NO172080B - Framgangsmaate for framstilling av gasshydrater og apparattil utfoerelse av samme - Google Patents

Description

Oppfinnelsen gjelder en framgangsmåte som angitt i innledningen til patentkrav 1, for lagring av gassformete stoffer, særlig naturgass, samt apparat til utførelse av samme.

Bakgrunn

I tilfeller hvor det mangler rørledning for transport av gass, enten naturgass eller gass blandet med andre hydrokarboner, er det vanskelig å gjennomføre en rasjonell utnyttelse. Gassen kan ikke forbrennes kontinuerlig, den kan heller ikke utnyttes på stedet, f.eks. på en offshore plattform og kan heller ikke føres til brukeren gjennom en rørledning.

En mulighet i slike tilfeller er å reinjisere gassen i reservoaret, i håp om å fremme oljeutvinningen. Utviklingen av enkelte isolerte gassfelt, f.eks. offshore, er økonomisk umulig, uten at det kan skje en utnyttelse på stedet eller en transport gjennom rørledning.

Det er også mulig å foreta en behandling på stedet, ved produksjon av flytende naturgass, metanol og ammoniakk. Disse tre muligheten krever imidlertid omfattende behandling av naturgassen og/eller et annet gassprodukt og krever utstyr som er omfattende og dessuten i en skala som ikke er egnet for offshore drift.

I noen tilfeller står en overfor gassutvikling, for eksempel som et forurensende biprodukt av industrielle prosesser, hvor en ønsker å fjerne gassen, men ikke kan foreta rensing eller destruksjon på stedet.

Slike oppgaver har tidligere blitt forsøkt løst ved framstilling av gasshydrater. US patentskrift 3.888.434 beskriver transport av hydrater i vogner inne i et rørsystem. Rørsystemet kjøles og trykksettes for å holde hydratet over dets likevektslinje. Rørtrykket vil typisk ligge i området fra 40 til 60 bar og temperaturen fra -40°C eller høyere. Fra dette skriftet framgår det at hydratframstillingen finner sted ved at naturgass ved et trykk på 60-40 bar og en temperatur på 20-30 minusgrader inndeles i to strømmer, der den første strømmen blandes med finfordelt vann som tidligere har blitt avkjølt til +1 til 2°C, for på denne måten å danne hydrater. Hydratene underkjøles deretter av den andre naturgasstrømmen som i mellomtiden har blitt avkjølt til -45°C. Den andre gasstrømmen brukes dessuten som drivkraft for å transportere de hydratfylte vognene. Ved f.eks. -10°C kreves det ifølge dette US-skriftet et trykk på omlag 20 bar for å holde hydratet stabilt.

NO patentskrift 149976 beskriver en framgangsmåte for transport av naturgass i et undervannsfartøy, hvorved naturgass føres sammen med avkjølt vann for dannelse av gasshydrater ved bestemt temperatur/trykk. Temperatur- og trykkbetingelsene i forbindelse med hydratdannelsen bestemmes av undervannsfartøyets dybdeposisjon og sjøvannets temperatur. Framstillingen skjer satsvis ved at gass finfordeles i en kontinuerlig vannfase nede i undervannsfartøyet. For å oppnå tilfredsstillende hydratdannelse må vann være tilstede i overskudd. Reaksjonsvarmen blir dessuten fjernet ved direkte vanninnsprøytning i sonen der hydratet dannes. Dette vil imidlertid resultere i mye dødvekt i form av vann, og gasstransport i henhold til dette skriftet er naturligvis begrenset til havområdene med de ulemper som en slik transportmåte medfører, slik som spesialbygde fartøyer og krav til dybdeforhold ved laste/lossested.

Formål

Oppfinnelsens hovedformål er å komme fram til en framgangsmåte for behandling av gassformete stoffer, slik som naturgass eller naturgass blandet med eller innesluttet i andre hydrokarboner eller vann, eller forurensningsgass eller gass som skal tilføres en industriell eller bioteknisk prosess, som gjør det mulig å foreta en økonomisk tilfredsstillende lagring, transport og utnyttelse av gassen uten bruk av rørledning eller umiddelbar transport med tankfartøy eller tankkjøretøy. Framgangsmåten må dessuten være miljømessig tilfredsstillende og kunne gjennomføres med en akseptabel risiko sikkerhetsmessig og økonomisk.

Prinsipp

Disse formål oppnås med en framgangsmåte og et apparat som angitt i den karakteriserende del av henholdsvis patentkrav 1 og 7. Ytterligere fordelaktige trekk framgår av de uselvstendige kravene.

Nærmere omtale av oppfinnelsen og eksempler.

Naturgass og naturgass i blanding med andre hydrokarboner blir på utvinningsstedet fraskilt olje og vann. Den rensete gassen føres gjennom en kompressor og kjøles i en varmeveksler som kan være kjølt med luft eller sjøvann. Den kondenserte gassen som dannes ved denne kompresjonen og kjølingen blir fraskilt i en separator, temperaturen og trykket blir innstilt slik at bestemte hydrokarboner utvinnes. Disse utskilte bestanddelene i væskeform kan brukes for forbrenningsprosesser og drift av plattformer. Den fraskilte, nedkjølte gassen komprimeres og føres gjennom en varmeveksler og kjøles, f.eks. med luft eller sjøvann. Kjølingen med sjøvann kan f.eks. skje i ei sløyfe, for å utnytte siffong-virkningen.

Den komprimerte og avkjølte gassen føres i henhold til oppfinnelsen til en reaktorbeholder hvor den føres sammen med trykksatt vann, f.eks. til 100-200 bar, for dannelse av hydratpartikler med innesluttet gass. Dette trykksatte vannet tilføres reaktorbeholderen gjennom dyser eller liknende og ekspanderes til et lavere trykk og til en temperatur som resulterer i frysing av vannet med hydratdannelse. For eksempel vil vannets frysepunkt avta med økende trykk med omtrent 0.0074 °K/bar. Utformingen og driftsvilkårene, særlig trykket, velges slik at kjølingen på de inngående strømmene blir størst mulig. Trykket i gassen som slippes inn i reaktorbeholderen innstilles slik at det oppnås kjøling ved ekspansjon. De resulterende hydratpartiklene bestående av is med innesluttet gass blir deretter ført ut av reaktorbeholderen, f.eks. ved hjelp av en mekanisk transportanordning eller ved hjelp av reaktorbeholderens overtrykk, til en hensiktsmessig anordning for agglomerering av partiklene, f.eks. ei presse.

Forut for dette kan vannet som brukes avluftes for å fjerne oksygen og andre gasser. Vannet kan behandles med tilsetningsstoffer og/eller stabiliseringsmidler. Tilsetnings-og stabiliseringsmidlene bidrar til å øke lagrings- og transportevnen til hydratpartiklene med innesluttet gass. Disse midlene kan eventuelt tilvirkes på stedet av hydrokarbon-fraksjoner som skilles ut av utgangsmaterialet, enten dette er naturgass eller naturgass sammen med andre hydrokarboner. Det kan også brukes andre tilsetningsstoffer, så som silica.

Reaktorbeholderen kan utformes slik at den blir kjølt med fremmede væsker. Den kan være forsynt med kjølesløyfer. Massen og energibalansen til strømmen som slippes inn i reaktorbeholderen innstilles slik at storparten av vannet omdannes til hydratpartikler, slik at prosessen drives med overskudd av gass. Reaktorbeholderen kan også drives med overskudd av vann, slik at flytende vann må skilles fra. Prosessen kan også ha overskudd av både gass og flytende vann. Partiklene av hydrat med innesluttet gass transporteres ut av reaktorbeholderen og eventuell ureagert gass og flytende vann tømmes. Gassen og det flytende vannet skilles altså fra ispartiklene med innesluttet gass.

Mindre mengder gass og eventuelt flytende vann kan følge med hydratpartiklene. De ureagerte bestanddelene av gass og flytende vann kan resirkuleres, idet vannet blir trykksatt og gassen komprimert på ny. De resirkulerte strømmene kan kjøles og også behandles med tilsetningsstoffer og behandles videre med tanke på tilvirkning av hydratpartikler. Ureagert gass fra reaktoren kan eventuelt komprimeres og tilføres et annet tilsvarende system som drives med høyere trykk.

Hydratpartiklene med innesluttet gass transporteres så til utstyr som agglomererer eller samler de små partiklene til større partikler. De første hydratpartiklene nedkjøles og/eller nedfryses før de føres inn i dette fortetningstrinnet. Kjøling og frysing kan gjennomføres ved trykkforandring, direkte tilsetning av kjølt/frossen gass og/eller indirekte varmeveksling. Formålet med fortetningen er å agglomerere materialet slik at dets volum blir redusert og samtidig gi plass for gasslagring i partiklenes porevolum. Fortetningen eller "agglomerasjonen" kan finne sted ved trykk- og

temperaturbetingelser som velges slik at det oppnås optimalt

gassinnhold og partikkelstabilitet. Tilsetningsstoffer kan blandes inn i hydratpartiklene for å forbedre deres egenskaper. Avhengig av de prosessvilkår som velges, vil den totale masseprosenten av gass generelt ligge i området 10-40% av partikkelvekten. Etter fortetningen kan hydratpartiklene kjøles og/eller fryses. Dette tjener til å holde fast den totale gassen i hver partikkel.

Dersom det ønskes kan de fortettete hydratpartiklene transporteres til utstyr som dekker de gassimpregnerte partiklene med et rent issjikt. Isbelegget på partiklene bidrar ytterligere til å inneslutte gassen i partiklene, slik at de kan tåle høyere indre og ytre trykk. Fibermaterialer, naturlige eller syntetiske, kan innesluttes i isbelegget, for å gjøre det sterkere. Styrken på isen øker med senkning av temperaturen og med bruken av fiberforsterkning. Fibermaterialet kan også innføres ved den første partikkelproduksjonen, ved tilsetning til det trykksatte og avkjølte vannet eller på annen måte. Fibermaterialet kan også tilsettes i fortetningstrinnet når det tilvirkes større ispartikler fra de minste gassfylte ispartiklene.

Slike gassholdige hydratpartikler kan tilvirkes på offshore plattformer eller på land. Plattformene kan være midlertidige eller permanente. På land kan de gassholdige hydratpartiklene tilvirkes nær hydrokarbon-kilder eller andre plasser. Gassen som tilføres på denne måten kan være naturgass eller naturgass sammen med andre bestanddeler. Det kan også være en forurensningsgass som skal transporteres bort for videre behandling eller gass for bruk ved fiskeoppdrett. I det siste tilfellet kan hydratpartikelne tilføres til vannet hvor oppdrettsfisken befinner seg.

De gassholdige hydratpartiklene kan brukes for lagring og transport av gasser. De kan også brukes for drift av transportmidler på land og sjø. Andre gasser kan også brukes for å tilvirke gassholdige hydratpartikler. Disse andre gassene kan være kommersielle produkter eller forurensninger eller andre type gasser som oppstår ved naturlige eller industrielle prosesser. Gassholdige hydratpartikler kan brukes i kraftverk og i prosesser som er beregnet for å redusere forurensning. Gassholdige hydratpartikler kan brukes der hvor gasser må tilsettes i styrte mengder, i akvatiske omgivelser, både naturlige og konstruerte.

På offshore plattformer kan gasspartiklene lagres i undersjøiske tanker under trykk. Disse tankene kan plasseres på havbunnen under eller nær plattformen. De kan trykksettes hydrostatisk med ei vannsøyle gjennom et ventilarrangement med manometer, slik at ei væskesøyle skiller tanken fra sjøvann. De gassholdige partiklene kan lagres i form av faste stoffer i gass eller omgis med avkjølt vann eller en hydrokarbon-basert væske. I tillegg til undersjøiske tanker, kan det brukes tankskip, lektere o.l., eller nedsenkete beholdere tilvirket av stivt eller fleksibelt materiale.

Hydratpartikler med innesluttet gass kan transporteres fra offshore-lagertanker med båter, tankskip, lektere eller flytende containere som taues med slepebåter til lands. Mest aktuelt er det å pumpe hydratpartiklene fra lagertankene offshore gjennom en rørledning til en tankbåt. Tankbåten kan, men trenger ikke nødvendigvis være i stand til å lagre partiklene under overtrykk. Partiklene kan transporteres som fast gods eller i vann eller i en hydrokarbon-basert væske til lands. Gass som unnslipper fra partiklene under transporten kan trykksettes og/eller brukes for å drive tankbåten og kjøleutstyret.

Hydratpartiklene med innesluttet gass blir etter transporten pumpet eller overført på annen måte fra tankbåten til en eller flere lagertanker på land. Partiklene får da smelte og gassen kan unnslippe. Smeltingen kan gjennomføres med mange typer oppvarming, f.eks. med utslipp fra et gassdrevet kraftverk. Kaldt smeltevann kan brukes som kjølemedium for ethvert kraftverk, slik at de vanlige kjøletårnene ikke trenges.

Når tankbåten tømmes for partiklene, kan den ta inn smeltevann og prosessvann. Vannet kan komme fra en tidligere last. Smeltevannet vil være ballast for tankeren fra land til en offshore plattform. Når tankeren laster partiklene ved plattformen, losser den smeltevannet. Tankene på plattformen tar imot smeltevannet for bruk ved hydratproduksjonen. Smeltevannet og prosessvannet kan, men trenger nødvendigvis utluftes og forbehandles. Utluftingen kan finne sted både på land og/eller offshore. I tillegg kan vannet brukes for innsprøyting i et reservoar.

I figuren er oppfinnelsen illustrert, idet denne viser et forenklet flytskjema som illustrerer et eksempel på en framgangsmåte i samsvar med oppfinnelsen.

Naturgass, som på forhånd er fraskilt olje og vann og komprimert, blir i et første trinn fraseparert kondenserte gasser (3) i en separator (2). Den resterende gassen komprimeres deretter i en kompressor (4), kjøles i en varmeveksler (5) og ekspanderes inn i en reaktor (6) gjennom dyser (10) eller tilsvarende, hvor den føres sammen med trykksatt vann (7) tilført reaktoren gjennom dyser (9) eller tilsvarende, for dannelse av gasshydrat (8A). Reaktoren (6) kan være forsynt med kjølesløyfer (6A) eller tilsvarende. Det resulterende gasshydratet (8A) føres deretter ut av reaktoren (6) og frasepareres eventuell ureagert gass (1C), som komprimeres, kjøles og resirkuleres tilbake til reaktoren (6). Eventuelt ureagert vann (7A) kan også skilles fra de dannete gasshydratene (8A) og ledes tilbake til reaktoren (6) sammen med det friske vannet (7).

Hydratet (8A) kan deretter eventuelt kjøles i et kjøletrinn (11) og agglomereres i et fortetningstrinn (12) ved pressing med etterfølgende kjøling i et avsluttende kjøletrinn (17). Om ønskelig kan de fortettete hydratpartiklene (8B) transporteres til utstyr (13) som dekker disse med et rent issjikt, eventuelt armert med fibre eller tilsvarende, og deretter kjøles i det avsluttende kjøletrinnet (17). Hydratpartiklene (8D) ledes deretter til den aktuelle lager- eller transportanordning.

De kjølte og frossete hydratpartiklene føres videre til lagertanker f.eks. ved hjelp av komprimert og avkjølt gass. Partiklene blir (som for vanlig is) lagret ved nær adiabatiske betingelser for å sikre deres stabilitet ved nær atmosfæriske trykk og frysetemperaturer. Hydratpartiklene kan deretter transporteres med f.eks. tankbiler eller tankbåter, helst med kjøleanlegg, eller lagres på annen måte. Når gassen etter lagring eller transport igjen skal håndteres i gassform, blir hydratpartiklene smeltet på passende måte, avhengig av hvordan gassen og smeltevannet skal anvendes.

Claims (7)

1. Framgangsmåte for framstilling av gasshydrater for transport og lagring av gasser, f.eks. naturgass eller naturgass blandet med andre hydrokarboner eller vann, hvor gassen trykksettes og kjøles ned, og føres sammen med trykksatt vann for dannelse av gasshydrat, karakterisert ved at gassen (IA) og vannet (7), som eventuelt er tilsatt stabiliserende midler eller andre additiver, tilføres en reaktor (6) under ekspansjon til et lavere trykk gjennom dyser eller tilsvarende (10,9), idet temperaturen og trykket i gassen (IA) fortrinnsvis er innstilt slik at det oppnås kjøling ved ekspansjon, hvorved den tilførte gassen (IA) og vanndråpene (7) reagerer til å danne hydrat (8A) hvoretter det resulterende hydratet (8A) føres ut av beholderen (6) idet eventuell ureagert gass (1C) eller vann (7A) skilles fra hydratpartiklene og resirkuleres tilbake til beholderen (6), at hydratet (8A) eventuelt kjøles i en kjøleinnretning (11), og føres eventuelt videre til et fortetningstrinn (12) for agglomerering av hydratet (8A), for slik å øke volumvekten av hydratet (8A) og for å inneslutte ytterligere gass i hulrommene mellom de enkelte partiklene av hydrat (8A), hvoretter de agglomererte hydratpartiklene (8B) føres videre til en transportanordning eller lagerbeholder hvor hydratpartiklene transporteres/lagres ved atmosfæretrykk eller ved svakt overtrykk i nedkjølt tilstand, ved en temperatur lavere enn 0°C, fortrinnsvis -15°C.

2. Framgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at gass og vann tilføres beholderen gjennom de samme dyser.

3. Framgangsmåte ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at de agglomererte hydratpartiklene (8B) forsynes med et beskyttende issjikt i et separat behandlingstrinn (13), for å styrke hydratpartiklenes bruddstyrke, ved at partiklene oversprøytes med vann hvoretter de isbelagte hydratpartiklene (8D) kjøles i et avsluttende kjøletrinn (17).

4. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 3, karakterisert ved at hydratpartiklene (8B) og/eller issjiktet forsterkes med et armerende materiale, f.eks. fibre, som tilføres hydratpartiklene i fortetningstrinnet (12) eller i vannet (7) før innføring i reaktoren (6).

5. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 4, karakterisert ved at stabiliseringsmidlene som tilsettes vannet (7) før innføring i reaktoren (6) omfatter utskilte hydrokarbon-fraksjoner og/eller silika.

6. Framgangsmåte ifølge et av kravene 1 til 5, karakterisert ved at agglomereringen av gasshydrat (8A) produsert i reaktoren (6) utføres ved pressing.

7. Apparat for gjennomføring av framgangsmåten ifølge krav 1, karakterisert ved at det omfatter en reaktor (6) forsynt med innløpsåpninger (9,10), fortrinnsvis dyser, for tilførsel av henholdsvis trykksatt vann (7) og gass (IA), idet reaktoren (6) på i og for seg kjent måte er innrettet for å oppbevare de tilførte bestanddeler under forhøyet trykk;, kjølesløyfer (6A) for å fjerne reaksjonsvarme; et fortetningstrinn (12) for å framskaffe agglomererte hydratpartikler (8B); og en anordning (13) for å forsyne de fortettete hydratpartiklene (8B) med et issjikt.