天然ガス脱水の最適化分子ふるい吸着剤

はじめに

天然ガス処理で最も重要な段階のひとつは、家庭や産業に届く前に品質と効率を保証する天然ガスの脱水である。これは、腐食、ハイドレートの形成、発熱量の減少を避けるために、ガス流から水蒸気を除去することを必要とします。モレキュラーシーブ吸着剤は、天然ガスから水分子を除去できるユニークな特性を持っているため、天然ガスを脱水する最も効果的な方法の1つです。本稿では、天然ガス脱水の基礎となる基本原理、様々な脱水方法、そして分子ふるい吸着剤が果たす重要な役割について掘り下げます。

モレキュラーシーブは、天然ガス業界で一般的に採用されている吸着脱水法に使用される効果的な乾燥剤です。この吸着剤の均一な細孔構造により、水分子に対する選択性が確保され、より大きな炭化水素分子は排除されるため、貴重な成分を大幅に損失することなく効率的な脱水が可能になります。

天然ガスの脱水について

天然ガスの脱水は、原料天然ガスから水蒸気を除去し、輸送や消費が可能な乾燥天然ガスを製造することである。多くの場合、原料天然ガスは水蒸気を含んでおり、これが凝縮してパイプラインや処理設備に問題を引き起こすことがある。原料天然ガスの含水量は0.1～1.5 lb/MMcfである（米国エネルギー情報局、2020年）。天然ガスから水蒸気を除去するプロセスは、この化合物の量をほとんどのパイプライン品質基準で許容されるレベルまで下げることを意図しており、通常7ポンド/MMcf以下である。

脱水はさまざまな理由で起こる。水蒸気は、二酸化炭素や硫化水素のような酸性ガスと腐食性化合物を形成し、パイプラインや機器を腐食する可能性がある。また、重質炭化水素と結合して高圧・低温で固体水和物を形成し、パイプラインの閉塞を引き起こして流れを阻害する。また、水は可燃性成分を排除するため、天然ガスが充填できたはずの空間を占めると、天然ガスの発熱量を低下させる。これらの問題は、天然ガス脱水と呼ばれるプロセスを通じて水蒸気を除去することによって解決することができ、それによって燃料の物質と市場供給面での信頼性を保証することができる。

天然ガス処理における脱水法

天然ガスの脱水には、吸収脱水（グリコール脱水）、吸着脱水（固体乾燥剤脱水）、冷凍、膜分離など様々な方法が用いられる。天然ガス業界では通常、グリコール脱水とも呼ばれる吸収法が採用されている。このため、液体乾燥剤、通常はトリエチレングリコール（TEG）が、ガス脱水装置内で湿った天然ガス流から水蒸気を吸収するために使用されます。グリコール脱水は、出口露点温度が-10℃～-20℃と低い天然ガス流から水蒸気を除去するのに効果的ですが、グリコール損失の可能性、定期的なメンテナンスの必要性、再生セクションでのグリコール再生時の高いエネルギー消費などの制限があります。グリコールの純度とグリコール再生プロセスの効率は、ガス脱水装置の全体的な性能に影響を与えます。

吸着脱水または固体乾燥剤脱水では、天然ガス流から水蒸気を除去するために、シリカゲルから成る固体乾燥剤または分子ふるいが使用されます。湿った天然ガスは、主にH2Oからなる分子がそれらを収集する多孔質材料の表面と接触する吸着床を通過します。吸着に関連する利点には、グリコールベースのプロセスよりもエネルギーコストが低いこと、除去効率が高いこと、非常に低い水露点温度（-50℃～-100℃）を達成できることなどがある。モレキュラーシーブ吸着材は、吸着性の高い細孔構造を持っているため、これらの特性により、微量の水分を除去するのに非常に効果的です。脱水された天然ガスは、天然ガス液体を回収するためにさらに処理され、貯蔵タンクに貯蔵されます。

冷凍や膜分離などの他の方法と比較すると、グリコール脱水や固体乾燥剤脱水は天然ガス産業でより一般的に使用されている。一方、膜分離は、水分子は通過させるが炭化水素は保持する選択膜を利用する。

天然ガス処理プラントにおける吸着脱水の導入

天然ガス処理プラントでは、吸着脱水装置は通常、最初の分離・圧縮段階の下流に設置される。所望の露点、他の不純物の存在、全体的なプロセスフローのスキームなどの要因が、脱水ユニットの配置を決定します。吸着脱水は、必要な露点を得るために、グリコール脱水のような他の脱水方法と並行して使用されることがある。例えば、グリコール脱水ユニットで最初に水を除去した後、吸着ユニットを適用して厳しい露点要件まで研磨するのが良い例である。最適な性能を最小限のコストで実現する吸着脱水機を選定・設計するには、ガス流量、ガス流の含水率、再生サイクル、必要な露点などの要素を考慮する必要がある。

多段吸着による脱水は、液化石油ガス製造や極低温プロセスのように、極端に低い水露点（-100℃以下）が望まれる用途に使用できます。多段吸着システムは、直列に接続された2つ以上の吸着器容器で構成され、各段はその前の段よりも低い露点を目指します。各段は、前の段よりも低い露点を達成することを目的としている。最初の段では、最も高濃度の水蒸気が除去され、その後の段では乾燥プロセスが続く。これにより、吸着剤層の有効利用が容易になり、飽和水蒸気量を非常に低いレベルにすることができる。多段吸着脱水システムでは、頻繁に性能を最適化するために、異なる種類のモレキュラーシーブを異なる段階で採用することができる。

吸着脱水プロセスの詳細

通常、吸着脱水システムは、吸着器容器、再生システムバルブ＆配管、計装および制御などのいくつかの主要コンポーネントで構成されています。吸着器容器には、通常モレキュラーシーブやシリカゲルなどの固体乾燥剤層があり、プラント容量や再生サイクルに応じて増加させることができます。一方、再生システムには通常、再生ガスヒーター、コンプレッサー、冷却器が含まれ、飽和乾燥剤層から水分を除去するために使用される再生ガスの加熱と冷却を行います。

吸着脱水プロセスは、主に吸着と再生の2つの段階で行われる。吸着段階では、湿った自然ガスが固体乾燥剤層を含む吸着容器に入る。乾燥剤層を通過する際、ガスは水分子を運び去り、水分子は表面に付着し、乾燥ガスは再び乾燥剤層から排出される。この場合、これらのプロセスはすべて、水が乾燥剤層で飽和するまで行われる。従って、ある乾燥剤層で飽和が起これば、この吸収缶はオフラインにされ、再生されるのを待つことになります。高温の再生ガス（通常、乾燥した製品ガスの一部）を飽和床に通過させ、吸収した水分を除去します。クリーンな空気を得た次のステップは、再生空気を冷却して凝縮させることです。最後に、分離された凝縮した水蒸気を取り去る。再生されたデシカント床は、次のADSORPTIONサイクルに備えて冷却される。場合によっては、2つ以上の並列吸着器容器が使用されることがあるので、1つは常に別の1つ（複数可）を使用して動作したままにすることができます。

分子ふるい吸着剤：吸着脱水を中心に

モレキュラーシーブ吸着剤は、規則的な細孔構造を持つ結晶性アルミノケイ酸塩であり、分子の大きさや形状に応じて選択的に吸着することができる。これらの吸着剤は天然または合成のゼオライトから作られ、相互に連結した細孔と流路の三次元ネットワークを持っています。天然ガスの脱水で使用される最も一般的なモレキュラーシーブはゼオライト4Aで、細孔直径は4オングストローム（Å）オーダーである。モレキュラーシーブは、その親水性と水分子とゼオライト骨格との強い相互作用により、水に対して強い親和性を示し、天然ガスの低濃度流から水蒸気を効果的に除去することが可能である。

天然ガス脱水における他の乾燥剤と比較して、モレキュラーシーブ吸着剤にはいくつかの利点があります。分子ふるい吸着剤は高い比表面積と細孔容積を持ち、吸着剤の単位質量あたり大量の水蒸気を吸着することができます。貴重な成分の実質的な損失を伴わない効率的な脱水は、より大きな炭化水素分子を除外しながら、モレキュラーシーブの均一な細孔構造による水分子の選択的吸着にかかっている。モレキュラーシーブは、他の乾燥剤に比べて低温（150℃～300℃）で再生できるため、エネルギー消費と運転コストを削減できる（Chemical Engineering Transactions, 2017）。適切な再生とメンテナンスにより、モレキュラーシーブベッドは数年間使用できるため、頻繁な交換の必要性を最小限に抑えることができます。さらに、モレキュラーシーブには高い脱水能力があるため、より小型のユニットを導入することができ、ガス処理プラントに必要なインフラに関連する資本コストだけでなく、フットプリントの削減にもつながる。

天然ガス脱水サービスに適したモレキュラーシーブタイプの選択は、ガス組成、運転条件、所望の露点、再生方法などの様々な要因に影響されます。モレキュラーシーブのメーカーに相談し、パイロットスケールのテストを実施することは、天然ガスの脱水用途に最も適した吸着剤を決定するのに役立ちます。

脱水工程における吸着剤の再生

天然ガス処理における吸着脱水プロセスにおいて、再生ステップは、水を脱水するユニットを連続的かつ効率的に運転し、ガスが要求される水の露点仕様を満たすようにするための最も重要な側面です。天然ガス脱水における再生手順では、飽和状態のモレキュラーシーブベッドから吸収した水を脱離させ、吸着能力を回復させて次のサイクルに使用します。これは、天然ガスストリーム中の水の露点を所望のレベルに保ち、ハイドレートの形成や下流工程に関連する腐食の問題を回避し、投資コストを最小限に抑えるために必要である（Chemical Engineering Transactions, 2017）。

天然ガス脱水システムの再生には、主に熱スイング再生（TSR）と圧力スイング再生（PSR）の2つの方法が採用されている。TSRでは、高温の再生ガスまたは乾燥生成ガスの一部を使用して、飽和モレキュラーシーブ床を吸着水が脱着できるまで加熱し、気相中の水分濃度を低下させます。再生温度は、モレキュラーシーブの種類や所望の水蒸気露点を達成するために必要な脱水のレベルに応じて、150℃から300℃の範囲である。あるいは、PSRは飽和モレキュラーシーブベッド内の圧力を下げることで、吸着水を脱着させ、自由水を除去する。これは、ベッドを高圧供給ガスから隔離し、大気圧に近い低圧まで減圧することを意味する。天然ガスの脱水は、天然ガス処理に必要な-60℃以下の非常に低い水分露点を達成するため、主にTSRを採用している。

天然ガス脱水機で使用されるモレキュラーシーブ吸着器の長期性能と耐用年数を維持するには、適切な再生が必要です。再生が不十分または非効率的な場合、吸着能力が徐々に低下し、乾燥効率が低下して、処理された天然ガス中の水分濃度が高くなる可能性があります。また、運転中にパイプラインの仕様に準拠しない問題が発生することもあります。吸着脱水機の信頼できる性能と良質な乾燥メタン生産を確保するためには、定期的な監視、再生プロセスの最適化、定期的な交換が絶対に必要です。

天然ガス脱水のための信頼できるモレキュラーシーブサプライヤーとしてジャロンを選択

天然ガス乾燥用モレキュラーシーブの信頼できるプロバイダーを選択する場合、ジャロンは高品質モレキュラーシーブ製品の業界リーダーです。ハイテク生産設備と研究開発に重点を置くジャロン社は、天然ガス処理アプリケーションの効率性と信頼性を確保するために特別に設計されたモレキュラーシーブを提供しています。天然ガス脱水用の優れたモレキュラーシーブをお探しの方にとって、ジャロンとの協力は、脱水効率を最大化し、長期的な収益性を確保する鍵となるかもしれません。

結論

モレキュラーシーブ吸着剤を使用する吸着脱水は、天然ガス脱水のための非常に効果的な方法であり、天然ガス供給の品質と信頼性にとって重要である。例えば、モレキュラーシーブは、均一な細孔構造、高い吸着容量、選択的な吸着といった特徴を持っており、天然ガスの流れから水蒸気を除去するのに最適である。クリーンで効率的なエネルギー資源に対する需要の高まりを考慮すると、吸着脱水は、費用対効果が高く、汎用性の高い技術であることが証明されているため、天然ガス業界の将来のニーズに対応するための望ましい方法として際立っている。