(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ゲスト物質として第１ガスを包接したクラスレートを製造するクラスレート製造方法であって、
第１圧力かつ第１温度で前記第１ガスを収容槽に収容する工程と、
前記第１圧力より高圧の第２圧力かつ前記第１温度より低温の第２温度の第２ガスを前記収容槽に導入して、該第１圧力を上回り該第２圧力未満の第３圧力となるように、該第１ガスと該第２ガスとを混合して混合ガスを生成する工程と、
を含むことを特徴とするクラスレート製造方法。
【請求項２】
前記混合ガスを生成する工程は、前記第２ガスを包接したクラスレートの生成温度の上限値を上回る所定の第３温度以上となり、かつ、前記第１ガスの温度上昇を抑制して前記第３圧力となるように、該第１ガスと該第２ガスとを混合することを特徴とする請求項１に記載のクラスレート製造方法。
【請求項３】
前記混合ガスを生成する工程において生成された混合ガスをさらに昇圧する工程を含むことを特徴とする請求項１または２に記載のクラスレート製造方法。
【請求項４】
前記第１ガスは、オゾンであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のクラスレート製造方法。
【請求項５】
前記第２ガスは、二酸化炭素であることを特徴とする請求項４に記載のクラスレート製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ゲスト物質としてガスを包接したクラスレートを製造するクラスレート製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
クラスレートのうち、クラスレートハイドレートは、水分子同士の水素結合によって形成されるクラスレート構造（籠状構造）の内部に、水分子以外の分子が包接された結晶である。クラスレートハイドレートにおける籠状構造を形成する水分子は、ホスト分子と称され、包接される（包み込まれる）分子はゲスト物質（ゲスト分子）と称される。このようなクラスレートハイドレートのうち、ゲスト物質としてガスを包接したものは、ガスハイドレートと呼ばれ、例えば、メタンハイドレート、二酸化炭素ハイドレート、オゾンハイドレート等が知られている。ガスハイドレートは、自体の体積の１２０倍以上のゲスト物質を包蔵することができるため、ガス包蔵性が高い物質として注目されている。
【０００３】
このようなガスハイドレートの製造技術として、ゲスト物質を含む原料ガスを所定の圧力に圧縮するとともに、水を所定の圧力に圧縮した後に混合して、原料ガス中のゲスト物質を水に溶解させ、ゲスト物質が溶解された水を所定の温度に冷却してガスハイドレートを生成する技術が開発されている（例えば、特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−３５６６８５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、上記特許文献１の技術では、原料ガスを圧縮する際に、原料ガスの温度が上昇して分解してしまうおそれがある。
【０００６】
そこで、本発明は、このような課題に鑑み、原料ガスの分解を抑制しつつ、原料ガスを圧縮することが可能なクラスレート製造方法を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために、本発明のクラスレート製造方法は、ゲスト物質として第１ガスを包接したクラスレートを製造するクラスレート製造方法であって、第１圧力かつ第１温度で第１ガスを収容槽に収容する工程と、第１圧力より高圧の第２圧力かつ第１温度より低温の第２温度の第２ガスを収容槽に導入して、第１圧力を上回り第２圧力未満の第３圧力となるように、第１ガスと第２ガスとを混合して混合ガスを生成する工程と、を含むことを特徴とする。
【０００８】
また、混合ガスを生成する工程は、第２ガスを包接したクラスレートの生成温度の上限値を上回る所定の第３温度以上となり、かつ、第１ガスの温度上昇を抑制して第３圧力となるように、第１ガスと第２ガスとを混合するとしてもよい。
【０００９】
また、混合ガスを生成する工程において生成された混合ガスをさらに昇圧する工程を含むとしてもよい。
【００１０】
また、第１ガスは、オゾンであるとしてもよい。
【００１１】
また、第２ガスは、二酸化炭素であるとしてもよい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、原料ガスの分解を抑制しつつ、原料ガスを圧縮することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】クラスレート製造装置の概略的な構成を説明するための図である。
【図２】ガス昇圧ユニットの具体的な構成を説明する図である。
【図３】クラスレート製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。かかる実施形態に示す寸法、材料、その他具体的な数値等は、発明の理解を容易とするための例示にすぎず、特に断る場合を除き、本発明を限定するものではない。なお、本明細書および図面において、実質的に同一の機能、構成を有する要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略し、また本発明に直接関係のない要素は図示を省略する。
【００１５】
（クラスレート製造装置１００）
図１は、クラスレート製造装置１００の概略的な構成を説明するための図である。図１に示すように、クラスレート製造装置１００は、ガス昇圧ユニット１１０と、クラスレート製造ユニット１２０とを含んで構成される。なお、ここでは、クラスレートとして、オゾンハイドレートを例に挙げて説明する。
【００１６】
ガス昇圧ユニット１１０は、オゾン（第１ガス）および二酸化炭素（第２ガス）を含む原料ガスを、クラスレート製造ユニット１２０で効率よくオゾンハイドレートを製造できる圧力に昇圧する。
【００１７】
クラスレート製造ユニット１２０は、ガス昇圧ユニット１１０によって昇圧された原料ガスと水とを、所定の圧力、所定の温度環境下で混合してオゾンハイドレート（クラスレート）を製造する。上記したように、原料ガスには、オゾンに加えて二酸化炭素が含まれている。二酸化炭素は、オゾンハイドレートの生成反応において促進剤として機能するため、原料ガスに二酸化炭素を混合することで、オゾンハイドレートの生成を促進することができる。なお、オゾンハイドレートの製造自体は、既存の様々な技術を利用することができるため、ここでは、詳細な説明を省略する。
【００１８】
このように、オゾンハイドレートを製造するためには、オゾン（第１ガス）を所定の圧力まで昇圧する必要があるが、従来技術のように圧縮機で圧縮するとガスの温度が上昇し、オゾンが分解してしまうという問題がある。そこで、本実施形態のガス昇圧ユニット１１０は、圧縮機を用いずにオゾンを圧縮することで、オゾンの分解を抑制する。以下、ガス昇圧ユニット１１０の具体的な構成について詳述する。
【００１９】
（ガス昇圧ユニット１１０）
図２は、本実施形態にかかるガス昇圧ユニット１１０の具体的な構成を説明する図である。なお、図２中、液体および気体の流れを実線の矢印で示す。図２に示すように、ガス昇圧ユニット１１０の第１シリンダ２１０（収容槽）には、オゾンおよび二酸化炭素が導入され、第１シリンダ２１０内においてオゾンおよび二酸化炭素の混合ガスが生成される。こうして生成された混合ガスは、配管２２０を介してクラスレート製造ユニット１２０に供給される。
【００２０】
第１シリンダ２１０における配管２２０の接続箇所の反対側の端部には、配管２２２を介して第２シリンダ４１０が接続されており、第２シリンダ４１０から水が導入されたり、第１シリンダ２１０から水が排出されたりする。
【００２１】
また、配管２２２における第１シリンダ２１０の接続箇所と、第２シリンダ４１０の接続箇所との間には、給排水手段３１０が設けられており、給排水手段３１０は、配管２２２に水を供給したり、配管２２２から水を排出したりする。
【００２２】
さらに、第１シリンダ２１０の外周には、第１冷却管２１２が設けられており、第１冷却管２１２には、配管２２４を通じて冷凍機２３０で冷却された冷媒（例えば、アルコール水溶液、凝縮性冷媒（Ｒ−４０４Ａ）等）が供給される。これにより、第１シリンダ２１０内を所定の第１温度（例えば、２℃程度）に維持することができる。また、第１シリンダ２１０内を冷却することで加熱された冷媒（熱交換された冷媒）は、配管２２６を通じて第１冷却管２１２から冷凍機２３０に送出され、冷凍機２３０において再度冷却されることとなる。
【００２３】
酸素供給設備２４０（例えば、酸素ボンベ）に貯留された酸素は、オゾン発生器２４２に導入され、オゾン発生器２４２において酸素からオゾンが生成される。オゾン発生器２４２において生成されるオゾン（オゾン含有ガス）の圧力（第１圧力）は、例えば、０．４ＭＰａであり、温度は、例えば、常温（２０℃程度）である。
【００２４】
オゾン発生器２４２は、配管２４４を介して配管２２０に接続されており、オゾン発生器２４２で生成されたオゾンは、配管２４４、配管２２０を介して第１シリンダ２１０に導入されることとなる。また、オゾン発生器２４２において生じた余剰のオゾンは、配管２４６、バルブ２４６ａを介して後述するデオゾナイザ４３０に導入され分解される。
【００２５】
二酸化炭素供給設備２５０（例えば、二酸化炭素ボンベ）に貯留された二酸化炭素（第２ガス）は、配管２５２、２２０を介して、第１シリンダ２１０に導入される。配管２５２には、上流側から順に、圧力調整弁２５４、加温器２５６、膨張弁２５８、バルブ２５２ａが設けられている。圧力調整弁２５４は、二酸化炭素供給設備２５０に貯留された二酸化炭素を所定の第２圧力（例えば、４．７ＭＰａ）に調整する。加温器２５６は、第２圧力の二酸化炭素を１０℃程度に加温する。
【００２６】
膨張弁２５８は、二酸化炭素を膨張させて第１シリンダ２１０に導入する。ここで、膨張弁２５８は、第１シリンダ２１０内の圧力（つまり、オゾンと二酸化炭素との混合ガスの圧力）が所定の第３圧力（例えば１．６２８ＭＰａ程度））となるように、また、第１シリンダ２１０内の温度が所定の第３温度以上となるように二酸化炭素を膨張させる（膨張後の二酸化炭素の温度は、例えば、−６０℃〜−３２℃）。ここで、第３温度は、二酸化炭素ハイドレートの生成温度の上限値（−２．２℃程度）を上回る温度である。例えば、第３温度を２℃に設定した場合、膨張弁２５８で膨張された二酸化炭素は、平均−４６℃程度となる。
【００２７】
バルブ２５２ａは、第１シリンダ２１０内が第３温度を下回らないように、つまり、第１シリンダ２１０内の温度が漸減するように、二酸化炭素の導入量を調整しつつ第１シリンダ２１０に導入する。
【００２８】
第２シリンダ４１０には、配管２２２が接続されており、第１シリンダ２１０や給排水手段３１０から水が導入される。また、第２シリンダ４１０における配管２２２の接続箇所の反対側の端部には、配管４２０を介してデオゾナイザ４３０が接続されており、第２シリンダ４１０内のガスはデオゾナイザ４３０に送出されてオゾンが分解された後、大気放散されることとなる。
【００２９】
また、上記酸素供給設備２４０は、配管４２２を介して配管４２０に接続されており、酸素供給設備２４０から第２シリンダ４１０に酸素（押圧ガス）が導入されることとなる。なお、酸素供給設備２４０から配管４２２に導入される酸素は、不図示の圧力調整弁によって所定の圧力（後述する第４圧力を上回る圧力、例えば、２．３１ＭＰａ）に調整されている。
【００３０】
さらに、第２シリンダ４１０の外周には、第１シリンダ２１０と同様に第２冷却管４１２が設けられており、第２冷却管４１２には、配管４２４を通じて冷凍機２３０で冷却された冷媒（例えば、アルコール水溶液、凝縮性冷媒（Ｒ−４０４Ａ）等）が供給される。これにより、第２シリンダ４１０内を所定の温度（例えば、２℃程度）に維持することができる。また、第２シリンダ４１０内を冷却することで加熱された冷媒（熱交換された冷媒）は、配管４２６を通じて第２冷却管４１２から冷凍機２３０に送出され、冷凍機２３０において再度冷却されることとなる。
【００３１】
（クラスレート製造方法）
続いて、ガス昇圧ユニット１１０を用いたオゾン（混合ガス）のクラスレート製造方法について説明する。図３は、本実施形態にかかるクラスレート製造方法の処理の流れを説明するフローチャートである。図３に示すように、クラスレート製造方法は、導入工程Ｓ１１０と、第１昇圧工程Ｓ１２０と、第２昇圧工程Ｓ１３０と、送出工程Ｓ１４０と、落圧工程Ｓ１５０とを含む。なお、運転初期において、第１シリンダ２１０内は、水で満たされており、第２シリンダ４１０内には、酸素（例えば、０．３８ＭＰａ〜０．３９ＭＰａ程度）で満たされており、また、各種バルブ２２０ａ、２４４ａ、２５２ａ、４２０ａ、４２２ａは閉弁されているものとする。以下、各工程における処理について詳述する。
【００３２】
（導入工程Ｓ１１０）
まず、不図示の制御部は、配管２４４に設けられたバルブ２４４ａを開弁するとともに、配管４２０に設けられたバルブ４２０ａを開弁する。そうすると、第１シリンダ２１０と第２シリンダ４１０との差圧によって、第１シリンダ２１０内の水が配管２２２を通って第２シリンダ４１０に移動し、第１シリンダ２１０内が減圧されることとなる。これにより、第１シリンダ２１０にオゾン（０．４ＭＰａ）が導入されることとなる。なお、第１冷却管２１２によって、第１シリンダ２１０内のオゾンは、２℃程度まで冷却されることとなる。
【００３３】
また、第２シリンダ４１０内のガスは、第１シリンダ２１０から移動された水によって押し出され、配管４２０におけるバルブ４２０ａの後段に設けられた圧力調整弁４２０ｂによって圧力が調整された後、デオゾナイザ４３０に送出されることとなる。圧力調整弁４２０ｂを備える構成により、第１シリンダ２１０へのオゾンの導入を安定した圧力条件下で実行することができる。
【００３４】
（第１昇圧工程Ｓ１２０）
第１昇圧工程Ｓ１２０では、第１シリンダ２１０において、０．４ＭＰａ（第１圧力）のオゾンと二酸化炭素とを所定の体積比（ここでは、オゾン：二酸化炭素＝３０％：７０％）で混合して、１．６２８ＭＰａ（第３圧力）の混合ガスを生成する。なお、第１昇圧工程Ｓ１２０における混合ガスの到達圧力（第３圧力）と、混合ガス中のオゾンと二酸化炭素との体積比は、クラスレート製造ユニット１２０においてオゾンハイドレートを製造する際の目標圧力と、目標収率に基づいて決定される。
【００３５】
具体的に説明すると、制御部は、バルブ４２０ａを閉弁するとともに、配管２５２に設けられたバルブ２５２ａを開弁して、第１シリンダ２１０への二酸化炭素の導入を開始する。そうすると、膨張弁２５８によって平均−４６℃（第２温度）に冷却された４．７ＭＰａ（第２圧力）の二酸化炭素が第１シリンダ２１０内に導入される。
【００３６】
ここで、第１シリンダ２１０に二酸化炭素が導入されることにより、オゾンが圧縮されてオゾンの温度が上昇するが、二酸化炭素の冷熱（−４６℃）によって、オゾンの温度上昇を抑えることができ、オゾンの分解を防止することが可能となる。
【００３７】
（第２昇圧工程Ｓ１３０）
第１シリンダ２１０内の圧力が第３圧力に到達したら、さらに、混合ガスを第４圧力（例えば、２．３ＭＰａ）まで昇圧する。
【００３８】
具体的に説明すると、制御部は、バルブ２４４ａ、２５２ａを閉弁するとともに、配管４２２に設けられたバルブ４２２ａを開弁する。そうすると、第２シリンダ４１０内の水が酸素供給設備２４０から送出された酸素によって押し出され、配管２２２を介して第１シリンダ２１０に導入されることとなる。この第２シリンダ４１０から移動された水によって第１シリンダ２１０内の混合ガスが第４圧力まで昇圧されることとなる。
【００３９】
なお、第１シリンダ２１０においては、水（水圧）によって混合ガスが圧縮され、温度が上昇するが、第１冷却管２１２によって２℃程度に維持されることとなる。これにより、オゾンの分解を防止することができる。
【００４０】
（送出工程Ｓ１４０）
制御部は、配管２２０に設けられたバルブ２２０ａを開弁する。そうすると、第１シリンダ２１０内で生成された第４圧力（２．３ＭＰａ）、第３温度（２℃程度）の混合ガスがクラスレート製造ユニット１２０に供給されることとなる。
【００４１】
（落圧工程Ｓ１５０）
第１シリンダ２１０の水面が所定の閾値まで到達すると、制御部は、バルブ２２０ａ、４２２ａを閉弁するとともに、バルブ４２０ａを開弁する。そうすると、第１シリンダ２１０の水が第２シリンダ４１０に移動して、第２シリンダ４１０内のガスがデオゾナイザ４３０に送出されることとなる。また、上記したように、圧力調整弁４２０ｂを備える構成により、第２シリンダ４１０内のガスが減圧されすぎてしまい、第１シリンダ２１０で加圧されることで水に溶解したオゾンや二酸化炭素が過剰に失われてしまう事態を回避することができる。
【００４２】
なお、落圧工程Ｓ１５０において、第１シリンダ２１０内の圧力が第１圧力未満となるように、第１シリンダ２１０、第２シリンダ４１０の水位が決定されることとなる。
【００４３】
以上説明したように、本実施形態にかかるクラスレート製造方法によれば、オゾンが収容された第１シリンダ２１０に冷却された二酸化炭素を導入して、オゾンを圧縮する構成により、オゾンの圧縮によって生じる温度上昇を抑えることができ、オゾンの分解を防止することが可能となる。こうして、オゾンの分解を防止しつつ、クラスレート製造ユニット１２０で所望される圧力まで昇圧した原料ガスを生成することが可能となる。
【００４４】
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について説明したが、本発明はかかる実施形態に限定されないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００４５】
例えば、上記実施形態において、第１ガスとしてオゾンを、第２ガスとして二酸化炭素を例に挙げて説明した。しかし、第１ガスおよび第２ガスに限定はなく、クラスレート製造装置１００は、少なくとも第１ガスを包接したクラスレートを製造できればよい。
【００４６】
また、上記実施形態において、第１昇圧工程Ｓ１２０に加えて、さらに、第２昇圧工程Ｓ１３０を遂行する構成を例に挙げて説明した。しかし、第１昇圧工程Ｓ１２０のみで、クラスレート製造ユニット１２０が所望する圧力まで昇圧できる場合、第２昇圧工程Ｓ１３０を省略してもよい。
【００４７】
また、上記実施形態において、１のガス昇圧ユニット１１０を含んで構成されるクラスレート製造装置１００を例に挙げて説明した。しかし、ガス昇圧ユニット１１０の数に限定はなく、複数のガス昇圧ユニット１１０を備えておき、連続的に原料ガスを昇圧してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００４８】
本発明は、ゲスト物質としてガスを包接したクラスレートを製造するクラスレート製造方法に利用することができる。
【符号の説明】
【００４９】
Ｓ１１０  導入工程
Ｓ１２０  第１昇圧工程
Ｓ１３０  第２昇圧工程
【図１】
0006600565.tif 000002
【図２】
0006600565.tif 000003
【図３】
0006600565.tif 000004