(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハイドレートスラリーを冷却する熱交換器の制御方法において、
レイノルズ数及び三相平衡条件から導かれる過冷却度の２つをパラメータとして前記熱交換器の閉塞の有無を表す閉塞パターンマップを予め求めるステップと、
前記パターンマップ上で閉塞が発生しない領域の条件となるように、前記熱交換器を通過するハイドレートスラリーの流速、又は前記熱交換器に供給する冷媒の温度を制御装置により制御するステップと、
前記熱交換器内に付着したハイドレート層の厚さを推定するステップと、
ハイドレート層の厚さ、前記熱交換器を通過するハイドレートスラリーの流速、及び前記熱交換器に供給する冷媒の温度を前記制御装置に蓄積し、且つ前記閉塞パターンマップの補正を行うステップを有することを特徴とする熱交換器閉塞防止制御方法。
【請求項２】
前記ハイドレート層の厚さを推定するステップが、
前記熱交換器の入口及び出口における前記ハイドレートスラリー及び前記冷媒の温度及び流量から総括伝熱係数を算出するステップと、
前記熱交換器の運転に伴う前記総括伝熱係数の減少から前記熱交換器内に形成されたハイドレート層の厚さを推定するステップを有することを特徴とする請求項１に記載の熱交換器閉塞防止制御方法。
【請求項３】
前記ハイドレート層の厚さを推定するステップが、
前記熱交換器の入口及び出口における前記ハイドレートスラリーの圧力差から前記ハイドレート層の厚さを推定するステップを有することを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の熱交換器閉塞防止制御方法。
【請求項４】
前記ハイドレート層の厚さを推定するステップが、
前記ハイドレートスラリーを搬送する搬送管に設けた前記搬送管より細いバイパス管の閉塞を検知するステップを有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の熱交換器閉塞防止制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば、天然ガス等の原料ガスと水とを反応させてガスハイドレートを製造するガスハイドレート製造工程において、液相を冷却する熱交換器でハイドレートの生成及び付着を原因として発生する熱交換器の閉塞を防止する制御方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、天然ガス等の安全かつ経済的な輸送・貯蔵手段として、この天然ガスを水和させて固体状態の水和物としたガスハイドレートを用いる方法が注目されている。
【０００３】
一般にガスハイドレートとは、原料ガスと原料水を低温・高圧下で反応させることにより生成される、水分子と気体分子からなる氷状の固体結晶であり、水分子が構築する立体構造の籠（ケージ）の内部に気体分子が介在する包接（クラスレート）水和物（ハイドレート）の総称である。
【０００４】
天然ガスハイドレートは１ｍ３のガスハイドレートの中に天然ガスを約１６５Nｍ３も包蔵している。このため、天然ガスの輸送及び貯蔵手段としてガスハイドレートを利用する研究開発が盛んに行われている。
【０００５】
天然ガスをハイドレート化する利点としては、（ａ）天然ガスハイドレートの大気圧下の平衡温度条件が−８０℃（１９３Ｋ）以下であるため、既に、実用化されている液化天然ガス（ＬＮＧ）の大気圧下における貯蔵及び輸送温度（−１６３℃（１１０Ｋ））よりも緩やかな温度条件で貯蔵や輸送が可能となること、（ｂ）また、上記のように、天然ガスハイドレートの大気圧下の平衡温度条件が−８０℃（１９３Ｋ）以下であることから、貯蔵や輸送設備の耐久性や断熱性を大幅に簡略化できること等を挙げることができる。
【０００６】
また、天然ガスハイドレートは、自己保存効果（Self-Preservation）と称する特殊な性能を有するため、平衡条件外でも比較的安定した状態で存在することが知られている。自己保存状態にある天然ガスハイドレートの表面には透明氷膜が形成されており、この氷膜が自己保存性を発現させていることが明らかになりつつある。
【０００７】
この自己保存効果によると−２０℃（２５３Ｋ）付近における天然ハイドレートの分解量が最も少なく、この現象を利用すれば天然ガスハイドレートを比較的安定した状態で保存することができ、貯蔵や運搬に必要となるコストを大幅に削減することが可能となる。
【０００８】
さらに、ガスハイドレート生成工程で得られるガスハイドレートは水分を４０から６０重量％程度含有するスラリー状となる。そのため、脱水や再生成などによりガスハイドレートを約９０重量％まで高めて、大気圧下又は高圧条件下で圧縮成形してアーモンド状、レンズ状、球形状又は不定形状等の成形物やブロック状の大型成形物に加工することにより貯蔵しやすくするということが行われている。
【０００９】
ここで、スラリー状のガスハイドレートを生成するハイドレート製造工程は図８に示すように、ハイドレート生成槽４４に供給されたガス原料（例えば天然ガス）及び水原料（例えば水）によりハイドレートが生成され、その際に発生する生成熱を除去するためにスラリーポンプ４３により熱交換器３０を循環させ、冷却を行うことでハイドレートの製造が行われる。例えば、天然ガスハイドレートの製造は、生成条件（圧力を５ＭＰａ、温度を５℃以下）まで過冷却を行い、生成熱が出ても分解しない条件下で、原料ガスと原料水を攪拌等により接触させることで行われる。
【００１０】
ハイドレート生成槽４４で生成されたハイドレートスラリーは前記熱交換器３０を循環し、生成時に発生する生成熱を除去する。スラリーの一部は、ハイドレートスラリーの循環ライン４５からハイドレート加工（脱水、成形）工程へ供給される。
【００１１】
ここで、ハイドレートスラリーを冷却する熱交換器３０内でハイドレートの生成及び付着が発生し熱交換器３０が閉塞する問題がある。熱交換器３０の閉塞発生時は、熱交換器３０を加熱する等の閉塞解除操作により、閉塞の原因であるハイドレートを融解させるため、その間ハイドレート製造工程は停止してしまう。熱交換器３０を加熱後、再冷却が必要となるためエネルギ効率が低下してしまい、閉塞解除操作のための時間も必要となる。
【００１２】
また、閉塞解除操作の際に、熱交換器３０内を閉塞しているハイドレートの状態を確認することは困難であり、確実な閉塞解除を実現するためには多くの時間とエネルギが必要である。
【００１３】
図６はハイドレート生成槽４４に対して並列に２つの熱交換器３０を連結し、前記閉塞解除操作を行っている際もハイドレート製造を可能とした系統図を示している。通常運転時にハイドレートスラリーはハイドレート生成槽４４から開バルブ４９ａを介して熱交換器３０ａにスラリーポンプ４３により送られ、循環する。
【００１４】
ハイドレートスラリーの循環ライン４５上に設置されたコリオリ質量流量計等の流量計３６により熱交換器３０ａの閉塞を検知した際は、ハイドレートスラリーが熱交換器３０ｂを循環するようにバルブ操作を行う。ハイドレートスラリーを熱交換器３０ｂに循環させ冷却を行っている間に、熱交換器３０ａは閉塞解除操作を行う。
【００１５】
図７は熱交換器３０の冷媒循環の系統図を示しており、低温恒温槽４２で冷却されたエチレングリコール等の冷媒（ブライン）２８はポンプ５１を介して熱交換器３０に送られ、ブライン輸送管２９で構成された冷媒循環のライン４６を循環するように構成されている。前記熱交換器３０の閉塞解除操作は、前記低温恒温槽４２の温度を、熱交換器３０内を閉塞しているハイドレートスラリーを融解する温度まで上昇させ、加熱された冷媒を熱交換器３０に循環させることで行う。
【００１６】
上記の様にハイドレート製造工程を設計することで、熱交換器３０の閉塞解除操作中であっても、ハイドレートの製造を継続することが可能となった。しかしながら、熱交換器３０の閉塞解除操作中に他方の熱交換器３０に閉塞が発生することもあり、また、冷媒循環系統の低温恒温槽４２の昇温及び閉塞解除後の再冷却に多量のエネルギが必要となり、解決されるべき問題が依然存在すると言える。これに対して、熱交換器３０の閉塞を未然に防止する発明が行われている（例えば特許文献１参照）。
【００１７】
特許文献１に記載の発明によれば、熱交換器３０に種氷粒子の含有量が５％から１５％の被冷却体である氷スラリーを循環させることで、前記種氷粒子を中心に氷が成長するため、熱交換器３０の伝熱管内壁面で氷が成長し、熱交換器３０を閉塞することを防止可能としている。
【特許文献１】特開平７−１９６８２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
しかしながら、特許文献１に記載の方法は冷却対象を氷スラリーとしているため、ガスハイドレートの冷却において利用することは不可能であった。即ち、氷スラリーの冷却では、水、氷結緩和剤（ソルビトール等）及び氷を大気圧下で０℃以下にすることで製氷を行っていたのに対して、ガスハイドレートの製造は低温・高圧下でガス、水、氷の三相を原料としたガスハイドレートスラリーを冷却するため熱交換器３０の閉塞する条件が大きく異なる。例えば天然ガスハイドレートの生成条件は、温度が約６℃で圧力が約５ＭＰａとなっており、熱交換器３０で閉塞の発生する状況は氷スラリーと大きく異なり、また、閉塞の発生条件が未だ明らかにされていない。
【００１９】
また、熱交換器３０においては冷媒と被冷却物との温度差が大きいほど伝熱効率が上がり効率がよくなるが、同時に閉塞が発生しやすくなる。そのため、熱交換器３０の最も効率の高い運転のためには閉塞発生寸前まで冷却した状態での運転条件が望ましいが、その閉塞寸前の状況を検知することは困難であり、さらにその状況を維持しながら熱交換器３０の運転を行うことは実現されていない。
【００２０】
そこで、本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、ガスハイドレートの製造工程における熱交換器３０の閉塞が発生する原理を究明し、熱交換器３０の閉塞が発生せず、かつ冷却効率の高い運転条件及び制御方法を提供し、さらに、前記運転条件及び制御方法から、前記熱交換器３０の高効率な連続運転制御方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
上記の目的を達成するための本発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は、ハイドレートスラリーを冷却する熱交換器３０において、レイノルズ数及び三相平衡条件からの過冷却度の２つをパラメータとして熱交換器３０の閉塞の有無を表す閉塞パターンマップ３９を予め求め、前記パターンマップ３９上で閉塞が発生しない条件で制御を行うことを特徴とする。
【００２２】
上記の熱交換器閉塞防止制御方法において、ガスハイドレート製造工程で液相を冷却する熱交換器３０で、被冷却物であるハイドレートスラリーの生成及び付着による熱交換器閉塞３０を防止する制御方法であって、前記閉塞パターンマップ３９を用いて制御を行うことを特徴とする。
【００２３】
上記の熱交換器閉塞防止制御方法において、前記熱交換器３０の入口及び出口における前記ハイドレートスラリー６８及び冷媒の温度及び流量から総括伝熱係数を算出し、前記熱交換器３０の運転に伴う前記総括伝熱係数の減少から前記熱交換器３０内に形成されたハイドレート層２６の厚さを算出し、前記ハイドレート層２６の厚さと前記閉塞パターンマップ３９を基に制御を行うことを特徴とする。
【００２４】
上記の熱交換器閉塞防止制御方法において、前記熱交換器３０の入口及び出口における前記ハイドレートスラリー６８の圧力差からハイドレート層２６の厚さを算出し、前記ハイドレート層２６の厚さと前記閉塞パターンマップ３９を基に制御を行うことを特徴とする。
【００２５】
上記の熱交換器閉塞防止制御方法において、前記ハイドレートスラリー６８を搬送する搬送管であるスラリー輸送艦３７に設けた前記搬送管より細いバイパス管の閉塞を検知し、前記バイパス管の閉塞と前記閉塞パターンマップ３９を基に制御を行うことを特徴とする。
【００２６】
上記の目的を達成するための本発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は、熱交換器３０の入口及び出口における前記ハイドレートスラリー及び冷媒２８（ブライン）の温度及び流量から総括伝熱係数を算出し、前記熱交換器３０の運転に伴う前記総括伝熱係数の減少から前記熱交換器３０内に形成されたハイドレート層２６の厚さを算出し、前記ハイドレート層２６の厚さを基に制御を行うことを特徴とする。
【００２７】
上記の目的を達成するための本発明に係る熱交換器閉塞防止制御方法は、熱交換器３０の入口（ハイドレートスラリー入口３１）及び出口（ハイドレートスラリー出口３２）における前記ハイドレートスラリーの圧力差から前記熱交換器３０内に形成されたハイドレート層２６の厚さを算出し、前記ハイドレート層２６の厚さを基に制御を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２８】
従来、ハイドレート製造工程における熱交換器３０の閉塞が起きない運転条件が明らかになっておらず、閉塞が発生した時点で対応を行う方法で運転が行われていたのに対して、本発明により熱交換器３０における閉塞の発生する運転条件を明らかにし、閉塞パターンマップ３９の作成を実現したことで、閉塞を未然に防ぐ運転方法を提供することが可能となった。
【００２９】
前記熱交換器３０の閉塞が被冷却物であるハイドレートスラリー６８のレイノルズ数及び三相平衡条件からの過冷却温度により支配されていることを明らかにしたため、これらの条件と閉塞の有無のパターンをマップ化することで、閉塞の発生しない熱交換器３０の運転条件を選択することが可能となり、前記熱交換器３０の連続運転を可能とした。
【００３０】
前記閉塞パターンマップ３９は実機における閉塞実験を行い、そのデータよりマップ化することが望ましいが、実験機における閉塞実験のデータから実機の閉塞パターンマップ３９を作成することも可能であり、実験機における閉塞パターンマップ３９に基づいて実機を運転している際に取得されるデータより閉塞パターンマップ３９をより正確なものへ補正を行っていくことも可能である。
【００３１】
前記熱交換器３０における総括伝熱係数の変化から熱交換器３０内に発生している閉塞の原因となるハイドレート層２６の厚さを算出することで、熱交換器３０内の詳細な状況を把握することが可能となり、かつ熱交換器３０の閉塞前に閉塞の可能性としての閉塞の予兆４０を検出することが可能となったため、閉塞の予兆４０を検出した際には、閉塞パターンマップ３９を基に、より閉塞の発生しにくい運転条件へ変更するよう制御することで、熱交換器３０の連続運転を実現した。
【００３２】
また、熱交換器３０の閉塞が発生しにくい運転条件とは即ちハイドレートスラリー６８の冷却効率が低い状態であるため、閉塞の発生する直前の運転条件で連続運転をすることが望ましく、前記閉塞の予兆４０と閉塞パターンマップ３９を組み合わせて熱交換器３０の制御を行うことで、最も効率の高い運転条件による連続運転を実現可能とした。
【００３３】
前記閉塞の予兆４０は、前記熱交換器３０の入口及び出口におけるハイドレートスラリー６８の圧力差から算出することも可能であり、前記総括伝熱係数の変化を利用する場合と同様の効果を期待できる。
【００３４】
また、熱交換器３０内にハイドレートスラリー６８を輸送する管より細いバイパス管を設置し、このバイパス管の閉塞を監視することで閉塞の予兆４０を検知することも可能であり、より単純な装置かつ制御で熱交換器３０の連続運転を制御することが可能となっている。
【００３５】
上述のように熱交換器３０から総括伝熱係数の変化、被冷却物であるハイドレートスラリー６８の圧力差、バイパス管の閉塞から、熱交換器３０が閉塞を起こす前に閉塞の予兆４０を検知し、この閉塞の予兆４０を検知した場合は、閉塞パターンマップ３９を基に熱交換器３０の運転条件を変化させる制御を行うことで、熱交換器３０の連続運転を実現した。
【００３６】
また、熱交換器３０の連続運転により、閉塞解除操作によるエネルギの浪費を防止し、熱交換器３０の冷却効率が最も高く閉塞の起きない条件での運転を可能としたことで、ガスハイドレートの生成コストの低下を実現した。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３７】
以下、本発明を字に示す実施形態を参照して具体的に説明する。
【００３８】
図４は本発明の熱交換器閉塞防止の制御方法に使用する閉塞パターンマップ３９を示しており、ガスハイドレート等の被冷却物の三相平衡条件からの過冷却温度と、熱交換器３０内における被冷却物のレイノルズ数の関係を示している。この閉塞パターンマップ３９は被冷却物のスラリー濃度、圧力、液温を一定とし、流速及び冷却温度を変化させながら、熱交換器３０内における閉塞の有無を確認する閉塞実験より求めたものである。
【００３９】
前記閉塞実験はガスハイドレート製造プラント等で実際に使用する熱交換器３０を使用して行うことが望ましいが、実験装置を使用して閉塞パターンマップ３９を作成することも可能である。その際は、実験装置から得られたデータを基にした閉塞パターンマップ３９を使用して、プラント等で熱交換器３０の運用を行うが、この運用過程においてさらに閉塞状況のデータを蓄積することで、閉塞パターンマップ３９の補正を行っていくことが望ましい。
【００４０】
図４のグラフは天然ガスハイドレート製造プラントにおいて、熱交換器３０内のハイドレートスラリー輸送管３７の内径を１９ｍｍの円管とし、管内に圧力が５ＭＰａ、温度が約６℃、ハイドレート濃度を約１０％としたハイドレートスラリー６８を流入させ、エチレングリコール等の冷媒の温度及びハイドレートスラリー６８の流量を変化させて実験を行って得られたものである。
【００４１】
ここで、レイノルズ数は（Ｖ・Ｄ）／νで定義され、Ｖは管内流速〔ｍ／ｓ〕、Ｄは管内径〔ｍ〕、νはスラリー動粘性係数〔ｍ２／Ｓ〕である。また、天然ガスハイドレートの生成条件は圧力が約５ＭＰａの場合、平衡温度が約６℃となるため、グラフに示した過冷却温度はこの６℃から何度低い冷媒を循環させているかを表しており、斜線部は運転不可の条件領域であり閉塞が発生する。
【００４２】
図５は熱交換器３０で被冷却物を搬送するハイドレートスラリー輸送管３７の断面を示しており、ブライン輸送管２９とハイドレートスラリー輸送管３７は二重管を形成しており、ハイドレートスラリーは中心側を輸送されながら冷却され、冷媒（ブライン）２８は外周側を循環するよう構成され、ハイドレート層２６が形成されているイメージを示しているが、レイノルズ数が２０００を超え乱流となったハイドレートスラリー６８は、前記ハイドレート層２６を破壊していくため、流速が早くなる即ちレイノルズ数が大きくなるほど運転可能領域は増えていく。これは、乱流による自浄効果と言える。
【００４３】
天然ガスハイドレート製造プラントにおける一般的な熱交換器３０は、ハイドレートスラリー輸送管３７の内径が１０ｍｍから１００ｍｍ、冷媒の温度を１℃前後として運転されている。
【００４４】
上記の熱交換器の運転条件は、平衡温度が６℃の天然ガスハイドレートスラリーに対して１℃の冷媒を循環させているので、過冷却温度は５℃となり、前記閉塞パターンマップ３９によると、閉塞しないためにはレイノルズ数が６０００を超える条件で、熱交換器３０を運転する必要があることがわかり、実際に閉塞パターンマップ３９に基づきレイノルズ数６０００で熱交換器３０を運転した結果、閉塞なく安定運転ができた。
【００４５】
閉塞パターンマップ３９を基に最適な運転条件を考える際、冷媒の温度は可能な限り低くすることが冷却効率を高めることとなり、これはハイドレートスラリー６８と冷媒の温度差である温度勾配が大きいほど、熱の移動速度が上がるためであり、かつ閉塞の起きないことが条件となるため、閉塞パターンマップ３９のできるだけ過冷却温度の大きい点の運転可能領域上で熱交換器３０の運転を行うことが高効率となることがわかる。
【００４６】
前記閉塞パターンマップ３９は、被冷却物であるスラリーの濃度や圧力、液温等または熱交換器３０によって形状が異なるが、実機若しくは実験機の閉塞実験によりそれぞれ得ることが可能であり、この閉塞パターンマップ３９により熱交換器３０が閉塞を起こさない領域での連続運転の制御を実現するばかりでなく、連続運転可能でかつ冷却効率の最も高い運転条件を求めることが可能となった。
【００４７】
即ち、前記熱交換器３０の低コストかつ高効率の運転を実現し、ガスハイドレート製造の高効率化も実現した。
【００４８】
図３はガスハイドレートスラリー及び冷媒の循環系統を示したものである。
【００４９】
ハイドレート生成槽４４にハイドレート原料となる例えば天然ガス等の気体と水等の液体を供給することで、ガスハイドレートを得られるよう構成されている。前記ガスハイドレート生成時には生成熱が発生するため、その生成熱を取り除くために生成したハイドレートスラリー６８は冷却するための熱交換器３０にスラリーポンプ４３により送られる。前記ハイドレートスラリー６８はハイドレートスラリーの循環ライン４５を循環されながら冷却され、ハイドレート生成槽４４で生成したシャーベット状のハイドレートは図示しないハイドレート加工工程へ送られる。
【００５０】
熱交換器３０を循環する冷媒は低温恒温槽４２で所定の温度まで冷却され、ポンプ５１により冷媒の循環ライン４６を循環するよう構成されている。
【００５１】
また、ハイドレートスラリー及び冷媒の循環を制御するために、それぞれの循環ラインには流量計３６を設置し、低温恒温槽４２には温度計３５を設置し、得られた測定値をコンピュータ等の制御装置４１に送信するよう構成している。前記制御装置４１は得られた測定値より現在の運転条件を把握し、閉塞等が発生しそうな場合にはスラリーポンプ４３、ポンプ５１の流量を変化させたり、低温恒温槽４２の温度を変化させる信号を送信することで、これらの循環系の制御を行っている。
【００５２】
具体的には、制御装置４１への入力信号４７により、熱交換器３０に閉塞が発生若しくは発生すると判断された場合は、制御装置４１からスラリーポンプ４３の流量を上げる出力信号４８、低温恒温槽４２の温度を上昇させる出力信号４８、冷媒循環系のポンプ５１の流量を下げる出力信号４８を出力することで運転条件が閉塞パターンマップ３９における運転可能領域に移行するよう制御される。
【００５３】
実験機又は実機を実験することで得られた閉塞パターンマップ３９に基づいて熱交換器３０の運転を行うが、例えば実験機により得たデータが実際の運転時と誤差を生じている場合や、熱交換器３０等の装置の劣化により運転条件に変化が発生している場合は、閉塞パターンマップ３９の補正等が必要となってくる。
【００５４】
しかしながら、既にプラント等に組み込まれ、ハイドレートの製造を開始している実機に閉塞を起こさせ、閉塞パターンマップ３９を補正することは非常に効率が悪くなり、実行は不可能となる。
【００５５】
そこで、本発明では以下に解説をする熱交換器３０に設置された各種測定器から得られるデータを解析し、その測定値を閉塞の予兆４０として制御装置４１に入力させ制御を行うことで、熱交換器３０の閉塞を発生させずに閉塞寸前の運転条件を蓄積することで、閉塞パターンマップ３９の補正を可能とした。
【００５６】
前記閉塞の予兆４０とは、熱交換器３０において図５に示すハイドレートスラリー輸送管３７内に形成されるハイドレート層２６の厚さを推定することであり、熱交換器３０の閉塞状況の詳細を観測し、閉塞の発生する寸前の運転条件を検知することを可能としている。前記ハイドレート層２６の厚さを制御装置４１に入力することで、熱交換器３０を閉塞させずに、かつ最も冷却効率の高い運転条件で制御することを可能とした。
【００５７】
さらに前記閉塞の予兆４０は、閉塞パターンマップ３９の作成初期においても利用することが可能で、実験機又は実機を閉塞させずに、閉塞寸前の運転条件を得ることが可能となるため、閉塞実験が極めて容易に行えるようになった。
【実施例１】
【００５８】
以下に閉塞の予兆４０であるハイドレート層２６の厚さを推定する方法の説明を行う。図１はハイドレート層２６の厚さを推定するために必要となる計測装置を熱交換器３０に設置している状態を示している。
【００５９】
熱交換器３０はハイドレートスラリー輸送管３７の周囲を冷媒が流れて冷却するように構成しており、ハイドレートスラリー入口３１及びハイドレート出口３２に温度計３５をそれぞれ設置し、ハイドレートスラリーの流量を測定するコリオリ質量流量計等の流量計３６を設置している。冷媒循環系では冷媒入口３３及び冷媒出口３４に温度計３５をそれぞれ設置し、冷媒の流量を測定する流量計３６を設置している。前記計測装置より得られた値を元にハイドレート層２６の厚さを算出する手順を以下に説明する。
【００６０】
まず下記の数式１により伝熱量を算出する。ここに、ΔＱは伝熱量、ｍ〔ｋｇ／Ｈｒ〕はハイドレートスラリーの質量流量、Ｃｐ〔ｋｃａｌ／ｋｇ・℃〕は定圧比熱、Δｔ〔℃〕はハイドレートスラリーの入／出の温度差を示している。これらの値は、ｍはハイドレートスラリーの流量計、Δｔはハイドレート入口及び出口の温度計により与えられ、Ｃｐは水の値を利用するため既知となる。
【数１】
0005081697.tif 000002
【００６１】
以上より算出された伝熱量ΔＱを元に下記の数式２より総括伝熱係数Ｕを算出する。ここに、Ａ〔ｍ２〕は熱交換器の伝熱面積、Δｔ〔℃〕はハイドレートスラリーと冷媒の温度から下記の数式３により求まる対数平均温度差を示している。これらの値は、Ａは既知であり熱交換器３０の形状より求まり、ΔＴ０〔℃〕は冷媒の入／出の温度差、ΔＴ１〔℃〕はハイドレートスラリーの入／出の温度差を示しており、温度計３５より与えられる。
【数２】
0005081697.tif 000003
【数３】
0005081697.tif 000004
【００６２】
最後に上記の数式２により求めた総括伝熱係数Ｕを元に下記の数式４によりハイドレート層２６の厚さを算出する。ここに、１／Ｕｉ〔ｈｒ・ｍ２・℃／ｋｃａｌ〕はハイドレートが生成した場合の熱抵抗、１／Ｕｉ，０〔ｈｒ・ｍ２・℃／ｋｃａｌ〕はハイドレート生成前の熱抵抗、λｈ〔ｈｒ・ｍ２・℃／ｋｃａｌ〕はハイドレートの熱伝導度、ｄｉ〔ｍ〕はハイドレートスラリー輸送管３７の管内径、ｓ〔ｍ〕はハイドレート層の厚さを示している。これらの値は、λｈはハイドレートを用いた実験により得られる物性値であり、本発明ではλｈ＝０．４３とした。１／Ｕｉ，０は熱交換器３０の運転初期状態で得られる熱抵抗であり、１／Ｕｉは熱交換器３０運転時にハイドレート層２６の生成とともに変化する値である。
【数４】
0005081697.tif 000005
【００６３】
以上の計算でハイドレート層２６の厚さｓを求めることができ、このハイドレート層２６の厚さを閉塞の予兆４０として制御装置４１に入力される。
【００６４】
図３は図１に示した熱交換器３０に設置されている各温度計３５から出力される温度の出力信号４７を閉塞の予兆４０として、制御装置４１に入力し、制御を行う系統図を示している。
【実施例２】
【００６５】
以下に閉塞の予兆４０であるハイドレート層２６の厚さを推定する上記とは異なる方法の説明を行う。図２はハイドレート層２６の厚さを推定するために必要となる計測装置を熱交換器３０に設置している様子を示しており、ハイドレートスラリー輸送管３７の入口と出口の差圧を計測するための差圧計３８を設置している。前記計測装置より得られた値を元にハイドレート層２６の厚さを下記の数式５により算出する。ここに、ｓ〔ｍ〕はハイドレート層の厚さ、ｐ０〔Ｐａ〕はハイドレート生成前の差圧、ｐｈ〔Ｐａ〕はハイドレート生成時の差圧、ｄｉ〔ｍ〕はハイドレートスラリー輸送管３７の管内径を示している。これらの値はｐ０及びｐｈは、前記差圧計３８により測定し、ｄｉは既知であり熱交換器３０の形状より求まる。
【数５】
0005081697.tif 000006
【００６６】
以上の計算でハイドレート層２６の厚さｓを求めることができ、このハイドレート層２６の厚さを閉塞の予兆４０として制御装置４１に入力される。
【００６７】
図９は図２に示した熱交換器３０に設置されている差圧計３８から出力される差圧の出力信号４７を閉塞の予兆４０として、制御装置４１に入力し、制御を行う系統図を示している。
【実施例３】
【００６８】
熱交換器３０内のハイドレートスラリー輸送管３７に閉塞しやすいバイパス管を設け、前記バイパス管の閉塞を流量計等で検知するように構成し、バイパス管の閉塞の信号を閉塞の予兆４０として制御装置４１に送信する。前記バイパス管を利用して熱交換器３０を閉塞させずに運転を行うことを可能とした。
【００６９】
前記バイパス管は、対象とする熱交換器３０の閉塞パターンマップ３９の運転可能領域と若干重なる運転不可能領域を持つように構成することが望ましい。
【００７０】
また、前記バイパス管の設置は容易に行えるため、前述のハイドレート層２６の厚さを推定する方法と組み合わせて使用することも可能である。特に前記バイパス管は閉塞パターンマップを作成する際の実験時に使用することで、バイパス管の閉塞を検知した時点で、熱交換器３０の運転条件の変化量を小さくして運転可能領域と不可能領域の境界を正確に検出することが可能となる。即ち、前記パイパス管を設置しない状態での閉塞パターンマップを作成する実験では、運転可能領域でもあっても運転条件の変化量を必要以上に細かく刻みながら、実験を行ってしまい効率が低下する可能性が考えられる。
【００７１】
上述のように、本発明の熱交換器閉塞防止制御方法により、熱交換器３０の閉塞が発生せず、かつ冷却効率の高い運転条件及び制御方法を提供し、さらに、前記運転条件及び制御方法から、前記熱交換器３０の高効率な連続運転制御方法の提供を実現した。
【００７２】
また、熱交換器３０の高効率化のため、ガスハイドレート製造工程における製造コストを低下させ、製造効率の向上を実現した。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】総括伝熱係数を得られるよう構成した熱交換器の概略図である。
【図２】圧力差を得られるように構成した熱交換器の概略図である。
【図３】本発明の実施例の１つを示した系統図である。
【図４】本発明の閉塞パターンマップである。
【図５】熱交換器における管の断面図である。
【図６】熱交換器を２台使用した従来の系統図である。
【図７】熱交換器の冷媒の循環を示す系統図である。
【図８】ハイドレートスラリー製造装置の系統図である。
【図９】本発明の実施例の１つを示した系統図である。
【符号の説明】
【００７４】
２６   ハイドレート層
３０   熱交換器
３５   温度計
３６   流量計
３７   ハイドレートスラリー輸送管
３８   差圧計
３９   閉塞パターンマップ
４０   閉塞の予兆
４１   制御装置
４２   低温恒温槽
４４   ハイドレート生成槽
４５   ハイドレートスラリーの循環ライン
４６   冷媒の循環ライン
６８   ハイドレートスラリー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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