(57)【要約】【課題】重水素を製造する際の消費エネルギーを抑え、重水素製造コストを低減すること。【解決手段】原料水素調整ユニット２０及び重水素濃縮ユニット１０は、ＬＮＧ供給設備１２０からＬＮＧが供給される。また、重水素を含む原料水素は、水素利用設備１１０から前処理ユニット３０に供給され、ここで不純物が取り除かれて原料水素調整ユニット２０へ供給される。原料水素調整ユニット２０では、ＬＮＧにより原料水素を冷却するとともに、さらに原料水素を減圧することによりＬＮＧの温度よりも低い温度まで原料水素を冷却する。この原料水素を重水素濃縮ユニット１０へ導き、気相吸着法によって原料水素中の重水素を分離・濃縮する。【選択図】      図１
2005028264.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
重水素を含む原料水素を液化天然ガスにより冷却する第１冷却手段と、当該第１冷却手段によって冷却された前記原料水素を減圧させることによって前記原料水素をさらに冷却する第２冷却手段とを含む原料水素調整手段と、
前記第２冷却手段で冷却された原料水素から気相吸着法によって重水素を濃縮する重水素濃縮手段と、
を有することを特徴とする重水素製造装置。
【請求項２】
前記第１冷却手段では−１４０℃以下の液化天然ガスを用いて前記原料水素を冷却し、前記第２冷却手段では前記原料水素を−１９０℃以下に冷却することを特徴とする請求項１に記載の重水素製造装置。
【請求項３】
前記原料水素から不純物を取り除いて前記原料水素調整手段へ供給する原料水素精製手段と、
重水素を分離した後の前記原料水素を昇圧させる水素昇圧手段と、
を備えたことを特徴とする請求項１又は２に記載の重水素製造装置。
【請求項４】
前記原料水素が減圧される際の膨張エネルギーで前記水素昇圧手段を駆動することを特徴とする請求項３に記載の重水素製造装置。
【請求項５】
重水素を含む原料水素を液化天然ガスにより冷却する第１冷却工程と、
当該第１水素冷却手段によって冷却された前記原料水素を減圧させることにより、前記原料水素をさらに冷却する第２冷却工程と、
当該第２冷却工程で冷却された原料水素から気相吸着法によって重水素を分離する重水素濃縮工程と、
を含むことを特徴とする重水素製造方法。
【請求項６】
前記第１冷却工程前に前記原料水素から不純物を取り除く原料水素精製工程と、
重水素を分離した後の前記原料水素を昇圧させる昇圧工程と、
を有することを特徴とする請求項５に記載の重水素製造方法。
【請求項７】
前記原料水素の純度が所定値よりも低い場合には、前記原料水素の純度が所定値以上になるまで前記原料水素精製工程を繰り返すことを特徴とする請求項６に記載の重水素製造方法。
【請求項８】
請求項１〜４のいずれか１項に記載の重水素製造装置と、
この重水素製造装置で製造された重水素を貯蔵し、必要に応じて重水素利用対象へ前記重水素を供給する重水素貯蔵設備と、
を有することを特徴とする重水素製造プラント。
【請求項９】
原料水素を前記重水素製造装置に供給するとともに、重水素が分離された原料水素を利用する水素利用設備と、
前記重水素製造装置に液化天然ガスを供給するとともに、原料水素の冷却によって昇温した液体又は気体となった天然ガスを前記重水素製造装置から受け取る天然ガス供給設備と、
前記重水素製造装置を所定の運転条件に制御する制御手段と、
を有することを特徴とする請求項８に記載の重水素製造プラント。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、重水素の製造に関し、さらに詳しくは、重水素を製造する際の消費エネルギーを抑え、重水素製造コストを低減できる重水素製造装置及び重水素製造方法、並びに重水素製造プラントに関する。
【０００２】
【従来の技術】
重水素Ｄは水素の安定同位体元素であり、天然に存在するもののその存在比は低い。現在、重水素は、主として標識用や核融合等の研究目的や重水炉を用いた原子力発電所等に使用されているが、近年においては、半導体シリコンアニーリングや重水素置換光ファイバ等に新しい用途が見出されている。現在、重水素は特許文献１に開示されている深冷蒸留法や、特許文献２に開示されている電気分解法によって製造されている。
【０００３】
【特許文献１】
特開平７−２５３４８７号公報  Ｐ３、図１
【特許文献２】
特開平７−２８９８５３号公報  Ｐ２
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記深冷蒸留法では液体水素温度まで重水素を含む原料水素を冷却する必要があり、この冷却に用いるヘリウム冷凍機の消費エネルギーは莫大なものである。また、上記電気分解法も、１段でＨ２とＤ２とに分離する割合は僅かであるので多段階の電気分解を要し、電力エネルギーの消費量が過大になるという問題があった。そこで、この発明は、上記に鑑みてなされたものであって、重水素を製造する際の消費エネルギーを抑え、重水素製造コストを低減できる重水素製造装置及び重水素製造方法、並びに重水素製造プラントを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上述の目的を達成するために、本発明に係る重水素製造装置は、重水素を含む原料水素を液化天然ガスにより冷却する第１冷却手段と、当該第１冷却手段によって冷却された前記原料水素を減圧させることによって前記原料水素をさらに冷却する第２冷却手段とを含む原料水素調整手段と、前記第２冷却手段で冷却された原料水素から気相吸着法によって重水素を濃縮する重水素濃縮手段と、を有することを特徴とする。
【０００６】
この重水素製造装置は、液化天然ガスによる冷却と、液化天然ガスによる冷却後における原料水素の減圧との２段階で原料水素を冷却する。このように、液化天然ガスのみならず、原料水素の減圧を組み合わせることで、液化天然ガス単独で冷却する場合よりも容易に原料水素を極低温・常圧のガス条件に調整することができる。また、原料水素の減圧によって冷却するので、冷却のための特別な装置や寒冷源を用意する必要がなく、冷却に要するエネルギーを低減できる。これにより、重水素製造に要する消費エネルギー及び製造コストを低減することができる。
【０００７】
また、次の本発明に係る重水素製造装置のように、前記第１冷却手段では−１４０℃以下の液化天然ガスを用いて前記原料水素を冷却し、前記第２冷却手段では前記原料水素を−１９０℃以下に冷却することが好ましい。このように、原料水素を−１９０℃以下に冷却すれば同位体効果が高くなる結果、重水素の分離効率が向上するので効率よく重水素を製造することができ、その分重水素製造時における消費エネルギーを低減できる。ここで、同位体効果とは、質量の異なる分子の平衡吸着の差をいう。
【０００８】
また、次の本発明に係る重水素製造装置は、上記重水素製造装置において、前記原料水素から不純物を取り除いて前記原料水素調整手段へ供給する原料水素精製手段と、重水素を分離した後の前記原料水素を昇圧させる水素昇圧手段と、を備えたことを特徴とする。
【０００９】
この重水素製造装置は、原料水素精製手段によって原料水素に含まれるメタン等の不純物を取り除いてから重水素を分離・濃縮するので、気相吸着法による重水素濃縮に要求される純度の原料水素を安定して供給できる。また、水素昇圧手段によって重水素を分離した後における極低温・常圧の原料水素を昇圧させることにより、重水素分離後の水素を利用する設備に適した温度及び圧力条件に水素を調整できる。
【００１０】
また、次の本発明に係る重水素製造装置は、上記重水素製造装置において、前記原料水素が減圧される際の膨張エネルギーで前記水素昇圧手段を駆動することを特徴とする。
【００１１】
このように、原料水素を減圧する際の膨張エネルギーを、例えば膨張タービン等を使用して回収し、水素昇圧手段に利用することにより、重水素製造装置全体の総合的なエネルギー消費を低減することができる。これにより、重水素製造に要するコストを低減することができる。
【００１２】
また、次の本発明に係る重水素製造方法は、重水素を含む原料水素を液化天然ガスにより冷却する第１冷却工程と、当該第１水素冷却手段によって冷却された前記原料水素を減圧させることにより、前記原料水素をさらに冷却する第２冷却工程と、当該第２冷却工程で冷却された原料水素から気相吸着法によって重水素を分離する重水素濃縮工程と、を含むことを特徴とする。
【００１３】
この重水素製造方法は、液化天然ガスによる冷却と、液化天然ガスによる冷却後における原料水素の減圧との２段階で原料水素を冷却する。このように、液化天然ガスのみならず、原料水素の減圧を組み合わせることで、液化天然ガス単独で冷却する場合よりも容易に原料水素を極低温・常圧のガス条件に調整することができる。また、原料水素の減圧によって冷却するので、冷却のための特別な装置や寒冷源を用意する必要がなく、冷却に要するエネルギーを低減できる。これにより、重水素製造に要する消費エネルギー及び製造コストを低減することができる。
【００１４】
また、次の本発明に係る重水素製造方法は、上記重水素製造方法において、前記第１冷却工程前に前記原料水素から不純物を取り除く原料水素精製工程と、重水素を分離した後の前記原料水素を昇圧させる昇圧工程と、を有することを特徴とする。
【００１５】
この重水素製造方法は、原料水素に含まれるメタン等の不純物を取り除いてから重水素を分離・濃縮するので、気相吸着法による重水素濃縮に要求される純度の原料水素を安定して供給できる。また、重水素分離・濃縮後における極低温・常圧の原料水素を昇圧させることにより、重水素分離後の水素を利用する設備に適した温度及び圧力条件に水素を調整できる。
【００１６】
また、次の本発明に係る重水素製造方法は、上記重水素製造方法において、前記原料水素の純度が所定値よりも低い場合には、前記原料水素の純度が所定値以上になるまで前記原料水素精製工程を繰り返すことを特徴とする。
【００１７】
この重水素製造方法は、精製後における原料水素の純度が所定の純度よりも低い場合には、所定の水素純度以上になるまで原料水素の精製工程を繰り返すので、気相吸着法による重水素濃縮に要求される純度の原料水素をさらに安定して供給できる。
【００１８】
また、次の本発明に係る重水素製造プラントは、上記重水素製造装置と、この重水素製造装置で製造された重水素を貯蔵し、必要に応じて重水素利用対象へ前記重水素を供給する重水素貯蔵設備と、を有することを特徴とする。
【００１９】
この重水素製造プラントは、上記重水素製造装置を備えるので、液化天然ガスのみならず、原料水素の減圧を組み合わせることで、液化天然ガス単独で冷却する場合よりも容易に原料水素を極低温・常圧のガス条件に調整することができる。また、原料水素の減圧によって冷却するので、冷却のための特別な装置や寒冷源を用意する必要がなく、冷却に要するエネルギーを低減できる。これにより、重水素製造に要する消費エネルギー及び製造コストを低減することができる。
【００２０】
また、次の本発明に係る重水素製造プラントは、上記重水素製造プラントにおいて、原料水素を前記重水素製造装置に供給するとともに、重水素が分離された原料水素を利用する水素利用設備と、前記重水素製造装置に液化天然ガスを供給するとともに、原料水素の冷却によって昇温した液体又は気体となった天然ガスを前記重水素製造装置から受け取る天然ガス供給設備と、前記重水素製造装置を所定の運転条件に制御する制御手段と、を有することを特徴とする。
【００２１】
この重水素製造プラントは、水素利用設備で使用する水素を原料水素として活用するので、重水素の原料費を低減することができる。また、天然ガス供給設備から寒冷材として液化天然ガスの供給を受けるので、原料水素を冷却するための冷凍機が不要になる。これにより、液化天然ガスの搬送エネルギーのみで原料水素を冷却できるので冷凍機駆動エネルギーが不要になり、原料水素の冷却に要するエネルギーを大幅に低減することができる。これにより、重水素製造プラントの運転コストを大幅に低減して、重水素の製造コストを低減できる。さらに、天然ガス供給設備は、昇温した液化天然ガスあるいは気化した天然ガスを受け取るので、天然ガス利用対象に天然ガスを供給する際に天然ガスを気化させるエネルギーを低減できる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下、この発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、この実施の形態によりこの発明が限定されるものではない。また、下記実施の形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるものあるいは実質的に同一のものが含まれる。
【００２３】
図１は、本発明の実施の形態に係る重水素製造装置を含んだ重水素製造プラントを示す説明図である。この重水素製造装置１は、−１４０℃以下の液化天然ガス（ＬＮＧ：Ｌｉｑｕｉｄ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）との熱交換及び減圧（断熱膨張）による冷却によって、重水素を含む常温・高圧の原料水素を二段階に冷却し、−１９０℃以下とする。そして、冷却後の原料水素から気相吸着法によって重水素を分離・冷却する点に特徴がある。
【００２４】
図１に示す重水素製造プラント１００は、水素利用設備１１０とＬＮＧ供給設備１２０と重水素製造装置１とで構成される。重水素製造装置１は、水素利用設備１１０から原料水素が供給され、また、ＬＮＧ供給設備１２０からは、原料水素及び重水素濃縮ユニット１０を冷却するためのＬＮＧが供給される。原料水素は重水素を含み、常温（１０〜３５℃程度）、高圧（２〜３Ｍｐａ程度）の水素ガスとして供給される。ＬＮＧ供給設備１２０から供給されるＬＮＧは、−１４０℃以下、より好ましくは−１５０℃以下の温度に調整される。
【００２５】
水素利用設備１１０は、何らかの形態で水素を利用する設備であり、例えば石油精製プラントの重質油処理設備が挙げられる。重質油処理には触媒反応による水素化処理があるので処理用の水素が必要であるが、この水素は重水素である必要はない。したがって、本発明に係る重水素製造装置１では、水素利用設備１１０から供給される重水素を含む原料水素から重水素を分離・濃縮し、重水素分離後の水素を水素利用設備１１０へ返送し、これを重質油処理用の水素として利用する。このように、本発明に係る重水素製造装置１及び重水素製造プラント１００では、水素利用設備で使用する水素を原料水素として活用するので、重水素の原料費を低減することができる。
【００２６】
ＬＮＧ供給設備１２０は、重水素製造装置１の原料水素調整手段である原料水素調整ユニット２０、及び重水素濃縮手段である重水素濃縮ユニット１０へ、−１４０℃以下に冷却したＬＮＧ１を供給する。そして、重水素製造装置１で原料水素や重水素濃縮ユニット１０を冷却して気化したＧＮＧ（Ｇａｓ  Ｎａｔｕｒａｌ  Ｇａｓ）、あるいは顕熱交換したＬＮＧ２が、ＬＮＧ供給設備１２０へ返送される。ＬＮＧ供給設備１２０は、例えば、既存のＬＮＧプラント等であり、重水素製造装置１から返送されるＧＮＧをそのまま、あるいは顕熱交換したＬＮＧ２を気化させて、工場や一般家庭等の利用対象に対して供給する。一般にＬＮＧは気化させてから利用対象へ供給するが、本発明に係る重水素製造プラント１００では、重水素製造装置１で原料水素を冷却等する際にＬＮＧを気化あるいは顕熱交換させる。このため、ＬＮＧを利用対象へ供給する前にこれを気化させるエネルギーを極めて低減することができ、ＬＮＧ供給設備１２０の運転コストを低減することができる。なお、本発明の重水素製造装置１は、既存の水素利用設備１１０やＬＮＧ供給設備１２０に隣接して建設すると、これらから原料水素や寒冷源としてのＬＮＧの供給を受けることができ、それによって運転コストを低減できる。
【００２７】
次に、本発明に係る重水素製造装置１について説明する。この重水素製造装置１は、水素利用設備１１０から供給される原料水素、及び重水素分離後の返送水素の圧力・温度条件を調整する原料水素調整ユニット２０と、原料水素から重水素を分離・濃縮する重水素濃縮ユニット１０とを有する。また、必要に応じて、原料水素調整ユニット２０の前段に、原料水素精製手段である前処理ユニット３０を設けてもよい。
【００２８】
重水素濃縮ユニット１０に供給する原料水素は所定の純度以上であることが必要である。このため、前処理ユニット３０は、原料水素からメタンや硫黄等の不純物を取り除いて、所定の純度（例えば水素成分が約９０％以上）に原料水素を精製してから原料水素調整ユニット２０へ原料水素を供給する。前処理ユニット３０の精製方式は、例えば加圧式気相吸着による不純物除去方式や、中空膜による不純物除去方式を使用することができる。前者によれば、水素純度を９９．９９％程度まで精製することができ、後者によれば、水素純度を９９．９％程度まで精製することができる。
【００２９】
原料水素調整ユニット２０は、第１水素配管６２１を介して、前処理ユニット３０で所定の純度まで精製された原料水素の供給を受ける。なお、本実施の形態において、この原料水素のガス条件は常温・高圧であり、重水素濃縮ユニット１０の運転条件は極低温（−１４０℃以下）・常圧（０．１ＭＰａ前後）である。このため、常温・高圧の原料水素を極低温・常圧のガス条件に調整して、重水素濃縮ユニット１０へ供給する必要がある。原料水素調整ユニット２０は、常温・高圧の原料水素のガス条件を極低温・常圧に調整し、第２水素配管６２２を介して重水素濃縮ユニット１０へ供給する。
【００３０】
また、原料水素調整ユニット２０には、重水素が分離・濃縮された後の原料水素が、極低温・常圧の返送水素として重水素濃縮ユニット１０から第３水素配管６２３を介して返送される。水素利用設備１１０において利用する水素のガス条件は常温・高圧なので、重水素濃縮ユニット１０から送られる極低温・常圧の返送水素を常温・高圧のガス条件に調整する必要がある。すなわち、原料水素調整ユニット２０は極低温・常圧の返送水素を、常温・高圧のガス条件に調整してから、第４水素配管６２４を介して水素利用設備１１０へ返送する機能も有する。
【００３１】
図２は、本発明の実施の形態に係る原料水素調整ユニットの構成を示す概念図である。同図を用いて、本発明に係る原料水素調整ユニット２０の機能を詳述する。前処理ユニット３０（図１参照）で所定の純度まで精製された原料水素Ｈ１は、常温・高圧のガス条件で原料水素調整ユニットへ投入される。このときのガス条件は、温度がＴＨ１で、圧力がＰＨ１である。原料水素Ｈ１は、原料水素調整ユニット２０に備えられた第１冷却手段であるＬＮＧ熱交換器２２へ導かれる。ＬＮＧ熱交換器２２には、ＬＮＧ供給設備１２０から供給される極低温・高圧の温度ＴＮ１、圧力ＰＮ１の液化天然ガスＬＮＧ１が供給される。
【００３２】
ＬＮＧ熱交換器２２においては、常温（ＴＨ１）の原料水素Ｈ１と極低温（ＴＮ１）のＬＮＧ１とが熱交換して、原料水素Ｈ１の温度はＴＨ１からＴＨ２（−１３０〜−１４０℃程度）まで低下する（ＴＨ１＞ＴＨ２）。ＬＮＧ熱交換器２２内を原料水素Ｈ１が流れる際の圧力損失により、原料水素Ｈ１の圧力ＰＨ１はＰＨ２へやや低下する。ＬＮＧ１は原料水素Ｈ１を冷却することにより温度ＴＮ１からＴＮ２へ上昇する（ＴＮ１＜ＴＮ２）。昇温したＬＮＧ２は液化したまま、あるいは温度条件、圧力条件等によっては気化してＧＮＧとなり、ＬＮＧ供給設備１２０へ返送される。このように、ＬＮＧ１は、原料水素Ｈ１を冷却することにより極低温から略常温まで昇温するので、原料水素Ｈ１の冷却後液化した状態であっても、その後のガス化に要するエネルギーは極めて低減される。
【００３３】
ＬＮＧ１によって冷却された原料水素Ｈ２は、第２冷却手段である膨張タービン２４に送られる。膨張タービン２４で原料水素Ｈ２が断熱膨張することにより、その圧力ＰＨ２はＰＨ３へ減圧されるとともに、温度はＴＨ２からＴＨ３へ低下する。これにより、原料水素Ｈ３の温度は−１９０℃以下に低下し、また圧力は常圧まで低下するので、同位体効果の高い領域で原料水素Ｈ３から重水素を分離・濃縮することができる。このようにして、原料水素調整ユニット２０は、重水素濃縮ユニット１０の運転条件である極低温・常圧の領域まで原料水素のガス条件を調節することができる。
【００３４】
第２冷却手段は、例えば膨張弁等を使用することにより原料水素Ｈ２を断熱膨張させてもよいが、本実施の形態のように、膨張タービン２４を使用して原料水素Ｈ２の膨張エネルギーを動力として回収することができる。膨張タービン２４で回収した原料水素Ｈ２の膨張エネルギーは、例えば発電機７０１によって電気エネルギーに変換することができる。また膨張タービン２４の回転運動を、直接運動エネルギーとして回収してもよい。
【００３５】
重水素濃縮ユニット１０の運転条件である極低温・常圧までガス条件が調整された原料水素Ｈ３は、重水素濃縮ユニット１０へ供給されて、ここで重水素が分離・濃縮される。なお、重水素濃縮ユニット１０では、吸着熱その他（回転機器、外部入熱）の発熱Ｑ−１０１が発生し、原料水素Ｈ３に与えられる。重水素が分離された後の原料水素Ｈ４は水素利用設備１１０（図１参照）へ返送されるが、水素利用設備１１０におけるガス条件は常温・高圧である。重水素が分離された後の原料水素Ｈ４は極低温・常圧のガス条件なので、昇温手段及び昇圧手段によって、水素利用設備１１０におけるガス条件に原料水素Ｈ４のガス条件を調整する必要がある。このため、原料水素Ｈ４は昇圧手段に送られて、ここで昇圧すると同時に昇温する。本発明の実施の形態においては、昇圧手段に２台の圧縮機を使用するが、圧縮機の仕様や性能によっては１台の圧縮機でもよく、また３台以上の圧縮機を使用してもよい。
【００３６】
原料水素Ｈ４を圧縮する第１圧縮機７２１は、モータ７０２によって駆動される。モータ７０２は発電機７０１から発生される電気エネルギーによって駆動される。発電機７０１は、膨張タービン２４によって駆動されるので、第１圧縮機７２１は、膨張タービン２４で回収した原料水素Ｈ２の膨張エネルギーによって駆動されることになる。このように、第２冷却手段として膨張タービン２４を用いれば、回収した原料水素Ｈ２の膨張エネルギーを活用することにより、重水素製造装置１全体としての総合的なエネルギー消費を抑えることができる。
【００３７】
原料水素Ｈ４は、第１圧縮機７２１によって温度がＴＨ４からＴＨ５に、圧力はＰＨ４からＰＨ５に上昇する（ＴＨ４＜ＴＨ５、ＰＨ４＜ＰＨ５）。そして、昇温・昇圧した原料水素Ｈ５は第２圧縮機７２２へ導かれて、ここで温度がＴＨ５からＴＨ６に、圧力はＰＨ５からＰＨ６に上昇する（ＴＨ５＜ＴＨ６、ＰＨ５＜ＰＨ６）。なお、回収した原料水素Ｈ２の膨張エネルギーは、第２圧縮機７２２で利用してもよく、原料水素調整ユニット２０全体で考えた場合に、最もエネルギー効率が高くなるように設計すればよい。
【００３８】
温度がＴＨ６、圧力がＰＨ６のガス条件となった原料水素Ｈ６は、返送水素用熱交換器７６に導かれて、常温まで温度が上昇する。ここで、返送水素用熱交換器７６には、ポンプ７４からエネルギーＱ−１０４を持つ加熱媒体ＣＷ２が送られて、原料水素Ｈ６はこの加熱媒体ＣＷ２と熱交換する。加熱媒体ＣＷ２は、例えば、熱エネルギーＱ−１０４を持つ海水や工場用水等を汲み上げて使用する。そして、温度がＴＨ７、圧力がＰＨ７となった原料水素Ｈ７は、返送水素として水素利用設備１１０へ返送される（ＴＨ６＜ＴＨ７）。
【００３９】
次に、重水素濃縮ユニット１０について説明する。重水素濃縮ユニット１０には、原料水素調整ユニット２０（図１、２参照）によって極低温・常圧のガス条件に調整された原料水素Ｈ３が供給される。重水素濃縮ユニットは、気相吸着法によって原料水素から重水素を分離し、濃縮する。この気相吸着法について簡単に説明する。
【００４０】
図３は、気相吸着法による重水素の分離原理を示す説明図である。気相吸着法は、質量の異なる分子（Ｈ２、ＨＤ）の平衡吸着の差（同位体効果）を利用して質量の異なる分子を分離する方法である。例えば、ゼオライト等の吸着材に、特定の分子を吸着させる、あるいは吸着させないことにより、他の分子と分離する。本発明においては、重水素を含む常圧の水素から重水素を分離・濃縮するにあたり、気相吸着法を用いる。まず、図３（ａ）に示すように、重水素を含む常圧の原料水素のガスを吸着材１１に接触させる。ここで、原料水素のガスには、Ｈ２と、重水素（Ｄ）と結合するＨＤとが含まれている。
【００４１】
このような原料水素のガスが吸着材１１に接触すると、重水素Ｄと結合しているＨＤは選択的に吸着材１１へ吸着され、Ｈ２は吸着されずに回収される。吸着材１１に十分なＨＤが吸着したら、吸着したＨＤを回収する。図３（ｂ）に示すように、ＨＤの回収においては、吸着材１１を常圧Ｐｓ（大気圧）よりも低い圧力Ｐｌ下におくことにより、吸着されたＨＤを回収することができる。
【００４２】
気相吸着法による水素の同位体分離においては、水素の同位体効果が顕著に現れる低温領域で上記分離操作を実行することが好ましい。このような温度環境下においては、重水素の分離効率が向上する結果、同じエネルギーを投入した場合にはより多くの重水素を分離・濃縮できるからである。具体的にはＬＮＧ温度や液体窒素温度で同位体効果が顕著になる。このため、上述したように、ＬＮＧによって原料水素を−１４０℃以下に冷却した後、高圧の原料水素を減圧することにより原料水素を−１９０℃以下に冷却して、重水素濃縮ユニット１０（図１参照）へ供給する。このように、原料水素を−１９０℃以下に冷却すれば、単にＬＮＧで原料水素を−１４０℃程度に冷却した場合よりも前記同位体効果が大きくなるので、重水素の分離効率が向上する。これにより、効率よく重水素を製造することができ、その結果重水素製造時における消費エネルギーも低減する。
【００４３】
同様に、重水素濃縮ユニット１０に備えられる吸着材１１も、ＬＮＧ温度や液体窒素温度まで冷却して重水素濃縮ユニット１０を運転する。本発明の重水素製造装置１では、図１に示すように、第２ＬＮＧ供給配管６０Ｌ２を介してＬＮＧ供給設備１２０から重水素濃縮ユニット１０へ、−１４０℃以下のＬＮＧを供給する。これにより、重水素濃縮ユニット１０に備えられる吸着材１１を冷却して重水素の吸着反応を極低温環境下に維持し、重水素の分離効率を向上させる。
【００４４】
図４及び図５は、本発明に係る重水素濃縮ユニットが備える吸着部の冷却構造を示す説明図である。図４に示す構造においては、ＨＤ分離用吸着部１２、又は重水素精製用吸着部１６をコールドボックス１８内に配置する。そして、コールドボックス１８にＬＮＧを供給してＨＤ分離用吸着部１２等を直接冷却する。コールドボックス１８に供給されたＬＮＧは、気化又は顕熱交換して、ＬＮＧ供給設備１２０（図１参照）へ返送される。この冷却構造は、最終段の重水素精製用吸着部１６のように、吸着部の容積が比較的小さい場合に適している。この構成においては、バルブ６１４、６１５を開けて、バルブ６１１、６１３を閉じることにより、原料水素をブロワ６４でＨＤ分離用吸着部１２等へ供給して、ＨＤ等を吸着材に吸着させる。次に、バルブ６１４、６１５を閉じ、バルブ６１１、６１３を開けて、真空ポンプ６６を作動させることにより、吸着したＨＤ等をバッファタンク６８へ導く。
【００４５】
図５に示す冷却構造では、吸着塔１９内にＬＮＧ１を引き込み、ＨＤ分離用吸着部１２、又は重水素精製用吸着部１６に設けた熱交換器１７によってＨＤ分離用吸着部１２等を冷却する。熱交換器１７は、複数の細管内にＬＮＧ１を流す構造であり、当該細管の外側雰囲気を冷却する。吸着塔１９の熱交換器１７に供給されたＬＮＧは気化又は顕熱交換して、ＬＮＧ供給設備１２０（図１参照）へ返送される。この冷却構造は、ＨＤ分離用吸着部１２のように、吸着部の容積が大きい場合に適する構造である。
【００４６】
ここで、図１に戻って説明する。重水素濃縮ユニット１０で濃縮された重水素は、重水素貯蔵設備４０へ送られて貯蔵され、必要に応じてボンベ詰等されて出荷される。重水素が分離された後の原料水素は、返送水素として第３水素配管６２３を介して原料水素調整ユニット２０へ送られる。そして、上述したように、ここで水素利用設備１１０において必要な常温・高圧のガス条件に調整された後、第４水素配管６２４を介して水素利用設備１１０へ返送される。
【００４７】
本発明の重水素製造プラント１００には、重水素製造装置１の各ユニットや重水素貯蔵設備等の運転状況を監視し、これらの運転状況を司る制御部５０が備えられている。この制御部５０は、前処理ユニット３０で精製された後の原料水素純度を測定して、水素純度が所定の純度よりも低い場合には、バルブ６７１を閉じ、バルブ６７２を開ける。これにより、水素回収流路６２ｒを介して精製後の原料水素を再び前処理ユニット３０に戻して、所定の純度以上になるまで原料水素の精製を繰り返すように前処理ユニットを制御する。このようにすることで、気相吸着法による重水素濃縮に要求される純度の原料水素を重水素濃縮ユニット１０へ安定して供給できる。
【００４８】
また、制御部５０は、原料水素調整ユニット２０や重水素濃縮ユニット１０の運転状況を監視し、これらが所定のガス条件や運転条件で運転されるように制御する。また、異常時にはこれらからの警報を送受信して、これらの運転を停止したり、安全装置を起動させたりする。さらに重水素貯蔵設備４０に規定圧力以上で重水素が貯蔵されている場合には、警報を発したりする機能も持つ。さらに、重水素製造装置１や重水素製造プラント１００で取り扱う水素やＬＮＧは可燃性なので、これらの漏れを検知し、必要に応じて警報を発したり運転を中止したりする安全機能も備える。これにより、可燃性の高い水素やＬＮＧを取り扱う重水素製造装置１や重水素製造プラント１００においても、安全かつ円滑に運転することができる。
【００４９】
上記の諸機能は、制御部５０によって実現される。具体的には、例えば、上記の諸機能を実現するための処理手順を記述した制御テーブルを制御部５０の記憶部５０ｍへ予め記憶させておき、必要に応じてこのテーブルを処理部５０ｃが読み取って上記機能を実現することができる。なお、処理部５０ｃは専用のハードウエアにより実現されるものであってもよく、また、この処理部５０ｃはメモリ及びＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ  Ｕｎｉｔ：中央演算装置）により構成され、処理部５０ｃの機能を実現するためのプログラム（図示省略）をメモリにロードして実行することによりその機能を実現させるものであってもよい。また、なお、記憶部５０ｍは、ハードディスク装置や光磁気ディスク装置、フラッシュメモリ等の不揮発性のメモリや、ＣＤ−ＲＯＭ等のような読み出しのみが可能な記憶媒体、あるいはＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ  Ａｃｃｅｓｓ  Ｍｅｍｏｒｙ）のような揮発性のメモリ、あるいはこれらの組み合わせにより構成することができる。
【００５０】
以上、本発明に係る重水素製造装置１及び重水素製造方法並びに重水素製造プラントでは、ＬＮＧによる冷却と、冷却後における原料水素の減圧との２段階で原料水素を冷却する。このように、原料水素の減圧を組み合わせることで、ＬＮＧ単独で冷却する場合よりも容易に原料水素を極低温・常圧のガス条件に調整することができる。また、原料水素の減圧によって冷却するので、冷却のための特別な装置や寒冷源を用意する必要がなく、冷却に要するエネルギーを低減できる。さらに、原料水素の減圧において膨張タービン２４を使用して減圧の際の膨張エネルギーを回収し、利用することにより、本発明に係る重水素製造装置１全体の総合的なエネルギー消費を低減することができる。
【００５１】
また、ＬＮＧをガス利用源へ供給するＬＮＧ供給設備１２０（図１参照）から、寒冷源であるＬＮＧの供給を受けて原料水素を冷却するので、従来のような冷凍機が不要になる。これにより、ＬＮＧの搬送エネルギーのみで原料水素を冷却できるので冷凍機駆動エネルギーが不要になり、原料水素の冷却に要するエネルギーを大幅に低減できる。また、既存のＬＮＧ供給設備を利用するので、液体窒素等の寒冷源を必要に応じて別途入手する必要もなく、寒冷源を製造するための設備の新設も不要である。これにより、重水素製造装置１や重水素製造プラント１００の製造コストを大幅に低減できる。また、液体窒素等の寒冷源の入手コスト又は製造コストは不要なので、別途寒冷源を用意する場合と比較して、重水素製造装置１や重水素製造プラント１００の運転コスト及び重水素の製造コストを大幅に低減できる。
【００５２】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明に係る重水素製造装置では、液化天然ガスのみならず、原料水素の減圧を組み合わせて原料水素を極低温・常圧のガス条件に冷却するようにした。これにより、液化天然ガス単独で冷却する場合よりも容易に原料水素を極低温・常圧のガス条件に調整することができる。また、原料水素の減圧によって冷却するので、冷却のための特別な装置や寒冷源を用意する必要がなく、重水素製造に要する消費エネルギー及び製造コストを低減することができる。
【００５３】
また、次の本発明に係る重水素製造装置では、ＬＮＧ冷却後の原料水素を減圧する際に、原料水素を−１９０℃以下に冷却するようにした。これにより、同位体効果が高くなる結果、重水素の分離効率が向上するので、その分重水素製造時における消費エネルギーを低減できる。
【００５４】
また、次の本発明に係る重水素製造装置では、原料水素精製手段によって原料水素に含まれるメタン等の不純物を取り除いてから重水素を分離・濃縮するようにした。これにより、気相吸着法による重水素濃縮に要求される純度の原料水素を安定して供給できる。また、重水素を分離した後における極低温・常圧の原料水素を昇圧させることにより、重水素分離後の水素を利用する設備に適した温度及び圧力条件に水素を調整できる。
【００５５】
また、次の本発明に係る重水素製造装置では、原料水素を減圧する際の膨張エネルギーを回収し、水素昇圧手段の駆動に利用するようにした。これにより、重水素製造装置全体の総合的なエネルギー消費を低減し、重水素製造に要するコストを低減することができる。
【００５６】
また、次の本発明に係る重水素製造方法では、ＬＮＧによる原料水素の冷却と、原料水素の減圧による冷却とを組み合わせた。これにより、液化天然ガス単独で冷却する場合よりも容易に原料水素を極低温・常圧のガス条件に調整することができる。また、原料水素の減圧によって冷却するので、冷却に要するエネルギーを低減でき、重水素製造に要する消費エネルギーを低減することができる。
【００５７】
また、次の本発明に係る重水素製造方法では、原料水素に含まれるメタン等の不純物を取り除いてから重水素を分離・濃縮するようにしたので、気相吸着法による重水素濃縮に要求される純度の原料水素を安定して供給できる。また、重水素分離・濃縮後における、極低温・常圧の原料水素を昇圧させるようにしたので、重水素分離後の水素を利用する設備に適した温度及び圧力条件に水素を調整できる。
【００５８】
また、次の本発明に係る重水素製造方法では、精製後における原料水素の純度が所定の純度よりも低い場合には、所定の水素純度以上になるまで原料水素の精製工程を繰り返すようにしたので、気相吸着法による重水素濃縮に要求される純度の原料水素をさらに安定して供給できる。
【００５９】
また、次の本発明に係る重水素製造プラントでは、上記重水素製造装置を備えるようにした。これにより、ＬＮＧによる冷却と原料水素の減圧による冷却とを組み合わせて原料水素を冷却するので、冷却に要するエネルギーを低減できる。これにより、重水素製造に要する消費エネルギー及び製造コストを低減することができる。
【００６０】
また、次の本発明に係る重水素製造プラントでは、水素利用設備で使用する水素を原料水素として活用するようにしたので、重水素の原料費を低減することができる。また、天然ガス供給設備から寒冷材として液化天然ガスの供給を受けるようにしたので、ＬＮＧの搬送エネルギーのみで原料水素を冷却できる。その結果、冷凍機駆動エネルギーが不要になり、原料水素の冷却に要するエネルギーを大幅に低減して、重水素の製造コストを低減できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施の形態に係る重水素製造装置を含んだ重水素製造プラントを示す説明図である。
【図２】本発明の実施の形態に係る原料水素調整ユニットの構成を示す概念図である。
【図３】気相吸着法による重水素の分離原理を示す説明図である。
【図４】本発明に係る重水素濃縮ユニットが備える吸着部の冷却構造を示す説明図である。
【図５】本発明に係る重水素濃縮ユニットが備える吸着部の冷却構造を示す説明図である。
【符号の説明】
１  重水素製造装置
１０  重水素濃縮ユニット
１１  吸着材
１２、１２１、１２２、１２３  ＨＤ分離用吸着部
１４  同位体平衡器
１６  重水素精製用吸着部
１７  熱交換器
１８  コールドボックス
１９  吸着塔
２０  原料水素調整ユニット
２２  ＬＮＧ熱交換器
２４  膨張タービン
３０  前処理ユニット
４０  重水素貯蔵設備
１００  重水素製造プラント
１１０  水素利用設備
１２０  ＬＮＧ供給設備
【図１】
2005028264.tif 000003
【図２】
2005028264.tif 000004
【図３】
2005028264.tif 000005
【図４】
2005028264.tif 000006
【図５】
2005028264.tif 000007