ｂ、コンデンサ３０、分離装置４０及び５０の他に、コンデンサ（第二の高沸点成分分離装置）６０を備えている。以下では、上記第一実施形態と同じ構造を有する各機器についての説明は省略する。
図２に示すように、本実施形態に係る酸性ガス分離装置は、セパレータ１０、コンプレッサ２０Ａ及び２０Ｂ、コンデンサ３０、分離装置４０及び５０の他に、コンデンサ（第二の高沸点成分分離装置）６０を備えている。以下では、上記第一実施形態と同じ構造を有する各機器についての説明は省略する。
コンデンサ６０は、冷却器６１と、気液分離装置６２と、熱交換器６３とを含んでいる。冷却器６１には、分離装置４０において第一のガス状流体と分離された第二のガス状流体が、経路Ｌ７を通じて導入される。冷却器６１は、第二のガス状流体を冷却することにより、第二のガス状流体に含まれる水蒸気と、飽和状態に近い高沸点の炭化水素成分とを凝縮する。気液分離装置６２は、冷却器６１によって凝縮された高沸点の炭化水素成分を、第二のガス状流体から分離する。気液分離装置６２によって第二のガス状流体から分離された高沸点の炭化水素成分は、セパレータ１０において水及び気相成分と分離された油性成分と共に、パイプラインを通じて出荷基地に運ばれる。熱交換器６３は、コンデンサ６０内において冷却器６１に導入される前の第二のガス状流体と、気液分離装置６２において高沸点の炭化水素成分を分離された第二のガス状流体との間で熱交換を行わせ、気液分離装置６２を通過した後の第二のガス状流体を加熱する。熱交換器６３を経た第二のガス状流体は、経路Ｌ７を通じて分離装置５０に導入される。
本実施形態の酸性ガス分離装置によれば、分離装置４０において酸性ガスの一部が除去され、飽和に近い状態となっている第二のガス状流体中の高沸点炭化水素成分は、その一部がコンデンサ６０によって凝縮され、第二のガス状流体から除去される。これにより、分離装置５０に供給される第二のガス状流体中の高沸点炭化水素成分の分圧は、飽和状態よりも大幅に低くなる。そのため、第二のガス状流体が、直列に配置された分離膜モジュール５１、５２及び５３を経る過程で酸性ガスが除去され、第二のガス状流体中にわずかに残る高沸点の炭化水素成分の分圧が徐々に高まったとしても、分離膜モジュール５１、５２及び５３の内部でその高沸点炭化水素成分が凝縮し難くなる。これにより、分離装置５０における有機分離膜の劣化を防止することができる。
なお、コンデンサ６０において第二のガス状流体から分離された高沸点の炭化水素成分は、上記のように原油と混合し、パイプラインを通じて出荷基地に運んでもよいし、そのままＬＰＧ若しくはコンデンセート油として出荷してもよい。
（第三実施形態）
図３に示すように、本実施形態に係る酸性ガス分離装置は、コンプレッサ２０Ａ及び２０Ｂと、分離装置４０及び５０と、コンデンサ６０と、加熱器７０と、熱交換器８０とを備えている。以下では、上記第一実施形態と同じ構造を有する各機器についての説明は省略する。
図３に示すように、本実施形態に係る酸性ガス分離装置は、コンプレッサ２０Ａ及び２０Ｂと、分離装置４０及び５０と、コンデンサ６０と、加熱器７０と、熱交換器８０とを備えている。以下では、上記第一実施形態と同じ構造を有する各機器についての説明は省略する。
本実施形態の酸性ガス分離装置は、酸性ガス濃度が例えば３０〜４０％にもなるガス田産出流体に適用されるため、セパレータ１０は具備されない。これに代えて具備されるのは、加熱器７０及び熱交換器８０である。
加熱器７０は、コンプレッサ２０Ａによって加圧されたガス状炭化水素を加熱する。熱交換器８０は、加熱器７０によって加熱される前のガス状炭化水素と、分離装置４０において第一のガス状流体と分離された第二のガス状流体との間で熱交換を行わせ、分離装置４０に導入される前のガス状炭化水素を加熱する。
加熱器７０は、コンプレッサ２０Ａによって加圧されたガス状炭化水素を加熱する。熱交換器８０は、加熱器７０によって加熱される前のガス状炭化水素と、分離装置４０において第一のガス状流体と分離された第二のガス状流体との間で熱交換を行わせ、分離装置４０に導入される前のガス状炭化水素を加熱する。
次に、本実施形態における酸性ガス分離装置の動作を説明する。まず、生産井Ｗ１から取得されたガス田産出流体は、図示しない除去設備において砂等の固形物を除去されたうえで、経路Ｌ１１を通じてコンプレッサ２０Ａに導入され、１０気圧程度にまで加圧される。
コンプレッサ２０Ａによって加圧された後のガス田産出流体、すなわちガス状炭化水素流体は、熱交換器８０において、分離装置４０において第一のガス状流体と分離された第二のガス状流体と熱交換して加熱された後、必要に応じて加熱器７０においてさらに加熱される。加熱器７０及び熱交換器８０において加熱されたガス状炭化水素の温度は７０〜２００℃程度に上昇する。
加熱器７０及び熱交換器８０において加熱されたガス状炭化水素流体は、経路Ｌ１２を通じて分離装置４０内の分離膜モジュール４１、４２及び４３にそれぞれ並行して導入される。
各分離膜モジュール４１、４２及び４３に導入されたガス状炭化水素流体は、第一のガス状流体と第二のガス状流体とに分離される。第一のガス状流体は、経路Ｌ１３を通じて圧入井Ｗ２に導入され、地下の帯水層、又は枯渇した油層に封入される。各分離膜モジュール４１、４２及び４３において酸性ガス成分を分離されることにより、第二のガス状流体の酸性ガス濃度は、２０％程度にまで低下される。酸性ガス濃度が低下した第二のガス状流体は、経路Ｌ１４を通じてコンデンサ６０に導入される。なお、経路Ｌ１４は、断熱等を行わない通常の配管であり、第二のガス状流体は、経路Ｌ１４を流通する過程で室温程度まで冷却される。
コンデンサ６０に導入された第二のガス状流体は、冷却器６１によって冷却され、第二のガス状流体に含まれる水蒸気と、飽和状態に近い高沸点の炭化水素成分とが凝縮される。凝縮された高沸点の炭化水素成分は、凝縮された水と共に気液分離装置６２によって第二のガス状流体から分離され、経路Ｌ１５を通じて系外に排出される。なお、経路１５を通じて排出される高沸点炭化水素成分は、水、コンデンセート油、少量の石油ガスの混合物であり、水を分離されたうえで、石油ガス及びコンデンセート油がそれぞれ製品として出荷される。
水及び高沸点炭化水素成分と分離された第二のガス状流体は、熱交換器６３において、冷却器６１に導入される前の第二のガス状流体と熱交換する。熱交換器６３を経た第二のガス状流体の温度は、常温近くに戻されるまで低下する。熱交換器６３を経た第二のガス状流体は、経路Ｌ１４を通じて分離装置５０内の分離膜モジュール５１、５２及び５３に順次導入される。
各分離膜モジュール５１、５２及び５３に導入された第二のガス状流体は、モジュール内の有機高分子分離膜を透過する過程において、第三のガス状流体と第四のガス状流体とに分離される。第三のガス状流体は、コンプレッサ２０Ｂによって加圧されたうえで、流路Ｌ１６を通じて分離装置４０にリサイクルされる。各分離膜モジュール５１、５２及び５３において酸性ガスを分離されることにより、第四のガス状流体の酸性ガス濃度は、１０％程度にまで低下される。第四のガス状流体は、経路Ｌ１７を通じてＬＮＧ液化基地に運ばれ、残留する酸性ガス、高沸点成分炭化水素を除去されたうえで液化天然ガスとして出荷される。
本実施形態の酸性ガス分離装置によれば、第一の実施形態及び第二の実施形態よりも、分離装置４０に供給されるガス状炭化水素の温度が高く設定されるため、ガス状炭化水素流体に高濃度の酸性ガスが含まれる場合でも、分離装置４０内部で高沸点成分の凝縮が起こらない。したがって、分離装置４０における分離膜の再生処理を行う必要がない。つまり、分離膜再生を行うために酸性ガス分離装置を停止させなくてもよい。又は、分離膜モジュール４１、４２及び４３を個別に系から切り離して再生処理を行うことで酸性ガス分離装置の処理効率を定常運転時から低下させるようなこともない。また、第一の実施形態および第２の実施形態で設けられていたコンデンサ３０を省略することが可能であり、設備コストの面で有利である。
さらに、本実施形態の酸性ガス分離装置によれば、第一の実施形態及び第二の実施形態と同一の圧力下においては、分離膜付近にある流体の速度と密度の境界層（境膜）が薄くなり、境界層内の速度と密度の空間勾配が急になることで透過性が向上する。したがって、分離装置４０を小型化することが可能である。
以上、本発明の好ましい実施形態を説明したが、本発明は上記実施形態に限定されることはない。本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。本発明は前述した説明によって限定されることはなく、特許請求の範囲に記載された事項によってのみ限定される。
本発明は、酸性ガス分離装置に関する。本発明によれば、処理系外に排出される酸性ガスの分離に、酸性ガス／炭化水素ガスの分離比に優れるセラミック系分離膜を使用するため、酸性ガスとともに排出されてしまう炭化水素成分の逸失、いわゆるメタンロスを削減することができる。また、後段の酸性ガス除去に、設置面積に対して分離効率に優れる高分子分離膜を利用できるため、酸性ガス分離装置の初期コストを削減することができる。さらに、高分子分離膜の劣化が少なく、分離膜の交換頻度を減らすことができるため、設備の稼働率が向上する。したがって、利用可能な成分の濃度が低下した油田（又はガス田）由来のガス状炭化水素流体からの天然ガス生産の採算性を向上させることができる。
１０ セパレータ
２０Ａ、２０Ｂ コンプレッサ（昇圧装置）
３０ コンデンサ（第一の高沸点成分分離装置）
４０ 分離装置（第一の分離装置）
４１、４２及び４３ 分離膜モジュール
５０ 分離装置（第二の分離装置）
５１、５２及び５３ 分離膜モジュール
６０ コンデンサ（第二の高沸点成分分離装置）
Ｗ１ 生産井
Ｗ２ 圧入井
２０Ａ、２０Ｂ コンプレッサ（昇圧装置）
３０ コンデンサ（第一の高沸点成分分離装置）
４０ 分離装置（第一の分離装置）
４１、４２及び４３ 分離膜モジュール
５０ 分離装置（第二の分離装置）
５１、５２及び５３ 分離膜モジュール
６０ コンデンサ（第二の高沸点成分分離装置）
Ｗ１ 生産井
Ｗ２ 圧入井
Claims (7)
- 油田から汲み上げた油田産出流体を、油分が豊富な油相成分と、鉄や水銀などの金属及びその化合物等を含む水相成分と、沸点の異なる複数の炭化水素類を含む気相成分を分離するセパレータと、
前記セパレータによって前記油相成分及び水相成分を分離された前記気相成分を昇圧する第一の昇圧装置と、
前記第一の昇圧装置によって昇圧された前記気相成分を冷却することにより、該気相成分に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素を凝縮し、前記気相成分から分離する第一のコンデンサと、
無機分離膜を有し、前記第一のコンデンサによって前記重質炭化水素を分離された前記気相成分を、前記無機分離膜によって酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する第一の分離装置と、
有機高分子分離膜を有し、前記第一の分離装置によって前記第一のガス状流体とは分離された前記第二のガス状流体を、前記有機高分子分離膜によって酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する第二の分離装置とを有する、酸性ガス分離装置。 - 油田から汲み上げた油田産出流体を、油分が豊富な油相成分と、鉄や水銀などの金属及びその化合物等を含む水相成分と、沸点の異なる複数の炭化水素類を含む気相成分を分離するセパレータと、
前記セパレータによって前記油相成分及び水相成分を分離された前記気相成分を昇圧する第一の昇圧装置と、
前記第一の昇圧装置によって昇圧された前記気相成分を冷却することにより、該気相成分に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素の一部を凝縮し、前記気相成分から分離する第一のコンデンサと、
無機分離膜を有し、前記第一のコンデンサによって前記重質炭化水素の一部を分離された前記気相成分を、前記無機分離膜によって酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する第一の分離装置と、
前記第一の分離装置によって第一のガス状流体とは分離された第二のガス状流体を冷却することにより、該第二のガス状流体に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素を凝縮し、前記第二のガス状流体から分離する第二のコンデンサと、
有機高分子分離膜を有し、前記第二のコンデンサによって前記重質炭化水素を分離された前記第二のガス状流体を、前記有機高分子分離膜によって酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する第二の分離装置とを有する、酸性ガス分離装置。 - ガス田から産出されたガス状炭化水素流体を昇圧する第一の昇圧装置と、
前記第一の昇圧装置によって昇圧された前記ガス状炭化水素流体を加熱する加熱器と、
無機分離膜を有し、前記加熱器によって加熱された前記ガス状炭化水素流体を、前記無機分離膜によって酸性ガスの含有量が多い第一のガス状流体と、該第一のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第二のガス状流体とに分離する第一の分離装置と、
前記第一の分離装置によって第一のガス状流体とは分離された第二のガス状流体を冷却することにより、該第二のガス状流体に含まれるペンタン以上に分子量の大きい重質炭化水素を凝縮し、前記第二のガス状流体から分離する第二のコンデンサと、
有機高分子分離膜を有し、前記第二のコンデンサによって前記重質炭化水素を分離された前記第二のガス状流体を、前記有機高分子分離膜によって酸性ガスの含有量の多い第三のガス状流体と、該第三のガス状流体よりも酸性ガスの含有量が少ない第四のガス状流体とに分離する第二の分離装置とを有する、酸性ガス分離装置。 - 前記加熱器に導入される前の前記ガス状炭化水素流体と、前記第一の分離装置において前記第一のガス状流体とは分離された前記第二のガス状流体との間で熱交換を行わせ、前記ガス状炭化水素流体を加熱する、請求項３に記載の酸性ガス分離装置。
- 前記無機分離膜は、セラミック系分離膜である、請求項１から４のいずれか一項に記載の酸性ガス分離装置。
- 前記第三のガス状流体を昇圧する第二の昇圧装置をさらに有し、
該第二の昇圧装置によって昇圧された前記第三のガス状流体は、前記第一の分離装置にリサイクルされる、請求項１から５のいずれか一項に記載の酸性ガス分離装置。 - 前記第一の分離装置において前記第一のガス状流体とは分離された前記第二のガス状流体中の酸性ガス濃度は２０％未満である、請求項１に記載の酸性ガス分離装置。
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